GRADE DE BATERIA
REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS
Este pedido reivindica o benefício do Pedido dePatente Provisória U.S. N° 60/683.608, depositado em 23 demaio de 2005, cuja exposição inteira é incorporada comoreferência aqui.
ANTECEDENTES
As presentes invenções se referem a grades para uso embaterias (por exemplo, baterias de ácido de chumbo, taiscomo baterias para aplicações de partida, iluminação eignição de veículos; baterias marinhas; bateriascomerciais; baterias industriais; baterias para uso comveículos elétricos híbridos; etc.). Mais especificamente,as presentes invenções se referem a grades que têm umaconfiguração a qual resiste a um curto de uma célula debateria devido ao crescimento das grades.
As baterias de ácido de chumbo convencionalmenteincluem várias células nas quais a energia é armazenada.Por exemplo, uma bateria de 12 Volts pode incluir seiscélulas, cada uma das quais provendo 2 Volts. Cada uma dascélulas inclui um ou mais eletrodos positivos ou placas eum ou mais eletrodos negativos ou placas. Um eletrólito(por exemplo, um ácido tal como ácido sulfúrico diluído)também é provido nas células para facilitação de reaçõesquímicas, as quais ocorrem nas células durante a carga e adescarga da bateria.
Os eletrodos positivos e negativos compreendem, cadaum, uma grade feita de chumbo ou de uma liga de chumbo (porexemplo, uma liga de chumbo e cálcio) na qual um materialativo na forma de uma pasta é provido. Essas grades incluemuma pluralidade de fios acoplados a uma pluralidade de nós(por exemplo, uma grade de bateria pode incluir um quadrocompreendendo quatro lados com um borne ou um coletor decorrente se estendendo a partir de um dos lados e uma redede fios ou elementos de grade interconectados com umapluralidade de nós).
Os eletrodos positivos e negativos são dispostos emcada uma das células de uma forma alternada e são separadosde placas adjacentes por um separador (por exemplo, umseparador polimérico microporoso). Por exemplo, oseletrodos negativos podem estar contidos em uma envoltóriade separador para se isolá-los eletricamente de eletrodospositivos adjacentes. Desta maneira, os eletrodos positivose negativos são impedidos de entrarem em contato direto unscom os outros, o que causaria um curto na célula.
Por um período de uso estendido, as grades serãocorroídas, o que, por sua vez, fará com que as gradescresçam. A título de ilustração, a FIGURA 1 mostra umacélula que tem um primeiro eletrodo 10 (por exemplo, umeletrodo positivo) com um coletor de corrente 12 dispostoadjacente a um segundo eletrodo (por exemplo, um eletrodonegativo, parcialmente obscurecido pelo eletrodo 10 naFIGURA 1) com um coletor de corrente 22. O coletor decorrente 12 do eletrodo positivo é eletricamente acopladoaos outros eletrodos positivos na célula por uma tira ou umconector 14, enquanto o coletor de corrente 22 do eletrodonegativo é eletricamente acoplado aos outros eletrodosnegativos na célula por uma tira ou um conector 24. A tirapositiva em uma célula então é conectada a uma tiranegativa na outra célula.O crescimento do eletrodo positivo 10 é ilustradopelas linhas tracejadas 30 e 32. Quando instaladas em umrecipiente de bateria, as grades geralmente são restritasnos seus lados e no fundo por paredes do recipiente debateria. Assim sendo, o crescimento das grades geralmentecorre ao longo da superfície de topo das grades. Em certassituações, esse crescimento não restrito na direçãovertical positiva pode causar um curto da célula. Porexemplo, conforme mostrado na FIGURA 1, o crescimento dagrade positiva ilustrado pela linha tracejada 32 resulta emuma porção da grade entrar em contato com a tira 24 que éconectada aos eletrodos negativos. Em uma situação comoessa, os eletrodos positivos e negativos são eletricamenteacoplados em conjunto, o que pode atuar para criar um curtona célula. Assim, embora os eletrodos positivos e negativosadjacentes possam ser separados uns dos outros com umseparador polimérico, um curto ainda pode ocorrer devido ãcorrosão das grades, a qual causa um crescimento na direçãovertical.
Embora seja conhecido prover grades para uso embaterias, essas configurações conhecidas de grade nãoprovêem certos recursos vantajosos e/ou combinações derecursos.
SUMARIO
Uma modalidade da presente invenção se refere a umagrade de bateria que inclui um quadro que inclui umelemento de topo, um elemento de fundo, um primeiroelemento lateral e um segundo elemento lateral. A grade debateria também inclui uma pluralidade de fios providos noquadro e definindo uma pluralidade de áreas abertas e umborne de coleta de corrente se estendendo a partir doelemento de topo em uma primeira direção. A grade debateria ainda inclui pelo menos um recurso provido na gradede bateria que é configurado para reduzir a quantidade decrescimento da grade de bateria na primeira direção, devidoà corrosão da grade de bateria durante a vida da grade debateria.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A FIGURA 1 ilustra o crescimento de uma grade debateria devido à corrosão, o que pode resultar em um curtode uma célula de bateria.
A FIGURA 2 é uma vista plana de uma grade de bateriade acordo com uma modalidade de exemplo.
A FIGURA 3 é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 4 é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 5 é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 6 é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 7A é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 7B é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 8 é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
A FIGURA 9 é uma vista plana de uma porção de umagrade de bateria similar àquela mostrada na FIGURA 2, queinclui uma configuração modificada que é pretendida pararestrição do crescimento geral da grade devido à corrosão.
DESCRIÇÃO DETALHADA
A FIGURA 2 ilustra uma grade de bateria 100 de acordocom uma modalidade de exemplo. A grade 100 pode ser umagrade positiva ou uma negativa, e pode ser produzida porqualquer método conhecido (por exemplo, por fundição, porexpansão de uma folha de material após a perfuração dafolha, por uma operação de puncionamento progressivo, etc.)usando-se quaisquer materiais conhecidos (por exemplo,chumbo ou ligas de chumbo, tais como ligas de chumbo ecálcio, etc.). Vários exemplos não exclusivos de grades debateria que podem ser usadas de acordo com a presenteexposição são mostrados, por exemplo, nas Patentes U.S. aseguir, cujas exposições são desse modo incorporadas comoreferência: Patente U.S. N° 5.582.936; Patente U.S. N°5.989.749; Patente U.S. N° 6.203.948; Patente U.S. N°6.245.462; e Patente U.S. N° 6.274.274.
Com referência à FIGURA 2, a grade 100 compreende umquadro que inclui um elemento de quadro de topo 112, umprimeiro e um segundo elementos de quadro laterais 114 e116, e um elemento de quadro de fundo 118. A grade 100inclui uma série de fios de grade que definem áreas abertas120 que mantêm uma pasta eletroquimicamente ativa (nãomostrada) que prove a geração de corrente para uma bateria.Um coletor de corrente ou borne 122 é integral com oelemento de quadro de topo 112 e é deslocado do centro doelemento de quadro de topo 112. O elemento de quadro detopo 112 inclui uma seção condutiva aumentada 124diretamente abaixo do borne 122, e tem o formato mostradopara a otimização da condução de corrente para o borne 122.
Uma série de elementos de fio de grade que se estendemradialmente verticais 126 faz parte da grade 100. Oselementos de fio verticais 126 são conectados ao elementode quadro de topo 112 e a pelo menos um dentre o elementode quadro de fundo 118, o primeiro elemento de quadrolateral 114 e o segundo elemento de quadro lateral 116. Oselementos de fio verticais 126 se tornam mais próximos emconjunto quando se movendo a partir do elemento de fundo118 em direção ao elemento de topo 112 e ficam maisafastados quando se movendo em direção ao elemento esquerdo114 ou ao elemento direito 116.
A grade 100 também inclui uma pluralidade de elementosde fio horizontais ou transversais 130. As seçõesindividuais das extremidades dos elementos de fio verticais126 e dos elementos de fio horizontais 130 são unidas emuma pluralidade de nós 144 que definem as áreas abertas 120que suportam a pasta eletroquimicamente ativa paracondução.
As FIGURAS 3 a 9 ilustram várias modificações na grademostrada na FIGURA 1, que são pretendidas pararetardamento, restrição ou refreamento do crescimento dagrade 100, quando a grade 100 se corroer, durante sua vidaútil em uma bateria. Os números circulados mostrados naFIGURA 2 refletem a localização na grade 100 em que asvárias modificações devem ser feitas (por exemplo, amodificação mostrada na FIGURA 3 é designada pelo númerocirculado 3 na FIGURA 2) .
Conforme mostrado na FIGURA 3, uma "ligação fraca"pode ser provida para um dos elementos de fio horizontaisou verticais. Por exemplo, de acordo com uma modalidade deexemplo, uma primeira porção ou segmento 220 de um fio 200pode ser unido a uma segunda porção ou segmento 23 0 do fio200 por uma porção ou um segmento 210 que é configuradopara romper quando uma quantidade limite de tensão foraplicada ao fio 200. Quando o crescimento da grade 100causa um movimento da primeira porção 210 em relação àsegunda porção 23 0, a porção média 210 se romperá, o quepode atuar para interromper o crescimento da grade nesteponto. Conforme mostrado na FIGURA 3, a porção média 210 éprovida para conexão da porção 22 0 à porção 23 0, de modoque a porção 220 seja "alternada" em relação à porção 230.De acordo com várias modalidades de exemplo, qualquernúmero adequado de ligações fracas pode ser provido nagrade para redirecionamento das tensões causadas pelocrescimento da grade devido à corrosão, e elas podem serprovidas para os fios verticais e os horizontais, conformepuder ser desejado.
Conforme mostrado na FIGURA 4, um ou mais fiosverticais e horizontais podem ser configurados para atuaremcomo um fusível que é pretendido para abrir quando umaquantidade limite de tensão for aplicada ou para se corroerem qualquer dado momento da vida da bateria. De acordo comuma modalidade de exemplo mostrada na FIGURA 4, um fio 300pode incluir uma primeira porção ou segmento 320 e umasegunda porção ou segmento 33 0 conectados por uma porçãorelativamente fina ou segmento 310 (por exemplo, a porção310 tem uma área de seção transversal menor e/ou um formatode seção transversal diferente, se comparado com o restantedo fio 3 00) . Quando o crescimento da grade ocorre comoresultado de corrosão, uma tensão de tração pode seraplicada ao fio 310. Devido ao fato de a porção 310 ter umaárea de seção transversal menor do que aquela das porções320 e 330, o fio 300 se romperá na porção 310, se um grausuficiente de tensão for aplicado ou se corroerá. Esserompimento pode atuar para interromper o crescimento dagrade neste ponto. De acordo com várias modalidades deexemplo, qualquer número adequado de fios horizontais ouverticais pode ser provido na grade, conforme puder serdesejado, e qualquer uma de uma variedade de configuraçõespode ser provida para o fusível.
Conforme mostrado na FIGURA 5, uma distorção pode serprovida em um ou mais dos fios que se pretende que absorvaou redirecione uma porção da tensão resultante docrescimento da grade. De acordo com uma modalidade deexemplo mostrada na FIGURA 5, um recurso arredondado 410pode ser provido em um fio 400. Quando a grade experimentaum crescimento devido à corrosão, o formato do fio 400 podeser alterado. A inclusão de uma distorção (por exemplo, umaporção arredondada 410) pode defletir parte do crescimento(por exemplo, pela provisão de alguma outra coisa além deuma linha reta para crescimento). Desta maneira, ocrescimento da grade pode ser interrompido neste ponto. Deacordo com várias modalidades de exemplo, qualquer númeroadequado de fios verticais ou horizontais tendo distorçõespode ser provido na grade, e qualquer uma de uma variedadede configurações pode ser usada para uma ou maisdistorções.
Conforme mostrado na FIGURA 6, uma porção de um doselementos de quadro pode incluir um entalhe ou um recorte.De acordo com uma modalidade de exemplo conforme mostradona FIGURA 6, o elemento de quadro de fundo 118 pode incluirum entalhe ou um recorte 119 que é pretendido para atuarcomo um ponto de fraqueza para o quadro. Quando tensões sãointroduzidas as quais resultam do crescimento da grade, atensão pode ser concentrada no ponto de fraqueza, de modoque o quadro se rompa neste ponto. Desta maneira, ocrescimento da grade pode ser interrompido, e as tensõespodem ser redirecionadas na grade. Deve ser notado que,embora o entalhe 119 seja mostrado como se estendendo paradentro a partir do exterior do elemento de quadro 118, deacordo com outras modalidades de exemplo, o entalhe pode seestender a partir do interior do elemento de quadro. Deacordo com várias modalidades de exemplo, qualquer númeroadequado de entalhes ou recortes pode ser provido em váriaslocalizações ao longo dos lados, do topo e/ou do fundo doquadro.Conforme mostrado na FIGURA 7A, um dos elementos dequadro pode incluir uma reentrancia ou uma depressão. Porexemplo, de acordo com uma modalidade de exemplo mostradana FIGURA 7A, o elemento de quadro de topo 112 da grade 100inclui uma reentrancia 113. O elemento de quadro de topo112 é efetivamente flexionado neste ponto. Quando a grade100 cresce na direção vertical devido à corrosão, areentrancia 113 é empurrada para cima devido às tensõesacumuladas na grade. Devido ao fato de o elemento de quadrode topo 112 incluir uma reentrancia, levará um período detempo mais longo para que a grade se estenda para cima parafazer contato com, por exemplo, uma tira conectada àsgrades de polaridade oposta. Isto é, devido ao fato de oelemento de dados e quadro de topo no ponto da reentrancianão ser colinear com o resto do elemento de quadro de topo,o crescimento da grade primeiramente fará com que a gradecresça em direção ao restante do elemento de quadro detopo; apenas após este ponto a grade continuaria a crescerna direção vertical. De acordo com várias modalidades deexemplo, qualquer número adequado de reentrâncias pode serprovido em várias localizações ao longo dos lados, do topoe/ou do fundo do quadro.
Conforme mostrado na FIGURA 7B, uma porção do elementode quadro de topo pode ser disposta em um ângulo com orestante do elemento de quadro de topo. Por exemplo,conforme mostrado na FIGURA 7B, uma porção 115 do elementode quadro de topo 112 é inclinada ou em ângulo (porexemplo, em declive, afunilada, etc.) para baixo. De modosimilar à reentrancia descrita com respeito à FIGURA 7A, aconfiguração inclinada do elemento de quadro de topo 112atua para estender a quantidade de tempo em que a gradedeve crescer, de modo a contatar uma tira de polaridadeoposta. Uma configuração como essa também pode atuar paraaumentar a tração na grade, o que pode atuar paracontrariar parte do crescimento de grade.
Conforme mostrado na FIGURA 8, um ou mais dos cantosda grade podem ser providos com um formato arredondado. Porexemplo, de acordo com uma modalidade de exemplo mostradana FIGURA 8, um canto arredondado 117 é provido, o qualconecta o elemento de quadro de topo 112 ao elemento dequadro lateral 114. Esse formato arredondado pode atuarpara redirecionar a tensão e mudar a direção de crescimentoda grade para longe da direção vertical.
Conforme mostrado na FIGURA 9, vários fios podem serremovidos para a formação de uma zona de armazenamentotemporário projetada dentro da grade (similar a uma "zonaenrugada"). Em uma grade convencional (por exemplo, talcomo aquela mostrada na FIGURA 1), membros de fio verticaissão colineares uns com os outros e se estendem, porexemplo, a partir do elemento de quadro de topo para oelemento de quadro de fundo. Como resultado, o crescimentode um dos fios verticais é traduzido para outros os quaissão colineares, resultando em um efeito de crescimentoaditivo que atua para forçar o elemento de quadro de topoem direção a uma tira de polaridade oposta (conformemostrado, por exemplo, na FIGURA 1) . De acordo com amodalidade de exemplo conforme mostrado na FIGURA 9, um oumais dos fios verticais são removidos, de modo que haja umainterrupção ou uma descontinuidade na grade (por exemplo,os fios 154 e 156 são separados por um espaço aberto 152).O espaço aberto 152 assim atua como uma zona dearmazenamento temporário na qual os fios verticais podemcrescer (ou invés de transladar seu crescimento de umamaneira que resulte no movimento do elemento de quadro detopo da grade) . O espaço aberto 152 assim atua para"absorver" o crescimento na direção vertical. Qualquernúmero de zonas de armazenamento temporário projetadas podeser provido em vários pontos desejados na grade.
Deve ser notado que, embora as modificações descritasacima na grade tenham sido discutidas individualmente,qualquer uma ou mais dessas modificações podem serutilizadas em uma grade única. Por exemplo, uma "ligaçãofraca" (conforme mostrado, por exemplo, na FIGURA 3) e uma"distorção" (conforme mostrado, por exemplo, na FIGURA 5)podem ser providas em uma grade única. Qualquer outracombinação de modificações, tais como aquelas descritasacima, também pode ser utilizada de modo a se gerenciar ocrescimento da grade.
Na operação de uma bateria usando uma grade, tal comoaquela descrita aqui, uma corrosão do material de grade debateria (chumbo ou liga de chumbo) causará um crescimentoda grade de bateria. Devido ao fato de a grade ser restritaem seu fundo e nas laterais pelas paredes do recipiente debateria, o crescimento é dirigido na direção vertical parao topo da grade. Pela introdução de modificações na grade,as quais se pretende que derivem ou redirecionem ocrescimento da grade, a vida da bateria pode ser estendida.Por exemplo, pela introdução de pontos fracos na grade, quese pretende que rompam uma vez que uma quantidade limite detensão seja atingida, um crescimento pode ser interrompidoou redirecionado nesses pontos, para redução do crescimentona grade na direção vertical. Qualquer uma de uma variedadede modificações pode ser feita na grade, de modo a segerenciar o crescimento da grade e estender a vida dabateria pela redução da ocorrência de curtos os quaisresultam de porções da grade contatarem recursoseletricamente acoplados a recursos na bateria tendo umapolaridade oposta.
Aqueles revendo esta exposição apreciarão que váriasvantagens podem ser obtidas usando-se os projetos de gradedescritos aqui. Por exemplo, de acordo com uma modalidadede exemplo, a grade de bateria prove características deperformance desejadas enquanto resiste a um curto devido aum crescimento da grade (por exemplo, devido à corrosão dagrade). Pretende-se que esses projetos de grade provejam àgrade de bateria e, daí, à bateria na qual eles sãoprovidos, uma vida útil melhorada, se comparado com gradesde bateria convencionais.
É importante notar que a construção e o arranjo dagrade de bateria, conforme mostrado nas várias modalidades,são ilustrativos apenas. Embora apenas umas poucasmodalidades da presente invenção tenham sido descritas emdetalhes nesta exposição, aqueles versados na técnica querevejam esta exposição prontamente apreciarão que muitasmodificações são possíveis (por exemplo, variações detamanhos, dimensões, estruturas, formatos e proporções dosvários elementos, valores de parâmetros, arranjos demontagem, uso de materiais, orientações, etc), sem sedesviarem materialmente dos novos ensinamentos e dasvantagens do assunto recitado nas reivindicações. Assimsendo, pretende-se que todas essas modificações sejamincluídas no escopo da presente invenção, conforme definidonas reivindicações em apenso. Outras substituições,modificações, mudanças e omissões podem ser feitas noprojeto, nas condições de operação e no gerenciamento dasmodalidades preferidas e outras de exemplo, sem se desviardo escopo das presentes invenções.