BR112017001355B1 - Estrutura para a fixação de células, disposição que compreende pelo menos duas estruturas e sistema de bateria - Google Patents

Estrutura para a fixação de células, disposição que compreende pelo menos duas estruturas e sistema de bateria Download PDF

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Abstract

A presente invenção refere-se a uma estrutura (4a) para a fixação de células que compreende um corpo de estrutura (4), na qual pelo menos um canal de resfriamento (6a, 16a) é formado para o fluido de resfriamento, é especificada uma estrutura que possa ser montada em uma disposição e, em operacionalidade elevada, protege as células admitidas nessa disposição da forma mais ideal possível, caracterizada pelo fato de que a estrutura (4a) apresenta pelo menos uma peça de encaixe (12, 16) para a conexão com uma outra estrutura (4a), sendo que o canal de resfriamento (6a, 16a) corre pelo menos parcialmente dentro da peça de encaixe (12, 16).

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO CAMPO DA TÉCNICA
[001] A presente invenção refere-se a uma estrutura para células eletroquímicas.
ESTADO DA TÉCNICA
[002] Uma tal estrutura é conhecida, por exemplo, a partir do documento EP 2 432 043 A1.
[003] Células em sistemas de bateria, em particular, em um sistema de bateria de lítio, são geralmente formadas como células redondas, células prismáticas ou células em forma de bolsa. Células em forma de bolsa apresentam compartimentos celulares de película.
[004] Devido à vantagem das células em forma de bolsa em comparação às células prismáticas, em particular, seus baixos custos de produção, as células em forma de bolsa encontram aplicação exclusiva em telefones celulares, câmeras digitais ou em automóveis. As células em forma de bolsa encontram aplicação, em particular, em baterias para veículos elétricos.
[005] Uma vantagem essencial das células em forma de bolsa é sua possibilidade de adaptação à conceitos de células químicas futuras.
[006] Desse modo, novos materiais anódicos, em particular, à base de silício, que apresentam uma capacidade elevada de absorção de silício e, portanto, uma densidade de energia elevada em comparação aos ânodos de grafites comuns até agora, levam a um volume de trabalho fortemente elevado na ciclagem.
[007] Em células prismáticas, isso leva a uma forte convexidade do compartimento celular fixado, com o que podem ocorrer problemas mecânicos e problemas de estanqueidade. Em células em forma de bolsa, por sua vez, esse trabalho de volume pode ser compensado pelos compartimentos celulares flexíveis de película.
[008] Além disso, algumas células podem ser posicionadas não empilhadas uma ao lado da outra, em um sistema de bateria. Portanto, um elemento de separação, a saber, um denominado separador, não é necessário entre as células.
[009] Estruturas para a fixação das células em forma de bolsa ou também para células combustíveis são conhecidas, em particular, a partir do documento EP 2 432 043 A1. Além disso, são conhecidas estruturas as quais apresentam canais pelos quais podem correr fluidos de resfriamento. Os documentos US 2012/0040223 A1 ou US 2011/0293982 A1 mostram tais estruturas.
[0010] Estruturas para a fixação de células em forma de bolsa precisam assegurar uma vedação de suas juntas soldadas. Ademais, precisa ser assegurado que ocorra um escape direcionado dos eletrólitos em caso de danos, sendo que também precisa ser assegurado que gases inflamáveis não entrem em contato com partes que conduzem energia.
[0011] Inclusive, uma compensação de tolerância precisa ser dada em uma denominada pilha. Vibrações que atuam em uma célula precisam ser reduzidas. Além disso, um circuito de arrefecimento precisa ser vinculado às estruturas.
[0012] Além disso, há uma necessidade por uma melhor fixação e um armazenamento mecânico dos eletrodos.
[0013] Ademais, precisa ser garantida uma resistência contra vibração e contra choque de uma pilha. Isso é particularmente relevante em sistemas de bateria que são utilizados em automóveis, em particular, veículos elétricos, veículos híbridos, veículos utilitários, ônibus ou caminhões.
[0014] A resistência contra vibração também precisa ser garantida em outras aplicações móveis, como, em vias ferroviárias, aeronaves ou máquinas de trabalho.
[0015] A resistência contra vibração é necessária durante a operação em curso. Em particular, em aplicações para veículos de passageiros, o compartimento de bateria não é normalmente flexível e, com isso, não suportado por resistência contra vibração. Os componentes do sistema de bateria precisam apresentar, portanto, resistência contra vibração. Uma resistência contra impactos mecânicos, requisitos típicos são acelerações superiores a 100 g, pode ser percebida, sobretudo, em acidentes.
[0016] Em todo o caso, precisa ser assegurado que não haja vazamento no circuito de arrefecimento. Caso isso aconteça, o fluido de resfriamento, por exemplo, água, pode entrar em contato com partes condutoras de energia.
[0017] Além disso, nesse caso, em uma abertura da célula, há o risco de o fluido de resfriamento entrar em contato com componentes celulares liberados, por exemplo, lítio. Isso pode trazer consequências graves. Pode ocorrer a liberação de hidrogênio.
[0018] A eficiência, assim como, a homogeneidade do resfriamento representa um desafio particular sob o ponto de vista da estabilidade a longo prazo das células eletroquímicas. Temperaturas muito elevadas ou muito baixas podem levar ao envelhecimento precoce das células. Uma temperagem não homogênea pode levar ao envelhecimento irregular das células e, com isso, ao desempenho reduzido de todo o sistema.
REPRESENTAÇÃO DA INVENÇÃO
[0019] A invenção tem, portanto, como objetivo oferecer uma estrutura que possa ser montada facilmente em uma disposição e, em operacionalidade elevada, proteja as células admitidas nessa disposição da forma mais ideal possível.
[0020] De acordo com a invenção, foi primeiramente conhecido que os canais de resfriamento precisam ser integrados às estruturas, sendo que os canais de resfriamento podem estar presentes como peças de encaixe que se projetam em um lado da primeira estrutura e se introduzem no outro lado de uma segunda estrutura adjacente. Tais peças de encaixe podem apresentar partes macho na forma de bocais e/ ou partes fêmeas na forma de rebaixos.
[0021] Por meio disso - em particular pelas peças de encaixe que se projetam parcialmente a partir do plano da estrutura - é assegurada uma conexão mecânica surpreendentemente estável e vedante. Essa conexão suporta bem, em particular, vibrações e impactos mecânicos.
[0022] Além disso, podem ser compensadas tensões mecânicas, que surgem, por exemplo, pela variação de temperatura. A disposição assim produzida permite, além disso, uma compensação de tolerância de tolerâncias de produção. Pela introdução dos bocais nas respectivas estruturas adjacentes, as estruturas são unidas fixas entre si e contribuem, com isso, para a estabilidade mecânica de uma pilha. Desse modo, é possível, geralmente, dispensar peças de conexão separadas.
[0023] Uma tal disposição que compreende estruturas necessita, portanto, de comparativamente menos componentes. Não há a necessidade, primeiramente, de se prever tubos ou dissipadores. É possível montar uma disposição de forma simples e econômica. Exclui- se a possibilidade de que componentes essenciais sejam esquecidos durante a montagem. Isso pode ser realizado pelo princípio Poka-Yoke.
[0024] Com relação a isso, é especificada uma estrutura que possa ser montada facilmente em uma disposição e, em operacionalidade elevada, proteja as células admitidas nessa disposição da forma mais ideal possível.
[0025] Por conseguinte, o objetivo indicado anteriormente é solucionado.
[0026] A peça de encaixe poderia se projetar pelo menos parcialmente de tal modo a partir do plano da estrutura que a mesma pode se introduzir em uma abertura complementar de uma peça de encaixe de uma estrutura adjacente. Desse modo, a estrutura apresenta peças de encaixe entre si e uma estrutura adjacente, pela qual podem fluir fluidos de resfriamento.
[0027] A peça de encaixe poderia apresentar uma secção transversal arredondada ou retangular. Peças de encaixe redondas são fáceis de se produzir, as retangulares levam a uma melhor utilização da estrutura.
[0028] A peça de encaixe poderia apresentar uma parte macho e uma parte fêmea, sendo que a parte macho é adequada para ser inserida na parte fêmea de uma estrutura adjacente e sendo que a parte fêmea é adequada para receber a parte macho de uma estrutura adjacente. Assim, cada estrutura de uma pilha ou de uma disposição pode ser formada idêntica e ao mesmo tempo complementar a uma outra estrutura.
[0029] A peça de encaixe poderia apresentar pelo menos uma vedação. Por meio disso, é evitado que um líquido saia pelo canal de resfriamento. Uma vedação poderia ser aplicada sobre as peças de encaixe. A vedação poderia ser disposta na parte macho da peça de encaixe e/ ou na parte fêmea da peça de encaixe. Um elastômero pode ser utilizado como material de vedação, por exemplo, EPDM, VMQ, HNBR, FKM ou borracha butílica. Também poderiam ser utilizados elastômeros termoplásticos.
[0030] A peça de encaixe e a vedação poderiam ser formadas em uma só peça. A estrutura e as vedações poderiam ser realizadas, desse modo, em um componente. Isso pode ser realizado por um método de dois componentes.
[0031] A vedação poderia apresentar anéis-O ou partes de inserção. A estrutura e as vedações podem ser montadas após a produção, sendo que as vedações são configuradas como peças de inserção como anéis-O.
[0032] A peça de encaixe poderia apresentar uma vedação que veda radialmente e/ ou axialmente. Desse modo, pode ocorrer uma vedação exclusivamente radial, exclusivamente axial ou axial e radial. Vedações poderiam ser colocadas nos bocais e/ ou rebaixos de uma peça de encaixe ou de uma estrutura. As vedações são dispostas de forma atuante preferencialmente de modo radial e axial, contudo, pelo menos de forma atuante radial.
[0033] As peças de encaixe são configuradas, de forma preferida, de tal modo que as mesmas apresentem pelo menos uma porção de vedação radial, com isso, é assegurada uma compensação de tolerância a mais elevada possível. As tolerâncias podem resultar por produção, dilatação ou resistências contra vibração necessárias.
[0034] Além disso, as mesmas também podem apresentar uma porção de vedação axial, o que oferece segurança adicional. Um projeto de lábios múltiplos de uma vedação aprimora a confiabilidade.
[0035] Uma vedação poderia compreender várias vedações parciais, a saber, poderia ser configurada por lábios múltiplos. Por meio disso, o efeito de vedação é elevado e a vedação muito segura, visto que dispensa uma vedação parcial e a falta pode ser compensada por uma outra.
[0036] Na utilização de um material de vedação para a vedação de células e a vedação das peças de encaixe, é possível aplicar as vedações em uma etapa do processo. Materiais termo condutores para as estruturas e/ou materiais de vedação aprimoram a transmissão de calor e, portanto, são preferidos.
[0037] A estrutura poderia suportar, dependendo do fluido de resfriamento, pressões de até no máximo 1 MPa (10 bar), de forma preferida, no máximo de até 3 MPa (30 bar), de forma particularmente preferida, de no máximo até 13 MPa (130 bar). A estrutura poderia ser configurada de tal modo que a mesma suportasse no máximo até 1 MPa (10 bar), caso seja utilizada água ou um fluido de resfriamento a base de água. A estrutura poderia ser configurada de tal modo que a mesma suportasse no máximo até 3 MPa (30 bar), caso sejam utilizados agentes orgânicos fluorados ou parcialmente fluorados de um ar condicionado como agente de resfriamento. A estrutura poderia ser configurada de tal modo que a mesma suportasse no máximo até 13 MPa (130 bar), caso sejam utilizados dióxido de carbono como agente de resfriamento. Em pressões elevadas, é especialmente preferida a utilização de tubos que sejam inseridos nas peças de encaixe.
[0038] Para circuitos de resfriamento em base de glicol e água, as vedações suportam pressões de até 1 MPa (10 bar). Como materiais de vedação para partes que entram em contato com fluidos de resfriamento, podem ser considerados materiais com pouca permeabilidade à água, por exemplo, EPDM, FKM, HNBR ou borracha butílica.
[0039] Na utilização de fluidos de resfriamento parcialmente fluorados, como, por exemplo, R 1234yf, as vedações podem ser vedadas contra pressões internas de até cerca de 3 MPa (30 bar).
[0040] Caso dióxido de carbono seja utilizado como agente de resfriamento, as vedações podem ser vedadas contra pressões internas de até cerca de 3 MPa (130 bar).
[0041] Em uma configuração de lábios múltiplos de uma vedação ou de uma exigência menor em permeabilidade de gás, podem ser utilizados materiais de vedação que permitem uma permeabilidade comparativamente maior do fluido de resfriamento, por exemplo, elastômeros à base de silicone.
[0042] Uma chapa condutora poderia ser disposta em pelo menos uma peça de encaixe. Chapas condutoras poderiam ser dispostas nas peças de encaixe, que geram um fluxo laminar ou turbulento direcionado nas estruturas e, por meio disso, aprimoram a transmissão de calor e a eficiência do resfriamento. O lado contrário ao fluxo se projeta de forma preferida no sentido do corpo celular.
[0043] Uma boa transmissão de calor é realizada a partir do canal de resfriamento para a estrutura. Através da colocação das chapas condutoras no canal de resfriamento a transmissão de calor entre o canal de resfriamento e uma célula pode ser ainda mais aprimorado. Isso permite a aplicação de polímeros, a saber, materiais não condutores elétricos. Isso permite, além disso, realizar uma menor vazão em fluido de resfriamento. Os diâmetros dos canais de resfriamento podem ser reduzidos, através disso, ou em diâmetros iguais, a eficiência de resfriamento pode ser elevada.
[0044] Uma superfície de fluxo poderia ser disposta em pelo menos uma peça de encaixe. Uma superfície de fluxo poderia ser formada nas peças de encaixe, na qual o fluxo é conduzido.
[0045] A superfície de fluxo poderia apresentar uma rugosidade elevada.
[0046] A superfície de fluxo poderia apresentar uma condutibilidade térmica elevada. Isso pode ser realizado, por exemplo, por uma inserção metálica.
[0047] A superfície de fluxo contrária ao fluxo pode ser colocada, de forma preferida, no sentido do corpo celular.
[0048] Uma nervura condutora de calor poderia ser disposta em pelo menos uma peça de encaixe. Nervuras condutoras de calor poderiam ser dispostas nas peças de encaixe, que permitissem uma transmissão de calor elevada das células, pelas estruturas, para um fluido.
[0049] Um elemento de aperto poderia ser formado em pelo menos uma peça de encaixe. Poderiam ser formados elementos de aperto nas peças de encaixe que, em acoplamento, levassem a estrutura um travamento adicional.
[0050] Uma peça de encaixe poderia ser estabilizada com reforços mecânicos fixados internamente. Por meio disso, a peça de encaixe é estabilizada.
[0051] Uma disposição poderia compreender pelo menos duas estruturas do tipo descrito aqui, sendo que uma célula é disposta entre as estruturas, sendo que uma parte macho de uma primeira peça de encaixe é inserida em uma parte fêmea de uma segunda estrutura e sendo que, pelas peças de encaixe, um canal de resfriamento é conduzido para um fluido de resfriamento. Uma pilha ou módulo poderia consistir de uma ou mais células ou estruturas.
[0052] Uma vedação, que é disposta em uma parte macho e/ ou parte fêmea, poderia residir na força direta ou na força de derivação.
[0053] Pelas peças de encaixe pelo menos um tubo poderia ser executado, no qual o canal de resfriamento poderia ser formado. Tubos que conduzem fluido de resfriamento podem ser direcionados pelas aberturas das peças de encaixe. Em pressões elevadas, é especialmente preferida a utilização de tubos que sejam inseridos nas peças de encaixe.
[0054] Um tubo poderia ser conduzido por cada uma das aberturas de uma peça de encaixe, sendo que entre o tubo e a parede interna, um meio de compensação de tolerância é disposto a pelo menos uma abertura. Tubos que conduzem fluido de resfriamento poderiam ser conduzidos pelas aberturas das peças de encaixe, sendo que a parede interna das aberturas é impactada com um material de compensação de tolerância.
[0055] Um compartimento externo poderia ser parte de um canal de resfriamento, sendo que uma peça de encaixe de uma última estrutura é introduzida em um orifício do compartimento. Um compartimento externo poderia ser incluído em um canal de resfriamento, sendo que a peça de encaixe da última estrutura é introduzida em um orifício do compartimento.
[0056] Um sistema de bateria poderia compreender uma disposição do tipo descrito aqui. Um sistema de bateria poderia compreender uma pilha e pelo menos duas estruturas do tipo descrito aqui. As estruturas descritas aqui servem para a fixação de células armazenadoras de energia eletroquímica com projeto de células flexíveis, em particular, células em forma de bolsa, células de íons de lítio ou células de enxofre- lítio.
[0057] A estrutura poderia ser fixa e poderia apresentar uma vedação de células circular, reversível, que pode ser comprimida. Uma tal vedação de células pode pressionar, em parte predominante de sua extensão, a junta soldada de uma célula em forma de bolsa. Por meio disso, as células são montadas de forma flexível contra as estruturas. Em ambos os lados de uma estrutura pode ser prevista uma tal vedação de célula.
[0058] A estrutura aqui descrita se adequa particularmente para sistemas de bateria com células em forma de bolsa, que precisam ser bem temperadas e forma homogênea, para sistemas que são expostos adicionalmente a vibrações mecânicas, em particular, aplicações móveis como automóveis, veículos utilitários, ferroviários, aeronaves, aplicações "off-highway" como veículos de movimento de materiais, máquinas de construção, tratores, robôs não tripulados, para sistemas que apresentam um rendimento de energia particularmente elevado, o que exige, em primeiro lugar, um resfriamento elevado e, em segundo lugar, uma frequência elevada de mudança de espessura das células.
[0059] Além das aplicações denominadas acima, o mesmo se refere, além disso, sistemas estacionários como baterias para estabilização de frequência de rede ou aplicações de backup ou sistemas de baterias com materiais ânodos- cátodos, que estão sujeitos a um volume de trabalho particularmente elevado na ciclagem.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0060] Nos desenhos, mostra-se:
[0061] Figura 1 uma célula em forma de bolsa com um condutor de película que se projeta,
[0062] Figura 2 duas vistas de uma estrutura, na qual são representados orifícios para canais de resfriamento
[0063] Figura 3 uma disposição, a saber, uma pilha, de células em forma de bolsa, entre as quais são dispostas estruturas,
[0064] Figura 4 uma outra vista de uma estrutura, na qual são integradas peças de encaixe, que se projetam a partir do plano da estrutura
[0065] Figura 5 uma outra vista de uma estrutura, na qual são integradas peças de encaixe, que se projetam a partir do plano da estrutura
[0066] Figura 6 uma vista em corte de uma peça de encaixe arredondada integrada na estrutura,
[0067] Figura 7 uma vista de uma estrutura, na qual são integradas peças de encaixe aproximadamente retangulares, que se projetam a partir do plano da estrutura
[0068] Figura 8 uma vista em corte de uma peça de encaixe aproximadamente retangular integrada na estrutura em sentido transversal à estrutura,
[0069] Figura 9 uma vista em corte de uma peça de encaixe aproximadamente retangular integrada na estrutura em sentido longitudinal à estrutura,
[0070] Figura 10 uma vista em corte de uma peça de encaixe, em cuja parte macho são dispostas vedações parciais que atuam de forma radial e axial,
[0071] Figura 11 uma vista em corte de uma peça de encaixe, em cuja parte fêmea são dispostas vedações parciais que atuam de forma radial e axial,
[0072] Figura 12 uma vista em corte de duas peças de encaixe, sendo que na parte macho de uma primeira peça de encaixe são dispostas uma vedação parcial de atuação axial e na parte fêmea de uma segunda peça de encaixe, duas vedações que atuam de forma radial,
[0073] Figura 13 uma vista em corte de duas peças de encaixe, sendo que na parte macho de uma primeira peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais de atuação radial e na parte fêmea de uma segunda peça de encaixe, uma vedação que atua de forma axial,
[0074] Figura 14 uma vista em corte de duas peças de encaixe iguais, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais de atuação radial e na parte fêmea da peça de encaixe, não é disposta qualquer vedação parcial,
[0075] Figura 15 uma vista em corte de duas peças de encaixe iguais, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais de atuação radial e uma vedação parcial de atuação axial e na parte fêmea da peça de encaixe, não é disposta qualquer vedação parcial,
[0076] Figura 16 uma vista em corte de uma peça de encaixe, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais que atuam de forma radial e uma vedação parcial de atuação axial e sendo que são previstas nervuras que atuam de forma axial e radial, que formam cada uma, um encosto,
[0077] Figura 17a uma vista em corte de uma peça de encaixe, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais que atuam de forma radial e uma vedação parcial de atuação axial e sendo que uma chapa condutora é formada que se projeta radialmente para dentro,
[0078] Figura 17B uma vista em corte de uma peça de encaixe, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais que atuam de forma radial e uma vedação parcial de atuação axial e sendo que uma chapa condutora é formada que se projeta radialmente para dentro e sendo que uma superfície é fixada na superfície de fluxo que aprimora a transmissão de calor,
[0079] Figura 18 uma vista em corte de duas peças de encaixe iguais, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais de atuação radial e uma vedação parcial de atuação axial e na parte fêmea da peça de encaixe, não é disposta qualquer vedação parcial e sendo que as peças de encaixe são encaixadas por um tubo,
[0080] Figura 19 uma vista em corte de duas peças de encaixe iguais, sendo que na parte macho de uma peça de encaixe são dispostas duas vedações parciais de atuação radial e uma vedação parcial de atuação axial e na parte fêmea da peça de encaixe, não é disposta qualquer vedação parcial, sendo que as peças de encaixe são encaixadas por um tubo e sendo que, entre o tubo e as peças de encaixe, é disposta uma camada como meio de compensação de tolerância,
[0081] Figura 20 uma peça de encaixe executada aproximadamente retangular como representado na Figura 7, na qual são dispostas nervuras condutoras de calor para o aprimoramento da transmissão de calor em seu canal de resfriamento,
[0082] Figura 21 mostra uma peça de encaixe análoga à Figura 20, na qual, além das nervuras condutoras de calor, são dispostos reforços mecânicos,
[0083] Figura 22 mostra uma estrutura, na qual os canais de resfriamento que conduzem fluidos são formados por uma estrutura de rede na estrutura, sendo que a vedação é dada pelas vedações de células circulares internas e externas.
CONCRETIZAÇÃO DA INVENÇÃO
[0084] A Figura 1 mostra duas células em forma de bolsa, a saber, células galvanizadas com invólucros flexíveis cada uma.
[0085] Uma tal célula em forma de bolsa apresenta um corpo celular 1, no qual se encontram camadas de separadores de eletrodos e uma junta soldada circular 2, em cuja área são soldadas entre si uma película de revestimento superior e inferior.
[0086] Uma célula em forma de bolsa apresenta entre as películas de revestimento condutores de película 3 que se projetam e são cobertos adicionalmente com uma película.
[0087] Os condutores de película 3 podem sobressair todos no mesmo lado, como isso mostrado na vista direita da Figura 1, ou, contudo, em lados que se encontram opostos, como mostrado na vista esquerda da Figura 1.
[0088] Na operação da célula em forma de bolsa, a saber, no carregamento ou descarregamento, a espessura do corpo celular 1 se modifica, tipicamente, em torno de 5 a 10%.
[0089] Ademais, uma célula em forma de bolsa envelhecida é cerca de 5% mais espessa do que uma nova célula em forma de bolsa. Por isso uma célula em forma de bolsa envelhecida e carregada é cerca de 10% mais espessa do que uma célula em forma de bolsa nova e carregada. Em sistemas de células químicas futuras devem ser esperados valores até mesmo mais elevados de modificações de espessura.
[0090] Particularmente novos materiais ânodos, a saber, materiais à base de silício, que permitem uma capacidade de armazenamento percentual elevada em comparação aos portadores de grafite utilizados atualmente, sofrem um volume de trabalho ainda mais elevado. Em materiais ânodos novos, que permitem células capacitivas mais elevadas, o volume de trabalho das células em forma de bolsa é, portanto, sempre mais relevante.
[0091] Devido à flexibilidade da célula em forma de bolsa o resfriamento é de importância significativa. No presente, particularmente os condutores de película 3 das células em forma de bolsa entram em contato térmico.
[0092] Isso tem, contudo, as seguintes desvantagens: Pode ocorrer a formação de condensação nas partes condutoras de fluxo. As consequências podem ser curtos-circuitos. Devido a seção transversal menor do condutor de película 3 a quantidade de calor total, que pode ser transportada da célula em forma de bolsa, é limitada.
[0093] Conceitos de resfriamento alternativos incluem a junta soldada 2 das células em forma de bolsa ou também as áreas do corpo celular. Por meio disso, é possível se obter um resfriamento eficiente e homogêneo.
[0094] Um desafio essencial nesse caso é a transferência de calor da interface do corpo celular 1/junta soldada 2 para uma estrutura e um circuito de arrefecimento. Isso é um desafio, em particular, se a estrutura é produzida a partir de material sintético.
[0095] Aqui é descrita, a seguir, uma disposição na qual canais de resfriamento são integrados em uma estrutura para a fixação de células.
[0096] A Figura 2 mostra, em duas vistas, uma estrutura para a fixação de células em forma de bolsa em um compartimento de bateria.
[0097] Esse apresenta um corpo de estrutura fixo 4 e aberturas de passagem 5 para hastes de fixação.
[0098] Além disso, são previstos orifícios integrados 6 para tubos. É prevista uma vedação de células circular de elastômero 7, que, em estado montado, pressiona sobre uma junta soldada 2 de uma célula em forma de bolsa mostrada na Figura 1.
[0099] Além disso, é previsto um rebaixo 8 no qual a vedação de célula 7 não permanece em contato com a junta soldada 2 das células. Em caso de acidente, o gás que sai das células pode escoar por um canal de escape 9 verticalmente para o plano celular.
[00100] Uma tal estrutura pode consistir de material sintético, poliamida, poliéster, PPS, outros termoplásticos ou também termofixos.
[00101] De forma vantajosa é previsto um reforço com fibras orgânicas, por exemplo, vidro ou carbono.
[00102] São vantajosas as outras propriedades ignífugas do material do qual a estrutura é produzida. Essas propriedades podem ser conferidas pelo material de carga inorgânico.
[00103] Do ponto de vista da segurança, é vantajoso, além disso, que uma estrutura consista de um material eletricamente isolante.
[00104] Ademais, é vantajosa - particularmente para células sujeitas a esforço térmico - uma condutividade térmica do material do qual a estrutura é produzida. A condutividade térmica deveria se encontrar acima de um valor de 0,5 W/(m*K).
[00105] Os seguintes materiais podem oferecer essa condutividade:
[00106] Plásticos de condutividade térmica como Albis Plastic // ALCOM PA66 910/30.1 TCE5 (condutividade térmica 5 W/(m*K)), Albis Plastic // ALCOM PA66 910/30.1 TCE10 (condutividade térmica 10 W/(m*K)), CoolPoly® E3607 (condutividade térmica 20 W/(m*K)), BASF PA 6; B3UGM210 (condutividade térmica 1 W/(m*K)) ou CoolPoly® D3612 (condutividade térmica 6 W/(m*K)).
[00107] Os primeiros três materiais são condutores elétricos, o quarto e o quinto materiais não.
[00108] A estrutura também pode ser produzida de metal. Nessa ocasião é particularmente significativo realizar um projeto de construção leve.
[00109] Na utilização de materiais condutores elétricos para a produção da estrutura, deve ser observado, em todo o caso, que não haja qualquer contato com o condutor de película 3. A consequência podem ser curtos-circuitos.
[00110] A vedação circular de células 7 pode ser configurada por um ou mais lábios. Uma execução ampla da vedação de células 7 é vantajosa para poder compensar tolerâncias condicionadas pela variação do processo, nas quais vedações finas pressionam de forma assimétrica, de ambos os lados, na junta soldada 2 e essas suspenderiam o esforço mecânico elevado.
[00111] Tipicamente, a vedação de células 7 deve ser configurada de tal modo que a mesma vede a junta soldada 2 da célula de tal modo que não abre as mesmas nas posições vedadas, em sobrepressão externa acima de 0,1 MPa (1 bar).
[00112] A vedação de células 7 é produzida, de forma preferida, a partir de materiais elastômeros com menor comportamento de assentamento. De forma particularmente preferida, podem ser utilizadas vedações de células 7 com base em borracha de silicone, que apresentam boas propriedades em relação à proteção contra incêndio.
[00113] Em solicitações menores na vedação de células 7, por exemplo, em uma vida útil limitada de uma bateria ou em aplicações impulsionadas por custos, também podem ser utilizados elastômeros termoplástico.
[00114] A Figura 3 mostra uma disposição, a saber uma pilha, que consiste de várias estruturas com corpos de estrutura 4, sendo que uma célula em forma de bolsa é colocada respectivamente entre dois corpos de estrutura 4, de acordo com a Figura 1.
[00115] O condutor de película 3 se projeta a partir dos corpos de estrutura 4. Uma placa de cobertura 11 é disposta em ambos os lados da disposição, que fecha a pilha das células e estruturas para fora.
[00116] Essa placa de cobertura 11 também pode ser integrada em um compartimento, ou seja, em uma parte do compartimento, por exemplo, parede, fundo ou cobertura pode assumir a função da placa de cobertura 11.
[00117] Aberturas de passagem 5 estão contidas na placa de cobertura 11 para hastes de fixação e orifícios 6 integrados para os tubos.
[00118] Ademais é prevista uma passagem de escape de emergência 10 pela qual possíveis emissões acidentais agrupadas nos canais de escape 9 podem ser descarregadas de forma segura da pilha ou de um compartimento.
[00119] A Figura 4 mostra uma estrutura 4a para a fixação de células que compreendem um corpo de estrutura 4, no qual é formado pelo menos um canal de resfriamento 6a para um fluido de resfriamento.
[00120] A estrutura 4a apresenta pelo menos uma peça de encaixe 12 para a conexão com uma outra estrutura, sendo que o canal de resfriamento 6a corre pelo menos parcialmente dentro da peça de encaixe 12.
[00121] A peça de encaixe 12 se projeta pelo menos parcialmente de tal modo a partir de um plano da estrutura 4b que a mesma pode se introduzir em uma abertura complementar de uma peça de encaixe de uma estrutura adjacente.
[00122] A peça de encaixe 12 apresenta uma seção transversal arredondada.
[00123] Os canais de resfriamento 6a apresentam, do mesmo modo, uma seção transversal arredondada, pelo que pode ser produzida de forma particularmente simples uma conexão para mangueiras e tubos fora da estrutura 4a.
[00124] A Figura 4 mostra uma estrutura 4 com peças de encaixe 12 para o circuito de arrefecimento. Na montagem da estrutura adjacente, partes macho 13 das peças de encaixe 12 são inseridas nas partes fêmea 14, em particular, rebaixos.
[00125] A Figura 5 mostra as estruturas 4a com peças de encaixe 12, que apresentam uma seção transversal arredondada.
[00126] A Figura 6 mostra uma peça de encaixe 12 integrada no corpo de estrutura 4 na seção transversal. A parte macho 13 da peça de encaixe 12 pode se projetar em uma parte fêmea da peça de encaixe de uma estrutura adjacente. Aqui é representado que o corpo da estrutura 4 também apresenta uma tal parte fêmea 14, a saber, um rebaixo, no qual a parte macho 14 poderia ser inserida.
[00127] A peça de encaixe 12 apresenta pelo menos uma vedação 15. A peça de encaixe 12 contém uma vedação de elastômero 15 que se projeta em forma de protuberância. A peça de encaixe 12 e a vedação 15 são formadas em uma só peça.
[00128] A Figura 7 mostra uma estrutura 4a com peças de encaixe arredondadas 16. Os canais de resfriamento 16a das peças de encaixe 16 também podem apresentar uma extensão maior. Os canais de resfriamento 16a podem ser retangulares ou ovais na seção transversal. Isso é vantajoso, em particular, em exigências de temperagem elevada.
[00129] Hastes, que aumentam a estabilidade mecânica, podem ser colocadas adicionalmente, dispostas de forma transversal, nos canais de resfriamento 16a. Isso é necessário, em particular, em elevadas pressões internas exigidas, por exemplo, na utilização de meios parcialmente fluorados ou dióxido de carbono como fluido de resfriamento.
[00130] A Figura 8 e Figura 9 mostram seções transversais de uma peça de encaixe 16 aproximadamente retangular. A seção transversal realizada livre é aqui de cerca de 4 x 25 mm2. Um elastômero de vedação 15 é colocado de forma circular.
[00131] A peça de encaixe 16 é estabilizada mecanicamente com reforços 17 dispostos internamente. Reforços 17 são colocados para o aprimoramento da estabilidade. Esses reforços 17 podem ser executados ou com redução de fluxo ou, contudo, como elemento de transmissão de calor.
[00132] Também é possível, além disso, uma produção da peça de encaixe 16 a partir de um outro material do que aquele que a estrutura 4a é produzida. A peça de encaixe 16 pode ser produzida a partir de metal. Por meio disso, pode ser realizada uma transmissão de calor aprimorada à mesma perda de pressão.
[00133] Também é possível que o reforço 17 denominado acima seja executado como elemento de fluxo que conduz uma solução que flui na superfície temperada ou lado da estrutura 4a e, aprimora, com isso, a transmissão de calor. Em um caso concreto, esse seria o lado da estrutura 4a voltado para a célula, a saber, o lado interno. Também é possível utilizar chapas condutoras e/ ou plaquetas.
[00134] Nas Figuras 10 a 19 são mostradas representações esquemáticas das vedações 15 nas peças de encaixe 12. Uma peça de encaixe 12 apresenta uma vedação 15, que veda de forma radial e/ ou axial. Para isso, uma vedação 15 compreende várias vedações parciais 18, 19. Uma tal vedação 15 é equipada, portanto, com vários lábios. São previstas vedações parciais axiais 18 e vedações parciais radiais 19.
[00135] As peças de encaixe 12 também podem ser usadas como fim de curso.
[00136] As vedações 15 das peças de encaixe 12 são dispostas de tal modo que são obtidas conexões vedantes axiais e radiais. As vedações 15 podem ser colocadas, exclusivamente, na parte macho, exclusivamente na parte fêmea ou na parte macho e fêmea de uma peça de encaixe 12.
[00137] A Figura 16 mostra que pela aplicação de nervuras adicionais 20, 21, aqui na parte macho 13 de uma peça de encaixe 12, pode ser colocado um fim de curso de vedação 15 de forma segura. A vedação 15 se encontra, portanto, na força de derivação.
[00138] Aqui são representados finais de curso em sentido axial e radial. Uma nervura 20 atua em sentido axial, uma nervura 21 atua em sentido radial. Também são possíveis finais de curso, que atuam apenas em cada sentido.
[00139] A Figura 17a mostra de forma esquemática que uma chapa condutora 22 é disposta em pelo menos uma peça de encaixe 12. A chapa condutora 22 é disposta em um canal de resfriamento 6a, sendo que o fluxo do fluido de resfriamento ocorre para a superfície de fluxo 23 da estrutura voltada para a célula.
[00140] Ademais, é representado na Figura 17a que uma superfície condutora 23 é disposta em pelo menos uma peça de encaixe 12. A superfície de fluxo 23 é disposta no sentido de um corpo celular 1.
[00141] A Figura 17b mostra que a superfície de fluxo 23 apresenta uma rugosidade elevada. A superfície de fluxo 23 apresenta uma condutividade térmica elevada. Isso é realizado pela utilização de um suplemento 24, de uma denominada inserção.
[00142] Chapas e eventuais superfícies opostas podem ser realizadas exclusivamente na parte macho 13, exclusivamente na parte fêmea 14 ou respectivamente em uma das duas partes 13, 14. Na utilização de um processo de produção de dois componentes, tais concretizações são leves e podem ser produzidas quase sem custos adicionais, por exemplo, com a utilização da inserção. Também é possível utilizar chapas como elementos de reforço de estrutura.
[00143] A Figura 18 mostra uma disposição, na qual pelo menos um tubo 25 é conduzido pelas peças de encaixe 12, nos quais o canal de resfriamento 6a é formado.
[00144] Na Figura 18 é representada a colocação de um tubo 25 separado nas aberturas, na estrutura 4a. A conexão entre as estruturas 4a pode ocorrer, nesse caso, de acordo com umas das possibilidades descritas anteriormente. Por meio disso, é produzida uma separação completa do circuito de arrefecimento e estrutura 4a. Há uma grande segurança contra vazamentos. Além disso, é obtida uma estabilidade elevada, visto que os tubos 25 contribuem para o aprimoramento da estabilidade.
[00145] Pode não haver qualquer permeação do fluido de resfriamento pela vedação 15. O material de vedação não precisa ser, por conseguinte, resistente ao fluido de resfriamento. Uma utilização, por exemplo, de elastômeros termoplásticos é possível. Um sistema também pode ser disposto para pressões elevadas. Desse modo, é possível uma utilização de fluidos de resfriamento parcialmente fluorados ou também de dióxido de carbono como fluido de resfriamento.
[00146] A Figura 19 mostra uma disposição, na qual o tubo 25 poderia ser conduzido por cada uma das aberturas de uma peça de encaixe 12, sendo que entre o tubo 25 e a parede interna 27, um meio de compensação de tolerância 26 é disposto a pelo menos uma abertura.
[00147] A Figura 19 mostra a colocação de um tubo 25 separado nas aberturas de uma estrutura 4a. Uma camada de compensação é colocada entre o tubo 25 e a parede interna 27 de uma abertura como meio de compensação de tolerância 26, que assegura uma união positiva entre o tubo 25 e a estrutura 4a. Através disso, a transmissão de calor é otimizada.
[00148] A camada pode apresentar um elastômero termicamente condutor. Aqui é significativo um volume compensador para o elastômero na área entre as estruturas 4a. A camada pode apresentar um elastômero termoplástico termicamente condutor. Também aqui é significativo um volume compensador para o elastômero na área entre as estruturas 4a. Também uma espuma de elastômero termicamente condutora pode ser utilizada. Nesse caso, é possível dispensar um volume compensador separado, visto que a espuma pode ser comprimida em sua estrutura.
[00149] Além disso, é possível incluir um compartimento externo no canal 6a. Também é possível uma conexão da primeira ou da última estrutura 4a no compartimento.
[00150] É possível um encaixe adicional da estrutura 4a e/ ou das peças de encaixe 12. Por meio disso, é possível realizar uma função de segurança adicional visto que estruturas adjacentes 4a não podem ser separadas uma da outra sem atuação de força.
[00151] A Figura 20 mostra que uma nervura condutora de calor 28 é disposta em pelo menos uma peça de encaixe 16.
[00152] A Figura 20 mostra a peça de encaixe 16 executada aproximadamente retangular representada na Figura 7, na qual são dispostas nervuras condutoras de calor 28 para o aprimoramento da transmissão de calor no canal de resfriamento 16a. Através disso, é aprimorada a transmissão de calor entre o fluido de resfriamento fluido e o corpo de estrutura 4. As nervuras condutoras de calor 28 podem ser colocadas nesse caso no lado da estrutura 4a voltado para a célula.
[00153] As nervuras condutoras de calor 28 podem consistir, nesse caso, de um material de estrutura, que permite uma produção econômica e simples. De forma alternativa, as nervuras condutoras de calor 28 podem consistir a partir de um material condutor particularmente de calor, em particular, de metal.
[00154] A Figura 21 mostra uma peça de encaixe 16 análoga à representada na Figura 20, na qual, além das nervuras condutoras de calor 28, são dispostos reforços mecânicos 17. Esses reforços 17 já foram descritos com referência à Figura 9.
[00155] A Figura 22 mostra uma estrutura 4a com uma atuação de resfriamento em seu melhor possível. Tais estruturas 4a são unidas entre si por reforços metálicos 29. O fluido de resfriamento flui de forma vertical pelo plano da estrutura 4b por rebaixos quadriculados 30.
[00156] A vedação para dentro é assegurada por uma vedação interna circular 31. A vedação para fora é assegurada por uma vedação externa circular paralela 32.
[00157] Na área dos canais de escape 9, a vedação interna 31 e vedação externa 32 podem, além disso, correr paralelas, como representado na Figura 22, ou podem se encontrar uma em relação à outra na área de uma interface 33, de modo que o canal de escape 9 seja dispensado.
[00158] Também é possível que a estrutura quadriculada, que faz circular o fluido de resfriamento, se projete em seções, a partir do plano da estrutura 4b e, como representado de forma análoga à Figura 7, seja introduzida nos rebaixos de uma estrutura adjacente 4a. Aqui a estrutura que se projeta precisa novamente ser vedada de forma circular. A estrutura que se projeta pode compreender seções curtas 33a ou seções longas 33b de extensão.

Claims (17)

1. Estrutura (4a) para a fixação de células, que compreendem um corpo de estrutura (4), na qual pelo menos um canal de resfriamento (6a, 16a) é formado para um fluido de resfriamento, sendo que a estrutura (4a) apresenta pelo menos uma peça de encaixe (12, 16) para a conexão com uma outra estrutura (4a), sendo que o canal de resfriamento (6a, 16a) corre pelo menos parcialmente dentro da peça de encaixe (12, 16), sendo que a peça de encaixe (12, 16) se projeta pelo menos parcialmente de tal modo do plano da estrutura (4b), que a mesma pode se introduzir em uma abertura complementar de uma peça de encaixe (12, 16) de uma estrutura adjacente (4a) e onde a peça de encaixe (12, 16) apresenta pelo menos uma vedação (15), caracterizada pelo fato de que a vedação (15) veda de forma radial.
2. Estrutura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a peça de encaixe (12, 16) apresenta uma seção transversal arredondada ou retangular.
3. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a peça de encaixe (12, 16) poderia apresentar uma parte macho (13) e uma parte fêmea (14), sendo que a parte macho (13) é adequada para ser inserida na parte fêmea (14) de uma estrutura adjacente (4a) e sendo que a parte fêmea (14) é adequada para receber a parte macho (13) de uma estrutura adjacente (4a).
4. Estrutura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a peça de encaixe (12, 16) e a vedação (15) são formadas em uma só peça.
5. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 4, caracterizada pelo fato de que a vedação (15) apresenta anéis- O ou peças de inserção.
6. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que a vedação (15) compreende várias vedações parciais (18, 19), a saber, de vários lábios.
7. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a mesma suporta pressões de até no máximo 1 MPa (10 bar), de forma preferida, no máximo de até 3 MPa (30 bar), de forma particularmente preferida, de no máximo até 13 MPa (130 bar).
8. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que uma chapa condutora (22) é disposta em pelo menos uma peça de encaixe (12, 16).
9. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que uma nervura condutora de calor (28) é disposta em pelo menos uma peça de encaixe (12, 16).
10. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que um elemento de encaixe é formado em pelo menos uma peça de encaixe (12, 16).
11. Estrutura, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a peça de encaixe (16) pode ser estabilizada mecanicamente com reforços (17) dispostos internamente.
12. Disposição, que compreende pelo menos duas estruturas (4a) conforme definidas em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que uma célula é disposta entre as estruturas (4a), sendo que uma parte macho (13) de uma primeira peça de encaixe (12) é inserida em uma parte fêmea (14) de uma segunda estrutura (4a) e sendo que, pelas peças de encaixe (12), um canal de resfriamento (6a) é conduzido para um fluido de resfriamento.
13. Disposição, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que uma vedação, que é disposta em uma parte macho (13) e/ ou parte fêmea (14), se encontra em força direta ou em força de derivação.
14. Disposição, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 ou 13, caracterizada pelo fato de que pelo menos um tubo (25) é conduzido pelas peças de encaixe (12), nos quais o canal de resfriamento (6a) é formado.
15. Disposição, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo fato de que o tubo (25) poderia ser conduzido por cada uma das aberturas de uma peça de encaixe (12), sendo que entre o tubo (25) e a parede interna, um meio de compensação de tolerância (26) é disposto a pelo menos uma abertura.
16. Disposição, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 a 15, caracterizada pelo fato de que um compartimento é parte externa de um canal de resfriamento (6a, 16a), sendo que uma peça de encaixe (12, 16) de uma última estrutura (4a) é inserida em um orifício do compartimento.
17. Sistema de bateria, caracterizado pelo fato de que compreende uma disposição, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 12 a 15.
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