CN101675543B - 带导热板的蓄能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带柔性壳层(3)的蓄能电池(1)，这类蓄能电池以平面形式固定在一块导热板(7)上。

Description

带导热板的蓄能电池
技术领域
本发明涉及按照专利权利要求1总概念的蓄能电池。这种电池被应用于蓄能器中，尤其是用于混合动力汽车或电动汽车中。
背景技术
人们把由于原理限制，部分或全部通过电能驱动的车辆叫做混合动力汽车或电动汽车。
带混合动力驱动装置的汽车也被称为混合动力汽车，它拥有例如内燃机、电机和一个或多个电化学蓄能器。带有燃料电池的电动汽车通常由一个用于能量转换的燃料电池、一个液体或气体燃料容器、一个电化学蓄能器和一个驱动电机组成。
混合动力汽车的电机通常被设计为起动器/发电机和/或电力驱动装置。作为起动器/发电机，它取代通常已有的起动装置和汽车发电机。在作为电力驱动装置的结构形式时，一附加扭矩即加速力矩可被电机用于促进车辆的正向蠕动。作为发电机它可实现制动力和车载电源的动能回收利用。
在一辆纯电动汽车中，动力仅通过一台电机提供。混合动力汽车和电动汽车这两种车型的共同之处是，必须准备和传输大量电能。
能流的控制是通过通常被称为混合动力控制器的电子装置实现的。此外，它还控制储能器是否供电或充电以及以何种数量让蓄能器供电或充电。
从燃料电池或蓄能器中获取的能源通常用于显示驱动功率以及为车载电网进行供电。能源补充用于给储能器充电或将制动力转换为电能，即能源回收再生式制动。
用于混合动力应用的蓄能器在车辆行驶操作过程中可重新充电。内燃式发动机为此准备所需能源。
例如可用铅电池、双层电容、镍金属混合电池或锂离子电池作为电动汽车用的能源供应装置和存储装置。
蓄能电池在大多数情况下安装在一个气密金属外壳内。锂离子电池的一种特殊结构形式是软包装。它由一柔性壳层所包裹，典型情况下这种柔性壳层是由一复合铝箔包装组成的。由于与正向棱柱体的几何形状相似，这种蓄能电池也被叫作棱柱形蓄能电池。
对这类蓄能器的一个重要要求是，从用于所要求功率的电压和电流中找出产品的最佳状态。在这种优化观测中考虑材料和成本。人们发现，对规定的应用领域，系统设计目标既不是高电压也不是大电流。
最佳系统设计的典型电压范围在100伏和450伏最大电压之间，产生的电流在脉冲运行情况下可达到400安培，在特殊的极端应用情况下和较高的温度范围内甚至可达到550安培。连续电流在80到100安培的范围内，但必要时根据特定用途还可更高。由于结构和成本上的原因，为了有利于较高电压而降低这类电流所需费用明显比始终保持在这类高电流上的系统设计要高。
这类要求不仅适用于诸如混合动力汽车或电动汽车这样的汽车用蓄能器，而且也适用于固定式应用领域，例如在峰值负荷的缓冲或在用于分散式能源供应的蓄能器中也同样要考虑到这方面的要求。
作为混合动力汽车的蓄能器、插入式混合动力装置的蓄能器或作为电动汽车蓄能器，根据不同用途，所要求的最大功率从10千瓦到超过100千瓦。尽管对连续功率的要求可能明显低于此值，但这种连续功率对制冷系统提出了更高的要求，尤其是因为蓄能器的结构空间通常极为有限。
由于受结构限制，这类大功率电池(典型值大于4Ah)的成本比通常容量极小的普通消费电池的成本高得多。另外在汽车工业中要求电池的使用寿命超过10年。
对实现这一使用寿命的要求，高效的制冷方案是必不可少的。
WO2007/068223-A1描述了一种带有集成式制冷装置的电池支架，它尤其适用于固定圆柱形电镀电池。正如在混合动力汽车中常用的形式，在这种电池支架中，蓄能器以一种蜂窝结构布置，并由两个基本冷却器以及至少一个中间冷却器进行冷却。
在此，对电池的使用寿命具有重要意义的不仅是电池的(绝对)冷却，而且还包括电池的均匀冷却(相对冷却)，也就是说，电池上的温度变化程度要保持在尽可能低的水平，在把多个电池转换成一个蓄能器时，要使蓄能器上的温度变化尽可能低。此时的目标是温差ΔT＜3K，良好的数值为ΔT＜5K。
尽管在整个蓄能器上通过或穿过的制冷剂流流动均匀，但单一电池段还是会出现不同的加热现象。
尤其是当电池串联时，这些电池尽管在电气回路上相连，但在热力方面还未强制耦合。热耦合非常重要，它是负荷情况下电流流量均匀的保证。通常人们可以认为，温度提高15K，动力学会翻一倍。如果在负荷情况下并联电路中有不同的电流，则可能导致局部范围加速老化，甚至在大电流情况下造成损坏。
发明内容
本发明的任务是，确保带有柔性壳层的蓄能电池实现均匀的温度调节。
这一任务是通过一个具有权利要求1中所述特征的蓄能电池来解决的。本发明具有各种优点的其它结构形式在从属权利要求中作了说明，从中也可推测得出各单一特征的组合以及其它的结构形式。
棱柱形电池基于其几何形状和内部结构具有一个优点，它在金属放电电极方向上具有很高的导热性。
与此同时，电池在垂直方向上的导热性因分离器层的绝缘特性明显要小。
通过将蓄能电池平面固定在一导热板处，将对垂直于分离器层的电池较差的导热性进行补偿。蓄能电池通过其表面被有效冷却和/或加热。
本方案的一个重要优点是，在电极和电流导出线方向上从蓄能电池良好的本征导热性中获益。
本方案的优点在于，通过其表面将电池在尽可能短的距离上无电位固定在一块导热板上。模拟结果表明，在相应的电池几何形状下，当导热板的厚度为1毫米时，已可达到ΔT＜5K的温差值。由此达到的冷却和/或加热效率非常高，因为蓄能电池和导热板之间是直接接触的。它既可进行间接式空气冷却，也可实现液体冷却。从而可达到蓄能器的最佳冷却，并由此实现对使用寿命特别高的期望。
本发明的其它优点在于安装在蓄能器中的蓄能电池具有紧装、可靠和成本经济的结构形式。这类蓄能电池可用于模块化系统中(实现更高的模块化程度)。
导热板和蓄能电池内部之间的电气绝缘在典型的软包装电池中已通过外部绝缘(尼龙)和柔性壳层的内部绝缘(聚丙烯)得以实现。
单面固定在导热板上使蓄能电池能够“呼吸”。所谓“呼吸”是指在正常运行过程中出现的容量变化。蓄能电池不是两侧刚性夹紧，它在避开导热板的一侧上留有足够的呼吸空间。例如当锂离子电池中的锂离子填入和离开点阵时产生容积的变化。同样，在通过提升温度和压力从电池中排出之前，在滥用(过度加热、过度充电等)时，电池中可能生成气体。这一可能性被视为重要的安全特征，用以避免击穿式压力释放或不期望产生的侧面反应。
通过与带柔性壳层的蓄能电池连接，这一导热板可引入和遵循固定尺寸和定位点(将导热板啮合或固定在一个温度调节单元上)。在堆积情况下，这样可避免带柔性壳层的蓄能电池其生产制造误差产生不利的累积。
由此人们可获得一种紧装、简单、可靠以及成本经济合理的结构方式。这种结构方式可被用于模块结构化系统中(用于实现更高的模块化程度)。这是一种高效的冷却和/或加热方式，它既可通过空气式温度调节，也可实现液态温度调节。
可将带有导热板的相同蓄能电池用于不同的冷却和/或加热方案(空气或液态方式的冷却和/或加热)。这提供了一系列的节约潜力(通过数量也可通过减少不同组件量)，尤其是针对模块化结构系统，该系统可配备带导热板的相同蓄能电池。
在一具有很多优点的配置中，固定在带柔性壳层的蓄能电池上的导热板与一调温装置热耦合。这一调温装置用于冷却和/或加热蓄能电池。
导热板在调温装置上的热耦合主要是通过将导热板的一端固定在调温装置上来实现的。可采用的固定方式有螺栓紧固、夹紧、收缩紧固、楔紧、粘贴、铆接和/或压紧等。例如借助于一个外部框架进行压紧。楔入是一种特别优选的固定可能性，采用这种方式时可通过套筒和螺栓夹紧楔子。这种固定形式在耐振动特性较高的情况下可获得特别好的热传导效果。
在此，这类调温装置以具有很多优点的方式包括了空气式或液态方式的冷却和/或加热。调温装置可附加配置在侧面或仅配置在在侧面。也可考虑在不同侧面上安置多个调温装置，以达到特别小的温度变化程度。
环境温度特别低时，也可将电池与一个外部调温装置进行热连接，以使系统实现有针对性的加热，目的是在这种情况下也能确保尽可能统一的电池温度。这样做的优点在于，例如在冬季启动发动机前将电池加热到合适的工作温度。
在另一个具有很多优点的结构形式中，带柔性壳层的棱柱形蓄能电池根据本发明主要是单侧粘贴在导热板上。
这方面使用的胶粘剂可以是液体或导热性薄膜的形式。在此，这类胶粘剂要满足的性能是营造一种良好的导热性，附加产生电气绝缘性(提高击穿强度)并且固定用于其它组装的电池。
在一特殊结构形式中，人们可通过将蓄能电池不均匀地固定在导热板处，例如通过粘接区域的三角几何形状，使靠近冷却器的位置比较远区域所需散热量更少，即对蓄能电池内的热分布或热变化程度进行补偿，从而通过一调温装置进一步改善冷却效果。
蓄能电池固定在导热板上优选采用的是在电池体上方用粘胶进行粘接。但也可通过机械压力或电池边缘上的固定支架将电池固定在导热板上。在此，可在电池边缘进行粘胶连接、夹持、用螺栓固定、铆接或用钉子固定。
这类导热板可作为结构件用于把蓄能电池固定在框架结构中，这一做法具有很多优点。
这类导热板也可优选作为电池体本身的结构件。在此，电池被放在冷却板上，并从两侧用一覆盖结构把电池压紧、粘接固定或焊接固定。
这类导热板主要用金属，尤其是用铝制成，并通过表面的合金和/或磨砂加筋微处理进行附加加固。
另一种具有各种优点的结构形状中，多个电池(“多包装(MultiPack)”)、主要是两个电池(“双包装(BiPacks)”)共同连接在一块导热板上。这使并联的蓄能电池能够实现最佳热耦合。甚至在有应用要求的情况下，也可实现串联开关。
在使用相同的双包装时可匹配不同的冷却方案，因为这一变化只发生在冷却器汇集板上，而双包装层面没有发生变化。
应用中，一个双包装电池里，两个较薄的蓄能电池与一厚度具有双包装中两电池中某一个的两倍的蓄能电池相比，前者所能达到的温度分布更均匀。
附图说明
下面根据图纸详细阐述本发明的结构形式示例。
图1所示是带一柔性壳层的蓄能电池和两条电流引出线。
图2a和图2b所示是一个带阴极层、阳极层以及分离器层的蓄能电池的内部横截面。
图3所示是一固定在一块导热板上的蓄能电池。
图4所示是一个双包装电池。
图5所示是一个蓄能电池固定在一个带外壳的导热板上。
图6所示是蓄能电池、导热板和框架的安置。
图7所示是在一个通过导热板冷却的蓄能电池中的模拟温度曲线。
图8所示是不对称涂抹在一导热板上的一种导热性粘接剂。
图9所示是一带凹槽的导热板。
具体实施方式
图1所示的蓄能电池(1)拥有一柔性壳层(3)，在其焊接端安装了两根金属电流导出线(2)。这种柔性壳层(3)把阴极层(5)、分离器层(4)和阳极层(6)、电解材料以及内部导出线从四周包裹封装住。外部金属电流导出线(2)铆接在内部电池导出线上。外部金属电流导出线(2)是由例如铜等材料制成的。在金属电流导出线(2)上可量取电压。
图2a所示的是一蓄能电池(1)的内部横截面。阴极层(5)和阳极层分别通过一个分离器层(4)彼此隔离。阴极层(5)在左侧通过内部电流导出线引到外部电流导出线(2)上。这一电流导出线(2)构成了可供测量的电池负极。
与此相应，阳极层(6)在右侧通过第二根电流导出线(2)引出。这一电流导出线(2)构成了可供测量的电池正极。
箭头表示电池的主要导热方向：与阴极层(5)和阳极层的平面平行。金属电流导出线(2)已经显示了蓄能电池(1)的第一个温度调节件。
图2b所示的是与图2a相同的一个蓄能电池(1)内部的同一个横截面，只是标注了蓄能电池导热性能受很大限制的方向箭头。在与阴极层(5)和阳极层(6)的平面垂直方向上，分离器层(4)极大地限制了热流。原因在于，分离器(4)是用绝缘材料构成的，由此形成的导热性极小。根据本发明，这个问题可通过将一导热板(7)固定在蓄能电池(1)的一侧进行纠正。在这种情况下，导热板(7)与电极层(5、6)和分离器层(4)平行。图2b没有展示的是，根据本发明主要在最下面的分离器层(4)下布置蓄能电池(1)的柔性壳层(3)，并在下面配置导热板(7)。
图3所示是一个带柔性壳层(3)的蓄能电池(1)，它的平面固定在导热板(7)上。
图4中所示的是两个带柔性壳层(3)的蓄能电池(1)，这些蓄能电池(1)各自固定在同一块导热板(7)的一侧。这种安置被称为双包装。与此相应，在一多包装中，两个以上的蓄能电池(1)被固定在同一块导热板(7)的一侧或两侧。
图5中所示的是蓄能电池(1)，这一蓄能电池安置在用比蓄能电池(1)的壳层(3)具有更高刚性的材料制成的一种外壳(8)内。这类外壳用于将同样安置在外壳(8)内的蓄能电池(1)固定在导热板(7)上。此外，主要方式是将蓄能电池(1)粘接在导热板(7)上。蓄能电池(1)和/或导热板(7)也可借助一种粘接装置固定在外壳(8)中。
通过将蓄能电池(1)安置在外壳(8)中，可实现蓄能电池的机械稳定。
在外壳(8)的图示结构形式中人们可以看出，蓄能电池(1)前侧上的柔性壳层(3)向外穿出外壳(8)的一个窗口。由此可让安置在外壳(8)中的蓄能电池(1)进行“呼吸”。
图6所示的示意图中，外壳(8)包括一个带窗口的盖和一底部。盖和底部主要通过一个铰链相连，并可用卡钩封闭。导热板(7)安置在蓄能电池(1)的下方，并向外穿出外壳(8)的开口。在此可连接一个外接调温装置。
图7中曲线图所示的是在一蓄能电池(1)中的模拟温度曲线。这一蓄能电池以平面方式固定在一块从下冷却的导热板(7)上。金属电流导出线(2)位于蓄能电池(1)的左侧和右侧，并对温度曲线产生影响。从曲线图中可以看出，因为从下方进行冷却，所以温度在那里最低。在蓄能电池(1)中，越往上温度上升越高。与中间范围相比，电流导出线(2)在蓄能电池(1)的左右范围内具有更强的冷却效果。这是因为，电流导出线(2)是用金属制成，并且如前所述可被用作导热器。
曲线图中所示的温度曲线的不均匀以及不对称可在其它具有各项优点的结构形式示例中被抵消。
一方面可用导热性粘胶(9)把蓄能电池(1)固定在导热板(7)上，使其不对称地安置在导热板上。这种结构形式的设计使根据图7曲线图所示在蓄能电池(1)具有较高温度的范围内，通过粘胶(9)实现更高的导热性。在图8所示的结构示例中，粘接面的几何图形是三角形。由此，上面部分比下面部分冷却效果更强，中间部分比蓄能电池(1)左侧和右侧的冷却效果更强。
图9所示的是一种可供选择的结构形式。在此，上面固定有蓄能电池(1)的导热板(7)在蓄能电池(1)必须实施的冷却强度较小的区域内包含了一凹槽(10)。这部分可从图7的曲线图中查阅。
图9中综合说明了可证明这类凹槽(10)各项优点的多项特征：凹槽处的大小总的来说是可变的，凹槽的数量也可变化。导热板(7)的凹槽(10)可设计作为钻孔形式。
在所示例子中，下部区域中所示的是大孔，向上这些钻孔变小，在中央区域没有钻孔。这种结构形式的根本优点是减少作用于凹槽(10)的重量。
参考符号清单
1蓄能电池
2电流导出线
3柔性壳层
4分离器
5阳极
6阴极
7导热板
8外壳
9导热性粘接
10凹槽

Claims (14)

1.带一柔性壳层(3)的蓄能电池(1)，这一蓄能电池平面固定在一块导热板(7)上，其特征在于，蓄能电池不均匀地固定在导热板处，使得靠近冷却器的位置比较远区域所需散热量更少。
2.根据权利要求1所述的蓄能电池(1)，其特征在于，这类导热板(7)与用于冷却和/或加热蓄能电池的一个调温装置热耦合。
3.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，蓄能电池固定在在导热板(7)上是通过一种导热性粘接装置(9)实现的。
4.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，蓄能电池是借助一种非对称安置的导热性粘接装置(9)固定在导热板(7)上的。
5.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，这类固定在导热板上的蓄能电池包含了一个用比蓄能电池(1)的护层(3)具有更高刚性的材料制成的外壳(8)，并且外壳(8)包裹了蓄能电池(1)和导热板(7)。
6.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，这类蓄能电池在导热板(7)上的固定包括了一个蓄能电池边缘上的固定支架。
7.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，这类导热板(7)是用铝制成的。
8.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，所述导热板(7)的表面通过表面合金处理进行加固。
9.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，所述导热板(7)的表面进行了磨砂加筋的加固处理。
10.根据权利要求1或2所述的蓄能电池(1)，其特征在于，所述导热板(7)含有凹槽(10)。
11.包括两个根据权利要求1至10中任一项所述的蓄能电池(1)的蓄能件，其特征在于，在一共用导热板(7)的每一面分别固定有一个蓄能电池。
12.包括多于两个根据权利要求1至10中任一项所述的蓄能电池(1)的蓄能件，其特征在于，这类蓄能电池固定在一共用导热板(7)的一面或两面。
13.用于冷却根据权利要求1至10中任一项所述的蓄能电池(1)或用于冷却根据权利要求11或12所述的蓄能件的装置，其特征在于，这类蓄能电池(1)至少固定在一块导热板(7)上，且这类导热板(7)至少与一个空气冷却式和/或水冷式冷却器热耦合。
14.用于加热根据权利要求1至10中任一项所述的蓄能电池(1)或用于加热根据权利要求11或12所述的蓄能件的装置，其特征在于，至少一个蓄能电池(1)固定在至少一块导热板(7)上，并且该导热板与一个低温情况下加热蓄能电池(1)的调温装置热耦合。
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