CN101802536B - 热交换单元以及具有该热交换单元的电化学蓄能器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电化学蓄能器(6)的热交换单元(1)，包括由温度控制介质流过的流动通路(1.3.1，1.3.2)，所述流动通路在端部设有向所述流动通路供给温度控制介质的前向分配通路(2)和/或汇集温度控制介质的返回汇集通路(3)，其中，在所述前向分配通路(2)的上游连接有前向分配器(4)并且在所述返回汇集通路(3)的下游连接有返回汇集器(5)。根据本发明，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)彼此分离地并且相互对置地设置，其中，在所述前向分配器(4)的侧表面之一上在中央设置有进口(4.1)并且在所述返回汇集器(5)的侧表面之一上在中央设置有出口(5.1)。

Description

热交换单元以及具有该热交换单元的电化学蓄能器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的热交换单元以及一种根据权利要求13的前序部分所述的电化学蓄能器。
背景技术
当代的电化学高性能蓄能器(也简称为高性能电池)，例如镍氢电池、锂离子电池等等需要相应的电池管理以及单个电化学蓄电池(也称为单电池)的有效温度控制，以确保电化学蓄能器的尽可能好的性能并防止损坏。
例如由DE 102004005393A1以及DE 102006015568B3已知这种电化学蓄能器。以上文献中描述的电化学蓄能器具有热交换单元，在所述热交换单元的热交换通路(也称为流动通路)之间分别在至少两个相邻的行中相继地设置多个单电池，其中，以在一个平面内或在多个平面上的交替流动方向流过这些流动通路，由此实现了单电池的更均一的温度控制。
在此，均一的温度控制被限定为单电池相互之间的温度控制。通过流动通路的连接，各单电池自身在前向分配通路与返回汇集通路之间经历在流动方向上的温度升高或者梯度。
发明内容
因此，本发明的目的在于，说明一种用于电化学蓄能器的热交换单元，其实现了单电池的相对于现有技术有所改进的均一温度控制。此外，说明一种在冷却方面具有改进的电化学蓄能器以及所述电化学蓄能器的特别合适的应用。
根据本发明，所述目的在热交换单元方面通过权利要求1中给出的特征来实现。根据本发明，所述目的在电化学蓄能器方面通过权利要求14中给出的特征来实现。
本发明的有利的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于电化学蓄能器的热交换单元包括由温度控制介质流过的流动通路(也被称作热交换通路或者循环通路)，所述流动通路在其端侧设有向所述流动通路供给温度控制介质的前向分配通路和/或由所述流动通路汇集温度控制介质的返回汇集通路。为了输入或者排出温度控制介质，在前向分配通路的上游连接有前向分配器并且在返回汇集通路的下游连接有返回汇集器。在此，前向分配器和返回汇集器彼此分离地设置并且相互对置，其中，在前向分配器的侧表面之一上在中央设置有进口，并且在返回汇集器的侧表面之一上在中央设置有出口。
通过进口和出口的相互对置且在空间上分离的布置以及进口和出口的中央布置(即围绕前向分配器或返回汇集器的侧表面之一的共同的中心或在前向分配器或返回汇集器的侧表面之一的共同的中心点上)，实现了温度控制介质、尤其是冷却介质在所有前向分配通路上均匀的、对称的分配或者来自所有返回汇集通路的均匀的、对称的汇集。温度控制介质的这种对称的分配或汇集实现了在尤其是波形的流动通路上的有效率的并且极其有效的冷却和冷却剂分配。这样的热交换单元也可被称作波形导向冷却装置。此外，实现了热交换单元的非常紧凑的结构。
在一个可行的实施方式中，前向分配器和返回汇集器侧向地在外部流动通路上、彼此对置地、在流动通路的整个长度上延伸。换句话说：前向分配器和返回汇集器平行于流动通路的纵向延展延伸，其中，温度控制介质以与流动通路的纵向延展成横向的流动方向输入或者排出，并且在前向分配器或返回汇集器中转向并且在前向分配器或返回汇集器中以平行于流动通路的纵向延展延伸的流动方向被导向。在此，为了温度控制介质的对称的分配和有效率的引导，可以在进口或出口中设置导向元件或偏转元件。
优选地，在进口或出口中分别设置中央导向元件，尤其是在进口和出口的流动方向上或者垂直于前向分配器或返回汇集器中的流动方向设置的中央导向板。由此，待供应的温度控制介质或待排出的温度控制介质被简单并且可靠地对称分配或汇集，从而可靠地降低或者避免涡流和不期望的流动阻力。
合理地，前向分配器和返回汇集器被分别构造成为单通路。优选地，前向分配器和返回汇集器在横截面中被构造成为矩形。这尤其在制造技术上是简单的并且经济有效的。
为了温度控制介质的特别均匀的输入和排出，前向分配器和返回汇集器自身被构造成为漏斗形或锥形。为此，例如前向分配器和返回汇集器分别被构造成单个的扁平通路，所述扁平通路的通路宽度约等于热交换单元的高度而所述扁平通路的通路长度约等于热交换单元的长度，并且所述扁平通路的通路高度沿着纵向延展而变化。优选地，在此各扁平通路的通路高度从各通路端部至通路中央增大，从而形成漏斗形。合理地，进口设置在前向分配器的通路中央的区域中而出口设置在返回汇集器的通路中央的区域中。
在漏斗形的前向分配器和漏斗形的返回汇集器的替代实施方式中，前向分配器和返回汇集器被分别构造成为具有保持不变的通路高度和变化的通路宽度的扁平通路，其中，在通路中间，垂直于通路走向，进口通到前向分配器中或者出口从返回汇集器引出。为了温度控制介质的均匀的输入和排出，在此实施例中进口或出口自身被分别构造成为漏斗形。
为了有效率的温度控制、尤其是冷却温度控制介质，在流动入口侧设置有蒸发器。在出口中，为了有效率地排出经加热的温度控制介质，适宜地，在流动出口侧连接一排风机、尤其是一轴流式风扇。
关于具有所述热交换单元的电化学蓄能器，如此设置多个电化学蓄电池，使得所述多个电化学蓄电池在很大程度上完全由热交换单元包围。对于与蓄能器的待温度控制的、尤其待冷却的、例如圆形的单电池或蓄电池相匹配的形状，流动通路优选被构造成为波形。蓄电池也可被构造成棱柱形。
作为温度控制介质，优选使用气态的介质，尤其是空气。替代地，也可以使用液体介质，尤其是冷却介质，如水。
在另一个实施方式中，热交换单元(在空气冷却情况下也被称为空气冷却器，在水冷却情况下也被称为水冷却器)同时用作用于控制和/或调节以及监视充电过程和放电过程的电子单元的冷却。换句话说，同时且共同地借助于热交换单元来冷却电子单元和蓄能器的蓄电池。为此，电子单元例如设置在进口的区域中。此外，为了控制和/或调节以及监视蓄能器的充电过程和放电过程，在蓄能器上或蓄能器中、尤其在流动通路的区域中设置有相应的传感器，例如温度传感器、电压传感器、电流传感器。
优选地，电化学蓄能器用于车辆的车载供电和/或车辆的驱动装置的供电。适宜地，所述车辆为具有一个或多个驱动类型(混合驱动)的道路车辆，其中，一个驱动类型包括电驱动。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的实施例。附图示出：
图1以分解示图示意性示出热交换单元的流动通路；
图2以分解示图示意性示出在流动通路的端部上在环流区域中根据图1的流动通路的局部II；
图3以分解示图示意性示出具有设置在流动通路的环流区域中的前向分配通路和返回汇集通路的热交换单元的流动通路；
图4以立体示图示意性示出组合状态中的根据图3的流动通路；
图5以立体示图示意性示出流动通路区域中的用于9个蓄电池的热交换单元；
图6以立体示图示意性示出流动通路区域中的用于34个蓄电池的热交换单元；
图7以分解示图示意性示出具有流动通路、前向分配通路、返回汇集通路以及前向分配器和返回汇集器的热交换单元，前向分配器和返回汇集器具有分别设置在中央的进口或出口；
图8以立体示图示意性示出在组合状态中的根据图7的热交换单元；
图9以分解示图示意性示出具有热交换单元以及插置在所述热交换单元中的蓄电池的电化学蓄能器；
图10以立体示图示意性示出在组合状态中的根据图9的蓄能器；
图11以分解示图示意性示出具有替代的前向分配器和返回汇集器的热交换单元的替代实施例；以及
图12以立体示图示意性示出在组合状态中的根据图11的热交换单元。
相应的部件在所有附图中设有相同参考标记。
具体实施方式
图1以分解示图示意性地示出在两个流动板1.1和1.2之间通过这两个流动板中开设的凹槽N形成的用于热交换单元1的流动通路1.3。流动板1.1和1.2例如通过深冲压两个材料条带或材料板而形成，在所述流动板1.1和1.2中开设有流动通路1.3.1、1.3.2。
温度控制介质、尤其是冷却介质(例如空气或者水)在箭头P1或P2所示的不同的流动方向R1和R2上流过流动通路1.3。在此，在流动方向R1上延伸的流动通路1.3.1例如用作前向通路(以下称作前向通路1.3.1)，而在流动方向R2上延伸的流动通路1.3.2用作返回通路(以下称作返回通路1.3.2)。
在图3中附加地示出设置在前向通路1.3.1和返回通路1.3.2的端部上的前向分配通路2和返回汇集通路3。对于返回汇集通路3，附加地示出其返回开口3.1。图4以组合状态示出根据图3的流动通路1.3.1和1.3.2。在此，流动板1.1和1.2例如至少在边缘区域或者腹板区域中液密地彼此熔焊或钎焊。
图5以立体示图示出具有用于形成内部的流动通路1.3.1和1.3.2的波形流动板1.1和1.2的热交换单元1，其中，流动板对1.1和1.2如此相互堆叠，使得它们的波谷一个在另一个上方放置，从而它们的波峰相互对置并且形成空洞/凹部O，在这些凹部O中可容纳未详细示出的蓄电池(在图5所示的例子中可容纳八个或者九个蓄电池)。
根据图5的热交换单元1例如适合于被构造为具有功率在9kW与14kW之间的九个锂离子单元的锂离子电池的蓄能器。也可涉及镍氢电池。优选地，电化学蓄能器用于车辆的车载供电和/或车辆的驱动装置的供电。作为温度控制介质，尤其使用气态的介质，尤其是空气。替代地，也可以使用液体介质，尤其是冷却介质，如水。热交换单元1也可用于同时冷却用于控制和/或调节以及监视所属蓄能器的充电过程和放电过程的电子单元。
图6以立体示图示意性地示出用于具有最高55kW功率的34个蓄电池的热交换单元1。
图7以分解示图示意性地示出热交换单元1的另一实施例，其具有内部的流动通路1.3.1、1.3.2以及在这些流动通路的端侧上设置的前向分配通路2和返回汇集通路3，它们由前向分配器4供给或者通到返回汇集器5中。根据本发明，为了温度控制介质的对称分布，在前向分配器4中在中央设置进口4.1。在返回汇集器5中在中央设置出口5.1。前向分配器4和返回汇集器5分别沿着热交换单元1的纵向延展而延伸，其中，温度控制介质通过进口4.1或出口5.1的输入或排出垂直于纵向延展并且沿着纵向延展在前向分配器4或返回汇集器5中引导温度控制介质。在此，在中央供给的温度控制介质分为两股具有相反的流动方向的流，从而可以在两侧供给前向通路1.3.1的端部。与此类似地，返回的温度控制介质由返回通路1.3.2的两个端部通过返回汇集通路3引导至设置在中央的出口5.1。
在根据图7至10的实施例中，无论是前向分配器4还是返回汇集器5都分别构造为单通路，其中，前向分配器4和返回汇集器5的侧表面之一被构造为漏斗形或者锥形。为此，前向分配器4和返回汇集器5被分别构造为单个的扁平通路4.2或5.2，所述单个的扁平通路4.2或5.2的通路宽度b约等于热交换单元1的高度并且所述单个的扁平通路4.2或5.2的通路长度l约等于热交换器1的长度，其中，通路高度h(＝通路深度)沿着流动通路1.3.1、1.3.2的纵向延展而变化。在此，通路高度h如此变化，使得通路高度h从各通路端部向通路中央增大，从而在中央、即在中心点形成漏斗形。
为了使温度控制介质输入到前向分配通路2中或使温度控制介质从返回汇集通路3中流出，前向分配器4或返回汇集器5的端部弯折并且通到前向分配通路2或返回汇集通路3中。
为了对称地分配或汇集温度控制介质，可以以未详细示出的方式在进口4.1中以及在出口5.1中设置导向元件、尤其是导向片或偏转元件。
图8以立体图示意性地示出组合状态中的根据图7的热交换单元1。
图9以分解示图示意性地示出具有根据图7和图8的热交换单元1以及插置在所述热交换单元1中的储存单元/蓄电池7的电化学蓄能器6。在此，具有可插置的蓄电池7的热交换单元1可以由固定壳体或者支承壳体8包围，所述固定壳体或者支承壳体8相应地设有横支撑件、纵支撑件或其他合适的支撑件。蓄电池7可借助于电池连接片9相互并联和/或串联地电连接。
为了有效地冷却温度控制介质，在流动入口侧在进口4.1上设置有蒸发器10，并且为了有效地排出，在流动出口侧在出口5.1上设置有排风机11。
图10以立体图示意性地示出在组合状态中根据图9的蓄能器6。
在蓄能器6运行时，经冷却的内部空间空气例如直接提供给进口4.1，或者，在使用外部空气或者新鲜空气的情况下，所述外部空气或者新鲜空气间接地通过蒸发器10冷却并且通过前向分配器4分配到前向分配通路2和前向通路1.3.1以冷却蓄电池7。在此，经冷却的温度控制介质——新鲜空气或者经冷却的内部空间空气——在交替方向上流过前向通路1.3.1。尤其是以在一个平面内变换的流动方向R1、R2以及在平行的平面上变换的流动方向R1、R2(如在图1中详细示出的那样)并且因此以对流原理流过流动通路1.3.1和1.3.2。在端侧，返回通路1.3.2中的经加热的空气提供给返回汇集通路3，从返回汇集通路3经加热的空气输出到返回汇集器5并且通过出口5.1以及排风机11(例如轴流式风扇)排放到环境中。
图11以分解示图示意性地示出具有替代的前向分配器4和返回汇集器5的热交换单元1的替代实施例。图12以立体图示意性地示出组合状态中的根据图11的热交换单元1。在此，无论是前向分配器4还是返回汇集器5都分别具有通路高度h保持不变的扁平通路4.2、5.2。通路宽度b如此变化，使得通路宽度b在通路中央的方向上扩大或者缩小，其中，进口4.1和出口5.1垂直于通路走向设置。

Claims (14)

1.用于电化学蓄能器(6)的热交换单元(1)，包括由温度控制介质流过的流动通路(1.3.1，1.3.2)，所述流动通路在端侧设有向所述流动通路供给温度控制介质的前向分配通路(2)或汇集来自所述流动通路的温度控制介质的返回汇集通路(3)，其中，在所述前向分配通路(2)的上游连接有前向分配器(4)，在所述返回汇集通路(3)的下游连接有返回汇集器(5)，其特征在于，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)彼此分离地并且相互对置地设置，其中，在所述前向分配器(4)的侧表面之一上在中央设置有进口(4.1)并且在所述返回汇集器(5)的侧表面之一上在中央设置有出口(5.1)，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)被分别构造成单个的扁平通路，所述扁平通路的通路宽度(b)约等于所述热交换单元(1)的高度并且所述扁平通路的通路长度(l)约等于所述热交换单元(1)的长度并且所述扁平通路的通路高度(h)沿着纵向延展而变化，各扁平通路的通路高度(h)从各通路端部至通路中央增大，垂直于所述流动通路(1.3.1，1.3.2)的纵向延展的所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)侧向地在外部的流动通路(1.3.1，1.3.2)上、相互对置地、在所述流动通路(1.3.1，1.3.2)的整个长度上延伸。
2.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)被分别构造成单通路。
3.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)被构造成横截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)被构造成漏斗形或锥形。
5.根据权利要求1所述的热交换单元，其特征在于，所述进口(4.1)设置在所述前向分配器(4)的通路中央的区域中，所述出口(5.1)设置在所述返回汇集器(5)的通路中央的区域中。
6.用于电化学蓄能器(6)的热交换单元，包括由温度控制介质流过的流动通路(1.3.1，1.3.2)，所述流动通路在端侧设有向所述流动通路供给温度控制介质的前向分配通路(2)或汇集来自所述流动通路的温度控制介质的返回汇集通路(3)，其中，在所述前向分配通路(2)的上游连接有前向分配器(4)，在所述返回汇集通路(3)的下游连接有返回汇集器(5)，其特征在于，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)彼此分离地并且相互对置地设置，其中，在所述前向分配器(4)的侧表面之一上在中央设置有进口(4.1)并且在所述返回汇集器(5)的侧表面之一上在中央设置有出口(5.1)，所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)被分别构造成具有保持不变的通路高度(h)和变化的通路宽度(b)的扁平通路，所述扁平通路的通路长度(l)约等于所述热交换单元(1)的长度，其中，在通路中间，垂直于通路走向，所述进口(4.1)通到所述前向分配器(4)中或者所述出口(5.1)从所述返回汇集器(5)引出，垂直于所述流动通路(1.3.1，1.3.2)的纵向延展的所述前向分配器(4)和所述返回汇集器(5)侧向地在外部的流动通路(1.3.1，1.3.2)上、相互对置地、在所述流动通路(1.3.1，1.3.2)的整个长度上延伸。
7.根据权利要求6所述的热交换单元，其特征在于，所述进口(4.1)和所述出口(5.1)被分别构造成漏斗形。
8.根据权利要求1或6所述的热交换单元，其特征在于，在所述进口(4.1)中在流动入口侧设置有蒸发器(10)。
9.根据权利要求1或6所述的热交换单元，其特征在于，在所述出口(5.1)中在流动出口侧在下游连接有排风机(11)。
10.根据权利要求1或6所述的热交换单元，其特征在于，所述流动通路(1.3.1，1.3.2)被构造成波形。
11.根据权利要求9所述的热交换单元，其特征在于，所述排风机(11)是轴流式风扇。
12.具有根据权利要求1至11之一所述的热交换单元的电化学蓄能器(6)，其中，布置有多个电化学蓄电池(7)。
13.根据权利要求12所述的电化学蓄能器(6)用于车辆的车载供电和/或车辆的驱动装置的供电的应用。
14.根据权利要求13的应用，其特征在于，所述车辆为具有一个或多个驱动类型的道路车辆，其中，一个驱动类型包括电驱动。
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