CN102017275B - 用于冷却电池模块的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池模块(1)，包括壳体(2)、至少一个设置在壳体(2)中的电池(3)、至少一个用于将冷却流体导入到壳体(2)中的进口(5)、至少一个用于将冷却流体从壳体(2)中排出的出口(6)，其中，至少一个进口(5)可被供给借助于压缩机(11)压缩的冷却流体，应当至少部分地避免由于被压缩的冷却流体的变热而引起的冷却能力的降低。此外，结构耗费应当较低并且电池模块(1)在制造中应当是廉价的。所述任务通过以下方式实现：冷却流体可被冷却装置(8)冷却。

Description

用于冷却电池模块的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种电池模块，包括壳体、至少一个设置在所述壳体中的电池、至少一个用于将冷却流体导入到壳体中的进口、至少一个用于将冷却流体从壳体中排出的出口，其中，至少一个进口可被供给借助于压缩机压缩的冷却流体。本发明还涉及一种电池模块系统和一种用于冷却至少一个设置在壳体中的电池的方法。
背景技术
电池、例如锂电池向不同的装置——例如混合动力车辆、诸如轮椅的电运行车辆、具有电辅助驱动装置的自行车、装卸车或电动工具供电。通常，多个电池被安装在一个壳体中并且由此形成电池模块。电池模块具有以下优点：电池模块可以更容易通过冷却流体冷却，并且通过多个电池模块组合成电池模块系统可以简单地实现更高的电功率。
借助作为冷却流体的循环空气对设置在壳体中的、通常圆筒状的电池进行冷却。在此，冷却方案规定或者壳体中的圆筒状电池的纯纵向或轴向入流或者纯横向或径向入流。在此，空气通过开口或者孔流入到壳体中并且再流出。为了改善电池的冷却，尤其是对于电池模块的壳体中密封包装的电池，使用被压缩的空气进行冷却，因为被压缩的空气每单位体积具有更高的质量并且由此提高冷却能力。在密封包装的电池中，通常仅仅借助被压缩的空气便足以导散由电池散发的热量。
由DE 10 2005 017 057 A1公开了一种用于设置在壳体中的电池单元的电池冷却装置。泵对空气进行压缩并且通过压力通道将空气输送到电池单元，以便冷却壳体中的电池单元。然而，空气由于压缩而被加热，从而由此不利地降低冷却能力。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提供一种电池模块、一种电池模块系统和一种用于冷却至少一个设置在壳体中的电池的方法，所述方法至少部分地避免了由于被压缩的冷却流体的加热而引起的冷却能力降低。此外，结构耗费较低并且电池模块在制造中是廉价的。
所述任务通过电池模块解决，其包括壳体、至少一个设置在壳体中的电池、至少一个用于将冷却流体导入到壳体中的进口、至少一个用于将冷却流体从壳体中排出的出口，其中，至少一个进口可被供给借助于压缩机压缩的冷却流体，并且冷却流体可被冷却装置冷却。
只要冷却流体管路和壳体的温度高于环境的温度，则冷却流体管路和壳体向环境散发热量。冷却装置理解为将冷却流体管路和/或壳体的冷却能力提高到原有程度以上的装置，例如冷却流体管路表面上提高热量散发的特殊涂层或者增大用于热量散发的表面的散热片。冷却流体也可以在压缩之前被冷却。如果冷却流体例如是空气，则可以借助于制冷剂将空气冷却到环境空气温度以下，随后才在压缩机中对空气进行压缩。
在另一构型中，由压缩机压缩的冷却流体可被冷却。
符合目的地，冷却流体在导入到壳体中之前可被冷却装置冷却。
在另一实施方式中，冷却流体可借助于冷却装置在从压缩机通向至少一个进口的冷却流体管路中被冷却。
在一个补充的构型中，冷却装置是至少一个散热片。
特别地，至少一个散热片设置在冷却流体管路上。
在另一实施方式中，环境空气可借助于风机导引到至少一个散热片和/或冷却流体管路，以便冷却所述冷却流体管路中的冷却流体。通过主动导引环境空气，可以提高冷却流体管路和/或至少一个散热片的冷却能力。
优选地，冷却装置是制冷剂。尤其涉及车辆的空调设备的压缩制冷机，其至少部分用于冷却冷却流体。
在另一实施方式中，在尤其从压缩机通向至少一个进口的冷却流体管路上和/或所述冷却流体管路中设置有制冷机的热交换器、尤其是蒸发器。热交换器也可以设置在通向压缩机的冷却流体管路上和/或所述冷却流体管路中。
符合目的地，电池模块包括用于膨胀从至少一个出口中排出的冷却流体的膨胀机构。
在另一构型中，被压缩机压缩的冷却流体可由从膨胀机构中流出的冷却流体借助于热交换器冷却。
符合目的地，热交换器设置在从压缩机通向至少一个进口的冷却流体管路上和/或所述冷却流体管路中。
在另一构型中，给电池模块配备了调节单元，所述调节单元控制和/或调节壳体中的压力和/或至少一个电池的温度。
特别地，至少一个电池是锂电池和/或冷却流体是气体，尤其是空气。
根据本发明的电池模块系统包括至少一个以上所述的电池模块。
根据本发明的用于冷却至少一个设置在壳体中的电池的方法包括以下步骤：压缩冷却流体，将被压缩的冷却流体导入到壳体中，借助被压缩的冷却流体冷却至少一个电池，将被压缩的冷却流体从壳体中排出以及使冷却流体膨胀，其中，冷却流体被冷却。
特别地，冷却被压缩的冷却流体。冷却被压缩的冷却流体具有以下优点：被压缩的冷却流体具有比未被压缩的冷却流体更高的温度，从而所需的技术耗费和/或能量需求更低。
在另一构型中，优选如下地冷却被压缩的冷却流体：除冷却流体管路和/或壳体中原本存在的冷却作用外附加地借助于冷却装置提高冷却能力。冷却流体管路和/或壳体向环境散发热量，例如借助于热辐射或者对流。这种“标准的”冷却作用是不够的，从而借助于冷却装置显著地提高冷却流体的冷却。
在另一构型中，冷却流体在导入到壳体中之前被冷却。
在一个补充的实施方式中，将冷却流体在冷却流体线路中从压缩机导引到壳体中并且在冷却流体管路中冷却所述冷却流体。
优选地，由散热片和/或制冷机——例如压缩或吸收制冷机冷却冷却流体。
在另一构型中，借助于调节单元控制和/或调节壳体中的压力和/或至少一个电池的温度。
在另一实施方式中，调节单元根据至少一个电池中的内压力和/或被压缩机吸入的冷却流体的温度和/或导入到壳体中的被压缩的冷却流体的温度和/或从壳体中排出的冷却流体的温度和/或冷却流体在膨胀机构中膨胀之后的温度来控制和/或调节壳体中的压力和/或至少一个电池的温度。
本发明还包括一种具有程序编码单元的计算机程序，所述程序代码单元存储在计算机可读的数据载体上，以便当在计算机上或相应的计算单元上执行所述计算机程序时实施以上所述的方法。
本发明还包括一种具有程序编码单元的计算机程序产品，所述程序代码单元存储在计算机可读的数据载体上，以便当在计算机上或相应的计算单元上执行所述计算机程序时实施以上所述的方法。
附图说明
以下参照附图详细描述本发明的三个实施例。附图示出：
图1：电池模块的第一实施例的示意性纵截面图，具有用于冷却被压缩的空气的散热片，
图2：电池模块的第二实施例的示意性纵截面图，具有用于冷却被压缩的空气的制冷机，
图3：电池模块的第三实施例的示意性纵截面图，具有借助于被膨胀的冷却空气来冷却被压缩的空气的热交换器，
图4：电池模块系统的示意性纵截面图。
具体实施方式
在图1中以非常示意性的横截面图示出根据本发明的电池模块1，其具有用于容纳八个被构造为锂电池4的电池3的壳体2。电池模块1优选用在机动车中，尤其是用在混合动力机动车(未示出)中。作为冷却流体使用空气，所述空气被压缩机11吸入和压缩，随后通过冷却流体管路7导引并且通过进口5导入到具有电池3的壳体2中。被压缩的空气吸收由设置在壳体2中的电池3散发的热量并且随后通过出口6从壳体2中导出到膨胀机构14。在膨胀机构14中，被压缩的空气被重新膨胀到1000mbar范围内的标准气压。由压缩机11——例如风机或空气压缩机(Kompressor)产生的压力例如位于高于标准气压100至3000mbar的范围内。
调节单元12控制和/或调节壳体2中的压力。借助于未示出的传感器，调节单元12获得关于电池3和壳体2中的内压力的数据、关于至少一个电池3中的温度、环境空气的温度、导入到壳体2中的被压缩的空气的温度、从壳体2中排出的空气的温度和在膨胀机构14中膨胀之后空气的温度的数据。由调节单元12根据由传感器测量到的数据求得所需的冷却能力；为此例如在调节单元12中保存有相应的函数和/或数据库。根据电池3中的内压力和/或所需的冷却能力和/或环境空气的温度来调节压力。根据电池3中的内压力来调节壳体2中的压力用于避免电池3的变形和由此导致的不密封性。优选地，壳体2中的压力高于电池3中的内压力。由此，可以使空气压缩所需的能量消耗最小化或者最优化。
在将空气从压缩机11导引到壳体2中的冷却流体管路7上施加有散热片9。散热片9充当冷却装置8并且冷却通过冷却流体管路7导引的被压缩的空气，其方式是，向环境散发热量。附加地，也可以借助风机16主动地将环境空气导引到散热片9或冷却流体管路7，以便进一步提高散热片9的冷却能力。风机16也可以与调节单元12连接，从而调节单元12根据所需的冷却能力控制和/或调节风机，以便使风机16所需的能量消耗最小化。
在图2和3中描述了电池模块1的第二和第三实施例。以下仅仅描述第二和第三实施例与第一实施例的不同。
在图2中示出的第二实施例中，借助于作为冷却装置8的制冷机10——尤其是机动车的空调设备的压缩制冷机，在导入到壳体2中之前冷却被压缩机11压缩的空气。为此，在冷却流体管路7上施加了压缩制冷机的蒸发器17(未示出)，也就是说，涉及使空气中的热量散发给制冷机10的制冷剂的热交换器13。制冷机10优选与调节单元12连接(未示出)，从而调节单元12根据所需的冷却能力控制和/或调节制冷机10，以便使制冷机10所需的能量消耗最小化。在此，这可以如下实现：借助于阀仅仅将在制冷剂管路中导引的制冷剂的所需部分导引到冷却流体管路7上的蒸发器17(未示出)。
在图3中示出的第三实施例中，为了冷却冷却流体管路7中的被压缩的空气，使用在膨胀机构14之后被膨胀并且由此被冷却的空气。为此，被膨胀的空气被导引到设置在冷却流体管路7上的热交换器13并且由此可以冷却通过冷却流体管路7导引的被压缩的空气。在未示出的用于将被膨胀的空气导引到热交换器13的冷却流体管路7中设置有未示出的阀，以便控制和/或调节被导引到热交换器13的被膨胀的空气的量。阀与调节单元12连接，从而调节单元12根据所需的冷却能力控制和/或调节所述阀。在第三实施例中示出的冷却装置8的前提条件是：被膨胀的冷却流体的温度低于被压缩的冷却流体在导入到壳体2中之前的温度。借助于相应的温度传感器(未示出)测量这两个温度并且仅仅在温度差足够大的情况下由调节单元12打开阀。
多个电池模块1也可以连接成根据本发明的电池模块系统15(图4)。单个电池模块1的进口和出口5、6并行连接到一个中央的压缩机11(未示出)。因此，在具有4个各具有8个锂电池4的电池模块1的、例如用于乘用车或者商用车辆的电池模块系统15中具有32个锂电池4。因此，模块化的结构实现了更好的可缩放性，因为借助相同的电池模块1可以简单地实现用于不同应用的不同电功率。
只要不冲突，不同实施例的细节可以彼此组合。
总体上说，借助根据本发明的电池模块1显著地改善了冷却能力。在用于机动车的电池模块1中，非常紧凑地以小的间距相互布置电池3往往是必需的，以便对于电池模块1的所需的体积单位而言可以实现尽可能大的电功率。在使用锂电池4的情况下，锂电池4的温度应当不高于60℃并且锂电池4之间的温度差应当小于4K。为了冷却这种密封包装的电池3，一般需要压缩用于冷却的空气，以便足够地导散热量。然而，在压缩时用作冷却流体的空气变热，从而用于冷却的被压缩的空气具有更高的温度并且因此仅仅产生低的冷却能力。冷却被压缩的空气阻止了这种不利的效应，从而借助简单的手段显著地改善了冷却能力并且由此也可以延长电池3的使用寿命。

Claims (24)

1.电池模块(1)，包括一壳体(2)、至少一个设置在所述壳体(2)中的电池(3)、至少一个用于将冷却流体导入到所述壳体(2)中的进口(5)、至少一个用于将所述冷却流体从所述壳体(2)中排出的出口(6)，其中，所述至少一个进口(5)能够被供给借助于一压缩机(11)压缩的冷却流体，
其中，
所述冷却流体能够被一冷却装置(8)冷却，其中，所述电池模块(1)包括一膨胀机构(14)，用于膨胀从所述至少一个出口(6)排出的冷却流体。
2.如权利要求1所述的电池模块，
其特征在于，
所述被所述压缩机(11)压缩的冷却流体能够被冷却。
3.如权利要求1或2所述的电池模块，
其特征在于，
所述冷却流体能够被所述冷却装置(8)在所述冷却流体导入到所述壳体(2)中之前冷却。
4.如权利要求1所述的电池模块，
其特征在于，
所述冷却流体能够在一从所述压缩机(11)通向所述至少一个进口(5)的冷却流体管路(7)中借助于所述冷却装置(8)被冷却。
5.如权利要求4所述的电池模块，
其特征在于，
所述冷却装置(8)是至少一个散热片(9)。
6.如权利要求5所述的电池模块，
其特征在于，
所述至少一个散热片(9)设置在所述冷却流体管路(7)上。
7.如权利要求5或6所述的电池模块，
其特征在于，
借助于一风机(16)，环境空气能够被导引到所述至少一个散热片(9)和/或所述冷却流体管路(7)，以便冷却所述冷却流体管路(7)中的所述冷却流体。
8.如权利要求1或2所述的电池模块，
其特征在于，
所述冷却装置(8)是一制冷机(10)。
9.如权利要求8所述的电池模块，
其特征在于，
所述制冷机(10)的一热交换器(13)设置在从所述压缩机(11)通向所述至少一个进口(5)的冷却流体管路(7)上和/或所述冷却流体管路(7)中。
10.如权利要求1所述的电池模块，
其特征在于，
所述被所述压缩机(11)压缩的冷却流体能够被从所述膨胀机构(14)流出的冷却流体借助于一热交换器(13)冷却。
11.如权利要求10所述的电池模块，
其特征在于，
所述热交换器(13)设置在从所述压缩机(11)通向所述至少一个进口(5)的冷却流体管路(7)上和/或所述冷却流体管路(7)中。
12.如上述权利要求1或2所述的电池模块，
其特征在于，
给所述电池模块(1)配备了一调节单元(12)，所述调节单元(12)控制和/或调节所述壳体(2)中的压力和/或所述至少一个电池(3)的温度。
13.如权利要求1或2所述的电池模块，
其特征在于，
所述至少一个电池(3)是锂电池(4)和/或所述冷却流体是气体。
14.如权利要求9所述的电池模块，所述热交换器(13)是蒸发器(17)。
15.如权利要求13所述的电池模块，所述冷却流体是空气。
16.电池模块系统(15)，具有多个电池模块(1)，
其特征在于，
所述电池模块系统(15)包括至少一个如上述权利要求中任一项所述的电池模块(1)。
17.用于冷却至少一个设置在一壳体(2)中的电池(3)的方法，具有以下步骤：
压缩冷却流体，
将被压缩的冷却流体导入到所述壳体(2)中，
借助所述被压缩的冷却流体冷却所述至少一个电池(3)，
将所述被压缩的冷却流体从所述壳体(2)中排出，以及
使从所述壳体(2)中排出的冷却流体膨胀，
其特征在于，
冷却所述冷却流体。
18.如权利要求17所述的方法，
其特征在于，
冷却所述被压缩的冷却流体。
19.如权利要求17或18所述的方法，
其特征在于，
如下地冷却被压缩的冷却流体：除原本在冷却流体管路(7)和/或壳体(2)中存在的冷却作用外，还附加地借助于一冷却装置(8)提高冷却能力。
20.如权利要求17或18所述的方法，
其特征在于，
所述冷却流体在导入到所述壳体(2)中之前被冷却。
21.如权利要求17或18所述的方法，
其特征在于，
在一冷却流体管路(7)中将所述冷却流体从一压缩机(11)导引到所述壳体(2)以及在所述冷却流体管路(7)中冷却所述冷却流体。
22.如权利要求17或18所述的方法，
其特征在于，
由散热片(9)和/或一制冷机(10)冷却所述冷却流体。
23.如权利要求21所述的方法，
其特征在于，
借助于一调节单元(12)控制和/或调节所述壳体(2)中的压力和/或所述至少一个电池(3)的温度。
24.如权利要求23所述的方法，
其特征在于，
所述调节单元(12)根据所述至少一个电池(3)中的内压力和/或被所述压缩机(11)吸入的冷却流体的温度和/或导入到所述壳体(2)中的被压缩的冷却流体的温度和/或从所述壳体(2)排出的冷却流体的温度和/或所述冷却流体在膨胀机构(14)中膨胀后的温度来控制和/或调节所述壳体(2)中的压力和/或所述至少一个电池(3)的温度。
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