CN102204006A - 储能单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于储存电能的储能单元包括多个堆叠的扁平电池，每个具有突出的电极。储能单元的冷却主体至少在区段上被导热地连接到扁平电池上。冷却主体至少部分地由塑料材料组成，并具有使电极延伸于其中的开口。

Description

储能单元
技术领域
本发明涉及一种储存电能的储能单元，包括多个堆叠的扁平电池(stacked flat cells)，每个具有突出的电极。
背景技术
包括有堆叠的扁平电池(所谓的方形电池(prismatic cells)或袋状电池(pouch cells))的储能单元被用在诸如电驱机动车辆中。由于运行期间产生的高电压和电流强度，就会生出大量的热量，这些热量务必被驱散以避免储能单元过热。但是传统用于散热的冷却设备是昂贵的并且要求有相对较大的结构空间，这尤其在汽车工程领域是非常有限的。
发明内容
因此，本发明的一个目标是通过一种尽可能有效和紧凑的方式为上述类型的储能单元提供散热。
该目标是通过包括权利要求1特征的储能单元实现的。
根据本发明，储能单元包括至少一个冷却主体，所述冷却主体至少一个或若干区段被导热地连接到扁平电池上，其中冷却主体至少部分地由塑料材料组成，并具有使电极延伸穿过其中的开口。
冷却主体可驱散扁平电池中出现的热逸散，由此增加了储能单元的可靠性和使用寿命。用塑料材料制成的构造使得制造简单便宜，此外还有利于减重。
开口特别地可以是适合于电极形状和尺寸的槽。由于所述开口，将冷却主体布置在扁平电池的电极一侧是有可能的，其中冷却主体被放置得尽可能靠近工作电池区(active cell region)，由此能够特别有效的冷却。由于电极被引导通过开口，额外地还可以实现尤其节省空间的冷却主体装置。
根据各自需求的不同，可提供单件式冷却主体，或可组合多个冷却主体形成冷却主体装置。
本发明进一步的实施方式在从属权利要求、说明书和附图中被提到。
根据一个实施方式，冷却主体至少部分地由电绝缘材料组成。因此冷却主体除散热以外还可以实现电绝缘功能。由此，对应的单独绝缘元件可被省略，进而节约成本同时节约了结构空间。
储能单元可包括使扁平电池至少电互连的连接单元，其中冷却主体至少在区段上被导热地连接到连接单元上。所述连接单元通常包括使单个扁平电池串联和/或并联式互连的元件。进一步说，连接单元可包括用于电接触扁平电池和用于分接电能的各种互连元件和接触元件。在储能单元运行期间，这些电互连元件和接触元件产生焦耳热(尤其在高压连接的情况下)，使得加热连接单元的部件。由于连接单元和冷却主体之间存在的导热接触，该热量可被可靠地驱散。
根据有利的实施方式，冷却主体可被布置在扁平电池和连接单元之间。在该实施方式的情况下，储能单元因此具有夹层式(sandwich-like)结构，其中扁平电池、冷却主体和连接单元一个堆叠在另一个上。电极被引入通过冷却主体开口，使得这样的结构是可能的。因此冷却主体能够带走并驱散从扁平电池辐射的和在互连单元(即，诸如条形导体、接触或互连元件)中出现的热逸散，由此增加了储能单元的使用寿命。因为冷却主体被布置在扁平电池和连接单元的堆叠之间，即被整体化在储能单元中，因此通过尤其节省许多结构空间的方式来构造散热是有可能的。另一个优点来自于冷却主体可被用于增加储能单元的机械稳定性。
优选地，连接单元和/或冷却主体被实施为板状并在与扁平电池的各延伸平面垂直的平面中延伸。例如，连接单元和冷却主体可被布置在扁平电池堆叠的端面上并覆盖扁平电池堆叠。这特别有利于冷却主体与堆叠的所有扁平电池的导热连接。
连接单元和冷却主体可以至少在区段上使它们的表面彼此相互邻接以通过这种方式保证在两部件之间进行有效的热传递。
根据另一实施方式，冷却主体被实施为用于连接单元和/或储能单元盖元件的载体元件。在该构造中，冷却主体通过增加整体装置的机械稳定性实现额外的有利功能。
冷却主体可包括用于固定连接单元和/或储能单元盖元件的固定元件，从而尤其有利于组装。
根据一个实施方式，连接单元也可具有开口，特别是槽，所述开口与冷却主体的开口对齐并且所述电极延伸穿过其中，其中电极被连接到连接单元，尤其是连接单元背离扁平电池的一侧。为了避免两电极之间发生短路，开口可被绝缘材料包围。例如，绝缘套可被引进到开口中。如果冷却主体本身是由非传导材料制成的话，那么在冷却主体的区域中可以省略这样的考虑。
冷却元件可被布置在扁平电池之间，所述冷却元件被导热地连接到扁平电池和冷却主体上。由此达到了对扁平电池更有效的冷却。
冷却元件可被构造成板状，其中板状冷却元件之一被布置在每对相邻的扁平电池之间。特别地，板状冷却元件在其整体表面之上可邻接于各自的相邻扁平电池上从而确保均匀有效的散热。
扁平电池可被胶粘于冷却元件上。为了使能从扁平电池到冷却元件上进行最优热传递，导热粘合剂特别地可被用于此目的。
根据有利的实施方式，冷却元件被插入冷却主体的凹进中，并特别地被胶粘至冷却主体。通过这种方式，有利于组装并同时增加了整体系统的机械稳定性，这是由于冷却元件与冷却主体形成了连贯整体。
为了为补偿冷却主体和扁平电池堆叠之间的相对移动(例如由于热膨胀)留有充足空隙或保留区，冷却元件中每一个都可具有至少一个凹部，特别地所述凹部基本平行于冷却主体的延伸平面延伸。凹部可以是具有C形或S形横截面并在冷却元件全长之上延伸的突起。
根据另一实施方式，形成于冷却主体中并且能够让冷却剂流动穿过其中的至少一个中空空间被分派给每个冷却元件，其中中空空间特别地平行于扁平电池延伸。通过这种方式，冷却容量可被显著地提高。根据各个实施方式不同，单独供给的中空空间可被分派给冷却元件的每一个或者单个的中空空间可被互连从而最终获得用于对应储能单元的具有诸如迂曲形状的连续的整体中空空间。各个中空空间也可因冷却主体具有被连接单元以不漏流体的方式覆盖的凹部或凹进而被形成。
中空空间可具有U形横截面，其具有指向分派的冷却元件的两个支脚部分，其中所述冷却元件延伸到支脚部分之间的区域中。冷却剂可流动通过其中的中空空间进而包围了相关冷却元件的一端，通过这种方式使其上能够发生尤其有效的散热。根据各个应用需求的不同，每个冷却元件可分派多个中空空间。
根据另一实施方式，储能单元具有用于向中空空间供应冷却剂的至少一条冷却剂管道，其中冷却剂管道在储能单元第一端面处开口进入冷却剂入口和在储能单元第二端面处开口进入冷却剂出口。因此，与储能单元相关联的所有中空空间能够通过简便的方式被连接到公共的冷却剂供应源上。
冷却剂入口/出口可被构造成用于连接到另外储能单元的冷却剂出口/入口上。在模块化概念(modular concept)的框架内，多个储能单元因而可被组合形成整体储能单元(例如车辆电池)并可被连接到公共的冷却剂供应源上，其中在每种情况下，一个储能单元的冷却剂出口都被连接到随后的储能单元的冷却剂入口上以便最终使得供应的冷却剂流动通过所有的中空空间。
根据本发明的特定实施方式，本发明不仅适合锂离子蓄能器/电池的应用，还可被用于其他储能装置，比如NiMH(金属氢化物镍)的储能装置/电池和/或电容器储存电池，特别是双层电容器电池(超级电容器(supercaps))。
附图说明
此后，本发明将通过参见附图利用有利实施方式以示例方式进行解释，其中
图1显示的是根据本发明两个储能单元的透视图；
图2显示的是根据图1储能单元其中之一的一部分的剖视图。
具体实施方式
图1显示的是两个储能单元10，10’的透视图。两个储能单元10，10’被结合在一起形成上位的单元。在模块化概念的框架内，因此根据应用需求的不同，任何数量的储能单元都可被排成一行地结合在一起或被组合形成二维或三维矩阵以便例如最终构成车辆电池。
储能单元10，10’中的每一个包括在堆叠中彼此平行地布置的多个方形电池/扁平电池12。电池12例如可以是锂离子蓄能器电池或双层电容器电池(“超级电容器”)。每个单个电池12都具有从其窄侧部突出的两个电极片(electrode tabs)14a，14b。板状互连板18为电池12提供电穿通连接。在介绍的示例性实施方式中，电池12是串联互连的。根据需求的情况，可以选用任何其他方式进行电池12的互连，例如并联或串并联混合形式的互连。各个堆叠的电池12被两块加压板15以及张力弹簧16彼此拉紧。缘于此，电池12被紧紧地保持住，但同时又由于诸如热膨胀的缘由而可以进行“呼吸”。
存储在电池12中的电能可经柱杆19被分接，所述柱杆被布置在互连板18对置的侧部上。互连板18与电池12成直角对齐并完全地覆盖了电池堆叠的一个端面。
如图2剖视图中可见到的那样，由塑料材料制成的板状冷却主体20被布置在互连板18和扁平电池12之间，其中板状冷却主体20基本上具有与互连板18相同的表面延伸部。互连板18具有引导电极片14a，14b通过的槽22。同理地，冷却主体20具有槽24，所述槽与互连板18的槽22对正(in registry)并对齐。电极片14a，14b被引导通过冷却主体20的槽24和互连板18的槽22并在它们的上端折弯。进一步说，电极片14a，14b以导电方式，优选通过焊接被连接到接触元件40上。接触元件40具有双金属结构以保证腐蚀减少。
在所示实施方式中，冷却主体20被形成为单件式的，并形成了用于互连板18的载体，所述互连板通过未示出的固定元件(例如压力圆顶(pressure domes)和弹簧圈)以下述方式装配到冷却主体20的顶侧部26，即，互连板18在其整个表面上永久地与冷却主体20接触。因此，冷却主体20被导热地连接到互连板18上，这意味着接触元件40的区域中产生出的热量可被有效地传递到冷却主体20上。
通常，冷却主体20形成了产生热逸散的电池12和接触元件40之间的壁障，由于电流的原因接触元件40也放出热逸散。该结构使得能够进行特别有效的散热。
从图2中可见到的是板状冷却元件46被设在相邻的电池12之间，其作用是冷却电池12并额外地起到隔离块的作用。它们优选被形成的方式是使它们能够分别在充电和放电操作期间占用/补偿电池12的“呼吸”和在电池12工作寿命期间占据/补偿尺寸的变化。为了稳定整个结构并改善导热效果，冷却元件46可基本地在其整个表面上被胶粘到各个相邻电池12上。
冷却主体20在其面向电池12的底侧部28上具有凹进32，冷却元件46被插入并胶粘于所述凹进中。
如图2中可进一步见到的那样，中空空间34被形成在冷却主体20中，冷却剂可流动通过其中从而通过这种方式而增加冷却容量。冷却元件46中的每一个具有其本身被分派给的中空空间34，所述中空空间平行于电池12延伸并因此也平行于相关联的冷却元件46。中空空间34具有U形横截面，其包括指向各冷却元件46的两个支脚部分36a，36b，所述中空空间被布置成使得它们包围了对应冷却元件46的上端。
中空空间34被彼此连接起来，使得因此冷却剂依次地流动通过所有中空空间34。冷却剂经由管形冷却剂管道37(图1)被再次供应和排放。为每个储能单元10，10’提供两个冷却剂管道37，其中冷却剂管道37被布置在互连板18背离电池12的侧部并从冷却主体20顶侧部26与中空空间34相连通。在所示的示例性实施方式中，冷却剂管道37平行于电池12对齐并且每个被定位在互连板18外边际区域。备选地，冷却剂管道37也可与电池12成直角对齐。每个冷却剂管道37在一端具有冷却剂入口38而在另一端具有冷却剂出口39。这种构造使得一个储能单元10’的冷却剂出口39可被插入到另一个储能单元10的冷却剂入口38中。
在储能单元10，10’工作期间，一方面，由于产生热逸散而出现热张力，另一方面，电池12由于充电和放电操作而分别进行“呼吸”。为了补偿电池12在竖直和/或水平方向上相对于互连板18发生的相关联移动，电极片14a，14b具有凹部48，其在横截面上导致各电极片14a，14b的一部分的C形突起。如果应用需要的话，冷却元件46也可具有对应的凹部。
附图标记列表
10，10′ 储能单元
12 电池
14a，14b 电极片
15 加压板
16 张力弹簧
18 互连板
19 柱杆
20 冷却主体
22 槽
24 槽
26 顶侧部
28 底侧部
32 凹进
34 中空空间
36a，36b 支脚部分
37 冷却剂管道
38 冷却剂入口
39 冷却剂出口
40 接触元件
46 冷却元件
48 凹部

Claims (18)

1.一种用于储存电能的储能单元(10，10′)，包括多个堆叠的扁平电池(12)，每个具有突出的电极(14a，14b)；
其特征在于，
储能单元(10，10′)包括至少一个冷却主体(20)，所述至少一个冷却主体被至少局部地导热连接至扁平电池(12)，其中，冷却主体(20)至少部分地由塑料材料组成，并具有电极(14a，14b)延伸穿过其中的开口(24)。
2.根据权利要求1的储能单元，
其特征在于，
冷却主体(20)至少部分地由电绝缘材料组成。
3.根据权利要求1或2的储能单元，
其特征在于，
储能单元(10，10′)包括连接单元(18)，连接单元(18)使扁平电池(12)至少电互连，其中，冷却主体(20)被至少局部地导热连接至连接单元(18)。
4.根据权利要求3的储能单元，
其特征在于，
冷却主体(20)被布置在扁平电池(12)和连接单元(18)之间。
5.根据权利要求3或4的储能单元，
其特征在于，
连接单元(18)和/或冷却主体(20)被实施为板状并在与扁平电池(12)的各延伸平面垂直的平面中延伸。
6.根据权利要求3至5中任一项的储能单元，
其特征在于，
连接单元(18)和冷却主体(20)至少局部的表面彼此相互邻接。
7.根据权利要求3至6中任一项的储能单元，
其特征在于，
冷却主体(20)被实施为用于连接单元(18)和/或用于储能单元(10，10′)盖元件的载体元件。
8.根据权利要求3至7中任一项的储能单元，
其特征在于，
冷却主体(20)包括用于固定连接单元(18)和/或储能单元(10，10′)盖元件的固定元件。
9.根据权利要求3至8之一的储能单元，
其特征在于，
连接单元(18)具有开口(22)，特别是槽，所述开口与冷却主体(20)的开口(24)对齐并且所述电极(14a，14b)延伸穿过所述开口，其中，电极(14a，14b)被连接到连接单元(18)，特别是连接单元(18)背离扁平电池(12)的一侧。
10.根据上述权利要求中任一项的储能单元，
其特征在于，
冷却元件(46)被布置在扁平电池(12)之间，所述冷却元件(46)被导热地连接至扁平电池(12)和冷却主体(20)。
11.根据权利要求10的储能单元，
其特征在于，
冷却元件(46)被构造成板状，在每对相邻的扁平电池(12)之间布置一个冷却元件(46)。
12.根据权利要求10或11的储能单元，
其特征在于，
扁平电池(12)被胶粘于冷却元件(46)上。
13.根据权利要求10至12中任一项的储能单元，
其特征在于，
冷却元件(46)被插入冷却主体(20)的凹进(32)中，并特别地被胶粘于冷却主体(20)上。
14.根据权利要求10至13中任一项的储能单元，
其特征在于，
每个所述冷却元件(46)都具有至少一个凹部，所述凹部特别地基本平行于冷却主体(20)的延伸平面延伸。
15.根据权利要求10至14中任一项的储能单元，
其特征在于，
形成于冷却主体(20)中的至少一个中空空间(34)，冷却剂能够流动穿过所述中空空间(34)，所述至少一个中空空间(34)与冷却元件(46)的每一个相关联，其中，中空空间(34)特别地平行于扁平电池(12)延伸。
16.根据权利要求15的储能单元，
其特征在于，
中空空间(34)具有U形横截面，其具有指向相关联的冷却元件(46)的两个支脚部分(36a，36b)，其中，所述冷却元件(46)延伸入支脚部分(36a，36b)之间的区域中。
17.根据权利要求15或16的储能单元，
其特征在于，
储能单元(10，10′)具有用于向中空空间(34)供应冷却剂的至少一条冷却剂管道(37)，其中，冷却剂管道(37)在储能单元(10，10′)第一端面处开口进入冷却剂入口(38)并且在储能单元(10，10′)第二端面处开口进入冷却剂出口(39)。
18.根据权利要求17的储能单元，
其特征在于，
冷却剂入口/出口(38，39)被构造成用于连接至另外储能单元(10，10′)的冷却剂出口/入口(39，38)。
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