CN102569933B - 用于汽车的具有至少一个电化学的电芯和至少一个潜热储存器的电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于汽车的具有至少一个电化学的电芯（20）和至少一个潜热储存器（30，70）的电池系统（10），其中热量储存器（30，70）具有换相材料作为储存介质。按照本发明设有用于触发换相材料放热的相过渡的结晶启动装置（33，73），其中利用控制装置（11）控制结晶启动装置（33，73）。

Description

用于汽车的具有至少一个电化学的电芯和至少一个潜热储存器的电池系统

技术领域

本发明涉及如权利要求1前序部分所述的用于汽车的具有至少一个电化学的电芯和至少一个潜热储存器的电池系统。

背景技术

由DE102007050812A1已知这样的电池系统，它包括多个锂离子蓄电池作为电化学的电芯，它们被导热材料包围。这种导热材料由潜热储存器包围并且作为热量储存材料含有换相材料、例如由Al₂O₃或MgO组成的相。由此能够在电化学的电芯与潜热储存器之间实现热交换。附加地可以使这个潜热储存器由其它潜热储存器包围，用于加大换相材料的体积。

为了在这个已知的电池系统中可以有针对性地从换相材料中导入或排出热量，在开头所述的潜热储存器中设有温控装置，它由被温控剂通流的管构成。为了能够使温控剂实现与环境的热交换，这些管道与汽车的冷却器作为热交换器连接。这个冷却器通过风机的支持由环境空气通流。

此外在这个DE102007050812A1中公开了上述电池系统的可选择实施例。例如由包围电化学的电芯的导热材料可以容纳许多潜热储存器，由此通过有针对性地控制各个潜热储存器分别接收或给出利用上述的温控装置确定的热量。此外在后面所述的实施例中每个电化学的电芯被一个潜热储存器包围，其本身又分别被导热材料包围。为了能够在潜热储存器与导热材料之间实现热交换，在这个导热材料中嵌入对应于上述形式的温控装置。

发明内容

本发明实现具有权利要求1特征的电池系统。

这个电池系统的优点是，能够实现快速地换相，尤其能够对于所期望的时刻快速地使用换相材料流体状态中的结晶。

在这种用于汽车的电池系统中，具有至少一个电化学的电芯和至少一个潜热储存器，其中热量储存器具有换相材料作为储存介质，按照本发明设有用于触发换相材料放热的相过渡的结晶启动装置，其中利用控制装置控制结晶启动装置。

这个按照本发明的电池系统按照本发明的特征在于，通过利用结晶启动装置加入能量实现潜热储存器的换相材料的有针对性结晶并且利用控制装置受控地执行这一点。为此作为结晶启动装置最好使用珀尔帖元件，用于产生换相材料的局部过冷。在此这个珀尔帖元件被控制装置的供使用的确定电流值通流。

在本发明的有利改进方案中所述潜热储存器的换相材料直接包围所述至少一个电化学的电芯，由此能够在电化学的电芯与潜热储存器之间没有附加热交换器地实现有效热交换。由此实现按照本发明的电池系统的特别紧凑的结构形式。这种电池系统特别适合于，一方面使电化学的电芯的运行温度位于潜热储存器的换相材料的再生温度以上、即其熔化温度以上，另一方面使这个再生温度不超过电化学的电芯的最高允许运行温度。

按照本发明的另一扩展结构所述电池系统也是特别适合的，其中所述至少一个电化学的电芯与所述至少一个潜热储存器通过冷却剂循环利用热交换器耦联，并且所述至少一个电化学的电芯、所述至少一个潜热储存器、冷却剂循环以及热交换器设置在电池系统的外壳中。由此可以构造有效的电池系统，因为其各个组成部分在其功能方面可以优化。

按照本发明的另一改进方案，设有外壳，用于容纳所述至少一个电化学的电芯和热交换器，并且该热交换器通过第一冷却剂循环与潜热储存器的热交换器耦联。在本发明的这个实施例中所述潜热储存器位于容纳电化学的电芯的外壳以外并且由此特别有利的是，再生温度、即所述潜热储存器的换相材料的熔化温度位于电化学的电芯的最高允许运行温度以上。

在按照本发明的电池系统的这个实施例中，所述潜热储存器通过第二冷却剂循环与所述至少一个给出热量的汽车部件利用热交换器耦联。由此为了再生潜热储存器不仅利用在电化学的电芯运行期间产生的热量，而且也利用产生热量的汽车部件，例如功率电子装置，其废热否则不可利用地给到环境。

最后，按照本发明的改进方案建议电池系统，其中设有至少两个潜热储存器，其中第一潜热储存器与电化学的电芯一起形成结构单元，第二潜热储存器位于这个结构单元以外并且它通过第一冷却剂循环利用热交换器与所述至少一个电化学的电芯耦联。这种电池系统的优点是，特别大的换相材料体积，其中在所需的结构空间方面能够最佳化，因为第二潜热储存器可以安装在汽车的自由空腔中。

此外有利的是，在这种具有两个潜热储存器的电池系统中第二潜热储存器通过第二冷却剂循环与所述至少一个给出热量的汽车部件利用热交换器耦联。由此在本发明的这个扩展结构中为了再生两个潜热储存器不仅利用在电化学的电芯运行期间产生的热量，而且也利用产生热量的汽车部件，例如功率电子装置，其废热否则不可利用地给出环境。

在这种具有两个潜热储存器的按照本发明的电池系统中，第一潜热储存器与所述至少一个电化学的电芯以及附属于潜热储存器的热交换器设置在公共的外壳中，而另一外壳用于容纳所述另一潜热储存器以及从属的热交换器。

按照本发明的改进方案在按照本发明的实施例中建议的冷却剂循环为了输送导热介质使用泵，其控制利用控制装置实现。对于多个冷却循环也可以仅仅设有唯一的泵，其中这个冷却循环利用由控制装置控制的阀门和/或闸板控制。

作为电化学的电芯以有利的方式可以使用锂离子电池。

附图说明

下面借助于附图中所示的实施例详细解释本发明。附图中：

图1简示出按照本发明的电池系统实施例的方框图，

图2简示出按照本发明的电池系统另一实施例的方框图，

图3简示出按照图1的本发明的电池系统的结构构造，

图4简示出按照图2或图5的本发明的电池系统的结构构造，

图5简示出按照本发明的电池系统另一实施例的方框图，

图6简示出按照本发明的具有两个潜热储存器的电池系统另一实施例的方框图。

具体实施方式

按照图1的电池系统10包括多个电池芯20、例如锂离子电芯以及潜热储存器30。由控制器构成的控制装置11用于利用结晶启动装置33激活潜热储存器30，结晶启动装置33在这里例如由珀尔帖元件构成，由此在潜热储存器30中产生局部的过冷，由此触发在潜热储存器30中的结晶过程，通过它同时放电、即给出热量到电池芯20。因此在潜热储存器30与电池芯20之间的热流在两个方向上实现。

图3示出机械的构造，据此在良好导热的基板24上设置多个在电绝缘的绝缘板22之间平面贴靠的电池芯20。这种分别由一个电池芯20和两个绝缘板22组成的层式结构被中间板23间隔，它具有高的导热性。在这个附图3中只示出电池芯20的电接头，从属的电连接结构为了简化没有示出。

这个在图3中示出的电池芯20通过例如罩形的外壳（在附图中未示出）包围，由此在这个外壳与安装在基板24上的部件20、22和23之间产生的空心空间可以通过换相材料充满。所述控制器11可以集成到外壳中或者设置在这个外壳以外。

按照图1和图3的这个电池系统10是紧凑的布置并因此特别适合于，在这个电池系统10中达到运行温度，它位于潜热储存器30的换相材料的再生温度以上、即其充电温度以上，但是这个充电温度（以该温度储存输送到潜热储存器30的热量）不超过电池系统10的最高允许运行温度。

在位于电池芯20的最佳运行温度以下的电池温度中为了触发潜热储存器30的换相材料的结晶通过控制器11控制结晶启动装置33，即以确定的电流强度供电珀尔帖元件33。

备选地对于潜热储存器与结晶启动装置33直接布置在电池芯20的层式结构与外壳之间的中间空间中，也可以使这种潜热储存器30由包围这个层式结构的套罩构成，其中在形成的中间空间中可以加入导热的固体材料。备选地也可以在那里设有冷却循环40，如同在图2中简示的那样。在此这个冷却循环40可以直接与电池芯20或通过热交换器21耦联。在这个冷却循环40与潜热储存器30之间的热耦联同样可以直接或者利用热交换器31实现。必要时泵41负责输送热量传输介质并且由控制器11控制。因此在潜热储存器30与电池芯20之间的热交换同样在两个方向上进行。在其它方面，该控制器11的功能对应于已经结合图1和图3解释过的功能，同样涉及在那里描述的优点。

借助于图5要解释按照本发明的电池系统10的另一可选择结构，其中所述潜热储存器30不设置在容纳电池芯20的电池系统10外壳中，而是在这个外壳以外设置在自身的外壳（未示出）中，必要时具有热交换器31和32。

利用由泵41驱动的冷却循环40实现电池芯20与设置在外部的潜热储存器30在两个方向上的热耦联、即热交换，该冷却循环利用热交换器21与电池芯20耦联并且利用热交换器31与潜热储存器30耦联。在这里控制器11也通过给结晶启动装置33、即例如珀尔帖元件供电控制潜热储存器30换相材料的结晶。同样由控制器11控制泵41。

图4简示出所述电池系统10的从属机械结构。这个结构与图3结构的不同只在于，所述基板24、电池芯20、绝缘板22和中间板23作为部件与由热交换器构成的热交换器板21平面地并因此导热良好地连接。这个热交换器板21被用于导引热传输介质的管道系统穿过，其接头24在图4中示出。这些接头25建立与冷却循环40的连接。

在这个冷却循环40中使用不冻结且不沸腾的热传输介质，它在大的温度范围上是流体的并且利用泵41在热交换器21与热交换器31之间输送。通过利用控制器11控制泵41能够符合需要地控制热交换。

利用由控制器11控制的结晶启动装置33实施用于将潜热储存器30的换相材料的热量给出到流体的热传输介质的启动机构，该结晶启动装置例如由珀尔帖元件构成，用于局部过冷换相介质。附加地可以利用变化的泵转速变化地控制或调节热交换。

为了提高潜热储存器30的再生能力使这个储存器通过另一冷却循环50与给出热量的汽车部件60、如功率电子装置（它例如在混合动力车中应用）热耦联，由此在这里也能够在两个方向上实现热流。在潜热储存器30一侧利用热交换器32实现热耦联，并且在给出热量的汽车部件60一侧上利用热交换器61实现热耦联。所述冷却循环50由被控制器11控制的泵51驱动。由此可以使潜热储存器30的温度在汽车的行驶循环期间、即在其充电时足够长时间地位于潜热储存器30的再生温度以上。

按照图5的这种结构是特别有利的，如果所述潜热储存器30的再生温度位于电池芯20的最高允许运行温度以上的时候。在电池芯20的运行温度位于最佳运行温度以下时潜热储存器30的换相材料的结晶通过结晶启动装置33点火。所述热传输不仅在冷却循环40中而且在冷却循环50中都通过从属的泵41或51利用控制器11控制或调节。

按照图6的实施例示出与图5类似的结构，但是不同的是，它不只具有外部的潜热储存器70，而是在该结构中所述电池系统10包括附加的具有结晶启动装置33的潜热储存器30。在这里也在两个方向上实现这个附加的潜热储存器30与电池芯20之间的热交换。所述控制器11除了控制外部的潜热储存器70的结晶启动装置73以外附加地也承担控制附加的潜热储存器30的结晶启动装置33的功能。

在按照图6的这种结构中电池系统10的机械结构对应于图4的机械结构，但是附加的潜热储存器30直接设置在电池系统10外壳与电池芯20之间存在的中间空间中，或者作为包围电池芯20的套罩，但是它通过导热的固体材料直接或利用冷却循环和从属的热交换器与电池芯20热耦联。

为了使在本实施例中描述的控制器11可以执行相应的控制或调节任务，输送温度传感器的测量数据到控制器11，这些传感器在附图中为了简化未示出。这些温度传感器测量例如电池芯20的温度、潜热储存器30或70的温度以及通流冷却循环40或50的热传输介质的温度，并因此设置在对此适合的位置上。由此可以由控制器11评价测得的温度值并且用于确定触发换相材料放热的相过渡的时间点。

在按照图5和6的实施例中使用两个泵41和51。但是也能够对于多个冷却循环只使用一个泵，其中利用阀门和/或闸板控制各个冷却循环。

作为电池芯不仅可以使用锂离子电池，而且可以使用所有适合的、专业人员公知的电池技术。

Claims (10)

1.用于汽车的电池系统（10），具有至少一个电化学的电芯（20）和至少一个潜热储存器（30，70），其中热量储存器（30，70）具有换相材料作为储存介质，其特征在于，设有用于触发换相材料放热的相过渡的结晶启动装置（33，73），其中利用控制装置（11）控制结晶启动装置（33，73），其中所述至少一个电化学的电芯（20）与所述至少一个潜热储存器（30）通过冷却剂循环（40）利用热交换器（21，31）耦联。

2.如权利要求1所述的电池系统（10），其特征在于，作为结晶启动装置（33，73）设有珀尔帖元件，用于产生换相材料的局部过冷。

3.如权利要求1或2所述的电池系统（10），其特征在于，所述潜热储存器（30）的换相材料直接包围所述至少一个电化学的电芯（20）。

4.如权利要求1或2所述的电池系统（10），其特征在于，所述至少一个电化学的电芯（20）、所述至少一个潜热储存器（30）、冷却剂循环（40）以及热交换器（21，31）设置在电池系统（10）的外壳中。

5.如权利要求1或2所述的电池系统（10），其特征在于，设有外壳，用于容纳所述至少一个电化学的电芯（20）和热交换器（21），并且该热交换器（21）通过第一冷却剂循环（40）与潜热储存器（30）的热交换器（31）耦联。

6.如权利要求5所述的电池系统（10），其特征在于，所述潜热储存器（30）通过第二冷却剂循环（50）与至少一个给出热量的汽车部件（60）利用热交换器（32，61）耦联。

7.如权利要求1所述的电池系统（10），其特征在于，设有另一个潜热储存器（70），并且所述另一潜热储存器（70）通过第一冷却剂循环（40）利用热交换器（21，71）与所述至少一个电化学的电芯（20）耦联。

8.如权利要求7所述的电池系统（10），其特征在于，所述另一潜热储存器（70）通过第二冷却剂循环（50）与至少一个给出热量的汽车部件（60）利用热交换器（72，61）耦联。

9.如权利要求7或8所述的电池系统（10），其特征在于，所述至少一个电化学的电芯（20）、所述至少一个潜热储存器（30）以及附属于该潜热储存器（30）的热交换器（21）设置在电池系统（10）的外壳中，并且设有另一外壳，用于容纳所述另一潜热储存器（70）以及从属的热交换器（71，72）。

10.如权利要求4所述的电池系统（10），其特征在于，为了输送冷却剂循环（40，70）的热量传输介质，设有至少一个泵（41，51）和/或阀门和/或闸板，利用控制装置（11）实现它们的控制。