CN102576833B - 紧急冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能系统（10），尤其具有许多电池单元（12、14、16）的电池。所述电池单元容纳在第一容器（24）中。所述第一容器（24）与第二容器（40）通过分隔元件（28）隔开。该分隔元件能够形成压力差Δp用于气体从第一容器（24）膨胀到第二容器（24）中。

Description

紧急冷却装置

背景技术

在电动汽车以及具有内燃机和电机组合的汽车的混合驱动装置的发展过程中，为了将来汽车的更新换代在能量含量的使用寿命以及效率方面对电池提出了很高的要求。为了满足这种要求，主动地例如借助于冷却剂、制冷剂或借助于空气来冷却多种多样的电池类型。此外，在电池中例如在锂离子电池中经常很有意义地利用电池的余热或者预热电池。为此，通常有利的是，将电池热隔离，从而降低热损耗。此外，汽车中的电池具有增强的壳体，从而在事故或者损坏的情况下降低乘客的危险。因此，出于所述原因经常将电池安置在封闭的绝热的壳体中。

一些电池类型例如锂离子电池具有很高的能量密度，这具有以下缺点，即较大的能量存储在很小的空间中，使得其可能会导致非常剧烈的反应。大多数可以通过冷却到极限温度以下来消除或者说克服危急的反应。如果电池例如锂离子电池装在汽车车身中密封绝热的壳体中，那么由于包围电池将其隔离的结构几乎不能再从外部熄灭或者冷却电池。

具有很高功率密度的具有所述的锂离子电池的电池越来越多地具有热连耦的现象。热连耦的现象理解为将超过关键温度一次的电池一直继续加热到该电池烧尽。然而，在也称为“热逃逸”的现象的很早的阶段中可以通过很快实现的强烈冷却来阻止该“热逃逸”。这不能通过空气或水冷却来实现，因为设计冷却系统用于这种快速并且强烈的冷却从而阻止尤其锂离子电池的“热逃逸”、用于如此快速并且强烈地冷却高热质量是不实用的。

总之可以理解，所述的安全问题是在这种电池商业化中的主要障碍。

发明内容

按本发明提出，将不希望温度过高的设备尤其电储能器例如锂离子电池快速冷却到确定的温度阈值以下。这通过以下方法实现，即取消两个分开的容器的压力差，其中第一气体容器与有待冷却的设备的冷却点热接触并且另一个第二容器用于与第一气体容器形成气体膨胀所需的压力差。

优选在所述第一容器中存在流体并且在所述第二容器中存在吸收该流体的材料，例如沸石或分子筛，从而提高由汽化冷却引起的冷却效率。此外，将第一容器的壳体壁设计得特别易碎（spr?de），优选该壳体壁在与热关键点的过渡位置上设有理论断裂位置。所述另外的第二气体容器的外壳体优选包围所述第一气体容器并且具有相对于该容器由较软的材料制成的壳体，该壳体在机械损坏时进行变形，但是很难变成不密封的。

通过以下方法触发冷却，即通过打碎脆性设计的在第一和第二容器之间的分隔壁，例如由于事故通过在温度过高时打开热阀门或者通过触发电阀门。

作为用于填充两个气体容器的剩余气体，优选使用惰性气体，该惰性气体也可以通过断开氧输入来阻止火灾。氮气或者稀有气体适合用作惰性气体。

可以用按本发明提议的解决方案实现的优点一方面在于很高的可实现的热方面的固有安全性。通过开始按本发明提议的冷却过程可以沿着非关键的温度范围的方向一次性地冷却储能系统尤其锂离子电池。由此，电池与电分开相组合地转变到固有安全的状态下，从而有效阻止“热逃逸”的现象。结果是可以避免乘客的身体和生命的危险并且阻止汽车完全燃烧引起的财产损失。

按本发明提出的解决方案涉及结构上被动的措施，该措施不要求强制的电能供给用于监控或者用于引入对策。这在与安全有关的系统中是特别有利的，因为例如在缺少能量供给时或者在远洋运输时提高了坚固性和安全性。

此外，在使用惰性的剩余气体用来填充气体容器时除了冷却的热措施之外通过按本发明提出的解决方案反作用于化学氧化。

如果在触发按本发明的过程之后没有损坏电池单元或者仅仅部分地损坏电池单元，那么可以通过流体的反汽化实现其再生。

在环境友好方面提出，沸石是无毒的、不可燃烧的并且经常在自然环境中可获得的，从而给出了非常高的环境友好性。

附图说明

根据唯一的附图更加详细地描述按本发明提出的解决方案。

具体实施方式

从唯一的附图中可以获知按本发明提出的具有集成的紧急冷却装置的储能系统的示意性结构。

附图示出了储能系统。储能系统10包括第一容器24和第二容器40。在按附图的储能系统10中，在第一容器24内部例如存在三个电池单元，即第一电池单元12、第二电池单元14以及第三电池单元16。容纳一定数量电池单元12、14、16的第一容器24由第一壳体壁28包围。

按本发明可以通过根据附图的储能系统将在超过温度方面不希望地起反应的设备、尤其在储能系统10中设置在第一容器24中的电池单元12、14、16快速冷却到关键温度以下。按附图的储能系统10尤其涉及具有一定数量电池单元12、14、16的锂离子电池，其不必须地限制于在附图中示出的三个电池单元，而是由此也可以具有更多数量的电池单元。下面的实施方式按照构思适用于以锂离子电池的结构如此配置的储能系统10。

按本发明通过取消两个容器24或者说40之间的压力差来描述关键温度阈值以下的情况。所述第一容器24-如从附图中获知-与有待冷却的设备的有待冷却的点热接触，也就是说在按附图的实施变型方式中与电池单元12、14、16热接触。通过有吸附力的层44形成热接触，该层与第一容器24内部每个电池单元12、14、16接触。

所述第二容器40用于相对于第一容器24产生为气体膨胀所需的压力差Δp。优选在第一容器24中存在流体26并且在第二容器40中存在吸收该流体26的材料，例如吸水的材料如沸石或分子筛。由此可以通过汽化冷却来提高冷却效率，如下面还要详细示出的一样。

此外，第一容器24的壳体壁28尤其由脆性材料制成并且优选在朝热关键点的过渡位置上也就是在分别配属于电池单元12、14、16的有吸附力的层44所处的范围内例如具有理论断裂位置38。所述第二容器40的壳体壁18尤其包围第一容器24。该第二容器40的壳体壁18由更软的可弹性成形的材料制成，该材料在机械受损时变形，然而保持其密封性并且不会变成不密封的。

优选通过打碎脆性设计的分隔元件、这里是壳体壁28来开始紧急冷却，该壳体壁将第一容器24的内部与第二容器40分开。例如由于事故或者通过打开热阀门34或者说通过触发集成到第一容器24和第二容器40之间的壳体壁28中的可电触发的阀门36来打碎由脆性材料制成的分隔元件，也就是这里的第一容器24的壳体壁28。

不仅第一容器24而且第二容器40的内部都用残余气体进行填充，在第一容器中存在温度关键的点，也就是电池单元12、14、16并且用流体储备26例如水来填充第一容器，所述第二容器用气体储备42来填充并容纳脆性的材料22。作为剩余气体优选使用惰性气体，例如N₂、氦气或氩气或类似气体，惰性气体在发生火灾时也用于断开朝火源的氧气输入。

如从附图中获知，热关键区域例如在这里是电池12、14、16在第一容器24内部耦合到各个有吸附力的层44上。所述层位于第一容器24的内部并且因此用流体26例如水浸透。所述第一容器24尽可能降低压力或者甚至抽成真空，然而该第一容器具有最小压力，该最小压力在流体26（这里是水）的气体压力的情况下低于水的蒸汽压力。

可以通过热阀门34、可电触发的阀门36形成第一容器24和第二容器40之间的气动耦合。

在第二容器40中容纳吸水的材料22，其尤其可以涉及干燥的沸石或者分子筛或者其它类型的装置，该装置吸收在气态的状态下汽化的流体26。此外，也存在将低压泵布置在第二容器40中的方案。类似于第一容器24，在第二容器40中也存在很低的压力或者甚至真空。

如果现在通过打碎脆性构造的用作分隔元件的壳体壁28或者通过断开理论断开位置38或者通过一个或者多个热阀门34的反应或者通过触发电阀门36来断开第一容器24和第二容器40之间的连接，那么两个容器24和40之间的压力差就得到补偿。在储存在第一容器中的流体26的蒸汽压力之下突然降低第一容器24中的压力，这使得流体从各个与电池单元12、14、16耦合的有吸附力的层44中汽化。

从流体26中形成的气体被与之连接的吸水的材料22例如干燥的沸石或分子筛所吸收，由此不能立即调节第一容器24和第二容器40之间的平衡。因此，在分隔元件28爆炸时整个系统的压力继续保持在流体26的气体压力之下，从而可以使得其进一步汽化。

由于吸水的材料22在该过程中加热的情况，该吸水的材料22与散热器例如汽车的容纳储能系统10的车身相耦合。

根据下面的按本发明的紧急冷却装置，通过加热吸水的材料22可以使流体26汽化，从而可以将有吸附力的层44重新用流体浸透，由此能够再次形成原始的状态并且由此再次形成按本发明提议的储能系统10的功能。

为了实现按本发明提议的储能系统10，可以将储能系统10的外套例如构造成双壁的并且通过壳体壁18和容器24、40的与之形成空腔的壳体壁28形成。特别重要的是，所述第二容器40的壳体壁18构造成坚硬并且密封的，这例如可以通过使用如铝或热塑性材料来实现。所述第二容器40不必包围整个储能系统10，而是也可以仅仅涉及其部分。此外，存在将第二容器40布置在储能系统10外面或者完全与储能系统10分开并且通过软管或合适的套管与第一容器24连接的方案。所述第二容器40例如可以形成汽车车身的部分，例如通过汽车框架中纵梁或横梁来形成。第二容器40中的降低例如可以通过低压泵或通过存在于内燃机中的低压来实现。此外，存在经由可电工作的低压泵将第二容器40抽成真空的方案，该低压泵也用于支持制动力。代替低压，也可以关于在第二容器40中的压力水平产生第一容器24中气体的超压，该超压在膨胀时产生冷却作用。

代替分隔元件的构造，也就是第一容器24的由沸石制成的壳体壁28或其作为分子筛的构造，也可以使用其它吸收流体的材料。为此，尤其适用非常细多孔的并且因此具有很大内表面的材料，例如活性炭或硅胶。可用以填充第一容器24或者说第二容器40的剩余气体优选是惰性气体，该惰性气体用于避免氧化。该气体可以是有颜色的或者显著的，从而在从外套中泄露出来时报告缺乏的冷却作用的危险。所述气体也可以包含额外的液态或固态的组分，该组分反作用于火灾扩散。代替惰性气体也可以使用空气。

第一容器24的用作分隔元件28的壳体壁28由易碎的材料或者脆性材料制成。借助于理论断开位置38已经给出了有针对性地打开的方案。理论断开位置参照附图中的位置38也可以替代地已经由电池单元12、14、16各自的室壁或模块壁形成。

除了打碎分隔元件28，也就是在本实施例中将第一容器24与第二容器40分开的壳体壁，也可以通过以下方法消除第一容器24和第二容器40之间的压力差，即触发电子控制的阀门，例如集成到壳体壁28中的电阀门36。随之发生的冷却过程的开始除了机械作用外也可以可选地通过化学过程来进行。此外，冷却过程、也就是消除第一容器24和第二容器40之间的压力差也可以通过双金属材料引起。最后，存在在分隔元件也就是第一容器24和第二容器40之间的第一壳体壁28中集成热阀门34例如蜡丸的方案，该蜡丸在达到温度时完全或部分地融化，从而可以在第一容器24的内部空间和第二容器40的内部空间之间产生压力平衡。

从按附图的图示中获知，在第一容器24中缝隙46在各个吸水层44和电池单元12、14、16之间延伸。该缝隙或者通道46允许热量尽可能直接地热连接到热关键区域上，也就是电池单元12、14、16上。所述缝隙或者说通道用作热耦合有吸附力的层44的气体通道。作为替代方案，所述缝隙或者说通道46不必通入热关键的区域中，这里是电池单元12、14、16中，而是可以经由热导良好的元件间接导致冷却。在这种情况下，所述通道46没有通到电池单元12、14、16上，而是经由导热的材料例如金属或金属合金与有吸附力的层44耦合。

也可以可选地通过将汽化冷却装置耦合到设备的冷却回路上例如储能系统10的流体冷却回路上来实现热关键区域的冷却，也就是按本发明提出的储能系统10的电池单元12、14、16的冷却。

如果在按本发明提出的储能系统中只希望在达到用于冷却的关键温度时进行膨胀，那么可以通过阀门34、36或者雷管自动地由控制设备触发该膨胀。这实现了选择性的触发。可以在识别出车辆故障时通过控制设备或电触发的阀门36开始触发按本发明提出的紧急冷却过程。可以在例如通过温度传感器或者存放在控制设备中的温度模块识别出温度过高时开始触发紧急冷却过程。可以在识别出不正确的啮合时例如在储能系统10的壳体壁18或者说28敞开时触发按本发明提出的紧急冷却过程。此外，可以在调节来自第一容器24的流体26的泄漏时或者说在调节来自第二容器40的气体损失时触发冷却过程。当第一容器24和第二容器40之间的连接不是通过机械不可逆地破坏分隔元件也就是第一容器24和第二容器40之间的壳体壁28来进行，而是通过选择性地触发电阀门36或者通过热阀门34的反应、如上面提到的蜡丸来进行时，可以通过冷却介质流的调节规定功率和冷却速度。所述阀门36例如可以设计成限压阀或者由电触发。此外，该阀门36可以气动控制、液压控制或者热控制。

可以通过额外设置的传感器监控按本发明提出的储能系统10的功能或者说其紧急冷却方案的功能以及所提出的解决方案的可靠性。例如可以使用用于监控第一容器24或者说第二容器40中压力的压力传感机构。可以装入湿气传感机构用于监控第一容器24内部有吸附力的层44中的湿气含量或者说潮湿度。此外，可以设置温度传感机构，该温度传感机构监控储能系统10的第一容器24内部单个电池单元12、14、16的温度。

开始储能系统10的紧急冷却过程可以可选地断开储能系统10的电池单元或者电池模块12、14、16的外部电压供给。断开储能系统的外部的电压供给可以自动地通过压力差继电器或者压力传感器来监控。

在第一容器24和第二容器40内部产生低压水平或者说真空优选通过将其连接到低压容器或者说低压源上来实现。为此，例如可以借助用于汽车的转向增力机构的低压泵。可选地也可以借助于用于产生低压的手动操作的泵来实现按本发明提出的解决方案，这即使在缺少低压供给时也确保了整个系统的可靠性。

在所实现的紧急冷却过程之后可以通过以下方法再形成按本发明提出的储能系统的还原，即利用例如用作吸水材料的沸石的重要的特性，其可以可逆地脱水几百到几千个周期。优选通过缓慢地置入外部的热量来脱水。作为替代方案，可以通过引入设备的加热也就是通过引入电池的损耗热量来实现第二容器40内部吸水材料22的还原。此外可以通过连接到外部的气体循环上实现还原，该气体循环用热的干燥的空气提供给第二容器40。此外，也可以通过供给低压来实现第二容器40内部吸水材料22的还原，由此能够再次汽化所吸收的流体分子，所述流体分子例如吸收在沸石中或者活性炭中或者硅胶中。

也可以多级地实现按本发明提议的通过取消储能系统10的两个容器24或者说40之间的分隔引起的解决方案。在此，可以相互联接多个相互连接的容器24、40用于改善处理效率。

Claims (11)

1.储能系统（10），具有一定数量的电池单元（12、14、16），所述电池单元容纳在第一容器（24）中，其特征在于，所述第一容器（24）与第二容器（40）通过分隔元件（28）隔开，通过该分隔元件相对于第二容器（40）形成了实现由第一容器（24）的气体膨胀的压力差Δp，容纳一定数量电池单元（12、14、16）的第一容器（24）用流体（26）并且用惰性气体进行填充，在第二容器（40）中布置吸收来自第一容器（24）的流体（26）的吸水的材料（22），所述吸水的材料（22）是沸石、分子筛或者硅胶，所述第二容器（40）具有可变形的壳体壁（18）。

2.按权利要求1所述的储能系统（10），其特征在于，所述第二容器（40）包围第一容器（24）。

3.按权利要求1所述的储能系统（10），其特征在于，容纳一定数量电池单元（12、14、16）的第一容器（24）具有用作分隔元件（28）的壳体壁，该壳体壁由脆性的可轻易破碎的材料制成。

4.按权利要求1所述的储能系统（10），其特征在于，所述分隔元件（28）具有理论断开位置（38）并且/或者具有热阀门（34）并且/或者具有可电操作的阀门（36），由此形成了第一容器（24）和第二容器（40）之间的连接。

5.按权利要求1所述的储能系统（10），其特征在于，用惰性气体来剩余填充所述第一容器（24）和第二容器（40）从而阻止或者中断氧输入该一定数量的电池单元（12、14、16）中。

6.按权利要求5所述的储能系统（10），其特征在于，所述惰性气体是N₂、He或者Ar。

7.按权利要求1至6中任一项所述的储能系统（10），其特征在于，第一容器（24）中的热关键位置与用流体（26）浸透的有吸附力的层（44）热耦合，并且在最大程度上降低第一容器（24）的压力或者将其抽成真空，并且具有低于流体（26）的气体压力的最低压力。

8.按权利要求7所述的储能系统（10），其特征在于，第一容器（24）中的热关键位置是一定数量的电池单元（12、14、16）。

9.按权利要求1至6中任一项所述的储能系统（10），其特征在于，在第二容器（40）中的吸水的材料（22）与散热器热耦合，并且降低第二容器（40）的压力或者将其抽成真空。

10.按权利要求1至6中任一项所述的储能系统（10），其特征在于，在第二容器（40）中的吸水的材料（22）与汽车车身热耦合，并且降低第二容器（40）的压力或者将其抽成真空。

11.按权利要求1至6中任一项所述的储能系统（10），其特征在于，所述储能系统是电池。