CN103069643A - 用于电化学电池单元的壳体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电化学电池单元（10），其具有电极堆（12）、与该电极堆（12）相连的至少一个电流导体（16、18）和至少部分地包围该电极堆（12）的壳体（14），其中至少一个电流导体（16、18）至少部分地从壳体（14）延伸出来。至少一个加热设备（22、23）被集成到电化学电池单元（10）的壳体（14）中，所述加热设备具有至少一个优选为平面的加热区（27），其延伸以至少覆盖壳体（14）的子区域。
Description
描述
本发明涉及用于电化学电池单元的壳体，具有该壳体的电化学电池单元，以及具有至少一个该电化学电池单元的电化学能量存储器。
电化学存储设备已知为电池（初级存储器）和蓄电池（二级存储器），其由一个或多个存储单元构成，通过在其中施加充电电流，在电解质中的或在电解质之间的阴电极和阳电极之间的电化学充电反应中将电能转换成化学能并因此被存储，并通过在其上连接电负荷，将化学能在电化学放电反应中转换成电能。其中，初级存储器通常只充电一次，并在其放电之后被处理掉，而二级存储器容许多次（从数百次到超过10000次）的充电和放电周期。在本文中，应该指出的是，特别是在交通工具领域，蓄电池也被称为电池。
在本发明中，关于锂离子电池，其被描述为用于驱动交通工具。但是要指出的是，本发明可以不依赖于化学和电化学电池单元和电池的类型，以及也不依赖于所提供的驱动来应用。
从现有技术已知了一种电化学电池单元，其具有至少部分地由壳体包封的电极堆。壳体应一方面防止化学品从电极堆逸出到环境中，并且另一方面保护电池单元的组件不与周围环境发生不希望的相互作用，例如，防水或防水蒸汽。
此外已知的是，电化学能量存储器的效率、充电容量、功率输出和寿命取决于其操作温度。因此，在电能到化学能（或相反在化学能到电能）的转换期间，发生不可逆的（不可逆转）化学反应，这导致了能量存储器的老化。随着电化学能量存储器的单元内部的温度的升高，因此除了更快的能量转换，还加速了能量存储器的老化。如果单元中的温度升得过高，甚至存在能量存储器被破坏的危险。为此，已知有各种措施来实现电化学能量存储器的冷却。
另一方面，许多电化学能量存储器首先在低的操作温度以上是有效的和可靠的。这种低的操作温度特别依赖于能量存储器和其单元的结构和工作原理。因此，可期望根据目的、应用和该能量存储器的环境温度的希望值通过供热来提高其温度。
正如在图5A中示例性示出的，在低温T下，电化学电池的内部电阻Ri急剧增加。这导致的结果是，如在图5B中示例性示出的，在低温T下的单元的功率损耗Pv急剧增加，以及在相应的低的温度下的单元的效率W降低。
本发明的目的在于，实现一种可向其提供热量的、被改进的电化学能量存储器。
根据本发明，这将通过独立权利要求的指导来实现。本发明的优选的改进方案是从属权利要求的主题。
根据本发明，提出了一种用于电化学电池的壳体，其中集成有至少一个加热设备。该至少一个加热设备具有至少一个优选为平面的加热区，其至少在壳体的部分区域上延伸。
根据本发明，还提出了一种电化学电池单元，其具有：电极堆；与电极堆相连的至少一个电流导体；和至少部分地包围电极堆的、根据本发明的壳体，其中所述至少一个电流导体至少部分地从壳体中延伸出来。
根据本发明，还提出了一种电化学能量存储器，其具有外罩和至少一个设在外罩内的、根据本发明的电化学电池单元。
根据本发明，至少一个加热设备被集成到电化学能量存储器的电化学电池单元的壳体中。以这种方式，加热设备被设置为非常接近要被控制温度的单元或其被控制温度的组件，以使得由加热设备产生的热量可以尽可能无损耗地输送到所述单元或其组件。由此可以实现高效率的加热设备。如果可能，通过将加热设备集成到单元的壳体中，可以实现在单元中的均匀的温度分布。
借助于至少一个集成到壳体中的加热设备，电化学能量存储器本身可以在低的环境温度下，以最佳的操作温度操作，并由此高效率地操作。
通过将至少一个加热设备集成到电化学电池单元的壳体中，能够进一步实现单元的紧凑的结构。此外，在有利地情况下，可以免除在电化学电池单元的制造后单独安装加热设备。
“电化学能量存储器”被理解为是指上述任何类型的能量存储器，从其可以提取电能，其中，在能量存储器的内部发生电化学反应。该术语包括所有类型的能量存储器，特别是初级电池和二级电池。电化学能量存储器具有至少一个电化学电池单元，优选为具有多个电化学电池单元。为了存储更大量的电荷，多个电化学电池单元可以并联连接，或为了实现所需的操作电压可以串联连接，或构建为并联和串联连接的组合。
“电化学电池单元”或“电化学能量存储单元”被理解为用于输出电能的目的的设备，其中能量以化学形式被存储。在可充电的二级电池的情况下，单元也被构建为吸收电能，将其转换成化学能并储存。电化学电池单元的形态（即特别是尺寸和几何形状），可以取决于可用空间而被选择。优选的是，电化学电池单元基本上被构建为棱柱型或圆柱形。
关于“电极堆”应被理解为是指至少两个电极和在其之间设置的电解质。电解质可部分地由隔离物所容纳。然后，隔离物分隔电极。优选的是，电极堆具有多层的电极和隔离物，其中相同极性的电极每个都优选地彼此电连接，特别是并联连接。电极被构建为例如是板状的或箔状的，并且被优选地设置为基本上彼此平行（棱柱型能量存储单元）。电极堆也可是卷绕的，并具有基本上为圆柱形的形状（圆柱型能量存储单元）。术语“电极堆”还应该包括这种电极卷。电极堆可以具有也以离子形式的锂或其它碱金属。
本发明相关的“电流导体”被理解为电化学电池单元的导电的结构元件，其用于将电能传送进单元内或将电能从单元传出。电化学电池单元通常具有两种类型的电流导体，这些电流导体每个都和单元内的两个电极或电极组中的一个—阳电极或阴电极—导电相连。换句话说，单元的电极堆中的每个电极都具有一些电流导体，或电极堆的相同极性的电极与共同的电流导体相连接。电流导体的形状适合于电化学电池单元或其电极堆的形状。
术语“壳体”应包括任何类型的设备，其适用于防止化学品从电极堆泄露到环境中，以保护电极堆的组件免于外部影响而损坏。壳体可以由一个或多个模制零件构建和/或被构件成箔状。此外，壳体可以单层地或多层地构建。此外，壳体可以由基本上是刚性的材料制成，或由弹性材料制成。为了改善从集成的加热设备到电化学电池单元内部的热供给，壳体至少在其面向单元内部的侧面优选地配置为是导热的。此外，壳体优选地由气密且电绝缘的材料或层状复合材料所构成。壳体优选为尽可能没有间隙或气缝地包围电极堆，以实现的电化学电池单元的壳体和内部之间的良好的热传导。
术语“加热区”应描述为加热设备的一部分，其中实现单元内部中的加热功能和热供给。对此，术语“平面的”加热区被理解为在两个空间方向上具有显著的延伸，并因此具有高效热传递表面的加热区。
根据本发明，“至少一个加热设备”应被集成到电化学电池单元的壳体中。这意味着，优选一个、两个、三个、四个或更多的加热设备被集成到壳体中。在具有两个主侧面或主表面的、基本上棱柱形单元的情况下，优选的是，加热设备被集成到壳体的主侧面中或每个加热设备被集成到壳体的两个主侧面中的一个中。同样优选的是，两个加热设备被集成到壳体的两个主侧面中的一个中或两个主侧面中。
在本文中，术语“集成”应意味着壳体组件中的加热设备组件的任何形式的组合。优选地，壳体内的加热设备的集成导致了预制组件，其在电化学电池单元的制造中可以作为单个组件来处理。集成将特别借助适当的制造方法根据壳体的材料来实现。在至少一个加热设备和壳体之间的连接优选为材料决定的、力量配合的和/或形状配合的。其中通过集成，将优选地实现将加热设备基本上完全包封在壳体的材料内部。同样优选的是，将加热设备部分地包封在壳体的材料内，并同时至少部分地将加热设备释放到壳体的面向单元内部的侧面上和/或壳体的背向单元内部的侧面上。
在下面将描述本发明的优选的改进方案：
有利的是，至少一个加热设备的至少一个加热区具有的几何形状和/或尺寸匹配壳体的几何形状和/或尺寸。这种在几何形状和/或尺寸方面的匹配保证了从壳体中的加热设备到电化学电池单元的内部的热转移的效率和均匀性。对于这种匹配，优选的是，壳体的一侧或表面尽可能大面积地或甚至接近完全地配合至少一个加热设备的至少一个加热区。优选地只有一个加热区的至少一个加热设备，也可以具有两个或更多的单独的或相互连接的加热区。
有利的是，加热设备具有电加热设备。电加热设备很容易控制并实现简单和紧凑的结构。术语“电加热设备”包括被构建为所有将电能转换为热能的加热设备。电加热设备优选地具有加热丝、加热箔或类似物。
在其它的实施方案中，加热设备具有与热源保持导热接触的导热金属、用于通过热流体的流通道或类似物。
有利的是，加热设备具有基本上在壳体中的平面内延伸的加热区。通过在平面内设置加热设备的加热区，可实现具有集成的加热设备的壳体的紧凑的结构。在本文中，在“平面内”设置至少一个加热区应被理解为基本上是单层或单层板地设置。
有利的是，加热设备具有至少一个供给接口，其基本上被设置在加热设备的加热区的平面中。通过将至少一个供给接口设置在加热设备的加热区的平面中，将实现电化学电池单元的紧凑的结构。此处“供给接口”应理解为给加热设备提供加热设备相应的供给（例如电流，液体流等）的任何类型的接口。根据加热设备的类型和数量，优选为设有一个或多个供给接口。
有利的是，壳体具有至少一个主表面，并且壳体的至少一个加热设备的加热区延伸基本上覆盖整个主表面。在基本上棱柱形的单元中的情况下，壳体具有两个基本上为矩形的主表面，其在单元的总共六个的表面或侧面中，具有最大程度的表面延伸。在基本上圆柱形的单元中的情况下，壳体具有作为壳体的主表面的圆柱形表面。
当电化学能量存储器具有至少两个电化学电池单元时，有利的是，能量存储器的所有电化学电池单元按照上述发明设计，即特别是配备具有集成的加热设备的壳体。以这种方式，可实现整个的能量存储器的温度的均匀分布。
有利的是，能量存储器具有至少一个接口元件，其与电化学电池单元的电流导体或电化学电池单元的多个电流导体相连接，其中至少一个接口元件至少部分地延伸出外罩。在一个实施方案中，电化学电池单元的壳体的电加热设备或多个电化学电池单元的多个壳体的多个电加热设备被连接到接口元件或者可连接到接口元件。采用这种结构，电化学能量存储器本身可以驱动电化学电池单元中的加热设备。在这种情况下，电加热设备优选地针对电化学能量存储器的电池电压来配置。该实施方案还可以实现一种加热算法，用于为现有单元内永久供热。
有利的是，能量存储器具有至少一个另外的接口元件，其与电化学电池单元的至少一个加热设备的供给接口或多个电化学电池单元的多个加热设备的多个供给接口连接或可与之连接，其中所述至少一个另外的接口元件至少部分地延伸出外罩。该实施方案适用于电加热设备，以及适用于其它加热设备，并可实现加热设备不依赖于电化学能量存储器的操作状态的操作。
在一个实施方案中，电化学能量存储器包括至少一个接口元件和至少一个另外的接口元件。在这种情况下，有利的是，设有用来切换与接口元件之间的连接和与另外的接口元件之间的连接的开关设备。以这种方式，电加热设备可以选择性通过能量存储器本身或通过外部电流源来驱动。
有利的是，电化学电池单元的壳体的加热设备可通过能量存储器的电池管理系统（BMS）控制。电池管理系统优选为集成在电化学能量存储器中。在另外的实施方案中，电池管理系统设在能量存储器的外部。此外，电池管理系统优选地与能量存储器构建为一个单元。在本文中，“电池管理系统”是用于监测和控制电化学能量存储器，特别是其电化学电池单元的设备。电池管理系统的目的优选为控制充电和放电的过程、温度监测、估计充电量、监测单元电压和类似功能。借助于电池管理系统，将优选地实现最佳的操作行为，以便尽可能实现被改善的寿命、覆盖范围和可靠性。其中，电池管理系统优选地适合电化学能量存储器和其电化学电池的配置。此外，电池管理系统优选地与例如交通工具的控制单元连接。
本发明的其他优点，特征和应用可能性结合附图，由优选的实施例的以下描述得出。其中在附图中示出了：
图1是用于根据本发明的第一优选的实施方案的电化学能量存储器的电化学电池单元的示意性剖视图；
图2是根据本发明的优选的实施方案的、图1的电化学电池单元根据视图A的示意性侧视图；
图3是用于根据本发明的第二优选的实施方案的电化学能量存储器的电化学电池单元的示意性剖视图；
图4是根据本发明的优选的实施方案的、具有比如根据图1或3所设计的多个电池单元的电化学能量存储器的示意性剖视图；
图5是电化学电池单元的示例性的内部电阻-温度曲线图，示例性的功率损耗-温度-曲线图和示例性的效率-温度曲线图。
图1示出了根据本发明的电化学电池单元10的结构。单元10包括至少一个电极堆12，其由壳体14包围。电极堆12具有多层电极和设置在这些电极之间分隔物，其中，电解质至少部分地由隔板所容纳。
同一极性的电极与第一电流导体16连接，而另一极性的电极与第二电流导体18连接。两种电流导体16、18都从壳体14延伸出来，其中在电流导体16、18的通过区域（Durchtrittsbereich）中设有密封区域20。
在图1的实施例中，电化学电池单元10基本上被构建为棱柱形，并具有两个主表面或主侧面（图1右侧和左侧）。在壳体14的主表面（图1左侧）中集成有电加热设备22。该电加热设备22设有供给接口24，以便能够为加热设备22提供电流。
如图2的侧视图中所示，电加热设备22具有设在回路（Schleife）中的加热丝26。加热丝26的回路定义了延伸覆盖壳体14的一个主表面的大部分的加热区27。其中加热区27的形状和尺寸匹配壳体14的主表面。
电加热设备22的加热丝26基本上设置在单元10的壳体14内的平面中，并构成平面的加热区27。加热设备22的供给接口24基本上被设置在加热区27或加热丝26的平面中。具有被集成的电加热设备22的壳体14与没有这样的加热设备22的常规的壳体相比，只需要略多的空间。
为了实现很好地将热从电加热设备22输送至电化学电池单元10中，壳体14应至少在其面对电极堆12的内侧具有高的导热率。
图3示出了根据第二实施方案的电化学电池单元10。在图1的第一实施例中，仅壳体14的一个主表面上设有集成的电加热设备22，而对于图3的电化学电池10，壳体14的两个主表面中的每一个都集成了至少一个电加热设备22、23。其中两个加热设备22、23基本上由加热丝26所构建，其如在图2中所示，所述加热丝26为构建平面的加热区27而被放置在回路中。
例如二次电池的电化学能量存储器，具有壳体28，在其中设有多个电化学电池单元10并彼此并联和/或串联连接，如在图4中所示。例如图1的单元或图3的单元可被用作电化学电池单元。
多个单元10的电极堆12的第一电流导体16与第一接口元件30（例如正极）导电连接，而多个单元10的电极堆12的第二电流导体18与第二接口元件32（例如负极）导电连接。两个接口元件30、32部分地从能量存储器的外罩28向外延伸，以便能够连接电负荷或充电设备。
在图4的实施方案中，能量存储器还包括另外的接口元件34，其与电化学电池单元10的电加热设备22的供给接口24导电相连。所述另外的接口元件34也部分地从能量存储器的外罩28向外延伸，以便能够连接电流源。
此外，单元10的加热设备22的供给接口24在外罩28的内部与能量存储器的接口元件或电极30、32导电相连。电加热设备22可以因此由电化学能量存储器自身供给电能。
在电化学能量存储器的外罩28内，设有电池管理系统（BMS）38。除了单元10的监视和控制功能之外，该BMS38还具有控制单元10的电加热设备22的任务。为了实现这个目的，BMS38控制在壳体28中的开关设备36，其根据需要，可选择地建立电加热设备22的供给接口24与能量存储器的电极30、32的电连接，或与能量存储器的另外的接口元件34的电连接。
虽然在图4的实施例中，单元10的电加热设备22的供给接口24可以与能量存储器的电极30、32，或另外的接口元件34中的任一个连接，也可以只实现建立两种选择中的一个。在这种情况下，开关设备36不再具有切换功能，而仅有由BMS38控制的简单的接通功能。
Claims (13)
1.一种用于电化学电池单元（10）的壳体（14），其特征在于，
在所述壳体（14）中集成有至少一个加热设备（22、23），所述壳体（14）具有至少一个优选为平面的加热区（27），所述加热区（27）延伸以至少覆盖所述壳体（14）的部分区域。
2.如权利要求1所述的壳体，其特征在于，
所述至少一个加热设备（22、23）的至少一个加热区（27）具有与所述壳体（14）的几何形状及尺寸匹配的几何形状和/或尺寸。
3.如前述权利要求中至少一项所述的壳体，其特征在于，
所述加热设备（22、23）具有电加热设备。
4.如前述权利要求中至少一项所述的壳体，其特征在于，
所述加热设备（22、23）具有至少一个加热区（27），所述加热设备的所述至少一个加热区（27）基本上在所述壳体（14）中的平面内延伸。
5.如权利要求4所述的壳体，其特征在于，
所述加热设备（22、23）具有至少一个供给接口（24），其中所述至少一个供给接口（24）基本上设置在所述加热设备（22、23）的所述加热区（27）的平面内。
6.一种电化学电池单元，其具有电极堆（12）、与所述电极堆（12）相连的至少一个电流导体（16、18）和至少部分地包围所述电极堆（12）的壳体（14），其中所述至少一个电流导体（16、18）至少部分地从所述壳体（14）延伸出来，其特征在于，
所述壳体（14）根据权利要求1到5中的至少一项形成。
7.如权利要求6所述的电化学电池单元，其特征在于，
所述壳体（14）具有至少一个主表面，以及所述壳体（14）的至少一个加热设备（22、23）的加热区（27）延伸以基本上覆盖整个所述主表面。
8.一种电化学能量存储器，其具有外罩（28）和至少一个在所述外罩（28）中设置的根据权利要求6到7中至少一项所述的电化学电池单元（10）。
9.如权利要求8所述的电化学能量存储器，其特征在于，
所述能量存储器具有至少两个电化学电池单元（10），其中所述能量存储器的所有电化学电池单元根据权利要求6到7中任一项形成。
10.如权利要求8到9中至少一项所述的电化学能量存储器，其特征在于，
所述能量存储器具有至少一个接口元件（30、32），所述至少一个接口元件（30、32）与所述电化学电池单元（10）的电流导体（16、18）相连或与多个所述电化学电池单元（10）的多个电流导体（16、18）相连，其中所述至少一个接口元件（30、32）至少部分地从外罩（28）延伸出来；以及，所述电化学电池单元（10）的壳体（14）的加热设备（22、23）与所述接口单元（30、32）连接或者能够与所述接口单元（30、32）连接。
11.如权利要求8到10中至少一项所述的电化学能量存储器，其特征在于，
所述能量存储器具有至少一个另外的接口元件（34），所述至少一个另外的接口元件（34）与所述电化学电池单元（10）的至少一个加热设备（22、23）的供给接口（24）或多个所述电化学电池单元（10）的多个加热设备（22）的多个供给接口（24）相连接，或者能够与之连接，其中所述至少一个另外的接口元件（34）至少部分地从所述外罩（28）延伸出来。
12.如权利要求10和11所述的电化学能量存储器，其特征在于，
设有用于在与所述接口元件（30、32）的连接和与所述另外的接口元件（34）的连接之间进行切换的开关设备（36）。
13.如权利要求8到12中至少一项所述的电化学能量存储器，其特征在于，
通过所述能量存储器的电池管理系统（34）能够控制所述电化学电池单元（10）的壳体（14）的加热设备（22、23）。
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