CN103972610B - 具有电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置的电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统(1),所述电池系统具有多个相互连接的电池电芯(2)和用于调节电池电芯温度的装置,所述用于调节电池电芯温度的装置包括被冷却介质流经的至少一个空心体(3、4)及具有至少一个第一接触区域(6)和至少一个第二接触区域(7)的至少一个导热元件(5),其中,所述至少一个第一接触区域(6)是平面的并且与至少一个电池电芯(2)的侧面热接触,以及其中,所述至少一个第二接触区域(7)设置在所述至少一个空心体(3、4)上,使得所述至少一个第二接触区域(7)与所述至少一个空心体(3、4)热接触。

Description

具有电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置的电池系统
技术领域
本发明涉及一种电池系统,其具有多个相互连接的电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置,所述用于调节电池电芯温度的装置包括至少一个被冷却介质流经的空心体和至少一个导热元件,所述至少一个导热元件具有至少一个第一接触区域和至少一个第二接触区域,其中,所述至少一个第一接触区域被构造为平面的并且与至少一个电池电芯的侧面热接触。
背景技术
电池、如特别是可充电的锂离子电池作为蓄能器是非常重要的,特别是用以在混合动力车辆、插电式(Plug-In)混合动力车辆或者电动车辆中提供驱动装置所必需的能量。锂离子电池由多个相互电连接的电池电芯构成,其中,多个电池电芯可机械地相互夹紧成一个电池模块。为了这种电池的安全运行以及为了这种电池特别是在性能和使用寿命方面优化的应用,必须确保电池只在一定的温度范围内使用。因此,特别是在高的功率消耗和高的功率输出下必须避免电池电芯加热超出一定的温度,特别是为了不缩短电池电芯的使用寿命和避免电池电芯所谓的热失控(也称为“热跑脱”)。
出于此原因,通常对电池或确切地说电池电芯进行调温。已知的是,在此开头所述的具有用于调节电池电芯温度的装置的电池系统。特别是冷却板用作用于调节温度的装置,其中,这种冷却板通过接触面与电池的电池电芯热接触,特别是通过将电池电芯设置在冷却板上。通过这种方式,在冷却板的接触面和电池电芯之间进行热能传递。此外为了改善电池电芯的冷却,可以在冷却板下方设置一个冷却介质流经的冷却管。由文献DE 10 2008059 954 A1已知具有这种冷却板的电池。
在前述这种方式的电池电芯温度调节中的缺点是,电池电芯只通过相对较小的面、即电池电芯的底面与冷却板热接触。但为了很小的热阻进而良好的热能传递,特别是在接触面很小的情况下需要电池电芯与接触面的良好接触。但这经常变得非常成问题,特别是因为电池电芯通常以机械方式相互夹紧成一个电池模块,并且各个电池电芯因而经常不是最优地平放在冷却板的接触面上。这因此导致热阻的剧烈升高。此外由于电池电芯因老化产生的变形以及由于特别是在将这种电池模块应用于车辆中时的振动和冲击,在此问题加剧。这些不希望的影响甚至会导致各个电池电芯没有与用于调节电池电芯温度的装置处于热接触中。因此可能不再能实现对相关电池电芯的充分的温度调节,由此电池电芯以及由于电池电芯甚至整个电池都可能受到不可修复的损坏。在此,确保电池电芯和冷却板之间长期持续热接触的、电池电芯在冷却板上的安装需耗费很多才能实现。
因此值得追求的是,改进电池电芯与用于调节电池电芯温度的装置的热接触。在文献DE 10 2008 059 954 A1中已经公开了一种增大电池电芯和冷却板之间的接触面的方式。除了电池电芯的底面与冷却板的接触之外,在电池电芯之间还设置导热板,其中,导热板与冷却板热连接,以将热量从电池电芯传导到冷却板。
发明内容
在此背景下,本发明的目的是改进开头所述的电池系统,特别是改善在电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置之间的热能传递的方面。
为了实现上述目的,提出一种电池系统,所述电池系统具有多个相互连接的电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置,所述用于调节电池电芯温度的装置包括被冷却介质流经的至少一个空心体及具有至少一个第一接触区域和至少一个第二接触区域的至少一个导热元件,其中,所述至少一个第一接触区域是平面的并且与至少一个电池电芯的侧面热接触,以及其中,所述至少一个第二接触区域设置在所述至少一个空心体上,使所述至少一个第二接触区域与所述至少一个空心体热接触。有利地,所述至少一个导热元件通过所述至少一个第二接触区域直接与被冷却介质流经的空心体连接,从而可实现在所述电池电芯和被冷却介质流经的所述至少一个空心体之间的改善的热能传递。
被冷却介质流经的所述至少一个空心体优选地是冷却介质导管,其特别优选地被构造为圆管。被冷却介质流经的空心体的一种有利设计方案变型的特征在于,用于与所述至少一个导热元件的第二接触区域接触的接触面很大,从而实现了在所述至少一个空心体和至少一个导热元件之间的改善的热能传递。特别地,作为有利的实施方案变型规定,所述至少一个空心体按照板件的方式构造。这种设计方案变型是具有基本上为矩形的横截面的冷却介质导管的一种特殊设计方案,其中,两个相互对置的壁的宽度是两个相互对置的壁的高度的几倍。根据本发明一种有利的设计方案规定,所述至少一个空心体由金属制成,优选由铜和/或铝制成。
所述至少一个导热元件优选被构造为被动的。即,所述至少一个导热元件不被冷却介质流经。通过所述至少一个导热元件的至少一个第一接触区域的平面设计方案,导热元件有利地可以在两侧被热接触,因为所述至少一个导热元件的正面以及背面由此被构造为用于电池电芯的热接触的接触面。这样借助于一个接触面可以热接触至少一个电池电芯的至少一个侧面,并且借助于第二个接触面可以热接触至少一个另外的电池电芯的至少一个侧面。根据本发明的一种有利设计方案规定,所述至少一个导热元件直到所述至少一个第二接触区域被构造为平面的。特别地规定,所述至少一个导热元件被构造为单件式的。
根据本发明的电池系统的另一有利的设计方案规定,电池电芯是可充电的电池电芯,特别优选地是锂离子电池电芯。有利地,这种电池电芯的特征在于高的能量密度。优选地,多个相互电连接的电池电芯或者由多个相互电连接的电池电芯构成的电池被构造为用于混合动力车辆、插电式混合动力车辆或者电动车辆的驱动装置的能量源。
本发明基于以下认识:可以实现在电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置之间的改善的热能传递,如果电池电芯通过大的面、有利地通过电池电芯的侧面与用于调节电池电芯温度的装置热接触,其中,通过至少一个导热元件进行热接触,该至少一个导热元件直接与用于调节电池电芯温度的装置的被冷却介质流经的部件、即优选地冷却介质导管热接触。通过电池电芯侧面的热接触因此也是特别有利的,因为所述至少一个导热元件、更确切的说多个导热元件可以通过第一接触区域设置在电池电芯之间。通过将电池电芯以机械方式夹紧成一个电池模块,导热元件在此有利地固定在电池电芯之间。基于机械夹紧的挤压力此外有利地提供从电池电芯到相应导热元件的很小的热阻,由此有利地进一步改善热能传递。有利地,此外电池电芯不设置在冷却板上,从而电池系统的结构得以简化。通过所述至少一个被动的导热元件直接设置在至少一个电池电芯处和被冷却介质流经的所述至少一个空心体上,热量从电池电芯导出到所述至少一个空心体并且从空心体通过对流传递到冷却介质。通过被动的导热元件与引导冷却介质的主动元件的接触,即与所述至少一个空心体的接触,有利地可以改善热能的传递,进而改善地调节电池以及电池的电池电芯的温度。此外,由此可有利地实现紧凑的结构形式。
例如可以规定水-二元醇混合物或制冷剂、如特别是制冷剂R1234yf作为流经至少一个空心体的冷却介质。
本发明的一种优选的设计方案规定,所述至少一个第一接触区域设置在两个电池电芯之间,使所述至少一个第一接触区域与这两个电池电芯热接触。也就是说,根据本发明,在两个相邻设置的电池电芯之间插入一个导热元件,其中,该导热元件在两侧与相邻设置的电池电芯热接触。与电池电芯的接触在此通过导热元件的第一接触区域实现。
根据本发明的另一优选设计方案规定,电池电芯以机械的方式相互夹紧,使设置在电池电芯之间的导热元件通过机械夹紧而固定。通过机械夹紧或者说来自机械夹紧的压紧力,有利地,实现与设置在两个电池电芯之间的所述至少一个导热元件的改进的接触,并且降低从电池电芯到被热接触的导热元件的热阻。
有利地,所述至少一个导热元件超过被热接触的所述至少一个电池电芯的侧面伸出。所述至少一个导热元件的这个超过侧面伸出的区域有利地改善了从电池电芯的热量输出。因为热能额外地通过超过接触的电池电芯的侧面伸出的区域输出到周围空气中。此外,该额外的区域有利地可用于在其上面安装固定件,用来将电池系统固定在车辆内的安装空间中和/或固定在壳体中。为此,导热元件的相应区域可有利地具有孔和/或固定件,如钩等。
根据本发明的另一种优选设计方案,所述至少一个第二接触区域至少部分地包围所述至少一个空心体。作为有利的设计方案变型,特别地规定,所述至少一个第二接触区域完全包围所述至少一个空心体。通过完全地或部分地包围所述空心体,在所述至少一个空心体和所述至少一个导热元件之间的接触面有利地增大。由此,可实现在冷却介质流经的空心体和所述至少一个导热元件之间改善的热能传递,进而在冷却介质流经的空心体和与导热元件热接触的所述至少一个电池电芯之间的改善的热能传递。此外,当导热元件的所述至少一个第二接触区域至少部分地包围所述至少一个空心体时,所述至少一个空心体有利地可由紧固在电池电芯之间的导热元件固持。
根据本发明的另一有利的设计方案规定,所述至少一个第二接触区域与所述至少一个空心体以传力连接的方式连接。在此,本发明的一种特别优选的设计方案规定,所述至少一个第二接触区域通过热压配合而设置在所述至少一个空心体上或者通过热压配合与所述至少一个空心体连接。所述至少一个导热元件或确切地说所述至少一个导热元件的至少一个第二接触区域为此优选地以相对于所述至少一个空心体的过盈配合制成,其中,所述至少一个导热元件在加热所述至少一个第二接触区域之后安装到所述至少一个空心体上。在此,电池系统可有利地构造为,所述至少一个空心体由所述至少一个导热元件固持。在此有利地不需要额外的措施来固定所述至少一个被冷却介质流经的空心体。通过所述至少一个导热元件和所述至少一个空心体之间的传力连接,有利地保持从被冷却介质流经的空心体到所述至少一个导热元件的热阻很小,由此电池电芯和被冷却介质流经的空心体之间经由所述至少一个导热元件的热传递有利地得以改善。因为根据本发明的电池系统特别地设置应用于车辆中,特别是电动车辆中,所述至少一个导热元件的热压配合此外还提供了以下优点:所述至少一个空心体和所述至少一个导热元件之间的接触不会因车辆工作中引起的振动和冲击而松开。
在本发明的另一设计方案中,所述至少一个空心体与所述至少一个第一接触区域正交地定向。即,空心体沿着相继设置的电池电芯的方向延伸。在电池电芯之间设置多个导热元件的情况下,该至少一个空心体与所述导热元件的至少一个第二接触区域的热接触有利地在结构上可特别简单地实现。有利地,在前述设计方案中,此外所述至少一个第二接触区域与所述至少一个第一接触区域正交地定向,其中,所述至少一个第二接触区域超过所述至少一个第一接触区域伸出。第二接触区域在此优选地相对于所述至少一个第二接触区域呈L形或T形地定向。通过这种方式,所述至少一个第二接触区域与所述至少一个被冷却介质流经的空心体的接触面有利地增大,从而在被冷却介质流经的空心体和电池电芯之间经由所述至少一个导热元件的热能传递进一步得以改善。
本发明的另一有利的设计方案规定,所述至少一个第一接触区域相对于被热接触的电池电芯电绝缘。有利地,在此电绝缘通过安装导热箔实现。在此,电绝缘用于在电池系统的周边环境中的防护,因为电池电芯以及电池电芯的电芯壳体不总是零电势的。根据一种设计方案变型规定,为了电绝缘,在电池电芯和/或导热元件上设置相应构造的漆层。有利地,导热元件由导热良好的材料、例如铜或铝制成,其中,导热元件或电池电芯然后优选相应地电绝缘。
另一有利的设计方案变型规定,所述至少一个导热元件是电绝缘体。在此,有利地不需要额外的电绝缘,由此可实现重量减轻。特别优选地,所述至少一个导热元件至少部分地由陶瓷制成。在此,陶瓷在导电能力很差的情况下提供有利的高导热能力的特性。
本发明的另一有利的设计方案的特征在于设有多个导热元件。特别地规定,每n个电池电芯与一个导热元件热接触。在此可有利地按照应用情况调整导热元件的数量。特别地,热负荷越高,则设置越多的导热元件。例如在HEV应用中设置的导热元件的件数应当多;优选地在相邻的电池电芯之间分别设置一个导热元件。特别优选地,电池系统设有多个导热元件,其中在至少每两个电池电芯之间分别设置一个导热元件。
根据本发明的一种特别有利的设计方案规定,用于调节电池电芯温度的装置具有两个被冷却介质流经的空心体,以及所述至少一个导热元件具有两个第二接触区域,其中,第二接触区域设置在导热元件相互对置的侧面上,并且第二接触区域分别设置在空心体上,使空心体由第二接触区域固持。特别地,设置两个被构造为冷却介质导管的被冷却介质流经的空心体,其设置在电池电芯的上方和下方或者分别设置在电池电芯的相互对置的侧面上,其中,多个分别具有一个第一接触区域的导热元件设置在两个电池电芯之间并且所述多个导热元件分别具有两个设置在导热元件相互对置侧面上的第二接触区域,其中,导热元件通过一个第二接触区域设置在其中一个冷却介质导管上并且通过另一个第二接触区域设置在另一个冷却介质导管上,使得导热元件分别通过第二接触区域与冷却介质导管热接触。由此,电池电芯和被冷却介质流经的空心体之间的热能传递有利地得以进一步改善。
附图说明
结合附图中示出的实施例详细阐述本发明的其他有利的细节、特征和设计细节。在此,附图中:
图1a以示意图示出了根据本发明的电池系统的一种实施例的纵向剖视图,其为沿图1c中的剖切线A-A剖开的纵向剖视图;
图1b以示意图示出了图1a中所示实施例的设计细节B的纵向剖视图;
图1c以示意图示出了图1a中所示实施例的正面的内视图;
图2a以示意图示出了根据本发明的电池系统的另一实施例的纵向剖视图,其为沿图2c中的剖切线A-A剖开的纵向剖视图;
图2b以示意图示出了图2a中所示实施例的设计细节B的纵向剖视图;以及
图2c以示意图示出了图2a中所示实施例的正面的内视图。
具体实施方式
图1a示出了一种电池系统1,其具有多个相互连接的电池电芯2和用于调节电池电芯2温度的装置,该装置包括两个被冷却介质流经的空心体3和多个导热元件5。在图1a所示实施例中的电池电芯是多个锂离子电芯,这些锂离子电芯相互电连接(在图1a中未明确示出)。电池系统被构造用作混合动力车辆、插电式混合动力车辆和/或电动车辆中的驱动装置的蓄能器。
在两个电池电芯2之间以及分别在置于外部的电池电芯2的外侧面上各布置一个导热元件5。导热元件5在这里由陶瓷制成。但作为设计方案变型,特别地涂有起电绝缘作用的漆层的导热元件由铝或铜制成。在图1a中示出的每一个导热元件5分别具有一个第一接触区域6和两个第二接触区域7,其中,所述第一接触区域6被构造为平面的并且分别与包围所述导热元件5的电池电芯2的一个侧面热接触。也就是说,通过第一接触区域6的平面的设计方案,导热元件5分别具有两个接触面10,其中,接触面10分别直接紧贴在电池2的侧面上。仅仅靠外的两个导热元件5通过第一接触区域6仅与一个电池电芯2的侧面热接触。电池电芯2与导热元件5一起例如借助于电绝缘的条状薄片(在图1a中未明确示出)被机械地夹紧。箭头8在此表示力F,借助于该力将电池电芯2与导热片5压紧在一起,并且该力将电池系统1缚紧。
导热元件5的第二接触区域7分别设置在被冷却介质、例如水-二元醇混合物流经的空心体3上。经过冷却介质导管3的冷却介质流在图1a中象征性地用箭头9表示。特别地根据所输送的冷却介质的温度,用于调节电池电芯温度的装置可用于冷却或者加热电池电芯2。电池系统1的空心体3在图1a所示的实施例中被构造为具有圆形横截面的冷却介质导管。一个冷却介质导管3在此布置在电池电芯2之上,另一冷却介质导管3布置在电池电芯2之下,其中,冷却介质导管与导热元件5的接触区域6正交地定向。导热元件5在此通过第二接触区域7分别包住上面的和下面的冷却介质导管3,使第二接触区域7分别与相应的冷却介质导管3热接触。在此,接触通过接触面11实现,第二接触区域7以该接触面11分别设置在其中一个冷却介质导管3处。
导热元件5分别通过将第二接触区域7热压配合到冷却介质导管3上而设置在冷却介质导管3上。为此,至少导热元件5的第二接触区域7被加热,使第二接触区域7的稍后包围冷却介质导管3的孔的内径扩大。在利用第二接触区域7的孔内径膨胀的情况下,随后导热元件5通过第二接触区域7安装到冷却介质导管3上,从而在第二接触区域7冷却之后导热元件5以第二接触区域7配合精确地设置在冷却介质导管3上。
直到第二接触区域7为止,导热元件5基本上构造为平面的并且超过被热接触的电池电芯2的侧面伸出。导热元件5的第二接触区域7基本上与导热元件5的第一接触区域6正交地定向,使得第二接触区域7超过第一接触区域6伸出,从而使第二接触区域7分别相对于第一接触区域呈L形地定向。由此,导热元件5分别与冷却介质导管3热接触的接触面11增大,从而在冷却介质导管3和电池电芯2之间经由导热元件5的热传递可以改善。在冷却介质温度低于电池电芯温度时,在此在电池电芯2和空心体3之间存在温度落差,从而热能从电池电芯2经由第一接触区域6传递到导热元件5,并且从导热元件5经由第二接触区域7传递到空心体3以及流经空心体3的冷却介质。
在图1b中放大地示出了在图1a中用字母B表示的部分。该部分示出了导热元件5的第二接触区域7,该第二接触区域通过热压配合设置在冷却介质导管3上。在此,第二接触区域7通过接触面11与冷却介质导管3热接触。通过第二接触区域7的L形弯曲,接触面11增大。
图1c以正面示图示出了在图1a中示出的实施例的内视图。在此可以看到电池电芯2,该电池电芯通过在图1c中背向观察者的侧面与导热元件5的第一接触区域6热接触。在此,导热元件5超过被热接触的电池电芯2的侧面伸出。导热元件5的第二接触区域7分别包围被构造为冷却介质导管的被冷却介质流经的空心体3。
在图2a至图2c中示出了根据本发明的电池系统1的另一实施例。在此,与在图1a至图1c中示出的实施例的主要不同在于,图2a至图2c中所示的电池系统1的被冷却介质流经的空心体4被构造为板形。冷却介质流经的空心体4在此呈现出一种具有矩形横截面的冷却介质管的特殊形式,其中,空心体4相互对置的外壁的宽度是空心体4相互对置的两个外壁的高度的几倍。在此,空心体4完全被冷却介质流经,如在图2a中通过箭头9象征性示出的那样。
还如在结合图1a至图1c所阐述的实施例中那样,电池电芯2与设置在电池电芯2之间的导热元件5一起被机械地相互夹紧。将电池电芯2和导热元件5压在一起的力F在图2a中象征性地通过箭头8示出。电池电芯的机械夹紧不仅改善了在电池电芯2和导热元件5之间的热接触,而且此外还防止电池电芯在工作时的隆起和变形。
导热元件5在这里由铝制成,其中,为了相对于电池电芯2电绝缘并且为了进一步降低从电池电芯2到导热元件5的热阻,在导热元件5上设置导热箔(在图中未明确示出)。导热元件5的指向下方的第二接触区域7形成用于电池系统1的放置面。空心体4在此由导热元件5或确切地说由导热元件5的第二接触区域7固定。
在导热元件5的超过电池电芯2的侧面伸出的区域上可以固定例如用于安装在车辆中的安装空间内的电池系统1。为此,导热元件5的这些边缘区域有利地可以具有孔和/或固定件(在图2a至图2c中未明确示出)。
在附图中示出的实施例示出分别具有两个被冷却介质流经的空心体。但其他的设计方案变型也可设有其他数量的被冷却介质流经的空心体,特别地,一种设计方案变型只设有一个被冷却介质流经的空心体以及一种设计方案变型设有四个被冷却介质流经的空心体,其中,一个空心体设置优选地在电池电芯上方,一个空心体设置在电池电芯下方,并且在电池电芯的侧面分别设置一个空心体。在此优选地根据输送给电池电芯以及根据由电池电芯输出的热能,选择空心体的数量。待输送或是待输出的热能越多,则有利地被冷却介质流经的空心体的数量越多。
此外,根据本发明的具有多个电池电芯和用于调节电池电芯温度的装置的电池系统能够模块化地扩展。特别地,还可实现具有比实施例中所示更多数量的电池电芯、例如具有12个电池电芯的电池系统。特别地还可规定,电池电芯在多个行中并排布置,使得在如在图1a中或在图2a中所示的一行电池电芯旁,设置相应的另两行电池电芯(在图中未示出)。于是,导热元件在这种设计方案中具有三个第一接触区域,从而在每一行电池电芯中在相应行的两个电池电芯之间可以设置一个导热元件的第一接触区域。
附图中所示的以及结合附图阐述的实施例用于解释本发明,对于本发明不是限制性的。

Claims (8)

1.一种电池系统(1),所述电池系统具有多个相互连接的电池电芯(2)和用于调节电池电芯温度的装置,所述用于调节电池电芯温度的装置包括被冷却介质流经的至少一个空心体(3、4)及具有至少一个第一接触区域(6)和至少一个第二接触区域(7)的至少一个导热元件(5),其中,所述至少一个第一接触区域(6)是平面的并且与至少一个电池电芯(2)的侧面热接触,其特征在于,所述至少一个第二接触区域(7)设置在所述至少一个空心体(3、4)上,使得所述至少一个第二接触区域(7)与所述至少一个空心体(3、4)热接触,并且所述电池电芯(2)被以机械方式相互夹紧,使得设置在电池电芯(2)之间的导热元件(5)通过机械夹紧被固持,并且所述第二接触区域(7)与所述第一接触区域(6)在所述电池系统(1)的纵剖面中正交地定向,使得所述第二接触区域(7)超过所述第一接触区域(6)伸出,从而使所述第二接触区域(7)分别相对于所述第一接触区域(6)呈L形或T形地定向,其中所述至少一个第一接触区域(6)相对于被热接触的电池电芯(2)电绝缘。
2.根据权利要求1所述的电池系统(1),其特征在于,所述至少一个第一接触区域(6)设置在两个电池电芯(2)之间,使得所述至少一个第一接触区域(6)与这两个电池电芯(2)热接触。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统(1),其特征在于,所述至少一个导热元件(5)超过被热接触的所述至少一个电池电芯(2)的侧面伸出。
4.根据权利要求1或2所述的电池系统(1),其特征在于,所述至少一个第二接触区域(7)至少部分地包围所述至少一个空心体(3、4)。
5.根据权利要求4所述的电池系统(1),其特征在于,所述至少一个第二接触区域(7)通过热压配合设置在所述至少一个空心体(3、4)上。
6.根据权利要求1或2所述的电池系统(1),其特征在于,所述至少一个空心体(3、4)与所述至少一个第一接触区域(6)正交地定向。
7.根据权利要求1或2所述的电池系统(1),其特征在于,设有多个导热元件(5),其中,在至少每两个电池电芯(2)之间分别设置一个导热元件(5)。
8.根据权利要求1或2所述的电池系统(1),其特征在于,所述用于调节电池电芯温度的装置具有两个被冷却介质流经的空心体(3、4),以及所述至少一个导热元件(5)具有两个第二接触区域(7),其中,所述第二接触区域(7)设置在导热元件(5)的相互对置的侧面上,并且所述第二接触区域(7)分别设置在所述空心体(3、4)上,使得所述空心体(3、4)由所述第二接触区域(7)固持。
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