CN105431919A - 包括多个能量存储组件的能量存储模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题为一种能量存储模块(10)，其包括彼此电连接的多个能量存储组件(12)，所述模块包括外壳体(40)，在外壳体(40)中布置有存储组件(12)和至少一个热交换器(24)，所述模块的特征是：能量存储组件(12)并排设置在至少两个不同的层(N1、N2)，热交换器(24)或者热交换器(24)中的至少一个设置在两个相邻层之间，以在交换器的两个相对的各自接触面(26A、26B)上与两个相邻层中的每一层的至少一个存储组件热接触；所述交换器(24)或者所述交换器(24)中的至少一个在至少不同于接触面(26A、26B)的紧固壁(28)处固定至模块的壳体(40)，交换器和壳体的紧固壁以下列方式配置：在至少不同于紧固点(70)的位置处，模块在交换器与壳体的相应的紧固壁(28、44)之间具有空间。

Description

包括多个能量存储组件的能量存储模块
技术领域
本发明涉及一种能量存储模块，其包括多个能量存储组件。
背景技术
在本发明的范围内，“电能存储组件”指的是电容器(即，包括两个电极和绝缘体的无源系统)、超级电容器(即包括至少两个电极、电解质以及至少一个分离器的系统)或者特别是锂电池类型的电池(即包括至少一个阳极、至少一个阴极以及阳极与阴极之间的电解质的系统)。然而，本发明更具体地涉及超级电容器模块。
由于能量存储组件的内部电阻器(其通过焦耳效应而产生能量损失)，这种模块释放大量的热量。为了防止模块由于组件的温度过高而损坏，能量存储模块装配有用于排出热量的装置。为此，可以将模块与热交换器相关联，例如，增加与空气的换热面积的鳍片，或者使得流体能够流经组件的附近以便借助该流体排出热量的元件。
这些热交换器通常设置在模块的外部，靠近模块的热排出面(其制造为尽可能地导热)。
然而，在包括大量能量存储组件的大容量模块中，已经注意到，模块与热交换器的这样的关联并不总是足够的。
发明内容
因此，本发明的目的在于研发这样一种能量存储模块：无论模块的尺寸和总容量如何，所述能量存储模块都能使热量的排出达到最佳效果。
为此，本发明的目标在于提供一种包括多个彼此电连接的能量存储组件的能量存储模块，该模块包括外壳体，将存储组件和至少一个热交换器布置于所述外壳体中，其中：
-能量存储组件并排设置于至少两个不同的层，将热交换器或者热交换器中的至少一个设置在两个相邻层之间，以在交换器的两个相对的各自接触面上与两个相邻层中的每一层的至少一个存储组件热接触，
-至少在不同于接触面的紧固壁处，将所述交换器或者所述交换器中的至少一个装配至模块的壳体，交换器和壳体的紧固壁以下列方式进行配置：至少在不同于紧固点的位置处，模块具有壳体与交换器的相应的紧固壁之间的空间。
因此，根据本发明，热交换器通过与模块的壳体接触而直接设置于模块的壳体内部而不在模块的外部。由于与现有技术相比交换器更直接地与组件接触(模块的壳体不插置在组件与交换器之间)，因此这使得由存储组件产生的热量可以进行更好的热排出。
此外，设置于模块中间的交换器包括两个相对的热交换面，每个热交换面使得由两个不同的相邻层的存储组件产生的热量得以排出。再次提高了模块的热排出效率，但是由于仅仅将一个热交换器添加于模块，因此不会显著地增加模块的总体尺寸。由于没有壳体插置在交换器与存储组件的每一层之间，因此相对于与相同的热交换器相关联的两个尺寸较小的相邻模块的总体尺寸，上述模块的总体尺寸也得到了改善。
然而，由于来自模块外部的热量经由壳体传输至交换器，即使将交换器紧固至壳体(模块的适当的机械强度所必要的)有可能中断交换器的操作，交换器的特殊结构也能够使得这个因素变得不重要。这种中断实际上有可能造成冷却组件的不均匀性，这会对组件的老化造成影响，并且因此使模块的工作寿命的降低。发明人已发现：在热交换器与外壳体之间提供空间是足够的，这通过在交换器与壳体之间插置气刀可以使得这些元件彼此绝缘，并且可以避免交换器的操作的中断。
因此，本发明可以研发一种大容量模块，其中热量得以大量地均匀排出，并且该模块具有有限的总体尺寸。
根据本发明的模块可以进一步包括下列一个或多个特征：
-交换器以如下方式配置：交换器的紧固点或者紧固点中的至少一个(特别是它们中的每一个)从紧固壁的其余部分突出。因此，通过调节交换器的配置来获取壳体与交换器的紧固壁之间的空间，这避免了模块的外部形状过于复杂。然而，通过改变壳体的配置(特别是通过至少将壳体的内表面设置为中空的)也绝对可以获得根据本发明的模块。
热交换器包括至少一个导管，流体(例如水)将要流入所述导管。此外，交换器可以包括流体进口和出口，壳体包括至少一个孔，以使得来自外部的流体可以通过。交换器特别地包括形成流体进口和出口的突出连接器，这些连接器配置为穿过壳体的相应的孔。在壳体与突出连接器之间特别地插置有密封件，该密封件优选地于壳体上二次成型。由于尽管在模块中进行流体输送但壳体还是具有相对封闭的配置(这避免了危害到模块的电绝缘体)，因此这种交换器配置尤其合适，
-热交换器旨在与两个相邻层的所有存储组件热接触。这实际上使得可以利用单个件来排出最多的热量，并且由此使得模块的设计最优，
-热交换器包括两个相对的接触面和在相对的接触面之间延伸的至少一个侧壁(其优选地大致垂直于接触面)，紧固点分布于侧壁或者侧壁中的至少一个，以使得其形成紧固壁。此外，无论交换器在操作中的位置如何(即使在交换器大致竖直延伸的情况下)，都可以优选地获得连接至壳体的所有侧壁的热交换器(该热交换器贯穿所述壳体的圆周)，这为模块提供了合适的机械强度，
-热交换器通过螺纹接合的方式紧固至模块的壳体，为此，交换器的紧固点包括紧固孔(所述紧固孔旨在设置为面向模块的壳体的紧固孔)。这种紧固模式实际上简单而便宜，
-包含于交换器的紧固壁与壳体的紧固壁之间的空间通过以下方式来限定尺寸：壳体和交换器的相应的紧固壁之间的距离小于3mm。这使得交换器的接触面的表面最大化，
-与壳体接触的交换器的紧固壁部分的表面小于紧固壁或者所述紧固壁的总表面的20％(特别是10％)。优选地，其内设置有紧固点的突出部中的一个或者突出部在紧固壁的至少一个方向(优选地为两个大致垂直的方向)上尺寸小于30mm，这使得可以将与壳体接触的交换器的表面最小化，并且由于通过壳体的壁而与外部的热交换而可以使得交换器的操作中断最少化，
-能量存储组件大致沿着纵向方向延伸，并且特别地为圆柱形状。在沿着纵向方向的交换器的一个端面处，这些能量存储组件与交换器的接触面中的一个重叠，
-模块包括至少一个条片(其重叠至两个相邻存储组件的端面)，以便电连接所述组件，
-将至少一个电绝缘构件(例如由弹性体制成的衬垫，特别是EPDM)插置在组件与交换器之间，优选地在条片与交换器之间，
-能量存储组件为超级电容器，
-模块还可以包括两个以上的层，热交换器优选地插置在模块的每个成对的相邻层之间，
-模块的每个组件电连接至模块的至少一个其他组件。所有的组件可以彼此电连接(例如串联)，或者组件可以形成彼此电连接的独立的组件群组。相同层的组件可以特别地全部彼此电连接，特别是串联。
本发明的目标还在于提供一种用于装配能量存储模块的方法，所述能量存储模块包括多个存储组件和至少一个热交换器，所述方法包括以下步骤：
-形成并排布置的第一能量存储组件群组和第二能量存储组件群组，其优选地彼此连接，特别是经由连接条片彼此连接，
-采用如下方式将包括至少两个相对的接触面的热交换器设置在两个组件群组之间：每个接触面分别与群组中的一个的至少一个存储组件热接触，
-采用如下方式布置外壳体：所述外壳体包围组件群组和热交换器，并且在不同于接触面的壳体的壁的至少一个处，将交换器紧固至壳体的至少一个壁；至少在不同于紧固点的位置处，交换器和壳体以下列方式进行配置：模块在交换器和壳体的相应的紧固壁之间具有空间。
附图说明
现在将利用附图来描述根据本发明的模块，所述附图描述了本发明的具体非限制的示例性实施方案，其中：
图1为根据本发明的具体实施方案的模块的分解图，
图2为已经装配的模块的剖面立体图，
图3为图1的模块的热交换器的立体图。
具体实施方案
图1示出了根据本发明的具体实施方案的模块10的分解图。如图所示，该模块包括布置在两个不同层N1和N2的多个能量存储组件12。
每个组件12具有大致的圆柱形状并且包括安装有体部的壳体，包括沿着组件的纵向轴线延伸的侧壁，所述侧壁在侧壁的一端处由端壁闭合而在其相对端处开口。罩盖在体部的开口端覆盖体部。因此，壳体包括在侧壁的纵向端部处的第二端壁。壳体包括盘绕着的能量存储元件，所述能量存储元件包括具有插入的分离器的两个重叠的电极的绕组。电解质也被引入至壳体中，用于浸渍电极。绕组的每个电极电连接至组件的端面，每个端面形成了组件的端子。
由于组件的结构并非本发明的重点，因此不再对其作进一步的描述。实际上，读者将注意到，每个组件的结构可以不同于已经描述的结构。例如，该组件可以包括管状体部(在该管状体部的每个端部处由罩盖闭合)，或者具有除了圆柱形状之外的形状。
因此，层N1、N2的每一层包括多个相同的组件12，组件12布置为使它们的纵向轴线基本平行。组件12经由导电条片14而串联电连接。为此，每个组件包括布置在该组件的一个端面并且将该组件电连接至第一毗邻组件的条片14，以及布置在所述组件的另一个端面并且将所述组件电连接至另一个毗邻组件的另一个条片14。组件彼此接触，并且经由安装于每个组件的绝缘套管16而使组件在其不具有相同的电势(所述端子不通过条片连接)的端子处电绝缘。因此，条片沿着形成层N1、N2的组件群组的每个纵向端平面延伸。相同层的所有组件串联地电连接。它们还经由分别连接至组件的端子的输出端子18A、18B而连接至外部，输出端子18A、18B的电势分别为最高或最低。
再者，虽然上文已经简单地描述了形成根据本文所描述的具体实施方案的模块的层N1、N2中的一个的组件群组的结构，但是该组件群组也可以采用不同的方式进行配置。条片可以全部沿着组件群组的相同端平面延伸。相同层的组件也可以不是全部都彼此电连接。两层的组件也可以彼此连接。两个毗邻的组件也可以在它们的侧壁处彼此不接触。
为了使层N1、N2的每个的组件12与周围的元件绝缘，在层N1、N2的每一层的每个纵向端平面处设置绝缘构件。在一个端平面处，由导热且电绝缘的材料制成并且覆盖组件的端面的衬垫20特别地设置于模块的内侧。在每层的另一个端面处，设置有围绕所有的组件12的环状垫圈22。例如，衬垫20和环状垫圈22由弹性体制成，特别由EPDM(三元乙丙橡胶)制成。
当然，电绝缘体可以不同于本文所描述的那样来制成。热衬垫20具体地可以设置在模块的层N1、N2的每一层的每个端平面处。也可以利用附接至模块的壳体的元件或者模块的其他元件(例如热交换器)来实现绝缘。
也可以如图1中所示，模块包括热交换器24，热交换器24在组件12的两层N1、N2之间设置于模块。该交换器包括两个相对的接触面26A、26B，每个接触面旨在分别排出来自模块的层N1、N2的热量。为此，面26A、26B的每个与布置在层N1、N2的每一层的组件12群组上的衬垫20接触，并且面26A、26B的每个与组件热接触。热交换器还包括周向侧壁28，周向侧壁28将两个接触面彼此连接并且界定这些面26A、26B之间的基本封闭的空间，在该空间的内部蜿蜒有导管30(由图3中的透明件来表示)，导管30旨在对传热流体(例如水)进行传递，热量借助所述传热流体排出。为了向导管供应流体，交换器24包括流体进口32和出口34，流体进口32和出口34的每个由连接器形成并且设置于周向侧壁。下文将进一步描述交换器。交换器被限定尺寸为叠加在所有的组件上，并且接触面与每层的所有组件热接触。
模块还包括壳体40，壳体40旨在围绕层N1、N2的组件12和热交换器。壳体40具有平行六面体的形状，并且包括彼此独立的六个壁。
模块特别地包括上壁42A和下壁42B，在层N1、N2的每一层的所谓的外部端平面(即，与交换器热接触的平面的相对面)处，上壁42A和下壁42B与组件12的端面接触。除了环状垫圈22，这些壁中的每个在其面向模块内部的内表面处包括泡沫43，泡沫43可以使得模块的电绝缘最优。
所述壳体还包括四个侧壁44A-44D，四个侧壁44A-44D包围组件12的侧壁以及热交换器的一个侧壁28。这些壁形成了模块与外部的界面，并且还旨在支撑模块的操作元件。例如，由图1可见，壁44B支撑电子板46，以可以管理相同层的电连接的存储组件12的均衡。壁44a还包括位于其外表面上的电子元件44，电子元件44被封闭在壳体中。壁44A进一步包括孔50，使得输出端子18A、18B可以穿过孔50至模块的外部。壁44C还包括孔52，使得热交换器的连接器32、34可以穿过孔52至外部。为了提供密封，应当注意的是，将密封件54设置在每个孔52的附近，以便使得密封件54插置在连接器32、34与壁44C的相应孔之间。该密封件可以添加于壳体或者在壳体上二次成型。应当注意的是，还可以将泡沫舌状件绕在组件12的侧壁处，以使得组件12的电绝缘最优。
壁42、44利用螺纹紧固装置而彼此连接。为此，壁42包括紧固孔58，壁44具有面对的通道60(螺钉将被拧入至通道60)。通道60在壁44的外表面上从壁44突出。相反，壁44的内表面基本平坦。
根据本发明的模块还包括为壳体提供合适的机械强度的加强件62，所述加强件连接至两个相对的壁42A、42B，在两个层N1、N2的组件之间穿过，并且插入至设置于热交换器的端部的孔64。
壳体的配置也并不限于本文所描述的实施方案中所呈现的。壳体的壁可以为一个件。此外，操作元件可以设置于其他壁(除了本文所提出的)。加强件也是可选的或者可以实施为另一种形式。
现在将进一步描述热交换器24的配置及其与壳体40的协作。如文所述，该交换器安装于模块的内部，并且为模块提供合适的机械强度，该交换器通过螺钉紧固至壳体的壁44。为此，交换器24包括位于其侧壁上的多个紧固点70。这些紧固点70采用将交换器连接至壳体的所有壁44的方式而分布在交换器的圆周。因此，交换器24的尺寸大致与壳体的尺寸互补。如图2中可见，每个紧固点70包括紧固孔72，紧固螺钉待插入至该紧固孔72中，并且也插入至壳体的壁44的面对孔74中。
如图3中可见，每个紧固点70采用只有紧固点与壳体的壁44接触的方式来从侧壁的其余部分突出。因此，紧固点相对于侧壁28的其余部分突出大约1mm。因此，交换器与壳体(平坦的壳体的壁44的内面)之间保留有空间，使得交换器经由气刀而相对于壳体绝缘。这避免了由在壳体的壁中经过的热量(来自组件或者来自外部)所导致的交换器的操作中断。这些紧固点以如下方式来限定尺寸：突出部尽可能最小，以便使得与壳体接触的交换器的侧壁的表面最小化。突出部沿着两个垂直方向(本文具体地包括垂直于接触面的方向)的尺寸特别地不超过30mm，并且不超过交换器的侧壁28的总表面的20％。不管热交换器在模块内部的位置如何，都通过这种方式来提供热交换器的适当操作。
热交换器24的形状也并不限于所描述的。例如，可以设想壳体配置为在其内面处包括凹进部，而交换器的侧壁28是平坦的。即使当壁44的形状不改变时，侧壁28的配置也可以不同，只要其具有从壁的其余部分突出的紧固区域。
现在将描述用于制造根据本发明的模块的方法。首先，形成旨在形成层N1和N2的组件12的群组，并且利用条片14而使得组件12的群组彼此串联地电连接。然后将电绝缘元件20、22设置于层N1和N2的群组的端面上。然后，将组件分别并排地设置在热交换器24的相对的接触面26A、26B上。还将操作元件(电子板46、48，密封件等等)设置在壳体的不同壁44上，然后由此将壳体40的这些安装壁围绕交换器层和组件层的两层设置(可以通过插入的泡沫)。然后，将组件的接线连接至电子板，将端子18A、18B以及交换器24的进口32和出口34连接器布置于壳体的相应孔50、52，然后通过螺钉将壳体的不同壁42、44以及壳体的侧壁44与交换器24的侧壁28连接。
通过这种方式，本发明提供了这样一种模块：不管其有限的总体尺寸如何，所述模块都可以采用最令人满意的方式来使得由包括在模块中的组件产生的热量的排出。
当然，根据本发明的模块和制造方法相对于附图的实施方案可以具有许多的变型。也可以应用上述的变型。模块也可以包括这样的交换器：其不覆盖组件的全部表面或者仅仅与组件的一部分进行热接触。模块也可以在两个层之间包括多个交换器。模块也可以包括两个以上的层，以及位于每对相邻层之间或者某对层之间的交换器。

Claims (15)

1.一种能量存储模块(10)，其包括彼此电连接的多个能量存储组件(12)，所述模块包括外壳体(40)，在所述外壳体(40)中布置有存储组件(12)和至少一个热交换器(24)，所述模块的特征在于：
-所述能量存储组件(12)并排设置于至少两个不同的层(N1、N2)，热交换器(24)或者热交换器(24)中的至少一个设置在两个相邻层之间，以在交换器的两个相对的各自接触面(26A、26B)上与两个相邻层中的每一层的至少一个存储组件热接触，
-所述交换器(24)或者所述交换器(24)中的至少一个至少在不同于接触面(26A、26B)的紧固壁(28)处固定至模块的壳体(40)，交换器的紧固壁和壳体的紧固壁以下列方式进行配置：至少在不同于紧固点(70)的位置处，模块具有在交换器的相应的紧固壁(28)与壳体的相应的紧固壁(44)之间的空间。
2.根据前一项权利要求所述的模块，其中，交换器(24)以如下方式进行配置：交换器的紧固点(70)或者交换器的紧固点(70)中的至少一个，特别是交换器的紧固点(70)中的每一个，从紧固壁(28)的其余部分突出。
3.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，所述热交换器(24)包括至少一个流体待流经其内的导管(30)。
4.根据前一项权利要求所述的模块，其中，所述热交换器(24)包括流体进口(32)和出口(34)，所述壳体包括至少一个孔(52)，使得来自外部的流体能够通过所述孔(52)。
5.根据前一项权利要求所述的模块，其中，所述交换器包括形成流体进口和出口的突出连接器(32、34)，这些连接器配置为穿过壳体(40)的相应的孔(52)，在壳体与突出连接器之间插置有密封件(54)。
6.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，所述热交换器(24)旨在与两个相邻层(N1、N2)的所有存储组件(12)进行热接触。
7.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，所述热交换器(24)包括两个相对的接触面(26A、26B)和在相对的接触面之间延伸的至少一个侧壁(28)，所述侧壁(28)大体垂直于接触面，紧固点(70)采用使侧壁形成紧固壁的方式而分布于侧壁或者侧壁中的至少一个。
8.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，所述热交换器(24)通过螺纹接合的方式紧固至模块的壳体(40)，为此，交换器(24)的紧固点(70)包括紧固孔(72)，所述紧固孔(72)旨在设置为面向壳体的紧固孔(74)。
9.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，位于紧固壁(28、44)之间的空间通过以下方式来限定尺寸：壳体与交换器的相应的紧固壁之间的距离小于3mm。
10.根据前一项权利要求所述的模块，其中，与壳体(40)接触的交换器的紧固壁(28)的部分(70)的表面小于紧固壁(28)的总体表面的20％，特别是10％。
11.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，能量存储组件(12)大致沿着所谓的纵向方向延伸，并且与交换器的接触面(26A、26B)中的一个在沿着纵向方向的它们的端面中的一个重叠。
12.根据前一项权利要求所述的模块，其中，所述模块包括至少一个条片(14)，所述条片(14)重叠于两个相邻存储组件(12)的端面，以便电连接所述组件。
13.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，在组件(12)与交换器(24)之间插置有至少一个电绝缘构件，例如由弹性体制成的衬垫。
14.根据前述权利要求的任一项所述的模块，其中，所述能量存储组件(12)为超级电容器。
15.一种用于装配能量存储模块(10)的方法，所述能量存储模块(10)包括多个存储组件(12)和至少一个热交换器(24)，所述方法包括以下步骤：
-形成并排地布置的第一能量存储组件群组和第二能量存储组件群组，
-以如下方式设置至少一个热交换器(24)，其包括在两个组件群组之间的至少两个相对的接触面(26A、26B)：每个接触面分别与群组中的一个的至少一个存储组件(12)热接触，
-以如下方式布置外壳体(40)：其包围组件群组和热交换器，并且至少在不同于接触面(26A、26B)的交换器的壁(28)的一个处将交换器紧固至壳体的壁(44)的至少一个；交换器和壳体以下列方式进行配置：至少在不同于紧固点(70)的位置处，模块在交换器与壳体的相应的紧固壁(28、44)之间具有空间。
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