CN109792094A - 具有紧急冷却装置的电蓄能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄能器(1)，包括多个蓄能器电池单元(2)，它们串联或并联地电连接并组合成蓄能器模块；设置在蓄能器电池单元(2)之间的冷却板(4)，冷却剂或制冷剂可导入其中；和多个紧急开关装置(7)，其中每个紧急开关装置配置给一个蓄能器电池单元(2)和一个或两个冷却板(4)，所述紧急开关装置(7)仅在相配蓄能器电池单元(2)的温度超过特定极限温度时才允许冷却剂或制冷剂流入相配的冷却板(4)中。本发明还涉及一种具有这种蓄能器的机动车。

Description

具有紧急冷却装置的电蓄能器

技术领域

本发明涉及一种具有紧急冷却装置的蓄能器和具有这种蓄能器的机动车。

背景技术

根据目前的情况对于电动汽车主要使用具有高电压水平的电牵引蓄能器。在这种蓄能器或高压电池中主要使用锂离子电池，其设计存在不同可能性。在技术环境中存在开发具有更高能量密度的锂离子电池的趋势。但许多锂离子电池单元的热稳定性表现为与每单位体积的存储能量(能量密度)成反比。在这种高压电池中，经历电池单元内部短路的蓄能器电池单元可指数地释放热量(所谓的热事件)。但在此产生的热量在能量密度不超过130-150Wh/kg并且热稳定性极限足够高的情况下不足以激发相邻电池单元中的热事件，热事件局限于具有电池内部短路的电池单元并且不会在蓄能器中进一步传播。在未来的蓄能器中，蓄能器电池单元的能量密度应提高到200Wh/kg或更高。因此一个这种蓄能器电池单元中的热事件的热量可能足以跳到相邻的蓄能器电池单元。为防止这种情况，必须在蓄能器中设置附加措施，以便也在这种关键情况下确保安全。

因此，对于具有较高能量密度的未来高压电池需要安全预防措施。

发明内容

本发明的任务在于提供一种满足更高安全性要求的蓄能器。所述任务借助根据权利要求1的蓄能器和根据权利要求11的机动车来解决。有利的扩展方案是从属权利要求的技术方案。

根据本发明的一种实施例，提供一种蓄能器，其包括：多个蓄能器电池单元，它们串联或并联地电连接并且组合成蓄能器模块；设置在蓄能器电池单元之间的冷却板，冷却剂或制冷剂可导入其中；和多个紧急开关装置，其中每个紧急开关装置配置给一个蓄能器电池单元和一个或两个冷却板，所述紧急开关装置仅在相配的蓄能器电池单元的温度超过确定的极限温度时才允许冷却剂或制冷剂流入相配的冷却板中。该实施例在电池内部短路的情况下提供安全措施。通过在蓄能器电池单元之间设置冷却板防止或至少延迟了热事件从故障的蓄能器电池单元跳到相邻的蓄能器电池单元。

根据本发明的另一种实施例，在两侧设有冷却板的蓄能器电池单元的紧急开关装置配置给设置在两侧的冷却板。因此，通过触发一个唯一的紧急开关装置可在两侧冷却相关的蓄能器电池单元并且延迟或防止热事件跳到相邻的蓄能器电池单元上。在此仅冷却相关的蓄能器电池单元，其优点在于：只需提供有限量的冷却剂(重量减轻)并且该冷却剂的全部量用于相关蓄能器电池单元。

根据本发明的另一种实施例，紧急开关装置分别具有易熔合金，所述易熔合金在极限温度以下阻止冷却剂或制冷剂流入相配的冷却板中并且在极限温度以上允许所述流入。尤其是仅通过塞子形式的易熔合金实现冷却剂或制冷剂流动的阻止和释放。通过紧急冷却装置的这种无源设计可在蓄能器中引入最少的附加重量。

根据本发明的另一种实施例，紧急开关装置具有加热装置，该加热装置适用于加热易熔合金。由此加热装置可辅助并可能加速易熔合金的熔化。

根据本发明的另一种实施例，易熔合金包括银、铝、铋、镉、铜、镓、铟、锑、锡、铅和/或锡。这些材料具有适合用于所需应用情况的特性、如熔化温度。

根据本发明的另一种实施例，易熔合金由包括下述元素的组中的一种或多种元素组成：银、铝、铋、镉、铜、镓、铟、锑、锡、铅和锡。

根据本发明的另一种实施例，冷却板具有用于分配冷却剂或制冷剂的通道结构，并且该通道结构构造在弹性材料中。

根据本发明的另一种实施例，在冷却板的用于流入冷却剂或制冷剂的入口处设置有喷嘴，所述喷嘴使冷却剂或制冷剂雾化。由此实现制冷剂或制冷剂在冷却板内部的良好分配。

根据本发明的另一种实施例，蓄能器还包括冷却剂箱，其与所有紧急开关装置连接并且其仅为紧急开关装置供应冷却剂。由此只需为所有蓄能器电池单元提供少量冷却剂。如果整个蓄能器充满冷却剂，则必须提供大量冷却剂。

根据本发明的另一种实施例，冷却板分别具有出口，该出口使流向将蓄能器电池单元彼此电连接的相应电池单元连接器的所述冷却剂或制冷剂从相应冷却板释放。

此外，本发明还提出一种具有这种蓄能器的机动车。

附图说明

下面参考附图阐述本发明的优选实施例。在附图中：

图1示出根据本发明的蓄能器的示意性结构；并且

图2示意性示出根据本发明的蓄能器的冷却板。

具体实施方式

根据本发明提出一种紧急冷却装置，其可借助不可燃的冷却剂或制冷剂使指数地升温的蓄能器电池单元降温。紧急冷却装置本身识别是否以及哪个电池需要冷却，在此不需要供电。

图1示出根据本发明的电蓄能器1的示意性结构。该蓄能器包括多个蓄能器电池单元2，它们优选是锂离子电池。蓄能器电池单元2优选是所谓的硬壳电池单元。它们是棱柱形电池单元且具有抗扭的金属壳体、尤其是铝。这种金属壳体不是复合材料，而只是金属。金属壳体通过激光焊接工艺封闭。也已知并且可设想应用于本发明的是所谓的袋式电池单元，在其中电池单元壳体由薄膜复合材料制成，该薄膜复合材料由多个叠置施加的金属和塑料薄膜形成。然后将两个如此形成的电池单元壳体半部借助热熔粘合剂粘合在一起并且密封。

多个蓄能器电池单元2组合成蓄能器模块，各个蓄能器电池单元2通过电池单元连接器3串联或并联地、如图1所示优选串联地彼此电连接。电池单元连接器3构造为板状连接汇流条，其将各个蓄能器电池单元2的极相应彼此连接。在每两个相邻的蓄能器电池单元2之间分别设有一个冷却板4。

冷却剂存储在冷却剂箱5中。作为冷却剂例如可使用水、CO₂和/或氟化酮。通过冷却剂供应管路6，冷却剂可被直接供应到多个紧急封闭件7，即冷却剂箱5通过冷却剂供应管路6与紧急封闭件7直接连接。每个蓄能器电池单元2分别设有一个唯一的紧急封闭件7，该紧急封闭件在蓄能器电池单元2的正常运行中阻止冷却剂流过并且在超过相配的蓄能器电池单元2的特定温度极限时允许冷却剂流过。紧急封闭件7分别与相配的蓄能器电池单元2热接触、尤其是固定在蓄能器电池单元2上。紧急封闭件7与冷却剂箱5并联连接并且因此构成冷却剂支路8，其从冷却剂供应管路6分支出并且通入冷却板4中。紧急封闭件7和冷却剂箱5之间的冷却剂供应管路6路段没有冷却剂消耗器。在紧急封闭件7下游，冷却剂支路8通入一个或两个冷却板4中，所述冷却板贴靠在配置给该紧急封闭件7的蓄能器电池单元2上。更确切地说，蓄能器模块的两个外侧的蓄能器电池单元2仅在其朝向蓄能器模块中心的一侧上设有冷却板4。因此，两个外侧蓄能器电池单元2的冷却剂支路8直接从紧急封闭件7通入所述冷却板中。设置在两个蓄能器电池单元2之间的蓄能器电池单元2(位于内侧的蓄能器电池单元)分别在两侧设有冷却板4，两个相邻的蓄能器电池单元2共用位于其间的冷却板4或者说该冷却板4配置给两个蓄能器电池单元2。位于内侧的蓄能器电池单元2的冷却剂支路8在紧急封闭件7下游分岔，各一个分支通入两个冷却板4之一中，所述冷却板贴靠在该配有相关紧急封闭件7的蓄能器电池单元2上。当然，外侧的蓄能器电池单元2也可在两侧设有冷却板4，从而其如内侧的蓄能器电池单元2那样构造并且设有分岔的冷却剂支路8。

当相关蓄能器电池单元2的温度超过特定极限温度时，配置给该蓄能器电池单元2的紧急封闭件7打开，使得冷却剂可从冷却剂箱5经由现在打开的冷却剂支路8流入贴靠在相关蓄能器电池单元2的冷却板4中。为此冷却剂被加压存储在冷却剂箱5中和/或由可膨胀的压力筒或推进剂储存器9从冷却剂箱5推出。例如推进剂气筒形式的推进剂储存器9在压力因紧急封闭件7打开而下降时膨胀并将液体冷却剂压出冷却剂箱5。冷却剂也可类似于喷雾罐的原理通过推进剂被压出冷却剂箱5。

为了监测冷却剂箱5中的压力水平，可设置压力传感器10。如果压力水平低于一个确定的额定值，则可推断出例如在冷却剂供应管路6中、在紧急封闭件7之一中或在冷却剂箱5中的泄漏并发出警报。

为了节省重量和安装空间，冷却剂储备的大小理想地根据一个蓄能器电池单元2的冷却来确定。在此，蓄能器1中的每个蓄能器电池单元2都可由所述冷却作用。

也可将所描述的紧急冷却装置连接到制冷回路中，该制冷回路用于车辆乘员舱的空气调节或用于冷却车辆部件(如蓄能器的常规冷却)。因此，紧急冷却装置可集成到现有的蓄能器冷却系统中，即附加于其地设置并且在紧急情况下使用现有蓄能器冷却系统的冷却介质(如制冷剂)。

紧急封闭件7可构造成无源、有源或无源且具有有源辅助装置的。在紧急封闭件7的无源设计中，相应冷却剂支路8借助尤其是塞子形式的易熔合金堵塞。易熔合金例如可包括一种或多种下述元素：银、铝、铋、镉、铜、镓、铟、锑、锡、铅和锡。优选易熔合金由一种或多种所述元素组成。

适合的易熔合金的示例有：Bi58Sn42...Bi57Sn42Ag1、Bi58Sn42、In52Sn48...ln50Sn50、Sn43Pb43Bi14、Bi50Pb25Sn25、In51Bi32Sn17、Bi50Pb28Sn22、Bi42Pb42Sn16、Bi52Pb32Sn16、Bi57Sn17ln26、Bi44Pb25Sn25Cd6、Bi50Sn31Pb19、Bi50...35Pb35...28Sn30...22、Bi56.5Pb43.5、Bi60Cd40、Bi56Sn40Zn4。

一旦蓄能器电池单元2变热，所产生的热量就会传递到相配的紧急封闭件7上，在超过极限温度时紧急封闭件内部的易熔合金熔化并允许冷却剂通过。理想情况下该极限温度为100至130℃。

作为替代方案，可将具有溶剂的玻璃安瓿安装到冷却剂支路8中。从特定温度起溶剂的压力超过安瓿爆裂的压力。在其它实施方式中，可使用熔化的聚合物。双金属也可用作温度开关，其从一定温度起允许冷却剂通过。

代替或补充无源紧急封闭件，紧急封闭件可具有有源温度开关，其包括围绕易熔合金设置的加热线圈。由此电池管理系统可主动启动蓄能器电池单元2的紧急冷却。这例如在易熔合金要在较高温度下才熔化或通过蓄能器电池单元2的热量导入太慢时是必要的。无源紧急冷却装置始终起作用并保护蓄能器1，而有源紧急冷却装置必须由控制装置激活。这需要较复杂的硬件，如每个蓄能器电池单元2配备有自己的温度传感器并且为每个温度开关设置加热装置。紧急冷却装置也可同时构造成有源和无源的。

图2示意性示出根据本发明的蓄能器1的冷却板4。冷却板4分别具有支撑框架11。该支撑框架优选是矩形框架，其构造成单件式的并且因此具有闭合的矩形框架形状，或其多件式地形成该框架形状并且例如具有两个半部。在支撑框架11内设置弹性嵌件12。该弹性嵌件12的外周大致相应于支撑框架11的内周。在弹性嵌件12中构造有一个或多个通道13，用于将冷却剂或制冷剂分布在冷却板4的面上。如图2所示，优选设置曲折形通道13，该通道曲折形地从与相配冷却剂支路8连接的入口14延伸到出口15，也就是说，设有大致平行延伸的通道区段，其中，在相邻的通道区段中的冷却剂在冷却剂流过时具有不同的流动方向。紧急封闭件7在所示实施例中设置在每个蓄能器电池单元2下方，但也可设置在支撑框架11的短边上。

所述出口15这样定位，使得流出的冷却剂流到电池单元连接器3上并且因此也冷却电池单元连接器，以防止或延迟热事件通过电池单元连接器3传递到相邻蓄能器电池单元上。

代替弹性嵌件12，可在支撑框架中设置喷嘴，通过该喷嘴可将冷却剂精细雾化地喷入由支撑框架11(无弹性嵌件12)形成的空腔中。

如果蓄能器1包括用于正常运行冷却的冷却系统，则紧急冷却装置可集成到该冷却系统中并且具有自身的冷却剂和自身的管道。

作为替代方案，正常蓄能器冷却系统的冷却剂和管道可一同用于紧急冷却装置。在此情况下，紧急封闭件7连同冷却剂支路8直接添加到现有的蓄能器冷却系统上。

尽管在附图和前面的说明中详细示出和描述了本发明，但该显示和描述应理解为说明性或示例性的、而非限制性的并且不旨在将本发明局限于所公开的实施例。在不同从属权利要求中提到的某些特征的纯粹事实并不意味着这些特征的组合不能被有利地使用。

Claims (11)

1.蓄能器(1)，包括：

-多个蓄能器电池单元(2)，它们串联或并联地电连接并且组合成蓄能器模块；

-设置在蓄能器电池单元(2)之间的冷却板(4)，冷却剂或制冷剂能导入该冷却板中；和

-多个紧急开关装置(7)，其中，每个紧急开关装置配置给一个蓄能器电池单元(2)和一个或两个冷却板(4)，所述紧急开关装置(7)仅在分别相配的蓄能器电池单元(2)的温度超过确定的极限温度时才允许冷却剂或制冷剂流入相配的冷却板(4)中。

2.根据权利要求1所述的蓄能器(1)，其中，在两侧设有冷却板(4)的蓄能器电池单元(2)的紧急开关装置(7)配置给设置在两侧的冷却板。

3.根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器(1)，其中，所述紧急开关装置(7)分别具有易熔合金，所述易熔合金在极限温度以下阻止冷却剂或制冷剂流入相配的冷却板(4)中并且在极限温度以上允许所述流入。

4.根据权利要求3所述的蓄能器(1)，其中，所述紧急开关装置(7)具有加热装置，该加热装置适用于加热易熔合金。

5.根据权利要求3或4所述的蓄能器(1)，其中，所述易熔合金包括银、铝、铋、镉、铜、镓、铟、锑、锡、铅和/或锡。

6.根据权利要求5所述的蓄能器(1)，其中，所述易熔合金由包括下述元素的组中的一种或多种元素组成：银、铝、铋、镉、铜、镓、铟、锑、锡、铅和锡。

7.根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器(1)，其中，所述冷却板(4)具有用于分配冷却剂或制冷剂的通道结构，并且该通道结构构造在弹性材料中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器(1)，其中，在冷却板(4)的用于流入冷却剂或制冷剂的入口(14)处设置有喷嘴，所述喷嘴使冷却剂或制冷剂雾化。

9.根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器(1)，还包括冷却剂箱(5)，所有紧急开关装置(7)与该冷却剂箱连接并且该冷却剂箱仅为紧急开关装置(7)供应冷却剂。

10.根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器(1)，其中，所述冷却板(4)分别具有出口(15)，该出口使流向将蓄能器电池单元(2)彼此电连接的相应电池单元连接器(3)的冷却剂或制冷剂从相应的冷却板(4)释放出。

11.机动车，具有根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器(1)。