CN110268550A - 电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统，尤其是用于飞行器的电池系统，该电池系统具有封闭气密的壳体(10)和由多个电池单元(21)形成的电池组(20)，多个电池单元(21)通过接触板(22)电连接和机械连接在一起。其中，壳体(10)可连接至用于在壳体(10)内产生负压的真空泵(33)并且壳体(10)内存在负压，且其中壳体(10)的至少一个壳体侧壁(11)具有足够的柔性，使得壳体侧壁(11)通过壳体(10)内存在的负压紧绷到电池组(20)上。本发明还涉及一种具有这种电池系统的交通工具，尤其是一种具有这种电池系统的至少部分电动化的飞行器。

Description

电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分的特征的电池系统。这种类型的电池系统例如由来自本申请人的DE 10 2014 114 019 A1已知。
背景技术
已知的电池系统提供了一种可固化的填充材料，以实现其中包含有电池组的壳体的支撑。所述填充材料包含在电池组和壳体之间设置的压力袋中。压力袋以正压进行加压，以便电池组紧紧地支撑在壳体内。然后填充材料硬化并稳定所述支撑。
进一步发展的背景表明尤其是航空工业对电池系统提出了具体要求。为了使用在飞行器上，电池系统将在重量和稳定性方面进行优化，从而还能理想地提升效率。
发明内容
因此，本发明的目的在于对先前已知的以重量轻、稳定性高以及效率高为特征的电池系统提出进一步发展。本发明的另一目的在于指明一种具有这种电池系统的交通工具，特别是具有这种电池系统的飞行器。
关于电池系统，本发明通过权利要求1的主题解决了该目的。关于交通工具，本发明通过权利要求11的主题解决了该目的。
因此，本发明是基于指明一种具有封闭气密的壳体和电池组的且特别用于飞行器的电池系统的概念，其中，电池组由通过接触板电连接和机械连接在一起的多个电池单元形成。壳体可连接或连接用于在壳体内产生负压的真空泵。壳体内存在负压，通过壳体的至少一个壳体侧壁具有足够的柔性，使得壳体侧壁通过壳体内存在的负压紧绷在电池组上。
有利的是，本发明用于通过负压，特别是永久作用在壳体内的负压获得壳体和电池系统的电池组之间的紧绷。因此，壳体可以被构造成具有相对最小的壁厚，并且仍然足够牢固。同时，电池系统的重量由于壳体的最小化壁厚而减轻。壳体与电池组的紧绷进一步确保了从电池组到壳体良好的热传递。这改善了电池单元的冷却，从而提高了电池系统的效率和寿命。
对于在航空领域，特别是在飞行器上使用该电池系统通常是有利的，因为该电池系统在尽可能低的质量和/或尽可能低的体积下具有尽可能高的能量。因此，特别是没有能量存储功能的电池系统部件的质量应该大大降低。储能部件的质量比，即电池系统的所有电池单元的总质量与整个电池系统的质量的比率应该尽可能大。根据本发明的结构设计实现了电池单元的总质量与整个电池系统(尤其包括壳体)的质量之间的特别好的比率。特别是达到了至少0.85的比率，特别是介于0.85与0.95之间，特别是介于0.9与0.95之间。换句话说，电池系统内的电池单元的总质量占电池系统的总质量的至少85％，特别是介于85％与95％之间，特别是介于90％与95％之间。
这同样适用于电池系统的所有电池单元的总体积与电池系统的总体积之间的比率。本发明的负压紧绷以及由此带来的减小壳体壁厚的可行性实现了电池系统总体积的减小。因此，可实现电池系统的所有电池单元的总体积与电池系统的总体积之间的体积比至少为0.75，特别是介于0.75与0.95之间，特别是介于0.8与0.9之间。换句话说，电池系统内的所有电池单元组合至少占电池系统总体积的75％，特别是介于75％与95％之间，特别是介于80％与90％之间。
可选地，通过设置在壳体内的用于控制真空泵的压力传感器，可以有利地控制壳体内的负压。尤其在壳体内的负压下降到预定阈值以下时，真空泵可以被周期性地启动。由此可以实现安全监测。特别地，压力传感器可以连接到控制单元，该控制单元用于当压力传感器的测量值在预定安全范围之外时发送控制信号。
基于时间的压力损失监测还可以在安全监测的背景下进行。当在预定时间范围内壳体内的负压没有达到设定值或者真空泵的必要启动之间的时间间隔变短时，控制单元可以启动不同的措施，例如发送警告信号和/或关闭电池系统。
优选地，电池组包括用于电池监测系统的电路板，该电路板沿着电池单元横向布置并且电连接至接触板。安全监测可以是电池监测系统的一部分。特别地，控制单元可以连接至电池监测系统。控制单元特别构成上级单元，由此电池监测系统可以形成控制单元的一部分。在这种情况下，优选地，控制单元用于当电池监测系统检测到电池单元的安全关键故障时，接收控制信号。具体地，当电池监测系统检测到电池单元的安全关键故障时，可以将其设置成向控制单元发送控制信号。
优选地，控制单元集成到主/从总线系统中。多个电池系统可以连接在一起并且可以通过主/从总线系统单独控制。具体地，电池系统设置成形成主/从总线系统的一部分。因此，多个电池系统可以作为从设备集成到总线系统中。上级总线控制器形成主设备，其能够单独控制各个从设备，即电池系统。在每一情况下，电子从属组件优选地作为子单元被嵌入电池监测系统或各自地被嵌入电池系统的电池管理系统(BMS)中。电子从属组件可以特别地被布置在电池监测系统的电路板上。
在一个优选实施例中，电池组被电绝缘和导热绝缘的绝缘壳体包围，其中，壳体侧壁直接靠在绝缘壳体上。有利地，壳体包括用于真空泵的连接件，该连接件通向壳体内部。由于绝缘壳体的柔性，其形成了壳体侧壁的平坦接触表面。从而确保了壳体侧壁与绝缘壳体的无间隙配合以及绝缘壳体与电池组的无间隙配合。这确保了良好的紧绷和良好的热传导接触，从而尤其改善了从电池组到外部的热传递。
为了实现低重量和良好的热传递，优选地，至少壳体侧壁，特别是整个壳体由铝板形成。在优选实施例中，壳体侧壁，特别是整个壳体的壁厚至多为2mm，特别是至多为1.5mm，特别是至多为1.2mm，特别是至多1mm。具体而言，壳体可以由具有上述壁厚的铝板形成。
通过负压支撑获得的从电池组到壳体的良好热传递使电池系统能够被有效地被动冷却。特别地，为此，可以在壳体侧壁的外表面上设置至少一个冷却元件，特别是被动冷却元件。因此，可选的主动冷却系统可以是重量减轻的设计，或者可能是完全不必要的。在不损害电池组的操作性能的情况下，降低了电池系统的重量，并提高了能量效率。
优选地，真空泵设置成可电连接或连接电池组。特别地，电能可以由电池单元提供给真空泵。因此，至少在最初启动后，这产生了能够在没有外部电源的情况下运行的自给自足的系统。
为了在壳体内产生负压，特别地可以在电池系统最初启动时为真空泵提供一次外部启动。优选地，真空泵仅通过电池组后续供电。因此，不需要外部电源。
本发明还涉及一种具有如上所述的电池系统的交通工具，尤其是一种具有如上所述的电池系统的至少部分电动化的飞行器。
附图说明
以下将参考附图，在示例性实施例的基础上更详细地描述本发明。所示出的是：
图1是根据本发明的电池系统的透视局部剖视图；
图2是根据图1的电池系统的透视图；
图3是根据图1的电池系统的具有绝缘壳体的电池组的透视图；
图4是根据图1的电池系统的电池组的透视图；以及
图5是根据图1的电池系统的电路板的透视图。
附图标记列表
10 壳体
11 壳体侧壁
11a 突出长度
11b 安装孔
12 壳体端壁
20 电池组
21 电池单元
22 接触板
23 电路板
23a 夹子触点
24 绝缘壳体
25 连接模块
25a 接入开口部
30 真空泵连接件
31 电连接件
32 减压阀
32a 通孔
33 真空泵
40 冷却元件
具体实施方式
本文所描述的电池系统包括由多个电池单元21形成的电池组，优选地为单个电池组20。优选地，电池单元21在低填充密度下以交错的方式彼此齐平排列。特别是锂离子圆形电池，优选地18650/2170型的锂离子圆形电池被用作电池单元21。电池组20的电压可以是48伏或60伏。电输出量介于2.1千瓦时与3.3千瓦时。电池系统的表面积优选为200×200毫米。
电池单元21通过接触板22电连接和机械连接(图4)。接触板22在电池端子上延伸并优选地通过激光焊接的方式焊接到电池端子上。在每一情况下，一个接触板22都连接至两排电池单元21。
电路板23沿着电池组20的侧面布置。电路板23包括电池监测系统和电连接至接触板22的多个夹子触点23a。夹子触点23a布置成使得每排电池单元21可以被单独监测。图5中详细示出了电路板23。
电池组20被绝缘壳体24包围。绝缘壳体24由电绝缘导热材料形成。绝缘壳体24特别地由能够与电池组20紧密适配的柔性箔形成。绝缘壳体24包围电池组20以及布置在电池组20的端面的连接模块25。连接模块25包括基本电连接和用于将电池系统连接至外部部件的任何潜在适用的气动/液压连接。
从图3中可以清楚地看出，用于连接真空泵33的接入开口部25a设置在电池组20的前连接模块25中。接入开口部25a通向绝缘壳体。真空泵33优选地可电连接至电池组20，并且特别地可在电池组20的额定电压(48V和60V)下工作。真空泵33连接至电路板23，特别是连接至电池监测系统或电池管理系统(BMS)。
电池系统的壳体10由壁厚优选为1毫米的铝板形成。壳体10具有覆盖连接模块25的两个壳体端壁12。壳体10的侧表面由壳体侧壁11形成，壳体侧壁11被焊接到壳体端壁12上以便是气密的。壳体侧壁11包围电池组20。优选地，壳体侧壁11直接与电池组20的绝缘壳体24邻接。
从图1和图2中可以清楚地看出，上壳体侧壁11具有两个带有安装孔11b的突出长度11a。电池系统因此可以容易地安装在交通工具中，特别是飞行器的机翼中。
壳体侧壁11，特别是上和/或下壳体侧壁11可以配备有冷却元件40，如图1和图2所示。冷却元件40可以由波纹铝结构形成。冷却元件40优选地固定至壳体侧壁11，以便能够实现良好的热传导。
壳体10包括至少一个连接件30，该连接件30延伸至壳体10中并且可连接或连接至负压或真空泵33。连接件30特别地设置在壳体端壁12中。通过真空泵33的连接，可以在壳体10内设置负压。负压使柔性绝缘壳体24变形并与电池组20紧密贴靠。在文中所示的实施例中，壳体端壁12中设置有三个连接件3。
通常，可以为至少一个连接件30设置止回阀，以便在真空泵33关闭后负压保持在壳体10内。出于安全原因，另外有利的是壳体10也配备有减压阀32。这种减压阀32在预定压力超过壳体10内的压力时向外打开，如图1和图2所示。在图3和图4中可见，连接模块25包括用于容纳减压阀32的相应通孔32a。
由于材料的选择(铝)和薄的壁厚(1毫米)，壳体侧壁11，特别是上和/或下壳体侧壁11呈现出一定的柔性并且同样受到负压而变形。从而，壳体侧壁11与绝缘壳体24紧密邻接，该绝缘壳体24紧密包围电池组20。因此，壳体10被紧绷到电池组20上。
壳体端壁12还包括电连接件31，该电连接件31用于将电池系统电连接至外部部件。电连接件31可以包括数据线，特别用于连接到主/从总线系统。电连接件31优选地被设置在偏离中心并且垂直偏移的位置，以便创建一个用于与外部部件正确电连接的牢固安装。优选地，电池系统包括两个不同极化的电连接件31，这两个电连接件布置在相对设置的壳体端壁12中。例如，正极端子连接件可以被布置在前壳体端壁12上，负极端子连接件可以被布置在后壳体端壁12上。如此一来，在电连接件31之间产生了高缓冲距离，由于高安培数，所以这是可取的。因此，这进一步增加了反极性保护。
用于保持壳体10内负压的真空泵33可以至少间接地连接至电连接件31。因此，电池系统自身向真空泵33提供必要的工作电压，以使整个系统自给自足。
还提供了用于真空泵33的自调节启动。为此，电池系统包括被布置在壳体10内的压力传感器。该压力传感器被连接到合适的控制单元，持续监测壳体10内的负压。一旦负压离开预定设定点范围或下降到预定设定点以下，控制单元就向真空泵33发送控制信号，使得真空泵33被启动。当负压再次达到预定设定点时，控制单元则发送另一控制信号以停止真空泵33。
安全监测还可以通过压力传感器来实现。例如，如果控制单元检测到负压不能持续足够长的时间，或者负压太频繁或太快地离开设定点范围，则可以假设壳体10中存在泄漏。然后，控制单元发送控制命令，该控制命令例如启动警告信号的发送和/或电池系统的关闭。此外，控制信号可以激活第二电池系统，该第二电池系统可以被设置为交通工具，特别是飞行器中的备用模块。第二电池系统优选地被集成到主/从总线系统中。
控制单元还可以基于电池监测系统数据输出适当的控制信号，特别是关于安全相关事件方面的控制信号。例如，当基于电池监测系统的数据检测到单个电池单元21充电不足并且因此假设电池单元故障时，可以由此启动警告信号的发送和/或电池系统的关闭。
为了将电池组20安装在壳体10中，首先将电池组20的顶部、底部和侧面封装在柔性绝缘壳体24中。绝缘壳体24优选地由不导电但具有良好导热性的材料形成。绝缘壳体24尤其可以由箔片形成。绝缘壳体24的壁厚和/或箔片厚度优选地介于大约0.1毫米与大约0.5毫米之间，特别是大约0.3毫米。有利地，绝缘壳体24的至少一侧设置有粘合剂层，也就是说，绝缘壳体的一侧有粘性。
电池组20与绝缘壳体24的封装是有利地通过绝缘壳体24的粘合侧形成被封装的电池组20的外表面来实现的。绝缘壳体24面向电池组20的一侧优选是非粘性的。
然后，壳体侧壁11和壳体端壁12被放置在经封装的电池组20周围，并且一方面在压力下与绝缘壳体24结合，另一方面在保持压力的同时以流体密封的方式焊接在一起。壳体10和电池组20因此牢固地连接在一起。
下一步，真空泵33被连接至如上述这样完成的电池系统和壳体10，壳体10被排空或在壳体10内形成负压。壳体10因此紧紧地紧绷在电池组20上。电池组20以这种方式如此牢固地嵌入壳体10中，以至于作用在壳体10上的加速力直接传递到电池组20，该加速力尤其当电池系统使用在飞行器中时是相当大的。从而，电池组20跟随壳体10加速或减速。因此，由电池组20质量的加速度向壳体10施加的力和随之产生的壳体10的形变显著减小。

Claims (11)

1.一种电池系统，特别是用于飞行器的电池系统，所述电池系统具有封闭气密的壳体(10)和由多个电池单元(21)形成的电池组(20)，所述多个电池单元(21)通过接触板(22)电连接和机械连接在一起；
其中，所述壳体(10)可连接至用于在所述壳体(10)内产生负压的真空泵(33)，并且所述壳体(10)内存在所述负压；
其中，所述壳体(10)的至少一个壳体侧壁(11)具有足够的柔性，使得所述壳体侧壁(11)通过所述壳体(10)中存在的所述负压紧绷到所述电池组(20)上，
其特征在于，
所述壳体(10)内设置有压力传感器，所述压力传感器用于控制所述真空泵(33)，所述真空泵(33)连接至控制单元，所述控制单元用于当所述压力传感器的测量值在预定安全范围之外时发送控制信号。
2.根据前述任意一项权利要求所述的电池系统，其特征在于，所述电池组(20)包括用于电池监测系统的电路板(23)，所述电路板(23)沿着所述电池单元(21)横向布置并且与所述接触板(22)电连接。
3.根据前述任意一项权利要求所述的电池系统，其特征在于，所述电池组(20)由电绝缘和导热绝缘的绝缘壳体(24)包围，其中，所述壳体侧壁(11)直接靠在所述绝缘壳体(24)上。
4.根据权利要求3所述的电池系统，其特征在于，所述壳体(10)包括用于所述真空泵(33)的至少一个连接件(30)，所述至少一个连接件通向所述壳体(10)的内部。
5.根据前述任意一项权利要求所述的电池系统，其特征在于，至少所述壳体侧壁(11)，尤其是整个壳体(10)由铝片形成。
6.根据前述任意一项权利要求所述的电池系统，其特征在于，至少所述壳体侧壁(11)，特别是整个壳体(10)，优选地所述铝片具有至多2mm的壁厚，特别是至多1.5mm的壁厚，特别是至多1.2mm的壁厚，特别是至多1mm的壁厚。
7.根据前述任意一项权利要求所述的电池系统，其特征在于，所述壳体侧壁(11)的外表面(11a)上设有至少一个冷却元件(40)，特别是被动冷却元件。
8.根据前述任意一项权利要求所述的电池系统，其特征在于，所述真空泵(23)可电连接或连接所述电池组(20)，并且能够由所述电池单元(21)提供电能。
9.根据权利要求8所述的电池系统，其特征在于，所述控制单元连接所述电池监测系统，特别是所述控制单元集成到所述电池监测系统中，其中，所述控制单元用于当所述电池监测系统检测到所述电池单元的安全关键故障时发出控制信号。
10.根据权利要求8或9所述的电池系统，其特征在于，所述控制单元集成到所述电路板(23)的主/从总线系统中。
11.一种交通工具，尤其是至少部分电动化的飞行器，具有根据前述任意一项权利要求所述的电池系统。
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