CN110326156B - 能量储存系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量储存系统(1)，包括壳体(2)，在所述壳体中布置有体积可变的储存器单元(3)，其中，给储存器单元(3)配有用于对储存器单元(3)进行调温的装置(4)，其特点在于，所述装置(4)具有用于接触储存器单元(3)的接触区段(5)并且所述装置(4)具有用于使接触区段(5)的位置与储存器单元(3)的位置适配的柔性区域(6)，其中，所述接触区段(5)与柔性区域(6)邻接。

Description

能量储存系统

技术领域

本发明涉及一种能量储存系统，包括壳体，在所述壳体中布置有储存器单元，其中，给储存器单元配有一个用于对储存器单元进行调温的装置。

背景技术

能量储存系统、尤其是可重复充电的用于电能的储存器尤其是在移动系统中被广泛推广。可重复充电的用于电能的储存器此外被用在便携式的电子设备例如智能手机或笔记本电脑中。此外可重复充电的用于电能的储存器越来越多地用于为电驱动的交通工具提供能量。电的能量储存系统的其它应用领域是静态的应用，例如在备用系统中，在电网稳定化系统中并且用于储存来自可再生能源的电能。

经常使用的能量储存系统在此是可重复充电的形式为锂离子蓄电池的储存器。锂离子蓄电池如其它可重复充电的用于电能的储存器那样大多也具有多个储存器单元，这些储存器单元共同地被安装在一个壳体中。多个相互电连接的储存器单元在此形成一个模块。

在此，能量储存系统不仅延伸到锂离子蓄电池。其它的可重复充电的电池系统例如锂硫电池、固体电池或金属空气电池可能需要调温。此外能量储存系统可以构造为超级电容器。

形式为可重复充电的储存器的能量储存系统仅在有限的温度范围中具有最高的电容量。在超过或低于最佳的运行温度范围时，储存器的电容量急剧下降或者储存器的功能性受损。此外，过高的温度可能导致能量储存系统的损坏。此外，不均匀的加热可能导致各个储存器单元的不均匀的老化并且由此导致能量储存系统的过早失效。

当能量储存系统用于给电驱动的交通工具提供电能时，这于是尤其是是有问题的。因此为了能量储存系统的单元的调温已知的是，设置用于对储存器单元的调温的冷却或加热元件。

由DE 10 2012 222 689 A1例如已知的是，将储存器单元嵌入到单元容纳部中，单元容纳部至少部分地由导热材料制成。在此，单元容纳部刚性地构成，其中，储存器单元被安放到单元容纳部中。

在此有问题的是，为了在储存器单元和单元容纳部之间维持尽可能大的热传递，储存器单元在安装和按规定使用期间不允许改变其位置。如果例如在安装过程中发生储存器单元的倾斜，则在单元容纳部和储存器单元之间形成具有低热传递系数的中间空间。由此导致不均匀的热传递并且由此导致储存器单元的不同调温。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种能量储存系统，在所述能量存储系统中确保了储存器单元的均匀的和高效的调温。

该任务通过有利特征解决。

按照本发明的能量储存系统包括壳体，在所述壳体中布置有体积可变的储存器单元，其中，给储存器单元配设有用于对储存器单元进行调温的装置。按照本发明该装置具有用于接触储存器单元的接触区段，其中，所述接触区段与柔性区域邻接，并且所述装置具有用于使接触区段的位置与储存器单元的位置适配的柔性区域。

在此，该接触区段被这样地构成，使得接触区段以尽可能大的贴靠面贴靠在储存器单元上并且因此确保了尽可能高的热传递。由此能够实现用于加热和用于冷却储存器单元的高热流。装置的柔性区域导致，接触区段始终这样地靠置到储存器单元上，使得在那里能够实现尽可能大的热流。通过按照本发明的构型阻止了，在接触区段和储存器单元之间形成隔热的空气隙。此外能够在安装过程中或者在按规定使用能量储存系统期间补偿储存器单元的位置变化。通过使接触区段贴靠在每个储存器单元上，此外能够实现所有储存器单元的均匀的调温。

就此而言，该能量储存系统具有比较刚性地构成的用于接触储存器单元的接触区段，该接触区段与用于使接触区段的位置与储存器单元的位置适配的柔性区域邻接。一种优选的装置在此具有与储存器单元的位置适配的接触区段，这些接触区段通过柔性区域相互连接。在一种有利的构型中，该装置面状地构成，其中，这些接触区段岛形地嵌入到该装置中。

在此，接触区段能够接触储存器单元的底面、或者端面和/或侧面。底面或端面的接触尤其是与形式为圆形单元的储存器单元相关是有利的。侧面的接触尤其是与形式为棱柱形单元和袋状单元的储存器单元相关是有利的。

按照本发明的构型此外能够在能量储存系统的运行期间补偿储存器单元的形状变化。例如在袋形单元情况下在充电过程期间实现体积增加，该体积增加主要作为厚度增加而引起。完全充电的袋状单元大约比放电后的袋状单元厚大约5％，其中，体积增加或减少是可逆的。但是此外在袋状单元的情况下也对于使用寿命观察实现不可逆的体积增加。但是圆形单元和棱柱形单元也显示类似的表现。储存器单元的不仅通过可逆的而且通过不可逆的体积变化产生的形状变化可以通过按照本发明的装置构型被补偿，从而始终能实现储存器单元的符合希望的调温。

该装置可以被冷却介质通流。冷却介质可以例如是水或水-乙二醇混合物。如果将能量储存系统用在交通工具中，则可想到，作为冷却介质使用在交通工具中在空调设备中应用的冷却介质。在装置的相应的设计中冷却介质也可以是二氧化碳。在此，该装置能与空调设备连接或者具有单独的冷却回路。冷却介质改善了热传递并且由此改善了装置的效率。冷却介质在本发明的意义上也可以被用于加热储存器单元。当能量储存系统由于低的环境温度而具有低于最佳运行温度范围的温度时，这于是尤其是有利的。

该装置的柔性区域优选通过可弹性变形的区段构成。接触区段由此能够向着储存器单元的方向运动，以便实现尽可能大的热传递。

接触区段可以由具有高热传导性的材料制成。高热传导性在本发明的意义上在最低2W/m×K、优选最低5W/m×K的导热率情况下得到。由此确保在接触元件和储存器单元之间的高热传递。具有高热传导性的材料例如是如铝或铜的金属以及一些塑料和陶瓷。

柔性区域可以由具有低热传导性的材料制成。由此能够阻止在相邻的储存器单元之间的热流。尤其是在与使用在装置内部流动的冷却介质相结合的情况下有利的是，仅仅接触区段具有高热传导性并且柔性区域具有尽可能低的热传导性。由此仅仅对那些与储存器单元接触的区域进行调温，而不需要调温的其余区域仅仅具有小的热传递。这在安全性方面也是有利的，因为由有缺陷的储存器单元、例如由于热跑脱释放的热量不通过装置传递到相邻的储存器单元。

柔性区域可以由塑料制成。在相应的构型中塑料本身已经这么有弹性，使得接触区段能够形成与储存器单元的完全贴靠。就此而言接触区段活动地固定在装置中。这类塑料例如是弹性体或热塑性的弹性体。但是替代地也可想到，柔性区域被这样地构成，使得也可使用刚性塑料例如聚酰胺。在这里尤其是可想到的是，在柔性区域中设置运动棱边或起皱部(Sicke)。

柔性区域也可以替代地由金属材料构成。当设置有结构上活动的区域时，这尤其是可想到的。这一点可以通过柔性区域的卷边或类似的三围造型实现。在这里尤其是可想到，使柔性区域具有成型轮廓。

接触区段优选由具有高热传导性的金属材料制成。在这里尤其是可想到的是，接触区段由铝或铜构成。但是同样也可想到，在接触区段中设置具有高热传导性的塑料。这类塑料例如是热传导的热塑性塑料或弹性体。接触区段可以由电绝缘的但是热传导的陶瓷材料如氧化铝制成。

装置的面向储存器单元的表面、尤其是接触区段的面向储存器单元的表面可以具有电绝缘特性。当储存器单元的表面表示一个电极时，这于是尤其是有利的。电绝缘特性在此能够通过附加的电绝缘层实现。该层可以此外改善热传导性。在这里含有涂层的热传导的陶瓷例如氧化铝是可想到的。此外可想到含有聚合物涂层的电绝缘的但是导热的填充材料。

接触区段可以构造为刚性的和/或柔性的。柔性的设计方案在例如由于充电过程或老化而形状变化例如储存器单元的接触区域中的鼓包时是有利的。通过接触区段的柔性构型，接触区段能够跟随储存器单元的形状变化并且在此确保大的接触面。柔性的接触区段可以通过薄金属片、热塑性塑料、弹性体或热塑性的弹性体实现。

冷却介质可以被施加压力。在此尤其有利的是，当冷却介质被施加压力时，柔性区域与接触区段一起运动。由此能够确保的是，接触区段靠置在储存器单元上。在这里可想到的是，根据储存器单元的温度和/或充电状态调节该装置中存在的压力。由此能够使接触区段始终与储存器单元接触。同时阻止了，储存器单元通过接触区段的过高贴靠力被损坏。

在有缺陷的储存器单元中，例如由于所谓的热跑脱，在短时间内释放非常大的热量，这些热量不能通过装置排出。为了阻止在此释放的热量导致装置的或一般地具有其余储存器单元的能量储存系统的过热，接触区段可以从储存器单元运动离开。这可以例如通过以下方式实现，其方式是减少冷却介质的压力。在此，柔性区段使接触区段从储存器单元运动离开，从而形成热隔离间隙。接触区段的运动可以由于弹性变形的柔性区段的回复力实现。在这种构型中，冷却介质的压力被调节并且与相应的运行状态适配。由此能够阻止能量储存系统的完全失效。

接触区段的面向冷却介质的表面可以被结构化。由此能够增大配属于冷却介质的有效表面，从而热传递同样增大。

装置的背离储存器单元的侧可以由隔热材料制成或者设有隔热层。由此保证了，通过该装置仅向储存器单元方向实现调温。当能量储存系统布置在电动汽车中时这一点尤其是有利的。在这种情况中该装置相对于周围环境、例如热的或冷的车辆底盘更不易受到影响。

按照本发明的能量储存系统尤其是适合用在移动系统中，例如用在电动汽车中，但是也适合用在飞机和轨道车辆中。

附图说明

按照本发明的能量储存系统的一些构型在下面借助附图被详细地说明。其分别示意地示出：

图1具有棱柱形单元或圆形单元形式的存储单元的能量储存系统；

图2具有袋形单元形式的存储单元的能量储存系统；

图3具有嵌入式的条形接触区段的装置；

图4具有嵌入式的圆形接触区段的装置；

图5具有布置在支撑区段之间的嵌入式的条形接触区段的装置；

图6一种装置，其中储存器单元靠在该装置的边缘区段上；

图7一种装置的侧视图；

图8一种装置的不同构型；

图9具有底侧隔离结构的装置；

图10具有柔性包套的装置；

图11具有不同尺寸的储存器单元的装置。

具体实施方式

图1示出一种能量储存系统1，包括一个壳体2，在该壳体中布置有储存器单元3，其中，给储存器单元3配设有用于对储存器单元3进行调温的装置4。能量储存系统1指的是锂离子蓄电池。储存器单元3以棱柱形单元的形式被构造。在上面的视图中，储存器单元3侧向地被装置4接触。在中间的视图中储存器单元3被布置成平放在装置4上并且在下方的视图中储存器单元3被布置成立放在装置4上。下方的视图也可以被看做立在装置4上的、形式为圆形单元的储存器单元3。

图2示出一种能量储存系统1，包括一个壳体2，在该壳体中布置有储存器单元3，其中，给储存器单元3配设有用于对储存器单元3进行调温的装置4。能量储存系统1指的是锂离子蓄电池。储存器单元3以袋形单元的形式被构造。

图3中详细地示出一个用于对能量储存系统1的储存器单元3进行调温的装置4。按照图3的装置具有一个框架7，该框架设有用于导入或导出冷却介质的第一接头8和第二接头9。在此，装置4能被冷却介质通流。在此，冷却介质可被加载压力。

在装置1的主侧上布置有用于接触储存器单元3的接触区段5，其中，接触区段5被柔性区域6包围以便使接触区段5的位置与储存器单元3的位置适配。柔性区域6通过可弹性变形的区段构成并且在当前构型中由塑料、在此由弹性体构成。材料被这样地构成，使得柔性区域6具有低的热传导性。接触区段5通过柔性区域6在冷却介质的压力上升时靠置到储存器单元3上。

接触区段5由具有高热传导性的材料制成并且在当前构型中由金属材料制成。

图4示出按照图3的装置4，其中，接触区段5在当前构型中同样圆形地构成以便与圆形单元形式的储存器单元3适配。

图5示出一种用于对能量储存系统1的储存器单元3进行调温的装置4。按照图3的装置具有一个框架7，该框架设有用于导入或导出冷却介质的第一接头8和第二接头9。就此而言该装置4可被冷却介质通流。在此冷却介质可被加载压力。

在该装置1的主侧上布置有用于接触储存器单元3的接触区段5，其中，接触区段5被柔性区域6包围以便使接触区段5的位置与储存器单元3的位置匹配。柔性区域6通过可弹性变形的区段构成并且在当前构型中由塑料、在此为热塑性的弹性体构成。由此柔性区域6被构造为薄膜，从而接触区段5被活动地支承。

材料被这样地构成，使得柔性区域6具有低热传导性。接触区段5通过柔性区域6在冷却介质的压力上升时靠置到储存器单元3上。

接触区段5由具有高热传导性的材料制成并且在当前构型中由金属材料制成。

接触区段5与储存器单元3的造型适配并且构造为条形的。在接触区段5之间布置有支撑区段10，该支撑区段形成桥形接片并且固定在框架7上。储存器单元3可以支承在支撑区段10和框架7上，从而该储存器单元在机械上可靠地固定在装置4上。在此，存储单元3覆盖接触区段5，该接触区段由于嵌入到柔性区域6中为了调温而能够靠置到储存器单元3上。通过该造型得到一种特别稳定的装置。

这类构型也可与形式为圆形单元的储存器单元3一起考虑。在这种情况下，支撑区段10优选被构造为孔板，其中，柔性区域6与支撑区段10邻接并且接触区段5又嵌入到柔性区域中。

图6示出按照图3的构型，其中，在当前构型中该装置4被这样地构成，使得储存器单元3平放在框架7上并且这样机械上稳定地被支承。

图7在侧视图中示出之前描述的装置4。柔性区域6替代地由金属材料制成，其中，柔性区域6由具有小壁厚的板材构成并且为了提高活动性在金属板中引入起皱部(凹槽)，从而柔性区域6具有成型轮廓。

接触区段5的面向冷却介质的表面被结构化。该结构化可以在成型过程中实现或者接下来通过压印或激光结构化实现。

图8示出该装置4的其它构型。上方的构型示出在初始状态中的装置4，而中间的视图示出具有错开的接触区段5的变形的装置4。

下方的视图示出装置4，其中，在装置4的两个主侧上布置有接触区段5和柔性区域6。这类装置4尤其是适合于被布置在储存器单元3之间。

图9示出具有形式为隔离层11的不导热背面的装置4的构型。隔离层11可以由塑料壳体一体地构成。由隔热材料制成的隔离层被布置在装置4的背离储存器单元3的主侧上并且减少了周围环境对装置4的功能性的影响。

图10示出装置4的一种构型，其中框架7完全由柔性材料制成。这类装置4可以例如被构造为用于预变形框架或用于底板的置入件。调温又通过底板中的留空进行。在此下侧也可以热隔离地构成，例如通过布置如泡沫或无纺布材料的多孔基底。此外在此接头的非常高的灵活性是有利的。接头可以例如确保管道铺设系统的容差补偿，由此能够消除用于铺设管道的过渡件。

图11示出储存器单元3在装置4的接触区段5上的布置的不同可能性。在此可想到的是，接触区段5在面积上构造得比所接触的储存器单元3更大、与其相同也或者更小。虽然较小的面积首先减小了热传递，但是能够更好地补偿容差。

Claims (14)

1.能量储存系统(1)，包括壳体(2)，在所述壳体中布置有体积可变的储存器单元(3)，其中，给储存器单元(3)配有用于对储存器单元(3)进行调温的装置(4)，其中，所述装置(4)具有用于接触储存器单元(3)的刚性的接触区段(5)并且所述装置(4)具有用于使接触区段(5)的位置与储存器单元(3)的位置匹配的柔性区域(6)，其特征在于，所述接触区段(5)与柔性区域(6)邻接并且通过所述柔性区域(6)相互连接，并且所述装置(4)的柔性区域(6)通过可弹性变形的区段构成，所述装置面状地构成，且这些接触区段岛形地嵌入到该装置的柔性区域中，所述接触区段(5)由柔性区域(6)包围，其中，所述接触区段(5)由具有高热传导性的材料形成，且所述柔性区域(6)由具有低热传导性的材料形成，仅刚性的接触区段与存储器单元接触并且柔性区域不与存储器单元接触。

2.根据权利要求1所述的能量储存系统，其特征在于，所述装置(4)可被冷却介质通流。

3.根据权利要求1或2所述的能量储存系统，其特征在于，所述柔性区域(6)由塑料构成。

4.根据权利要求1或2所述的能量储存系统，其特征在于，所述柔性区域(6)由弹性体制成。

5.根据权利要求1或2所述的能量储存系统，其特征在于，所述柔性区域(6)由金属材料制成。

6.根据权利要求1或2所述的能量储存系统，其特征在于，所述柔性区域(6)具有成型轮廓。

7.根据权利要求1或2所述的能量储存系统，其特征在于，所述接触区段(5)被柔性地构成，使得所述接触区段(5)能够跟随储存器单元(3)的形状变化。

8.根据权利要求2所述的能量储存系统，其特征在于，所述冷却介质能被施加压力。

9.根据权利要求8所述的能量储存系统，其特征在于，所述接触区段(5)在冷却介质的压力上升时贴靠到储存器单元(3)上。

10.根据权利要求2所述的能量储存系统，其特征在于，所述接触区段(5)在冷却介质的压力下降时从储存器单元(3)运动离开。

11.根据权利要求2所述的能量储存系统，其特征在于，所述接触区段(5)的面向冷却介质的表面是结构化的。

12.根据权利要求4所述的能量储存系统，其特征在于，所述柔性区域(6)由热塑性的弹性体制成。

13.移动系统，包括根据权利要求1至12之一所述的能量储存系统。

14.根据权利要求13所述的移动系统，其特征在于，所述移动系统是交通工具。