CN111092275A - 具有温度控制装置的电池和用于调节电池温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池(1)，包括：流体电解质(9)、适于容纳所述电解质的壳体(2)、放置成接触所述壳体中的所述电解质的阳极(6)、放置成接触所述壳体中的所述电解质的阴极(7)；其特征在于，所述电池(1)包括：温度控制装置(4)和循环装置，所述温度控制装置(4)适于变更所述电解质的温度，所述循环装置适于使所述电解质在所述壳体中循环并且在所述壳体和所述温度控制装置之间循环。本发明还涉及一种用于调节电池温度的方法，其中流体电解质(9)在包括阳极(6)和阴极(7)的电池壳体(2)中循环，并且循环通过温度控制装置(4)，所述温度控制装置(4)适于变更所述电解质的温度。

Description

具有温度控制装置的电池和用于调节电池温度的方法
技术领域
本发明涉及电池，并且特别地涉及包括温度控制件的电池。本发明还扩展至一种用于控制电池温度的方法，特别地是一种包括多个电池单元的电池。
背景技术
电池的性能和寿命持续时间很大程度上取决于其温度，并特别地取决于其在运行期间的温度。此外，大多数电池包括并联和/或串联连接的多个电池单元，并且最弱电池单元限制了整体电池的性能。因此，存在对于控制电池的各个和每个电池单元的温度的需求。
同时，电池重量为电动运载工具的机身电池的关键参数。电池重量对于飞机为特别重要的，飞机中的燃料消耗高度地取决于其功率源的能量密度。电池的能量密度取决于其部件，还取决于对于其良好运行和特别地对于其温度控制所需的每个其它部件或系统。因此，电池的简化和轻质温度控制系统改善了电池的整体能量密度。
此外，电池的温度控制在飞机上也为极其重要的，因为不受控的电池温度可导致诸如电池起火的严重事件。
WO2016001091公开了电解质液体在其中循环的一种氧化还原液流电池。电解质液体之一被引导至换热器以用于冷却。然而，在此类电池中，两种电解质必须保持严格分离。液流电池还不适于空中运载工具。
发明内容
本发明旨在提供一种在高水平性能下具有长寿命持续时间的电池。
本发明旨在提供一种安全电池。
本发明旨在提供一种电池，该电池可在最佳热状态下工作，甚至在变化温度环境下，特别是在飞机中。
本发明还旨在提供一种具有整体高能量密度的电池。
本发明提出一种电池，包括：
-流体电解质，
-壳体，该壳体适于容纳至少一部分的电解质，
-阳极，该阳极至少部分地放置成接触壳体中的电解质，
-阴极，该阴极至少部分地放置成接触壳体中的电解质；
其特征在于，该电池包括：
-包括入口和出口的温度控制装置，该温度控制装置适于变更入口和出口之间的电解质的温度，
-循环装置，该循环装置适于使电解质在壳体中循环并且在壳体和温度控制装置之间循环。
在全文中，术语“电极”用作阳极或阴极的标准命名，从而适用于阳极和/或阴极。
电解质为用于电荷在阳极和阴极之间的输送介质。在根据本发明的此类电池中，阳极和阴极均在相同壳体中并且无需进行分离。
电解质同时呈现两种功能：允许电荷在阳极和电极之间的输送，和调节阳极和阴极的温度。
温度控制装置可适于降低电解质的温度。
温度控制装置至少包括换热器。
温度控制装置包括换热器，该换热器安装成在温度控制装置的入口和出口之间流体连接。电解质循环通过换热器以变更电解质的温度。特别地，换热器可以能够从电解质疏散热量。换热器可为有源的(诸如制冷单元)或无源的(诸如散热器)。
换热器可适于交换电解质和运载工具外部的流体(例如，飞机外部的空气或船舶外部的水)之间的热量。换热器可另选地或组合地适于交换电解质和运载工具的另一流体(诸如，例如乘客舱室的空气)之间的热量。
温度控制装置放置于壳体外部。
在运载工具中，温度控制装置可用于多个系统，诸如以变更另一流体(诸如，例如乘客舱室的空气)的温度。温度控制装置可特别地适于从电解质提取热量并且利用该热量来加热常客舱室的空气。
循环装置可为不同类型的泵，例如机械泵。
阴极和阳极由隔板分离，该隔板填充有电解质。隔板包括当以电解质浸渍时适于阻止电子而容许离子穿过的材料。
电解质在隔板附近进行循环。电解质可至少部分地在隔板内循环。
电荷输送元素(诸如，例如离子)的浓度在电解质中为一致的，因为电解质交替地沿着阳极和电极循环。
电池还包括分别连接至阳极和阴极的集电极，该集电极适于收集由阳极和阴极之间的化学反应(当连接阳极和电极的电气电路闭合时)所产生的电子。
此类电池具有高能量密度，因为许多阳极和阴极可致密地放置于相同壳体中。
多个阳极和阴极可形成多个电池单元。
置于相同壳体中的所有电池单元的温度可通过相同电解质的循环进行调节。因此，电池中的每个电池单元温度相比于其中每个电池单元为独立的情况为更稳定的。
多个电池单元可电连接和/或并联连接以获得电池的所需的电气性质。
电池可包括多个阳极和多个阴极，该多个阳极至少部分地放置成接触壳体中的电解质，该多个阴极至少部分地放置成接触壳体中的电解质。
壳体可包括多个电解质入口。
壳体可包括多个电解质出口。
壳体可包括多个电解质入口和出口，使得电解质可在不同点引入壳体中。这允许维持壳体中的电池单元的均匀温度。
复杂液压回路可形成于壳体中。与线性流动相比，这些复杂回路还可允许维持壳体中的电池单元的均匀温度。
在一些实施例中，电池可包括流体回路，该流体回路适于使电解质在壳体中以两个相对方向循环。
电解质因此可维持电池单元的均匀温度。实际上，随着电解质沿着多个电池单元流动，其温度将变更，一般来讲，电解质将加热。利用在壳体中的仅一个方向上流动的电解质，壳体中的温度梯度将形成，使得电解质入口附近的电池单元相比于电解质出口附近的电池单元可为较凉的。因此，如果所有电池单元为等同的，那么至少一部分的电池单元在其最佳温度下将不工作。然而，当电池单元串联连接时，较低效率电池单元将限制整体电池的输出。此外，壳体中的温度梯度将引起对于电池的所有元件的机械应力。
通过在至少两个相对方向上流动的电解质，相同壳体中的电池单元的温度将被均匀化，使得它们可始终维持于其最佳温度范围。
电解质有益地沿着一系列的电池单元进行循环。
在其中壳体相比于其宽度或深度具有显著较高尺寸的至少一个长度的实施例中，电解质大体沿着壳体的长度进行循环。
阴极可具有包括至少一个孔的平面形状，该至少一个孔允许电解质通过该至少一个孔的循环。
阳极可具有包括至少一个孔的平面形状，该至少一个孔允许电解质通过该至少一个孔的循环。
电极的此类形状允许形成电池中的流体通道并且特别地形成通过电池单元的流体通道以最佳地调节电池单元的温度，并且允许促进电解质在电池内的简易循环。
有益地，阳极和阴极中的孔至少部分地对准以形成通过电池单元的流体通道。
每个电池单元可包括其内的至少一个流体通道。流体通道和电池单元可适于至少部分地对准每个电池单元的流体通道，以在电池内形成流体通道。流体通道可为直线的、弯曲的，或任何其它形状。
电解质可从第一电池单元依次循环至至少一个第二电池单元，该第一电池单元包括至少一个阳极和至少一个阴极，该至少一个第二电池单元包括至少一个阳极和至少一个阴极。
相同电解质、电解质流体回路和温度控制装置可用于调节多个电池单元的温度，从而每单位存储能量的整体重量为低的。因此，根据本发明的电池具有高能量密度。
阳极和阴极可至少部分地彼此堆垛。
电池单元的阳极和阴极的堆垛改善了能量存储的密度。
此外，电池包括两个连续电池单元之间的至少一个单元隔板。
此类单元隔板可限制一个电池单元和另一相邻电池单元之间的电解质的混合。隔板还可设计成限制第一电池单元的阳极和第二电池单元的阴极之间的离子交换。
电池可包括每对电池单元之间的单元隔板。
本发明还扩展至一种用于调节电池的温度的方法，其中：
-流体电解质在电池壳体中循环，该电池壳体包括至少一个阳极和至少一个阴极，
-电解质还循环通过温度控制装置，该温度控制装置适于变更电解质的温度。
该方法还可包括使电解质循环通过相同壳体中的多个阳极和多个阴极。
电解质可在电池的操作期间进行循环。电解质可在电池的充电和/或放电期间进行循环。因此，当其温度变更时和特别在其温度上升的情况下，对电池的温度进行调节。
本发明还扩展至上述描述和相对于附图的下述描述中所描述的特征的其它可能组合。特别地，本发明扩展至电池，该电池包括涉及用于所述调节电池的温度的方法所描述的特征。本发明扩展至一种用于调节电池的温度的方法，该方法包括涉及所述电池所描述的特征。
附图说明
本发明的一些具体示例性实施例和方面参考附图在下述描述中进行描述。
图1为根据本发明的电池的一实施例的纵向横截面的图示；
图2为图1的电池的横向横截面的局部图示；
图3为根据本发明的电池的一实施例的纵向横截面的示意图；
图4为图3的电池的横向横截面的局部图示。
具体实施方式
在图1中，示出了包括壳体2的电池1，多个电池单元8容纳于壳体2中。每个电池单元8包括阳极6和阴极7。在图1的实例中，电池包括十个电池单元，所有十个电池单元均在相同壳体中。
隔板(未示出)处于电池单元8的每对阳极6和阴极7之间。
每个电池单元8可例如为锂离子类型。
阴极和阳极可彼此堆垛(imbricate)。例如，阳极可包括形成U形横截面的两个板，并且阴极也可包括形成U形横截面的两个板，并且阴极的一个板处于由阳极的两个板所形成的凹陷部内，而阳极的一个板处于由阴极的两个板所形成的凹陷部内。类似地，阳极和/或阴极可具有彼此堆垛的多个板。例如，在图1所示的实施例中，阳极6和阴极7各自包括三个板，该三个板组装成具有叉形横截面，每个阴极的该三个板中的两者处于对应阳极的两个板之间。这些堆垛有利于阳极和阴极之间的电荷交换。然而，在常规电池中，这些堆垛可能阻碍电池单元的温度控制，因为它们形成厚组件。根据本发明，此类电池单元的温度可进行准确地和连续地控制。
电池包括电连接至电池1的阳极端子27的阳极集电极(未示出)。电池包括电连接至电池1的阴极端子18的阴极集电极(未示出)。容纳于该示例性实施例的电池壳体2中的所有电池单元8可进行串联电连接。
壳体2填充有液体电解质9。电池单元8因此完全浸泡于电解质9中。所有电池单元和所有阳极6以及电极浸泡于并且因此接触相同电解质。
壳体2包括出口12，出口12适于使电解质9从壳体内疏散。壳体还包括入口11，入口11适于接收电解质9。
隔板适于以电解质进行浸渍以促进阳极6和阴极7之间的电荷交换。隔板对于电解质9为多孔的。
在该实施例中，每个阳极6和每个阴极7包括其板的每一者中的孔20。隔板还包括孔。两个连续阳极和/或阴极的孔，并且更特别地，电池单元8的两个连续层的孔20至少部分地对准以在电池中形成流体通道10。孔20形成通过电池单元8的流体通道10。流体通道10允许电解质流动通过壳体。更特别地，电池单元8和孔20布置成形成流体通道10，流体通道10适于将壳体的入口11液压地连接至壳体的出口12，使得电解质9可从入口11流动通过电池单元8至出口12。随着电解质9流动通过电池单元8，电解质9可与电池单元8交换热量以使电池单元冷却或使电池单元升温。
壳体的出口12通过管5与温度控制装置4的入口19流体连接。类似地，温度控制装置4的出口28与电池壳体2的入口11流体连接。
温度控制装置适于变更电解质9的温度。温度控制装置包括换热器，该换热器适于从电解质9移除热量/将热量供应至电解质9。在一些实施例中，温度控制装置可适于降低电解质9的温度。因此，温度控制装置可包括制冷单元3。
温度控制装置4还包括泵(未示出)以用于使温度控制装置的入口19和出口29之间的电解质9循环。该泵还允许使整体流体回路中的电解质9在温度控制装置4和壳体2之间循环，并且特别地在电池单元8的流体通道10中循环通过壳体2。
在图3中，示出了根据本发明的电池的一部分的另一实施例。电池包括其中布置有多个电池单元8的壳体2，每个电池单元包括由隔板分离的阳极6和阴极7。壳体填充有电解质9。
与图1和图2的实施例的主要区别在于，在该第二示例性实施例中，壳体包括两个入口13、15和两个出口14、16，并且还如图4所示，电池单元各自包括两个孔21、22。壳体2包括壳体的第一面(有益地，壳体的纵向端部面)上的第一入口13和第二出口16；和与壳体的第一面相对的壳体的第二面上的第一出口14和第二入口15。
孔21、22对准，诸如以形成两个流体通道10、17。两个流体通道为分离的和独立的。然而，电解质可在电池单元8周围和/或在电池单元8之间至少部分地流动通过隔板。
多个流体通道可穿过电池单元来散布于电池单元的电极的表面上以优化与每个电极的热交换。在图4的实例中，两个流体通道10、17沿着方形阳极6板的对角线布置。
第一流体通道10在一个端部与壳体的第一入口13对准，并且与壳体2的第一出口14对准。第二流体通道17在一个端部与壳体的第二入口15对准，并且与壳体2的第二出口16对准。
在一些实施例中，入口13和入口15可各自直接地连接至温度控制装置4的出口，使得电解质9在相同温度下注入通过入口13、15的每一者。
另选地，在其它实施例中，第二入口15可液压地连接至第一出口14，使得电解质9在第一温度下注入通过第一入口13；然后在流体通道10中大体流动通过壳体并在第二温度下离开第一出口14，并且在相同第二温度下大体再注入通过第二入口15；并且然后在流体通道17中大体返回流动通过壳体并在第三温度下离开第二出口16。在此类实施例中，理论第二温度在第一温度和第二温度之间。因此，第二入口15和第一出口14附近的电池单元8处于平均温度下，同时第一入口13和第二出口16附近的电池单元也处于第一温度和第二温度之间的平均温度下，因为它们在邻近第一入口13的其侧部上接触第一温度下的电解质9，并且在邻近第二出口16的另一侧部上接触第三温度下的电解质9，使得电池单元的温度得以平均。其特别地为当电池单元包括导热元件时的情况，该导热元件通常为阳极和电极的情况。此外，电解质9可至少部分地在电池单元8之间和/或电池单元8之间和/或阳极和阴极之间的隔板内循环，使得第一温度下的电解质9和第三温度下的电解质9可至少部分地混合。
在任何情况下，电解质9有益地在第一流体通道10和第二流体通道17中以相对方向循环，如图3中的箭头所示。
此外，在图3所示的实施例中，每个电池单元8通过隔板23与其相邻电池单元分离。
本发明不限于本文公开为实例的具体实施例。本发明还涵盖本文未明确地描述的其它实施例，这些其它实施例可包括本文所描述特征的各种组合。
特别地，根据本发明的电池可包括各自具有一个或多个电池单元的一个或多个壳体。
一个、两个或更多个流体通道可形成于壳体内，并且特别地形成于电池单元内，诸如以改善电池单元的温度控制。偶数个流体通道有益于确保相同壳体中所有电池单元的一致温度。
电解质可包括添加剂，该添加剂对于电池的电气功能将不具有或具有极低影响，但将改善电解质的热交换能力。

Claims (15)

1.一种电池(1)，包括：
-流体电解质(9)，
-壳体(2)，所述壳体(2)适于容纳至少一部分的所述电解质(9)，
-阳极(6)，所述阳极(6)至少部分地放置成接触所述壳体中的所述电解质(9)，
-阴极(7)，所述阴极(7)至少部分地放置成接触所述壳体中的所述电解质(9)；
其特征在于，所述电池(1)包括：
-温度控制装置(4)，所述温度控制装置(4)包括入口(19)和出口(28)，所述温度控制装置(4)适于变更所述入口(19)和所述出口(28)之间的所述电解质(9)的温度，
-循环装置，所述循环装置适于使所述电解质(9)在所述壳体中循环并且在所述壳体(2)和所述温度控制装置(4)之间循环。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池包括多个阳极(6)和多个阴极(7)，所述多个阳极(6)至少部分地放置成接触所述壳体(2)中的所述电解质(9)，所述多个阴极(7)至少部分地放置成接触所述壳体中的所述电解质(9)。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的电池，其特征在于，所述壳体(2)包括多个电解质入口(11、13、15)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电池，其特征在于，所述壳体(2)包括多个电解质出口(12、14、16)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的电池，其特征在于，所述电池包括流体回路，所述流体回路适于使所述电解质(9)在所述壳体(2)中以两个相对方向循环。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的电池，其特征在于，所述温度控制装置(4)放置于所述壳体(2)外部。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的电池，其特征在于，所述温度控制装置(4)适于降低所述电解质(9)的温度。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的电池，其特征在于，所述温度控制装置(4)至少包括换热器(3)。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的电池，其特征在于，所述阴极(7)具有包括至少一个孔(20、21、22)的平面形状，所述至少一个孔允许所述电解质(9)通过所述至少一个孔的循环。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的电池，其特征在于，所述阳极(6)具有包括至少一个孔(20、21、22)的平面形状，所述至少一个孔允许所述电解质(9)通过所述至少一个孔的循环。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的电池，其特征在于，所述电解质(9)从第一电池单元(8)依次循环至至少一个第二电池单元(8)，所述第一电池单元(8)包括至少一个阳极(6)和至少一个阴极(7)，所述至少一个第二电池单元(8)包括至少一个阳极(6)和至少一个阴极(7)。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的电池，其特征在于，所述阳极(6)和所述阴极(7)至少部分地彼此堆垛。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的电池，其特征在于，所述电池包括在两个连续电池单元(8)之间的至少一个单元隔板(23)。
14.一种用于调节电池(1)的温度的方法，其中：
-流体电解质(9)在电池壳体(2)中循环，所述电池壳体(2)包括至少一个阳极(6)和至少一个阴极(7)，
-所述电解质(9)还循环通过温度控制装置(4)，所述温度控制装置(4)适于变更所述电解质(9)的温度。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
-使所述电解质(9)循环通过所述相同壳体(7)中的多个阳极(6)和多个阴极(7)。
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