CN112640192A - 具有至少一个通风装置的电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池系统(200)，具有：电池壳体，电池壳体包括基体(201)、第一遮盖元件和第二遮盖元件(203)，其中，第一遮盖元件封闭基体(201)的第一敞开端侧并且第二遮盖元件(203)封闭基体(201)的第二敞开端侧；电池单元支架(204)，电池单元支架布置在电池壳体内部并且具有多个电池单元(205)；和电池管理系统(109)，电池管理系统设置成用于监控多个电池单元(205)并且感测各个电池单元(205)的温度，其特征在于，电池单元支架(204)具有至少一个方形凹槽，凹槽从电池单元支架(204)的第三端侧(207)延伸至电池单元支架(204)的第四端侧(208)，其中，电池单元支架(204)的第三端侧(207)朝着第一遮盖元件的方向布置并且电池单元支架(204)的第四端侧(208)朝着第二遮盖元件(203)的方向布置，并且至少一个通风装置(206)布置在第一遮盖元件(203)和电池单元支架(204)之间，其中，至少一个通风装置(206)根据各个电池单元(205)的温度的阈值超出由电池管理系统(109)操控。

Description

具有至少一个通风装置的电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个通风装置的电池系统。
背景技术
用于移动应用的电池通常包括多个电池单元。这些电池单元在电压和允许的电流方面受限制。为了实现电池的针对预给定应用情况所需要的总电压和总电容，以确定的方式连接各个电池单元。串联连接提高所需的总电压并且并联连接提高所需的总电容以及允许的总电流。
为了实现尽可能高的能量密度，使各个电池单元相对彼此紧密地布置在电池单元联合部中。在运行中，每个单独的电池单元具有确定的损耗功率。该损耗功率以废热的形式排放到电池壳体的内部空间中。因为废热在电池的不同部位上可以不同程度地导出到环境中，由此产生在封闭的电池壳体内部的不均匀的温度分布。
在这里不利的是，电池的功率以及所述电池的使用寿命受损害。
各个电池单元仅可以直至确定温度无危险地运行。因此，不管对于充电过程还是对于放电过程，各个电池单元都不应超过该确定温度，以便确保电池的安全性。如果在电池单元的放电过程中达到确定温度，那么电池的放电电流被限制。如果电池处于充电模式中，那么仅当电池单元的当前温度低于确定温度时充电过程才起动。
由于不均匀的温度分布，仅单个电池单元位于允许运行的边界温度的范围中，而另外的电池单元具有合适的运行温度。然而，一旦一个电池单元位于边界温度的临界范围中，电池管理系统限制整个电池的功率。
在这里不利的是，进行电池功率的提早的限制。
运行温度对于电池单元的使用寿命也很重要。电池单元的老化在高运行温度时非常快地进行。由于在封闭的电池壳体内部的不均匀的温度分布，具有较低运行温度的电池单元明显比具有高运行温度的电池单元老化地慢。因为电池单元在这种电池单元联合部中不被更换或者是不能更换的，所以一旦确定数量的电池单元已经达到它们的寿命终点，那么整个电池停止运行。然而，针对该时间点，所有其他或另外的电池单元还可以长时间无危险地运行。
为了克服这些缺点，已知不同的冷却方式。在大多数情况下，在此使用空气冷却或液体冷却。为了该目的，借助于风扇从周围环境抽吸空气并且引导经过电池单元。在此，抽吸的空气通过各个电池单元的废热加热并且在经过电池单元联合部之后又通过排出开口从电池壳体中排出。因此，热量被排放给周围环境。
文件US 2003198864 A1描述了一种电化学电池，该电化学电池包括具有多个电池单元的电池壳体和中央通风装置。借助于通风装置产生在电池壳体的空气进入开口和电池壳体的空气排出开口之间的空气流，该空气流被引导经过电池单元，由此调节电池单元温度。
文件US 2013149583 A1公开具有多个电池单元、电池壳体和通风装置的电池系统。电池壳体的布置在电池单元下方的区域包括用于空气的进入开口。侧壁以及电池壳体的电池单元的区域具有用于空气的排出开口。
在两个文件中不利的是，用于空气的进入开口和排出开口必须嵌入到电池壳体中。另外的缺点是，由此使电池壳体变得不密封。
发明内容
本发明的任务是克服这些缺点。
电池系统包括具有基体的电池壳体，该基体具有第一遮盖元件和第二遮盖元件。第一遮盖元件封闭基体的第一敞开端侧。第二遮盖元件封闭基体的第二敞开端侧。换言之，电池壳体相对于周围环境气密地封闭。电池系统包括电池单元支架，该电池单元支架布置在电池壳体内部并且具有多个电池单元。电池系统具有电池管理系统，该电池管理系统设置成用于监控多个电池单元并且感测各个电池单元的温度。根据本发明，电池单元支架具有至少一个方形凹槽，所述凹槽从电池单元支架的第三端侧延伸直至电池单元支架的第四端侧，其中，电池单元支架的第三端侧朝着第一遮盖元件的方向布置并且电池单元支架的第四端侧朝着第二遮盖元件的方向布置。至少一个通风装置布置在第一遮盖元件和电池单元支架之间，其中，所述至少一个通风装置根据各个电池单元的温度的阈值超出由电池管理系统操控。
在这里的优点是，通过电池单元的运行产生的废热在电池内部均匀地再分布并且均匀分布的热量通过壳体表面排放给周围环境，使得各个电池单元均匀地老化并且在较长的运行时间之后才出现电池功率的抑制。这意味着所有电池单元的中等速度的加热代替电池中间的快速加热和边缘区域中的慢速加热。此外，电池的改善的温度分布或快速冷却导致，电池快速进入到能充电的状态中。此外有利的是，不需要电池壳体中的用于冷却流体的进入和排出的开口。此外，既不需要蒸发器也不需要冷凝器，由此整个系统具有小的重量并且使成本有利的。因此，电池系统也适用于小的电池应用，如48V系统。
在扩展方案中，从电池单元支架的第三端侧出发居中地布置有方形组件，使得露出电池单元的中间区域。换言之，电池单元支架在电池单元支架的水平的中间平面中具有间隙，使得电池单元分别仅在电池单元的上方区域和下方区域中由电池单元支架保持。因此，电池单元仅部分地由电池单元支架围绕。电池单元的中间露出。
在这里有利的是，在闭合的电池壳体内部的温度再分布通过在电池或电池系统中产生的热量的流通的空气运动实现，其中，空气流被引导通过存在于电池单元之间的气隙。
在另外的构型中，所述至少一个通风装置封闭电池单元支架的方形凹槽。
在这里的优点是，热空气可以有效地再分布。
在另外的构型中，第二遮盖元件具有至少一个另外的通风装置。换言之，所述至少一个另外的通风装置在电池壳体内部布置在第二遮盖元件上。
在这里的优点是，所述至少一个另外的通风装置在结构空间技术上仅通过第二遮盖元件的尺寸限制。因此，可以产生大的容积流。
在扩展方案中，基体是连续铸造元件。
在这里有利的是，电池壳体以简单的和成本有利的方式制造。
在另外的构型中，电池壳体包括金属、尤其是铝。
在这里的优点是，在电池壳体内部的均匀分布的热量可以通过基体的导热表面快速地向外、即向电池壳体的外部导出。
根据本发明的电池系统的根据本发明的使用在电动车辆中、尤其是电运行的双轮车中进行。
根据本发明的车辆、尤其是电运行的双轮车具有根据本发明的电池系统。
另外的优点由下面对实施例的说明或从属权利要求得出。
附图说明
下面参照优选实施方式和附图阐释本发明。附图示出：
图1具有多个电池单元的电池系统的温度分布的俯视图，所述电池单元彼此串联和并联地连接，
图2具有至少一个通风装置的电池系统，和
图3根据本发明的具有通风装置的电池系统的热特性，其中，通风装置的容积流是不同的。
具体实施方式
图1示出提供48V的具有多个电池单元105的电池系统100的示例性温度分布的俯视图。电池系统包括十三排各十五个彼此并联连接的电池单元105，所述电池单元形成电池单元联合部(Batteriezellenverbund)。在这里，每个电池单元105提供约3.6V的电压，使得电池可以提供48V的总电压。由于电池单元105的紧密布置，在电池系统100的运行中通过由各个电池单元排出的废热在图1中未示出的电池壳体内部产生不同的温度区域。示例性地，在图1中示出第一温度区域120、第二温度区域121、第三温度区域122和第四温度区域123。第一温度区域120具有比第二温度区域121和第三温度区域122低的温度。第四温度区域123是最冷的。对此的原因是，布置在电池单元联合部的边缘处的电池单元105相比于布置在电池单元联合部的内部中的电池单元105可以将废热更快地释放到电池壳体上。电池管理系统109附加地作为热源起作用。
图2示出具有电池壳体的电池系统200，该电池壳体包括基体201和第二遮盖元件203。电池壳体也具有第一遮盖元件，该第一遮盖元件与第二遮盖元件203相对置。出于概要性原因在图2中未示出所述第一遮盖元件。第一遮盖元件封闭基体201的第一敞开端侧并且包括这里未示出的电池管理系统，第二遮盖元件20封闭基体201的第二敞开端侧。因此，电池壳体形成闭合的空间，所述空间作为用于电池单元支架204的接收空间起作用。因此，电池壳体相对于周围环境密封或气密地封闭。电池单元支架204包括用于多个电池单元205的接收区域并且具有方形的凹槽，所述凹槽从电池单元支架204的第三端侧207延伸至电池单元支架204的第四端侧208，其中，电池单元支架204的第三端侧207与第一遮盖元件相对置并且电池单元支架204的第四端侧208与第二遮盖元件203相对置。方形的凹槽在电池单元支架204的第三端侧207和电池单元支架204的第四端侧208上例如具有矩形的基面。通过方形的凹槽暴露出电池单元中间。至少一个通风装置206布置在第一遮盖元件和电池单元支架204之间。特别有利的是通风装置206与电池单元支架204的第三端侧207上的方形凹槽相对的布置。在实施方式中，通风装置206布置在第一遮盖元件上。替代地，在第一遮盖元件上布置有多个通风装置206。在另外的实施方式中，通风装置206封闭在电池单元支架204的第三端侧207上的凹槽。换言之，通风装置206配合精确地装入到电池单元支架204的第三端侧207的开口中。替代地，将多个通风装置206装入到凹槽中。在该情况下，凹槽是矩形的，使得多个方形的通风装置可以彼此并排并且彼此相叠地布置，以便封闭凹槽。由此，在凹槽中由通风装置产生的空气流是更均匀的。在替代的实施方式中，通风装置206大于电池单元支架204的第三端侧的方形凹槽的基面。电池单元支架204没有完全填充电池壳体的接收空间。这意味着，电池壳体和电池单元支架204平行于端侧地彼此间隔开地布置。换言之，在接收在电池壳体中的电池单元支架204上方和下方存在空的中间空间或空腔。热空气的流通(Zirkulation)能够实现，在第一遮盖元件和电池单元支架204之间、以及在电池单元支架204和第二遮盖元件203之间存在用于经过布置在这些部位上的阻尼材料的空气循环的自由空间。因此，通风装置206可以在电池壳体内部产生流通的空气运动。在此，空气流是位于电池内部的空气的纯循环
Figure BDA0002953332970000051
由此在电池内部在较高温度和较低温度的区域之间的热空气交流，使得平衡在电池内部的不同温度区域。换言之，电池单元205的废热在电池内部再分布。附加地，电池单元支架204可以具有空气通道，所述空气通道布置在电池单元支架204中的各个电池单元205之间，从而进行各个电池单元205的优化环流。这些空气通道也可以仅存在于电池单元支架204的以下部位上，在所述部位上电池单元205的运行温度非常高，例如存在于图1中示出的第三温度区域122中。替代地或附加地，在第二遮盖元件203上可以布置另外的通风装置。
参照箭头，示出热空气在图2中在电池壳体内部通过电池单元支架204的流通。在电池壳体内部的温度例如借助于在电池单元联合部的不同部位处的热敏电阻(NTC)感测。在此，通风装置206由电池管理系统根据电池单元205的温度的阈值超出来控制。通过流通使空气沿着电池壳体的基体引导，使得再分布的热量被动地排放到电池壳体的表面上。
电池壳体的基体201单件式地和管形地构型并且具有金属。所述金属例如可以包括铝或锰。基体201可以借助于连续铸造方法制造。
本发明也可以在模块级别上使用，其中，通过电池模块替换电池单元。在此，通风装置布置在各个电池模块内部，所述电池模块分别具有各自的壳体。
另外的实施例包括通风装置在电池包层级上的安装，所述通风装置使各个电池模块的温度均匀化。在该情况下，电池单元支架必须通过用于电池模块的接收元件替代或者这样构型，使得所述电池单元支架可以接收电池模块。
电池系统例如使用在电运行的双轮车中。此外，电池系统也可以使用在固定的设备中，例如使用在房屋缓冲器(Hauspufferspeichern)中。
图3示出具有通风装置的电池系统的热特性300，其中，通风装置的容积流是不同的。每一个电池单元的废热约为1.36W。在这里示出在放电过程中的运行状态，在所述放电过程中在电池的部位处首次达到或超过60℃的温度阈值。这通常出现在中央布置的电池单元的一个电池单元中。图3示出从图1看出的温度区域、即第一温度区域120、第二温度区域121、第三温度区域122和第四温度区域123的热特性。横坐标代表各个温度区域并且纵坐标代表相对应的温度值。第一曲线301代表没有通风装置的电池的热特性。第二曲线302示出包括有0.72m3/h的容积流的通风装置的电池的热特性。第二曲线302在温度区域120和121中的曲线走向能够由此解释：当电池中间具有60℃时，边缘区域由于通风装置的小的容积流已经加热。第三曲线303示出包括有4.6m3/h的容积流的通风装置的电池的热特性，并且第四曲线304示出包括有9.6m3/h的容积流的通风装置的电池的热特性。在第三曲线303和第四曲线304中可看出，温度峰值在较大容积流的情况下推移到电池的另外的区域中。在电池内部的温度差从21.6K下降到10K，即出现在电池壳体内部的温度分布的明显均匀化。

Claims (8)

1.电池系统(200)，具有：
·电池壳体，所述电池壳体包括基体(201)、第一遮盖元件和第二遮盖元件(203)，其中，所述第一遮盖元件封闭所述基体(201)的第一敞开端侧并且所述第二遮盖元件(203)封闭所述基体(201)的第二敞开端侧，
·电池单元支架(204)，所述电池单元支架布置在所述电池壳体内部并且具有多个电池单元(205)，和
·电池管理系统(109)，所述电池管理系统设置成用于监控多个电池单元(205)并且感测各个电池单元(205)的温度，
其特征在于，
·所述电池单元支架(204)具有至少一个方形凹槽，所述凹槽从所述电池单元支架(204)的第三端侧(207)延伸至所述电池单元支架(204)的第四端侧(208)，其中，所述电池单元支架(204)的所述第三端侧(207)朝着所述第一遮盖元件的方向布置并且所述电池单元支架(204)的所述第四端侧(208)朝着所述第二遮盖元件(203)的方向布置，并且
·至少一个通风装置(206)布置在所述第一遮盖元件(203)和所述电池单元支架(204)之间，其中，所述电池管理系统(109)根据各个电池单元(205)的温度的阈值超出来操控所述至少一个通风装置(206)。
2.根据权利要求1所述的电池系统(200)，其特征在于，所述方形凹槽从所述电池单元支架(204)的所述第三端侧(207)出发居中地布置，使得露出所述电池单元的中间区域。
3.根据权利要求1或2所述的电池系统(200)，其特征在于，所述至少一个通风装置(206)封闭所述电池单元支架(204)的所述方形凹槽的所述第三端侧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(200)，其特征在于，所述第二遮盖元件(203)具有至少一个另外的通风装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(200)，其特征在于，所述基体(201)是连续铸造元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(200)，其特征在于，所述电池壳体包括金属、尤其是铝。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池系统(400)在电动车辆、尤其是电运行的双轮车中的应用。
8.车辆、尤其是电运行的双轮车，具有根据权利要求1至6中任一项所述的电池系统(400)。
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