CN115036611A - 电池冷却装置、电池模块、飞行器、充电系统和冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池冷却装置、电池模块、飞行器、充电系统及冷却方法，所述电池冷却装置用于冷却电动飞行器(1)的至少一个电池单元(5)，所述电池冷却装置(6)包括第一冷却装置(7、8)，所述第一冷却装置设计成在放电过程中至少从所述电池单元(5)吸收第一热量(10)，所述第一冷却装置(7、8)包括至少一个具有可变物态的潜热蓄热器。重要的是，所述电池冷却装置(6)包括第二冷却装置(9)，所述第二冷却装置设计成从所述电池单元(5)和所述第一冷却装置(7、8)吸收第二热量，所述第二冷却装置(9)能供冷却剂(13)填充和流动通过。

Description

电池冷却装置、电池模块、飞行器、充电系统和冷却方法
技术领域
本发明涉及一种用于冷却电动飞行器的电池单元的电池冷却装置。本发明还涉及一种电池模块、一种垂直起降的飞行器以及一种电池充电系统。此外，本发明还涉及一种用于冷却电动飞行器的电池单元的冷却方法。
背景技术
电动或部分电动(混合)驱动的飞行器通常由电池供电。为此，通常使用定期更换的二次电池，即，可充电电池。
由DE 10 2012 202 698 A1已知一种电动飞行器，所述飞行器包括至少一个电池单元和多个电驱动单元。所述电池单元用于存储和输出运行飞行器的电驱动单元所需的电能。
在飞行器的运行中，电池单元在放电过程中放电。所述放电过程在飞行器的高能耗飞行运行中进行，例如在爬升飞行或转弯飞行中，但也在水平飞行或滑行飞行中进行。同样，放电过程在飞行运行之前可能就已经开始，例如当飞行器的机载电子设备或辅助装置需要电能时。
在飞行器恢复运行之前，必须在充电过程中给已放电的电池单元重新充电。与放电过程相反，充电过程通常在飞行器的静止状态下进行。这里，将电池单元与电压源连接，由此，重新建立电池单元的充电状态。术语“电池单元”因此也延伸到可充电电池。在下面，术语“电池”、“电池单元”和“蓄电池”可互换地使用。
电池单元的放电过程以及充电过程都通过电池单元中的化学反应进行。这些反应伴随着电池单元中的热量产生。原则上，这种热量的产生取决于电池单元的放电速率以及充电速率，就是说，由电池单元释放或吸收的电功率量。在放电过程和充电过程期间产生的热量可以通过电池冷却装置导出。
由现有技术已知带有空气冷却的电池冷却装置。为此，将多个锂离子圆形电池单元相互间有大间距地设置。这里，在锂离子圆形电池单元之间形成中间空间，气流可以在所述中间空间中流动和/或循环。所述气流确保经由电池单元的表面实现对流地散热。这里不利的是，电池单元之间的大间距相应地需要大的安装空间。
此外，已知具有冷却板的电池冷却装置，所述冷却板由液体的冷却介质流动通过。这种冷却板可以与要冷却的电池单元处于热接触并且连接在冷却回路上。通过相应地设计冷却回路的冷却功率的大小，可以在较短的时间内导出较高的热量。此外，在冷却功率高时，用于电池单元和电池冷却装置之间的热接触所需的表面尺寸可以设计得较小。冷却板可以设置在一个或多个电池单元的侧面、上方或下方。这种电池冷却装置的缺点是，所使用的冷却介质是可燃的并且是对环境有害的，并且冷却装置具有必须在飞行器中携带的高重量。
潜热蓄热器构成另一种由现有技术已知的、从电池单元中导出热量的可能性，见US2015037647A1。与传统的材料相比，这种材料具有恒定的相变温度。这意味着，在其物态变化期间可以向潜热蓄热器供应热量或从潜热蓄热器导出热量，而其温度不变。通过吸收热量，潜热蓄热器的相变材料(英文：phase change material，PCM)发生相变，例如从固态到液态/粘稠态。
这特别是对于飞行器中的冷却目的是有利的，因为由电池单元发出的热可以向潜热蓄热器输出。这里，电池单元或电池冷却装置的温度没有明显的变化，而是发生潜热蓄热器的所述相变，例如从固态到液态/粘稠态的相变。在电池冷却装置继续运行之前，必须通过冷却潜热蓄热器使这个相变逆转，以便能够重现实现良好的冷却作用。
发明内容
本发明的目的是，消除现有技术中电池冷却装置存在的缺点。特别是提出一种电池冷却装置，所述电池冷却装置在结构形式紧凑的同时具有较小的重量并且在很短的时间内就可以用于飞行运行。
所述目的通过本发明提供的电池冷却装置来实现。有利的设计方案在相应的附加方案中给出。此外，所述目的通过本发明提供的电池模块以及所述电池模块根据相应的附加方案的有利的设计方案来实现。所述目的还通过本发明提供的垂直起降的电动飞行器以及所述飞行器根据相应的附加方案的有利的设计方案来实现。所述目的同样通过本发明提供的电池充电系统来实现。所述目的还利用本发明提供的冷却方法来实现。所述方法有利的设计方案在相应的附加方案中给出。为了避免重复，这里通过明确地引用将这些方案包含在本说明书中。
根据本发明的电池冷却装置，用于冷却电动飞行器的至少一个电池单元，如本身已知的那样，所述电池冷却装置包括第一冷却装置，所述第一冷却装置设计成，在电池单元的放电过程中至少从所述电池单元吸收第一热量并由此冷却所述电池单元，第一冷却装置包括至少一个具有可变物态的潜热蓄热器。
对于根据本发明的电池冷却装置重要的是，所述电池冷却装置包括第二冷却装置，所述第二冷却装置设计成从电池单元和第一冷却装置吸收第二热量，所述第二冷却装置能供冷却剂填充和流动通过。
本发明以申请人的以下认知为基础，即，由具有潜热蓄热器的固定的第一冷却装置和在需要的情况下作用的用于冷却潜热蓄热器的第二冷却装置的组合得到一种较轻的且可靠的冷却装置。
根据本发明的冷却装置由此在一些重要的方面不同于在先已知的冷却装置：除了以潜热蓄热器形式的第一冷却装置之外，还设有第二冷却装置，用于从第一冷却装置导出热量并且由此使潜热蓄热器的相变逆转(下面也称为逆反应或恢复第一冷却装置的功能)。为此，第二冷却装置设置成与潜热蓄热器热作用连接并且能够供冷却剂填充和能够供冷却剂流动通过。
如上所述，飞行器的至少一个电池单元的放电过程主要发生在飞行运行期间。将此时产生的第一热量导出到潜热蓄热器上。因此，在飞行运行期间，热量可以通过重量相对较轻的电池冷却装置导出。
为此，所述潜热蓄热器具有高的适用性，因为所述潜热蓄热器优选包括如石蜡或酯类化合物的材料，这种材料最优选地可以结合到聚合物基质中。这些材料各自具有相对较低的密度，同时具有高潜热量。
在放电过程中，通过具有潜热蓄热器的第一冷却装置吸收第一热量，此时在潜热蓄热器中出现相变。所述第一热量此时是可变的并且不一定对应于电池由于放电过程发生的升温。
为了导出存储在潜热蓄热器容的热量并由此在潜热蓄热器中使相变逆转，根据本发明第二冷却装置用冷却剂填充并由冷却剂流动通过。由此形成导热连接，利用所述导热连接可以导出存储在潜热蓄热器中的第一热量以及可能由于充电过程产生的其他热量。由此可以实现高冷却效率。
优选可以在电池的充电过程中将第二冷却装置连接在冷却设备上。为了进行充电，如本身已知的那样，将电池单元连接在电压源上。同时可以利用冷却剂填充并由冷却剂流动通过第二冷却装置。优选充电和恢复第一冷却装置的功能是在更换电池或电池模块时进行。
通过分成第一冷却装置和第二冷却装置，在放电过程中，特别是在飞行运行中不需要沉重的设备来运行电池冷却装置。特别是可以将沉重的和复杂的部件，如压缩机/泵、阀、热交换器等设置在飞行器之外。由此，一方面得到这样的优点，即，这些部件不必为了在飞行器上进行运输和/或使用而进行认证。另一方面，飞行器之外的部件的重量并不重要，从而可以使用特别大的和高性能的部件，这种部件由于重量对于在飞行器中使用是不实用的或不适当的。
此外有利的是，潜热蓄热器的设计方案可以在几何上以简单的方式与电池单元的形状相适配。对于圆形电池单元的情况，潜热蓄热器可以例如设计成板的形式并具有孔状开口，圆形电池单元可以至少部分地插入所述开口中。由此可以优化散热所需的热接触。
同样在本发明范围内的是，使用多于一个潜热蓄热器。特别是可以使用两个或更多个潜热蓄热器，这些潜热蓄热器能以对称的方式安装在电池单元或电池单元复合体的各侧面上。这使得可以通过构成两个散热部来均匀地进行冷却，这对于电池单元的老化起到有利作用。此外，所使用的潜热蓄热器的质量可以精确地与放电过程期间所需的冷却功率相适配，这使得第一冷却装置可以具有极小的重量。
在本发明的有利的实施方式中，冷却剂不是永久地处于第二冷却装置中。相反，用于恢复第一冷却装置的功能的逆反应的冷却剂被泵送通过第二冷却装置，以便导出潜热蓄热器的热量。优选这在放电过程结束之后、特别是在电池的充电过程之前或期间或之后进行。
优选在重新开始飞行运行以及进一步的放电过程之前，重新从第二冷却装置中输出冷却剂。由此，特别是降低了在飞行运行期间电池冷却装置的总移动重量。这对于电池冷却装置所需的冷却功率有积极的影响：由于减小了重量，飞行器的电驱动单元只需产生较小的推力，就使得飞行器能够飞行。相应地，也可以通过电池单元输出较小的电功率。这又使得有较小的放电速率并由此在放电过程中产生较少的热量。由此，可以使电池冷却装置整体设计得较为紧凑。
第一冷却装置和第二冷却装置各自的冷却功率可以基本上相互独立地设计。特别是第一热量与第二热量的比例不是固定的。这主要是因为，第一冷却装置的潜热蓄热器可以在放电过程和充电过程之间将所存储的第一热量的一部分辐射或对流式地散发到其周围环境中。此外，在充电过程、特别是在快速充电过程中在电池单元中会产生额外的热量，这些热量同样必须导出。第二热量因此在总量上最大由第一热量和电池单元的额外的充电热量组成。但同样在本发明范围内的是，这些热量彼此不同，因为如上所述，通过其他渠道主动或被动地散发热量或者通过其他过程和/或部件产生额外的热量。
第二冷却装置有利地设计成，使得能导出的第二热量允许第一冷却装置的潜热蓄热器的相变发生逆反应，以便恢复第一冷却装置的功能。备选地，第一冷却装置的冷却功率可以适应电池单元所能产生的最大第一热量，使得相变可以不完全完成。
第一热量和第二热量也都不必与第一冷却装置的潜热蓄热器的潜热量处于固定比例。相反，在本发明范围内的是，第一热量在数值上可以对应于潜热量，但也可以比潜热量更低或更高。然而，将第一冷却装置的潜热蓄热器设计成在飞行运行中可以吸收电池产生的预期热量是有利的。
为了实现电池冷却装置的可靠运行，电池冷却装置的温度可以通过温度传感器监控。如果所述温度超过允许的上限，则这种情况可以由所述温度传感器识别到并且为了冷却目的而中断飞行运行。
在所述电池冷却装置的有利的设计方案中，第二冷却装置具有柔性的软管，所述软管能够用于填充冷却剂并供所述冷却剂流动通过。所述软管特别是设计成用于在冷却剂流动通过时，间接或直接向电池单元和/或第一冷却装置施加压紧力。由此得到这样的优点，即，可以以简单的方式和形式在带有冷却剂的软管和电池单元和/或第一冷却装置之间建立导热连接。
柔性软管作为第二冷却装置的一部分的设计方案具有这样的优点，即，所述软管具有可变形的、柔软的外形。这实现了电池冷却装置具有易于安装的结构的优点：较大的部件、如例如多个电池单元的复合体或者潜热蓄热器可以在第一安装步骤中预装配。这里，可能形成干涉轮廓。在第二安装步骤中，柔性地构成的软管可以与预装配的部件的几何形状相适配并且被引导在干涉轮廓上经过。同时，所述干涉轮廓可以用于简单地定位所述柔软的软管。与设计成刚性的第一冷却装置相比，柔性的软管可以根据需要进行更换，拆卸工作量也相对较少。
所述压紧力是热接触传热的影响因素。基本上适用的是：压紧力越高，通过热接触能传递的热量就越高。在这个意义上，可以利用软管的柔性，以便直接通过冷却介质的压力调整压紧力：如果柔性的软管中填充处于压力下的冷却介质，则软管发生膨胀。如果软管与待冷却的部件处于热接触，则压紧力提高，由此可导出的热量提高。通过额外地检测待冷却部件的温度以及可调节的输送压力、例如泵的输送压力，则以这种方式可以实现对冷却的间接调节。
为了直接传递压紧力，所述软管可以与第一冷却装置和/或电池单元处于直接接触。
在另一个优选的设计方案中，第二冷却装置可以通过第一中间层与电池单元导热地连接，所述第一中间层是电绝缘的。
第二冷却装置和电池单元之间的电绝缘的中间层的设计方案带来这样的优点，即，对于第二冷却装置的设计方案可以使用导电的材料。在没有绝缘的层的情况下，这可能会导致电池单元或多个所述电池单元的短路。特别地，通过电绝缘的第一中间层，对于第二冷却装置可以使用金属材料。除了已知的低欧姆电阻，这种材料总是具有高的机械强度。高强度是有利的，使得第二冷却装置可以承受例如由于冷却剂引起的高内压形式的高机械载荷。
在电池冷却装置的另一个优选的设计方案中，第二冷却装置可以通过第二中间层与第一中间层导热地连接，并且所述第二中间层具有比第一中间层更高的机械刚度和/或强度。
通过构成具有提高的机械刚度的第二中间层，可以使优选包括柔性软管的第二冷却装置与电池单元和第一冷却装置的边缘锋利的几何元件分开。此外，可以在第一中间层和第二中间层之间实现高程度的功能分离。由此，第一中间层的尺寸可以主要考虑所需的电绝缘，而第二中间层可以主要设计为用于对第二冷却装置提供机械保护。如果这两个中间层之一具有缺陷，则通过功能分离可以仅更换有缺陷的中间层，由此降低了部件成本和安装时间。
根据本发明的目的还通过本发明提供的电池模块来实现。根据本发明的电池模块包括根据本发明的电池冷却装置或所述电池冷却装置的有利的设计方案以及至少一个电池单元，优选多个电池单元。
在本发明的有利的实施方式中，所述电池模块具有壳体，所述壳体向电池单元导电的部件提供电绝缘结构以及提供防止外部影响的机械保护。此外，所述电池模块可以具有机械接口，例如以导入斜面、贴合面或连接元件形式的机械接口，利用所述机械接口可以在空间上确定地将电池模块设置和固定在飞行器中。此外，所述电池模块具有优选至少一个电接口，例如以插接触点、接线柱或压力触点形式的电接口，电池模块的电池单元可以通过所述电接口与飞行器的机载电子设备，例如功率电子设备连接。优选所述电池模块具有传感器或用于传感器的传感器接口，利用所述传感器或传感器接口可以与飞行器的电池管理系统相配合地监控以及必要时调节电池单元和电池冷却装置的状态。
所述电池模块的电池单元可以设计成圆形电池单元、软包电池单元或棱柱形电池单元，这些单元分别带来由现有技术已知的优点。
此外，所述电池单元可以具有排气阀形式的安全阀。如果电池单元出现可能导致电池单元起火的过热，排气阀可以自行打开，在电池热失控(Thermal runaway)的情况下，高温燃烧的气体可以从电池单元中逸出。在这种情况下，第一冷却装置的潜热蓄热器通过从液态/粘稠态到气态的额外相变对电池单元的燃烧行为产生积极影响。
在电池模块的优选的实施方式中，所述电池模块包括防火材料，所述防火材料至少部分地包围电池单元。
如由现有技术已知的那样，所述防火材料具有较低的导热性并且将电池单元与其他电池单元、电池冷却装置的部件以及电动飞行器热分离。
通过防火材料与第一冷却装置和第二冷却装置功能上的分离，可以实现电池模块的设计上的优点。特别是功能分离带来电池模块部件的尺寸设计上的优点：防火材料可以独立于第一冷却装置和第二冷却装置单独设计，以最小化火灾风险，而第一冷却装置和第二冷却装置可以只为要实现的冷却效果进行优化。
潜热蓄热器原则上可以与防火材料在共同的基质中组合成复合材料。但这种复合材料通常具有高密度，这种高密度会导致电池模块具有相应高的总重量。出于这个原因，防火材料和电池冷却装置的单独设计可以减轻重量。
所述防火材料有利地设计成膨胀的。过度的发热会导致防火材料体积增大。由此电池单元之间的可能存在的空隙都可以通过隔热层来封闭。当然也可以使用本领域技术人员已知的其他防火材料。
在另一个有利的设计方案中，所述电池模块具有汇流排，电池单元通过线接合结构与汇流排导电地连接。
所述汇流排可以构造成能简单地制作并且同时轻质的金属板元件。一方面，所述汇流排用于与至少一个电池单元电接触和/或将多个电池单元的多个相同极性的端子互连。另一方面，所述汇流排用作电池单元的通用电气接口，用于飞行器的机载电子设备、特别是功率电子设备。通过所述汇流排可以以简单的方式将多个电池单元电并联，由此，可以提高电池单元的电容量。同样可以实现串联连接，以便提高电池单元所提供的电压。
线接合结构可以由轻的、弯曲的金属线组成，所述金属线的端部分别用于与汇流排和电池单元电接触。优选地，线接合结构的端部通过材料接合地、例如通过焊接与汇流排或与相应的电池单元连接。线接合结构的另一个优点是可以以易于自动化的方式应用。
在电池模块的另一个优选设计方案中，所述电池模块包括至少两个电池单元、优选多于两个电池单元。优选地，每个电池单元设计成具有负极端面和正极端面的圆柱形的圆形电池单元，特别优选地，圆形电池单元相互平行排列(parallel zueinanderangeordnet)并且所有电池单元的负极端面都设置在电池模块的第一侧，并且所有电池单元的正极端面都设置在电池模块的第二侧。
圆形电池单元相对于软包电池单元或棱柱电池单元具有高的机械弯曲刚度。通过平行设置所有电池单元，由此可以提高电池模块的整体刚度。由此降低了由于外部影响对电池模块造成过度变形而使电池单元发生损坏的风险。
在电池单元的所述布置形式中，负极端面都设置在电池模块的第一侧，并且正极端面都设置在电池模块的第二侧，通过这种布置形式可以简化电池模块的安装。特别是可以简化电池单元优选通过线接合结构与汇流排的自动化电接通。特别是不必考虑所述电池单元的极性。由此，避免了电池单元会导致损坏的极性设置。
根据本发明的目的还通过本发明提供的垂直起降的电动飞行器来实现。根据本发明的垂直起降的电动飞行器构造成具有电池模块，所述电池模块包括根据本发明的电池冷却装置。
所述垂直起降的电动飞行器除了电池模块特别是优选地还具有由DE 10 2012202 698 A1已知的特征。由此，通过引用将所述特征完整地包含在本说明书中。
在所述垂直起降的电动飞行器的优选的设计方案中，所述飞行器具有连接机构，所述连接机构设计成用于在运行状态下(通常在飞行期间)将电池模块与飞行器的驱动单元机械地连接和电连接，所述连接机构设计成可拆卸的，以能够将电池模块从飞行器上分离，进行充电过程。
所述垂直起降的电动飞行器具有机械接口和电接口：所述机械接口优选设置在飞行器的机身中，并且用于机械地定位和固定电池模块。
为此，所述飞行器可以具有卡接或夹紧元件，所述卡接或夹紧元件使得可以力锁合或形锁合地固定电池单元。所述固定特别是可拆卸地，从而电池模块可以为了放电过程而设置在飞行器中并且可以为了充电过程而与飞行器分离并由飞行器中取出。这使得可以利用飞行器实现几乎无中断的飞行运行，其方式是，简单地通过其他已充电的并且冷却的电池模块替换放电的并且升温的电池模块。
电池模块的电接通通过飞行器侧的电接口进行。所述电接口可以例如设计成插接触点、接线柱或压力触点的形式，所述电接口在将电池模块与飞行器机械连接时电闭合。
在本发明的有利的实施方式中，由垂直起降的飞行器和地面充电站形成电池充电系统。所述地面充电站具有用于电池单元的充电装置和冷却设备，并且所述地面充电站设计成用于在电池单元的充电过程中至少电接通电池模块并且将电池冷却装置的第二冷却装置与冷却设备的固定的冷却剂回路导热地连接。
所述地面充电站有利地包括电蓄能器以及用于产生电流的发电机。对于充电过程，电接通所述电池模块并且可以直接通过地面充电站的电蓄能器给电池模块充电。替代地或附加地，为了产生用于给电池模块的电池单元充电的电流，可以使发电机运行。
所述冷却设备优选包括固定的具有冷却剂蓄存器的冷却剂回路，所述冷却剂蓄存器填充有冷却剂。此外，所述冷却剂回路可以具有冷却剂泵、热交换器以及冷却控制器。如果电池模块通过第二冷却装置的流入口和流出口与所述固定的冷却剂回路接通，则泵开始输送冷却剂。特别地，所述泵允许调整输送压力，由此第二冷却装置的压紧力能手动或自动地调整。导出第二热量所需的冷却功率通过所述热交换器提供。通过在冷却剂进入第二冷却装置之前和在冷却剂流出之后检测冷却剂的温度，冷却控制器可以根据需求调整冷却功率。由此，特别是可以使导出第二热量所需的时长与用于电池单元的充电过程、特别是快速充电过程所需的时间相适配。
原则上，地面充电站的主要的可实现的优点在于，不必在飞行器中搭载在常见的冷却剂回路中使用的较为沉重的部件，如例如泵、压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器。同时，可以利用基于通过冷却剂进行散热的原理的冷却装置的优点。
根据本发明的目的还通过本发明提供的用于冷却电动飞行器的电池单元的冷却方法来实现。
根据本发明的方法特别是适于通过根据本发明的电池冷却装置或所描述的实施方式之一或者通过根据本发明的电池模块或者根据本发明的飞行器来执行。
根据本发明的用于冷却电动飞行器的电池单元的冷却方法利用具有潜热蓄热器形式的第一冷却装置的电池冷却装置来执行。在方法步骤A中，所述第一冷却装置吸收电池单元释放的第一热量。
重要的是，在方法步骤B中，电池冷却装置的第二冷却装置从电池单元和/或第一冷却装置吸收第二热量。
根据本发明的方法也具有根据本发明的电池单元或所描述的优选实施方式的优点。
在根据本发明的方法的优选实施方式中，方法步骤B在电池单元的充电过程之前和/或期间和/或之后执行，其方式是，将冷却剂输送到电池冷却装置的第二冷却装置中。这里，第二冷却装置中的冷却剂从电池单元和/或第一冷却装置吸收第二热量。
第一热量和第二热量可以是彼此相同的，但也可以是彼此不同的。
在所述方法的优选的实施方式中，在吸收第一热量时，第一冷却装置的潜热蓄热器的物态从固态改变到液态/粘稠态，并且在释放第二热量时，潜热蓄热器的物态从液态/粘稠态改变到固态。
在所述方法的另一个实施方式中，在充电过程之前将带有电池冷却装置的电池单元从电驱动的飞行器中取出。在地面充电站上进行充电过程。在完成用于恢复潜热蓄热器的功能的逆反应之后和/或在充电过程结束之后将制冷剂从第二冷却装置中输送出来，并将带有电池冷却装置的电池单元装入电动飞行器中。
本发明特别是适于用于申请人的垂直起降的电动飞行器以及申请人的电池模块中，例如用于申请日为2020年3月5日的申请“Batteriekühlvorrichtung mitBrandschutzmaterial,Batteriemodul mit Brandschutzmaterial sowie
Figure BDA0003533180030000131
”和“Verfahren zur Kühlung einer Batterie und Kühlsystem”中。
附图说明
下面参考实施例和附图来说明根据本发明的装置和根据本发明的方法的进一步的优选的特征和实施方式。这些实施方式和给出的任何尺寸只是本发明的有利设计方案并且因此不是限制性的。
其中：
图1示出具有电池模块的电动多旋翼飞行器；
图2示出在放电过程期间第一热量在电池模块内部的热转移；
图3示出在充电过程期间第二热量在电池模块内部的热转移；
图4示出电池模块的立体图；
图5示出电池模块的分解视图；
图6示出电池模块的正面剖视图；
图7示出具有多旋翼飞行器和地面充电站的电池充电系统。
具体实施方式
图1示出具有机身2的电动多旋翼飞行器1，在机身的内部空间中设置电池模块3。在机身2的上方，所述多旋翼飞行器1具有多个电驱动单元4，每个驱动单元4包括至少一个电机以及螺旋桨。
电池模块3包括多个电池单元5以及电池冷却装置6，所述电池单元设计成锂离子圆形电池单元，所述电池冷却装置具有第一潜热蓄热器7和第二潜热蓄热器8形式的第一冷却装置和柔性冷却软管9形式的第二冷却装置。
电池单元5用于存储电驱动单元4运行所需的电能。由于电池单元5在驱动单元4的运行期间放电，必须在接下来的充电过程中对所述电池单元进行充电。由于在放电过程期间以及在充电过程期间在电池单元5中的化学反应，会出现必须通过电池冷却装置6导出的热。这里形成的热流在图2和3中示出，其中，图2示出在放电过程期间的散热，而图3示出在充电过程期间的散热。
图2示意性示出在放电过程期间在电池模块3内部的主要热传递。此时，电池单元5与第一潜热蓄热器7和第二潜热蓄热器8处于导热接触。在放电过程期间形成第一热量10，所述第一热量经由相应的导热接触传递到潜热蓄热器7和8上。在放电过程期间不进行或仅进行很小的到柔性冷却软管9的热传递。尽管用以制造冷却软管的材料被加热，但这不会导致电池单元发生明显的冷却。
由于潜热蓄热器特有的特性，在放电过程期间，第一潜热蓄热器7和第二潜热蓄热器8的温度不会升高。相反，由于吸收热量，在潜热蓄热器中相变材料发生例如从固态到液态/粘稠态的相变。但由于从电池单元5导出热，避免了在电池模块3中发生过度发热。
在放电过程结束之后，必须在充电过程中对电池单元5进行充电。在电池冷却装置继续运行之前，还必须通过冷却潜热蓄热器使相变材料的相变逆转，以便能够重新实现良好的冷却效果。这在图3中示出。这里，电池模块的电池单元5电连接至固定的蓄能器11以及连接至地面充电站(未示出)的冷却剂回路(未示出)。通过这种电接通，可以恢复电池单元11的充电状态。通过与冷却剂回路的导热接触，将冷却剂输送到柔性冷却软管9中。由此，在充电过程期间，在电池单元5中产生的热量以及已经存储在潜热蓄热器7和8中的第一热量10共同地以第二热量13的形式导出。
图4示出电池模块3的结构上的实施例。所述电池模块3具有壳体，所述壳体具有盖子14、侧壁、端壁以及(这里未示出的)底部，在所述侧壁中示出第一侧壁15，在所述端壁中示出第一端壁16。所述盖子14可拆卸地与侧壁和端壁螺纹连接。这些壳体部件共同形成内部空间，在所述内部空间中主要设置所述电池单元5和电池冷却装置6。
在第一端壁16的区域中设有已经描述的柔性冷却软管的流入接头17和流出接头18。为了冷却电池模块3，在充电过程期间通过流入接头17将冷却剂13输送到电池模块3的内部空间中并使其从流出接头18重新流出。
图5示出电池模块3的分解视图，在图4中以安装状态示出所述电池模块。图6示出了同一电池模块的正面剖视图。下面的说明因此既适用于图5，也适用于图6。
电池模块的电池单元5设计成锂离子圆形电池单元并且相互平行排列。电池单元5具有端面，这里，所有负极N根据所示出的图示指向上方。此外，所有正极P指向下面。由此，通过线接合结构，以简单的方式使所有负极N与一个(未示出的)汇流排接通，而使所有正极P与另一个(未示出的)汇流排接通。
电池单元5在电池单元的相应电极所在的区域中由可膨胀的防火材料19包围。电池单元5的端部区域没有由防火材料19包围。由此，在端面的所述区域中形成结构空间，在所述结构空间中可以设置第一潜热蓄热器7和第二潜热蓄热器8。第一潜热蓄热器7和第二潜热蓄热器8构造成孔板。所述孔板的孔的尺寸和在各自的孔板上的相对位置上基本上对应于电池单元5的尺寸和位置。由此，为了安装电池模块3，第一潜热蓄热器7以及第二潜热蓄热器8可以形锁合地与电池单元5连接。由此，在电池单元5与第一潜热蓄热器7、第二潜热蓄热器8之间形成直接的热接触。
为了使得对于安全性重要的第一潜热蓄热器7、第二潜热蓄热器8和防火材料19都不会过度地受到机械载荷，在第一潜热蓄热器7、第二潜热蓄热器8的上方和下方分别设置第一单元支架20或第二单元支架21。第一单元支架20、第二单元支架21用于在空间上将电池单元5固定在电池模块3的壳体中，从而可能出现的作用于电池单元5上的力不必由上面所述的对安全性重要的部件支撑。
所述柔性冷却软管9在当前情况下构造成轻构件并且设置在所述盖子14下方。为了避免电池单元5由于冷却软管9发生短路，所述冷却软管通过电绝缘的导热垫23与电池单元5分离。为了提高柔性冷却软管9的冷却效果，可以给所述冷却软管加载高的内压。由此，冷却软管9发生膨胀并且向电池模块3的待冷却的部件施加相应高的压紧力。为了不会由于电池模块3的棱边尖锐的轮廓使冷却软管9发生损坏并且可以将所述压紧力均匀地分配到待冷却的部件上，在导热垫23和冷却软管9之间设置具有高弯曲刚度的金属板24。
图7示出具有多旋翼飞行器1和地面充电站26的电池充电系统25。可以利用在飞行器之外或之内的电池充电过程来将“用过的”潜热蓄热器重新置于初始状态，就是说，将液态/粘稠态的潜热蓄热器重新置于固态。为此，可以将电池连同电池冷却装置从飞行器中取出并且接通，或者可替代地将其留在飞行器中。
此外，地面充电站26包括冷却回路27，所述冷却回路27具有冷却剂容器28和位于冷却剂容器中的冷却剂13。泵29将冷却剂13输送通过热交换器30并经由流入口31输送到电池模块3的电池冷却装置6的柔性冷却软管9中(见图5和图6)。升温的冷却剂13通过流出口32重新流入冷却剂容器28。同时，电池模块3的电池单元5经由接头33与固定的蓄能器11接通并得到充电。所述蓄能器11与发电机34连接，利用所述发电机可以在充电过程之后或期间给蓄能器充电。
根据本发明，通过所示出的电池充电系统，被加热的潜热蓄热器的相变由于主动冷却而逆转。此时，液态/粘稠态的潜热蓄热器重新转入固态。
在充电过程结束之后，通过设置在流出口32中的第二泵35将冷却剂13从电池模块3中输送出来。由此，相对于填充状态，降低了第二冷却装置的重量。

Claims (16)

1.一种电池冷却装置，用于冷却电动飞行器(1)的至少一个电池单元(5)，所述电池冷却装置(6)包括第一冷却装置(7、8)，所述第一冷却装置设计成在放电过程中至少从所述电池单元(5)吸收第一热量(10)，所述第一冷却装置(7、8)包括至少一个具有可变物态的潜热蓄热器，其特征在于，所述电池冷却装置(6)包括第二冷却装置(9)，所述第二冷却装置设计成从所述电池单元(5)和所述第一冷却装置(7、8)吸收第二热量(12)，所述第二冷却装置(9)能供冷却剂(13)填充和流动通过。
2.根据权利要求1所述的电池冷却装置，其特征在于，所述第二冷却装置(9)具有柔性的软管和/或冷却板，所述软管或所述冷却板能供所述冷却剂(13)填充和流动通过。
3.根据权利要求2所述的电池冷却装置，其特征在于，特别地，所述软管设计成在供所述冷却剂(13)流动通过时，间接或直接向所述电池单元(5)和所述第一冷却装置(7、8)施加压紧力。
4.根据上述权利要求中任一项所述的电池冷却装置，其特征在于，所述第二冷却装置(9)通过第一中间层(23)与所述电池单元(5)导热地连接，并且所述第一中间层(23)是电绝缘的，并且特别地，所述第一中间层(23)是导热垫。
5.根据权利要求4所述的电池冷却装置，其特征在于，所述第二冷却装置(9)通过第二中间层(24)与所述第一中间层(23)导热地连接，并且所述第二中间层(24)具有比所述第一中间层(23)更高的机械承载能力，特别地，所述第二中间层(24)具有比所述第一中间层(23)更高的刚度和/或强度。
6.一种电池模块，所述电池模块(3)具有电池冷却装置(6)和至少一个电池单元(5)，优选地，所述电池模块具有电池冷却装置(6)和多个电池单元(5)，其特征在于，所述电池冷却装置(6)采用根据权利要求1至5中任一项所述的电池冷却装置。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块(3)包括防火材料(19)，所述防火材料至少部分地包围所述电池单元(5)或所述多个电池单元(5)。
8.根据权利要求6或7所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块(3)具有汇流排，并且所述电池单元通过至少一个线接合结构与所述汇流排导电地连接。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块(3)包括至少两个所述电池单元(5)，优选地，所述电池模块(3)包括多于两个所述电池单元(5)，每个所述电池单元构造成圆柱形的圆形电池单元，所述圆形电池单元具有负极端面(N)和正极端面(P)，所述圆形电池单元相互平行排列并且所有所述电池单元(5)的负极端面(N)都设置在所述电池模块(3)的第一侧，并且所有所述电池单元(5)的正极端面(P)都设置在所述电池模块(3)的第二侧。
10.一种飞行器，所述飞行器(1)是垂直起降的电动飞行器，其特征在于，所述飞行器具有根据权利要求6至9中任一项所述的电池模块(3)。
11.根据权利要求10所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器(1)具有连接机构，所述连接机构设计成用于在运行状态下将所述电池模块(3)与所述飞行器的驱动单元机械地连接和电连接，所述连接机构设计成可拆卸地，以能够将所述电池模块(3)从所述飞行器(1)上分离，进行充电过程。
12.一种充电系统，为具有垂直起降的飞行器(1)和地面充电站(26)的电池充电系统(25)，其特征在于，所述垂直起降的飞行器(1)采用根据权利要求10或11所述的飞行器，并且所述地面充电站(26)具有用于电池单元的充电装置和冷却设备，并且所述地面充电站设计成用于在电池单元(5)的充电过程中电接通所述电池模块(3)并且将电池冷却装置(6)的第二冷却装置(9)与所述冷却设备的固定的冷却剂回路(27)导热地连接。
13.一种冷却方法，用于利用电池冷却装置(6)冷却电动飞行器(1)的电池单元(5)，特别地，所述飞行器(1)是垂直起降的飞行器(1)，所述电池冷却装置(6)具有带有潜热蓄热器的第一冷却装置(7、8)，在方法步骤A中，所述第一冷却装置(7、8)吸收所述电池单元(5)释放的第一热量(10)，其特征在于，在方法步骤B中，所述电池冷却装置的第二冷却装置(9)从所述电池单元(5)和/或所述第一冷却装置(7、8)吸收第二热量(12)。
14.根据权利要求13所述的冷却方法，其特征在于，所述方法步骤B在所述电池单元(5)的充电过程之前和/或期间和/或之后执行，其中，将冷却剂(13)输送到所述电池冷却装置的所述第二冷却装置(9)中，并且所述第二冷却装置(9)中的冷却剂从所述电池单元(5)和/或所述第一冷却装置(7、8)吸收所述第二热量(12)。
15.根据权利要求13或14所述的冷却方法，其特征在于，在吸收所述第一热量(10)时，所述第一冷却装置(7、8)的所述潜热蓄热器的物态从固态改变到液态/粘稠态，并且在释放所述第二热量(12)时，所述潜热蓄热器的物态从液态/粘稠态改变到固态。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的冷却方法，其特征在于，在所述电池单元(5)的充电过程之前，将包括所述电池冷却装置(6)和至少一个所述电池单元(5)的电池模块(3)从所述电动飞行器(1)中取出，并在所述地面充电站(26)上进行充电过程，并且在完成用于恢复所述潜热蓄热器的功能的逆反应之后，将冷却剂(13)从所述第二冷却装置(9)中输送出来，并将所述电池模块(3)重新装入所述电动飞行器(1)。
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