CN116057754A - 储能系统 - Google Patents

Abstract

一种储能系统(1)，包括壳体(2)，在所述壳体中布置有多个储存单元(3)，其中所述多个储存单元(3)分别借助布置于两个相邻的储存单元(3)之间的装置(4)彼此间隔开，从而形成间隙(5)，所述间隙(5)对应于至少一个紧急冷却通道(6)。

Description

储能系统

发明领域

本发明涉及一种储能系统，包括壳体，在壳体中布置有多个储存单元，其中，多个储存单元分别借助布置于两个相邻的储存单元之间的装置以产生间隙的方式相互间隔开。

背景技术

储能系统，特别是可再充电的电能储存器，尤其被广泛应用于移动系统。可再充电的电能储存器例如被应用在诸如智能手机或便携式计算机的便携式电子设备中。此外，越来越多地使用可再充电的电能储存器来为电驱动的车辆提供能量。其中可涵盖范围宽广的电驱动车辆，除了乘用车以外，例如也涵盖两轮车、小型运输车或者载重汽车。也可以应用在机器人、船舶、飞机和移动式工作机械中。电能储存系统的其他应用领域是固定式应用，例如在备份系统中的应用、在网络稳定化系统中的应用、以及用于储存来自可再生能源的电能。

其中，常用的储能系统是形式为锂离子蓄电池的可再充电的储存器。同其他可充电的电能储存器一样，锂离子蓄电池大多具有多个储存单元，其共同地装在一个壳体中。其中，通常将多个相互电连接的储存单元整合成一个模块。

其中，储能系统不仅涉及锂离子蓄电池。其他可再充电的电池系统，如锂硫电池、固态电池或者金属空气电池也是可以考虑的储能系统。此外也将超级电容器视作储能系统。

形式为可再充电的储存器的储能系统仅在有限的温度范围内具有最高的电容以及最佳的功率接收和功率输出。在超出或低于最优工作温度范围的情况下，储存器的容量、功率接收能力和功率输出能力大幅下降，且储能器的功能受到负面影响。此外，过高的温度可能使储能器发生不可逆的损伤。据此，持续出现的较高温度以及短期的温度峰值均一定要避免。就锂离子蓄电池而言，例如应避免超出高于50℃的持续温度以及高于80℃的短期温度峰值。

特别是在应用于乘用车的情况下，要求储能系统具备快速充电能力。其中，构成储能系统的蓄电池应在短时间内，例如在15分钟内完全地或近乎完全地完成充电。基于充电系统约90％至95％的效率，在充电过程期间在储能系统中释放较大的热量，必须将这些热量从储能系统导出。在正常的工作状态下则不释放这些热量。因此必需的是，储能系统的冷却系统如此设计，使得在充电过程期间出现的热量能够被吸收。

过高的温度可能导致储能系统的不可逆的损伤。就此而言，特别是就锂离子蓄电池而言已知所谓的热失控(thermische Durchgehen，有时称为热散逸，英语：thermalrunaway)。在此情形下，在短时间内释放较高的热能量以及气态分解产物，由此在储存单元内或在布置有储存单元的壳体内造成高压和高温。对于例如为了在电驱动车辆中提供电能而需要的具有高能量密度的储能系统而言，该效应尤其成问题。各单元的能量增多以及布置于壳体中单元的装填密度增大使得热失控问题加剧。

此外，单个单元的热失控还可能由大量其他机制引发。其中例如包括单元外部的短路、单元内部的短路、发生单元壳体损坏的事故事件、或者储存单元不当的过度充电。仅因大量可能的损坏事件，就无法完全排除各储存单元的热失控。

在一个失控单元的区域内，可能在单元的壳体壁部上产生持续时间约30秒的600℃范围内的温度。其中，温度负荷越高，储存单元的能量密度便越高。布置于储存单元之间的装置需要承受这种载荷，并以一定方式减小向相邻单元的能量转移，使得相邻单元的温度负荷至高仅为约150℃。重要之处在于限制向相邻单元的能量传输，从而防止这些相邻单元也发生热失控(也称作“热传播(Thermal Propagation)”)。

由于有大量可能的损坏事件，并且由于储存单元层级以及储能系统层级的能量密度提升，“热传播”的风险大幅增加。如果发生这种“热传播”，则在短时间内不仅释放单个储存单元的能量，而是释放整个储能系统的能量，这可能伴随爆炸性的损坏事件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种储能系统，其中在一个储存单元热失控的情况下，蔓延至整个系统的危险有所减小。

本发明通过权利要求1的特征实现上述目的。有利的设计方案参阅从属权利要求。

为了达成上述目的，由布置于两个相邻的储存单元之间的装置构成的间隙对应于至少一个紧急冷却通道。

这样便能在损坏情况下引导冷却介质穿过位于两个相邻储存单元之间的间隙。在此情形下，冷却介质将受损储存单元所释放的热吸收。其中特别是可设想将冷却介质蒸发，其中，冷却介质能够通过相变吸收非常多的热量(蒸发焓)。相应地，紧急冷却通道并非储能系统的常规冷却装置的组成部分。仅在与紧急冷却通道邻接的多个储存单元中的一个储存单元受损的损坏情况下，才流过该紧急冷却通道。

相应地，储能系统优选包括具有至少一个冷却通道的冷却装置，其中冷却装置的冷却通道可在损坏情况下与紧急冷却通道建立流动连接。冷却装置被设计成在惯常的工作状态下将储能系统的储存单元保持在期望的温度范围内。相应地，冷却装置也可以被设计成在快速充电过程期间冷却储存单元。仅在损坏情况下，即当储存单元不可逆地受损时，在冷却装置的冷却通道与受损储存单元所对应的紧急冷却通道之间建立流动连接，使得冷却介质能够从冷却通道排出并且流过紧急冷却通道。在此情形下，冷却介质能够吸收较多的热量，并且防止与受损储存单元相邻的储存单元发生热过载并进而也发生热失控。现有的用于紧急冷却的冷却系统的设计方案是有利的，因为无需额外的重量和额外的成本便能实现紧急冷却。

冷却通道可以具有至少一个封闭元件，其在损坏情况下打开并且在冷却通道与紧急冷却通道之间建立导流连接。在调节运行下，封闭元件将冷却通道阻断，以免冷却介质丢失。仅在损坏情况下封闭元件才打开，使得冷却介质能够从冷却通道排出并且流过紧急冷却通道。在具体情形下，热的储存单元使得与此储存单元热连接的散热器升温，并将热能传递至封闭元件。这个封闭元件能够例如因熔化过程、热收缩或者热诱发的执行机构以温度引发的方式打开。因热诱发的执行机构而打开的封闭元件例如可以包括由形状记忆合金构成的元件，或者可发生化学分解反应。

其中，所述封闭元件可以是独立的构件，或者以与冷却通道材料一致或一体式的方式构造。封闭元件例如可以构造为栓塞，栓塞因压力升高而要么被压入冷却通道，要么被从冷却通道压出。作为替代方案，该封闭元件可构造为膜片或者薄膜，其因局部的温度作用而打开。此外，封闭元件可以通过所述冷却通道的粗细的局部减小实现。

封闭元件可以构造为薄膜。其中，特别是将聚合物或者金属材料用作薄膜的材料。在此情形下，薄膜将冷却通道的紧急开口遮盖。

在高于冷却装置的最大工作温度的温度下，封闭元件将紧急开口释放。在此情形下，封闭元件可以熔化、偏转、向上折弯或者化学分解。就工作温度而言，封闭元件将紧急开口释放的温度介于80℃与400℃之间，优选介于100℃与300℃之间。针对打开的温度越低，在损坏情况下进行的响应便越快。但在打开温度较低的情况下需要注意允许的温度峰值，例如在快速充电过程中。

优选地，通过封闭元件以由温度决定的方式进行打开。其中特别有利的是，无需任何传感器或诸如此类装置。但作为替代方案，也可以主动地将封闭元件打开。在这个设计方案中，温度传感器可以将信号发送至执行器，此执行器随即将封闭元件打开。

此外，可以一定方式设计冷却回路，使得在封闭元件打开的情况下，增大冷却介质穿过冷却装置的运输，从而增强紧急冷却的冷却效率。也可以采用布置于冷却装置内部的截止元件。截止元件例如可以布置在冷却通道内部。这些截止元件可以如下构造：在采用紧急开口的情况下将冷却通道阻断，从而迫使冷却介质从打开的紧急开口逸出。

装置可以具有隔片，隔片界定至少一个紧急冷却通道。其中，装置可以构造为间隔件，使得储存单元在正常运行中具有预设的相互距离，进而改善冷却。此外，储存单元之间的预设的距离使得储存单元在其寿命范围内无阻碍的膨胀成为可能。这样一来，储存单元在寿命范围内均具有相互距离。隔片还可有助于在储存单元的寿命范围内对均匀压缩进行调节。通过预设的距离能够确保老化的单元也不被过度压缩。特别是就破坏性锂枝晶(Lithium-Dendrit)在老化储存单元的低温充电过程或快速充电过程中的形成而言，过度压缩有负面影响。

根据第一设计方案，至少一个紧急冷却通道的壁部可以由邻接的储存单元的壳体壁部形成。在这个设计方案中，在损坏情况下，冷却介质直接沿受损储存单元的壳体壁部流动。由此发生至冷却介质的特别大量的热传递。

根据另一设计方案，在装置内构造有至少一个紧急冷却通道。在此有利的是，能够以机械稳定性更高的方式构造装置。装置优选包括至少两个紧急冷却通道，其中，第一紧急冷却通道对应于相邻的储存单元中的一个，且第二紧急冷却通道对应于相邻的储存单元中的另一个。在这个设计方案中有利的是，与受损储存单元对应的紧急冷却通道能够运输在这个紧急冷却通道内蒸发并且在此情形下吸收较大热量的冷却介质。与另一储存单元对应的紧急冷却通道可以容置反之保持液态的冷却介质。在此情形下，确保未受损的相邻储存单元的温度低于该冷却介质的蒸发温度。

装置可以由塑料构成，例如由热塑性塑料、热固性塑料或者弹性体构成。作为替代方案，装置也可以由金属材料或者陶瓷材料构成，或者由材料组合构成。装置也可以至少部分地由弹性体材料设计。这使得装置具备柔性，并可用作针对储存单元的压缩元件。此外，由弹性体构成的设计方案的优点在于，对紧急冷却通道进行侧向密封，并且能够将运输的介质沿储存单元定向导出。

优选地，紧急冷却通道在背离冷却通道的一侧与周围环境连接。由此能够将特别是蒸发的冷却介质非常轻松地从紧急冷却通道放出，从而实现热传递。此外，可以将在从冷却通道排出后释放的冷却介质与从储存单元释放的包括热的分解产物的气流混合。由此一方面将气流大幅冷却，另一方面将气流大幅稀释。两者均在使用水性冷却介质的情况下减小从储存单元发出的热气流的火灾危险或爆炸危险。

附图说明

下面参照附图对根据本发明的储能系统的若干设计方案进行详细阐述。其中：

图1为储能系统的示意图；

图2为储能系统的示意性俯视图；

图3为储能系统的示意性俯视图；

图4为根据第二设计方案的储能系统的示意图；

图5为根据第三设计方案的储能系统的示意图；

图6为根据第四设计方案的储能系统的示意图；

图7为装置的不同设计方案的示意图；

图8为封闭元件的不同设计方案的示意图；

图9为处于损坏情况下的储存单元的示意图；

图10为采用额外的调节技术的储能系统的示意图。

具体实施方式

图1示出储能系统1，包括壳体2，在所述壳体中布置有多个储存单元3。在本设计方案中，储存单元3构造为形式为锂离子蓄电池的棱柱形单元，并且构成电动车辆的储能器的组成部分。

储存单元3借助布置于两个相邻的储存单元3之间的装置4彼此间隔开，使得在相邻的储存单元3之间产生间隙5。在如图1所示的图示中，示例性地仅在两个相邻的储存单元3之间布置有装置4，以便能够更好地识别出间隙5。

装置4以使得间隙5对应于一个紧急冷却通道6的方式构造。储能系统1还包括具有冷却通道8的冷却装置7。冷却通道8具有封闭元件9，封闭元件9在损坏情况下打开并且在冷却通道8与紧急冷却通道6之间建立导流连接。

装置4由塑料构成。其中，硅橡胶(VMQ)或者液态硅(LSR)因耐温性而特别优选。作为替代方案，装置4由其他温度稳定的材料构成。在装置4的区域内，冷却通道8设有封闭元件9，封闭元件9将紧急开口10遮盖，进而在正常运行中将冷却通道8密封。

图2为如图1所示的储能系统1的俯视图。其中可以看出，储存单元3设有形式为防爆片(Berstscheibe)的储存单元紧急开口16。在热失控情况下，储存单元紧急开口16因发生于储存单元3内部的分解过程所导致的热载荷和/或压力载荷而打开。如果储存单元3超出预定的温度和/或预定的压力，则储存单元紧急开口16打开，且经加热的材料从储存单元3的内部排出。

图3为如图1所示的储能系统1的俯视图。其中可以看出，装置4位于储存单元3之间，致使相邻的储存单元3彼此间隔开，从而产生间隙5。装置4具有隔片11，所述隔片界定多个紧急冷却通道6。其中，紧急冷却通道6的壁部分别由邻接的储存单元3的壳体壁部12形成。

在损坏情况下，储存单元3的储存单元紧急开口16打开，且经加热的处于压力下的材料从储存单元3的内部排出。在从储存单元3排出的材料的作用下，封闭元件9将紧急开口10释放，使得冷却介质从冷却通道8排出。这个冷却介质流过紧急冷却通道6。就与受损的储存单元3直接对应的紧急冷却通道6而言，冷却介质蒸发，且由此由于在液态与气态之间的相变而吸收较多的热量。与之相反，冷却介质则能够在不发生相变的情况下流过与相邻的(未受损的)储存单元3所对应的紧急冷却通道6。据此，就此储存单元3而言，冷却介质不直接蒸发，由此未受损的储存单元3的表面温度保持在低于冷却介质的沸点的温度。由此，总体上实现两级保护机制。一方面，通过冷却介质在损坏的储存单元3上的蒸发进行吸热，另一方面，通过液态冷却介质保护相邻的储存单元3。

其中，封闭元件9在装置4的整个宽度范围内延伸。作为替代方案，封闭元件9可以仅在部分区域的范围内延伸。

图4示出如图3所示的储能系统1的一个替代性设计方案。在这个设计方案中，装置4仅由呈框架状构造的间隔件构成，所述间隔件与储存单元3的边缘对应，因而特别易于构造。在这个设计方案中，仅形成一个单独的紧急冷却通道6。本设计方案的成本特别低廉。此外，结构空间需求特别小。可以将装置4直接压印至储存单元3上。在此附图中未示出封闭元件9。

图5示出如图3所示的储能系统1的另一设计方案。在本设计方案中，冷却装置7的冷却通道8位于介于相邻的储存单元3之间的间隙5中。在此情形下，冷却通道8是通过隔片11与紧急冷却通道6分隔开。其中，隔片11以在损坏情况下熔化并且在冷却通道8与紧急冷却通道6之间建立导流连接的方式构造。

图6示出如图5所示的储能系统1的一个改进方案。在本设计方案中，冷却装置7同样布置在介于两个相邻的储存单元3之间的间隙5中并且由装置4构成。在本设计方案中，冷却通道8与储存单元3直接对应，其中，针对每个冷却通道8分别设有一个紧急冷却通道6。通道6、8通过隔片11彼此分隔开，其中，隔片11在介于冷却通道8与紧急冷却通道6之间的区域内构成封闭元件9。在此情形下，封闭元件9构造为熔化区域，熔化区域在损坏情况下熔化并由此在冷却通道8与紧急冷却通道6之间建立连接。

图7示出布置于相邻的储存单元3之间的装置4的不同的设计方案。在上部图示中，装置4包括平行于储存单元3延伸的中间层17。以分布于中间层17上的方式安设有隔片11，隔片11在中间层17与储存单元3的壳体壁部12之间界定一个紧急冷却通道6。在装置4的两侧上均布置有密封元件18。在损坏情况下，密封元件18应确保冷却介质穿过紧急冷却通道6的尽可能大的体积流量。

在下面示出的两个装置4均具有蛇形中间层，其以交替的方式界定紧急冷却通道6。

装置4可以由金属、陶瓷或者耐高温的塑料构成。在采用这些材料的情况下，确保即使在储存单元3严重变形的情况下也存在紧急冷却通道6。

诸如弹性体、尤其硅酮材料的柔软材料的优点在于，它们能够部分地对储存单元3在老化以及充电/放电过程中的尺寸变化进行补偿，进而防止储存单元3的过度压缩。中间层17也可以由陶瓷薄膜构成，其中间隔元件和密封元件由弹性体材料构成。

中间的装置4及在其下方布置的装置4具有闭合的紧急冷却通道6。装置4的这些设计方案特别稳定并且具有针对严重变形的储存单元3的抗性。其中，装置4可以具有共同的紧急冷却通道6(中间的图示)或者独立的紧急冷却通道6(下方图示)。

下方的两个图示均示出中间的装置4的改进方案，其中装置4具有局部的熔化区域19，故可直接地为邻接的储存单元3的壳体壁部12施加冷却介质。

图8示出封闭元件9的不同的设计方案，封闭元件在损坏情况下可打开并且在冷却通道8与紧急冷却通道6之间可建立导流连接。如图8所示的封闭元件9可以选择性地设置于前述冷却装置7中的一个上。其中，封闭元件9可以是独立的构件，其被引入冷却通道8的开口中。封闭元件9可以构造为成型件、特别是构造为栓塞。

此外，封闭元件9可以构造为薄膜，薄膜以材料配合的方式施覆在冷却通道8的开口上。此外，封闭元件9可以具有打开装置，打开装置可热激活并且在超出预设温度的情况下在冷却通道8与紧急冷却通道6之间建立导流连接。这种封闭元件9例如可以借助形状记忆合金实现。

如果封闭元件9构造为薄膜，则这个封闭元件可以布置在位于冷却通道8的壁部中的开口或者凹口上方。就薄膜而言有利的是，这个薄膜可以采用非常薄的构造方案，并且能够确保冷却通道8与储存单元3之间的平面式接触。特别是可以将诸如聚烯烃、聚酯、聚酰胺或者聚乙烯醇的热塑性塑料用作薄膜材料。特别是在使用共聚物的情况下，能够降低其熔点。特别优选采用以下薄膜材料：薄膜材料在直至80℃的温度下具备针对冷却介质的长期稳定性，并且在高于120℃的温度下快速熔化并在冷却通道8与紧急冷却通道6之间建立连接。

也可以采用基于金属的薄膜，例如锡基合金。因此，二元合金Sn99Cu1例如具有约200℃的熔点。就金属薄膜而言有利的是，金属薄膜具有更好的热导率，故在正常运行中热传递有所改善，并且在损坏情况下能够加快熔化。

机械封闭元件9优选由热塑性材料或者弹性体构成。

图9示出位于发生热失控的储存单元3的区域内的间隙5。储存单元3的热失控导致释放大量从储存单元紧急开口16流出的经加热的有害气体。封闭元件9打开，并且释放紧急开口10，使得冷却介质从冷却通道8流入装置4。在此情形下，冷却介质至少部分地蒸发。在储存单元3的顶侧的区域内，冷却介质与从储存单元3发出的有害气体混合，其中，冷却介质使得混合后的流体流的温度降低。此外，冷却介质使得有害气体的可燃性以及毒性降低。此外，可以将气流通过通道14针对性地从单元组(Zellverband)导出。

图10示出储能系统1，包括位于冷却装置7上的四个储存单元3。在储存单元3中的两个之间示意性地示出装置4以及封闭元件9。泵15引起冷却介质穿过冷却装置7的通流。在下游布置有可通断的截止阀20。在储存单元3热失控的情况下，封闭元件9将紧急开口10释放，并将冷却介质输送至装置4。在本设计方案中，在此情形下通过泵15增大冷却剂流，并且将截止阀20闭合。这使得冷却介质穿过装置4的运输被增强和定向，由此改善紧急冷却效果。

Claims (14)

1.一种储能系统(1)，包括壳体(2)，在所述壳体中布置有多个储存单元(3)，其中所述多个储存单元(3)分别借助布置于两个相邻的储存单元(3)之间的装置(4)彼此间隔开，从而产生间隙(5)，其特征在于，所述间隙(5)对应于至少一个紧急冷却通道(6)。

2.根据权利要求1所述的储能系统，其特征在于，所述储能系统包括具有至少一个冷却通道(8)的冷却装置(7)，其中所述冷却通道(8)可在损坏情况下与所述紧急冷却通道(6)建立流动连接。

3.根据权利要求2所述的储能系统，其特征在于，所述冷却通道(8)具有至少一个封闭元件(9)，所述封闭元件在损坏情况下打开并且在冷却通道(8)与紧急冷却通道(6)之间建立导流连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的储能系统，其特征在于，所述装置(4)具有隔片(11)，所述隔片界定紧急冷却通道(6)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的储能系统，其特征在于，至少一个紧急冷却通道(6)的一个壁部由邻接的储存单元(3)的壳体壁部(12)形成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的储能系统，其特征在于，在所述装置(4)内构造有至少一个紧急冷却通道(6)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的储能系统，其特征在于，设置有至少两个紧急冷却通道(6)，其中第一紧急冷却通道(6)对应于相邻的储存单元(3)中的一个，第二紧急冷却通道(6)对应于相邻的储存单元(3)中的另一个。

8.根据权利要求1至8中任一项所述的储能系统，其特征在于，所述装置(4)由塑料、金属或者陶瓷构造而成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的储能系统，其特征在于，所述装置(4)独立于所述储存单元(3)构造。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的储能系统，其特征在于，所述紧急冷却通道(6)在背离所述冷却通道(8)的一侧与周围环境连接。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的储能系统，其特征在于，所述封闭元件(9)可热激活。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的储能系统，其特征在于，所述封闭元件(9)构造为成型件。

13.根据权利要求12所述的储能系统，其特征在于，所述封闭元件(9)构造为薄膜或者栓塞。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的储能系统，其特征在于，在与所述冷却通道(8)相对的一侧，从所述紧急冷却通道(6)流出的冷却介质与从所述储存单元(3)排出的有害气体混合。

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