ES2973427T3 - Módulo de batería y sistema de batería con alojamiento de intercambiador de calor - Google Patents

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Abstract

Se proporciona un módulo de batería, que comprende una carcasa estanca a los líquidos y una pluralidad de celdas de batería dispuestas en la carcasa estanca a los líquidos. Un primer fluido templado está incluido en la carcasa estanca a los líquidos en contacto térmico con la pluralidad de celdas de batería y con una superficie interior de la carcasa estanca a los líquidos. La carcasa estanca a los líquidos está construida para permitir un flujo de un segundo fluido de templado entre la superficie interior y una superficie exterior de la carcasa estanca a los líquidos, por lo que la carcasa estanca a los líquidos está configurada como una carcasa de perfil de doble pared, en la que una se forma integralmente un segundo canal de fluido para el flujo del segundo fluido de templado. Además se proporciona un sistema de batería que comprende un módulo de batería y un sistema de templado secundario conectado a la carcasa hermética a líquidos del módulo de batería y configurado para establecer el flujo del segundo fluido de templado. fluido de templado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Módulo de batería y sistema de batería con alojamiento de intercambiador de calor
La presente invención se refiere a un módulo de batería y un sistema de batería que permite un templado eficiente y homogéneo de celdas de batería.
En vista de la futura disponibilidad limitada de los combustibles clásicos y el nivel creciente de contaminación de aire debido a gases de escape de motores, se ha puesto el foco en soluciones de conducción alternativas en los últimos años. Independientemente de la fuente de energía primaria, la mayoría de enfoques requieren módulos y sistemas de batería con una densidad de energía alta, una vida útil larga y rendimiento alto.
Construir un sistema de batería es la integración mecánica, eléctrica y térmica de un gran número de celdas de batería en una unidad de funcionamiento. Aspectos adicionales a considerar son la compatibilidad química de los componentes usados, las características de seguridad en caso de una fuga térmica y facilidad de producción en masa.
El control de temperatura adecuado de cada celda de batería dentro de un sistema de batería es un requisito clave, en particular, cuando se carga y descarga la batería. El incumplimiento de los límites de temperatura de, por ejemplo, las celdas de batería de iones de litio, puede conducir al deterioro gradual del rendimiento de la batería o incluso una destrucción rápida y peligrosa de la batería.
Convencionalmente, el control de la temperatura de las celdas de batería en un sistema de batería se puede realizar indirectamente, por ejemplo, proporcionando un cuerpo de enfriamiento en contacto térmico con partes de la base de celdas de batería cilíndricas. Se establece un flujo de un fluido de templado a través de canales incluidos en el cuerpo de enfriamiento. De esta forma, el calor generado por la celda de batería se transfiere a través de su carcasa hacia el cuerpo de enfriamiento. Esta configuración presenta una alta inercia térmica, que conduce a grandes picos de temperatura en el caso de una carga alta o durante la carga. Dichos picos de temperatura se pueden evitar limitando la corriente máxima. No obstante, el sistema convencional no permite cambios de carga rápidos.
Alternativamente, las celdas de batería se pueden enfriar directamente a través de un fluido de templado en contacto térmico directo con las celdas de batería. Con este propósito, se puede proporcionar un espacio hueco estanco a los líquidos alrededor de las carcasas de las celdas de batería. Bombeando el fluido de templado a través de dichos espacios huecos, el calor, que se genera principalmente en los polos de las celdas de batería, se transfiere a través de las carcasas hacia el fluido de templado. Esta técnica se conoce como enfriamiento por inmersión. Una desventaja de tal sistema es que cada espacio hueco alrededor de las carcasas de las celdas de batería requiere un sello estanco a los líquidos, normalmente en dos ubicaciones de las carcasas de las celdas de batería.
En sistemas más sofisticados, las celdas de batería están inmersas completamente en un fluido de templado. Esta configuración requiere una gran cantidad de fluido de templado, lo que conduce a un mayor peso y costes del sistema. Además, el fluido de templado tiene que presentar características específicas, porque no solamente está en contacto con las carcasas de las celdas de batería, sino también con los polos.
El documento EP 2950379 A1 se refiere a un sistema de batería con múltiples celdas de batería en un alojamiento estanco a los líquidos, en donde las celdas de batería están en contacto con un primer enfriador. Un segundo enfriador puede fluir a través de canales incluidos en una tapa del alojamiento. Las celdas de batería se enfrían por un intercambio de energía entre los dos enfriadores, con el primer enfriador que cambia a la fase gaseosa y que se condensa de nuevo en la pala del alojamiento.
El documento WO 2012/089132 A1 se refiere a un sistema de gestión de temperatura de batería, en donde un intercambiador de calor se conecta a un módulo de batería a través de un circuito de enfriamiento y un controlador de temperatura se conecta con el intercambiador de calor a través de un circuito de refrigerante. Un enfriador en el circuito de enfriamiento y un refrigerante en el circuito de refrigerante intercambian calor entre sí a través del intercambiador de calor.
En vista de lo anterior, sería deseable proporcionar un módulo de batería y sistema de batería mejorados que permita el templado eficiente y homogéneo de las celdas de batería.
Esto se logra mediante las características de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones ventajosas.
La presente invención se refiere a un módulo de batería, que comprende un alojamiento estanco a los líquidos y una pluralidad de celdas de batería dispuesta en el alojamiento estanco a los líquidos. El módulo de batería comprende además un primer fluido de templado incluido en el alojamiento estanco a los líquidos en contacto térmico con la pluralidad de celdas de batería y con una superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos. El alojamiento estanco a los líquidos se construye para permitir un flujo de un segundo fluido de templado entre la superficie interna y una superficie externa del alojamiento estanco a los líquidos.
En otras palabras, el módulo de batería comprende múltiples celdas de batería dentro de un alojamiento. El alojamiento es estanco a los líquidos. Es decir, el primer fluido de templado incluido en el alojamiento no encuentra el camino al exterior del alojamiento. No obstante, el alojamiento estanco a los líquidos puede comprender aberturas, por ejemplo, para pasacables eléctricos o líneas de señal. Además, el alojamiento estanco a los líquidos puede comprender aberturas, a través de las cuales se conecta el interior del alojamiento estanco a los líquidos a un canal, un tubo, una tubería o similar para el primer fluido de templado. No obstante, dichas aberturas (aberturas de pasacables, aberturas de conexión de fluidos) están selladas frente al medio ambiente.
Cada celda de batería está en contacto térmico con el primer fluido de templado. En particular, el fluido de templado puede, en particular, cubrir secciones de polos de cada celda de batería, en la medida que el calor se genera principalmente en las secciones de polos. Además, el primer fluido de templado está en contacto térmico con una superficie interna del alojamiento. Por ejemplo, el primer fluido de templado puede estar en contacto con toda la superficie interna del alojamiento o una parte de toda la superficie interna del alojamiento. Por lo tanto, el calor generado por las celdas de batería se puede transferir a través del primer fluido de templado a la carcasa. Esto se puede realizar a través de conducción o convección, por ejemplo. Dentro del alojamiento, es decir, entre la superficie interna y la superficie externa del alojamiento, se puede establecer un flujo de un segundo fluido de templado, por ejemplo, mediante un segundo sistema de templado. Con este propósito, el alojamiento se construye para permitir el flujo del segundo fluido de templado. Por ejemplo, las paredes de los alojamientos pueden comprender espacios huecos internos para el flujo del segundo fluido de templado. En otras palabras, se pueden construir secciones de pared del alojamiento estanco a los líquidos para permitir el flujo del segundo fluido de templado dentro de dichas secciones de pared. En particular, la sección de pared dispuesta para el flujo del segundo fluido de templado puede corresponder a la superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos (o una parte de la misma), que está en contacto térmico con el primer fluido de templado dentro del alojamiento estanco a los líquidos.
Con dicha configuración, el alojamiento estanco a los líquidos del módulo de batería puede servir como un intercambiador de calor entre el sistema de templado primario interno, por ejemplo, el primer fluido de templado contenido en la carcasa, y un sistema de templado secundario externo, en particular, un segundo fluido de templado que fluye a través de las paredes de la carcasa. Como el segundo fluido de templado no está en contacto con las celdas de batería, los requisitos con respecto a las características de dicho segundo fluido de templado son menores. Específicamente, se puede no requerir que el segundo fluido de templado sea dieléctrico. Además, el módulo de batería es una unidad compacta independiente con un intercambiador de calor integrado a ser conectado al sistema de templado secundario.
Además, usando un alojamiento estanco a los líquidos, una pluralidad de módulos de batería térmicamente independientes se pueden conectar eléctricamente entre sí para formar un sistema de batería. La pluralidad de módulos de batería térmicamente independientes se puede conectar al sistema de templado secundario. Esto puede permitir el control de temperatura individual de cada uno de la pluralidad de módulos de batería, de manera que las diferencias de temperatura entre dichos módulos se puedan minimizar o - intencionadamente - provocar.
Aún más, separando el sistema de templado primario interno del sistema de templado secundario con respecto a los fluidos de templado respectivos, se puede utilizar un segundo fluido de templado común que no presenta características eléctricas específicas. Específicamente, se puede no requerir que el segundo fluido de templado sea un dieléctrico, porque no está en contacto con las celdas de batería, en particular, las secciones de polos de las mismas.
En una realización, el módulo de batería comprende además una bomba dispuesta en el exterior del alojamiento estanco a los líquidos y conectada al interior del alojamiento estanco a los líquidos a través de unos primeros canales de fluido del alojamiento estanco a los líquidos. La bomba se configura para generar un flujo del primer fluido de templado dentro del alojamiento estanco a los líquidos bombeando el primer fluido de templado a través de los primeros canales de fluido.
Es decir, se puede establecer activamente un flujo del primer fluido de templado dentro del alojamiento estanco a los líquidos por la bomba. Los primeros canales de fluido del alojamiento estanco a los líquidos pueden estar separados espacialmente del flujo del segundo fluido de templado dentro de las paredes del alojamiento estanco a los líquidos. En otras palabras, el primer fluido de templado y el segundo fluido de templado no se mezclan uno con otro. El círculo de templado interno (la bomba, los primeros canales, el interior del alojamiento estanco a los líquidos) está separado espacialmente del círculo de templado secundario (el sistema de templado externo, el flujo del segundo fluido de templado dentro de las paredes del alojamiento estanco a los líquidos).
Dentro del alojamiento estanco a los líquidos, el flujo del primer fluido de templado se puede guiar, por ejemplo, por canales específicos, que se pueden formar mediante la disposición de las celdas de batería con respecto al alojamiento. Es decir, el flujo del primer fluido de templado se puede determinar mediante la disposición particular de las celdas de batería más que por tubos o tuberías específicas. En otras palabras, dichos canales pueden no estar formados por conductos físicos, tuberías o tubos específicos, sino por la configuración del espacio dentro del alojamiento estanco a los líquidos no ocupado por componentes sólidos físicos como celdas de batería, sensores, partes de alojamiento, agarres, cables, otros medios de conexión eléctrica y similares.
Con esta configuración, la homogeneidad de temperatura dentro del módulo de batería se puede aumentar y, además, se puede mejorar la transferencia de calor entre las celdas de batería y el alojamiento.
En una realización, el alojamiento estanco a los líquidos, la bomba y los primeros canales de fluido forman un sistema cerrado a materiales del primer fluido de templado.
Es decir, el primer fluido de templado está encerrado dentro del espacio proporcionado por el alojamiento estanco a los líquidos, los primeros canales de fluido y el espacio interno de la bomba. En otras palabras, se evita un intercambio de material (por ejemplo, el primer fluido de templado) entre el sistema interno (por ejemplo, el interior del alojamiento estanco a los líquidos, los primeros canales de fluido y el interior de la bomba) y el exterior del módulo de batería, mientras que puede ocurrir un intercambio de energía térmica, es decir, calor.
En una realización, el alojamiento estanco a los líquidos comprende un segundo canal de fluido para el flujo del segundo fluido templado.
Es decir, el alojamiento estanco a los líquidos se puede construir para permitir el flujo del segundo fluido de templado entre la superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos y la superficie exterior del alojamiento estanco a los líquidos proporcionando un segundo canal de fluido. En otras palabras, el segundo canal de fluido está formado dentro de las paredes del alojamiento estanco a los líquidos. El alojamiento estanco a los líquidos también puede comprender una pluralidad de segundos canales de flujo. El segundo canal de flujo no está en conexión fluida con el interior del módulo de batería, los primeros canales de flujo o la bomba.
En una realización, el segundo canal de fluido sobresale hacia el interior del alojamiento estanco a los líquidos. Es decir, la superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos, que está en contacto térmico con el primer fluido de templado, presenta una superficie estructurada no plana. Por ejemplo, la superficie interna puede presentar una superficie ondulada o ranurada. La superficie interna puede tener surcos y crestas. Por ejemplo, el curso del segundo canal de fluido puede corresponder o coincidir con el curso de una cresta respectiva de la superficie interna. Por ejemplo, la cresta y el segundo canal de flujo se pueden disponer de modo que el segundo canal de flujo se sitúe dentro de la cresta respectiva. Puede ser la ventaja particular de que la superficie interna presente una superficie no plana en la que se aumenta el área en contacto térmico con el primer fluido de templado. Por ello, la tasa de transferencia de calor entre el primer fluido de templado y el segundo fluido de templado, a través de la pared del canal, se mejora, conduciendo a una eficiencia de enfriamiento/calentamiento más alta.
Por ejemplo, el segundo canal de fluido tiene una sección transversal circular.
La sección transversal del segundo canal de fluido puede ser elíptica, rectangular o similar. Además, el segundo canal de fluido puede presentar una parte con una sección transversal circular y una parte que tiene una sección transversal diferente.
En una realización, el segundo canal de fluido se extiende en una dirección de un eje principal del módulo de batería.
El eje principal del módulo de batería puede ser un eje que se extienda en una dirección predeterminada con respecto al alojamiento. Por ejemplo, el eje principal puede ser un eje de principio del módulo de batería. Por ejemplo, el eje principal puede extenderse en una dirección correspondiente a una dirección de un tamaño físico máximo o mínimo del módulo de batería o el alojamiento estanco a los líquidos. Por ejemplo, el eje principal se puede extender en una dirección correspondiente a una dirección de un eje simétrico de rotación (discreto) de orden más alto o más bajo del módulo de batería o el alojamiento estanco a los líquidos. En un caso donde el alojamiento estanco a los líquidos tiene sustancialmente forma de caja, el eje principal del módulo de batería puede extenderse en una dirección perpendicular a una superficie lateral de una caja circundante (teórica).
El alojamiento estanco a los líquidos comprende un alojamiento de perfil, una primera placa final y una segunda placa final. El alojamiento de perfil tiene dos lados finales abiertos, que están situados opuestos entre sí a lo largo de un eje principal del módulo de batería. La primera placa final y la segunda placa final cierran de manera estanca a los líquidos el alojamiento de perfil en los dos lados finales abiertos.
Un alojamiento de perfil puede ser una parte de alojamiento, que tiene forma de caja o sustancialmente forma de caja que tiene dos lados abiertos opuestos entre sí y cuatro partes de pared dispuestas para tener una sección transversal rectangular o sustancialmente rectangular. El eje principal del módulo de batería puede extenderse en una dirección desde un primer lado abierto al segundo lado abierto del alojamiento de perfil. El alojamiento de perfil puede comprender surcos y/o crestas en una superficie externa y/o interna de una o más partes laterales. Los surcos pueden extenderse en una dirección del eje principal del módulo de batería. La primera y segunda placas finales están unidas al alojamiento de perfil para cerrar los lados abiertos del alojamiento de perfil de una manera estanca a líquidos. Por ello, el interior del módulo de batería está sellado frente a fugas del primer fluido de templado en los puntos o áreas de contacto.
En una realización, el módulo de batería comprende un primer sello dispuesto circunferencialmente entre la primera placa final y el alojamiento de perfil y un segundo sello dispuesto circunferencialmente entre la segunda placa final y el alojamiento de perfil.
Es decir, la primera y segunda placas finales pueden estar unidas al alojamiento de perfil, en donde en un área de contacto entre las placas finales y el alojamiento de perfil, se proporciona un sello. El sello se extiende circunferencialmente sustancialmente según la sección transversal del alojamiento de perfil.
Por ejemplo, el primer sello y el segundo sello son sellos planos.
En una realización, el primer sello y el segundo sello se disponen, cada uno, en un plano perpendicular al eje principal del módulo de batería.
Según la invención, el alojamiento de perfil se configura como un alojamiento de perfil de pared doble, en donde se forma integralmente un segundo canal de fluido.
En otras palabras, el alojamiento de perfil comprende una parte de pared externa y de pared interna, de manera que el segundo canal de fluido se forme integralmente entre las mismas.
En una realización, el alojamiento de perfil está hecho de un material con una conductividad térmica de 50 W/(mK) o mayor.
Una conductividad térmica por encima de 50 W/(mK) o más alta puede permitir una transferencia de calor mejorada entre el primer fluido de templado y el segundo fluido de templado a través del alojamiento estanco a los líquidos. El alojamiento de perfil puede estar hecho preferiblemente de un material con una conductividad térmica de 100 W/(mK) o más alta, más preferiblemente de 150 W/(mK) o más alta, más preferiblemente de 200 W/(mK) o más alta, más preferiblemente de 300 W/(mK) o más alta, más preferiblemente de 400 W/(mK) o más alta.
Por ejemplo, el alojamiento de perfil está hecho de aluminio. El alojamiento de perfil puede estar hecho de otro material como oro, plata, titanio, acero, cobre o similar. Por ejemplo, el alojamiento de perfil puede estar hecho de un metal.
En una realización, la primera placa final y/o la segunda placa final están hechas de un material sintético. Por ejemplo, la primera placa final y/o la segunda placa final están hechas de plástico o plástico reforzado con fibra de vidrio. Por ejemplo, la primera placa final y/o la segunda placa final están hechas de otro material como Copolímero de Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS), Nailon 12 (poliamida 12, PA 12) o similar.
En una realización, el alojamiento estanco a los líquidos está parcialmente relleno con un gas.
En otras palabras, el alojamiento estanco a los líquidos puede no estar relleno completamente (además de los compontes sólidos físicos incluidos como las celdas de batería, medios de conexión, y similares) con el primer fluido de templado, sino que también incluye cierta cantidad de gas. Esto permite que el primer fluido de templado cambie de volumen, por ejemplo, debido a un cambio de temperatura, sin que la presión dentro del alojamiento estanco a los líquidos aumente/disminuya en gran medida.
Por ejemplo, el alojamiento estanco a los líquidos puede estar relleno parcialmente con aire, nitrógeno o un gas inerte como un gas noble (por ejemplo, helio, neón, argón, criptón, xenón).
Por ejemplo, un porcentaje de volumen del alojamiento estanco a los líquidos relleno por el gas es el 5% o menor. Por ejemplo, el porcentaje de volumen puede ser el 10% o menor, 5% o menor, 4% o menor, 3% o menor, o 1% o menor. Por ejemplo, el porcentaje de volumen puede ser un porcentaje predeterminado (por ejemplo, 0,1%, 0,2%, 1% o similar) o más alto. Por ejemplo, el porcentaje de volumen puede estar entre el 0,1% y el 1%, entre el 1% y el 2%, entre el 2% y el 3%, entre el 3% y el 4%, entre el 4% y el 5%, o similar. Dichos porcentajes de volumen se pueden referir a porcentajes de volumen con respecto al volumen total del interior del alojamiento estanco a los líquidos a una temperatura predeterminada, por ejemplo 298,15 K (25 °C).
Por ejemplo, la relación del volumen del gas y el volumen del primer fluido de templado a la temperatura predeterminada puede ser igual o menor que el 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10% o 15% o similar. La relación del volumen del gas y el volumen del primer fluido de templado a la temperatura predeterminada puede estar por encima de un porcentaje predeterminado (por ejemplo, el 0,1%, 0,2%, 1% o similar).
En una relación, el alojamiento estanco a los líquidos es hermético a presión.
Es decir, el alojamiento estanco a los líquidos se puede construir para evitar que un gas entre o escape del alojamiento estanco a los líquidos.
Por ejemplo, el alojamiento estanco a los líquidos es hermético a presión hasta una presión positiva de al menos 1 bar.
Por ejemplo, el alojamiento estanco a los líquidos es hermético a presión hasta una presión negativa de al menos 1 bar.
Una presión positiva es una diferencia de presión entre el exterior del alojamiento estanco a los líquidos y el interior del alojamiento estanco a los líquidos, en donde la presión en el exterior del alojamiento estanco a los líquidos es menor que la presión dentro del alojamiento estanco a los líquidos. Una presión negativa es una diferencia de presión entre el interior del alojamiento estanco a los líquidos y el exterior del alojamiento estanco a los líquidos, en donde la presión en el exterior del alojamiento estanco a los líquidos es más alta que la presión dentro del alojamiento estanco a los líquidos. 1 bar es 105 Pa y, de este modo, corresponde aproximadamente a la presión atmosférica normal.
Por ejemplo, el alojamiento estanco a los líquidos puede presentar una tasa de fugas igual o por debajo de un umbral predeterminado. Por ejemplo, el alojamiento estanco a los líquidos puede presentar una tasa de fugas igual o por debajo de 10-2mbarl/s, l0 -3mbarl/s, l0 -4mbarl/s, 10-5mbarl/s o10-6mbarl/s.
En una realización, el módulo de batería comprende además una pluralidad de soportes de celda que incluye partes con forma de semicarcasa configuradas para soportar la pluralidad de celdas de batería. Las superficies laterales de la pluralidad de celdas de batería están cubiertas por las partes con forma de semicarcasa.
Es decir, las celdas de batería están soportadas por los soportes de celda del módulo de batería, en donde las superficies laterales de las celdas de batería están cubiertas completamente o en gran medida (por ejemplo, más del 95%, más del 90%). En el caso de celdas de batería con forma cilíndrica que tienen una carcasa exterior en el lado y dos polos situados en las bases superior e inferior, las partes con forma de semicarcasa de los soportes de celda tienen una sección transversal con forma sustancialmente semicircular. El módulo de batería no está limitado a la misma y la parte con forma de semicarcasa puede tener una sección transversal que corresponde a la forma de las celdas de batería. Es decir, por ejemplo, en un caso de celdas de batería con forma no cilíndrica, la parte con forma de semicarcasa puede ser no circular, sino corresponder a la forma de las celdas de batería. Además, una forma de una superficie interna de la parte con forma de semicarcasa, que está en contacto con una celda de batería, puede corresponder con la forma de la celda de batería, mientras que una forma de una superficie externa de la parte con forma de semicarcasa puede ser diferente de la forma de la batería. Cada celda de batería se puede soportar entre dos partes con forma de semicarcasa, que están en contacto positivo. Por ejemplo, un espesor de cada parte con forma de semicarcasa puede estar por encima de un umbral predeterminado.
Con esta configuración, el primer fluido de templado se puede dirigir preferencialmente a lo largo de los polos de las celdas de batería, donde se genera principalmente el calor. Además, proporcionando los soportes de celda que tienen cierto espesor, se reduce el volumen del espacio del primer fluido de templado. Por ello, se puede reducir el peso del módulo de batería. Además, se puede mejorar la transferencia de calor desde las celdas de batería a través del primer fluido de templado y el alojamiento estanco a los líquidos al segundo fluido de templado.
En una realización, cada celda de batería está conectada eléctricamente con una o más de las otras celdas de batería en paralelo o serie para formar una pila de batería.
En otras palabras, la pluralidad de celdas de batería puede incluir subconjuntos de celdas de batería, en donde las celdas de batería de cada subconjunto están conectadas entre sí en paralelo. Además, los subconjuntos de celdas de batería están conectados entre sí en serie. Por ello, se forma una pila de batería, en donde el voltaje general proporcionado por la pila de batería se determina por el número de subconjuntos conectados en serie y el tipo de celdas de batería usado.
En una realización, el módulo de batería comprende un pasacables eléctrico conectado a la pila de batería.
El pasacables eléctrico puede proporcionar una conexión eléctrica con la pila de batería a través del alojamiento estanco a los líquidos. El módulo de batería puede comprender dos pasacables eléctricos como un terminal positivo y uno negativo del módulo de batería.
Según otro aspecto, la presente invención se refiere a un sistema de batería. El sistema de batería comprende un módulo de batería según cualquiera de los aspectos y variaciones anteriores de los mismos y un sistema de templado secundario. El sistema de templado secundario está conectado al alojamiento estanco a los líquidos del módulo de batería y está configurado para establecer el flujo del segundo fluido de templado.
En otras palabras, el sistema de batería comprende el módulo de batería, que incluye un sistema de templado primario, por ejemplo, el primer fluido de templado, que está en contacto térmico con las celdas de batería y la superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos, y el sistema de templado secundario. El alojamiento estanco a los líquidos actúa como un intercambiador de calor para intercambiar calor entre el primer fluido de templado y el segundo fluido de templado. Específicamente, el calor se puede transferir desde las celdas de batería al primer fluido de templado a través del alojamiento estanco a los líquidos al segundo fluido de templado. El calor absorbido por el segundo fluido de templado entonces se puede disipar por un medio de disipación de calor específico del sistema de templado secundario, que podría ser un segundo intercambiador de calor para intercambiar calor entre el segundo fluido de templado y un acumulador de calor, que puede ser el aire ambiente. De manera similar, el calor se puede transferir hacia el módulo de batería calentando el segundo fluido de templado por medios de calentamiento específicos del sistema de templado secundario.
En una realización, el primer fluido de templado difiere del segundo fluido de templado.
Por ejemplo, el primer fluido de templado puede ser un fluido de templado, que es aislante eléctricamente. No se requiere necesariamente que el segundo fluido de templado sea aislante eléctricamente, en la medida que no entra en contacto con los polos y/o medios de conexión eléctrica dentro del alojamiento estanco a los líquidos del módulo de batería. Por ejemplo, el segundo fluido de templado puede ser una mezcla de agua y glicol.
El sistema de batería de la presente invención proporciona unas capacidades de control de temperatura mejoradas, un enfriador homogéneo de las celdas de batería dentro del módulo de batería, una reducción del peso del módulo de batería y/o una flexibilidad de sistema mejorada por un sistema de templado interno, que puede estar acoplado térmicamente con un sistema de templado secundario permitiendo un flujo de un segundo fluido de templado entre la superficie interna y la externa de la carcasa.
Los beneficios adicionales y ventajas de la invención llegarán a ser evidentes a partir de la descripción detallada de una realización y los dibujos.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es una ilustración de una vista externa de un módulo de batería;
La Fig. 2 es una ilustración de una vista externa del módulo de batería;
La Fig. 3 es una vista externa del módulo de batería, en donde no se ilustra una cubierta;
La Fig. 4 es una ilustración de un alojamiento de perfil del módulo de batería;
La Fig. 5 es una ilustración de corte de la disposición básica de las celdas de batería dentro del módulo de batería; La Fig. 6 es una vista en sección transversal de la disposición de las celdas de batería dentro del alojamiento de perfil;
La Fig. 7 ilustra un flujo de un primer fluido de templado dentro de un módulo de batería;
La Fig. 8 ilustra un flujo de un segundo fluido de templado dentro de una carcasa del módulo de batería;
Las Fig. 9 a 12 ilustran una conexión eléctrica ejemplar de una pluralidad de celdas de batería en paralelo, vistas desde diferentes direcciones;
Las Fig. 13 y 14 ilustran las celdas de batería conectadas eléctricamente soportadas por un soporte de celdas; Las Fig. 15 y 16 ilustran dos conjuntos de celdas de batería conectadas en paralelo con respecto a los soportes de celda;
Las Figs. 17 y 18 muestran una pila de batería que comprende una pluralidad de celdas de batería;
Las Figs. 19 y 20 son ilustraciones de vista general de la pila de batería;
La Fig. 21 es una ilustración esquemática de la conexión eléctrica de las celdas de batería dentro de la pila de batería; y
Las Fig. 22 y 23 son ilustraciones de una apariencia externa del módulo de batería.
Descripción de la realización preferida
A continuación, se describirá una realización preferida en detalle a través de referencias a los dibujos.
La Fig. 1 y la Fig. 2 son ilustraciones de una vista externa de un módulo de batería 100 cuando se ve desde diferentes direcciones. El módulo de batería comprende un alojamiento estanco a los líquidos 110, que él mismo comprende una primera placa final 114, un alojamiento de perfil 113 y una segunda placa final 116. Además, el módulo de batería 100 comprende una cubierta de bomba 115, dos pasacables eléctricos 117a, 117b y cuatro puertos 118a-d para la conexión con un sistema de templado secundario.
El alojamiento estanco a los líquidos 110 tiene la forma sustancial de un cuboide rectangular, en donde dos lados opuestos entre sí están formados por la primera placa final 114 y la segunda placa final 116 y los cuatro lados restantes están formados por el alojamiento de perfil 113. La cubierta de bomba 115 está dispuesta en una superficie exterior de la primera placa final 114 y cubre una bomba 130 unida a un lado externo de la primera placa final 114. Entre la primera placa final 114 y el alojamiento de perfil 113 así como entre la segunda placa final 116 y el alojamiento de perfil 113, se proporciona un sello plano para cerrar el alojamiento 110 de una manera estanca a líquidos. Los sellos planos rodean circunferencialmente los lados finales abiertos del alojamiento de perfil 113.
El alojamiento estanco a los líquidos 110 aloja una pluralidad de celdas de batería 120 conectadas entre sí para formar una pila de batería. Los detalles sobre los mismos se describen más adelante. Además, se incluye un primer fluido de templado en el alojamiento estanco a los líquidos 110. El primer fluido de templado es un fluido dieléctrico, preferiblemente, con una conductividad térmica alta.
El alojamiento de perfil 113 tiene una forma sustancialmente de caja con dos lados abiertos opuestos entre sí. El alojamiento de perfil 113 está hecho de aluminio y, por lo tanto, presenta una conductividad térmica alta. No obstante, el material del alojamiento no está limitado a aluminio y puede estar hecho de otro material que tenga una conductividad térmica de 50 W/(Km) o más alta, preferiblemente de 100 W/(Km) o más alta, más preferiblemente de 150 W/(Km) o más alta, incluso más preferiblemente de 200 W/(Km) o más alta.
El alojamiento de perfil 113 comprende surcos y/o crestas en dos lados externos opuestos. No obstante, el alojamiento de perfil 113 no está limitado a tener surcos y/o crestas en dos lados opuestos. El alojamiento de perfil 113 puede tener surcos y/o crestas solamente en un lado, dos lados, tres lados o todos los cuatro lados. En el módulo de batería 100 ilustrado en la Fig. 1 y la Fig. 2, los surcos y/o crestas se extienden en una dirección de un eje principal (eje y) del módulo de batería 100. La dirección del eje principal se extiende a lo largo de la dirección del máximo tamaño físico del alojamiento de perfil 113.
El alojamiento de perfil 113 comprende además agujeros roscados en un lado delantero y trasero para montar la primera placa final 114 y la segunda placa final 116 al mismo de una manera estanca a líquidos.
La primea placa final 114 y la segunda placa final 116 son sustancialmente de una forma rectangular plana. La forma sustancialmente rectangular de la primera y la segunda placas finales 114, 116 corresponde con la forma de la sección transversal del alojamiento de perfil 113. La primera y la segunda placas finales 114, 116 comprenden agujeros de tornillos en posiciones correspondiente a las posiciones de los agujeros roscados del alojamiento de perfil 113.
La primera placa final 114 se monta en uno de los lados finales abiertos del alojamiento de perfil 113 mediante una pluralidad de tornillos insertados en los agujeros de tornillo de la primera placa final 114 y los correspondientes agujeros roscados del alojamiento de perfil 113. La segunda placa final 116 se monta en el otro de los lados finales abiertos del alojamiento de perfil 113 mediante una pluralidad de tornillos insertados en los agujeros de tornillo de la segunda placa final 116 y los correspondientes agujeros roscados del alojamiento de perfil 113. La unión de las placas finales 114, 116 al alojamiento de perfil 113 no se limita a ser realizada usando tornillos y los correspondientes agujeros de tornillo y agujeros roscados, sino que se puede realizar usando diferentes medios de unión como, por ejemplo, pernos y tuercas.
Los pasacables eléctricos 117a, 117b están conectados a las celdas de batería 120 incluidas en el interior del alojamiento estanco a los líquidos 110. Específicamente uno de los pasacables eléctricos 117a, 117b está conectado a un polo positivo de una pila de batería formada por la pluralidad de celdas de batería 120 en el módulo de batería 100. El otro de los pasacables eléctricos 117a, 117b está conectado a un polo negativo de la pila de batería en el interior del módulo de batería 100. Es decir, un voltaje del módulo de batería 100 es accesible desde el exterior a través de los pasacables eléctricos 117a, 117b. Los pasacables eléctricos 117a, 117b que proporcionan la conexión eléctrica de las celdas de batería 120 están dispuestos en los agujeros sellados respectivos dentro de la primera y segunda placas finales 114, 116. No obstante, también se pueden proporcionar los pasacables eléctricos 117a, 117b en el alojamiento de perfil 113.
En cada una de la primera y segunda placas finales 114, 116, se proporcionan dos puertos 118a-d para la conexión con un sistema de templado secundario. Los detalles del sistema de templado secundario se proporcionan más adelante.
La Fig. 3 es una vista externa del módulo de batería 100, en donde la cubierta de bomba 115 no está ilustrada. El módulo de batería 100 comprende una bomba 130 unida a una superficie externa de la primera placa final 114. La bomba 130 puede ser una microbomba, que está conectada al interior del alojamiento estanco a los líquidos 110, a través de los primeros canales de fluido 111. La bomba 130 está configurada para bombear el primer fluido de templado a través de los primeros canales de fluido 111. Por ello, se establece un flujo del primer fluido de templado dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110.
La Fig. 4 es una ilustración de un alojamiento de perfil 113. El alojamiento de perfil 113 comprende una pluralidad de segundos canales de fluido 112, que están formados integralmente con el alojamiento de perfil 113 entre una superficie interna y una superficie externa del alojamiento de perfil 113. Los segundos canales de fluido 112 tienen una sección transversal circular y sobresalen hacia el interior del alojamiento de perfil 113. Por ello, el área en contacto con el primer fluido de templado dentro del alojamiento de perfil 113 se aumenta, conduciendo a una mejora de la tasa de transferencia de calor entre el primer fluido de templado y un segundo fluido de templado dentro de la pluralidad de segundos canales de fluido 112. Como el segundo fluido de templado no está en contacto con las celdas de batería 120, no se requiere que sea un dieléctrico, sino que puede ser, por ejemplo, un fluido de templado común como una mezcla de agua y glicol.
Aunque el alojamiento de perfil 113 ilustrado en la Fig. 4 comprende nueve segundos canales de fluido rectos 112 en dos lados opuestos y extendiéndose en una dirección del eje y principal del módulo de batería 100, el alojamiento de perfil 113 no está limitado al mismo. En particular, el alojamiento de perfil 113 puede comprender un número diferente de segundos canales de fluido 112. Además, los segundos canales de fluido 112 se pueden proporcionar en uno, dos, tres o cuatro lados del alojamiento de perfil 113. Además, los segundos canales de fluido pueden ser curvos o sinuosos. Además, la sección transversal puede ser elíptica, rectangular o similar.
La Fig. 5 es una ilustración de corte de la disposición básica de las celdas de batería 120 dentro del módulo de batería 100. El módulo de batería 100 comprende una pluralidad de celdas de batería 120 dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110. Las celdas de batería 120 pueden ser de ion de litio, níquel-cadmio, hidruro de níquel metal, ácido de plomo, de tipo a base de polímero o de cualquier otro tipo. Las celdas de batería 120 tienen una forma cilíndrica con sus polos dispuestos en los lados circulares opuestos de las mismas. Las celdas de batería 120 están dispuestas de manera que los lados circulares sean perpendiculares al eje y principal del módulo de batería 100. Las celdas de batería 120 están dispuestas hexagonalmente unas con respecto a otras cuando se ven a lo largo del eje y.
La Fig. 6 es una vista en sección transversal de la disposición de las celdas de batería 120 dentro del alojamiento de perfil 113. En la figura, las celdas de batería 120 y los segundos canales de fluido 112 se indican solamente de manera ejemplar. Las celdas de batería 120 están dispuestas en una disposición hexagonal densa, en donde una distancia entre celdas de batería 120 adyacentes a dos superficies laterales opuestas del alojamiento de perfil 130, que comprenden los segundos canales de fluido 112, es mayor que la distancia entre celdas de batería 120 adyacentes y una distancia entre las celdas de batería 120 y una superficie interna de los otros dos lados del alojamiento de perfil 113. Con esta disposición, los espacios 119 no ocupados por las celdas de batería 120 se forman en lados opuestos del módulo de batería 100 para guiar el flujo del primer fluido de templado a través del alojamiento estanco a los líquidos 110. No obstante, la disposición de las celdas de batería 120 no está limitada a ser una disposición hexagonal, y puede ser diferente. Por ejemplo, las celdas de batería se pueden disponer según una disposición rectangular o cuadrada.
Los primeros canales 111 de la primera placa final 114 conectan la bomba 130 al interior del módulo de batería 100 en posiciones correspondientes a las ubicaciones de los espacios 119. Con esta disposición, un flujo del primer fluido de templado se puede establecer por la bomba 130 alrededor de las celdas de batería 120 en una dirección x de una manera paralela.
La Fig. 7 ilustra dicho flujo del primer fluido de templado mediante flechas en negrita. El primer fluido de templado se bombea por la bomba 130 a través del primer canal de fluido 111 hacia el interior del alojamiento estanco a los líquidos 110 en una posición correspondiente a una posición de un espacio 190. El espacio 190 presenta, debido a su sección transversal comparativamente grande, una resistencia al flujo comparativamente pequeña en la dirección y, de manera que el primer fluido de templado fluya alrededor de las celdas de batería 120 de una manera paralela en la dirección x. Después, el primer fluido de templado entra en el otro espacio 190 en el lado opuesto y entra de nuevo en la bomba 130 a través del primer canal de fluido 111.
La primera y la segunda placa final 114, 116 comprenden segundos canales de fluido, que conectan los segundos canales de flujo 112 del alojamiento de perfil 113 con los puertos 118. Es decir, los segundos canales de fluido 112 en un lado del alojamiento de perfil 113 se funden en los segundos canales de fluido de las placas finales 114, 116 y conducen a un puerto conjunto 118 para la conexión con un sistema de templado secundario.
La Fig. 8 ilustra dicho flujo del segundo fluido de templado del sistema de templado secundario mediante flechas en negrita. El segundo fluido de templado se bombea a través de un puerto 118, los segundos canales de fluido de una placa final, el segundo canal de fluido 112 del alojamiento de perfil 113, el segundo canal de fluido de la otra placa final y a través otro puerto 118 fuera del módulo de batería 100.
Como se ilustra en la Fig. 7 y la Fig. 8, el flujo del primer fluido de templado dentro de los espacios 119 se dirige en una dirección opuesta al flujo del segundo fluido de templado dentro de los segundos canales de fluido 112 del alojamiento de perfil 113. Por ello, se optimiza el acoplamiento térmico entre el primer fluido de templado y el segundo fluido de templado.
Es decir, el alojamiento estanco a los líquidos 110 actúa como un intercambiador de calor entre el primer fluido de templado sellado dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110 (incluyendo la bomba 130 y los primeros canales de fluido 111) y el segundo fluido de templado del segundo sistema de templado.
Las Figs. 9 a 12 ilustran una conexión eléctrica ejemplar de una pluralidad de celdas de batería 120 en paralelo, vistas desde diferentes direcciones. Las figuras muestran ocho celdas de batería 120 conectadas entre sí de una manera en paralelo por dos barras de conexión eléctrica 121. Dichas barras de conexión eléctrica 121 están, por ejemplo, hechas de metal. Una primera barra de conexión 121 conecta los polos positivos de las celdas de batería 120 unos con otros. Una segunda barra de conexión 121 conecta los polos negativos de las celdas de batería 120 unos con otros.
Las barras de conexión 121 pueden estar soldadas a los polos positivos o negativos de las celdas de batería 120. Por ejemplo, cada barra de conexión 121 puede estar soldada por láser a cualquiera de los polos positivos y negativos de las celdas de batería 120. Las barras de conexión 121 comprenden una parte de terminal 122 para una conexión con un dispositivo de medición como un sensor de voltaje (no ilustrado). No hace falta decir que se pueden conectar más o menos de ocho celdas de batería 120 entre sí en paralelo. Además, los medios de conexión eléctrica no están limitados a una barra 121, sino que pueden ser una lámina o similar.
Las Figs. 13 y 14 ilustran las celdas de batería 120 conectadas eléctricamente de las Figs. 9 a 12, que están sujetas por un soporte de celda 140. El soporte de celda 140 comprende una pluralidad de partes con forma de semicarcasa 141 para sujetar respectivamente la pluralidad de celdas de batería 120. Específicamente, las celdas de batería 120 se sujetan en las superficies laterales de las mismas, dejando las secciones de polo descubiertas. Los soportes de celda 140 pueden estar hechos de un material no conductor como un material sintético como plástico reforzado con fibra de vidrio. El soporte de celda 140 puede comprender partes de montaje como agujeros de tornillo para una conexión con el alojamiento estanco a los líquidos 110 y/u otro soporte de celda 140.
Toda o sustancialmente toda la superficie lateral de las celdas de batería 120 está cubierta por las partes con forma de semicarcasa 141 de los dos soportes de celda 140. En las figuras, solamente se muestra un soporte de celda 140 con propósitos de ilustración. No obstante, las superficies laterales de las celdas de batería 120 están cubiertas por el soporte de celda 140 inferior mostrado y un soporte de celda superior, que no se ilustra. Las partes con forma de semicarcasa del soporte de celda 140 inferior y el soporte de celda superior cubren la superficie lateral de las celdas de batería 120 con un ajuste positivo. Los soportes de celda 140 se construyen para reducir el volumen ocupado por el primer fluido de templado dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110. Por ejemplo, los soportes de celda pueden presentar un espesor por encima de un umbral predeterminado.
Las Figs. 15 y 16 ilustran dos conjuntos de celdas de batería 120 conectadas en paralelo con los respectivos soportes de celda 140, que están conectados entre sí en serie.
Las Figs. 17 y 18 muestran una pila de batería que comprende una pluralidad de celdas de batería 120 como se ve desde direcciones opuestas a lo largo del eje y. Las Figs. 19 y 20 son ilustraciones de vista general de la pila de batería. Las celdas de batería 120 están conectadas entre sí en un lado delantero y uno trasero correspondientes a los lados finales abiertos del alojamiento de perfil 113 mediante las láminas de conexión 123a-d.
Específicamente, en un lado correspondiente a la ubicación de la primera placa final 114, como se ilustra en la Fig. 17, los polos positivos de tres filas superiores de las celdas de batería 120 se conectan entre sí mediante una primera lámina de conexión 123a. La primera lámina de conexión 123a se conecta al primer pasacables eléctrico 117a. Además, el polo negativo de tres filas interiores de las celdas de batería 120 y los polos positivos de tres filas inferiores de celdas de batería 120 se conectan entre sí mediante una segunda lámina de conexión 123b.
En un lado correspondiente con la ubicación de la segunda placa final 116, como se ilustra en la Fig. 18, los polos negativos de las tres filas superiores de las celdas de batería 120 y los polos positivos de las tres filas internas de las celdas de batería 120 se conectan entre sí mediante una tercera lámina de conexión 123c. Además, los polos negativos de tres filas inferiores de las celdas de batería 120 se conectan entre sí mediante una cuarta lámina de conexión 123d. La cuarta lámina de conexión 123d se conecta al segundo pasacables eléctrico 117b.
El módulo de batería 100 y, en particular, la pila de batería no están limitados a la configuración descrita. En particular, las celdas de batería 120 se pueden disponer de una manera diferente, dependiendo del tipo de las celdas de batería 120, el voltaje total y el rendimiento a ser logrado.
Como se describió anteriormente, cada celda de batería 120 está sujeta por dos partes con forma de semicarcasa 141 de los soportes de celda 140 respectivos situadas por encima y por debajo de las celdas de batería 120.
La Fig. 21 es una ilustración esquemática de la conexión eléctrica de las celdas de batería 120 dentro de la pila de batería. Por motivos de claridad y comprensión, la pila de batería se ilustra como que comprende seis capas de celdas de batería 120, en donde cada capa comprende nueve celdas de batería 120 conectadas entre sí en paralelo o serie. Las capas se conectan entre sí mediante las cuatro láminas de conexión 123a-d. El voltaje de toda la pila de batería se proporciona entre los dos pasacables eléctricos 117a y 117b. La ilustración es una visualización simplificada de la conexión principal de la pila de batería y, por lo tanto, el módulo de batería 100 no está limitado al número de celdas de batería 120, filas y capas ilustradas.
Las Figs. 22 y 23 son ilustraciones de una apariencia externa del módulo de batería 100, en donde no se muestran la primera y segunda placas finales 114, 116, así como la cubierta de bomba 115.
Durante la carga del módulo de batería 100 o en un caso donde el módulo de batería proporciona una corriente alta, se genera calor dentro del módulo de batería 100, principalmente en las posiciones de los polos de celda de batería. Dicho calor se transfiere al primer fluido templado, que puede conducir a un cambio del volumen del primer fluido de templado. Cuando el alojamiento estanco a los líquidos 110 está relleno totalmente con el primer fluido de templado, puede aumentar la presión dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110. De este modo, el alojamiento estanco a los líquidos 110 se construye para ser estanco a la presión. Por ejemplo, el alojamiento estanco a los líquidos puede ser estanco a la presión hasta una presión positiva de 1 bar, 1,5 bares, 2 bares o similar. De forma similar, si la temperatura del primer fluido de templado disminuye, la presión dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110 puede disminuir. Por lo tanto, el alojamiento estanco a los líquidos se construye para ser estanco a la presión hasta una presión negativa de 1 bar. Esto se puede logar utilizando, por ejemplo, un alojamiento de perfil 113, una primera y segunda placas finales 114, 116 de suficiente espesor conectadas de manera estanca a la presión entre sí usando un número suficiente de tornillos con los sellos apropiados.
Con el fin de permitir el cambio de volumen del primer fluido de templado sin un aumento/disminución excesivo de presión dentro del alojamiento estanco a los líquidos 110, el alojamiento estanco a los líquidos 110 se puede rellenar parcialmente con un gas. Por ejemplo, el gas puede ocupar un porcentaje de volumen del interior del alojamiento estanco a los líquidos de hasta el 1%, 2%, 3%, 4%, 5% o similar. Dicho porcentaje de volumen puede estar en un rango entre dos cualquiera de dichos valores. El porcentaje de volumen puede estar por encima de un valor predeterminado (por ejemplo, el 0,1%, 0,2%, 1% o similar). Los porcentajes de volumen se pueden referir a unos porcentajes de volumen con respecto al volumen del interior del alojamiento estanco a los líquidos 110 a una temperatura dada, por ejemplo, 298,15 K (25 °C). Aunque no está limitado al mismo, el gas incluido en el alojamiento estanco a los líquidos 110 puede ser aire, por ejemplo.
El módulo de batería 100, además de los componentes descritos anteriormente, puede comprender uno o más sensores de temperatura unidos a una celda de batería 120, un soporte de celda 140, una superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos 110 o similar, y las líneas de detección de temperatura respectivas para proporcionar señales de detección de temperatura al exterior del módulo de batería 100. El módulo de batería 100 puede comprender además una o más líneas de detección de voltaje conectadas, por ejemplo, con una barra de conexión 121 o una lámina de conexión 123a-d para proporcionar una señal de voltaje a un sensor de voltaje fuera del módulo de batería 100. Además, el módulo de batería 100 puede comprender uno o más elementos de limitación de corriente como fusibles. El módulo de batería 100 puede comprender además un controlador como un microprocesador conectado a la bomba 130. El controlador puede recibir señales de voltaje del sensor de voltaje y/o señales de temperatura de los sensores de temperatura. En base a las señales de temperatura y/o voltaje y, por ejemplo, los puntos de ajuste respectivos, el controlador controla la operación de la bomba 130.
Un sistema de batería según una realización comprende al menos un módulo de batería 100 como se describió anteriormente y un sistema de templado secundario conectado a los puertos 119 de los módulos de batería 100. El sistema de templado comprende, por ejemplo, una bomba, un intercambiador de calor y tuberías de fluido para establecer un flujo del segundo fluido de templado. Por ejemplo, el sistema de templado se puede conectar a una pluralidad de módulos de batería 100, Por ejemplo, el segundo fluido de templado puede fluir a través de la pluralidad de módulos de batería 100 de una manera en paralelo o serie. El intercambiador de calor del sistema de templado se puede configurar para intercambiar calor entre el segundo fluido de templado y un disipador de calor y/o una fuente de calor. El disipador o fuente de calor puede ser, por ejemplo, el aire ambiente. Además, el sistema de templado puede comprender un calentador eléctrico configurado para calentar el segundo fluido de templado con el fin de permitir el control de temperatura de cada uno de los módulos de batería 100.
A continuación, se resume el concepto del módulo de batería 100 y sistema de batería.
La idea central del módulo/sistema de batería es diseñar un circuito de templado para un módulo de batería 100 que consista en una pluralidad de celdas de batería 120 como un sistema cerrado. Esto significa que un depósito de líquido definido (primer fluido de templado) está encerrado en un espacio asignado (el alojamiento estanco a los líquidos 110, la bomba 130 y los primeros canales de fluido 111) junto con las celdas de batería 120. El primer fluido de templado se hace circular allí y el calor se disipa desde los polos de celda de batería. A través del primer fluido de templado, que es no eléctricamente conductor, pero tiene unas buenas propiedades de conductividad térmica, el calor se transfiere a la pared interna del alojamiento de perfil 113. Los segundos canales de fluido 112 están incluidos en el alojamiento de perfil 113, que se configuran para estar conectados a un sistema de templado secundario. El alojamiento de perfil 113 forma, de este modo, un intercambiador de calor en forma de un alojamiento.
Juntas, las placas finales 114, 116 y el alojamiento de perfil 113 forman un alojamiento estanco a los líquidos 110 cerrado. Los sellos entre las placas finales 114, 116 y el alojamiento de perfil 113 aseguran que el alojamiento se mantenga estanco incluso en una sobrepresión de hasta 1 bar y que no pueda escapar ningún primer fluido de templado.
Una bomba 130 (una microbomba, por ejemplo) se monta en una de las placas finales 114, 116 del alojamiento estanco a los líquidos 110 y se conecta directamente a los primeros canales de fluido 111 integrados en las placas finales 114, 116, de modo que el primer fluido de templado en el alojamiento estanco a los líquidos 110 se pueda transportar y pueda tener lugar la circulación. Esta circulación soporta la disposición de calor o absorción de calor entre el alojamiento de perfil 113 y el primer fluido de templado. El alojamiento de perfil 113 puede disipar a su vez calor a través del canal de fluido 112 integrado con un segundo fluido de templado, por ejemplo, una mezcla de agua y glicol. Esto da al alojamiento de perfil 113 la función de un intercambiador de calor, por ejemplo, para rangos de temperatura desde -50 °C a 60 °C. El rango de temperatura para la operación del módulo de batería 100 puede depender del punto de congelación del segundo fluido de templado en los segundos canales de fluido 112.
El alojamiento estanco a los líquidos 110 contiene las celdas de batería 120 individuales, que están conectadas eléctricamente entre sí y sujetas en su posición mediante piezas estructurales, los soportes de celda 140. Los soportes de celda 140 también tienen la función de cubrir las superficies laterales de las celdas de batería 120 individuales. Un soporte de celda 140 puede cubrir alrededor del 50% de la superficie lateral. El soporte de celda 140 de una siguiente fila de celdas de batería 120 es adyacente positivamente a este soporte de celda 140 y cubre la superficie suplementaria de tal forma que la superficie lateral de la celda de batería 120 esté delimitada del primer fluido de templado en toda su circunferencia. Esto reduce el espacio que ocupa el primer fluido de templado.
El alojamiento estanco a los líquidos 120, que representa un recipiente cerrado, se llena con el primer fluido de templado en tal medida que se crea una capa de gas, por ejemplo, aire solamente en un área superior. El área se diseña de modo que cuando el primer fluido de templado se expande bajo temperatura, el volumen del aire encerrado se reduce por el volumen de expansión del primer fluido de templado. Esto hace que la presión en el sistema aumente ligeramente. Los sellos del alojamiento estanco a los líquidos 110 están diseñados para resistir este aumento de presión de alrededor de 0,3 bares, 1 bar, 1,5 bares o similar.
Debido al uso de un alojamiento estanco a los líquidos 110, se pueden conectar unos con otros módulos de batería 100 independientes térmicamente como se desee para formar un paquete de batería. Esto permite una reducción de diferencias de temperatura entre los módulos de batería 100, ya que la circulación interna del primer fluido de templado en los módulos de batería 100 se puede regular individualmente. No obstante, se pueden implementar propagaciones de temperatura deseadas entre los módulos de batería 100. Esto puede ser ventajoso si una sección de un sistema se batería se usa para una aplicación especial; además de la separación eléctrica, se puede implementar separación térmica para este caso. La función de un intercambiador de calor se integra en el alojamiento estanco a los líquidos 110 de los módulos de batería 100. Eso puede ahorrar costes y peso. Además, puede no haber necesidad de sellos complejos y diversos. Se puede usar un líquido común (agua-glicol), que no tiene que tener ninguna propiedad eléctrica especial, como el segundo fluido de templado en el circuito secundario. En resumen, se proporciona un módulo de batería, que comprende un alojamiento estanco a los líquidos y una pluralidad de celdas de batería dispuesta en el alojamiento estanco a los líquidos. Se incluye un primer fluido de templado en el alojamiento estanco a los líquidos en contacto térmico con la pluralidad de celdas de batería y con una superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos. El alojamiento estanco a los líquidos se construye para permitir un flujo de un segundo fluido de templado entre la superficie interna y una superficie externa del alojamiento estanco a los líquidos. Además, se proporciona un sistema de batería que comprende un módulo de batería y un sistema de templado secundario conectado al alojamiento estanco a los líquidos del módulo de batería y configurado para establecer el flujo del segundo fluido de templado.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un módulo de batería, que comprende
un alojamiento estanco a los líquidos (110);
una pluralidad de celdas de batería (120) dispuesta en el alojamiento estanco a los líquidos (110); y
un primer fluido de templado incluido en el alojamiento estanco a los líquidos (110) en contacto térmico con la pluralidad de celdas de batería (120) y con una superficie interna del alojamiento estanco a los líquidos (110); el alojamiento estanco a los líquidos (110) se construye para permitir un flujo de un segundo fluido de templado entre la superficie interna y una superficie externa del alojamiento estanco a los líquidos (110);
caracterizado por que
el alojamiento estanco a los líquidos (110) comprende
un alojamiento de perfil (113) con dos lados finales abiertos, que están situados opuestos entre sí a lo largo de un eje principal del módulo de batería; y
una primera placa final (114) y una segunda placa final (116) que cierran de manera estanca a los líquidos el alojamiento de perfil (113) en los dos lados finales abiertos, en donde
el alojamiento de perfil (113) está configurado como un alojamiento de perfil de pared doble, en donde se forma integralmente un segundo canal de fluido (112) para el flujo del segundo fluido de templado.
2. El módulo de batería según la reivindicación 1, que comprende, además,
una bomba (130) dispuesta en un exterior del alojamiento estanco a los líquidos (110) y conectada al interior del alojamiento estanco a los líquidos (110) a través de unos primeros canales de fluido (111) del alojamiento estanco a los líquidos (110), en donde
la bomba (130) está configurada para generar un flujo del primer fluido de templado dentro del alojamiento estanco a los líquidos (110) bombeando el primer fluido de templado a través de los primeros canales de fluido (111).
3. El módulo de batería según la reivindicación 2, en donde
el alojamiento estanco a los líquidos (110), la bomba (130) y los primeros canales de fluido (111) forman un sistema cerrado a materiales del primer fluido de templado.
4. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde
el segundo canal de fluido (112) sobresale hacia el interior del alojamiento estanco a los líquidos (110).
5. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde
el segundo canal de fluido (112) tiene una sección transversal circular.
6. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 5, en donde
el segundo canal de fluido (112) se extiende en una dirección del eje principal del módulo de batería.
7. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende
un primer sello dispuesto circunferencialmente entre la primera placa final (114) y el alojamiento de perfil (113); y un segundo sello dispuesto circunferencialmente entre la segunda placa final (116) y el alojamiento de perfil (113).
8. El módulo de batería según la reivindicación 7, en donde
el primer sello y el segundo sello son sellos planos.
9. El módulo de batería según la reivindicación 7 u 8, en donde
el primer sello y el segundo sello están dispuestos, cada uno, en un plano perpendicular al eje principal del módulo de batería.
10. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde
el alojamiento de perfil (113) está hecho de un material con una conductividad térmica de 50 W/(m K) o más alta.
11. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde
el alojamiento estanco a los líquidos (110) está parcialmente relleno con un gas.
12. El módulo de batería según la reivindicación 11, en donde
un porcentaje de volumen del alojamiento estanco a los líquidos (110) relleno con el gas es el 5 % o menor.
13. El módulo de batería según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende, además
una pluralidad de soportes de celda (140) que incluyen partes con forma de semicarcasa (141) configuradas para sujetar la pluralidad de celdas de batería (120), en donde las superficies laterales de la pluralidad de celdas de batería (120) están cubiertas por las partes con forma de semicarcasa (141).
14. Un sistema de batería, que comprende
un módulo de batería (100) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13; y
un sistema de templado secundario conectado al alojamiento estanco a los líquidos (110) del módulo de batería (100) y configurado para establecer el flujo del segundo fluido de templado.
15. El sistema de batería según la reivindicación 14, en donde
el primer fluido de templado difiere del segundo fluido de templado.
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