CN102576851A - 电化学能量储存器和用于冷却或加热电化学能量储存器的方法 - Google Patents

Abstract

电化学能量储存器101包括至少两个用于将电化学能量储存器电连接在应用环境内的电流收集器105、106。所述电流收集器包括被布置在电化学能量储存器内的第一区域103、104以及被布置在电化学能量储存器的外部的第二区域105、106。根据本发明的电化学能量储存器的特征在于所述电流收集器中的至少一个电流收集器被设计为使得液态或气态热输运介质107、108可以在第二区域105、106中流动经过该至少一个电流收集器。

Description

电化学能量储存器和用于冷却或加热电化学能量储存器的方法

本发明涉及电化学能量储存器和用于冷却或加热电化学能量储存器的方法，该电化学能量储存器特别是指锂离子蓄电池组。这种电化学能量储存器被使用于例如机动车辆中。然而，本发明还可以在没有锂的电化学能量储存器中使用并且还可以独立于机动车辆地使用。

从现有技术已知具有用于储存电能的原电池的电化学能量储存器的多种构造。被供应至这种能量储存器的电能被转化为化学能并且被储存。这种转化经受损失，这是因为不可逆的化学反应在这种转化期间发生，这导致蓄电池组的老化。发生的能量损失被以热的形式释放，这可能与原电池的温度升高有关。

然而，除了能量的更迅速的转化外，蓄电池组的原电池内的温度的逐渐升高使老化过程也被加速。特别是在电驱动的机动车辆的加速期间，高电流在短时间周期内从蓄电池组被抽取。这些高电流还在例如机动车辆的减速由电气装置支持并且所获得的能量被供应至蓄电池组时产生。

如果原电池中的温度过度地升高，那么存在毁坏能量储存器的危险，该储存器能够在某些条件下燃烧或爆炸。这种非期望的现象能够通过电化学能量储存器的最有效的可能的冷却来避免。

在另一个方面，许多电化学能量储存器仅在高于较低的操作温度时才有效率地或可靠地工作，这取决于其构造和其操作原理。因此，根据电化学能量储存器的意图的目的或应用，通过供应热来升高其温度可能是所期望的。

DE 60213474T2描述了一种电化学能量储存器单元，该电化学能量储存器单元具有热传递介质流动经过的可变形的导热冷却波纹管，其被接合于迂回曲折的布置并且具有多个流动隔间。

DE 69901973T2描述了一种电池组和一种流体传导设备，该电池组由多个电池制成，其具有壳体、通风系统和金属的热吸收体，该流体传导设备将空气传导至电池。

DE 102007012893A1描述了用于具有蓄电池的电池组的冷却装置，蓄电池被容纳在电池箱中并且具有用于冷却电池的冷却设备。针对满足需求的冷却，提出，冷却装置包括空气热交换器、液体散热器、以及用于根据需要在这两个冷却器之间转换的三通阀。

因此，本发明是基于提出最有效的可能的用于冷却和/或加热电化学能量储存器的方法以及相应的电化学能量储存器的目的。这根据本发明由独立权利要求的主题来实现。

根据本发明的电化学能量储存器具有至少两个电流收集器，该电流收集器用于将电化学能量储存器电连接在应用环境的内部。这些电流收集器具有第一区域和第二区域，第一区域被布置在电化学能量储存器的内部，第二区域被布置在电化学能量储存器的外部。根据本发明的电化学能量储存器的特征在于，这些电流收集器中的至少一个电流收集器被设计为使得液态或气态热输运介质能够在第二区域中流动经过该至少一个电流收集器。

在根据本发明的用于冷却或加热这种电化学能量储存器的方法中，能量储存器的电流收集器中的至少一个电流收集器具有在第二区域中流动经过该至少一个电流收集器的液态或气态热输运介质。

在本发明的描述的内容中，电化学能量储存器将被理解为能够从其抽取电能的任何类型的能量储存器，电化学反应在能量储存器的内部进行。该术语具体地包括所有的类型的原电池，特别是一次电池、二次电池、以及这些电池的用于形成由这些电池制成的电池组的互相连接。这种电化学能量储存器典型地具有负极和正极，负极和正极被所谓的分隔器分隔开。电极之间的离子运输通过电解质而发生。

在本发明的描述的内容中，电流收集器将被理解为电化学能量储存器的导电性的结构元件，其被用于将电能运输到能量储存器中或从能量储存器运输出来。电化学能量储存器典型地具有两种类型的电流收集器，该两种类型的电流收集器各自被连接于在能量储存器的内部中的两组电极——正极或负极——中的一个。

在本发明的描述的内容中，热输运介质将被理解为气态或液体材料，该气态或液体材料因为其物理性质而能够通过利用热输运介质中的气体动力流或水动力流特别是对流环流(convective current)的热输运和/或热传导来运输热。在技术中通常使用的热输运介质的重要的实例是例如空气或水或其他的典型的冷却剂。根据应用背景，其他的气体或液体也是典型的，例如化学上惰性的(较低反应性的)气体或液体，例如惰性气体或液化惰性气体或具有高热容量和/或高热导率的材料。

在本发明的描述的内容中，能量储存器的应用环境将被理解为任何这样的技术装置，该技术装置被或能够被电连接于能量储存器并且因此能够从能量储存器抽取电能或能够将电能供应至能量储存器。这样的应用环境的实例是所有类型电消耗器或电能供应装置或电消耗器与电供应器的组合。

有利的实施方案和改进是从属权利要求的主题内容。

优选的电化学能量储存器具有至少一个电流收集器，该至少一个电流收集器被设计为使得液态或气态热输运介质还能够在第一区域中流动经过该至少一个电流收集器。在本发明的本实施方案中，热输运还在第一区域中通过由热输运介质中的对流环流产生的热输运与热传导的配合而引起，并且因此通过对热输运介质的合适选择而做出进一步的改进是可能的。

特别优选的电化学能量储存器具有至少一个电流收集器，该至少一个电流收集器被设计为使得同一种液态或气态热输运介质可以在第一区域中和在第二区域中流动经过该至少一个电流收集器。本实施方案特别易于实施并且能够通过对热输运介质的合适选择而可能地获得特别有效的热输运。

特别优选的电化学能量储存器具有至少一个电流收集器，其被设计为使得第一种液态或气态热传递介质能够在第一区域中流动经过该至少一个电流收集器并且第二种液态或气态热输运介质能够在第二区域中流动经过该至少一个电流收集器。通过对热输运介质的合适选择和/或通过对流动条件的合适设计，本实施方案能够可能地获得特别有效的热输运。特别是如果根据本发明的特别优选的实施方案至少一个电流收集器被设计为使得热交换能够在第一种热输运介质和第二种热输运介质之间发生，则更是如此。

进一步优选的电化学能量储存器具有至少一个电流收集器，该至少一个电流收集器在第二区域中以热传导的方式连接于冷却体。通过将冷却体附接于热输运介质所流动经过的电流收集器，热输运能够被进一步改进。

在进一步优选的电化学能量储存器中，至少一个冷却体被设计为使得液态或气态热传递介质能够至少部分地围绕该至少一个冷却体流动。本示例性的实施方案的这种另外的措施在许多情况下也可以获得热输运的进一步的改进。

在根据本发明的优选的方法中，至少一个电流收集器还具有在第一区域中流动经过该至少一个电流收集器的液态或气态热输运介质。在本发明的该实施方案中，热输运还在第一区域中通过由热输运介质中的对流环流产生的热输运与热传导的配合而引起，并且因此通过对热输运介质的合适选择而做出进一步的改进是可能的。

在根据本发明的特别优选的方法中，同一种液态或气态热输运介质在第一区域中以及在第二区域中流动经过至少一个电流收集器。本实施方案特别易于实施并且能够通过对热传递介质的合适选择而可能地获得特别有效的热输运。

在特别优选的方法中，第一种液态或气态热输运介质在第一区域中流动经过至少一个电流收集器，并且第二种液态或气态热输运介质在第二区域中流动经过至少一个电流收集器。通过对热输运介质的合适选择和/或通过对流动条件的合适设计，本实施方案能够可能地获得特别有效的热输运。特别是如果根据本发明的特别优选的实施方案至少一个电流收集器被设计为使得热交换能够在第一种热输运介质和第二种热输运介质之间发生，则更是如此。

在进一步优选的方法中，至少一个电流收集器在第二区域中以热传导的方式连接于冷却体。热输运能够通过将冷却体附接于热传递介质所流动经过的电流收集器而被进一步改进。

在特别优选的方法中，液态或气态热传递介质至少部分地围绕至少一个冷却体流动。本示例性的实施方案的这种另外的措施在许多情况下也可以获得热输运的进一步的改进。

本领域的技术人员将根据其的本领域的知识而知晓将本发明的所描述的实施方案中的某些实施方案进行组合；本领域的技术人员将根据其的本领域的知识而容易地发现不能够在本文中被穷尽地描述的其他的有利的示例性的实施方案。本发明不限于本文所描述的示例性的实施方案。

本发明根据优选的示例性的实施方案并且借助于附图而在下文被更详细地描述。

在附图中：

图1示出了根据本发明的第一实施方案的根据本发明的电化学能量储存器的示意图，其中热输运介质仅在在能量储存器的外部的区域中流动经过两个电流收集器。

图2示出了根据本发明的第二实施方案的根据本发明的电化学能量储存器的示意图，其中热传递介质仅在在能量储存器的外部的区域中流动经过两个电流收集器，并且其中两个电流收集器都与冷却体接触。

图3示出了根据本发明的第三实施方案的根据本发明的电化学能量储存器的示意图，其中第一种热输运介质在能量储存器的内部的区域中流动经过两个电流收集器并且第二种热输运介质在能量储存器的外部的区域中流动经过两个电流收集器。

图4示出了根据本发明的第四实施方案的根据本发明的电化学能量储存器的示意图，其中第一种热传递介质在能量储存器的内部的区域中流动经过两个电流收集器并且第二种热输运介质在能量储存器的外部的区域中流动经过两个电流收集器，并且其中两个电流收集器都与冷却体接触。

图5示出了根据本发明的第五实施方案的根据本发明的电化学能量储存器的示意图，其中同一种热输运介质在能量储存器的内部的区域中并且在能量储存器的外部的区域中流动经过两个电流收集器。

图6示出了根据本发明的第六实施方案的根据本发明的电化学能量储存器的示意图，其中同一种热输运介质在能量储存器的内部的区域中并且在能量储存器的外部的区域中流动经过两个电流收集器，并且其中两个电流收集器都与冷却体接触。

根据本发明的电化学能量储存器优选具有良好地传导热的电流收集器。这样的电流收集器将电流从这种原电池传导出来或传导入这种原电池中。这样的电流收集器优选是金属的，并且因此除了具有充分的导电率外，还经常具有高的导热率。

这种高导热率具有以下效果：在电流收集器的内部仅有略微的温度梯度产生，并且高热流可以被传导入原电池中或从原电池传导出来。电流收集器的第一区域103、104、203、204、303、304、403、404、503、504、603、604被布置在原电池的内部并且在其中被电连接于原电池的电化学活性部件，即电连接于电极，电极被相反极性的分隔器102、202、302、402、502、602分隔。电流收集器的第二区域105、106、205、206、305、306、405、406、505、506、605、606从这种原电池延伸出来并且被用于将能量储存器电连接于应用环境的目的。

如在图1中示意性地示出的，根据示例性的实施方案，电化学能量储存器具有至少两个电流收集器，该至少两个电流收集器被用于电化学能量储存器在应用环境的内部的电连接。这些电流收集器具有被布置在电化学能量储存器的内部的第一区域以及被布置在电化学能量储存器的外部的第二区域。根据本发明提供有，这些电流收集器中的至少一个电流收集器被设计为使得液态或气态热输运介质107、108、207、208、307、308、407、408、507、508、607、608能够在第二区域中流动经过该至少一个电流收集器。

流动管道107、108、207、208、307、308、407、408、507、508、607、608优选为了该目的而被设置在根据本发明的电流收集器中，液态或气态热输运介质能够流动经过流动管道107、108、207、208、307、308、407、408、507、508、607、608。以这种方式，电流收集器不是排他地通过在这种外部区域中的热传导的机制来冷却，而是在液态或气态热传递介质的辅助下而另外地发生热输运。

热输运介质的流动可以由所谓的对流来推动，其中在电流收集器自身中形成的温度梯度诱导热输运介质中的对流流动。这种对流流动确保热输运介质在较低的温度下被连续地供应至电流收集器的外部区域，并且热传递介质同时在较高的温度下从该电流收集器除去。如果热输运介质的材料性质被合适地选择，那么可以通过使热输运介质流动来实现比例如仅通过金属电流收集器中的热传导进行的冷却更有效的冷却。

代替仅通过热对流诱导热传递介质中的热输运，还可能的是，驱使热输运介质流从外部经过流动管道。在这种情况下，流动速度可以被选择为大于仅有热对流发生时的速度。在外部所施加的流动速度可以被选择为使得被实现的热输运适应于能量储存器的应用或操作状态的即时要求。

图1中示出的装置可以被用于对电化学能量储存器进行冷却和加热两方面。例如，如果电化学能量储存器低于其的最优的操作温度，那么通过将被合适地加热的热输运介质供入电流收集器的流动通道中，电流收集器可以在其外部区域中被加热。温度梯度在电流收集器中形成，其通过热流的在朝向内部区域的方向开始的热传导而被消散。作为结果，热输运介质的热流因此通过从外部区域向其内部区域的热传导而在电流收集器的外部区域和电流收集器的内部中发生，电流收集器的内部区域103、104被加热，这可以总体上导致电池的加热以及因此使能量储存器的温度升高至其操作温度。

相反地，如果加热是由于不可逆的化学反应的进程而在能量储存器的操作中在能量储存器的内部发生，那么其必须被频繁地冷却以防止能量储存器加热超过其最大的操作温度。在这种情况下，用于冷却的热输运介质在较低的温度下被供入电流收集器的外部区域105、106的流动管道107、108中。这导致电流收集器的外部区域105、106的冷却，由此温度梯度在内部区域103、104和外部区域105、106之间产生。这种温度梯度通过发生从电流收集器的内部区域103、104向外部区域105、106的热传导而被消散，由此作为结果而产生从内部向外部的热流，从而电池以及因此能量储存器被冷却。

如在图2中示意性地示出的，根据另外的示例性的实施方案，热输运例如在冷却的情况下的热输运可以被进一步改进，改进之处在于：与电流收集器良好地导热接触的冷却体209、210被附接在电流收集器的外部区域205、206中。通过优选地具有大表面积并且因此可以显著地增加电流收集器和环境之间的热传递的这种冷却体，电化学能量储存器的冷却可以在操作状态中被显著地改进。如果热传递介质211、212另外地围绕冷却体209、210流动，那么更是如此。其可以是气态热输运介质，例如空气，或还可以是液态热输运介质，例如水。

合适的热输运介质的选择受多种因素影响。在一方面，最有效的可能的热传递的方面在材料选择中具有重大的意义。在另一方面，所采用的能量储存器技术也能够影响热输运介质的选择。因此，如果所选择的热传递介质相对于其在正常操作中所接触的材料或其可能在故障的情况下接触的材料而表现出化学上惰性的(较低反应性的)，那么该所选择的热传递介质通常是有利的。

如在图3中示意性地示出的，根据本发明的另外的示例性的实施方案，如果热传递介质也流动经过电流收集器的内部区域303、304，则在电化学能量储存器的内部和电流收集器的外部区域305、306之间的热传递可以被进一步改进。在图3中示意性地示出的示例性的实施方案中，热输运介质流动经过在电流收集器的内部区域303、304中的封闭的流动管道313、314。电流收集器的内部区域中的流动管道的此处所示出的布置因此主要地有助于使电流收集器的内部区域303、304内的温度梯度消散。内部区域中的流动管道的这种布置不产生通过热输运介质从电流收集器的内部区域流动到外部区域305、306中而引起的热输运。由于该原因，在本示例性的实施方案中优选的是，将流动管道308和313或307和314布置成使得强度更高的热交换可以在这些流动管道之间发生。这可以优选地特别是通过以下方案来实现：电流收集器被实施成在电流收集器的内部区域303、304和电流收集器的外部区域305、306之间的过渡区域中具有特别良好的热传导。

如在图4中示意性地示出的，根据另外的示例性的实施方案，热输运例如在冷却的情况下的热输运也可以在图3中示出的示例性的实施方案的情况下被进一步改进，改进之处在于：与电流收集器良好地导热接触的冷却体409、410被附接在电流收集器的外部区域405、406中。通过优选地具有大表面积并且可以因此显著地增加电流收集器和环境之间的热传递的这种冷却体，电化学能量储存器的冷却在操作状态中可以被显著地改进。如果热输运介质411、412另外地围绕冷却体409、410流动，那么更是如此。其可以是气态热输运介质，例如空气，或还可以是液态热输运介质，例如水。

图5示意性地示出了本发明的另外的示例性的实施方案，其中在电流收集器的外部区域505、506中流动的热输运介质还在这些电流收集器的内部区域503、504中流动。通过对热输运介质的材料性质的合适选择以及通过对流动管道的合适设计，由热输运介质的流动引起的热输运在本实施方案中将是特别高的。

然而，对于整个装置的操作可靠性来说，根据所采用的电化学能量储存器的技术对于使同一种热输运介质在电流收集器的内部区域中和外部区域中流动可能是困难的，例如，如果在外部区域中非常有效的热输运介质在故障的情况下可能以非期望的方式与在能量储存器的内部中所使用的材料发生化学地反应的话。

如图4和6中示意性地示出的，根据另外的示例性的实施方案，经过电流收集器的热输运可以被进一步改进，如果被合适地设计的冷却体被布置为在电流收集器的外部区域中与电流收集器进行导热接触的话，这增加了电流收集器和环境之间的热传递。这种效果可以被进一步改进，如果热输运介质围绕这些冷却体流动的话。

用于将冷却体609、610冷却的热输运介质611、612优选是电绝缘体，或以其他方式具有最好的可能的热输运性质。在许多情况下，空气或化学惰性气体例如氮气或二氧化碳表现出适合于该目的。气态热输运介质的流动可以优选通过风扇的合适布置来推动。泵优选适合于产生和保持液态热输运介质的流动。这样的风扇或泵的功率可以优选是电流收集器的区域中所测量的温度的函数，使得例如如果温度过度地偏离于所期望的操作温度，则这些阀或泵的功率被增大。所采用的热输运介质将根据电化学能量储存器的内部的冷却或加热是否被需要或是期望的而被合适地温度控制。这可以优选通过电加热器或通过电操作的冷却组件来进行。

Claims (14)

1.一种电化学能量储存器(101、201、301、401、501、601)，其具有用于将所述电化学能量储存器电连接在应用环境的内部的至少两个电流收集器(105、106、205、206、305、306、405、406、505、506、605、606)，所述电流收集器具有被布置在所述电化学能量储存器的内部的第一区域(103、104、203、204、303、304、403、404、503、504)以及被布置在所述电化学能量储存器的外部的第二区域(105、106、205、206、305、306、405、406、505、506、605、606)，其特征在于，所述电流收集器中的至少一个电流收集器被设计为使得液态或气态热输运介质能够在所述第二区域(105、106、205、206、305、306、405、406、505、506、605、606)中流动经过所述至少一个电流收集器(107、108、207、208、307、308、407、408、507、508、607、608)。

2.根据权利要求1所述的电化学能量储存器，具有至少一个电流收集器，所述至少一个电流收集器被设计为使得液态或气态热输运介质还能够在所述第一区域(303、304、403、404、503、504、603、604)中流动经过所述至少一个电流收集器(313、314、413、414、507、508、607、608)。

3.根据权利要求2所述的电化学能量储存器，具有至少一个电流收集器，所述至少一个电流收集器被设计为使得同一种液态或气态热输运介质能够在所述第一区域中以及在所述第二区域(303、304、403、404、503、504、603、604)中流动经过所述至少一个电流收集器(507、508、607、608、313、314、413、414)。

4.根据权利要求2所述的电化学能量储存器，具有至少一个电流收集器，所述至少一个电流收集器被设计为使得第一种液态或气态热输运介质(413、414、513、514)能够在所述第一区域(403、404、503、504)中流动经过所述至少一个电流收集器并且一种液态或气态热输运介质(407、408、507、508)能够在所述第二区域(405、406、505、506)中流动经过所述至少一个电流收集器。

5.根据权利要求4所述的电化学能量储存器，具有至少一个电流收集器，所述至少一个电流收集器被设计为使得热交换能够在所述第一种热输运介质和所述第二种热输运介质之间发生。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电化学能量储存器，具有至少一个电流收集器，所述至少一个电流收集器在所述第二区域(205、206、405、406、605、606)中以热传导的方式连接于冷却体(209、210、409、410、609、610)。

7.根据权利要求6所述的电化学能量储存器，其中至少一个冷却体(209、210、409、410、609、610)被设计为使得液态或气态热输运介质能够至少部分地围绕所述至少一个冷却体(211、212、411、412、611、612)流动。

8.一种用于冷却或加热电化学能量储存器的方法，所述电化学能量储存器具有至少两个电流收集器，所述电流收集器用于将所述电化学能量储存器电连接在应用环境的内部，所述电流收集器具有第一区域和第二区域，所述第一区域被布置在所述电化学能量储存器的内部，所述第二区域被布置在所述电化学能量储存器的外部，其特征在于，液态或气态热输运介质在所述第二区域中流动经过所述电流收集器中的至少一个。

9.根据权利要求8所述的方法，其中至少一个电流收集器还具有在所述第一区域中流动经过所述至少一个电流收集器的液态或气态热输运介质。

10.根据权利要求9所述的方法，其中同一种液态或气态热传递介质在所述第一区域中以及在所述第二区域中流动经过至少一个电流收集器。

11.根据权利要求9所述的方法，其中第一种液态或气态热输运介质在所述第一区域中流动经过至少一个电流收集器，并且第二种液态或气态热传递介质在所述第二区域中流动经过至少一个电流收集器。

12.根据权利要求11所述的方法，其中热交换在所述第一种热输运介质和所述第二种热输运介质之间发生。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中至少一个电流收集器在所述第二区域中以热传导的方式连接于冷却体。

14.根据权利要求13所述的方法，其中液态或气态热输运介质至少部分地围绕至少一种冷却体流动。

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