CN111406343A - 用于对电池装置进行调温的方法和调温的电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助于循环运行的吸附热泵对包括至少一个电池单体的电池装置进行调温的方法，所述吸附热泵包括吸附器和相变换器以及在所述吸附器与所述相变换器之间被循环驱动的工作介质，其中，使所述至少一个电池单体与吸附器的吸附剂热接触并且对所述电池单体进行调温，其方式为：所述电池装置吸收吸附热和释放脱附热，其中，将在相变换器中在工作介质的冷凝过程期间所释放的热量和在工作介质的蒸发过程期间所吸收的热量导出到环境中和从环境中导入。所述方法的特征在于，使所述电池装置和所述吸附器在需要时通过附加流体回路而与在所述附加流体回路中被循环驱动的传热的流体进行热接触，其中，所述传热的流体与外部热源和/或散热器热接触，其中，在需要时通过所述附加流体回路向电池装置导入来自外部热源的热能，或者通过所述附加流体回路从电池装置提取热能并且将所述热能导出到外部热源。

Description

用于对电池装置进行调温的方法和调温的电池装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于对电池装置进行调温的方法和调温的电池装置以及一种根据权利要求7的前序部分的调温的电池装置。

背景技术

用于调温电池装置的方法的目标是，在考虑到电池的分别存在的运行状态的情况下对电池装置进行最佳的温度设定。对电池装置的调温尤其是在电池装置中在较高功率范围中是必要的，以便能够有效地并且在尽可能短的时间内给电池装置充电也或者使电池装置尽可能快速地准备好运行。这尤其是在用于为电动车辆的驱动马达进行能量供应的电池装置中是这种情况。

电动车辆的电池装置特别需要冷却以保护电池，该冷却在电池充电时以及在行驶期间电池放电时都是有效的。尤其是在通过所谓的超级充电器(SuperCharger)、也就是说具有相对高的充电电流的特殊的充电站对这种电池装置进行快速充电时，在电池装置中释放相当多的热量，这些热量必须尽可能均匀地被导出，以便防止电池包中的单元的局部过热。同时，在电动车辆中使用的电池也必须在低的外部温度下也被加热到一定的运行温度，以便最大化其行程范围。在低的外部温度的情况下，尤其是电池的冷启动导致快速的放电并且这负面地影响电池的使用寿命。

对这种电池装置的调温可以通过使用吸附技术利用所谓的吸附热泵进行。电池单体与吸附剂处于热接触中。电池单体尤其是可以涂覆有固体吸附剂。涂层例如由在铝板上的结晶沸石构成或者由在使用有机或无机粘合剂的情况下的涂层构成。由此，电池包中的各个电池单体的表面能够在负压下、例如在使用水蒸气的情况下或者在超压下、例如在使用二氧化碳的情况下用作具有不同吸附物的用于吸附过程的吸附器。由此，通过脱附过程和吸附过程实现均匀的热导出和热导入。

热管理和因此电池的调温在使用根据现有技术的吸附热泵时以以下形式实现：

吸附器与热传送器导流连接，该热传送器用于吸附物的相变。因此，该热传送器作为相变换器起作用。通过吸附器和相变换器之间的连接，工作介质被循环驱动。这种循环驱动通过工作介质在吸附器上的循环吸附和脱附来进行。优选地，在使用车辆的现有空调设备的情况下，相变换器通过外部冷却回路或外部热源冷却或加热。

在电池快速充电期间，通过在此释放的废热，工作介质、即吸附物从饱和的吸附器脱附。释放的吸附物流向相变换器，在相变换器处吸附剂冷凝。在此释放的冷凝热通过外部系统、例如车辆的空调设备导出。

为了加热电池装置，执行与之相反的运行。吸附器由于吸附过程而吸入包含在相变换器中的冷凝物。工作介质被吸附在吸附器中，并且在吸附期间释放热量。该热量通过热传导被释放到电池的单元上。必须被导入到相变换器的必要的蒸发热是在环境温度下经由外部系统(例如车辆的空调设备的热交换器)被导入到相变换器。

然而，基于这种吸附过程的电池装置的这种调温具有一系列的缺点。一个非常重要的缺点在于，利用这种吸附物调温方法不能确保对电池装置的连续冷却。这是因为，在现有技术中的所述系统中，吸附器的吸附物加载与电池的充电状态逆相关。因为在电池充电时工作介质从吸附器中被排出，其中，在此电池被冷却，因此一旦电池达到其最大的充电状态，吸附器通常就是未加载的。工作介质的进一步脱附于是不再可能。随后，当电池再次放电时，在电池运行期间释放的热量不能再经由吸附热泵从电池导出。此外，吸附器不能再加载工作介质，因为在电池的运行期间，吸附热向电池单体的导入不是必需的或者甚至在趋势上是不利的。

此外，经常出现这样的情况，即在车辆运行期间或者在高的外部温度下，在冷启动时不需要使电池升温，不能或者很难进行吸附器的存储卸载，因为所释放的吸附热必须被导出到环境温度高的环境中。在此，电池装置仅能很差地将工作介质从吸附器排出，工作介质的热量仅不充分地被导出并且传递到周围环境，并且吸附热泵非常低效地工作或者是不起作用的。

发明内容

现在，本发明的任务在于，克服所提到的困难和缺点。

所述任务的解决方案利用一种具有权利要求1的特征的用于对电池装置进行调温的方法和一种具有权利要求7的特征的调温的电池装置来实现。从属权利要求包含了所述方法或调温装置的适宜的或有利的实施方式。

用于对电池装置进行调温的方法从基本配置出发，其中至少一个电池单体借助于循环运行的吸附热泵(吸附热泵包括吸附器和相变换器)利用在吸附器和相变换器之间被循环驱动的工作介质被循环冷却或加热。在此，所述至少一个电池单体与吸附器的吸附剂热接触并且对所述电池单体进行调温，其方式为：该电池单体吸收吸附热和释放脱附热。在此，将在相变换器中在工作介质的冷凝过程期间所释放的热量和在工作介质的蒸发过程期间所吸收的热量导出到环境中和从环境中导入。

根据本发明，该方法的特征在于，电池装置和吸附器以及相变换器在需要时通过附加流体回路而与在附加流体回路中被循环驱动的传热的流体热接触。在此，所述传热的流体与外部热源和/或散热器热接触，其中，通过附加流体回路在需要时向电池装置导入来自外部热源的热能，或者通过附加流体回路从电池装置提取热能并且将热能导出到外部热源。

在该方法的第一实施方式中，附加流体回路在材料上与吸附热泵分开。所述传热的流体通过热交换面沿着由电池装置和吸附器组成的整个装置被引导，并且与吸附热泵的工作介质不同。

补充于通过吸附热泵对电池装置进行循环调温，附加流体回路能实现对由电池装置和吸附器组成的整个装置进行调温。当电池装置在正常运行期间应被调温时，该附加流体回路首先进入作用，并且该附加流体回路能实现在电池的正常运行期间用工作介质对吸附器的期望的加载的再生。

在该方法的另一实施方式中，在附加流体回路启动时，吸附热泵暂时地从循环运行被置于强制对流的运行方式中。在此，工作介质过量地被导入到吸附器中并且将吸附器充满。随后，液态的工作介质强制对流地在没有每次相变的情况下作为传热的流体被循环驱动。由于过量地导入工作介质，不发生脱附和吸附过程，并且吸附热泵的部件有效地仅用作热载体回路的一部分，而吸附热泵的工作介质在没有任何相变以及吸附和脱附的情况下仅作为传热的流体起作用。

“强制对流”在这里当前的情况下意味着，工作介质不是通过吸附被吸入到吸附器中和通过脱附从吸附器中被排出，而是工作介质机械地、尤其是借助于泵被循环，并且在此，热量常规地并且通过单纯的循环被运输。

在该方法的设计方案中，通过受控地改变在所述吸附热泵内的系统压力来实施在循环运行与强制对流运行之间的切换。在此，根据电池装置的目前的运行参数和/或运行状态、尤其电池装置的充电功率和/或放电功率和/或根据当前的环境条件来改变所述系统压力。

在循环运行与强制对流运行之间的切换特别是也可以通过借助于泵单元导入和导出工作介质来实施，其中，根据所述电池装置的目前的运行参数和/或当前的环境条件来控制所述泵单元。

在此，尤其是从现有的储存器中提取工作介质并且通过泵单元导入。在返回到循环的运行方式时，工作介质又被抽出到储存器中并且在那里被收集，从而仅保留在吸附器中吸附的工作介质并且再次作为实际循环的工作介质以供使用。

在该方法的另一实施方式中，所述附加流体回路构造为热管，其中，所述传热的流体在所述外部热源和/或所述外部散热器处实施相变，并且在那里与外部热源或散热器进行相应的热交换。但是在此要注意的是，所述传热的流体不进行任何吸附和脱附。

在装置侧，该调温的电池装置包括多个电池单体和集成到该电池装置中的、包围每个单个电池单体的电池单体调温单元，其中，所述电池单体调温单元能够联接到外部调温机构。

在一个实施方式中，所述电池单体调温单元具有至少一个第一吸附区段和至少一个第二导热区段，所述至少一个第一吸附区段覆盖所述电池单体的面区段并且与所述电池单体处于热接触并且用于与吸附热泵联接，所述至少一个第二导热区段与在附加流体回路中循环的传热的流体处于热接触。

在一个实施方式中，电池单体调温单元包括一排在电池单体之间延伸的流动通道，其中，所述流动通道交替地构造为填充有吸附剂并且由吸附质加载的吸附流动通道和能够以流体穿流的热量流动通道。

电池单体调温单元还可以构造为由第一内部流动通道和第二外部流动通道组成的组合系统，所述第一内部流动通道以热接触方式包围所述电池单体，所述第二外部流动通道以热接触方式包围所述内部流动通道。

所述内部或外部流动通道填充有吸附剂，并且所述吸附剂能够由吸附质加载，其中，填充有吸附剂的流动通道被联接到吸附热泵上，而相应另一个流动通道被联接到外部热载体回路上。

所述电池单体调温单元也可以被构造成以流体穿流的热传递板的形式，所述热传递板与电池单池的第一表面区段和加载有吸附剂的吸附通道热接触，其中，所述热传递板联接在外部热载体回路上并且所述吸附通道是吸附热泵的一部分。

附图说明

以下将根据实施例更详细阐述用于对电池装置进行调温的方法和装置以及经调温的电池装置。附图1a至13用于阐明。对于相同的或者说起相同作用的部件使用相同的附图标记。

在此，示出：

图1a示出根据现有技术的具有吸附器和相变换器的电池调温装置的原理图，

图1b示出补充了吸附热泵的循环运行的附加的热载体回路的原理图，

图1c示出在使用热管的情况下的附加的热载体回路的原理图，

图1d示出根据本发明的另一个实施方式的具有吸附器和相变换器的电池调温装置的原理图，

图2示出在电池装置的持续运行期间在吸附器的结构材料内的热传导过程的图示，

图3示出电池装置的第一实施方式的图示，

图4示出具有内部和外部流动通道的电池装置的第二实施方式的图示，

图4a示出包围的流动通道的透视图，

图5示出具有区段式包围的电池单体的电池装置的第三实施方式的图示，

图6示出电池装置与热载体回路的部件的连接的图示，

图6a示出电池调温装置在快速充电过程期间的图示，

图6b示出在电池装置的持续运行和吸附器再生期间的电池调温装置的图示，

图6c是在寒冷的环境温度下预热电池装置期间的电池调温装置的图示。

图7示出使用热管的冷却回路的可能的实施方式，

图8示出用于连续冷却的附加的热载体回路的运行模式的图示，

图9示出用于在低的环境温度下借助于热导入以加热电池的运行模式，

图10示出用于给热储存系统加载、尤其是用于冷却的运行模式的图示，

图11示出用于使热储存系统卸载、尤其是用于加热电池的运行模式的图示，

图12示出在空气进入方面的作用方式的图示，

图13示出用于对电子构件进行调温的热管系统的示例性应用。

具体实施方式

图1a示出根据现有技术的具有吸附器和相变换器的电池调温装置的原理图以供比较。

图1a中所示的根据现有技术的电池调温装置的组合系统基本上构造在吸附热泵A上。电池装置Ba与吸附器Ad、尤其是与吸附器Ad中所含的吸附剂Ads处于热接触。吸附器作为吸附热泵A的一部分与相变换器Ph连接。在吸附器和相变换器之间循环驱动工作介质AM。所述工作介质在吸附器的吸附剂Ads上被吸附或被脱附。阀V1控制气态工作介质在吸附器和相变换器之间的流动。

在工作介质被吸附时释放吸附热。由此，向电池装置Ba供应热量。然而，电池也可以将热量释放到吸附剂并且由此被冷却。当电池向吸附剂Ads释放热量时，所吸附的工作介质从吸附剂被排出并且在相变换器Ph中被冷凝。

通过这些过程电池因此被加热或被冷却。工作介质在该过程中通过吸附剂释放或吸收的热量通过相变换器与外部部件进行交换。在此，通常使工作介质在相变换器中冷凝或蒸发。当工作介质从吸附剂中被排出并且因此电池装置Ba被冷却时，则工作介质在相变换器中冷凝。在工作介质被吸附在吸附剂中并且因此电池被加热时，工作介质蒸发。

在工作介质在相变换器中被冷凝时释放的冷凝热或者在工作介质在相变换器中被蒸发时吸收的蒸发热例如与车辆的空调系统K进行交换。在此，在车辆的空调系统中流动有另外的介质，所述另外的介质在相变换器Ph上吸收热量或将热量释放到所述相变换器上。在向相变换器供应热量时，工作介质在相变换器中蒸发并且被吸附在吸附器的吸附剂中，其中，将所述热量释放到电池上。空调系统K原则上也可以通过任意的外部系统来替代，该外部系统可以吸收热量并且因此用作散热器，或者该外部系统提供热量并且因此可以用作热源。

在这里所示的实例中，空调系统K包括压缩机C、阀V2至V4和用于对乘客室进行调温和/或用于与环境进行热传递的不同的热交换器Hx1和Hx2。

尤其是在电池装置快速充电时，发生吸附器Ad的脱附并且因此发生电池装置Ba的冷却，在快速充电时大量热量必须从电池装置中被导出。

在电池装置的快速充电期间，电池充电废热使饱和的吸附器Ad脱附。释放的吸附物流向相变换器Ph，在相变换器处吸附物冷凝。冷凝热通过外部系统被导出，在这种情况下是汽车的空调设备K导出。在脱附结束之后，吸附热泵A内的阀V1闭合。工作介质现在几乎完全在相变换器中冷凝并且吸附剂Ads未被加载。

当需要对电池进行加热、特别是在低的环境温度下时，工作介质在吸附器中的吸附在电池的存储放电时进行。这种情况发生是为了能够提取仅在最佳的温度范围内存在的全部的电池功率。

为了加热电池装置Ba，阀V1被打开。吸附器Ad吸取工作介质的在相变换器Ph中含有的冷凝物。工作介质被吸附在吸附剂Ads中，并且在吸附期间释放热量。释放的热量通过热接触、尤其是通过热传导到达电池装置Ba并且被释放在电池装置的电池单体上。必要的蒸发热是在环境温度下通过外部系统(在当前实例中在此是空调设备K的热交换器)被供应到相变换器Ph上。

然而，利用这种装置不能确保通过吸附的调温系统对电池装置Ba进行连续冷却。因为在这种系统中，对在吸附器中的吸附剂加载以工作介质、即吸附质通常与电池的充电状态反相关。这是因为，在电池快速充电期间为了使电池冷却，工作介质从吸附剂中被排出。工作介质于是完全地或至少大部分地以冷凝的形式处于相变换器中并且只要不需要加热电池就也保留在那里。不再提供对电池装置的进一步冷却。

此外，不再能够容易地将工作介质引回到吸附质Ads中。尤其是在高的外部温度下，在此在冷启动中不需要电池的加热，工作介质返回到吸附器中的转移会导致电池被过度加热。因此，图1a中所示的系统不能将该吸附热导出到环境中，并且此外不允许电池装置Ba在持续运行期间持续被冷却。

为此，在当前实施例中给出了解决可能性。

图1b示出根据本发明的方法的第一实施方式的作为对吸附热泵的循环运行的补充的附加的热载体回路的原理图。所述附加的热载体回路Z被分配给吸附热泵A。所述热传送回路在由电池装置Ba和吸附器Ad构成的整个装置上延伸并且通过热传送器

与外部热源和/或散热器交换热量。这些外部热源和散热器例如是乘客室、环境或者也是外部热泵。热载体回路同样与吸附热泵的相变换器Ph热接触。在附加的热载体回路中循环的传热的流体被强制对流地、即通过泵P2循环驱动。

所述附加的热载体回路基本上满足两个功能。首先，所述附加的热载体回路能实现在常规运行期间对电池装置进行连续调温、尤其是在电池装置被持续冷却或加热到合适的运行温度期间对电池装置进行调温。其次，所述附加的热载体回路能实现工作介质从相变换器Ph返回到吸附剂Ads中或者可选地能实现工作介质从吸附剂Ads移动到相变换器Ph中，其中，在此产生的或待吸收的热量可以毫无问题地通过所述附加的热载体回路被导出或被导入，而不影响对电池装置Ba的调温。最后，所述附加的热载体回路因此能实现有针对性地设定吸附热泵的特定的初始配置。

在附加的热载体回路中强制循环驱动的流体也可以是吸附热泵A的工作介质自身，并且可以直接地并因此不仅仅以热接触的方式穿流所述吸附热泵的部件。在这种情况下，工作介质被过量地添加并且因此吸附热泵的部件被充满到如下程度，使得工作介质不能够在相变换器Ph中实施任何相变并且不能够在吸附质Ads中实施任何吸附和脱附过程。在这种情况下，工作介质强制对流地流过所述附加的热载体回路并且在此仅作为传热的流体起作用。这种运行方式的优点在于吸附热泵的所有部件可以经由所述附加的热载体回路被供应工作介质，其中，所述附加的热载体回路自身使所述吸附热泵处于定义的初始状态，并且尤其是再次用所述工作介质填充所述吸附器。在此，在这种情况下产生的吸附热毫无问题地由过量循环的工作介质导出，其中，始终确保将电池装置Ba调温到所要求的运行温度上。

图1c示出在使用热管功能性、即所谓的热管时附加的热载体回路Z的一个实施例。在此，热载体回路Z以其整体构成热管，所述热管的特征始终在于用于蒸汽运输的子回路和用于液体运输的子回路。在这里所示的实施例中，传热的流体循环通过相变换器Ph，在相变换器处发生从液态到气态的相变。产生的蒸汽通过阀V1流向吸附器Ad，在吸附器处，蒸汽在吸附剂Ads的表面上冷凝，并且在此向吸附器释放冷凝热，并且由此使电池升温。冷凝的液体的运输通过泵P2向相变换器Ph返回地进行。

为了冷却电池，将过程反转，并且热载体回路Z在相反的方向上运行：在吸附器Ad上的蒸发中，该吸附器被冷却并且利用该吸附器冷却电池，蒸汽通过阀V1流向相变换器。蒸汽在该相变换器上冷凝并且在此通过通向上述的散热器的泵P1使回路K升温。回路Z中的液体通过泵P2被输送回到吸附器。

因此，即使没有吸收过程和脱附过程，包括相变的在热管模式中的热传递通过相变焓的传递能够非常有效地实现在电池装置Ba与回路K之间的热量。令人惊讶地示出的是，根据本发明的结构既可以在没有相变(图1b)也可以在具有相变(图1c)的情况下被用于在电池装置与回路K之间的热传递，并且可以简单地通过系统压力和泵控制装置来调节。如果通过合适的机制、例如通过毛细力使液体运输足够，则也可以实现没有泵P2的实施方式。

图1d示出基于根据本发明的方法的、用于对电池装置Ba进行调温的组合系统的另一实例。这里所示的组合系统包含根据图1a中的图示的所有部件，即尤其是具有热接触的吸附器Ad和吸附剂Ads的电池装置Ba，所述吸附剂又是吸附热泵A的组成部分。吸附热泵在此又示例性地与作为外部系统的车辆的空调设备K联接。

与根据图1a的组合系统不同，在此除了通过V1的在相变换器和电池装置之间的回路之外还设置附加的热传递回路Z，所述附加的热传递回路热传递地附接到由电池装置Ba和吸附器Ad组成的整个装置上、导出由该整个装置产生的热量，或者导入该整个装置必要时所需要的热量，并且与通过阀V1的回路分开地构建。吸附热泵的相变换器Ph在该实施例中不是所述附加热传递回路Z的组成部分。对于电池装置Ba来说，这意味着，这里为了调温所需的热量可以通过两个通道分布地进行传递，更确切地说如此传递，使得所述电池单体几乎连续均匀地并且分别按照运行负荷分级地通过两个在结构上彼此分开的机构来进行调温。

对于在图1b至1d中的实施例，这尤其意味着，工作介质的处于相变换器Ph中的量可以被导回到吸附器Ad中并且在那里又被吸附，而不过度使电池升温。因为在那里释放的吸附热可以通过附加热传递回路Z被导出。这尤其是也可以在高的环境温度下和在电池装置Ba的充电状态相对高时发生，从而在吸附器Ad中又存在足够的工作介质，以便在高的功率提取的情况下必要时也明显地冷却电池。因此可能的是，取消电池充电状态与工作介质在吸附热泵中的分布之间的上述逆相关，并且作为取代方案将其设计为可变的。

待导入给电池装置Ba或待从电池装置Ba导出的热量可以以非常不同的方式从附加的流体回路中被导出或被导入。可能的是，热传递到也已经由吸附热泵A使用的外部热源或散热器、在此例如热传递到车辆的空调设备，或者通过回路Z直接将热量传递到环境。

电池装置Ba以及布置在其上的吸附剂Ads相应地构造用于向所述附加的热载体回路进行热传递。下面示例性地阐述了电池装置与吸附器相联系的一些构造方案。

在电池单体上的热传递例如通过在吸附器结构材料内的热传导进行，例如通过铝片或通过其上施加有吸附剂的开孔结构(铝泡沫或纤维)。

为此，在装置侧的第一实施方式中，设置有热传导装置2。图2在此示出相应的实例。只要电池装置Ba包括作为功能基本单元的多个电池单体，那么在每个电池单体上设置有该热传导装置。

图2示出电池单体1。该电池单体被吸附剂Ads包围并且与该吸附剂处于热接触中。吸附剂Ads在电池单体表面上形成吸附区段3。可能的是，套装在电池上的包套类似于套筒或类似于以吸附剂填充的流动通道。相应于吸附热泵的循环的工作方式，工作介质作为吸附剂被吸附到吸附剂中或者从吸附剂脱附。

此外，图2的装置具有导热区段4，该导热区段与电池单体1和吸附区段3都处于热接触中。导热区段4可以构造为冷却板。因此，冷却板引起与附加的热载体回路的热交换。冷却板构成电池单体1的附加调温单元。

然后，冷却板4被加载有附加的热载体回路Z的流体、尤其是液体。

当电池热量在运行中过高时，构造为液体回路的热载体回路Z在连续运行期间冷却电池。当必须吸附过量的冷凝物时，液体回路也可提供冷却，使得可以为电池的下一次快速充电做准备。液体回路可以如所述的那样利用泵循环或者实施为热管，在所述热管中通过相变进行热传递。

电池装置Ba构造为电池包的实施方式是有利的，其中，所述电池包作为整体既作为流体回路的一部分又与吸附热泵联接。

电池包可以这样构造，使得每个电池单体一方面与被来自所述附加的热载体回路Z的流体覆盖的表面接触，该流体尤其是作为冷却液起作用，并且另一方面与被吸附剂Ads的材料覆盖的表面热接触。被吸附剂Ads覆盖的侧面在快速充电期间提供冷却并且确保在冷的外部温度下对电池单体的预热。当车辆运行时或当吸附剂中吸附过量的冷凝物并且必须将在此释放的热量导出时，所述附加的热载体回路提供连续的冷却。

图3示出这种电池包7的示例性的实施方式，该电池包在这里所示的实例中形成电池装置Ba。所述电池包由一排电池单体1组成。在电池单体之间延伸有流动通道。这些流动通道交替地是填充有吸附剂的吸附流动通道5或者以流体穿流的热量流动通道6。吸附流动通道作为整体构成吸附热泵的吸附器Ad。因此，电池包在其由电池单体和吸附流动通道构成的整体上是集成的吸附器电池单体，所述集成的吸附器电池单体的热释放和热吸收作为整体通过穿流的热量流动通道来调节。在该集成的组合系统中，可以特别有效地调节和监控作为整体的吸附器和电池装置中的净热平衡。

根据图4的电池装置可以被构造成，使得每个单个的电池单体的整个表面与来自所述附加的热载体回路Z的冷却流体处于热接触，其中，这种装置又整体上与吸附剂材料处于接触。坚固的薄的和良好导热的层、例如铝箔，将冷却流体的区域与吸附剂体积分开。

相反的结构同样是可能的：电池单体与吸附剂材料处于接触，所述吸附剂材料又与冷却流体处于接触；坚固的薄的层，例如铝箔，将冷却流体的区域与吸附剂体积分开。

这种结构可以适配到单池单体的形状上。在图4中示出柱形的电池单体1，该电池单体同心地被内部流动通道8包围。内部流动通道8又被外部流动通道9包围。所述内部流动通道和外部流动通道又通过良好导热的分离壁10彼此隔开，但彼此处于热接触中。在此，这两个流动通道中的一个流动通道填充有吸附剂Ads，并且在该吸附剂中循环地实施吸附和脱附，另一个流动通道被流体回路的流体穿流并且例如用于导出多余的吸附热以及用于在正常运行期间冷却电池单体。

这种布置结构也可以至少区段式地交替地布置，如图4中的下方的实例中所说明的那样。

图4a以透视图示出该装置。电池单体1以及流动通道8和9形成同心的和柱形的结构。在该结构中，可以在整个装置内部实现电池单体与流动通道8和9之间的动态热平衡。最后，电池单体1通过以下方式被调温，即流动通道8和流动通道9在其作为吸附器或流体回路的一部分的特性方面彼此交换热量，其中，由电池单体1供给由此所产生的热净流或释放该热净流到电池单体中。

图5以两个变型方案示出了电池单体1的结构，该电池单体具有作为吸附热泵的吸附器的一部分的包围的吸附剂Ads和在所述带你吃单体的各端侧上的热载体板11。热载体板例如构成在端侧上的冷却板并且在需要时冷却由电池单体和吸附剂Ads构成的整个装置。电池和吸附器包也可以这样构造，使得电池单体的侧表面与吸附剂材料接触并且上侧和下侧(或仅上侧或仅下侧)与附加的热载体回路的冷却液接触。

在快速充电时的热导出大多通过吸附剂材料的脱附实现。在持续运行的情况下或在过量冷凝物的吸附的情况下的热导出通常通过向冷却液的热传递来实现。电池的预热通过作为冷凝物存在的工作介质的吸附来实现。

热载体板11在其内部具有流动通道12，所述附加的热载体回路的流体穿流所述流动通道。

用于在不需要第二流体系统或热传导结构的情况下利用吸附热泵的系统实现对电池设备的调温的灵活性的另一选择是，不仅为了通过脱附和吸附进行的热传递(也就是说在具有作为吸附热泵的运行的存储运行中)而且为了通过在连续运行中不具有相变的致冷剂的循环进行的热传递，将相同的系统进行组合。

为此，在电池充电和由此引起的吸附剂脱附之后，吸附物以液态形式过量地被引入到吸附器中。因此充满吸附器，使得吸附剂中不会由于吸附物从蒸气相沉积而释放吸附热，而是从液体相释放显著较少的结合热。所述结合热可以通过液态吸附物的回路来导出。因此，吸附物仅作为热载体介质起作用。

这样的系统不仅能实现使流体在吸附器内循环，而且能实现使干式吸附器再生，即重新被供应工作介质。由此，提供连续的冷却以及在快速充电期间的冷却。通过借助次级冷却回路设定在所述附加的热载体回路中的系统压力，可以事先选择这样的点，从该点开始通过强制对流将热传递过渡到通过脱附/冷凝进行的热传递并且进行替换。这可以在高的充电功率时，以及在高的放电功率时，例如在车辆的高的加速度时实现。

备选地，可以通过借助于泵导入和导出液态吸附物来确定的是，系统是处于强制对流模式中并且因此处于热回路模式中还是处于脱附/冷凝模式中并且因此处于吸附热泵模式中。

在使得在行驶运行期间通过吸附来使电池升温或者对于冷启动必要的低外部温度的情况下，必须在连续冷却和吸附/脱附运行之间及时地切换，即在作为热载体回路的运行和作为吸附热泵的运行之间及时地切换。该模式必须由车辆管理系统在特定的外部温度下激活。

图6、6a至6c借助于示例性的框图示出相应的运行状态。根据图6示出一排电池单体1，所述电池单体分别由吸附器单元Ad包围。通过阀V1可以在吸附器单元和相变换器Ph之间循环驱动工作介质。此外，还设置有用于工作介质的储备容器V以及泵P3，该泵可以由控制单元S接通。通过泵P2可以实现吸附器Ad、相变换器以及泵P2之间的回路。温度传感器T和负荷传感器L记录吸附器单元和电池单体的温度和流体负荷，并且将这些值输出到控制单元S。

图6a示出在快速充电过程(能量输入E)期间电池设备的调温装置的线路。电池装置Ba由一些电池单体1构成，在所述电池单体之间布置具有吸附剂的吸附器单元Ad。吸附器通过阀V1与相变换器Ph连接。此外，设置有泵P2。该泵位于从相变换器返回到吸附器Ad的支路中。当这种组合系统作为热载体回路起作用时，引导通过泵P2的该支路被激活。

在电池的快速充电过程中，阀V1被打开。然而，泵P2是不活动的。工作介质通过电池单体1的热释放从吸附器Ad脱附并且到达相变换器Ph中，在那里工作介质冷凝并且将热量Q如前面所描述的那样释放到环境或外部部件中。

在快速充电过程结束之后，工作介质作为冷凝物位于相变换器Ph中。电池装置被充电并且准备好运行。电池装置在连续车辆运行期间并且因此在放电期间持续地释放热量，并且必须被冷却以保持最佳运行温度。

如图6b中所示，现在从工作介质储备V中过量地向相变换器供给工作介质。泵P2将过量添加的工作介质驱动到电池装置内的吸附器Ad中。在此，进行吸附器的强制加载，其中，在吸附剂中仅很少地吸附该工作介质。因此，吸附不会以较大程度进行，因为电池装置的热释放防止了这种情况。然而，工作介质流动通过吸附器，并且在此吸收由电池装置产生的热量。因此，工作介质用作为用于电池装置的冷却剂，其中，在阀V1打开时在泵P2的影响下实现的回路用作电池装置的冷却回路。在此，工作介质又到达相变换器Ph中并且可以在那里被收集并且必要时被导出。

在结束电池运行之后，这样运行冷却回路，使得尽可能少的液态工作介质保留在吸附器中。过量添加的工作介质从相变换器中返回导出到储存器中。冷却回路因此准备好重新预加热电池装置。

在图6c中示出在低温度下预加热电池装置。吸附器Ad几乎没有工作介质。相变换器Ph包括液态工作介质的储备。现在，阀V1被打开。液态工作介质蒸发并且被吸附在吸附器Ad的吸附剂上。在此释放的吸附热传导至电池并且使电池升温。

吸附剂尤其是由高度毛细管的材料如沸石构成。工作介质扩散到涂覆有吸附剂的部分中。该部分在工作介质的脱附时实现在电池冷却期间蒸发冷却器的作用。当吸附工作介质时，工作介质用作用于使电池升温的加热器。

在图7中示出系统的另一种可能的结构。

在下面的图7至13中：13冷却剂泵、14具有吸附器的电池、15冷却剂管路、16后冷却器、17相变器、18加热器、19冷凝阀和管路、20冷凝泵、21蒸汽阀和管路。蒸汽阀21仅被需要以用于在吸附运行中的热储存。

图8示出通过附加的热载体回路的连续的电池冷却的运行模式。这种运行模式被实施如下：

用作吸附热泵的系统致冷剂的工作介质(例如水)由相变器17通过冷凝管路和冷凝阀19借助冷凝泵20被泵送到具有吸附器14的电池的吸附器容积中。

在进入吸附器容积中时，冷却剂借助于毛细作用通过吸附材料扩散。以这种方式，吸附材料变湿，并且由电池单体中的电损失产生的热量使液态致冷剂蒸发。因此，吸附器容积内的压力接近致冷剂在期望的电池温度下的蒸发压力。

一旦冷却剂处于蒸汽形式，冷却剂自然地流回到相变换器17，在那里冷却剂再次冷凝到液态形式。这种冷凝借助于相变器的部件的有源冷却来实现，该有源冷却或者通过环境温度-后冷却器回路16或者通过车辆热泵(或基于压缩机的空调设备)的联接来实现。在这里重要的是，这个过程由冷凝泵20强制进行，而不是由吸附和脱附来驱动。

因此，吸附剂材料在这种运行模式中仅起到热分配器的作用。只要存在来自电池的废热，这个过程就连续地进行，以驱动冷却剂的蒸发，其中，将冷凝的冷却剂泵送回到所述吸附器中。

图9示出使电池持续升温的运行模式。所述系统可以用于在寒冷天通过外部热导入来使电池升温。在这种模式下，系统如下工作：

来自车辆的外部热泵或外部加热器18的热量被导入到相变器17。所述热量能实现位于相变器17中的冷却剂冷凝物的蒸发。蒸发的冷却剂自然地流向电池和吸附器14的吸附器容积，在那里冷却剂在与冷表面接触时冷凝。表面在接收到冷凝热时升温。然后，该热量通过热传导被传递到电池上。

冷凝的致冷剂通过重力流动到吸附器容积的底部，并且借助于冷凝泵20经由冷凝管路被泵送回到相变器。这里也需要强调的是，该过程强制对流地进行并且借助于冷凝泵来驱动。

该循环可以继续进行，直到达到期望的电池温度。

另一种运行模式是基于热储存。在图10中示出在系统的蒸汽管路上的蒸汽阀21。当热能量存储器应与系统一起使用时，存在该阀。热储存器容量取决于吸附器中所包含的吸附材料的量。

在热储存器模式下，系统如以下所述地工作：

在图10中示出与冷却过程相联系的存储系统的加载。冷凝管路借助于冷凝阀19闭合。在快速充电或其它运行模式期间来自电池的电废热用于使由电池和吸附器14形成的组合系统中的湿润的吸附剂脱附。从这种脱附中释放的致冷剂蒸汽流向相变器，在那里致冷剂蒸汽冷凝。这种冷凝通过有源冷却相变器经由外部线路(例如车辆热泵或基于压缩机的空调设备或环境温度冷却回路)来实现。一旦所期望的致冷剂量已从吸附剂材料脱附或者一旦吸附剂材料已干燥，蒸汽管路阀21就可以闭合，以便将吸附器与相变器17完全隔离。

在图11中示出与电池装置的升温相联系的存储系统的卸载。在热能被释放到吸附器上之前，吸附器是冷的，并且冷凝物以及蒸汽管路都处于闭合状态中，即，吸附器14和相变器17彼此完全隔离。当蒸汽管路打开时，发生热能的释放。阀21的打开降低了相变换器中的压力，并且致冷剂冷凝物开始蒸发、流向吸附器并被吸附剂材料吸附。致冷剂的吸附释放热能，所述热能经由管路传递至电池。另一方面，发生的蒸发使相变器冷却。为了使这个过程持续需要长的时间，或者只要系统没有完全卸载，蒸发热必须被导入给相变换器。这种蒸发热可以在环境温度下通过后冷却器回路被导入，以保持相变器的温度稳定。

上述热管理系统的一个优点是它非常安全。致冷剂、例如水，可以是安全且环境友好的物质。存在于吸附器容积中的致冷剂的大部分是蒸汽形式的，这在水的情况下是不导电的并且具有比空气更好的电击穿强度。在吸附器的底部上可以收集仅少量的液态致冷剂。如图12中所示，在系统失效时，由于系统压力增加，液体体积将自动离开吸附器。因此，该系统是本质安全的，并且吸附剂材料可以布置在电池单体附近而不会损害车辆安全性。

本文描述的热管系统可以扩展到如下应用：针对高密度和空间受限的冷却需求冷却小电子部件。事实上，通过具有由吸附材料形成的层的材料的热传导可以大于10kW/m²K，这与基于冷却剂循环的冷却系统相比是很大的改进。

电子部件可以在每表面单位上释放大的热量。这种热管系统能够实现将这种热量移动到更大的表面上，相变器，其中外部回路可以以传统方式被使用以便将热量导出到环境。这在图13中示出。在图13中表示：22冷却剂泵、23具有吸附器的冷却的芯片、24冷却剂管路、25后冷却器、26相变器、27冷凝阀和管路、28冷凝泵、29蒸汽管路。

基于吸附的热管系统的主要优点是极高的热传导、均匀的热导出和导入、不仅在冷却方面而且在升温方面的连续运行、以及存储热量以用于低电流消耗的可能性。

附图标记列表

A 吸附热泵

Ad 吸附器

Ads 吸附剂

Ba 电池装置

E 电池充电或放电

F 流体回路

HP 热管

K 空调系统

P1-3 泵

Ph 相变换器

V1 阀

Q 热量

热传送器

Z 附加的热载体回路

1 电池单体

2 热传导装置

3 吸附区段

4 导热区段

5 吸附流动通道

6 热量流动通道

7 电池包

8 内部流动通道

9 外部流动通道

10 热传导的分离壁

11 热载体板

12 流动通道

13 冷却剂泵

14 具有吸附器的电池

15 冷却剂管路

16 后冷却器

17 相变器

18 加热器

19 冷凝阀和管路

20 冷凝泵

21 蒸汽阀和管路

22 冷却剂泵

23 具有吸附器的冷却的芯片

24 冷却剂管路

25 后冷却器

26 相变器

27 冷凝阀和管路

28 冷凝泵

29 蒸汽管路

Claims (12)

1.一种用于借助于循环运行的吸附热泵(A)对包括至少一个电池单体(1)的电池装置(Ba)进行调温的方法，所述吸附热泵包括吸附器(Ad)和相变换器(Ph)以及在所述吸附器与所述相变换器之间被循环驱动的工作介质(AM)，

其中，使所述至少一个电池单体(1)与吸附器(Ad)的吸附剂(Ads)热接触并且对所述电池单体(1)进行调温，其方式为：所述电池装置吸收吸附热和释放脱附热，

其中，将在相变换器中在工作介质的冷凝过程期间所释放的热量和在工作介质的蒸发过程期间所吸收的热量导出到环境中和从环境中导入，

其特征在于，

使所述电池装置(Ba)和所述吸附器(Ad)在需要时通过附加流体回路(Z)而与在所述附加流体回路中被循环驱动的传热的流体进行热接触，

其中，所述传热的流体与外部热源和/或散热器热接触，其中，在需要时通过所述附加流体回路向电池装置导入来自外部热源的热能，或者通过所述附加流体回路从电池装置提取热能并且将所述热能导出到外部热源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加流体回路与所述吸附热泵在材料上分开，其中，将所述传热的流体通过热交换面沿着由电池装置(Ba)和吸附器(Ad)组成的整个装置引导。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述附加流体回路启动时，将吸附热泵(A)暂时地从循环运行置于强制对流的运行方式中，其中，将工作介质过量地导入到吸附器中并且将所述吸附器充满，其中，随后，将液态的工作介质(AM)强制对流地在没有相变的情况下作为传热的流体进行循环驱动。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过受控地改变在所述吸附热泵(A)内的系统压力来实施在循环运行与强制对流运行之间的切换，其中，根据电池装置(Ba)的目前的运行参数和/或运行状态、尤其电池装置(Ba)的充电功率和/或放电功率和/或根据当前的环境条件来改变所述系统压力。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述在循环运行与强制对流运行之间的切换通过借助于泵单元(P3)导入和导出所述工作介质来实施，其中，根据电池装置(Ba)的目前的运行参数和/或根据当前的环境条件来控制所述泵单元。

6.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，所述附加流体回路(Z)构造为热管(W)，其中，所述传热的流体实施相变。

7.一种调温的电池装置(Ba)，包括多个电池单体(1)和集成到所述电池装置中的、包围每个单个电池单体的电池单体调温单元，其中，所述电池单体调温单元能够联接到外部调温机构上。

8.根据权利要求7所述的调温的电池装置(Ba)，其特征在于，所述电池单体调温单元具有至少一个第一吸附区段(3)和至少一个第二导热区段(4)，所述至少一个第一吸附区段覆盖所述电池单体的面区段并且与所述电池单体处于热接触并且用于与吸附热泵联接，所述至少一个第二导热区段与在附加流体回路中循环的传热的流体处于热接触。

9.根据权利要求7或8所述的调温的电池装置(Ba)，其特征在于，所述电池单体调温单元包括一排在所述电池单体(1)之间延伸的流动通道，其中，所述流动通道交替地构造为填充有吸附剂并且由吸附质加载的吸附流动通道(5)和能够以传热的流体穿流的热量流动通道(6)。

10.根据权利要求7或8中任一项所述的调温的电池装置，其特征在于，所述电池单体调温单元被构造为由第一内部流动通道(8)和第二外部流动通道(9)组成的组合系统，所述第一内部流动通道以热接触方式包围所述电池单体(1)，所述第二外部流动通道以热接触方式包围所述内部流动通道。

11.根据权利要求10所述的调温的电池装置，其特征在于，所述内部或外部流动通道(8或9)填充有吸附剂，并且所述吸附剂能够由吸附质加载，其中，填充有吸附剂的流动通道被联接到吸附热泵上，而相应另一个流动通道被联接到外部热载体回路上。

12.根据权利要求7所述的调温的电池装置，其特征在于，所述电池单体调温单元被构造成以流体穿流的热传递板(11)的形式，所述热传递板与电池单池(1)的第一表面区段和加载有吸附剂(Ads)的吸附通道热接触，其中，所述热传递板联接在外部热载体回路上并且所述吸附通道是吸附热泵的一部分。

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