用于電池放電的設(shè)備和方法以及電池、電池系統(tǒng)和車輛的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]可預(yù)見的是:無論是在靜止應(yīng)用中、例如在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，還是在移動(dòng)應(yīng)用中、例如在電動(dòng)車輛(electric vehicle，EV)或混合動(dòng)力車輛(hybrid electric vehicle，HEV)中，都將例如具有鋰-離子-蓄電池、鋰-聚合物-蓄電池或鎳-金屬混合物-蓄電池的、增加的新的電池系統(tǒng)用作可再次充電的電能存儲(chǔ)器(EES )。
[0002]電池系統(tǒng)必須在可使用的能量含量、充電/放電效率、可靠性、壽命和由于頻繁的部分放電導(dǎo)致的不希望的容量損失方面滿足很高的要求。
[0003]電池系統(tǒng)包括多個(gè)電池單池。由于其單池內(nèi)阻和所發(fā)生的電化學(xué)過程，電池單池在充電和放電期間發(fā)熱。電池單池可以串聯(lián)(Serie)連接以提高電壓，和/或可以并列連接，以提高最大電流。在此，電池單池可以組合為電池單元或電池模塊。在用于驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)，例如可以將大約100個(gè)電池單池(作為牽引電池)串聯(lián)或并聯(lián)連接。在高壓電池系統(tǒng)的情況下，總電壓因此可達(dá)例如450V或甚至600V。
[0004]鋰-離子-蓄電池單池包括高反應(yīng)性化學(xué)內(nèi)容物，使得為實(shí)現(xiàn)無危險(xiǎn)的運(yùn)行必須維持一定的運(yùn)行參數(shù)，例如最大的充電電壓。因此，監(jiān)測(cè)帶有鋰-離子-蓄電池單池的電池系統(tǒng)。為此，例如可以連續(xù)地監(jiān)測(cè)或測(cè)量每個(gè)蓄電池單池的電壓和/或溫度。盡管如此仍然不可完全排除危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，所述危險(xiǎn)的運(yùn)行狀態(tài)例如可能由于違反運(yùn)行參數(shù)、錯(cuò)誤使用或操作或由于老化導(dǎo)致的化學(xué)變化所導(dǎo)致。這可能例如導(dǎo)致蓄電池單池的熱穿透(Thermal Runaway)，這形成對(duì)于人員和環(huán)境的危險(xiǎn)。
[0005]DE 10 2010 029 806 A1已經(jīng)公開了一種用于車輛的電系統(tǒng)，所述電系統(tǒng)包括:電功率源，特別是用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)的電功率源；開關(guān)，通過該開關(guān)可構(gòu)成或可中斷車輛的功率源和車載網(wǎng)絡(luò)之間的電連接；控制裝置，所述控制裝置構(gòu)造用于在由與該控制裝置連接的傳感器裝置可檢測(cè)到的預(yù)先確定的狀態(tài)下促動(dòng)開關(guān)，以便中斷功率源和車載網(wǎng)絡(luò)之間的電連接；和帶有布置在其內(nèi)的限定的放電電阻的短路導(dǎo)線，以用于受控地將與開關(guān)和功率源連接的功率源放電，所述短路導(dǎo)線與開關(guān)和功率源的連接使得通過操作開關(guān)以將功率源和車載網(wǎng)絡(luò)的連接分離，可選擇性地將功率源短路連接。
[0006]為了進(jìn)一步提高蓄電池(電池)和蓄電池系統(tǒng)(電池系統(tǒng))的安全性，因此要求改進(jìn)在危險(xiǎn)情況下蓄電池和蓄電池系統(tǒng)的放電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]帶有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備和方法的優(yōu)點(diǎn)是，已充電的電池單池例如鋰-離子-蓄電池單池例如在損壞和/或可能的危險(xiǎn)如著火危險(xiǎn)時(shí)在短時(shí)間內(nèi)可以被放電。在此，所出現(xiàn)的不可直接地例如散發(fā)給電池的冷卻系統(tǒng)的熱能首先被存儲(chǔ)。因此，可以降低或避免在放電期間的電池單池的熱負(fù)荷或者甚至過負(fù)荷。由此，熱穿透和/或著火危險(xiǎn)可以被明顯地降低或最好地情況下甚至被禁止。因此，可以明顯地提高或改進(jìn)電池或鋰-離子-蓄電池的安全性。當(dāng)負(fù)載元件對(duì)多個(gè)電池單池的僅一個(gè)電池單池或一些電池單池放電時(shí)，與對(duì)全部電池放電相比，熱能的量可以降低。此外，采用多個(gè)電池單池的剩余的電池單池可以保證電池的受限制的繼續(xù)運(yùn)行(緊急運(yùn)行)。
[0008]本發(fā)明的有利的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中描述。
[0009]熱存儲(chǔ)元件可以以合適的方式包括包含金屬例如銅(Cu)或鉛(Pb)的熱存儲(chǔ)器。由此，可以增大與熱存儲(chǔ)器的質(zhì)量有關(guān)的比熱容和/或與熱存儲(chǔ)器的體積有關(guān)的熱存儲(chǔ)器數(shù)量。替代地，熱存儲(chǔ)元件可以包括含有相變材料(Phase change Material，PCM)例如鹽和石蠟的熱存儲(chǔ)器。通過利用相變、例如從固態(tài)到液態(tài)的相變，可以提高熱存儲(chǔ)器的容量。因此，熱存儲(chǔ)器在放電期間可以達(dá)到例如1000攝氏度(°C)的溫度。
[0010]熱存儲(chǔ)元件可以以合適的方式與調(diào)溫元件例如冷卻元件熱連接。由此，可改進(jìn)所產(chǎn)生和存儲(chǔ)的熱能的引出。
[0011]熱存儲(chǔ)元件可以以合適的方式布置在電池的殼體內(nèi)。由此，可以簡(jiǎn)化電池的機(jī)械和/或電氣結(jié)構(gòu)。因此，可以降低成本。替代地，熱存儲(chǔ)元件可以布置在電池的殼體外。由此，可以降低部件的尺寸。因此，可以較靈活地進(jìn)行電池的安裝和應(yīng)用。
[0012]負(fù)載元件可以以合適的方式包括電阻元件，例如帶有正溫度系數(shù)(positivetemperature coefficient，PTC)的電阻或PTC電阻。通過電阻元件可以將負(fù)載元件構(gòu)造為廉價(jià)且穩(wěn)定的部件。通過PTC電阻，提高了負(fù)載元件隨溫度的升高的電阻值。由此，例如在接近最高允許溫度(最高溫度)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電流的降低。因此，可以實(shí)現(xiàn)或改進(jìn)自我保護(hù)。替代地，負(fù)載元件可以包括半導(dǎo)體元件，例如功率半導(dǎo)體元件、晶體管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，M0SFET)。由此，負(fù)載元件能夠被可改變、可調(diào)節(jié)或可控制地構(gòu)造。因此，負(fù)載元件可以被直接控制。因此，可以省去分開的開關(guān)元件。
[0013]負(fù)載元件的電阻值以合適的方式是可改變的或可調(diào)節(jié)的。由此，放電或放電時(shí)間和充電狀態(tài)和/或待放電的電池單池的數(shù)量可以被匹配。
[0014]負(fù)載元件的電阻值可以以合適的方式大于電池單池的內(nèi)電阻值。由此，在放電期間在電池單池內(nèi)產(chǎn)生的熱能可以被減小或控制。
[0015]負(fù)載元件可以以合適的方式布置在電池殼體內(nèi)。由此，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化電池的機(jī)械和/或電氣結(jié)構(gòu)。因此，可以進(jìn)一步降低成本。替代地，負(fù)載元件可以布置在電池殼體外。由此，部件的尺寸可以進(jìn)一步減小。因此，可以更靈活地進(jìn)行電池的安裝和使用。
[0016]所述設(shè)備還可以以合適的方式包括開關(guān)元件，所述開關(guān)元件與控制裝置連接以用于控制負(fù)載元件。由此，負(fù)載元件的控制可以與負(fù)載元件及其位置解耦。因此，可以降低在正常運(yùn)行期間的電能損失。
[0017]開關(guān)元件可以以合適的方式包括繼電器。由此，可以實(shí)現(xiàn)完全的電分離或電流分離。替代地，開關(guān)元件可以包括半導(dǎo)體元件，例如功率半導(dǎo)體元件、晶體管或M0SET。由此，可以降低或避免磨損，例如電接觸部的磨損。因此，可以提高設(shè)備的可靠性和壽命。
[0018]開關(guān)元件可以以合適的方式構(gòu)造為使得當(dāng)控制負(fù)載元件時(shí)將多個(gè)電池單池中的電池單池電分離。由此，在沒有待放電的電池單池的情況下，可以采用多個(gè)電池單池的剩余的電池單池來維持電池的有限的繼續(xù)運(yùn)行(緊急運(yùn)行)。
[0019]設(shè)備還可以以合適的方式包括隔離元件，所述隔離元件布置在多個(gè)電池單池和負(fù)載元件或熱存儲(chǔ)元件之間，以用于將多個(gè)電池單池與負(fù)載元件和/或熱存儲(chǔ)元件熱隔離。由此，可以降低多個(gè)電池單池的熱載荷。因此，可以提高電池的安全性和壽命。
[0020]本發(fā)明還提供了包括前述設(shè)備的電池。
[0021]本發(fā)明還提供了包括前述設(shè)備或前述電池的電池系統(tǒng)。
[0022]本發(fā)明還提供了交通工具，特別是機(jī)動(dòng)車，如電動(dòng)車、混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)摩托車(電動(dòng)自行車，E-Bike),電動(dòng)腳踏車(Pedal Electric Cycle，Pedelec)，船舶例如電動(dòng)船或潛水艇(U-Boot)，航空器或航天器，所述交通工具包括前述的且與所述交通工具連接的設(shè)備、前述的且與所述交通工具連接的電池、或前述的且與所述交通工具連接的電池系統(tǒng)。
[0023]本發(fā)明還提供了靜止的應(yīng)用，特別是用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備或其他的適合于電池運(yùn)行的機(jī)器。
[0024]熱存儲(chǔ)元件可以以合適的方式包括包含例如銅或鉛的金屬的熱存儲(chǔ)器。由此，可以增大與熱存儲(chǔ)器的質(zhì)量有關(guān)的比熱容和/或與熱存儲(chǔ)器的體積有關(guān)的熱存儲(chǔ)器數(shù)量。替代地，熱存儲(chǔ)元件可以包括含有相變材料例如鹽和石蠟的熱存儲(chǔ)器。通過利用相變、例如從固態(tài)到液態(tài)的相變可以增大熱存儲(chǔ)器的容量。因此，熱存儲(chǔ)器在放電期間可以達(dá)到例如1000 °C的溫度。
[0025]熱存儲(chǔ)元件可以以合適的方式與調(diào)溫元件或冷卻元件熱連接。由此，可以改進(jìn)所形成的和存儲(chǔ)的熱能的引出。
[0026]熱存儲(chǔ)元件可以以合適的方式布置在電池的殼體內(nèi)。由此，可以簡(jiǎn)化電池