电化学电力存储电池单元.pdf

本发明涉及一种电化学电力存储电池单元(1)，该电池单元包括一个壳体(3)，该壳体含有：连接到正端子(5)上的至少两个正电极(21)、连接到负端子(6)上的至少两个负电极(22)，这些正电极(21)和负电极(22)以交替的方式堆叠在该壳体(3)中。在这些正电极(21)和负电极(22)中的每个正电极与负电极之间放置了至少一个分隔件(23)。根据本发明，该电化学电池单元(1)还包括被放置成与这些正电极(21)和负电极(22)以及该壳体(3)相接触的至少一个接触元件(4a，4b)。

1.  一种用于存储电力的电化学电池单元(1)，该电化学电池单元包括一个壳体(3)，在该壳体内安排了以下各项：
-连接到一个正端子(5)上的至少两个正电极(21)，
-连接到一个负端子(6)上的至少两个负电极(22)，
所述至少两个正电极(21)和至少两个负电极(22)交替地堆叠在所述壳体(3)中，在所述正电极(21)和负电极(22)中的每个正电极与负电极之间放置了至少一个分隔件(23)，
其特征在于，所述电化学电池单元(1)此外包括被安排成与所述正电极(21)和负电极(22)以及所述壳体(3)相接触的至少一个接触元件(4a，4b)。

2.  如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述接触元件(4a，4b)包括至少一个热管(7)，该热管的一个第一端(71)连接到所述接触元件(4a，4b)上并且一个第二端(72)形成在所述电化学电池单元(4a，4b)之外。

3.  如权利要求1和2之一所述的电化学电池单元，其特征在于，所述壳体(3)由一种柔性材料制成。

4.  如权利要求1和2之一所述的电化学电池单元，其特征在于，所述壳体(3)由一种刚性材料制成。

5.  如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述接触元件(4a，4b)由聚合物制成。

6.  如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述接触元件(4a，4b)由弹性体制成。

7.  如权利要求1所述的电化学电池单元，其特征在于，所述正电极(21)和所述负电极(22)具有基本上矩形的形状。

8.  如前一项权利要求所述的电化学电池单元，其特征在于，所述接触元件(4a，4b)是贯穿所述正电极(21)和负电极(22)的长度地形成的。

9.  一种机动车辆电池，其特征在于，该电池包括如前述权利要求中任一项所述的用于存储电力的至少一个电化学电池单元。

10.  一种机动车辆，其特征在于，该机动车辆包括如权利要求9所述的至少一个电池。

电化学电力存储电池单元
技术领域
本发明涉及用于存储电力的、具体地用于机动车辆电池的电化学电池单元的领域，尽管本发明不局限于本应用领域。
背景技术
常规地，用于存储电力的电化学电池单元由与一个或多个负电极交替堆叠的一个或多个正电极、以及一个或多个为了将这些正电极与负电极分离开的分隔件、和一个密封的壳体构成，该壳体如在“软包电池单元(pouch cell)”情况下可以是柔性的、或者针对“硬壳体”电池单元是刚性的。
参照图1，呈现了电化学电池单元100，该电池单元包括一个壳体101，在该壳体内连接到正端子105上的多个正电极102与连接到负端子106上的负电极103交替地安排。浸以电解质的分隔件104形成在每个正电极与负电极之间。这些分隔件以及这些正电极和负电极具有基本上矩形的轮廓并且被放置在与电池单元的纵向平面相对应的(x，y)平面相平行的平面内。
为了冷却这种电化学电池单元，常见的是使用由铝制成的盖子或间隔件，将它们放置成与电池单元的表面接触以便将热量导出电池单元。例如文献US 2012/0009455展示了这种技术，该文献描述了一种使用多个电池单元的电池模块，这些电池单元是通过具有“L-形”轮廓的间隔件来分离开的。因此，在电池单元的与间隔件接触的表面上发生热交换，即，间隔件的较长侧的方向。
本技术的一个缺点在于，在每个电池单元之间使用间隔件显著增加了车辆的电池的体积和质量。此外，其还导致相对高的实施成本，这是不尽人意的。
这一技术的另一个缺点是，从每个电池单元到相邻间隔件的热传递将会是受刚性壳体与电池单元之间的接触制约的，这不是最佳的，因为此接 触的质量难于控制(其取决于制造、操作等条件)。出于此原因，不完美的接触以及因此受限制的接触表面相对显著地减少了热交换、以及因此电池单元的冷却，这是不尽人意的。
本技术的又另一个缺点是冷却不是最佳的。这是因为电池单元的内部结构是由一堆通过浸以电解质的分隔件分离开的负电极和正电极构成。因此，朝着电池单元的表面的热导率将会受到各种材料(例如，由热导率小于1瓦每米每开氏度的聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯)制成的分隔件、由热导率大于100瓦每米每开氏度的铝或铜制成的电极)的热导率的限制，并且受到这些不同电极和/或分隔件之间的界面处的热阻的限制。
用用于在电池单元的表面处循环空气的装置的冷却技术也是已知的。然而，这种冷却技术的缺点在于，它使用了具有大尺寸并且成本相对高的装置，这也是不尽人意的。此外，这种技术的维护成本也证明是相对高的。
发明内容
本发明的目的具体是克服现有技术的缺点中的至少一些缺点。
更确切地，本发明的至少一个实施例的目的是提供一种电化学电池单元，针对该电池单元，改进了电极的边缘与壳体之间的接触表面以便通过去除壳体与电极之间的整个接触区上的热量来优化该电化学电池单元的冷却。
至少一个实施例的另一个目的是减小这种电化学电池单元的尺寸以便方便用于所有可能类型的车辆中，或者其可以用于大多数可想到的情况。
本发明的实施例的另一个目的是提供一种实施起来简单并且经济的解决方案。
这些目的以及在下文中将变得明显的其他目的的实现是借助于一种用于存储电力的电化学电池单元，该电化学电池单元包括一个壳体，在该壳体内安排了以下各项：
-连接到一个正端子上的至少两个正电极，
-连接到一个负端子上的至少两个负电极，
所述至少两个正电极和至少两个负电极交替地堆叠在该壳体中，并且在所述正电极和负电极中的每个正电极与负电极之间放置了至少一个分隔 件。
根据本发明，该电化学电池单元此外包括被安排成与这些正电极和负电极以及该壳体相接触的至少一个接触元件。本接触元件使得可以优化壳体与这些正电极和负电极之间的接触，并且因此增加每个电极的边缘和分隔件的边缘与壳体之间的热交换。因此，促进了与电池单元外的热交换，与现有技术相比较，这改进了冷却。
因此，本发明提供了一种新颖和发明性方法，该方法使得可以优化这些电极与壳体之间的接触表面并且因此通过去除壳体与电极之间的整个接触区上的、并且更具体地在边缘处的热量来改进电化学电池单元的冷却。确切地，当这些电极是堆叠的时，当热交换是通过电池单元的边缘而不是在表面处发生时，这就方便了热交换。当热交换在电池单元的表面发生时，热交换受到电极的热导率和分隔件的热导率的限制。本发明通过允许经由电极的边缘和分隔件的边缘进行最优热交换而使得可以克服这些限制。
在一个具体实施例中，该接触元件包括至少一个热管，该热管的第一端连接到该接触元件上并且第二端形成在该电化学电池单元之外。
因此，这种元件的安置使之通过限制物理障碍的数量而有可能提高电池单元的冷却速率。
根据本发明的不同实施例，该电池单元的壳体是或者由柔性材料或者由刚性材料制成的。
因此，这使之有可能将该电化学电池单元适配于对这种电池单元的大多数常见用途。确切地，柔性材料将允许电化学电池单元的一定柔性并且还将允许壳体基本上适配电极的形状。就其本身而言，刚性材料将能够形成电池单元的保护壳体。
此外，根据实施例，该接触元件可以是或者由聚合物或者由弹性体制成的。
在本发明的一个实施例中，这些正电极和负电极具有基本上矩形的形状。
在这种情况下，该接触元件可以是在这些电极的边缘与该壳体之间贯穿这些正电极和负电极的宽度或长度而形成的。
这使得可以根据用途来适配这种电化学电池单元的尺寸。
本发明还涉及一种包括至少一个电化学电池单元的电池，并且涉及一种相应的车辆。
附图说明
通过阅读以说明性方式并且无限制地给出的以下实施例描述和附图，本发明的其他特征和优点将变得更清楚，在附图中：
-图1是沿着现有技术的电化学电池单元的平面(x，y)的截面图；
-图2是沿着根据本发明的第一实施例的电化学电池单元的平面(x，y)的截面图；
-图3是沿着根据本发明的第二实施例的电化学电池单元的平面(x，y)的截面图；并且
-图4是使用多个根据本发明的电化学电池单元的机动车辆电池的平面(x，y)的截面图，并且
-图5是图表，呈现了现有技术的电池单元和根据本发明的电池单元的温度根据时间的变化。
具体实施方式
在本说明书的剩余部分中，x轴被定义成是根据本发明的电池单元的纵向方向。与x轴正交的y轴和z轴分别定义了电池单元的宽度和厚度。此外，(x，y)平面对应于电极的平面，而(x，z)平面对应于和(x，y)平面正交的横向平面。
现在参照图2介绍本发明的第一实施例。
如图2中所展示的，该电化学电池单元包括壳体3，在本实例中，该壳体是由聚合物制成的柔性壳体。在本壳体3中安排了与多个负电极22相交替的多个正电极21。插在这些正电极和负电极中的每个正电极与负电极之间的是以一种已知的方式浸有电解质的分隔件23，因而使得有可能在正电极21与负电极22之间传导电流。
由这些正电极、负电极和分隔件形成的组件2具有基本上矩形轮廓并且形成在与(x，y)平面平行的基本上水平的平面中。
电化学电池单元1还包括在组件2与壳体3之间安排在正电极和负电 极的沿着x方向的末端处的接触元件4a、4b，即，在这些电极的宽度上。在本实例中，这些接触元件呈由聚合物(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))组成的泡沫的形式，使得可以优化电极与壳体之间的接触，并且因此增加界面处的热导率。因此，所有热量、或者至少很大一部分热量将在(x，y)平面的与电极的边缘相对应的末端处消散。
在另一个实施例中，可以设想到将接触元件以黏性方式粘结到包装上以便在电池单元的使用期限期间减少这些元件被分开的风险。还可以设想到其中接触元件是预先模制在壳体内以便改进与各个电极的接触的实施例。还可以提供其中接触元件是由弹性体、或另一种聚合物(如聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE))制成的其他实施例。
在本发明的变体中，还可以设想到在负电极与正电极的末端处、但在y方向上(即，在电极的长度上)使用的接触元件。
此外，可以设想到其中例如在电极的末端之一、沿着x或y方向使用单个接触元件的实施例。
而且，可以提供其中电池单元仅具有一个正电极和一个负电极(这些电极被分隔件分隔开)的实施例。
还可以提供其中壳体是刚性的并且由其他材料(如金属)制成的实施例。还可以设想到其中电极和分隔件不是平面的而是圆柱形的、并且以同心方式安排的实施例。
在其中电极和分隔件是同心圆柱形的实施例中，可以想到使得这些接触元件在电极与壳体之间被放置在这些电极的沿着与电池单元的纵向方向相对应的x方向的末端处。
还可以设想到其中在电极的末端之一、沿着x方向使用单个接触元件的实施例。
现在参照图3介绍根据本发明的第二实施例的电化学电池单元的截面图。
在本实施例中，电化学电池单元1进一步包括一个热管7，该热管的第一端71连接到接触元件4a上并且第二端72形成在电化学电池单元1之外。将此热管7安装在电池单元内使之有可能通过在电池单元的内部与外部之间创造一个“桥”来限制物理障碍的数量。因此，这促进了电池单元内的热 消散的动态特性。
现在参照图4介绍使用根据本发明的多个电化学电池单元1的机动车辆电池的沿着(x，z)平面的截面图(即，横截面)，每个电化学电池单元都包括一个热管。
如本图4中所展示的，电池A包括三个根据以上介绍的第二实施例实施的电化学电池单元1a、1b、1c。这三个电化学电池单元是沿着与垂直于电极的平面的方向相对应的z方向来堆叠的，在本实例中，这些电极是矩形的。这些电极被放置在隔室30中，该隔室形成电池A的外壳，这一外壳此外包括一个正端子50和一个负端子60。
在其他变体中，当然可以设想到包括一个或多个采用不同构形的电池单元的电池。例如，可以设想到包括多个沿着y轴堆叠的电池单元排的电池。还可以提供其中电池单元沿着与电池单元的纵轴线相对应的x轴被例如放置成端对端的实施例。还可以提供其中这些电池单元中的某些电池单元配备有热管、而其他电池单元没有热管的实施例。
现在参照图5介绍一个图表，该图表示出了现有技术的电池单元与根据本发明的电池单元的内部温度(纵坐标轴)根据时间(横坐标轴)的变化。
本图表G包括曲线J，该曲线呈现了现有技术的电池单元的内部温度根据运行时间的变化。在本实例中，可以看到，曲线J在第一小时期间快速上升，然后在接下来的三十分钟期间较缓慢地上升，之后达到40度的最大值。在这一电池的其余运行时间期间，温度在38.5摄氏度与40摄氏度之间振荡。
图表G的第二曲线I呈现了根据本发明的电化学电池单元的内部温度根据运行时间的变化。与曲线J相比，曲线I在第一个45分钟期间缓慢上升，然后稳定在最大值36度。在电池单元的其余运行过程中，内部温度将在34.5摄氏度与36摄氏度之间振荡。
因此，在现有技术的电池单元与根据本发明的电池单元之间观察到约4摄氏度的温度差，因此，根据本发明的电池单元借助于所采用的冷却装置具有了相对低的内部温度。
清楚地，此处这些值和量级仅是通过简单的举例的方式发展而来的实 例，这些实例展示了根据本发明的电化学电池单元的冷却方面的益处。