CN102282718B - 电池模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池模块(1)，尤其是用于机动车(21)的电池模块(1)，其包括：壳体(3)；至少一个电池(2)，所述至少一个电池设置在所述壳体(3)中；至少一个进口(4)，所述至少一个进口用于将温度调节流体导入到所述壳体(3)中；至少一个出口(5)，所述至少一个出口用于将所述温度调节流体从所述壳体(3)中导出；至少一个监控装置(6)，所述至少一个监控装置用于检测所述至少一个电池(2)的状态，其中，在所述至少一个电池(2)的故障状态时，所述至少一个进口(4)和/或所述至少一个出口(5)可由至少一个封闭装置(8)封闭，使得从具有所述故障状态的所述至少一个电池(2)中排出的物质、尤其是气体不可以从所述电池模块(1)中排出。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的电池模块、根据权利要求12的前序部分所述的电池模块***以及根据权利要求13的前序部分所述的方法。
背景技术
通常设置在电池模块中的电池——例如锂离子电池中，可能会出现故障。电池中的故障具有各种各样的原因，这些原因通常源于电池中错误地进行的电化学反应。锂离子电池包含例如LiCoO2的氧化剂和例如碳酸亚乙酯的可氧化材料。这些材料通过薄的聚合物膜彼此分开，所述聚合物膜经得起180℃的最高温度。在高于180℃的温度下，由电池的故障或者过充电或欠充电决定地，氧化剂和可氧化材料彼此靠近并且放热地彼此进行反应，从而进一步提高电池的温度。
一般而言，具有故障的电池可能更少地输出或吸收或存储电流或者不再输出或吸收或存储电流。此外，视故障而定，一般而言电池的内电阻提高和/或电池的极性反向。故障的结果往往是伴随放热过程的电池损坏，从而出现剧烈的放热并且产生气体或蒸汽，所述气体或蒸汽可能从电池中排出。为此，电池通常具有一些过压阀，这些过压阀从一个确定的压力起从电池中导出气体或蒸汽。由具有故障的电池发出的热辐射和可能的化学辐射可以使其他电池遭受损害并且破坏它们，从而可能出现电池之间的破坏性连锁反应。产生的气体和蒸汽部分是有毒的，从而这些气体和蒸汽可能对人造成伤害。
从一个确定的电池温度起使电池与电流导线断开的熔断元件是已知的。这些熔断元件基于从金属的熔化温度起使金属熔化的物理过程。尽管在电方面断开电池，但有毒的气体和蒸汽可能从电池中排出，这些气体和蒸汽可能在环境中导致巨大的损害。例如，人可能由此遭受健康损害。
发明内容
根据本发明的、尤其是用于机动车的电池模块包括：壳体、至少一个设置在壳体中的电池、至少一个用于将温度调节流体导入到壳体中的进口、至少一个用于将温度调节流体从壳体中导出的出口、至少一个用于检测所述至少一个电池的状态的监控装置，其中，所述至少一个进口和/或所述至少一个出口在由所述至少一个监控装置检测到所述至少一个电池的故障状态时可由至少一个封闭装置封闭，使得从具有故障状态的至少一个电池中排出的物质、尤其是气体不从电池模块中排出。如果例如在所述至少一个进口或所述至少一个出口处存在相应的背压，以至于温度调节流体在没有封闭装置的情况下也不会流出，则仅仅在至少一个进口处或仅仅在至少一个出口处的至少一个封闭装置已经足以在故障状态时将所述至少一个电池流体密封地闭锁在壳体中。
温度调节流体用于冷却和/或加热所述至少一个电池。
在另一个构型中，所述至少一个监控装置包括至少一个用于检测所述至少一个电池的电压和/或温度的传感器。检测至少一个电池的电压和/或温度，并且从一个确定的、预给定的温度或电压起报告或者识别所述至少一个电池的故障。
在一个变型方案中，所述至少一个监控装置包括用于识别气体的传感器。从至少一种预给定的气体的至少一个预给定的浓度起报告或者识别所述至少一个电池的故障。
符合目的地，所述传感器在壳体或者温度调节流体通道内设置所述至少一个出口的区域中。围绕电池引导温度调节流体，以便冷却和/或加热电池，从而从电池中排出的气体或蒸汽连同温度调节流体一起到达出口处的传感器。所述传感器也可以连同电池一起设置在壳体的内部空间中。温度调节流体通道也可以视作壳体的组成部分。
在另一个构型中，所述至少一个封闭装置是活门。
在一个变型方案中，电池模块包括断路元件，其用于在由所述至少一个监控装置检测到至少一个电池的故障状态时使所述至少一个电池与用于所述至少一个电池的至少一个电流导线的电连接断开。因此，所述至少一个电池、优选电池模块的所有电池不会因放电或充电而进一步加热。
在一个构型中，断路元件包括烟火技术的推进剂。烟火技术的推进剂价廉物美并且可以实现短时间内、例如小于1s、尤其是小于200ms的非常快速的断路。
符合目的地，断路元件包括机械开关、电气开关或者电子开关。
在另一个实施方式中，电池模块包括至少一个放气通道，其用于导出从所述至少一个电池中排出的物质、尤其是气体，其中，在所述放气通道中设有监控装置，并且所述放气通道在所述至少一个电池的故障状态时可由至少一个附加封闭装置封闭，使得从具有故障状态的至少一个电池中排出的物质、尤其是气体不可以从电池模块中排出。
在一个补充构型中，温度调节流体可由风扇引导通过壳体的内部空间。
优选地，电池是锂离子电池。
根据本发明的、具有至少一个电池模块的电池模块***包括至少一个在本申请中描述的电池模块。
在根据本发明的、用于防止由至少一个设置在电池模块的壳体中的电池引起的损害的方法中并且由监控装置检测所述至少一个电池的状态，在由所述至少一个监控装置检测到所述至少一个电池的故障状态时将所述至少一个电池流体密封地闭锁在壳体中。
在一个变型方案中，由至少一个封闭装置、例如活门流体密封地封闭至少一个用于将温度调节流体导入到壳体的内部空间中的进口和至少一个用于从壳体的内部空间中导出温度调节流体的出口以及优选地至少一个放气通道。
在另一个构型中，在由所述至少一个监控装置检测到所述至少一个电池的故障状态时，使所述至少一个电池与用于所述至少一个电池的充电和放电的至少一个电流导线断开。
附图说明
以下参照附图更详细地描述本发明的实施例。附图示出：
图1：正常运行状态中的电池模块的示意性纵截面图，
图2：故障情况下根据图1的电池模块，
图3：电池模块***的示意性横截面图，以及
图4：机动车的示图。
具体实施方式
在图1中示出了具有六个被构造为锂离子电池16的电池2的电池模块1。电池模块1的电池2设置在壳体3中。在电池模块3中设置有例如4个到12个电池2(未示出)。多个电池模块3还可以组合成一个电池模块***20(图3)。电池模块3例如用于机动车21、尤其是具有混合驱动、电动工具或装卸机的机动车21的供电。
电池模块3的电池2以电串联的方式与电流导线17连接。可选地，电池模块1的电池2也可以部分地并联。电流导线17将由电池2提供的电流传导给负载或者对电池2进行充电(未示出)。在用于电池2的电流导线17中设置有断路元件10，所述断路元件10可以是机械开关、电气开关或电子开关12或者是具有烟火技术的推进剂11的断路元件10。断路开关10可以断开电池模块1的电池2，也就是说，使电池2与借助于导线17的电连接断开。
设置在电池模块1的流体密封的壳体3中的电池2由作为温度调节流体的空气冷却和/或加热。通过温度调节流体通道18，借助于风扇15将空气导入到壳体3的内部空间中并且将空气再次导出。因此，壳体3的其中设置有电池2的内部空间也是温度调节流体通道18。在此，空气通过进口4流入并且通过出口5再次流出。此外，壳体3设有放气通道13。电池2具有未示出的过压阀，所述过压阀从一个确定的压力起将在电池2中产生的气体或蒸汽导入到放气通道13中。
监控装置6检测电池2的状态。监控装置6是识别流过温度调节流体通道18的温度调节流体中的确定气体的传感器7。为此，传感器7设置在壳体3或温度调节流体通道18内的出口5的区域中。此外，在两个放气通道13内也存在各一个传感器7。
锂离子电池16包含例如LiCoO2的氧化剂和例如碳酸亚乙酯的可氧化材料。这些材料通过薄的聚合物膜彼此分离，所述聚合物膜经得起180℃的最高温度。在温度高于180℃时，由电池2的故障或者过充电或欠充电决定地，氧化剂和可氧化材料彼此靠近并且放热地彼此进行反应，使得温度升高并且进一步激励所述反应成为“热失控(thermal runaway)”。由此，具有故障状态的锂离子电池16中的压力显著升高。从一个确定的压力起(所述压力一般而言达到140℃的范围内)，未示出的过压阀打开并且气体和蒸汽可以泄漏到放气通道13中。此外，在电池2处也可能出现不紧密性，使得气体和蒸汽也泄漏到温度调节流体通道18中。传感器7检测这些气体或蒸汽，例如碳氢化合物，并且因此识别到电池模块1的至少一个电池2的故障。向未示出的控制单元报告所述故障。从至少一种确定的气体或蒸汽的确定浓度起触发故障。
在温度调节流体通道18中，在进口4的区域中和在出口5的区域中设置有各一个封闭装置8，所述封闭装置可以流体密封地封闭温度调节流体通道18。此外两个放气通道13设有作为附加封闭装置14的封闭装置8，即活门9，以便可以流体密封地关闭放气通道13。封闭装置8被构造为可绕摆动轴19摆动的活门9。由未示出的马达、优选电马达使活门9运动。在另一个实施方式中，烟火技术地或借助于弹簧机构来关闭活门9，所述弹簧机构例如可以被电磁地触发。在图1中示出了电池模块1的正常运行状态。全部活门9都是打开的。因此，可以引导尤其电池2的温度调节所需的温度调节空气通过温度调节流体通道18并且放气通道13是打开的，使得所述温放气通道13不经受不必要的应力。
在由传感器7识别到故障时，其中，当仅仅一个传感器7检测到确定气体的确定浓度时就足够了，由控制单元立即关闭所有活门9(图2)。此外，优选地，同时由被构造为电子开关12的断路元件10电地断开全部电池2。如果断路元件10包含烟火技术的推进剂11，则在非常短的时间内，例如小于1s，炸开电连接。借助断路元件10断开电连接导致不再对电池2进行充电或者不再从电池2获取电流。由此，防止电池2由于这些过程而继续加热。活门9的关闭导致电池2流体密封地闭锁在壳体3中。因为电池2密封地闭锁在壳体3中，所以可以通过有利的方式使有毒的气体或蒸汽不会进入到环境中。一般而言，在电池2中进行的有害的化学反应需要氧，然而氧由于密封的闭锁是有限的，从而具有氧需求的有害反应快速地停止，因为壳体3中的空气氧的量非常小。在此，电池模块1的壳体3和封闭装置8构造成在机械上足够稳定，使得它们也经得起在壳体3中出现的较大压力，例如在电池2***时。
在未示出的第二实施例中，电池模块1不具有放气通道13。电池2的未示出的过压阀将气体或蒸汽直接引导到壳体3的内部空间中，所述内部空间还充当温度调节流体通道18。由此，为了密封地闭锁电池2，仅仅需要进口和出口3、4处的两个空气活门9。在其他方面，第二实施例以类似的方式对应于在图1和图2中示出的第一实施例。
在未示出的第三实施例中，电池模块1的至少一个电池2可以借助本地地设置在至少一个电池2处的传感器7来识别故障。传感器7例如可以是用于检测至少一个电池2的温度的传感器7。封闭装置8被如下构造：可以将至少一个电池2、即电池模块1的电池2的一部分与所述电池模块的其他电池2流体密封地隔离或分离。同时，断路元件10被如下构造：仅仅电地分离具有故障的至少一个电池2。由此，在具有至少两个电池2的电池模块1的至少一个电池2发生故障时不需要断开电池模块1的所有电池2。
只要没有提到相反的地方，不同的实施例的细节可以彼此组合。
总体上来看，借助根据本发明的电池模块1能够显著改善电池模块1的保护和安全性。在发生故障时排出的有毒气体和蒸汽收纳在发生故障时密封地隔离的壳体3中，使得这些有毒气体和蒸汽不会进入到环境中并且在环境中造成损害。
Claims (15)
1.电池模块(1)，其包括：
壳体(3)，
至少一个电池(2)，所述至少一个电池设置在所述壳体(3)中，
至少一个进口(4)，所述至少一个进口用于将温度调节流体导入到所述壳体(3)中，
至少一个出口(5)，所述至少一个出口用于将所述温度调节流体从所述壳体(3)中导出，
至少一个监控装置(6)，所述至少一个监控装置用于检测所述至少一个电池(2)的状态，
其中，在由所述至少一个监控装置(6)检测到所述至少一个电池(2)的故障状态时，所述至少一个进口(4)和/或所述至少一个出口(5)可由至少一个封闭装置(8)封闭，使得从具有所述故障状态的所述至少一个电池(2)中排出的气体不可以从所述电池模块(1)中排出，
其中，所述至少一个监控装置(6)包括一个用于识别气体的传感器(7)，所述用于识别气体的传感器从至少一种预给定的气体的至少一个预给定的浓度起报告或者识别所述至少一个电池的故障，使得有毒的气体不会进入到环境中，
其中，所述电池模块(1)包括至少一个放气通道(13)，所述至少一个放气通道用于导出从所述至少一个电池(2)中排出的气体，其中，在所述放气通道(13)中设有监控装置(6)，并且所述放气通道(13)在所述至少一个电池(2)的故障状态时可由至少一个附加封闭装置(14)封闭，使得从具有所述故障状态的所述至少一个电池(2)中排出的气体不可以从所述电池模块(1)中排出，
其中，所述至少一个放气通道(13)与所述至少一个进口(4)和所述至少一个出口(5)隔离并且设置为使通过所述放气通道(13)导出的气体不与所述至少一个进口(4)和所述至少一个出口(5)之间的温度调节流体混合。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述至少一个监控装置(6)包括至少一个用于检测所述至少一个电池(2)的电压和/或温度的传感器(7)。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述传感器(7)在所述壳体(3)内设置在所述至少一个出口(5)的区域中。
4.根据以上权利要求中任一项所述的电池模块，其特征在于，所述至少一个封闭装置(8)是活门(9)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块(1)包括断路元件(10)，所述断路元件(10)用于在由所述至少一个监控装置(6)检测到所述至少一个电池(2)的故障状态时使所述至少一个电池(2)与用于所述至少一个电池(2)的至少一个电流导线的电连接断开。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述断路元件(10)包括烟火技术的推进剂(11)。
7.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，所述断路元件(10)包括机械开关、电气开关或电子开关(12)。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的电池模块，其特征在于，所述温度调节流体可由风扇(15)引导通过所述壳体(3)的内部空间。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的电池模块，其特征在于，所述电池(2)是锂离子电池(16)。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块用于机动车(21)。
11.电池模块***(20)，所述电池模块***具有多个电池模块(1)，其特征在于，所述电池模块***(20)包括至少一个根据以上权利要求中任一项所述的电池模块(1)。
12.用于防止由至少一个设置在电池模块(1)的壳体(3)中的电池(2)引起的损害的方法，其中，由监控装置(6)检测所述至少一个电池(2)的状态，其特征在于，在由所述至少一个监控装置(6)检测到所述至少一个电池(2)的故障状态时，将所述至少一个电池(2)流体密封地闭锁在所述壳体(3)中，所述至少一个监控装置(6)包括一个用于识别气体的传感器(7)，所述用于识别气体的传感器从至少一种预给定的气体的至少一个预给定的浓度起报告或者识别所述至少一个电池的故障，
其中，所述电池模块(1)包括至少一个放气通道(13)，所述至少一个放气通道用于导出从所述至少一个电池(2)中排出的气体，其中，在所述放气通道(13)中设有监控装置(6)，并且所述放气通道(13)在所述至少一个电池(2)的故障状态时可由至少一个附加封闭装置(14)封闭，使得从具有所述故障状态的所述至少一个电池(2)中排出的气体不可以从所述电池模块(1)中排出，
其中，所述至少一个放气通道(13)与所述至少一个进口(4)和所述至少一个出口(5)隔离并且设置为使通过所述放气通道(13)导出的气体不与所述至少一个进口(4)和所述至少一个出口(5)之间的温度调节流体混合。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，由至少一个封闭装置(8)流体密封地封闭至少一个用于将温度调节流体导入到所述壳体(3)的内部空间的进口(4)和至少一个用于将所述温度调节流体从所述壳体(3)的内部空间中导出的出口(5)以及至少一个放气通道(13)。
14.根据权利要求12或13的方法，其特征在于，在由所述至少一个监控装置(6)检测到所述至少一个电池(2)的故障状态时，使所述至少一个电池(2)与用于所述至少一个电池(2)的充电和放电的至少一条电流导线(17)断开。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于，所述至少一个封闭装置(8)是活门(9)。
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