用于電池放電的設備和方法以及電池、電池系統和車輛的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]可預見的是:無論是在靜止應用中、例如在風力發電設備中，還是在移動應用中、例如在電動車輛(electric vehicle，EV)或混合動力車輛(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用作可再次充電的電能存儲器(EES )。
[0002]電池系統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致的不希望的容量損失方面滿足很高的要求。
[0003]電池系統包括多個電池單池。由于其單池內阻和所發生的電化學過程，電池單池在充電和放電期間發熱。電池單池可以串聯(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。在用于驅動車輛時，例如可以將大約100個電池單池(作為牽引電池)串聯或并聯連接。在高壓電池系統的情況下，總電壓因此可達例如450V或甚至600V。
[0004]鋰-離子-蓄電池單池包括高反應性化學內容物，使得為實現無危險的運行必須維持一定的運行參數，例如最大的充電電壓。因此，監測帶有鋰-離子-蓄電池單池的電池系統。為此，例如可以連續地監測或測量每個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的運行狀態，所述危險的運行狀態例如可能由于違反運行參數、錯誤使用或操作或由于老化導致的化學變化所導致。這可能例如導致蓄電池單池的熱穿透(Thermal Runaway)，這形成對于人員和環境的危險。
[0005]DE 10 2010 029 806 A1已經公開了一種用于車輛的電系統，所述電系統包括:電功率源，特別是用于驅動電動馬達的電功率源；開關，通過該開關可構成或可中斷車輛的功率源和車載網絡之間的電連接；控制裝置，所述控制裝置構造用于在由與該控制裝置連接的傳感器裝置可檢測到的預先確定的狀態下促動開關，以便中斷功率源和車載網絡之間的電連接；和帶有布置在其內的限定的放電電阻的短路導線，以用于受控地將與開關和功率源連接的功率源放電，所述短路導線與開關和功率源的連接使得通過操作開關以將功率源和車載網絡的連接分離，可選擇性地將功率源短路連接。
[0006]為了進一步提高蓄電池(電池)和蓄電池系統(電池系統)的安全性，因此要求改進在危險情況下蓄電池和蓄電池系統的放電。

【發明內容】

[0007]帶有獨立權利要求的特征的根據本發明的設備和方法的優點是，已充電的電池單池例如鋰-離子-蓄電池單池例如在損壞和/或可能的危險如著火危險時在短時間內可以被放電。在此，所出現的不可直接地例如散發給電池的冷卻系統的熱能首先被存儲。因此，可以降低或避免在放電期間的電池單池的熱負荷或者甚至過負荷。由此，熱穿透和/或著火危險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電池或鋰-離子-蓄電池的安全性。當負載元件對多個電池單池的僅一個電池單池或一些電池單池放電時，與對全部電池放電相比，熱能的量可以降低。此外，采用多個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運行(緊急運行)。
[0008]本發明的有利的實施方式在從屬權利要求中描述。
[0009]熱存儲元件可以以合適的方式包括包含金屬例如銅(Cu)或鉛(Pb)的熱存儲器。由此，可以增大與熱存儲器的質量有關的比熱容和/或與熱存儲器的體積有關的熱存儲器數量。替代地，熱存儲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器。通過利用相變、例如從固態到液態的相變，可以提高熱存儲器的容量。因此，熱存儲器在放電期間可以達到例如1000攝氏度(°C)的溫度。
[0010]熱存儲元件可以以合適的方式與調溫元件例如冷卻元件熱連接。由此，可改進所產生和存儲的熱能的引出。
[0011]熱存儲元件可以以合適的方式布置在電池的殼體內。由此，可以簡化電池的機械和/或電氣結構。因此，可以降低成本。替代地，熱存儲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，可以較靈活地進行電池的安裝和應用。
[0012]負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(positivetemperature coefficient，PTC)的電阻或PTC電阻。通過電阻元件可以將負載元件構造為廉價且穩定的部件。通過PTC電阻，提高了負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)時可以實現電流的降低。因此，可以實現或改進自我保護。替代地，負載元件可以包括半導體元件，例如功率半導體元件、晶體管或金屬氧化物半導體場效應晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，M0SFET)。由此，負載元件能夠被可改變、可調節或可控制地構造。因此，負載元件可以被直接控制。因此，可以省去分開的開關元件。
[0013]負載元件的電阻值以合適的方式是可改變的或可調節的。由此，放電或放電時間和充電狀態和/或待放電的電池單池的數量可以被匹配。
[0014]負載元件的電阻值可以以合適的方式大于電池單池的內電阻值。由此，在放電期間在電池單池內產生的熱能可以被減小或控制。
[0015]負載元件可以以合適的方式布置在電池殼體內。由此，可以進一步簡化電池的機械和/或電氣結構。因此，可以進一步降低成本。替代地，負載元件可以布置在電池殼體外。由此，部件的尺寸可以進一步減小。因此，可以更靈活地進行電池的安裝和使用。
[0016]所述設備還可以以合適的方式包括開關元件，所述開關元件與控制裝置連接以用于控制負載元件。由此，負載元件的控制可以與負載元件及其位置解耦。因此，可以降低在正常運行期間的電能損失。
[0017]開關元件可以以合適的方式包括繼電器。由此，可以實現完全的電分離或電流分離。替代地，開關元件可以包括半導體元件，例如功率半導體元件、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，可以提高設備的可靠性和壽命。
[0018]開關元件可以以合適的方式構造為使得當控制負載元件時將多個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，可以采用多個電池單池的剩余的電池單池來維持電池的有限的繼續運行(緊急運行)。
[0019]設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電池單池和負載元件或熱存儲元件之間，以用于將多個電池單池與負載元件和/或熱存儲元件熱隔離。由此，可以降低多個電池單池的熱載荷。因此，可以提高電池的安全性和壽命。
[0020]本發明還提供了包括前述設備的電池。
[0021]本發明還提供了包括前述設備或前述電池的電池系統。
[0022]本發明還提供了交通工具，特別是機動車，如電動車、混合動力車輛或電動摩托車(電動自行車，E-Bike),電動腳踏車(Pedal Electric Cycle，Pedelec)，船舶例如電動船或潛水艇(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。
[0023]本發明還提供了靜止的應用，特別是用于風力發電設備或其他的適合于電池運行的機器。
[0024]熱存儲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器。由此，可以增大與熱存儲器的質量有關的比熱容和/或與熱存儲器的體積有關的熱存儲器數量。替代地，熱存儲元件可以包括含有相變材料例如鹽和石蠟的熱存儲器。通過利用相變、例如從固態到液態的相變可以增大熱存儲器的容量。因此，熱存儲器在放電期間可以達到例如1000 °C的溫度。
[0025]熱存儲元件可以以合適的方式與調溫元件或冷卻元件熱連接。由此，可以改進所形成的和存儲的熱能的引出。
[0026]熱存儲元件可以以合適的方式布置在電池的殼體內。由此，可以簡化電池