电的能量存储器模块和相应的模块化构造的能量存储器的制作方法

本发明涉及一种能调温的电的能量存储器模块，尤其电池模块，用于模块化地构造一具有多个这种能量存储器模块的电的能量存储器，其中，所述电的能量存储器模块具有下列部件：（i）电路组件，其具有至少一个存储器单元，（ii）加热装置以及（iii）通道系统，其具有至少一个能由流体贯穿的通道，用于通过对流来传送热。本发明还涉及一种电的能量存储器，其具有多个彼此电连接的这种能量存储器模块。

背景技术：

这种电的能量存储器模块从文献DE 10 2010 001 430 A1中作为电池模块公开。该电池模块一方面包括一电路，在该电路中连接多个电池单元并且该电路具有外部的电接口，且另一方面包括一具有多个热传送体的调温装置，一加热装置和一通道系统，该通道系统具有可由流体贯穿的用于传送热的通道以及外部的流体接口。在此，使用金属性的、由流体贯穿的冷却板，在冷却板上放置或压制单元或模块，用以产生热接触。这引起了，单元只有通过单元底部来冷却/加热并且对于单元化学的热作用与单元壳体的导热能力相关。

结合本发明，电的能量存储器模块尤其理解为一种电池模块，用于构造可充电的电池、即蓄电池，尤其是用于具有电动或混合动力驱动装置的机动车的牵引电池，其由多个这种相互电连接的模块构造成。

在电驱动的车辆（电池电动车辆以及具有内燃机和电动马达的（插电式）混合动力车辆）中，如今常常使用基于锂化学的蓄电池（可充电电池）作为电的能量存储器（EES），因为其相比于同类的镍基或铅基的代表物具有迄今为止在最小重量的情况下最大的可供使用的能量密度。这些蓄电池要求15年的使用寿命。但在此情况下的要求不同于对于移动电话或笔记本电脑的蓄电池的要求。因为对于汽车电池系统具有在可供使用的能量含量、放电功率、充电/放电效率、使用寿命和可靠性方面的特别高的要求。

文章开头提到的电池系统的无故障的运行要求单元、模块和整个包（Pack）的安全和可靠的功能。为了实现上述要求，不仅通过冷却而且通过加热，都必须将电池系统保持在一定的温度范围中。为此已知了空气冷却和液体冷却。

用于机动车中的牵引电池的液体冷却按照现有技术构造成独立于混合动力车辆的内燃机的冷却循环的单独的冷却循环。作为牵引电池的液体冷却的流体使用水基的冷却剂（水-乙二醇混合物）。

由于所使用的电池单元的壳体处在两个单元极或者说电池极（Zell-Pole）中的一个的电位上或浮动地处在两个极之间的电位之间，单元壳体必须相对于彼此并且相对于冷却板电绝缘地装配。在绝缘受损的情况下，会出现自动放电或甚至会出现在电池内部的短路。电绝缘强行损害了热接触且因此损害了调温装置的效果。

此外，在冷却板和被冷却的单元上会出现冷凝，因此单元绝缘体也必须是耐湿的或必须在电池系统中采取附加措施，用以使电池内部的湿度在使用寿命过程中保持较低。

热输出或热输入通过电池系统外部的部件，如散热器、联接在系统的空调压缩机上的所谓的冷水机以及（基于正温度系数热敏电阻的）电的加热装置来实现。不仅加热装置而且空调压缩机都由牵引电池的高伏系统来供给。由于最佳的单元温度处于大致35℃，因此至少在温带地区，经由冷水机的电池冷却比加热元件的使用更少见。

技术实现要素：

具有在权利要求1中所述特征的根据本发明的电的能量存储器模块提供了模块的有效且简单的调温可能性的优点。

在根据本发明的能量存储器模块中设置成，所述电的能量存储器模块还具有一围住所述至少一个存储器单元、所述加热装置和所述通道系统的至少一个通道的模块壳体，其中，所述至少一个存储器单元和所述加热装置分别被流体密封地包封，所述模块壳体流体密封地构造并且所述至少一个通道的至少一个部分被所述加热装置和所述至少一个存储器单元限定。

因此，热传送直接从相应的热源（存储器单元或加热器）开始通过对流进行。

所述电的能量存储器模块的其它优点在于，

•可以舍弃在由模块构造的电的能量存储器的冷却循环中的模块外部的部件“加热器”，

•由于集成到模块中的加热装置，随着电池尺寸一起调整所述加热/加热功率。

所述模块壳体有利地是多件式的模块壳体，例如具有可揭下的盖子的箱形的模块壳体。

至少通道系统的一些部分也直接由所述至少一个存储器单元和所述加热装置形成。所述通道系统可以由仅一个通道构成，但优选具有多个通道。借助于模块的通道系统至少在模块化构造的能量存储器的层面上形成加热和/或冷却循环系统。

尤其在根据本发明的能量存储器模块中设置成，所述流体是电绝缘的流体，例如电绝缘的油。因此设置了电绝缘的流体用于在能量存储器的通道系统中的使用。

存在一种模块原理，即在使用不导电的流体的情况下作为热传送介质（尤其冷却剂），例如油，如在固定设备中使用的那样，冷却存储器单元并且同时实现了如在空气冷却的情况下所述单元的大面积的冷却，绕开了污染和结露（且因此出现的大的爬电距离）的问题或水基的冷却剂的不密封性问题。由于流体的更高的热容，围绕所述单元的体积流量会比在空气冷却的情况下降落得更小，由此单元之间的间距比在空气冷却的模块的情况下更小且因此体积能量密度更大。可以舍弃成本高昂且易出故障的单个单元绝缘，因为存储器单元不再相互接触或与金属性部件接触。由于这里介绍的结构，也可以舍弃用于整个能量存储器的单独的壳体，模块和配属的模块连接器可以直接集成到车辆中。

这样，可以有利地舍弃成本高昂的电的单元绝缘和由模块构造的能量存储器的能量存储器包壳体。在能量存储器的车辆集成的情况下存在特别提高的灵活性，能量存储器（电池包）中的流体泄漏的故障可能性的去除，由于冷凝造成的绝缘故障的故障可能性的去除，由于水从外部进入（洪水、后备箱中泄漏的液体）造成的绝缘故障的故障可能性的去除，相对导电颗粒的容许公差。

根据本发明的一种有利的构造设置成，使所述加热装置和所述至少一个存储器单元之间的热传递在以流体填充的通道系统的情况下基本上经由所述流体进行。

根据本发明的另一种有利的构造，所述至少一个通道的至少一个另外的部分由所述模块壳体以及所述至少一个存储器单元和/或由所述模块壳体和所述加热装置限定。

根据本发明的又一种有利的构造，所述能量存储器模块还具有用于将所述至少一个存储器单元以如下方式布置在模块壳体中的间隔保持器元件，使得至少

- 所述至少一个存储器单元的外表面的绝大部分，

- 所述加热装置的外表面的绝大部分，

- 所述模块壳体的内表面的绝大部分，

与所述流体直接接触。类似于在空气冷却的能量存储器模块中那样，存储器单元通过间隔保持器元件以一定的（相对于空气冷却而言更小的）间距相互保持。

总体上所述通道系统在能量存储器模块内部基本上直接由部件：模块壳体、一个或多个存储器单元、加热装置和间隔保持器元件形成。单个的模块的通道系统可以经由模块的外部的流体接口与电的能量存储器的调温循环（加热循环和/或冷却循环）连接。

根据本发明的又一种有利的构造设置成，所述加热装置是电的加热装置，其具有一正温度系数热敏电阻结构元件（PTC结构元件-PTC：英文是positive Temperature Coefficient（正温度系数））作为加热元件，其中，该加热装置经由所述至少一个存储器单元供给电能。

再该情况下所述电加热装置优选具有至少一个电流路径，其具有一由具有与温度无关的电阻的结构元件和正温度系数热敏电阻结构元件组成的串联电路。PTC结构元件在能量存储器中用于加热的应用是已知的。

在此尤其设置成，所述加热装置具有一装置，用于测量经由具有与温度无关的电阻的结构元件下降的电压。该结构元件可以理解成分流电阻器。因此电压基本上与通过加热元件流动的电流成正比。

根据本发明的又一种有利的构造设置成，所述能量存储器模块还具有一模块控制器（所述能量存储器模块的监控装置、控制装置和/或调节装置），其设置用于使经由具有与温度无关的电阻的结构元件下降的电压的电压信号不仅用于温度监控和/或温度调节，也用于故障分析，尤其用于识别不足的流体填充。

存在下列其它优点：

•自身地防止了通过错误操控电池加热所造成的能量存储器的过热，

•在完全监控所述控制器或该控制器上级的监控单元（例如电池控制BMS）的情况下的加热，这能够实现在温度传感器失效的情况下的改善的跛行回家（Limp-Home）功能。

•可展现出附加功能“快速的模块平衡”，

•可展现出附加功能“冗余的存储器温度测量”以及

•可展现出附加功能“模块中的冷却剂状态获知”。

在根据本发明的电的能量存储器模块中设置成，其具有多个彼此电连接的前述的能量存储器模块。模块化构造的电的能量存储器模块优选构造成可充电的电池，尤其构造成牵引电池。

附图说明

下面借助于实施例的附图详细讨论本发明。其中:

图1-图3：示出了根据本发明的一种优选的实施方式的电的能量存储器模块的主要部件，

图4：示出了具有图1-3所示的部件的部分装配好的能量存储器模块，

图5：示出了在电的能量存储器模块中构造的通道系统以及通过该通道系统产生的流体流，

图6：示出了分别由两个能量存储器模块形成的两个排，

图7-图9：示出了能量存储器模块的流体技术上的连接的不同方式，

图10：示出了加热装置和其在能量存储器模块中的连接的电路组件，

图11：示出了关于温度的电阻走向和加热功率的图表以及

图12：示出了针对各种场景在加热装置的加热元件上的温度走向的图表。

具体实施方式

图1示出了用于构造可调温的电的能量存储器模块10的主要部件，所述电的能量存储器模块用于模块化地构造由多个这种能量存储器模块10构成的电的能量存储器。所示的能量存储器模块10是电池模块12，用于构造能量存储器，该能量存储器构造成用于机动车的电动或混合驱动装置的牵引电池。

模块10的这些部件中的一个部件是多件式的模块壳体14，但图1中仅示出槽状的基础部分16，在图4中才示出该模块壳体14的相应的盖子18。其它的部件是多个（在所示的例子中六个）构造成电池单元的存储器单元20和多个间隔保持器元件22。所述存储器单元20和所述间隔保持器元件22布置在基本上交替的排24中，其中，该排的起始和结尾分别由间隔保持器元件22形成。排24的交替的布置方式仅在中间区段被中断，在此一个间隔保持器元件22在图1和2的示图中直接相邻于另一间隔保持器元件22布置。但在该部位处还插入另一元件，如在图3中所示。存储器单元20中的每一个都在其上侧面上具有两个电触头，经由电触头使存储器单元20相互电连接。

图2示出了与图1相同的部件，只是由存储器单元20和间隔保持器元件22组成的排24在模块壳体基本部分16的上方被推到一起形成排24的两个分区段26、28。所述分区段26、28中的每一个在所示的例子中都包含三个存储器单元20和四个间隔保持器元件22。间隔保持器元件22为在能量存储器模块10内部构造（本身未示出的）通道系统留出了位置。

在图3中，图3的被推到一起的排24现在被推入到模块壳体14中。图3还示出了夹紧元件30，其为了在模块壳体14的基础部分16中夹紧所述排24的两个分区段26、28而被推入到所述排的两个分区段26、28之间。

图4示出了在模块壳体14中近似完全装配好的能量存储器模块10，具有存储器单元20和间隔保持器元件22的排组件24。在该排组件24的上方具有一加热装置32，其具有棒形的正温度系数热敏电阻结构元件34作为加热元件和直接布置在盖子18下方的模块控制器36。替选地，加热元件也可以完全不同于此地设计（例如螺旋形地卷绕，等等）。能量存储器模块10的主要部件14、20、22、32形成通道系统，其具有在图5中所示的用于流体40的通道38以及在图4中所示的外部的流体接口42、44。在这些流体接口42、44中，内部接口42构造成入流口且两个外部接口44构造成出流口。在相同的高度上还布置一信号接口46，其在信号技术上与模块控制器36连接。

图5示出了构造在电的能量存储器模块10中的通道系统以及通过该通道系统的通道38产生的流体40的流（箭头）。该流从流体接口42（入流口）首先经过正温度系数热敏电阻加热元件34，之后通过框架形的间隔保持器元件22分岔地经过存储器单元20向外引向流体接口44，这些流体接口形成回流口。

图6示出了能量存储器模块10的一种布置方式，其具有分别由两个推到一起的能量存储器模块10构成的两个排。可见的端面是相互兼容的，因此同样可以（通过转动所述排中的一个）推到一起。为了使相互连接的模块10的排相互在流体技术上连接起来，可以使用一模块连接器48，其又服务于模块的所有接口：不仅流体入流口和流体回流口而且功率和信号接口都根据相应的密封性要求来关闭。在图6绘制的实施例中，在模块连接器48中流体回流口的两个接口会聚到一起。与在另外的空间方向上（例如呈直角地）定向的也可以最大可能地任意地远离的下一模块10的连接经由柔韧的导线（线缆）和软管实现。为了展示不同的能量存储器模块变型，这里模块连接器48的箱形设计的元件可利用出口沿着直至五个空间方向从模块端面离开地实现，即利用软管和线缆的出口向右、向左、向上、向下和垂直地离开模块端面，其中，所述箱形设计的元件通过法兰连接到模块10上。

如果功率线缆敷设在冷却剂入流口的软管中，则该线缆的横截面可以相对于常规的敷设明显减小，因为通过周围冲刷的流体40防止了在某些情况下出现的线缆（过）热。

图7至9示出了能量存储器模块10在相应的能量存储器中的流体技术上的连接的不同方式。

模块10的“有效电流”的插接接触，即插接的模块连接器48通过流体40冷却，因为这种插接连接（对于在车辆中所需的高电流）的实现最有可能只有通过冷却才可行。

图7示出了一个实施例，其中，跟随模块10的串联电路的流体流，也就是说，在由模块10组装而成的能量存储器的一个端部上导入作为冷却剂起作用的流体并且在另一个端部上再次取出。在图8中在电的能量存储器的一个端部上不仅导入入流而且导入回流。在根据图9的实施例中，模块连接器的流体路径被拆开：流体40在模块10的串联电路的中间被馈入并且被再次取出。

最重要的例子是，如上所述，由电池模块12构造的可充电的电池，尤其用于车辆的牵引电池。电路径和流体路径的分开可以在另一个拓扑中也可以在BDU（电池断开单元）中进行。这样，BDU的部件同样可以被冷却。由此减小了模块连接器元件的变型数量。

BDU的划分以及BDU部件到模块连接器元件中的集成也是可以的。这样，可以考虑具有集成的接触器和可能的电流传感器的模块闭合元件。因此，除了在端部处的分开之外，可实现串联电路的中间的中断，例如当在车辆上分布地定位的电池系统的情况下应该要求的那样。

通过在冷却剂软管中敷设HV电流导体，实现了模块连接器的双重或增强的绝缘，这能够实现车辆中的“自由的”敷设。

由于模块连接器以及在某些情况下信号接口是防触摸地构造的，因此由这些模块构造的电池系统可以在没有（在某些情况下只有在车辆中的）HV培训的情况下被组装到一起，无需在电压下的任何工作。

通过所有模块连接器所完善的由可自由装配的模块构成的电池系统可以构造成满足防护等级IP5k9k或1P67。相对机械作用（例如落石）的防护可以设置在模块中（通过相应的机械地敷设槽）或通过车辆车身来进行。

由此并且由于电池系统只有在车辆中才必须由组合件式地组装成模块的完成并且无需附加的电池壳体，因此电池在车辆中的构造和集成获得了巨大的自由度。

图10示出了加热装置32和其在能量存储器模块10中的连接。加热装置32构造成电加热装置，其具有一电流路径50和一结构元件，所述电流路径具有开关52的串联电路，该开关用于操纵所述加热装置32，所述结构元件具有与温度无关的电阻54和正温度系数热敏电阻结构元件34。加热装置，尤其其加热元件（结构元件34），经由在模块10的电路组件56中连接的存储器单元20供给电能。此外，加热装置32具有一用于测量经由具有与温度无关的电阻的结构元件54下降的电压U_Mess的测量装置58以及一用于测量模块电压U_Mod的测量装置60。这两个测量装置以及电流路径50的大部分安装在模块控制器36的印制线路板上，其中，所述电流路径具有开关52和与温度无关的电阻54。这样，正温度系数热敏电阻结构元件34作为流体40中的单独构件。

获得了下列功能：

用于加热装置32的供给电压由模块电压U_Mod截获，以如下方式，模块10的所有单元20被相等地受载。加热元件（正温度系数热敏电阻结构元件34）的接通由模块控制器38控制并且应该可以是模块个别的（modulindividuell），以便能够实现模块平衡的附加功能。同样地，应该能够实现脉动地操控，以便能够在加热元件的低温且因此低电阻的情况下调节或限定加热功率和通过加热元件（正温度系数热敏电阻结构元件34）的电流。

加热元件具有PTC特性，即具有随着增加的温度而更高的电阻（正温度系数热敏电阻）。加热元件的电阻值必须与模块参数（单元数量、单元类型、要求的加热时间）匹配。

因此，能量存储器的加热功率总体上随着所使用的模块10的数量来调整。

有利地使用非线性的正温度系数热敏电阻或由具有线性行为的加热元件与非线性的正温度系数热敏电阻的成排组合，非线性的正温度系数热敏电阻在热上较好地连接到加热元件上。非线性的正温度系数热敏电阻/加热元件的跃变温度应该处在单元20的上运行温度的范围中，用以确保自身安全地防止通过错误操控加热而造成的过热，其中，在跃变温度的情况下，电路的电阻一直升高到不产生值得一提的加热功率（P=U_Mod²/R），图11示出了一个示例性的、希望的与温度相关的电阻走向以及一在加热元件的连续的、非脉动的操控下的可能的示例性的加热功率。

为了设定用于模块的确定的小的加热功率，在图10中所示的开关52可以脉动地开关。如果不需要加热功率，则开关52保持断开。

如果所有在系统中安装的模块10的开关52同步地开关，则即使在流体（冷却剂）的很小的体积流量的情况下也实现了能量存储器的存储器单元20的均匀受热。

当体积流量相应地选择成较大时，并且相应地选择加热装置32的接通和断开之间的占空比时，也可以在无需设定单元温度的严重区别的情况下由仅一个或仅几个、直至除了一个之外的所有模块来激活加热装置，用以平衡模块10之间的充电状态（SOC）的不同。

在此出现的能量存储器受热或冷却剂受热可以在总系统中在必要时经由散热器或连接在空调压缩机/热泵上的热交换器来输出。

这种做法当更换了能量存储器中的一个模块10时是必要的。这样，可以舍弃模块10到模块化构造的能量存储器总体的充电状态上的事先的外部充电，其中，模块应该安装到该能量存储器中，或者说舍弃了能量存储器到新的模块10的充电状态上的卸载。由此可以在车间里舍弃专门的模块充电设备或包充电设备，其一般用于将新的待安装的模块10带到能量存储器的SOC上。将包带到更换模块的SOC上（例如“空载行驶”）的另外的变型在某些情况下是不可行的，当模块的更换是由于故障所引起的，该故障防止了系统的继续运行。

从现有技术中已知的用于平衡不同的充电状态的电路仅基于单个单元而实现且如此尺寸设计，使得其每小时可以平衡少于0.3%的SOC。

利用这里介绍的模块加热，根据系统的设计的不同，可以实现每小时例如5%的SOC。在夜晚的充电过程，其中，模块加热“克服”热交换器/空调压缩机工作，在大多情况下已经足以确保系统在有效距离方面的近似完全的可使用性。

如果已知了加热元件的特性并且利用足够小的制造公差来制成，则可以借助于如在图10中描绘的电路，经由电压测量来推断出加热元件的温度。此外，测量电阻54还尽可能热脱耦地与加热元件34和操控开关52串联。测量电阻54应该具有与温度无关的、恒定的电阻值。

在闭合的开关的情况下，从模块电压U_Mod和在测量电阻上下降的电压之间的关系中可以推断出加热元件的温度。此外，也可以获知在加热元件34上下降的电压并且与模块电压U_Mod进行比较。

如果在低于非线性的跃变温度的温度范围中温度系数足够大，则可以执行加热元件的温度测量。如果加热元件的最后的操控经过了足够长的时间，并且冷却剂的体积流量足够大，则能够实现对于单元温度的推断，例如作为能量存储器温度的冗余确定。

此外，经由电压测量可应用一用于模块10的以流体/冷却剂的填充状态获知的功能。由于当被冷却剂包围时，加热元件的加热行为强烈地改变，因此可以通过操控加热来获知，是否有足够的冷却剂在系统中，以便确保单元的足够冷却或加热。

此外，针对每个模块如此长时间地操控所述加热元件，如其所需，将不包围冲刷或仅不足够地包围冲刷的加热元件加热到加热元件的非线性的跃变温度。优选地如此实现所述加热元件，即这仅为几秒。在该时间中，测量经由（在图10中利用R_Konst(T)表示的）测量电阻54下降的电压。借助于测量到的电压（或相应于电压的温度）可以决定，是否模块10中的填充状态是足够的且在某些情况下在BMS中相应地作出反应，例如可以加入故障存储器记录并且要求系统维护。

图12示出了在以流体40冲刷的以及未被冲刷的加热元件的情况下温度或在测量电阻上测量的电压的时间行为。

填充状态获知可以基于加热元件的短的激活时间在每个行驶周期开始时但也可以周期性地在行驶周期中执行。在特别低的充电状态下设置成，停用诊断功能或仅在识别到充电电流的情况下执行。