用于电池放电的设备和方法以及电池、电池系统和车辆的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]可预见的是:无论是在静止应用中、例如在风力发电设备中，还是在移动应用中、例如在电动车辆(electric vehicle，EV)或混合动力车辆(hybrid electric vehicle，HEV)中，都将例如具有锂-离子-蓄电池、锂-聚合物-蓄电池或镍-金属混合物-蓄电池的、增加的新的电池系统用作可再次充电的电能存储器(EES )。
[0002]电池系统必须在可使用的能量含量、充电/放电效率、可靠性、寿命和由于频繁的部分放电导致的不希望的容量损失方面满足很高的要求。
[0003]电池系统包括多个电池单池。由于其单池内阻和所发生的电化学过程，电池单池在充电和放电期间发热。电池单池可以串联(Serie)连接以提高电压，和/或可以并列连接，以提高最大电流。在此，电池单池可以组合为电池单元或电池模块。在用于驱动车辆时，例如可以将大约100个电池单池(作为牵引电池)串联或并联连接。在高压电池系统的情况下，总电压因此可达例如450V或甚至600V。
[0004]锂-离子-蓄电池单池包括高反应性化学内容物，使得为实现无危险的运行必须维持一定的运行参数，例如最大的充电电压。因此，监测带有锂-离子-蓄电池单池的电池系统。为此，例如可以连续地监测或测量每个蓄电池单池的电压和/或温度。尽管如此仍然不可完全排除危险的运行状态，所述危险的运行状态例如可能由于违反运行参数、错误使用或操作或由于老化导致的化学变化所导致。这可能例如导致蓄电池单池的热穿透(Thermal Runaway)，这形成对于人员和环境的危险。
[0005]DE 10 2010 029 806 A1已经公开了一种用于车辆的电系统，所述电系统包括:电功率源，特别是用于驱动电动马达的电功率源；开关，通过该开关可构成或可中断车辆的功率源和车载网络之间的电连接；控制装置，所述控制装置构造用于在由与该控制装置连接的传感器装置可检测到的预先确定的状态下促动开关，以便中断功率源和车载网络之间的电连接；和带有布置在其内的限定的放电电阻的短路导线，以用于受控地将与开关和功率源连接的功率源放电，所述短路导线与开关和功率源的连接使得通过操作开关以将功率源和车载网络的连接分离，可选择性地将功率源短路连接。
[0006]为了进一步提高蓄电池(电池)和蓄电池系统(电池系统)的安全性，因此要求改进在危险情况下蓄电池和蓄电池系统的放电。
【发明内容】
[0007]带有独立权利要求的特征的根据本发明的设备和方法的优点是，已充电的电池单池例如锂-离子-蓄电池单池例如在损坏和/或可能的危险如着火危险时在短时间内可以被放电。在此，所出现的不可直接地例如散发给电池的冷却系统的热能首先被存储。因此，可以降低或避免在放电期间的电池单池的热负荷或者甚至过负荷。由此，热穿透和/或着火危险可以被明显地降低或最好地情况下甚至被禁止。因此，可以明显地提高或改进电池或锂-离子-蓄电池的安全性。当负载元件对多个电池单池的仅一个电池单池或一些电池单池放电时，与对全部电池放电相比，热能的量可以降低。此外，采用多个电池单池的剩余的电池单池可以保证电池的受限制的继续运行(紧急运行)。
[0008]本发明的有利的实施方式在从属权利要求中描述。
[0009]热存储元件可以以合适的方式包括包含金属例如铜(Cu)或铅(Pb)的热存储器。由此，可以增大与热存储器的质量有关的比热容和/或与热存储器的体积有关的热存储器数量。替代地，热存储元件可以包括含有相变材料(Phase change Material，PCM)例如盐和石蜡的热存储器。通过利用相变、例如从固态到液态的相变，可以提高热存储器的容量。因此，热存储器在放电期间可以达到例如1000摄氏度(°C)的温度。
[0010]热存储元件可以以合适的方式与调温元件例如冷却元件热连接。由此，可改进所产生和存储的热能的引出。
[0011]热存储元件可以以合适的方式布置在电池的壳体内。由此，可以简化电池的机械和/或电气结构。因此，可以降低成本。替代地，热存储元件可以布置在电池的壳体外。由此，可以降低部件的尺寸。因此，可以较灵活地进行电池的安装和应用。
[0012]负载元件可以以合适的方式包括电阻元件，例如带有正温度系数(positivetemperature coefficient，PTC)的电阻或PTC电阻。通过电阻元件可以将负载元件构造为廉价且稳定的部件。通过PTC电阻，提高了负载元件随温度的升高的电阻值。由此，例如在接近最高允许温度(最高温度)时可以实现电流的降低。因此，可以实现或改进自我保护。替代地，负载元件可以包括半导体元件，例如功率半导体元件、晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，M0SFET)。由此，负载元件能够被可改变、可调节或可控制地构造。因此，负载元件可以被直接控制。因此，可以省去分开的开关元件。
[0013]负载元件的电阻值以合适的方式是可改变的或可调节的。由此，放电或放电时间和充电状态和/或待放电的电池单池的数量可以被匹配。
[0014]负载元件的电阻值可以以合适的方式大于电池单池的内电阻值。由此，在放电期间在电池单池内产生的热能可以被减小或控制。
[0015]负载元件可以以合适的方式布置在电池壳体内。由此，可以进一步简化电池的机械和/或电气结构。因此，可以进一步降低成本。替代地，负载元件可以布置在电池壳体外。由此，部件的尺寸可以进一步减小。因此，可以更灵活地进行电池的安装和使用。
[0016]所述设备还可以以合适的方式包括开关元件，所述开关元件与控制装置连接以用于控制负载元件。由此，负载元件的控制可以与负载元件及其位置解耦。因此，可以降低在正常运行期间的电能损失。
[0017]开关元件可以以合适的方式包括继电器。由此，可以实现完全的电分离或电流分离。替代地，开关元件可以包括半导体元件，例如功率半导体元件、晶体管或M0SET。由此，可以降低或避免磨损，例如电接触部的磨损。因此，可以提高设备的可靠性和寿命。
[0018]开关元件可以以合适的方式构造为使得当控制负载元件时将多个电池单池中的电池单池电分离。由此，在没有待放电的电池单池的情况下，可以采用多个电池单池的剩余的电池单池来维持电池的有限的继续运行(紧急运行)。
[0019]设备还可以以合适的方式包括隔离元件，所述隔离元件布置在多个电池单池和负载元件或热存储元件之间，以用于将多个电池单池与负载元件和/或热存储元件热隔离。由此，可以降低多个电池单池的热载荷。因此，可以提高电池的安全性和寿命。
[0020]本发明还提供了包括前述设备的电池。
[0021]本发明还提供了包括前述设备或前述电池的电池系统。
[0022]本发明还提供了交通工具，特别是机动车，如电动车、混合动力车辆或电动摩托车(电动自行车，E-Bike),电动脚踏车(Pedal Electric Cycle，Pedelec)，船舶例如电动船或潜水艇(U-Boot)，航空器或航天器，所述交通工具包括前述的且与所述交通工具连接的设备、前述的且与所述交通工具连接的电池、或前述的且与所述交通工具连接的电池系统。
[0023]本发明还提供了静止的应用，特别是用于风力发电设备或其他的适合于电池运行的机器。
[0024]热存储元件可以以合适的方式包括包含例如铜或铅的金属的热存储器。由此，可以增大与热存储器的质量有关的比热容和/或与热存储器的体积有关的热存储器数量。替代地，热存储元件可以包括含有相变材料例如盐和石蜡的热存储器。通过利用相变、例如从固态到液态的相变可以增大热存储器的容量。因此，热存储器在放电期间可以达到例如1000 °C的温度。
[0025]热存储元件可以以合适的方式与调温元件或冷却元件热连接。由此，可以改进所形成的和存储的热能的引出。
[0026]热存储元件可以以合适的方式布置在电池的壳体内。由此，可以简化电池