用于电池的冷却方法和冷却系统与流程

1.本发明涉及一种用于电动飞行器的电池的冷却方法。本发明还涉及一种用于电动飞行器的至少一个电池单元的冷却系统。


背景技术：

2.电动或部分电动(混合)驱动的飞行器的供电通常经由电池进行。为此，通常使用定期更换的二次电池，即能再充电的蓄电池。
3.例如由de 10 2012 202 698 a1已知一种电动飞行器，所述飞行器包括至少一个电池单元和多个电驱动单元。所述电池单元用于存储和输出运行飞行器的电驱动单元所需的电能。
4.在飞行运行中，电池单元在放电过程中放电。同样，放电过程在飞行运行之前可能就已经开始，例如当飞行器的机载电子设备或辅助装置需要电能时。
5.对于已放电的电池，在飞行器可以重新开始其进一步运行之前，必须在充电过程中给放电的电池单元重新充电。与放电过程相反，充电过程通常在飞行器的静止状态下进行。这里，将电池单元与电压源连接，由此，重新建立电池单元的充电状态。术语“电池单元”因此也延伸到可再充电的蓄电池。在下面，术语“电池”、“电池单元”和“蓄电池”可互换地使用。
6.电池单元的放电过程以及充电过程都通过电池单元中的化学反应进行。所述反应在电池单元中引起发热。原则上，所述发热取决于电池单元的放电速率以及充电速率，就是说，取决于电池单元释放或吸收的电功率量。
7.在放电过程和充电过程期间出现的热可以通过电池冷却装置导出。
8.由现有技术已知带有空气冷却的电池冷却装置。为此，将多个锂离子圆形电池单元相互间有大间距地设置。这里，在锂离子圆形电池单元之间形成中间空间，空气流可以在所述中间空间中流动和/或循环。所述空气流确保经由电池单元的表面实现对流地散热。这里不利的是，电池单元之间的大间距带来相应必需的大结构空间。对于空气冷却的电池单元，另一个缺点是，围绕电池单元设置的防火材料越多，冷却的效率越低。如果省去防火材料，则电池的安全性水平降低。
9.此外，具有冷却板的电池冷却装置是已知的，所述冷却板供液体的冷却介质流动通过。这种冷却板可以与要冷却的电池单元处于热接触并且连接在冷却回路上。通过相应地设计冷却回路的冷却功率的大小，可以在较短的时间内导出较高的热量。此外，在冷却功率高时，用于电池单元和电池冷却装置之间的热接触所需的表面尺寸可以设计得较小。冷却板可以设置在一个或多个电池单元的侧面、上方或下方。这种电池冷却装置的缺点是，很多所使用的冷却介质是可燃的并且是对环境有害的，并且冷却装置具有必须在飞行器中携带的高重量。
10.潜热蓄热器构成另一种由现有技术已知的、从电池单元中导出热量的可能性，如在文献us2015037647a1中描述的那样。与传统的材料不同，这种材料具有恒定的相变温度。
这意味着，在潜热蓄热器的物态变化期间，在确定的温度范围内，可以向潜热蓄热器供应热量或从潜热蓄热器导出热量，而其温度不变。通过吸收热量，潜热蓄热器的相变材料(英文：phase change material，pcm)更多地发生相变，例如从固态到液态/粘稠态。
11.在使用用于冷却飞行器中的电池单元的潜热蓄热器时，由此，电池单元或电池冷却这种的温度不会发生明显的变化，而是主要以等温状态变化的形式发生潜热蓄热器的所述相变，通常是从固态到液态/粘稠态的相变。如上所述，由于用于电动飞行器的电池通常构造成可再充电的蓄电池，在电池或电池冷却装置继续运行或下一次运行之前，必须使潜热蓄热器的相变逆转，以便能够重现实现良好的冷却作用。潜热蓄热器的相变材料的相变的这种逆转通常通过冷却潜热蓄热器来进行。
12.在下面，术语“相变材料”和“潜热蓄热器”可互换地使用。


技术实现要素：

13.因此，本发明的目的是，消除在现有技术中存在的用于冷却电池的方法的缺点。特别是应实现对可再充电的电池的冷却。
14.所述目的通过根据权利要求1的用于电池的冷却方法来实现。所述冷却方法的有利的设计方案在权利要求2至4中给出。此外，所述目的通过根据权利要求5的冷却系统来实现。所述冷却系统的有利的设计方案在权利要求6至13中给出。为了避免重复，这里通过明确地引用将这些权利要求包含在本说明书中。
15.根据本发明的用于电动飞行器的电池的冷却方法利用具有潜热蓄热器的电池冷却装置来执行，所述电池具有至少一个电池单元。所述冷却方法具有以下方法步骤：
16.a将第一热量从电池单元传递给潜热蓄热器，由此，在潜热蓄热器的相变材料中发生相变，
17.b从飞行器中取出电池，
18.c建立电池冷却装置与单独的第二冷却装置的冷却回路的有效连接，
19.d用冷却剂流动通过冷却回路，
20.e将第二热量从潜热蓄热器传递给冷却剂，由此，在潜热蓄热器的相变材料中发生相变，
21.f将电池冷却装置与冷却回路分离，
22.重要的是，方法步骤d和/或方法步骤e至少部分地与电池的充电过程同时进行。
23.根据本发明的目的还通过用于电动的飞行器的至少一个电池单池的冷却系统来实现。如本身已知的那样，所述冷却系统包括电池冷却装置，所述电池冷却装置设计成，在放电过程中，至少从所述电池单元吸收第一热量。所述电池冷却装置构造成具有至少一个具有可变物态的潜热蓄热器。
24.重要的是，所述冷却系统包括单独的第二冷却装置，所述第二冷却装置能够与电池冷却装置热耦合并且设计成，从电池冷却装置吸收第二热量。此外，所述冷却系统还包括用于电池单元的充电装置，所述充电装置设计成，使得为了电池单元的充电过程能够接通所述电池单元并对电池单元进行充电。
25.本发明基于申请人的这样的认知，即，由设置在电池单元上的具有潜热蓄热器的第一电池冷却装置和用于冷却所述潜热蓄热器的外部的第二冷却装置的组合实现了较轻
的并且可靠的冷却系统。当两个冷却装置通过热界面相互连接时，通过电池冷却装置对电池单元的冷却和对潜热蓄热器的冷却由此在时间上错开地进行。
26.单独的第二冷却装置设定为用于，从电池冷却装置的潜热蓄热器中导出热量和由此使得潜热蓄热器的相变逆转(下面也称为逆反应或重新恢复电池冷却装置的功能性)。除了潜热蓄热器外，也可以带有所有部件的整个电池冷却回到预先确定的起始温度，以便在每次启动飞行器时确保整个电池具有相同的起始温度。
27.同时，在潜热蓄热器中的逆反应期间可以给电池充电，以用于下一次使用。
28.由此，特别是得到以下优点：飞行器的至少一个电池单元的放电过程优先在飞行运行期间进行。此时形成热量。这个第一热量近似于等温地导出到电池冷却装置的潜热蓄热器的相变材料上。这里，在潜热蓄热器的相变材料中发生相变。如果潜热蓄热器的相变材料例如作为连接材料存在，所得到的热容量是所存在的材料的平均值。这会导致，这个区域中的温度略微升高并且不发生潜热蓄热器的纯等温的状态变化。
29.就是说，在飞行运行期间，可以利用具有较小的重量的冷却系统导出热量。
30.潜热蓄热器优选包括如石蜡或酯类化合物的材料，所述材料最优选地可以结合到聚合物基质中。这些材料分别在同时具有高潜热量的情况下具有较小的密度。所述第一热量此时是可变的并且不是必然对应于电池由于放电过程发生的升温，因为所述热量的一部分也可以作为电池部件上的显热导出。
31.在静止状态下，就是说通常是在飞行运行之后，将电池冷却装置从飞行器中取出并通过热界面与单独的第二冷却装置的冷却回路接触。所述热界面是纯热界面。就是说，电池冷却装置的潜热蓄热器的相变材料与第二冷却装置处于热接触，但不发生冷却液或类似物的交换。所述冷却液仅流动通过第二冷却装置。通过潜热蓄热器与第二冷却装置的导热连接导出存储在潜热蓄热器中的第一热量以及必要时还有其他例如通过电池的充电过程产生的热量。
32.由此，潜热蓄热器的逆反应和电池的充电过程至少部分同时地进行。为了进行充电，如本身已知的那样，将电池单元连接到电压源上。优选在方法步骤b之后，将所述电池推入地面充电站的支架中，所述地面充电站使得可以同时对电池进行充电和对潜热蓄热器进行冷却。优选在更换电池时，通常在飞行器停止时，进行电池的充电和电池冷却装置的功能性的恢复。
33.一方面通过飞行器中的电池装置的分离，另一方面通过在充电过程期间通过第二冷却装置实现的潜热蓄热器的逆反应，有利地，在飞行运行中，就是说在飞行器机上不需要沉重的设备，以便使电池冷却装置能够运行。特别是可以将沉重的和复杂的部件，如压缩机、泵、阀、热交换器等设置在飞行器之外。由此，一方面得到这样的优点，即，这些部件不必为了在机上进行运输和/或使用而进行认证。另一方面，不必在飞行器的机上运输这些通常具有高重量的部件。因此，可以使用由于其重量对于飞行器的机上使用是不实际的或不适当的特别大的和高性能的部件。
34.在本发明的一个优选实施形式中，方法步骤d在方法步骤c之后进行，就是说，冷却剂不是持续地处于第二冷却装置中。相反，只有当建立了冷却回路与潜热蓄热器的有效连接时，才为了进行用于重建电池冷却装置的功能性的逆反应而将冷却剂泵入与潜热蓄热器处于所述有效连接中的冷却回路。由此实现了这样的优点，即，通过在方法步骤d中使冷却
剂流入而使得冷却软管膨胀并压紧到电池的壳体上。
35.所述冷却回路优选按逆流热传递原理工作。由此得到这样的优点，即，实现电池单元尽可能均匀的温度分布。这特别是对于同时进行的电池单元的充电过程是有利的。
36.可选地，所述冷却回路构造成同流式传热器。由此得到这样的优点，即，所述冷却回路可以以较为简单的结构实现。
37.在本发明的一个优选的实施形式中，在方法步骤b之后，就是说，在从飞行器中取出电池之后，将所述电池推入地面充电站的支架中，所述地面充电站使得可以同时对电池进行充电和对潜热蓄热器进行冷却。所述第二冷却装置优选是固定的地面充电站的一部分。所述地面充电站具有用于电池单元的充电装置并且被设计成，接通电池单元以进行电池单元的充电过程。
38.优选在轨道上将飞行器的多个电池推入保持装置中。在电池之间设有冷却软管，所述冷却软管连接在地面充电站中的外部冷却回路上。在推入过程期间，优选在所述冷却软管中还没有冷却介质。在电池定位在保持装置中之后才将冷却介质泵入所述冷却软管中，从而所述冷却软管发生膨胀并压向电池的壳体。由此得到这样的优点，即，改进了电池冷却装置和冷却回路之间的有效连接。这个实施形式的另一个优点是，通过柔性的冷却软管可以补偿由制造带来的公差，而不必如否则常规的那样使用所谓的“缝隙填充物”以便建立良好的热接触，这明显改进了热传递。
39.优选所述第二冷却装置具有至少两个冷却软管并且设计成，按逆流原理流动通过两个冷却软管。可选地，也可以设有一个具有两个接头的冷却软管，按逆流原理流动通过所述冷却软管。
40.优选潜热蓄热器的相变材料被设计成用于电池单元在运行状态下发热的一个温度范围，所述温度范围优选在20℃至60℃的范围内、最优选在43
°
至50℃的范围内。
41.本发明的另一个优点是，电池冷却装置和第二冷却装置的相应冷却功率可以基本上相互独立地设计。特别是第一热量与第二热量没有确定的关系。这主要是因为，电池冷却装置的潜热蓄热器可以在放电过程和充电过程之间或在放电过程和充电过程期间将所存储的第一热量的一部分辐射或对流式地散发到其周围环境中。此外，在充电过程期间，特别是快速充电过程的情况下，可以在电池单元中产生附加的热量，这些热量同样必须优选通过第二冷却装置导出。
42.第二冷却装置有利地设计成，使得可导出的第二热量允许电池冷却装置的潜热蓄热器的相变发生完整的逆转，以便恢复电池充电装置的功能性，并且可以附加地导出在充电过程期间产生的热量。
43.优选所述第二冷却装置具有柔性的软管，所述软管能够用冷却剂流动通过。通过热接触实现的压紧力和热传递这里直接相互关联，压紧力越高，接触热阻就越高并且由此传递的热量就越高。软管的柔性因此可以用于，直接通过冷却介质的压力调整压紧力。如果柔性的软管用处于压力下的冷却剂填充，所述软管发生膨胀。由此使压紧力提高，从而能导出的热量升高。
44.优选电池具有底板，在电池单元的侧面上向所述底板上粘贴薄膜形式、优选卡普顿(聚酰亚胺)膜形式的电绝缘结构。电池单元的负极利用导热的粘合剂或导热树脂粘贴到底板的电绝缘结构上。底板的外侧与冷却软管形式的第二冷却装置直接接触。粘合介质(树
脂或粘合剂)、电绝缘膜以及底板形成电池单元的负极与第二冷却装置之间的热界面。通过这个热界面使电池单元以及潜热蓄热器的与电池单元接触的材料都被冷却。通过将底板设计成电绝缘的层避免了在电池单元之间发生短路。
45.优选所述底板有碳纤维材料t700s制成。
46.在本发明的一个优选实施形式中，所述电池冷却装置的潜热蓄热器的相变材料被宏观封装(makroverkapselt)在载体基质中。如果使用如石蜡或酯类化合物的材料作为相变材料，则潜热蓄热器通过相变失去固定形状，即相变材料熔化。通过封装在载体基质中确保了潜热蓄热器的形状稳定性。
47.所述电池冷却装置的潜热蓄热器的相变材料优选构造成围绕电池单元的套筒。通过将相变材料设计和设置成围绕各个电池单元的套筒的形式得到这样的优点，即，可以利用电池单元和相变材料之间较大的接触面用于热传递。此外，在单个电池单元内实现了均匀的热分布。由此提高了电池单元的使用寿命。可选地，所述相变材料板状地构造成围绕多个电池单元的至少部分的壳体或者构造成至少一个孔板的形式。这对于电池的制造和安装是有利的。
48.在本发明的一个优选实施形式中，所述第二冷却装置是固定的地面充电站的一部分。所述地面充电站具有用于电池单元的充电装置，并且所述地面充电站设计成，电接通所述电池单元以进行电池单元的充电过程。由此得到了这样的优点，即，在飞机着陆或临时着陆时可以以简单的方式和形式更换电池并且是用新充电的带有复位的电池冷却装置的电池进行更换。为此，所述地面充电站优选具有用于电池的支架，所述支架设计成，将第二冷却装置与电池冷却装置导热地连接。
49.所述电池单元的所有负极有利地指向相同的方向。这样设置的原因是，与电池单元正极相比，电池单元负极具有明显更大的面积，这种面积使得可以实现明显更为高效的热传递。另一个原因是，通过所述布置形式使得在电池单元热失控的情况下热的和有毒的排风气体可以通过布置在电池单元正极侧上的cid阀导入一个系统中，通过这个系统可以将所述气体从电池中导出。
50.在这种布置形式中，电池单元优选利用线接合法(drahtbondverfahren)连线，其方式是，所述电池具有汇流排，并且所述电池单元优选通过至少一个线接合结构与所述汇流排导电地连接。为此，所述电池单元相同地定向，但这些电池单元并联和串联地互连。在常见的线接合方法(也称为引线结合(wirebonding))中，在电池单元的一侧上设置两个端子，例如具有负极的壳体环直接位于正极帽的旁边。由此，对于两个极可以在电池单元的同一侧、优选在正极的侧面进行电连线。优选在相对设置的负极的侧面进行热接触，因为负极的接触面更大。
51.圆形电池单元具有高机械弯曲刚度。由此，通过电池单元相同的几何定向，可以提高电池的总刚度并且降低电池发生损坏的风险。
52.在本发明的一个优选实施形式中，所述电池包括防火材料，所述防火材料至少部分地包围所述电池单元。优选所述潜热蓄热器的相变材料由防火材料包围或集成在防火材料中，并且所述防火材料构造成至少具有两层。这里，防火材料的第一层构造成机械稳定的结构，并且防火材料的第二层包括水合材料。
53.对于电池单元发生热失控的情况，在热失控中出现的高温由防火材料的第二层的
水合材料吸收。这种材料经历相变并且由此可以在保持温度相同的同时吸收以热形式释放的能量的至少一部分。
54.此外，通过防火材料的机械稳定地构成的第一层可以防止电池单元发生爆裂。由此保护相邻的电池单元，既防止出现临界温度，也防止由于金属破裂或类似情况发生机械损伤。因此，相邻的电池单元不会自行进入同样会导致相邻的电池单元发生热失控的临界温度范围。
55.本发明特别是适于应用于安全性关键的领域，如有人驾驶和无人驾驶的航空交通。应用可能性的其他细节记载在申请人的申请日为2020年3月5日的申请“batteriek
ü
hlvorrichtung mit brandschutzmaterial,batter-iemodul mit brandschutzmaterial sowie”和“batteriek
ü
hlvorrichtung,batteriemodul sowie”中。
附图说明
56.下面参考实施例和附图来说明根据本发明的方法和根据本发明的冷却系统的其他优选的特征和实施形式。这些实施例以及可能给出的措施只是本发明的有利设计方案并且因此不是限制性的。这里
57.图1示出电池的分解视图；
58.图2示出电池的正面剖视图；
59.图3示出根据本发明的冷却系统和多旋翼飞行器；
60.图4示出用于电池的支架的示意图。
具体实施方式
61.图1示出电池3的分解视图，所述电池在图2中用剖视图示出。
62.电池3的电池单元5设计成锂离子圆形电池单元并且在几何上对称地设置。
63.所述电池单元5在周面上由套筒19包围。所述套筒19在当前情况下由潜热蓄热器的相变材料和防火材料构成。由此在电池单元5和潜热蓄热器19之间形成直接的热接触。
64.潜热蓄热器在当前情况下由一种复合材料构成，在这种复合材料中，相变材料以大尺寸封装的形式结合在载体基质中。例如可以使用如石蜡或酯类化合物的材料作为相变材料。
65.所述防火材料构造成两层，其方式是，所述防火材料的第一层以玻璃纤维层的形式构造成机械稳定的结构。所述防火材料的第二层由水合材料、在当前情况下是结晶水构成。
66.防火材料机械稳定的层可以防止，在电池单元之一发生热失控情况下出现过压时，电池单元在侧向出现爆裂。防火材料的由结晶水组成的第二层用于使包含在该层中的水蒸发来吸收在热失控期间释放的热量。在结晶水发生相变期间，这种材料的温度可以保持恒定，从而保护相邻的电池单元，以防止发生过热。
67.第一电池单元支架20或第二电池单元支架21设置在电池单元的上方或下方。第一电池单元支架20、第二电池单元支架21用于在空间上将电池单元5固定在电池3的壳体中，从而不必通过套筒19支撑可能出现的作用于电池单元5的力。
68.壳体(未示出)围绕所述部件设置。
69.为了避免电池单元5发生短路，设有电绝缘层23。在电绝缘层23上设置有作为电池的壳体的一部分的底板14。该层与第二冷却装置中的冷却软管9处于接触中，见图4。通过所述底板14和电绝缘层23，使得电池单元5和潜热蓄热器19的与电池单元处于接触中的材料与外部的第二冷却装置发生热接触。所述底板14和电绝缘层23由此构成电池冷却装置和单独的第二冷却装置之间的热界面。
70.图3示出具有地面充电站25和多旋翼飞行器1的冷却系统。所述冷却系统延伸到电池冷却装置以及地面充电站25中的外部的单独的第二冷却装置26，所述电池冷却装置在运行状态下通常位于多旋翼飞行器1的机上。
71.在飞行运行期间，电池3放电并向潜热蓄热器19释放热量。在停止时，将电池3从飞行器1中取出并推入地面充电站25的支架24中。
72.电池的充电过程用于，将“用过的”潜热蓄热器19重新恢复初始状态，就是说将潜热蓄热器19的液态/粘稠态的相变材料重新恢复固体的物态。为此，将电池3从飞行器中取出并且在地面充电站25中电地以及热地接通所述电池。
73.为此，所述地面充电站25包括第二冷却装置26。所述第二冷却装置26具有冷却回路27，所述冷却回路具有冷却剂容器28和处于冷却剂容器中的冷却剂13。泵29将冷却剂13输送通过热交换器30并经由流入口31输送到柔性的冷却软管(未示出)。冷却软管在来自飞行器的电池3所插入的支架24中延伸(见图4)。升温的冷却剂13通过流出口32重新流入冷却剂容器28中。
74.为了改善柔性的冷却软管的冷却效果，可以给所述冷却软管加载高内压。由此，冷却软管发生膨胀并且向要冷却的部件、特别是向电池3的底板14形式的热界面施加相应高的压紧力。
75.在将电池3推入所述支架24中之前，冷却软管中不会加注冷却剂。。
76.同时，通过端子33将电池3的电池单元与固定的蓄能器11电接通并且对所述电池单元进行充电。所述蓄能器11与发电机34连接，利用所述发电机可以在充电过程之后或期间给所述蓄能器充电。
77.根据本发明，通过所示出的冷却系统利用主动冷却使加热的潜热蓄热器的相变逆转。此时，重新将液态/粘稠态的潜热蓄热器19带入固态的物态中。
78.在充电过程结束和成功恢复潜热蓄热器的功能性之后，可以从地面充电站25中取出电池3，并且电池是重新准备好使用的。
79.图4示出用于电池3的支架24，如通常设置在地面充电站25(图3)中的支架。所述支架24包括多个保持轨，可以将多个电池3推入所述保持轨中。在电池之间设有冷却软管9，所述冷却软管可以供冷却剂流动通过。冷却软管9分别与保持轨中的电池3的底板14热接触。