包括高電力儲能單元的模塊及包括該模塊的儲能裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及包含高功率儲能單元(如超級電容器或超電容或電池）的模塊W 及包括運樣的模塊的儲能裝置。尤其地，本實用新型設(shè)及用于輸送功率W驅(qū)動負(fù)載(例如驅(qū) 動車輛或固定裝置)的電源/能量源。
【背景技術(shù)】
[0002] 超級電容器或超電容是結(jié)合了高功率密度和延長的預(yù)期壽命的蓄電設(shè)備。因此， 它們尤其很好地適合于允許頻繁地恢復(fù)動能或勢能的應(yīng)用，如:城市公共汽車、電車、起重 機和升降機。某些類型的主要基于裡的電池單元存在相同的優(yōu)點。
[0003] 超級電容器經(jīng)常與其他能量源結(jié)合，該能量源通常被選為提供不同類型的電力。 例如，一個源可被設(shè)計為提供長期電力(運意味著它能夠隨時間輸送大量的能量，因此是高 能量源），而另一能量源可被設(shè)計為提供高的短期電力（在運種情況下，它在有限時間內(nèi)為 高電源）。在例如車輛加速或脈沖負(fù)載事件(諸如對緊急狀況的反應(yīng))期間，高電源可用來協(xié) 助高能量源向系統(tǒng)提供電力。高電源可W由超級電容器或任選地某些類型的主要基于裡的 電池單元提供。從W02009/112069獲悉了可充電儲能設(shè)備(例如裡電池)和包含平衡電路的 超級電容器的組合。
[0004] 增加超級電容器的壽命的一種方法可W是增加它們的尺寸，即對它們進行有余量 的設(shè)計。運可能是固定電源的可能解決方案，但是成本和尺寸會被增加，并且材料會被不必 要的使用。然而，對于可移動的物體，增加尺寸通常導(dǎo)致增加的成本和重量，并且可由于空 間限制而被禁止。用于例如車輛的可移動物體，該額外的重量也可減少加速度。
[0005] 盡管超級電容器的主要優(yōu)點是其高功率容量，但電源的持續(xù)時間和總量由于發(fā)熱 受到限制，其進而導(dǎo)致電容器的內(nèi)阻、由高功率造成的大電流W及電容器由應(yīng)用循環(huán)的性 質(zhì)造成的頻繁充放電。根據(jù)Arrhenius(阿倫尼斯)定律，溫度升高是減少超級電容器的預(yù)期 壽命的主要因素。根據(jù)Arrhenius定律，溫度每升高10°C，電容器的預(yù)期壽命減半。
[0006] 如W02012/007290A1中所述，超級電容器的冷卻可W通過殼體加上散熱片和強制 通風(fēng)的設(shè)計來實現(xiàn)。然而，雖然改進冷卻具有增加預(yù)期壽命(既提高使用壽命又提高循環(huán)壽 命)的優(yōu)點，但強制通風(fēng)會消耗能量并導(dǎo)致系統(tǒng)效率的降低。 【實用新型內(nèi)容】
[0007] 本實用新型的目的是提供包含高電力儲能單元(如超級電容器或任選地某些類型 的主要基于裡的電池單元)的模塊W及包括該模塊的儲能裝置。具體而言，本實用新型的目 的是提供用于遞送電力W驅(qū)動負(fù)載(例如驅(qū)動車輛或固定裝置)的替代電源/能量源。
[000引本實用新型的實施例設(shè)及針對高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或任選地 某些類型的主要基于裡的電池單元）的模塊的設(shè)計。本實用新型的各實施例的優(yōu)點是通過 在運行時保持各高儲能單元冷卻來提供具有良好的壽命和/或循環(huán)壽命的儲能裝置。
[0009]本實用新型使用了術(shù)語"超級電容器"、"超電容"或"電容器"或任選地某些類型的 主要基于裡的電池單元，并且運些術(shù)語通常適用于高電力儲能單元。
[0010] 因此，本實用新型的各實施例提供一種儲能裝置，其包括位于模塊中的高電力儲 能單元，其中每個模塊存在有限數(shù)量的高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器 或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元）。高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或 電容器或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元)是雙端子裝置。高電力儲能單元(如超 級電容器或超電容或電容器或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元）W W下方式設(shè) 置:每一高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某些類型的主要基于 裡的電池單元）至少在一側(cè)面上或至少在兩側(cè)面上被冷卻表面包圍。該冷卻表面被熱連接 到高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某些類型的主要基于裡的電 池單元)的端子。每個冷卻表面可被熱連接到高電力儲能單元的不同端子。冷卻表面可W通 過匯流條(bus bar)的延伸部來提供和/或通過模塊殼體的與匯流條的延伸部導(dǎo)熱接觸但 不電接觸的一側(cè)面或壁提供。因此，匯流條可W具有凸緣形式的延伸部，該凸緣的表面積比 攜載電流來往于各高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某些類型的 主要基于裡的電池單元）的端子所需的表面積要大。該凸緣導(dǎo)熱地但不導(dǎo)電地連接到模塊 殼體的側(cè)面或壁。在任何情況下，運可具有能夠在多個并行的熱通路中將熱從高電力儲能 單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元)移除 的優(yōu)點。根據(jù)本實用新型的各模塊可具有兩個或更多個運樣的冷卻表面區(qū)域。
[0011] 模塊的尺寸不必依據(jù)最佳空間利用確定，但可依據(jù)外部熱交換表面的可用性并因 此依據(jù)改善的冷卻來確定。高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某 些類型的主要基于裡的電池單元)被設(shè)置在至少一排中，每一高電力儲能單元(如超級電容 器或超電容或電容器或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元)都具有寬度和高度 "H"。因此在一排中存在"N"個高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地 某些類型的主要基于裡的電池單元）。通過熱傳導(dǎo)熱連接到高電力儲能單元(如超級電容器 或超電容或電容器或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元)的端子并通過匯流條的延 伸部提供的冷卻表面的面積至少等于(N X WX H)的30 %。此面積可增加到(N X WX H)的40% W上、50% W上、60% W上、70% W上、80% W上或90% W上。出于節(jié)省成本和空間的原因， 冷卻表面的面積最大可能為200%。
[0012] 如果在一排中存在"N"個運樣的高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容 器或任選地某些類型的主要基于裡的電池單元），且每一高電力儲能單元與下一高電力儲 能單元(諸如，電容器等）間隔有距離(spacing) "S"(兩個電容器之間的自由空間，而不是間 距(pitch))，則通過熱傳導(dǎo)熱連接到高電力儲能單元（如超級電容器或超電容或電容器或 任選地某些類型的主要基于裡的電池單元）的端子并且通過匯流條的延伸部提供的冷卻表 面的面積至少等于(NXWXH) + ( (N-I) X S))的30%。此面積可增加到(NXWXH) + ( (N-I) X S))的40% W上、50 % W上、60% W上、70% W上、80% W上或90 % W上。出于節(jié)省成本和空 間的原因，冷卻表面的面積最大可能為200%。
[0013] 作為比較，在本實用新型的各實施例中，單元的排數(shù)通常為2。另一方面，在 W02012/007290中單元的排數(shù)通常為5。此外，由模塊并結(jié)果由所需的冷卻表面抑制的熱與 單元的數(shù)量成比例。因此，表述每個單元提供的冷卻表面是有用的。在W02012/007290中，每 個單元的頂部冷卻表面(8)大于Pi/4XW 2但<W2。在本實用新型的各實施例中，可用于冷卻的 最大表面是(w+s)2+(wx化s)，s是各單元之間的（平均)距離。
[0014] (W+S)2是頂蓋上可得的面積，（WX化S)是側(cè)面上可得的面積。
[0015] 由于縱橫比通常>10/4,尤其是對于縱橫比可能〉>10/3的棱柱形電池而言，本實用 新型的各實施例中限定的最小面積為(NXWXH) + ((N-1)XS))的30%，運比在W02012/ 007290中描述的面積大。還要注意的是可測量上下文H諸如W包括單元的連接螺栓。
[0016] 模塊的殼體具有高度、寬度和長度。為匯流條材料選擇良好的熱導(dǎo)體（heat conductor)并為模塊殼體的側(cè)面或壁選擇良好的熱導(dǎo)體(thermal conductor)(如侶）意味 著對流和熱福射表面（即模塊的冷卻表面)的有效尺寸由模塊殼體的側(cè)壁的高度確定。運是 因為熱會通過易導(dǎo)熱材料從匯流條散發(fā)出來并進入殼體的側(cè)壁，一直到達(dá)側(cè)壁的全部范 圍。因此，在所有有關(guān)冷卻表面的等式中，尺寸H有效地是模塊殼體的側(cè)壁的高度的尺寸，即 化。因此，在包括高度H的任何等式中，其可W由殼體的側(cè)面高度化替換。
[0017] 其中，在存在不同長度的兩排的情況下，可用最長的一排來進行計算。W上比例可 通過向殼體提供散熱片和/或散熱器W改善到空氣的熱傳遞并提供更好的冷卻來大大地增 加。因此，外部設(shè)計可例如包括散熱片和/或散熱器，或者可W包括用于液體冷卻的裝置，例 如殼體壁之中或之上的液體通道11。
[0018] 根據(jù)本實用新型的各實施例，對流表面可W等于或者幾乎等于傳導(dǎo)表面，例如對 流表面可W在傳導(dǎo)表面的30%、或40%、或50%、或60%、或70%-直到傳導(dǎo)表面的90%之 間。
[0019] 根據(jù)本實用新型的各實施例的儲能裝置可具有該模塊的利用通過空氣循環(huán)或驅(qū) 動風(fēng)(a化iving wind)的冷卻的內(nèi)部和/或外部設(shè)計，對于車輛(如公共汽車），該儲能裝置 通?？蒞大于3m/s，從而使得任何強制通風(fēng)設(shè)備都是多余的。
[0020] 當(dāng)運行時在高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某些類 型的主要基于裡的電池單元）中產(chǎn)生的熱可W在高電力儲能單元(如超級電容器或超電容 或電容器)的端子處通過其傳導(dǎo)。運樣做的好處是端子被連接到電容器的導(dǎo)電層并因此直 接與電容器的在運行期間產(chǎn)生熱量的部分接觸。
[0021] 運些端子優(yōu)選地連接到被設(shè)計為熱傳導(dǎo)元件而不是被設(shè)計為（例如僅僅被設(shè)計 為）電流導(dǎo)體的匯流條。熱匯流條優(yōu)選由高導(dǎo)熱材料(例如銅或侶）制成，或者是熱管。運些 材料提供了高效的熱流動。因此，匯流條可W具有凸緣形式的延伸部，該凸緣的表面積比攜 載電流來往于各高電力儲能單元(如超級電容器或超電容或電容器或任選地某些類型的主 要基于裡的電池單元）的端子所需的表面積要大。該凸緣導(dǎo)熱但不導(dǎo)電地連接到模塊殼體 的側(cè)面或壁。
[0022] 模塊優(yōu)選地具有大的熱交換表面。在