CN101557013A - 包括柔性产生元件与机械和热调节所述元件的***的电池 - Google Patents

包括柔性产生元件与机械和热调节所述元件的***的电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包括多个电能产生元件(1)的电池，所述元件由封装在柔性的密封封套(3)中的至少一个电化学单电池(2)形成，该电池还包括用于所述元件的机械和热调节的***，该调节***形成由导热材料构成的结构体(9)，该结构体具有两个纵向构件(10，11)和多个横向构件(12)，横向构件连接纵向构件以在横向构件之间形成壳体(13)，在壳体中分别布置有产生元件(1)，结构体包括热调节流体的循环路径，该路径包括分别形成在纵向构件(10，11)中的两个沟道即上游沟道(14)和下游沟道(15)、和形成在每个横向构件(12)中的通道(16)，该通道在每一侧上分别与上游沟道(14)和下游沟道(15)流体连通。

Description

包括柔性产生元件与机械和热调节所述元件的***的电池
技术领域
本发明涉及一种具体用于电动或混合机动车辆牵引的电池，也就是说包括驱动从动轮的电动马达，该电动马达与驱动这些轮或其它可能的从动轮的热发动机相组合。
背景技术
特别地，本发明适用于高度混合的热车辆，该车辆可以实现牵引链的完全电气化。在这种情况下，电池不仅仅用于在加速阶段辅助车辆，还在较远或较近的距离上提供车辆的自发运动。
为保证所关注应用需要的动力和能量水平，需要制造包括多个电能产生元件的电池。
然而，当这些元件充电和放电时，其结果是产生热量，如果热量不受到控制，将产生降低元件使用寿命的影响，或者甚至在极端条件下引起元件的特定化学成分热失控的风险，导致电池的退化。
因此，为了优化电池的性能和使用寿命，用于元件的热调节***被集成在电池内。特别地，热调节***可包括用于热调节液体的循环路径，所述路径基本上围绕该产生元件而形成。
另外，在预期的汽车应用中，***的效率必须要高，因为取决于电流密度以及电流密度变化的热耗散峰值可能会达到很高的值，特别是在高加速度、再生制动、电池快速放电或者在电动模式下运行在快车道时。
传统产生元件包括至少一个电化学单电池，例如由相继充当阴极和阳极的电活性层的叠层构成的锂离子或锂聚合物型电化学单电池，所述电活性层通过电解质被相互接触地放置。
这些电化学单电池通常被封装在刚性、气密性容器中以保护它们不受到外界冲击。特别地，这些容器可由深拉拔金属片制成以形成杯体，在引入卷绕叠层后，可通过焊接盖子而封闭杯体。
这种类型的封装有特定的缺陷，这些缺陷包括制造成本高，以及需要电绝缘金属杯体的至少一个电极和需要增加泄压阀以在元件过度充电或过热的情况下释放压力。
为了克服这些缺陷，已经提出通过将电活性层的平坦叠层封装在密封柔性封套中以形成产生元件。另外，这种类型的产生元件典型地具有增加与热调节液体的交换表面的棱柱几何形状。
然而，对于这种封套，元件的机械强度显著降低，这违反了当前汽车工业中的限制，特别是与撞击有关的限制。
另外，叠层于是容易变形，特别是在电活性层彼此相对运动时。特别地，这种变形可能由充当阳极或阴极的活性材料的体积按照锂离子***速率发生变化而引起。
这些运动的结果是所述电活性层之间接触电阻的变化，所述变化产生附加的热量，这可导致过早老化、可用能量受限和触发热失控的风险。
发明内容
本发明目的在于通过提出一种电池以改善现有技术，这种电池结合了使用具有柔性元件的产生元件的优点与机械和热封装***的优点，该机械和热封装***在考虑到电化学行为和汽车工业中相对的电流约束、特别是与撞击有关的电流约束的情况下改善了电池的使用寿命和安全性。
为此，本发明提出一种包括多个电能产生元件的电池，所述电能产生元件由封装在柔性密封封套内的至少一个电化学单电池形成，所述电池还包括用于所述元件的机械和热调节的***，所述调节***形成由导热材料构成的结构体，所述结构体具有两个纵向构件和多个横向构件，所述横向构件连接所述纵向构件以在横向构件之间形成壳体，在所述壳体中分别布置有产生元件，所述结构体包括用于热调节流体的循环路径，所述路径包括分别形成在一个纵向构件中的两个沟道、以及形成在每一个横向构件中的通道，所述两个沟道分别为上游沟道和下游沟道，所述通道在每一侧上相对于上游沟道和下游沟道流体连通。
附图说明
通过参照附图，本发明其它特性和优点将体现在后面的说明书中，其中：
图1是根据本发明一个实施例的电池的部分剖开透视图的局部视图，其具体示出了机械和热封装***的结构体以及其中的产生元件的配置；
图2是图1中电池透视图的局部视图，以分解图示出了产生元件以及相连的总线条和电子卡；
图3是图1中电池的横截面视图，也示出了布置在保护容器中的结构体；
图4是图1中电池的纵截面的部分视图，也示出了布置在保护容器中的结构体；
图5是根据图1的电池的电化学单电池的纵截面视图；
图6是形成根据图1的电池的结构体的一个模块的透视图；
图7是示出位于根据图6的两个模块之间的产生元件的布置的分解透视图；
图8是根据图7的产生元件的透视图，通过结构矩阵示出了所述元件的包覆的配置；
图9a、9b和9c分别示出了根据一个实施例布置在壳体中的产生元件的正视图(图9a)、以截面AA所见的视图(图9b)、以及根据一个变型以截面AA所见的视图(图9c)；
图10是示出了与排空通道连通的破裂区域的部分放大视图；
图11是用于根据本发明一个实施例的电池的单片结构体的透视图；
图12是用于通过交替嵌入形成结构体的两种类型的模块的透视图；
图13是根据图12的模块的截面视图，所述模块包括一对产生元件和一个结构矩阵；
图14a和14b是分别在产生元件(图14a)和上游沟道(图14b)处的根据图13的模块交替嵌入的截面视图。
具体实施方式
在说明书中，术语定位和空间是参照图1中的电池的定位而言的。然而，电池的密封使得可以根据不同的方向进行定位。
对于附图，下面描述的电池包括多个电能产生元件1，所述电能产生元件1由至少一个封装在柔性密封封套3中的电化学单电池2形成。特别地，电化学单电池2是锂离子或锂聚合物型。
该电池更具体地用于对机动车辆牵引电动马达提供动力，无论是电动汽车还是电/热混合型的情况。然而，根据本发明的电池在其它运输模式中也可用于储存电能，特别是在航空领域中。而且，在例如风力发电的固定应用中，使用根据本发明的电池也具有优势。
对于图5，电化学单电池2具有棱柱几何图形状并包括相继充当阴极和阳极的电活性层4的平坦叠层，所述电活性层通过电解质被互相接触地放置。而且，两个端子5延伸超出封套3的顶部边缘以电连接所述单电池。
封套3包括边缘相互热焊接在一起的顶部片6和侧部片7两个片、以及边缘被折叠以形成所述封套的底部的底部片8。特别地，这些片由分布在电活性层4的叠层周围的多层膜形成，所述片围绕所述叠层，特别地在热焊接之前在封套3内产生真空。
而且，该膜被优化以抵抗电解质和溶液的侵害，热焊接设置成抵抗空气和湿气的侵害以保证电化学单电池2的长的寿命。这是因为锂离子或锂聚合物单电池的化学特性对水和空气敏感，这导致的过早氧化会引起封套3内的内部电阻和压力的增大。
该电池包括一种用于产生元件的机械和热封装的***，所述***使得可以首先调节所述元件的温度，其次将元件保持在增强的结构中。因此，该***可以为电池提供针对和温度有关风险的电气安全、使电池在优化温度范围内运行以及提供与撞击风险有关的安全性，这些风险是具体考虑的应用中所固有的。
为了提供机械封装，该***形成由导体材料构成的结构体9，该导体材料特别地是例如铝的金属，而且铝具有重量轻的优点。结构意味着结构体9提供产生元件1的机械强度，该机械强度特别是和汽车工业中当前测试撞击约束有关，同时和汽车中的电池必须经受的其它形式的机械应力有关。
该结构体9有两个在横向地布置在电池的每一侧的同时纵向延伸的纵向构件10、11。该结构体9还有多个在连接所述纵向构件以形成在所述横向构件壳体13之间的同时横向延伸的横向构件12，壳体13内分别布置有产生元件1。
另外，为了提供热调节，体3包括一个用于热调节流体的循环路径，所述路径包括两个沟道，分别是上游沟道14和下游沟道15，这两个沟道分别形成在一个纵向构件10、11内，所述路径还包括形成在每一个横向构件12内的通道16，所述通道在每一侧上分别与上游沟道14和下游沟道15流体连通。因此横向构件12在产生元件1之间形成热交换器，并且相同的通道14、15中的一个分别为所有的横向构件12的通道16供应和排出流体。
在所示实施例中，横向构件12是纵向相邻的以在其间形成壳体13，上游沟道14和下游沟道15分别在纵向构件10、11中纵向延伸。另外，单个壳体元件13形成在两个相邻的横向构件12之间。
另外，电池可包括流体密封的容器17，容器17特别地由塑料制成，在容器17布置有结构体9和产生元件1，所述容器被布置成允许安装在车辆中。另外，可在容器17中形成真空以增加热绝缘以及通过限制空气和湿气在所述元件上的迁移而增加产生元件1的使用寿命。
该电池还包括用于循环所述流体以便提供元件1的热调节的设备(未示出)，例如是将流体挤压入闭合回路的泵，也可以是热交换器。
更确切地，该电池包括向上游沟道14提供流体的装置以及在所述流体通过该横向构件12之后从下游沟道15排出流体的装置。特别地，每一个横向构件12的通道16于是可以由单个上游沟道14以平行的方式提供，以使得流经每一个横向构件12的流体直接从上游沟道14流出，而不必像以前那样必须通过另一个横向构件12。因此结果是在避免与连续的交换器有关的热量聚集时得到优异的均匀性。
流体可以是气体(特别是空气)或液体，该液体特别地是具有低的蒸汽张力的介电液体或水，可以是羟乙酸盐。热调节装置既增加也排出热量以便将产生元件1保持在优化的温度工作范围内。特别地，该调节***使得可以快速和有效地提供电池中热量的增加或排出，以不论使用条件如何都确保热调节。
根据一个特别在图6-7和图12-14中示出的实施例，结构体9可通过模块18的密封连接形成。这样可以通过调节模块18的数目并因此调节产生元件1的数目而以特别简单的方式调节电池的功率。
为此，示出的模块18包括：
纵向构件10、11的两个部分，在每一个中形成沟道部分14、15；以及
横向构件12，其边缘上分别连接有纵向构件部分10、11，所述横向构件的通道16和所述沟道部分流体连通。
另外，布置模块18的连接以使得沟道部分14、15流体连通，从而在通道16的每一侧形成上游沟道14和下游沟道15。
在图11中示出的变型中，结构体9可以是单独的一片，例如形成构成壳体13的成形焊接结构，在壳体13内布置有产生元件1。特别地，纵向构件和横向构件以及集成在其中的沟道和流体通道的配置可以类似于下面描述的有关模块体。这种单片结构特别地具有使用在每次修改电池尺寸时避免昂贵投资的成形片的优点。
在图6-7、12-14中，该横向构件12包括在每一侧固定到形成纵向构件10、11一部分的框架19上的空心板21，所述框架是空心的以在其中形成沟道部分14、15。更确切地，该板21的每一侧边***穿过该框架19边缘的槽20内，以使得该板21的内部与该框架19的内部连通。该框架19的空心部具有矩形截面并且该板21的空心部设有横向肋条22，在横向肋条22之间形成沟道形成通道16，在通道16内流体可从一个框架19至另一框架横向循环。
另外，该框架19的厚度大于该板21的厚度以在两个相邻横向构件12之间形成该壳体13。另外，该空心板21的厚度被限定，例如为约0.5mm，以提高与产生元件1的热交换和有助于电池的紧凑。
图7示出了根据图6的模块18的纵向堆叠的设计，将相邻框架19的相应面相互邻接放置，以在板21的每一侧上形成纵向沟道14、15。另外，通过在框架19的面之间***密封件23实现模块19之间的流体密封。
接下来使模块19彼此相连，特别是在该框架19上形成连接装置。在图7示出的实施例中，通过穿过设在框架19上的孔的螺钉实现连接。另外，在模块19的堆叠的每一末端连接有板24以封闭沟道14、15，所述板分别设有流体供给和回收装置25。
在一未示出的变型中，该模块可包括一被压制的板以具有在每一侧被一开口围住的中心部分，还包括固定至中心部分的另一板，从而在所述板之间形成流体通道。
根据图12-14中的一个实施例，模块18具有阳空心框架19a和阴空心框架19b，通过将所述阴空心框架嵌入所述阳空心框架实现所述模块的连接。
更确切地，阳框架19a的空心部的尺寸等于阴框架19b的外部尺寸，以允许所述阴框架嵌入所述空心部内，使得沟道部分14、15流体连通。
特别地，这样制造的体9：
-具有对抵抗汽车震动应力有利的优异刚性，没有螺钉随着时间较长产生松动的风险；
-固有的流体密封性从而不需要增加任何密封件，众所周知密封件长时间抗性有待改善并且在严重的机械应力期间难以确保密封功效；
-紧凑并且轻便而不需要附加任何螺钉；
-其组装时间大大减少。
为了允许拆卸模块18，可使用特定的工具(例如卸轮器型)在组件上施加足够的牵引力从而拆开所述模块。另外，塑料环41可有利地添加在该框架19之间的界面处。在每一次拆卸以后，例如通过切割去除塑料环41，以用新的塑料环替换，新的塑料环在重新组装后能再次保证结构体的机械质量。
示出的实施例提供具有两个阳空心框架19a的第一类型的模块18a以及具有两个阴空心框架19b的第二类型的模块18b，通过交替嵌入每一种类型的模块18a、18b形成该结构体9(参见图14)。
在一未示出的变型中，每一个模块18可具有一阳空心框架19a和一阴空心框架19b，通过以相对的定向嵌入所述模块形成该结构体9。
在示出的实施例中，产生元件1包括根据图5的、固定在一起的两个电化学单电池2，特别地通过粘附地将一个板结合至另一个板来进行固定，其中相应的端子5被平行焊接。
另外，产生元件1可结合至横向构件12，特别地，结合可通过热粘合剂进行，以在所述元件和所述横向构件之间辅助热传递时改进产生元件1在壳体13中的机械保持。另外，产生元件1可配置在壳体13内以限制电活性层4相互之间的运动。
如图2中所示，特别地通过提供总线条26实现电池的电子封装，产生元件1的端子5焊接至总线条26，所述总线条被固定至框架19。而且，产生元件1的电子卡27可与总线条26连接，特别地，通过提供多个相邻的产生元件1共用的电子卡27来进行连接。
封装***还包括由聚合物树脂构成的结构矩阵28，所述矩阵至少部分地填充壳体13以包覆该产生元件1。因此产生元件1通过该矩阵28被保持在该结构体9中，这也有助于整体的机械强度。
另外，矩阵28有助于限制产生元件1的变形并由此限制它们的内部强度可能的增加。该矩阵28还促进了封套3的流体密封性并由此促进了相对于外部环境(湿气或空气的进入，电解液的泄漏)对电活性层4的保护。
另外，该矩阵28可以是导热的以便也实现产生元件1和在路径中的循环流体之间热传递的功能，和/或实现用于所述元件之间电气安全功能的电绝缘。对于热传递，重要的特性是热导，其为矩阵28的导热率与其厚度之间的比率。在一个示意性实施例中，矩阵28具有约1W/m/℃的导热率和约2mm的厚度。
作为用于矩阵28的聚合物树脂，可以使用具有结构特性的所有类型的聚合物材料，并且特别是具有增加电池刚性和在所述电池中保持产生元件1的优点的粘接剂。粘接剂可以是例如环氧、硅树脂、聚亚安酯或丙烯酸等族，具有导热性能的无机成分可以添加至该粘接剂，该无机成分例如Al2O3、AlN、MgO、ZnO、BeO、BN、Si3N4、SiC和/或SiO2。在一个示意性实施例中，可以使用3M公司型号为2605二元环氧树脂。
为使用树脂，在将产生元件1配置在壳体13中后，将流体树脂布置在所述壳体内，所述树脂随后被固化以形成结构矩阵28。为利于电池的可回收性，还可在产生元件1的表面施加一层包括迁移剂的底漆涂层。这种迁移剂必须能在连接界面之一上迁移以产生一低聚层。这种迁移是通过热激活实现的，这也使得可以拆卸所结合的组件。这种迁移剂也可用在底漆中，也可用在树脂本身中。该迁移剂可以是例如聚烯烃或更具体的是PTSH(对甲苯磺酰肼)，如文献WO-2004/087829中特别描述的那样，其已知能通过加热提供分离的功能。
另外，该矩阵28可具有在一定温度范围内的相变特性，以改善产生元件1的温度调节。而且，该矩阵28还可具有自熄特性。
在图12至14中的实施例中，每一个模块18包括一对通过一层粘接剂42分别结合在横向元件12一侧上的产生元件1，所述元件至少部分被该结构矩阵28包覆。另外，成对的元件1可以串联或并联地电连接，例如通过与包括螺固在连接处上的连接柱40的中间总线条连接来实现。
对于图8，封套3的至少部分周边具有机械弱化部分，该机械弱化部分在封套3内部过压的情况下形成破裂区域29。因此，在热失控或短路的情况下，产生元件1产生的剩余气体通过局部破裂被排出所述元件，随后这些气体通过与破裂区域29连通的排出沟道被排出电池之外，所述沟道包括形成在容器17上的阀30(参见图10)。
此过压的排出阻止了可能导致电池热失控的额外的过热。另外，这种允许气体逃离的可能性在产生元件1被约束在刚性环境中时变得更加重要，使得可以减少内部电阻的增加并因此提高其使用寿命。
在示出的实施例中，封套3的周边的一部分未被包覆在树脂中以形成位于底部8附近侧边7上的破裂区域29，该底部通过弯曲被加固。另外，封套3的底部没有树脂包覆。在一个未示出的变型中，破裂区域可被机械地形成，例如通过刻划封套和/或树脂，或通过局部减小围绕整个封套3的包覆树脂的厚度。
参照图9，产生元件1包括两个相互固定在一起的电化学单电池2。在图9b中，产生元件1结合至横向构件12，并且在包覆期间，矩阵膜28将电化学单电池2相互固定。在这一实施例中，厚度非常薄的粘接剂位于该产生元件1和该横向构件12之间。因此，由于热导率也取决于厚度，所以可以保证该产生元件1和该横向构件12之间的热交换，即使粘接剂不是非常好的热导体。
在图9c中，该电化学单电池2被提前相互结合并且该矩阵28填充产生元件1和横向构件12之间的空隙。在这个实施例中，由于布置在产生元件1和横向构件12之间的矩阵28具有大的厚度，优选使用具有好的热导率的矩阵28。
根据本发明，电池中温度的优异的均匀性使得既可以增加产生元件1之间的平衡水平，也可以精确地对电池进行热调节以尽可能多地降低该产生元件1内部电阻而不影响它们的使用寿命。于是热管理的优化使得可以增加电池的能量和功率，而不必增加额外的产生元件1。
另外，调节***提供来自产生元件1热封装的热能的散热，没有多余的热量以可能导致热失控现象扩散的比例传递至邻近的产生元件1。这种热限制的作用可以防止热失控传播至整个电池的风险，这对高能电池是非常关键的。
而且，封装***可以和沸水作用而不会有阻塞沟道14、15或通道16的风险；这对保护电池具有巨大的优势。这是因为，在产生元件1着火或者热失控的情况下，水蒸发现象将使得可以将电池温度保持在一个固定值，防止广泛扩散的失控现象的出现。这种蒸发温度将取决于使用的流体的性质，无论流体是水或者具有较低沸点的流体。

Claims (15)

1、一种电池，包括多个电能产生元件(1)，所述电能产生元件(1)由封装在柔性密封封套(3)内的至少一个电化学单电池(2)形成，所述电池还包括用于所述元件的机械和热调节的***，所述电池的特征在于所述调节***形成由导热材料构成的结构体(9)，所述结构体具有两个纵向构件(10，11)和多个横向构件(12)，所述横向构件连接所述纵向构件以在所述横向构件之间形成壳体(13)，在所述壳体中分别布置有产生元件(1)，所述结构体包括用于热调节流体的循环路径，所述路径包括分别形成在纵向构件(10，11)中的两个沟道、以及形成在每一个横向构件(12)中的通道(16)，所述两个沟道分别为上游沟道(14)和下游沟道(15)，所述通道在每一侧上分别与上游沟道(14)和下游沟道(15)流体连通。
2、根据权利要求1所述的电池，其特征在于所述横向构件(12)纵向地邻接以在其间形成所述壳体(13)，所述上游沟道(14)和下游沟道(15)分别在一个纵向构件(10，11)中纵向地延伸。
3、根据权利要求1或2所述的电池，其特征在于所述产生元件(1)通过粘接结合至所述横向构件(12)。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的电池，其特征在于通过模块(18)的密封连接形成所述结构体(9)，所述模块包括：
纵向构件(10，11)的两个部分，在每一部分中形成一沟道部分(14，15)；以及
横向构件(12)，在其边缘上分别连接有一纵向构件部分(10，11)，所述横向构件中的通道(16)与所述沟道部分流体连通；
所述模块的连接配置成使沟道部分(14，15)流体连通，从而在所述通道(16)的每一侧上形成上游沟道(14)和下游沟道(15)。
5、根据权利要求4所述的电池，其特征在于所述横向构件(12)包括固定至空心框架(19)的每一侧上的空心板(21)，所述空心框架(19)形成纵向构件部分(10，11)。
6、根据权利要求5所述的电池，其特征在于所述模块(18)具有阳空心框架(19a)和阴空心框架(19b)，通过将所述阴空心框架嵌入所述空心框架内实现所述模块的连接。
7、根据权利要求6所述的电池，其特征在于其包括具有两个阳空心框架(19a)的第一类型模块(18a)以及具有两个阴空心框架(19b)的第二类型模块(18b)，通过交替嵌入每一种类型的模块(18a，18b)形成所述结构体(9)。
8、根据权利要求6所述的电池，其特征在于每一个模块(18)具有一阳空心框架(19a)和一阴空心框架(19b)，通过使所述模块以相对的定向嵌入来形成所述结构体(9)。
9、根据权利要求1至8中任一项所述的电池，其特征在于所述封套(3)的周边的至少一部分具有机械弱化部分，所述机械弱化部分在所述封套内部过压的情况下形成破裂区域(29)。
10、根据权利要求9所述的电池，其特征在于破裂区域(29)与排出沟道连通。
11、根据权利要求1至10中任一项所述的电池，其特征在于所述调节***还包括由聚合物树脂构成的结构矩阵(28)，所述矩阵至少部分地填充壳体(13)以包覆所述产生元件(1)。
12、根据权利要求3、4和11所述的电池，其特征在于每一个模块(18)包括一对分别粘接结合在横向构件(12)一侧上的产生元件(1)，所述结构矩阵(28)至少部分地包覆所述元件。
13、根据权利要求1至12中任一项所述的电池，其特征在于其包括向上游沟道(14)供应流体的装置以及在所述流体通过所述横向构件(12)以后排出下游沟道(15)中流体的装置(25)。
14、根据权利要求13所述的电池，其特征在于在每一个横向构件(12)中的通道(16)由上游沟道(14)以平行的方式供应。
15、根据权利要求1至14中任一项所述的电池，其特征在于其包括密封容器(17)，在所述密封容器中布置有所述结构体(9)和所述产生元件(1)，在所述容器内产生真空。
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