CN102376975A - 具有相变材料的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有相变材料的电池。具体地，公开了一种具有相变材料(PCM)的电池组。PCM将提高在各种车辆工作状态下的加热和冷却能力。还描述了控制电池组内温度的方法。

Description

具有相变材料的电池
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年7月7日提交的申请号为61/362,058的美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明大体上涉及电池组，并且尤其涉及使用相变材料的电池组，以及控制使用相变材料的电池组中的温度的方法。
背景技术
大多数客用车辆大约90％的时间被停放。通常，在温度低于约-10C时锂离子电池的能量(放电容量)和功率(操作电压)都大大减小。在较高的温度(高于约45C)下，电池寿命明显下降。当前基于液体的车辆锂离子电池冷却***在电池热失控期间缺乏快速散热的能力。
发明内容
本发明提供了以下解决方案：
1.一种电池组，包括：
电池单元；和
靠近所述电池单元的可压缩隔离片，所述可压缩隔离片包含相变材料。
2.如解决方案1所述的电池组，其中，所述相变材料在小于约0C的温度下具有从液态向固态的相变。
3.如解决方案1所述的电池组，其中，所述相变材料在大于约40C的温度下具有从固态向液态的相变。
4.如解决方案1所述的电池组，其中，所述可压缩隔离片包含至少两种相变材料。
5.如解决方案4所述的电池组，其中，所述第一相变材料在小于约0C的温度下具有从液态向固态的相变，第二相变材料在大于约40C的温度下具有从固态向液态的相变。
6.如解决方案1所述的电池组，进一步包括靠近所述电池单元的散热片。
7.如解决方案6所述的电池组，其中，所述可压缩隔离片和所述散热片在所述电池单元的相对侧上。
8.如解决方案6所述的电池组，其中，所述散热片由液体冷却，并且其中所述液体包含额外的相变材料。
9.如解决方案8所述的电池组，其中，所述额外的相变材料在大于约100C的温度下具有从固态向液态的相变。
10.如解决方案6所述的电池组，其中，所述散热片包括泡沫层，所述泡沫层包含第二相变材料。
11.如解决方案1所述的电池组，其中，所述可压缩隔离片由可压缩泡沫制成。
12.如解决方案1所述的电池组，进一步包括：电池断路单元或电池管理***，或者其二者，以及与所述电池断路单元或所述电池管理***，或者其二者接触的垫，所述包含相变材料。
13.一种控制电池组内温度的方法，包括：
提供电池单元；
提供靠近所述电池单元的可压缩隔离片，所述可压缩隔离片包含相变材料。
14.如解决方案13所述的方法，其中，所述相变材料在小于约0C的温度下具有从液态向固态的相变。
15.如解决方案13所述的方法，其中，所述相变材料在大于约40C的温度下具有从固态向液态的相变。
16.如解决方案13所述的方法，其中，所述可压缩隔离片包含至少两种相变材料。
17.如解决方案13所述的方法，进一步包括靠近所述电池单元的散热片。
18.如解决方案17所述的方法，其中，所述散热片由液体冷却，所述液体包含额外的相变材料。
19.如解决方案18所述的方法，其中，所述额外的相变材料在大于约100C的温度下具有从固态向液态的相变。
20.如解决方案17所述的方法，其中，所述散热片包括泡沫层，所述泡沫层包含相变材料。
21.如解决方案13所述的方法，其中，所述可压缩隔离片由可压缩泡沫制成。
22.如解决方案13所述的方法，进一步包括：电池断路单元或电池管理***，或者其二者，以及与所述电池断路单元或所述电池管理***，或者其二者接触的垫，所述垫包含相变材料。
23.一种电池组，包括：
电池单元；
电池断路单元或电池管理***，或者其二者；和
与所述电池断路单元或所述电池管理***，或者其二者接触的垫，所述垫包含相变材料。
附图说明
附图示出了电池组的一部分的一个实施例。
具体实施方式
具有相变材料(PCM)的电池，例如锂离子电池，能够提高在不同的车辆工作状态下的加热和冷却能力。PCM可有助于最小化不必要的工作温度变化，增加加热和冷却均匀性，减少加热和冷却需求。
利用了PCM的电池能在没有或少用主动冷却组件(例如电扇、吹风机或气/液冷却***中存在的泵)的情况下控制温度超标并维持温度均匀性。因此，能够获得紧凑的、轻重量的、能量效率高的***，并且在混合动力电动车辆(HEV)/插电式电动车辆(PEV)的全部工作范围内的电池寿命和性能的能量使用率能够被优化。
各种PCM的热性能和热传递增强方法被描述在Kenisarin和Mahkamov的“Solar energy storage using phase change materials”，Renewable and SustainableEnergy Reviews 11(2007)1913-1965中，它们以引用形式并入本文。表1-3示出了一些可商购的PCM的性能。
附图显示了电池组10的一部分的一个实施例。电池组10具有端框架15和重复框架20，端框架15能够具有围绕冷却板30的边缘部分25。如果需要，为了加强稳定性，端框架的冷却板30可以具有肋。具有电池单元35，散热片40，和可压缩的隔离片45。电池组10将典型地包括一个或多个电池单元35，一个或多个可压缩的隔离片45，一个或多个散热片40，以及一个或多个重复的框架15。可压缩的隔离片45和散热片40邻近电池单元35。虽然不要求，但可压缩的隔离片45和散热片40最好设置在电池单元35的相对侧上。可压缩的隔离片45典型地与电池单元35接触，但这不是必需的。例如，如果需要大量的冷却，可以在电池单元35的两侧都设置散热片40，且可压缩的隔离片45可以和散热片40接触。本领域技术人员应该知道，不同配置的电池组10部件都可以使用。
可压缩隔离片45吸收循环期间的电池单元膨胀以使电池能够保持需要的电池单元压缩。材料应当有长期的压缩强度和热性能。合适的材料包括但不限于可压缩泡沫材料。合适的可压缩泡沫材料包括但不限于聚苯乙烯泡沫。合适的泡沫的一个例子是Dow化学公司售出的StyrofoamTM牌HighlghoadTM 100绝缘材料(例如，V型)，它具有100psi(690kPa)的最小压缩强度。
电池组的可压缩的隔离片45具有至少一种相变材料(PCM)，优选至少两种不同的PCM从而形成热复合物。PCM是在某一温度下能发生相变并能储存和释放大量能量的材料。例如，材料在从固态到液态或从液态到固态的相变中吸收和放出热量。例如，一种PCM能在低温度限制内发生相变，比如大约冰点或更低(例如，小于大约0C，或小于大约-5C，或小于大约-10C，或大约-10C，或在0C至-10C的范围内)，另一种PCM相变在高温度限制下(例如，大于大约40C，或大于大约45C)。使用PCM的电池单元的热绝缘能维持电池单元温度长时间在极端的温度条件以下。如果需要，也可以包括附加的具有不同相变温度的PCM。
优选地，PCM具有在期望的温度附近的相变温度和大的热容值。虽然有建议的温度(范围)，但本领域技术人员知道如果需要，其他的温度(范围)也是可选的。可获得在约-10C至约190C的任何期望的温度范围内的大量的PCM。
PCM的应用将提供在不从电池或其他能源上汲取功率的情况下维持电池单元温度在期望的温度范围内的能力。它也能提高在极端停放条件下的电池单元的循环/日历寿命。
PCM和电池单元紧密接触可以引起一个或多个结果：降低功率衰减，降低能量衰减，提高电池寿命和耐用性，降低维修费用，改善车辆里程，和阻止或降低热失控。
电池组10的端框架15和重复框架20典型地由重量轻的、非传导性的材料制成。合适的材料包括但不限于塑料(例如聚丙烯)，尼龙6-6以及其他低成本材料。如果需要，为了结构的强度，框架15可以是纤维加强的。
散热片40可以是单层板或多层结构，这取决于具体装置的冷却需要，散热片40可以由任何传统的冷却材料制成。合适的冷却材料包括但不限于轻质的热导体(例如铝，氧化铝，铜，铝硅碳化物，氧化铍，及类似物)，或者是两层轻质的热导体由一层可压缩的泡沫或其他膨胀补偿物隔开的夹层结构，其允许由电池单元的充电状态，加热和冷却引起的电池单元35在散热片40任一侧上的膨胀和收缩。如果需要，可以结合集成加热管技术。如果需要，在散热片40上可以有电绝缘膜。另外，在散热片40上可以有带有PCM的泡沫片。虽然不必需，但在散热片40上的泡沫片中的PCM将很可能具有与可压缩的隔离片45中的PCM相同的相变温度。
散热片40可以是空气或液体冷却/加热的。对于空气冷却/加热，散热片40可以简单地为扁平金属片。对于液体冷却/加热，散热片40在两个焊接金属板中间有冷却剂通道，以及冷却剂入口和冷却剂出口，冷却剂入口和冷却剂出口可以单独地与用于冷却剂循环的岐管连接，或者它们可以耳形特征50从散热片延伸，如2010年5月6日提交的名为Easy-To-Assemble Battery Pack With PrismaticBattery Cells的美国专利申请12/774,873；以及2010年8月10日提交的名为Integrated Cooling FinAnd Frame的美国专利申请12/853620所述，它们以引用的形式并于本文。为了填充散热片40之间的缝隙并提供较好的冷却剂密封，耳状延伸部50可以使用可密封或具有围绕用于冷却剂的开口的橡胶密封的塑料模制而成。冷却剂因此可以容易地进入或流出堆的端板。流体岐管被附接到流体入口和出口来分配通过冷却通道的冷却流体。如果需要，岐管可以铜焊到流体入口和出口上。可替代地，岐管可以用可移除的连接被连接，例如使用密封件。可移除连接的使用提高了维修能力。
PCM能被包括在具有较高相变温度(例如，大于约100C，或大于约150C，或约100C至约200C，或约150C至约200C)的液态冷却剂中。具有在特定温度下熔化和凝固以致于能够储存和释放大量能量的PCM添加剂的液态冷却剂能够防止灾难性的电池失效。
在另一个实施例中，由于较高的硬度，散热片40可以是保持电池单元的堆的主要结构和定位构件(而不使用重复的框架)，如美国专利申请序列号12/774,873所描述的。在该配置中，压缩后，所述堆能被包括在可移动的限制中，包括但不限于，用螺钉或拉杆夹紧，用金属条带缠绕，或装入硬盒内，用于最终的组装，其节省了重复框架的重量和价格，也节约了组装时间。在再制造中，因为无焊接组装，堆能很容易地拆卸，并且任何坏的电池单元或其它部件都能够以最短的时间和成本被替换。
另外，PCM可被包括在用于电池组10的各种电力电子部件中，包括但不限于，电池断路单元(BDU)，电池管理***(BMS)，以及类似部件。当前，这些部件在液体冷却电池组内不被冷却。可是由于它们与电池单元模块很接近，而可使附近的电池单元升温。作为结果，将造成电池单元的不均匀退化和它们之间的不平衡。包括PCM的垫可被放置在BDU或BMS控制硬件的下面。
本发明的一个重要的优点是当包含电池组10的车辆在高温下长时间停放时(例如，在夏天的亚利桑那州的无覆盖的长期停放工厂)冷却电池组的能力。另一个优点是减小或消除对电池组内液体或空气冷却***的需求。冷却***的消除将使得一些部件能够被移除，例如：冷却剂容器，冷却剂泵，和用于液体冷却***的冷却剂软管，或者用于空气冷却***的风扇和空气导管。
商业生产的PCM
表1
来自EPS Ltd的一些相变蓄热产品的热物理性能
Figure BSA00000560894700061
表2
来自TEAP Energy的一些相变蓄热产品的热物理性能
Figure BSA00000560894700071
a来自Zalba等的数据
b我们的评定
表3
商业上获得的一些Rubitherm石蜡的热物理性能
Figure BSA00000560894700072
a我们利用目前的数据的计算结果
b所有价格都是汉堡/德国的出厂价
需要注意的是，这里使用的术语如“优选地”、“通常地”和“典型地”不是用于限制本发明的范围或者暗示一定特征对要求保护的发明的结构或功能是关键的，必要的，甚至是重要的。相反，这些术语仅仅为了强调可能或者可能不用于本发明的特定实施方式中的替换或附加的特征。
为了描述和限定本发明，需要注意的是，这里使用的术语“装置”用于表示部件的组合和独立的部件，不管该部件是否与其它部件相结合。例如，根据本发明的“装置”可包括电化学转化组件或燃料电池，结合根据本发明的电化学转化组件的车辆，等等。
为了描述和限定本发明，需要注意的是，这里使用的术语“基本上”用于表示可归因于任何定量比较，数值，测量值，或其它表征的固有的不确定程度。这里使用的术语“基本上”也用于表示定量描述可从规定参考值变化的数量表征程度，而不导致讨论的主题的基本功能发生变化。
已经详细地并参考本发明的特定实施例描述了本发明，将显而易见的是，在不偏离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，修改和变化都是可以的。更具体地，尽管本发明的一些方面在本文确定为优选的或特别有利的，但是构思的是本发明并不必需限于这些本发明的优选方面。

Claims (10)

1.一种电池组，包括：
电池单元；和
靠近所述电池单元的可压缩隔离片，所述可压缩隔离片包含相变材料。
2.如权利要求1所述的电池组，其中，所述相变材料在小于约0C的温度下具有从液态向固态的相变。
3.如权利要求1所述的电池组，其中，所述相变材料在大于约40C的温度下具有从固态向液态的相变。
4.如权利要求1所述的电池组，其中，所述可压缩隔离片包含至少两种相变材料。
5.如权利要求4所述的电池组，其中，所述第一相变材料在小于约0C的温度下具有从液态向固态的相变，第二相变材料在大于约40C的温度下具有从固态向液态的相变。
6.如权利要求1所述的电池组，进一步包括靠近所述电池单元的散热片。
7.如权利要求6所述的电池组，其中，所述可压缩隔离片和所述散热片在所述电池单元的相对侧上。
8.如权利要求6所述的电池组，其中，所述散热片由液体冷却，并且其中所述液体包含额外的相变材料。
9.一种控制电池组内温度的方法，包括：
提供电池单元；
提供靠近所述电池单元的可压缩隔离片，所述可压缩隔离片包含相变材料。
10.一种电池组，包括：
电池单元；
电池断路单元或电池管理***，或者其二者；和
与所述电池断路单元或所述电池管理***，或者其二者接触的垫，所述垫包含相变材料。
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