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CN100355145C - 高能电化学电池用的温度控制装置和方法 - Google Patents

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CN100355145C
CN100355145C CNB028281136A CN02828113A CN100355145C CN 100355145 C CN100355145 C CN 100355145C CN B028281136 A CNB028281136 A CN B028281136A CN 02828113 A CN02828113 A CN 02828113A CN 100355145 C CN100355145 C CN 100355145C
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Abstract

提供了能量储存设备的电化学电池用的冷却装置和方法。许多电化学电池以相互隔开的方式排列，每个电池具有相对的第一和第二平表面，并在充电和放电过程中会发生体积变化。冷却囊为所述能量储存设备提供了温度控制。所述冷却囊由柔顺导热材料制成，并包括入口和出口部分。所述冷却囊是柔顺的，在所述电池的体积变化过程中与每个电池的至少第一平表面或第二平表面保持接触。热传递介质在所述冷却囊的入口和出口部分之间流动，以控制所述电池的工作温度。可压迫所述冷却囊，以在充电和放电过程中将所述能量储存设备的电池保持在压缩状态。

Description

高能电化学电池用的温度控制装置和方法
发明领域
本发明涉及能源储存设备，具体涉及控制高能电化学电池的工作温度的装置和方法。
发明背景
对于新的、改进的电气机械系统(例如混合电动车辆)的需求对于能源储存设备的制造产生了越来越多的压力，现在迫切需要开发能在包装(package)体积小的情况下生成高能量的电池技术。目前已经开发了许多高级(advanced)的电池技术，如金属氢化物(如Ni-MH)、锂离子、和锂聚合物电池技术，这些技术看来能提供产生能量的所需水平，以及许多商业和消费者应用的安全界限。但是，这些高级的电池技术通常对于高级能量储存设备的生产商提出了挑战。
例如，高级的电力形成系统通常产生大量的热，如果不把这些热适当驱散的话，就不能使所述系统达到最佳性能。而且，这些电池较差的热管理会形成失去控制的热环境，并最终破坏这些电池。因此，当设计用于商业和消费者的设备以及系统的电池时，必需了解并适当考虑到高级电池组的热特性。
例如，在能量储存系统的高级可充电电化学电池叠(stack)的外部提供热传导机理的常规方法不能充分将热量从所述电池的内部驱散。所述常规方法而且也非常昂贵，或者在某些应用中使用体积很大。当高级的高能电化学电池叠起来时，由于非最佳性能、短路、和热失控条件产生的严重结果明显增加。
另一种常规冷却方法是将整个或部分电化学电池浸没在所述冷却剂中。当这种方法在所述电化学电池和冷却剂流之间提供良好的热接触时，应该考虑密封和电绝缘的问题。
高级电池技术的其他特征对于高级能量储存设备的设计者提供了其他挑战。例如，由于电池的充电状态的变化，特定的高级电池结构会发生体积的循环变化。在充电和放电过程中，这种电池的总体积可变化5-6％或更多。电池物理尺寸的重复变化明显使能量储存系统的热管理策略变得复杂化。
常规电池系统，如使用铅酸电池的系统，通常使用了在刚性电池外壳的壁中运行的冷却系统，例如在外壳的壁中使用冷却管。其他常规技术使用了接触所述电池系统单元的刚性金属外壁的冷却装置。在这些情况下，所述冷却系统的设计可相对较简单，因为在这种情况下电池内的任何尺寸变化电池外部的影响很小或没有影响。例如，在操作所述硬封装电池的过程中，电池体积的变化并不会使电池外壳尺寸发生明显变化，这是因为电池的外壳是刚性且有强度的。在高级可充电电化学电池(具体是锂离子、锂聚合物、锂离子聚合物电池)的使用并没有受到整个刚性电池外壳限制的应用中，实际使用在常规电池系统中所用的冷却方法和工艺是有局限的，这是因为在进行充电和放电过程中，所述外壳的净外部尺寸变化非常大。
在高级电池制造工业中，目前需要一种能具有高能输出的电力形成系统以及能在各种应用中提供安全和可靠性的电力形成系统。目前还需要一种能将所述能量储存电池有效保持在正常操作温度、使所述电池具有最佳性能的热管理方法。本发明实现了这些和其他需要。
DE19849491涉及一种电化学能量储存单元，它具有通过热交换通道连接的输入和返回通道，热交换介质以交替的方向流过所述热交换通道。电化学能量储存单元包括一行或多行用热交换结构连接的相邻储存电池，所述热交换结构具有一些输入和返回通道，所述通道安装在其反面，并用热交换通道连接。每个热交换通道所述储存电池装置延伸，且所述热交换介质以交替的方向流过所述热交换通道。
JP-A-07-073908涉及一种热交换器，它包括多个电池、具有电池外壳室的外壳体、和排列在中部以流过热交换流体的热交换袋。在相应外壳室中的袋通过安装在槽中的连接部分相互连接在一起，所述热交换流体流过相应的袋。所述热交换流体与所述电池和壳体紧密接触，这是由于流体具有内压力的缘故，从而提高了热交换效率。
WO0227816涉及一种多电池单块电池，其中多个电化学电池分布在电池壳中。所述电池壳包括一个或多个电池区域，将所述壳体的内部分成多个电池室，以容纳所述电化学电池。优选地，一条或多条冷却剂通道可整合形成至少一个电池区域。所述冷却剂通道可具有分布在所述电池壳体的壁中的入口和出口，以提供错流冷却设计。
DE19503085公开了一种具有多个电化学储存蓄电池(电池)的电池组件，所述电池组件包括具有电绝缘单元的电池，所述电绝缘单元也可用作温度控制流体的通道，所述单元形成为袋状，内含液体冷却剂的内部温度控制单元，并且是其出口和入口是封闭的。
发明概述
本发明涉及冷却能量储存设备的电化学电池的装置和方法。在本发明的一个实例中，所述能量储存设备包括许多以相互隔开方式排列的电化学电池。每个电化学电池包括相对的第一和第二平表面，且在充电和放电过程中会发生体积变化。对于所述能量储存设备，使用冷却囊(bladder)来提供温度控制。所述冷却囊由柔顺的导热材料形成，包括入口和出口。当所述电池的体积变化时，所述冷却囊与所述每个电化学电池的第一平表面或第二平表面保持接触。热传递介质穿过所述冷却囊的入口和出口部分之间，以控制所述电化学电池的工作温度。
所述冷却囊可制造成包括连续中空的内部，所述热传递介质穿过其中。在一种结构中，所述冷却囊包括许多流动通道，所述热传递介质通过其中。通常，所述冷却囊基本覆盖了每个电池的所有表面积。
在一个结构中，所述冷却囊包括支撑装置，以防止热传递介质在冷却囊弯曲部位的流动受到限制。所述支撑装置可位于冷却囊弯曲部位的冷却囊的外表面上。所述支撑装置也可位于冷却囊弯曲部位的冷却囊内。所述支撑装置还可在冷却囊弯曲部位的冷却囊内形成整体结构。
例如，所述冷却囊可包括分布在所述冷却囊中的多孔纤维材料。所述多孔纤维材料可分布在冷却囊的弯曲部位。在另一种方法中，所述冷却囊包括安装在冷却囊的弯曲部位上的增厚部分。
所述冷却囊可设计成包括内室(compartment)，在其中，所述热传递介质以单向的方式穿过入口部分和出口部分之间。所述冷却囊也可设计成包括许多室，所述热传递介质穿过其中。例如，所述冷却囊可包括第一内室和第二内室。在所述第一内室中穿过的传递介质以特定的方向流动，所述方向较好与传递介质在第二内室中穿行的方向相反。
所述冷却囊可由具有单材料层的柔顺导热材料制成，或者由具有许多材料层的柔顺导热材料制成。例如，所述柔顺的导热材料可包括位于第一聚合物层和第二聚合物层之间的金属层。
所述冷却囊的柔顺导热材料优选的厚度小于约3.8毫米(150密尔)。所述冷却囊和热传递介质优选构成了小于5重量或体积％，以电池、冷却囊和热传递介质的总重量或总体积计。
所述能量储存设备的电化学电池可排列形成许多电池叠或组。每个电池组安装了许多冷却囊中的一个，这样通过至少一个位于所述能量储存设备中的冷却囊控制每个电池组的电化学电池的工作温度。
能量储存设备的电化学电池可排列形成电池叠。在这种结构中，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使得电池叠中的任何两个电池之间测得的温度差不超过5℃。所述冷却囊也可控制电池叠的工作温度，使得单个电池的第一或第二平表面上任何两个点之间的温度差不超过5℃。更优选地，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使得电池叠的任何两个电池之间，或者单个电池的第一或第二平表面上任何两个点之间测得的温度差不超过2℃。
在一个实例中，所述冷却囊呈盘旋结构，以接触能量储存设备的每个电化学电池的相应第一和第二平表面。例如，每个电化学电池包括第一、第二、第三和第四边缘，且所述第一边缘与所述第二边缘相对，所述第三边缘和所述第四边缘相对。每个电化学电池的第一和第二边缘电耦合到相应的电导体上，以将电流导入和导出每个电化学电池。所述冷却囊接触每个电化学电池的相应第三和第四边缘以及相应第一和第二平表面。
在一个实例中，穿过所述冷却囊的热传递介质可以是水。所述热传递介质也可以是水和乙二醇或其他防冻剂的混合物，或者甲醇和乙醇的混合物。所述热传递介质进入冷却囊的入口的温度优选是基本不变的。
所述冷却囊优选控制能量储存设备的电化学电池的工作温度，所述能量储存设备的工作温度范围为约20℃-约130℃。例如，所述电化学电池可以是锂电池或镍金属氢化物电池。
在另一个实例中，所述能量储存设备包括外壳，其中装有所述电化学电池和冷却囊。所述外壳包括正极端和负极端，它们都连接到所述电化学电池上。所述外壳还包括连接到冷却囊的入口部分的入口孔和连接到冷却囊的出口部分的出口孔。
在一个结构中，所述外壳包括电化学电池和许多冷却囊。除了包括连接到电化学电池上的正极端和负极端，所述外壳还包括至少一个连接到每个冷却囊的入口部分的入口孔和至少一个连接到每个冷却囊的出口部分的出口孔。可选择冷却囊以及入口和出口部分的数目，以提供各种单、多、串联、并联流动、及这些流动形式的组合的结构。
在本发明的另一个实例中，在电化学储存设备中提供冷却的方法包括提供许多以相互隔开方式排列的电化学电池，且每个电化学电池包括相对的第一和第二平表面，并在充电和放电过程中发生体积变化。提供柔顺的、导热冷却囊，这样在体积变化过程中，冷却囊与每个电化学电池的至少第一或第二平表面接触。热传递介质穿过所述冷却囊，以控制电化学电池的工作温度。所述方法还可包括对所述冷却囊施压，以使所述电化学电池在充电或放电过程中保持压缩状态。
本发明的上述概述并不打算描述本发明的每个实例或例子。通过参照下述详细描述、权利要求书以及附图，本发明的优点、收获，以及更完整的理解，就会变得更加清晰。
附图简述
图1是使用了本发明一个实例中的冷却装置的能量储存系统的示意图。
图2是使用了本发明另一个实例中的冷却装置的能量储存系统的示意图。
图3描述了图2所示能量储存系统的一个子系统，更详细地描述了本发明的冷却囊。
图4是本发明的一个实例中使用顶部安装的入口和出口部分的冷却囊的示意图。
图5是本发明的一个实例中使用侧面安装的入口和出口部分的冷却囊的示意图。
图6是本发明的一个实例中的冷却囊的详细示意图。
图7是图6所示冷却囊的侧视图。
图8描述了本发明的一个实例中的冷却囊结构。
图9描述了本发明另一个实例中的冷却囊结构。
图10描述了本发明另一个实例中的冷却囊结构。
图11是安装了本发明一个实例中的冷却囊的电化学电池组的示意图。
图12是安装了本发明一个实例中的多个冷却囊的电化学电池组示意图。
图13是在本发明冷却囊中进行的单一平行流动排列的示意图。
本发明适用于各种改进和替换形式，其具体实例如附图中的例子所示，并在下面详细说明。但是，可以理解这并没有将本发明局限于这些具体实例中。相反地，由所附权利要求书所定义的本发明的范围覆盖了所有的改进、等价物和替换。
各种实例的详细描述
参照附图描述所示的实例，所述附图形成了本发明的一部分，其中描述了施行本发明的各种实例。可以理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可利用这些实例并作出一些结构上的改变。
本发明的温度控制装置和工艺在正常以及冷启动的操作条件下增强了对能量储存设备的温度控制。本发明的温度控制装置和工艺特别适用来控制高能、高功率密度可充电电化学电池的温度，所述电化学电池以相互隔开的方式排列，例如锂或镍金属氢化物棱柱形电池的排列构成了可充电组件或电池。这种可充电电化学电池特别适合用在高电流、高电压能量储存组件和电池的结构中，例如用于电动和混合电动车辆中的电池。
例如，高级的可充电锂和镍氢化物电化学电池在充电和放电过程中会发生明显的体积变化，这是因为阳极的状态发生了变化，从而使常规冷却技术失效或不适用。而且，这种高级可充电电池通常需要保持均匀的叠和电池压力。在常规实例中，这通常是通过单个电池外部或内部的压力系统完成的，例如弹簧、板或垫的系统。
电化学电池的排列与本发明温度控制装置之间的直接接触由于明显的电池膨胀和收缩而有利地保持，从而提供增强的温度控制、改进的电池性能、和延长的电池寿命。在电池排列(如电池叠排列或串排列)内需要压缩压力的能量储存设备应用中，通过对本发明的温度控制装置施压，可在电池膨胀和收缩过程中保持必需的电池叠压力。在这种应用中，本发明的温度控制装置优选提供了电化学电池排列用的必需的压力和温度控制，从而消除了对于独立的温度和压力控制系统的需要。
在广泛和常用的术语中，本发明的温度控制囊或袋(在这里指冷却囊，尽管冷却/加热囊都是可适用的)由可变形、导热材料形成，热传递介质穿过其中。在安装在给定电池叠装置中时，所述冷却囊可容易地操作，从而使与电池的活性区域相邻的电池表面以及冷却囊之间的接触最大化。可变形冷却囊可形成为各种形状、尺寸和长度，以适应各种电池叠的几何形状。例如，给定电池叠排列用的冷却囊可以是连续的盘旋形状或简单的矩形或方形形状。
本发明的冷却囊可具有单一的内室，所述热传递介质包含在其中，或者所述冷却囊具有多个内室。所述冷却囊可装有单个入口部分和单个出口部分(在串联流动装置的情况下)，或者具有多个入口部分和多个出口部分(在并联流动装置或具有多个串联或并联流动的装置的情况下)。也可使用单个入口一多个出口部分的结构，或者使用多个入口一单个出口的排列。
现在参照附图，更具体地说是图1，描述能量储存设备20的一个实例，所述实例使用了符合本发明原理的温度控制装置和工艺。根据该实例，所述能量储存设备20包括外壳体22，其中安装了电路板24。该电路板24包括正触点和负触点，所述触点电连接到相应的正极端和负极端，所述正极端和负极端连接在外壳体22的一个或多个侧面上，或者沿着外壳体22的一个或多个侧面延伸。
泡沫嵌衬26与所述电路板24相邻放置。电池叠装置28安装在所述泡沫嵌衬26中。所述电池叠装置28包括多个可充电电化学电池15。所述电化学电池15优选使用高级的可充电技术，并显示出高能和高功率密度特性。在该结构中，所述电池叠装置28包括电触点，所述电触点延伸到与接受触点(没有显示)接触，所述接受触点安装在所述电路板24上。所述电池叠装置28和电路板24之间的连接可设计成在电池叠装置28的电池15之间提供所需的并联和串联连接，以得到能量储存设备20所需的电压和电流强度。
图1还描述了本发明一个实例中的冷却囊30。图1所示的冷却囊30以所述描述进行操作，从而具有普通的盘旋形状，以适应所述电池叠装置28的结构。图1所示的“扇形折叠”冷却囊结构使一部分冷却囊30插入所述电池叠装置28中，这样基本上每个电池的所有的表面积都与所述冷却囊30接触。
所述冷却囊包括入口部分31(图1没有显示，但图4和5显示出来了)和出口部分33。如图所示，出口部分33和入口部分31是管形的，且分别接在所述冷却囊30的相对末端上。所述泡沫嵌衬26包括相应的半圆通道21和23，当所述电池叠装置28和冷却囊30完全安装在所述泡沫嵌衬26中时，所述半圆通道21和23可包容所述出口部分33和入口部分31。所述电路板24也包括半圆槽口25和27，它们分别包容所述冷却囊30的出口部分33和入口部分31。
所述冷却囊30的出口部分33和入口部分31延伸穿过外壳体22中的相应孔(没有显示)。或者，管或软管延伸穿过外壳体22中的相应孔，并连接到所述冷却囊30的出口部分33和入口部分31。在将所述电池叠装置28和冷却囊20完全安装在外壳体22内之后，外壳盖32固定在外壳体22上。可根据需要使用密封或非密封封印(seal)。
图2和3描述了能量储存设备的另一个实例40。在该实例中，能量储存设备40和外部电系统之间的电连接是通过外壳盖32建立的，而不是象图1所述的实例那样通过外壳体22建立的。图2和3所示的能量储存设备40包括安装在电池叠装置28上的本发明冷却囊30，所述电池叠装置28由许多相互隔开的电化学电池15限定。在这种结构中，所述冷却囊30如图所示包括出口部分33和入口部分31(在图2和3中没有显示，但在图4和5中显示出来了)，它们分别在临近冷却囊30相对末端的冷却囊30的平表面上终止。同样地，所述出口部分33和入口部分31安装在所述冷却囊30上，通过所述外壳体22的相邻侧壁的侧面连接。
所述外壳体22包括通道19和17，它们分别包容出口和入口部分33和31，而所述电池叠装置28和冷却囊30安装在所述外壳体22中。出口孔36和入口孔34安装在外壳体22的侧壁中，以便对外连接到相应的输出管和输入管。当电池叠装置28和冷却囊30完全完整在所述外壳体32中时，所述出口和入口部分33、31与所述外壳体22上的出口孔和入口孔36、34对齐。输出管和输入管(如软管等)可随后连接到出口和入口部分33、31上。所述输入管提供了向冷却囊30的入口部分31输送热传递介质的供应源，连接到所述出口部分33的输出管为所述热传递介质提供了在穿过所述冷却囊30之后的返回通道。
在该实例中，所述电路板42位于与所述外壳盖32相邻的电池叠装置28的顶部。所述电路板42包括许多导线51，其上连接了相应数量的接头(tab)。所述接头53由所述电路板42的导线51延伸，且与所述电池叠装置28的电池15的接头74连接。在典型的结构中，一个电路板接头53提供了向一个电池接头74的电连接。所述电池导线51优选制成铜棒形式，它包括陷型(swaged)柔性(如编织的)中央部分(mid-section)。所述电池接头53优选超声焊接到所述电池导线51上。所述电路板42还可包括各种电气和/或电子电路52，如旁通电路、平衡电路、熔丝(fuse)等。
在图2和3所示的实例中，正极端和负极端41、43电连接到电路板42的导线51上，通常在电气/电子电路52上开槽。所述末端41和43分别与外壳盖32上的开口45和47对齐。因此，通过能量储存设备40的顶部外壳盖32，建立了所述能量储存设备40的外部电连接。根据特殊应用的需要，末端孔45和46以及外壳盖32可包括密封或非密封的封印。
一个或多个能量储存设备40的电池15可电连接起来，构成能量储存设备，从而能为给定用途提供所需的电压和电流。例如，许多电化学电池15可排列成叠结构，并互相连接形成更大的能量形成设备，如组件和电池。一组电化学电池15可以选择性地并联和/或串联关系互相连接，得到所需的电压和电流参数。例如，许多电化学电池15可组合在一起，以并联的方式连接到公用电路板42的正极端和负极端，形成电池叠装置28。然后，许多这样的电池叠装置28可串联起来形成组件。而且，许多单个组件可串联起来组成电池组。例如，这样的组件排列可用来给电动和/或混合电动车辆提供动力。
用于所述电池叠装置28的电化学电池15优选是高级的可充电(如二次)高能和高功率密度电池，如锂电池和镍金属氢化物电池。当用在具有高放电速率的多电池结构中时，这些电池通常形成大量的热量，如果没有得到有效控制的话，会导致热失控、短路、乃至最终破坏电池。
优选用在结合了本发明冷却装置和工艺的能量储存设备中的锂电池包括可充电锂离子、锂聚合物、和锂离子聚合物(“凝胶(gel)”)电池。锂离子电池通常使用碳作为阳极(anode)材料，使用液体电解质(如碳酸丙酯、碳酸乙酯和碳酸二乙酯的混合物)、金属氧化物(如锂钴氧化物或锂锰氧化物)作为正极(positive)活性材料。这些阳极活性材料也可包括合金，例如锂与锡、铝和硅的合金。
锂聚合物电池使用了固体聚合物电解质代替锂离子电池的液体电解质。相比锂离子电池，这些电池具有较低的离子电导率，因此通常在高于环境温度(如60-100℃)的温度工作。锂聚合物电池也具有“非液体”电池的优点以及构造上的灵活性(flexibility)。这种电池的阳极是锂金属，电解质通常是是聚环氧乙烷的交联共聚物，阴极是金属氧化物，如锂钒氧化物。
相比在固体聚合物基质中混入了增塑剂(如碳酸丙酯)的锂聚合物电池，锂离子聚合物凝胶电池具有改进的导电率。锂离子聚合物凝胶电池可看作锂离子和固体聚合物电池的混合形式。
镍金属氢化物电池使用了吸附在金属合金中的氢，其形式为活性负极材料用的氢化物。这些合金通常是基于镧镍的稀土(如混合稀土)或基于钛锆的合金。所述正电极的活性材料是镍氢氧化物(oxyhydroxide)。所述电解液是氢氧化钾水溶液。
如附图所述，用在所述电池叠装置28中的电化学电池15的结构通常是棱柱形的。所述电池15通常具有两个相对的平表面，相对于电池的边缘而言，它们占电池表面积的绝大部分。例如，典型的电池15可制成长度约160毫米，高度约125毫米，厚度只有9毫米。其他系列的有用电池尺寸包括约12.7厘米×12.7厘米(5英寸×5英寸)的表面积以及约0.84厘米(0.33英寸)的厚度。
所述电化学电池15根据本发明的原理进行冷却，并不一定需要具有棱柱形结构。例如，所述电化学电池15可具有柱形或具有多面结构(如六边形截面)。所述电化学电池15也可具有圆形形状(如椭圆截面)。
将所述电池叠装置28和单个电池15的均匀温度保持在临界点之内，以防止所述电池叠装置28过早发生故障。例如，组成给定电池叠装置28的电池组(string)可包括在48和72之间的电串联的电池15。本领域的普通技术人员容易理解，电池组中任何一个电池15过早发生故障就会使整个电池组在能量输出过程中不工作或者不能接受。
在电池叠装置28包括用于给定能量储存设备的一组锂离子电池15的情况下，能量储存设备的温度控制装置必需使所述电池在充电和放电过程中保持恒定温度，以得到最佳的电池性能。例如，温度控制装置必需控制电池叠装置28的工作温度，使得在电池叠的任何两个电池之间或者在单个电池的任何一个相对平表面上任何两点之间测得的温度差不超过5℃。更具体地说，电池叠的任何两个电池之间或者单个电池的任何一个相对平表面上任何两点之间测得的温度差应不超过2℃。
对于保持电池叠装置28的工作温度，单个电池的任何一个相对平表面上任何两点之间或者电池叠的任何两个电池之间测得温度差应不超过5℃。更具体地说，单个电池的任何一个相对平表面上任何两点之间或者电池叠的任何两个电池之间测得温度差应不超过2℃。
使高级可充电电池的有效温度控制而作出的努力变得复杂的一个因素，是在各种电池中会发生电池体积的循环变化。例如，前述类型的锂聚合物电化学电池的体积在充电和放电过程中会变化，这是因为锂离子迁移入或迁移出阳极和阴极材料的晶格结构的缘故。所述迁移使电池总体积分别在充电和放电过程中相应地增加和减少，其数量级为约5-6％。其他类型的高级可充电电池(如锂离子、锂离子聚合物和镍金属氢化物电池)同样在充电和放电过程中显示出明显的电池总体积的增加或减少。
可以理解，通过将电池的层/部件保持在压缩状态，可明显提高进行重复膨胀和收缩的电化学电池的性能和使用寿命。通过在电池充电和放电过程中，在电池的两个较大相对表面上保持压力可提高电池的性能。可以认为，施加到电池上的压力较好应充分均匀地分布在器件的表面上。
本发明的冷却装置和工艺提供了使高级可充电电池和所述电池组/叠的性能最大化所需要的温度控制水平。而且，本发明的冷却装置和工艺提供了电池工作时进行净外部体积变化过程中所需要的压力控制。例如，所述冷却装置可在给定应用中形成所需的约34千帕-414千帕(5psi-约60psi)的压力范围，可以理解，如果需要的话，也可使用较低或较高的压力。本发明的冷却装置和工艺提供了一种机理，以使该冷却装置与电池组/叠中的电池保持连续的良好热接触，尽管电池在工作时有明显的体积变化。
参照附图，更具体的说是附图4和5，描述了适用于高级可充电电池和电池组的冷却装置的两个实例。冷却囊30由弹性材料制成，它沿着边缘密封，形成一个或多个中空内室。通过连接到入口和出口部分31、33，形成了连接内室的外部通道。冷却囊30可装有一对或多对入口和出口部分31、33，这取决于安装在冷却囊30中的内室的数目、穿过冷却囊30的流动通道所需的数目和方向。因此，本发明的冷却囊可构造成具有穿过所述冷却囊30的一个或多个平行流动通道。
在图4A和4B所示的冷却囊30的结构中，入口和出口部分31、33分别位于所述冷却囊30的相对末端的附近，并安装在冷却囊30的两个平表面中的一个上。图4A是所述一种顶部安装结构的侧视图。可以注意到，如图4A和4B所示，入口和出口部分31、33并不需要安装在冷却囊30的同一个平表面上。
图4C是根据顶部安装方式，将入口和出口部分31、33安装在冷却囊30上的安装结构的详细示意图。入口和出口部分31、33每个都包括有螺纹的配件(fitment)或喷孔(spout)37，它是这样安装的，使配件37穿透所述冷却囊30的两个平表面中的一个。所述配件37和密封35可选自市售组件，这取决于使用了本发明冷却囊30的给定能量储存设备的具体设计。
图5A描述了冷却囊30的另一个结构，其中入口和出口部分31、33分别位于冷却囊30的相对端。根据该侧面安装结构，以及如图5B所示的详细描述，入口和出口部分31、33每个都包括有螺纹的配件37，它是这样安装的，使所述附件37穿透所述冷却囊30的侧面。密封35安装在所述附件37啮合在所述冷却囊表面上的地方。可结合使用棱纹(ribbing)，以在所述附件37和冷却囊表面之间保证良好的密封。如图4C所述的结构，图5B所示的附件37和密封35可选自市售组件，这取决于使用了本发明冷却囊30的给定能量储存设备的具体设计。
只是为了进行说明，并没有任何限制本发明的目的，图4和5所述的冷却囊30可制成长度为几英尺。例如，对于许多应用，冷却囊的长度可以是1.5-3米(5-10英尺)(如2.1-2.3米(7-7.5英尺))。所述冷却囊30的宽度为几英寸。例如，所述冷却囊30的宽度为10.2-17.8厘米(4-7英寸)。通常，把所述冷却囊30的宽度设计成与用于给定能量储存设备中的电化学电池的宽度相适应。所述冷却囊的柔顺导热材料30的厚度为约0.152-3.8毫米(6-150密尔)。
例如，能量储存设备中可使用宽度和高度约12.7厘米(5英寸)、厚度约0.84厘米(0.33英寸)的锂离子棱柱形电池。该12.7厘米×12.7厘米(5″×5″)电池用的冷却囊30的适当宽度为约12.7-15.2厘米(5-6英寸)，优选为14厘米(5.5英寸)。冷却囊30的长度取决于许多因素，例如包括在电池叠装置中所用的电池数、穿过电池和电池叠的温度变化耐受性、以及用在给定能量储存组件中的电池叠装置的数量。
例如，具体的能量储存组件可使用四个电池叠装置，每个电池叠装置使用了12个尺寸为12.7厘米×12.7厘米×0.84厘米(5″×5″×0.33″)的电化学电池。在这种结构中，可使用一个冷却囊30来给四个电池叠装置中对应的一个提供温度控制，总共有四个冷却囊30。每个冷却囊30的长度约218.4厘米(7英尺-2英寸)，宽度约14厘米(5.5英寸)。
沿着冷却囊30边缘的一个或多个位置可进行密封，以形成冷却囊30。例如，可沿着冷却囊30的侧面在两个边缘位置上使用9.5毫米(3/8英寸)宽的封印，以沿着冷却囊30的长度提供密封。可沿着冷却囊30的末端在两个边缘位置上使用1.27厘米(1/2英寸)的封印，以沿着所述冷却囊30的相对末端提供密封。
图6和7描述了本发明冷却囊30的其他特征。根据该描述，所述冷却囊30包括活性区域37和密封区域39。所述活性区域37构成了冷却囊30的未密封区域，热传递介质经过入口和出口部分31、33穿过其中。因此，所述活性区域37表示冷却囊30与所述电化学电池热接触的部分，它提供了所述电池所需的温度控制。因此，所述冷却囊30的活性区域37的宽度设计成与目标电池的活性区域的宽度相适应。所述非活性密封区域39如图所示其宽度超过了所述目标电池的宽度。
例如，假设使用12.7厘米×12.7厘米(5″×5″)的电池，其活性区域约10.8厘米×10.8厘米(4.25″×4.25″)，所述冷却囊30的活性区域37的宽度约11厘米(4.33″)。在该说明性的非限制实例中，所述密封区域39可延伸超出所述活性区域37约4.6厘米(1.8″)，这样所述冷却囊的总宽度(活性区域37的宽度加上非活性区域39的宽度)约15.7厘米(6.2英寸)。
所述冷却囊的活性区域37通常设计成管理最大可能的热量，所述热量是由一组电化学电池在工作过程中产生的。所述最大可能热量限制通常考虑到在电池组中由于短路产生的过量热量，并且也随着旁路电路的可利用性或者其他短路控制装置而变化，所述其他短路控制装置能限制由于电池短路而产生的热量。例如12个电池组成的电池组需要所述冷却囊30能在正常工作中管理18W的热量驱散/电池。在该说明性实例中，所述冷却囊30设计成管理约220瓦(即Q＝220W)的热量驱散，所述热量来自12个电池组成的电池组(12电池×18W/电池＝216W)。
穿过所述冷却囊30的热传递介质通常是水或防冻剂和水的混合物(如水和乙二醇的混合物或者甲醇和乙二醇的混合物)。热传递介质流过冷却囊30的速率取决于给定电池组所需驱散的热量。对于图6和7所述的具有上述尺寸的冷却囊、约220W的热量驱散要求以及2℃的最大温度差，水流过冷却囊30的速率约0.06千克/秒-约0.07千克/秒，这已经足够了。
所希望的是，提供给所述冷却囊30的热传递介质的温度基本恒定。这种要求简化了冷却囊30的设计和性能需要。在一个实例中，其中装有本发明冷却囊的能量储存组件布置在电动或混合电动车辆中，所述车辆优选包括电池冷却剂管路，它把热传递介质以基本不变的温度提供给每个能量储存组件的冷却囊30。所述电池冷却剂管路可与所述车辆的主冷却剂系统独立或连接在一起。流出所述能量储存组件的冷却剂通常返回到电池冷却剂管路或主冷却剂系统，这取决于所述车辆及其冷却系统的设计。在供应给所述能量储存组件之前，返回的冷却剂重新回到预定的供应温度。
可以理解，本发明的有效温度控制装置的设计和实施取决于给定应用所特有的许多因素。这些因素包括例如冷却囊尺寸和热传导性质、热传递介质性质、流速、和进入温度、能量储存设备的绝缘性和所使用的热环境、电池能量驱散特性、冷却系统规格(如冷却剂供应温度)等。
在许多应用中，对于用在给定应用的中的能量储存设备，体积和重量限制是指定的。例如，电动混合动力车辆的特定生产商可指定车辆电池的体积不能超过32升，重量不超过40千克。为了使充当电池的能量形成组件的电池体积和重量最大化，非常需要使所述电池的温度控制组件的体积和重量最小化。
使用了本发明冷却囊的温度控制装置优选使高能、高功率密度电池的温度控制性能最大化，同时使所需的重量和体积最小。例如本发明的冷却囊和穿过其中的热传递介质构成了50重量或体积％，以电池、冷却囊和热传递介质的总重量或总体积计。本领域的普通技术人员容易理解，相比常规冷却方法，本发明的冷却装置可具有低重量和体积的优点。
用来制造冷却囊30的材料可以是单层材料或多层材料。在单层材料的情况下，所述冷却囊30可使用具有良好导热性质的弹性材料(如ELVAX(乙烯-乙酸乙烯酯共聚物，DuPont，Wilmington，DE)或低密度聚乙烯(LDPE))制成。
在多层材料的情况下，所述冷却囊30可使用许多不同的具有良好导热性质的多层材料制成。例如，所述冷却囊30可使用三层结构体制造。在一种结构中，金属层可分布在第一聚合物层和第二聚合物层之间。例如，薄金属箔(如铝箔)可用来在冷却囊30的工作寿命中使湿气渗透率(MVTR)最小化，并显示出良好的贴合性和导热性。可热封薄膜(如聚乙烯)分布在金属箔的第一面上。保护性薄膜(如尼龙或聚丙烯)分布在金属箔的第二面上。三层材料可使用已知的密封技术密封，形成所述冷却囊30。在另一个结构中，所述冷却囊30可使用PET金属材料与一层乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(如ELVAX，由DuPont制造)接触来制造。
图8-10描述了包括本发明原理中的冷却囊30的几个实例。图8和9描述了一些实例，其中冷却囊的形式为柔性袋。为了简化说明，图8和9所述的冷却囊30如所示具有矩形截面。图10所述的冷却囊30包括多个流动通道80，如一排管子。所述流动通道80可以是任何结构，例如可以是圆形、矩形、方形或三角形截面。
图8所述的冷却囊30包括中空的内部，而图9所述的冷却囊30，在其中空内部装入了填料61。在特定的应用中，所述冷却囊30可有急弯。冷却囊30的过度弯曲可使冷却囊30中热传递介质的流速发生不适合的下降。由该流动限制形成的反压力的增加对于供给装置是有害的，所述供给装置将受压的热传递介质输送到冷却囊30的入口部分。
为了降低冷却囊壁崩溃或在急弯位置打结的可能性，可在所述冷却囊30中混入填料61。所述填料61优选分布在冷却囊30可能经受过度弯曲的位置。所述填料61ke防止热传递介质流围绕低半径弯曲发生阻断，并防止冷却囊30中的热传递介质被夹断(pinch off)。或者，所述填料61可分布在冷却囊30的整个长度上。
所述填料由这样的材料制成，所述材料能够在经受急弯时防止冷却囊壁崩溃。因此，图9所示的填料61从冷却囊30的内部对所述冷却囊结构提供了支撑。另外，所述填料61诱发了湍流混合，从而增强了所述冷却囊30和电化学电池之间的热传递。所述填料61优选由多孔材料制成。合适的填料包括碳、金属、塑料、复合物、尼龙、聚酯、Scotch-BriteTM(3M，St.Paul，MN)或其他非织造材料。
在另一个结构中，对所述冷却囊结构的支撑可由冷却囊30外部的装置提供，例如，如图8所示，使用连接在冷却囊30的外表面上的弹性增强材料的套管63。而且，在制造部分冷却囊时，对于给定应用，相对冷却囊30的其他部分，冷却囊30的弯曲部分可以是增厚的。
如上述，用在能量储存设备中的冷却囊可提供串联或平行流。图11A和11B描述了一个实例，其中冷却囊30整合到电池叠装置28上，提供穿过冷却囊30的串联冷却剂流。图11A和11B描述了一组电化学电池15，它们以相互隔开的方式排列，形成了电池叠装置28。所述冷却囊30以“扇形折叠”的形式装备起来，使得所述冷却囊30的活性区域37与电池15的活性热形成区域接触。如图所示，当安装在所
述电池叠装置28中时，所述冷却囊30为盘旋形状。
当装有冷却囊30的电池叠装置28的子装置正确安装在能量储存组件外壳中时，也就建立了电池接头74和电路板或内连板(interconnect board)的接头之间的电连接。所述入口和出口部分31、33分别连接到外部冷却系统的供应和返回管路(图中没有显示)上。工作时，热传递介质以串联方式穿过入口部分31，通过冷却囊30的内室，经过出口部分33流出所述冷却囊30。
图12A和12B描述了一个实例，其中冷却囊30整合在电池叠装置28中，以提供多个并联冷却剂流通道。在图12A和12B所示结构中，许多独立冷却囊30整合在电池叠装置28的一组电化学电池15中。如所示，每个电化学电池15夹在两个独立冷却囊30之间。可以注意到，冷却囊30的入口和出口部分31、33通常连接到冷却剂系统的公用供应和返回线路上，以简化设计。
可得到各种冷却囊结构，以对各种能量储存系统提供最佳的温度控制。例如，几个冷却囊30可以盘旋的形式整合在单个电池叠装置28中，而不是如图11所示使用单个冷却囊30。通过在冷却囊30中提供多个内室，并且适当提供相对于出口部分33的入口部分31，也可在一个或多个冷却囊30中得到平行流。例如，图11和12中所示的冷却囊30都可制造成包括多个内室，这样通过单个入口部分31供应给内室的冷却剂流入两个或多个内室，它们都终止于出口部分33。
如图13A和13B所示，通过提供一个入口部分31(它将冷却剂供应给冷却囊30的供应室91，这样冷却剂以一个方向流过供应室91)，可得到简单的平行流动形式。如13B所示的最佳方式，所述冷却囊30分割成包括两个返回室93和95，所述返回室分别从所述供应室91中分离出来，但流动连接到所述供应室91的末端(具体参见图13A)。两个返回室93和95中每个返回室的末端装有相应的出口部分33。
热传递介质通过入口部分31以第一方向流过供应室91，直到到达供应室91的末端。然后，热传递介质在所述供应室91与两个返回室93、95流动连接的位置分成两股流体。两股流体流过相应的返回室93、95，其方向通常与供应室中流动的方向相反，并通过相应的出口部分33离开所述冷却囊30。本领域的普通技术人员可以理解，其他流动增强特征(如在壁上加入小孔/孔，以分离供应室和返回室)可结合在所述冷却囊中，以进一步提高温度均匀性。
在特定的应用中，具体是有关电动或混合电动车辆的应用中，重要的是，在冷启动条件下，所述冷却装置将加热的冷却剂及时输送到电化学电池。例如，在操作者希望启动车辆工作时，给定混合动力车辆电池的温度可在特定的工作温度之下。在这种情况下，希望能尽快将电池的温度提升到特定的工作温度。这通过使用冷启动电热元件来达到，所述电热元件可将冷却剂快速加热到所需的温度。
该加热元件优选在冷启动条件下工作，并且一旦冷却剂系统达到该温度时不再需要。将快速升温的冷却剂流供应给所述电池的冷却囊30，直到所述电池达到指定的工作温度。在所述车辆随后工作的过程中，加热元件可根据需要进行工作以保持在设定温度。
希望的是，在将冷启动条件下的电池加热到指定温度的时间尽可能短。这段时间可由时间常数来表征。时间常数通常指从启动条件开始通过给定的过程达到稳定状态条件所需的时间。在本文中，所述条件是所需的工作温度，所述时间常数取决于许多因素，包括环境空气温度、加热元件功率、冷却剂类型、冷却剂用量和冷却剂流速、电池类型和电池热质量等。优选的是得到尽可能低的时间常数，更优选小于几分钟。
为了说明和描述的目的，提出了本发明各种实例。但并不希望将本发明局限于此。根据上述描述可得到许多改进和变化。例如，本发明冷却装置和工艺可容易的改变，以施加到各种形状和尺寸的电化学电池上。一个例子包括沿着以相互隔开的方式排列的柱形电池围绕冷却囊。例如，所述冷却囊可构造成平行或完全包围该柱形电池的圆周表面。其他例子包括沿着多面(如六边形截面)或圆形(如椭圆形截面)电化学电池围绕冷却囊。苯酚发明的范围并没有局限于说明书的详细描述，而是由所述的权利要求书所限定。

Claims (10)

1.一种电化学储能设备，它包括：
以相互隔开的方式排列的多个电化学电池，每个电化学电池包括相对的第一和第二平表面，且在充电和放电过程中会发生体积变化；
由柔顺导热材料形成的一个整体冷却囊，它具有入口部分和出口部分，在所述体积变化过程中，所述冷却囊至少与每个电化学电池的第一平表面或第二平表面贴合以保持接触，热传递介质在所述入口和出口部分之间流动，以控制所述电化学电池的工作温度。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述柔顺导热材料的强度足够经受压力，以使所述电化学电池在电池充电和放电过程中保持压缩状态。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括多个所述热传递介质在其中流动的流动室。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括第一内室和第二内室，所述热传递介质在所述第一内室中流动，其方向与所述传递介质在所述第二内室中流动的方向相反。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个电化学电池排列形成了电池叠，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使所述电池叠的任何两个电池之间测得的温度差不超过5℃。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊呈盘旋形状，以便与每个电化学电池的相应第一和第二平表面接触。
7.一种在电化学储存设备中提供冷却的方法，它包括：
提供多个以相互隔开的方式排列的电化学电池，每个电化学电池包括相对的第一和第二平表面，并在充电和放电过程中发生体积变化；
提供一个整体的、柔顺导热的冷却囊，在所述体积变化过程中，所述冷却囊至少与每个电化学电池的第一平表面或第二平表面保持接触；
使热传递介质流过所述冷却囊，控制所述电化学电池的工作温度。
8.如权利要求7所述的方法，它还包括对所述冷却囊施压，以在电池充电和放电过程中使所述电化学电池保持在压缩状态。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述多个电化学电池排列形成多个电池组，每个电池组装有多个冷却囊中的一个，使所述热传递介质流动的步骤包括使所述热传递介质流过每个冷却囊，以控制每个电池组的电化学电池的工作温度。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述多个电化学电池排列形成电池叠，使所述热传递介质流动的步骤包括使所述热传递介质流过所述冷却囊，以控制所述电池叠的工作温度，使所述电池叠的任何两个电池之间测得的温度差不超过5℃。
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