CN204128420U - 蓄电池换热器 - Google Patents

Abstract

一种换热器组件包括流体传递层和第一外部层。流体传递层由弹性体材料制成，且第一外部层包括柔性石墨。流体传递层包括至少一个通道，并且构造成在该通道和第一外部层的一部分之间形成用于接收热传递流体的通路。

Description

蓄电池换热器

背景技术

锂离子蓄电池需要热管理来保证它们的性能、耐久性和安全性。性能可在低温下受到损害，而耐久性可在高温下受到损害。“方形袋”形式的电池典型地是矩形棱柱形的，且具有大的、通常平坦的平行平面表面，其与阳极、阴极和分离器的“活性区”的尺寸大体相对应。在典型的蓄电池热管理设计中，运行期间产生的热量通过铝制成的热传递板而传递离开电池。然而，铝是相对刚性的，且因此对于蓄电池组设计者来说可能是有问题的。由于可影响电池和换热板之间的热接触的热膨胀和老化效应，锂离子电池可收缩或者膨胀。

发明内容

依据本发明的一方面，一种换热器组件包括流体传递层，其由弹性体材料制成，且具有相反的主表面。第一外部层包括柔性石墨，且具有面向内的主表面和面向外的主表面。面向内的主表面固定在流体传递层主表面之一上。流体传递层包括至少一个通道，并且构造为在该至少一个通道和第一外部层的面向内的主表面的一部分之间形成用于接收热传递流体的通路。

依据本发明的另一方面，一种蓄电池组组件包括多个矩形蓄电池，它们各自具有两个相反的主表面且布置为堆叠结构。一种换热器组件包括流体传递层，其由弹性体材料制成，且具有相反的主表面。第一外部层包括柔性石墨，且具有面向内的主表面和面向外的主表面。面向内的主表面固定在流体传递层主表面之一上。流体传递层包括至少一个通道，且构造为在该至少一个通道和第一外部层的面向内的主表面的一部分之间形成用于接收热传递流体的通路。换热器被折叠成重复的蜿蜒形状，从而形成多个U形部分。该多个蓄矩形电池被接收在该多个U形部分中。

附图说明

图1是换热组件的正视图。

图2是图1的换热组件的俯视图，其中顶部外部层被移除，以便更清晰地示出流体通道。

图3是图1的换热组件的流体传递层的高视角等距视图(elevated isometricview)。

图4是换热组件的一备选实施例的高视角等距视图。

图5是沿图4的A-A线得到的剖视图。

图6是图4的换热组件的流体传递层的高视角等距视图。

图7是换热组件的另一备选实施例的高视角等距视图。

图8是沿图7的B-B线得到的剖视图。

图9是图7的换热组件的流体传递层的高视角等距视图。

图10是包括换热组件的蓄电池堆叠的高视角等距视图。

图11是沿图10的C-C线得到的换热组件的剖视图。

具体实施方式

大型棱形锂离子电池相对于传统的棱形或圆柱形电池具有某些优点。当用于多电池的蓄电池组中时，大型棱形锂离子电池具有相对较高的能量密度和相当低的由于“热”电池问题引起的蓄电池失效的可能性。在电气方面，蓄电池组组件通过串联地装配多个棱形锂离子电池制成，以增加电压，或并联地(装配)，以增加容量。

在一个实施例中，棱形锂离子电池通常为矩形或正方形，且具有约1mm到约10mm的厚度。更优选的是，电池具有约3mm到约6mm的厚度。在蓄电池组的一个实施例中，棱形锂离子电池具有相反的主表面，每个主表面占地面积至少为8平方英寸，更优选的是占地面积至少为16。在一个实施例中，占地面积从约49平方英寸到约400平方英寸。在另一实施例中，占地面积从约16平方英寸到约2500平方英寸。在另一实施例中，占地面积从约50平方英寸到约200平方英寸。

这里使用的术语“电池”或“蓄电池”指由至少一个正电极、至少一个负电极、电解质和分离器膜片制成的电化学电池。术语“电池”和“蓄电池”可互换地使用。“蓄电池”或“蓄电池组”指由多于两个电池制成的储电装置。术语“蓄电池”和“蓄电池组”可互换地使用。

大型棱形电池被有利地装配成堆叠结构的蓄电池组，其中每个电池的主表面面对相邻电池的主表面。这种堆叠设置最大化了能量密度，但是对于将热量从电池导离而言并非可导性的。对于蓄电池组的位于相对远离蓄电池组一个外部表面处的内部电池而言，尤其是这种情况。为了便于热传递，一个或多个换热组件可被插入到堆叠的棱形电池之间的间隔中。通过减小热梯度和直接将热传递到(电池)组的周围或传递到散热器，换热组件可以改善电池的性能和寿命。

在一个实施例中，换热组件比铝相对更加柔韧。进一步地，换热组件有利地为顺应性的，以适应尺寸的改变、不平整性，以及改善界面热传导性。进一步地，在普通和冷启动运行期间，换热组件可提供增强的储能装置温度控制。换热组件尤其可非常适用于控制设置成“堆叠”关系(例如，诸如限定了可再充电模块或蓄电池的棱形锂离子电池的布置)的高能高功率密度可再充电电化学电池的温度。

先进的可再充电锂离子电池，例如，在充电和放电循环期间，由于阳极状态的变化，可经受显著的容积变化。这为冷却操作产生了挑战。同样，这种先进的可再充电蓄电池可能需要保持均匀的堆叠和电池压力。在存在显著的电池膨胀和收缩的情况下，在电化学电池布置和换热器板之间的密切接触有利地被保持，这提供了增强的温度控制，改善了电池性能，且延长了电池寿命。在其中需要或期望在电池布置(例如，电池堆叠布置或聚集布置)内有压缩压力的储能装置应用中，在电池膨胀和收缩期间，通过本文中在下面描述的换热器板的固有性质，必需的电池堆叠压力可被动地保持。在这样的应用中，温度控制设备可有利地为电化学电池布置提供必需的热和压力控制，因此消除对分离的温度和/或压力控制系统的需要，简化组的组装和减少组的重量。

换热组件可有利地由多个层形成，其中柔性石墨片材可形成外部层(一个或多个)，且可变形材料形成流体传递层，其包括使得热传递流体能够穿过它的特征。

柔性石墨片材可以可选地薄和为片状，具有两个相反的主表面。在一个实施例里，柔性石墨片材可小于约2mm的厚度。在其它实施例里，柔性石墨片材可小于约1mm厚度。在另外的其它实施例里，柔性石墨片材可小于约0.5mm的厚度。在又一些另外的实施例里，柔性石墨片材小于约0.010mm的厚度。在又一些另外的实施例里，柔性石墨片材为约0.010mm厚与约2mm厚之间。在又一些另外的实施例里，柔性石墨片材为约0.5mm厚与约1mm厚之间。依据一个或多个实施例，柔性石墨片材可以为一片膨胀石墨(exfoliated graphite)颗粒的压缩物质，一片石墨化聚酰亚胺或它们的组合物。

柔性石墨片材在大约室温处可具有大于约250W/mK的面内热传导(使用Angstrom方法在大约25℃的室温处测试)。在另一实施例中，柔性石墨片材的面内热传导至少约400W/mK。在又一个实施例中，柔性石墨片材的面内热传导可为至少约550W/mK。在另外的实施例中，柔性石墨片材的面内热传导可在至少250W/mK到至少约1500W/mK的范围中。更优选的是，柔性石墨片材中的至少一个具有至少约为铝的面内热传导的两倍的面内热传导。进一步地，每一个柔性石墨片材可具有相同或不同的面内热传导。任何上述面内热传导的组合可被实践。在一个实施例中，柔性石墨片材可以从10到1500微米厚。在其它实施例中，柔性石墨片材可以从0.1到0.5毫米厚。合适的石墨片材和片材制作过程在例如美国专利No.5,091,025和3,404,061中被公开，它们的内容通过引用结合在本文中。

在可选的实施例中，一个或多个柔性石墨片材可为树脂增强的。树脂可被用于，例如，提高柔性石墨片材的强度和/或柔性石墨片材的非渗透性。与树脂增强相结合，或作为替代，一个或多个柔性石墨片材可以包括碳和/或石墨纤维增强。在这样的实施例中，柔性石墨片材可以包括足够量的增强，以辅助或提供柔性石墨片材的结构整体性。

柔性石墨片材是比在组中使用以散热的传统材料(例如，铝)更加顺应性的材料。与传统材料相比，使用柔性石墨片材提供了在柔性石墨片材和蓄电池组之间的界面热传递阻力的减小。因为柔性石墨片材为更加顺应性的，在具有非平坦的主表面的电池之间的界面热传递要好于传统材料。

如果需要电池之间的电绝缘，柔性石墨片材的外表面可以可选地涂上电绝缘薄膜，其中该薄膜充分地足够薄，不会明显地阻止对柔性石墨片材的热传递。示例性的薄膜包括PET和聚酰亚胺薄膜。

柔性石墨片材可以可选地在面向外的表面上涂上薄膜胶粘，其中胶粘层足够薄，不会明显地阻止对柔性石墨片材的热传递。在一个实施例中，薄膜胶粘可为从约5μm到约25μm厚。在另外的实施例中，薄膜胶粘可在约之间。装配有结合了薄膜胶粘的柔性石墨片材的蓄电池组可以减少或基本消除灌注用于阻止电池在惯性力和震动下移动的复合物(例如硅树脂或聚亚安酯)-如在结合了传统热传递材料的蓄电池组结构中通常实践的-的需求。

在上述实施例中的任何一个或多个中，柔性石墨片材可以进一步为组合材料。例如，每个柔性石墨片材可包括固定在一起的多个独立石墨片材。

在一个实施例中，流体传递层的可变形材料包括弹性体材料。在一个实施例中，可变形材料包括弹性体和一个或多个热传导添加剂。在另外的其它实施例中，热传导添加剂为石墨。在这个或其它实施例中，弹性体和可选的添加剂可被选择为使得流体传递层当在十(10)psi负载下被压缩时具有至少约为3％，更优的是至少约为5％和最优选的是至少约为10％的可压缩性。进一步地，流体传递层在10psi负载下被压缩后有利地表现出至少约80％的回复率，更有利的是至少约90％的回复率，且最有利的是至少约95％的回复率。该可变形材料有利地在温度高达至少约80摄氏度时热学地和机械地稳定，且当接触用于热传递的流体-包括但不限于水、乙二醇和它们的混合物-时化学地稳定。适当的弹性体材料可包括例如，硅树脂橡胶、硅树脂泡沫、.氨基甲酸乙酯橡胶、橡胶改性环氧树脂和适合作为流体密封垫圈材料使用的材料。流体传递层的厚度被选择为使得通过将流体传递层连接至外部层(一个或多个)形成的内部隔室的容积足以适应最小压降情况下的冷却流体的所需流率。

在一个实施例中，流体传递层为约0.25mm与约2mm之间的厚度。在其它实施例中，流体传递层为约0.5mm与约1.5mm之间的厚度。在另外的其它实施例中，流体传递层为小于约2mm的厚度。

本发明的换热组件可具有单一内部隔室，传热介质被容纳在其中，或具有多个这样的内部隔室，或一系列蜿蜒或平行流通道，或它们的组合。在串行流布置的情况时，换热组件可设有单一入口端口和单一出口端口，或者在并行流布置或涉及多个串行或者并行流的布置的情况下，可具有多个入口端口和多个出口端口。单一入口-多个出口端口的结构也可被使用，同样可使用多个入口、单一出口端口的布置。热传递流体通过其而进入和离开组件的集管可以是内部的(通过板面)或外部的(通过板侧)。

对于比较简单的流通道几何形状，所述流体传递层的通道可以由现有技术中已知的多种制造工艺形成为弹性体或石墨/弹性体组合材料的片材，这些制造工艺包括但不限于机加工、压延机压花、挤压、片状模塑、喷射模塑、铸造和它们的组合。当需要更复杂的几何形状时，热固性环氧树脂或石墨与热固性环氧树脂的组合材料可在牺牲芯体材料周围被铸造就位，其在室温下是固体，但在使环氧树脂经历“B阶段”所需的温度和其最终固化温度之间的温度处变为液体，并从板中流出，从而限定了流体通道。这样的芯体材料的例子是石蜡。

有利地，换热组件的一个或多个层不是电传导性的，或包括非传导性的涂层。在损坏蓄电池组的情况下(例如在机动车辆碰撞时)，这可有助于防止电短路。在一个实施例中，附加的电绝缘可通过利用热塑性材料-例如，诸如，聚乙烯或PET-的薄膜层压或收缩包裹换热组件来实现。公开的换热组件的另外的优点是如下事实：其结构的材料(石墨和弹性体)具有固有振动阻尼性质，这会在汽车行驶循环和暴露在严酷条件下的电池和组元件的最终寿命廷长期期间阻尼震动和振动。

在装配电池堆叠布置期间，换热板可被容易地插入，使得电池的邻近电池活性区的表面和换热组件之间的接触最大化。可变形的换热组件可被形成为呈现多种形状、大小和长度，以适合很多种电池层叠几何形状。例如，用于给定的电池堆叠布置的换热组件可呈现接触多个电池的复杂、连续的形状，或接触单一电池或相邻电池对的简单的矩形或方形形状。

现在参见附图1-3，换热组件被示出，且大体以标号10表示。组件10包括流体传递层12，其位于一对相对外部层14之间。流体传递层12包括位于其相反侧的主表面13，而外部层14包括面向外的主表面15和面向内的主表面17。蜿蜒形状通道16形成于流体传递层12中，且在每个通道端部18，开口20形成在外部层14中。通过开口20，热传递流体可被连续地提供至换热组件10中，以及从换热组件10移除。因此，热传递流体可流经通道16和外部层14的相对的面向内的主表面17形成的通路。流体传递层12可通过任何手段固定到外部层14，包括例如，粘合剂和/或机械紧固件。

现在参见附图4-6，换热组件的备选实施例被示出，且大体以标号30表示。组件30包括流体传递层32，其位于一对相对的外部层34之间。流体传递层32包括位于其相对侧的主表面33，且外部层34包括面向外的主表面35和面向内的主表面37。多个隔开的对齐的蜿蜒形状通道36形成于流体传递层32的两个主表面33上。在每个通道端部38处，开口40形成在外部层34中。通过开口40，可连续地将热传递流体提供至换热组件30以及将其从换热组件30中移除。因此，热传递流体可流经由通道36和外部层34的面向内的主表面37形成的通路。流体传递层32可通过任何手段固定到外部层34，包括例如，粘合剂和/或机械紧固件。

现在参见附图7-9，换热组件的备选实施例被示出，且大体以标号50表示。正如可看到的，代替三层结构，组件50包括流体传递层52和单个外部层54。流体传递层52包括其相对侧上的主表面53，而外部层54包括面向外的主表面55和面向内的主表面57。多个通道形成在流体传递层32的一个主表面33上，并构造为输入通道62，和输出通道64，以及多个隔开的平行连接通道66。一对开口60形成在外部层54中。通过开口60，热传递流体可连续地被提供到换热组件50，以及从换热组件50中移除。因此，热传递流体可流经由通道62/64/66和外部层54的面向内的主表面57形成的通路。流体传递层52可通过任何手段固定到外部层54，包括例如，粘合剂和/或机械紧固件。

现在参见附图10和11，换热组件80的备选实施例被示出，并布置有布置成堆叠结构的多个蓄电池81。组件80包括位于一对相对外部层84之间的流体传递层82。流体传递层82包括其相对侧上的主表面83，而外部层84包括接合蓄电池81的面向外的主表面85，以及面向内的主表面87。多个隔开对齐的通道86形成在流体传递层82的一个主表面83上。通道86沿着流体传递层82纵向地延伸，并在通道端部88(位于组件80的纵向端部附近)处结束，此处，开口90形成在外部层54中。通过开口90，热传递流体可被连续地提供至换热组件80以及从换热组件80中移除。因此，热传递流体可流经由通道86和外部层84之一的面向内的主表面87形成的通路。流体传递层82可通过任何手段固定到外部层84，包括例如，粘合剂和/或机械紧固件。

由于组件80相对柔韧的特性，其可弯曲和以使得能接触电池81的堆叠的方式构造。因此，正如附图10和11中所示，组件80构造成蜿蜒形状，在其中电池81插入到各个U形部分之间。然而，应当理解，构想到了其它构造。例如，两个或更多个电池81可位于各个U形部分之间。

本文描述的多个实施例可以其任何组合来实践。以上描述意图使得本领域技术人员能够实施本发明。并不意图详细描述所有可能的变形和修改，在阅读说明书后，这些对于本领域技术人员而言将变得显而易见。然而，意图所有这样的修改和变形都包括在本发明的由随后的权利要求限定的范围内。权利要求意图覆盖有效地满足本发明预期的目的的、处于任何布置或顺序的所指示的元件和/或步骤，除非上下文具体地指示了相反内容。

Claims (5)

1.一种换热器组件，包括： 

流体传递层，包括弹性体材料且具有相反的主表面； 

第一外部层，由柔性石墨组成且具有面向内的主表面和面向外的主表面，所述面向内的主表面固定在所述流体传递层主表面之一上；以及 

其中，所述流体传递层包括至少一个通道，并且构造为在所述至少一个通道和所述第一外部层的所述面向内的主表面的一部分之间形成用于接收热传递流体的通路。 

2.如权利要求1所述的换热器组件，其中，所述柔性石墨材料包括压缩的膨胀石墨片材。 

3.如权利要求2所述的换热器组件，其中，所述压缩的膨胀石墨片材是树脂浸渍的。 

4.如权利要求1所述的换热器组件，其中，所述至少一个通道是蜿蜒形的。 

5.一种蓄电池组，包括： 

多个矩形蓄电池，各自具有两个相反的主表面，并布置成堆叠结构； 

换热器组件，包括：流体传递层，其包括弹性体材料，且具有相反的主表面；第一外部层，其由柔性石墨组成且具有面向内的主表面和面向外的主表面，所述面向内的主表面固定在所述流体传递层主表面之一上，所述流体传递层包括至少一个通道，并且构造成在所述至少一个通道和所述第一外部层的所述面向内的主表面的一部分之间形成用于接收热传递流体的通路；以及 

其中，所述换热器被折叠成重复的蜿蜒形状，从而形成多个U形部分，所述多个矩形蓄电池接收在所述多个U形部分中。