專(zhuān)利名稱(chēng)：使用單層石墨涂覆聚合物屏障基底的用于電池的熱管理和減輕熱傳播的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及電池和其部分的被動(dòng)或主動(dòng)的熱管理系統(tǒng)的單層石墨涂覆的基底的使用，尤其涉及在不正確使用情況下，減輕到相鄰電池單元的熱傳播的對(duì)齊的單層石墨涂覆的聚合物基底的使用。
背景技術(shù)：
統(tǒng)稱(chēng)為可再充電能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(RESS)的鋰尚子和相關(guān)的電池在汽車(chē)應(yīng)用中使用在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)的情況下作為補(bǔ)充，或在純電動(dòng)汽車(chē)(EV)，傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)的情況下作為替代。從固定式和便攜式的源被動(dòng)地存儲(chǔ)能量的能力，以及從由車(chē)輛及其部件提供的重新捕獲的動(dòng)能被動(dòng)地存儲(chǔ)能量的能力，使電池理想地作為用于轎車(chē)，卡車(chē)，巴士，摩托車(chē)及相關(guān)車(chē)輛平臺(tái)的推進(jìn)系統(tǒng)的一部分。在本文的背景中，電池單元是單個(gè)的電化學(xué)單元，而電池由串聯(lián)、并聯(lián)或二者皆有的方式結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)電池單元組成，這取決于所需的輸出電壓和電容。溫度是影響電池的性能和壽命的最重要的因素之一。環(huán)境溫度(如那些在長(zhǎng)期不活動(dòng)期間在冷或熱的環(huán)境中所遇到的，或者由于在熱天長(zhǎng)時(shí)間的操作和伴隨的熱量產(chǎn)生所遇到的)或不正確使用的情況下(如快速充電/放電，或由物理變形、穿透或電池單元的制造缺陷導(dǎo)致的內(nèi)部/外部短路)會(huì)負(fù)面影響電池正常運(yùn)行的能力，并在嚴(yán)重的情況下可能完全地破壞電池。長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫的副作用可包括過(guò)早老化和電容衰減加快，這兩者都是不希望的。多余的熱量可能由外部源提供，或由超出建議容差的物理，熱，或操作不正確使用情況導(dǎo)致的電池單元的內(nèi)部故障提供，或由制造缺陷提供。起始溫度是發(fā)生放熱反應(yīng)的溫度。維持這樣的放熱反應(yīng)所需的熱量稱(chēng)為反應(yīng)熱，而超過(guò)起始溫度和保持反應(yīng)熱的熱源是熱事件。這樣的熱事件，如果任由其不受控制，可能會(huì)導(dǎo)致更加快速的熱量產(chǎn)生條件，此處稱(chēng)為熱失控，其為(一旦開(kāi)始)冷卻機(jī)構(gòu)不能使一個(gè)或多個(gè)電池部件返回到安全操作溫度的條件。在本文背景中，熱失控是放熱反應(yīng)的自加熱速率和溫度的函數(shù)，反應(yīng)時(shí)間是參與這樣的反應(yīng)的主動(dòng)部件的退化速率和質(zhì)量的函數(shù)。特別令人關(guān)注的是用作推進(jìn)功率源的電池單元，組或相關(guān)構(gòu)件的過(guò)度加熱和伴隨的損壞它們的可能性。無(wú)論是作為主要還是備份系統(tǒng)，傳統(tǒng)的傳熱方式，如強(qiáng)迫空氣和液體冷卻，可能會(huì)被證明是有效避免在這樣的熱事件中的這種過(guò)熱暴露，但這樣做顯著增加了整體車(chē)輛系統(tǒng)的重量，成本，復(fù)雜性或寄生功率要求。

發(fā)明內(nèi)容
基于在熱交換構(gòu)件中使用傳熱材料的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以幫助保持在正常的操作條件下電池的最佳操作溫度和溫度均勻性，以及最小化在不正確使用條件下由相鄰電池單位的熱事件所產(chǎn)生的熱傳遞。在這兩種情況下，這有助于減輕熱傳播和損壞其他部件的相關(guān)可能性。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開(kāi)了電池(或電池模塊)的熱管理系統(tǒng)。電池包括一個(gè)或多個(gè)電池單元，其被配置用來(lái)輸送電流。熱管理系統(tǒng)包括與一個(gè)或多個(gè)電池單元熱連通地放置的熱交換構(gòu)件。熱交換構(gòu)件由柔性基底與設(shè)置在所述基底上的一個(gè)或多個(gè)單層石墨層構(gòu)成。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，電池可以被配置為單個(gè)電池單元和單個(gè)熱交換構(gòu)件，而在更綜合的實(shí)施例中，其可包括電池單元和構(gòu)件相對(duì)于彼此的多個(gè)堆疊；本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其每個(gè)的數(shù)量將與從模塊接收電流的裝置的功率需要以及電池單元或電池的熱操作要求相一致。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，單層石墨(已知的各向異性熱導(dǎo)率高達(dá)平面方向1400W/m-K和厚度方向10 W/m-K)被涂覆到柔性聚合物基底，其對(duì)于電池的熱管理以及在用于電池模塊時(shí)減輕到相鄰電池單元和部件的熱能量都是理想的。單層石墨是排列成六方或蜂窩狀晶體點(diǎn)陣的共價(jià)鍵結(jié)合的碳原子的單原子厚度平面片，每層的厚度為0.335納米。平面方向?qū)R的多層單層石墨的沉積為高體積和重量能量密度應(yīng)用提供了傳熱的理想模式，因?yàn)橄Ｍ氖潜３直M可能小的電池模塊的總堆疊高度。將對(duì)齊的單層石墨層放置在與電池內(nèi)的電池單元熱連通的聚合物基底上提供了到熱源或散熱器的靈活通道，而柔性基底可更特別地構(gòu)造成可壓縮介質(zhì)。這種可壓縮屬性允許補(bǔ)償電池單元熱膨脹，以及厚度方向上的額外熱絕緣源。如上所述，電池組由眾多的電池模塊組成，每個(gè)電池模塊由向負(fù)載輸送電流的一個(gè)或多個(gè)電池單元組成。負(fù)載這樣的一個(gè)非限制性示例包括用于提供動(dòng)力到汽車(chē)的動(dòng)力系的設(shè)備，以及與車(chē)輛操作相關(guān)聯(lián)的輔助應(yīng)用。在本文背景中，術(shù)語(yǔ)“動(dòng)力”描述了電池組，其能夠提供比另一功率源(例如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī))的僅啟始功率更多的功率；其包括電池組，其能夠提供足以與其希望的方式相一致的方式推進(jìn)車(chē)輛的持續(xù)功率。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，這種電池還可以存儲(chǔ)從動(dòng)能重新捕獲的能量，例如再生制動(dòng)或來(lái)自ICE的多余能量。在一種形式中，由電池組產(chǎn)生的電流可用于運(yùn)行一個(gè)或多個(gè)電馬達(dá)，其轉(zhuǎn)而可用于轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)車(chē)輪。其他構(gòu)件(例如，結(jié)構(gòu)構(gòu)件)放置成與電池單元熱連通，以使它們之間能夠熱交換。電池的充電和放電(或循環(huán))，電池單元的內(nèi)電阻，以及相關(guān)聯(lián)的電通道的傳導(dǎo)是電池中的熱能的主要源。在優(yōu)選的形式中，在電池內(nèi)的熱交換通過(guò)被動(dòng)的方式發(fā)生；這樣，由單獨(dú)電池單元生成的或以其他方式存在于其周?chē)拇罅繜崃磕軌虮坏玫蕉恍枰a(bǔ)充冷卻(例如強(qiáng)制空氣或強(qiáng)制液體對(duì)流冷卻，其產(chǎn)生了電池系統(tǒng)中的額外寄生損失，其影響了總體效率)或至少顯著地減小了此需要。在循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量和電池單元和電池的最佳操作溫度是電化學(xué)依賴(lài)的，并且溫度限制僅取決于用作基底的聚合物的最高溫度?？蛇x地，熱交換構(gòu)件和一個(gè)或多個(gè)電池單元限定基本上平面的構(gòu)造；這樣的構(gòu)造(其中，電池單元和構(gòu)件二者具有平面狀結(jié)構(gòu))允許它們抵靠彼此堆疊(如一副撲克牌)，使得它們之間存在相鄰面對(duì)的關(guān)系。這最大化產(chǎn)生熱的電池單元和熱接收構(gòu)件之間的表面積接觸，其中熱接收構(gòu)件用作冷卻板。在更具體的形式中，相對(duì)平坦的冷卻板被構(gòu)造成利用單層石墨層的熱導(dǎo)率的方向?qū)傩缘膬?yōu)點(diǎn)，其中沿單層石墨的平面方向的熱導(dǎo)率(和伴隨的熱流)，其與它聯(lián)接的基底的平面維度大致一致，顯著地高于沿層的厚度方向(即，穿過(guò)厚度)的熱導(dǎo)率。這種差異與單層石墨層的晶體取向一致，如本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的。在本文背景中，傳熱的平面方向維度沿由單層石墨層的上述六方晶體結(jié)構(gòu)所形成的維度行進(jìn)。在基底和聯(lián)接的單層石墨層不是真正的平面(例如在稍凸或凹的基底的情況下)的構(gòu)造中，該平面方向維度仍存在，只要穿過(guò)厚度和沿單層石墨層的晶體取向的熱導(dǎo)率的差異是顯著的。這樣，熱交換構(gòu)件的稍微凸的，凹的或相關(guān)彎曲的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。如上所述，基底優(yōu)選地為柔性屬性；這樣的構(gòu)造允許放置或沉積的單層石墨(其相對(duì)于基底是薄的)模仿柔性基底，其轉(zhuǎn)而允許對(duì)齊的單層石墨符合與電池單元和散熱器或熱源熱連通所需的任何形狀，其中對(duì)形狀的僅有的顯著限制是，是否單層的單層石墨被破壞(由于例如尖銳邊緣的棱角等的物體)，因?yàn)闊嵬?本文也稱(chēng)為熱流徑)的破壞會(huì)大大降低裝置的熱導(dǎo)率。在額外的選項(xiàng)中，沿著至少一個(gè)單層石墨層的平面方向維度的熱導(dǎo)率是至少約1000 W/m-K，沿其厚度維度的熱導(dǎo)率小于約100 W/m_K。在更具體的形式中，平面方向熱導(dǎo)率是至少約1400 W/m-K，穿過(guò)其厚度的熱導(dǎo)率小于約10 W/m_K。正如上面提到的，在特定的形式中，基底由聚合物材料制成；這樣的材料，除了制造相對(duì)廉價(jià)以外，在結(jié)構(gòu)上足夠牢固以在電池環(huán)境中支撐單層石墨層，并且具有相對(duì)低的熱導(dǎo)率。這樣的低熱導(dǎo)率的益處在于其增強(qiáng)了熱修飾由單層石墨層的固有特性已經(jīng)形成的可能性。例如，在希望最小化相鄰電池單元之間的熱連通的情況下，放置在它們(包括低熱導(dǎo)率基底)之間的冷卻板或相關(guān)傳熱構(gòu)件相比于基底由高熱導(dǎo)率材料制成將更能抵抗從一個(gè)電池單元到另一個(gè)的通過(guò)冷卻板的傳熱。這可結(jié)合放置在基底上的單層石墨層工作，因?yàn)閷拥拇┻^(guò)厚度維度已經(jīng)具有了比平面方向維度低得多的熱導(dǎo)率。必須流徑熱交換構(gòu)件的兩個(gè)介質(zhì)，至少穿過(guò)厚度方向中的每個(gè)相對(duì)低的熱導(dǎo)率將進(jìn)一步有助于增加相鄰電池單元之間的熱隔離。而另一可選特征是使用高平面方向熱導(dǎo)率的對(duì)齊的單層石墨作為到熱測(cè)量裝置的熱通路，熱測(cè)量裝置例如熱電偶，熱敏電阻等。以這種方式，與單層石墨熱連通的電池單元的溫度的均勻性能夠容易地確定。這種熱測(cè)量裝置然后可以根據(jù)與源和測(cè)量點(diǎn)之間的系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的任何熱損失校準(zhǔn)。熱測(cè)量裝置可校準(zhǔn)以考慮與熱源和測(cè)量遠(yuǎn)程點(diǎn)之間的電池組相關(guān)聯(lián)的任何熱損失。此夕卜，測(cè)量裝置可用于確定電池單元區(qū)域的總體溫度，或電池單元上感興趣的特定位置處(例如突片或最大電流密度區(qū)域)的總體溫度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開(kāi)了用于汽車(chē)的推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊由一個(gè)或多個(gè)電池單元構(gòu)成，在電池單元中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，以及放置成與電池單元熱連通的熱交換構(gòu)件。熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在柔性基底上的至少一個(gè)單層石墨層。如上所討論的，單層石墨層用作帶有方向熱導(dǎo)率特性的傳熱材料。因此，試圖流過(guò)材料的一個(gè)維度的熱量可預(yù)期會(huì)遇到比通過(guò)另一維度更大或更小程度的熱阻。在常規(guī)的笛卡爾坐標(biāo)(即，x-y-z)系統(tǒng)中，這些維度可對(duì)應(yīng)于線(xiàn)性軸或方向，如平面方向(其可例如體現(xiàn)為y-z軸限定的平面)，以及穿過(guò)厚度方向(其可以與沿著一個(gè)或多個(gè)電池模塊的X-軸堆疊方向的線(xiàn)性維度相一致)。可選地，熱交換構(gòu)件被配置成使得第一傳熱路徑基本上沿著單層石墨層的平面方向維度行進(jìn)，第二傳熱路徑基本上沿著單層石墨層的厚度維度行進(jìn)。在一種形式中，第一傳熱路徑的熱導(dǎo)率大于但不限于1000 W/m-K，而第二傳熱路徑小于約100 W/m_K。在更具體的形式中，這些值可以分別是至少約1400 W/m-K和小于約10 W/m_K。在另一特定的形式中，散熱器可以被放置成與至少第一傳熱路徑熱連通。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解，汽車(chē)的某些部分是常規(guī)的，如底盤(pán)，車(chē)輪，和相關(guān)的控制機(jī)構(gòu)，而特定的特征，如車(chē)身，可以被構(gòu)造為承載駕駛員或相關(guān)的操作員，旅客或貨物，以及用作上述任何或所有的隔間。當(dāng)配置為客運(yùn)車(chē)輛時(shí)，這樣的車(chē)身可還包括車(chē)窗，車(chē)門(mén)，座椅，乘員艙，生物舒適特征或其他有利部件。正如上文所述，推進(jìn)系統(tǒng)，其用于提供動(dòng)力到汽車(chē)，可只從一個(gè)或多個(gè)電池組而來(lái)，或可涉及混合動(dòng)力體系結(jié)構(gòu)，其中采用結(jié)合ICE工作的電池組。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，公開(kāi)了控制汽車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)中的溫度的方法。該方法包括:配置推進(jìn)系統(tǒng)以從一個(gè)或多個(gè)電池單元(其可轉(zhuǎn)而組成連續(xù)的較大單元的電池模塊和電池組)得到其動(dòng)力的至少一部分，將熱交換構(gòu)件布置成與電池單元熱連通，和轉(zhuǎn)移至少一個(gè)電池單元內(nèi)包含的熱量的至少一部分到熱交換構(gòu)件。熱交換構(gòu)件包括柔性基底和一個(gè)或多個(gè)單層石墨層，其設(shè)置在基底上，使得所述熱交換構(gòu)件提供第一熱流徑和第二熱流徑，其中第一熱流徑比第二熱流徑具有顯著更高的熱導(dǎo)率。在這方面的變體中，還公開(kāi)了通過(guò)將單層石墨層放置、固定或以其他方式聯(lián)接到柔性基底(例如柔性聚合物基基底)而組裝被動(dòng)熱交換構(gòu)件的方法。在一個(gè)可選的形式中，第一熱流徑基本上與鄰近一個(gè)或多個(gè)電池單元設(shè)置的傳熱構(gòu)件的平面方向維度相一致。在更具體的形式中，熱交換構(gòu)件由基底和放置在或以其他方式固定到基底(由此其安裝到基底上)的一個(gè)或多個(gè)單層石墨層構(gòu)成。在另一種形式中，單層石墨層的平面方向維度基本上與第一熱流徑相一致，而單層石墨層的厚度維度基本上與第二熱流徑相一致。在更具體的形式中，每個(gè)電池單元和熱交換構(gòu)件限定基本上平面的形狀。至于以前的方面，對(duì)應(yīng)于第一熱流徑的熱導(dǎo)率是非常高的，例如，至少約1000 ff/m-K,而第二熱流徑的熱導(dǎo)率相對(duì)較低，例如低于約100 W/m-K。在特定的方面中，第一熱流徑可以被放置成與專(zhuān)用散熱器熱連通。在本文背景中，專(zhuān)用散熱器被配置為至少大部分用于移除沿著第一熱流徑生成的熱量。因此，在單層石墨層的平面方向形成第一熱流徑的情況下，單層石墨層和散熱器之間的熱連接形成專(zhuān)用的關(guān)系，即使散熱器可以執(zhí)行其他的熱交換功能，例如隨后與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換。本發(fā)明還提供了以下方案:
1.一種用于電池的熱管理系統(tǒng)，所述熱管理系統(tǒng)包括與所述電池的至少一個(gè)電池單元熱連通地放置的熱交換構(gòu)件，所述熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在所述基底上的至少一個(gè)單層石墨層。2.根據(jù)方案I所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換構(gòu)件和所述至少一個(gè)電池單元包括基本上平面的構(gòu)造，使得在它們之間形成相鄰面對(duì)的關(guān)系。3.根據(jù)方案2所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換構(gòu)件構(gòu)造成使得沿著所述熱交換構(gòu)件的平面方向維度的熱導(dǎo)率高于沿著其厚度維度的熱導(dǎo)率。4.根據(jù)方案3所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，沿著所述熱交換構(gòu)件的平面方向維度的所述熱導(dǎo)率是至少約1000 W/m-K，沿著其厚度維度的所述熱導(dǎo)率小于約100 W/m_K。5.根據(jù)方案4所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，沿著所述熱交換構(gòu)件的平面方向維度的所述熱導(dǎo)率是至少約1400 W/m-K，沿著其厚度維度的所述熱導(dǎo)率小于約10 W/m_K。6.根據(jù)方案I所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述基底包括聚合物材料。7.根據(jù)方案I所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，其還包括熱通路，其聯(lián)接到所述熱交換構(gòu)件和散熱器以允許它們之間的熱傳遞。8.根據(jù)方案7所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，其還包括與所述熱交換構(gòu)件信號(hào)連通的熱測(cè)量裝置。9.一種用于汽車(chē)的推進(jìn)系統(tǒng)，所述推進(jìn)系統(tǒng)包括至少一個(gè)電池模塊，其包括: 至少一個(gè)電池單元，其構(gòu)造成為用于所述汽車(chē)的動(dòng)力輸送電流；以及
放置成與所述至少一個(gè)電池單元熱連通的熱交換構(gòu)件，所述熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在所述柔性基底上的至少一個(gè)單層石墨層，使得所述熱交換構(gòu)件沿著第一傳熱路徑提供第一熱導(dǎo)率并且沿著第二傳熱路徑提供第二熱導(dǎo)率。10.根據(jù)方案9所述的推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一傳熱路徑基本上沿著所述單層石墨層的平面方向維度行進(jìn)，所述第二傳熱路徑基本上沿著所述單層石墨層的厚度維度行進(jìn)。11.根據(jù)方案10所述的推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一熱導(dǎo)率是至少約1000W/m-K，所述第二熱導(dǎo)率小于約100 W/m-K。12.根據(jù)方案11所述的推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一熱導(dǎo)率是至少約1400W/m-K，所述第二熱導(dǎo)率小于約10 W/m-K。13.根據(jù)方案9所述的推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，其還包括散熱器，其放置成與至少所述第一傳熱路徑熱連通。14.一種包括根據(jù)方案9所述的推進(jìn)系統(tǒng)的汽車(chē)。15.一種控制汽車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)中的溫度的方法，所述方法包括:
將所述推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)造成包括至少一個(gè)電池單元，使得由此產(chǎn)生的電流提供至少一部分動(dòng)力到汽車(chē)；
將熱交換構(gòu)件布置成與所述至少一個(gè)電池單元熱連通，所述熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在所述基底上的至少一個(gè)單層石墨層，使得所述熱交換構(gòu)件提供第一熱流徑和第二熱流徑，從而使得所述第一熱流徑比所述第二熱流徑具有顯著更高的熱導(dǎo)率；以及將所述至少一個(gè)電池單元內(nèi)包含的至少一部分熱量傳遞至所述熱交換構(gòu)件。16.根據(jù)方案15所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)單層石墨層的平面方向維度基本上與所述第一熱流徑相一致，所述至少一個(gè)單層石墨層的厚度維度基本上與所述第二熱流徑相一致。17.根據(jù)方案16所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)電池單元的每個(gè)和所述熱交換構(gòu)件限定基本上平面的形狀。18.根據(jù)方案15所述的方法，其特征在于，其還包括將散熱器放置成與至少所述第一熱流徑熱連通。19.根據(jù)方案18所述的方法，其特征在于，其還包括在所述散熱器和所述熱交換構(gòu)件之間建立靈活通路。20.根據(jù)方案15所述的方法，其特征在于，其還包括將所述熱交換構(gòu)件布置成使得所述第二熱流徑限定所述至少一個(gè)電池單元和相鄰電池單元之間的基本上全部的熱交換。21.根據(jù)方案15所述的方法，其特征在于，其還包括使用所述基底作為可壓縮介質(zhì)以補(bǔ)償所述至少一個(gè)電池單元內(nèi)的熱膨脹和熱收縮的至少一個(gè)。


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的下面的詳細(xì)描述在結(jié)合所附附圖閱讀時(shí)可以得到最好的理解，其中相同的結(jié)構(gòu)以相同的附圖標(biāo)記指代，其中:
圖1示出了具有以電池組和內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的形式的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的車(chē)輛；
圖2是組成圖1的電池組的電池模塊的簡(jiǎn)化的分解圖，其中模塊包括被動(dòng)式熱管理；圖3以簡(jiǎn)化的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的一對(duì)電池單元和傳熱構(gòu)件之間的代表性堆疊布置；
圖4A示出了使用對(duì)齊的單層石墨和熱流道的相鄰電池單元的特點(diǎn)位置的測(cè)量裝置，熱流道可以之后基于與特定應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的熱損失被校準(zhǔn)；以及
圖4B示出了使用對(duì)齊的單層石墨和熱流道的相鄰電池單元的基本上全部區(qū)域的測(cè)量裝置，熱流道可以之后基于與特定應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的熱損失被校準(zhǔn)。
具體實(shí)施例方式首先參照?qǐng)D1。車(chē)輛I包括以電池組10和常規(guī)ICE 20形式的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。正如上面提到的，這樣的車(chē)輛稱(chēng)為HEV。電池組10使用眾多的電池模塊100，其典型地如圖所示以重復(fù)陣列排列。在一個(gè)典型的例子中，電池組10可為大約200個(gè)單獨(dú)的電池單元(將在下面更詳細(xì)討論的)，雖然本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，可能需要更多或更少的電池單元，這取決于所需的功率。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)進(jìn)一步理解，車(chē)輛I也可以不需要ICE 20;在這樣的情況下，不是HEV，而是EV ;任意方式都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。接下來(lái)參照?qǐng)D2，示出了分解圖，其顯示了電池模塊100的大部分，其具有主要熱流方向Ql和Q2，以及熱傳播減輕特征。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，操作所需的其他電池部件未示出以便更好地強(qiáng)調(diào)這樣的熱傳播減輕特征。這種當(dāng)前省略部件的實(shí)例包括框架和相關(guān)結(jié)構(gòu)，冷卻板和散熱器，絕緣片，溫度傳感設(shè)備或類(lèi)似物。為了形成模塊100，本文所討論的至少一些部件可以重復(fù)堆疊狀的方式排列。例如，大量的電池單元110可插入眾多的冷卻板120中。電池單元110包括凸片狀電極114，通過(guò)它在每個(gè)電池單元110內(nèi)產(chǎn)生的電流可流入負(fù)載或相關(guān)工件，如車(chē)輪，電馬達(dá)或類(lèi)似物。如圖所示，電池單元110限定相對(duì)薄的矩形形狀的結(jié)構(gòu)，使得大致平面的表面基本上最大化暴露的表面積?？蛇x的柔性膜加熱器130可插入電池單元110和冷卻板120之間以此方式來(lái)提供額外的主動(dòng)加熱，以及用作對(duì)于穿過(guò)厚度熱流Q2的額外的熱屏障，以及以此方式來(lái)連接到可選的主動(dòng)加熱源(未示出)以在寒冷天氣啟動(dòng)或相關(guān)的低溫的情況下使用。在一種形式中，柔性膜加熱器130可以是Kapton柔性材料，其能夠連接到合適的加熱裝置?；?22的柔性屬性(以及設(shè)置在基底122上或以其他方式聯(lián)接到基底122的單層石墨層124)有助于促進(jìn)裝配的容易性，尤其是當(dāng)聯(lián)接到非平面的或相關(guān)的不規(guī)則表面的時(shí)候。同樣，輸送熱量各個(gè)電池單元110或從各個(gè)電池單元110輸送熱量?jī)?yōu)選地通過(guò)熱通路126，其與散熱器200熱連通。單層石墨層124的高度各向異性的熱行為允許它們能夠形成用于相鄰電池單元或需要體積效率的熱交換能力的其他部件的薄構(gòu)件。高的平面方向熱傳導(dǎo)性能夠在延伸到熱通路126時(shí)提供用于相鄰的電池單元110和散熱器200之間的熱流的方便路徑。接下來(lái)結(jié)合圖2參照?qǐng)D3，冷卻板120的尺寸和形狀設(shè)計(jì)成具有與電池單元110大約相同的外部尺寸。在這種方式中，由堆疊的電池單元110和冷卻板120組成的模塊100和電池組10可形成為相對(duì)緊湊的幾何形狀，如立方體。在特定的形式中，冷卻板120由大致平面的聚合物基底122的分層組件組成，一層或多層取向的單層石墨層124被放置或沉積到聚合物基底122上。在優(yōu)選的形式中，在基底122具有所需的結(jié)構(gòu)剛性和相對(duì)低的穿過(guò)厚度熱導(dǎo)率，使得抵靠相鄰電池單元110放置時(shí)可以充當(dāng)單層石墨層124的載體以及抵抗電池單元至電池單元的傳熱的熱屏障。合適的聚合物基底122的例子，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚乙烯(PE)和尼龍，具有非常低的熱導(dǎo)率(小于I W/m)，其具有降低整個(gè)系統(tǒng)的厚度方向熱導(dǎo)率的效果。通過(guò)將單層石墨層124放置在柔性聚合物基底122上，對(duì)齊的單層石墨層124可以符合放置成與一個(gè)或多個(gè)電池單元110和散熱器(或源，如果需要的話(huà))200熱連通所需的任何形狀，其只由避免平面方向熱通路的破壞所需的單層石墨層124的單層結(jié)構(gòu)的最小彎曲半徑限制。如圖所示，單層石墨層124可以被放置在基底122的兩偵儀如圖所示)或單側(cè)上，這取決于冷卻或加熱需要。同樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，通過(guò)熱通路126的電池模塊100和散熱器200之間的熱流的雙向?qū)傩砸馕吨?，散熱?00還可以被配置為熱源；其用作源或散熱器的屬性從上下文將是顯而易見(jiàn)的?；?22，由于由如上面討論的相對(duì)低的熱傳導(dǎo)性材料構(gòu)成，有助于限制相鄰的電池單元110之間的熱交互。此夕卜，基底122可以制造為可壓縮介質(zhì)；這樣的結(jié)構(gòu)允許模塊100補(bǔ)償穿過(guò)模塊110的堆疊的電池單元110的厚度的熱膨脹或收縮。冷卻板120以?shī)A層形式插入電池單元110中。以這種方式，穿過(guò)厚度的低熱導(dǎo)率(由穿過(guò)厚度的熱流Q2表示)和高沿邊緣熱導(dǎo)率(由沿邊緣熱流Ql表示，假設(shè)示出為在到散熱器200或來(lái)自散熱器200的道路上經(jīng)過(guò)熱通路126，其中這樣的描寫(xiě)可理解為兩個(gè)方向上沿邊緣流動(dòng))可以在電池組10的正常操作條件下以及一個(gè)或多個(gè)電池單元110可能處于熱失控的危險(xiǎn)的情況下被用來(lái)提供所希望的熱管理特性。通過(guò)單層石墨層124邊緣的相對(duì)高的熱傳導(dǎo)性的熱路徑(即，沿單層石墨層的六方晶體結(jié)構(gòu)的平面)可被弓I導(dǎo)到遠(yuǎn)方散熱器200，如最左邊的冷卻板120和圖2的散熱器200之間的代表性連接所示的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解，圖2和3的簡(jiǎn)化表示不顯示所有的熱通路126的一些冗余的細(xì)節(jié)，(例如上述到散熱器200的連接)；而是，這樣的冗余特征將被理解為與所示那些大致類(lèi)似的方式存在。在一種形式中，熱通路126可以被配置為加熱器膜以提供在低溫環(huán)境中必要的加熱，在低溫環(huán)境中電池的起動(dòng)和操作對(duì)電池壽命來(lái)說(shuō)是特別苛刻的。在一種形式中，這些柔性加熱器膜可由DuPont的Kapton 制成。同樣,熱通路可以與基底122類(lèi)似的方式由柔性材料制成。接下來(lái)參考圖4A和4B，其他設(shè)備(如熱敏電阻140或相關(guān)的傳感器)可位于各個(gè)部件之間以監(jiān)控電池單元110溫度。在一個(gè)優(yōu)選形式中，熱敏電阻140也可以由對(duì)齊的單層石墨材料制成。特別如圖4A所示，熱敏電阻140可以沉積在單層石墨層124的特定的感測(cè)位置(如已知的位置或疑似高電流密度的地方)，或以沿基底122的圖案沉積，從而減少用于應(yīng)用的整體所需的單層石墨量。為了防止單層石墨層124和熱敏電阻140之間的意外的熱串?dāng)_，它們之間形成小的間隙124A。特別如圖4B所示，基本上整個(gè)基底122表面可以與圖2大致類(lèi)似的方式覆蓋有單層石墨層124。在這樣的情況下，熱敏電阻140僅在方便的周邊位置接觸單層石墨層124的表面。結(jié)合本發(fā)明的冷卻板120可以使用其它被動(dòng)裝置。例如，熱管(未示出)也可以采用，尤其是在一個(gè)或多個(gè)電池單元110的熱失控可被關(guān)注的情況下。這樣的熱管的使用的例子，可見(jiàn)于2011年11月18日提交的名稱(chēng)為“METHOD FOR MITIGATING THERMALPROPAGATION OF BATTERIES USING HEAT PIPES”共同待決美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) N0.13/299, 886,這是本發(fā)明的受讓人擁有的并且其全部?jī)?nèi)容通過(guò)參考并入本文中。為了實(shí)現(xiàn)電池壽命和性能之間希望的平衡，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確定，只可以允許電池組10的模塊100之間小的溫度變化。根據(jù)當(dāng)前最先進(jìn)的電池，這種模塊到模塊的差異應(yīng)該保持在不超過(guò)約5°C。此外，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確定某些類(lèi)型的電池，如鋰離子電池，最好在25°C至40°C之間的溫度操作。冷卻板120 (與散熱器200結(jié)合)可以為滿(mǎn)足最佳電池單元110的特定操作溫度而設(shè)計(jì)；同樣，單層石墨層124的非常高的熱導(dǎo)率有助于促進(jìn)快速、高效的熱傳遞值，其對(duì)于在電池單元110上保持相對(duì)恒定的溫度分布是有用的。注意類(lèi)似“優(yōu)選”、“通?！焙汀暗湫偷亍钡男g(shù)語(yǔ)在本文中不用于限制要求保護(hù)的發(fā)明的范圍或暗示某些特征對(duì)于要求保護(hù)的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是至關(guān)重要的、必不可少的或甚至重要的。而是這些術(shù)語(yǔ)僅意于強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的特別實(shí)施方案中可以使用或可以不使用的可替代的或另外的特征。同樣，使用術(shù)語(yǔ)“基本上”表示可能歸因于任意定量比較、數(shù)值、測(cè)量值或其他表示的固有不確定性程度。該術(shù)語(yǔ)在本文中還用于表示定量表示可以偏離所述參考值而不會(huì)導(dǎo)致所述主題的基本功能發(fā)生改變的程度。為了描述和限定本發(fā)明的目的，注意本文中使用術(shù)語(yǔ)“裝置”表示部件的組合或單一部件，無(wú)論該部件是否與其他部件結(jié)合。例如，根據(jù)本發(fā)明的裝置可包括動(dòng)力源，包含動(dòng)力源的車(chē)輛，或者可組成或結(jié)合車(chē)輛或動(dòng)力源使用的其他設(shè)備。此外，術(shù)語(yǔ)“汽車(chē)”，“機(jī)動(dòng)車(chē)”，“車(chē)輛”等的變體意味著通常含義，除非上下文另有規(guī)定。這樣，對(duì)汽車(chē)的參考將被理解為包括轎車(chē)，卡車(chē)，公共汽車(chē)，摩托車(chē)和其他類(lèi)似模式的交通工具，除非上下文中更具體地說(shuō)明。參考其特別實(shí)施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，但在不脫離后附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的情況下可以進(jìn)行改進(jìn)和變化，這將是顯而易見(jiàn)的。更特別地，盡管本發(fā)明的一些方面在本文中認(rèn)定為優(yōu)選的或特別有利的，但認(rèn)為本發(fā)明并不必須限制于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種用于電池的熱管理系統(tǒng)，所述熱管理系統(tǒng)包括與所述電池的至少一個(gè)電池單元熱連通地放置的熱交換構(gòu)件，所述熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在所述基底上的至少一個(gè)單層石墨層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換構(gòu)件和所述至少一個(gè)電池單元包括基本上平面的構(gòu)造，使得在它們之間形成相鄰面對(duì)的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述熱交換構(gòu)件構(gòu)造成使得沿著所述熱交換構(gòu)件的平面方向維度的熱導(dǎo)率高于沿著其厚度維度的熱導(dǎo)率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，沿著所述熱交換構(gòu)件的平面方向維度的所述熱導(dǎo)率是至少約1000 W/m-K，沿著其厚度維度的所述熱導(dǎo)率小于約100 W/m_K。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，沿著所述熱交換構(gòu)件的平面方向維度的所述熱導(dǎo)率是至少約1400 W/m-K，沿著其厚度維度的所述熱導(dǎo)率小于約10 W/m_K。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述基底包括聚合物材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，其還包括熱通路，其聯(lián)接到所述熱交換構(gòu)件和散熱器以允許它們之間的熱傳遞。
8.一種用于汽車(chē)的推進(jìn)系統(tǒng)，所述推進(jìn)系統(tǒng)包括至少一個(gè)電池模塊，其包括: 至少一個(gè)電池單元，其構(gòu)造成為用于所述汽車(chē)的動(dòng)力輸送電流；以及 放置成與所述至少一個(gè)電池單元熱連通的熱交換構(gòu)件，所述熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在所述柔性基底上的至少一個(gè)單層石墨層，使得所述熱交換構(gòu)件沿著第一傳熱路徑提供第一熱導(dǎo)率并且沿著第二傳熱路徑提供第二熱導(dǎo)率。
9.一種包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的推進(jìn)系統(tǒng)的汽車(chē)。
10.一種控制汽車(chē)推進(jìn)系統(tǒng)中的溫度的方法，所述方法包括: 將所述推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)造成包括至少一個(gè)電池單元，使得由此產(chǎn)生的電流提供至少一部分動(dòng)力到汽車(chē)； 將熱交換構(gòu)件布置成與所述至少一個(gè)電池單元熱連通，所述熱交換構(gòu)件包括柔性基底和設(shè)置在所述基底上的至少一個(gè)單層石墨層，使得所述熱交換構(gòu)件提供第一熱流徑和第二熱流徑，從而使得所述第一熱流徑比所述第二熱流徑具有顯著更高的熱導(dǎo)率；以及將所述至少一個(gè)電池單元內(nèi)包含的至少一部分熱量傳遞至所述熱交換構(gòu)件。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用單層石墨涂覆聚合物屏障基底的用于電池的熱管理和減輕熱傳播的方法。具體地，汽車(chē)電池模塊具有一個(gè)或多個(gè)電池單元和放置成與電池單元熱連通的熱交換構(gòu)件。通過(guò)電流在電池單元內(nèi)產(chǎn)生的熱量可通過(guò)熱交換構(gòu)件移除，電流可用于提供用于汽車(chē)的動(dòng)力，熱交換構(gòu)件由柔性基底和設(shè)置在基底上的一個(gè)或多個(gè)單層石墨層構(gòu)成?；缀蛦螌邮珜拥臉?gòu)造使得建立了多個(gè)傳熱路徑，其每個(gè)限定了不同水平的熱導(dǎo)率和遠(yuǎn)離電池單元的相關(guān)熱傳遞水平。
文檔編號(hào)B60L11/18GK103094639SQ201210432409
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者B.R.奇里斯蒂安, C-C.許 申請(qǐng)人:通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司