使用l-v相變材料的電池冷卻機構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電池，具體涉及一種用于可充電電池的冷卻機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]電池壽命、快速充放電能力和安全性是不同充電電池變成電動汽車(EV)和許多其他應用的主力的三個關(guān)鍵問題。如何管理這些電池單元內(nèi)的溫度從而使得其保持在接近室溫(25°C )是解決與這三個問題相關(guān)的問題的關(guān)鍵。這是因為:1)在運行或存放期間，高于該溫度的過熱會引起過量的不可逆的化學反應，這些反應反過來引起離子通道阻塞和電池失去再次充電的能力；2)相對于給定封裝技術(shù)的給定散熱率，通過電池內(nèi)阻的更快速充放電會引起單元內(nèi)的溫度更多增加，單元將失去其容量和壽命；3)如果溫度超過一個災難性的引起強烈化學反應的故障溫度(熱失控)，則這些單元將會爆炸。
[0003]通常有四種不同的基本電池熱管理方法。這些方法的共同點是，電池首先制造成具有不同幾何形狀的小單元，然后包裝成大的體積。這種方法會減少單元表面和單元內(nèi)最熱點之間的溫差。在將熱量從單元的表面散發(fā)到大電池包的外部的方式上，不同的熱管理方法不同。第一種方法是強制空氣對流的方法，即采用電扇來引起風道中的空氣流動并在風道中對單元的表面進行冷卻。該方法雖然簡單，但不節(jié)能，因為單元表面和風道入口內(nèi)的空氣之間的溫差的減小需要空氣流速線性增加，而所需電功率將增加來作為空氣流速的第三功率。在發(fā)電廠的冷卻方法中，這是明顯的。
[0004]第二種方法是強制液體對流。在強制對流中使用液體來代替空氣。因為液體具有比氣體更大的熱容，所以冷卻更有效，但是為了加快液體流動和增加冷卻所需的功率仍然是液體流速的第三功率。為了液體在各單元之間的空間在單元表面上直接流動，對于密集電池包裝，流阻太大而不能將所需電功率保持足夠低。
[0005]第三種方法(US2009004556A1)是將固相-液相相變材料(PCM)與電池一起封裝。隨著電池表面被加熱，PCM吸收熱量并熔化成液體，在保持溫度恒定的同時儲存熱能。由于通過PCM臨時儲熱，對于給定散熱率，該方法有效增加充放電速度。然而，由于為了使PCM體積遠離電池表面以達到熔化溫度，PCM容量是有限的。由于PCM糟糕的導熱性，仍然需要單元表面溫度遠高于PCM的熔化溫度。
[0006]最后一種方法(US2011206965A1)是2-D熱管方法。薄片形式的二維熱管被制造，以及熱端被安裝在電池單元表面而冷端安裝有翅片，用來更有效地進行強制空氣冷卻。具有理想沸點的液相-氣相PCM被密封于該2-D熱管內(nèi)。隨著電池表面溫度上升(其可能超過PCM沸點)，壁面內(nèi)熱管上的PCM汽化并將熱能帶到冷端從而再次冷凝回液體。傳遞到冷端的熱能由氣流消散。2-D熱管的制造太貴而不能在工業(yè)應用中實現(xiàn)，以及冷卻仍然受限于通過強制空氣冷卻方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供更有效和高效的方法、設(shè)計和裝置以降低可充電電池單元內(nèi)的溫度，從而延長電池壽命并顯著增加電池的充放電速度和安全性。
[0008]本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點將在下面的描述中闡述以及從該描述中部分是明顯的，或者可以通過實踐本發(fā)明而得知本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點。本發(fā)明的目標和其它優(yōu)點通過在書面描述和其權(quán)利要求以及所附的附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)或獲得。
[0009]為了實現(xiàn)這些和其他優(yōu)點，并根據(jù)如實施和廣泛描述的本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種電池，該電池包括外殼、多個電池單元以及液相-氣相相變材料(L-V PCM)，多個電池單元相互電連接并設(shè)置在所述外殼內(nèi)，所述電池單元相互隔開，其中在所述電池單元之間具有自由空間，所述液相-氣相相變材料在所述外殼內(nèi)。
[0010]另一方面，本發(fā)明提供了一種電池系統(tǒng)，所述電池系統(tǒng)包括:電池，所述電池包括電池外殼、多個電池單元，所述多個電池單元相互電連接并設(shè)置在所述外殼內(nèi)，所述電池單元相互隔開，其中在所述電池單元之間具有自由空間、以及液相-氣相相變材料(L-VPCM)，所述液相-氣相相變材料在所述外殼內(nèi)，其中所述電池外殼包括蒸汽出口和液體入口，所述蒸汽出口用來允許L-V PCM蒸汽傳遞到所述外殼外，所述液體入口定位在所述電池外殼頂部并用來允許L-V PCM液體導入所述電池外殼中；熱交換器，所述熱交換器包括熱交換器外殼，所述熱交換器外殼具有蒸汽入口和液體出口，所述液體出口設(shè)置在所述熱交換器外殼的底部、多個容器，所述多個容器設(shè)置在所述熱交換器外殼內(nèi)，每一個所述容器包含固相-液相相變材料；第一管道，所述第一管道將所述電池外殼的所述蒸汽出口連接到所述熱交換器的所述蒸汽入口，用來允許L-V PCM蒸汽從所述電池外殼流至所述熱交換器外殼；以及第二管道，所述第二管道將所述熱交換器的所述液體出口連接到所述電池外殼的所述液體入口，用來允許L-V PCM液體從所述熱交換器外殼流至所述電池外殼；其中所述熱交換器外殼設(shè)置在所述電池外殼的上方。
【附圖說明】
[0011]圖1是前剖視圖，其示意性地示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的電池。
[0012]圖2是圖1的電池的頂板的俯視剖視圖，其示意性示出冷卻管道的布置。
[0013]圖3示意性示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的電池和具有S-L PCM系統(tǒng)的電池。
[0014]圖4示意性示出用于圖3實施例中的電池的具有多個孔的盤件。
【具體實施方式】
[0015]可以理解，本文描述的示例和實施例僅用于說明性的目的，以及其各種修改或改變將被建議給本領(lǐng)域的技術(shù)人員，并且被包括在本申請的精神和范圍內(nèi)以及所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0016]在本發(fā)明的各實施例中，三維(3-D)超熱導熱管理設(shè)計被用來降低可再充電電池單元內(nèi)的溫度。3-D相變熱交換法被用來從單元表面散熱。在一些實施例中，具有不同的幾何形狀，包括平板、實心或空心圓柱狀等的單元被封裝在3-D真空密封外殼內(nèi)，其中單元表面之間具有小自由空間。優(yōu)選的幾何形狀是薄型平板。其較薄的厚度可在單元表面和單元內(nèi)熱點之間提供較低的溫差，因此，在上文討論的三個方面性都具有更優(yōu)的性能。
[0017]在電池運行期間，具有所需沸點的液相至氣相相變材料(L-V PCM)被用來使單元各表面濕潤。在一些實施例中，單元表面涂有親水膜，其通過毛細管力作用在運行前保持單元表面濕潤。也可采用其它芯或纖維材料來實現(xiàn)毛細管力作用，從而在電池運行前保持單元表面濕潤。
[0018]在電池運行期間，由于單元表面溫度升高，其可能超過LV-PCM液體的沸點，從而液體層蒸發(fā)并從單元表面帶走熱量。蒸氣攜帶的熱量被傳遞到下文描述的冷表面且蒸氣冷凝回液體。以這種方式，所有的單元表面都在可忽略的溫差下熱“短路”連接到冷表面。液體然后被傳遞回到單元表面，如滴落或淋灑到單元的頂部，從而繼續(xù)該循環(huán)。
[0019]在一些實施例中，冷表面是頂部頂板的表面或電池單元外殼的周圍側(cè)壁，這可以通過強制液體對流或空氣對流來冷卻。從外殼的頂表面上冷凝的液體通過重力下降到單元上的盤件中，以及具有一系列小孔的盤件中的液體通過這些孔滴落到單元表面(“降膜”)。也可利用如栗和噴霧器的其他方法來傳送冷凝的液體并將液體噴淋到單元表面。
[0020]在一些實施例中，冷表面是容器的表面，其包含固相-液相PCM(S-L PCM)，該固相-液相PCM (S-L PCM)的熔化溫度略低于理想的最大單元表面溫度。理想的最大電池表面溫度是可以達到可接受的電池壽命、性能和安全性的溫度。S-L-PCM容器被包裝在不同的3-D外殼內(nèi)，該不同的3-D外殼的表面相互隔開小間隙。S-L PCM容器的表面可以涂覆疏水性薄膜，以增加L-V PCM氣相-液相相變的熱交換系數(shù)。S-L PCM容器的外殼和電池單元外殼由具有所需直徑的管道連接，并且優(yōu)選PCM容器放置在電池外殼頂上，這使得冷凝液體在重力作用下落回電池外殼的頂盤件中。S-L PCM容器可以具有平板或圓柱形的幾何形狀，優(yōu)選具有薄厚度或小直徑。以這種方式，所有電池單元的表面和S-L PCM容器表面熱“短路”并具有可忽略的溫差，以及電池單元表面上的熱量然后被轉(zhuǎn)移到S-L PCM容器的表面并隨著PCM材料熔化成液體熱存儲在PCM材料內(nèi)。在一些實施例中，電池運行后，存儲在S-L PCM中的熱通過具有相對較低的氣流流速的空氣對流來散發(fā)，從而小功率風扇是必需的。儲存電池完全放電熱能所需的S-L PCM的體積和重量是電池外殼的體積和重量的一小部分，并且用來延遲空氣冷卻的能量不到電池容量的1%。
[0021]在圖1(前剖視圖)和圖2(頂剖視圖)所示的第一實施例中，電池包括真空密封電池外殼101、布置在電池外殼的頂板108內(nèi)的多個冷卻通道107、與冷卻通道流體連通的冷卻液入口 102和出口 106、以及相互電連接并放置于電池外殼內(nèi)的多個電池單元103。電池外殼101可以由金屬、塑料和/或其他合適的材料制成。優(yōu)選地，頂板108由金屬或其它具有良好導熱性的材料制成。
[0022]電池單元可以是任何合適的類型以及其結(jié)構(gòu)本文將不再詳細描述。電池單元的優(yōu)選形狀是具有薄厚度(例如，如果制造成本允許的話為約I至10毫米)的平板。各單元相互隔開，它們之間具有自由空間。例如，當單元是薄板時，其被平行布置且相鄰單元之間的自由空間可以是0.1至10毫米寬。單元可以具有圖1所示之外的其它形狀，例如，它們可以是圓柱體，其中心軸線平行布置在矩形網(wǎng)格或三角形網(wǎng)格上，以及相鄰單元之間的最接近的表面可以相距I至10毫米。
[0023]液相至氣相相變材料(L-V PCM) 105被密封在電池外殼101內(nèi)。L_V PCM具有適合于理想的電池運行溫度范圍內(nèi)的沸點。在一些實例中，L-V PCM的沸點約為30至60度。當電池冷卻時，如其不充電或放電時，L-V PCM通常為液體并聚集在電池外殼的底部，以及其溫度接近環(huán)境溫度。
[0024]優(yōu)選地，電池單元103的表面上涂有親水性薄膜104，以幫助在單元表面上散布L-V PCM液體薄層。例如，該薄膜可以是納米結(jié)構(gòu)的Si02。在單元表面上還可以形成芯或纖維結(jié)構(gòu)，諸如燒結(jié)的金屬粉末芯、網(wǎng)芯、槽芯。即使電池不運行時，親水性薄膜和/或芯或纖維結(jié)構(gòu)可以通過毛細管力作用幫助保持單元表面濕潤。
[0025]電池運行期間(充電或放電)，隨著單元表面的溫度上升，其可能超過L-V PCM的沸點，則單元表面上的L-V PCM的薄