液層蒸發(fā)并從單元表面帶走熱量。L-V PCM的蒸氣冷凝成液體返回頂板108的內(nèi)表面，將熱量釋放到頂板上。通過這種方式，熱量從電池單元表面?zhèn)鬟f到頂板108，以及單元表面熱“短路“于頂板。
[0026]在頂板108的內(nèi)表面上凝結(jié)的L-V PCM可以滴落到單元103的頂部，或沿垂直側(cè)壁回流到電池外殼101的底部。頂板108的形狀可以設(shè)計(jì)成促進(jìn)流動(dòng)和/或滴落。例如，可以頂板的內(nèi)側(cè)面上形成平行朝下的凸脊，并定位在電池單元的上方，以幫助液體滴落到單元上。流回到電池外殼底部的液態(tài)PCM可以通過親水性薄膜和/或芯或纖維結(jié)構(gòu)分散在單元表面。然后該液體可以從單元表面再次蒸發(fā)從而繼續(xù)該循環(huán)。
[0027]在其內(nèi)部具有流體通道107的頂板108優(yōu)選由金屬(或其它具有良好的導(dǎo)熱性的材料)制成。冷卻流體經(jīng)入口 102供給到冷卻通道，流過通道并經(jīng)出口 106移除，從而將熱量從頂板帶走。在返回到流體通道107之前，冷卻流體由外部的冷卻裝置冷卻(圖1和2未示)，其可以采用常規(guī)的冷卻方法，諸如強(qiáng)空氣或液體冷卻、自然對(duì)流冷卻等。
[0028]圖3和4所示的第二實(shí)施例中，電池單元201通過類似于第一實(shí)施例的方式放置在電池外殼202內(nèi)。L-V PCM 217設(shè)置在電池外殼202內(nèi)并通常在電池冷卻時(shí)聚集到電池外殼底部。如第一實(shí)施例，在單元表面上可以設(shè)置親水性薄膜和/或芯或纖維結(jié)構(gòu)。與第一實(shí)施例不同的是，L-V PCM的蒸氣經(jīng)由位于電池外殼頂部附近的蒸汽出口 204從電池外殼202轉(zhuǎn)移到熱交換器。
[0029]該熱交換器包括真空密封外殼207 ο多個(gè)容器208布置在該外殼內(nèi)并包含固相-液相相變材料(S-L PCM)。在環(huán)境溫度下保持為固體的S-L PCM具有低于所需的最大單元表面溫度的熔化溫度。在一些實(shí)例中，S-L PCM的熔化溫度為約25至60度。管道214將電池外殼的蒸汽出口 204經(jīng)由具有閥206的蒸汽入口連接到熱交換器外殼207。另一個(gè)管道205連接位于熱交換器外殼207底部的液體出口 215和位于電池外殼202頂部的液體入口216。熱交換器高于電池放置，使得液化的L-V PCM可以在重力作用下從熱交換器外殼207流到電池外殼202。
[0030]在電池運(yùn)行期間，隨著單元表面溫度升高，其可能超過L-V PCM的沸點(diǎn)，單元表面上的薄液態(tài)L-V PCM層蒸發(fā)并從單元表面帶走熱量。蒸氣通過蒸汽出口 204、管道214和入口 /閥206從電池外殼202排出并進(jìn)入熱交換器外殼207。然后蒸汽在S-L PCM容器208的冷表面上冷凝回液體，加熱并熔化包含于其中的S-L PCM。S-L PCM容納于多個(gè)容器208中，以增加L-V PCM蒸氣與S-L PCM之間的接觸面，其促進(jìn)高效的熱交換。冷凝的L-V PCM液體流到或滴落到外殼207的底部，并經(jīng)由液體出口 215、管道205和液體入口 216流至電池外殼202。
[0031]在電池外殼202內(nèi)，具有孔213陣列的盤件203 (參照?qǐng)D4)放置在液體入口 216的下面和單元201的上面。來自熱交換器經(jīng)由入口 216返回的液態(tài)L-V PCM在盤件203上聚集并通過孔213滴落到單元上。從入口 216返回的液態(tài)L-V PCM還可以流到電池外殼202的底部，然后通過親水性薄膜和/或芯或纖維結(jié)構(gòu)散布在單元表面。L-V PCM再次從單元表面蒸發(fā)從而繼續(xù)該循環(huán)。
[0032]可選地，S-L PCM容器208安裝在轉(zhuǎn)子上，該轉(zhuǎn)子可由發(fā)動(dòng)機(jī)211帶動(dòng)緩慢地或不時(shí)地旋轉(zhuǎn)，以使多個(gè)容器208內(nèi)的S-L PCM可以被更均勻地加熱。
[0033]在電池運(yùn)行期間，單元201產(chǎn)生的熱量被L-V PCM攜帶到S_L PCM容器208內(nèi)，并通過熔化S-L PCM存儲(chǔ)在容器208中。電池運(yùn)行結(jié)束后，S-L PCM冷卻并變回固體。為了冷卻S-L PCM，在熱交換器外殼207上設(shè)置有具有對(duì)應(yīng)閥212和210的多個(gè)通氣口。電池運(yùn)行結(jié)束后，關(guān)閉蒸汽入口閥206和打開排氣閥210和212。風(fēng)扇209吹出的空氣通過熱交換器外殼207對(duì)S-L PCM容器進(jìn)行冷卻，從而帶走存儲(chǔ)在S-L PCM內(nèi)的熱能。隨著容器表面被冷卻，S-L PCM被冷凝回固體形式。
[0034]在一些實(shí)施例中，L-V PCM可以是但不限于，諸如水、乙醇等。L-V PCM的沸點(diǎn)選擇取決于電池單元表面的運(yùn)行溫度范圍。因?yàn)榭紤]安全性，L-V PCM應(yīng)該是在電池環(huán)境中安全使用的。S-L PCM可以是但不限于，諸如石蠟。S-L PCM的熔化溫度應(yīng)低于所需的最大單元表面溫度。
[0035]上述電池結(jié)構(gòu)可以看作3-D相變熱交換結(jié)構(gòu)，其中熱交換表面，即發(fā)生液相-氣相轉(zhuǎn)換的電池單元表面呈在3-D空間中以3-D方式布置的多個(gè)表面的形式。這是通過使這些單元相互分隔開自由空間來完成的，該自由空間位于多個(gè)單元表面之間并用于蒸汽行進(jìn)。相比之下，傳統(tǒng)的熱管道結(jié)構(gòu)使用一種管道形狀(其可被認(rèn)為是1-D結(jié)構(gòu))或薄扁平形狀(其可以被認(rèn)為是2-D結(jié)構(gòu)，諸如在本公開的【背景技術(shù)】部分討論的最后一個(gè)常規(guī)方法中的描述)。
[0036]上述實(shí)施例中描述的電池結(jié)構(gòu)提供高冷卻效率，因?yàn)閱卧砻婵梢员３纸咏浔砻婊騍-L PCM熔點(diǎn)的恒定溫度。在可充電電池的應(yīng)用中，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是如何有效地將熱量從電池單元的內(nèi)部傳遞到單元表面然后再?gòu)膯卧砻鎺ё?。在本公開【背景技術(shù)】部分所討論的第三種常規(guī)方法中，雖然電池單元產(chǎn)生的熱量最終由S-L PCM吸收，各單元與S-L PCM之間的熱交換仍然受限于S-L PCM的熱導(dǎo)率。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過L-V PCM的使用，熱量被有效地從單元表面轉(zhuǎn)移到頂板或S-L PCM。
[0037]在第二實(shí)施例中，儲(chǔ)存電池完全放電的熱能所需的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S-L PCM空氣冷卻的能量消耗不到電池容量的1%。
[0038]明顯的是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的可充電電池的結(jié)構(gòu)和相關(guān)方法進(jìn)行各種修改和變型而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。因此，本發(fā)明旨在涵蓋落入所附權(quán)利要求及其等同物的范圍內(nèi)的各種修改和變型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電池，其特征在于，所述電池包括: 夕卜殼; 多個(gè)電池單元，所述多個(gè)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-V PCM)，所述液相-氣相相變材料在所述外殼內(nèi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，在所述電池單元的表面上設(shè)置有親水性薄膜或芯或纖維結(jié)構(gòu)，其中所述親水性薄膜或芯或纖維結(jié)構(gòu)在所述電池單元的表面上形成L-V PCM薄液層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述外殼具有頂板、入口以及出口，所述頂板具有用來流過冷卻液的多個(gè)通道，所述入口用于將所述冷卻液供應(yīng)入所述通道，以及所述出口用來移除所述冷卻液。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述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，所述液體出口定位在所述外殼頂部并用來允許L-V PCM液體導(dǎo)入所述外殼中。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池，其特征在于，所述電池還包括具有多個(gè)孔的盤件，所述盤件設(shè)置在所述外殼內(nèi)，并位于所述液體入口下方和所述電池單元上方。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述電池單元是平板，所述平板的形狀為具有約I毫米到I毫米的厚度，以及在所述電池單元之間的所述自由空間寬約0.1毫米到I毫米。7.—種電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電池系統(tǒng)包括: 電池，所述電池包括: 電池外殼； 多個(gè)電池單元，所述多個(gè)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-V PCM)，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蒸汽傳遞到所述電池外殼外，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(dǎo)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(gè)容器，所述多個(gè)容器設(shè)置在所述熱交換器外殼內(nèi)，每一個(gè)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。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述電池單元的表面上設(shè)置有親水性薄膜或芯或纖維結(jié)構(gòu)，其中所述親水性薄膜或芯或纖維結(jié)構(gòu)在所述電池單元的表面上形成L-V PCM薄液層。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電池還包括具有多個(gè)孔的盤件，所述盤件設(shè)置在所述電池外殼內(nèi)，并位于所述液體入口下方和所述電池單元上方。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其特征在于，所述電池單元是平板，所述平板的形狀為具有約I毫米到I毫米的厚度，以及在所述電池單元之間的所述自由空間寬約0.1毫米到I毫米。
【專利摘要】3-D“相變熱交換”結(jié)構(gòu)和方法被用于可充電電池中，以從電池單元的表面散發(fā)熱量并且降低電池單元內(nèi)的溫度。該電池單元布置在外殼內(nèi)并相互隔開，電池單元之間具有自由空間。在殼體內(nèi)放置有液相-氣相相變材料(L-V？PCM)。在電池單元的表面上設(shè)置親水性薄膜或芯或纖維結(jié)構(gòu)，以幫助在單元表面上形成L-V？PCM薄液層。運(yùn)行期間，L-C？PCM在單元表面上蒸發(fā)并在電池外殼上或外部熱交換器內(nèi)冷凝回液體，并滴落回到單元的頂部上。該設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了電池的壽命并顯著提高電池的性能。
【IPC分類】H01M10/6569
【公開號(hào)】CN105210231
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201480023436
【發(fā)明人】項(xiàng)曉東
【申請(qǐng)人】項(xiàng)曉東
【公開日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2014年4月23日
【公告號(hào)】US20160104925, WO2014176320A2, WO2014176320A3