專利名稱：具有用于增強(qiáng)熱交換屬性的微膠囊相變材料的電池?zé)峤缑娴闹谱鞣椒?br> 具有用于增強(qiáng)熱交換屬性的微膠囊相變材料的電池?zé)峤缑嫦嚓P(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2011年4月7日提交的美國臨時申請61/472，701的權(quán)益。
背景技術(shù)：
本發(fā)明大致涉及電池及其部分的被動熱管理，且更具體地涉及微膠囊相變材料與汽車電池組、電池模塊或獨(dú)立電池單元的結(jié)合使用，從而改善這些電池元件的熱管理。鋰離子電池在汽車應(yīng)用中在混合電動車輛(HEV)的情況下作為補(bǔ)充方式使用，或在純電動車輛(PEV)、傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(ICE)的情況下作為替代方式使用。在任ー變型中，HEV或PEV均屬于公知為電動車輛(EV)的更大類的車輛。鋰離子電池的高容積熱產(chǎn)生率和基本上被動的構(gòu)造提供需要用作小車、卡車、公共汽車、摩托車和相關(guān)汽車或車輛平臺的推進(jìn)系統(tǒng)的耐久性和功能性。 溫度是影響電池的性能和壽命的最重要因素中的ー個。極端情況(例如在冷或熱環(huán)境下長期靜止所遭遇的那些情況或因延長操作時間段和在熱天的伴生熱的情況)，可能負(fù)面影響電池正確地操作的能力，且在嚴(yán)重情況下可能損壞整個電池。長期暴露于高溫度的副作用可能包括早期老化和加速容量衰退，均是非理想的。經(jīng)證實(shí)，傳統(tǒng)熱耗散方法，例如強(qiáng)制通風(fēng)冷卻和液體冷卻在避免這種副作用中有效，但它們會增加整個車輛系統(tǒng)重量、復(fù)雜度和寄生功率需求。

發(fā)明內(nèi)容
基于相變材料(PCM)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有限制電池溫度極限的潛力，因而用于増加溫度均勻性，以及降低加熱和冷卻要求。這有助于延長熱敏元件例如形成電池模塊和電池組的塊結(jié)構(gòu)的充電電池單元的壽命。PCM在相的等溫(即恒定溫度)改變例如從固態(tài)至液態(tài)或從液態(tài)至固態(tài)期間可吸收和釋放大量的潛熱(在一些實(shí)例中高達(dá)感知熱的五十倍)。這樣，PCM的使用可有助于降低或消除對主動冷卻元件例如強(qiáng)制通風(fēng)冷卻或強(qiáng)制液冷系統(tǒng)中風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)或泵的需要。這是有利的，因?yàn)镻CM可提供將單元溫度維持在所需溫度范圍內(nèi)而不從電池或另一能量源提取功率的能力?；赑CM的電池?zé)峁芾矸椒ǖ呐e例可在與本申請同日提交的名稱為“Batteries with phase change materials”的共同待決的美國專利申請中找到，該美國專利申請由本發(fā)明的受讓人擁有，并通過引用整體結(jié)合于此。根據(jù)本發(fā)明的ー個方面，公開了ー種采用ー個或多個的電池模塊的電池組，電池模塊采用一個或多個的電池単元。更具體而言，微膠囊類型的基于PCM的熱管理系統(tǒng)用于為這種電池元件的構(gòu)造提供加強(qiáng)的加熱或冷卻中的至少ー個。這種類型，已知為微PCM，由非常小的雙元件顆?；蚰z囊組成，包括具有潛熱改變的芯材料和由聚合物或相關(guān)材料制成的外殼體或膠囊，芯材料定制成適合典型地見于汽車電池組的溫度范圍，芯和殼體共同限定基本上球形的泡沫狀材料。微PCM膠囊的直徑范圍從小于ー個微米至幾百微米，其中物質(zhì)的所有三種狀態(tài)(固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài))可用于形成可微膠囊封裝的芯。相較于非微膠囊PCM,微膠囊PCM的優(yōu)勢包括更加保護(hù)芯材料、容易結(jié)合于其它材料，和在熔化期間降低泄漏的可能性。微PCM還可以不同質(zhì)量百分比混合，以便設(shè)定它們的熱響應(yīng)，例如調(diào)整相變潛熱和相變溫度。它們還可制作成將多于ー種的材料形成在芯內(nèi)，使得各微PCM具有熱復(fù)合結(jié)構(gòu)。額外優(yōu)勢包括低材料成本，其中微膠囊可包括約50%至90%之間的活性材料。在具體形式中，電池組由多個電池模塊組成，各電池模塊由ー個或多個電池單元組成，一個或多個電池単元可輸送用作用于汽車的原動カ的電流。在本文中，術(shù)語“原動力”指能夠不僅僅為另一功率源(例如內(nèi)燃發(fā)動機(jī))提供啟動功率的電池組；其包括能夠以與其設(shè)計一致的方式提供足以推動車輛的持續(xù)功率的電池組。在ー種形式中，通過電池組產(chǎn)生的電流可用于使ー個或多個電動馬達(dá)工作，一個或多個電動馬達(dá)又可用于使ー個或多個輪旋轉(zhuǎn)。其它構(gòu)件(例如結(jié)構(gòu)構(gòu)件)放置成與電池單元熱連通，使在它們之間能夠進(jìn)行熱交換。該構(gòu)件包括微PCM，使得在微PCM受到溫度變化時，微PCM吸收(在涉及外界高溫的情況下)或釋放(在涉及外界低溫的情況下)大量的潛熱的能力允許與電池單元進(jìn)行大量的熱交換，而不(或至少明顯降低)需要輔助冷卻，例如強(qiáng)制通風(fēng)或強(qiáng)制液體對流冷卻。在一個優(yōu)選形式中，微PCM由包含相變材料的內(nèi)芯的外殼體的兩層結(jié)構(gòu)組成。以這種方式，高潛熱吸收的材料保護(hù)性地封裝在殼體內(nèi)。對于汽車應(yīng)用，其中外界溫度大多在 約-10°C至40°C之間，高潛熱吸收的材料可制成在這些界限上或這些界限內(nèi)的ー些典型溫度在以固、液或氣態(tài)中的任意ー種形式存在。這樣，在本文中，當(dāng)微PCM被描述為具有具體相變溫度(例如通常約-10°C至約40°C或在該范圍內(nèi)的更具體值例如37°C (在二十烷的情況下，如下所述)，或更寬范圍例如約0°C以下)時，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，接近這些溫度的微小變型也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要這種變型對應(yīng)汽車操作的熱環(huán)境，以及這種環(huán)境在汽車設(shè)計范圍內(nèi)且是在這種操作期間合理期望遇到的。用于微PCM的芯材料的一種尤其理想的材料為二十烷，基于鏈烷烴的烷烴混合物，其具有熔合的高潛熱(例如約240kJ/kg)。二十烷的熔化點(diǎn)為37°C，使得其用于電動車輛應(yīng)用是理想的，其中典型電池單元最大漂移溫度可能發(fā)生在約40°C至50°C之間。同樣，因?yàn)槠噾?yīng)用(例如具有HEV或PEV構(gòu)造的那些)可能在以上溫度范圍內(nèi)操作，希望至少高溫相變溫度發(fā)生在約28°C至40°C之間。這種基于鏈烷烴的PCM為優(yōu)良電絕緣體，電阻在IO13和IO17歐姆米之間。而且，這種微PCM顯示出在各種電池充電和放電循環(huán)中耐用，特別強(qiáng)調(diào)，因?yàn)樵诓煌姵夭僮鳒囟认屡菽瓑嚎sカ將偏轉(zhuǎn)，避免損壞微膠囊?？墒褂闷渌牧?，例如非鏈烷烴有機(jī)PCM脂肪酸；然而，可能需要額外加工，使得熔化或相關(guān)相變在與HEV或PEV電池組操作溫度相稱的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。根據(jù)具體汽車環(huán)境的需要，其它基于鏈烷烴石蠟的適當(dāng)材料可包括十八烷。盡管可以通過在石蠟基體中使用某種高熱傳導(dǎo)材料(例如石墨)增強(qiáng)材料(例如鏈烷烴石蠟)的熱傳導(dǎo)性，但至少對于汽車和相關(guān)交通應(yīng)用必須注意的是，石墨易于損壞(且因此顯現(xiàn)負(fù)面的與破碎相關(guān)的損壞屬性)，難以加工，電傳導(dǎo)且昂貴。其它因素(例如泄漏屬性)妨礙其用作PCM的基體，尤其是對于HEV或PEV應(yīng)用來說。在ー個具體構(gòu)造中，微PCM(可具體化為基本上球形形狀)的直徑為約20微米。同樣，用作芯的高潛熱吸收的材料可在室溫下為固、液或氣態(tài)中的任意ー種，只要其在受到電池組的相應(yīng)高或低溫時保持吸收或釋放大量的潛熱的能力，吸收或釋放大量的潛熱對應(yīng)于吸熱反應(yīng)熱吸收和放熱反應(yīng)熱釋放中的至少ー個。在更具體的形式中，所述構(gòu)件(優(yōu)選為熱交換機(jī)構(gòu)的一部分或?yàn)闊峤粨Q機(jī)構(gòu)提供結(jié)構(gòu)支撐)包括冷卻翅片、冷卻板或可壓縮泡沫隔離片中的至少ー個，冷卻翅片、冷卻板或可壓縮泡沫隔離片中的任意ー個或全部可用于支撐微PCM，例如通過涂覆或其它方式將微PCM層放置在外表面上。在另一形式中，微PCM可為復(fù)合物，使得其由低溫相變材料(例如設(shè)計成在約-10°C至約o°c的范圍中的溫度經(jīng)歷從液態(tài)至固態(tài)的相變)和高溫相變材料(例如設(shè)計成在約40°c的溫度或(需要更高溫度汽化潛熱的情況下)在約40°C至50°C之間經(jīng)歷從固態(tài)至液態(tài)的相變)組成。這種復(fù)合物構(gòu)造在汽車應(yīng)用中尤其具有價值，其中時間歷史記錄可顯示顯著不同的熱環(huán)境。各種微PCM可以不同質(zhì)量百分比混合在膠囊中以獲得不同的相變溫度。例如，n-十四烷(熔化點(diǎn)為6°C )和n- 二十烷(熔化點(diǎn)為37°C )可混合在膠囊中，以將溫度波動限制在約0°C至約40°C之間。在這種復(fù)合物的變型中，可采用包含高溫和低溫殼體-芯組合的混合物。理想的是，采用微PCM的本發(fā)明的熱管理系統(tǒng)應(yīng)用于電池，以減少重復(fù)暴露于高溫，重復(fù)暴露于高溫將導(dǎo)致電池的早期老化。更具體而言，緊密接觸電池單元的微PCM可用作熱緩沖，其可降低功率衰退，降低容量衰退 ，提高電池壽命和耐久性，降低保修成本，提高車輛范圍和預(yù)防熱失控。而且，具有不同(即更低)熔化點(diǎn)的微PCM可混合在高溫微PCM中，由此提供高、低溫保護(hù)。例如，低溫相變材料和高溫相變材料可放置在同一膠囊內(nèi)，產(chǎn)生一種形式的復(fù)合微PCM。同樣,復(fù)合微PCM可包括混合在高溫芯-殼體組合中的低溫芯-殼體組合。在ー種形式中，微PCM可形成為鋰離子電池單元或相關(guān)電池単元的一部分，或可放置成與電池單元熱連通的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或相關(guān)元件(例如泡沫隔離片、冷卻板或冷卻翅片)的一部分。優(yōu)選的是，微PCM的體容積采用濕餅形式(即固體和水的混合物)。在本文中，濕餅形式指整個雙元件顆粒的體容積；在一個優(yōu)選形式中，其包含約70%的固體和約30%的水。相較于干餅形式，濕餅形式的微PCM當(dāng)與其它材料混合時反應(yīng)快速，且經(jīng)證實(shí)其更穩(wěn)定而不易分離。微PCM可均勻涂覆在聚氨酯材料上或熔化混合于聚氨酷材料，以形成新的熱泡沫隔離片，或形成作為冷卻板或冷卻翅片的一部分的通道。在一個優(yōu)勢形式中，PCM的微膠囊形成為其具有高度的溫度穩(wěn)定性，其中泄漏保持為最小。高熱容量的微PCM與其所附接的井置的片、板或翅片聯(lián)接，形成被動熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，該被動熱管理系統(tǒng)獨(dú)立于作為集成冷卻系統(tǒng)的一部分的主動或其它形式的冷卻，或作為其一部分。因而，甚至在可以確保主動冷卻的情況下，將微PCM使用作為集成冷卻策略的一部分可簡化冷卻系統(tǒng)。而且，本發(fā)明的微PCM可在基于空氣或基于液體的冷卻介質(zhì)的情況下使用。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，汽車包括用于運(yùn)輸乘客、操作員或貨物中的至少ー個的部分，用于接合汽車行駛的表面的部分和用于為表面-接合部分提供原動カ的推進(jìn)部分。在ー種形式中，運(yùn)輸部分可為小汽車、卡車、公共汽車等的貨倉或客艙，以及用于摩托車的座位。類似地，表面-接合部分可由一個或多個輪組成，ー個或多個輪有利于汽車在道路、軌道、路徑或相關(guān)表面上的滾動運(yùn)動。相關(guān)地，推進(jìn)部分為輪提供原動力，且可包括電池組，電池組包括ー個或多個電池模塊，一個或多個電池模塊可由ー個或多個獨(dú)立電池單元制成。如上所述，對于電池和它們的元件，溫度管理是重要問題；本發(fā)明包括由放置成與ー個或多個電池單元熱連通的微PCM組成的熱交換機(jī)構(gòu)。在微PCM受到ー個電池單元或多個電池單元的溫度變化時，微PCM可定制成(在適當(dāng)溫度)經(jīng)歷相變，以便吸收(在加熱時)構(gòu)成電池組的一個或多個單元的熱量或向構(gòu)成電池組的ー個或多個單元釋放(在冷卻時)熱量。可選地，微PCM由外殼體構(gòu)成，高潛熱吸收材料的內(nèi)芯封裝在殼體內(nèi)。在ー種形式中，微PCM可包括低溫相變材料和高溫相變材料，使得低溫相變材料構(gòu)造成在相對低的溫度經(jīng)歷從液態(tài)到固態(tài)的相變，且進(jìn)一歩使得高溫相變材料構(gòu)造成在相對高的溫度經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的相變。這種相對溫度優(yōu)選地與汽車通常和電池組具體可能受到的低溫和高溫相符。如以上所討論的那樣，在ー種形式中，低溫和高溫芯材料可一起混合ー個殼體內(nèi)，而在另ー種形式中，各自可保持在它們自身對應(yīng)的殼體內(nèi)。后者的構(gòu)造允許基于期望的局部熱環(huán)境審慎地放置定制溫度的微PCM。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，公開了ー種控制電池組溫度的方法。所述方法包括將微PCM配置成與電池單元熱連通，使得在單元的溫度變化時，在單元和微PCM之間發(fā)生熱交換，其中它們之間的熱交換的至少一部分發(fā)生在微PCM芯內(nèi)的相變期間。在交換的具體形式中，相變包括使微PCM在小于約(TC的溫度從基本上液態(tài)形式轉(zhuǎn)化成基本上固態(tài)形式。同樣，相變包括使微PCM在大于約40°C的溫度從基本上固態(tài)形式轉(zhuǎn)化成基本上液態(tài)形式。在其它形式中，依據(jù)電池的構(gòu)造、使用環(huán)境或相關(guān)操作條件，相變溫度可設(shè)定成對于電池単元的操作重要的其它溫度狀況下發(fā)生；應(yīng)理解，這種其它溫度范圍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在另ー選擇中，微PCM可由多個相變材料制成；以這種方式，第一微PCM可用于電池組(或其相關(guān) 部分)受到低溫的情況，而第二微PCM可用于其受到高溫的情況。如上所述，這種構(gòu)造(即低溫和高溫能力)可稱為復(fù)合PCM系統(tǒng)。如結(jié)合上述實(shí)施例討論的那樣，微PCM由外殼體 構(gòu)成，高潛熱吸收的材料的內(nèi)芯封裝在殼體內(nèi)，其中芯可包含低溫和高溫相變材料中的一種或兩種，作為上述復(fù)合結(jié)構(gòu)的ー種形式的一部分。在又ー選擇中，微PCM放置成與電池單元的表面可壓縮地接觸，例如通過上述泡沫隔離片，其中微PCM與聚氨酯或相關(guān)基板的組合顯現(xiàn)出弾性、類似泡沫的屬性。這種(和其它直接)接觸保證了充分的微PCM與電池的熱產(chǎn)生部分之間的熱量熱連通的機(jī)會。而且，如先前討論的那樣，微PCM可形成冷卻板(更具體地，放置在形成于板表面的一個或多個通道內(nèi))或冷卻翅片的表面的一部分。此外，本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。I. 一種用于汽車的電池模塊,所述電池模塊包括
至少ー個電池單元，所述電池單元構(gòu)造成輸送電流，用作用于所述汽車的原動カ；和放置成與所述至少一個電池単元熱連通的構(gòu)件，所述構(gòu)件包括微膠囊相變材料，該微膠囊相變材料在受到所述至少一個電池単元的溫度變化時能夠經(jīng)歷相變，從而與所述至少ー個電池單元交換熱量。2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電池模塊，其特征在于，所述微膠囊相變材料包括外殼體，高潛熱吸收的材料的內(nèi)芯封裝在所述殼體內(nèi)。3.根據(jù)技術(shù)方案2所述的電池模塊，其特征在于，所述芯包括二十烷。4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的電池模塊，其特征在于，所述殼體包括聚合物基材料。5.根據(jù)技術(shù)方案2所述的電池模塊，其特征在于，所述微膠囊相變材料的尺寸在直徑約I微米至直徑約100微米之間。6.根據(jù)技術(shù)方案2所述的電池模塊，其特征在于，所述高潛熱吸收的材料在室溫下可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)中的任意ー種。7.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電池模塊，其特征在于，所述相變對應(yīng)于吸熱反應(yīng)熱吸收和放熱反應(yīng)熱釋放中的至少ー個。8.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電池模塊，其特征在于，所述構(gòu)件包括泡沫隔離片、冷卻翅片或冷卻板中的至少ー個，泡沫隔離片、冷卻翅片或冷卻板中的任意ー個包括形成在其外表面的所述微膠囊相變材料。9.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電池模塊，其特征在于，所述微膠囊相變材料包括低溫相變材料和高溫相變材料，使得所述低溫相變材料構(gòu)造成在約0°c的溫度經(jīng)歷從液態(tài)到固態(tài)的相變，且進(jìn)一歩使得所述高溫相變材料構(gòu)造成在約40°c的溫度經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的相變。10. 一種汽車，包括
用于運(yùn)輸乘客、操作員或貨物中的至少ー個的部分；
用于接合所述汽車行駛的表面的部分；和
用于提供原動カ給所述與表面接合的部分的推進(jìn)部分，所述推進(jìn)部分包括至少ー個電池模塊，所述至少ー個電池模塊包括
至少ー個電池單元；和
放置成與所述至少一個電池単元熱連通的熱交換機(jī)構(gòu)，所述熱交換機(jī)構(gòu)包括微膠囊相變材料，該微膠囊相變材料在受到所述至少一個電池単元的溫度變化時能夠經(jīng)歷相變，從而與所述至少ー個電池單元交換熱量。11.根據(jù)技術(shù)方案10所述的汽車，其特征在于，所述微膠囊相變材料包括外殼體，高潛熱吸收的材料的內(nèi)芯封裝在所述殼體內(nèi)。12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的汽車，其特征在于，所述微膠囊相變材料包括低溫相變材料和高溫相變材料，使得所述低溫相變材料構(gòu)造成在相對低的溫度經(jīng)歷從液態(tài)到固態(tài)的相變，且進(jìn)一歩使得所述高溫相變材料構(gòu)造成在相對高的溫度經(jīng)歷從固態(tài)到液態(tài)的相變。13. ー種控制電池模塊的溫度的方法，所述方法包括
提供至少ー個電池單元；
將微膠囊相變材料配置成與所述電池単元熱連通，使得在所述至少一個電池単元的溫度發(fā)生變化時，在所述至少一個電池単元和所述微膠囊相變材料之間發(fā)生熱交換。14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的方法，其特征在于，所述熱交換伴隨所述微膠囊相變材料的相變。15.根據(jù)技術(shù)方案13所述的方法，其特征在于，所述相變包括使所述微膠囊相變材料在小于約o°c的溫度從基本上液態(tài)形式轉(zhuǎn)化成基本上固態(tài)形式。16.根據(jù)技術(shù)方案13所述的方法，其特征在于，所述相變包括使所述微膠囊相變材料在大于約40°C的溫度從基本上固態(tài)形式轉(zhuǎn)化成基本上液態(tài)形式。17.根據(jù)技術(shù)方案13所述的方法，其特征在于，所述微膠囊相變材料包括多個相變材料，所述多個相變材料包括低溫相變材料和高溫相變材料。18.根據(jù)技術(shù)方案17所述的方法，其特征在干，所述低溫相變材料構(gòu)造成在約(TC的溫度經(jīng)歷相變，且所述高溫相變材料構(gòu)造成在約40°C的溫度經(jīng)歷相變。19.根據(jù)技術(shù)方案13所述的方法，其特征在干，所述微膠囊相變材料包括外殼體，高潛熱吸收的材料的內(nèi)芯封裝在所述殼體內(nèi)。20.根據(jù)技術(shù)方案19所述的方法，其特征在于，所述微膠囊相變材料放置成與所述至少一個電池単元的表面可壓縮地接觸。

圖I顯示了電池組形式的車輛推進(jìn)系統(tǒng)；
圖2為構(gòu)成圖I的電池組的電池模塊的一部分的一個實(shí)施例的分解圖，其中模塊包括液體冷卻； 圖3為差示掃描量熱法(DSC)圖表，顯示了將二十烷作為高潛熱材料使用的體實(shí)驗(yàn)室級微PCM的相變屬性；
圖4為顯示將二十烷作為高潛熱材料使用的微PCM在環(huán)境腔室中的熱測試的圖表；
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的ー個方面的對于基線泡沫隔離以及ー種形式的泡沫隔離當(dāng)電池節(jié)段在充電和放電操作中的電池單元溫度分布；
圖6A顯示了具有冷卻板的潛在HEV電池模塊的一部分的分解圖，其中冷卻板具有用于空氣冷卻的波紋通道；和
圖6B顯示了由圖6A的多個電池部分組成的組裝電池模塊。
具體實(shí)施例方式首先參照圖1，電池組I形式的車輛推進(jìn)系統(tǒng)顯示在部分分解圖中，其采用多個電池模塊10。依據(jù)所需功率輸出，多個電池模塊10可組合為群組或節(jié)段100 ;它們可對齊并通過同一托盤200支撐，托盤200還可用作支撐冷卻劑軟管300，冷卻劑軟管300可在需要補(bǔ)充冷卻的構(gòu)造中使用。隔離壁400可限定主要的支撐結(jié)構(gòu)，其可作為用于冷卻劑軟管300的界面發(fā)揮功能，以及在需要電池維護(hù)的情況下容納電池斷開單元。除支撐多個電池模塊10之外，托盤200和隔離壁400可支撐其它模塊，例如電壓、電流和溫度測量模塊500。顯示了電池模塊10中的ー個的獨(dú)立電池單元35 (以下詳細(xì)討論)的放置，其通過電壓和溫度子模塊600遮蓋。在ー個典型舉例中，電池組I可約有兩百個獨(dú)立電池單元35。電池組I包括其它特征，例如手動維護(hù)斷開器700，絕緣器800和護(hù)蓋900。除上述電池斷開單元之外，其它功率電子元件可用于節(jié)段100，包括電池管理系統(tǒng)或相關(guān)控制器。在包含液冷電池組的傳統(tǒng)形式中，不對這種電子元件進(jìn)行冷卻，盡管其位置非常靠近多個電池模塊10。結(jié)果，它們可以使附近的模塊10升溫，由此造成単元35的非均勻退化和它們之間的伴生的不均衡。由于大多數(shù)這些功率電子元件位于電池模塊10的頂部和端部，所以本發(fā)明的放置在這些元件和電池模塊10的単元35之間的冷卻板上的微PCM可用作熱沉，以吸收和隨后耗散通過基于空氣或基于液體的方式對流產(chǎn)生的熱。接著參照圖2，以分解圖顯示了電池模塊10的一部分的一個實(shí)施例，其與基于液冷的系統(tǒng)結(jié)合使用。為了形成模塊10，以下討論的元件中的至少ー些能夠以重復(fù)堆疊狀方式配置。端框15和重復(fù)框20形成用于電池模塊10的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其中端框15可具有圍繞冷卻板30的邊緣部分25，冷卻板30可包括用于增加穩(wěn)定性的肋，而各重復(fù)框20可用于提供用于對應(yīng)単元35的緊固安裝位置。這樣，冷卻板30 (其中微PCM可形成于冷卻板的一部分的通道內(nèi))和泡沫隔離片45 (其中微PCM可以均勻涂覆在聚氨酯材料上或與聚氨酯材料熔融混合而形成泡沫)可用作為電池單元35提供被動熱傳遞或從電池單元35提供被動熱傳遞的方式。而且，承載液體的冷卻翅片40可放置成與電池單元35熱連通，從而進(jìn)一歩增強(qiáng)熱容量和隨后的熱傳遞；它們靠近相應(yīng)ー個重復(fù)框20，以基本上類似于単元35的方式允許方便的緊固位置。在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，冷卻板30、冷卻翅片40和泡沫隔離片45中的任意ー個或全部可施加有、粘合有或以其它方式表面附著有微PCM，以便提供具有有利的增強(qiáng)的熱交換能力的所需熱界面。具體對于冷卻翅片40，液體冷卻劑可被使得流過ー個或多個基本上蜿蜒的流體運(yùn)輸通道或流路，而微PCM可布置在緊靠這些流路的表面上，以便最大化表面面積接觸和伴生熱傳遞。同樣，冷卻板30 (可安裝在端框15上)可包括形成在其基本上平面的表面中的通道，以便允許在其中放置微PCM ;與冷卻翅片40相同，冷卻板30具有相對大的面積作為接觸表面，以增強(qiáng)至電池單元35或來自電池單元35的熱傳遞。端框15和重復(fù)框20典型地由輕重量、非傳導(dǎo)材料制成，例如塑料(例如聚丙烯，尼龍6-6)和其它低成本材料?？?5、20根據(jù)需要可以是纖維增強(qiáng)的，以保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。具體對于泡沫隔離片45，微PCM可布置在構(gòu)成泡沫隔離片45的基板(例如上述聚氨酷)上。具體對于冷卻板30，微PCM可形成為濕餅的一部分或其它半固態(tài)形式，使得其能夠沉積在形成在板的表面上的肋間凹陷內(nèi)。此外,絕緣片50放置在電池單元35和冷卻板30之間以保護(hù)電池単元35。在優(yōu)選形式中，絕緣片50由塑料或相關(guān)材料制成，且附著于冷卻板30。一個或多個熱敏電阻(未顯示)位于絕緣片50和冷卻板30之間，以監(jiān)測電池單元35的溫度。在電池模塊10中，可有多個熱敏電阻，例如，每個絕緣片50/冷卻板30/電池單元35界面使用ー個。額外元件，例如封裝板，電壓內(nèi)連接板或類似物(其多個顯示在以下結(jié)合圖6A和6B討論的替代實(shí)施例中)用于幫助形成組裝的電池模塊10。 在共同待決的名稱為“Liquid coolant with microencapsulated phase changematerials for automotive batteries”的美國專利申請中，詳細(xì)討論了微PCM在液體冷卻劑中的使用，該美國專利申請與本申請同一天提交，由本發(fā)明的受讓人擁有，且該美國專利申請通過引用整體結(jié)合于此。微PCM的本質(zhì)在于，其具有高吸收潛熱和可逆熱調(diào)節(jié)屬性。以這種方式，當(dāng)作為泡沫隔離片45、冷卻板30、冷卻翅片40或需要增強(qiáng)熱傳遞屬性的電池模塊10內(nèi)的其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分使用時，微PCM可用作熱容器(thermal capacitor),可被動緩沖電池模塊10中的溫度極限。這有利于降低電池模塊10的寄生損失，由此允許優(yōu)化電池模塊10的能量使用，以及降低主動冷卻系統(tǒng)的使用和復(fù)雜度。在多于ー個構(gòu)件或元件以多于ー種溫度狀況操作的情況下，可能需要使用本發(fā)明的微PCM，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，芯和殼的構(gòu)造可被調(diào)節(jié)以適合這種特定的溫度狀況。在這種環(huán)境下，冷卻翅片40可構(gòu)造成包括可包含微PCM的ー層材料(例如泡沫或相關(guān)物質(zhì))，與可放置在泡沫隔離片45或冷卻板30內(nèi)或上的微PCM相比，該微PCM在不同溫度狀況操作。在這種定制環(huán)境中，可進(jìn)行各種純材料(例如烷烴)的混合，以便具有與具體汽車應(yīng)用的熱環(huán)境相符的相變溫度?？捎糜谶@種定制的ー種材料為n-十七烷，其可添加到二十烷，十八烷或相關(guān)相變材料。類似混合可用于調(diào)整相變潛熱。將微PCM與泡沫隔離片45聯(lián)接的ー個優(yōu)勢在于，泡沫隔離片45與熱產(chǎn)生單元35接近。以這種方式,微PCM在放電和再生充電期間吸收通過電池模塊10的單元35產(chǎn)生的熱，然后在車輛休息期間或通過對流熱傳遞(例如空氣冷卻)在車輛操作期間散熱。其增強(qiáng)的熱容量和可逆熱屬性可限制電池模塊10的極端溫度波動和改善溫度均勻性，由此提高電池模塊10的壽命、性能和能量的有效使用。此外，因泡沫隔離片45簡單和柔性的結(jié)構(gòu)，可由不同的電池組裝設(shè)計容易地采用泡沫隔離片45。接著參照圖3，利用根據(jù)DSC測試的結(jié)果，確定體(bulk)實(shí)驗(yàn)室級微PCM 二十烷的相變屬性。在該測試中使用的掃描率為每分鐘5°C，且溫度范圍控制成從-50°C到80°C。峰值表示在加熱(頂部)和冷卻(底部)時的相變。頂部曲線的峰值顯示了固態(tài)至液態(tài)的相變過渡的行為，而峰值下的區(qū)域?yàn)橛糜诠虘B(tài)至液態(tài)過渡的潛熱(即，熔合的潛熱)；在本舉例中，潛熱為185.6 J/kg0該曲線還指示液態(tài)在32. 28°C開始出現(xiàn)，且二十烷在36. 35°C時完全為液態(tài)。類似地，底部曲線的峰值總體顯示了液態(tài)至固態(tài)相變過渡的行為，其中左峰值顯示了與二十烷相關(guān)的液態(tài)至液態(tài)相變過渡，而右峰值顯示了液態(tài)至固態(tài)相變過渡。這些峰值下的區(qū)域?yàn)橛糜诠虘B(tài)至液態(tài)過渡的潛熱；在本舉例中，潛熱為190. 7 J/kg0該曲線還指示固態(tài)二十烷在35. 07°C時開始出現(xiàn)，且在31. 67°C時完全為固態(tài)。接著參照圖4和5，顯示了通過本申請的發(fā)明人進(jìn)行的微PCM 二十烷熱測試的結(jié)果。具體而言，該測試在環(huán)境腔室測試設(shè)定下進(jìn)行，其溫度從23°C至48°C。具體參照圖4，下部曲線(對應(yīng)微PCM溫度)顯示了 12. I克樣本的二十烷被控制為保持在約37°C約I小時，同時被加熱。具體參照圖5，顯示了當(dāng)測試設(shè)定的被測試電池節(jié)段在充電和放電操作時的電池單元溫度分布的結(jié)果。在頂部的圖表顯示了未加入微PCM的泡沫隔離片的基線測試結(jié)果，而在底部的圖表顯示了結(jié)合有作為微PCM的二十烷的模擬泡沫隔離片(例如圖2的泡沫隔離片45)的測試結(jié)果。顯示了兩個熱電偶的記錄；上曲線是來自位置靠近電池単元 (例如圖2的電池單元35)正極片的熱電偶的讀數(shù)，而下曲線是來自位置靠近電池単元35的負(fù)極片的熱電偶的讀數(shù)。測試結(jié)果顯示，通過本發(fā)明的泡沫隔離片45的樣本，將電池單元溫度調(diào)節(jié)在37°C至38°C之間，且相較于基線測試結(jié)果，電池單元35的溫度均勻性被改善了。接著參照圖6A和6B，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一方面的概念設(shè)計，其為空冷HEV電池模塊110，該空冷HEV電池模塊110中，微PCM封裝在冷卻翅片140或冷卻板130 (未顯示但包含在單元框115內(nèi))通道中。堆疊構(gòu)造以及結(jié)構(gòu)部件和電池單元135，基本上類似于圖2描繪的液冷變型例。具體參照圖6A，封裝板175用作用于模塊110的邊緣外支撐部件。中間隔開的單元框120用于以基本上類似于以上結(jié)合圖2討論的框20的方式牢固地保持和隔開各種電池単元135以及冷卻翅片140。這樣，框115、單元框120和封裝板175共同協(xié)作形成用于各電池模塊110的剛性的盒狀結(jié)構(gòu)。類似地，大的支撐結(jié)構(gòu)，例如以上結(jié)合圖I所述的托盤200或隔離壁400，可用作用于電池群組或節(jié)段100或電池組I的大的可重復(fù)單元的支撐或安裝結(jié)構(gòu)。在ー種形式中，冷卻翅片140的構(gòu)造基本上類似于圖2顯示的冷卻翅片40，均可呈現(xiàn)波紋卡片板狀特征，其中多個平行通道可形成在相對片之間，由此限定邊緣至邊緣的流路。具體參照圖6B，圖6A中各種元件，當(dāng)彼此以協(xié)作配置方式放置吋，形成限定電池模塊110的組件，其中電壓互連板127用于保持和支撐組裝的電池模塊110的正、負(fù)極片和電路板。與高熱容量的微PCM、高熱傳導(dǎo)的冷卻板材料(例如鋁)和通過空氣冷卻的熱對流組合，這種設(shè)計可形成用于HEV電池模塊的有效熱管理方案的基礎(chǔ)。不像圖2描述液冷系統(tǒng)(其中液體冷卻劑流過冷卻翅片40中形成的通道或流路)，圖6的冷卻翅片采用強(qiáng)制通風(fēng)通道。不管是使用空冷或液冷方法，將微PCM添加作為集成冷卻策略的一部分可甚至在能夠保證主動冷卻的情況下簡化冷卻系統(tǒng)。再次參照圖2 (同樣適用于圖6A和6B顯示的類似構(gòu)造)，基于微PCM的泡沫隔離片45構(gòu)造成使得其可形成熱復(fù)合物，如以上提及，微PCM在兩個不同的溫度呈現(xiàn)相變熱屬性(例如從固態(tài)到液態(tài)或從液態(tài)到固態(tài))。而且，如以上討論的那樣，這可通過利用各種微PCM實(shí)現(xiàn),姆種微PCM具有定制成適合具體溫度狀況的潛熱屬性。在ー種形式中，ー種微PCM可定制成在低溫度界限(例如約-10°C至0°C )發(fā)生相變，而另ー種微PCM在高溫度界限(例如約40°C至45°C)發(fā)生相變。這種雙溫度激勵有助于在更長期間和極限溫度條件下維持電池單元35的溫度。在可能經(jīng)歷較高溫度的情況下，基于PCM的熱管理系統(tǒng)可與主動系統(tǒng)(例 如包括以上結(jié)合圖I的冷卻劑軟管300討論的液體冷卻劑的循環(huán))聯(lián)接，以增強(qiáng)整個系統(tǒng)性能和降低電池模塊10或節(jié)段100毀滅性失效的可能性。在一個優(yōu)選形式中，相變溫度可定制成與所需溫度和與汽車電池模塊10關(guān)聯(lián)的大熱容量值相符，其可能與以上討論的溫度范圍相符。如上所述，可使用其它輔助器件。例如，冷卻翅片40可由任意傳統(tǒng)冷卻材料制成，包括但不限于輕重量熱導(dǎo)體例如鋁，或可壓縮泡沫層或其它膨脹補(bǔ)償件層分開的兩輕重量熱導(dǎo)體的夾層結(jié)構(gòu)，以允許因單元35的充電狀態(tài)、加熱和冷卻造成的電池單元35在冷卻翅片40的任意側(cè)的膨脹和收縮。根據(jù)需要，冷卻翅片40上可具有用于電絕緣的薄膜，例如電絕緣電阻在100000 MQ-MF以上的Mylar 聚酯薄膜。除上述翅片40、片45和板30之外，可采用其它熱交換機(jī)構(gòu)，例如熱管技術(shù)。應(yīng)注意，術(shù)語例如“優(yōu)選地”、“通常”和“典型地”在這里不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍或暗示特定特征是關(guān)鍵、不可缺少或?qū)τ诒景l(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能是重要的。而是，這些術(shù)語僅試圖突出替代性或額外特征，其可以在本發(fā)明的具體實(shí)施例中應(yīng)用或可以不在本發(fā)明的具體實(shí)施例中應(yīng)用。同樣，術(shù)語例如“基本上”用于表示不確定的內(nèi)在程度，它可能歸因于任意數(shù)量的比較、數(shù)值、測量或其它表示。它還可用于表示數(shù)量偏離所示參考值變化而不會造成所討論的主題的基本功能變化的程度。出于描述和限定本發(fā)明的目的，應(yīng)注意，術(shù)語“器件”這里用于表示元件的組合和獨(dú)立元件，不論元件是否與其它元件組合。例如，根據(jù)本發(fā)明的器件可包括電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件或燃料電池，結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的電化學(xué)轉(zhuǎn)換組件的車輛。而且，術(shù)語的變型“汽車”，“機(jī)動車”，“車輛”或類似物應(yīng)廣泛解釋，除非文中以其它方式指定。這樣，所提及的汽車應(yīng)理解為覆蓋小汽車，卡車，公共汽車，摩托車和其它類似交通模式，除非在文中更具體地描述。已經(jīng)參照具體實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明，顯然，可作出修改和變型，而不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍。更具體而言，盡管本發(fā)明的ー些方面被認(rèn)為是優(yōu)選或尤其具有優(yōu)勢，但是本發(fā)明不受限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
權(quán)利要求
1.一種用于汽車的電池模塊，所述電池模塊包括 至少一個電池單元，所述電池單元構(gòu)造成輸送電流，用作用于所述汽車的原動力；和 放置成與所述至少一個電池單元熱連通的構(gòu)件，所述構(gòu)件包括微膠囊相變材料，該微膠囊相變材料在受到所述至少一個電池單元的溫度變化時能夠經(jīng)歷相變，從而與所述至少一個電池單元交換熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池模塊,其特征在于,所述微膠囊相變材料包括外殼體,高潛熱吸收的材料的內(nèi)芯封裝在所述殼體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池模塊，其特征在于，所述芯包括二十烷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池模塊，其特征在于，所述殼體包括聚合物基材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池模塊，其特征在于，所述微膠囊相變材料的尺寸在直徑約I微米至直徑約100微米之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池模塊，其特征在于，所述高潛熱吸收的材料在室溫下可以是固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)中的任意一種。
7.一種汽車，包括 用于運(yùn)輸乘客、操作員或貨物中的至少一個的部分； 用于接合所述汽車行駛的表面的部分；和 用于提供原動力給所述與表面接合的部分的推進(jìn)部分，所述推進(jìn)部分包括至少一個電池模塊，所述至少一個電池模塊包括 至少一個電池單元；和 放置成與所述至少一個電池單元熱連通的熱交換機(jī)構(gòu)，所述熱交換機(jī)構(gòu)包括微膠囊相變材料，該微膠囊相變材料在受到所述至少一個電池單元的溫度變化時能夠經(jīng)歷相變，從而與所述至少一個電池單元交換熱量。
8.—種控制電池模塊的溫度的方法，所述方法包括 提供至少一個電池單元； 將微膠囊相變材料配置成與所述電池單元熱連通，使得在所述至少一個電池單元的溫度發(fā)生變化時，在所述至少一個電池單元和所述微膠囊相變材料之間發(fā)生熱交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述相變包括使所述微膠囊相變材料在小于約0°C的溫度從基本上液態(tài)形式轉(zhuǎn)化成基本上固態(tài)形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述相變包括使所述微膠囊相變材料在大于約40°C的溫度從基本上固態(tài)形式轉(zhuǎn)化成基本上液態(tài)形式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有微膠囊相變材料的電池模塊，作為汽車熱管理系統(tǒng)。在一種形式中，微膠囊相變材料采用泡沫的形式，該泡沫由封裝在基本上聚合物基的殼體內(nèi)的芯制成。在更具體的形式中，泡沫材料可定制成適于在多于一個溫度例如相對冷的溫度和相對高的溫度經(jīng)歷等溫相變。基于這種微膠囊相變材料的使用的熱管理系統(tǒng)，包括用于高溫和低溫車輛操作條件下可能遭遇的情況的加熱和冷卻能力。還描述了一種控制電池模塊的溫度的方法。
文檔編號B60L11/18GK102738536SQ20121009892
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者X.J.王 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司