CN102832423A - 减小电池系统中的热梯度的机构 - Google Patents

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Abstract

公开了用于向电池组中的至少第一和第二电池单元提供基本统一的温度的装置和方法。热传递控制元件操作性地联接至所述至少第一和第二电池单元。热传递控制元件适于在所述电池单元之间传递热并且使所述电池单元与热传递介质流绝缘。第一电池单元比第二电池单元绝缘更大的量。

Description

减小电池系统中的热梯度的机构
技术领域
总体描述了涉及对电池组中的电池单元温度的统一性进行控制的系统和方法，具体的是用于对在电动车辆中使用的电池组中的电池单元温度的统一性进行控制的系统和方法。
背景技术
在电动车辆中使用的电池当它们在预定的温度范围外操作时可能表现出性能降低。此外，电池单元内和/或一组电池内从一个电池单元到另一个电池单元的热梯度可能导致不可预测的动力、不平衡的电池单元容量、缩短的电池单元寿命、以及在严重情况下的电池组故障和可能的热失控事件。这些不期望的负面影响可能来源于电池组内的不同的单元温度。除了其他原因之外，出于这些原因，为电池组内的每个电池单元提供统一的温度的能力是理想的。
发明内容
发明人已经认识到并且注意到对于为电池组内的每个电池单元提供基本统一的温度的需求。更具体地，发明人已经认识到提供如下装置及方法的优点：其能够以可变的方式使沿热传递介质流设置的多个电池单元绝缘，以将每个电池维持在基本相同的温度。
在一个示例性实施例中，电池组包括至少第一和第二电池单元。所述电池组还包括覆盖所述第一电池单元的第一区域和所述第二电池单元的第二区域的热传递控制元件。所述第一区域比所述第二区域大。所述热传递控制元件适于在所述电池单元之间传导热并且使所述电池单元的被覆盖区域绝缘于向热传递介质流的热传递。
在另一实施例中，电池组包括至少第一和第二电池单元。所述电池组还包括操作性地联接至所述第一和第二电池单元的热传递控制元件。所述热传递控制元件适于在所述电池单元之间传递热并且使所述电池单元与热传递介质流绝缘。所述第一电池单元比所述第二电池单元绝缘更大的量。
在又一实施例中，一种方法包括：提供包括至少第一和第二电池单元的电池组；以及利用热传递控制元件覆盖所述第一电池单元的第一区域和所述第二电池单元的第二区域。所述第一区域比所述第二区域大。此外，所述热传递控制元件适于在所述电池单元之间传导热并且使所述电池单元的被覆盖区域绝缘于向热传递介质流的热传递。
在另一实施例中，一种方法包括：提供至少第一和第二电池单元；向所述第一和第二电池单元提供热传递介质流；提供热传递控制元件，所述热传递控制元件设置在所述第一和第二电池单元上；使热从所述第一和第二电池单元传递至热传递介质流；以及通过所述热传递控制元件在所述第一与第二电池单元之间传递热。所述热传递控制元件适于使所述电池单元与所述热传递介质流绝缘。所述第一电池单元比所述第二电池单元绝缘更大的量。
应当理解，前述概念与在下面更详细论述的另外的概念(假设这些概念并非彼此不一致)的全部组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。具体地，在本公开的末尾出现的所要求的主题的全部组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。
从下面结合附图的描述，本教导的前述和其他方面、实施例及特征能够被更全面地理解。
附图说明
附图并非依照比例绘制。在附图中，在各个附图中示出的每个相同的或几乎相同的部件均由相同的附图标记表示。出于清楚的目的，并非每个部件都在每个附图中标出。现在将参照附图通过示例的方式对本发明的各种实施例进行描述，其中：
图1是设置有用来对电池单元进行冷却的冷却介质流的电池组的示意立体图；
图2是具有热传递控制元件且设置有用来对电池单元进行冷却的冷却介质流的电池组的示意立体图；
图3是具有热传递控制元件且设置有用来对电池单元进行冷却的冷却介质流的电池组的示意侧视图；
图4是没有电池单元的电池托架的立体图，并且示出了冷却介质流；
图5是热传递控制元件的横截面图；以及
图6是具有采用多个热传递控制元件的多个冷却通道的电池组的示意图。
具体实施方式
应当理解，在此参照附图描述了本发明的多个方面，这些附图示出了根据本发明的多个方面的示例性实施例。在此描述的示例性实施例未必旨在示出本发明的所有方面，而是用来描述一些示例性实施例。由此，本发明的方面并非意在根据示例性实施例来狭隘地理解。因此，应当明白，在上面介绍的各种概念和实施例以及在下面更详细讨论的那些可以以多种方式中的任一种来实施，这是因为所公开的概念和实施例并非意在限定于任何特定的实施方式。另外，应当理解，本发明的方面可以单独地使用或者与本发明的其他方面以任意合适的组合形式使用。
热传递控制元件适于提供被热传递介质流冷却或加热的电池组内基本统一的电池单元温度。当热传递介质流流动通过电池组时，热传递介质使温度改变。在冷却介质流的情况下，冷却介质流将在其流动通过电池组时变热。在加热介质流的情况下，加热介质流将在其流动通过电池组时变冷。这可能导致不平衡的电池单元温度。由此，为了适当地平衡从电池组的热传递，当前公开的热传递控制元件使暴露于热传递介质的上游流的电池单元比暴露于热传递介质的下游流的电池单元绝缘更大的量。为了进一步增强电池单元温度的统一性，热传递控制元件适于使热从较热的电池单元传递至较冷的电池单元。
在一个可能的实施例中，电池单元的可变绝缘性可以利用热传递控制元件实现，该热传递控制元件对每个电池单元覆盖和绝缘一区域。在一个实施例中，所覆盖的区域对于每个单元不同。在这种构型中，热传递控制元件覆盖暴露于热传递介质的上游流的电池单元的较大量的区域以及暴露于热传递介质的下游流的电池单元的较小量的区域。电池单元的暴露区域由所应用的热传递控制元件的形状决定。每个电池单元的暴露区域选择为将电池单元维持在基本统一的温度。在一些实施例中，热传递控制元件的形状可以是连续的以提供暴露区域中的连续梯度。这种结构的另一可能实施例将是从最靠近热传递介质流的入口的电池单元延伸至最靠近热传递介质流的出口的电池单元的锥形形状。在其他示例中，热传递控制元件的形状可以逐步变化或者其他不连续的形状变化。在这些和其他可能的构型中，是形状的变化及因此是暴露区域的变化而导致对电池单元温度的统一性的控制。
热传递控制元件的另一可能的实施例通过沿着热传递介质流施加绝缘特性的梯度而利用热传递介质流来控制电池单元的热传递。对于这种构造，热传递控制元件提供了对暴露于热传递介质的上游流的电池单元的较大量的绝缘和对暴露于热传递介质的下游流的电池单元的较小量的绝缘。绝缘特性的梯度能够以对本领域的技术人员显而易见的任何数量的方式来实现。在一个实施例中，热传递控制元件的厚度沿着流动路径变化。在另一实施例中，热传递控制元件的组成沿着流动路径的长度变化。在另一实施例中，如解释的，热传递控制元件可以定形为沿着流动路径覆盖电池单元的不同区域。但是，无论为了改变绝缘特性而选择的具体方法是什么，绝缘梯度都选择为使得在整个电池组内电池单元被维持在基本统一的温度。
尽管热传递控制元件使电池元件与热传递介质流绝缘更小或更大的程度，但是热传递控制元件还可以适于提供电池单元之间的热传递。电池单元之间的选择性的热传递以及与热传递介质流的绝缘可能是由于制成热传递控制元件的材料的热传递特性的固有方向性或者是由于热传递控制元件可能结合有高导热率层而造成的。高导热率层应当优选地是不导电的，或者其应当与电池单元电绝缘以减小电池单元外部之间任何可能的电连接。无论所选择的热传递层的类型如何，其均适于在电池单元之间传递热以帮助减小电池组中任意存留的温度差异。
现在转向附图，进一步详细地描述若干可能的实施例。
图1绘出了具有呈多行和多列的多个电池单元的电池组100的立体图。电池组设有电池盖102和电池托架104以定位和保持所述多个电池单元。电池单元包括至少第一电池单元106和第二电池单元108。第一电池单元106沿着热传递介质流110设置在第二电池单元108的上游。流动的方向由箭头F表示。另外，第一电池单元106可以设置为更靠近热传递介质流110的入口，而第二电池单元108可以设置为更靠近热传递介质流110的出口。热传递介质110可以用来根据需要加热或冷却电池单元，以将电池单元维持在合适的工作温度。
当热传递介质流110是冷却介质流时，其在第一电池单元106附近进入电池组100时是最冷的。当冷却介质流流动通过电池组100时，热从多个电池单元传递至冷却介质流，从而升高冷却介质流的温度。因此，冷却介质流110的温度在其流动通过电池组时升高。冷却介质流的温度的升高导致第二电池单元108在与第一电池单元106相比时暴露于较热的冷却介质流。当热传递介质流110是加热介质流时，出现相反的情况，即，第二电池单元108在与第一电池单元106相比时暴露于较冷的加热介质流。不希望受理论的束缚，热传递介质流110的上游部分与下游部分之间的温差导致从第一电池单元106和从第二电池单元108的热传递效率的差异。具体地，从第一电池单元106的热传递比从第二电池单元108的热传递更为高效。不考虑其他可能的热源以及电池单元自身之间的温度不统一，每个电池单元在充电与放电循环期间的热生成基本相似。由此，因为每个电池单元产生相似量的热并且从第一电池单元106的热传递比从第二电池单元108的热传递更高效，所以第一电池单元106可以在冷却期间比第二电池单元108冷并且在加热期间比第二电池单元108热。更具体地，最接近热传递介质流110的入口的电池单元将在冷却期间最冷且在加热期间最热，而最接近热传递介质流110的出口的电池单元将在冷却期间最热且在加热期间最冷。
图2绘出了与图1详细示出的电池组相似的电池组200的立体图。该电池组包括电池盖202、电池托架204、第一电池单元206、第二电池单元208、以及由箭头F表示的热传递介质流210。这些元件的相对位置和相互作用与上面参照图1所描述的相似。但是，电池组200还包括热传递控制元件214。尽管热传递控制元件214仅描绘在电池组200的外部边缘上，但是应当理解，热传递控制元件可以应用于电池单元的暴露于热传递介质流的任意面上。在该特定的实施例中，热传递控制元件可以应用于每个空气流动路径212的两侧。
在图2所示的实施例中，热传递控制元件214为膜。膜使电池单元与热传递介质流210绝缘。膜还在其操作性地附接至的包括第一电池单元206和第二电池单元208在内的每个电池单元之间传导热，使得如果在第一电池单元206与第二电池单元208之间存在温差，热传递控制元件214将从一个电池单元向另一个传导热。
热传递控制元件214覆盖第一电池单元的第一区域和第二电池单元的第二区域。第一区域比第二区域大。位于第一与第二电池单元中间的电池单元具有尺寸范围介于第一至第二区域之间的被覆盖区域。每个电池单元的被覆盖区域选择为使得在整个电池组内，相关的电池单元温度基本统一。
在所描绘的示例性实施例中，进一步远离热传递介质210的流的入口的电池单元具有更多的暴露区域以用于热传递。膜的形状选择为使得用于每个电池单元的与热传递绝缘的覆盖区域从热传递介质210的流的入口向出口逐渐减小。图2中描绘的示例性热传递控制元件具有沿其长度延伸的基本锥形形状。锥形形状的较大端邻近第一电池单元206设置。不认为膜的形状对于本公开是限制性的。相反，膜可以呈适于提供电池单元中的基本统一温度的任意形状。此外，膜可以在形状上连续或者可以在形状上具有逐步的变化。本公开不限于该形式。热传递控制元件214还可以沿着热传递介质流在其入口与出口之间操作性地联接至每个电池单元，或者其可以应用于选定的电池单元。在另一实施例中，膜甚至可以在应用于电池单元的膜部分之间具有中断。在这种构型中，热能够通过单个电池单元壳体在膜的分离的部分之间传递，并且随后经由桥接至相邻单元的膜传递至该相邻的单元。在一些实施例中，热传递控制元件214可以沿着线性路径比如图2中所示的电池单元面应用。可替代地，热传递控制元件214可以沿着热传递介质的流动路径应用于电池单元的定向在不同方向上的面上，如当热传递介质流绕拐角处被引导时那样。
图3展示了电池组300的侧视图。电池组300以与图2中展示的电池组200相同的方式构造并且包括电池盖302、电池托架304、第一电池单元306、第二电池单元308、热传递介质流310(流动的方向由箭头F指示)、以及热传递控制元件314。电池组300的侧视图更清楚地示出了热传递控制元件314的实施例，该热传递控制元件314具有沿其长度的锥形形状并且覆盖存在于第一电池单元304和第二电池单元308以及中间电池单元上的不同区域。电池组300的侧视图还描绘了存在于各个电池单元之间的间隙316。
热传递控制元件314的锥形形状导致了在上游的第一电池单元306的较大区域被覆盖而在下游的第二电池单元308的较小区域被覆盖。在一个实施例中，热传递控制元件314具有沿着其长度的统一的材料特性，包括其关于流310的绝缘特性。由此，每个单元上的绝缘量正比于被覆盖区域。因此，第一电池单元306比第二电池单元308绝缘更大的量。在第一与第二电池单元中间的电池单元具有范围在第一较大量至第二较小量之间的绝缘量。当然，在另一实施例中，膜可能不具有统一的绝缘特性，以使膜自身可以具有统一的形状，而热传递的量通过沿着膜的长度变化的绝缘特性来调节。
对于每个电池单元的被覆盖区域的差异、以及由此的相对绝缘量的差异影响从每个单元向热传递介质流310的的热传递。另外，如上面详述的，第一电池单元306在冷却期间暴露于热传递介质的较冷的上游流而在加热期间暴露于热传递介质的较热的上游流。类似地，第二电池单元308在冷却期间暴露于热传递介质的较热的下游流而在加热期间暴露于热传递介质的较冷的下游流。因为每个单元暴露于不同温度的热传递介质，所以每个单元的覆盖区域可以选择为使电池单元温度在整个电池组中平衡。在一个实施例中，与在冷却期间暴露于较热的流而在加热期间暴露于较冷的流的单元相比，在冷却期间暴露于较冷的流而在加热期间暴露于较热的流的单元被绝缘更大的量。当选择适当时，上述构造可以导致在整个电池组中基本统一的电池单元温度。
除了以上讨论的绝缘特性之外，为了进一步增强电池单元温度的统一性，热传递控制元件314还可以适于沿着其长度在电池之间传导热，如上面讨论的。在一个实施例中，沿着热传递控制元件314的长度的热传导能够实现从较热的电池单元向较冷的电池单元的热传递。图3中的箭头H指示了沿着热传递控制元件314的长度在单元之间的热传递。
为了进一步帮助电池单元之间的热传递，在一个实施例中，间隙316可以被填充适于传递热的可选的填充材料。填充材料提供了附加的热传递路径以帮助减小在应用了热传递控制元件之后仍存在于电池单元中的任何温差。在某些实施例中，间隙填充物是包括氮化硼的热间隙填充物。填充材料也可以包括适于与有机挥发物一起使用的阻燃剂，该有机挥发物可能在电池单元的热失控事件期间出现。如果使用了填充物，则膜可以具有或不具有从一个单元向另一个单元传递热的传导特性。
图4描绘了电池托架400。对于设置在车辆平台中的电池组，电池托架400暴露于热传递介质流410比如在电池组壳体(未示出)下面流动或流动通过电池组壳体的空气。流动的方向由箭头F表示。在一个实施例中，电池托架400自身可以构造为基于每个电池单元相对于热传递介质流410的方向的位置使电池单元绝缘较小或较大的量。位于更靠近热传递介质流410的入口的上游的电池单元可以比位于更靠近热传递介质流410的下游的那些电池单元绝缘更大的量。每个电池单元的相对绝缘量可以选择为确保电池组内的每个电池单元的基本统一的温度。可以通过电池托架400的厚度和/或组成的变化来设计可变绝缘。除此之外，电池托架400还可以适于在电池单元之间传导热。通过电池托架400在较热与较冷的电池单元之间传递热可以进一步增强整个电池组中电池单元温度的统一性。尽管参照车载式电池系统公开了这种电池托架的应用，但是这种热传递机构也可以出现在非车载应用中。
图5展示了在如图2和图4所描绘的热传递控制元件的膜500内的层的一个实施例。在一个实施例中，膜500包括两个介电层502和506。介电层502和506可以使膜电绝缘以避免多个电池单元外部的可能的短路危险或电连接。另外，介电层502和506可以作为沿厚度方向(即，在层之间)的热绝缘体。介电层502和506可以由聚合物、陶瓷、玻璃、纸、或其他合适的材料制成。膜500还可以包括设置在两个介电层502与506之间的高导热率层504。高导热率层504提供了膜500操作性地连接至的电池单元之间的热传递路径。高导热率层504可以由金属、金属化聚合物、基于石墨的层、或者任何其他合适的高导热率材料制成。在一个可能的实施例中，膜500可以由石墨带制成或者包括石墨带，该石墨带可以具有一个或多个集成的聚合物层。由于石墨层和/或带沿厚度方向(即，在层之间)热绝缘和电绝缘以及沿其长度(即，在单元之间)传导热的趋向，所以结合有石墨层和/或带的膜500可以包括或可以不包括介电层502和506。石墨带的示例包括但不限于由GrafTechInternational提供的
Figure BSA00000603983700081
HITHERMTM热界面材料和SPREADERSHIELDTM2-D散热装置。石墨带和/或基于石墨的层可以是脆性的并且在使用之前可能需要与聚合物或其他合适的背衬材料层压在一起。介电层502和/或506可以作为基底材料。膜还可以包括可选的外绝缘层508，该外绝缘层508能够提供膜的附加的热绝缘和/或电绝缘。外层508可以提供附加的热绝缘。外层508还可以取代于或附加于介电层502和/或506作为背衬材料。外层508可以由聚合物或其他合适的材料制成。膜还可以包括位于介电层502的下表面上的导热且电绝缘的粘合剂510，用于将热传递控制元件操作性地联接至电池单元而不需要另外的粘合剂或联接方法。每个层的相对厚度或组成可以选择为修改膜的热特性，既用于电池单元之间的热传递也用于使电池单元与热传递介质流绝缘。
图6展示了通过热传递介质流602冷却的电池组600。热传递介质的不同流由箭头F表示。热传递介质流动通过中央通道606。中央通道606包括流引导装置608，该流引导装置608将热传递介质流602引导到单独的第二通道610中。
热传递控制元件612以虚线绘出并且沿着第二通道610的侧部设置在电池单元面上。热传递控制元件614也由虚线绘出并且沿着中央通道606的侧部设置在电池单元面上。为了在整个电池组500上提供统一的电池单元温度，可能需要使沿着较短的流动路径的电池单元604在与沿着较长的流动路径设置的电池单元604相比时被绝缘更大的量。这同样是因为热传递介质流602当其在冷却和加热循环期间移动经过电池组600时分别逐渐地变热或变冷。由此，较长的流动路径将比较短的流动路径具有更大的温度梯度。除此之外，热传递控制元件可以设置为电池单元的组之间的单独的或连续的部分。热传递控制元件也可以沿着电池组中的直线段应用或者可以绕弯曲部或拐角部处被引导。这种构型的一个示例可以是：热传递控制元件612与614是应用于第二通道610中的两个电池单元面以及中央通道606中的电池单元面上的一个连续的热传递控制元件。无论选择用于热传递控制元件的特定构型是什么，应用至暴露于热传递介质流的每个电池单元面上的热传递控制元件都将适于在整个电池组中提供基本统一的电池单元温度。
尽管已经结合各种实施例和示例对本教导进行了描述，但是其并非意在使本教导限于这些实施例或示例。相反，如本领域的技术人员所理解的，本教导包括各种替代、变型和等同设置。因此，前面的描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (28)

1.一种电池组，包括：
至少第一电池单元和第二电池单元；以及
热传递控制元件，所述热传递控制元件覆盖所述第一电池单元的第一区域和所述第二电池单元的第二区域，其中，所述第一区域比所述第二区域大，并且所述热传递控制元件适于在所述电池单元之间传导热并使所述电池单元的被覆盖区域绝缘于向热传递介质流的热传递。
2.如权利要求1所述的电池组，其中，在所述电池单元之间传导的热从所述第二电池单元传导至所述第一电池单元。
3.如权利要求1所述的电池组，其中，所述第一电池单元设置成比所述第二电池单元更靠近所述热传递介质流的入口。
4.如权利要求1所述的电池组，其中，所述第一区域和所述第二区域选择为将所述第一电池单元和所述第二电池单元维持在基本统一的温度。
5.如权利要求1所述的电池组，其中，所述热传递控制元件的形状限定出所述第一区域和所述第二区域。
6.如权利要求1所述的电池组，其中，所述热传递控制元件的形状沿其长度为大致锥形。
7.如权利要求1所述的电池组，其中，所述热传递控制元件包括膜。
8.如权利要求7所述的电池组，其中，所述膜包括内部介电层、设置在所述内部介电层上的高导热率层、设置在所述高导热率层上的外部介电层、以及设置在所述外部介电层上的外部绝缘层。
9.如权利要求1所述的电池组，其中，所述热传递控制元件包括电池托架。
10.如权利要求1所述的电池组，其中，所述热传递控制元件与位于所述热传递介质流的入口与出口之间的每个电池单元操作性地联接。
11.如权利要求1所述的电池组，其中，所述热传递控制元件是电绝缘的。
12.如权利要求1所述的电池组，其中，在所述电池单元之间设有填充物，所述填充物适于所述电池单元之间的热传递。
13.如权利要求12所述的电池组，其中，所述填充物包括阻燃剂。
14.一种电池组，包括：
至少第一电池单元和第二电池单元；以及
热传递控制元件，所述热传递控制元件操作性地联接至所述第一电池单元和所述第二电池单元，所述热传递控制元件适于在所述电池单元之间传递热并使所述电池单元与热传递介质流绝缘，其中所述第一电池单元比所述第二电池单元绝缘更大的量。
15.一种方法，包括：
提供包括至少第一电池单元和第二电池单元的电池组；以及
利用热传递控制元件覆盖所述第一电池单元的第一区域和所述第二电池单元的第二区域，其中，所述第一区域比所述第二区域大，并且所述热传递控制元件适于在所述电池单元之间传导热并使所述电池单元的被覆盖区域绝缘于向热传递介质流的热传递。
16.如权利要求15所述的方法，其中，在所述电池单元之间传导的热从所述第二电池单元传导至所述第一电池单元。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一电池单元设置成比所述第二电池单元更靠近所述热传递介质流的入口。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一区域和所述第二区域选择为将所述第一电池单元和所述第二电池单元维持在基本统一的温度。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述热传递控制元件的形状限定出所述第一区域和所述第二区域。
20.如权利要求15所述的方法，其中，所述热传递控制元件的形状沿其长度为大致锥形。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述热传递控制元件包括膜。
22.如权利要求21所述的方法，其中，所述膜包括内部介电层、设置在所述内部介电层上的高导热率层、设置在所述高导热率层上的外部介电层、以及设置在所述外部介电层上的外部绝缘层。
23.如权利要求15所述的方法，其中，所述热传递控制元件包括电池托架。
24.如权利要求15所述的方法，其中，所述热传递控制元件与在所述热传递介质流的入口与出口之间的每个电池单元操作性地联接。
25.如权利要求15所述的方法，其中，所述热传递控制元件是电绝缘的。
26.如权利要求15所述的方法，还包括在所述电池元件之间设置填充物，其中所述填充物适于所述电池单元之间的热传递。
27.如权利要求26所述的方法，其中，所述填充物包括阻燃剂。
28.一种方法，包括：
提供至少第一电池单元和第二电池单元；
向所述第一电池单元和所述第二电池单元提供热传递介质流；
提供设置在所述第一电池单元和所述第二电池单元上的热传递控制元件；
将热从所述第一电池单元和所述第二电池单元传递至所述热传递介质流，其中，所述热传递控制元件适于使所述电池单元与所述热传递介质流绝缘，其中所述第一电池单元比所述第二电池单元绝缘更大的量；以及
通过所述热传递控制元件在所述第一电池单元与所述第二电池单元之间传递热。
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