CN103579713A

CN103579713A - 带有固态冷却的电池

Info

Publication number: CN103579713A
Application number: CN201310315353.6A
Authority: CN
Inventors: L.C.列弗; G.P.梅斯纳; N.康德拉耶夫
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: DE102013214112A1; US20140030560A1; CN103579713B

Abstract

本发明提供了一种带有固态冷却的电池。该电池设置有固态冷却装置，使得其可以操作在预先确定的操作温度范围内。适当地，这种电池可以是用于由电动马达推动的车辆（诸如混合动力车辆或电动车辆）中的高电压-高电流电池。多个热电组件定位成与构成电池的组装的单体和/或模块热接触。响应于与单独的单体或模块相关联的多个温度传感器，这些组件可被适当地提供功率以从电池泵送热量，使得电池温度被保持在预先确定的温度范围。热电组件还可以被提供功率向电池泵送热量，以在低温条件下更快地增加其温度到预先确定的操作范围。

Description

带有固态冷却的电池

技术领域

本公开涉及冷却电池，尤其是高电压高电流电池，该电池包括多个直立的类似形状的组装单体的模块的串联组件，适用于受到宽范围的周围温度的电动车辆或混合动力车辆。更具体而言，本公开涉及使用相对薄的、板状的互连固态热电装置的组件，该组件成形为类似模块并且放置在所选的模块之间，用于加热或冷却模块，以将它们维持在预先确定的操作温度范围。

背景技术

本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并可能不构成现有技术。

对电池提供功率的电动车辆有越来越高的兴趣。这些车辆可以是纯电动车辆，其中，唯一的功率源是电池，或者是混合动力车辆，其中，电推进系统由车载内燃或IC发动机来补充。

用于这些车辆的电池通常由适当地串联和并联相互连接的多个单独的单体组成，以产生用于它们预期应用的适当电压和电存储能力。最通常的单独单体首先组装成较小的组，称为模块，然后多个模块适当地相互连接和封装以制造电池。通常，以相对薄的矩形形状（或其它适当形状）的形式来制备单独单体的电极、电解质和分离器元件。一组这样的单体通常被组装和电连接以提供预先确定的电势和电流容量。该组可以被包含在软的聚合物袋中。并且若干个袋可以被组装并且相互连接为模块，并且包含在塑料或金属的容器中。

例如，一个带有24kWh电池的电动车辆采用192个软面的锂离子单体，每个单体能够产生大约3.8伏。这些单体在以下的方案下组装到电池中。这些单体中并联连接的两个串联连接到第二对并联连接的单体，并且封装到硬盒模块中，产生大约7.6伏。接着，48个这些模块然后被连接，以产生名义上360伏的电池。模块单独占据大约4立方英尺，当与相关联的设备（诸如控制电子装置）封装时可能需要车辆内的大约3英尺乘以2英尺的占地面积。

在电动车辆和混合动力车辆中，电池以高电压操作，并且设计成在操作期间输送高电流，并且在电池充电期间接受高电流输入。由于所有的电池都具有内电阻，在这些高电流事件期间，在电池内部可能发生较大的电阻加热。所产生的热量如果不耗散到电池之外，则可能升高电池的温度和一些电池构件的压力。

通常，这些电池将用于温度范围从大约-30℃至大约40℃，优选的操作范围是25℃和35℃之间。即使电池操作温度相对温和地升高到大致70℃，则电池性能可能会降低。

为了维持优选的电池操作温度，大部分电池提供功率的电动车辆包括用于电池冷却的一些设备。这种冷却可以包括全局地应用于整个电池的单个系统，或者可以包括在电池内分布的多个冷却单元。这种冷却系统可以采用液体冷却，其需要一个或多个泵以及较长的管道以确保足够的冷却剂流到电池中的所有冷却单元。将意识到，带有大的占地面积的电池将需要较大体积的冷却剂。电池冷却剂循环系统和冷却剂自身都对电动车辆增加质量，缩短它们的里程并且降低它们对潜在购买者的吸引力。

因此，在电池冷却系统中持续需要提供良好的性能而不使电池增加较大的质量或体积。

发明内容

用于车辆中的牵引马达的高电压电池通常由多个较低电压的模块组装而成。这些模块由基本上刚性的封闭的壳体组成，每个壳体包含若干个单独的电池单体，为了体积效率，这些电池单体被紧密地包装到壳体中。模块通常采用相同的设计。并且它们依次被设计和组装到紧凑、有空间效率的组件中。每个模块中的紧密包装的单体被独立地封装，并且经常包含在柔性的聚合物壁的袋中，该袋外形是大致矩形，并且在袋的边缘密封。在锂离子电池的情况下，这种单体称为软棱柱锂离子单体。

模块在平面图中大致也是矩形，壳体通常包括两个紧密隔开、相对和共延的矩形面，窄的材料带在面的外周周围延伸，以密封壳体并且完全包含单体。通过以面对面的关系堆叠多个这种类似尺寸和形状的模块壳体以及适当地电互连模块的相应端子来组装电池，使得组装的电池可以以预先确定的电压和电流来输送电能。

通过将包括热电元件的热电组件结合到电池中，这种高电流、高电压电池的模块可以保持在预先确定的温度范围。热电组件可以结合有模块，尤其是模块壳体，或者结合模块内的单体，尤其是单体袋壁。热电元件是固态这种，其可以成形为带有平的、平行的相对的面。当装置的相对面连接到直流（DC）电源时，装置在其面之间产生温度梯度。该温度梯度可以如本文所述地开发，以加热或冷却组装的电池的模块。

热电元件可以是相对薄的正方形或矩形体的形式，由n掺杂和p掺杂的半导体制备，在它们的端部、在相对的电互连的面结束。一组类似或互补形状的这种元件可以以板状布置组装，用于在电池的模块或单体之间放置加热或冷却体。

由于这样的热电元件在通过电流时将在一个面产生升高的温度并且在其相对面产生降低的温度，该行为可以被开发，以加热或冷却与热电元件热接触的本体。可以通过反转电流的方向来反转热面和冷面的位置，使得单个元件或一组元件既可以加热又可以冷却本体。

如所注意到的，通常，这种热电元件被组合到组件中，其中，n型和p型热电元件电串联和热并联连接，以提供增强的热容量。通常，热电元件和它们的电互连件的面夹在通常由陶瓷制成的两个非导电基底之间。这些基底为组件提供机械支撑，但阻碍热量流动。

在模块的实施例中，热电组件可以结合较大体积的热点半导体的长方体阵列。该阵列通常与模块壳体面是共延的，并且可以采用模块壳体面作为基底或支撑件。在该实施例中，热电组件可以粘性地结合到模块壳体面。采用模块壳体面作为支撑件消除了对通常用于支撑组件的至少一个非导电陶瓷基底的需要，能够改善热量流动，从而增强热电组件的能力。

在替代并且更有效的实施例中，热电元件可以嵌入或者部分嵌入模块壁中。这样的方法仅对于由聚合物或半导电的材料制成的模块容器可行。但通过将热电元件嵌入壁中，热电元件的第一面或端部将定位成更接近是任何热量的源头的单体袋。因此，由壁导致的对热量流动的阻碍将与嵌入程度和在热电元件之下所得到的壁厚度成比例地降低。将认识到，模块壳体内的单体包含在袋中，并且袋壁包含单体电极和电解质并且将其隔离。因此，热电组件及其相关联的电极不排除延伸到模块壳体壁的内表面。聚合物模制领域的技术人员将认识到，熟知的包模技术可以用来实现所需要程度的嵌入。

类似的推理表明，省去第二或相对的端部或面上的第二不导电基底，即端部或面不与模块壁接触，在增强热传递方面也将是有效的。省去第二基底将要求热电组件支撑其自身。但热电元件是刚性且相对短的，5毫米或更短，因此在其第一端牢固固定到刚性壳体面的组件将充分被支撑。然而，当循环流体用于从热电元件带走热量或者传递热量到热电元件时，允许在两个表面上都通过流体的基底可以增强热传递。进一步地，通过适当设计相对的基底，例如通过结合翅片，从第二表面到与第二表面接触的流体的热传递可以被增强。因此，第二刚性基底的与热电元件接触的表面应该是大致平面的，但其相对的表面可以成形为优化在基底之上流动的流体的热传递。这种特征，包括翅片、销或其它突起物对于本领域技术人员是熟知的。

基底的第二表面还可以适于接合相邻的热电组件的第二基底的第二表面，以便至少用于牢固地将组件和模块结合在一起。

热电元件的嵌入仅对于聚合物或其它不导电模块壳体是可行的。嵌入可以使用传统的包模技术来实现。这些技术可能需要固定组件，以便在聚合物流到模具期间对组件提供暂时支撑。如果热电组件附接到壳体面，对于导电和不导电的面可能需要不同的方法。可以仅使用粘合剂将热电组件附接到带有不导电聚合物壁的模块壳体面或第二基底。适当的粘合剂包括硅树脂和丙烯酸树脂。热电装置的正常工作要求电流有组织和有序地流过装置。因此，当附接到导电表面诸如金属或金属面的模块壳体时，热电组件必须是电绝缘的。类似地考虑还适用于第二基底是导电时。在所有这些情况下，可以使用在两侧都有粘合剂的薄的、电绝缘的聚合物片材来实现附接。聚酰亚胺片材（通常已知为Kapton®），13或25微米厚，提供适当的电属性，并且可以使用每侧大约20微米厚度的硅树脂和丙烯酸树脂来获得。聚酰亚胺片材在热电组件和导电的模块壳体面或第二基底之间提供充分的电绝缘。当然，这种粘合剂片材也可以用于不导电本体上。

将电池温度维持在其优选的操作范围所需要的任何适当数量的这种热电组件可以插入在电池模块或单体袋之间并与它们交错。热电组件的放置在电池中可以是均匀的，或者选择性地仅施加到最有可能过热的电池位置。热电元件可以包括包含铋的半导体成分，诸如Bi₂Te₃（碲化铋）以及Bi₂Se₃（硒化铋）等。

热电组件可以由组装的较大元件制成或者由使用薄膜沉积技术（例如蒸汽沉积）现场制造的元件制成。这种现场制造最通常用在单体袋壁的实施例中，其中，热电元件的相对的面间隔可能仅100或200微米左右。

这些热电组件可以用作可控的热泵来热管理电池。通过将这种热电组件放置为与模块壳体面热接触并且控制电流的幅度和方向，可以按照需要地从电池提取热量或将热量供应到电池。因此，冷电池可以更快速地升高到其优选的操作温度，并且热电池或超过温度的电池可以更快速地冷却以将其温度维持在优选的操作范围。

因为热电元件及其电互连件直接附接到单体袋或模块壳体壁，因此与基底相关联的热阻和相关的温度梯度可以被消除。因此，模块壳体面用于两个目的，包含单独的单体并且还用作用于热电组件的一个基底，因此将热电组件与电池模块结合。

即使在名义上相同的电池单体和模块中产生的温度也可能不同。热电组件还可以用作温度传感器，监测电池单体或模块的温度。在热电元件被停止提供功率的短时间段期间获取的数据可以被分析以提取单体或模块温度。由于每个单体或模块与布置在单体或模块表面上的多个热电元件热接触，因此能够在空间上映射单体或模块中的温度。因此，对于每个受到这种热电冷却的模块来说，优选单独地调节其热电组件的操作条件。当然，还可以使用专用的温度传感器（诸如嵌入或结合在单体或模块中的热电偶或热敏电阻）来测量温度。

响应于每个模块的测量的温度，控制器可以根据某个适当算法来调节通过热电组件的电流的极性和幅度来维持模块温度（因此维持整体电池温度）处于其优选范围内。每个模块可以被专用的控制器控制，但考虑到相对较小数量的单元被控制，可以采用复用，使得单个控制器每隔几秒左右对每个传感器采样，并且适当地调节施加到热电组件的电流。这种频繁调节热电装置的操作条件是与模块温度可能改变的较长（几秒或十分之几秒的量级）的时间帧相符的。

加入电池及其组成构件或从它们移除的热量可以从模块传递并且跨过热电组件的厚度输送到不与电池接触的面。可以通过使流体介质在附接到热电元件的相对面的基底的第二表面上通过，利用对流来移除该热量。优选地，可以使用空气冷却，但使用比传统方法低的冷却剂体积的液体冷却也可以被采用，只要冷却剂是不导电的或者与热电组件是电绝缘的即可。

可以采用对流的空气冷却，尤其如果冷却槽道布置成用于竖直的空气流，但通常，将优选强制的空气冷却。这种强制的空气冷却可以使用多个风扇来实现。但更优选的是，可以使用仅单个风扇。这种单个风扇可以从车辆外侧吸入周围空气，并且将其引导进入歧管中，该歧管包括多个管道，管道布置成使冷却空气在每个热电组件上传输。优选地，风扇由电动马达提供功率，使得控制器可以与电池温度成比例地调节风扇马达功率。优选将热电元件的冷端维持在接近周围温度，优选在周围温度的大约5℃之内。周围温度是车辆周围的区域或环境的温度。周围空气温度的适当操作范围可以从大约-30℃到大约35℃。基于实验、理论或建模，可以建立适当的算法使电池温度和所需要的风扇马达速度相关联，以获得期望的热电元件冷端温度。

当在闭环控制下实现时，对于使用中的车辆，这种系统可以如下操作：

a)当电池为负载提供功率时，测量电池温度并且将测量的电池温度与优选的电池温度范围进行比较；以及

b)如果电池温度在优选的电池范围内，则重复步骤a）；否则

c)如果电池温度在优选范围之外，则以适当的方向施加适当的直流电，以改变电池温度，诸如使电池温度进入优选操作范围，以便加热冷电池或冷却热电池；和

d)只要电池向负载提供功率则重复步骤a）至c）。

即使当驻车时，也存在电池温度可能超过其优选范围的极端情况。在沙漠条件下，由于高太阳负荷和高周围温度，可能达到过度的电池温度。在极冷气候下，电池温度可能落到其优选的最小温度之下。在这些情况下，即使牵引电池没有被使用，也可以遵循类似的控制策略。

在第二实施例中，热电元件及其相关联的电互连件可以附接到单独的单体。单体的柔性聚合物袋的壁通常是多层结构，并且可能将结合在一起的若干片聚合物结合到少于300微米厚的复合片中。热电元件及其相关联的互连件可以附接的外层通常是不导电的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

热电元件附接到袋壁可以仅使用粘合剂来实现。因为PET是低表面能量的聚合物，实现强的粘合剂结合可能需要在施加粘合剂之前进行化学或等离子预处理。组件的相对端附接到不导电的第二基底可以类似地仅使用粘合剂来实现。使用金属或导电基底将需要使用在两侧都有粘合剂的薄的、电绝缘的聚合物片材来结合。再一次地，适当的选择可以是聚酰亚胺片材（通常已知为Kapton®），13或25微米厚，每侧带有大约20微米厚度的硅树脂和丙烯酸树脂粘合剂。

对于袋来说，需要第二刚性的基底来确保袋壁的弯曲不会导致相邻的热电元件之间的接触和电短路。刚性的基底将用于加强相邻的热电元件和互连件之间的隔离。因此，在柔性袋壁基底中发生的偏折和位移不会传递到元件。如果需要进一步的加强，则热电元件可以封装在适当的不导电的材料中，诸如环氧树脂中。

在第三实施例中，热电元件可以结合到单体壁中。这可以通过沉积热电成分来最容易地实现，但也可以使用薄的较大的元件。通常，单体壁包括彼此结合的由聚合物片材形成的堆叠的层。适当的内部聚合物，与单体电解质接触，是接近100微米厚度的聚丙烯。这通常以几十微米厚的尼龙上覆，该尼龙又被之前描述的PET层上覆，该PET层的厚度也是几十微米。当结合到单体壁中时，热电装置放置为聚乙烯层接触，其被适当电互连，并且利用尼龙和PET层上覆。在该实施例中，热电元件可以在一个维度延伸，使得p-n组合可以具有肋的形状。适当地，这种肋可以在相邻的单体上彼此侧向偏移，以形成槽道，用于使冷却流体通过。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种电化学单元，用于与类似的单元组装以形成车辆电池，所述电化学单元包括：

袋，该袋包括至少一组电极和电解质，该袋及其内容物被成形为两面的单元，该两面的单元带有相对的面，用于与类似的袋单元大致面对面地接触组装，所述电化学单元在其操作期间需要加热或冷却，所述袋的每个面由第一聚合物成分制成的第一层限定，该第一层至少由第二聚合物成分制成的第二聚合物层上覆，所述第一聚合物层与所述电解质和至少一个电极紧密接触，所述电化学单元还包括：

多个分隔开的、类似形状的、交替的n型和p型半导体热电元件，每个所述热电元件带有相对的第一和第二面，相邻元件的第一面电连接以形成第一连接，相邻元件的第二面电连接以形成第二连接，所述第一连接和第二连接布置成使所述多个元件串联连接，所述元件以及它们相关联的连接与所述第一聚合物层大致共延并且由所述第一聚合物层支撑并附接到所述第一聚合物层，以形成与所述袋结构一体的组装的热电装置，所述装置能够利用导通直流电而被激励，以产生与所述袋的面接触的冷却或加热面；

所述热电装置基本上由所述第二聚合物层覆盖。

2. 如技术方案1所述的电化学单元，还包括位于所述第一聚合物层和所述至少一个上覆的聚合物层之间的具有形状的绝缘层，所述上覆的聚合物层与所述具有形状的绝缘层的表面形状相符，使得所述袋的面的外形适于与类似单元的面接合，以便组装到车辆电池中。

3. 如技术方案2所述的电化学单元，其中，所述绝缘层包括聚合物泡沫。

4. 如技术方案2所述的电化学单元，其中，所述袋的面的外形被成形为使得在两个袋被组装到车辆电池过程期间被面对面接触放置时，在袋的面上至少形成连续的槽道。

5. 如技术方案1所述的电化学单元，其中，所述袋的面大致是矩形的，并且由相对的边缘对所界定，所述热电单元是长的矩形，它们大致平行于第一对相对的边缘排列，并且长度足以从第二边缘对的第一边缘基本延伸到该第二边缘对的第二端。

6. 如技术方案5所述的电化学单元，其中，所述第一连接被支撑在所述第一聚合物层上，通过将多个导电的中空部件与每个相邻的热电元件的第二面相接触而形成用于所述第二连接的电连接，所述中空部件的长度基本等于所述热电单元的长度。

7. 一种模块，用于与类似的模块组装以形成车辆电池，所述模块能够冷却或加热所述模块，所述模块包括：

基本上封闭的壳体，该壳体至少包括电化学单元，该电化学单元包括包含电极和电解质的袋，所述电化学单元适于按照要求而接收、存储和放电，所述模块壳体成形为带有共延的相对的面的两面单元，该相对的面用于大致与类似模块面对面接触组装，所述壳体的面各具有厚度和内表面以及外表面，所述面具有外周，所述面被连接到带有边缘的带，每个带的边缘被附接到所述相对面的面外周之一，以限定壳体；以及

多个类似形状的、分隔开的、交替的p型和n型半导体热电元件，其带有相对的第一和第二面，相邻元件的第一面电连接以形成第一连接，相邻元件的第二面电连接以形成第二连接，所述第一连接和第二连接布置成使所述多个元件串联电连接，所述元件以及它们相关联的连接与所述壳体的面大致共延并且由所述壳体的面支撑并附接到所述壳体的面，以形成与所述模块壳体一体的组装的热电装置，所述装置能够利用导通直流电而被激励，以产生与所述模块的面接触的冷却或加热面。

8. 如技术方案7所述的模块，其中，所述热电装置粘性地附接到壳体面的外表面。

9. 如技术方案7所述的模块，其中，通过将所述热电装置嵌入在壳体面中而附接所述热电装置。

10. 如技术方案9所述的模块，其中，所述装置的第一连接与所述模块的内面共面，并且与袋的面热连通。

11. 如技术方案7所述的模块，其中，所述装置的第一连接与所述模块热连通，所述第二连接与流动的流体热连通。

12. 如技术方案11所述的模块，还包括附接到所述第二连接以促进增强的热流的结构。

13. 如技术方案12所述的模块，其中，促进增强的热流的结构包括翅片。

14. 如技术方案7所述的模块，其中，当邻接的模块面彼此接触时，邻接的模块的面适于形成通道，用于使流体在它们的面上流动。

15. 如技术方案7所述的模块，其中，所述模块还包括闩锁装置，用于可释放地将邻接模块固定为面对面接触。

16. 如技术方案7所述的模块，其中，所述模块还包括电汇流条，用于从第一模块至邻接模块传输电，用于为热电阵列提供功率。

17. 如技术方案7所述的模块，所述模块还包括温度传感器。

18. 如技术方案17所述的模块，其中，所述温度传感器是一个或多个所述热电元件。

19. 一种电池，包括多个如技术方案14所述的模块，所述模块中的至少一个包括温度传感器，所述模块以面对面的关系固定并且适当地电相互连接，以便以预先确定的电流和电压传递电功率。

20. 如技术方案19所述的电池，还包括入口通道和出口通道，使得周围空气能够至少在包括热电装置的模块面上流动。

通过对本发明各种实施例的详细描述，可以清楚本发明的其它目标和优点。

附图说明

图1A示意性地以透视图示出了布置在电池中的多个电池模块。该电池包括入口、出口和内部通道（不可见），用于使流体循环通过电池。图1B以分层剖视图显示了包含在电池模块中的电池袋，模块壁具有包括热电元件和电互连件的热电组件。

图2A示意性地以透视图示出了适于本发明实施的热电组件。图2B中示出了商用热电装置的对比示例。

图3A以横截面图示意性地示出了与电池模块热接触以便控制模块温度的热电组件的两个构造。在一个实施例中，电池模块壁56’是可模制的聚合物。在第二实施例中，模块壁56是金属。图3B和3C示出了在模块壁是金属的实施例中热电元件和相关联的电极附接到模块壁的细节。

图4以横截面图示出了基本上如同图3A中所示的两个相邻电池模块单元之间形成的接触，其带有特征用于可释放地将电池模块附接在一起，并且包括分开的汇流条，用于将电流输送到热电组件。

图5示出了软面的袋的部分透视图，其结合了嵌入的热电元件。

图6以部分透视图示出了两个软面的袋，如图5所示的嵌入的热电元件面对面地接合，示出了它们接合以形成流体循环通道的方式。

图7以部分透视图示出了软面的袋的另一实施例，其带有嵌入的热电元件并且包括一体的流体循环通道。

图8示出了有代表性的控制方案，用于控制电池单体或模块的温度。

具体实施方式

实施例的以下描述本质上仅仅是示例性的，且不旨在限制本发明、其应用或用途。

尽管高功率电池（诸如用在混合动力车辆或电动车辆中的锂离子电池）可能受到从大约-30℃至大约40℃的周围温度，但其优选在大约25℃和大约35℃之间操作这些电池。高温度尤其是有问题的，因为远超出该范围的温度可能会降低电池寿命和性能。

为了确保在该优选的温度范围操作，大多数这种高功率、高电压的电池结合一些设备用于管理电池温度，主要用于在持续的高功率需求条件下的操作期间来冷却电池。通常，主动冷却是优选的，并且适当的流体可以循环通过电池和在电池周围循环。冷却剂可以是基于水的，带有较大浓度的添加物，例如用于防止或降低腐蚀和抑制藻类生长等。因为高电压电池可以包括多个单独的单体并且占据若干立方英尺的体积，因此将冷却流体在电池本体中分布可能需要较长的流槽道以及较大体积的冷却剂。这些需要可能增加用于电池存储的整体车辆体积并且显著增加整体服役的电池质量。

图1中示出了电池10的示例。在该示例性实施例中，通过安装框架18固定多个堆叠和相互连接的模块12。电池10了结合用于使流体循环的设备，该流体由入口14馈送并且在出口16结束。利用适当的密封衬垫，在泵（未示出）的促动下在入口14进入模块堆的流体可以沿着堆的长度分配，不会泄漏。以类似于入口流的方式，出口流被限制在电池体积内并且从电池出口16排出。循环可以是闭环的或开环的。在通常用于液体的闭环系统中，从出口16排出的流体可以传递通过热交换器（未示出）并且在再次泵入入口14之前被恢复到周围温度或接近周围温度。在开环系统中，诸如当空气用作操作流体时，流体就在出口16被排出并且被适当地分散。

空气冷却是优选的，因为其消除了循环液体的质量以及循环系统所需要的额外构件。但空气的热传递系数（h）仅仅是基于水的流体的1/10或1/20。通过傅立叶定律，下式中给出了包含流动流体的槽道中的热损失的速度

：

= -h.A ΔT ………………………………………….公式1

其中，A是槽道表面积，

ΔT是冷却流体和槽道壁之间的温度差。

因此，对于类似的冷却槽道几何形状来说，流体的提取热量的速度远大于空气。

然而，明显的是，ΔT的增加可以抵消降低的h。本发明的一个目的是使得作为热泵工作的热电组件能够促进高性能的空气冷却。这种热泵将用于增加ΔT，因此将能够通过增加从电池提取热量的效率来使用空气控制电池单体和/或模块的冷却或加热。

图1B以分层的剖视图显示了结合这种热电组件的模块。模块12包含多个袋单体20，它们被堆叠并且定位成紧密地填充模块壳体19的内部体积。每个袋单体20被包围在柔性的基于聚合物的袋17中，该袋17在其边缘15处被密封。每个袋20包含至少一个单体，单体包括负集电体21、正集电体23，集电体被不导电的分离器22所分开并且浸入电解质（未示出）中。集电体21、23中的每一个连接到其相应的凸片25、24上，并且多个相应的凸片的每一个相互连接。此处所描述的相互连接源自将每个单独的凸片附接到共同的相应的汇流条，汇流条27和26，但这种结构仅是说明性的，可以采取其它的构造，没有限制。接着，每个汇流条27、26连接到相应的柱连接器29、28，柱连接器29、28穿过模块壳体19以允许从外部连接到单体。

一组隔开的电互连件32定位成与壳体19的面56接触。热电元件42和44，其可以是交替的p型半导体热电元件42和n型半导体热电元件44，定位在互连件32上，使得每个热电元件的第一面与互连件电接触。第二电互连件34位于热电元件之上，并且与热电元件的第二面电接触。互连件32和34被布置成使所有的热电元件串联连接，并且能够使得在外部电接触件54、55之间具有连续的电路，如图2A更清晰所示。热电组件可以定位在模块壳体的相对面56的一个或两个上，并且可以位于组成如图1A所示的电池10的模块12的一些或所有之上。

图2A更详细地示出了图1B的热电组件，清楚地示出了交替的p型和n型热电元件阵列，更好地示出了互连件32、34如何协作以确保热电元件的串联连接。以虚线示出了基底51，其与互连件34的表面接触并且附着到互连件34的表面，不与热电元件接触。当热电元件安装在刚性基底（诸如模块壁56）上时，基底51是可选的，但如果该实施例的热电阵列安装在柔性基底（诸如袋壁）上，则对于结构稳定性来说基底51是必要的。

图2B示出了传统的商用热电加热器/冷却器40。在这种装置中，采用了支撑基底48和51，一个附接到互连件32，一个附接到互连件34。这些0.3至0.8毫米厚的基底通常由不导电的陶瓷（经常是Al₂O₃或AlN）制成。这些陶瓷基底因此在热管理对象和热电元件之间引入热屏障，因此降低了热电装置的效率。

将直流电传递通过组件将引起温度梯度并且使得热量流动，此处在图2A和2B中以箭头所示，从热电元件的一个面流到另一个面。因此，通过将热电组件的一个表面例如基底48的表面57（图2B）放置为与本体（未示出）热接触，则热量可以从本体提取并且传递到基底51的表面50，用于接下来传递到适当的流体介质和最终的排出。将认识到，通过使连接的极性反转将电流的方向反转，从而热量流的方向可以反转。

在热电元件上可以保持的温度梯度的大小依赖于通过组件的电流。通常，对于基于铋成分的热电组件，在最大电流处可以建立达到大约80℃的最大温度差。然而，在大约40℃的较低的温度差获得温度差和热提取速度之间的最佳平衡。因此，如果热电组件的“冷”侧保持在25℃和35℃之间的优选的电池操作温度范围，则组件的热侧将处于65℃和75℃之间的温度。然而，再一次地，注意在传统的热电装置（图2B）中，每一个基底48、51将在它们的厚度上持续温度梯度。因此，在基底48中，例如，表面57将处于比表面53高的温度。

如果热量从组件的热侧传递到流动的空气，则热电热泵造成的增加的温度差通过公式1表明对流动空气的热损失的速度提高了4到9倍。这种增加部分地补偿了空气相对于水的热传递系数的较低值，并且即使对于高输出电池来说，槽道面积的仅温和的增加也能够允许空气冷却。当然，即使液体冷却是优选的，使用这种热电热泵也是有利的，因为使用这种热泵所能够改善的效率也将使得液体冷却管线的直径较小，因此降低总的冷却剂质量。

图3A以部分截面图示出了与热电热泵连通的电池模块的两个代表性构造。电池模块60（细节未示出）包含在壳体62中。壳体62显示为在一些部分带有金属模块壳体壁56，在一些部分带有聚合物模块壳体壁56’。在一些电池实施例中，模块壳体壁56’可以是可模制的聚合物。聚合物不导电的性质允许热电元件42、44和它们相关联的导电片46之一嵌入在聚合物模块壳体壁56’中。这种方法简化了热电元件的安装并且用于减小热梯度。将认识到，组成电池模块60的电池单体被包含在图1B所示的袋或类似的容器中，使得在任何的热电元件42、44或导电片46与单体电解质之间没有可能反应。在模块60的带有聚合物壁56’的部分中，热电元件在它们的第二面通过导电片46’连接，但不采用基底（诸如图2A和2B中所示的51）。

但是，模块壳体壁也可以由金属制成，例如铝。这样的金属壳体壁56禁止嵌入热电元件，因为金属壁将导电，并且中断从一个热电元件至下一个热电元件的电流的有序流动。在此情况下，热电元件42、44及其相关联的导电片46可以利用两面粘性聚合物膜固定到壁56，该聚合物膜选择为如图3B中所示的具有良好的电绝缘性质。膜156（可以适当地是聚酰亚胺）利用共延的粘合剂层154、158而涂覆在每一侧上。适当的粘合剂包括硅树脂和丙烯酸树脂。粘合剂层154将热电元件粘合到壁56的面上，膜156使壁56与热电元件42、44电绝缘。因此，除了保持袋单体之外，壁56可以与板48具有相同功能（图2B）。因此，如图1B所示，热电组件可以与（电池）模块相结合，不需要单独的抑制热传递的不导电基底48（图2B）。如图所示，包括平面区域65和突出区域67的“基底”可以与第二基底51有相似的作用，或者可以完全地或选择性地被省去，如结合在壁56’所示的构造所示的。

适当地，聚酰亚胺层的厚度可以从大约13至25微米，而粘合剂层可以是大约20微米厚。省去基底48、51用于降低温度梯度并且改善热电组件的性能。如果模块壁是不导电的，则只需要粘合剂。再一次地，可以使用厚度在大约20微米左右的硅树脂或聚丙烯酸酯粘合剂，但低表面能量的聚合物表面（例如PET、聚丙烯、热塑性聚烯烃（TPO）和聚乙烯）可能需要等离子体或化学预处理，以获得适当的粘性。安装框架26（图1A）除了固定电池模块之外，将通过施加压力而有利于在热电组件和电池模块之间的良好粘合和热接触。直流电传递到电极54、55处的热电组件，其通过绝缘体354、355与壁62适当绝缘，并且在导电片46、46’的促进下通过每个p型热电元件42和n型热电元件44。

采用在图3C中显示的类似的方案来将热电组件固定到壳体端盖64的表面，其也可以是金属的，并且作为热电组件的第二基底。该方法有利地克服了在传统陶瓷基底上建立的热梯度问题。并且，壳体端盖64可以具有有形状的外表面，例如包括凹部65和像翅片的凸起67，用于加强从端盖64至相邻流体的热传递，如以下更详细所述。

通过施加适当的电流和电压，在热电元件的相对端可以产生温度差，以便产生壁56的面和壳体端盖64之间的优选的温度差。因此，来自电池模块60的热量可以传递到端盖64的凹入的表面65和凸起67。

图4以横截面图示出了带有图3A所示的热电元件的两个电池模块单元。为了简便，在图4中没有示出热电元件的附接的细节，但结合图3所述的粘合剂或涂覆有粘合剂的绝缘带方案可等同地应用于图4所示的布置。然而，图3中所示的模块已经被改变以包括进一步的特征，以便将它们固定在一起并且能够从可分开的汇流条对电池单元的热电元件提供功率。端盖64和64’可以再一次具有图2A和2B的基底51的功能，并且建立适当的几何形状，使热量从热电组件传递到流体。当显示为分开构造的模块60、60’彼此接触时，它们对应的端盖64、64’形成一系列的槽道78，这些槽道78在纸面延伸进出并且通过模块的厚度。由凹入的表面65、65’以及由凸起67、67’界定的槽道78与电池组件是一体的，而不是图1所示的分开的热管理系统。因此，例如，空气可以沿着每个槽道78引导，例如通过翅片加强对流，并且将传递到端盖64、64’的热量排出。也可以使用再循环的基于水的流体，但可能需要额外的密封衬垫和密封特征（未示出），以确保不发生冷却流体的泄漏。将认识到，端盖64、64’的描述是说明性的而不是限制性的，它们的设计可以按照需要来修改以实现槽道78的任何优选设计或任何其它适当构造。例如，端盖64、64’可以结合额外的非接触的肋或其它几何形状的特征，用于增加湍流和/或更有效率的热传递。

可接合的特征70、72用于暂时性地将模块60、60’固定在一起，同时如果需要的话允许它们在某个将来时间分离。当模块60、60’在一起时，通过斜面75与锁定特征72的斜面73接合，柔性臂70可以弹性变形，并且偏离壳体62。继续前进后，柔性臂70的末端上的接合特征75被柔性臂70的弹性存储能量所促动，接合锁定特征72中的互补的凹部74，将模块固定在一起。标记为70’、72’、73’、74’和75’的特征使得模块能够类似地固定在第二位置，如果需要的话，还可以包括类似或其它设计的另外的锁定特征。这些锁定接合特征可以替代或补充由锁定框架18（图1）所施加的约束，并且进一步确保热电组件和电池构件之间的良好的热接触。

图4还示出了一对分开的汇流条组件，其带有结合到壳体62中的绝缘的（未示出绝缘）线导体154、254。每个导体线导体154、254在一端终止于凹入壳体62的凹腔155、255，在另一端终止于突出超过壳体62的导体段154’、254’。因此，当模块60、60’的壳体62接触并且接合特征接合时，突出段154’、254’将与凹腔155、255接合，在两个模块之间形成连续的汇流条。通过适当连接的连接54和54’将电流传递到汇流条154’和254’并且从汇流条154’和254’传递电流，以便对热电组件提供功率和实现期望的温度管理。可以注意到，所示的构造已经是防差错的，使得不可能不恰当地组装模块和反转到热电组件的电连接。

汇流条的使用简化了与特定单体/模块相关联的热电组件的电连接，但可以限制或消除改变单独的热电组件的冷却能力来处理电池体积内的任何不均匀温度分布的机会。如果电池内的温度变化是过度的，则可能需要采用单独的有线的热电组件，如图3A所示的。但对于更少或更多的系统性的温度变化，可能优选的是，将若干模块组装成组并且具有汇流条，然后将这些组的电池进行组装，使得组与组之间的温度变化可以被独立处理。

尽管关于封装在导电的金属壳体内的电池模块描述了本发明的应用，但应该认识到，其可以容易地应用于不导电的模块壳体。此外，本发明还可以应用于袋的最外层是聚合物的单独的棱柱软面的袋或单体。这些情况的主要不同在于，热电元件和连接器可以直接地粘性粘合到模块壁，因为模块或单体的粘合表面是不导电的。然而，如果袋或壳体具有低表面能量聚合物粘合表面，诸如PET，则可能需要例如一些表面处理，化学的或等离子的，以便得到用于粘合剂的适当接收表面。

将认识到，模块或更恰当地说是模块壳体将通常具有相对的面，形状通常是矩形或多边形，在其外周上由基本上连续的窄的材料带界定，以形成薄的类似板条的部件，如图1的示例性实施例所示。模块壳体将定位成它们的面接触，如图1所示，用于最大冷却，热电组件应该与模块壳体面是大致共延的。如图4所示，模块可以从一个面或两个面被冷却。此处，模块60’的面80’具有相关联的热电冷却器，使得模块60’可以从两面被冷却。然而，不同的是，模块60的面80与模块160直接接触，因此仅从一面被冷却。模块160（未示出）的与面80相对的面可以结合热电冷却以便类似于模块60那样进行单面的冷却。这种单面冷却如果足以满足电池的热需要，则可以有利于电池组装，因为两个模块可以固定地附接，降低要处理和组装的单体或模块单元的数量。

然而，不论如何实现，电池的整体构造是，多个类似板条的模块被堆叠，它们的壳体至少与热电冷却模块面对面接触，该热电冷却模块被选择性地介于两个模块壳体的邻接面之间，并且带有设备用于使冷却流体在热电冷却组件的一侧上通过。

适用于软面单体袋的本发明的替代性实施例显示于图5、6和7中。适于根据本发明的实践的热电冷却的单体300的壁片段在图5中示出。如通常所实践的，壁包括三个聚合物层。第一层通常由聚丙烯制成，厚度在50和100微米之间，与电解质接触。该第一层由第二聚合物层上覆，该第二聚合物层通常包括尼龙，其自身被第三聚合物层上覆，该第三聚合物层通常是PET制成。第二和第三层通常是几十微米比如10-30微米的厚度。该传统的方案适合于包含了图5中所示的热电冷却器的修改了的袋壁结构。

与单体的电解质接触的第一聚合物层302是传统的。但上覆在第一聚合物层302上的是多个离散的分隔开的电极310。这些电极可以是基于铜或基于铝的，并且将大致具有大约40微米的厚度，并且在交替的p型热电元件316和n型热电元件318之间横向延伸。每个电极310和热电元件纵向延伸到大致袋尺寸的范围，此处显示为“L”。热电元件316、318也纵向延伸袋尺寸的长度，但具有小得多的横向和竖直的尺寸，使得它们具有棱柱形长杆的形状。热电元件以紧密间隔对315布置。这些对隔开一距离，该距离与热电元件对的横向范围“d”相当。电和热绝缘泡沫层314上覆在电极310上并且在热电元件周围。该泡沫可以成形为将锥形或斜坡的壁施加到与元件的外表面317、319接触的泡沫的区域。

电极312连接元件对315的元件316、318之间的间隙并且支撑在绝缘泡沫314之上。因此，电极310、热电元件316、318以及电极312的组合使得能够建立连续的电路，如同之前的热电装置的端部之间的温度梯度。如同在传统的袋壁中，该结构由两个薄的聚合物层304、306上覆，产生了袋壁几何结构，该几何结构包括平行的交替类似脊的特征322和类似谷底的特征324。冷却流体可以沿着热电结构的长度被引导和行进，如流箭头320所指示的。

在操作中，袋可以放置在模块壳体中，受到模块壳体壁的某些约束，并且与壳体中的其它袋密切接触。不像之前所述的可能具有锁定和对准能力的模块壳体，软壁袋通常缺乏任何定位或固定特征。然而，图5中所示的袋壁的“带肋”结构提供了在相邻的袋之间进行机械干涉的可能性。这可以被开发，以便将袋定位在紧凑的布置中，该布置使得冷却流体能够自由通过，如图6所示。

图6示出了两个接触的袋壁的部分被定位成使得第二袋300’的脊322’（为了清楚以虚线示出）接合第一袋300的谷底324。脊和谷底的相应的形状和尺寸被选择成使得不发生完全的接合，在脊的峰和谷底的底部之间留有间隙“h”。该间隙使得冷却流体流320能够到达袋300和300’的壁。冷却流320因此可以移除从与单体壁的第一聚合物层接触的热电元件的端部传递到形成脊的端部的热量。

衍生出的袋壁结构在图7中示出。如前所述，热电元件316、318的对315（其基本上包围在带有形状的电和热绝缘的泡沫314中）定位成其一端与位于第一聚合物层302上的隔开的电极310接触。然而，热电元件的第二端与矩形管326接触。矩形管326是导电的，并且完成热电装置的操作电路，还使流体（如流320’所示）直接行进通过热电元件的第二端。通过设置管326的外尺寸（显示为“a”）等于凹部324的宽度（也已知为“a”），两个袋可以紧紧地配合在一起并且排除流体流，除了通过管326。如前所述，这些元件由两个聚合物涂层上覆，此处显示为复合涂层304/306。在该示例中，与之前的示例相比，具有形状的绝缘泡沫314已经更广泛地分布。具体而言，泡沫延伸进入平面的凹部324，在此处其可以柔性地容纳较小的袋与袋的尺寸变化，并且有利于袋与袋的接合以形成紧凑的组件。

图8中显示了用于控制高电压高电流的电池的温度的方案。在示例性实施例中，电池是用于至少对车辆中的电动马达提供功率的牵引电池100，控制器110位于车辆上。牵引电池100与多个热电组件124热连通，并且可以由这些热电组件124冷却。控制器110接受多个输入，这些多个输入可以包括：来自传感器104的牵引电池温度；来自电流表102的从牵引电池提取的电流；以及电流表112所测量的电流，其对多个热电组件124提供功率。传感器可以是适用于测量感兴趣的参数并且将测量值显示为由控制器110所能够解读的电信号的任何传感器。例如，适当的温度传感器可以包括热电偶、热敏电阻或铂电阻温度计等。

或者，热电装置本身可以作为温度传感器。热电装置可以操作为热电偶。当被外电流驱动时，热电元件上的电压降包括欧姆（电阻加热）部分和珀尔帖（热电冷却/加热）部分。通过关闭外部功率，仅珀尔帖部分可以被记录。由于热电元件中的温度梯度，珀尔帖电压将随时间衰减。相关的珀尔帖电压是热电元件从外部功率源分离时的电压。这可以通过外推来确定。

珀尔帖电压与热电元件的冷端和热端之间的温度差成比例。对于最靠近冷却空气入口的热电元件来说，该元件的冷端将基本上是周围温度，因此知道了周围空气温度，电池温度可以被估计。如果需要的话，入口下游的冷却空气的温度也可以使用下游热电元件来估计。再一次地，可以估计温度差，但此处，通过在上游热电元件之上的通道所加热的冷却空气将处于比周围温度高的某个温度。但是，通过假定由热电元件估计的电池温度是恒定的，可以估计冷却空气温度。入口下游的过度的冷却空气温度可能发信号需要增加冷却空气的流量以将电池温度维持在可接受的限制内。

如所描述的，控制器110和这些传感器之间的通信通过有线连接116、118、120实现，但不失一般性地，可以采用无线、光学的或其它的通信方式。控制器110可以至少响应于电池温度和热电组件电流输入而通过连接器122将控制信号114传递给电流调节器108，以便控制由直流功率源106所供应的热电电流。尽管在很多车辆应用中，直流功率源可以是用于为车辆附件提供功率的名义12伏的电池，但将认识到，在一些实施方式中，包括车辆应用，牵引电池100也可用作功率源106。控制可以使用系统模型或使用独立于模型的控制方案（诸如比例控制、比例积分（PI）控制或比例积分微分（PID）控制等）来实现。知道即刻牵引电池100的电流提取102可以进行一些前瞻控制策略，以补充PID控制的误差消除方式和其它的控制策略，以最小化温度过调和电子冷却电流命令。可以预料到，所有的建模（如果使用的话）以及与以上控制任务有关的计算任务，不论如何实现，可以由控制器110来执行，但也可以采用辅助的计算装置。可以连续地执行监测和控制，或者数据可以以通常规则的间隔来采样，其使得控制器的响应时间能够与电池温度的预期改变速度匹配。通常，每秒1至5个采样之间的采样率是适当的。

热电组件124的最重要的要求是将最大电池温度限制在其优选的温度范围内，但在冷的气候下，也可以优选地在控制器和电池106的控制硬件中结合设备用于使供应到牵引电池100的电流的极性反转。利用该能力，热电元件的热端和冷端的位置可以被反转，使得热端与单体/模块热接触。因此，冷的电池，例如在小于-10℃左右的电池，可以更容易被加热到它们优选的操作温度。

由于需要管理电池功率，尤其在电动车辆中，这种电池温度管理通常将仅当车辆正在被操作时发生。但是，即使当驻车时，也存在电池温度可能超过其优选范围的极端情况。例如，在沙漠和带有高太阳负荷的其它环境中，可能发生过度的电池温度，尤其在高的周围温度下。在受到极冷气候的北纬度，电池温度可能落到其优选的最小温度之下。在这些情况下，即使不使用牵引电池，也可以遵循类似的控制策略。通常，在车辆不使用时进行的任何电池温度管理将是高度保守的以适当地权衡维持高的电池充电状态同时将电池温度维持在可接受的范围内这两个目标。因此，开始电池温度管理过程的阈值可以比操作情况下高。

本发明的实施例的以上描述用于说明本发明而不是限制本发明要保护的范围。

Claims

1.一种电化学单元，用于与类似的单元组装以形成车辆电池，所述电化学单元包括：

所述热电装置基本上由所述第二聚合物层覆盖。

2.如权利要求1所述的电化学单元，还包括位于所述第一聚合物层和所述至少一个上覆的聚合物层之间的具有形状的绝缘层，所述上覆的聚合物层与所述具有形状的绝缘层的表面形状相符，使得所述袋的面的外形适于与类似单元的面接合，以便组装到车辆电池中。

3.如权利要求2所述的电化学单元，其中，所述绝缘层包括聚合物泡沫。

4.如权利要求2所述的电化学单元，其中，所述袋的面的外形被成形为使得在两个袋被组装到车辆电池过程期间被面对面接触放置时，在袋的面上至少形成连续的槽道。

5.如权利要求1所述的电化学单元，其中，所述袋的面大致是矩形的，并且由相对的边缘对所界定，所述热电单元是长的矩形，它们大致平行于第一对相对的边缘排列，并且长度足以从第二边缘对的第一边缘基本延伸到该第二边缘对的第二端。

6.如权利要求5所述的电化学单元，其中，所述第一连接被支撑在所述第一聚合物层上，通过将多个导电的中空部件与每个相邻的热电元件的第二面相接触而形成用于所述第二连接的电连接，所述中空部件的长度基本等于所述热电单元的长度。

7.一种模块，用于与类似的模块组装以形成车辆电池，所述模块能够冷却或加热所述模块，所述模块包括：

8.如权利要求7所述的模块，其中，所述热电装置粘性地附接到壳体面的外表面。

9.如权利要求7所述的模块，其中，通过将所述热电装置嵌入在壳体面中而附接所述热电装置。

10.如权利要求9所述的模块，其中，所述装置的第一连接与所述模块的内面共面，并且与袋的面热连通。