CN105210231A - 使用l-v相变材料的电池冷却机构 - Google Patents

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Abstract

3-D“相变热交换”结构和方法被用于可充电电池中，以从电池单元的表面散发热量并且降低电池单元内的温度。该电池单元布置在外壳内并相互隔开，电池单元之间具有自由空间。在壳体内放置有液相-气相相变材料(L-V？PCM)。在电池单元的表面上设置亲水性薄膜或芯或纤维结构，以帮助在单元表面上形成L-V？PCM薄液层。运行期间，L-C？PCM在单元表面上蒸发并在电池外壳上或外部热交换器内冷凝回液体，并滴落回到单元的顶部上。该设计延长了电池的寿命并显著提高电池的性能。

Description

使用L-V相变材料的电池冷却机构
技术领域
本发明涉及电池，具体涉及一种用于可充电电池的冷却机构。
背景技术
电池寿命、快速充放电能力和安全性是不同充电电池变成电动汽车(EV)和许多其他应用的主力的三个关键问题。如何管理这些电池单元内的温度从而使得其保持在接近室温(25℃)是解决与这三个问题相关的问题的关键。这是因为：1)在运行或存放期间，高于该温度的过热会引起过量的不可逆的化学反应，这些反应反过来引起离子通道阻塞和电池失去再次充电的能力；2)相对于给定封装技术的给定散热率，通过电池内阻的更快速充放电会引起单元内的温度更多增加，单元将失去其容量和寿命；3)如果温度超过一个灾难性的引起强烈化学反应的故障温度(热失控)，则这些单元将会爆炸。
通常有四种不同的基本电池热管理方法。这些方法的共同点是，电池首先制造成具有不同几何形状的小单元，然后包装成大的体积。这种方法会减少单元表面和单元内最热点之间的温差。在将热量从单元的表面散发到大电池包的外部的方式上，不同的热管理方法不同。第一种方法是强制空气对流的方法，即采用电扇来引起风道中的空气流动并在风道中对单元的表面进行冷却。该方法虽然简单，但不节能，因为单元表面和风道入口内的空气之间的温差的减小需要空气流速线性增加，而所需电功率将增加来作为空气流速的第三功率。在发电厂的冷却方法中，这是明显的。
第二种方法是强制液体对流。在强制对流中使用液体来代替空气。因为液体具有比气体更大的热容，所以冷却更有效，但是为了加快液体流动和增加冷却所需的功率仍然是液体流速的第三功率。为了液体在各单元之间的空间在单元表面上直接流动，对于密集电池包装，流阻太大而不能将所需电功率保持足够低。
第三种方法(US2009004556A1)是将固相-液相相变材料(PCM)与电池一起封装。随着电池表面被加热，PCM吸收热量并熔化成液体，在保持温度恒定的同时储存热能。由于通过PCM临时储热，对于给定散热率，该方法有效增加充放电速度。然而，由于为了使PCM体积远离电池表面以达到熔化温度，PCM容量是有限的。由于PCM糟糕的导热性，仍然需要单元表面温度远高于PCM的熔化温度。
最后一种方法(US2011206965A1)是2-D热管方法。薄片形式的二维热管被制造，以及热端被安装在电池单元表面而冷端安装有翅片，用来更有效地进行强制空气冷却。具有理想沸点的液相-气相PCM被密封于该2-D热管内。随着电池表面温度上升(其可能超过PCM沸点)，壁面内热管上的PCM汽化并将热能带到冷端从而再次冷凝回液体。传递到冷端的热能由气流消散。2-D热管的制造太贵而不能在工业应用中实现，以及冷却仍然受限于通过强制空气冷却方法。
发明内容
本发明提供更有效和高效的方法、设计和装置以降低可充电电池单元内的温度，从而延长电池寿命并显著增加电池的充放电速度和安全性。
本发明的附加特征和优点将在下面的描述中阐述以及从该描述中部分是明显的，或者可以通过实践本发明而得知本发明的附加特征和优点。本发明的目标和其它优点通过在书面描述和其权利要求以及所附的附图中特别指出的结构来实现或获得。
为了实现这些和其他优点，并根据如实施和广泛描述的本发明的目的，本发明提供一种电池，该电池包括外壳、多个电池单元以及液相-气相相变材料(L-VPCM)，多个电池单元相互电连接并设置在所述外壳内，所述电池单元相互隔开，其中在所述电池单元之间具有自由空间，所述液相-气相相变材料在所述外壳内。
另一方面，本发明提供了一种电池系统，所述电池系统包括：电池，所述电池包括电池外壳、多个电池单元，所述多个电池单元相互电连接并设置在所述外壳内，所述电池单元相互隔开，其中在所述电池单元之间具有自由空间、以及液相-气相相变材料(L-VPCM)，所述液相-气相相变材料在所述外壳内，其中所述电池外壳包括蒸汽出口和液体入口，所述蒸汽出口用来允许L-VPCM蒸汽传递到所述外壳外，所述液体入口定位在所述电池外壳顶部并用来允许L-VPCM液体导入所述电池外壳中；热交换器，所述热交换器包括热交换器外壳，所述热交换器外壳具有蒸汽入口和液体出口，所述液体出口设置在所述热交换器外壳的底部、多个容器，所述多个容器设置在所述热交换器外壳内，每一个所述容器包含固相-液相相变材料；第一管道，所述第一管道将所述电池外壳的所述蒸汽出口连接到所述热交换器的所述蒸汽入口，用来允许L-VPCM蒸汽从所述电池外壳流至所述热交换器外壳；以及第二管道，所述第二管道将所述热交换器的所述液体出口连接到所述电池外壳的所述液体入口，用来允许L-VPCM液体从所述热交换器外壳流至所述电池外壳；其中所述热交换器外壳设置在所述电池外壳的上方。
附图说明
图1是前剖视图，其示意性地示出根据本发明第一实施例的电池。
图2是图1的电池的顶板的俯视剖视图，其示意性示出冷却管道的布置。
图3示意性示出根据本发明第二实施例的电池和具有S-LPCM系统的电池。
图4示意性示出用于图3实施例中的电池的具有多个孔的盘件。
具体实施方式
可以理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明性的目的，以及其各种修改或改变将被建议给本领域的技术人员，并且被包括在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围内。
在本发明的各实施例中，三维(3-D)超热导热管理设计被用来降低可再充电电池单元内的温度。3-D相变热交换法被用来从单元表面散热。在一些实施例中，具有不同的几何形状，包括平板、实心或空心圆柱状等的单元被封装在3-D真空密封外壳内，其中单元表面之间具有小自由空间。优选的几何形状是薄型平板。其较薄的厚度可在单元表面和单元内热点之间提供较低的温差，因此，在上文讨论的三个方面性都具有更优的性能。
在电池运行期间，具有所需沸点的液相至气相相变材料(L-VPCM)被用来使单元各表面湿润。在一些实施例中，单元表面涂有亲水膜，其通过毛细管力作用在运行前保持单元表面湿润。也可采用其它芯或纤维材料来实现毛细管力作用，从而在电池运行前保持单元表面湿润。
在电池运行期间，由于单元表面温度升高，其可能超过LV-PCM液体的沸点，从而液体层蒸发并从单元表面带走热量。蒸气携带的热量被传递到下文描述的冷表面且蒸气冷凝回液体。以这种方式，所有的单元表面都在可忽略的温差下热“短路”连接到冷表面。液体然后被传递回到单元表面，如滴落或淋洒到单元的顶部，从而继续该循环。
在一些实施例中，冷表面是顶部顶板的表面或电池单元外壳的周围侧壁，这可以通过强制液体对流或空气对流来冷却。从外壳的顶表面上冷凝的液体通过重力下降到单元上的盘件中，以及具有一系列小孔的盘件中的液体通过这些孔滴落到单元表面(“降膜”)。也可利用如泵和喷雾器的其他方法来传送冷凝的液体并将液体喷淋到单元表面。
在一些实施例中，冷表面是容器的表面，其包含固相-液相PCM(S-LPCM)，该固相-液相PCM(S-LPCM)的熔化温度略低于理想的最大单元表面温度。理想的最大电池表面温度是可以达到可接受的电池寿命、性能和安全性的温度。S-L-PCM容器被包装在不同的3-D外壳内，该不同的3-D外壳的表面相互隔开小间隙。S-LPCM容器的表面可以涂覆疏水性薄膜，以增加L-VPCM气相-液相相变的热交换系数。S-LPCM容器的外壳和电池单元外壳由具有所需直径的管道连接，并且优选PCM容器放置在电池外壳顶上，这使得冷凝液体在重力作用下落回电池外壳的顶盘件中。S-LPCM容器可以具有平板或圆柱形的几何形状，优选具有薄厚度或小直径。以这种方式，所有电池单元的表面和S-LPCM容器表面热“短路”并具有可忽略的温差，以及电池单元表面上的热量然后被转移到S-LPCM容器的表面并随着PCM材料熔化成液体热存储在PCM材料内。在一些实施例中，电池运行后，存储在S-LPCM中的热通过具有相对较低的气流流速的空气对流来散发，从而小功率风扇是必需的。储存电池完全放电热能所需的S-LPCM的体积和重量是电池外壳的体积和重量的一小部分，并且用来延迟空气冷却的能量不到电池容量的1％。
在图1(前剖视图)和图2(顶剖视图)所示的第一实施例中，电池包括真空密封电池外壳101、布置在电池外壳的顶板108内的多个冷却通道107、与冷却通道流体连通的冷却液入口102和出口106、以及相互电连接并放置于电池外壳内的多个电池单元103。电池外壳101可以由金属、塑料和/或其他合适的材料制成。优选地，顶板108由金属或其它具有良好导热性的材料制成。
电池单元可以是任何合适的类型以及其结构本文将不再详细描述。电池单元的优选形状是具有薄厚度(例如，如果制造成本允许的话为约1至10毫米)的平板。各单元相互隔开，它们之间具有自由空间。例如，当单元是薄板时，其被平行布置且相邻单元之间的自由空间可以是0.1至10毫米宽。单元可以具有图1所示之外的其它形状，例如，它们可以是圆柱体，其中心轴线平行布置在矩形网格或三角形网格上，以及相邻单元之间的最接近的表面可以相距1至10毫米。
液相至气相相变材料(L-VPCM)105被密封在电池外壳101内。L-VPCM具有适合于理想的电池运行温度范围内的沸点。在一些实例中，L-VPCM的沸点约为30至60度。当电池冷却时，如其不充电或放电时，L-VPCM通常为液体并聚集在电池外壳的底部，以及其温度接近环境温度。
优选地，电池单元103的表面上涂有亲水性薄膜104，以帮助在单元表面上散布L-VPCM液体薄层。例如，该薄膜可以是纳米结构的SiO2。在单元表面上还可以形成芯或纤维结构，诸如烧结的金属粉末芯、网芯、槽芯。即使电池不运行时，亲水性薄膜和/或芯或纤维结构可以通过毛细管力作用帮助保持单元表面湿润。
电池运行期间(充电或放电)，随着单元表面的温度上升，其可能超过L-VPCM的沸点，则单元表面上的L-VPCM的薄液层蒸发并从单元表面带走热量。L-VPCM的蒸气冷凝成液体返回顶板108的内表面，将热量释放到顶板上。通过这种方式，热量从电池单元表面传递到顶板108，以及单元表面热“短路“于顶板。
在顶板108的内表面上凝结的L-VPCM可以滴落到单元103的顶部，或沿垂直侧壁回流到电池外壳101的底部。顶板108的形状可以设计成促进流动和/或滴落。例如，可以顶板的内侧面上形成平行朝下的凸脊，并定位在电池单元的上方，以帮助液体滴落到单元上。流回到电池外壳底部的液态PCM可以通过亲水性薄膜和/或芯或纤维结构分散在单元表面。然后该液体可以从单元表面再次蒸发从而继续该循环。
在其内部具有流体通道107的顶板108优选由金属(或其它具有良好的导热性的材料)制成。冷却流体经入口102供给到冷却通道，流过通道并经出口106移除，从而将热量从顶板带走。在返回到流体通道107之前，冷却流体由外部的冷却装置冷却(图1和2未示)，其可以采用常规的冷却方法，诸如强空气或液体冷却、自然对流冷却等。
图3和4所示的第二实施例中，电池单元201通过类似于第一实施例的方式放置在电池外壳202内。L-VPCM217设置在电池外壳202内并通常在电池冷却时聚集到电池外壳底部。如第一实施例，在单元表面上可以设置亲水性薄膜和/或芯或纤维结构。与第一实施例不同的是，L-VPCM的蒸气经由位于电池外壳顶部附近的蒸汽出口204从电池外壳202转移到热交换器。
该热交换器包括真空密封外壳207。多个容器208布置在该外壳内并包含固相-液相相变材料(S-LPCM)。在环境温度下保持为固体的S-LPCM具有低于所需的最大单元表面温度的熔化温度。在一些实例中，S-LPCM的熔化温度为约25至60度。管道214将电池外壳的蒸汽出口204经由具有阀206的蒸汽入口连接到热交换器外壳207。另一个管道205连接位于热交换器外壳207底部的液体出口215和位于电池外壳202顶部的液体入口216。热交换器高于电池放置，使得液化的L-VPCM可以在重力作用下从热交换器外壳207流到电池外壳202。
在电池运行期间，随着单元表面温度升高，其可能超过L-VPCM的沸点，单元表面上的薄液态L-VPCM层蒸发并从单元表面带走热量。蒸气通过蒸汽出口204、管道214和入口/阀206从电池外壳202排出并进入热交换器外壳207。然后蒸汽在S-LPCM容器208的冷表面上冷凝回液体，加热并熔化包含于其中的S-LPCM。S-LPCM容纳于多个容器208中，以增加L-VPCM蒸气与S-LPCM之间的接触面，其促进高效的热交换。冷凝的L-VPCM液体流到或滴落到外壳207的底部，并经由液体出口215、管道205和液体入口216流至电池外壳202。
在电池外壳202内，具有孔213阵列的盘件203(参照图4)放置在液体入口216的下面和单元201的上面。来自热交换器经由入口216返回的液态L-VPCM在盘件203上聚集并通过孔213滴落到单元上。从入口216返回的液态L-VPCM还可以流到电池外壳202的底部，然后通过亲水性薄膜和/或芯或纤维结构散布在单元表面。L-VPCM再次从单元表面蒸发从而继续该循环。
可选地，S-LPCM容器208安装在转子上，该转子可由发动机211带动缓慢地或不时地旋转，以使多个容器208内的S-LPCM可以被更均匀地加热。
在电池运行期间，单元201产生的热量被L-VPCM携带到S-LPCM容器208内，并通过熔化S-LPCM存储在容器208中。电池运行结束后，S-LPCM冷却并变回固体。为了冷却S-LPCM，在热交换器外壳207上设置有具有对应阀212和210的多个通气口。电池运行结束后，关闭蒸汽入口阀206和打开排气阀210和212。风扇209吹出的空气通过热交换器外壳207对S-LPCM容器进行冷却，从而带走存储在S-LPCM内的热能。随着容器表面被冷却，S-LPCM被冷凝回固体形式。
在一些实施例中，L-VPCM可以是但不限于，诸如水、乙醇等。L-VPCM的沸点选择取决于电池单元表面的运行温度范围。因为考虑安全性，L-VPCM应该是在电池环境中安全使用的。S-LPCM可以是但不限于，诸如石蜡。S-LPCM的熔化温度应低于所需的最大单元表面温度。
上述电池结构可以看作3-D相变热交换结构，其中热交换表面，即发生液相-气相转换的电池单元表面呈在3-D空间中以3-D方式布置的多个表面的形式。这是通过使这些单元相互分隔开自由空间来完成的，该自由空间位于多个单元表面之间并用于蒸汽行进。相比之下，传统的热管道结构使用一种管道形状(其可被认为是1-D结构)或薄扁平形状(其可以被认为是2-D结构，诸如在本公开的背景技术部分讨论的最后一个常规方法中的描述)。
上述实施例中描述的电池结构提供高冷却效率，因为单元表面可以保持接近冷表面或S-LPCM熔点的恒定温度。在可充电电池的应用中，关键的挑战是如何有效地将热量从电池单元的内部传递到单元表面然后再从单元表面带走。在本公开背景技术部分所讨论的第三种常规方法中，虽然电池单元产生的热量最终由S-LPCM吸收，各单元与S-LPCM之间的热交换仍然受限于S-LPCM的热导率。在本发明的实施例中，通过L-VPCM的使用，热量被有效地从单元表面转移到顶板或S-LPCM。
在第二实施例中，储存电池完全放电的热能所需的S-LPCM的体积和重量是电池外壳的体积和重量的一小部分，并且用来延迟S-LPCM空气冷却的能量消耗不到电池容量的1％。
明显的是，本领域的技术人员可以对本发明的可充电电池的结构和相关方法进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的各种修改和变型。

Claims (10)

1.一种电池，其特征在于，所述电池包括：
外壳；
多个电池单元，所述多个电池单元相互电连接并设置在所述外壳内，所述电池单元相互隔开，其中在所述电池单元之间具有自由空间；以及
液相-气相相变材料(L-VPCM)，所述液相-气相相变材料在所述外壳内。
2.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，在所述电池单元的表面上设置有亲水性薄膜或芯或纤维结构，其中所述亲水性薄膜或芯或纤维结构在所述电池单元的表面上形成L-VPCM薄液层。
3.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述外壳具有顶板、入口以及出口，所述顶板具有用来流过冷却液的多个通道，所述入口用于将所述冷却液供应入所述通道，以及所述出口用来移除所述冷却液。
4.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述外壳包括蒸汽出口和液体入口，所述蒸汽出口用来允许L-VPCM蒸汽传递到所述外壳外，所述液体出口定位在所述外壳顶部并用来允许L-VPCM液体导入所述外壳中。
5.根据权利要求4所述的电池，其特征在于，所述电池还包括具有多个孔的盘件，所述盘件设置在所述外壳内，并位于所述液体入口下方和所述电池单元上方。
6.根据权利要求1所述的电池，其特征在于，所述电池单元是平板，所述平板的形状为具有约1毫米到1毫米的厚度，以及在所述电池单元之间的所述自由空间宽约0.1毫米到1毫米。
7.一种电池系统，其特征在于，所述电池系统包括：
电池，所述电池包括：
电池外壳；
多个电池单元，所述多个电池单元相互电连接并设置在所述外壳内，所述电池单元相互隔开，其中在所述电池单元之间具有自由空间；以及
液相-气相相变材料(L-VPCM)，所述液相-气相相变材料在所述外壳内；
其中所述电池外壳包括蒸汽出口和液体入口，所述蒸汽出口用来允许L-VPCM蒸汽传递到所述电池外壳外，所述液体入口定位在所述电池外壳顶部并用来允许L-VPCM液体导入所述电池外壳中；
热交换器，所述热交换器包括：
热交换器外壳，所述热交换器外壳具有蒸汽入口和液体出口，所述液体出口设置在所述热交换器外壳的底部；
多个容器，所述多个容器设置在所述热交换器外壳内，每一个所述容器包含固相-液相相变材料；
第一管道，所述第一管道将所述电池外壳的所述蒸汽出口连接到所述热交换器的所述蒸汽入口，用来允许L-VPCM蒸汽从所述电池外壳流至所述热交换器外壳；以及
第二管道，所述第二管道将所述热交换器的所述液体出口连接到所述电池外壳的所述液体入口，用来允许L-VPCM液体从所述热交换器外壳流至所述电池外壳；
其中所述热交换器外壳设置在所述电池外壳的上方。
8.根据权利要求7所述的电池系统，其特征在于，在所述电池单元的表面上设置有亲水性薄膜或芯或纤维结构，其中所述亲水性薄膜或芯或纤维结构在所述电池单元的表面上形成L-VPCM薄液层。
9.根据权利要求7所述的电池系统，其特征在于，所述电池还包括具有多个孔的盘件，所述盘件设置在所述电池外壳内，并位于所述液体入口下方和所述电池单元上方。
10.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述电池单元是平板，所述平板的形状为具有约1毫米到1毫米的厚度，以及在所述电池单元之间的所述自由空间宽约0.1毫米到1毫米。
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