CN105680112A - 通过扩散阻挡层的电池湿度控制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开通过扩散阻挡层的电池湿度控制。在本文公开了用于控制电池中湿度以减少在电池隔室中形成冷凝物的各种系统和方法。在一个实施例中，根据当前公开的系统可以包括配置成产生冷却剂流的冷却系统。电池隔室可以容纳电池并可以将电池与环境分离。冷却剂流可以穿入电池隔室中并且可以用于冷却电池。电池隔室可以包括配置成允许环境空气流进入电池隔室的通风口。扩散阻挡层可以与通风口流体联通并且配置成输送环境空气流至电池隔室。扩散阻挡层可以减少水蒸汽从环境扩散到电池隔室中。

Description

通过扩散阻挡层的电池湿度控制
技术领域
这个公开涉及通过在电池隔室与水蒸汽可以从其扩散到电池中的环境之间提供扩散阻挡层而控制电池隔室中的湿度的系统和方法。
背景技术
乘用车辆通常包括用于操作车辆的电气和传动系统的电池。例如，车辆通常包括配置用于向车辆起动器系统（例如起动器马达）、照明系统和/或点火系统供应电能的12V铅酸汽车电池。在电动、燃料电池（“FC”）和/或混合动力车辆中，高电压（“HV”）电池系统可以用于为车辆的电力传动系统部件（例如电驱动马达等等）供电。此外，HV电池系统可以为用在用于车辆舱室的气候控制系统中的压缩机和/或加热器供电。
各种电池系统可以包括允许环境空气进入电池系统的多个部分中的通风口。在一些实施例中，通风口可以允许空气进入或者离开电池系统，并且在电池和环境之间维持压力平衡。由环境空气承载的水可以在电池系统内冷凝。在电池系统内的冷凝物可以引起电池系统中的电路的腐蚀和/或问题。由冷凝物产生的腐蚀和/或电气问题可以导致电池系统低效、退化、永久损伤和/或电池系统的缩短的可使用寿命。
发明内容
当前公开涉及通过在电池隔室与水蒸汽从其可以扩散到电池隔室中的环境之间提供扩散阻挡层而控制电池隔室中的湿度。在一些情形中，即使没有空气流动，水蒸汽都可以由于扩散（即在电池隔室的内部和外部的蒸汽浓度差）而进入电池。
电池隔室可以收容电池，并且可以接收冷却剂流。冷却剂流可以冷却电池。冷却系统可以维持在电池隔室中的温度。在一些实施例中，电池可以包括锂离子电池或其他类型电池。
一些实施例可以包括配置成允许空气从环境进入电池隔室的通风口。在一些实施例中，隔膜可以布置在通风口之上。隔膜对于空气和/或水可以是可渗透的，但是可以阻止碎屑和/或其他异物进入电池隔室。
传入电池内部的空气可能携带来自环境的水蒸汽。输入电池内部的蒸汽的量可以取决于扩散阻力。与各种实施例一致，扩散阻挡层可以增大环境与电池内部之间的扩散阻力。在一些实施例中，扩散阻挡层可以包括配置成增大环境和电池内部之间的扩散阻力的一长度的管道或其他结构。
在一个具体实施例中，与当前公开一致的系统可以包括配置成产生冷却剂流的冷却系统。电池隔室可以收容电池并且可以分隔电池与环境。冷却剂流可以传入电池隔室中并且可以用于冷却电池。在一些实施例中，冷却剂可以是液体冷却剂。电池隔室可以包括配置成允许环境空气流进入电池隔室的通风口。可以由环境与电池隔室之间的压力差、或者由电池在其中操作的环境中的其他变化产生空气流。
扩散阻挡层可以与通风口流体联通，并且配置成将环境空气流输送至电池隔室。扩散阻挡层可以降低水蒸汽从环境扩散到电池隔室中。扩散阻挡层可以对于空气和/或液体沿着其长度是不可渗透的。
在某些实施例中，空气可渗透的隔膜可以至少部分地布置在通风口之上并且布置在电池隔室和环境之间。空气可渗透隔膜配置成允许环境空气流通过并且至少部分地阻止固体物进入电池隔室中。空气可渗透的隔膜对于液体可以是不可渗透的。扩散阻挡层的扩散阻力可以大于隔膜的扩散阻力。在一些实施例中，环境空气流可以在穿过隔膜之前穿过扩散阻挡层。在其他实施例中，环境空气流可以在穿过扩散阻挡层之前穿过隔膜。此外，该系统可以如此配置以使得空气可渗透的隔膜布置在环境与扩散阻挡层之间的边界处，或者可以如此配置该系统以使得空气可渗透的隔膜布置在扩散阻挡层与电池隔室之间的边界处。
方案1.一种用于减少在电池隔室中形成冷凝物的系统，所述系统包括：
冷却系统，配置成产生冷却剂流；
电池隔室，配置成收容电池以及将所述电池与环境分离，并且进一步配置成接收所述冷却剂流，所述冷却剂流可操作以冷却电池；
通风口，在电池隔室中，配置成允许环境空气流进入所述电池隔室；
扩散阻挡层，与所述通风口流体联通并且配置成输送所述环境空气流至所述电池隔室，所述扩散阻挡层进一步配置成减少水蒸汽从环境扩散到所述电池隔室中。
方案2.根据方案1所述的系统，进一步包括：
空气可渗透隔膜，至少部分地布置在所述通风口之上并且布置在所述电池隔室和环境之间，所述空气可渗透隔膜配置成允许所述环境空气流通过并且至少部分地阻止固体物进入所述电池隔室中。
方案3．根据方案2所述的系统，其中，所述扩散阻挡层的扩散阻力超过所述空气可渗透隔膜的扩散阻力。
方案4．根据方案2所述的系统，其中，空气流在穿过所述空气可渗透隔膜之前穿过所述扩散阻挡层。
方案5．根据方案2所述的系统，其中，所述空气可渗透隔膜对于液体是不可渗透的。
方案6．根据方案2所述的系统，其中，所述空气可渗透隔膜布置在环境和所述扩散阻挡层之间的边界处。
方案7．根据方案2所述的系统，其中，所述空气可渗透隔膜布置在所述扩散阻挡层与所述电池隔室之间的边界处。
方案8．根据方案1所述的系统，其中，所述扩散阻挡层包括与所述空气可渗透隔膜流体联通的细长结构。
方案9．根据方案1所述的系统，其中，所述扩散阻挡层沿着长度对于空气和流体是不可渗透的。
方案10．根据方案1所述的系统，其中，由环境和所述电池隔室之间的压力差产生所述环境空气流。
方案11．根据方案1所述的系统，其中，所述电池包括锂离子电池。
方案12．根据方案1所述的系统，其中，所述冷却剂系统包括制冷剂冷却系统。
方案13．一种用于减少在电池隔室中形成冷凝物的方法，所述方法包括：
提供电池系统，包括：
　冷却系统；
　电池隔室，配置成收容电池并将电池与环境分离；
　通风口，在所述电池隔室中；
　扩散阻挡层，与所述通风口流体联通，所述扩散阻挡层进一步配置成减少水蒸汽从环境扩散到所述电池隔室中；
通过所述通风口接收环境空气流；
传送所述环境空气流穿过所述扩散阻挡层；
将所述环境空气流引入所述电池隔室中；
使用所述冷却系统产生冷却剂流；以及
使用所述冷却剂流冷却所述电池系统。
方案14．根据方案13所述的方法，其中，所述环境空气流由环境和所述电池隔室之间的压力差产生。
方案15．根据方案13所述的方法，其中，所述空气可渗透隔膜对于液体是不可渗透的。
方案16．根据方案13所述的方法，其中，所述扩散阻挡层沿着长度对于空气和液体是不可渗透的。
方案17．根据方案13所述的方法，其中，所述扩散阻挡层包括与所述空气可渗透隔膜流体联通的细长结构。
方案18．根据方案13所述的方法，其中，所述冷却剂系统包括制冷剂冷却系统。
方案19．根据方案13所述的方法，其中，所述电池包括锂离子电池。
方案20．一种用于减少在电池隔室中形成冷凝物的系统，所述系统包括：
制冷剂冷却系统，配置成产生冷却剂流；
电池隔室，配置成收容电池并且将电池与环境分离，以及进一步配置成接收冷却剂流，所述冷却剂流可操作以冷却电池；
通风口，在电池隔室中配置成允许环境空气流进入所述电池隔室以平衡电池隔室和环境中的压力；
空气可渗透和液体不可渗透的隔膜，至少部分地布置在所述通风口之上并且布置在所述电池隔室和环境之间，所述空气可渗透隔膜配置成允许所述环境空气流通过并且至少部分地阻止固体物进入所述电池隔室中；
细长的扩散阻挡层，与所述通风口流体联通并且配置成输送所述环境空气流至所述电池隔室，所述扩散阻挡层进一步配置成减少水蒸汽从环境扩散到所述电池隔室中。
附图说明
参照附图描述本公开的非限制性和非排他性实施例，包括本公开的各种实施例，其中：
图1示出了根据当前公开的车辆中的示例性电池系统的方框图。
图2A示出了根据当前公开的包括螺旋形扩散阻挡层的系统的功能方框图。
图2B示出了包括盘旋形的扩散阻挡层的图2A中所示系统的功能方框图。
图2C示出了根据当前公开的图2B中所示系统的功能方框图，其中扩散阻挡层布置在电池隔室外部。
图3示出了根据当前公开的操作包括扩散阻挡层的电池系统的方法的流程图。
具体实施方式
通过参考附图将最佳地理解本公开的实施例，其中全文中相同部件由相同数字标记。易于理解的是，如本文附图中通常所描述和所示的，所公开实施例的部件可以以大量不同配置而布置和设计。因此，本公开的系统和方法的实施例的以下详细说明没有意图限制如所请求保护的本公开的范围，而是仅代表本公开的可能实施例。此外，方法的步骤无需以任何特定顺序执行，或者甚至顺序地，步骤也无需仅执行一次，除非另外规定。
在一些情形中，并未详细示出或描述广泛已知的特征、结构或操作。此外，所描述的特征、结构或操作可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。也易于理解的是，如在本文附图中通常所描述和所示的，某些实施例的部件可以以大量不同配置布置和设计。
图1示出了根据本文所公开实施例的车辆100中的示例性电池系统102的方框图。车辆100可以是机动车辆、船舶、飞行器和/或任何其他类型交通工具，并且可以包括内燃机（“ICE”）传动系统，电马达传动系统，混动发动机传动系统，FC传动系统，和/或适用于包括本文所公开系统和方法的任何其他类型传动系统。车辆100可以包括电池系统102，其在某些实施例中可以是HV电池系统。HV电池系统可以用于为电力传动系统部件（例如在电动、混动或FC动力系统中）和车辆舱室气候控制系统供电，车辆舱室气候控制系统可以包括加热器和/或压缩机。在其他实施例中，电池系统102可以是低电压电池（例如铅酸12V汽车电池）并且可以配置成向多种车辆100系统供应电能，包括例如车辆起动器系统（例如起动器马达）、照明系统、点火系统和/或类似物。另外，在一些实施例中，电池系统可以配置成操作在轻度混动动力应用中并且可以包括中度范围电压（例如约42伏）。
冷却系统110可以配置成产生用于将电池系统102的温度维持在规定范围内的冷却剂流（例如水-乙二醇、介电质液体，制冷剂，空气）。冷却系统110可以通过一个或多个冷却剂管线116而与电池系统102流体联通。在某些实施例中，当冷却剂流过电池系统102时，冷却剂可以从电池系统102吸收热量。被加热的冷却剂可以回流至冷却系统110，在这里由冷却剂吸收的热量可以转移至环境。
电池系统102可以包括电池控制系统104。电池控制系统104可以配置成监视并控制电池系统102的某些操作。例如，电池控制系统104可以配置成监视并控制电池系统102的充电和放电操作。在某些实施例中，电池控制系统104可以与一个或多个传感器106（例如电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器和/或类似物等等）和/或其他系统通信地联接，该其他系统配置成使得电池控制系统104能够监视并控制电池系统102的操作。
来自传感器106的信息可以由控制系统104使用以操作冷却系统110来调节流入电池系统102的来自环境的空气。温度和/或湿度传感器106可以向电池控制系统104提供数据，电池控制系统进而可以配置成监视电池系统102内的湿度并且合适地操作冷却系统110以对进入电池系统102的环境空气除湿以阻止在电池系统102内的冷凝。
电池控制系统104可以进一步配置成向车辆100中包括的其他系统提供信息和/或从其接收信息。例如，电池控制系统104可以与内部车辆计算机系统108和/或冷却系统110通信地联接。在某些实施例中，电池控制系统104可以至少部分地配置成向车辆100的用户、车辆计算机系统108和/或冷却系统110提供关于电池系统102的信息。这样的信息可以包括例如，电池充电状态信息、电池操作时间信息、电池操作温度信息、和/或关于电池系统102的任何其他信息。
电池系统102可以包括一个或多个电池组112，其尺寸设计成适用于向车辆100提供电能。每个电池组112可以包括一个或多个子部分114。子部分114可以包括子组，每个子组可以包括采用任何合适电池技术的一个或多个电池单元。合适电池技术可以包括例如铅-酸、镍-金属氢化物、锂-离子、锂离子聚合物、锂-空气、镍-镉、包括吸收玻璃垫的阀控铅-酸、镍-锌、熔盐（例如ZEBRA电池）、镍锰钴、锂铁磷酸盐、锂锰氧化物、和/或其他合适的电池技术及其组合（例如混合化学电池技术）。
每个子部分114可以与传感器106相关联，该传感器106配置成测量与每个电池子部分114相关联的一个或多个参数（例如电压、电流、阻抗、温度等）。尽管图1示出了与每个电池区段114相关联的分立传感器106，但是在一些实施例中也可以采用配置成测量与多个子部分114相关联的各种参数的传感器。由传感器106测得的参数可以提供至电池控制系统104。使用电气参数，电池控制系统104和/或任何其他合适的系统可以协调电池系统102的操作。
在一个特定实施例中，电池系统102可以包括配置成操作在小于35℃的温度下的锂离子电池。随着电池技术发展，对于锂离子电池系统更高温度范围可以变得可实用。例如，预期某些实施例可以配置成操作在高于35℃的温度下。
孔口118可以配置成允许环境空气122在电池系统102内循环。在一些实施例中，可以由空气可渗透（未示出）的隔膜覆盖孔口118。扩散阻挡层120可以布置在孔口118与电池系统102内部之间。如图2中更详细讨论的，扩散阻挡层120可以减小进入电池系统102内部中的水蒸汽流以减少或消除在电池系统102中的冷凝物的形成。
图2A示出了根据当前公开的包括螺旋扩散阻挡层222的系统200的功能方框图。电池隔室202可以收容电池214，其包括在电上串联或并联设置的多个电池子部分214a-214f。在一些实施例中，电池子部分214a-214f可以每个包括多个电池单元。冷却系统210可以提供封闭回路路径，冷却剂可以通过此路径流过系统200。可以通过由冷却系统210控制输送至电池214的冷却剂流而将电池214的温度维持在温度范围内。
冷却剂可以通过冷却剂管线216a流动至系统200（如箭头217a所指）并且可以通过冷却剂管线216b从系统200流出（如箭头217b所指）。在所示实施例中，冷却剂管线216a在电池隔室202中分支并且在通过多个电池子部分214a-214f的多个平行通道中流动。在替代实施例中，冷却剂可以连续地流动通过多个电池子部分214a-214f。此外，在替代实施例中，冷却剂流的方向可以反转（即箭头217a、217b的方向可以反转）。
在一些实施例中，系统200可以采用低冷却剂温度热架构。在这样的实施例中，冷却剂系统210可以提供制冷剂流。制冷剂流可以直接或间接地冷却多个电池子部分214a-214f。使用根据当前公开的实施例的扩散阻挡层可以使得能够使用低冷却剂温度热架构或改进低冷却剂温度热架构的使用。
环境空气206可以通过孔口224进入电池隔室202。在一些实施例中，环境空气206可以被动地流入和流出电池隔室202（例如通过对流），或者使用主动部件（例如风扇）而被循环。在各种实施例中，隔膜226可以部分地或全部布置跨过孔口224。隔膜226在一些实施例中可以包括空气可渗透和/或液体可渗透的隔膜。在其他实施例中，孔口224可以由多孔材料替代，该多孔材料配置成允许环境空气流206进入电池隔室202。
扩散阻挡层222可以布置在可渗透隔膜226与电池隔室202内部之间。在所示的实施例中，扩散阻挡层可以包括与可渗透隔膜226流体联通的一长度管道。扩散阻挡层222由其形成的材料对于空气可以是不可渗透的。因此，空气可以仅在第一端进入扩散阻挡层222并且在第二端离开扩散阻挡层222。在替代实施例中，扩散阻挡层可以包括由多种材料形成的多种细长结构。例如，扩散阻挡层可以由对于空气扩散基本上不可渗透的任何材料形成。在各种实施例中，该材料可以包括多种塑料、金属、陶瓷和类似物。在一个特定实施例中，扩散阻挡层可以包括聚碳酸酯。
图2B示出了系统230的功能方框图，其类似于图2A中所示系统200并且包括盘旋形的扩散阻挡层228。系统230可以以类似于如图2A中所描述的系统200的方式操作。特别地，环境空气流206可以通过孔口224进入电池隔室202，可以穿过隔膜226，以及可以进入盘旋形的扩散阻挡层228。
图2C示出了根据当前公开的系统260的功能方框图，其类似于图2A中所示系统200，其中，扩散阻挡层228布置在电池隔室202外部。如图2C中所示，在一些实施例中，环境空气流206可以在穿过隔膜226和孔口224之前首先穿过扩散阻挡层228。
在图2A、图2B和图2C中，隔膜和扩散阻挡层可以每个展现扩散阻力，其在本文被标注为RMembrane和RBarrier。可以使用方程1表示从包围电池隔室的环境转移的质量流率，在此标注为mwater。 方程1
Vapor Concentration可以是环境参数，其由系统在其中操作的诸如温度和湿度的因素确定。因此，根据当前公开的系统可能对于这个参数具有很少控制；然而，通过选择具有合适扩散阻力的隔膜和扩散阻挡层，可以减少输入电池隔室中的水的量。在一些实施例中，扩散阻挡层的扩散阻力可以远大于隔膜的扩散阻力（即RBarrier≫RMembrane）。
在各种实施例中，可以以多种方式控制RBarrier的数值。特别地，不同材料可以用于形成展现不同扩散阻力数值的扩散阻挡层；可以采用扩散阻挡层的不同配置（例如螺旋形的、盘旋形的等）；可以采用扩散阻挡层的不同尺寸（例如扩散阻挡层的横截面积，扩散阻挡层的长度等）。通过改变这些和其他参数，可以在允许环境空气流进入电池腔室与限制在电池腔室中冷凝物累积的潜在可能之间实现期望的平衡。
图3示出了根据当前公开的操作包括扩散阻挡层的电池系统的方法300的流程图。该方法300可以开始于302。在304处，可以提供包括扩散阻挡层的电池系统。在一些实施例中，包括扩散阻挡层的电池系统可以类似于如上所描述的并且结合图2所示的电池系统。
在306处，环境空气可以穿过空气可渗透隔膜。在一些实施例中，环境空气可以进入空气可渗透隔膜，使用例如环境和电池隔室之间的压力差。压力差可以归因于电池隔室和环境之间的温度差。压力差可以使得空气从环境流入或者流出电池隔室。此外，空气流可以由当车辆海拔升高或降低时大气压力的变化引起。例如，当车辆海拔降低时，大气压力增大。作为大气压力增大的结果，空气可以流入电池隔室中。当车辆海拔增大时，相同的过程可以反转地发生。在各种实施例中，环境空气流可以被动地产生，而在其他实施例中，环境空气流可以使用空气循环装置（例如风扇）而主动地产生。
在308处，环境空气可以通过扩散阻挡层。在各种实施例中，扩散阻挡层可以布置在空气可渗透隔膜与电池隔室的内部之间。在各种实施例中，扩散阻挡层可以布置为多种配置。在图2A、图2B和图2C中示出了三个特定配置，然而也可以设想多种替代配置。
返回图3的讨论，在310处，环境空气可以离开扩散阻挡层并且可以引入电池隔室中。在一些实施例中，扩散阻挡层可以完全或部分地布置在电池隔室内（例如如图2A和图2B中所示）。在其他实施例中，扩散阻挡层可以完全或部分地布置在电池隔室外部（例如如图2C中所示）。此外，图2A和图2B示出了环境空气在穿过扩散阻挡层之前穿过空气可渗透隔膜的实施例。在图2C中，空气可渗透隔膜可以布置成使得当空气流朝向电池隔室移动时环境空气流在穿过空气可渗透隔膜之前穿过扩散阻挡层。可以由车辆在其中操作的环境的变化（例如海拔改变、温度变化等）而产生空气流。
在312处，冷却剂流可以冷却收容在电池隔室中的电池。在各种实施例中，冷却剂流可以配置成将电池温度维持在预定范围内。在一个特定实施例中，冷却剂流可以配置成类似于图2A和图2B中所示的。方法300可以结束于314处。
尽管已经示出并描述了本公开的特定实施例和应用，但是要理解的是，本公开不限于本文所公开的精确配置和部件。因此，可以对上面所描述的实施例的细节做出许多改变而并未脱离这个公开的基本原理。当前发明的范围因此应该仅由以下权利要求所确定。

Claims (10)

1.一种用于减少在电池隔室中形成冷凝物的系统，所述系统包括：
冷却系统，配置成产生冷却剂流；
电池隔室，配置成收容电池以及将所述电池与环境分离，并且进一步配置成接收所述冷却剂流，所述冷却剂流可操作以冷却电池；
通风口，在电池隔室中，配置成允许环境空气流进入所述电池隔室；
扩散阻挡层，与所述通风口流体联通并且配置成输送所述环境空气流至所述电池隔室，所述扩散阻挡层进一步配置成减少水蒸汽从环境扩散到所述电池隔室中。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
空气可渗透隔膜，至少部分地布置在所述通风口之上并且布置在所述电池隔室和环境之间，所述空气可渗透隔膜配置成允许所述环境空气流通过并且至少部分地阻止固体物进入所述电池隔室中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，空气流在穿过所述空气可渗透隔膜之前穿过所述扩散阻挡层。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述空气可渗透隔膜对于液体是不可渗透的。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述扩散阻挡层沿着长度对于空气和流体是不可渗透的。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，由环境和所述电池隔室之间的压力差产生所述环境空气流。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却剂系统包括制冷剂冷却系统。
8.一种用于减少在电池隔室中形成冷凝物的方法，所述方法包括：
提供电池系统，包括：
　冷却系统；
　电池隔室，配置成收容电池并将电池与环境分离；
　通风口，在所述电池隔室中；
　扩散阻挡层，与所述通风口流体联通，所述扩散阻挡层进一步配置成减少水蒸汽从环境扩散到所述电池隔室中；
通过所述通风口接收环境空气流；
传送所述环境空气流穿过所述扩散阻挡层；
将所述环境空气流引入所述电池隔室中；
使用所述冷却系统产生冷却剂流；以及
使用所述冷却剂流冷却所述电池系统。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述环境空气流由环境和所述电池隔室之间的压力差产生。
10.一种用于减少在电池隔室中形成冷凝物的系统，所述系统包括：
制冷剂冷却系统，配置成产生冷却剂流；
电池隔室，配置成收容电池并且将电池与环境分离，以及进一步配置成接收冷却剂流，所述冷却剂流可操作以冷却电池；
通风口，在电池隔室中配置成允许环境空气流进入所述电池隔室以平衡电池隔室和环境中的压力；
空气可渗透和液体不可渗透的隔膜，至少部分地布置在所述通风口之上并且布置在所述电池隔室和环境之间，所述空气可渗透隔膜配置成允许所述环境空气流通过并且至少部分地阻止固体物进入所述电池隔室中；
细长的扩散阻挡层，与所述通风口流体联通并且配置成输送所述环境空气流至所述电池隔室，所述扩散阻挡层进一步配置成减少水蒸汽从环境扩散到所述电池隔室中。
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