CN107004802B - 具有可变传导性热管冷却的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括电池组的装置，电池组包括围绕电池腔布置的多个单独电池，使得每个单独电池与至少一个相邻的单独电池热接触。具有蒸发器端和冷凝器端的可变传导性热管(VCHP)被定位成使得蒸发器端的至少一部分位于电池腔中并与多个单独电池中的每一个热接触。该装置包括具有内部和外部的绝热盖，其中，电池组和VCHP蒸发器的在电池腔中的一部分位于绝热盖的内部，并且VCHP的冷凝器端的至少一部分在绝热盖外部，并且其中，VCHP基本上是电池组和外部之间的唯一热路径。公开并要求保护其他实施方式。

Description

具有可变传导性热管冷却的电池组
相关申请的交叉引用
本申请要求根据35U.S.C.§119(e)的于2014年12月17日提交并仍正在处理的美国临时专利申请No.62/093,121的优先权。
技术领域
所公开的实施方式大体上涉及电池组冷却，特别地但不排他地涉及使用可变传导性热管(VCHP)冷却的电池组。
背景技术
在低速、高空、长时间的飞机上调节电池的温度是困难的。没有明显的加热功率的情况下保护电池免受寒冷需要非常好的绝缘，但绝缘使电池在使用过程中变热时需要冷却电池。受控制的冷却的常见解决方案涉及长时间飞行特别关注的运动部件，因此希望在提供高可靠性的同时最大限度地减少额外的加热负担的解决方案。
对于地面应用，冷却风扇是系统温度控制的近乎通用的标准。这工作得很好，但对于长时间的飞机，它具有潜在的可靠性问题。然而更重要的是，高空空气太薄，无法有效利用冷却风扇。从飞机的进来的气流排出空气，而另一个选择，提出了如何确保系统不会以潜在的有害的方式发生故障的问题。
附图说明
参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施方式，除非另有说明，相同的附图标记表示各种视图中的相同部件。
图1A-1B是飞机实施方式的前视图。
图2是可变传导性热管的实施方式的示意图。
图3A-3B是电池组冷却组件的实施方式的截面图；图3B是基本上沿图3A中的截面线B-B截取的截面。
图4A-4C是电池组冷却组件的替代实施方式的截面图。
图5A-5C是包括多个电池组的电池组冷却组件的替代实施方式的截面图。
图6是包括电池组冷却组件的飞机电池吊舱的实施方式的侧截面图。
具体实施方式
描述了使用可变传导性热管(VCHP)在高空、长时间飞机中冷却电池组的装置、系统和方法。描述具体细节以提供对实施方式的透彻理解，但是相关领域技术人员将认识到，可以在没有所描述的细节中的一个或多个或者其他方法、组件、材料等的情况下实践本发明。在一些示例中，众所周知的结构、材料或操作未被详细地示出或描述，但仍包含在本发明的范围内。
在本说明书中对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着所描述的特征、结构或特征可以被包括在至少一个所描述的实施方式中，使得“在一个实施方式中”或“在实施方式中”的出现不一定都是指相同的实施方式。此外，特定的特征、结构或特征可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施方式中。
图1A-1B示出高空、高耐力飞机的实施方式。图1A示出了飞机100的实施方式，其包括结构地联接到机翼104和尾部106的机身102。飞机100是低翼飞机，意味着机身102位于机翼104上，或者换句话说，机翼104定位在机身102的下部。机翼104包括翼展方向延伸的翼梁108，以及弦向延伸的肋(未示出)和翼蒙皮109，该翼梁108是机翼的主要结构构件之一。
电池容纳吊舱110通过挂架112联接到翼梁108。电池容纳吊舱110允许飞机100远离飞机100的主要结构元件安全地携带电池，使得电池可以安全地存储由在翼蒙皮109上或翼蒙皮109中的其他机载系统(例如太阳能电池板)产生的电力，并且可以向驱动螺旋桨以推动飞机的一个或多个旋翼以及导航电子器件、通信电子器件等车载系统供电。
图1B示出了飞机150的另一实施方式。飞机150在大多数方面与飞机100类似，除了飞机150具有高翼构造，意味着机翼位于机身102的顶部而不是底部，或者换句话说，机身从机翼悬挂而不是位于上方。作为高翼构造的结果，挂架152比挂架112长，但是飞机150的其它实施方式可以具有比所示的挂架短的挂架152。
图2示出了可变传导性热管(VCHP)200的实施方式。诸如VCHP 200的VCHP可从各种来源商购，包括美国宾夕法尼亚州兰开斯特的Advanced Cooling Technologies，Inc.；美国宾夕法尼亚州兰开斯特的Thermacore，Inc.；或英国英格兰莫珀斯的CRS Engineering。
VCHP 200具有蒸发器端208、冷凝器端210，并且由细长管202形成。芯204定位在管202内，使得其在管内形成通道206，蒸气可以通过该通道206从蒸发器端208移动到冷凝器端210。在一个实施方式中，管202可以由诸如金属的高导热性材料制成，但是在其他实施方式中，管202可以由导热非金属制成。芯204可以由具有毛细作用的材料制成，并且可以在管202内具有不同的构造。在所示实施方式中，芯204是轴向或环形的芯，其紧抱管202的内壁并且沿着管202的中心形成通道206。但是在其它实施例中，芯204可以具有不同的构造，例如沿着管202的中间延伸的板状芯，在这种情况下，通道206将在板芯的任一侧上包括沿着管202的长度延伸的一对通道。如下所述，工作流体包含在管202内以将热量从一个传递到另一个中；可能的工作流体的示例包括水、甲醇、氨、钾、钠、锂。
非冷凝气体(NCG)储存器212保持一定量的非冷凝气体，并且在冷凝器端210处流体联接到通道206，使得一定量的非冷凝气体可以注入通道206中；可以在不同实施方式中使用的非冷凝气体的示例包括任何惰性气体(例如氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe))或氮(N)。当VCHP200不操作时，NCG和工作流体蒸气在通道206中混合。但是当VCHP操作时，气相工作流体的流动将NCG推向冷凝器端210。NCG中的大部分位于储存器212中，但其余部分封闭冷凝器端部210的一部分。然后，NCG有效地改变冷凝器的有效长度。如果热量输入Qin或蒸发器端的温度增加，则热管蒸气温度和压力增加；这迫使更多的NCG进入储存器212，这增加了有效冷凝器长度，并且因此增加了热管传导性。但是，如果热量输入Qin或蒸发器端208的温度降低，则热管蒸气温度和压力降低，并且NCG膨胀以减小有效冷凝器长度，从而降低热管传导性。
在VCHP 200的操作中，蒸发器端208与要冷却的系统热接触，使其作为被冷却的系统的散热器，同时冷凝器端210放置在比蒸发器端208低的温度的位置。来自被冷却的系统的热量Qin流入蒸发器端208，在那里它加热并蒸发芯204中的工作流体，即进入的热量将芯204中的液相工作流体改变成通道206中的气相工作流体。气相工作流体通过通道206流到冷凝器端210。冷凝器端210较冷，导致热量Qout在冷凝器端被输出，并且导致气相工作流体的温度降低。该温度降低导致通道206中的气相工作流体冷凝回液相工作流体并被再吸收到芯204中。芯204将液相工作流体输送回蒸发器端208，在那里再次开始加热。
图3A-3B一起示出了电池组冷却组件300的实施方式。电池组冷却组件300包括电池组，电池组具有相对于彼此定位以形成电池腔305的多个单独电池302。在所示的实施方式中，电池组包括六个单独的电池302a-302f，但是其他实施方式可以包括更多或更少的单独电池。在所示的实施方式中，各个电池是正圆柱体(具有圆形横截面的柱体)，但是在其他实施方式中，各个电池可以具有不同的形状，例如具有其他横截面形状的袋状或柱形(参见例如图4B–4C)。
可变传导性热管(VCHP)304具有蒸发器306和冷凝器308。蒸发器端306的至少一部分位于电池腔305内，使得其与所有单独的电池302a-302f热接触。在一个实施方式中，热界面材料(TIM)316可用于填充未被蒸发器端308占据的电池腔305中的任何空间。在一个实施方式中，TIM 316可以是热粘合剂，但是在其它实施方式中，TIM 316可以是另一种材料，例如导热粘合剂。
绝热盖310位于电池组周围，使得电池组位于绝热盖310内部；换句话说，绝热盖310围绕所有单独电池302a-302f以及电池腔305中的蒸发器端306的部分。冷凝器端308的至少一部分延伸到绝热盖310的外部，使得VCHP 304在电池组和外部之间的接触时提供仅热收缩。在所示的实施方式中，包括多个冷却翅片314的散热器312形成在绝热盖310的外部、冷凝器端308处或其附近，以增强从冷凝器端的热传递，但VCHP 304的其它实施方式可以具有联接到冷凝器端308的不同的热传递增强装置。
图4A-4C示出了电池组冷却组件的替代实施方式。图4A示出了在大多数方面与电池组冷却组件300类似的电池组冷却组件400。主要区别在于冷却组件400具有不同形状的绝热盖402。绝热盖402是六边形的，使得其外形更接近于电池组的外形。如果需要更紧凑的冷却组件，这种实施方式将是有用的。
图4B示出了电池组冷却组件425的另一实施方式。冷却组件425在大多数方面与冷却组件300类似。主要的区别在于冷却组件425具有不同数量的单独电池，在该实施方式中为八个单独电池426a-426h，并且在于单独电池具有四边形横截面，这意味着它们是基本上为正四边形的柱体。如在冷却组件300中，冷却组件425还可以包括热界面材料316以占据未被VCHP 304占据的电池腔中的空间。单独电池426a-426h的其它实施方式可以具有其他四边形形状，例如矩形。
图4C示出了电池组冷却组件450的另一实施方式。冷却组件450在大多数方面类似于冷却组件300；主要区别在于，在冷却组件450中，六个单独电池452a-452f具有不同的形状。单独电池452a-452f具有基本上梯形的横截面，但是每个单独电池452还具有成形为基本上符合VCHP 304的外轮廓456的表面454。该电池构造可以有助于使单独电池452a-452f和VCHP 304之间的热接触最大化。如在其他实施方式中，热界面材料316可以用于占据由单独电池452a-452f形成但不被VCHP 304占据的电池腔中的任何空间。
图5A-5C示出了具有多个电池组的电池组冷却组件的实施方式。图5A示出了电池组冷却组件500的装配。VCHP 304被定位成使得蒸发器端306的至少一部分位于多个电池组(例如电池组502和504)的电池腔内。尽管在所示的实施方式中示出了两个电池组502和504，但是其它实施方式可以具有热联接到蒸发器端306的多于两个的电池组(参见例如图5B-5C)。
图5B示出了具有多个电池组的电池组冷却组件525的实施方式。电池组冷却组件525的结构基本上类似于电池组冷却组件300。主要区别在于，冷却组件525包括三个电池组502,504和526，全位于相同的绝热盖528内。当然，其它实施方式可以具有与绝热盖528中所示不同数量的电池组。
图5C示出了具有多个电池组的电池组冷却组件550的实施方式。冷却组件550基本上类似于电池组冷却组件525；主要区别在于，冷却组件550包括三个电池组502,504和526，每个电池组502,504和526位于分离的绝热盖内：电池组502在绝热盖552内，电池组504在绝热盖554内，并且电池组526在绝热盖556内。在绝热盖552,554和556之间延伸的VCHP 304的部分也可以是绝热的，如在一些实施方式中所示。与电池组冷却组件525一样，所示的冷却组件550的实施方式具有三个电池，但是其他实施方式可以具有不同的数量。
图6示出了可以与本文所述的任何电池组冷却组件一起使用的电池容纳吊舱600的实施方式。电池容纳吊舱600的实施方式可以用作图1A-1B所示的飞机构造中的吊舱110。吊舱600由绝热材料602形成，并具有对称翼型的横截面形状。腔608形成在材料602中以容纳电池组冷却组件610(电池组冷却组件610可以是上述的任何一个)以及其它电子器件和相关联的设备。因此，腔608可以容纳诸如电池组1-6的组件以及用于将热量从电池组1-6导出并调节其温度的VCHP 304。VCHP 304从电池组1-6延伸，使得其冷凝器端位于外表面606的外部，在那里其热联接到的散热器312，散热器312可以增强热量传递到在吊舱上方流动的外部空气。
绝热材料602可以是容易形成的材料；在一个实施方式中，材料602可以是挤出聚苯乙烯(XPS)，但是可以使用其它材料。腔608的内部可以衬有诸如金属箔的材料、诸如Kevlar的芳族聚酰胺纤维材料或其他材料，用于进一步的绝热和防火。在一个实施方式中，绝热材料602本身可以形成腔608内的电池组的绝热盖，从而其代替绝热盖310,402,428,528等。可以在材料602中形成通道以容纳VCHP 304。薄、光滑的材料的涂层被放在外表面606上，以使吊舱具有光滑和空气动力学的外表面。吊舱600的全部或部分可以包括“外骨骼”以提供硬点，其中吊舱可以通过诸如挂架112的挂架被牢固地附接到飞机。在一个实施方式中，框架或外骨骼可以由碳纤维制成，但是在其它实施方式中，可以使用金属、塑料、芳族聚酰胺纤维材料如Kevlar或其它材料。
本发明的所示实施方式的上述描述，包括摘要中所描述的实施方式，并不旨在是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然为了说明的目的在本文中描述了具体实施方式和示例，但是如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内可以进行各种等同的修改。根据上述详细描述，可以对本发明进行这些修改。
所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书和权利要求书中公开的具体实施方式。相反，本发明的范围将完全由所附权利要求来确定，所述权利要求将根据所建立的权利要求解释的理论来解释。

Claims (24)

1.一种包括电池组的装置，包括：
形成外壳的绝热盖；
所述电池组包括设置在所述外壳内的多个单独电池，所述多个单独电池围绕电池腔布置，使得每个单独电池与至少一个相邻的单独电池热接触并且所述外壳内的电池组的所有单独电池与电池腔紧邻；
具有蒸发器端和冷凝器端的可变传导性热管，所述蒸发器端的至少一部分位于所述电池腔中并与所述外壳内的所述多个单独电池中的每一个热接触；以及
其中，所述电池组和在电池腔中的可变传导性热管的蒸发器端的一部分位于由所述绝热盖形成的外壳的内部，并且可变传导性热管的冷凝器端的至少一部分在由所述绝热盖形成的外壳的外部，并且其中，可变传导性热管是所述电池组和由所述绝热盖形成的所述外壳的外部之间的唯一热路径。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括热联接到可变传导性热管的冷凝器端的散热器，所述散热器包括多个导热翅片。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在单独电池和可变传导性热管的蒸发器端之间的腔中的热界面材料。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述热界面材料是热粘合剂或导热粘合剂。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个单独电池包括以六边形布置围绕腔布置的六个电池。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括一个或多个附加电池组，所述一个或多个附加电池组各自具有相应的电池腔，蒸发器端的至少一部分定位在所述电池腔中，使得蒸发器端的至少一部分与所述一个或多个附加电池组中的每一个中的单独电池热接触。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电池组和所述一个或多个附加电池组位于相同的绝热盖内。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述电池组和所述一个或多个附加电池组位于不同的绝热盖内。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电池组中的单独电池是柱体。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述单独电池具有圆形横截面形状。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述单独电池具有四边形横截面形状。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述单独电池具有梯形的横截面，其中梯形横截面的一侧成形为匹配可变传导性热管的外部形状。
13.一种包括电池组的系统，包括：
电池容纳吊舱，包括：
本体，所述本体具有外部形状和形成在本体中的内部腔，所述内部腔的尺寸和形状设计成容纳电池组件，
覆盖本体的外部形状的外部涂层，以及
形成在本体中或本体上以使本体联接到飞行器的附接结构；以及
定位在所述电池容纳吊舱内的电池组件，所述电池组件包括：
形成外壳的绝热盖；
电池组，其包括设置在所述外壳内的多个单独电池，所述多个单独电池围绕电池腔布置，使得每个单独电池与至少一个相邻的单独电池热接触并且所述外壳内的电池组的所有单独电池与电池腔紧邻；
具有蒸发器端和冷凝器端的可变传导性热管，所述蒸发器端的至少一部分位于所述电池腔中并与所述外壳内的所述多个单独电池中的每一个热接触，并且所述冷凝器端的至少一部分位于所述电池容纳吊舱外部，
其中，所述电池组和可变传导性热管蒸发器的在电池腔中的一部分位于由所述绝热盖形成的外壳的内部，并且可变传导性热管的冷凝器端的至少一部分在由所述绝热盖形成的所述外壳的外部，并且其中，可变传导性热管是所述电池组和由所述绝热盖形成的所述外壳的外部之间的唯一热路径。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括热联接到可变传导性热管的冷凝器端的散热器，所述散热器包括多个导热翅片。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括设置在单独电池和可变传导性热管的蒸发器端之间的腔中的热界面材料。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述热界面材料是热粘合剂或导热粘合剂。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述多个单独电池包括以六边形布置围绕所述电池腔布置的六个电池。
18.根据权利要求13所述的系统，还包括一个或多个附加电池组，所述一个或多个附加电池组各自具有相应的电池腔，蒸发器端的至少一部分定位在所述电池腔中，使得蒸发器端的至少一部分与所述一个或多个附加电池组中的每一个中的单独电池热接触。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电池组和所述一个或多个附加电池组位于相同的绝热盖内。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述电池组和所述一个或多个附加电池组位于不同的绝热盖内。
21.根据权利要求13所述的系统，其中，所述电池组中的单独电池是柱体。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述单独电池具有圆形横截面形状。
23.根据权利要求13所述的系统，其中，所述单独电池具有四边形横截面形状。
24.根据权利要求13所述的系统，其中，所述单独电池具有梯形的横截面，其中梯形横截面的一侧成形为匹配可变传导性热管的外部形状。
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