CN107069138B - 具有单元内导热构件的电池组 - Google Patents

Abstract

一种电池单元包括袋、电解质材料、正电极和负电极以及一个或多个导热构件。该袋具有限定内部容积的内表面，在该内部容积中容纳有电解质材料。电极形成定位在袋的内部容积内的集电器。电极端子连接至正电极和负电极中的相应电极。每个导热构件均与完全在袋的内部容积内的相应的电极端子进行热连通，并且延伸在电极与袋的内表面之间。导热构件在电池单元内形成并联导热路径。电池组包括容纳多个这样的电池单元的壳体。

Description

具有单元内导热构件的电池组

技术领域

本发明涉及一种具有单元内导热构件的电池组。

背景技术

电池组通常包括多个可再充电电池单元。诸如用于对转矩生成电机供电的高电压电池组可在持续操作期间生成相当多热量。因此，通常使用电池热管理系统来调节电池单元温度。例如，冷却剂可以在位于电池单元附近的闭环通道中循环。可以使用称作散热片的薄热板来帮助相邻电池单元之间的直接循环冷却剂以促进冷却。

在某些电池单元中，绝缘隔离体材料可以设置在带相反电荷的电极之间并且封闭在填充有电解质溶液的密封外袋内。隔离体材料(例如，聚乙烯和聚丙烯膜)帮助防止电短路状况，同时允许电极之间的电荷自由转移。电池单元的正和负单元片(电连接至相应电极)在密封袋外侧延伸一段短的距离以形成用于电池单元的电极端子。多个电池单元的电极端子通常经由位于电池单元外侧的导电互连构件超声焊接在一起以形成电池组。

发明内容

本文公开了一种电池单元，其包括袋、正电极和负电极、正电极端子和负电极端子以及一个或多个导热构件。正电极端子和负电极端子连接至相应的正电极和负电极。每个导热构件均与相应的电极端子进行热连通，并且完全定位在袋的内部容积内，即，是如本文所使用的该术语“单元内”。如本文所使用的单元内导热构件延伸在电极与袋的内表面之间以如下文所述般在袋内形成并联热传递路径。

电极封闭在所公开的袋式电池单元内，并且可以任选地由铜、铝或另一种导电材料构成。因而，电极相对于活性材料(例如，锂过渡金属氧化物(阴极)和碳质材料(阳极)、该电绝缘隔离体材料以及容纳在袋的内部容积内的电解质流体)的各层有效地传递热量。各种单元部件的不同热性质可在电极端子之间产生温度梯度。因此，电池组如下文所述般配置成以相对于常规方法的更有效方式(具体通过将热量汲取远离具有相对较高电流密度且因此高温的焊接区)帮助冷却各电池单元。导热构件关于各电极的平面提供并联热传递路径，这继而又帮助避免如上文提及的大的温度梯度。因此，相对于常规的电池冷却方法论，可用相同量的冷却剂流实现较低平均单元温度。

本文还公开了一种电池组，其包括壳体和具有如上文提及的单元内导热构件的多个电池单元。电池单元定位在壳体内。

根据结合附图取得的以下详述将能够容易地明白上述特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是使用具有如本文所述的一个或多个单元内导热构件的多单元电池组的示例性系统的示意图。

图2是图1中所示的多单元电池组的部分的示意透视分解视图。

图3A至3C是根据本发明的配置有单元内导热构件的示例性电池单元的示意图。

图4A至4B是图3A至3C中所示的电极和单元内导热构件的示意侧视图。

具体实施方式

参考附图，其中全部几个视图中的相同参考数字指代相同部件，图1 中示出了具有直流(DC)电池组12的示例性系统10。电池组12包括多个袋式电池单元20，图1中为了说明简单起见示出了其中的两个。如下文参考图2至4B所述，每个电池单元20均包括电极32和至少一个单元内导热构件，例如，非限制性实施例中的相应第一单元内导热的导热构件30A和第二单元内导热的导热构件30B，其各自与正电极端子21A或负电极端子21B热连通。每个导热构件30A和30B均完全定位在每个电池单元20 的密封袋22内以形成如下文解释的并联热传递路径。

在示例性实施例中，图1的电池组12可以配置为可再充电锂离子电池组。电池组12包括壳体13，例如，如所示的T状壳体。电池组12可以容纳多个相似配置的电池单元20。电池组12的一种可能配置包括共同输出至少18kWh电功率的至少192个这样的电池单元20，但是电池组12不限于此实施例。壳体13可以例如经由冷却剂孔17与冷却剂源(未示出) 流体连通，其中准许冷却剂关于电池单元20循环以帮助调节电池组12的电池单元20的温度。可以设想到具有不同形状、额定功率和/或除基于锂离子化学物质之外的活性材料的其它实施例，且因此图1的T状配置是示例性且非限制性的。

图1的系统10可以配置为可以获益于存储在各种电池单元20中的电能的使用的任何类型的移动或固定系统。系统10的实例可以包括如所示的车辆，例如，增程型电动车、插电式混合电动车、电池电动车或另一种移动平台、机器人或固定/非车辆系统，诸如发电厂。

系统10可以进一步包括电机(未示出)，诸如由电池组12中的能量供电的牵引马达和/或马达/发电机单元。另外，系统10可以包括经由高压电缆15电连接至充电模块16的功率逆变器14。当充电模块16插入至可用充电插座(未示出)中时功率逆变器14接收充电模块16中的交流(AC) 功率。功率逆变器14可以使用脉宽调制或其它功率开关技术来将充电模块16中的AC电压变换为适用于对电池单元20充电的DC电压，如本领域中公知。

参考图2，每个电池单元20均包括正(+)电极端子21A和负(-)电极端子21B。电极端子21A和21B邻接至相应的专用充电电极32A或32B，并且可以通过利用诸如锂过渡金属氧化物(阴极)的合适活性材料或碳质材料(阳极)以及诸如铜或铝的导电材料涂布条形金属板或薄板而形成。图1中总体上示为电极32的电极32A和32B为了说明简单起见而在图2 至3C中示意地示为电极32A和32B的堆叠。然而，本领域一般技术人员将明白的是，给定电极可以具体化为如图4A至4B中所示的薄层或薄板，包括两侧上涂布有约40微米(μ)厚的合适活性材料的约15μ厚的集电器。接着该层替代地堆在电池单元20整个厚度内堆叠。

当特定电池单元20在图1中所示的电池组12的示例性锂离子实施例中对电能放电时，锂离子通过电解质材料(参见图3A)从负电极端子21B 传递至正电极端子21A。当相同电池单元20诸如在系统10的车辆实施例中在再生制动期间主动充电时或当使用图1的充电模块16对电池单元20 充电时，发生颠倒过程，即，锂离子从正电极端子21A传递至负电子端子21B。任一过程期间产生相当多热量，其中这样热量经由下文参考图3A至 4B描述的并联热传递路径而耗散。

图1的电池组12可以选用地使用重复框架配置构成，在该配置中，由例如塑料或填充聚酰胺的玻璃构成的一系列个别单元框架26形成冷却剂歧管并且还向电池单元20提供所需结构刚性。例如，两个电池单元20 可以关于一对单元框架26配置，图2中仅示出了两个电池单元中的一个。

在典型的配置中，容纳正电极32A和负电极32B(参见图4A至4B)、限定内部冷却剂通路25的散热片24以及泡沫分隔器28的一对电池单元 20在图1中所示的电池组12的整个壳体13中以重复设置夹在相邻单元框架26之间。单元框架26和散热片分别限定主要冷却剂通道27和29，当足够多数量的单元框架26、电池单元20、散热片24和泡沫分隔器28以串联设置连接在一起时，准许经由图1的冷却剂孔17的冷却剂(未示出) 可循环通过该主要冷却剂通道27和29。

关于电池单元20，每个电池单元20均包括由层状箔或其它合适材料构成的密封袋22(例如，涂布聚合物的铝的矩形或正方形袋)，以及导热构件30A和/或30B中的一者或多者，从图2的视角仅可看见导热构件中的一者。每个导热构件30A和30B均设置成在电池单元20内形成并联热传递路径，其中“并联”是关于电极32A和32B的定向与导热构件30A 和30B的定向的关系而采取的。

导热构件30A和30B的设置和放置利用电极32A、32B的热性质以冷却定位成最远离散热片24的电极32A、32B，该冷却效率与定位成最靠近散热片24的电极32A、32B一样。导热构件30A和30B与由袋22限定的内部容积(V)内的相应负电极端子21A和正电极端子21B热连通。因此，导热构件30A和30B将电极32A和32B中的热量直接传导至最近的散热片24以促进冷却。

参考图3A至3C，袋33限定了限定内部容积(V)的内表面36。上述类型的电解质流体34容纳在袋22中并且填充其内部容积(V)。定位在袋22内的负电极32A和正电极32B分别连接至电极端子21A和21B并且因此在电池单元20内形成集电器。

导热构件30A和30B中的每一个均与袋22的内部容积(V)内的相应正电极端子21A和负电极端子21B热连通。如图3B中关于导热构件30B 所示，导热构件30A和30B延伸在袋22的内表面36之间。虽然图3A和 3B描绘并排电极端子21A和21B使得正电极端子21B和负电极端子21A 从袋22的公共边缘41延伸，但是本方法还可以在如图3C中所示的端对端配置中使用，在端对端配置中，电极端子21A和21B从袋22的相对边缘41和43延伸。导热构件30A、30B应当保持与袋22和具有与导热构件 30A或30B相反的电荷的电极32A或32B电隔离。替代地，导热构件30A 和30B应当由电隔离但导电材料制成。

图4A和4B描绘导热构件30A和30B的两种可能示例性配置，即，整体形成的导热构件130B和两件式导热构件230B。电极32A和32B可以配置为超声焊接或者导电连结在一起并且在公共第一焊接界面46处超声焊接或导电连结至相应的电极端子21A和21B的薄金属板或板，如本领域中所已知，其中电极32B和电极端子21B是从图4A至4B的视角示出。因而，第一焊接界面46处的电流密度和因此局部热量高于电池单元20的其它位置处的水平。

图4A的实施例实际上通过将电极端子21B沿着电极32B的外表面延伸而形成导热构件30B，其中导热构件30B的平面P2总体上平行于个别电极32B的平面P1。电极32B还平行于袋22的内表面36。相对于与导热构件130B相似并且结合电极32A使用的导热构件(未示出)，可以对电极 32提供相同设置。导热构件230B可以使用本领域中已知的类型的电绝缘粘合材料49附接至正电极端子和负电极端子中的一个(此处示为电极端子21B)。

图4B描绘其中导热构件230B与电极端子21B分开形成并且接着在第二焊接界面45处例如使用导热粘附剂超声焊接或者连接至电极端子 21B的替代性实施例，其中导热构件230B沿着电极32B完全延伸在袋22 的内部容积(V)内。如果导热构件230B是由导电材料构成，那么第二焊接界面45应当维持与电极32B电隔离。虽然图4B的两件式实施例需要额外的制造步骤，但是有点可能在于能够针对导热构件230B和电极端子21B 使用不同材料，后者通常是薄的铝或铜板。以此方式，图4B的配置可以用于优化导热构件230B的热传递性质。

在期望发明范围内可以设想到其它实施例。例如，可配置电极板32B，其定位成最靠近袋22的内表面36以用作图4B的导热构件230B。为此，导热构件230B面向袋22的内表面36的外表面39可以选用地涂布有导电且电绝缘材料51，例如，导热绝缘聚合物。

使用导热构件30A和30B或上述其变体，电极端子21A和21B是以相同相对速率冷却，因为所有电极端子21A和21B在通过导热构件30A、 30B的添加材料且从袋22至散热片24时受到大致上相同大小的热阻。如本领域中所知，冷却电池组12的常规方法允许最外面的电极32A或32B 比最里面的电极32A或32B更快速地冷却。

因此，本方法预期将导热构件30A、30B完全放置在袋22内部以给所有电极32A、32B赋予至循环冷却剂和图2中所示的散热片24的相同直接热路径。不同于使用与正电极电接触的铝外圆柱体的常规“罐状单元”配置，本方法维持袋22的电中性。本发明因此使得能够以并联路径而不是串联路径冷却电极32A、32B，由此促进具有袋式单元设计的电池组(诸如图1的示例性电池组12)的更有效且具成本效益冷却。该配置在具有高电流密度的较高功率应用中可能特别有利。

虽然已经详细地描述了用于实行本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及的领域的技术人员将会认识到用于实践本发明的各种替代性设计和实施例在所附权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种电池单元，其包括：

袋，其具有限定内部容积的内表面；

电解质材料，其容纳在所述袋中并填充所述内部容积；

正电极和负电极，其配置为集电器并且定位在所述袋的所述内部容积内；

正电极端子和负电极端子，其连接至相应的正电极和负电极；以及

至少一个单元内导热构件，其与所述正电极端子和所述负电极端子中的相应电极端子热连通并且完全定位在所述袋的所述内部容积内的电解质材料中，其中所述至少一个导热构件延伸在所述电极与所述袋的所述内表面之间。

2.根据权利要求1所述的电池单元，其中每个所述电极均设置在各自平行于所述至少一个单元内导热构件的平面的相应平面中，使得所述至少一个单元内导热构件关于所述电极的所述平面形成并联热传递路径。

3.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述正电极端子和所述负电极端子从所述袋的相对边缘延伸。

4.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述正电极端子和所述负电极端子从所述袋的公共边缘延伸。

5.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述至少一个单元内导热构件与所述正电极端子和所述负电极端子中的相应电极端子形成为一体。

6.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述至少一个单元内导热构件焊接至所述正电极端子和所述负电极端子中的相应电极端子。

7.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述至少一个单元内导热构件使用电绝缘粘合材料附接至所述正电极端子和所述负电极端子中的相应电极端子。

8.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述至少一个单元内导热构件是至少部分由电绝缘材料构成。

9.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述正电极和所述负电极包括基于锂化学物质的活性材料。

10.根据权利要求1所述的电池单元，其中所述至少一个单元内导热构件包括与所述正电极端子热连通的第一导热构件和与所述负电极端子热连通的第二导热构件。