CN108028440A

CN108028440A - 加热板

Info

Publication number: CN108028440A
Application number: CN201680044140.6A
Authority: CN
Inventors: 爱德华·F·伯尔加耶夫斯基
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-05-11
Also published as: KR20180033272A; EP3329542A1; US20190013555A1; WO2017023598A1; JP2018530857A

Abstract

电化学电池的柔性加热器例如在汽车应用中可直接附接到电池的袋式电池单体以进行快速直接加热。与电动车辆兼容的高压操作是通过如下方式来提供：通过纵向延伸的槽沟分离正温度系数加热材料，其中纵向延伸的槽沟控制电流主要在纵向上流动，从而减小此材料中的热点产生的趋势。

Description

加热板

相关申请的交叉引用

本申请主张2015年7月31日申请并且全文以引用方式并入本文中的第62/199,581号美国临时申请的权益。

技术领域

本发明涉及电加热器，并且明确地说，涉及适用于高压的厚膜聚合物电加热器。

背景技术

电动车辆和混合电动车辆将电池用于能量存储。在此应用中，电池可经受包含零下温度的一定范围的存储温度。在低温下，许多类型的电池(包含锂离子电池)的可用电力实质上减少，并且电池效率降低。

2014年4月10日申请的同在申请中的第61/977,802号美国专利申请(转让给本受让人并以引用方式并入本文)描述呈柔性衬底的形式的电动车辆电池的加热器，其中所述柔性衬底在上覆有交叉梳状导电电极的衬底上具有“厚膜”聚合物正温度系数(PTC)材料。电极可用于经由提供可与电池紧密集成的柔性加热器单元的正温度系数材料施加电流，以在低温下实现电池的变暖。

这些柔性加热器通常是在相对低的电压(例如，小于100伏)下使用；然而，在汽车应用中，可需要较高操作电压，以便与在较高电压下操作的电动车辆电力系统兼容并通过针对给定量的电力减少电流流动的量而降低布线成本和重量。

发明内容

本发明者已确定，标准厚膜聚合物加热器设计在高压(例如，330伏DC到1000伏DC)下操作时可展现电流分布的极端不均一性，从而导致热点以及过早损坏的潜在风险。虽然PTC材料具有自然电流调节性质，但仍发生此不均匀电流流动。

本发明通过在PTC材料内产生实行并联电流流动而不收敛的一组电流隔离“槽沟”而解决此高压非均匀电流密度问题。在一些实施例中，绝缘沟道通过浮动总线而周期性地桥接，其中浮动总线用于恢复穿过PTC材料的隔离部分的均匀电流流动。结果是产生了柔性厚膜聚合物加热器，其中所述柔性厚膜聚合物加热器能够以提高的温度均匀性在较高电压下操作。

具体来说，在一个实施例中，本发明提供电池的加热器板，具有：柔性聚合物衬底；以及导电电极，在加热器端子与沿着纵轴间隔开的电极指之间连通。具有比导电电极高的电阻的正温度系数材料将电极指电互连并在电极指之间延伸。正温度系数材料具有多个绝缘槽沟，其中绝缘槽沟阻断跨越槽沟穿过正温度系数材料的电流流动，槽沟被定位且设定大小成相比穿过正温度系数材料垂直于纵轴的电流流动，促进穿过正温度系数材料沿着纵轴的电流流动。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是为汽车应用等提供高效率电池单体加热器，其中高效率电池单体加热器可在将热点的产生减到最少的同时利用可用高压电力。

槽沟可以是正温度系数材料中的间隙，其中沿着纵轴测量的纵向长度至少五倍于垂直于纵轴测量的槽沟的横向高度。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是通过策略性地设置的绝缘间隙在优选方向上灵活性地引导电流。

槽沟可在包夹的多对电极指之间连续地延伸。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是将穿过正温度系数材料的电流流动完全分离到一组独立纵向沟道中。

槽沟沿着纵轴遵循蜿蜒路径。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是通过改变电流流动的横向路径而减小PTC材料中的局部横向变化的影响。

加热器板可还包含浮动电极，其中浮动电极在正温度系数材料的部分被槽沟分离的横向范围中跨越正温度系数材料横向延伸。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是通过提供低电阻横向浮动电极导体来允许进行电流流动的横向再调整和再均衡而不产生热点。

浮动电极可桥接至少一个槽沟。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供简单构造，其中所述简单构造在浮动电极与PTC材料之间的连接故障的情形下消除热点产生。

正温度系数材料可以是导电墨水。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供适应于厚膜PTC材料的方法，其中厚膜PTC材料可展现因高压操作而加剧的一些过程变化。

导电电极可以是具有比正温度系数材料低的电阻的导电墨水。

因此，本发明的至少一个实施例的特征是提供用于制造加热器板的简单印刷过程。

本发明的其它特征和优点对于本领域的技术人员来说将在查阅具体实施方式、权利要求书和附图之后变得明显，在附图中，相同附图标记用于表示相同特征。

附图说明

图1是根据本发明的袋型电池单体的分解立体图，其中袋型电池单体具有附接到电池单体壁的集成加热器元件；

图2是简化的现有技术柔性膜加热器的俯视平面图，示出上覆有交叉梳状导电电极的PTC材料并且还示出柔性膜加热器的不同层的局部横截面图；

图3是在低压下操作的图2的柔性膜加热器的PTC材料的通过实验获得的热成像图的简化表示，示出传导电极之间的均匀且受约束的加热；

图4是与图3类似的图，示出图2的柔性膜加热器在300伏下的操作以及表示例如可产生热点的电流分布的中断的“M”形加热图案的发生；

图5是本发明的第一实施例的与图2类似的图，其中本发明的第一实施例在PTC材料内并有用于在高压下实行较均匀的电流流动的非直线电流并联隔离槽沟；

图6是与图2和图5类似的图，示出使用交错的电流并联隔离槽沟和浮动母线以促进电流均匀性的替代实施例；

图7是图6的替代实施例的局部图，其中浮动母线之间的PTC材料保持对准且并未交错；

图8是图5的替代实施例的局部图，示出非直线电流并联隔离槽沟的替代图案；以及

图9是图6的替代实施例的局部图，示出跨越有限数量的电流隔离槽沟的浮动母线的使用。

在详细解释本发明的实施例之前，应理解，本发明的应用不限于以下描述中所阐述或附图中所图示的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施例，并且以各种方式实践或进行。并且，应理解，本文所使用的用语和术语是出于描述的目的且不应视为限制性的。“包含”和“包括”及其变化的使用希望涵盖之后列出的项目与其等同物以及额外项目与其等同物。

具体实施方式

现参照图1，适用于组装到用于例如汽车等电动车辆中的电池中的袋式电池单体8可具有大体上扁平的棱柱外形因素，其中所述大体上扁平的棱柱外形因素具有上矩形袋壁11a和下矩形袋壁11b。上矩形袋壁11a和下矩形袋壁11b将通常由柔性绝缘聚合物片构造而成，其中所述柔性绝缘聚合物片可围绕接缝周边15密封以提供限定封闭体积17的袋。

封闭体积17可固持被选择成提供电化学存储并释放电力的各种板、隔膜和电解质。具体来说，体积17可固持上集电板19a(例如，具有板区域以装配在体积17内的金属箔或其它导体)以及延伸的接片电极21a，其中延伸的接片电极21a突出超出上矩形袋壁11a和下矩形袋壁11b的接缝周边15以用于上集电板19a的外部连接。上集电板19a将被定位成邻近于上矩形袋壁11a。

类似地，下集电板19b可被定位成邻近于下矩形袋壁11b，并且可同样具有装配在体积17内的板区域以及接片电极21b，其中接片电极21b突出超出接缝周边15并相对于接片电极21a移位，例如，在接缝周边15的一个边缘的相对左侧和右侧上。

上集电板19a和下集电板19b可包夹包括以下各者的堆叠：邻近于上集电板19a的负电极材料19c、邻近于下集电板19b的正电极材料19d以及处于负电极材料19c与正电极材料19d之间的隔膜19e。通常，个别袋式电池单体10将固持单个正电极材料19d和负电极材料19c。

如上所述的袋式电池单体的构造可按照第2012/0263987号美国专利申请的描述，其中所述美国专利申请名为“高能锂离子二次电池(High-Energy Lithium-Ion SecondaryBatteries)”，转让给Envia Systems,Inc.并以引用方式并入本文。

现参照图1和图2，现有技术厚膜聚合物加热器10可提供柔性衬底12，其中柔性衬底12提供实质上非导电的聚合物片。实例衬底12可以是七密耳聚酯材料。

柔性衬底12的宽阔上表面上的加热区域13(在此实例中，矩形区)可涂布有正温度系数(PTC)材料14的实质上连续的厚膜。正电阻温度系数导致电流量的量根据材料的温度而变化，其中较低温度下的增加的电流量以及较高温度下的减少的电流量通常根据温度遵循实质上非线性的型式。当跨越PTC材料14而施加实质上恒定的电压源时，此性质提供PTC材料14的自调节温度。

在一个实施例中，PTC材料14可以是随着温度而展现升高的电阻的导电聚酯材料以实现温度驱动的电流限制效应。此PTC材料14的自然电流限制将预期通过增大具有过多电流流动的区域的电阻而减少厚膜聚合物加热器10中的热点。

柔性衬底12的加热区域13可通过各种技术(例如，使用丝网印刷等而涂覆导电墨水)而涂布有PTC材料14。适用于本发明的正温度系数(PTC)加热器还公开在授予LeslieM.Watts的第4,857,711号和第4,931,627号专利中，所述专利的全部内容以引用方式并入本文。

均由导电材料形成的正电极阵列16a和负电极阵列16b可使用涂覆到PTC材料14的上表面的导电墨水等来印刷以与PTC材料14电连通。这些电极阵列16a和16b可跨越电源40(例如，与汽车电气系统相关联的高于50伏的电压下的高压DC或脉宽调制DC)而连接。

正电极阵列16a可具有指18a，其中指18a沿着相等地间隔的平行轴线20a在第一方向上在PTC材料14的表面上延伸。这些指18a可与总线导体22a电连通，其中总线导体22a沿着PTC材料14的一个边缘大体上垂直于轴线20a而延伸。

负电极阵列16b可具有指18b，其中指18b沿着在与指18a的方向相反的第二方向上在PTC材料14的表面上延伸并与指18a呈交叉梳状。这些指18b也可沿着在轴线20a之间并平行于轴线20a均匀地定位的规则平行轴线20b延伸。指18b可结合到总线导体22b，其中总线导体22b在与总线导体22a相对的PTC材料14的边缘处大体上垂直于轴线20b而延伸。

总线导体22a和22b可延伸到衬底12的一端以呈现连接端子24，其中DC电力或脉宽调制电力可施加到连接端子24。当电力施加到端子24时，电流将在大体上垂直于轴线20的纵向电流流动轴线23方向上在指18a与18b之间大体上流经PTC材料14。

电极阵列16、指18和端子24的导电材料可例如是例如从具有导电材料(例如，银)的精细颗粒填料的聚合物底料化合的导电聚合物，从而提供远低于相当的横截面的PTC材料的电阻。

实例厚膜聚合物加热器可例如在约4×6英寸的区域上实现24瓦的功率或实现约1瓦/平方英寸，以在室温下提供55℃到65℃的目标温度范围。端子24之间的总电阻可在环境温度下是约5到10千欧。

现参照图3，当图2的厚膜聚合物加热器10在相对低的电压(例如，12伏)下操作时，实质上均匀但升高的温度的规则矩形加热区域26将在轴线20a与20b之间形成。加热区域26的此均匀温度反映指18之间沿着纵向电流流动轴线23的那些区中的实质上均匀的电流流动。

规则加热区域26由指18的位置处与轴线20对准的窄冷区29(图2所示)分离。这些冷区29随着电流寻找最低电阻的路径因电流从PTC材料14分路到指18中而产生。

现参照图4，当图2的厚膜聚合物加热器10在高压(例如，300伏)下操作时，邻近的矩形加热区域(例如，26a和26b)可跨越轴线20而融合，从而指示预期规则电流分布的中断。此中断从加热区域26a和26b的上端窃取电流而将其转移到比轴线20的指下方的加热区域26的其它区域热的热点位置27并负面地影响厚膜聚合物加热器10提供的热的均匀性。

现参照图5，在本发明的第一实施例中，可构造更改指18之间的PTC材料14的配置的高压厚膜聚合物加热器10。此更改(例如，在指18与18b之间)将电流隔离槽沟30引入到PTC材料14中，其中电流无法跨越电流隔离槽沟30流动。可例如通过移除PTC材料14并使隔离槽沟30的区中的衬底12暴露来产生隔离槽沟30。槽沟30可在包夹的邻近指18或一部分之间连续延伸。总的来说，槽沟30沿着纵轴23测量的纵向长度至少五倍于垂直于纵轴测量的槽沟31的横向高度。

隔离槽沟30大体上沿着纵向电流流动轴线23延伸并因此实行大体上沿着轴线23的电流流动的局部方向。隔离槽沟30可在PTC材料14上在垂直于纵向电流流动轴线23的方向上周期性地间隔开，以产生沿着轴线23延伸的PTC材料的许多不同导电迹线31。在此实施例中，PTC材料的迹线31可以具有在平行于轴线23的z形(非线性)路径中行进的实质上均匀的宽度(垂直于纵向电流流动轴线23)。

如上所述，隔离槽沟30实行沿着轴线23的电流流动的实质上独立的线路，并且防止电流例如收敛在图4所示的加热区域26之间的轴线20的交叉区上。应注意，在此实施例中，指18的数量已大幅减少，而不牺牲加热的均匀性，从而呈现指18的导电材料的可能节省。在其它方面中，厚膜聚合物加热器10可类似于厚膜聚合物加热器10。此实施例可在介于300伏DC与1000伏DC之间的电压下操作，并且已被示出为在此范围内的电压下提供改进的热均匀性。

现参照图6，在替代实施例中，一系列浮动母线32可设置在每一对指18a与18b之间并平行于每一对指18a与18b，并且在它们之间均匀地间隔开。重要的是，浮动母线32没有电连接到总线导体22或连接到指18或相互连接。浮动母线32可大体上垂直于电流流动的路径而延伸，并且横跨PTC材料14的多个迹线31。这些浮动母线32用于在垂直于纵向电流流动轴线23的方向上跨越迹线31之间的槽沟30提供电流在PTC材料14的迹线31之间的再分布。浮动母线32的材料将大体上与具有远低于PTC材料14的电阻的总线导体22和指18的材料相同。浮动母线32可桥接槽沟31或可上覆在PTC材料14上，如此基本上将电流传导远离此被覆盖的PTC材料14。

在此实施例中，浮动母线32中的每一个或浮动母线32与指18之间的槽沟30和迹线31可在垂直于纵向电流流动轴线23的横向方向上交错，以使得给定行36(每一行处于给定的一组浮动母线32或浮动母线32与指18之间)中的PTC材料14的迹线31仅通过浮动母线32或指18而不通过PTC材料14的直接连接与邻近行36中的迹线31连接。以此方式，热点因不同行36中的迹线31之间的直接电流流动而产生而没有通过浮动母线32缓和的可能性大幅降低。

此实施例可在介于300伏DC与1000伏DC之间的电压下操作，并且已被示出为在此范围内的电压下提供改进的热均匀性。

现参照图7，应了解，图6的厚膜聚合物加热器10可替代地实现行36之间的PTC迹线31的对准和直接连接。此版本依赖于指18或浮动母线32以将电流再分布并避免这些迹线31之间的桥处的热点，这可提供迹线31之间的良好连接，并且浮动母线32的较低电阻的材料例如通过足够的接触区域而得到确保。

现参照图8，应了解，图5的迹线31的z形PTC材料14可采用各种其它非直线形状，包含平行于轴线23延伸的平滑正弦图案。整体沿着纵轴23进行的这些波动图案将统称为“蜿蜒”。迹线31也可以是笔直的并平行于轴线23。

现参照图9，在替代实施例中，浮动母线32可沿着其垂直于轴线23的长度而划分为多个片段，其中每一区段仅连接不同行36的有限数量的PTC迹线31(例如，第一行36中的一个PTC迹线31可仅连接到第二行36中的一个PTC迹线31，如图所示)，以进一步防止垂直于纵向电流流动轴线23的电流迁移。

这些各种技术可进行组合，例如，图4的迹线31也横跨在指18a与指18b之间均匀地间隔开并平行于这些指18的图5所示的类型的浮动母线32。

通常，根据上文需要，电阻表示体电阻或天线电阻或两者。

某些术语在本文中仅用于参考的目的，并且因此不希望是限制性的。例如，例如“上”、“下”、“在……之上”和“在……之下”等术语表示所参考的附图中的方向。例如“前部”、“背部”、“后部”、“底部”和“侧部”等术语描述部件的部分在一致但任意的参考系内的取向，其中所述参考系通过参照文字以及描述所论述的部件的相关联的附图而变得清楚。此类术语可包括上文特别提及的词语、它们的变体和类似含义的词语。类似地，除非上下文清楚地指出，否则术语“第一”、“第二”和表示结构的其他此类数字术语并不暗示顺序或次序。

在介绍本公开和示范性实施例的元件或特征时，术语“一”和“该”希望表示存在一个或多个此类元件或特征。术语“包括”、“包含”和“具有”希望是包含性的，并且表示除了特别提及的元件或特征以外，还存在额外元件或特征。还应理解，除非特别作为一定的执行次序来表述，否则本文所描述的方法步骤、工艺和操作并不解释为必须需要以所讨论或图示的特定次序执行。还应理解，可使用额外或替代的步骤。

本发明的各种特征阐述在随附权利要求书中。应理解，本发明的应用不限于本文所阐述的部件的构造和配置的细节。本发明能够具有其它实施例，且以各种方式实践或进行。前述内容的变化和修改处于本发明的范围内。还应理解，本文所公开且定义的发明延伸到所描述或从文字和/或附图知悉的个别特征中的两个或两个以上的所有替代组合。所有这些不同组合构成本发明的各种替代方面。本文所述的实施例解释已知用于实践本发明的最佳模式，并且将使本领域的技术人员能够利用本发明。

本文所述的所有公开(包括专利公开和非专利公开)的全部内容以引用方式并入本文中。

Claims

1.一种电池的加热器板，包括：

柔性聚合物衬底；

导电电极，在加热器端子与沿着纵轴间隔开的电极指之间连通；以及

正温度系数材料，具有比所述导电电极高的电阻，并将所述电极指电互连并在所述电极指之间延伸，所述正温度系数材料具有多个绝缘槽沟，所述绝缘槽沟阻断跨越所述槽沟穿过所述正温度系数材料的电流流动，所述槽沟被定位且设定大小成相比穿过所述正温度系数材料垂直于所述纵轴的电流流动，促进穿过所述正温度系数材料沿着所述纵轴的电流流动。

2.根据权利要求1所述的电池的加热器板，其中所述槽沟是所述正温度系数材料中的间隙，沿着所述纵轴测量的纵向长度至少五倍于垂直于所述纵轴测量的所述槽沟的横向高度。

3.根据权利要求1所述的电池的加热器板，其中所述槽沟在包夹的多对电极指之间连续地延伸。

4.根据权利要求2所述的电池的加热器板，其中每一电极指之间的所述正温度系数材料由在每一纵向位置处重叠的多个横向间隔开的槽沟分离。

5.根据权利要求4所述的电池的加热器板，其中所述多个横向间隔开的槽沟是至少五个槽沟。

6.根据权利要求5所述的电池的加热器板，其中所述槽沟沿着所述纵轴遵循蜿蜒路径。

7.根据权利要求1所述的电池的加热器板，还包含浮动电极，所述浮动电极在所述正温度系数材料的部分被槽沟分离的横向范围中跨越所述正温度系数材料横向延伸。

8.根据权利要求7所述的电池的加热器板，其中所述浮动电极桥接至少一个槽沟。

9.根据权利要求1所述的电池的加热器板，还包含电化学电池单体，所述电化学电池单体附接到所述柔性聚合物衬底以与其热连通并含有至少一个柔性阳极板和阴极板以及至少一个柔性聚合物外壁。

10.根据权利要求1所述的电池的加热器板，还包含电压源，所述电压源与所述加热器端子连通，从而提供大于50伏的电压。

11.根据权利要求1所述的电池的加热器板，其中所述正温度系数材料是导电墨水。

12.根据权利要求1所述的电池的加热器板，其中所述导电电极是具有比所述正温度系数材料低的电阻的导电墨水。

13.根据权利要求1所述的电池的加热器板，其中所述端子之间的电阻在环境温度下是5到10千欧。

14.一种加热具有多个电池单体袋的电池组的方法，包括：

将每一电池单体袋附接到加热器板，所述加热器板具有：

柔性聚合物衬底；

导电电极，在加热器端子与沿着纵轴间隔开的电极指之间连通；

正温度系数材料，具有比所述导电电极高的电阻，并将所述电极指电互连并在所述电极指之间延伸，所述正温度系数材料具有多个绝缘槽沟，所述绝缘槽沟阻断跨越所述槽沟穿过所述正温度系数材料的电流流动，所述槽沟被定位且设定大小成相比穿过所述正温度系数材料垂直于所述纵轴的电流流动，促进穿过所述正温度系数材料沿着所述纵轴的电流流动；以及

将大于50伏的电压施加到所述加热器板以加热每一电池单体袋。