CN203850397U - 电池组组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池组组件。电池组包括堆叠构造的多个棱柱形式电池。柔性石墨薄片热传播器置于堆叠中邻近的棱柱电池之间。散热器沿着棱柱形式电池堆叠的长度延伸。但是热传播器主表面接触散热器且延伸进入散热器达散热器的通厚的至少30％。

Description

电池组组件

技术领域

本实用新型涉及电池组组件。 

背景技术

随着更清洁和更高效的能量使用的不断稳步推进，电池和它们的性能正变得越来越重要。尤其，在运输和质能存储中电池的使用在增长。尽管如此，这些更高强度的应用趋于产生更大量的热量，且因此需要更加重视热量的管理。 

通常，电池单元使用一对电极和位于其间的离子传导电解质来形成。电池组通常通过将多个电池单元堆放在一起而形成，因此使其具有更大的容量和/或功率。具体来说，由于他们可充电并且具有最小的记忆效应，用于汽车应用和不同的商业电子器件的锂离子电池正变得越来越受欢迎。 

在优化的操作温度下存储和操作电池单元对于使电池在它的最高效率下操作来说是重要的。进一步地，最小化温度极值增加了电池单元的使用寿命。因此，存在改进现有技术中电池组组件的机会，以最优化操作温度进而确保最长的可能生命周期、额定容量、以及标定充电和放电速率。 

实用新型内容

根据一个方面，电池组包括堆叠构造的多个棱柱形式电池。多个热传播器由柔性石墨薄片制成，并且被插入在堆叠中邻近的棱柱状电池之间。每一热传播器包括相对的主表面。散热器沿着堆叠棱柱状电池的长度延伸且包括在平行于多个热传播器的主表面的方向的通厚（thru-thickness）。两个热传播器的主表面均接触散热器且热传播器延伸进入散热器达散热器通厚的至少30%。 

附图说明

图1是电池组组件的等距视图。 

图2是图1的电池组组件的侧视图。 

图3是图1的电池组组件的顶视图。 

图4是去除电池和热传播器的电池组组件的散热器的侧视图。 

图5是电池组组件的替换实施例的等距视图。 

图6是在闭合构造中具有安装板的图5的电池组的右侧视图。 

图7是在开启构造中具有安装板的图5的电池组的右侧视图。 

图8是电池组组件的第二替换实施例的等距视图。 

图9是图8的电池组的侧视图。 

图10是图8的电池组的锁定组件的等距视图。 

图11是图8的电池组的锁定组件的顶视图。 

具体实施方式

棱柱形锂离子电池相对于圆柱形电池单元以及其他电池形式具有一定的优点。具体来说，他们不仅具有更高的能量密度，而且棱柱形式还实质上将组件简化为多电池单元电池组。电学地，电池组组件通过以下方式制成：组装多个串联的棱柱形锂离子电池单元以增加电压，或者组装多个并联的锂离子电池单元以增加容量。 

在一个实施例中，棱柱形锂离子电池单元通常是矩形或方形形状并且具有从大约1mm到大约10mm的厚度。更加优选地，电池具有从大约3mm到大约6mm的厚度。在一个电池组的实施例中，棱柱形锂离子电池具有相对的主表面，每一个主表面的占地面积（footprint）至少是8平方英寸，更加优选地是至少16平方英寸的占地面积。在一个实施例中，占地面积是从大约49平方英寸到大约400平方英寸。在另一个实施例中，占地面积是从大约16平方英寸到大约2500平方英寸，且最优选地占地面积是从大约50平方英寸到大约200平方英寸。 

每一个电池单元的外壳可以由硬化金属和/或塑料壳体制成。替代地，外壳可以是铝箔层压塑料薄膜制成。电池单元外壳优选地由具有从大约20μm到大约200μm厚度的铝箔层压塑料薄膜制成。更优选地，铝箔层压塑料薄膜具有从大约30μm到大约100μm的厚度。最优选地，铝箔层压塑料薄膜具有从大约40μm到大约50μm的厚度。正电极可以是锂离子正电极，负电极可以是锂离子负电极且电解质可以是锂离子电解质。进一步，电解质可以是液体锂离子电解质或者聚合物锂离子电解质。 

优选地，锂离子电池单元具有大于200wh/kg的特定能量密度，更优选地大于210wh/kg并且最优选地大约220wh/kg或更大。在又一个实施例中，锂离子电池单元具有至少450wh/L的能量密度，优选地至少500wh/L，更优选地至少510wh/L并且最优选地至少520wh/L。在另一个实施例中，锂离子电池组具有至少16kWh的能量存储容量，优选地至少24kWh，更优选地至少53kWh并且最优选地至少100kWh。 

如这里所用，术语“单元（cell）”或者“电池（battery cell）”意味着由至少一个正电极、至少一个负电极、电解质以及分离隔膜制成的电化学电池单元。术语“单元（cell）”和“电池单元（battery cell）”可互换使用。“电池（battery）”或“电池组（battery pack）”意味着由多于2个电池单元制成的电存储器件。术语“电池（battery）”和“电池组（battery pack）”可互换使用。应该进一步认识到，尽管在此涉及的棱柱状锂离子型电池占主导地位，但其他类型的电池也被考虑到。 

棱柱状电池单元有利地组装成为堆叠构造的电池组，其中每一个电池单元的主表面朝向临近电池单元的主表面。这种堆叠布置最大化能量密度，但不益于从电池向外传递热量。这对于位于距电池组外表面之一相对远的电池组的内部电池单元来说显得尤为真实。为了便于热传递，热传导薄片或者板“热传播器（heat spreader）”可以被插入到堆叠的棱柱状电池单元之间的空间中。如将下文中更加详细描述的，热传播器通过在薄片的平面中减少热梯度并且直接向电池组周围或者向散热器传输热来改善电池的性能和寿命。 

现在参考图1-4，示出了电池组且通常用附图标记10来表示。电池组10包括多个电池单元12，可以看出，其布置为堆叠构造。热传播器13位于每一个电池单元12之间。为了清楚，在图1-3中，电池单元12从一些热传播器13之间的间隔处移除以由此更加清楚地示出其布置。在其他实施例中，热传播器13位于每个其他的电池单元12之间。在其他实施例中，热传播器13位于接近堆叠中心的电池单元12之间。 

电池组10进一步地包括散热器14，其临近于电池单元12的堆叠的一侧延伸。应该认识到，在这个或其他实施例中，电池组可以被运载或者包含于外壳体（未示出）中，该外壳体可以用于保护部件以防污染、温度、振动，和/或撞击。因此，散热器14可以集成至外壳体，或形成外壳体的一部分。 

在此的每一个实施例中，散热器可以是冷板或者具有流过传热流体的管道或其他通路的歧管。在其他实施例中，散热器可以不包括传热流体，但替代地包括表面特征，例如翅片，以增加有效表面区域。在这个或其他实施例中，散热器可以由热传导金属（包括例如铜或铝）制成。在进一步的实施例中，散热器可以由石墨基材料制成。在进一步的实施例中，散热器可以由压缩的膨胀天然石墨（compressed expanded natural graphite）制成。在这个或其他实施例中，压缩的膨胀天然石墨可以是树脂浸渍的。在这个或其他实施例中，散热器可包括封装或以其他方式包含在其中的相变材料。在又一实施例中，散热器可以包括器件的外表面或壳体。 

在此的每一个实施例中，热传播器13被插在堆叠中的至少一对临近的电池单元12之间，从而热传播器12的相对的主表面18接合临近电池单元12的主表面。热传播器13有利地插在堆叠中的每三个电池单元12之间，更有利地插在每两个电池单元12之间并且仍更有利地插在每一个电池单元12之间。有利地，热传播器13接触朝向热传播器13的电池单元12的主表面的至少70%。在其他实施例中，热传播器13接触朝向热传播器13的电池单元12的主表面的至少90%。在仍进一步的实施例中，热传播器13基本上接触朝向热传播器13的电池单元12的整个主表面。热传播器13用于传播电池单元12中产生的热量以创造更加均匀的热分布。热传播器13进一步用于向散热器14传导热能。 

现在参考图2-4，散热器14包括多个间隔的平行接收通道20，其尺寸被规定为用于接收热传播器13。因此，每一个热传播器13的一部分位于接收通道20中且固定在其中。通道14可以具有一个宽度，其相同于或略大于热传播器13的厚度。热传播器13可以使用，例如粘结剂，如树脂或腈纶，固定于通道20中。有利地，这种构造使得热传播器13的两个侧面均接触散热器14以最大化向散热器14的热传导。 

每一个热传播器13可选择地可以是薄的且薄片状的，具有两个相对的主表面。在一个实施例中，热传播器13可以小于大约2mm厚。在其他实施例中，热传播器13可以小于大约1mm厚。在又一其他实施例中，热传播器13可以小于大约0.5mm厚。在一个实施例中，石墨薄片材料可以是从10到1500微米厚。在其他实施例中，石墨薄片材料可以是从20到40微米厚。根据一个或更多的实施例，热传播器13可以是压缩的剥落石墨颗粒块体（compressed mass of exfoliated graphite particle）的薄片，石墨化聚酰亚胺薄片，或其组合。 

每一个热传播器13可以具有在大约室温时（使用Angstrom方法来测试室温是大约25℃）大于约250W/mK的平面内（in-plane）热导率。在另一个实施例中，热传播器13的平面内热导率至少是约400W/mK。仍然在进一步的实施中，热传播器13的平面内热导率可以是至少大约550W/mK。在附加的实施例中，平面内热导率可以从大约250W/mK到大约1500W/mK。应该认识到每一个热传播器13可以具有相同的或不同的平面内热导率。热传播器13有利地是高度各向异性的。因此，热传播器优选具有小于大约20W/mK的通过平面（thru-plane）热导率，更优选地小于大约10W/mK，并且仍然更优选地小于大约5W/mK。在这个或其他实施例中，通过平面热导率是从大约1W/mK到大约10W/mK之间。在此方式中，尽管热能在平面内方向（即在从电池单元12到散热器14汲取热能的方向）是高度传导的，但是相对低的通过平面传导率最小化了通过热传播器13的从一个电池单元13到邻近电池单元的热能传输。合适的石墨薄片和薄片制作工艺在例如，美国专利No.5,091,025和No.3,404,061中被公开，其内容以参考的方式合并于此。 

在可选择的实施例中，一个或多个热传播器13可以是树脂增强的。树脂可以用于，例如，增加热传播器13的刚性和/或热传播器13的不渗透性。结合树脂增强，或可替换地，一个或多个热传播器13可以包括碳和/或石墨纤维增强。热传播器13可以包括足够的增强量以协助或对其提供结构完整性。 

热传播器13是一种比用于组（in pack）中用于热传播的传统材料（例如铝）更一致性的（conformal）材料。与电池单元12和传统材料之间界面相比，热传播器13的使用提供了热传播器13和电池单元12之间界面的热传递热阻的减少。由于热传播器13是更一致性的，在具有非平坦（non-flat）主表面的电池单元12之间的界面热传递优于传统的材料。一致性和界面热传递热阻的产生的减少可以减少或甚至消除向热传播器13的表面施加热导润滑脂或膏剂的需求，正如普遍实行的以克服传统材料的界面热阻那样。 

热传播器13是一种比用于组中用于热传播的传统材料（例如铝）更可压缩的（compressible）材料。热传播器13的使用提供能力以补偿电池单元12的厚度变化，该变化是随着时间推移由于热膨胀和老化的影响而产生的。由于热传播器13是比传统的热传播材料更可压缩的，所以减小或消除了安装可压缩橡胶“间隔垫”的需求（如普通实行为补偿电池单元尺寸变化那样）。 

如果需要电池单元间的电绝缘，热传播器13可以可选择地在一个或两个主表面上涂敷有电绝缘薄膜，其中薄膜基本上足够薄以不明显阻碍向热传播器13的热传递。典型的薄膜包括PET和聚酰亚胺薄膜。 

在一个实施例中，热传播器与邻近电池单元12之间的至少一个间隔可以被至少部分地填充一层相变材料。在另一个实施例中，在邻近的热传播器13之间或在热传播器13和邻近的电池单元12之间的至少一个间隔被完全填充一层相变材料。在这些或其他实施例中，在热传播器13之间或在热传播器13和邻近的电池单元12之间的基本上所有的间隔均包括相变材料。相变材料可以是自由流动的且至少部分地通过热传播器13来容纳或束缚。替代地，相变材料可以物理吸收于运载基体中。例如，相变材料可以被吸收和运载于压缩的膨胀石墨垫或碳泡沫中。相变材料可以帮助减少电池组中温度变化的幅度和速度。相变材料的融化温度范围可以有利地大约等于电池组中用于电池单元的推荐操作温度范围。合适的相变材料的一个实例是石蜡。 

在此的任一个或多个实施例中，热传播器13可以进一步是一种复合材料。例如，每一个热传播器可以包括一对具有置于其中的相变材料的石墨薄片。相变材料可以是自由流动的且通过石墨薄片来容纳或束缚。替代地，相变材料可以物理吸收于位于相对的石墨薄片之间的运载基体中。例如，相变材料可以被吸收于且运载在压缩的膨胀石墨垫或碳泡沫中。在替代方案中，复合材料可以包括固定至具有相变材料吸收在其中的单层运载基体的单层石墨薄片。在又一个实施例中，热传播器13可以包括具有相变材料吸收在其中的单层石墨薄片材料。 

现在参考图5-7，示出了电池组的一个替换的实施例且通常用数字50来表示。应该认识到，同样的数字表示同样的元件。电池组50包括多个电池单元12，可以看出，其布置为堆叠构造。热传播器13位于每一电池单元12之间。为了清楚，在图5-7中，电池单元12从一些热传播器13之间的间隔处移除以由此更加清楚地示出其布置。在其他实施例中，热传播器13位于每个其他的电池单元12之间。电池组50进一步包括散热器52，其临近于电池单元12的堆叠的一侧延伸。 

散热器52由多个独立平板部分54形成，平板部分54可以通过，例如在一个或更多的安装杆58相对端部的紧固件56来压缩在一起，其中安装杆58沿着至少电池单元堆叠的长度延伸。例如，安装杆58可以具有螺纹的端部，以及可以通过相应地旋转螺纹机械紧固件56来完成压缩。每一个平板部分54和热传播器13可以包括一个或多个配置为接收安装杆58的通孔（thru-hole）或缺口。在此方式中，平板部分54和热传播器13可以在其上滑动，简化对准并且易于装配。因此，图5和6示出了压缩装配构造的电池组50并且图7示出了非压缩构造的电池组50，这可能是电池组50的装配过程中的情况。 

安装杆58可以是实心的或中空的。在一个实施例中，安装杆58可以被配置为在其中运载热传导流体。例如，相对冷的流体可以被引导通过一个或更多的安装杆58以移除通过热传播器13传递至平板部分54的热能。 

每一个平板部分54包括在其相对的侧上用于接合热传播器13的大致平面的接触表面60。当在压缩装配构造中，热传播器13在邻近的平板部分54之间被压缩，且因此形成与邻近平板部分54的接触表面60的有效热界面。有利地，热传播器13接合邻近接触表面60的表面区域的至少50%，更优选地邻近接触表面60的表面区域的至少75%且仍然更优选地邻近接触表面60的表面区域的基本上100%。在这个或其他的实施例中，在相对于电池单元12的平板部分54的侧部处，热传播器13可以超过平板部分54延伸以用作散热器鳍片，用以增加用于自然的或强迫对流的表面区域。 

现在参考图8-11，示出了电池组的一个替换的实施例并且通常用数字100来表示。应该认识到，同样的数字表示同样的元件。电池组100包括多个电池单元12，可以看出，其布置为堆叠构造。热传播器13位于每个其他的电池单元12之间。为了清楚，在图8和9中，电池单元12从一些热传播器13之间的间隔处移除以由此更加清楚地示出其布置。在其他实施例中，热传播器13位于每一电池单元12中。电池组100进一步包括散热器102，其临近于电池单元12的堆叠的一侧，沿着热传播器13的主表面的边缘延伸。 

散热器102包括多个间隔的平行通道104，其尺寸用于在其中接收热传播器13的一部分；还包括紧固机构106，其用于在通道104中固定热传播器13。特别参考图10和11，紧固机构可以楔形压板形式，其由一对楔形端件108与在其相对端上具有倾斜表面112的中间接合部件110形成。螺纹连接器114通过楔形压板延伸从而其旋转向内拉动楔形端件108。随着楔形端件108向内移动，中间接合部件110相对于楔形端件108被横向推动。因此，热传播器13和紧固机构106可以插入到通道104中。此后，螺旋连接器114可以旋转以使楔形端件108向内移动。这转而使中间接合部件110的接合表面116接合热传播器13以向通道104的侧壁推动它。 

因此，在上述的实施例中，热传播器13的主表面接合邻近的电池单元12的主表面。热量通过热传播器13传播并且传导到散热器，其中如上描述的散热器和热传播器之间的界面有利地提供至散热器的有效的热传导。的确，在上述的任一实施例中，有利地至少5%，更有利地至少10%并且仍然更有利地至少20%的热传播器13的表面区域接合散热器14/52/102。通过提供与散热器接触的增加的表面区域，以及使散热器接触热传播器13的两侧，可以实现改进的热性能。 

相对于接触散热器的外部，通过使热传播器进入散热器来实现进一步的优点。在此方式中，向散热器主体中的热传导被优化。在每一上述实施例中散热器包括在平行于散热器13和电池单元12的主表面的方向中的通厚(thru-thickness)T。在任一上述的实施例中，有利地，热传播器延伸进入散热器至少30%的散热器通厚，更有利地至少50%的散热器通厚，仍然更有利地至少75%的散热器通厚。在这些或其他实施例中，热传播器可以延伸进入散热器从大约50%的散热器通厚到大约100%的散热器通厚。 

关于此申请的所有引用的专利和公布的公开在此以参考的形式全部纳入在内。在此公开的不同实施例可以以其任意组合的形式实施。上述的描述旨在使得本领域技术人员能够实施本实用新型。目的不是为了详述对于本领域技术人员来说通过阅读描述将变得明显的所有的可能变形和修改。然而目的在于，所有这些修改和变形均被包括于所附的权利要求所限定的本实用新型的范围之内。权利要求旨在覆盖以任意布置或顺序表示的、有效满足本实用新型的目标的元件和步骤，除非上下文明确表明相反。 

Claims (15)

1.一种电池组，包括：

呈堆叠构造的多个棱柱形式电池；

由柔性石墨薄片制造的多个热传播器，每一个所述热传播器被插在所述堆叠中邻近的所述棱柱形式电池之间，每一个所述热传播器具有相对的主表面；以及

沿着堆叠的多个棱柱形式电池的长度延伸的散热器，所述散热器包括在平行于所述多个热传播器的所述主表面的方向上的通厚；以及

其中两个所述热传播器的主表面接触所述散热器且所述热传播器延伸进入所述散热器达所述散热器的所述通厚的至少30%。

2. 如权利要求1所述的电池组，其中所述柔性石墨薄片包括压缩的剥落石墨颗粒块体的薄片。

3. 如权利要求1所述的电池组，其中所述柔性石墨薄片是石墨化聚酰亚胺薄片。

4.如权利要求1所述的电池组，其中所述柔性石墨薄片包括至少大约250W/mK的平面内热导率。

5.如权利要求1所述的电池组，其中所述柔性石墨薄片包括至少大约400W/mK的平面内热导率。

6.如权利要求1所述的电池组，其中所述散热器包括多个通道，每一个所述通道配置为在其中接收所述热传播器之一的至少一部分。

7.如权利要求6所述的电池组，其中所述热传播器包括一定厚度且所述通道包括一定宽度以及所述热传播器厚度基本上与所述通道宽度相等。

8.如权利要求6所述的电池组，其中所述热传播器通过粘结剂固定于所述通道中。

9.如权利要求6所述的电池组，进一步包括紧固机构，所述热传播器和所述热传播器之一的所述至少一部分被接收在每个所述通道中，所述紧固机构在所述通道中固定所述热传播器。

10.如权利要求9所述的电池组，其中所述紧固机构包括一对楔形端件，在其相对端具有倾斜表面的中间接合部件以及通过所述紧固机构延伸的螺纹连接器，从而其旋转向内拉动所述楔形端件且迫使所述中间接合部件相对于所述楔形端件横向地移动。

11.如权利要求1所述的电池组，其中所述散热器包括多个平板部分和至少一个安装杆，所述平板部分被承载于所述至少一个安装杆上。

12. 如权利要求11所述的电池组，其中所述平板部分通过一对紧固件压缩在一起，该一对紧固件位于所述至少一个安装杆的相对端。

13.如权利要求11所述的电池组，其中所述每一个所述平板部分和所述热传播器包括配置为接收所述安装杆的至少一个通孔或缺口。

14. 如权利要求11所述的电池组，其中每一个所述平板部分包括用于接合所述热传播器的基本上平面的接触表面，且其中所述热传播器接合所述平面的接触表面的至少50%。

15.如权利要求14所述的电池组，其中所述热传播器接合所述平面的接触表面的至少75%。