CN203950871U - 电池组组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电池组组件，该电池组组件包括多个单体组件，每个单体组件包括一个或多个方形电池。框架具有腿，这些腿尺寸设计并且构造成定位在方形电池周围。至少一个腿包括后面、弯曲的外边缘和侧面。热传递片由压缩的膨化石墨颗粒片制成。每个热传递片定位成接触至少一个方形电池的主表面，并且在弯曲的外边缘之上弯曲。每个热传递片的至少一部分固定在热沉和侧面之间。
Description
背景技术
电池和单体是本领域中熟知的重要能量存储装置。电池和单体通常包括电极和位于其间的离子传导电解质。包含锂离子电池的电池组越来越多地用于汽车应用和各种商业电子装置，因为它们是可充电的，并且具有很少或者没有记忆效应。以最优操作温度存储和操作锂离子电池是非常重要的，以允许电池保持电量以较长时间段。
存在机会来改善现有的电池组组件来改善操作温度，以确保最长可能的寿命周期、额定容量、以及名义充电和放电速度。
实用新型内容
根据实施例的一个方面，电池组包括多个单体组件，每个单体组件包括一个或多个方形电池。框架具有腿，这些腿尺寸设计并且构造成定位在方形电池周围。至少一个腿包括后面、弯曲的外边缘和侧面。热传递片由压缩的膨化石墨颗粒片制成。每个热传递片定位成接触至少一个方形电池的主表面，并且在弯曲的外边缘之上弯曲。每个热传递片的至少一部分固定在热沉和侧面之间。
根据另一方面，电池组包括多个单体组件，每个单体组件包括具有相对的主表面的至少一个方形电池。框架具有多个腿，这些腿尺寸设计并且构造成定位在方形电池周围。流体管道沿着多个腿中的至少一个延伸。热传递片由柔性石墨片制成并且具有相对的主表面。热传递片具有中央部分和至少一个凸片。中央部分的第一主表面接触方形电池的主表面的至少一个，中央部分的另一主表面至少部分地由凸片覆盖。凸片折叠在流体管道的至少一部分之上。
此外，本实用新型还包括以下技术方案。
1. 一种电池组组件，其特征在于，包括：
多个单体组件，每个单体组件包括：
至少一个方形单体；
框架，具有多个腿，这些腿尺寸设计和构造成定位在所述至少一个方形单体周围，所述至少一个腿包括后面、弯曲的外边缘和侧面；以及
由柔性石墨片制成的热传递片，每个所述热传递片定位成接触所述至少一个方形单体的主表面并且在所述弯曲的外边缘上弯曲；以及
热沉，每个所述热传递片的至少一部分固定在所述热沉和所述侧面之间。
2. 如技术方案1所述的电池组组件，其特征在于，所述框架还包括向前延伸的钩状突出部和向后延伸的钩接收部。
3. 如技术方案1所述的电池组组件，其特征在于，所述柔性石墨片包括至少大约250W/mK的平面内热传导性。
4. 如技术方案1所述的电池组组件，其特征在于，每个所述单体组件包括两个方形单体。
5. 如技术方案1所述的电池组组件，其特征在于，所述框架的两个相对的腿包括弯曲的外边缘。
6. 如技术方案1所述的电池组组件，其特征在于，所述弯曲的外边缘的半径大于所述热传递片的将造成破碎的最小弯曲半径。
7. 一种电池组组件，其特征在于，包括：
多个单体组件，每个单体组件包括：
具有相对的主表面的至少一个方形单体；
框架，该框架具有多个腿，这些腿尺寸设计并且构造成定位在所述至少一个方形单体周围；
沿着所述多个腿中的至少一个延伸的流体管道；以及
由柔性石墨片制成并且具有相对的主表面的热传递片，所述热传递片具有中央部分和至少一个凸片，所述中央部分的一个主表面接触所述至少一个方形单体的所述主表面中的至少一个，所述主表面中的另一个至少部分地被至少一个凸片所覆盖，该至少一个凸片是折叠在所述流体管道之上的至少一个凸片。
8. 如技术方案7所述的电池组组件，其特征在于，所述框架还包括向前延伸的钩状突出部和向后延伸的钩接收部。
9. 如技术方案7所述的电池组组件，其特征在于，所述热传递片包括三个凸片，每个所述凸片包围所述流体管道。
10. 如技术方案7所述的电池组组件，其特征在于，所述一个或多个凸片覆盖所述中央部分的一侧的基本整个主表面区域。
11. 如技术方案7所述的电池组组件，其特征在于，所述柔性石墨片包括至少大约250W/mK的平面内热传导性。
12. 如技术方案7所述的电池组组件，其特征在于，每个所述单体组件包括两个方形单体。
13. 如技术方案7所述的电池组组件，其特征在于，所述多个腿中的至少一个包括通道，所述通道构造成至少部分地接收所述管道。
附图说明
图1是电池组组件的立体图。
图2是电池组组件的顶视图，热沉和框架被移除，以示出堆叠的单体，其中热扩散器位于堆叠的单体之间。
图3是互锁的子组件之一的立体图。
图4是互锁的子组件之一的第二立体图。
图5是框架的立体图。
图6是框架的第二立体图。
图7是框架、电池单体和热沉的放大的截面图。
图8是替代性的电池组组件的立体图。
图9是图8的电池组的互锁的子组件的立体图。
图10是图9的子组件的顶视图。
图11未组装和未折叠构造的热传递片的正视图。
图12是围绕热传递管处于折叠构造的热传递片的侧视图。
具体实施方式
与传统方形或圆柱形单体相比，大型方形锂离子单体具有某些优点。它们不但具有更高的能量密度，而且当单体用于多单体电池组时由于“热”单体问题导致电池失效的可能性低得多。电学上，通过串联组装多个方形锂离子单体以增加电压，或者并联组装以增加容量，从而制成电池组组件。
在一个实施例中，方形锂离子单体通常是矩形或正方形形状，并且具有从大约1mm至大约10mm的厚度。更优选地，单体具有从大约3mm至大约6mm的厚度。在电池组的一个实施例中，方形锂离子单体具有相对的主表面，每个主表面的面积是至少8平方英寸，更优选是至少16平方英寸的面积。在一个实施例中，面积是从大约49平方英寸至大约400平方英寸。在另一实施例中，面积从大约16平方英寸至大约2500平方英寸，并且最优选地，面积从大约400平方英寸至大约1600平方英寸。
每个电池单体的外壳可以由硬化的金属和/或塑料壳体制成。或者，外壳可以是铝箔层压的塑料膜。电池单体外壳优选以铝箔层压的塑料膜制成，其具有从大约20μm至大约200μm的厚度。更优选地，铝箔层压的塑料膜具有从大约30μm至大约100μm的厚度。最优选地，铝箔层压的塑料膜具有从大约40μm至大约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，电解质可以是锂离子电解质。此外，电解质可以是液体锂离子电解质或聚合物锂离子电解质。
优选地，锂离子单体具有大于200wh/kg的比能量密度，更优选大于210wh/kg，最优选大约220wh/kg或更大。在另一实施例中，大型锂离子单体具有至少450wh/L的能量密度，优选至少500wh/L，更优选至少510wh/L，最优选至少520wh/L。在另一实施例中，大型锂离子电池组具有至少16kWh的能量密度容量，优选至少24kWh，更优选至少53kWh，最优选至少100kWh。
如本文所用，术语“单体”或“电池单体”指的是由至少一个正电极、至少一个负电极、电解质以及分离膜制成的电化学单体。术语“单体”和“电池单体”可互换地使用。“电池”或“电池组”指的是由多于两个的单体制成的电存储装置。术语“电池”和“电池组”可互换地使用。
大型方形单体优选地以堆叠构造组装成电池组，其中每个单体的主表面面对相邻单体的主表面。该堆叠的布置最大化了能量密度，但无益于从单体传递走热量。这对于离电池组的外表面之一较远的电池组的内部单体来说尤其如此。为了便于热传递，在堆叠的方形单体之间的空间中可以插入导热片或板“热扩散器”。通过降低片的平面中的热梯度，并且将热直接传递给组的周围或热沉，热扩散器改善了单体的性能和寿命。
现在参照图1，附图标记10示出且总体指示电池组。电池组10包括多个单体组件12，如同将在以下更详细所述，单体组件12可以布置成互连的堆叠构造。在一个实施例中，电池组还包括位于单体组件12的堆的相对侧上的一对热沉14。在其它实施例中，可提供仅一个热沉14。应该意识到，电池组10可以承载或包含在外壳体（未示出）中，该外壳体可以用于保护组10不受到污染、温度、振动和/或冲击。
在一个实施例中，热沉14可以是具有管16或其它通道的冷板或歧管，热传递流体流过该冷板或歧管。在其它实施例中，热沉可以不包括热传递流体，而是包括表面特征，诸如翅片，以增加有效的表面面积。在该实施例或其它实施例中，热沉14可以由导热金属制成，包括例如铜或铝。在其它实施例中，热沉14可以由基于石墨的材料制成。在另外的实施例中，热沉可以由压缩膨胀天然石墨制成。在该实施例或其它实施例中，压缩膨胀天然石墨可以是树脂浸渍的。在该实施例或其它实施例中，热沉14可以包括包封在其中的相变材料。在其它实施例中，热沉14可包括装置的外表面或壳体。
每个单体组件12可包括框架18，该框架提供结构以承载和支撑一个或多个电池单体20以及一个或多个热传递片22。框架18的尺寸设计并且构造成在其中接收一个或多个电池单体20。因此，框架18是大致矩形，由限定开放内部26的四个腿24形成。框架18可包括一个或多个向内延伸的檐28，这些檐28构造成在其中固定或其它方式定位电池单体20。
每个框架18可包括一个或多个向前延伸的钩状突出部30。每个框架18还可包括一个或多个从框架向后延伸的匹配钩状接收部32。以此方式，当定位成彼此相邻时，向前延伸的钩状突出部30将接合相邻框架18的匹配钩接合部32并且锁在其中。因此，多个单体组件12可以简单地组装并且以堆叠构造彼此附接。
在一个实施例中，一个腿24可包括弯曲的外边缘40。在其它实施例中，两个相对的腿24包括弯曲的外边缘。在其它实施例中，两个或更多个腿包括弯曲的外边缘。在一个或多个实施例中，弯曲的外边缘40从大致平行于腿24的后面42延伸到大致平行于腿24的侧面44。在一个实施例中，弯曲的外边缘的半径可以在大约1mm和大约10mm之间。在其它实施例中，该半径可以在大约1mm和大约5mm之间。在这些和其它实施例中，该半径可以小于大约10mm。在其它实施例中，该半径小于大约5mm。弯曲的外边缘的半径应该大于热传递片22的最小弯曲半径，以防止热传递片的破裂。通过优选地将石墨热传递片保持为连续的形式，没有破裂或结构的其它分裂，增强了热传导性。
如可见，热传递片22可以从大致平行于腿24的后面42的构造弯曲为大致平行于腿24的侧面44并与其平齐的构造。当组装时，热传递片22的一部分46因此定位在侧面44和热沉14之间。因此，热传递片22与电池单体20的至少一个主表面操作地热接触，优选地与两个相邻电池单体20的主表面并且还与热沉14操作地热接触。以此方式，热传递片22可以有效地扩散并且将热能从电池单体20传导至热沉14，此后在热沉14处，热能可以传递至周围空气或以其它方式被移除。
热传递片22定位在至少两个相邻的电池单体20之间。在一个实施例中，传递片22接触电池组件12中的一个单体20的主表面以及相邻单体组件12的单体20的主表面。尽管附图示出了每个单体组件12具有两个单体，但应该懂得，每个单体组件12可包括仅一个单体20，在此情况下，热传递片22定位在电池组10的每个电池单体20之间。在另外的实施例中，热传递片22定位在电池组10中的每隔一个电池单体20之间。在这些实施例或其它实施例中，热传递片22与电池单体20面对热传递片22的主表面的至少70%接触。在其它实施例中，热传递片22与电池单体20面对热传递片22的主表面的至少90%接触。在其它实施例中，热传递片22与电池单体20面对热传递片22的几乎整个主表面接触。
弯曲的外边缘40和侧面44作为顶杆，使得热传递片22在组装期间能够被弯曲和定位在适当位置。上述电池组组件10可以根据以下方法有利地组装。单体20可以定位在框架18之内。大致平坦的热传递片22可以定位成与后单体20的主表面相邻。由于热传递片22的相对柔性，它们可以原地弯曲。热传递片22然后可以在弯曲的外边缘40上弯曲并且与侧面44接触。在一个实施例中，传递片22在至少一侧上可包括粘合剂涂层。因此，当粘合剂涂层接触电池单体20的主表面、后面42、弯曲的外边缘40和侧面44时，热传递片22可以被保持就位。然后，以上述方式，单体组件12可以固定到其它单体组件12，以产生电池单体堆。
每个热传递片22可以可选地是薄的和片状，具有两个相对的主表面。在一个实施例中，热传递片22可以小于大约2mm厚。在其它实施例中，热传递片22可以小于大约1mm厚。在其它实施例中，热传递片可以小于大约0.5mm厚。根据一个或多个实施例，热传递片22可以是一片压缩的膨化石墨颗粒、一片石墨化聚酰亚胺或它们的组合。
每个热传递片22在室温下可以具有大于大约250W/mK的平面内（in-plane）热传导性（在大约25℃的室温下使用Angstrom方法测试）。在另一实施例中，热传递片22的平面内热传导性为至少大约400W/mK。在又一实施例中，热传递片22的平面内热传导性可以为至少大约550W/mK。在其它实施例中，平面内热传导性可以从至少250W/mK到至少大约1500W/mK。进一步优选的是，热传递片中的至少一个的平面内热传导性是铝的平面内热传导性的至少大约两倍。另外，每个热传递片22可以具有相同或者不同的平面内热传导性。可以实现以上平面内热传导性的任何组合。在一个实施例中，石墨片材料可以从10至1500微米厚。在其它实施例中，石墨片材料可以从20至40微米厚。在例如美国专利5091025和3404061中公开了适当的石墨片和片制造工艺，它们的内容通过引用而结合在本文中。
在可选的实施例中，一个或多个热传递片22可以是树脂加强的。树脂可以用于例如改善热传递片22的刚度和/或热传递片22的不渗透性。与树脂加强相结合，或者替代性地，一个或多个热传递片22可包括碳和/或石墨纤维加强。优选地，热传递片22可包括充分量的加强，以辅助热传递片22或者为热传递片26提供结构完整性。
热传递片22是比组中用于热扩散的传统材料（例如铝）更顺应的材料。与单体20和用于热传递片的传统材料相比，热传递片22的使用降低了热传递片22和单体20之间的界面热传递阻力。由于热传递片22更顺应，具有非平坦主表面的单体20之间的界面热传递比传统材料更好。顺应性和导致的界面热传递阻力的降低能够减少或甚至不需要对热传递片22的表面施加热传导油脂或膏体，而这是为了克服传统材料的界面阻力所经常采用的。
如果期望单体间电隔离，热传递片22可以选择性地在一个或两个主表面上涂覆电绝缘膜，其中该膜充分地薄，以便不会显著妨碍对热传递片22的热传递。示例性膜包括PET膜和聚酰亚胺膜。热传递片还可以包括表面处理，诸如起皱或滚花，以帮助降低最小可能的弯曲半径，而不会显著降低其热传导性。
热传递片22可以选择性地在一个或两个主表面上涂覆膜粘合剂，其中该粘合剂层充分地薄，以便不会显著妨碍对热传递片的热传递。使用结合有粘合剂层的热传递片22并且供应到释放衬底能够通过“即撕即贴”应用于各个电池单体而简化电池组的组装。另外，组装有结合了膜粘合剂的热传递片22的电池组可以减少或基本上不需要用于防止单体在惯性力和振动下移动的封装化合物（诸如硅树脂或聚氨酯），而这是在结合有传统的热传递材料的电池组构造中通常所做的。
在一个实施例中，相邻的热传递片22之间或者热传递片22和相邻单体20之间的空间中的至少一个可以至少部分地填充一层相变材料。在另一个实施例中，相邻的热传递片22之间或者热传递片22和相邻单体20之间的空间中的至少一个完全地填充一层相变材料。在这些或其它实施例中，热传递片22之间或者热传递片22和相邻单体20之间的几乎所有空间包括相变材料。相变材料可以自由流动并且至少部分地由热传递片22所包含或约束。或者，相变材料可以物理地吸收进入承载基质中。例如，相变材料可以被吸收和承载在压缩膨胀石墨垫或碳泡沫中。相变材料将帮助减小电池组中的温度变化幅度和速度。相变材料的熔化温度范围可以优选地大致等于电池组内的电池单体的推荐操作温度范围。适当的相变材料的一个示例是石蜡。
现在参照图8-12，附图标记100示出且总体指示电池组的替代性实施例，其中，相同附图标记指示相同元件。电池组100包括多个单体组件112，如以上所述，单体组件112可以布置成互连的堆叠构造。
每个单体组件112可包括框架118，该框架提供结构以承载和支撑一个或多个电池单体20以及一个或多个热传递片122。框架118的尺寸设计并且构造成在其中接收一个或多个电池单体20。因此，框架118是大致矩形，由限定开放内部26的四个腿24形成。框架118可包括一个或多个向内延伸的檐，这些檐构造成在其中固定或其它方式定位电池单体20。
每个框架118可包括一个或多个向前延伸的钩状突出部30。每个框架118还可包括一个或多个从框架向后延伸的匹配钩状接收部32。以此方式，当定位成彼此相邻时，向前延伸的钩状突出部30将接合相邻框架18的匹配钩接合部32并且锁在其中。因此，多个单体组件112可以简单地组装并且以堆叠构造彼此附接。
顶部腿24a包括凹口134，电池单体20的电导线136可以延伸通过凹口134。侧腿24b和底腿24c包括在相对侧上的通道138并且延伸其长度。如可见，以此方式，在每个框架118的两侧上形成连续的大致U形的通道。在一个实施例中，通道138的横截面是大致半圆形。通道138构造成在其中接收管道140。流体可以被引导通过管道140，以便从单体组件112移除热能，如同将在以下更详细所述。
热传递片122包括大致矩形的中央部分142。在一个实施例中，中央部分142与电池单体20的主表面大致相同面积。热传递片122还包括从中央部分142延伸的一个或多个凸片144。在图11和12所示的实施例中，热传递片122包括三个凸片144，然而，应该懂得，可以使用更多或更少的凸片。每个凸片144构造成在管道140的一部分上折叠并且回到中央部分142上。通过将凸片144折叠到管道140上，管道140的大部分与热传递片122物理接触，该热传递片122又增加从热传递片122至管道140并且最终进入在管道140中流动的流体的热传递。在一个实施例中，凸片144当被折叠时覆盖中央部分142的基本上整个区域。在该实施例或其它实施例中，热传递片包括两个凸片144，在其它实施例中，热传递片142包括三个凸片144。凸片144可以尺寸设计并且构造成使得凸片144的整个面积与中央部分142基本相同。在其它实施例中，凸片144可以尺寸设计并且构造成使得凸片的整个面积是中央部分142的至少大约50%，更优选至少大约75%，甚至更优选至少大约90%。此外，凸片144可以尺寸设计并且构造成以便有利地降低某些电池单体设计中固有的热梯度。
当组装时，热传递片122从而与管道140操作地热连接。因此，热传递片122与电池单体20的至少一个主表面操作地热接触，优选地与两个相邻电池单体20的主表面并且还与管道140操作地热接触。以此方式，热传递片22可以有效地扩散并且将热能从电池单体20传导至管道140，此后在管道140，热能可以传递至在其中流动的流体。
热传递片122定位在至少两个相邻的电池单体20之间。在一个实施例中，传递片122接触电池组件112中的一个单体20的主表面以及相邻单体组件112的单体20的主表面。尽管附图示出了每个单体组件12具有两个单体，但应该懂得，每个单体组件12可包括仅一个单体20，在此情况下，热传递片22定位在电池组100的每个电池单体20之间。在另外的实施例中，热传递片122定位在电池组10中的每隔一个电池单体20之间。在这些实施例或其它实施例中，热传递片122与电池单体20面对热传递片122的主表面的至少70%接触。在其它实施例中，热传递片122与电池单体20面对热传递片122的主表面的至少90%接触。在其它实施例中，热传递片122与电池单体20面对热传递片122的几乎整个主表面接触。由于热传递片122在自身上折叠，实际上两个堆叠的热传递片位于每个相邻的电池单体之间。该构造可以有利地改善相邻电池单体之间的热防护。
在任何一个或多个以上实施例中，热传递片22/122还可以是复合材料。例如，每个热传递片可包括一对石墨片，相变材料设置在一对石墨片之间。相变材料可以自由流动并且由石墨片所包含或约束。或者，相变材料可以物理地吸收进入定位在相对的石墨片之间的承载基质中。例如，相变材料可以被吸收和承载在压缩膨胀石墨垫或碳泡沫中。在替代方案中，复合材料可包括固定到单个承载基质层的单个石墨片层，该单个承载基质层中吸收有相变材料。在其它实施例中，热传递片22/122可包括单层的石墨片材料，相变材料吸收在该石墨片材料中。
以上所述的组件简化了组装，因为热传递片的组装和弯曲可以在同一步骤中实现，不需要工具或其它模具。此外，石墨结构的连续性在弯曲期间不降低。另外，框架结构允许电池单体组容易组装和拆卸。
在该申请中提到的所有引用专利和出版物的公开内容以引用的方式完整地结合于本文中。本文公开的各种实施例可以以它们的任意组合来实施。以上公开旨在使得本领域技术人员实施本实用新型。不旨在限定详细列出本领域技术人员阅读该描述之后变得清楚的所有可能的变型和修改。然而，所有这种修改和变型都包括在由以下权利要求所限定的本实用新型的范围之内。权利要求旨在覆盖能够满足本实用新型预期目标的以任何布置或顺序指出的元件和步骤，除非上下文特别相反地指出。
Claims (13)
1.一种电池组组件，其特征在于，包括：
多个单体组件，每个单体组件包括：
至少一个方形单体；
框架，具有多个腿，这些腿尺寸设计和构造成定位在所述至少一个方形单体周围，所述至少一个腿包括后面、弯曲的外边缘和侧面；以及
由柔性石墨片制成的热传递片，每个所述热传递片定位成接触所述至少一个方形单体的主表面并且在所述弯曲的外边缘上弯曲；以及
热沉，每个所述热传递片的至少一部分固定在所述热沉和所述侧面之间。
2.如权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述框架还包括向前延伸的钩状突出部和向后延伸的钩接收部。
3.如权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述柔性石墨片包括至少大约250W/mK的平面内热传导性。
4.如权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，每个所述单体组件包括两个方形单体。
5.如权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述框架的两个相对的腿包括弯曲的外边缘。
6.如权利要求1所述的电池组组件，其特征在于，所述弯曲的外边缘的半径大于所述热传递片的将造成破碎的最小弯曲半径。
7.一种电池组组件，其特征在于，包括：
多个单体组件，每个单体组件包括：
具有相对的主表面的至少一个方形单体；
框架，该框架具有多个腿，这些腿尺寸设计并且构造成定位在所述至少一个方形单体周围；
沿着所述多个腿中的至少一个延伸的流体管道；以及
由柔性石墨片制成并且具有相对的主表面的热传递片，所述热传递片具有中央部分和至少一个凸片，所述中央部分的一个主表面接触所述至少一个方形单体的所述主表面中的至少一个，所述主表面中的另一个至少部分地被至少一个凸片所覆盖，该至少一个凸片是折叠在所述流体管道之上的至少一个凸片。
8.如权利要求7所述的电池组组件，其特征在于，所述框架还包括向前延伸的钩状突出部和向后延伸的钩接收部。
9.如权利要求7所述的电池组组件，其特征在于，所述热传递片包括三个凸片，每个所述凸片包围所述流体管道。
10.如权利要求7所述的电池组组件，其特征在于，所述一个或多个凸片覆盖所述中央部分的一侧的基本整个主表面区域。
11.如权利要求7所述的电池组组件，其特征在于，所述柔性石墨片包括至少大约250W/mK的平面内热传导性。
12.如权利要求7所述的电池组组件，其特征在于，每个所述单体组件包括两个方形单体。
13.如权利要求7所述的电池组组件，其特征在于，所述多个腿中的至少一个包括通道，所述通道构造成至少部分地接收所述管道。
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