專利名稱：帶有高導熱率涂層的改進的高電壓端子冷卻的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電池，并且尤其涉及具有分接頭并且具有改進的傳熱的電池。
背景技術：
在混合動力汽車中，在不同的行車條件下，電池溫度顯著影響鋰離子電池的性能、 安全性和壽命。電池組中的不均勻溫度分布可以導致電力失衡模塊，并且因此導致更低的性能和更短的電池壽命。因此，對鋰離子電池的熱管理正在受到來自汽車制造廠和電池供應商的更加重視。保持電池內的均勻溫度是困難的，因為電池內的不均勻發熱。此外，加熱和冷卻系統由于它們的內熱阻會產生不均勻的傳熱。電池熱管理(BTM)系統在混合電動車輛(HEV)應用中發揮重大作用，它除了改善性能且延長電池循環壽命之外，滿足了鋰離子電池熱安全性。來自電池組中的模塊的電池發熱率的大小影響BTM系統的尺寸和結構。電池發熱取決于電池內阻的大小和電化學反應的熱力學熱量。因此，發熱率取決于充/放電曲線和電池的荷電狀態和溫度。為了獲得電池的最佳性能，必須在期望溫度范圍內操作電池并且減少不均勻的溫度分布。BTM系統包括控制器來維持電池在最佳溫度范圍內和單個電池內以及電池組內溫度的均勻性。傳統上，電池冷卻結構是要消除由電池外壁上的外部熱對流或熱傳導引起的電池內部產生的熱。由于電池外部上的熱阻層，外部冷卻對消除電池內部產生的熱不起作用。此外，外部冷卻將在電池厚度的方向上引入大的溫度梯度。因此，需要一種改進的電池冷卻結構。
發明內容
這個需要由本發明來滿足。本發明的一個方面一種具有改進的傳熱的電池組。在一個實施例中，該電池組包括多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；一對分接頭，第一分接頭連在該陽極箔上且第二分接頭連在該陰極箔上；其中，至少一個電池在陽極箔或陰極箔或這兩者的至少一面上具有高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在至少一面上具有高導熱率涂層；或者這兩者。本發明的另一方面是一種改進電池組傳熱的方法。在一個實施例中，該電池組包括多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；和一對分接頭，第一分接頭連在該陽極箔上且第二分接頭連在該陰極箔上。該方法包括在陽極箔、陰極箔、第一分接頭或第二分接頭的至少一者上涂上一層高導熱率材料。本發明提供下列技術方案。技術方案1 一種具有改進的傳熱的電池組，包括 多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；
一對分接頭，第一分接頭連在所述陽極箔上且第二分接頭連在所述陰極箔上； 其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在至少一面上具有高導熱率涂層；或者這兩者。
技術方案2 如技術方案1所述的電池組，其中，全部電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩個分接頭在至少一面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩者。技術方案3 如技術方案1所述的電池組，其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的兩面上具有所述高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在兩面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩者。技術方案4 如技術方案1所述的電池組，其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有所述高導熱率涂層。技術方案5 如技術方案1所述的電池組，其中，至少一個分接頭在至少一面上具有所述高導熱率涂層。技術方案6 如技術方案1所述的電池組，其中，所述高導熱率涂層具有大于約 500ff/m/K的導熱率。技術方案7 如技術方案1所述的電池組，其中，所述高導熱率涂層具有大于約 5, 000S/cm的導電率。技術方案8 如技術方案1所述的電池組，其中，所述高導熱率涂層是高導熱率石
墨涂層ο技術方案9 如技術方案8所述的電池組，其中，所述高導熱率石墨涂層具有大于約1000W/m/K的導熱率。技術方案10 —種改進電池組傳熱的方法，所述電池組包括多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；和一對分接頭，第一分接頭連在所述陽極箔上且第二分接頭連在所述陰極箔上，所述方法包括
在所述陽極箔、所述陰極箔、所述第一分接頭或所述第二分接頭的至少一者上涂上一層高導熱率材料。技術方案11 如技術方案10所述的方法，其中，全部電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩個分接頭在至少一面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩者。技術方案12 如技術方案10所述的方法，其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的兩面上具有所述高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在兩面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩者。技術方案13 如技術方案10所述的方法，其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有所述高導熱率涂層。技術方案14 如技術方案10所述的方法，其中，至少一個分接頭在至少一面上具有所述高導熱率涂層。技術方案15 如技術方案10所述的方法，其中，所述高導熱率涂層具有大于約 500ff/m/K的導熱率。技術方案16 如技術方案10所述的方法，其中，所述高導熱率涂層具有大于約 5, 000S/cm的導電率。技術方案17 如技術方案10所述的方法，其中，所述高導熱率涂層是高導熱率石
墨涂層。
技術方案18 如技術方案17所述的方法，其中，所述高導熱率石墨涂層具有大于約1000W/m/K的導熱率。技術方案19 如技術方案10所述的方法，還包括增大所述陽極箔、所述陰極箔、所述第一分接頭或所述第二分接頭的至少一者的厚度。技術方案20 —種具有改進的傳熱的電池組，包括 多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；
一對分接頭，第一分接頭連在所述陽極箔上且第二分接頭連在所述陰極箔上； 其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有高導熱率石墨涂層；或者至少一個分接頭在至少一面上具有高導熱率涂層；或者這兩者，所述高導熱率石墨涂層具有大于約1000W/m/K的導熱率和大于約5，000S/cm的導電率。
本專利或申請文件包含至少一幅用彩色繪制的圖。本專利或專利申請公開文本的帶有彩圖的副本將按要求由當局提供并且支付必須的費用。圖1是電池箔和電池分接頭的圖解。圖2是沒有高導熱率涂層的電池的熱阻的模擬。圖3是帶有高導熱率涂層的電池的熱阻的模擬。圖4是比較具有不同構造高導熱率涂層的電池的傳熱的圖表。
具體實施例方式帶有高電壓(HV)端子冷卻的熱管理系統能在電池內部由集電器提供直接冷卻效應。從期望溫度范圍方面來說，它可獲得極好的冷卻性能，并且它還可以減少不均勻的溫度分布。電池箔或分接頭或這兩者上的高導熱率涂層用于HV端子冷卻。它可以在箔、分接頭或這兩者的一側或兩側上。當涂層涂到箔上時，它僅僅涂在電極的外面。高導熱率涂層通過經由集電器的直接熱傳導在電池內部提供改進的傳熱性能。有效的電池冷卻通常是把電池溫度維持在容許溫度限值內所必需的，例如，典型的范圍會是約25° C至40° C。為了耐用性和可靠性，電池內以及跨越電池組的電池溫度應當盡可能地保持均勻。溫度變化將取決于電池化學性質。例如小于約5° C的ΔΤ適合于許多應用，但是它根據部件和應用可以更高或更低。本發明提供非常有效的電池內部冷卻或加熱以提供電池的均勻內部電池溫度。它可以用于帶有分接頭的任何電池。通過在箔或分接頭或這兩者上涂高導熱率涂層來提供HV 端子冷卻。在沒有高導熱率涂層的情況下，經由分接頭的傳導傳熱將非常受限制。這些分接頭焊在箔上。這些箔連接到電池的集電器上，它們是非常薄的金屬箔。這些金屬箔在電池內部連接，這些金屬箔通過熱傳導提供向電池內部的直接傳熱通道。通過在分接頭和/ 或箔上涂高導熱率涂層而顯著地提高傳熱率。該涂層應當具有的導熱率大于約500W/m/K，或大于約600W/m/K，或大于約700W/ m/K,或大于約750W/m/K，或大于約800W/m/K，或大于約900W/m/K，或大于約1000W/m/K， 或大于約1100W/m/K，或大于約1200W/m/K。合適的涂層包括但是不局限于高導熱率石墨 (例如，可以從日本大阪的Kaneka公司中獲得的導熱率約1200W/m/K的Kaneka GS-20或GS-40)。該涂層可以選擇性地還具有高導電率。例如，如上所述的高導熱率石墨具有約 10，000S/cm的導電率。這個導電率可以是大于約5，000S/cm，或大于約6，000S/cm，或大于約 7，000S/cm,或大于約 8，000S/cm,或大于約 9，000S/cm,或大于約 10，000S/cm。增大高導熱率涂層的厚度將提高傳熱。然而，如果該涂層太厚，把箔焊到分接頭上就可能有問題。箔和/或分接頭的一面或兩面上的厚度在約5至20微米范圍內的高導熱率石墨是合適的。此外，可以增大箔和/或分接頭的厚度以進一步提高經由分接頭和箔的傳熱。例如，分接頭通常約為0.2毫米。把厚度加倍至0.4毫米將顯著地提高傳熱。增大箔的厚度可能是困難的，因為箔連接到集電器。該系統可以為成本、總重和可制造性而盡可能完善。考慮到集電器周圍的高局部發熱，HV端子冷卻構造將對最小化電池內的溫度不均勻性和提供機會以最小耗電量產生期望的最佳電池溫度非常有效。有了各種模塊構造，本發明可以為采用不同的電池組冷卻策略提供基礎。一個理想的熱管理系統應當能夠通過在熱的氣候下排熱和在冷的氣候下加熱而維持電池組中的期望均勻溫度。熱管理系統可以使用空氣、液體或空氣和液體的組合來加熱、冷卻和/或通風。該熱管理系統可以是被動的(因此僅僅使用了周圍環境)，或主動的(因此在極冷或極熱的溫度下由內置源提供加熱和/或冷卻)。各種散熱結構可以與本發明結合。使用冷板作為散熱片的熱管理系統比通過熱對流和熱傳導的使用空氣或液體冷卻/加熱的系統更簡單。HV端子冷卻是非常有吸引力的，因為端子冷卻能通過經由集電器的直接熱傳導而直接地影響電池內部的傳熱。HV端子冷卻的一個主要問題是缺少跨越電池分接頭的傳熱。 這是由于鋁箔的較低導熱率(約100-200W/m/K)以及用于熱傳導的小橫截面積。雖然銅具有較高的導熱率(約300W/m/K)，但是銅箔的使用沒有解決這個問題，因為銅箔的厚度大約是鋁箔厚度的一半。石墨涂層的高導熱率由于減少了分接頭附近的電阻而減少分接頭附近的局部發熱。為了增強HV端子冷卻的傳熱性能，在箔10 (圖1所示的集電器外部的分接頭區域)上涂高導熱率石墨涂層。有了在箔10的兩面上的10微米的涂層，沿著電池分接頭15 獲得了熱阻的明顯減少。如圖2-3的模擬所示，用沿著分接頭的由熱阻減少引起的大的電池溫度降低來演示石墨涂層的大的傳熱能力。圖4是一個圖表，說明了由高導熱率涂層和增大的分接頭厚度引起的傳熱的改善。與沒有涂層的箔相比，在箔的兩面上包含10微米的高導熱率石墨涂層降低了電池溫度。增大分接頭厚度進一步地降低電池溫度，并且在更厚的分接頭上包含高導熱率石墨涂層更進一步地降低溫度。應當注意，像本文所用的“優選地“、“通常“和“典型地“等措辭并不用于限制所要求保護的發明的范圍或暗示某些特征是關鍵的、必需的或對所要求保護的發明的結構或功能很重要。更確切地，這些措辭僅僅用于突出可用于或可不用于本發明特定實施例中的替換或附加特征。為了描述和限定本發明，注意到，本文的措辭“裝置“是用于代表部件的組合和獨立的部件，不考慮這些部件是否與其它部件合并。例如，根據本發明的"裝置"可以包括電化學轉換組件或燃料電池、并有本發明的電化學轉換組件的汽車等。為了描述和限定本發明，應當注意，本文的措辭"基本上“是用于代表固有的不確定度，其歸因于任何定量比較、數值、測量或其它表示法。本文的措辭“基本上“還用于代表定量表達可以不同于規定基準但不導致主題基本功能的變化有爭議的程度。已經詳細描述了本發明的實施例，并且參照其特定實施例，很顯然，在不脫離所附權利要求所限定的發明范圍的情況下，可以有改型和變化。更具體地說，盡管本文將本發明的實施例的一些方面標識為優選或特別有利的，但可以設想，本發明的實施例未必限定在本發明的這些優選方面。
權利要求
1.一種具有改進的傳熱的電池組，包括 多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；一對分接頭，第一分接頭連在所述陽極箔上且第二分接頭連在所述陰極箔上； 其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在至少一面上具有高導熱率涂層；或者這兩者。
2.如權利要求1所述的電池組，其中，全部電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩個分接頭在至少一面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩者。
3.如權利要求1所述的電池組，其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的兩面上具有所述高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在兩面上具有所述高導熱率涂層；或者這兩者。
4.如權利要求1所述的電池組，其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有所述高導熱率涂層。
5.如權利要求1所述的電池組，其中，至少一個分接頭在至少一面上具有所述高導熱率涂層。
6.如權利要求1所述的電池組，其中，所述高導熱率涂層具有大于約500W/m/K的導熱率。
7.如權利要求1所述的電池組，其中，所述高導熱率涂層具有大于約5，000S/cm的導電率。
8.如權利要求1所述的電池組，其中，所述高導熱率涂層是高導熱率石墨涂層。
9.一種改進電池組傳熱的方法，所述電池組包括多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；和一對分接頭，第一分接頭連在所述陽極箔上且第二分接頭連在所述陰極箔上，所述方法包括在所述陽極箔、所述陰極箔、所述第一分接頭或所述第二分接頭的至少一者上涂上一層高導熱率材料。
10.一種具有改進的傳熱的電池組，包括 多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；一對分接頭，第一分接頭連在所述陽極箔上且第二分接頭連在所述陰極箔上； 其中，至少一個電池在所述陽極箔或所述陰極箔或這兩者的至少一面上具有高導熱率石墨涂層；或者至少一個分接頭在至少一面上具有高導熱率涂層；或者這兩者，所述高導熱率石墨涂層具有大于約1000W/m/K的導熱率和大于約5，000S/cm的導電率。
全文摘要
本發明涉及帶有高導熱率涂層的改進的高電壓端子冷卻，公開了一種具有改進的傳熱的電池組。在一個實施例中，該電池組包括多個電池，每個電池具有陽極箔和陰極箔；一對分接頭，第一分接頭連在該陽極箔上且第二分接頭連在該陰極箔上；其中，至少一個電池在陽極箔或陰極箔或這兩者的至少一面上具有高導熱率涂層；或者至少一個分接頭在至少一面上具有高導熱率涂層；或者這兩者。還公開了改進電池組傳熱的方法。
文檔編號H01M2/26GK102263308SQ20111014027
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月27日 優先權日2010年5月28日
發明者哈利希 B., H. 阿斯 J., 陳 K-H., 韓 T. 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司