具有單元內導熱構件的電池組的制作方法

本發明涉及一種具有單元內導熱構件的電池組。

背景技術：

電池組通常包括多個可再充電電池單元。諸如用于對轉矩生成電機供電的高電壓電池組可在持續操作期間生成相當多熱量。因此，通常使用電池熱管理系統來調節電池單元溫度。例如，冷卻劑可以在位于電池單元附近的閉環通道中循環。可以使用稱作散熱片的薄熱板來幫助相鄰電池單元之間的直接循環冷卻劑以促進冷卻。

在某些電池單元中，絕緣隔離體材料可以設置在帶相反電荷的電極之間并且封閉在填充有電解質溶液的密封外袋內。隔離體材料(例如，聚乙烯和聚丙烯膜)幫助防止電短路狀況，同時允許電極之間的電荷自由轉移。電池單元的正和負單元片(電連接至相應電極)在密封袋外側延伸一段短的距離以形成用于電池單元的電極端子。多個電池單元的電極端子通常經由位于電池單元外側的導電互連構件超聲焊接在一起以形成電池組。

技術實現要素：

本文公開了一種電池單元，其包括袋、正電極和負電極、正電極端子和負電極端子以及一個或多個導熱構件。正電極端子和負電極端子連接至相應的正電極和負電極。每個導熱構件均與相應的電極端子進行熱連通，并且完全定位在袋的內部容積內，即，是如本文所使用的該術語“單元內”。如本文所使用的單元內導熱構件延伸在電極與袋的內表面之間以如下文所述般在袋內形成并聯熱傳遞路徑。

電極封閉在所公開的袋式電池單元內，并且可以任選地由銅、鋁或另一種導電材料構成。因而，電極相對于活性材料(例如，鋰過渡金屬氧化物(陰極)和碳質材料(陽極)、該電絕緣隔離體材料以及容納在袋的內部容積內的電解質流體)的各層有效地傳遞熱量。各種單元部件的不同熱性質可在電極端子之間產生溫度梯度。因此，電池組如下文所述般配置成以相對于常規方法的更有效方式(具體通過將熱量汲取遠離具有相對較高電流密度且因此高溫的焊接區)幫助冷卻各電池單元。導熱構件關于各電極的平面提供并聯熱傳遞路徑，這繼而又幫助避免如上文提及的大的溫度梯度。因此，相對于常規的電池冷卻方法論，可用相同量的冷卻劑流實現較低平均單元溫度。

本文還公開了一種電池組，其包括殼體和具有如上文提及的單元內導熱構件的多個電池單元。電池單元定位在殼體內。

根據結合附圖取得的以下詳述將能夠容易地明白上述特征和優點以及其它特征和優點。

附圖說明

圖1是使用具有如本文所述的一個或多個單元內導熱構件的多單元電池組的示例性系統的示意圖。

圖2是圖1中所示的多單元電池組的部分的示意透視分解視圖。

圖3a至3c是根據本發明的配置有單元內導熱構件的示例性電池單元的示意圖。

圖4a至4b是圖3a至3c中所示的電極和單元內導熱構件的示意側視圖。

具體實施方式

參考附圖，其中全部幾個視圖中的相同參考數字指代相同部件，圖1中示出了具有直流(dc)電池組12的示例性系統10。電池組12包括多個袋式電池單元20，圖1中為了說明簡單起見示出了其中的兩個。如下文參考圖2至4b所述，每個電池單元20均包括電極32和至少一個單元內導熱構件，例如，非限制性實施例中的相應第一單元內導熱的導熱構件30a和第二單元內導熱的導熱構件30b，其各自與正電極端子21a或負電極端子21b熱連通。每個導熱構件30a和30b均完全定位在每個電池單元20的密封袋22內以形成如下文解釋的并聯熱傳遞路徑。

在示例性實施例中，圖1的電池組12可以配置為可再充電鋰離子電池組。電池組12包括殼體13，例如，如所示的t狀殼體。電池組12可以容納多個相似配置的電池單元20。電池組12的一種可能配置包括共同輸出至少18kwh電功率的至少192個這樣的電池單元20，但是電池組12不限于此實施例。殼體13可以例如經由冷卻劑孔17與冷卻劑源(未示出)流體連通，其中準許冷卻劑關于電池單元20循環以幫助調節電池組12的電池單元20的溫度。可以設想到具有不同形狀、額定功率和/或除基于鋰離子化學物質之外的活性材料的其它實施例，且因此圖1的t狀配置是示例性且非限制性的。

圖1的系統10可以配置為可以獲益于存儲在各種電池單元20中的電能的使用的任何類型的移動或固定系統。系統10的實例可以包括如所示的車輛，例如，增程型電動車、插電式混合電動車、電池電動車或另一種移動平臺、機器人或固定/非車輛系統，諸如發電廠。

系統10可以進一步包括電機(未示出)，諸如由電池組12中的能量供電的牽引馬達和/或馬達/發電機單元。另外，系統10可以包括經由高壓電纜15電連接至充電模塊16的功率逆變器14。當充電模塊16插入至可用充電插座(未示出)中時功率逆變器14接收充電模塊16中的交流(ac)功率。功率逆變器14可以使用脈寬調制或其它功率開關技術來將充電模塊16中的ac電壓變換為適用于對電池單元20充電的dc電壓，如本領域中公知。

參考圖2，每個電池單元20均包括正(+)電極端子21a和負(-)電極端子21b。電極端子21a和21b鄰接至相應的專用充電電極32a或32b，并且可以通過利用諸如鋰過渡金屬氧化物(陰極)的合適活性材料或碳質材料(陽極)以及諸如銅或鋁的導電材料涂布條形金屬板或薄板而形成。圖1中總體上示為電極32的電極32a和32b為了說明簡單起見而在圖2至3c中示意地示為電極32a和32b的堆疊。然而，本領域一般技術人員將明白的是，給定電極可以具體化為如圖4a至4b中所示的薄層或薄板，包括兩側上涂布有約40微米(μ)厚的合適活性材料的約15μ厚的集電器。接著該層替代地堆在電池單元20整個厚度內堆疊。

當特定電池單元20在圖1中所示的電池組12的示例性鋰離子實施例中對電能放電時，鋰離子通過電解質材料(參見圖3a)從負電極端子21b傳遞至正電極端子21a。當相同電池單元20諸如在系統10的車輛實施例中在再生制動期間主動充電時或當使用圖1的充電模塊16對電池單元20充電時，發生顛倒過程，即，鋰離子從正電極端子21a傳遞至負電子端子21b。任一過程期間產生相當多熱量，其中這樣熱量經由下文參考圖3a至4b描述的并聯熱傳遞路徑而耗散。

圖1的電池組12可以選用地使用重復框架配置構成，在該配置中，由例如塑料或填充聚酰胺的玻璃構成的一系列個別單元框架26形成冷卻劑歧管并且還向電池單元20提供所需結構剛性。例如，兩個電池單元20可以關于一對單元框架26配置，圖2中僅示出了兩個電池單元中的一個。

在典型的配置中，容納正電極32a和負電極32b(參見圖4a至4b)、限定內部冷卻劑通路25的散熱片24以及泡沫分隔器28的一對電池單元20在圖1中所示的電池組12的整個殼體13中以重復設置夾在相鄰單元框架26之間。單元框架26和散熱片分別限定主要冷卻劑通道27和29，當足夠多數量的單元框架26、電池單元20、散熱片24和泡沫分隔器28以串聯設置連接在一起時，準許經由圖1的冷卻劑孔17的冷卻劑(未示出)可循環通過該主要冷卻劑通道27和29。

關于電池單元20，每個電池單元20均包括由層狀箔或其它合適材料構成的密封袋22(例如，涂布聚合物的鋁的矩形或正方形袋)，以及導熱構件30a和/或30b中的一者或多者，從圖2的視角僅可看見導熱構件中的一者。每個導熱構件30a和30b均設置成在電池單元20內形成并聯熱傳遞路徑，其中“并聯”是關于電極32a和32b的定向與導熱構件30a和30b的定向的關系而采取的。

導熱構件30a和30b的設置和放置利用電極32a、32b的熱性質以冷卻定位成最遠離散熱片24的電極32a、32b，該冷卻效率與定位成最靠近散熱片24的電極32a、32b一樣。導熱構件30a和30b與由袋22限定的內部容積(v)內的相應負電極端子21a和正電極端子21b熱連通。因此，導熱構件30a和30b將電極32a和32b中的熱量直接傳導至最近的散熱片24以促進冷卻。

參考圖3a至3c，袋33限定了限定內部容積(v)的內表面36。上述類型的電解質流體34容納在袋22中并且填充其內部容積(v)。定位在袋22內的負電極32a和正電極32b分別連接至電極端子21a和21b并且因此在電池單元20內形成集電器。

導熱構件30a和30b中的每一個均與袋22的內部容積(v)內的相應正電極端子21a和負電極端子21b熱連通。如圖3b中關于導熱構件30b所示，導熱構件30a和30b延伸在袋22的內表面36之間。雖然圖3a和3b描繪并排電極端子21a和21b使得正電極端子21b和負電極端子21a從袋22的公共邊緣41延伸，但是本方法還可以在如圖3c中所示的端對端配置中使用，在端對端配置中，電極端子21a和21b從袋22的相對邊緣41和43延伸。導熱構件30a、30b應當保持與袋22和具有與導熱構件30a或30b相反的電荷的電極32a或32b電隔離。替代地，導熱構件30a和30b應當由電隔離但導電材料制成。

圖4a和4b描繪導熱構件30a和30b的兩種可能示例性配置，即，整體形成的導熱構件130b和兩件式導熱構件230b。電極32a和32b可以配置為超聲焊接或者導電連結在一起并且在公共第一焊接界面46處超聲焊接或導電連結至相應的電極端子21a和21b的薄金屬板或板，如本領域中所已知，其中電極32b和電極端子21b是從圖4a至4b的視角示出。因而，第一焊接界面46處的電流密度和因此局部熱量高于電池單元20的其它位置處的水平。

圖4a的實施例實際上通過將電極端子21b沿著電極32b的外表面延伸而形成導熱構件32b，其中導熱構件32b的平面p2總體上平行于個別電極32b的平面p1。電極32b還平行于袋22的內表面36。相對于與導熱構件130b相似并且結合電極32a使用的導熱構件(未示出)，可以對電極32提供相同設置。導熱構件230b可以使用本領域中已知的類型的電絕緣粘合材料49附接至正電極端子和負電極端子中的一個(此處示為電極端子21b)。

圖4b描繪其中導熱構件230b與電極端子21b分開形成并且接著在第二焊接界面45處例如使用導熱粘附劑超聲焊接或者連接至電極端子21b的替代性實施例，其中導熱構件230b沿著電極32b完全延伸在袋22的內部容積(v)內。如果導熱構件230b是由導電材料構成，那么第二焊接界面45應當維持與電極32b電隔離。雖然圖4b的兩件式實施例需要額外的制造步驟，但是有點可能在于能夠針對導熱構件230b和電極端子21b使用不同材料，后者通常是薄的鋁或銅板。以此方式，圖4b的配置可以用于優化導熱構件230b的熱傳遞性質。

在期望發明范圍內可以設想到其它實施例。例如，可配置電極板32b，其定位成最靠近袋22的內表面36以用作圖4b的導熱構件230b。為此，導熱構件230b面向袋22的內表面36的外表面39可以選用地涂布有導電且電絕緣材料51，例如，導熱絕緣聚合物。

使用導熱構件30a和30b或上述其變體，電極端子21a和21b是以相同相對速率冷卻，因為所有電極端子21a和21b在通過導熱構件30a、30b的添加材料且從袋22至散熱片24時受到大致上相同大小的熱阻。如本領域中所知，冷卻電池組12的常規方法允許最外面的電極32a或32b比最里面的電極32a或32b更快速地冷卻。

因此，本方法預期將導熱構件30a、30b完全放置在袋22內部以給所有電極32a、32b賦予至循環冷卻劑和圖2中所示的散熱片24的相同直接熱路徑。不同于使用與正電極電接觸的鋁外圓柱體的常規“罐狀單元”配置，本方法維持袋22的電中性。本發明因此使得能夠以并聯路徑而不是串聯路徑冷卻電極32a、32b，由此促進具有袋式單元設計的電池組(諸如圖1的示例性電池組12)的更有效且具成本效益冷卻。該配置在具有高電流密度的較高功率應用中可能特別有利。

雖然已經詳細地描述了用于實行本發明的最佳模式，但是熟悉本發明所涉及的領域的技術人員將會認識到用于實踐本發明的各種替代性設計和實施例在所附權利要求書的范圍內。