[發明專利]具有用于增強熱交換屬性的微膠囊相變材料的電池熱界面

有效

• 申請號: 201210098921.7
• 申請日: 2012-04-06
• 公開（公告）號: CN102738536A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: X.J.王
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: H01M10/50
• 分類號: H01M10/50;B60L11/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 代易寧;譚祐祥

相關申請的交叉引用

本申請要求于2011年4月7日提交的美國臨時申請61/472,?701的權益。

發明背景

本發明大致涉及電池及其部分的被動熱管理，且更具體地涉及微膠囊相變材料與汽車電池組、電池模塊或獨立電池單元的結合使用，從而改善這些電池元件的熱管理。

鋰離子電池在汽車應用中在混合電動車輛(HEV)的情況下作為補充方式使用，或在純電動車輛(PEV)、傳統內燃發動機(ICE)的情況下作為替代方式使用。在任一變型中，HEV或PEV均屬于公知為電動車輛(EV)的更大類的車輛。鋰離子電池的高容積熱產生率和基本上被動的構造提供需要用作小車、卡車、公共汽車、摩托車和相關汽車或車輛平臺的推進系統的耐久性和功能性。

溫度是影響電池的性能和壽命的最重要因素中的一個。極端情況(例如在冷或熱環境下長期靜止所遭遇的那些情況或因延長操作時間段和在熱天的伴生熱的情況)，可能負面影響電池正確地操作的能力，且在嚴重情況下可能損壞整個電池。長期暴露于高溫度的副作用可能包括早期老化和加速容量衰退，均是非理想的。經證實，傳統熱耗散方法，例如強制通風冷卻和液體冷卻在避免這種副作用中有效，但它們會增加整個車輛系統重量、復雜度和寄生功率需求。

發明內容

基于相變材料(PCM)的電池熱管理系統具有限制電池溫度極限的潛力，因而用于增加溫度均勻性，以及降低加熱和冷卻要求。這有助于延長熱敏元件例如形成電池模塊和電池組的塊結構的充電電池單元的壽命。PCM在相的等溫(即恒定溫度)改變例如從固態至液態或從液態至固態期間可吸收和釋放大量的潛熱(在一些實例中高達感知熱的五十倍)。這樣，PCM的使用可有助于降低或消除對主動冷卻元件例如強制通風冷卻或強制液冷系統中風扇、鼓風機或泵的需要。這是有利的，因為PCM可提供將單元溫度維持在所需溫度范圍內而不從電池或另一能量源提取功率的能力。基于PCM的電池熱管理方法的舉例可在與本申請同日提交的名稱為“Batteries?with?phase?change?materials”的共同待決的美國專利申請中找到，該美國專利申請由本發明的受讓人擁有，并通過引用整體結合于此。

根據本發明的一個方面，公開了一種采用一個或多個的電池模塊的電池組，電池模塊采用一個或多個的電池單元。更具體而言，微膠囊類型的基于PCM的熱管理系統用于為這種電池元件的構造提供加強的加熱或冷卻中的至少一個。這種類型，已知為微PCM，由非常小的雙元件顆粒或膠囊組成，包括具有潛熱改變的芯材料和由聚合物或相關材料制成的外殼體或膠囊，芯材料定制成適合典型地見于汽車電池組的溫度范圍，芯和殼體共同限定基本上球形的泡沫狀材料。微PCM膠囊的直徑范圍從小于一個微米至幾百微米，其中物質的所有三種狀態?(固態、液態和氣態)可用于形成可微膠囊封裝的芯。相較于非微膠囊PCM，微膠囊PCM的優勢包括更加保護芯材料、容易結合于其它材料，和在熔化期間降低泄漏的可能性。微PCM還可以不同質量百分比混合，以便設定它們的熱響應，例如調整相變潛熱和相變溫度。它們還可制作成將多于一種的材料形成在芯內，使得各微PCM具有熱復合結構。額外優勢包括低材料成本，其中微膠囊可包括約50%至90%之間的活性材料。

在具體形式中，電池組由多個電池模塊組成，各電池模塊由一個或多個電池單元組成，一個或多個電池單元可輸送用作用于汽車的原動力的電流。在本文中，術語“原動力”指能夠不僅僅為另一功率源(例如內燃發動機)提供啟動功率的電池組；其包括能夠以與其設計一致的方式提供足以推動車輛的持續功率的電池組。在一種形式中，通過電池組產生的電流可用于使一個或多個電動馬達工作，一個或多個電動馬達又可用于使一個或多個輪旋轉。其它構件(例如結構構件)放置成與電池單元熱連通，使在它們之間能夠進行熱交換。該構件包括微PCM，使得在微PCM受到溫度變化時，微PCM吸收(在涉及外界高溫的情況下)或釋放(在涉及外界低溫的情況下)大量的潛熱的能力允許與電池單元進行大量的熱交換，而不(或至少明顯降低)需要輔助冷卻，例如強制通風或強制液體對流冷卻。