热交换介质和电存储设备的制作方法

文档序号:6987770阅读:356来源:国知局
专利名称:热交换介质和电存储设备的制作方法
热交换介质和电存储设备发明背景 1.发明领域本发明涉及用于与电存储元件交换热的热交换介质,和使用这种热交换介质的电存储设备。2.相关技术描述二次电池在充电或放电时会产生热,并且由于温度升高,二次电池的性能会劣化。保持冷却剂(液体)与二次电池接触以最小化二次电池中的温度升高的方法描述在例如日本专利申请公开No. 2001-060466 (JP-A-2001-060466)和日本专利申请公开 No. 2008-16346 (JP-A-2008-16346)中。在JP-A-2001-060466中所述的组合电池中,用于容纳该组合电池的壳体装有入口和出口。冷却剂经入口供入壳体,并经出口从壳体中排出。绝缘油或液体石蜡可用作冷却剂。此外,在JP-A-2008-16346中所述的容纳设备中,冷却液与二次电池一起储存在电池容纳室内部。乙二醇用作冷却液。在其中液体保持与二次电池接触的结构中,作为液体所需的性能,可以提及高导热性、存在电绝缘性、极小的二次电池劣化可能性等等。这里要注意的是, JP-A-2001-060466或JP-A-2008-16346中描述的液体可能没有充分地表现出前述性能。
发明概要本发明提供具有优异的流动性和绝缘性能的热交换介质,以及使用这种热交换介质的电存储设备。本发明第一方面的热交换介质是与电存储元件一起在壳体中设置以与所述电存储元件交换热的液体热交换介质。所述热交换介质是碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇的酯化合物,并含有90体积%或更多的辛酸2-乙基己酯。更具体而言,所述热交换介质可以单独由辛酸2-乙基己酯组成或由辛酸2-乙基己酯与除辛酸之外的脂肪酸(具有6至 8的碳数)和2-乙基己醇的酯化合物的混合物组成。本发明上述方面的热交换介质不含有硫成分。由此可避免硫成分所导致的电存储元件的腐蚀等等。本发明第二方面的电存储设备包含前述本发明第一方面的热交换介质。本发明上述方面的电存储设备可以进一步包含安置在壳体中以使热交换介质循环的风机。通过循环安置在壳体中的热交换介质,使得在风机的驱动力的帮助下引起热交换介质有效流动。在本发明上述方面的电存储设备中,所述风机可以以层流状态将热交换介质循环到电存储元件。如果将风机驱动至在电存储元件周围产生热交换介质的层流,则可以使电存储元件中温度的局部分散最小化。
在本发明上述方面的电存储设备中,风机可具有旋转轴和安置在所述旋转轴外围表面上的多个叶片。风机可以安置成使得所述旋转轴在基本平行于电存储元件的方向上延伸。该多个叶片的长度在风机的旋转轴的旋转方向上大致等于电存储元件的长度。本发明上述方面的电存储设备可安装在车辆上。按照本发明,可以通过使用碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇的酯化合物(含有90体积%或更多的辛酸2-乙基己酯)作为热交换介质提高与所述电存储元件交换热的所述液体热交换介质的绝缘性能和流动性。通过改善所述热交换介质的绝缘性能,可以提高操作电存储设备时的安全性。此外,通过提高热交换介质的流动性,可以在该热交换介质的帮助下有效地调节电存储元件的温度。附图概述参照附图,由本发明的实施方案的下列描述,本发明的前述和/或其它目的、特征和优点将变得更为明显,其中同样的数字用于代表同样的元件,其中

图1是显示本发明第一实施方案的电池组结构的部件分解透视图;图2显示本发明第一实施方案的电池组的部件的内部结构;图3显示本发明第一实施方案的电池组中热交换介质的主流;图4显示本发明第一实施方案的电池组中热交换介质的流动方向;图5显示本发明第一实施方案的热交换介质中温度与运动粘度之间的关系;和图6显示本发明第一实施方案的电池模块中环境温度与温度分散之间的关系。实施方案详述将用图1描述本发明第一实施方案的电池组(电存储设备)的结构。图1是显示本发明这种实施方案的电池组的结构的部件分解透视图。本发明这种实施方案的电池组1(电存储设备)安装在车辆上。所述车辆可以是混合动力车辆或电动车辆。除电池组1之外,混合动力车辆可以进一步装有输出用于运行该车辆的能量的另一种能源,如内燃机或燃料电池。另外,电动车辆是仅使用电池组1的输出运行的车辆。本发明这种实施方案的电池组1通过放电输出用于运行车辆的能量,并用车辆制动过程中生成的动能作为再生电力能源进行充电。应注意的是,还可以通过由车辆外部向其供给电力能源来对电池组1进行充电。所述电池组1包括电池模块10、包装壳体20和循环装置30。包装壳体20包括形成容纳电池模块10和循环装置30的空间的容纳构件21,和封闭该容纳构件21的开口部分 21a的盖构件22。盖构件22通过紧固构件,如螺丝等等或通过焊接固定到容纳构件21上。 由此密封包装壳体20的内部。容纳构件21和盖构件22可以由具有足够的导热性、耐腐蚀性等等的任何材料制成,例如,导热性等于或高于下述热交换介质40 (酯化合物)的材料。更具体而言,容纳构件21和盖构件22可以由金属制成,如铝、铁等等。容纳构件21和盖构件22的外壁表面在本发明的实施方案中设计为平坦表面,但是本发明不限于此构造。更具体而言,可以在容纳构件21和盖构件22的至少一个外壁表面上提供多个散热片。由此,可以经该散热片改善所述电池组1的散热性能。除了电池模块10和循环装置30之外,在包装壳体20内部还容纳与电池模块10 交换热的液体热交换介质40。后面将描述热交换介质40的成分。
热交换介质40用于调节电池模块10(光电管(electric cell) 11 (电存储元件)) 的温度。这里要注意的是容纳在包装壳体20内部的热交换介质40的量可适当设置。更具体而言,热交换介质40的液体表面可以与盖构件22接触或不与盖构件22接触。热交换介质40优选保持与电池模块10的整个表面接触。接着将描述所述电池模块10的结构。所述电池模块10由多个彼此串联电连接的光电管(二次电池或电存储元件)11 组成。多个光电管11在包装壳体20内部彼此平行取向。镍氢电池或锂离子电池可用作二次电池。此外,也可用电偶层电容器替代所述二次电池。此外,尽管在本发明的实施方案中使用圆柱形光电管11,也可以使用成型为其它形状的光电管,如长方形光电管等等。每个光电管11包括发电元件(未显示)和以密封状态容纳所述发电元件的电池壳体。所述发电元件可充以电力能源,并可以由此排放电力能源,并且可以由例如电极元件 (阳极元件和阴极元件)和分隔体组成。通过在集电极板的表面上形成阳极活性材料层来获得阳极元件,通过在集电极板的表面上形成阴极活性材料层来获得阴极元件。在光电管11的相对的末端分别提供阳极末端Ila和阴极末端lib。阳极末端Ila 电和机械连接到发电元件的阳极元件上,阴极末端lib电和机械连接到发电元件的阴极元件上。每个光电管11的阳极末端Ila通过主栅线13电连接到相邻光电管11的阴极末端 lib上。由此,多个光电管11彼此串联电连接。由平坦的支承构件12承载每个独立的光电管11的每端。支承构件12通过紧固构件(未显示)如螺丝等等固定到包装壳体20 (容纳构件21)上。此外,每个支承构件12 的末端表面(外缘部分)接触容纳构件21的底面和侧面。尽管在本发明的这种实施方案中采用两个支承构件12,它们可以彼此集成。此外, 如果使用长方形光电管11,则多个光电管11可以以在其之间夹有间隔物的方式在特定方向上排列,并可以通过末端板在排列方向上夹在其两端处。阳极和阴极的线缆(未显示)连接到多个光电管11的特定一个(两个)上。这些线缆连接到安置在包装壳体20外部的设备上。这些设备可以是例如用于提高电池模块 10的电压的DC/DC换流器和用于将直流电和交流电互相转换的变换器。循环装置30安置在电池模块10的角落部分。将循环装置30的两端安置成位于支承构件对12的相同平面上。将用图2描述所述循环装置30的结构。这里要注意的是图 2是电池组1内部的结构的局部示意图。循环装置30具有风机(横流式风机)31、可旋转地支承风机31的旋转轴31a的一对轴承32、和支承所述轴承32的支承板33。所述风机31具有安置在旋转轴31a外围表面上的多个叶片31b。此外,风机31安置成使得旋转轴31a的旋转的轴基本平行于所述光电管11延伸。多个叶片31b等距离安置在所述旋转轴31a的圆周方向上,并各自形成弯曲形状。各个叶片31b的长度在所述风机31的旋转轴的方向上大致等于支承构件对12之间的距离。电动机(未显示)连接到旋转轴31a上,风机31通过接受来自电动机的驱动力旋转。支承板33的区域33a沿风机31的外围形成以使热交换介质40在风机31旋转时平稳移动。第一分隔构件3 连接到第二分隔构件34b上,并且二者均安置在风机31与电池模块10(光电管11)之间。如图2中所示,第一分隔构件3 安置在电池模块10的最下方的光电管11与包装壳体20 (容纳构件21)的底面之间。此外,第二分隔构件34b在重力方向(图2中的垂直方向)上沿电池模块10延伸,并且第二分隔构件34b的顶端位于电池模块10的上部。第一分隔构件3 和第二分隔构件34b的宽度各自等于支承构件对12之间的距离。接着,将使用图3和4描述当如上所述驱动风机31时电池组1中热交换介质40 的流动。当风机31通过电动机的驱动力旋转时,热交换介质40通过风机31循环。通过风机31循环的热交换介质40穿过第一分隔构件3 和容纳构件21底面之间的间隙,并向电池模块10侧移动。风机31的多个叶片31b沿旋转轴31a的长度延伸,并且通过风机31循环的热交换介质40由此形成具有叶片31b的长度的层流。如图3中的箭头所示,通过风机31循环的热交换介质40沿着电池模块10外围移动并返回到风机31。图3中的箭头显示热交换介质40的主流,但是热交换介质40也可在其它方向上流动。要注意的是,图3中省略了第一分隔构件34a。在本发明的这种实施方案中,电池模块10(光电管11最外面的一个)与包装壳体 20内壁表面之间的距离(最短距离)长于相邻的光电管11之间的距离。通过以这种方式设定所述距离,从风机31中送出的热交换介质40可以沿着电池模块10的外围移动。通过使所述热交换介质40的主流围绕电池模块10,在相邻的光电管11之间还同样地生成了热交换介质40的二次流。更具体而言,如图4中所示,可以使热交换介质40通过相邻的光电管11之间的间隙在从电池模块10下方区域向其上方区域的方向上循环。光电管11的充电和放电会产生热。但是,通过保持热交换介质40与光电管11接触,在光电管U与热交换介质40之间交换热,光电管11的热传输到热交换介质40。加热的热交换介质40如上所述在包装壳体20内部流动,并与包装壳体20的内壁表面接触,由此使热传输到所述包装壳体20。传输到包装壳体20的热随后耗散到大气中。由此,可以实现电池组1 (光电管11)的热辐射(冷却)。相反,当热交换介质40是温热的时,热可以通过温热的热交换介质40与光电管11 之间的热交换传输到光电管11。由此可以加温光电管11。当光电管11的温度因环境温度而过度降低时,加温光电管11是有效的。在加温热交换介质40时可以直接或间接加温所述热交换介质40。作为直接加温热交换介质40的方法,例如可以在包装壳体20中安置加热器,使得加热器与热交换介质40 保持接触。此外,作为间接加温热交换介质40的方法,例如可以通过加热器加温包装壳体 20,并经所述包装壳体20加温热交换介质40。在本发明的这种实施方案中,从风机31中送出的热交换介质40以层流状态与光电管11接触。本文中要注意的是,热交换介质40的层流的宽度大致等于纵向方向上光电管11的长度。因此,热交换介质40与光电管11的基本上整个区域换热。由此,可以抑制光电管11中温度的局部分散。此外,如图4中所示,通过使热交换介质40与构成电池模块 10的所有光电管11保持接触,可以实现与所有光电管11的热交换。由此,可以抑制构成电池模块10的多个光电管11中的温度分散。要注意的是,在本发明的这种实施方案中,循环装置30安置在所述包装壳体20内。但是,可以不安置循环装置30。此外,尽管横向流动风机用作风机31,但可以使用具有产生充分的力以循环所述热交换介质40的结构的任何风机。此外,尽管在本发明的这种实施方案中循环装置30沿包装壳体20底面安置,但是本发明不限于这种构造。也就是说,循环装置30可以位于任何位置,只要热交换介质40适当地在电池模块10周围循环。例如, 循环装置30可以改为沿包装壳体20的上表面安置。接着,将描述所述热交换介质40的具体成分。碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇的酯化合物用作所述热交换介质40。该酯化合物含有90或更高体积%的辛酸2-乙基己酯。所述热交换介质40可以仅由辛酸2-乙基己酯组成,或含有10或更少体积%的与除辛酸之外的脂肪酸(具有6至8的碳数)的酯化合物。例如,作为碳数为6至8(1 1的碳数为5至7)的脂肪酸,可以提及己酸、庚酸或辛酸。这些脂肪酸之一(辛酸)可以单独使用,或者可以混合并使用这些脂肪酸的两种或更多种(包括辛酸)。本文中要注意的是,脂肪酸的碳数优选等于或大于6以确保所述热交换介质(酯化合物)40的适当绝缘性能。进一步地,脂肪酸的碳数优选等于或小于8以保持热交换介质40在包装壳体20中的适当流动性。当酯化合物的运动粘度降低时,所述热交换介质40 的流动性可提高。另一方面,通过使用2-乙基己醇可以赋予热交换介质40以优异的性能, 如低温流动性和电绝缘性能。例如,作为碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇的前述酯化合物,可以提及辛酸 2-乙基己酯或己酸2-乙基己酯。这些酯化合物之一(辛酸2-乙基己酯)可以单独使用, 或这些酯化合物的两种或更多种(包含辛酸2-乙基己酯)可以混合并使用。可以采用各种酯化法制造用作热交换介质40的酯化合物。例如,在待酯化的酸或碱的存在下使碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇彼此反应,这是一种方法。另外,也可以通过在酸或碱的存在下使碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇反应,获得酯交换的产物。如果使用酯化合物,则在20°C下的I^randtl数优选为8至40000。由此,可以提高所述热交换介质40的传热系数,并可用所述热交换介质40有效地调节电池模块10的温度。如上所述,当酯化合物用作所述热交换介质40时,可以获得优异的绝缘性能。由此,该酯化合物可适当地用于产生高电压的电池模块10。此外,即使向所述酯化合物中加入 200ppm或更少的水,酯分子包围水分子。因此,酯化合物的体积电阻率的改变极为微小。此外,如果使用酯化合物,则使所述热交换介质40不含硫成分。例如,可以使用不含硫的催化剂酯化碳数为6至8的脂肪酸和2-乙基己醇。由此,与其中使用含硫矿物油的情况相比,可以避免电池模块10被硫局部腐蚀的风险。例如,如果每个光电管11的主栅线 13和电极末端Ila与lib由铜制成,则可以避免这些元件被硫腐蚀的风险。下面显示的表1显示了对于其中辛酸2-乙基己酯单独用作热交换介质4的实施例1和使用矿物油作为热交换介质40的对比例,与热交换介质40的温度相关的其运动粘度。特别地,自动传动液(ATF ;Toyota Auto Fluid WS)用作所述矿物油。表 1
7运动粘度[毫米2/秒](-30。C)(OeC)(40 eC)(IOO8C)实施例1辛酸2-乙基己酯32.648.1642.8411.174对比例矿物油2371.7142.923.65.4表2显示了辛酸2-乙基己酯、矿物油和硅油的体积电阻率。表 2
体积电阻率[Ω · cm]辛酸2-乙基己酯5. 4 X IO10矿物油5. 8 X IO10硅油5. OXlO10如表2中所示,辛酸2-乙基己酯的体积电阻率大致等于矿物油和硅油。由此,辛酸2-乙基己酯可以合适地用作与设计为产生高电压的电池模块10接触的热交换介质40。相反,图5显示了当矿物油和辛酸2-乙基己酯分别用作所述热交换介质40时所述热交换介质40的温度与运动粘度之间的关系。如图5中所示,当使用辛酸2-乙基己酯时,即使辛酸2-乙基己酯的温度改变,热交换介质40的运动粘度也不可能改变。另一方面,矿物油的运动粘度在其温度降低至0°C 以下时升高。由此,如果本发明的该实施方案的电池组1在0°C以下的环境中使用,则辛酸 2-乙基己酯优选用作热交换介质40。图6显示了当矿物油和辛酸2-乙基己酯分别用作热交换介质40时环境温度与电池模块10的多个光电管11中温度分散之间的关系。温度分散(ΔΤ)代表风机31在电池组1中驱动一段预定时间后,处于最高温度的构成所述电池模块10的多个光电管11之一与处于最低温度的构成所述电池模块10的多个光电管11之一之间的温度差值。进一步地, 环境温度是指电池组1周围的温度。如图6中所示,与其中使用矿物油的情况相比,在使用辛酸2-乙基己酯的情况中, 可以抑制电池模块10中的温度分散。然后通过抑制该温度分散抑制多个光电管11中性能劣化的分散。由此,构成电池模块10的多个光电管11可以以良好平衡的方式使用。结果, 电池模块10可以有效地充电和放电。另外,在辛酸2-乙基己酯用作热交换介质40的情况中,即使当光电管11的电解溶液泄漏到热交换介质40中且电解溶液的浓度等于或高于20 [体积%],也可使这种液体的体积电阻率等于或高于1.0Χ105Ω ·_。此外,辛酸2-乙基己酯也不被光电管11的电解溶液分解。要注意的是,当光电管11产生过量的热时,会从光电管11中(电池壳体)排出气体,并且所述发电元件的电解溶液会与该气体一起泄漏。例如,碳酸二甲酯(DMC)或碳酸甲乙酯(EMC)用作所述电解溶液。由此,优选的是确保热交换介质40的绝缘性能,即使电解溶液从光电管11中泄漏。如上所述,当辛酸2-乙基己酯用作热交换介质40时,可以抑制所述热交换介质40的体积电阻率大幅度下降。但是,树脂类材料或橡胶材料可用于包装壳体20和该电池组1安装在其上的车体。例如,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚酰胺 6(PA6)或聚酰胺66(PA66)可以合适地用作所述树脂类材料。进一步地,橡胶材料用于例如确保密封性。丙烯腈-丁二烯橡胶(NBR)、Viton 或聚氨酯可以合适地用作橡胶材料。本文中要注意的是,当辛酸2-乙基己酯用作所述热交换介质40时,基于下列句子,在我看来应改写为“可最小化上述树脂类材料或橡胶材料的体积与重量的改变程度”。 更具体而言,当树脂类材料在70°C下在所述酯化合物(辛酸2-乙基己酯)中浸泡两周,该树脂类材料的体积与重量的改变程度等于或低于0. 5%。此外,当橡胶材料在70°C下在所述酯化合物(辛酸2-乙基己酯)中浸泡两周,该橡胶材料的体积与重量的改变程度等于或低于20%。以这种方式,当辛酸2-乙基己酯用作热交换介质40时,可以防止电池组1和其中安装所述电池组1的车体受到不利的影响。虽然已经参考其实施例对本发明进行了描述,但要理解的是,本发明不限于该实施例或诠释。相反,本发明想要覆盖各种变体和等价的方案。此外,虽然以各种组合和配置显示了本发明的示例性实施方案的各种元素,其是示例性的,其它组合和配置,包括更多、 更少或仅仅单个元素也在本发明的精神与范围内。
权利要求
1.一种液体热交换介质,其与电存储元件一起设置在壳体中以与该电存储元件交换热,其特征在于该热交换介质是碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇的酯化合物,并且该热交换介质含有90体积%或更多的辛酸2-乙基己酯。
2.根据权利要求1的热交换介质,其中该热交换介质不含硫成分。
3.一种电存储设备,其装有根据权利要求1或2的热交换介质。
4.根据权利要求3的电存储设备,进一步包含安置在该壳体中以使该热交换介质循环的风机。
5.根据权利要求4的电存储设备,其中该风机以层流状态将热交换介质循环到电存储元件。
6.根据权利要求5的电存储设备,其中该风机包含 旋转轴;和安置在该旋转轴外围表面上的多个叶片,其中该风机安置成使得该旋转轴在基本平行于电存储元件的方向上延伸,其中所述多个叶片的长度在该风机的旋转轴的旋转方向上大致等于电存储元件的长度。
7.根据权利要求3至6任一项的电存储设备,其中该电存储设备安装在车辆上。
全文摘要
在壳体(20)中与电存储元件(11)一起设置液体热交换介质(40)以与所述电存储元件交换热。所述热交换介质是碳数为6至8的脂肪酸与2-乙基己醇的酯化合物。所述热交换介质含有90或更高体积%的辛酸2-乙基己酯。
文档编号H01M10/50GK102388500SQ201080015853
公开日2012年3月21日 申请日期2010年4月8日 优先权日2009年4月9日
发明者村田崇, 松田达哉, 植村慎午, 狩野孝明, 稻田弘二 申请人:丰田自动车株式会社, 狮王株式会社
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