专利名称：锂离子电池冷却系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有自包含(self-contained)的液体冷却系统的车辆电池组。
背景技术：
已经提出将电池单体作为清洁、有效和环保的动力源而用于电动车辆和各种其它应用。一种类型的电池单体已知为锂离子电池。锂离子电池是可再充电的，并且可形成为各种形状和尺寸，从而有效填补电动车辆的可用空间。例如，电池单体可以在形状上是棱柱形的，从而有助于电池单体的堆叠。多个单独的电池单体可以设置在电池组中，从而提供用于操作电动车辆的足够量的动力。典型的棱柱形电池单体具有围绕电池单体的外周熔接的一对涂覆有塑料的金属层，以密封电池单体构件。电池单体的密封通常始于使其中一个涂覆有塑料的金属层具有空腔，有时称作“黄油碟”形状。电池单体构件置于该涂覆有塑料的金属层的空腔内。然后，另一涂覆有塑料的金属层放置在电池单体构件的顶部，并在外周处被熔接到具有空腔的涂覆有塑料的金属层(例如，通过围绕边缘的热密封)。由此，获得用于结合到电池组组件中的电池单体。已知，诸如锂离子电池单体的电池单体在操作期间以及当充电时由于充电循环而产生热。当过热或另外暴露于高温环境时，不希望的效应会影响锂离子电池的操作。锂离子电池组通常利用冷却系统来防止不期望的过热情况。冷却系统可以包括夹在电池组内的单个电池单体之间的冷却板或翅片。冷却系统可以具有通道，通过该通道，冷却剂流与电池单体处于热传递关系。在受让人的共同待决的Essinger等的序列号为12/713，729的美国专利申请和Kumar等的序列号为12/842,478的美国专利申请中描述了用于电池单体的已知冷却系统的非限制性示例，这些专利申请的完整公开内容通过引用而结合在本文中。传统的冷却系统已经包括空气对空气冷却、夹在电池组内的单个电池单体之间的冷却板或翅片，散热器位于相同位置。对于电池冷却系统和制造电池冷却系统的方法有持续的需要，其利用最小的温度差来最大化电池单体的有效加热和冷却。期望的是，电池冷却系统和方法在电池单体上维持均勻的表面温度，并且在混合动力车辆中使用开口浴槽冷却(open bath cooling)从单体有效地转移走热量。
发明内容
根据所公开的示例，惊讶地发现了电池冷却系统和冷却电池组的方法。在第一实施例中，一种带有自包含的液体冷却系统的车辆电池组，包括:具有内部空间的密封的容器；设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道；设置在所述至少一个流体通道内的介电流体，所述介电流体与所述电池组件的电池单体接触，所述介电流体配置成加热和冷却所述电池组件；设置在所述内部空间中的加热元件，所述加热元件配置成加热所述介电流体；以及设置在所述内部空间中的冷却元件，所述冷却元件配置成冷却所述介电流体。在另一实施例中，一种用于混合动力车辆的锂离子电池冷却系统，包括多个自包含的液体冷却模块，每个冷却模块还包括:具有内部空间的密封的容器；设置在所述容器的内部空间中的电池组件,所述电池组件包括多个电池单体,所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道；设置在所述至少一个流体通道内的介电流体，所述介电流体与所述电池组件的电池单体接触，所述介电流体配置成加热和冷却所述电池组件；设置在所述内部空间中的加热元件，所述加热元件配置成加热所述介电流体；以及设置在所述内部空间中的冷却元件，所述冷却元件配置成冷却所述介电流体。在又一实施例中，一种冷却车辆电池组的方法，所述方法包括以下步骤:提供具有内部空间的密封的容器；提供设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道；在所述内部空间内提供介电流体；利用所述介电流体浸没所述电池组件的至少一部分；造成介电流体围绕所述容器的内部空间中的多个电池单体流动；以及在车辆的操作期间冷却所述介电流体，以便在所述多个电池单体的每一个上保持基本上均匀的表面温度。此外，本发明还涉及以下技术方案。1.一种带有自包含的液体冷却系统的车辆电池组，包括:
具有内部空间的密封的容器；
设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道；
设置在所述至少一个流体通道内的介电流体，所述介电流体与所述电池组件的电池单体接触，所述介电流体配置成加热和冷却所述电池组件；
设置在所述内部空间中的加热元件，所述加热元件配置成加热所述介电流体；以及 设置在所述内部空间中的冷却元件，所述冷却元件配置成冷却所述介电流体。2.如技术方案I所述的车辆电池组，其中，所述至少一个流体通道配置成引导所述介电流体，使其在所述容器的内部空间中通过所述多个电池单体。3.如技术方案I所述的车辆电池组，其中，所述电池组件的电池单体完全地没入所述介电流体中。4.如技术方案I所述的车辆电池组，其中，所述介电流体配置成具有期望的沸点。5.如技术方案I所述的车辆电池组,其中，所述冷却兀件是金属板和以非导电聚合物浸溃的石墨薄片中的一个。6.如技术方案I所述的车辆电池组，其中，所述冷却元件由铜和铝中的一种形成。7.如技术方案I所述的车辆电池组，其中，所述冷却元件设置在所述电池单体之上。8.如技术方案I所述的车辆电池组，其中，所述加热元件设置在所述电池单体之下。9.如技术方案I所述的车辆电池组，还包括设置在所述容器中的介电流体温度传感器和介电流体液位传感器中的至少一个。10.一种用于混合动力车辆中的锂离子电池冷却系统，包括:
多个自包含的液体冷却模块，每个所述冷却模块还包括: 具有内部空间的密封的容器；
设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道；
设置在所述至少一个流体通道内的介电流体，所述介电流体与所述电池组件的电池单体接触，所述介电流体配置成加热和冷却所述电池组件；
设置在所述内部空间中的加热元件，所述加热元件配置成加热所述介电流体；以及 设置在所述内部空间中的冷却元件，所述冷却元件配置成冷却所述介电流体。11.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述至少一个流体通道配置成引导所述介电流体，使其在所述容器的内部空间中通过所述多个电池单体。12.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述电池组件的电池单体完全地没入所述介电流体中。13.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述介电流体配置成具有期望的沸点。14.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述冷却元件是金属板和以非导电聚合物浸溃的石墨薄片中的一个。15.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述冷却元件由铜和铝中的一种形成。16.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述冷却元件设置在所述电池单体之上。17.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，其中，所述加热元件设置在所述电池单体之下。18.如技术方案10所述的锂离子电池冷却系统，还包括设置在所述容器中的介电流体温度传感器和介电流体液位传感器中的至少一个。19.一种冷却车辆电池组的方法，所述方法包括以下步骤:
提供具有内部空间的密封的容器；
提供设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道；
在所述内部空间内提供介电流体；
利用所述介电流体浸没所述电池组件的至少一部分；
造成介电流体围绕所述容器的内部空间中的多个电池单体流动；以及在车辆的操作期间冷却所述介电流体，以便在所述多个电池单体的每一个上保持基本上均匀的表面温度。20.如技术方案19所述的冷却车辆电池组的方法，所述方法还包括以下步骤:
在车辆的起动期间加热所述介电流体，以便加热所述多个电池单体。
本发明的上述以及其它优势从以下详细说明尤其是结合本文所述的附图对本领域技术人员来说将变得清楚。图1是本发明的电池冷却系统的示意图；以及图2是本发明的多个电池冷却系统串联连接的平面图。
具体实施例方式以下详细描述和所附附图对本发明的实施例进行了描述和说明。描述和附图用于能够让本领域技术人员制造和使用本发明，且并不以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所提出的步骤本质上是示例性的，因此，步骤的顺序不是必然的或关键的。参考图1，示出了本发明的带有自包含(self-contained)液体冷却系统的车辆电池组。系统10是由容器14形成的模块12，带有内部空间16，用于支撑电池组件18。容器14是封闭和密封的容器14，用于形成自包含的液体冷却系统10。在一个实施例中，电池组件18包括多个电池单体20，诸如用于混合动力车辆的多个锂离子(L1-1on)电池。在另一实施例中，多个电池单体20是用于电池电动车辆(BEV)中的锂离子电池。用于其它原动力车辆的其它电池可以设有本发明的液体冷却系统10，每个电池单体包括活性材料，用于由容器14的内部空间16中的电化学反应产生动力。电池单体20优选被堆叠以形成电池单体堆22。在所示实施例中，每个电池单体20之间的间隙24在0.25-0.50mm之间，在每个电池单体20之间形成流体通道26。在另一实施例中，间隙24可以小于0.25mm。应当理解的是，可以按照需要而使用其它间隙尺寸。介电冷却剂28设置在容器14的内部空间16中，所示的流体液位使得电池组件18完全地没入介电冷却剂28中。介电冷却剂28通过间隙24所形成的流体通道26与电池单体20接触。在一个实施例中，介电冷却剂28可 以被卤化。在另一实施例中，介电冷却剂28可以被调节为其沸点处于或接近电池单体20的期望的操作温度。加热元件34位于容器14的底部区域36。所示的加热元件34是电子加热元件。应该理解，可以使用其它的加热元件类型。加热元件34显示为单个元件，然而，可以提供多个加热元件34，诸如加热板。冷却元件38位于容器14的上部区域40。冷却元件38可以是冷冻水冷凝器，具有延伸超过密封的容器14的壁的入口 42和出口 44，用于输入和输出用于冷却元件38的水。在另一个实施例中，冷却元件38可以是冷冻水板。在又一个实施例中，冷却元件38可以是薄的铝散热器，其使得外部冷冻水走行通过冷却元件38。冷却元件38可以是以非导电聚合物浸溃的石墨薄片。冷却元件也可以由铜形成。在所示的实施例中，箭头“A”和“B”指示了介电冷却剂28的流。在加热元件34加热每个电池单体20之后，暴露于电池单体20的前表面区域30和后表面区域32的介电冷却剂28将沸腾。被加热的介电冷却剂28将升高并且流到电池单体堆22的顶部，由冷却元件38冷却。冷却的介电冷却剂28将返回至底部区域36，通常遵循冷却剂路径“A”或“B”。如果沸腾时刻的介电冷却剂28的大致位置位于电池单体20的流体通道28的中央区域并且朝向容器14的侧面50，则介电冷却剂28将倾向于遵循流动路径“A”。类似地，如果沸腾时刻的介电冷却剂28的大致位置位于电池单体20的流体通道26的中央区域并且朝向容器14的相反侧52，则介电冷却剂28将倾向于遵循流动路径“B”。冷却剂温度传感器46定位在冷却元件38上或靠近冷却元件38。在所示出的实施例中，温度传感器46位于冷却元件38的出口 44的区域中，并且测量介电冷却剂28在暴露于冷却元件的点处的温度。温度传感器46可以按照需要定位在电池单体堆22内的任何其它位置。还提供冷却剂液位传感器48，其位于容器14的上部区域40附近，测量介电冷却剂28在容器14内的流体液位，确保电池组件18完全地没入介电冷却剂28中。图2示出了通过管道60串联连接的多个自包含的液体冷却模块12，并且形成用于混合动力车辆或BEV中的冷却系统100。在一个实施例中，每个模块12的冷却元件38的入口 42通过管道70与车辆的空气调节(A/C)系统120流体连通。从而，由每个冷却模块12产生的热量可以借助管道80而通过出口 44排出至冷却剂130。冷却剂130提供与车辆的外部热交换，其中，车辆是混合动力车辆。或者，由每个冷却模块12产生的热量可以通过出口 44和管道80而排出到冷却剂130，诸如电子冷却环路，当原动力是BEV时，通常通过阀，诸如三通阀140。本发明还包括冷却车辆电池组的方法。该方法包括提供封闭和密封的容器14的步骤。容器14具有内部空间16。电池组件18设置在容器14的内部空间16中。电池组件18包括多个电池单体20，在堆叠的单体20之间形成有流体通道26。堆叠的单体20在电池单体20之间保持间隙24，在一个实施例中，该间隙24不大于0.50mm，并且不小于0.25mm。在另一实施例中，间隙24可以小于0.25mm。每个间隙24形成相邻的电池单体20之间的流体通道26。介电冷却剂28设置在容器14的内部空间16中。电池组件18通常完全没入介电冷却剂28中，并且介电冷却剂28容纳在流体通道26中，完全地接触每个电池单体20。通过利用介电冷却剂28填充间隙24，既可以实现加热也可以实现冷却。在车辆的起动期间，沿着容器14的底部区域36定位的加热元件34可以将介电流体28加热至沸腾。在一个实施例中，介电流体28可以被调节为其沸点处于或接近电池单体20的期望的操作温度。蒸汽在流体通道26之间升起，将电池单体20加热至操作温度。冷凝加热确保了有效率和均匀的温度热传递，而不会造成电池单体20温度的过调。当电池单体20操作时，介电冷却剂28在电池单体20的表面上沸腾，使表面的温度保持均匀，并且有效率地将热量传递至冷却元件38。加热的冷却剂28升起，穿过流体通道26，从容器14的底部区域36到达上部区域40，完全地流过容器14的内部空间16中的每个电池单体20，如箭头“A”和“B”所示。冷却的介电冷却剂28将返回至底部区域36，通常遵循冷却剂路径“A”或“B”。如果沸腾时刻的介电冷却剂28的大致位置位于电池单体20的流体通道26的中央区域并且朝向电池单体堆22的侧面50，则介电冷却剂28将倾向于遵循流动路径“A”。类似地，如果沸腾时刻的介电冷却剂28的大致位置位于电池单体20的流体通道26的中央区域并且朝向电池单体堆22的相反侧52，则介电冷却剂28将倾向于遵循流动路径“B”。在操作期间，沿着流体通道26流动的冷却剂28在多个电池单体20的每一个上提供基本上均匀的表面温度，同时通过流动的介电冷却剂28将热量从每个电池单体20传递离开。冷凝蒸汽的步骤包括使用冷却元件38，诸如放置在容器14的上部区域40中的电池单体20之上的冷冻水板。多个电池单体20形成多个模块12。模块12串联连接。加热的蒸汽升起到容器的上部区域40，并且被冷却元件38所冷却。冷却元件38中的水被车辆的已有空气调节系统冷冻器所冷却，并且从冷却元件38的入口 42循环到出口 44。冷却剂温度传感器46测量冷却元件38的出口 44处的介电冷却剂28的温度。冷却剂液位传感器48测量容器14内的介电冷却剂28的液位。尽管为了解释本发明的目的已经示出了某些代表性实施例和细节，但本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离进一步由在后面的所附权利要求中描述的本发明的范围的情况下可作出各种改变。
权利要求
1.一种带有自包含的液体冷却系统的车辆电池组，包括: 具有内部空间的密封的容器； 设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道； 设置在所述至少一个流体通道内的介电流体，所述介电流体与所述电池组件的电池单体接触，所述介电流体配置成加热和冷却所述电池组件； 设置在所述内部空间中的加热元件，所述加热元件配置成加热所述介电流体；以及 设置在所述内部空间中的冷却元件，所述冷却元件配置成冷却所述介电流体。
2.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述至少一个流体通道配置成引导所述介电流体，使其在所述容器的内部空间中通过所述多个电池单体。
3.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述电池组件的电池单体完全地没入所述介电流体中。
4.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述介电流体配置成具有期望的沸点。
5.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述冷却元件是金属板和以非导电聚合物浸溃的石墨薄片中的一个。
6.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述冷却元件由铜和铝中的一种形成。
7.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述冷却元件设置在所述电池单体之上。
8.如权利要求1所述的车辆电池组，其中，所述加热元件设置在所述电池单体之下。
9.一种用于混合动力车辆中的锂离子电池冷却系统，包括: 多个自包含的液体冷却模块，每个所述冷却模块还包括: 具有内部空间的密封的容器； 设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道； 设置在所述至少一个流体通道内的介电流体，所述介电流体与所述电池组件的电池单体接触，所述介电流体配置成加热和冷却所述电池组件； 设置在所述内部空间中的加热元件，所述加热元件配置成加热所述介电流体；以及 设置在所述内部空间中的冷却元件，所述冷却元件配置成冷却所述介电流体。
10.一种冷却车辆电池组的方法，所述方法包括以下步骤: 提供具有内部空间的密封的容器； 提供设置在所述容器的内部空间中的电池组件，所述电池组件包括多个电池单体，所述多个电池单体之间形成至少一个流体通道； 在所述内部空间内提供介电流体； 利用所述介电流体浸没所述电池组件的至少一部分； 造成介电流体围绕所述容器的内部空间中的多个电池单体流动；以及在车辆的操作期间冷却所述介电流体，以便在所述多个电池单体的每一个上保持基本上均匀的表面温度。
全文摘要
本发明提供一种用于混合动力车辆的锂离子电池冷却系统，其包括多个自包含的液体冷却模块，每个冷却模块包括具有内部空间的封闭和密封的容器。每个冷却模块包括设置在容器的内部空间中的电池组件和多个电池单体，多个电池单体之间形成至少一个流体通道，用于在其中容纳流体。介电流体设置在至少一个流体通道内。介电流体基本上浸没电池组件并且与电池组件接触，以便加热和冷却电池组件。加热元件设置在内部空间中，并且加热介电流体。冷却元件设置在内部空间中，并且冷却介电流体。
文档编号H01M10/50GK103107384SQ201210458759
公开日2013年5月15日 申请日期2012年11月15日 优先权日2011年11月15日
发明者S.S.麦唐纳 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司