用于车辆能量存储系统的全浸没式蓄电池单体的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2015年9月26日提交的美国专利申请no.14/866,907的部分继续申请，其要求于2015年6月30日提交的美国临时申请no.62/186,977的优先权。该申请涉及于2015年8月31日提交的美国专利申请no.14/841,617。为了各种目的，上述申请的主题通过引用并入本文。

本申请一般涉及能量存储系统，并且更具体地涉及用于车辆的能量存储系统。

背景技术：

不应认为本部分描述的任何方法仅仅由于包含在本部分中而成为现有技术。

电驱动车辆为减少化石燃料发动机对环境的影响并将汽车移动性转化为可持续运输模式提供了解决方案。能量存储系统对于电驱动车辆(如混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆和全电动车辆)是必不可少的。然而，目前的能量存储系统具有尺寸大、效率低、安全性差等缺点。与许多复杂的电气系统类似，应小心管理汽车能量存储系统的热量。目前的热管理方案占用了过多的空间。当前的能量存储系统还由于蓄电池单体之间的不平衡以及各种电连接中的电阻而导致效率低下。此外，目前的能量储存系统没有得到足够的保护，以免受到例如碰撞期间遇到的碰撞力等的影响。

技术实现要素：

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下详细说明书中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在确定要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。

根据各种实施例，本公开可针对冷却子系统，所述冷却子系统包括：冷却剂部分，其中流动有冷却剂；具有涂覆部分的多个蓄电池单体，所述涂覆部分设置在所述冷却剂部分中，所述冷却剂部分被构造成使得所述多个蓄电池单体基本完全被所述冷却剂覆盖；以及设置在所述冷却剂部分中的保持器，所述保持器保持所述多个蓄电池单体，所述保持器具有多个流动通道，所述冷却剂在所述流动通道中流动。

附图说明

通过示例而非限制的方式在附图中示出了实施例，其中相同的附图标记表示相似的元件。

图1示出了能够使用能量存储系统的示例环境。

图2a示出根据本公开的各实施例的能量存储系统中的蓄电池模块的定向。

图2b示出了如图2a所示的部分蓄电池组的外壳的底部部分。

图3是示出根据示例实施例的冷却剂流动的简化图。

图4是根据本公开的各实施例的蓄电池模块的简化图。

图5示出了根据各实施例的半模块。

图6a和图6b示出根据各种实施例的载流子。

图7示出了示例蓄电池单体。

图8示出了蓄电池半模块的另一实施例。

图9示出了蓄电池半模块的又一实施例。

具体实施方式

尽管本公开容许许多不同形式的实施例，但在附图中示出并将在这里详细描述若干具体实施例，应当理解的是，本公开应被认为是本公开的原理的示例，不意图将本公开限制于所示的实施例。此处使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，在用在本说明书中时，术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(includes)”和“包含(including)”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或其组合。应当理解的是，可以在整个附图中用相同的附图标记标识本文涉及的类似或相似的部件和/或组件。应当进一步理解的是，附图中的一些仅仅是本公开的示意性表示。因此，为了图像的清晰度，一些组件可能已经从其实际比例上扭曲。

本公开的一些实施例可以被部署在用于运输的有轮的、自供电的机动车辆例如混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆以及全电动车辆中。例如，图1示出了电动车100。电动车100可以是由一个或多个电动机110推进的汽车。电动机110可以通过传动系(图1中未示出)联接到一个或多个车轮120。电动车100可以包括车架130(也被称为车身底板或底盘)。车架130可以是电动车100的支承结构，其他部件可以附接/安装到其上，例如蓄电池组140a。蓄电池组140a可以例如通过逆变器供应电力来给一个或多个电动机110供电。根据一些实施例，逆变器可以将蓄电池组140a的直流电(dc)转换为交流电(ac)，如电动机110可能需要的那样。

如图1所示，蓄电池组140a可以具有紧凑的“覆盖区”并且至少部分地被车架130包围，并且被设置为提供例如距联接到车架130的上主体的结构轨道150预定的间隔。因此，可以在蓄电池组140a周围形成后缓冲区160、前缓冲区170和侧缓冲区180中的至少一个。车架130和结构轨道150都可以保护蓄电池组140a免受例如在碰撞时从电动车100外部施加的力或冲击。相反，延伸经过结构轨道150、后缓冲区160和前缓冲区170中的至少一个的其它蓄电池组仍然容易受到损坏，并且甚至可能在撞击时爆炸。

蓄电池组140a可以具有紧凑的“覆盖区”，使得它可以灵活使用并且设置在具有不同尺寸的车架130上。蓄电池组140a也可以设置在车架130中以帮助提高方向稳定性(例如偏航加速度)。例如，蓄电池组140a可以设置在车架130中，使得电动车100的重心位于轴距的中心(例如，由多个车轮120界定)的前方。

图2a示出了根据各实施例的具有叠加的虚拟x轴、y轴和z轴的蓄电池组140b。蓄电池组140b可以包括多个蓄电池模块210。在非限制性示例中，蓄电池组140b可以是大约1000mm宽(沿x轴)、1798mm长(沿y轴)，以及152mm高(沿z轴)，并且可以包括36个蓄电池模块210。

图2b出于说明目的示出了移除盖的蓄电池组140b的示例性外壳200。外壳200包括托盘260和多个蓄电池模块210。托盘260可以包括正母线220和负母线230。正母线220可以电联接到每个蓄电池模块210的电源连接器的正(+)部分。负母线230可以电联接到每个蓄电池模块210的电源连接器的负(-)部分。正母线220可以电联接到外壳200的正极端子240。负母线230可以电联接到外壳200的负极端子250。如图1所示，因为母线220和230可以在结构轨道150内，因此可以保护它们免受碰撞损坏。

根据一些实施例，负母线230和正母线220可以沿着托盘260的相对缘设置，以在负母线230和正母线220之间提供预定分离。负母线230与正母线220之间的这种分离可防止或至少减少由于冲击引起的变形而导致(例如，蓄电池组140b)短路的可能性。

如将进一步参照图5更详细描述的那样，蓄电池模块210可以包括至少一个蓄电池单体(细节未在图2a中示出，参见图7)。所述至少一个蓄电池单体可以包括阳极端子、阴极端子和圆柱形主体。蓄电池单体可以设置在每一个蓄电池模块210中，使得阳极端子的表面和阴极端子的表面垂直于图2a中参照的虚拟x轴(例如，蓄电池单体的圆柱形主体平行于虚拟x轴)。这可以被称为x轴单元取向。

在一个或多个蓄电池模块210发生火灾和/或爆炸的情况下，蓄电池单体可以沿着x轴排气，有利地使对驾驶员、乘客、货物等的危险和/或危害最小化，在各实施例中，其可以设置在电动车100中蓄电池组140b的上方(例如，沿z轴)。

图2a和图2b中所示的蓄电池组140b中的蓄电池模块210的x轴单元方位对于至蓄电池组140b中的每个蓄电池模块210的有效的电气和流体布线可以是有利的。例如，蓄电池模块210中的至少一些可以以串联的方式电连接(形成串212)，并且两个或多个串212可以以并联的方式电连接。这样，根据各实施例，在串212中的一个蓄电池模块失效的情况下，串212中的其他蓄电池模块可能不受影响。

图3示出了根据各实施例的冷却剂系统和冷却剂子系统的冷却剂流动及操作。如图3所示，x轴单元取向可以有利于将冷却剂(冷却液)并行地引导到蓄电池组140b中的每个蓄电池模块210。冷却剂可以在入口310处被泵送到蓄电池组140b中，并且在出口320处被泵出蓄电池组140b。蓄电池组140b内产生的压力梯度可以提供冷却剂的充分循环以使蓄电池组140b内的温度梯度最小化(例如，一个蓄电池模块210内的温度梯度，蓄电池模块210之间的温度梯度，和/或图2a中的两个或更多个串212之间的温度梯度)。

在蓄电池组140b内，冷却剂系统可以使冷却剂例如循环到蓄电池模块210(例如，循环由附图标记330表示)。可以使用一个或多个额外的泵(图3中未示出)来维持在(例如，图2a中的串212中)串联连接的多个蓄电池模块210之间以及两个或更多个串212之间的大致恒定的压力。在每个蓄电池模块210内，冷却剂子系统可使冷却剂循环，例如，在图4所示的两个半模块410和420之间和之内循环(例如，由附图标记340指示的循环)。

在一些实施例中，冷却剂可以通过两个半模块410和420之间的界面350沿垂直于每个蓄电池单体的圆柱体主体的方向(例如，沿着y轴或z轴)进入每个蓄电池模块210，并流动到每个单元。通过冷却剂系统内的压力驱动，冷却剂然后可以沿着每个蓄电池的圆柱形主体(例如，沿x轴)流动并且可以在与x轴垂直的模块的两个(相对的)侧表面360a和360b处被收集。以这种方式，可以高效地管理/耗散热量，并且蓄电池组140b中的所有蓄电池单体中的热梯度最小化，使得温度可以保持在大致均匀的水平。

在一些实施例中，如图3所示，并联冷却可以将蓄电池组140b中的蓄电池单体之间的温度保持在大致均匀的水平，使得每个蓄电池单体的直流内阻(dcir)可以保持为基本上预定的电阻。dcir可以随着温度而变化，因此，将蓄电池组140b中的每个蓄电池单体保持在基本均匀的预定温度可以使每个蓄电池单体具有基本上相同的dcir。由于每个蓄电池单体两端的电压可以根据其各自的dcir的函数而降低，所以蓄电池组140b中的每个蓄电池单体可能经历基本相同的电压损失。以这种方式，蓄电池组140b中的每个蓄电池单体可以保持大致相同的容量，并且蓄电池组140b中的蓄电池单体之间的不平衡可以被最小化，从而提高蓄电池效率。

在一些实施例中，当与使用金属管来循环冷却剂的技术相比较时，并联冷却可以实现蓄电池模块210内更高的蓄电池单体密度以及蓄电池组140b内更高的蓄电池模块密度。在一些实施例中，冷却剂或冷却液可以是以下中的至少一种：合成油例如聚-如聚烯烃(或聚烯烃，缩写为pao)油，乙二醇和水，基于相变的液体介电冷却等等。、

图4示出了根据各实施例的蓄电池模块210。主电源连接器460可以将来自蓄电池单体450的电力提供到蓄电池模块210的外部。可以在主冷却剂输入端口480处向蓄电池模块210提供冷却剂，从蓄电池模块210接收/传递热量，并且在主冷却剂输出端口处接受冷却剂。在一些实施例中，蓄电池模块210可以包括两个半模块410和420，每个半模块具有相应的外壳430。外壳430可以使用具有足够低的导热率的一种或多种塑料制成。两个半模块410和420中的每一个的相应外壳430可以彼此联接以形成用于蓄电池模块210的外壳。

图4包括外壳430的视图440(例如，移除盖)。对于半模块410、420中的每一个，示出了多个水平取向(安装)的蓄电池单体450(也参见图5和8)。作为非限制性示例，每个半模块可以包括104个蓄电池单体450。作为进一步的非限制性示例，8个蓄电池单体450可以以串联方式电连接(例如，如图4所示的8个蓄电池单体450的交错列)，其中总共13个这样的串联电连接的八个蓄电池单体450的组。作为附加的非限制性示例，13个组(例如，串联电联接的8个蓄电池单体450的交错列)可以并联电连接。该示例配置可以被称为“8s13p”(8串联，13并联)。在一些实施例中，8s13p电连接性可以由载流子510提供，下面结合图5和图6进一步描述。可以使用串联和/或并联电联接的蓄电池单体450的其他组合和排列。

图5描述了根据各实施例的不具有外壳430的半模块410、420的视图。半模块410和420不一定是相同的，例如，在一些实施例中，它们可以是彼此的镜像。半模块410和420可以包括多个蓄电池单体450。多个蓄电池单体450可以设置在载流子510和冲击板(blastplate)520之间，使得每个蓄电池单体450的外侧不与其他(例如，相邻的)蓄电池单体450的外侧接触。以这种方式，冷却剂可以在蓄电池单体450中以及蓄电池单体450之间循环，以提供浸没的、均匀分布的冷却。另外，为了在不需要冷却的区域中节省与冷却剂相关的重量，可以使用在载流子510和冲击板520之间的未被蓄电池单体450占据空间530中精心设计的通道来形成气囊。

冷却剂可以通过冷却剂入口540进入半模块410、420，可选地由一个或多个流动通道引导，在多个蓄电池单体450中和多个蓄电池单体450之间循环，并且通过冷却剂出口550离开。在一些实施例中，冷却剂入口540和冷却剂出口550可以分别是凸流体配件或凹流体配件。在一些实施例中，冷却剂或冷却液是以下中的至少一种：合成油例如聚-以下烯烃(或聚烯烃，缩写为pao)油，乙二醇和水，基于相变的液体电介质冷却等等。与使用金属管来循环冷却剂的技术相比，在各实施例中，浸没式冷却将蓄电池单体450(例如，蓄电池模块210和半模块410,420内部)的堆积密度提高15％。

图6a和图6b描述了根据各实施例的载流子510、510a。载流子510、510a可以是大致平坦的(或平面的)并且可以包括一个或多个层(图6a和6b中未示出)，诸如基层、正电源平面、负电源平面和夹在介电隔离层(例如，由聚酰亚胺制成)之间的信号平面。在一些实施例中，信号平面可以包括信号迹线并且被用于向蓄电池模块210的外部提供蓄电池模块遥测(例如，蓄电池单体电压、电流、充电状态和来自载流子510上的可选传感器的温度)。

在图6b中，为了说明的目的，载流子510a可以是载流子510的一部分的放大视图。载流子510a可例如在分立的(熔合的)正(+)部分630和分立的负(-)部分640处可通信地联接到蓄电池单体450中的每一个，以及联接到蓄电池单体450的阴极和阳极，所述负(-)部分640可(分别)电联接到载流子510a的正电源平面和负电源平面部分。在一些实施例中，正(+)部分630可以被激光焊接到蓄电池单体450的阴极端子，而负(-)部分640可以被激光焊接到蓄电池单体450的阳极端子。在一些实施例中，激光焊接连接可以具有大约5毫欧的数量级的电阻。相反，使用铝接合引线的超声接合将元件电联接可以具有大约10毫欧的数量级的电阻。与超声波引线接合相比，激光焊接有利地可以具有更低的电阻以实现更高的功率效率并且花费更少的时间来执行，这可以有助于提高性能和制造效率。

载流子510a可以包括由载流子510a的金属层(例如，铜、铝等)的一部分例如在正电源平面中形成的熔丝650。在一些实施例中，可以在金属层(例如，正电源平面)中形成(例如，激光蚀刻)到与低电阻电阻器类型对应的尺寸的熔丝650，并且熔丝650充当用于提供过电流保护的牺牲装置。例如，在蓄电池单体450之一的热失控(例如，由于内部短路)的情况下，熔丝可“熔断”，断开与蓄电池单体450的电连接并将蓄电池单体450与载流子510a电绝缘。尽管提供了在正电源平面中形成的熔丝的示例，但是熔丝可以附加地或可选地是负电源平面的一部分。

在各实施例中，可以通过在蓄电池单体450的端部740(在图7中标出)上刻痕来提供附加的热失控控制。刻痕可以促进破裂，从而在过压的情况下实现排气。在各实施例中，所有蓄电池单体450可被定向成允许两个半模块通风进入冲击板520。

在一些实施例中，载流子510可以由印刷电路板和柔性印刷电路组成。例如，印刷电路板可以不同地包括以下中的至少一种：铜、fr-2(酚醛棉纸)、fr-3(棉纸和环氧树脂)、fr-4(玻璃织物和环氧树脂)、fr-5(玻璃织物和环氧树脂)、fr-6(不光滑玻璃和聚酯)、g-10(玻璃织物和环氧树脂)、cem-1(棉纸和环氧树脂)、cem-2(棉纸和环氧树脂)、cem-3(无纺玻璃和环氧树脂)、cem-4(玻璃织物和环氧树脂)和cem-5(玻璃织物和聚酯)。作为进一步的非限制性示例，柔性印刷电路可以包括以下中的至少一种：铜箔和例如聚酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚醚酰亚胺(pei)的柔性聚合物膜以及各种含氟聚合物和共聚物。

除了将蓄电池单体450彼此电联接(例如串联和/或并联)之外，载流子510还可以例如通过主电源连接器460(图4)向蓄电池模块210的外部提供电连接。载流子510还可以包含从信号平面传输信号的电接口560(图5、6a)。电接口560可以包含电联接件(图5和图6a中未示出)。

图7根据一些实施例示出了蓄电池单体450。在一些实施例中，蓄电池单体450可以是锂离子(li-ion)蓄电池。例如，蓄电池单体450可以是具有18.6mm的近似直径和65.2mm的近似长度的圆柱体形状的18650型锂离子蓄电池。其他可充电蓄电池形状和化学物质可以附加地或可选地被使用。在各实施例中，蓄电池单体450可以包含罐720(例如，圆柱形主体)、阳极端子770和阴极端子780。例如，阳极端子770可以是蓄电池单体450的负端子，阴极端子780可以是蓄电池单体450的正端子。阳极端子770和阴极端子780可以通过绝缘体或电介质彼此电隔离。

图8是用于说明目的的半模块800的横截面图。在一些实施例中，半模块800可以是半模块410、420(图5)。半模块800可以包括载流子510(图5、6a和6b)、冲击板520(图5)、蓄电池单体450(图5和7)以及设置在载流子510和冲击板520之间的保持器810。

每个蓄电池单体450可以包括具有涂层830的外表面。具有涂层830的蓄电池单体450的长度可以由参考字符“b”表示。相反，不具有涂层830的蓄电池单体450的长度可由参考字符“a”表示。例如，“b”可以在蓄电池单体450的长度的50％～90％的范围内。在一些实施例中，涂层830可以是提供每个蓄电池单体450之间的(介电)隔离的电绝缘体(例如，极低电导率或高电阻，诸如电介质常数或相对介电常数(例如，ε或k)小于15和/或体积电阻大于10¹⁴ohm·cm)(例如，使得蓄电池单体不会短路)。在各实施例中，涂层830可以附加地或可替代地向每个蓄电池单体450提供高热导率(例如，大于5w/m·°w)，这可以有助于将来自蓄电池单体450的热量传递到流体，诸如液体冷却剂。例如，涂层830可以包括氧化铝(al2o3)、基于金刚石粉末的材料、氮化硼(bn)等中的一种或多种。作为进一步的非限制性实例，可以使用电泳沉积(epd)(例如，电涂、电涂覆、阴极电沉积、阳极电沉积和电泳涂覆/涂装)、浸渍、热喷涂(例如等离子喷涂)等中的至少一种来向蓄电池单体450的外表面施加涂层830。

在一些实施例中，具有涂层830的蓄电池单体450的外表面可以设置在半模块800a的浸没区域820中，并且浸没区域820可以具有设置在其中的液体冷却剂。也就是说，具有涂层830的蓄电池单体450的一部分可以浸没在液体冷却剂中。例如，浸没区域可以是设置在保持器810和冲击板520之间的空间或体积。作为进一步的非限制性示例，冷却剂可以是乙二醇和水。与完全浸没相比，如图8a所示的部分浸没可以提供重量较轻的优点，至少部分地由于每个半模块800a中的较少量的冷却剂。与其他一些冷却剂相比，乙二醇可以提供更高的热量/热容量并且更有效率的传热。

在一些实施例中，不具有涂层830的蓄电池单体450的外表面可以布置在非浸没区域840中，并且非浸没区域840可以具有布置在其中的不同于液体冷却剂的物质(例如，诸如空气的流体，其基本上是氮气(～78％)和氧气(～21％))。也就是说，不具有涂层830的蓄电池单体450的一部分可以不浸没在液体冷却剂中。例如，非浸没区域可以是设置在载流子510和保持器810之间的空间或体积。

保持器810可将蓄电池单体450保持在固定位置并将浸没区域820与非浸没区域840分开。在各实施例中，浸没区域820可处于例如(循环)泵送冷却剂的压力下。在一些实施例中，冷却剂压力可以在小于5磅每平方英寸(psi)的数量级上，例如大约0.7psi。

保持器810可在蓄电池单体450的区段或部分周围形成密封(例如，类似于o形环)，使得冷却剂不会从浸没区域820流动/移动到非浸没区域840。例如，保持器810可以包含弹性体(例如橡胶)。在一些实施例中，保持器810可以联接到具有涂层830、不具有涂层830、或者部分具有涂层830和部分不具有涂层830的蓄电池单体450的外表面。

附加地或可选地，与非浸没区域840流体接触的保持器810的表面可以被封装(例如，填充有固体或凝胶状化合物(例如，热固化塑料、硅橡胶凝胶等以排除冷却剂)。在各实施例中，载流子510可以电联接到蓄电池单体450的位置和/或其周围的区域可以封装(例如以防止电短路)。

图9是用于说明目的的半模块900的横截面图。在一些实施例中，半模块900可以是半模块410、420(图4和5)。如图9所示，蓄电池单体450(图4、5、7和8)的外表面可以基本完全被涂层830(图8)覆盖(例如除了在蓄电池单体450的端部740和/或其附近之外，包括阴极端子780和阳极端子770(图7))。例如，浸没区域820可以基本上遍布蓄电池单体450的全长。也就是说，蓄电池单体450基本上完全浸没在冷却剂中(例如，除了蓄电池单体450的端部740和/或其附近之外)。在一些实施例中，冷却剂基本覆盖蓄电池单体450的98％。在另一个实施例中，冷却剂基本覆盖蓄电池单体450的92％～98％。在一些实施例中，冷却剂可以在保持器810和/或载流子510(图5、6a和图6b(510a))中流动/循环通过流动通道910。在各实施例中，载流子510可以电联接到蓄电池单体450的地方附近和/或载流子510可以电联接到蓄电池单体450的地方可以被封装(例如填充有固体或凝胶状化合物，例如作为热固性塑料、硅橡胶凝胶等以排除冷却剂，防止电短路等)。

如本领域普通技术人员将容易理解的，在此描述的各种实施例可以用于附加的应用中，诸如用于风能和太阳能发电的能量储存系统中。其他应用也是可能的。

已经出于说明和描述的目的呈现了本公开的描述，但是并不旨在穷举或限制于所公开的形式的本公开。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择和描述示例性实施例是为了最好地解释本公开的原理及其实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解本公开的具有各种修改的各种实施例，以适合于预期的特定使用。