专利名称：具有用于增强热交换属性的微胶囊相变材料的电池热界面的制作方法
具有用于增强热交换属性的微胶囊相变材料的电池热界面相关申请的交叉引用
本申请要求于2011年4月7日提交的美国临时申请61/472，701的权益。
背景技术：
本发明大致涉及电池及其部分的被动热管理，且更具体地涉及微胶囊相变材料与汽车电池组、电池模块或独立电池单元的结合使用，从而改善这些电池元件的热管理。锂离子电池在汽车应用中在混合电动车辆(HEV)的情况下作为补充方式使用，或在纯电动车辆(PEV)、传统内燃发动机(ICE)的情况下作为替代方式使用。在任ー变型中，HEV或PEV均属于公知为电动车辆(EV)的更大类的车辆。锂离子电池的高容积热产生率和基本上被动的构造提供需要用作小车、卡车、公共汽车、摩托车和相关汽车或车辆平台的推进系统的耐久性和功能性。 温度是影响电池的性能和寿命的最重要因素中的ー个。极端情况(例如在冷或热环境下长期静止所遭遇的那些情况或因延长操作时间段和在热天的伴生热的情况)，可能负面影响电池正确地操作的能力，且在严重情况下可能损坏整个电池。长期暴露于高温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。经证实，传统热耗散方法，例如強制通风冷却和液体冷却在避免这种副作用中有效，但它们会增加整个车辆系统重量、复杂度和寄生功率需求。
发明内容
基于相变材料(PCM)的电池热管理系统具有限制电池温度极限的潜力，因而用于増加温度均匀性，以及降低加热和冷却要求。这有助于延长热敏元件例如形成电池模块和电池组的块结构的充电电池单元的寿命。PCM在相的等温(即恒定温度)改变例如从固态至液态或从液态至固态期间可吸收和释放大量的潜热(在一些实例中高达感知热的五十倍)。这样，PCM的使用可有助于降低或消除对主动冷却元件例如強制通风冷却或強制液冷系统中风扇、鼓风机或泵的需要。这是有利的，因为PCM可提供将单元温度維持在所需温度范围内而不从电池或另一能量源提取功率的能力。基于PCM的电池热管理方法的举例可在与本申请同日提交的名称为“Batteries with phase change materials”的共同待决的美国专利申请中找到，该美国专利申请由本发明的受让人拥有，并通过引用整体结合于此。根据本发明的ー个方面，公开了ー种采用ー个或多个的电池模块的电池组，电池模块采用一个或多个的电池単元。更具体而言，微胶囊类型的基于PCM的热管理系统用于为这种电池元件的构造提供加强的加热或冷却中的至少ー个。这种类型，已知为微PCM，由非常小的双元件颗粒或胶囊组成，包括具有潜热改变的芯材料和由聚合物或相关材料制成的外壳体或胶囊，芯材料定制成适合典型地见于汽车电池组的温度范围，芯和壳体共同限定基本上球形的泡沫状材料。微PCM胶囊的直径范围从小于ー个微米至几百微米，其中物质的所有三种状态(固态、液态和气态)可用于形成可微胶囊封装的芯。相较于非微胶囊PCM,微胶囊PCM的优势包括更加保护芯材料、容易结合于其它材料，和在熔化期间降低泄漏的可能性。微PCM还可以不同质量百分比混合，以便设定它们的热响应，例如调整相变潜热和相变温度。它们还可制作成将多于ー种的材料形成在芯内，使得各微PCM具有热复合结构。额外优势包括低材料成本，其中微胶囊可包括约50%至90%之间的活性材料。在具体形式中，电池组由多个电池模块组成，各电池模块由ー个或多个电池单元组成，一个或多个电池単元可输送用作用于汽车的原动カ的电流。在本文中，术语“原动力”指能够不仅仅为另一功率源(例如内燃发动机)提供启动功率的电池组；其包括能够以与其设计一致的方式提供足以推动车辆的持续功率的电池组。在ー种形式中，通过电池组产生的电流可用于使ー个或多个电动马达工作，一个或多个电动马达又可用于使ー个或多个轮旋转。其它构件(例如结构构件)放置成与电池单元热连通，使在它们之间能够进行热交換。该构件包括微PCM，使得在微PCM受到温度变化时，微PCM吸收(在涉及外界高温的情况下)或释放(在涉及外界低温的情况下)大量的潜热的能力允许与电池单元进行大量的热交换，而不(或至少明显降低)需要辅助冷却，例如強制通风或强制液体对流冷却。在一个优选形式中，微PCM由包含相变材料的内芯的外壳体的两层结构组成。以这种方式，高潜热吸收的材料保护性地封装在壳体内。对于汽车应用，其中外界温度大多在 约-10°C至40°C之间，高潜热吸收的材料可制成在这些界限上或这些界限内的ー些典型温度在以固、液或气态中的任意ー种形式存在。这样，在本文中，当微PCM被描述为具有具体相变温度(例如通常约-10°C至约40°C或在该范围内的更具体值例如37°C (在二十烷的情况下，如下所述)，或更宽范围例如约0°C以下)时，本领域普通技术人员将理解，接近这些温度的微小变型也在本发明的范围内，只要这种变型对应汽车操作的热环境，以及这种环境在汽车设计范围内且是在这种操作期间合理期望遇到的。用于微PCM的芯材料的一种尤其理想的材料为二十烷，基于链烷烃的烷烃混合物，其具有熔合的高潜热(例如约240kJ/kg)。二十烷的熔化点为37°C，使得其用于电动车辆应用是理想的，其中典型电池单元最大漂移温度可能发生在约40°C至50°C之间。同样，因为汽车应用(例如具有HEV或PEV构造的那些)可能在以上温度范围内操作，希望至少高温相变温度发生在约28°C至40°C之间。这种基于链烷烃的PCM为优良电绝缘体，电阻在IO13和IO17欧姆米之间。而且，这种微PCM显示出在各种电池充电和放电循环中耐用，特别强调，因为在不同电池操作温度下泡沫压缩カ将偏转，避免损坏微胶囊。可使用其它材料，例如非链烷烃有机PCM脂肪酸；然而，可能需要额外加工，使得熔化或相关相变在与HEV或PEV电池组操作温度相称的温度范围内发生。根据具体汽车环境的需要，其它基于链烷烃石蜡的适当材料可包括十八烷。尽管可以通过在石蜡基体中使用某种高热传导材料(例如石墨)增强材料(例如链烷烃石蜡)的热传导性，但至少对于汽车和相关交通应用必须注意的是，石墨易于损坏(且因此显现负面的与破碎相关的损坏属性)，难以加工，电传导且昂贵。其它因素(例如泄漏属性)妨碍其用作PCM的基体，尤其是对于HEV或PEV应用来说。在ー个具体构造中，微PCM(可具体化为基本上球形形状)的直径为约20微米。同样，用作芯的高潜热吸收的材料可在室温下为固、液或气态中的任意ー种，只要其在受到电池组的相应高或低温时保持吸收或释放大量的潜热的能力，吸收或释放大量的潜热对应于吸热反应热吸收和放热反应热释放中的至少ー个。在更具体的形式中，所述构件(优选为热交换机构的一部分或为热交换机构提供结构支撑)包括冷却翅片、冷却板或可压缩泡沫隔离片中的至少ー个，冷却翅片、冷却板或可压缩泡沫隔离片中的任意ー个或全部可用于支撑微PCM，例如通过涂覆或其它方式将微PCM层放置在外表面上。在另一形式中，微PCM可为复合物，使得其由低温相变材料(例如设计成在约-10°C至约o°c的范围中的温度经历从液态至固态的相变)和高温相变材料(例如设计成在约40°c的温度或(需要更高温度汽化潜热的情况下)在约40°C至50°C之间经历从固态至液态的相变)组成。这种复合物构造在汽车应用中尤其具有价值，其中时间历史记录可显示显著不同的热环境。各种微PCM可以不同质量百分比混合在胶囊中以获得不同的相变温度。例如，n-十四烷(熔化点为6°C )和n- 二十烷(熔化点为37°C )可混合在胶囊中，以将温度波动限制在约0°C至约40°C之间。在这种复合物的变型中，可采用包含高温和低温壳体-芯组合的混合物。理想的是，采用微PCM的本发明的热管理系统应用于电池，以减少重复暴露于高温，重复暴露于高温将导致电池的早期老化。更具体而言，紧密接触电池单元的微PCM可用作热缓冲，其可降低功率衰退，降低容量衰退 ，提高电池寿命和耐久性，降低保修成本，提高车辆范围和预防热失控。而且，具有不同(即更低)熔化点的微PCM可混合在高温微PCM中，由此提供高、低温保护。例如，低温相变材料和高温相变材料可放置在同一胶囊内，产生一种形式的复合微PCM。同样,复合微PCM可包括混合在高温芯-壳体组合中的低温芯-壳体组合。在ー种形式中，微PCM可形成为锂离子电池单元或相关电池単元的一部分，或可放置成与电池单元热连通的结构构件或相关元件(例如泡沫隔离片、冷却板或冷却翅片)的一部分。优选的是，微PCM的体容积采用湿饼形式(即固体和水的混合物)。在本文中，湿饼形式指整个双元件颗粒的体容积；在一个优选形式中，其包含约70%的固体和约30%的水。相较于干饼形式，湿饼形式的微PCM当与其它材料混合时反应快速，且经证实其更稳定而不易分离。微PCM可均匀涂覆在聚氨酯材料上或熔化混合于聚氨酷材料，以形成新的热泡沫隔离片，或形成作为冷却板或冷却翅片的一部分的通道。在一个优势形式中，PCM的微胶囊形成为其具有高度的温度稳定性，其中泄漏保持为最小。高热容量的微PCM与其所附接的井置的片、板或翅片联接，形成被动热管理系统的基础，该被动热管理系统独立于作为集成冷却系统的一部分的主动或其它形式的冷却，或作为其一部分。因而，甚至在可以确保主动冷却的情况下，将微PCM使用作为集成冷却策略的一部分可简化冷却系统。而且，本发明的微PCM可在基于空气或基于液体的冷却介质的情况下使用。根据本发明的另一方面，汽车包括用于运输乘客、操作员或货物中的至少ー个的部分，用于接合汽车行驶的表面的部分和用于为表面-接合部分提供原动カ的推进部分。在ー种形式中，运输部分可为小汽车、卡车、公共汽车等的货仓或客舱，以及用于摩托车的座位。类似地，表面-接合部分可由一个或多个轮组成，ー个或多个轮有利于汽车在道路、轨道、路径或相关表面上的滚动运动。相关地，推进部分为轮提供原动力，且可包括电池组，电池组包括ー个或多个电池模块，一个或多个电池模块可由ー个或多个独立电池单元制成。如上所述，对于电池和它们的元件，温度管理是重要问题；本发明包括由放置成与ー个或多个电池单元热连通的微PCM组成的热交换机构。在微PCM受到ー个电池单元或多个电池单元的温度变化时，微PCM可定制成(在适当温度)经历相变，以便吸收(在加热时)构成电池组的一个或多个单元的热量或向构成电池组的ー个或多个单元释放(在冷却时)热量。可选地，微PCM由外壳体构成，高潜热吸收材料的内芯封装在壳体内。在ー种形式中，微PCM可包括低温相变材料和高温相变材料，使得低温相变材料构造成在相对低的温度经历从液态到固态的相变，且进一歩使得高温相变材料构造成在相对高的温度经历从固态到液态的相变。这种相对温度优选地与汽车通常和电池组具体可能受到的低温和高温相符。如以上所讨论的那样，在ー种形式中，低温和高温芯材料可一起混合ー个壳体内，而在另ー种形式中，各自可保持在它们自身对应的壳体内。后者的构造允许基于期望的局部热环境审慎地放置定制温度的微PCM。根据本发明的又一方面，公开了ー种控制电池组温度的方法。所述方法包括将微PCM配置成与电池单元热连通，使得在单元的温度变化时，在单元和微PCM之间发生热交换，其中它们之间的热交換的至少一部分发生在微PCM芯内的相变期间。在交換的具体形式中，相变包括使微PCM在小于约(TC的温度从基本上液态形式转化成基本上固态形式。同样，相变包括使微PCM在大于约40°C的温度从基本上固态形式转化成基本上液态形式。在其它形式中，依据电池的构造、使用环境或相关操作条件，相变温度可设定成对于电池単元的操作重要的其它温度状况下发生；应理解，这种其它温度范围在本发明的范围内。在另ー选择中，微PCM可由多个相变材料制成；以这种方式，第一微PCM可用于电池组(或其相关 部分)受到低温的情况，而第二微PCM可用于其受到高温的情況。如上所述，这种构造(即低温和高温能力)可称为复合PCM系统。如结合上述实施例讨论的那样，微PCM由外壳体 构成，高潜热吸收的材料的内芯封装在壳体内，其中芯可包含低温和高温相变材料中的一种或两种，作为上述复合结构的ー种形式的一部分。在又ー选择中，微PCM放置成与电池单元的表面可压缩地接触，例如通过上述泡沫隔离片，其中微PCM与聚氨酯或相关基板的组合显现出弾性、类似泡沫的属性。这种(和其它直接)接触保证了充分的微PCM与电池的热产生部分之间的热量热连通的机会。而且，如先前讨论的那样，微PCM可形成冷却板(更具体地，放置在形成于板表面的一个或多个通道内)或冷却翅片的表面的一部分。此外，本发明还涉及以下技术方案。I. 一种用于汽车的电池模块,所述电池模块包括
至少ー个电池单元，所述电池单元构造成输送电流，用作用于所述汽车的原动カ；和放置成与所述至少一个电池単元热连通的构件，所述构件包括微胶囊相变材料，该微胶囊相变材料在受到所述至少一个电池単元的温度变化时能够经历相变，从而与所述至少ー个电池单元交换热量。2.根据技术方案I所述的电池模块，其特征在于，所述微胶囊相变材料包括外壳体，高潜热吸收的材料的内芯封装在所述壳体内。3.根据技术方案2所述的电池模块，其特征在于，所述芯包括二十烷。4.根据技术方案3所述的电池模块，其特征在于，所述壳体包括聚合物基材料。5.根据技术方案2所述的电池模块，其特征在于，所述微胶囊相变材料的尺寸在直径约I微米至直径约100微米之间。6.根据技术方案2所述的电池模块，其特征在于，所述高潜热吸收的材料在室温下可以是固态、液态或气态中的任意ー种。7.根据技术方案I所述的电池模块，其特征在于，所述相变对应于吸热反应热吸收和放热反应热释放中的至少ー个。8.根据技术方案I所述的电池模块，其特征在于，所述构件包括泡沫隔离片、冷却翅片或冷却板中的至少ー个，泡沫隔离片、冷却翅片或冷却板中的任意ー个包括形成在其外表面的所述微胶囊相变材料。9.根据技术方案I所述的电池模块，其特征在于，所述微胶囊相变材料包括低温相变材料和高温相变材料，使得所述低温相变材料构造成在约0°c的温度经历从液态到固态的相变，且进一歩使得所述高温相变材料构造成在约40°c的温度经历从固态到液态的相变。10. 一种汽车，包括
用于运输乘客、操作员或货物中的至少ー个的部分；
用于接合所述汽车行驶的表面的部分；和
用于提供原动カ给所述与表面接合的部分的推进部分，所述推进部分包括至少ー个电池模块，所述至少ー个电池模块包括
至少ー个电池单元；和
放置成与所述至少一个电池単元热连通的热交换机构，所述热交换机构包括微胶囊相变材料，该微胶囊相变材料在受到所述至少一个电池単元的温度变化时能够经历相变，从而与所述至少ー个电池单元交换热量。11.根据技术方案10所述的汽车，其特征在于，所述微胶囊相变材料包括外壳体，高潜热吸收的材料的内芯封装在所述壳体内。12.根据技术方案11所述的汽车，其特征在于，所述微胶囊相变材料包括低温相变材料和高温相变材料，使得所述低温相变材料构造成在相对低的温度经历从液态到固态的相变，且进一歩使得所述高温相变材料构造成在相对高的温度经历从固态到液态的相变。13. ー种控制电池模块的温度的方法，所述方法包括
提供至少ー个电池单元；
将微胶囊相变材料配置成与所述电池単元热连通，使得在所述至少一个电池単元的温度发生变化时，在所述至少一个电池単元和所述微胶囊相变材料之间发生热交換。14.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述热交換伴随所述微胶囊相变材料的相变。15.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述相变包括使所述微胶囊相变材料在小于约o°c的温度从基本上液态形式转化成基本上固态形式。16.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述相变包括使所述微胶囊相变材料在大于约40°C的温度从基本上固态形式转化成基本上液态形式。17.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述微胶囊相变材料包括多个相变材料，所述多个相变材料包括低温相变材料和高温相变材料。18.根据技术方案17所述的方法，其特征在干，所述低温相变材料构造成在约(TC的温度经历相变，且所述高温相变材料构造成在约40°C的温度经历相变。19.根据技术方案13所述的方法，其特征在干，所述微胶囊相变材料包括外壳体，高潜热吸收的材料的内芯封装在所述壳体内。20.根据技术方案19所述的方法，其特征在于，所述微胶囊相变材料放置成与所述至少一个电池単元的表面可压缩地接触。
图I显示了电池组形式的车辆推进系统；
图2为构成图I的电池组的电池模块的一部分的一个实施例的分解图，其中模块包括液体冷却； 图3为差示扫描量热法(DSC)图表，显示了将二十烷作为高潜热材料使用的体实验室级微PCM的相变属性；
图4为显示将二十烷作为高潜热材料使用的微PCM在环境腔室中的热测试的图表；
图5显示了根据本发明的ー个方面的对于基线泡沫隔离以及ー种形式的泡沫隔离当电池节段在充电和放电操作中的电池单元温度分布；
图6A显示了具有冷却板的潜在HEV电池模块的一部分的分解图，其中冷却板具有用于空气冷却的波纹通道；和
图6B显示了由图6A的多个电池部分组成的组装电池模块。
具体实施例方式首先參照图1，电池组I形式的车辆推进系统显示在部分分解图中，其采用多个电池模块10。依据所需功率输出，多个电池模块10可组合为群组或节段100 ;它们可对齐并通过同一托盘200支撑，托盘200还可用作支撑冷却剂软管300，冷却剂软管300可在需要补充冷却的构造中使用。隔离壁400可限定主要的支撑结构，其可作为用于冷却剂软管300的界面发挥功能，以及在需要电池维护的情况下容纳电池断开单元。除支撑多个电池模块10之外，托盘200和隔离壁400可支撑其它模块，例如电压、电流和温度测量模块500。显示了电池模块10中的ー个的独立电池单元35 (以下详细讨论)的放置，其通过电压和温度子模块600遮盖。在ー个典型举例中，电池组I可约有两百个独立电池单元35。电池组I包括其它特征，例如手动维护断开器700，绝缘器800和护盖900。除上述电池断开单元之外，其它功率电子元件可用于节段100，包括电池管理系统或相关控制器。在包含液冷电池组的传统形式中，不对这种电子元件进行冷却，尽管其位置非常靠近多个电池模块10。結果，它们可以使附近的模块10升温，由此造成単元35的非均匀退化和它们之间的伴生的不均衡。由于大多数这些功率电子元件位于电池模块10的顶部和端部，所以本发明的放置在这些元件和电池模块10的単元35之间的冷却板上的微PCM可用作热沉，以吸收和随后耗散通过基于空气或基于液体的方式对流产生的热。接着參照图2，以分解图显示了电池模块10的一部分的一个实施例，其与基于液冷的系统结合使用。为了形成模块10，以下讨论的元件中的至少ー些能够以重复堆叠状方式配置。端框15和重复框20形成用于电池模块10的结构的基础，其中端框15可具有围绕冷却板30的边缘部分25，冷却板30可包括用于增加稳定性的肋，而各重复框20可用于提供用于对应単元35的紧固安装位置。这样，冷却板30 (其中微PCM可形成于冷却板的一部分的通道内)和泡沫隔离片45 (其中微PCM可以均匀涂覆在聚氨酯材料上或与聚氨酯材料熔融混合而形成泡沫)可用作为电池单元35提供被动热传递或从电池单元35提供被动热传递的方式。而且，承载液体的冷却翅片40可放置成与电池单元35热连通，从而进一歩增强热容量和随后的热传递；它们靠近相应ー个重复框20，以基本上类似于単元35的方式允许方便的紧固位置。在本发明的具体实施例中，冷却板30、冷却翅片40和泡沫隔离片45中的任意ー个或全部可施加有、粘合有或以其它方式表面附着有微PCM，以便提供具有有利的增强的热交换能力的所需热界面。具体对于冷却翅片40，液体冷却剂可被使得流过ー个或多个基本上蜿蜒的流体运输通道或流路，而微PCM可布置在紧靠这些流路的表面上，以便最大化表面面积接触和伴生热传递。同样，冷却板30 (可安装在端框15上)可包括形成在其基本上平面的表面中的通道，以便允许在其中放置微PCM ;与冷却翅片40相同，冷却板30具有相对大的面积作为接触表面，以增强至电池单元35或来自电池单元35的热传递。端框15和重复框20典型地由轻重量、非传导材料制成，例如塑料(例如聚丙烯，尼龙6-6)和其它低成本材料。框15、20根据需要可以是纤维增强的，以保证结构强度。具体对于泡沫隔离片45，微PCM可布置在构成泡沫隔离片45的基板(例如上述聚氨酷)上。具体对于冷却板30，微PCM可形成为湿饼的一部分或其它半固态形式，使得其能够沉积在形成在板的表面上的肋间凹陷内。此外,绝缘片50放置在电池单元35和冷却板30之间以保护电池単元35。在优选形式中，绝缘片50由塑料或相关材料制成，且附着于冷却板30。一个或多个热敏电阻(未显示)位于绝缘片50和冷却板30之间，以监测电池单元35的温度。在电池模块10中，可有多个热敏电阻，例如，每个绝缘片50/冷却板30/电池单元35界面使用ー个。额外元件，例如封装板，电压内连接板或类似物(其多个显示在以下结合图6A和6B讨论的替代实施例中)用于帮助形成组装的电池模块10。 在共同待决的名称为“Liquid coolant with microencapsulated phase changematerials for automotive batteries”的美国专利申请中，详细讨论了微PCM在液体冷却剂中的使用，该美国专利申请与本申请同一天提交，由本发明的受让人拥有，且该美国专利申请通过引用整体结合于此。微PCM的本质在于，其具有高吸收潜热和可逆热调节属性。以这种方式，当作为泡沫隔离片45、冷却板30、冷却翅片40或需要增强热传递属性的电池模块10内的其它结构构件的一部分使用时，微PCM可用作热容器(thermal capacitor),可被动缓冲电池模块10中的温度极限。这有利于降低电池模块10的寄生损失，由此允许优化电池模块10的能量使用，以及降低主动冷却系统的使用和复杂度。在多于ー个构件或元件以多于ー种温度状况操作的情况下，可能需要使用本发明的微PCM，本领域普通技术人员将理解，芯和壳的构造可被调节以适合这种特定的温度状況。在这种环境下，冷却翅片40可构造成包括可包含微PCM的ー层材料(例如泡沫或相关物质)，与可放置在泡沫隔离片45或冷却板30内或上的微PCM相比，该微PCM在不同温度状况操作。在这种定制环境中，可进行各种纯材料(例如烷烃)的混合，以便具有与具体汽车应用的热环境相符的相变温度。可用于这种定制的ー种材料为n-十七烷，其可添加到二十烷，十八烷或相关相变材料。类似混合可用于调整相变潜热。将微PCM与泡沫隔离片45联接的ー个优势在于，泡沫隔离片45与热产生单元35接近。以这种方式,微PCM在放电和再生充电期间吸收通过电池模块10的单元35产生的热，然后在车辆休息期间或通过对流热传递(例如空气冷却)在车辆操作期间散热。其增强的热容量和可逆热属性可限制电池模块10的极端温度波动和改善温度均匀性，由此提高电池模块10的寿命、性能和能量的有效使用。此外，因泡沫隔离片45简单和柔性的结构，可由不同的电池组装设计容易地采用泡沫隔离片45。接着參照图3，利用根据DSC测试的结果，确定体(bulk)实验室级微PCM 二十烷的相变属性。在该测试中使用的扫描率为每分钟5°C，且温度范围控制成从-50°C到80°C。峰值表示在加热(顶部)和冷却(底部)时的相变。顶部曲线的峰值显示了固态至液态的相变过渡的行为，而峰值下的区域为用于固态至液态过渡的潜热(即，熔合的潜热)；在本举例中，潜热为185.6 J/kg0该曲线还指示液态在32. 28°C开始出现，且二十烷在36. 35°C时完全为液态。类似地，底部曲线的峰值总体显示了液态至固态相变过渡的行为，其中左峰值显示了与二十烷相关的液态至液态相变过渡，而右峰值显示了液态至固态相变过渡。这些峰值下的区域为用于固态至液态过渡的潜热；在本举例中，潜热为190. 7 J/kg0该曲线还指示固态二十烷在35. 07°C时开始出现，且在31. 67°C时完全为固态。接着參照图4和5，显示了通过本申请的发明人进行的微PCM 二十烷热测试的结果。具体而言，该测试在环境腔室测试设定下进行，其温度从23°C至48°C。具体參照图4，下部曲线(对应微PCM温度)显示了 12. I克样本的二十烷被控制为保持在约37°C约I小时，同时被加热。具体參照图5，显示了当测试设定的被测试电池节段在充电和放电操作时的电池单元温度分布的結果。在顶部的图表显示了未加入微PCM的泡沫隔离片的基线测试结果，而在底部的图表显示了结合有作为微PCM的二十烷的模拟泡沫隔离片(例如图2的泡沫隔离片45)的测试結果。显示了两个热电偶的记录；上曲线是来自位置靠近电池単元 (例如图2的电池单元35)正极片的热电偶的读数，而下曲线是来自位置靠近电池単元35的负极片的热电偶的读数。测试结果显示，通过本发明的泡沫隔离片45的样本，将电池单元温度调节在37°C至38°C之间，且相较于基线测试結果，电池单元35的温度均匀性被改善了。接着參照图6A和6B，显示了根据本发明的一方面的概念设计，其为空冷HEV电池模块110，该空冷HEV电池模块110中，微PCM封装在冷却翅片140或冷却板130 (未显示但包含在单元框115内)通道中。堆叠构造以及结构部件和电池单元135，基本上类似于图2描绘的液冷变型例。具体參照图6A，封装板175用作用于模块110的边缘外支撑部件。中间隔开的单元框120用于以基本上类似于以上结合图2讨论的框20的方式牢固地保持和隔开各种电池単元135以及冷却翅片140。这样，框115、单元框120和封装板175共同协作形成用于各电池模块110的刚性的盒状结构。类似地，大的支撑结构，例如以上结合图I所述的托盘200或隔离壁400，可用作用于电池群组或节段100或电池组I的大的可重复单元的支撑或安装结构。在ー种形式中，冷却翅片140的构造基本上类似于图2显示的冷却翅片40，均可呈现波纹卡片板状特征，其中多个平行通道可形成在相对片之间，由此限定边缘至边缘的流路。具体參照图6B，图6A中各种元件，当彼此以协作配置方式放置吋，形成限定电池模块110的组件，其中电压互连板127用于保持和支撑组装的电池模块110的正、负极片和电路板。与高热容量的微PCM、高热传导的冷却板材料(例如铝)和通过空气冷却的热对流组合，这种设计可形成用于HEV电池模块的有效热管理方案的基础。不像图2描述液冷系统(其中液体冷却剂流过冷却翅片40中形成的通道或流路)，图6的冷却翅片采用強制通风通道。不管是使用空冷或液冷方法，将微PCM添加作为集成冷却策略的一部分可甚至在能够保证主动冷却的情况下简化冷却系统。再次參照图2 (同样适用于图6A和6B显示的类似构造)，基于微PCM的泡沫隔离片45构造成使得其可形成热复合物，如以上提及，微PCM在两个不同的温度呈现相变热属性(例如从固态到液态或从液态到固态)。而且，如以上讨论的那样，这可通过利用各种微PCM实现,姆种微PCM具有定制成适合具体温度状况的潜热属性。在ー种形式中，ー种微PCM可定制成在低温度界限(例如约-10°C至0°C )发生相变，而另ー种微PCM在高温度界限(例如约40°C至45°C)发生相变。这种双温度激励有助于在更长期间和极限温度条件下維持电池单元35的温度。在可能经历较高温度的情况下，基于PCM的热管理系统可与主动系统(例 如包括以上结合图I的冷却剂软管300讨论的液体冷却剂的循环)联接，以增强整个系统性能和降低电池模块10或节段100毁灭性失效的可能性。在一个优选形式中，相变温度可定制成与所需温度和与汽车电池模块10关联的大热容量值相符，其可能与以上讨论的温度范围相符。如上所述，可使用其它辅助器件。例如，冷却翅片40可由任意传统冷却材料制成，包括但不限于轻重量热导体例如铝，或可压缩泡沫层或其它膨胀补偿件层分开的两轻重量热导体的夹层结构，以允许因单元35的充电状态、加热和冷却造成的电池单元35在冷却翅片40的任意侧的膨胀和收縮。根据需要，冷却翅片40上可具有用于电绝缘的薄膜，例如电绝缘电阻在100000 MQ-MF以上的Mylar 聚酯薄膜。除上述翅片40、片45和板30之外，可采用其它热交换机构，例如热管技术。应注意，术语例如“优选地”、“通常”和“典型地”在这里不用于限制本发明的保护范围或暗示特定特征是关键、不可缺少或对于本发明的结构或功能是重要的。而是，这些术语仅试图突出替代性或额外特征，其可以在本发明的具体实施例中应用或可以不在本发明的具体实施例中应用。同样，术语例如“基本上”用于表示不确定的内在程度，它可能归因于任意数量的比较、数值、测量或其它表示。它还可用于表示数量偏离所示參考值变化而不会造成所讨论的主题的基本功能变化的程度。出于描述和限定本发明的目的，应注意，术语“器件”这里用于表示元件的组合和独立元件，不论元件是否与其它元件组合。例如，根据本发明的器件可包括电化学转换组件或燃料电池，结合根据本发明的电化学转换组件的车辆。而且，术语的变型“汽车”，“机动车”，“车辆”或类似物应广泛解释，除非文中以其它方式指定。这样，所提及的汽车应理解为覆盖小汽车，卡车，公共汽车，摩托车和其它类似交通模式，除非在文中更具体地描述。已经參照具体实施例详细描述本发明，显然，可作出修改和变型，而不脱离所附权利要求限定的本发明的保护范围。更具体而言，尽管本发明的ー些方面被认为是优选或尤其具有优势，但是本发明不受限于本发明的这些优选方面。
权利要求
1.一种用于汽车的电池模块，所述电池模块包括 至少一个电池单元，所述电池单元构造成输送电流，用作用于所述汽车的原动力；和 放置成与所述至少一个电池单元热连通的构件，所述构件包括微胶囊相变材料，该微胶囊相变材料在受到所述至少一个电池单元的温度变化时能够经历相变，从而与所述至少一个电池单元交换热量。
2.根据权利要求I所述的电池模块,其特征在于,所述微胶囊相变材料包括外壳体,高潜热吸收的材料的内芯封装在所述壳体内。
3.根据权利要求2所述的电池模块，其特征在于，所述芯包括二十烷。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其特征在于，所述壳体包括聚合物基材料。
5.根据权利要求2所述的电池模块，其特征在于，所述微胶囊相变材料的尺寸在直径约I微米至直径约100微米之间。
6.根据权利要求2所述的电池模块，其特征在于，所述高潜热吸收的材料在室温下可以是固态、液态或气态中的任意一种。
7.一种汽车，包括 用于运输乘客、操作员或货物中的至少一个的部分； 用于接合所述汽车行驶的表面的部分；和 用于提供原动力给所述与表面接合的部分的推进部分，所述推进部分包括至少一个电池模块，所述至少一个电池模块包括 至少一个电池单元；和 放置成与所述至少一个电池单元热连通的热交换机构，所述热交换机构包括微胶囊相变材料，该微胶囊相变材料在受到所述至少一个电池单元的温度变化时能够经历相变，从而与所述至少一个电池单元交换热量。
8.—种控制电池模块的温度的方法，所述方法包括 提供至少一个电池单元； 将微胶囊相变材料配置成与所述电池单元热连通，使得在所述至少一个电池单元的温度发生变化时，在所述至少一个电池单元和所述微胶囊相变材料之间发生热交换。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相变包括使所述微胶囊相变材料在小于约0°C的温度从基本上液态形式转化成基本上固态形式。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述相变包括使所述微胶囊相变材料在大于约40°C的温度从基本上固态形式转化成基本上液态形式。
全文摘要
本发明提供一种具有微胶囊相变材料的电池模块，作为汽车热管理系统。在一种形式中，微胶囊相变材料采用泡沫的形式，该泡沫由封装在基本上聚合物基的壳体内的芯制成。在更具体的形式中，泡沫材料可定制成适于在多于一个温度例如相对冷的温度和相对高的温度经历等温相变。基于这种微胶囊相变材料的使用的热管理系统，包括用于高温和低温车辆操作条件下可能遭遇的情况的加热和冷却能力。还描述了一种控制电池模块的温度的方法。
文档编号B60L11/18GK102738536SQ20121009892
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月7日
发明者X.J.王 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司