专利名称：包括结构性基体包裹的热调节组件的蓄电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蓄电池，特别用于牵引电动汽车或者混合动力汽 车，混合动力即包括一个驱动轮的驱动电机，与驱动同一或可能其它 驱动轮的热力发动机相结合。
背景技术：
为了保证电动汽车或混合动力汽车的应用所需的功率和能量水 平，需要制造包括多个电能发生元件的蓄电池。
这些元件充电和放电时会发热，当热没有受到控制时，可能会缩 短元件寿命，甚至在极端状况下，元件的某些化学成分会产生热逸出 的风险，导致蓄电池损坏。
蓄电池能够提供的能量，取决于不同元件的能量均衡及其工作温 度。实际上， 一个元件能够释放的能量随温度而上升，而对于同一个 蓄电池，当各元件可用的能量水平存在差异时，那么这个蓄电池就是 失衡的。这种失衡严重影响蓄电池的性能，不仅是寿命，而且还有平 均能量密度，因为一个蓄电池能够释放的总能量始终受限于充电最少 的元件的能量，并且充电总能量另外还受限于充电最多的元件。
元件之间的这些能量水平的差异，造成不均衡，可能是由于元件 电特性之间的差异，或者是由于这些元件之间的工作温度变化造成的。 当蓄电池的一个元件充电少于其它元件时，对于弱的充电状态可能会 出现反向危险。
另外，锂离子蓄电池的化学成分比较稳定。当它们在极端状态下 受到应力时，可能出现热逸出。对于以电为主的汽车所需的大尺寸蓄 电池，这种风险很大，因为如果一个元件的热逸出扩散到整个蓄电池， 该逸出蕴含的能量就变得很高。
4为了使蓄电池的性能和寿命最佳化，在蓄电池中集成了元件的热 调节系统。
特别是，提出了冷却系统，采用循环空气作为冷却源。尽管付出 很多努力试图通过这种方式保证蓄电池内的温度尽可能均匀分布，但 这种系统依然不能保证蓄电池元件的均匀冷却，在可接通到电网的电 动和混合动力汽车应用中情况尤其如此。
散热峰值很大，并且随电流密度及其变化而变动，对于特殊用途， 可达到很高的值，特别是当急加速、再生制动、蓄电池快速充电或以 电动方式在高速路运转阶段。
对于这样的使用条件，要达到冷却蓄电池元件所需的空气流量， 只能牺牲重要的元件间隙。
这些强大的流量用于弥补蓄电池元件上较低的气流热交换系数， 但造成声响和振动问题。要保证流量能够均匀有效地冷却蓄电池，需 要风扇，而风扇的尺寸规定不符合电动车应用中对紧凑性和能源经济 的要求。
为了提高冷却效率，并由此得以提高蓄电池的体积能量密度，提 出了一种液体循环。特别是可以考虑液体通过放在蓄电池元件之间的 塑料蜂房进行循环。这些蜂房是绝缘的，并参与元件之间的电绝缘。
然而，其内部形成这些蜂房的塑料嚢是不良导热体，因此它们的 厚度必须尽可能的小，以保证基本准确的热传导。由此产生的薄壁与 蓄电池内元件的机械强度不匹配。
此外，在电动或混合动力汽车的应用中，根据现有技术的蓄电池 存在一定数量的问题，特别是由于热力汽车混合程度的提高，甚至可 以达到牵引环节的完全电气化。在这种情况下，蓄电池不再仅仅用于 在加速阶段为汽车增力，而且还用于保证汽车较长距离的自主行驶。
因此，必须提高蓄电池的能量及其电功率，这就提高了蓄电池的 应力持续时间以及电流和平均内电阻。因此，释放的能量和热功率越 高，蓄电池就越快老化。
蓄电池的成本主要取决于它所包含的元件数目，换句话说，取决于其能量。为了减小汽车中蓄电池成本的影响，人们还力图在尽可能 大的电位范围内使用所述蓄电池，以便从中提取最大的能量。
随着越来越接近允许的电位极限值，元件的内电阻上升，其寿命 缩短。
必要的大功率造成蓄电池元件迅速大量发热，可能在元件表面和 内部之间，甚至在同一蓄电池的元件之间，产生温度梯度。
这些温度梯度主要在对应充电或放电时电流要求大的过渡阶段出现。
蓄电池某个元件内的温度上升，会引起安全和寿命方面的风险， 这与元件内部可能出现的热点有关。
关于蓄电池的安全，随着蓄电池能量的提高，安全性变得越来越 重要，而一般用于元件之间冷却液循环的塑料蜂房，可能在汽车碰撞 时遇到的冲击作用下，或由于冷却回路产生的超压而断裂。
这种断裂使冷却系统完全失效，而且更严重的是，液体可能会使 蓄电池所有元件短路，由此造成火灾、甚至爆炸的风险。
发明内容
因此，本发明旨在改进现有的蓄电池，提出一种机械和热调节系 统，它能明显改善体积与能量和/或功率之比，以及蓄电池的寿命和安 全性，不仅在化学性能方面，而且在汽车工业实施的强制规定方面， 特别是有关碰撞的强制规定。
本发明能以较低的成本和重量，实现系统的紧凑性，同时满足与 汽车应用需求相兼容的体积能量密度和功率要求。
此外，由于本发明的很弱的热传递阻力，可以保证蓄电池的冷却，
尽管紧凑度很高。本发明还能在电流峰值时降低元件内的温度，并且 在碰撞情况下避免元件的直接电接触的一切风险，在蓄电池安全方面 体现出优势。
最后，有效的热管理可减少电耗，并因此更好地保证电动汽车的 最大行程。个 所述元件的机械和热调节系统，所述系统包括 一 个热调节流体基床， 其上放置所述元件，使得相邻元件之间留出侧向间隙，所述调节系统 还包括多个热调节組件，每个组件都在一个上游口和一个下游口之间 设有一个流体循环通道，每个循环通道在一个侧向间隙内延伸，且使 所述口与所述基床在流体上连通，所述调节系统还包括一个由导热和 电绝缘的聚合树脂制成的结构性基体，所述基体通过至少局部地包裹 所述发生元件和所述调节组件而填充侧向间隙。
本发明的其它特征和优点通过下面参照附图进行的描迷将更加清
楚，图中
-图l是根据第一种实施方式的蓄电池的局部立体-图2是图1蓄电池的热调节组件的立体-图3是图1蓄电池的局部视图，示出组件在水基床中的连接， 分别为立体图(图3a)和纵向剖视图(图3b);
-图4是根据第二种实施方式的蓄电池的局部视图，分别为立体 图(图4a)、侧视图(图4b)和俯视图(图4c)。
在描述中，在间隙中的定位参照图1所示蓄电池的位置。然而， 蓄电池的密封性允许根据不同的方向考虑其定位。
具体实施例方式
下面参照附图来描述蓄电池的两种实施方式，这种蓄电池包括多 个电能发生元件1，特别是元件1的性质可以是电化学的，如锂离子 的类型。为此，元件l包括一个外壳，壳内封闭电化学系统，用以隔 离发电必需的化学部分。变形中，元件可以是超大容量的。
这种蓄电池特别用于为汽车牵引电动机供电，可以是电动汽车， 或电-热混合动力型汽车。然而，根据本发明的蓄电池还可在其它运 输方式中找到电能贮存的用途，并且特别是航空运输。此外，在诸如风力发电机的静止应用中，根据本发明的蓄电池也可以方便地使用。
这种蓄电池包括元件1的机械和热调节系统，所述系统一方面可 调节元件l的温度，另一方面将其维持在加强结构内。因此，该系统 保证蓄电池针对温度相关风险的电安全，保证蓄电池在最佳温度范围 内工作，以及保证与碰撞风险相关的安全性，碰撞风险是所涉及的应 用不可避免的。
为了保证所需的供电，蓄电池包括大量的元件，例如160个元件， 按照16行每行10个元件分布。另外，该蓄电池可包括一个箱(未示 出)，特别是塑料的，箱内放置发电元件1和调节系统，以便将所述蓄 电池置入汽车内。
调节系统包括一个热调节流体基床2和一个使所述流体循环的装 置(未示出)，以保证元件l的热调节。循环装置特别包括一个可在闭 合回路中给流体加压的泵，以及可能的一个热交换器。
流体可以是乙二醇水，而热调节既指带来热量，也指带走热量， 以保持元件l的工作处于最佳温度范围内。调节系统尤其能够迅速有 效地保证带来或带走蓄电池内的热量，以保证热调节，无论使用条件 如何。
在描述的实施方式中，流体基床2包括两个分开的流体层3、 4， 分别在例如模制塑料实现的盒5、 6内形成。盒5、 6—个连在另一个 之上，以形成一个下层3和一个上层4，流体在其中分开循环。
上盒6的上壁包括发电元件1的底部接纳位置7，所述位置用于 将元件1放置在流体基床2上，同时在相邻元件1之间留出侧向间隙。 为了根据要使用的元件1的数量来改进蓄电池的模块化，盒5、 6可由 子盒构成，子盒彼此连接以形成所需的位置7的数量。根据一个实施 例，子盒可放在箱内，彼此之间通过下面描述的结构性基体相连。此 外，子组件可以在流体上相通，或通过孔5a、 6a独立地供以流体。
此外，盒5、 6要设有通孔8，与位置7相对，所述通孔通过铆钉 (图4)或焊接(图1至3)使盒5、 6之间密封相连。此外，在元件1 与过压相关的脱盖的情况下，通孔8可使元件1可能散发的气体逸出。在这种情况下，并且在围绕蓄电池设有密闭箱时，箱设有一个向外的 气体排出阀。此外，可为蓄电池增加一个气体排放或湿度探测器。
调节系统还包括多个热调节组件9，每个都在一个上游口 10和一 个下游口 11之间带有一个流体循环通道。每个循环通道都在侧向间隙 内延伸，且使口 10、 11与基床2流体相通。有利地，循环通道的高度 基本等于元件l的高度，以保证在所述元件整个外围的热传递。
在一个实施例中，组件9的数目可与蓄电池内使用的元件1的数 目匹配。例如，基床2和组件9可以分开制造，分别有连接接头和口 10、 11，所述口根据近处有无元件，在安装蓄电池时与所述连接接头 连接。因此可以通过调整元件1的数目，以极其简单的方式调整蓄电 池的功率，而不必改变蓄电池的结构。另外，位置7的数目可以大于 元件1的数目。
在描述的实施方式中，元件l呈柱形的几何形状，并且彼此之间 呈紧凑六边形布局，这可优化蓄电池的体积和机械强度。这样，这些 元件1之间形成的側向间隙也呈柱形的几何形状，并且彼此之间也形 成六边形布局。然而，在其它未示出的实施方式中，元件可以是不同 的几何形状，例如外部呈平行六面体的几何形状，和/或彼此之间呈另 夕卜一种布局。
调节系统还包括一个由导热和电绝缘的聚合树脂制成的结构性基 体(未示出)，所述基体通过至少局部地包裹发生元件1和调节组件9 而填充侧向间隙。特别是，基体至少包裹循环通道。
所谓结构性，是指该基体保证元件l之间的机械强度，特别是针 对汽车工业现行的碰撞试验规定，但也针对蓄电池在汽车中要承受的 其它形式的机械应力。
此外，该基体保证元件1和组件9内的循环流体之间的热传递功 能，以及针对元件1之间的电绝缘性质的电安全功能。关于热传递， 重要的特性是导热性，是基体的导热率和厚度之比。在一个实施例中， 基体的导热率约为lW/m/。C，而厚度约为2毫米。
包裹使元件l电绝缘，并提高所述元件和组件9之间的热交换，尤其是避免所述元件过热。事实上，本发明特别是可以不用设置调节 流体和元件1之间的隔热界面，且在一个电安全、紧凑和机械强度高 的环境下。
由于基体用的是聚合树脂，可以使用具有提高蓄电池刚性并使元 件1保持在所述蓄电池内的优点的胶。胶可以例如是环氧树脂、硅树
脂或丙烯酸类，其中可添加具有导热特性的无机成分，如AI203、 AIN、 MgO、 ZnO、 BeO、 BN、 Si3N4、 SiC、和/或Si02。在一个实施例中， 可使用3M公司标号为2605的双组分环氧树脂。
就其实施而言，在放好元件1和组件9后，将流体树脂置于侧向 间隙内，以包裹所述组件以及所述元件，所述树脂然后会固化以形成 结构性基体。因此，蓄电池的实施特别简单并且可灵活掌握，同时尤 其不用根据要放在所述蓄电池内的元件1的数目而准备特殊工具。
为了便于蓄电池的再循环利用，还可在元件1的表面涂上含有迁 移剂的主涂层。该迁移剂必须能够在其中一个连接界面上移动，以产 生一个低粘接层。这种迁移通过热激活而成为可能，使得可保证胶接 合的拆卸。这种迁移剂可在主涂层中使用，但也可在树脂本身中使用。 迁移剂例如可以是聚烯烃，或特别是如文献WO2004/087829描述的通 过加热保证脱胶的PTSH (对甲苯磺酰肼)。
此外，基体可具有在一个温度范围内变化相位的特性，使得可以 改善发生元件1的温度调节。
在示出的实施方式中，循环通道由流体基床2并行供给。因此， 流经每个循环通道的流体直接来自流体基床2，而没有预先对另一个 元件l进行过调节。因此，由此得到良好的热均衡，同时避免连续热 交换造成的热累积。
为此，上游口 10与一个层3连通，而下游口 11与另外的层4连 通。这样， 一个层3用于为每个组件9供应流体，而另一个层4用于 排出所述流体。图中看到，循环通道的一个端部穿过上层4，用于连 接对应于下层3的口 10。
根据本发明，蓄电池中良好的温度均衡即可提高元件l之间的均
10衡水平，又可非常精确地对蓄电池进行热调节，从而最大程度地减小 元件1的内阻，而不损害其寿命。因此，热管理的最佳化可提高蓄电 池的能量和功率，而不用增加附加元件。
此外，调节系统可消耗源自某一元件1热逸出的热能，使这种过 量的热不会以可能导致热逸出现象传染的比例传递给相邻的元件1。 这种热封闭作用可避免热逸出扩散到整个蓄电池的风险，这对于能量 很大的蓄电池是很关键的。
下面参照图1至图3描述蓄电池的第一种实施方式，其中，每个 调节组件9包括一个上行管12和一个围绕所述管的主体13。这种组 件可通过形状和长度不同的挤压件的套接实现，最好用导热好的材料 形成，例如铝这样的金属，铝还具有重量轻的优点。注意，对于形成 组件9的材料的导电性，实际上不存在限制，因为它们被电绝缘的基 体包裹。
管12的下端从主体13轴向突出，以形成上游口 10，后者进入下 盒5相应的孔。所述管的上端进入主体13，并且为了使流体能够下行， 主体13的上部是不通的，并且从管12的上端至所述主体内形成的下 游口 11，具有至少一个流体通道13a。特别是，主体13嵌入上盒6 的一个孔内，所述孔与其中插入管12的孔相对。
在示出的实施方式中，主体13呈三角形形状，并形成三个围绕管 12轴向均等分布的通道13a,以通向所述壳体的下壁。该实施例适合 这样的布局，即，每个发生元件1由六个组件9围绕，而每个组件是 三个元件1共用的。
主体13的侧面13b具有一个外壳，外壳的几何形状类似于与所迷 侧面相对的元件1的外周面的形状。图中，主体13的三个侧面13b 是凹形的，其半径类似于元件1的半径。此外，主体13顶上有一个盖 14，盖至少具有一个用于元件的外围支撑区。图中，盖14的每个侧面 设置了突出部14a。这些实施方式可提高元件1的机械强度，包括放 上基体前，从而避免所述元件之间的任何接触。
下面参照图4描述蓄电池的第二种实施方式，其中，每个调节组件9都包括一个环形件15，.由管道构成，具有一个上行段和一个下行 段，其上分别设置了上游口 IO和下游口 11，所述段通过一个上部弯 曲段连接。
调节系统还包括由导热材料实现的板16，导热材料特别是和环形 件15—样的金属，所述板与环形件的各段相连。更确切地说， 一个板 16置于每个调节环形件15内，在上行段和下行段之间。此外，板16 用于环形件15之间的连接。除了提高热传递外，板16还可使蓄电池 坚固。图中，每个元件1都相继地由一个环形件15、 一个板16、环形 件的一段、 一个板16、 一个环形件15、 一个板16、环形件的一段以 及一个板16围绕。
权利要求
1.蓄电池，包括多个电能发生元件(1)和一个所述元件的机械和热调节系统，所述系统包括一个热调节流体基床(2)，其上放置所述元件，使得相邻的元件(1)之间留出侧向间隙，该蓄电池的特征在于，调节系统还包括多个热调节组件(9)，每个组件都在一个上游口(10)和一个下游口(11)之间带有一个流体循环通道，每个循环通道都在一个侧向间隙中延伸，且使所述口(10、11)与所述基床流体连通，所述调节系统还包括一个由导热且电绝缘的聚合树脂制成的结构性基体，所述基体通过至少部分地包裹所述发生元件和所述调节组件而填充侧向间隙。
2. 根据权利要求l的蓄电池，其特征在于，基体还具有在一个温 度范围内变化相位的特性，使得能够改进发生元件(1)的温度调节。
3. 根据权利要求1或2的蓄电池，其特征在于，循环通道由流体 基床(2)并行供给。
4. 根据权利要求3的蓄电池，其特征在于，流体基床(2)包括 两个分开的流体层(3、 4)，上游口 (10)与一个层(3)相通，而下 游口 (11)与另一个层(4)相通。
5. 根据权利要求4的蓄电池，其特征在于，层(3、 4)分别在一 个盒(5、 6)内形成，所述盒一个连在另一个之上，循环通道的其中 一个端部穿过上层(4)，用于连接与下层(3)对应的口 (10)。
6. 根据权利要求5的蓄电池，其特征在于，盒(5、 6)由彼此相 连的子盒构成。
7. 根据权利要求4至6之一的蓄电池，其特征在于，调节组件(9 ) 包括一个上行管(12)和一个围绕所述管的主体(13)，所述管的下端 形成上游口 (10),而所述管的上端通到所述主体，所述主体的上部封 闭，并且从管(12)的上端到所述主体内形成的下游口 (11)具有至 少一个流体通道(13a)。
8. 根据权利要求7的蓄电池，其特征在于，主体(13 )的侧面(13b )具有一个外壳，外壳的几何形状类似于与所述侧面相对的元件(1 )外 周面的形状。
9. 根据权利要求7或8的蓄电池，其特征在于，主体(13)顶上 有一个盖(14 )，所述盖具有至少一个用于元件(1 )的外围支撑区(14a )。
10. 根据权利要求4至6之一的蓄电池，其特征在于，调节组件 (9)包括一个环形件(15)，由管道构成，具有一个上行段和一个下行 段，其上分别设置了上游口 (IO)和下游口 (11)，所述段通过一个上 部弯曲段连接。
11. 根据权利要求IO的蓄电池，其特征在于，调节系统还包括由 导热材料实现的板(16)，所述板与环形件(15)的各段相连。
12. 根据权利要求11的蓄电池，其特征在于，板(16)置于每个 调节环形件(15)中，在上行段和下行段之间。
13. 根据权利要求11或12的蓄电池，其特征在于，板(16)用 于环形件(15)之间的连接。
14. 根据权利要求1至13之一的蓄电池，其特征在于，发生元件 (l)呈柱形几何形状，并且彼此之间呈六边形布置。
全文摘要
本发明涉及一种蓄电池，包括多个电能发生元件(1)和一个所述元件的机械和热调节系统，所述系统包括一个热调节流体基床(2)，其上放置所述元件，使得相邻的元件(1)之间留出侧向间隙，调节系统还包括多个热调节组件(9)，每个在上游口(10)和下游口(11)之间具有流体循环通道，每个循环通道在侧向间隙内延伸，使所述口(10、11)与流体基床连通，所述调节系统还包括电绝缘和导热的聚合树脂的结构性基体，所述基体通过至少局部包裹发生元件和调节组件而填充侧向间隙。
文档编号H01M10/50GK101682095SQ200880012244
公开日2010年3月24日 申请日期2008年3月17日 优先权日2007年4月19日
发明者A·杜阿尔, C·贝涅, F·加邦 申请人:电动汽车公司