专利名称：用于冷却模块组件的碳纤维热界面的制作方法
技术领域：
本公开涉及电池组且特定而言涉及用于电池组的冷却系统。
背景技术：
电池单元已经被提出作为用于电动车辆和各种其它应用的清洁、高效且环保的能源。一种类型的电池单元已知为锂离子电池。锂离子电池为可再充电的且可形成各种形状和大小以便高效地填充电动车辆中的可用空间。例如，电池单元可为棱柱形状以便于堆叠电池单元。多个单独的电池单元可以电池组的形式设置来提供足以操作电动车辆的能量。典型的棱柱电池单元具有绕电池单元的周边熔合的一对涂有塑料的金属层以便密封电池单元构件。电池单元的密封通常始于向涂有塑料的金属层之一提供腔，有时被称作“黄油碟”形状。电池单元构件置于涂有塑料的金属层的腔内。涂有塑料的金属层中的另一个然后置于电池单元构件的顶部且在所述周边处熔合到具有腔的涂有塑料的金属层之一，例如通过围绕边缘进行热密封。由此提供用于合并在电池组中的电池单元。诸如锂离子电池单元的电池单元已知在操作期间且由于再充电时的充电循环而生成热量。当过热或由于其它原因向高温环境暴露时，不合需要的效果会影响到锂离子电池的操作。冷却系统通常用于锂离子电池以应对不合需要的过热条件。用于电池单元的已知的冷却系统在受让人共同待决的授予Essinger等人的美国专利申请序列号12/713，729和授予Kumar等人的美国专利申请序列号N0.12/842，478中描述,其全文内容以引用的方式结合到本文中。常规的冷却系统包括夹在电池组内单独电池单元之间的内藏冷却板或翅片。冷却翅片通常通过诸如钎焊或焊接的“热”方法接合到散热器。热接合方法可能会不利地影响到材料微结构，这会影响到接合部耐用性。已知的接合方法通常也需要填料材料，诸如钎料、焊接材料、结合粘合剂和热界面材料，这样的材料会不利地影响到热导率且增加了制造复杂性。涉及热收缩的另一接合方法在受让人的授予Heise的共同待决的美国专利申请序列号N0.13/035，236中描述，该专利申请的全部内容以引用的方式结合到本文中。该方法包括以下步骤:提供具有至少一个键的至少一个板，以及提供具有形成于其中的至少一个槽的散热器。散热器被加热到第一温度，第一温度足以使得散热器热膨胀且使得至少一个槽膨胀。至少一个板的至少一个键然后插入于至少一个槽中。散热器然后冷却到第二温度，第二温度足以使得散热器热收缩和使至少一个槽收缩。从而形成将至少一个板固定到散热器上的干涉配合接合部。持续地需要这样的电池冷却系统，其具有稳健的组装机械公差，最小化制造复杂性，且提高了电池冷却系统的可靠性。理想地，电池冷却系统和方法提供高热导率，最小化对于诸如热界面材料和翅片脚的额外构件的需要，且排除了由于在电池组冷却系统的散热器与翅片脚之间的高夹持力而设计刚性散热器的需要。
发明内容
根据本公开，令人意外地发现了一种电池冷却系统，其具有稳健的组装机械公差，最小化制造复杂性，提高了可靠性，提供高热导率，最小化对于诸如热界面材料和翅片脚的额外构件的需要，且排除了由于在电池组冷却系统的散热器与翅片脚之间的高夹持力的原因设计刚性散热器的需要。本公开的碳纤维热界面为冷却模块组件应用提供稳健的热导率且还提供稳固的机械完整性。碳纤维的粗纱(roving)可预先组装成束以形成刷。该刷联接到冷却板(也被称作翅片)和散热器构件中的至少一个以提供热界面。各种堆叠和附连方法可用于使得冷却板和散热器构件与刷联接。热界面可根据需要为刷-刷或者刷-表面。成束碳纤维的机械柔性允许在最终模块堆叠操作中牢固组装冷却板。在第一实施例中，一种用于电池单元的冷却系统，包括:冷却板，其被构造成邻靠电池单元。散热器通过至少一碳纤维刷与冷却板热连通，至少一个碳纤维刷联接到冷却板和散热器中的至少一个。在另一实施例中，电池组包括至少一个电池单元和冷却系统。该冷却系统包括邻靠电池单元的冷却板和散热器。散热器通过至少一个碳纤维刷与冷却板热连通，至少一个碳纤维刷联接到冷却板和散热器中的至少一个。在再一实施例中，一种用于电动车辆的推进系统包括具有至少一个电池单元和冷却系统的电池组。该冷却系统包括邻靠电池单元的冷却板和散热器。散热器通过至少一个碳纤维刷与冷却板热连通，至少一个碳纤维刷联接到冷却板和散热器中的至少一个。本发明提供下列技术方案。技术方案1.一种用于电池单兀的冷却系统，包括:
冷却板，其被构造成邻靠所述电池单元；以及
散热器，其通过至少一个碳纤维刷与所述冷却板热连通，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。技术方案2.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷包括碳纤维束。技术方案3.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷由碳纤维粗纱预先组装而成。技术方案4.根据技术方案3所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维粗纱由多根碳纤维长丝编织而成。技术方案5.根据技术方案4所述的冷却系统，其中，所述碳纤维粗纱由多达约20，000根碳纤维长丝编织而成。技术方案6.根据技术方案2所述的冷却系统，其中，在所述至少一个碳纤维刷中的每根碳纤维具有大于约500 W/mK的轴向热导率，约5 W/mK至约40 W/mK的径向热导率，约2.4 Gpa至约7 Gpa的抗张强度，以及约230 Gpa至约700 Gpa的弹性模量。技术方案7.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷利用导热的粘合剂联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。技术方案8.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷利用夹具联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
技术方案9.根据技术方案2所述的冷却系统，其中，在所述碳纤维刷中的每个碳纤维包括石墨烯。技术方案10.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板的端部且具有邻靠所述散热器的自由端。技术方案11.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷联接到所述散热器的表面且具有邻靠所述冷却板的自由端。技术方案12.根据技术方案11所述的冷却系统，其中，所述冷却板具有成角度的端部，所述碳纤维刷的所述自由端邻靠所述冷却板的所述成角度的端部。技术方案13.根据技术方案12所述的冷却系统，其中，所述成角度的端部为基本上L形。技术方案14.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷包括联接到所述冷却板的第一碳纤维刷和联接到所述散热器的第二碳纤维刷，所述第一碳纤维刷与所述第二碳纤维刷彼此交替以提供它们之间的热连通。技术方案15.根据技术方案14所述的冷却系统，其中，所述第一碳纤维刷联接到所述冷却板的端表面且所述第二碳纤维刷联接到所述散热器的侧表面，所述冷却板的端表面基本上平行于所述散热器的侧表面定向。技术方案16.根据技术方案14所述的冷却系统，其中，所述第一碳纤维刷联接到所述冷却板的侧表面且所述第二碳纤维刷联接到所述散热器的向外延伸部分的侧表面，所述冷却板的侧表面基本上平行于所述散热器的向外延伸部分的侧表面定向。技术方案17.根据技术方案I所述的冷却系统,其中,所述散热器具有向外延伸部分且所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板的侧表面，所述至少一个碳纤维刷具有邻靠所述散热器的向外延伸部分的表面的自由端。技术方案18.根据技术方案I所述的冷却系统，其中，所述散热器具有一对间隔开的向外延伸部分且所述至少一个碳纤维包括一对碳纤维刷，该对碳纤维刷中的每一个具有自由端，该对碳纤维刷之一置于所述向外延伸部分中每一个的内表面上，该对碳纤维的自由端邻靠所述冷却板的相对的侧表面。技术方案19.一种电池组，包括:
至少一个电池单元；以及
冷却系统，包括散热器和邻靠所述电池单元的冷却板，该散热器通过至少一个碳纤维刷与所述冷却板热连通，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。技术方案20.—种用于电动车辆的推进系统,包括:
具有至少一个电池单元和冷却系统的电池组，该冷却系统包括散热器和邻靠所述电池单元的冷却板，所述散热器通过至少一个碳纤维刷与所述冷却板热连通，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
对于本领域技术人员而言，通过下文的详细描述，特别是当结合本文所述的附图来考虑时，本公开的上述以及其它的优点将会变得显而易见。
图1为示出根据本公开一个实施例的电池单元冷却系统的示意片段顶视平面图； 图2为图1所示的电池单元冷却系统的冷却板的示意侧视立面 图3为示出根据本公开另一实施例的电池单元冷却系统示意片段顶视平面 图4为在图3中示出的电池单元冷却系统的放大示意分解片段顶视平面 图5至图9为示出根据本公开其它实施例的电池单元冷却系统的冷却板与散热器配合的放大示意分解片段顶视平面图；以及
图10至图12为示出如在图7至图8中所描绘的电池单元冷却系统的冷却板与散热器逐步连接的示意片段顶视平面图。
具体实施例方式下文的详细描述和附图描述和示出了本发明的各种实施例。描述和附图用于使得本领域技术人员做出和使用本发明，且并不以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，所给出的步骤在本质上为示例性的且因此并非必需的或关键的。参看图1至图12，示出了用于电池单元102的冷却系统100。电池单元102被构造成从电化学反应来发电。电池单元102可用在用于例如电动车辆(未图示)的推进系统的电池组(未图示)中。电池单元102可为棱柱形电池单元，例如，如在受让人的授予Heise的共同待决的美国专利申请序列号N0.13/035，236中所描述和所示的那样。作为非限制性示例，电池单元102为棱柱形锂离子(L1-离子)袋式电池。应意识到在本发明的范围内也可使用采用不同结构和电化学性质的其它类型的电池单元102。本公开的冷却系统100包括至少一个冷却板104和至少一个散热器106。冷却板104被构造成邻靠电池单元102。在一特定实施例中，冷却系统100包括多个冷却板104和多个电池单元102，电池单元102布置成堆叠，且电池单元102中的单独电池单元夹在成对的冷却板104之间。根据需要，也可采用电池单元102和冷却系统100的冷却板104的其
它布置。冷却系统100的散热器106与冷却板104成热连通。散热器106被构造成在操作中从电池单元102散热。特别地，散热器106经由至少一个碳纤维刷108与冷却板104成热连通。碳纤维刷108联接到冷却板104和散热器106中的至少一个。碳纤维刷108提供在冷却板104与散热器106之间的热连通以在操作中将热从电池单元102通过冷却板104传到散热器106内。在某些实施例中，碳纤维刷108包括碳纤维束。例如，至少一个碳纤维刷108可用碳纤维粗纱来预先组装，之后在冷却系统100组装期间将至少一个碳纤维刷108联接到冷却板104和散热器106中的至少一个。作为非限制性示例，碳纤维粗纱可被切成许多基本上相同长度的刷毛。刷毛然后以基本上相同方位定向且并排地排列以形成碳纤维刷108。碳纤维粗纱可例如由多根碳纤维长丝编织而成。在一特定实施例中，碳纤维粗纱由多达约20，000根碳纤维长丝编织而成。作为非限制性示例，碳纤维刷108的碳纤维也可被石墨化或者以其它方式包括石墨烯。在本公开的范围内也可使用其它类型的碳纤维粗纱，不同的构造、不同数量的长丝和不同的化学组成。应了解在本公开的碳纤维刷108中所采用的每个碳纤维具有足以促进从冷却板104至散热器106导热的热导率。例如，在至少一个碳纤维刷108中的每一个碳纤维可具有大于约500 W/mK的轴向热导率和约5 W/mK至约40 W/mK的径向热导率。同样，在碳纤维刷108中所采用的碳纤维具有一定强度和机械柔性，允许在冷却板104与散热器106之间稳固且柔性的连接。例如，在至少一个碳纤维刷108中的每根碳纤维可具有从约2.4 Gpa至约7 Gpa的抗张强度和从约230 Gpa至约700 Gpa的弹性模量。本领域技术人员可根据需要使用具有不同热导率、抗张强度和弹性模量的碳纤维。至少一个碳纤维刷108可通过任何合适手段联接到冷却板104和散热器106中的至少一个。在一说明性实施例中，至少一个碳纤维刷108利用导热粘合剂联接到冷却板104和散热器106中的至少一个。在另一实施例中，至少一个碳纤维刷108利用夹具联接到冷却板104和散热器106中的至少一个。在另一实施例中，冷却板104和散热器106中至少一个具有通道(未图示)，至少一个碳纤维刷108的固定端部置于该通道内。该通道可例如为基本上C形，且具有与至少一个碳纤维刷108的固定端一起置于其中的导热粘合剂。所述通道可结合其它固定手段使用以将至少一个刷108保持在冷却板104和散热器106中至少一个上。根据需要，也可采用将至少一个碳纤维刷108联接到冷却板104和散热器106中至少一个上的其它联接手段。现参看图1和图2，示出了根据本公开一个实施例的冷却系统100，其中至少一个碳纤维刷108联接到冷却板104的端部110。至少一个碳纤维刷108具有自由端112。至少一个碳纤维刷108的自由端112邻靠散热器106,例如,如图1所不的那样。参看图3和图4，至少一个碳纤维刷108可联接到散热器106的侧表面114。例如，至少一个碳纤维刷108具有邻靠冷却板104的自由端112。特别地，在至少一个碳纤维刷108联接到散热器的表面114的情况下，冷却板108可设置有成角度端部116。成角度端部116提供更大的表面区域来接触至少一个碳纤维刷108，且冷却板104的边缘将单独提供。作为非限制性示例，如图3和图4所示的那样，成角度端部116可为基本上L形。碳纤维刷108的自由端112可邻靠冷却板108的成角度端部116且因此在电池单元102操作期间从冷却板104向散热器106传热。在图5所示的另一实施例中，冷却板108的成角度端部116可基本上为T形。在成角度端部116为基本上T形的情况下，冷却板104的端表面118可基本上平行于散热器106的侧表面114定向。在冷却系统100操作期间,碳纤维刷108邻靠散热器106的侧表面114，且提供在冷却板104与散热器106之间的热连通来调节电池单元102的温度。现参看图6，示出了另一实施例，其中散热器106具有向外延伸部分122。至少一个碳纤维刷108联接到冷却板104的侧表面124。至少一个碳纤维刷108的自由端112邻靠散热器106的向外延伸部分112的侧表面126。冷却板104的侧表面124可基本上平行于散热器106的向外延伸部分122的侧表面126定向。由此提供在冷却板104与散热器106之间的热连通。再次参看图7至图12，应意识到本公开的至少一个碳纤维刷108可包括多于一个的碳纤维刷108。为了清楚起见，在图7至图12中所示的与图1至图5相似或相关结构用相同的附图标记和引号(’)或双引号(’’)符号来标注。如图7所示，冷却系统100可包括联接到冷却板104的成角度端部116的端表面118的第一碳纤维刷108’。第二碳纤维刷108’ ’可联接到散热器106的侧表面114。冷却板104的成角度端部116的端表面118可基本上平行于散热器106的侧表面114定向。在组装冷却系统100时，第一碳纤维刷108’与第二碳纤维刷108’’交替以提供它们之间充分的热连通。在图10至图12中示出了第一碳纤维刷108’与第二碳纤维刷108’ ’的逐步组装和配合。该配合造成第一碳纤维刷108’与第二碳纤维刷108’’交替或“黏在一起”，这提供在相应第一碳纤维刷108’与第二碳纤维刷108’ ’的碳纤维之间的充分较大的接触表面，以便确保通过碳纤维的在径向和轴向所需的传热。参看图8，散热器106的向外延伸部分112的侧表面126可具有联接到它的第二碳纤维刷108’ ’ 。第一碳纤维刷108’可联接到冷却板104的侧表面124。如在图8所示的实施例中，向外延伸部分122的侧表面126可基本上平行于冷却板104的侧表面124。在组装冷却系统100时，第一碳纤维刷108’和第二碳纤维刷108’’压在一起且配合。图9示出了本公开的另一实施例，其中散热器106包括一对间隔开的向外延伸部分122’、122’ ’和一对碳纤维刷108’、108’ ’。该对碳纤维108’、108’ ’之一分别置于向外延伸部分122’、122’ ’中每一个的内表面128’、128’ ’上。在组装冷却系统100时，碳纤维刷108’ ,108"的自由端112’、112’’邻靠冷却板104的相对侧表面124’、124’’。有利地，本公开的用于电池单元102的冷却系统100是公差稳健的，因为至少一个碳纤维刷108、108，,108"的自由端112、112’、112’’柔性地接触冷却板104、散热器106和至少一个碳纤维刷108、108’、108’’中的另一个中的至少一个以形成用于在电池单元102与散热器106之间传热的路径。由于至少一个碳纤维刷108、108’、108’’的柔性，避免了将冷却板104和散热器106制造为精公差的需要。虽然出于说明本发明的目的示出了某些代表性实施例和细节，对于本领域技术人员而言显然在不偏离本公开的范围的情况下可做出各种修改，本发明的范围在下文的附属权利要求中进一步描述。
权利要求
1.一种用于电池单元的冷却系统，包括: 冷却板，其被构造成邻靠所述电池单元；以及 散热器，其通过至少一个碳纤维刷与所述冷却板热连通，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷包括碳纤维束。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷由碳纤维粗纱预先组装而成。
4.根据权利要求3所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维粗纱由多根碳纤维长丝编织而成。
5.根据权利要求4所述的冷却系统，其中，所述碳纤维粗纱由多达约20，000根碳纤维长丝编织而成。
6.根据权利要求2所述的冷却系统，其中，在所述至少一个碳纤维刷中的每根碳纤维具有大于约500 W/mK的轴向热导率，约5 W/mK至约40 W/mK的径向热导率，约2.4 Gpa至约7 Gpa的抗张强度，以及约230 Gpa至约700 Gpa的弹性模量。
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷利用导热的粘合剂联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述至少一个碳纤维刷利用夹具联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
9.一种电池组，包括: 至少一个电池单元；以及 冷却系统，包括散热器和邻靠所述电池单元的冷却板，该散热器通过至少一个碳纤维刷与所述冷却板热连通，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
10.一种用于电动车辆的推进系统，包括: 具有至少一个电池单元和冷却系统的电池组，该冷却系统包括散热器和邻靠所述电池单元的冷却板，所述散热器通过至少一个碳纤维刷与所述冷却板热连通，所述至少一个碳纤维刷联接到所述冷却板和所述散热器中的至少一个。
全文摘要
本发明涉及用于冷却模块组件的碳纤维热界面。冷却系统包括被构造成邻靠电池单元的冷却板。散热器通过至少一个碳纤维刷与冷却板热连通，至少一个碳纤维刷联接到冷却板和散热器中的至少一个。冷却系统可用在用于电动车辆的推进系统中的电池组中。
文档编号H01M10/50GK103165958SQ20121054086
公开日2013年6月19日 申请日期2012年12月14日 优先权日2011年12月15日
发明者A.黑泽, A.G.安德森, S.特普菲尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司