相关申请
本申请要求2015年12月17日提交的美国申请号14/972,573以及2015年9月24日提交的美国临时申请号62/232,226和2015年9月25日提交的美国临时申请号62/232,719的优先权，所有这些专利的全部内容通过引用并入本文并用于所有目的。
本公开一般涉及电池组，并且更具体地，涉及用于冷却电池组的冷却系统。
背景技术：
电池在充电和使用时都会产生热量。电池中发生的在化学成分之间移动电荷以产生电力的化学变化是这种热量的来源。产生的热量影响电池单元的内部电阻，从而通常影响电池产生的输出电压和电池寿命。因此，在电池生产时从电池中散热非常重要。
传统的电池冷却系统依赖于单相传热材料(例如流过电池或散装金属散热片的流体)的热交换特性来散发来自电池的热量。进入冷却流体或散热部件的热量然后通过与环境接触而从流体和散热部件中去除。需要一种从电池中去除更多热量，而不必增加诸如泵或冷凝器之类辅助部件的方法。
本公开解决了这些需求。
技术实现要素：
在一个方面，本公开涉及一种用于具有顶表面和底表面的电池单元的冷却系统。在一种实施方式中，所述冷却系统包括芯吸材料和第一冷却液体；电池单元支撑件，所述电池单元支撑件被构造为保持所述电池单元与所述芯吸材料连通；具有壁的第一冷却通道，所述壁具有内表面和外表面，所述冷却通道的壁的内表面限定内腔，所述第一冷却通道的壁的外表面与所述芯吸材料连通；由此第一冷却流体通过所述第一冷却通道的内腔，由此所述芯吸材料中的第一冷却液体响应于从所述电池单元散发的热量而蒸发，并且由此蒸发的第一冷却液体在与所述第一冷却通道的所述壁接触时冷凝并且被所述芯吸材料吸收。在另一种实施方式中，蒸发的第一冷却液体通过所述第一冷却液体在所述第一冷却通道的壁上的冷凝将热量传递到第二冷却流体。在另一种实施方式中，所述电池支撑件保持所述电池单元的底表面与所述芯吸材料连通。在又一种实施方式中，所述电池支撑件保持所述电池单元的一部分与所述芯吸材料连通。在又一种实施方式中，所述芯吸材料限定具有第一端和第二端的孔，所述孔的第一端终止于所述冷却通道的壁的外表面附近，其中所述电池单元支撑件被构造成保持所述电池单元，使得所述电池单元的底表面的一部分位于所述孔的第二端上方，并且由此蒸发的第一冷却液体通过所述孔从所述电池单元的底表面的一部分移开并且冷凝在所述第一冷却通道的壁的外表面上。
在一种实施方式中，所述芯吸材料是具有与所述电池单元的直径相似的直径的圆柱体结构，并且该圆柱体结构限定具有第一端和第二端的孔，所述孔的第一端终止于所述冷却通道的壁的外表面附近，其中所述电池单元支撑件构造成保持所述电池单元，使得所述电池单元的底表面的一部分位于所述孔的第二端上方，并且由此蒸发的第一冷却液体通过所述孔从所述电池单元的底表面移开并且冷凝在所述第一冷却通道的壁的外表面上。在另一种实施方式中，所述冷却系统包括至少两个通过所述芯吸材料的延伸而互连的芯吸材料的圆柱体结构。在另一种实施方式中，所述芯吸材料选自由高导热率材料组成的组，该高导热率材料组成的组包括但不限于铜、不锈钢、铝、碳钢、银、碳纤维和石墨。在又一种实施方式中，所述第一冷却液体选自由两相流体组成的组，该包括两相流体的组包括但不限于氨、flutecpp1、flutecpp3、flutecpp6、flutecpp2、flutecpp9、氟里昂11(freon11)、氟里昂113(freon113)、醇、甲醇(283-403k)和乙醇(273-403k)。在另一种实施方式中，所述第一冷却液体是针对273k至323k的温度之间的相变冷却而优化的热液体。在又一种实施方式中，所述第一冷却流体选自包括但不限于合成油、乙二醇、水、液体电介质或其组合的组。在又一种实施方式中，所述冷却系统包括第二冷却通道，所述芯吸材料定位在所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间并限定在所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间延伸的多个孔。在另一种实施方式中，所述芯吸材料限定平行于所述电池单元的纵向轴线的孔。在又一种实施方式中，所述冷却通道和所述芯吸材料被定位成与所述电池单元的壁相邻。在另一种实施方式中，所述第一冷却通道和所述芯吸材料被定位成与所述电池单元的顶部相邻。在又一种实施方式中，所述第一冷却通道和所述芯吸材料被定位成与所述电池单元的顶部相邻，并且所述芯吸材料被定位成在所述电池单元的顶部和所述第一冷却通道的壁之间限定充气室(plenum)。在另一种实施方式中，所述第一冷却通道的直径与所述第一冷却通道所邻近的所述电池单元的顶部的直径基本相同。在又一种实施方式中，所述第一冷却通道的直径实质上小于所述第一冷却通道所邻近的所述电池单元的顶部的直径。
另一方面，本公开涉及一种用于具有顶表面和底表面的电池单元的冷却系统。在一种实施方式中，所述冷却系统包括芯吸材料和第一冷却液体；电池单元支撑件，所述电池单元支撑件被构造为保持所述电池单元与所述芯吸材料连通；具有壁的第一冷却通道，所述壁具有内表面和外表面，所述第一冷却通道的壁的外表面与所述芯吸材料连通；由此第一冷却流体通过所述第一冷却通道，由此所述芯吸材料中的第一冷却液体的粘度响应于来自所述电池单元的热量而降低，并且由此所述第一冷却液体的粘度在与所述第一冷却通道的壁接触时增加并且被所述芯吸材料吸收。在另一种实施方式中，所述第一冷却液体的一部分传递热量而不经历相变。
在又一方面，本公开涉及一种用于具有顶表面和底表面的电池单元的冷却系统。在一种实施方式中，所述冷却系统包括芯吸材料；具有第一状态和第二状态的第一冷却液体；电池单元支撑件，所述电池单元支撑件被构造为保持所述电池单元与所述芯吸材料连通；具有壁的第一冷却通道，所述壁具有内表面和外表面，所述第一冷却通道的壁的外表面与所述芯吸材料连通；由此第一冷却流体通过所述第一冷却通道，由此所述芯吸材料中的第一冷却液体响应于来自所述电池单元的热量而经历从所述第一状态到所述第二状态的相变，并且由此所述第一冷却液体在与所述第一冷却通道的壁接触时从所述第二状态变为所述第一状态并且被所述芯吸材料吸收。
附图说明
从本文结合附图的描述可以最好地理解本公开的结构和功能。这些附图不一定是按比例绘制的，重点通常放在说明性原则上。这些附图在所有方面都被认为是说明性的，并且不旨在限制本公开，其范围仅由权利要求限定。
图1是定位在电池组冷却通道上的两个电池模块的一种实施方式的截面图；
图2是定位在电池组冷却通道上的电池组模块的一种实施方式的截面图；
图3是定位在电池组冷却通道上的电池组模块的另一种实施方式的截面图；
图4是定位在电池组冷却通道上的电池组模块的又一种实施方式的截面图；
图5是定位在电池组冷却通道上的电池组模块的再一种实施方式的截面图；
图6是图5所述装置的实施方式的平面图；
图7是定位在电池组冷却通道上的电池组模块的再一种实施方式的截面图；
图8是定位在电池组冷却通道附近的电池组模块的另一种实施方式的截面图；
图9是定位在电池组冷却通道附近的电池组模块的另一种实施方式的截面图；
图10a是定位在两个冷却通道之间的“袋装”电池单元的实施方式的侧视图；
图10b是图10a所示实施方式的正视图；
图11a是定位在冷却通道附近的“袋装”电池单元的实施方式的正视图；
图11b是具有冷却空间的一种实施方式的图1的侧视图；和
图11c是具有冷却空间的第二实施方式的图1的侧视图。
具体实施方式
简要概述并参照图1，总体上，根据本公开构造的电池冷却装置的各种实施方式包括两个电池模块4，4'(通常为4)，每个电池模块包括支撑表面8，8'(通常为8)，其支撑多个电池单元10，10'，10”，10”'(通常为10)。电池模块4背靠背地放置在电池组冷却通道14上。冷却通道14包括用作电池模块4的散热部件的壁16。冷却流体，例如，合成油、乙二醇、水、液体电介质、它们的组合或气体(箭头a)流过冷却通道14的内腔18，并从电池模块4去除传递到冷却通道的壁16的热量。该冷却系统利用两相密封系统，该系统将优化的用于相变冷却的热液体与提供晶格的高热导率芯吸材料(例如，铜、不锈钢、铝、碳钢、银、碳纤维和石墨)结合在一起，借此冷却液体通过毛细作用移动。在一些实施方式中，热液体被优化用于在273k和323k之间的温度下的相变冷却。在其它实施方式中，液体不改变相位但在热量进入或离开液体时经历粘度的变化。
每个电池模块4包括分别部分地由冷却通道14的壁16和支撑表面8形成的冷却空间22，22'(通常为22)。每个空间22填充有芯吸材料26，该芯吸材料26被两相冷却流体湿润，例如，氨、flutecpp1、flutecpp3、flutecpp6、flutecpp2、flutecpp9、氟里昂11、氟利昂113、醇、甲醇(283-403k)和乙醇(273-403k)。另外的壁在冷却通道14的壁16和支撑表面8之间延伸。电池单元10也抵靠它们各自所在的支撑表面8中的开口被密封。该构造将冷却空间22包围在防蒸汽容器中。
随着电池单元被使用和充电，它们产生热量。热量通过电池单元10的基座，使与芯吸材料相关联的冷却液体蒸发，从而从电池单元10去除热量。所得到的蒸汽v，v，v"，v"通过芯吸材料扩散，最终被冷却通道14的壁16冷却。这种冷却使得蒸汽在冷却通道14的壁16的外表面上形成冷凝物30。然后，该冷凝的冷却液体通过芯吸材料26并重新与电池单元10接触。此时，循环重复进行，从电池单元10中除去更多的热量。芯吸材料和液体连同冷却通道壁的这种组合在冷却空间22中形成封闭的无源系统，其不断地将热量从电池单元10传递到冷却流体a。
更详细地说，并且考虑到各种实施方式，图2描绘了一种实施方式，为了清楚仅示出了电池模块4中的一个。在该实施方式中，第二支撑表面34与支撑表面8一起支撑电池单元10,10'，10””(通常为10)。在该实施方式中，电池单元10的基座与支撑表面8的底部共面。再次，电池单元10的壁相对于支撑表面8连同壁38，38'一起形成密封以与冷却通道14的壁16一起形成的封闭空间22。
如上所述，冷却空间22填充有与冷却液体相关联的芯吸材料。当热量通过电池单元10的基座时，与芯吸材料相关联的冷却液体蒸发，从电池单元10去除热量。所得到的蒸汽v，v’通过芯吸材料扩散并且通过靠近冷却通道14的壁16进行冷却。然后，蒸汽在冷却通道14的壁16上冷凝30，并且被芯吸材料26吸收，并最终返回与电池单元10接触。然后蒸发和冷凝循环重复。
图3描绘了另一种实施方式，为了清楚起见，仅再次示出了电池模块4中的一个。该实施方式与图1所示的一般实施方式类似。在该实施方式中，支撑表面8在电池组冷却通道14上支撑多个电池单元10,10'，10””。如前所述，冷却通道14包括用作电池模块4的散热部件的壁16。冷却流体(箭头a)流过冷却通道14的内腔18，去除传递至冷却通道的壁16的热量。
每个电池模块4包括由冷却通道14的壁16和支撑表面8形成的冷却空间22。冷却空间22填充有被冷却液体湿润的芯吸材料26。冷却通道14的壁16与支撑表面8之间的间隔包括从冷却通道14的壁延伸到支撑表面8的壁38。电池单元10还抵靠它们各自所在的支撑表面8中的开口被密封，以在防蒸汽容器中封闭冷却空间22。与前述实施方式不同，电池单元10进一步延伸到冷却空间22中。这允许额外的热量通过电池单元10的壁从电池单元10逸出。应当注意的是，在典型的“果冻卷”(jelly-roll)构造的电池单元10中，其中电池的内部组件围绕中心电极缠绕成螺旋形，大部分热量通过电池的基座去除。这是因为来自螺旋卷绕电池组件中心的热量必须通过螺旋的其他发热部分才能通过电池壁逸出。然而，通过电池单元的壁去除额外热量的能力证明对其中电池组件未被螺旋缠绕的其他电池配置有用。
如前所述，与芯吸材料相关联的冷却液体被电池单元10产生的热量蒸发。蒸汽v，v通过芯吸材料扩散，最终与冷却通道14的壁16接触并被冷却。这导致蒸汽形成冷凝物30，冷凝物30然后被芯吸材料26吸回而与电池单元10接触。该循环重复，不断地从电池单元10去除热量。
图4中所示的下一个实施方式类似于图2中的设计，其中电池单元10的底部与支撑表面8齐平。然而，在该实施方式中，不是将芯吸材料26松散地包装在冷却空间22中，芯吸材料26被构造成使得一系列孔40由芯吸材料26支撑。这些孔的直径小于电池单元10的直径并且从电池单元10的底部延伸至冷却通道14的壁16。通过这种方式，与芯吸材料相关联的冷却液体的蒸发形成的蒸汽可以更容易地扩散到冷却通道14的壁16处并在那里冷凝并且被吸回到电池底部(箭头v)。
图5所示的下一个实施方式类似于图3的实施方式，除了芯吸材料26不仅被构造成支撑一系列孔40，而且与电池单元10的基座接触的芯吸材料的尺寸被限制为大约或略大于电池单元10的基座的直径。如前面的实施方式所讨论的那样，这些芯吸柱42限定孔40，该孔40允许蒸汽从电池单元10的底部移动到冷却通道14的壁16。还参照图6，为了平衡来自不同电池单元10的热量的去除，一个电池单元的芯吸柱42也通过连接芯吸柱42的芯吸延伸部44与其他电池单元的芯吸支柱42连接。以这种方式，芯吸液体可能被吸引到产生最多热量的电池单元。
参照图7，该实施方式类似于图3中所示的实施方式，仅在该实施方式中，孔或通道40从冷却通道的壁16延伸穿过芯吸材料26以帮助将蒸汽传输至冷却通道，以帮助冷凝。
参照图8，尽管概念相同，但在图8所示的实施方式中，电池单元10,10'定位在它们的侧面上，并且冷却空间22、芯吸材料26、孔或通道40以及冷却通道18位于电池单元10的上方。此外，该实施方式被构造成通过电池单元10的壁而不是电池的底部去除热量。再次，通道40帮助将冷却蒸汽移动到冷却通道18的壁16。
参考图5，每个电池单元10可以在其侧面取向并与其他电池单元10偏置堆叠。在该配置中，因为如上所述的来自“果冻卷”(jelly-roll)电池单元10的侧面的热传递效率不高，所以使用两个冷却通道来冷却来自芯吸材料26的蒸汽。在该实施方式中，芯吸材料26填充在冷却空间22中，并且蒸汽孔或通道40蛇形地穿过偏置电池单元10之间。蒸汽孔或通道的端部在冷却通道的壁16'处终止以用于冷凝，如其他实施方式中所讨论的。
前述实施方式是根据圆柱形电池单元10来描述的，其中电池的内部组件围绕电极螺旋缠绕。电池单元的另一种形式是扁平或“袋装”电池单元60。在这些电池单元中，这些部件是平坦的层，它们堆叠在一起，并且两个电池电极64通过堆叠层的任何边缘被引出。尽管这些电池中的冷却原理与圆柱形电池的原理相同，但它们的扁平侧面可以具有其他配置。
参考图10a和图10b，在一种实施方式中，电池单元60被放置在两个冷却通道之间，如上所述，冷却流体通过该冷却通道(箭头a)。在一种实施方式中，在每个单元之间是包含芯吸材料26的冷却空间68和从一个冷却通道14延伸到另一个冷却通道14'的蒸汽通道或孔40。当从电池单元60的侧面提取热量时，冷却液体从芯吸材料26蒸发并穿过蒸汽孔或通道40以冷凝在冷却通道14,14'的壁16,16上，被芯吸材料26吸收。
还参考图11a-c，冷却空间68不必位于电池单元60之间。冷却空间68可以位于电池单元的上方(如图所示)，下方或上方及下方。图11a示出了电池单元60彼此相邻地堆叠，冷却空间68位于电池单元60上方。在该实施方式中，冷却空间68再次包括如前所述的芯吸材料26和冷却液体并且限定了从电池单元60的顶部延伸到冷却通道14的壁16的蒸汽通道或孔40。如在其他实施方式中所讨论的，冷却蒸汽穿过通道并冷凝在冷却通道14的壁16上。
图11b和图11c描绘了图11a的侧视图，其中在冷却空间68中具有芯吸材料26的两个实施方式。在图11b中，芯吸材料26遍及电池单元60的顶部之间的整个空间，并且包括贯穿芯吸材料26的附加蒸汽孔或通道40，因此产生孔的二维阵列。在图11c所示的实施方式中，芯吸材料26被约束至电池单元60的前部和后部，其中空间的其余部分是开放的，形成单个大孔或充气室40。
所描述的冷却系统具有封闭、便宜和无源的优点，基本上没有移动部件。
除非另外指明，否则说明书和权利要求书中使用的表示长度、宽度、深度或其他尺寸等的所有数字在所有情况下应理解为表示所示的精确值并且由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则说明书和所附权利要求书中提出的数字参数是近似值，其可以根据所希望获得的性质而变化。至少，而不是试图限制权利要求范围的等同原则的应用，每个数字参数至少应该根据所报告的有效数字的数量和通过应用普通舍入技术来解释。任何具体值可能相差20％。
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本文公开的可选元素或实施方式的分组不应被解释为限制。可以单独或者按照与该组的其他构件或本文提出的其他要素的任何组合来指代并要求保护每组构件。出于方便性和/或可专利性的原因，预计一个组中的一个或多个成员可以被包括在组中或从组中删除。当发生任何这些包括或删除时，本文中的说明书被视为包括所修饰的组，因此实现在所附权利要求书中使用的任何马库什组(markushgroups)的书面描述。
这里描述了某些实施方式，包括发明人已知的用于执行本公开的精神的最佳模式。当然，通过阅读前面的描述，对于本领域普通技术人员而言，这些所描述的实施方式的变化将变得显而易见。本发明人期望熟练的技术人员适当地采用这种变化，并且本发明人希望以不同于本文具体描述的方式实施本发明。因此，权利要求包括适用法律所允许的权利要求中记载的主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾，否则预期上述元素在其所有可能的变型中的任何组合。
最后，应该理解，这里公开的实施方式是对权利要求的原理的说明。可以采用的其他修改在权利要求的范围内。因此，作为示例而非限制，根据本文的教导可以使用替代实施方式。因此，权利要求不限于如所示和所描述的精确的实施方式。