高能电化学电池用的温度控制装置和方法制造方法及图纸

提供了能量储存设备的电化学电池用的冷却装置和方法。许多电化学电池以相互隔开的方式排列，每个电池具有相对的第一和第二平表面，并在充电和放电过程中会发生体积变化。冷却囊为所述能量储存设备提供了温度控制。所述冷却囊由柔顺导热材料制成，并包括入口和出口部分。所述冷却囊是柔顺的，在所述电池的体积变化过程中与每个电池的至少第一平表面或第二平表面保持接触。热传递介质在所述冷却囊的入口和出口部分之间流动，以控制所述电池的工作温度。可压迫所述冷却囊，以在充电和放电过程中将所述能量储存设备的电池保持在压缩状态。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高能电化学电池用的温度控制装置和方法优选权说明本申请要求了2002年2月19日提交的美国临时申请60/357874的优选权，其全部内容参考结合于此。政府许可权利美国政府依照美国能源部授予的合作协议DE-FG02-95EE50425拥有本专利技术的权利。专利
本专利技术涉及能源储存设备，具体涉及控制高能电化学电池的工作温度的装置和方法。专利技术背景对于新的、改进的电气机械系统(例如混合电动车辆)的需求对于能源储存设备的制造产生了越来越多的压力，现在迫切需要开发能在包装(package)体积小的情况下生成高能量的电池技术。目前已经开发了许多高级(advanced)的电池技术，如金属氢化物(如Ni-MH)、锂离子、和锂聚合物电池技术，这些技术看来能提供产生能量的所需水平，以及许多商业和消费者应用的安全界限。但是，这些高级的电池技术通常对于高级能量储存设备的生产商提出了挑战。例如，高级的电力形成系统通常产生大量的热，如果不把这些热适当驱散的话，就不能使所述系统达到最佳性能。而且，这些电池较差的热管理会形成失去控制的热环境，并最终破坏这些电池。因此，当设计用于商业和消费者的设备以及系统的电池时，必需了解并适当考虑到高级电池组的热特性。例如，在能量储存系统的高级可充电电化学电池叠(stack)的外部提供热传导机理的常规方法不能充分将热量从所述电池的内部驱散。所述常规方法而且也非常昂贵，或者在某些应用中使用体积很大。当高级的高能电化学电池叠起来时，由于非最佳性能、短路、和热失控条件产生的严重结果明显增加。另一种常规冷却方法是将整个或部分电化学电池浸没在所述冷却剂中。当这种-->方法在所述电化学电池和冷却剂流之间提供良好的热接触时，应该考虑密封和电绝缘的问题。高级电池技术的其他特征对于高级能量储存设备的设计者提供了其他挑战。例如，由于电池的充电状态的变化，特定的高级电池结构会发生体积的循环变化。在充电和放电过程中，这种电池的总体积可变化5-6％或更多。电池物理尺寸的重复变化明显使能量储存系统的热管理策略变得复杂化。常规电池系统，如使用铅酸电池的系统，通常使用了在刚性电池外壳的壁中运行的冷却系统，例如在外壳的壁中使用冷却管。其他常规技术使用了接触所述电池系统单元的刚性金属外壁的冷却装置。在这些情况下，所述冷却系统的设计可相对较简单，因为在这种情况下电池内的任何尺寸变化电池外部的影响很小或没有影响。例如，在操作所述硬封装电池的过程中，电池体积的变化并不会使电池外壳尺寸发生明显变化，这是因为电池的外壳是刚性且有强度的。在高级可充电电化学电池(具体是锂离子、锂聚合物、锂离子聚合物电池)的使用并没有受到整个刚性电池外壳限制的应用中，实际使用在常规电池系统中所用的冷却方法和工艺是有局限的，这是因为在进行充电和放电过程中，所述外壳的净外部尺寸变化非常大。在高级电池制造工业中，目前需要一种能具有高能输出的电力形成系统以及能在各种应用中提供安全和可靠性的电力形成系统。目前还需要一种能将所述能量储存电池有效保持在正常操作温度、使所述电池具有最佳性能的热管理方法。本专利技术实现了这些和其他需要。专利技术概述本专利技术涉及冷却能量储存设备的电化学电池的装置和方法。在本专利技术的一个实例中，所述能量储存设备包括许多以相互隔开方式排列的电化学电池。每个电化学电池包括相对的第一和第二平表面，且在充电和放电过程中会发生体积变化。对于所述能量储存设备，使用冷却囊(bladder)来提供温度控制。所述冷却囊由柔顺的导热材料形成，包括入口和出口。当所述电池的体积变化时，所述冷却囊与所述每个电化学电池的第一平表面或第二平表面保持接触。热传递介质穿过所述冷却囊的入口和出口部分之间，以控制所述电化学电池的工作温度。所述冷却囊可制造成包括连续中空的内部，所述热传递介质穿过其中。在一种结构中，所述冷却囊包括许多流动通道，所述热传递介质通过其中。通常，所述冷却囊基本覆盖了每个电池的所有表面积。在一个结构中，所述冷却囊包括支撑装置，以防止热传递介质在冷却囊弯曲部-->位的流动受到限制。所述支撑装置可位于冷却囊弯曲部位的冷却囊的外表面上。所述支撑装置也可位于冷却囊弯曲部位的冷却囊内。所述支撑装置还可在冷却囊弯曲部位的冷却囊内形成整体结构。例如，所述冷却囊可包括分布在所述冷却囊中的多孔纤维材料。所述多孔纤维材料可分布在冷却囊的弯曲部位。在另一种方法中，所述冷却囊包括安装在冷却囊的弯曲部位上的增厚部分。所述冷却囊可设计成包括内室(compartment)，在其中，所述热传递介质以单向的方式穿过入口部分和出口部分之间。所述冷却囊也可设计成包括许多室，所述热传递介质穿过其中。例如，所述冷却囊可包括第一内室和第二内室。在所述第一内室中穿过的传递介质以特定的方向流动，所述方向较好与传递介质在第二内室中穿行的方向相反。所述冷却囊可由具有单材料层的柔顺导热材料制成，或者由具有许多材料层的柔顺导热材料制成。例如，所述柔顺的导热材料可包括位于第一聚合物层和第二聚合物层之间的金属层。所述冷却囊的柔顺导热材料优选的厚度小于约150密尔。所述冷却囊和热传递介质优选构成了小于5重量或体积％，以电池、冷却囊和热传递介质的总重量或总体积计。所述能量储存设备的电化学电池可排列形成许多电池叠或组。每个电池组安装了许多冷却囊中的一个，这样通过至少一个位于所述能量储存设备中的冷却囊控制每个电池组的电化学电池的工作温度。能量储存设备的电化学电池可排列形成电池叠。在这种结构中，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使得电池叠中的任何两个电池之间测得的温度差不超过5℃。所述冷却囊也可控制电池叠的工作温度，使得单个电池的第一或第二平表面上任何两个点之间的温度差不超过5℃。更优选地，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使得电池叠的任何两个电池之间，或者单个电池的第一或第二平表面上任何两个点之间测得的温度差不超过2℃。在一个实例中，所述冷却囊呈盘旋结构，以接触能量储存设备的每个电化学电池的相应第一和第二平表面。例如，每个电化学电池包括第一、第二、第三和第四边缘，且所述第一边缘与所述第二边缘相对，所述第三边缘和所述第四边缘相对。每个电化学电池的第一和第二边缘电耦合到相应的电导体上，以将电流导入和导出每个电化学电池。所述冷却囊接触每个电化学电池的相应第三和第四边缘以及相应第一和第二平表面。-->在一个实例中，穿过所述冷却囊的热传递介质可以是水。所述热传递介质也可以是水和乙二醇或其他防冻剂的混合物，或者甲醇和乙醇的混合物。所述热传递介质进入冷却囊的入口的温度优选是基本不变的。所述冷却囊优选控制能量储存设备的电化学电池的工作温度，所述能量储存设备的工作温度范围为约20℃-约130℃。例如，所述电化学电池可以是锂电池或镍金属氢化物电池。在另一个实例中，所述能量储存设备包括外壳，其中装有所述电化学电池和冷却囊。所述外壳包括正极端和负极端，它们都连接到所述电化学电池上。所述外壳还包括连接到冷却囊的入口部分的入口孔和连接到冷却囊的出口部分的出口孔。在一个结构中，所述外壳包括电化学电池和许多冷却囊。除了包括连接到电化学电池上的正极端和负极端，所述外壳还包括至少一个连接到每个冷却囊的入口部分的入口孔和至少一个连接到每个冷却囊的出口部分的出口孔。可选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学储能设备，它包括：以相互隔开的方式排列的多个电化学电池，每个所述电化学电池包括相对的第一和第二平表面，且都会在充电和放电过程中发生体积变化；由柔顺导热材料形成的一个冷却囊，它具有入口部分和出口部分，在体积变化过程中 ，所述冷却囊能至少与每个电化学电池的第一平表面或第二平表面贴合以保持接触，热传递介质在所述入口和出口部分之间流过，以控制所述电化学电池的工作温度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-2-19 60/357,8741.一种电化学储能设备，它包括：以相互隔开的方式排列的多个电化学电池，每个所述电化学电池包括相对的第一和第二平表面，且都会在充电和放电过程中发生体积变化；由柔顺导热材料形成的一个冷却囊，它具有入口部分和出口部分，在体积变化过程中，所述冷却囊能至少与每个电化学电池的第一平表面或第二平表面贴合以保持接触，热传递介质在所述入口和出口部分之间流过，以控制所述电化学电池的工作温度。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括连续中空的所述热传递介质流过其中的内部。3.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括所述热传递介质流过其中的多个流动通道。4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊基本覆盖了每个电池的所有表面。5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括支撑装置，以阻止所述热传递介质在冷却囊弯曲部位的流动受到限制。6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述支撑装置位于冷却囊弯曲部位的冷却囊外表面上。7.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述支撑装置位于冷却囊弯曲部位的冷却囊内部。8.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括分布在所述冷却囊中的多孔填料。9.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括分布在冷却囊弯曲部位的多孔填料。10.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括位于冷却囊弯曲部位的增厚部分。11.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括内室，所述热传递介质在其中以单向方式穿过入口部分和出口部分之间。-->12.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括所述热传递介质穿过其中的多个内室。13.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括第一内室和第二内室，所述传递介质在所述第一内室中流动，其方向与所述传递介质在所述第二内室中流动的方向相反。14.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述柔顺导热材料包括单材料层。15.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述柔顺导热材料包括多层材料层。16.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述柔顺导热材料包括分布在第一聚合物层和第二聚合物层之间的金属层。17.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊的柔顺导热材料的厚度小于约150密尔。18.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊和热传递介质占所述电池、冷却囊和热传递介质的总重量或总体积的小于约50重量或体积％。19.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个电化学电池排列形成了多个电池组，每个电池组装有多个冷却囊中的一个，这样每个电池组的电化学电池的温度就能受多个冷却囊中的至少一个控制。20.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个电化学电池排列形成了电池叠，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使所述电池叠的任何两个电池之间测得到温度差不超过5℃。21.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个电化学电池排列形成了电池叠，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使单个电池的第一或第二平表面上任意两点之间测得温度差不超过5℃。22.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个电化学电池排列形成了电池叠，所述冷却囊控制所述电池叠的工作温度，使所述电池叠的任何两个电池之间或者单个电池的第一或第二平表面上任意两点之间测得的温度差不超过2℃。23.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述冷却囊呈盘旋结构，以接触每个电化学电池的相应第一和第二平表面。24.如权利要求1所述的设备，其特征在于，多个电化学电池中的每一个电池都包括第一、第二、第三和第四边缘，所述第-->一边缘与所述第二边缘相对，所述第三边缘与所述第四边缘相对；每个电化学电池的所述第一和第二边缘电连接到相应的电导体上，以将电流导入和导出每个电化学电池；所述冷却囊接触每个所述电化学电池的相应第三和第四边缘以及相应第一和第二平表面。25.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述热传递介质包括水。26.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述热传递介质包括水和乙二醇的混合物。27.如权利要求1所述的设备，其特征在于进入所述冷却囊入口的所述热传递介质的温度基本不变。28.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述电化学电池的工作温度为20℃-约130℃。29.如权利要求1所述的设备，它还包括所述多个电化学电池和冷却囊位于其中的外壳，所述外壳包括正极端和负极端，每个正极端和负极端都连接到所述电化学电池上，所述外壳还包括连接到冷却囊的入口部分的入口孔和连接到冷却囊的出口部分的出口孔。30.如权利要求1所述的设备，它还包括所述多个电化学电池和多个冷却囊位于其中的外壳，所述外壳包括正极端和负极端，每个正极端和负极端都连接到所述电化学电池上，所述外壳还包括至少一个连接到冷却囊的入口部分的入口孔和至少一个连接到冷却囊的出口部分的出口孔。31.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述电化学电池包括锂电池或镍金属氢化物电池。32.一种电化学储能设备，它包括：多个以相互隔开的方式排列的电化学电池，所述电化学电池包括相对的第一和第二平表面，所述电化学电池在充电和放电过程中会发生体积变化；由柔顺导热材料形成的冷却囊，所述冷却囊能贴合接触每个电化学电池的至少相应第一平表面或第二平表面，热传递介质在所述冷却囊中流动，以控制所述电化学电池的工作温度，在充电和放电过程中所述冷却囊受压，以使所述电化学电池保持在压缩状态。-->33.如权利要求32所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括所述热传递介质在其中流动的多个流动通道。34.如权利要求32所述的设备，其特征在于所述冷却囊包括支撑装置，以防止热传递介质在冷却囊弯曲部位的流动受到限制。35.如权利要求34所述的设备，其特征在于所述支撑装置位于所述冷却囊弯曲部位的冷却囊外表面。36.如权利要求34所述的设备，其特征在于所述支撑装置位于所述冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：CY恩，SD古利克，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]