带有固态冷却的电池制造技术

本发明专利技术提供了一种带有固态冷却的电池。该电池设置有固态冷却装置，使得其可以操作在预先确定的操作温度范围内。适当地，这种电池可以是用于由电动马达推动的车辆（诸如混合动力车辆或电动车辆）中的高电压-高电流电池。多个热电组件定位成与构成电池的组装的单体和/或模块热接触。响应于与单独的单体或模块相关联的多个温度传感器，这些组件可被适当地提供功率以从电池泵送热量，使得电池温度被保持在预先确定的温度范围。热电组件还可以被提供功率向电池泵送热量，以在低温条件下更快地增加其温度到预先确定的操作范围。

【技术实现步骤摘要】
带有固态冷却的电池
本公开涉及冷却电池，尤其是高电压高电流电池，该电池包括多个直立的类似形状的组装单体的模块的串联组件，适用于受到宽范围的周围温度的电动车辆或混合动力车辆。更具体而言，本公开涉及使用相对薄的、板状的互连固态热电装置的组件，该组件成形为类似模块并且放置在所选的模块之间，用于加热或冷却模块，以将它们维持在预先确定的操作温度范围。
技术介绍
本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并可能不构成现有技术。对电池提供功率的电动车辆有越来越高的兴趣。这些车辆可以是纯电动车辆，其中，唯一的功率源是电池，或者是混合动力车辆，其中，电推进系统由车载内燃或IC发动机来补充。用于这些车辆的电池通常由适当地串联和并联相互连接的多个单独的单体组成，以产生用于它们预期应用的适当电压和电存储能力。最通常的单独单体首先组装成较小的组，称为模块，然后多个模块适当地相互连接和封装以制造电池。通常，以相对薄的矩形形状(或其它适当形状)的形式来制备单独单体的电极、电解质和分离器元件。一组这样的单体通常被组装和电连接以提供预先确定的电势和电流容量。该组可以被包含在软的聚合物袋中。并且若干个袋可以被组装并且相互连接为模块，并且包含在塑料或金属的容器中。例如，一个带有24kWh电池的电动车辆采用192个软面的锂离子单体，每个单体能够产生大约3.8伏。这些单体在以下的方案下组装到电池中。这些单体中并联连接的两个串联连接到第二对并联连接的单体，并且封装到硬盒模块中，产生大约7.6伏。接着，48个这些模块然后被连接，以产生名义上360伏的电池。模块单独占据大约4立方英尺，当与相关联的设备(诸如控制电子装置)封装时可能需要车辆内的大约3英尺乘以2英尺的占地面积。在电动车辆和混合动力车辆中，电池以高电压操作，并且设计成在操作期间输送高电流，并且在电池充电期间接受高电流输入。由于所有的电池都具有内电阻，在这些高电流事件期间，在电池内部可能发生较大的电阻加热。所产生的热量如果不耗散到电池之外，则可能升高电池的温度和一些电池构件的压力。通常，这些电池将用于温度范围从大约-30°C至大约40°C，优选的操作范围是25°C和35°C之间。即使电池操作温度相对温和地升高到大致70°C，则电池性能可能会降低。为了维持优选的电池操作温度，大部分电池提供功率的电动车辆包括用于电池冷却的一些设备。这种冷却可以包括全局地应用于整个电池的单个系统，或者可以包括在电池内分布的多个冷却单元。这种冷却系统可以采用液体冷却，其需要一个或多个泵以及较长的管道以确保足够的冷却剂流到电池中的所有冷却单元。将意识到，带有大的占地面积的电池将需要较大体积的冷却剂。电池冷却剂循环系统和冷却剂自身都对电动车辆增加质量，缩短它们的里程并且降低它们对潜在购买者的吸引力。因此，在电池冷却系统中持续需要提供良好的性能而不使电池增加较大的质量或体积。
技术实现思路
用于车辆中的牵引马达的高电压电池通常由多个较低电压的模块组装而成。这些模块由基本上刚性的封闭的壳体组成，每个壳体包含若干个单独的电池单体，为了体积效率，这些电池单体被紧密地包装到壳体中。模块通常采用相同的设计。并且它们依次被设计和组装到紧凑、有空间效率的组件中。每个模块中的紧密包装的单体被独立地封装，并且经常包含在柔性的聚合物壁的袋中，该袋外形是大致矩形，并且在袋的边缘密封。在锂离子电池的情况下，这种单体称为软棱柱锂离子单体。模块在平面图中大致也是矩形，壳体通常包括两个紧密隔开、相对和共延的矩形面，窄的材料带在面的外周周围延伸，以密封壳体并且完全包含单体。通过以面对面的关系堆叠多个这种类似尺寸和形状的模块壳体以及适当地电互连模块的相应端子来组装电池，使得组装的电池可以以预先确定的电压和电流来输送电能。通过将包括热电元件的热电组件结合到电池中，这种高电流、高电压电池的模块可以保持在预先确定的温度范围。热电组件可以结合有模块，尤其是模块壳体，或者结合模块内的单体，尤其是单体袋壁。热电元件是固态这种，其可以成形为带有平的、平行的相对的面。当装置的相对面连接到直流(DC)电源时，装置在其面之间产生温度梯度。该温度梯度可以如本文所述地开发，以加热或冷却组装的电池的模块。热电元件可以是相对薄的正方形或矩形体的形式，由η掺杂和P掺杂的半导体制备，在它们的端部、在相对的电互连的面结束。一组类似或互补形状的这种元件可以以板状布置组装，用于在电池的模块或单体之间放置加热或冷却体。由于这样的热电元件在通过电流时将在一个面产生升高的温度并且在其相对面产生降低的温度，该行为可以被开发，以加热或冷却与热电元件热接触的本体。可以通过反转电流的方向来反转热面和冷面的位置，使得单个元件或一组元件既可以加热又可以冷却本体。如所注意到的，通常，这种热电元件被组合到组件中，其中,η型和P型热电元件电串联和热并联连接，以提供增强的热容量。通常，热电元件和它们的电互连件的面夹在通常由陶瓷制成的两个非导电基底之间。这些基底为组件提供机械支撑，但阻碍热量流动。在模块的实施例中，热电组件可以结合较大体积的热点半导体的长方体阵列。该阵列通常与模块壳体面是共延的，并且可以采用模块壳体面作为基底或支撑件。在该实施例中，热电组件可以粘性地结合到模块壳体面。采用模块壳体面作为支撑件消除了对通常用于支撑组件的至少一个非导电陶瓷基底的需要，能够改善热量流动，从而增强热电组件的能力。在替代并且更有效的实施例中，热电元件可以嵌入或者部分嵌入模块壁中。这样的方法仅对于由聚合物或半导电的材料制成的模块容器可行。但通过将热电元件嵌入壁中，热电元件的第一面或端部将定位成更接近是任何热量的源头的单体袋。因此，由壁导致的对热量流动的阻碍将与嵌入程度和在热电元件之下所得到的壁厚度成比例地降低。将认识到，模块壳体内的单体包含在袋中，并且袋壁包含单体电极和电解质并且将其隔离。因此，热电组件及其相关联的电极不排除延伸到模块壳体壁的内表面。聚合物模制领域的技术人员将认识到，熟知的包模技术可以用来实现所需要程度的嵌入。类似的推理表明，省去第二或相对的端部或面上的第二不导电基底，即端部或面不与模块壁接触，在增强热传递方面也将是有效的。省去第二基底将要求热电组件支撑其自身。但热电元件是刚性且相对短的，5毫米或更短，因此在其第一端牢固固定到刚性壳体面的组件将充分被支撑。然而，当循环流体用于从热电元件带走热量或者传递热量到热电元件时，允许在两个表面上都通过流体的基底可以增强热传递。进一步地，通过适当设计相对的基底，例如通过结合翅片，从第二表面到与第二表面接触的流体的热传递可以被增强。因此，第二刚性基底的与热电元件接触的表面应该是大致平面的，但其相对的表面可以成形为优化在基底之上流动的流体的热传递。这种特征，包括翅片、销或其它突起物对于本领域技术人员是熟知的。基底的第二表面还可以适于接合相邻的热电组件的第二基底的第二表面，以便至少用于牢固地将组件和模块结合在一起。热电元件的嵌入仅对于聚合物或其它不导电模块壳体是可行的。嵌入可以使用传统的包模技术来实现。这些技术可能需要固定组件，以便在聚合物流到模具期间对组件提供暂时支撑。如果热电组件附接到壳体面，对于导电和不导电的面可能需要不同的方法。可以仅使用粘合剂将热电组件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电化学单元，用于与类似的单元组装以形成车辆电池，所述电化学单元包括：袋，该袋包括至少一组电极和电解质，该袋及其内容物被成形为两面的单元，该两面的单元带有相对的面，用于与类似的袋单元大致面对面地接触组装，所述电化学单元在其操作期间需要加热或冷却，所述袋的每个面由第一聚合物成分制成的第一层限定，该第一层至少由第二聚合物成分制成的第二聚合物层上覆，所述第一聚合物层与所述电解质和至少一个电极紧密接触，所述电化学单元还包括：多个分隔开的、类似形状的、交替的n型和p型半导体热电元件，每个所述热电元件带有相对的第一和第二面，相邻元件的第一面电连接以形成第一连接，相邻元件的第二面电连接以形成第二连接，所述第一连接和第二连接布置成使所述多个元件串联连接，所述元件以及它们相关联的连接与所述第一聚合物层大致共延并且由所述第一聚合物层支撑并附接到所述第一聚合物层，以形成与所述袋结构一体的组装的热电装置，所述装置能够利用导通直流电而被激励，以产生与所述袋的面接触的冷却或加热面；所述热电装置基本上由所述第二聚合物层覆盖。

【技术特征摘要】
2012.07.25 US 13/557,4191.一种电化学单元，用于与类似的单元组装以形成车辆电池，所述电化学单元包括: 袋，该袋包括至少一组电极和电解质，该袋及其内容物被成形为两面的单元，该两面的单元带有相对的面，用于与类似的袋单元大致面对面地接触组装，所述电化学单元在其操作期间需要加热或冷却，所述袋的每个面由第一聚合物成分制成的第一层限定，该第一层至少由第二聚合物成分制成的第二聚合物层上覆，所述第一聚合物层与所述电解质和至少一个电极紧密接触，所述电化学单元还包括: 多个分隔开的、类似形状的、交替的η型和P型半导体热电元件，每个所述热电元件带有相对的第一和第二面，相邻元件的第一面电连接以形成第一连接，相邻元件的第二面电连接以形成第二连接，所述第一连接和第二连接布置成使所述多个元件串联连接，所述元件以及它们相关联的连接与所述第一聚合物层大致共延并且由所述第一聚合物层支撑并附接到所述第一聚合物层，以形成与所述袋结构一体的组装的热电装置，所述装置能够利用导通直流电而被激励，以产生与所述袋的面接触的冷却或加热面； 所述热电装置基本上由所述第二聚合物层覆盖。2.如权利要求1所述的电化学单元，还包括位于所述第一聚合物层和所述至少一个上覆的聚合物层之间的具有形状的绝缘层，所述上覆的聚合物层与所述具有形状的绝缘层的表面形状相符，使得所述袋的面的外形适于与类似单元的面接合，以便组装到车辆电池中。3.如权利要求2所述的电化学单元，其中，所述绝缘层包括聚合物泡沫。4.如权利要求2所述的电化学单元，其中，所述袋的面的外形被成形为使得在两个袋被组装到车辆电池过程期间被面对面接触放置时，在袋的面上至少形成连续的槽道。5.如权利要求1所述的电化学单元，其中，所述袋的面大致是...

【专利技术属性】
技术研发人员：LC列弗，GP梅斯纳，N康德拉耶夫，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：