本發(fā)明總地涉及包括聚合物的電池組系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鋰離子基電池具有較高的性能，但該性能會受到電池溫度的不利影響。低溫(例如，-10℃或更低)會減小電池能量(放電容量)和功率(操作電壓)。高溫(高于45℃)會顯著地縮短電池壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

包括聚合物的電池組系統(tǒng)的示例是冷卻系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及液體泄漏控制系統(tǒng)。本文公開的冷卻系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)包括上臨界溶解溫度(ucst)聚合物或者下臨界溶解溫度(lcst)聚合物。本文公開的液體泄漏控制系統(tǒng)包括超吸收性聚合物。

附圖說明

本發(fā)明的示例的特征通過參照以下詳細描述和附圖會變得顯而易見，其中類似的附圖標記對應(yīng)于類似的、盡管可能不相同的部件。為了簡潔，具有前述功能的附圖標記或特征可以或者可以并不結(jié)合它們所出現(xiàn)的其它附圖進行描述。

圖1是冷卻系統(tǒng)的示例的立體圖。

圖2a是冷卻系統(tǒng)的包括流體冷卻劑通道的一部分的沿著圖1中剖線2-2剖取的剖視圖，其中該流體冷卻劑通道包括上臨界溶解溫度(ucst)聚合物或者下臨界溶解溫度(lcst)聚合物來作為內(nèi)部聚合物層，并且流體冷卻劑通道中的ucst聚合物或者lcst聚合物以及溶劑處于分離的相中。

圖2b是與圖2a類似的視圖，除了以單個相示出ucst聚合物和溶劑或者lcst聚合物和溶劑以外。

圖3是熱管理系統(tǒng)的示例的示意的和部分剖視圖。

圖4是液體泄漏系統(tǒng)的示例的分解立體圖。

圖5是電池組的示例的示意圖。

圖6a至6f一起示出電池組組裝過程。

圖7是包括本文公開的電池組的示例的車輛的半示意立體圖。

具體實施方式

本文公開的示例系統(tǒng)采用各種類型的聚合物，以改進加熱和冷卻或者改進鋰離子電池組內(nèi)的泄漏控制。一些示例系統(tǒng)采用靈敏聚合物、確切地是上臨界溶解溫度(ucst)聚合物或者下臨界溶解溫度(lcst)聚合物，其具有在低于某一溫度或者高于某一溫度的情形下從水溶液或非水溶液中分離的相。一些靈敏聚合物同時具有ucst和lcst。其它示例系統(tǒng)采用超吸收性聚合物(即，搪塑粉末)，其可相對于液體自身的質(zhì)量而吸收并且保持極大量的液體。

示例系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及泄漏控制系統(tǒng)。除了適合于用在鋰離子電池組中以外，各種系統(tǒng)可用在其他應(yīng)用中。例如，這些示例系統(tǒng)可用在能夠在操作期間產(chǎn)生熱量的任何電子系統(tǒng)中。

如圖1所示，本文公開的其它示例系統(tǒng)是冷卻系統(tǒng)10。冷卻系統(tǒng)10包括冷卻板12和限定在冷卻板12中的冷卻劑流體通道14。在一示例中，冷卻板12可以是導熱材料(例如，金屬)的單個板，其具有模制或以其它方式形成在其中的冷卻劑流體通道14，或者可以是導熱材料(例如，金屬)的兩個板，其一起限定冷卻劑流體通道14。在又一示例中，冷卻板12可由導熱材料的頂板(其面向電池組中的單元或模塊)和導熱材料或非導熱材料的底板(其面向電池組中的托盤)所形成。作為示例，底板可以是金屬或塑料。底板的示例包括鋁、鋼、鎂、銅、有機聚合物等等。例如圖2a和圖2b中所示，冷卻流體通道14可限定在兩個金屬板16a、16b之間。金屬板16a、16b可以由鋁、鋼、銅、錳等形成，并且可經(jīng)由焊接、粘合劑或者其他合適的緊固過程或機構(gòu)來粘附在一起。導熱材料頂板的厚度可以在從約0.2mm至約3.0mm的范圍內(nèi)。包括冷卻劑流體通道14的間隔/高度的整個冷卻板12可具有范圍在從約0.5mm至約40mm的厚度。

冷卻劑流體通道14配置成運載其中的流體18(圖2a和圖2b)。在本文公開的冷卻系統(tǒng)10的示例中，流體18是水溶液/溶劑，其能與ucst聚合物或者lcst聚合物形成單個相，并且也可以是從ucst聚合物或lcst聚合物分離的相?？蓪⒘黧w18泵送貫通冷卻劑流體通道以冷卻電池組的其中包括冷卻系統(tǒng)10的單元。流體18的示例是水。流體的另一示例是水和防凍劑或冷卻劑(例如，可從普列斯通獲得的)的混合物。作為一個示例，流體18可以是水和的1∶1混合物。

如圖2a和圖2b中所示，冷卻劑流體通道14包括外部聚合物層20。外部聚合物層20的示例包括聚乙烯、聚苯乙烯等等。

例如圖2a和圖2b中所示，冷卻劑流體通道14還包括內(nèi)部聚合物22，其具有ucst或lcst。

ucst是這樣一個臨界溫度點，低于該臨界溫度點，內(nèi)部聚合物22和流體18是相分離的(圖2a)，而高于該臨界溫度點，內(nèi)部聚合物22和流體18是能完全混溶的(圖2b)。當內(nèi)部聚合物22是ucst聚合物并且冷卻系統(tǒng)10的溫度低于ucst時，內(nèi)部聚合物22和流體18分別是冷卻劑流體通道14的內(nèi)部聚合物涂層22’以及容納在冷卻劑流體通道14內(nèi)的液體流體18(圖2a)。然而，當冷卻系統(tǒng)10的溫度高于ucst時，內(nèi)部聚合物22鏈解開(在圖2b中示作22’)并且變得能與流體18混溶。在較高的溫度下，ucst聚合物和流體18形成單個凝膠相。

ucst的聚合物的示例包括聚(磺基甜菜堿)、聚環(huán)氧乙烷、聚乙烯基甲基醚、疏水改性的聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚丙烯酸、聚(尿嘧啶丙烯酸酯)、聚((甲基)丙烯酰胺-共-n-乙酰丙烯酰胺)、聚(n-丙烯酰天冬酰胺)、聚(n-丙烯酰谷氨酰胺)以及聚(n-甲基丙烯?；於０?。當選擇ucst聚合物時，可考慮聚合物的吸熱能力。吸熱能力與聚合物結(jié)構(gòu)和分子量相關(guān)，并且由此當選擇ucst聚合物時可考慮這些聚合物的特征。

包含具有ucst的內(nèi)部聚合物22具有若干優(yōu)點。當聚合物22、22’和流體18處于凝膠相時，在冷卻劑流體通道14中并不存在游離液體，并且這會降低流體泄漏的風險。附加地，內(nèi)部聚合物22保持在冷卻劑流體通道14中。

除了用作冷卻系統(tǒng)10中的內(nèi)部聚合物22以外，ucst聚合物也可用在冷卻系統(tǒng)10的傳感器中。該傳感器可定位在冷卻劑流體入口14i和冷卻劑流體出口14o處，以用作閘門來基于溫度控制流體18的流動。

lcst是這樣一個臨界溫度點，高于該臨界溫度點，內(nèi)部聚合物22和流體18是相分離的(圖2a)，而低于該臨界溫度點，內(nèi)部聚合物22和流體18是能完全混溶的(圖2b)。當內(nèi)部聚合物22是lcst聚合物并且冷卻系統(tǒng)10的溫度高于lcst時，內(nèi)部聚合物22和流體18分別是冷卻劑流體通道14的內(nèi)部聚合物涂層22’以及容納在冷卻劑流體通道14內(nèi)的液體流體18(圖2a)。然而，當冷卻系統(tǒng)10的溫度低于lcst時，內(nèi)部聚合物22鏈解開(在圖2b中示作22’)并且變得能與流體18混溶。在較低的溫度下，lcst聚合物和流體18形成單個凝膠相。

lcst聚合物的示例包括聚(n-異丙基丙烯酰胺)、聚(n,n-二乙基丙烯酰胺)、聚(n-乙烯基己內(nèi)酰胺)、聚[2-(二甲基氨基)甲基丙烯酸乙酯]、聚乙二醇以及聚環(huán)氧乙烷。當選擇lcst聚合物時，可考慮聚合物的吸熱能力。吸熱能力與聚合物結(jié)構(gòu)和分子量相關(guān)，并且由此當選擇lcst聚合物時可考慮這些聚合物的特征。

在用在電池組中的冷卻系統(tǒng)10的一個示例中，內(nèi)部聚合物22是lcst聚合物，其具有30℃來作為lcst。在示例中，循環(huán)在低于30℃的溫度下并不開啟，因為lcst聚合物和流體18形成單個凝膠相，并且循環(huán)在高于33℃的溫度下開啟，因為lcst聚合物是固體層22’并且流體18循環(huán)通過冷卻劑流體通道14。

包含具有l(wèi)cst的內(nèi)部聚合物22具有若干優(yōu)點。當聚合物22和流體18處于凝膠相時，在冷卻劑流體通道14中并不存在游離液體，且這會降低流體泄漏的風險。附加地，內(nèi)部聚合物22保持在冷卻劑流體通道14中。再者，主動的液體冷卻根據(jù)系統(tǒng)10的溫度而自動地打開或關(guān)閉。這減少所使用的水量并且還減少主動冷卻打開的次數(shù)。這還可縮短冷卻系統(tǒng)所花費的時間量(例如，與典型的液體冷卻系統(tǒng)所需的1至2小時相比是30分鐘)。

為了形成內(nèi)部聚合物22，ucst或lcst聚合物可適用任何合適的技術(shù)而位于外部聚合物層的內(nèi)表面上。合適技術(shù)的示例包括原位聚合、噴涂、其它涂覆技術(shù)等等。

冷卻劑流體通道14可包括冷卻劑連接管14c，其將若干個堆疊的冷卻劑板12連接在一起并且還連接冷卻劑流體入口14i和冷卻劑流體出口14o，用以使得流體18循環(huán)貫通冷卻劑流體通道14。

圖1中示出的冷卻系統(tǒng)10說明冷卻板12的配置的一個示例。冷卻板12可具有形成在其中的開口24和/或凹口26。開口24和/或凹口26可接收鏈接機構(gòu)，以將冷卻板12連接于例如電池組的其它部件。

本文公開的其它示例系統(tǒng)是熱管理系統(tǒng)30，例如圖3中所示。熱管理系統(tǒng)30包括多個電池單元28和定位在相鄰電池單元28之間的隔熱機構(gòu)32。隔熱機構(gòu)32可替換可能定位在電池單元28之間的其它隔離墊，或者可結(jié)合可能定位在電池單元28之間的其它隔離墊使用。

可使用任何類型的電池單元28。作為一個示例，每個電池單元28均包括負電極34及其相關(guān)聯(lián)的集電器36(例如，由cu形成)、正電極38及其相關(guān)聯(lián)的集電器40(例如，由al形成)以及隔離器42，該隔離器電氣地隔離并且離子地連接負電極和正電極38。在電池單元28的每個部件中使用的材料可取決于電池單元28的類型。作為鋰基(電池)單元的示例，鋰或硫基正電極38可與鋰或鈦酸鋰負電極34、硅/硅合金/氧化硅或硅低價氧化物負電極34、石墨負電極34、錫/錫合金負電極34、銻/銻合金負電極34或其他合適的負電極34配對。每個電池單元28還浸泡在合適的電解質(zhì)中，其將部分地取決于用于負電極和正電極的材料。

電池單元28可串聯(lián)地或并聯(lián)地連接。電池單元可一起形成電池模塊。單個模塊可包括從1至10個單元28，或者從1至20個單元28。在一些示例中，單元28的數(shù)量可進一步增多。

每個隔熱機構(gòu)32包括導熱材料殼體44、容納在殼體44內(nèi)的流體18’以及聚合物46，該聚合物具有ucst和lcst。

導熱材料殼體44可以是任何合適的導熱材料，例如碳納米管、銅、石墨、金、鎳、銀、鈦等等。導熱材料殼體44的包括其中駐留有聚合物46的部分的總體厚度可在從約0.5mm至約40.0mm的范圍內(nèi)。

在本文公開的隔熱機構(gòu)32的示例中，流體18’是水溶液/溶劑或者非水溶液/溶劑，其能與聚合物46形成單個相并且還可以是從聚合物46分離的相。流體18’的示例是水或有機溶劑。

類似于內(nèi)部聚合物22，ucst是這樣的臨界溫度點，低于該臨界溫度點，聚合物46和流體18’是相分離的，而高于該臨界溫度點，聚合物46和流體18’是完全可混溶的。當聚合物46是ucst聚合物并且隔熱機構(gòu)32的溫度低于ucst時，聚合物46和流體18’分別是緊密盤繞的聚合物鏈(如圖3中所示)和容納在導熱材料殼體44內(nèi)的液體流體18’。然而，當隔熱機構(gòu)32的溫度高于ucst時，聚合物46的鏈解開(未示出)并且變得能與流體18’混溶。在較高的溫度下，ucst聚合物和流體18形成單個凝膠相。

之前描述的ucst聚合物的任何示例均可用在隔熱機構(gòu)32中。

此外，類似于內(nèi)部聚合物22，lcst是這樣的臨界溫度點，高于該臨界溫度點，聚合物46和流體18’是相分離的，而低于該臨界溫度點，聚合物46和流體18’是完全可混溶的。當聚合物46是lcst聚合物并且隔熱機構(gòu)32的溫度高于lcst時，聚合物46和流體18’分別是緊密盤繞的聚合物鏈(如圖3中所示)和容納在導熱材料殼體44內(nèi)的液體流體18’。然而，當隔熱機構(gòu)32的溫度低于lcst時，聚合物46的鏈解開(未示出)并且變得能與流體18’混溶。在較低的溫度下，lcst聚合物和流體18形成單個凝膠相。

之前描述的lcst聚合物的任何示例均可用在隔熱機構(gòu)32中。

在隔熱機構(gòu)32中包含具有ucst或lcst的聚合物46具有若干優(yōu)點。隔熱機構(gòu)32中的聚合物46有助于管理電池單元28之間的熱耗散。由任何給定(電池)單元28產(chǎn)生的熱量可從單元28通過導熱材料殼體44傳遞至聚合物46和流體18’。具有ucst的聚合物46吸收熱量并且在達到ucst的情形下、經(jīng)受相變，而這會產(chǎn)生單相凝膠。通過潛熱吸收，ucst聚合物46防止熱量到達相鄰的單元28，并且由此防止從一個單元28熱耗散至另一單元28。當?shù)陀趌cst時，具有l(wèi)cst的聚合物46使得液體移動最小。當溫度升高至高于其臨界溫度點時，lcst聚合物46和流體18’變得相分離，并且減小的粘度并不會干涉液體循環(huán)，這有利于使得熱量有效地從單元28移除。附加地，在任一聚合物46的相變期間，隔熱機構(gòu)32的容積并不改變。容積保持與流體的容積18相同。再者，當聚合物46和流體18’處于凝膠相時，在隔熱機構(gòu)32中并不存在游離液體，且這會降低流體泄漏的風險。

前述優(yōu)點可使得本文公開的隔熱機構(gòu)32例如比包括典型的相變材料(pcm)的系統(tǒng)更為理想，其可具有有限的熱量容量和大/高的體積以及壓力變化。

現(xiàn)參見圖4，示出液體泄漏控制系統(tǒng)50的分解圖。液體泄漏控制系統(tǒng)50包括冷卻板12’，其具有限定在其中的冷卻劑流體通道14’。冷卻板12’和冷卻劑流體通道14’可與之前描述的冷卻劑12和冷卻劑流體通道14類似地或不同地配置。液體泄漏控制系統(tǒng)50還包括與冷卻板12’的一個表面54接觸的接口墊48和與冷卻板12’的相對表面56接觸的隔離墊52。接口墊48和隔離墊52可定位成鄰近于冷卻劑流體通道14’，以使得冷卻板12’的開口24’保持不受阻擋。

在本文公開的液體泄漏控制系統(tǒng)50的示例中，接口墊48和隔離墊52的每個由超吸收性聚合物(sap、也稱為搪塑粉末)形成。超吸收性聚合物的示例包括聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺共聚物、乙烯馬來酸酐共聚物、交聯(lián)羧甲基纖維素、聚乙烯醇共聚物、交聯(lián)聚環(huán)氧乙烷以及聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物。應(yīng)理解的是，形成接口墊48的超吸收性聚合物可與形成隔離墊52的超吸收性聚合物相同或不同。

超吸收性聚合物能夠相對于液體自身的質(zhì)量來吸收并保持大量液體(例如，循環(huán)通過冷卻劑流體通道14’的流體18)。于是，如果流體18將要從冷卻劑流體通道14’中泄漏出，接口墊48和/或隔離墊52就可吸收流體18并且由此可防止流體18達到從系統(tǒng)50泄漏出。這可保護電池組的電池單元28和/或系統(tǒng)50結(jié)合到其中的電子電路。

接口墊48和/或隔離墊50可通過將合適量的sap密封到合適的容器中而形成。容器可以是塑料袋(例如，聚苯乙烯、聚乙烯等)，其具有孔洞或者允許水能進入并且由sap吸收的其它可透氣材料。

現(xiàn)參照圖5，示出電池組60的示意圖，該電池組包括本文公開的系統(tǒng)10、30和50的每個。確切地說，電池組60包括圖1的冷卻系統(tǒng)10、圖3的熱管理系統(tǒng)30以及圖4的液體泄漏控制系統(tǒng)50。當系統(tǒng)10、30、50結(jié)合到單個電池組60中時，可使用之前描述的用于各個系統(tǒng)10、30、50的任何材料。

電池組60包括冷卻板12(例如參照圖1所描述)，且冷卻板12被認為同時是電池組60的冷卻系統(tǒng)10和液體泄漏控制系統(tǒng)50的一部分。雖然并未在圖5中示出，但應(yīng)理解的是，冷卻劑流體通道14包括外部聚合物層20和內(nèi)部聚合物22，其具有ucst和lcst，例如之前參照圖1所描述的那樣。冷卻劑流體通道14還配置成容納并運載流體18。此外雖然在圖5中并未示出，應(yīng)理解的是，每個隔熱機構(gòu)32包括導熱材料殼體44、容納在殼體44內(nèi)的流體18’以及聚合物46，該聚合物具有ucst和lcst，例如之前參照圖3所描述的那樣。

如圖所示，接口墊48定位在冷卻板12以及熱管理系統(tǒng)50的單元28和隔熱機構(gòu)32兩者之間。

在電池組60中，冷卻系統(tǒng)10的內(nèi)部聚合物22和隔熱機構(gòu)32中的聚合物46可以是相同類型的ucst聚合物或lcst聚合物或者可以是不同類型的ucst聚合物或lcst聚合物。

電池組60還可包括泵58和液體儲存器62，它們可操作地連接于冷卻板12，并且分別用于將流體18泵送通過冷卻板12以及存儲附加的液體18。

如上所述，熱管理系統(tǒng)30的單元28可形成單個電池模塊，且電池組60可包括若干電池模塊(且由此若干熱管理系統(tǒng)30)。這些電池模塊串聯(lián)地或并聯(lián)地連接在一起。在一示例中，一個電池組60可包括從1至10個或者更多個耦接在一起的電池模塊。

電池組60還可包括托盤以容納絕緣墊并且支承電池組部件的剩余部分。將參照圖6a進一步描述托盤。

圖6a至6f一起示出電池組組裝過程。

圖6a說明托盤64和側(cè)部支架66，它們耦接在一起以形成托盤組件68。在一示例中，托盤64和側(cè)部支架66可焊接在一起，以使得側(cè)部支架66定位在托盤64的外側(cè)上。在另一示例中，側(cè)部支架66可耦接于內(nèi)部支架(例如，鞍形支架，未示出)，其定向在托盤64的內(nèi)部上。該托盤可由不可滲透液體的材料形成。

托盤64可配置成使得其經(jīng)由至少一個電池單元28或模塊來容納足夠的主動電池材料(例如鋰)，以使用電池組60來作為電源而為車輛提供約200英里(或者至少200英里)的里程。例如，該電池會具有60kwh能量的容量。

圖6b說明托盤組件68與內(nèi)部支架組件70的耦接，以形成托盤內(nèi)部組件72(圖6c中示出)。內(nèi)部支架組件70可包括內(nèi)部橫梁71、內(nèi)部周邊梁(未示出)以及之前描述的內(nèi)部支架。內(nèi)部橫梁和內(nèi)部周邊梁可為托盤64提供附加的結(jié)構(gòu)支承。

如圖6c中所示，托盤內(nèi)部組件72可與外部組件74耦接(例如，焊接)，以形成用于電池組60的載體組件76(圖6d中示出)。

圖6e說明載體組件76與液體泄漏控制系統(tǒng)50的耦接，其在該示例中包括隔離墊52、冷卻板12、12’(其可以是冷卻系統(tǒng)10的一部分)以及接口墊48。

圖6f說明單元模塊78(每個單元模塊均包括由隔熱機構(gòu)32分離的各個電池單元28)與接口墊48的耦接。單元模塊78之間的間隔80可容納附加的橫梁(未示出)。

雖然并未示出，但應(yīng)理解的是，電池組60可包括附加的部件，例如支架、后上部單元模塊支承結(jié)構(gòu)、后部隔離墊、后部冷卻板、后部接口墊以及后上部單元模塊。電池組60還可包括電子支承結(jié)構(gòu)、電子器件和布線以及外部罩蓋。

本文公開的電池組60和其它系統(tǒng)10、30、50可用在電力/電池驅(qū)動車輛或者混合動力車輛中，其除了電池組60以外還包括其它電源(例如，內(nèi)燃機82，其可連接于電動機84)。車輛90的示例在圖7中示出。車輛90可以是小汽車、卡車、廂式運動型多用途車輛(suv)等等。

車輛90可進一步包括動力系(未示出，其可以呈驅(qū)動軸之類的形式，以將來自內(nèi)燃機82、電動機/發(fā)電機84和/或電池組60的推進動力輸送至一個或多個車輪86。

電池組60可附加地包括充電狀態(tài)(soc)系統(tǒng)和功率逆變器組件(都未示出)，它們中后者包括各個模塊和電容器(未示出)以及其它導電元件，這些導電元件配置成為這些以及其它相關(guān)聯(lián)的電池相關(guān)電子部件之間的電流流動提供通路。母線組件可在電池組60內(nèi)的各個單元之間提供緊湊、可靠的電連接。

應(yīng)理解的是，這里提供的范圍包括所述范圍以及落在所述范圍內(nèi)的任何數(shù)值或子范圍。例如，應(yīng)將從1至10個單元的范圍解釋為不僅包括從1至10個單元的明確列舉限值、而且包括例如在約2個單元、7個單元等等內(nèi)的各個數(shù)值以及例如從4個單元至8個單元、從1個單元至9個單元等等的子范圍。此外，當使用“約”來描述數(shù)值時，這意指包含偏離所述數(shù)值的最小變化(高達+/-10％)。

整個說明書中對于“一個示例”、“另一示例”、“示例”等等的參考意指結(jié)合這些示例描述的特定元件(例如，性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和/或特征)包括在這里描述的至少一個示例中，并且可以存在于或者可以并不存在于其它示例中。此外，應(yīng)理解的是，對于任何示例描述的元件能以任何合適的方式組合在各種示例中，除非上下文清楚地另外規(guī)定。

在對這里描述的示例進行描述和要求權(quán)利保護時，單數(shù)形式“一”、“一個”以及“該”包括復數(shù)指代，除非上下文清楚地另外說明。

雖然已詳細地描述了若干示例，但應(yīng)理解的是，可改變所公開的示例。因此，前文描述被認為是非限制的。