用于柱形電池組的熱間隙墊的制作方法
【專利摘要】一種電池組包括至少一個(gè)伏打電池模塊。襯底機(jī)械連接至模塊并且被配置為接收源自模塊的多余熱量。將電絕緣熱間隙墊布置在模塊和襯底之間。熱間隙墊包括支撐可變形層的介電質(zhì)片。
【專利說明】用于柱形電池組的熱間隙墊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及電化學(xué)工程領(lǐng)域，更具體地，涉及將柱形電池組保持在適合的工作溫度。
【背景技術(shù)】
[0002]電池組可包括串聯(lián)連接的多個(gè)伏打電池模塊以增大電壓或者并聯(lián)連接的多個(gè)伏打電池模塊以增大電流處理能力。在充電或放電過程中，模塊可產(chǎn)生多余的熱量，而多余的熱量可被釋放到周圍環(huán)境中以避免出現(xiàn)超溫的狀況。在極低的環(huán)境溫度下，可向電池組的模塊供熱以實(shí)現(xiàn)或維持適合的工作溫度。
[0003]電池組中的模塊可連接至可吸熱的襯底，例如，導(dǎo)入流水的襯底。模塊和襯底之間的高效熱傳遞可要求用導(dǎo)熱材料至少部分填充空氣隙一模塊之間的間隙、模塊和襯底之間的間隙等。然而，用作填隙料的硅脂等難以以一致的方式應(yīng)用并且不可能提供充分的介電隔離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種電池組，其包括至少一個(gè)伏打電池模塊。襯底機(jī)械連接至模塊并且被配置為吸收源自模塊的多余熱量。電絕緣熱間隙墊(thermal gappad)的部分被布置在模塊和襯底之間。熱間隙墊包括支撐可變形層的介電質(zhì)片。
[0005]提供以上概要從而以簡化的形式介紹本發(fā)明選定的部分而不是確定關(guān)鍵或基本特征。由權(quán)利要求限定的要求保護(hù)的主題既不受限于本概要的內(nèi)容，也不受限于解決本發(fā)明所提及的問題和缺點(diǎn)的實(shí)施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電池組的實(shí)例的各方面。
[0007]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電池組的模塊的實(shí)例的各方面。
[0008]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的套管和套管絕緣件。
[0009]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的附加套管絕緣件。
[0010]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱間隙墊的結(jié)構(gòu)的實(shí)例。
[0011]圖6和圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電池組的實(shí)例的附加方面。
[0012]圖8A、圖8B和圖8C示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有垂直安裝的模塊的電池組的實(shí)例的各方面。
[0013]圖9A和圖9B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非熱能電池組的實(shí)例的各方面。
【具體實(shí)施方式】
[0014]現(xiàn)在通過實(shí)例和參考以上所列的示出的實(shí)施例來描述本發(fā)明的各方面?？蓪⒁粋€(gè)或多個(gè)實(shí)施例中基本相同的元件標(biāo)示成一致并且以最小的重復(fù)來描述。然而，應(yīng)注意，標(biāo)示一致的元件在某些程度上可有不同。還應(yīng)注意，包括在本發(fā)明中的附圖基于工程模型并且可在一個(gè)非限制的實(shí)施例中按比例實(shí)現(xiàn)。在其他實(shí)施例中，可改變所示部件的相關(guān)尺寸。
[0015]圖1是示出了示例性的電池組10的方面的部件分解圖。在一個(gè)實(shí)施例中，電池組可用于或包括在電驅(qū)動(dòng)或混合動(dòng)力汽車中。
[0016]電池組10包括多個(gè)伏打電池模塊12，每個(gè)模塊都具有外部散熱片14。被配置為吸收每個(gè)模塊內(nèi)部的熱量，散熱片可由諸如鋁的導(dǎo)熱材料制成。在示出的實(shí)施例中，每個(gè)模塊都為柱形伏打電池模塊，其包括定向于平面(以下稱為“電極面”)內(nèi)的至少一個(gè)電極。電池模塊還包括第一襯底16A和第二襯底16B,兩者都被設(shè)置為平行于電極面。將第一襯底布置在多個(gè)模塊的第一側(cè)，而將第二襯底布置在與第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)。襯底機(jī)械連接至每個(gè)模塊并且被配置為接收模塊產(chǎn)生的多余的熱量。在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或兩個(gè)襯底可正交于電極面。
[0017]每個(gè)襯底都包括導(dǎo)熱板，S卩，冷板。襯底可由諸如鋁的導(dǎo)熱材料制成。此外，一個(gè)或兩個(gè)襯底可導(dǎo)入流體。例如，襯底可導(dǎo)入來自熱交換器(附圖中未示出)的水流。以這種方式，襯底可被配置為吸收模塊的多余熱量或者在環(huán)境溫度低的條件下向模塊供熱。
[0018]圖2是電池組10的一個(gè)柱形伏打電池模塊12的平面圖。電池組的每一個(gè)模塊都包括多個(gè)套管18，通過套管使模塊連接至襯底。每個(gè)模塊還包括對(duì)應(yīng)的多個(gè)套管隔離件
20。為了容置套管和套管隔離件,每個(gè)模塊都包括多個(gè)與套管配對(duì)(in registry)設(shè)置的穿孔21。每個(gè)套管隔離件都被配置為容納將容納于穿孔中的套管，并且使套管電隔離和機(jī)械隔離于模塊。圖2也示出了模塊壓縮帶23，其在壓迫條件下保持模塊的長度和壓力?？蓪⒛K壓縮帶合適地容置于形成在電池模塊的散熱片14中的對(duì)應(yīng)凹槽中。在一些實(shí)施例中，模塊壓縮帶可包括304不銹鋼或另一導(dǎo)電材料。
[0019]圖3更詳細(xì)地示出了套管18和套管隔離件20的一個(gè)實(shí)施例。套管是模塊12與襯底16A或16B之間的承載接口。套管還提供了散熱片14和襯底之間的固定間隔。套管可由包括鋼的任何適合的材料制成。在本發(fā)明示出的實(shí)施例中，套管是圓柱形，但是也可考慮其他的幾何圖形。
[0020]為了電隔離套管18，套管隔離件20可由注塑塑料形成，例如，聚丙烯或諸如尼龍的聚酰胺。套管隔離件包括平面區(qū)22和圓柱形區(qū)24，其中，圓柱形區(qū)的軸被定向?yàn)榇怪庇谄矫鎱^(qū)。當(dāng)將其安裝在電池組10中時(shí)，使圓柱形區(qū)合適地放置在模塊12的通孔21中，同時(shí)平面區(qū)面向襯底16A或16B并且與襯底平行。圖4示出了可選的套管隔離件的實(shí)施例，套件隔離件的具體設(shè)計(jì)依賴于模塊的定位(例如，垂直或水平安裝)并且依賴于電池組的結(jié)構(gòu)。
[0021]現(xiàn)在返回至圖1，電池組10包括電絕緣熱間隙墊26的多個(gè)部分。每個(gè)部分都被布置在模塊12與襯底16A或16B之間。例如，可將熱間隙墊布置在散熱片14和襯底之間。在該實(shí)施例和其他實(shí)施例中，可將熱間隙墊的附加部分布置在別處，例如，電池組的相鄰模塊之間。
[0022]熱間隙墊26是層狀的材料，其被配置為在其相對(duì)兩側(cè)的結(jié)構(gòu)之間傳遞熱量，并且被配置為電隔離(即，絕緣)這些結(jié)構(gòu)。熱間隙墊有效地填充了結(jié)構(gòu)之間的間隙，從而將空氣全部或部分排出，否則這將限制導(dǎo)熱。在填充間隙的同時(shí)，熱間隙墊也用作結(jié)構(gòu)性的目的，使得在施加較小壓縮力的條件下，電池、散熱片和襯底更為牢固地連接在一起，這減小了模塊上的機(jī)械應(yīng)力。此外，熱間隙墊具有減震作用，這降低了在受到震動(dòng)的電池組中誘發(fā)共振應(yīng)變的風(fēng)險(xiǎn)。至于以上每一個(gè)特征，熱間隙墊都優(yōu)于硅脂，特別是考慮到許多電池組所共有的重復(fù)熱循環(huán)。這種循環(huán)使得硅脂隨著時(shí)間而移動(dòng)，由此使得空氣進(jìn)入到連接結(jié)構(gòu)之間的間隙中。
[0023]圖5更詳細(xì)地示出了熱間隙墊26的示例性結(jié)構(gòu)。熱間隙墊包括支撐可變形層30的介電質(zhì)片28?？蓪衢g隙墊安裝在電池組10中，可變形層與模塊的散熱片14接觸，而介電質(zhì)片面向襯底。以這種方式，熱間隙墊在散熱片和襯底之間的界面處提供有效的傳熱和介電隔離。
[0024]介電質(zhì)片28提供將模塊12隔離于襯底16A或16B的介電隔離。介電質(zhì)片可包括一種或多種聚合物材料:例如，低密度聚乙烯、聚四氟乙烯(PTEE)、尼龍或硅樹脂。在一個(gè)實(shí)施例中，介電質(zhì)片可具有大于5000伏DC的介電強(qiáng)度。介電質(zhì)片可以是機(jī)械性穩(wěn)定的，抵抗由于熱應(yīng)力和/或機(jī)械應(yīng)力而造成的破壞(包括磨損)。介電質(zhì)片可以是相對(duì)薄的材料，例如，厚度為80至100微米。它可具有相對(duì)高的導(dǎo)熱性?？筛鶕?jù)ISBN0-7629-1049-6、標(biāo)題為“UL840Insulation Coordination Including Clearances and Creepage Distancesfor Electrical Equipment”的說明書(下文中稱作UL-840)所提供的信息,計(jì)算適于該材料和其他材料的更具體的預(yù)期的厚度范圍和導(dǎo)電性范圍，并且該說明書的內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。
[0025]可變形層30可借助于粘合劑或以其他任何種方式，直接置于(casted onto)介電質(zhì)片28上或通過熱壓接合至介電質(zhì)片。在一些實(shí)施例中，可變形層可彈性變形。因此，該層是機(jī)械順從的，能夠使其填充在模塊和襯底之間。如上所述，間隙填充不僅提高了傳熱，而且提供了改進(jìn)的隔震和結(jié)構(gòu)剛度。
[0026]可變形層30可包括開孔泡沫材料，例如，硅酮泡沫。在一個(gè)非限制性的實(shí)施例中，液體(例如，硅油)可全部或部分填充泡沫的開孔。在這些實(shí)施例和其他實(shí)施例中，可按配方制造可變形層以提供良好的導(dǎo)熱性，例如，在298開氏度時(shí)，導(dǎo)熱性為3瓦特/ (米?開爾文)。此外，可將可變形層的 硬度設(shè)置在預(yù)定級(jí)別，使其可在適合的壓力范圍內(nèi)變形，同時(shí)也保護(hù)介電質(zhì)片免于破裂。在一個(gè)實(shí)施例中，可變形層在未發(fā)生變形時(shí)，其厚度可介于1.1微米至1.2微米之間。至于安裝，可設(shè)置散熱片14和熱間隙墊26之間的界面壓力以確保適宜的熱量傳導(dǎo)和機(jī)械穩(wěn)健性。因此，可設(shè)置套管隔離件20的大小以使熱間隙墊的壓縮最優(yōu)化從而使熱阻抗最小。
[0027]再次返回至圖1，套管隔離件20的平面區(qū)22連同熱間隙墊26的互補(bǔ)部分形成基本連續(xù)的、未重疊的鑲嵌，這使模塊12分離于襯底16A或16B。這種布置還減小了透過套管18的漏電。在圖1中示出的實(shí)施例中，電池組10還包括介電質(zhì)阻擋片的多個(gè)部分32，其被配置為設(shè)置在套管隔離件的平面區(qū)的上方并且補(bǔ)償熱間隙墊和套管隔離件的平面區(qū)之間的厚度差。介電質(zhì)阻擋片可包括基本不能壓縮的介電材料，諸如，聚碳酸酯樹脂熱塑性塑料。在一個(gè)實(shí)施例中，介電質(zhì)阻擋片可涂有壓敏粘合劑以易于粘合至套管隔離件和/或熱間隙墊。在一個(gè)實(shí)施例中，可選或附加地，可將壓敏粘合劑應(yīng)用于襯底。
[0028]電池組10還包括多個(gè)介電質(zhì)阻擋片條34，其被布置在相鄰電池模塊之間間隙上方的熱間隙墊和襯底之間。介電質(zhì)阻擋部分和條形件，連同套管隔離件20和熱間隙墊起到維持套管18和其他導(dǎo)體(例如，襯底16A或16B、散熱片14或其他結(jié)構(gòu))之間的漏電距離。更常見地，套管隔離件、熱間隙墊以及介電質(zhì)阻擋部分和條形件可被配置為實(shí)際上電隔離包括在電池組中的任何導(dǎo)體，例如，模塊壓縮帶23。介電質(zhì)阻擋部分和條形件可設(shè)計(jì)成與本發(fā)明所預(yù)期的不同模塊和電池組的幾何形狀一致的不同形狀。
[0029]圖6是圖1中的實(shí)施例去除襯底16A后的頂視圖。圖7示出了在去除模塊和熱間隙墊部分之后的介電阻擋片中的部分32和條形件34的更詳細(xì)的視圖。
[0030]在以上所述的實(shí)施例中，襯底16A和16B被布置為與模塊12的水平電極面平行。在其他實(shí)施例中，電極面可垂直設(shè)置在每個(gè)模塊中，并且單塊襯底可被布置為與電極面正交，即，如圖8A所示，位于模塊下方。該附圖示出具有垂直安裝的模塊12的電池組10A。如之前實(shí)施例所述，模塊可利用熱間隙墊26部分和套管隔離件20連接至襯底。
[0031]在圖8A中，在模塊12的頂部上方布置籠部36以向電池組的模塊組裝提供結(jié)構(gòu)。這樣，籠部可由鋼制造。圖8B示出了去除籠部后的圖8A的實(shí)施例，由此露出了基本上不可壓縮的介電質(zhì)片狀材料40部分。介電質(zhì)片狀材料使垂直安裝的模塊、模塊端部和母線(buss bar)隔離于導(dǎo)電籠部。圖8C示出了去除介電質(zhì)片狀材料40后圖8B中的實(shí)施例，由此露出母線蓋38。將母線蓋設(shè)置在模塊的至少一個(gè)電極端子的上方，并且在介電質(zhì)片狀材料的下方。
[0032]圖9A示出了非熱能電池組IOB中垂直安裝的模塊12。該組件可保持與上文所述的電池?？傮w類似的結(jié)構(gòu)。模塊12可包括位于模塊底部的介電質(zhì)片狀材料40以及介電質(zhì)套管隔離件20E。圖9B示出了圖9A的實(shí)施例安裝籠部36并且旋轉(zhuǎn)。
[0033]應(yīng)理解，以上所述的物件、系統(tǒng)和方法是本發(fā)明的實(shí)施例，即，也可為其設(shè)想很多變化和擴(kuò)展的非限制性實(shí)例。因此，本發(fā)明包括本發(fā)明所公開的物件、系統(tǒng)和方法的所有新穎的和非顯而易見的組合和子組合以及其任何的和全部的等同替代。
【權(quán)利要求】
1.一種電池組，包括: 伏打電池模塊； 襯底，機(jī)械連接至所述模塊并且被配置為接收源自所述模塊的多余熱量；以及電絕緣熱間隙墊部分，被布置在所述模塊和所述襯底之間，所述墊包括支撐可變形層的介電質(zhì)片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述介電質(zhì)片的厚度介于80微米至100微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述介電質(zhì)片具有5千伏特或更大的介電強(qiáng)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層是彈性可變的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層包括泡沫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層在未發(fā)生變形時(shí)的厚度介于1.1微米至1.2微米之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層直接置于所述介電質(zhì)片上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述可變形層被布置為與所述模塊的散熱片接觸，而所述介電質(zhì)片面向所述襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述模塊包括外部散熱片，并且所述熱間隙墊部分被布置在所述外部散熱片和所述襯底之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組,其中,所述襯底導(dǎo)入流體。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組，其中，所述模塊是包括定向在平面內(nèi)的至少一個(gè)電極的柱形伏打電池模塊，并且所述襯底包括導(dǎo)熱板。
12.—種電池組，包括: 伏打電池模塊； 襯底，機(jī)械連接至所述模塊并且被配置為接收源自所述模塊的多余熱量； 電絕緣熱間隙墊部分，被布置在所述模塊和所述襯底之間，所述墊包括支撐可變形層的介電質(zhì)片； 套管，所述模塊通過所述套管連接至所述襯底，所述模塊包括與所述套管配套設(shè)置的穿孔；以及 套管隔離件，被配置為容置將容置于所述穿孔中的所述套管，并且使所述套管電隔離和機(jī)械隔離于所述模塊。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電池組，其中，所述套管是圓柱形； 所述套管隔離件包括平面區(qū)和圓柱形區(qū)，使所述圓柱形區(qū)的軸線定向?yàn)榕c所述平面區(qū)垂直； 其中，將所述圓柱形區(qū)合適地放置在所述模塊的所述穿孔中，并且所述平面區(qū)面向所述襯底且平行于所述襯底。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池組，其中，所述套管隔離件是放置于所述模塊的相應(yīng)的多個(gè)穿孔的多個(gè)套管隔離件中的一個(gè)；以及 所述多個(gè)套管隔離件中的所述平面區(qū)連同所述熱間隙墊的互補(bǔ)部分形成使所述模塊分離于所述襯底的基本連續(xù)的未重疊的鑲嵌。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池組，還包括:介電質(zhì)阻擋片部分，被配置為放置于所述套管隔離件的所述平面區(qū)的上方并且補(bǔ)償所述熱間隙墊部分和所述套管隔離件之間的厚度差。
16.一種電池組，包括: 柱形伏打電池模塊，具有定向在平面內(nèi)的至少一個(gè)電極； 襯底，具有平行于所述平面布置的導(dǎo)熱板，所述襯底機(jī)械連接至所述模塊，并且被配置為接收源自所述模塊的多余熱量；以及 電絕緣熱間隙墊部分，被布置在所述模塊和所述襯底之間，所述墊包括支撐可變形層的介電質(zhì)片。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池組，其中，基本水平布置所述模塊。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池組，其中，所述襯底是布置在所述模塊的第一側(cè)上的第一襯底，所述電池組還包括第二襯底，所述第二襯底平行于所述平面并且被布置在所述模塊的與所述第一側(cè)相對(duì)的第二側(cè)上。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池組，其中，所述模塊是連接至所述襯底的多個(gè)電池模塊中的一個(gè)，所述電池組還包括布置在相鄰模塊之間的間隙上方的所述熱間隙墊部分和所述襯底之間的介電質(zhì)阻擋片的條形件。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池組，其中，所述襯底還被配置為向所述模塊供熱。
【文檔編號(hào)】H01M2/14GK103493242SQ201280019525
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月19日
【發(fā)明者】阿蘭·阿里馬里奧, 詹森·R.·戴維斯, 查德·艾利森, 喬納森·霍斯勒, 戴維·艾倫 申請(qǐng)人:A123系統(tǒng)股份有限公司