用于能量存储单元的保持器结构及其制造方法

技术领域

本主题涉及能量存储装置。更具体地，本主题涉及用于能量存储单元的至少一个保持器结构(holder structure)及其制造方法。

背景技术

通常，铅酸电池是用于内燃发动机的起动马达的有用电源。然而，它们的低能量密度以及它们对充分散发热量的无能，使得它们成为针对电动车辆的不切实际的动力源。特别地，使用铅酸电池的电动车辆在需要充电之前具有短距离并且包含有毒物质。另外，使用铅酸电池的电动车辆具有低加速度、对深度放电的差耐受性以及低电池寿命。因此，包含锂离子电池的能量存储组因其可充电、重量轻且包括高能量密度而在汽车应用和各种商用电子装置中越来越受欢迎。然而，使具有锂离子电池的能量存储组在最优工作温度下存储和操作非常重要，以允许电池保持充电达延长的时间段并允许更快的充电速率。

已知的电池组包括电池单元，该电池单元由通过串联或并联连接或者串联连接和并联连接的组合彼此电连接的一个或多个能量存储单元组成。通常，电池组包括由表现出优异热导率的材料制成的一个或多个保持器结构。用于此类电池组的保持器结构适于保持一个或多个能量存储单元。然而，在电池组的工作条件期间，电流流过电池以向车辆供电。随着电流从电池中排出，电池组内部产生热量。另外，在电池组的充电期间，在充电过程期间同样会蓄积热量。在电池放电以及电池充电期间产生的热量导致升高的温度，从而严重影响电池的预期寿命和性能。因此，当一个或多个能量存储单元进入热失控时，要么违反安全温度限制，制造过程引起的电池短路，过度充电，要么取决于用于制造用于电池的保持器结构的材料的类型，释放的能量可能会导致相邻的能量存储单元也进入热失控，该连锁反应会严重地破坏电池组。

附图说明

参考附图描述详细描述。在整个附图中使用相同的附图标记来指代相似的特征和部件。

图1是根据本发明的一个实施例的至少一个能量存储组的透视图。

图2是根据本发明的一个实施例的所述至少一个能量存储组的分解图。

图3是根据本发明的一个实施例的包括至少一个保持器结构的所述至少一个能量存储组的分解图。

图4是根据本发明的一个实施例的图3的所述至少一个能量存储组的所述至少一个保持器结构的透视图。

图5是根据本发明的一个实施例的图4的所述至少一个能量存储组的所述至少一个保持器结构和一个或多个能量存储单元的分解图。

图6是根据本发明的一个实施例的所述至少一个保持器结构的透视图，所述至少一个保持器结构具有容纳在其中的所述一个或多个能量存储单元。

图7示出了根据本发明的一个实施例的制造所述至少一个保持器结构的方法。

具体实施方式

现有的能量存储装置包括至少一个保持器结构，该至少一个保持器结构被配置为将一个或多个能量存储单元保持在其中。通常，所述至少一个保持器结构由高传导性的金属的形式的刚性构件构成。在此类能量存储装置中，在所述至少一个保持器结构的侧壁的至少一部分中形成有鳍状物(fin)形式的冷却结构。因此，在所述一个或多个能量存储单元的充电和放电过程期间产生的热量通过所述冷却结构有效地消散。然而，由于所述至少一个保持器结构由金属(优选地为铝)制成，因此由于所述金属与所述一个或多个能量存储单元的直接接触，在所述一个或多个能量存储单元的充电和放电过程期间产生的热量导致电池与包括互连板的其它一个或多个电气部分之间的电短路，从而由于对相邻电池的热冲击并因此开始连锁反应而损坏能量存储装置。

在用于支撑能量存储装置中的所述一个或多个能量存储单元的已知结构中，所述至少一个保持器结构由相变材料(PCM)制成。由于相变材料(PCM)的熔化潜热高，因此它可以吸收大量的热量而不会引起温度的大幅升高。在所述能量存储装置的充电和放电期间，相变材料吸收由一个或多个能量存储单元产生的热量，并因此将其状态从固体改变为液体。然而，由于低的热导率和差的散热特性，所述相变材料花费很长时间来恢复原始固态，从而导致难以向所述能量存储装置立即充电。因此，为了改善相变材料(PCM)的热导率，向相变材料(PCM)添加一种或多种热导率增强剂添加剂，例如：碳纤维、石墨、泡沫铝等。由于添加剂的导电特性，具有所述添加剂的相变材料失去了其电绝缘的特性，这导致了能量存储装置内的电短路，从而使所述保持器结构不适于在其中存储所述一个或多个能量存储单元。

在另一种现有的能量存储装置中，所述至少一个保持器结构由于其更好的热导率而由环氧树脂材料制成。用于所述一个或多个能量存储单元的改进的冷却机制改善了散热特性，并且具有减轻在所述能量存储装置中引起单元之间的短路的风险的特性。然而，环氧树脂具有差的吸热能力，并因此使其不适用于设计环氧树脂材料的所述至少一个保持器结构。

鉴于上述目的，本发明提供了一种用于能量存储装置的改进的至少一个保持器结构，该保持器结构具有高的热导率、高吸热和散热能力、改进的冷却机制以及导致单元之间电短路的最小风险。此外，用于所述能量存储装置的所述改进的至少一个保持器结构包括改进的热学和电学特性，所述改进的热学和电学特性减轻了热失控并保护了能量存储装置免受损坏。更具体地但非排他地，本发明涉及一种用于减轻包括一个或多个能量存储单元的能量存储装置中的热失控事件的能量存储装置的新颖且改进的至少一个保持器结构。根据一个实施例，本发明涉及与所述至少一个保持器结构有关的改进，所述至少一个保持器结构适于即使在所述一个或多个能量存储单元的充电和放电期间也将所述一个或多个能量存储单元保持在固定位置，以处于可接受的公差内。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个能量存储装置包括一个或多个能量存储单元以及适于存储所述一个或多个能量存储单元中的至少一个能量存储单元的至少一个保持器结构。在一个实施例中，适于支撑所述一个或多个能量存储单元的所述至少一个保持器结构包括组合物，该组合物包含按重量百分比的预定量的至少一种热固材料和用于固化所述至少一个保持器结构的所述组合物的有效量的至少一种固化剂的均质混合物(intimate mixture)。在一个实施例中，将按重量百分比的预定量的相变材料添加到所述至少一个保持器结构的组合物的所述混合物中。在另一个实施例中，将热导率增强剂与按重量百分比的预定量的所述相变材料一起添加到所述至少一个保持器结构的组合物的所述混合物中，以改善所述至少一个保持器结构的热导率。根据另一个实施例，所述热导率增强剂是非导电材料。此外，根据另一实施例，所述热导率增强剂包括陶瓷等。更具体地，根据本发明的一个实施例，在将所述相变材料添加到所述至少一个保持器结构的所述混合物中之前，将所述至少一种热固材料和所述至少一种固化剂在至少一个支撑结构中一起搅拌达第一预定时间段。将所述至少一个保持器结构的组合物与所述至少一种热固材料、所述至少一种固化剂和所述相变材料在所述至少一个支撑结构中搅拌达第二预定时间段，以形成均匀的组合物。根据一个实施例，所述至少一种热固材料是导热液态环氧树脂。在一个实施例中，所述至少一种热固材料占所述混合物的至少5重量％的预定量，并且粒状形式的所述相变材料采取所述混合物的至少5重量％的预定量。在一个实施例中，所述至少一种固化剂占所述组合物的至少1重量％的有效量。在另一个实施例中，所述热导率增强剂是至少5重量％的预定量的非导电材料。

根据本发明的一个实施例，所述至少一个能量存储装置的所述至少一个保持器结构包括与其至少一部分一体形成的一个或多个接收部分。在一个实施例中，所述一个或多个接收部分被配置为保持一个或多个能量存储单元。该一个或多个接收部分包括大于所述一个或多个能量存储单元的尺寸的径向直径。根据一个实施例，所述一个或多个能量存储单元包括锂离子电池，该锂离子电池被配置为以一种或多种配置(诸如串联和并联组合)固定在所述一个或多个接收部分中。

本发明描述了一种制造所述至少一个保持器结构的方法。根据一个实施例，所述方法包括以下步骤：在至少一个支撑结构中提供组合物，该组合物包括至少一种热固材料和用于固化所述组合物的至少一种固化剂的混合物；在将所述混合物中包含的所述至少一种热固材料和相变材料一起搅拌达第一预定时间段之后，向所述混合物添加相变材料；在预定温度T下固化热固材料以形成所述至少一个保持器结构；机加工包含在所述至少一个支撑结构中的所述组合物以获得所述至少一个保持器结构；以及将所述一个或多个能量存储单元中的至少一个能量存储单元设置在一体形成在所述至少一个保持器结构的至少一部分中的一个或多个接收部分中。根据一个实施例，所述组合物在低于所述相变材料的熔化温度的预定温度下固化，以获得所述至少一个保持器结构。在一个实施例中，所述至少一个保持器结构是导热结构。根据一个实施例，所述至少一个支撑结构包括至少一个容器，该至少一个容器适于容纳所述组合物以形成所述至少一个保持器结构。在一个实施例中，所述至少一个容器由树脂材料制成。在另一个实施例中，所述至少一个容器由包括金属的刚性构件制成。根据本发明的另一个实施例，将热导率增强剂与按重量百分比的预定量的所述相变材料一起添加到所述至少一个保持器结构的组合物的所述混合物中，以改善所述至少一个保持器结构的热导率。

此外，根据本发明的一个实施例，至少一个能量存储组包括外壳结构，以在其中容纳所述至少一个能量存储装置。用于所述至少一个能量存储组的外壳结构包括一对左右盖构件。在本发明的一个实施例中，在所述至少一个能量组的所述至少一个能量存储装置与所述至少一个保持器结构之间设置有珀尔帖(Peltier)装置形式的至少一个冷却构件。

下面参考附图详细地描述本发明的各种其它特征和优点。在附图中，相似的附图标记通常指示相同、功能上相似和/或结构上相似的元件。元件首次出现的图由相应参考标记中的最左边的数字指示。参考附图，其中相同的附图标记将在数个视图中用于标识相同或相似的元件。应当注意，应当在附图标记的取向方向中观看附图。

图1是根据本发明的一个实施例的所述至少一个能量存储组(100)的透视图。在一个实施例中，所述至少一个能量存储组(100)包括外壳结构(102)，以在其中容纳一个或多个能量存储装置(200)(图2中所示)。用于所述至少一个能量存储组(100)的外壳结构(102)包括一对左右盖构件(101L)(101R)。

图2是根据本发明的一个实施例的所述至少一个能量存储组(100)的分解图。在一个实施例中，适于在其中容纳所述至少一个能量存储装置(200)的所述外壳结构(102)包括一对左右盖构件(101L)(101R)，该一对左右盖构件(101L)(101R)适于覆盖所述至少一个能量存储组(100)的所述至少一个开口侧(102c)、(102d)。在一个实施例中，所述外壳适于在其中容纳至少一个能量存储装置(200)。

图3是根据本发明的一个实施例的包括至少一个保持器结构(205)的能量存储组(100)的分解图。根据本发明的一个实施例，所述至少一个能量存储组(100)的所述至少一个能量存储装置(200)包括一个或多个能量存储单元(204)和适于存储所述一个或多个能量存储单元(204)中的所述一个或多个能量存储单元(204a)(图5中所示)的所述至少一个保持器结构(205)。在一个实施例中，所述至少一个保持器结构(205)的所述组合物包括所述混合物的所述至少5重量％的预定量的所述至少一种热固材料和用于固化所述至少一个保持器结构的组合物的有效量的所述至少一种固化剂的均质混合物。根据一个实施例，在将所述至少5重量％的预定量的所述相变材料添加到所述至少一个保持器结构(205)的组合物的所述混合物中之前，将所述至少一种热固材料和所述至少一种固化剂在所述至少一个支撑结构中一起搅拌达第一预定时间段。在一个实施例中，所述一个或多个能量存储单元(204)通过一个或多个互连板(202)、(203)彼此电连接。根据一个实施例，所述一个或多个互连板(202)、(203)将所述一个或多个能量存储单元(204)彼此电连接，并且通过上保持器构件(201a)和下保持器构件(201b)电连接到电池管理系统(BMS)(未示出)。在一个实施例中，所述一个或多个能量存储单元(204)的所述至少上部通过所述一个或多个互连板(202)、(204)电连接所述上保持器构件(201a)和所述下保持器(201b)上，以建立所述一个或多个能量存储单元与所述至少一个能量存储装置(200)的所述电池管理系统(BMS)(未示出)之间的电连接。

图4是根据本发明的一个实施例的图3的能量存储组(100)的所述至少一个保持器结构(205)的透视图。在本发明的一个实施例中，所述至少一个能量存储装置(200)的所述至少一个保持器结构(205)适于保持所述一个或多个能量存储单元(204)的一个或多个能量存储单元(204)(图5中所示)。根据一个实施例，所述至少一个保持器结构(205)包括所述组合物，所述组合物包含液态环氧树脂形式的所述至少一种热固材料、粒状形式的相变材料以及所述至少一种固化剂。

进一步在图4中，根据一个实施例，所述至少一个保持器结构(205)包括一体形成在其至少一部分中的所述一个或多个接收部分(400)。根据一个实施例，所述一个或多个接收部分被设定尺寸为在其中接收所述一个或多个能量存储单元(204)(图5中所示)的所述至少一部分。此外，在一个实施例中，所述一个或多个能量存储单元(204)(图5中所示)包括锂离子电池，该锂离子电池被配置为以一种或多种配置固定在所述一个或多个接收部分(400)中。所述一个或多个接收部分(400)具有略大于所述一个或多个能量存储单元(204)(图5中所示)中的所述一个或多个能量存储单元(204a)(图5中所示)的尺寸的径向直径。

图5是根据本发明的一个实施例的图4的能量存储组(100)的所述至少一个保持器结构(205)和所述一个或多个能量存储单元(204)的分解图。在一个实施例中，所述一个或多个接收部分(400)被配置为具有略大于所述一个或多个能量存储单元(204)中的所述至少一个能量存储单元(204a)的尺寸的径向直径，使得所述一个或多个能量存储单元(204a)被固定在所述至少一个能量存储组(100)的所述至少一个能量存储装置(200)的所述至少一个保持器结构(205)中。

图6是根据本发明的一个实施例的其中包含所述一个或多个能量存储单元(204)的所述至少一个保持器结构(205)的透视图。根据一个实施例，所述一个或多个能量存储单元(204)被固定在所述至少一个能量存储装置(200)(图2中所示)的所述至少一个保持器结构(205)中的位置。在本发明的一个实施例中，所述一个或多个能量存储单元(204)中的所述至少一个能量存储单元(204a)以包括串联和并联配置的一个或多个配置设置。

图7示出了根据本发明的一个实施例的制造所述至少一个保持器结构的方法。在一个实施例中，制造所述至少一个保持器结构(205)的方法(300)包括：步骤1(301)，在至少一个支撑结构中提供组合物，该组合物包含以重量百分比计的、至少一种热固材料和相变材料的均质混合物；步骤2(302)，当将该混合物中包含的所述至少一种热固材料和所述至少一种固化剂在所述至少一个支撑结构中一起搅拌达第一预定时间段时，向所述混合物中添加相变材料；步骤3(303)，将包含所述至少一种热固材料、所述至少一种固化剂和所述相变材料的所述组合物搅拌达第二预定时间段；步骤4(304)，在高温下模制所述组合物以形成所述至少一个保持器结构(205)；以及步骤5(305)，机加工包含在所述至少一个支撑结构中的所述组合物以获得所述至少一个保持器结构(205)。

有利地，用于所述至少一个能量装置的改进的至少一个保持器结构提供了一种使所述至少一个能量存储单元中的所述一个或多个能量存储单元热平衡的方式，从而使寿命、效率和功率最大化。此外，有利的是提供所述改进的至少一个保持器结构，其包括所述至少一种热固材料、粒状形式的所述相变材料和所述至少一种固化剂的组合物，使得当所述至少一个保持器结构通过制造方法的一个或多个步骤获得时，所述至少一个保持器结构具有高传导性、高吸热和散热能力、改进的冷却机制、高热导率以及缓解电池之间电短路的风险的特性。因此，根据一个实施例，具有一种或多种改善的热和电特性的改进的至少一个保持器结构确保了所述至少一个能量存储装置的连续充电而具有改善的性能。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以在其中包含改进和修改。