圆柱形电池单元封装和冷却配置

背景技术

当前的电动车辆平台通常将大量的电池单元封装到模块中。电池单元生成热量，并且通常需要冷却以保持电池的安全操作和寿命。在本领域中已知的是，在模块内的圆柱形电池单元之间铺设冷却管，使得管冷却电池单元的侧面的一部分。在这种配置中，冷却管占据模块内的空间并且限制电池单元在模块内封装的密封性，从而限制能量密度。因此，为电池单元提供改进的冷却配置将是有利的。

发明内容

本文公开了为电池提供改进的冷却的系统和方法。本公开的电池可以提供改进的能量密度、热管理和安全性中的一项或多项。根据本公开的电池系统可包括具有第一冷却表面和相对的第二冷却表面的冷却板。电池系统还可以包括两个或更多个电池单元，其中每个电池单元包括第一端部、第二端部，以及穿过第一端部和第二端部的纵向轴线。第一电池单元的第一端部被耦接到冷却板的第一表面，并且第二电池单元的第一端部被耦接到冷却板的第二表面，其中一电池单元和第二电池单元在相反的方向上定向。在一些实施方案中，第一电池单元和第二电池单元的第一端部可以通过相应的耦接元件(例如，粘合剂)耦接到冷却板。

在一些实施方案中，冷却板可具有输入端口和输出端口，其中冷却流体可分别进入和离开冷却板。冷却板可以是具有四个边缘的大致矩形形状，并且输入端口和输出端口可以位于矩形形状的边缘附近。冷却板可以具有多个冷却通道，冷却流体可以行进穿过所述多个冷却通道从输入端口到输出端口。在一些实施方案中，电池系统可以具有被配置为冷却另外的电池单元的另外的冷却板，其中这些冷却板与冷却流体的源并联耦接。

在一些实施方案中，第一电池单元和第二电池单元可以分别为圆柱形状。第一电池单元和第二电池单元的第一端部可各自包括负极面，并且第一电池单元和第二电池单元的第二端部可各自包括正极面。

在一些实施方案中，第一电池单元和第二电池单元可各自在电池单元的第二端部的中心部分处耦接到相应的正极电连接器。电池单元可各自在电池单元的第二端部的外缘部分处耦接到相应的负极电连接器。

在一些实施方案中，第一电池单元和第二电池单元的第二端部可各自具有通风口，该通风口被配置为在热事件期间例如在电池单元过度充电或故障的情况下释放气体。

在一些实施方案中，电池系统可包括耦接到冷却板的第一表面的多个第一电池单元和耦接到冷却板的第二表面的多个第二电池单元。冷却板的每一侧上的电池单元可以布置成多行，其中每一行可以从相邻的行偏移以例如增加电池单元的封装密度。

在一些实施方案中，第一电池单元可以并联电连接，并且第二电池单元可以并联电连接。

在一些实施方案中，第一电池单元可以具有子组，其中每一个子组内的电池单元并联电连接，并且其中子组串联电连接。类似地，第二电池单元可以具有子组，其中每一个子组内的电池单元并联电连接，并且其中子组串联电连接。

在一些实施方案中，第一电池单元和第二电池单元的纵向轴线可以平行，并且第一电池单元的第一端部可以在与第一电池单元和第二电池单元的纵向轴线平行的方向上与第二电池单元的第一端部间隔小于8毫米的距离。

在一些实施方案中，电池系统可以具有多个电池模块，其中所述多个电池模块中的每一个电池模块可包括冷却板、第一电池单元和第二电池单元，并且其中所述多个电池模块可以串联电连接或并联电连接以形成电池组。

在一些实施方案中，第一电池单元和第二电池单元各自在纵向上的导热率可大于在垂直于纵向的方向上的导热率。

在一些实施方案中，制造电池系统的方法用于为电池提供改进的冷却。该方法可以包括提供具有第一冷却表面和相对的第二冷却表面的冷却板，以及提供两个或更多个电池单元，其中每个电池单元包括第一端部、第二端部和穿过第一端部和第二端部的纵向轴线。该方法还可以包括将第一电池单元的第一端部耦接到冷却板的第一表面，并且将第二电池单元的第一端部耦接到冷却板的第二表面，其中第一电池单元和第二电池单元在相反方向上定向。

在一些实施方案中，一种操作电池系统的方法提供了改进的冷却。该方法可以包括将冷却流体供应到冷却板的输入端口。该方法还可以包括从冷却板的每一侧上的电池单元的端部将热量吸收到冷却流体中，从而在冷却板中生成加热的冷却流体。该方法还可以包括通过冷却板的输出端口排出加热的冷却流体，从而移除从电池单元生成的热量。

附图说明

参考以下附图详细描述根据一个或多个各种实施方案的本公开内容。附图仅出于说明目的提供，并且仅描绘了典型的或示例性实施方案。这些附图被提供为促进对本文所公开的概念的理解，并且不应视为限制这些概念的广度、范围或适用性。需注意，为了清楚和易于图示，这些附图不一定按比例绘制。

图1示出了根据本公开的一些实施方案的在冷却配置中耦接到冷却板的第一电池单元和第二电池单元；

图2示出了根据本公开的一些实施方案的耦接到正极电连接器和负极电连接器的电池单元；

图3示出了根据本公开的一些实施方案的具有两个子组的电池单元的例示性电池单元配置；

图4示出了根据本公开的一些实施方案的在冷却板上的电池单元的布置的俯视图；

图5示出了根据本公开的一些实施方案的穿过例示性冷却板的中心的剖视图；

图6示出了根据本公开的一些实施方案的电池模块的例示性配置；

图7是根据本公开的一些实施方案的用于操作电池系统的方法的流程图；并且

图8是根据本公开的一些实施方案的用于制造电池系统以增加用于冷却的容积效率的方法的流程图。

具体实施方式

本文公开了为电池提供改进的冷却的系统和方法。在本公开中，电池单元在电池单元的端部处耦接到冷却板的相对侧。在冷却板的每一侧可存在一个或多个电池。当在每一侧上使用多个电池单元时可以将它们布置成行，使它们相对于彼此偏移以增加封装密度(例如，呈六边形紧密封装布置)。每个电池单元可在未耦接到冷却板的端部上具有通风口，该通风口被配置为在热事件(诸如，电池过度充电或故障)期间释放气体。电池单元可各自具有与电池单元的正极面相对应的一个端部和与电池单元的负极面相对应的一个端部。在一个端部处还可以存在耦接到电池单元的中心部分和外缘部分的正极电连接器和负极电连接器，以使与母线的连接更容易。成组的电池单元可以串联或并联电连接；在一些情况下，并联连接的一个子组的电池单元可以串联连接至另一个子组的电池单元。

本公开中的冷却板可以具有良好的热耦合，但却是电绝缘的并且不导电。冷却板可包含冷却流体，诸如乙二醇和水溶液、丙二醇和水溶液、甲醇溶液，等等。冷却板可以是大致矩形形状，带有用于冷却流体进入冷却板的输入端口和用于冷却流体离开冷却板的输出端口。各自包括冷却板和电池单元的多个电池模块可以并联连接至冷却流体的源。

图1示出了根据本公开的一些实施方案的在冷却配置100中耦接到冷却板120的第一电池单元102和第二电池单元104。两个电池单元均包括第一端部、第二端部以及穿过电池单元的第一端部和第二端部的纵向轴线。在一些实施方案中，电池单元可以是如图所示的圆柱形形状。在一些实施方案中，电池单元可以是棱柱形(例如，矩形)。如图所示，第一电池单元102的第一端部110被耦接到冷却板120的第一侧122。第二电池单元104的第一端部112被耦接到冷却板120的相对的第二侧124。如布置所示，第一电池单元102和第二电池单元104在相反的方向上定向。电池单元102和电池单元104可使用任何合适的耦接元件耦接到冷却板120。在一些实施方案中，耦接元件可以是粘合剂、非导电罩或这两者。耦接元件可以在电池单元102和电池单元104与冷却板120之间提供良好的导热性。

第一电池单元102的第一端部110和第二电池单元104的第一端部112可各自包括电池单元的负极面。在一些实施方案中，负极端子可以沿电池的侧面向上延伸至另一个端部的外缘。电池单元102和电池单元104的第二端部106和第二端部108可各自包括电池单元的正极面，并且可各自包括被配置为在热事件诸如电池单元过度充电或故障期间释放气体的通风口。第二端部106和第二端部108还可以在中心部分和外缘之间包括密封垫圈，以将正极端子与负极端子电隔离。在一些实施方案中，电池单元102和电池单元104是锂离子电池。锂离子电池单元可包括四片材料，分别是被卷成螺旋状的正电极片、负电极片和两个隔离片(例如，微孔塑料)。突片可以将正电极片连接至正极面，并且将负电极片连接至负极面。在一些实施方案中，电池单元各自在纵向上的导热率大于在垂直于纵向的方向上的导热率。例如，螺旋形的锂离子电池片在纵向上通常具有更大的导热率。

在冷却配置100中，第一电池单元102的纵向轴线114和第二电池单元104的纵向轴线116彼此平行。如图所示，第一电池单元和第二电池单元可以被定向成使得它们的纵向轴线重合，或者它们可以相对于彼此偏移。第一电池单元102的第一端部110可在平行于第一电池单元和第二电池单元的纵向轴线的方向上与第二电池单元104的第一端部112间隔开等于或大于冷却板120的厚度的距离。在一些实施方案中，冷却板120的厚度为约5毫米。应当理解，这仅仅是示例性的，并且可以使用任何合适的厚度。在一些实施方案中，电池单元的第一端部与冷却板120的侧面相邻或者在距冷却板120的侧面的1毫米、2毫米或3毫米的范围内。在一些实施方案中，电池单元的第一端部之间的距离小于8毫米。在一些实施方案中，电池单元的第一端部之间的距离为约5毫米、6毫米或7毫米。因此，通过使用冷却板并且将冷却板的任一侧上的电池单元在相反的方向上定向，可以减小或最小化电池系统的整体高度。根据本公开，可以使用任何合适的冷却板。在一些实施方案中，可以使用液体冷却的冷却板。在一些实施方案中，可以使用散热器冷却板(例如，热管冷却板)。

图2示出了根据本公开的一些实施方案的耦接到正极电连接器202和负极电连接器204的电池单元200。这些连接器可以在图1所示的电池单元上使用。正极电连接器202可以被耦接到电池单元200的第二端部212的中心部分206。负极电连接器204可以被耦接到电池单元200的第二端部212的外缘部分208。如上所述，电池单元的正极面的外缘部分可以经由电池单元的侧壁电耦接到电池单元的负极面并且与正极面电隔离。相应地，图2中的电池单元200的外缘部分208电耦接到对应于电池单元的负极面的电池单元的第一端部214，并且与对应于电池单元的正极面的电池单元的第二端部212电隔离。可以使用任何合适的技术将连接器耦接到电池200。例如，耦接可以是超声焊接、激光焊接或易熔链接(例如，引线键合)。在电池单元的相同的端部上具有正极连接器和负极连接器在例如简化与电池单元的连接方面可能是有利的。例如，使两个连接器都在电池单元的第二端部上可允许在封装配置中仅第二端部(而不是第一端部)可接近时进行到电池单元的连接。连接器可用于将电池并联、串联或以它们的组合来连接至负载或其他电池单元。在一些实施方案中，连接器连接至母线，所述母线是用于电连接的金属条。

再次参考图1，虽然在冷却板的每一侧上仅示出单个电池，但应当理解，在每一侧上可以包括两个或更多个电池。冷却板的每一侧上的电池可以串联、并联或以它们的组合来电连接。可以使用图2所示的连接器连接电池，所述连接器可以连接至母线。在一些实施方案中，耦接到冷却板的第一侧的第一电池单元可以并联电连接，并且耦接到冷却板的第二侧的第二电池单元可以并联电连接。在另一个实施方案中，在冷却板的每一侧上的电池单元可以具有子组，其中每个子组内的电池单元并联电连接，并且其中子组串联电连接。

图3示出了根据本公开的一些实施方案的具有两个子组的电池单元的例示性电池单元配置300。子组内的电池单元被耦接到正极电连接器和负极电连接器。在一些实施方案中，所使用的连接器和耦接件与图2中所示的相同。第一子组包括电池单元310和电池单元320，所述电池单元具有连接至第一母线360的正极电连接器312和连接至第二母线350的负极电连接器316。因此，电池单元310和电池单元320并联电连接。第二子组包括电池单元330和电池单元340，所述电池单元具有连接至第三母线370的正极电连接器332和连接至第一母线360的负极电连接器336。因此，电池单元330和电池单元340并联电连接。如图所示，电池单元310和电池单元320的第一子组经由母线360与电池单元330和电池单元340的第二子组串联电连接，所述母线将第一子组的正极端子电连接至第二子组的负极端子。应当理解，该配置仅是示例性的，并且在每个子组中可以使用任何适当数量的电池单元，并且可以使用任何适当数量的子组。还应当理解，图3所示的配置可以与耦接到冷却板的一侧或两侧的电池单元一起使用。例如，图3的配置可以用于图1的冷却板的任一侧上的电池单元。还应当理解，虽然图3中所示的电池单元沿一条线对准，但是这些电池单元可以(例如，在冷却板的每一侧上)被布置成多行电池单元。

图4示出了根据本公开的一些实施方案的在冷却板402上的电池单元的布置的俯视图400。如上所述，电池单元可以布置成多行。如图所示，在冷却板402上布置5行电池单元。在一些实施方案中，每一行中的电池单元相对于相邻行中的电池单元偏移。例如，如图所示，电池单元的第一行404和第二相邻行406在冷却板402上偏移。例如，能够以此来增加电池单元的封装密度。通过使用冷却板来冷却电池单元的端部，可以将同一行内以及相邻行之间的电池单元彼此相对靠近放置。与使用冷却管来冷却电池侧面相比，这可以使封装更紧密。虽然在图4中仅示出了冷却板的一侧，但应当理解，可以在冷却板的相对侧上使用相同或类似的布置。还应当理解，图4所示的电池单元的布置可以与图1的冷却板120一起使用。

图5示出了根据本公开的一些实施方案的穿过例示性冷却板500的中心的剖视图。在一些实施方案中，冷却板500可包括具有四个边缘的大致矩形形状，该矩形形状可能具有一种或多种不规则性，诸如凹口510。在一些实施方案中，根据冷却配置的封装和电池的可用空间，冷却板可以具有不同的形状(例如，正方形或圆形)。冷却板的横截面中的区域502和区域504可以分别对应于冷却板的输入端口和输出端口，未示出所述输入端口和输出端口，但它们将在冷却板的表面上。在冷却板中可存在一个或多个通道供冷却液行进穿过，并且可存在对应于这些通道的多组输入端口和输出端口。可以选择通道的数量、通道的配置以及输入端口和输出端口的数量，以使跨冷却板的温度梯度最小。例如，可以选择错流通道以提供更均匀的温度分布。冷却板500包括被配置为“6-路通道设计”的通道508。冷却流体在区域502在输入端口处进入冷却板，并且在到达区域504之前沿通道508行进，并且在输出端口处离开冷却板。输入端口和输出端口不必一定相邻，但使其相邻定位在当冷却流体移动穿过通道时跨冷却板分配热量方面可能是有利的。例如，如图5所示，冷却流体开始以大致顺时针的方式在区域502处行进穿过冷却板。当冷却流体行进穿过通道时吸收热量，从而导致冷却流体越接近离开冷却板时加热越多。如图5所示，将通道布置成使得最热的冷却流体(靠近区域504)位于最冷的冷却流体(靠近区域502)附近，从而在板的整个表面上提供更一致的温度，因为温度彼此进行平衡。应当理解，图5所示的通道布置仅是例示性的。在另一个示例中，在冷却板内可以水平或以另一种配置放置多个线性通道。

冷却板中的一个或多个通道可以各种方式形成。在一些实施方案中，冷却板可以由三层制成。底层和顶层可以是包括与电池单元耦接的表面的固体层，并且中间层可以具有被移除以形成通道的部分。在一些实施方案中，板可以由两层制成。例如，除了胶合到底层的固体顶层之外，还可以存在更厚的底层，在其中通过铣削或以其他方式形成通道。

本公开的冷却板和电池单元可以被包括在电池模块中。电池模块可包括其他元件，诸如挤压铝剪切壁，这些元件可以提供刚性和模块安装。在一些应用中，多个电池模块可以被电连接以形成电池组。在一些实施方案中，两个或更多个电池模块的冷却板可并联耦接到冷却流体的源。例如，这可以通过向每个电池模块提供大约相同温度的冷却流体来最小化跨电池模块的温度梯度。图6示出了根据本公开的一些实施方案的电池模块的例示性配置600。如图所示，电池模块610和电池模块620包括相应的输入端口614和输入端口624、输出端口616和输出端口626，以及冷却板612和冷却板622。冷却板612和冷却板622延伸到相应的电池模块610和电池模块620中。冷却板612和冷却板622可以是任何合适的冷却板，诸如图1的冷却板120、图4的冷却板402，以及图5的冷却板500。一个或多个电池单元可以在相应的电池模块壳体的内部耦接到冷却板612和冷却板622的每一侧。冷却流体源602可以将冷却流体供应到输入端口614和输入端口624，并且从输出端口616和输出端口626收集排出的冷却流体。例如，冷却流体源可以是位于电动车辆的前部的热交换器(例如，散热器)，该热交换器被配置为将热量排放到外部空气。应当理解，图6仅是例示性的，并且可以使用任何合适数量的电池模块。

本公开包括操作电池的方法，该方法使用冷却板来冷却电池单元的端部。图7是根据本公开的一些实施方案的用于操作电池系统的方法的流程图700。在一些实施方案中，电池系统包括冷却板、第一电池单元和第二电池单元，如图1所示。在一些实施方案中，多个电池单元被耦接到冷却板的每一侧，如以上关于图3和图4所描述的。如图5和图6所示，电池系统的冷却板包括输入端口和输出端口。在步骤702处，冷却流体被供应到冷却板的输入端口。如上所述，冷却流体可以由冷却流体源诸如热交换器或其他装置供应。在步骤704处，热量从电池单元的第一端部通过冷却板的表面被吸收到冷却流体中，从而生成加热的冷却流体。例如，冷却流体在行进穿过图5的通道508时可以吸收热量。在步骤706处，加热的冷却流体通过冷却板的输出端口排出。在一些实施方案中，冷却流体被排出并且返回到冷却流体源。在一些实施方案中，冷却流体被排出并且返回到单独的装置。图7的方法使用冷却板来冷却电池的端部，使得例如紧密封装的电池单元能够被有效地冷却。

图8是用于制造电池系统以增加用于冷却的容积效率的方法的流程图800。在步骤802处，提供具有第一侧和相对的第二侧的冷却板。如图5所示，冷却板可以包括大致矩形的形状，或者可以是不同的形状，诸如圆形。如图5所示，冷却板可包以括一个或多个通道，用于使冷却流体行进穿过该板。在步骤804处，提供第一电池单元和第二电池单元。提供每个部件可以包括制造或组装部件本身，或者从部件供应中获得部件。如图1所示，第一电池单元和第二电池单元可各自包括第一端部、第二端部以及穿过第一端部和第二端部的纵向轴线。电池单元可以具有如图2所示的电连接器，该电连接器允许电池单元以串联和并联配置(例如，如图3所示)布置。在步骤806处，第一电池单元和第二电池单元的第一端部可以被耦接到冷却板的相对侧。例如，第一电池单元的第一端部可以被耦接到冷却板的第一侧，并且第二电池单元的第一端部可以被耦接到冷却板的第二侧，其中第一电池单元和第二电池单元在相反的方向上定向，如图1所示。电池单元的端部可以使用任何合适的耦接元件(诸如，粘合剂、非导电罩或两者)耦接到冷却板。应当理解，可存在任何合适数量的耦接到冷却板的电池单元。还应当理解，冷却板和耦接的电池单元可以被包括在电池模块中以向负载(例如，电动车辆)供电。

前述内容仅是对本公开的原理的说明，并且本领域的技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下进行各种修改。给出上述实施方案是为了说明而不是限制。除了本文明确描述的形式以外，本公开还可以采取许多形式。因此，需要强调的是，本公开不限于明确公开的方法、系统和设备，而是旨在包括在所附权利要求的精神范围之内的变型和进行的修改。