[0002] 本申请要求于2016年12月22日提交的美国临时
专利申请No.62/438,366的优先权，该申请的全部内容通过参引并入本文中。
背景技术
[0003] 对于多单池的电池、电池构型和组件，例如用在车辆中的
电池组，快速冷却对于消除故障模式、比如由于大量热产生的热失控而言至关重要，并且快速冷却使单池保持处于平均
温度以维持最佳的
循环寿命。另外，在过度冷却限制电池效率和放
电能力的条件下，需要快速预热以改善驱动范围和循环寿命。因此，最佳的热传递速率是必要的。
[0004] 通常使用的电池冷却/加热方法通过将电池放置成与
热交换器界面、比如
热泵热界面
接触来对电池单池进行加热及冷却。然而，这些系统具有以下缺点：
[0005] 1)由于热从单池传递出或传递到单池中的限制而导致对电能的放电速率和充电速率的限制。
[0006] 2)由于焦
耳加热效应(内部
电阻)、化学反应加热、以及放热化学反应，电池单池在充电和放电期间固有地产生热。如果不注意控制放电速率和充电速率，这种加热会引起危险的温度升高并因此引起单池故障。因此，对充电速率和放电速率的限制与单池温度直接相关。当单池温度下降得太低时，单池性能也会由于电化学反应缺乏活化能、
电解质电导率低以及电荷扩散缓慢而受损。
[0007] 3)用于具有附加的冷却装置的Li电池单池的当前技术状态限制电池模
块/电池组功率
密度。间接冷却不足以保持用于高功率密度电池模块/电池组的以及高C速率操作下的理想
工作温度范围。
[0008] 4)在满足可变电池平台和布置结构方面存在限制。
发明内容
[0009] 使用被插入二次电池单池的果冻卷(jelly roll)的中空芯中并向
外延伸以被放置成与热交换界面、比如热交换
流体接触的芯吸
热管(蒸气室)来提供一种用于直接将电池单池冷却及预热的新颖设计，以有效地将热传递离开单池(冷却)或传递到单池中(加热)。
[0010] 根据本发明的第一方面，描述了一种电池单池，该电池单池包括：单池本体；以及蒸气室，该蒸气室嵌置在单池本体中。
附图说明
[0011] 图1示出了具有一体化蒸气室的电池单池的示例性横截面。
[0012] 图2A示出了处于冷却模式的具有一体化蒸气室的电池单池的示例性横截面。
[0013] 图2B示出了处于加热模式的具有一体化蒸气室的电池单池的示例性横截面。
[0014] 图3示出了具有一体化蒸气室的示例性电池单池的外部视图和内部视图。
[0015] 图4示出了电池单池与外部
散热棒之间的示例性密封连接部分。
[0016] 图5A至图5D示出了具有一体化蒸气室的示例性电池单池的蒸气室中的芯吸材料构型的示例。
具体实施方式
[0017] 可以通过将容纳
工作流体(
相变流体)的蒸气室和芯吸结构结合到单池本体中从而在单池的内部与单池的外部之间形成热管来实现对电池单池的改进。在一个实施方式中，热管装置被结合到单池壳体中、轴向
定位并位于电池单池壳体的中央处、并且向外延伸以便提供将热量传递离开单池的内部或将热量传递到单池的内部中的装置。
[0018] 当热量被施加至热管装置时，由于流体吸收所施加的热，因而流体经历相变而
蒸发(
气化)。然后蒸气将移动到热管的冷凝部段中，蒸气在该冷凝部段中经历冷凝成液相的冷凝并释放热。
[0019] 蒸气流借助于饱和蒸气中的压差且不需要外部或附加的力而从蒸发部段前进至冷凝部段。液态工作流体通过重力或通过借助于沿着热管的内壁的芯或芯吸材料的毛细作用而流动至蒸发部段。由芯提供的毛细作用确保了热管功能独立于单池物理空间取向。
[0020] 该过程是可逆的，从而允许热流入或流出单池，这取决于单池内部与热管装置的位于单池外部的部分(杆部)之间的温差。
[0021] 如本文中使用的“电池组”描述了一组任意数量的电池单池，这些电池单池以
串联或并联或串联与并联的组合的方式相互连接，以作为单个一体化单元向系统提供
能量储存和电力。电池组的示例将是可以包括数千个圆柱形
锂离子电池单池的
电动车辆锂离子电池。
[0022] 如本文中使用的“电池单池”描述了能够由化学反应产生电能的电化学单池。一些电池单池可以是能够通过将
电流引导通过单池来再充电的。基于用于产生电流的电化学反应，电池单池具有不同类型，比如铅酸式、镍镉式、镍氢式、镍金属氢化物式、锂离子式、氯
铝酸钠式。由于电池单池基于化学反应产生电力，因而单池的温度会影响电力产生的效率。电池单池也可以是
燃料电池单池，比如氢
氧化物
质子交换膜电池单池、
磷酸电池单池或固体酸电池单池。
[0023] 如本文中使用的“热泵”描述了一种这样的系统，该系统通过应用外部电源将
热能从系统的称为“热源”的一个部分移动至系统的称为“
散热器”的另一部分。通常，热通过在热源与散热器之间循环的流体的运动来传递。示例包括可逆的两相制冷剂系统和单相乙二醇系统。
[0024] 如本文中使用的“蒸气室”(或“热管”)描述了一种这样的可逆(加热及冷却)系统，该可逆系统通过下述各项有效地使两个固体界面(表面)处于热平衡：从一个界面到另一个界面来回横穿的工作流体的热导率和相变(一种相为液态，另一种相为蒸气)。
[0025] 如本文中使用的“轴向冷却”描述了从系统、例如连接至该系统的、热泵驱动的外部热交换器向外传送的冷却。虽然该名称来源于沿着轴线(一侧进，另一侧出)冷却/加热管线的想法，但是如本文中使用的术语不限于任何特定的流动方向(即，输入和输出相对于彼此还可以是垂直的、或者成任何
角度)。
[0026] 如本文中使用的“径向冷却”描述了系统的部件的从这些部件径向地到热耦合至径向冷却系统的周围冷却系统的冷却。径向冷却的示例是系统内的一体化蒸气室。
[0027] 图1示出了具有一体化蒸气室的示例性单池。可以将该单池描述为包括本体150和杆部160。本体150可以包括电连接帽110和螺旋缠绕
电极100(也称为果冻卷或瑞士卷结构的电极)。蒸气室120可以包括热管壁121和芯吸结构122，热管壁121用于将热传导到蒸气室120中以及从蒸气室120传导出，芯吸结构122用于在工作流体处于液相时输送蒸气室120内的流体。芯吸结构122可以构造成包括蒸气通道以在工作流体处于蒸气相时允许流体的运动。蒸气室120可以通过气密
密封件130连接至本体150。
[0028] 图2A示出了处于冷却模式的图1的单池的示例。当本体200的内部具有比杆部220的外部高的温度时，蒸气室可以被描述为具有：蒸发区域250，在蒸发区域250中，单池200的热量被蒸气室吸收并且工作流体从液体蒸发成蒸气；冷凝区域260，在冷凝区域260中，被吸收的热通过工作流体从蒸气到液体的相变而从杆部220
辐射到杆部220的周围(例如，冷却剂浴或散热器)中；以及绝热区域270，绝热区域270位于其他两个区域之间。
[0029] 图2B示出了处于加热模式的图1的单池的示例。当热被施加至杆部220的外部时，使得杆部220的温度升高而大于单池200的内部，蒸气室可以被描述为具有：蒸发区域265，蒸发区域265位于杆部上，蒸发区域265吸收来自外源的热并且具有主要处于蒸气相的工作流体；冷凝区域255，在冷凝区域255中，热被释放到单池中并且工作流体主要处于液相；以及绝热区域275，绝热区域275位于其他两个区域之间。
[0030] 图3示出了具有一体化蒸气室的示例性单池的外部视图300和内部(横截面)视图310。应当指出的是，在该示例中，芯吸结构320延伸蒸气室的整个长度。其他实施方式可以包括不延伸蒸气室的整个长度的芯吸结构：例如，完全在单池的本体内延伸但仅部分地在单池的杆部中延伸的芯吸结构。
[0031] 图4示出了具有一体化蒸气室的单池的杆部420与本体400之间的连接部分的示例性放大横截面。本体的壳410可以向内延伸，以通过将内部管
激光焊接至壳体、或者通过深拉(deep drawn)工艺形成芯吸结构440所在的内部管、或者通过类似的方式来形成蒸气室。可以通过激光焊、
点焊、点钎焊或任何其他气密密封工艺利用密封件430将杆部420附接至本体壳410。作为示例，本文中的杆部被示出为棒状形状，但是也可以使用其他形状。另外，杆部可以包括导热翅片以增加表面积从而用于更好的热传导。
[0032] 图5A至图5D示出了作为图4中所示的示例性单池的横截面440A-440A的示例性芯吸结构图案。在各个图中，热管壳体511、512、513、514环绕芯吸结构521、522、523、524和至少一个蒸气通道531、532、533、534。图5A示出了作为连接至壳体511的层的芯吸结构511，其中，蒸气室531位于中央。图5B示出了作为
辐条几何结构式带的芯吸结构522。图5C示出了作为在中央处连接的辐条几何结构式带的芯吸结构523，使得存在多个蒸气通道533。图5D示出了作为连接至壳体514的沿着蒸气室向上呈直线或螺旋形图案的分开的柱状体的芯吸结构524。
[0033] 已经描述了本公开的许多实施方式。然而，将理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以作出各种改型。因此，其他实施方案在所附
权利要求的范围内。
[0034] 作为对如何制作并使用本公开的实施方式的完整公开和描述的在上面阐述的示例被提供给本领域普通技术人员，并且这些示例不旨在限制被
发明人认为是其公开内容的范围。
[0035] 对于本领域技术人员而言是明显的用于实施本文中所公开的方法和系统的对上述模式的改型旨在落入所附权利要求的范围内。
说明书中提到的所有专利和出版物指示本公开所属领域的技术人员的技术
水平。本公开中引用的所有参考文献均通过参引并入，参引程度如同每篇参考文献的全部内容均已经单独通过参引并入一样。
[0036] 应当理解的是，本公开不限于特定的方法或系统，这些特定的方法或系统当然可以变化。还应当理解的是，本文中使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不是意在进行限制。除非上下文另外明确指出，否则如在本说明书和所附权利要求中所使用的单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指示物。除非上下文另外明确指出，否则术语“多个”包括两个或更多个指示物。除非另外定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。
