专利名称：电池温度控制方法和组件的制作方法
技术领域：
本公开大致涉及的领域包括用于获得和维持理想电池操作温度的方法和组件。
背景技术：
高电压(HV)锂离子电池可用于汽车燃料单元应用以及汽车混合动力车辆应用。 HV锂离子电池由串接的若干锂离子电池单元构成。这些锂离子电池单元可以具有棱柱形状 (例如袋型)，并利用液体或聚合物电解液。公知包括锂离子聚合物单元的电池具有比其它 锂电池高的能量密度，但也公知其在低温度下经受明显的性能退化(其对于锂离子电池较 为典型)。性能退化发生在低温度下，因为内部电阻迅速增加，还因为必须使充电电流急剧 降低至零下的温度以避开可能破坏电池单元和可能导致不希望的反应的锂镀层。在电压下 降至低于充电界限例如每单元约3. OV(对于Mn基阴极材料)的较低状态之前，在放电期间 还必须将负载从锂离子单元完全地移除。如果允许锂离子电池放电至其充电界限的较低状 态，而且不可能充分地对电池再充电，那么电池将不再能用。正温度系数(PTC)加热器包括具有特有异常温度的PTC电阻元件，在低于该特有 异常温度时，元件在宽的温度范围内保持低的、相对固定的电阻水平。随着这种电阻元件的 温度接近其异常温度，其电阻呈对数增加。因此，接近其异常温度，甚至元件的温度稍微上 升，将导致电阻的急剧增加。供给至PTC电阻元件的附加电力将导致元件自加热至高电阻 状态。该现象被认为由晶相变化导致，晶相变化发生于接近异常温度的元件的陶瓷组分。晶 体结构的变化伴随着晶体结构的晶粒边界处电阻的急剧增加，从而导致电阻呈对数增加。 可在制造时通过使用特定化学掺杂剂调整PTC电阻元件的异常温度，并可使其在约-50°c 至300°C之间变化。在使用时，在元件上施加电压时，元件快速发热并保持在其异常温度。 元件保持在异常温度，因为电阻的突然增加降低了产生的热量，直到其等于耗散的能量。换 言之，PTC电阻元件达到热均衡，而实际上将其自身温度限制在预先确定的异常温度。PTC 电阻元件的形式可以为柔性薄片或薄膜，该柔性薄片或薄膜可以印刷在一些类型的衬底材 料上或直接印刷在待加热的表面上。可以通过混合弹性体将PTC材料制成弹性的。
发明内容
提供了一种用于获得和维持理想电池操作温度的组件。该组件包括电池和布置成 能够加热电池的正温度系数(PTC)电阻元件。PTC电阻元件可以构造成具有大致等于理想 最大电池操作温度的异常温度，以防止电池过热状态。另外，提供了一种用于加热电池至理想电池操作温度的方法。根据该方法，通过提 供待加热的电池；提供能够加热电池的正温度系数(PTC)电阻元件；和向PTC电阻元件供 给电力，可加热电池至理想电池操作温度。本发明还提供以下技术方案。1. 一种用于获得和维持理想电池操作温度的组件(10)，所述组件包括 电池(12)；和定位成加热所述电池的正温度系数(PTC)电阻元件(18)。2.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于，所述PTC电阻元件(18)构造成 具有大致等于理想最大电池操作温度的异常温度。3.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于，
所述组件(10)包括控制器0 和连接至所述控制器的温度传感器04)； 所述温度传感器的位置布置成能够检测所述电池(1 的温度和构造成对应于所检测 的温度而发送信号给所述控制器02)；
所述PTC电阻元件(18)连接至所述控制器0 ；且
所述控制器构造成通过响应从所述传感器04)接收的温度信号控制供给至所述PTC 电阻元件的电力，从而控制从所述PTC电阻元件传递到所述电池(1 的热。4.根据技术方案3所述的组件(10)，其特征在于，所述控制器0 构造成在所述 控制器0 从所述温度传感器04)接收到指示电池温度低于预先确定的最小电池操作温 度的信号时，将电力从电源(19)供给至所述PTC电阻元件(18)。5.根据技术方案3所述的组件(10)，其特征在于，所述控制器02)构造成在所述 控制器0 从所述温度传感器04)接收到指示电池温度已经达到预先确定的正常电池操 作温度的信号时，切断给所述PTC电阻元件(18)的电力。6.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于，
所述电池(1 至少包括串接地电连接至第二电池单元(1 的第一电池单元(14)； 所述PTC电阻元件(18)夹在所述第一和第二电池单元(14，15)之间；且 所述PTC电阻元件(18)构造成在从电源(19)供给电力至所述PTC电阻元件(18)时 将热能传导进入所述第一和第二电池单元(14，15)。7.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于，
所述电池(1 包括彼此串接地连接并成对布置的多个电池单元(14，15)；和 PTC电阻元件(18)夹在各对电池单元的单元之间。8.根据技术方案7所述的组件(10)，其特征在于，所述相邻对的电池单元(14， 15)彼此隔开。9.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于，所述电池(1 为包括至少一个 锂离子聚合物袋状单元(14)的锂离子聚合物电池。10.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)进一步包括电 连接至所述PTC电阻元件并包括选自由所述电池(12)、燃料单元04)、交流发电机(52)和 电牵引系统(53)构成的电源组的一个或多个构件的电源(19)。11.根据技术方案1所述的组件(10)，其特征在于， 所述装置接入车辆电路GO)；且
选自由电池(1 、燃料单元G4)、功率变换器06)、燃料单元空气压缩机马达G8)、交 流发电机(52)、电牵引系统驱动单元(54)构成的电路构件组的一个或多个电路构件接入 所述车辆电路GO)。12. 一种用于加热电池至理想电池操作温度的方法，所述方法包括以下步骤 提供待加热的电池(12)；
提供定位成能够加热所述电池的正温度系数电阻元件(18)；和供给电力至所述正温度系数电阻元件。13.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述提供电池(1 的步骤包括提 供包括锂聚合物袋状单元(14)的电池。14.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，
所述提供电池(1 的步骤包括将所述电池与燃料单元G4)连接；且 所述供给电力至所述PTC电阻元件(18)的步骤包括从所述燃料单元G4)提供电力至 所述PTC电阻元件(18)。15.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，
所述提供电池(1 的步骤包括提供包括至少两个电池单元(14，15)的电池；和 所述提供PTC电阻元件(1 的步骤包括将所述PTC电阻元件(1 夹在所述两个电池 单元(14，15)之间。16.根据技术方案12所述的方法，其特征在于
所述提供电池(1 的步骤包括提供包括成对布置且各对彼此隔开的多个电池单元 (14，15)的电池；且
所述提供PTC电阻元件(1 的步骤包括提供多个PTC电阻元件(1 和将各所述元件 夹在各单元对的单元(14，15)之间。17.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述提供PTC电阻元件(18)的 步骤包括提供具有小于或等于所述电池(12)的最大操作温度的异常温度的PTC电阻元件 (18)。18.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述提供PTC电阻元件(18)的 步骤包括提供具有大于或等于所述电池(12)的理想操作温度的异常温度的PTC电阻元件 (18)。19.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述供给电力至所述PTC电阻元 件(18)的步骤包括在所述电池(12)的温度低于预先确定的最小电池操作温度时提供电力 至所述PTC电阻元件(18)。20.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述提供电力至所述PTC电阻元 件(18)的步骤包括从包括选自包括电池(12)、燃料单元(44)、交流发电机(5 和电牵引 系统(5 的电源组的一个或多个电源的电源(19)提供所述电力。21.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述电池(12) 的温度达到预先确定的理想操作温度时从所述PTC电阻元件(18)移除电力的步骤。根据以下提供的详细描述，本发明的其它示范性实施例将变得明显。应理解，尽管 公开了本发明，但详细描述和具体实施例仅用于说明目的，不用于限制本发明的范围。
根据详细描述和附图，将更加充分地理解本发明的示范性实施例，附图中
图1为根据本发明构建的电池温度控制组件的组合示意框图和正交视图，图的正交部 分显示了组件的电池单元和电阻元件；和
图2为结合于车辆电力电路的图1的电池温度控制组件的示意框图。
具体实施例方式以下描述的实施例在本质上仅为示范性的，绝非意图限定本发明、其应用或用途。用于获得和维持理想电池操作温度的电池温度控制组件大致以10显示于图1和 2。如图1所示，组件10包括电池12，电池12可以包括多个电池单元14，15。组件10还包 括定位成加热电池12的加热器16。加热器包括正温度系数(PTC)电阻元件18，正温度系 数(PTC)电阻元件18布置在邻近相应电池单元14，15的相应位置，以在从电源19供给电 力至PTC电阻元件18时加热单元。各PTC电阻元件18可以为PTC薄膜，PTC薄膜可以通过印刷或用于将PTC薄膜附 接于表面的本领域公知的其它手段直接连接至电池单元14，15。PTC加热器薄膜可以为商 业上可获得的类型，例如用于后视镜加热的应用，并设计成在12伏特的电力输入下操作， 或加热器16可包括构造成在较高电压电力例如300VDC下操作的特别设计的薄膜。如图1 所示，可应用PTC电阻元件18，或将其定位成使得单元和电阻元件18之间没有间隙。PTC电阻元件18可以具有大致等于理想电池或电池单元操作温度且小于最大电 池或电池单元操作温度的异常温度。这防止了 PTC电阻元件18将电池12或电池12的任 何单元14，15继续加热至使它们达到过热状态的温度。如图1所示，组件10可以包括控制器22和多个温度传感器24，多个温度传感器 24连接至控制器22，并可支撑在单元14，15的相应金属突出部分沈上。各金属突出部分 26大致包括铝或能够维持接近内部单元温度的温度的其它高热传导的物质。各温度传感器 M可以布置成能够检测电池单元14，15中的一个的温度，并对应于所检测的温度发送信号 给控制器22。这些温度传感器可以为电池管理系统的一部分。PTC电阻元件18还可以连接至控制器22，且控制器被编程为通过响应从传感器M 接收的温度信号，控制供给至PTC电阻元件18的电力，控制从PTC电阻元件18传递至电池 单元14，15的热。控制器22可被编程为维持电池单元14，15在优化温度操作范围内，同时 PTC电阻元件18可以设计成具有大致等于或小于电池单元最大操作温度的最大或异常温 度。在例如局部单元温度高于这些通过温度传感器检测的温度时，这允许控制器22将电力 导向PTC电阻元件18，而没有导致电池单元14，15达到可能损坏单元的温度的危险。如图1所示，电阻元件18可以通过功率切换器件27例如继电器连接至控制器22。 控制器22然后可以通过发送相应控制信号给功率切换器件27对一个或多个所选择的PTC 电阻元件18发出电力的施加或电力的移除的命令。功率切换器件27然后接通或断开电源 19和所选PTC电阻元件18之间的功率电路。控制器22可被编程为在控制器22从相应温度传感器M接收到指示电池单元温 度低于预先确定的最小电池单元14操作温度(通常大致约20°C )的信号时，从电源19供 给电力至一个或多个PTC电阻元件18。控制器22可进一步被编程为在控制器22从相应 温度传感器M接收到指示电池单元温度已经达到预先确定的正常电池单元操作温度(约 20°C以上)的信号时，切断一个或多个PTC电阻元件18的电力，以便来自PTC电阻元件18 的持续热传递将不抵消或抑制随后的用于冷却超出预先确定的最大理想操作温度的电池 温度的尝试。如图1所示，电池单元14，15彼此串接，并可以成对布置，且将电阻元件18夹在各 对电池单元的单元之间。换言之，各PTC电阻元件18可以夹在一对电池单元的两个单元之间。这允许单个PTC电阻元件18将热能量立即传导进入两个单元。同样如图1所示，相邻对的电池单元14，15大致相互平行，并彼此隔开以提供用于 流体例如空气经过各对单元14，15之间并冷却该单元的路径。换言之，在需要冷却电池或 这样做有益时，可通过冷却空气32冷却单元14，15的外侧30，且在需要加热单元或这样做 有益时，可通过PTC电阻元件18加热单元14，15的相对的内侧。可以包括风扇36或其它 适当器件来驱动单元对之间的空气。电池12可以为可再充电的、高电压(HV)例如360伏特锂离子电池。在其它实施 例中，电池12可以为任何其它适当类型的电池12，例如锂离子电池或NiMH电池，而它们将 从低温下的加热受益。电池12的各单元14，15可以为锂离子聚合物袋状单元，或者在其它 实施例中，可能为任何其它适当类型的单元，例如锂离子液体电解液或锂离子聚合物单元， 而它们将从低温下的加热受益。如图2所示，组件10可以并联接入车辆电力供给电路40。燃料单元功率系统42 也可以接入车辆电力供给电路40，燃料单元功率系统42包括燃料单元44，连接至燃料单元 44的输出的DC/DC功率变换器46，和燃料单元空气压缩机马达48。车辆电力供给电路40 的其它构件可以包括十二伏特DC/DC交流发电机52 ；电牵引系统(ETS) 53，包括电牵引系 统驱动单元(ETS-DU)M ；以及一个或多个车辆系统，其包括通过电路40供电的马达，例如 HVAC系统马达56和任何数量的电力辅助系统马达58，各构件并联接入车辆电路40。因此， 用于组件10的电源19可以包括HV电池12，燃料单元44，发电机46，交流发电机52，和/ 或电牵引系统驱动单元54。通过从燃料单元44吸取多余电力，在低温下，该配置允许HV电 池和/或PTC电阻元件18帮助燃料单元44更快变热，除由例如交替地推进车辆或在制动 期间发电的电牵引系统53吸取的电力之外，该多余电力用于给电池12充电和加热PTC电 阻元件18。通过使燃料单元产生附加损耗，燃料单元44所吸取的所有这种附加电力有助于 加热燃料单元。提供各种功率处理功能的类型的一个或多个功率逆变器模块(PIM)60，可以接入 车辆电路40。功率逆变器模块60可以分别连接在电源19 (例如燃料单元44、电池12和/ 或电牵引系统驱动单元54)与任何或所有燃料单元空气压缩机马达48、电牵引系统驱动单 元、HVAC系统马达56和任何电力辅助系统马达58之间。实施时，在低外界温度状态下，通过提供包括多个PTC电阻元件18的加热器16， 可获得或维持电池12的理想操作温度或温度范围，多个PTC电阻元件18可以制成各自具 有小于或等于电池12的最大操作温度和/或大于或等于电池12的理想操作温度的异常温 度。然后，通过在制造如上所述的电池时将元件18结合于电池12，将加热器16的PTC电阻 元件18设置在各自的位置，以加热电池12的单元14，15。然后，为如上所述的加热器16提 供电源19，例如电池12，燃料单元44，车辆交流发电机52，或电牵引系统54 (在制动期间)。 如果确定一个或多个单元14，15的温度低于预先确定的理想电池操作温度范围，那么通过 供给电力给至少相应的元件18，来激励加热器16的至少这些相应的PTC电阻元件18。然 后，在至少这些电池单元14，15的温度达到预先确定的理想操作温度或温度范围时，可以 从PTC电阻元件18移除电力。在电池温度控制组件10上使用PTC电阻元件18防止加热器16导致电池过热状 态，而且，在从燃料单元功率系统42吸取电力时，有助于将燃料单元44加热至燃料单元的优化操作温度范围。 本发明的实施例的以上描述本质上仅为示范性的，因此，其变型不应被视为脱离 了本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于获得和维持理想电池操作温度的组件(10)，所述组件包括 电池(12)；和定位成加热所述电池的正温度系数(PTC)电阻元件(18)。
2.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述PTC电阻元件(18)构造成具有 大致等于理想最大电池操作温度的异常温度。
3.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述组件(10)包括控制器0 和连接至所述控制器的温度传感器04)； 所述温度传感器的位置布置成能够检测所述电池(1 的温度和构造成对应于所检测 的温度而发送信号给所述控制器02)；所述PTC电阻元件(18)连接至所述控制器0 ；且所述控制器构造成通过响应从所述传感器04)接收的温度信号控制供给至所述PTC 电阻元件的电力，从而控制从所述PTC电阻元件传递到所述电池(1 的热。
4.根据权利要求3所述的组件(10)，其特征在于，所述控制器0 构造成在所述控制 器0 从所述温度传感器04)接收到指示电池温度低于预先确定的最小电池操作温度的 信号时，将电力从电源(19)供给至所述PTC电阻元件(18)。
5.根据权利要求3所述的组件(10)，其特征在于，所述控制器0 构造成在所述控制 器0 从所述温度传感器04)接收到指示电池温度已经达到预先确定的正常电池操作温 度的信号时，切断给所述PTC电阻元件(18)的电力。
6.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述电池(1 至少包括串接地电连接至第二电池单元(1 的第一电池单元(14)； 所述PTC电阻元件(18)夹在所述第一和第二电池单元(14，15)之间；且 所述PTC电阻元件(18)构造成在从电源(19)供给电力至所述PTC电阻元件(18)时 将热能传导进入所述第一和第二电池单元(14，15)。
7.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述电池(1 包括彼此串接地连接并成对布置的多个电池单元(14，15)；和 PTC电阻元件(18)夹在各对电池单元的单元之间。
8.根据权利要求7所述的组件(10)，其特征在于，所述相邻对的电池单元(14，15)彼 此隔开。
9.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于，所述电池(12)为包括至少一个锂离 子聚合物袋状单元(14)的锂离子聚合物电池。
10.根据权利要求1所述的组件(10)，其特征在于， 所述装置接入车辆电路GO)；且选自由电池(1 、燃料单元G4)、功率变换器06)、燃料单元空气压缩机马达G8)、交 流发电机(52)、电牵引系统驱动单元(54)构成的电路构件组的一个或多个电路构件接入 所述车辆电路GO)。
全文摘要
本发明提供一种用于获得和维持理想电池操作温度的组件(10)。正温度系数(PTC)电阻元件(18)布置在邻近电池(12)的位置并能够加热电池。
文档编号H01M10/50GK102064365SQ20101054339
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者梅特拉赫 H., 利恩坎普 S. 申请人:通用汽车环球科技运作公司