CN100446339C - 用于控制二次电池模块温度的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能有效地控制电池模块的温度的系统，该系统还能通过积极适应外部环境在恶劣环境中很容易地控制温度。该用于控制二次电池模块温度的系统包括容纳多个单元电池的外壳。该外壳具有入口和出口。传热部件与所述单元电池接触。该传热部件具有暴露于形成在所述外壳内部的传热介质管道的部分，并且温度控制器安装在该传热部件上以控制所述单元电池的温度。

Description

用于控制二次电池模块温度的系统
技术领域
本发明涉及二次电池，更具体地说，涉及用于控制二次电池模块温度的系统，其中电池模块是通过连接单元电池形成的。
背景技术
具有高能量密度的非水电解液二次电池近来发展成为高能二次电池，串联连接几个到几十个高能二次电池可以形成大型电池，以适合需要大电源的机器电动机的驱动，例如混合电动车。
这样的大型二次电池组件(电池模块)典型地包括彼此串联连接的多个二次电池(每个单独的二次电池视为“单元电池”)。
如果单元电池是方形电池，则单元电池设置成一个单元电池的正负极端子与相邻单元电池的正负极端子交替。具有导电体的适配器典型地安装在穿过的负极端子和正极端子上，以便它们彼此电连接以形成电池模块。
由于连接几个到几十个单元电池形成一个电池模块，所以需要有效地散发每个单元电池产生的热量。特别地，当单元电池用作大型二次电池以驱动诸如电动车或混合电动车、小型摩托车和真空清洁器的电动机时，散热极其重要。
如果不能充分散热，那么电池模块的温度可能由于每个单元电池产生的热量而过度升高，因此，不仅电池模块而且使用该电池模块的机器都可能产生故障。
对于用作驱动电动机的电池模块来说，散热尤其重要，因为在每个单元电池中都会发生强电流充电和放电。
目前通过使用热电元件致力解决散热问题，其中镍金属氢化物电池用作单元电池，并且该单元电池用于形成电池模块。然而，当将热电元件应用到以上常规技术的电池模块中时，没有考虑它们的几何结构，而只简单地将它们安装在电池模块的某部分上。因此，仍然没有获得电池模块满意的冷却效率。
发明内容
根据本发明，提供一种用于控制二次电池模块的温度的系统，其能有效地控制电池模块的温度，即使在恶劣环境中也能积极响应外部环境，并且能通过简化结构将尺寸降到最小。
在本发明的一方面中，根据本发明的一种用于控制二次电池模块的温度的系统包括：适于容纳多个单元电池的外壳，该外壳包括具有入口和出口的传热介质管道；与每个所述单元电池分别接触的传热部件，该传热部件具有暴露于形成在所述外壳内的所述传热介质管道的部分；分别安装在每个所述单元电池上的单独的温度传感器，其用于分别检测每个所述单元电池的温度；分别安装在所述传热部件中的单独的热电元件，其用于分别控制每个所述单元电池的温度；所述热电元件的一个表面与所述传热部件接触，另一个表面位于所述传热介质管道中；控制器，其适于通过所述单独的热电元件根据所述单独的温度传感器的输出分别控制所述单元电池的温度；和冷却风扇，其安装在每个热电元件，用于单独地冷却该热电元件，其单独地由所述控制器控制。因此，所述电池的温度可以被通过所述传热部件传递的所述温度控制器的加热能量或冷却能量升高或降低。
在本发明的另一方面中，根据本发明另一实施例的一种用于控制二次电池模块温度的系统包括：容纳多个单元电池的外壳，该外壳包括具有入口和出口的传热介质管道；与所述多个单元电池接触的传热部件，该传热部件具有暴露于所述传热介质管道的部分；分别安装在每个所述单元电池上的单独的温度传感器，其用于分别检测每个所述单元电池的温度；安装在所述传热部件上以分别控制每个所述单元电池的温度的热电元件，该热电元件选自热电冷却元件和热电加热元件中的至少一种；所述热电元件的一个表面与所述传热部件接触，另一个表面位于所述传热介质管道中；控制器，其适于通过所述单独的热电元件根据所述单独的温度传感器的输出分别控制所述单元电池的温度；和冷却风扇，其安装在每个热电元件，用于单独地冷却该热电元件，其单独地由所述控制器控制。由于流入所述外壳的冷却介质的温度可以被所述温度控制器适当地控制，所以很容易地控制所述单元电池的温度。
在示例性实施例中，所述温度控制器具有热电元件，其中所述热电元件具有根据电流方向自发产生冷却的冷却表面和产生热量的加热表面。所述冷却表面和加热表面中至少一个表面可以贴在传热介质的外表面上。
在示例性实施例中，热电冷却元件和热电加热元件可以有选择地用作所述热电元件，并且可以独立安装。所述热电冷却元件当冷却所述单元电池时工作，而所述热电加热元件当升高所述单元电池的温度时工作。
在示例性实施例中，所述温度控制器连接到所述温度传感器上，并且响应检测温度向所述热电元件提供输出信号，以有选择地执行吸热或放热反应。
在示例性实施例中，所述温度传感器可以安装在所述外壳内部，以检测所述单元电池的温度。所述温度传感器可以安装在每个单元电池上并独立检测每个单元电池的温度。
在示例性实施例中，所述热电元件可以位于所述外壳的冷却介质管道内，以冷却加热表面，并且在所述热电元件是热电冷却元件的情况下，可以在加热表面上进一步提供冷却风扇。
在示例性实施例中，散热部件可以连接到入口上，并且所述热电元件可以安装在该散热部件上。该散热部件可以包括所述热电元件附着的底板，和以预定距离间隔安装在该底板上的多个散热片。因此，穿过所述入口的冷却介质由于所述底板和多个散热片可以接触更大的区域，以便可以更有效地提供来自所述热电元件的热能。
在示例性实施例中，所述传热部件可以包括散热装置或热导管，或者它可以具有围绕所述单元电池的结构。所述散热装置或热导管的一端可以位于所述外壳的冷却介质管道内，以将热量传递给冷却介质。
在示例性实施例中，冷却介质可以是空气。空气可以由使用环境大气作为温度控制空气的空气冷却系统提供。空气也可以由机动车的空调系统提供。
这样的结构通过流入外壳内的冷却介质穿过传热介质的散热装置或热导管实现了从所述单元电池的热传递，也通过热电元件适当地控制了温度，该热电元件根据所述单元电池的温度执行吸热或放热反应，以将电池模块维持在良好的状况下。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的用于控制二次电池模块温度的系统的示意性侧截面图。
图2是根据本发明第二实施例的用于控制二次电池模块温度的系统的示意性侧截面图。
图3是根据本发明第三实施例的用于控制二次电池模块温度的系统的示意性侧截面图。
图4是根据本发明第四实施例的用于控制二次电池模块温度的系统的示意性侧截面图。
图5是示出根据本发明实施例的二次电池模块驱动电动机的示意性框图。
具体实施方式
在下面的实施例中，用于控制二次电池模块温度的系统采用使用外部空气作为冷却剂的空气冷却系统。然而，本发明并不局限于下面的结构，除了空气冷却系统外，还可以使用机动车的空调系统。
图1是根据本发明第一实施例的用于控制二次电池模块温度的系统(下文称“系统”)的示意性侧截面图。系统的电池模块10包括多个单元电池11和一个外壳12，每个单元电池11都包括具有正极板、负极板和插入正极板和负极板之间的隔板，以产生单元电能；外壳12容纳以预定距离分隔开的单元电池11。本示例性实施例的每个单元电池11可以是锂型二次电池，例如锂离子电池。
外壳12具有形成于其上一侧以允许用于控制单元电池11温度的空气流入的入口13，和形成于其上另一侧以允许空气穿过单元电池11流出的出口14。空气管道15形成在外壳12内部的入口13和出口14之间。
根据本发明，外壳12的形状、外壳12内部的入口13和出口14的位置、以及外壳12内部单元电池11的排列结构不受限制，只要它们满足上述的大体结构。
下面基于图1所示的结构描述第一示例性实施例，其中入口13和出口14形成在外壳12的上部。系统包括沿着空气管道15延伸并与外壳12内部的单元电池11的外表面紧密接触的散热装置20。多个热电元件21安装在散热装置20上，并位于空气管道15内。温度传感器22安装在各自单元电池11的一侧，以检测各自单元电池11的温度。控制器23连接到温度传感器22上，并适于响应单元电池11的检测温度将输出信号施加到热电元件21上。本领域技术人员可以知道控制器23能例如控制一个或多个单元电池的冷却，也就是说，每个单元电池具有为它本身设置的温度，并且它的温度由控制器来控制，或者，可替代地，可以为整个电池模块指定一个总温度，并且相对于总温度测量单个传感器读数，这样可以适当地调节每个单元电池，使总电池模块温度得以保持。
当用作驱动机器电动机的电源时，例如在混合电动车中使用的电动机时，具有上述结构的系统能控制电池模块的温度。如果单元电池11产生热量，那么热量沿着起传热介质作用的散热装置20向空气管道15传递。接着，提供给入口13并通过空气管道15流动的空气能冷却向空气管道15传导的热量。可替代地，空气可以直接提供给单元电池11，以冷却单元电池11。
此外，响应于控制器23提供的控制信号，热电元件21工作在散热装置20的表面，以便系统能够更有效地执行冷却。也就是说，安装在单元电池11上的温度传感器22实时检测单元电池11的温度。检测信号传送到控制器23，并且如果控制器23确定有必要冷却一个或多个单元电池11，那么控制器23将控制信号发送至热电元件21，以驱动各个热电元件21。
热电元件21是利用过渡金属或半导体来执行放热反应或吸热反应的元件，但不局限于这些类型。例如，单个的热电元件21可以是使用通过混合双极型半导体产生冷却效应的元件。
在第一示例性实施例中，热电元件21具有这样的结构：它们每一个都与散热装置20一起吸收传递至散热装置20的热量，并允许单元电池11产生的热量散掉。
应该注意热电元件21不是必须具有仅执行吸热反应的结构。有时，热电元件21能具有执行放热反应的结构。也就是说，如果必要，在需要升高单元电池11温度的环境中(例如在非常寒冷的环境中)，热电元件21能响应温度传感器22和控制器23执行放热反应，以便单元电池11的温度升高，这能使单元电池11平稳工作。在这种情况下，散热装置20也可以起传热部件的作用。
温度传感器22可以对应于每个单元电池11独立地安装。安装位置不局限于特定的位置，只要它能正确地检测到各自单元电池11的温度即可。
进一步，设置在散热装置20上的热电元件21典型地以预定距离分隔开，并且热电元件21的数量可以根据电池模块10的大小而不同。
散热装置20可以替代成另外类型的传热部件，例如热导管。
下面更加详细地描述上述结构的系统是如何工作的。经由通风设备(未示出)提供给外壳12的强制空气通过外壳12的入口13流进外壳12，沿着散热装置20和外壳12所限定的空气管道15移动，并通过在外壳12内形成的出口14流出外壳12。在这个过程中，从单元电池11产生的热量通过散热装置20向空气管道15传递，并被沿着空气管道15穿过的空气冷却。
此外，安装在单元电池11上的温度传感器22不断地检测单元电池11的温度。检测信号提供给控制器23。控制器23接收并处理温度传感器22的信号，以便如果电池11的温度升高超过预定温度时，控制器23将输出信号发送至热电元件21，以启动热电元件21的功能。
热电元件21的一个表面，也就是热电元件21的温度控制电极(未示出)，与散热装置20接触，而热电元件21的另一个表面，也就是热电元件21的吸热/放热电极(未示出)，与穿过空气管道15的空气接触。因此，当控制器23提供信号使电流在热电元件21内流动时，通过温度控制电极与散热装置20接触的表面就被冷却了。
单元电池11的热量在通过散热装置20向空气管道15散发时，首先被热电元件21和热电元件21的吸热/放热电极冷却，接着进一步被通过空气管道15的冷空气冷却。于是，系统通过热电元件21的反应冷却散热装置20，以提高单元电池11的最终冷却效率。
另一方面，在某些情况下，可替代地，单元电池11的温度可以被热电元件21升高。也就是说，如果输入至热电元件21的电流沿着相反方向流动，温度控制电极会加热散热装置20，并且吸热/放热电极会吸收空气管道15周围的热量，因此通过散热装置20传递的热量会提高单元电池11的温度。
现在参考图2描述本发明的第二实施例。在这个示例性实施例中，安装在散热装置20上的每个热电元件21都具有独立安装的用于加热散热装置20的热电加热元件21a和用于冷却散热装置20的热电冷却元件21b。也就是说，在这个示例性实施例中，分别以加热和冷却为目的，用于升高单元电池11温度的热电元件和用于冷却单元电池11温度的热电元件是分开的。
这样的结构能够延长电池模块的寿命，否则当一个热电元件交替地执行单元电池11的加热和冷却时，电池模块的寿命可能会由于热电元件的过度工作而减少。也就是说，如果单元电池的冷却热电元件和加热热电元件如第二实施例所述被分别提供，那么每个热电元件仅执行一种功能，以有利地延长寿命，从而会得到全面提高耐久性的系统。
在示例性实施例中，热电加热元件21a和热电冷却元件21b沿着空气管道15交替设置。
此外，系统可以进一步包括附加冷却装置，以增加单元电池11的冷却效率，例如指向外表面，也就是热电冷却元件21b面向空气管道15的加热表面，的冷却风扇30。也就是说，冷却风扇30进一步冷却从靠近加热表面的区域和加热表面周围的散热装置20散发的热量，因此，可以进一步提高由热电元件21b提供的单元电池11的冷却效率。
冷却风扇30可以位于空气管道15内，以便冷却风扇30将热电元件的热量传递给沿着空气管道流动的空气，因此使热量很容易地散掉。
图3示出根据本发明第三实施例的系统。系统的电池模块48包括单元电池40以产生单元电能，每个单元电池40都具有包括正极板、负极板和插入正极板和负极板之间的隔板的电极组件。外壳46具有形成在其一侧用于接收温度控制空气以控制单元电池40的温度的入口42，和形成在面向该侧的另一侧的用于释放穿过单元电池40的空气的出口44。单元电池40被设置并以预定距离被分隔开。系统进一步包括形成在外壳46的入口42处的热电元件50，以升高或降低通过入口42流入外壳46的空气的温度。
系统也包括安装在各自单元电池40一侧上以检测单元电池40温度的温度传感器52，和连接在温度传感器52上以响应单元电池40的检测温度向热电元件50提供输出信号的控制器54。
在第三示例性实施例的系统中，接收从控制器54输出的信号的热电元件50根据输出信号执行放热反应或吸热反应，以加热或冷却与入口42相邻的外壳46的区域，所以，通过入口42的空气的温度就被升高或降低了。因此，来自入口42的通过外壳46内单元电池40的空气可以加热或冷却单元电池40，以控制温度。
第三示例性实施例的系统可以因此适当地控制穿过单元电池40的空气(从外壳外部流入外壳内的外部空气)的温度，以维持单元电池40的温度，以便该系统可以使用外部空气作为温度控制空气，而不用考虑电池模块48的外部环境。
参见图4，在第四示例性实施例中，图3所示的系统可以附加地包括散热部件56，用于传递在外壳46入口42处的热电元件50产生的热气或冷气，以更有效地控制空气温度。
散热部件56包括具有预定形状和大小的底板56a，以及与底板56a结合并以预定距离分隔开的多个散热片56b。热电元件50与散热片56b相反地与底板56a接触安装。
在第四示例性实施例中，热电元件50加热或冷却散热部件56，以加热或冷却在穿过散热部件56后通过入口42的空气。接着，当空气穿过散热部件56的同时，它能在更宽的区域接触散热片56b，以提高热电元件50的加热或冷却效率。
类似于图2所描述的实施例的方式，热电元件50可以分成热电加热元件50a和热电冷却元件50b以提高效率。热电加热元件50a通过加热散热部件56或外壳46的与入口42相邻的区域实现流入外壳46的空气温度的增加，而热电冷却元件50b通过冷却散热部件56或外壳46的与入口42相邻的区域实现流入外壳46的空气温度的降低。
在一个示例性实施例中，热电加热元件50a和热电冷却元件50b交替安装在散热部件56或外壳46的与入口42相邻的区域上。当它们安装在散热部件56上时，散热部件可以形成一体以共同使用或者可以被分开提供以独立使用。
此外，图4所描述的第四示例性实施例的系统可以进一步包括面向热电冷却元件50b的冷却风扇58，位于外壳46的加热表面上。冷却风扇58进一步降低热电冷却元件50b的冷却温度，以冷却热电冷却元件50b加热表面产生的热量。冷却风扇58暴露于大气中，以使冷却风扇58产生的热量散发到大气中。
尽管散热部件56被描述成设置在外壳46的外部以与入口42的区域相连，但是它也可以具有安装在外壳46内的入口42内部的结构。
下面将更加详细地描述图3和图4所述系统是如何工作的。通过通风设备(未示出)提供给外壳46的空气通过外壳46的入口42流入外壳46内，在单元电池40之间穿过以实现热传递，并且通过形成在外壳46内的出口44流出外壳46。在这个过程中，单元电池40产生的热量被穿过单元电池40的空气冷却。
此外，安装在单元电池40上的温度传感器52不断地检测单元电池40的温度，而且将检测信号施加给控制器54。控制器54响应温度传感器52的信号，如果单元电池40的温度升高超过预定温度，控制器54将输出信号发送至热电元件50，以启动热电元件50的操作。
例如，在空气被热电元件50冷却的情况下，电流施加到热电元件50中，并且通过前述的热电元件50的操作，热电元件50的吸热反应冷却了它们的温度控制电极，所以散热部件56的底板56a和散热片56b冷却下来。因此，穿过图4散热部件56的空气被从散热部件56放出来的冷却空气冷却，随后被冷却的空气在穿过外壳46时降低了单元电池40的温度。
在图3和图4所示的实施例中，冷却风扇58在热电元件50的外加热表面侧工作，也就是在热电元件50的吸热/放热电极(未示出)侧工作，以将吸热/放热电极产生的热量散发到大气中。因此，热电元件50加热表面的温度下降，以提高热电元件50的冷却效率。
另一方面，如果单元电池40的温度低于预定温度，控制器54会使输入至热电元件50的电流沿着相反方向流动，因此，穿过外壳46的空气以及图4中的散热部件56的温度可能升高。也就是说，对于图4的第四实施例来说，由于与底板56a接触的热电元件50的表面被加热，热电元件50将产生的热量通过底板56a和散热片56b传递至穿过散热部件56的空气中，以加热空气，并且加热的空气当穿过外壳46时加热单元电池40。
图5是图1至图4所讨论的二次电池模块10、48驱动电动机92的示意性框图。
尽管本发明的用于控制二次电池模块温度的系统可以有效地用于需要大电源和大尺寸的混合电动车(HEV)的电池，但是它的用途不局限于HEV。该系统也可以用于其它电池模块，包括电动车、小型摩托车、摩托车和真空清洁器的驱动电动机的电池模块。
根据本发明的示例性实施例，该系统通过传热部件和热电元件的温度控制能积极地控制电池模块的温度。
此外，由于该系统具有简单的结构，所以它可以容易地适用于空气冷却系统和机动车空调系统。
此外，由于电池模块本身能积极地适应恶劣的环境，所以它可以具有更宽的应用范围和更高的可靠型。
虽然已经示出并描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解不脱离本发明的原则和精神可以在实施例中做修改，而本发明的范围限定在权利要求及其等同替换中。

Claims (23)

1、一种用于控制二次电池模块温度的系统，包括：
适于容纳多个单元电池的外壳，该外壳包括具有入口和出口的传热介质管道；
与每个所述单元电池分别接触的传热部件，该传热部件具有暴露于形成在所述外壳内的所述传热介质管道的部分；
分别安装在每个所述单元电池上的单独的温度传感器，其用于分别检测每个所述单元电池的温度；
分别安装在所述传热部件中的单独的热电元件，其用于分别控制每个所述单元电池的温度；
所述热电元件的一个表面与所述传热部件接触，另一个表面位于所述传热介质管道中；
控制器，其适于通过所述单独的热电元件根据所述单独的温度传感器的输出分别控制所述单元电池的温度；和
冷却风扇，其安装在每个热电元件，用于单独地冷却该热电元件，其单独地由所述控制器控制。
2、如权利要求1所述的系统，其中所述传热部件是散热装置。
3、如权利要求2所述的系统，其中所述散热装置围绕所述单元电池，并暴露于所述传热介质管道。
4、如权利要求1所述的系统，其中所述传热介质管道是空气的流动通道。
5、如权利要求4所述的系统，其中所述传热介质管道中提供有至少一个通风风扇，以使空气流通。
6、如权利要求1所述的系统，其中所述电池模块是电动机驱动电池模块。
7、如权利要求1所述的系统，其中所述单元电池是锂型电池。
8、一种用于控制二次电池模块的温度的系统，包括：
容纳多个单元电池的外壳，该外壳包括具有入口和出口的传热介质管道；
与所述多个单元电池接触的传热部件，该传热部件具有暴露于所述传热介质管道的部分；
分别安装在每个所述单元电池上的单独的温度传感器，其用于分别检测每个所述单元电池的温度；
安装在所述传热部件上以分别控制每个所述单元电池的温度的热电元件，该热电元件选自热电冷却元件和热电加热元件中的至少一种；
所述热电元件的一个表面与所述传热部件接触，另一个表面位于所述传热介质管道中；
控制器，其适于通过所述单独的热电元件根据所述单独的温度传感器的输出分别控制所述单元电池的温度；和
冷却风扇，其安装在每个热电元件，用于单独地冷却该热电元件，其单独地由所述控制器控制。
9、如权利要求8所述的系统，其中所述传热部件是散热装置。
10、如权利要求9所述的系统，其中所述散热装置围绕所述单元电池，并暴露于所述传热介质管道。
11、如权利要求8所述的系统，所述热电元件既包括热电冷却元件又包括热电加热元件。
12、如权利要求8所述的系统，其中所述传热介质管道为空气的流通通路。
13、如权利要求12所述的系统，其中所述传热介质管道中提供有至少一个通风风扇，以使空气流通。
14、如权利要求8所述的系统，其中所述电池模块是电动机驱动电池模块。
15、如权利要求8所述的系统，其中所述单元电池是锂型电池。
16、一种用于控制二次电池模块的温度的系统，包括：
适于容纳多个单元电池的外壳，该外壳具有入口和出口；
至少一个适于控制流入该外壳的传热介质的温度的热电元件；
安装在该外壳内的温度传感器，其用于分别检测每个单元电池；
连接到所述温度传感器的控制器，其响应所述温度传感器检测的温度将输出信号应用于所述热电元件，以有选择地执行吸热或放热反应；和
与所述入口连接的散热部件，其用于传输从入口中的所述热电元件产生的热量。
其中，所述至少一个热电元件与所述散热部件结合，并相应单元电池的温度进行控制，所述冷却风扇安装在至少一个热电元件上。
17、如权利要求16所述的系统，其中所述热电元件具有独立安装的热电冷却元件和热电加热元件。
18、如权利要求17所述的系统，其中在所述热电冷却元件处安装有冷却风扇。
19、如权利要求16所述的系统，其中所述散热部件具有用于安装所述热电元件的底板，以及安装在该底板上的多个散热片。
20、如权利要求16所述的系统，其中所述传热介质是空气。
21、如权利要求16所述的系统，其中所述外壳具有所述传热介质穿过的管道，并且在所述外壳的管道中提供有通风风扇以使空气流通。
22、如权利要求16所述的系统，其中所述电池模块是电动机驱动电池模块。
23、如权利要求16所述的系统，其中所述单元电池是锂型电池。
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