CN101322281A - 高冷却效率的电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池模块，其包括以一个在另一个上的方式被堆叠的多个单元电池。该电池模块具有冷却系统，该冷却系统通过流经限定于单元电池之间的间隙(流动通道)的冷却剂来完成接触式冷却，并且，限定于单元电池之间的流动通道在流动通道的入口端口处与冷却剂的流动方向具有预设角度。通过改变冷却剂流经的流动通道，冷却剂与电池模块中单元电池的接触率增加了并且形成了大量的湍流。因此，防止限定于单元电池间的流动通道中的冷却剂的速度梯度的发生，也因此，改善了电池模块的冷却效率。更进一步，虽然电池组的整体结构并无大幅改变或并未使用大型冷却风扇或强力驱动单元，但包含该电池模块的电池组仍具有高冷却效率。因此，电池组优选用作电动车辆或混合动力电动车的电源。

Description

高冷却效率的电池模块

技术领域

本发明涉及一种电池模块，其具有高冷却效率，且更具体而言，涉及一种具有冷却系统的电池模块，该冷却系统通过流经多个单元电池之间的冷却剂来冷却多个单元电池，其中，用于使得冷却液在单元电池间流过的流动通道与流动通道的入口端口具有预设角度，由此增加了冷却剂与单元电池表面的接触率，增加了冷却剂流动通道中的湍流产生率，因此，在相同条件下该电池模块具有高冷却效率。

背景技术

使用诸如汽油或柴油等石化燃料的交通工具所造成最大的问题是产生空气污染。作为解决上述问题的一种方法，使用可充电及放电的二次电池作为交通工具动力源的技术已引起相当的重视。因此，已经研发出仅使用电池而运行的电动车辆(EV)以及结合地使用电池和传统发动机的混合动力电动汽车(HEV)。现在许多电动车辆及混合动力电动车已被商业化使用。一种镍氢金属(Ni-MH)二次电池已经被主要用作电动车辆(EV)及混合动力电动车(HEV)的动力来源。然而，近几年来，亦已经尝试使用锂离子二次电池。

对于待被用作电动车辆(EV)和混合动力电动车(HEV)的动力源的这种二次电池，需要高输出及告电容量。基于此原因，多个小型二次电池(单元电池)被彼此串联或并联连接，以构成中型或大型的电池组。

然而，当电池组进行充电及放电时，会从中型或大型电池组产生大量的热。大部分的热是从作为中型或大型电池组的单元电池的二次电池产生的。在电池组的充电及放电期间从单元电池产生的热没有被有效去除时，热会在电池组中累积，其结果是导致单元电池衰退。根据情况，单元电池可能着火或爆炸。因此，需要提供一种冷却系统以防止单元电池的着火或爆炸。

该冷却系统被构造成如下结构：在该结构中，冷却剂被强制经由电池组内部而循环，以从单元电池去除热，即，被构造成接触式冷却结构，其中，使得冷却剂与构成电池组的单元电池的表面接触。主要使用空气作为冷却剂。因此，冷却系统通常被构造成接触式空气冷却结构。

其间，可通过一个在另一个上的方式堆叠以减少死腔大小的棱柱电池或囊袋型电池被用作单元电池。为了易于完成单元电池间的机械联结及电性连接，使用其中设置有一个或多个单元电池的电池匣。其中设置有单元电池的多个电池匣通过一个在另一个上的方式堆叠以构成电池组。

该电池匣可具有各种形状。此外，该电池匣可以被构造成如下结构，其中，单元电池固定至框架构件，同时单元电池的大部分外表面是开放状态的。这样的电池匣的实例揭示于韩国专利申请No.2004-111699，其是以本申请的申请人的名义被提交的。图1示出了揭示于上述申请的电池匣。

首先参考图1，电池匣100包含一对框架构件120及122，其彼此联结。单元电池200及201位于框架构件120及122的电池分隔部130中，同时框架构件120及122彼此互相分离，且在框架构件120及122彼此互相联结后，单元电池200及201牢固地固定于框架构件120及122的电池分隔部130。该单元电池200具电极导线(并未显示)，其经由位于电池匣100上部的汇流条140电性连接至邻接单元电池201的电极导线。如图1所示，单元电池200及201彼此互相串联连接。然而，根据情况，单元电池可彼此互相并联连接。单元电池电性连接至阴极端子150及阳极端子160，其分别自该电池匣100上端的相对侧而突出。

图2是示出了电池模块的立体图，其中，通过将多个电池匣以一个在另一个上的方式堆叠成交替方向的结构而构造该电池模块。

参考图2，多个电池匣101、102、103...沿其厚度方向以一个在另一个上的方式堆叠以构成电池模块300。为了易于完成电池匣端子间的电性连接，第二电池匣102被堆叠于第一电池匣101上，同时第二电池匣102被定向在相反于第一电池匣101方向的方向上。具体而言，第一电池匣101及第二电池匣102被布置成，使得第二电池匣102的阴极端子152及阳极端子162相反于第一电池匣101的阴极端子151及阳极端子161。类似地，第二电池匣102及第三电池匣103被布置成，使得第三电池匣103的阴极端子153及阳极端子163相反于第二电池匣102的阴极端子152及阳极端子162。也就是说，第三电池匣103沿与第一电池匣101相同的方向被布置。

如图1所示，电池匣100的上端框架110及下端框架112的高度小于该电池匣的侧框架114高度。因此，当电池匣101、102、103...如图2所示地以一个在另一个上的方式被堆叠时，流动通道170、171、172及173形成在电池匣101、102、103...的上端与邻接电池匣的下端之间所限定的空间内。其结果是，冷却剂沿箭头所示的方向流动。

图3为一代表图，其示出了冷却剂经由图2所示的电池模块的电池匣之间所限定的流动通道的流动，以及图4为一放大图，其示出了图3的A部分。

参考图3，参照图2所描述的流动通道170形成于第一电池匣101与该第二电池匣102之间。各电池匣101及102以框架结构被构成，其中，单元电池的外表面如图1所示几乎完全暴露。其结果是，使得流经流动通道170的冷却剂与单元电池(并未显示)的外表面直接接触。因此，冷却剂在流经流动通道170的同时带走由单元电池所产生的热，然后将热量从电池模块排出。

然而，如图4所示，当以微观观点观察时，流经流动通道170的冷却剂在流体力学方面具有一速度梯度。具体而言，流经流动通道的冷却剂在接近单元电池200的表面时的流动速度小于流经该流动通道的冷却剂在与单元电池200的表面距离较远时的流动速度。当热从单元电池200的外表面去除时，该速度梯度是大幅降低效率的一个因素，亦即，热去除效率。

因此，考虑到冷却剂循环冷却系统主要基于一种接触式冷却反应机制的事实，非常需要的一种技术是通过解决速度梯度来改进冷却效率。

改进冷却效率的一种方法可以是一种提高冷却剂流动速率以提高临接于单元电池的冷却剂的每小时流动速率的方法。然而，在需要较大冷却风扇或较强的风扇驱动单元的情况下，这种方法并非优选的。

发明内容

因此，本发明的目的在于解决上述问题，及其它尚未解决的技术问题。

具体而言，本发明的一目的是提供一种电池模块，该电池模块使用冷却剂接触式冷却系统，其中，冷却剂与单元电池表面的接触率增加了，且在冷却剂流动通道中的湍流产生率增加了，从而在相同条件下电池模块具有高冷却效率。

根据本发明的一方面，上述及其它目的可通过提供如下电池模块来完成，该电池模块包括以一个在另一个上的方式被堆叠的多个单元电池，其中，电池模块具有冷却系统，该冷却系统通过流经限定于单元电池间的间隙(流动通道)的冷却剂来完成接触式冷却，且限定于单元电池间的流动通道在冷却通道的入口端口处与冷却剂的流动方向具有预设角度。

如上所述，在根据本发明的接触式冷却系统中，冷却剂在流经限定于单元电池间的流动通道的同时带走由单元电池所产生的热。基于单元电池彼此互相间隔的形状来决定冷却剂流动通道。根据本发明，限定于单元电池间的流动通道在流动通道的入口端口处与冷却剂的流动方向具有预设角度。因此，当冷却剂被引入流过流动通道入口端口之后，在冷却剂沿着限定于单元电池间的流动通道流动的同时冷却剂的流动方向倾斜了。此时，发生湍流，也因此，防止了局部的速度梯度。其结果是，冷却剂与单元电池的接触率增加了，因此，该电池模块的冷却效率得到改善。

预设角度可被改变，其依据冷却剂的流动速率、限定于单元电池间的间隙尺寸，或期望的冷却程度。预设角度优选地可介于2至30度之间，更优选地介于3至15度之间。当倾斜角度太小时，不易达到预期效果，另一方面，当倾斜角度太大时，流动阻力增加，也因此，冷却剂的流动速率大大降低，这不是优选的。

冷却剂并无特别的限制，只要冷却剂为一流体并可流经流动通道且可从单元电池去除热即可。优选地，该冷却剂为空气。

用于使冷却剂流动的驱动单元可根据冷却剂的种类而改变。在冷却剂为空气的情形中，驱动单元优选为一种由马达驱动的冷却风扇。

用于说明书中的术语“电池模块”范围广地表示了电池系统的结构，其由机械联结且同时由电性连接两个或更多个单元电池来构造以提供高输出及大电容量的电力。具体而言，该电池模块可构成一装置的整体或一大型装置的一部分。举例来说，多个电池模块可彼此互相连接以构成一电池组。

单元电池可为二次电池，其能够被充电及放电。一般来说，单元电池可为镍金属氢二次电池、锂离子二次电池或锂离子聚合二次电池。在它们之中，优选使用锂离子二次电池，因为锂离子二次电池具有高能量密度及高放电电压。就单元电池的形状而论，优选使用棱柱电池或囊袋型电池。更优选的是，使用囊袋型电池，因为囊袋型电池的制造成本低，且囊袋型电池的重量轻。

不需使用额外构件即可以一个在另一个上的方式堆叠单元电池以构成电池模块。然而，优选的是，将一个或多个单元电池设置于电池匣中，使得单元电池的外表面几乎完全地暴露于外部，且多个电池匣以一个在另一个上的方式堆叠以构成电池模块。特别是，当囊袋型电池用作单元电池时(其具低机械强度且其中的电池电极端子间的电性连接难以进行)，优选的是，将囊袋型电池设置于电池匣中以构成电池模块。

电池匣可具有各种不同的结构。在优选具体实施例中，电池匣包含一对矩形框架构件以固定单元电池的边缘，从而当框架构件彼此互相联结时单元电池的上及下表面暴露于外部，一个或多个板形单元电池设置于框架构件之间，同时单元电池沿横向布置，用于连接单元电池电极端子的汇流条附接于上端框架，且当单元电池设置于电池匣时，电池匣的侧框架高度大于上及下框架的高度及单元电池的厚度。

电池匣的基本结构基本与揭示于韩国专利申请No.2004-111699的电池匣相同，其已经以本申请的申请人的名义被提交。该上述韩国专利申请所揭示的内容以引用方式被并入本案中，就如同全文被阐述一样。

当其中安装有单元电池的多个电池匣依序以一个在另一个上的方式堆叠以构成电池模块时，在邻接电池匣的上、下端框架之间以及单元电池彼此面对的上、下表面之间形成连续的流动通道。限定于两邻接电池匣的上端框架之间的间隙构成流动通道入口端口。

根据本发明，限定于单元电池之间的流动通道在流动通道入口端口处与冷却剂的流动方向具有预设角度。其结果是，电池匣被构造成如下结构，其中，以侧框架与上框架具有预设角度。因此，通过以水平方向配置的上端框架的流动通道入口端口被引入的冷却剂流经沿水平方向的上端框架上的流动通道。然而，当冷却剂流经限定于单元电池间的流动通道时(其以与侧框架相同的倾斜角度而倾斜)，冷却剂的流动方向亦为倾斜。

在优选具体实施例中，各电池匣的下端框架以与各电池匣的上框架相同的角度被倾斜。因此，可更易于完成电池匣的堆叠过程。

根据本发明的另一方面，设置有包含具有上述结构的一个或多个电池模块的中型或大型电池组。该中型或大型电池组进一步包含电池管理系统(BMS)，以控制除了电池模块之外的电池模块的操作。

根据本发明的中型或大型的电池组具有高冷却效率。因此，本发明更优选地应用于使用锂二次电池作为单元电池的电池组，其中锂二次电池会产生大量热。虽然电池组的尺寸小，但根据本发明的电池组提供高冷却效率。因此，电池组优选地用作电动车辆、混合动力电动车或电动自行车的紧凑型电源。

附图说明

从以下结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本发明的以上及其他目的、特征、和其他优点，附图中：

图1是示出了传统电池匣的立体图；

图2是示出了通过以一个在另一个上的方式堆叠多个图1所示电池匣而构造的电池模块的立体图；

图3是代表视图，其示出了冷却剂流经限定于图2所示电池模块的电池匣之间的流动通道；

图4是示出了图3的A部分的放大视图；

图5是代表视图，其示出了用于将单元电池安装在电池匣的过程，其中该电池匣可用于构造根据本发明优选实施例的电池模块；

图6是示出了其中安装有单元电池的图5的电池模块的立体图；

图7是侧视图，其代表性地示出了图6所示电池匣的框架构件以及安装在倾斜框架构件之间的单元电池；

图8是代表视图，其示出了根据本发明优选实施例的限定于电池模块的电池匣之间的流动通道以及冷却剂流动经过该流动通道；以及

图9是示出了图8的B部分的放大视图。

具体实施方式

现在，将参照附图详细描述本发明的优选具体实施例。然而，应该注意，本发明的范围并不限于所示的具体实施例。

图5为一代表图，其示出了用于将单元电池安装至电池匣的过程，其可用于构成根据本发明优选具体实施例的电池模块，而图6是代表性地示出了其中安装有电池单元的电池匣的立体图。

参照这些附图，电池匣400在基本结构上非常类似或相同于图1的电池匣100。具体而言，多个板型单元电池201、202、203、204设置于一对联结式上、下框架构件410及411之间，致使单元电池以横向布置。

单元电池201、202...为囊袋型电池。电极端子211、221、212、222...自单元电池201、202...的上端突出。电极端子211、221、212、222...经由汇流条(并未显示)电性连接至对应的电极端子，该汇流条附接至上框架构件410的上端框架420或附接至下框架构件411的上端框架421。

在单元电池201、202...设置于上框架构件410与下框架构件411之间后，使得上框架构件410和下框架构件411彼此紧密接触，进而彼此耦合。其结果是，上框架构件410和该下框架构件411具有对称结构。因此，对于上框架构件410结构的描绘几乎等同于适用于下框架构件411。

上框架构件410一般被构造成矩形结构。上框架构件410包含上端框架420、下端框架440及多个侧框架430。单元电池201、202...的边缘通过上、下框架构件410和411的接触区域而被固定，即，上端框架420和421、侧框架430和431、以及下端框架440和441。此外，单元电池201和202的上、下表面经由开口450而暴露于外部。

侧框架430和431分别与上端框架420和421具有预设角度，且下端框架440和441分别与上端框架420和421平行。此结构更详细地显示于图7中。参考图7，侧框架430和431分别与上端框架420和421具有角度α。因此，如同上端框架420和421，单元电池200耦合至上端框架420和421的电极端子210与上端框架420和421平行，如同侧框架430和431，单元电池200的电池本体230与上端框架420和421具有预设角度。

再参考图5和图6，侧框架430和431的突出高度大于上端及下端框架420、421、440及441，且侧框架430和431的突出高度大于设置于侧框架430和431之间的单元电池201、202...的厚度。

因此，当多个设置有单元电池的电池匣400(参考图6)以一个在另一个上的方式被堆叠(如图2所示)时，电池匣被布置成致使侧框架彼此接触，且因此，沿着上端框架、单元电池和下端框架限定有间隙。间隙构成让冷却剂流过的流动通道。

图8为一代表图，其示出了流动通道限定于根据本发明的优选具体实施例的电池模块的电池匣之间以及冷却剂流经该流动通道。

参考图8，流动通道500形成于两个电池匣401和402之间，其以一个在另一个上的方式被堆叠。流动通道500因上面描述的电池匣结构而略微倾斜。形成于上端框架410之间的流动通道入口端口510沿水平方向设置，且形成于单元电池200之间的流动通道500与流动通道入口端口510具有预设角度。因此，当冷却剂流经流动通道入口端口510时，冷却剂沿水平方向流动。然而，在冷却剂被引入流动通道500后，冷却剂如箭头所示沿“S”形流动。当冷却剂被引入下端框架440间的流动通道出口端口520时，冷却剂再度沿水平方向流动。

图9为一放大图，其示出了图8的B部分。

参考图9，当从微观观点观察时，冷却剂流经流动通道500的S形流动描绘出一抛物线运动。这是因为沿水平方向被导入至流动通道入口端口的冷却剂与倾斜的单元电池200碰撞。因此，冷却剂与单元电池的接触率增加了，且形成了大量的湍流，这防止了如图4所示速度梯度的发生。其结果是，大大改善了单元电池200的通过冷却剂的冷却效率。

虽然为了说明的目的而公布了本发明的优选具体实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不背离所附权利要求所公开的本发明精神与范围的前提下，可进行各种修正、增加以及取代。

产业应用性

从上面的描述中显而易见，根据本发明，通过改变冷却剂所流经的流动通道，使得冷却剂与电池模块中的单元电池的接触率增加了并且形成了大量的湍流。因此，防止了限定于单元电池之间的流动通道中的冷却剂的速度梯度的发生，也因此，改进了电池模块的冷却效率。

再者，虽然电池组的整体结构并无大幅改变或并未使用大型冷却风扇或强力驱动单元，但包含该电池模块的电池组仍具高冷却效率。因此，该电池组优选地用作电动车辆或混合动力电动车的电源。

Claims (11)

1.一种电池模块，其包括以一个在另一个上的方式被堆叠的多个单元电池，其中，所述电池模块具有冷却系统，所述冷却系统通过流经限定于所述单元电池之间的间隙(流动通道)的冷却剂而完成接触式冷却，并且，限定于所述单元电池之间的所述流动通道在所述流动通道的入口端口处与所述冷却剂的流动方向具有预设角度。

2.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述预设角度介于2至30度之间。

3.如权利要求2所述的电池模块，其中，所述预设角度介于3至15度之间。

4.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述冷却剂为空气。

5.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述单元电池为锂二次电池。

6.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述单元电池为囊袋型电池。

7.如权利要求1所述的电池模块，其中，一个或多个单元电池设置于电池匣中，致使所述单元电池的外表面几乎完全暴露于外部，且多个电池匣以一个在另一个上的方式被堆叠，以构成电池模块。

8.如权利要求7所述的电池模块，其中：

所述电池匣包含一对矩形框架构件以固定所述单元电池的边缘，从而当所述矩形框架构件彼此联结时所述单元电池的上、下表面暴露于外部，一个或多个板形单元电池设置于所述框架构件之间且同时所述单元电池横向布置，用于连接所述单元电池的电极端子的汇流条附接于上端框架，并且，当所述单元电池设置于所述电池匣时，所述电池匣的侧框架高度大于上、下框架的高度及所述单元电池的厚度，其中所述侧框架与所述上框架具有预设角度；以及

当其中设置有所述单元电池的多个电池匣依序以一个在另一个上的方式被堆叠以构成电池模块时，相邻电池匣的上端和下端框架之间以及所述单元电池的彼此面对的上、下表面之间形成连续的流动通道，而限定于所述单元电池之间的所述流动通道同所述侧框架一样与限定于所述上端框架之间的所述流动通道入口端口具有相同的倾斜角度。

9.如权利要求8所述的电池模块，其中所述电池匣的所述下端框架与所述电池匣的所述上框架一样倾斜相同的角度。

10.一种中型或大型电池组，包括一个或多个如权利要求1至9中任一项所述的电池模块。

11.如权利要求10所述的电池组，其中，所述电池组用作电动车辆或混合动力电动车的电源。

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