CN101682005A - 提供改进的冷却剂通量分配均匀性的中型或大型电池组壳 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种中型或大型电池组壳，于其中安装具有多个堆叠的、可充电和放电的电池组电池的电池模块，其中该电池组壳设有一个冷却剂入口端口和一个冷却剂出口端口，该冷却剂入口端口和冷却剂出口端口被布置为使得用于冷却电池组电池的冷却剂可在与电池组电池的堆叠方向垂直的方向上从电池模块的一侧流到另一侧，该电池组壳还设有从冷却剂入口端口延伸到该电池模块的一流动空间(‘入口管’)和从该电池模块延伸到冷却剂出口端口的另一流动空间(‘出口管’)，并且一个或多个导引器部件被置于入口管中，用于在与电池组电池的堆叠方向平行的方向上导引冷却剂的流动。

Description

提供改进的冷却剂通量分配均匀性的中型或大型电池组壳
技术领域
本发明涉及中型或大型电池组壳，更具体地，涉及于其中安装具有多个堆叠的、可充电和放电的电池组电池(battery ce11)的电池模块的中型或大型电池组壳，其中该电池组壳设有一个冷却剂入口端口和一个冷却剂出口端口，该冷却剂入口端口和冷却剂出口端口被布置为使得用于冷却电池组电池的冷却剂可以在与电池组电池的堆叠方向垂直的方向上从电池模块的一侧流到另一侧，该电池组壳还设有从冷却剂入口端口延伸到该电池模块的一流动空间(‘入口管’)和从该电池模块延伸到冷却剂出口端口的另一流动空间(‘出口管’)，并且一个或多个导引器部件被置于入口管中，用于在与电池组电池的堆叠方向平行的方向上导引冷却剂的流动。
发明背景
近来，可充电和放电的二次电池已被广泛地用作无线移动设备的能源。而且，二次电池作为电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)的电源，已经吸引了相当大的关注，该电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)已被开发来解决由现有的使用矿物燃料的汽油和柴油车辆导致的诸如空气污染之类的问题。
对于小型移动设备，每个设备使用一个或几个电池组电池。另一方面，中型或大型设备诸如车辆等使用具有多个相互电连接的电池组电池的中型或大型电池模块，因为高功率和大容量对中型或大型设备是必需的。
优选地，如果可能的话，中型或大型电池模块被制造为具有小的尺寸和重量。为此原因，可以高集成度地堆叠并且具有小的重量-容量比的棱柱形电池或袋状电池(pouch-shaped battery)，通常被用作中型或大型电池模块的电池组电池。尤其是，当前对使用铝层压板(laminate sheet)作为保护构件(sheathing member)的袋状电池产生了很大兴趣，因为袋状电池的重量小，袋状电池的制造成本低，袋状电池的形状易于改变。
对于提供预定装置或设备所需的功率和容量的中型或大型电池模块，该中型或大型电池模块需要被构造为这样的结构，在该结构中多个电池组电池相互串联地电连接，且这些电池组电池在抵抗外力方面是稳定的。
此外，组成中型或大型电池模块的电池组电池是可充电和放电的二次电池。从而，在电池组电池的充电和放电期间，从高功率、大容量二次电池产生大量的热。如果未有效地移除在单元电池(unit cell)的充电和放电期间从单元电池产生的热，热就会在各个单元电池中积聚，结果加速了单元电池的退化(deterioration)。视情况，单元电池可能起火或爆炸。为此原因，在为高功率、大容量电池的用于车辆的电池组中需要冷却系统以冷却安装在该电池组中的电池组电池。
另一方面，在包括多个电池组电池的中型或大型电池组中，一些电池组电池性能的退化会导致整个电池组性能的退化。导致性能的不均匀性的主要原因之一是电池组电池之间冷却的不均匀性。为此原因，要求提供一种在冷却剂流动期间保证冷却的均匀性的结构。
通常，当设计一个被构造为其中位于冷却剂入口端口侧的管(下文称为“入口管”)和位于冷却剂出口端口侧的管(下文称为“出口管”)被水平地布置的结构的中型或大型电池组时，难于在多个电池组电池之间实现冷却剂通量(flux)的均匀分配。尤其是，冷却剂通量在邻近于冷却剂入口端口布置的电池组电池之间集中，结果邻近于冷却剂入口端口布置的电池组电池被过度地冷却，而远离冷却剂入口端口布置的电池的温度相对增加。因此，在电池组电池之间的温差增加，结果是，由于电池组电池的退化，电池组的整体性能下降。
另一方面，为了解决上述问题可改变入口管和出口管的形状。然而，在此情况下，由于入口管和出口管形状的改变，电池组的尺寸可能会增加，且电池组的结构稳定性可能会降低。为此原因，优选的是，在不改变入口管和出口管的形状的前提下解决上述退化相关的问题。
作为用于解决由于冷却剂的不均匀分配而造成的问题的技术，韩国专利申请公布No.2006-037601公开了一种电池模块，该电池模块包括多个以预定间隔布置的单元电池和一个这些单元电池被安装在其中的外壳，其中所述外壳具有将用于温度控制的空气以倾斜于单元电池排列方向的方向引入的入口部分，以及将已经穿过单元电池的空气排出的出口部分。然而，在所公开的电池模块中，入口部分处的外壳是倾斜的，结果难于在外部设备诸如车辆中安装此电池模块。此外，在入口部分中未安装额外的导引器部件，从而不可能准确地控制在各个电池组电池之间流动的冷却剂的通量。
从而，高度需要一种从根本上解决上述问题的技术。
发明内容
因此，作出了本发明，以解决上述问题以及其它尚须解决的技术问题。
作为对中型或大型电池组壳进行的各种广泛、深入的研究和实验的结果，本发明的发明人发现，当一个或多个导引器部件被置于在电池组壳中形成的入口管中以在与电池组电池堆叠方向平行的方向上导引冷却剂的流动时，能够均匀地分配流过在各个电池组电池之间限定的流动通道的冷却剂的通量，结果有效地移除了在电池组电池之间积聚的热，因此大大提高了电池组电池的性能和寿命。基于这些发现完成了本发明。
根据本发明的一方面，上述和其它目标可以通过提供一种于其中安装具有多个堆叠的、可充电和放电的电池组电池的电池模块的中型或大型电池组壳来实现，其中该电池组壳设有一个冷却剂入口端口和一个冷却剂出口端口，该冷却剂入口端口和冷却剂出口端口被布置为使得用于冷却电池组电池的冷却剂可以在与电池组电池的堆叠方向垂直的方向上从电池模块的一侧流到另一侧，该电池组壳还设有从冷却剂入口端口延伸到该电池模块的一流动空间(‘入口管’)和从该电池模块延伸到冷却剂出口端口的另一流动空间(‘出口管’)，并且一个或多个导引器部件被置于入口管中，用于在与电池组电池的堆叠方向平行的方向上导引冷却剂的流动。
也即，根据本发明的中型或大型电池组壳的特征在于，一个或多个具有预定长度的导引器部件在与电池组电池的堆叠方向垂直的方向上被布置在入口管中，用于防止冷却剂在靠近冷却剂入口端口的电池组电池之间集中。从而，当将其中在入口管中布置有导引器部件的创造性结构与其中在入口管中未布置导引器部件的常规结构相比较时，能够将流过在电池组电池之间限定的流动通道的冷却剂的通量均匀化，并且通过冷却剂的均匀流动有效地移除在电池组电池的充电和放电期间产生的热，从而大大提高了电池的冷却效率和性能。
安装在根据本发明的中型或大型电池组壳中的电池模块，通常通过高集成度地堆叠多个电池组电池的方法而制造。此时，相邻的电池组电池被以预定间隔堆叠，使得在电池组电池的充电和放电期间产生的热可被有效地移除。例如，电池组电池可被顺序地堆叠，使得电池组电池相互以预定间隔间隔开，而不使用额外的部件。另一方面，当电池组电池具有低机械强度时，一个或几个电池组电池被安装于盒(cartridge)中，且多个盒被堆叠以组成电池模块。从而，在各个电池组电池之间限定冷却剂流动通道，使得在堆叠的电池组电池之间积聚的热被有效地移除。
入口管和出口管分别是通过其引入和排出冷却剂的流动空间，该冷却剂用于有效地移除在电池组电池的充电和放电期间从电池组电池产生的热。入口管和出口管分别形成于所述电池组壳的上部和下部。
视情况，入口管可具有等于出口管的竖直高度的40-95％的竖直高度。在此情况下，能够将流过在电池组电池之间限定的流动通道的冷却剂的通量更加均匀化。也即，当入口管和出口管具有相同宽度时，随着入口管高度的减少，入口管中冷却剂的流动速度相对增加，从而防止了冷却剂在靠近冷却剂入口端口的电池组电池之间集中。
不特别限制导引器部件的形状，只要导引器部件能够提高冷却剂通量的分配均匀性。优选地，导引器部件被构造为板状结构。而且，导引器部件可被构造为连续结构或非连续结构。此外，导引器部件可被构造为这样一种结构，以该结构，入口管就其竖直剖面而言，沿冷却剂的引入方向被完全地或部分地分成上入口管部分和下入口管部分。
如前所述，本发明提供了一个或多个导引器部件。本发明的发明人所进行的实验表明，当单个导引器部件被置于入口管中使得例如，该导引器部件从冷却剂入口端口的末端起在电池组电池的堆叠方向上具有等于入口管的长度的15-50％的长度时，流过在电池组电池之间限定的流动通道的冷却剂的分配被适当地均匀化。
而且，当导引器部件的数量是n时，各个导引器部件可在入口管的高度T的-15％至15％的范围内，自相当于T/n处的一个高度t向上或向下定位。例如，当仅有单个导引器部件被置于入口管中时，导引器部件可自相当于入口管的高度的1/2处的一个位置T/2，在入口管高度T的向上15％和入口管高度T的向下15％的范围内，与电池组电池的堆叠方向平行地向上或向下定位。
此外，当导引器部件的数量是2或更多例如n时，优选地第一导引器部件位于入口管中最上方的位置，使得所述第一导引器部件在电池组电池的堆叠方向上从入口管的入口向内延伸，而具有小于第n-1导引器部件的长度的长度的第n导引器部件，优选地位于第n-1导引器部件下方。
例如，当导引器部件的数量是3时，具有小于第一导引器部件的长度的长度的第二导引器部件位于该第一导引器部件下方，而具有小于第二导引器部件的长度的长度的第三导引器部件位于该第二导引器部件下方。
导引器部件的数量越多，流过在各个电池组电池之间限定的流动通道的冷却剂通量分配得越均匀。然而，优选地考虑空间限制、制造效率等等，来决定导引器部件的数量。
当导引器部件的数量是2时，不特别限制导引器部件的长度和排布，只要第二导引器部件具有小于第一导引器部件的长度的长度且第二导引器部件位于第一导引器部件以下。然而，优选地，其中所述第一导引器部件具有等于入口管长度的15-50％的长度，且第二导引器部件具有等于所述第一导引器部件的长度的35-65％的长度。在此情况下，能够更均匀地冷却各个电池组电池，这一点通过由本发明的发明人进行的实验得到了证实。
此外，当导引器部件的数量是2时，优选地，第一导引器部件——其具有大于第二导引器部件的长度的长度，自相当于入口管的竖直高度T的2/3处的位置，在入口管的高度T的-10％到10％的范围内向上或向下定位，第二导引器部件自相当于入口管的竖直高度T的1/3处的位置，在入口管的高度T的-10％到10％的范围内向上或向下定位。
根据本发明的电池组壳优选地应用于冷却效率关键的结构中。具体地，所述电池组壳优选地被构造为这样的结构，在该结构中电池组壳在电池组电池的堆叠方向上的长度大于该电池组壳在电池组电池的横向方向上的长度，且上述管平行于电池组电池的堆叠方向布置。
所述管包括入口管和出口管。例如，所述入口管可在所述电池组壳的上部形成，使得所述入口管平行于电池组电池的堆叠方向，而出口管可在所述电池组壳的下部形成，使得所述入口管平行于电池组电池的堆叠方向。在此情况下，冷却剂通过冷却剂入口端口被引入，沿着入口管流动，被均匀地分配到在各个电池组电池之间限定的流动通道，沿着出口管流动，并通过冷却剂出口端口被向外排出。当然，入口管可在电池组壳的下部形成，使得入口管平行于电池组电池的堆叠方向，并且出口管可在电池组壳的上部形成，使得入口管平行于电池组电池的堆叠方向。
优选地，电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中在冷却剂出口端口中安装有吸风扇用于迅速且平稳地使通过冷却剂入口端口引入的冷却剂移动至冷却剂出口端口，使得冷却剂在流过电池模块之后被排出电池组。在此结构中，通过窄的冷却剂入口端口引入的冷却剂，借助由吸风扇产生的冷却剂驱动力，以高的冷却剂流速充分地到达远离冷却剂入口端口的电池组电池，因此，在相同冷却剂通量的条件下实现了相对均匀的冷却剂通量分配。
根据本发明的另一方面，提供了一种中型或大型电池组，其被构造为其中电池模块被安装在具有上述结构的中型或大型电池组壳中的结构。
在说明书中用到的术语“电池模块”内含地(inclusively)指被构造为这样的结构的电池系统的结构，在该结构中两个或更多个可充电且可放电的电池组电池相互机械地连接且同时相互电连接以提供高功率、大容量电力。因此，电池模块自身可组成单个装置或组成大型装置的一部分。例如，多个小型电池模块相互连接以构造大型电池模块。
从而，所述电池模块可包括多个可充电和放电的板状电池组电池。在说明书中，术语“板状”指具有相对大的长宽比的形状，例如长方体形状。
电池组电池可以是二次电池，诸如镍金属氢化物二次电池或锂二次电池。在这些二次电池中，优选地使用锂二次电池，因为锂二次电池具有高能量密度和高放电电压。根据其形状，棱柱形电池或袋状电池优选地用作组成电池模块的可充电、可放电的单元电池。更优选地，袋状电池被用作电池模块的单元电池，因为袋状电池可以低制造成本和轻重量制造。
根据本发明的中型或大型电池组优选地用作电动车辆或混合电动车辆的电源，这些车辆的安全性可能会由于被组合以提供高功率和大容量的多个电池组电池在其充电和放电期间产生的高温热，而严重恶化。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，在附图中：
图1是示出了被构造为这样一种结构的中型或大型电池组的透视图，在该结构中电池模块被安装在常规的中型或大型电池组壳中；
图2是一般地示出了包括安装在图1中示出的中型或大型电池组壳中的电池模块的中型或大型电池组的剖面图；
图3是示出了被构造为这样一种结构的中型或大型电池组的剖面图，在该结构中电池模块被安装在根据本发明一个优选实施方案的电池组壳中；
图4是一般地示出了在图3中所示的导引器部件的安装位置的区域C的局部放大视图；
图5是示出了被制造为图2和3中所示结构的中型或大型电池组的电池组电池之间的冷却剂通量分配的测量结果的比较的曲线图；
图6是一般地示出了被构造为这样一种结构的中型或大型电池组的剖面图，在该结构中两个导引器部件被布置在根据本发明另一优选实施方案的电池组壳中；以及
图7是一般地示出了图6中所示的两个导引器部件的安装位置的区域E的局部放大视图。
具体实施方式
现在，将参照附图详细描述本发明的优选实施方案。然而，应注意，本发明的范围不受所图示的实施方案限制。
图1是示出了被构造为这样一种结构的中型或大型电池组的透视图，在该结构中电池模块被安装在常规的中型或大型电池组壳中，图2是一般地示出了包括安装在图1中示出的中型或大型电池组壳中的电池模块的中型或大型电池组的剖面图。
参考这些附图，中型或大型电池组100包括：被构造为其中多个板状电池组电池30相互电连接且机械连接的结构的电池模块32，电池模块32被安装在其中的电池组壳70，作为一流动空间的、从冷却剂入口端口10延伸到电池模块32的入口管40，以及作为另一流动空间的、从电池模块32延伸到冷却剂出口端口20的出口管50。
通过冷却剂入口端口10引入的冷却剂，流过入口管40和在各个电池组电池30之间限定的流动通道60。此时，冷却剂冷却电池组电池30。此后，冷却剂流过出口管50，且然后通过冷却剂出口端口20被排出所述电池组壳。
入口管40具有和出口管50的竖直高度b相等的竖直高度。从而，冷却剂通量较多地被分配到靠近冷却剂入口端口10的电池组电池30N，而冷却剂通量较少地被分配到远离冷却剂入口端口10的电池组电池30R。
图3是一般地示出了被构造为这样一种结构的中型或大型电池组的剖面图，在该结构中电池模块被安装在根据本发明一个优选实施方案的电池组壳中，图4是一般地示出了在图3中所示的导引器部件的安装位置的区域C的局部放大视图。
参考这些附图，电池组壳70’被构造为这样一种结构，在该结构中电池组壳70’在电池组电池30的堆叠方向L上的长度大于电池组壳70’在电池组电池30的横向方向W上的长度。此外，电池组壳70’具有冷却剂入口端口10’和冷却剂出口端口20’，该冷却剂入口端口10’和冷却剂出口端口20’被布置为使得冷却剂可在与电池组电池30的堆叠方向L垂直的方向上从电池模块32的一侧流到另一侧。
在电池模块32的各个电池组电池30之间限定了小的流动通道60，使得冷却剂可流过这些流动通道60。从而，通过冷却剂入口端口10’引入的冷却剂流过流动通道60。此时，从电池组电池30产生的热被该冷却剂移除。此后，所述冷却剂通过冷却剂出口端口20’被向外排出。
根据此实施方案的电池组壳70’与在图1和图2中示出的电池组壳70的不同之处在于，导引器部件80从冷却剂入口端口10’向内延伸，导引器部件80具有等于入口管40’的长度D的大约40％的长度d，且导引器部件80平行于电池组电池30的堆叠方向L被布置在相当于入口管40’的高度T的大约一半也即大约T/2处的位置。因此，在导引器部件80以下流动的冷却剂主要冷却电池组电池30N、30O和30P，而在导引器部件80以上流动的冷却剂主要冷却电池组电池30R、30S、30T和30U。从而，将冷却剂均匀地供应到各个电池组电池30N、30O、30P、30R、30S、30T和30U。
在此情况下，导引器部件80可从T/2处向上或向下定位，优选地是在T的15％的范围内。
在这点上，图5是示出了被制造为图2和3中所示结构的中型或大型电池组的电池组电池之间的冷却剂通量分配的测量结果的比较的曲线图。具体地，图2的中型或大型电池组100中的冷却剂通量分配的测量结果X，和被构造为其中导引器部件平行于电池组电池的堆叠方向被置于入口管中的结构的、图3的中型或大型电池组200中的冷却剂通量分配的测量结果Y，均在图5中示出。
当比较Y的冷却剂通量差y和X的冷却剂通量差x时，可见，在冷却剂在邻近冷却剂入口端口的电池组电池30N(见图2)处流动期间，Y的冷却剂通量差y小于X的冷却剂通量差x，因此大大提高了冷却剂通量的分配均匀性。
这是因为，冷却剂被入口管40’中的导引器部件80分成两个冷却剂分量，因此，在导引器部件80以下流动的冷却剂分量主要被分配到靠近冷却剂入口端口10’定位的电池组电池，而在导引器部件80以上流动的冷却剂分量被均匀地分配到远离冷却剂入口端口10’定位的电池组电池。
图6是一般地示出了被构造为这样一种结构的中型或大型电池组的剖面图，在该结构中两个导引器部件被布置在根据本发明另一优选实施方案的电池组壳中，图7是一般地示出了图6中所示的两个导引器部件的安装位置的区域E的局部放大视图。
参考这些附图，具有等于入口管40的长度D的大约40％的长度d的第一导引器82，平行于电池组电池的堆叠方向L，在相当于入口管40的高度T的2/3也即2T/3处的位置，从冷却剂入口端口10向内延伸。此外，具有等于第一导引器82的长度d1的大约50％的长度d2的第二导引器84，平行于电池组电池的堆叠方向L，在相当于入口管40的高度T的1/3也即T/3处的位置，从冷却剂入口端口10向内延伸。因此，在第二导引器部件84以下流动的冷却剂主要冷却电池组电池30N和30O，在第一导引器82和第二导引器84之间流动的冷却剂主要冷却电池组电池30O和30P，而在第一导引器部件82以上流动的冷却剂主要冷却电池组电池30P、30U、30T、30S和30R。
在此情况下，第一导引器部件82和第二导引器部件84可分别从2T/3和T/3处向上或向下定位，优选地在T的-10％到10％的范围内。
虽然为说明的目的公开了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员应理解，在不偏离所附权利要求中所公开的本发明的范围和主旨的前提下，各种修改、增添和替换是可能的。
工业适用性
根据以上描述明显的是，根据本发明的中型或大型电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中一个或多个导引冷却剂的流动的导引器部件平行于电池组电池的堆叠方向被布置在入口管中。从而，本发明具有下列效果：改进冷却剂通量的分配均匀性，有效地移除在电池组电池之间积聚的热，且因此大大提高了电池组电池的性能和寿命。

Claims (13)

1.一种中型或大型电池组壳，于其中安装具有多个堆叠的、可充电和放电的电池组电池的电池模块，其中
该电池组壳设有一个冷却剂入口端口和一个冷却剂出口端口，该冷却剂入口端口和冷却剂出口端口被布置为使得用于冷却电池组电池的冷却剂可在与电池组电池的堆叠方向垂直的方向上从电池模块的一侧流到另一侧，
该电池组壳还设有从冷却剂入口端口延伸到该电池模块的一流动空间(‘入口管’)和从该电池模块延伸到冷却剂出口端口的另一流动空间(‘出口管’)，并且
一个或多个导引器部件被置于入口管中，用于在与电池组电池的堆叠方向平行的方向上导引冷却剂的流动。
2.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中所述入口管具有等于所述出口管的竖直高度的40-95％的竖直高度。
3.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中所述导引器部件具有等于所述入口管的长度的15-50％的长度。
4.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中，当所述导引器部件的数量是n时，各个导引器部件在入口管的高度(T)的-15％至15％的范围内，自相当于T/n的一个高度(t)向上或向下定位。
5.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中，所述导引器部件的数量是2或更多(n)，第一导引器部件位于入口管中最上方的位置，使得所述第一导引器部件在电池组电池的堆叠方向上从入口管的入口向内延伸，而具有小于第n-1导引器部件的长度的长度的第n导引器部件，位于第n-1导引器部件下方。
6.根据权利要求5所述的中型或大型电池组壳，其中所述第一导引器部件具有等于入口管长度的15-50％的长度，且第二导引器部件具有等于所述第一导引器部件的长度的35-65％的长度。
7.根据权利要求5所述的中型或大型电池组壳，其中所述导引器部件的数量是2，具有大于第二导引器部件的长度的长度的第一导引器部件自相当于入口管的竖直高度(T)的2/3处的位置，在入口管的该高度(T)的-10％到10％的范围内向上或向下定位，所述第二导引器部件自相当于入口管的竖直高度(T)的1/3处的位置，在入口管的该高度(T)的-10％到10％的范围内向上或向下定位。
8.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中所述电池组壳在所述电池组电池的堆叠方向上的长度大于所述电池组壳在所述电池组电池的横向方向上的长度，且所述管平行于所述电池组电池的堆叠方向布置。
9.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中一吸风扇被安装在冷却剂出口端口中，用于在通过冷却剂入口端口引入的冷却剂流过所述电池模块之后，强行地使该冷却剂移动至冷却剂出口端口。
10.一种中型或大型电池组，其被构造为其中电池模块被安装在根据权利要求1-9中任一所述的中型或大型电池组壳中的结构。
11.根据权利要求10所述的中型或大型电池组，其中所述电池模块包括多个可充电和放电的板状电池组电池。
12.根据权利要求11所述的中型或大型电池组，其中所述电池组电池是锂二次电池。
13.根据权利要求12所述的中型或大型电池组，其中所述电池组被用作电动车辆或混合电动车辆的电源。
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