CN101740802A - 电池模块及收容其的电池箱以及具备它们的铁道车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池模块及收容该电池模块的电池箱以及具备该电池箱的铁道车辆，可以根据系统的规格容易地变更向通风构造或密闭构造的转换，并且，在选择任一种的冷却构造的情况下，都能够实现发挥各自的特征的高性能的冷却构造。在收纳有多个并设的电池单体(1111)的电池模块(1110)的框体中，在框体的一对侧板上，设置有使电池单体(1111)的侧面露出的开口部(1112)。此外，对应于开口部(1112)，选择安装有用于使来自周围的冷却空气流入流出的冷却管(1118)或使电池模块(1110)的框体形成为密闭构造的盖板(1115)中的任一个。盖板(1115)在内侧具备与电池单体(1111)的侧面进行热接触的吸热块(1113)，在外侧具备散热片(1114)。

Description

电池模块及收容其的电池箱以及具备它们的铁道车辆
技术领域
本发明涉及一种作为能量管理用的多个电池模块以及收容其的电池箱，进一步涉及到一种具备搭载于混合动力型铁道车辆的适当的高电压、大容量的电池箱的铁道车辆。
背景技术
由多个锂离子电池或镍氢电池等高功率密度的电池单体构成的二次电池系统被广泛地用于产业用途中。特别是近年来被高电压化、大容量化的二次电池系统作为混合动力汽车用的蓄电系统而开始普及。
与之对应的，在铁道车辆的领域中，以节能化为目的，活跃地进行着将由柴油发动机驱动的发电机与二次电池系统配合而对马达供给电力的混合动力铁道车辆的开发。混合动力铁道车辆中，使车辆减速时产生的能量再生从而对二次电池系统充电，由此，以往的仅靠柴油发动机驱动的汽动车所不能实现的再生能量的再利用变得可能，可以实现节能化。进一步地，在车辆行驶时由二次电池系统放电而使辅助加速为可能，因此也可以对应于高速铁道车辆。
在此，在混合动力汽车上搭载的二次电池系统的电压为200V左右、容量为数kWh左右，与之相对，混合动力铁道车辆用的二次电池系统通常需要750～1500V的电压及数十～数百kWh的容量。
另一方面，若考虑电池单体的维护检修的容易性、安全性、输送性等，优选电池单体被模块化为数个～数十个单位。与之相对地，混合动力汽车用的二次电池系统从必要电压和容量的关系出发多由搭载有数个～数十个的电池单体的电池模块构成。
在大容量的电池模块中，由于充放电时电池单体内部产生的发热的密度也很大，因此从确保电池单体及模块的稳定动作及长期信赖性的观点出发，需要电池单体的积极的冷却的情况很多。作为其手段，可以考虑利用送风机等，设置将电池模块的周围空气积极地导入模块内部的通风构造。
由这样的背景出发，设想在混合动力型的铁道车辆中构成由数个混合动力汽车用的电池模块组合成的电池箱。
作为搭载于车辆上的二次电池系统的一例，已知有专利文献1中所示的电池箱。该电池箱如图18所示，包含：搭载有多个电池单体的多台电池模块50，对应各电池模块50的用于导入冷却风的鼓风机51，收纳多台电池模块50的电池壳体52，收纳多台鼓风机51的鼓风机壳体53。鼓风机壳体53收纳与各电池模块50同数量的鼓风机51，与电池壳体52的吸气侧连接着。
在像这样构成的电池箱中，冷却用空气从鼓风机壳体53上设置的吸气口54导入到鼓风机壳体53内。导入到鼓风机壳体53内的空气被各鼓风机51吸入并送到各电池模块50。然后，空气与各电池模块50内未图示的电池单体进行热交换，进一步地，排出到电池壳体52内后，从电池壳体52上设置的排气口55排出到电池壳体52的外部。
如专利文献1所示的，在采用将周围外气导入到电池模块内部的通风构造时，周围外气中存在的导电性的粉尘混入模块内部，接触电池电极或连接电池单体间的导体等发生短路，或者，电池单体内部异常而引起可燃性的电解液漏到周围等，产生涉及安全性·信赖性的课题。
作为解决手段，可以考虑使电池模块或收纳多个电池模块的电池箱形成为密闭构造，但这时电池单体的冷却与通风构造相比变得困难。
作为使电池模块形成为密闭构造的二次电池系统的一例，已知有如专利文献2中所示的电池箱模块。该电池模块如图19及图20所示，在使模块内形成为密闭构造的基础上，在多个电池单体12的侧面安装多个具有圆弧状截面的金属性散热板22，使其与顶壳18密接而提高电池单体的冷却性。
专利文献1：日本特开2005-19231号公报
专利文献2：日本特开2006-92935号公报
如上所述，在电池模块的冷却构造的选择，即，通风构造和密闭构造中任一种的选择中，由于冷却性能和安全性·信赖性的确保互为矛盾事项，因此有必要对应电池模块的设置条件及负荷条件、装入电池模块的系统的规格等而改变其安装形态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池模块及装入该电池模块的电池箱，以及具备该电池箱的铁道车辆，将电池模块的安装构成尽可能地通用化，根据设置条件及负荷条件、装入系统的规格，将向通风构造或密闭构造的转换容易地变更，并且，在选择任一种的冷却构造时，都会实现发挥各自特征的高性能的冷却构造。
作为达到上述目的的手段，本发明的电池模块，收纳有多个并设的电池单体，其特征在于，在收纳上述电池单体的框体的互相面向相反方向的一对侧部，分别设置有使被收纳的上述电池单体的侧面露出的开口部。进而，在该电池模块的设置有开口部的一对侧部的至少一个侧部设置通过上述开口部而使空气流入流出上述框体内的冷却管，或设置覆盖上述开口部而使上述框体形成为密闭构造的盖板，在上述盖板的模块内面侧设置形成为沿着上述电池单体的侧面的形状且与上述电池单体进行热接触的热传导构件，或选择其中的一个，使上述追加零件能够容易安装地构成。
由此，尽量使对于电池模块的框体的安装构造通用化，对应于设置条件及负荷条件、装入系统的规格等，将向通风构造或密闭构造的转换容易地变更变得可能。即，在设置冷却管时能够使空气从周围流入流出电池单体组的侧面而冷却电池单体，而设置盖板时，使电池模块的框体形成为密闭构造，在盖板的模块内面侧设置沿着电池单体组的侧面的形状的与电池单体进行热接触的热传导构件，可以将起因于电池单体的框体内部的热通过热传导构件向外部排热。
在此，在安装于电池模块上的热传导构件与电池单体的侧面之间，通过插入热传导性的弹性体，可以降低热传导构件与电池单体间的接触热阻，另外，热传导构件可以在内部具有中空部，利用中空部使电池模块的轻量化变得可能。另外，可以在热传导构件中埋入热管，利用热管可以减少热传导构件的空气流动方向的温度不均(吸气侧冷却作用强而为相对低温、排气侧冷却弱为相对高温)而谋求均热化。另外，设置于电池单体的两侧的上述热传导构件可以在上述电池单体列的周围相互密接，能够谋求热传导构件的均热化。进而，安装于电池模块上的热传导构件，可以在与电池单体组的接触面的对向面上设置散热片，或在热传导构件上设置与外部冷却源连接的制冷剂流路，通过这样的构造，积极且有效率的排热变得可能，密闭构造的冷却性能能够容易地提高或控制。
另外，可以使电池单体作为一层或多层的电池单体组而堆积，上述电池单体组作为单一组或横向排列的多组而构成。
并且，根据本发明，搭载多个上述电池模块，可以得到将上述电池单体组在被两个侧板夹持的状态下收容于箱的内部的电池箱。通过该电池箱，将电池模块的安装构造尽量地共有，对应设置条件及负荷条件、装入系统的规格，能够将向通风构造或密闭构造的转换容易地变更。在用密闭构造的电池模块的电池箱的情况下，在上述盖板的与上述电池单元的接触侧的相反侧的面上设置散热片，在上述各电池模块中，上述散热片配置在沿着从上述电池箱上的吸气侧向排气侧流动的冷却空气的流动方向延伸的方向上，在两个上述侧板上，形成有与上述散热片之间的通风部分连通的形态的对应的导入导出口。通过这样构成的电池箱，被电池箱吸入的冷却空气从吸气侧的侧板的导入口流过电池模块的散热片之间的通风部分而将各电池模块冷却，从排气侧的侧板的导出口向排气侧排气。
进而，根据本发明，通过将电池模块或电池箱装入并适用于车辆驱动系统，能够得到具备在混合动力型铁道车辆上可以实现高性能的冷却构造的电池模块或电池箱的铁道车辆。
发明效果
根据本发明，能够得到一种电池模块及收容该电池模块的电池箱以及具备该电池箱的铁道车辆，该电池模块通过将电池模块的安装构成的大部分通用化而实现电池模块的低成本化，并且，根据制品规格而向具有通风构造或密闭构造的任一个的冷却构造的电池模块的转换能够容易地变更，并且，在选择任一种的冷却构造的情况下，都能够实现发挥各自的特征的高性能的冷却构造。
附图说明
图1为表示本发明的一实施方式所涉及的电池模块的主要构造的构造图。
图2为图1中A-A’的向视剖面图。
图3为表示本发明的一实施方式所涉及的“密闭型”电池模块的主要构造的分解图。
图4为表示图3的“密闭型”电池模块的主要构造的构造图。
图5为图4的B-B’剖面图。
图6为图4的C-C’剖面图。
图7为表示本发明的一实施方式所涉及的“通风型”电池模块的主要构造的构造图。
图8为图7的D-D’剖面图。
图9为图7的E-E’剖面图。
图10为表示搭载有多个本发明的一实施方式所涉及的“密闭型”电池模块的电池箱的剖面图。
图11为表示搭载有多个本发明的一实施方式所涉及的“开放型”电池模块的电池箱的剖面图。
图12为表示本发明的一实施方式所涉及的铁道车辆中的由密闭型电池模块构成的电池箱的搭载例的模式图。
图13为表示本发明的一实施方式所涉及的铁道车辆中的由开放型电池模块构成的电池箱的搭载例的模式图。
图14为表示本发明的其他实施方式所涉及的“密闭型”“液冷”电池模块的剖面图。
图15为表示本发明的其他实施方式所涉及的“密闭型”电池模块的剖面图。
图16为表示本发明的其他实施方式所涉及的“密闭型”电池模块的剖面图。
图17为表示本发明的其他实施方式所涉及的“密闭型”电池模块的剖面图。
图18为表示以往技术的专利文献1记载的电池模块的图。
图19为表示以往技术的专利文献2记载的电池模块的图。
图20为表示以往技术的专利文献2记载的电池模块的图。
图中：1110-电池模块；1110a-密闭型电池模块；1110b-通风型电池模块；1111-电池单体；1112ab-开口部；1113-吸热块；1114-散热片；1115-盖板；1116-绝缘板；1117-上下侧板；1118a-吸气管；1118b-排气管；1119-液冷块；1121-制冷剂流路；1122-热管；1123-中空部；1100-电池箱；1120a-吸气侧百叶窗；1120b-排气侧百叶窗；1130-过滤器；1140a-吸气侧板；1140b-排气侧板；1150a-导入口；1150b-导出口；1160-风扇；1000a-电源车；1000b-马达车；1200-柴油发动机；1300-发电机；1400-转换器；1500-变换器；1600-马达。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的电池模块详细地说明。
图1表示本发明的一实施方式所涉及的电池模块的基本构造的立体图。图2为图1的A-A’剖面图。如图1及图2所示，在本实施方式的电池模块1110的框体1117的内部，收纳有多个并设的电池单体1111。在图1中，电池单体1111为纵向上2层、框体短边方向上2列、且框体的长边方向上12列地堆积配置的合计48个单体，在采用1组24单体的2组构造的基础上，各单体之间设置有一定的间隙并且为正方配列。
在框体1117的一对侧部，即，互相面向相反方向的上方的侧部及下方的侧部上，设置有使被收纳的电池单体1111的侧面的大部分露出的开口部1112。图1中，由于电池单体为2组的构造，因此开口部1112的个数上下合计为4个。如图2所示，在这样配置的电池模块1110中，电池单体1111的侧面表面通过开口部1112与周围外气连通。
图3中，表示在图1所示的电池模块的基本构造中追加零件使其为“密闭构造”的电池模块的分解立体图，图4中表示图3的零件追加后的构造的立体图，图5中表示图4的B-B’剖面图，图6中表示图4的C-C’剖面图。
图3～图6为表示相对于开口部1112将用于使模块整体形成为密闭构造的盖板1115安装于上下面而构成“密闭型”的电池模块1110a的图。盖板1115具备在模块内侧的面上形成为沿着电池单体1111的侧面的形状(半圆筒状连续排列的波形)的吸热块1113，该形状沿着电池单体1111的侧面与其热密接。在吸热块1113的电池模块1110a外侧的面上，具备散热片1114。吸热块1113相当于本发明中的热传导构件。另外，在吸热块1113和电池单体1111之间外加适当的压力，充分降低其接触热阻。并且，作为用于使电池单体1111的发热向周围外气扩散的传热促进机构设置有散热片1114。如图6所示，在吸热块1113和电池单体1111的侧面之间，为使吸热块1113和电池单体1111之间的接触热阻降低，安装有绝缘板1116即热传导性的弹性体。
图7中，表示在图1所示的电池模块的基本构造中追加零件使其为“通风构造”的电池模块的构造的立体图。图8为图7的D-D’剖面图，图9为图7的E-E’剖面图。
图7～图9所示的电池模块，隔着开口部1112，在上下侧板1117上安装用于向模块内部的电池单体1111导入冷却用外气的管1118，构成“通风型”电池模块1110b。在本实施例中，假定将本电池模块1110b在纵向上安装多组，外气导入管1118为能够从模块端部将冷却风吸入·排出的构造。
在以上所示的实施方式中，使由于冷却构造的不同而引起的电池模块1110的安装构造的不同尽量少，可以将模块的大部分通用零件化，并且，由于对应于制品规格的通风构造或密闭构造的转换容易实现，电池模块的低成本化变得可能。即，图1及图2中所示的包含一对上下侧板1117的框体成为通用规格。图3～图6中所示的电池模块则对应于该通用规格在上下追加盖板1115，图7～图9所示的电池模块则对应于该通用规格设置冷却管，即在上下追加外气导入管1118。
一般若将通风框体密闭化，则内部的电子零件的冷却性能会降低。为了弥补这种情况，在作为本实施例的构成“密闭型”的电池模块1110a中，设置沿着电池模块1111的侧面的形状的吸热块1113，通过对其按压适当的压力而使到盖板15的热阻降低，促进电池单体1111和盖板1115之间的传热。进一步地，为促进从盖板1115向周围外气的传热，在盖板1115的外表面侧设置有散热片1114。讨论温度上升的结果为，由于设置这2种传热促进机构(吸热块1113和散热片1114)，确认了在密闭构造中的电池单体的冷却性能和在通风构造中的电池单体的冷却性能大致相同。
接下来，参照图10及图11，对搭载有多个电池模块1110的电池箱1100的构造进行说明。
图10表示搭载有多个本发明的一实施方式所涉及的“密闭型”电池模块的电池箱的剖面图。电池箱1100具备板状的吸气侧板1140a及排气侧板1140b，纵向上多个配置的电池单体1110a配置为保持被夹持在吸气侧板1140a和排气侧板1140b之间的状态。
吸气侧板1140a上设置有多个用于导入冷却用的空气的横长四边形的导入口1150a。该导入口1150a与设置在电池模块1110a的上下面的散热片1114之间的各个通风部分连通地对应形成，起到与散热片1114的吸气侧密接而将冷却用空气导入散热片1114之间的作用。
在吸气侧板1140a的前面侧，设置有防止尘埃侵入电池箱1100的过滤器1130。另外，在过滤器1130的前面侧设置有防止水分侵入电池箱1100内并且将冷却用的空气吸入到电池箱1100内的吸气侧百叶窗1120a。
在排气侧板1140b上，设置有多个将与散热片1114进行热交换之后的空气向后方的风扇1160导出的横长四边形的导出口1150b。该导出口1150b与设置在电池模块1110a的上下面的散热片1114之间的各个通风部分连通地对应形成，起到与散热片1114的排气侧密接而将通过散热片1114之间的冷却用的空气导出的作用。
在排气侧板1140b的后面侧，设置有将通过散热片1114之间进行了热交换后的空气排出到外部的风扇1160。另外，在风扇1160的后面侧，设置有防止水分侵入电池箱1100内并且将空气排出的排气侧百叶窗1120b。
因此，若驱动风扇1160，则从吸气侧百叶窗1120a吸入的冷却用空气通过过滤器1130从吸气侧板1140a的导入口1150a流入到散热片1114之间，在散热片1114之间进行热交换后，通过导出口1150b而被风扇1160吸引，从排气侧百叶窗1120b向外部排气。
另一方面，图11表示搭载有多个本发明的一实施方式所涉及的“通风型”电池模块的电池箱的剖面图。与图10同样地，电池箱1100具备板状的吸气侧板1140a及排气侧板1140b，在纵向上多个配置的电池模块1110b保持夹持在吸气侧板1140a及排气侧板1140b之间的状态配置在电池箱1100内。
设置于吸气侧板1140a的导入口1150a与安装于电池模块1110b的下侧面的吸气管1118a连通地对应形成，设置于排气侧板1140b的导出口1150b与安装于电池模块1110b的上侧面的排气管1118b连通地对应形成。
像这样，在电池箱1100中的电池模块1110的安装构造尽量地共有，并且成为可以对应设置条件及负荷条件、装入系统的规格，向通风构造或密闭构造的转换容易地变更的构造。即，如图10及图11所示，对于任一型的电池模块1110a、1110b，电池箱1100的构造除仅在导入口1150a和导出口1150b上稍有不同之外，大体上被通用化，根据型式上的不同转换容易。
接下来，参照图12及图13，说明对使用电池箱1100的混合动力型的铁道车辆的搭载例。
图12及图13为混合动力型的铁道车辆上的一搭载例的示意图，作为混合动力系统(车辆驱动系统)，具备电池箱1100、柴油发动机1200、发电机1300、转换器1400、变换器1500、马达1600等。如图12所示，在电池箱1100搭载于电源车1000a的地板下时，考虑到安全性优选将密闭型电池模块1110a搭载到电池箱1100上，如图13所示，电池箱1100搭载于电源车1000a内时，考虑到冷却性优选将通风型电池模块1110b搭载到电池箱1100上。
另外，考虑到减少由于车辆行进方向的对电池箱1100的空气流入条件的差别、在电池箱1100的维护检修时能够将电池模块1110(参照图3)在电源车C1的侧面方向装卸，优选设置电池箱1100使吸气侧百叶窗1120a(参考图10)及排气侧百叶窗1120b(参考图10)面向与车辆行进方向正交的方向。
在电源车1100中，通过利用柴油发动机1200驱动的发电机1300而得的交流电流通过转换器1400变换为直流电流。来自该转换器1400的直流电流和来自电池箱1100的直流电流通过搭载于马达车1000b上的变换器1500变换为任意频率的交流电源并成为马达1600的驱动电力，驱动铁道车辆。并且，电池箱1100及发电机1300的输出根据运转模式而被适当控制。
根据本发明，由于将电池模块的安装构成的大部分通用化而实现电池模块的低成本化，并且，对应于制品规格可以容易地变更通风构造或密闭构造的转换，且无论在选择任一种的冷却构造时都能得到可实现发挥各自特征的高性能的冷却构造的电池模块及具备其的铁道车辆。
以下对于本发明的另外的实施方式进行说明。图14、图15、图16、图17为表示另外的实施方式的密闭型电池模块的图。
如图14所示，也可以设置代替散热片内部具备制冷剂流路1121的液冷块1119，形成冷却电池单体1111的构造。
另外，如图15所示，也可以在吸热块1113的内部埋入热管1122，谋求空气流动方向的均热化。
另外，如图16所示，也可以代替吸热块1113设置中空块1123，谋求电池模块的轻量化。中空块1123相当于本发明中的中空部。
进而，如图17所示，也可以在电池模块1110内纵向设置一层电池单体1111，在电池单体1111的两侧面密接吸热块1113。

Claims (14)

1.一种电池模块，收纳有多个并设的电池单体，其特征在于，
在收纳上述电池单体的框体的互相面向相反方向的一对侧部，分别设置有使被收纳的上述电池单体的侧面露出的开口部。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，
在上述框体的至少一个上述侧部设置有冷却管，该冷却管用于使空气通过上述开口部流入流出上述框体内。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，
在上述框体的至少一个上述侧部设置有覆盖上述开口部而使上述框体形成为密闭构造的盖板，在上述盖板的模块内面侧设置有热传导构件，该热传导构件形成为沿着上述电池单体的侧面的形状，且与上述电池单体热接触。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其特征在于，
在上述热传导构件和上述电池单体的侧面之间安装有热传导性的弹性体。
5.根据权利要求3或4所述的电池模块，其特征在于，
上述热传导构件在内部具有中空部。
6.根据权利要求3～5中的任一项所述的电池模块，其特征在于，
上述热传导构件中埋入有热管。
7.根据权利要求3～5中的任一项所述的电池模块，其特征在于，
设置于上述电池单体的两侧的上述热传导构件在上述电池单体列的周围互相密接。
8.根据权利要求3～7中的任一项所述的电池模块，其特征在于，
在上述盖板的与上述电池单体接触的一侧的相反侧的面上设置有散热片。
9.根据权利要求3～7所述的电池模块，其特征在于，
在上述热传导构件上设置有与外部冷却源连接的制冷剂流路。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的电池模块，其特征在于，
上述电池单体堆积成一层或多层的电池单体组，上述电池单体组构成为单一组或横向排列的多组。
11.一种电池箱，其特征在于，
搭载有多个权利要求1～7中的任一项所述的上述电池模块，上述电池模块在被两个侧板夹持的状态下收容于箱的内部。
12.一种电池箱，其特征在于，
搭载有多个权利要求8所述的上述电池模块，上述电池模块在被两个侧板夹持的状态下收容于箱的内部，
在上述各电池模块中，上述散热片为沿着从上述电池箱的吸气侧向排气侧流动的冷却空气的流动方向延伸的方向，
在两个上述侧板上形成有以与上述散热片之间的通风部分连通的形态对应的导入导出口。
13.一种铁道车辆，其特征在于，
在车辆驱动系统中装有权利要求1～10中的任一项所述的电池模块。
14.一种铁道车辆，其特征在于，
在车辆驱动系统中装有权利要求11或12所述的电池箱。
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