CN101855775B - 带温度控制装置的电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种可调整的电池模块，可用于各种配置中，包括但不限于用于汽车和非汽车应用的重叠式电池封装配置和垂直堆叠式电池封装配置。电池模块拥有许多电池散热组件，电池置于散热组件之间。多个杆穿过每个散热组件，将散热组件与电池相互固定，从而形成电池模块。

Description

带温度控制装置的电池组件
技术领域
本发明涉及带电池的电池组，尤其是电动/混合动力车带冷却系统或加热系统的电池组以及在电池组内固定电池的方法。
背景技术
混合动力车等机动车使用多个推进系统提供动力。最常见的是汽油电动混合动力车，此类车使用汽油为内燃机(ICE)提供动力，使用电池为电动机提供动力。此类混合动力车通过再生制动捕获动能来为电池充电。在行驶或空闲时，内燃机的部分输出被传输至发电机(仅以发电机模式运行的电动机)，发电机产生电力为电池充电。这与使用电网等外部电源或电力源扩展拖车为电池充电的全电动轿车不同。虽然混合动力车偶尔使用柴油燃料以及乙醇、植物油等其他燃料，但是几乎所有混合动力车仍需要将汽油作为其唯一燃料源。
电池组和电池是此项技术中常见的重要储能装置。电池组和电池通常由电极和两极之间离子传导电解质组成。包含锂离子电池的电池组在汽车应用和各类商业电子设备中越来越受欢迎，因为它们可再次充电，且无记忆效应。在理想工作温度下使用锂离子电池对于电池的性能和使用寿命至关重要。
由于锂离子电池的特性，电池组通常指定为在大约-30℃至60℃之间的环境温度范围中使用。但是，即使在此温度范围内使用，如果电池组长时间处于极端温度状态，也可能会逐渐丧失其容量或充电放电能力。然而，在规定温度范围之外的环境温度下使用锂离子电池的情况可能无法避免。
根据上述内容，两块电池之间会出现重大温度差异，这会损坏电池组的性能。为了延长整个电池组的使用寿命，电池必须处于规定阀值温度之下。为了提高电池组的性能，必须尽量减小电池组内电池之间的温度差异。然而，电池温度取决于周围环境的导热路径，因此不同的电池将达到不同的温度。此外，由于同样原因，不同的电池在充电过程中会达到不同的温度。因此，如果一块电池的温度比其他电池的温度高，则其充电或放电效率将不同，因此，其充电或放电速度可能比其他电池快。这会导致整个电池组性能的下降。
本技术涉及多种带有冷却系统和封装系统的电池组设计。属于琼斯等人专利号为5,071,652的美国专利介绍了一种带有圆形外部压力容器的金属氢氧电池，其中包含多个并排排列的圆形电池模块。相邻的电池模块由圆形传热构件分隔，构件将热量从电池模块传至外部容器。每个传热构件包括一个大体平坦的主体或翅片，它们位于相邻的电池模块之间。外围法兰与压力容器的内表面相接触。每个电池模块的宽度大于法兰的长度，因此，每个传热构件的法兰不会与邻近的传热构件相接触。法兰的构造和位置对压力容器施加向外的径向力。系杆以堆叠的形式夹住电池模块和传热构件，而堆叠可塞入压力容器。
属于琼斯等人专利号为5,071,652的美国专利介绍的金属氢氧电池针对圆柱形电池组设计，其传热构件与外部容器直接接触，未在两者之间留出间隙，而间隙可用于引入冷却或加热介质来冷却或加热电池。
对于电池组的封装方法，许多现有技术文献介绍了保护电池免受装卸和震动损坏并允许将多个电池盒装入一个大电池盒的金属盒。但是，金属盒的生产成本昂贵，每种配置要求新的模具来生产各种组件，并需要新的工具来组装这些组件。因此，将单体电池封装在封套中以组成锂电池组的技术和材料应运而生。遗憾的是，这些封装提供的结构牢固性或防止装卸损坏和震动损坏能力不及金属盒，且由于锂电池组固有的厚度差异，它们无法组合成大小一致的电池组。
我们仍有机会对带电池固定单元的电池组进行改进，以维持电池组的最佳工作温度，确保以额定容量和充电放电速率，实现最长使用寿命。
发明内容
本发明是一种可调整的电池模块，可用于各种配置中，包括但不限于汽车和非汽车应用中的水平或垂直堆叠电池封装配置。电池模块包含许多电池，每块与一个散热片相连，散热片由导热材料制成，如扁平铝合金箔片或类似材料，不限于本发明的范围。每块电池最好均为拥有两个集流器和分别靠近这两个集流器且电荷相反的锂离子电池。分隔层位于第一个电极与第二个电极之间，两个电极传导两者之间的电解质。将多个第一个电极和第二个电极堆叠并封装至电绝缘封套，形成电池。
根据上文，每块散热片就是由导热材料制成的板。此板确定传热边缘和终端。每块板确定断流器部分和接合所述断流器部分的垫片。每块板上都有许多孔，用于接收伸出的杆，以将所有散热片相互连接，形成电池组。一个终端延伸至拥有矩形横截面、代表第一种配置的翅片。另一终端延伸至拥有L形横截面、代表第二种配置的另一翅片。上述两个横截面不限于本发明所述，此处列出是为了举例目的。翅片可以是冷成型的，根据应用设计将热量从电池传输出去或传递进来。
电池固定装置与每个散热片一起使用。电池固定装置包括一个内框组和一个外框组。每个电池固定装置的内框都夹住其间的散热片。内框和外框上有多个外凸和内凹连接部位，它们相互机械啮合，将方形蓄电池锁定在内框和外框内。这些部位可以断开，以便拆卸方形蓄电池。此处介绍的是一种电池固定和传热组件
一种夹在方形蓄电池之间的装置，如一层材料，如泡沫或任何其他非坚硬高分子材料。装置大体上覆盖整个方形蓄电池。每个散热片有一对内框并分别连接至散热片两侧，内框与相应的外框机械啮合，方形蓄电池位于其间，从而形成电池固定和传热组件。此装置夹在至少两个这样的组件之间，组件与组件之间相互机械堆叠并电气连接，形成电池组。由于组件是通过组合而形成电池组的，装置允许在典型的充电和放电状态下对方形蓄电池进行扩展和收缩，由此让电池与散热片保持密切接触，实现本发明的优势是电池组内电池的固定能力强。
本发明的一个优势是提供极好的固定能力以包住与固定电池。
本发明的另一优势是可通过简化组装方法来降低生产成本。
本发明的第三个优势是提供管理电池组热量方面的途径，以提供和接收高速电流(即充电率)，其方法是在快速充电或放电脉时有效除去不需要的、可能影响电池组性能和使用寿命的热量。
本发明的第四个优势是电池组设计简单、重量轻。
本发明的第五个优势是可根据各种应用轻松扩展。
本发明的第六个优势是方形蓄电池外侧包有电绝缘外壳。
附图说明
通过参考以下详细描述以及其中的附图，可以更好地理解本发明的其他优势：
图1是装有本发明所述的一对电池组的电池箱；
图2是夹在一对内框之间的散热片；
图3是图2所示夹在内框之间的散热片的部分透视图；
图4是图2的分解图；
图5是电池固定单元的透视图，散热片夹在内框之间，一对方形蓄电池位于散热片两侧，每块电池在相应的内框上伸出，一对外框分别在相应的方形蓄电池上伸出；
图6是图5所示的电池固定单元的分解图；以及
图7是包括多个电池固定单元的电池模块的透视图和分解图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的数字表示相同部件或相应部件。本发明所指的电池组件在图1中标记为10，它包含一对电池组(标记为12)，电池组置于外壳(14)中。电池组(12)可以调整以用于各类配置中，包括但不限于汽车应用或非汽车应用中的水平或垂直堆叠电池封装配置。每个电池组(12)包含多块电池(16)。每块电池(16)最好是方形锂离子电池，不限于本发明的范围。精通电池领域的技术人员将发现其他电池也可用于本发明中。每块电池(16)包括许多电池组件(未显示)，它们之间共同作用，中间是电解质，这是精通电池领域的技术人员所熟知的。第一个电极邻近第一个集流器，第二个带相反电荷的电极邻近第二个集流器。分隔层位于第一个电极与第二个电极之间，第一个电极与第二个电极之间存在电解质。将多个第一个电极和第二个电极堆叠并封装至电绝缘封套，形成电池。
根据上文，每块电池(16)上有侧边边缘18和20。第一个电极或弯折(22)表示正极，从边缘之一18伸出。第二个电极或弯折(24)表示负极，从另一边缘20伸出。弯折22和24确定至少为90度的角度。角度可能有所差异，可配置为90度，不限于本发明的范围。或者，第一个和第二个电极可以采用平面设计。弯折22和24上有一对半圆开口(26)。或者，每个弯折上可有其他形状的开口(未显示)，不限于本发明的范围。
现在参照图2至图6，每个电池组包含许多可卸下的电池固定单元(30)，它们相互连接以形成电池组(12)。图7是电池组(12)的分解图，展示了本发明构思。电池固定单元(30)上包括散热片(32)。散热片(32)是由铝、铜和类似导热材料制成的板(34)，材料不限于本发明的范围。每个散热片(32)的终端为两个相对的翅片部分，在图4中通常标记为36和38。翅片部分38表示为矩形或管状横截面40。另一翅片部分36表示为平面42。翅片部分36和38可以包括栅栏形状，可能打褶、呈平面，可能包括多个插槽或孔，可能形成弯折来为外部加热装置或冷却装置提供热接口平面，包括但不限于加热垫和/或冷却套。精通该领域的技术人员将发现，翅片部分36和38的许多其他形状可用于为冷却或加热介质(如液体、固体或气体)提供更好的表面区域，这些形状被引入至每个导热板、片或箔片的翅片部分36和38，以冷却或加热电池(16)。翅片部分36和38可以是冷成型的，根据应用设计为将热量从电池传输出去或传递进来。板(34)上有多个插槽(43)，侧边(46)有半圆形构造(44)，用于接收伸出的杆(48)，从而将电池固定单元(30)互连，形成电池组(12)。
图4至图7清楚地展示了电池固定单元(30)的框组件。框组件包括第一组内框50和52，它们固定夹在其间的板(34)；第二组外框54和56用于固定电池(16)。电池之一(16)固定在内框之一(50)和外框之一(54)之间。另一内框(52)和外框(56)固定夹在两者之间的另一电池(16)。
如图4所示，内框之一50上有外围边缘58和侧壁60和62。侧壁之一62包含一对引脚64和66，用于以机电方式啮合电池16的弯折22或24。内框50上有多个孔或内凹连接器68。多个外凸连接器或挂钩70形成，从内框50的外围边缘58伸出。挂钩70向相反的方向伸出，远离板34。多个螺栓72从内框50中与挂钩70相反的方向伸出，与另一内框52以及夹在其间的板34机械啮合。
如图6所示，另一内框52表示与内框52的配置类似的配置。内框52包括外围边缘80和侧壁82和84。侧壁之一82还可能包含一对引脚(未显示)，用于以机电方式啮合电池16的弯折22或24。内框52上有多个孔或内凹连接器86。多个外凸连接器或挂钩88形成，从框50的外围边缘58伸出。挂钩88向相反的方向伸出，远离板34。多个螺栓89从内框52中与挂钩88相反的方向伸出，与内框50以及夹在其间的板34机械啮合。框50和52由高分子材料制成。精通该领域的技术人员将发现，可使用各类高分子材料制成框50和52，而不限于本发明的范围。框50和52可以不完全由高分子材料制成，挂钩和螺栓可在成型阶段放置，它们可以由非高分子材料制成。成型可以采用注射成型或浇铸成型。下框50和52使用的材料和形成方法仅用于示范，并不限制本发明的范围。
如图6所示，外框之一54上有外围边缘90和侧壁92和94，分别代表断流器部分96和98，其尺寸配置为啮合弯折22和/或24。框54上包含多个孔或内凹连接器100。多个内凹连接器102在外围边缘90上形成，以在钩扣界面上啮合从内框50伸出的挂钩70，从而固定其间的方形蓄电池之一16。外框54和内框50上有开口，用于包住电池16的突出部分104，并夹住电池16的外围边缘部分106。每个电池16的突出部分之一104与板34摩擦啮合，而另一突出部分104则与另一电池16的突出部分104摩擦啮合，该电池由邻近的电池固定单元固定，如图7所示。
如图7所示，有一种装置或一层材料110，如泡沫或其他非坚硬高分子材料，夹在方形蓄电池16的突出部分104之间。装置110大体上覆盖方形蓄电池16的突出部分104。或者，装置110夹在电池16的外围边缘部分106与上框54之间，以用电池固定单元30固定装置110。由于电池固定单元30相互组装来形成电池组12，一个电池固定单元30的电池16置于邻近电池固定单元30的电池16附近，其中装置110夹在方形蓄电池16之间。由于要将电池固定单元30组合形成电池组12，装置110允许在典型的充电和放电状态下扩展和收缩方形蓄电池16，从而让电池16保持与散热片34的密切接触，达到电池组12和/或电池组件10内部的高效传热。
同样，另一外框56上有外围边缘112和侧壁114和116，分别代表断流器部分118和120，其尺寸配置为啮合弯折22和/或24。框56上包含多个孔或内凹连接器122。多个内凹连接器124在外围边缘112上形成，以啮合从内框52伸出的挂钩88，从而在钩扣界面上固定其间的方形蓄电池之一16。外框56和内框52上有开口，用于包住电池16的突出部分104，并夹住电池16的外围边缘部分106。
方形蓄电池16的突出部分之一104与板34摩擦啮合，而另一突出部分104则与另一电池16的突出部分104摩擦啮合，该电池由邻近的电池固定单元固定，如图7所示。外框54和56由高分子材料制成。精通该领域的技术人员将发现，可使用各类高分子材料制成框54和56，而不限于本发明的范围。框54和56可以不完全由高分子材料制成，挂钩和螺栓可在成型阶段放置，它们可以由非高分子材料制成。成型可以采用注射成型或浇铸成型。内框54和56使用的材料和形成方法仅用于示范，并不限制本发明的范围。
虽然本发明作为实施案例介绍，精通该领域的技术人员将明白，可以对本发明进行许多更改，并用等同物替代其中的许多单元，而不会偏离本发明的范围。此外，可以根据具体情况或为适应特定材料对此发明进行许多修改，而不会偏离本发明的范围。因此，本发明并不限于执行此发明最佳模式所公布的特定实施案例，本发明应包括所有属于随附权利要求范围内的实施案例。

Claims (11)

1.一种电池组件，包括：
至少一个电池组；
所述至少一个电池组的多个方形蓄电池，所述多个方形蓄电池中的每一个包含伸出至外围边缘部分的突出部分，一个正极，一个负极；
至少一个电池固定单元，在所述多个方形蓄电池中的两个方形蓄电池之间伸出并带有一对机械装置，所述装置之一与所述多个方形蓄电池中的一个机械啮合，另一所述装置与所述多个方形蓄电池中的另一个机械啮合，由此用所述电池固定单元锁定所述多个方形蓄电池，形成所述至少一个电池固定单元与所述多个方形蓄电池之间的接触，从而通过所述至少一个电池固定单元控制所述多个方形蓄电池的温度，其中所述一对机械装置包括第一对框和第二对框，且由至少一种导热材料制成的板夹在所述第一对框之间，其中所述第一对框中的每一个框包括外围边缘，多个外凸连接器从所述第一对框中的每一个伸出，多个内凹连接器位于所述第一对框中的每一个上，所述第一对框中的每一个至少包含一个伸出的螺栓，以与所述第一对框中的另一个中的所述内凹连接器之一机械啮合，由此夹住所述第一对框之间的所述板，其中所述第一对框的每一个框包含一对从所述每一个框的所述外围边缘伸出的引脚，以啮合至少一个所述正极和所述负极，其中所述第二对框中的每一个框包括外围边缘和多个在所述第二对框的每一个框中定义的内凹连接器，且所述第二对框的每一个框分别与所述第一对框机械啮合，以用所述板固定两个所述方形蓄电池，啮合各所述方形蓄电池的突出部分。
2.如权利要求1所述的电池组件，其特征是，所述第二对框至少由一种高分子材料和非高分子材料制成。
3.如权利要求2所述的电池组件，包括夹在所述电池固定单元之间的装置，允许在充电和放电状态下扩展和收缩所述方形蓄电池，由此让所述方形蓄电池保持与所述板的密切接触，实现高效传热。
4.如权利要求3所述的电池组件，其特征是，所述夹在所述电池固定单元之间的装置进一步由一层可扩展材料定义，此材料大体覆盖每个所述方形蓄电池的所述突出部分。
5.如权利要求4所述的电池组件，其特征是，所述层在所述方形蓄电池的所述外围边缘部分与所述第二对框之一之间均等分布。
6.一种电池组件，包括：
至少一个电池组；
所述至少一个电池组的多个方形蓄电池，所述多个方形蓄电池中的每一个包含伸出至外围边缘的突出部分，一个正极，一个负极；
一对传热单元，每个从所述多个方形蓄电池中的两个方形蓄电池之间伸出；
一对电池固定装置，将所述传热单元之一与所述多个方形蓄电池中的至少一块相连，每个电池固定装置包含第一对框和第二对框，每个框具有第一和第二机械连接器，用于在将所述第一机械连接器与所述第二机械连接器机械啮合时，将所述至少一块方形蓄电池与所述传热单元可移除地啮合，由此在所述第一对框和第二对框内锁定所述多个方形蓄电池中的至少一个并锁定至传热单元，所述传热单元是由至少一种导热材料制成的板，其中所述第一对框中的每一个包括外围边缘，多个外凸连接器从所述第一对框中的每一个伸出，多个内凹连接器位于所述第一对框中的每一个上，以及所述第一对框中的每一个至少包含一个伸出的螺栓，以与所述第一对框中的另一个中的所述内凹连接器之一机械啮合，由此夹住所述第一对框之间的所述板，其中所述第一对框的每一个框包含一对从所述每一个框的所述外围边缘伸出的引脚，以啮合至少一个所述正极和所述负极，其中第二对框的每一个包括外围边缘和多个在所述第二对框的每一个中定义的内凹连接器，且其中所述第二对框分别与所述第一对框机械啮合，以用所述板固定两个所述方形蓄电池，啮合两块所述方形蓄电池的突出部分。
7.如权利要求6所述的电池组件，其特征是，所述第二对框至少由一种高分子材料和非高分子材料制成。
8.如权利要求7所述的电池组件，包括夹在所述传热单元之间的装置，所述夹在所述传热单元之间的装置可在可扩展模式与可收缩模式之间切换，以在至少一块所述方形蓄电池在所述电池组的运行模式下扩展时，在所述方形蓄电池之间形成间隙。
9.如权利要求8所述的电池组件，其特征是，所述夹在所述传热单元之间的装置进一步由一层可扩展材料定义，此材料大体覆盖每个所述方形蓄电池的所述突出部分。
10.如权利要求9所述的电池组件，其特征是，所述层在所述方形蓄电池的所述外围边缘部分与所述第二对框之一之间均等分布。
11.一种电池组件，包括：
至少一个电池组；
组成所述至少一个电池组的多个方形蓄电池，所述多个方形蓄电池中的每一个包含伸出至外围边缘的突出部分，一个正极，一个负极；
一对传热单元，每个从所述多个方形蓄电池中的两个方形蓄电池之间伸出；
一对电池固定装置，将所述传热单元之一与所述多个方形蓄电池中的至少一个相连；
夹在所述传热单元之间的装置，所述夹在所述传热单元之间的装置可在可扩展模式与可收缩模式之间切换，以在所述多个方形蓄电池中的至少一块在所述电池组的运行模式下扩展时，在所述多个方形蓄电池之间形成间隙，所述夹在所述传热单元之间的装置进一步由一层可扩展材料定义，此材料大体覆盖所述多个方形蓄电池中的每一个的所述突出部分，所述层在所述方形蓄电池的外围边缘部分与第二对框之一之间均等分布，其中每个所述电池固定装置包含第一对框和第二对框，每个框有第一和第二机械连接器，用于在将所述第一机械连接器与所述第二机械连接器机械啮合时，将所述多个方形蓄电池中的至少一块与所述传热单元可移除地啮合，由此在所述第一对框和第二对框内锁定所述多个方形蓄电池中的至少一块并锁定至传热单元，其中所述传热单元是由至少一种导热材料制成的板，其中所述第一对框中的每一个包括外围边缘，多个外凸连接器从所述第一对框中的每一个伸出，多个内凹连接器位于所述第一对框中的每一个上，所述第一对框的每一个框至少包含一个伸出的螺栓，以与所述第一对框的另一个框上的所述内凹连接器之一机械啮合，由此夹住所述第一对框之间的所述板，其中所述第一对框的每一个框包含一对从所述每一个框的所述外围边缘伸出的引脚，以啮合至少一个所述正极和所述负极，其中所述第二对框包括外围边缘和多个在所述第二对框中定义的内凹连接器，且所述第二对框分别与所述第一对框机械啮合，以用所述板固定两个所述方形蓄电池，啮合两块所述方形蓄电池的突出部分。
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