CN102237548A - 具有内置液冷结构的组合电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有内置液冷结构的组合电池，包括电极、电解液，还包括：1)电芯仓，采用类管壳式结构，包括电芯仓壳体、两个管板以及两个管板之间的电池卷芯容纳管，连接在电芯仓壳体上的冷却剂接管，以及置于所述卷芯容纳管内的电池卷芯；2)电池外壳，且电池外壳上有电极孔和冷却剂接管孔，电极从电极孔中穿过，冷却剂接管从冷却剂接管孔穿过，电芯仓置于电池外壳中。本发明的具有内置液冷结构的组合电池，能对电池卷芯容纳管内的电芯有非常好的制冷效果。

Description

具有内置液冷结构的组合电池

技术领域

本发明涉及电池，尤其是锂离子二次电池。

背景技术

动力电池一般指具有较高的容量和一定的输出功率密度的电池，可用作电动车辆等运输工具的驱动电源和混合动力电源类电池使用。部分动力电池经过设计改进，通常也能应用做为蓄能电池，包括电网的调峰蓄能电池装置。另外也可用作通讯站的备用电源等。

近年来，锂离子二次电池展现了做为未来的动力电池的美好前景。但是由于锂离子二次电池的结构及原理，锂离子二次电池在使用过程中常因内阻产生较大热量，特别是在大电流放电时，产生的热量更大，因此如果不能从根本上解决锂离子二次电池的热管理问题，将存在安全隐患，并影响电池的使用寿命，直接影响其推广应用。

在锂离子二次电池热管理中，让锂离子二次电池快速降温以及保证电池温度的均一性是主要目标。

如今，圆柱型锂离子二次电池的制备已经拥有比较成熟的工艺和标准，但是将圆柱型锂离子二次电池做为动力电池组使用时，因为圆柱形电池的自身结构特点使得电池冷却是一个比较难以解决的问题，尤其是液冷方式很难在实践中很好的实现。

发明内容

在现有技术里，圆柱型锂离子二次电池普遍使用气体在电池外部进行冷却的方法效率低、冷却效果不好。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有内置液冷结构的组合电池，它包括一种传热面积大、传导速度快的内置式液冷结构设计。本发明所提供的具有内置液冷结构的组合电池包括电极、电解液，其特征在于，还包括：

1)、电芯仓，采用类管壳式结构，包括电芯仓壳体、两个管板以及两个管板之间的电池卷芯容纳管，连接在电芯仓壳体上的冷却剂接管，以及置于所述卷芯容纳管内的电池卷芯；和

2)、以下a、b、c三种结构中的其中一种：

a、电池外壳，且电池外壳上有电极孔和冷却剂接管孔，电极从电极孔中穿过，冷却剂接管从冷却剂接管孔穿过，电芯仓置于电池外壳中，或者

b、电池卷芯容纳管箱，且电池卷芯容纳管箱上有电极孔，电极从电极孔中穿过，电芯仓与电池卷芯容纳管箱密封连接，或者

c、电池卷芯容纳管封口板，电池卷芯容纳管封口板上有电极孔，电极从电极孔中穿过，电芯仓与电池卷芯容纳管封口板密封连接。

上述电芯仓采用类管壳式结构。目前常见的采用管壳式结构的装置包括比如附图1所示的管壳式换热器。管壳式换热器100(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面做为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料(主要是金属材料)制造，能在高温、高压下使用。其结构由壳体101、传热管束102、管板103、折流板(挡板)104、接管106和管箱105等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体110；另一种在管外流动，称为壳程流体111，壳程流体从接管106流入或者流出；管程流体和壳程流体在完全不相通的两个封闭空间内各自流动，不会互相渗透。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。

目前尚未发现类似管壳式换热器的结构应用于任何电池及其相关领域中。

在本发明的其中一种实施方式中，整个电池的结构类似于管壳式换热器，其中电芯仓壳体似于管壳式换热器的壳体，电池卷芯容纳管似于管壳式换热器的传热管束，冷却剂接管3似于管壳式换热器的接管，电池卷芯容纳管箱似于管壳式换热器的管箱。在本发明中的电池中，虽然采用了类管壳式的结构，但是，在电池卷芯容纳管内放置了卷绕电芯，实际上发生的是卷绕电芯和冷却剂之间的热交换。另外，在管程内的电解液也是封闭不流动的。

上述电池的电芯仓壳体和电池卷芯容纳管箱都优选使用方形体，以便于电池的组装和放置。

电芯仓壳体材料优选使用传热性好的材料制造，例如铜、不锈钢、铝等金属材料，特别优选质量轻、传热好的铝合金材料。

电池卷芯容纳管箱可以使用金属或者非金属材料制造，优选使用不导电而且在电解液中稳定的高分子有机材料，如PE、PP、ABS、PVC、PS等。

电池卷芯优选使用圆柱形电池卷芯，相应地，电池卷芯容纳管优选使用圆管。

电芯仓与电池卷芯容纳管箱在密封连接以后，电解液存在于电池卷芯容纳管以及电池卷芯容纳管箱中。

电池卷芯容纳管箱上设置电极孔，使电池的电极与电池内部的卷芯极耳连接，从而将电流从电池内部导出。

当电池中置入的卷绕电芯超过两个或者更多，还可以根据需要选择增设电流集流体将卷绕电芯并联起来，然后将集流体再与电极相连。值得注意的是：如果电芯仓或者电池卷芯容纳管箱使用金属材料制备而成，集流体、电极都要避免与电芯仓、电池卷芯容纳管箱直接接触而不致短路。在本发明中，优选电芯仓使用金属材料制备，同时电池卷芯容纳管箱使用不导电高分子有机材料，在集流体上与电芯仓靠近的一侧增设一层不导电层，比如不导电的高分子有机材料。

由于电极从电极孔中穿出，为了保证电池外壳内的密封性，电极和电极孔之间可以使用胶封、放置密封圈等常见方法来进行密封。

在本发明的另一种实施方式中，上述的电池卷芯容纳管箱被电池卷芯容纳管封口板所取代。所述的电池卷芯容纳管封口板从本质上只是电池卷芯容纳管箱的特殊变形：是一个设置有电极孔的挡板，其功能和电池卷芯容纳管箱是一致的。

在本发明的第三种实施方式中，电芯仓与管壳式换热器的结构区别较大。在这种实施方式中，使用了电池外壳而不是电池卷芯容纳管箱，所述电芯仓置于电池外壳中。

上述的电芯仓壳体和电池外壳也优选使用方形体，以便于电池的组装和放置。电芯仓壳体材料优选使用传热性好的材料制造，例如铜、不锈钢、铝等金属材料，特别优选铝合金材料。电池外壳可以使用金属或者非金属材料，优选使用不导电而且在电解液中稳定的高分子有机材料，如PE、PP、ABS、PVC、PS等。

电池卷芯优选使用圆柱形电池卷芯，相应地，电池卷芯容纳管优选使用圆管。

电芯仓置于电池外壳中时，电解液存在于卷芯容纳管内以及电池外壳与电芯仓之间的空隙中。

电池外壳设置电极孔使电池的外电极能与电池内部的卷芯极耳连接，从而将电流从电池内部导出。

当电池中置入的卷绕电芯超过两个或者更多，还可以根据需要选择增设电流集流体将卷绕电芯并联起来，然后将集流体再与电极相连。值得注意的是：如果电芯仓或者电池外壳使用金属材料制备而成，集流体和电极都要避免和电芯仓和外壳直接接触而不致短路。在本发明中，优选电芯仓使用金属材料制备，电池外壳使用不导电高分子有机材料，在集流体上与电芯仓靠近的一侧增设一层不导电层，比如不导电的高分子有机材料。

电池外壳的冷却剂接管孔设置使得冷却剂接管将冷却剂导出或者导入电池仓壳体，从而达到给电池进行充分的冷却。优选的冷却剂包括气体或者液体，其中，气体冷却剂可以是冷空气，液体冷却剂可以是各种常用的液体冷却剂。冷却剂接管可外接冷却剂输送总管，总管和冷却剂泵连接。

由于电极和冷却剂接管分别从电极孔和冷却剂接管孔中穿出，为了保证电池外壳内的密封性，电极和电极孔之间、冷却剂接管和冷却剂接管孔之间可以使用胶封、放置密封圈等常见方法来进行密封。

本发明的具有内置液冷结构的组合电池，巧妙的将大化工生产中常用的管壳式换热器设计理念的精髓引入到电池结构设计中，并做出与电池相适应的创造性的改进设计。由于在电芯仓的壳程内使用循环气体或者液体冷却剂，从而能对电池卷芯容纳管内的电芯有非常好的制冷效果。这解决了长期以来圆柱形动力电池液冷式冷却设计困难的技术难题。

其次，本发明提供的具有内置液冷结构的组合电池可由多个卷绕电芯组成，因此单体电池电容量大，有效的提高了电池的体积能量密度。

再次，本发明提供的具有内置液冷结构的组合电池，卷芯极耳与集流体之间的电连接可以采用常规的焊接技术，而避免采用目前单卷绕电芯电池所使用的点焊技术，这种点焊技术使得单卷绕电芯的极耳和电极之间的连接面小、电阻大而且很难保证百分之百的成功率。因此，本发明提供的具有内置液冷结构的组合电池结构能够支持电芯大倍率放电，特别适合做高功率电池使用，非常适用于动力电源领域，比如电动汽车等。

附图说明

图1是一种管壳式换热器的示意图。

图2是本发明实施例1中的电芯仓示意图。

图3图2所示电芯仓的剖面图。

图4是本发明实施例1中装有卷绕电芯的电芯仓示意图。

图5是本发明实施例1中装有卷绕电芯和集流体的电芯仓示意图。

图6是本发明实施例1中使用的集流体局部放大图。

图7是本发明实施例1中使用的电池外壳示意图。

图8是本发明实施例1中电池整体示意图。

图9是本发明实施例2中的电池分解图。

图10是本发明实施例2中的电池整体示意图。

具体实施方式

下面参照上述附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1

如附图2至附图8所示，电池的结构也类似于管壳式结构，它包括电极、电解液，还包括电芯仓20和电池外壳30。

如附图2、3所示，其中电芯仓20采用类管壳式结构，包括：电芯仓壳体201、两个管板207以及两个管板之间的电池卷芯容纳管202，连接在电芯仓壳体上的冷却剂接管203。电芯仓壳体类似于管壳式换热器的壳体，电池卷芯容纳管类似于管壳式换热器的传热管束，冷却剂接管类似于管壳式换热器的接管。

当卷芯容纳管内放置圆柱形电池卷芯208时，如附图4所示。

如附图5所示，在本实施例中，还使用了集流体209将电芯连接在一起。如附图6所示，

在集流体209与电芯仓靠近的一侧垫了一层PP塑料层212，防止集流体209和电芯仓20接触。此外，集流体上还焊接有电极206。

如附图7所示，电池外壳30由主体和盖子两部分组成，电池外壳30上还有电极孔216和冷却剂接管孔213。

如附图8所示，当电芯仓20置于电池外壳30中，冷却剂接管203从所述冷却剂接管孔213穿过。电极206从电极孔216中穿过。为了保证电池外壳内的密封性，电极和电极孔之间可以使用胶封、放置密封圈等常见方法来进行密封。

在本实施例中，电芯仓使用铝合金材料通过常规的铸造、焊接技术制造而成；电池外壳使用PP塑料一次成型。

实施例2

如附图9、10所示，电池的结构十分类似于管壳式换热器，它包括电极、电解液，还包括电芯仓20和两个电池卷芯容纳管箱40。

其中电芯仓采用与实施例1基本相同的结构，包括：电芯仓壳体、两个管板以及两个管板之间的电池卷芯容纳管、连接在电芯仓壳体上的冷却剂接管。电芯仓使用铝合金材料通过常规的铸造、焊接技术制造而成。

如附图9、10所示，在电芯仓两个管板的一侧都密封连接了电池卷芯容纳管箱40，且电池卷芯容纳管箱40使用PP塑料一次成型。电池卷芯容纳管箱40上还设置有一个电极孔401。

为了保证电池外壳内的密封性，电极和电极孔之间可以使用胶封、放置密封圈等常见方法来进行密封。电芯仓和电池卷芯容纳管箱之间的连接也可以使用密封圈、胶封等方法增加密封性。

值得注意的是，任何对本发明中所要求保护的方案中所涉及的元器件和方案的明显的置换和变换，比如电芯仓、电池卷芯容纳管箱或者电池外壳的材料、形状、尺寸的变换，或者是在电芯仓、电池卷芯容纳管箱上增设其它设备，或者制备本发明所要求保护的物件的方法，都应该视同已经被本发明所披露或者已经包括在本发明要求保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种具有内置液冷结构的组合电池，包括电极、电解液，其特征在于，还包括：

1)、电芯仓，采用类管壳式结构，包括电芯仓壳体、两个管板以及两个管板之间的电池卷芯容纳管，连接在电芯仓壳体上的冷却剂接管，以及置于所述卷芯容纳管内的电池卷芯；和

2)、以下a、b、c三种结构中的其中一种：

a、电池外壳，且电池外壳上有电极孔和冷却剂接管孔，电极从电极孔中穿过，冷却剂接管从冷却剂接管孔穿过，1)中所述电芯仓置于电池外壳中，或者

b、电池卷芯容纳管箱，且电池卷芯容纳管箱上有电极孔，电极从电极孔中穿过，1)中所述的电芯仓与电池卷芯容纳管箱密封连接，或者

c、电池卷芯容纳管封口板，电池卷芯容纳管封口板上有电极孔，电极从电极孔中穿过，1)中所述的电芯仓与电池卷芯容纳管封口板密封连接。

2.根据权利要求1所述的具有内置液冷结构的组合电池，其特征在于，电池卷芯使用圆柱形电池卷芯，电池卷芯容纳管为圆管。

3.根据权利要求2所述的具有内置液冷结构的组合电池，其特征在于，所述的电芯仓壳体材料使用金属材料制造，电池卷芯容纳管箱使用在电解液中稳定的高分子有机材料制造。

4.根据权利要求3所述的具有内置液冷结构的组合电池，其特征在于，还设置了电流集流体将卷绕电芯并联起来，集流体与电极相连。

5.根据权利要求4所述的具有内置液冷结构的组合电池，其特征在于，在集流体上与电芯仓靠近的一侧设有一层不导电层。

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