CN102246331A - 具有优异散热性能的电池模块及其电池组 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种以多个板形电池单元依次堆叠在模块壳中的结构构造的电池模块，其中每个板形电池单元包括安装在电池壳中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，所述电池壳由包括树脂层和金属层的层压片形成，多个散热部件被安置在电池单元之间的两个或更多界面处，并且整体地互连散热部件的热交换部件被安装到电池单元堆的一侧，从而通过热交换部件移除在电池单元的充电和放电期间从电池单元产生的热。

Description

具有优异散热性能的电池模块及其电池组
技术领域
本发明涉及具有优异散热性能的电池模块及其电池组，并且更具体地说，涉及一种以多个板形电池单元依次堆叠在模块壳中的结构构建的电池模块，其中每个板形电池单元包括安装在电池壳中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，所述电池壳由包括树脂层和金属层的层压片形成，多个散热部件被安置在电池单元之间的两个或更多界面处，并且整体地互连散热部件的热交换部件被安装在电池单元堆的一侧。
背景技术
近来，能够充电和放电的二次电池被广泛地用作用于无线移动设备的电源。而且，二次电池已经受到了相当大的关注作为用于已经被开发用来解决由目前使用化石燃料的汽油和柴油车辆所导致的诸如空气污染的问题的电动车(EV)、混合电动车(HEV)以及插电式混合电动车(插电式HEV)的电源。
小型移动设备为每个设备使用一个或几个电池单元。另一方面，诸如车辆的中型或大型设备使用具有彼此电连接的多个电池单元的中型或大型电池模块，因为中型或大型设备需要高功率和大容量。
优选地，如果可能的话，以小尺寸轻重量来制造中型或大型电池模块。为此，能够以高集成度堆叠并具有小的重量容量比的柱形或袋形电池通常被用作中型或大型电池模块的电池单元(单体电池)。特别地，使用铝层压片作为套管部件的袋形电池目前引起了很大的兴趣，因为袋形电池重量轻，袋形电池的生产成本低，并且很容易改变袋形电池的形状。
构成这种中型或大型电池的电池单元是能够充电和放电的二次电池。因此，在电池的充电和放电期间，从高功率大容量的二次电池中产生大量的热。特别地，广泛用在电池模块中的每个袋形电池的层压片具有涂覆在其表面上的呈现低热传导的聚合物材料，结果难以有效地降低电池单元的整体温度。
也就是说，如果不能有效率地移除在电池模块充电和放电期间从电池模块生成的热，则热积聚在电池模块中，结果加速了电池模块的劣化。根据环境，电池模块可能起火或者爆炸。为此，对于作为高功率、大容量电池的用于车辆的电池组需要冷却系统来冷却安装在电池组中的电池单元。
通常通过以高集成度堆叠多个电池单元使得电池单元以预定间距相互隔开以移除在电池单元充电和放电期间从电池单元产生的热来制造安装在中型或大型电池模块中的每个电池模块。例如，电池单元可以依次堆叠，同时电池单元以预定间距相互隔开而没有额外的部件。另一方面，由于电池单元呈现低的机械强度，因此一个或多个电池单元被安装在盒内，并且多个盒被堆叠以构成电池模块。可以在堆叠的电池单元或者堆叠的电池模块之间形成冷却剂通道以有效地移除在电池单元或电池模块之间聚集的热。
然而，在这种结构中，需要提供对应于多个电池单元的多个冷却剂通道，结果电池模块的整体尺寸增加。
而且，当考虑电池模块的大小时，堆叠的电池单元越多，每个冷却剂通道的宽度就越窄。结果，设计冷却结构十分复杂。即，具有比冷却剂入口窄的宽度的冷却剂通道导致高压损失，结果很难设计冷却剂入口和出口的形状和位置。而且，可以进一步安装风扇来避免这样的压力损失。结果，在例如功率消耗、风扇噪声以及空间方面存在设计限制。
因此，对于以简单紧凑的结构制造提供高功率大容量电源的电池模块，并且电池模块具有优异的寿命和安全特性是十分必要的。
发明内容
技术问题
因此，做出本发明以解决上述问题，以及其他尚未解决的技术问题。
本发明的一个目标是提供以下述结构构造的电池模块，即最小化冷却剂通道的形成并通过传导实现传热，从而在抑制电池模块总体大小的增加的同时保持电池模块的整体温度，以减少温度偏差。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，上面的以及其他的目标能够通过提供以多个电池单元依次堆叠在模块壳中的结构构造的电池模块来实现，其中每个板形电池单元包括安装在电池壳中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，所述电池壳由包括树脂层和金属层的层压片形成，多个散热部件被安置在电池单元之间的两个或更多的界面处，并且整体地互连散热部件的热交换部件被安装在电池单元堆的一侧，由此通过热交换部件移除在电池单元充电和放电期间从电池单元产生的热。
通常，以下述结构构造电池模块，其中电池单元被堆叠为电池单元以预定间距相互隔开以形成冷却剂通道，并且空气流通过该空间(以空气冷却的形式)以防止电池单元过热。但是，不能获得足够的散热效果。
然而，在根据本发明的电池模块中，多个散热部件被安置在电池单元之间的两个或更多的界面处，并且整体地互连散热部件的热交换部件被安装在电池单元堆的一侧。因此，甚至在电池单元之间没有空间或者在电池单元之间的空间非常小的情况下，也可以以比传统冷却系统更高的效率来冷却电池单元堆，因此最大化电池模块的散热效率，并且以高集成度堆叠电池单元。
结果，根据本发明的电池模块能够使用以特定结构构建的散热部件和热交换部件通过传导有效地将从电池单元产生的热释放到外部。
在示例性实施例中，每个电池单元是轻重量的袋形电池，其具有安装在电池壳中的电极组件，所述电池壳由包括可热焊接的内树脂层、阻挡金属层和耐用的外树脂层的层压片形成。
在另一示例性实施例中，每个电池单元被安装在框架类型的电池盒中。该结构优选地适用于具有通过热焊接形成在其边缘处的密封部分的电池。
在上面的结构中，盒包括至少一对板形框架，用于在每个电池单元的至少一面被暴露的状态中固定每个电池单元的边缘，并且每个框架在其外表面处设置有弹性挤压部件，用于以紧密接触的方式将对应的散热部件固定到每个电池单元的暴露面。
因此，当堆叠其中安装了电池单元的多个盒，并且散热部件被安置在盒之间时，安装在框架的外表面处的弹性挤压部件增强了盒堆的结构稳定性，并确保散热部件有效地固定到盒堆。
因为每个盒包括至少一对板形框架，因此可能的是，在每个盒中不仅能够安装一个电池单元，而且在每个盒中可以安装两个或者更多电池单元。例如，在两个电池单元安装在每个盒中的结构中，在电池单元之间可以安装中间框架。结果，一个电池单元可以安装在上框架和中间框架之间，而另一个电池单元可以安装在中间框架和下框架之间。甚至在该情况下，散热部件能够接触各电池单元的外表面，从而通过热传导展现散热效果。
弹性挤压部件没有特别的限制，只要该弹性挤压部件安装在每个框架上，以在组装电池模块过程中固定对应的散热部件。例如，弹性挤压部件可以安装在每个框架的外表面的上下侧和/或左右侧。
因此，散热部件被安装在各框架的外表面的弹性挤压部件有效地紧密挤压，以改进散热部件到对应的框架的固定，因此，不需要使用额外的部件来固定散热部件。
根据环境，弹性挤压部件可以进一步安装到每个框架的内表面，接触每个电池单元的密封部分。
在示例性实施例中，每个电池单元被在每个电池单元的暴露面从对应的框架突出的状态中安装到框架，并且弹性挤压部件以高于每个电池单元的暴露面的突出高度的高度安装到框架的外表面。
即，形成为具有小于每个电池单元的高度的高度的框架仅固定每个电池单元的边缘，并且因此，能够有效地通过每个电池单元的突出的暴露面来实现散热。而且，当散热部件被安装在电池单元之间时，被安装为弹性挤压部件位于高于每个电池单元的突出的暴露面的高度的高度的弹性挤压部件可以以紧密接触的方式有效地将散热部件压靠电池单元的暴露面。因此，能够增加电池模块的整体机械强度，而没有增加使用散热部件的电池模块的尺寸。
安装在框架的外表面处的弹性挤压部件没有特别的限制，只要弹性挤压部件由当材料被挤压时提供弹性压力的材料制成。优选地，弹性挤压部件由呈现弹性物理性质的聚合物材料制成。该聚合物材料可以由于其自身材料性质或者其结构或形状性质而展现弹性力。前者的典型示例可以是橡胶，而后者的典型示例可以是泡沫结构的聚合物材料。
可以以各种方式将弹性挤压部件安装在框架处。为了更有效的固定，每个框架可以在其外表面处设置有凹槽，并且弹性挤压部件可以位于各凹槽中。
每个弹性挤压部件可以具有等于每个框架的宽度的10％或更多的宽度。如果每个弹性挤压部件的宽度远小于每个框架的宽度，则当安装弹性挤压部件时可能获得很少的效果。另一方面，如果每个弹性挤压部件的宽度远大于每个框架，则当弹性挤压部件被挤压为覆盖散热部件的相对较大的部分时，弹性挤压部件弹性地变形，结果散热效果降低。此外，弹性挤压部件可以突出到对应的框架之外。因此，只要不引起上述问题，当然的是，每个弹性挤压部件的宽度可以处于上面描述的范围之外。
同时，每个散热部件没有特别的限制，只要每个散热部件由导热材料制成。例如，每个散热部件可以由呈现高导热性的金属板形成。散热部件可以被安置在各电池单元之间的界面处，或者在一些电池单元之间的界面处。例如，当散热部件被安置在各电池单元之间的界面处时，每个电池单元在其对侧接触不同的散热部件。另一方面，当散热部件被安置在一些电池单元之间的界面处时，一些电池单元可以仅在每个电池单元的一侧处接触散热部件。
而且，热交换部件没有特别的限制，只要热交换部件由导热材料制成。优选地，热交换部件由呈现比其他材料更高的导热性和机械强度的金属材料制成。热交换部件连接到散热部件，因此，有效地实现了传热。
优选地，散热部件被在每个散热部件的至少一部分暴露在堆叠的电池单元的外部并且暴露的部分朝向电池单元的对应侧弯曲的状态中布置在电池单元之间的界面处。即，安置在电池单元之间的界面处的散热部件接收从各电池单元产生的热，并且将接收到的热容易地通过弯曲结构传递给热交换部件。从而，有效地实现了来自电池单元的热的发散。
使用诸如焊接和机械耦接的各种方法可以将热交换部件安装到散热部件的弯曲部分的顶部。从而，从各电池单元产生的热被传递到置于电池单元之间的散热部件，然后通过安装在电池单元堆的一侧处的热交换部件有效地移除。
优选地，热交换部件设置有一个或多个冷却剂通道，用于允许冷却剂从其流过。例如，允许诸如水的冷却剂从其流过的冷却剂通道可以形成在热交换部件中，从而与传统的空气冷却结构相比，以高可靠性提供优异的冷却效果。
具体地，热交换部件可以以下述结构构造，该结构包括：基座，散热部件紧密地连接于该基座的底部；连接到基座的相对侧，其具有形成为在纵向方向上穿过其中的冷却剂通道；以及在相对侧之间从基座向上延伸的多个散热鳍。
因此，从电池单元传递到散热部件的热被传导到基座的底部，并且不仅以水冷方式传递到流经形成为穿过相对侧的冷却剂通道的冷却剂，而且还以空气冷却的方式传递到散热鳍，从而有效地实现了来自电池单元热量的发散。
热交换部件没有特别的限制，只要热交换部件被安装在电池单元堆的一侧，用于容易地移除从各电池单元产生的热。优选地，热交换部件被安装在模块壳的上端上。因此，从各电池单元产生的热被以高效率从模块壳发散。
根据环境，模块壳可以在其上端设置有具有足以容纳热交换部件的大小的凹陷，并且安装在凹陷中的热交换部件可以具有等于或小于模块壳的上端的高度的高度。在制造具有高功率和大容量的中型或大型电池组时，该结构是优选的，因为即使当多个电池模块在热交换部件安装的方向上堆叠时，也不会由于该热交换部件而难以堆叠电池模块。
同时，中型或大型电池组使用多个电池模块以确保高功率和大容量。为了确保电池组的安全性，要求组成电池组的电池模块呈现更高的散热效率。
因此，根据本发明的另一个方面，提供一种通过基于期望的功率和容量组合电池模块制造的中型或大型电池组。
根据本发明的电池组包括多个电池单元以实现高功率和大容量。因此，电池组优选地被用作用于电动车、混合电动车或者插电式混合电动车的电源，在这些车辆中在电池单元的充电和放电过程中产生的高温是严重的安全问题。
特别地，对于需要高功率长时间通过电池组的电动车或者插电式混合电动车而言，需要高的散热。因此，在此方面，根据本发明的电池组更加优选地应用在电动车或者插电式混合电动车中。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，本发明的上述以及其他目标、特征和其他优点将更加容易理解，其中：
图1是示出板形电池单元的典型视图；
图2是典型地示出电池盒的平面图；
图3是在图2中所示的箭头A的方向上看的电池盒的垂直截面图；
图4是示出包括两个电池单元的电池盒的分解图；
图5是典型地示出图4的电池盒的平面图；
图6是示出以散热部件分别布置在电池盒之间的结构构造的电池模块的典型视图，在图2中湿了所述电池盒中的一个；
图7是示出图6的散热部件的典型视图；
图8是示出根据本发明的实施例的热交换部件附着到电池模块的一侧的结构的典型视图；
图9是典型地示出图8的热交换部件的放大图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述本发明的示范性实施例。但是，应该注意，本发明的范围不受示出的实施例的限制。
图1是示出板形电池单元的典型视图。
参考图1，板形电池单元100包括安装在电池壳110中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，所述电池壳由包括树脂层和金属层的层压片形成。电连接到电极组件的阴极端子120和阳极端子130分别从电池壳110的上端和下端向外突出。
图2是典型地示出根据本发明实施例的电池盒的平面图，并且图3是在图2中所示的箭头A的方向上看的电池盒的垂直截面图。
参考这些附图，电池盒200其中安装有板形电池单元100。电池单元100的电极端子120和130从电池盒200向外突出。
电池盒200包括一对板形框架300和300’，用于在电池单元100的相对侧被暴露的状态下固定电池单元100的相对侧边缘。
在框架300和300’的外表面的左侧和右侧，挤压部件310、320和310’、320’安装为挤压部件在纵向方向上彼此平行。
而且，电池单元100在电池单元100的暴露侧从框架300和300’突出的状态中被安装到框架300和300’。弹性挤压部件310、320和310’、320’以高于电池单元100的暴露侧的突出高度l的高度L安装到框架300和300’的外表面。因此，当包括散热部件(未示出)时，弹性挤压部件310、320和310’、320’可以向散热部件(未示出)施以弹性压力。而且，当散热部件被弹性挤压部件310、320和310’、320’有效地压靠电池单元的暴露侧时，散热部件(未示出)紧密接触电池单元100的暴露侧。因此，能够有效地实现散热而没有增加使用电池盒的电池模块的大小。
图4是典型地示出包括两个电池单元的电池盒的分解图，并且图5是典型地示出图4的电池盒的平面图。
参考这些附图，两个板形电池单元100和100’被在板形电池单元被堆叠的状态下安装在电池盒200’中。中间框架310被进一步安装在电池单元100和100’之间。其他部件与图2中的相同，因此，将不进行详细的描述。
即使当在散热部件接触各电池单元100和100’的外表面的状态下安装散热部件(未示出)时，该结构也通过热传导提供了优异的散热效果。因此，与图2的结构相比，通过安装在一对框架300和300’以及中间框架301处的弹性挤压部件310和320在散热部件紧密接触电池单元的状态下挤压散热部件。因此，能够在最小化电池模块大小的同时有效地实现散热。
图6是典型地示出以散热部件被分别布置在电池盒之间的结构构造的电池模块400的透视图，在图2中示出所述电池盒中的一个，并且图7是典型地示出图6的散热部件的透视图。
参考这些附图，8个盒200依次堆叠在电池模块400中。4个散热部件500安置在盒200之间的界面处，使得从盒200产生的热(准确的说，从安装在盒中的电池单元产生的热)被传递到散热部件500，因此实现好的散热效果。
安装到8个盒200的框架300的外表面的弹性挤压部件310和320协助散热部件500稳定地安装和固定到框架300。
同时，各散热部件510、520、530和540是呈现高导热性的金属板。各散热部件510、520、530和540的暴露部分511、521、531和541朝向盒200的相应侧弯曲。
因此，在电池单元的充电和放电期间从电池单元100产生的热被传递到插入在盒200之间的散热部件500，然后经热交换部件(未示出)释放到外面。因此，能够在以整体紧凑的结构构造电池模块的同时实现高的散热效率。
图8是示出根据本发明实施例的热交换部件附着到电池模块的一侧的结构的典型视图，并且图9是示出图8的热交换部件的典型视图。
参考这些附图以及图6，电池模块400具有安装在模块壳410中的多个盒200。盒200依次堆叠以形成盒堆，并且热交换部件600附着到盒堆的顶部。
具体地，热交换部件600安装在模块壳410的上端。热交换部件600包括基座610，散热部件500紧密连接到其底部；连接到基座610的相对侧620和620’，该相对侧620和620’具有在纵向方向上从其穿过的冷却剂通道621和622；以及在相对侧620和620’之间从基座610向上延伸的散热鳍630。
诸如水的冷却剂沿着冷却剂通道621和622流动，并且散热鳍630以预定间隔D相互隔开使得空气能够在散热鳍之间流动。因此，能够以高可靠性和优异的冷却效率移除从散热部件500传递的热。
尽管出于解释的目的公开了本发明的示范性实施例，但本领域技术人员应当理解，在不偏离如所附权利要求中公开的本发明的精神和范围的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。
工业应用
从上面的描述显然的是，根据本发明的电池模块以下述结构来构造，在该结构中加速来自电池单元的热发散的散热部件被安置在电池单元之间的界面处，并且整体地连接到散热部件的热交换部件附着到电池单元堆的一侧。因此，能够在最小化电池模块大小的增加的同时有效地将从电池单元产生的热释放到外面。
另外，可以通过对热交换部件添加水冷类型的冷却方法来进一步改善来自电池单元的热量的散失。这样高效的散热一致地控制各个电池单元的内部温度，并且最终，可以极大地提高电池单元的寿命和安全特性。

Claims (18)

1.一种以多个板形电池单元依次堆叠在模块壳中的结构构造的电池模块，其中每个板形电池单元包括安装在电池壳中的阴极/隔板/阳极结构的电极组件，所述电池壳由包括树脂层和金属层的层压片形成，多个散热部件被安置在所述电池单元之间的两个或更多界面处，并且整体地互连所述散热部件的热交换部件被安装到电池单元堆的一侧，从而通过所述热交换部件移除在所述电池单元的充电和放电期间从所述电池单元产生的热。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述层压片被构造为包括能够热焊接的内树脂层、阻挡金属层和耐用的外树脂层的结构。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其中每个电池单元被安装在框架类型的电池盒中。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其中所述盒包括至少一对板形框架，用于在每个电池单元的至少一侧被暴露的状态下固定每个电池单元的边缘，并且每个框架在其外表面设置有弹性挤压部件，用于以紧密接触的方式将对应的散热部件固定到每一个电池单元的暴露侧。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其中所述弹性挤压部件被安装到每个框架的外表面的上下两侧和/或左右两侧。
6.根据权利要求4所述的电池模块，其中每个电池单元在每个电池单元的暴露侧从对应的框架突出的状态下安装到所述框架，并且所述弹性挤压部件以高于每个电池单元的暴露侧的突出高度的高度安装到所述框架的外表面。
7.根据权利要求4所述的电池模块，其中所述弹性挤压部件由聚合物材料制成，所述聚合物材料在被挤压时提供弹性压力。
8.根据权利要求4所述的电池模块，其中每个框架在其外表面处设置有沟槽，并且所述弹性挤压部件位于各沟槽中。
9.根据权利要求1所述的电池模块，其中每个散热部件是呈现高导热性的金属板。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述热交换部件由呈现高导热性的金属材料制成。
11.根据权利要求1所述的电池模块，其中在每个散热部件的至少一部分暴露在堆叠的电池单元之外并且暴露部分朝向所述电池单元的对应侧弯曲的状态下，将所述散热部件布置在所述电池单元之间的界面处。
12.根据权利要求11所述的电池模块，其中所述热交换部件被安装到所述散热部件的弯曲部分的顶部。
13.根据权利要求11所述的电池模块，其中所述热交换部件设置有一个或多个冷却剂通道，用于允许冷却剂从其流过。
14.根据权利要求13所述的电池模块，其中以下述结构构造所述热交换部件，所述结构包括：基座，所述散热部件紧密连接到所述基座的底部；连接到所述基座的相对侧，所述相对侧具有在纵向方向从其穿过而形成的所述冷却剂通道；以及在所述相对侧之间从所述基座向上延伸的多个散热鳍。
15.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述热交换部件安装在所述模块壳的上端。
16.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述模块壳在其上端设置有凹陷，所述凹陷的大小足以容纳所述热交换部件，并且安装在所述凹陷中的所述热交换部件具有等于或小于所述模块壳的上端的高度的高度。
17.一种高功率并且大容量的中型或大型电池组，其基于期望的功率和容量包括两个或更多根据权利要求1至16中任何一项所述的电池模块。
18.根据权利要求17所述的中型或大型电池组，其中所述电池组被用作电动车、混合电动车或者插电式混合电动车的电源。
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