CN102576835A - 具有优异的结构稳定性的电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有如下结构的中大型电池模块：在该结构中，多个二次电池或多个单元模块被沿竖直方向堆叠，每个单元模块均内置有两个或更多个二次电池，其中，该电池模块包括：底板，所述多个单元模块在竖立状态下沿竖直方向堆叠在该底板上；一对端板，每个端板均具有固定在所述底板上的下端并与最外侧的单元模块的相应外表面紧密接触；以及支撑杆，该支撑杆将所述端板的顶侧或横向侧互连，以互连并支撑所述端板。为了分配从所述单元模块和支撑杆施加的压力(弯曲载荷)，每个端板均包括与该单元模块接触的主体以及从该主体的外周向外突出的顶壁、底壁和一对侧壁，其中，每个所述侧壁的厚度从所述顶壁向所述底壁逐渐增大。

Description

具有优异的结构稳定性的电池模块
技术领域
本发明涉及一种具有优异的结构稳定性的电池模块，更具体地，涉及如下一种中大型电池模块，其包括在竖立的同时被堆叠的多个二次电池或多个单元模块，每个所述单元模块中均安装有两个或更多个二次电池，所述电池模块包括底板、一对端板、以及支撑杆，其中，每个所述端板均包括：主体，该主体与所述多个单元模块中的相应一个单元模块接触；以及从所述主体的外周向外突出的顶壁、底壁和一对侧壁，每个所述侧壁的厚度均从所述顶壁向所述底壁逐渐增加，由此分散来自所述单元模块和所述支撑杆的压力(弯曲载荷)。
背景技术
使用诸如汽油和柴油等的化石燃料的车辆所引起的最大问题之一是产生了空气污染。作为解决上述问题的一种方法，使用能够充放电的二次电池作为车辆动力源的技术已经引起了相当大的关注。因此，已开发出仅使用电池而运行的电动车(EV)以及组合使用了电池和常规发动机的混合动力车(HEV)。一些电动车和混合动力电动车目前正在实用化。过去主要使用镍金属氢化物(Ni-MH)二次电池作为电动车(EV)和混合动力电动车(HEV)的动力源。然而，近年来，已经对锂离子二次电池的使用进行了尝试。
要用作电动车(EV)和混合动力电动车(HEV)的动力源的这种二次电池需要具有高功率和大容量。为此，多个小型二次电池(单元电池)彼此串联以形成电池模块。根据情形，多个小型二次电池(单元电池)彼此串联或并联以形成电池模块。
通常，这种电池模块具有用于保护各个单元模块的结构，每个所述单元模块中均安装有二次电池。根据车辆类型以及电池模块在车辆中的安装位置，电池模块的结构可以是各种各样的。用于有效固定大容量单元模块的结构之一是以支撑杆和端板为基础的。这种结构的优点在于：即使在向所述支撑杆施加载荷时，各个单元模块的移动也降至最小。然而，为此需要充分确保所述支撑杆和端板的强度。
特别地，对于与载荷施加方向垂直地放置的端板来说，由各个单元模块的重量产生的弯曲载荷被施加到该端板。因此，该端板必须具有用于适当地分配该弯曲载荷的结构。如果端板不具有用于适当地分配该弯曲载荷的结构，则端板的薄弱区域(例如端板的联接区域或端板的角部)可能会严重损坏。
例如，在角部33敞口的结构中(如图2的端板30中的情形)，端板30完全不能用于支撑弯曲载荷。因此，当所述支撑杆和单元模块的重量施加到图2的端板30上时，端板30将严重变形，结果，端板30的弯曲部被损坏。
与图2中的结构不同，在端板30a的角部35一体地相连以对图2的端板30进行弥补的结构中(如图3的端板30a中的情形)，端板30a的弯曲部并不发生损坏。然而，弯曲载荷集中于端板30a的联接区域37，结果，联接区域37被损坏。
而且，当电池模块安装在车辆的行李箱中时，由于车辆的布局设计，底板的一部分安装在备用轮胎的放置区域上方。也就是说，电池模块安装成非对称的结构。当来自路面的振动比较严重时，扭转载荷被施加到电池模块，并且该扭转载荷传递到所述端板，结果，该端板可能容易损坏。
因此，对于具有如下结构的竖直堆叠式电池模块具有高度的需求：该结构用于稳定地维持由单元模块堆叠而成的堆叠结构并适当地分散弯曲载荷，从而，即使在来自所述支撑杆和单元模块的压力被施加到所述端板时，所述端板的弯曲部或联接区域也不会损坏。
发明内容
技术问题
因此，为了解决上述问题及其他尚未解决的技术问题，已做出了本发明。
本发明的一个目的是提供一种电池模块，其中，端板被构造成如下的特定结构：在该结构中，当被施加了弯曲载荷时，端板并不变形并对应力具有增加的耐受性，从而稳定地维持由其内均安装有二次电池的单元模块堆叠而成的堆叠结构，并将所述端板的弯曲部或联接区域的损坏降至最小。
本发明的另一个目的是提供一种电池模块，其中，利用车辆形状的一部分来形成所述电池模块的结构的一部分，结果，所述电池模块能够稳定地安装在该车辆中，并且，所述电池模块在该车辆中占用的体积被降至最小。
技术方案
根据本发明的一个方面，可以通过提供如下的中大型电池模块来实现上述及其他目的，该电池模块包括在竖立的同时被堆叠的多个二次电池或多个单元模块，每个所述单元模块中均安装有两个或更多个二次电池，所述电池模块包括：底板，所述多个单元模块以竖立状态堆叠在该底板上；一对端板，所述端板设置成与最外侧的所述单元模块的外表面紧密接触，同时，所述端板的底部固定到所述底板；以及支撑杆，该支撑杆连接在所述端板的上部的两个相反侧或侧部的两个相反侧之间，以支撑所述端板，其中，每个所述端板均包括：主体，该主体与所述多个单元模块中的相应一个单元模块接触；以及从所述主体的外周向外突出的顶壁、底壁和一对侧壁，每个所述侧壁的厚度均从顶壁向底壁逐渐增大，由此分散来自所述单元模块和支撑杆的压力(弯曲载荷)。这里，“向外”是指与所述压力相反的方向，即与单元模块及支撑杆相对于所述端板的主体定位的方向相反的方向。
因此，在根据本发明的电池模块中，堆叠在所述底板上的多个单元模块通过所述端板而设置成彼此紧密接触，并且所述端板由支撑杆固定，从而防止这些单元模块在厚度方向上移动或膨胀。因此，能够提高电池模块的安全性并有效防止电池模块的性能下降。
而且，每个所述端板均包括：主体，该主体与所述多个单元模块中的相应一个单元模块接触；以及从所述主体的外周向外突出的顶壁、底壁和一对侧壁，每个所述侧壁的厚度均从顶壁向底壁逐渐增大。因此，能够把来自所述单元模块和支撑杆的压力(弯曲载荷)均匀分散到所述顶壁、底壁和侧壁。
在本发明中，每个单元模块均可以是二次电池或者是其内安装有两个或更多个二次电池的小型模块。以本申请的申请人的名义提交的韩国专利申请No.2006-12303中公开了其内安装有两个或更多个二次电池的这种单元模块的一个实例。在该专利申请的公开内容中，其单元模块被构造成如下结构：即，两个二次电池在它们彼此紧密接触的状态下安装到具有输入端子和输出端子的框架构件上。
以本申请的申请人的名义提交的韩国专利申请No.2006-20772和No.2006-45444中公开了这种单元模块的另一个实例。在这些专利申请的公开内容中，其单元模块被构造成如下结构：即，两个二次电池在它们彼此紧密接触的状态下被一对高强度电池盖覆盖。上述专利申请的公开内容在此通过引用的方式并入。当然，根据本发明的电池模块的每个单元模块的结构并不限于前述专利申请中公开的单元模块的上述实例。
在根据本发明的电池模块中，每个端板可以具有各种结构，以有效分散来自所述单元模块和支撑杆的弯曲载荷。
作为这种结构的一个实例，每个所述侧壁均可以构造成使得每个侧壁的外周形成为直线，并且，每个所述侧壁均形成为从侧面方向观察时近似为直角三角形的形状。
因此，在这种结构中，与每个侧壁均形成为从侧面方向观察时近似于长方形的结构(如图2和图3中的端板结构的情形)相比，能够更有效地支撑来自所述单元模块和支撑杆的弯曲载荷。
尽管未能精确地理解每个端板的形状有效地支撑所述弯曲载荷的原因，但考虑到稍后将描述的模拟结果，认为每个端板的角部应一体地形成，从而防止每个端板的弯曲部损坏，并且增大了每个端板的固定位置的面积，用于支撑所述弯曲载荷的每个侧壁的厚度从顶壁向底壁逐渐增大，每个侧壁均形成为从侧面方向观察时为直角三角形的形状，由此把集中于每个端板的联接区域上的载荷分散到所述侧壁和底壁。
作为这种结构的另一个实例，每个所述侧壁均可以构造成使得每个侧壁的外周形成为抛物线形状。在这种结构的每个端板中，每个侧壁的外周均形成为抛物线形状，因此，与每个侧壁的外周均形成为直线的结构相比，能够更缓慢地吸收来自所述单元模块和支撑杆的弯曲载荷。
在这种情况下，该抛物线的形状可以是各种各样的。例如，该抛物线形状可以包括从最外侧的相应一个单元模块的底侧角部向外凸的形状。对于构造成这种结构的每个端板来说，能够最大程度地限制电池模块体积的增大并最大程度地有效吸收弯曲载荷，因此，将每个端板构造成这种结构是特别优选的。
作为另一个实例，该抛物线形状可以包括朝向最外侧的相应一个单元模块的底侧角部向内凹的形状。
根据本申请的发明人进行的实验的结果，已经确认：与该抛物线形状包括从最外侧的相应一个单元模块的底侧角部向外凸的形状的情形相比，构造成这种结构的每个端板具有更大的应变，但与每个侧壁的外周均形成为直线的情形相比，构造成这种结构的每个端板则具有更小的应变。
根据情形，每个端板的每个侧壁的一部分外周可以被倒角。
每个所述端板均可以构造成使得每个端板的面积按照所述顶壁、侧壁和底壁的顺序增大。因此，在结构力学方面，能够容易地耐受来自所述支撑杆和单元模块的压力。
在上述结构中，每个所述侧壁均可以构造成使得每个侧壁的面积大于所述底壁的面积的40％但小于等于其90％。
如果每个侧壁的面积小于所述底壁的面积的40％，则每个侧壁难以支撑来自所述支撑杆和单元模块的弯曲载荷。另一方面，如果每个侧壁的面积大于所述底壁的面积的90％，则电池模块的总体体积会增大。
更优选地，每个所述侧壁均构造成使得每个侧壁的面积是所述底壁的面积的55％至75％。当每个侧壁的面积处于上述限定范围内时，能够最小化该电池模块的总体的体积增大并能够容易地支撑所述弯曲载荷。
在一优选实例中，每个所述侧壁均可以设置有加强部(beads)，以针对诸如扭转或振动等的外力呈现出更优异的耐久性或结构稳定性。这些加强部的形状不受特别限制，只要所述加强部能够提供针对外力的结构稳定性即可。例如，所述加强部可以包括：被形成为具有大的长宽比的、凹凸形状的条型加强部；凹陷型加强部；或凸起型加强部。
同时，在每个所述端板的主体的上部设置有一对通孔，各个支撑杆通过这一对通孔插入。因此，所述支撑杆通过端板的这些通孔插入，从而实现所述支撑杆与端板之间的方便联接。
根据情形，每个所述端板均可以构造成使得每个端板的外周被嵌边(filleted)，以防止应力集中。
因此，每个端板的外周被加工成具有这种嵌边结构，因此能够最小化每个端板的外周上的应力集中。
所述支撑杆可以连接在所述端板的上部的两个相反侧或所述端板的侧部的两个相反侧之间。
在所述支撑杆连接在所述端板的上部的两个相反侧之间的结构中，每个端板的顶壁可以从最外侧的相应一个单元模块的顶部向上突出，以将所述支撑杆安装到每个端板的主体。因此，所述支撑杆可以在位于所述单元模块上方的同时联接到所述端板。
每个所述端板的顶壁的向上突出高度可以是最外侧的相应一个单元模块的高度的2％至20％。如果每个端板的顶壁的向上突出高度小于最外侧的相应一个单元模块的高度的2％，则难以将所述支撑杆安装到所述端板，或者需要使用尺寸与此相应的支撑杆，结果，所述支撑杆的总体强度可能降低。另一方面，如果每个端板的顶壁的向上突出高度大于最外侧的相应一个单元模块的高度的20％，则电池模块的体积会过度增大，这是不优选的。
每个所述端板在每个端板的底壁与所述底板联接的结构中被固定到所述底板。因此，当外部冲击施加于所述端板时，能够防止这些端板从所述底板脱位(dislocated)。
例如，在每个端板的底壁的一部分处可以形成有一对联接孔，并且螺栓可以插入穿过这些联接孔，从而可以将所述端板固定到底板。替代地，所述端板与底板之间的联接可以通过焊接来实现。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述电池模块作为动力源的电动车、混合动力电动车或插电式混合动力电动车，它具有有限的安装空间并暴露于频繁的振动和强烈冲击下。
当然，用作车辆用动力源的电池模块可以基于所期望的功率和容量进行组合和制造。
在这种情况下，该车辆可以是电动车、混合动力电动车或插电式混合动力电动车，其中，该电池模块安装在所述车辆的行李箱中。
在本发明所属的技术领域中，使用电池模块作为动力源的电动车、混合动力电动车或插电式混合动力电动车是公知的，因此将不再给出其详细描述。
有利效果
从上文的描述中明显可见，根据本发明的电池模块被构造成如下的特定结构：在该结构中，当被施加了弯曲载荷时，所述端板并不变形并对应力具有增加的耐受性。因此，能够稳定地维持由其内均安装有二次电池的单元模块堆叠而成的堆叠结构，并能够将所述端板的弯曲部或联接区域的损坏降至最小。
而且，利用车辆形状的一部分来形成所述电池模块的结构的一部分。结果，所述电池模块能够稳定地安装在该车辆中，并且，所述电池模块在该车辆中占用的体积被降至最小。
附图说明
图1是示出了本发明一实施例的电池模块的透视图；
图2和图3是示出了常规的端板的透视图；
图4至图6是示出了本发明各个实施例的端板的透视图；
图7至图11是基于图2至图6中的端板结构、示出了联接区域处的应变的视图；并且
图12和图13是典型地示出了本发明其他实施例的端板的侧视图。
具体实施方式
现在，将参考附图来详细描述本发明的示例性实施例。然而，应当注意，本发明的范围不局限于所例示的实施例。
图1是透视图，典型地示出了根据本发明一实施例的电池模块。
参考图1，电池模块100包括：多个单元模块10，在每个所述单元模块10中均安装有二次电池；底板20；支撑杆40；以及一对端板30。
在单元模块10竖立的同时，这些单元模块10堆叠在所述底板的顶部上。端板30设置成与最外侧的单元模块10的外表面紧密接触，同时，端板30的底部固定到底板20。
支撑杆40连接在端板30的上部之间，以支撑所述端板30。
每个所述端板30均包括：主体32，该主体32与所述多个单元模块10中的相应一个单元模块10接触；以及从主体32的外周向外突出的顶壁34、底壁36和一对侧壁38。每个侧壁38均构造成使得每个侧壁38的厚度从顶壁34向底壁36逐渐增大。因此，来自单元模块10和支撑杆40的弯曲载荷从每个端板30的主体32被分散到侧壁38和底壁36。
每个端板30的底壁36均通过焊接而固定到底板20。
图4至图6是透视图，典型地示出了本发明各个实施例的端板。
首先，将与图1一起来参考图4，端板30b构造成使得每个侧壁38的外周形成为直线，并且，每个侧壁38均形成为当从侧面方向观察时近似为直角三角形的形状。
端板30b构造成使得该端板30b的面积按照顶壁34、侧壁38和底壁36的顺序增大。每个侧壁38的面积大约是底壁36的面积的60％。
此外，在端板30b的主体32的上部中形成有一对通孔302，以便支撑杆40能够通过这一对通孔302插入。端板30b的外周被嵌边，以有效防止来自支撑杆40和单元模块10的应力集中在端板30b的外周上。
端板30b的顶壁34从最外侧的单元模块10的顶部向上突出，同时该顶壁34的向上突出高度等于最外侧的单元模块10的高度H的10％，从而支撑杆40能够容易地安装到端板30b的上部的两个相反侧。
接下来，与图1一起来参考图5，端板30c构造成使得每个侧壁38的外周均形成为朝向最外侧的单元模块10的底侧角部向内凹的抛物线形状。
最后，与图1一起来参考图6，端板30d构造成使得每个侧壁38的外周均形成为从最外侧的单元模块10的底侧角部向外凸的抛物线形状。
图2至图6中的端板被如图1所示地固定到电池模块，并针对应变和最大应力进行模拟，以确认基于图2至图6中的端板结构的联接区域处的应变。
图7至图11中示出了端板的准确尺寸和形状，这些图还示出了应力分布。此外，下面的表1指出了假设基于图2中的端板30的结构的应变和最大应力(图7)为100.00％时、基于图3至图6中的端板结构的相对应变和最大应力(图8至图11)。
<表1>
  端板的结构   应变(相对值)   最大应力(相对值)
  图2所示的结构   100.00％   100.00％
  图3所示的结构   71.10％   91.80％
  图4所示的结构   1.84％   11.20％
  图5所示的结构   1.91％   11.30％
  图6所示的结构   1.80％   11.20％
从图7至图11中可见，图2的端板30和图3的端板30a一般在主体的下部、每个侧壁的下部以及底壁处呈现出高的应力分布。特别地，在底壁与底板联接的底壁区域处出现非常高的应力分布。具有高的应力分布的该区域在被施加外力时可能容易破裂。
另一方面，表1表明：图4的端板30b具有1.84％的应变和11.20％的最大应力，这比图2和图3中的端板30和30a的应变和最大应力要低得多。
而且，可以看出，图6中的端板30d具有1.80％的应变和11.20％的最大应力，并且图6中的端板30d的应变低于图4和图5中的端板30b和30c的应变。
下面的表2中示出了图4至图6中的端板在相同模拟条件下的对比值。这些对比值是假设基于图4中的端板30b结构的应变和最大应力(图7)为100.00％时、基于图5和图6中的端板结构的相对应变和最大应力(图10和11)。
<表2>
  端板的结构   应变(相对值)   最大应力(相对值)
  图4所示的结构   100.00％   100.00％
  图5所示的结构   104.20％   101.10％
  图6所示的结构   97.92％   99.67％
从上表2可见，图6中的端板30d具有97.92％的应变和99.67％的最大应力，这低于图4和图5中的端板30b和30c的应变和最大应力。虽然不可能精确地确定端板的每个侧壁的形状与应变(和最大应力)之间的关系，但可以看出，在支撑来自图1所示的电池模块的支撑杆和单元模块的弯曲载荷方面，图6中的端板30d最为优异。因此，通过仅局部地改变端板的每个侧壁(侧壁的厚度从顶壁向底壁逐渐增大)的形状，就能够减少应变和最大应力，这是出乎意料的结果。
图12是侧视图，典型地示出了根据本发明另一实施例的端板。
除了侧壁38e的外周31e的一部分被倒角之外，图12中的端板30e在结构方面与图4至图6中的端板30b、30c、30d相同，因此不再给出其详细描述。
图13是侧视图，典型地示出了根据本发明另一实施例的端板。
图13中的端板30f的特征在于：在每个侧壁38f处形成有加强部39，以便针对诸如扭转或振动等的外力呈现出更优异的耐久性或结构稳定性。
加强部39可以形成在每个侧壁38f的整个表面上，或局部地形成在每个侧壁38f的表面处。而且，加强部39可以包括被形成为具有大的长宽比的、凹凸形状的条型加强部39a。替代地，加强部39也可包括多个独立的凹陷型加强部39b或多个独立的凸起型加强部(未示出)。当然，加强部39也可以构造成其他各种形状。
尽管已出于说明性目的公开了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将会理解，在不偏离所附权利要求中公开的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变型、添加和替换。

Claims (17)

1.一种中大型电池模块，其包括在竖立的同时被堆叠的多个二次电池或多个单元模块，每个所述单元模块中均安装有两个或更多个二次电池，所述电池模块包括：
底板，所述多个单元模块以竖立状态堆叠在所述底板上；
一对端板，所述端板设置成与最外侧的单元模块的外表面紧密接触，同时，所述端板的底部固定到所述底板；以及
支撑杆，所述支撑杆连接在所述端板的上部的两个相反侧或所述端板的侧部的两个相反侧之间，以支撑所述端板，
其中，每个所述端板均包括：主体，所述主体与所述多个单元模块中的相应一个单元模块接触；以及从所述主体的外周向外突出的顶壁、底壁和一对侧壁，每个所述侧壁的厚度从所述顶壁向所述底壁逐渐增大，由此分散来自所述单元模块和所述支撑杆的压力(弯曲载荷)。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述侧壁被构造成使得每个侧壁的外周均形成为直线，并且，每个所述侧壁均形成为当从侧面方向观察时近似为直角三角形的形状。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述侧壁被构造成使得每个侧壁的外周均形成为抛物线形状。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其中，所述抛物线形状包括从最外侧的相应一个单元模块的底侧角部向外凸的形状。
5.根据权利要求3所述的电池模块，其中，所述抛物线形状包括朝向最外侧的相应一个单元模块的底侧角部向内凹的形状。
6.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述端板均构造成使得每个端板的面积按照所述顶壁、所述侧壁和所述底壁的顺序增大。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其中，每个所述侧壁均构造成使得每个侧壁的面积大于所述底壁的面积的40％但小于等于其90％。
8.根据权利要求7所述的电池模块，其中，每个所述侧壁均构造成使得每个侧壁的面积是所述底壁的面积的55％至75％。
9.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述侧壁均设置有加强部，以提高针对外力的结构稳定性。
10.根据权利要求9所述的电池模块，其中，所述加强部包括：被形成为具有大的长宽比的、凹凸形状的条型加强部；凹陷型加强部；或凸起型加强部。
11.根据权利要求1所述的电池模块，其中，在每个所述端板的主体的上部处均设置有一对通孔，各个所述支撑杆通过所述通孔插入。
12.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述端板均构造成使得每个端板的外周被嵌边，以防止应力集中。
13.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述端板的顶壁从最外侧的相应一个单元模块的顶部向上突出，以将所述支撑杆安装到每个所述端板的主体。
14.根据权利要求13所述的电池模块，其中，每个所述端板的顶壁的向上突出高度是最外侧的相应一个单元模块的高度的2％至20％。
15.根据权利要求1所述的电池模块，其中，每个所述端板在每个端板的底壁与所述底板联接的结构中被固定到所述底板。
16.一种电动车、混合动力电动车或插电式混合动力电动车，其使用根据权利要求1所述的电池模块作为动力源。
17.根据权利要求16所述的电动车、混合动力电动车或插电式混合动力电动车，其中，所述电池模块安装在车辆的行李箱中。
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