CN104285315A - 具有高效冷却结构的电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池模块，包括：电池单元，该电池单元被顺序地堆叠并且能够被充电和放电；盒夹，该盒夹固定电池单元的各自的外周表面以形成电池单元层压结构；以及传热构件，该传热构件被布置在电池单元之间，其中其外周表面的全部或者部分被固定到盒夹。根据本发明的电池模块被构造成使得在电池单元中产生的热所传导到的传热构件被联接到盒夹，使得同时地固定和冷却电池单元，从而能够提高冷却效率，能够缩小尺寸，并且能够提高电池单元的结构稳定性。

Description

具有高效冷却结构的电池模块
技术领域
本发明涉及一种电池模块，该电池模块包括：可充电和放电的电池单元，其在堆叠状态下被顺序地布置；盒夹(cartridges)，其固定相应的电池单元的边缘以形成电池单元的堆叠结构；和传热构件，其被安装在各个电池单元之间，该传热构件的边缘被部分地或者整体地固定到各自的盒夹。
背景技术
近来，能够充电和放电的二次电池已广泛用作无线移动设备的能量源。另外，作为电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)以及插电式混合动力电动车辆(插电式HEV)的动力源，二次电池已经引起了相当大的关注，已经开发了上述这些车辆来解决现有的使用化石燃料的汽油车和柴油车引起的问题，例如空气污染。
小型移动设备中的每个设备使用一个或数个电池单元。另一方面，因为诸如车辆等的中大型设备需要高输出和大容量，所以这些中大型设备使用具有彼此电连接的多个电池单元的中大型电池模块。
优选地，中大型电池模块被制造成具有尽可能小的尺寸和重量。因此，通常使用能够以高的集成度进行堆叠并具有小的重量/容量比的棱形电池或袋状电池来作为该中大型电池模块的电池单元(单元模块)。特别地，较多关注点集中于使用铝制层压片作为包覆构件(sheathing member)的袋状电池，因为袋状电池的重量轻，袋状电池的制造成本低，并且容易修改袋状电池的形状。
组成这样的中大型电池模块的电池单元可以是能够被充电和放电的二次电池。因此，在电池的充电和放电期间从这样的高输出、大容量的二次电池产生大量的热。特别地，在电池模块中广泛使用的各个袋状电池的层压片的表面上被涂覆有呈现低导热性的高分子材料，因此难以有效地降低电池单元的整体温度。
如果从电池模块没有有效地去除在电池模块的充电和放电期间从电池模块产生的热，则热积累在电池模块中，因此电池模块的劣化被加速。根据情形，电池模块可能着火或者爆炸。为此，高输出、大容量的电池组需要冷却系统以冷却被安装在其中的电池单元。
通常通过以高集成度堆叠多个电池单元来制造被安装在中大型电池组中的各个电池模块。在这样的情况下，电池单元被以如下状态堆叠，其中电池单元以预定的间隔被布置，以使在电池单元的充电和放电期间产生的热能够被去除。例如，电池单元可以如下状态被顺序地堆叠，其中电池单元以预定的间隔被布置，而不使用附加的构件。可替选地，在其中电池单元具有低机械强度的情况下，一个或者多个电池单元可以被安装在盒夹中，并且多个盒夹可以被堆叠以组成电池模块。冷却剂通道被限定在被堆叠的电池单元之间或者在被堆叠的电池模块之间，使得在被堆叠的电池单元之间或者在被堆叠的电池模块之间积累的热被有效地去除。
然而，在此结构中，有必要提供与多个电池单元相对应的多个冷却剂通道，因此电池模块的整体尺寸被增加。
另外，考虑到电池模块的尺寸，冷却剂通道之间的间隔因多个电池单元被堆叠而相对变窄。结果，冷却结构的设计被复杂化。即，以比冷却剂入口窄的间隔布置的冷却剂通道引起高的压力损耗，因此难以设计冷却剂入口和冷却剂出口的形状和位置。此外，风扇可以进一步被设置以防止这样的压力损耗。然而，在这样的情况下，设计可能由于功率消耗、风扇噪声、空间等等而受到限制。
因此，存在对于如下电池模块的高度需求，该电池模块能够被制造成具有简单和紧凑的结构，同时基于高的冷却效率提供高输出、大容量电力并且呈现优异的寿命特性和稳定性。
发明内容
技术问题
因此，已经提出了本发明，以解决上述问题和其它尚未解决的技术问题。
本发明的目的是提供一种电池模块，通过最小化用以冷却电池模块的组件的增加来提高该电池模块的制造效率，并且该电池模块被构造成具有紧凑结构且该紧凑结构具有结构稳定性。另外，本发明的另一目的是提供一种包括传热构件的电池模块，该传热构件被构造成具有有效地从电池单元去除热的结构。
技术解决方案
根据本发明的一个方面，通过如下电池模块的供应能够完成以上和其它目的，该电池模块包括：可充电和可放电的电池单元，该可充电和可放电的电池单元在堆叠状态下被顺序地布置；盒夹，该盒夹固定相应的电池单元的边缘以形成电池单元的堆叠结构；和传热构件，该传热构件被安装在各个电池单元之间，该传热构件的边缘被部分地或者整体地固定到相应的盒夹。
通常，在其中冷却结构被包括在电池模块的情况下，多个组件被添加并且制造工艺被复杂化。结果，电池模块的体积和生产成本被大大地增加。
因此，在本发明中，通过将从电池单元产生的热所传导到的传热构件联接到盒夹而不添加附加的冷却相关部件来构造该电池模块，这不同于被布置在电池单元之间并且固定电池单元的边缘的盒夹，从而提高了冷却效率并且减少电池模块的尺寸，以具有紧凑的结构。
另外，传热构件位于各个电池单元之间，从而提高了电池单元的结构稳定性。
优选地，各个电池单元是板状电池单元，该板状电池单元在有限的空间中提供高堆叠率。板状电池单元可以被堆叠使得各个板状电池单元的一个主表面面向相邻的板状电池单元的相对应的主表面，或者使得各个板状电池单元的相对的主表面面向相邻的板状电池单元的相对应的主表面。
例如，各个电池单元可以是袋状电池单元，该袋状电池单元被构造成具有如下结构，其中电极组件被安装在由包括树脂层和金属层的层压片形成的电池壳体中。
具体地，各个电池单元是袋状二次电池，其中，阴极/分隔物/阳极结构的电极组件与密封状态下的电解质一起被布置在电池壳体中。例如，各个电池单元可以是板状电池单元，该板状电池单元被构造成具有近似于六面体的结构且具有小的厚度-宽度比。通常，袋状电池单元包括袋状电池壳体。电池壳体被构造以具有层压片结构，其中由聚合体树脂形成呈现高耐久性的外涂覆层、由金属材料形成阻挡湿气或者空气的阻挡层、以及由可热焊接的聚合体树脂形成的内密封层被顺序地堆叠。
袋状电池单元的电池壳体可以被构造以具有各种结构。例如，袋状电池单元的壳体可以被构造以具有下述结构，其中，电极组件被容纳在被形成在双单元构件的内上表面和/或内下表面处，并且通过热焊接密封电池壳体的边缘的上和下接触区域。在已经以本专利申请的申请人的名字提交的PCT国际申请PCT/KR2004/003312中公开具有上述构造的袋状电池单元。
袋状电池单元被堆叠，同时通过盒夹被固定。具体地，袋状电池单元的热焊接的边缘被布置在各自的盒夹之间，从而通过盒夹固定袋状电池单元。
各个传热构件的结构没有被特别地限制，只要各个传热构件是呈现高导热性的薄构件。例如，各个传热构件可以是由金属片形成。具体地，金属片可以是呈现高导热性并且是轻质的铝片或者铝合金片。然而，本发明的实施例不限于此。
在使用传统的盒夹的电池模块中，通过被布置在各个电池单元之间的各盒夹的厚度来防止电池单元之间的直接接触。然而，在此结构中，电池单元堆的高度被增加，因此电池模块的体积被增加。通常，通过绝缘树脂的注射成型来制造盒夹。被布置在电池单元之间的盒夹可以被减少，以便于降低电池单元堆的高度。然而，就注射材料和注射方法而言，该降低是受限的。
如在本发明中，另一方面，诸如铝片或者铝合金片的金属片可以被制成为具有非常薄的结构。因此，金属片可以被制成为具有比通过绝缘树脂的注射形成的结构薄的结构。
因此，在其中各传热构件是由金属片形成的情况下，电池单元堆的高度可以被降低，因此，电池模块的体积可以被减少。另外，可以实现传统盒夹结构没有提供的冷却效率。
在优选示例中，使用诸如紧固和结合的各种方法可以实现盒夹和传热构件之间的联接。优选地，通过插入注射成型，各传热构件与盒夹中的相对应的一个成一体。
另外，各盒夹可以是由电绝缘材料形成。用于各个盒夹的材料没有被特别地限制，只要各个盒夹是由电绝缘材料形成，该盒夹能够通过插入注射成型与传热构件中的相对应的一个成一体。优选地，各盒夹是由塑料树脂形成。
因此，具有上述构造的盒夹可以将安装在盒夹中的板状电池单元与外部隔开，并且同时，可以将从板状电池单元产生的热散发到外部。因此，与独立于传热构件制造的传统盒夹相比较，可以降低制造成本并且可以进一步简化生产工艺。
同时，如先前所描述的，板状电池单元的边缘可以通过盒夹固定以形成电池单元堆叠结构，并且板状电池单元的顶部和/或底部可以接触传热构件。特别地，在板状电池单元是袋状电池单元的情况下，密封部分被形成在各电池单元的边缘处，并且在由金属材料制成的冷却片被用于冷却电池单元的情况下，在电池单元的边缘处形成的密封部分被绝缘，以防止电池单元之间的短路。
然而，在传热构件接触板状电池单元的顶部和底部并且通过由绝缘材料制成盒夹按压在电池单元的边缘处形成的密封部分以使袋状电池单元被固定到如上所述的盒夹的结构中，不必要对在电池单元的边缘处形成的密封部分绝缘，从而降低了电池模块的制造成本并且简化了电池模块的制造工艺。
在优选示例中，各个传热构件可以被构造成具有下述结构，其中各个传热构件的末端延伸通过盒夹的相对应的一个，使得各传热构件的末端被暴露于相对应盒夹的外部。即，执行插入注射成型以具有如下结构，其中各传热构件的末端延伸通过盒夹的相对应的一个，以使各传热构件的末端被暴露于相对应的盒夹的外部。结果，传热构件被联接到盒夹。在这样的情况下，被暴露于相对应的盒夹的外部的各传热构件的末端可以被弯曲，以使各传热构件的暴露末端紧密地接触相对应的盒夹的外部。
同时，电池模块可以进一步包括被安装到盒夹的外部的冷却构件，以使从电池单元产生的热被传导到冷却构件以冷却电池单元。冷却构件可以接触被暴露于盒夹的外部的传热构件的末端，使得热被传导到冷却构件。即，从电池单元产生的热可以被传导到传热构件，并且可以经由传热构件的末端传递到冷却构件，以使冷却构件去除热。
其中冷却构件被安装在盒夹的外部处的结构没有被特别地限制。例如，各盒夹可以在其框架的相对侧处设有具有紧固凹槽的突起，并且各冷却构件可以具有被联接到相应的紧固凹槽中的紧固构件，使得冷却构件可以通过紧固构件到紧固凹槽中的联接被联接到盒夹的框架的相对侧。可替选地，紧固凹槽可以被形成在冷却构件处，并且冷却构件可以被形成在盒夹框架处。在这样的冷却结构中，使用诸如紧固、结合以及焊接的各种联接方法，可以将冷却构件安装在盒夹的外部。
冷却构件的结构没有被特别地限制，只要冷却构件去除从传热构件的末端传导的热。例如，各冷却构件可以是水冷却型的冷却构件，该水冷却型的冷却构件被构造成具有下述结构，其中冷却剂流动通道被形成在各冷却构件中，并且冷却剂在冷却剂流动通道中流动。
即在另一方面，在没有安装冷却构件的结构中，可以使用空气冷却结构，在该空气冷却结构中，诸如空气的冷却剂被供应到传热构件的末端以冷却传热构件的末端。另一方面，在安装了冷却构件的结构中，可以以如上所述的水冷却形式执行冷却。因此，在空气冷却结构或者水冷却结构之间的切换被容易地执行，并且可以基于电池模块的结构和外部环境采用空气冷却结构或者水冷却结构。
电池单元没有被特别地限制，只要电池单元是能够在电池模块和电池组的构造期间供应高电压和高电流的二次电池。优选地，各电池单元是具有高的能量存储/体积的锂离子电池或锂离子聚合物电池。
根据本发明的另一方面，提供一种包括具有上述构造的电池模块作为单元模块的电池组。
可以基于所期待的输出和容量，通过组合电池模块作为单元模块来制造电池组。考虑到安装效率和结构稳定性，电池组可以被用作电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆或者蓄电装置的电源。然而，电池组的应用范围不限于此。
根据本发明的又一方面，提供一种装置，该装置包括具有上述构造的电池组作为电源。具体地，该装置可以是电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆或者蓄电装置。
在本发明属于的本领域中公知这样的装置的结构和制造方法并且，因此，其详细描述将会被省略。
本发明的作用
从上面的描述显然的是，根据本发明的电池模块被构造以具有下述结构，其中，从电池单元产生的热所传导到的传热构件被联接到盒夹以固定电池单元并且同时冷却电池单元，这不同于被构造以具有仅固定电池单元的边缘的结构的盒夹，从而提高了冷却效率，减小了电池模块的尺寸以具有紧凑的结构，并且提高了电池单元的结构稳定性。
附图说明
与附图相结合，根据以下详细说明，将更加清楚地理解本发明的以上和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1是示出在电池模块中使用的电池单元的透视图；
图2是图1的分解透视图；
图3是示出根据本发明的实施例的电池模块的竖直截面图；
图4是图3的局部放大图，示出了其中电池单元被安装在盒夹之间的结构；以及
图5是示出其中导热构件被联接到盒夹的结构的透视图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例。然而，应注意的是，所图示的实施例不限制本发明的范围。
图1是典型地示出在根据本发明的电池模块中使用的示例性电池单元的透视图，图2是图1的分解透视图。
参考这些附图，袋状电池单元100被构造成具有下述结构，其中，包括阴极、阳极以及分别布置在阴极和阳极之间的分隔物的电极组件120在密封状态下被安装在袋状电池壳体110中，使得与电极组件120的阴极突片122和阳极突片124电连接的两个电极端子132和134被暴露在外部。
电池壳体110包括共同地具有凹陷的容纳部112的上壳体114和下壳体116，电极组件120位于该凹陷的容纳部112中。
通过焊接，可以被构造成具有折叠式结构、堆叠式结构、或者堆叠/折叠式结构的电极组件120的阴极突片122和阳极突片124分别被联接到电极端子132和134。另外，绝缘膜140被附接到各个电极端子132和134的顶部和底部，以防止当使用热焊接装置将上壳体114和下壳体116的边缘彼此热焊接时，在热焊接装置和电极端子132和134之间发生短路，并且实现在电极端子132和134与电池壳体110之间的密封。
上壳体114和下壳体116均包括外树脂层117、隔离金属层118、以及内树脂层119。上壳体114和下壳体116的内树脂层119可以通过从热焊接装置(未示出)产生的热和压力被彼此焊接。
在其中被浸渍有电解质的电极组件120被安装在容纳部112中以形成密封部分的状态下，上壳体114和下壳体116的边缘被彼此热焊接。
图3是典型地示出根据本发明的实施例的电池模块的竖直截面图，图4是图3的局部放大图，其典型地示出了其中电池单元被安装在盒夹之间的结构。
首先参考图3，电池模块200被构造成具有下述结构，其中电池单元100、固定电池单元100的盒夹210以及被安装在各个电池单元100之间的传热构件220被布置在上板242和下板244之间以形成堆叠结构，并且冷却构件230被安装到盒夹210的外部。
每个电池单元100被构造成具有板状结构。电池单元110被顺序地堆叠使得各电池单元110的一个主表面面向相邻的电池单元100的相对应的主表面，或者使得各电池单元100的相对的主表面面向相邻的电池单元100的相对应的主表面。盒夹210固定相应的电池单元100的边缘以形成电池单元的堆叠结构。具体地，各板状电池单元的密封的边缘部分102被固定在相邻的盒夹210之间。此结构被应用于所有的电池单元，以形成这样的电池单元堆叠结构。
各传热构件220是由呈现高导热性的金属片形成。各传热构件220的相对末端延伸通过相对应的盒夹210，使得各传热构件220的相对末端被暴露于相对应的盒夹210的外部。各个传热构件220的暴露末端接触冷却构件230。因此，从电池单元100产生的热经由传热构件220被传递到冷却构件230，使得冷却构件230吸收热以调节电池模块200的温度。
各冷却构件230中形成有冷却剂流动通道(未示出)，从而通过空气冷却结构或者水冷却结构去除从电池单元产生的热。
虽然电池模块200被构造以具有如在图3中所示的安装有冷却构件230的结构，但可以不安装冷却构件230。在未安装冷却构件230的结构中，诸如空气的冷却剂可以被供应到传热构件220的暴露末端，以使通过空气冷却结构冷却传热构件220的暴露末端。
因此，在安装有冷却构件230的结构中，通过水冷却结构执行冷却。另一方面，在未安装冷却构件230的结构中，通过空气冷却结构执行冷却。即，可以基于电池模块的结构和外部环境采用从在空气冷却结构和水冷却结构之间选择的任意一个。在空气冷却结构和水冷却结构之间的切换被容易地执行。
参考图3以及图4，各传热构件220的相对末端延伸通过相对应的盒夹210，使得各传热构件220的末端被暴露于相对应的盒夹210的外部。各传热构件220的暴露末端被弯曲使得各传热构件220的暴露末端紧密地接触相对应的盒夹210的外部。各个板状电池单元100的顶部和底部接触相对应的传热构件220，使得从电池单元110产生的热被有效地传导到传热构件220。
各盒夹210由绝缘材料形成。在盒夹210-电池单元110固定结构中，电池单元110的边缘不接触传热构件220，该传热构件220中的每一个由金属材料形成，但接触绝缘盒夹210。因此，不需要用于绝缘各个电池单元100的边缘的附加工艺。
另外，通过插入注射成型，各盒夹210和相对应的传热构件220被成一体。因此，不需要用于制造传热构件和盒夹的工艺和用于组装传热构件和盒夹的工艺，从而降低了生产成本并且提高了生产效率。
图5是典型地示出其中通过插入注射成型将传热构件与盒夹相联的结构的透视图。
参考图5以及图3和图4，盒夹210在其框架的相对两侧处被设有具有紧固凹槽212的突起和具有紧固构件(未示出)的冷却构件230，该紧固构件被联接到盒夹210的相应紧固凹槽212中。因此，冷却构件230通过在紧固凹槽和紧固构件之间的联接而被安装到盒夹210的相对两侧。
在上面的结构中，与盒夹210的外部紧密地接触的传热构件220的弯曲末端222以表面接触的方式接触相对应的冷却构件230，使得从电池单元110产生的热被传递到冷却构件230。
同时，用于固定盒夹210的通孔214被形成在盒夹210的框架的角部分处。因此，使用延伸通过盒夹210的通孔214延伸的紧固构件(未示出)，盒夹210可以与电池单元110一起被固定在电池模块200的上壳体242和下壳体244之间。
尽管为了阐述性目的已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员应理解，在不偏离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替代是可能的。

Claims (19)

1.一种电池模块，包括：
可充电和放电的电池单元，所述电池单元在堆叠状态下被顺序地布置；
盒夹，所述盒夹将各个电池单元的边缘固定以形成电池单元堆叠结构；以及
传热构件，所述传热构件被安装在各个电池单元之间，所述传热构件的边缘被部分地或者整体地固定到各个盒夹。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述电池单元是板状电池单元，所述板状电池单元被堆叠使得每个板状电池单元的一个主表面面向相邻的板状电池单元的相对应的主表面，或者使得每个板状电池单元的相对的两个主表面面向相邻的板状电池单元的相对应的主表面。
3.根据权利要求2所述的电池模块，其中，所述电池单元是袋状电池单元，通过将电极组件放置在由包括树脂层和金属层的层压片形成的壳体中并且密封所述壳体的边缘来制造所述袋状电池单元中的每一个。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其中，所述袋状电池单元的热焊接边缘被固定在各个盒夹之间。
5.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述传热构件中的每一个是由金属片形成。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其中，所述金属片是铝片或者铝合金片。
7.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述传热构件中的每一个通过所述盒夹中的相对应的一个盒夹的插入注射成型而被联接到相对应的所述盒夹。
8.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述传热构件中的每一个由金属材料形成，并且通过插入注射成型而与所述盒夹中的相对应的一个盒夹成一体。
9.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述盒夹中的每一个由电绝缘材料形成。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述传热构件中的每一个的末端延伸通过所述盒夹中的相对应的一个盒夹，使得所述传热构件中的每一个的末端暴露于相对应的所述盒夹的外部。
11.根据权利要求10所述的电池模块，其中，所述传热构件中的每一个的暴露于相对应的所述盒夹的外部的所述末端被弯曲，使得所述传热构件中的每一个的暴露末端紧密地接触相对应的所述盒夹的外部。
12.根据权利要求1所述的电池模块，进一步包括冷却构件，所述冷却构件被安装到所述盒夹的外部。
13.根据权利要求10所述的电池模块，进一步包括：
冷却构件，所述冷却构件被安装到所述盒夹的外部，其中
所述传热构件的所述末端接触所述冷却构件。
14.根据权利要求12所述的电池模块，其中，所述盒夹中的每一个在其框架的相对两侧处设有具有紧固凹槽的突起，并且所述冷却构件中的每一个具有紧固构件，所述紧固构件被联接到相应的紧固凹槽中，使得所述冷却构件通过所述紧固构件到所述紧固凹槽中的联接而被联接到所述盒夹的所述框架的相对两侧。
15.根据权利要求12所述的电池模块，其中，所述冷却构件中的每一个是空气冷却型冷却构件和/或水冷却型冷却构件。
16.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述电池单元中的每一个是锂二次电池。
17.一种电池组，所述电池组包括作为单元模块的根据权利要求1至16中的任一项所述的电池模块。
18.一种装置，所述装置包括根据权利要求17所述的电池组。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述装置是电动车辆、混合动力电动车辆、插电式混合动力电动车辆或者蓄电装置。
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