CN104659441A - 电池模块 - Google Patents

Abstract

说明一种电池模块(10)，尤其是用于锂离子电池、锂硫电池或锂空气电池，具有多个电池单池(12a、12b、12c)并且具有冷却剂的进口(16)以及冷却剂的出口(18)，其中冷却剂至少部分地绕流电池单池(12a、12b、12c)的外侧，以及其中通过在电池单池(12a、12b、12c)之间的间隔(20a、20b、20c)构成的冷却剂的总流动截面在冷却剂的流动方向上变小。

Description

电池模块

技术领域

本发明涉及根据独立权利要求的前序部分所述的电池模块及其应用。

背景技术

具有高的电功率输出容量的电池组获得越来越多的重要性。新生代的电池组以所谓的锂离子电池组的形式实施。在此重要的是，为保证这种电池组的安全和功能，包含在电池组中的各个电池单池在预先规定的温度范围内运行。这样仅在相应的电池单池运行期间就已经形成焦耳热形式的废热，这种废热由于电池单池中流动的电流和电池单池的内电阻而形成，以及此外由于电池单池中的可逆化学过程也形成热。所形成的热被从电池单池排出，以避免电池单池的发热超过临界的运行温度。这在相应的热管理系统基础上进行，所述热管理系统的设计一般以负荷周期为基础进行，从而电池单池内的温度上升在已知的热边缘条件情况下可以被预报。

在一种常见的实施方式中，相应的电池单池或相应的由电池单池构造的电池模块通过相应电池单池的各自底面散热。为此例如相应电池模块的安装在流体通流的板上进行，所述板根据所要求的冷却功率的效率被施加水/乙二醇混合物或沸点低的冷却剂。在此缺点是，提供冷却所需部件方面的设备成本提高并且此外经由其从电池单池向流体通流的板中传送热的面积比较小。此外，由于冷却系统中的不密封性可导致安全风险。

与此相关地，由US 2005/0064280 A1已知一种包括大量棒状电池模块的电蓄能器，这些电池模块垂直于其纵向地利用气流形式的冷却流体被冷却。在此尤其是规定，各个电池模块在冷却流体的流动方向上彼此以增大的距离布置，从而垂直于流动的冷却流体形成更有效的冷却截面。按照这种方式应达到各电池模块中存在温度的平衡。

发明内容

本发明的优点

与此不同地，本发明涉及具有独立权利要求的特征性特征的电池模块及其应用。按照这种方式，可以有效避免现有技术的上述缺点。

这尤其是通过如下方式得以实现，即在电池模块内布置多个电池单池，从而至少部分绕流电池单池的冷却剂被这样引导，使得在电池模块内的冷却剂的流动方向上的总流动截面变小。按照这种方式，在冷却剂进入到电池模块中的区域中，由于在那里存在的比较大的电池单池之间的流动截面而实现比较低的流动速度并由此造成比较差的热过渡以及由此造成单池中形成的热的比较差的排出。

但这种由于低的流动速度而造成的低的吸热能力通过在进入的冷却剂与在冷却剂进口区域中定位的电池单池之间的较大温度差而得到补偿，从而保证了在电池模块的进口区域中的电池单池的足够冷却或加热形式的足够温度控制。

而在冷却剂从电池模块出来的区域中，由于电池模块的电池单池之间的冷却剂在那里存在的变小的总流动截面，出现更高的流动速度以及因此向冷却剂的冷却剂更好的热过渡。因为在电池模块的该区域中，在电池模块中流动的冷却剂与进入电池模块中的冷却剂的进入温度相比已经具有提高的温度，所以保证了冷却剂在进入到电池模块中的进口区域中以及在冷却剂从电池膜出来的出口区域中的可比较的温度控制作用。按照这种方式，在大量的电池单池情况下，例如经过所有存在的电池单池，也可以确保足够的温度控制。

本发明的其他实施方式是从属权利要求的主题。

因此有利的是，在电池模块的电池单池之间的用于冷却剂的流动截面尤其是线性或指数地连续变窄。因为在流动截面阶梯状变窄时考虑到冷却剂在阶梯区域中的涡流以及因此冷却剂的不利的流动剖面图，所以通过流动截面的连续变小或变窄考虑到冷却剂的更好的温度控制作用。

此外有利的是，电池单池在电池模块内被布置为，使得其大面积基本上平行于冷却剂在电池模块内的流动方向定向。通过这种布置，冷却剂在电池模块内基本上沿各个电池单池的大面积流动，由此可以实现层状的流动特性和尤其是为热过渡提供尽可能大的面积。

依据另一种有利的实施方式，冷却剂在电池模块内通过多个流动通道引导，其中在电池模块朝向冷却剂进口的区域中的流动通道的数量大于在电池模块朝向冷却剂出口的区域中的流动通道的数量。按照这种方式实现了，在冷却剂进入电池模块中的进口区域中由于更大数量的流动通道而存在冷却剂的总计更大的总流动截面并因此冷却剂的比较低的流动速度。

但在电池模块的用于冷却剂的出口区域中，由于更少数量的流动通道(在通道的几何尺寸相同的情况下)，存在冷却剂的总计比较小的总流动截面，由此在电池模块的用于冷却剂的出口区域中产生冷却剂的更高的流动速度。

根据另一种有利的实施方式，电池模块的流动通道至少部分地通过电池单池的外壳区域形成或限制。按照这种方式保证了从各自的电池单池的内部穿过外壳壁向各自的流动通道中并因此向冷却剂的直接热传递。

根据本发明的一种特别有利的实施方式，设置至少两组平行布置的用于冷却剂的流动通道，这些流动通道相继布置在冷却剂的流动方向上，其中在两组平行布置的用于冷却剂的流动通道之间存在混合区域，该混合区域允许通过平行布置的用于冷却剂的第一组流动通道的不同流动通道的冷却剂在其进入到平行布置的用于冷却剂的第二组流动通道的流动通道之前进行混合。

此外有利的是，设置三组或更多组平行布置的用于冷却剂的流动通道，其中在冷却剂的流动方向上，分别在用于冷却剂的平行布置的两个相邻组的流动通道之间存在冷却剂的混合区域，其中各自混合区域的各自流动截面在冷却剂的流动方向上从电池模块的冷却剂入口侧的区域向电池模块的冷却剂出口侧的区域优选逐步变小。

特别有利地，根据本发明的电池模块可以在锂离子电池、锂硫电池或锂空气电池中使用，并且这些电池又在混合动力汽车或电动汽车中或者在中间储存电能范围中的静态电池用途、例如在光伏或风能用途中使用。

本发明的其他优点、特征和细节从后面的描述中得出，其中参照附图详细描述本发明的实施例。在此，在权利要求书和说明书中提及的特征分别单独地或以任意的组合形式对于本发明是重要的。功能类似的或相同的构件或部件在所有附图中配备有相同的附图标记。

附图说明

本发明的有利实施方式是附图和后面的附图描述的主题。其中：

图1示出根据本发明第一实施方式的电池模块的示意图；

图2示出根据本发明第二实施方式的电池模块的示意图；

图3示出根据本发明第三实施方式的电池模块的示意图；以及

图4示出根据本发明第四实施方式的电池模块的示意图。

具体实施方式

在图1中绘出电池模块10，其例如包括多个电池单池12a、12b、12c。电池单池12a、12b、12c分别具有两个电池接线端14a、14b，电池单池12a、12b、12c通过它们电接触。电池单池12a、12b、12c例如以圆柱形实施方式、棱柱形实施方式或作为所谓的Pouch-Cell(袋装电池)存在。此外，电池单池12a、12b、12c在电池模块10内以适当的形式相互并联或串联。因为无论是在充电过程中还是在放电过程中都有热量被释放并且相应的电池单池12a、12b、12c应当在确定的温度窗中运行以便不危害其耐久性，所以对电池模块10的电池单池12a、12b、12c以适当的方式进行温度控制。

温度控制的概念在此包括电池单池12a、12b、12c的适当冷却以及——在低的运行温度时——适当的加热。为保证电池单池12a、12b、12c的有效温度控制，这些电池单池优选与冷却剂直接接触，所述冷却剂例如至少部分地绕流电池单池12a、12b、12c的外壳。

作为冷却剂既适用气态介质，例如像空气或合成气体如氮和二氧化碳，也适用液态冷却剂，例如像在汽车空调设备中使用的或者水或二甘醇混合物。

电池模块10因此包括冷却剂16的进口以及冷却剂18的出口。冷却剂的流动方向通过箭头表示。电池模块10此外包括在电池模块10的进口侧区域中定位的第一电池单池12a。电池模块10此外包括第二电池单池12b，其同样通过冷却剂进行温度控制并且相对于第一电池单池12a在冷却剂的流动方向上设置定位在其后面。电池模块10此外例如包括第三电池单池12c，其同样通过冷却剂进行温度控制并且在冷却剂的流动方向上例如设置定位在第一电池单池12a和第二电池单池12b的后面。

如果由冷却剂在流动方向上相继地环绕冲洗多个电池单池12a、12b、12c，那么对在冷却剂的流动方向上布置在第二电池单池12b上游的第一电池单池12a的温度控制作用更强。这所基于的是，通过第一电池单池12a的温度控制冷却剂的温度变化已经出现，从而设置定位在第一电池单池12a后面的第二电池单池12b在冷却剂的流动方向上受到较小的温度控制作用。为应对该问题，本发明所基于的构思是，通过如下方式改善对在冷却剂的流动方向上设置定位在第一电池单池12a后面的第二或第三电池单池12b、12c的温度控制，即与冷却剂在第一电池单池12a区域中的流动速度相比，提高冷却剂在第二或第三电池单池12b、12c区域中的速度。

第一电池单池12a的温度控制例如通过分别定位在两个第一电池单池12a之间的第一冷却剂通道20a进行。第一冷却剂通道20a在此例如至少部分地通过第一电池单池12a的外壳区域被限制或构成。第一冷却剂通道20a在此由冷却剂在其进入到电池模块10中之后基本上平行通流。冷却剂的流动方向因此基本上垂直于第一电池单池12a的行布置延伸。此外，第一电池单池12a在该行布置内基本上彼此平行定向。

在冷却剂的流动方向上在第一冷却剂通道20a后面设置第二冷却剂通道20b，通过所述第二冷却剂通道20b对第二电池单池12b进行温度控制。第二冷却剂通道20b也分别至少部分地通过两个第二电池单池12b被限制或构成。按照这种方式，进行第二电池单池12b的温度控制。

在冷却剂的流动方向上在第二冷却剂通道20b后面例如设置第三冷却剂通道20c。通过该第三冷却剂通道20c例如对第三电池单池12c进行温度控制。第三冷却剂通道20c也例如分别在侧面通过两个第三电池单池12c被形成或限制。按照这种方式，进行第三电池单池12b的温度控制。

此外在第一冷却剂通道20a与第二冷却剂通道20b之间设置第一混合区域22a，其与第一冷却剂通道20a和第二冷却剂通道20b导流接触。此外在第二冷却剂通道20b与第三冷却剂通道20b之间设置第二混合区域22b，其与第二冷却剂通道20b和第三冷却剂通道20c导流接触。

为保证冷却剂对在冷却剂的流动方向上设置定位在第一电池单池12a后面的第二或第三电池单池12b、12c也有足够的温度控制性能，根据本发明的第一实施方式，第二冷却剂通道20b的数量与第一冷却剂通道20a的数量相比减少。此外，例如第三冷却剂通道20c的数量与第一或第二冷却剂通道20a、20b的数量相比，在相同的几何尺寸情况下同样减少。

因为与第一电池单池12a区域中的冷却剂通道20a的数量相比，对于冷却剂的恒定体积流来说在第二电池单池12b的区域中有更少数量的冷却剂通道20b可供使用，所以在第二冷却剂通道20b区域中的各个冷却剂通道20a、20b、20c的可比较的流动截面情况下，产生与第一冷却剂通道20a中的冷却剂流动速度相比更高的冷却剂流动速度。

由于冷却剂的更高流动速度，温度控制作用可与第一电池单池12a区域中的冷却剂的温度控制作用相比较。按照这种方式，通过第二电池单池12b区域中的更高的冷却剂流动速度，由于第一电池单池12a的温度控制而改变的温度并且因此第二电池单池12b区域中的冷却剂的首先较小的吸热能力得到补偿。

相同内容适用于冷却剂从第二电池单池12b的区域向第三电池单池12c的区域中的过渡。在第三电池单池12c的区域中存在的第三冷却剂通道20c的数量与第二冷却剂通道20b的数量相比减少，从而在第三电池单池12c的区域中产生还较高的冷却剂流动速度。按照这种方式，在第三电池单池12c的区域中也理想地预期可与第一电池单池12a或第二电池单池12b的区域中相比较的冷却剂温度控制作用。

在此，冷却剂通道20a、20b、20c基于根据图1的实施例，所述冷却剂通道20a、20b、20c的流动截面在冷却剂通道20a、20b、20c的纵向延伸上基本恒定。但可替换地也可能的是，冷却剂通道20a、20b、20c的冷却剂流动截面在冷却剂的流动方向上也改变。特别是，流动截面沿各自冷却剂通道20a、20b、20c的变窄导致冷却剂在各自的冷却剂通道20a、20b、20c内的优选连续的加速并因此由于冷却剂流动速度的提高而导致温度控制作用增加。

流动截面的连续变窄既可以理解为线性变窄，也可以理解为例如其适当的指数变窄。

具有其流动截面在冷却剂的流动方向上连续变窄的冷却剂通道20a、20b、20c的电池模块10的例子在图2中说明。

在该实施方式的范围中，电池单池12a、12b和优选地还有12c径向布置，从而分别在电池单池12a、12b、12c之间构造的冷却剂通道20a、20b、20c具有在该例子中线性变窄的流动截面。按照这种方式，达到在流动方向上在各自的冷却剂通道20a、20b、20c中流动的冷却剂由于冷却剂通道20a、20b、20c的分别变窄的流动截面而被连续加速并且因此在各自电池单池12a、12b、12c的所有区域中均可以观察到通过冷却剂可比较的温度控制作用。

冷却剂通道20a、20b、20c的流动截面的基本上线性变窄的另一例子可以从如在图3中所示的电池模块10的第三实施方式获悉。

根据该实施方式，第一、第二和优选还有第三电池单池12a、12b、12c以圆锥形形状存在。所述电池单池被布置为使得在电池单池12a、12b、12c之间构成的冷却剂通道20a、20b、20c具有线性变小的流动截面并且因此在各自的电池单池12a、12b、12c之间引起冷却剂的速度增加。按照这种方式保证了，冷却剂在进入到各自的冷却剂通道20a、20b、20c时以及冷却剂从各自的冷却剂通道20a、20b、20c离开时的温度控制作用。

本发明的第四实施方式在图4中示出。在图4中说明了电池模块10以何种方式布置在电池模块复合体内，以保证节省位置地安放足够大数量的电池单池12a、12b、12c。在此，电池模块10a、10b、10c可替换地被布置为，使得分别两个彼此相邻定位的电池模块10a、10b或10b、10c展示出冷却剂的反并联的流动走向。按照这种方式，由于电池单池12a、12b、12c的节省位置的布置，也可以构造具有许多单池和相应高运行电压或高电功率的电池。

根据本发明的电池模块有利地可以在高功率电池中使用，例如像锂离子电池、锂硫电池或锂空气电池以及也可以在常见的电池类型如镍-金属混合电池中使用。这些电池用于混合动力汽车、电动汽车、固定的蓄能器用途以及E-Bike(电动自行车)中。

Claims (11)

1.电池模块(10)，尤其是用于锂离子电池、锂硫电池或锂空气电池，具有多个电池单池(12a、12b、12c)并且具有冷却剂的进口(16)以及冷却剂的出口(18)，其中冷却剂至少部分地绕流电池单池(12a、12b、12c)的外侧，其特征在于，通过在电池单池(12a、12b、12c)之间的间隔(20a、20b、20c)构成的冷却剂的总流动截面在冷却剂的流动方向上变小。

2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，总流动截面连续地、尤其是线性或指数下降地变小。

3.根据权利要求1或2所述的电池模块，其特征在于，至少一部分电池单池(12a、12b、12c)的大面积的定向基本上平行于冷却剂的流动方向进行。

4.根据权利要求3所述的电池模块，其特征在于，至少一部分电池单池(12a、12b、12c)至少在冷却剂的流动方向上具有锥形形状。

5.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，在电池模块(10)内设置多个用于冷却剂的流动通道(20a、20b、20c)，其中在电池模块(10)朝向冷却剂进口(16)的区域中的流动通道(20a、20b、20c)的数量大于在电池模块(10)朝向冷却剂出口(18)的区域中的用于冷却剂的流动通道(20a、20b、20c)的数量。

6.根据权利要求5所述的电池模块，其特征在于，流动通道(20a、20b、20c)具有基本上相同的流动截面。

7.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，流动通道(20a、20b、20c)通过电池模块(12a、12b、12c)的外壳区域被限制。

8.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于，在冷却剂通过电池模块(10)的流动方向上设置至少两组彼此平行布置的用于冷却剂的流动通道(20a、20b、20c)，其中在冷却剂的流动方向上在平行布置的流动通道(20a、20b、20c)的所述组之间设置穿过不同流动通道(20a、20b、20c)的冷却剂的混合区域。

9.根据权利要求8所述的电池模块，其特征在于，设置至少三组平行布置的用于冷却剂的流动通道(20a、20b、20c)，其中在朝向电池模块(10)的冷却剂进口(16)的第一组平行布置的流动通道(20a)与在流动方向上设置在第一组平行布置的流动通道(20b)后面的第二组平行布置的流动通道(20b)之间布置第一混合区域(22a)，其中在第二组平行布置的用于冷却剂的第二流动通道(20b)与在流动方向上设置在其后面的第三组平行布置的用于冷却剂的第三流动通道(20c)之间设置另一混合区域(22b)，以及其中在冷却剂的流动方向上的第二混合区域(22b)的总流动截面小于第一混合区域(22a)的总流动截面。

10.根据前述权利要求之一所述的电池模块，其特征在于，冷却剂是气态冷却剂，尤其是冷却剂，尤其是空气。

11.根据前述权利要求之一所述的电池模块在混合动力汽车或电动汽车中或者在固定的电池用途中的应用。