CN104871640B - 电池模块用发热片及包括其的电池模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供电池模块用发热片，上述电池模块用发热片包括：面状发热体；绝缘层，位于上述面状发热体的一面；以及绝缘粘结层，位于上述面状发热体的另一面；上述面状发热体的发热部面积为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的40％至90％。本发明提供电池模块，上述电池模块包括上述电池模块用发热片及电池单元；上述电池单元的被发热部面积为上述电池单元总面积的40％至90％。
Description
技术领域
本发明涉及电池模块用发热片及包括其的电池模块。
背景技术
用于太阳能发电及电动汽车的电池因气温下降而在冬季使放电效率下降。即，当外部气温下降至约-20℃以下时，电池的放电效率下降至约50％以下，在周围温度为约-10℃以下的环境下，电池的电解质内离子迁移率变低，导致电流流动变差，并使电池功率下降。尤其，电动汽车(EV car)的情况下，在完全充电的情况下，当停在外部时，因外部气温而使电解质变硬，而这会使电池在长期寿命上存在问题。因此，为了恒定维持电池的寿命和效率，也需要在冬季恒定维持电池的温度。
作为用于加热电池的方法，提出由热电元件或正温度系数(PTC，PositiveTemperature Coefficient)加热器加热空气的方法，但一直在进行以更有效且更有效率的方法直接加热电池的方法的研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题
用于太阳能发电及电动汽车的电池因气温下降而在冬季使放电效率下降。即，当外部气温下降至约-20℃以下时，电池的放电效率下降至约50％以下，在周围温度为约-10℃以下的环境下，电池的电解质内离子迁移率变低，导致电流流动变差，并使电池功率下降。尤其，电动汽车(EV car)的情况下，在完全充电的情况下，当停在外部时，因外部气温而使电解质变硬，而这会使电池在长期寿命上存在问题。因此，为了恒定维持电池的寿命和效率，也需要在冬季恒定维持电池的温度。
作为用于加热电池的方法，提出由热电元件或正温度系数(PTC，PositiveTemperature Coefficient)加热器加热空气的方法，但一直在进行以更有效且更有效率的方法直接加热电池的方法的研究。
技术方案
本发明的一实例提供电池模块用发热片，上述电池模块用发热片包括：面状发热体；绝缘层，位于上述面状发热体的一面；以及绝缘粘结层，位于上述面状发热体的另一面；上述面状发热体的发热部面积为附着有上述面状发热体的电池单元(Battery Cell)总面积的约40％至约90％。
上述面状发热体的发热部面积可包括温度比面状发热体的最初温度上升约30℃至约50℃的面积。
上述面状发热体能够仅以上述面状发热体的发热部面积发热。
上述面状发热体的发热温度可以为约20℃至约80℃。
本发明的特征可如下：上述面状发热体包括基材膜、发热层及电极层。
上述发热层可包含选自由碳纳米管、碳黑、石墨烯、石墨及它们的组合组成的组中的一种以上。
上述发热层的厚度可以为约2μm至约10μm。
上述绝缘粘结层的厚度可以为约25μm至约75μm。
上述绝缘层的厚度可以为约50μm至约100μm。
本发明的另一实例提供电池模块，上述电池模块包括上述电池模块用发热片及电池单元；上述电池单元的被发热部面积为上述电池单元总面积的约40％至约90％。
上述电池单元的被发热部面积可包括温度比电池单元的最初温度上升约30℃至约50℃的面积。
上述电池模块用发热片可在开始发热起200秒钟以内使电池单元的内部电解质温度上升约20℃以上。
上述电池单元的表面温度可以为约20℃至约80℃。
上述电池单元的内部电解质温度可以为约-10℃至约35℃。
有益效果
将上述电池模块用发热片附着于电池单元的表面，从而借助发热片的发热直接加热电池，通过这种方式能够将电池在冬季的功率提高为恒定水平。
上述电池模块用发热片能够在短时间内使冬季电池单元的温度有效上升，从而能够延长电池的寿命。
附图说明
图1以图式化方式表示了作为本发明一实例的电池模块用发热片。
图2以图式化方式表示了作为本发明再一实例的包括面状发热体的电池模块用发热片。
图3以图式化方式表示了作为本发明另一实例的电池模块。
图4由曲线图表示了时间vs发热部面积vs表面温度的相关关系。
图5至图7由曲线图表示了面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积为40％、70％、90％的情况下，根据20℃、40℃、60℃、80℃的面状发热体发热温度在开始发热起200秒钟以内上升的电池单元内部电解质的温度。
具体实施方式
以下，详细说明本发明的实例。但这仅作为例示而提出，本发明并不局限于此，本发明仅根据后述的发明要求保护范围而定义。
电池模块用发热片
本发明的一实例提供电池模块用发热片，上述电池模块用发热片包括：面状发热体；绝缘层，位于上述面状发热体的一面；以及绝缘粘结层，位于上述面状发热体的另一面；上述面状发热体的发热部面积为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％。
当前，随着电动汽车市场的扩大，能量集成度高的锂-离子电池正在增长。但由于锂-离子电池的低功率特性差，在冬季，当温度下降时，电压下降较大，由此，有可能停止电动汽车的运行。以往，为了改善这种问题，通过将加热装置或用于柴油汽车的PTC加热器附着在用于冷却的冷却水来弥补，但由于采用借助上述加热装置等第一次加热介质后，上述介质再次加热电池的方式，导致传热效率有可能下降。
对此，上述面状发热体直接加热被发热体，而不采用加热介质的间接方式，从而提供能够改善传热效率的发热片。具体地，本发明的目的在于，通过在电池单元的表面直接附着于发热片，能够以直接加热方式将电池在冬季的功率提高为恒定水平。
图1以图式化方式表示了作为本发明的一实例的电池模块发热片，从上到下可包括绝缘层30、面状发热体20、绝缘粘结层10。上述面状发热体的发热部面积可以为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％。
上述发热部面积是指，对面状发热体的电极层施加电压的情况下，因面状发热体的发热层而在面状发热体上产生热的面积，相对于附着有上述面状发热体的电池单元总面积，上述发热部面积可以为局部，例如，可对附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％产生热。
上述面状发热体的发热部面积小于附着有面状发热体的电池单元总面积的约40％的情况下，附着面状发热体的电池内部的电解质温度不能在约200秒钟以内加热-10℃以上，从而无法确保电池的功率。并且，发生电池内部电解质的加热部位和被加热部位的温度偏差，从而有可能缩短电池的寿命。
并且，上述发热部面积大于附着有面状发热体的电池单元总面积的约90％的情况下，可在更快的时间内加热电池内部的电解质温度，但在约200秒钟之后，温度上升至35℃以上，使得电池受损，并不必要地全部加热电池周边部，从而形成消耗电力。
因此，面状发热体的发热部面积维持附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％，具体地，维持约50％至约80％，由此能够有效提高用于在200秒钟以内取得85％以上的功率的电池内部的电解质温度。
上述面状发热体的发热部面积可包括温度比面状发热体的最初温度上升约30℃至约50℃的面积。将冬季世界平均气温设为约-30℃至约-10℃的情况下，形成上述面状发热体的发热部面积的上升温度为附着于电池表面而上升的面状发热体的温度，发热部面积的中心温度和边缘温度之差可以为约5℃至约10℃。
上述面状发热体的发热部面积是指，对上述面状发热体的电极层施加恒定电压的情况下，面状发热体的发热后温度比面状发热体的发热前最初温度上升约30℃至约50℃的面积。发热后面状发热体的温度未上升至上述范围内的情况下，锂离子在电解质内的迁移性下降，使得电流的功率不恒定，从而具有电动汽车有可能熄火的担忧，且面状发热体的温度比面状发热体的最初温度上升至上述范围以内，从而能够容易实现稳定的运行和提高电池的寿命周期的效果。
上述面状发热体的发热部面积可从附着有上述面状发热体的电池单元总面积的中心部向周边部扩张。矩形板形状的面状发热体的横向1/2区域、纵向1/2区域交叉的部分是指附着有面状发热体的电池单元总面积的中心部，上述中心部最先发热，从而能够确保恒定的发热部面积，且随着从上述中心部向周边部扩张发热，上述面状发热体的发热部面积也扩张。
上述面状发热体的发热部面积可通过对上述面状发热体的电极层施加约24V以下电压来发生。如上所述，上述发热部面积是指，对面状发热体的电极层施加电压的情况下，借助面状发热体的发热层而在面状发热体产生热的面积，且对上述面状发热体的电极层施加的电压可以为约24V以下。对上述电极层施加大于约24V的电压的情况下，可在更快的时间内维持所需的发热部面积的水平，但有可能使包括上述面状发热体的发热片及适用上述发热片的电池受损。
上述面状发热体能够仅以上述面状发热体的发热部面积发热。例如，通过对上述面状发热体的电极层施加约24V以下的电压，可使上述面状发热体的发热部面积成为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％，并能够仅以上述面状发热体的发热部面积调节面状发热体整体发热量。上述发热量是指电流流动在导线中时所发生的热量，并意味着对于24V以下的施加电压，电流流动的情况下所发生的面状发热体的热的量。
具体地，当对上述面状发热体的电极层施加24V以下的电压时，上述面状发热体的发热量可以为约37.5W至约150W。可通过确保上述面状发热体的发热量来在短时间内，即约2分钟以内将电池的驱动效率实现为100％。例如，能够以上述面状发热体的发热量，将驱动车辆时发生放电，且控制车辆时发生充电的电动汽车的电池的驱动效率上升100％。
并且，通过将上述电池模块用发热片包括的面状发热体的发热部面积维持为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％，来使上述面状发热体的发热温度为约20℃至约80℃，具体地，可以成为约40℃至约60℃。上述面状发热体的发热温度是指加热将附着于绝缘粘结层的电池单元的温度，对基于面状发热体的发热温度粘结的电池单元的表面温度、电池单元内部的电解质温度产生直接的影响，并根据上述面状发热体的发热部面积可适当调节发热温度，即，电池单元的加热温度。
通过将上述面状发热体的表面温度确保为约20℃至约80℃，能够将电池的充电及放电效率实现为100％。更具体地，在冬季，为了驱动电动汽车的电池，电池的功率应为约85％以上，为此，电池内部的电解质温度应为约-10℃至约35℃，通过将上述面状发热体的表面温度确保为约20℃至约80℃，能够实现冬季电动汽车的电池。
图2以图式化方式表示了作为本发明再一实例的包括面状发热体的电池模块用发热片，上述面状发热体20可具有由基材膜21、发热层22及电极层23按顺序层叠的结构。
基材膜21可包含选自由两面被底涂(Primer)处理的双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET，Biaxiallyoriented polyethylene terephthalate)、聚酰亚胺(PI，polyimide)、拉伸聚苯乙烯(OPS，Oriented Polystyrene)、定向聚丙烯(OPP，orientedpolypropylene)、聚乙烯亚胺(PEI，polyethyleneimine)、聚苯硫醚(PPS，Polyphenylenesulfide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN，Polyethylene naphthalate)、聚醚砜树脂(PES，Poly(ether sulfones))及它们的组合组成的组中的一种以上，并具有绝缘性。
上述基材膜21的厚度可以为约10μm至约100μm。上述基材膜的厚度维持上述范围，由此在印刷将层叠于上述基材膜上的发热层后，在干燥过程中因热稳定性不够而能够维持薄膜层的平滑度，并确保将发热层的热传递至传热层的效率。
上述发热层22包含选自自由碳纳米管(CNT)、碳黑、石墨烯、石墨及它们的组合组成的组中的一种以上，也可以将它们混合两种以上来使用。具体地，可使用由碳纤维织造的发热层、使碳纳米管(CNT)或石墨烯浸渍在无纺布的发热层、使导电碳浸渍在无纺布的发热层、在基材膜上涂敷碳纳米管(CNT)或石墨烯糊剂或油墨而制备的发热层。上述涂敷方式可利用凹版(Gravure)方式。
上述发热层22的厚度可以为约2μm至约10μm。上述发热层的厚度维持上述范围，能够均匀维持发热层的厚度，当对电极层施加电压时，因小的电阻值而容易实现作为发热体的工作。并且，上述厚度范围内的发热层提高与基材的粘结力，不会发生裂纹(crack)，且因能够仅通过基于旋转筛的印刷而实现的厚度而便于大量生产。
上述电极层23调节电极间的间隔，能够调节最终产品的电阻。此时，电极间的间隔可以为约4mm至约16mm，并维持上述范围的电极间的间隔，能够避免成为线发热体的情况，如线状加热器(wire heater)，而不是面发热体，且向电池单元表面局部供给的热增加，能够减少电池单元的爆发可能性。并且，使电池单元表面的温度均匀上升，且能够减少电池单元的爆发危险。
上述电极层23可通过利用丝网印刷来在发热层22进行图案化而形成。电极层23的材料可使用Ag、Cu等。
上述绝缘层30作为形成于上述面状发热体20的一面的层，能够以薄膜形态形成。上述绝缘层可包括非导体，上述非导体用于防止在面状发热体中产生的热流失到外部等，并防止导电或导热。上述绝缘层30可包含选自双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)、拉伸聚苯乙烯(OPS)、定向聚丙烯(OPP)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯(PETG)、聚醚酰亚胺(PEI)中的一种膜。
具体地，上述绝缘层的厚度可以为约50μm至约100μm。维持上述范围的绝缘层的厚度，由此即使在印刷包括发热层的面状发热体后，干燥时也不发生皱纹，具体地，能够提供可在约10KV条件下承受耐电压，并防止发生绝缘破坏的发热片。
上述绝缘粘结层10作为形成于未形成有上述绝缘层30的面状发热体20的另一面的层，维持与以后将附着的电池的粘结力，并起到将在面状发热体20中产生的热传递到上述电池的作用。上述绝缘粘结层10可利用丙烯酸类、硅(Silicone)类或乙烯醋酸乙烯酯(EVA，Ethylene Vinyl Acetate)类化合物来制备。
上述丙烯酸类化合物可以为丙烯酸类化合物、丙烯酸类聚合物、丙烯酸类共聚物等，例如，可以为甲基丙烯酸酯、二丙烯酸酯等及基聚合物、共聚物等，但不局限于此，只要是具有绝缘性及粘结性的丙烯酸类化合物，就可以不受限制地使用。
上述硅类化合物可以为聚二甲硅氧烷(poly dimethyl siloxane)类化合物，但不局限于此，只要是具有绝缘性及粘结性的硅类化合物，就可以不受限制地使用。乙烯醋酸乙烯酯类化合物也不受特别的限制，只要是具有绝缘性及粘结性的乙烯醋酸乙烯酯类化合物，就可以不受限制地使用，这对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说是显而易见的。
上述绝缘粘结层10的厚度可以为约25μm至约75μm。维持上述绝缘粘结层的厚度，使得粘结强度可以为约1Kgf/cm2以上，从而容易维持恒定水平以上的粘结力，能够发挥通过上述绝缘粘结层侧面的耐水分渗透性的效果。具体地，超过上述绝缘粘结层10的厚度时，在面状发热体20的发热层22中产生的热传递较慢，因此不能在短时间内使以后将附着于绝缘粘结层的电池单元的表面上升。
电池模块
本发明的另一实例提供电池模块，上述电池模块包括电池模块用发热片及电池单元，上述电池模块用发热片包括面状发热体、位于上述面状发热体的一面的绝缘层以及位于上述面状发热体的另一面的绝缘粘结层，上述面状发热体的发热部面积为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的40％至90％，上述电池单元的被发热部面积为上述电池单元总面积的40％至90％。
上述电池单元可由公知的电池单元不受结构限制地适用。具体地，上述电池单元为太阳能发电用电池单元或汽车用电池单元，更具体地，可以为电动汽车用电池单元。
如上所述，上述发热片包括的上述面状发热体的发热部面积可以为附着有上述面状发热体的电池单元总面积的约40％至约90％。因上述面状发热体发热而直接接触并受影响，因此，一同被加热的被发热体可以为电池单元，此时，上述电池单元的被发热部面积也可以为上述电池单元总面积的约40％至约90％。
上述电池单元的被发热部面积包括温度比电池单元的最初温度上升约30℃至约50℃的面积。可根据与上述面状发热体的发热部面积发生上述电池单元的被发热部面积，这意味着电池单元的被发热部温度比电池单元的被发热前最初温度上升约30℃至约50℃的面积。面状发热体发热后，电池单元的被发热温度上升至上述范围以内，从而将电池的充电及放电效率实现为100％。
具体地，上述电池模块用发热片通过面状发热体的发热温度，即，对电池单元施加的加热温度，可在开始发热起约200秒钟以内，使电池单元的内部电解质温度上升约20℃以上。通过上述面状发热体的发热来加热的上述电池单元的被发热部面积大于上述电池单元总面积的约90％时，发热开始后，可在更短的时间内使电池单元的表面温度上升约20℃，但不需要全部加热电池周边部来形成消耗电力。
并且，上述电池单元的被发热部面积小于上述电池单元总面积的约40％时，使电池单元的表面温度上升至小于约20℃，不能确保电池的功率量，从而在冬季有可能难以驱动电池。因此，可通过具有上述范围的被发热部面积，来提供既经济且效率又得到提高的电池模块。
如上所述，上述面状发热体的发热温度为约20℃至约80℃，受上述面状发热体的发热温度的直接影响而被加热的上述电池单元的表面温度可以为约20℃至约80℃，具体地，上述电池单元的内部电解质温度可以为约-10℃至约35℃。
将上述电池单元的表面温度维持在上述范围内，从而能够提高上述电池单元的内部电解质温度，并根据得到提高的电解质温度，能够将冬季时的电池功率发挥85％以上。
以下，提出本发明的具体实施例。但以下所记载的实施例仅属于具体例示或说明本发明，本发明不应不局限于此。
实施例
以5μm的厚度将碳纳米管糊剂涂敷在了两面被底涂处理的厚度为100μm的双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯基材膜。以使涂敷有上述碳纳米管的基材膜借助电极进行连接的方式将Ag电极层一次丝网印刷于上述双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯基材膜上，从而制备了面状发热体。然后，在上述面状发热体的一面层叠铝膜(铝箔)，并在上述面状发热体的另一面以25μm的厚度涂敷丙烯酸类粘结剂，从而制备了发热片。对于制备的上述发热片，将上述粘结剂附着于电池单元，从而制备了电动汽车用电池模块。
<实验例>-时间VS发热部面积VS表面温度的相关关系的分析
图4表示如下：对上述实施例的面状发热体电极层施加24V的电压的情况下，在开始发热起100秒钟、120秒钟、150秒钟、180秒钟、200秒钟以内，使电池单元的内部电解质温度提高-10℃以上，且可将通过面状发热体的发热温度或面状发热体的发热对电池单元施加的加热温度确保为40℃的发热部面积范围。
具体地，观察图4可知，上述发热片包括的面状发热体的发热温度，即，通过面状发热体的发热对电池单元施加的加热温度为40℃时，电池单元内部的电解质温度在开始发热起200秒钟以内，电池内部电解质温度成为-10℃以上的面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积成为40％至90％。更具体地，在作为启动后人能等待的限制时间的120秒钟以内，面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积优选为约70％至约90％。
图5至图7为表示面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积为40％、70％、90％的情况下，根据20℃、40℃、60℃、80℃的面状发热体发热温度，开始发热起200秒钟以内上升的电池单元内部电解质温度的曲线图。
参照图5，面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积为40％的情况下，为了使电池单元内部的电解质温度在200秒钟以内成为-10℃以上，面状发热体的发热温度，即对电池单元施加的温度应为40℃以上。
参照图6，面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积为70％的情况下，为了使电池单元内部的电解质温度在200秒钟以内成为-10℃以上，面状发热体的发热温度，即对电池单元施加的温度为20℃以上。
参照图7可知，面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积为90％的情况下，即使在小于200秒钟的120秒钟以内，面状发热体的发热温度，即，对电池单元施加的温度仅以20℃维持，电池单元内部的电解质温度为-10℃以上。
因此，通过图5至图7确认如下：根据面状发热体的发热部面积及电池单元的被发热部面积，在200秒钟以内，电池单元内部电解质上升的温度不同，考虑到上述电解质的上升温度，应适当设计面状发热体的发热温度，即，对电池单元施加的温度。
Claims (10)
1.一种电池模块用发热片，其特征在于，
包括：
面状发热体，所述面状发热体包括基材膜、发热层及电极层，所述发热层包括由碳纤维织造的发热层、使石墨烯浸渍在无纺布的发热层、使导电碳浸渍在无纺布的发热层，其中，所述发热层的厚度为2μm至10μm，
绝缘层，位于所述面状发热体的一面，所述绝缘层包括选自双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯(BOPET)、拉伸聚苯乙烯(OPS)、定向聚丙烯(OPP)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯(PETG)和聚醚酰亚胺(PEI)中的一种膜，其中，所述绝缘层的厚度为50μm至100μm，以及
绝缘粘结层，位于所述面状发热体的另一面；
所述面状发热体的发热部面积为附着有所述面状发热体的电池单元总面积的40％至90％。
2.根据权利要求1所述的电池模块用发热片，其特征在于，所述面状发热体的发热部面积包括温度比面状发热体的最初温度上升30℃至50℃的面积。
3.根据权利要求1所述的电池模块用发热片，其特征在于，所述面状发热体仅以所述面状发热体的发热部面积发热。
4.根据权利要求1所述的电池模块用发热片，其特征在于，所述面状发热体的发热温度为20℃至80℃。
5.根据权利要求1所述的电池模块用发热片，其特征在于，所述绝缘粘结层的厚度为25μm至75μm。
6.一种电池模块，其特征在于，
包括权利要求1至5中任一项所述的电池模块用发热片及电池单元；
所述电池单元的被发热部面积为所述电池单元总面积的40％至90％。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其特征在于，所述电池单元的被发热部面积包括温度比电池单元的最初温度上升30℃至50℃的面积。
8.根据权利要求6所述的电池模块，其特征在于，所述电池模块用发热片在开始发热起200秒钟以内使电池单元的内部电解质温度上升20℃以上。
9.根据权利要求6所述的电池模块，其特征在于，所述电池单元的表面温度为20℃至80℃。
10.根据权利要求6所述的电池模块，其特征在于，所述电池单元的内部电解质温度为-10℃至35℃。
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