CN108886184A - 散热模块及利用其的电动汽车用电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及散热模块及利用其的电动汽车用电池组，散热模块的特征在于，包括：蒸气腔室(vapor chamber)，与发热设备相接触并对从上述发热设备产生的热量均匀地进行聚热；散热片，扩散并释放上述蒸气腔室的聚热；以及热交换器，对从上述散热片释放的热量进行冷却。

Description

散热模块及利用其的电动汽车用电池组
技术领域
本发明涉及散热模块，更详细地，涉及提高散热性能并可使发热设备的周围温度维持在规定范围内的散热模块及利用其的电动汽车用电池组。
背景技术
最近，随着产业技术的快速发展，具有更加优秀的性能及发挥更多功能的汽车、电子、航天航空、家庭等整个产业陆续推出各种产业设备。
相比于以前，这种产业设备需要高性能、多功能化及轻薄简化，因此，最近推出的产业设备需要用于解决进行工作时伴随的发热问题的各种形态的散热部件、散热模块等。
通常，主要使用称为散热片的部件进行散热，这种散热片虽具有优秀的散热性能，但是不足以单独对从结合有高性能、高集成化的部件的发热设备产生的热量进行散热。
因此，需要研发更加进步、散热性能更高的散热模块。
在韩国公开专利公报第2009-0107443号公开了一种电池单元模块用散热板，其作为插入于多个电池单元之间层间的散热板，其特征在于，由通过向基体树脂填充热传导性填充物来形成的复合材料片和插入于复合材料片的内部的多个碳纤维形成，多个碳纤维以在复合材料片的内部向散热板的边缘部延伸的方式插入。
现有技术的散热板具有如下的缺点，即，在向多个电池单元之间的层间插入来层叠电池的情况下，所层叠的模块的厚度以与所增加的散热板的厚度相同的厚度变厚，因此无法在相同的面积层叠多个的电池，从而使容量减少，也没有公开有效地冷却包括散热板的整体多个电池单元的具体散热模块。
发明内容
技术问题
本发明考虑到如上所述的问题而提出，其目的在于，提供对从发热设备产生的热量均匀地进行聚热、扩散释放及冷却来提高散热性能的散热模块及利用其的电动汽车用电池组。
本发明的再一目的在于，提供可持续地使内置于电动汽车用电池组的袋式电池效率最大化的散热模块及利用其的电动汽车用电池组。
本发明的另一目的在于，在相同面积对多个电池进行层叠组装来实现高容量的电动汽车用电池组。
解决问题的手段
用于实现上述目的的本发明一实施例的散热模块的特征在于，包括：蒸气腔室(vaporchamber)，与发热设备相接触并对从上述发热设备产生的热量均匀地进行聚热；散热片，扩散并释放上述蒸气腔室的聚热；以及热交换器，对从上述散热片释放的热量进行冷却。
其中，本发明还可包括介于上述蒸气腔室与上述散热片之间的珀尔帖元件。
而且，上述散热片可被具有热辐射性和绝缘性的陶瓷物质或具有热辐射性和非绝缘性的物质进行辐射涂敷。
上述具有热辐射性和绝缘性的陶瓷物质可包含氮化硼(BN)、氧化铝、氧化镁、氧化硅、碳化硅、碳化钛、氮化硅及氮化铝中的至少一种物质。
上述具有热辐射性和非绝缘性的物质可包含石墨、碳、碳纳米管(CNT)中的至少一种物质。
用于实现上述目的的本发明一实施例的电动汽车用电池组的特征在于，包括：包装体，层叠有多个装入有一对电池的散热盒；以及散热模块，包括蒸气腔室、散热片以及热交换器，上述蒸气腔室与上述散热塑料包装体相接触并对从上述散热塑料包装体产生的热量均匀地进行聚热，上述散热片扩散并释放上述蒸气腔室的聚热，上述热交换器对从上述散热片释放的热量进行冷却。
上述散热盒由框架结构体构成，上述框架结构体以可收容一对电池的方式在中央区域形成有收容贯通孔并包括形成于上述收容贯通孔的内周壁来放置上述一对电池的放置部，上述框架结构体可由散热塑料成形并嵌件成型有铝框架。
上述框架结构体可包括：散热塑料框架，具有包围收容上述一对电池的收容贯通孔的放置部，沿着长度方向排列于两端部；以及铝框架，沿着上述散热塑料框架的长度方向与放置部的外侧形成为一体。
本发明还可包括由上述铝框架的表面被阳极氧化而形成的氧化铝(Al2O3)形成的氧化覆膜层。
本发明还可包括嵌件成型于上述散热塑料框架的绝缘性塑料板，上述一对电池为袋式电池，上述袋式电池的电极端子可放置于上述绝缘性塑料板上来进行组装。
并且，上述散热盒为由散热塑料成形来可收容一对电池的框架结构体，上述框架结构体可包括：收容贯通孔，形成于中央区域；以及放置部，形成于上述收容贯通孔的侧壁来放置上述一对电池。
此时，上述放置部可为以将上述收容贯通孔的侧壁水平地分为两部分的方式从上述收容贯通孔的侧壁突出的突起。
而且，上述散热塑料可为分散绝缘性散热填充物的可成形的树脂。
上述放置部可位于上述一对电池之间。
上述收容贯通孔的深度可与上述一对电池的厚度实质上相同或比上述一对电池的厚度大。
本发明还可包括嵌件成型于上述框架结构体的金属板，上述金属板可嵌件成型于与上述放置部接近的框架结构体区域。
同时，本发明还可包括嵌件成型于上述框架结构体的放置部的热界面材料(TIM，Thermal Interface Material)或者形成于上述放置部的结合槽可与热界面材料相结合。
发明的效果
根据本发明，在蒸气腔室对从包括电动汽车用电池组的发热设备产生的热量均匀地进行聚热之后，在散热片进行扩散并释放，并在热交换器进行冷却，从而使散热效率最大化。
根据本发明，在散热模块的蒸气腔室与散热片之间介入珀尔帖元件并通过珀尔帖元件使电动汽车用电池组的外周温度维持在5～50℃的范围内，从而与周围的温度无关地持续地使内置于电动汽车用电池组的袋式电池效率最大化。
根据本发明，当对构成电动汽车用电池组的散热盒的散热塑料框架进行注塑成形时，镶嵌低价的铝框架，从而具有可大大降低制造成本、提高散热特性、刚性优秀、可防止变形、可具有均匀的散热特性的优点。
根据本发明，构成电动汽车用电池组的散热盒具有与一对电池厚度实质上相同的厚度，因此，相对于相同面积，可在层叠有多个散热盒的电池组内置多个电池，从而可使电池组薄型化、轻薄化及高容量化。
附图说明
图1为示出本发明第一实施例的散热模块的简要侧视图。
图2为安装有本发明第一实施例的散热模块的电动汽车用电池组的示意性侧视图。
图3为构成本发明的电动汽车用电池组的一例的散热盒的俯视图。
图4为在本发明一例的散热盒安装有电池的状态的俯视图。
图5为沿着图4中的a-a'线截取的剖视图。
图6为示出在本发明一例的散热盒形成有金属板的状态的部分剖视图。
图7a及图7b为本发明的散热盒的放置部与热界面材料相结合的状态的部分剖视图。
图8为构成本发明的电动汽车用电池组的另一例的散热盒的俯视图。
图9为在适用于图8的散热盒的铝框架形成有氧化覆膜层的状态的部分剖视图。
图10为示出在图8的散热塑料的散热塑料框架形成有绝缘性塑料的状态的部分俯视图。
图11为安装有本发明第二实施例的散热模块的电动汽车用电池组的示意性侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图对用于实施本发明的具体内容进行说明。
本发明的散热模块1000可在包括电动汽车用电池组的产生发热的所有设备中用作用于散热的模块。
参照图1，散热模块1000包括：蒸气腔室1110，与发热设备500相接触并对从上述发热设备500产生的热量均匀地进行聚热；散热片1120，扩散并释放上述蒸气腔室1110的聚热；以及热交换器1130，对从上述散热片1120产生的热量进行冷却。
蒸气腔室1110由如铝材质等热传导优秀的材质的腔室形成，在这种腔室的内部内置有如氟利昂的液体制冷剂。
若向这种蒸气腔室1110传递从发热设备500产生的热量，则液体制冷剂被气化并进行热交换，从而可对发热设备500的热量迅速地进行聚热。
此时，在蒸气腔室1110的内部形成有多个毛细管，所气化的制冷剂进入多个毛细管。
散热片1120扩散并释放与外部空气进行热交换来传递的热量，在散热片1120的外部空气接触面形成有翅片(fin)，通过增大与外部空气的接触面积来促进散热。
而且，还可利用热辐射性优秀的物质对散热片1120进行辐射涂敷。
辐射涂敷用于使从散热片1120接收的热量的辐射性最大化，将具有热辐射性和绝缘性的陶瓷物质或具有热辐射性和非绝缘性的物质涂敷处理于散热片1120。
具有热辐射性和绝缘性的陶瓷物质可包含氮化硼、氧化铝、氧化镁、氧化硅、碳化硅、碳化钛、氮化硅及氮化铝中的至少一种物质。
并且，具有热辐射性和非绝缘性的物质可包含石墨、碳、碳纳米管中的至少一种物质。
热交换器1130降低与散热片1120接触的外部空气的温度来对从散热片释放的热量进行冷却，可使用如冷却风扇的气冷式热交换器、利用冷却水的水冷式热交换器等可降低散热片1120的温度的所有热交换器。
因此，本发明在蒸气腔室1110对从发热设备产生的热量均匀地进行聚热之后，在散热片1120进行扩散并释放，并在热交换器1130进行冷却，从而可使散热效率最大化。
参照图2，本发明第一实施例的散热模块可安装于作为发热设备适用的电动汽车用电池组来有效地对从电动汽车用电池组产生的热量进行散热。
在本发明中，在构成电动汽车用电池组的散热盒的结构具有技术特征。
即，适用于本发明的电动汽车用电池组通过层叠多个装入有一对电池的散热盒来以电池组510体现，装入于散热盒的一对电池的厚度与散热盒的厚度实质上相同，从而可获取薄型化、轻薄化且高容量的电动汽车用电池组。
例如，在电动汽车用电池组安装有150个电池的情况下，若在电池之间介入如铝翅片的散热翅片或现有技术的散热板来实现电池组，则需要149个散热翅片或散热板，使得无法使电池组轻薄化，在电池组无法组装与149个散热翅片或散热板数目相同的电池，从而使电池容量减少。
以下，参照图3至图10对散热盒进行更加详细地说明。
参照图3，本发明的电动汽车用电池组的一例的散热盒300为可由散热塑料注塑成形来收容一对电池的框架结构体100，上述框架结构体100包括：收容贯通孔110，形成于中央区域；以及放置部120，从上述收容贯通孔110的侧壁突出形成来放置上述一对电池。
例如，上述电池呈长方形，因此，收容贯通孔110和放置部120也呈长方形。
其中，放置部120为以将收容贯通孔110的侧壁水平地分为两部分的方式从上述收容贯通孔110的侧壁突出的突起，可通过框架结构体100的上部及下部向收容贯通孔110插入并放置一对电池。
优选地，这种放置部120沿着收容贯通孔110的侧壁形成，根据情况，能够以分离的形态形成于收容贯通孔110的侧壁的多个区域。
电池为薄型的能源存储装置，优选地，为具有高能源密度和可进行高输出驱动的以电化学的方式进行充放电的袋式电池，这种袋式电池将2个电极、隔板及电解质放入袋中并进行密封来制造。
散热塑料使用由石墨烯、碳等的材质形成的使导电性散热填充物分散的可非绝缘成形的树脂和BN、AlN、MgO、Al2O3、SiO2等使绝缘性散热填充物分散的可绝缘成形的树脂，通常，使用绝缘散热塑料作为绝缘性散热填充物，可将其定义为可在模具进行注塑成形，对通过绝缘散热填充物传递的热量进行散热，通过绝缘散热填充物和树脂具有绝缘性。
因此，含有散热填充物的散热盒300可对通过电池的充放电产生的热量进行散热。此时，热交换器对向散热盒300传递的热量进行冷却。热交换器可使用如冷却风扇的气冷式热交换器、利用冷却水的水冷式热交换器等可降低散热盒300的温度的所有可行的热交换器。
因此，本发明具有将电池安装于散热盒300来对从电池产生的热量有效地进行散热的优点。
参照图4，在一例的散热盒300的框架结构体100的上部中，在放置部120放置第一电池201来收容于收容贯通孔110的分割区域，第二电池(未图示)在框架结构体100的下部中放置于放置部120来收容于收容贯通孔110的剩余分割区域。
此时，第一电池201及第二电池的电极端子紧贴于框架结构体100上，而不是位于收容贯通孔110的内部。即，如图4所示，散热盒的框架结构体100的上侧可与第一电池201的电极端子201a、201b紧贴。
另一方面，在将第一电池201及第二电池用作袋形态的电池的情况下，袋式电池的边缘区域的发热比内侧区域大。
因此，本发明具有如下的结构特征，即，为了在第一电池201及第二电池的边缘区域对在第一电池201及第二电池进行充放电时产生的热量进行散热，在第一电池201与第二电池的边缘区域之间介入框架结构体100的放置部120。
图5为为了说明在本发明一例的散热盒安装有一对电池的状态而沿着图4的a-a'线切开的剖视图。
即，在一例的散热盒300的框架结构体100的收容贯通孔110收容并组装第一电池201及第二电池202。
因此，由于位于第一电池201与第二电池202的边缘之间的放置部120，散热盒300的收容贯通孔110被分割为2个区域，可在所分割的2个区域分别收容第一电池201及第二电池202来实现顺畅地组装排列。
其中，散热盒300以将2个电池，即，第一电池201及第二电池202内置于收容贯通孔110的方式设计。此时，散热盒300的收容贯通孔110的深度D可与2个电池201的厚度(t1+t2)实质上相同或较大。
因此，电池201不向散热盒300的层叠面突出。
参照图6，在本发明中热传导率高的金属板150可与一例的散热盒的框架结构体100嵌件成型。
此时，优选地，金属板150嵌件成型于与放置部120接近的框架结构体100区域。更详细的说明如下，即，金属板150嵌件成型于与放置部120相对应的框架结构体100区域，即，与从框架结构体100的收容贯通孔的侧壁突出而实现的放置部120相向的框架结构体100区域，金属板150可将从电池产生的热量通过放置部120及金属板150迅速地向外部释放。
优选地，金属板150由热传导率优秀且价格低廉的铝材质实现，所嵌件成型的金属板150的一侧面可向外部露出。
如上所述，一例的散热盒的框架结构体100的放置部120位于电池的边缘区域之间来对从电池产生的热量进行散热，优选地，金属板150嵌件成型于与放置部120最接近的位置。
即，如图6所示，在放置部120的下部的框架结构体100设置金属板150，可将从电池向放置部120传递的热量通过金属板150迅速地向热交换器170传递。
并且，如图7a所示，在本发明中，在一例的散热盒的框架结构体100的放置部120可嵌件成型有热界面材料130。
而且，如图7b所示，在放置部120形成结合槽121，可使上述结合槽121与热界面材料130相结合。
若热界面材料130嵌件成型于这种放置部120或与结合槽相结合，则降低接触热阻，并可减少一对电池之间的空气层来顺畅地向外部的热交换器释放热量。
热界面材料130的种类为散热膏、散热片、金属板、热传导性粘结剂等。
适用于如上所述的一例的散热盒的金属板及热界面材料可与图8所示的另一例的散热盒的散热塑料框架601及其放置部601a相结合。
图8为构成本发明的电动汽车用电池组的另一例的散热盒的俯视图。
参照图8，本发明的散热盒600由框架结构体构成，上述框架结构体以能够收容一对电池的方式在中央区域形成有收容贯通孔610并包括形成于上述收容贯通孔610的内周壁来放置上述一对电池的放置部601a、602a，上述框架结构体由散热塑料成形并嵌件成型有铝框架602。
框架结构体包括：散热塑料框架601，具有包围收容长方形的一对电池的长方形收容贯通孔610的放置部601a、602a，沿着长度方向排列于两端部；以及一对铝框架602，以嵌件成型的方式与上述散热塑料框架601相连接，沿着长度方向与放置部602a的外侧形成为一体。
其中，框架结构体为收容长方形电池的长方形四边框架结构，铝框架602的长度L1比散热塑料框架601的长度L2长。
即，若利用高价散热塑料进行注塑成形来制造散热盒600，则制造成本高而可使市场性降低，在本发明中，镶嵌低价铝框架602来注塑成形散热塑料框架601来实现散热盒600，从而可大大降低制造成本。
并且，在仅利用散热塑料进行注塑成形来制造散热盒600的情况下，当将作为散热填充物被分散的树脂的散热塑料向模具注入时，重的散热填充物的流动性不如树脂，散热填充物有可能集中于散热盒600内的局部区域，因此存在无法实现均匀的散热效率的缺点。
因此，在本发明中，利用散热塑料对散热盒600的短的框架区域进行注塑成形来实现散热塑料框架601，利用铝框架602镶嵌相对长的框架区域，来减少进行注塑成形的大小，使散热塑料框架601具有更加均匀的散热特性。
同时，相比于散热塑料框架601，铝框架602的热传导特性显著优秀，因此可提高散热盒600的散热特性。
同时，相比于由利用散热塑料进行注塑成形的单独散热塑料框架601实现框架结构体，如本发明，若镶嵌铝框架602来注塑成形散热塑料框架601来制造框架结构体，则刚性优秀且可防止外力引起的扭曲等变形的产生。
图9为在适用于图8的散热盒的铝框架形成有氧化覆膜层的状态的部分剖视图。
参照图9，在本发明中，可对铝框架602进行阳极氧化来在铝框架602的表面形成由氧化铝形成的氧化覆膜层603。
即，若在电解液内向铝框架602施加电压，则铝框架602可被阳极氧化来形成氧化铝的氧化覆膜层603。
此时，氧化铝的氧化覆膜层603可提高很好地辐射热量的辐射系数并具有绝缘特性。
电解液可使用酸性电解液或碱性电解液，优选使用酸性电解液。酸性电解液可使用硫酸、草酸、磷酸或它们的混合物。并且，可通过调整阳极氧化时间和电流密度来调整需要绝缘的氧化覆膜层603的厚度。
图10为示出在图8的散热塑料的散热塑料框架形成绝缘性塑料的状态的部分俯视图。
参照图10，在散热塑料框架601上放置并组装袋式电池的电极端子201a、201b。
因此，在本发明中，可在放置袋式电池的电极端子201a、201b的区域镶嵌绝缘性塑料板605来注塑成形散热塑料框架601。
即，袋式电池的电极端子201a、201b放置于绝缘性塑料板605来接触。
图11为安装有本发明第二实施例的散热模块的电动汽车用电池组的示意性侧视图。
参照图11，本发明第二实施例的散热模块在蒸气腔室1110与散热片1120之间介入珀尔帖元件1200来构成。
珀尔帖元件1200为通过从外部供给的电源进行工作而使一面变凉且另一面变热的元件，本发明可利用珀尔帖元件1200稳定地驱动电动汽车用电池组510。
即，电动汽车用电池组510的袋式电池在5～50℃的周围温度范围内具有优秀的充放电效率，因此，驱动珀尔帖元件1200来使电动汽车用电池组510的外周温度维持在5～50℃的范围内来可使电动汽车用电池组510的袋式电池的充电(Recharging)次数和电池效率持续地最大化。
其中，若以珀尔帖元件1200的两极端子与蒸气腔室1110及散热片1120相接触的方式构成散热模块且在冬季和夏季转换珀尔帖元件1200的两极端子的极性来施加电压，则通过在冬季提高蒸气腔室1110的温度并在夏季降低蒸气腔室1110的温度等来使电动汽车用电池组510的外周温度在四季均维持5～50℃的范围内。
以上，以例举并图示特定的优选实施例的方式对本发明进行了说明，本发明并不限定于如上所述的实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员可在不超过本发明的精神的范围内进行各种变更和修改。
产业上的可利用性
本发明可适用于提高散热性能并使发热设备的周围温度维持在规定范围内的散热模块。

Claims (19)

1.一种散热模块，其特征在于，包括：
蒸气腔室，与发热设备相接触并对从上述发热设备产生的热量均匀地进行聚热；
散热片，扩散并释放上述蒸气腔室的聚热；以及
热交换器，对从上述散热片释放的热量进行冷却。
2.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于，还包括介于上述蒸气腔室与上述散热片之间的珀尔帖元件。
3.根据权利要求1所述的散热模块，其特征在于，上述散热片被具有热辐射性和绝缘性的陶瓷物质或具有热辐射性和非绝缘性的物质进行辐射涂敷。
4.根据权利要求3所述的散热模块，其特征在于，上述具有热辐射性和绝缘性的陶瓷物质包含氮化硼、氧化铝、氧化镁、氧化硅、碳化硅、碳化钛、氮化硅及氮化铝中的至少一种物质。
5.根据权利要求3所述的散热模块，其特征在于，上述具有热辐射性和非绝缘性的物质包含石墨、碳、碳纳米管中的至少一种物质。
6.一种电动汽车用电池组，其特征在于，包括：
包装体，层叠有多个装入有一对电池的散热盒；以及
散热模块，包括蒸气腔室、散热片以及热交换器，上述蒸气腔室与上述包装体相接触并对从上述包装体产生的热量均匀地进行聚热，上述散热片扩散并释放上述蒸气腔室的聚热，上述热交换器对从上述散热片释放的热量进行冷却。
7.根据权利要求6所述的电动汽车用电池组，其特征在于，
上述散热盒由框架结构体构成，上述框架结构体以能够收容一对电池的方式在中央区域形成有收容贯通孔并包括形成于上述收容贯通孔的内周壁来放置上述一对电池的放置部，
上述框架结构体由散热塑料成形并嵌件成型有铝框架。
8.根据权利要求6所述的电动汽车用电池组，其特征在于，上述框架结构体包括：
散热塑料框架，具有包围收容上述一对电池的收容贯通孔的放置部，沿着长度方向排列于两端部；以及
铝框架，沿着上述散热塑料框架的长度方向与放置部的外侧形成为一体。
9.根据权利要求8所述的电动汽车用电池组，其特征在于，还包括由上述铝框架的表面被阳极氧化而形成的氧化铝形成的氧化覆膜层。
10.根据权利要求8所述的电动汽车用电池组，其特征在于，
还包括嵌件成型于上述散热塑料框架的绝缘性塑料板，
上述一对电池为袋式电池，上述袋式电池的电极端子放置于上述绝缘性塑料板上来进行组装。
11.根据权利要求6所述的电动汽车用电池组，其特征在于，
上述散热盒为由散热塑料成形来能够收容一对电池的框架结构体，
上述框架结构体包括：
收容贯通孔，形成于中央区域；以及
放置部，形成于上述收容贯通孔的侧壁来放置上述一对电池。
12.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，上述放置部为以将上述收容贯通孔的侧壁水平地分为两部分的方式从上述收容贯通孔的侧壁突出的突起。
13.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，上述散热塑料为分散绝缘性散热填充物的能够成形的树脂。
14.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，上述放置部位于上述一对电池之间。
15.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，上述收容贯通孔的深度与上述一对电池的厚度相同或比上述一对电池的厚度大。
16.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，还包括嵌件成型于上述框架结构体的金属板。
17.根据权利要求16所述的电动汽车用电池组，其特征在于，上述金属板嵌件成型于与上述放置部接近的框架结构体区域。
18.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，还包括以包围上述框架结构体的放置部的方式被嵌件成型的热界面材料。
19.根据权利要求11所述的电动汽车用电池组，其特征在于，在上述放置部形成有结合槽，上述结合槽与热界面材料相结合。
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