CN111373598A - 冷却效率增强的电池模块和包括该电池模块的电池组 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个实施方式的电池模块包括：模块主体，该模块主体包括通过将多个单元组件堆叠而形成的单元组件堆和用于容纳单元组件堆的模块壳体；以及一对散热器，所述一对散热器布置在模块主体的上部部分和下部部分上以便于排出从模块壳体传递的热。单元组件包括：至少一个电池单元；盒，该盒用于容纳电池单元；以及一对导热性树脂层，所述一对导热性树脂层用于填充分别形成于电池单元的顶部端与盒之间的空的空间和形成于电池单元的底部端与盒之间的空的空间。

Description

冷却效率增强的电池模块和包括该电池模块的电池组

技术领域

本公开涉及具有提高的冷却效率的电池模块和包括该电池模块的电池组，并且更具体地，本公开涉及通过使用冷却翅片和导热性树脂层而表现出提高的冷却效率且具有简化的制造过程的电池模块以及包括该电池模块的电池组。

本申请要求于2018年7月26日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0087424的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过参引并入本文。

背景技术

目前在商业上使用的二次电池包括镍镉电池、氢镍电池、镍锌电池和锂离子二次电池。在这些二次电池中，与镍基二次电池相比，锂离子二次电池由于基本上没有记忆效应从而确保自由充电与放电、非常低的自放电率和高的能量密度而受到高度关注。

锂离子二次电池主要使用锂基氧化物和含碳材料分别作为正电极活性材料和负电极活性材料。锂离子二次电池包括电极组件和外部部件，在该电极组件中，布置有正电极板和负电极板，所述正电极板和负电极板分别涂覆有正电极活性材料和负电极活性材料，其中，在所述正电极板与负电极板之间插置有分隔件，该外部部件也就是电池壳体并且用于密封地容纳电极组件以及电解质。

通常，锂离子二次电池可以根据外部部件的形状被分类成罐型二次电池和袋型二次电池，在该罐型二次电池中，电极组件被包括在金属罐状件中，在该袋型二次电池中，电极组件被包括在由铝制层压片制成的袋状件中。

近来，二次电池不仅广泛地用在小型设备、比如便携式电子设备中，而且也广泛地用在中型或大型设备、比如车辆和蓄能系统中。当二次电池用在中型或大型设备中时，大量二次电池被电连接以提高容量和功率。特别地，袋型单元因其可以容易地堆叠而被广泛用于中型或大型设备。

然而，袋型单元通常被包装在由铝和聚合树脂的层压片制成的电池壳体中，并且因此袋型单元的机械刚度不大。因此，当构造包括多个袋型单元的电池模块时，通常使用框架来保护二次电池免受外部冲击、防止二次电池的晃动并且有助于二次电池的堆叠。

框架可以以不同的方式、比如盒来命名。在许多情况下，框架呈具有空的中央部分的矩形形状，并且此时，框架的四个侧部围绕袋型单元的外周。另外，将多个框架堆叠以构造电池模块，并且袋型单元可以在框架被堆叠时被安置在框架内的空的空间中。

同时，参照图1，示出了常规的电池模块结构。如果多个袋型单元1通过使用多个框架2来堆叠，则在常规的电池模块结构中，在一对袋型单元1中的每个袋型单元的外表面上应用有板形冷却翅片3，从而提高冷却效率。

二次电池可以用在高温环境中、比如夏天，并且二次电池也会从自身产生热。此时，如果多个二次电池彼此堆叠，则二次电池的温度可能会变得更高。如果该温度高于适当的温度，则二次电池的性能可能会恶化，并且在严重情况下，可能会发生爆炸或着火。因此，当构造电池模块时，冷却翅片3被应用成与袋型单元1的表面接触，并且冷却翅片3与位于冷却翅片3下方的冷却板4接触，以防止电池模块的整体温度上升。该构型经常被使用。

然而，如果将通常由金属材料制成的冷却翅片3插置在彼此面对的袋型单元1之间以构造电池模块，堆叠/固定袋型单元1和冷却翅片3的过程需要花费大量时间，从而导致生产率下降。而且，仅通过冷却翅片3很难获得足够的冷却效果。

因此，迫切需要开发一种电池模块结构，该电池模块结构解决上述过程中的问题并且具有除由袋型单元冷却翅片形成的冷却路径以外的附加冷却路径。

发明内容

技术问题

本公开被设计为解决相关领域的问题，并且因此本公开旨在对将冷却翅片与袋型单元联接的过程和将袋型单元联接在模块壳体中的过程进行简化，并且旨在通过使电池模块的冷却路径多样化来提高冷却效率。

然而，本公开所要解决的技术问题不限于上述问题，并且本领域技术人员将根据以下描述理解本文中未提及的其他目的。

技术方案

在本公开的一个方面中，提供了一种电池模块，该电池模块包括：模块本体，该模块本体包括单元组件堆和模块壳体，该单元组件堆通过将多个单元组件堆叠而形成，该模块壳体构造成容纳单元组件堆；以及一对散热器，所述一对散热器布置在模块本体的上部部分和下部部分处以消散从模块壳体传递的热，其中，单元组件包括：至少一个电池单元；盒，该盒构造成容纳电池单元；以及一对导热性树脂层，所述一对导热性树脂层被填充在形成于电池单元的顶部端与盒之间的空的空间以及形成于电池单元的底部端与盒之间的空的空间中。

盒可以呈具有两个敞开侧的矩形平行六面体形状，并且电池单元可以与盒的内表面接触。

盒可以呈具有两个敞开侧的矩形平行六面体形状，并且在电池单元与盒的内表面之间可以插置有绝缘片状件。

电池单元的顶部端和底部端可以与导热性树脂层接触。

盒可以具有形成在盒的顶部表面和底部表面处的注入孔和排出孔，所述注入孔用于注入树脂糊以形成导热性树脂层，所述排出孔用于排出注入的树脂。

注入孔可以形成在盒的底部表面的中央部分处，并且排出孔可以形成在盒的底部表面的两个纵向端部处。

注入孔可以形成在盒的顶部表面的中央部分处，并且排出孔可以形成在盒的顶部表面的两个纵向端部处。

电池模块还可以包括一对热界面材料(TIM)层，所述一对热界面材料层插置在模块本体与散热器之间。

同时，根据本公开的实施方式的电池组可以包括至少一个根据本公开的实施方式的电池模块。

有益效果

根据本公开的一个方面，由于简化了用于将冷却翅片和电池模块联接的过程，因此可以提高生产率。

根据本公开的另一方面，由于除了使用冷却翅片的散热路径之外还提供了能够简单且有效地散热的附加冷却路径，因此可以提高冷却效率。

附图说明

附图示出了本公开的优选实施方式，并且附图与前述公开内容一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，并且因此，本公开不应被解释为局限于附图。

图1是示出应用有冷却翅片的常规电池模块的示意图。

图2是示出根据本公开的实施方式的电池模块的立体图。

图3是示出应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元组件堆的立体图。

图4是示出应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元组件的立体图。

图5是示出提供至图4中所描绘的单元组件的电池单元的立体图。

图6是示出提供至图4中所描绘的单元组件的盒的立体图。

图7是示出图6中所描绘的盒的底部表面的示意图。

图8是示出分别在图5和图6中所描绘的电池单元和盒联接的示意图。

图9是用于示出通过将导热性树脂注入到图8中所描绘的电池单元与盒的联接单元中来完成单元组件的过程的示意图。

图10是示出根据本公开的实施方式的电池模块中的冷却路径的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本公开的优选实施方式进行详细描述。在描述之前，应当理解的是，说明书和所附权利要求书中使用的术语不应被解释为限于普通含义和字典含义，而应当在允许发明人为了最佳说明而适当定义术语的原理的基础上，基于与本公开的技术方面相对应的含义和构思来理解。因此，本文提出的描述只是仅出于说明目的的优选示例，并非旨在限制本公开的范围，所以应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开进行其他等同替换和修改。

首先，将参照图2和图3对根据本公开的实施方式的电池模块的整体结构进行简单描述。

图2是示出根据本公开的实施方式的电池模块的立体图，并且图3是示出应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元组件堆的立体图。

参照图2，根据本公开的实施方式的电池模块可以包括模块本体100以及布置在模块本体100的上部部分和下部部分处的散热器200，并且该电池模块还可以包括布置在模块本体100与散热器200之间的热界面材料(TIM)层300。

模块本体100通过将单元组件堆120容纳在模块壳体110(参见图10)中来获得，在该单元组件堆120中，堆叠有多个单元组件121。所述多个单元组件121堆叠成使得单元组件121的最宽表面彼此面对并且彼此接触。

散热器200布置在模块本体100的上部部分和下部部分处，并且与模块壳体110的顶部表面和底部表面直接/间接地接触以将热排出至外部。即，从模块本体100产生的热、更具体地是从稍后解释的电池单元10产生并且被传导至模块壳体110的热借助于散热器200被消散至外部。

为了提高散热效率，散热器200可以具有能够将处于液体状态的冷却流体(例如，水)容纳在散热器200中的空间。在这种情况下，散热器200可以包括管道210，该管道210能够将冷却流体引入到内部空间中并且将所引入的冷却流体排出至外部。

散热器200可以由具有良好导热性的金属材料制成，具有良好导热性的金属材料比如是铜或铜合金。

同时，如上所述，根据本公开的实施方式的电池模块还可以包括插置在模块本体100与散热器200之间的TIM层300。TIM层300可以通过防止空的空间的产生而允许热从模块本体100更高效地传递至散热器200，空的空间由于模块本体100的顶部表面和底部表面与散热器200不接触而形成。

TIM层300由热界面材料(TIM)制成。例如，TIM可以采用包括具有高导热性和低导电性的材料的导热硅脂，具有高导热性和低导电性的材料比如是氧化铝(Al2O3)、氮化硼(BN)、氧化锌(ZnO))等等。

如果模块本体100和散热器200彼此直接接触而在模块本体100与散热器200之间未插置有TIM层300，则热传递路径相比于插置有TIM层300的情况可以更短。然而，由于可能在由金属或塑料制成的模块壳体110的表面与由金属制成的散热器200的表面之间的结合界面处形成的空的空间，因此实际导热性可能会进一步恶化。

因此，可以将TIM层300插置在模块本体100与散热器200之间，以用TIM完全填充空的空间，并且因此很大程度上提高导热性。

接下来，将参照图4至图8对应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元组件121进行详细描述。

图4是示出应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元组件的立体图，并且图5是示出提供至图4中所描绘的单元组件的电池单元的立体图。而且，图6是示出提供至图4中所描绘的单元组件的盒的立体图。而且，图7是示出图6中所描绘的盒的底部表面的示意图，并且图8是示出分别在图5和图6中所描绘的电池单元和盒联接的示意图。而且，图9是用于示出通过将导热性树脂注入到图8中所描绘的电池单元与盒的联接单元中来完成单元组件的过程的示意图。

首先，参照图4，应用在根据本公开的实施方式的电池模块中的多个单元组件121中的每个单元组件均包括至少一个电池单元10、用于容纳电池单元10的盒20以及用于填充电池单元10与盒20之间的空的空间的导热性树脂层30。

参照图5，电池单元10是袋型电池单元，该袋型电池单元包括电极组件(未示出)、袋状壳体11、一对电极引线14以及插置在袋状壳体11的内表面与电极引线14之间的一对密封件15。

尽管图中未示出，但是电极组件具有在正电极板与负电极板之间插置有分隔件的形式，所述正电极板和负电极板反复交替堆叠，并且分隔件优选地定位在正电极板和负电极板的两个最外侧以用于绝缘。

正电极板包括正电极集流体和涂覆在正电极板的至少一个表面上的正电极活性材料层，并且未涂覆正电极活性材料的正电极未涂覆区域在正电极板的一个端部处形成为从正电极板伸出。正电极未涂覆区域用作连接至电极引线14的正电极接片。

类似地，负电极板包括负电极集流体和涂覆在负电极板的至少一个表面上的负电极活性材料层，并且未涂覆负电极活性材料层的未涂覆区域在负电极板的一个端部处形成为从负电极板伸出。未涂覆区域用作连接至电极引线14的负电极接片。

另外，分隔件被插置在正电极板与负电极板之间以防止具有不同极性的电极板彼此直接接触，并且分隔件可以由多孔材料制成以确保离子穿过电解质在正电极板与负电极板之间转移。

袋状壳体11可以包括用于覆盖电极组件的上部部分的上部壳体和用于覆盖电极组件的下部部分的下部壳体。上部壳体和下部壳体中的每一者可以由多层袋状膜制成，该多层袋状膜包括对应于最内层的第一树脂层、对应于中间层的金属层以及对应于最外层的第二树脂层。

构成袋状膜的最内表面的第一树脂层可以由具有热熔性的树脂制成，使得上部壳体和下部壳体可以在以彼此接触的方式被加热时容易地彼此熔合。第一树脂层可以采用未拉伸聚丙烯、聚丙烯或其混合物。金属层可以采用具有良好导热性的金属、比如铝(Al)。另外，形成最外层的第二树脂层可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙或其混合物。

袋状壳体11包括容纳部分12和密封部分13，该容纳部分12用于容纳电极组件(未示出)，该密封部分13在容纳部分12的周向方向上延伸并且在电极引线14被向外拉出的状态下热熔合以密封袋状壳体12。

电极引线14分为连接至正电极接片的正电极引线和连接至负电极接片的负电极引线，并且正电极引线和负电极引线中的每一者均被从袋状壳体11拉出。本公开的附图仅示出了一对电极引线14沿不同方向被拉出的情况。然而，这仅是示例，并且一对电极引线14也可以沿相同方向被拉出。

同时，为了方便起见，在除图5之外的附图中未示出电池单元10的电极引线14。如上所述，应用于本公开的电池单元10的一对电极引线14可以在电池单元10的一侧或两侧被拉出。

接下来，参照图6至图9，应用于本公开的盒20具有矩形平行六面体框架形状，该矩形平行六面体框架形状具有两个敞开侧和用以容纳电池单元10的空的内部。当容纳至少一个电池单元10时，电池单元10的外表面或通过堆叠电池单元10形成的单元堆的外表面可以与盒20的内表面接触。另外，盒20优选地由具有良好导热性的金属材料比如铝制成，以用作散发由电池单元10产生的热的冷却翅片。而且，在单元堆的外表面与盒20的内表面之间可以插置有绝缘片状件以增强由金属材料制成的盒20与电池单元10之间的绝缘。

为了如上所述地将单元堆插入到盒20内的容纳空间中，盒20内的容纳空间具有与电池单元10或单元堆相对应的形状和尺寸。

由于导热性树脂层30应当形成在盒20内，因此如图9中所示，在电池单元10的顶部端和底部端(意指基于图6的顶部和底部)与盒20的内表面之间形成预定空间S。

参照图7，盒20具有形成在其顶部表面和底部表面中的注入孔20a和排出孔20b。注入孔20a形成在盒20的顶部表面和底部表面的纵向中央部分处以用作用于形成导热性树脂层30的树脂糊的注入通道。

另外，排出孔20b形成在盒20的顶部表面和底部表面的两个纵向端部处以确认通过注入孔20a注入的导热性树脂糊是否完全填充形成在电池单元10或单元堆与盒20之间的空的空间S。即，如果导热性树脂糊开始通过位于盒20的底部表面的中央部分处的注入孔20a被注入，则导热性树脂糊从盒20的纵向中央部分朝向两个侧端部填充。并且，如果导热性树脂糊通过位于盒20的两个纵向端部处的排出孔20b被排出至外部，则工人可以确认空的空间S被导热性树脂糊填满并且可以停止填充操作。

导热性树脂层30是由如下材料制成的层，在该材料中，将提供导热性的添加剂(例如，石墨)添加至树脂比如环氧树脂。导热性树脂层30通过将导热性糊填充在电池单元10与盒20之间的空的空间S中获得。

导热性树脂层30填充盒20中的空的空间S以将电池单元10固定在盒20内并且还防止在电池单元10的下部部分与盒20的内表面之间产生空的空间，使得热从电池单元10容易地传递至盒20。如上所述，考虑到导热性树脂层30用于固定，可以在制造导热性树脂糊时添加聚合物粘合剂组分。

同时，在根据本公开的电池模块中，由于多个单元组件121堆叠成使得树脂被填充至每个单元组件121以执行电池单元10与盒20之间的联接，因此导热性树脂层30的树脂的密度可以整体上均匀分布。

如果电池模块制造成使得多个电池单元10没有被容纳在盒20中，而是被直接容纳在模块壳体110中，并且形成在电池单元10与模块壳体110之间的空间填充有树脂，则导热性树脂层30的树脂的密度可能在各个位置处非常不均匀地分布。

即，如果容纳在模块壳体110中的电池单元10的数目增加，则收集有电池单元10的单元堆变得非常厚。在这种情况下，如果树脂通过在模块壳体110的顶部表面和/或底部表面中形成注入孔来注入，则树脂的密度在靠近注入孔的位置处和远离注入孔的位置处可能表现出很大的差异。这可能会导致不合规范的产品质量。然而，在根据本公开的电池模块中，由于树脂填充最小的空间，因此上述问题可以被解决。

接下来，将参照图10对根据本公开的实施方式的电池模块中的散热路径进行描述。

图10是示出根据本公开的实施方式的电池模块中的冷却路径的示意图。

参照图10，从电池单元10产生的热沿着箭头移动，从而对电池模块进行冷却。

即，从电池模块10产生的热通常沿着两条路径移动。一条路径沿着电池单元10的宽表面→盒20→模块壳体110→TIM层300→散热器200形成(第一路径)，而另一条路径沿着电池单元10的顶部端和底部端→导热性树脂层30→模块壳体110→TIM层300→散热器200形成(第二路径)。

根据本公开的实施方式的电池模块可以通过经由两条路径消散来自电池单元10的热而实现高效冷却。此外，由于形成第二路径的导热性树脂层30不仅提高冷却效率而且允许将电池单元10容易地固定在盒20中，因此可以提高产品的可靠性。

另外，在根据本公开的实施方式的电池模块中，形成导热性树脂层30的糊可以通过将导热性树脂单独注入到电池模块的每个单元组件中而被均匀涂覆。因此，可以使电池单元10与盒20之间的固定力增大，并且可以使电池单元10的底部端与盒20之间的导热性最大化。

同时，可以通过将至少一个如上所述的根据本公开的实施方式的电池模块堆叠来形成电池组，并且以这种方式实现的电池组也可以如根据本公开的实施方式的电池模块那样具有良好的冷却效率和产品可靠性。

已经对本公开进行了详细描述。然而，应当理解的是，详细说明和特定示例在示出本公开的优选实施方式时仅通过说明的方式给出，因为根据该详细说明，本公开的范围内的各种变化和修改对于本领域技术人员而言将变得明显。

Claims (9)

1.一种电池模块，包括：

模块本体，所述模块本体包括单元组件堆和模块壳体，所述单元组件堆通过将多个单元组件堆叠而形成，所述模块壳体构造成容纳所述单元组件堆；以及

一对散热器，所述一对散热器布置在所述模块本体的上部部分和下部部分处以消散从所述模块壳体传递的热，

其中，所述单元组件包括：

至少一个电池单元；

盒，所述盒构造成容纳所述电池单元；以及

一对导热性树脂层，所述一对导热性树脂层被填充在形成于所述电池单元的顶部端与所述盒之间的空的空间以及形成于所述电池单元的底部端与所述盒之间的空的空间中。

2.根据权利要求1所述的电池模块，

其中，所述盒呈具有两个敞开侧的矩形平行六面体形状，并且所述电池单元与所述盒的内表面接触。

3.根据权利要求1所述的电池模块，

其中，所述盒呈具有两个敞开侧的矩形平行六面体形状，并且在所述电池单元与所述盒的内表面之间插置有绝缘片状件。

4.根据权利要求1所述的电池模块，

其中，所述电池单元的所述顶部端和所述底部端与所述导热性树脂层接触。

5.根据权利要求1所述的电池模块，

其中，所述盒具有形成在所述盒的顶部表面和底部表面处的注入孔和排出孔，所述注入孔用于注入树脂糊以形成所述导热性树脂层，所述排出孔用于排出注入的树脂。

6.根据权利要求5所述的电池模块，

其中，所述注入孔形成在所述盒的所述底部表面的中央部分处，并且所述排出孔形成在所述盒的所述底部表面的两个纵向端部处。

7.根据权利要求5所述的电池模块，

其中，所述注入孔形成在所述盒的所述顶部表面的中央部分处，并且所述排出孔形成在所述盒的所述顶部表面的两个纵向端部处。

8.根据权利要求1所述的电池模块，还包括：

一对热界面材料(TIM)层，所述一对热界面材料层插置在所述模块本体与所述散热器之间。

9.一种电池组，包括至少一个根据权利要求1至8中的任一项所述的电池模块。

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