CN111742443A - 具有提高的冷却效率的电池模块及包括电池模块的电池组 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一种实施方式的电池模块包括：堆叠成彼此面对的多个电池单元；堆叠成包围该多个电池单元的多个单元盒；以及多个PCM囊状件，该多个PCM囊状件设置在单元盒的内部并且该多个PCM囊状件中包含PCM。
Description
技术领域
本公开涉及具有提高的冷却效率的电池模块以及包括该电池模块的电池组，并且更具体地涉及构造成通过使用设置至单元盒的PCM(相变材料)囊状件来提高冷却效率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9月11日在韩国提交的韩国专利申请No.10-2018-0108559的优先权，该韩国专利申请的公开内容通过参引并入本文中。
背景技术
目前商业上使用的二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂二次电池。在这些电池中，与镍基二次电池相比，锂二次电池由于基本上没有记忆效应从而确保自由充电和放电、非常低的自放电率和高能量密度而受到高度关注。
锂二次电池主要使用锂基氧化物和碳质材料分别作为正极活性材料和负极活性材料。锂二次电池包括电极组件和外部部件，在电极组件中，布置有涂覆有正极活性材料的正极板和涂覆有负极活性材料的负极板，其中在正极板与负极板之间插置有分隔件，外部部件即为电池壳体，用于密封地容纳电极组件以及电解质。
通常，锂二次电池可以根据外部形状分类成罐型二次电池和袋型二次电池，在罐型二次电池中，电极组件包含于金属罐中，在袋型二次电池中，电极组件包含于由铝层压片制成的袋中。
近来，二次电池不仅已经广泛地用于比如便携式电子设备的小型设备，而且还用于比如车辆和电力储存系统的中型或大型设备。当用于中型或大型设备时，大量的二次电池被电连接以增加容量和电力。特别地，袋型单元因其可以容易地堆叠而广泛用于中型或大型设备。
然而，袋型单元通常封装在由其中铝和树脂被层压的层压片制成的电池壳体中，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便于二次电池的堆叠。
框架可以以不同的方式命名，比如盒。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，框架的四个侧部包围袋型单元的外周。另外，多个框架堆叠以构造电池模块，并且袋型单元可以在框架堆叠时安置在框架内部的空的空间中。
同时，参照图1，示出了常规的电池模块结构。在常规的电池模块结构中，如果多个袋型单元(1)通过使用多个框架(2)来堆叠，则在成对的袋型单元(1)中的每个袋型单元的外表面上应用板状冷却翅片(3)，由此提高冷却效率。
二次电池可以用于比如夏天的高温环境，并且二次电池还会从自身产生热量。此时，如果多个二次电池堆叠在彼此上，则二次电池的温度会变得更高。如果温度高于适合的温度，则二次电池的性能可能劣化，并且在严重的情况下，可能发生爆炸或着火。因此，当构造电池模块时，应用冷却翅片(3)以接触袋型单元(1)的表面，并且使冷却翅片(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升高。该结构经常被使用。
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，则袋型单元(1)和冷却翅片(3)的堆叠/固定过程花费大量时间，导致生产率下降。而且，仅利用冷却翅片(3)难以获得足够的冷却效果。
另外，如果将冷却翅片(3)插置在每个面对的袋型单元(1)之间，电池模块的体积由于冷却翅片(3)的厚度而不可避免地增加，由此造成能量密度方面的损失。
因此，迫切需要开发一种解决上述工艺问题并且具有优异的冷却效果而不造成能量密度方面的损失的电池模块结构。
发明内容
技术问题
本公开设计成解决相关技术的问题，因此，本公开旨在通过应用PCM囊状件来提高冷却效率并且防止在能量密度方面的损失，PCM囊状件能够提高单元盒中的冷却效率，而不使用例如增加了电池模块的体积的冷却翅片的冷却构件。
然而，本公开要解决的技术问题不限于以上问题，并且本领域技术人员将根据以下描述理解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：堆叠成彼此面对的多个电池单元；堆叠成包围该多个电池单元的多个单元盒；以及多个PCM囊状件，该多个PCM囊状件设置在单元盒中并且该多个PCM囊状件中包含相变材料(PCM)。
电池单元包括：电极组件；单元壳体，该单元壳体具有用于容纳电极组件的容纳部分和从容纳部分的周缘向外延伸的密封部分；以及电极引线，该电极引线连接至电极组件并且穿过单元壳体的密封部分被引出。
单元盒可以包括：呈矩形边框的形式的主框架；以及从主框架的内侧表面延伸并且呈比主框架小的矩形边框的形式的子框架。
主框架的尺寸和形状可以设置成与电池单元对应，以容纳电池单元。
子框架的尺寸和形状可以设置成与容纳部分对应，以容纳容纳部分。
密封部分的上表面可以置于设置至从电池单元的上部部分联接的单元盒的子框架的下表面上，并且密封部分的下表面可以置于设置至从电池单元的下部部分联接的单元盒的子框架的上表面上。
PCM囊状件可以插入穿过单元盒的外侧表面和内侧表面。
PCM囊状件的一个端部可以与电池单元接触并且PCM囊状件的另一端部可以暴露在电池模块之外。
PCM囊状件可以包括：PCM；以及构造成容纳PCM的囊状件护套。
PCM囊状件可以与形成单元盒的树脂一起被插入-注射，并且定位于单元盒的内部。
囊状件护套可以具有比形成单元盒的树脂高的熔点。
同时，根据本公开的实施方式的电池组可以包括多个根据本公开的实施方式的电池模块。
有利效果
根据本公开的一个方面，通过应用PCM囊状件可以提高冷却效率并且防止在能量密度方面的损失，PCM囊状件能够提高单元盒中的冷却效率，而不使用例如增加了电池模块的体积的冷却翅片的冷却部件。
附图说明
附图图示了本公开的优选实施方式，并且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，因此，本公开不被解释为限于附图。
图1是示出了应用冷却翅片的常规的电池模块的图。
图2是示出了根据本公开的实施方式的电池模块的立体图。
图3是示出了应用于根据本公开的实施方式的电池模块的电池单元的立体图。
图4和图5是示出了应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元盒的立体图。
图6是沿着图2的线A-A’截取的截面图。
图7是示出了应用于根据本公开的实施方式的电池模块的PCM囊状件的图。
图8是示出了根据本公开的另一实施方式的电池模块的立体图。
图9是沿着图8的线B-B’截取的截面图。
图10是示出了应用于根据本公开的另一实施方式的电池模块的PCM囊状件的图。
具体实施方式
在下文中，将参考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一般含义和词典含义，而应当在允许发明人为了最佳说明而适当限定术语的原则的基础上，基于与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。因此，仅是出于说明的目的，本文中提出的描述仅为优选示例，并非意在限制本公开的范围，因此应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本公开做出其他等同方案和改型。
首先，将参照图2对根据本公开的实施方式的电池模块的示意性结构进行描述。
图2是示出了根据本公开的实施方式的电池模块的立体图。
参照图2，根据本公开的实施方式的电池模块包括多个电池单元(10)、多个单元盒(20)和多个PCM囊状件(30)。
电池单元(10)例如可以是袋型电池单元。每个电池单元(10)由一对单元盒(20)来固定，这一对单元盒(20)分别布置在电池单元(10)的上部部分处和下部部分处。
单元盒(20)具有大致矩形的边框形状，并且在形成于该边框的内侧的空间中容纳电池单元(10)。单元盒(20)成对地设置，并且该对单元盒分别布置在一个电池单元(10)的上部部分处和下部部分处，由此将电池单元(10)在上部部分处和下部部分处固定。
PCM囊状件(30)布置成穿过单元盒(20)。PCM囊状件(30)的一个端部可以穿过形成在单元盒(20)中的孔与电池单元(10)接触，并且PCM囊状件(30)的另一端部可以暴露在电池模块之外。如随后解释的，PCM囊状件30在PCM囊状件(30)中包含PCM(相变材料)，并且借助于PCM的相变来吸收从电池单元(10)产生的热并且将热释放至外部。
接下来，将参照图3对应用于本公开的电池单元(10)进行详细描述。
图3是示出了应用于根据本公开的实施方式的电池模块的电池单元的立体图。
参照图3，电池单元(10)包括电极组件(未示出)、单元壳体(11)和电极引线(14)。将基于电池单元(10)为袋型电池单元的情况来描述该实施方式。
尽管未在附图中示出，但是电极组件可以呈堆叠体的形式，在该堆叠体中，正极、负极和插置在正极与负极之间的分隔件依次堆叠至少一次，或者电极组件可以呈其中堆叠体被卷绕的形式。
正极包括正极集流体和涂覆在正极集流体的至少一个表面上的正极活性材料层。负极包括负极集流体和涂覆在负极集流体的至少一个表面上的负极活性材料层。分隔件可以由多孔材料制成，使得正离子和负离子可以穿过分隔件在正极与负极之间移动。
单元壳体(11)由其中树脂层、金属层和树脂层依次堆叠的袋状膜制成。单元壳体(11)包括用于容纳电极组件的容纳部分(12)和从容纳部分(12)的周缘向外延伸的密封部分(13)。在密封部分(13)通过热熔形成之前，电解质与电极组件一起被注入单元壳体(11)中。
电极引线(14)连接至形成在电极组件处的电极接片(未示出)，并且电极引线(14)穿过密封部分(13)被引出到单元壳体(11)之外。电极引线(14)成对地设置，该对电极引线(14)中的一个电极引线对应于连接至正极接片的正极引线，并且该对电极引线(14)中的另一电极引线对应于连接至负极接片的负极引线。
在本公开中，仅描绘了一对电极引线(14)被沿相反的方向引出的情况，但这是电池单元(10)的示例性形式。替代性地，这一对电极引线(14)可以被沿相同的方向引出。
接下来，将参照图4至图6以及图2对应用于本公开的单元盒(20)进行详细描述。
图4和图5是示出了应用于根据本公开的实施方式的电池模块的单元盒的立体图。另外，图6是沿着图2的线A-A’截取的截面图。
参照图4至图6以及图2，单元盒(20)包括呈大致矩形边框的形式的主框架(21)和从主框架(21)的内侧表面朝向边框的内侧延伸的子框架(22)。
主框架(21)的尺寸和形状被设置成与电池单元(10)对应，以容纳电池单元(10)。主框架(21)具有引线引出槽(21a)，该引线引出槽(21a)允许容纳在边框中的电池单元(10)的电极引线(14)被引出到主框架(21)之外。
引线引出槽(21a)分别形成在主框架(21)的上表面处和下表面处。因此，当一对单元盒(20)以匹配的形式堆叠时，形成在位于上方的单元盒(20)的下表面处的引线引出槽(21a)和形成在位于下方的单元盒(20)的上表面处的引线引出槽(21a)接合以形成一个狭缝，电极引线(14)可以穿过该狭缝被引出。
子框架(22)的尺寸和形状被设置成与电池单元10的容纳部分(13)对应，以容纳容纳部分(13)。换言之，子框架(22)呈比上述主框架(21)小的矩形边框的形式。
电池单元(10)的密封部分(13)置于子框架(22)的上表面(22a)和下表面(22b)上。换言之，电池单元(10)的布置在单元盒(20)的上部部分处的密封部分(13)置于子框架(22)的上表面(22a)上，并且电池单元(10)的布置在单元盒(20)的下部部分处的密封部分(13)置于子框架(22)的下表面(22b)上。
另外，当一对单元盒(20)以匹配的形式堆叠时，容纳在这一对单元盒(20)之间的电池单元(10)的密封部分(13)固定在设置在位于电池单元(10)的上部部分处的单元盒(20)处的子框架(22)的下表面(22b)与设置在位于电池单元(10)的下部部分处的单元盒(20)处的子框架(22)的上表面(22a)之间。
单元盒(20)可以由诸如塑料、硅、氨基甲酸酯之类的材料制成。接下来，参照图7以及图2和图6，将对应用于本公开的PCM囊状件(30)进行详细描述。
图7是示出了应用于根据本公开的实施方式的电池模块的PCM囊状件的图。
参照图7以及图2和图6，PCM囊状件(30)可以具有近似长筒形形状，并且插入穿过单元盒(20)的外侧表面和内侧表面。PCM囊状件(30)包括PCM(31)和与容纳PCM(31)的护套对应的囊状件护套32。
由于PCM囊状件(30)形成为穿过单元盒(20)，因此PCM囊状件(30)的一个端部可以直接接触容纳在单元盒(20)中的电池单元(10)。因此，PCM囊状件(30)可以与从电池单元(10)产生的热迅速反应以引起相变，并且可以通过该相变将从电池单元(10)产生的热迅速消除，由此将电池单元(10)的温度降低至适当的水平。
另外，由于PCM囊状件(30)的另一端部穿过贯穿单元盒(20)而形成的孔暴露于外部，所以从电池单元(10)吸收的热可以迅速释放至外部。在热释放过程期间，PCM囊状件(30)可以引起从液态至固态或从气态至液态的相变。
PCM(31)例如可以采用如下材料：该材料在电池单元(10)产生热以使外界温度升高到一定水平以上时通过吸收热而从固态变为液态或从液态变为气态，并且在将所吸收的热释放至外部的同时从液态变为固态或者从气态变为液态。
PCM(31)例如可以使用选自包括呈水合物形式的无机物、链烷烃和有机酸的组的任一者或其混合物。
呈水合物形式的无机物例如可以使用选自包括NaNH4SO4·2H2O、Na2SO4·10H2O、Na2SiO3·5H2O、Na3PO4·12H2O、Na(CH3COO)·3H2O、NaHPO4·12H2O、K2HPO4·3H2O、Fe(NO3)3·9H2O、FeCl3·2H2O、Fe2O3·4SO4·9H2O、Ca(NO3)2·3H2O、CaCl2·6H2O、K2HPO4·3H2O和K3PO4·7H2O的组的任一者或其混合物。
链烷烃可以使用选自包括正二十八烷、正二十七烷、正二十五烷、正二十四烷、正二十三烷，正二十二烷、正二十一烷、正二十烷、正十九烷、正十八烷、正十七烷、正十六烷、正十五烷、正十四烷和正十三烷的组的任一者或其混合物。
另外，有机酸可以使用选自包括正辛酸、酒石酸、草酸、乙酸、乳酸和氯乙酸的组的任一者或其混合物。
囊状件护套(32)是用于容纳PCM(31)的容器。囊状件护套(32)可以具有能够促进囊状件护套(32)的内部与外部之间的热传递的任何厚度以使得囊状件护套(32)中的PCM(31)可以根据温度变化而容易地引起相变，而不具有限制。
同时，囊状件护套(32)可以采用各种种类的树脂，并且例如可以使用选自包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚己内酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、明胶、壳聚糖、纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯的组的任一者及其衍生物或其混合物。
如上面所描述的，根据本公开，从电池单元(10)产生的热由PCM囊状件(30)内的PCM(31)吸收，由此通过温度控制改善了冷却性能。另外，通过调整PCM囊状件(30)的量，可以排除对诸如常规冷却翅片的冷却构件的应用，由此实现具有所谓的“非冷却结构”的电池模块。
接下来，将参照图8至图10对根据本公开的另一实施方式的电池模块进行描述。
图8是示出了根据本公开的另一实施方式的电池模块的立体图，图9是沿着图8的线B-B’截取的截面图，并且图10是示出了应用于根据本公开的另一实施方式的电池模块的PCM囊状件的图。
参照图8至图10，根据本公开的另一实施方式的电池模块与本公开的前一实施方式的电池模块的不同之处仅在于PCM囊状件(40)所应用的形式，而其他部件大致相同。因此，在对根据本公开的另一实施方式的电池模块进行描述时，以下描述将集中于与前一实施方式的电池模块不同的部分，并且将省略对于与前一实施方式大致没有不同的其余部件的重复描述。
在根据本公开的另一实施方式的电池模块中，PCM囊状件(40)以通过例如插入-注射等而嵌入单元盒(20)中的形式设置。换言之，当树脂熔料比如塑料被注入到模具中并被注射到本公开的单元盒(20)的模具中时，PCM囊状件(40)可以被混合在树脂熔料中并因此被一起插入-注射。通过这样做，多个PCM囊状件(40)可以呈均匀嵌入在单元盒(20)中的形式。
如果PCM囊状件(40)如上述那样定位于单元盒(20)内部，则热可以在单元盒(20)的整个区域中被均匀且迅速地吸收和释放。
同时，为了产生其中PCM囊状件(40)通过插入-注射而嵌入在单元盒(20)中的模壳，PCM囊状件(40)的囊状件护套(41)的熔点优选地高于形成单元盒(20)的树脂的熔点。这是为了防止：在使树脂熔化以使用树脂进行注射时，囊状件护套(41)一起熔化并因此囊状件护套(41)内的PCM(42)从囊状件护套(41)流出。
另外，即使当单元盒(20)由硅或氨基甲酸酯制成时，PCM囊状件(40)也可以被制备成在与硅和氨基甲酸酯混合时不变形或不引起异常性能。在此情况下，PCM囊状件(40)可以应用于各种形状的产品。
同时，与应用于前一实施方式的PCM囊状件(30)不同，PCM囊状件(40)可以具有横截面为圆形的大致球形形状。然而，PCM囊状件(40)的形状不限于此。换言之，PCM囊状件(40)的外部形状没有特别限制，只要PCM囊状件(40)可以以高密度被填充在单元盒(20)中即可。
已经对本公开进行了详细描述。然而，应当理解的是表明为本公开的优选实施方式的详细描述和具体示例仅以说明的方式给出，这是因为根据该详细描述，在本公开的范围内的各种变型和改型对于本领域技术人员而言将变得明显。
Claims (15)
1.一种电池模块，包括：
多个电池单元，所述多个电池单元堆叠成彼此面对；
多个单元盒，所述多个单元盒堆叠成包围所述多个电池单元；以及
多个PCM(相变材料)囊状件，所述多个PCM囊状件设置在所述单元盒中并且所述多个PCM囊状件中包含PCM。
2.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述电池单元包括：
电极组件；
单元壳体，所述单元壳体具有用于容纳所述电极组件的容纳部分和从所述容纳部分的周缘向外延伸的密封部分；以及
电极引线，所述电极引线连接至所述电极组件并且穿过所述单元壳体的所述密封部分被引出。
3.根据权利要求2所述的电池模块，
其中，所述单元盒包括：
主框架，所述主框架呈矩形边框的形式；以及
子框架，所述子框架从所述主框架的内侧表面延伸并且呈比所述主框架小的矩形边框的形式。
4.根据权利要求3所述的电池模块，
其中，所述主框架的尺寸和形状被设置成与所述电池单元对应，以容纳所述电池单元。
5.根据权利要求4所述的电池模块，
其中，所述子框架的尺寸和形状被设置成与所述容纳部分对应，以容纳所述容纳部分。
6.根据权利要求5所述的电池模块，
其中，所述电池单元通过所述多个单元盒之中的分别布置在该电池单元的上部部分处和下部部分处的一对单元盒固定。
7.根据权利要求5所述的电池模块，
其中，所述密封部分的上表面置于设置至从所述电池单元的上部部分联接的单元盒的子框架的下表面上，并且
其中，所述密封部分的下表面置于设置至从所述电池单元的下部部分联接的单元盒的子框架的上表面上。
8.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述PCM囊状件插入穿过所述单元盒的外侧表面和内侧表面。
9.根据权利要求8所述的电池模块，
其中，所述PCM囊状件的一个端部与所述电池单元接触并且所述PCM囊状件的另一端部暴露在所述电池模块之外。
10.根据权利要求8所述的电池模块，
其中，所述PCM囊状件具有筒形形状。
11.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述PCM囊状件包括：
PCM；以及
构造成容纳所述PCM的囊状件护套。
12.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述PCM囊状件与形成所述单元盒的树脂一起被插入-注射，并且所述PCM囊状件定位于所述单元盒的内部。
13.根据权利要求12所述的电池模块，
其中，所述囊状件护套具有比形成所述单元盒的所述树脂高的熔点。
14.根据权利要求12所述的电池模块，
其中，所述PCM囊状件形成为具有球形形状。
15.一种电池组，所述电池组包括多个根据权利要求1至14中的任一项所述的电池模块。
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