CN112673511A - 包括加热构件的电池组 - Google Patents

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Abstract

公开了一种能够抑制电池单体堆中的电池单体之间发生温度偏差的电池组。该电池组包括：电池单体堆，其被配置成具有如下结构，其中多个电池单体被堆叠成彼此紧密接触；加热构件，所述加热构件被布置在所述电池单体堆的所有外表面中的、所述电池单体堆的三个外表面处，并且紧密接触所述电池单体堆的三个外表面；温度传感器，其连接到每个电池单体；以及电池组壳体，其被构造成接收电池单体堆、加热构件以及温度传感器。加热构件被构造成具有包括第一表面、第二表面和第三表面的一体结构。

Description

包括加热构件的电池组
技术领域
本申请要求2019年8月8日提交的韩国专利申请第2019-0096973号的优先权权益，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
本发明涉及一种包括加热构件的电池组，更具体地，本发明涉及一种包括如下加热构件的电池组：所述加热构件被布置在电池单体堆的所有外表面中的、电池单体堆的三个外表面处，并且紧密接触电池单体堆的外表面，以便减小电池单体堆的温度偏差。
背景技术
由于使用化石燃料的现有汽油和柴油车辆被认为是主要的空气污染源，因此，作为其替代品的电动车辆、混合动力电动车辆和插电式混合动力电动车辆已经备受关注，并且已经对作为其能量源的二次电池积极地进行了研究与开发。
在诸如电动车辆这样的需要大容量和高电压的设备中使用的二次电池，以电池单体组件或具有其中布置多个电池单体的结构的电池组的形式使用。
电池单体组件或电池组可能会受到设备所运行的各种环境的影响。例如，电池组的充电容量和输出可能会根据温度而变化很大。
具体地，当比较在低于零度的温度下对包括锂二次电池的电池组进行充电的情况和在高于零度的温度下对电池组进行充电以获得相同的充电容量的情况时，因为在低于零度的温度下充电的电池组的充电容量由于低温而受到很大限制，因此在低于零度的温度下充电的电池组比在高于零度的温度下充电的电池组需要更长的充电时间。
因此，为了将电池组的温度保持在预定水平或更高水平，已经执行了诸如向电池组的内部添加加热垫等各种尝试。
图1是示意性地示出包括常规加热构件的电池组的分解立体图。
参考图1，电池组100包括：电池单体堆110，其被构造成具有其中多个电池单体111被布置成彼此紧密接触的结构；加热构件120，其位于电池单体堆110的下部处；以及电池组壳体130，其被构造成接收电池单体堆110和加热构件120。
加热构件120被施加在被接收于电池组壳体130内的电池单体堆110的下表面上，并且电池单体堆110可从该电池单体堆110的下部被加热。
然而，加热构件120是扁平的，因此，加热构件120仅接触电池单体堆110的下表面。结果，增加了升高电池单体堆110的整体温度所需的时间。
另外，因为电池单体紧密接触由金属材料制成的电池组壳体130，因此热量易于从位于电池单体堆110的外侧部分处的电池单体排出。相反，由于每个都具有加热元件特性的电池单体被布置成处于彼此紧密接触的状态，因此位于电池单体堆110的中间部分处的电池单体的温度升高更快。结果，单独电池单体之间的偏差增大。
这引起电池单体之间的充电容量的偏差，并且也引起单独电池单体之间的寿命差异。
同时，专利文献1公开了一种电池组件，其被构造成使得在电池模块和/或护套壳体内包括具有碳纳米管加热元件的散热和发热膜，其中，散热膜包括：第一散热层和第二散热层，每个散热层都由导热材料制成，第一散热层和第二散热层中的每个都被配置成散发来自单元单体的热量；和粘合剂层，其形成在第一散热层和第二散热层之间，并且粘合剂层被配置成将第一散热层和第二散热层彼此粘附。专利文献1具体地建议了散热膜的结构，但是未建议一种减小电池单体之间的温度偏差的方法。
专利文献2公开了一种被构造成具有下列结构的电池组：其中，加热垫被插入到包括多个电池单体的单体模块组件中，同时单体模块组件被填充以绝热泡沫，加热垫的操作被控制成使得：即使在电池组的使用环境中的温度条件偏离电池单体的保证温度范围的情况下，电池组也可以稳定地使用。为了提高电池组的温度，除了加热垫之外还使用绝热泡沫。
专利文献3公开了一种组电池，其包括：内壳体，其被构造成接收彼此平行的多个电池；外壳体，其被构造成接收内壳体；片式加热器，其被布置在内壳体和外壳体之间，片式加热器被配置成提高电池的温度。在片式加热器中，电阻丝被固定到柔性绝缘片。在片式加热器中，电阻丝沿内壳体的拐角弯曲，并被固定在内壳体的两个表面上。在片式加热器中，位于内壳体的拐角处的电阻丝的弯曲部以沿着朝弯曲电阻丝的方向延伸的曲形(诸如凸形或凹形)固定到绝缘片。
如上所述，现有技术文献使用散热膜、加热垫以及片式加热器以便提高电池组中的温度。然而，现有技术文献都没有建议一种解决构成电池组的电池单体堆的不均匀温度分布的问题。
因此，需要能够解决上述问题的技术。
(现有技术文献)
(专利文献1)韩国专利申请公开第2012-0053476号(2012.05.25)
(专利文献2)韩国专利申请公开第2018-0085123号(2018.07.26)
(专利文献3)日本专利申请公开第2007-213939号(2007.08.23)
发明内容
技术问题
已经鉴于上述问题做出了本发明，并且本发明的目标在于提供一种包括加热构件的电池组，加热构件被布置成包围具有下列结构的电池单体堆的外表面，在该结构中，多个电池单体堆叠成彼此紧密接触，以便减小电池单体之间的温度偏差。
技术解决方案
为了实现上述目标，根据本发明的电池组包括：电池单体堆，其被构造成具有如下结构，其中多个电池单体被堆叠成彼此紧密接触；加热构件，所述加热构件被布置在所述电池单体堆的所有外表面中的、所述电池单体堆的三个外表面处，并且紧密接触所述电池单体堆的三个外表面；以及电池组壳体，其被构造成接收电池单体堆和加热构件，其中，加热构件被构造成具有包括第一表面、第二表面和第三表面的一体结构。
加热构件可以使用从外部电源供应的能量发热。
电池单体堆可以被构造成：在多个袋形电池单体的接收部被堆叠成彼此面对的状态下，所述接收部的侧表面被布置成与地面平行。
第一弯曲部形成在加热构件的第一表面和第二表面之间，第二弯曲部形成在加热构件的第二表面和第三表面之间，并且第一表面和第三表面分别位于被设置在所述电池单体堆的最外侧处的第一电池单体和第二电池单体的外表面处。
加热构件的第二表面的面积可以等于电池单体堆的面向外侧的表面的面积。
加热构件可以被构造成下列形式，其中，加热构件的第一表面和第二表面中的每一个的、与相应的电极接线片相邻的一部分被至少部分地去除。
加热构件可以包括金属或非金属电阻加热元件。
加热构件可以被构造成下列形式，其中电阻加热元件被接收在绝缘垫中。
绝缘垫可以包括形成为面向电池单体堆的第一表面和形成为面向电池组壳体的第二表面，第一表面可以由展现高导热性的材料制成，第二表面可以由展现高绝热性的材料制成。
加热构件可以是第一加热构件，并且电池组可以进一步包括第二加热构件，第二加热构件被布置成与所述第一加热构件相反的方向上关于第一加热构件对称，第二加热构件被布置在电池单体堆的外表面处，以便附接到电池单体堆的外表面。
温度传感器可以被连接到每个电池单体，并且电池组可以进一步包括调节构件，调节构件被配置成基于由温度传感器所测量的每个单独电池单体的温度来调节加热构件的发热温度。
电池单体堆中具有最高温度的电池单体的温度可以低于具有最低温度的电池单体的温度的1.5倍。
本发明可以提供一种包括作为电源的电池组的设备。
附图说明
图1是示出包括常规加热构件的电池组的分解立体图。
图2是示出包括根据本发明第一实施例的加热构件的电池组的分解立体图。
图3是示出根据本发明第二实施例的加热构件的立体图。
图4是示出根据本发明第三实施例的加热构件的立体图。
图5是示出根据本发明第四实施例的加热构件的立体图。
图6是示出根据本发明第五实施例的加热构件的截面图。
图7是示出根据示例制造的电池组中的电池单体的温度分布的视图。
图8是示出根据比较例制造的电池组中的电池单体的温度分布的视图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细地描述本发明的优选实施例，使得本发明所属领域的技术人员可以容易地实现本发明的优选实施例。然而，在详细地描述本发明的优选实施例的操作原理时，当包含在其中的已知功能和配置可能使本发明的主题不清楚时，将省略对这些功能和配置的详细说明。
另外，在整个附图中都将使用相同的附图标记来指代执行类似功能或操作的部分。在说明书中，在将一个部分连接到另一部分的情况下，不仅可以将一个部分直接连接至另一部分，而且可以将一个部分经由其他部分间接连接至另一部分。另外，包括特定元素并不意味着排除其他元素，而是意味着可以进一步包括这样的元素，除非另有说明。
下面将参考附图详细地描述本发明的实施例。
图2是示出包括根据本发明第一实施例的加热构件的电池组的分解立体图。
参考图2，电池组200包括：电池单体堆210，其被构造成具有下列结构：其中，多个袋形电池单体211被堆叠成彼此紧密接触；加热构件220，其被布置在电池单体堆210的外表面的一部分处，从而与其附接；温度传感器240，其连接到每个电池单体211；以及电池组壳体230，其被构造成接收电池单体堆210、加热构件220以及温度传感器240。
除了电极接线片212从其突出的相反两侧表面之外，电池单体堆210包括电池单体堆的左表面210a、电池单体堆的下表面210b、电池单体堆的右表面210c以及电池单体堆的上表面210d。
加热构件220被构造成具有一体结构，包括加热构件的第一表面221、加热构件的第二表面222以及加热构件的第三表面223。加热构件的第一表面221被布置在电池单体堆的左表面210a的外表面处，以便与其附接，加热构件的第二表面222被布置在电池单体堆的下表面210b的外表面处，以便与其附接，并且加热构件的第三表面223被布置在电池单体堆的右表面210c的外表面处，以便与其附接。
即，加热构件220被布置在由电池单体堆的左表面210a、电池单体堆的下表面210b以及电池单体堆的右表面210c构成的电池单体堆的三个外表面处，以与其附接。因此，可以增大电池单体堆210和加热构件220之间的接触面积。
在具体示例中，在电池组200暴露于低温环境的情况下，电池组可以表现出这样的温度分布：其中，位于电池单体堆210的外侧部分处的电池单体的温度低于位于电池单体堆210的中间部分处的电池单体的温度。
然而，如本发明中所述，在使用被布置在电池单体堆的左表面和右表面以及电池单体堆的下表面处以与其附接的加热构件的情况下，可以直接加热位于电池单体堆的外侧部分处的、温度较低的电池单体，因而提高电池单体的温度。因此，可以减小根据电池单体的位置而发生的温度偏差。
而且，在根据本发明的包括加热构件的电池组的情况下，增大了被施加在电池组中的加热构件的面积，由此可以快速升高电池组中的温度，从而有利地保持电池组的被加热状态，并且均匀地保持电池组中的温度。因此，可以使得电池组中的电池单体的温度分布均匀。
根据本发明的电池组被配置成使得构成电池单体堆的电池单体之间的温度偏差被减小。因此，优选地，在构成电池单体堆的袋形电池单体的接收部被堆叠成彼此面对的状态下，接收部的侧表面213可以被布置成平行于地面。
在如上所述布置电池单体的状态下，加热构件被布置在电池单体堆的左表面、下表面以及右表面处。
第一弯曲部227形成在加热构件的第一表面221和加热构件的第二表面222之间，并且第二弯曲部228形成在加热构件的第二表面222和加热构件的第三表面223之间。第一电池单体211和第二电池单体219位于电池单体堆的最外端处。加热构件的第三表面223位于第一电池单体211的外表面处，并且加热构件的第一表面221位于第二电池单体219的外表面处。
优选地，加热构件的第二表面222的面积可以等于电池单体堆的下表面210b的面积。
另外，加热构件的第一表面221和加热构件的第三表面223中的每个的高度都可以等于或小于电池单体堆的、分别面对加热构件的第一表面221和加热构件的第三表面223的左表面210a和右表面210c中的相应一个的高度。具体地，加热构件的第一表面221和加热构件的第三表面223中的每一个的面积可以是电池单体堆的左表面210a和右表面210c中的相应一个的面积的10％或更大。
可替代地，加热构件的第一表面221和第三表面223中的每一个的高度可以是电池单体堆的左表面210a和右表面210c中的相应一个的面积的50％或更大，具体地是50％至100％，更具体地是80％至100％。
在加热构件的第一表面和加热构件的第三表面中的每一个的面积小于电池单体堆的左表面和右表面中的相应一个的面积的50％的情况下，难以实现减小电池单体之间的温度偏差的目标，这是不期望的。在加热构件的第一表面和加热构件的第三表面中的每一个的面积大于电池单体堆的左表面和右表面中的相应一个的面积的100％的情况下，加热构件的尺寸可能大于电池组壳体的尺寸，这也是不期望的。
加热构件的发热方法不特别受限。例如，来自外部电源的能量可以被供应给加热构件，使得加热构件发热，以加热电池组内的电池单体。
加热构件可以包括金属电阻加热元件或非金属电阻加热元件。例如，可以将铁、镍、镍铬、铁铬、铂或铂和铑的合金用作金属电阻加热元件的材料，并且在真空或在氢气流中，金属电阻加热元件的运行温度可以为1200℃至2500℃。碳化硅可用作金属电阻加热元件的材料。可替代地，可以单独或以混合物的形式使用硝酸钠、硝酸钾、氯化钙、氯化钠、氯化钾、碳化钠和氯化钡作为金属电阻加热元件的材料。在除氧化气体以外的气体气氛中或在真空下，可以在2500℃至3000℃的高温下使用棒或管的形式的碳。
电池组200包括温度传感器240，温度传感器240被配置成测量每个单独电池单体的温度，并在发生温度偏差的情况下调节加热构件220的温度。温度传感器240被附接到每个单独电池单体的外表面。电池组可以进一步包括调节构件(未示出)，调节构件被配置成基于由温度传感器240测量的每个单独电池单体的温度来调节加热构件的发热温度。
因此，当位于电池单体堆的外侧部分处的电池单体的温度与位于电池单体堆的中间部分处的电池单体的温度之间的温度偏差较大时，调节构件可以提高加热构件的温度，以提高位于电池单体堆的外侧部分处的电池单体的温度。
图3是示出根据本发明第二实施例的加热构件的立体图。
参考图3，加热构件320被配置成具有一体结构，该一体结构包括加热构件的第一表面321、加热构件的第二表面322以及加热构件的第三表面323，其中，加热构件的第一表面321和加热构件的第三表面323在其相反两端处内凹。
通常，在电池单体的电极接线片附近测量的电池单体的温度高于在电池单体的其他部分中测量的电池单体的温度，并且根据位置，甚至在每个单独电池单体中都发生温度偏差。
加热构件320被构造成下列形式：其中，加热构件的第一表面321和加热构件的第三表面323中的每一个的、与相应一个电极接线片相邻的部分都被部分地去除。因此，可能最小化每个单独电池单体中的温度偏差，因此，可以降低每个单独电池单体的容量减小率。
图4是示出根据本发明第三实施例的加热构件的立体图。
参考图4，加热构件420被构造成具有一体结构，该一体结构包括加热构件的第一表面421、加热构件的第二表面422以及加热构件的第三表面423，其中，在每个电池单体的纵向方向a上，加热构件的第一表面421和加热构件的第三表面423中的每个都短于加热构件的第二表面422。
以与图3中所示的根据本发明第二实施例的加热构件320相同的方式，部分地去除加热构件420的与电极接线片相邻的部分。因此，可以最小化每个单独电池单体中的温度偏差，因此，可以防止单独电池单体之间发生寿命差异。
图5是示出根据本发明第四实施例的加热构件的立体图。
参考图5，加热构件包括两个分离的加热构件，即第一加热构件520和第二加热构件530。
第一加热构件520和第二加热构件530被布置在电池单体堆的外表面处，以便与其附接，同时被定位成使得其第二表面522和532彼此面对。
根据本发明的第一至第三实施例的每个加热构件220、320和420的第一表面和第三表面的高度都对应于电池单体堆的高度，而第一加热构件520的第一表面521的高度和第二加热构件530的第一表面531的高度之和，或者第一加热构件520的第三表面523的高度和第二加热构件530的第三表面533的高度之和可以对应于电池单体堆的高度。
由于加热构件向上延伸到电池单体堆的上表面，因此即使在加热构件由第一加热构件520和第二加热构件530构成的情况下，也可以改善升高电池单体堆的温度的效果。此外，仅向组装电池组200的过程添加利用第二加热构件530覆盖电池单体堆的过程就足够了，由此可以防止在组装过程中发生的困难。
图6是示出根据本发明第五实施例的加热构件的截面图。
参考图6，加热构件620被构造成下列形式：其中，电阻加热元件被接收在绝缘垫中。绝缘垫可以包括形成为面对电池单体堆的第一表面631和形成为面对电池组壳体的第二表面632。第一表面631可以由展现高导热性的材料制成，第二表面632可以由展现高绝热性的材料制成。
即，优选地，形成为面对电池单体堆的第一表面由展现高导热性的材料制成，使得从绝缘垫中的电阻加热元件633产生的热量被快速地传递给电池单体堆而不损失，并且形成为面对电池组壳体的第二表面由展现高绝热性的材料制成，以便防止从绝缘垫中的电阻加热元件633产生的热量被排出电池组。
下面将参考下列示例描述本发明。该示例仅是为了更易于理解本发明提供的，而不应被理解为限制本发明的范围。
<比较例>
12个袋形电池单体被制备并布置在图1的电池单体堆中。之后，与图1的加热构件相同的平面加热构件被附接到电池单体堆的下表面，并且电池单体堆和加热构件被接收在电池组壳体内。
温度传感器被附接到12个袋形电池单体中的每一个，以测量每个单独电池单体的温度。
<示例>
12个袋形电池单体被制备并布置在图2的电池单体堆中。之后，图2的加热构件被附接到电池单体堆的下表面、左表面和右表面，并且电池单体堆和加热构件被接收在电池组壳体内。
温度传感器被附接到12个袋形电池单体中的每一个，以测量每个单独电池单体的温度。
<实验例>
将根据示例和比较例制造的电池组被接收在-30℃的腔室中，对加热构件加热1小时，并且测量电池单体的温度分布。在图7中示出了示例的电池单体的温度分布，并且在图8中示出了比较例的电池单体的温度分布。
参考图7和图8，水平轴上的数字是在一个方向上按顺序分派的构成电池单体堆的电池单体的编号。
图7的视图示出电池单体#6的温度最高。图8的视图示出电池单体#7的温度最高，位于电池单体堆的中间部分处的电池单体的温度较高，而位于电池单体堆的相反两端处的电池单体#1和电池单体#12的温度最低。
图7示出12个电池单体之间的温度偏差不大，并且温度最高的电池单体#6的温度为温度最低的电池单体#3的温度的约1.3倍。相反，图8示出电池单体#7的温度为电池单体#1的温度的约5.5倍，并且为电池单体#12的温度的约11倍。
如上所述，可以看出，比较例的电池单体之间的温度偏差大，而示例的电池单体之间的温度偏差小。
因此，在根据本发明的电池组中，防止了电池单体之间的寿命差异的发生，由此，可能提供一种高效率、长寿命的电池组。
如上所述，根据本发明的电池组能够减小电池单体之间的温度偏差。因此，优选地，该电池组安装在用于具有低于零度的温度的区域中的设备中或者是诸如冰箱的设备中，以便用作设备的电源。
本发明所属领域的技术人员应明白，基于上述描述，可以在本发明的范畴内存在各种应用和修改。
(附图标记说明)
100、200：电池组
110、210：电池单体堆
111、211、219：电池单体
212：电极接线片
120、220、320、420、520、530、620：加热构件
130、230：电池组壳体
210a：电池单体堆的左表面
210b：电池单体堆的下表面
210c：电池单体堆的右表面
210d：电池单体堆的上表面
213：接收部的侧表面
221、321、421、521、531：加热构件的第一表面
222、322、422、522、532：加热构件的第二表面
223、323、423、523、533：加热构件的第三表面
227：第一弯曲部
228：第二弯曲部
240：温度传感器
a：电池单体的纵向方向
631：面向第一电池堆的第一表面
632：面向电池组壳体的第二表面
633：电阻加热元件
[工业应用性]
通过上述描述应明白，根据本发明的电池组使用被布置在电池单体堆的三个外表面上以与其附接的加热构件，以包围电池单体堆的外表面。结果，增大了电池单体堆外部的加热构件的面积，由此可以显著地减小构成电池单体堆的电池单体之间的温度偏差。
另外，加热构件被布置成不直接接触每个单独电池单体的布置有电极接线片的部分，这些部分温度相对地高，由此可以最小化每个单独电池单体中的温度偏差。
另外，将展现高绝热性的材料施加到加热构件的外侧，并且将展现高导热性的材料施加到加热构件的内侧。因此，可以升高电池组内的温度，并抑制电池组内的升高温度从电池组排出。

Claims (13)

1.一种电池组，包括：
电池单体堆，所述电池单体堆被构造成具有如下结构：其中，多个电池单体被堆叠成彼此紧密接触；
加热构件，所述加热构件被布置在所述电池单体堆的所有外表面中的、所述电池单体堆的三个外表面处，并且紧密接触所述电池单体堆的三个外表面；以及
电池组壳体，所述电池组壳体被构造成接收所述电池单体堆和所述加热构件，其中，
所述加热构件被构造成具有包括第一表面、第二表面和第三表面的一体结构。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述加热构件使用从外部电源供应的能量来发热。
3.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述电池单体堆被构造成：在多个袋形电池单体的接收部被堆叠成彼此面对的状态下，所述接收部的侧表面被布置成与地面平行。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述加热构件的所述第一表面和所述第二表面之间形成有第一弯曲部，所述加热构件的所述第二表面和所述第三表面之间形成有第二弯曲部，并且所述第一表面和所述第三表面分别位于被设置在所述电池单体堆的最外侧处的第一电池单体和第二电池单体的外表面处。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述加热构件的所述第二表面的面积等于所述电池单体堆的面向外侧的表面的面积。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述加热构件被构造成以下形式：其中，所述加热构件的所述第一表面和所述第二表面中的每一个的、与相应的电极接线片相邻的一部分被至少部分地去除。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述加热构件包括金属或非金属电阻加热元件。
8.根据权利要求7所述的电池组，其中，所述加热构件被构造成以下形式：其中，所述电阻加热元件被接收在绝缘垫中。
9.根据权利要求8所述的电池组，其中，
所述绝缘垫包括形成为面向所述电池单体堆的第一表面和形成为面向所述电池组壳体的第二表面，
所述第一表面由展现高导热性的材料制成，并且
所述第二表面由展现高绝热性的材料制成。
10.根据权利要求1所述的电池组，其中，
所述加热构件是第一加热构件，并且
所述电池组进一步包括第二加热构件，所述第二加热构件被布置成在与所述第一加热构件相反的方向上关于所述第一加热构件对称，所述第二加热构件被布置在所述电池单体堆的外表面处，以便附接到所述电池单体堆的外表面。
11.根据权利要求1所述的电池组，其中，
温度传感器被连接到每个所述电池单体，并且
所述电池组进一步包括调节构件，所述调节构件被配置成基于由所述温度传感器所测量的每个单独电池单体的温度来调节所述加热构件的发热温度。
12.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述电池单体堆中的具有最高温度的电池单体的温度低于具有最低温度的电池单体的温度的1.5倍。
13.一种包括作为电源的根据权利要求1至12中的任一项所述的电池组的设备。
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