CN113646963A - 具有主动冷却的大功率电接口的电池模块 - Google Patents

具有主动冷却的大功率电接口的电池模块 Download PDF

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CN113646963A CN201980069098.7A CN201980069098A CN113646963A CN 113646963 A CN113646963 A CN 113646963A CN 201980069098 A CN201980069098 A CN 201980069098A CN 113646963 A CN113646963 A CN 113646963A
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Abstract

使用主动冷却的大功率电接口实现电池模块的效率。电池模块包括多个电池单元、联接到电池单元的至少一个汇流条、电联接到至少一个汇流条的连接器以及热联接到第一连接器的至少一个冷却部件。电池单元可以布置成两层，每层包括由汇流条连接的多个电池单元。连接器包括触点，通过该触点，电池模块可以联接到外部电路。至少一个冷却部件为电池单元和连接器提供冷却，且可放置在电池模块的表面上或电池单元层之间。

Description

具有主动冷却的大功率电接口的电池模块
相关申请的交叉引用
本公开要求2018年11月13日提交的美国临时申请第62/760,435号的权益，在此将该临时申请以全文引用的方式并入本文中。
发明内容
本公开涉及大功率电池，并且更具体地涉及主动冷却电池和电接口两者。
例如电动车辆的车辆可包括电池单元，以为车辆提供和/或补充驱动功率。车辆可具有用于电池单元的有限空间。电池单元可以是模块的一部分，模块包括诸如单元的控制系统和冷却的其它部件，并且电池单元可以密集地包装在框架内。电池单元可以经由触点彼此电连接，所述触点可例如通过经由线束、汇流条等连接一个或多个电池来传导高电流。电池模块内的部件的选择可以基于热考虑因素(例如，基于电阻/热产生、冷却能力、热质量等)和/或基于电考虑因素(例如，诸如蠕变和间隙)。
大功率电连接器，如连接车辆内的电池模块的电连接器，通常可以主要基于热考虑因素而受到限制。在这种系统中，电阻与最小部件尺寸(x、y、z、轴向或径向)大致线性地缩放，而冷却能力与两个最小尺寸一起缩放，并且热质量与三个初级尺寸(x、y和z)一起缩放。对于密集包装的电池系统，例如由于连接器的最小尺寸不够小，故电池连接器可减小系统的总体积能量密度(例如，大约5-10％)。换句话说，由于电阻与最小部件尺寸大致相反线性地缩放，因此连接器的最小尺寸通常需要足够大以防止过热，这继而降低系统的能量密度。此类连接器由环境空气被动冷却，导致5-50W/m2K的热传递系数。连接器还可具有对于其体积而言相对低的热质量，且可通过经由连接的汇流条或线缆发生的散热来实现附加冷却。
本公开通过向连接器提供主动冷却来克服常规连接器的问题。在本公开的示范性实施例中，电池单元之间的电连接器的冷却能力提高，从而提供邻近连接器的主动散热器。诸如具有冷却剂流的冷板的冷却部件可以热联接到连接器以基本上提高冷却能力。冷却部件可设计成与连接器相接，以增加或最大化从连接器到其相关联的冷元件的热交换，从而导致大约300W/m2K的有效热传递系数。在示范性设计中，由于主动冷却而改进的连接器的电特性可以允许连接器的安培容量大约2.5倍的增加(例如，基于300W/m2K/50W/m2K的平方根)。连接器容量的这种增加可能与垂直于被冷却区域的连接器的尺寸相反地缩放。在一项测试中，已发现主动冷却将连接器的安培容量增加了大约2.0倍。连接器的安培容量增加使得能够使用较小形状因数的连接器，因此增加电池系统的能量密度。
在一些实施例中，电池模块包括多个电池单元、电联接到电池单元的至少一个汇流条、电联接到至少一个汇流条的第一连接器以及热联接到第一连接器的至少一个冷却部件。第一连接器包括构造成与外部电路的对应连接器相接的触点。
在一些实施例中，多个电池单元包括第一电池单元层和第二电池单元层。第一连接器经由至少一个汇流条电联接到第一电池单元层，且电池模块进一步包括电联接到第二电池单元层的第二连接器。电池单元层可以邻近于彼此位于电池模块内。在一些实施例中，至少一个冷却部件至少部分地在第一电池单元层与第二电池单元层之间延伸。第一连接器可以从第一电池单元层向外延伸，并且第二连接器可以从第二电池单元层向外延伸。至少一个冷却部件可类似地从第一电池单元层和第二电池单元层向外延伸，使得至少一个冷却部件的表面邻近第一连接器，且至少一个冷却部件的表面邻近第二连接器。
在一些实施例中，第一连接器和第二连接器可以从电池模块的共用侧延伸。在其它实施例中，第一连接器和第二连接器可以从电池模块的不同侧延伸。例如，第一连接器可以在基本矩形电池模块的第一侧上，并且第二连接可以在电池模块的第二侧上，所述第二侧的面部与第一侧的面部垂直。备选地，第二连接器可以在电池模块的与第一侧相对的一侧上。
在一些实施例中，至少一个冷却元件包括冷却歧管。冷却歧管可包括冷却剂入口和冷却剂出口，以及至少一个流体通路。冷却歧管可具有与电池模块基本上相同的形状。例如，在电池模块为基本矩形形状，并且其中每个电池单元层类似地为基本矩形形状的实施例中，冷却歧管也可为基本矩形形状，使得可以放置在电池模块的电池单元层之间的表面上。
至少一个冷却部件可以物理联接到第一连接器和第二连接器。此类联接可以使用电绝缘粘合剂来实现，所述电绝缘粘合剂基本上传导热能并且基本上将至少一个冷却部件与第一连接器和第二连接器电绝缘。绝缘粘合剂可具有至少1010欧姆-厘米的电阻率。绝缘粘合剂可具有至少0.5W/mK的热导率。至少一个冷却部件可包括单个冷却部件。然而，在一些实施例中，至少一个冷却部件可包括与第一连接器相关联的第一冷却部件和与第二连接器相关联的第二冷却部件。冷却部件与第一连接器的物理联接可包括第一接触表面区域，并且冷却部件与第二连接器的物理联接可包括第二接触表面区域。冷却部件还可包括不与第一连接器或第二连接器中的任一个物理接触的第三表面区域。第三表面区域可以大于第一接触表面区域或第二接触表面区域。第三表面区域甚至可以大于第一接触表面和第二接触表面的组合表面区域。例如，第三表面区域可以是第一接触表面和第二接触表面的组合表面区域的至少两倍大。
在一些实施例中，通过经由电池模块的第一连接器和至少一个汇流条将外部电路连接到电池模块的第一电池单元层，并且经由电池模块的第二连接器和至少一个汇流条将外部电路连接到电池模块的第二电池单元层，可冷却电池模块的连接器，其中第一电池单元层和第二电池单元层电联接在电池模块内。在电池模块的冷却剂入口处，然后提供到电池模块的冷却板的冷却剂流，其中冷却板基本上在第一电池单元层与第二电池单元层之间延伸，且其中冷却板包括热联接且物理联接到所述第一连接器的第一冷却延伸部，以及热联接且物理联接到所述第二连接器的第二冷却延伸部。然后，在电池模块的冷却剂出口处接收来自冷却板的冷却剂流。
附图说明
在考虑结合附图进行的以下详细描述时，本公开的上述和其它目的和优点将显而易见，其中相同的附图标记始终指示相同的部分，并且其中：
图1示出了根据本公开的一些实施例的示范性电池模块；
图2示出了根据本公开的一些实施例的电池模块的示范性部分侧视图；
图3示出了根据本公开的一些实施例的第二示范性电池模块；以及
图4示出了根据本公开的一些实施例的电池模块的第二示范性部分侧视图。
具体实施方式
图1示出了根据本公开的实施例的示范性电池模块100。电池模块可包括布置成例如矩形形状且竖直堆叠成两个层(例如，层102、104)的多个电池单元，但可利用其它构造(例如，可利用任何合适数目的电池单元、电池单元形状、电池单元的相对位置、层等)。大功率触点106、108可以允许电池模块100的电池单元连接到外部电路。例如，电池模块100的电池单元可以经由大功率触点106、108电连接到其它电池模块或负载(例如，以向电动机和电动车辆的其它部件提供电力)。如图1中所描绘，电池单元的第一层102可经由汇流条110在内部联接(例如，以并联构造或串联构造)。汇流条110物理连接和/或电连接到沿着层102的一侧延伸的端子汇流条112。与端子汇流条112物理相接和/或电相接的电连接器114可从电池模块100水平地延伸，且可包括竖直定向的大功率触点106，以用于例如通过线缆和/或汇流条电联接到外部电路。类似地，电池单元的第二层104可经由另一汇流条(未示出)在内部联接，所述汇流条物理连接和/或电连接到沿着层104的一侧延伸的端子汇流条116。与端子汇流条116物理相接和/或电相接的电连接器118可从电池模块100水平地延伸，且可包括竖直定向的大功率触点108以用于电联接到外部电路。
电池模块还可包括冷却部件，以向电池单元和在操作期间经历加热的其它部件(如连接器)提供冷却。尽管可以利用各种冷却部件，但在示范性实施例中，冷却部件可以是具有矩形板形状(例如，冷却板)的冷却歧管120。冷却剂可以循环通过冷却歧管的通道122以增加热传递，并且在示范性实施例中，可以经由冷却剂入口124提供并且可以经由冷却剂出口126离开冷却歧管。矩形板形状可以大体上匹配电池单元布置的矩形形状，并且可以位于电池单元的两层102、104之间，但是在其它实施例中，冷却可以提供给电池单元的附加表面。在一些实施例中，冷却歧管120还可以在电池模块的外部延伸以覆盖不用于进行电接触的连接器结构的一部分，由此提供连接器以及电池组的冷却。例如，冷却歧管120可以覆盖连接器114、118的水平地延伸部分的至少一部分，留下竖直延伸触点106、108暴露以用于与外部电路电接触。诸如电绝缘粘合剂(例如，热接口材料)的粘结材料可以将冷却歧管120附接到连接器114、118，使得热能可从连接器114、118传递到冷却歧管120，而连接器114、118保持与冷却歧管120电绝缘。例如，电绝缘粘合剂可具有至少1010欧姆-厘米(例如，大约1010欧姆-厘米到大约1012欧姆-厘米)的电阻率和至少0.5W/mK(例如，0.5W/mK、0.89W/mK、3.4W/mK或诸如0.89W/mK到3.4W/mK的合适范围)的热导率。
如图1中所示，冷却板120从电池模块100的一侧延伸出来，并且至少部分地覆盖连接器118的水平地延伸部分的顶部和连接器114的水平地延伸部分的底部。部分可见的是冷却板120的冷却通道122。如图所示，冷却通道122不沿着覆盖连接器118的水平地延伸部分的冷却板的部分延伸，但它们确实至少部分地沿着覆盖连接器118的水平地延伸部分的冷却板的部分延伸。应理解，在一些实施例中，冷却通道122可至少部分地或完全在冷却板120的覆盖连接器114的部分、冷却板120的覆盖连接器118的部分或两者上方延伸。
应理解，在一些实施例中，本公开的冷却部件为连接器部件和电池模块外部的相关联硬件提供冷却，且不限于图1中所示的冷却板。在一些实施例中，冷却部件不向电池模块的内部提供冷却。另外，虽然图1示出位于电池模块100的相同侧上的连接器114和118，但应理解，连接器114和118可位于电池模块100的不同侧上。例如，连接器114可以位于电池模块100的第一侧上，并且连接器118可以位于电池模块100的一侧上，该侧的面部垂直于连接器114位于的一侧的面部。备选地，连接器118可以位于电池模块100的与连接器114位于的一侧相对的一侧上。
图2示出了上文结合图1描述的电池模块100的示范性部分侧视图。在示范性实施例中，上端子汇流条112与第一电池单元相关联，且下端子汇流条116与第二电池单元相关联。上连接器114电联接到上端子汇流条112，从上端子汇流条112水平地延伸，且包括竖直延伸的大功率触点106。下连接器118电联接到下端子汇流条116，从下端子汇流条116水平地延伸，并且包括竖直延伸的大功率触点108。冷却板120位于上连接器114与下连接器118之间，并且经由相应的热接口材料层200热联接到连接器114、118中的每一个的水平地延伸部分。以此方式，冷却板120可提供来自上连接器114和下连接器118的热传递，从而提高电池模块的效率。
图3描绘了根据本公开的一些实施例的第二示范性电池模块300。电池模块300的第一层302的电池单元经由汇流条(未示出)电联接到端子汇流条304。类似于端子汇流条112，端子汇流条304沿着层302的一侧延伸，并且与电连接器306物理相接和/或电相接。电连接器306可从电池模块300水平地延伸，且可包括竖直定向的螺栓308以充当触点，电池模块300可通过所述触点电联接到外部电路。螺栓308可由任何导电材料构成，包括铜、铝、银、金、钢或其任何组合，或任何其它合适的材料。第二层310的电池单元可以类似地经由汇流条(未示出)电联接到端子汇流条312。端子汇流条312沿着层310的一侧延伸，并且与电连接器314物理相接和/或电相接。电连接器314可从电池模块300水平地延伸，且可包括竖直定向的螺栓316以充当触点，电池模块300可通过所述触点电联接到外部电路。螺栓316可由上文结合螺栓308所列的任何材料构成。螺栓316可以由与螺栓308不同的材料构成。
冷却板318可以类似于冷却板120，并且位于电池单元的两个层302、310之间。端子汇流条304的一部分320可以从电池模块300水平地延伸。类似地，端子汇流条312的一部分322可以从电池模块300水平地延伸。诸如电绝缘粘合剂(例如，热界面材料)的粘结材料可以将冷却板318附接到部分320、322，使得热能可从部分320、322传递到冷却板318，而部分320、322保持与冷却板318电绝缘。冷却剂可循环通过冷却板318(未示出)的通道以增加热传递，并且在示范性实施例中，可以经由冷却剂入口324提供并且可以经由冷却剂出口326离开冷却板。
图4示出了根据本公开的一些实施例的电池模块300的第二示范性部分侧视图。在示范性实施例中，上端子汇流条304与第一电池单元相关联，且下端子汇流条312与第二电池单元相关联。上连接器306电联接到上端子汇流条304，从上端子汇流条304水平地延伸，且包括竖直延伸的螺栓308以充当大功率电触点。下连接器314电联接到下端子汇流条312，从下端子汇流条312水平地延伸，且包括竖直延伸的螺栓316以充当大功率电触点。冷却板318位于上端子汇流条304与下端子汇流条312之间，并且经由相应的热接口材料层400热联接到上端子汇流条304和下端子汇流条312中的每一个的水平地延伸部分。以此方式，冷却板318可提供来自上端子汇流条304和下端子汇流条312的热传递，从而提高电池模块的效率。
出于说明的目的，前述描述使用特定术语来提供对本公开的透彻理解。然而，本领域的技术人员将显而易见的是，实践本公开的方法和系统不需要特定的细节。因此，出于说明和描述的目的，给出了本公开的具体实施例的前述描述。它们并不旨在是穷举的或将本公开限制为所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变化是可能的。例如，根据本公开，冷却部件的大小、形状和构造可以采用许多不同形式。应理解，虽然图1的冷却板向电池单元和连接器两者提供冷却，但在一些实施例中，单独的冷却部件可用于向连接器提供冷却。另外，在一些实施例中，可提供附加冷却部件或通道以向连接器的另一侧提供冷却(图1中未示出)。上述实施例选择和描述成以便最好地解释本公开的原理及其实际应用，从而使本领域的其它技术人员能够最佳地利用本公开的方法和系统以及适合于预期的特定用途的具有各种修改的各种实施例。另外，可以混合和匹配或以其它方式组合所公开或以其它方式公开的各种实施例的不同特征，从而创建本公开所预期的其它实施例。

Claims (24)

1.一种电池模块，所述电池模块包括：
多个电池单元；
至少一个汇流条，所述至少一个汇流条电联接到所述电池单元；
第一连接器，所述第一连接器电联接到所述至少一个汇流条，其中所述第一连接器包括构造成与外部电路的对应连接器相接的触点；以及
至少一个冷却部件，所述至少一个冷却部件热联接到所述第一连接器。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述触点包括螺栓电接头。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述多个电池单元包括第一电池单元层和第二电池单元层，其中所述第一连接器包括经由所述至少一个汇流条电联接到所述第一电池单元层的第一连接器，进一步包括经由所述至少一个汇流条电联接到所述第二电池单元层的第二连接器。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其中所述第一电池单元层和所述第二电池单元层邻近于彼此位于所述电池模块内。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其中所述至少一个冷却部件至少部分地在所述第一电池单元层与所述第二电池单元层之间延伸。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其中所述第一连接器从所述第一电池单元层向外延伸，并且所述第二连接器从所述第二电池单元层向外延伸。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其中所述至少一个冷却部件从所述第一电池单元层和所述第二电池单元层向外延伸，以邻近所述第一连接器并且邻近所述第二连接器。
8.根据权利要求7所述的电池模块，其中所述第一连接器和所述第二连接器从所述电池模块的共用侧延伸。
9.根据权利要求7所述的电池模块，其中所述第一连接器和所述第二连接器从所述电池模块的不同侧延伸。
10.根据权利要求9所述的电池模块，其中所述第一连接器和所述第二连接器从所述电池模块的相对侧延伸。
11.根据权利要求7所述的电池模块，其中所述至少一个冷却部件包括冷却歧管。
12.根据权利要求11所述的电池模块，其中所述冷却歧管包括冷却剂入口和冷却剂出口，并且其中所述冷却歧管包括至少一个流体通路。
13.根据权利要求11所述的电池模块，其中所述电池单元层中的每一个和所述冷却歧管具有矩形形状。
14.根据权利要求7所述的电池模块，其中所述至少一个冷却部件物理联接到所述第一连接器和所述第二连接器。
15.根据权利要求14所述的电池模块，其中所述物理联接包括电绝缘粘合剂，其中所述电绝缘粘合剂基本上传导热能，并且使所述至少一个冷却部件与所述第一连接器和所述第二连接器基本上电绝缘。
16.根据权利要求15所述的电池模块，其中所述电绝缘粘合剂具有至少1010欧姆-厘米的电阻率。
17.根据权利要求15所述的电池模块，其中所述电绝缘粘合剂具有至少0.5W/mK的热导率。
18.根据权利要求14所述的电池模块，其中所述至少一个冷却部件包括单个冷却部件。
19.根据权利要求14所述的电池模块，其中所述至少一个冷却部件包括与所述第一连接器相关联的第一冷却部件和与所述第二连接器相关联的第二冷却部件。
20.根据权利要求14所述的电池模块，其中所述冷却部件与所述第一连接器的物理联接包括第一接触表面区域，其中所述冷却部件与所述第二连接器的物理联接包括第二接触表面区域，并且其中所述冷却部件包括不与所述第一连接器或所述第二连接器中的任一个物理接触的第三表面区域。
21.根据权利要求20所述的电池模块，其中所述第三表面区域大于所述第一接触表面区域或所述第二接触表面区域中的任一个。
22.根据权利要求20所述的电池模块，其中所述第三表面区域大于所述第一接触表面区域加上所述第二接触表面区域。
23.根据权利要求20所述的电池模块，其中所述第三表面区域比所述第一接触表面区域加上所述第二接触表面区域大至少两倍。
24.一种方法，所述方法包括：
经由电池模块的第一连接器和至少一个汇流条将外部电路连接到所述电池模块的第一电池单元层；
经由所述电池模块的第二连接器和所述至少一个汇流条将所述外部电路连接到所述电池模块的第二电池单元层，其中所述第一电池单元层和所述第二电池单元层电联接在所述电池模块内；
在所述电池模块的冷却剂入口处提供到所述电池模块的冷却板的冷却剂流，其中所述冷却板基本上在所述第一电池单元层与所述第二电池单元层之间延伸，并且其中所述冷却板包括热联接且物理联接到所述第一连接器的第一冷却延伸部和热联接且物理联接到所述第二连接器的第二冷却延伸部；以及
在所述电池模块的冷却剂出口处接收来自所述冷却板的冷却剂流。
CN201980069098.7A 2018-11-13 2019-11-11 具有主动冷却的大功率电接口的电池模块 Pending CN113646963A (zh)

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