CN115528349A - 一种集成热管理结构的单体电池及电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种集成热管理结构的单体电池及电池模组，单体电池包括壳体、裸电芯及盖板，壳体内限定有容置空间，裸电芯设置于容置空间内，盖板设置在壳体的开口端，用于将裸电芯密封在容置空间内；容置空间对应的壳体内壁中设有换热流道，盖板上设置有与换热流道相连通的进液口及出液口，进液口及出液口用于向换热流道内循环通入换热介质，换热介质用于对裸电芯实施热交换。本发明通过在壳体内壁中集成换热结构来构成单体电池，在单体电池组成电池模组过程中，电体电池可以通过自身集成的换热结构来实现加热或散热，无需在单体电池外壳上安装其他热管理结构，避免了传统热管理结构和单体电芯装配复杂程度，同时大大提高电池模组的能量密度。

Description

一种集成热管理结构的单体电池及电池模组
技术领域
本发明涉及电池热管理技术领域，尤其涉及一种集成热管理结构的单体电池及电池模组。
背景技术
目前动力电池一般在20～40度范围内时，其充放电性能最佳，寿命最好。当电池处于低温环境时，就需要通过热管理的加热功能使电池温度回到最佳工作温度范围内。动力电池工作时会产生热量，导致动力电池的温度不断上升，容易引发热失控，影响电池使用寿命，因此需要通过热管理的散热功能对动力电池进行散热。由此一来，为了使电池工作在其合理的温度范围之内，保障电池热安全性能，就需要在动力电池上安装热管理装置，来对电池进行合适的加热和冷却。
为了控制动力电池的温度，现有技术方案通常是在电池模组中单体电池外壳上进行热管理结构设计。诸如公开号为CN106816671A的中国专利提出了一种电池单元、电池模组及电池包，它是在电池模组两个侧面及底面分别设置加热膜来实现对对电池模组中的单体电池进行加热；公开号为CN213782161U的中国专利公开了一种电池外壳及电池模组，其是在电池模组的底面设置底液冷板，并在电池模组侧面设置侧液冷板，来实现对电池模组中的单体电池进行散热。
上述专利中的所提到的加热及散热结构，仅能实现对单体电池的两个窄面及底面进行加热或散热。但众所周知，单体电池在充放电时，其大面的温度是需要重点控制的。虽然在上述现有技术的基础上，可以通过在单体电池大面与大面之间也设置加热膜及液冷板，来实现单体电池四周及底面的热管理。但在电池模组中设置较多的液冷板及加热膜来与单体电池进行连接，装配程度复杂，同时这些液冷板之间和/或加热膜之间也需要通过相应连接部件来实现相互连接，一方面导致电池模组装配结构复杂，另一方面，因多个液冷部件、加热部件和其他连接部件的加入，导致电池模组整体体积增加，能量密度降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种集成热管理结构的单体电池及电池模组，来解决现有的单体电池和加热及散热部件的集成度较低，导致热管理结构和单体电池组成的电池模组存在结构复杂、能量密度低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种集成热管理结构的单体电池，所述单体电池包括壳体、裸电芯及盖板，所述壳体内限定有容置空间，所述裸电芯设置于所述容置空间内，所述盖板设置在所述壳体的开口端，用于将所述裸电芯密封在所述容置空间内；
所述容置空间对应的所述壳体内壁中设有换热流道，所述盖板上设置有与所述换热流道相连通的进液口及出液口，所述进液口及出液口用于向所述换热流道内循环通入换热介质，所述换热介质用于对所述裸电芯实施热交换。
在上述技术方案的基础上，优选的，所述壳体包括两块第一侧壁和两块第二侧壁，两块所述第一侧壁间隔平行设置，两块所述第一侧壁的同一端分别通过第二侧壁固定连接，两个所述第一侧壁和两块所述第二侧壁相互围合形成所述容置空间，所述第一侧壁和所述第二侧壁内部均设置有相互连通的所述换热流道。
作为一些实施例而言，所述容置空间在所述壳体内限定为两端开口，所述盖板设置有两个，分别位于所述壳体的两端，并与所述容置空间的开口端密封连接，两个所述盖板上分别设置单极柱，所述进液口和出液口开设在同一所述盖板上或分别开设在两个盖板上。
作为另一些实施例而言，所述壳体还包括第三侧壁，所述第三侧壁位于壳体一端开口处，所述第三侧壁分别与两块第一侧壁及两块第二侧壁固定连接，以将所述容置空间在壳体内限定为一端开口，所述盖板密封设置在壳体的开口端，所述盖板上设置有双极柱，所述进液口和出液口均开设在所述盖板上。
进一步，优选的，所述第三侧壁内也设置有所述换热流道，所述第一侧壁、第二侧壁及第三侧壁内部的换热流道顺次串联。
在上述技术方案的基础上，优选的，所述裸电芯的大面在所述容置空间内朝向所述第一侧壁，所述裸电芯的窄面在所述容置空间内朝向第二侧壁，所述第一侧壁远离所述容置空间的一面设置有等间距排布的弧形凸起。
进一步，优选的，所述进液口及出液口设置在同一个所述第二侧壁对应的所述盖板上，且所述进液口及出液口对应的所述第二侧壁内设置有两个互不连通的所述换热流道，两个所述换热流道分别与盖板上的进液口及出液口相连通，且所述第二侧壁内的两个所述换热流道分别与两个所述第一侧壁内的换热流道串联，两个所述第一侧壁内的换热流道与远离进液口一侧所述第二侧壁内的换热流道相互串联。
优选的，所述盖板表面设置有环形凸起，所述环形凸起插设于所述容置空间内，所述环形凸起的外周壁与容置空间的内周壁相连接。
另一方面，本发明还公开了一种电池模组，包括多个所述的单体电池，多个所述单体电池并排设置，所述单体电池呈侧立设置，且所述盖板朝向水平方向一端，相邻两个所述单体电池中裸电芯大面相互邻接。
在上述技术方案的基础上，优选的，还包括进液管道及出液管道，所述进液管道与各单体电池上的进液口并联，所述出液管道与各单体电池上的出液口并联。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本发明公开的集成热管理结构的单体电池，通过在封装裸电芯的壳体内壁中设置换热流道，同时在盖板上设置与换热流道相连通的进液口及出液口，通过进液口和出液口可以循环向壳体内壁中的换热流道内通入换热介质，来实现对壳体内部的裸电芯进行加热或散热，通过在壳体内壁中集成换热结构来构成单体电池，在单体电池组成电池模组过程中，电体电池可以通过自身集成的换热结构来实现加热或散热，无需在单体电池外壳上安装其他热管理结构，避免了传统热管理结构和单体电芯装配复杂程度，同时大大提高电池模组的能量密度；
(2)由于容置空间对应的壳体内壁中均设有换热流道，从而可以实现单体电池中的裸电芯四周均能够实现换热，大大提高单体电池的换热效率，进而也提高了整个电池模组的换热效率；
(3)通过壳体内壁中均设置换热流道，当壳体两端开口时，在壳体两端的顶盖上分别设置单极柱，可以将换热结构集成在刀片电池上；当壳体一端开口，在壳体开口端的顶盖上设置双极柱，可以将换热结构集成在方形电池上，从而适应更多型号单体电池与换热结构的集成；
(4)通过在壳体外侧面设置等间距排布的弧形凸起，可以吸收单体电池充放电过程中微膨胀变形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例公开的集成换热结构的单体电池立体结构示意图；
图2为本发明第二实施例公开的集成换热结构的单体电池立体结构示意图；
图3为本发明第一实施例公开的集成换热结构的单体电池的爆炸结构示意图；
图4为本发明第一实施例公开的集成换热结构的单体电池的平面剖视图；
图5为本发明第二实施例公开的集成换热结构的单体电池第一种结构爆炸结构示意图；
图6为本发明第二实施例公开的集成换热结构的单体电池第二种结构爆炸结构示意图；
图7为本发明第二实施例公开的集成换热结构的单体电池第一种结构平面剖视图；
图8为本发明公开的电池模组的立体结构示意图；
图9为本发明公开的电池模组的平面结构示意图；
附图标记：
1、单体电池；10、壳体；11、裸电芯；12、盖板；100、容置空间；101、换热流道；121、进液口；122、出液口；102、第一侧壁；103、第二侧壁；104、第三侧壁；1021、弧形凸起；123、环形凸起；2、进液管道；3、出液管道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，为了实现对单体电池进行加热或散热，通常是在电池模组中设置液冷板及加热膜来和单体电池进行连接，为了能够使单体电池表面更多面积进行加热或散热，提高换热效率，现有技术一般采用是在电池模组中设置较多的液冷板及加热膜来与单体电池进行连接，采用这样的热管理结构和单体电池连接，存在装配程度复杂，同时这些液冷板之间和/或加热膜之间也需要通过相应连接部件来实现相互连接，一方面导致电池模组装配结构复杂，另一方面，因多个液冷部件、加热部件和其他连接部件的加入，导致电池模组整体体积增加，能量密度降低。
现有技术中的单体电池和加热及散热部件均是相互独立的，仅在组成电池模组时进行连接，相互之间关联集成度较低，同时这些热管理结构和单体电池组成的电池模组存在结构复杂、能量密度偏低。
为此，为了解决上述问题，本发明实施例提出的方案是：提供了一种集成热管理结构的单体电池1。参照附图1-7所示，本实施例的单体电池1包括壳体10、裸电芯11及盖板12。壳体10内限定有容置空间100，裸电芯11设置于容置空间100内，盖板12设置在壳体10的开口端，用于将裸电芯11密封在容置空间100内，本实施例的裸电芯11可以为卷绕式结构或叠片式结构，壳体10的结构为方形结构。在本实施例中，盖板12与壳体10的开口端焊接密封。
容置空间100对应的壳体10内壁中设置有换热流道101，盖板12上设置有与换热流道101相连通的进液口121及出液口122，通过进液口121及出液口122，可以向换热流道101内循环通入换热介质，换热介质用于对容置空间100内的裸电芯11实施热交换。在本实施例中，换热介质可以为水或其他可以起到加热或散热的液体。
采用上述技术方案，通过在封装裸电芯11的壳体10内壁中设置换热流道101，同时在盖板12上设置与换热流道101相连通的进液口121及出液口122，通过进液口121和出液口122可以循环向壳体10内壁中的换热流道101内通入换热介质，来实现对壳体10内部的裸电芯11进行加热或散热，通过在壳体10内壁中集成换热结构来构成单体电池1，在单体电池1组成电池模组过程中，电体电池可以通过自身集成的换热结构来实现加热或散热，无需在单体电池1外壳上安装其他热管理结构，避免了传统热管理结构和单体电芯装配复杂程度，同时大大提高电池模组的能量密度。
本实施例示出了壳体10一些较佳实施方式，具体的，壳体10包括两块第一侧壁102和两块第二侧壁103，两块第一侧壁102间隔平行设置，两块第一侧壁102的同一端分别通过第二侧壁103固定连接，两个第一侧壁102和两块所述第二侧壁103相互围合形成容置空间100，第一侧壁102和第二侧壁103内部均设置有相互连通的换热流道101，可以理解的是，第一侧壁102和第二侧壁103中的换热流道101顺次串联连接，每个侧壁内的换热流道101的结构设置为蛇形结构，由此可以实现侧壁对应的裸电芯11表面换热均匀。
在本实施例中，第一侧壁102和第二侧壁103具有一定的厚度，通常比传统的方形电池外壳厚度略厚，一方面，方便在侧壁内开设换热流道101，另一方面，提高整个壳体10的结构强度。作为优选的，两个第一侧壁102和两个第二侧壁103之间可以通过焊接方式进行围合连接构成壳体10，也可以采用一体化成型构成壳体10。
本发明示出了一些单体电池1的较佳结构实施方式。
参照附图1、附图3-5所示，作为第一种实施方式，容置空间100在壳体10内限定为两端开口，也即壳体10为两端开口，本实施方式中的盖板12设置有两个，分别位于壳体10的两端，并与容置空间100的开口端密封连接，两个盖板12上分别设置单极柱，即一个盖板12上设置正极柱，另一个盖板12上设置负极柱。这样的结构设置可以适用于刀片电池，或长度尺寸较大的方形电池。
本实施方式中的进液口121和出液口122开设在同一盖板12上或分别开设在两个盖板12上。具体而言，在壳体10一端的盖板12上均设置进液口121和出液口122，可以方便电池模组中液冷管路在电池模组的同一端进行连接。在壳体10一端的盖板12上设置进液口121，并在壳体10另一端的盖板12上设置出液口122，可以实现在电池模组两端进行液冷管路的连接，同时可以方便两个并排设置的电池模组中进液口121和出液口122通过管道接头相互连接，实现两个电池模组中的单体电池1进行换热结构的串联。从而节省液冷管路在电池模组上的安装复杂程度，同时提升电池模组的能量密度。
作为第二种实施方式，参照附图6和7所示，壳体10还包括第三侧壁104，第三侧壁104位于壳体10一端开口处，第三侧壁104分别与两块第一侧壁102及两块第二侧壁103固定连接，以将容置空间100在壳体10内限定为一端开口，盖板12密封设置在壳体10的开口端，盖板12上设置有双极柱，进液口121和出液口122均开设在盖板12上。这样的结构设置可以适用于一般尺寸的方形电池，或长度尺寸较大的方形电池。在本实施例中，第三侧壁104和第一侧壁102及第二侧壁103可以采用焊接方式实现，也可以采用一体成型工艺。
在第一实施方式中，裸电芯11的四周被第一侧壁102、第二侧壁103内的换热介质进行换热，在第二实施方式中，为了能够使裸电芯11远离顶盖的一面也能够实现被换热，本实施例在第三侧壁104内也设置有换热流道101，第一侧壁102、第二侧壁103及第三侧壁104内部的换热流道101顺次串联，由此，使的裸电芯11在壳体10内部能够全方位实现换热，大大提高换热效率，进而也提高了电池模组的换热效率。
在上述实施例中，裸电芯11的大面在容置空间100内朝向第一侧壁102，裸电芯11的窄面在容置空间100内朝向第二侧壁103，更具体而言，裸电芯11的大面与第一侧壁102相接触，裸电芯11的窄面与第二侧壁103相接触。第一侧壁102远离容置空间100的一面设置有等间距排布的弧形凸起1021。由此设置，单体电池1排布成电池模组的过程中，是将单体电池1的第一侧壁102和第一侧壁102相互贴合，通过第一侧壁102外表面的弧形凸起1021，可以吸收单体电池1充放电过程中微膨胀变形。在本实施例中，弧形凸起1021可以沿第一侧壁102的长度方向或宽度方向等间距布置。
为了实现换热介质能够快速充分的在壳体10内循环流动，本实施例的进液口121及出液口122设置在同一个第二侧壁103对应的盖板12上。
具体可以理解为，当壳体10为一端开口时，进液口121及出液口122均设置在壳体10开口端的盖板12上，且进液口121和出液口122对应和同一个第二侧壁103相对应。
当壳体10为两端开口时，具有两种实施方式，一种实施方式是：进液口121设置在壳体10一端的盖板12上，出液口122设置在壳体10另一端的盖板12上，且进液口121和出液口122对应同一个第二侧壁103。另外一种实施方式是：进液口121及出液口122均设置在壳体10其中一端的盖板12上，且进液口121和出液口122对应和同一个第二侧壁103相对应。
为了实现换热介质在壳体10内循环流动，且充填壳体10所有内壁中的换热流道101，本实施例在进液口121及出液口122对应的第二侧壁103内设置有两个互不连通的换热流道101，具体的，上述两个换热流道101沿第二侧壁103的宽度方向并排设置，两个换热流道101分别与盖板12上的进液口121及出液口122相连通。第二侧壁103内的两个换热流道101分别与两个第一侧壁102内的换热流道101串联，两个第一侧壁102内的换热流道101与远离进液口121一侧第二侧壁103内的换热流道101相互串联。由此一来，实现通过盖板12上的进液口121向第二侧壁103的换热流道101中通入换热介质，换热介质沿壳体10内壁中的换热流道101顺次串联流动，最后流入到同一个第二侧壁103内的换热流道101中，并经过盖板12上的出液口122流出，从而实现壳体10内壁中的换热介质循环流动。
作为一些较佳实施方式，盖板12表面设置有环形凸起123，环形凸起123插设于容置空间100内，环形凸起123的外周壁与容置空间100的内周壁相连接。由此设置，在盖板12与壳体10进行连接时，首先通过激光穿透焊将环形凸起123和容置空间100内壁进行焊接，首先容置空间100与盖板12之间的密封，从而保证裸电芯11在容置空间100内实现密封，然后将盖板12与壳体10开口端连接处进行激光焊接，实现盖板12与壳体10内壁中的换热流道101之间的密封。
本发明还提供了一种电池模组，参照附图8和9所示，包括多个单体电池1，多个单体电池1并排设置，单体电池1呈侧立设置，且盖板12朝向水平方向一端，相邻两个单体电池1中裸电芯11大面相互邻接。在本实施例中，相邻两个单体电池1之间通过导热双面胶或结构胶进行粘接成组，单体电池1呈侧立设置，盖板12上的极柱朝向电池模组的水平方向，由此排布，使得多个单体电池1成组后，能够提高电池模组的空间利用率，大大提高电池模组的能量密度，同时盖板12位于电池模组水平方向一侧，这样一来，使得液冷管路可以在电池模组水平方向进行安装，合理利用电池模组的空间，提高电池模组的能量密度。
为了实现在电池模组中向各个单体电池1通入换热介质，本实施例还包括进液管道2及出液管道3，进液管道2与各单体电池1上的进液口121并联，出液管道3与各单体电池1上的出液口122并联。当壳体10一端开口时，进液管道2和出液管道3位于电池模组水平方向一侧，当壳体10为两端开口时，进液管道2和出液管道3可以位于电池模组水平方向一侧，也可以位于电池模组水平方向两侧。由此设置，通过各个单体电池1与进液管道2和出液管道3并联，可以实现各个单体电池1同步进行加热或散热，提高电池模组换热一致性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成热管理结构的单体电池，所述单体电池(1)包括壳体(10)、裸电芯(11)及盖板(12)，所述壳体(10)内限定有容置空间(100)，所述裸电芯(11)设置于所述容置空间(100)内，所述盖板(12)设置在所述壳体(10)的开口端，用于将所述裸电芯(11)密封在所述容置空间(100)内；
其特征在于：所述容置空间(100)对应的所述壳体(10)内壁中设有换热流道(101)，所述盖板(12)上设置有与所述换热流道(101)相连通的进液口(121)及出液口(122)，所述进液口(121)及出液口(122)用于向所述换热流道(101)内循环通入换热介质，所述换热介质用于对所述裸电芯(11)实施热交换。
2.如权利要求1所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述壳体(10)包括两块第一侧壁(102)和两块第二侧壁(103)，两块所述第一侧壁(102)间隔平行设置，两块所述第一侧壁(102)的同一端分别通过第二侧壁(103)固定连接，两个所述第一侧壁(102)和两块所述第二侧壁(103)相互围合形成所述容置空间(100)，所述第一侧壁(102)和所述第二侧壁(103)内部均设置有相互连通的所述换热流道(101)。
3.如权利要求2所述所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述容置空间(100)在所述壳体(10)内限定为两端开口，所述盖板(12)设置有两个，分别位于所述壳体(10)的两端，并与所述容置空间(100)的开口端密封连接，两个所述盖板(12)上分别设置有单极柱，所述进液口(121)和出液口(122)开设在同一所述盖板(12)上或分别开设在两个盖板(12)上。
4.如权利要求2所述所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述壳体(10)还包括第三侧壁(104)，所述第三侧壁(104)位于壳体(10)一端开口处，所述第三侧壁(104)分别与两块第一侧壁(102)及两块第二侧壁(103)固定连接，以将所述容置空间(100)在壳体(10)内限定为一端开口，所述盖板(12)密封设置在壳体(10)的开口端，所述盖板(12)上设置有双极柱，所述进液口(121)和出液口(122)均开设在所述盖板(12)上。
5.如权利要求4所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述第三侧壁(104)内也设置有所述换热流道(101)，所述第一侧壁(102)、第二侧壁(103)及第三侧壁(104)内部的换热流道(101)顺次串联。
6.如权利要求2所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述裸电芯(11)的大面在所述容置空间(100)内朝向所述第一侧壁(102)，所述裸电芯(11)的窄面在所述容置空间(100)内朝向第二侧壁(103)，所述第一侧壁(102)远离所述容置空间(100)的一面设置有等间距排布的弧形凸起(1021)。
7.如权利要求6所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述进液口(121)及出液口(122)设置在同一个所述第二侧壁(103)对应的所述盖板(12)上，且所述进液口(121)及出液口(122)对应的所述第二侧壁(103)内设置有两个互不连通的所述换热流道(101)，两个所述换热流道(101)分别与盖板(12)上的进液口(121)及出液口(122)相连通，且所述第二侧壁(103)内的两个所述换热流道(101)分别与两个所述第一侧壁(102)内的换热流道(101)串联，两个所述第一侧壁(102)内的换热流道(101)与远离进液口(121)一侧所述第二侧壁(103)内的换热流道(101)相互串联。
8.如权利要求1所述的集成热管理结构的单体电池，其特征在于：所述盖板(12)表面设置有环形凸起(123)，所述环形凸起(123)插设于所述容置空间(100)内，所述环形凸起(123)的外周壁与容置空间(100)的内周壁相连接。
9.一种电池模组，其特征在于：包括多个如权利要求1-8中任一所述的单体电池(1)，多个所述单体电池(1)并排设置，所述单体电池(1)呈侧立设置，且所述盖板(12)朝向水平方向一端，相邻两个所述单体电池(1)中裸电芯(11)大面相互邻接。
10.如权利要求9所述的电池模组，其特征在于：还包括进液管道(2)及出液管道(3)，所述进液管道(2)与各单体电池(1)上的进液口(121)并联，所述出液管道(3)与各单体电池(1)上的出液口(122)并联。
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