CN115799726A - 低剖面电池模块冷却 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低剖面电池模块冷却。一种电池模块包括至少一个电池组件，电池组件包括：多个电池单元，其具有处于相反两端的两个极柱并且彼此相邻地横向布置成一排，使得一电池单元的极柱与邻近电池单元的极柱相邻；多个互连件，其将一电池单元的极柱连接到邻近电池单元的极柱；电池单元保持件，其布置在横向布置的多个电池单元的至少一侧，以便以相互距离定位所述多个电池单元，并且至少部分地阻碍各个电池单元的相反两端处的两个极柱之间的沿一方向的流体流动，电池模块还包括壳体，壳体被布置成容纳电池组件并且在每排极柱周围形成允许流体流动的两个连续空间。

Description

低剖面电池模块冷却
技术领域
本发明涉及保持多个电池单元(cell)的电池模块。本发明具体涉及为诸如电动汽车的电动车辆提供电力的电池模块。
背景技术
正日益增加地普及电动车辆，因为它们逐渐地代替或补充具有燃烧型发动机的常规车辆。采用电动马达作为驱动和推进装置的车辆当然需要车载电力，该车载电力可由电力源(例如，所谓的混合动力车辆中的燃烧型发动机和发电机或氢动力车辆中的燃料电池单元)产生。然而，针对主要存储或者至少针对缓冲和短时间存储目的，电池当然扮演着重要角色。通常，期望相对大的容量。
这种车载电力存储部由一个或更多个电池模块组成，该一个或更多个电池模块包括多个电池单元。个体电池单元通常是圆柱形电池单元，其中电极和电解质的分层构造被卷起以提供大的内部相互作用表面。个体电池单元提供通常在1.5伏到4.2伏的范围内的标称电池单元电压，这取决于电池单元的化学性质和充电以及劣化状态。此外，当然不仅存在电解质型电池单元(诸如锂离子电池)，而且还存在固态型电池单元，然而，该固态型电池单元结合了类似或相关的化学性质。然而，不管采用的化学性质或物理性质如何，个体电池单元通常以圆柱形或板状壳体为特征。此外，个体电池单元提供通常远低于10伏的相对低的电压，使得若干电池单元串联连接以提供车辆中所需的目标电压。
因此，用于电动车辆的电池模块显然需要结合相当大数量的个体电池单元，所述相当大数量的个体电池单元串联连接并且在相应组中并联连接，以便提供所需的电压和功率。通常，多个圆柱形电池单元按照直立定向电池单元阵列布置。这种构造不仅允许密集的封装，而且允许以方便的方式来互连，以便在电池单元之间或之中获得所需的串联和并联连接。然而，这种常规构造具有由个体电池单元的高度或长度决定的最小高度，尽管电池单元原则上在其它方向上以更加微型的尺寸为特征。然而，当考虑模块在车辆内部的布置时和/或当考虑车辆的重心的高度时，电池模块的总高度可能造成问题。
此外，在这样的电池模块中，在电池单元的充电和/或放电期间通常也会产生来自反应的热量。本质上，用于结合或释放电荷的化学过程与相应电流相关联，当流过具有有限电阻的导电路径时，该电流耗散热量。这样的电池模块的电池单元因此可能需要借助于冷却流体(液体、空气、气体等)的主动冷却，该冷却流体沿着电池单元流动或在电池单元的热附近流动，以便吸收热量并从电池单元带走该热量。
因此，需要一种改进的电池模块，其允许以空间高效的方式安装在车辆内部，并且有助于降低车辆的重心，同时保持高效且可靠地冷却电池单元的可能性。
发明内容
所提到的问题和缺点由如下方面的主题解决。在下文中限定了进一步优选的实施方式。具体地，本发明的实施方式可以提供本文部分地描述的实质益处。
根据本发明的一个方面，提供了一种电池模块，所述电池模块包括至少一个电池组件，所述电池组件包括：多个电池单元，所述多个电池单元具有处于相反两端的两个极柱(pole)并且彼此相邻地横向布置成一排，使得一电池单元的极柱与邻近电池单元的极柱相邻；多个互连件，所述多个互连件将一电池单元的极柱连接到邻近电池单元的极柱；电池单元保持件，所述电池单元保持件布置在横向布置的所述多个电池单元的至少一侧，以便以相互(mutual)距离定位所述多个电池单元，并且至少部分地阻碍各个电池单元的相反两端处的所述两个极柱之间的沿一方向的流体流动，所述电池模块还包括壳体，所述壳体被布置成容纳所述电池组件并且在每排极柱周围形成允许流体流动的两个连续空间。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施方式，为了更好地理解本发明的概念而呈现了这些实施方式，但是这些实施方式不应被视为限制本发明，在附图中：
图1A至图1C示出了根据本发明的实施方式的电池模块的总体构造的示意图；
图2示出了根据本发明的另一实施方式的电池模块的示意图；
图3A至图3C示出了根据本发明的实施方式的导流装置的示意图；以及图4A至图4C示出了根据本发明的实施方式的电池模块中的导流装置的示意图。
具体实施方式
图1A至图1C示出了根据本发明的实施方式的电池模块的总体构造的示意图。具体地，在图1A中示出了包括壳体10以及电池组件100的电池模块1的分解图。在左手侧的分解图中再次描述了电池组件100。具体地，电池组件100包括多个电池单元110-1、110-n，其中两个极柱111、112位于相反两端处并且彼此相邻地横向布置成一排(沿方向A)，使得电池单元110-1的极柱112-1与邻近电池单元110-2的极柱112-2相邻。
多个互连件120被布置成将一个电池单元的极柱连接到邻近电池单元的极柱，例如，所示的极柱112-2和112-3。电池单元保持件130-1布置在多个横向布置的电池单元的至少一侧，以便以相互距离定位电池单元，并且至少部分地阻碍各个电池单元的相反两端处的两个极柱之间的沿方向B的流体流动。所述方向B可以垂直于方向A。在另外的实施方式中，可以在所述电池单元保持件上或所述电池单元保持件中布置多个电压感测连接器和/或温度传感器，以便不阻碍流体流动。例如，所提到的连接器和/或传感器可以与电池单元保持件形成齐平表面，或者可以模制在电池单元保持件中。
可以从另一侧布置另外的电池单元保持件130-2。电池模块的壳体10被布置成容纳电池组件100并且在每排极柱周围形成允许流体流动的两个连续空间，这在下文中更详细地解释。所述另外的电池单元保持件可以布置在所述电池单元保持件的相反侧，并且基本封闭各个电池单元的相反两端处的两个极柱之间的沿方向B的流体流动。为此，所述两个电池单元保持件可以在它们相遇的区域处包括匹配/装配部，以便密封流体流动和/或确保匹配定位。
图1B和图1C示出了根据本发明的本实施方式的电池模块1的顶视图的示意图。在图1A中，再次示出了壳体10、电池单元保持件130-1、电池单元111-1…111-n和互连件120。现在如图1C所示，电池单元保持件形成区域30，该区域至少部分地阻碍各个电池单元111-1…的相反两端处的两个极柱之间的沿方向B的流体流动。以此方式，壳体10容纳电池组件并且围绕每排极柱120形成允许流体流动的两个连续空间21、22。具体地，电池单元保持件朝向优选为圆柱形的电池单元的两端凹入，使得连续空间覆盖电池单元的从一极柱朝向相反极柱延伸的部分。
如图所示，电池模块因此包括围绕每排极柱的连续空间21、22，这些连续空间形成冷却流体的沿着彼此相邻相互布置的一排极柱的流动路径。壳体10或一般地电池模块1可以针对各个连续空间21、22包括位于壳体10的相应相反两端处的入口开口211、221和出口开口212、222。
图2示出了根据本发明的另一实施方式的电池模块的示意图。具体地，电池模块2不仅包括电池组件100，而且包括另外的电池组件200，该另外的电池组件200被布置成使得其电池单元的主轴a200-1…a200-n与所述电池组件100的电池单元的主轴a100-1…a100-n基本位于同一平面中，并且其中，壳体10围绕每排极柱形成允许流体流动的连续空间21、22、23。具体地，壳体10可以形成围绕电池组件100的电池单元的一排极柱的第一连续空间21、围绕另外的电池组件200的电池单元的一排极柱的第二连续空间22以及围绕电池组件100、200的电池单元的相应另一排的极柱的第三连续空间23，优选地，中央连续空间23。
在另外的实施方式中，为各个连续空间提供了开口，这些开口可以分别被具体设计或指定为入口和出口。例如，入口可以具有与出口的流体连接器不同并且实际上不兼容的第一流体连接器。因此，用于引导冷却流体的软管或管可以仅以特定方式连接，使得可以确保冷却液体的特定流动方向。除此之外或作为其替代，可以设置单向阀，所述单向阀仅允许入口或出口的上游或下游的布置结构上的对应的适当的流体流动方向。这种阀可以包括对应定向的阀叶片或隔膜。
如图2所示，电池模块2可以在壳体10的一侧包括去往所述第一连续空间21的入口211、去往所述第二连续空间22的入口221以及所述中央连续空间23的出口232，并且在壳体10的相反侧包括所述第一连续空间21的出口212、所述第二连续空间22的出口222以及去往所述中央连续空间23的入口231。如果第一连续空间和第二连续空间的有效流动横截面基本相同，则中央连续空间23可以布置有基本等于第一连续空间或第二连续空间的有效流动横截面两倍的有效流动横截面。
另选地，中央连续空间23可以布置有基本等于第一连续空间的有效流动横截面和第二连续空间的有效流动横截面之和的有效流动横截面。以这种方式，在几乎相似的压力下，可以将大致相同量的冷却液体输送通过中央连续空间23，如同一起通过第一连续空间和第二连续空间一样。
流动的特定方向和/或关于相应有效流动横截面的特定构造可以提供以下优点：大多数或所有个体电池单元被冷却到类似程度。这又可以确保使所有或大多数电池单元间的温度变化达到最小。例如，如果温度变化小于5K，则可能是有利的。
在另外的实施方式中，电池组件100、200两者是低压电池组件，因为其相应构成的电池单元串联连接来提供相对低的电压，该电压例如等于单个电池单元的标称电压乘以电池组件中电池单元的数量n。电池组件100、200又可以串联连接以形成具有基本等于电池组件的电压之和的相对高电压的高压电池模块。为此，可以设置杆连接器122，以建立电池组件的(串联)连接。
此外，电池模块2或根据本发明的实施方式的任何其它电池模块可以包括一个或更多个电模块端子123-1、123-2。这些电模块端子123-1、123-2可以布置在与连续空间流体连通的开口附近，优选地相距不超过15mm。例如，第一电模块端子123-1布置在出口212附近，而第一电模块端子123-2布置在出口222附近。在这种构造中，使用相对暖的冷却液体来冷却端子。如果期望端子的增强冷却，则可以改变流动方向，使得端子布置在对应入口附近。
具体地，在本发明的一个实施方式中，电池模块包括至少一个电池组件，该至少一个电池组件包括：多个电池单元，该多个电池单元具有处于相反两端的两个极柱并且彼此相邻地横向布置成一排，使得一电池单元的极柱与邻近电池单元的极柱相邻；多个互连件，该多个互连件将一电池单元的极柱连接到邻近电池单元的极柱；以及电池单元保持件，该电池单元保持件布置在横向布置的多个电池单元的至少一侧，以便以相互距离定位电池单元，并且至少部分地阻碍各个电池单元的相反两端处的两个极柱之间的沿一方向的流体流动。根据该实施方式的电池模块还包括壳体和电模块端子。壳体被布置成容纳电池组件并且在每排极柱周围形成允许流体流动的两个连续空间。电模块端子被设置用于建立与模块的电连接并且可以承载大电流，尤其是在电动车辆的上下文中。该实施方式中的电模块端子布置在与如上所述的连续空间流体连通的开口附近。此外，可以提供用于引导流体朝向或甚至围绕位于模块壳体内部的电模块端子的内部部分流过所述开口的装置。
通常，电池模块可以包括壳体，该壳体包括基座壳体和密封盖。以此方式，电池组件可以被插入壳体中并且该盖可以被关闭和密封。至少一个电池单元保持件也可以与壳体形成为一部分。例如，第一电池单元保持件形成基座壳体的一部分和/或第二电池单元保持件形成盖的一部分。通常，电池单元保持件可以由一体件制成，并且可以包括多个凹部，各个凹部被构造成至少部分地容纳相应电池单元。
图3A至图3C示出了根据本发明的实施方式的导流装置的示意图。通常，这种导流装置可以实现为布置在所布置的连续空间中的一个或更多个导流部。这些导流部用于限制沿着所述流体流动的在横截面中的变化。换句话说，当冷却流体沿着连续空间流动时，导流部不仅可以引导和指引冷却流体，而且还可以避免冷却流体的不希望的压缩和减压。图3A至图3C示出了沿着流动方向的平面中的横截面图中的导流装置和相应部的构造和位置。
具体地，在图3A中示出了沿着方向A(例如，冷却流体的有效流动方向)的平面的连续空间的横截面。个体电池单元110示出为圆形横截面，假定它们通常为圆柱形构造。个体电池单元110沿着方向A的相互距离可以选择为消失，或者另选地设置为标称最小距离，该标称最小距离可以例如用作用于补偿定位和/或制造的公差的手段。然而，大部分(例如，大于或约65％，优选地，70％)的冷却液体沿着方向A’流动。在其它附图中称为10的壳体示出为具有包括顶部10t和底部10b的横截面。应当注意，命名顶部和底部是任意的，并且仅用于例示目的。
导流部41以突起的形式示出并且因此构成从所述壳体的内壁(例如，壁10t、10b)延伸到两个邻近电池单元110之间的空间中的导流元件。优选地，针对各对邻近电池单元，导流部包括所述导流元件41中的一个导流元件。在所示示例中，还存在导流部的通常可选的构造，其在两侧(即，朝向壳体的底部10b的下侧以及朝向壳体的顶部10t的上侧这两侧)上包括针对各对邻近电池单元的导流元件。优选地，导流元件被布置成使得它们的横截面在这两侧对称，在各个电池单元的中央处具有沿着方向A的对称轴。
图3B和图3C示出了根据另外的实施方式的沿着一平面的连续空间的另外的横截面。这些实施方式具体涉及将流A分配成主要流(principal flow)(在图3A至图3C中用A’示出)，该主要流沿着主要暴露于连续空间的部分冷却电池单元。同样地，还可以有利地提供局部流(local flow)，该局部流可以包括垂直于主要流的分量并且可以穿透到它们基本面向彼此的区域中(为了简单起见仅在图3A中示出为A”，而在其它实施方式中同样也存在)。局部流A”可以避免死区B或至少减小死区B的程度，死区B可以导致电池单元的局部加热或甚至过热。优选地，流可以分配成70/30或65/35(主要流/局部流)，以便在暴露于连续空间的表面的大部分处提供令人满意的压降、较低的流速和充分的电池单元冷却。
具体地，导流部包括图3B的元件41’，其具有基本三角形的横截面。该实施方式可以提供使围绕电池单元的流体的上述死区最小化以使得实际沿着整个周界高效地冷却个体电池单元的优点。此外，具体地，导流部包括图3C的元件41”，其具有基本圆形的横截面。该实施方式可以提供以最小的压降均匀地冷却电池单元周界的最高效的设计。
图4A至图4C示出了根据本发明的实施方式的电池模块中的并且特别是相对于该模块的其它部件(诸如电池单元保持件和/或壳体)的导流装置的示意图。图4A示意性地示出了导流部41与壳体10和任何电池单元保持件部分这两者都分离的实施方式。导流部41与壳体(壁)10之间的竖直距离仅用于例示目的。导流部41可以邻近壳体10的内壁、粘附到壳体10的内壁上或胶合到壳体10的内壁上。
在图4B中示意性地示出了导流部41与壳体10形成为一体件的实施方式。以此方式，导流部及其相应元件可以与壳体一起形成并因此在例如该壳体的注射模制或压铸期间简单地制造。此外，在图4C中示出了导流部41与电池单元保持件形成为一体件的实施方式，该电池单元保持件具有用于容纳和定位电池组件的电池单元的凹部42。尽管图4A至图4C中所示的总体构造描绘了结合图3A解释的凹部41，但是这些实施方式可以容易地修改成具有例如结合图3B或图3C描述的导流装置、导流部和导流元件的另选构造。此外，导流部可以与电池单元保持件和壳体制造为一体件。
尽管已经描述了详细的实施方式，但是这些实施方式仅用于提供对由独立权利要求限定的本发明的更好理解，而不应被视为限制。

Claims (15)

1.一种电池模块，所述电池模块包括至少一个电池组件，所述电池组件包括：
多个电池单元，所述多个电池单元具有处于相反两端的两个极柱并且彼此相邻地横向布置成一排，使得一电池单元的极柱与邻近电池单元的极柱相邻，
多个互连件，所述多个互连件将一电池单元的极柱连接到邻近电池单元的极柱，
电池单元保持件，所述电池单元保持件布置在横向布置的所述多个电池单元的至少一侧，以便以相互距离定位所述多个电池单元，并且至少部分地阻碍各个电池单元的相反两端处的所述两个极柱之间的沿一方向的流体流动，
所述电池模块还包括壳体，所述壳体被布置成容纳所述电池组件并且在每排极柱周围形成允许流体流动的两个连续空间。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，围绕每排极柱的连续空间形成冷却流体的沿着彼此相邻相互布置的一排极柱的流动路径。
3.根据权利要求1或2所述的电池模块，其中，连续空间覆盖电池单元的从一极柱朝向相反极柱延伸的部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池模块，其中，针对各个连续空间，所述壳体包括位于所述壳体的相反两端处的入口开口和出口开口。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池模块，所述电池模块还包括布置在所述连续空间中的导流部，所述导流部被布置用于限制沿着所述流体流动的在横截面中的变化。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其中，所述导流部包括从所述壳体的内壁延伸到两个邻近电池单元之间的空间中的导流元件。
7.根据权利要求6所述的电池模块，其中，针对各对邻近电池单元，所述导流部包括所述导流元件中的一个导流元件。
8.根据权利要求7所述的电池模块，其中，所述导流部在两侧包括针对各对邻近电池单元的导流元件。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电池模块，所述电池模块包括另外的电池组件，所述另外的电池组件被布置成使得所述另外的电池组件的电池单元的主轴与所述电池组件的电池单元的主轴基本位于同一平面中，并且其中，所述壳体围绕每排极柱形成允许流体流动的连续空间。
10.根据权利要求9所述的电池模块，其中，所述壳体形成围绕所述电池组件的电池单元的一排极柱的第一连续空间、围绕所述另外的电池组件的电池单元的一排极柱的第二连续空间以及围绕所述电池组件和所述另外的电池组件的电池单元的相应另一排的极柱的中央连续空间。
11.根据权利要求10所述的电池模块，所述电池模块在所述壳体的一侧包括去往所述第一连续空间的入口、去往所述第二连续空间的入口以及所述中央连续空间的出口，并且在所述壳体的相反侧包括所述第一连续空间的出口、所述第二连续空间的出口以及去往所述中央连续空间的入口。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的电池模块，其中，两个电池组件是低压电池组件，所述两个电池组件被串联连接以形成高压电池模块。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电池模块，其中，电模块端子布置在与连续空间流体连通的开口附近，优选地相距不超过15mm。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电池模块，其中，所述壳体包括基座壳体和密封盖。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的电池模块，其中，所述电池单元保持件由一体件制成，并且所述电池单元保持件包括多个凹部，各个凹部被构造成至少部分地容纳相应电池单元。
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