CN1319916A - 流体冷却式电池组系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种即使在考虑到电池模块之间的间隙偏差也可把电池组内的电池温度偏差抑制在允许温度范围内的流体冷却式电池组系统。多个电池模块3的每一个在至少沿相互连接方向的表面上具有多个凸部31和凹部32,当对向的凸部接触连接时,形成冷媒流过的冷媒通路5。将冷媒通路的预定宽度设定成,当冷媒流过这些冷媒通路时,电池模块之间的冷媒通路的预定宽度的制造偏差所造成的电池模块的预定温度偏差处于允许的规定范围之内。

Description

流体冷却式电池组系统
本发明涉及将多个电池模块串联或并联结合的电池组的冷却技术，特别是涉及装载于复合动力车辆(HEV)或电动汽车(PEV)上的二次电池的冷却技术。
二次电池中，有铅-酸蓄电池，镍-镉(Ni-Cd)蓄电池，镍-氢(Ni-MH)蓄电池，锂离子蓄电池等。这些蓄电池具有消耗电力时，与外部电源连接，通过流过规定的电流进行充电的性质。利用这种性质，这些蓄电池一直用于各种仪器中。例如，为了向发动机的火花塞供电，在车辆上一直就装配有蓄电池。
最近，在电动汽车(PEV)或配备有发动机和电动机的所谓复合动力车辆(HEV)中，作为驱动电动机时的主电源，从高能量密度(即，可紧凑地储存能量)以及高输出功率密度的角度出发，主要使用Ni-MH蓄电池。在这种PEV或HEV中，为能够对电动机供应足够的输出功率，将多个单电池组合起来构成一个电池模块，将多个这种电池模块串联或并联地结合起来作为一个电池组来使用。
在这种将多个电池模块结合起来，装载于FEV或HEV上的Ni-MH蓄电池中，在车辆行驶过程中，由于车辆的制动及加速等反复流过大的充电及放电电流，由Ni-MH蓄电池的内部电阻所产生的I2R耗损成为蓄电池发热的主要原因。
同时，Ni-MH蓄电池与重量大的铅-酸蓄电池相比，由于除了可在十分紧凑的情况下可以储存能量的高能量密度，还可将多个电池模块紧凑地结合在一起，所以其从结构上讲，散热也比铅-酸蓄电池困难。
为解决上述问题，已知在各电池模块之间的间隙内强制地通入空气等冷媒以进行电池冷却的方式，在这种场合，可通过缩小各电池模块之间的间隙，提高冷媒的流速来提高冷却性能。
例如美国专利第5,879,831号公报中，从当将各电池模块之间的间隙缩小到所需的间距以上时，由于流体阻力的增加流量反而减少，冷却性能恶化的角度出发，提出一种确定在冷却设计时最佳间隙尺寸的方法。
但是，利用这种方法所确定的间隙尺寸在很多情况下成为不能忽视加工精度的狭窄间隙，在这种场合，由于间隙的尺寸偏差会造成在电池组内的冷却偏差。
同时，由于冷却的偏差会造成电池容量的偏差，会限制蓄电池的使用范围，在最差的情况下，有可能遇到使车辆在路上抛锚等重大故障
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种流体冷却式电池组系统，该电池组系统即使在电池模块之间的间隙存在偏差的情况下，也能够把电池组内的电池温度偏差抑制在允许的温度范围内。
为达到上述目的，根据本发明的流体冷却式电池组系统的特征为，备有：具有至少一个冷媒入口及至少一个冷媒出口的电池组外壳；配置在前述电池组外壳内的电池组，前述电池组是通过将具有至少一个单电池的多个电池模块串联或并联而构成的，在相对于各个电池模块邻接的电池模块或邻接的电池组结构体之间，设置从前述冷媒入口向前述冷媒出口通过冷媒的冷媒通路；以及将前述冷媒从前述蓄电池外壳的前述冷媒入口取入，流过前述冷媒通路，从前述冷媒出口排出的冷媒输送装置；将前述冷媒通路的预定宽度设定成，当前述冷媒流过前述冷媒通路时，因前述冷媒通路的预定宽度的制造公差所造成的前述多个电池模块之间的温度偏差处于规定的范围内，并且全部电池模块的温度处于规定的温度以下。
在前述流体冷却式电池组系统中，优选地将前述冷媒通路的前述预定宽度设定成，前述冷媒通路具有多个电池模块之间的前述温度偏差处于前述规定的温度范围内的极限流体阻力值或小于该值的流体阻力值。
在前述流体冷却式电池组系统中，优选地附加上前述多个电池模块中的电池槽材料及电池输入输出条件中至少其中之一地设定前述冷媒通路的前述预定宽度。在这种场合，前述电池槽材料为树脂材料等。
在前述冷却式电池组系统中，优选地备有夹在配置于前述电池组外壳内的前述多个电池模块的对向面之间的金属制或树脂制的隔板，将由前述隔板形成的各电池模块之间的间隙作为前述冷媒通路。
在前述流体冷却电池组系统中，配置在前述电池组外壳内的前述多个电池模块优选地具有将各个电池模块保持在一定间隔地构成的电池保持架，将由前述电池保持架形成的各电池模块之间的间隙作为前述冷媒通路。
在前述流体冷却式电池组系统中，配置在前述电池组外壳内的前述多个电池模块，优选地具有在各个电池模块的对向面上具有多个凹部和凸部，当相互对向的前述凸部接触连接时，将由前述凹部形成的各电池模块之间的间隙作为前述冷媒通路。
在前述流体冷却式电池组系统中，优选地前述多个电池模块的每个上的前述多个凸部及前述凹部分别沿前述冷媒的流动方向并行地延伸，在前述电池模块之间形成多个流体通路。
优选地前述多个电池模块的每个上的前述多个凸部是在各个电池模块相互连接方向的前述表面上以规定间隔分布形成的。
前述流体冷却式电池组系统优选地在前述电池组外壳内具有位于前述多个电池模块上部的上侧冷媒室和位于前述多个电池模块下部的下侧冷媒室。
优选地利用前述上侧冷媒室与前述下侧冷媒室之间的压力差使前述冷媒流过前述冷媒通路。
前述流体冷却式电池组系统优选地将前述冷媒通路的预定宽度设定成，在要求高负载时前述多个电池模块的最高温度为55℃以下，而且前述多个电池模块之间的温度偏差为10℃以下。
在前述流体冷却式电池组系统中，前述冷媒优选地为具有电绝缘性的气体状冷媒。
在这种情况下，前述气体状冷媒优选地为空气。
或者，前述冷媒优选地为具有电绝缘性的液状冷媒。
在前述流体冷却式电池组系统中，前述冷媒输送装置优选地备有冷却风扇。
在这种情况下，前述冷却风扇优选地配置在前述冷媒的入口处，向前述电池组外壳内供应外气。
或者，前述冷却风扇优选地配置在前述冷媒的出口处，向前述电池组外壳内吸入外气。
利用上述结构，即使考虑到在制造时作为冷媒通路偏差的电池模块之间或电池结构体之间的间隙偏差的情况下，也可将电池组内的电池温度偏差抑制在允许的温度范围内，可有利于电池间容量的偏差，可充发挥电池的性能。
同时，由于可进行考虑到冷媒通路宽度的尺寸公差的设计，可大大地压低制造成本。
进而，预先根据电池模块中电池槽材料或电池输入输出条件等，推算出各电池之间的内压差及电池槽材料的膨胀量，通过对考虑到这些因素的冷媒通路的尺寸进行设计，不仅对制造时的加工精度、同时在制造电池组后的实际使用时的各种偏差也可进行有效的设计。
图1A为部分地表示根据本发明的第一个实施例的流体冷却式电池组系统的结构的简略透视图。
图1B为沿图1A的A-A’方向的剖视图。
图2A为表示根据本发明的第一个实施例的电池模块组装方法的透视图。
图2B为表示图2A中圆圈“B”所示的局部放大图。
图3为表示相对于电池模块的冷却间隙的宽度热传导率与通风阻力之间的关系的曲线图。
图4A为表示根据本发明的第二个实施例的电池模块组装方法的透视图。
图4B为图4A中圆圈“B”所示部分的放大图。
图5是表示根据本发明的第三个实施例的电池模块组装方法的透视图。
图6、缩减表示根据本发明的第四个实施例的电池模块的结构的透视图。
下面参照附图对本发明的实施例进行说明。
第一个实施例
图1A是部分地表示根据本发明的第一实施例的流体冷却式电池组系统的结构的简略透视图，图1B是沿图1A的A-A’线方向的剖视图。同时，在图1A中，为了更清楚地说明流体冷却式电池组系统的构成要素，以透明的方式画出构件3(电池组外壳)。
在图1中，1为根据本实施例的流体冷却式电池组系统。2为内部含有串联连接的多个Ni-MH单电池的电池模块，由多个这种电池模块2串联地电连接构成电池组。所需的Ni-MH单电池的个数以能够获得相对于装载在HEV/PEV上的电动机所规定的输出功率来决定。
电池模块2在相互连接方向的表面上具有多个凸部21和多个凹部22，在电池模块2彼此之间，相互对向的凸部接触相互连接。当这种凸部21彼此接触连接时，由电池模块2之间的凹部22形成冷却间隙5(冷媒通路)。
3为在容纳多个电池模块连接起来的电池组的同时还具有对该电池组进行强制冷却的功能的电池组外壳，在电池组外壳3上，于上部表面上设置用于吸入外气作为冷媒的吸入口31(冷媒入口)，同时在其下部表面上设置用于将内部的空气排出用的排出口32(冷媒出口)。
同时，在电池组外壳3的吸入口31附近安装有冷却风扇4。由冷却风扇4从吸入口31被强制地吸入的外气如图1(b)所示，进入位于电池模块2的上部的上侧空气室6(上侧冷媒室)，经过在电池模块之间形成的冷却间隙5流动，进入位于电池模块2下部的下侧空气室7(下侧冷媒室)，从电池组外壳3的排出口32排出。即，通过在上侧空气室6与下侧空气室7之间产生压力差，使空气流过冷却间隙5内，对电池模块2进行冷却。
下面对电池模块之间的冷却间隙的形成方法进行说明。
图2A是表示电池模块的组装方法的透视图，图2B为图1A中用圆圈“B”表示的局部放大图。
在图2中，电池模块2在相互连接的方向的表面上备有向空气流动方向A并行连接的凸部21与凹部22。一个电池模块2连接成当连接到已经组装好的另外的电池模块2’上时，电池模块2的凸部21与电池模块2’中对向的凸部21’相接触。凸部21的突出量1等于凹部22的塌陷量，从而，形成于电池模块2之间的冷却间隙5的宽度W为21。
此外，在本实施例中，由于相对凸部21的突出量1的设计预定值的制造公差设定为±0.05mm，所以冷却间隙的宽度W的制造公差为±0.1mm。
下面对具有这种制造公差的冷却间隙5的冷却性能进行说明。
图3为表示相对于电池模块2的冷却间隙的宽度的设计预定值热传导率与通风阻力的关系的曲线图。在图3中，电池模块2的冷却性能用热传导率表示。
曲线HTc表示冷却间隙宽度制造公差为零时，即，冷却间隙的的宽度等于设计预定值时的热传导率，曲线HTmax表示冷却间隙宽度制造公差为最大，即，冷却间隙的宽度为设计预定值+0.1mm时的热传导率，此外，曲线HTmin表示冷却间隙的宽度制造公差为最小，即，冷却间隙的宽度为设计预定值-0.1m时的热传导率。
如曲线HTc所示，随着冷却间隙的宽度变小，空气流速变大，从而热传导率增大，即，冷却性能提高，但当冷却间隙的宽度过小时，如曲线FR所示的通风阻力增大，热传导率降低，即冷却性能降低。
同时，如曲线HTmax和曲线HTmin所示，随着冷却间隙宽度的减小，受制造公差的影响加大，冷却性能的偏差范围加大。
这里，在上述现有技术的例子中，是考虑了通风阻力来决定最佳冷却间隙的宽度，即，把曲线HTc处于峰值上的冷却间隙的宽度1.0mm作为最佳宽度。但是，假定冷却间隙的预定值为1.0mm，制造公差以±0.1mm的精度进行加工时，如曲线HTmax和HTmin所示，冷却性能的偏差范围大，从而造成电池模块的温度偏差。
与此相反，在本实施例中，如图3所示，将冷却性能(热传导率)的预定值设在30W/(m2·K)以上，即，把高负载时的蓄电池温度设定在55℃以下，而且把冷却偏差(HTmaxY与HTmin之差)的预定值设定在4W/(m2·K)以下，即把高负载时电池的温度偏差设定在10℃以下，从而使冷却间隙宽度的设计预定值在1.6mm至1.9mm的范围内的话，即使以±0.1mm的精度来加工冷却间隙的宽度，也可把对冷却性能的影响抑制得足够小，消除电池模块的温度偏差问题。
此外，上述高负载时的电池温度在55℃以下是可以发挥电池的额定性能的80％以上的温度，而上述高负载时的电池的温度偏差在10℃以下则意味着作为电池组可以发挥其最佳性能的温度范围。
同时，在本实施例中，将冷却间隙的宽度设计预定值设定在上述从1.6mm至1.9mm的范围内的1.8mm。
第二个实施例
图4A是表示根据本发明的第二个实施例的电池模块组装方法的透视图，图4B为图4A中用圆圈“B”所表示的局部放大图。
在图4中，电池模块40在相互连接方向的表面上具有以规定间隔分布的凸部41，凸部41以外的剩余的表面构成凹部42。一个电池模块40连接成当连接到已经组装好的另一个电池模块40’上时，蓄电池40组件的凸部41与电池模块40’中对向的凸部41’相接触。
第三个实施例
图5是表示根据本发明的第三个实施例的电池模块组装方法的透视图。
在图5中，本系统在电池模块40的相互连接的对向面之间配备有金属制或树脂制的波纹状板隔板43，由这种隔板43与电池模块40之间的间隙形成冷媒通路。
此外，隔板43的形状不限于波纹状，只要是可在电池模块40之间形成冷媒通路即可。
第四个实施例
图6为表示根据本发明的第四个实施例的电池模块结构的透视图。
在图6中，电池模块40由六个圆筒状的单电池相互连接构成，各个电池模块40由蓄电池保持架44保持的同时，对电池模块40之间的位置进行定位。由蓄电池保持架40所划分的电池模块40之间的间隙，以及/或者由蓄电池保持架44的上表面和下表面与电池模块40之间的间隙形成冷媒通路。
此外，在本实施例中，表示出圆筒状电池模块用的电池保持架的一个例子，但只要是保持电池模块，划定冷媒通路的部件，则可根据电池模块的形状采用各种电池保持架或电池组结构体。
其它实施例
作为本发明的其它实施例，在采用树脂等作为Ni-MH蓄电池的电池槽材料的情况下，电池模块内的各电池之间的内压差会使电池槽产生膨胀，有可能造成冷却间隙宽度的偏差。因此，除了前面所述的实施例之外，也可预先由电池槽材料或电池输入输出条件等推算出内压差及电池槽膨胀率，在设定冷却间隙宽度时把这些因素考虑进去。采用这种结构，不仅对制造时的加工精度而且对于在电池组制成后，在使用时的各种偏差也可以有效地进行设计。
此外，在本发明的实施例中，是采用将冷却风扇4安装在电池组外壳3的吸入口31附近的结构，但本发明并不仅限于这种结构，例如，可将冷却风扇4安装到排出口32附近，通过用冷却风扇4从排出口32强制地排出空气，在上侧空气室6及下侧空气室7之间产生压力差，在冷却间隙5内产生空气流，同时也可以在吸入口31及排出口32两处安装冷却风扇4。
同时，在本发明的实施例中，是采用在电池组外壳3的上部表面上设置外气的吸入口31，在下部表面上设置从电池组的内部排出空气的空气排出口32，用上下方向的空气流对电池模块进行冷却的结构，但也可以采用在电池组外壳3的侧面上设置吸入口和排出口的结构。
此外，在本发明的实施例中，是采用冷却风扇4由空气对电池模块2进行冷却的结构，但是也可以利用除空气之外的气体状冷媒或液体冷媒，由另外的冷媒输送装置对电池模块2进行冷却的结构。

Claims (18)

1、流体冷却式电池组系统，其特征为，备有：
具有至少一个冷媒入口及至少一个冷媒出口的电池组外壳，
配置于前述电池组外壳内的电池组，前述电池组是通过将具有至少一个单电池的多个电池模块串联或并联而构成的，在相对于各个电池模块邻接的电池模块或邻接的电池组结构体之间，设置从前述冷媒入口向前述冷媒出口通过冷媒的冷媒通道，
将前述冷媒从前述电池组外壳的前述冷媒入口取入，流过前述冷媒通路，从前述冷媒出口排出的冷媒输送装置；
将前述冷媒通路的预定宽度设定成，当前述冷媒流过前述冷媒通路时，因前述冷媒通路的预定宽度的制造公差所造成的前述多个电池模块之间的温度偏差处于规定的范围内，而且全部电池模块的温度处于规定的温度以下。
2、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，将前述冷媒通路的前述预定值设定成，前述冷媒通路具有前述多个电池模块间的前述温度偏差处于前述规定范围内的极限流体阻力值或小于该值的流体阻力值。
3、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，附加上前述多个电池模块中的电池槽材料及电池输入输出条件中至少其中之一地设定前述冷媒通路的前述预定值。
4、如权利要求3所述的流体冷却式电池组系统，前述电池槽材料为树脂材料。
5、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，它配备有夹在配置于前述电池组外壳内的前述多个电池模块的对向面之间的金属制或树脂制的隔板，将由前述隔板形成的各电池模块之间的间隙作为前述冷媒通路。
6、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，配置在前述电池组外壳内的前述多个电池模块具有将各个电池模块保持在一定间隔地构成的电池保持架，将由前述电池保持架形成的各电池模块之间的间隙作为前述冷媒通路。
7、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，配置在前述电池组外壳内的前述多个电池模块在各个电池模块的对向面上具有多个凹部和凸部，当相互对向的前述凸部相互接触连接时，将由前述凹部形成的各电池模块之间的间隙作为前述冷媒通路。
8、如权利要求7所述的流体冷却式电池组系统，前述多个电池模块的每一个上的前述多个凸部及前述凹部分别沿前述冷媒的流动方向并行地延伸，在前述电池模块之间形成多个流体通路。
9、如权利要求7所述的流体冷却式电池组系统，前述多个电池模块的每个上的前述多个凸部是在各个电池模块相互连接方向的前述表面上按规定间隔分布形成的。
10、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，前述流体冷却式电池组系统在前述电池组外壳内具有位于前述多个电池模块上部的上侧冷媒室和位于前述多个电池模块下部的下侧冷媒室。
11、如权利要求10所述的流体冷却式电池组系统，前述冷媒借助前述上侧冷媒室与下侧冷媒室之间的压力差流过前述冷媒通路。
12、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，前述流体冷却式蓄电池系统将前述冷媒通路的前述预定宽度设定成，在要求高负载时前述多个电池模块的最高温度为55℃以下，而且前述多个电池模块之间的温度偏差为10℃以下。
13、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，前述冷媒为具有电绝缘性的气体状冷媒。
14、如权利要求1所述的流体冷却式电池组系统，前述冷媒为具有电绝缘性的液体状冷媒。
15、如权利要求13所述的流体冷却式电池组系统，前述气体状冷媒为空气。
16、如权利要求15所述的流体冷却式电池组系统，前述冷媒输送装置备有冷却风扇。
17、如权利要求16所述的流体冷却式电池组系统，前述冷却风扇配置在前述冷媒入口，向前述电池组外壳内供应外气。
18、如权利要求16所述的流体冷却式电池组系统，前述冷却风扇配置在冷媒出口，向前述电池组外壳内吸入外气。
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