ES2978267T3 - Módulo de batería que tiene una disipación de calor mejorada, paquete de batería que comprende dicho módulo de batería y vehículo que comprende dicho paquete de batería - Google Patents

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Abstract

Se proporcionan: un módulo de batería en el que se mejora la disipación de calor haciendo que se produzca un enfriamiento electrónico por encima de un cierto voltaje; un paquete de baterías que comprende el módulo de batería; y un vehículo que comprende el paquete de baterías. Un módulo de batería según la presente invención comprende una pluralidad de celdas de batería, y tiene una porción de unión de conductores formada en el mismo en la que los conductores de las respectivas celdas de batería están unidos entre sí. El módulo de batería comprende además: un elemento termoeléctrico montado en la porción de unión de conductores; y un elemento de voltaje constante para derivar la corriente del módulo de batería al lado del elemento termoeléctrico cuando se produce un sobrevoltaje en el módulo de batería. Por lo tanto, cuando se produce un sobrevoltaje en el módulo de batería, el elemento termoeléctrico se activa para enfriar electrónicamente la porción de unión de conductores del módulo de batería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Módulo de batería que tiene una disipación de calor mejorada, paquete de batería que comprende dicho módulo de batería y vehículo que comprende dicho paquete de batería
Sector de la técnica
La presente divulgación se refiere a un módulo de batería, y, más en particular, a un módulo de batería que mejora la disipación de calor al provocar que se produzca enfriamiento electrónico a una tensión específica o superior. La presente divulgación también se refiere a un paquete de batería que incluye el módulo de batería y a un vehículo que incluye el paquete de batería. La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente coreana n.° 10-2018-0151275 presentada el 29 de noviembre de 2018 en la República de Corea.
Estado de la técnica
Las baterías secundarias que se comercializan actualmente incluyen baterías de níquel-cadmio, baterías de níquelhidrógeno, baterías de níquel-zinc, baterías secundarias de litio y similares. Entre estas baterías secundarias, puesto que las baterías secundarias de litio casi no tienen efecto de memoria en comparación con las baterías secundarias a base de níquel, las baterías secundarias de litio están en el centro de atención debido a las ventajas de carga y descarga gratuitas, tasa de autodescarga muy baja y alta densidad de energía.
Una batería secundaria de litio de este tipo utiliza principalmente óxidos a base de litio y materiales de carbono como materiales activos de electrodo positivo y materiales activos de electrodo negativo, respectivamente. La batería secundaria de litio incluye un conjunto de electrodo que ensambla una celda unitaria que tiene una estructura en la que una placa de electrodo positivo que tiene un material activo de electrodo positivo recubierto sobre un colector de corriente de electrodo positivo y una placa de electrodo negativo que tiene un material activo de electrodo negativo recubierto sobre un colector de corriente de electrodo negativo están dispuestos con un separador interpuesto entremedio, y un material de cubierta, es decir, una carcasa de batería, que sella y alberga el conjunto junto con una solución electrolítica. Según la forma de la carcasa de la batería, las baterías secundarias de litio se clasifican en baterías secundarias de tipo lata en las que el conjunto de electrodo está incrustado en una lata de metal y baterías secundarias de tipo bolsa en las que el conjunto de electrodo está incrustado en una bolsa de láminas laminada de aluminio.
Recientemente, las baterías secundarias se utilizan ampliamente no solo en dispositivos pequeños, tales como dispositivos electrónicos portátiles, sino también en dispositivos medianos y grandes, como vehículos y sistemas de almacenamiento de energía (ESS). Cuando se utilizan baterías secundarias en dichos dispositivos medianos y grandes, se conecta eléctricamente una gran cantidad de baterías secundarias para formar un módulo de batería o un paquete de batería con el fin de aumentar la capacidad y la potencia de salida. En particular, las celdas de batería de tipo bolsa se utilizan ampliamente en dispositivos medianos y grandes debido a ventajas tales como una fácil laminación y un peso ligero. Las celdas de batería de tipo bolsa tienen una estructura en la que un conjunto de electrodo al que está conectado un cable de electrodo se alberga en una carcasa tipo bolsa con una solución electrolítica y se sella. Una parte del cable de electrodo está expuesta fuera de la carcasa tipo bolsa, y el cable de electrodo expuesto está conectado eléctricamente a un dispositivo en el que se montan celdas de batería de tipo bolsa o se utiliza para conectar eléctricamente celdas de batería de tipo bolsa entre sí.
Mientras tanto, las baterías secundarias de litio tienen riesgo de explosión cuando se sobrecalientan. En particular, como las baterías secundarias de litio se aplican a vehículos eléctricos, incluidos vehículos eléctricos (EV), vehículos eléctricos híbridos (HEV), vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV), etc., en módulos de batería o paquetes de batería que se conectan y se utilizan con un gran número de celdas de batería de alta capacidad, puede producirse un accidente grave en caso de explosión, por lo que garantizar la seguridad es una de las soluciones principales. Convencionalmente, se ha propuesto un dispositivo de coeficiente de temperatura positivo (PTC), un fusible, etc. como medio para impedir la explosión bloqueando la corriente cuando aumenta la temperatura dentro de la batería secundaria. Sin embargo, tienen el problema de que se requiere un espacio de montaje separado en un módulo de batería o en un paquete de batería.
Actualmente, los módulos de batería medianos y grandes que integran celdas de batería de tipo bolsa no están montados con un dispositivo de interrupción de corriente (CID) ni un mecanismo de mejora de seguridad. En el caso del CID montado en la pequeña batería secundaria cilíndrica existente, la seguridad de la celda está garantizada por el principio de desconectar una determinada parte cuando la tensión interna de la celda aumenta y bloquear el paso de corriente a través de la celda. Sin embargo, existe el problema de que la resistencia es alta al aplicar el CID a celdas de batería de tipo bolsa en módulos de batería medianos y grandes. En el caso del CID aplicado a celdas de batería prismáticas medianas y grandes, la seguridad de la celda se garantiza al generar a la fuerza un cortocircuito externo cuando la tensión interna de la celda aumenta, fundir el cable dentro de la celda y bloquear el paso de corriente. Sin embargo, el CID de este principio tiene el problema de que el CID funciona incluso cuando la celda entra en el período de fin de vida (EOL) y, por lo tanto, la presión interna de la celda aumenta. Además, existe el problema de que es difícil aplicar el CID a celdas de batería de tipo bolsa de módulos de batería medianos y grandes debido a la deformación de la bolsa.
Garantizar la seguridad es muy importante en el sentido de que la explosión de un módulo de batería o de un paquete de batería no solo puede causar daños a los dispositivos o vehículos electrónicos, etc., en los que se emplea, sino que también puede suponer una amenaza para la seguridad de los usuarios y un encendido. Si la batería secundaria se sobrecalienta, aumenta el riesgo de explosión y/o encendido, y una combustión o explosión repentina debido al sobrecalentamiento puede provocar lesiones a personas y propiedades. Por lo tanto, existe una necesidad de introducir medios para garantizar suficientemente la seguridad en el uso de baterías secundarias. Los documentos WO 2018/194249 y KR 20180022250 se refieren a baterías con sistemas para su enfriamiento. El documento US 2006/038534 se refiere a una batería con un circuito para descargar la corriente cuando la batería está sobrecargada para impedir la explosión de la batería. Los documentos DE 102013018474, KR 20160006000 y EP 2418716 se refieren a módulos de batería con sistemas para su enfriamiento. El documento JP H0883630 se refiere a un módulo de batería con un elemento termoeléctrico que utiliza el calor generado para emitir potencia.Objeto de la invención
Problema técnico
La presente divulgación está diseñada para resolver los problemas de la técnica relacionada y, por lo tanto, la presente divulgación está dirigida a resolver un problema de seguridad debido a la acumulación de calor al mejorar la disipación de calor, en lugar de aplicar un mecanismo de mejora de la seguridad tal como un CID o un dispositivo PTC en un módulo de batería mediano y grande que integra una celda de batería de tipo bolsa.
La presente divulgación está dirigida a proporcionar un módulo de batería que mejora la disipación de calor al provocar que se produzca enfriamiento electrónico a una tensión específica o superior, un paquete de batería que incluye el módulo de batería y un vehículo que incluye el paquete de batería.
Solución técnica
En un aspecto de la presente divulgación, se proporciona un módulo de batería que incluye una pluralidad de celdas de batería y partes de unión con el cable en las que los cables respectivos de las celdas de batería están unidos entre sí, incluido además un dispositivo termoeléctrico montado en la parte de unión con el cable; y un dispositivo de tensión constante configurado para desviar una corriente del módulo de batería al dispositivo termoeléctrico cuando se produce una sobretensión del módulo de batería, y el dispositivo termoeléctrico puede accionarse para enfriar electrónicamente la parte de unión con el cable del módulo de batería cuando se produce la sobretensión del módulo de batería.
El dispositivo de tensión constante puede montarse en la parte de unión con el cable.
El dispositivo de tensión constante se puede conectar en paralelo entre un cable de electrodo positivo de cualquier celda de batería y un cable de electrodo negativo de la otra celda de batería entre las partes de unión con el cable. El dispositivo de tensión constante puede ser un diodo Zener o un varistor.
Una tensión de ruptura del dispositivo de tensión constante puede ser mayor que una tensión de carga completa del módulo de batería.
El dispositivo de tensión constante puede proporcionarse en un circuito de detección que detecta un estado de tensión del módulo de batería, y un circuito capaz de permitir que la corriente del módulo de batería fluya hacia el dispositivo termoeléctrico cuando se alcanza la tensión de ruptura del dispositivo de tensión constante puede proporcionarse entre el dispositivo de tensión constante y el dispositivo termoeléctrico.
La parte de unión con el cable puede incluir una porción plana soldada al superponer una porción doblada formada al doblar un cable de celda de batería de un lado a 90° y una porción doblada formada al doblar otro cable de celda de batería adyacente a la celda de batería de un lado a 90° en una dirección opuesta, y el dispositivo termoeléctrico puede montarse en la porción plana.
El dispositivo termoeléctrico puede montarse en cada parte de unión con el cable.
Las celdas de batería son celdas de batería de tipo bolsa.
En otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona un paquete de batería que incluye por lo menos un módulo de batería según la presente divulgación; y una carcasa de paquete configurada para empaquetar por lo menos un módulo de batería.
En otro aspecto de la presente divulgación, se proporciona un vehículo que incluye por lo menos una batería según la presente divulgación.
Efectos ventajosos
El módulo de batería según la presente divulgación incluye además un dispositivo de tensión constante y un dispositivo termoeléctrico. Al utilizar el dispositivo de tensión constante capaz de permitir que una corriente fluya en una dirección deseada a una tensión específica o superior, cuando se produce una sobretensión del módulo de batería, el flujo de la corriente se desvía al dispositivo termoeléctrico a través del dispositivo de tensión constante. Al accionar el dispositivo termoeléctrico y enfriar electrónicamente el módulo de batería usando la corriente desviada, resulta posible impedir el fenómeno de que la temperatura del módulo de batería aumenta rápidamente debido a la aparición de sobretensión.
En la presente divulgación, en particular, el dispositivo termoeléctrico está montado en partes de unión con el cable entre celdas de batería. Al hacerlo de esta manera, resulta posible el enfriamiento instantáneo de la parte de calentamiento más grande y, por tanto, el efecto de disipación de calor es excelente. Además, el dispositivo de tensión constante y el dispositivo termoeléctrico pueden estar dispuestos a una distancia corta y, por tanto, puede simplificarse la estructura del módulo de batería.
Según la presente divulgación, la acumulación de calor en el módulo de batería se puede impedir al enviar la corriente al dispositivo termoeléctrico para provocar una reacción endotérmica cuando se produce una sobretensión y enfriar las celdas de batería. Por lo tanto, se puede impedir el sobrecalentamiento del módulo de batería y la seguridad del módulo de batería es excelente.
Descripción de las figuras
Las figuras adjuntas ilustran una realización preferible de la presente divulgación y, junto con la divulgación anterior, sirven para proporcionar una mayor comprensión de las características técnicas de la presente divulgación y, por lo tanto, la presente divulgación no se interpreta como limitada a las figuras.
La figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra un módulo de batería según una realización de la presente divulgación.
La figura 2 es una vista en perspectiva que muestra esquemáticamente un módulo de batería según otra realización de la presente divulgación.
La figura 3 es una vista superior de una celda de batería de tipo bolsa como una celda de batería unitaria incluida en el módulo de batería de la figura 2.
La figura 4 ilustra esquemáticamente partes de unión con el cable entre dos celdas de batería adyacentes en el módulo de batería de la figura 2.
La figura 5 es una vista en perspectiva parcialmente cortada que ilustra un dispositivo termoeléctrico incluido en un módulo de batería según la presente divulgación.
La figura 6 es una vista frontal del dispositivo termoeléctrico que se muestra en la figura 5.
La figura 7 es un diagrama que ilustra un paquete de batería según otra realización de la presente divulgación. La figura 8 es un diagrama que ilustra un vehículo según otra realización de la presente divulgación.
Descripción detallada de la invención
En lo sucesivo, se describirán en detalle las realizaciones preferibles de la presente divulgación en referencia a las figuras adjuntas.
La figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra un módulo de batería según una realización de la presente divulgación. En referencia a la figura 1, el módulo de batería según la presente divulgación incluye una pluralidad de celdas 10 de batería, un dispositivo 60 termoeléctrico y un dispositivo 80 de tensión constante. Para facilitar la ilustración, se muestra el número mínimo de celdas 10 de batería.
Un módulo de batería general incluye solo la pluralidad de celdas 10 de batería. El módulo de batería según la presente divulgación incluye además el dispositivo 60 termoeléctrico y el dispositivo 80 de tensión constante.
Como se describirá con más detalle a continuación, las celdas 10 de batería tienen los cables respectivos unidos entre sí para formar partes 40 de unión con el cable, y el dispositivo 60 termoeléctrico está montado sobre la parte 40 de unión con el cable.
El dispositivo 80 de tensión constante desvía la corriente del módulo de batería al dispositivo 60 termoeléctrico cuando se produce una sobretensión del módulo de batería. El dispositivo 80 de tensión constante es un dispositivo capaz de permitir que la corriente fluya en una dirección deseada a una tensión específica o superior. El dispositivo 80 de tensión constante tiene una característica que permite que la corriente fluya rápidamente cuando se aplica una tensión igual o mayor que una tensión de ruptura entre ambos terminales. Es decir, el dispositivo 80 de tensión constante proporcionado en la presente divulgación es un dispositivo capaz de desviar, es decir, desviar, la corriente a la tensión de ruptura o superior, y significa un dispositivo que bloquea la corriente a una tensión menor que la tensión de ruptura y permite que la corriente fluya rápidamente a una tensión mayor que la tensión de ruptura. Por lo tanto, en la presente divulgación, se puede configurar un circuito necesario usando el dispositivo 80 de tensión constante de modo que la corriente fluya al dispositivo 60 termoeléctrico a la tensión de ruptura del dispositivo 80 de tensión constante o superior. Los expertos en la materia pueden ajustar apropiadamente un valor específico de la tensión de ruptura según sea necesario. En la presente divulgación, no es necesario utilizar el dispositivo 80 de tensión constante cuya tensión de ruptura es mayor que la necesaria. El valor máximo de la tensión de ruptura es diferente para cada módulo de batería.
El dispositivo 80 de tensión constante se puede aplicar al módulo de batería según la presente divulgación para desviar la corriente durante la sobretensión al dispositivo 60 termoeléctrico y accionar el dispositivo 60 termoeléctrico. Al proteger el módulo de batería contra el sobrecalentamiento o la acumulación de calor, se puede mejorar la seguridad del módulo de batería.
El dispositivo 60 termoeléctrico se acciona mediante la corriente desviada. El dispositivo 60 termoeléctrico está configurado como un dispositivo Peltier capaz de absorber y generar calor mediante suministro de corriente. Si una porción absorbente de calor del dispositivo Peltier está orientada hacia la parte 40 de unión con el cable y una porción generadora de calor del dispositivo Peltier está orientada hacia el aire, el dispositivo 60 termoeléctrico puede realizar enfriamiento electrónico mediante suministro de corriente.
Como es bien conocido, el dispositivo Peltier incluye la porción absorbente de calor y la porción generadora de calor. En la presente divulgación, la porción absorbente de calor está en contacto con la parte 40 de unión con el cable y la porción generadora de calor está expuesta al aire. El efecto Peltier se refiere a un fenómeno en el que cuando se empareja cualquier tipo de metal para hacer fluir la corriente, un contacto de un lado genera calor y un contacto del otro lado absorbe (enfría) el calor. El dispositivo 60 termoeléctrico de la presente divulgación es un dispositivo que implementa dicho efecto Peltier, y en general conecta semiconductores de tipo n y tipo p formados a partir de una aleación del grupo V-VI y una solución sólida del mismo como contactos de enfriamiento a través de una placa de cobre actualmente. Si cambia la dirección en la que fluye la corriente, las porciones absorbentes y generadoras de calor pueden conmutarse entre sí, y la cantidad de absorción y generación de calor puede ajustarse según la cantidad de corriente.
En la presente divulgación, la dirección del flujo de corriente aplicada al dispositivo 60 termoeléctrico se considera de modo que la porción absorbente de calor del dispositivo 60 termoeléctrico está en contacto con la parte 40 de unión con el cable y la porción generadora de calor está expuesta al aire. Al montar el dispositivo 60 termoeléctrico en la parte 40 de unión con el cable que no sea el interior de la celda de batería 10 u otra posición dentro del módulo de batería, el aumento de temperatura del módulo de batería que se provoca cuando se produce la sobretensión del módulo de batería se puede suprimir eficazmente y se puede impedir una circunstancia de riesgo anómala debido a la acumulación de calor en el módulo de batería sin afectar al volumen del módulo de batería. En particular, puesto que la parte 40 de unión con el cable forma una trayectoria a través de la cual fluye directamente la corriente, la parte 40 de unión con el cable es una gran porción generadora de calor. En la presente divulgación, la parte 40 de unión con el cable se enfría preferentemente y, por tanto, es eficaz en términos de disipación de calor del módulo de batería.
Como se describe anteriormente, en la presente divulgación, cuando se produce la sobretensión, el módulo de batería se enfría electrónicamente al accionar el dispositivo 60 termoeléctrico usando la corriente del módulo de batería. Como resultado, se puede impedir un fenómeno en el que la temperatura del módulo de batería aumenta rápidamente a causa de una sobretensión.
En la presente divulgación, en particular, el dispositivo 60 termoeléctrico está montado en la parte 40 de unión con el cable entre las celdas 10 de batería. De esta manera, resulta posible el enfriamiento instantáneo de la parte de calentamiento más grande y, por tanto, el efecto de disipación de calor es excelente. Además, el dispositivo 80 de tensión constante y el dispositivo 60 termoeléctrico pueden estar dispuestos a una distancia corta y, por tanto, puede simplificarse la estructura del módulo de batería.
La figura 2 es una vista en perspectiva que muestra esquemáticamente un módulo de batería según otra realización de la presente divulgación. La figura 3 es una vista superior de una celda de batería de tipo bolsa como una celda de batería unitaria incluida en el módulo de batería de la figura 2.
El módulo 100 de batería de la figura 2 ilustra un ejemplo en el que una pluralidad de celdas 110a, 110b, 110c, etc. de batería están conectadas eléctricamente en serie. Cada una de la pluralidad de celdas 110a, 110b, 110c, de batería etc. es una celda 110 de batería de tipo bolsa como se muestra en la figura 3 y puede tener la misma estructura.
En referencia a la figura 3, la celda 110 de batería de tipo bolsa se alberga y se sella en una bolsa 115 junto con el conjunto 120 de electrodo y un electrolito. La bolsa 115 puede incluir una capa de metal, una capa de resina exterior y una capa de resina interior para sellar el conjunto 120 de electrodo y el electrolito que se alberga en su interior y proteger el conjunto 120 de electrodo y el electrolito del exterior.
Una porción extrema de cada uno del cable 125 de electrodo positivo en forma de placa y el cable 130 de electrodo negativo está conectada a ambos extremos del conjunto 120 de electrodo, y la otra porción extrema de los mismos está expuesta al exterior de la bolsa 115. Una porción extrema del cable 125 de electrodo positivo está conectada eléctricamente a una placa de electrodo positivo del conjunto 120 de electrodo, y una porción extrema del cable 130 de electrodo negativo está conectada eléctricamente a una placa de electrodo negativo del conjunto 120 de electrodo. Las otras porciones extremas de los cables 125 y 130 de electrodo expuestas al exterior de la bolsa 115 se utilizan para conectar eléctricamente una pluralidad de celdas de batería de tipo bolsa como se muestra en la figura 2.
Se interpone una película 135 de cable entre la bolsa 115 y los cables 125 y 130 de electrodo. La película 135 de cable se proporciona para mejorar aún más la adhesividad entre la bolsa 115 y los cables 125 y 130 de electrodo. La película 135 de cable no solo puede impedir un cortocircuito entre los cables 125 y 130 de electrodo y la capa metálica de la bolsa 115, sino que también puede mejorar la propiedad de sellado de la bolsa 115. La soldadura térmica de los cables 125 y 130 de electrodo de un material metálico y la bolsa 115 de un material polimérico puede provocar una resistencia de contacto algo grande y la adherencia a la superficie puede deteriorarse. Sin embargo, como en la realización anterior, cuando se proporciona la película 135 de cable, se puede impedir dicho fenómeno de deterioro de la adherencia. Además, la película 135 de cable puede ser un material aislante para bloquear preferiblemente la aplicación de corriente desde los cables 125 y 130 de electrodo a la bolsa 115. La película 135 de cable incluye una película que tiene propiedades de aislamiento y propiedades de soldadura térmica. La película 135 de cable puede incluir una o más capas de material (una película única o una película múltiple) seleccionadas entre, por ejemplo, poliimida (PI), polipropileno, polietileno, poli(tereftalato de etileno) (PET), etc.
El conjunto 120 de electrodo ensambla una celda unitaria que tiene una estructura en la que están dispuestas una placa de electrodo positivo y una placa de electrodo negativo con un separador interpuesto entremedio. La celda unitaria puede apilarse, apilarse y plegarse de forma sencilla, o fabricarse en un conjunto de electrodo en forma de rollo de gelatina. Es ampliamente conocido un procedimiento para fabricar un conjunto de electrodo de diversos tipos y, por tanto, se omitirá una descripción detallada del mismo. Por ejemplo, el conjunto 120 de electrodo puede formarse apilando una placa de electrodo negativo, un separador y una placa de electrodo positivo. El conjunto 120 de electrodo puede tener la forma de una monocelda que incluye una placa de electrodo negativo/separador/placa de electrodo positivo o una bicelda que incluye una placa de electrodo negativo/separador/placa de electrodo positivo/separador/placa de electrodo negativo o una placa de electrodo positivo/separador/placa de electrodo negativo/separador/placa de electrodo positivo. En la presente realización, se proporciona un ejemplo de una batería bidireccional en la forma que el cable 125 de electrodo positivo y el cable 130 de electrodo negativo se extraen de la bolsa 115 en direcciones opuestas, pero se proporciona una celda unidireccional que no excluye la forma en que tanto el cable 125 de electrodo positivo y el cable 130 de electrodo negativo se extraen de la bolsa 115 en una dirección.
En referencia a las figuras 2 y 3 juntas, las celdas 110a y 110b de batería están apiladas de modo que los cables de electrodo sobresalen de ambos extremos de las mismas, y los cables de electrodo tienen polaridades opuestas, por ejemplo, el cable 125a de electrodo positivo de la celda 110a de batería se coloca lado a lado con el cable 130b de electrodo negativo de la celda 110b de batería. Es decir, varias celdas de batería se apilan de manera alternada de modo que los cables de electrodo colocados lado a lado tengan polaridades opuestas. Puede haber diversas formas en las que las celdas 110a, 110b, 110c, etc. de batería se conecten en serie. En la figura 2, se ilustra una configuración en la que las otras porciones extremas de los cables 125a y 130b de electrodo están plegadas y dobladas hacia el lado izquierdo o derecho para proporcionar una superficie de contacto plana y luego se superponen entre sí y se conectan mediante soldadura.
En la figura 2, se incluyen un total de 11 celdas de batería. Los cables de electrodo de cada celda de batería están doblados verticalmente de modo que los cables de electrodo de las celdas de batería vecinas y las porciones dobladas verticalmente se superponen entre sí para formar la parte 140 de unión con el cable. Más específicamente, en un lado de las celdas 110a, 110b, 110c, etc. de batería apiladas, los cables de electrodo internos, excepto los cables de electrodo colocados en el exterior, se doblan para superponerse entre sí, y luego las porciones de los cables de electrodo dobladas se conectan eléctricamente. En el otro lado de las celdas 110a, 110b, 110c, etc. de batería apiladas, todos los cables de electrodo se doblan para superponerse entre sí y luego las porciones de los cables de electrodo soldadas y dobladas se conectan eléctricamente.
En la figura 2, las celdas 110a, 110b, 110c, etc. de batería están apiladas en posición vertical. Cuando los cables de electrodo están doblados, en las celdas de batería, el cable de electrodo de cualquier lado se dobla verticalmente hacia la derecha (o hacia el exterior del módulo de la batería), y el cable de electrodo del otro lado se dobla verticalmente hacia la izquierda (o el interior del módulo de batería). Por consiguiente, la parte 140 de unión con el cable que se va a acoplar tiene forma de "[" de modo que los cables de electrodo de diferentes polaridades se doblan y se superponen. Y las partes 140 de unión con el cable están dispuestas lado a lado a lo largo de una dirección horizontal. Este proceso se puede realizar en el proceso inverso, por ejemplo, los cables de electrodo se pueden doblar primero, las celdas de batería se apilan en un estado en el que los cables de electrodo están doblados y luego se pueden soldar las partes correspondientes.
Mientras tanto, aunque la figura 2 ilustra un procedimiento para superponer y conectar directamente los cables de electrodo, también resulta posible un procedimiento de conexión indirecta utilizando una barra colectora. Por ejemplo, es evidente que la presente divulgación se puede aplicar en el caso de que un módulo de batería se configura soldando una barra colectora junto con un cable de electrodo o un módulo de batería se configura soldando un cable de electrodo y un circuito externo.
La figura 4 ilustra esquemáticamente partes de unión con el cable entre dos celdas de batería adyacentes en un módulo de batería de la figura 2.
En referencia a la figura 2 y figura 4 juntas, cuando dos celdas de batería adyacentes en el módulo 100 de batería se denominan primera celda 110a de batería y segunda celda 110b de batería, el cable 125a de electrodo positivo de la primera celda 110a de batería y el cable 130b de electrodo negativo de la segunda celda 110b de batería están conectados. De esta manera, la primera y segunda celdas 110a y 110b de batería están conectadas eléctricamente en serie eléctrica. La conexión se puede realizar usando un procedimiento utilizado en general en la técnica, por ejemplo, las celdas de batería se pueden acoplar y conectar mediante soldadura ultrasónica, pero la presente divulgación no se limita a eso.
En la presente realización, la otra porción extrema del cable 125a de electrodo positivo de la primera celda 110a de batería y la otra porción extrema del cable 130b del electrodo negativo de la segunda celda 110b de batería están dobladas entre sí a lo largo de la dirección de apilamiento de la primera y segundas celdas 110a y 110b de batería, y la parte 140 de unión con el cable está formada para incluir una porción plana en la que las porciones dobladas y proporcionadas en los cables 125a y 130b de electrodo se superponen y se sueldan. Un dispositivo 160 termoeléctrico está montado sobre la porción plana. Y, preferiblemente, también se monta un dispositivo 180 de tensión constante en la parte 140 de unión con el cable. Al igual que el dispositivo 160 termoeléctrico, el dispositivo 180 de tensión constante puede montarse en la porción plana de la parte 140 de unión con el cable, o puede montarse en una porción distinta de la porción plana. Aunque el dispositivo 180 de tensión constante puede proporcionarse en una posición distinta de la parte 140 de unión con el cable, de manera que el dispositivo 180 de tensión constante y el dispositivo 160 termoeléctrico estén dispuestos a una distancia corta para simplificar la estructura del módulo 100 de batería, es preferible montar el dispositivo 180 de tensión constante en la parte 140 de unión con el cable.
Mientras tanto, aunque la figura 4 ilustra un ejemplo en el que el dispositivo 160 termoeléctrico está montado en la porción plana (es decir, el lado superior de la porción plana en el dibujo) que mira hacia el exterior del módulo 100 de batería en la parte 140 de unión con el cable, el dispositivo 160 termoeléctrico puede montarse en la porción plana (es decir, el lado inferior de la porción plana en el dibujo) que mira hacia el lado opuesto, es decir, el interior del módulo 100 de batería. La posición de montaje del dispositivo 160 termoeléctrico se puede determinar teniendo en cuenta la comodidad de una operación de montaje, la utilización de un espacio como todo el módulo de batería, etc.
La figura 5 es una vista en perspectiva parcialmente cortada que ilustra un dispositivo termoeléctrico incluido en un módulo de batería según la presente divulgación. La figura 6 es una vista frontal del dispositivo termoeléctrico que se muestra en la figura 5. Las figuras 5 y 6 muestran un módulo termoeléctrico como ejemplo del dispositivo termoeléctrico. Dado que el módulo termoeléctrico puede fabricarse en forma de placa, el módulo termoeléctrico puede montarse fácilmente en una porción plana de la parte 140 de unión con el cable.
En referencia a las figuras 5 y 6, el dispositivo 160 termoeléctrico puede incluir un sustrato 161 superior y un sustrato 162 inferior, electrodos 163 metálicos dispuestos en una superficie del sustrato 161 superior y el sustrato 162 inferior, y una pluralidad de semiconductores 164 termoeléctricos de tipo p y semiconductores 165 termoeléctricos de tipo n espaciada entre los electrodos 163 metálicos. El electrodo 163 metálico permite que la corriente fluya a través del semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p y el semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n cuando se aplica potencia al dispositivo 160 termoeléctrico, y más específicamente, puede incluir un electrodo metálico superior proporcionado en la superficie inferior del sustrato 161 superior y un electrodo metálico inferior dispuesto en la superficie superior del sustrato 162 inferior. El electrodo 163 metálico puede estar formado de un material que tenga una alta conductividad eléctrica para minimizar la pérdida de corriente suministrada al dispositivo 160 termoeléctrico y, más específicamente, puede estar formado a partir de un material que tenga una excelente conductividad, tal como plata o cobre.
El semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p y el semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n pueden estar separados uno de otro por una superficie unívoca del electrodo metálico superior y el electrodo metálico inferior. Con más detalle, el semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p puede proporcionarse en el lado izquierdo de la superficie inferior del electrodo superior, y el semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n puede proporcionarse espaciado hacia el lado derecho del semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p. El semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n puede proporcionarse en el lado izquierdo de la superficie superior del electrodo inferior, y el semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p puede proporcionarse espaciado hacia el lado derecho del semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n.
Cuando se aplica la corriente al dispositivo 160 termoeléctrico, el semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p y el semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n se conectan eléctricamente en serie y la corriente fluye. Debido al efecto Peltier, los orificios en el semiconductor 164 termoeléctrico de tipo p se mueven con calor hacia el lado (-), y los electrones en el semiconductor 165 termoeléctrico de tipo n se mueven con calor hacia el lado (+) y, de este modo, el sustrato 161 superior se calienta y el sustrato 162 inferior se enfría.
Por lo tanto, el sustrato 162 inferior del dispositivo 160 termoeléctrico utilizado en la presente divulgación puede funcionar como una porción absorbente de calor de la parte 140 de unión con el cable en el módulo 100 de batería según la presente divulgación, el sustrato 161 superior puede funcionar como un porción generadora de calor, y en consecuencia, es preferible que el sustrato 162 inferior esté configurado para estar en contacto térmico con la porción plana de la parte 140 de unión con el cable.
Se puede formar una pluralidad de partes 140 de unión con el cable en un módulo 100 de batería. El dispositivo 160 termoeléctrico puede montarse en cada parte 140 de unión con el cable o puede montarse solo en una cualquiera de la pluralidad de partes 140 de unión con el cable. El módulo 100 de batería está montado preferiblemente en cada parte 140 de unión con el cable en vista del enfriamiento global.
Como tal, en el módulo 100 de batería, puesto que el dispositivo 160 termoeléctrico está en contacto térmico con la parte 140 de unión con el cable en correspondencia con la pluralidad de celdas 110a, 110b, etc. de batería, el tamaño global del módulo 100 de batería no aumenta, el módulo 100 de batería no tiene piezas adicionales y el proceso de fabricación del módulo 100 de batería no es complicado. Además, dado que el enfriamiento se realiza colectivamente en la parte 140 de unión con el cable, no se produce una desviación de temperatura. Dado que la estructura del dispositivo 160 termoeléctrico es sencilla y no tiene ningún dispositivo accesorio adicional, se puede fabricar un módulo 100 de batería muy compacto. Por lo tanto, se asegura un espacio disponible de todo el sistema, tal como el módulo 100 de batería y un paquete de batería que incluye el módulo 100 de batería, etc.
El dispositivo 180 de tensión constante es un elemento que acciona el dispositivo 160 termoeléctrico al desviar la corriente del módulo 100 de batería al dispositivo 160 termoeléctrico cuando se produce la sobretensión del módulo 100 de batería para permitir el enfriamiento, llamado enfriamiento electrónico, de la parte 140 de unión con el cable como se describe anteriormente. El dispositivo 180 de tensión constante es un dispositivo capaz de permitir que una corriente fluya en una dirección deseada a una tensión de ruptura o superior, y preferiblemente incluye un diodo Zener o un varistor.
El diodo Zener es un dispositivo que utiliza el efecto Zener. El efecto Zener es un fenómeno que cuando se aplica una tensión alta a un semiconductor o similar, puesto que la energía en el extremo superior de una banda de valencia es la misma que la energía en el extremo inferior de una banda de conducción en una parte muy cercana, el efecto túnel aumenta la probabilidad de que los electrones se muevan desde la banda de valencia a la banda de conducción, lo que da como resultado el flujo de una corriente. En otras palabras, el efecto Zener es un fenómeno de aumento de la corriente que aparece cuando aumenta la probabilidad de que una valencia se desplace a la banda de conducción por el efecto túnel debido a cualquier campo eléctrico fuerte generado en el semiconductor. El diodo Zener que utiliza estas características puede fabricarse en una unión p-n semiconductora y es bien conocido como un dispositivo que tiene la característica de que cuando se aplica una tensión relativamente grande en dirección inversa, rápidamente comienza a fluir una corriente grande a una tensión determinada y la tensión permanece constante.
El varistor es un dispositivo de resistencia semiconductor no lineal cuyo valor de resistencia cambia según las tensiones aplicadas a ambos extremos del varistor y que es una abreviatura de resistencia variable. Los tipos de varistores incluyen varistores simétricos cuya resistencia está determinada únicamente por la magnitud de la tensión, independientemente de la polaridad de la tensión aplicada, y varistores asimétricos cuya resistencia varía según la polaridad de la tensión aplicada.
Los expertos en la materia pueden configurar un circuito necesario utilizando el dispositivo 180 de tensión constante de modo que la corriente fluya al dispositivo 160 termoeléctrico a la tensión de ruptura del dispositivo 180 de tensión constante o superior. Cuando el circuito está configurado como se describe anteriormente, el dispositivo 160 termoeléctrico puede accionarse en una circunstancia de sobretensión del módulo 100 de batería para impedir la acumulación de calor en el módulo 100 de batería.
La tensión de ruptura del dispositivo 180 de tensión constante es mayor que la tensión de carga completa del módulo 100 de batería. Por ejemplo, si la tensión de carga total es 4,3 V, la tensión de ruptura se puede configurar en 4,73 V, que es el 10 % mayor que 4,3 V, o 4,945 V, que es un 15 % mayor que 4,3 V, o 5,16 V, que es el 20 % mayor que 4,3 V, para seleccionar el dispositivo 180 de tensión constante correspondiente al mismo y lograr una configuración del circuito. El dispositivo 180 de tensión constante puede utilizarse al obtener uno disponible comercialmente. Están disponibles comercialmente dispositivos de tensión constante que tienen diversas tensiones de ruptura y, de este modo, los expertos en la materia pueden comprar y utilizar dispositivos de tensión constante apropiados según sea necesario.
Preferiblemente, el dispositivo 180 de tensión constante puede proporcionarse en un circuito de detección que detecta un estado de tensión del módulo 100 de batería. El módulo 100 de batería normal tiene un circuito de detección que detecta el estado de tensión y un circuito de control que controla la carga y descarga del módulo 100 de batería que utiliza el estado de tensión detectado. En la presente divulgación, el módulo 100 de batería puede implementarse incluyendo además el dispositivo 180 de tensión constante en el circuito de detección.
Además, se debe proporcionar un circuito entre el dispositivo 180 de tensión constante y el dispositivo 160 termoeléctrico para permitir que la corriente del módulo 100 de batería fluya hacia el dispositivo 160 termoeléctrico cuando se alcanza la tensión de ruptura del dispositivo 180 de tensión constante. Los expertos en la materia pueden implementar fácilmente diversos circuitos para proporcionar una trayectoria de flujo de corriente y, por tanto se omitirán descripciones detalladas de los mismos.
Preferiblemente, el dispositivo 180 de tensión constante puede conectar en paralelo el cable 125a de electrodo positivo de cualquier celda de batería, por ejemplo, la primera celda 110a de batería y el cable 130b de electrodo negativo de la otra celda de batería, por ejemplo, la segunda celda 110b de batería entre las partes 140 de unión con el cable.
Como se describe anteriormente, en la presente divulgación, cuando se produce la sobretensión, el dispositivo 160 termoeléctrico se activa usando la corriente del módulo 100 de batería para enfriar electrónicamente el módulo 100 de batería. Como resultado, se puede impedir un fenómeno en el que la temperatura del módulo 100 de batería aumenta rápidamente a causa de una sobretensión.
En la presente divulgación, en particular, el dispositivo 160 termoeléctrico está montado en la parte 140 de unión con el cable entre las celdas 110 de batería. De esta manera, resulta posible el enfriamiento instantáneo de la parte de calentamiento más grande y el efecto de disipación de calor es excelente. Además, dado que el dispositivo 180 de tensión constante y el dispositivo 160 termoeléctrico pueden estar dispuestos a una distancia corta, se puede simplificar la estructura del módulo de batería.
Dado que el módulo de batería según la presente divulgación no tiene acumulación de calor y tiene una seguridad excelente, el módulo de batería también es adecuado para su uso como fuente de potencia para un dispositivo mediano y grande que requiere alta estabilidad de temperatura, características de ciclo largo, características de alta velocidad, etc. Los ejemplos preferidos del dispositivo mediano y grande incluyen una herramienta eléctrica impulsada por un motor eléctrico; vehículos eléctricos, incluidos EV, HEV, PHEV y similares; motocicletas eléctricas, incluidas bicicletas y scooters eléctricos; carritos de golf eléctricos; y ESS, pero no se limitan a ellos.
Un módulo de batería normal incluye un circuito de protección para impedir la sobrecarga. El circuito de protección interrumpe una corriente de carga o una corriente de descarga al bloquear un circuito de carga/descarga cuando se detecta una tensión (es decir, una circunstancia de sobrecarga) igual o mayor que una tensión cargable o una tensión (es decir, la circunstancia de sobredescarga) igual o inferior a una tensión descargable. En general, aunque las baterías secundarias incluyen el circuito de protección de la batería para impedir daños a la batería secundaria a causa de la sobrecarga o sobredescarga, puesto que la mayoría de las baterías secundarias incluyen un circuito de protección IC o configuran un circuito de prevención de sobrecarga complicado separado, existe un problema indeseable en términos de coste y eficacia. Y cuando el circuito de protección de la batería no funciona con normalidad, especialmente cuando el control de prevención de sobrecarga no funciona con normalidad, es difícil garantizar la seguridad del módulo de batería. Además, la seguridad es muy débil cuando el módulo de batería no funciona correctamente a causa de un mal funcionamiento del circuito de protección. El módulo de batería de la presente divulgación puede mejorar en gran medida las características de disipación de calor durante la sobretensión del módulo de batería independientemente de si se proporciona el circuito de protección, lo cual es de gran ayuda para garantizar la seguridad. Además, dado que el dispositivo de tensión constante de la presente divulgación se inserta adicionalmente en el circuito de detección del módulo de batería existente y constituye un circuito nuevo, el dispositivo de tensión constante es fácil de utilizar. Recientemente, dado que se han mejorado las características de un electrolito y un separador o una estructura de electrodo incluidos en la batería secundaria, y se proporcionan medios predeterminados para impedir la sobrecarga en el electrolito y el propio conjunto de electrodo, están aumentando los intentos de configurar baterías secundarias que utilizan solo baterías desnudas sin circuito de protección en términos de coste de fabricación. En la presente divulgación, un módulo de batería basado en celdas desnudas sin un circuito de protección puede utilizarse suficientemente como un dispositivo de seguridad básico y mínimo porque el módulo de batería puede impedir la aparición de un problema tal como la acumulación de calor durante una sobretensión con componentes mínimos como un dispositivo termoeléctrico y un dispositivo de tensión constante.
La figura 7 es un diagrama que ilustra un paquete de batería según una realización de la presente divulgación. La figura 8 es un diagrama que ilustra un vehículo según una realización de la presente divulgación.
En referencia a las figuras 7 y 8, un paquete 200 de batería puede incluir por lo menos un módulo de batería según la realización anterior, por ejemplo, el módulo 100 de batería de la segunda realización y una carcasa 210 de paquete para empaquetar el paquete 200 de batería. Además, el paquete 200 de batería según la presente divulgación, además del módulo 100 de batería y la carcasa 210 de paquete, puede incluir además diversos dispositivos para controlar la carga y descarga del módulo 100 de batería, tal como un sistema de gestión de batería (BMS), un sensor de corriente, un fusible, etc.
El paquete 200 de batería se puede proporcionar en un vehículo 300 como fuente de combustible del vehículo 300. Por ejemplo, el paquete 200 de batería puede proporcionarse en el vehículo 300 de otras maneras que puedan utilizar vehículos eléctricos, vehículos híbridos y el otro paquete 200 de batería como fuentes de combustible.
Preferiblemente, el vehículo 300 puede ser un vehículo eléctrico. El paquete 200 de batería se puede utilizar como fuente de energía eléctrica que impulsa el vehículo 300 al proporcionar una fuerza motriz a un motor 310 del vehículo eléctrico. En este caso, el paquete 200 de batería tiene una tensión nominal alta de 100 V o superior. En un vehículo híbrido, el paquete 200 de batería se establece en 270 V.
El paquete 200 de batería puede cargarse o descargarse mediante un inversor 320 según el accionamiento del motor 310 y/o un motor de combustión interna. El paquete 200 de batería puede cargarse mediante un dispositivo de carga regenerativo acoplado con un disyuntor. El paquete 200 de batería puede estar conectado eléctricamente al motor 310 del vehículo 300 a través del inversor 320.
Como se describe anteriormente, el paquete 200 de batería también incluye el BMS. El BMS estima el estado de las celdas de batería en el paquete 200 de batería y gestiona el paquete 200 de batería utilizando información de estado estimada. Por ejemplo, el BMS estima y gestiona la información de estado del paquete 200 de batería tal como el estado de carga (SOC) del paquete 200 de batería, el estado de salud (SOH), potencia máxima admisible de entrada/salida, tensión de salida, etc. Además, el BMS puede utilizar la información de estado para controlar la carga o descarga del paquete 200 de batería y, además, estimar el tiempo de sustitución del paquete 200 de batería. Una ECU 330 es un dispositivo de control electrónico para controlar el estado del vehículo 300. Por ejemplo, la ECU 330 determina la información del par en base a información tal como un acelerador, un freno, una velocidad, etc., y controla la salida del motor 310 para que coincida con la información del par. Además, la ECU 330 transmite una señal de control al inversor 320 de modo que el paquete 200 de batería pueda cargarse o descargarse en base a la información de estado tal como el SOC y el SOH del paquete 200 de batería recibida mediante el BMS. El inversor 320 hace que el paquete 200 de batería se cargue o descargue en base a la señal de control de la ECU 330. El motor 310 impulsa el vehículo 300 en base a la información de control (p. ej., información del par) transmitida desde la ECU 330 utilizando la energía eléctrica del paquete 200 de batería.
El vehículo 300 incluye el paquete 200 de batería según la presente divulgación. El paquete 200 de batería incluye el módulo 100 de batería con seguridad mejorada como se describe anteriormente. Por lo tanto, se mejora la estabilidad del paquete 200 de batería, el paquete 200 de batería tiene una estabilidad excelente y puede utilizarse durante mucho tiempo y, por lo tanto, el vehículo 300, que incluye el paquete 200 de batería, es seguro y fácil de funcionar.
Además, el paquete 200 de batería también puede proporcionarse en otros dispositivos, equipos e instalaciones, tales como un ESS que utiliza una batería secundaria, además del vehículo 300.
Como tal, el paquete 200 de batería según la presente realización y los dispositivos o equipos e instalaciones que incluyen el paquete 200 de batería, tal como el vehículo 300, incluyen el módulo 100 de batería descrito anteriormente y, por tanto, el paquete 200 de batería tiene todas las ventajas debidas al módulo de batería 100 descrito anteriormente y se pueden implementar dispositivos o equipos e instalaciones tales como el vehículo 300 que incluyen el paquete 200 de batería.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un módulo (100) de batería que comprende una pluralidad de celdas (110a, 110b, 110c) de batería y partes (140) de unión con el cable en las que los cables respectivos de las celdas (110a, 110b, 110c) de batería están unidos entre sí, el módulo (100) de batería que además comprende:
un dispositivo (160) termoeléctrico montado sobre la parte (140) de unión con el cable; y
un dispositivo (180) de tensión constante configurado para desviar una corriente del módulo (100) de batería al dispositivo (160) termoeléctrico cuando se produce una sobretensión del módulo (100) de batería, en el que el dispositivo (160) termoeléctrico se acciona para enfriar electrónicamente la parte (140) de unión con el cable del módulo (100) de batería cuando se produce la sobretensión del módulo (100) de batería, en el que las celdas (110a, 110b, 110c) de batería son celdas de batería de tipo bolsa.
2. El módulo (100) de batería de la reivindicación 1, en el que el dispositivo (180) de tensión constante está montado sobre la parte (140) de unión con el cable.
3. El módulo (100) de batería de la reivindicación 2, en el que el dispositivo (180) de tensión constante está conectado en paralelo entre un cable (125a) de electrodo positivo de cualquier celda de batería (110a) y un cable (130b) de electrodo negativo de la otra celda (110b) de batería entre las partes (140) de unión con el cable.
4. El módulo (100) de batería de la reivindicación 1, en el que el dispositivo (180) de tensión constante es un diodo Zener o un varistor.
5. El módulo (100) de batería de la reivindicación 1, en el que una tensión de ruptura del dispositivo (180) de tensión constante es mayor que una tensión de carga completa del módulo (100) de batería.
6. El módulo (100) de batería de la reivindicación 1, en el que el dispositivo (180) de tensión constante está provisto en un circuito de detección que detecta un estado de tensión del módulo (100) de batería, y un circuito capaz de permitir que la corriente del módulo (100) de batería fluya hacia el dispositivo (160) termoeléctrico cuando se alcanza la tensión de ruptura del dispositivo (180) de tensión constante se proporciona entre el dispositivo (180) de tensión constante y el dispositivo (160) termoeléctrico.
7. El módulo (100) de batería de la reivindicación 1, en el que la parte (140) de unión con el cable comprende una porción plana soldada al superponer una porción doblada formada al doblar un cable de celda de batería de un lado a 90° y una porción doblada formada al doblar otro cable de celda de batería adyacente a la celda de batería de un lado a 90° en una dirección opuesta, y en el que el dispositivo (160) termoeléctrico está montado en la porción plana.
8. El módulo (100) de batería de la reivindicación 1, en el que el dispositivo (160) termoeléctrico está montado en cada parte (140) de unión con el cable.
9. Un paquete (200) de batería, que comprende:
por lo menos un módulo (100) de batería según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8; y
una carcasa (210) de paquete configurada para empaquetar por lo menos un módulo de batería.
10. Un vehículo (300) que comprende por lo menos un paquete (200) de batería según la reivindicación 9.
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