ES3042516T3

ES3042516T3 - Air cooling type battery module having separate cooling structure for battery cell

Info

Publication number: ES3042516T3
Application number: ES21895046T
Authority: ES
Inventors: Tae-Gyu Lee
Original assignee: LG Energy Solution Ltd
Current assignee: LG Energy Solution Ltd
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2025-11-21
Anticipated expiration: 2041-11-15
Also published as: EP4145593A1; CN115606040A; KR102848799B1; JP2023523748A; WO2022108278A1; HUE072401T2; JP7427110B2; KR20220072885A; EP4145593A4; CN115606040B; US12407038B2; EP4145593B1; US20230352763A1

Abstract

El módulo de batería según la presente invención comprende: celdas de batería cilíndricas, cuyas tapas superiores están orientadas hacia arriba y que están dispuestas en las direcciones horizontal y longitudinal; una carcasa de módulo provista para alojar las celdas de batería cilíndricas; y tapas de refrigeración que están instaladas en las porciones extremas inferiores de las respectivas celdas de batería cilíndricas, donde las tapas de refrigeración sobresalen hacia abajo desde el extremo inferior de la carcasa del módulo para entrar en contacto con el aire de refrigeración debajo de la carcasa del módulo, y pueden sobresalir a diferentes alturas según secciones preestablecidas de acuerdo con las posiciones de las celdas de batería cilíndricas dispuestas en la carcasa del módulo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Módulo de batería de tipo con enfriamiento por aire que presenta una estructura de refrigeración separada para cada celda de batería

[0003] Campo técnico

[0004] La presente exposición se refiere a una tecnología de refrigeración para un módulo de batería, y más particularmente, a un módulo de batería al que se aplica una estructura de refrigeración para reducir la desviación de temperatura de cada celda de batería y mejorar la eficiencia de refrigeración durante la refrigeración mediante un método de refrigeración por aire.

[0005] La presente solicitud reivindica prioridad de la solicitud de patente coreana n.° 10-20200157806, presentada el 23 de noviembre de 2020 en la República de Corea.

[0006] Antecedentes de la técnica

[0007] Las baterías secundarias se refieren a baterías que pueden ser cargadas y descargadas repetidamente, a diferencia de las baterías primarias, que no pueden ser recargadas. Las baterías secundarias se utilizan como fuentes de energía para sistemas de almacenamiento de energía (ESS), vehículos eléctricos (EV) o vehículos híbridos (HEV), así como para pequeños dispositivos electrónicos de alta tecnología, tales como teléfonos móviles, asistentes digitales personales (PDA) y ordenadores portátiles (todas las siglas son en inglés).

[0008] Actualmente, no se puede obtener suficiente energía para impulsar un vehículo eléctrico solo a partir de una batería (celda) secundaria de litio. Para poder utilizar una batería secundaria como fuente de energía para un vehículo eléctrico, se debe configurar un módulo de batería en el que una pluralidad de celdas de batería de iones de litio estén conectadas en serie y/o en paralelo; los módulos de batería generalmente se conectan en serie, y se configura un paquete de batería que incluye un sistema de gestión de baterías (BMS, por sus siglas en inglés) para mantener funcionalmente los módulos de batería, un sistema de refrigeración, una unidad de desconexión de batería (BDU, por sus siglas en inglés), un cable de conexión eléctrica, etc.

[0009] Una celda de batería secundaria genera calor durante la carga y descarga repetidas. En este caso, cuando la celda de la batería secundaria no se refrigera, la temperatura se incrementa continuamente, degradando de esta manera el rendimiento de la celda de batería secundaria e incrementando el riesgo de incendio o explosión de la celda de batería secundaria. De acuerdo con lo anterior, cuando se configura un módulo de batería, la refrigeración de las celdas de batería secundarias es la tarea más importante.

[0010] A modo de ejemplo de refrigeración de las celdas de batería 1, existe un módulo de batería en el que se utiliza una placa de enfriamiento 2 en la parte inferior, tal como se muestra en la FIG. 1. La placa de enfriamiento 2 incluye una placa inferior 2a que está en contacto con las superficies inferiores de todas las celdas de batería secundaria 1, y una pluralidad de aletas de enfriamiento 2b que se extienden perpendicularmente desde la superficie inferior 2a para incrementar la superficie de disipación de calor.

[0011] En la técnica relacionada, se suministra aire de refrigeración a la parte inferior del módulo de batería para entrar en contacto con la placa de enfriamiento 2, y de esta manera, el aire de refrigeración absorbe el calor de cada una de las celdas de batería secundaria 1 utilizando la placa de enfriamiento 2 como medio de transferencia de calor para refrigerar las celdas de batería secundaria 1.

[0012] Sin embargo, debido a que las celdas de batería secundaria 1 normalmente están dispuestas de manera densa en el interior de una carcasa de módulo 3, se produce un intercambio de calor entre las celdas de batería secundaria contiguas 1, lo que ocasiona una diferencia de temperatura entre las celdas de batería secundaria situadas en posiciones externas y las celdas situadas en posiciones internas. Es difícil resolver la diferencia de temperatura entre las celdas de batería secundaria 1 mediante la utilización de la placa de enfriamiento 2 del estado de la técnica. Además, debido a que el aire de refrigeración fluye en una dirección mientras absorbe el calor, la temperatura de la parte trasera de la placa de enfriamiento 2 es más alta que la de la parte delantera de la placa de enfriamiento 2, y de esta manera, resulta más difícil refrigerar rápidamente las celdas de batería secundaria 1 sin desviaciones de enfriamiento.

[0013] La técnica anterior relevante para la presente invención se proporciona en los documentos n.° JP 2007012486 A, KR 2020 0058955 A, KR 2020 0078220 A, JP 2019 129149 A, JP 2011 175896 A y KR 101 967 824 B1. Es conocido a partir del estado de la técnica un módulo de batería que comprende: celdas de batería cilíndricas dispuestas en direcciones horizontales y verticales, con sus respectivas tapas superiores orientadas hacia arriba; una carcasa de módulo en la que se alojan las celdas de batería cilíndricas, y tapas de enfriamiento montadas en porciones de extremo inferior de las celdas de batería cilindricas, en donde las tapas de enfriamiento sobresalen por debajo del extremo inferior de la carcasa de módulo en contacto con el aire de refrigeración en la porción inferior de la carcasa de módulo. Exposición

[0014] Problema técnico

[0015] La presente exposición está diseñada para resolver los problemas de la técnica relacionada, y por lo tanto, la presente exposición se refiere a la aplicación de una estructura de refrigeración capaz de reducir la desviación de temperatura de cada celda de batería durante la refrigeración y mejorar adicionalmente la eficiencia de refrigeración de un módulo de batería.

[0016] Sin embargo, los problemas técnicos que deben ser resueltos mediante la presente exposición no están limitados a los problemas técnicos descritos anteriormente y el experto habitual en la materia entenderá otros problemas técnicos a partir de la siguiente descripción.

[0017] Solución técnica

[0018] En un aspecto de la presente exposición, se proporciona un módulo de batería que incluye: celdas de batería cilíndricas dispuestas en direcciones horizontales y verticales, con sus respectivas tapas superiores orientadas hacia arriba; una carcasa de módulo en la que se alojan las celdas de batería cilíndricas, y tapas de enfriamiento montadas en las porciones inferiores de las celdas de batería cilíndricas, en donde las tapas de enfriamiento sobresalen por debajo del extremo inferior de la carcasa del módulo en contacto con el aire de refrigeración en una porción inferior de la carcasa del módulo, y sobresalen a diferentes alturas en zonas predeterminadas según las posiciones de las celdas de batería cilíndricas situadas en el interior de la carcasa del módulo.

[0019] Cada una de las tapas de enfriamiento puede incluir: una porción receptora en la que se inserta una porción de extremo inferior de la celda de batería cilíndrica; y una porción de disipación de calor que se extiende hacia abajo desde la porción receptora.

[0020] Las tapas de enfriamiento pueden incluir: una primera tapa de enfriamiento que incluye la porción de disipación de calor que está dividida en una pluralidad de aletas; una segundo tapa de enfriamiento que incluye la porción de disipación de calor que es más corta que la porción de disipación de calor de la primera tapa de enfriamiento; una tercera tapa de enfriamiento que incluye la porción de disipación de calor que es más larga que la porción de disipación de calor de la segunda tapa de enfriamiento y más corta que la porción de disipación de calor de la primera tapa de enfriamiento, y una cuarta tapa de enfriamiento que incluye la porción de disipación de calor que presenta la misma longitud que la porción de disipación de calor de la primera tapa de enfriamiento.

[0021] Las zonas predeterminadas pueden incluir: una primera zona en el lado izquierdo; una tercera zona en el lado derecho; y una segunda zona entre la primera zona y la tercera zona, que están divididas en una dirección de anchura de izquierda a derecha del módulo, en donde se montan la segunda tapa de enfriamiento, la tercera tapa de enfriamiento y la cuarta tapa de enfriamiento, desde la parte delantera de la carcasa del módulo, sobre las celdas de batería cilíndricas situadas en la primera zona y la tercera zona, y la primera tapa de enfriamiento se monta sobre las celdas de batería cilíndricas situadas en la segunda zona.

[0022] La primera zona puede incluir: una zona 1_1 de una parte frontal; una zona 1_2 de una parte intermedia; y una zona 1_3 de una parte posterior, que están divididas en la dirección de anchura de parte delantera a trasera de la carcasa del módulo; y la tercera zona puede incluir: una zona 3_1a de una parte frontal, una zona 3_2 de una parte intermedia y una zona 3_3 de una parte posterior, que están divididas en la dirección de anchura de parte delantera a trasera de la carcasa del módulo; en donde la segunda tapa de enfriamiento está montada sobre las celdas de batería cilíndricas situadas en la zona 1_1 y la zona 3_1, la tercera tapa de enfriamiento está montada sobre las celdas de batería cilíndricas situadas en la zona 1_2 y la zona 3_2, y la cuarta tapa de enfriamiento está montada sobre las celdas de batería cilíndricas situadas en la zona 1_3 y la zona 3_3.

[0023] La primera zona y la tercera zona pueden ser simétricas entre sí con respecto a la segunda zona.

[0024] Las tapas de enfriamiento pueden estar formadas de aluminio, cobre o grafito.

[0025] Por lo menos una de las tapas de enfriamiento puede proporcionarse de modo que la porción de disipación de calor presente una forma de pilar con una pluralidad de orificios o una estructura de rejilla.

[0026] La carcasa del módulo puede incluir un marco inferior y un marco superior acoplados verticalmente entre sí con las celdas de batería cilíndricas entre ellos, en donde las tapas de enfriamiento sobresalen por debajo de la superficie inferior del marco inferior, en donde el marco superior incluye: una porción de placa superior que cubre las porciones superiores de las celdas de batería cilindricas e incluye un orificio en una posición correspondiente a la tapa superior de cada celda de batería cilindrica, y barras colectoras que se extienden rectas en dirección de adelante a atrás de la carcasa del módulo desde la porción de placa superior y separadas entre sí por un intervalo determinado en la dirección de la anchura de izquierda a derecha de la carcasa del módulo, en donde las tapas superiores y los extremos superiores de los cuerpos de batería de las celdas de batería cilíndricas están conectados a las barras colectoras en un patrón preestablecido por medio de cables metálicos.

[0027] El marco superior puede incluir, además, placas de partición, cada una de las cuales sobresale hacia arriba entre un cable metálico (+) de la tapa superior y un cable metálico (-) del extremo superior del cuerpo de la batería.

[0028] En otro aspecto de la presente exposición, se proporciona, además, un paquete de batería que incluye el módulo de batería.

[0029] Efectos ventajosos

[0030] Según un aspecto de la presente exposición, se puede proporcionar un módulo de batería que presenta una estructura de enfriamiento capaz de reducir la desviación de temperatura de cada celda de batería durante el enfriamiento y mejorar adicionalmente la eficiencia del enfriamiento.

[0031] Los efectos de la presente exposición no se encuentran limitados a los efectos mencionados anteriormente, y otros efectos no mencionados serán claramente entendidos por el experto habitual en la materia a partir de la especificación y los dibujos adjuntos.

[0032] Descripción de los dibujos

[0033] La FIG. 1 es una vista que ilustra una configuración de refrigeración de un módulo de batería según la técnica relacionada.

[0034] La FIG. 2 es una vista en perspectiva que ilustra un módulo de batería, visto desde la parte inferior, según una realización de la presente exposición.

[0035] La FIG. 3 es una vista en sección que ilustra una celda de batería cilíndrica circular sobre la cual se ha montado una tapa de enfriamiento según una realización de la presente exposición.

[0036] La FIG. 4 es una vista que ilustra que la parte inferior del módulo de batería de la FIG. 2 está dividida en varias zonas.

[0037] La FIG. 5 es una vista en sección transversal que ilustra el módulo de batería visto lo largo de la línea A-A' de la FIG. 2.

[0038] La FIG. 6 es una vista en sección transversal que ilustra el módulo de batería visto lo largo de la línea B-B' de la FIG. 2.

[0039] La FIG. 7 es una vista en sección transversal que ilustra el módulo de batería visto lo largo de la línea C-C' de la FIG. 2.

[0040] La FIG. 8 es una vista en sección transversal que ilustra el módulo de batería visto lo largo de la línea D-D' de la FIG. 2.

[0041] La FIG. 9 es una vista que ilustra ejemplos de modificación de una tapa de enfriamiento.

[0042] La FIG. 10 es una vista en planta que ilustra un módulo de batería según una realización de la presente exposición. La FIG. 11 es una vista en perspectiva ampliada parcial de la FIG. 10.

[0043] Mejor modo

[0044] A continuación en el presente documento se describirán realizaciones de la presente exposición en referencia a los dibujos adjuntos. Antes de la descripción se debe entender que los términos utilizados en la especificación y en las reivindicaciones adjuntas no deben interpretarse como limitados a significados generales y de diccionario, sino que deben ser interpretados en función de los significados y conceptos correspondientes a los aspectos técnicos de la presente exposición, basándose en el principio de que está permitido que el inventor defina los términos apropiadamente para una explicación óptima.

[0045] Por lo tanto, la descripción propuesta en el presente documento es solo un ejemplo preferente para fines ilustrativos, no destinada a limitar el alcance de la presente exposición, por lo que se debe entender que se pueden generar otros equivalentes y modificaciones sin apartarse del alcance de la presente exposición. Las presentes realizaciones se proporcionan para que la presente exposición sea exhaustiva y completa, y transmita plenamente el alcance de la exposición al experto habitual en la materia. De acuerdo con lo anteriormente expuesto, el grosor y el tamaño de cada elemento mostrado en los dibujos pueden estar exagerados, haber sido omitidos o haberse dibujado de manera esquemática en aras de la claridad. Por consiguiente, el tamaño de cada elemento no refleja completamente el tamaño o la proporción real.

[0047] La FIG. 2 es una vista en perspectiva que ilustra un módulo de batería, visto desde la parte inferior, según una realización de la presente exposición. La FIG. 3 es una vista en sección que ilustra una celda de batería cilíndrica circular sobre la cual se ha montado una tapa de enfriamiento según una realización de la presente exposición. La FIG. 4 es una vista que ilustra que la parte inferior del módulo de batería de la FIG. 2 está dividida en varias zonas.

[0048] En referencia a las FIGS. 2 a 4, un módulo 10 de batería según una realización de la presente exposición incluye celdas de batería cilíndricas 100, una caja 200 de módulo y tapas de enfriamiento 300.

[0050] El módulo 10 de batería según la presente exposición puede incluir las celdas de batería cilíndricas 100. La celda de batería cilíndrica 100 es una batería secundaria de tipo carcasa metálica, en la que un conjunto de electrodos está insertado en la carcasa metálica. Aunque no se muestra en detalle, la celda de batería cilíndrica 100 puede incluir una carcasa metálica 120 de batería cilíndrica, un conjunto de electrodos y una tapa superior 110, y puede fabricarse introduciendo un electrolito y el conjunto de electrodos en la carcasa metálica 120 de batería, localizando la tapa superior 110 en un extremo abierto superior de la carcasa metálica 120 de batería y sellando la carcasa metálica 120 de batería mediante engarzado del extremo superior de la carcasa metálica 120 de batería.

[0052] El conjunto de electrodos de la celda de batería cilíndrica 100 es un tipo de conjunto de electrodos en forma de rollo en espiral (en inglés, "jelly-roll") con un separador situado entre un electrodo positivo y un electrodo negativo, un terminal de electrodo positivo unido al electrodo positivo y conectado a la tapa superior 110 y un terminal de electrodo negativo unido al electrodo negativo y conectado al extremo inferior de la carcasa metálica 120 de la batería. De acuerdo con lo anterior, en la celda de batería cilíndrica 100 típica, la tapa superior 110 funciona como un terminal de electrodo positivo y la carcasa metálica 120 de batería funciona como un terminal de electrodo negativo.

[0054] A modo de referencia, aunque el módulo 10 de batería está configurado aplicando la celda de batería cilíndrica 100 en la presente realización, el módulo 10 de batería puede configurarse mediante la utilización de una celda de batería prismática, en lugar de una celda de batería cilíndrica. En este caso, la tapa de enfriamiento 300 descrita a continuación se deforma para ajustarse en torno a la celda de batería prismática.

[0056] Las celdas de batería cilíndricas 100 pueden conectarse en serie y/o en paralelo de acuerdo con la salida y la capacidad requeridas para el módulo 10 de batería. Por ejemplo, un número preestablecido de celdas de batería cilíndricas 100 puede alojarse en direcciones horizontal y vertical dentro de la carcasa 200 del módulo con la tapa superior 110 orientada hacia arriba, y las celdas de batería cilíndricas 100 pueden disponerse en serie y/o en paralelo mediante conexión de la tapa superior 110 de cada celda de batería cilíndrica 100 o un extremo superior de la carcasa metálica 120 de batería a un

[0058] barra colectora 223 en forma de barra metálica mediante la utilización de un cable, que se describirá a continuación con más detalle.

[0060] La carcasa 200 de módulo es una estructura en la que se alojan las celdas de batería cilíndricas 100, y que protege las celdas de batería cilíndricas 100 de impactos externos, vibraciones o similares. La carcasa 200 de módulo de la presente exposición incluye un marco inferior 210 y un marco superior 220 provistos para acoplarse verticalmente entre sí con las celdas de batería cilíndricas 100 entre ellos.

[0062] El marco inferior 210 puede incluir cuatro porciones laterales en las direcciones frontal, trasera, izquierda y derecha, una porción de placa inferior que forma una superficie inferior y una porción superior abierta. La porción inferior de placa inferior puede incluir soportes para sujetar de manera fija las celdas de batería cilíndricas 100, y orificios para que sobresalgan las tapas de enfriamiento 300 montadas en las porciones de extremo inferior de las celdas de batería cilíndricas 100 por debajo de la porción de placa inferior.

[0064] El marco superior 220 puede incluir cuatro porciones laterales en las direcciones frontal, trasera, izquierda y derecha, una porción de placa superior 221 que cubre los extremos superiores de las celdas de batería cilíndricas 100, y una porción inferior abierta.

[0065] Para una fácil sujeción y liberación del marco superior 220 y el marco inferior 210, se pueden proporcionar ganchos en las porciones laterales delantera y trasera del marco superior 220, y se pueden proporcionar orificios para ganchos en los que se pueden insertar los ganchos en las porciones laterales delantera y trasera del marco inferior 210. Las celdas de batería cilíndricas 100 pueden disponerse en las direcciones horizontal (eje ±X) y vertical (eje ±Y) dentro del carcasa 200 de módulo con la tapa superior 110 orientada hacia arriba, y las celdas de batería cilíndricas 100 pueden sujetarse de manera fija con los soportes dentro de la carcasa 200 del módulo.

[0066] Las tapas de enfriamiento 300 son medios para disipar eficazmente el calor generado en las celdas de batería cilíndricas 100, y están montadas respectivamente en las porciones de extremo inferior de las celdas de batería cilíndricas 100. Hay porciones de las tapas de enfriamiento 300 que están expuestas al camino de flujo del aire de enfriamiento suministrado horizontalmente en una porción inferior de la carcasa 200 del módulo para disipar el calor de las celdas de batería cilíndricas 100 utilizando el aire de refrigeración. En este caso, las celdas de batería cilíndricas 100 pueden refrigerarse individualmente a través de las tapas de enfriamiento 300 montadas respectivamente en las celdas de batería cilíndricas 100.

[0067] Además, las tapas de enfriamiento 300 pueden sobresalir por debajo del extremo inferior de la carcasa 200 del módulo para que presenten diferentes alturas para zonas predeterminadas según las posiciones de las celdas de batería cilíndricas 100 situadas dentro de la carcasa 200 del módulo.

[0068] Es decir, la misma tapa de enfriamiento 300 no se aplica a todas las celdas de batería 100 en el módulo 10 de batería según la presente exposición. Se pueden aplicar diferentes tapas de enfriamiento 300 para zonas predeterminadas según las posiciones de las celdas de batería cilíndricas 100 situadas en el interior de la carcasa 200 del módulo. En detalle, las tapas de enfriamiento 300 de la presente realización incluyen una primera tapa de enfriamiento 310, una segunda tapa de enfriamiento 320, una tercera tapa de enfriamiento 330 y una cuarta tapa de enfriamiento 340, tal como se muestra en la FIG. 2.

[0069] Se describirá primero una característica común de las tapas de enfriamiento 300 y posteriormente se describirá una diferencia entre ellas.

[0070] Las tapas de enfriamiento 300 están formadas por un material que presenta una excelente conductividad térmica, tal como el aluminio, el cobre o el grafito, y normalmente incluyen una porción receptora 300a y una porción de disipación de calor 300b, tal como se muestra en la FIG. 3. A modo de referencia, puede utilizarse una lámina aislante para recubrir la carcasa metálica 120 de la batería, para asegurar el aislamiento entre la celda de batería cilíndrica 100 y la tapa de enfriamiento 300 formada de un material metálico.

[0071] Una porción de extremo inferior de la celda de batería cilíndrica 100 puede insertarse en la porción receptora 300a, y la porción receptora 300a puede circundar una parte de una superficie circunferencial externa y una superficie inferior de la celda de batería cilíndrica 100.

[0072] Cuando se compara con una placa de enfriamiento 2 (ver la FIG. 1) de la técnica relacionada que contacta solo con una superficie inferior de la celda de batería cilíndrica 100, la porción receptora 300a de la tapa de enfriamiento 300 puede incrementar ventajosamente el efecto de disipación de calor por conducción entre la tapa de enfriamiento 300 y la celda de batería cilíndrica 100.

[0073] La porción de disipación de calor 300b se extiende hacia abajo desde la porción receptora 300a para maximizar el efecto de disipación de calor por convección. La porción de disipación de calor 300b puede sobresalir por debajo del extremo inferior de la carcasa 200 del módulo para contactar con el aire de refrigeración.

[0074] Una diferencia entre la primer tapa de enfriamiento 310 y la cuarta tapa de enfriamiento 340 radica en la longitud o la forma de la porción receptora 300a o de la porción de disipación de calor 300b.

[0075] La disipación de calor por conducción ocurre de manera eficiente cuando la superficie de contacto entre los objetos es grande. En consecuencia, el rendimiento de disipación de calor por conducción de cada tapa de enfriamiento 300 puede ser diferente al reducir o incrementar la longitud de la porción receptora 300a que contacta con la celda de batería cilíndrica 100. La disipación de calor convectivo ocurre de manera eficiente cuando la superficie de un objeto expuesto al aire es grande. De acuerdo con lo anterior, el rendimiento de disipación de calor por convección de cada tapa de enfriamiento 300 puede ser diferente al incrementar o reducir la superficie de disipación de calor mediante modificación de la longitud o la forma de la porción de disipación de calor 300b expuesta al aire.

[0076] Es decir, la primera tapa de enfriamiento 310 hasta la cuarta tapa de enfriamiento 340 pueden presentar diferentes rendimientos de disipación del calor mediante una configuración diferente de por lo menos una de la porción receptora 300a y la porción de disipación de calor 300b.

[0077] En detalle, en referencia a la FIG. 3, cuando se comparan la primera tapa de enfriamiento 310 y la cuarta tapa de enfriamiento 340 entre sí, debido a que la porción receptora 300a de la primera tapa de enfriamiento 310 es más larga que la porción receptora 300a de la cuarta tapa de enfriamiento 340, la superficie que circunda la celda de batería cilíndrica 100 es mayor.

[0079] Además, en la primera tapa de enfriamiento 310 y en la cuarta tapa de enfriamiento 340, las longitudes de las porciones de disipación de calor 300b son las mismas pero las formas de las porciones de disipación de calor 300b son diferentes. La porción de disipación de calor 300b de la primera tapa de enfriamiento 310 presenta una forma en la que el cuerpo está dividido para presentar una pluralidad de aletas F1, F2 y F3; la porción de disipación de calor 300b de la cuarta tapa de enfriamiento 340 presenta una forma cilíndrica simple y, de esta manera, la superficie de disipación de calor en contacto con el aire de la porción de disipación de calor 300b de la primera tapa de enfriamiento 310 es mayor que la superficie de la porción de disipación de calor 300b de la cuarta tapa de enfriamiento 340.

[0081] De acuerdo con lo anterior, durante la refrigeración por aire, la celda de batería cilíndrica 100 que utiliza la primera tapa de enfriamiento 310 puede disipar calor al aire de manera más ininterrumpida que la celda de batería cilíndrica 100 que utiliza la cuarta tapa de enfriamiento 340.

[0083] Aunque no se muestra en la FIG. 3, cuando se comparan la segunda tapa de enfriamiento 320 y la tercera tapa de enfriamiento 330 con la cuarta tapa de enfriamiento 340, la porción receptora 300a es la misma y hay una diferencia en la longitud de la porción de disipación de calor 300b. De las tres tapas de enfriamiento 300, la longitud de la porción de disipación de calor 300b de la segunda tapa de enfriamiento 320 es la más corta y la longitud de la porción de disipación de calor 300b de la tercera tapa de enfriamiento 330 es la siguiente más corta.

[0085] En otras palabras, de entre las cuatro tapas de enfriamiento 300 de la presente exposición, la primera tapa de enfriamiento 310 incluye la porción receptora 300a que es relativamente más larga en comparación con las demás y comprende la porción de disipación de calor 300b que incluye la pluralidad de aletas F1, F2 y F3. La primera tapa de enfriamiento 310 y la cuarta tapa de enfriamiento 340 presentan la porción de disipación de calor más larga 300b, la segunda tapa de enfriamiento 320 es la más corta, y la tercera tapa de enfriamiento 330 es más larga que la segunda tapa de enfriamiento 320 y más corta que la primera tapa de enfriamiento 310 o la cuarta tapa de enfriamiento 340.

[0086] De acuerdo con lo anterior, el rendimiento de disipación de calor de las tapas de enfriamiento 300 es mejor en el orden siguiente: primera tapa de enfriamiento 310 > cuarta tapa de enfriamiento 340 > tercera tapa de enfriamiento 330 > segunda tapa de enfriamiento 320.

[0088] De esta manera, debido a que las tapas de enfriamiento 300 con diferentes rendimientos de disipación de calor están montadas en las celdas de batería cilíndricas 100 para zonas predefinidas, puede reducirse la diferencia de temperatura de refrigeración según las posiciones de las celdas de batería cilíndricas 100 durante la refrigeración por aire.

[0090] Las zonas predefinidas pueden determinarse mediante el análisis de la distribución de temperatura para cada zona del módulo 10 de batería durante la carga/recarga del módulo 10 de batería en un estado en el que no está activado ningún dispositivo de refrigeración, y se produce un cambio de temperatura para cada zona del aire de refrigeración que fluye a lo largo del extremo inferior de la carcasa 200 del módulo durante la refrigeración por aire.

[0092] En referencia a las FIGS. 2 y 4, las zonas predeterminadas pueden incluir una primera zona D1, una

[0094] segunda zona D2 y una tercera zona D3 dividida de izquierda a derecha en una dirección de la anchura de izquierda a derecha (dirección del eje ±Y) de la carcasa 200 del módulo. La segunda zona D2 está situada entre la primera zona D1 y la segunda zona D2, y se extiende desde la parte frontal hasta la parte trasera de la carcasa 200 del módulo; la primera zona D1 es una zona izquierda de la carcasa 200 del módulo que se extiende desde la parte frontal hasta la parte trasera de la carcasa 200 del módulo; y la tercera zona D3 es una zona derecha de la carcasa 200 del módulo que se extiende desde la parte frontal hasta la parte trasera de la carcasa 200 del módulo. La primera zona, D1, y la tercera zona, D3, pueden ser simétricas entre sí con respecto a la segunda zona, D2.

[0096] Cada una de la primera zona D1 y la tercera zona D3 puede dividirse en tres zonas. Cada zona se divide considerando la dirección de flujo del aire de refrigeración, y se asume que el aire de refrigeración entra desde la parte frontal del módulo 10 de batería, fluye horizontalmente a lo largo de una porción inferior de la carcasa 200 del módulo y sale por la parte trasera del módulo 10 de batería.

[0098] La primera zona D1 puede dividirse en una zona 1_1 D1_1 de la porción delantera, una zona 1_2 D1_2 de una porción intermedia y una zona 1_3 D1_3 de la porción trasera en la dirección de la anchura de adelante a atrás (dirección del eje ±Y) de la carcasa 200 del módulo, y la tercera zona D3 puede dividirse en una zona 3_1 D3_1 de la porción delantera, una zona 3_2 D3_2 de una porción intermedia y una zona 3_3 D3_3 de la porción trasera en la dirección de la anchura de adelante a atrás de la carcasa 200 del módulo.

[0100] Tal como se muestra en la FIGS. 2, 4 a 8, con el fin de reducir la desviación de temperatura entre las celdas de batería cilíndricas 100 de las siete zonas, se utilizan cuatro tipos de tapas de enfriamiento 300.

[0102] En una distribución de temperatura del módulo 10 de batería al que se aplican las celdas de batería cilíndricas 100, se observa un fenómeno de isla de calor en el que la temperatura de la región intermedia es alta y la temperatura de una región de borde es baja. Para resolver el fenómeno de la isla de calor, es necesario incrementar la eficiencia de enfriamiento de la segunda zona, D2, correspondiente a una porción intermedia, para que sea mayor que la de la primera zona, D1, o la tercera zona, D3.

[0104] De acuerdo con lo anterior, las primeras tapas de enfriamiento 310 están montadas sobre las celdas de batería cilíndricas 100 situadas en una posición correspondiente a la segunda zona, D2. A modo de referencia, aunque las primeras tapas de enfriamiento 310 se aplican a toda la segunda zona D2, por ejemplo, cuando el tamaño del módulo 10 de batería es mayor que el de la presente realización, la segunda zona D2 se puede subdividir y las primeras tapas de enfriamiento 310 de diferentes longitudes se pueden utilizar en las zonas subdivididas.

[0106] Las segundas tapas de enfriamiento 320, las terceras tapas de enfriamiento 330 y las cuartas tapas de enfriamiento 340 están montadas, desde la parte frontal de la carcasa 200 del módulo, sobre las celdas de batería cilíndricas 100 situadas en la primera zona, d 1, y en la tercera zona, D3.

[0108] Debido a que el aire de enfriamiento fluye de la parte frontal hacia la parte trasera a lo largo de la porción inferior de la carcasa 200 del módulo para absorber calor, la temperatura del aire en la parte trasera es relativamente alta y la velocidad y el caudal del flujo tienden a ser menores hacia la parte trasera. Para compensar la desviación de temperatura, la zona 1_1 D1_1 utiliza la segunda tapa de enfriamiento 320, la zona 1_2 D1_2 utiliza la tercera tapa de enfriamiento 330 que presenta un rendimiento de disipación de calor superior al de la zona 1_1 D1_1, y la zona 1_3 D1_3 utiliza la cuarta tapa de enfriamiento 340, que presenta un rendimiento de disipación de calor superior a de la zona 1_2 D1_2. En lo que respecta a la tercera zona, D3, por la misma razón que la de la primera zona, D1, la zona 3_1 D3_1 utiliza la segunda tapa de enfriamiento 320, la zona 3_2 D3_2 utiliza la tercera tapa de enfriamiento 330, y la zona 3_3 D3_3 utiliza la cuarta tapa de enfriamiento 340.

[0110] Aunque las zonas predeterminadas son siete en la presente realización, este es solo un ejemplo, y las zonas predeterminadas pueden determinarse en más o menos de siete zonas según el tamaño o la estructura del módulo 10 de batería o la dirección del flujo de aire de enfriamiento, y puede reducirse la temperatura media mediante la reducción de la desviación de temperatura mediante el incremento o la reducción de una porción de enfriamiento de la celda de batería cilíndrica 100 en una zona correspondiente.

[0112] De esta manera, debido a que el módulo 10 de batería según la presente exposición enfría individualmente las celdas de batería cilíndricas 100 mediante la utilización de múltiples tapas de enfriamiento 300, en comparación con la técnica relacionada (ver la FIG. 1) las celdas de batería cilíndricas 100 pueden enfriarse rápidamente y la desviación de temperatura puede controlarse para cada zona.

[0114] La FIG. 9 es una vista que ilustra diferentes tipos de tapas de enfriamiento 300A, 300B de acuerdo con la presente exposición.

[0116] En la tapa de enfriamiento 300A de la FIG. 9(a), la porción receptora 300Aa es corta, pero se forma una pluralidad de orificios H1 en la porción de disipación de calor 300Ab para incrementar la superficie de disipación de calor y mejorar la ventilación. En la tapa de enfriamiento 300B de la FIG. 9(b), la porción receptora 300Ba se extiende hasta la mitad de la altura de la celda de batería cilíndrica 100 a fin de maximizar el efecto de disipación de calor por conducción y por convección, y se forma una estructura tridimensional en rejilla en la porción de disipación de calor 300Bb.

[0118] De esta manera, la tapa de enfriamiento 300 puede presentar un rendimiento de disipación de calor diferente mediante la modificación de diversas maneras de la longitud y la forma de la porción receptora 300a o de la porción de disipación de calor 300b.

[0120] La FIG. 10 es una vista en planta que ilustra un módulo 10 de batería según una realización de la presente exposición. La FIG. 11 es una vista en perspectiva ampliada parcial de la FIG. 10.

[0122] A continuación, la configuración del marco superior 220 del módulo 10 de batería y

[0124] la configuración de conexión de las celdas de batería cilíndricas 100 según una realización de la presente exposición se describen brevemente en referencia a las FIGS. 10 y 11.

[0125] Tal como se muestra en la FIG. 10, todas las celdas de batería cilindricas 100 se encuentran en posición vertical, con la tapa superior 110 orientada hacia arriba, y están alojados en la carcasa 200 del módulo en una dirección horizontal o vertical.

[0126] La porción de placa superior 221 del marco superior 220 presenta un pequeño orificio en una posición correspondiente a la tapa superior 110 de la celda de batería cilíndrica 100. Se puede observar una parte intermedia de la tapa superior 110 y un extremo superior de la carcasa metálica 120 de batería bajo el orificio.

[0127] Una pluralidad de barras colectoras 223 se encuentra en una superficie superior de la porción de placa superior 221. Cada barra colectora 223 presenta una forma de banda larga y se extiende linealmente en la dirección de adelante a atrás de la carcasa 200 del módulo, y las barras colectoras 223 están espaciadas entre sí entre las celdas de batería cilíndricas 100 en una dirección izquierda-derecha de la carcasa 200 del módulo. La barra colectora más a la izquierda 224a en el dibujo puede estar formada de manera integral con el terminal de electrodo positivo T1 del módulo 10 de batería, y la barra colectora más a la derecha 224b puede estar formada de manera integral con el terminal de terminal negativo T2 del módulo 10 de batería. Las celdas de batería cilíndricas 100 están conectadas entre sí en serie y/o en paralelo, ya que las tapas superiores 110 y los extremos superiores de las carcasas metálicas 120 de batería están conectadas a las barras colectoras 223 según un patrón predeterminado mediante el uso de cables metálicos. Es decir, tal como se muestra en la FIG. 11, por ejemplo, en cada una de las celdas de batería cilíndricas 100 en una primera columna contigua a una barra colectora más a la izquierda 223, un extremo superior de la carcasa metálica 120 de batería está conectado a la barra colectora más a la izquierda 223 mediante la utilización de un cable metálico (-) W2, y la tapa superior 110 está conectada a una segunda barra colectora contigua 223 mediante la utilización de un cable metálico (+) W1. En cada una de las celdas de batería cilíndricas 100 en una segunda columna, un extremo superior de la carcasa metálica 120 de batería está conectado a la segunda barra colectora 223 mediante un cable metálico negativo W2, y la tapa superior 110 está conectada a una tercera barra colectora contigua 223 mediante la utilización de un cable metálico positivo W1. En este patrón, cuando la unión de cable metálico se realiza hasta una barra colectora más a la derecha 223, las celdas de batería cilíndricas 100 en la misma columna se conectan en paralelo, y las baterías cilíndricas 100 en diferentes columnas se conectan en serie.

[0128] La porción de placa superior 221 incluye placas de partición 225. Cada una de las placas de partición 225 sobresale hacia arriba entre el cable metálico (+) W1 de la tapa superior 110 y el cable metálico (-) W2 del extremo superior de la carcasa metálica 120 de batería. Cuando se realiza el cableado con cables, la placa de partición 225 puede reducir el riesgo de cortocircuito entre los cables metálicos e incluso la caída involuntaria de un cuerpo metálico sobre la porción de placa superior 221 puede prevenir el contacto simultáneo con el cable metálico (+) W1 y el cable metálico (-) W2.

[0129] Un paquete de baterías según la presente exposición puede incluir uno o más módulos de batería según la presente exposición. Además, el paquete de baterías según la presente exposición puede incluir, además de los módulos de batería, una carcasa de paquete para alojar los módulos de batería y diversos dispositivos para controlar la carga y descarga de cada módulo de batería, por ejemplo, un sistema de gestión de baterías (BMS, por sus siglas en inglés), un sensor de corriente y un fusible.

[0130] El módulo de batería según la presente exposición puede aplicarse a un vehículo, tal como un vehículo eléctrico o un vehículo híbrido, o a un sistema de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés).

[0131] Aunque se han descrito una o más realizaciones de la presente exposición en referencia a las realizaciones y figuras, la presente exposición no se encuentra limitada a los mismos, y el experto habitual en la materia entenderá que se pueden realizar diversos cambios en la forma y los detalles sin apartarse del alcance de la presente exposición tal como se define en las siguientes reivindicaciones.

[0132] El experto habitual en la materia entenderá que, cuando se utilizan términos que indican direcciones, tales como superior, inferior, izquierda, derecha, frontal y trasero, estos términos se utilizan solo por conveniencia de explicación y pueden variar según la posición de un objeto diana, la posición del observador, etc.

Claims

1. REIVINDICACIONES

i.Módulo de batería (10), que comprende:

celdas de batería cilíndricas (100) dispuestas en direcciones horizontal y vertical, con sus respectivas tapas superiores (110) orientadas hacia arriba;

una carcasa (200) de módulo en la que se alojan las celdas de batería cilíndricas (100), y

tapas de enfriamiento (300) montadas en las porciones de extremo inferior de las celdas de batería cilíndricas (100),

en donde las tapas de enfriamiento (300) sobresalen por debajo de un extremo inferior de la carcasa (200) de módulo, en contacto con el aire de refrigeración en una porción inferior de la carcasa (200) de módulo, caracterizado porque las tapas de enfriamiento (300) sobresalen a diferentes alturas para zonas predeterminadas según las posiciones de las celdas de batería cilíndricas (100) situadas dentro de la carcasa (200) de módulo.

2. Módulo de batería (10) según la reivindicación 1, en el que cada una de las tapas de enfriamiento (300) comprende:

una porción receptora (300a) en la que se inserta una porción de extremo inferior de la celda de batería cilíndrica (100) y

una porción de disipación de calor (300b) que se extiende hacia abajo desde la porción receptora (300a).

3. Módulo de batería (10) según la reivindicación 2, en el que cada una de las tapas de enfriamiento (300) comprende:

una primera tapa de enfriamiento (310) que comprende la porción de disipación de calor (300b) dividida para presentar una pluralidad de aletas;

una segunda tapa de enfriamiento (320) que comprende la porción de disipación de calor (300b) que es más corta que la porción de disipación de calor (300b) de la primera tapa de enfriamiento (310),

una tercera tapa de enfriamiento (330) que comprende la porción de disipación de calor (300b) que es más larga que la porción de disipación de calor (300b) de la segunda tapa de enfriamiento (320) y más corta que la porción de disipación de calor (300b) de la primera tapa de enfriamiento (310), y

una cuarta tapa de enfriamiento (340) que comprende la porción de disipación de calor (300b) que presenta la misma longitud que la porción de disipación de calor (300b) de la primera tapa de enfriamiento (310).

4. Módulo de batería (10) según la reivindicación 3, en el que las zonas predeterminadas comprenden:

una primera zona en el lado izquierdo; una tercera zona en el lado derecho; y una segunda zona entre la primera zona y la tercera zona, que están divididas en una dirección de la anchura de izquierda a derecha del módulo (200),

en donde están montadas la segunda tapa de enfriamiento (320), la tercera tapa de enfriamiento (330) y la cuarta tapa de enfriamiento (340), desde la parte delantera de la carcasa (200) del módulo, en las celdas de batería cilíndricas (100) situadas en la primera zona y la tercera zona, y

la primera tapa de enfriamiento (310) está montada en las celdas de batería cilíndricas (100) situadas en la segunda zona.

5. Módulo de batería (10) según la reivindicación 4, en el que la primera zona comprende:

una zona 1_1 de la porción frontal; una zona 1_2 de la porción intermedia, y una zona 1_3 de la porción trasera, que están divididas en una dirección de anchura de adelante a atrás de la carcasa (200) del módulo, y la tercera zona comprende:

una zona 3_1 de la porción frontal; una zona 3_2 de la porción intermedia, y una zona 3_3 de la porción trasera, que están divididas en la dirección de la anchura de adelante a atrás de la carcasa (200) del módulo, en donde la segunda tapa de enfriamiento (320) está montada en las celdas de batería cilíndricas (100) situadas en la zona 1_1 y la zona 3_1,

la tercera tapa de enfriamiento (330) está montada en las celdas de batería cilíndricas (100) situadas en la zona 1_2 y la zona 3_2, y

la cuarta tapa de enfriamiento (340) está montada en las celdas de batería cilíndricas (100) situadas en la zona 1_3 y la zona 3_3.

6. Módulo de batería (10) según la reivindicación 4, en el que la primera zona y la tercera zona son simétricas entre sí con respecto a la segunda zona.

7. Módulo de batería (10) según la reivindicación 1, en el que las tapas de enfriamiento (300) están formadas de aluminio, cobre o grafito.

8. Módulo de batería (10) según la reivindicación 2, en el que por lo menos una de las tapas de enfriamiento (300) está dispuesta de tal manera que la porción de disipación de calor (300b) presenta una forma de pilar con una pluralidad de orificios o una estructura de rejilla.

9.Módulo de batería (10) según la reivindicación 1, en el que la carcasa (200) del módulo comprende un marco inferior y un marco superior (220) acoplados verticalmente entre sí con las celdas de batería cilíndricas (100) entre ellos,

en el que las tapas de enfriamiento (300) sobresalen por debajo de una superficie inferior del marco inferior, en donde el marco superior (220) comprende:

una porción de placa superior (221) que cubre las porciones superiores de las celdas de batería cilíndricas (100) y que comprende un orificio en una posición correspondiente a la tapa superior (110) de cada celda de batería cilíndrica (100), y

barras colectoras (223) que se extienden linealmente en una dirección de adelante a atrás de la carcasa (200) del módulo desde la porción de placa superior (221) y separadas entre sí por un intervalo determinado en la dirección de la anchura izquierda-derecha de la carcasa (200) del módulo,

en donde las tapas superiores (110) y los extremos superiores de las carcasas metálicas (100) de batería de las celdas de batería cilíndricas (100) están conectados a las barras colectoras (223) en un patrón predeterminado mediante cables metálicos.

10. Módulo de batería (10) según la reivindicación 9, en el que el marco superior (220) comprende, además, placas de partición cada una de las cuales sobresale hacia arriba entre un cable metálico (+) de la tapa superior (110) y un cable metálico (-) del extremo superior de la carcasa metálica (100) de la batería.

11. Paquete de batería, que comprende el módulo de batería (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.