TWI604653B - 電池模組 - Google Patents

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TWI604653B TW105122982A TW105122982A TWI604653B TW I604653 B TWI604653 B TW I604653B TW 105122982 A TW105122982 A TW 105122982A TW 105122982 A TW105122982 A TW 105122982A TW I604653 B TWI604653 B TW I604653B
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Description

電池模組
本發明是關於一種電池模組，特別是一種浸沒式、且可拼接組合使用的電池模組。
電池，例如鋰離子電池，在使用或充電過程中會產熱，當電池過熱或是暴露於高溫環境下，會對電池的運作產生不良影響。在極端的情況下，過熱的電池會發生熱失控而爆炸。因此，一個具有複數電池單元的鋰離子電池組通常會搭配一冷卻系統使用，來防止過熱的情況發生。習知的冷卻方式例如：利用空氣冷卻、在每兩相鄰的該等電池單元之間夾設一散熱板、使用一散熱器，或將該電池組安裝在一冷卻槽內，並使一冷卻液流通過該冷卻槽。
雖然上述冷卻方式可提供冷卻效果，然而，該電池組及該冷卻系統具有固定尺寸，將該電池組及該冷卻系統應用於電動車或是電動船時，可供該電池組及該冷卻系統設置的空間有限，可能無法妥當容置該電池組及該冷卻系統，造成應用上的限制。
因此，本發明之目的，即在提供一種可改變組合形狀及組合尺寸大小的浸沒式電池模組。
於是，本發明裝置電池模組，適用於和一冷卻液搭配使用，該電池模組包含複數電池單元、一外殼、一第一電極，及一第二電極。
每一電池單元具有相反的第一端及第二端。該外殼界定出一容納該等電池單元且供該冷卻液流通的內部空間，並具有連通該內部空間並供該冷卻液分別流入及流出該外殼的一第一開口及一第二開口、一第一表面、一第二表面、一設置在該第一表面的第一接合部，及一設置在該第二表面且形狀對應該第一接合部的第二接合部。該第一電極設置於該第一表面且電連接每一電池單元的第一端。該第二電極設置於該第二表面且電連接每一電池單元的第二端。
當該電池模組與另一個該電池模組連接時，該電池模組的第一接合部與另一個該電池模組的第二接合部穩固接合，且該電池模組的第一電極接觸另一個該電池模組的第二電極形成電連接。
本發明之功效在於：藉由該外殼的該等第一、第二接合部及該等第一、第二電極的設置，該等電池模組可如積木一般組合拼接使用，且藉由該外殼與該第一開口及該第二開口的設置，該等電池單元是浸在流動的該冷卻液中進行散熱，不需另外在該電池模組外部裝設一供該冷卻液流通的冷卻槽。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1至圖4，本發明電池模組100之一第一實施例適用於和一冷卻液（圖未示）搭配使用。該電池模組100包含一外殼10、複數電池單元102、一第一電極116、一第二電極122、複數導電片條118、複數連接桿124、複數固定桿126，及複數螺栓111。
該外殼10具有相反的一第一表面11及一第二表面12、連接該等第一、第二表面11、12且相反的一第三表面13及一第四表面14，及連接該等第一、第二表面11、12及該等第三、第四表面13、14且相反的一第五表面15及一第六表面16。該外殼10包括一具有該第二表面12的下殼體106、一具有該第一表面11且設置在該下殼體106上的上殼體104、一設置在該第一表面11的第一接合部108，及一設置在該第二表面12且形狀對應該第一接合部108的第二接合部110。該上殼體104及該下殼體106相配合界定出一容納該等電池單元102且供該冷卻液流通的內部空間101，且相配合形成該等第三、第四、第五、第六表面13、14、15、16。在本實施例中，該外殼10的該第一接合部108及該第二接合部110分別為凹凸面法蘭（female and male flanges）。
該外殼10還具有一設置在該第三表面13的第一開口112，及一設置在該該第四表面14的第二開口114。該等第一、第二開口112、114連通該內部空間101並供該冷卻液分別流入及流出該外殼10。在本實施例中，該第一開口112設置於該下殼體106，該第二開口114設置於該上殼體104。該等螺栓111穿過該等上、下殼體104、106使該等上、下殼體104、106固接。在一些實施例中，該第一開口112及該第二開口114可皆設置於該下殼體106，或是皆設置於該上殼體104。在一些實施例中，該外殼10的開口的數量可依照實際應用需求設計為兩個以上。
該上殼體104及該下殼體106的接合是利用下列技術中的至少一個：螺接（如上述利用該等螺栓111接合）、焊接，及黏接等。該外殼10的材質可以是塑膠或多分子材料，例如：聚苯乙烯（polystyrene，PS）、聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）、聚乙烯（polyethylene，PE）、丙烯酸樹脂（acrylic）、樹脂玻璃（PLEXIGLASS）、熱塑聚碳酸酯（LEXAN），或酚醛樹脂（phenolic resin）等。在一些實施例中，該外殼10的材質也可選自液晶聚合物（liquid crystal polymer）、丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯及聚碳酸酯合金（ABS-PC alloy）等可以符合設計需求的材料。
每一電池單元102具有一第一端102a（見圖2），及一相反於該第一端102a且正負極性不同於該第一端102a的第二端102b（見圖3）。在一些實施例中，該等電池單元102為可充電電池，例如但不限於鎳鎘（NiCd）電池、鎳氫（NiMH）電池，或鋰離子電池。在一些應用鋰離子電池技術的實施例中，該等電池單元102可以使用圓筒型18650鋰離子電池。
該第一電極116設置於該等電池單元102的第一端102a，且具有二與該外殼10實質上等寬的末端部 116a，及一連接該等末端部116a的中間部116b。該第二電極122設置於該等電池單元102的第二端102b，且具有二與該外殼10實質上等寬的末端部 122a，及二連接該等末端部122a的中間部122b。該等第一、第二表面11、12上形成複數位置對應該等電池單元102的連通孔132（圖4僅顯示形成於該第一表面11上的連通孔132），該等導電片條118可導電且相間隔地設置，並橫跨所對應的中間部116b、122b（圖4僅顯示橫跨該第一電極116的中間部116b的該等導電片條118）。每一導電片條118穿過所對應的連通孔132連接所對應相鄰的該等電池單元102。每一第一、第二電極116、122各別連接所對應的該等導電片條118，藉以連接每一電池單元102。
該第一電極116及該第二電極122是由導電材料所製成，例如：金屬（銅、鋁，或鎳），或是銅鋁鎳的合金。該等導電片條118可由相同或是不同於該等第一、第二電極116、122的導電材料所製成。該等導電片條118與該等第一、第二電極116、122可以是一體成型，或是利用焊接、雷射焊接、摩擦焊接、超音波焊接、鎢極鈍氣熔接（tungsten inert gas welding，TIG welding）、金屬惰性氣體熔接（metal inert gas welding，MIG welding），或是其他可形成電連接的方式使該等導電片條118與該等第一、第二電極116、122連接。藉由該等導電片條118的設置，該第一電極116的中間部116b電連接每一電池單元102的第一端102a，該第二電極122的中間部122b電連接每一電池單元102的第二端102b。
本實施例的電池模組100適用於與一冷卻岐管（圖未示）搭配使用，該等連接桿124自該外殼10向外凸伸且圍繞該第一開口112及該第二開口114，並用於連接該外殼10與該冷卻岐管。在一些實施例中，該電池模組100還包含分別設置在該第一開口112及該第二開口114的二墊圈（圖未示），使該第一開口112及該第二開口114與該歧管之間形成密封。
如圖3、5所示，當該電池模組100與另一個該電池模組100上下疊置時，位於下方的電池模組100的第一接合部108與位於上方的電池模組100的第二接合部110相互接合，如同積木組合形成穩固連接，且位於下方的電池模組100的第一電極116接觸位於上方的電池模組100的第二電極122，藉以形成電連接。
該等固定桿126（見圖4）自該外殼10向外凸伸且與該等連接桿124間隔設置。藉由一綁帶（圖未示）或是一托架（圖未示）可將複數個並排的電池模組100的該等固定桿126連接。
參閱圖2、3，在一些實施例中，該電池模組100還包含一與該第一電極116的其中一個末端部116a電連接的連接件120。該連接件120可以是一螺桿，或是被配置為一防水絕緣電連接器。舉例來說，該連接件120可與一電池管理系統（battery management system）電連接以量測該電池模組100的電壓及溫度，以確保該電池模組100沒有過熱或是造成安全顧慮的問題。
該等電池單元102排列成N排，每一排的數量為M，其中，M和N為整數。舉例來說，該等電池單元102排列成兩排，每一排的數量為三的倍數（例如：6個、12個，或18個）。又舉例來說，一個具有15個該等電池單元102的電池模組100可以排列成三排，每一排的數量為五，或是排列成五排，每一排的數量為三。該等電池單元102的排列組合方式不以上述為限，可依照實際應用時的設計考量進行調整或最佳化。該等電池單元102也可以設計成排列成單一排。圖6為該電池模組100的一示範例，該等電池單元102的總數為六。圖7為該電池模組100的另一示範例，該等電池單元102的總數為十二。
參閱圖8、9，在該電池模組的第一實施例的一變化例中，該外殼10還包括二分別形成於該第五表面15及該第六表面16的凹槽131，及複數間隔設置於該第五表面15及該第六表面16且位置對應該等凹槽131的凸耳128，該等凸耳128凸伸入相鄰的電池模組100所對應的該等凹槽131藉以連用來固接相鄰的電池模組100。詳細地說，每一凸耳128上形成二穿孔130。該等上、下殼體104、106不等高，且每一上、下殼體104、106形成四個凸耳128。將該電池模組100的該等上、下殼體104、106接合時，該等上、下殼體104、106的凸耳128對齊，將另一個該電池模組100的該等上、下殼體104、106接合並倒置，另一個該電池模組100的凸耳128會凸伸入該電池模組100所對應的凹槽131內。每一螺栓111（見圖4）穿過側向相鄰和上下相鄰的電池模組100所對應的穿孔130形成固定連接。在實際實施時，每一凸耳128也可僅形成一個穿孔130。
參閱圖10，本發明的電池模組170的一第二實施例的結構與該第一實施例大致相同，不同之處在於：該外殼17包括一下殼體172及一上殼體174，該下殼體172容置該等電池單元102，且具有該等第三、第四、第五、第六表面13、14、15、16。該等上、下殼體172、174可以膠黏、熔接、焊接等方式接合。該外殼17省略該等連接桿124（見圖4），該外殼17還包括一自該第三表面13向外凸伸且位置對應該第一開口112的第一岐管部176，及一自該第四表面14向外凸伸且位置對應該第二開口114的第二岐管部178。該第一岐管部176形成一與該第一開口112及該內部空間101相連通且供該冷卻液流通的開槽180。該第二岐管部178形成一與該第二開口114及該內部空間101相連通且供該冷卻液流通的開槽180。
當複數個電池模組170直立排列組合成一電池串或是直立及水平排列組合成一電池系統時，該等電池模組170的第一、第二歧管部176、178連接形成可一供該冷卻液流通的歧管。如圖10所示，界定一條穿過該電池模組170的中心線L，該等第一、第二歧管部176、178是分別設置於該中心線L的兩相反側，也就是說，該等第一、第二歧管部176、178不排列在同一直線上，如此可確保該等電池模組170在進行串聯時，每一電池模組170的第一、第二歧管部176、178分別連接到相鄰電池模組170所對應的第一、第二歧管部176、178，也可使該冷卻液在該外殼17內的流動達到更有效的降溫散熱作用。在一些實施例中，可分別設置二墊圈（圖未示）於該等第一、第二歧管部176、178的開槽180，以增加密封性。
圖11為一應用該電池模組100的該第一實施例的電動車200，是由複數上下疊置的電池模組100組成電池串後，再利用一冷卻歧管或一托架（圖未示）將複數個電池串水平排列接合而組合成一電池系統202。該電池系統202的組合形狀可依照該電動車200內有限的空間作對應設計。圖12為該電動車200的後視圖，該等電池模組100排列組合容納該電動車200內的一軸桿204。
在一實際應用中，該電動車200包括一電力傳動系統（圖未示），該電力傳動系統具有一450V高功率密度的發動機及控制器，該電池系統202設計成在450V的電壓下，可提供33度（kWh）的電力。該電池系統202包含3240個該等電池單元，該等電池單元以30個組成一排，共有108排。該電動車200可另外設置一冷卻裝置（如：設置散熱器及冷卻系統）及一充電裝置（如：SAE J1772充電系統）。在一些實施例中，該電池系統202可以被分割成兩個或兩個以上的電池組塊，該等電池組塊可用一電線（圖未示）電連接，藉以配合該電動車200內的有限空間。
圖13、14為一電池系統300，該電池系統300包含複數結構與該電池模組100的第一實施例相同的電池模組302、複數水平歧管304、複數電池蓋帽306，及複數跨接件308。在一些實施例中，該電池系統300還包含複數直立歧管（圖未示）。該等直立歧管可與該等水平歧管304垂直連接設置。該等歧管304藉由一管路（圖未示）連接至一冷卻系統（如：散熱器或是熱交換器等）。如圖所示，上下疊置的電池模組302組成一電池串，該電池系統300是由10個電池串所組成，並藉由該等跨接件308使該等電池串以串聯方式電連接。每一跨接件308包括至少一結構與該等第一、第二電極116、122（見圖3）相似的電極（圖未示），藉此，該等跨接件308分別電連接各電池串位於最上方的電池模組302，及各電池串位於最下方的電池模組302。該電池系統300可配合安裝的位置，使該等跨接件308和該等電池模組302共同界定出一形狀配合安裝位置的間隔310。
每一電池蓋帽306包括至少一結構與該等第一、第二電極116、122相似的電極（圖未示），用以連接該等電池模組302及一電動車的主發動機或是電力系統（圖未示）。在一些實施例中，該等跨接件308可使數量為雙數的該等電池模組302以並聯方式電連接。
圖15為一應用於一電動車的驅動裝置400的電路圖，該驅動裝置400包含複數由上述電池模組組成的電池系統402、一馬達單元404、一泵浦單元406，及一散熱器408。該電池系統402主要提供該馬達單元404所需的動力。該馬達單元404為一交流馬達，該等電池系統402所產生的直流電可經由一習知的逆變器（inverter）或是其他技術來轉換為交流電。
該泵浦裝置406及該散熱器408使該冷卻液流過該電池系統402，且能避免該電池系統402過熱產生熱失控（thermal runaway）的情形。該冷卻液可使用具有滅火能力的物質。在一些實施例中，該電池系統402、該泵浦單元406，及該散熱器408組成一閉路冷卻系統（closed loop cooling system）。在一些實施例中，可使用兩相冷卻（two phase cooling）方式，也就是該閉路冷卻系統可再配合壓力的控制，用以調整該冷卻液的沸點。在一些實施例中，該電池系統402也可以用來提供電力給該電動車的其他組件。
如圖16所示，應用該電池系統402於一電動船時（如：滑水艇或摩托艇），可用一熱交換器408’取代該散熱器408。舉例來說，該熱交換器408’可利用湖水或海水作為一散熱源流入及流出該熱交換器408’的一入口端410及一出口端412，該電池系統402、該泵浦裝置406，及該熱交換器408’組成一開路冷卻系統（open loop cooling system）。
在一些實施例中，該電池系統402可藉由連接每一電池模組的連接件120到一電池管理系統401，來確保該電池系統402的每一電池模組的電壓及溫度在一安全數值範圍內。
綜上所述，該電池模組100、170可如同積木般拼接組合成不同尺寸及形狀的電池系統，以滿足不同空間大小的限制及滿足不同電量需求。該等電池模組100、170不但可堆疊設置，定期維修時也便於更換。藉由該外殼10及該第一、第二開口112、114的設計，每一電池模組100、170的電池單元102是浸在流動的該冷卻液中達到散熱效果，因此，不須另外設置一冷卻槽在該等電池模組100、170外，故確實能達成本發明之目的。除此之外，組合成一電池系統的該等電池模組100、170可拆卸再組合成不同形狀的電池系統。舉例來說，用於電動飛機的電池組拆卸後可重新組裝應用於電動船，或配置成蓄電池等。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 10········ 外殼 11········· 第一表面 12········ 第二表面 13········ 第三表面 14········ 第四表面 15········ 第五表面 16········ 第六表面 17········ 外殼 100······ 電池模組 101······ 內部空間 102······ 電池單元 102a····· 第一端 102b···· 第二端 104······ 上殼體 106······ 下殼體 108······ 第一接合部 110······· 第二接合部 111······· 螺栓 112······· 第一開口 114······· 第二開口 </td><td> 116······· 第一電極 116a····· 末端部 116b····· 中間部 118······· 導電片條 120······ 連接件 122······ 第二電極 122a····· 末端部 122b···· 中間部 124······ 連接桿 126······ 固定桿 128······ 凸耳 130······ 穿孔 131······ 凹槽 132······ 連通孔 170······ 電池模組 172······ 下殼體 174······ 上殼體 176······ 第一岐管部 178······ 第二岐管部 180······ 開槽 </td></tr><tr><td> 200······ 電動車 202······ 電池系統 300······ 電池系統 302······ 電池模組 304······ 水平岐管 306······ 電池蓋帽 308······ 跨接件 310······ 間隔 400······ 驅動裝置 </td><td> 401······ 電池管理系統 402······ 電池系統 404······ 馬達單元 406······ 泵浦單元 408······ 散熱器 408’····· 熱交換器 410······ 入口端 412······ 出口端 L·········· 中心線 </td></tr><tr><td> </td><td> </td></tr></TBODY></TABLE>
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明電池模組之一第一實施例的立體圖； 圖2是該第一實施例的俯視圖； 圖3是該第一實施例的側視圖； 圖4是該第一實施例的另一立體圖； 圖5是兩個上下疊置的第一實施例的立體圖； 圖6是該電池模組的一示範例的立體圖； 圖7是該電池模組的另一示範例的立體圖； 圖8是圖6所示的該電池模組的一外殼的一變化例的立體圖，圖中顯示該外殼的一下殼體； 圖9是圖6所示的該電池模組的該變化例的仰視示意圖，圖中顯示該外殼的一上殼體； 圖10是本發明電池模組之一第二實施例的立體圖； 圖11是使用複數個電池模組的第一實施例組成一電池系統並應用於一電動車的使用示意圖； 圖12是該電動車的後視圖，圖中顯示該等電池模組的第一實施例圍繞該電動車的一軸桿設置； 圖13是使用複數個電池模組的第二實施例所組成的另一電池系統的側視圖； 圖14是圖13所示的該電池系統的側視示意圖； 圖15是使用上述電池系統的一驅動裝置的電路圖；及 圖16是使用上述電池系統的另一驅動裝置的電路圖。
<TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 10········ 外殼 11········· 第一表面 12········ 第二表面 13········ 第三表面 14········ 第四表面 15········ 第五表面 16········ 第六表面 100······ 電池模組 </td><td> 101······ 內部空間 102······ 電池單元 104······ 上殼體 106······ 下殼體 108······ 第一接合部 110······· 第二接合部 112······· 第一開口 114······· 第二開口 </td></tr></TBODY></TABLE>

Claims (10)

  1. 一種電池模組，適用於和一冷卻液搭配使用，該電池模組包含： 複數電池單元，每一電池單元具有相反的第一端及第二端； 一外殼，界定出一容納該等電池單元且供該冷卻液流通的內部空間，該外殼具有連通該內部空間並供該冷卻液分別流入及流出該外殼的一第一開口及一第二開口、一第一表面、一第二表面、一設置在該第一表面的第一接合部，及一設置在該第二表面且形狀對應該第一接合部的第二接合部； 一第一電極，設置於該第一表面且電連接該等電池單元的第一端；及 一第二電極，設置於該第二表面且電連接該等電池單元的第二端； 其中，當該電池模組與另一個該電池模組連接時，該電池模組的第一接合部與另一個該電池模組的第二接合部穩固接合，且該電池模組的第一電極接觸另一個該電池模組的第二電極形成電連接。
  2. 如請求項1所述的電池模組，其中，該外殼包括一具有該第二表面的下殼體，及一具有該第一表面的上殼體，該下殼體及該上殼體相配合界定出該內部空間。
  3. 如請求項1所述的電池模組，其中，該外殼的該第一接合部及該第二接合部分別為凹凸面法蘭。
  4. 如請求項3所述的電池模組，其中，該等第一、第二表面相反設置，該外殼還具有相反且連接該等第一、第二表面的一第三表面及一第四表面，該第一開口及該第二開口分別設置在該第三表面及該第四表面。
  5. 如請求項4所述的電池模組，該電池模組適用於與一冷卻岐管搭配使用，其中，該電池模組還包含複數自該外殼向外凸伸且圍繞該第一開口及該第二開口的連接桿，該等連接桿用於連接該外殼與該冷卻岐管。
  6. 如請求項4所述的電池模組，其中，該外殼還具有一自該第三表面向外凸伸且位置對應該第一開口的第一岐管部，及一自該第四表面向外凸伸且位置對應該第二開口的第二岐管部。
  7. 如請求項6所述的電池模組，其中，該第一岐管部形成一與該第一開口及該內部空間相連通且供該冷卻液流通的開槽， 該第二岐管部形成一與該第二開口及該內部空間相連通且供該冷卻液流通的開槽。
  8. 如請求項1所述的電池模組，還包含複數可導電且間隔設置的導電片條，每一導電片條連接所對應相鄰的該等電池單元，每一第一、第二電極各別連接所對應的該等導電片條，藉以連接每一電池單元。
  9. 如請求項4所述的電池模組，其中，該外殼還具有連接該第三表面及該第四表面且相反的一第五表面及一第六表面、複數分別形成於該第五表面及該第六表面的凹槽，及複數間隔設置於該第五表面及該第六表面且位置對應該等凹槽的凸耳，該等凸耳凸伸入相鄰的電池模組所對應的該等凹槽藉以連接相鄰的電池模組。
  10. 如請求項9所述的電池模組，還包含複數螺栓，該外殼的每一凸耳上形成至少一穿孔，每一螺栓用於穿過相鄰的電池模組所對應的穿孔形成固定連接。
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