WO2015127838A1 - 电池模块 - Google Patents

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WO2015127838A1
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魏本建
鲁怀敏
何向明
李建军
王莉
尚玉明
高剑
王要武
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江苏华东锂电技术研究院有限公司
清华大学
沙洲职业工学院
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Abstract

本发明涉及一种电池模块,包括电池组、第一底板、第二底板、立柱、弹性元件、散热片,该第一底板、第二底板及立柱组成框架结构,该电池组包括多个电池单体和多个电池隔板,该多个电池单体相互叠加设置,该电池隔板具有与该电池单体对应的形状,罩于该电池单体外部,该弹性元件将该多个电池单体和多个电池隔板在叠加方向上压紧。

Description

电池模块 技术领域
本发明涉及大容量锂离子电池技术领域,特别是将多块软包装锂离子电池单体叠加集成电池组再压紧封装为大功率电池模块的结构。
背景技术
随着科技的进步和人类环境保护意识的增强,国内外的绿色能源产业已经进入了高速发展的阶段,电动车行业、通讯行业及某些特种行业都开始广泛的使用高能量大功率的锂离子电池做为电源,并对电源模块的重量比和体积比及安全性提出了很高的要求。长期以来,人们对电池的安全性、电池组的封装结构和生产效率等一直在进行各种研究。
锂电离子电池组电源是由多个锂离子电池单体组合封装而成。在大容量、高功率锂离子电源的生产中,通常是将电池单体进行串联组合实现高压,将电池单体进行并联组合提高容量。电池单体按照壳体的不同,有铝壳/钢壳电池和软包电池两种。铝壳/钢壳电池单体具有强度好,外部组装简便的优点,但其可塑性不及聚合物软包装锂离子电池,当内部产生大量气体时,因外壳刚性较强不能排放内部气体,容易引起爆炸等安全事故。软包装锂离子电池单体具有设计灵活,安全性能好,导热导电性能好,适应温度宽,可大电流充放电等优点,并且基本解决了安全和寿命问题,成为目前用于制作大功率电源的首选产品。然而,软包装锂离子电池单体因其外包装为一层铝塑膜,整个单体较软,降低了电池的压实性,电芯包装膜很容易被刺破,降低了其安全性,如何有效保护电芯包装膜完好并保证电池的压实性成为电池组封装结构设计要解决的重点难题。
另一方面,在大电流充放电工作过程中,由于电池芯的发热,电池组的热量累积,会导致电池一致性降低,电池芯产生膨胀,影响了电池成组后各电池的一致性和均衡性的重要指标,从而降低了电池的循环寿命。如何有效的提高电池组的均热性能和散热性能,成为电池组封装结构设计要解决的另一重点难题。
安全性是动力电池的第一指标,如何从电池组的封装结构上提高电池组安全性,使电池组在大容量、高功率、高电压、大电流充放电的条件下安全运行成为亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足,确有必要提供一种适用于软包装锂离子电池的电池模块。
一种电池模块,包括电池组、第一底板、第二底板、立柱、弹性元件及散热片,该第一底板、第二底板及立柱组成框架结构,该电池组设置在该框架结构中,该电池组包括多个电池单体和多个电池隔板相互叠加设置,该电池隔板具有与该电池单体对应的形状,罩于该电池单体外部,该弹性元件对该多个电池单体和多个电池隔板在叠加方向上施加压力。
本发明的电池模块中电池隔板具有能够上下配合的结构,在保护软包装锂离子电池单体的同时,能将电池单体定位并形成外形规整的电池组,从而提高了使用软包装锂离子电池单体的电池组的稳固性及安全性。并且,该框架结构及弹性元件可以使该电池组中的多个电池单体及电池隔板相互压紧,从而使电池模块具有较好的压实性。该散热片能够使该电池模块具有较好的均热和散热性能。该电池模块能够对软包装锂离子电池进行简便灵活的封装。
附图说明
图1是本发明实施例电池模块的立体图。
图2是图1去掉部分散热片的电池模块的立体图。
图3是图1去掉部分散热片和电池组的电池模块的立体图。
图4是图1的电池模块的框架结构的组装图。
图5是本发明实施例的电池模块的电池组的爆破图。
图6是图5的电池组的立体图。
图7是图6的电池组的局部放大图。
图8是图5的电池组的主视图。
图9是在图4的框架结构的基础上组装散热机构的组装图。
图10是在图9的散热机构的基础上组装电池组的组装图。
图11是在图10的电池组的基础上组装弹性机构的示意图。
主要元件符号说明
电池模块 1
第一底板 10
第二底板 20
固定结构 102
沟槽 104
立柱 30
电池组固定槽 302
热管安装槽 304
弹性元件 40
调压螺栓 42
电池组 50
第一侧面 502
第二侧面 506
电池单体 510
接线部 520
电池垫板 530
电池隔板 560
隔板主体 562
侧板 564
台阶 565
电池容纳空间 566
隔板容纳空间 568
压板 60
热管 70
散热片 80
螺栓 82
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明实施方式提供的电池模块作进一步的详细说明。
请参阅图1至图4,本发明提供一种电池模块1,包括第一底板10,第二底板20,立柱30,弹性元件40,电池组50及散热片80。该电池组50、立柱30、弹性元件40及散热片80均设置在第一底板10与第二底板20之间。该第一底板10、立柱30和第二底板20组成电池模块1的框架结构。该电池组50包括多个电池单体510和多个电池隔板560,该多个电池单体510相互叠加设置。该电池隔板560具有与该电池单体510对应的形状,罩于该电池单体510外部。
【电池组】
请参阅图5至图8,该电池单体510为软包装锂离子电池,同一电池组50的多个电池单体510在厚度方向进行叠加。每个电池单体510均为一能够独立进行充放电的锂离子电池。同一电池组50的电池单体510具有基本一致的形状和尺寸,可以相互并联或串联。该电池单体510可包括电极接线部520,用于相互连接并与外电路连接进行充放电。为便于接线,同一电池组50中所有电池单体510的接线部520可以设置在电池组50的同一侧面,如第一侧面502。
同一电池组50的多个电池隔板560沿相同方向进行叠加,并罩于该电池单体510外部,因此与该多个电池单体510相互交替的叠加设置。该电池隔板560包括平坦的隔板主体562及多个分别与该隔板主体562的边缘连接的侧板564,该隔板主体562与该多个侧板564共同定义一电池容纳空间566,该多个侧板564在该电池容纳空间566远离该隔板主体562的一侧进一步定义一隔板容纳空间568,该隔板容纳空间568与该隔板主体562相配合,能够在多个电池隔板560相互叠加时容纳另一相同的电池隔板560的隔板主体562。该电池容纳空间566用于容纳该电池单体510,该隔板容纳空间568用于部分容纳并配合另一相同的电池隔板560,主要是容纳另一电池隔板560的隔板主体562。该侧板564在垂直于该隔板主体562方向上的长度大于该电池单体510的厚度,从而使该电池隔板560可以罩于该电池单体510外,并进一步罩于相邻的电池隔板560的部分侧板564外。该侧板564的形状可以使中间间隔有电池单体510的两个相邻的电池隔板560沿相同方向叠加时仍能相互抵靠。具体地,该电池隔板560的侧板564的内侧与相邻的另一电池隔板560的侧板564的外侧相抵靠。因此,在垂直于叠加方向X上,该多个相互叠加的电池隔板560相对位置固定,从而对容纳其中的电池单体510在垂直于叠加方向X上定位。在平行于叠加方向X上,相邻的两个隔板主体562之间间隔有一电池单体510,该电池单体510的两个相对的表面在该叠加方向X上分别与相邻的两个隔板主体562相接触并贴合。该电池隔板560可以具有较好的导热性能,为一导热板。该两个隔板主体562可以将该电池单体510产生的热量传导至侧板564。相邻的两个隔板主体562之间的距离为该电池单体510的厚度。而当该电池单体510发生膨胀或收缩时,该电池隔板560可沿叠加方向X移动,使相邻的两个隔板主体562之间的距离增大或减小。
同一电池组50的多个电池隔板560具有基本相同的形状及尺寸。该隔板主体562及侧板564可以具有相同的厚度,如0.5mm~1mm,例如该电池隔板560可以由一厚度均匀的板材弯曲形成。
在一实施例中,该侧板564可以具有一向外凸出的台阶565。该台阶565的步距可以与该侧板564的厚度相等。当该电池单体510的厚度较小时,该侧板564可以在台阶565处与相邻的另一电池隔板560的隔板主体562相抵靠。如图8所示,当该电池单体510的厚度较大时,该侧板564在台阶565处与相邻的另一电池隔板560的隔板主体562具有一间距。此两种情况中两个相邻的电池隔板560之间的电池单体510的两个相对的表面均在该叠加方向X上分别与该相邻的两个隔板主体562相接触并贴合。
在一实施例中,该电池隔板560包括矩形板状的隔板主体562及三个分别从该矩形板的三条边延伸的侧板564。该三个侧板564可以相互连接。该电池单体510的接线部520从该电池隔板560不具有侧板564的方向暴露于外。
更为具体地,该侧板564可以具有与该隔板主体562连接的第一段552、远离该隔板主体562的第二段554,以及将该第一段552与第二段554连接的台阶段556,以共同形成该台阶565。该第一段552与第二段554可以垂直于该隔板主体562,该台阶段556可以平行于该隔板主体562,使该电池隔板560具有一无底的凸字形结构。该第一段552在垂直于该隔板主体562方向上的长度小于或等于该电池单体510的厚度。
在一实施例中,该侧板564在垂直于该隔板主体562方向上的长度为该电池单体510厚度的4/3,相互叠加的两个电池隔板560在侧面具有该电池单体510厚度的1/3的重叠量。
在该电池组50中,该电池隔板560罩于该电池单体510外部,并将该接线部520暴露于外,以方便接线。该电池隔板560与电池单体510的数量可以相等,使每个电池单体510均具有一电池隔板560罩于外部。该多个电池隔板560的侧板564的外侧共同组成该电池组50的第二侧面506,该第二侧面506平行于该叠加方向X。该电池单体510为软包电池,因此外形难以做到一致,并且有可能厚度不均,而同一电池组50的电池隔板560具有基本一致的形状和尺寸,且叠加方向一致,因此该电池隔板560在保护该电池单体510的同时还可使该电池组50具有规则并统一的外形,以方便在电池模块中安装固定。
该电池隔板560的材料可以为具有较高热导率的材料,如金属,从而利于将电池单体510中心的热量传递至该散热片80。在另一实施例中,该电池隔板560的表面也可涂覆一层耐高温导热绝缘漆。
进一步地,为增强散热性能,该电池组50还可进一步包括在电池隔板560和电池单体510接触面之间涂覆或填充的导热剂(图未示)。该导热剂可以为导热性能良好的粘性或者半粘性物质,如硅胶。该导热剂可以彻底排除电池隔板560和电池单体510之间的空气,减小热阻,改善散热性能。另外,导热剂也有利于固定该电池单体510,免于震动或冲击,或者时间过久而引起电化学粉体材料的脱落和电池容量的损失,另外还可起适当的密封作用,阻止外部水分可能侵入电池单体510,也可阻止电池单体510内部的电解液流出而防止电池过早损坏。
该电池隔板560与电池单体510的数量可以相等,使该电池组50靠近该第一底板10的一端为一电池隔板560,靠近该第二底板20的一端为一电池单体510。该电池模块1可进一步包括一电池垫板530,设置在该电池组50靠近该第二底板20的一端,该电池垫板530能配合相邻的电池隔板560形成合适的电池容纳空间566,保证电池组50最靠近该第二底板20的一块电池单体510的压实性。该电池垫板530可以具有与该电池隔板560的隔板主体562具有相同的形状和尺寸。
该电池组50通过在层叠的电池单体510之间放置电池隔板560将外形尺寸不统一的电池单体510转换为外形尺寸均一电池组50,便于在电池模块中固定,电池隔板560有利于将电池组50中的热量快速传递到外部,满足锂离子动力电池工作时的散热要求。另外,在电池单体510之间叠加电池隔板560,该电池隔板560能够保护电池单体510的铝塑膜不被刮伤。通过该弹性元件40的压紧,当电池单体510的厚度有制造误差或发生热胀冷缩时,相邻的电池隔板560的隔板主体562之间能够依实际情况自动调整间距,且相邻的电池隔板560的侧板564仍然具有相互重叠的部分保证电池单体510的压实有效性以及形状的规整性。
【框架结构】
该立柱30可以为杆状的刚性结构,用于支撑、固定并间隔该第一底板10与第二底板20。该立柱30的两端分别与第一底板10及第二底板20固定连接,并对该电池组50在垂直于该叠加方向X上进行限位。该第一底板10与第二底板20可以为板状的刚性结构,尺寸根据电池模块1中的电池组50数量而定,表面可以具有固定结构102,如固定孔或槽,用于与立柱30连接。在一实施例中,该第一底板10与第二底板20朝向该电池组50的表面具有定位槽,该定位槽的形状与该立柱30的横截面形状相同,该立柱30插入该定位槽中,该定位槽可以限制该立柱30的旋转。该定位槽的底部可以具有固定孔,用于穿设连接底板与立柱30的螺栓。该第一底板10与第二底板20的表面可分别具有多个相互平行且通透的沟槽104,以利于电池组50向外散热。
该垂直于多个电池单体510的叠加方向X可以是属于同一平面的多个方向,该立柱30的数量可以是多个,以使该电池组50在垂直于叠加方向X的任意方向上限位,从而使该电池组50在垂直于叠加方向X上位置固定。该电池组50可具有平行于叠加方向X的侧面。该多个立柱30可以分别抵靠在该电池组50的侧面,例如抵靠于该多个电池隔板560的侧板564。在优选的实施例中,该立柱30沿长度方向具有电池组固定槽302,使电池组50的侧面抵靠于该电池组固定槽302中,也就是使该电池隔板560抵靠于该电池组固定槽302中,从而在垂直于该叠加方向X上固定该电池组50。由于该立柱30相对于该第一底板10及第二底板20的位置固定,抵靠于立柱30的电池组50在垂直于叠加方向X上也位置固定。可以理解,该立柱30在平行于叠加方向X不对该电池组50进行限位,该电池组50中的电池单体510及电池隔板560沿叠加方向X仍可抵抗该弹性元件40施加压力的活动。
该立柱30的材料也可以为具有较高热导率的材料,如金属,从而利于同一电池组50中不同的电池单体510之间的热量传递,实现均热。在另一实施例中,该立柱30的表面也可涂覆一层耐高温导热绝缘漆。
【弹性机构】
请一并参阅图11,该弹性元件40将该多个电池单体510和多个电池隔板560在叠加方向X上压紧。该弹性元件40设置于电池组50与第一底板10之间,并对该多个电池隔板560在该叠加方向X上施加压力。该弹性元件40的数量可以是多个,且优选处于压缩状态,从而提供一个压向电池组50的压力,该压力的方向为该多个电池单体510的叠加方向X,即垂直于该第一底板10、第二底板20、电池隔板560及电池单体510,使该多个电池隔板560相互压紧,以实现在未膨胀态时的位置固定。然而,该弹性元件40并非处于弹性压缩极限,即还可进一步弹性压缩,从而使该多个电池隔板560可以在该电池单体510体积膨胀时沿叠加方向X进一步压缩该弹性元件40。可以理解,该弹性元件40也可以处于未被压缩状态,即该压力未够使该弹性元件40发生弹性形变。总之,该弹性元件40仅需沿叠加方向X对该多个电池隔板560施加压力,使该多个电池隔板560与电池单体510相互压紧,并且该弹性元件40仍可被弹性压缩即可。该弹性元件40可以为弹簧、弹性柱或弹片。
该电池模块1可进一步包括两个压板60设置于该弹性元件40沿该叠加方向X的两端,其中一个压板60设置于电池组50与弹性元件40之间,另一个压板60设置于第一底板10与弹性元件40之间。该压板60表面可以具有弹性元件定位孔,用于连接并定位该弹性元件40。该弹性元件40通过该压板60对该多个电池隔板560施加压力。该压板60可以使该弹性元件40施加的压力均匀分布并作用于该电池隔板560。当该电池模块1包括压板60时,该立柱30同样对该压板60在垂直于该叠加方向X上进行限位。
该第一底板10与第二底板20之间的距离可以调节,从而调整弹性元件40施加的压力大小,使压板60能够跟随电池组50的热胀冷缩进行移动,保证电池单体510的有效压实性,降低电池组50的热阻系数,提高电堆的热管理性能。在一实施例中,该第一底板10与该立柱30可通过调压螺栓42连接,通过调压螺栓42可以调整该第一底板10与第二底板20之间的距离。在另一实施例中,该立柱30可以为长度可调的刚性杆,从而可以调整该第一底板10与第二底板20之间的距离。
【散热机构】
请一并参阅图9及图10,由于电化学电池,尤其是锂离子电池在充放电的过程中会产生大量的热量,如果不能及时传导出去,会造成电池的性能下降,严重时产生爆炸危险。为利于该电池单体510的导热和电池组50的散热,该电池组50可进一步包括散热片80。该电池组50可具有垂直于叠加方向X且不同于该第一侧面502的第二侧面506。该散热片80设置于该第二侧面506,该散热片80可以基本覆盖整个第二侧面506,向外的一侧具有散热鳍,以增大散热面积,向内的一侧具有平整表面,与该多个电池隔板560的侧板564接触,电池单体510的热量通过电池隔板560传导到散热片80并向外扩散,实现散热。该散热片80可通过螺栓82固定在该立柱30上,该螺栓82还可以使散热片80与电池隔板560的侧板564压紧以减小热阻。
该电池模块1还可包括热管70,该立柱30沿长度方向还可具有一热管安装槽304,该热管70设置在该热管安装槽304中。该立柱30与电池组50的电池隔板560的侧面相接触,电池工作时热量通过立柱30中的热管70快速传递,使整个电池组50中的各个电池单体510达到均热,控制电池组50内部温度差别,均衡电池单体510之间的衰减速度,提高电池组50的热管理性能。
在一实施例中,该电池模块1包括多个电池组50,每个电池组50均具有至少一个位于整个电池模块1外侧的散热片80,可以使电池组50迅速的向外散热。具体地,每个电池组50均具有至少一个第二侧面506位于整个电池模块1的外侧。为利于内部散热,该多个电池组50可相互间隔设置。
为了减小电池模块1的总重量,提高电池模块1的能量密度,该第一底板10,第二底板20,立柱30,弹性元件40,压板60,热管70,电池隔板560及散热片80均可采用轻质且强度高的材料,如轻质铝合金、镁合金或镁铝合金。
本发明提供的电池模块具有以下优点:
采用安全性更好、容量适当的软包装电池单体做为大容量、高功率电源的组装单元,当电源中的单体出现问题时,与大容量电池相比可降低更换维修成本;因电池单体的体积不大,不易在电池单体中产生热堆积,能提高电池组的热管理性能;因电池单体容量不大,可灵活组合以满足不同的容量、功率需求。
通过在叠加的电池单体之间放置电池隔板将外形尺寸不统一的软包装电池单体转换为外形尺寸统一电堆,便于电池组在框架中固定,电池隔板有利于将电堆中的热量快速传递到电池模块的散热片上,散热片能增加整个电池的散热效率,满足动力电池工作时的散热要求。
在电池单体之间放置的电池隔板形成软包装电池的外壳,该电池外壳能够保护电池单体的铝塑膜不被刮伤,电池隔板叠加后的间距能够适应电池单体厚度尺寸的变化,有利于电池单体的压实与定位,有利于电堆在框架中的的定位,有利于扩大传热接触面,有利于电堆内部热量向外部的传导,避免电池内部温度过高。
安装在立柱中的热管能增加电堆中的热传导效率,有利于实现热量从高温区域向低温区域的快速传导,能够快速实现整个电堆的均热,使各个电池单体有比较均一的温度能效,便于电池管理系统的控制。
通过弹性压紧机构使电池单体工作在比较理想的压实状态下,使电堆内电池单体与电池隔板紧密接触,减少传热热阻。弹性压紧机构的压紧板能够动态跟随电堆的热胀冷缩进移动,避免电池单体在电堆冷却后在刚性框架中发生松动脱落,保证电池单体有效压实的稳定性。
通过多鳍片式散热技术实现高效的传热和散热,电池模块采用开放式框架结构,在减轻重量的同时提高结构的整体刚度。在电池模块上预留有被动冷却接口,以确保电池温升在可控范围内。
另外,本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化,当然,这些依据本发明精神所做的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (18)

  1. 一种电池模块,包括电池组、第一底板、第二底板、立柱、弹性元件及散热片,该第一底板、第二底板及立柱组成框架结构,该电池组设置在该框架结构中,该电池组包括多个电池单体和多个电池隔板相互叠加设置,该电池隔板具有与该电池单体对应的形状,罩于该电池单体外部,该弹性元件对该多个电池单体和多个电池隔板在叠加方向上施加压力。
  2. 如权利要求1所述的电池模块,其特征在于,该电池隔板包括平坦的隔板主体及多个分别与该隔板主体连接的侧板,该隔板主体与该多个侧板共同定义一电池容纳空间,该多个侧板在该电池容纳空间远离该隔板主体的一侧进一步定义一隔板容纳空间,该隔板容纳空间与该隔板主体相配合,容纳相邻的电池隔板的隔板主体。
  3. 如权利要求2所述的电池模块,其特征在于,该侧板的形状使两个相同的电池隔板沿相同方向叠加时一个电池隔板的侧板的内侧与另一电池隔板的侧板的外侧相抵靠,并且两个电池隔板的隔板主体之间具有间隔,以容纳该电池单体。
  4. 如权利要求2所述的电池模块,其特征在于,该隔板主体及侧板具有相同的厚度。
  5. 如权利要求2所述的电池模块,其特征在于,该隔板主体为矩形板,该侧板的数量为三个,分别从该矩形板的三条边延伸而出。
  6. 如权利要求2所述的电池模块,其特征在于,该侧板具有一向外凸出的台阶,该台阶具有与该侧板厚度相同的步距。
  7. 如权利要求2所述的电池模块,其特征在于,该侧板包括与该隔板主体连接的第一段、远离该隔板主体的第二段,以及将该第一段与第二段连接的台阶段,该第一段与第二段垂直于该隔板主体,该台阶段平行于该隔板主体。
  8. 如权利要求7所述的电池模块,其特征在于,该第一段在垂直于该隔板主体方向上的长度小于或等于该电池单体的厚度。
  9. 如权利要求2所述的电池模块,其特征在于,该散热片抵靠于该电池隔板的侧板。
  10. 如权利要求1所述的电池模块,其特征在于,该弹性元件设置于该电池组与该第一底板之间。
  11. 如权利要求10所述的电池模块,其特征在于,该电池模块进一步包括压板,设置于电池组与弹性元件之间。
  12. 如权利要求1所述的电池模块,其特征在于,该立柱的两端分别与该第一底板及第二底板固定连接,并对该多个电池单体在垂直于该叠加方向上进行限位。
  13. 如权利要求12所述的电池模块,其特征在于,该立柱抵靠该多个电池隔板的侧板。
  14. 如权利要求12所述的电池模块,其特征在于,进一步包括热管,该立柱沿长度方向具有一热管安装槽,该热管设置在该热管安装槽中。
  15. 如权利要求1所述的电池模块,其特征在于,该电池组具有平行于该叠加方向的棱,该立柱具有与该电池组的棱形状对应的槽体结构,以容纳该电池组的棱,从而从垂直于该叠加方向上固定该电池组。
  16. 如权利要求1所述的电池模块,其特征在于,该电池模块包括多个电池组,每个电池组均具有至少一个位于整个电池模块外侧的散热片。
  17. 如权利要求1所述的电池模块,其特征在于,该第一底板与第二底板之间的距离能够调节,从而使该弹性元件施加的该压力大小可调。
  18. 如权利要求17所述的电池模块,其特征在于,该第一底板与该立柱通过调压螺栓连接,该第一底板与第二底板之间的距离通过该调压螺栓调整;或者该立柱为长度可调的刚性杆,从而调整该第一底板与第二底板之间的距离。
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