CN101401228A - 具有良好冷却效率的中型或大型电池组 - Google Patents

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Abstract

公开了一种中型或大型电池组，包括：包括多个单元模块的电池模块，这些单元模块在每个单元模块在一侧上竖直地竖立的同时水平堆叠，该电池模块固定在外壳构件的密封空间中，该外壳构件在其一侧的上或下端设有冷却剂入口端口并且在其相对侧的上或下端设有冷却剂出口端口，该电池模块固定在该外壳构件中以使得该电池模块的上或下端表面以一预定角度向冷却剂入口端口倾斜，藉此使得通过与电池模块平行的冷却剂入口端口所引入的冷却剂竖直经过单元模块后排出到相对侧；和在电池模块的倾斜上或下端表面处限定在单元模块之间的间隙(竖直流动通道)，该间隙布置得平行于引入冷却剂的方向，从而在该电池组具有紧凑结构的同时，改善了冷却效率和均匀性。

Description

具有良好冷却效率的中型或大型电池组
技术领域
本发明涉及一种具有高冷却效率的中型或大型电池组(batterypack)，并且更具体而言，涉及的一种中型或大型电池组包括：电池模块，该电池模块包括多个单元模块，这些单元模块在每个单元模块在一侧上竖直地竖立的同时水平堆叠，该电池模块固定在外壳构件的密封空间中，其中该外壳构件在其一侧的上端或下端设有冷却剂入口端口并且在其相对侧的上端或下端设有冷却剂出口端口，该电池模块固定在该外壳构件中以使得该电池模块的上端表面或下端表面以一预定角度向该冷却剂入口端口倾斜，藉此使得通过与该电池模块平行的该冷却剂入口端口所引入的冷却剂竖直地经过该单元模块并且然后排出到该相对侧；以及间隙(竖直流动通道)，该间隙在该电池模块的倾斜的上端表面或下端表面处限定在单元模块之间，并被布置得平行于引入冷却剂的方向，从而在该电池组具有紧凑结构的同时，该电池组的冷却效率和冷却均匀性得到改善。
背景技术
由使用诸如汽油和柴油的石化燃料的车辆所引起的最大问题之一就是产生了空气污染。使用可以充电和放电的二次电池作为车辆的动力来源的技术，作为解决上述问题的一种方法已吸引了大量关注。因此，已开发了仅使用电池来运行的电动车辆(EV)以及联合使用电池和常规发动机的混合电动车辆(HEV)。如今在市场上正在使用其中一些电动车辆和混合电动车辆。镍-金属氢化物(Ni-MH)二次电池已主要用作电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)的动力来源。然而，近年来，已尝试使用锂离子二次电池。
对于此类用作电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)的动力来源的二次电池来说，需要高输出和大容量。为此目的，多个小型二次电池(单元电池)相互串联或并联连接以组成电池模块，以及多个电池模块相互串联或并联连接以组成电池组。
然而，在此类高输出、大容量的二次电池中，在单元电池的充电和放电期间从单元电池产生大量的热量。当没有有效移除在单元电池的充电和放电期间从单元电池产生的热量时，热量会积聚在单元电池中，结果损坏了单元电池。因此，必须提供用于冷却车辆电池组的冷却***，该车辆电池组是高输出、大容量的二次电池。
在安装冷却***时应充分考虑的一点是，将由于冷却***而使电池组体积的增加最小化。通常，冷却剂流动通道被形成为使得冷却剂沿电池模块的外表面流动并且还流过电池模块的内部，以改善冷却***的冷却效率。然而，冷却剂流动通道的结构非常复杂并且是增加电池组体积的因素。因此，在电池模块的一部分处形成倾斜的流动通道，以使得可以以图1所示的倾斜方式导向冷却剂的流动。
参见图1，电池组冷却***1包括由多个电池组成的电池模块2，以倾斜方式固定在电池模块2的下端的冷却剂入口端口3，以及以倾斜方式固定在电池模块2的上端的冷却剂出口端口4。电池模块2包括多个单元模块5，该单元模块相互电连接以使得该单元模块5在每个单元模块5在一侧上竖直竖立的同时水平堆叠。每个单元模块5包括多个相互电连接的二次电池6。在每个单元模块5的各个二次电池6之间形成有小间隙，冷却剂通过该间隙流动。因此，通过冷却剂入口端口3引入的冷却剂沿该流动通道流动以移除从各个二次电池6产生的热量，并且然后通过固定在电池模块2的上端的冷却剂出口端口4排出。
然而，如图1所示而构成的电池组冷却***1存在以下问题。
首先，由于冷却剂入口端口3和冷却剂出口端口4以管道的形式分别固定在电池模块2的下端和上端，因此电池组的高度会增加出管道的尺寸。特别地，其宽度从冷却剂入口端口3逐渐减小的下管道固定在电池模块2的矩形下部，以及其宽度朝冷却剂出口端口4逐渐增大的上管道固定在电池模块2的矩形上部。因此，需要用于固定上管道和下管道的额外空间。当电池模块2(其包括横向堆叠的单元模块5，每个单元模块5竖向上在一侧上竖直)安装在车辆的有限内部空间时，电池组冷却***所增加的高度充当了严重的障碍因素。
因此，多种技术已研发出来，用于构成一个冷却***以使得冷却剂通道被形成如图1所示，同时最大化利用用来固定电池模块和围绕物的空间。
就此而言，第2004-22317号日本专利申请公布和第2005-35478号韩国专利申请公布公开了一种中型或大型电池组的冷却***，其特征在于：电池模块固定在组壳(pack case)中，同时电池模块本身倾斜一预定角度以使得在没有设置用于引入和排出冷却剂的管道的情况下便可以在电池组中形成冷却剂流动通道。此外，第2004-22317号日本专利申请公布公开了一种用于将多个单元电池固定在小型电池模块的外壳中并同时将该单元电池倾斜一预定角度来形成冷却剂流动通道的技术。在所公开的冷却***中，形成了期望的冷却剂流动通道，以最大化利用固定有电池模块的组壳的内部空间或者电池模块的外壳的内部空间。因此，所公开的冷却***表明一种制造具有比图1所示的管道结构更小尺寸的电池组的可能性。
然而，与图1的结构一样，所公开的冷却***在运行效率方面具有以下问题。
特别地，通过冷却剂入口端口引入的冷却剂竖直地撞击到单元模块或二次电池的外表面，然后被引入在各个单元模块之间限定的冷却剂流动通道或在组成每个单元模块的二次电池(单元电池)之间限定的冷却剂流动通道。由于冷却剂竖直地撞击到单元模块的外表面，然后被引入冷却剂流动通道，因此可能因形成涡流而改善冷却效率。然而，在包括多个高集成堆叠的单元模块(或二次电池)的电池模块中，属于流体的冷却剂会遇到高的流动阻力。因此，当单元模块(或二次电池)以更小的间隔布置以减小电池组的总尺寸而使得冷却剂流动通道变窄时，对于冷却剂驱动源(例如，吹风机)来说必须产生增加冷却剂流速所需的更高的驱动力。
此外，在单元模块(或二次电池)的纵向上形成冷却剂入口端口。因此，在用于中型或大型电池组的电池模块中(该中型或大型电池组以这样的结构构成：多个单元模块(或二次电池)堆叠起来以提供高输出和大容量，以致该电池模块的宽度大于每个单元模块的长度)，电池组的冷却不均匀现象非常严重。特别地，引入到最接近冷却剂入口端口的单元模块(或二次电池)的冷却剂的绝对量少于引入到最远离冷却剂入口端口的单元模块(或二次电池)的冷却剂的绝对量。因此，电池组的冷却不均匀现象非常严重，这在具有高流动阻力的上述结构中更加严重。
因此，急需一种从根本上解决上述问题的技术。
发明内容
技术问题
因此，为解决上述问题以及其他尚待解决的技术问题，作出了本发明。
特别地，本发明的目的是提供一种电池组，该电池组以这样的结构构成：电池模块固定在外壳构件中以使得该电池模块以一预定角度倾斜，从而在该外壳构件和该电池模块的上端表面之间限定的间隙中以及在该外壳构件和该电池模块的下端表面之间限定的间隙中，形成自然倾斜的流动通道。因此，该电池组具有紧凑结构，没有因诸如管道之类的冷却结构而增加其高度。
本发明的另一目的是提供一种电池组，该电池组以这样的结构构成：在单元模块之间限定的间隙被平行于引入冷却剂的方向而布置，从而有效地实现了将冷却剂供应到电池模块，并且供应到电池模块的各个部分的冷却剂量是均匀的，从而改善了电池组的冷却效率和冷却均匀性。
本发明的又一目的是提供一种电池组，该电池组以这样的结构构成：组成电池组的下端框架的形状与车辆的内部结构相一致，从而使得电池组更稳定地固定在车辆中。
技术方案
根据本发明，上述以及其他目的可通过提供一种中型或大型电池组而实现，该中型或大型电池组包括：电池模块，该电池模块包括多个单元模块，这些单元模块在每个单元模块在一侧上竖直地竖立的同时水平堆叠，该电池模块固定在外壳构件的密封空间中，其中该外壳构件在其一侧的上端或下端设有冷却剂入口端口并且在其相对侧的上端或下端设有冷却剂出口端口，该电池模块固定在该外壳构件中以使得该电池模块的上端表面或下端表面以一预定角度向该冷却剂入口端口倾斜，藉此使得通过与该电池模块平行的该冷却剂入口端口所引入的冷却剂竖直地经过该单元模块并且然后排出到该相对侧；以及间隙(竖直流动通道)，该间隙在该电池模块的倾斜上端表面或下端表面处限定在该单元模块之间，并被布置得平行于引入冷却剂的方向。
如上所述，根据本发明的电池组以这样的结构构成：一个包括多个相互电连接的单元模块的电池模块，或者两个或更多个电池模块被固定在外壳构件中。
每个单元模块可以是一个可被充电和放电的电池组电池(batterycell)或者是两个或更多个电池组电池的组合。
在本说明书中，术语“电连接”和“组合”意味着单元模块或电池组电池相互串联或并联连接，以提供具有期望输出和容量的电池组，优选地具有高输出和大容量的电池组。例如，每个电池组电池包括阴极、阳极、隔板以及电解质，并且每个电池组电池固定在密封容器中以使得每个电池组电池可以被充电和放电。优选地，每个电池组电池可以是锂离子电池组电池、锂离子聚合物电池组电池或者镍-金属氢化物电池组电池。
如上所述，在根据本发明的电池组中，冷却剂入口端口形成于外壳构件的一侧的上端或下端并平行于在倾斜的单元模块之间的间隙(竖直流动通道)。因此，冷却剂入口端口形成于中型或大型电池模块的长边，该中型或大型电池模块包括多个堆叠的单元模块。
通常，电池模块的长边的长度由所使用的单元模块的数目限制。例如，假定使用了矩形单元模块，每个单元模块的长度是a，每个单元模块的宽度是b，每个单元模块的厚度是c，以及所使用的单元模块的数目是x，那么通过堆叠单元模块到数目x且单元模块相互紧密接触而构成的电池模块被形成为六面体的形状，该六面体具有长度为a和c×x以及高度为b的边。
参照图2更详细地示出了这种关系，图2示出了根据本发明的优选实施方案的电池模块。参见图2，电池模块20包括数目为x的单元模块10。假定每个单元模块的长度是a，每个单元模块的宽度是b，以及每个单元模块的厚度是c，那么为了获得高输出和大容量必须堆叠单元模块以使得电池模块的边的长度满足以下不等式：a<c×x。在这种情况下，电池模块的长边的长度为c×x。
根据本发明，冷却剂入口端口位于外壳构件的一侧且平行于在单元模块之间的间隙(竖直流动通道)，因此冷却剂入口端口形成于对应电池模块的长边(c×x)的位置。
这种结构具有多种效果。首先，在冷却剂被引入单元模块之间的竖直流动通道时所产生的流动阻力减小，因此电池模块的冷却效率提高。其次，减小了在冷却剂入口端口和每个竖直流动通道离冷却剂入口端口最远的部分之间的长度，因此电池模块的冷却均匀性增加了。再次，冷却剂入口端口呈一系列通孔的形状，该通孔对应电池模块的长边的长度，因此靠小的驱动力就能实现冷却剂的流动。
就第一个效果而论，通过形成于外壳构件的一侧的冷却剂入口端口而水平引入的冷却剂，被自然引入平行于冷却剂引入方向而形成的竖直流动通道(各个单元模块之间的间隙)。因此，流动阻力大大减小。从宏观的角度看，冷却剂竖直流过各个单元模块。另一方面，从微观的角度看，呈现了冷却剂从冷却剂入口端口逐渐降低的流动梯度。因此，冷却剂的流动阻力减小了，因此甚至使用小的驱动力时也可最大化冷却效率。
就第二个效果而论，冷却剂入口端口和每个竖直流动通道离冷却剂入口端口最远部分之间的距离，是由每个单元模块的长度限制的。因此，当考虑到以下这样的事实：冷却剂入口端口和常规电池模块的每个竖直流动通道部分之间的距离会根据电池模块的长边的长度而增加，那么冷却剂入口端口和每个竖直流动通道离冷却剂入口端口最远的部分之间的距离显得非常小。因此，能够大大减小在每个竖直流动通道离冷却剂入口端口最远的部分处的冷却不均匀现象。
就第三个效果而论，组成冷却剂入口端口的通孔增加了每单位时间引入的冷却剂的量，因此，靠小的驱动力就可实现冷却剂的流动。同时，能够在电池模块的大区域上均匀分配冷却剂。为此目的，可以考虑提供这样的结构：冷却剂入口端口直接形成在外壳构件的上端，该上端正对电池模块的上端表面。然而，在这种情况下，不可避免地增加了电池组的总体积以保证在外壳构件的外部对应冷却剂入口端口的空间。因此，上述结构不是优选的。
优选地，冷却剂出口端口形成于与冷却剂入口端口侧面相对的侧面上，以使得通过冷却剂入口端口引入的冷却剂可以在冷却剂经过单元模块后排出。例如，冷却剂入口端口可以以一系列通孔的形状形成于一侧面并相邻外壳构件的上端边缘，以及冷却剂出口端口可以形成于外壳构件下端的至少一个侧面。更特别地，当冷却剂入口端口形成于外壳构件的左侧面的上端时，冷却剂出口端口可以形成于外壳构件的右侧面的下端或者可以形成于相对侧面的下端以使得冷却剂出口端口相互平行。在此，可以根据电池模块倾斜的方向而改变外壳构件形成有冷却剂入口端口和冷却剂出口端口的侧面。例如，当冷却剂入口端口和冷却剂出口端口都形成于外壳构件的左侧面时，将电池模块固定以使得电池模块的上端朝电池模块的左侧面倾斜。
优选地，冷却扇(吹风机)固定在冷却剂出口端口，用于产生冷却剂流动所必需的驱动力。
优选地，电池模块倾斜一个1至40度的角度。当电池模块的倾斜角太小时，冷却剂入口端口的尺寸减小，因此难于增加每单位时间引入的冷却剂量。另一方面，当电池模块的倾斜角太大时，电池模块的倾斜布置在外部碰撞施于电池模块时可能不稳定，这不是优选的。更优选地，电池模块倾斜一个1.5至15度的角度。
在一个优选实施方案中，电池模块固定在具有一对支撑部的框架上，该支撑部向上突出同时相互间隔以支撑电池模块下端的相对侧；以及外壳构件耦合到框架以密封电池模块，以使得除电池模块的下端表面以外，外壳构件围绕电池模块的外表面中的一些或全部。
优选地，在冷却剂被通过冷却剂入口端口引入的方向上，支撑部竖直突出以使得电池模块的相对侧可分别被该支撑部支撑。特别地，支撑部沿在每个单元模块在一侧上竖直竖立的同时单元模块水平堆叠的方向上连续地向上突出，以使得支撑部支撑堆叠的单元模块下端的相对侧。
框架可被形成为其中该框架可以与车辆的内部结构结合起来的形状。例如，当车辆的内部结构包括用于减轻施加到车辆上的外部碰撞的***或凹陷时，框架的支撑部可以安装到车辆内部结构的***上。其细节公开在以本申请人的名字提交的第2005-99871号韩国专利申请中。因此上述专利申请的公开内容通过引用方式被全部纳入本说明书中。
作为将外壳构件以及电池模块的上端表面和下端表面倾斜一预定角度的方法的一个实施例，可以改变框架的支撑部的突出高度，以使得支撑部具有不同的高度。
附图说明
本发明的上述和其他目的、特征以及其他优点，将从下面结合附图的详细说明中得到更清晰的理解，其中：
图1是示出了常规的冷却***的立体图；
图2是示出了根据本发明的优选实施方案的电池模块的立体图；
图3是示出了根据本发明的优选实施方案的电池组的立体图；以及
图4是图3的主透视图。
<附图中主要参考标记的说明>
100：电池组       10：单元模块
20：电池模块      30：框架
40：外壳构件
具体实施方式
现在，将参照附图详细地说明本发明的优选实施方案。然而，应该注意，本发明的范围不受示出的实施方案的限制。
图3是示出了根据本发明的优选实施方案的电池组的立体图，以及图4是图3的主透视图。
参见这些图，电池组100包括：电池模块20，该电池模块以这样的结构构成：多个单元模块10相互电连接以使得单元模块10水平堆叠，同时每个单元模块10在一侧上竖直地竖立；框架30，具有一对支撑部33和34，该支撑部向上突出，同时相互间隔以支撑电池模块20的下端的相对侧；以及外壳构件40，具有在其左侧面的上端形成的冷却剂入口端口45以及在其右侧面的下端形成的平行于冷却剂入口端口45的冷却剂出口端口(未示出)。外壳构件40耦合到框架30以使得外壳构件40围绕电池模块20。
由于这对支撑部33和34从框架30突出不同的高度，所以电池模块20朝冷却剂入口端口45倾斜一定角度。因此，限定在外壳构件40和电池模块20的上端表面21之间的间隙是倾斜的，以及限定在外壳构件40和电池模块20的下端表面22之间的间隙是倾斜的，从而冷却剂流动通道由倾斜自然形成。
通过冷却剂入口端口引入的冷却剂沿限定在各个单元模块10之间的间隙，即，沿竖直流动通道26流动，然后通过冷却剂出口端口(未示出)排出，该单元模块与引入冷却剂的方向平行布置。因此，当冷却剂引入竖直流动通道26时，在图1的结构中出现的大流动阻力没有出现，因此电池组的冷却效率提高了。因此，如图3所示，冷却剂沿缓斜面和竖直流动通道流动。
此外，由于冷却剂入口端口45形成于外壳构件40左侧面的上端且平行于竖直流动通道26，因此冷却剂入口端口45和每个竖直流动通道离冷却剂入口端口45最远的部分A之间的距离由每个单元模块10的长度限制。因此，可以大大减小冷却不均匀性，该冷却不均匀性是由冷却剂入口端口45和每个竖直流动通道离冷却剂入口端口45最远的部分之间距离的增加所引起的。
虽然为解释性目的已经公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的普通技术人员应理解，本发明可进行各种改变、添加以及替换，而不脱离在所附的权利要求书中所公开的本发明的范围和精神。
工业实用性
从上述说明显而易见的是，根据本发明的电池组以这样的结构构成：电池模块固定在外壳构件中以使得电池模块倾斜一预定角度，从而在外壳构件和电池模块的上端表面之间所限定的间隙中以及在外壳构件和电池模块的下端表面之间所限定的间隙中形成了自然倾斜的流动通道。因此，根据本发明的电池组具有紧凑结构，没有因冷却结构而增加其高度。此外，在单元模块之间的间隙(竖直流动通道)以平行于引入冷却剂的方向布置。因此，有效地实现了将冷却剂供应到电池模块。另外，冷却剂入口端口和每个竖直流动通道离冷却剂入口端口最远的部分之间的距离由每个单元模块的长度限制。因此，供应到电池模块的各部分的冷却剂量是均匀的，以及因此改善了电池组的冷却均匀性。此外，根据本发明的电池组可被改变，以使得组成电池组的下端框架的形状与车辆的内部结构相一致。因此，根据本发明的电池组更稳定地固定在车辆中。

Claims (9)

1.一种中型或大型电池组，包括：
电池模块，该电池模块包括多个单元模块，这些单元模块在每个单元模块在一侧上竖直地竖立的同时水平堆叠，该电池模块固定在外壳构件的密封空间中，其中
该外壳构件在其一侧的上端或下端设有冷却剂入口端口并且在其相对侧的上端或下端设有冷却剂出口端口，
该电池模块固定在该外壳构件中以使得该电池模块的上端表面或下端表面以一预定角度向该冷却剂入口端口倾斜，藉此使得通过与该电池模块平行的该冷却剂入口端口所引入的冷却剂竖直地经过该单元模块并且然后排出到该相对侧，以及
间隙(竖直流动通道)，该间隙在该电池模块的倾斜的上端表面或下端表面处限定在该单元模块之间，并被布置得平行于引入冷却剂的方向。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中每个单元模块是一个可被充电和放电的电池组电池或者是两个或更多个电池组电池的组合。
3.根据权利要求1所述的电池组，其中该冷却剂入口端口形成于该中型或大型电池模块的长边，该中型或大型电池模块包括多个堆叠的单元模块。
4.根据权利要求3所述的电池组，其中
当每个单元模块的长度是a，每个单元模块的宽度是b，以及每个单元模块的厚度是c时，
该电池模块通过堆叠单元模块到数目x而构成，以使得边的长度满足以下不等式：a<c×x，以及该冷却剂入口端口形成于该外壳构件中对应c×x边的位置。
5.根据权利要求1所述的电池组，还包括：
冷却扇(吹风机)，固定在该冷却剂出口端口，用于产生冷却剂流动所必需的驱动力。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中该电池模块倾斜一个1至40度的角度。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中该冷却剂入口端口以一系列通孔的形状形成于一侧面并相邻该外壳构件的上端边缘，以及该冷却剂出口端口形成于该外壳构件下端的至少一个侧面。
8.根据权利要求7所述的电池组，其中该电池模块固定在具有一对支撑部的框架上，该支撑部向上突出同时相互间隔以支撑该电池模块下端的相对侧，该支撑部在冷却剂被通过冷却剂入口端口引入的方向上竖直突出，以及该外壳构件耦合到该框架以密封该电池模块。
9.根据权利要求8所述的电池组，其中该框架被形成为其中该框架可以与车辆的内部结构结合起来的形状。
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