CN101573808B - 使冷却剂流量的分配均匀性改进的中型或大型电池组壳 - Google Patents

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Abstract

本说明书公开了一种中型或大型电池组壳，其中安装有包括多个可被充电和放电的堆叠电池单元的电池模块，其中所述电池组壳设置有一冷却剂入口端和一冷却剂出口端，所述冷却剂入口端和冷却剂出口端被布置为，使得用于冷却电池单元的冷却剂可沿着垂直于电池单元的堆叠方向的方向从电池模块的一侧流动到另一侧，所述电池组壳进一步设置有以凹凸形状形成的用以提高电池组壳抵抗外力的结构稳定性的波状部，所述波状部被构造为其中波状部不干扰冷却剂从冷却剂入口端处沿流体的前进方向在冷却剂入口端和电池模块之间限定的流动空间中流动的结构。

Description

使冷却剂流量的分配均匀性改进的中型或大型电池组壳
技术领域
本发明涉及一种使冷却剂流量(coolant flux)的分配均匀性改进的中型或大型电池组壳，更具体而言，涉及一种中型或大型电池组壳，在该电池组壳中安装有一电池模块，所述电池模块具有多个可充电和放电的堆叠的电池单元，其中所述电池组壳设置有一冷却剂入口端和一冷却剂出口端，所述冷却剂入口端和冷却剂出口端被布置为，使得用于冷却电池单元的冷却剂可沿着垂直于电池单元的堆叠方向的方向，从电池模块的一侧流动到另一侧，并且所述电池组壳进一步设置有以凹凸形状形成的用以提高电池组壳抵抗外力的结构稳定性的波状部(bead)，所述波状部被构造为其中波状部不干扰冷却剂从冷却剂入口端处沿流体的前进方向在冷却剂入口端和电池模块之间限定的流动空间(“入口通道”)中流动的结构。
背景技术
近来，可充电和放电的二次电池已被广泛用作无线移动设备的能量来源。此外，二次电池作为电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)的能量来源已吸引了相当大的关注，所述电动车辆(EV)和混合电动车辆(HEV)已被研发用于解决由现有的使用化石燃料的汽油和柴油车辆所导致的诸如空气污染的问题。
对于小型移动设备，每个设备使用一个或多个电池单元。然而，诸如车辆的中型或大型设备，使用中型或大型电池模块，所述中型或大型电池模块包括多个相互电连接的电池单元，因为高功率和大容量对于中型或大型设备是必须的。
优选的是，如果可能的话，将中型或大型电池模块制造为尺寸小和重量轻。为此，可以高集成度堆叠并且具有小的重量-容量比的棱柱形电池或者袋状电池，通常被用作中型或大型电池模块的电池单元。尤其是，当前对于使用铝层压板作为保护构件的袋状电池产生了许多兴趣，因为袋状电池的重量很小，袋状电池的制造成本较低，并且可轻易改变袋状电池的形状。
对于用于提供一预定装置或设备所需的功率和容量的中型或大型电池模块而言，中型或大型电池模块需要被构造为其中多个电池单元相互串联电连接，并且电池单元能稳定抵抗外力的结构。
此外，构成中型或大型电池模块的电池单元是可被充电和放电的二次电池。因此，在电池单元的充电和放电过程中，高功率和大容量的二次电池中产生大量热量。如果在单元电池的充电和放电过程中，单元电池中产生的热量未被有效去除的话，热量就累积在每个单元电池中，从而，加速了单元电池的损坏。根据不同情况，单元电池可能着火或者***。为此，在用于车辆的高功率、大容量电池的电池组中，需要一冷却***。
在图1中示出了电池组冷却***的一个实施例。
参照图1，电池组冷却***包括一电池模块20和一电池组壳10，所述电池模块20被构造其中多个电池单元21相互电连接的结构，并且电池模块20安装在所述电池组壳10中。在电池组壳10处形成有一冷却剂入口端和一冷却剂出口端，所述冷却剂入口端和冷却剂出口端被布置为，使得冷却剂可沿着垂直于电池单元21的堆叠方向的方向，从电池模块20的一侧流至另一侧。在电池组壳10处还形成有波状部11，借助于波状部，所述电池组壳10呈现出抵抗诸如扭曲或振动之类的外力的优良耐用性或结构稳定性。波状部11的形状在图2中清晰示出，图2是一个示出电池组壳10的外观的局部立体图。
正如在图2中所示，每个波状部11都被构造为具有大的长(L)宽(W)比的凹凸结构。所述波状部11被布置为相互平行。
再次参照图1，电池模块20的每个电池单元21之间限定有小的间隙，使得冷却剂可流过所述间隙。因此，通过冷却剂入口端导入的冷却剂流过所述间隙。此时，从电池单元21中产生的热量被冷却剂去除。此后，通过冷却剂出口端将所述冷却剂排出。
然而，通过冷却剂入口端导入的冷却剂的流动，被在邻近于冷却剂入口端的电池组壳处形成的波状部11极大地干扰。结果，很难实现对电池单元21的均匀冷却剂流量分配。具体而言，上通道12的宽度在布置有波状部11的位置处被暂时减少。结果，流过限定在位于波状部11下方的电池单元21之间的通道的冷却剂的流量被相当大地减少，从而，冷却剂被驱动至波状部11的前端。
图3是一个示出关于在以图1中所示的结构制造的中型或大型电池组的电池单元之间的冷却剂流量分配的测量结果的曲线图。从图3的曲线图中可以看出，在布置有电池组壳的波状部的位置处，电池单元之间的冷却剂流量被相当大地减少。
最终，冷却剂未被均匀供给至每个电池单元21，从而，极大地增加了电池单元21之间的温度差。这种大的温度差是极大地降低电池组的总体性能的主要原因之一。
作为一种用于改善由于冷却剂的不均匀分配所导致的问题的技术，日本专利申请公开文本No.2005-116342中公开了一种通过安装在冷却剂通道中的多个整流板而改变冷却剂的流动方向的技术。然而，该技术的问题在于，对于传统的制造过程增加了一安装整流板的过程，从而增加了制造成本。而且，所述公开技术的另一问题在于，电池组中冷却剂的流动被整流板干扰，从而，增加了通过冷却剂入口端导入的冷却剂排出冷却剂出口端的平均持续时间，由此降低了冷却效果。
因此，非常需要一种从根本上解决上述问题的技术。
发明内容
因此，为了解决上述问题以及其他尚待解决的问题，做出了本发明。
通过对中型或大型电池组壳的大量广泛深入研究和实验，本发明的发明人已发现，当改进电池组壳处形成的波状部的结构时，冷却剂流量的分配均匀性也被改善，同时使其抵抗外力的结构稳定性的减少最小化，结果是，电池单元之间累积的热量被有效地去除，从而，极大地提高了电池单元的性能和寿命。基于这些发现，完成了本发明。
根据本发明的一方面，可通过提供一种如下的中型或大型电池组壳实现上述和其他目的，在该电池组壳中安装有电池模块，该电池模块具有多个可被充电和放电的堆叠的电池单元，其中所述电池组壳设置有一冷却剂入口端和一冷却剂出口端，所述冷却剂入口端和冷却剂出口端被布置为，使得用于冷却电池单元的冷却剂可沿着垂直于电池单元的堆叠方向的方向，从电池模块的一侧流至另一侧，并且所述电池组壳进一步设置有以凹凸形状形成的用以提高电池组壳抵抗外力的结构稳定性的波状部，所述波状部被构造为其中波状部不干扰冷却剂从冷却剂入口端处沿流体的前进方向在冷却剂入口端和电池模块之间限定的流动空间(“入口通道”)中流动的结构。
因此，根据本发明的中型或大型电池组壳，能够通过冷却剂的均匀流动有效地去除在电池单元的充电和放电过程中产生的热量，而不干扰通过冷却剂入口端导入进电池组壳的冷却剂的流动，同时通过所述波状部结构有效地补充电池组壳的机械强度，从而提高电池的冷却效率和性能。
安装在本发明的中型或大型电池组壳内的电池模块，通常是通过以高集成度堆叠多个电池单元的方法制造的。此时，相邻的电池单元以一匀称的间隔彼此分开，使得可去除在电池单元的充电和放电过程中产生的热量。例如，电池单元可被依次堆叠，使得电池单元以预定间隔相互间隔开。当电池单元具有低机械强度时，一个或多个电池单元被安装在一盒内，然后堆叠多个盒形成一电池模块。因此，在每个电池单元之间限定一冷却剂通道，使得有效地去除累积在堆叠的电池单元之间的热量。
在电池组壳处形成波状部，使得所述波状部呈现出抵抗诸如扭曲或者振动之类的外力的优良耐用性或结构稳定性。在一优选实施方案中，所述波状部被构造为具有大的长宽比的凹凸结构，并且所述波状部被布置为相互平行。
优选的是，所述波状部具有2～5mm或者相当于冷却剂入口端的竖直截面高度的10％～30％的向内高度，使得所述波状部不会较大地干扰冷却剂的流动，同时确保耐用性和结构稳定性。如果波状部的向内高度太小，就会极大地减少抵抗诸如扭曲或者振动之类的外力的耐用性和结构稳定性。另一方面，如果波状部的向内高度太大，波状部就极大地干扰冷却剂的流动，从而，降低电池组的冷却效率。更优选的是，所述波状部具有3～4mm或者相当于冷却剂入口端的竖直截面高度的15～25％的向内高度。
在涉及其中不干扰冷却剂的流动的波状部结构的优选实施方案中，所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中电池组壳沿电池单元的堆叠方向的长度大于电池组壳沿电池单元的横向方向的长度，所述波状部被布置为平行于电池单元的横向方向，并且所述波状部未形成在邻近于冷却剂入口端的入口通道的预定区域处。
所述波状部结构是一种在邻近于冷却剂入口端的入口通道区域处基本不形成波纹的结构。波状部对于冷却剂的流动的影响在邻近于冷却剂入口端的入口通道的区域处是最大的。因此，当由间隔冷却剂入口端一预定距离的入口通道的区域形成波状部时，波状部对于冷却剂流动的影响是最小的。
优选的是，所述未形成波状部的区域具有相当于入口通道总长度的10～30％的长度。如果未形成波状部的区域的长度太小，波状部对于冷却剂的流动的影响将增加，从而，很难实现预期效果。另一方面，如果未形成波状部的区域的长度太大，所述未形成波状部的区域的耐用性和结构稳定性将被减少。更优选的是，所述未形成波状部的区域具有相当于入口通道总长度的15～25％的长度。
在另一优选实施方案中，所述电池组壳被构造为如下结构，在该结构中电池组壳沿电池单元的堆叠方向的长度大于电池组壳沿电池单元的横向方向的长度，波状部被形成在电池组壳上，使得所述波状部被布置为平行于电池单元的横向方向，并且在相邻于冷却剂入口端的入口通道的预定区域处，波状部的向内高度朝冷却剂入口端逐渐减少。
该结构包括一种这样的结构，在该结构中，在冷却剂入口端侧处的波状部的向内高度被相对减少，并且随着波状部离冷却剂入口端越来越远，波状部的向内高度逐渐增加；或者波状部的向内高度被逐渐增加至一预定值，然后从下一个特定波状部开始保持波状部原来的向内高度，从而将电池组壳结构稳定性的减少最小化，同时，增加了电池单元之间冷却剂流量的分配均匀性。在该情况中，可根据电池组壳由于波状部高度的调整而引起的结构强度减少的程度，决定其向内高度改变的波状部的数目。
优选的是，在其处所述波状部的向内高度逐渐减少的区域具有相当于入口通道总长度的15～50％的长度。如果在其处波状部的向内高度逐渐减少的区域的长度太小，所述波状部的高度就在一个窄空间内被增加以相对大的宽度，因此，很难实现预期效果。另一方面，如果在其处波状部的向内高度逐渐减少的区域的长度太大，在其处所述波状部的向内高度逐渐减少的区域的耐用性和结构稳定性就在一宽范围内减少。更优选的是，在其处所述波状部的向内高度逐渐减少的区域具有相当于入口通道总长度的20～40％的长度。
在再一实施方案中，所述电池组壳被构造为如下结构，在该结构中电池组壳沿电池单元的堆叠方向的长度大于电池组壳沿电池单元的横向方向的长度，并且在电池组壳处形成波状部，使得所述波状部被布置为垂直于电池单元的横向方向并且，同时，平行于布置冷却剂入口端的方向。
在上述结构中，所述波状部被布置为平行于布置冷却剂入口端的方向，并且所述电池单元也被布置为平行于布置冷却剂入口端的方向。结果，通过冷却剂入口端导入的冷却剂，沿着波状部以平行于其中冷却剂被导入的方向流动，从而，被导入限定在电池单元之间的冷却剂通道。因此，将波状部对于冷却剂的流动的影响最小化。
优选的是，所述电池组壳被构造为其中一排气扇(suction fan)被安装在冷却剂出口端中用于快速且平稳地将通过冷却剂入口端导入的冷却剂移动至冷却剂出口端的结构，使得在冷却剂流过电池模块之后，将所述冷却剂排出电池组。
在一优选实施方案中，所述冷却剂入口端具有小于冷却剂出口端的竖直截面积。已证明的是，所述通过窄冷却剂入口端被导入的冷却剂，借助于冷却剂的快流动速度充分达到远离冷却剂入口端的电池单元，从而，在相同冷却剂流量的条件下实现了冷却剂流量的相对均匀分配。
优选的是，所述冷却剂入口端具有相当于冷却剂出口端的竖直截面积的50～90％的竖直截面积。如果冷却剂入口端的竖直截面积小于上述范围，用于冷却剂流动的能量消耗被极大地增加。另一方面，如果冷却剂入口端的竖直截面积大于上述范围，则很难实现冷却剂流量的均匀分配，如上所述。更优选的是，所述冷却剂入口端具有相当于冷却剂出口端的截面积的55～85％的竖直截面积。
根据不同情况，所述电池组壳可被构造为其中限定在冷却剂出口端和电池模块之间的流动空间(“出口通道”)朝冷却剂出口端被逐渐加宽的结构。所述流动穿过电池模块的冷却剂被收集在出口通道中。从而，可通过减少在远离冷却剂出口端的区域处的出口通道的尺寸，改善冷却剂排放的容易性。
根据本发明的另一方面，提供了一种被构造为其中电池模块被安装在具有上述构造的中型或大型电池组壳内的结构的中型或大型电池组。
在本说明书中使用的术语“电池模块”内含了如下电池***结构端：其中两个或更多个可被充电和放电的电池单元相互机械且同时电连接，用以提供高功率、大容量电能。因此，电池模块自身可构成单个装置或者大型装置的一部分。例如，相互连接多个小型电池模块从而构成一大型电池模块。
所述电池模块可包括多个可被充电和放电的平板状电池单元。在本说明书中，术语“平板状”意谓着具有相对大的长宽比的长方体的形状。
所述电池单元可以是二次电池，诸如镍金属氢化物二级电池或者锂二次电池。在这些二次电池中，优选使用锂二次电池，因为锂二次电池具有高能量密度和放电电压。基于形状，优选使用棱柱形电池或袋状电池作为构成电池模块的可充电和可放电单元主体。更优选的是，使用袋状电池作为电池模块的单元主体。
电动车辆或混合电动车辆的安全性可能会因高温热量而严重下降，所述高温热量由组合的用以提供高功率和大容量的多个电池单元在其充电和放电过程中产生，本发明的中型或大型电池组优选用作这些电动车辆或混合电动车辆的能量来源。
附图说明
从下面结合附图的详细说明中，可以更加清晰地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，在所述附图中：
图1是一个典型示出被构造为其中一电池模块被安装在具有波状部的常规电池组壳内的结构的中型或大型电池组的截面图；
图2是一个示出在图1中所示的中型或大型电池组的电池组壳的外观的立体图；
图3是一个示出在以图1中所示的结构制造的中型或大型电池组的电池单元之间的冷却剂流量分配的测量结果的曲线图；
图4是一个典型示出被构造为其中一电池模块被安装在根据本发明一优选实施方案的电池组壳内的结构的中型或大型电池组的截面图；
图5是一个示出在以图4中所示的结构制造的中型或大型电池组的电池单元之间的冷却剂流量分配的测量结果的曲线图；
图6是一个典型示出被构造为其中一电池模块被安装在根据本发明另一优选实施方案的电池组壳内的结构的中型或大型电池组的截面图；以及
图7是一个示出在以图6中所示的结构制造的中型或大型电池组的电池单元之间的冷却剂流量分配的测量结果的曲线图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述根据本发明的优选实施方案。然而，应注意的是，本发明的范围不受所示出的实施方案的限制。
图4是一个典型示出被构造为其中一电池模块被安装在根据本发明一优选实施方案的电池组壳内的结构的中型或大型电池组的截面图。
参照图4，中型或大型电池组包括：一电池模块200，所述电池模块200被构造为其中多个平板状电池单元210相互电和机械连接的结构；以及一电池组壳100，电池模块200安装在该电池组壳中。
电池组壳100被构造为其中电池组壳100沿电池单元210的堆叠方向a的长度大于电池组壳100沿电池单元210的横向方向b的长度的结构。电池组壳100包括一冷却剂入口端和一冷却剂出口端，所述冷却剂入口端和冷却剂出口端被布置为，使得冷却剂可沿垂直于电池单元的堆叠方向的方向从电池模块200的一侧流动至另一侧。
在电池模块200的每个电池单元210之间限定有小间隙，使得冷却剂可流过所述间隙。从而，通过冷却剂入口端导入的冷却剂流过所述间隙。此时，从电池单元210中产生的热量被冷却剂去除。此后，将所述冷却剂排出冷却剂出口端。
根据本实施方案的电池组壳100与图1中所示的电池组壳10的不同之处在于，波状部110未形成在邻近于冷却剂入口端的电池组壳100的预定区域s处。由于波状部110未形成在电池组壳100的区域s处，冷却剂流量的分配均匀性被进一步改善。
关于这一点，图5示出了在以图4中所示的结构制造的中型或大型电池组的电池单元之间的冷却剂流量分配的测量结果。具体而言，在图5中既示出了图1的中型或大型电池组中的冷却剂流量分配的测量结果X，也示出了图4的中型或大型电池组中的冷却剂流量分配的测量结果Y。
当比较Y的冷却剂流量差y与X的冷却剂流量差x时，相邻于冷却剂入口端的电池单元处的冷却剂流量不被波状部打扰，从而使Y的冷却剂流量差y小于X的冷却剂流量差x，从而，提高了冷却剂流量的分配均匀性。
图6是一个典型示出被构造为其中一电池模块被安装在根据本发明另一优选实施方案的电池组壳内的结构的中型或大型电池组的截面图。
参照图6，电池组壳100a被构造为如下结构，在该结构中电池组壳100a沿电池单元的堆叠方向a的长度大于电池组壳100a沿电池单元的横向方向b的长度，波状部110a被形成在电池组壳100a处，使得波状部110a被布置为平行于电池单元的横向方向b，并且在邻近于冷却剂入口端的入口通道120a的预定区域处，波状部110a的向内高度朝冷却剂入口通道逐渐减少(h1＜h2＜h3)。该波状部结构进一步改善了冷却剂流量的分配均匀性。
关于这一点，图7示出了在以图6中所示的结构制造的中型或大型电池组的电池单元之间的冷却剂流量分配的测量结果。具体而言，在图7中既示出了图1的中型或大型电池组中的冷却剂流量分配的测量结果X，也示出了图6的中型或大型电池组中的冷却剂流量分配的测量结果Z。
当比较Z的冷却剂流量差z与X的冷却剂流量差x时，借助于其中波状部的向内高度朝冷却剂入口通道逐渐减少的波状部结构，由波状部引起的对相邻于冷却剂入口端的电池单元处的冷却剂流量的干扰减少，在冷却剂入口端区域处，冷却剂的压力相对较高，从而使Z的冷却剂流量差z小于X的冷却剂流量差x，从而，通过图6中所示的电池组壳的结构改善了冷却剂流量的分配均匀性。
图5中所示的Y的冷却剂流量差y和图7中所示的Z的冷却剂流量差z表明，冷却剂入口端附近位置处的冷却剂流量差大于远离冷却剂入口端的位置处。因此，如上所述，通过减少冷却剂入口端的截面积，使得冷却剂入口端的截面积小于冷却剂出口端的截面积，可进一步基于距离差而减少冷却剂流量差之间的波动范围。
工业适用性
正如从上述说明书中显而易见的，根据本发明的中型或大型电池组壳能够改善冷却剂流量的分配均匀性，同时使其抵抗外力的结构稳定性的减少最小化。因此，根据本发明的中型或大型电池组壳具有有效去除在电池单元之间累积的热量的效果，从而，极大地提高电池单元的性能和使用寿命。
尽管已出于示例性目的公开了根据本发明的优选实施方案，本领域中普通技术人员将意识到各种修改、添加和替换都是可以的，而不偏离在所附权利要求中公开的根据本发明的范围和主旨。

Claims (9)

1.一种中型或大型电池组壳，其中安装有电池模块，所述电池模块具有多个可被充电和放电的堆叠的电池单元，其中
所述电池组壳设置有一冷却剂入口端和一冷却剂出口端，所述冷却剂入口端和冷却剂出口端被布置为，使得用于冷却电池单元的冷却剂可沿着垂直于电池单元的堆叠方向的方向从电池模块的一侧流动到另一侧，并且
所述电池组壳进一步设置有以凹凸形状形成的用以提高电池组壳抵抗外力的结构稳定性的波状部，所述波状部被构造为其中波状部不干扰冷却剂从冷却剂入口端处沿冷却剂的前进方向在冷却剂入口端和电池模块之间限定的入口通道中流动的结构，
其中所述波状部具有2～5mm或者相当于冷却剂入口端的竖直截面高度的10％～30％的向内高度，
其中所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中电池组壳沿电池单元的堆叠方向的长度大于电池组壳沿电池单元的横向方向的长度，所述波状部被布置为平行于电池单元的横向方向，并且所述波状部未形成在邻近于冷却剂入口端的入口通道的预定区域处，其中未形成有波状部的所述预定区域具有相当于入口通道总长度的10～30％的长度；或者
其中所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中，电池组壳沿电池单元的堆叠方向的长度大于电池组壳沿电池单元的横向方向的长度，在电池组壳上形成波状部，使得所述波状部被布置为平行于电池单元的横向方向，并且在相邻于冷却剂入口端的入口通道的预定区域处，波状部的向内高度朝冷却剂入口端逐渐减少，其中在其处波状部的向内高度逐渐减少的所述预定区域具有相当于入口通道总长度的15～50％的长度；或者
其中所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中电池组壳沿电池单元的堆叠方向的长度大于电池组壳沿电池单元的横向方向的长度，并且在电池组壳上形成波状部，使得所述波状部被布置为垂直于电池单元的横向方向并且，同时，平行于布置冷却剂入口端的方向。
2.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中所述波状部具有3～4mm或者相当于冷却剂入口端的竖直截面高度的15～25％的向内高度。
3.根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳，其中所述电池组壳被构造为这样的结构，在该结构中一排气扇被安装在冷却剂出口端中用于在冷却剂流过电池模块之后，将通过冷却剂入口端导入的冷却剂强行移动至冷却剂出口端。
4.根据权利要求3所述的中型或大型电池组壳，其中所述冷却剂入口端具有相当于冷却剂出口端的竖直截面积的50～90％的竖直截面积。
5.根据权利要求3所述的中型或大型电池组壳，其中所述电池组壳被构造为其中限定在冷却剂出口端和电池模块之间的出口通道朝冷却剂出口端被逐渐加宽的结构。
6.一种中型或大型电池组，该中型或大型电池组被构造为其中电池模块被安装在根据权利要求1所述的中型或大型电池组壳中的结构。
7.根据权利要求6所述的中型或大型电池组，其中所述电池模块包括多个可被充电和放电的平板状电池单元。
8.根据权利要求7所述的中型或大型电池组，其中所述电池单元是锂二次电池。
9.根据权利要求6所述的中型或大型电池组，其中所述电池组被用作电动车辆或混合电动车辆的能量来源。
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