CN101621142A - 圆柱型电池模块的冷却架以及圆柱型电池包 - Google Patents

Abstract

本发明提供了采用类管壳式结构的圆柱型电池模块的冷却架，它包括壳体和圆管；圆管的两端管口均连接在壳体上，且壳体上存在与圆管管口大小、位置相对应的孔使圆管仍然为通管；壳体与圆管共同构成空腔体结构。壳体与圆管共同构成的空腔体为封闭式的，但是在壳体上留有冷却剂流入孔和流出孔以供冷却剂流出和流出空腔体。本发明的类管壳式冷却架对电池组的冷却效果好，同时还具有支撑、坚固单体电池及电池组的作用。本发明还提供了使用了本发明提供的冷却架的电池组和液冷式的电池包。

Description

圆柱型电池模块的冷却架以及圆柱型电池包

技术领域

本发明涉及电池组及其零部件，尤其是电池组的冷却装置。本发明还涉及一种液冷式的电池包。

背景技术

动力电池一般指具有较高的容量和一定的输出功率密度的电池，可用作电动车辆等运输工具的驱动电源和混合动力电源类电池使用。部分动力电池经过设计改进，通常也能应用做为蓄能电池，包括电网的调峰蓄能电池装置。另外也可用作通讯站的备用电源等。动力电池组一般是由两个以上的动力电池单体所组成。

近年来，锂离子二次电池展现了做为未来的动力电池的美好前景。但是由于锂离子二次电池的结构及原理，锂离子二次电池在使用过程中常因内阻产生较大热量，特别是在大电流放电时，产生的热量更大，因此如果不能从根本上解决锂离子二次电池的热管理问题，将存在安全隐患，并影响电池的使用寿命，直接影响其推广应用。

在锂离子二次电池热管理中，让锂离子二次电池快速降温以及保证电池温度的均一性是主要目标。

美国制造的纯电动车TESLA的电池组采用了冷却剂输送管来给圆柱型的锂离子二次电池降温，但是它的冷却剂输送管不是直接和电池接触，而是通过导热的树脂和电池表面传热。导热树脂的导热能力有限，特别好的导热树脂价格昂贵，因此TESLA的电池组的冷却***效率不够高，为了达到电池冷却，其***耗能也较大。

发明内容

将圆柱型锂离子二次电池做为动力电池组使用时，非常需要一种传热面积大、传导速度快的液冷式冷却装置。另外，现在许多的圆柱形锂离子二次电池组存普遍存在一个问题：电池正负极和集流片的焊接牢固度不好，容易脱落。其中一个原因是电池组的塑料支架刚性不够，另外电池组支架热膨胀系数和金属制的集流片相差较大，时间长以后，由于材料老化等等引起焊接点发生位移，特别是在外力频繁作用场合更是如此。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种采用类管壳式结构的冷却架，它包括壳体和圆管；圆管的两端管口均连接在壳体上，壳体上存在与圆管直径相等的圆孔，且圆孔与圆管管口的数量相等、与管口的位置相对应使得圆管仍然为通管；壳体与圆管共同构成空腔体结构。

所述的壳体与圆管共同构成的空腔体为封闭式的，但是在壳体上留有冷却剂流入孔和流出孔以供冷却剂流出和流出空腔体。冷却剂流入孔和流出孔外接冷却剂循环装置，当圆管中置入圆柱型电池后，冷却剂就可以在空腔内流动从而达到给电池致冷的效果。圆柱型电池可通过电池支架固定。

本发明还提供一种电池组的冷却装置，它包括冷却剂储罐、泵、冷却剂输送管以及本发明申请所要求保护的各种冷却架。

本发明还提供一种液冷式的电池包，它包括一个以上的电池模块、冷却剂储罐、泵、冷却剂输送管，其中，每个电池模块包括本发明申请所要求保护的冷却架、两个电池支架和圆柱型电池。

本发明的圆柱型电池组虽然也采用了类管壳式的结构，但是与管壳式换热器完全不同。如附图1所示的管壳式换热器100(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器。是以封闭在壳体中管束的壁面做为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料(主要是金属材料)制造，能在高温、高压下使用。其结构由壳体101、传热管束102、管板103、折流板(挡板)104、接管106和管箱105等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体110；另一种在管外流动，称为壳程流体111。为提高管外流体的传热分系数，通常在壳体内安装若干挡板。挡板可提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。等边三角形排列较紧凑，管外流体湍动程度高，传热分系数大；正方形排列则管外清洗方便，适用于易结垢的流体。

管壳式换热器是用于液液、气液或者气气间的热量交换，因为不论是气体或者液体，管程流体和壳层流体都能充分的的接触到管壁从而达到理想的换热效果。但是管壳式换热器从未用于固液或者固气间的热量交换，也从未应用于电池组中。管壳式换热器中的圆管主要是为了液体或者气体的通过，因此通常使用管箱来将换热后的气体或者液体收集集中，而且圆管尺寸和长度是根据换热效果来设计，本发明的类管壳式冷却架中圆管的形状和大小根据电池的形状而设计，使电池和管道做到的充分的接触，而在壳程内使用气体或者液体冷却剂，从而达到了非常好的制冷效果。

此外，本发明提供的圆柱型电池组和类管壳式冷却架还包括以下优点：

1、冷却效果好。因为类管壳式冷却架的管道和圆柱型电池侧壁充分接触，不但能给电池迅速降温，而且在每一个类管壳式冷却架内，冷却剂流动的方向相反，能保证电池温度的均一性。

2、类管壳式冷却架还具有支撑、坚固单体电池及电池组的作用。与通常在普通的塑料支架支撑的电池组相比，由于塑料容易形变老化，电池的焊点在震动等条件下容易松动，而本发明所用的是铝制或铝镁合金的类管壳式冷却架，因热膨胀系数和集流片差别相对较小，更抗撞击。

3、模块化设计。可以根据需要选择每个电池包所包括的电池模块，以及每个电池模块所包括的类管壳式冷却架个数。

附图说明

图1是一种管壳式换热器的示意图。

图2A是本发明申请要求保护的一种电池组冷却架的示意图。

图2B是图2A所示电池组冷却架的俯视图。

图2C是图2A所示电池组冷却架的右视图。

图2D是图2A所示电池组冷却架的前视图。

图2E图2A所示的电池组冷却剂架的局部区域剖面图。

图2F图2A所示的电池组冷却剂架的壳体示意图。

图3是本发明申请要求保护的一种电池模块的支架示意图。

图4是本发明申请要求保护的一种电池模块整体示意图。

图5是本发明申请要求保护的一种电池包示意图。

具体实施方式

下面参照上述附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

1、类管壳式冷却架

本发明申请要求保护的一种用于冷却电池的类管壳式冷却架。

该类管壳式冷却架类似于类管壳式换热器：其冷却剂也是在壳体内流动，但是圆管206内主要用来放置圆柱型电池。

如图2A-2F所示，本发明要求保护的类管壳式冷却架200壳壁上开有至少两个以上的孔205，用于冷却剂的在壳体内的进出。可以使用的冷却剂包括常用的冷却液，例如水、高分子化合物及水与高分子的混合物等，还可以根据不同的电池选择其它适宜的冷却剂。

如图2E所示，该类管壳式冷却架200包括至少两个以上、轴线平行的圆柱型圆管206，用来放置圆柱型电池。圆管206的内部直径要略大于圆柱型电池直径，优选圆管206的内部直径比圆柱型电池直径长0.5～5毫米，这是因为为了使电池侧壁和电池套筒侧壁绝缘，在电池和/或电池套筒侧壁上涂上了一层绝缘层，比如电气绝缘的环氧树脂等，所以增大了电池的直径。可以使用的电绝缘材料比如有3M公司的5555电气绝缘树脂、5230N电气绝缘树脂、260电气绝缘树脂、2608G电气绝缘树脂、260C-free电气绝缘树脂、263电气绝缘树脂、265电气绝缘树脂、266电气绝缘树脂、2668G电气绝缘树脂、860系列电气绝缘树脂、501电气绝缘树脂、501h-free电气绝缘树脂、501F电气绝缘树脂、521电气绝缘树脂、521+电气绝缘树脂等。

圆管206的直径一般略大于置入圆管206中电池的直径，但是不能太大，如果太大，圆管206和电池将不能很好的接触，因此圆管206的直径不超过圆管206中电池的直径的110％。

为了便于圆柱型电池和外部集流装置的电连接，圆管206的长度不超过置入圆管206中圆柱型电池的长度，优选圆管206的长度为圆柱型电池长度的5～50％。

为了便于电池组的放置以及模块化，壳体优选为矩形体，该矩形壳体包括矩形框体202和框体两端的相互平行的管板203；而圆管206的两端管口均连接在矩形壳体的管板203部分上，同样，管板上存在与圆管206直径相等的圆孔，且圆孔与圆管管口的数量相等、与管口的位置相对应使得圆管仍然为通管。圆管206与管板203优选成垂直关系。

在本发明中，圆管206的数量至少为一个，圆管为一个的情况即冷却架供单个的大电池使用。但大多数情况下都是在两个以上，而且这些圆管206轴线平行、长度相等。

管壁的厚度可比壳壁厚度略薄。冷却架可以使用注塑或者浇铸等方法一次成型。

本发明的冷却架200内部被至少一个以上的隔栏204(隔栏平面和圆管206轴线平行，隔栏厚度为0.3～3毫米)分成至少两格(两个空间)以上，而且每一格都有两个以上的孔205用于冷却剂的进出。优选类管壳式冷却架内部被分成两格，且两格的冷却剂体流动方向相反，目的是使每格上下温度更加均匀。而每格内优选包括两排圆管206。

优选每格内包括两排管道，这样可以充分利用空间。

冷却架材料可以为铝、铜等传热性好的金属材料，及铝镁等轻质金属合金材料，也可以考虑导热性好的塑料材料。金属优选铝，因为铝的密度小、质量轻、价格合适。金属合金优选优选铝镁合金材料。

当在圆柱形电池组中使用本发明的冷却架时，可以在圆管206和电池之间的缝隙注入导热灌封胶增加热传导性能。

2、电池包

如图3、4、5所示，本发明申请要求保护的圆柱型电池包主要包括一个以上的电池模块400、冷却剂输送管502、泵、圆柱型电池、冷却剂等。其中每个电池模块包括一个以上如上所述类管壳式冷却架200、两个电池模块支架300。

优选地，在电池与圆管206壁的缝隙中注有导热材料以使表面接触充分。这种导热材料的特点是在注入时是液态的，注入后凝结成固态或者半固态。同时在周围环境变化时不再转化成液态甚至固态。这种材料可以是导热灌封胶比如爱玛森康明Emerson&cuming公司的Stycast2850kt等等。

实施例1

1、圆柱型26650磷酸铁锂动力电池包用类管壳式冷却架。

如图2A-2F所示，类管壳式冷却架200形状为矩形，壳壁厚度1.0毫米。

类管壳式冷却架200包括76根圆管，圆管内径为26.5毫米，管壁厚度0.2毫米。76根圆管206呈矩形排列，横排4个，竖排19个。

类管壳式冷却架200被厚度为1毫米的隔栏分成不相通的两格，每格上下均有液体进出口，且两格的冷却剂体流动方向相反，使每格上下温度尽可能保持均匀。

每格内包括两排圆管206，每排两根圆管。

类管壳式冷却其延圆管206轴线方向长度为30毫米，电池置于圆管206中时，电池两端各伸出10毫米。

2、圆柱型26650磷酸铁锂动力电池包。

整个圆柱型26650磷酸铁锂动力电池包括12个电池模块400。

每个电池模块包括5个类管壳式冷却架200。

每个类管壳式冷却架200上安装有76节26650磷酸铁锂离子电池。因此整个电池包包含4560节26650磷酸铁锂圆柱型电池，可以储存大约44kWh的电量，可以够一台普通电动轿车使用要求。

此外，在管道内壁涂有一层3M公司Scotcast的5230N电气绝缘树脂；在圆管206壁和电池侧壁之间的缝隙用爱玛森康明Emerson&cuming公司的Stycast 2850kt导热灌封胶填充。

平行或者垂直隔栏204方向上的相邻两根圆管206之间的间距为1毫米，圆管与类管壳式冷却架内壁之间的最短距离也是1毫米。

每个类管壳式冷却架200所耗的铝材为0.000115立方米，每个电池电池包所有铝材耗体积大约为0.007立方米，重量为18.9公斤。

使用的冷却液体积超过0.07立方米，本实施例中使用乙醇(密度0.7893g/cm3)，总共超过55公斤。

单节26650磷酸铁锂电池为85克，4560节大约为387公斤。整个电池包的重量超过440公斤。

此外，电池包还包括铝质的冷却剂输送管502和冷却剂输送泵。

实施例2

1、圆柱型18650锰酸锂动力电池包用类管壳式冷却架。

类管壳式冷却架200形状为矩形，壳壁厚度1.0毫米。

类管壳式冷却架200包括76根圆管，圆管内径为18.5毫米，管壁厚度0.2毫米。76根圆管206呈矩形排列，横排4个，竖排19个。

类管壳式冷却架200被厚度为1毫米的隔栏204分成不相通的两格，每格上下均有液体进出口，且两格的冷却剂体流动方向相反(一边往上，一边往下)，使每格上下温度尽可能保持均匀。

每格内包括两竖排圆管206。

圆管206轴线方向长度为30毫米，电池置于圆管206中时，电池两端各伸出10毫米。

2、圆柱型18650锰酸锂动力电池包。

整个圆柱型18650锰酸锂动力电池包括15个电池模块8。

每个电池模块400包括5个类管壳式冷却架200。

每个类管壳式冷却架200上有76节18650锰酸锂电池。因此整个电池包包含5700节18650锰酸锂圆柱型电池，能储存约50kWh的电量，可以够一台普通电动轿车使用要求。

此外，在圆管内壁涂有一层3M公司Scotcast的5230N电气绝缘树脂；在圆管206和电池侧壁之间的缝隙用爱玛森康明Emerson&cuming公司的Stycast 2850kt导热灌封胶填充。

平行或者垂直隔栏4方向上的相邻两根圆管206之间的间距为1毫米，圆管206与类管壳式冷却架内壁之间的最短距离也是1毫米。

本实施例中的类管壳式冷却架200所耗的铝材为0.00009立方米，每个电池电池包所有铝材耗费体积约为0.0068立方米，重量为18.4公斤。

冷却液体积大约0.07立方米，本实施例中使用乙醇，重量超过55公斤。

18650锰酸锂单电池每节45克，5700节重大约256公斤，整个电池包的重量大于330公。

此外，电池包还包括铝质的外部的冷却剂输送管205和泵。

值得注意，任何对本发明中所要求保护的方案中所涉及的元器件和方案的明显的置换和变换，比如冷却架的材料、形状、尺寸的变换，或者是在冷却剂架、电池组、电池包上增设其它设备，或者其它制备本发明所要求保护的物件的方法，都应该视同已经被本发明所披露或者已经包括在本发明要求保护的范围之内。

Claims (22)

1.一种圆柱型电池模块的冷却架，其特征在于，采用类管壳式结构，包括壳体和圆管；圆管的两端管口均连接在壳体上，壳体上存在与圆管直径相等的圆孔，且圆孔与圆管管口的数量相等、与管口的位置相对应使得圆管仍然为通管；壳体与圆管共同构成空腔体结构。

2.根据权利要求1所述的冷却架，其特征在于，壳体与圆管共同构成的空腔体为封闭式的，仅在壳体上留有冷却剂流入孔和流出孔以供冷却剂流出和流出空腔体。

3.根据权利要求2所述的冷却架，其特征在于，圆管的直径大于置入圆管中被冷却的圆柱型电池的直径。

4.根据权利要求3所述的冷却架，其特征在于，圆管的直径不超过置入圆管中被冷却的圆柱型电池的直径的110％。

5.根据权利要求3所述的冷却架，其特征在于，且圆管的长度不超过置入圆管中被冷却的圆柱型电池的长度。

6.根据权利要求5所述的冷却架，其特征在于，圆管的长度为置入圆管中被冷却的圆柱型电池长度的5～50％。

7.根据权利要求2所述的冷却架，其特征在于，所述的壳体是矩形体，包括矩形框体和框体两端的相互平行的管板；所述的圆管的两端管口均连接在矩形壳体的管板部分上，且管板上存在与圆管直径相等的圆孔，且圆孔与圆管管口的数量相等、与管口的位置相对应使得圆管仍然为通管。

8.根据权利要求7所述的冷却架，其特征在于，所述的冷却架包括至少两个以上轴线平行、长度相等的圆管。

9.根据权利要求8所述的冷却架，其特征在于，圆管的直径大于置入圆管中被冷却的圆柱型电池的直径，圆管的直径不超过置入圆管中被冷却的圆柱型电池的直径的110％；圆管与管板成垂直关系；圆管的长度不超过置入圆管中被冷却的圆柱型电池的长度。

10.根据权利要求9所述的冷却架，其特征在于，冷却架内部被隔栏分成互不相通的至少两格，且每一格都具有冷却剂进、出孔。

11.根据权利要求10所述的类管壳式冷却架，其特征在于，每格内包括两排圆管。

12.根据权利要求1至11所述的类管壳式冷却架，其特征在于，类管壳式冷却架由金属或者金属合金制成。

13.根据权利要求11所述的类管壳式冷却架，其特征在于，类管壳式冷却架由铝、铜或者镁铝合金制成。

14.根据权利要求12所述的类管壳式冷却架，圆管内壁涂有一层电气绝缘树脂。

15.根据权利要求1至11所述的冷却架在圆柱形电池组中的应用，其特征在于，将圆柱型电池***圆管中，冷却剂流入孔和流出孔外接冷却剂循环装置，冷却剂通过冷却剂流入孔和流出孔在所述的空腔内流入和流出，圆柱型电池通过电池支架进行固定。

16.根据权利要求15所述的冷却架在圆柱形电池组中的应用，其特征在于，圆管和电池之间注入导热灌封胶。

17.根据权利要求12所述的冷却架在圆柱形电池组中的应用，其特征在于，将圆柱型电池***圆管中，冷却剂流入孔和流出孔外接冷却剂循环装置，冷却剂通过冷却剂流入孔和流出孔在所述的空腔内流入和流出，圆柱型电池通过电池支架进行固定。

18.根据权利要求17所述的冷却架在圆柱形电池组中的应用，其特征在于，圆管和电池之间注入导热灌封胶。

19.权利要求1至11所述的冷却架的制备方法，采用一次浇铸或者注塑成型。

20.权利要求12所述的冷却架的制备方法，采用一次浇铸或者注塑成型。

21.圆柱型电池模块的冷却***，包括冷却剂储罐、泵、冷却剂输送管、一个以上如权利要求1至11或权利要求13、14中任一所述的冷却架。

22.电池包，包括一个以上的电池模块、冷却剂储罐、泵、冷却剂输送管，其中，每个电池模块包括一个以上权利要求1至11或权利要求13、14中任一所述的冷却架、两个电池支架和圆柱型电池。

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