利用直接水冷却方式的蓄电池模块及其冷却方法
【专利摘要】本发明涉及利用直接水冷却方式的蓄电池模块及其冷却方法。一具体例中，利用所述直接水冷却方式的蓄电池模块包括：蓄电池；及外壳，收容所述蓄电池并装有制冷剂；且所述蓄电池与所述制冷剂直接接触。
【专利说明】利用直接水冷却方式的蓄电池模块及其冷却方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用直接水冷却方式的蓄电池（二次电池）模块及其冷却方法。更具 体地说，把蓄电池浸渍到制冷剂，通过直接水冷却方式，使制冷剂与蓄电池直接接触而实现 冷却的利用直接水冷却方式的蓄电池模块及其冷却方法。
【背景技术】
[0002] 电池可区分为原电池（一次电池）和蓄电池（二次电池）。原电池是指，利用非可 逆性反应产生电，使用一次之后无法重复使用的电池，通常使用较多的干电池、汞电池、伏 打电池等属于此类。蓄电池是指，利用可逆性反应产生电，使用后可进行充电而重复使用的 电池，铅蓄电池、锂离子电池、镉镍（Ni-Cd)电池等属于此类。
[0003] 最近，可充放电的蓄电池被广泛使用为无线移动设备的能量源。并且，蓄电池可作 为使用石化燃料的传统的汽油车、柴油车等造成的大气污染的解决方案一电子车、混合动 力车等的能量源。因此，使用蓄电池的应用程序的种类因蓄电池的优点而变得多样化，日后 蓄电池将适用到更多领域和产品中。
[0004] 通常，蓄电池单品的构成包括负极、正极、电解质及电线，需要高输出、大容量的电 子车使用连接多个蓄电池而形成的蓄电池组。即，蓄电池组的内部包括如前所述的相互电 气性连接的多个单位蓄电池（单位电池）。并且，所述由多个蓄电池连接的蓄电池组，为了 免受外部冲击及组装的便利性而被收容到盒内。
[0005] 另外，所述蓄电池在充电/放电过程中，产生大量气体的同时，产生热。这时，产生 的气体使单位蓄电池的体积膨胀而导致所述盒膨胀，产生的热使蓄电池热化而减少蓄电池 的电化学性能，因此所述被加热的蓄电池需要迅速冷却。
[0006] 这种蓄电池的冷却方法分为两个大类，水冷却式冷却法及气冷式冷却法。所述水 冷却式冷却法是利用冷却水等热交换媒介（制冷剂）进行冷却的技术，安装具有像电热褥 的线圈形状的制冷剂导管，可与蓄电池外部进行热传导，使制冷剂流入所述制冷剂导管，利 用热传导而间接地冷却蓄电池的技术。例如，韩国授权专利第1112442号中，公开了电池模 块组件，具有多数个单位电池或单位模块串联并被内置于模块盒中的结构的多数个电池模 块相互电气性连接的状态下，以侧面方向相邻的形式排列，为了液状制冷剂的流动，包括制 冷剂导管的冷却部件被安装在所述电池模块的外面。
[0007] 另外，气冷式冷却法是利用外部的空气冷却蓄电池的技术，使用与蓄电池接触的 冷却风扇（cooling fan)等送风,通过强制对流，间接地冷却蓄电池所产生的热的方法。
[0008] 所述的水冷却式冷却法虽然冷却效率优秀，但设计复杂，需要冷水机（chiller)、 加热器（heater)/冷却器（cooler)及冷却流路板等，具有电池模块整体大小过度增大的问 题点。并且所述气冷式冷却法相比所述水冷却式冷却法，结构比较简单，但其冷却效率低， 因蓄电池充放电次数的增加而发热量增加时，不仅冷却得不充分，而且防止外部短路时蓄 电池的起火及由此引发的爆炸的灭火功能甚微，具有稳定性低的问题点。并且，气冷式冷却 法因鼓风机及风管等周边装置的构成，存在设计自由度的制约。
[0009] 因此，目前需要开发能够弥补所述水冷却式及气冷式冷却的缺点的冷却方法。
[0010] 对此，本发明人不断进行研究，研究出蓄电池被浸渍到制冷剂而通过直接水冷却 方式实现冷却，能够提高冷却效率、设计自由度并改善效率性的冷却方法。
【发明内容】
[0011] 本发明的一个观点涉及利用直接水冷却方式的蓄电池模块。一具体例中利用所述 直接水冷却方式的蓄电池模块包括：蓄电池；及外壳，收容所述蓄电池并装有制冷剂；且所 述蓄电池可与所述制冷剂直接接触。
[0012] 一具体例中所述蓄电池为至少两个以上。
[0013] 一具体例中包括所述蓄电池以一定距离相互隔离。
[0014] 一具体例中所述外壳包括导电片，可与所述蓄电池的电极端子电气性连接。
[0015] 一具体例的特征在于，所述制冷剂在1kHz下具有0. 5至2的介电常数（诱电常数， k)。
[0016] 一具体例的特征在于，所述制冷剂的击穿电压（绝缘破坏电压）为40kV至70kV。
[0017] -具体例中所述蓄电池为收容到盒内的形状，收容到所述外壳的盒可接触制冷 剂。
[0018] 本发明的另一观点涉及利用所述直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法。一具 体例中，所述冷却方法包括：把蓄电池装入外壳，往所述外壳填充制冷剂的步骤，所述蓄电 池可直接接触所述制冷剂。
[0019] 一具体例中，所述蓄电池为至少两个以上。
[0020] 一具体例中，包括所述蓄电池以一定距离相互隔离。
[0021] 一具体例中，所述外壳包括导电片，可与所述蓄电池的电极端子电气性连接。
[0022] -具体例的特征在于，所述制冷剂在1kHz下具有0. 5至2的介电常数（k)。
[0023] -具体例的特征在于，所述制冷剂的击穿电压为40kV至70kV。
[0024] 本发明的另一具体例中所述冷却方法包括：把收容到盒内的蓄电池装入外壳，往 所述盒填充制冷剂的步骤，所述制冷剂通过外壳上形成的流路而被传输接触到盒。
[0025] 根据本发明的利用直接水冷却方式的蓄电池模块及其冷却方法，把蓄电池浸渍到 制冷剂，通过直接水冷却方式，使制冷剂与蓄电池直接接触而实现冷却，具有提高冷却效 率、设计自由度并改善效率性的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1呈现根据本发明的一具体例的蓄电池模块。
[0027] 图2(a)及图2(b)呈现根据本发明的另一具体例的蓄电池模块。
[0028] 图3呈现根据本发明的又一具体例的蓄电池模块。
[0029] 图4是呈现根据本发明的实施例1及比较例1的容量维持率实验结果的图表。
[0030] 图5A是呈现本发明的实施例1的输出特性的图表，图5B是呈现本发明的比较例 1的输出特性的图表。
【具体实施方式】
[0031] 本发明的一个观点涉及利用直接水冷却方式的蓄电池模块。
[0032] 另外，本发明中使用的蓄电池只要是可充电及放电的蓄电池即可，并无特殊限制。 例如，锂蓄电池、镍氢（Ni-MH)蓄电池、镍镉（Ni-Cd)蓄电池等，其中优选使用同等重量下具 有高输出的锂蓄电池。
[0033] 并且，本发明的蓄电池形状可使用角形状、圆桶形状及袋形状。优选使用袋形状的 蓄电池。若使用所述袋形状的蓄电池，生产费用低、能源密度高、容易通过并联或串联而构 成大容量的电池组。
[0034] 图1呈现根据本发明的一具体例的蓄电池模块200。参照所述图1，所述蓄电池模 块200包括：蓄电池10 ;及外壳100,收容所述蓄电池10并装有制冷剂。
[0035] 所述蓄电池10如所述图1，包括电极端子12,所述蓄电池10的所述电极端子12 可与所述外壳100电气性连接。
[0036] -具体例中，以提供高输出、大容量为目的，所述蓄电池模块200所包括的所述蓄 电池10可为一个以上。一具体例中，可包括至少两个以上的所述蓄电池10。如所述图1， 所述蓄电池10以一定距离相互隔离而被包括。形成所述隔离距离而被包括时，所述蓄电池 10与所述制冷剂容易接触，具有优秀的冷却效果。
[0037] 并且，本发明的一具体例中，所述外壳100形成导电片（未图示），与所述蓄电池 10的电极端子12电气性连接。
[0038] 一具体例中，所述外壳100所包括的所述蓄电池10,被浸渍到装入所述外壳100的 所述制冷剂，与所述制冷剂直接接触。如所述，所述蓄电池10浸渍到所述制冷剂并接触时， 在宽广的外部温度范围（-50°c至128°C )条件下，不产生因蓄电池10的容量损失或短路引 起的短路现象等阻碍性能的现象而实现冷却。并且，与传统的水冷却式及气冷式冷却法不 同，所述蓄电池10浸渍到所述制冷剂而直接接触，对外部短路导致的蓄电池10的起火时的 灭火功能优秀、稳定性优秀、在汽车运行条件（-40°c至125°C )下的可靠性优秀。
[0039] 本发明所使用的制冷剂可使用一般的。例如，1kHz下具有2以下的介电常数（k)， 只要是击穿电压为40kV以上的制冷剂，就无特殊限制。一具体例中，所述1kHz下，具有 0. 5?2. 0的介电常数（k)，击穿电压为40kV至70kV。适用所述条件的制冷剂浸渍所述蓄 电池10而冷却时，在-50°C至128°C的宽广温度范围条件下，不会产生因所述蓄电池10的 容量损失及电性短路引起的短路现象而实现稳定的冷却。
[0040] 一具体例中，所述制冷剂可在全氟碳化物（PerFluoroCarbons，PFCs)、氢氟碳化物 (HydroFluoroCarbons，HFCs)及氢氯氟碳化合物（HydroChloroFluoroCarbon，HCFC)化合 物中选择其中一个，但并不限定于此。优选使用碳素数7至9个的全氟碳化物化合物。所 述种类的制冷剂具有较强的绝缘特性。
[0041] 举例来说，可使用为所述制冷剂的产品有3M公司的FC-3283、FC-40及FC-43等， 并不限定于此。适用所述种类的制冷剂，所述蓄电池10被浸渍而冷却时，在-50°c至128°C 的宽广温度范围条件下，不会产生因所述蓄电池10的容量损失及电性短路引起的短路现 象而实现稳定的冷却。
[0042] 图2(a)及图2(b)呈现根据本发明的另一具体例的蓄电池模块200。
[0043] 参照所述图2(a)，根据本发明的另一具体例的蓄电池模块200包括：所述蓄电池 10 ;及盒20,收容所述蓄电池10并装有制冷剂。一具体例中，所述蓄电池10上形成的电极 端子12与所述盒20上形成的导电片22电气性连接，收容到所述盒20,从而形成蓄电池模 块 200。
[0044] 并且，参照所述图2(b)，本发明又一具体例中，以提供高输出大容量为目的，所述 盒20所包括的所述蓄电池10可为一个以上。一具体例中，一个以上的蓄电池10上形成的 电极端子12与所述盒20上形成的导电片22电气性连接，一个以上收容到所述盒20,从而 形成蓄电池模块200。
[0045] 图3A及3B呈现根据本发明的又一具体例的蓄电池模块200。参照所述图3A，所 述蓄电池模块200中所述蓄电池10为收容到所述盒20的形状，收容到所述外壳100的盒 20为接触制冷剂的形状。
[0046] 一具体例中，所述外壳100的内部可包括一个以上的所述盒20。
[0047] 参照图3B，通过所述外壳100内部的一个以上的蓄电池10上形成的电极端子12 与所述盒20上形成的导电片22电气性连接，从而形成蓄电池模块200。
[0048] 所述图3A及图3B，所述外壳100可包括流入制冷剂的制冷剂流入口 A及排出制 冷剂的制冷剂排出口 B。并且，所述制冷剂流入口 A及制冷剂排出口 B包括到所述外壳100 的相同面，或相对而被包括。
[0049] 一具体例中，制冷剂流入所述制冷剂流入口 A而与所述盒20内部的所述蓄电池10 直接接触。流入到所述外壳100的制冷剂可与所述盒20接触。流入所述外壳100的制冷 剂通过外壳上形成的流路（未图示）被传输而与所述盒20接触。
[0050] 本发明中所述外壳100可使用金属或塑料材质。所述金属可单独或混合使用镍、 钛金、铝、铜、铁、不锈钢及其合金。
[0051] 所述塑料可选择聚乙烯（Polyethylene, PE)、聚丙烯（Polypropylene, PP)、聚氯 乙烯（Polyvinyl chloride，PVC)、聚偏二氯乙烯（Polyvinylidene chloride，PVDC)、聚对苯 二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terphthalate，PET)、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC)及尼 龙（Nylon)中的其中一个材质。使用所述材质时，即使注入前述种类的制冷剂并接触而进 行冷却，所述外壳100也不会受损，相比目前使用的金属材质的外壳，可使整体重量变轻。
[0052] 本发明中所述盒20可使用金属或塑料材质。所述金属可单独或混合使用镍、钛 金、铝、铜、铁、不锈钢及其合金。
[0053] 所述塑料可选择聚乙烯（Polyethylene, PE)、聚丙烯（Polypropylene, PP)、聚氯 乙烯（Polyvinyl chloride，PVC)、聚偏二氯乙烯（Polyvinylidene chloride，PVDC)、聚对 苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene terphthalate，PET)、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC)及 尼龙（Nylon)中的其中一个材质。使用所述材质时，即使注入前述种类的制冷剂并接触而 进行冷却，所述盒20也不会受损，相比目前使用的金属材质的外壳，可使整体重量变轻。
[0054] 本发明的另一观点涉及利用直接水冷却方式的所述蓄电池模块200的冷却方法。
[0055] 本发明的一具体例中所述冷却方法，包括把蓄电池10装入外壳，往所述外壳100 填充制冷剂的步骤。一具体例中，以提供高输出、大容量为目的，所述外壳100的内部所包 括的所述蓄电池10可为一个以上，因填满所述制冷剂而使所述蓄电池10直接接触到所述 制冷剂。
[0056] 所述蓄电池10如所述图1，包括电极端子12,所述蓄电池10的所述电极端子12 与所述外壳100电气性连接。
[0057] -具体例中，以提供高输出、大容量为目的，所述蓄电池模块200所包括的所述蓄 电池10可为一个以上。一具体例中，可包括至少两个以上的所述蓄电池。如所述图1，所述 蓄电池10相互隔离一定距离而被包括。形成所述隔离距离而被包括时，所述蓄电池10与 所述制冷剂容易接触，冷却效果优秀。
[0058] 并且，本发明的一具体例中，所述外壳100上形成导电片（未图示），与所述蓄电池 10的电极端子12电气性连接。
[0059] 本发明所使用的制冷剂为一般的。例如，1kHz下具有2以下的介电常数（k)，只要 是击穿电压为40kV以上的制冷剂，就无特殊限制。一具体例中，所述1kHz下，具有0. 5? 2. 0的介电常数（k)，击穿电压为40kV至70kV。适用所述条件的制冷剂浸渍所述蓄电池10， 冷却时，在_50°C至128°C的宽广温度范围条件下，不会产生因所述蓄电池10的容量损失及 电性短路引起的短路现象而实现稳定的冷却。
[0060] -具体例中，所述制冷剂可选择全氟碳化物（PerFluoroCarbons，PFCs)、氢氟碳化 物（HydroFluoroCarbons，HFCs)及氢氯氟碳化合物（HydroChloroFluoroCarbon，HCFC)中 的其中一个，但并不限定于此。优选使用碳素数7至9个的全氟碳化物化合物。所述种类 的制冷剂具有较强的绝缘特性。
[0061] 举例来说，可使用为所述制冷剂的产品有3M公司的FC-3283、FC-40及FC-43等， 但并不限定于此。适用所述种类的制冷剂，所述蓄电池10被浸渍而冷却时，在-50°c至 128°C的宽广温度范围条件下，不会产生因所述蓄电池10的容量损失及电性短路引起的短 路现象而实现稳定的冷却。
[0062] 本发明的另一具体例中，所述冷却方法可包括放入收容到盒20的蓄电池10,使所 述盒20填满制冷剂的步骤。以提供高输出、大容量为目的，所述盒20所包括的所述蓄电池 10可为一个以上，因填满所述制冷剂而使所述蓄电池10直接接触到所述制冷剂。
[0063] 本发明的又一具体例中，所述冷却方法包括把收容到所述盒20的所述蓄电池10 放入外壳100,使所述外壳100填满制冷剂的步骤。
[0064] 一具体例中，以提供高输出、大容量为目的，所述盒20所包括的所述蓄电池10可 为一个以上，
[0065] 一具体例中，一个以上的所述盒20可包括于所述外壳100。
[0066] 参照所述图3A及图3B，所述外壳100可包括：制冷剂流入口 A，流入制冷剂；制冷 剂排出口 B，排出制冷剂。并且，所述制冷剂流入口 A及制冷剂排出口 B被包括到所述外壳 100的相同面，或相互相对而被包括。
[0067] 一具体例中，制冷剂流入所述制冷剂流入口 A，并流入所述外壳100。流入所述外 壳100的制冷剂通过外壳上形成的流路（未图示）而与所述盒20接触。
[0068] 以下，通过本发明的优选实施例，更详细地说明本发明的构成及作用。但只是作为 本发明的优选实施例而被公开，不能解释为本发明限定于此。对这里未记载的内容，该技术 领域中的熟练者能够充分地进行技术类推，因此省略其说明。
[0069] 实施例1
[0070] PET材质的盒20上，作为制冷剂而使用并装入介电常数（k)在1kHz下为1. 9的 FC-3283(3M公司），把袋形状的锂锰系蓄电池浸渍到所述外壳100的内部，使所述盒上形成 的导电片22电气性连接所述锂蓄电池的电极12,所述锂蓄电池与所述制冷剂直接接触，从 而制造出如图1(a)的蓄电池模块200。
[0071] 实施例2
[0072] 在外壳100内部，收容了具有袋形状的锂锰系蓄电池的PET材质的盒20共72个。 所述盒20上形成的导电片22电气性连接所述锂蓄电池的电极12,作为制冷剂，在所述外 壳100内部使用FC-3283(3M公司）而填充，使所述锂蓄电池与所述制冷剂接触，从而制造 出如图3A的蓄电池模块200。
[0073] 比较例1
[0074] 除了未使用制冷剂以外，制造了与实施例1相同的蓄电池模块200。
[0075] 比较例2
[0076] 除了未使用制冷剂，为气冷式冷却而包括鼓风机（blower)及风管（duct)以外，制 造出与实施例2相同的蓄电池模块200。
[0077] 测试例
[0078] (1)容量维持率测试：浸渍到所述实施例的制冷剂的蓄电池模块200,以1C反复进 行充电及放电，执行500回合的寿命测试，由此评价出容量维持率。并且，在大气状态下，以 相同条件并行实验与所述实施例1相同的锂锰系蓄电池（比较例1)，实验结果呈现在图4。
[0079] 实验结果，实施例及比较例全部容量维持率为95%以上，不会发生容量损失或短 路现象，由此，可看出本发明的蓄电池模块200浸渍到制冷剂并以直接水冷却方式冷却时， 未对所述蓄电池10的性能产生影响。
[0080] (2)输出特性测试：对所述实施例1中制造的蓄电池模块200,分别在0. 2C及3C 下测定所述实施例1的锂蓄电池的放电容量而评价输出特性，并把结果呈现到图5A。在大 气状态下，以相同条件并行实验与所述实施例1相同的锂锰系蓄电池（比较例1)，并把其结 果呈现到图5B。
[0081] (3)蓄电池模块饱和温度测定：对所述实施例2及比较例2的蓄电池模块，在外部 温度35°C条件下，利用空气的气冷式（比较例2)及直接水冷却（实施例2)进行冷却后，测 定所述实施例2及比较例2的蓄电池模块的饱和温度，把其结果呈现到表1。
[0082] [表 1]
[0083]
【权利要求】
1. 一种利用直接水冷却方式的蓄电池模块，包括： 蓄电池；及 外壳，收容所述蓄电池并装有制冷剂； 所述蓄电池与所述制冷剂直接接触。
2. 根据权利要求1所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块， 所述蓄电池为至少两个以上。
3. 根据权利要求2所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块，包括 所述蓄电池以一定距离相互隔离。
4. 根据权利要求1所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块， 所述外壳包括导电片，与所述蓄电池的电极端子电气性连接。
5. 根据权利要求1所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块， 所述制冷剂1kHz下具有0. 5至2的介电常数（k)。
6. 根据权利要求1所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块， 所述制冷剂的击穿电压为40kV至70kV。
7. 根据权利要求1所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块， 所述蓄电池为收容到盒内的形状，收容到所述外壳的盒接触制冷剂。
8. -种利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法，包括： 把蓄电池装入外壳，往所述外壳填充制冷剂的步骤，所述蓄电池直接接触所述制冷剂。
9. 根据权利要求8所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法， 所述蓄电池为至少两个以上。
10. 根据权利要求9所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法，包括 所述蓄电池以一定距离相互隔离。
11. 根据权利要求8所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法， 所述外壳包括导电片，与所述蓄电池的电极端子电气性连接。
12. 根据权利要求8所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法， 所述制冷剂在1kHz下，具有0. 5至2的介电常数（k)。
13. 根据权利要求8所述的利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法， 所述制冷剂的击穿电压为40kV至70kV。
14. 一种利用直接水冷却方式的蓄电池模块的冷却方法，包括： 把收容到盒内的蓄电池装入外壳，往所述盒填充制冷剂的步骤，所述制冷剂通过外壳 上形成的流路而被传输接触到盒。
【文档编号】H01M10/613GK104282964SQ201410277758
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2013年7月5日
【发明者】林勇虎, 李基旸, 全勇 申请人:现代摩比斯株式会社