CN102447146A - 用于可再充电能量存储***组件的集成式热量和结构管理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于可再充电能量存储***组件的集成式热量和结构管理，公开了用于可再充电能量存储***(RESS)组件的热量管理部件和使用该部件管理RESS电池模块的温度的方法。所述热量管理部件包括(i)具有限定在其中的腔室的框架；和(ii)与所述框架的至少一部分机械连接的换热板。所述方法包括(a)提供本文所述的热量管理部件；和(b)使至少一种导热流体循环通过所述部件。

Description

用于可再充电能量存储***组件的集成式热量和结构管理
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年10月11日提交的美国临时申请No.61/391,823的优先权及其它权益，该申请的内容通过引用包含于本文。
技术领域
本申请涉及为需要冷却或加热的电池模块提供热量管理。
背景技术
混合动力车和电动车通过补充(在混合动力车的情形下)或完全取代(在电动车的情形下)内燃机(ICE)为车辆动力的传统方式提供另一种选择。在这种混合动力或电动车结构中，至少一部分动力由作为直流(DC)电压源的一个或多个电池组提供给电动机、发电机或变速器，进而可用于提供转动一个或多个车轮所需的能量。用于车辆推进的电池组结构的一个有价值的特征是，它们是可再充电的，例如，通过传统的120/240伏外接交流(AC)电源。这种电池组结构称为可再充电能量存储***(RESS)，其可构造为由一系列单独电池组成的一个或多个模块。
RESS组件需要热量管理，以保持性能和完整。在某些情形下，RESS的电池在过高的温度下充电或运行会降低电池的寿命。类似地，在某些情形下，电池在过低温度下充电或运行会导致永久的电池损坏。因此，为了克服这类事件的可能性，并促进提高电池效率，开发了传统的热量管理***。
在一种传统的热量管理***结构中，RESS位于一框架中，其可另外包括散热片、用于电池组各单元的冷却液的通路或通道。在该设计中，冷却板由挤制铝结构制成，该挤制铝结构随后被切割并与管座装置加工在一起，以提供在冷却板内机加工或以其它方式形成的冷却通路转弯。这种冷却板设计在加工期间需要多片和紧密的公差，以(除其它方面以外)保持板平整度。
例如传统RESS热量管理***的热量管理方法的一个例子，参考图1。该方法构造为多个板(例如，前板10和后板15)通过形成冷却通路的冷却剂管路55彼此热连接的组件。前冷却板10由上板部分20和下板部分25构成，后冷却板15由上板部分30和下板部分35构成。在前冷却板10的上板部分20与下板部分25之间是冷却剂流过的一系列通道40。该通道40被机加工、模制或以其它方式形成在上板部分20与下板部分25之间。还可通过向上板部分20与下板部分25之间以其它方式存在的空腔中安装进单独的流路装置来形成通道。类似地，在后冷却板15的上板部分30与下板部分35之间具有冷却剂通道45。冷却剂输入管50连接至后冷却板15的冷却剂通道45。冷却剂流过输入管50和后冷却板15的冷却剂通道45。管道55将后板15的冷却剂通道45与前冷却板10的冷却剂通道40连接。冷却剂从管道55流过前板10的冷却剂通道40，然后通过冷却剂出口60排出。
尽管存在热管理RESS组件的传统方法，例如上述那些方法，但是传统的方法和装置仍有限制。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于RESS组件的热量管理部件和管理RESS电池模块的温度的方法。
在本发明的多个实施例的一部分中，提供了用于RESS组件的热量管理部件，包括(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；和(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸。所述腔室构造成接收、包含和引导至少一种导热流体的流动。所述换热板具有相对的第一和第二表面，这两个表面均在所述腔室上延伸。所述换热板构造成与RESS电池模块机械连接且热连接，并且构造成在至少一种导热流体被接收、容纳和流过所述腔室时与该至少一种换热流体热连接。
在本申请多个实施例的一部分中，还提供了管理RESS电池模块的热能的方法。所提供的方法包括(a)提供本文所述的热量管理部件；和(b)使至少一种导热流体循环通过所述部件。在一些实施例中，所提供的方法包括通过循环具有比换热板更低热能的导热流体来减少或保持与所述换热板热连接的RESS电池模块的热能。在一些实施例中，所提供的方法包括通过循环具有比换热板更高热能的导热流体来增加与所述换热板热连接的RESS电池模块的热能。
本发明提供下列技术方案。
技术方案1：一种用于RESS组件的热量管理部件，包括：
(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；
其中所述腔室构造成接收、容纳和引导至少一种导热流体的流动；
(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸；
其中所述换热板构造成与RESS电池模块机械连接且热连接，并且构造成在至少一种导热流体被接收、容纳和流过所述腔室时与该至少一种导热流体热连接。
技术方案2：如技术方案1的热量管理部件，包括在所述腔室中的至少一个流路结构，所述至少一个流路结构限定了用于至少一种导热流体的流路。
技术方案3：如技术方案2的热量管理部件，其中所述至少一个流路结构被模制进所述框架的中间部分，并且从限定用于导热流体的流动通道、换热流体的流动换向或中断、保持换热流体之间的分隔的屏障、或它们的组合的机体中选择。
技术方案4：如技术方案1的热量管理部件，包括与所述腔室流体连通的至少一个入口和至少一个出口。
技术方案5：如技术方案1的热量管理部件，其中所述框架包括在所述第一或第二部分中至少一个内的槽，所述槽含有衬垫、O形圈、密封件或它们的组合。
技术方案6：如技术方案1的热量管理部件，其中所述换热板通过螺钉、螺栓、粘合剂或焊接中的一种或多种机械地连接到所述框架的至少第一和第二部分。
技术方案7：一种用于RESS组件的热量管理部件，包括：
(i)具有由中间部分分隔的基本上平面的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分从所述第一和第二部分的平面开始延伸，并限定一腔室，该腔室具有模制在其中的至少一个流路结构；
(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板具有相对的第一和第二表面，该第一和第二表面都在所述腔室上延伸；
其中所述换热板的第一表面构造成与RESS电池模块机械连接且热连接。
技术方案8：如技术方案7的热量管理部件，其中所述腔室构造成接收、容纳和引导至少一种导热流体的流动；并且其中所述换热板的第二表面构造成与所述至少一种导热流体热连接。
技术方案9：如技术方案8的热量管理部件，包括与所述腔室流体连通的至少一个入口和至少一个出口。
技术方案10：如技术方案9的热量管理部件，所述框架包括在所述第一或第二部分中至少一个内的槽，所述槽含有衬垫、O形圈、密封件或它们的组合。
技术方案11：如技术方案9的热量管理部件，所述换热板通过螺钉、螺栓、粘合剂或焊接中的一种或多种机械地连接到所述框架的至少第一和第二部分。
技术方案12：一种管理RESS电池模块的热能的方法，包括：
(a)提供热量管理部件，包括：
(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；以及
(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸，并且与RESS电池模块热连接；以及
(b)使至少一种导热流体循环通过所提供的热量管理部件，所述至少一种导热流体与所述换热板热连接。
技术方案13：如技术方案12的方法，包括通过循环具有比所述换热板更低热能的导热流体来减少所述RESS电池模块的热能。
技术方案14：如技术方案12的方法，包括通过循环具有比所述换热板更高热能的导热流体来增加所述RESS电池模块的热能。
技术方案15：如技术方案12的方法，其中所述热量管理部件包括在所述腔室中的至少一个流路结构，所述至少一个流路结构限定了用于所述至少一种导热流体的流路。
技术方案16：如技术方案15的方法，其中所述至少一个流路结构为模制进所述框架的中间部分的壁。
技术方案17：如技术方案12的方法，其中所述热量管理部件包括与所述腔室流体连通的至少一个入口和至少一个出口。
技术方案18：如技术方案12的方法，其中所述热量管理部件的框架包括在所述第一或第二部分中至少一个内的槽，所述槽含有密封件、O形圈、衬垫或它们的组合。
技术方案19：如技术方案12的方法，所述换热板通过螺钉、螺栓、粘合剂或焊接中的一种或多种机械地连接到所述框架的第一和第二部分。
附图说明
结合附图，通过参考下面的详细描述，可容易地获得本发明的更加完整的评估及其许多实施方式，同时可更好地理解，其中：
图1为现有冷却组件的一个实施例的视图；
图2示出了根据本申请实施例的热量管理部件的一个例子的视图；
图3A示出了根据本申请实施例的集成式热量管理部件的一个例子，其中图3B为图3A的一部分的详细视图；以及
图4示出了根据本申请的热量管理部件的特定实施方式。
具体实施方式
现在描述本公开的具体实施例。但是，本发明可以多种形式表现，不应当限于本文所述实施方式地构造。相反，提供这些实施例使得本公开是全面且完整的，并向本领域的技术人员完全表现本发明的范围。
除非以其它方式限定，否则本文所使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常所理解的相同的含义。本发明说明书中所使用的术语仅用于描述特定的实施例，而不是意欲限制本发明。如说明书和所附权利要求中所使用的，除非在上下文中以其它方式明确地表示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意欲也包括复数形式。
注意，本文术语“优选地”、“一般地”和“通常”不用于限制所要求保护的本发明的范围，或暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能是关键的、实质的或者重要的。相反，这些术语仅仅是意欲强调在本发明特定实施例中可使用或可不使用的可选或另外的特征。
为描述和限定本发明的目的，注意，术语“***”在本文用于表示部件和各部件的组合，不管该***是否与其它***组合。例如，根据本发明的“***”可包括电化学转换***或燃料电池***、含有电化学转换***的车辆等。
注意，术语“基本上”在本文用于表示对量化比较、值、测量或其它表示做出贡献的不确定性的内在程度。术语“基本上”在本文还用于表示量化表示可从设定基准偏离且不会导致所述主题基本功能的变化的程度。
热量管理部件
在本申请的各实施例中，提供了用于RESS组件的热量管理部件。所提供的热量管理部件包括(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；和(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸。所述腔室构造成容纳至少一种导热流体的流动。所述换热板构造成与RESS电池模块机械连接且热连接，并且构造成在至少一种导热流体被接收、包含和流过所述腔室时与该至少一种换热流体热连接。如本文所使用的，“导热流体”意味着流体、气体或其它可流动介质。
在某些实施例中，本申请涉及热量管理部件，当用作可操作热量管理***的一部分时，所述热量管理部件用于冷却RESS组件。在这类实施例中，从冷却剂中选择所述至少一种导热流体。为示出性目的，下面的公开涉及这类部件、流体和***。然而，本发明可以不同的形式表现，不应当限制这些实施例来构造。例如，其中热量管理部件构造成用作可操作***的一部分以加热或保持RESS组件的温度的实施例可被具体地认为是在本申请的范围内，如不是冷却剂的导热流体。
所提供的热量管理部件使得能够集成各种RESS冷却部件，以提高RESS和热量管理***的整体操作性。例如，所提供的部件可提供如下优点中的一个或多个：减少零件数量，提高可制造性，用于额外能量的额外封装容量，以及比传统热量管理部件更高的可靠性。所提供部件的一个特定实施例包括模制RESS框架，其中冷却剂通道可直接形成进框架中，并被与各种RESS电池模块或单元热连接的换热板封盖。在一种形式中，冷却剂通路通过直接铸造或模制(为便于理解，术语“模制”用于指模塑、铸造或将冷却通路一体制成为封闭件一部分的其它方法)形成进所述框架中。
图2中示意性地示出了所提供热量管理部件的一个例子的实施例。框架100(可为但不限于RESS封闭件)可由适当的结构材料制成，例如铸造金属、机加工金属或模制塑料。在一些实施例中，所述框架可为用于RESS的模块105的承载。框架100可以为保持特定元件提供的多种几何构型存在，并且其可与其它车辆零件分离或集成。因此，所提供的部件提供了灵活的整体设计和构造，并相对于传统RESS热量管理部件所具有的某些限制提供了一定的自由度。在一个实施例中，框架100和冷却***(包括换热板110和用于容纳至少一种导热流体的腔室130)可与含有RESS组件的结构集成在一起。
框架100包括至少第一和第二部分115、120，换热板110安装在其上。在一些实施例中，第一和第二部分115、120在相同平面内可以为平面的，从而便于连接并降低组装或加工难度。换热板110可通过例如冲压或铸造制成，并可使用螺钉、螺栓、粘合剂、焊接或其它传统方法机械地连接至框架100，如本领域的技术人员所公知的。换热板110可以是，但不是必须为，基本上平面的。可以想到，在第一和第二部分115、120与换热板110之间可布置衬垫、O形圈或密封件，以在其间形成密封。可选地，框架100可包括用于密封层、O形圈或衬垫的槽125。换热板110的表面限定了与产生热量的RESS模块105的相对大表面热连接的较大表面区域。在一种特定形式中，通过将RESS模块105直接安装在换热板110上以在其间建立直接的物理接触来建立热连接。因此，在一些实施例中，换热板110可以为RESS的模块105的承载。
在框架100的第一和第二部分115、120之间，框架100的中间部分(未标记)从第一和第二部分115、120的平面沿着与RESS模块105相对的方向开始延伸，从而限定了腔室130。腔室130可以，但不是必须为，包括限定用于至少一种换热流体的流动通道140的一个或多个流路结构135。在一些实施例中，所述一个或多个流路结构130被模制进框架100中，从而减少了零件数量。可选的结构135可限定用于换热流体流动的离散流动通道；可为用来转向或中断换热流体的流动的机体；可以为保持一种换热流体与另一换热流体分开的机体；或者它们的组合。例如，可以想到，所述结构135可以为模制进或机械地连接至框架100的壁，所述壁限定了用于引导至少一种换热流体的流路140的离散通道。还可想到，这种离散通道可构造成保持一种换热流体与另一换热流体分开，同时流过腔室130(例如，用于具有两个闭环流路的***)。例如另一例子，可以想到，所述结构135可为模制进或机械地连接至框架100的壁、分壁或其它机体，用于中断腔室130中换热流体的移动，从而增加在排出腔室130之前在腔室130内的停留并与换热板110接触的时间。不管腔室130中所含有的流路结构135的存在或类型，热量管理部件都另外包括与腔室130流体连通的至少一个入口145和出口150，从而为至少一种换热流体提供进入和排出的位置。在一些实施例中，如图2所示，入口140和出口150可完全或部分地与换热板110集成(例如通过模制)或者机械地连接在换热板110上。但是，也可想到，入口145和出口150可以可选地与换热板110分离，并与腔室130流体连通，而不接触换热板110。
作为热量管理***的一部分，所提供的热量管理部件与RESS电池模块机械并且热连接，在一些实施例中，还可至少部分地支撑RESS电池模块。还可想到，RESS***中需要热量管理的其它部件也受益于当前的热量管理部件以及因此的高效换热关系。例如，部件(例如电池断开单元、电池控制器模块和电池感测模块，以及其它控制器、接触器和电子装置或散热片(都未示出))也可安装成抵靠所提供部件的换热板，以便于其间的热传递。本领域的技术人员应理解，本发明同样可应用于必须将热量传送至部件而不是将其传送离开的情形，并且热量流动的方向并不会破坏本发明的新颖性。
在图2所示的实施例中，通过所提供的部件而变得可能的电池模块105的热管理从模块105一侧(特别地，底部)的热交换而发生。尽管未示出，但是所提供的部件可延伸成提供多侧热交换。例如，模块105的底部及一侧或多侧可与换热板110机械和热连接，换热板110和框架100可同样构造。
参考图3，示出了所提供热量管理部件的另一实例的实施方式。所示框架200具有由中间部分215分开的第一部分205和第二部分210，中间部分215限定了从第一和第二部分205、210开始并在其间延伸的腔室220。换热板225至少在第一和第二部分205、210处机械地连接至框架200。换热板225具有两个相对的表面(未标记)，并在腔室220上延伸，它可通过螺栓、螺钉、密封件或其它机械连接装置连接至框架200。在一些实施例中，可以想到，机械连接可从永久性或可拆卸式中选择。可选地，在换热板225与框架200之间可布置衬垫、O形圈或密封件(均未示出)。所述热量管理部件还包括与腔室220流体连通的入口230和出口235。如图所示，入口230和出口235至少部分地与换热板225集成。
操作中，至少一种换热流体通过入口230、235进入所述部件，在通过出口230、235排出之前流向并通过腔室220。换热流体的流动可由至少一个流动控制装置来控制，例如风扇或泵，所述流动控制装置与热量管理部件通信。当至少一种换热流体流过腔室220时，它与换热板225热连接，在换热板225与所述至少一种换热流体之间发生热能传递。在一些实施例中，热能被至少一种换热流体从换热板225吸收，从而减少了换热板225的热能。在该实施例中，如果RESS组件(未示出)与换热板225热连接，那么由于热能从RESS组件传递到换热板225然后传递到所述至少一种换热流体，所以RESS组件的热能会减少(或保持在稳定状态)。在一些实施例中，热能通过至少一种换热流体释放到换热板225，从而增加了换热板225的热能。在该实施例中，如果RESS组件(未示出)与换热板225热连接，那么由于热能从所述至少一种换热流体传递到换热板225然后传递到RESS组件，所以RESS组件的热能会增加(或保持在稳定状态)。
在一些实施例中，腔室220可包括模制在其中的一个或多个流路结构(未示出)。该流路结构可构造成增加腔室220中至少一种换热流体的停留时间；中断或换向换热流体的流动；增加与换热板255接触的表面积；限定用于引导换热流体的流动的离散通道；或它们的组合。因此，所提供的部件为具体的RESS需求提供了灵活的热量管理。这在图4中图示出来，其示出了用于换热流体的多种流路选择。在某些实施例中，可利用计算流体动力学(CFD)方面来设计流体流路。因此，可为RESS热量管理***提供定制的和成本有效的选择。
热量管理方法
在本申请的各种实施例中，还提供了管理RESS电池模块的热能的方法。所提供的方法包括：(a)提供热量管理部件；和(b)使至少一种导热流体循环通过所述部件。所述热量管理部件包括(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；和(ii)与至少所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸，并与RESS电池模块热连接。
在所提供方法的不同实施例中，使至少一种换热流体循环通过所述部件包括使所述流体通过入口进入热量管理部件，和在通过出口排出之前流向并通过所述腔室。换热流体的流动可由至少一个流动控制装置控制，例如风扇或泵，所述流动控制装置与热量管理部件通信。在一些实施例中，所述方法包括引起在所述部件的换热板与至少一种换热流体之间的热能传递。通过在至少一种换热流体流过腔室时，确保该至少一种换热流体保持与换热板热连接，在换热板与所述至少一种换热流体之间可发生热能的传递。当换热板的热能发生变化时，RESS电池模块与换热板之间也会发生热能的传递。
在一些实施例中，所提供的方法包括通过从RESS电池模块向与其热连接的换热板传递热能来减少RESS电池模块的热能(或保持在稳定状态)。进而，所述换热板的热能可被与其热连接的至少一种换热流体吸收。
在一些实施例中，所提供的方法包括通过从与换热板热连接的至少一种换热流体向该换热板传递热能、并从换热板向与其热连接的RESS电池模块传递热能来增加RESS电池模块的热能(或保持在稳定状态)。
本领域的技术人员应当清楚，所述方法可包括提供本申请中所述的任意热量管理部件和使至少一种换热流体从其循环通过。
参考其具体实施例，已经详细描述了管理RESS电池模块的热能的所提供的热量管理部件和方法，应当清楚，在不脱离由本文和所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可进行修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于RESS组件的热量管理部件，包括：
(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；
其中所述腔室构造成接收、容纳和引导至少一种导热流体的流动；
(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸；
其中所述换热板构造成与RESS电池模块机械连接且热连接，并且构造成在至少一种导热流体被接收、容纳和流过所述腔室时与该至少一种导热流体热连接。
2.如权利要求1的热量管理部件，包括在所述腔室中的至少一个流路结构，所述至少一个流路结构限定了用于至少一种导热流体的流路。
3.如权利要求2的热量管理部件，其中所述至少一个流路结构被模制进所述框架的中间部分，并且从限定用于导热流体的流动通道、换热流体的流动换向或中断、保持换热流体之间的分隔的屏障、或它们的组合的机体中选择。
4.如权利要求1的热量管理部件，包括与所述腔室流体连通的至少一个入口和至少一个出口。
5.如权利要求1的热量管理部件，其中所述框架包括在所述第一或第二部分中至少一个内的槽，所述槽含有衬垫、O形圈、密封件或它们的组合。
6.如权利要求1的热量管理部件，其中所述换热板通过螺钉、螺栓、粘合剂或焊接中的一种或多种机械地连接到所述框架的至少第一和第二部分。
7.一种用于RESS组件的热量管理部件，包括：
(i)具有由中间部分分隔的基本上平面的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分从所述第一和第二部分的平面开始延伸，并限定一腔室，该腔室具有模制在其中的至少一个流路结构；
(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板具有相对的第一和第二表面，该第一和第二表面都在所述腔室上延伸；
其中所述换热板的第一表面构造成与RESS电池模块机械连接且热连接。
8.如权利要求7的热量管理部件，其中所述腔室构造成接收、容纳和引导至少一种导热流体的流动；并且其中所述换热板的第二表面构造成与所述至少一种导热流体热连接。
9.如权利要求8的热量管理部件，包括与所述腔室流体连通的至少一个入口和至少一个出口。
10.一种管理RESS电池模块的热能的方法，包括：
(a)提供热量管理部件，包括：
(i)具有由中间部分分隔的第一部分和第二部分的框架，所述中间部分限定了从所述第一和第二部分开始并在其间延伸的腔室；以及
(ii)至少与所述框架的所述第一和第二部分机械连接的换热板，所述换热板在所述腔室上延伸，并且与RESS电池模块热连接；以及
(b)使至少一种导热流体循环通过所提供的热量管理部件，所述至少一种导热流体与所述换热板热连接。
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