CN104247142A - 电池***及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池***及其冷却方法。该***包括蒸发冷却构件和电池模块，该电池模块具有壳体、电池单元和固体散热片。该壳体容纳电池单元。该固体散热片具有第一和第二板部分。该第一板部分被布置得与电池单元相对。该第二板部分延伸通过壳体并且被安装在蒸发冷却构件上。该固体散热片从电池单元向蒸发冷却构件传送热能。该蒸发冷却构件包含气液制冷剂，并且通过从固态散热片接收的热能将气液制冷剂转换为气态制冷剂。

Description

电池***及其冷却方法
技术领域
本发明涉及电池***及用于冷却电池***的方法。更具体地，本发明涉及包括如下的电池***：蒸发冷却构件，在所述蒸发冷却构件中具有管道；电池模块，所述电池模块具有壳体、电池单元和固体散热片；所述壳体被配置为在其中保持所述电池单元，所述固体散热片具有第一和第二板部分，所述第一板部分被布置得与所述电池单元相对，所述第二板部分延伸通过所述壳体并且被布置在所述蒸发冷却构件上，所述固体散热片被配置为将热能从所述电池单元传导到所述蒸发冷却构件；并且所述蒸发冷却构件被配置为在所述管道中接收气-液制冷剂，并且利用从所述固体散热片接收的所述热能将所述气-液制冷剂转换为气态制冷剂，而且，本发明还涉及用于冷却电池***的方法。
背景技术
构成电池***的电池在充电-放电期间产生热。然而，如果从电池产生的热不被从电池去除而是在其中积聚，则可能由于热而降低电池的性能以及在安全方面导致严重问题。
冷却在电池***中是必要的，然而，现有的电池***并没有实现所需水平的冷却。
发明内容
要解决的技术问题
本发明在此已经认识到对于一种改善的电池***和用于冷却该电池***的方法的需要。
作为各种广泛和深入研究以及为解决如上所述的问题的实验的结果，本发明的发明人已经开发了包括电池模块和具有如下所述的特定结构的蒸发冷却构件的电池***，并且证实该电池***能够实现更优越水平的冷却。基于此发现完成了本发明。
技术方案
提供了根据示例性实施例的电池***。电池***包括其中具有管道的蒸发冷却构件。电池***进一步包括电池模块，该电池模块具有壳体、电池单元和固体散热片。壳体被配置为在其中保持电池单元。固体散热片具有第一和第二板部分。第一板部分被布置得与电池单元相对。第二板部分延伸通过壳体，并且被布置在蒸发冷却构件上。固体散热片被配置为将热能从电池单元传导到蒸发冷却构件。蒸发冷却构件被配置为接收气-液制冷剂，并且利用从固体散热片接收的热能将气-液制冷剂转换为气态制冷剂。
提供了根据另一个示例性实施例的一种用于冷却电池***的方法。电池***具有电池模块和蒸发冷却构件。电池模块具有壳体、电池单元和固体散热片。蒸发冷却构件在其中具有管道。固体散热片具有第一和第二板部分。第一板部分被布置得与电池单元相对。第二板部分延伸通过壳体，并且被布置在蒸发冷却构件上。该方法包括：在蒸发冷却构件的管道中接收气-液制冷剂。该方法进一步包括：利用固体散热片将热能从电池单元传导到蒸发冷却构件，以冷却电池模块。该方法进一步包括：利用由蒸发冷却构件从固体散热片接收的热能来将在蒸发冷却构件中的气-液制冷剂转换为气态制冷剂。
附图说明
图1是根据示例性实施例的电池***的框图；
图2是在图1的电池***中利用的外壳的示意图；
图3是图1的电池***的一部分的示意图；
图4是图1的电池***的一部分的放大示意图；
图5是图1的电池***的一部分的截面示意图；
图6是图1的电池***的一部分的放大截面示意图；
图7是图1的电池***的一部分的另一个放大截面示意图；
图8是图1的电池***的一部分的示意图；
图9是图1的电池***的一部分的另一个示意图；
图10是图1的电池***的一部分的另一个示意图；
图11是图1的电池***的一部分的截面示意图；
图12-14是根据另一个示例性实施例的用于冷却图1的电池***的方法的流程图；以及
图15是与在图1的电池***中利用的压缩机相关联的运行曲线的曲线图。
具体实施方式
参见图1-6，图示了根据示例性实施例的用于产生电力的电池***10。电池***10包括压缩机22、冷凝器23、膨胀阀24、蒸发冷却构件26、绝缘层28、电池模块40、42、44、46、48、49、管道50、51、52、53、温度传感器60、冷凝器风扇70、71、微处理器80和外壳90。电池***10的优点是***10利用蒸发冷却构件26来冷却电池模块40-49，如下更详细所述。
为了理解的目的，术语“制冷剂”对应于可以在热循环中在液体和气体之间可逆地转换的物质。示例性制冷剂包括R-11、R-12、R-22、R-134A、R-407C和R-410A。而且，术语“气-液制冷剂”对应于具有气体和液体混合物的制冷剂。
压缩机22被配置为响应于来自微处理器80的控制信号将气态制冷剂91通过管道51泵入和压缩进冷凝器23内。如所示，管道51流体耦合在压缩机22和冷凝器23之间。
冷凝器23被提供来经由管道51从压缩机22接收气态制冷剂91。并且通过从气态制冷剂91吸取热能将气态制冷剂91转换为液态制冷剂92。如所示，管道52流体耦合在冷凝器23和膨胀阀24之间。在退出冷凝器24后，液态制冷剂92进一步通过管道52被泵入到膨胀阀24。
膨胀阀24经由管道52、53流体耦合在冷凝器23和蒸发冷却构件26之间。膨胀阀24被配置为从冷凝器23接收液态制冷剂92，并且降低液态制冷剂92的压力等级以将液态制冷剂92转换为气-液制冷剂93。气-液制冷剂93被从膨胀阀24经由管道53传递到蒸发冷却构件26的管道110。
参见图1、5和7-11，蒸发冷却构件26被配置为接收气-液制冷剂93，并且利用从在电池模块40-49中的固体散热片230-244接收的热能将气-液制冷剂93转换为气态制冷剂91。结果，蒸发冷却构件26经由从电池模块40-49向蒸发冷却构件26传导热能的固体散热片230-244来冷却电池模块40-49。蒸发冷却构件26包括板部分100和管道110。板部分100具有第一侧120和第二侧122。板部分100进一步包括通道123(在图11中所示)，其从第一侧120延伸进入板部分100内。管道100被布置在通道123中，并且与板部分100热连通。在一个示例性实施例中，通道123是螺旋形通道，并且管道110是螺旋形管道。管道100流体耦合到管道50，管道50进一步流体耦合到压缩机22。在运行期间，来自蒸发冷却构件26的气态制冷剂91通过管道50被传递至压缩机22。在一个示例性实施例中，板部分100由铝构成，并且管道110由铜构成。当然，在替代实施例中，板部分100和管道110可以由本领域内的技术人员已知的其它导热材料构成。如所示，蒸发冷却构件26被布置在绝缘层28上。绝缘层28被布置在底部外壳部分350上，并且在其上支撑蒸发冷却构件26。绝缘层28将蒸发冷却构件26与底部外壳部分350热绝缘。
参见图5-7，电池模块40、42、44、46、48、49被提供来产生用于电动车辆或混和电动车辆的运行电压。在一个示例性实施例中，电池模块40-49彼此电串联耦合。电池模块40-49的每一个的结构彼此相同。因此，为了简化的目的，在下面仅更详细地描述电池模块40的结构。电池模块40包括电池单元180、182、184、186、188、190、192、196、198、200、202、204、206、208、固体散热片230、232、234、236、238、240、242、244和壳体270。
因为电池模块40的每一个电池单元180-208具有相同结构，所以仅更详细地描述电池单元180的结构。如所示，电池单元180包括主体部分271与第一和第二电极(未示出)。主体部分271是大体矩形的，并且第一和第二电极从主体部分271的顶部部分延伸。在一个示例性实施例中，每一个电池单元是锂离子电池单元。在替代实施例中，电池单元180-208可以例如是镍-镉电池单元或镍金属氢化物电池单元。当然，可以利用对于本领域内的技术人员已知的其它类型的电池单元。
在电池模块40中的固体散热片230-244被提供来从电池单元180-208向蒸发冷却构件26传导热能。固体散热片230-240的每一个的结构彼此相同。因此，仅在下面更详细地描述固体散热片230的结构。固体散热片230包括第一板部分280和第二板部分282。第一板部分280为大体矩形，并且被配置为被布置得与电池单元180、182的相邻的矩形表面相对。第一板部分280具有足以覆盖电池单元180的相邻的矩形表面的大体全部并且覆盖电池单元182的相邻的矩形表面的大体全部的大小。在运行期间，第一板部分280从电池单元180、182向第二板部分282传导热能。第二板部分282从第一板部分280大体垂直于第一板部分280延伸。第二板部分282被布置在蒸发冷却构件26的板部分100的第二侧122上。在运行期间，第二板部分282从第一板部分280和电池单元180、181向蒸发冷却构件26的板部分100传导热能。在一个示例性实施例中，固体散热片230-244由石墨构成。当然，在替代实施例中，固体散热片230-244可以例如由其它导热材料构成，诸如铝或铜或其组合。
电池模块40的壳体270被提供来在其中保持电池单元180-208和固体散热片230-244的第一板部分280。固体散热片230-244的第二板部分282延伸通过壳体270，并且被布置在蒸发冷却构件26上。壳体270由固定地耦合在一起的壳体部分300、302、304、306、308、310、312构成。在一个示例性实施例中，壳体部分300-312由塑料构成。当然，可以利用本领域内的技术人员已知的其它材料来构成壳体部分300-312。
参见图1，温度传感器60被提供来产生被微处理器80接收的信号，其指示电池模块40-49的至少一个的温度水平。
冷凝器风扇70、71被提供来响应于来自微处理器80的控制信号将空气吹过冷凝器23以冷却冷凝器23。如所示，冷凝器风扇70、71被布置得接近冷凝器23。
微处理器80被提供来控制电池***10的运行。具体地，微处理器40被配置为响应于来自温度传感器60的信号来产生用于控制压缩机22和冷凝器风扇70、71的操作的控制信号，如下更详细所述。微处理器80利用存储器装置81，存储器装置81存储用于实现下述的方法的软件指令和相关联的数据。
参见图1、2、4、5和11，外壳90被提供来在其中保持电池***10的剩余组件。外壳90包括底部外壳部分350、第一和第二内壁354、356、第一顶部外壳部分360、第二顶部外壳部分362和第三顶部外壳部分364。
第一顶部外壳部分360耦合到第一和第二内壁354、356以及底部外壳部分350，以限定第一气密封闭区域370。电池模块40、42、44、46、48、49和温度传感器60被布置在第一气密封闭区域370中。
第二顶部外壳部分362耦合到第一内壁354和底部外壳部分350，以限定第二封闭区域372。压缩机22、冷凝器23、膨胀阀24和冷凝器风扇70、71被布置在第二封闭区域中。
第三顶部外壳部分364耦合到第二内壁356和底部外壳部分350，以限定第三封闭区域374。微处理器80被布置在第三封闭区域374中。
参见图1、10和12-14，将描述根据另一个示例性实施例的用于冷却电池***10的方法的流程图。为了简化的目的，将利用单个电池模块来描述下面的方法。然而，应当明白，可以利用多个电池模块来实现该方法。
在步骤450处，电池***10具有电池模块40、蒸发冷却构件26、压缩机22、冷凝器23、膨胀阀24、温度传感器60、冷凝器风扇70和微处理器80。压缩机22流体耦合到冷凝器23、膨胀阀24和蒸发冷却构件26。电池模块40具有壳体270、电池单元180和固体散热片230。蒸发冷却构件26在其中具有管道110。固体散热片230具有第一和第二板部分280、282。第一板部分280被布置得与电池单元180相对。第二板部分282延伸通过壳体270，并且被布置在蒸发冷却构件26上。在步骤450后，方法前进到步骤452。
在步骤452处，温度传感器60产生指示在第一时间处电池模块40的第一温度的第一信号。在步骤452后，该方法前进到步骤454。
在步骤454处，微处理器80响应于第一信号而产生第二信号，以引导压缩机22在第一运行速度下运行。压缩机22将气态制冷剂91泵入冷凝器23内。在步骤454后，该方法前进到步骤456。
在步骤456处，微处理器80产生第三信号，以引导冷凝器风扇70向冷凝器23吹空气。在步骤456后，该方法前进到步骤458。
在步骤458处，冷凝器23通过从气态制冷剂91吸取热能将气态制冷剂91转换为液态制冷剂92，并且将液态制冷剂92传递到膨胀阀24。在步骤458后，该方法前进到步骤460。
在步骤460处，膨胀阀24减小液态制冷剂92的压力等级以将液态制冷剂92转换为气-液制冷剂93，并且将气-液制冷剂93传递到蒸发冷却构件26。在步骤460后，该方法前进到步骤462。
在步骤462处，固体散热片230从电池单元180向蒸发冷却构件26传导热能，以冷却电池单元180。在步骤462后，该方法前进到步骤464。
在步骤464处，蒸发冷却构件26利用从固体散热片230接收的热能来将气-液制冷剂93转换为气态制冷剂91，并且将气态制冷剂91传递到压缩机22。在步骤464后，该方法前进到步骤466。
在步骤466处，温度传感器60产生第四信号，其指示在第二时间处电池模块40的第二温度。第二温度大于第一温度。在步骤466后，该方法前进到步骤468。
在步骤468处，微处理器80响应于第四信号而产生第五信号，以引导压缩机22在第二运行速度下运行。第二运行速度大于第一运行速度。在步骤468后，该方法前进到步骤470。
在步骤470处，微处理器80产生第六信号，以引导冷凝器风扇70向冷凝器23吹空气。在步骤470后，该方法前进到步骤472。
在步骤472处，冷凝器23通过从气态制冷剂91吸取热能将气态制冷剂91转换为液态制冷剂92，并且将液态制冷剂92传递到膨胀阀24。在步骤472后，该方法前进到步骤474。
在步骤474处，膨胀阀24降低液态制冷剂92的压力等级以将液态制冷剂92转换为气-液制冷剂93，并且将气-液制冷剂93传递到蒸发冷却构件26。在步骤474后，该方法前进到步骤476。
在步骤476处，固体散热片230从电池单元180向蒸发冷却构件26传导热能，以冷却电池单元180。在步骤476后，该方法前进到步骤478。
在步骤478处，蒸发冷却构件26利用从固体散热片230接收的热能将气-液制冷剂93转换为气态制冷剂91，并且将气态制冷剂91传递到压缩机22。
参见图15，将解释与在电池***10中利用的压缩机22(在图1中所示)相关联的运行曲线500的曲线图。当微处理器80确定电池模块40的温度在温度水平Temp1时，微处理器80产生控制信号以引导压缩机22在运行速度S1下运行。而且，当微处理器80确定电池模块40的温度在大于Temp1的温度水平Temp2时，微处理器80产生控制信号以引导压缩机22在大于S1的运行速度S2下运行。而且，当微处理器80确定电池模块40的温度在大于Temp2的温度水平Temp3时，微处理器80产生控制信号以引导压缩机22在大于S2的运行速度S3下运行。
虽然已经仅结合有限数量的实施例而详细描述了所要求保护的发明，但是应当容易明白，本发明不限于这样的所公开的实施例。而是，所要求保护的发明可以被修改以包含迄今未描述的但是与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等同布置。另外，虽然已经描述了所要求保护的发明的各个实施例，但是应当明白，本发明的方面可以仅包括所述实施例的一些。因此，所要求保护的发明不被看作被前述的说明限制。
工业实用性
如上所示，本发明的电池***和用于冷却电池***的方法提供了超过其它电池***和方法的实质优点。具体地，电池***利用蒸发冷却构件来有效地冷却在电池***中的电池模块。

Claims (14)

1.一种电池***，包括：
蒸发冷却构件，在所述蒸发冷却构件中具有管道；
电池模块，所述电池模块具有壳体、电池单元和固体散热片；所述壳体被配置为在其中保持所述电池单元；所述固体散热片具有第一和第二板部分；所述第一板部分被布置得与所述电池单元相对；所述第二板部分延伸通过所述壳体并且被布置在所述蒸发冷却构件上；所述固体散热片被配置为将热能从所述电池单元传导到所述蒸发冷却构件；并且
所述蒸发冷却构件被配置为在所述管道中接收气-液制冷剂，并且利用从所述固体散热片接收的所述热能将所述气-液制冷剂转换为气态制冷剂。
2.根据权利要求1所述的电池***，其中，所述蒸发冷却构件具有板部分和所述管道，所述板部分具有第一侧和第二侧，所述板部分进一步具有通道，所述通道从所述第一侧延伸进入所述板部分，所述管道被布置在所述通道中并且与所述板部分热连通。
3.根据权利要求2所述的电池***，其中，所述通道是螺旋形通道，并且所述管道是螺旋形管道。
4.根据权利要求2所述的电池***，其中，所述板部分由铝构成，并且所述管道由铜构成。
5.根据权利要求1所述的电池***，进一步具有外壳，所述外壳被配置为在其中保持所述蒸发冷却构件和所述电池模块。
6.根据权利要求5所述的电池***，其中，所述外壳具有底部外壳部分，所述电池***进一步具有在所述底部外壳部分和所蒸发冷却构件的第一侧之间布置并且与所述底部外壳部分和所蒸发冷却构件接触的绝缘层。
7.根据权利要求5所述的电池***，进一步具有：耦合到所述底部外壳部分的第一和第二内壁；以及第一和第二顶部外壳部分；
所述第一顶部外壳部分耦合到所述第一和第二内壁和所述底部外壳部分，以限定第一封闭区域；所述电池模块被布置在所述第一封闭区域中。
8.根据权利要求7所述的电池***，其中，所述第一封闭区域是气密封闭区域。
9.根据权利要求7所述的电池***，其中，所述第二顶部外壳部分耦合到所述第一内壁和所述底部外壳部分，以限定用于在其中保持压缩机和冷凝器的第二封闭区域。
10.根据权利要求1所述的电池***，进一步包括：
压缩机，所述压缩机流体耦合到所述蒸发冷却构件，所述压缩机被配置为将所述气态制冷剂泵入冷凝器；并且
所述冷凝器流体耦合到所述压缩机和所述蒸发冷却构件，所述冷凝器被配置为从所述压缩机接收所述气态制冷剂，所述冷凝器被进一步配置为通过从所述气态制冷剂吸取热能将所述气态制冷剂转换为所述液态制冷剂。
11.根据权利要求10所述的电池***，进一步包括膨胀阀，所述膨胀阀流体耦合在所述冷凝器和所述蒸发冷却构件之间，所述膨胀阀从所述冷凝器接收所述液态制冷剂，并且降低所述液态制冷剂的压力等级以将所述液态制冷剂转换为所述气-液制冷剂，所述气-液制冷剂被从所述膨胀阀传递到所述蒸发冷却构件。
12.根据权利要求10所述的电池***，进一步包括：
温度传感器，所述温度传感器被配置为产生第一信号，所述第一信号指示在第一时间处所述电池模块的第一温度；
微处理器，所述微处理器可操作地耦合到所述温度传感器，所述微处理器被配置为响应于所述第一信号而产生第二信号，以引导所述压缩机在第一运行速度下运行；
所述温度传感器进一步被配置为产生第三信号，所述第三信号指示在第二时间处所述电池模块的第二温度，所述第二温度大于所述第一温度；并且
所述微处理器进一步被配置为响应于所述第二信号而产生第四信号，以引导所述压缩机在第二运行速度下运行，所述第二运行速度大于所述第一运行速度。
13.一种用于冷却电池***的方法，所述电池***具有电池模块和蒸发冷却构件，所述电池模块具有壳体、电池单元和固体散热片，所述蒸发冷却构件在其中具有管道，所述固体散热片具有第一和第二板部分，所述第一板部分被布置得与所述电池单元相对，所述第二板部分延伸通过所述壳体并且被布置在所述蒸发冷却构件上，所述方法包括：
在所述蒸发冷却构件的所述管道中接收气-液制冷剂；
利用所述固体散热片将热能从所述电池单元传导到所述蒸发冷却构件，以冷却所述电池模块；以及
利用由所述蒸发冷却构件从所述固体散热片接收的所述热能来将所述蒸发冷却构件中的所述气-液制冷剂转换为气态制冷剂。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电池***进一步包括：压缩机，所述压缩机流体耦合到所述蒸发冷却构件；冷凝器，所述冷凝器流体耦合到所述压缩机和所述蒸发冷却构件；微处理器；以及温度传感器，所述方法进一步包括：
利用所述温度传感器产生第一信号，所述第一信号指示在第一时间处所述电池模块的第一温度；
响应于所述第一信号利用微处理器产生第二信号，以引导所述压缩机在第一运行速度下运行；
利用所述温度传感器产生第三信号，所述第三信号指示在第二时间处所述电池模块的第二温度，所述第二温度大于所述第一温度；以及
响应于所述第二信号利用所述微处理器产生第四信号，以引导所述压缩机在第二运行速度下运行，所述第二运行速度大于所述第一运行速度。
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