CN105552477A - 牵引电池的热管理 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种牵引电池的热管理。车辆牵引电池总成包括至少一个电池单元阵列以及被配置为管理电池总成的电力流动的电子器件总成。车辆牵引电池总成还包括热板，热板限定与所述至少一个电池单元阵列接触的第一部分和与所述电子器件总成接触的第二部分。在电力流动期间，所述至少一个电池单元阵列和电子器件总成二者都与热板进行热交换。

Description

牵引电池的热管理
技术领域
本公开涉及用于使混合动力车辆和电动车辆运转的车辆牵引电池的热管理。
背景技术
混合动力车辆和电动车辆通常需要来自高电压牵引电池的大量的能量。该能量可用于驱动马达和电子附件(electricalaccessory)。牵引电池可包括许多互相连接的电池单元。将电池温度保持在期望的操作范围内可促进适当的电池运转并提高电池寿命。此外，限制横跨各个电池单元之间的温度差可能是有益的。热管理设备可用于调节电池温度。例如，引导乘客舱空气或外部空气横跨电池可能有助于调节温度。此外，电加热***可用于在低温条件下使电池变热。
发明内容
在至少一个实施例中，车辆牵引电池总成包括至少一个电池单元阵列和电子器件总成，电子器件总成被配置为管理所述电池总成的电力流动。车辆牵引电池总成还包括热板，热板限定与所述至少一个电池单元阵列接触的第一部分和与电子器件总成接触的第二部分。在电力流动期间，所述至少一个电池单元阵列和电子器件总成二者都与热板进行热交换。
在至少一个实施例中，车辆牵引电池总成包括热板，热板包括被布置成使热剂液循环的内部流动通道。所述牵引电池总成还包括与热板的第一侧接触的至少一个电池单元阵列以在电力流动期间进行热交换。牵引电池总成还包括具有与热板的相对侧接触的壳体的电子器件总成以在运转期间进行热交换。
在至少一个实施例中，车辆包括动力传动***，动力传动***包括电池供电的电机和给电机提供电力的牵引电池总成。牵引电池总成包括至少一个电池单元阵列和电子器件总成，电子器件总成被配置为管理所述至少一个电池单元阵列的电力流动。牵引电池总成还包括热板，热板限定与所述至少一个电池单元阵列接触的第一部分和与电子器件总成接触的第二部分。在电力流动期间，所述至少一个电池单元阵列和电子器件总成与热板进行热交换。
根据本发明，提供了一种车辆牵引电池总成，包括：热板，包括被布置为使热剂液循环的内部流动通道；至少一个电池单元阵列，与热板的第一侧接触以在电力流动期间进行热交换；电子器件总成，具有与热板的第二侧接触的壳体以在运转期间进行热交换，其中，第二侧与第一侧相对。
根据本发明的一个实施例，在运转期间，所述至少一个电池单元阵列限定热集中区域，所述热板被构造为使得在热集中区域附近内部流动通道之间的间距减小。
根据本发明的一个实施例，在运转期间，所述至少一个电池单元阵列限定热集中区域，所述热板被构造为使得在所述热集中区域附近热剂液的流速增加。
根据本发明的一个实施例，车辆牵引电池总成还包括用于将电子器件总成安装到热板的支撑结构，所述支撑结构限定孔，所述孔被布置为使得电子器件总成的一部分突出通过所述孔以接触热板。
根据本发明的一个实施例，热板包括从热板延伸的导热支撑结构，且电子器件总成安装到导热支撑结构。
根据本发明，提供一种车辆，包括：动力传动***，包括电池供电的电机；牵引电池总成，用于为电机提供电力，并包括至少一个电池单元阵列、电子器件总成、热板，电子器件总成被配置为管理所述至少一个电池单元阵列的电力流动，热板限定与至少一个电池单元阵列接触的第一部分和与电子器件总成接触的第二部分，使得在电力流动期间所述至少一个电池单元阵列和电子器件总成二者都与热板进行热交换。
根据本发明的一个实施例，所述车辆还包括用于将电子器件总成安装到热板的支撑结构，支撑结构限定孔，所述孔被布置为使得电子器件总成的一部分突出通过所述孔以接触热板。
根据本发明的一个实施例，热板包括被布置为使热剂液循环通过热板的内部流动通道。
根据本发明的一个实施例，电子器件总成包括用于调节提供给车辆电负载的电压的DC/DC转换器。
根据本发明的一个实施例，车辆还包括用于容纳牵引电池总成的隔间，其中，所述隔间与周围条件环境隔离。
附图说明
图1是混合动力电动车辆的示意图。
图2是牵引电池总成的示意图。
图3是替代实施例的牵引电池总成的示意图。
图4是另外的替代实施例的牵引电池总成的示意图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代的形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。
图1示出了插电式混合动力电动车辆(PHEV)的示意图。车辆12的动力传动***包括机械地结合到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转以分别接收或提供电力。此外，混合动力传动装置16可机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还可机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地结合到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14能够提供推进和减速能力。当电机14作为发电机运转时，它们可通过回收在通过再生制动而减速期间的能量而提供燃料经济效益。电机14通过减小发动机18的工作负荷而减少动力传动***的污染物排放并增加燃料经济性。
电机14可以是电池供电的。牵引电池或电池包(batterypack)24储存可被电机14以及具有电负荷的其他车辆附件所使用的能量。牵引电池24可从牵引电池24中的一个或更多个电池单元阵列(有时称为电池单元堆)提供高电压直流(DC)输出。电池单元阵列可包括一个或更多个电池单元。
电池单元(诸如棱柱形、圆柱形或袋状的电池单元)可包括将储存的化学能转化为电能的电化学电池单元。电池单元还可包括壳体、正极(阴极)和负极(阳极)。电解质可允许离子在放电期间在阳极和阴极之间运动，然后在再充电期间返回。端子可允许电流从电池单元流出以被车辆使用。当多个电池单元按照阵列定位时，每个电池单元的端子可与彼此相邻的相对的端子(正和负)对齐，汇流条可提供辅助以便于在多个电池单元之间串联连接。电池单元还可并联布置，从而类似的端子(正和正或负和负)彼此相邻。
牵引电池24可电连接到一个或更多个电力电子模块26。一个或更多个接触器可在断开时使牵引电池24与其它组件隔离，并在闭合时将牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间调节双向传输电能。例如，牵引电池24可以提供DC电压，而电机14可能需要三相交流(AC)电压来运转。电力电子模块26可以将DC电压转换为电机14所需要的三相AC电压。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电压转换为牵引电池24所需要的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。在纯电动车辆中，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱并且发动机18不存在。
如上所讨论的，牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气***的能量。车辆电力***可包括调节用于各种用途的电压的DC/DC转换器模块28。DC/DC转换器将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆电负载兼容的低电压DC供应。其它高电压负载(诸如压缩机和电加热器)可直接连接到高电压而不使用DC/DC转换器模块28。在某些车辆中，低电压***电连接到辅助电池30(例如，12V电池)。在至少一个实施例中，DC/DC转换器定位为非常接近或邻近牵引电池24。
电池能量控制模块(BECM)33可与牵引电池24通信。BECM33可用作牵引电池24的控制器，并且还可包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的电子监控***。牵引电池24可具有诸如热敏电阻或其它温度计量器的温度传感器31。温度传感器31可与BECM33通信，以提供关于牵引电池24的温度数据。尽管图1的示意图示出了单个温度传感器，但是可使用多个传感器来分别监测牵引电池24中不同的电池单元和/或电池单元阵列。
例如，牵引电池24可通过外部电源36(诸如电源插座)进行再充电。外部电源36可电连接到电动车辆供电设备(EVSE，electricvehiclesupplyequipment)38。EVSE38可提供电路和控制以调节并管理电源36与车辆12之间的电能的传输。外部电源36可向EVSE38提供DC电力或AC电力。EVSE38可具有用于***到车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE38配合，以协调向车辆12的电力传递。EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应的凹入匹配的插脚。
所讨论的各种组件可具有控制并监视组件的运转的一个或更多个相关联的控制器。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由专用的电导线管进行通信。
电池单元和/或电池电子器件在使用时可能产生热。由于电池需要保持在目标温度范围内，同时最小化每个单独电池单元内和横跨电池单元串(cellstring)的温度偏差，所以牵引电池的热管理在一定的环境条件下会更为困难。可使用不同的电池包结构来应对各个车辆变量(包括封装限制和功率要求)。电池单元可通过热管理***进行热调节以帮助管理电池的整体温度。热管理***的示例可包括空气冷却***、液体冷却***以及空气冷却***和液体冷却***的组合。某些车辆封装限制可(例如)通过将电池包置于车辆乘客车舱内而将电池包与环境条件隔离。然而，这样的布置可导致车辆的可用空间减少。
考虑若干个位于车身底部位置的诸如DC/DC转换器、BECM、电池充电器和/或其它电池电子器件的热源而管理牵引电池总成的温度会对封装和热管理产生若干挑战。预期上面列出的电子器件之外的额外的电子器件可从热管理受益。在同样的占用面积下为电池和DC/DC转换器提供有效的冷却是特别困难的。此外，考虑到电池阵列和DC/DC转换器的尺寸，在制造足够大到容纳电池单元、DC/DC转换器和其它电池电子器件的单个热板方面存在进一步的挑战。液体冷却的电池单元和一些电子器件需要用于电池单元和电子器件与冷却剂液之间的热传递的高导热性表面。
参照图2的示意图，提供了一种车辆牵引电池总成200，其中，由两个或更多个热源共用单个热板总成202。在牵引电池总成200的示例中，热源包括第一电池单元阵列204、第二电池单元阵列206和电子器件总成208。多个热源与热板总成202的两个相对的侧部接触。利用热板的两侧消除了对封装两个热板的需要。此外，这种布置可使整个车辆牵引电池总成200将被封装在车辆中较小的位置。此外，这种布置可增加牵引电池的能量密度。
在至少一个实施例中，电子器件总成208包括从电子器件总成208的外部214延伸的散热突起210和212以接触热板总成202。散热突起210、212操作为提供电子器件总成208的增大的表面面积，从而提高传热递效率。
热界面材料(也被称为TIM)216位于第一电池单元阵列204和热板总成202之间。类似地，热界面材料216布置在第二电池单元阵列206和热板总成202之间。热界面材料216可由介电材料形成，并在电池单元和热板总成202之间提供电绝缘。此外，热界面材料216可以是可压缩的，并适应于电池单元阵列的下侧部上的表面过渡和不规则性。热界面材料216的适应性增强导热表面面积接触，从而改善了电池单元和热板总成202之间的热传递。例如，热界面材料216通过填充电池单元阵列204、206和热板202之间的任何空隙或间隙而提高传热递。
仍参照图2，设置支撑结构218用于将电子器件总成208安装到热板总成202。支撑结构218可包括延伸部220以将牵引电池总成200固定到车辆结构。在图2的示例中，支撑结构218还包括构造222以容纳电子器件总成208的散热突起210、212。
在至少一个实施例中，热板包括被布置为使热剂液(thermalagent)(诸如流体冷却剂)循环通过热板的内部流动通道。例如，热剂液可以是诸如水和乙二醇各百分之五十的混合物的冷却剂液体。冷却剂还可与具有高的传热特性的各种其他剂液混合。包括各种制冷剂的其它供选择的流体也可是适合的。从连接到热剂液储存器的进入口接收的热剂液可在热板202内循环并排放至连接到排放箱的排出口。在热板的内部空腔中，导管的图案可按期望图案规定热剂液的流动路线。在至少一个实施例中，热剂液按照蛇形图案循环通过热板。
在至少一个实施例中，热板总成202的结构包括多件式壳体。该总成可以是压铸结构的组合，每个压铸结构包括在铸造过程中形成的一体的特征。图2的线203可表示热板总成202的上部分和下部分之间的接缝。在一个示例中，支撑结构218可与热板总成202的下部分一体形成。在进一步的实施例中，可存在包括热板总成202的上部组件和/或下部组件的冲压件和铸件的组合。更进一步的，热板总成202的上部分和/或下部分可采用多种材料的组合。
内部流动通道可被间隔开使得当热剂液被循环时热板提供足够的热交换。根据各种热源的位置，牵引电池总成的某些部分比其它部分产生更多的热。热源的紧密相邻可导致产生热集中区域。为了补偿热产生的非均匀分布，可在牵引电池总成的高的产热部分附近增加内部流动通道的间距密度。相反，为了优化成本和效率，可在牵引电池总成的低的产热部分附近减小内部流动通道的间距密度。
在进一步的实施例中，可在牵引电池总成的高的产热部分附近增加热剂液的流动速度，相反地，在牵引电池总成的低的产热部分附近降低热剂液的流动速度。热剂液的流动速度的变化可操作为在牵引电池总成的高的产热部分处提供增大的热传递特性。
可使用替代的结构使得电子器件总成和电池单元阵列在板的同一侧上可放置为彼此相邻。参照图3，提供了替代实施例的车辆牵引电池总成300，该总成具有设置在第一电池单元列304和第二电池单元列306下面的热板总成302。类似于前面的实施例，牵引电池总成300包括在每个电池单元阵列和热板总成302之间的热界面材料316。然而，在图3的实施例中，电子器件总成308与电池单元阵列304和306设置在热板总成302的同一侧上。支撑结构318可附连到热板总成302的上部分320。支撑结构318可以是可被钎焊、焊接或用螺栓固定到热板总成302的导热材料(诸如铝合金)。按照这种方式，各个热源被安装为彼此相邻。从图3可以注意到，与前面的实施例相比，支撑结构的尺寸显著减小。按照这种方式，热板总成302可直接安装到电池壳体或周围的车辆结构。如果电子器件总成308的尺寸较小，并且如果在可用的车辆封装中存在竖直的空间约束，那么本布置会特别有用。此外，在热板的单侧布置多个热源可降低热板总成302的内部流动通道的复杂性。
类似于前面的实施例，线303可对应于热板总成302的上部分和下部分之间的接缝。另外，支撑结构318的安装特征可被一体地形成在热板总成302的上部分中。
参照图4，提供了进一步的替代实施例的车辆牵引电池总成400，其中，减小了热板总成402和电子器件总成408之间的热阻。热阻减小是通过减少电子器件总成408和热板总成402之间的中间材料层而实现的。在至少一个实施例中，支撑结构限定孔以使电子器件总成突出穿过支撑结构的一部分以接触热板。类似于前面的实施例，热界面材料416被设置在电池单元阵列404和热板总成402之间。另外，第二热界面材料420被设置在电子器件总成408和热板总成402之间。
如上面关于前面的实施例所讨论的，线403可对应于热板总成402的上部分和下部分之间的接缝。支撑结构418以及用于电子器件总成408的安装特征中的每个都可一体地形成在热板总成402的下部分中。
本公开提供了一种使用独特构造的多个组件来有效地管理热的牵引电池。组件的布置有助于在动力传动***和其他车辆负载的动力流动期间降低电池单元和电子器件中的热积累。本公开中所描述的布置还可减少电池内所需的热剂液流动连接的数量。将被引导到两个分开的热板的热剂液流可用于流过单个共用的板，以增加排热能力。使用单个板来调节若干个电池组件的温度还减少电池所需的封装空间。尽管没有一直明确地示出，但是本领域的普通技术人员将认识到，根据所使用的特定策略，在热管理设备中可重复一个或更多个示出的组件或功能。
虽然如上描述了一些实施例，但并不意味着这些实施例描述了权利要求所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可进行各种改变。如之前所描述的，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未明确描述或示出的进一步的实施例。尽管各个实施例可能已经被描述为提供优点或在一个或更多个期望特性方面优于其他实施例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据具体应用和实施方式，可对一个或更多个特征或特性进行折衷以实现期望的整体***属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、市场性、外观、包装、尺寸、可维修性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (10)

1.一种车辆牵引电池总成，包括：
至少一个电池单元阵列；
电子器件总成，被配置为管理所述至少一个电池单元阵列的电力流动；
热板，限定与所述至少一个电池单元阵列接触的第一部分和与所述电子器件总成接触的第二部分，使得在电力流动期间所述至少一个电池单元阵列和所述电子器件总成都与所述热板进行热交换。
2.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，其中，所述第一部分设置在所述热板的第一侧上，所述第二部分设置在所述热板的相对侧上。
3.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，其中，所述第一部分和所述第二部分中的每个设置在所述热板的同一侧上，所述至少一个电池单元阵列和所述电子器件总成安装为彼此相邻。
4.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，还包括用于将所述电子器件总成安装到所述热板的支撑结构，所述支撑结构限定孔，所述孔被布置为使得所述电子器件总成的一部分突出通过所述孔以接触所述热板。
5.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，其中，所述热板包括被布置为使热剂液循环通过所述热板的内部流动通道。
6.根据权利要求5所述的车辆牵引电池总成，其中，所述牵引电池总成限定在电力流动期间的热集中区域，所述热板被构造为使得在所述热集中区域附近所述内部流动通道之间的间距减小。
7.根据权利要求5所述的车辆牵引电池总成，其中，所述牵引电池总成限定在电力流动期间的热集中区域，所述热板被构造为使得在所述热集中区域附近所述热剂液的流动速度增加。
8.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，其中，所述电子器件总成包括从所述电子器件总成延伸以增加表面面积的散热突起。
9.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，其中，所述热板包括从所述热板延伸的导热支撑结构，所述电子器件总成安装到所述导热支撑结构。
10.根据权利要求1所述的车辆牵引电池总成，其中，所述第一部分和所述第二部分分别包括上部分和下部分，且所述上部分和所述下部分由铸造结构、冲压结构或者铸造结构和冲压结构的组合中的一种形成。
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