CN102714283B - 动力电池包冷却装置 - Google Patents

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Abstract

使用一个创新的结构，引导冷却液以均匀和分布良好的方式，为电动汽车的动力电池包提供高效和有效的冷却。该热交换装置包括一个冷却导板格栅，上有冷却液流经的通道，前后盖板附带前后橡胶板通过其上的开口用于冷却液引导和改变方向，提供一个冷却液流经整个冷却导板格栅的通路。电池包的电池芯放置于冷却导板之间的空隙，由一个新颖的导电夹子系统串联起来，形成一个在电池包中完整的分布良好且紧凑的冷却通路。该电池包冷却装置的概念和结构也能应用于未来其它场合，如紧凑轻量的电池包或空间受到限制而需要有效冷却的场合。

Description

动力电池包冷却装置
背景技术
介绍
随着石油资源的逐渐枯竭，以及燃烧汽油带来的环境污染，电动汽车(EVs)将是交通的未来。但电池有其严重的缺点：短的行驶里程，短的使用寿命和高成本，这些阻碍了电动汽车的普及。
在连续充电和放电过程中调节电池的温度是一个大的挑战。
对于绝大多数电动汽车锂电池，其温度规格通常如下：
工作温度：-20℃至60℃
充电温度：0℃至45℃
存放温度：-10℃至45℃
电池在20～25℃达到其额定容量，温度每升高10℃，其容量将下降～10％。
在冬季，当温度很容易低至0℃时，电池很难或是完全不能充电。
其他季节，在连续大电流充电和放电过程中，电池的工作温度很容易达到60℃，使得它很难放电。高温也会造成电池性能恶化，缩短使用寿命，或造成安全隐患。
锂电池这些专有的特性需要适应良好和设计良好的电池温度管理与控制系统。
为叙述简单，在随后的段落里：
“冷却”就代表热交换，也即冷却或加热。
“冷却液”就代表具有防冻，阻燃，无腐蚀性和不生霉菌特性的液体，用于电池热交换。
现有电池包的弊端
当今电池包由一定数量的电池模块连接组成，每个电池模块由一定数量的电池单元连接组成。结果造成位于模块中间的单元具有更大程度上的热绝缘性，也就更不易进行热交换。
现有的电池冷却方案通常将电池模块放置于或附着于冷却板上(平的金属板，内有冷却回路)，弊端是冷却效率低，冷却效果差，原因是每个电池模块的一小部分接收到冷却效果。另外，由于内有冷却回路，冷却板通常又厚又重。结果是每个电池模块，每个电池单元的温度均不相同。即使在同一电池单元中，不同部位的温度也不相同。如果用冷却板冷却每个电池单元，就会造成不切实际的过重和过大。
电池包中每个电池单元的一致性和均匀性对电池包的寿命和效能至关重要。一旦电池单元生产出来并装配于电池包，唯一能影响其一致性和均匀性的因素就是每个电池单元的温度。温度的改变能影响电池单元的内阻，内阻的改变又反过来影响温度变化的速度。电池单元之间的温度差异将导致不同电池单元的老化速度，结果是一些电池单元的寿命缩短。由于电池包是由电池单元联成一体一起工作而运作，单一电池单元的失效将会引起整个电池包的损坏。
电动汽车电池包也受空间和重量的限制，电池包的冷却系统必须紧凑和轻量，同时满足功率和能量的需求。
发明内容
一个紧凑，轻量和长使用寿命的高功率大能量电池包解决方案
基于以上的观察，我设计出一个适合于电动汽车的独特电池包冷却装置。尽管该设计是针对电动汽车的运用并且是针对真正电动汽车的概念验证设计，这并不局限和影响它的新颖概念，原则和结构在其它应用中的专利保护。
附图说明
下列图说构成说明的一部分，
图1/31是一个大规格层压式电池芯(100Ah，3.7V)；
图2/31是一个双电池芯串联(简称双芯)；
图3/31是一个小夹子；
图4/31是一个大夹子；
图5/31是一个端头夹子；
图6/31是一个冷却通道板；
图7/31是一个冷却通道端板；
图8/31是一个冷却格栅；
图9/31是一个前橡胶板；
图10/31是一个前盖板；
图11/31是一个前盖板带前橡胶板；
图12/31是一个后橡胶板；
图13/31是一个后盖板；
图14/31是一个后盖板带后橡胶板；
图15/31是一个底板；
图16/31是一个侧板；
图17/31是一个空电池箱；
图18/31是一个充满双芯的电池箱；
图19/31是图18/31的C视详细；
图20/31是图18/31的D视详细；
图21/31是一个顶盖；
图22/31是一个电池箱体；
图23/31是流向示意图；
图24/31是冷却格栅带前橡胶板前视图；
图25/31是图24/31的A&C视详细；
图26/31是冷却格栅带后橡胶板后视图；
图27/31是图26/31的A视详细；
图28/31是冷却格栅带前后橡胶板开口空间顶视图；
图29/31是图28/31的B前视详细，示意冷却液在前橡胶板开口空间处的流向；
图30/31是图28/31的C后视详细，示意冷却液在后橡胶板开口空间处的流向；
图31/31是图28/31的D&E视详细，示意冷却液在底层冷却通道处的流向。
具体实施方式
关于电池芯的种类和规格，我选择层压式电池芯。与圆柱型电池芯相比，层压式电池芯具有较低的内阻，因而在充电放电过程中产生较少的热量。而且它具有较高的能量/功率密度。由于它扁平的外形和较大的外露表面，使它更易进行热交换。
我设计的电池箱有86个大规格层压式电池芯(100Ah，3.7V，如图1/31)。电池芯通过新颖的夹子连接起来，在空间局限的情况下提供电气连接，如下所述。
两个电池芯以面对面串联连接(图2/31)，通过小夹子将两个电池芯的不同电极相连(图3/31)。这将形成一个双电池芯串联(简称双芯)。双芯的两面与冷却通道板(图18/31)接触进行热交换。
双芯以相同的朝向放置，通过大夹子(图4/31)跨过冷却通道板串联连接(图18/31的详细-D)。
端头夹子(图5/31)用在第一个双芯的第一个电池芯的正极(图20/31)，以及最后一个双芯的最后一个电池芯的负极，用于连接主电缆。所有夹子均由导电的金属制成。
这将达到电压(320V)和能量(32kWh)，以便纯电动行驶120～150km(90％城市居民日常行驶里程)。
为降低电池箱体的成本，尽可能采用铝合金挤压型材用来箱体的构造板。
图6/31描述冷却通道板，分隔的中空流道用于冷却液流过且与双芯进行热交换。
冷却通道板的两端插入冷却通道端板的切口槽中(图7/31)，端面平齐。用搅拌摩擦焊(FSW)构成一个无泄漏的连接，形成一个同质及规则的结构-冷却格栅，如图8/31描述，多个冷却通道板以一排与冷却通道端板联接。冷却通道板对电池芯也起支撑定位和定型的作用。
前橡胶板(图9/31)置于前盖板的凹处(图10/31)。最终的形态，如从有橡胶板的那边看，如图11/31。
后橡胶板(图12/31)置于后盖板的凹处(图13/31)。最终的形态，如从有橡胶板的那边看，如图14/31。
前后橡胶板的开口型式略有不同。前橡胶板在左右有窄开口(左右的窄开口有不同的布局)，其余均为宽开口，窄开口对应横向地两个流道(1x2或2x2布局)，宽开口对应横向地四个流道(1x4布局)(图24/31和图25/31)。窄开口有两种形态，名为大窄开口和小窄开口(Fig25/31)。大窄开口对应四个流道(2x2布局)，小窄开口对应两个流道(1x2布局)。后橡胶板全部为宽开口(图26/31和图27/31)。这种开口布局将起到改变流向的作用(图28/31至图31/31)。橡胶板也起流道之间密封的作用。
该装置创新的结构在于，有一个冷却格栅，一个前盖板带一个特有开口型式的前橡胶板，以及一个后盖板带一个特有开口型式的后橡胶板，使得冷却液得以在一通道中均匀有效地冷却整个装置，同时又保持整个装置紧凑和轻量。
搅拌摩擦焊(FSW)，或其它适合的连接方法，可用于以下连接：
-前盖板与前冷却通道端板(必须无泄漏的连接)
-后盖板与后冷却通道端板(必须无泄漏的连接)
-底板(15/31)与前后冷却通道端板
-两个侧板(图16/31)与前后冷却通道端板及底板。
最终空电池箱体的构造如图17/31。
将双芯插入冷却通道板之间的空隙之后(图18/31)，就可铺设必需的绝缘薄片或块，连接小夹子大夹子及端头夹子(如前所述)，连接电池管理系统(BMS)和铺设电缆。
顶盖(图21/31)上有安放BMS的长槽。它也配备不同的插座，如用于BMS的12VDC插座，一个主电源插座和两个Can-bus2.0端头。它也配备快速释放接头在冷却液进出口。所有这些使它在电动汽车的运作中容易做到即插即用。
顶盖与电池箱之间有一顶橡胶密封板(图18/31)并由紧固件联接，整个电池箱(图22/31)将是一个IP65级别的密封体，适合电动汽车应用。
图23/31显示冷却液在电池箱冷却格栅中的流动示意图。为简化起见，单一圆形管状结构代表两个流道。流道的位置在图24/31至图27/31中描述。连接上前后盖板带前后橡胶板，冷却液将在橡胶板开口处空间改变流向。前橡胶板如何改变流向在图29/31中描述，后橡胶板如何改变流向在图30/31中描述。图31/31显示在底层流道的流向。
结论
该装置以一种创新的设计使得冷却液均匀有效及高效的冷却每个电池单元(芯)，延长了电池的寿命并提高了电池的安全性。
电池包(图22/31)的总重量是～350kg(包括～13kg的冷却液)。
它的外型尺寸是L＝1031mm，W＝509mm，H＝445mm。
该电池包重量轻但坚固，电压320V，能量32kWh，能量重量比～91Wh/kg，能量容量比～137Wh/L。这样的规格参数能满足绝大多数电动汽车的需要。
未来可能的应用
目前的电动汽车电池包由不同的汽车生产厂家以不同的形式生产。这就导致缺乏规模经济的高成本，而且不同的汽车生产厂家的电池包不具有互换性。
如果电池包是标准的，它就可以很容易地被不同的汽车采用。国家电网比汽车生产厂家更有可能生产一种标准的电池包，而且这将受益于多个方面。
集中设施生产，充电和维护电池包会产生规模经济效益，带给生产者和消费者成本的节约。电池包可以在用电峰谷在电站充电然后运抵加油站。取代加油，消费者只需在加油站更换电池包，将能量耗尽的电池包留下由电网取回充电。这将延长电动汽车的里程。
采用集中设施充电并将充满电的电池包运抵加油站，政府不需投资大量的资金在不同的地点修建充电站，节约大量的资金。而且消费者不需担心电池包的耐用性和维护，国家电网会处理这些问题。
这种方式会显著地降低电动汽车的价格从而促进市场的增长。汽车生产厂家只需设计容纳标准电池包的未来汽车即可。
该电池包冷却装置的概念和结构也能应用于未来其它场合，如紧凑轻量的电池包或空间受到限制而需要有效冷却的场合。

Claims (1)

1.一种动力电池包冷却装置，包括：
冷却格栅，所述冷却格栅包括多个冷却通道板和两个冷却通道端板，每个所述冷却通道板带有分隔的中空流道用于冷却液流动且与所述动力电池包的电池芯进行热交换，每个所述冷却通道板的两端分别与所述两个冷却通道端板的切口槽接合构成一个无泄漏的连接；
前盖板，所述前盖板上有冷却液进口和出口，所述冷却液进口和出口能使冷却液流进和流出所述冷却装置，所述前盖板附着有前橡胶板，所述前橡胶板上设有多个前橡胶板开口，且所述前橡胶板附着于前方的所述冷却通道端板上，所述前盖板、所述前橡胶板和前方的所述冷却通道端板共同限定出多个前橡胶板开口空间，所述前橡胶板开口空间便于所述冷却液流动和改变方向；和
后盖板，所述后盖板附着有后橡胶板，所述后橡胶板上设有与前橡胶板不同形式的开口，且所述后橡胶板附着于后方的所述冷却通道端板上，所述后盖板、所述后橡胶板和后方的所述冷却通道端板共同限定出多个后橡胶板开口空间，所述后橡胶板开口空间便于所述冷却液流动和改变方向。
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