CN103155264A - 用于车辆电池的冷却装置和具有这样的冷却装置的车辆电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于车辆电池的冷却装置（12），具有冷却底板（18），所述冷却底板（18）包含至少一个接触表面且尤其是平坦的接触表面（20），用于与电池单元组（14）进行表面接触，其中冷却底板（18）具有至少一个U形弯曲单件式平坦管道（22），所述平坦管道（22）具有两个水平取向的腿部（24、26）和连接桥件（28）。

Description

用于车辆电池的冷却装置和具有这样的冷却装置的车辆电池
技术领域
本发明涉及一种用于车辆电池的冷却装置，尤其是用于车辆推进的电池，所述冷却装置具有包括至少一个接触表面（特别是平坦接触表面）的冷却底板，以提供与电池单元组的表面接触。此外，本发明涉及一种车辆电池组件，具有至少一个这样的冷却装置和至少一个电池单元组。
背景技术
现代机动车辆（特别是电动或混合动力车辆）的车辆电池，要求高容量和高功率密度，以给出必需的加速和里程。当操作车辆时，车辆驱动电池由于存储的能量被使用而放电或由于能量被输入而充电（例如，在制动期间）。在这些充电和放电过程期间，热量被释放，这可以影响车辆电池的性能和寿命。
冷却装置因此已经从现有技术已知，其使车辆电池保持40℃至60℃的操作温度。
专利US2009/0142653A1例如显示出为用于电池组的冷却底板形式的冷却装置。因为冷却管蜿蜒通过整个冷却底板，管长度在该情况下非常长，并且相应地实现电池组的均匀冷却较困难，这取决于使用的冷却剂。另外，需要大直径的管，以便实现电池组所需的冷却能力。
专利WO2009/146876A1还披露了一种用于冷却车辆电池的设备。具有用于流体流动通过的通道的热沉与车辆电池的电存储元件热接触。此外，冷却本体/热沉制成为挤出型材，因此使得冷却装置的制造简单且廉价。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于车辆电池的高效的冷却装置，其将电池温度降低至期望水平，最小化各个电池单元之间的温度差，并还可以简单并廉价地制造。
本发明的主题是使用用于车辆电池的冷却装置实现该目的，所述冷却装置具有冷却底板，所述冷却底板具有至少一个平坦表面专用于与电池组进行表面接触，其中冷却底板包括至少一个单件式平坦管道，以一角度弯曲，所述平坦管道具有两个水平取向的腿部和连接桥件。尽管是短的管线长度（仅单个U形回路），管道的平坦表面具有与电池单元组的较大接触表面，为各个电池单元提供了非常均匀的冷却。另外，平坦管道对于低内置高度允许高冷却剂流，由此赋予其高冷却能力。该冷却装置的进一步的益处还在于使用弯曲的U形平坦管道的冷却底板易于制造且经济上可承受，以及可以以最少的工作被组装到电池单元上。
上述平坦管道区别在于，它具有管线的宽度大于它的高度的横截面。热沉中腿部的布置由电池单元组的底部表面限定，其中平坦管道使它的平坦侧部平行于电池单元组的底部表面。
平坦管优选地弯曲为U形形状。这意味着，平坦管道的腿部彼此基本上成180°的角度，使得冷却底板的紧凑设计可行。
U形平坦管道的两个腿部优选地共面，具体地，每一个腿部的两个平坦侧部中的一个建立用于电池组的接触表面。对于冷却底板的较低的总高度，该构造在平坦管道和电池组之间建立特别大的接触面积。
在冷却装置的一个版本中，平坦管道在连接桥件与腿部之间的过渡区域中在塑性变形下扭曲，以使得平坦管道在桥件区域中基本上直立延伸。如果平坦管道的接触侧部和平坦侧部基本上平行于冷却底板的接触表面排布，则平坦管道在该配置中称为水平地布置，或如果平坦管道的平坦侧部相对于接触区域成至少45°的角度，则称为垂直地布置。特别地，在连接桥件处的平坦管道直立地排布，并与腿部的平坦管道成大约90°的角度。
平坦管道在连接桥件和腿部之间的过渡区域中特别地变形为使得，为腿部地带提供接触区域的平坦侧部在连接桥区域中面向腿部。该变形可在制造期间以很少工作实现，且得到用于平坦管道的非常紧凑的冷却回路。
在冷却装置的另一版本中，平坦管道的宽度是平坦管道的高度的至少两倍大，优选地五倍大。例如，管的宽度可以为大约15至50mm，而管的高度具有1至3mm的量级。对于大约10:1的宽度对高度比，平坦管道可以以非常少的困难制造，保持内置高度较低，并且冷却底板抵靠电池单元组的平坦表面的接触面积大。此外，在该比值下以可接受的流动阻力实现了必需的冷却剂流动速率。
优选地，平坦管道在腿部地带中的中心轴线和平坦管道在连接桥地带中的中心轴线之间的距离应不超过平坦管道的幅宽的一半，所述距离垂直于接触表面测量。这允许垂直取向的连接件被调整至垂直于接触表面的位置（根据其被安置到的单独的空间），同时避免平坦管道上的过度材料应力和弯曲。
在冷却装置的进一步的实施例中，平坦管道具有跨过其宽度分布的多个冷却剂通道。
在该情况下，所有冷却剂通道优选地布置为基本上在单个平面中跨过平坦管道的高度，优选地居中跨过。用于平坦管道的诸如这样的构造在技术上容易制成，并且还对于冷却底板的较低总高度，使得电池单元组的高效冷却可行。
冷却剂通道的横截面宽度可大于或等于冷却剂通道的横截面高度。对于冷却剂通道横截面的该选择还对于冷却底板和平坦管道的较低内置高度给出了特别好的冷却接触面积。用于冷却剂通道的滚圆的且特别是圆形的横截面已经证明是特别有利的。
平坦管道在连接件处应优选地具有最小曲率半径，对应于平坦管道的高度的一至三倍。通过在该点处使用最小曲率半径，一方面确保了通过弯曲的冷却剂通道的足够流动，另一方面使得用于冷却剂通道的紧凑结构可行。
特别地，平坦管道可具有多个冷却剂通道，其中冷却剂入口被设计为分配器，所述分配器在冷却剂通道之中分配进入的冷却剂。该分配器允许冷却剂很少工作被平均地分配，由此为电池单元组实现非常均匀的冷却效果，即，在电池组内的各个电池单元上以很小的温度差冷却。
特别优选的是使平坦管道限定蒸发器，其中用作冷却剂的制冷剂的液体部分被至少部分地蒸发。
在冷却装置的另一实施例中，冷却底板具有至少两个U形弯曲平坦管段，布置为一个挨着一个，以使得所有腿部指向相同方向，并且限定出用于电池单元组的接触表面的平坦侧部的取向基本上共面。使用至少两个U形平坦管道允许减少平坦管道的宽度，这对于制造期间平坦管道的变形是有益的。
在该版本中，经由分配器和集流器设备，两个U形弯曲管道段的冷却剂入口连接在一起并且两个冷却剂出口连接在一起，其中分配器和集流器设备正好限定一个冷却剂入口连接器和一个冷却剂出口连接器。该分配器和集流器设备以及冷却剂入口作为分配器的设计允许冷却剂被分配在两个平坦管道之间，以及还允许冷却剂被分配在任何一个平坦管道内，而不增加将冷却剂回路包括在冷却底板中所需的工作。
替换地，分配器装置和集流器装置可以是分立的部件，允许平坦管道被连接至冷却剂回路。
特别地，节流阀可设置在冷却剂入口连接器和每一个冷却剂入口之间。节流截面例如在5至20mm2的范围内，并保证了冷却剂至两个平坦管道段中的冷却剂入口的期望分配。
本发明还涉及一种车辆电池组件，具有至少一个如上所述的冷却装置以及至少一个电池单元组，其中每一个电池单元组被指派给正好一个冷却装置。由于该布置，模块化组件可被容易地制造，其中具有其自己专用冷却装置的各个电池单元组可被各个放置在可用于安置它们的空间中。
在特别优选的变化例中，由平坦管道限定的冷却底板的接触表面覆盖电池单元组的面向冷却底板的下侧的大约30%至60%。由于冷却剂的均匀分配以及由平坦管道提供的用于电池单元组的高效冷却过程，使平坦管道的仅基本上覆盖电池单元组的下侧的一半的接触表面足以将电池单元组保持在期望温度范围（优选地大约40℃至60℃）内。相应地，使得冷却底板的构造较容易，有益地减少了冷却装置的制造成本。
附图说明
本发明的其他特征和优势将从以下优选变化例的描述并参考附图而变得显而易见。这些附图示出：
在图1中，是通过根据本发明的车辆电池组的示意性横截面，具有根据本发明的冷却装置；
在图2中，是根据本发明的冷却装置的U形弯曲平坦管道的俯视图和两个截面图；
在图3中，是根据本发明的冷却装置的示意图，具有两个连接的U形平坦管道；和
在图4中，是通过根据本发明的如图3的冷却装置的截面IV-IV。
具体实施方式
图1示出通过车辆电池组件10的截面，所述车辆电池组件10具有冷却装置12和电池单元组14，其中每一个电池单元组14正好指派给一个冷却装置12。
电池单元组14示出为由多个电池单元16制成的预制单元（还参考图3），其中电池单元16可例如是锂离子单元、超级电容器、燃料电池、常规蓄电池或这样的元件的组合。例如，六至十四个锂离子电池单元16可限定出预制电池单元组14，所述电池单元组14也可成为电池块或电池组（batterypack）。
取决于性能需求，适当数量的电池单元组14被连接在一起，以产生用于机动车辆的车辆电池，特别是电动或混合动力车辆。由于各个电池单元组14正好被指派有一个冷却装置12，每一个冷却装置12加上它的相关电池单元组14可相对较自由地定位，以便对可用于安置其的空间进行最佳的使用，并且可随后连接至冷却回路。该冷却回路可以是分立的冷却回路，或其可以是车辆空调系统的冷却回路。用于该冷却回路的冷却剂可以是冷却剂液体，诸如水、乙二醇或水/乙二醇混合物，或它们可以是相变制冷剂，特别是基于二氧化碳的。当使用的制冷剂具有液态和气态时，冷却装置12设计为制冷剂蒸发器，其中进入的制冷剂的液体部分被至少部分地蒸发。
当冷却装置12通过制冷剂操作时，由于基本上恒定的蒸发温度，在电池单元组14内实现了非常均匀的温度分布。此外，有益的是，在该情况下的冷却装置可以容易地与常规车辆空调单元结合。
根据图1的冷却装置12包括冷却底板18，所述冷却底板18具有平坦接触表面20，用于与电池单元组14进行表面接触，具体地用于与电池单元组14的每一个单独的电池单元16接触。
图1中的冷却底板18具有U形弯曲单件式平坦管道22，所述管道22具有两个水平布置的腿部24和26，以及连接件28（还参见图2）。
在根据图1的示例变化例中，平坦管道22布置在冷却底板18的柔性支撑元件30上。冷却底板18的余下空间至少部分地填充有弹性塑料泡沫32，所述塑料泡沫32的材料和形状还决定冷却装置12的期望的接触压力。冷却底板18可以例如被图1中所示的紧固件34弹性地挤压，因此抵靠电池单元组14被预施加应力。该预张力使得冷却底板18的柔性设计的平坦管道22令人满意地抵靠电池单元组14的下侧装配，从而确保了优异的热传递。
由于车辆电池组件10的构造，如果车辆电池组件10覆盖冷却底板18的接触表面20的30%至60%，冷却装置12的冷却能力大致已经足够了，如由面向电池单元组14的下侧的平坦管道所限定的。
平坦管道22的两个腿部24和26处于共面配置，如图1所示，而腿部24和26中的每一个的平坦侧部中的一个为电池单元组14提供冷却的接触表面20。术语接触表面20在下文中应仅被理解为意思是平坦管道的与电池单元组14的电池单元16接触的平坦表面，即使在冷却底板18的其他部分——例如支撑元件30或塑料泡沫32——包括与电池单元组14接触的其他接触点。
图2示出俯视图和通过U形弯曲平坦管道22的两个截面，作为详细示意图。这使得清楚的是，优选地，平坦管道22在线形连接桥件28与腿部24和26之间的过渡区域36中在塑性变形下扭曲，以使得平坦管道22在桥件28处基本上垂直延伸。因此这意味着，平坦管道22的平坦侧部在腿部24和26处基本上平行于接触表面20（水平的），且在连接桥件处基本上垂直于接触表面（垂直的）。换句话说，平坦管道22在连接件28处的平坦侧部是直立的，即，相对于平坦管道22在腿部24和26处的平坦侧部成大约90°的角度。
平坦管道22在过渡地带36中的变形使得，在腿部24和26处限定出接触表面20的同一平坦侧部在连接件28处面向腿部24和26。
被选择用于平坦管道22的变形的过渡区域36的曲率半径越小，冷却装置12的设计可以越紧凑。同时，必须不能使用小于最小曲率半径的半径，所述最小曲率半径对应于平坦管道22的高度h的大约一至三倍，保证平坦管道22中的冷却剂流不被过分地阻碍。
平坦管道可以例如制成为挤出的铝型材。为了避免过多的材料应力同时使平坦管道22变形，平坦管道22在腿部24和26处的中心轴线A和平坦管道在连接件28处的中心轴线A之间的距离x（垂直于接触表面20测量）必须不大于平坦管道22的宽度b的一半。因而，特别是在一个变化例中，平坦管道22对称地变形，使得平坦管道22在腿部24和26处的中心轴线A以及平坦管道22在连接件28处的中心轴线A限定出平行于接触表面20的平面。在另一有利变化例中（参考图2），平坦管道22变形为使得平坦管道22在腿部24和26处以及在连接件28处与顶部或底部侧基本上相齐，并且沿中心轴线A的腿部段和桥段具有间隔x=1/2(b-h)（垂直于接触表面20测量）。
平坦管道22具有幅宽（breadth）b，所述幅宽b是平坦管道的高度h的至少两倍大，且优选地至少是其五倍大。典型地，幅宽b具有15至75mm的量级，高度h具有1至4mm的量级。尽可能最大的接触表面面积20、平坦管道22或冷却底板18的尽可能最小的总高度以及用于平坦管道22的可接受流动阻力和制造工作之间的优选妥协针对侧部给出h:b≈1:10的比。
如可在图1和2中看到的，平坦管道22具有跨过它的幅宽b分布的多个冷却剂通道38。冷却剂通道38在平坦管道22的高度h上基本上居中地排列。这允许平坦管道22易于制造并且为较低的总高度提供较大的接触表面20。通道38在U形平坦管道22的整个长度上延伸。
如果冷却剂通道38的横截面宽度大于或等于冷却剂通道38的横截面高度，还存在对冷却的接触表面20和高度之间的比的积极影响。图1中的冷却剂通道例如具有水平椭圆形横截面；相反地，根据图2，具有圆形横截面的冷却剂通道作为替换例被示出。
图3示出根据又一实施例的冷却装置12的示意图。冷却底板18这里具有两个U形弯曲平坦管道22，布置为抵靠彼此，以使得所有腿部24和26指向相同方向，并且限定出用于电池单元组14的接触表面的平坦侧部处于基本上共面的配置中。在冷却装置12的该设计中，平坦管道22的横截面——特别是它的幅宽b——可被显著减少，或更具体地减半，这使得平坦管道22在过渡地带36中更易于变形，且意味着其较少地中断了垂直排布的连接件28。在该变化例中，宽度b应优选地为大约15至25mm以及高度h为大约2至4mm。
平坦管道22的一个腿部24的自由端部40限定冷却剂入口，而平坦管道22的另一个腿部26的自由端部42限定冷却剂出口。在平坦管道22具有多个冷却剂通道38的情况下，冷却剂入口被设计为分配器44，其将进入的冷却剂分配给各个冷却剂通道38。特别是当使用两相制冷剂时，非常重要的是——如果要跨过接触表面20获得均匀的冷却能力——则平坦管道22的每一个冷却剂通道38尽可能取得在气态和液态中的制冷剂的相等比例，从而整个平坦管道22可以用作均匀蒸发器。
在图3中所示的实施例中，两个U形弯曲平坦管道22每一个在一个腿部24的自由端部40处具有冷却剂入口，且每一个在另一腿部26的自由端部42处具有冷却剂出口。为了保证冷却装置12的该变换例（具有两个U形弯曲单件式平坦管道22）可以被容易地连接至冷却回路，两个U形弯曲管道22的冷却剂入口经由分配器和集流器设备46被连接在一起，两个冷却剂出口也是，其中分配器和集流器设备46具有正好一个冷却剂入口连接器48和正好一个冷却剂出口连接器50。
具有5至25mm2范围的节流横截面的节流阀52布置在冷却剂入口连接器48和两个冷却剂入口中的每一个之间。这些节流器52保证了冷却剂至U形平坦管道22的两个冷却剂入口的期望（具体地：相等的）分配。冷却剂入口则可以设计为分配器44，正如图1和2中的变化例中所示的，由此再次保证冷却剂到各个冷却剂通道38中的相等分配。分配器44在图3中由在腿部24的自由端部40处的引导板54示意性地指示。
图4示出通过根据图3的冷却装置12截取的截面IV-IV。这里清楚的是，分配器和集流器设备46由两个部分构成，上部56和下部58。在上部56和下部58之间的面向腿部24和26的自由端部40和42的一侧，设置有沟道，平坦管道22的所述自由端部40和42可被插入到所述沟道中。在分配器和集流器设备的相对端部处，大致居中地，上部56和下部58紧密地连接在一起，以便建立流入腔室60和流出腔室62。替换地，显然可设想分配器和集流器设备的单件式变化例。

Claims (18)

1.一种用于车辆电池的冷却装置，具有冷却底板（18），所述冷却底板（18）具有至少一个接触表面且尤其是平坦的接触表面（20），用于与电池单元组（14）进行表面接触，其中冷却底板（18）包含至少一个单件式平坦管道（22），所述平坦管道（22）以一角度弯曲，具有两个水平取向的腿部（24、26）和连接桥件（28）。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述单件式平坦管道（22）弯曲为U形形状。
3.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其中，两个腿部（24、26）的配置为共面的，优选地，腿部（24、26）的两个平坦侧部限定用于电池单元组（14）的接触表面（20）。
4.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其特征在于，平坦管道（22）在连接桥件（28）与腿部（24、26）之间的过渡区域（36）中在塑性变形下扭曲，以使得平坦管道（22）在桥件区域（28）中基本上直立地延伸。
5.根据权利要求4所述的冷却装置，其中，在腿部（24、26）处限定出接触表面（20）的平坦侧部在连接桥（28）区域中面向腿部（24、26）。
6.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，平坦管道（22）的幅宽（b）是平坦管道（22）的高度（h）的至少两倍大，且优选地至少是其五倍大。
7.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，平坦管道（22）在腿部（24、26）地带中的中心轴线（A）和平坦管道（22）在连接桥（28）地带中的中心轴线（A）之间的距离（x）应不超过平坦管道（22）的幅宽（b）的一半，所述距离是垂直于接触表面（20）测得的。
8.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，平坦管道（22）具有跨过其幅宽（b）分布的多个冷却剂通道（38）。
9.根据权利要求8所述的冷却装置，其中，所有冷却剂通道（38）优选地布置为基本上在单个平面中跨过平坦管道（22）的高度（h），优选地居中跨过。
10.根据权利要求8或9所述的冷却装置，其中，冷却剂通道（38）的横截面宽度大于或等于冷却剂通道（38）的横截面高度。
11.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，平坦管道（22）在连接件（28）处具有最小曲率半径，对应于平坦管道（22）的高度（h）的一至三倍。
12.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，平坦管道（22）具有多个冷却剂通道（38），其中冷却剂入口被设计为分配器（44），所述分配器（44）在冷却剂通道（38）之中分配进入的冷却剂。
13.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，平坦管道（22）限定蒸发器，其中用作冷却剂的制冷剂的液体部分被至少部分地蒸发。
14.根据前述权利要求中的一项所述的冷却装置，其中，冷却底板（18）具有至少两个U形弯曲平坦管段（22），布置为一个挨着一个，以使得所有腿部（24、26）指向相同方向，并且限定出用于电池单元组（14）的接触表面的平坦侧部（20）的取向基本上共面。
15.根据权利要求14所述的冷却装置，其中，经由分配器和集流器设备（46），两个U形弯曲平坦管段（22）的冷却剂入口连接在一起并且两个冷却剂出口连接在一起，由此分配器和集流器设备（46）限定出正好一个冷却剂入口连接器（48）和正好一个冷却剂出口连接器（50）。
16.根据权利要求14所述的冷却装置，其中，节流阀（52）设置在冷却剂入口连接器（48）和每一个冷却剂入口之间。
17.一种车辆电池组件，具有至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的冷却装置（12）以及至少一个电池单元组（14），其中每一个电池单元组（14）正好指派给一个冷却装置（12）。
18.根据权利要求17所述的车辆电池组件，其中，由平坦管道（22）限定的冷却底板（18）的接触表面（20）覆盖电池单元组（14）的面向冷却底板（18）的下侧的大约30%至60%。
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