CN103217048B - 用于电池冷却系统的塑料液体热交换器 - Google Patents

Abstract

一种用于电池冷却系统的塑料液体热交换器。本发明涉及一种适用于电池组件的热交换器的板组件。板组件可以包括具有第一侧、第二侧、第一开口、和第二开口的第一基本上平面状的部件。第一管道从第一侧上的第一开口延伸，第二管道从第一侧上的第二开口延伸。第一间隔件从第二侧延伸。一些板组件包括具有第三侧、第四侧、第三开口、和第四开口的第二基本上平面状的部件。第三侧面对第一侧，第一管道连接第一侧上的第一开口和第三侧上的第三开口，第二管道连接第一侧上的第二开口和第三侧上的第四开口。第二间隔件从第四侧延伸。

Description

用于电池冷却系统的塑料液体热交换器

技术领域

本发明涉及冷却系统，包括热交换器，该热交换器包括由塑料形成的板组件，带有减少的数量的结合接缝，能够适应电池单元的膨胀。

背景技术

该部分提供关于本公开的背景信息，该背景信息不一定是现有技术。

车辆（例如混合动力、电动和燃料电池车辆）中的电气系统在复杂性和功率使用方面已经发展。这种车辆能够使用与电池功率源结合起来的电动马达。电池能够单独地对车辆供给功率或者能够与另一功率源结合地工作，诸如内燃发动机。

高功率输出和大容量电池能够用作功率源，例如，镍金属氢化物电池或锂离子聚合物电池。多个电池单元能够彼此串联或并联连接，从而构成较大的电池组件。能够使用电池单元之间的各种机械和电联接件将电池单元封装在一起，以形成组件。电池单元能够包括能够以堆叠的关系放置的棱形电池或凹陷形状电池，以降低组件的空间和整体尺寸。这种电池单元能够在充电/放电和其整个寿命内展现厚度的变化。

在充电和放电过程中，电池单元能够产生热量。积聚在电池组件中的热量能够不利地影响电池单元。结果，能够提供冷却系统来维持期望的操作温度。这种冷却系统能够包括在单元之上吹的空气和/或可以使用液体冷却系统。然而，这些冷却系统可能具有高的制造和维护成本，且由于相对高数量的部件（包括部件之间所需要的密封和接头），可能引起问题。

发明内容

本发明技术包括系统、方法、和制造品，其包括热交换器的板组件。

在一些实施例中，板组件包括具有第一侧、第二侧、第一开口、和第二开口的第一基本上平面状的部件。第一管道从第一侧上的第一开口延伸，第二管道从第一侧上的第二开口延伸。第一间隔件从第二侧延伸。板组件可以进一步包括具有第三侧、第四侧、第三开口、和第四开口的第二基本上平面状的部件。在这种情况下，第三侧面对第一侧，第一管道连接第一侧上的第一开口和第三侧上的第三开口，第二管道连接第一侧上的第二开口和第三侧上的第四开口。第二间隔件从第四侧延伸。

在某些实施例中，热交换器包括两个这种板组件，一个板组件的第一间隔件与另一个板组件的第二间隔件可滑动地接合、容纳或位于该第二间隔件内或周围，以形成流场。

在各种实施例中，电池组件包括板组件和邻近第一侧的电池单元。在一些实施例中，电池组件包括热交换器、设置在一个板组件的第一基本上平面状的部件和第二基本上平面状的部件之间的第一电池单元、和设置在另一个板组件的第一基本上平面状的部件和第二基本上平面状的部件之间的第二电池单元。

在某些实施例中，电池冷却系统包括电池组件和冷却剂回路，该冷却剂回路包括出口和入口，出口流体地联接到板组件之一的第一管道，入口流体地联接到板组件之一的第二管道。冷却剂设置在冷却剂回路内，电池冷却系统构造成允许冷却剂从入口流动通过板组件之一的第一管道，通过流场，以及通过第二管道至出口。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1.一种用于热交换器的板组件，包括：

第一基本上平面状的部件，其具有第一侧、第二侧、第一开口、和第二开口；

从所述第一侧上的第一开口延伸的第一管道；

从所述第一侧上的第二开口延伸的第二管道；和

从所述第二侧延伸的第一间隔件。

2.如技术方案1所述的板组件，还包括从所述第二侧延伸的多个第一间隔件。

3.如技术方案1所述的板组件，还包括将所述第一管道的远端和所述第二管道的远端联接起来的法兰。

4.如技术方案1所述的板组件，其中，所述第一间隔件还包括从所述第二侧延伸的壁，该壁将所述第二侧的包括第一开口的第一部分与所述第二侧的包括第二开口的第二部分部分地分开。

5.如技术方案1所述的板组件，还包括：

第二基本上平面状的部件，其具有第三侧、第四侧、第三开口、和第四开口，其中，所述第三侧面对所述第一侧，所述第一管道连接所述第一侧上的第一开口和所述第三侧上的第三开口，所述第二管道连接所述第一侧上的第二开口和所述第三侧上的第四开口；以及

从所述第四侧延伸的第二间隔件。

6.如技术方案5所述的板组件，还包括从所述第四侧延伸的多个第二间隔件。

7.如技术方案5所述的板组件，其中，所述第一间隔件和所述第二间隔件构造成滑动地彼此接合。

8.如技术方案5所述的板组件，其中，所述第一间隔件构造成容纳所述第二间隔件。

9.如技术方案5所述的板组件，其中，所述第一间隔件与所述第二间隔件相同。

10.如技术方案1所述的板组件，其中，所述板组件由塑料形成。

11.一种热交换器，包括：

根据技术方案5所述的两个板组件，其中，一个板组件的第一间隔件与另一个板组件的第二间隔件联接，形成流场。

12.如技术方案11所述的热交换器，其中，一个板组件的第一间隔件容纳另一个板组件的第二间隔件。

13.如技术方案11所述的热交换器，其中，一个板组件的第一间隔件和第二间隔件相同。

14.如技术方案11所述的热交换器，其中，所述板组件由塑料形成。

15.如技术方案11所述的热交换器，其中，一个板组件的第一基本上平面状的部件的外周与另一个板组件的第二基本上平面状的部件的外周被密封在一起。

16.如技术方案11所述的热交换器，其中，一个板组件的第一基本上平面状的部件的外周与另一个板组件的第二基本上平面状的部件的外周被焊接在一起。

17.如技术方案11所述的热交换器，还包括所述流场内的冷却剂。

18.一种电池组件，包括：

如技术方案1所述的板组件；和

邻近所述第一侧的电池单元。

19.一种电池组件，包括：

如技术方案11所述的热交换器；

设置在一个板组件的第一基本上平面状的部件和第二基本上平面状的部件之间的第一电池单元；和

设置在另一个板组件的第一基本上平面状的部件和第二基本上平面状的部件之间的第二电池单元。

20.一种电池冷却系统，包括：

如技术方案19所述的电池组件；

包括入口和出口的冷却剂回路，所述入口流体地联接到所述板组件之一的第一管道，所述出口流体地联接到所述板组件之一的第二管道；以及

所述冷却剂回路内的冷却剂，其中，所述电池冷却系统构造成允许冷却剂从所述入口流动通过所述板组件之一的第一管道，通过所述流场，以及通过所述第二管道至所述出口。

申请的其它内容将从本文提供的说明书中变得清楚。该发明内容中的说明和具体示例仅旨在用于说明的目的且并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文所描述的附图目的仅在于解释说明所选的实施例而并非所有可能的实施方式，且并不意图限制本公开的范围。

图1是板组件以及通过联接这些板组件而形成的热交换器的部分分解透视图。

图2A显示了板组件的第一侧的正视图。

图2B显示了板组件的第二侧的正视图。

图3是板组件之间的联接间隔件的透视图。

图4显示了两个板组件在联接以形成流场之前的侧视图。

图5显示了两个板组件的侧视图，间隔件被联接以形成流场，其中，基本上平面状的部件的周边的一部分被密封。

图6显示了两个板组件的在图1中所示的横截面图，间隔件被联接以形成流场，其中，整个周边被密封。

图7显示了两个板组件的侧视图，间隔件被联接以形成相对于两个电池单元定位的流场。

图8显示了电池冷却系统的示意图。

具体实施方式

以下对技术的描述在一个或多个发明的主题、制造以及使用本质方面仅是示例性的，并且不限制本申请所要求的任何特定发明的范围、应用或用途，或者所提交的要求本申请的优先权的其它申请或者由此产生的专利。关于所公开的方法，所述的步骤的顺序本质上是示例性的，因此，可能的情况下，在各种实施例中，步骤的顺序可以不同。

本技术涉及适用于电池组件的温度调节系统的热交换器的板。该板包括一个或多个集成的管道和一个或多个集成的间隔件。该板能够与另一个这种板配合，形成热交换器，该热交换器包括用于循环流体的流场。热交换器能够用于调节电池组件中的一个或多个电池单元的温度。与其它热交换器相比，该热交换器使得部件的数量降低。这允许热交换器中更少的接头、密封、和/或接缝，这能够在构造、重量和成本方面提供改善的冷却系统。具体而言，板可以由塑料形成，该塑料被模制以包括管道，诸如膨胀波纹管和各种间隔件。因此，在形成热交换器的流场时，没有必要将分开的构件钎焊在一起（例如，板组件和膨胀波纹管），从而例如消除了连接不相似材料所能够引起的问题。

用于车辆的电池组件可构造成向逆变器供应高压直流(DC)功率，该逆变器可包括联接至电机的三相电路，以将DC功率转变成交流(AC)功率。在这方面，逆变器可包括开关网络，所述开关网络具有被联接到电池组件的输入以及联接到电机的输出。与电机的每个相相对应，所述开关网络可以包括各种带有反并联二极管（即反并联至每个开关）的串联开关（例如在半导体基层上形成的集成电路中的绝缘栅双极晶体管（IGBT））。电池组件可包括电压调节或转换装置，例如DC/DC转换器。一个或多个电池组件可以分布在车辆内，每个电池组件能够由数个电池单元组成。电池单元能够串联或并联连接以便一起提供电压给逆变器。

电池组件可以由流动通过冷却剂回路的流体来冷却，该冷却剂回路包括热交换器。流体流入电池组件的一个或多个入口，并且通过电池组件的内部，与电池单元交换热量。然后，流体流动通过电池组件的一个或多个出口。然后，流体可以循环通过冷却剂回路。例如，泵可帮助流体移动通过冷却剂回路。术语“冷却剂”在本文用于指流体，但是应当注意的是，冷却剂可以加热或冷却车辆内的各个构件，包括电池组件。冷却剂可以包括吸收或传递热量以冷却或加热相关的构件的任何液体，诸如水和/或乙二醇（即，“防冻剂”）。

参考图1，显示了各个板组件100、110及其组装到热交换器120。热交换器120的板组件100能够包括第一基本平面状的部件130，其具有第一侧140、第二侧150、第一开口160、和第二开口170。第一管道180从第一侧140上的第一开口160延伸，第二管道190从第一侧140上的第二开口170延伸。这些管道180、190能够采取膨胀波纹管的形式。第一间隔件200从第一基本平面状的部件130的第二侧150延伸。板组件100还能够包括多个第一间隔件200，这些多个第一间隔件200从第二侧150延伸。如图所示，多个间隔件200能够包括在基本上平面状的部件130的第二侧150上间隔开的一系列突出（dimple）。间隔件200可以使用各种尺寸、形状和构造。在一些实施例中，板组件100还可以包括法兰210，该法兰210将第一管道180的远端220和第二管道190的远端230联接起来。第一间隔件200还可以包括从第二侧150延伸的壁240，该壁240将第二侧150的包括第一开口160的第一部分250与第二侧150的包括第二开口170的第二部分260部分地分开。

参考图1、2和4，板组件110还可以包括第二基本平面状的部件270，该部件270具有第三侧280、第四侧290、第三开口300和第四开口310。第二基本上平面状的部件270的第三侧280面对第一基本上平面状的部件130的第一侧140。第一管道180连接第一侧140的第一开口160和第三侧280的第三开口300，第二管道190连接第一侧140的第二开口170和第三侧280的第四开口310。管道180、190可以采取膨胀波纹管的形式，以允许第一和第二基本上平面状的部件130、270之间的间隔的变化。第二间隔件320从第二基本平面状的部件270的第四侧290延伸。板组件110还能够包括多个第二间隔件320，这些多个第二间隔件320从第四侧290延伸。如图所示，多个间隔件320能够包括在第二基本上平面状的部件270的第四侧290上间隔开的一系列突出。间隔件320可以使用各种尺寸、形状和构造。第二间隔件320可以包括从第四侧290延伸的壁330，该壁330将第四侧290的包括第三开口300的第一部分340与第四侧290的包括第四开口310的第二部分350部分地分开。

第一间隔件200还可以构造成与相邻的板组件110的第二间隔件320联接、协作、可滑动地接合或容纳该第二间隔件320。例如，第一间隔件200能够构造成容纳第二间隔件320，如图2A、2B和3所示，其中，第一间隔件200是配合到第二间隔件320中的实心突起，第二间隔件320是空心突起。这可以允许板组件110结合到另一个板组件110，例如，在两个板组件110（例如，图4）被联接（例如，图5）的情况下。例如，如图4和5所示，一个板组件110可以结合到另一个板组件110’，该另一个板组件110’具有由带撇号的参考标号标记的类似的特征。然而，在一些情况下，第一间隔件200可以与第二间隔件320相同。在第一和第二间隔件200、320在板组件110中相同的情况下，两个不同的板组件110可以被结合起来，例如，一个板组件110仅具有空心的突起作为间隔件200、320，另一个板组件110仅具有实心的突起作为间隔件200、320。

间隔件200、320可以构造成使得它们沿着从基本上平面状的部件140、270突出的每个间隔件的长度彼此保持接合。例如，如图3所示，实心的第一间隔件200可以滑入空心的第二间隔件320。在一些实施例中，实心的第一间隔件200能够滑入空心的第二间隔件320，实心的第一间隔件的至少一部分被空心的第二间隔件320所覆盖。在某些实施例中，实心的第一间隔件200能够滑入空心的第二间隔件320中，使得大部分实心的第一间隔件被空心的第二间隔件320所覆盖。在其它实施例中，整个实心的第一间隔件200可以滑入空心的第二间隔件320。尽管间隔件200、320在附图中显示为具有圆形的横截面，但能够具有各种形状的横截面。此外，间隔件200、320能够大致垂直地从基本上平面状的部件130、270突出，但也可以成角度或者其突出的轮廓是渐细的，例如，间隔件200、320的轮廓可以是截锥形。

板组件100、110可以由各种材料形成，在一些情况下可以由塑料制成。具体而言，板组件100、110可以由单件材料形成，使得不需要将各部分密封、钎焊或焊接在一起。例如，可以通过注塑模制或铸造塑料、金属或复合材料来形成整个板组件100、110。接下来，一些特征可以被冲压到、压入到或热成型到板组件100、110中，例如，塑料的第一和第二基本上平面状的部件130、270可以被注塑模制，并且然后热成型以形成间隔件200、320。

如图5所示，热交换器120可以使用两个板组件110、110’形成，其中，来自一个板组件110的第一间隔件200与来自另一个板组件110’的第二间隔件320’联接或可滑动地接合，以形成流场360。两个板组件110、110’可以各具有多个间隔件，这些多个间隔件构造成将板联接在一起。

一个板组件110的第一或第二基本上平面状的部件130、270的外周370和另一个板组件110'的第一或第二基本上平面状的部件130’、270’的外周370’可以被密封380在一起。该密封可以由焊接形成，例如，在板组件110、110’由塑料形成的情况下由超声焊接密封。或者，密封380的外周可以使用垫圈或密封剂形成。冷却剂可以循环通过流场360内的相应的管道180、190、180’、190’。图6是图1中的热交换器120的一部分中的两个结合的板组件110、110’的横截面，如图6所示，整个外周370、370’被密封380在一起。以此方式，冷却剂可以包含在流场360内。

现在参考图7，电池组件390被设置为包括如上所述的板组件110以及邻近板组件110的第一侧140的电池单元400。电池组件390还可以包括如上所述的热交换器120和第一电池单元400以及第二电池单元410。第一电池单元400可以设置在一个板组件的第一基本上平面状的部件130和第二基本上平面状的部件270之间。第二电池单元410可以设置在另一个板组件110’的第一基本上平面状的部件130’和第二基本上平面状的部件270’之间。

电池冷却系统420还设置成包括如上所述的电池组件390，以及冷却剂回路430，如图7所示。冷却剂回路430包括入口440和出口450，入口440流体地联接到板组件110、110’之一的第一管道180，出口450流体地联接到板组件110、110’之一的第二管道190。冷却剂包含在冷却剂回路430内。电池冷却系统420构造成允许冷却剂从冷却剂回路430的入口440流动通过板组件110、110’之一的第一管道180、通过流场360、通过第二管道190，到达冷却剂回路430的出口450。

另外，关于流场360，冷却剂能够流动通过基本上平面状的部件270、130’之间的第一管道180，联接的间隔件320、200’限定了间隔。随着冷却剂通过第一管道180和开口160进入基本上平面状的部件270、130’之间，冷却剂能够被壁240引导，流过基本上平面状的部件270、130’的大部分或所有表面，该壁240将包括第一开口160的第一部分250与包括第二开口170的第二部分260分开，冷却剂进入第二开口170到达第二管道190。冷却剂能够在如图所示的形成壁240、330的一部分的各个间隔件200、320和/或分开的联接间隔件200、320周围流动。流场360的外侧（例如，一个板组件110的第三侧280和另一个板组件110’的第一侧140’）能够定位成靠近第一电池单元400和第二电池单元410中的至少一个，以便在流场360和电池单元400、410之间提供热传递，例如，流场360的外侧能够接触第一电池单元400和第二电池单元410中的至少一个。

电池单元400、410可以是能够以堆叠的关系放置的棱形电池或凹陷形状电池，以降低电池组件的空间和整体尺寸。这种电池单元400、410能够在充电/放电和其整个寿命内展现厚度的变化。该板组件110、110’当联接并密封380以形成一个或多个流场360时，可以根据电池单元400、410的厚度的变化而调整。具体而言，间隔件200、320能够相对于彼此滑动，允许联接的板组件100、110’的基本上平面状的部件130’、270之间的距离改变。例如，流场360内的冷却剂的压力可以被调整，以使得基本上平面状的部件130'、270之间的距离增大或减小，例如，密封380的基本上平面状的部件130’、270能够由弹性和柔性的材料形成，当冷却剂的压力增加时，部件130’、270向外弯曲。在一些情况下，电池单元400、410可以膨胀，并且将基本上平面状的部件130’、270推到一起，例如，实心的第一间隔件200被进一步推入空心的第二间隔件320。在其它情况下，电池单元400、410可以紧缩，通过增加冷却剂压力，可以增加基本上平面状的部件130’、270之间的距离，实心第一间隔件200和空心第二间隔件320彼此滑离。以此方式，在充电/放电期间的电池单元400、410的厚度的变化可以由流场360内的冷却剂压力的变化来适应。这允许基本上平面状的部件130’、270保持为直接接触，或者保持为靠近电池单元400、410，以提供改善的热传递。例如，电池单元400、410和流场360可以一起“呼吸”，而间隔件200、320相对于彼此滑动，以适应电池组件的厚度的变化，从而维持不同厚度下的冷却效率。

再次参考图8，可以使用泵460使冷却剂移动通过冷却剂回路430和热交换器120中的流场360。在一些实施例中，冷却剂回路430可以延伸到冷却剂存储器470，在各实施例中，冷却剂回路430可以延伸到车辆的需要热传递的另一个构件480。构件480可以包括例如功率装置、燃料电池、和气候控制系统中的一个或多个。

本技术提供若干益处。这些益处包括能够增加电池寿命周期的改善的温度调节。塑料构件可以用于替代需要金属结合（例如，焊接、钎焊等）的若干金属构件。例如，塑料热交换器可以具有6个接缝，而金属热交换器中具有34至40个接缝。将板组件模制为单件可以提供更少的部件、更小的重量、更少的材料成本、和更少的制造成本。

提供了示例性实施例以向本领域技术人员完整充分地说明本发明的范围。提供了多种具体细节，例如具体构件、装置和方法的例子，使得能完全理解本公开的实施例。本领域技术人员将清楚，不需要运用这些具体细节，示例性实施例可以以多种不同的形式来实施并且也不应被解释为限制本发明的范围。在一些示例性实施例中，众所周知的过程，众所周知的设备结构以及众所周知的技术不再详细地描述。在本发明技术的范围内，可以进行一些实施例、材料、成分和方法的等同改变、修改和变化，得到基本上类似的结果。

Claims (19)

1.一种用于热交换器的板组件，包括：

第一基本上平面状的部件，其具有第一侧、第二侧、第一开口、和第二开口；

从所述第一侧上的第一开口延伸的第一管道；

从所述第一侧上的第二开口延伸的第二管道；和

从所述第二侧延伸的第一间隔件，

其中，所述第一间隔件还包括从所述第二侧延伸的壁，该壁将所述第二侧的包括第一开口的第一部分与所述第二侧的包括第二开口的第二部分部分地分开。

2.如权利要求1所述的板组件，还包括从所述第二侧延伸的多个第一间隔件。

3.如权利要求1所述的板组件，还包括将所述第一管道的远端和所述第二管道的远端联接起来的法兰。

4.如权利要求1所述的板组件，还包括：

第二基本上平面状的部件，其具有第三侧、第四侧、第三开口、和第四开口，其中，所述第三侧面对所述第一侧，所述第一管道连接所述第一侧上的第一开口和所述第三侧上的第三开口，所述第二管道连接所述第一侧上的第二开口和所述第三侧上的第四开口；以及

从所述第四侧延伸的第二间隔件。

5.如权利要求4所述的板组件，还包括从所述第四侧延伸的多个第二间隔件。

6.如权利要求4所述的板组件，其中，所述第一间隔件和所述第二间隔件构造成滑动地彼此接合。

7.如权利要求4所述的板组件，其中，所述第一间隔件构造成容纳所述第二间隔件。

8.如权利要求4所述的板组件，其中，所述第一间隔件与所述第二间隔件相同。

9.如权利要求1所述的板组件，其中，所述板组件由塑料形成。

10.一种热交换器，包括：

根据权利要求4所述的两个板组件，其中，一个板组件的第一间隔件与另一个板组件的第二间隔件联接，形成流场。

11.如权利要求10所述的热交换器，其中，一个板组件的第一间隔件容纳另一个板组件的第二间隔件。

12.如权利要求10所述的热交换器，其中，一个板组件的第一间隔件和第二间隔件相同。

13.如权利要求10所述的热交换器，其中，所述板组件由塑料形成。

14.如权利要求10所述的热交换器，其中，一个板组件的第一基本上平面状的部件的外周与另一个板组件的第二基本上平面状的部件的外周被密封在一起。

15.如权利要求10所述的热交换器，其中，一个板组件的第一基本上平面状的部件的外周与另一个板组件的第二基本上平面状的部件的外周被焊接在一起。

16.如权利要求10所述的热交换器，还包括所述流场内的冷却剂。

17.一种电池组件，包括：

如权利要求1所述的板组件；和

邻近所述第一侧的电池单元。

18.一种电池组件，包括：

如权利要求10所述的热交换器；

设置在一个板组件的第一基本上平面状的部件和第二基本上平面状的部件之间的第一电池单元；和

设置在另一个板组件的第一基本上平面状的部件和第二基本上平面状的部件之间的第二电池单元。

19.一种电池冷却系统，包括：

如权利要求18所述的电池组件；

包括入口和出口的冷却剂回路，所述入口流体地联接到所述板组件之一的第一管道，所述出口流体地联接到所述板组件之一的第二管道；以及

所述冷却剂回路内的冷却剂，其中，所述电池冷却系统构造成允许冷却剂从所述入口流动通过所述板组件之一的第一管道，通过所述流场，以及通过所述第二管道至所述出口。