CN103390779A - 车辆电池组冷却系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及车辆电池组冷却系统，其包括：壳体；连接到壳体的风扇；壳体的第一部分包括选择性地与所述风扇流体连通的电池模块；壳体的第二部分包括选择性地与所述风扇流体连通的电池支持装置；和隔板组件，其经配置控制所述风扇与第一部分和第二部分之间的流体连通。

Description

车辆电池组冷却系统

技术领域

本公开涉及用于车辆电池组的热管理系统。

背景技术

混合动力电动车辆和电动车辆包括在运行期间补偿或支持车辆动力传动系统的电池组。电池组通常需要冷却。冷却系统可以包括引导空气离开电池组中的电池单元和/或模块的风扇。电池组支持装置，如充电器、发电机、转换器或其他装置可能同样需要冷却。在过去，单独的风扇专用于电池支持装置。两个风扇提供不同的功能：第一个风扇在车辆处于驱动模式时冷却高电压电池组；而第二个风扇在车辆停车和/或被充电时冷却充电器。每个风扇需要用于部件、装配、封装、保修和故障模式管理的额外成本。因此，希望的是具有单个风扇冷却系统以冷却电池组和任何电池支持装置。

标题为“冷却结构和电动车辆”的美国专利No.6,094,927是关于设置在电池单元下方的副空气通道，其具有比主通道更小的截面，以便增加对电气部件气流。然而，没有提供独立化的空气流动管理，其中冷却系统可单独地控制电池模块和电气部件之间的流动。

因此，希望的是具有一种用于车辆电池组的冷却系统，其支持电池模块和电池支持装置的独立冷却并使用单个风扇。

发明内容

本发明解决了上述问题中的一个或更多问题。从下面的描述中，其他特征和/或优点将变得显而易见。

一个示例性的实施例涉及车辆电池组冷却系统，其包括：壳体；连接到壳体的风扇；壳体的第一部分，其包括选择性地与风扇流体连通的电池模块；壳体的第二部分，其包括选择性地与风扇流体连通的电池支持装置；和隔板组件，其经配置控制风扇与第一部分和第二部分之间的流体连通。

在另一个实施例中，隔板组件包括：连接到壳体的隔板；和经配置控制隔板位置的微控制器；其中隔板经配置为在处于第一位置时阻碍风扇和第一部分之间的空气流动以及在处于第二位置时允许空气通过其流动；其中隔板经进一步配置为在处于第二位置时阻碍风扇和第二部分之间的空气流动以及在处于第一位置时允许空气通过其流动。

在另一个实施例中，冷却系统进一步包括连接到微控制器的致动器，致动器经配置调整隔板的位置。

另一示例性实施例涉及制造电池冷却系统的方法，该方法包括：连接风扇到在电池模块、电池支持装置和风扇之间具有共同导管的壳体；以及提供隔板组件，其经配置选择性地在风扇和电池模块或电池支持装置之间引导空气。

在另一实施例中，提供隔板组件包括：提供第一隔板，其被配置为阻碍风扇和电池模块之间的空气流动；提供第二隔板，其被配置为阻碍风扇和电池支持装置之间的空气流动；以及提供微控制器，其被配置为控制第一隔板和第二隔板的位置。

在另一个实施例中，制造方法进一步包括铰接第一隔板和第二隔板，以便第一隔板和第二隔板相对于壳体一起旋转。

在另一个实施例中，制造方法进一步包括：联接温度传感器到电池冷却系统；和编程用于隔板组件的微控制器，以根据温度读数控制风扇、电池模块和电池支持装置之间空气的引导。

另一示例性实施例涉及控制车辆电池组的冷却系统的方法，该方法包括：为风扇供电；当车辆在驱动模式下运行时，在车辆电池模块和风扇之间引导空气；以及当车辆在充电模式下运行时，在风扇和电池支持装置之间引导空气。

在另一个实施例中，该方法进一步包括接收来自车辆控制模块的信号，该信号指示车辆运行模式。

在另一个实施例中，该方法进一步包括评估电池组的温度；和根据温度评估确定车辆运行模式。

另一示例性实施例涉及控制电池组的冷却系统的方法，该方法具有：为风扇供电；评估电池组的温度；和根据温度评估在风扇、电池模块和电池支持装置之间引导空气。

在另一个实施例中，该方法进一步包括：比较温度评估和温度查找表，所述温度查找表根据温度的空气引导指令；和根据温度查找表设置在风扇、电池模块和电池支持装置之间引导空气。

在另一个实施例中，该方法进一步包括：比较温度评估和校准逻辑，该校准逻辑具有存储于其中的根据温度的风扇和电池模块或电池支持装置之间隔板的角度位置；和根据校准逻辑定位隔板。

本公开的一个优点是，本申请在车辆电池组中使用双模式冷却的单风扇。本发明公开的冷却系统提供对电池模块和电池支持装置的冷却。单风扇也具有推动和拉动空气进入电池组的不同部分的双重功能。

附图说明

本发明将参照附图通过示例更详细地进行解释，其中相同参考标号用于相同或基本相同的元件的附图中。当结合附图时，根据用于执行本发明的最佳模式的下文详细的描述，上述特征和优点以及本发明的其他特征和优点是显而易见的。在附图中：

图1是具有电池组和示例性电池组冷却系统的车辆的示意图。

图2是当车辆处于驱动运行模式时，与图1的电池组兼容的电池组冷却系统的示意图。

图3是在车辆处于充电运行模式时图2的电池冷却系统的示意图。

图4是电池冷却系统的替代实施例的示意图。

图5是图4中沿圆圈5截取的隔板组件的示意图。

图6是电池组冷却系统的替代实施例的示意图。

图7是用于电池组冷却系统的示例性控制电路的示意图。

具体实施方式

参照附图，其中相同字符表示几个示图的相同或相应部件的示例，示出了不同电池组冷却系统或热管理系统。图示的电池组冷却系统是用于与混合动力电动车辆或所有电动车辆使用。冷却系统被连接到电池组壳体和相对于电池模块和任何电池支持装置，选择性地产生气流通过壳体。冷却系统包括隔板组件，其引导来自单风扇的空气进入电池组壳体的指定区域，即，需要立即冷却的区域。

如在图1中所示，风扇模块10被连接到电池组壳体20。所示的车辆30是电动车辆。空气导管40被直接连接到风扇模块10。空气导管40也被连接到电池组壳体20的两个部分50、60。风扇模块10包括30W的风扇。可以使用任何类型的电机驱动风扇。风扇模块被连接到车辆辅助电源（例如，铅酸蓄电池）。在能量守恒中，在一个实施例中，风扇是由电池充电器控制，以优化冷却和最大限度地降低在充电过程中的功率消耗。空气导管40被连接到壳体20的每个部分50、60。本设计采用单风扇（相对于图2-5所讨论的），以通过在车辆驱动运行模式过程中从部分60拉出热排出空气来冷却高压电池模块，而在车辆充电模式下通过推动新鲜空气进入部分70来冷却电池充电器80。

现在参照图2，其中示出了电池组100。电池组冷却系统110被连接到电池组100。电池组100被示出有具有多个电池模块130存储在其中的壳体120。壳体120被分成两个部分140和150。电池模块130安置在部分140中。部分140通过导管170选择性地与风扇60流体连通。可枢转隔板180（混合门（blend door）或排气门）被包括在壳体120的部分140中。隔板180是由两部分组成的隔板组件的一部分。隔板180被铰接到部分140，并且经配置在处于关闭位置（如图3所示）时阻碍风扇160和部分140之间的空气流动以及在处于打开位置（如图2所示）时允许空气通过其流动。

如图2中所示，部分150包括电池支持装置200，其在此实施例中是一个电源充电器。部分150也可以容纳包括例如转换器或发电机等其他支持装置。部分150在导管170的另一端处被连接到该导管。隔板190被铰接到部分150，并且经配置以在处于关闭位置（如图2所示）时阻碍风扇160和部分150之间的空气流动以及在处于打开位置（如图3所示）时允许空气通过其流动。在此实施例中，隔板180和190是由金属材料组成，但可以由任何材料形成，包括聚合物、木材或其他材料。

在图2中所示的实施例中，隔板180和190由电机驱动的致动器210控制。致动器210经配置调整隔板180和190的位置。微控制器220被连接到每个致动器210并且经配置控制隔板180和190的位置。微控制器220也被连接到风扇160并且经配置控制配电到风扇。微控制器220经进一步配置通过反向流到风扇的电流控制风扇方向。例如，空气可以被拉动或推动通过电池组的部分140或150。微控制器220可以与电池能量控制模块（BECM或BCM）集成，电池能量控制模块经配置控制相对于在电池组100中的电池模块130的电池操作。微控制器220也可以是单独的控制器或结合任何其他车辆控制器（例如，动力传动系统控制模块（PCM）、车辆控制模块（VCM）或约束控制模块（RCM））。

如图2中所示，分隔器230被设置在部分140和部分150之间，以便流动到电池模块130的空气不流动到电池支持装置200，并且流动到电池支持装置200的空气不流动到电池模块130。在图2中，其中电池冷却系统110所支持的车辆在驱动模式下运行。在驱动模式下，电池组100支持车辆动力传动系统，因此电池组100经历更高的温度。隔板180被示出处于打开位置。空气被拉动通过壳体壁中的排气孔（例如，如图1中所示的25）。再参照图2，壳体120也包括在壳体120的部分140中的两个进气口240。风扇160拉动在某些情况下被HVAC冷却的车辆车厢内空气进入电池组壳体120，通过进气口240和在250处的排气孔，并且在260处的排气口排出加热的空气。当其中电池组100所支持的车辆是在充电模式下运行时，隔板180是处于关闭位置，如图3中所示。隔板190处于打开位置。空气是在导管170中通过在270处的排气孔进入（例如，如图1中所示的35）。排气孔270可以被连接到车辆车厢内或车辆的外部，以拉动环境空气进入电池组壳体120。空气是通过导管170到部分150被引导，并通过排气口280被排出。

在此实施例中，隔板180和190根据车辆运行模式被控制。电池组接收关于车辆运行模式的信息并被电池控制模块（或BCM）控制。关于车辆运行模式的信息是通过车辆CAN传播。BCM被连接到车辆控制模块（或VCM）并根据车辆运行模式进行控制。

另外，如图2-3中所示的微控制器220包括根据电池组中的温度传感器确定车辆运行模式的逻辑。微控制器220包括查找表，例如，下面所示的表1，其根据预定的目标温度指示车辆运行模式。在其中电池模块温度高于预定的阈值（在这种情况下是75°F）的实施例中，微控制器确定车辆是在驱动模式下运行。在驱动模式下，电池模块能量被散布并且电池模块达到相对较高的温度。当电池模块温度低于预定的阀值时，微控制器确定车辆不在驱动模式下运行。

表1：温度查找表

电池支持装置温度也可以用于指示车辆运行模式。当充电器温度超过预定的阈值时，例如55°F，微控制器确定车辆是在充电模式下运行。示例性充电模式是当车辆被插上电源和再充电时或当再生制动时或发动机装置供给电源到充电器时。当充电器温度低于预定的阈值时，例如55°F，微控制器确定车辆是在充电模式下运行。在电池模块或充电器达到其预定的温度后，各个隔板门移动朝向关闭位置。随着每个部分中的温度变化，这种动态主动控制方法调整隔板门。闭环控制方法被编入微控制器中来接收模块和充电器温度上的持续更新，以相应地改变隔板位置。查找表数据可以凭经验获得，或例如根据热建模得出。

现在参照图4，示出了替代的电池组冷却系统300。在图4中所示的实施例中，连接的可枢转隔板组件310被包括在电池组壳体320中。隔板330被固定地铰接到隔板340。壳体320被分成两个部分350和360。电池模块370被安置在部分350中。电源充电器380被安置在部分360中。每个部分350、360通过导管400选择性地与风扇390流体连通。枢转双门隔板组件310被包括在导管400中。隔板330和340被铰接到壳体220，并经配置根据每个隔板相对于铰接件410的中心线（如相对于图5更详细讨论）的角度位置阻碍风扇390和部分350或部分360之间的空气流动。如图4中所示，部分360包括电池支持装置280。在此图例中，电池支持装置380是电源充电器。部分360也可以容纳其他支持装置。部分也被连接到导管400。

在图4所示的实施例中，隔板组件310是由单个致动器420控制。致动器420经配置同时调整每个隔板330和340的位置。致动器420是电机驱动的。微控制器430被连接到致动器420，并且经配置控制隔板330和340的位置。微控制器430也被连接到风扇390，并经配置控制对风扇的电力分配。微控制器430经进一步配置通过反向流到风扇的电流控制风扇方向。微控制器430可以与电池能量控制模块（BECM或BCM）集成，电池能量控制模块经配置相对于在电池组中的电池单元控制电池操作。如图4中所示，分隔器440被设置在部分350和360之间，以便流动到电池模块370的空气不流动到电池支持装置380，反之亦然。

如图5中所示，隔板组件中的隔板330和340可以设置在不同角度位置，以便增加或减少分别到部分350和部分360的流动。在此实施例中，隔板330和340是以45度角分开。然而，隔板330和340可以具有相对于彼此的较大或较小的固定位置。隔板330相对于铰接线的角度位置是被表示为θ，其中铰接线可以是铰接件410的中心线或与铰接件的枢转点P共线。隔板340相对于交界线的角度位置被表示为α。由于隔板330和340是相对于彼此固定的，α和θ的总和是固定的。当需要无空气流动到部分350时，θ等于隔板330和隔板340之间的角度位置的二分之一。当需要增加空气流动到部分350（如图4中所示）时，θ被改变。类似地，当需要增加空气流动到部分360（如图4中所示）时，α被改变。隔板组件310可以旋转，以便θ或α在此实施例中等于90度。隔板330或340的角度位置可以从外部的角度测量。例如，如图5中所示，β是从垂直于导管400和隔板340的纵向轴线的轴线测量。在其他的实施例中，隔板组件经配置旋转360度，以便空气流动到任一部分没有任何阻碍。

每个隔板330和340的角度位置也与被提供至电池组305的百分比的全气流相关联。例如，图4中常用的铰接隔板330和340可打开至一个校准角度，该校准角度允许20%空气流动通过至部分350中的电池模块和80%的空气流动通过至部分360中的充电器。百分比气流和每个隔板的角度之间的这些关联被存储在BCM校准逻辑中。

在图4中，其中电池冷却系统300所支持的车辆是在充电模式下运行。两个部分350和360被用提供至部分360的更多空气冷却。相对于铰接线的隔板340角度位置α大于隔板330角度位置θ。空气被拉动通过在445处的壳体壁中的排气孔。壳体320也包括在壳体320的部分350中的两个进气口450。风扇390拉动环境空气进入电池组壳体320并且在排气口460处排出加热的空气。

空气流动到如图4中所示的部分350或部分360的条件是根据如图5中所示的隔板330和340的角度位置。在一个实施例中，微控制器430包括校准逻辑，其具有根据电池模块或电池支持装置的冷却需求存储于其中的隔板330和340的角度位置。根据电池装置的实际和所需的运行温度之间的温度差，冷却需求被量化。温度传感器（例如，相对于图6所讨论的580或590）被包括在电池组中，以测量充电器或模块温度。如果任一电池装置运行高于所预期的，该装置的冷却需求是由建立目标温度所需的下降度进行限定。

微控制器430经配置根据温度读数和冷却需求控制隔板330和340的位置，如下面图表2所示。

表2：每冷却需求的隔板角度位置

表2列出了存储在微控制器430中的校准逻辑。校准数据被存储在查找表中，在此实施例中其凭经验得出。在电池模块的冷却需求是5°F的温度下降的地方，θ减小到20度。如果冷却需求更大，例如10度或更大，θ减小到5度，以便增加风扇390和部分350（如图4中所示）之间的横截面流动面积。风扇速度也增加了1,000RPM。在电池支持装置的冷却需求是5°F的温度下降的地方，α减小到15度。如果冷却需求更大，例如10度或更大，α减小到0度，以便增加风扇和部分360之间的横截面流动面积。风扇速度也可以增加。

在其他示例中，其他冷却系统性能特征可以被独立调整或配合隔板组件位置而被调整。例如，在一个实施例中，风扇速度可以根据冷却需求单独增加或减小。隔板的角度位置可以改变，以及提供给风扇的功率。在另一个实施例中，导管大小在运行过程中发生变化，以改善冷却。冷却系统的其他组件可以被略微调整，以产生不同冷却方式。例如，风扇位置可以经设计优化用于电池和充电器排热率的系统空气流量限制。排气门（或隔板）位置、用于致动隔板的电机和凸轮设计、空气流过电池模块和充电器的电路（即，推动或拉动）也可以进行改变，以产生各种冷却效果。

图6中示出了另一个替代电池组冷却系统500。在图6中所示的实施例中，另一种类型的可枢转隔板组件510被包括在电池组壳体520中。隔板530经由铰接件540被固定地铰接到电池壳体520。壳体520被再次分成两个部分550和560。电池模块570被安置在部分550中。电源充电器580被安置在部分560中。每个部分550、560通过导管600选择性地与风扇590流体连通。

隔板组件510（如图6中所示）包括可在至少三个位置（A、B和C）处设置的单一隔板530。隔板530是由图6的实施例中的单一电机驱动致动器610控制。在位置A，风扇590从部分560拉动空气超过充电器580。在位置B，风扇590流通空气到充电器580和电池模块570。在位置C，风扇590主要与电池模块570流体连通。在任一位置，隔板具有可以相对于电池壳体520被测得的角度位置。微控制器620被连接到致动器610并经配置控制隔板530的位置。用于隔板530的各种角度位置可以被编入微控制器620，以控制风扇590和部分550、560之间的空气流动。微控制器620也被连接到风扇590并经配置控制对风扇的电力分配。如图6中所示，分隔器630被设置在每个部分550、560之间。

现在参照图7，其中示出用于电池冷却系统的控制电路700。控制电路700是与任何上述所示的电池组冷却系统相兼容。如图7中所示，控制电路700包括在电池控制模块中的中央处理单元或微控制器710。BCM710通过车辆CAN网络被连接到车辆控制模块（或VCM）720。VCM720经配置发送指示车辆运行模式的信号。VCM720可以连通关于车辆性能的详细信息，例如，变速箱齿轮（PRNDL）、HVAC运行和车辆运行模式，特别是用于混合动力电动车辆。

BCM710也被连接到电源730。例如，电源730可以是电池组中的电池、电池支持装置或其他电池。BCM710控制选择性地连接风扇740或隔板组件致动器750到电源的开关。

如图7中所示，BCM710包括校准逻辑760和类似于前面所讨论的温度查找表770。BCM710经配置执行控制电池组冷却系统的方法。该方法包括以下步骤：（i）供电一个风扇；（ii）评估电池组的温度；和（iii）根据温度评估，在风扇、电池模块和电池支持装置之间引导空气。BCM710通过模块温度传感器780和支持装置温度传感器790评估电池组温度。温度传感器780、790经设置分别采样电池模块和支持装置的温度。BCM710通过隔板组件（750，如图所示）的致动器的控制来控制空气引导。用于多个隔板的多个致动器，例如，如图2中所示的210，也可以由BCM控制。

对于图7的温度查找表770，BCM经配置比较温度评估和具有根据温度的空气引导指令的温度查找表（例如，如关于表1所示）；以及根据温度查找表设置在风扇、电池模块和电池支持装置之间引导空气。

BCM710经进一步配置比较温度评估和具有根据温度的在风扇和电池模块或电池支持装置之间的隔板角度位置（例如，如关于表2所示）存储于其中的校准逻辑；以及根据校准逻辑定位隔板。

同样公开了控制电池组冷却系统的方法。该方法包括：供电一个风扇；当车辆是在驱动模式下运行时，在车辆电池模块和风扇之间引导空气；以及当车辆是在充电模式下运行时，在风扇和电池支持装置之间引导空气。BCM经进一步配置评估电池组的温度和根据温度评估确定车辆运行模式。BCM具有存储于其中的温度查找表，例如，如表1所示，以关联温度读数和车辆运行模式。

也公开了制造电池冷却系统的方法，该方法包括以下步骤：连接风扇到在电池模块、电池支持装置和风扇（例如，图2-4中所示的160或390）之间具有共同导管的壳体；以及提供经配置选择性地在风扇和电池模块或电池支持装置之间引导空气的隔板组件（如310）。提供隔板组件的步骤包括：提供经配置阻碍在风扇和电池模块（例如，图2-3中所示的130）之间的空气流动的隔板；提供经配置阻碍风扇和电池支持装置（例如，图2-3中所示的200）之间的空气流动的隔板；和提供经配置控制隔板（例如，图2-3中所示的220）位置的微控制器。

如图4-7中所示，制造方法也可以包括铰接单一或多个隔板到电池组壳体，以便隔板相对于电池组壳体旋转。因此，产生用于冷却系统的额外可控度。在另一个实施例中，该方法包括连接温度传感器到电池冷却系统（例如，图7中所示的780和790）；和编程用于隔板组件的微控制器，以根据温度读数控制在风扇、电池模块和电池支持装置之间的空气引导。

虽然已详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是熟悉本发明所涉及的技术领域的那些人将认识到在所附权利要求书的范围内用于实施本发明的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种车辆电池组冷却系统，包括：

壳体；

连接到所述壳体的风扇；

所述壳体的第一部分，其包括选择性地与所述风扇流体连通的电池模块；

所述壳体的第二部分，其包括选择性地与所述风扇流体连通的电池支持装置；和

隔板组件，其经配置控制所述风扇与所述第一部分和所述第二部分之间的流体连通。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述电池支持装置是电源充电器。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述隔板组件包括：

第一隔板，其经配置以在处于关闭位置时阻碍所述风扇和所述第一部分之间的空气流动，并且在处于打开位置时允许空气通过其流动；

第二隔板，其经配置以在处于关闭位置时阻碍所述风扇和所述第二部分之间的空气流动，并且在处于打开位置时允许空气通过其流动；和

微控制器，其经配置控制所述第一隔板和所述第二隔板的位置。

4.根据权利要求3所述的冷却系统，进一步包括：

连接到所述微控制器的致动器，所述致动器经配置调整所述第一隔板和所述第二隔板的位置。

5.根据权利要求3所述的冷却系统，其中所述第一隔板可枢转地铰接到所述第二隔板。

6.根据权利要求5所述的冷却系统，其中所述微控制器包括：

校准逻辑，其具有存储于其中的根据所述电池模块或所述电池支持装置的冷却需求的所述第一隔板和所述第二隔板的角度位置。

7.根据权利要求3所述的冷却系统，进一步包括：

连接到所述微控制器的温度传感器；

其中所述微控制器经配置根据温度读数控制所述第一隔板和所述第二隔板的所述位置。

8.根据权利要求3所述的冷却系统，进一步包括：

连接到所述微控制器的温度传感器；

其中所述微控制器包括根据温度读数的空气引导指令的温度查找表。

9.根据权利要求3所述的冷却系统，其中所述微控制器经配置相关于所述电池组中的电池单元控制电池操作。

10.根据权利要求1所述的冷却系统，进一步包括：

所述第一部分和所述第二部分之间的分隔器，以便流到所述电池模块的空气不流向所述电池支持装置，并且流到所述电池支持装置的空气不流向所述电池模块。

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