CN103443953A - 电池单元冷却器 - Google Patents

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Abstract

一种电池单元冷却器包含一对互补的板。这对互补的板一起形成管状流动通路和一个或多个管状段。流动通路具有进口端部、出口端部以及沿流动通路的长度的凹坑或肋。一个或多个管状段具有进口导管和出口导管，进口导管联接到在进口端部处的扩展接收器，并且与流动通路的进口端部流体连通，并且出口导管联接到在出口端部处的扩展接收器，并且与流动通路的出口端部流体连通。此外，公开了一种装置，该装置包括电池单元，该电池单元夹持在一对这里所描述的电池单元冷却器之间。进一步公开一种用来形成这里所描述的电池单元冷却器的方法。

Description

电池单元冷却器
对于相关申请的交叉参考
本申请要求2011年3月18日提交的美国临时专利申请US61/454,273的优先权，该临时专利申请通过参引包括在这里。
技术领域
本说明书涉及一种电池单元冷却器。
背景技术
电力驱动车辆（如电池、插入式混合型电池以及其它混合型电动车辆）需要先进的电池系统，这些先进的电池系统具有高能量存储容量，同时也产生合理的电池寿命和成本。锂离子电池由于它们的优越能量存储、比较轻的重量以及高功率密度而成为一种有利的技术方案。但是，当在所需的高功率密度和封闭包装的电池单元构造下操作时，这些电池产生显著和不均匀分布的废热，这可限制电池效率、能量存储容量、安全性、可靠性及寿命。包括电池冷却热交换器的新型电池热量管理方案具有增加的益处，并且用来保持对于这些电池的工作温度的控制，并因而优化电池性能和寿命周期。
尽管存在一系列的电池组构造和热交换器方案，但通常采用平面电池单元阵列；并且这些平面电池单元阵列可以优选地由液体冷却板式热交换器冷却，这些液体冷却板式热交换器占据各个电池单元之间的空间。板式热交换器与电池单元之间的紧密热接触用来在所需的方向上传导热量，以限制和调节电池工作温度。
美国专利No.7,851,080描述了一种电池冷却板设计，这种电池冷却板设计具有分立的通道。`080专利公开了电池冷却板，这些电池冷却板具有宽通道，这些宽通道由于通道的不足强度，而在组装线真空和填充过程期间经受变形。该`080专利也公开了改进对于电池冷却器的上述和其它所需的新技术。
美国专利No.7,044,207描述了一种热交换模块，其中，两个金属板片沿焊缝焊接，在它们之间限定一组通道，这组通道大体并排布置在公共平面中，旨在由交换流体通过，并且从流体观点看，在模块的两个连接孔口之间彼此并联。通道组具有大致U形构造，该大致U形构造将所述连接孔口连接在一起，这些连接孔口彼此横向分离。
美国专利公布申请No.2008-0090123公开了一种燃料电池组，该燃料电池组具有用来密封气体和冷却水的密封结构。密封结构也是电绝缘的。燃料电池组包括：O形圈底座，它们组合到气体流动板，并且冷却水通过这些液体流动孔；垫片，围绕气体流动板，以防止气体泄漏；以及O形圈，这些O形圈围绕冷却板的流动通道和O形圈底座，以防止冷却水泄漏。
在现有技术中存在对于改进的电池单元冷却器的需要，所述改进的电池单元冷却器提供紧凑的、薄的、在单元之间布置的冷却解决方案，所述冷却解决方案包括从共用歧管供给有冷却剂的液体冷却板冷却器。这样新的改进的电池冷却器需要提供所需的单元接触热传递能力，而不导致对于汽车冷却系统可能太高的冷却剂侧的压力降，同时还提供流动通道，这些流动通道具有足够的强度，从而它们在组装线真空和冷却剂填充过程期间不变形。
附图说明
现在通过举例将对附图进行参考，这些附图示出了本申请的示例性实施例，并且在这些附图中：
图1公开了一种装置，示出了在一对电池冷却器之间夹持的电池单元；
图2公开了根据本发明的一个实施例的、具有凹坑的对称电池单元冷却器的平面图；
图3公开了在图2中公开的电池单元冷却器的扩展部分的立体图。
图4公开了在图2中公开的电池单元冷却器的一部分。
图5公开了根据本发明的另一个实施例的、具有凹坑的非对称电池单元冷却器的平面图。
图6公开了在图5中公开的电池单元冷却器的扩展部分的立体图。
图7公开了在图5中公开的电池单元冷却器的一部分。
图8（a-d）公开了根据本发明的一个实施例的电池单元冷却器。
图9（a-e）公开了根据本发明的另一个实施例的电池单元冷却器。
图10（a-c）公开了根据本发明的进一步实施例的电池单元冷却器。
类似附图标记可能已经用在不同附图中，以表示类似部件。
具体实施方式
图1公开了一种装置（1），该装置（1）包含一组电池单元冷却器（2），这组电池单元冷却器（2）夹持电池单元（4），或者以另一种方式观察，电池单元冷却器（2）夹持在电池单元（4）之间。多个电池单元（4）可设置在装置（1）中，电池单元冷却器（2）设置在两个相邻的电池单元（4）之间并且也设置在装置（1）的前端和后端处，从而全部的电池单元（4）夹持在电池单元冷却器（2）之间。在可选择实施例中，电池单元（4）可设置在装置（1）的一个或两个端部处。如在图1中进一步示出的那样，设有液体冷却剂供给口/出口，举例并且非限制性地，设置在竖向定向的板式冷却器的底部边缘处。在另一个实施例中，液体冷却剂供给口可从板式冷却器的侧边缘供给冷却剂。
电池单元冷却器（2）（图2-10）由一对互补的板（3、5）（图3和8）形成，这对互补的板（3、5）一起形成管状流动通路（6）。在一些实施例中，如图5、6、7及9所示，互补的板对还提供一个或多个管状段（8），该管状段（8）与管状流动通路（6）流体连通。而其它实施例，如图2、3、4、8及10所示，不设有一个或多个管状段（8）。流动通路（6）具有进口端部（10）和出口端部（12），如在图中示出的那样。进口端部和出口端部（10、12）可切换，从而根据用途和需要，如图所示的进口端部（10）是出口端部（12），并且反之亦然。在一个实施例中，举例并且非限制性地，管状流动通路（6）是扁平的，以有助于与相邻的电池单元的热接触。经常地，管状段（8）因为同一原因也是扁平的。
在一个实施例中，电池单元冷却器（2）设有进口导管（18）和出口导管（20）。进口导管（18）由联接到进口端部（10）的扩展接收器（19）而与管状流动通路（6）的进口端部（10）流体连通，并且出口导管（20）由联接到出口端部（12）的另一个扩展接收器（21）而与管状流动通路（6）的出口端部（12）流体连通，如图2、3、4、8及10所示，以允许冷却流体从进口导管（18）进入流动通路（6），以及从出口导管（20）离开。在另一个实施例中，如图5、6、7及9所示，进口导管和/或出口导管（18、20）联接到扩展接收器，这些扩展接收器经由一个或多个管状段（8）分别流体联接到进口和出口端部（10、12）。在进一步的实施例中，如在图中公开的那样，进口导管和出口导管可设置在板的同一端部上。在更进一步的实施例中，进口导管和出口导管由管形成。在另一个更进一步的实施例中，如在图中示出的那样，进口导管和出口导管（10、12）具有倒圆端部，这些倒圆端部可帮助导管插入到歧管中。
这里所公开的扩展接收器（19、21）适于接收进口导管和出口导管（18、20），该扩展接收器（19、21）在一个实施例中由圆化的管形成。如图5、6、7及9所示，扩展接收器（19、21）形成为扁平管状段（8）的延伸段，作为允许扁平管状段（8）形成管形段的过渡段，以便接收进口导管或出口导管（18、20）。而在其它实施例中（图2、3、4及10），扩展接收器（19、21）形成为管状流动通路（6）的进口端部和出口端部（10、12）的延伸段。
如图2、3及4所示，电池单元冷却器（2）可设有适于用来接收进口导管和/或出口（18、20）的支架（17）。所述支架（17）可帮助将进口导管和出口导管（18、20）在电池单元冷却器（2）中保持到位。
在这里描述的电池单元冷却器（2）的一个实施例中，管状流动通路（6）沿流动通路（6）的长度设有凹坑（14）。在另一个实施例中，电池单元冷却器（2）设有肋（16）（图10）。凹坑（14）或肋（16）的几何形状和间隔可调整，以提供强度，从而可制备具有更大横截面的流动通路，同时能够提供所需的热传递，以及满足对于电池单元冷却器（2）的压降要求。如图2-9所示，凹坑（14）可在板（3、5）的一块或两块上沿流动通路（6）的长度居中地定位，而肋（16）可沿流动通路（6）的长度以一角度（图10）定位。在可选择实施例中，凹坑（14）可以以某种程度的偏移而布置，或者可以相对于流动方向交错。在加肋结构的情况下，肋（16）可以倾斜，从而相交空隙形成在配合板之间；接触空隙可提供结构支撑。
在这里描述的电池单元冷却器（2）的另一个实施例中，流动通路（6）在冷却剂出口附近设有最外通道的P形收缩段（30）。不限于公开的实施例，这样的P形收缩段也可设置在冷却剂进口侧上，或者在冷却剂进口和出口两者上。在图中（特别是图5和7），设有P形收缩段（30），在P形收缩段处凹坑结束，并且通道正当它转弯90°时宽度变窄。然而，转弯不必是90°，并且根据具体用途和需要可更大或更小。在应用期间，板式冷却器（3、5）在竖向平面中定向，并且在细小通道中的空气捕获可能是需要担心的。这样的P形收缩段（30）的使用可帮助将任何捕获的气泡向上推，从而流动的液体冷却剂流可将它们带走。应该理解，P形不是限制性的，实现流动通路的类似向上收缩的可选择形状可以具有类似效用。
在这里描述的电池单元冷却器（2）的进一步实施例中，将流动通路（6）的角部倒圆，特别是在每条流动通路的开始和结束处具有大的半径的那些角部，这可允许流体的转向与流动通路（6）的流动流线更加一致。增大半径，即从急转弯变成角部的倒圆，可容许更容易的流体转弯和更容易气泡清除。
用来形成电池单元冷却器（2）的互补的板（3、5）的每一块可具有对称几何形状。在一个实施例中，举例并且非限制性地，板（3、5）关于它们的纵向轴线是对称的，从而单个模具可用来形成两块板（图2-4和8）。可选择地，板可形成为具有非对称几何形状，对于配合板（3、5）的每一块需要单独的模具（图5-7和9）。具有相同或不同板的对称或非对称的电池单元冷却器（2）的选择取决于电池单元冷却器（2）的需要和设计。然后两块互补的板可铜焊在一起，以形成密封的内部流动通路，并因而形成电池单元冷却器（2）。
为了在对称板设计中形成管状段（8），以上描述的板（3、5）可整体地刺穿和成形，以通过如下方式而形成连接管支架（17）（图2-4和8）：由同一冷却器板冲压出支架形状；并且将它形成杯形，以能够在铜焊之前接收连接管（可以铺设或卡合到用于支撑的该支架中的进口或出口导管（图2-4））。支架关于纵向轴线布置，以保持板对称性，从而配合的支架特征在组装之后对齐。因此，在图2-4中公开的实施例关于对称连接管支撑支架具有对称板。可选择地，对称设计中的板可建造有整体形成的流体通路，这些整体形成的流体通路消除对于管支撑支架和十字板连接管的需要（如在公开非对称板的图5-7和9中和在公开对称板的图11-13中示出的那样）。在这种情况下，需要另外的特征或这种通道的局部扁平或限制，以分离进口和出口流动路径。
这里公开的电池单元冷却器（2）还可经历如下过程：为了与接触的电池单元的电隔离，将塑料膜层叠到热交换器板（3、5）上。在进一步的实施例中，电池单元冷却器板（3、5）可具有被施加不是显著热传导障碍的塑料膜或其它涂层的外表面状态，而仍然提供与接触电池单元（4）电隔离的额外的电隔离层。
如图所示，流动通路（6）可具有蛇形形状。根据需要和设计要求，也可使用流动通路（6）的其它几何形状。
在一个实施例中，流动通路可设有凹陷（22）。这些凹陷（22）根据电池单元冷却器（2）的设计和其它要求可将进一步强度提供给流动通路（6）。或者，它们可以用于流动通路的局部收缩以便增大流动混合；或者它们可以用来为机械钳式抓紧组装特征提供空间。
如以上描述的那样，一个或多个管状段（8）设有进口导管（18）和出口导管（20）。在一个实施例中，进口导管和出口导管（18、20）可定位在电池单元冷却器（2）上，使得它们是非对称的，如图2-9所示。可选择地，进口导管和出口导管（18、20）可以是对称的，如图10所示。
这里描述的电池单元冷却器（2）可具有薄的轮廓（图9c、9d及10c），这可帮助使由该冷却器（2）占据的空间最小。在技术方面存在的关注之一是，提供具有宽通道的电池单元冷却器（2）。随着通道的宽度增大，冷却器（2）和通道的完整性降低。这里所描述的电池单元冷却器（2）可制备成具有宽通道，并且可提供足够的强度、所需的热传递能力及适于调整的压力降。在一个实施例中，通道可宽达11mm，但基于用途要求，可形成相当宽的通道，例如12至22mm和在其之间的全部值。
为了保持电池组能量存储密度（即，电池系统的每单位能量存储容量的紧凑性），紧密间隔开的单元和电池冷却器是希望的。因此，非常薄的电池冷却器是希望的，并且它们也可由非常薄的材料制造，举例并且非限制性地，由铝制造。优选结构是铜焊铝，以实现液体冷却通道和管连接的密封；并且使用包层铝铜焊板材，以提供用于铜焊的填充金属源。然而，希望的是，电池冷却器是扁平的，以保持与相邻电池单元的良好热接触。由于薄的和扁平的电池冷却器是希望的，所以在组装和铜焊期间控制扁平度和对准会是挑战性的。而且，进口/出口端口接收器与连接管接合位置处的铜焊接合会是挑战性的。为了消除以上担心，在铜焊之前可使用不同的钳式抓紧装置（clinchingmeans），包括在对准之后且在铜焊之前，利用机械钳式抓紧过程，以将板至少沿它们的中心轴线机械地接合。例如，
Figure BDA0000383690940000071
钳式抓紧操作（进一步在http://www.tox-us.com/us/products/joining-systems.html上描述），尽管在这里描述的冷却器中，抓紧凹坑在钳式抓紧之后是扁平的。进一步，在对准/钳式抓紧期间，并且在铜焊之前，可进行连接管（进口和/或出口导管）相对于端口接收器的造窝夹紧标界。
可进行描述实施例的一定适应和修改。因此，以上讨论的实施例要认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (21)

1.一种电池单元冷却器，包括：
一对互补的板，所述一对互补的板一起形成管状流动通路；
流动通路具有进口端部、出口端部以及沿流动通路的长度的凹坑或肋；以及
进口导管和出口导管，该进口导管联接到位于进口端部处的扩展接收器，并且与流动通路的进口端部流体连通，该出口导管联接到位于出口端部处的扩展接收器，并且与流动通路的出口端部流体连通。
2.根据权利要求1所述的电池单元冷却器，其中，流动通路具有凹坑，这些凹坑沿流动通路的长度居中地定位。
3.根据权利要求1所述的电池单元冷却器，其中，流动通路具有凹坑，这些凹坑沿流动通路的长度交错。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池单元冷却器，其中，流动通路是蛇形流动通路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池单元冷却器，其中，所述板是对称的，并且互补的板中的每一块是相同的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电池单元冷却器，其中，所述板是非对称的。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池单元冷却器，其中，进口导管和出口导管由管形成，并且所述板还包括用来支撑管的支架。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电池单元冷却器，其中，在进口端部和/或出口端部附近的流动通路的宽度比在板的其它部分中的流动通路的宽度窄。
9.根据权利要求8所述的电池单元冷却器，其中，流动通路的狭窄宽度形成P形收缩段，并且被定位成使得通道的收缩段相对于板的定向位于最上部。
10.一种包括电池单元的装置，该电池单元夹持在一对电池单元冷却器之间，每个电池单元冷却器包括：
一对互补的板，所述一对互补的板一起形成管状流动通路以及一个或多个管状段；
流动通路具有进口端部、出口端部以及沿流动通路的长度的凹坑或肋；以及
进口导管和出口导管，该进口导管联接到位于进口端部处的扩展接收器，并且与流动通路的进口端部流体连通，该出口导管联接到位于出口端部处的扩展接收器，并且与流动通路的出口端部流体连通。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，流动通路具有凹坑，这些凹坑沿流动通路的长度居中地定位。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，流动通路是蛇形流动通路。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中，所述板是对称的，并且互补的板的每一块是相同的。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其中，所述板是非对称的。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其中，进口导管和出口导管由管形成，并且所述板还包括用来支撑管的支架。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置，流动通路还包括P形收缩段。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，P形收缩段在流动通路的进口端部和/或出口端部附近。
18.一种形成电池单元冷却器的方法，包括如下步骤：
-使用一个或多个模具冲压出一对互补的板；
-在将进口导管和出口导管插入到形成在所述板上的扩展接收器中之后，将所述一对互补的板对准；
-钳式抓紧所述一对互补的板和插入的管；以及
-铜焊所述一对互补的板以形成电池单元冷却器；
其中，所述一对互补的板一起形成管状流动通路，流动通路具有进口端部、出口端部以及沿流动通路的长度的凹坑或肋，并且管状流动通路具有进口导管和出口导管，进口导管与流动通路的进口端部流体连通，出口导管与流动通路的出口端部流体连通。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述钳式抓紧由机械钳式抓紧过程执行，以将所述一对互补的板沿中心轴线机械地接合。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述钳式抓紧由
Figure FDA0000383690930000031
钳式抓紧过程执行。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，在对准或钳式抓紧期间，执行进口导管和/或出口导管相对于扩展接收器的造窝夹紧标界。
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