CN103875121A

CN103875121A - 热传递装置、控温板和蓄能装置

Info

Publication number: CN103875121A
Application number: CN201280048758.1A
Authority: CN
Inventors: 斯特凡·赫里希; 卡罗琳·施密德; 马蒂亚斯·斯特里博夫; 阿希姆·维贝尔特
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2012-10-04
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2032-10-04
Also published as: WO2013050450A1; US20140220397A1; EP2764572A1; DE102011084002A1; US9941057B2; CN103875121B; EP2764572B1

Abstract

本发明涉及一种热传递装置（105），其用于在蓄能器（101）与用于控制蓄能器温度的控温板（103）之间实现热传递。热传递装置（105）包括由不均匀分布的隔离材料制成的隔热层（423）以及由可压缩的材料制成的用于补偿隔热层的不同材料厚度的公差补偿层（424）。

Description

热传递装置、控温板和蓄能装置

技术领域

本发明涉及一种热传递装置，其用于在蓄能器与用于控制蓄能器温度的控温板之间实现热传递还涉及一种调温板以及一种蓄能装置。

背景技术

在现代混合动力汽车（HEV）或电动汽车（EV）中通常采用高效的蓄能器，例如，锂离子电池，或镍氢电池，或超级容量器。在快速的充放电过程中，由于电池单元内部和外部的电阻通常会引起这些电池发热。超过50°C的温度将会永久地损坏蓄能器。为了确保蓄能器的功能，必须主动对其进行冷却。为此，需将蓄能器与控温板热接触。此外，在周围温度很低的情况下，必须加热电池单元。为了使电池的电功率最大化并使电池的使用寿命长，必须对电池进行均匀冷却或加热，也就是说，在各种运行状态下，所有的电池单元都应该处于相同的温度水平。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的热传递装置，其用于在蓄能器与用于控制蓄能器温度的控温板之间实现热传递，以及提供一种改进的控温板和改进的蓄能装置。

该目的通过根据独立权利要求的热传递装置、控温板以及蓄能装置得以实现。

为了使蓄能器（例如电池单元）表面上的最大温差始终保持尽可能小，因此，提出了一种由多个功能层组成的装置，其实现了有针对性地影响对于蓄能器表面的热阻。由此可以实现例如具有局部匹配的热接口（LaThIn）的电池冷却板。

因此，不再需要向用于控制蓄能器温度的控温板（例如冷却板）提供相应高的冷却剂流量，从而使冷却剂中的温度梯度保持得很小，并且均匀地冷却蓄能器或蓄能器的电池单元。如果由多个功能层组成的装置的热阻沿着冷却剂的流向变化，那么可以使冷却剂流量保持得很小，因为冷却剂中的温度梯度可以通过变化的热阻进行补偿。由于能够避免高的流量，因此系统中的压力损耗较小，从而使得回路中的其他部件可以具有更小的尺寸，进而可以采用例如小的、轻的且成本低的泵。

此外，可以省去复杂的用于均匀支撑蓄能器及控温板的支撑装置。接触压力的不均匀性将会影响热阻。接触压力越高，则热阻越高，并且能越好地冷却蓄能器。如果由于支撑不均匀而使得装置的热阻变化，那么可以通过引入多个功能层以补偿热阻的差异。由此也可以省去额外的用于支撑的复杂元件。

有利的是，可以通过各个功能层实现蓄能器的均匀冷却或加热。如果蓄能器具有多个电池单元，那么可以确保在每个运行状态下所有电池单元均处于相同的温度水平。

本发明提供了一种热传递装置，其用于在蓄能器与用于控制蓄能器温度的控温板之间实现热传递，该装置具有以下特征：

一隔热层，其由不均匀分布在该隔热层上的隔离材料制成；以及

一用于补偿所述隔热层的不同的材料厚度的公差补偿层，其由可压缩的材料制成，其中所述隔热层邻近所述公差补偿层设置。

公差补偿层还适用于补偿蓄能器中的电池单元的由制造条件所引起的公差。所述公差为电池单元相互之间的高度公差以及在电池单元底部的粗糙度的公差。

蓄能器可以是电池，例如锂离子电池或镍氢电池或超级电容器。蓄能器可以包括多个电池单元。蓄能器可以适用于混合动力车辆或电动车辆的运行。控温板可以起到热源或散热器的作用。因此控温板可以用于加热或冷却蓄能器。控温板可以具有一个或多个用于引导流体（例如冷却剂）的通道。热传递装置可以设置在控温板的表面与蓄能器的表面之间。因此热传递装置适用于在控温板与蓄能器之间建立平面连接。热传递装置也可以设置在控温板的表面与加热装置的表面之间。因此，例如，如果加热装置位于在控温板下方，则该传递装置可以设置在控温板下方。在此，根据实施方案，隔热层与公差补偿层可以设置在热传递装置的朝向蓄能器的侧面上。隔热层可以仅仅由隔离材料制成组成。隔热层的不均匀分布可以表示隔离材料的材料厚度，并且因此整个隔热层在隔热层的主延伸面面上变化。通过这种方式，隔热层可以具有不同的厚度。隔离材料的材料厚度可以在隔热层的一个或多个区域中等于零。在这种情况下，隔热层可以在该一个或多个区域中不包括隔离材料。因此隔热层的厚度也可以在该一个或多个区域中等于零。隔热层可以由刚性材料或者相对于蓄能器与控温板之间存在的接触力不可压缩的材料组成。公差补偿层可以由一种与隔热层不同的材料组成。公差补偿层可以具有比隔热层更高的导热系数。例如，公差补偿层的导热系数可以是隔热层的导热系数的至少四倍或五倍。相对于公差补偿层可压缩的材料可以表示为，该材料可以由于蓄能器与控温板之间存在的接触力而变形。通过这种方式，使得隔热层的不同厚度以及蓄能器中的电池单元的公差可以相互补偿。公差补偿层的至少一部分可以啮合到隔热层中。特别是隔热层的具有少量或不具有隔离材料的区域可以通过公差补偿层的可压缩的材料补偿。

在此，公差补偿层可以由可压缩的材料制成，其中，该可压缩的材料可以是借助于胶粘剂的粘接件或密封剂。

隔热层可以邻近公差补偿层设置。隔热层和公差补偿层可以堆叠形式设置并且彼此直接相邻。因此，公差补偿层也可以在隔热层的区域上延伸，该区域具有隔离材料的最大材料厚度。通过相邻的设置可以很好地通过公差补偿层补偿隔热层的公差。

隔热层的导热系数可以小于0.6W/mK。按照不同的实施形式，隔热层的导热系数也可以例如小于0.4W/mK、0.3W/mK、0.2W/mK或0.1W/mK。特别是，隔热层的隔离材料可以具有上述导热系数。由于隔离材料的导热系数较小，因此可以通过在隔热层上有针对性地分布隔离材料，以提高某些区域中的隔热层的热阻。

在此，公差补偿层的导热系数可以大于0.7W/mK。按照不同的实施形式，公差补偿层的导热系数也可以例如大于1.0W/mK、1.3W/mK、1.6W/mK或1.9W/mK。特别是，公差补偿层的材料可以具有上述导热系数。由于公差补偿层的材料的导热系数较高，因此，在控温板与蓄能器之间可能实现良好的热传递。

隔热层的最大材料厚度可以小于600μm。按照不同的实施形式，隔热层的最大材料厚度也可以小于400μm或200μm。由于厚度较小，因此在控温板与蓄能器之间的热流仅仅略微受限。

公差补偿层的材料厚度可以在0.3mm与2mm之间。公差补偿层的材料厚度可以例如大于隔热层的最大材料厚度并且小于隔热层的最大材料厚度的四倍、五倍或六倍。由此可以通过公差补偿层很好地补偿隔热层的不同厚度。

隔热层可以包括具有第一材料厚度的第一区域、具有第二材料厚度的第二区域和具有第三材料厚度的第三区域。在此所述第二区域可以在第一与第三区域之间设置。第一材料厚度可以大于第二材料厚度，而第二材料厚度可以大于第三材料厚度。例如，第三区域的材料厚度可以小于第一区域的材料厚度。第一、第二和第三区域可以沿着控温板内流体的流动方向或流体的流动路径长度设置。如果可以补偿接触压力的不同，那么第一、第二和第三区域也可以平行于控温板内流体的流动方向或流体的流动路径长度设置。在此，第一区域可以设置在相对于流动方向的上游，而第三区域可以设置在相对于流动方向的下游。该流动方向可以例如适用于控温板的冷却方式。材料厚度可以在第一区域中的最大材料厚度与第三区域中的最小材料厚度之间连续地减小。在此，材料厚度无需总是连续或线性地减小。材料厚度也可以以指数形式减小。或者如上所述，例如第三区域的厚度可以再次大于第二区域的厚度。

通过这种方式，热传递装置的不同热阻可以在隔热层的不同厚度上实现。

隔热层可以具有第一部段和第二部段。在此，隔离材料可以仅仅设置在第一部段中。因此，在第二部段中不存在隔离材料。隔热层的厚度可以在第二部段中等于零。在第一部段中，隔热层的隔离材料的厚度可以恒定或变化。公差补偿层可以突出至第二部段中。公差补偿层可以具有多个第一部段和多个第二部段。第一部段可以由第二部段中的多个凹部形成，或者反之亦然。各个凹部例如可以是圆的、椭圆的、矩形的、三角形的、六边形的或条形的。多个凹部的尺寸或直径可以沿着流动方向变化。第一和第二部段可以沿着流动方向或垂直于流动方向交替设置。隔热层中的第一部段的表面部分相对于第二部段的表面部分可以沿着流动方向变化。例如如果补偿接触压力的不同，则该变化也可以平行于流动方向。通过这种方式，可以通过在隔热层中存在和不存在隔离材料来实现热传递装置的不同热阻。

热传递装置可以具有电绝缘层。电绝缘层可以邻近公差补偿层设置，或者邻近隔热层设置。因此热传递装置可以具有堆形结构，该结构包括至少一个公差补偿层、隔热层以及电绝缘层。通过电绝缘层可以实现控温板与蓄能器之间的电气绝缘。

热传递装置可以具有加热层。加热层可以邻近公差补偿层设置，或者邻近隔热层设置。因此热传递装置可以具有堆形结构，该结构包括至少一个公差补偿层、隔热层以及加热层。通过加热层的运行可以加热热传递装置。加热层可以将电能转换为热能。根据加热层的实施形式，加热层可以附加或备选地冷却热传递装置。例如，加热层可以包括加热电阻或珀耳帖元件。

本发明还提供了一种用于控制蓄能器温度的控温板，其具有以下特征：

流通通道层，其具有至少一个用于引导流体的流通通道；以及

热传递装置，其与所述流通通道层堆叠连接。

本发明还提供了一种蓄能装置，其具有以下特征：

控温板；以及

蓄能器，其设置在所述控温板的热传递装置的表面上。

因此按照本发明的方法可以有利的用于控制蓄能器的温度。

附图说明

以下参照附图进一步阐明本发明的有利的实施例。其中：

图1是蓄能装置的示意图；

图2是关于热阻的示意图；

图3是关于电池单元温度的示意图；

图4是蓄能装置的示意图；

图5是具有热传递装置的控温板的示意图；

图6是热传递装置的示意图；

图7是热传递装置的示意图；

图8是热传递装置的示意图；以及

图9是热传递装置的示意图。

具体实施方式

在本发明的优选实施例的以下描述中，对于在不同的附图中示出的并且作用相似的元件使用相同或相似的附图标记，其中不再对这些元件进行重复描述。

图1示出了按照本发明的一个实施例的蓄能装置的剖视图。该蓄能装置具有电池单元101形式的蓄能器、冷却板103形式的控温板以及功能层形式的热传递装置105，冷却板103具有至少一个流通通道，热传递装置105设置在电池单元101与冷却板103之间。

电池单元101并列设置在热传递装置105的功能层的外层表面上。在蓄能装置的运行过程中，流体可以流过冷却板103的流通通道。在流通通道的入口与出口之间流体的流动路径长度107或者流动方向可以通过箭头表示。流体在入口处具有温度T_流体入口。流体在出口处具有温度T_流体出口。紧邻入口处的电池单元101具有温度T_单元入口。紧邻出口处的电池单元101具有温度T_单元 _出口。

图2示出了关于图1所示的功能层形式的热传递装置的热阻的曲线210的示意图。横坐标上标示的是在电池单元与冷却板之间由支撑装置产生的接触压力p。纵坐标上标示的是热阻Rth。按照本实施例，在接触压力与热阻之间存在线性关系，其中，热阻随着接触压力的上升而下降。该关系也可以是非线性的。

图3示出了关于图1所示的电池单元的单元温度的曲线310的示意图。横坐标上标示的是在电池单元与冷却板之间的热阻Rth。纵坐标上标示的是单元温度T。在热阻Rth与单元温度之间存在线性关系，其中单元温度随着热阻Rth的上升而上升。

图4示出了按照本发明的一个实施例的蓄能装置的剖视图。根据图1中所示的蓄能装置，图4所示的蓄能装置也具有电池单元101形式的蓄能器、冷却板103形式的控温板以及热传递装置，冷却板103具有至少一个流通通道，热传递装置设置在电池单元101与冷却板103之间，且该热传递装置具有多个功能层421、422、423、424。功能层421、422、423、424堆叠设置，其中相邻设置的层421、422、423、424彼此接触。热传递装置具有电绝缘层421、加热层422、隔热层423以及公差补偿层424。电绝缘层421直接邻近冷却板103设置。公差补偿层424直接邻近电池单元101设置。图4中所示的层结构为一种可能的层结构，其并未按照比例示出。层421、422、423、424的顺序也可以改变。此外，可以省略层421、422、423、424中的各层，或者可以通过其他适合的层代替或补充。

图5示出了控温板103的剖视图，在控温板上设有热传递装置的隔热层423。控温板103可以如图1所述的那样构成。热传递装置可以具有如图4所述的其他层。隔热层423形成为楔形。隔热层423的厚度从流体进入流通通道的入口区域中的最大厚度开始沿着流动路径长度107均匀下降直至流体出口区域中的最小厚度。隔热层423的不同厚度可以通过公差补偿层的材料进行补偿。该示意图并未按照比例示出。

图6示出了按照本发明的一个实施例的热传递装置的隔热层423的俯视图。该热传递装置可以具有如图4所述的其他层。隔热层423可以直接设置在控温板上，或者通过热传递装置的一个或多个其他层隔开。在图6示出的俯视图中，控温板被隔热层423遮盖。隔热层423具有可变的表面部分，其中图6中的示意图并未按照比例示出。隔热层423垂直于流动路径长度107具有多个并列设置的条，这些条沿着流动路径长度的方向逐渐变细。这些条可以形成为三角形。这些条可以通过适合的隔离材料形成。各个条之间的间隙可以通过公差补偿层的材料填充。

图7示出了按照本发明的一个实施例的热传递装置的隔热层423的俯视图。该热传递装置可以具有如图4所述的其他层。隔热层423可以直接设置在控温板上，或者通过热传递装置的一个或多个其他层隔开。在图7示出的俯视图中，控温板被隔热层423遮盖。隔热层423具有可变的表面部分，其中图7中的示意图并未按照比例示出。隔热层423沿着流动路径长度107具有多个并列设置并且垂直于流动路径长度107的条，这些条沿着流动路径长度的方向越来越窄。这些条可以形成为直线形式的。这些条可以通过适合的隔离材料形成。各个条之间的间隙可以通过公差补偿层的材料填充。

图8示出了按照本发明的一个实施例的热传递装置的隔热层423的俯视图。该热传递装置可以具有如图4所述的其他层。隔热层423可以直接设置在控温板上，或者通过热传递装置的一个或多个其他层隔开。在图8示出的俯视图中，控温板被隔热层423遮盖。隔热层423具有可变的表面部分，其中图8中的示意图并未按照比例示出。隔热层423具有多个由隔离材料组成的单个区域。这些单个区域额以多行和多列形式列设置。各个行的走向沿着流动路径长度的方向，而各个列的走向则垂直于流动路径长度的方向。设置在一列中的单个区域分别具有相同的尺寸。按照该实施例，相邻列中的单个区域分别具有不同的尺寸，其中单个区域的尺寸沿着流动路径长度107的方向减小。然而，单个区域的尺寸分布也可以是不同的。按照该实施例，单个区域可以示例性地分别构成为圆形，其中，其他几何形状也是可能的。单个区域可以通过适合的隔离材料形成。各个单个区域之间的间隙可以通过公差补偿层的材料填充。

图9示出了按照本发明的一个实施例的热传递装置的隔热层423的俯视图。该热传递装置可以具有如图4所述的其他层。隔热层423可以直接设置在控温板上，或者通过热传递装置的一个或多个其他层隔开。在图9示出的俯视图中，控温板被隔热层423遮盖。隔热层423具有可变的表面部分，其中图9中的示意图并未按照比例示出。隔热层423具有一由隔离材料制成的区域。在该由隔离材料制成的区域中设有多个凹部。这些单个凹部以多行和多列形式设置。各个行的走向沿着流动路径长度的方向，而各个列的走向则垂直于流动路径长度的方向。设置在一列中的凹部在此示例性地分别具有相同的尺寸。在相邻的列中的单个凹部分别具有不同的尺寸，其中单个凹部的尺寸沿着流动路径长度107的方向增大。按照该实施例，单个凹部分别构成为圆形。各个单个凹部可以通过公差补偿层的材料填充。

在下文中根据图1至9详细地描述本发明的实施例。

通过隔热层423和公差补偿层424的组合可以补偿沿冷却板103的流通通道的流动路径长度107的温度不均匀性。

温度不均匀性可以由冷却板103的设计引起。如图1所示，流体通过流动路径长度107升温，由此在冷却剂中产生温度梯度。在此，温度T_流体出口大于温度T_流体入口。这就造成无法很好地均匀冷却电池单元101。这意味着，在流动路径长度107的开始处能更好地冷却电池单元101，而朝着流动路径长度107的末端处则较差地冷却电池单元。因此温度T_流体出口大于温度T_流体入口。由此，在电池单元101上产生温度不均匀性。

温度不均匀性也可以由一个装置引起，该装置使得电池单元101与冷却板103热接触。因此，在一定区域中的电池单元101可以被不均匀地挤压在冷却板103上。在此，热阻Rth取决于接触压力。如图2和3所示，接触压力越大，则热阻越小，且能越好地冷却电池单元。这就导致了温度的不均匀性。

包括至少隔热层423和公差补偿层424的热传递装置105实现了与电池单元101的有针对性的、局部调整的热连接。如图4所述，为此可以采用多个功能层421、422、423、424，它们可以以不同的顺序设置。

在下文中详细地描述各个功能层421、422、423、424。

可以采用电绝缘层421作为第一层。电绝缘层421是可选择的。例如，可以采用KTL涂层（阴极浸漆）、其他的涂层、铝阳极氧化薄膜或适合的薄膜作为电绝缘层421。

可以采用隔热层423作为第二层。隔热层423典型地小于300μm，隔热层423是不可压缩的，并且优选具有小于0.3W/mK的导热系数。

按照一个典型实施例，如图5所示，隔热层423的厚度变化取决于位置。厚度沿流动路径长度107减小。如上所述，然而这不是强制性的。为了补偿不同的接触压力，厚度随着接触压力的增加而增加。厚度减小则导致了热阻的降低，这又导致了电池单元被更好地冷却。隔热层423可以例如通过具有不同涂层时间的喷涂或者通过胶带实现。当采用胶带时，可以采用堆叠设置的多个胶带、可变拉伸的胶带（其例如通过轧辊拉伸）、浸渍涂层或具有不同厚度的胶带。

按照一个典型实施例，如图6至9所示，隔热层423根据位置进行构造，并因此具有可变的表面部分。在此，表面部分沿流动路径长度下降。如上所述，然而这不是强制性的。为了补偿不同的接触压力，厚度随着接触压力的增加而增加。表面部分较小则导致了热阻的降低，这又导致了电池单元被更好地冷却。隔热层423可以例如通过结构尺寸在0.2mm至10mm的范围中的丝网印刷、通过胶带、薄膜或通过镂板印刷实现。

按照另一典型实施例，隔热层423的厚度变化取决于位置，并且根据位置进行构造，因此，隔热层423通过前述两个实施例的组合得以实现。

可以采用公差补偿层424作为第三层。公差补偿层424典型地具有0.5mm至1.5mm的厚度，该公差补偿层424是可压缩的，并且优选具有大于1.5W/mK的导热系数。公差补偿层424可以通过连续涂层或结构涂层实现。这样的涂层可以例如通过浇铸、通过滴涂（例如借助于多端喷嘴）、通过丝网印刷或通过镂板印刷或通过硫化制造。公差补偿层424也可以通过导热薄膜实现。

可以采用加热层422作为第四层。加热层422是可选择的。加热层422设置在电绝缘层421的上方，优选地位于公差补偿层424的下方。在此，向上可以表示朝电池单元101的方向，而向下表示朝冷却板103的方向。加热层422可以通过印刷的导体路径（Leiterbahnen）（例如通过丝网印刷）制造，或者通过具有PTC材料和附加印刷的导体路径的涂层实现。

通过上述的层421、422、423、424可以通过有利的方式降低电池单元101之间的温度梯度。

所述的典型实施例仅仅示例性地被选择，并且可以相互组合。

Claims

1.一种热传递装置（105），其用于在蓄能器（101）与用于控制该蓄能器温度的控温板（103）之间实现热传递，，其特征在于：该装置包括：

一隔热层（423），其由不均匀分布在该隔热层上的隔离材料制成；以及

一用于补偿所述隔热层的不同的材料厚度的公差补偿层（424），其由可压缩的材料制成。

2.根据权利要求1所述的热传递装置（105），其特征在于，所述隔热层（423）邻近所述公差补偿层（424）设置。

3.根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其特征在于，所述隔热层（423）具有小于0.6W/mK的导热系数以及小于600μm的最大材料厚度，所述公差补偿层（424）具有大于0.7W/mK的导热系数。

4.根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其特征在于，所述隔热层（423）包括具有第一材料厚度的第一区域、具有第二材料厚度的第二区域和具有第三材料厚度的第三区域，其中，所述第二区域设置在第一与第三区域之间。

5.根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其特征在于，所述隔热层（423）具有第一部段和第二部段，其中，所述隔离材料仅设置在所述第一部段中。

6.根据权利要求5所述的热传递装置，其特征在于，所述第一区域的表面部分相对于所述第二区域的表面部分沿着所述隔热层（423）变化和/或垂直于所述隔热层的主延伸方向（107）变化。

7.根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其特征在于，该装置包括电绝缘层（421），其邻近所述公差补偿层（424）设置，或者邻近所述隔热层（423）设置。

8.根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其特征在于，该装置包括加热层（422），其邻近所述公差补偿层（424）设置，或者邻近所述隔热层（423）设置。

9.根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其特征在于，所述公差补偿层（424）由可压缩的材料制成，其中，所述可压缩的材料形成为借助于胶粘剂的粘接件或形成为密封剂。

10.一种控温板，其用于控制蓄能器（101）的温度，其特征在于：该控温板包括：

流通通道层（103），其具有至少一个用于引导流体的流通通道；以及

根据前述权利要求之一所述的热传递装置（105），其与所述流通通道层（103）堆叠连接。

11.一种蓄能装置，其特征在于：该装置包括：

根据权利要求10所述的控温板（103）；以及

蓄能器（101），其设置在所述控温板（103）的热传递装置的表面上。