CN103943913B - 带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，包括若干个电池模块串并联组成、冷却板、散热器、电子风扇、水泵及冷却管道。纯电动车在比较恶劣的热环境下工作时，该装置能对电池模块整体有效地降温，而在低温环境中工作时，该装置能对电池模块进行加热。同时让各单个电池间的温度均匀分布，从而达到汽车的最佳运行条件。所述散热器、电子风扇已大规模生产，使该装置成本更低。此外，采用冷却板可以避免液体直接接触电池而导致安全隐患，同时如发生单个电池放电失效，更换电池也很方便。

Description

带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置

技术领域

本发明涉及纯电动汽车动力电池，具体为一种带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置。

背景技术

电动汽车毕竟是全天候环境下的交通工具，电池在高温环境下充放电时，由于散热不及时和不均匀，造成电池组局部温度快速上升，发生严重事故。而当动力电池处于低温环境中，电池的充放电性能明显衰减，甚至无法正常工作。因此，包含动力电池散热功能和加热功能的动力电池热保护装置是保证电动汽车在全天候工况下正常工作的重要条件。 电动汽车动力电池的冷却方式按传热介质不同，一般可分为：空气冷却，液体冷却和相变材料冷却三种方式。目前，市场上的电动汽车电池普遍采用简单的空气冷却方式，很少采用其它的方式冷却。如电动车在高速、大负荷工况下工作时，导致动力电池在恶劣的热环境下工作，如仅依靠空气冷却方式将很难控制电池的最佳工作温度，同时也不能保证各电池间温度的一致性，从而使电池性能下降、导致电池寿命缩短和降低汽车的整体性能，而利用空气加热的效率也低。因此要使电动车动力电池在较好的环境温度下工作，必须考虑采用高效的液体冷却和加热方式来优化电池的温度性能，由于一般液体冷却装置传热效率高，占用体积小，但相对空气冷却比较复杂、成本较高，所以开发一种高效的、结构紧凑的、成本较低的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置很有必要的。

发明内容

本发明的目的是针对纯电动车在恶劣的热环境下工作时，使电池内部能很好地被冷却以及各单个电池间的温度达到一致性，同时在低温条件下对电池进行加热，提出了带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，具体技术方案如下。

带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其包括电池模块、安装板、保温箱、阻尼器、电动水泵、散热器、电子风扇、冷却管道、加热装置和温控阀；整个装置的电源由若干个电池模块串并联组成，电池模块包括固定卡箍、若干单排电池组、外侧冷却板和中间冷却板，电池模块通过固定带固定在安装板上，保温箱通过螺栓固定在安装板上，安装板通过阻尼器固定在车架上，各外侧冷却板和中间冷却板的入口端通过冷却管道和散热器的出流通道联接，散热器安装在汽车前格栅后面，在散热器的支架上安装了电子风扇，各外侧冷却板和中间冷却板的出口端通过冷却管道和散热器的进流通道联接，散热器进流通道处的冷却管道中安装电动水泵，在电动水泵与散热器的进流通道之间安装了温控阀，在温控阀与电动水泵之间的冷却管道中安装了加热装置。该装置对各单个电池进行散热与加热，已散发热量的冷却液体从散热器的出流通道流出，经冷却管道均匀地流入各中间冷却板和外侧冷却板由于各中间冷却板和外侧冷却板与各单个电池接触，液体流经中间冷却板和外侧冷却板把电池热量带走，带着热量的冷却液在水泵的作用下流入散热器的入口。如各单个电池温度低时，该装置对各单个电池进行加热，温控阀关闭冷却通道，加热通道打开，经加热装置加热的冷却液流入各中间冷却板和外侧冷却板对各单个电池进行加热，通过温控阀控制冷却液在水泵的作用下重新流入加热器进行加热。

进一步的，所述电池模块包括固定卡箍、固定带和若干单排电池组,而单排电池组包括若干单个电池、电池连接片和温度传感器，单个电池之间的串联采用电池连接片按次序连接，在中间的单个电池正面的中心处和侧面的中心处安装有温度传感器。

进一步的，电池模块包括最外侧的两块外侧冷却板和中间两块中间冷却板，各相邻冷却板的液体入口和出口不在同一侧；外侧冷却板由第一矩形板和位于第一矩形板一侧面的若干个第一矩形侧板构成，底端为液体入口端，上端为液体出口端，在外侧冷却板中的第一矩形板中包括外侧冷却板第一冷却通道和外侧冷却板第二冷却通道，外侧冷却板第一冷却通道布置在外侧冷却板第一热区域中，外侧冷却板第二冷却通道布置在外侧冷却板第二热区域中，外侧冷却板中的第一矩形板与单个电池的正面相接触，当液体在外侧冷却板第一冷却通道和外侧冷却板第二冷却通道中流动时，能与单个电池的正面进行热交换；在外侧冷却板的第一矩形侧板中有一条冷却通道，冷却通道的入口处与入口端处冷却通道相接，出口处与出口端处冷却通道相接，当液体在第一矩形侧板 中流动时能与相接触单个电池侧面进行热量交换。

如各单个电池温度高时，该装置对各单个电池进行散热，已散发热量的冷却液体从散热器的出流通道出来，经冷却管道均匀地流入各中间冷却板和外侧冷却板。各中间冷却板和外侧冷却板与各单个电池接触，液体流经中间冷却板和外侧冷却板把电池热量带走，带着热量的冷却液在水泵的作用下流入散热器的入口；如各单个电池温度低时，该装置对各单个电池进行加热，温控阀关闭冷却通道，加热通道打开，经加热装置加热的冷却液流入各中间冷却板和外侧冷却板对各单个电池进行加热，通过温控阀控制冷却液在水泵的作用下重新流入加热器进行加热。

进一步的，电池模块的中间冷却板由第二矩形板和位于第二矩形板两侧的若干个第二矩形侧板构成，底端为液体入口端，上端为液体出口端；在中间冷却板的第二矩形板中包括中间冷却板第一冷却通道和中间冷却板第二冷却通道，中间冷却板第一冷却通道布置在中间冷却板的第一热区域中，中间冷却板第二冷却通道布置在中间冷却板的第二热区域中，中间冷却板中的第二矩形板两边与单个电池的正面相接触，当液体在中间冷却板的第一冷却通道和中间冷却板的第二冷却通道中流动时，能与单个电池的正面进行热交换；在中间冷却板的第二矩形侧板中有一条冷却通道，冷却通道的入口处与入口端处冷却通道相接，出口处与出口端处冷却通道相接，当液体在中间冷却板的第二矩形侧板中流动时能与相接触单个电池侧面进行热量交换。

进一步的，两块外侧冷却板、两块中间冷却板和若干单排电池组借助于固定卡箍形成电池模块，通过固定带和螺栓将电池模块固定在安装板上，该螺栓固定力矩最小为10N.m，但优先地为20 N.m；而安装板通过螺栓和四个阻尼与车架相接，该螺栓固定力矩最小为15N.m，但优先地为30 N.m。

进一步的，单排电池组包括若干单个电池、电池连接片和温度传感器，单个电池之间的串联采用电池连接片按次序连接，在中间的单个电池正面的中心处和侧面的中心处安装有温度传感器。

进一步的，冷却管道使用金属材料制成，将冷却液体平均分配到各个冷却板。

进一步的，固定卡箍和固定带为扁平的，任意一个电池模块中至少一条固定带由金属制成；安装板由金属材料制成；冷却管道使用金属材料制成，将冷却液体平均分配到各外侧冷却板和中间冷却板；散热器的换热管外壁设置有散热翅片，散热器的进流通道与冷却管出流通道相通，出流通道与冷却管进流通道相通。

进一步的，电动水泵装设在冷却管道上，当温度传感器检测到的电池温度高于设定控制温度时，电动水泵中速转动；当电池温度等于设定控制温度时，电动水泵低速转动；当电池温度低于设定控制温度时，电动水泵间歇性转动；当电池温度低于电池工作的最低温度时，温控阀关闭冷却管道，加热装置工作，电动水泵低速转动。

进一步的，电子风扇装设在散热器上，根据温度传感器的信息，当电池温度高于设定控制温度时，电子风扇高速转动；当电池温度等于设定控制温度时，电子风扇低速转动；当电池温度低于设定控制温度或温控阀关闭冷却通道时，电子风扇停转。

进一步的，保温箱通过螺栓与安装板相接，箱内表面有保温材料，在靠近散热器的保温箱侧板上开有若干个小孔供冷却管道通过。保温材料能使汽车在使用一段时间停车后能在6-8小时内保持温度不低于0℃。

进一步的，加热装置是采用电热丝加热，根据温度传感器的信号，当温度低于0℃时,如动力电池在充电时,用电网的电能对冷却液体进行加热，通过温控阀关闭冷却管道，冷却液在水泵的作用下循环流入加热器进行加热。

进一步的，冷却管道中的液体采用乙二醇。

本发明的工作原理为：已散发热量的冷却液体在冷却管道中安装的水泵作用下，从散热器出流通道出来，经冷却管道均匀地流入各中间冷却板和外侧冷却板，由于各中间冷却板和外侧冷却板与各单个电池接触，液体流经中间冷却板和外侧冷却板把电池热量带走，带着热量的冷却液在水泵的作用下流入散热器的入口，如此不断循环。保温箱能对电池模块的温度进行保温，当温度低于0℃时,如动力电池在充电时,用电网的电能对冷却液体进行加热，通过温控阀控制，冷却液在水泵的作用下循环流入加热器进行加热，使电池的工作温度在理想状态。

本发明的有益效果是所述电池模块增加中间冷却板和外侧冷却板，这一设计既能实现纯电动车在比较恶劣的热环境下电池模块整体有效地降温，并在低温下能有效地加热，又能满足各单个电池间温度分布的均匀，从而达到汽车的最佳运行条件，由于散热器安装在汽车前格栅后面，汽车在前进时车外空气会高速的流过散热器，而冷却电子风扇根据电池温度的变化进行间隙性工作，水泵电机在较低转速下工作，这将可以节约电池的电量，同时该冷却板具结构紧凑，换热效率高等特点，使得整个装置更加简单轻便，而该单排电池组通过简单的机构与安装板固定，能简单的装配、拆卸和快速的更换单个电池。

附图说明

图1是本发明的外侧冷却板结构示意图。

图2是本发明的中间冷却板结构示意图。

图3本发明电池模块单排电池组及外侧冷却板结构示意图。

图4是本发明的电池模块及在安装板上的布置图。

图5是本发明电池模块的安装板示意图。

图6是本发明保温层示意图。

图7是本发明的散热器结构示意图。

图8是本发明的装配示意图。

具体实施方式

本发明的特点是带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，该装置设计不同于普通的空气冷却装置，它能使纯电动车在恶劣的热环境下工作，使电池内部能很好地被冷却；而在低温环境中工作时，该装置能实现对各单个电池进行加热。同时让各单个电池间的温度达到一致性，对延长电池寿命，从而使汽车达到最佳的运行条件，对提高纯电动汽车的动力性能起着至关重要的作用。

如附图1所示，外侧冷却板7用于至少为单排电池调温，为此，该外侧冷却板7由金属制成，因为金属具有高的导热系数。外侧冷却板的高度与单个电池高度相当，宽度与各电池接触的平面及各侧板的厚度之和相等。外侧冷却板7由第一矩形板701和位于第一矩形板702构成，底端为液体入口端703，上端为液体出口端704，在外侧冷却板中的第一矩形板701中包括外侧冷却板第一冷却通道705和外侧冷却板第二冷却通道706，外侧冷却板第一冷却通道705布置在外侧冷却板第一热区域707中，外侧冷却板第二冷却通道706布置在外侧冷却板第二热区域708中，外侧冷却板第一热区域707靠近电池单元下部205，外侧冷却板第二热区域708靠近电池单元极柱附近204。外侧冷却板第一热区域707与外侧冷却板第二热区域708管道相互平行，外侧冷却板第一热区域707管道间隔比第二热区域708管道之间的间隙大。外侧冷却板中的第一矩形板701与单个电池201的正面相接触，当液体在外侧冷却板第一冷却通道705和外侧冷却板第二冷却通道706中流动时，能与单个电池201的正面进行热交换；在外侧冷却板的第一矩形侧板702中有一条冷却通道709，第一矩形侧板702中的冷却通道709入口处与外侧冷却板7的入口端703处冷却通道相接，出口处与出口端704处冷却通道相接，当液体在第一矩形侧板702中流动时能与相接触单个电池201侧面进行热量交换。各冷却通道直径为5mm。

如附图2所示，中间冷却板8用于至少为单排电池调温，为此，该中间冷却板8由金属制成，因为金属具有高的导热系数。中间冷却板8的高度与单个电池高度相当，宽度与各电池接触的平面及各侧板的厚度之和相等。中间冷却板8由第二矩形板801和位于第二矩形板802构成，底端为液体入口端803，上端为液体出口端804。在中间冷却板的位于第二矩形板801中包括中间冷却板第一冷却通道805和中间冷却板第二冷却通道806，中间冷却板第一冷却通道805布置在中间冷却板的第一热区域807中，中间冷却板第二冷却通道806布置在中间冷却板的第二热区域808中，中间冷却板第一热区域807靠近电池单元下部205，中间冷却板第二热区域808靠近电池单元极柱附近204。中间冷却板第一热区域807与中间冷却板第二热区域808管道相互平行，中间冷却板第一热区域807管道间隔比中间冷却板第二热区域808管道之间的间隙大。中间冷却板中的第二矩形板801的两边与单个电池201的正面相接触，当液体在中间冷却板的第一冷却通道805和中间冷却板的第二冷却通道806中流动时，能与单个电池201的正面进行热交换；在中间冷却板的第二矩形侧板802中有一条冷却通道809，第二矩形侧板802中的冷却通道809入口处与中间冷却板8入口端803处冷却通道相接，出口处与出口端804处冷却通道相接，当液体在中间冷却板的第二矩形侧板802中流动时能与相接触单个电池201侧面进行热量交换。各冷却通道直径为5mm。

如附图3所示，单排电池组2，其特征是包括若干单个电池201、电池连接片202和温度传感器203，单个电池201之间的串联采用电池连接片202按次序连接，在中间的单个电池正面的中心处和侧面的中心处安装有温度传感器203。

如附图4所示，两块外侧冷却板7、两块中间冷却板8和若干单排电池组2借助于固定卡箍5形成电池模块15，各单个电池和外侧冷却板7、中间冷却板8在固定卡箍5的作用下保证紧密配合以确保水平方向固定，要求固定卡箍5布置在外侧冷却板7和中间冷却板8的入口端和出口端之间，这样固定卡箍5不会和各冷却管之间产生接触。固定卡箍5和固定带6必须是扁平的，这能保证至少贴靠在各单个电池201、外侧冷却板7和中间冷却板8的那一侧是平的，至少一条固定带6由金属制成，通过固定带6和螺栓将电池模块15固定在安装板9上，该螺栓固定力矩最小为10N.m，但优先地为20 N.m。要求固定带6在此分别在单个电池201的两个正负端子之间布置。这些固定带在此不会与电池端子之间产生电接触。

如附图5所示，安装板9 由金属材料制成，通过螺栓和四个阻尼10与车架相接，该螺栓固定力矩最小为15N.m，但优先地为30 N.m。

如附图6所示，保温箱14通过螺栓与安装板9相接，箱内表面有保温材料141，在靠近散热器的保温箱侧板上开有若干个小孔142供冷却管道通过。保温材料141能使汽车在使用一段时间停车后能在6-8小时内保持温度不低于0℃。

散热器结构如附图7所示，换热管外壁设置有散热翅片，散热器的进流通道121与冷却管1的出流通道相通，出流通道122与冷却管1的进流通道相通。安装在框架上的电子风扇13，根据温度传感器203的信号，电子风扇工作对流过散热器的空气流速进行调节，以达到电池模块合适的工作温度。

如附图8所示， 包括电池模块15、安装板9、保温箱14、阻尼器10、电动水泵11、散热器12、电子风扇13、冷却管道1、加热装置3和温控阀4；电池模块15包括固定卡箍5、固定带6和若干单排电池组2，而单排电池组包括若干单个电池201，相邻单排电池组2之间设有中间冷却板8，而外侧设有外侧冷却板7，如各单个电池201温度高时，该装置对各单个电池201进行散热，已散发热量的冷却液体在冷却管道1安装的水泵11作用下，从散热器12的出流通道122出来，经冷却管道1均匀地流入各中间冷却板8和外侧冷却板7由于各中间冷却板8和外侧冷却板7与各单个电池201接触，液体流经中间冷却板8和外侧冷却板7把电池热量带走，带着热量的冷却液在水泵11的作用下流入散热器12的入口。如各单个电池201温度低时，该装置对各单个电池201进行加热，温控阀4关闭冷却通道，加热通道打开，经加热装置3加热的冷却液流入各中间冷却板8和外侧冷却板7对各单个电池201进行加热，通过温控阀4控制冷却液在水泵11的作用下重新流入加热器进行加热。

上述带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置既能实现纯电动车在比较恶劣的热环境下电池模块整体有效地降温，并在低温下能有效地加热，又能满足各单个电池间温度分布的均匀，从而达到汽车的最佳运行条件，同时该冷却板结构紧凑，换热效率高等特点，使得整个装置更加简单轻便，而该单排电池组通过简单的机构与安装板固定，能简单的装配、拆卸和快速的更换单个电池。

Claims (9)

1.带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是：包括电池模块（15）、安装板（9）、保温箱（14）、阻尼器（10）、电动水泵（11）、散热器（12）、电子风扇（13）、冷却管道（1）、加热装置（3）和温控阀（4）；整个装置的电源由若干个电池模块（15）串并联组成，电池模块（15）包括固定卡箍（5）、若干单排电池组（2）、外侧冷却板（7）和中间冷却板（8），电池模块（15）通过固定带（6）固定在安装板（9）上，保温箱（14）通过螺栓固定在安装板（9）上，安装板（9）通过阻尼器（10）固定在车架上，各外侧冷却板（7）和中间冷却板（8）的入口端通过冷却管道（1）和散热器（12）的出流通道（122）联接，散热器（12）安装在汽车前格栅后面，在散热器（12）的支架上安装了电子风扇（13），各外侧冷却板（7）和中间冷却板（8）的出口端通过冷却管道（1）和散热器（12）的进流通道（121）联接，散热器（12）进流通道（121）处的冷却管道（1）中安装电动水泵（11），在电动水泵（11）与散热器（12）的进流通道（121）之间安装了温控阀（4），在温控阀（4）与电动水泵（11）之间的冷却管道（1）中安装了加热装置（3）；电池模块（15）包括最外侧的两块外侧冷却板（7）和中间两块中间冷却板（8），各相邻冷却板的液体入口和出口不在同一侧；外侧冷却板（7）由第一矩形板（701）和位于第一矩形板（701）一侧面的若干个第一矩形侧板（702）构成，底端为液体入口端（703），上端为液体出口端（704），在外侧冷却板中的第一矩形板（701）中包括外侧冷却板第一冷却通道（705）和外侧冷却板第二冷却通道（706），外侧冷却板第一冷却通道（705）布置在外侧冷却板第一热区域（707）中，外侧冷却板第二冷却通道（706）布置在外侧冷却板第二热区域（708）中，外侧冷却板中的第一矩形板（701）与单个电池（201）的正面相接触，当液体在外侧冷却板第一冷却通道（705）和外侧冷却板第二冷却通道（706）中流动时，能与单个电池（201）的正面进行热交换；在外侧冷却板的第一矩形侧板（702）中有一条冷却通道（709），冷却通道（709）的入口处与入口端（703）处冷却通道相接，出口处与出口端（704）处冷却通道相接，当液体在第一矩形侧板 （702）中流动时能与相接触单个电池（201）侧面进行热量交换；

电池模块（15）的中间冷却板（8）由第二矩形板（801）和位于第二矩形板（801）两侧的若干个第二矩形侧板（802）构成，底端为液体入口端（803），上端为液体出口端（804）；在中间冷却板的第二矩形板（801）中包括中间冷却板第一冷却通道（805）和中间冷却板第二冷却通道（806），中间冷却板第一冷却通道（805）布置在中间冷却板的第一热区域（807）中，中间冷却板第二冷却通道（806）布置在中间冷却板的第二热区域（808）中，中间冷却板中的第二矩形板（801）两边与单个电池（201）的正面相接触，当液体在中间冷却板的第一冷却通道（805）和中间冷却板的第二冷却通道（806）中流动时，能与单个电池（201）的正面进行热交换；在中间冷却板的第二矩形侧板（802）中有一条冷却通道（809），冷却通道（809）的入口处与入口端（803）处冷却通道相接，出口处与出口端（804）处冷却通道相接，当液体在中间冷却板的第二矩形侧板（802）中流动时能与相接触单个电池（201）侧面进行热量交换。

2.根据权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是：所述电池模块（15）包括固定卡箍（5）、固定带（6）和若干单排电池组（2）,而单排电池组包括若干单个电池（201）、电池连接片（202）和温度传感器（203），单个电池（201）之间的串联采用电池连接片（202）按次序连接，在中间的单个电池正面的中心处和侧面的中心处安装有温度传感器（203）。

3.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征在于两块外侧冷却板（7）、两块中间冷却板（8）和若干单排电池组（2）借助于固定卡箍（5）形成电池模块（15），通过固定带（6）和第一螺栓将电池模块（15）固定在安装板（9）上，该第一螺栓固定力矩最小为10N·m；而安装板（9）通过第二螺栓和四个阻尼（10）与车架相接，该第二螺栓固定力矩最小为15N·m。

4.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征在于固定卡箍（5）和固定带（6）为扁平的，任意一个电池模块（15）中至少一条固定带（6）由金属制成；安装板（9）由金属材料制成；冷却管道（1）使用金属材料制成，将冷却液体平均分配到各外侧冷却板（7）和中间冷却板（8）；散热器（12）的换热管外壁设置有散热翅片，散热器的进流通道（121）与冷却管出流通道相通，出流通道（122）与冷却管进流通道相通。

5.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是电动水泵（11）装设在冷却管道上，当温度传感器（203）检测到的电池温度高于设定控制温度时，电动水泵（11）中速转动；当电池温度等于设定控制温度时，电动水泵（11）低速转动；当电池温度低于设定控制温度时，电动水泵（11）间歇性转动；当电池温度低于电池工作的最低温度时，温控阀（4）关闭冷却管道，加热装置工作，电动水泵（11）低速转动。

6.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是电子风扇（13）装设在散热器（12）上，根据温度传感器（203）的信息，当电池温度高于设定控制温度时，电子风扇（13）高速转动；当电池温度等于设定控制温度时，电子风扇（13）低速转动；当电池温度低于设定控制温度或温控阀（4）关闭冷却通道时，电子风扇（13）停转。

7.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是：保温箱（14）通过第三螺栓与安装板（9）相接，箱内表面有保温材料（141），在靠近散热器的保温箱侧板上开有若干个小孔（142）供冷却管道通过。

8.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是：加热装置（3）是采用电热丝加热，根据温度传感器（203）的信号，当温度低于0℃时,如动力电池在充电时,用电网的电能对冷却液体进行加热，通过温控阀（4）关闭冷却管道，冷却液在水泵（11）的作用下循环流入加热器进行加热。

9.如权利要求1所述的带液体冷却板的纯电动汽车动力电池冷却与加热装置，其特征是：冷却管道中的液体采用乙二醇。