CN104124488A - 用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置，包括：导热界面板，其中嵌有超模压的热管，该导热界面板布置在至少两个单元电池之间；以及散热器，其整体连接于每个超模压的热管的上端部，该散热器布置在冷却空气流路中。从而提高界面板与单元电池之间的粘附力，因此可以最大化地提高电池的散热性能，以防止因散热而引起的体积膨胀。该装置还包括：具有等于或小于大约0.5mm厚度的平面发热体，其被布置在未配置界面板的单元电池之间，以便在冷启动和低温环境下将电池加热到适当水平的温度，以改善电池性能并防止车辆动力的下降。

Description

用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置

技术领域

本发明涉及一种用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置，更特别涉及这样一种用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置，其利用插有热管的界面板来间接地冷却电池模块，从而使电池的散热性能最大化，并防止电池性能的劣化。

背景技术

环保型汽车是指不产生任何排放的电动车、燃料电池车等，并且在环保型汽车中，安装有电池以驱动用于驱动车辆的电动机。由于电池系统的可靠性和稳定性充当用于确定电动车生产力的重要角色，因此电池系统的温度应该保持在大约35-40℃的适当温度范围，以防止电池性能因各种外部温度的变化而劣化。因此，需要一种用于袋状电池模块的热控制系统，其在一般气候条件下具有改善的散热性能，且在低温环境下可以将电池保持在适当温度。

对于电动车的电池，因快速充电、高动力、重复充电的次数等产生的热量，在单元电池之间可能会产生局部温度差异，或者产生热耗散，而其会使电池的效率和稳定性劣化。与电池内部产生的热量相比，散热或热扩散到电池外部不充分时，就认为产生了这种现象。

袋型单元电池承受由于在充电和放电期间锂离子在电极材料内的嵌入和脱嵌而引起的体积变化，从而导致两个电极材料之间的分离器的潜在损坏以及电池中的电极膨胀。分离器的损坏会导致电池性能的劣化、电池最终容量的减少以及内部电阻的产生，因此，需要一种能够克服电池体积膨胀的散热界面材料。

当袋型电池显著膨胀时，聚合物袋可能会损坏，因此内部电解液可能会泄漏且可能会排出气体。由于袋型电池模块是通过堆叠若干单元电池来配置的，因此在发生膨胀或气体排放或爆炸时，可能会对邻近的电池产生直接损坏。通过减小用于冷却单元电池之间的冷却空气流路的大小，袋型电池的膨胀可加速散热。

此外，作为常规技术的一个示例，直接冷却方案已经广泛地为人所熟知，在这个方案中，冷却空气直接接触电池表面，以散发电池中产生的热量。特别地，冷却空气直接对电池进行冷却，因此可以忽略封装电池的壳体材料的导热性；但是，其中流动有冷却空气的冷却空气流路应以预定尺寸或更大的尺寸固定在单元电池之间，从而限制每单位体积的电池数量的增加。

已知的常规技术公开一种利用热管的电池散热结构，其中电池散热特征可以通过形成间接冷却结构来提高，在该间接冷却结构中，平板型的热管插入在锂离子电池和以百叶窗式散热器的形式的散热销之间，其是在热管的上部分中彼此相交的冷凝单元。然而，这种技术可能不会处理由于快速充电/放电而引起的电池（例如，袋型电池）的体积膨胀。

袋型电池的表面通常是不均匀的，因此，当常规技术中公开的平板型的热管放置在单元电池之间时，由于平板型的热管和单元电池之间的平整度降低而可能产生界面传送阻力。此外，在常规示例的另一实施例中应用的平板型热管直接接触电池表面，导致由在车辆的振动或电池模块装配过程中制造的热管内产生的金属毛刺而引起的袋型电池的潜在破裂。

此外，常规电池模块的另一个缺点在于，没有设置用于克服车辆在冷启动或者低温环境下动力下降的材料或装置。换句话说，如图1所示，普通的锂离子电池在低温环境下可能会使车辆的动力性能劣化，更具体地，动力性能可能从约10℃或更低的温度时开始劣化，使得大约30%的性能在大约-20℃下降。因此，需要一种单独的材料或装置，其可以在冷启动和低温环境下将电池加热到大约30-40℃。

发明内容

因此，本发明提供一种间接冷却环保型汽车的电池模块的装置，其中超模压并嵌入的热管的导热界面板，紧密地布置在单元电池之间；散热器是整体地连接到热管的上端的冷凝单元，该散热器布置在空气冷却路径上，以提高界面板与单元电池之间的粘附力，因此可以最大化地提高电池的散热性能，以防止因散热而引起的体积膨胀。

本发明还提供一种间接冷却环保型汽车的电池模块的装置，其中平面发热体被布置在未配置界面板的单元电池之间，以便在冷启动和低温环境下将电池加热到适当水平的温度，以改善电池性能并防止车辆动力的下降。

根据本发明一个方面，一种间接冷却环保型汽车的电池模块的装置可以包括导热界面板，热管通过超模压而被嵌入其中，该导热界面板以紧密接触的方式布置在选自多个单元电池的两个或多个单元电池之间；以及散热器，其整体地连接到每个热管的上端部并被放置在冷却空气流路中。

该界面板可以使用具有高导热性的热塑性弹性体材料。该热管可以是具有利用铝材形成的带状的平板形状，并可以以等间隔嵌入在界面板中。该热管可被制造成具有大约1.0-1.5t的厚度，并且界面板可被模压成具有大约2-5mm的厚度，该厚度包括热管的厚度。散热器可以是冷凝单元，对在热管中蒸发的工作流体进行冷凝，并且可以包括多个散热板，该多个散热板沿垂直方向以等间隔整体地形成在热管的上端部分中。

此外，具有大约0.5mm或更小厚度的平面发热体，可以以紧密接触的方式布置在未配置界面板的单元电池之间。平面发热体可以包括：薄膜，在该薄膜中，用于与单元电池完全表面接触的聚氨酯层和用于在发热中耐热的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层彼此层叠；发热体，其涂覆在薄膜的PET层上；以及液体硅烷树脂（LSR）的保护层，其涂覆并表面硬化在发热体上，以保护发热体。

封装单元电池的外壳体可以由具有低导热性的材料制成，并且其中布置散热器的单个冷却空气流路可以形成在外壳体的上端部中。

附图说明

现在，本发明的上述和其他特征将参考附图中所示的本发明的一个示例性实施例详细描述，其仅通过说明的方式在下文给出，和因此不限制本发明，并且其中：

图1是示出根据相关现有技术的环保型汽车的低温动力性能下降部分的示例性曲线图；

图2是示出根据本发明一个示例性实施例的用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置的热管和界面板的示例性视图；

图3是示出根据本发明一个示例性实施例的位于单元电池之间的间接冷却环保型汽车的电池模块的装置的界面板和平面发热体的示例性视图；

图4是示出根据本发明一个示例性实施例的布置在单元电池之间且由外壳体封装的用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置的热管和界面板的示例性图示；

图5是示出根据本发明一个示例性实施例的用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置的平面发热体的横截面结构的示例性横截面图；

图6是示出根据本发明一个示例性实施例的用于测试用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置的散热性能的结构的示例性示意图；

图7是根据本发明一个示例性实施例的关于环保型汽车的电池模块和常规模块的冷却性能的测试结果的示例性曲线图。

附图标记说明：

具体实施方式

可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆（SUV）、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车（例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料）。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。

本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。

除非明确指出或可从上下文明显看出，否则如本文中使用的术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均数的两个标准偏差内。“约”可以被理解为在规定值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非从上下文可以明确知道，否则本文所提供的所有数值都可由术语“约”修正。

在下文中，将参照附图详细描述本发明，以使本领域普通技术人员能够容易地实现本发明。

参照图2和图4，根据本发明示例性实施例的用于间接冷却电池模块的装置，可以包括其中通过超模压嵌入热管12的导热界面板10。由于界面板10优选地具有最小化的界面孔隙和降低的平整度，以有效地将在单元电池中产生的热量转移到热管12和界面板10，当设置在单元电池之间时，可以通过为单元电池提供接触夹持特性（例如，完全的粘合性）而使热转移界面阻力最小，同时可以使热转移特性最大，并且界面板10可以使用具有高热传导性的热塑性弹性体材料。

更具体地，界面板10可以使用朝向平板的、具有大约10W/mk或以上的增大的热导热性的热塑性弹性体材料，并且可以是一种柔软的材料，以提高与单元电池的紧密接触强度，从而响应电池（特别是，袋型电池）的体积膨胀。

热管12可以是使用铝材形成的矩形条带形状，且可以以等间隔被嵌入界面板10，散热器14可以在热管12的上端部中整体地形成，以将在电池的发热中产生的热能，从界面板10朝向外壳体20的冷却空气路径22转移。散热器14是冷凝单元，其可以对在热管12中蒸发的工作流体进行冷凝，并且可以包括多个散热板，该多个散热板沿垂直方向以等间隔整体地形成在热管12的上端部中。

作为参考，挥发性工作流体（例如，丙酮）可被充填在热管12中，并且该工作流体在电池的散热过程中可能会热蒸发，同时，还可以连同热能朝向散热器14移动，且可以散热，然后可以在散热的同时冷凝，并因此可以返回到热管12内。优选地，考虑到电池模块的紧凑性，热管12被制造成具有大约1.0-1.5t的厚度，并且界面板10被超模压以具有大约2-5mm的厚度，该厚度包括热管12的厚度。

界面板10，即其中嵌有热管12的界面板10可以以紧密接触方式布置在多个单元电池30的两个或多个单元电池之间，并且整体地连接到热管12的上端部的散热器14可被放置在外壳体20的冷却空气流路22中。例如，当一个电池模块包括总共8个单元电池时，嵌有三热管的界面板可以分别布置在电池1和电池2、电池3和电池4以及电池5和电池6之间，并且平面发热体40（后面会描述）可以设置在电池2和电池3、电池4和电池5以及电池6和电池7之间。

平面发热体40可被用来在冷启动或低温环境下将电池模块加热到适当水平的温度。平面发热体40可以以紧密接触方式被布置在具有大约0.5mm或更小厚度的衬垫形式的、其中未设置界面板10单元电池之间。

优选地，如图5所示，平面发热体40可以使用其中聚氨酯层42和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层44彼此层叠的薄膜。聚氨酯层42可以提供用于接触单元电池的夹持特性，同时响应电池（特别是，袋型电池）的体积膨胀。PET层44可以管理发热中的耐热性（heatresistance）。普通发热体46可被堆叠并连接到薄膜的PET层44上。

更优选地，单独的辅助电源和单独的控制单元被连接到发热体46，以便可以在低温下在控制单元的控制下自动地发热或温度调节。可以通过涂覆和表面硬化液体硅烷树脂（LSR）而在发热体46上形成保护层48，该保护层48可以保护发热体46，并防止易损发热体46的脱层。

如图4所示，包括界面板10和平面发热体40的单元电池30可以由电池盒型的外壳体20封装，并且其中放置散热器14的单个冷却空气流路22可以形成在外壳体20的上端部中。优选地，外壳体20可能不会散发在电池中产生的热量，因此可以由具有低导热性的材料制成，由于当要求在低温环境下使用平面发热体加热电池时，可以通过阻止外部热量而进一步提高电池的加热速度。

下面将描述如上所述根据本发明一个示例性实施例的用于间接冷却电池模块的装置的操作流程。

一旦通过单元电池20的快速充电、高动力、重复充电的次数等而产生热量时，所产生的热量可通过界面板10被传送到热管12。由于被传送到热管12的热量，在热管12内部（在蒸发单元中）的工作流体可以蒸发，并且被蒸发的具有热能的气体分子可以移动到热管12的相对侧，即朝向其中连接散热器14的一侧（冷凝单元）。特别地，散热器14可以接触流过外壳体20的冷却空气流路22的冷却空气，以通过散热器14散发工作流体的热能，与此同时，工作流体可以被冷凝并移动回到热管12。

在环保型汽车的冷启动环境或低温环境下，可以执行平面发热体40的散热，以将电池加热到适当水平的温度，从而提高电池性能并防止车辆动力的劣化。特别地，当平面发热体40发热时，可以控制鼓风机，以便不将冷却空气吹到外壳体20的冷却空气流路22中，因而，从平面发热体40转移到单元电池30的热量可被仅仅用作将单元电池30加热到适当水平的温度。换句话说，通过防止从平面发热体40转移到单元电池30的热量通过界面板10和热管12而被散发到散热器14，从而可以提高冷启动性能。

在此，通过利用几个实验例来考虑本发明。

制造电池模块测试产品，其中嵌有2热管的界面板分别布置在8个单元电池之中的电池1和电池2、电池3和电池4、电池5和电池6及电池7和电池8之间，并进行电池冷却性能测试。为了验证间接冷却方案的冷却性能，在任何单元电池中都未设置平面发热体的情况下进行电池冷却性能测试。

首先，利用计算机程序来说明电池冷却性能，说明条件是单元电池的散热量为2W/每电池，流入冷却空气流路的空气流是13CMH，说明结果如表1中所示。

表1

如表1所示，相应单元电池的温度都小于42℃，且单元电池之间的温度差最多为0.09℃，从而证实了优异的电池冷却效果。

为了验证上述说明结果，如图6所示，建立一种测试设备，其包括：连接到热屏蔽外壳体20的冷却空气流路的冷却空气循环管线60；安装在冷却空气循环管线60的具体位置中的鼓风机/流量调节器62；为相应单元电池充电和放电的充电器/放电器64；和接收来自连接到每个单元电池的温度传感器的温度值的温度数据记录器66。

对于电池冷却测试，电池模块测试产品是被热屏蔽并因而被保持在35.5℃，在此状态下，利用鼓风机/流量调节器62将13.3CMH的空气流吹入到外壳体的冷却空气流路中，且湿度保持在65±20%。在这样的测试条件下，在电池的充电状态（SOC）的60%的状态下，施加40A的充电/放电脉冲持续10秒钟，并检查每个单元电池的温度，其结果如图7所示。

当检查每个单元电池的温度，并且每个单元电池的温度低于45℃且单元电池之间的温度差小于5℃时，可以确定电池冷却效果被证实。如图7所示，可以看到，与常规电池模块（例如，直接冷却型）相比，测试产品的每个单元电池的温度小于42℃且单元电池间的温度差是2.0℃或更小，从而可证实优异的电池冷却效果。

根据本发明，导热界面板，其中通过超模压嵌入作为响应电池（特别是，袋型电池）的体积膨胀的散热界面材料的热管，可以以紧密接触的方式布置在从环保型汽车的电池模块的多个单元电池中选择的单元电池之间，以提高具有高导热性的界面板与单元电池之间的紧密接触的强度，从而防止由散热引起的体积膨胀并最大限度地提高电池的散热性能。

特别地，通过进一步地在未设置界面板的单元电池之间布置平面发热体，可以在环境友好型汽车的冷启动环境和低温环境下，将电池加热到适当水平的温度，从而提高电池性能并防止车辆动力性能的劣化。

此外，与通过在单元电池之间形成冷却空气流路而直接冷却电池的直接冷却型电池模块相比，由于冷却空气流路未形成在单元电池之间，因此可以提供更紧凑的电池模块，且可以提高电池模块设计的自由度。

上面已经参考本发明的示例性实施方式对其进行了详细描述。然而，本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的原理和精神的情况下，还可以对这些实施方式进行修改，本发明的范围被限定在所附的权利要求及其等价形式中。

Claims (16)

1.一种用于间接冷却环保型汽车的电池模块的装置，包括：

导热界面板，其中嵌有超模压的热管，所述导热界面板布置在至少两个单元电池之间；以及

散热器，其整体连接于每个超模压的热管的上端部，所述散热器布置在冷却空气流路中。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述界面板使用具有高导热性的热塑性弹性体材料。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述热管具有利用铝材形成的带状的平板形状，并以等间隔嵌入在所述界面板中。

4.如权利要求3所述的装置，其中所述热管被制造成具有大约1.0-1.5t的厚度，并且所述界面板被模压成具有大约2-5mm的厚度，所述界面板的厚度包括所述超模压的热管的厚度。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述散热器是冷凝单元，其对在所述热管中蒸发的工作流体进行冷凝，并且包括多个散热板，所述多个散热板沿垂直方向以等间隔整体地形成在所述超模压的热管的上端部中。

6.如权利要求1所述的装置，还包括：

具有等于或小于大约0.5mm厚度的平面发热体，其被布置在未配置所述界面板的单元电池之间。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述平面发热体包括：

薄膜，在所述薄膜中，用于与单元电池进行表面接触的聚氨酯层和用于在发热中耐热的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层彼此层叠；

涂覆在所述薄膜的所述PET层上的发热体；以及

液体硅烷树脂（LSR）的保护层，涂覆并表面硬化在所述发热体上，以保护所述发热体。

8.如权利要求1所述的装置，其中封装所述单元电池的外壳体由具有低导热性的材料制成，并且其中布置所述散热器的单个冷却空气流路形成在所述外壳体的上端部中。

9.一种用于间接冷却至少在HEV（混合动力电动车）模式和EV（电动车）模式下可运行的车辆的电池模块的装置，包括：

导热界面板，其中嵌有超模压的热管，所述导热界面板布置在至少两个单元电池之间；以及

散热器，其整体连接于每个超模压的热管的上端部，所述散热器布置在冷却空气流路中。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述界面板使用具有高导热性的热塑性弹性体材料。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述热管具有利用铝材形成的带状的平板形状，并以等间隔嵌入在所述界面板中。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述热管被制造成具有大约1.0-1.5t的厚度，并且所述界面板被模压成具有大约2-5mm的厚度，所述界面板的厚度包括所述超模压的热管的厚度。

13.如权利要求9所述的装置，其中所述散热器是冷凝单元，其对在所述热管中蒸发的工作流体进行冷凝，并且包括多个散热板，所述多个散热板沿垂直方向以等间隔整体地形成在所述超模压的热管的上端部中。

14.如权利要求9所述的装置，还包括：

具有等于或小于大约0.5mm厚度的平面发热体，其被布置在未配置所述界面板的单元电池之间。

15.如权利要求14所述的装置，其中所述平面发热体包括：

薄膜，在所述薄膜中，用于与单元电池进行表面接触的聚氨酯层和用于在发热中耐热的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层彼此层叠；

涂覆在所述薄膜的所述PET层上的发热体；以及

液体硅烷树脂（LSR）的保护层，涂覆并表面硬化在所述发热体上，以保护所述发热体。

16.如权利要求9所述的装置，其中封装所述单元电池的外壳体由具有低导热性的材料制成，并且其中布置所述散热器的单个冷却空气流路形成在所述外壳体的上端部中。