CN104241728A - 具有热电元件的电池组空气冷却结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有热电元件的电池组空气冷却结构和方法。该结构包括具有制冷剂经过的冷却通道的壳体，以及设置在壳体内并且各自包括一对彼此平行堆叠的单元电池的多个电池模块组件。传热板设置在该对单元电池之间。热管具有设置在传热板中的第一部分和从传热板突出的第二部分。换热构件形成在热管的第二部分并且配置成与经过冷却通道的空气执行换热，并且热电元件形成在冷却通道的空气注入的上游侧。

Description

具有热电元件的电池组空气冷却结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及设置有热电元件的电池组空气冷却结构，且更具体地，涉及设置有安装在冷却通道的入口的、控制各电池模块组件的温度的热电元件的电池组空气冷却结构。
背景技术
在例如电动车辆或燃料电池车辆的环保车辆中没有废气排放，并且电池安装在环保车辆上用于驱动车辆的电动机。
在电动车辆中，电池系统的可靠性和稳定性是用于确定电动车辆的市场化的重要因素，并且电池系统的适当温度范围必须维持在约35℃至40℃，以便防止电池的性能由于各种外部温度的变化而退化。因此，需要在一般气候条件（例如，对于电池系统的适当的温度范围）下具有优异的散热性能并且在低温环境下能够维持电池的适当温度的袋电池模块的热控系统。
一般地，当车辆驱动或充电时，电池组组件（BPA）被加热。空气冷却法通常用作冷却包括多个电池模块组件的BPA的方法。具体地，在混合动力车辆中，通过从车辆座舱供给的空气以及从暖通空调（HVAC）系统供给的空气执行冷却。具体地，通过一台风机在一个温度下冷却BPA的结构已普遍使用，并且根据电池模块组件（CMA）将温差最小化的技术由于难以形成流动通道而尚未使用。另外，可执行空气调节来冷却BPA；然而，于是需要附加的冷却装置，或者车辆空调器必须在降低的效率下运行。
此外，当BPA充电或放电时，基于温差发生电压差。温差在降低BPA的性能方面作为变量起作用。换言之，当在一个电池模块组件中发生显著温差时，其可因退化而损坏并且损坏的电池作为电阻器操作并产生高温。退化也会在邻近的电池模块组件中发生，可对整个电池造成损坏。当在各电池模块组件中发生显著电压差时，在电动车辆的各驱动电动机单元中会发生不希望的结果，而其中均匀的电压是最佳使用条件。
发明内容
本发明提供一种电池组空气冷却结构，其中对温度进行控制以使多个单元电池之间的温差最小化，以便防止整个电池组中的热分布集中于特定的单元电池。
本发明还提供一种具有控制各电池模块组件的温度的热电元件的电池组空气冷却结构。
根据本发明的一个方面，具有热电元件的电池组空气冷却结构可包括：具有制冷剂经过的冷却通道的壳体；多个电池模块组件，其设置在壳体内，并且各自可包括一对彼此平行堆叠的单元电池；设置于所述一对单元电池之间进行面接触的传热板；热管，其第一部分可设置在传热板中，并且其第二部分可从传热板中突出；换热构件，其形成在热管的突出端，并且配置成与经过冷却通道的空气执行换热；以及热电元件，其形成在冷却通道的空气注入的上游侧。
壳体的冷却通道可采用矩形管道的形式，并且可在壳体的一侧形成孔，以允许换热构件穿过并可固定到孔上。热管可以是多个热管（例如，四个热管）。另外，热管可由铝材料形成，并且丙酮可充入热管中。单元电池可以是多个单元电池（例如，八个单元电池）。
此外，电池组空气冷却结构还可包括：多个冷却通道，空气经过其中以冷却多个电池模块组件中的每一个；多个热电元件，其设置在多个电池模块组件的多个冷却通道的上游侧；以及控制器，其配置成操作多个热电元件中的每一个，其中控制器可配置成基于多个电池模块组件中的每一个的温度来执行热电元件的冷却或加热控制。
当多个电池模块组件之一的温度大于其它电池模块组件的温度时，控制器可配置成冷却热电元件，并且当多个电池模块组件之一的温度小于其它电池模块组件的温度时，控制器可配置成加热热电元件，以使多个电池模块组件之间的温差最小化。另外，控制器可配置成操作热电元件以便将多个电池模块组件的温度维持在约25℃至30℃的范围内。控制器可以是电池管理系统（BMS）。
根据本发明的另一方面，控制电池组空气冷却结构的方法可包括：测量至少一个电池模块组件的温度；确定多个电池模块组件中的需要温度控制的电池模块组件；将所确定的电池模块组件的温度与其它电池模块组件的温度进行比较；以及顺序地比较所确定的电池模块组件的温度与其它电池模块组件的温度，其中，当所确定的电池模块组件的温度大于其它电池模块组件的温度时，冷却设置在所确定的电池模块组件的冷却通道的多个热电元件，并且当所确定的电池模块组件的温度小于其它电池模块组件的温度时，加热该多个热电元件。
在顺序地比较所确定的电池模块组件的温度与其它电池模块组件的温度的过程中，当所确定的电池模块组件的温度大于其它电池模块组件的温度时，控制器可配置成冷却设置在所确定的电池模块组件的冷却通道的多个热电元件。另外，当所确定的电池模块组件的温度小于其它电池模块组件的温度时，控制器可配置成加热该多个热电元件，并且所确定的电池模块组件的温度可维持在约25℃至30℃的范围内。
附图说明
本发明的上述和其它特征和优点通过参照附图详细说明其示例性实施例将会变得更加明显，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的具有热电元件的电池组空气冷却结构的示例性视图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的应用于图1中所示的具有热电元件的电池组空气冷却结构的、安装在传热板上的热管的示例性视图；
图3是根据本发明的示例性实施例的图1的具有热电元件的电池组空气冷却结构的示例性详细视图；并且
图4是示出根据本发明的示例性实施例的控制图1的具有热电元件的电池组空气冷却结构的方法的示例性流程图。
具体实施方式
应该理解本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的载客车辆，包括各种艇和船在内的水运工具，以及飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆、燃料电池车辆和其它代用燃料车辆（例如，从石油以外的资源取得的燃料）。如本文所提及的，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
虽然示例性实施例被描述为使用多个单元执行示例性处理，但是应该理解示例性处理也可由一个或多个模块执行。另外，应该理解的是，术语控制器/控制单元指代包括存储器和处理器的硬件装置。存储器配置成存储模块，并且处理器具体配置成执行所述模块从而执行以下进一步说明的一个或多个处理。
此外，本发明的控制逻辑可实施为包含由处理器，控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质也可分布在网络连接的计算机系统中，以便例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网（CAN），以分布方式存储和执行计算机可读介质。
本文所使用的术语仅用于说明具体实施例，而不意图限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图同样包括复数形式，除非上下文另外明确地说明。还将理解的是，当在本说明书中使用时，词语“包括”和/或“包含”限定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文所使用的，词语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何及所有组合。
除非特别说明或从上下文明显可见，如本文所使用的，词语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2倍标准偏差内。“约”可理解为在所述值的10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%、0.1%、0.05%或0.01%内。除非从上下文另外明确，否则本文提供的所有数值均由词语“约”修饰。
现在将参照示出本发明的示例性实施例的附图更充分地说明本发明。虽然将示出和说明本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解，可在不偏离本发明的本质和精神的前提下，对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围限定在权利要求及其等同形式中。
图1是示出根据本发明的示例性实施例的具有热电元件的电池组空气冷却结构的示例性视图，图2是示出应用于图1中所示的具有热电元件的电池组空气冷却结构的、安装在传热板上的热管的示例性视图，图3是图1的具有热电元件的电池组空气冷却结构的示例性详细视图，并且图4是示出根据本发明的示例性实施例的控制图1的具有热电元件的电池组空气冷却结构的方法的示例性流程图。
如图1至图3中所示，根据本发明的示例性实施例的具有热电元件的电池组空气冷却结构可包括壳体100、电池模块组件200、传热板300、热管310、换热构件320，以及多个热电元件500。
壳体100可具有内部空间并可配置成保护电池模块组件200免受外部冲击。另外，可在壳体100内形成制冷剂可经过其中的冷却通道110。冷却通道110可具有矩形管道形式的矩形截面。流经冷却通道110的空气可接触将在下文说明的热管310的末端形成的换热构件320，从而允许执行换热。具体地，热管310可穿透冷却通道110的一侧，并可形成允许换热构件320定位在冷却通道110内的孔101。此外，在水的流动方向延伸的多个冷却翅片（未示出）可彼此平行地堆叠，以便获得与在冷却通道110中流动的空气的接触面积。
壳体100可包括两个部件，用于在壳体100的两侧围绕电池模块组件200的基本上整个表面。另外，为了组装目的，壳体100的侧罩102可从壳体100上拆卸和与其结合。另外，多个单元电池201、202、203…可在壳体100内彼此平行堆叠。单元电池201、202、203…中的每一对可彼此相邻并且电极接头（未示出）可彼此连接。在本发明的示例性实施例中，电池模块组件200的八个单元电池201、202、203…中的每一对可彼此连接。
传热板300可设置在电池模块组件200的一对单元电池201和202之间。换言之，传热板300可设置在一对单元电池201和202之间进行面接触，以便将单元电池201和202中产生的热量传递至传热板300。
如图2中所示，热管310的第一部分可设置在传热板300中，并且热管310的第二部分可在一个方向突出。换言之，传热板300内的热量可传递至热管310，然后可传递至形成在热管310的突出端的换热构件320。
此外，硅垫400可设置在传热板300的两侧表面。硅垫400可用作紧密接触单元电池并间接冷却单元电池的所有表面的界面板。多个热管310（例如，四个热管）可在传热板300的一个位置设置一个热管310。换言之，多个热管310可设置在传热板300中的不同位置。热管310可由铝材料形成以提高传热效率，并且丙酮可充入热管310中。
各电池模块组件200的温度输入其中的控制器（未示出）可配置成冷却或加热热电元件500。当多个电池模块组件200之一的温度大于其它电池模块组件200（例如，其余电池模块组件200）的温度时，控制器可配置成通过改变热电元件500的极性来冷却热电元件500。当多个电池模块组件200之一的温度小于其它电池模块组件200的温度时，控制器可配置成加热热电元件500，以便减小（例如，最小化）多个电池模块组件200之间的温差。特别地，安装在各电池模块组件200上的热电元件500可被控制成将各电池模块组件200的温度维持在约25℃至30℃的范围内。虽然控制器可另外配置，但控制操作可使用电池管理系统（BMS）来执行。
图4是示出根据本发明的示例性实施例的控制图1中所示的具有热电元件的电池组空气冷却结构的方法的示例性流程图。
根据图4中所示的方法，控制器可配置成测量多个电池模块组件200中的每一个的温度（S1）。在已测量多个电池模块组件200中的每一个的温度之后，可确定温度要被控制的电池模块组件（S2）。在确定温度要被控制的电池模块组件200时，可通过操作多个电池模块组件200中的测量温度大于或小于其它电池模块组件的一个电池模块组件，或者通过顺序操作多个电池模块组件200来执行。
接下来，可将所确定的电池模块组件200的温度与其它电池模块组件200的温度相比较（S3）。将所确定的电池模块组件200的温度与其它电池模块组件200的温度相比较的过程可包括，比较相邻电池模块组件200之间的温度，或者顺序地比较除所确定的电池模块组件200之外的其它电池模块组件200之间的温度。
在已比较电池模块组件200之间的温度之后，当所确定的电池模块组件200的温度大于其它电池模块组件200的温度时，控制器可配置成通过操作所确定的电池模块组件200的冷却通道110的热电元件500来降低所确定的电池模块组件200的温度（S4）。当所确定的电池模块组件200的温度小于其它电池模块组件200的温度时，控制器可配置成通过操作该热电元件500来升高所确定的电池模块组件200的温度（S5）。通过这一操作，当所确定的电池模块组件200的温度处在适当水平（例如，在预定范围内）时，可终止控制操作（S6）。
如上所述，当使用根据本发明的示例性实施例的具有热电元件的电池组空气冷却结构时，各个电池模块组件的温度可单独控制，以便防止由于集中于特定电池模块组件的高温和邻近电池模块组件中引发的另一退化而导致基本上整个电池组损坏。
另外，由于可使用热电元件500更快地冷却流经冷却通道110的空气的温度，因此可更快地控制经由换热构件320、热管310和传热板300彼此紧密接触的多个单元电池的温度。因此，可执行温度控制来减小多个单元电池之间的温差。结果，可执行温度控制来防止基本上整个电池组中的热分布集中于特定的单元电池。
一般地，热管随着下部加热单元与上部冷凝单元之间的温差增加而执行操作。在根据本发明的示例性实施例的使用热电元件的电池组空气冷却结构中，热管内的传热介质的蒸发速度和冷凝速度可增加，以便提高传热效率。因此，一般电池模块中的空气的平均温度可维持在约25℃至40℃之间。在根据本发明的示例性实施例的使用热电元件的电池组空气冷却结构中，可利用使用热电元件确立的约5℃至15℃的低温空气冷却来冷却冷凝单元，以便与现有电池模块相比提高冷却效率。
虽然已参照其示例性实施例具体示出和说明了本发明，但是本领域技术人员将会理解，可做出各种形式和细节的改变，而不偏离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种具有热电元件的电池组空气冷却结构，所述电池组空气冷却结构包括：
壳体，其具有制冷剂经过的冷却通道；
多个电池模块组件，其设置在所述壳体内，并且各自包括一对彼此平行堆叠的单元电池；
传热板，其设置在所述一对单元电池之间；
热管，其具有设置在所述传热板中的第一部分和从所述传热板突出的第二部分；
换热构件，其形成在所述热管的第二部分上并且配置成与经过所述冷却通道的空气执行换热；以及
热电元件，其形成在所述冷却通道的空气注入的冷却通道的上游侧。
2.根据权利要求1所述的电池组空气冷却结构，其中所述壳体的冷却通道呈矩形管道的形式，并且在所述壳体的一侧形成孔，使得所述换热构件穿过并固定于所述孔。
3.根据权利要求1所述的电池组空气冷却结构，其中所述热管包括四个热管。
4.根据权利要求1所述的电池组空气冷却结构，其中所述热管由铝材料形成，并且丙酮充入所述热管中。
5.根据权利要求1所述的电池组空气冷却结构，其中所述单元电池包括八个单元电池。
6.根据权利要求1所述的电池组空气冷却结构，还包括：
多个冷却通道，空气经过所述多个冷却通道以冷却多个电池模块组件中的每一个；
多个热电元件，其设置在所述多个电池模块组件的多个冷却通道的上游侧；以及
控制器，其配置成操作所述多个热电元件中的每一个，
其中所述控制器配置成基于所述多个电池模块组件中的每一个的温度来冷却或加热所述热电元件。
7.根据权利要求6所述的电池组空气冷却结构，其中，当所述多个电池模块组件之一的温度大于其余电池模块组件的温度时，所述控制器配置成冷却所述热电元件，并且当所述多个电池模块组件之一的温度小于其余电池模块组件的温度时，所述控制器配置成加热所述热电元件，以便减小所述多个电池模块组件之间的温差。
8.根据权利要求7所述的电池组空气冷却结构，其中所述控制器配置成操作所述热电元件以便将所述多个电池模块组件的温度维持在约25℃至30℃的范围内。
9.根据权利要求6所述的电池组空气冷却结构，其中所述控制器是电池管理系统（BMS）。
10.一种控制电池组空气冷却结构的方法，所述方法包括：
通过控制器，测量多个电池模块组件的温度；
通过所述控制器，从所述多个电池模块组件中确定温度要被控制的电池模块组件；
通过所述控制器，比较所确定的电池模块组件的温度与其余电池模块组件的温度；
通过所述控制器，顺序地比较所确定的电池模块组件的温度与其余电池模块组件的温度；
当所确定的电池模块组件的温度大于其余电池模块组件的温度时，通过所述控制器冷却设置在所确定的电池模块组件的冷却通道的多个热电元件；以及
当所确定的电池模块组件的温度小于其它电池模块组件的温度时，通过所述控制器加热所述多个热电元件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，顺序地比较所确定的电池模块组件的温度与其余电池模块组件的温度的步骤包括：
当所确定的电池模块组件的温度大于其余电池模块组件的温度时，通过所述控制器冷却设置在所确定的电池模块组件的冷却通道的所述多个热电元件；
当所确定的电池模块组件的温度小于其余电池模块组件的温度时，通过所述控制器加热所述多个热电元件；以及
通过所述控制器，将所确定的电池模块组件的温度维持在约25℃至30℃的范围内。
12.一种包含通过控制器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：
测量多个电池模块组件的温度的程序指令；
从所述多个电池模块组件中确定温度要被控制的电池模块组件的程序指令；
比较所确定的电池模块组件的温度与其余电池模块组件的温度的程序指令；
顺序地比较所确定的电池模块组件的温度与其余电池模块组件的温度的程序指令；
当所确定的电池模块组件的温度大于其余电池模块组件的温度时冷却设置在所确定的电池模块组件的冷却通道的多个热电元件的程序指令；以及
当所确定的电池模块组件的温度小于其它电池模块组件的温度时加热所述多个热电元件的程序指令。
13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：
当所确定的电池模块组件的温度大于其余电池模块组件的温度时冷却设置在所确定的电池模块组件的冷却通道的所述多个热电元件的程序指令；
当所确定的电池模块组件的温度小于其余电池模块组件的温度时加热所述多个热电元件的程序指令；以及
将所确定的电池模块组件的温度维持在约25℃至30℃的范围内的程序指令。
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