CN104576986A - 用于车辆的电力电子部件壳体的结构 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于车辆的电力电子部件的壳体的结构，具体地电力电子部件是电池，该结构具有变化的热导率，该壳体具有用于解决散热和绝热问题的绝缘性能，并且取决于周围环境控制热导率。壳体被制造为具有中空部分，中空部分被配置为用椭圆形磁性颗粒和填充液体以彼此混合的状态填充，椭圆形磁性颗粒在它们的表面上涂覆有电绝缘类导热颗粒。热导率能够通过根据由磁场产生件施加的磁场的方向而改变磁性颗粒的取向来控制。

Description

用于车辆的电力电子部件壳体的结构

相关申请的引用

本公开涉及用于车辆的电力电子部件（power electronic part）的壳体的结构，并且更具体地，涉及用于具有绝缘性能并且能够取决于周围环境控制热导率的电力电子部件的壳体的结构。

背景技术

最近，在车辆中安装电力电子部件的数量以及随后其大规模集成已经增加。此外，作为主要电力电子部件之一的车用电池中的产热已经作为严重的问题出现。

具体地，在诸如电动车辆或混合动力车辆的环保车辆中，电池系统的可靠性和稳定性充当确定车辆可售性的重要因素。因此，为了防止电池性能因室外温度变化而劣化，重要的是将电池系统维持在合适的温度范围内。

通常，已知的是，当温度下降至-10℃或更低时，锂离子电池的能量和输出迅速劣化。例如，关于18650电池，据报导与在20℃的环境相比，-40℃的环境中仅能传输5%的能量密度和1.25%的输出密度（G.Nagasubramanian,J Appl电化学,31,99.(2001)）。

此外，据报导锂离子电池在低温环境中能够正常放电，但是不能恰当地充电（C.K.Huang,J.S.Sakamoto,J.Wolfenstine and S.Surampudi,J.Electrochem.Soc.147(2000)2893;S.S.Zhang,K.Xu and T.R.Jow,Electrochim.Acta48(2002)241）。

已知在低温环境中性能劣化的原因是电解质的离子导电性劣化、在石墨的表面上形成固体电解质隔膜、锂离子向石墨的低扩散性、在电解质和电极之间的接触面的电荷转移电阻增加等（S.S.Zhang,K.Xu and T.R.Jow,J Power Sources115,137(2003)）。为了解决上述问题，需要另外的绝热用于在合适的温度范围内（例如，35℃到50℃）保持电池的温度。

此外，虽然如上面所描述的问题，在低温环境中出现电池的输出和性能的劣化，但是在实际运行温度是高温的环境中，电池的热逸散成为问题。

因此，有必要开发将在电池温度维持在合适温度范围内的方法，以应对室外温度的变化。

在优异绝热的情况下出现散热问题，而在优异散热的情况下，由于高热导率出现绝热问题。因此，有必要开发在合适的温度甚至在低温环境中维持电池系统的温度，同时在普通天气条件中能够保持优异散热性能的方法。

具体地，在诸如电动车辆或混合动力车辆的环保车辆中，其中，电池是车辆的主要动力源，电池输出和性能的劣化直接导致车辆性能的劣化。

在现有技术中，仅从散热的观点来看，热控制材料的开发已专注于改善材料热导率上。当诸如电池的电力电子部件的壳体需要绝热时，壳体已经通过使用具有低热导率的另外的泡沫或塑料材料制造。

这不能积极应对单个部件需要绝热和散热两者的每个环境。为了同时解决散热和绝热问题，由绝缘材料制成壳体，然后增加作为空气冷却装置的排风机的容量或应用水冷却法以加强散热性能并解决散热问题，这导致了增加总重量的问题。

此外，为了解决用于车辆的电力电子部件中，特别是电池的产热问题，已经进行了广泛的研究以配置使用包含具有优异热导率填料的复合材料的壳体。然而，即使散热复合材料在改善热导率方面也具有限制，并且在通过注塑制造部件的情况下，由于沿注塑方向的填料取向，出现热导率的各向异性。

更具体地，为改善散热性能而开放的包含高导热填料的大部分聚合物复合材料树脂包含片状填料或纤维型填料。因此，当树脂通过注塑制造成电池壳体等时，由于沿注塑方向的剪切力，填料沿注塑方向是单轴取向的，这导致热导率各向异性问题。因此，沿注塑方向的热导率是沿厚度方向热导率的约1/3到1/4，并且因此非常低。

为了有效散热，已经形成适于部件形状和性能的传热路径，以通过对流获得优异散热效果，并且制造用于电力电子部件和电池的壳体，以沿厚度方向具有传热路径性能，从而增强散热效率。

在本发明背景部分披露上述信息仅是为了加强对本发明背景的理解，并且因此，它所包含的信息并不形成该国中为本领域的普通技术人员所知的现有技术。

发明内容

本发明提供了一种用于电动力零件的壳体的结构，其具有变化的热导率；在用于车辆的电动力零件中，尤其在电池中，具有解决散热和热绝缘问题的绝缘性能；并且通过应用简单的控制技术取决于周围环境控制热导率。

更具体地，根据一个实施方式本发明提供了灵活的壳体材料，其在诸如电动车辆或混合动力车辆的环保车辆中，能够控制传热路径的形成，从而基本上解决由于环境温度、产热等引起的电力电子部件（电池等）的性能劣化问题。

在一个方面中，本发明提供了一种结构，其以具有中空部分的形状制造，该中空部分被配置为用椭圆形磁性颗粒和填充液体以彼此混合的状态填充，椭圆形磁性颗粒在它们的表面上涂覆有电绝缘类导热颗粒。热导率能够通过根据由磁场产生件施加的磁场的方向而改变磁性颗粒的取向来控制。

在一个优选实施方式中，磁性颗粒可以选自：（Fe）颗粒、钴（Co）颗粒、和镍（Ni）颗粒、以及作为非晶合金金属颗粒的铁钴合金金属颗粒和镍离子合金金属颗粒。

在另一优选实施方式中，导热颗粒可以选自：氮化硼颗粒、氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氮化硅颗粒、碳化硅颗粒、以及金刚石颗粒。

在又一个优选实施方式中，填充液体可以是硅油。

在另一个优选实施方式中，结构可以使用包含导热填料的导热工程塑料模制，以具有中空部分，并且该结构可以被配置为利用由磁性颗粒和填充液体制成的填料填充中空部分。

在另一个优选实施方式中，导热填料可以是形成为片状颗粒的石墨或氮化硼。

在进一步的优选实施方式中，结构可以一种形状制造，其中，中空部分以及在中空部分中的由磁性颗粒和填充液体制成的填料被布置为封闭电力电子部件，并且该结构可以被设置为用于电力电子部件的壳体。

在另一个进一步的优选实施方式中，结构可以被设置为电池壳体，其被布置为封闭作为电力电子部件的车用电池。

以这种方式，根据本公开，可以提供一种结构，其被配置为利用与填充液体处于混合状态的涂有电绝缘类导热颗粒的椭圆形磁性颗粒填充中空部分，并且因此，热导率能够通过根据磁场的方向而改变磁性颗粒的取向来控制。

本公开的结构对配置用于选择性地需要散热性能和绝热性能的电力电子部件的壳体是有用的，诸如在诸如电动车辆或混合动力车辆的环保车辆中的电池。

下文将论述本发明的其他方面及优选实施方式。

应当理解，本文中所使用的术语“车辆（vehicle）”或“车辆的（vehicular）”或其它类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆（SUV）、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆；包括各种小船、海船的船只；航天器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合动力车、氢动力车辆和其他替代燃料车辆（例如，燃料来源于非汽油能源）。如本文中所提及的，混合动力车辆是具有两种以上动力源的汽车，例如，汽油动力和电动力车辆。

下文将论述本发明的以上及其他特征。

附图说明

现在将参照附图所示出的一些示例性实施方式，详细描述本发明的上述及其他特征，在下文中，附图仅通过说明的方式给出，因此不对本发明进行限制，并且其中：

图1是示出一种作为用于车辆的电力电子部件的壳体的实施方式的结构的截面图；

图2是示出在本公开中填充结构的中空部分的磁性颗粒的取向状态的示意图；

图3是示出根据被加到本公开实施方式的线圈的绕线方向的磁场方向和施加电流的方向的示图；以及

图4是示出在本公开的实施方式中从壳体的表面消散热量的状态的示图。

应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的稍作简化的示意图。正如本文中所公开的本发明的具体设计特征包括，例如，通过具体预期的应用和使用环境部分地确定的具体尺寸、方向、位置和形状。

在附图中，参考标号贯穿附图中的多个图表示本发明的相同部件或等同部件。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本公开的实施方式，从而由本公开所属领域的技术人员能够容易地实现这些实施方式。

本公开涉及用于车辆的电力电子部件的壳体的结构，其配置为通过用电绝缘类导热颗粒涂覆以形成表面层的椭圆磁性颗粒填充中空部分，以及填充液体。

本公开的结构被配置为，通过根据应用于中空部分的磁场的方向来改变磁性颗粒的取向，以改变热传导性能，并且在根据容纳在内部空间或环境温度中的电力电子部件的产热状态来控制应用于中空部分的磁场的情况下，能够选择性地将散热性能和绝热性能赋予结构本身。

本公开的结构能够用于配置在诸如电动车辆或混合动力车辆的环保车辆中的诸如电池的电力电子部件的壳体，并且尤其使得能够控制热导率。因此，该结构对配置用于选择性地需要散热性能和绝热性能的车辆的电力电子部件的壳体是有用的。

图1是示出一种作为用于车辆的电力电子部件的壳体而实现的一个实施方式的结构的截面图，并且图2是示出填充结构的中空部分的磁性颗粒的取向状态的示意图。

首先，如图1所示，实施方式的结构1可以实现为用于电力电子部件的壳体，将其制造为具有能够保护安装在车辆中的电力电子部件10的形状。

在此，本公开的结构1被制造为具有能够封闭电力电子部件10的形状，从而用作壳体，并且待保护的电力电子部件10（例如，电池）容纳在通过结构1（在下文中，称作“壳体”）形成的内部空间（电力电子部件容纳空间）。

在实施方式中，壳体1可以通过使用导热塑料材料模制而制造，从而增强散热性能。

在此，壳体1（利用磁性颗粒和填充液体填充的结构）可以使用包含导热填料的工程塑料模制，从而将通过电力电子部件10产生的热量转移到外部而被消散。

作为一个实施例，可以使用相对于塑料，包含30至60重量%范围内的导热填料的塑料。在这种情况下，作为一类导热填料，可以使用形成为片状颗粒的石墨或氮化硼。另外，可以采用只要是能够在塑料中分散并且模制同时具有热传导性能的任何类型的导热填料。

此外，制造壳体1，以具有在其中具有中空部分的结构。壳体1的壁体被形成为具有包括外壁体2和内壁体3的双层结构，并且中空部分被设置在外壁体2和内壁体3之间。

在此，在利用磁性颗粒和填充液体混合的填料4填充之后，将壳体1的中空部分密封。因此，壳体4可以被制造为具有一种结构，其中，打开部分被设置在中空部分的一侧，并且在利用填料填充中空部分之后，中空部分通过装配另外的壁体密封。

此外，加强筋（未示出）可以一定间隔形成在外壁体2和内壁体3之间。这时，通过加强筋，能够增强壳体结构的刚性，并且中空部分的空间能够分割为多个空间。

例如，中空部分能够使用在其中安装的加强筋被分割为多个空间，并且能够根据安装的加强筋的结构、形状、位置等控制壳体的刚性。此外，通过改变填充的磁性颗粒的量等的方法，可以可控地改变空间的传热移效率。

另一方面，作为在本公开中填充中空部分的磁性颗粒，使用涂有电绝缘类导热颗粒的磁性颗粒。在这种情况下，如图2所示，可以使用椭圆形磁性颗粒。

在使用椭圆形磁性颗粒的情况下，如在图2的右侧的图中所示，与使用圆形磁性颗粒的情况相比，当施加磁场并且磁性颗粒被定向时，能够增加颗粒间接触面积，这对三维传热路径的形成是有利的。

在将磁场施加于在中空部分中的填料4的情况下，磁性颗粒沿磁通量方向被定向。因为椭圆形磁性颗粒具有磁各向异性，所以椭圆形磁性颗粒能够在磁场下方恰当地定向，因此能够增加对磁场的热导率改变响应性。

此外，磁性颗粒的尺寸可以具有微米规模颗粒尺寸，并且具有使得能够进行微小布朗运动同时能够迁入填充液体（硅油）的颗粒尺寸。为此，磁性颗粒可以具有在0.1μm至10μm范围内的颗粒尺寸。

此外，选自铁（Fe）颗粒、钴（Co）颗粒、和镍（Ni）颗粒，以及作为非晶合金金属颗粒的铁钴合金金属颗粒和镍离子合金金属颗粒的颗粒可以被用作磁性颗粒。在这种情况下，可以使用在其表面涂有诸如氮化硼颗粒、氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氮化硅颗粒、碳化硅颗粒、以及金刚石颗粒的电绝缘类导热颗粒的磁性颗粒。

通过涂有如上所述的电绝缘类导热颗粒而制成的涂覆层具有电绝缘性能和热传导性能。因此，磁性颗粒表现出电绝缘性能和热传导性能以及全部通过磁场定向的特性。

具体地，因为磁性颗粒本身具有热传导性能，如在图2右侧的图中所示，在磁性颗粒在中空部分的填充液体中定向的状态下，传热路径可以通过颗粒间接触形成（传热路径沿颗粒定向的方向形成）。

作为填充液体，可以使用具有合适粘度的液体，和期望地具有电绝缘性能的粘性液体。对于在分散状态下通过磁场定向的液体中的磁性颗粒，应使用具有合适粘度和流动性的液体。

作为填充液体的实例，可以使用硅油。在壳体的中空部分利用硅油连同以上提及的磁性颗粒填充之后，将中空部分密封。

最终，可以配置具有其中封闭有电力电子部件10的形状的结构1，其中电力电子部件10通过由中空部分的磁性颗粒和填充液体制成的填料4连同通过外壁体2和内壁体3形成的中空部分封闭，并且结构1可以用作壳体，其取决于电力电子部件的运行条件或周围环境条件而提供选择散热和绝热的功能同时保护电力电子部件10。

具体地，结构1可以用作用于电池的壳体，将其安装以封闭电池，并且如随后所描述的，在结构1运行以提供绝热功能的情况下，能够防止在低温环境中发生的电池性能的劣化。

此外，与上述填料4一起，产生磁场的磁场产生件5可以安装在壳体1的内部空间（电力电子部件容纳空间）的内部，并且其可以是当施加电流时产生磁场的电磁线圈。

作为安装电磁线圈的实例，如图1所示，作为磁场产生件5的电磁线圈附接并安装在壳体1的内部空间的内表面上，以当施加电流时产生磁场。

此外，电磁线圈5应安装在当将电流施加至中空部分中的填料时产生磁场的位置，并且鉴于散热和绝热期间施加至中空部分的磁场的方向，电磁线圈5应以合适的尺寸安装在合适的位置。

在这种情况下，如图所示，电磁线圈可以通过附接至电力电子部件10嵌入的壳体1的内部空间（电力电子部件容纳空间）的内表面而被安装。然而，电磁线圈可以安装在当施加电流时产生的磁场能够应用于在中空部分中的磁性颗粒的任何位置，并且如果采用能够隔离线圈本身的结构，电磁线圈5也可以安装在中空部分的内部。

因此，因为磁性颗粒的取向根据通过磁场产生件（线圈）5施加的磁场的方向而改变，所以实施方式的结构能够控制热导率，并且具体地，结构能够根据在磁场中的磁性颗粒的取向特性执行选择散热和绝热的功能。

更具体地，当电流施加于在结构（壳体）1中安装的电磁线圈5时，产生磁场，并且同时，磁性颗粒沿垂直方向定向，并且形成如在图2右侧的图中所示的传热路径。

具体地，因为取决于施加至电磁线圈的电流方向，可以选择性地将散热性能和绝热性能赋予壳体，随着取决于电流方向而产生的磁场以及磁性颗粒沿着磁场方向的移动，可以选择性的实现传热路径的产生和中断。

即，在由于电力电子部件10的产热状态和高环境温度需要壳体1的散热性能的情况下，通过将电流施加于电磁线圈5而产生磁场以施加至在中空部分中的填料4，并且同时，磁性颗粒定向为如在图2右侧的图中所示。因此，传热路径通过定向的磁性颗粒形成，从而增加热导率。

另一方面，在低温度环境中需要壳体1的绝热性能的情况下，将具有相同值的电流反向施加至电磁线圈5，从而将矫顽电场施加至磁性颗粒。因此，磁性颗粒被随机定向（传热路径的中断），以实现壳体的绝热性能，从而防止部件10的性能劣化。

在施加电流同时磁性颗粒在它们的初始状态，即，在不形成网络的状态以便不转移声子的情况下，传热路径通过磁场贯穿取向形成。另一方面，在电流反向控制的情况下，如初始而不形成网络，并且因此不形成热转移。

如上所述，施加至电磁线圈的电流方向的考虑到以下各项而确定：由于磁场的方向和磁性颗粒的取向的传热路径、以及通过电力电子部件的运行条件或周围环境条件需要的散热或绝热性能。

图3是示出根据被加到实施方式的线圈的绕线方向的磁场和所施加的电流的示图，并且图4是示出在实施方式中从壳体的表面消散热量的状态的示图。

在图3中，I表示电流方向，并且B表示磁场方向。

如图所示，当实施方式的结构被配置为电力电子部件的壳体时，考虑到磁场形成的方向，电磁线圈的绕线方向为如图2所示。此外，当由于对壳体散热的需要而通过将电流施加于线圈产生磁场时，热导率通过磁性颗粒的取向增加，并且热通过对流（空气冷却）从壳体的表面消散。

虽然已经详细地描述了本公开的实施方式，但是本公开的权利的范围不限于此，并且通过使用在所附权利要求中限定的本公开的基本概念的本领域中的技术人员进行的各种修改和改善的形式也属于本公开的权利的范围。

Claims (8)

1.一种结构，制造为具有中空部分的形状，其中，

所述中空部分被配置为用椭圆形磁性颗粒和填充液体以彼此混合的状态填充，所述椭圆形磁性颗粒在它们的表面上涂覆有电绝缘类导热颗粒，其中，

热导率能够通过根据由磁场产生件施加的磁场的方向而改变磁性颗粒的取向来控制。

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述磁性颗粒选自：铁（Fe）颗粒、钴（Co）颗粒、和镍（Ni）颗粒、以及作为非晶合金金属颗粒的铁钴合金金属颗粒和镍离子合金金属颗粒。

3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述导热颗粒选自：氮化硼颗粒、氧化铝颗粒、氧化镁颗粒、氮化硅颗粒、碳化硅颗粒、以及金刚石颗粒。

4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述填充液体是硅油。

5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述结构使用包含导热填料的导热工程塑料模制，以具有所述中空部分，并且所述结构被配置为利用由所述磁性颗粒和所述填充液体制成的填料填充所述中空部分。

6.根据权利要求5所述的结构，其中，所述导热填料是形成为片状颗粒的石墨或氮化硼。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的结构，其中，所述结构以这样一种形状制造，其中，所述中空部分以及在所述中空部分中的由所述磁性颗粒和所述填充液体制成的所述填料被布置为封闭电力电子部件，并且所述结构被设置为用于所述电力电子部件的壳体。

8.根据权利要求7所述的结构，其中，所述结构被设置为电池壳体，所述电池壳体被布置为封闭作为所述电力电子部件的车用电池。