CN106935929B - 用于电池的复合型热交换器及其制造方法 - Google Patents

用于电池的复合型热交换器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热交换器以及一种制造该热交换器的方法。该热交换器包括中心聚合物芯板，在该中心聚合物芯板的每侧上层压有复合表层。该复合表层包括电绝缘外层、用于提高导热性且降低扩散率的中间金属层，以及将热粘合至聚合物芯板的内层。提供了一种制造该热交换器的卷对卷方法。

Description

用于电池的复合型热交换器及其制造方法
技术领域
本技术涉及一种用于调节一个或多个电池单元的温度的热交换器以及用于制造热交换器的方法。热交换器包括中心聚合物芯板，在该中心聚合物芯板的每侧上层压有表层。
背景技术
该部分提供了涉及本公开的背景信息，这些背景信息却不一定是现有技术。
在汽车电池中经常会从以下项中产生不想要的热量：放热放电反应、在与电池的内阻相关联的充电和放电过程中的焦耳加热以及热天气中的环境热量。另外，有时期望将热量应用至汽车电池，例如在非常冷的天气状况下。尽管以下说明特别地涉及将热量从汽车电池中除去，但该技术还可适用于将热量应用至汽车电池。它还可适用于用于其它目的的热交换器。
防止汽车电池的温度超过安全操作范围是重要的。需要使用外部冷却来限制温度超过指定的温度阈值，以使得电池健康、寿命以及乘客安全不会受到影响。一般地，电池单元温度被限制至约55℃。
通过主动式液体冷却来使动力电池(就像在增程型电动车(EREV)和纯电动车(BEV)中使用的动力电池)中热量的散除。一些能量电池(就像在混合动力汽车中使用的能量电池)通常利用空气冷却。基于单位时间内需要被舍弃的热量来选择冷却类型。动力电池显著地产生更多热量，因此需要更快地进行冷却。
通过使冷却剂运行通过热交换器来实现液体冷却，热交换器还被称作为冷却鳍片和冷却板，它们被嵌入在电池组中。图1示出了在EREV电池中使用的热交换器10的实例。例如，冷却剂(其可为50％的
Figure BDA0001186848710000021
和50％的去离子水的混合物)通过左下方的入口开口12进入，移动通过通道14，并通过右下方的出口开口16排出。入口和出口的安置属于可变的特征。如图2所示，现有技术的热交换器10由两块铝制半板20、22制成，它们被钎焊在一起以形成热交换器10。这些板层压有聚对苯二甲酸乙二醇酯或另一种聚合物以实现电绝缘。
制造该现有技术的热交换器的方法需要两种昂贵的工艺，钎焊和层压(必须在无尘室内完成)。
因此，需要的是生产起来相对便宜的热交换器，该热交换器包括冷却剂通道可设置在其中的刚性芯结构、将促进热量从电池传递至冷却剂并且确保使用的任何金属与电池之间的电绝缘的高导热外层。
发明内容
本技术包括一种热交换器以及一种制造该热交换器的方法。
在一些实施例中，提供了包括中心聚合物芯板的热交换器，在该中心聚合物芯板的每侧上层压有表层。芯板具有第一表面、第二表面和切口，其中，该切口包括入口、出口以及入口与出口之间的流场。第一表层耦接至第一表面，以及第二表层耦接至第二表面。流场、第一表层和第二表层形成流体地连接入口和出口的至少一个导管。
芯板由聚合物制成。该表层为复合型的，优选地为三层，其包括电绝缘外层、用于提高导热性且降低扩散率的中间层，以及将非粘附地粘合至聚合物芯板的内层。
在优选的实施例中，芯板表面被纹理化以提高表层的层压粘附性。
在某些实施例中，提供了一种制造热交换器的卷对卷方法，该方法包括使用层压机将表层附接至一卷芯材。当对表层进行层压时，使用直列式切割机在芯板中形成通道。直列式切割机优选地为激光切割机。
在优选的实施例中，该方法包括对表层的切割边缘进行双卷边，以防止金属层暴露在外。
在各种实施例中，提供了一种冷却电池单元的方法，该方法包括将根据本技术的至少一个热交换器安置成与电池单元热接触。冷却流体循环通过热交换器的至少一个导管。
本发明的其它方面和特征将是部分显而易见的并且将于下文中部分地说明。
附图说明
参考以下详细说明和附图，本发明的实例的特征和优点将变得显而易见，其中，相同的附图标记对应于类似的但是可能不相同的部件。为了简明起见，具有在前描述的功能的附图标记或特征可能会或者可能不会结合出现了它们的其它附图进行描述。
图1是根据现有技术的热交换器的实施例的透视图。
图2是根据现有技术的热交换器的实施例的剖视透视图。
图3示出了根据本技术的热交换器。
图4示出了本技术的实施例的热交换器芯板。
图5示出了本技术的实施例的热交换器的剖视图。
图6示出了根据本技术的制造热交换器的方法的实施例。
具体实施方式
以下技术说明在本质上仅作为一个或多个发明的主题、制造以及用途的示例，且并不旨在对本申请中或提交为要求本申请优先权的这类其它申请中，或由此授权的专利中所要求的任何具体发明的范围、应用或使用做出限制。针对已公开的方法，所给出的步骤的次序在本质上是示例性的，且因而若可能的话，在各种实施例中步骤的次序可以是不同的。除了另外清楚地说明之外，说明书中的所有数值量将被理解为通过在描述本技术的最宽范围中的词语“约”来修饰。
本技术涉及一种用于电池单元或电池单元组件的热交换器。热交换器包括用于循环流体以维持一个或多个电池单元的特定的操作温度或操作温度范围的流场。热交换器可以为多个热交换器中的一个，例如，其中每个热交换器可与电池单元组件中的电池单元热接触。在电池组件包括电池单元堆的情况下，热交换器可与电池单元相交错。
电池组件可配置成将高压直流(DC)电供应至逆变器，该逆变器可包括三相电路，三相电路耦接至马达，以将DC电转换为交流(AC)电。在这一点上，该逆变器可包括开关网络，该开关网络具有耦接至电池组件的输入以及耦接至马达的输出。该开关网络可包括各种串联开关(例如，在半导体衬底上形成的集成电路内的绝缘栅双极型晶体管(IGBT))，该串联开关具有对应于马达的每个相的反并联二极管(例如，与每个开关反并联)。电池组件可包括电压自适应或变压器，例如DC/DC转换器。一个或多个电池组件可以分布在车辆内，其中，每个电池组件可由多个电池单元组成。电池单元可以以串联或并联的方式相连接，以共同地提供电压至逆变器。
可以通过流过包括一个或多个热交换器的冷却剂回路的流体来冷却电池组件。流体流进与电池组件热接触的热交换器的一个或多个入口，以与电池单元交换热量。然后流体流过热交换器的一个或多个出口。然后流体可以通过冷却剂回路实现再循环。例如，泵可以促进流体运动通过冷却剂回路。流体可以通常被称作为“冷却剂”，但应当注意的是，冷却剂可以加热或冷却车辆中的各个部件，包括电池组件。冷却剂可包括任何吸收或转移热量以冷却或加热相关联部件的液体，例如水和/或乙二醇(即“防冻剂”)。
图1示出了现有技术的热交换器10，该热交换器具有入口12和出口16，以及在它们之间形成流场18的流体流动通道14。
如图2所示，现有技术的热交换器可由形成为半板20、22的两块铝材形成，半板20、22被钎焊在一起以形成完整的板。这些板层压有聚合物(例如PET)以实现电绝缘。
图3、图4和图5示出了根据本技术的实施例的热交换器的各方面。图3示出了热交换器外表面。图4示出了聚合物芯板，且图5示出了热交换器的横截面。外表面165在图3中示出。
在图3中，热交换器100被示出为具有单个入口150和单个出口160。流场以虚线示出且具有特定路径，但这些流体流动路径以及入口和出口的数量和安置是任意的。
如图4所示，基本上平面的芯板110具有第一表面120、第二表面130和切口140。切口140包括至少一个入口150、至少一个出口160，以及在入口150与出口160之间的流场170。
图5为热交换器的横截面，示出了芯板110、耦接至芯板110的第一表面120的第一表层180以及耦接至芯板110的第二表面130的第二表层190。
流场170、第一表层180以及第二表层190相互合作以形成至少一个导管或通道200，该导管或通道流体地耦接入口150和出口160。多个导管200可由流场170、第一表层180和第二表层190来限定，其中，导管200流体地耦接入口150和出口160。第一膜180与第一表面120之间的耦接以及第二膜190与第二表面130之间的耦接可分别为基本上流体密封的，其中，形成的导管200被有效地密封，以防止相应的表层180、190与板110之间的冷却剂的泄漏。
在图3、图4和图5中示出的配置中，冷却剂可通过导管200从入口150流至出口160。例如，包括热交换器100的冷却系统可使用泵来循环冷却剂(未示出)。导管200紧随着切口140的流场170部分。基于切口140，导管200可包括一个或多个分支点(未示出)，这些分支点在入口150与出口160之间形成多个导管200。每一个导管200还可包括各个中间分支点，这些中间分支点分成其他导管和/或可包括各个中间聚结点，在这里多个导管聚结成更少数量的导管(未示出)。在图4中，入口150和出口160被示出为位于热交换器100的相对的下边缘处。然而，在其它实施例中，入口150和出口160可位于热交换器100内的各个位置处。
通常，切口140的流场170部分可配置成形成一个或多个各种路径形状和路径数量，这些路径与第一膜180以及第二膜190相互合作以形成位于入口150与出口160之间的具有各种长度、尺寸和分支/聚结点的导管200。用这种方式，热交换器100的热量交换可以是对称的、不对称的，可以针对热交换器100的特定区域进行优化，或者配置成在整个热交换器100上是基本上均匀的。通常，导管200或多个导管200紧随入口150与出口160之间的迂回路径，例如盘旋形路径，其中该路径覆盖热交换器100的表面区域的一部分。
在可选的实施例中，热交换器可能只是“枕座”，其并不具有流体通道，但相反具有大型流体储存箱。其它设计也是可能的。
基本上平面的芯板110由电绝缘材料形成，该材料理想地针对水和冷却剂具有不渗透性。该材料还应该对其它常用的冷却剂添加剂是惰性的。该材料应当是不可燃烧的。此外，期望的是，芯板110由便宜的且可成卷的材料制成。
满足以上所述需求的材料包括各种聚合物，例如，尤其是聚烯烃和多环芳香烃。优选的实例包括聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯。
芯板110可由一种或多种聚合物材料形成，包括以上所述的示例性材料的复合物和层压材料。在其它实施例中，芯板110由均匀聚合物材料形成，该均匀聚合物材料由以上所述的聚合物材料中的一种组成。
芯板110可具有复合结构且包括材料(例如碳片或增强材料的热导率同时使其电绝缘的其它材料)。
期望地，芯板110具有约0.2mm到1.0mm的厚度。它在约-40℃到85℃的操作范围内应当是稳定的。该材料应该具有约80MPa的抗弯强度、约50MPa的抗压强度，以及拥有约5GPa的弯曲模量。所有提供的值具有高达至少10％的差异。
如图5所示，第一表层180和第二表层190具有三层结构。表层180和表层190可具有相同的结构和组成，或者可为不同的。在图5中示出的一个实施例中，内层182、192(分别地对应于表层180、190)由将热粘合或超声波粘合至芯板110的表面120、130且无需应用粘合材料(例如粘附剂)的材料制成。例如，如果120为聚乙烯，则182可以为聚乙烯。只要内层的粘附温度低于芯聚合物的软化点，内层和芯就可为不同的材料。
中间层184、194为铝或另一种提供面内热导率的材料。外层186、196为提供与电池单元电绝缘的材料，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，且其厚度适合于确保电绝缘。
表层180、190的厚度以及复合物的每一层的厚度位于约50μm到100μm的范围之内。
如上所述，复合表层的内层182、192期望地热粘合或超声波粘合至芯材料110的表面120、130。期望的是，复合表层形成了与芯材料的无粘附剂的粘合。例如，这可以利用热粘合或超声波粘合来实现。聚乙烯到聚乙烯的粘合可在约160℃到175℃的温度下实现，并且在约230℃到250℃的温度下利用约0.25MPa到0.50MPa的压力可将聚丙烯粘合至聚丙烯约1秒。制造热交换器的方法在以下详细地说明。
在一些实施例中，第一表层180和第二表层190可以为弹性或弹性体材料，其在被拉伸或压缩后能够基本上恢复至其原始形状。例如，移动通过导管200的冷却剂的压力和/或在充电或放电过程中相邻电池单元的尺寸变化可在表层180、190上施加各种力。
本技术还包括制造热交换器100的各种方法，且在图6中示出了制造热交换器100的方法的一个实施例。该方法包括在闭环层压机中施加第一表层180至芯板110的第一表面120以及施加第二表层190至第二表面130。
利用直列式激光器或其它切割装置，在芯板110中切割出通道140。在闭环层压机内，表层180、190优选地同时被层压至芯板110上。当对板进行切割时，要小心将一个表层或两个表层层压至芯板110上，以防止芯板的切割部件分离。芯板110被逐渐地切割且被层压，以防止产生任何分离的部分。一种选择是层压表层180、190中的一个，然后层压另一个表层，但优选地，表层被同时地层压以避免几何变形。
在于图6中示出的实施例中，坯料220作为来自卷230的连续片材提供。同样地，第一表层180和第二表层190作为来自卷260和卷270的连续片材提供，并且在滚筒280、290和退火滚筒310、320的帮助下层压至坯料220。例如，经由热层压在闭环层压机300内进行层压。
闭环层压机300的状况取决于第一表层180和第二表层190以及芯板110的特性。滚筒280、290针对聚丙烯芯和表层内层为处于约232℃到260℃的温度下的热滚筒，且针对低密度聚乙烯芯和表层内层为处于176℃到204℃下的热滚筒。退火滚筒310、320或大量的退火滚筒被用于施加275MPa到345MPa的压力以及允许进行受控制的冷却工艺的温度。
另外的滚筒350、360进一步根据工艺施加温度和压力至层压的热交换器。滚筒350、360处于比热滚筒280、290低的温度下，且允许实现鳍片的冷却，因此产品将不会发生变形或扭曲。
为了密封热交换器110的侧面且防止表层180、190的边缘的暴露(尤其是铝制层184、194的边缘的暴露)，使层压的片材穿过纵向双卷边装置370和380(未清楚地示出)。纵向双卷边工艺在鳍片进料原料的每侧上同时并连续地执行，以形成流体密封，其在叠层内并不具有暴露的金属。
切割机400将形成的热交换器切割成设计的尺寸。
在另一步骤中，形成的且被切割的热交换器受到横向双卷边机器410的作用，这将密封已切割的横向边缘。
在本技术的一个方面，芯板110的表面被纹理化。这允许表层180、190的内层182、192更好地粘附至芯板110。有用的纹理包括无光的、粗纹的、哑光的，且功能上粒状的饰面，以增加芯与表层之间的接触表面区域并且在接合过程期间为捕集的空气提供出口，由此改善了粘附。
本技术还包括用于热管理电池单元的方法。在一个这种实施例中，热交换器100安置成与电池单元热接触，其中，热交换器100包括本文描述的特征。流体循环通过热交换器100的至少一个导管200。用这种方式，电池单元可以维持在特定的操作温度或温度范围下。
本技术提供了各种益处和优点。避免了使用粘附剂，从而控制了材料和方法的成本。商业上可获得的材料被用于芯板和膜。避免了用于制造的无尘室的使用。此外，避免了进行钎焊。与金属相比，使用聚合物材料也实现了成本的节省。卷对卷方法使得可制造不同长度的热交换器。
提供了示例性实施例，以使得本公开将是详尽的并且将向本领域技术人员充分地传达发明范围。对许多具体细节(例如具体部件、装置和方法的实例)进行了阐述，以提供对本公开的实施例的彻底理解。对于本领域技术人员将是显而易见的是，不需采用具体的细节，示例性实施例可以许多不同的形式来体现，并且它们不应被视为用于限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，众所周知的工艺、众所周知的装置结构以及众所周知的技术并未被详细地描述。可在本技术的范围内对一些实施例、材料、组合物和方法作出等同变化、修改和变型，其具有基本上类似的结果。

Claims (10)

1.一种制造热交换器的卷对卷方法，所述方法包括：
提供第一卷芯板材料，其具有第一表面和第二表面；
提供第二卷第一表层材料以及第三卷第二表层材料；
在所述芯板材料中切割出切口，其中，所述切口包括入口、出口，以及位于所述入口与所述出口之间的流场；
将所述第一表层材料粘合至所述芯板材料的所述第一表面，以及将所述第二表层材料粘合至所述芯板材料的所述第二表面；以及
将层压的芯板和第一及第二表层切割成期望的尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述粘合以非粘附地方式完成。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述粘合在切割后尽快地完成，以使得所述切口的完整性得以维持。
4.一种根据权利要求1至3中的任一项制造的热交换器，所述热交换器具有至少一个入口、至少一个出口，以及位于所述入口与所述出口之间的至少一个导管，所述热交换器包括：
平面的芯板，所述平面的芯板具有第一表面、第二表面和切口；
粘合至所述第一表面的第一表层；以及
粘合至所述第二表面的第二表层；
其中，所述第一表层、所述第二表层，以及所述切口相互合作以形成流体地耦接所述入口和所述出口的所述至少一个导管；并且
其中，所述第一表层和所述第二表层均具有三层结构并且分别非粘附地粘合至所述第一表面和所述第二表面，所述三层结构包括电绝缘外层。
5.如权利要求4所述的热交换器，其中，所述三层结构还包括提供面内热导率的中间层，以及将热粘合至所述芯板的第一或第二表面的内层。
6.如权利要求5所述的热交换器，其中，所述内层具有低于所述芯板的软化温度的粘附温度。
7.如权利要求4所述的热交换器，其中，所述芯板包括选自聚烯烃和多环芳香烃并对于水和冷却剂具有不可渗透性的电绝缘聚合物。
8.如权利要求5所述的热交换器，其中，所述三层结构的所述内层与所述芯板为相同的材料。
9.如权利要求4所述的热交换器，其中，所述芯板的所述第一表面和所述第二表面中的至少一个被纹理化。
10.一种冷却电池单元的方法，所述方法包括将根据权利要求4所述的至少一个热交换器安置成与所述电池单元热接触，并且使冷却流体循环通过所述热交换器。
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