CN107026293A - 牵引电池组件 - Google Patents

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杰里米·桑博尔斯基
丹尼尔·米勒
杰森·希拉夫
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Abstract

本公开涉及牵引电池组件。一种用于车辆的牵引电池包括托盘，所述托盘具有限定敞口通道的外表面，所述敞口通道被构造为循环液体冷却剂。多个电池单元被堆叠成阵列并且每个电池单元具有包围电池单元的至少一部分的介电材料。所述阵列被设置在所述外表面上并且覆盖所述敞口通道，使得在操作期间所述阵列的侧面与冷却剂直接接触。

Description

牵引电池组件
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的牵引电池组件，所述牵引电池组件利用液体冷却剂与电池单元之间的接触来对电池单元进行热管理。
背景技术
诸如电池电动车辆和混合动力电动车辆的车辆包含牵引电池组件以用作车辆的能量源。牵引电池可包括用于协助管理车辆性能和操作的部件和系统。牵引电池还可包括高电压部件，并且可包括用于控制电池温度的空气或液体热管理系统。
发明内容
根据一个实施例，一种用于车辆的牵引电池包括托盘，所述托盘具有限定敞口通道的外表面，所述敞口通道被构造为循环液体冷却剂。多个电池单元被堆叠成阵列并且每个电池单元具有包围电池单元的至少一部分的介电材料。所述阵列被设置在所述外表面上并且覆盖所述敞口通道，使得在操作期间所述阵列的侧面与冷却剂直接接触。
根据另一实施例，一种用于车辆的牵引电池包括歧管，所述歧管具有限定敞口腔室的主体。所述牵引电池还包括多个电池单元，所述多个电池单元被堆叠成阵列并且被设置在所述主体上使得所述阵列的侧面覆盖所述腔室以限定冷却剂室，所述冷却剂室被构造为使液体冷却剂循环直接跨过所述阵列的侧面。
根据本发明的一个实施例，电池单元中的每个至少部分地被介电材料包围。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括密封材料，所述密封材料围绕所述腔室的周边设置并且被夹在所述阵列与所述主体之间以防止冷却剂泄漏。
根据本发明的一个实施例，所述密封材料是垫片或硅树脂。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括端板，所述端板将所述阵列和连接在所述端板之间的托架夹在中间，其中，所述端板和托架协作压紧电池单元以在相邻的电池单元之间产生液密密封。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括被设置在每个电池单元之间以在相邻的电池单元之间产生液密密封的密封材料。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括支撑所述歧管和所述阵列的托盘。
根据又一实施例，一种用于车辆的牵引电池包括歧管，所述歧管限定被构造为循环液体冷却剂的通道。所述牵引电池还包括多个电池单元，所述多个电池单元被堆叠成阵列并且每个电池单元具有包围电池单元的至少一部分的介电材料。所述阵列抵靠所述歧管设置并且覆盖所述通道，使得在操作期间所述阵列的侧面与冷却剂直接接触。
根据本发明的一个实施例，所述歧管限定与所述通道流体连通的至少一个端口。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括密封材料，所述密封材料围绕所述通道的周边设置并且被夹在所述阵列与所述歧管之间以防止冷却剂泄漏。
根据本发明的一个实施例，所述密封材料是垫片或硅树脂。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括被设置在每个电池单元之间以在相邻的电池单元之间产生液密密封的密封材料。
根据本发明的一个实施例，所述牵引电池还包括支撑所述阵列和所述歧管的托盘。
附图说明
图1是示例性混合动力车辆的示意图。
图2是棱柱形电池单元的透视图。
图3是牵引电池的透视图。
图4是沿着切割线4-4截取的牵引电池的截面形式的正视图。
图5是另一牵引电池的截面形式的正视图。
具体实施方式
在此描述了本公开的实施例。然而，应该理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其它实施例可采用各种可替代形式。附图无需按比例绘制；一些特征可被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种方式利用本发明的代表性基础。本领域普通技术人员将理解的是，参照任一附图示出和描述的各个特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，可期望将与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型用于特定的应用或实施方式。
图1描绘了典型插电式混合动力电动车辆(PHEV)的示意图。然而，特定实施例还可在非插电式混合动力车辆和全电动车辆的情境下被实现。车辆12包括机械地连接到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置16可机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还可机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。电机14可在发动机18开启或关闭时提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够凭借通过再生制动回收能量来提供燃料经济性效益。通过减小发动机18的工作负荷，电机14可减少污染物排放并提高燃料经济性。
牵引电池或电池组24储存可由电机14使用的能量。牵引电池24通常提供来自牵引电池24内的一个或更多个电池单元阵列(有时被称作电池单元堆)的高电压直流(DC)输出。电池单元阵列可包括一个或更多个电池单元。
电池单元(诸如，棱柱形的、袋状的、圆柱形的或任何其它类型的电池单元)将储存的化学能转换成电能。电池单元可包括壳体、正极(阴极)和负极(阳极)。电解质可允许离子在放电期间在阳极和阴极之间移动并且在再充电期间返回。端子可允许电流从电池单元流出以供车辆使用。
不同的电池组配置可用于解决个别的车辆变量(包括封装约束和功率需求)。可使用热管理系统对电池单元进行热调节。热管理系统的示例包括空气冷却系统、液体冷却系统以及空气冷却系统和液体冷却系统的组合。
牵引电池24可通过一个或更多个接触器(未示出)电连接到一个或更多个电力电子模块26。所述一个或更多个接触器可在断开时使牵引电池24与其它部件隔离，并在闭合时使牵引电池24连接到其它部件。电力电子模块26还可电连接到电机14，并且可提供在牵引电池24和电机14之间双向传输电能的能力。例如，典型的牵引电池24可提供DC电压，而电机14可能需要三相交流(AC)电压来运转。电力电子模块26可将DC电压转换为电机14所需要的三相AC电压。在再生模式下，电力电子模块26可将来自用作发电机的电机14的三相AC电压转换为由牵引电池24所需要的DC电压。这里的描述同样适用于全电动车辆。在全电动车辆中，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且发动机18不存在。
牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可为其它车辆电系统提供能量。典型的系统可包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆部件相兼容的低电压DC供电。其它高电压负载(诸如，压缩机和电加热器)可直接连接到高电压供电而不使用DC/DC转换器模块28。在典型的车辆中，低电压系统电连接到辅助电池30(例如，12伏特的电池)。
电池能量控制模块(BECM)33可与牵引电池24通信。BECM 33可用作牵引电池24的控制器，并且还可包括管理每个电池单元的温度以及荷电状态的电子监测系统。牵引电池24可具有温度传感器31(诸如，热敏电阻或其它温度计)。温度传感器31可与BECM 33通信以提供关于牵引电池24的温度数据。
车辆12可通过连接到外部电源36的充电站进行再充电。外部电源36可电连接到电动车辆供电设备(EVSE)38。外部电源36可向EVSE 38提供DC电力或AC电力。EVSE 38可具有用于插入到车辆12的充电端口34的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可对从EVSE 38供应的电力进行调节，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块32可与EVSE 38进行接口连接，以协调对车辆12的电力传输。EVSE连接器40可具有与充电端口34的相应凹入紧密配合的插脚。
讨论的各个部件可具有用于控制和监测所述部件的操作的一个或更多个关联的控制器。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由专用的电导管进行通信。
图2至图5以及相关的讨论描述了牵引电池组件24的示例。参照图2，电池单元50可以是具有罐48的棱柱形电池单元，罐48限定沿着相交边缘互连的主侧52、副侧54、端子侧56和底侧58。端子侧56包括一个或更多个端子60，所述一个或更多个端子60可从端子侧56向上延伸以允许端子电连接且机械地连接到汇流条。罐48可被介电材料62至少部分地包围。在示出的示例中，电池单元50的除端子侧以外的所有侧被介电材料62覆盖。介电材料62防止导电的电池单元与意外的对象(诸如，相邻的电池单元)产生电连接。介电材料可以是袋、薄膜包装物、膏、油脂、胶带或类似物。
参照图3和图4，示例性牵引电池64包括堆叠成电池单元阵列(堆)66的多个电池单元(诸如，电池单元50)。电池单元50被布置在阵列66中使得相邻的电池单元的主侧52彼此面对。间隔物(未示出)可设置在相邻的电池单元之间。通过一对端板68和将所述一对端板连接在一起的托架(bracketry)70将电池单元50保持在阵列66中。端板68和托架70协作压紧电池单元50。施加的压紧力可在0.5千牛至4千牛(kN)之间。由托架70和端板68提供的压紧在相邻的电池单元的主侧52之间产生液密密封。密封材料71可被施加在每个电池单元之间，以增强每个电池单元之间的水密密封的稳健性。密封材料可以是垫片、硅树脂(诸如，室温硫化型(RTV)密封材料)、膏、粘合剂或热界面材料(TIM)。介电材料62可被配置为帮助在电池单元之间产生液密密封。阵列66可被布置为使得托架70与电池单元的副侧54接触并且端板68分别与堆66中的第一个和最后一个电池单元中的一个的主侧52接触。托架70可以是平板(未示出)或者可以是多个杆状构件。阵列66可包括底部72、顶部74和纵向侧壁76。
牵引电池64还包括托盘84和冷却单元或歧管。在一些实施例(诸如图3和图4示出的实施例)中，托盘和歧管是被设计为完成两个任务的单个部件。在示出的实施例中，托盘84在牵引电池64的底部上并且支撑阵列66。在其它实施例中，托盘84可以在侧壁76中的一个上、或者在阵列66的顶部74上。托盘84包括互相连接以限定主体的顶部86、底部88、纵向侧壁90、前壁92和后壁94。(应理解，术语“顶部”、“底部”等用于描述性惯例，并且电池可在车辆上以多个不同的方位被封装。)顶部86具有限定凹进顶部86的敞口通道98的外表面96。敞口通道98可沿着托盘84的大部分长度纵向延伸，并且可沿着托盘84的大部分宽度横向延伸。通道98的尺寸虽然略小一点但是可接近阵列66的底部72(或者取决于实施例的其它侧)的尺寸。敞口通道98包括限定通道98的边界的底部100和侧壁102。(示出的实施例的)侧壁102的一部分可以是阶梯式的，以包括下竖直面104、平台106和上竖直面108。前壁92可限定与敞口通道98流体连通的入口端口110，后壁94可限定与敞口通道流体连通的出口端口112。在其它实施例中，所述端口均可位于同一侧壁上。在示出的实施例中，冷却剂从前壁92通过通道98流动到后壁94(或者反之亦然)。但是，在其它实施例中，通道可包括中心分隔件，并且冷却剂可以以U形图案流入和流出位于同一壁上的端口。
阵列66连接到托盘84，使得阵列66覆盖在敞口通道98上方以限定冷却剂室114。冷却剂室114被构造为在入口端口110和出口端口112之间循环液体冷却剂(诸如，乙二醇)以热调节电池单元50。冷却剂室114由托盘84与阵列66的底部72共同限定。因此，阵列的底部72(其由每个电池单元的底部的集合组成)与在此使用的液体冷却剂直接接触，术语“直接接触”涵盖液体冷却剂接触电池单元的罐的情况，并且涵盖液体冷却剂接触介电外罩的情况。在操作期间，使相对冷的冷却剂循环跨过每个电池单元的底部以从阵列66移除热，从而将电池单元温度保持在期望的范围内。牵引电池64还可被配置为通过使相对暖的冷却剂循环跨过每个电池单元50的底部来对阵列66增加热以加热电池单元。
与传统的冷却板设计相比，使液体冷却剂直接接触电池单元通过从系统中消除冷却板顶部的热阻和TIM的热阻而减小了冷却系统的热阻。与传统设计相比，这在电池单元与冷却剂之间建立更高效的热传递。
在示出的实施例中，阵列66的底部72设置在平台106上。托架70可包括抓住端子侧56的钩116和机械地紧固到平台106以将阵列66附连到托盘84的底脚(foot)118。可选地，阵列66可经由粘合剂或粘合剂与机械紧固件的组合被固定到托盘84。阵列66与托盘84之间的界面120必须是液密的以防止冷却剂从冷却剂室114中泄漏出去。为了防止泄漏，可在界面120处施加密封材料。密封材料可以是垫片、硅树脂(诸如，室温硫化型(RTV)密封材料)、膏、粘合剂等。
参照图5，另一牵引电池150包括电池阵列152，电池阵列152包括多个电池单元154。每个电池单元包括主侧158、副侧186和具有至少一个端子156设置在其上的端子侧。电池单元被布置在阵列152中使得主侧158彼此抵靠设置。每个电池单元154可包括包围电池单元的至少一部分的介电材料。所述介电材料可与上面描述的介电材料类似。电池单元154通过端板与托架协作而被紧紧地保持在一起以在每个电池单元154之间产生液密密封。
歧管160抵靠着阵列152的纵向侧153设置。歧管包括与纵向侧153接触的内侧162和背向阵列的外侧164。歧管160还包括顶部166和底部168。歧管160限定敞口通道170，敞口通道170被构造为输送液体冷却剂跨过阵列的纵向侧153。歧管160的一个或更多个侧限定端口172，端口172根据端口的类型允许冷却剂流入或流出通道170。例如，示出的端口172可以是入口端口，歧管可包括在歧管的另一端上的出口端口(未示出)。
阵列152连接到歧管160，使得阵列覆盖在敞口通道170上方以限定冷却剂室174。冷却剂室174被构造为使液体冷却剂(诸如，乙二醇)在入口端口和出口端口之间循环以热调节电池单元154。冷却剂室174由歧管160与阵列152的纵向侧153共同限定。因此，阵列的纵向侧153(其由每个电池单元的副侧186集合组成)与液体冷却剂直接接触。在操作期间，使相对冷的冷却剂循环跨过每个电池单元的副侧186以从阵列移除热，从而将电池单元温度保持在期望的范围内。牵引电池150还可被构造为通过使相对暖的冷却剂循环跨过每个电池单元来对阵列增加热以加热电池单元。
阵列152与歧管160之间的界面176必须是液密的以防止冷却剂从冷却剂室174中泄漏出去。为了防止泄漏，可在界面176处施加密封材料。密封材料可以是垫片、硅树脂(诸如，RTV)、膏、粘合剂等。阵列152和歧管160可利用紧固件、粘合剂或两者而被连接到一起。
电池150还包括支撑阵列152、歧管160和其它未示出的辅助部件的托盘178。托盘178包括第一侧184。电池阵列152和歧管160的底部168可经由紧固件、粘合剂或两者被附连到第一侧184。罩180可设置在阵列152和歧管160上方，并且附连到托盘178以包围电池。罩180和托盘178可协作以形成电池壳体。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所包含的所有可能形式。说明书中使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例已经被描述为提供在其它实施例或现有技术实施方式之上的优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术的实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，且可被期望用于特定的应用。

Claims (7)

1.一种用于车辆的牵引电池，包括：
托盘，包括限定敞口通道的外表面，所述敞口通道被构造为循环液体冷却剂；
多个电池单元，被堆叠成阵列并且每个电池单元包括包围电池单元的至少一部分的介电材料，其中，所述阵列被设置在所述外表面上并且覆盖所述敞口通道，使得在操作期间所述阵列的侧面与冷却剂直接接触。
2.如权利要求1所述的牵引电池，其中，所述托盘还包括侧壁，所述侧壁限定与所述敞口通道流体连通的端口。
3.如权利要求1所述的牵引电池，还包括密封材料，所述密封材料围绕所述敞口通道的周边设置，并且被夹在所述阵列与所述托盘之间以防止冷却剂泄漏。
4.如权利要求3所述的牵引电池，其中，所述密封材料是垫片或硅树脂。
5.如权利要求1所述的牵引电池，还包括端板，所述端板将所述阵列和连接在所述端板之间的托架夹在中间，其中，所述端板和托架协作压紧电池单元以在相邻的电池单元之间产生液密密封。
6.如权利要求1所述的牵引电池，还包括被设置在每个电池单元之间以在相邻的电池单元之间产生液密密封的密封材料。
7.如权利要求1所述的牵引电池，还包括罩，所述罩包围所述阵列且连接到所述托盘，其中，所述托盘和所述罩协作以限定电池壳体。
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