CN109004120A - 在模块壳体中具有导流机构的电池模块 - Google Patents

Abstract

在具有模块壳体的电池模块中，在所述电池模块中设置有多个电池单元，使得在每两个相邻的电池单元之间或/和在边缘电池单元和模块壳体的与边缘电池单元相邻的壁部段之间形成流动空间，所述流动空间可由冷却流体穿流以对流地冷却电池单元，其中模块壳体具有导入开口和与导入开口不同的导出开口，其中导入开口用于将冷却流体导入到模块壳体中，导出开口用于将冷却流体从模块壳体中导出，在导入开口和多个电池单元之间的流入区域中设有导流机构，所述导流机构将流入区域至少部段地划分为不同的流动区域。

Description

在模块壳体中具有导流机构的电池模块

技术领域

本发明涉及一种具有模块壳体的电池模块，在所述电池模块中设置有多个电池单元，使得在每两个相邻的电池单元之间或/和在边缘电池单元和模块壳体的与边缘电池单元相邻的壁部段之间形成流动空间，所述流动空间可由冷却流体穿流以对流地冷却电池单元，其中模块壳体具有导入开口和与导入开口不同的导出开口，其中所述导入开口用于将冷却流体导入到模块壳体中而所述导出开口用于将冷却流体从模块壳体中导出。

背景技术

这种电池模块尤其在车辆中使用，以便给所述车辆连同其中所有可电驱动的设备供应足够的电能。

从WO 2012/056276A1中已知温度控制的电池模块，在所述电池模块中将模块壳体的内部划分为不同的壳体区，所谓的“电池室”，在所述电池室中分别设置有多个电池单元。电池单元设置为，使得在相邻的电池单元之间以及在边缘电池单元和模块壳体的与所述边缘电池单元相对置的壁部段之间形成用于用冷却流体穿流的流动空间。

在电池单元的上侧上，即在电池单元的上侧和模块壳体的顶盖之间，设置有一排微型泵，以便提供对于充分对流式地冷却电池单元所需的冷却流体的流量。

已知的电池模块还具有设置在电池室的分隔壁中的蛇管，所述蛇管可由另一冷却剂穿流，以便从在电池模块中通过微型泵循环的冷却流体中提取热量。也就是说，存在两个冷却回路：第一冷却流体回路和第二冷却流体回路，在所述第一冷却流体回路中，被围在模块壳体中的冷却流体从电池单元提取热量，而所述第二冷却流体回路通过将热量传输给蛇管中的冷却剂从冷却流体提取热量并且向模块壳体外部导出。

因此，在已知的电池模块中，将热量向模块壳体外部导出的冷却剂不同于从电池单元对流地提取热量的冷却流体。已知的电池模块的构造是复杂的，尤其由于为了使被围在模块壳体中的冷却流体循环而大量所需的微型泵。

随着连接到电池模块上的电消耗器的越来越大的功率要求，电池单元进而电池模块的热负荷升高从而其冷却需求升高。在此，重要的不仅是整体上充分地从电池模块提取热量，而且尽可能均匀地冷却包含在其中的电池单元也是重要的，以便能够在所有电池单元上调取尽可能相同的最优的功率。因此，能够避免“热点”，即局部的强加热，所述局部的强加热例如由于着火会损伤或者甚至破坏电池单元。

在现有技术中，为了提供整体上充分的冷却通常遵循如下粗野的方式：提高穿流流动空间的冷却流体的流量，所述流动空间位于电池单元之间以及位于边缘电池单元和模块壳体的壁部段之间。在此，更多物质传输通常也意味着更多热量传输。

然而，这尚未解决穿过所有存在的流动空间的冷却流体流的均匀的冷却或尽可能均匀的流动分布的问题。此外，随着流量提高而预期的冷却功率不允许线性地与流量一起增加，因为流动损耗与相应局部存在的流动速度的平方成比例地升高，其中分别可穿流的横截面通过电池模块的及其电池单元的结构确定。因此，流量的示例性的翻倍在流动横截面不变时造成在相应的横截面中存在的流动速度的翻倍进而大致造成在横截面中产生的流动损耗变为四倍。

随着流量升高，所需的泵功率比例过大地升高或/和由于产生的流量损耗使得提高的流量的对流式的冷却作用减小，因为损耗通常以热量的形式消散。

发明内容

因此，本发明的目的是，在小的体积流中有效地、均匀地冷却一开始提到类型的电池模块。

根据本发明，该目的通过具有一开始提到特征的电池模块实现，在所述电池模块中附加地在导入开口和多个电池单元之间的流入区域中设有导流机构，所述导流机构将流入区域至少部段地划分为不同的流动区域。

通过将导流机构设置在所谓的流入区域中，流入到模块壳体中的冷却流体能够根据需要朝向各个电池单元或朝向不同的电池单元组引导，这对于流动经过电池模块的各个流动空间的冷却流体流的均匀化是有利的。

由于冷却流体在流入区域中的导流机构的范围中的强制性引导，此外不需要提高每时间单位流动的冷却流体量(质量流和体积流)或仅需要少量提高每时间单位流动的冷却流体量，因为冷却流体通过导流机构在流体机械方面在实际上需要的地点强制引导。能够避免在同一模块壳体中在流入区域中没有导流机构的情况下构成的不均匀的流动分布，所述流动分布在流动阻力最低处具有流量最大值而在流动阻力最大处具有最小值。在此，在其他方面相同的结构关系中，流动阻力已经仅由于流动路径的长度不同而不同。也就是说，流体流的流动损耗也是路径相关的。

术语“流量”当前用作为“体积流”和“质量流”的上位概念。在不可压缩的冷却液体作为冷却流体时，质量流和体积流本来是彼此成比例的并且经由冷却液体的近似恒定的密度相关联。虽然在气体作为冷却流体时所述比例原则上也适用，然而气体的密度很大程度与电池模块的运行状态相关，尤其与在模块壳体中的气体的温度和压力相关。然而值得注意的是，热量始终直接通过冷却流体的质量对流地导出，而不通过其体积导出。

虽然不应排除在沿着流动空间的穿流方向位于流动空间下游的流出区域中再次设有导流机构以便强制性引导冷却流体流，然而这些另外的导流机构不是必要的，因为冷却流体在流出区域中已经流动途经电池单元并且不再重新流动途经电池单元。因为在流出区域中的冷却流体温度仍然低于电池单元的温度，所以在流出区域中也仍能够引起从电池单元到冷却流体的热传输。然而，这种热传输按绝对值明显小于在流动途径电池单元期间，即在穿流流动空间时，所实现的热传输。通过借助于在穿流流动空间时的强制性流动所实现的从电池单元到冷却流体的热传输，在流出区域中的冷却流体通常不必吸收电池单元的其他热量。

因此，为了避免不必要大的构造和安装耗费，优选的是，仅在电池模块的流入区域中设有导流机构，相反在穿流流动空间之后流出区域仅被提供作为在电池单元和导出开口之间的收集空间。

此外，能够考虑的是，导流机构仅在如下区域中延伸，所述区域沿从导入开口引导至电池单元的入流方向与导入开口间隔开地起始并且与电池单元间隔开地终止，使得——关于上文限定的迎流方向——在导流机构的下游的端部和电池单元之间的冷却流体流能够以一小段未被引导的方式流动。

然而，为了能够确保尽可能安全地冷却流体流引导直至电池单元，优选提出，导流机构从较近地位于导入开口中的开始区域伸展至多个电池单元。

因此，导流机构能够在其关于迎流方向位于下游的端部上接触一个或多个电池单元，使得与由导流机构形成的流动区域相关联的一个或多个流动空间直接在流体机械方面连接到该流动区域上。由此，电池单元的对流动空间限界的部段——优选无缝隙地——沿迎流方向连接到导流机构的导流壁上。

通过由导流机构形成的流动区域，冷却流体能够导入到模块壳体的不同的区域中，所述流动区域在导流机构的位于模块壳体的不同的区域中的下游的纵向端部区域中终止。为了保证通过导流机构实际上也能够达到在所有电池单元上具有尽可能均匀的冷却作用的冷却结果，根据本发明的一个有利的改进方案提出，预定数量的流动空间与多个流动区域相关联，所述流动空间与相关联的流动区域在流体机械方面关联，使得所述流动空间可由流动经过相关联的流动区域的冷却流体穿流。

在此有利的是，流动空间与流动区域的关联是尽可能明确的，恰好在数量与流动区域相关联的流动空间无缝隙地连接到导流机构的流动区域上时是上述情况。

尽管——如上文所描述——不应排除在导流机构的下游的端部和电池单元之间冷却流体流在没有强制性引导的情况下流动，进而不必排除与流动区域相关联的流动空间也能够少量地由冷却流体穿流，所述冷却流体已经穿流与相关联的流动区域不同的流动区域，但是为了实现明确的流动关系有利的是，对于至少一个流动区域而言适用的是，与该流动区域相关联的流动空间仅可由流动经过相应的流动区域的冷却流体穿流。

因为借助于流动空间与流动区域的尽可能有选择性的关联能够实现冷却流体到相应的流动空间的尽可能有效的导入，所以在前一段中提到的条件优选适用于至少多个流动区域，尤其优选适用于所有流动区域。

原则上能够考虑的是，为了给所有流动区域和与其相关联的流动空间提供大致一致的流动阻力，将不同数量的流动空间与不同的流动区域相关联。然而，优选的是，为了提供一致的流动条件而提出，至少两个，优选多于两个，尤其优选所有流动区域分别与相同数量的流动室相关联。

优选地，在模块壳体中在底部区域中设有导入开口并且在模块壳体的顶盖区域中设有导出开口，使得冷却流体克服重力穿流流动空间。然而，并不一定必须是这样。一般来说应明确的是，根据本发明的一个优选的设计方案，电池模块的电池单元是基本上相同的构型并且设计为面状的电池单元，也就是说，所述电池单元沿着两个彼此正交的空间方向与沿着正交于这两个空间方向中的每个空间方向的厚度方向相比具有明显更大的尺寸。优选地，沿着厚度方向相邻的电池单元基本上彼此平行地设置，其中在模块壳体中能够并排地设有多排电池单元组，所述电池单元组的电池单元在每个组中能够沿着平行于其厚度方向的堆叠方向相继设置。因此，一般而言，导入开口优选设置在电池单元的另一侧上而导出开口设置在电池单元的相应另一侧上，使得穿过导入开口流入模块壳体中的冷却流体仅能够在穿流流动空间之后到达导出开口，所述流动空间在电池单元彼此之间形成并且在边缘电池单元和模块壳体的壁部段之间形成。

因为导入开口的流动横截面通常明显小于模块壳体的在容纳电池单元的壳体区域中的横截面，所以对各个流动空间的穿流进行均匀化的主要问题在于冷却流体流从具有小的横截面的导入开口到模块壳体中的如下流动空间上的足够均匀的分布，所述流动空间位于容纳电池单元的壳体区域中，所述壳体区域具有大的横截面。穿过导入开口进入模块壳体中的冷却流体流在沿着迎流方向尽可能小的流动路径中到电池单元的装置的大的面上的这种分布，能够通过如下方式实现：导流机构具有至少两个沿着迎流方向从导入开口朝向多个电池单元散开的导流壁。

借助于两个导流壁，在将模块壳体的壁部的部段考虑在内的条件下可在流入区域中形成三个流动区域，即在第一壁部段和第一导流壁之间的第一流动区域、在第一导流壁和第二导流壁之间的第二流动区域和在第二导流壁和模块壳体的第二壁部段之间的第三流动区域，所述第二壁部段沿着与入流方向正交的方向与第一壁部段相对置。

导流壁的数量越大，就能够更多地限定流动区域，其中随着导流壁的数量增加，与流动区域相关联的流动空间的数量变小，使得流动空间能够非常准确地通过处于所期望的流量范围中的冷却流体流迎流。因此，优选地，导流机构具有多于两个的、散开的导流壁。

散开的导流壁优选正交于迎流方向延伸并且沿着迎流方向散开。所述导流壁更优选在整个流入区域上从模块壳体的对流入区域限界的壁部段延伸至模块壳体的正交于迎流方向与该壁部段相对置的另一壁部段。

为了阐明，如果所述导流壁彼此间的间距在沿着迎流方向延伸时变大或者如果导流壁至少在导流机构的下游的纵向端部区域处与在上游的纵向端部区域处相比具有更大的间距，那么导流壁应当视为是“散开的”。因此，根据上面的第二替选方案不排除散开的导流壁也能够具有彼此平行的部段。

模块壳体的上述对模块壳体的流入区域限界的相对置的壁部段优选平行于迎流方向延伸，导流机构的散开的导流壁在所述壁部段之间延伸。

附加地或替选地，导流机构也能够具有导流壁，所述导流壁沿着如下方向延伸，所述方向是从导入开口至模块壳体的沿着迎流方向与导入开口相对置的壁部段的方向。这些导流壁也能够散开，以便将通过导入开口进入的冷却流体流分布到尽可能大的迎流面上，直至达到电池单元。

为了在流动引导可靠的情况下同时能够可靠地提供导流壁的散开，能够提出，至少一个导流壁，优选多个导流壁，优选所有导流壁具有沿着迎流方向恒定的厚度。在其上游的纵向端部上，导流壁能够逆着迎流方向逐渐变尖并且例如具有刀刃式的构型，以减少在流入部位处的流动阻力。

此外，在试验中证实为有利的是，以非常确定的方式使用沿着迎流方向形成轮廓的导流壁，更确切地说以如下方式：至少一个导流壁，优选多个导流壁，优选所有导流壁具有沿着迎流方向首先增加并且在达到最大厚度时再减小的厚度。

导流壁例如能够具有透镜形的横截面或椭圆形的横截面，其中沿着迎流方向伸展的半轴明显长于与其正交地伸展的短半轴，优选比短半轴至少长三倍，尤其优选是正交于迎流方向的短半轴的长度的五倍。

在此，将“迎流方向”理解为局部的流动方向，所述局部的流动方向由于模块壳体中的不可避免的流动转向和流动扩宽在模块壳体中的不同的位置处指向不同的绝对的空间方向。

导流机构能够具有至少两个彼此分开的子导流机构，所述子导流机构中的每个都能够如上文所描述地那样构成。

子导流机构例如能够沿着迎流方向彼此跟随地设置，其中例如靠近导入开口的子导流机构，与沿着迎流方向距导入开口更远地设置的另一子导流机构相比，具有数量更少的导流壁，以便借助于第一子导流机构首先实现对冷却流体流的粗略的第一强制性引导，所述冷却流体流以借助于第二子导流机构精控的方式分布到各个电池单元上。第一子导流机构例如能够具有如下导流壁，所述导流壁具有沿着迎流方向增加的且再次减小的厚度，尤其具有透镜形的或椭圆的横截面而第二子导流机构能够具有厚度恒定的导流壁。

同样能够考虑的是，这两个沿着迎流方向彼此跟随的子导流机构能够分别具有散开的导流壁，其中子导流机构的相应的散开方向能够是不同的，优选能够是正交的。因此，另一在设置在上游的子导流机构能够将冷却流体流沿着模块壳体的或/和电池单元的宽度方向散开，即扇状展开，而另一设置在下游的子导流机构将冷却流体流沿着模块壳体的纵向方向或/和沿着电池单元的堆叠方向散开。优选地，电池单元的宽度方向与模块壳体的宽度方向相同。同样优选的是，模块壳体的纵向方向与电池单元的堆叠方向是相同的。

特别地，厚度恒定的导流壁能够围绕与迎流方向正交的弯曲轴线弯曲或/和成角度地构成，以便能够在需要的情况下使冷却流体流转向。

因为上述电池模块的优选的应用情况是其在车辆中的应用，所以本发明同样涉及一种具有根据上述权利要求中任一项所述的电池模块的车辆。

附图说明

下面，根据附图阐述本发明。附图示出：

图1示出电池模块的根据本发明的实施方式的粗略示意的纵剖图；以及

图2示出图1的沿着相对于图1的剖面转动90°的剖面II-II的同样粗略示意的纵剖图。

具体实施方式

在图1中一般用10表示的电池模块的根据本发明的实施方式。图1的剖面在所示出的实例中平行于重力作用方向g。

电池模块10包括模块壳体12与其中基本上彼此平行并且彼此间隔开地沿着堆叠方向S依次设置的电池单元14。在电池单元14下方的边缘电池单元在一排电池单元的纵向端部上用14a表示而在相反的纵向端部上用14b表示。

如在图2中所看到的那样，在所述附图中本应位于图2的图层上方的电池单元14、14a、14b为了观察者的更好的辨别方向而用虚线表示，电池单元14、14a和14b在其横向端部上分别达到模块壳体12。在两个沿着堆叠方向S彼此相邻的电池单元14或14a和14之间或14和14b之间分别形成流动空间16，所述流动空间可由冷却流体穿流，以便对流地冷却电池单元14、14a和14b。同样在边缘电池单元14a和14b和模块壳体12的这些边缘电池单元相对置的壁部段12a或12b之间分别形成流动空间16。

在模块壳体12中，通过导入开口18可将冷却流体导入到模块壳体12中，并且冷却流体在穿流流动空间16之后——在本实例中逆着重力作用方向g——穿过导出开口20可再从壳体12中导出。在模块壳体12外部，在穿流流动空间16时常规地被加热的冷却流体能够在换热器处被冷却，使得所述冷却流体在这种冷却之后能够再次准备好重新穿过导入开口18导入模块壳体12中以对流地冷却电池单元14、14a和14b。优选地，在回路中循环泵送冷却流体。模块壳体12优选仅由一种冷却流体穿流。从导入开口18直至电池单元14、14a和14b，即直至流动空间16的沿着迎流方向A位于上游的纵向端部，在模块壳体12中形成流入区域22。同样，在电池模块10中，在电池单元14、14a和14b和导出开口20之间，即在流动空间16的沿着迎流方向A位于下游的纵向端部和导出开口20之间，形成流出区域24。

所述实施例中的流出区域24构成为不具有另外的影响流动的构件的纯收集室，而在流入区域22中设有导流机构26，所述导流机构包括两个子导流机构26a和26b。在图2中仅可见沿着迎流方向A位于更上游的第一子导流机构26a，因为第二子导流机构26b设置在图2的图层上方。

子导流机构26a用于，使通过导入开口18进入模块壳体12中的冷却流体流沿着横向方向Q尽可能在模块壳体12的整个宽度上均匀地分布。第一子导流机构26a为此具有两个散开的导流壁28a和28b(参见图2)，所述导流壁具有椭圆形的或透镜形的横截面造型，如在图2中所看到的那样。导流壁28a和28b中的每一个都具有沿其纵向方向首先增加并且在达到最大厚度之后再次减小的壁厚度。

第二子导流机构26b同样具有两个导流壁30a和30b，所述导流壁将通过第一子导流机构26a已经分布到宽度中的冷却流体沿着模块壳体12的与堆叠方向S重合的纵向方向L引导至各个流动空间16。

横向方向Q和纵向方向L在所述实施例中彼此正交且分别正交于模块壳体12的高度方向H。

第一子导流机构的导流壁28a和28b在其位于流入区域22中的延伸区域中沿着模块壳体12的横向方向Q形成三个流动区域32a、32b和32c(参见图2)。第二子导流机构26b的导流壁30a和30b在电池单元14、14a和14b之间以及在模块壳体12的底部12c之间同样形成三个流动区域34a、34b和34c。在此，预定数量的流动空间16分别与第二子导流机构26b的不同的流动区域34a、34b和34c相关联，所述流动空间仅可由已经穿流相应的流动区域34a、34b或34c的冷却流体到达和穿流。

为了明确地限定各个流动空间16与流动区域34a、34b和34c的关联，第二子导流机构26b的导流壁30a和30b伸展至电池单元14，使得相关联的流动空间16形成其所相关联的流动区域34a、34b或34c的直接延续，其中所述导流壁除了在其上游的纵向端部区域上的变窄部还具有在其沿着迎流方向的延伸部上恒定的厚度。

当前，四个流动空间16分别与流动区域34b和34c相关联并且五个流动空间16与流动区域34a相关联。优选地，与各个流动区域34a至34c相关联的流动空间的数量相差不多于一个流动空间，以便保证尽可能均匀的流动比例。

导流壁30a和30b沿着模块壳体10的横向方向Q正交于迎流方向A在这两个侧壁12d和12e之间(参见图2)在模块壳体12的整个宽度上延伸。

与图1中的示图不同，第三导流壁30c要么能够包含在第二子导流机构26b中，以便在第二子导流机构26b的所有流动区域34a、34b和34c中实现类似的流动比例，要么模块壳体12能够在其后壁12b的下部区域中和在其底部12c的区域中对应于虚线的壁部30c构成，以便构成具有相应的造型的流动区域34c。

通过导流壁在电池模块10的流入区域22中的当前的设置，容纳在电池模块10的模块壳体12中的电池单元14能够与其距导入开口18的空间距离无关地均匀地用冷却流体绕流进而均匀地受到对流式冷却。

Claims (10)

1.一种具有模块壳体(12)的电池模块(10)，在所述电池模块中设置有多个电池单元(14a，14，14b)，使得在每两个相邻的电池单元(14)之间或/和在边缘电池单元(14a，14b)和所述模块壳体(12)的与所述边缘电池单元(14a，14b)相邻的壁部段(12a，12b)之间形成流动空间(16)，所述流动空间能够由冷却流体穿流以对流地冷却所述电池单元(14a，14，14b)，其中所述模块壳体(12)具有导入开口和与所述导入开口(18)不同的导出开口(20)，其中所述导入开口用于将冷却流体导入到所述模块壳体(12)中，所述导出开口用于将冷却流体从所述模块壳体(12)中导出，其中在所述导入开口(18)和多个电池单元(14a，14，14b)之间的流入区域(22)中设有导流机构(26)，所述导流机构将所述流入区域(22)至少部段地划分为不同的流动区域(32a，32b，32c，34a，34b，34c)。

2.根据权利要求1所述的电池模块(10)，

其特征在于，所述导流机构(26)从位于所述导入开口(18)中的较近的起始区域伸展至多个电池单元(14a，14，14b)。

3.根据权利要求1或2所述的电池模块(10)，

其特征在于，预定数量的流动空间(16)与多个流动区域(34a，34b，34c)相关联，所述流动空间与相关联的所述流动区域(34a，34b，34c)在流体机械方面连接，使得所述流动空间能够由流动经过相关联的所述流动区域(34a，34b，34c)的冷却流体穿流。

4.根据权利要求3所述的电池模块(10)，

其特征在于，针对至少一个流动区域(34a，34b，34c)，优选针对所述流动区域(34a，34b，34c)的至少一部分，尤其优选针对所有流动区域适用的是，与流动区域(34a，34b，34c)相关联的所述流动空间(16)仅能够由流动经过相应的流动区域(34a，34b，34c)的冷却流体穿流。

5.权利要求3或4所述的电池模块(10)，

其特征在于，至少两个，优选多于两个，尤其优选所有流动区域(34b，34c)分别与相同数量的流动空间(16)相关联。

6.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，

其特征在于，所述导流机构(26)具有至少两个，优选多于两个沿着迎流方向(A)从所述导入开口(18)朝向多个电池单元(14a，14，14b)散开的导流壁(28a，28b，30a，30b)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，

其特征在于，所述导流机构(26)的至少一个导流壁(30a，30b)，优选多个导流壁(30a，30b)，优选所有导流壁具有沿着所述迎流方向(A)恒定的厚度。

8.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，

其特征在于，所述导流机构(26)的至少一个导流壁(28a，28b)，优选多个导流壁(28a，28b)，优选所有导流壁(28a，28b)具有如下厚度，所述厚度沿着所述迎流方向(A)首先增加并且在达到最大厚度之后减小。

9.根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)，

其特征在于，所述导流机构(26)具有至少两个彼此分开的子导流机构(26a，26b)，所述子导流机构中的每个子导流机构都根据上述权利要求中任一项构成。

10.一种车辆，具有根据上述权利要求中任一项所述的电池模块(10)。