CN109698394B - 用于车辆的电池冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于车辆的电池冷却装置。由于当液态制冷剂通过与电池热源热接触而汽化时的汽化热，以及汽化的制冷剂通过与单独的冷却剂热接触而变回到液态，所述装置使制冷剂反复相变以冷却电池。可以使遍及整个用于冷却电池的制冷剂通道的所有电池单元的冷却效果最大化，并且均匀地冷却电池单元。

Description

用于车辆的电池冷却装置
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的电池冷却装置，更具体地涉及这样一种用于车辆的电池冷却装置，其利用制冷剂的相变而将电池单元的温度保持在预定范围内。
背景技术
近来，由于电动车辆需要能够实现长距离、高功率/高性能的驱动并且需要快速充电，因此高强度电流流向作为电源的电池系统的电池单元，由此产生的热量导致比已经应用于现有电动车辆的电池单元的温度更高。电池单元产生的热量严重影响电池的使用寿命，因此应该将热量控制在预定的温度范围内。
风冷系统和水冷系统已经应用于现有的电动车辆以调节电池单元的温度，其中风冷系统通过利用冷却风扇向电池系统供应空气来使用车厢内的空气用以冷却电池单元，而水冷系统通过向电池系统供应冷却剂来冷却电池单元(冷却剂利用泵通过由在车辆的前部的散热器或空调压缩机操作的专用冷却器进行冷却)。然而，由于使用高强度电流以高功率和高性能来驱动电动车辆进行长距离行驶，因此即使在应用了水冷系统时，也需要增加空调压缩机(或散热器)和冷却器的容量用以消除由电池单元产生的热量。
公开于本部分的上述信息仅仅用于加深对发明背景的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明提供了一种电池冷却装置，所述装置通过以下方式使制冷剂反复相变，即当液态制冷剂通过与电池热源热接触而汽化时由于汽化热而使得电池被冷却，汽化的制冷剂通过与单独的冷却剂热接触而变回到液态，由此可以使通过整个用于冷却电池的制冷剂通道的所有电池单元的冷却效果最大化，并且均匀地冷却电池单元。
换言之，本发明采用电池冷却结构，该电池冷却结构使制冷剂通道中的制冷剂反复连续的相变，用于冷却电池模块的制冷剂流经制冷剂通道，使得制冷剂对在制冷剂通道的上游侧的端部处的电池单元(第一个电池单元)的冷却性能保持到下游侧的端部的电池单元(最后一个电池单元)，由此使所有电池单元的冷却效果最大化，并且均匀地冷却所有电池单元。
在一个方面，本发明提供一种电池冷却装置，其用于冷却用于车辆的具有多个电池单元的电池模块，所述装置可以包括制冷剂通道，其设置在电池单元的排布方向上以能够与电池单元热交换；以及冷却剂通道板，其设置为能够与所述制冷剂通道热交换，冷却剂流经所述冷却剂通道板，所述冷却剂通道板允许所述冷却剂用于将来自所述制冷剂通道的电池单元的热而加热的制冷剂冷却成液态。在示例性实施例中，制冷剂通道可以设置为能够通过接触与电池单元热交换，冷却剂通道板可以设置为能够通过接触与制冷剂通道热交换。
在另一个示例性实施方案中，制冷剂通道可以具有多个制冷剂加热通道和多个制冷剂冷却通道，经过所述多个制冷剂加热通道的制冷剂可以通过与电池模块热交换而被加热，经过所述多个制冷剂冷却通道的制冷剂可以通过与所述冷却剂通道板热交换而被冷却，所述制冷剂加热通道和所述制冷剂冷却通道可以交替地设置在电池单元的排布方向上。因此，流经所述制冷剂通道的制冷剂可以通过来自于电池单元的热量而在所述制冷剂加热通道中被加热成气态，并且可以通过所述冷却剂通道板中的冷却剂而在所述制冷剂冷却通道中被冷却成液态，并且制冷剂的这些相变可以在制冷剂流经制冷剂通道时持续。
另外，冷却剂通道板可以具有冷却剂通道，冷却剂流经所述冷却剂通道，并且冷却剂的流动方向可以垂直于流经所述制冷剂通道的制冷剂的流动方向。在另一个示例性实施方案中，电池单元和制冷剂加热通道可以通过具有高热传递性能的中间体彼此接触以能够进行热交换，并且冷却剂通道板和制冷剂冷却通道可以通过另一中间体彼此接触以能够进行热交换。此外，冷却剂通道板可以具有多个冷却剂通道，并且冷却剂通道可以布置成分别面对制冷剂冷却通道。
附图说明
下文将参照示例性实施方案及其所显示的附图来详细地描述本发明的以上和其它特征，下文中给出的所述附图仅用于示意的方式，因而对本发明是非限制性的，其中：
图1为示出了根据本发明示例性实施方案的用于车辆的电池冷却装置的视图；
图2为根据本发明的示例性实施方案的图1的局部放大图；
图3和图4为示出了根据本发明的另一示例性实施方案的电池冷却装置的视图；
图5为比较了根据本发明的示例性实施方案的具有制冷剂通道和冷却剂通道板的电池的电池单元的温度分布与仅具有常用的制冷剂通道而没有冷却剂通道板的电池的电池单元的温度分布的曲线图。
应当了解，所附附图并非按比例地绘制，显示了说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如具体尺寸、方向、位置和形状)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。在这些图中，贯穿附图的多幅图，附图标记涉及本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大型客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的并且不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还将理解当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、数字、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、数字、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。正如本文所使用的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任何和所有组合。
除非特别声明或者从上下文显而易见的，本文所使用的术语“约”被理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均2个标准偏差内。“约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非从上下文清楚可知，本文提供的所有数值都以术语“约”修改。
在下文中，将为本领域技术人员描述本发明以能够容易地实现本发明。当使用液态制冷剂冷却作为电动车辆的动力源的电池模块时，直到制冷剂经过制冷剂通道时通过来自电池单元的热量而汽化，电池单元才可以通过制冷剂吸收由电池单元产生的热量而被冷却，但是在制冷剂汽化之后，电池单元可被制冷剂进行最低限度地冷却。
此外，通过来自电池单元的热量而在制冷剂通道中受热的制冷剂在改变为气态之后可能难以返回到初始的相态，并且与液态相比在气态下的制冷剂的冷却性能会降低。因此，在流经冷却通道的制冷剂汽化之前被冷却的电池单元与在制冷剂汽化之后被冷却的电池单元之间的冷却程度存在显著差异。因此，在制冷剂汽化之后被冷却的电池单元未被充分冷却到所需水平，因此可能难以均匀地冷却电池模块的电池单元。
因此，为了使电池模块的电池单元冷却的效果最大化并且使电池单元均匀地被冷却，本发明采用一种电池冷却结构，该电池冷却结构允许用于冷却电池模块的制冷剂在制冷剂通道中持续改变相态，制冷剂流经制冷剂通道以将用于电池单元的制冷剂的冷却能力在整个电池模块中维持在相同的水平，制冷剂通道设置在整个电池模块中。本发明的电池冷却装置可以包括：制冷剂通道130，其设置为能够与电池模块120的多个电池单元122进行热交换；以及冷却剂通道板140，其设置为能够将热量传递到制冷剂通道130，并且冷却剂流经冷却剂通道板140，从而对经过制冷剂通道130而被加热的制冷剂(其利用来自电池单元122的热量)进行冷却从而使制冷剂成为液体(参见图1)。
将参考图1和图2来描述所述电池单元冷却装置的示例性实施方案。参考图1和图2，通过组合彼此串联而电连接的多个电池单元122而形成的电池模块120，所述电池模块120可嵌入在由电池壳体110围绕的腔室的电解质中，而电池单元122是每个用于发电的最小单位并且可以通过电池盖124而与其它电池单元在结构上分离。制冷剂通道130设置为能够与电池模块120热交换，用于冷却电池模块120的电池单元的制冷剂经过制冷剂通道130，并且例如，制冷剂通道130可以设置在电池模块120与电池壳体110之间。
参考图1和图2，当电池模块120安装在车辆上时，制冷剂通道130可以设置在电池模块120下方，并且电池单元122可以呈直线排布在垂直于车辆的竖直方向上。制冷剂通道130可以设置成与电池单元122接触以传递热量，并且特别地，该制冷剂通道130可以在电池单元122的排布方向上延伸。此外，制冷剂通道130可以设置成能够将热量传递到冷却剂通道板140，用于冷却流经制冷剂通道130的制冷剂的冷却剂经过冷却剂通道板140，并且制冷剂通道130可以与冷却剂通道板140接触，以便能够在图2所示的示例性实施方案中进行热交换。冷却剂通道板140可以包括冷却剂通道142，冷却剂流经该冷却剂通道142。
制冷剂通道130可以设置在由电池单元122组成的电池模块120与冷却剂流经的冷却剂通道板140之间，以通过从电池单元122排出的热量来加热流经制冷剂通道130的制冷剂，并通过冷却剂来冷却来自制冷剂所接收的热从而对制冷剂进行冷却。特别地，当制冷剂通过制冷剂通道130而在电池单元122的排列方向上流动时，制冷剂可以通过来自电池单元122的热量而从液态被加热形成为气态，然后在冷却剂流经冷却剂通道板140的时候接收来自制冷剂的热，从而使得制冷剂被冷却剂冷却从而回到液态。通过制冷剂的反复相变可以实现用于电池模块120的电池单元122的较高的冷却效率，电池模块120的所有电池单元122可以被均匀地冷却。
因此，制冷剂通道130可以形成为具有蜿蜒结构的板状的管的类型，该蜿蜒结构上下反复弯曲以与设置在通道上方的电池单元122及设置在通道下方的冷却剂通道板140接触。特别地，制冷剂通道130可以被分成多个制冷剂加热通道132、多个制冷剂冷却通道134和制冷剂经过通道136，多个制冷剂加热通道132仅与电池模块120的电池单元122和冷却剂通道板140中的电池单元122的底部接触，多个制冷剂冷却通道134仅与冷却剂通道板140接触，而制冷剂经过通道136一体地连接在制冷剂加热通道132与制冷剂冷却通道134之间，而不与电池单元122和冷却剂通道板140中的任何一者接触。
制冷剂加热通道132和制冷剂冷却通道134可以在电池单元122的排布方向上交替设置。制冷剂加热通道132可以布置为能够与电池单元122热交换，制冷剂冷却通道134可以布置为能够在两侧的制冷剂加热通道132之间与冷却剂通道板140热交换。为了热交换，制冷剂加热通道132可以设置在电池单元122下方以面对电池单元122，制冷剂冷却通道134可以设置成在两侧的制冷剂加热通道132之间与冷却剂通道板140接触。
制冷剂通道130可以是弯曲的，以使制冷剂加热通道132和制冷剂冷却通道134分别与电池单元122和冷却剂通道板140表面接触。与电池模块120接触的制冷剂加热通道132和与冷却剂通道板140接触的制冷剂冷却通道134可以通过制冷剂经过通道136而彼此连接，制冷剂经过通道136可以是以预定角度倾斜的板状通道以确保制冷剂的流动性。
参考图2，流经制冷剂通道130的制冷剂可以进入制冷剂加热通道132并且可以被来自电池单元122的热量加热，电池单元122可以由于用于制冷剂的汽化的汽化热而被冷却。通过制冷剂加热通道132汽化的制冷剂可以在制冷剂经过通道136中维持气态，然后当制冷剂进入制冷剂冷却通道134中时通过流经冷却剂通道板140的冷却剂的热量而被冷却成液态。
换言之，流经制冷剂通道130的制冷剂可在液态下通过与电池模块120接触时汽化来冷却电池单元122，并且制冷剂在气态下可以通过与冷却剂通道板140接触而变回液态，并且在制冷剂流经制冷剂通道130时，制冷剂的相变可以连续地反复进行。因此，可以在整个电池模块120中(制冷剂通道130设置在整个电池模块120中)以相同水平连续地冷却电池单元122。当电池模块仅通过制冷剂流经的制冷剂通道130冷却而没有冷却剂流经的冷却剂通道板140时，制冷剂可能不会在汽化之后返回到液态，因此可能难以冷却与制冷剂通道130接触的所有电池单元。此外，如图2所示的制冷剂的相变仅是一个示例，制冷剂通道130中制冷剂发生相变的区域不限于此。
在制冷剂经过通道136中流动的制冷剂可以保持已经经过制冷剂加热通道132而改变的相态或者已经经过制冷剂冷却通道134而改变的相态，然后当制冷剂接近和进入在下游侧(制冷剂的流动方向)的另一制冷剂冷却通道134或制冷剂加热通道132而相变为液态或气态。此外，流经冷却剂通道板140的冷却剂能够将气态制冷剂变成液态制冷剂，从而可以通过制冷剂通道130使制冷剂连续相变，并且可以考虑电池单元122的操作温度范围来选择制冷剂。
同时，可以在电池模块120与制冷剂通道130之间插入中间体150，以在制冷剂和冷却剂泄漏时保护电池模块120不受制冷剂和冷却剂的影响。中间体150可以设置成允许热量在电池模块120与制冷剂通道130中的制冷剂之间通过中间体150传递。根据图2的示例性实施方案，中间体150为板状构件，其设置在电池模块120与制冷剂通道130之间的交界处并能够传递热量，所述中间体150可在电池模块120与制冷剂通道130之间的交界处与电池单元122和制冷剂加热通道132二者都接触。
中间体150可以由通过表面接触具有较高的热传递效率的材料制成，从而将电池单元122与制冷剂加热通道132之间的热传递效率降低的情况减少到最小。还可以在制冷剂通道130的制冷剂冷却通道134与冷却剂通道板140之间设置中间体160。当冷却剂泄漏时，中间体160可防止冷却剂流入电池模块120中，中间体160可以由通过表面接触而具有较高的热传递效率的材料制成，从而将制冷剂冷却通道134中的制冷剂与冷却剂通道板140中的冷却剂之间的热传递效率降低的情况减少到最小，中间体160可以为板形构件(如图2所示)。
中间体160可以设置为能够在制冷剂冷却通道134与冷却剂通道板140之间传递热量，并且根据图2的示例性实施方案，所述中间体160可以与制冷剂冷却通道134和冷却剂通道板140二者都接触。参考图1和图2，电池单元122可以被电池盖124分别覆盖，电池盖124至少部分地覆盖电池单元122，并且电池单元122可以通过电池盖124与制冷剂通道130的制冷剂加热通道132接触，因此电池单元122和制冷剂加热通道132可以彼此接触以允许热量在其之间传递。电池盖124可以由允许来自电池单元122的热平稳地传递到制冷剂加热通道132的材料制成。
图3和图4示出了根据本发明的另一个示例性实施方案的具有冷却剂通道板140a的车辆的电池冷却装置，并且应该注意，设置在电池盖124中的电池单元在图3中未示出。冷却剂通道板140a可以包括多个冷却剂通道142a，冷却剂可以通过所述多个冷却剂通道142a流动，从而冷却通过制冷剂通道130并由来自电池单元122的热量加热的制冷剂。
流经制冷剂通道130的制冷剂冷却通道134的制冷剂可以在将热量传递给流经多个冷却剂通道142a的冷却剂时被冷却。因此，在不考虑制冷剂冷却通道134的数量而设置单一冷却剂通道的情况下，可以通过从在制冷剂的流动方向上的位于制冷剂通道130的上游侧的制冷剂传递来的热量加热冷却剂，因此，制冷剂通道130的下游侧的制冷剂的温度可以比上游侧的制冷剂更高。因此，使用具有多个冷却剂通道142a的冷却剂通道板140a(如图3和图4所示，与制冷剂通道130的制冷剂冷却通道134对应)在确保冷却电池模块120的电池单元122的性能方面以及均匀地冷却电池单元122方面是更有效的。
此外，多个冷却剂通道142a可以在对应于制冷剂冷却通道134的位置设置成分别面对制冷剂冷却通道134，并且特别地，可以沿制冷剂冷却通道134和电池单元122的排布方向设置多个冷却剂通道142a。所述多个冷却剂通道142a可以在制冷剂通道130中的制冷剂的流动方向上连续地设置，并且冷却剂通道142a中的冷却剂的流动方向可以垂直于电池单元122的排布方向和制冷剂的流动方向。此外，制冷剂加热通道132可以分别设置成面对电池模块120的电池单元122。
换言之，冷却剂通道板140a可以包括多个冷却剂通道142a，所述多个冷却剂通道142a为单独的隔离空间，并且所述多个冷却剂通道142a可以分别设置成面对制冷剂冷却通道134。特别地，制冷剂冷却通道134中的制冷剂可以在相同的温度条件下被冷却，并且制冷剂冷却通道134中的制冷剂可以以相同的水平均匀地被冷却。换言之，流经制冷剂冷却通道134的制冷剂可以在相同的冷却剂条件下被冷却并改变相态(液化)。
参考图5来进一步描述根据本发明的用于车辆的电池冷却装置的技术效果。图5比较了根据本发明的具有制冷剂通道和冷却剂通道板的第一电池的电池单元的温度分布(曲线A)与仅具有常用的制冷剂通道而没有冷却剂通道板的第二电池的电池单元的温度分布。
曲线A示出了具有制冷剂通道和冷却剂通道板的第一电池的电池单元的温度分布，该制冷剂通道具有重复设置的制冷剂加热通道、制冷剂经过通道和制冷剂冷却通道，用于冷却电池模块的制冷剂流经制冷剂加热通道、制冷剂经过通道和制冷剂冷却通道，通过冷却剂通道板的冷却剂能够将进入多个制冷剂冷却通道的气态制冷剂的相态改变成液态。曲线B示出了具有平板状制冷剂通道而没有冷却剂通道板的第二电池的电池单元的温度分布，用于冷却电池模块的制冷剂流经所述平板状制冷剂通道。曲线A和曲线B中的电池单元的温度分布是在除了制冷剂通道和冷却剂通道板的条件之外的相同实验条件下测量的。
特别地，曲线B示出了第二电池的电池单元的通过被汽化的制冷剂冷却的预定电池单元在高度方向上的温度分布，曲线A示出了设置在与曲线B所选择的电池单元相同位置处的预定电池单元的温度分布。图5中的温度测量位置“a”和“b”是与图1中的位置“a”和“b”相对应的电池单元上的高度方向上的位置。位置“a”处的电池单元温度是在图1中的位置“a”处测量的电池单元温度，图1中的位置“a”在电池单元的高度方向上最接近制冷剂冷却通道，位置“b”处的电池单元温度是在图1中的位置“b”处测量的电池单元温度，图1中的位置“b”在电池单元的高度方向上距离制冷剂冷却通道最远。
如图5中的曲线图所示，第一电池的电池单元温度至初始温度的升高小于第二电池的电池单元的温度升高。此外，第一电池中的电池单元在高度方向上的温度差小于第二电池。根据图5所示的测量结果，具有制冷剂通道和冷却剂通道板的第一电池的电池单元的冷却性能有所改善，并且电池单元在高度方向上的温度差有效降低。特别地，上述结果可能是由于当制冷剂汽化时，制冷剂能够通过第一电池中的冷却剂而返回到液态，因此当制冷剂相变(液体→汽体)时产生的潜热可以在制冷剂通道中的制冷剂的流动方向上连续地产生。但是，制冷剂在第二电池中汽化后可能不会返回到液态，因此，在制冷剂汽化之后，电池可以被单相显热冷却。
尽管上面详细描述了本发明的示例性实施方案，但是本发明的范围不限于此，并且本领域技术人员还可以根据下面的权利要求书中限定的本发明的精神在本发明的范围内进行各种改变和修改。根据本发明的电池冷却装置，制冷剂在制冷剂通道上游侧的端部处的对电池单元的冷却性能可以保持电池单元在下游侧的端部处的相同的水平，因此，可以使在制冷剂的流动方向上排布的所有电池单元的冷却效果最大化，并且可以均匀地冷却所有电池单元。
特别地，应用利用两相流动冷却(利用制冷剂相变时制冷剂所产生的潜热)来冷却电池而不是利用单相显热来冷却，特别地，制冷剂从电池单元所吸收的热量增加几倍。因此，当选择本发明的电池冷却装置时，不需要如现有的水冷系统那样增加空调压缩机和冷却器的容量，并且还可以使用相对少量的制冷剂将电池单元的温度保持在预定范围内。

Claims (9)

1.一种用于车辆的电池冷却装置，其用于冷却具有多个电池单元的电池模块，所述电池冷却装置包括：
制冷剂通道，其设置在电池单元的排布方向上，以通过与电池单元的接触来与电池单元热交换；以及
冷却剂通道板，其设置成通过与制冷剂通道的接触来与所述制冷剂通道热交换，冷却剂流经所述冷却剂通道板，所述冷却剂通道板允许冷却剂用于将来自所述制冷剂通道的电池单元的热量而加热的制冷剂冷却成液态，
其中，所述制冷剂通道包括多个制冷剂加热通道和多个制冷剂冷却通道，经过多个所述制冷剂加热通道的制冷剂通过与所述电池单元热交换而被加热，经过多个所述制冷剂冷却通道的制冷剂通过与所述冷却剂通道板热交换而被冷却，所述制冷剂加热通道和所述制冷剂冷却通道在电池单元的排布方向上交替地设置，
所述制冷剂通道包括多个制冷剂经过通道，所述制冷剂经过通道连接所述制冷剂加热通道与所述制冷剂冷却通道，而不与电池单元和冷却剂通道板接触，以及
所述制冷剂加热通道设置在电池单元的下方以面对电池单元，所述制冷剂冷却通道设置成在两侧的制冷剂加热通道之间与冷却剂通道板接触。
2.根据权利要求1所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，流经所述制冷剂通道的制冷剂通过来自于电池单元的热量在所述制冷剂加热通道中被加热成气态，并且通过所述冷却剂通道板中的冷却剂而在所述制冷剂冷却通道中被冷却成液态。
3.根据权利要求1所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，所述冷却剂通道板包括冷却剂通道，冷却剂流经所述冷却剂通道，冷却剂的流动方向垂直于流经所述制冷剂通道的制冷剂的流动方向。
4.根据权利要求1所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，所述电池单元和所述制冷剂加热通道通过第一中间体而彼此接触以进行热交换。
5.根据权利要求1所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，所述冷却剂通道板和所述制冷剂冷却通道通过第二中间体彼此接触以进行热交换。
6.根据权利要求3所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，多个冷却剂通道形成在所述冷却剂通道板中并且设置成分别面对制冷剂冷却通道。
7.根据权利要求1所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，所述制冷剂通道是具有蜿蜒结构的板状的管。
8.根据权利要求4所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，所述第一中间体插置在电池单元与所述制冷剂加热通道之间。
9.根据权利要求5所述的用于车辆的电池冷却装置，其中，所述第二中间体插置在所述制冷剂冷却通道与所述冷却剂通道板之间。
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