CN110828944B - 一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置，该装置包括设置于两侧的支撑件；连接在其中一个支撑件的内侧面并且与另一个支撑件隔开的隔热件；以及连接在支撑件的周边并且封闭两个支撑件之间的空间的连接件。本发明的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置可以根据不同隔热要求灵活配置隔热结构，既能有效隔热，使动力蓄电池不在过高温度工作，又可以在冬季对动力蓄电池有效保温，同时也可以根据工作场景配置不同隔热能力，并且在内外有明显温差时避免产生严重应力损伤。

Description

一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置

技术领域

本发明涉及机车动力电池热管理领域，更具体地涉及一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置。

背景技术

随着国家倡导绿色能源，机车车辆行业如高铁、动车、城轨、地铁及铁路机车采用动力蓄电池的项目逐渐增多。

动力蓄电池对温度敏感性较高，低温时影响充放电能力及容量，高温时影响电池寿命乃至安全性。

目前机车车辆用动力蓄电池的没有特别注重隔热结构设计，只是通过增加隔热距离或简单的隔板方式隔热。但机车车辆内部空间有限，限制隔热距离的增大；而受到结构强度的要求，隔板材料只能选择碳钢等金属材料，不能有效降低系结构的导热系数。两种方式受到空间及强度的制约，均无法满足机车车辆动力蓄电池系统的隔热需求。

有些电动车辆中使用了电池隔热结构，然而，由于如高铁、动车的机车的行驶地区更广，工作环境温度交变极大，现有的电动车辆的电池隔热结构无法满足机车车辆电池的使用需求。

发明内容

本发明根据机车车辆的行驶环境需求设计了一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置，该装置可以在电池低温时对其进行保温，在电池高温乃至热失控时降低热通量，减小对外影响，提高动力蓄电池的适用性和安全性。

为了实现上述目的，本发明提供一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置，该装置包括设置于两侧的支撑件；连接在其中一个支撑件的内侧面并且与另一个支撑件隔开的隔热件；以及封闭两个支撑件的周边以及两个支撑件之间的空间的连接件，连接件连接至两个支撑件。

根据本发明的一个实施例，该装置包括两个隔热件，每个隔热件各自贴合于其中一个支撑件的内侧面，两个隔热件之间通过空气隔开。

根据本发明的一个实施例，隔热件与支撑件采用粘结剂结合在一起。

根据本发明的一个实施例，隔热件的材料包括隔温棉、气凝胶或蛭石板中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，支撑件的材料包括碳钢、高温塑料、不锈钢或铝板中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，连接件为中空结构。

根据本发明的一个实施例，连接件包括两个端部和位于两个端部之间的中部，端部邻近中部的部分的厚度大于中部的厚度，支撑件包括接收端部的凹槽。

根据本发明的一个实施例，端部呈楔形，邻近中部的一侧尺寸较大，远离中部的一侧尺寸较小。

根据本发明的一个实施例，锥体包括三棱柱、截顶圆柱体、半圆柱体中的至少一种。

根据本发明的一个实施例，连接件的材料为PC/ABS工程塑料。

本发明可以获得以下有益效果：

本发明的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置可以根据不同隔热要求灵活配置隔热结构，既能有效隔热，使动力蓄电池不在过高温度工作，又可以在冬季对动力蓄电池有效保温，同时也可以根据工作场景配置不同隔热能力，并且在内外有明显温差时避免产生严重应力损伤。连接件采用中空结构，一方面可以发挥进一步隔热的效果，另一方面，中空结构可以在两侧支撑件发生热胀冷缩时发生变形，以适应支撑件位置的变化。与粘结或铆接等方式相比，该连接方式并非完全地固定连接，避免了由于应力集中而引起的连接失效。

附图说明

结合附图根据下面详细描述的一个或多个实施例，本发明的一个或多个特征和或优点会显而易见。

图1是根据现有技术的隔热结构的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置的示意图；

图5是图4的隔热装置中的连接件的剖视图；

图6是根据本发明的一个实施例的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置安装至电池组时的示意图；

图7是图4的隔热装置所进行的隔热实验效果图；

图8是设置有图4的隔热装置的锂离子电池包与未进行保温保护的锂离子电池包的保温效果图。

具体实施方式

根据需要，本发明说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应当理解在此公开的实施例仅为可通过多种、可替代形式实施的本发明的示例。附图无需按照比例绘制；可以扩大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。相同或类似的附图标记可指示相同参数和部件或者与之类似的修改和替代物。在下文的描述中，在构想的多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件在本说明书中仅作为示例而并不意味着限定。因此，本说明书中公开的具体结构和功能细节不应该理解为限制，而仅仅是用于教导本领域内技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参考图1，该图示出了现有技术的电动车辆中所采用的隔热结构。该结构具有位于两侧的支撑结构以及夹在支撑结构之间的隔热材料，这种结构用在普通的车辆上可以满足电池的隔热需求。然而，把该结构用于例如动车、高铁等机车时，由于机车行驶所要跨越的区域较广，其工作环境温度交变极大，这样的结构并不能达到机车所需的隔热效果，并且使用过程中其隔热效果降低较快。

机车实际应用中，经常遇到内外温差较大的情况，如-40℃低温环境下应用时，电池室内外温差可达到50℃以上。考虑到机车的工作环境。隔热结构会因中间的隔热材料被破坏而使隔热效果降低。如图1所示，隔热结构包裹在机车电池组的外周上，由于机车车辆用动力蓄电池有容量大、电量大的特点，电池组内的电池产生大量的热，使得邻近电池组的一侧处于高温环境，而远离电池组的一侧处于低温环境。高温环境使得高温侧的支撑材料产生膨胀，对与支撑材料紧密结合的隔热材料产生向外扩张的力F1。低温环境使得低温侧的支撑材料产生收缩，对与支撑材料紧密结合的隔热材料产生向内收缩的力F2。隔热材料会由于两侧形变原因产生剪切应力，存在撕裂风险。

本申请的实施例旨在解决至少一种上述技术问题，提供一种隔热装置，其既能有效隔热，使动力蓄电池不在过高温度工作，又可以在冬季对动力蓄电池有效保温，同时也可以根据工作场景配置不同隔热能力，并且在内外有明显温差时避免产生严重应力损伤。

具体参考图2，该图示出了根据本发明的一个实施例的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置。该隔热装置总体包括支撑件100、隔热件200以及连接件300。两个支撑件100设置于两侧。隔热件200连接在其中一个支撑件100的内侧面，在该实施例中，采用单个隔热件200。隔热件200与相对侧的支撑件100之间通过未填充的空间隔开。连接件300连接在支撑件100的周边并且封闭两个支撑件100之间的空间。隔热件200与支撑件100之间可以采用粘贴形式结合，避免使用贯通的螺栓连接，以降低连接位点产生额外散热效应。由于隔热件200仅与一侧的支撑件100结合，既可以确保隔热件200被有效地固定，也可以避免由于电池室内外温差较大所造成的隔热材料撕裂。

支撑件100可以选用强度高的材料，例如碳钢、高温塑料、不锈钢或铝板等，以保证系统结构的强度，起到承重作用。内部隔热件200可以选择导热率较低且重量较轻的材料，例如隔温棉、气凝胶或蛭石板，以降低热量传导与辐射，保证结构的隔热效果。连接件300可以选择韧性较高、且具有一定强度的低导热材料，例如采用高温PC/ABS工程塑料，起到支撑和连接的作用，并减少由于内外层材料发生形变产生的剪切应力。

图3示出了本发明的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置的另一实施例。该实施例中的隔热装置的结构与图2所示的结构总体相同，主要不同之处在于该隔热装置采用了两个隔热件200，每个隔热件200各自结合至其中一个支撑件100的内表面上，由此当出现电池室内外温差较大的情况时，内侧的隔热件和外侧的隔热件可以独立地随着与自身紧密结合的支撑件100进行位移和变形，不会产生隔热材料的撕裂。

图4示出了本发明的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置的另一实施例。其中，为了提高隔热装置的隔热性能，对连接件300的结构进行了优化。进一步结合图5，连接件300可以是包括空腔330的中空结构。连接件300可以包括两个端部320和位于两个端部320之间的中部310，端部320邻近中部310的部分的厚度T大于中部310的厚度t，由此形成如图5所示的从中部310向上和向下突出的部分。如图4所示，支撑件100可以包括接收端部320的凹槽，凹槽的形状总体与端部320的形状配合。当进行组装时，可以将连接件300的端部320经由凹槽一侧的开口插入，水平推动连接件300以使整个端部320滑动进入凹槽内。由此，连接件300可以通过端部320卡接于支撑件100。

虽然该实施例所示的端部320呈三棱柱，但也可以想到其他可行的形状，例如截顶圆柱体、半圆柱体等，端部320邻近中部310的一侧尺寸较大，远离中部310的一侧尺寸较小。

连接件300采用中空结构，一方面可以发挥进一步隔热的效果。另一方面，当一侧的支撑件100发生热膨胀而另一侧的支撑件100发生冷收缩时，以上侧连接件300为例进行说明，发生热膨胀的支撑件100对连接件300的下侧施加压力，发生冷收缩的支撑件100对连接件300的上侧施加压力，中空部分可以缓解不同方向的压力对于连接件300所产生的剪切应力，降低对于连接件300造成的疲劳损伤。而且，由于端部320与支撑件100并非是完全的固定配合，而是以凹槽和楔形凸块的形式接合，因此，连接件300的上、下表面也可以相对于支撑件100的凹槽产生微小的变形和位移，避免出现应力集中的位置。

图6示出了根据本发明的一个实施例的机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置安装至电池组时的示意图。首先将隔热装置的各个部件按照上述说明的结构安装在一起，再将组装好的隔热装置安装至电池组外围的各个位置处。与传统的机车隔热方式相比，该隔热方式在动力电池系统中增大了动力蓄电池装置与机车司机的等效距离，但未增加任何额外空间，且有效保证了系统结构强度。通过该设计，有效减小动力蓄电池自身对外的热辐射和外部对动力蓄电池的热辐射，可以在极端低温时实现对动力蓄电池系统的保温以及在极端事故中实现对电池的有效隔离。

图7是图4的隔热装置所进行的隔热实验效果图。实验中采用两层钢板作为支撑材料层，气凝胶作为隔热材料层，高温塑料作为连接件材料。以酒精喷灯作为模拟热源进行加热。实验中，酒精喷灯火焰温度约为1100℃，通过外焰直接加热的钢板层温度可以达到816℃，而经过隔热层隔热后，上层钢板最高温度仅172℃。实验证明本发明中的隔热方案可以有效降低了热量传导，具有明显的隔热效果。

图8示出了设置有图4的隔热装置的锂离子电池包与未进行保温保护的锂离子电池包的保温效果图。如图8所示，实验采用对照组分析，对比未加隔热装置和安装隔热装置之后电池包在极端低温环境(-40℃)下搁置时的电池温度变化情况。实验中同样采用叠层式隔热(保温)结构，将室温下电池包直接放置在-40℃环境中。未加保温的电池包在低温储存约20h后，电池温度由室温降低至-40℃，而安装了隔热(保温)装置的电池包，由室温降低至-40℃时间延长至60h，起到了显著的保温效果。

在本发明中，隔热材料的类型与厚度可以根据系统隔热需求、电池能量特性、温度特性以及发生极端事故(如热失控)时的燃烧特性进行选择来实现定制化设计。支撑件的材料的强度、弹性与厚度可根据蓄电池系统要求实现定制化设计。支撑件材料的种类可以根据整车结构强度要求、应用路况条件、系统质量、车体安装方式的不同而发生变化。隔热件材料与支撑件材料的匹配关系不限定比例，可以根据整车应用环境条件，包括温度条件和应用路况条件，进行定制化设计。因此，本发明的隔热装置可以根据不同隔热要求灵活配置隔热结构，既能有效隔热，使动力蓄电池不工作在过高温度，又可以在冬季对动力蓄电池有效保温，同时也可以根据工作场景配置不同隔热能力，并且在内外有明显温差时避免产生严重应力损伤。

应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外实施例。此外，本文所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、尺寸、材料做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实施方式的可能示例，并且仅仅为了清楚理解本发明的原理而提出。在基本上不脱离本文描述的技术的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种机车车辆用动力蓄电池系统隔热装置，其特征在于，包括：

设置于两侧的支撑件；

隔热件，所述隔热件连接在其中一个支撑件的内侧面并且与另一个支撑件隔开；

连接件，所述连接件封闭两个支撑件的周边以及两个支撑件之间的空间并且连接至两个支撑件，所述连接件为中空结构。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括两个隔热件，每个隔热件各自贴合于其中一个支撑件的内侧面，两个隔热件之间通过空气隔开。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔热件与所述支撑件采用粘结剂结合在一起。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔热件的材料包括隔温棉、气凝胶或蛭石板中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑件的材料包括碳钢、不锈钢或铝板中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接件包括两个端部和位于两个端部之间的中部，端部与中部连接的部分的厚度大于中部的厚度，所述支撑件包括接收端部的凹槽。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述端部呈楔形，邻近中部的一侧尺寸较大，远离中部的一侧尺寸较小。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述楔形包括三棱柱、截顶圆柱体、半圆柱体中的至少一种。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述连接件的材料为PC/ABS工程塑料。

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