CN111347933B - 用于电动车辆的电能存储系统的冷却模块 - Google Patents

用于电动车辆的电能存储系统的冷却模块 Download PDF

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Abstract

一种用于电动车辆的电能存储系统(1)的冷却模块(3)。冷却模块(3)具有内部为中空的交换器板(4)，从而在内部具有设计成容纳冷却液体的循环室(5)。交换器板(4)具有：入口开口(12)，该入口开口(12)通过交换器板(4)的前壁(6)获得，并且设计成允许冷却液体流入到循环室(5)内；以及出口开口(13)，该出口开口(13)通过交换器板(4)的后壁(7)获得，并且设计成允许冷却液体从循环室(5)中流出。冷却模块(3)具有多个界面元件(15)，所述界面元件(15)放置在循环室(5)内，成形为波浪形，并且成排(16)布置。

Description

用于电动车辆的电能存储系统的冷却模块
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2018年12月21日提交的、号为102018000020902的意大利专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于电动车辆的电能存储系统的冷却模块。
背景技术
专利申请WO2013186020A1，WO2013139908A1，DE102012200400A1和EP2337141A1描述了一种用于车辆的可再充电电池组。该电池组包括多个可再充电电化学存储单元，这些电化学存储单元具有平行六面体的形状(即是扁平的)并且接连地一个在另一个旁边地放置。此外，电池组包括多个冷却模块，这些冷却模块具有平行六面体的形状(即是扁平的)并且与存储单元单元交替。每个冷却模块由金属板(因此由导热材料)形成，在金属板中获得用于强制循环冷却液体的液压回路。
专利申请US2011052960A1和US2015198372A1描述了一种用于电动车辆的电能存储系统，其包括与电池交替的多个冷却模块。每个冷却模块3包括交换器板和多个界面元件(interface element)，该交换器板具有平行六面体的形状并且在内部是中空的，从而在内部具有设计成用于容纳冷却液体的循环室，这些界面元件放置在交换器板的循环室内，成形为波浪形，定向成平行于交换器板的前壁和后壁，并且成排布置，所述排放置在交换器板的前壁和交换器板的后壁之间，其中在一排与相邻排之间的距离不为零。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于电动车辆的电能存储系统的冷却模块，该冷却模块允许在不增加体积和重量的情况下提高冷却的效率和有效性，并且同时易于且成本低廉地实施。
根据本发明，提供一种用于电动车辆的电能存储系统的冷却模块。
冷却模块包括交换器板，该交换器板具有平行六面体的形状并且在内部是中空的，从而在内部具有设计成容纳冷却液体的循环室；
交换器板具有入口开口，该入口开口穿过交换器板的前壁而获得，并且设计成允许冷却液体流入到循环室内；
交换器板具有出口开口，该出口开口穿过交换器板的与前壁平行且相对的后壁而获得，并且设计成允许冷却液体从循环室流出；
所述交换器板具有第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁和第二侧壁彼此平行且相对且垂直于交换器板的前壁和交换器板的后壁；以及
冷却模块包括多个界面元件，这些界面元件放置在交换器板的循环室内，成形为波浪形，定向成平行于交换器板的前壁和后壁，并且成排布置，所述排以在一排与相邻排之间的距离不为零的方式放置在交换器板的前壁和交换器板的后壁之间，并且定向成平行于交换器板的前壁和后壁；
冷却模块的特征在于，构成每排的界面元件的数量从交换器板的前壁朝向交换器板的中心逐渐增加，并且从交换器板的中心朝向交换器板的后壁逐渐减少。
附图说明
现在将参照附图描述本发明，附图示出本发明的一些非限制性实施例，其中：
·图1是用于电动车辆的电能存储系统的立体图；
·图2是图1的存储系统的冷却模块的立体图；
·图3是图2的冷却模块的侧视图；
·图4是沿图3的冷却模块的线IV-IV所取的横截面视图；
·图5是图2的冷却模块的界面元件的放大比例的横截面视图；
·图6是根据图3的冷却模块的替代方案的线IV-IV所取的横截面视图；
·图7是本发明目的的图2的冷却模块的另一种替代方案的侧视图；以及
·图8是根据替代实施例的图5的界面元件的一部分的示意图。
具体实施方式
在图1中，附图标记1总体上表示用于电动车辆的电能存储系统1。
存储系统1包括：具有平行六面体形状的多个可再充电电化学存储单元2，这些电化学存储单元2一个在另一个旁边地彼此平行放置；以及多个冷却模块3，这些冷却模块3具有平行六面体的形状并且与可再充电电化学存储单元2交替。换句话说，存储系统1是“三明治”结构，所述“三明治”结构由一系列可再充电电化学存储单元2与冷却模块3交替形成。
如图2和图4中所示，每个冷却模块3包括交换器板4，该交换器板4具有平行六面体的形状并且在内部是中空的，从而在内部具有设计成用于容纳冷却液体的循环室5(如图4中所示)。
交换器板4具有平行六面体的形状，并且具有彼此平行且相对的前壁6和后壁7，彼此平行且相对并且垂直于壁6和7的两个侧壁8和9，以及彼此平行且相对并且垂直于壁6-9的上壁10和下壁11。
每个交换器板4具有入口开口12，该入口开口12穿过交换器板4的前壁6而获得，并且设计成允许冷却液体流入到循环室5内；此外，交换器板4具有出口开口13，该出口开口13穿过交换器板4的后壁7而获得，并且设计成允许冷却液体从循环室5中流出。根据附图中所示的优选实施例，两个开口12和13彼此对准并且相对。
根据附图中所示的优选实施例，每个交换器板4具有四个通孔14，这些通孔14用于插入拉杆，该拉杆压紧存储系统1。
如图3和图4中所示，每个冷却模块3包括多个界面元件15，这些界面元件15放置在交换器板4的循环室5内，成形为波浪形，定向成平行于交换器板4的前壁6和后壁7，并且成排16布置，所述排16放置在交换器板4的前壁6和交换器板4的后壁7之间，其中在一排16与相邻排16之间的距离不为零(即每排16与相邻排16间隔开)；界面元件15的排16定向成平行于交换器板4的前壁6和后壁7。根据附图中所示的优选实施例，排16之间的间距(即在一排16和相邻排16之间的距离)是恒定的，即对于所有排16都相等；根据未示出的不同实施例，排16之间的间距(即一排16与相邻排16之间的距离)是可变的，并且在中心区域中较小(窄)而在周边区域(即开口12和13附近)中较大(宽)。
根据附图中所示的优选实施例，构成每排16的界面元件15的数量从排16到排16是可变的；但是根据未示出的不同实施例，构成每排16的界面元件15的数量是恒定的(即对于所有排16都相等)。
在图3所示的实施例中，构成每排16的界面元件15的数量在两个和三个之间循环可变(即，在由三个界面元件15形成的排16之后和之前是由两个界面元件15形成的排16)。根据图7中所示的不同实施例，构成每排16的界面元件15的数量从交换器板4的前壁6朝向交换器板4的中心逐渐增加，并且从交换器板4的中心朝向交换器板4的后壁7逐渐减少；特别地，构成每排16的界面元件15的数量相对于交换器板4的中心以对称的方式变化。构成每排16的界面元件15的数量的这种变化(从前壁6朝向中心逐渐增加并且从中心朝向后壁7逐渐减少)允许在循环室5内流动的冷却液体和界面元件15之间获得高的热交换，同时产生由冷却液体流动通过循环室5引起的减小的压降。
根据附图中所示的优选实施例，所有界面元件15彼此完全相同；该解决方案降低了生产的成本和复杂性，但是另一方面限制了改变各排16的构造的可能性。根据未示出的不同实施例，界面元件15并不都彼此相同，而是例如对于其长度、宽度和/或高度有所区别。
如图4中所示，每个界面元件15刚好且仅与交换器板4的相应侧壁8或9是一体的(通常通过焊接)；特别地，界面元件15的一些排16(所有排16的一半)刚好且仅与交换器板4的侧壁8是一体的(焊接的)，并且因此不连接到交换器板4的侧壁9，(即它们与交换器板4的侧壁9相距给定的距离)，并且其余的排16(所有排16的剩余的那一半)刚好且仅与交换器板4的侧壁9是一体(焊接)，并且因此不连接到交换器板4的侧壁8(即它们处于与交换器板4的侧壁8相距一定距离处)。界面元件15的这种布置允许减少由冷却液体流动通过循环室5而引起的负载损失，而不会对在循环室5内流动的冷却液体与界面元件15之间进行的热交换造成不利影响。
根据附图中所示的优选实施例，与交换器板4的侧壁8成一体的界面元件15的排16对准并面向与交换器板4的侧壁9成一体的界面元件15的相应排16；换句话说，与交换器板4的侧壁8成一体的界面元件15的排16的组和与热交换器板4的侧壁9成一体的界面元件15的排16的组完全相同并且成镜像地布置。根据未示出的不同实施例，与交换器板4的侧壁8成一体的界面元件15的排16不对准并且不面向与热交换器板4的侧壁9成一体的界面元件15的相应排16；特别地，与交换器板4的侧壁8成一体的界面元件15的排16放置在与交换器板4的侧壁9成一体的界面元件15的排16之间。
如图5中所示，每个界面元件15的波浪形(如上所述，其成形为波浪形)具有一系列的波谷17以及一系列波峰18，这些波谷17抵靠交换器板4的侧壁8或9并固定到交换器板4的侧壁8或9上，这些波峰18布置在与交换器板4的另一侧壁9或8的距离不为零(并且与面对且固定到交换器板4的另一侧壁9或8的相应界面元件15的波峰18的距离不为零)的位置处。
根据图4中所示的优选实施例，在与交换器板4的侧壁8成一体的界面元件15的波峰18和与交换器板4的侧壁9成一体的界面元件15的波峰18之间的距离H1等于在交换器板4的侧壁8与交换器板4的侧壁9之间的距离H2(即交换器板4的厚度H2)的20％-45％，优选为35％。换句话说，循环室5的中心区域没有界面元件15(即不与界面元件15接合)，循环室5的中心区域具有的厚度H1(即，在与交换器板4的侧壁8成一体的界面元件15的波峰18和与交换器板4的侧壁9成一体的界面元件15的波峰18之间的距离)等于交换器板4的厚度H2(即交换器板4的侧壁8和交换器板4的侧壁9之间的距离H2)的20％-45％。
根据图5中所示的优选实施例，每个界面元件15的波谷17和波峰18之间的距离H3(即每个界面元件15的厚度H3)等于在交换器板4的侧壁8与交换器板4的侧壁9之间的距离H2(即交换器板4的厚度H2)的25％-35％，优选为30％。
根据图5中所示的优选实施例，每个界面元件15的波浪形的波长λ总是恒定的，并且等于在交换器板4的侧壁8和交换器板4的侧壁9之间的距离H2(即交换器板4的厚度H2)的55％-70％，优选为62％。
根据附图中所示的优选实施例，每个界面元件15的波浪形均具有不对称的形状，其中初始半波浪形具有的振幅小于最终半波浪形的振幅。
根据附图中所示的优选实施例，每个界面元件15的波浪形具有平坦的相应的波峰18，使得每个波峰18是平坦的并且平行于交换器板4的侧壁8和9；类似地，每个界面元件15的波浪形具有平坦的相应的波谷17，使得每个波谷17是平坦的并且平行于交换器板4的侧壁8和9。
根据图8中所示的实施例，每个界面元件15的波浪形由一系列平坦的面板构成；在该实施例中，优选地，在波峰18与后一面板之间限定的角度α小于20°，并且在波峰18与前一面板之间限定的角度β小于60°。
根据图8中所示的实施例，每个波峰18具有比波谷17大的延伸度；然而，在图5中所示的实施例中，每个波峰18具有比波谷17小的延伸度。换句话说，每个波峰18具有相对于波谷17不同的延伸度。
界面元件15的上述构造允许减少由流动通过循环室5的冷却液体引起的负载损失，而不会对在循环室5内流动的冷却液体与界面元件15之间进行的热交换造成不利影响。
如图2中所示，每个冷却模块3包括平坦的加热元件19，该平坦的加热元件19固定到交换器板4的侧壁8和交换器板4的侧壁9，并且设计成由电流流过，以便通过焦耳效应产生热量。根据不同的实施例，平坦加热元件19仅布置在交换器板4的一侧上，即平坦加热元件19仅固定到交换器板4的侧壁8或仅固定到交换器板4的侧壁9。
根据图2中所示的优选实施例，加热元件19在循环室5的相对侧上固定到交换器板4的侧壁8和9的外表面上(因此加热元件19不被包含在循环室5中的冷却液体所弄湿)；根据未示出的不同实施例，加热元件19固定到交换器板4的侧壁8和9的内表面上，并因此布置在循环室5内与冷却液体直接接触。
根据优选实施例，加热元件19是PTC热敏电阻器(PTC thermistors)，其电阻随着温度升高而增加(即，对于施加到加热元件19的端部的相同电压而言，由加热元件19产生的热量随着其温度升高而减少)。
冷却模块3是冷却回路的一部分，该冷却回路执行冷却液体的循环并且在其内部上集成有不与冷却液体直接接触的相变材料(phase-change materials)(PCM)(即，所述相变材料被容纳在与冷却液体液压隔离的空腔中，并且空腔的壁被冷却液体润湿)。
相变材料是潜热蓄能材料(latent heat accumulating materials)，它们利用相变现象来吸收传入的能量流，存储大量能量并保持恒定的温度。相变材料在室温下为固体，但当后者即室温升高并超过某个阈值(该阈值取决于材料而变化)时，相变材料会通过蓄热(来自液化的潜热)而液化；以同样的方式，当温度下降时，相变材料固化并释放热量(来自固化的潜热)。
以这种方式，集成在冷却回路中的相变材料在车辆运动时会积聚热能(有助于散热，从而执行冷却功能)，而在车辆静止时会释放出热能。
例如，可以使用石蜡或金属泡沫与石蜡的混合物作为相变材料(插入在与冷却液体液压隔离的空腔中)。取决于它们的化学组成，相变材料的熔融温度可以在5℃至80℃之间。
在不脱离本发明范围的情况下，在本文描述的实施例可以彼此组合。
上述冷却模块3具有许多优点。
首先，上述冷却模块3允许获得高的冷却效率和高的冷却有效性。
此外，上述冷却模块3具有减小的大小和重量。
最后，上述冷却模块3易于且成本低廉地实施。
附图标记清单
1 存储系统
2 存储单元
3 冷却模块
4 交换器板
5 循环室
6 前壁
7 后壁
8 侧壁
9 侧壁
10 上壁
11 下壁
12 入口开口
13 出口开口
14 通孔
15 界面元件
16 排
17 波谷
18 波峰
19 加热元件
H1 距离
H2 距离
H3 距离
λ 波长

Claims (17)

1.一种用于电动车辆的电能存储系统(1)的冷却模块(3)；
冷却模块(3)包括交换器板(4)，所述交换器板(4)具有平行六面体的形状并且在内部是中空的，从而在内部具有设计成容纳冷却液体的循环室(5)；
交换器板(4)具有入口开口(12)，所述入口开口(12)穿过交换器板(4)的前壁(6)而获得，并且设计成允许冷却液体流入到循环室(5)内；
交换器板(4)具有出口开口(13)，所述出口开口(13)穿过交换器板(4)的与前壁(6)平行且相对的后壁(7)而获得，并且设计成允许冷却液体从循环室(5)流出；
所述交换器板(4)具有第一侧壁(8)和第二侧壁(9)，所述第一侧壁(8)和第二侧壁(9)彼此平行且相对且垂直于交换器板(4)的前壁(6)和交换器板(4)的后壁(7)；以及
冷却模块(3)包括多个界面元件(15)，这些界面元件(15)放置在交换器板(4)的循环室(5)内，成形为波浪形，定向成平行于交换器板(4)的前壁(6)和后壁(7)，并且成排(16)布置，所述排(16)以在一排(16)与相邻排(16)之间的距离不为零的方式放置在交换器板(4)的前壁(6)和交换器板(4)的后壁(7)之间，并且定向成平行于交换器板(4)的前壁(6)和后壁(7)；
冷却模块(3)的特征在于，构成每排(16)的界面元件(15)的数量从交换器板(4)的前壁(6)朝向交换器板(4)的中心逐渐增加，并且从交换器板(4)的中心朝向交换器板(4)的后壁(7)逐渐减少。
2.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于构成每排(16)的界面元件(15)的数量从排(16)到排(16)是不同的，从而构成每排(16)的界面元件(15)的数量与构成两个相邻排(16)的界面元件(15)的数量不同。
3.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于构成每排(16)的界面元件(15)的数量相对于交换器板(4)的中心以对称的方式变化。
4.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于界面元件(15)的一些排(16)刚好且仅与交换器板(4)的第一侧壁(8)成一体，并且这些排(16)与交换器板(4)的第二侧壁(9)间隔开，并且界面元件(15)的其余排(16)刚好且仅与交换器板(4)的第二侧壁(9)成一体并与交换器板(4)的第一侧壁(8)间隔开。
5.根据权利要求4所述的冷却模块(3)，其特征在于与交换器板(4)的第一侧壁(8)成一体的界面元件(15)的排(16)对准并面对与交换器板(4)的第二侧壁(9)成一体的界面元件(15)的相应排(16)。
6.根据权利要求5所述的冷却模块(3)，其特征在于：
每个界面元件(15)的波浪形具有一系列波谷(17)以及一系列波峰(18)，一系列波谷(17)抵靠交换器板(4)的侧壁(8、9)并固定到交换器板(4)的侧壁(8、9)，一系列波峰(18)放置在与交换器板(4)的另一侧壁(9、8)的距离不为零的位置处；以及
在与交换器板(4)的第一侧壁(8)成一体的界面元件(15)的波峰(18)和与交换器板(4)的第二侧壁(9)成一体的界面元件(15)的波峰(18)之间的距离(H1)等于在交换器板(4)的第一侧壁(8)和交换器板(4)的第二侧壁(9)之间的距离(H2)的20％-45％。
7.根据权利要求5所述的冷却模块(3)，其特征在于：
每个界面元件(15)的波浪形具有一系列波谷(17)以及一系列波峰(18)，一系列波谷(17)抵靠交换器板(4)的侧壁(8、9)并固定到交换器板(4)的侧壁(8、9)，一系列波峰(18)放置在与交换器板(4)的另一侧壁(9、8)的距离不为零的位置处；以及
在与交换器板(4)的第一侧壁(8)成一体的界面元件(15)的波峰(18)和与交换器板(4)的第二侧壁(9)成一体的界面元件(15)的波峰(18)之间的距离(H1)等于在交换器板(4)的第一侧壁(8)和交换器板(4)的第二侧壁(9)之间的距离(H2)的35％。
8.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于每个界面元件(15)的波浪形的波长总是恒定的，并且等于在交换器板(4)的第一侧壁(8)和交换器板(4)的第二侧壁(9)之间的距离(H2)的55％-70％。
9.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于每个界面元件(15)的波浪形的波长总是恒定的，并且等于在交换器板(4)的第一侧壁(8)和交换器板(4)的第二侧壁(9)之间的距离(H2)的62％。
10.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于每个界面元件(15)的波浪形均具有非对称形状，其中初始半波浪形具有的振幅小于最终半波浪形的振幅。
11.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于：
每个界面元件(15)的波浪形具有平坦的相应的波峰(18)，从而每个波峰(18)是平坦的并且平行于交换器板(4)的侧壁(8、9)；
每个界面元件(15)的波浪形由一系列的平坦面板构成；
在波峰(18)和后一面板之间限定的角度(α)小于20°；以及
在波峰(18)和前一面板之间限定的角度(β)小于60°。
12.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于：
每个界面元件(15)的波浪形具有平坦的相应的波谷(17)，从而每个波谷(17)是平坦的并且平行于交换器板(4)的侧壁(8、9)；
每个界面元件(15)的波浪形具有平坦的相应的波峰(18)，从而每个波峰(18)是平坦的并且平行于交换器板(4)的第二侧壁(9)；以及
每个波峰(18)具有比波谷(17)大的延伸度。
13.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于每个界面元件(15)的波浪形由一系列平坦面板构成。
14.根据权利要求1所述的冷却模块(3)，其特征在于其包括平坦的加热元件(19)，所述平坦的加热元件(19)固定到交换器板(4)的第一侧壁(8)和交换器板(4)的第二侧壁(9)，并且设计成由电流流过，以便通过焦耳效应产生热量。
15.根据权利要求14所述的冷却模块(3)，其特征在于所述加热元件(19)在循环室(5)的相对侧上固定到交换器板(4)的侧壁(8、9)的外表面。
16.根据权利要求14所述的冷却模块(3)，其特征在于所述加热元件(19)是PTC热敏电阻器，所述PTC热敏电阻器的电阻随着温度的升高而增加。
17.一种用于电动车辆的电能存储系统(1)；所述存储系统(1)包括：
多个具有平行六面体形状的可再充电电化学存储单元(2)，所述可再充电电化学存储单元(2)一个在另一个旁边地彼此平行放置；以及
多个冷却模块(3)，所述冷却模块(3)具有平行六面体形状并且与可再充电电化学存储单元(2)交替；
所述存储系统(1)的特征在于每个冷却模块(3)为根据权利要求1所述的冷却模块(3)。
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