CN112204808A - 具有内置到壳体中的温度调节装置的电池单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池单元(1)，特别用于混合动力和/或电动力机动车辆，该电池单元包括在物理上和/或电气上被分组成多个模块的多个电池元、收纳并包围电池元的壳体、以及用于通过传热流体的循环来调节电池元的温度的装置。电池单元(1)的特征在于，壳体由塑料材料制成并由具有底部和侧壁的下部托盘(6)以及上部盖子(7)构成，该下部托盘和上部盖子沿周边组装起来，并且至少下部托盘(6)包括用于传热流体的分配/收集和循环的装置(5)，该装置通过至少部分地与下部托盘(6)的主体形成为一体件而在结构上被内置到下部托盘(6)的主体中。

Description

具有内置到壳体中的温度调节装置的电池单元
技术领域
本发明涉及自主电能源领域，特别涉及在机动车辆上的自主电能源，并且本发明的主题是一种电池单元以及包括至少一个这种单元的混合动力或电动力机动车辆。
背景技术
混合动力/电动车辆配备有电池，该电池可以储存车辆运行所需的电能。当前的问题是需要对电池单元(也称为“电池组”)的设计进行优化，以便在寿命(充电/放电)和运行自主性方面获得最佳性能水平。充电时间也是这些电池组日常使用中的一个重要因素。
在理想情况下采用的电池需要在10℃至30℃之间的温度下运行，特别是例如锂离子或锂聚合物类型的高密度蓄电池。温度过低会影响自主性，而温度过高会影响电池的寿命。因此，有必要将电池的温度调节到可能的最佳程度。
在应用于车辆上的背景下，有一种风冷的电池技术方案，但是热交换仍然相当有限。目前的趋势是使用传热流体来增强热交换并提高调节效率。
此外，接纳这些电池的壳体可以直接由车辆的一部分实现，或者由在该车辆的结构部件中形成的空腔构成。然而，这些方案在安装方面非常缺乏灵活性，使得维护变得困难。因此，优选的是自主的且未并入车辆的结构中的电池组方案。
在现有技术中存在很多种设计：它们使用金属方案(钢、铝等)，并通过软管将传热流体分配到组装并布置在电池组内的冷却板上，在该冷却板上布置有组合了电池的电池元(cell)或元件的模块。
其结果是一种由大量部件组装而形成的复杂的结构，在生产过程中需要进行许多紧密性连接(其抗老化性能可能会有问题)，并形成了一个体积庞大且具有许多部件的结构。
此外，由于电池单元的壳体由金属(优先采用铝)制成，因此不能将电池组与外部进行热和电绝缘，此外成本很高，而且容易受到腐蚀。
发明内容
本发明的目的是克服至少上述主要限制。
为此，本发明的主题是一种电池单元，尤其是用于混合动力和/或电动力机动车辆的电池单元，该电池单元基本上包括：一方面，多个电池元或电池元件，如有必要多个电池元或电池元件在物理上和/或电气上被分组成若干块或模块；另一方面，壳体，该壳体容纳并包围所述多个电池元或电池元件；以及最后，用于通过传热流体的循环来调节所述多个电池元或电池元件的温度的装置，
所述电池单元的特征在于，壳体由塑料材料制成并由顶部盖子以及具有底部和侧壁的底部托盘构成，该底部托盘和顶部盖子沿周边组装起来，优先通过螺纹件组装起来，并且至少底部托盘包括用于分配/收集传热流体和使传热流体循环的装置，优先通过至少部分地与所述底部托盘(6)的所述主体(6'，6”)形成为一体件，该装置在结构上被并入(incorporated)所述底部托盘的主体中。
附图说明
从以下描述中将更好地理解本发明，以下描述涉及以非限制性实例给出且参考附图进行说明的优选实施例，其中：
图1A和图1B是从根据本发明的电池单元的两个不同角度观察到的透视图，并且图1C是该单元在壳体的两个部件组装之前的图；
图2是类似于图1A的透视图，其中盖子已移除；
图3是类似于图2的图，其中电池的电池元或电池元件已移除并且仅示出底部托盘；
图4A和图4B是从根据本发明的电池单元的两个不同方向观察到的透视图，示意性地示出了传热流体在分配/收集装置中的循环流动；
图5是图1和图4所示的电池单元的局部剖视图，示意性地示出了传热流体的循环；
图6是沿着图1和图4的另一平面截取的剖视图；
图7A和图7B是图1所示的电池单元在与添加的加强结构组装起来之前和之后的透视图；
图8A和图8B是根据本发明的电池单元的另外两个变体实施例的类似于图1A的图；
图9是形成图8B所示的电池单元的壳体的一部分的底部托盘的透视图，以及
图10以分解透视图(对于分配/收集装置)的形式示出了图2的对象。
具体实施方式
图1、图4、图7和图8示出一种电池单元1，尤其是用于混合动力和/或电动力机动车辆的电池单元，该电池单元1基本上包括：一方面，多个电池的电池元2或电池元件，如有必要该多个电池元2或电池元件在物理上和/或电气上被分组成若干块或模块2'；另一方面，壳体3，该壳体3容纳并包围所述电池元或电池元件2；以及最后，装置4、5，该装置4、5用于通过传热流体的循环来调节所述电池元或电池元件2的温度。
根据本发明，壳体3由塑料材料制成并由顶部盖子7以及具有底部6'和侧壁6”的底部托盘6构成，底部托盘6和顶部盖子7沿周边组装起来，优先通过螺纹件组装起来，并且至少托盘6包括用于分配/收集传热流体和使传热流体循环的装置4、5，优先地，通过至少部分地与托盘6的主体6'、6”形成为一体件，该装置4、5在结构上被并入托盘6的主体6'、6”中。
因此，壳体3由形成两个半壳的两个部分6和7构成，这两个部件优选地各自为单件的或者两个部件由单件制成，它们在单个周边组装区域3'中被相互紧密地组装。这种仅由两个部件构成的组件使得能够通过将形成电池的电池元2包封在所获得的壳体3中来容纳并包围这些电池元2，同时将接合区域限制到最小。
用刚性塑料材料(热塑性材料，例如聚丙烯、聚酰胺、聚酯等，填充或未填充添加物和/或诸如玻璃纤维、碳纤维之类的纤维，并且包括或不包括加强格栅)制造壳体，使得能够同时获得(与金属壳体相比)更好的热绝缘和成本的降低，并且允许(由于可以产生多种多样的形式)在通过组装进行的生产期间以及在两个部件6和7每个的生产过程中将分配和收集装置5及循环装置4并入壳体3的同一结构中的可能性。
有利地，装置4和5仅部分地且沿周边地形成在托盘6的主体的壁中(它们不会由此削弱结构)，同时它们通过至少部分地并入并附接至托盘6的主体而有助于壳体3的整体紧凑性。
将这些装置4和5并入壳体3中特别是并入托盘6中，使得能够省却管道和软管的安装和繁琐的紧密性连接，同时还避免使这些装置4和5暴露于外部环境中(分配/收集装置5附接到壁6”'上)。
托盘6与盖子7的密封组装区域3'可以由至少一个周边连续接触带构成，其通过在压力下用螺纹件连接、夹持等方式使面对的边缘彼此接触而产生，或者通过使壳体3的两个构成部件6和7的彼此面对且具有互补构造的边缘之间的材料熔融接合而获得。
可以在周边组装区域3'的一个或多个接触带处或接触带之间产生通过压缩密封件而得的密封紧密性。通过实施可移除组装(螺纹连接、夹持等方式)，可以在组装后对电池元2进行测试，并且可以轻松进行至少一个模块2'的更换。
根据避免传热液体流体与元件或电池元2之间任何直接接触的实施例，托盘6在它的用于布置电池元或电池元件2的底部6'处包括与所述电池元或电池元件2接触的至少一个内部壁部分8，该或每个内部壁部分8与壳体3的托盘6的壁6”'一起限定了与分配/收集装置5流体连通的用于传热流体的循环的密封体积9，该或这些内部壁部分8与托盘6的壁6”'一起形成了托盘6的底部6'，该底部6'在其表面上至少部分地且优先大部分是双壁的。
有利地并且特别如图3、图5、图6和图9所示，托盘6的底部6'包括具有表面延伸的至少一个传热流体循环回路4，该回路4被并入底部6'的结构中并经由一个或多个内部壁部分8与电池元或电池元件2接触。该或每个回路4有利地被细分成多个回路部分9，每个回路部分9优先地与模块2'相关联并在对应的模块2'下方延伸。此外，所述或每个循环回路4优先被连通到分配/收集装置5并且形成在与电池元或电池元件2'接触的一个或多个内部壁部分8和托盘6的壁6”'之间。
如附图所示，分配/收集装置5布置在托盘6的侧向周部的至少一部分上，并且形成在所述托盘6的壁6”'的外表面中和/或上，该托盘6有利地具有矩形形式，从而使壳体3基本上为矩形平行六面体形式。
在后一种情况下，分配/收集装置5可以例如在所述矩形的四个边中的三个边上面延伸。
根据优选实施例，分配/收集装置5包括至少一个用于供应传热流体的管道5'以及至少一个用于收集和排放传热流体的管道5”。每个管道5'、5”有利地包括相应的连接端部配件10、10'，并且每个管道5'、5”通过穿过所述托盘6的壁6”'的辅助或分接管线11与至少并入托盘6的底部6'中的传热流体循环装置4连通。因此，与外部进行流体连通的接口10、10'以及与一个或多个循环回路4的流体链路也被并入托盘6的结构中。
为了能够将热交换表面进行分割，例如根据模块或块2'中的电池元2的分组进行分割，并且为了能够给传热液体的流动赋予预定路线，并入托盘6的主体6'、6”中(优先的是在内部壁部分8与所述托盘6的壁6”'之间并入底部6'中)的循环装置4包括基本循环体积9，每个基本循环体积9形成在与电池元或电池元件2接触的内部壁部分8和托盘6的壁6”'之间，并且所有的基本循环体积9或者各自串联地且共同地流体连通至循环装置4，或者各自并联地流体连通至循环装置4。
优先地，每个基本循环体积9具有大致U形、S形或蛇形形式，所述U形、S形或蛇形形式的自由端流体或者连通至在串联布置中的相应的前一个和后一个基本循环体积9，或者通过辅助或分接管线11流体连通至循环体积4的管道5、5”。U形形式尤其制造简单并允许非常宽的支路。然而，其它形式的基本循环回路9，如S形或Z形或蛇形形式，也是可以的。
根据实际变体，U形的两个支路基本上彼此联接，因此每个支路具有显著的宽度，从而提供了最大的交换表面积，同时使得能够将传热液体的循环流动从相关的基本体积9的入口引导至出口(参见图3和图9)。
根据本发明的特征，如图5和图10中的实例所示，分配/收集装置5的供应管道5'和收集与排放管道5”(以及如有必要，辅助或分接管线11)包括管状壁，该管状壁部分地由托盘6的壁6”'形成并且部分地由包覆成型在所述壁6”'上的热塑性材料14或通过与壁6”'焊接而与所述壁6”'组装到一起的互补壁部分14形成。
所述管状壁的在其通过托盘6的壁6”'形成的部分与其通过包覆成型14添加的部分之间的分配和分切取决于用于成型托盘6的模具的可能性和托盘6本身构造的复杂性。
内部壁部分8的材料性质和厚度以及它们与元件或电池元2接触的表面的形状必须选择为在这些元件和传热液体流体之间获得最大热交换。
根据优选的结构变体，例如如图3、图5、图6和图9所示，该或每个内部壁部分8由诸如板的附加部件构成，附加部件在托盘6的底部6'的壁6”'的相应的凹陷部或穴窝部12处与该壁6”'紧密固定，该或每个内部壁部分8由具有高热导率的材料制成，尤其是金属材料或具有增强的导热性能的热塑性材料。
因此，托盘6的主体的壁6”'以及盖子7的壁可以由具有增强的机械和绝缘性能(例如通过添加物增强)的热塑性材料制成，而内部壁部分8具有高传热系数。
托盘的底部6'的壁6”'的每个凹陷部在其长度的一部分上例如可以通过分隔壁被细分为两个区域，以便当它被内部壁部分8封闭时构成U形形式的循环体积9。
托盘6以及(在较小程度上)盖子7，必须具有足够的机械强度来容纳并保护电池模块2'，并且例如可以包括加固肋以用于该目的。
作为变体，或者以补充的方式，为了实现更大的强度和刚度，托盘6或者可以包括并入托盘6的主体6'、6”中的加强结构13，该加强结构13例如通过用于形成所述托盘6的壁6”'的热塑性材料(未示出)的包覆成型而被并入主体6'、6”中；或者可以包括通过形状的耦合与所述托盘6的热塑性壁6”'通过形状的耦合(by conjugation of forms)在外部配合的加强结构13，该加强结构例如尤其是提供了中间和周边加固的框架类型(图7A和图7B)。
为了加强底部6'的刚度，并且为了可能增加传热流体与电池元或电池元件2之间的热交换区域，托盘6可以包括至少一个细分内部壁15，该细分内部壁15从底部6'一体地延伸(并且优先在两个相对的侧壁6”之间延伸)，有利地与加强结构13协作，并且如有必要包含有传热流体循环体积，该循环体积优先形成托盘6的循环装置4的一部分并且流体连通至分配/收集装置5(图1C、图3、图5、图7A)。
加强结构13例如可以包括环绕托盘6的周边侧壁13'，该周边侧壁13'通过覆盖分配管道5'和收集/排放管道5”来保护它们。结构13的中间壁13”本身可以(通过配合)与中空的细分内部壁15协作，从而形成托盘6的中间加固梁。
为了更进一步地增加传热流体与电池元或电池元件2之间的热交换表面积，盖子7也可以包括结构上并入所述盖子7的主体中的用于分配/收集传热流体和使其循环的装置，就像托盘6一样且如上文所描述。从而，盖子7可以有利地至少部分地具有提供循环体积的双壁结构，该循环体积例如形成在内部壁部分与所述盖子7的外壁之间，所述内部壁部分优选地与电池元或电池元件2的顶部部分接触，并且有利地，盖子的分配/收集装置被流体连通至托盘6的分配/收集装置5。
根据本发明的附加特征，如图8A、图8B和图9所示，壳体3可以包含有与传热液体的管理相结合的一个或多个功能。
因此，在例如分配/收集装置5或托盘6的侧壁6”处，用于控制传热液体的温度、循环和/或分配/收集的装置16可以在结构上甚至在材料上被至少部分地并入壳体3中。
本发明的另一主题是一种机动车辆，特别是电动力或混合动力的机动车辆，其特征在于，包括至少一个如上所述的电池单元1。该电池单元1还包括至少一个内部温度测量装置、用于将电池元或电池元件2彼此电连接的装置以及外部连接装置17，有利的是，后者部分地与托盘6的壁6”'和/或盖子7的壁形成在一起，或者部分地形成到托盘6的壁6”'和/或盖子7的壁中。
显然，本发明不限于在附图中描述和表示的实施例。在不以任何方式脱离本发明的保护范围的情况下，尤其是从各种元素的形成或通过替换技术等效物的角度来看，仍然可以进行修改。

Claims (15)

1.一种电池单元(1)，尤其是用于混合动力和/或电动力机动车辆的电池单元，所述电池单元(1)基本上包括：一方面，多个电池元(2)或电池元件，如有必要所述多个电池元(2)或电池元件在物理上和/或电气上被分组成若干块或模块(2')；另一方面，壳体(3)，所述壳体(3)容纳并包围所述多个电池元或电池元件(2)；以及最后，用于通过传热流体的循环来调节所述多个电池元或电池元件(2)的温度的装置(4，5)，
所述电池单元(1)的特征在于，所述壳体(3)由塑料材料制成并由顶部盖子(7)和底部托盘(6)构成，所述底部托盘(6)具有底部(6')和侧壁(6”)，所述底部托盘(6)和所述顶部盖子(7)沿周边组装起来，优先通过螺纹件组装起来，并且至少所述底部托盘(6)包括用于分配/收集传热流体和使传热流体循环的装置(4，5)，所述用于分配/收集传热流体和使传热流体循环的装置在结构上被并入所述底部托盘(6)的所述主体(6'，6”)中，且优先地，通过至少部分地与所述底部托盘(6)的所述主体(6'，6”)形成为一体件而被并入所述底部托盘(6)的所述主体(6'，6”)中。
2.根据权利要求1所述的电池单元，其特征在于，所述底部托盘(6)在用于布置所述多个电池元或电池元件(2)的底部(6')处包括与所述多个电池元或电池元件(2)接触的至少一个内部壁部分(8)，该或每个内部壁部分(8)与所述壳体(3)的所述底部托盘(6)的壁(6”')一起限定了与所述分配/收集装置(5)流体连通的用于传热流体的循环的体积(9)，该或这些内部壁部分(8)与所述底部托盘(6)的所述壁(6”')一起形成了所述底部托盘(6)的底部(6')，该底部(6')在表面上至少部分地、且优先大部分是双壁的。
3.根据权利要求1或2所述的电池单元，其特征在于，所述底部托盘(6)的所述底部(6')包括具有表面延伸的用于传热流体的循环的至少一个回路(4)，该至少一个回路(4)被并入所述底部(6')的结构中并经由所述内部壁部分(8)与所述多个电池元或电池元件(2)接触，该或每个回路(4)优选地被细分成多个回路部分(9)，每个回路部分(9)优先地与模块(2')相关联并在对应的模块(2')下方延伸，并且所述或每个循环回路(4)被连通到所述分配/收集装置(5)并且形成在与所述多个电池元或电池元件(2')接触的一个或多个内部壁部分(8)和所述底部托盘(6)的所述壁(6”')之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述分配/收集装置(5)布置在所述底部托盘(6)的侧向周部的至少一部分上，并且形成在所述底部托盘(6)的所述壁(6”')的外表面中和/或上，所述底部托盘(6)优选地具有矩形形式。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述分配/收集装置(5)包括至少一个用于供应传热流体的管道(5')以及至少一个用于收集和排放传热流体的管道(5”)，每个管道(5'，5”)优选地包括相应的连接端部配件(10，10')，并且每个管道(5'，5”)通过穿过所述托盘(6)的所述壁(6”')的辅助或分接管线(11)与至少并入所述托盘(6)的所述底部(6')中的传热流体的所述循环装置(4)连通。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池单元，其特征在于，并入所述底部托盘(6)的所述主体(6'，6”)中、优先的是在所述底部托盘(6)所述内部壁部分(8)与所述底部托盘(6)的所述壁(6”')之间并入所述底部(6')中的所述循环装置(4)包括基本循环体积(9)，每个基本循环体积(9)形成在与所述多个电池元或电池元件(2)接触的内部壁部分(8)和所述底部托盘(6)的所述壁(6”')之间，并且所有的基本循环体积(9)或者各自串联地且共同地流体连通至所述循环装置(4)，或者各自并联地流体连通至所述循环装置(4)。
7.根据权利要求6所述的电池单元，其特征在于，每个基本循环体积(9)具有大致U形、S形或蛇形形式，所述U形、S形或蛇形形式的自由端流体或者连通至在串联布置中的相应的前一个和后一个基本循环体积(9)，或者通过辅助或分接管线(11)流体连通至所述循环装置(4)的管道(5，5”)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述分配/收集装置(5)的供应管道(5')和收集与排放管道(5”)，以及如有必要所述辅助或分接管线(11)，包括管状壁，所述管状壁部分地由所述底部托盘(6)的所述壁(6”')形成并且部分地由包覆成型在所述壁(6”')上的热塑性材料(14)或通过与所述壁(6”')焊接而组装到一起的互补壁部分(14)形成。
9.根据权利要求2、3和5至8中任一项所述的电池单元，其特征在于，该或每个内部壁部分(8)由诸如板的附加零件构成，所述附加零件与所述底部托盘(6)的所述底部(6')的所述壁(6”')在所述底部(6')的所述壁(6”')的相应的凹陷部或穴窝部(12)处紧密固定，该或每个内部壁部分(8)由具有高热导率的材料制成，尤其是金属材料或具有增强的导热性能的热塑性材料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述底部托盘(6)包括并入所述托盘(6)的所述主体(6'，6”)中的加强结构(13)，该加强结构(13)例如通过用于形成所述底部托盘(6)的所述壁(6”')的热塑性材料的包覆成型而被并入所述托盘(6)的所述主体(6'，6”)中。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述底部托盘(6)包括通过形状的耦合与所述底部托盘(6)的热塑性的所述壁(6”')在外部配合的加强结构(13)，所述加强结构(13)例如尤其是提供了中间和周边加固的框架类型。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述底部托盘(6)包括至少一个细分内部壁(15)，该至少一个细分内部壁(15)从所述底部(6')一体地延伸，优选地与加强结构(13)协作，并且如有必要包含有传热流体循环体积，该传热流体循环体积优先形成所述底部托盘(6)的所述循环装置(4)的一部分并且流体连通至所述分配/收集装置(5)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的电池单元，其特征在于，所述盖子(7)也包括结构上并入所述盖子(7)的主体中的用于分配/收集传热流体和使传热流体循环的装置，并且优选地至少部分地具有提供循环体积的双壁结构，所述双壁结构提供的循环体积例如形成在所述内部壁部分与所述盖子(7)的外壁之间，所述内部壁部分优先的是与所述多个电池元或电池元件(2)的顶部部分接触，并且所述盖子的分配/收集装置优选地被流体连通至所述底部托盘(6)的所述分配/收集装置(5)。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电池单元，其特征在于，在例如所述分配/收集装置(5)处或所述底部托盘(6)的所述侧壁(6”)处，用于控制传热液体的温度、循环和/或分配/收集的装置(16)在结构上甚至在材料上被至少部分地并入所述壳体(3)中。
15.一种机动车辆，特别是电动力或混合动力的机动车辆，其特征在于，所述机动车辆包括至少一个根据权利要求1至14中任一项所述的电池单元(1)，所述电池单元(1)还包括至少一个内部温度测量装置、用于将所述多个电池元或电池元件(2)彼此电连接的装置以及外部连接装置(17)，优选的是，后者部分地与所述底部托盘(6)的壁(6”')和/或所述盖子(7)的壁形成在一起，或者部分地形成到所述底部托盘(6)的壁(6”')和/或所述盖子(7)的壁中。
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