CN112437866A - 热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本公开描述了一种用于部件的热管理的系统，部件比如是用于电动车辆的电池。该系统包括电气部件和热联接到电气部件的一个或多个面板。每个面板包括用于围绕面板输送工作流体的多个通道。一个或多个面板布置成形成气密密封系统，使得工作流体配置成围绕密封系统传递热能。该系统还包括热交换器机构，其与多个面板中的至少一个热连通，以便经由多个面板将热能传递到电气部件和/或从电气部件传递热能。

Description

热管理系统
技术领域
本公开涉及一种用于电气部件的热管理的系统，电气部件可选的是诸如电池或另一电存储装置的电气部件。可选地，本公开涉及用于电动车辆的电池的热管理的系统。
背景技术
电池和其他电气部件或装置具有最佳的工作温度，超出此范围的功能可能会影响部件或装置的性能和安全。例如，当电池冷时，电池输出一致的电力供应的能力受到阻碍。同样，电池在热时也会表现出性能下降，在某些情况下，例如由于热失控而可能会引起火灾。
因此，期望提供一种用于控制电池温度的热管理系统。这种系统在优选将电气部件保持在恒定温度下的其他应用中也具有实用性。
发明内容
根据独立权利要求1提供一种系统，其所从属的从属权利要求中包括可选特征。
在以下描述中，提供了一种用于电气部件的热管理的系统。该系统包括：电气部件；热交换器机构；以及热联接到电气部件的一个或多个面板。每个面板包括用于围绕面板输送工作流体的多个通道。一个或多个面板流体地联接以形成在一个或多个面板内部的气密密封系统，使得工作流体配置成围绕密封系统传递热能。热交换器设置成与多个面板中的至少一个热连通，以便经由多个面板将热能传递到电气部件和/或从电气部件传递热能。
可选地，电气部件是包括多个电池单元的电池。在一些布置中，电池是用于车辆例如用于电动车辆的电池。在其他布置中，电池可以是用于电存储的固定电池，例如用于家庭或商业能量存储的电池或存储装置。可选地，电气部件例如是变压器、电容器、电阻器或电感器。可选地，电气部件可以是热力发电机或装置或者任何其他形式的发电机或处理器。
可选地，工作流体包括液相和气相的工作流体，其中工作流体配置为通过液体在密封系统的一个位置处的蒸发和液体在密封系统的一不同位置处的冷凝而围绕密封系统传递热能。当密封系统的一部分被加热时，液体在吸收蒸发潜热时变成蒸气。热蒸气随后进入密封系统的较冷部分，在此处其冷凝并释放潜热至密封系统。然后，冷凝液体流回到密封系统的较热部分，并且重复进行汽化-冷凝循环。由于汽化潜热通常非常大，因此大量的热量可以围绕密封系统传递，并且可以在一个或多个面板上实现基本均匀的温度分布。换句话说，面板可以用作热管。该工作流体可以是水、制冷剂、基于氨的工作流体或者用于热管的任何其他合适的工作流体。
本文描述的系统可促进原位冷却和/或加热诸如电池的电气部件(例如用于冷却和/或加热车辆内的汽车电池)。每个面板可以用作扁平热管，即吸热面板。通过围绕电气部件将一个或多个(气密密封的)吸热面板组装成一个或多个单独的扁平热管，或者组装成围绕电气部件形成盒子或其他结构，可以有效地管理围绕电气部件的热环境，以有效地帮助最大化所述部件的性能。
特别地，一个或多个面板提供等温表面，当该等温表面热联接至电气部件时以等温方式冷却和/或加热电气部件。例如，当电气部件是包括多个电池单元的电池时，本文描述的系统可以将热量传递到电池/从电池传递热量，使得每个电池单元维持在基本相同的温度，换句话说，温度在整个电池上是(基本)恒定的，这可以帮助改善电池的性能，例如通过促使从每个电池单元输出的功率近似相等。该系统还可以帮助将电池或其他电气部件与电池环境中的温度变化隔离开来，这可以促进改善电气部件的性能。
可选地，该系统包括多个面板，其流体地联接以形成单个气密密封系统并且围绕电气部件布置。与单个面板相比，这种布置可以提供至/自电气部件的热能的更有效传递。可选地，多个面板布置成基本围绕电气部件。在一可选布置中，多个面板布置成形成盒子，其限定电气部件位于其中的腔。电气部件的这种环绕可以提供至/自电气部件的热能的更有效传递，从而改善电气部件的性能。
可选地，该系统包括热联接到电气部件的两个面板，每个面板布置成形成单独的气密密封系统并且布置成与热交换器机构热连通。例如，两个面板可以设置在电气部件的相对侧上，而热交换器布置在在两个面板之间延伸的一侧上。这种布置可以提供有效的热能传递，同时有利于系统的更简单和更便宜的制造和组装。
可选地，每个单独的面板(与面板如何布置以形成气密密封系统无关)包括一个或多个主通道和一个或多个副通道。可选地，主通道的横截面积可以是副通道的横截面积的50％至200％。可选地，每个主通道的横截面积可选地大于任何副通道的横截面积，这可以有助于改善工作流体围绕气密系统的流动，进而可以提高面板和电气部件之间的热交换过程的效率。可选地，多个面板定向成使得当系统在使用中时副通道(大体)水平或(大体)竖直地延伸。
主通道与副通道流体连通。可选地，一个或多个主通道在与一个或多个副通道延伸的方向垂直的方向上延伸。这种布置可以促进改善流体围绕系统的流动。可选地，一个或多个副通道在副通道的一侧上包括一个或多个突出特征；突出特征可包括在通道中纵向延伸的一个或多个肋。在此，一个或多个肋中的至少一些可以大体为三角形和/或一个或多个肋中的至少一些可以大体为正方形。
当使用一个以上面板来形成气密密封系统时，多个面板中的每个可以通过相应面板的主通道彼此流体联接。在一些布置中，面板可以流体地和机械地直接联接。在其他布置中，可以提供机械地联接面板的连接构件，其中主通道通过相应的连接构件流体地联接，每个连接构件具有横截面积大于主通道的横截面积的一个或多个通道。这种布置可以提供面板的更简单的制造和组装，以及促进改善流体围绕密封系统的流动。因此可以在面板之间提供更有效的热传递。
可选地，每个面板的主体由挤压材料形成，即通过挤压面板来制造，使得一个或多个副通道形成为面板内部的腔。这样的面板可以容易且廉价地制造，并且挤压过程可以允许容易地制造每个面板的横截面。该工艺还可以有助于为面板内的副通道提供复杂的横截面几何形状，例如上述突起。可选地，每个面板由挤压的铝或铝合金形成。可选地，每个面板还包括一个或多个歧管，其限定或有助于限定每个面板的主通道。歧管可联接至每个面板的主体的边缘，以允许主通道经由副通道流体地联接。
可选地，该系统进一步包括一个或多个流体泵，其布置成将流体泵送通过热交换器。流体可以是水或另一种流体，比如制冷剂。可选地，该系统还包括用于提供加热流体的热罐(其中在主动加热操作模式下，一个或多个流体泵布置成将加热流体泵送通过热交换器的至少一个入口的第一入口)和/或用于冷却流体的低温存储装置(其中在主动冷却操作模式下，一个或多个流体泵布置为将冷却流体泵送通过热交换器的至少一个入口的第二入口)。可以提供任何合适的加热和/或冷却流体。这种布置可以有助于在寒冷天气中加热电气部件并在炎热天气中冷却电气部件，这可以为电气部件提供更稳定的工作温度。因此，可以改善所述部件的性能。例如，当系统部署在车辆中时，可以通过本文所述系统的环境中已经提供的现有系统来促进这种加热和/或冷却。这可以提高效率。
可选地，热交换器机构包括热电装置。没有流体通道的运动部分的固态热交换器的使用可以提供更坚固的热交换器，例如这在某些应用中对于例如改装到车辆中可能是有利的。
附图说明
以下描述参考以下附图：
图1示出了如本文所述的系统的示例的透视图；
图2示出了图1的系统的多个面板的透视图；
图3A示出了如本文所述的两个面板的示例的透视图；
图3B示出了图3A的面板的一部分；
图3C示出了图3B的横截面的一部分；
图3D示出了图3A的面板的横截面；
图4示意性地示出了构成面板的部件；
图5示出了图1的系统的示例热交换器的透视图；以及
图6示意性地示出了图1的系统的示例实施方式。
具体实施方式
参考图1，描述了用于电气部件102的热管理的系统100。可选地，系统100可以设置在车辆140内(参见图6)。车辆140可以是电动车辆。可替代地，系统100可以是静态或固定布置，例如是用于家庭或商业应用中的电池或其他能量存储装置的热管理的系统。
系统100包括一个或多个面板106。每个面板106包括用于围绕面板输送工作流体的多个通道。这些通道在面板的内部，即形成在面板106内的腔内。一个或多个面板布置成形成气密密封系统，使得工作流体配置成围绕由每个面板106的通道形成的密封系统传递热能。
在一些布置中，可以提供一个面板。可替代地，可以提供两个或更多个面板，其独立于其他面板布置以形成单独的气密密封系统，或者以任何合适的配置彼此流体联接以形成可以通过其输送工作流体的一个或多个气密密封系统。例如，可以将两个面板独立地布置在电气部件102的长侧上，或者可以将四个面板布置成环以围绕电气部件(即设置在部件的两个长侧和两个短侧上)。这四个面板可以包括独立的密封系统，或者可以结合以形成使工作流体在其内循环的一个或多个密封系统。
一个或多个面板106热联接到电气部件102，以将热能传递到电气部件102或从其传递。在以下描述中，电气部件102是包括多个电池单元104的电池102，但系统100可以用于需要原位冷却(或加热)的任何其他合适的电气部件的热管理，例如处理器或其他电气系统的部件的冷却。例如，系统100可以用于发电机或处理器或者诸如变压器、电容器、电阻器或电感器的电气部件的原位冷却(或加热)。
系统100还包括热交换器机构108，其与至少一个面板106热连通，以便经由面板106至和/或自诸如电池的电气部件102传递热能。可使用导热膏或凝胶将一个或多个面板106热联接到热交换器机构108。然后可以将热交换器机械地夹持到面板106之一上。对于永久联接，可以替代地使用热粘合剂。
在下面的描述中，工作流体包括液相和气相的工作流体，其中工作流体配置为通过液体在密封系统的一个位置处的蒸发和液体在密封系统的不同位置处的冷凝而围绕密封系统传递热能。换句话说，工作流体被动地围绕密封系统流通。因此，面板用作热管以围绕密封系统传递热能。例如，在本文所述的系统中使用的工作流体可以是水或氨。然而，可以使用多种工作流体，包括水、氨、丙酮、乙醇及其混合物；这些功效是由使用面板的条件决定的。技术人员将能够为任何给定的一组工作条件和温度工作范围确定合适的流体。
还可以设想，在其他布置中，工作流体仅布置成围绕密封系统传递热能而没有蒸发和/或冷凝机构。例如，工作流体可以是水或制冷剂，并且热交换器机构可以布置为例如借助于泵或压缩机使所述工作流体围绕密封系统主动地流通。
如参照图2进一步描述，可以看出，在一些示例中，面板106可以布置为基本环绕电池102的单元104。特别地，面板106布置为形成盒子，该盒子限定电池102或任何其他合适的电气部件可位于其中的一个或多个腔107。将理解的是，由面板106形成的盒子可以采取任何合适的形式或形状。在一些布置中，腔107可以被面板106完全包围，而在其他布置中，图2所示的盒子可以在多于一侧上开口。更少的面板可以使电气部件102更容易地安装在腔107内，并且还可以降低系统制造的成本和复杂性。例如，如上所述，可以使用两个独立的面板，或者可以使用四个面板的环。
参考图3A-3D，更详细地描述了面板的结构。这里描述了两个面板106a、106b，它们通过连接构件110机械地和流体地彼此联接，但应当理解，可以设置两个以上面板，或者可以省略连接构件110，并且面板106a、106b可以直接机械地和流体地彼此联接。
参照图3B和3C，描述了面板106a的截面N-N和连接构件110，该截面的细节在部分R中进一步示出。可以看出，面板106a包括两个主通道112和多个副通道114；主通道和副通道流体连通。在一些布置中，副通道在大致垂直于主通道112延伸方向的方向上延伸。在一些布置中，一个或多个主通道中的每个的横截面积可以大于一个或多个副通道中的每个的横截面积，但应当理解，在某些布置中，由于可以通过在副通道内包括突起或其他特征来提供面积的增加，所以副通道114的横截面积可以大于主通道的横截面积。
如图3C和3D所示，在该布置中，连接构件110包括沿平行于副通道114的方向延伸的通道116(在图3D中，副通道114和通道116均延伸离开页面)。副通道112通过通道部分117流体地联接到通道116。连接构件110还包括通道118(这里延伸离开页面，如图3C所示)，其将面板106a的副通道112流体地联接到相应的副通道106b。换句话说，面板106a和106b可以经由连接构件110的通道116、117和118通过副通道112彼此流体地联接。
每个连接构件110的通道116、117、188的横截面积大于主通道的横截面积。这种布置可以提供面板的更简单的制造和组装，以及促进改善流体围绕密封系统的流动。特别地，当连接构件的通道的直径大于主通道112的直径时，流体可以更有效地围绕部分R和图3D所示的拐角流动；因此，流体可以在两个面板106a、106之间更有效地流动。因此，可以在面板之间提供更有效的热传递。
图3D还示出了副通道114的示例横截面，其特征可以在面板106a、106的主体的材料与限定副通道114的主体内的腔之间提供增加的表面积。参照较早提交的UK专利申请GB1410924.3(GB2527338-A)的图4，更详细地描述了这些副通道的几何形状，关于这些通道的几何形状，该申请的图4及其随附的描述通过引用并入本文。
面板106可以水平或竖直地定位，其中副通道114水平(或大致水平)或竖直(或大致竖直)布置。在参照图3A-3D描述的示例中，副通道114布置为大致水平地放置，使得工作流体的冷凝和蒸发横跨面板在副通道的横截面内发生(而不是这样的情况：副通道竖直地定向，使得冷凝的工作流体落到面板106的底部)。内部压力和温度梯度的变化可以促进工作流体围绕密封系统的运动，这将在下面更详细地描述。技术人员将理解，可以提供副通道114的任何合适的定向。
参考图4，将理解，每个面板106可以通过挤压或通过任何其他合适的制造过程来制造。例如，每个面板106的主体132可以由挤压的铝或铝合金形成。挤压可以使得能够形成副通道114的复杂几何形状，这可以有助于改善工作流体的相变并因此改善热传递。铝也相对便宜，具有良好的抗腐蚀性能，并且易于在制造过程中工作。由于铝挤压件内的结构强度，当将包括面板106的系统100结合到车辆(可选地为电动车辆)中时，面板可用于向车辆提供保证(righty)。可替代地，可以使用铝合金或诸如钢的另一种金属。
可选地，每个面板还包括一个或多个歧管134，其限定或有助于限定每个面板的主通道112。歧管134基本上是直的。歧管134由与面板主体132相同的材料形成，并且可以联接至每个面板的主体132的边缘，以允许主通道经由副通道流体联接；特别地，副通道114通常在面板主体132的每个端部终止于歧管134，从而密封通道，这些通道进而形成液密和气密室。在形成面板106内的密封室的过程中，可以使用干涉配合、焊接或胶合将歧管嵌入到面板主体132上。在面板主体132内形成副通道114和使用歧管134可促进多个通道的相对直接的密封，因为在面板主体132的任一端仅需要单个密封。有利地，歧管134在面板主体132上的机械安装也形成密封。
参考图5，描述了热交换器机构108，其与流体直接或间接地连接，以按照系统100的要求将热能去除或传递到电气部件102。本文描述的热交换器机构108是热电组件(即珀耳帖装置)，其包括可由铝形成的冷侧板120、热侧板124和分隔热侧和冷侧的泡沫绝缘124并包含热电模块。热板侧124包括用于接收流体的通道。流体可以与散热器流体连通，例如以吸收来自热交换器机构108经由面板106热联接到的电气部件102的多余热量。
在其他布置中，热交换器机构可以不是热电组件。相反，热交换器108可以是任何其他合适形式的热交换器机构。例如，热交换器机构可包括使冷/热空气通过面板，或流过热交换器机构的热流体。本领域技术人员将理解如何为系统100的特定应用选择合适的热交换器。例如，当将系统100并入车辆内时，可以通过布置通道来提供对面板的被动冷却，通道在车辆行驶时迫使空气通过面板。而且，如上所述，当工作流体是制冷剂或水等时，除了在系统和环境之间进行热交换之外，热交换机构可以布置成在密封系统内主动地使所述流体流通。
如参考图6描述，热交换器机构108可以与系统100的一个或多个流体泵126流体连通，流体泵126布置成泵送流体通过热交换器108以经由多个面板106至和/或自电气部件102传递热能。可选地，提供给热交换器的流体是制冷剂。
在一些布置中，系统100可进一步包括热罐128和/或冷罐或用于存储冷却流体的其他低温存储装置130。热罐128用于向热交换器108提供加热流体，其中在主动加热操作模式中，一个或多个流体泵126布置成泵送加热流体通过热交换器的第一入口128a。低温存储装置130用于向热交换器108提供冷却流体，其中在主动冷却操作模式中，一个或多个流体泵126布置成泵送冷却流体通过热交换器108的第二入口130a。
为了使用面板106来冷却电气部件，即通过热交换器108将热量从电气部件102转移到环境中，从低温存储装置130向热交换器机构108提供温度至少比面板低几个开尔文的冷却流体(例如液体或蒸气)。然后，热能从与热交换器热联接的面板106传递到热交换器。响应于该热能流，工作流体通过其流通的密封系统的一部分被冷却，从而导致工作流体的气相在面板106的副通道114内冷凝。冷凝时，蒸气释放储存的潜热到面板106的材料上，该材料与工作流体在其中冷凝的通道相邻；然后可以通过热交换器108从系统中除去该潜热。
工作流体的冷凝还导致形成低压区域。然后，来自密封系统其他部分的蒸气会向密封系统的较冷低压区域移动，从而通过重力和密封系统内的内部压力(例如面板内的蒸发-冷凝循环产生的气压)的作用使冷凝液也围绕密封系统从较冷部分移出，并到达密封系统的较热部分。密封系统的较热部分中的热能将工作流体蒸发，通过吸收蒸发潜热将其从液体转变为蒸气。因此，与没有相变的加热相比，这种蒸发消耗的热量更多。加热的蒸气沿着通道112、114围绕密封系统流向较冷低压区域，并再次在热交换器108附近的密封系统的较冷部分中冷凝。然后，可以再次重复进行蒸发-冷凝循环。本领域技术人员将理解如何通过从加热罐128向热交换器机构108提供加热流体来逆转该过程以使面板106加热电气部件102。
上述效果使得热能基本均匀地分布在与电气部件102热连通的面板106上，因此可以使热能也均匀地分布在电气部件上。这样，使围绕系统的不同位置之间的温差最小化。而且，所传递的热能的量显著大于通过使用本文所述的工作流体由具有相当重量和尺寸的廉价金属传导至面板106所实现的热量。这是在不使用任何芯吸结构或材料的情况下实现的。因此，可以提供电气部件的更能量高效的冷却。
如图6所示，上述系统100的任何实施方式都可以在车辆140内实现。可选地，车辆140是电动车辆或使用两种或更多种不同类型动力的混合动力车辆；例如，混合动力车辆可以使用内燃机来驱动为电动机提供动力的发电机。车辆140可以是小轿车、公共汽车、火车、货车或任何其他合适的车辆。可替代地，系统100的任何上述实施方式可以实现为静态或固定系统布置，例如作为用于家庭或商业应用中的电池或其他能量存储装置的热管理或者用于发电机或处理器或者其他电气部件或装置的原位热管理的系统。
在本文中注意，尽管以上描述了系统的各种示例，但不应以限制性的意义来查看这些描述。而是，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的范围的情况下，可以进行多种变型和修改。

Claims (19)

1.一种系统，包括：
电气部件；
热联接到电气部件的一个或多个面板，每个面板包括用于围绕面板输送工作流体的多个通道，所述一个或多个面板布置成形成气密密封系统，使得工作流体配置成围绕密封系统传递热能；以及
热交换器机构，其与多个面板中的至少一个热连通，以便经由多个面板将热能传递到电气部件和/或从电气部件传递热能。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，对于所述一个或多个面板中的每个，所述多个通道包括一个或多个主通道和一个或多个副通道。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述一个或多个主通道在与所述一个或多个副通道延伸的方向垂直的方向上延伸。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中，所述系统包括形成气密密封系统的多个面板，所述多个面板围绕所述电气部件布置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个面板布置成基本包围所述电气部件。
6.根据权利要求4或5所述的系统，其中，所述多个面板布置成形成盒子，所述盒子限定所述电气部件位于其中的腔。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的系统，其中，所述多个面板通过所述主通道彼此流体联接。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述主通道通过相应的连接构件流体地联接，每个连接构件具有横截面积大于所述主通道的横截面积的一个或多个通道。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述连接构件还布置为机械地联接所述多个面板。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述系统包括热联接到所述电气部件的两个面板，每个面板布置成形成气密密封系统并且布置成与所述热交换器机构热连通。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述工作流体包括处于液相和气相的工作流体，并且其中，所述工作流体配置为通过液体在所述密封系统的一个位置处的蒸发和液体在所述密封系统的不同位置处的冷凝而围绕所述密封系统传递热能。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述工作流体是水。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述电气部件是电池，可选的是包括多个电池单元的电池。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括一个或多个流体泵，其布置成将流体泵送通过所述热交换器。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括：
用于提供加热流体的热罐，其中，在主动加热操作模式下，所述一个或多个流体泵布置成将加热流体泵送通过热交换器的第一入口。
16.根据权利要求14或15所述的系统，还包括：
用于提供冷却流体的低温存储装置，其中，在主动冷却操作模式下，所述一个或多个流体泵布置成将冷却流体泵送通过热交换器的第二入口。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的系统，其中，所述流体是制冷剂。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的系统，其中，所述热交换器机构包括热电装置。
19.一种车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的系统，可选地，其中，所述车辆是电动车辆。
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