CN112469582B - 电池壳体装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电池(20)、尤其是机动车辆(100)的电池的壳体装置(1)，该壳体装置包括设置有多个钉状物(5)的面(4)、尤其是设置有钉状物(5)的阵列的面(4)。

Description

电池壳体装置

本发明涉及一种用于电池、尤其是机动车辆的电池、尤其是为用于驱动该机动车辆的驱动马达供电的电池的壳体装置。本发明还涉及一种包括电池和这种壳体装置的组件。本发明还涉及一种包括这种壳体装置和/或这种组件的机动车辆底盘或车身外壳。最后，本发明涉及一种包括这种壳体装置和/或这种组件和/或这种底盘或车身外壳的机动车辆。

用于限制温室气体排放的标准正在推动电动车辆和混合动力车辆的发展。

为了以较低成本限制气体排放，机动车辆制造商可以通过添加用于驱动车辆的电动马达和用于为该马达供电的电池来使他们的一些内燃发动机车辆具有混合动力。在一些情况下，该混合动力可以通过修改和调整专用于内燃机的现有车辆平台来实现。因此，分配给电池(通常为锂离子电池类型)的空间与对于该电池的寿命而言的最佳区域(在此区域中能最大程度上延长装置的使用寿命和性能)不对应。电池的安装是由开发团队来进行的：电池应安装在涉及对内燃机车辆的架构进行的修改最少的可用区域中，在此基础上设计混合动力车辆。为了不影响行李箱的体积并且不危害备用轮胎的存在，通常设想将电池定位在车身外壳的下方。

使用各种电池技术来确保电动车辆或混合动力车辆的牵引。能量与功率之间的最佳折衷可利用具有锂离子电池单元的电池来获得。在放电步骤(车辆行驶)期间，锂离子的迁移释放热量，需要从电池装置排出该热量以避免电池的过早老化。对于混合动力车辆的小型电池(48V型，重量：约20kg)尤其如此，这些小型电池会被较高功率(10/20kW)经过，而高功率会导致所述电池的快速发热。电池的使用寿命尤其取决于其工作温度。高温下出现的物理化学机制容易使电池降级。

混合动力系统可以被部署在不同型号的一系列车辆上。因此，可用于安装混合动力系统的位置可以根据车辆型号的不同而不同。如果车辆的电池设备被主动冷却(用空气或制冷剂)，则无论电池装置的位置如何，都可以有效地进行对该电池装置的温度调节。

在电池被动冷却的情况下，冷却的有效性很大程度上取决于电池的位置。因此，在给定配置中，被动冷却可能是有效的，但在不同的配置中，被动冷却可能被证明是不足够的。

例如从申请FR 2999809 A1已知一种电池装置，该电池装置在其下部外表面中具有凹槽。凹槽的开口朝向车辆的前方定向，使得一旦车辆行驶，气流就会自然地流入凹槽中。

凹槽的缺点一方面在于该凹槽仅在电池装置相对于车辆呈给定取向时起作用。特别地，如果将电池装置安装在车辆下方的不同位置处，则该凹槽可能不再发挥作用。

凹槽的缺点另一方面在于无论外部温度和电池温度如何对该电池装置的冷却都会一直进行。如果天气很冷，这可能会对电池的运行产生不利影响。

本发明的目的是提供一种用于电池的壳体装置，该壳体装置克服了上述缺点并且改进了从现有技术中已知的壳体装置。特别地，本发明使得可以生产冷却有效性几乎不受装置位置影响的壳体装置。根据另一方面，本发明使得可以生产使得可以避免对不需要冷却的电池进行冷却的壳体装置。

根据本发明，一种用于电池、尤其是用于机动车辆的电池的壳体装置包括设置有多个钉状物的面、尤其是设置有钉状物的阵列的面。

该面可以是平坦的或基本上平坦的和/或该面可以是水平的或基本上水平的。

这些钉状物可以垂直于或基本上垂直于该面延伸。

这些钉状物的纵向尺寸可以大于1mm、尤其是在5mm到30mm之间、优选地约为10mm，和/或这些钉状物的横向尺寸可以在3mm到20mm之间、尤其是在5mm到10mm之间、优选地约为6mm。

这些钉状物可以各自具有圆柱形或基本上圆柱形的形状。

该钉状物阵列可以是规则阵列、尤其是基于菱形或三角形或正方形或矩形图案的规则阵列。

这些钉状物可以通过肋、尤其是被组织成平行于第一方向和/或第二方向和/或第三方向的肋连接。

这些肋的高度可以小于这些钉状物的纵向尺寸的0.5倍。

该装置可以包括用于修改该多个钉状物对流体流、尤其是空气流的暴露的元件。

该暴露修改元件可以包括用于移动设置有该多个钉状物的面的至少一个致动器。

该暴露修改元件可以包括用于相对于设置有该多个钉状物的面移动翻板的至少一个致动器。

该翻板可以平移或旋转移动。

该翻板可以围绕与这些钉状物延伸的方向垂直的轴线旋转移动或者围绕与这些钉状物延伸的方向平行的轴线旋转移动。

根据本发明，一种组件包括电池和如以上所限定的壳体装置。

根据本发明，一种机动车辆底盘或车身外壳包括如以上所限定的壳体装置和/或如以上所限定的组件。

根据本发明，一种机动车辆包括如以上所限定的壳体装置和/或如以上所限定的组件和/或如以上所限定的底盘或车身外壳。

附图通过示例的方式描绘了壳体装置的四个实施例。

图1示意性地描绘了机动车辆的第一实施例。

图2示意性地描绘了机动车辆的第二实施例。

图3示意性地描绘了机动车辆的第三实施例。

图4示意性地描绘了机动车辆的第四实施例。

图5是可以用于这些实施例中的任何一个的电池壳体的示例的仰视图。

图6是图5的一部分的详细视图。

在下文中参考图1、图5和图6描述了机动车辆100的第一实施例。

车辆通常沿直线移动的方向被定义为纵向方向X。按照惯例，垂直于纵向方向X、位于平行于水平地面的平面中的方向称为横向方向Y。垂直于其他两个方向的第三方向称为竖直方向Z。

车辆优选地是电动型或混合动力型车辆。因此，车辆优选地包括用于驱动该车辆的驱动马达和用于为该马达供电的电池20。

电池有利地是具有多个电池单元的电池、尤其具有多个锂离子类型的电池单元的电池。

车辆包括组件30，该组件包括电池20和旨在包含该电池的壳体装置1。壳体装置例如由两个部分2和3、尤其是连结在一起的两个半壳制成。壳体装置使得可以保护电池不受车辆所在环境的影响。然而，壳体装置还应允许电池与该环境之间的热量传递，使得电池在被使用并发热时可以被冷却。

车辆还包括底盘10或车身外壳。该底盘或车身外壳有利地包括壳体装置1，因为电池有利地被安装在该底盘或车身外壳上。

优选地，壳体装置被安装在车辆的车身外壳下方，并且该壳体装置的壁被优化，以确保无论壳体装置相对于车辆行驶时在车辆下方循环的气流的取向如何，在车辆行驶时电池都能被良好地被动冷却。

壳体装置1包括设置有多个钉状物5、尤其是钉状物5的阵列的面4，即，其上设置有多个钉状物5、尤其是钉状物5的阵列的面4。

该面优选地包括几百个钉状物，例如在100个钉状物到1000个钉状物之间、尤其是约500个钉状物或600个钉状物或700个钉状物。可替代地或另外地，钉状物的表面密度可以在每平方米1500个钉状物到每平方米15000个钉状物之间、尤其是约每平方米8000个钉状物。两个相邻钉状物之间的中心间距在1mm到20mm之间、优选地在5mm到15mm之间，例如等于或约等于10mm。

面4优选地是壳体装置的底面。一旦该装置已经被固定到车身外壳或底盘的其余部分，面4就会有利地被水平或基本上水平地定向。一旦该装置已经被固定到车身外壳或底盘的其余部分，面4就会有利地位于车身外壳或底盘下方。

优选地，除了该面上设置的钉状物和任何肋之外，该面是平坦的或基本上平坦的。换言之，不同钉状物的尖端和/或基部位于平坦或基本上平坦的表面上。该表面也可以略微凹陷或凸出。例如，该面的曲率半径大于0.5m。

面4的功能之一是使得电池与壳体装置的外部环境、尤其是车辆的车身外壳下方的环境之间可以进行良好的热交换。这需要面4与壳体装置的外部环境之间的热交换系数良好。

当车辆行驶时，空气流F主要在车辆的纵向方向X上相对于车辆移动。在车辆下方(壳体装置优选地安装在此)尤其如此。

因此，空气流F优选地平行于或基本上平行于面4。

壳体装置可以包括设置有钉状物的多个面或其上布置有钉状物的多个面。

在全文中，“钉状物”应理解为材料凸出部或凸台或螺柱形结构，其目的是增大热交换表面。

优选地，钉状物垂直于或基本上垂直于它们所布置的面4延伸。钉状物沿垂直于或基本上垂直于面4的轴线z延伸。轴线z构成钉状物的纵向方向。

优选地，钉状物各自具有圆柱形或基本上圆柱形的形状、尤其是呈回转圆柱体的形状。在全文中，术语“圆柱形”优选地应理解为具有该术语的数学含义，也就是说，表征具有由母线(平行于轴线z)产生的表面并且位于封闭轮廓上的形状。

另外地或可替代地，钉状物可以是大致圆锥形的。例如，钉状物的横向尺寸可以朝向其自由端或远端减小。

可替代地，钉状物可以具有任何其他形状、尤其是螺旋形状。

优选地，钉状物的纵向尺寸大于1mm、尤其是在5mm到30mm之间、优选地为约10mm。

另外，优选地，钉状物的横向尺寸在3mm到20mm之间、尤其是在5mm到10mm之间、优选地为约6mm。

热交换表面的形状应与车身外壳下方的空气动力学场相对应，而不会另外对车辆的整体空气动力学(Cx)产生不利影响。

为了处理该多个可能的位置并满足对壳体装置的安装形态的需求，壳体装置在面4上包括各向同性装置，该各向同性装置被优化以使与外部环境的对流交换最大化。

优选地，钉状物的阵列是规则阵列、尤其是基于基本菱形或三角形或正方形或矩形图案的规则阵列。

这种阵列的优点在于其各向同性或准各向同性的性质，这使得无论壳体装置相对于车辆的竖直轴线Z的取向如何都可以维持壳体装置的被动冷却的有效性。

通过热计算来确定面4的尺寸。具体地，根据所采用的冷却策略，热平衡使得可以推断出表征周围环境与壳体装置的壁之间的界面的热电阻Rth的目标值。该电阻Rth可以用以下方式表示：

Rth＝1/(h×S)

其中，

h(W/m²/K)是面与环境之间的对流系数；并且

S(m²)是面-环境界面的热交换面积。

对流系数h取决于车辆的速度v以及车身外壳的结构。

假设平均对流系数与速度成正比，则可以确定热交换表面S。

然后可以设计若干种形状的壁以实现期望的热交换表面。在大多数情况下，需要在该表面上添加凸起部以实现设定的目标。然而，这必须允许空气流以适当的方式经过——即，完全“扫射(spray)”表面，以便成为实际有效的。另外，适当要记住的是，该表面需要尽可能少地扰乱车身外壳下方的流和车辆的整体空气动力学。最后，必须注意离地间隙。

例如，考虑所有这些限制和以上所述的尺寸，实现具有以下特性的面4实施例。

钉状物的数量：617

钉状物的高度：10mm

钉状物的直径：6mm

有利地，还可以在面4上创建没有钉状物的局部区域，以便局部地增加湍流并因此改善热交换系数。

优选地，通过肋6连接钉状物。这些肋在面4上实现。例如，肋被组织成平行于第一方向D1和/或平行于第二方向D2和/或平行于第三方向。

有利地，肋的高度(沿轴线z测量)小于钉状物的纵向尺寸0.5倍。

下面分别参考图2、图5和图6，图3、图5和图6以及图4、图5和图6来描述机动车辆100的三个其他实施例。

在这三个其他实施例中，车辆与第一实施例的不同之处在于，壳体装置包括用于修改多个钉状物对流体流F、尤其是空气流、尤其是车辆的车身外壳下方的空气流的暴露的元件11、12、13。

具体地，利用本文中描述的解决方案，通过将电池壳体装置放置在车辆周围的空气流中来使电池被动地冷却。因此，电池的运行取决于外部条件(温度、湿度等)以及空气流。尽管这在大多数情况下是有益的，但在外部温度较冷(＜5℃)的情况下，在行驶期间电池长时间暴露在环境空气流中可能对电池的性能不利(电池温度降低时，电池的内部电阻会增加)。

为了回避这个缺点，可以借助于用于修改多个钉状物对流体流F的暴露的元件11、12、13，在流F低于特定温度和/或电池低于特定温度的情况下使面4更少地暴露于流。换言之，可以通过修改元件来调节流F的强度。

下面参考图2、图5和图6来描述机动车辆100的第二实施例。在该第二实施例中，车辆与第一实施例的不同之处在于，壳体装置包括用于修改对流F的暴露的元件11，该元件包括用于使设置有多个钉状物的面移动的至少一个致动器11。

该至少一个致动器可以包括一个或多个(液压或机械)缸。因此，可以相对于底盘或车身外壳的其余部分19竖直地调整或修改壳体装置的位置，从而改变壳体装置对流F的暴露。如果必要的话，可以将壳体装置完全提升到车辆中，以使该壳体装置最大程度地与流F隔离开。

下面参考图3、图5和图6来描述机动车辆100的第三实施例。在该第三实施例中，车辆与第一实施例的不同之处在于，壳体装置包括用于修改对流F的暴露的元件11，该元件包括可平移或旋转移动的至少一个翻板12。

因此，壳体装置包括用于相对于设置有多个钉状物的面4移动该至少一个翻板12、13的致动器121。

例如，该至少一个翻板可围绕平行于或基本上平行于面4的轴线旋转移动。

可替代地，该至少一个翻板可平行于轴线z移动。

下面参考图4、图5和图6来描述机动车辆100的第四实施例。在该第四实施例中，车辆与第一实施例的不同之处在于，壳体装置包括用于修改对流F的暴露的元件11，该元件包括可围绕与钉状物延伸的方向z平行的轴线132旋转移动的至少一个翻板12。

上述解决方案的优点如下：

-电池被动地冷却，即，无需使用设置有循环器的冷却回路。被动冷却使得可以限制重量、不会消耗使冷却液体循环的能量、限制成本，并且最后还能提高可靠性；

-壳体装置定位在车辆的内部空间外部，因而(用于车辆的其他系统或乘客的)空间增大；

-电池是易于触及的，因而易于维护；

-无需流体引导装置；

-已经描述了底盘下方或车身外壳下方的解决方案。然而，仍可以设想在车辆的车顶上、尤其是在有空气流经的车顶箱中的解决方案。

Claims (22)

1.一种用于电池(20)的壳体装置(1)，该壳体装置包括设置有多个钉状物(5)的面(4)，

其中，该壳体装置包括用于修改该多个钉状物对流体流(F)的暴露的暴露修改元件，

其中，该暴露修改元件包括用于移动设置有该多个钉状物的面的至少一个致动器。

2.如权利要求1所述的壳体装置，其特征在于，所述电池是机动车辆(100)的电池。

3.如权利要求1所述的壳体装置，其特征在于，所述面(4)是设置有钉状物(5)的阵列的面。

4.如权利要求1所述的壳体装置，其特征在于，该面是平坦的或基本上平坦的和/或该面是水平的或基本上水平的。

5.如权利要求1至4之一所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物垂直于或基本上垂直于该面延伸。

6.如权利要求1至4之一所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物的纵向尺寸大于1mm，和/或这些钉状物的横向尺寸在3mm到20mm之间。

7.如权利要求6所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物的纵向尺寸在5mm到30mm之间，和/或这些钉状物的横向尺寸在5mm到10mm之间。

8.如权利要求6所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物的纵向尺寸约为10mm，和/或这些钉状物的横向尺寸约为6mm。

9.如权利要求1至4之一所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物各自具有圆柱形或基本上圆柱形的形状。

10.如权利要求3所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物的阵列是规则阵列。

11.如权利要求10所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物的阵列是基于菱形或三角形或正方形或矩形图案的规则阵列。

12.如权利要求1至4之一所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物通过肋(6)连接。

13.如权利要求12所述的壳体装置，其特征在于，这些钉状物通过被组织成平行于第一方向(D1)和/或第二方向(D2)和/或第三方向的肋连接。

14.如权利要求12所述的壳体装置，其特征在于，这些肋的高度小于这些钉状物的纵向尺寸的0.5倍。

15.如权利要求1至4之一所述的壳体装置，其特征在于，所述流体流(F)是空气流。

16.如权利要求1至4之一所述的壳体装置，其特征在于，该暴露修改元件包括用于相对于设置有该多个钉状物的面移动翻板的至少一个致动器。

17.如权利要求16所述的壳体装置，其特征在于，该翻板可平移或旋转移动。

18.如权利要求17所述的壳体装置，其特征在于，该翻板可围绕与这些钉状物延伸的方向(z)垂直的轴线(122)旋转移动或者围绕与这些钉状物延伸的方向平行的轴线(132)旋转移动。

19.一种组件(30)，该组件包括电池(20)和如权利要求1至18之一所述的壳体装置(1)。

20.一种机动车辆底盘(10)，该机动车辆底盘包括如权利要求1至18之一所述的壳体装置(1)和/或如权利要求19所述的组件。

21.一种车身外壳，该车身外壳包括如权利要求1至18之一所述的壳体装置(1)和/或如权利要求19所述的组件。

22.一种机动车辆(100)，该机动车辆包括如权利要求1至18之一所述的壳体装置(1)和/或如权利要求19所述的组件和/或如权利要求20所述的机动车辆底盘和/或如权利要求21所述的车身外壳。