CN112803098A - 电动化车辆牵引电池组的系统布局 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“电动化车辆牵引电池组的系统布局”。本公开详述了用于电动化车辆中的示例性电池组设计。示例性电池组可以包括容纳一个或多个电池阵列的外壳总成。所述电池阵列可以在所述外壳总成内部相对于彼此有效地布置，以在所述外壳总成内建立开放通道。冷却剂管路和/或电线线路可以被定位在所述开放通道内和/或被布设通过所述开放通道，以便在不增加所述外壳总成的总占据面积的情况下使电池内部部件体积最大化。

Description

电动化车辆牵引电池组的系统布局
技术领域
本公开涉及电动化车辆牵引电池组，并且更具体地，涉及用于使电池内部部件体积最大化的有效电池组内部布局。
背景技术
正在开发降低或完全消除对内燃发动机的依赖的电动化车辆。一般来讲，电动化车辆与常规的机动车辆不同，因为电动化车辆是通过一个或多个电池供电的电机选择性地驱动的。相比之下，常规的机动车辆完全依赖内燃发动机来推进车辆。
高压牵引电池组通常向电动化车辆的电机和其他电负载供电。电池组的外壳总成容纳多个电池内部部件，包括但不限于电池阵列和电池电子部件。这些部件在外壳总成内的低效布局可能不必要地增加电池组的重量和成本。
发明内容
一种根据本公开的示例性方面的电池组尤其包括：外壳总成；第一电池阵列，其容纳在所述外壳总成内；第二电池阵列，其容纳在所述外壳总成内；电池内部结构，其设置在所述外壳总成内的所述第一电池阵列与所述第二电池阵列之间；冷却剂管路，其布设在结构横梁上方；以及电线线路，其布设在所述冷却剂管路上方。
在前述电池组的另一非限制性实施例中，外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且电池内部结构相对于中心纵向轴线垂直地延伸。
在任一前述电池组的另一非限制性实施例中，电池内部结构是刚性横梁，所述刚性横梁连接在外壳总成的一对纵向延伸的侧壁之间。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，第三电池阵列在电池内部结构的第一侧上与第一电池阵列间隔开，第四电池阵列在电池内部结构的第二侧上与第二电池阵列间隔开，并且开放通道在第一电池阵列与第三电池阵列以及第二电池阵列与第四电池阵列之间延伸。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且中心纵向轴线平分开放通道。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，第一电池阵列和第三电池阵列共用第一热交换器板，并且第二电池阵列和第四电池阵列共用第二热交换器板。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，第一热交换器板包括第一端口，并且第二热交换器板包括第二端口。冷却剂管路连接到第一端口和第二端口。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，热界面材料(TIM)设置在第一电池阵列和第三电池阵列与第一热交换器板之间。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，冷却剂管路和电线线路布设在开放通道内。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，安装夹包括安装到电池内部结构的基部、与第一电池阵列接触的第一臂和与第二电池阵列接触的第二臂。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且第一电池阵列和第二电池阵列沿着与中心纵向轴线垂直的轴线延伸。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，电线线路是电池内部电线线路或高压线束。
一种根据本公开的另一个示例性方面的电池组尤其包括：外壳总成，其包括托盘和盖子；热交换器板，其抵靠所述托盘的底板定位；第一行电池阵列，其定位在所述热交换器板附近。第一行电池阵列包括第一电池阵列和与第一电池阵列间隔开的第二电池阵列。开放通道在第一电池阵列与第二电池阵列之间以及在盖子与热交换器板的设置在第一电池阵列与第二电池阵列之间的部段之间延伸。冷却剂管路布设在开放通道内。
在前述电池组的另一非限制性实施例中，冷却剂管路连接到热交换器板的入口端口或出口端口。
在任一前述电池组的另一非限制性实施例中，外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且中心纵向轴线平分开放通道。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，第二热交换器板抵靠托盘的底板定位，第二行电池阵列定位在第二热交换器板附近，并且电池内部结构设置在所述第一行电池阵列与第二行电池阵列之间。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，开放通道的长度沿着外壳总成的中心纵向轴线延伸，并且电池内部结构沿着横向于中心纵向轴线的轴线延伸。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，冷却剂管路在开放通道内布设在电池内部结构上方。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，电线线路在开放通道内布设在冷却剂管路的顶部上方。
在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，电线线路是电池内部电线线路或高压线束。
前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各个方面或相应的单独特征中的任一者)可独立地或以任何组合采用。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非此类特征是不兼容的。
根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得明显。随附于具体实施方式的附图可如下简要地描述。
附图说明
图1示意性地示出了电动化车辆的动力传动系统。
图2示出了电动化车辆的电池组。
图3是图2的电池组的透视图，其中移除了选定部分，以便更好地示出电池组的内部。
图4是图2的电池组的俯视图。
图5是穿过图3的截面5-5的横截面图。
图6是穿过图3的截面6-6的横截面图。
具体实施方式
本公开详述了用于电动化车辆中的示例性电池组设计。示例性电池组可以包括容纳一个或多个电池阵列的外壳总成。电池阵列可以在外壳总成内相对于彼此有效地布置，以在外壳总成内建立开放通道。冷却剂管路和/或电线线路可以被定位在开放通道内和/或被布设通过开放通道，以便在不增加外壳总成的总占据面积的情况下使电池内部部件体积最大化。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论了这些和其他特征。
图1示意性地示出了用于电动化车辆12的动力传动系统10。虽然被描绘为混合动力电动车辆(HEV)，但是应理解，本文描述的概念并不限于HEV并且可以延伸到其他电动化车辆，包括但不限于：插电式混合动力电动车辆(PHEV)、电池电动车辆(BEV)、燃料电池车辆等。
在一个实施例中，动力传动系统10是采用第一驱动系统和第二驱动系统的动力分流式动力传动系统。第一驱动系统包括发动机14和发电机18(即，第一电机)的组合。第二驱动系统至少包括马达22(即，第二电机)、发电机18和电池组24。在该示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统10的电驱动系统。第一驱动系统和第二驱动系统各自能够产生扭矩以驱动电动化车辆12的一组或多组车辆驱动轮28。尽管图1中描绘了动力分流式配置，但是本公开扩展到任何混合动力或电动车辆，包括完全混合动力、并联式混合动力、串联式混合动力、轻度混合动力或微混合动力。
发动机14(其可以是内燃发动机)和发电机18可以通过动力传递单元30(诸如行星齿轮组)来连接。当然，可以使用其他类型的动力传递单元(包括其他齿轮组和变速器)来将发动机14连接到发电机18。在非限制性实施例中，动力传递单元30是行星齿轮组，所述行星齿轮组包括环形齿轮32、中心齿轮34和齿轮架总成36。
发电机18可以由发动机14通过动力传递单元30来驱动，以将动能转化成电能。发电机18可以替代地用作马达以将电能转化成动能，由此将扭矩输出到连接到动力传递单元30的轴38。由于发电机18操作地连接到发动机14，因此发动机14的转速可以由发电机18控制。
动力传输单元30的环形齿轮32可以连接到轴40，所述轴40通过第二动力传输单元44连接到车辆驱动轮28。第二动力传递单元44可以包括具有多个齿轮46的齿轮组。其他动力传递单元也可以是合适的。齿轮46将扭矩从发动机14传递到差速器48，以最终向车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可以包括使得扭矩能够传递到车辆驱动轮28的多个齿轮。在非限制性实施例中，第二动力传递单元44通过差速器48机械地联接到车桥50，以将扭矩分配到车辆驱动轮28。
马达22还可以用于通过将扭矩输出到轴52来驱动车辆驱动轮28，所述轴也连接到第二动力传递单元44。在非限制性实施例中，马达22和发电机18作为再生制动系统的一部分协作，其中马达22和发电机18都可以用作马达来输出扭矩。例如，马达22和发电机18可以各自向电池组24输出电力。
电池组24是示例性电动化车辆电池。电池组24可以是高压牵引电池，其包括多个电池阵列25(即，电池总成或电池单元组)，所述多个电池阵列25能够输出电力以操作马达22、发电机18和/或电动化车辆12的其他电负载，以用于提供动力来推进车轮28。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可以用于向电动化车辆12供电。
在一个实施例中，电动化车辆12具有两种基本操作模式。电动化车辆12可以在使用马达22(通常没有来自发动机14的辅助)进行车辆推进的电动车辆(EV)模式下操作，从而消耗电池组24的荷电状态直到其在某些驾驶模式/循环下的最大可允许放电率。EV模式是电动化车辆12的电荷消耗操作模式的示例。在EV模式期间，电池组24的荷电状态在一些情况下可以增加，例如由于一段时间的再生制动。发动机14在默认EV模式下通常是关断的，但可以根据需要基于车辆系统状态或在操作员允许的情况下操作。
电动化车辆12可以另外在混合动力(HEV)模式下操作，在所述HEV模式下，发动机14和马达22两者都用于车辆推进。HEV模式是电动化车辆12的电荷维持操作模式的示例。在HEV模式期间，电动化车辆12可以减少马达22的推进使用，以便通过增加发动机14的推进来将电池组24的荷电状态维持在恒定或大致恒定的水平。在本公开的范围内，电动化车辆12可以在除了EV模式和HEV模式之外的其他操作模式下操作。
图2和图3示出了可以在诸如图1的电动化车辆12的电动化车辆内采用的电池组24。电池组24的高度示意的正视图在图2中示出，并且电池组24的透视图在图3中示出。电池组24的各部分(例如，盖子64)在图3中被移除以更好地可视化电池组24的内部内容物。
电池组24可以容纳多个电池单元56，所述多个电池单元存储用于为电动化车辆12的各种电负载供电的能量。在本公开的范围内，电池组24可以采用任意数量的电池单元56。因此，本公开不限于图2至图3所示的确切配置。
电池单元56可以沿着一个或多个堆叠轴线并排堆叠，以构建成组的电池单元56，有时称为“电池堆”或“电池阵列”。在一个实施例中，电池单元56为棱柱形锂离子电池。然而，在本公开的范围内，可以替代地使用具有其他几何形状(圆柱形、袋形等)、其他化学物质(镍金属氢化物、铅酸等)或两者的电池单元。
每组的电池单元56连同任何支撑结构(例如，阵列框架、间隔物、轨道、壁、板、结合件等)可以统称为电池总成或电池阵列25。图3中描绘的电池组24包括四行(标记为行R1、R2、R3和R4)的两个横向相邻的电池阵列25，以实现总共八个电池阵列25。两个相邻的电池阵列25的另外的行R5(即，第二层)可以堆叠在行R1至R4中的至少一者的顶部上(如图所示，行R5堆叠在行R4的顶部上)，以实现总共十个电池阵列25。然而，电池组24可以包括更多或更少数量的电池阵列，并且仍然落在本公开的范围内。
外壳总成60可以容纳电池组24的每个电池阵列25。外壳总成60可以沿着中心纵向轴线A1延伸并且可以包括托盘62和盖子64。外壳总成60可以包括本公开范围内的任何大小、形状和配置。
托盘62可以包括一对纵向延伸的侧壁66、一对横向延伸的侧壁68以及设置在所述一对纵向延伸的侧壁66与所述一对横向延伸的侧壁68之间的底板70。纵向延伸的侧壁66可以与中心纵向轴线A1平行地延伸，并且横向延伸的侧壁68可以大致垂直于中心纵向轴线A1延伸。当安装到电动化车辆12时，托盘62的纵向延伸的侧壁66与电动化车辆12的从前到后的长度平行地延伸，并且横向延伸的侧壁68与电动化车辆12的横向宽度平行地延伸。
在一个实施例中，外壳总成60是密封的外壳。例如，在组装期间，电池阵列25可以相对于彼此布置在托盘62内，然后盖子64可以固定地固定到托盘62以将电池阵列25密封在其中。
电池阵列25的每一行R1至R4可以包括热交换器板72，所述热交换器板有时被称为冷板或冷板总成。因此，在示例性实施例中，每一行R1至R5的两个电池阵列25共用共同的热交换器板72。每一行R1至R5的电池阵列25可以相对于热交换器板72定位，使得电池单元56与它们的相应热交换器板72直接接触或紧邻。在一个实施例中，热交换器板72抵靠托盘62的底板70定位，并且电池阵列25定位在热交换器板72的顶部上。
在另一个实施例中，热界面材料(TIM)74(在图2中示意性地示出)可以任选地定位在电池阵列25与热交换器板72之间，使得电池单元56的暴露表面与TIM 74直接接触。TIM74保持电池单元56与热交换器板72之间的热接触，从而在热传递事件期间增加这些相邻部件之间的热导率。TIM 74可以由任何已知的导热材料制成。在一个实施例中，TIM 74包括环氧树脂。在另一个实施例中，TIM 74包括基于硅树脂的材料。其他材料，包括但不限于热油脂，可以替代地或另外地构成TIM 74。
热交换器板72可以是被配置用于热管理每个电池阵列25的电池单元56的液体冷却系统的一部分。例如，在充电操作、放电操作、极端环境条件或其他条件期间，电池单元56可以生成并释放热量。可能期望从电池阵列25移除热量以改善电池单元56的容量、寿命和性能。热交换器板72被配置为将热量导出电池单元56。换句话说，热交换器板72可以操作作为散热器以从热源(即，电池单元56)中移除热量。热交换器板72可以替代地用于诸如在极冷环境条件期间加热电池单元56。
在一个实施例中，每个热交换器板72包括入口端口58和出口端口59。入口端口58和出口端口59可以从热交换器板72的部段99向外突出，所述部段在每一行R1至R5的相邻电池阵列25之间延伸。液体(诸如冷却剂)可以通过入口端口58传送到热交换器板72中，并且可以通过出口端口59从热交换器板72排出。
现在主要参考图3至图4，电池内部结构76(诸如相对刚性的横梁)可以定位在电池阵列25的每个相邻行之间。通常，电池内部结构76为电池组24增加刚性，并且如下面关于图5进一步讨论的，建立用于相对于托盘62固定电池阵列25的安装点。
在一个实施例中，一个电池内部结构76设置在电池阵列25的行R1与R2之间，另一个电池内部结构76设置在行R2与R3之间，并且又一个电池内部结构76设置在行R3与R4之间，以实现设置在外壳总成60内的总共三个电池内部结构76。然而，设置在外壳总成60内部的电池内部结构76的总数量不意图限制本公开。
电池内部结构76可以连接在托盘62的纵向延伸的侧壁66之间，并且因此在所示实施例中以车辆横向取向布置。在一个实施例中，电池阵列25和电池内部结构76两者都沿着轴线A2(见图4)延伸，所述轴线A2大致垂直于外壳总成60的中心纵向轴线A1。
每一行R1至R4的相邻电池阵列25可以彼此间隔开，以建立沿着托盘62的中心延伸的开放通道78。开放通道78可以在相邻的电池阵列25的端板80之间水平地延伸，并且可以在热交换器板72的上表面82和盖子64(见例如图6)的内表面84之间竖直地延伸。在一个实施例中，开放通道78沿着中心纵向轴线A1延伸，使得开放通道78的中心线轴线与中心纵向轴线A1重合。在另一个实施例中，中心纵向轴线A1平分开放通道78。热交换器板72的入口端口58和出口端口59以及电池内部结构76的各部分可以在开放通道78内延伸，但不会完全阻塞开放通道78，因为这些结构比电池阵列25更短。如下面关于图6进一步讨论的，各种附加的电池内部部件可以通过开放通道78布设，以便更好地利用该空间以提高电池组24的总体包装效率。
参考图5，电池内部结构76可以提供安装表面，用于相对于外壳总成60的托盘62安装电池阵列25。该安装连接可以通过使用一个或多个安装夹86来实现，所述一个或多个安装夹可以定位在相邻行R1至R4的相邻电池阵列25之间。
安装夹86可以被配置为施加夹紧载荷L，用于相对于外壳总成60保持电池阵列25。在一个实施例中，每个安装夹86在竖直方向上(即，沿着相对于电池组24的z轴)施加夹紧载荷L。因此，安装夹86可以抵抗电池阵列25在z轴方向上的移动，以相对于外壳总成60的托盘62保持电池阵列25。
在一个实施例中，安装夹86由诸如尼龙等塑性材料制成。在另一个实施例中，安装夹86由诸如钢等金属材料制成。在本公开的范围内，也可预期其他材料。
每个安装夹86可以固定地固定到电池内部结构76中的一者。一个或多个紧固件88(诸如带螺纹的紧固件)可以插入穿过安装夹86的基部90并进入电池内部结构76中，以将电池阵列25保持在外壳总成60内。从安装夹86的基部90延伸的臂92可以或可以不固定地固定到电池阵列25中的任一者。在任一情况下，安装夹86被设计成相对于电池阵列25的顶部表面保持夹紧载荷。
图6是穿过图3的截面6-6的横截面图，并且以横截面示出了外壳总成60的开放通道78的各部分。一个或多个冷却剂管路94可以被布设通过由开放通道78建立的空间。在开放通道78内布设的冷却剂管路94的总数量并不旨在限制本公开。冷却剂管路94可以在开放通道78内布设在电池内部结构76的顶部上方。
在一个实施例中，冷却剂管路94中的一者可以连接在电池阵列25的行R1的热交换器板72(即，第一热交换器板)的出口端口59与电池阵列25的行R2的热交换器板72(即，第二热交换器板)的入口端口58之间，以便流体地连接热交换器板72。流体F可以在冷却剂管路94内在热交换器板72之间传送，以用于热管理电池阵列25的电池单元56。
一根或多根电线线路96也可以布设在开放通道78内。在开放通道78内布设的电线线路96的总数量并不旨在限制本公开。电线线路96可以布设在开放通道78的在电池阵列25的上表面与外壳总成60的盖子64的内表面84之间延伸的一部分内。因此，在该实施例中，电线线路96布设在冷却剂管路94的顶部上方。
电线线路96可以包括任何类型的电池布线。在一个实施例中，电线线路96是电池内部电线线路，所述电池内部电线线路连接到电池能量控制模块和/或电池电子控制器以监测电池阵列25的电池单元56的健康状况。在另一个实施例中，电线线路96是用于将电池组24连接到高压装置(诸如电动化车辆12的电动马达或发电机)的高压线束。
本公开的示例性电池组包含有效的内部布局，用于在不增加电池组的整体尺寸的情况下使电池内部部件体积最大化。所述有效的内部布局包含策略性定位的电池内部硬件，用于建立开放通道，各种附加的电池内部部件可以通过所述开放通道来布设。有效的内部布局减少了与电池组相关联的重量和成本，从而导致提高的电动化车辆性能、可行驶里程和客户满意度。
尽管不同的非限制性实施例被示出为具有特定的部件或步骤，但本公开的实施例不限于那些特定组合。将来自非限制性实施例中的任一个的部件或特征中的一些与来自其他非限制性实施例中的任一个的特征或部件结合使用是可能的。
应理解，相同的附图标记在全部若干附图中表示相应或类似的元件。应理解，尽管在这些示例性实施例中公开和示出了特定的部件布置，但是其他布置也可受益于本公开的教导。
前面的描述应被解释为说明性的而非任何限制意义。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可以出现一些修改。由于这些原因，应研究所附权利要求来确定本公开的真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种电池组，其包括：
外壳总成；
容纳在所述外壳总成内的第一电池阵列；
容纳在所述外壳总成内的第二电池阵列；
电池内部结构，所述电池内部结构设置在所述外壳总成内的所述第一电池阵列与所述第二电池阵列之间；
冷却剂管路，所述冷却剂管路布设在结构横梁上方；以及
电线线路，所述电线线路布设在所述冷却剂管路上方。
2.如权利要求1所述的电池组，其中所述外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且所述电池内部结构相对于所述中心纵向轴线垂直地延伸。
3.如权利要求1或2所述的电池组，其中所述电池内部结构是刚性横梁，所述刚性横梁连接在所述外壳总成的一对纵向延伸的侧壁之间。
4.如任一前述权利要求所述的电池组，其包括：
第三电池阵列，所述第三电池阵列在所述电池内部结构的第一侧上与所述第一电池阵列间隔开；
第四电池阵列，所述第四电池阵列在所述电池内部结构的第二侧上与所述第二电池阵列间隔开；以及
开放通道，所述开放通道在所述第一电池阵列与所述第三电池阵列以及所述第二电池阵列与所述第四电池阵列之间延伸，
并且任选地，其中所述外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且所述中心纵向轴线平分所述开放通道。
5.如权利要求4所述的电池组，其中所述第一电池阵列和所述第三电池阵列共用第一热交换器板，并且所述第二电池阵列和所述第四电池阵列共用第二热交换器板，并且任选地，其中所述第一热交换板包括第一端口，并且所述第二热交换器板包括第二端口，其中所述冷却剂管路连接到所述第一端口和所述第二端口，并且任选地，所述电池组包括设置在所述第一电池阵列和所述第三电池阵列与所述第一热交换器板之间的热界面材料(TIM)。
6.如权利要求4所述的电池组，其中所述冷却剂管路和所述电线线路布设在所述开放通道内。
7.如任一前述权利要求所述的电池组，其包括安装夹，所述安装夹包括安装到所述电池内部结构的基部、与所述第一电池阵列接触的第一臂和与所述第二电池阵列接触的第二臂。
8.如任一前述权利要求所述的电池组，其中所述外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且所述第一电池阵列和所述第二电池阵列沿着与所述中心纵向轴线垂直的轴线延伸。
9.如任一前述权利要求所述的电池组，其中所述电线线路是电池内部电线线路或高压线束。
10.一种电池组，其包括：
外壳总成，所述外壳总成包括托盘和盖子；
热交换器板，所述热交换器板抵靠所述托盘的底板定位；
第一行电池阵列，所述第一行电池阵列定位在所述热交换器板附近，
其中所述第一行电池阵列包括第一电池阵列和与所述第一电池阵列间隔开的第二电池阵列；
开放通道，所述开放通道在所述第一电池阵列与所述第二电池阵列之间以及在所述盖子与所述热交换器板的设置在所述第一电池阵列与所述第二电池阵列之间的部段之间延伸；以及
冷却剂管路，所述冷却剂管路布设在所述开放通道内。
11.如权利要求10所述的电池组，其中所述冷却剂管路连接到所述热交换器板的入口端口或出口端口。
12.如权利要求10或11所述的电池组，其中所述外壳总成沿着中心纵向轴线延伸，并且所述中心纵向轴线平分所述开放通道。
13.如权利要求10至12中任一项所述的电池组，其包括：
第二热交换器板，所述第二热交换器板抵靠所述托盘的所述底板定位；
第二行电池阵列，所述第二行电池阵列定位在所述第二热交换器板附近；以及
电池内部结构，所述电池内部结构设置在所述第一行电池阵列与所述第二行电池阵列之间，
并且任选地，其中所述开放通道的长度沿着所述外壳总成的中心纵向轴线延伸，并且所述电池内部结构沿着横向于所述中心纵向轴线的轴线延伸。
14.如权利要求13所述的电池组，其中所述冷却剂管路在所述开放通道内布设在所述电池内部结构上方。
15.如权利要求14所述的电池组，其包括在所述开放通道内布设在所述冷却剂管路的顶部上方的电线线路，并且任选地，其中所述电线线路是电池内部电线线路或高压线束。
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