CN112930620A - 方法和设备 - Google Patents

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CN112930620A CN201980065972.XA CN201980065972A CN112930620A CN 112930620 A CN112930620 A CN 112930620A CN 201980065972 A CN201980065972 A CN 201980065972A CN 112930620 A CN112930620 A CN 112930620A
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battery
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大卫·桑德尔斯
杰森·罗维尔
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Abstract

电气设备包括用于为所述设备供电的电池，所述电池包括多个细长的电池单元，所述多个细长的电池单元中每一个包括电池体、设置在所述多个电池单元的第一端的正极电连接件和负极电连接件，所述多个电池单元在对应的第一端通过所述连接件电连接在一起；以及冷却剂流体系统，所述冷却剂流体系统设置成使流过所述多个电池单元的电池体的冷却剂流体流向所述多个电池单元的第一端。

Description

方法和设备
技术领域
本发明涉及方法和设备，尤其涉及一种电池，电池的冷却以及电池冷却的方法，它们在包含有电机的设备(例如交通工具)中可能有特别的实用性。
背景技术
可充电电池通常用于许多技术中，例如在公路和非公路上使用的电动或混合动力交通工具中。例如，可充电电池经常用于汽车应用(在高速公路上)，海上应用(在高速公路外)，仓库环境(例如，与诸如叉车和自动驾驶车辆之类的物料搬运设备一起使用)。
高性能电池在使用中会产生大量的热量，并且此类电池的性能和寿命可能会受到温度的不利影响。当电池必须非常快速地进行充电和放电时，会出现更严重的问题。高电流会产生热量。
这种高性能电池还容易受到机械损坏。例如，如果电池单元的壳体破裂和/或将多余的导电材料引入电池单元中(例如，电池被金属物体刺穿)，可能会导致安全隐患。另外，需要去保护电池的电连接以防止电击和短路。因此，高性能电池单元通常被封装在坚固的壳体中。然而，这将进一步加剧了温度控制的问题。
发明内容
本申请的各方面旨在至少部分地解决上述技术问题。特别地，它们旨在改善电池的冷却，并以改善电池控制和寿命的方式进行冷却。
本申请的实施例可通过在引导相同的冷却剂流体流过加热速率较高的电池的各部分之前，先将所述冷却剂流体提供到通常散发较少热量的电池的那些部分。
一方面，提供了一种电气设备，其包括：
电池，用于为所述设备供电，所述电池包括多个细长的电池单元，所述多个细长的电池单元中每一个包括电池体、设置在所述多个电池单元的第一端的正极电连接件和负极电连接件，所述多个的电池单元在对应的第一端通过所述连接件电连接在一起；以及
冷却剂流体系统，设置成使流过所述多个电池单元的电池体的冷却剂流体流向所述多个电池单元的第一端，从而可以降低整个电池的温度梯度。如此，与处于相同平均温度的电池相比，电池的电池单元的老化和退化可以减少，但是整个电池温度的区域差异程度更大。温度梯度的影响在细长的电池单元(例如平板状等扁平状的电池单元)上尤其明显。当正极电连接件和负极电连接件同时提供于电池单元的第一端时(例如，设置在细长的电池单元的同一小表面上，其中，该细长的电池单元可以是平板状的)，温度梯度的影响还是明显的。
本申请的冷却剂流体系统可以使所述冷却剂流体从电池单元的第二端流出，其中，所述第二端与提供有正极电连接件和负极电连接件的第一端相对。如此，所述冷却剂流体可以流过电池单元的电池体，从而在其流过所述电连接件之前冷却电池体。
本申请的设备可以包括设置在第一端的多个热导体，所述热导体用于向所述冷却剂流体提供来自所述电池单元的热流。这些热导体可以比电池单元的外壳具有更高的热导率。这些热导体可以进一步在所述多个电池单元之间传导电流的流动，例如从一个电池单元的正极电连接件到另一电池单元的负极电连接件。
电池可以包括封装所述多个电池单元的刚性的壳体。所述壳体可以由弹性防水材料制成，例如坚硬的工程塑料，例如玻璃填充的聚碳酸酯或尼龙。
所述壳体可以完全包围所述多个电池单元，并且可以包括流出孔，所述流出孔用于供所述冷却剂流体从所述壳体邻近所述多个电池单元的第一端的位置处流出。所述多个电池单元一起排列在一个堆栈中，其中，所述壳体设置有从所述电池单体的第二端到第一端且穿过所述堆栈的顶面的具有规则横截面的流体管道。这可以促进穿过所述电池单元的电池体的冷却剂的层流，从而增加所述电连接件上的冷却剂的体积流率，从而改善冷却。湍流也可能存在，特别是在电池单元的第一端，例如在所述电连接件上可能存在湍流。
所述流出孔可以设置成从所述流体管道中将所述冷却剂流体向下引出，并穿过所述多个电连接件。例如，所述流出孔可以包括至少一个通气孔，所述至少一个通气孔设置在所述壳体邻近所述第一端的腔壁的下半部上。
所述壳体可以进一步包括流入孔，所述流入孔用于供所述冷却剂流体流入所述壳体邻近所述多个电池单元的与所述第一端相对的第二端的位置处。所述流入孔可以设置为提供冷却剂流体，以使所述冷却剂流体穿过所述电池体的第二端，并沿所述流体管道向上流动。例如，所述流入孔可以包括至少一个通气孔，所述流入孔可设置在所述壳体邻近所述第二端的腔壁的下半部上。
其中一个所述多个电池单元的第一端设置有温度传感器。例如，所述温度传感器可以固定于所述电池的导电件(例如铜)，且与所述电池单元的正极电连接件和负极电连接件位于所述电池的同一端。例如，每个所述电池单元在所述正极电连接件件和所述负极电气连接件之间固定设置有一个所述温度传感器。
为了监视和控制所述电池的性能，并执行诸如电池单元平衡之类的电池充电和放电控制，可以在所述壳体内部设置电池管理系统(BMS)。所述电池管理系统可以至少部分地设置在所述壳体邻近所述电池端子的第一端处。例如，诸如温度传感器之类的测量传感器可以形成BMS的一部分，并且可以设置在所述电池单元的第一端。另外，所述电池管理系统和/或电池的其他控制/通信电子设备可以设置在所述电池的壳体的内表面中的凹槽中。这些电子设备的组件可以承载在PCB上，而所述PCB可能会占据大部分凹槽。所述凹槽可以设置以使得流过所述电池单元的冷却剂也会在凹槽中的这些组件之间转移(例如，凹槽中的PCB后面)。所述冷却剂可能在到达所述电池单元的第一端之前流经这些组件。这些组件可以包括用于电池单元平衡(例如，用于控制平衡并传递在平衡中使用的耗散电流)的电压控制的阻抗和/或电阻器。
所述设备还可以用于基于从所述温度传感器所获得的信号来控制所述多个电池单元的充电和/或放电。这种功能也可以由所述电池管理系统执行。
所述冷却剂流体的流速也可以基于来自所述传感器的信号来控制。例如，在提供风扇驱动所述冷却剂的情况下，可以基于温度来控制风扇的速度。
本申请的实施例可以提供一种电动交通工具(例如电动或混合动力交通工具)，以在公路上和非公路上使用。例如，本文描述的电池可以被连接以为用于使交通工具移动的牵引电动机供电。这样的交通工具可以用于汽车应用(在高速公路上)，海上应用(在高速公路外)，仓库环境(例如，与诸如叉车和自动驾驶车辆之类的物料搬运设备一起使用。因此，可以理解地，所述电池可以为辅助致动器系统提供动力，例如用于在仓库，配送中心或其他此类设施中操纵和/或运送物料的升降机或抓斗。
可以理解地，在本申请的上下文中，本文描述的方法和设备可以涉及电池，所述电池的电池模块包括单个电池单元，或者，所述电池的每一个电池模块包括多个通过串联和/或并联连接在一起的独立的电池单元。例如，本文描述的一些电池模块包括4个电池单元，其中，所述4个电池单元设置成两个并联的每两个所述电池单元串联的电池串，这些电池单元可以一起封装在同一所述壳体中以组成模块。所述外壳可以是不透液体的，也可以是不透气的。
本文公开的任何示例的任何特征可以与本文描述的任何其他示例的任何选择的特征组合。例如，方法的特征可以在适当配置的硬件中实现，并且本文描述的特定硬件的配置可以在使用其他硬件实现的方法中应用。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本申请的实施例，其中：
图1示出了包括电池和冷却剂系统的设备；
图2示出了如图1所示的电池的两个横截面；和
图3示出了车辆的两个横截面，所述车辆包括诸如图1所示的设备。
在附图中，相同的数字用于指示相同的元件。
具体实施方式
图1是设备2的示意图，设备2包括具有冷却剂流体系统4、8、10、12、14的电池6。图2所示的两个截面图，即截面2A和截面2B，示出了诸如图1所示的电池6，因此，为了简洁起见，将一起描述这三个附图。
第一截面图2A示出了沿与图1所示的视图相同的方向看去的穿过电池6的截面。截面2A在截面2B中的线A-A指示的平面中。截面2B在截面2A中的线B-B指示的平面中。
如图所示，电池6可以包括容纳电池6的电池单元9、11、13、15的壳体7。尽管在附图中不可见，但是所述电池单元可以包括外壳，所述外壳包含有所述电池单元的电极，隔膜和电解质。所述电池单元9、11、13、15可以是细长的，并且可以是平的，例如，可以是平板状的。每个电池单元包括连接到电极的正极电连接件和负极电连接件，以提供来自所述电池单元的直流电流。如图所示，每个电池单元还可以携带温度传感器，该温度传感器可以与所述多个电连接件设置在所述电池单元的同一端，并且可以设置在两个电连接件之间，例如：在一个单独的导热座上(例如铜连接器，其可以电连接到所述电池单元的所述两个电连接件中的任一个)。
所述多个电池单元9、11、13、15一起排列在一个堆栈中，其中，一个堆叠在另一个之上，所述多个电连接件全部在所述堆栈的第一端。如果所述多个电池单元串联连接在一起，则将一个电池单元的正极端子连接到下一个电池单元的负极端子，依此类推将所述多个电池单元排列成一串。通常地，相邻电池单元的电连接件之间的连接可以由汇流条提供，所述汇流条可以包括诸如铜的金属。
电池管理系统21和/或用于电池的其他控制电子器件可以设置在所述壳体6的腔壁的内表面中的凹槽23中。所述凹槽23可以设置在所述壳体邻近所述电池的堆栈的顶表面的上壁中。这可以使得冷却剂在流过所述多个电池单元的第一端处的所述多个电池单元的电连接件之前也流过这些控制电子器件。凹槽23还可以使得所述电池单元的流动路径的横截面沿着其长度的至少一部分是基本规则的。这可能会促进冷却剂的层流。湍流也可以被提供，例如在所述多个电池单元的第一端处提供湍流。
冷却剂流体系统包括：连接到设置在所述壳体的第一端的冷却剂流出孔的出口过滤器及连接到所述壳体的第二端的冷却剂流入孔的进口过滤器。
所述进口过滤器通过进气管道连接到鼓风机，例如风扇。所述风扇通过另一管道连接到所述壳体的流入孔。所述壳体提供有至少一个内腔，以将与所述电池单元热接触的冷却剂流体引导至所述壳体的流出孔。所述流出孔通过流出管道连接到所述出口过滤器。
因此，所述冷却剂流体系统可以被设置成使流过所述电池单元的电池体的冷却剂流体流向所述多个电池单元的第一端。这可以将最冷的冷却剂施加到所述电池的最冷的部分，从而提供温度差以实现冷却。尽管所述冷却剂可能在到达所述电池的较热部分(例如，设置有所述电连接件的一端)时已被加热，但所述冷却剂可能比所述电池的这些(较热)部分保持更冷，因此仍可以进行冷却。此外，在电连接端处的所述多个电池单元中的汇流条和/或其他金属连接可以起到将热量从所述多个电池单元中有效地传导出去的作用，从而进一步实现冷却。结果，与正常预期相反地，本申请的冷却剂系统可通过将较热的冷却剂施加至所述电池的较热部分来提供更好的冷却效果。
图3示出了包括诸如图1所示的设备的交通工具72的两个非常示意性的截面图。第一截面3A在平面图中示出了所述交通工具72。第二截面3B示出了穿过所述电池的横截面，其示出了所述电池的内部的电池单元以及在其上引导所述冷却剂流体。
所述冷却剂流体系统被设置成为所述电池提供冷却剂流体，以使所述冷却剂流体从所述多个电池单元的电池体流过所述电连接件之前，所述冷却剂流体流过所述多个电池单元的电池体以对其进行冷却。因此，所述冷却剂系统可以将所述冷却剂最强地引导到所述多个电池单元最冷的部分上。
如截面3B所示，所述电池的多个电池单元可以排列在一个堆栈中，其中，一个堆叠在另一个之上，所述冷却剂流体系统可以设置成首先将所述冷却剂抵靠在所述多个电池单元的堆栈的与所述电连接件所在的第一端相对的一端的下面部分。然后，所述冷却剂流体例如通过所述电池壳体引流至所述多个电池单元的堆栈的设置有所述电连接件的端部之前，所述冷却剂流体朝整个所述多个电池单元的堆栈的上方和整个顶面(也许也围绕其侧面)向上引导。因此，所述冷却剂流体的出口可以朝向所述壳体的下部设置。
可以看出，在截面3A中，交通工具72可以携带设置在所述车辆的两个致动系统70、70＇之间的电池。所述致动系统可以连接以从所述电池中接收电能并且用于执行机械操作，例如操纵由交通工具搬运或移动的物体。
可以理解地，通过上述描述，附图中所示的实施例仅是示例性的，并且包括可以如本文所述和权利要求书中所概括，去除或替换的特征。例如，所述进口过滤器和所述出口过滤器是可选的。并且，图1所示的鼓风机可以设置在所述出口处，以通过所述电池壳体抽吸所述冷却剂。这可以作为在所述进气口处设置所述鼓风机的补充或替代。所述鼓风机可以包括风扇，泵，或者或可以由被动进气口驱动(例如，从行驶中的车辆的进气口驱动)。通常，所述冷却剂是空气或其他气体，但是也可以使用液体冷却剂。
所述壳体也是可选的，并且所述多个电池单元可以由所述车辆的各个部分封装而形成内腔，以起到通过形成的内腔而将空气引导到所述多个电池单元的上方的作用。
总体参考附图，可以理解地，示意性功能框图用于指示本文所述的系统和设备的功能。然而，可以理解地，功能性不必以这种方式划分，并且不应被认为暗指除了以下描述和要求保护的硬件之外的任何特定的硬件结构。附图中所示的一个或多个元件的功能可以进一步细分和/或分布在本申请的整个设备中。在一些实施例中，附图中所示的一个或多个元件的功能可以被集成到单个功能单元中。以上实施例应被理解为说明性示例。设想了进一步的实施例。
例如，已经提到了促进所述冷却剂流体的一部分中的层流的流动，特别是穿过所述电池的堆栈的顶部。然而，可以理解地，在本申请的上下文中，也可以存在湍流。另外，构造的特定特征可以被构造成促进所述电池的一个或多个区域中的湍流。例如，本申请的方法可以包括在所述多个电池单元的一个或多个部分附近提供冷却剂的湍流。可以在所述多个电池单元的一个或多个区域周围，例如，在所述电池的第一端处的电连接件，提供这种流动。
可以理解地，关于任何一个实施例描述的任何特征可以被单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或多个特征结合使用，或者任何其他实施例的任何组合。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，也可以采用以上未描述的等同和修改。

Claims (25)

1.一种电气设备，包括：
电池，用于为所述设备供电，所述电池包括多个细长的电池单元，所述多个细长的电池单元中每一个包括电池体、设置在所述多个电池单元的第一端的正极电连接件和负极电连接件，所述多个电池单元在对应的第一端通过所述连接件电连接在一起；以及
冷却剂流体系统，设置成使流过所述多个电池单元的电池体的冷却剂流体流向所述多个电池单元的第一端。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷却剂流体系统使所述冷却剂流体从所述多个电池单元的与所述第一端相对的第二端流出。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还包括设置在所述第一端的热导体，所述热导体用于向所述冷却剂流体提供来自所述多个电池单元的热流。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述热导体还在所述多个电池单元之间传导电流的流动。
5.如前述的权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于，所述电池包括封装所述多个电池单元的壳体。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述壳体包括流出孔，所述流出孔用于供所述冷却剂流体从所述壳体邻近所述多个电池单元的第一端的位置处流出。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述多个电池单元排列在一个堆栈中，所述壳体设置有从所述多个电池单元的第二端到所述第一端且穿过所述堆栈的顶面的具有规则横截面的流体管道。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述流出孔设置成使所述冷却剂流体从穿过所述电连接件的所述流体管道中引出。
9.如权利要求5至8中任意一项所述的设备，其特征在于，所述壳体还包括流入孔，所述流入孔用于供所述冷却剂流体流入所述壳体邻近所述多个电池单元的与所述第一端相对的第二端的位置处。
10.如前述的权利要求中任意一项所述的设备，其特征在于，还包括设置在其中一个所述多个电池单元的第一端的温度传感器。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，每个所述电池单元在所述正极电连接件件和所述负极电气连接件之间固定设置有一个所述温度传感器。
12.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，基于所述温度传感器所获取到的温度信号，所述设备用于控制以下至少之一：
(i)所述多个电池单元的充电和/或放电；
(ii)所述冷却剂流体。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：电机，所述电机包括设置在所述电池的任一侧的多个致动器；以及从所述电池的第一端开始的电源连接件，所述电源连接件用于向所述电机提供电力供应。
14.一种降低电气设备的电池冷却系统中的整个电池温度梯度的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过使穿过多个电池单元流的冷却剂流体流向所述多个电池单元的第一端来加热所述冷却剂流体，以及
使加热的冷却剂流体在所述第一端穿过所述多个电池单元的多个电连接件。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述多个电池单元是细长的，所述多个细长的电池单元中的每一个在所述多个电池单元的第一端包括正极电连接件和负极电连接件，并且所述多个电池单元在对应的第一端通过所述正极电连接件和所述负极电连接件电连接在一起。
16.如权利要求14或15所述的方法，其特征在于，还包括：使所述冷却剂流体从所述多个电池单元的与所述第一端相对的第二端流出。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，还包括：向所述冷却剂流体提供从所述多个电池单元传导至设置在所述第一端的所述导热体的热流。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：通过所述热导体在所述多个电池单元之间传导电流的流动。
19.如权利要求14至18中任意一项所述的方法，其特征在于，所述电池包括封装所述多个电池单元的壳体。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，包括从所述壳体邻近所述多个电池单元的第一端的流出孔排出所述冷却剂流体。
21.如权利要求14至20中任意一项所述的方法，其特征在于，将所述多个电池单元一起排列在一个堆栈中，所述方法还包括：通过从所述多个电池单元的第二端到所述第一端且穿过所述堆栈的顶面的具有规则横截面的流体管道提供层流的冷却剂流体。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：从所述流体管道中将所述冷却剂流体从所述堆栈的顶面向下引出，并穿过所述多个电连接件。
23.如权利要求14至21中的任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过邻近所述多个电池单元的与所述第一端相对的第二端的流入孔向所述冷却剂流体中提供冷却剂。
24.如权利要求14至23中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过设置在所述第一端的温度传感器获得温度信号，并且基于所述温度传感器所获得的温度信号控制以下至少一项：
(i)所述多个电池单元的充电和/或放电；和
(ii)所述冷却剂流体。
25.如权利要求14至24中任意一项所述的方法，其特征在于，所述电气设备包括根据权利要求1至13中任意一项所述的电气设备。
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