CN114725580A - 用于电池模块的调温设备、制造方法和调温方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电池模块的调温设备（100），其中调温设备（100）包括容纳电池模块的电池单池的壳体（101），其中壳体（101）包括带有第一侧部（105）和与第一侧部对置的第二侧部（109）的底板（103），其中第一侧部（105）配置用于通过热连接元件与电池模块的电池单池热耦接，其中在第二侧部（109）上隆起导流元件（113），其构成用于引导调温介质的流动通道（115），其中在流动通道（115）中隆起多个涡流元件（117），其中多个涡流元件（117）的相应的涡流元件（117）以一种模式布置，该模式引起流入流动通道中的调温介质的涡流式的流动，并且其中导流元件（113）高于相应的涡流元件（117），使得待布置在导流元件（115）上的盖板（107）与涡流元件（117）间隔开。

Description

用于电池模块的调温设备、制造方法和调温方法

背景技术

在制造电池、尤其用于为车辆的驱动器供应电能的牵引电池时，电池单池被共同连接成电池模块并且电池模块又再被共同连接成电池或者说电池系统。

由于大量的不同的车辆结构空间，存在对于呈不同的尺寸和形状的电池模块的需求，以便最佳地利用现有的结构空间。

锂离子电池单池或者说锂聚合物电池单池由化学变化过程决定地尤其在快速的能量释放或者说能量吸收时加温。电池系统越高效，其加温就越大，并且因此与此伴随地对用于冷却或者加热电池系统的相应的电池单池的高效的和主动的调温设备的要求就越高。

因为锂离子电池系统的最佳的运行温度位于+5℃与+35℃之间的范围中，所以调温系统通常用于冷却相应的电池系统。

从约+40℃的运行温度起，电池系统的寿命降低。为了实现约8-10年的寿命要求，因此需要对相应的电池系统进行足够地热调节，其中电池系统的电池单池在所有运行状态下保持在低于+40 ℃的在热方面非临界的状态中。

此外，相应的电池单池之间的温度梯度应该尽可能地如此低，以便实现电池单池的老化同步。

例如通过文献WO 10 2017 045 877 A1已知一种系统，在所述系统中电池系统的调温通过利用像例如水/乙二醇混合物一样的冷却剂进行液体调温来实现。为此，冷却水通过冷却剂通道被引导到布置在相应的电池模块下方的冷却板中。对冷却板的供应利用冷却剂软管连同相应的车辆的冷却回路中的相应的其他的组件来实现。相应地，电池单池的调温直接通过电池壳体来实现，或者说将相应的冷却剂通道集成到电池壳体中，以便放弃额外的构件并且使从冷却剂到电池单池的热路径最小化。

发明内容

在本发明的范围中提出一种调温设备、一种用于制造调温设备的制造方法和一种用于运行调温设备的调温方法。本发明的其他的特征和细节由相应的从属权利要求、说明书和附图得到。不言而喻，在此结合按照本发明的调温设备来说明的特征和细节也适用于与按照本发明的制造方法以及按照本发明的调温方法结合并且相应地反之亦然，从而使得关于本发明各个方面的公开内容始终能够相互参照。

本发明用于对车辆的牵引电池进行调温、也就是说加温或者冷却。

因此，按照本发明的第一方面提出一种用于电池模块的调温设备。所述调温设备包括用于容纳电池模块的电池单池的壳体，其中所述壳体包括带有第一侧部和与所述第一侧部对置的第二侧部的底板。所述第一侧部配置用于通过热连接元件与所述电池模块的电池单池热耦接。在所述第二侧部上隆起导流元件，所述导流元件构成用于引导调温介质的流动通道，其中在所述流动通道中隆起多个涡流元件，其中所述多个涡流元件的相应的涡流元件以一种模式布置，所述模式引起流入到流动通道中的调温介质的涡流式的流动，并且其中所述导流元件比相应的涡流元件要高，从而使得有待布置在所述导流元件上的盖板与所述涡流元件间隔开。

所述涡流元件在本发明的上下文中能够被理解为一种几何结构，所述几何结构将尤其调温介质的层状的流动至少局部地转换成涡流式的流动。为此，所述涡流元件能够例如柱状地、锥状地、棱锥地或者以任何其他的几何形状来设计。在所提出的调温设备的设计方案中，不同的涡流元件尤其能够以不同的几何形状共同构成一种涡流元件模式，所述涡流元件模式在调温介质体积流中引起特别高份额的涡流式的流动。

所述调温介质在本发明的上下文中能够被理解为像例如由水和乙二醇组成的混合物一样的介质的体积流，所述介质能够吸收或者说释放大量的热能并且相应地引起周围环境的散热或者说加温。例如能够将用于运行车辆的冷却剂用作调温介质。

所述热连接元件在本发明的上下文中是像例如一些填充元件、粘结剂或者说粘结层或者垫子一样的特别良好地导热的结构。导热结构能够例如与导热的粒子、尤其与金属丝或者金属球、优选导热不能导电的颗粒交织。

所提出的调温设备基于带有三明治状的底部的壳体，所述底部包括底板，所述底板带有朝向用于电池模块的容纳空间指向的第一侧部和远离容纳空间指向的第二侧部。相应地，第一侧部和第二侧部彼此对置。

所提出的调温设备的壳体的底板的第二侧部配置用于利用调温介质从四周来冲刷。相应地，在第二侧部处构造流动通道，所述流动通道通过在底板处三维地隆起的导流元件来构成或者说限定。相应地，通过导流元件引导到底板上的调温介质沿着预先给定的流动路径引导。

导流元件能够例如给底板包边、也就是说设计在底板的外边缘处并且尤其用于对抗在调温设备运行时施加的内压力、也就是说相比于运行中流动通道中存在的环境压力提高了的压力起支撑作用。

通过所提出的调温设备的导流元件沿着底板引导的或者说在底板下方流动的调温介质根据调温介质的温度引起底板的加温或者散热并且由此引起通过热连接元件与底板热耦接的电池的加温或者散热。

通过按照本发明设置在流动通道中的涡流元件实现了对流动通道中流动的调温介质的充分混合，从而使得在调温介质与底板之间构成接触的边界层被不断地涡旋起。相应地，使得在调温介质与底板的传热面之间的接触面积最大化并且实现调温介质中均匀的热分布以及使得从壳体到调温介质的热传递或者反过来从调温介质到壳体的热传递最大化。

调温介质利用压力流动穿过所提出的调温设备的流动通道，为了使得该压力的压力损失最小化，导流元件比相应的涡流元件要高或者说相应的涡流元件比导流元件要矮，从而使得有待布置在导流元件上的盖板与涡流元件间隔开。通过相对于导流元件更矮的涡流元件在盖板与涡流元件之间构成流动区域，在所述流动区域中调温介质能够不受妨碍地流动。由于通过涡流元件引入到调温介质中的流动分量，强制产生了在流动区域中流动的调温介质与在涡流元件之间流动的调温介质的充分混合，从而在总体上引起调温介质体积流中的压力降低，然而避免了相对于底板和/或盖板的不间断的边界层。

此外能够规定，导流元件包括中间元件，所述中间元件将流动通道划分成两个仅在流动通道的端部处导流地连接的部分通道，其中所述底板在第一部分通道中包括流入口并且在第二部分通道中包括流出口。

所述中间元件例如将流动通道划分成两个半部、尤其划分成两个对称的半部，通过所述中间元件能够产生复杂的流动路径并且阻止了从进入口到排出口的直接的或者说最短可行的流动运动。相应地，所述中间元件引起了流动通道的面积的最大化并且相应地引起了在壳体与调温介质之间的最大化的热能传递。

所述中间元件尤其能够与布置在底板上的盖板连接，从而阻止用于调温介质的入口与出口之间的短接流动或者说最短可行的连接并且沿着流动通道引导调温介质。

此外能够规定，所述中间元件具有在8mm与12mm之间的宽度。

已经在试验中令人惊讶地证实了，具有在8mm与12mm之间、尤其11mm的宽度的中间元件引起了壳体与相应的调温介质之间的特别高效的热能交换并且在运行中可靠地阻止了遮盖元件由于内压力而向上弯拱。通过所述中间元件与所述遮盖元件的材料锁合的连接，运行中在导流元件与遮盖元件之间的环绕的连接位置中通过内压力产生的应力被降低到对于实现构件的所要求的使用寿命而言能经受的应力。

此外能够规定，在所述中间元件的相应的边沿处并且/或者在导流元件处设计涡流元件。

在所述中间元件的相应的边沿处、也就是说在所述中间元件的相应的侧部部分处或者说在导流元件的内边沿处构造的涡流元件阻止了调温介质在中间元件处的连续的边界层。通过在所述中间元件的或者说所述导流元件的相应的边沿处构造的涡流元件将沿着所述中间元件或者说所述导流元件流动的调温介质转换成涡流式的流动并且与调温介质的其他部分混合，从而实现调温介质内的均匀的热分布。由此额外阻止了：大部分调温介质在导流元件与涡流元件之间不受妨碍地穿流并且因此不利于热传递。

此外能够规定，多个涡流元件的相应的涡流元件以一种模式来设计，所述模式包括多个排，其中相应邻近的排对称地相对于彼此错开地设计。

通过涡流元件的错开设计的排能够实现层状的流动到涡流式的流动的特别高效的转换或者说与涡流式的流动相互间的充分混合并且由此决定地能够实现相应的调温介质体积流内的特别均匀的温度分布。

此外能够规定，相应邻近的排的涡流元件在8mm与12mm之间相对于彼此错开地设计。

已经在试验中令人惊讶地证实了，相应的涡流元件排在8mm与12mm之间、尤其10mm的错开引起壳体与相应的调温介质之间的特别高效的热能交换。

此外能够规定，多个涡流元件的相应的涡流元件是圆形的并且具有在3mm与6mm之间的直径和/或在3mm与6mm之间的高度并且/或者具有至少8°的出模斜度和/或至少1mm的半径。

已经在试验中令人惊讶地证实了，具有在3mm与6mm之间的直径和/或在3mm与6mm之间的高度和/或至少8°的出模斜度和/或至少1mm的半径的圆形的、尤其柱状的涡流元件引起了壳体与相应的调温介质之间的特别高效的热能交换。

此外能够规定，流动通道包括至少一个自由区域，在所述自由区域中不布置涡流元件，其中至少一个自由区域位于耦接区域——在所述耦接区域处所述底板与所述电池模块的电池单池热耦接——之外。

通过按照本发明设置的流动通道的自由区域——在所述自由区域中不布置涡流元件、也就是说无涡流元件——能够使得在用于将调温介质输送到按照本发明设置的壳体中的输送导部中的压力损失最小化。为了使得从布置在壳体中的电池到调温介质的热能传递即使在存在自由区域的情况下也最大化，将自由区域设置在耦接区域——在所述耦接区域中在所述电池与所述调温介质之间交换热能——之外。

此外，在所提出的调温设备中的自由区域引起调温介质穿过流动通道的快速分布并且由此决定地引起调温设备即使在没有负压充注的情况下的特别良好的排气。相应地，在使用自由区域的情况下，调温介质进入到调温设备中能够通过例如从瓶或者储罐简单地充注来实现，而不必连接泵送设备。

此外能够规定，调温设备由单个部件组成。

通过一件式的或者说整体式的例如通过压铸法制造的调温设备，所述调温设备能够设计得特别能导热。尤其能够在一件式的设计方案中避免像例如不同的材料之间的过渡部或者焊缝一样的热障碍物。

在第二方面中，本发明涉及一种用于制造所提出的调温设备的可行的设计方案的制造方法。所述制造方法包括成型步骤，在所述成型步骤中产生带有底板的壳体，其中所述底板包括第一侧部和与所述第一侧部对置的第二侧部，其中所述第一侧部配置用于通过热连接元件与电池模块的电池单池热耦接，其中在所述第二侧部上设计多个涡流元件，所述多个涡流元件从第一侧部延伸离开，并且其中在所述底板处产生导流元件，所述导流元件在底板处构成用于围绕涡流元件引导调温介质的流动通道。

所提出的制造方法基于成型步骤，在所述成型步骤中产生带有底板的壳体。为此，材料、尤其金属或者金属合金能够例如被浇铸和/或被挤压，从而在所述底板的第二侧部上构造涡流元件。所述涡流元件相对于所述底板的基平面被相应地提高。

此外，在所述底板处产生导流元件，所述导流元件相对于底板的基平面隆起。相应地，所述导流元件构成用于引导调温介质的流动通道。

所述导流元件能够与涡流元件同时或者说在集成的工作步骤中产生或者独立于涡流元件产生。

所述调温设备尤其以压铸工艺制造。

能够规定，所述制造方法包括焊接步骤，在所述焊接步骤中所述底板局部地与盖板焊接。

为了相对于周围环境封闭或者说流体密封地密封所述调温设备，像例如板材一样的盖板能够与所述底板焊接。为此，能够例如使用搅拌摩擦焊法，在所述搅拌摩擦焊法中所述导流元件与所述盖板形状锁合地连接，其中例如所述导流元件和所述盖板在压力下被搅拌到彼此中。

尤其所述底板的中间元件能够形状锁合地与所述盖板焊接，以便在入口与出口之间阻止调温介质的短接流动并且沿着流动通道引导调温介质。

此外能够规定，在所述成型步骤中产生导流元件，所述导流元件包括中间元件，其中所述中间元件将流动通道划分成两个仅在流动通道的端部处导流地连接的部分通道，并且在所述焊接步骤中焊接工具以连续的曲线从在中间元件的端部处的进入点经由中间元件的端部并且沿着导流元件向排出点引导。

借助于预先给定的轨迹——焊接工具沿着所述轨迹运动并且所述轨迹从在所提出的调温设备的中间元件的端部处的进入点沿着导流元件向排出点引导——所述流动通道能够被所述导流元件与所述盖板之间的材料锁合的连接部环绕，从而使得所述盖板、所述导流元件和所述中间元件共同环绕着所述流动通道并且将流动通道中流动的调温介质从入口向出口引导。

尤其能够规定，所述流动通道的导流元件完全环绕或者说包边，从而使得入口和出口位于流动通道之内并且同样地被所述导流元件环绕并且例如通过所述中间元件隔开。

通过平面的连接，如其在搅拌摩擦焊工艺中典型地出现的那样，能够在所提出的调温设备中对抗内压力提供底板和盖板的特别稳健的且特别流体密封的连接。

在第三方面中，本发明涉及一种用于对电池模块进行调温的调温方法，在所述调温方法中电池模块布置在所提出的调温设备的可行的设计方案中并且利用调温介质来穿流所述调温设备。

附图说明

本发明的其他的优点、特征和细节由下文中的说明来得到，其中参考附图来更详细地说明本发明的实施例。在此，在权利要求中和在说明书中所提到的特征能够分别本身单独地或者以任意的组合成为本发明的重要内容。

其中：

图1以侧视图示出了按照本发明的调温设备的可行的设计方案，

图2以俯视图示出了按照图1的调温设备，

图3以俯视图示出了按照图1的调温设备的涡流元件的详细视图，

图4以侧视图示出了按照图3的涡流元件的详细视图，

图5示出了按照本发明的制造方法的一种可行的设计方案的流程的示意图，

图6示出了按照本发明的调温方法的一种可行的设计方案的流程的示意图。

具体实施方式

在图1中示出了调温设备100。调温设备100包括带有底板103的壳体101。

在底板103的第一侧部105上布置有用于电池模块的容纳部。

在第一侧部105上，在容纳部的内腔中布置有连接元件，该连接元件的形式为能导热不能导电的粘结剂。该连接元件产生了电池模块与底板103的热耦接。

在底板103的第二侧部109上布置有盖板107。该盖板107布置在导流元件113上，如其例如在图2中示出的那样。

该导流元件113环绕着流动通道115连同涡流元件117。

引导到流动通道115中的像例如由水和乙二醇组成的混合物一样的调温介质从下面冲刷底板103。相应地，根据在调温介质与底板103之间的温度差，调温介质吸收来自底板103的热能并且由此决定地吸收来自电池模块的热能或者说将热能释放到底板103处并且由此决定地释放到电池模块处。

该涡流元件117引起了调温介质从层状的流动到至少局部涡流式的流动的转换，从而实现了热能在调温介质中的均匀的分布并且实现了调温介质与底板103之间的尽可能好的热能传递。涡流元件117额外增大了调温介质与底板103之间的热交换面积。

此外，在图2中能够看出中间元件119，该中间元件119将带有入口123的第一部分流动通道121与带有出口127的第二部分流动通道125隔开，并且调温介质沿着流动通道115从入口123向出口127引导。

在图2中尤其能够看出，在中间元件119的相应的边沿处并且在导流元件113的内边沿处设计有涡流元件117，如通过箭头129标记的那样，以便沿着中间元件119或者说导流元件113阻止调温介质的层状的体积流或者说不间断的边界层并且使调温介质相应地转换成涡流式的流动。

为了使得流动通道115中的压力损失最小化，在部分流动通道121和部分流动通道125中设置由自由区域111，在所述自由区域111中不布置涡流元件117，使得流入到入口123中或者说流出到出口127中的调温介质能够不受妨碍地或者说自由地并且相应地快速地、例如在层状的流动中流动。

在图3中带有所提出的调温设备100的可行的设计方案的相应的标注尺寸地示出了涡流元件117。

在图3中能够看出，多个涡流元件117以相对于彼此错开地布置的排来布置，其中相同排的两个邻近的涡流元件117以尤其10mm的间距“a”或者说“d”彼此间隔开，并且不同排的两个斜错开的涡流元件117以尤其10mm的间距“b”间隔开，或者说两个平行地相对于彼此错开的涡流元件117以尤其8.66mm的间距“c”间隔开。

通过前面所说明的间距得到了在相应地邻近的涡流元件117的两个中心之间的间距“e”，该间距“e”尤其是5mm。

由于涡流元件117的相对于彼此错开的布置，调温介质的流入的体积流通过相应下一排涡流元件117转向并且阻止了层状的边界层的成型。

在图4中以侧视图带有一种可行的设计方案的相应的标注尺寸地示出了涡流元件117。涡流元件117具有尤其4.5mm高的高度“x”并且因此优选地比导流元件113的尤其5mm的总高“y”要小0.5mm。相应地，在环绕流动通道115的盖板107与涡流元件117之间有尤其0.5mm高度的间隙，所述间隙例如能够用于从调温元件100挤出空气，从而使得即使在没有负压、仅在使用充注容器的情况下也能够实现对调温元件100的充注。

涡流元件117设计为具有尤其4mm的直径“z”的柱状的结构并且具有尤其8°的出模斜度“w”。

在图5中示出了制造方法200的流程。在此处未被示出的成型步骤中所提供的壳体在焊接步骤中与盖板连接。为此，焊接工具沿着通过箭头201至203表明的轨迹从在中间元件207的端部处的进入点205经由中间元件207的端部209并且沿着导流元件211向排出点213引导。

在图6中示出一种调温方法300。调温方法300包括用于将调温介质引入到像例如按照图1的调温设备100一样的调温设备中的引入步骤301和循环步骤303，在所述循环步骤303中调温介质在循环回路中被泵送到热交换器并且又泵送返回到调温设备100。

Claims (13)

1.用于电池模块的调温设备（100），

其中所述调温设备（100）包括用于容纳所述电池模块的电池单池的壳体（101），

其中所述壳体（101）包括带有第一侧部（105）和与所述第一侧部对置的第二侧部（109）的底板（103），

其中所述第一侧部（105）配置用于通过热连接元件与所述电池模块的电池单池热耦接，

其中在所述第二侧部（109）上隆起导流元件（113、211），所述导流元件（113、211）构成用于引导调温介质的流动通道（115），

其中在流动通道（115）中隆起多个涡流元件（117），

其中多个涡流元件（117）的相应的涡流元件（117）以一种模式布置，所述模式引起了流入到所述流动通道中的调温介质的涡流式的流动，并且

其中所述导流元件（113、211）比相应的涡流元件（117）要高，从而使得有待布置在所述导流元件（115）上的盖板（107）与所述涡流元件（117）间隔开。

2.根据权利要求1所述的调温设备（100），

其特征在于，

所述导流元件（113、211）包括中间元件（119），所述中间元件（119）将所述流动通道（115）划分成两个仅在所述流动通道（115）的端部处导流地连接的部分通道，

其中所述底板（103）在第一部分通道（121）中包括入口（123）并且在第二部分通道（125）中包括出口（127）。

3.根据权利要求2所述的调温设备（100），

其特征在于，

所述中间元件（119）具有在8mm与12mm之间的宽度。

4.根据权利要求2或者3所述的调温设备（100），

其特征在于，

在所述中间元件（119）的相应的边沿处并且/或者在所述导流元件（113）处设计涡流元件（117）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的调温设备（100），

其特征在于，

多个涡流元件（117）的相应的涡流元件（117）以一种模式来设计，所述模式包括多个排，

其中相应邻近的排对称地相对于彼此错开地设计。

6.根据权利要求5所述的调温设备（100），

其特征在于，

相应邻近的排的涡流元件（117）在8mm与12mm之间相对于彼此错开地设计。

7.根据前述权利要求中任一项所述的调温设备（100），

其特征在于，

多个涡流元件（117）的相应的涡流元件（117）是圆形的并且具有在3mm与6mm之间的直径和/或在3mm与6mm之间的高度并且/或者具有至少8°的出模斜度和/或至少1mm的半径。

8.根据前述权利要求中任一项所述的调温设备（100），

其特征在于，

所述流动通道（115）包括至少一个自由区域，在所述至少一个自由区域中不布置涡流元件（117），其中所述至少一个自由区域位于耦接区域之外，在所述耦接区域处所述底板（103）与所述电池模块的电池单池热耦接。

9.根据前述权利要求中任一项所述的调温设备（100），

其特征在于，

所述调温设备（100）由单个部件组成。

10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的调温设备（100）的制造方法（200），

其中所述制造方法（200）包括：

- 成型步骤，在所述成型步骤中产生带有底板（103）的壳体（101），其中所述底板（103）包括第一侧部（105）和与所述第一侧部对置的第二侧部（109），其中所述第一侧部（105）配置用于通过热连接元件与电池模块的电池单池热耦接，其中在所述第二侧部（109）上设计有多个涡流元件（117），所述多个涡流元件（117）从所述第一侧部（105）延伸离开，并且

其中在所述底板（103）处产生导流元件（113、211），所述导流元件（113、211）在所述底板（103）处构成用于围绕所述涡流元件（117）引导调温介质的流动通道（115）。

11.根据权利要求10所述的制造方法（200），

其特征在于，

所述制造方法（200）包括焊接步骤，在所述焊接步骤中所述底板（103）局部地与盖板（107）流体密封地焊接。

12.根据权利要求11所述的制造方法（200），

其特征在于，

在所述成型步骤中产生导流元件（113、211），所述导流元件（113、211）包括中间元件（119），

其中所述中间元件（119）将流动通道（115）划分成两个仅在所述流动通道（115）的端部处导流地连接的部分通道（121、125），并且

在所述焊接步骤中，焊接工具以连续的曲线从所述中间元件的端部（209）处的进入点（205）经由所述中间元件的端部并且沿着导流元件向排出点（213）引导。

13.一种用于对电池模块进行调温的调温方法（300），在所述调温方法（300）中所述电池模块布置在根据权利要求1至9中任一项所述的调温设备（100）中并且利用调温介质来穿流所述调温设备（100）。

Images