CN116315246A - 具有集成式轧制结合冷板的电池阵列设计 - Google Patents

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Abstract

本公开提供“具有集成式轧制结合冷板的电池阵列设计”。电池阵列可容纳在电动化车辆电池组内。示例性电池阵列可包括阵列支撑结构，所述阵列支撑结构包括轧制结合冷板。与牵引电池组的外壳总成相反，所述轧制结合冷板可集成到所述电池阵列中，并且因此被布置为直接热管理所述电池阵列的一个或多个电池单元。所述轧制结合冷板可被配置为形成所述阵列支撑结构的单个侧面或多个侧面。

Description

具有集成式轧制结合冷板的电池阵列设计
技术领域
本公开涉及牵引电池组，并且更具体地涉及包括作为电池阵列的集成部件的轧制结合冷板的电池阵列。
背景技术
电动化车辆可以降低或完全消除对内燃发动机的依赖。通常，电动化车辆与常规机动车辆不同，因为电动化车辆是由一个或多个电池供电的电机选择性地驱动。相比之下，常规机动车辆完全依赖内燃发动机来推进车辆。
高压牵引电池组可向电动化车辆的电机和其他电气负载供电。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其他电池电子部件。
电池内部部件可在某些条件下生成热量。可使用布置在电池内部部件和外壳总成之间的一个或多个冷板来热管理这种热量。冷板通常是与电池阵列分开的结构。
发明内容
一种根据本公开的示例性方面的用于牵引电池组的电池阵列尤其包括：一组电池单元；以及支撑结构，所述支撑结构围绕所述一组电池单元的外周边布置。所述支撑结构包括被定位成热管理所述一组电池单元的轧制结合冷板。
在前述电池阵列的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板包括第一板构件和第二板构件，所述第二板构件沿着轧制结合接头接合到所述第一板构件。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，热界面材料设置在所述一组电池单元和所述第一板构件之间。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述第一板构件包括第一厚度，并且所述第二板构件包括小于所述第一厚度的第二厚度。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述第一板构件包括第一材料合金，并且所述第二板构件包括不同于所述第一材料合金的第二材料合金。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的底板。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述支撑结构的侧板或端板通过焊接处固定到所述轧制结合冷板。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的顶板。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的底板、第一侧壁和第二侧壁。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述底板包括轧制结合区段和未结合区段两者，并且所述第一侧壁和所述第二侧壁各自仅包括轧制结合区段。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述底板包括轧制结合区段和未结合区段两者，并且所述第一侧壁和所述第二侧壁各自仅包括未结合区段。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述第一侧壁和所述第二侧壁的所述未结合区段由所述轧制结合冷板的第一板构件形成。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的底板、第一端壁和第二端壁。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板包括多个内部冷却通道。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述支撑结构是与所述牵引电池组的外壳总成分离且不同的结构。
一种根据本公开的另一示例性方面的用于牵引电池组的电池阵列尤其包括：一组电池单元；以及支撑结构，所述支撑结构围绕所述一组电池单元布置并且包括一对端板、一对侧板、顶板和底板。所述底板由被配置为热管理所述一组电池单元的轧制结合冷板形成。所述轧制结合冷板包括第一板构件和第二板构件，所述第二板构件沿着轧制结合接头接合到所述第一板构件。
在前述电池阵列的另一非限制性实施例中，所述轧制结合冷板包括轧制结合区段和未结合区段两者。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，在所述未结合区段中形成多个内部冷却通道。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述一对侧板由所述轧制结合冷板的所述第一板构件和所述第二板构件中的一者或两者形成。
在前述电池阵列中的任一个的另一非限制性实施例中，所述一对侧板中的每个侧板通过焊接处固定到所述轧制结合冷板。
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(包括它们的各种方面或相应的单独特征中的任一者)可以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显而易见。可以如下简要描述随附于具体实施方式的附图。
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是牵引电池组的电池阵列的透视图。
图3是穿过图2的截面3-3的横截面视图。
图4是另一示例性电池阵列的透视图。
图5是图2至图3的电池阵列的轧制结合冷板的顶部透视图。
图6是图5的轧制结合冷板的底部透视图。
图7示出了另一示例性电池阵列的选定部分。
图8示出了又一示例性电池阵列的选定部分。
具体实施方式
本公开详述了用于电动化车辆电池组的电池阵列设计。示例性电池阵列可包括阵列支撑结构，所述阵列支撑结构包括轧制结合冷板。与牵引电池组的外壳总成相反，所述轧制结合冷板可集成到所述电池阵列中，并且因此被布置为直接热管理所述电池阵列的一个或多个电池单元。所述轧制结合冷板可形成所述阵列支撑结构的单个侧面或多个侧面。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)，但是应当理解，本文描述的概念并不限于HEV并且可扩展到其他电动化车辆，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和牵引电池组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生成扭矩以驱动电动化车辆12的一组或多组车辆驱动轮28。尽管在图1中示出了动力分流式配置，但是本公开扩展到任何混合动力或电动车辆，包括但不限于强混合动力、并联式混合动力、串联式混合动力、轻度混合动力或微型混合动力。
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)连接。当然，可使用其他类型的动力传递单元(包括其他齿轮组和变速器)将发动机14连接到发电机18。在实施例中，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，以将电能转化为动能，从而向连接到动力传递单元30的轴38输出扭矩。因为发电机18操作地连接到发动机14，所以发动机14的转速可由发电机18控制。
动力传递单元30的环形齿轮32可连接到轴40，所述轴通过第二动力传递单元44连接到车辆驱动轮28。第二动力传递单元44可包括具有多个齿轮46的齿轮组。其他动力传递单元也可能是合适的。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可以包括使得能够将扭矩传递到车辆驱动轮28的多个齿轮。在实施例中，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18两者可以用作马达来输出扭矩。例如，马达22和发电机18可以各自将电力输出到牵引电池组24。
牵引电池组24是示例性电动化车辆牵引电池。牵引电池组24可能是高压牵引电池组，所述高压牵引电池组包括一个或多个多个电池阵列25(即，电池总成或电池单元56的群组)，所述一个或多个电池阵列能够输出电力以操作电动化车辆12的马达22、发电机18和/或其他电气负载，以用于提供电力以推进车轮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。
在牵引电池组24内提供的电池阵列25和电池单元56的总数不意在限制本公开。在实施例中，每个电池阵列25的电池单元56是棱柱形锂离子单元。然而，在本公开的范围内，可以替代地利用具有其他几何形状(圆柱形、袋状等)、其他化学物质(镍金属氢化物、铅酸等)或两者的电池单元。
电池阵列25和牵引电池组24的任何其他电池内部部件(例如，电池电子器件、布线、连接器等)可容纳在外壳总成58内。在实施例中，外壳总成58是形成牵引电池组24的最外表面的密封外壳。在本公开的范围内，外壳总成58可包括任何大小、形状和配置。电池阵列25是与外壳总成58完全分开的结构，并且因此不被认为是形成牵引电池组24的最外表面的任何部分。
在充电操作、放电操作、极端环境状况和/或各种其他状况期间，电池单元56可生成并释放热量。可能期望从电池阵列25移除热量以改善它们的容量、寿命和性能。为此目的，通常在牵引电池组内使用冷板，所述冷板通常是与电池阵列25分开的结构。然而，由于各种组装和制造的复杂性，冷板的制造可能很昂贵且有时很难封装在牵引电池组内。因此，本公开涉及改进的电池阵列配置，所述电池阵列配置并入有减少与现有冷板制造方法相关联的费用的集成式轧制结合冷板。
图2和图3示出了可在电动化车辆的牵引电池组内采用的示例性电池阵列25。例如，电池阵列25可用于图1的电动化车辆12或任何其他电动化车辆的牵引电池组24内。
电池阵列25可包括多个电池单元56，所述多个电池单元存储用于为电动化车辆12的各种电气负载供电的能量。在本公开的范围内，电池阵列25可包括任何数量的电池单元56。因此，本公开不限于图2所示的确切配置。
电池单元56可沿着堆叠轴线并排堆叠，以构成电池单元56组，有时称为“电池单元堆”。尽管这里没有具体示出或强调，但电池单元56可保持在多个重复和互连的阵列框架内，以便构造电池单元堆。
电池单元56组(其可包括或可不包括阵列框架)可基本上被支撑结构60包围。支撑结构60可围绕电池单元堆的外周边设置，以用于将电池单元56轴向约束为堆叠配置。与外壳总成58不同，支撑结构60可直接接触电池单元(或保持电池单元56的阵列框架)。
在实施例中，电池阵列25的支撑结构60包括多对端板62、一对侧板64、顶板66和轧制结合冷板68。在所示实施例中，轧制结合冷板68被布置成用作支撑结构60的底盖或底板69，并且因此在电池阵列25的正常取向上，如定位在组装好的牵引电池组24的外壳总成58内时，轧制结合冷板68可形成电池阵列25的基部。然而，在本公开的范围内也设想了其他配置。例如，轧制结合冷板68可被布置成用作顶板66(例如，参见图4)或支撑结构60的任何其他板。
一个端板62可设置在电池阵列25的每个纵向范围70处，并且一个侧板64可在电池阵列25的每个相对侧72上连接在端板62之间。顶板66可连接在端板62和侧板64之间并且在电池单元堆的电池单元56的顶部上方延伸，并且在所示实施例中，轧制结合冷板68可连接在端板62和侧板64之间，并且在电池单元堆的电池单元56下方延伸。端板62可在横向于电池阵列25的纵向轴线A的平面内延伸，并且侧板64可在平行于纵向轴线A的平面内延伸。在实施例中，当牵引电池组24安装在电动化车辆12上时，纵向轴线A可在汽车横向方向上延伸。然而，在本公开的范围内，还可以设想电池阵列25相对于电动化车辆12的其他安装配置和取向。
现在将参考图3和图5至图6进一步描述轧制结合冷板68。轧制结合冷板68可包括第一板构件74和第二板构件76，所述第二板构件在轧制结合接头78处接合到第一板构件74。第一板构件74可形成轧制结合冷板68的顶侧，并且因此在该实施例中，所述第一板构件被定位成更靠近电池阵列25的电池单元56。第二板构件76可形成轧制结合冷板68的底侧，并且因此在该实施例中，所述第二板构件被定位成更远离电池单元56。热界面材料80(例如，环氧树脂、硅基材料、热油脂等)可设置在电池单元56与轧制结合冷板68的第一板构件74之间，以促进它们之间的热传递。(参见图3)。
第一板构件74可以是比第二板构件76更厚的板构件。替代地，第一板构件74可由包括比第二板构件76的材料合金构造更大的刚度的材料合金构成。然而，第一板构件74和第二板构件76的特定厚度和/或材料合金构造并不意图限制本公开。
轧制结合冷板68可作为轧制结合工艺的一部分形成。例如，用于形成第一板构件74的第一材料条带和用于形成第二板构件76的第二材料条带可穿过一对辊。辊可旋转并施加足以将第一材料条带沿着轧制结合接头78结合到第二材料条带的热量和压力。然后，可将结合的材料条带修整到轧制结合冷板68的期望大小。
可在第一材料条带和第二材料条带之间向第一材料条带或第二材料条带施加丝网印刷图案，然后将这些条带馈送通过辊。丝网印刷图案确保仅第一材料条带和第二材料条带之间的裸金属表面彼此结合。
在经由上述轧制结合工艺形成轧制结合接头78之后，然后可在第一板构件74和第二板构件76之间的未结合表面附近注入高压气体或液体，以便使第二板构件76的未结合部分膨胀。膨胀的部分可在轧制结合冷板68内部形成一系列冷却通道82。
支撑结构60的附加区段可固定到轧制结合冷板68。在实施例中，侧板64和/或端板62通过焊接处84(图3中示意性地示出)固定到轧制结合冷板68。然而，在本公开的范围内可采用其他紧固方法，以将支撑结构60的一个或多个附加区段固定到轧制结合冷板68。
支撑结构60的每个侧板64可包括安装凸缘86，所述安装凸缘在远离相对侧板64的方向上从侧板64的主体横向向外突出。顶板66可包括对应的安装凸缘87，所述对应的安装凸缘可固定到安装凸缘86以进一步围绕电池单元堆构造支撑结构60。
轧制结合冷板68的冷却通道82可以是液体冷却系统的一部分，所述液体冷却系统被配置用于使冷却剂C(诸如水与乙二醇或任何其他冷却剂混合)循环通过轧制结合冷板68以热管理电池单元56。冷却通道82可彼此流体地连接，并且可以各种图案布置在轧制结合冷板68内部。在实施例中，冷却通道82以蛇形图案布置。然而，可替代地利用其他图案。例如，各种冷却通道82可被配置为不同的大小、形状和路径，以帮助计量和平衡通过轧制结合冷板68的内部冷却回路的冷却剂C的流量。每个冷却通道82的大小和形状以及冷却通道82的总数并不意图限制本公开，并且可根据牵引电池组24的特定冷却要求具体地进行调节。
冷却剂C可通过入口端口88进入轧制结合冷板68，并且可通过出口端口90离开轧制结合冷板68。在使用中，冷却剂C可被传送到入口端口88中，然后在通过出口端口90离开之前通过冷却通道82。当冷却剂C蜿蜒通过由冷却通道82形成的内部冷却回路时，冷却剂C吸收通过第一板构件74从电池单元56传导的热量(如由热界面材料80促进)。尽管未示出，但以闭环方式，离开出口端口90的冷却剂C可被递送到散热器或某一其他热交换装置，被冷却，然后返回到入口端口88。
入口端口88和出口端口90可从轧制结合冷板68的外表面向外突出。在实施例中，入口端口88从轧制结合冷板68的第一侧92向外延伸，并且出口端口90从轧制结合冷板68的第二相对侧94向外延伸(参见图5和图6)。然而，应理解，用于入口端口88和出口端口90的确切安装位置并不意图限制本公开。
在上述实施例中，轧制结合冷板68形成支撑结构60的单侧。然而，可以设想其他实施例，其中轧制结合冷板可被配置为形成电池阵列25的支撑结构60的多个侧面或区段。
如图7所示，例如，另一示例性电池阵列25-2可包括支撑结构60-2，所述支撑结构包括轧制结合冷板68-2。在该实施例中，轧制结合冷板68-2形成支撑结构60-2的底板69-2和侧板64-2两者。
轧制结合冷板68-2可包括第一板构件74-2和第二板构件76-2，所述第二板构件在轧制结合接头78-2处接合到第一板构件74-2。在该实施例中，轧制结合冷板68-2的形成支撑结构60-2的侧板64-2(和安装凸缘86-2)的部分可包括第一板构件74-2和第二板构件76-2的结合区段。因此，轧制结合接头78-2在侧板64-2内延伸，并且该实施例的侧板64-2可排除任何未结合区段。
此外，轧制结合冷板68-2的形成底板69-2的部分可包括第一板构件74-2和第二板构件76-2的结合区段以及第一板构件74-2和第二板构件76-2的未结合区段两者。未结合区段可包括用于使冷却剂循环通过轧制结合冷板68-2的冷却通道82-2。
尽管未示出，但轧制结合冷板68-2的形成侧板64-2的部分也可被设计成包括未结合区段，并且因此可在其中提供冷却通道。因此，电池阵列25-2的电池单元56的电池单元堆可任选地沿着多个侧面冷却，由此提供增强的热管理能力。
图8示出另一示例性电池阵列25-3。电池阵列25-3可包括支撑结构60-3，所述支撑结构包括轧制结合冷板68-3。在该实施例中，轧制结合冷板68-3形成支撑结构60-3的底板69-3和侧板64-3两者。
轧制结合冷板68-3可包括第一板构件74-3和第二板构件76-3，所述第二板构件在轧制结合接头78-3处接合到第一板构件74-3。在该实施例中，轧制结合冷板68-3的形成支撑结构60-3的侧板64-3(和安装凸缘86-3)的部分仅包括第一板构件74-3的未结合部分。此外，轧制结合冷板68-3的形成底板69-3的部分可包括第一板构件74-3和第二板构件76-3的结合区段以及第一板构件74-3和第二板构件76-3的未结合区段两者。底板69-3的未结合区段可形成用于使冷却剂在轧制结合冷板68-3内部循环的冷却通道82-3。
本公开的示例性牵引电池组并入有具有用于实现各种有利的封装配置和冷却配置的集成式轧制结合冷板的电池阵列。除其他益处外，所提出的设计可以减少与制造冷板相关联的费用，所述冷板先前已使用相对昂贵的冲压和钎焊技术来制造，并改善电池热性能。
尽管不同的非限制性实施例被示出为具有具体的部件或步骤，但本公开的实施例不限于这些特定组合。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。
应当理解，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。应当理解，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。
以上描述应当被解释为说明性的而不具有任何限制意义。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可出现一些修改。出于这些原因，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)

1.一种用于牵引电池组的电池阵列，所述电池阵列包括：
一组电池单元；以及
支撑结构，所述支撑结构围绕所述一组电池单元的外周边布置，
其中所述支撑结构包括被定位成热管理所述一组电池单元的轧制结合冷板。
2.如权利要求1所述的电池阵列，其中所述轧制结合冷板包括第一板构件和第二板构件，所述第二板构件沿着轧制结合接头接合到所述第一板构件。
3.如权利要求2所述的电池阵列，其包括设置在所述一组电池单元和所述第一板构件之间的热界面材料。
4.如权利要求2所述的电池阵列，其中所述第一板构件包括第一厚度，并且所述第二板构件包括小于所述第一厚度的第二厚度，或者其中所述第一板构件由第一材料合金构成，并且所述第二板构件由不同于所述第一材料合金的第二材料合金构成。
5.如任一前述权利要求所述的电池阵列，其中所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的底板，并且任选地，其中所述支撑结构的侧板或端板通过焊接处固定到所述轧制结合冷板。
6.如任一前述权利要求所述的电池阵列，其中所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的顶板。
7.如任一前述权利要求所述的电池阵列，其中所述轧制结合冷板形成所述支撑结构的底板、第一侧壁或第一端壁以及第二侧壁或第二端壁。
8.如权利要求7所述的电池阵列，其中所述底板包括轧制结合区段和未结合区段两者，并且所述第一侧壁和所述第二侧壁各自仅包括轧制结合区段。
9.如权利要求7所述的电池阵列，其中所述底板包括轧制结合区段和未结合区段两者，并且所述第一侧壁和所述第二侧壁各自仅包括未结合区段，并且任选地，其中所述第一侧壁和所述第二侧壁的所述未结合区段由所述轧制结合冷板的第一板构件形成。
10.如任一前述权利要求所述的电池阵列，其中所述轧制结合冷板包括多个内部冷却通道。
11.如任一前述权利要求所述的电池阵列，其中所述支撑结构是与所述牵引电池组的外壳总成分离且不同的结构。
12.一种用于牵引电池组的电池阵列，所述电池阵列包括：
一组电池单元；以及
支撑结构，所述支撑结构围绕所述一组电池单元布置并且包括一对端板、一对侧板、顶板和底板，
其中所述底板由被配置为热管理所述一组电池单元的轧制结合冷板形成，
其中所述轧制结合冷板包括第一板构件和第二板构件，所述第二板构件沿着轧制结合接头接合到所述第一板构件。
13.如权利要求12所述的电池阵列，其中所述轧制结合冷板包括轧制结合区段和未结合区段两者，并且任选地，其中在所述未结合区段中形成多个内部冷却通道。
14.如权利要求12或13所述的电池阵列，其中所述一对侧板由所述轧制结合冷板的所述第一板构件和所述第二板构件中的一者或两者形成。
15.如权利要求12至14中任一项所述的电池阵列，其中所述一对侧板中的每个侧板通过焊接处固定到所述轧制结合冷板。
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