CN205752459U - 电池组保护系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电池组保护系统，其中电池组被安装在汽车下。系统使用多个可变形冷却管道，该多个可变形冷却管道被设置在电池的每个的下表面和下电池组封装板之间，且绝热体被布置在管道和下封装板之间。可包括导热材料层，其被布置在冷却管道和绝热体之间且与冷却管道的每个的下表面相接触。冷却管道被配置成在物体(诸如道路碎片)撞击下电池组封装板的下表面时变形和吸收冲击能量。通过在电池组的底表面下设置防护板(单独或与可压缩材料层一起)，可实现进一步的保护。

Description

电池组保护系统
技术领域
本实用新型总体涉及电动车辆，并且更具体地，涉及向电动车辆的电池组提供底盘(undercarriage)保护的系统。
背景技术
响应于由日益升高的燃油价格和全球变暖的可怕后果所带来的消费者的需求，汽车行业缓慢地开始接受超低排放、高效率汽车的需求。尽管在该行业中的一些人尝试通过建造更有效的内燃机而实现这些目的，然而其他人将混合动力或者全电驱动系统结合至其车辆系列。然而为了满足消费者预期，汽车行业必须不仅仅实现更绿色的驱动系统，还必须在这样做的同时保持合理水平的性能、行程、可靠性和成本。
近年来，已经有若干电池组(容纳在笔记本电脑中的电池组或者车辆中使用的电池组)着火的事故。因此，影响混合动力和全电驱动车辆的消费者信心的一个主要问题是电池组着火的风险。
与不可充电电池相比，可充电电池由于其化学性质易于相对不稳定和更倾向于热逸溃(thermal runaway)。当电池内的反应速度增大到这样的程度从而其产生的热量多于能散发的热量时，发生热逸溃。如果反应速度和热量产生不减弱的话，最终产生的热量变得足够多，引起电池和电池附近材料燃烧。通常电池热逸溃是由于以下原因引起的：电池短路、不正确使用或物理损坏导致的损害、制造缺陷或电池暴露至极端温度。
混合动力和电动车辆(EV)制造商使用多种技术以保护其电池组免受由于道路碎片或车辆碰撞所引起的可能损害。例如，在使用相对小的电池组的车辆(诸如混合动力车辆)中，可通过将电池组放置在后舱室(rear trunk)内，在后座后面，在前座下或在另外的相对保护良好的位置而保护电池组。使用大电池组的车辆通常必须将电池组安装在车下。为了保护这样的电池组，可在道路表面和电池组底部之间设置防护板，如在2012年10月16日授权的美国专利第8,286,743号和2013年3月12日授权的美国专利第 8,393,427号中所公开的。
尽管现有技术示教了能将电池组置于汽车的相对保护区域中或者另外地保护电池组免受潜在损害的多种安装技术，然而考虑到灾难性电池事故的严重后果，需要用于保护底盘安装电池组的进一步技术。本实用新型提供这样的保护系统。
实用新型内容
本实用新型提供了一种用于电动车辆的电池组保护系统，其中电池组被安装在汽车下。所述系统使用多个可变形冷却管道，该多个可变形冷却管道被设置在电池组内的电池的每个的下表面和下电池组封装板之间，且绝热体被布置在所述管道和下封装板之间。所述绝热体可包括绝热材料(例如，空气)的层，优选地绝热材料的导热系数在25摄氏度时小于1.0Wm-1K-1，且更优选地，导热系数在25摄氏度时小于0.2Wm-1K-1。电池组可还包括与所述多个可变形冷却管道的每个相接触的导热材料层，例如，该层被布置在所述冷却管道和所述绝热体之间，且与所述冷却管道的每个的下表面相接触。
所述冷却管道被配置成在物体撞击所述下电池组封装板的下表面时变形和吸收冲击能量，所述冷却管道包括可使用圆形或非圆形横截面的一个或多个冷却剂通道。在所述冷却剂通道内流动的冷却剂在与下电池组封装板基本平行的平面内流动。可使用圆柱形电池，例如，电池使用18650形状因子，并被定位在电池组中，使得每个电池的圆柱轴线基本垂直于下电池组封装板。可变形冷却管道可由塑料聚合物材料(例如，聚乙烯、聚丙烯等)制成，并且下电池组封装板可由金属(例如，铝、钢等)制成。
在另一方面，防护板可被安装在所述电动车辆下并在所述电池组下，从而提供额外的电池组保护。防护板通常由金属或高密度塑料制成，防护板被安装成与电池组封装的底部相距一定距离(例如，在1至15厘米之间)。诸如开孔或闭孔泡沫塑料或开孔或闭孔海绵的可压缩材料的层可被布置在电池组和防护板之间。
通过参照说明书的其余部分以及附图可进一步理解本实用新型的实质和优点。
附图说明
图1提供了电池组和其所安装的车辆底架的透视图；
图2提供了图1中所示的电池组的一部分的剖视图；
图3示出了适用于本实用新型的电池组可变形冷却管道的示例性冷却系统；
图4示出了适用于本实用新型的电池组可变形冷却管道的另一示例性冷却系统；
图5示出了图3中所示的示例性冷却系统，其中电池组内的冷却管道配置不同；
图6提供了在物体撞击电池组封装的底部之后，图2中所示的电池组部分的剖视图；
图7提供了图2中所示的电池组部分的剖视图，其中包括在冷却管道和电池组封装之间的空气间隙；
图8提供了图2中所示的电池组部分的剖视图，其中包括设置在冷却管道和电池组封装之间的绝热材料层；
图9提供了图7中所示的电池组部分的剖视图，其中包括与冷却管道的下表面相接触的导热材料板片；
图10提供了图8中所示的电池组部分的剖视图，其中包括与冷却管道的下表面相接触的导热材料板片；
图11提供了图7所示的电池组部分的剖视图，具有可变形冷却管道的可选配置；
图12提供了图7中所示的电池组部分的剖视图，具有可变形冷却管道的可选配置；
图13提供了图7中所示的电池组部分的剖视图，具有可变形冷却管道的可选配置；
图14提供了图13中所示的电池组部分的剖视图，其中增加了下防护板；并且
图15提供了图14中所示的电池组部分的剖视图，其中增加了被布置在电池组下板和防护板之间的可压缩层。
具体实施方式
在下文中，术语“蓄电池”、“电池”、“蓄电池单元”可互换地使用，并 且可指多种不同电池配置和化学电池中的任一种。常规的化学电池包括但不限于，锂离子电池、聚合物锂离子电池、镍金属氢电池、镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和银锌电池。术语“电池组”和“电池组封装(enclosure)”可互换使用并且指封装，其容纳有电互连以实现预期电压和容量的一个或多个电池。这里使用的术语“电动车辆”可指全电动车辆(也被称为EV)、插电式混合动力车辆(也被称为PHEV)或混合动力车辆(也被称为HEV)，其中混合动力车辆使用多个推进源，包括电驱动系统。
图1提供了被配置成安装在车辆底架(chassis)103下面的电池组101的透视图。应理解，本实用新型不限于特定的电池组安装方式、电池组尺寸或电池组配置。
图2提供了电池组101的一部分的剖视图。为了清楚起见，在视图中没有包括电池相互连接件和电池支架。图2中可见上电池封装板201的一部分、下电池封装板203的一部分和多个电池205。应注意在该视图中没有示出封装侧板。电池205优选地是圆柱形电池，例如使用18650形状因子的电池，并且被定位在电池组内，使得圆柱形的轴线(即，圆柱轴线)基本垂直于下封装板203和道路表面两者。介于各圆柱形电池205的底部和下板203之间的是多个可变形冷却管道207，液体冷却剂(即传热介质)被泵送通过该冷却管道207。如图所示，在优选实施例中，冷却管道207与下板203相对齐，使得通道209内的冷却剂在与圆柱形电池的轴线基本垂直的方向上流动。通过调节管道207内的冷却剂流动和/或调节从冷却剂至另一温度控制系统的传热，可调节电池205的温度，使得电池被保持在其优选工作范围内。
图3和4示出了连接至冷却管道207的示例性冷却系统。在图3所示的系统300中，使用泵303将管道207内的冷却剂泵送通过散热器301。鼓风风扇305可用于推动使空气通过扇热器301，以确保汽车静止时的冷却。在图4所示的系统400中，管道207内的冷却剂经由热交换器403而耦合到热管理系统401。优选地，热管理系统401是制冷系统且因此包括压缩机405和冷凝器409，压缩机405将制冷剂管线407中的低温蒸气压缩成高温蒸气，且在冷凝器409中，一部分储热被散发。在流过冷凝器409后，制冷剂从蒸气相变成液体，该液体所保持的温度在常压的饱和温度之下。制冷剂然后流过干燥器411，其从冷凝的制冷剂中去除水汽。在干燥器411之后，制冷剂管线407经由热膨胀阀413而连接到热交换器403，该热膨胀阀413控制制 冷剂进入热交换器403的流速。另外，在所示的系统中，鼓风风扇215与冷凝器409结合使用，以提高系统效率。应理解，电池组冷却剂管道207可连接至其它冷却/热管理系统，并且图3和4中所示的冷却系统仅旨在示出用于与本实用新型的管道一起使用的一些常用配置。另外，图3和图4中所示的冷却管道207的几何形状仅仅旨在示出一种可能的配置。例如，图5示出了图3的冷却系统，其具有在电池组101内的不同管道配置，其使用了冷却剂歧管。本实用新型也可使用其它配置，假如管道被置于电池205和下封装板203之间，如上所述和所示。
冷却管道207用作双重目的。第一，在车辆和电池的正常工作过程中，管道207内的冷却剂将热量从电池205带走，从而允许电池的温度被保持在优选的工作范围内。第二，在其中诸如道路碎片的物体从车辆下方撞击电池组101的底板203的非正常事件中，管道207通过管道变形吸收能量而防止对电池组的灾难性损害。如图6所示，当车辆下方的物体在601的方向上被推动向上时，该物体使得底部封装板203变形，以及使得撞击区域内的管道207的这些部分变形。由于撞击区域内的下板203和管道变形，能量被吸收。如果通过该过程吸收了足够的能量，则在该撞击区域内对电池205的损害被显著地限制，从而潜在地避免了热逸溃事件。优选地，管道207由聚乙烯或类似材料制成，其能严重变形而不开裂或破裂。另外，通过选择不导电冷却剂，如果在变形时管道开裂或破裂，释放的冷却剂不会在电池组内造成短路。
应理解，冷却系统的热效率以及由冷却管道所提供的保护程度可容易地调整以满足特定车辆的设计要求。例如，在大多数应用中，冷却管道207由导热材料制成，从而确保从电池205至电池热管理系统的传热效率。然而，如本实用新型已经发现，通常希望限制冷却管道207和电池组封装板203之间的传热，在优选实施例中，在管道和电池组封装之间增加了一层或多层绝热体。例如，在图7所示的实施例中，通过在冷却管道207和电池组封装板203之间设置空气间隙701而限制两种结构之间的传热。在该实施例中，支座(stand-off)703帮助确保电池组结构的机械强度，同时仍维持充足的空气间隙701，以将传热限制至可接受的水平。优选地，支座703由低导热系数的材料制成，例如在25摄氏度时低于1.0Wm-1K-1，并且更优选地，在25摄氏度时低于0.2Wm-1K-1。支座可与板203一体形成，与管道207一体形成(例如，与用于制造冷却管道207的相同挤压成型加工中挤压成型)，或者 独立于板203和管道207。使用空气间隙701以将管道与下封装板间隔开以及使支座703的数量最小化的优点在于，当物体撞击板203的下表面时，板甚至在撞击可变形冷却管道207之前变形，从而加强了对电池205的保护。
在图8所示的实施例中，空气间隙701已经被一层801绝热材料替代，层801优选地在25摄氏度时具有低于1.0Wm-1K-1的导热系数，并且更优选地，在25摄氏度时具有低于0.2Wm-1K-1的导热系数。在一种配置中，层801由可变形材料形成，从而允许在撞击管道207之前一定程度的封装板变形。
图9和图10分别示出了图7和图8所示的配置的变形。在这些实施例中，导热材料层901(诸如铝板片)被设置成与各冷却管道207的下表面接触。层901在冷却管道之间传热，从而例如在一个电池开始运行的温度高于周围电池时帮助防止局部升温，即热点。在图9所示的实施例中，层901通过空气间隙701与封装板203绝热，而在图10所示的实施例中，板片901通过低导热系数板片801与封装板203绝热。
除了通过在冷却管道和电池组封装之间增加一层或多层绝热和/或导热材料以改变电池组的热特性以外，应理解，冷却管道的配置也可被调整以满足特定车辆的设计要求。例如且如图11所示，通过增加管道的深度，且从而增加下封装板203和电池205之间的分离距离，提供了更大的管道变形区域。更大的管道变形区域进而允许撞击电池组的底部的物体在电池被损坏之前使板203和管道1101变形程度大得多。另外，由于管道1101内的通道1103的更大内直径，在受影响的管道内的冷却剂流动完全停止之前，可产生更大程度的管道变形。该方法的附加优点在于管道1101内的更大通道提供了更大的冷却能力。
图12示出了本实用新型的另一实施例，其中每个管道1203内的通道1201数量增加且每个通道的形状被改变成圆柱形。结果，管道的压缩强度增加，得到较难变形的结构。同时，给定接近每个电池205的通道尺寸以及通道数量，在变形事件(即，与物体撞击)过程中，对于任何特定电池来说，较不可能全部冷却终结。
图13示出了本实用新型的另一实施例。在该实施例中，每个管道1301的角以及管道内的每个通道1303的角是圆形的。因此，保持了与电池结构接触的大管道表面积，同时还实现了在变形过程中较不可能破裂的管道。
如上所述，本实用新型的底盘撞击缓冲区可被调整以满足特定车辆设计 的具体要求。因此，与其中电池组较少暴露或较不可能碰到道路碎片的车辆相比，其中电池组较多暴露(例如由于在车辆下的低安装位置)或者其中电池组更可能碰到道路碎片(例如在运动型多用途车(SUV)中)的车辆可被提供有更多的保护。撞击缓冲区的特征可被改变以实现期望的特性，该特征包括每个管道的通道数量，管道的宽度和高度，每个通道的横截面形状和尺寸，每个管道的横截面形状和尺寸，管道壁厚(即，将通道从外管道壁分离的壁厚)，管道材料，下封装板厚，和下封装板材料。优选地，可变形冷却管道由塑料聚合物形成，诸如聚乙烯或聚丙烯。如果希望，可对材料进行处理以提高导热性，同时仍保持其不导电特性。下封装板优选地由金属(诸如铝或钢)制成，然而也可使用其它材料(例如，绝热复合材料)。
在至少一个实施例中并且如图14所示，通过包括在下电池封装板203和道路表面(未示出)之间安装的防护板(ballistic shield)1401而改进底盘撞击缓冲区的性能。防护板1401在道路碎片或其它物体撞击板203的外表面之前吸收来自这些物体的一些冲击能量。此外，通过如在优选实施例中所示将防护板1401与板203间隔开一定距离，在撞击过程中防护板1401较不可能被驱动进入下封装板。因此，尽管防护板1401可被安装至板203并与板203接触，优选地，其与板203间隔开在1-15厘米之间的距离。防护板1401可由金属(例如铝)制成，尽管优选地使用重量较轻的材料(诸如高密度塑料)以减轻车辆重量。
图15示出了图14所示的实施例的变形。在所示的实施例中，可压缩材料层1501被布置在防护板1401和下封装板203之间，以有助于撞击能量吸收。优选地，层1501由开孔或闭孔海绵或泡沫塑料制成，例如由硅树脂或聚氨酯制成，其它类似的低密度材料也可用于层1501。应理解，尽管图11-15所示的实施例使用了图7所示的配置作为下层结构，这些实施例也可使用诸如图8中所示的绝热材料层，或如图9和10中所示的绝热材料层和被设置成与每个冷却管道的下表面相接触的导热层。
应理解，附图仅旨在示意而非限制本实用新型的范围，并且不应被认为是按比例的。
已经总体地描述了系统和方法，以有助于理解本实用新型的细节。在一些情况下，没有具体地示出或详细的描述公知的结构、材料和/或操作，以避免使本实用新型的多个方面不清楚。在其它情况下，已经给出了具体细节， 已提供对本实用新型的彻底理解。相关领域技术人员应理解，本实用新型可实现为其它特定形式，例如为了适应特定系统或设备或条件或材料或部件，而不偏离本实用新型的本质或实质性特征。因此，这里的公开和描述旨在是本实用新型的范围的示例，而不是限制。

Claims (20)

1.一种电池组保护系统，其特征在于包括：
电池组，其被安装在电动车辆下，其中所述电池组被配置成容纳多个电池；
多个可变形冷却管道，其被布置在所述多个电池的每个的下表面和下电池组封装板的上表面之间，其中至少一个冷却剂通道被一体形成至所述多个可变形冷却管道的每个，并且其中所述多个可变形冷却管道被配置成在物体撞击所述下电池组封装板的下表面时变形和吸收冲击能量；和
绝热体，其被布置在所述多个可变形冷却管道和所述下电池组封装板的所述上表面之间。
2.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述绝热体包括导热系数在25摄氏度时小于1.0Wm-1K-1的绝热材料的层。
3.如权利要求2所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个可变形冷却管道从所述下电池组封装板的所述上表面间隔开一间隙，其中所述间隙填充有所述绝热材料的所述层，并且其中所述绝热材料的所述层包括空气。
4.如权利要求3所述的电池组保护系统，其特征在于还包括多个支座，所述多个支座在所述间隙内且将所述多个可变形冷却管道从所述下电池组封装板的所述上表面间隔开。
5.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于还包括与所述多个可变形冷却管道的每个相接触的导热材料层。
6.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个可变形冷却管道被设置在所述电池组内，使得所述多个可变形冷却管道的所述至少一个冷却剂通道内的冷却剂在与所述下电池组封装板的所述上表面基本平行的平面内流动。
7.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个电池的每 个使用圆柱形形状因子，并且其中所述多个电池被定位在所述电池组内，使得与所述多个电池的每个相对应的圆柱轴线基本垂直于所述下电池组封装板。
8.如权利要求7所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个可变形冷却管道被设置在所述电池组中，使得所述多个可变形冷却管道的每一个的所述至少一个冷却剂通道内的冷却剂在与所述多个电池的每个相对应的所述圆柱轴线基本垂直的平面内流动。
9.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个可变形冷却管道的每个包括多个冷却剂通道，并且其中所述多个冷却剂通道的每个具有圆形横截面。
10.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个可变形冷却管道的每个包括多个冷却剂通道，并且其中所述多个冷却剂通道的每个具有非圆形横截面。
11.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述多个可变形冷却管道的每个由塑料聚合物材料制成。
12.如权利要求11所述的电池组保护系统，其特征在于所述塑料聚合物材料选自聚乙烯和聚丙烯。
13.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于还包括防护板，所述防护板安装在所述电动车辆下并在所述电池组下方，其中所述防护板被布置在所述电池组和道路表面之间。
14.如权利要求13所述的电池组保护系统，其特征在于所述防护板与所述下电池组封装板间隔开的距离在1厘米至15厘米的范围内。
15.如权利要求13所述的电池组保护系统，其特征在于所述防护板由金 属制成。
16.如权利要求13所述的电池组保护系统，其特征在于所述防护板由高密度塑料制成。
17.如权利要求13所述的电池组保护系统，其特征在于还包括被布置在所述防护板和所述电池组之间的可压缩材料的层。
18.如权利要求17所述的电池组保护系统，其特征在于所述可压缩材料选自开孔海绵、开孔泡沫塑料、闭孔海绵和闭孔泡沫塑料。
19.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述下电池组封装板由金属制成。
20.如权利要求1所述的电池组保护系统，其特征在于所述下电池组封装板由绝热复合材料制成。
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