CN213660494U - 电池热管理装置和用于车辆的动力电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电池热管理装置及用于车辆的动力电池系统。电池热管理装置包括：导电单元，所述导电单元适于连接到电池的极耳或者连接到电池系统的电气元件；绝缘导热单元，所述绝缘导热单元与导电单元接触：热交换单元，所述热交换单元与绝缘导热单元接触；其中，所述导电单元、所述绝缘导热单元和所述热交换单元彼此层叠并连接成一体。本实用新型的电池热管理装置通过提供优化的传热路径，极大地提高了电池或电池系统的导热效率；模块化的集成设计降低了装置成本，并易于兼容至各种电池或电池系统应用中，同时起到导电以及冷却和/或加热的作用。

Description

电池热管理装置和用于车辆的动力电池系统

技术领域

本实用新型总的涉及车辆领域，尤其是新能源车辆(电动车辆、混合动力车辆)的动力电池系统领域。更具体地，涉及一种电池热管理装置，以及应用该电池热管理装置的动力电池系统。

背景技术

混合动力车辆及纯电动车辆通常需要高效率的动力电池系统提供能量。当以高功率运行时，电池的充放电过程会产生大量热量，使得电池内部热量堆积并导致电池性能下降。由于动力电池对温度较为敏感，为了使动力电池工作在最佳温度，越来越多的电池系统都配备了例如通过空气冷却或液体冷却的冷却系统。

此外，锂离子电池的工作原理本质上是内部正负极与电解液之间的氧化还原反应，在低温下极耳表面活性物质嵌锂反应速率减慢、活性物质内部锂离子浓度降低，这将引起电池平衡电势降低、内阻增大、放电容量减少，极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象，极大地影响电池系统低温性能，造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。而且，在低温环境下充电容易在负极表面形成锂沉积，金属锂在负极表面积累会刺穿电池隔膜造成电池正负极短路，威胁电池使用安全，因而，电动汽车电池系统低温充电安全问题极大地制约了电动汽车在寒冷地区的推广。

因此，为了提高整车性能，使电池系统发挥最佳的性能和寿命，需要设计能够适应高温和低温的电动汽车电池热管理系统，在电池温度较高时进行散热，防止产生热失控事故，在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充放电性能和安全性。

由于制造和系统集成的复杂性，目前市场上的电池热管理系统多采用平板式的冷却/加热装置，将电池的底部表面或侧面用作主要的散热表面。如图1a和图1b所示，多个电池模组10通过导电片11电连接，在电池模组10的底部设有热管理(冷却/加热)装置20，通过表面接触实施对电池模组10的冷却或加热。然而，如图1b中箭头所示，这种构造方式在冷却时的热传递路径为：电池内部的热量传递到电池表面，进而通过与底部的热管理装置20表面接触来实现散热。由于电池复杂的内部结构，传热路径的热阻很大。电池模组的热导率约为1-30W/m·k，为了有效地将热量传递到热管理装置20，某些情况下，在电池模组10和热管理装置20之间可提供散热部件21以用于增强传热。通常，散热部件21可为散热垫或导热膏(或非固体导热材料)等，这类导热材料的热导率较低，通常为2W/m·k，因而冷却效率过低。对于加热而言，出于同样的原因，加热效率也很低。而且，在充电或放电时，热量不能快速有效地传递到电池表面，电池内部温差大，严重降低了电池的循环寿命。另一方面，通常电池模组包含几十到几百个电池，由于电池模组在电池系统壳体中的不同位置，电池之间的温差也很大，这也影响了系统的循环寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种电池热管理装置，该电池热管理装置具有较低热阻的传热路径，能够有效提高传热效率，并且能够以模块化的方式应用于电池或电池模组。

为此，根据本实用新型的一个方面，提供一种电池热管理装置，包括：导电单元，所述导电单元适于连接到电池的极耳或者连接到电池系统的电气元件；绝缘导热单元，所述绝缘导热单元与所述导电单元接触：以及热交换单元，所述热交换单元与所述绝缘导热单元接触；其中，所述导电单元、所述绝缘导热单元和所述热交换单元彼此层叠并连接成一体。

通过将电池热管理装置中的各单元连接成一体，本实用新型能够实现模块化或集成化的热管理装置在电池系统内部的应用，简化设计并提高了电池热管理装置的兼容性。同时，相比于现有热管理装置的常规传热路径，本实用新型提供了一种较低热阻的传热路径，能够直接实现极耳或电气元件与电池热管理装置之间的热量传递，大幅提高了热管理效率，从而提高了电池能量和功率的效率，并且显著提高了电池内部温度的一致性，延长使用寿命。

根据上述技术构思，本实用新型可进一步包括任何一个或多个如下的可选形式。

在某些可选形式中，所述电池热管理装置包括绝缘封装单元，所述绝缘封装单元包覆所述绝缘导热单元和/或所述热交换单元与所述导电单元的连接端面。

在某些可选形式中，所述绝缘导热单元由陶瓷材料制成，并被设置为具有接触平面的导热板。

陶瓷材料为高绝缘低热阻材料，能够有效地将热量从导电单元传出或传递至导电单元，同时满足过载电流保护以及传热、绝缘功能，从而有利于解决电池或电池系统充放电时的载流散热问题，使得本实用新型的电池热管理装置能够广泛应用于电力电气设备，特别是动力电池系统中。

在某些可选形式中，所述绝缘封装单元包括将所述导热板和所述热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆的第一绝缘封装件，以及将所述导热板包覆的第二绝缘封装件，所述第二绝缘封装件设有供所述导电单元嵌入的通道，所述第一绝缘封装件设有供所述导电单元穿过的缺口。

在某些可选形式中，所述绝缘导热单元由陶瓷材料制成，并被设置为具有接触平面的导热套筒，所述导热套筒设有供所述导电单元嵌入的通道，所述热交换单元接触所述导热套筒的接触平面。

在某些可选形式中，所述绝缘封装单元包括将所述导热套筒和所述热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆的第一绝缘封装件，所述第一绝缘封装件设有供所述导电单元穿过的缺口。

在某些可选形式中，所述导热套筒的端部构成所述绝缘封装单元的一部分，所述绝缘封装单元还包括将所述热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆的第三绝缘封装件。

在某些可选形式中，所述电池热管理装置包括分别布置于所述导电单元两侧表面的第一导热板和第二导热板，所述第一导热板接触第一热交换单元，所述第二导热板接触第二热交换单元。

在某些可选形式中，所述第一热交换单元和所述第二热交换单元均为冷却元件或加热元件，或者所述第一热交换单元和所述第二热交换单元分别为冷却元件和加热元件。

在某些可选形式中，所述绝缘封装单元被设置为将所述第一导热板、第二导热板、第一热交换单元和第二热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆，并设有供所述导电单元穿过的缺口以及容置所述第一导热板、第二导热板、第一热交换单元和第二热交换单元的槽道。

在某些可选形式中，所述热交换单元与所述绝缘导热单元直接接触，或者经由导热元件与所述绝缘导热单元间接接触。

在某些可选形式中，所述导热元件被设置为与所述绝缘导热单元直接接触的金属基座。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种用于车辆的动力电池系统，所述动力电池系统包括至少一个上述的电池热管理装置。

本实用新型的电池热管理装置通过提供优化的传热路径，极大地提高了电池或电池系统的导热效率；模块化的集成设计降低了装置成本，并易于兼容至各种电池或电池系统应用中，同时起到导电以及冷却和/或加热的作用。

附图说明

本实用新型的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的可选实施方式更好地理解，附图中相同的标记标识相同或相似的部件，其中：

图1a是现有电池系统中采用底部热管理装置的示意图，图1b为图1a 中热管理装置的分解示意图并示出了热管理装置的传热路径；

图2a是根据本实用新型一种实施方式的电池热管理装置应用于电池模组的示意图，图2b是图2a中A部分的放大示意图；

图3a是图2a中具有电池热管理装置的电池模组的顶部示意图，图3b 是图3a中B部分的放大示意图，图3c是图3a中C部分的放大示意图；

图4a是根据本实用新型一种实施方式的电池热管理装置的示意图，图 4b是图4a中电池热管理装置的分解示意图；

图5是根据本实用新型另一种实施方式的电池热管理装置的示意图；

图6是根据本实用新型另一种实施方式的电池热管理装置的示意图；

图7是根据本实用新型另一种实施方式的电池热管理装置应用于电池模组的示意图；

图8a是根据本实用新型另一种实施方式的电池热管理装置的示意图，图8b是图8a中电池热管理装置的分解示意图。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本实用新型的特定方式，而非限制本实用新型的范围。在描述时各个部件的结构位置例如上、下、顶部、底部等方向的表述不是绝对的，而是相对的。当各个部件如图中所示布置时，这些方向表述是恰当的，但图中各个部件的位置改变时，这些方向表述也相应改变。

本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

通常，用于车辆的动力电池系统包括多个单体电池组成的电池包，图 2a示例性示出了由四个单体电池组成的电池模组100。根据本实用新型的构思，有利地将电池热管理装置构造为整体式模块结构，并且，不同于现有的在电池模组底部冷却的方式，将电池热管理装置如图2a至图3c所示布置在各个电池之间，通过更短的传热路径来获得更为直接有效的传热效果。应理解的是，图中所示电池热管理装置的尺寸、数量及布置位置仅为某些实施方式的示例，取决于不同的实际需要，本实用新型的电池热管理装置亦可布置于各个电池模组之间。此外，由于电池热管理装置的独特布置，本实用新型可适用于多种电池或电池模组的形式，包括但不限于软包电池、方形电池或圆柱电池等等。

具体地，参见图2b、图3b和图3c所示的实施方式，根据本实用新型的电池热管理装置主要包括适于连接到电池模组100的电芯的极耳上的导电单元110，以及适于将导电单元110的热量导出或将热量导入导电单元110的热交换单元200。作为一个模块化的整体，电池热管理装置易于仅通过导电单元组装至各个电池的极耳之上，直接与电池的正极和负极端子形成传热路径，以实现导电功能并进行快速均匀的热交换。以这种方式，电池热管理装置能够兼容于各种电池或电池模组(包括标准化模组和非标准化模组)，而无需特定的结构设计以及精准的定位组装。在某些实施方式中，除了对电池或电池模组进行热交换处理，电池热管理装置还可适用于大功率电气元件，例如集线器、保险丝、预充电阻等，从而对电池系统中易于产生热量的电气元件实施热交换。

已知的是，导电单元110需具有一定的载流及导热性能，作为选择，可采用铜或铝等金属材料制成，例如黄铜、纯铝或铝合金等。在某些实施方式中，导电单元110与电池模组100的极耳的连接方式可采用本领域技术人员所熟知的机械连接方式中的至少一种，包括但不限于焊接、铆接或螺纹连接(如图3b中所示)。

根据本实用新型，在导电单元110和热交换单元200之间设置绝缘导热单元(包括但不限于如下示例性描述的导热套筒300、导热板500、多个导热板510、520等实现形式)，该绝缘导热单元应具有高导热系数和高绝缘性能，优选采用陶瓷材料制成，例如包括但不限于氮化铝、氧化铍、氮化硼、氧化镁等陶瓷材料。绝缘导热单元亦可采用其他适合的材料，例如导热灌封胶。在各个实施方式中，绝缘导热单元例如通过钎焊、固相扩散等陶瓷与金属连接的工艺方式连接至导电单元110和热交换单元200，从而实现高导热低电阻金属材料制成的导电单元110与热交换单元200之间快速高效的热量传递。可选地，绝缘导热单元作为绝缘材料可将导电单元部分封装或完全封装。

此外，在绝缘导热单元和/或热交换单元200与导电单元110的连接端面处，电池热管理装置还设有可包覆各个连接端面的绝缘封装单元。绝缘封装单元可由各种适当的塑料、橡胶等非金属材料制成，用以防止导电单元110与其它元器件发生短路。作为选择，绝缘封装单元一体成型并连接至各个连接端面处。

根据本实用新型，有利地将导电单元110、绝缘导热单元、热交换单元 200以及绝缘封装单元彼此层叠并连接成一体，从而获得热量充分传导、装卸便利性、使用兼容性等各方面的良好融合。以这种方式，电池热管理装置装设于电池模组100之后，结合图2b所示，例如在冷却模式下，电池热管理装置的传热路径为：电芯内部的热量通过极耳传导到电池模组端子，进而传导到导电单元110，再经由绝缘导热单元传导到热交换单元200，从而以主动散热的方式将热量有效传递出电池模组。在某些实施方式中，亦可不额外设置绝缘封装单元，而是通过绝缘导热单元直接实现导电单元110 和热交换单元200之间的绝缘，只要保证导电单元110和热交换单元200 之间的最小电气间隙和爬电距离即可，防止空气击穿。由此，本实用新型的电池热管理装置能够同时满足过载电流保护、传热功能以及绝缘功能。

以下结合图4a至图8b描述基于上述构思的示例性实施方式。

如上所述的，绝缘导热单元可将导电单元110部分封装或完全封装，图4a和图4b示出了将导电单元完全封装的一种实施方式。在该实施方式中，绝缘导热单元由陶瓷材料制成，并被设置为具有接触平面的导热套筒 300，导热套筒300设有供导电单元110嵌入的通道310，其中，热交换单元200接触导热套筒300的接触平面，也就是，热交换单元200接触导热套筒300的平坦的外表面。

在图5至图6的实施方式中，示出了绝缘导热单元将导电单元部分封装的实施方式。在该实施方式中，绝缘导热单元被设置为具有接触平面的导热板500，导电单元110和热交换单元分别接触导热板500两侧的平坦表面。

应理解的是，采用平面接触的方式传递热量增大了接触面积，从而更有助于热量的扩散。然而，虽然图中的导热套筒300或导热板500示出为具有大致矩形的接触平面，并不意味着排除其他可选的平面方式或者非平面方式。举例来说，导热板500还可被构造为方形、圆形、椭圆形或者多边形。

无论何种方式，优选在绝缘导热单元和/或热交换单元200与导电单元 110的连接端面处包覆绝缘封装单元。回到图4a和图4b，在该实施方式中，绝缘封装单元包括将导热套筒300和热交换单元200与导电单元110的连接端面包覆的第一绝缘封装件400，该第一绝缘封装件400可为一体成型的塑料材质，例如图4b中所示包括分别包覆于导热套筒300的通道310两端以及热交换单元200两端的右侧第一绝缘封装件410和左侧第一绝缘封装件420，且各个第一绝缘封装件设有供导电单元110穿过的缺口411、421。

在图5和图6所示实施方式中，由于导电单元110与导热板500的底侧表面接触，除了与上述实施方式类似的第一绝缘封装件400，绝缘封装单元还可包括将导热板500包覆的第二绝缘封装件600，用以提高绝缘性能，其中，第二绝缘封装件600设有供导电单元110嵌入的通道(未示出)，并且可采用与第一绝缘封装件400相同或不同的材料制成。

在可选实施方式中，可通过将导热套筒300的端部延长以构成部分绝缘封装单元，也就是，由导热套筒300的端部替代图4a和图4b中包覆该端部的绝缘封装单元400的一部分，同时绝缘封装单元还包括将热交换单元200与导电单元110的连接端面包覆的第三绝缘封装件。

对于热交换单元，可包括与绝缘导热单元直接接触的冷却/加热元件，图4a、图4b和图5示出了一种实施方式的热交换单元200。以冷却为例，热交换单元200作为直接冷却或主动冷却的方式，可选择为采用液体、相变材料或其他冷却剂实施强制冷却，也就是，热交换单元200可采用高导热金属材料或非金属材料制成冷却壳体210，壳体210内部形成空腔，外部设置管道接口，例如设有进液管道220和出液管道230，使得壳体内的流体连通以构成冷却回路。由此，直接经由热交换单元200实现对导热套筒300 或导热板500传递的热量循环冷却的目的，保证动力电池在温度基本不变的环境下工作。可选地，直接冷却的方式亦可采用风冷(例如设置散热片) 实现。

在某些实施方式中，热交换单元可包括经由导热元件与绝缘导热单元间接接触的冷却/加热元件，如图6所示，导热元件可为与导热板500直接接触的金属基座700，金属基座700便于连接例如散热片、热管或导热部件等冷却/加热元件。这样，通过金属基座700提供例如较大的表面进行主动或被动热交换。

在某些实施方式中，还可选择将例如陶瓷材料的绝缘导热单元替代例如塑料的绝缘封装单元来实现极耳和电池模组的金属外壳之间的绝缘。如图7所示的可选实施方式，与图6所示实施方式的区别在于，导热板500 的端部延长以构成部分绝缘封装单元，这样就在电池模组100的金属外壳和极耳之间形成导热路径，在不需要开启热交换单元的情形下，仍然能实现较高的散热效率。例如图7的实施方式中，金属基座700直接从导热板 500延伸至电池模组100的金属外壳，从而可获得的传热路径为：电芯内部的热量通过极耳传导到电池模组端子，进而传导到导电单元110，再经由导热板500传导到金属基座700，直至电池模组100的金属外壳，从而以被动散热的方式将热量有效传递出电池模组。

应理解的是，当热交换单元200内的流体为加热流体时，热交换单元 200同样可用作加热元件使用。此外，在本实用新型中所适用的加热方式包括但不限于电磁加热、电阻加热等加热方式。

对于绝缘导热单元，优选将其与导电单元直接接触以获得最佳的导热效能，然而并不排除在绝缘导热单元和导电单元之间设置导热元件的可能。

在某些实施方式中，电池热管理装置可集成冷却功能和加热功能，也就是同时设置加热元件和冷却元件。如图8a和图8b所示，在该实施方式中，电池热管理装置包括分别布置于导电单元110两侧表面的第一导热板 510和第二导热板520，其中，第一导热板510接触第一热交换单元900，例如为加热元件，第二导热板520接触第二热交换单元700，例如为冷却元件。在该实施方式中，绝缘封装单元800可被设置为一体的包覆件，用以将第一导热板510、第二导热板520、第一热交换单元900和第二热交换单元700与导电单元110的连接端面包覆。为此，绝缘封装单元800可设有供导电单元110穿过的缺口(未示出)，并设有容置第一导热板510的槽道 820，容置第二导热板520的槽道810，容置第一热交换单元900的槽道840，以及容置第二热交换单元700的槽道830。

不论是独立加热、独立冷却，还是集成加热和冷却，本实用新型的电池热管理装置通过改变传统热管理系统的传热路径，使用高导热绝缘材料 (例如陶瓷)作为导热体，结合导电单元(例如金属)构成整体模块连接到电池或电池模组的极耳接线片，从而例如在冷却模式下，热量从极耳接线片直接经由热管理装置实施散热。采用本实用新型，大幅降低了传热路径的热阻，传热路径的热阻仅为传统解决方案的几个百分点，提高了电池能量和功率的效率。此外，本实用新型的集成化的电池热管理装置能够以简化的设计和优化的成本效益同时满足过载电流保护、传热以及绝缘功能，显著提高电池内部和电池之间温度的一致性，解决了电池充放电时的载流散热问题，延长了电池或电池模组或电池系统的使用寿命，并能够广泛应用于电气元器件封装中。在车辆的动力电池系统的应用中，本实用新型的电池热管理装置有效地提高了冷却系统的导热效率，在同等条件下能够大幅节省耗电能量，从而增加车辆行程范围。

这里应当理解的是，图中所示实施方式仅显示了根据本实用新型的电池热管理装置及动力电池系统的可选形状、尺寸和布置方式，然而其仅为示意而非限制，在不背离本实用新型的思想和范围的情况下，亦可采取其他形状、尺寸和布置方式。

以上已揭示本实用新型的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本实用新型的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的构思作各种变化和改进，但都属于本实用新型的保护范围。上述实施方式的描述是例示性的而不是限制性的，本实用新型的保护范围由权利要求所确定。

Claims (13)

1.一种电池热管理装置，其特征在于，包括：

导电单元，所述导电单元适于连接到电池的极耳或者连接到电池系统的电气元件；

绝缘导热单元，所述绝缘导热单元与所述导电单元接触：以及

热交换单元，所述热交换单元与所述绝缘导热单元接触；

其中，所述导电单元、所述绝缘导热单元和所述热交换单元彼此层叠并连接成一体。

2.根据权利要求1所述的电池热管理装置，其特征在于，所述电池热管理装置包括绝缘封装单元，所述绝缘封装单元包覆所述绝缘导热单元和/或所述热交换单元与所述导电单元的连接端面。

3.根据权利要求2所述的电池热管理装置，其特征在于，所述绝缘导热单元由陶瓷材料制成，并被设置为具有接触平面的导热板。

4.根据权利要求3所述的电池热管理装置，其特征在于，所述绝缘封装单元包括将所述导热板和所述热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆的第一绝缘封装件，以及将所述导热板包覆的第二绝缘封装件，所述第二绝缘封装件设有供所述导电单元嵌入的通道，所述第一绝缘封装件设有供所述导电单元穿过的缺口。

5.根据权利要求2所述的电池热管理装置，其特征在于，所述绝缘导热单元由陶瓷材料制成，并被设置为具有接触平面的导热套筒，所述导热套筒设有供所述导电单元嵌入的通道，所述热交换单元接触所述导热套筒的接触平面。

6.根据权利要求5所述的电池热管理装置，其特征在于，所述绝缘封装单元包括将所述导热套筒和所述热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆的第一绝缘封装件，所述第一绝缘封装件设有供所述导电单元穿过的缺口。

7.根据权利要求5所述的电池热管理装置，其特征在于，所述导热套筒的端部构成所述绝缘封装单元的一部分，所述绝缘封装单元还包括将所述热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆的第三绝缘封装件。

8.根据权利要求3所述的电池热管理装置，其特征在于，所述电池热管理装置包括分别布置于所述导电单元两侧表面的第一导热板和第二导热板，所述第一导热板接触第一热交换单元，所述第二导热板接触第二热交换单元。

9.根据权利要求8所述的电池热管理装置，其特征在于，所述第一热交换单元和所述第二热交换单元均为冷却元件或加热元件，或者所述第一热交换单元和所述第二热交换单元分别为冷却元件和加热元件。

10.根据权利要求8所述的电池热管理装置，其特征在于，所述绝缘封装单元被设置为将所述第一导热板、第二导热板、第一热交换单元和第二热交换单元与所述导电单元的连接端面包覆，并设有供所述导电单元穿过的缺口以及容置所述第一导热板、第二导热板、第一热交换单元和第二热交换单元的槽道。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的电池热管理装置，其特征在于，所述热交换单元与所述绝缘导热单元直接接触，或者经由导热元件与所述绝缘导热单元间接接触。

12.根据权利要求11所述的电池热管理装置，其特征在于，所述导热元件被设置为与所述绝缘导热单元直接接触的金属基座。

13.一种用于车辆的动力电池系统，其特征在于，所述动力电池系统包括至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的电池热管理装置。

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