RU212340U1

RU212340U1 - Radiator for battery temperature control system

Info

Publication number: RU212340U1
Application number: RU2021137592U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Анатольевич Попович; Павел Александрович Новиков; Константин Андреевич Пушница
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-07-18

Abstract

Полезная модель относится к батарейным блокам аккумулирования электроэнергии на борту транспортных средств, оснащенных электроприводом. Технический результат - уменьшение количества механических соединений на пути, по которому протекает теплоноситель, в результате чего снижается вероятность протечки, и, как следствие, повышается надежность. Технический результат достигается тем, что в радиатор для системы термостатирования аккумуляторной батареи, включающем канал с жидким теплоносителем и теплопроводящие элементы в виде металлических пластин, канал расположен внутри плоской металлической радиаторной пластины прямоугольной формы, состоящей из верхней и нижней плит, соединенных при помощи сварки трением с перемешиванием. Канал для протекания жидкого теплоносителя выполнен в нижней плите, а вход и выход канала в виде сквозных отверстий, расположенных над каналом, в верхней плите. Радиаторная пластина выполнена с возможностью установки теплопроводящих элементов перпендикулярно ее поверхности и дополнительно снабжена теплопроводящим элементом в виде стенки, расположенным по периметру пластины и образующим замкнутый контур, при этом вход и выход канала теплоносителя расположены рядом с краем одной из сторон радиаторной пластины вне этого контура. Верхняя и нижняя плиты дополнительно соединены при помощи электрозаклепок, при этом заклепки установлены в свободном пространстве между углублениями на верхней плите. Нижняя плита радиаторной пластины выполнена из алюминиевого сплава с условным пределом текучести не менее 150 МПа. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

The utility model relates to battery packs for storing electricity on board vehicles equipped with an electric drive. The technical result is a reduction in the number of mechanical connections on the path along which the coolant flows, resulting in a reduced likelihood of leakage, and, as a result, increased reliability. The technical result is achieved by the fact that in the radiator for the battery temperature control system, which includes a channel with a liquid coolant and heat-conducting elements in the form of metal plates, the channel is located inside a flat rectangular metal radiator plate, consisting of upper and lower plates connected by friction welding with mixing. The channel for the flow of the liquid heat carrier is made in the lower plate, and the inlet and outlet of the channel are in the form of through holes located above the channel in the upper plate. The radiator plate is made with the possibility of installing heat-conducting elements perpendicular to its surface and is additionally provided with a heat-conducting element in the form of a wall located along the perimeter of the plate and forming a closed loop, while the inlet and outlet of the coolant channel are located near the edge of one of the sides of the radiator plate outside this loop. The top and bottom plates are additionally connected with electric rivets, while the rivets are installed in the free space between the recesses on the top plate. The lower plate of the radiator plate is made of aluminum alloy with a conditional yield strength of at least 150 MPa. 2 w.p. f-ly, 9 ill.

Description

Полезная модель относится к области электротранспорта, а именно батарейным блокам аккумулирования электроэнергии на борту транспортных средств, оснащенных электроприводом, и может быть использована в прочих системах термостатирования, где необходим радиатор жидкостного охлаждения малого габарита, в частности в конструкции аккумуляторных контейнеров, устанавливаемых на электротранспортные средства.The utility model relates to the field of electric transport, namely, battery packs for storing electricity on board vehicles equipped with an electric drive, and can be used in other temperature control systems where a small-sized liquid cooling radiator is needed, in particular in the design of battery containers installed on electric vehicles.

Предлагаемая полезная модель - это масштабируемая модель плоского радиатора жидкостной системы термостатирования электротранспортного средства, способного отводить тепло от аккумуляторных ячеек в аккумуляторной батарее для их охлаждения или подводить к ним тепло для их нагрева в зависимости от соотношения температуры подаваемого внутрь теплоносителя и температуры аккумуляторных ячеек.The proposed utility model is a scalable model of a flat radiator of a liquid temperature control system of an electric vehicle capable of removing heat from the battery cells in the battery to cool them or supply heat to them to heat them, depending on the ratio of the temperature of the coolant supplied inside and the temperature of the battery cells.

Известен охлаждающий аппарат аккумуляторной батареи (Cooling apparatus of a battery module) [патент US 8377582 B2, дата публикации 19.02.2013]. Устройство используется для охлаждения аккумуляторных модулей. Устройство охлаждения аккумуляторного модуля включает в себя радиатор, включающий в себя часть, в которой размещается аккумуляторный модуль, и воздушный канал, через который проходит наружный воздух, первый теплопроводящий элемент, прикрепленный к корпусу и имеющий поверхность, открытую для воздушного канала, и второй теплопроводящий элемент, расположенный между аккумуляторным модулем и первым теплопроводящим элементом.Known battery cooler (Cooling apparatus of a battery module) [patent US 8377582 B2, publication date 19.02.2013]. The device is used to cool the battery modules. The battery module cooling device includes a heatsink, including a part in which the battery module is placed, and an air channel through which outside air passes, a first heat-conducting element attached to the housing and having a surface open to the air channel, and a second heat-conducting element located between the battery module and the first heat-conducting element.

Недостатком радиатора является низкая эффективность отвода тепла из-за использования воздуха в качестве теплоносителя, а также отсутствие возможности подогрева аккумуляторов.The disadvantage of the radiator is the low efficiency of heat removal due to the use of air as a coolant, as well as the lack of the possibility of heating the batteries.

В качестве ближайшего аналога выбран способ жидкостного термостатирования аккумуляторных ячеек в аккумуляторном модуле тяговой аккумуляторной батареи [патент RU 2756389, опубл. 30.09.2021].As the closest analogue, the method of liquid temperature control of battery cells in the battery module of the traction battery [patent RU 2756389, publ. 09/30/2021].

Аккумуляторный модуль состоит из аккумуляторных ячеек и содержит отводящие тепло теплопроводящие элементы, U-образные каналы по которым протекает жидкий теплоноситель, соединенные с входным каналом для протекания теплоносителя и выходным каналом протекания теплоносителя расположенными со стороны полюсных выводов. Каналы для протекания теплоносителя выполнены в виде U-образных трубок, установленных в фигурные выштамповки спаренных теплопроводящих элементов, которые вместе с аккумуляторными ячейками собирают в пакетную конструкцию, которую стягивают при сборке аккумуляторного модуля с помощью больших струбцин и механически фиксируют болтами к стенкам и уголкам аккумуляторного модуля.The battery module consists of battery cells and contains heat-removing heat-conducting elements, U-shaped channels through which the liquid heat carrier flows, connected to the inlet channel for the flow of the coolant and the outlet channel for the flow of the coolant located on the side of the pole terminals. The channels for the flow of the coolant are made in the form of U-shaped tubes installed in the curly punchings of the paired heat-conducting elements, which, together with the battery cells, are assembled into a package structure, which is pulled together when assembling the battery module using large clamps and mechanically fixed with bolts to the walls and corners of the battery module .

Недостатками ближайшего аналога являются большое количество механических соединений, внутри которых протекает теплоноситель, что повышает вероятность протечки. Параллельное соединение U-образных каналов от одного входа приводит к разности давлений теплоносителя в первом и последнем U-образных каналах, что приводит к возникновению градиента температур по длине модуля - первый теплопроводящий элемент будет охлаждаться сильнее, чем последний теплопроводящий элемент. Отсутствие радиаторов между спаренными ячейками, приводит к созданию градиента температур в теле аккумулятора - в месте прилегания радиатора температура аккумулятора будет ниже, чем в месте соприкосновения двух ячеек.The disadvantages of the closest analogue are a large number of mechanical connections, inside which the coolant flows, which increases the likelihood of leakage. Parallel connection of U-shaped channels from one inlet leads to a pressure difference between the coolant in the first and last U-shaped channels, which leads to a temperature gradient along the length of the module - the first heat-conducting element will be cooled more than the last heat-conducting element. The absence of radiators between paired cells leads to the creation of a temperature gradient in the body of the battery - at the place where the radiator fits, the battery temperature will be lower than at the place where two cells come into contact.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности конструкции устройства термостатирования аккумуляторных батарей.Thus, the technical problem to be solved by the proposed utility model is to increase the reliability of the design of the battery temperature control device.

Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что радиатор для системы термостатирования аккумуляторной батареи, включающий канал с жидким теплоносителем и теплопроводящие элементы в виде металлических пластин, канал расположен внутри плоской металлической радиаторной пластины прямоугольной формы, состоящей из верхней и нижней плит, соединенных при помощи сварки трением с перемешиванием, канал для протекания жидкого теплоносителя выполнен в нижней плите, а вход и выход канала в виде сквозных отверстий, расположенных над каналом - в верхней плите, радиаторная пластина выполнена с возможностью установки теплопроводящих элементов перпендикулярно ее поверхности и дополнительно снабжена теплопроводящим элементом в виде стенки, расположенным по периметру пластины и образующим замкнутый контур, при этом вход и выход канала теплоносителя расположены рядом с краем одной из сторон радиаторной пластины вне этого контура. Верхняя и нижняя плиты дополнительно соединены при помощи электрозаклепок, при этом заклепки установлены в свободном пространстве между углублениями на верхней плите. Нижняя плита радиаторной пластины выполнена из алюминиевого сплава с условным пределом текучести не менее 150 МПа.The solution to this technical problem is achieved due to the fact that the radiator for the battery temperature control system, which includes a channel with a liquid coolant and heat-conducting elements in the form of metal plates, the channel is located inside a flat rectangular metal radiator plate, consisting of an upper and lower plates connected by means of friction stir welding, the channel for the flow of the liquid heat carrier is made in the lower plate, and the inlet and outlet of the channel in the form of through holes located above the channel - in the upper plate, the radiator plate is made with the possibility of installing heat-conducting elements perpendicular to its surface and is additionally equipped with a heat-conducting element in in the form of a wall located along the perimeter of the plate and forming a closed loop, while the inlet and outlet of the coolant channel are located near the edge of one of the sides of the radiator plate outside this loop. The top and bottom plates are additionally connected with electric rivets, while the rivets are installed in the free space between the recesses on the top plate. The lower plate of the radiator plate is made of aluminum alloy with a conditional yield strength of at least 150 MPa.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в том, что за счет уменьшения количества механических соединений на пути, по которому протекает теплоноситель, снижается вероятность протечки, как следствие, повышается надежность.The technical result of the proposed utility model is that by reducing the number of mechanical connections on the path through which the coolant flows, the likelihood of leakage is reduced, as a result, reliability is increased.

На прилагаемых к описанию чертежам дано:On the drawings attached to the description it is given:

Фиг. 1. Общая схема радиатора системы термостатирования.Fig. 1. General diagram of the radiator of the temperature control system.

Фиг. 2. Дополнительный теплопроводящий элемент в виде стенки.Fig. 2. Additional heat-conducting element in the form of a wall.

Фиг. 3. Общий вид радиаторной пластины.Fig. 3. General view of the radiator plate.

Фиг. 4. Канал протекания теплоносителя в нижней плите.Fig. 4. Coolant flow channel in the bottom plate.

Фиг. 5. Аккумуляторный модуль на радиаторной пластине.Fig. 5. Battery module on the radiator plate.

Фиг. 6. Расположения канала для протекания теплоносителя в радиаторной пластине.Fig. 6. Location of the channel for the flow of coolant in the radiator plate.

Фиг. 7. Разделка под электрозаклепки в зависимости от толщины верхней плиты.Fig. 7. Cutting for electric rivets depending on the thickness of the top plate.

Фиг. 8. Выступы на обратной стороне верхней плиты.Fig. 8. Tabs on the back of the top plate.

Фиг. 9. Радиатор в сборе с аккумуляторными модулями и дополнительным теплопроводящим элементом в виде стенки.Fig. 9. Radiator assembly with battery modules and an additional heat-conducting element in the form of a wall.

Радиатор 1 для системы термостатирования аккумуляторной батареи состоит из плоской радиаторной пластины 2 прямоугольной формы и теплопроводящих элементов 3, размещенных на пластине 2 перпендикулярно ее поверхности (фиг. 1). Пластина 2 может быть дополнительно снабжена теплопроводящим элементом 4 в виде стенки (фиг. 2), расположенным по периметру пластины 2 и образующим замкнутый контур.The radiator 1 for the battery thermostating system consists of a flat radiator plate 2 of a rectangular shape and heat-conducting elements 3 placed on the plate 2 perpendicular to its surface (Fig. 1). The plate 2 can be additionally provided with a heat-conducting element 4 in the form of a wall (Fig. 2), located along the perimeter of the plate 2 and forming a closed loop.

Радиаторная пластина 2 состоит из верхней 5 и нижней 6 плит (фиг. 3), соединенных при помощи сварки, в частности, может быть использована сварка трением с перемешиванием. Канал 7 для протекания теплоносителя выполнен в нижней плите 6 (фиг. 4), а вход 8 и выход 9 канала 7 в виде сквозных отверстий, расположенных над каналом 7 - в верхней плите 5. Для удобства подключения подвода теплоносителя, вход 8 и выход 9 располагаются рядом с краем одной из сторон радиаторной пластины 2. При использовании теплопроводящего элемента 4 в виде стенки, образующей замкнутый контур, вход 8 и выход 9 расположены вне этого контура, что позволяет избежать попадания теплоносителя на аккумуляторные ячейки в случае негерметичности соединения входа 8 или выхода 9.The radiator plate 2 consists of an upper plate 5 and a lower plate 6 (FIG. 3) connected by welding, in particular friction stir welding can be used. The channel 7 for the flow of the coolant is made in the bottom plate 6 (Fig. 4), and the inlet 8 and outlet 9 of the channel 7 in the form of through holes located above the channel 7 - in the upper plate 5. For convenience of connecting the coolant supply, inlet 8 and outlet 9 are located near the edge of one of the sides of the radiator plate 2. When using a heat-conducting element 4 in the form of a wall forming a closed loop, the inlet 8 and outlet 9 are located outside this loop, which makes it possible to avoid the coolant entering the battery cells in case of a leak in the connection of the inlet 8 or outlet 9.

Радиаторная пластина 2 и теплопроводящие элементы 3, 4 изготавливаются из металла.Radiator plate 2 and heat-conducting elements 3, 4 are made of metal.

Верхняя плита 5 и теплопроводящие элементы 3 выполнены из алюминия или алюминиевого сплава с теплопроводностью не менее 200 Вт/(м⋅град). Например, могут быть использованы сплавы АД0, А5 и др.The top plate 5 and the heat-conducting elements 3 are made of aluminum or an aluminum alloy with a thermal conductivity of at least 200 W/(m⋅deg). For example, alloys AD0, A5, etc. can be used.

Нижняя плита 6 и теплопроводящий элемент 4 в виде стенки выполнены из алюминиевого сплава с условным пределом текучести не менее 150 МПа, что обеспечивает более высокую прочность конструкции. Например, могут быть использованы сплавы АМг5, Д16 и др.The bottom plate 6 and the heat-conducting element 4 in the form of a wall are made of aluminum alloy with a conditional yield strength of at least 150 MPa, which ensures higher structural strength. For example, alloys AMg5, D16, etc. can be used.

Теплопроводящие элементы 3 с аккумуляторными ячейками, расположенные вплотную друг к другу образуют аккумуляторные модули 10 (фиг. 5). Теплопроводящие элементы 3 предназначены для теплообмена с аккумуляторными ячейками (один элемент 3 прилегает к одной аккумуляторной ячейке). На наружной поверхности верхней плиты 5 выполнены углубления 11 прямоугольной формы, по размеру аккумуляторных модулей 10. Теплопроводящий элемент 3, выполняется с обеспечением возможности сопряжения с используемой аккумуляторной ячейкой, с применением теплопроводящего клеевого компаунда. Теплопроводящий элемент 3, представляет собой г-образный профиль, ширина которого не может превышать ширину углубления 11. Высота большей части г-образного элемента не должна превышать высоту тела применяемой аккумуляторной ячейки. Вылет нижней части г-образного профиля не должен превышать толщину применяемой аккумуляторной ячейки. Теплопроводящие элементы 3 поочередно устанавливают в углубление 11 и фиксируют при помощи разъемного (например, резьбового) или неразъемного (например, при помощи сварки, заклепок или теплопроводящего клея) соединения. К каждому установленному теплопроводящему элементу 3 на теплопроводящий клей крепят аккумуляторную ячейку, после чего устанавливают следующий теплопроводящий элемент 3.Heat-conducting elements 3 with battery cells located close to each other form battery modules 10 (Fig. 5). Heat-conducting elements 3 are designed for heat exchange with battery cells (one element 3 is adjacent to one battery cell). Rectangular recesses 11 are made on the outer surface of the upper plate 5, according to the size of the battery modules 10. The heat-conducting element 3 is made so as to be able to interface with the used battery cell, using a heat-conducting adhesive compound. The heat-conducting element 3 is an l-shaped profile, the width of which cannot exceed the width of the recess 11. The height of the greater part of the l-shaped element should not exceed the height of the body of the battery cell used. The projection of the lower part of the l-shaped profile must not exceed the thickness of the battery cell used. The heat-conducting elements 3 are alternately installed in the recess 11 and fixed with a detachable (for example, threaded) or one-piece (for example, by welding, rivets or heat-conducting glue) connection. To each installed heat-conducting element 3, a battery cell is attached to the heat-conducting adhesive, after which the next heat-conducting element 3 is installed.

На поверхности радиаторной пластины 2 под каждым углублением 11, соответствующим положению модуля 10, канал 7 для протекания теплоносителя проходит не менее 1 раза (фиг. 6).On the surface of the radiator plate 2 under each recess 11 corresponding to the position of the module 10, the channel 7 for the flow of the coolant passes at least 1 time (Fig. 6).

Более полное прилегание верхней плиты 5 к нижней плите 6 и дополнительная жесткость конструкции может быть обеспечена электрозаклепками 12. В зависимости от толщины верхней плиты 5 возможно несколько вариантов исполнения электрозаклепок 12 (фиг. 7). Для толстых верхних плит используется разделка с шипом (фиг. 7а). Для тонких верхних плит 5 используется разделка без шипа (фиг. 7б). Электрозаклепки могут быть установлены в свободном пространстве между углублениями 11. После изготовления электрозаклепки фиксируются сваркой, в частности в среде инертных газов.A more complete fit of the upper plate 5 to the lower plate 6 and additional structural rigidity can be provided by electric rivets 12. Depending on the thickness of the upper plate 5, several versions of electric rivets 12 are possible (Fig. 7). For thick upper slabs, a groove with a tenon is used (Fig. 7a). For thin top plates 5, a groove without a spike is used (Fig. 7b). Electric rivets can be installed in the free space between the recesses 11. After manufacturing, the electric rivets are fixed by welding, in particular in an inert gas environment.

На внутренней поверхности верхней плиты 5 могут быть выполнены выступы 13 (фиг. 8), положение которых согласовано с положением канала 7, при этом выступы 13 перекрывают не более половины площади поперечного сечения канала 7. Увеличение размера выступов 13 таким образом, что они перекрывают более половины площади поперечного сечения канала 7, приводит к увеличению гидравлического сопротивления внутри радиаторной пластины 2, что в свою очередь может привести к возрастанию давления внутри радиаторной пластины 2 и ее последующему разрушению.On the inner surface of the upper plate 5, protrusions 13 (Fig. 8) can be made, the position of which is consistent with the position of the channel 7, while the protrusions 13 cover no more than half of the cross-sectional area of the channel 7. Increasing the size of the protrusions 13 in such a way that they overlap more half of the cross-sectional area of the channel 7 leads to an increase in the hydraulic resistance inside the radiator plate 2, which in turn can lead to an increase in pressure inside the radiator plate 2 and its subsequent destruction.

Радиатор 1 в сборе с аккумуляторными модулями 10 и теплопроводящим элементом 4 в виде стенки показан на фиг. 9.Radiator 1 assembled with battery modules 10 and a heat-conducting element 4 in the form of a wall is shown in Fig. 9.

Функционирование полезной модели происходит следующим образом для случая охлаждения аккумуляторных ячеек: аккумуляторные ячейки прикрепляются к теплопроводящим элементам 3 с помощью клеевого теплопроводящего компаунда, во время работы аккумулятор нагревается, тепло с него переходит на теплопроводящий элемент 3, с теплопроводящего элемента 3 тепло переходит на верхнюю плиту 5, с которой тепло снимается протекающим под ней и омывающим выступы 13 в канале 7 теплоносителем. Обязательным условием работы полезной модели является температура теплоносителя на входе 8 меньшая, чем температура аккумуляторных ячеек. Выход теплоносителя из радиатора 1 для системы термостатирования аккумуляторной батареи осуществляется через выход 9.Functioning of the utility model is as follows for the case of cooling the battery cells: the battery cells are attached to the heat-conducting elements 3 with the help of an adhesive heat-conducting compound, during operation, the battery heats up, the heat from it transfers to the heat-conducting element 3, from the heat-conducting element 3 the heat passes to the top plate 5 , from which the heat is removed by the coolant flowing under it and washing the protrusions 13 in the channel 7. A prerequisite for the operation of the utility model is the temperature of the coolant at the inlet 8 is lower than the temperature of the battery cells. The coolant outlet from the radiator 1 for the battery temperature control system is carried out through the outlet 9.

Для случая подогрева аккумуляторных ячеек функционирование полезной модели происходит следующим образом: аккумуляторные ячейки прикрепляются к теплопроводящим элементам 3 с помощью клеевого теплопроводящего компаунда, теплоноситель с температурой выше температуры аккумулятора поступает на вход 8 радиатора 1 для системы термостатирования аккумуляторной батареи и нагревает выступы 13 и верхнюю плиту 5, с верхней плиты 5 тепло переходит на теплопроводящий элемент 3, с теплопроводящих элементов 3 тепло передается на аккумуляторные ячейки. Обязательным условием работы полезной модели в данном случае, является температура теплоносителя на входе 8 большая, чем температура аккумуляторных ячеек. Выход теплоносителя из радиатора 1 для системы термостатирования аккумуляторной батареи осуществляется через выход 9.For the case of heating the battery cells, the utility model functions as follows: the battery cells are attached to the heat-conducting elements 3 using an adhesive heat-conducting compound, the coolant with a temperature higher than the battery temperature enters the inlet 8 of the radiator 1 for the battery temperature control system and heats the protrusions 13 and the top plate 5 , from the top plate 5 the heat is transferred to the heat-conducting element 3, from the heat-conducting elements 3 heat is transferred to the battery cells. A prerequisite for the operation of the utility model in this case is the temperature of the coolant at the inlet 8 is greater than the temperature of the battery cells. The coolant outlet from the radiator 1 for the battery temperature control system is carried out through the output 9.

Claims

1. A radiator for a battery temperature control system, including a channel with a liquid coolant and heat-conducting elements in the form of metal plates, characterized in that the channel is located inside a flat rectangular metal radiator plate, consisting of an upper and lower plates connected by friction stir welding , the channel for the flow of the liquid heat carrier is made in the lower plate, and the inlet and outlet of the channel in the form of through holes located above the channel - in the upper plate, the radiator plate is made with the possibility of installing heat-conducting elements perpendicular to its surface and is additionally equipped with a heat-conducting element in the form of a wall located along the perimeter of the plate and forming a closed loop, while the inlet and outlet of the coolant channel are located near the edge of one of the sides of the radiator plate outside this loop.

2. Radiator for the temperature control system according to claim 1, characterized in that the upper and lower plates are additionally connected with electric rivets, while the rivets are installed in the free space between the recesses on the upper plate.

3. A radiator for a temperature control system according to claim 1, characterized in that the lower plate of the radiator plate is made of aluminum alloy with a conditional yield strength of at least 150 MPa.