TWI469418B - 電池包冷卻裝置 - Google Patents

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Description

電池包冷卻裝置
本發明係一種電池包冷卻裝置，尤指一種應用於電池結構所屬技術領域者。
隨著石油資源的逐漸枯竭，以及燃燒汽油帶來的環境污染，電動汽車(EVs)將是交通的未來。
但電池有其嚴重的缺點：短的行駛里程，短的使用壽命和高成本，這些阻礙了電動汽車的普及。在連續充電和放電過程中調節電池的溫度是一個大的挑戰。
對於絕大多數電動汽車鋰電池，其溫度規格通常如下：工作溫度：-20℃~60℃
充電溫度：0℃~45℃
存放溫度：-10℃~45℃
電池在20~25℃達到其額定容量，溫度每升高10℃，其容量將下降約10%。
在冬季，當溫度很容易低至0℃時，電池很難或是完全不能充電。其他季節在連續大電流充電和放電過程中，電池的工作溫度很容易達到60℃，使得它很難放電。高溫也會造成電池性能惡化，縮短使用壽命，或造成安全隱患。
鋰電池這些專有的特性需要適應良好和設計良好的電池溫度管理與控制系統，為敍述簡單，在隨後的段落裡：“冷卻”就代表 熱交換，也即冷卻或加熱。“冷卻液”就代表具有防凍、阻燃、無腐蝕性和不生黴菌特性的液體，用於電池熱交換。
而現有電池包的缺點在於，當今電池包由一定數量的電池模組連接組成，每個電池模組由一定數量的電池單元連接組成，結果造成位於模組中間的單元具有更大程度上的熱絕緣性，也就更不易進行熱交換。
現有的電池冷卻方案通常將電池模組放置于或附著於冷卻板上(平的金屬板，內有冷卻迴路)，缺點是冷卻效率低及冷卻效果差，原因是每個電池模組的一小部分接收到冷卻效果。另外，由於內有冷卻迴路，冷卻板通常又厚又重，結果是每個電池模組，每個電池單元的溫度均不相同。即使在同一電池單元中，不同部位的溫度也不相同。如果用冷卻板冷卻每個電池單元，就會造成不切實際的過重和過大。
電池包中每個電池單元的一致性和均勻性對電池包的壽命和效能至關重要。一旦電池單元生產出來並裝配于電池包，唯一能影響其一致性和均勻性的因素就是每個電池單元的溫度。溫度的改變能影響電池單元的內阻，內阻的改變又反過來影響溫度變化的速度。電池單元之間的溫度差異將導致不同電池單元的老化速度，結果是一些電池單元的壽命縮短。由於電池包是由電池單元聯成一體一起工作而運作，單一電池單元的失效將會引起整個電池包的損壞。電動汽車電池包也受空間和重量的限制，電池包的冷卻系統必須緊湊和輕量，同時滿足功率和能量的需求。
<發明動機>
本發明有鑑於習知電池結構冷卻效率低及冷卻效果差之問題，乃完成本發明之電池包冷卻裝置。
<發明目的>
本發明之主要目的在於提供一種電池包冷卻裝置，其係設計出一適合於電動汽車的獨特電池包冷卻裝置，儘管該設計是針對電動汽車的運用並且是針對真正電動汽車的概念驗證設計，然此並不侷限和影響它的新穎概念，原則和結構在其他應用中的專利保護，以達到一緊湊、輕量和長使用壽命的高功率大能量電池包，而其係包括一冷卻隔柵、一前蓋板及一後蓋板，該前蓋板設一特有開口型式的前橡膠板，而後蓋板設有一特有開口型式的後橡膠板，使冷卻液得以在一通道中均勻有效地冷卻整個裝置，同時又保持整個裝置緊湊和輕量。
另將雙電池芯插入冷卻通道板之間的空隙之後，即可鋪設必需的絕緣薄片或塊，連接小夾子、大夾子及端頭夾子，並連接電池管理系統(BMS)和鋪設電纜，該頂蓋上有安放BMS的長槽，並配備不同的插座，如：用於BMS之12V DC插座、一主電源插座及二Can-bus2．0端頭，另亦可於冷卻液進出口設置快速釋放接頭，而上述結構和配合使其可即插即用於電動汽車。而頂蓋與電池箱之間有一頂橡膠密封板並由緊固件聯 接，整個電池箱將是一個IP65級別的密封體，適合電動汽車應用。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構，特徵及其他目的，玆以如后之較佳實施例附以圖式詳細說明如后，惟本圖例所說明之實施例係供說明之用，並非為專利申請上之唯一限制者。
關於電池芯的種類和規格，本發明所選擇層壓式電池芯(20)，與圓柱型電池芯相比，層壓式電池芯具有較低的內阻，因而在充電放電過程中產生較少的熱量，而且它具有較高的能量/功率密度，由於其扁平的外形和較大的外露表面，使它更易進行熱交換。
本發明的電池箱(10)設有86個大規格層壓式電池芯(20)(100Ah，3．7V，如第一圖所示)，該電池芯(20)經由夾子(30)連接起來，在空間局限的情況下提供電氣連接，如下所述：兩個電池芯(20)以面對面串聯連接(參閱第二圖)，經由小夾子(31)將兩個電池芯(20)的不同電極相連(參閱第三圖)，以形成一雙電池芯(20A)串聯(簡稱雙電池芯)，該雙電池芯(20A)的兩面與冷卻通道板接觸進行熱交換(參閱第十八圖)。
雙電池芯(20A)以相同的朝向放置，經由大夾子(32)(參閱第四圖)跨過冷卻通道板(41)串聯連接(參閱第十八 及第二十圖)。
端頭夾子(33)(參閱第五圖)用在第一個雙電池芯的第一個電池芯(20)的正極(參閱第二十圖)，以及最後一個雙電池芯(20)的最後一個電池芯的負極，用於連接主電纜，而所有夾子(30)均由導電的金屬製成。
如此以達到電壓(320V)和能量(32kwh)以便純電動行駛120~150km(90%城市居民日常行駛里程)。而為降低電池箱體的成本，盡可能採用鋁合金擠壓型材用來箱體的構造板。
如第六圖所示，該冷卻通道板(41)所設分隔的中空流道(42)用於冷卻液流過且與雙電池芯(20A)進行熱交換，該冷卻通道板(41)的兩端插入冷卻通道端板(410)的切口槽(411)中(參閱第七圖)，且端面平齊。用攪拌摩擦焊(FSW)加工成一無洩漏的連接，形成一同質及規則的結構-冷卻隔柵(40)，又如第八圖所示，多個冷卻通道板(41)以一排與冷卻通道端板(410)聯接，而冷卻通道板(41)對電池芯(20)也起支撐定位和定型的作用。
前橡膠板(110)(參閱第九圖)置於前蓋板(11)的凹處(11A)(參閱第十圖)，最終的形態，如由有橡膠板的方向看，如第十一圖所示。
後橡膠板(120)(參閱第十二圖)置於後蓋板(12)的凹處(12A)(參閱第十三圖)，最終的形態，如由有橡膠板的 方向看，如第十四圖所示。
前後橡膠板(110)(120)的開口型式略有不同，前橡膠板(110)在左右有前橡膠板窄開口(111)(左右的窄開口有不同的佈局)其餘均為前橡膠板寬開口(112)，前橡膠板窄開口(111)對應橫向地兩個流道(1X2或2X2佈局)，前橡膠板寬開口(112)對應橫向地四個流道(1X4佈局)，參閱第九圖及二十四至第二十七圖。而前橡膠板窄開口(111)有兩種形態，名為大窄開口(111A)和小窄開口(111B)(參閱第二十五圖)。大窄開口(111A)對應四個流道(2X2佈局)，小窄開口(111B)對應兩個流道(1X2佈局)。後橡膠板(120)全部為後橡膠板寬開口(121)(參閱第二十六及第二十七圖)。這種開口佈局將起到改變流向的作用(參閱第二十八及第三十一圖)，橡膠板也起流道之間密封的作用。
該裝置創新的結構在於，一冷卻隔柵(40)；一前蓋板(11)，該前蓋板(11)設有一特有開口型式的前橡膠板(110)，以及一後蓋板(12)，該後蓋板(12)設有一特有開口型式的後橡膠板(120)，使冷卻液得以在一通道中均勻有效地冷卻整個裝置，同時又保持整個裝置緊湊和輕量。
另攪拌摩擦焊(FSW)或其他適合的連接方法，可用於以下連接：前蓋板(11)與前冷卻通道端板(410)(必須無洩漏的連接)，而後蓋板(12)與後冷卻通道端板(410)(必須無洩漏的連接)，且底板(13)(參閱第十五圖)與前後冷卻 通道端板(410)，另兩個側板(14)(參閱第十六圖)與前後冷卻通道端板(410)及底板(13)。
最終空電池箱體的構造如第十七圖，將雙電池芯(20A)插入冷卻通道板(41)之間的空隙之後(參閱第十八圖)，就可鋪設必需的絕緣薄片或塊，連接小夾子(31)、大夾子(32)及端頭夾子(33)(如前所述)，連接電池管理系統(BMS)和鋪設電纜。
頂蓋(16)(參閱第二十一圖)上設有置放BMS的長槽(160)，另亦配設不同的插座，如用於BMS的12V DC插座(161)，一主電源插座(162)和兩個Can-bus2．0端頭(163)，它也配設有冷卻液進出口(164)(165)快速釋放接頭，而所有這些使它在電動汽車的運作中容易做到即插即用。
頂蓋(16)與電池箱(10)之間有一頂橡膠密封板(15)(參閱第十八圖)並由緊固件聯接，整個電池箱(參閱第二十二圖)將是一個IP65級別的密封體，適合電動汽車應用。
如第二十三圖所示顯示冷卻液在電池箱冷卻隔柵中的流動示意圖，為簡化起見單一圓形管狀結構代表兩個流道，該流道的位置在第二十四及二十七圖所示。連接上前後蓋板(11)(12)設有前後橡膠板(110)(120)，冷卻液將在橡膠板開口處空間改變流向，而前橡膠板(110)改變流向如第二十九圖所示，另後橡膠板(120)改變流向如第三十圖所示，而底層流 道的流向如第三十一圖所示，借助前後橡膠板(110)(120)上開口對應於冷卻通道板(41)上中空流道(42)相對位置的不同，經由其封閉的開口空間引導和改變冷卻液方向，以這樣的結構形式使得冷卻液流經整個冷卻裝置。
藉由上述結構之配合，使得冷卻液均勻有效及高效的冷卻每個電池單元(芯)，延長了電池的壽命並提高了電池的安全性，而電池包(參閱第二十二圖)的總重量是大約350kg(包括大約13kg冷卻液)，而電池包的外型尺寸是L=1031mm，W=509mm，H=445mm，該電池包重量輕但堅固，電壓320V，能量32kWh，能量重量比大約91Wh/kg，能量容量比大約137Wh/L，這樣的規格參數能滿足絕大多數電動汽車的需要。
而就未來可能的應用而言，目前的電動汽車電池包由不同的汽車生產廠家以不同的形式生產，這就導致缺乏規模經濟的高成本，而且不同的汽車生產廠家的電池包不具有互換性。如果電池包是標準的，它就可以很容易地被不同的汽車採用，國家電網比汽車生產廠家更有可能生產一種標準的電池包，而且這將受益於多個方面。集中設施生產，充電和維護電池包會產生規模經濟效益，帶給生產者和消費者成本的節約，電池包可以在用電峰谷在電站充電然後運抵加油站。取代加油，消費者只需在加油站更換電池包，將能量耗盡的電池包留下由電網取回充電，這將延長電動汽車的里程。採用集中設施充電並將充滿電的電池包運抵加油 站，政府不需投資大量的資金在不同的地點修建充電站，節約大量的資金，而且消費者不需擔心電池包的耐用性和維護，國家電網會處理這些問題。這種方式會顯著地降低電動汽車的價格從而促進市場的增長，汽車生產廠家只需設計容納標準電池包的未來汽車即可。該電池包冷卻裝置的概念和結構也能應用于未來其他場合，如緊湊輕量的電池包或空間受到限制而需要有效冷卻的場合。
綜上所述，本發明確實可達到上述諸項功能及目的，故本創作應符合專利申請要件，爰依法提出申請。
(10)‧‧‧電池箱
(11)‧‧‧前蓋板
(11A)‧‧‧凹處
(110)‧‧‧前橡膠板
(110A)‧‧‧前橡膠板開口
(110B)‧‧‧前橡膠板開口空間處
(111)‧‧‧前橡膠板窄開口
(111A)‧‧‧大窄開口
(111B)‧‧‧小窄開口
(112)‧‧‧前橡膠板寬開口
(12)‧‧‧後蓋板
(12A)‧‧‧凹處
(120)‧‧‧後橡膠板
(120A)‧‧‧後橡膠板開口
(120B)‧‧‧後橡膠板開口空間處
(121)‧‧‧後橡膠板寬開口
(13)‧‧‧底板
(14)‧‧‧側板
(15)‧‧‧頂橡膠密封板
(16)‧‧‧頂蓋
(160)‧‧‧長槽
(161)‧‧‧12V DC插座
(162)‧‧‧主電源插座
(163)‧‧‧Can-bus2．0端頭
(164)‧‧‧冷卻液進口
(164A)‧‧‧底部流通層
(164B)‧‧‧第二中空流通層
(164C)‧‧‧第三中空流通層
(164D)‧‧‧頂端流通層
(165)‧‧‧冷卻液出口
(20)‧‧‧電池芯
(20A)‧‧‧雙電池芯
(30)‧‧‧夾子
(31)‧‧‧小夾子
(32)‧‧‧大夾子
(33)‧‧‧端頭夾子
(40)‧‧‧冷卻格柵
(41)‧‧‧冷卻通道板
(410)‧‧‧冷卻通道端板
(411)‧‧‧切口槽
(42)‧‧‧中空流道
第一圖係本發明之大規格層壓式電池芯(100Ah，3．7V)結構示意圖。
第二圖係本發明之雙電池芯串聯(簡稱雙電池芯)結構示意圖。
第三圖係本發明之小夾子結構示意圖。
第四圖係本發明之大夾子結構示意圖。
第五圖係本發明之端頭夾子結構示意圖。
第六圖係本發明之冷卻通道板結構示意圖。
第七圖係本發明之冷卻通道端板結構示意圖。
第八圖係本發明之冷卻隔柵結構示意圖。
第九圖係本發明之前橡膠板結構示意圖。
第十圖係本發明之前蓋板結構示意圖。
第十一圖係本發明之前蓋板與前橡膠板結構示意圖。
第十二圖係本發明之後橡膠板結構示意圖。
第十三圖係本發明之後蓋板結構示意圖。
第十四圖係本發明之後蓋板與後橡膠板結構示意圖。
第十五圖係本發明之底板結構示意圖。
第十六圖係本發明之側板結構示意圖。
第十七圖係本發明之空電池箱結構示意圖。
第十八圖係本發明之充滿雙電池芯的電池箱結構示意圖。
第十九圖係本發明之第十八圖C詳細示意圖。
第二十圖係本發明之第十八圖D詳細示意圖。
第二十一圖係本發明之頂蓋結構示意圖。
第二十二圖係本發明之電池箱體結構示意圖。
第二十三圖係本發明之流向示意圖。
第二十四圖係本發明之冷卻隔柵設有前橡膠板前視示意圖。
第二十五圖係本發明之第二十四圖A及C詳細示意圖。
第二十六圖係本發明之冷卻隔柵與後橡膠板後視示意圖。
第二十七圖係本發明之第二十六圖A詳細示意圖。；第二十八圖係本發明之冷卻隔柵與前後橡膠板開口空間頂視示意圖。
第二十九圖係本發明之第二十八圖B前視，詳細示意冷卻液在前橡膠板開口空間處的流向示意圖。
第三十圖係本發明之第二十八圖C後視，詳細示意冷卻液在後橡膠板開口空間處的流向示意圖。
第三十一圖係本發明之第二十八圖D及E，詳細示意冷卻液在底層冷卻通道處的流向。
(10)‧‧‧電池箱
(15)‧‧‧頂橡膠密封板
(164)‧‧‧冷卻液進口
(165)‧‧‧冷卻液出口
(41)‧‧‧冷卻通道板

Claims (1)

  1. 一種電池包冷卻裝置，其係包括：一冷卻隔柵，由帶有多個分割的中空流道的冷卻通道板和冷卻通道端板構成，冷卻通道板帶有分割的中空流道用於冷卻液流動，冷卻通道板的兩端分別與冷卻通道端板的切口槽接合形成無洩漏的連接；一前蓋板，該前蓋板上設有冷卻液進出口能使冷卻液流進流出該冷卻裝置，且前蓋板附著一前橡膠板，該前橡膠板上設有開口，且該前橡膠板附著於一個冷卻通道端板的端面，因此在前蓋板和該冷卻通道端板端面之間就形成了由前橡膠板的開口處圍成的多個封閉的開口空間；一後蓋板，該後蓋板附著一個後橡膠板，該後橡膠板上有著與前橡膠板不同形式的開口，且該後橡膠板附著於另一個冷卻通道端板的端面，因此在後蓋板和該冷卻通道端板端面之間就形成了由後橡膠板的開口處圍成的多個封閉的開口空間；因此借助前後橡膠板上開口對應於冷卻通道板上中空流道相對位置的不同，經由其封閉的開口空間引導和改變冷卻液方向，以這樣的結構形式使得冷卻液流經整個冷卻裝置。
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