电池热交换管道系统的制作方法

本发明总体上涉及用于冷却混合动力车中的空气冷却电池的热交换管道系统，并更具体地涉及一种用于通过车辆主体中的单个开口将空气流引导到空气冷却电池及从空气冷却电池引导空气流的热交换组件。

背景技术：

锂离子以及相关电池作为补充(在混合电动车辆(HEV)的情况下)或代替(在纯电动车辆(EV)的情况下)常见内燃机(ICE)的方式用于汽车以及相关交通应用中。被动地存储来自固定和便携式来源以及由车辆和其组件提供的重获动能，这种能力使得这些电池理想地用作轿车、货车、公交车、摩托车和相关车辆平台的推进系统的一部分。在适合于汽车应用的一种形式中，单独的电池单元被组合成较大的组件，使得电流或电压增大以产生所需的功率输出。在本文中，较大的模块和封包组件由串联、并联或两种方式结合的一或多个单元组成，并且包括额外的用于确保适当地安装到车辆的结构。尽管术语“电池组(battery pack)”在本文中用于讨论用于推进动力应用的一种基本上完整的电池组件，但本领域技术人员将理解，相关术语(例如，“电池组(battery unit)”或类似者)也可用于描述这种组件，并且任一术语可在不损害这种理解的情况下互换使用。

并入了热交换系统以便冷却这种电池组。通常，热交换通过引导空气流穿过两个分离的管道(入口管道和出口管道)来实现。入口管道和出口管道通过两个分离的开口连接到电池壳体，这样则要求在车辆中有两个单独的开口以便供管道穿过。空气流通过入口管道引导到电池组，所述入口管道穿过车辆底板和电池壳体中的第一开口而连接到电池壳体；排气则通过出口管道被引导出壳体，所述出口管道穿过壳体和车辆的底板中的第二开口而连接到电池壳体。通常，空气进入电池组的前方并离开电池组的后端，因而串联地冷却电池单元。

这种常见设计对车辆的制造提出了各种挑战。首先，入口/出口设置要求在电池壳体和车辆底板中具有至少两个开口，这可能导致电池安装时的公差和对齐问题。第二，串联地冷却多个电池单元可能导致与空气流阻力和空气流压力不利下降相关联的问题。第三，常见热交换方法和系统要求电池组中具有多个管道(即，进气管道、中间管道和排气管道)。此外，更复杂的设计(例如，车辆主体中的多个开口、电池组内部的多个内部管道)增加了制造成本。因而，需要一种解决这些问题以便提高效率并降低制造成本和挑战的改良热交换系统。

技术实现要素：

考虑到以上挑战，本公开的目的在于提供一种用于将空气流引导到空气冷却电池的热交换组件，所述热交换组件将入口和出口集成到单个热交换管道，从而降低电池壳体和车辆主体中所需的通孔的数量。本文公开的热交换组件提供对电池单元的更有效并联冷却，同时降低与电池安装时的公差和对齐相关的制造挑战。

在一个实施例中，提供一种用于引导空气流穿过空气冷却电池的热交换组件，包括：壳体，其包围电池组，所述电池组包括多个单元；和歧管，其可操作地连接到壳体，其中歧管包括：用于将空气流接收到电池组内的入口；和用于将空气流排出电池组外的出口，其中入口和出口形成穿过壳体表面上的单个开口的热交换管道。

在另一个实施例中，提供一种引导空气流穿过车辆中的空气冷却电池的方法，所述方法包括：提供热交换组件，所述热交换组件包括：密封壳体，其包围电池组，所述电池组包括多个单元；和歧管，其可操作地连接到壳体，其中歧管包括：用于将空气流接收到电池组内的入口；和用于将空气流排出电池组外的出口，其中入口和出口形成穿过壳体表面上的单个开口的热交换管道；引导空气流穿过入口朝向电池组的中心；引导空气流从电池组的中心向外朝向密封壳体贯穿多个单元，其中密封壳体形成将空气流引导到出口的排气管道；以及将空气流排出出口外。

对于本领域普通技术人员，通过阅读以下详细描述和所附权利要求书，这些以及其它目的、特征、实施例和优点将变得显而易见。

附图说明

当结合以下附图阅读时，可最佳地理解对特定实施例的以下详细描述，在所述附图中，相同结构用相同附图标记指示，并且其中：

图1示出了一种用于引导空气流穿过空气冷却电池的热交换组件的横截面视图。

图2示出了热交换组件的横截面的等距视图。

图3A至图3C分别地示出了热交换管道的实施例，包括等距视图(图3A)、顶视图(图3B)和侧视图(图3C)。

图4A至图4C分别地示出了入口的实施例，包括等距视图(图4A)、侧视图(图4B)和顶视图(图4C)。

图5A至图5C分别地示出了出口的实施例，包括等距视图(图5A)、侧视图(图5B)和顶视图(图5C)。

图6A至图6B示出了歧管的实施例，包括等距视图(图6A)和顶视图(图6B)。

图7示出了穿过歧管的实施例的空气流，其中入口被包围在热交换管道上的出口内。

图8A至图8C分别地示出了热交换管道的实施例，包括等距视图(图8A)、侧视图(图8B)和顶视图(图8C)。

图9A至图9C分别地示出了热交换管道的实施例，包括等距视图(图9A)、侧视图(图9B)和顶视图(图9C)。

图10A至图10C示出了歧管的实施例，包括等距视图(图10A)、侧视图(图10B)和顶视图(图10C)。

图11示出了穿过歧管的实施例的空气流，其中入口和出口相邻地设置在热交换管道上。

图12示出了置于电池壳体上的热交换管道的横截面视图。

图13A至图13C示出了根据现有技术的热交换系统。图13A示出了根据现有技术的用于引导空气流的包括分离的入口和出口的组件。图13B示出了安装在车辆中的现有技术系统。图13C示出了根据现有技术的热交换系统的横截面视图。

图14A至图14B为串联(图14A)与并联(图14B)配置的电池组的冷却的示意图。每一个方形代表12单元模块。

图15示出包括本文中公开的热交换组件的实施例的车辆。

图16A至图16C分别地示出了热交换管道的实施例，其中出口是针对自定义空气平衡而定制的，包括等距视图(图16A)、侧视图(图16B)和顶视图(图16C)。

具体实施方式

对涉及冷却空气冷却电池的方法和系统的本发明的实施例的以下讨论本质上是示例性的并且并非旨在限制本发明或其应用或使用。

本发明实施例提供一种用于将空气流引导到空气冷却电池的热交换组件，所述热交换组件将入口和出口集成到单个热交换管道，从而将电池壳体和车辆主体中所需的通孔的数量减少至单个通孔。本文公开的热交换组件提供对多个电池单元的更有效的并联冷却，同时降低与电池安装时的公差和对齐相关联的制造成本和挑战。

图1和图2示出了一种用于引导空气流穿过空气冷却电池的热交换组件100的横截面视图。壳体110包围包括多个电池单元180的电池组170。壳体110可操作地连接到歧管120，所述歧管包括用于将空气流接收到电池组170内的入口130和用于将空气流排出电池组170外的出口140。入口130和出口140形成单个集成热交换管道150，所述管道穿过壳体110表面上的单个开口。图1和图2示出了穿过壳体110的顶表面115上的单个开口的热交换管道150，但应理解，热交换管道150可以可选地穿过壳体110的另一表面(例如，侧面或底表面)上的单个开口。壳体110经过了密封，使得密封壳体110用作将空气流引导到出口140的排气管道，而不需要壳体110内部或电池组170内的额外管道。

空气流源于车辆的清洁侧(即，乘员和/或货物所处的车辆内部的区域)。车辆的清洁侧提供来自外部环境的已调节的空气(包括过滤、加热和/或冷却的空气)。源自车辆的清洁侧的空气流被并联地引导穿过入口130到达多个单元180。与限于串联地冷却单元的现有技术系统相比，按照这种方式，降低了空气流阻力并且更有效地冷却了电池组170。在一些实施例中，入口130延伸穿过电池组170的中心，这有助于空气的均匀分配和多个单元180的并联冷却。在另一个实施例中，入口130包括设置在电池组170的中心处或附近的分配管道160。分配管道160进一步有助于空气的均匀分配和多个单元180的并联冷却。

歧管120进一步包括连接到入口130的上入口通路190和连接到出口140的上出口通路200。源自车辆的清洁侧的空气流被引导穿过上入口通路190和入口130到达电池组170。多个单元180在空气从入口130朝向壳体110的内部表面向外流动时并联地被冷却。密封壳体110的内部表面形成管道，所述管道引导空气流穿过出口140和上出口通路200，空气流在此处从电池组170排出。

歧管120进一步包括设置在上入口通路190和上出口通路200上方的负载保护盖210，所述负载保护盖包围(部分地或完全地)、保护并遮蔽歧管120的至少一部分以免受外部压力和损害。

在某些实施例中，热交换组件100进一步包括功率电子器件220。被引导穿过电池组170并离开出口140的空气流在无需额外的管道的情况下冷却功率电子器件220。

图3A至图3C分别地示出了热交换管道的实施例。在这个实施例中，入口130被包围在出口140内并由支撑凸片135支撑，所述支撑凸片将入口130和出口140固定在适当位置。空气流通过入口130进入电池组(未示出)并被排出到出口140外，所述出口设置在入口130的周界外部。在一些实施例中，入口130进一步包括分配管道160，所述分配管道有助于空气流的均匀分配和单元的并联冷却。入口进一步包括用于将入口130固定到壳体的锚固凸片145。技术人员将了解，可基于计算机自动化工程(CAE)分析调整热交换管道的形状和轮廓，以便促进空气流平衡。图16A至图16C分别地示出了热交换管道的实施例，其中出口的形状是针对定制空气平衡而定制的，并且其中相同结构用相同附图标记指示。

图4A至图4C分别地示出了入口130的实施例。入口130包括用于将入口和出口固定在适当位置的支撑凸片135和用于将入口130固定到壳体110的锚固凸片145。根据图4A至图4C的入口130被配置使得出口(未示出)设置在入口130的外部周界周围。在这个实施例中，入口130被包围在出口140内。

图5A至图5C分别地示出了出口140的实施例。根据图5A至图5C的出口被配置使得出口设置在入口130(未示出)的外部周界的周围，使得入口130被包围在出口140内。出口140进一步包括管道基底155，用于将出口140和集成热交换管道(未示出)固定到电池组的壳体。

图6A至图6B示出了结合热交换管道使用的歧管的实施例，其中入口被包围在出口内。歧管120包括连接到入口130的上入口通路190和连接到出口140的上出口通路200。负载保护盖210设置在上入口通路190和上出口通路200上方，以便保护和遮蔽歧管120的至少一部分免受外部压力。

图7为穿过本发明热交换组件的实施例的空气流的示意图，其中热交换管道150包括包围在出口内的入口。箭头195代表从车辆的清洁侧进入上入口通路190的入口空气流。穿过入口130并在壳体110内部引导入口空气流195。空气穿过电池组(未示出)，并且箭头205则代表出口空气流，所述出口空气流被排出出口140外并穿过上出口通路200离开车辆。

图8A至图8C示出了热交换管道的可选实施例。在这个实施例中，入口130和出口140相邻地设置在热交换管道150上。分配管道160连接到入口130并有助于空气流的均匀分配和单元的并联冷却。入口130进一步包括在入口130或分配管道160的基底处的锚固凸片145以用于将入口130固定到壳体。

图9A至图9C分别地示出了热交换管道150的可选实施例，其中入口130和出口140相邻地设置。热交换管道150包括管道基底155，用于将热交换管道固定到电池组的壳体。

图10A至图10C示出了歧管120的可选实施例，其中入口130和出口140相邻地设置在热交换管道150上。歧管120包括连接到入口130的上入口通路190和连接到出口140的上出口通路200。负载保护盖210设置在上入口通路190和上出口通路200上方，以便保护和遮蔽歧管120的至少一部分免受外部压力。

图11为穿过本发明热交换组件的实施例的空气流的示意图，其中热交换管道150包括相邻地设置的入口130和出口140。箭头195代表从车辆的清洁侧进入上入口通路190的入口空气流。穿过入口130并在壳体110内部引导入口空气流195。空气穿过电池组(未示出)，并且箭头205代表出口空气流，所述出口空气流被排出出口140外并穿过上出口通路200离开车辆。

图12示出了置于电池壳体110的顶表面115上的热交换管道150的横截面视图。热交换管道150包括管道基底155，所述管道基底置于壳体110的壳体唇缘175下方。将管道150密封到壳体110以便减少空气流泄漏。

参考图13A至图13C，展示了示出现有技术热交换组件300的一部分的细节，其中壳体310和车辆主体350各具有分别用于容纳入口330和出口340中的每一者的两个开口360和370(图13C)。入口管道380连接到入口330，并且出口管道390连接到出口340(图13A)。空气进入入口管道380并被传送到包括多个单元(未示出)的电池组355(图13C)。随着空气被引导穿过电池组中的中间管道385并通过出口340离开电池组，此后空气通过出口管道390从车辆排出，空气串联地冷却单元(图13C)。空气冷却的以上途径需要电池壳体310和车辆主体350(特别是车辆底板)中的至少两个开口以及包括入口管道、中间管道和出口管道的三个管道，这增加了制造工艺的复杂度并增大了与将电池安装在车辆中时的公差和对齐相关联的问题的风险。此外，串联地冷却单元效率较低并且导致与空气流阻力和压力下降相关联的潜在问题。

本文还提供一种车辆，其包括根据本文中公开的任何实施例的热交换组件，其中所述热交换管道穿过车辆主体中的单个开口。图15示出了具有热交换组件100的车辆400，所述热交换组件设置在车辆主体的底板下方，使得热交换管道和/或包括上入口通路和上出口通路的歧管穿过车辆主体中的单个开口。

本文还提供一种空气流穿过车辆中的空气冷却电池的方法，所述方法包括：提供热交换组件，所述热交换组件包括密封壳体，其包围电池组，所述电池组包括多个单元；和歧管，其可操作地连接到壳体，其中歧管包括：用于将空气流接收到电池组内的入口；和用于将空气流排出电池组外的出口，其中入口和出口形成穿过壳体表面上的单个开口的热交换管道；引导空气流穿过入口朝向电池组的中心；引导空气流从电池组的中心向外朝向密封壳体贯穿多个单元，其中密封壳体形成将空气流引导到出口的排气管道；以及将空气流排出出口外。在一个实施例中，通过车辆主体中的单个开口将空气流引导到空气冷却电池和从空气冷却电池引导空气流。在更特定的实施例中，单个开口为车辆主体的底板中的开口。空气流被并联地引导到多个单元。

在另一个实施例中，从出口排出的空气流在无需壳体中的额外管道的情况下冷却功率电子器件。

在一个实施例中，入口被包围在热交换管道上的出口内，使得通过壳体表面上的单个开口将空气流引导到电池组并从电池组引导空气流。在另一个实施例中，入口和出口相邻地设置在热交换管道上，使得通过壳体表面上的单个开口将空气流引导到电池组并从电池组引导空气流。在某些实施例中，壳体表面上的单个开口为壳体的顶表面上的开口。

实例

以下实例通过说明的方式给出并且并非旨在限制本发明的范围。

实例1

电池冷却流压力下降的比较

采用计算机模型来说明通道流率与两个电池组冷却配置之间的压力下降之间的关系，所述两个电池组配置为：(1)一个电池组包括串联冷却的两个12单元模块，和(2)另一个电池组包括并联冷却的两个12单元模块。图14为串联(图14A)与并联(图14B)冷却配置的示意图，其中箭头代表空气流方向。在表1中列出数据和参数：

表1：串联与并联冷却的比较

结果指示与并联配置(40Pa)相比，串联配置中具有明显更大的总压力下降(280Pa)。

虽然已说明和描述本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员应显而易见的是可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种其它改变和修改。因此，旨在在所附权利要求书中涵盖本发明的范围内的所有这些改变和修改。