对电池集成式功率电子设备的冷却的制作方法

本发明涉及一种用于冷却带有集成的功率电子设备的电池模块的方法和系统，其中考虑了功率电子设备到电池模块的排热系统的热耦合。

背景技术：

如果在(例如电动车辆的)电池模块中除了多个能量单元之外集成有功率电子设备，则存在两个热源。一方面，能量单元由于其不可忽略的内阻不仅在充电的情形中而且在放电的情形中变热。此处，电池冷却系统在很大程度上决定了可供电动车辆使用的功率。为此经常使用液体冷却，其甚至在使用空调压缩机的情形下将能量单元冷却到大约室温。另一方面，功率电子设备在其侧传导大的电流(例如电池电流)穿过电子部件，这些电子部件产生额外的传输损失和/或切换损失。然而直到现在在常规的电池设计中未提供额外的热源，如此处由功率电子设备所引起的。虽然常规的车辆电池同样经常包含尤其用于电池监控和/或电池管理的电池电子设备。然而这不是功率电子系统且产生可忽略的程度的热损失。

因此，文献de102012018113a1描述了一种带有多个棱柱形的能量单元的电池，这些能量单元与电池电子设备和冷却装置一起被安装。然而，电池电子设备此处仅用于在低压范围中对各个能量单元进行互连，例如用于电压监控或在各个能量单元之间的电量平衡，而未公开用于以作为另外的热源的电池电流的规模上的电流进行互连的功率电子设备。

原则上，功率电子设备和电池的典型工作温度范围有区别。如今的电池、例如锂基或锌基电池(相比于高温电池、例如钠基电池)优选大多数情况下达到大致超过0℃直至大约40℃(明显更宽地来理解绝对极限)的理想工作温度。虽然反应速度随着温度(如在放热反应的情形中)上升且因此电池的电流能力随着温度而增加，但是过热的风险和火灾危险同样上升。因此，电池在高温和低温的情形中在其功率方面降低且优选大约室温。与此相比，在缺少在热力学上明确定义的费米-狄拉克状态占有密度(fermi-dirac-zustandsbesetzungsdichte)在低温时影响工作之前，电子部件可以远低于0℃来工作，例如在半导体的情形中至少在-20℃。在向上的温度等级上，半导体允许直至所谓的结温，该结温达到直至远超过120℃，由此超过100℃的壳体温度是可能的。同样的内容至少经常适用于功率损失。电池主导功率损失、然而在大的表面上产生该功率损失且大多数情况下具有显著的热容量，这对于大的质量和大的体积而言已经变得显而易见。功率电子设备经常明显较少地(此处预计以因子5至10)产生绝对的热功率。然而，该热功率大多数情况下非常集中地在功率电子部件处凸现。此外，功率电子设备相比于电池在大多数情况下具有极小的热容量。如果热量不被电子设备排出，则该电子设备对应地可能变热直至超过其损坏极限。

在us美国文献us2008/0090137a1中公开了一种电池，其将多个棱柱形的能量单元(相应地与导热金属板一起布置地)集成在电池壳体中。在相应的棱柱形的能量单元与相应的导热金属板之间的相应机械连接同样可以再次脱开。

文献de102009030017a1涉及一种电池，其储能单元由电化学储存单元和/或由电容器构成。冷却器组被联接到储能单元，热量经由冷却剂或者制冷剂排出。

技术实现要素：

在此背景下，本发明的目的是，使得一种方法可供使用，该方法解决对带有集成式的功率电子设备的电池以及由此引起地对两个热源进行冷却的问题。尤其应考虑功率电子设备到电池的排热系统的热耦合。此外本发明的目的是，提供一种用于执行这样的方法的对应系统。

为了实现上述目的，提出一种用于提供对集成在电池模块中的功率电子设备的冷却的方法，其中所述电池模块具有电池壳体，在所述电池壳体中存在多个储能单元和与其相邻地集成地所述功率电子设备，所述功率电子设备包括配备有功率半导体开关的电路板，并且所述电池模块具有导热元件，所述导热元件在相应的储能单元与所述功率电子设备之间实现热接触，其中对所述功率电子设备的冷却由所述导热元件来实现，所述导热元件能够实现将热能从所述功率电子设备传输到所述储能单元，并且其中将所述电池壳体的至少一侧联接到冷却系统，其中将所述导热元件与相应的储能单元平面地相连并通过相应的、被模制在所述导热元件处的拱形结构使所述导热元件与所述功率电子设备的与相应的储能元件相邻的部分相接触，其中由该拱形结构形成在功率电子设备与导热元件之间的弹簧作用且由此增加热接触。

根据本发明的方法利用如下情况：即，对于来自储能单元的排热而言通过现有技术提供了高性能的设计。例如，储能单元可以与电池壳体的平面式的底部处于热接触中，该底部同样被平面式地联接到冷却系统，由此热量可以充分地从电池模块中排出。此外，根据本发明的方法利用两个热源的热特性。因此，功率电子设备的额外的热能(相比于储能单元中产生的热能显得更少)可以由储能单元的冷却系统容易地补偿且无需或仅需冷却系统的较少增强。此外，功率电子设备和储能元件的不同广度地来理解的热工作范围允许形成相对较大的温差，由此可以实现从功率电子设备到储能单元中的对应较高的热流。

有利地，在功率电子设备与储能单元之间的间距尽可能小，从而使得热能由导热元件尽可能直接地导引到储能单元中。还进一步有利的是，通过根据本发明的方法尤其在功率半导体开关处形成的热量的高能量密度已分布在导热元件中且被大面积地传递到储能单元。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，由单件金属板呈梳状地形成所述导热元件。这样的导热元件然后在相应的梳齿或者支腿之间容纳相应的储能元件。根据本发明的方法的该实施方式的技术实现方案具有较低的成本、结构空间和重量。

在金属板弯曲过程中预期的公差可以足够大，从而在相应的储能元件与金属板的贴靠储能元件的部分之间形成接触面，其仅在其接触面的一些位置处具有热接触。以相同的方式，在功率电子设备与被模制在金属板处的拱形结构之间的接触面可以被限制至功率电子设备的一些伸出区域，这些伸出区域有利地在功率半导体开关处构成。被储能元件和功率电子设备处的金属板遮盖住的所有其他区域大多数情况下被较少的、然而隔热的空气膜分开。

这些公差可以由所谓的间隙填料(gap-pad)来补偿，该间隙填料是略微弹性的导热箔片。然而，间隙填料提高了在功率电子设备与金属板之间的热接触电阻。替代地，在此可以在金属板上使用非常薄的油漆涂层，以便于在明显更好的热传导的情形中提供必要的电绝缘。

导热元件的非常薄的涂层是可能的，该涂层是导热的，然而至少相对于局部的电压差电绝缘地起作用。带有这些特性的材料例如可以在聚合物中找到。作为这样的材料例如可以是聚醚醚酮、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或环氧树脂，其均直至在10kv/mm至100kv/mm的范围中绝缘地起作用。优选地，对导热元件进行涂层与填充其导热能力大于10w/(mk)的良好导热的材料一起来实施。作为这样的材料例如可以是al2o3、zno、zro或tio2。总体上，由所提及的电绝缘材料和所提及的导热材料构成的复合物达到大于2w/(mk)的导热能力，这相比于带有小于0.3w/(mk)的导热能力的典型塑料是有利的。此外，还可设想带有无机材料(例如陶瓷材料)的涂层。必要时，这些涂层被浸渍以塑料。为了避免损伤导热元件的经涂层的表面，应在对导热元件进行机械处理(例如通过弯曲或冲裁)之后才进行涂层。

通过根据本发明的方法，创造了用于补偿所提及的公差的可能性。因为金属板的拱形结构有利地使得弹簧作用成为可能，所以一方面实现了金属板到功率电子设备上的明确限定的挤压力且此外补偿了功率电子设备的高度不均匀性。另一方面，弹簧作用延续到金属板的不弯曲的部分上且还在此处提高了遮盖住相应的储能单元的金属板部分的挤压力。由此还达到了相对于储能单元的不同厚度的公差。这尤其在储能单元的情况下是重要的，其厚度随着电量和环境条件而变化。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，导热元件由多个金属板弯曲件组合成。在此可以涉及至少两个金属板弯曲件，上至根据本发明的方法的一种实施方式，其中给每个储能单元指配相应的金属板弯曲件。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，呈“u”形构造地形成相应的金属板弯曲件并将相应的储能单元容纳在所述“u”形构造的两个支腿之间且由所述“u”形构造的弯曲部形成所述拱形结构。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，呈“j”形构造地形成相应的金属板弯曲件并使相应的储能单元与所述“j”形构造的支腿相接触且由所述“j”形构造的弯曲部形成所述拱形结构。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，选择形成为棱柱形单元的电池单元、或形成为袋式单元的电池单元、或形成为多个串联布置的圆形单元的电池单元作为相应的储能单元。还可设想的是，相应的金属板弯曲件呈套管状地形成，以使与形成为圆形单元的电池单元的热接触最大化。

在根据本发明的方法的一种实施方式中，通过按压到所述功率电子设备上的壳体盖板来加强所述拱形结构的弹簧作用。例如，壳体盖板可以通过夹紧机构与电池壳体相连。

在根据本发明的方法的另一实施方式中，通过将所述功率电子设备固定在所述电池壳体内来加强所述拱形结构的弹簧作用。在此，该固定可以相对于电池壳体和/或相对于储能单元来实现。例如，在带有螺旋连接的储能单元的情形中该螺旋连接例如可以被用于一方面在功率电子设备与储能单元之间建立电气连接，然而另一方面还用于使功率电子设备压靠储能单元和处于其间的加热元件。尤其，在形成为棱柱形单元的电池单元的情形中，可以采用螺栓或还有带有内螺纹的孔。

此外，要求保护一种用于提供对集成在电池模块中的功率电子设备的冷却的系统，该系统具有电池壳体，在电池壳体中存在多个储能单元和与其相邻地集成地所述功率电子设备，所述功率电子设备包括配备有功率半导体开关的电路板，并且所述系统具有导热元件，所述导热元件在相应的储能单元与所述功率电子设备之间实现热接触，其中所述导热元件被设计成用于通过从所述功率电子设备到所述储能单元的热传递来实现对所述功率电子设备的冷却，并且其中所述电池壳体的至少一侧联接到冷却系统，其中所述导热元件与相应的储能单元平面地相连且通过相应的、被模制在所述导热元件处的拱形结构与所述功率电子设备的与相应的储能元件相邻的部分相接触。

在根据本发明的系统的设计方案中，导热元件由单件金属板构成。

在根据本发明的系统的另外的设计方案中，导热元件由单独的呈“u”形构造和/或呈“j”形构造的金属板弯曲件构成。

最后，要求保护一种电池模块，所述电池模块装备有根据本发明的系统且被设计成用于实施根据本发明的方法。

本发明的其他优点和设计方案从说明书和附图中得出。

显然，上述的以及还将在下文中说明的特征不仅可以按照相应给出的组合来使用，也可以按照其他组合或单独地使用，而不背离本发明的范围。

总体上，本发明在此提供下述1、10和13的技术方案，下述2-9和11-12为本发明的优选技术方案：

1.一种用于提供对集成在电池模块(402)中的功率电子设备(404)的冷却的方法，其中所述电池模块(402)具有电池壳体，在所述电池壳体中存在多个储能单元(206)和与其相邻地集成地所述功率电子设备(404)，所述功率电子设备包括配备有功率半导体开关(112)的电路板(111)，并且所述电池模块具有导热元件(302，802)，所述导热元件在相应的储能单元(206)与所述功率电子设备(404)之间实现热接触，其中对所述功率电子设备(404)的冷却由所述导热元件(302，802)来实现，所述导热元件能够实现将热能从所述功率电子设备(404)传输到所述储能单元(206)，并且其中将所述电池壳体的至少一侧联接到冷却系统，其中将所述导热元件(302，802)与相应的储能单元(206)平面地相连并通过相应的、被模制在所述导热元件(302，802)处的拱形结构(202)使所述导热元件与所述功率电子设备(404)的与相应的储能元件(206)相邻的部分相接触，其中由所述拱形结构(202)在功率电子设备(404)与导热元件(302，802)之间形成弹簧作用。

2.根据前述1所述的方法，其中由单件金属板(1002)呈梳状地形成所述导热元件(302，802)并将相应的储能元件(206)容纳在相应的梳齿或者支腿(204)之间。

3.根据前述1所述的方法，其中所述导热元件(302，802)由多个金属板弯曲件(212，222)组合成。

4.根据前述3所述的方法，其中给每个储能单元(206)指配相应的金属板弯曲件(212，222)。

5.根据前述4所述的方法，其中呈“u”形构造地形成相应的金属板弯曲件(212)并将相应的储能单元(206)容纳在“u”形构造的两个支腿(204)之间且由“u”形构造的弯曲部形成所述拱形结构(202)。

6.根据前述4所述的方法，其中呈“j”形构造地形成相应的金属板弯曲件(222)并使相应的储能单元(206)与“j”形构造的支腿(204)相接触且由“j”形构造的弯曲部形成所述拱形结构(202)。

7.根据前述1-6中任一项所述的方法，其中选择形成为棱柱形单元的电池单元、或形成为袋式单元的电池单元、或形成为多个串联布置的圆形单元的电池单元作为相应的储能单元(206)。

8.根据前述1-7中任一项所述的方法，其中通过按压到所述功率电子设备(404)上的壳体盖板(702)来加强所述拱形结构(202)的弹簧作用。

9.根据前述1-8中任一项所述的方法，其中通过将所述功率电子设备(404)固定在所述电池壳体内来加强所述拱形结构(202)的弹簧作用。

10.一种用于提供对集成在电池模块(402)中的功率电子设备(404)的冷却的系统，该系统具有电池壳体，在电池壳体中存在多个储能单元(206)和与其相邻地集成地所述功率电子设备(404)，所述功率电子设备包括配备有功率半导体开关(112)的电路板(111)，并且所述系统具有导热元件(302，802)，所述导热元件在相应的储能单元(206)与所述功率电子设备(404)之间实现热接触，其中所述导热元件(302，802)被设计成用于通过从所述功率电子设备(404)到所述储能单元(206)的热传递来实现对所述功率电子设备(404)的冷却，并且其中所述电池壳体的至少一侧联接到冷却系统，其中所述导热元件(302，802)与相应的储能单元(206)平面地相连且通过相应的、被模制在所述导热元件(302，802)处的拱形结构(202)与所述功率电子设备(404)的与相应的储能元件(206)相邻的部分相接触。

11.根据前述10所述的系统，其中所述导热元件(302，802)由单件金属板(1002)构成。

12.根据前述10所述的系统，其中所述导热元件(302，802)由单独的呈“u”形构造和/或呈“j”形构造的金属板弯曲件(212，222)构成。

13.一种电池模块(402)，其具有根据前述10至12中任一项所述的系统且其中通过根据前述1至9中任一项所述的方法来实施冷却，其中所述电池模块(402)以所述电池壳体的至少一侧平面地联接到冷却系统。

附图说明

将概括并一般性地描述附图，相同的部件与相同的附图标记相关联。

图1以示意性图示示出了不具有拱形结构的梳状的导热元件。

图2以示意性图示示出了在根据本发明的方法的实施方式中构成的金属板弯曲件的侧视图。

图3以透视视图示出了在根据本发明的方法的一种实施方式中构成的导热元件。

图4以示意性图示示出了穿过以根据本发明的方法的一种实施方式获得的电池模块的截面的侧视图。

图5以透视图示示出了穿过图4中所示出的以根据本发明的方法的一种实施方式获得的电池模块的截面。

图6以透视图示示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的不具有壳体盖板的电池模块。

图7以分解图示示出了以根据本发明的一种实施方式获得的具有水平布置的功率电子设备的电池模块。

图8以分解图示示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的具有侧向布置的功率电子设备的电池模块。

图9以透视图示示出了用于根据本发明的方法的一种实施方式的功率电子设备的连接端。

图10以示意性图示示出了在制造相对于根据本发明的方法的一种实施方案构成的导热元件期间的结构形式。

图11以分解图示示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的电池模块。

具体实施方式

在图1中以示意性图示示出了不具有拱形结构的梳状的导热元件102。透视视图100示出了由一件金属板制成的具有多个梳齿104的导热元件102。在上侧可见的椭圆形倒圆的切口在导热元件102被放置到多个储能单元上之后容纳储能单元的上部连接端且因此使得触及其连接端成为可能。视图110以侧向图示示出了被插到储能单元116上的导热元件102。在导热元件102的上方布置有功率电子设备的电路板111，该电路板此外配备有功率半导体开关112。不仅由于储能单元116的尺寸区别119、而且由于电路板111配备有不同厚度的电子部件所决定的结构高度118，限制了导热元件102的热接触面。在某些情况下，隔热的空气薄膜处于作为热源的功率半导体开关与导热元件之间，而热量应被传递到储能单元116。同样可能出现的是：一些储能单元116的上边缘并不与导热元件102的接触，而热量仅可以在这样的位置处经由侧向的梳齿104被传递到相应的储能单元116。视图120示出了在导热元件102的刚性结构形式的情形中的另一问题。各个储能单元126可以按照电量和环境条件具有不同厚度。因此，当两个储能单元之间的缝隙122与梳齿的位置不一致时，在某些情况下可能无法将梳状的导热元件插到储能单元126上。或者可能在插上之后留有隔热地起作用的气隙124。这些可能的问题通过根据本发明的方法的实施方式来解决。

在图2中以示意性图示示出了在根据本发明的方法的实施方式中构成的金属板弯曲件212或者222的侧视图210或者220。根据本发明，金属板弯曲件212或者222具有与功率电子设备处于热接触的拱形结构202和至少一个支腿204，如果多个金属板弯曲件212或者222依次排列且由一侧观察具有相对于梳子的相似性，则该支腿形成相应的梳齿且与相应的储能元件处于热接触。视图210示出了两个呈“u”形地设计的金属板弯曲件212，其具有拱形结构202且相应地具有两个支腿204。在两个支腿204之间容纳有储能元件。视图220示出了两个呈“j”形地设计的金属板弯曲件222，其具有拱形结构202和相应地支腿204，该支腿由一侧热接触相应的储能元件。

在图3中以透视图示300示出了在根据本发明的方法的一种实施方式中构成的导热元件302，其具有多个拱形结构202和支腿204。在相应的每个拱形结构部中存在两个椭圆形倒圆的切口，其在容纳相应的储能元件之后由上方使得触及其连接端成为可能。导热元件302可以由单件金属板呈梳状地形成，或由形成单件金属板的子集的多个金属板弯曲件组合成。在此，导热元件302可以由图2中示出的呈“u”形或“j”形的金属板弯曲件组合成。

在图4中以示意性图示400示出了穿过以根据本发明的方法的一种实施方式获得的电池模块402的截面的侧视图。电池模块402以其底侧放置在冷却系统的此处未示出的冷却板上。在电池壳体中包括储能单元和导热元件的组合体406，其中与储能单元206相应地布置有梳齿或者支腿204和导热元件的拱形结构202。相应地设置在拱形结构202的区域中的开口或者对应的切口(在图示400中不可见，然而在图3中讨论过)容纳相应的储能单元206的相应的上部连接端408。在导热元件的拱形结构202的上方存在功率电子设备404，热量从该功率电子设备经由组合体406被排出。这根据本发明经由导热元件的拱形结构202进行，该拱形结构一方面与功率电子设备404处于接触，另一方面从此处将热量导出到支腿204且最后到储能单元。额外地，当(如在所示出的实施方式中那样)支腿204在整个单元长度上向下朝冷却板的方向被拉动且热接触该冷却板时，热量还可以经由导热元件直接被排出至电池壳体的底部。还可设想的是，支腿相对于侧面的平面扩展直至到达电池壳体的侧壁且在此处排出热量。但是一般而言根据本发明提出：在功率电子设备404接触导热元件的位置处构成拱形结构202，且该导热元件与各个储能单元206构成组合体406。

在图5中以透视图示500示出了穿过在图4中所示出的以根据本发明的方法的一种实施方式获得的电池模块402的截面。尤其在储能单元和导热元件的组合体406上，储能单元的在导热元件的相应开口中从上方可接触的相应连接端408和所放置的功率电子设备404变得可见。

在图6中以透视图示600示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的不具有壳体盖板的电池模块402。尤其储能单元的在导热元件的相应开口中从上方可接触的相应连接端408和所放置的功率电子设备404变得可见。

在图7中以分解图示700示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的具有水平布置的功率电子设备404的电池模块402。储能元件704在分解图示700中在两个半部中侧向地相对于导热元件302被示出。在组装状态中，储能元件704处于带有被插入的导热元件302的电池模块402内。可以很好地看见储能单元704的连接端408。功率电子设备404水平地处于导热元件302的上方且由壳体盖板702按压到导热元件302的拱形结构上。冷却优选经由电池模块402的底部实现。可设想的是，还经由电池模块402的壳体侧来执行冷却，或其在此处补充于在底部处的冷却来设计。

在图8中以分解图示800示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的具有侧向布置的功率电子设备404的电池模块402。对应地，导热元件802在朝向功率电子设备404的侧面具有根据本发明的拱形结构。根据本发明的方法的这种实施方式有利地最小化了在用于相应的储能单元206的连接点的导热元件802中的、在其他情况下必要的开口的数量。此外，在图示800处可见的是：导热元件802不包括相应的储能单元206的总长度，而是向下留有较小的一段，也就是说不与电池壳体402的底部处于热接触。

在图9中以透视图示900示出了用于根据本发明的方法的一种实施方式的功率电子设备404的连接端。在所示出的实施方式中，功率电子设备404经由金属触点910接触同样此处程式化地呈盒状示出的底部结构902的金属触点904。例如，底部结构902包括储能单元和导热元件，以及所有储能单元与金属触点904的互连。图示900示出了多个不同厚度的电子部件，它们可以以相同的方式额外地处于功率电子设备404的此处不可见的底侧。尤其，功率半导体开关906和引导处于电池电流范围中的电流的、且例如由在表面处涂覆的铜构成的汇流排908作为热源出现。两者可以在其表面处与导热元件接触。必要时，汇流排908(由厚的铜层决定地)具有与功率半导体开关906相同的结构高度，或甚至伸出超过功率半导体开关。不同的电子部件(例如现代的低压功率晶体管)还可以被设计成使其热量可以经由电触点被引到汇流排的铜中。在这些情况中，热量可以从功率电子设备404的电路板上的铜经由导热元件被排出到储能单元中。

在图10中以示意性图示1000示出了在制造相对于根据本发明的方法的一种实施方案构成的导热元件302期间的多种结构形式1002、1004。导热元件302作为单独的金属板件制造或由多个金属板弯曲件制造可以例如非常低成本地以冲裁-弯曲过程实现。在该冲裁-弯曲过程中，金属板1002优选地由具有良好导热能力的材料(例如铝或铜)成形为使得产生如下表面，在该表面处可以热接触功率电子设备(也就是说，可以模制拱形结构)并且可以构成单元之间延伸的支腿。在结构形式1004中的突起的产生例如通过v形弯曲(所谓的“v-bending”)来实现。在外边缘处的可能的支腿可以通过边缘弯曲、所谓的“edgebending”来产生。所有必要的留空部(以便例如将储能单元的螺旋连接或焊接连接穿过导热元件引导至功率电子设备或者使得在功率电子电路板上的具有较大结构高度的电子部件相对于导热元件留空)可以通过冲裁构成。

在图11中以分解图示1100示出了以根据本发明的方法的一种实施方式获得的电池模块402。将相应的储能单元206插入到电池模块402的电池壳体中，然后插上导热元件302，并且最后在导热元件302的拱形结构上使功率电子设备404通过壳体盖板702的明确限定的接触压力来热接触。