基于热电的热管理系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及电气装置的热电(TE)冷却和加热。
【背景技术】
[0002]电力电子装置和其他电气装置(如电池)能够对过热、冷温、极端温度和工作温度极限敏感。当这些装置在建议的温度范围之外操作时，此类装置的性能可能有时严重减弱。在半导体器件中，集成电路芯片可能过热并且出现故障。在包括例如用于电气化车辆中的汽车应用的电池在内的电池中，电池单元及其部件在过热或过冷时会降级。此类降级本身能够反映为电池储存能力降低和/或电池在多个工作周期上被再充电的能力降低。
【发明内容】
[0003]本发明能够有利地管理电力电子装置和其他电气装置的热状况。热管理能够减少以下情形:过热、过冷以及电气装置降级。本文描述的某些实施例提供对载有大量电力和/或要求高电流和高效率的装置(例如，功率放大器、晶体管、变压器、电力逆变器、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、电动机、高功率激光器和发光二极管、电池以及其他)的热管理。大范围的解决方案能够用于热管理此类装置，包括对流式空气和液体冷却、传导式冷却、液体射流喷射式冷却、板和芯片盒的热电冷却以及其他解决方案。与加热或冷却电气装置的现有技术相比，本文公开的至少一些实施例提供至少一项以下优点:更高的电力效率、更低或消除维护成本、更高的可靠性、更长的使用寿命、更少的部件、更少或消除移动部分、加热和冷却操作模式、其他优点、或优点的组合。
[0004]在电气装置中，典型地，该装置的电气有效部分和/或温度敏感区域与外界相连，例如经由电导体与外部电路或装置相连。例如，电池单元的电极能够设计成承载高的电力而无大量损失(例如，按照焦耳定律，与电流的平方成比例的热量损失)。用于此类电极的电导体的电线规格与此类装置中典型流动的高电流相称。电池的尺寸越大，与外部电路相连的电极接线柱就越大。
[0005]电极以及许多其他类型的电导体的高电导率还意味着，此类导体通常具有高的热导率。高热导率能够用来解决各种热管理问题，其中人们能够通过加热和/或冷却电极来将希望的热功率(例如，冷却、加热等等)绕过该装置的非热敏性元件，直接传递到装置的敏感性元件。类似于在输血过程中使用热调节的血液以将热量深入传递到人体核心，热泵送通过电极能够用于高效地将希望的热状况深入传递到电气装置中。举例而言，已经确定，高级汽车电池的电极冷却是用于电池热管理的最有利的技术之一。例如，能够使用固体、液体或空气冷却技术来冷却这些电极。在某种意义上，电极在这样的热管理系统中充当指形冷冻器。
[0006]本文公开的实施例包括能够通过对功率部件、电子装置以及其他电气装置的载有电流的电导体(例如，电极)施加直接或间接热电(TE)冷却和/或加热来对电气装置进行热管理的系统和方法。这样的装置通常能够从热管理中获益。将参照具体电气装置(例如电池)来描述一些实施例。然而，本文公开的至少一些实施例能够对其他电气装置(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、其他电气装置、或装置的组合)提供热管理。至少一些这样的装置能够具有高的电流承载能力并且能够承受优选温度范围之外的操作。参照冷却操作模式来描述一些实施例的操作。然而，在此公开的一些或所有实施例也能够具有加热操作模式。在一些情形下，加热操作模式能够用于将电气装置的温度维持在阈值温度以上，在该阈值温度以下该电气装置可能降级或表现受损的操作。TE装置尤其适于提供加热和冷却功能，其中对系统构造具有最小复杂性。
[0007]在此公开的实施例包括基于热电的热管理系统和方法。在一些实施例中，热管理系统经配置以管理电气装置的温度敏感区域中的温度。该热管理系统能够包括热电装置，该热电装置经配置以在将电力施加到该热电装置时，传递主表面与废表面之间的热能。在一些实施例中，该热电装置的主表面与电导体的热交换表面实质热连通。该电导体经配置以将电力传递到电气装置或传递来自电气装置的电力，使得该电导体用作传导电气装置的温度敏感区域与该热电装置之间的热能的导管。
[0008]在某些实施例中，一种用于对电气装置进行热管理的方法，其包括将热传递装置连接到电气装置的多个电导体，该热传递装置包括导电部分和电气绝缘部分。该方法能够包括在热传递装置与热电装置的主表面之间进行实质热能交换。
[0009]在一些实施例中，一种用于对电气装置进行热管理的方法，包括在热电装置与电导体的热交换表面之间建立实质热连通，该电导体与该电气装置热连通和电连通。该方法能够包括通过调节引入或引出该热电装置的电流来加热或冷却该电气装置。
[0010]在某些实施例中，提供一种热电式电池热管理系统，该系统经配置以管理电池单元的温度敏感区域中的温度，该系统包括经配置以控制电池单元的充电和放电的电池管理控制器。该系统包括经配置以控制传递到热电装置的电力的热电管理控制器，其中该热电装置经配置以在将电力施加到热电装置时，传递主表面与废表面之间的热能。该热电装置的主表面附接至汇流条，其中该汇流条与电池单元的电导体实质热连通。该电导体经配置以将电力传递到电池单元或传递来自电池单元的电力，并且该电导体用作传导电池单元的温度敏感区域与该热电装置之间的热能的导管。该系统包括包围该电池单元的电池外壳。该系统包括印刷电路基板，该印刷电路基板包括电池管理控制器、热电管理控制器、以及电池管理控制器与热电管理控制器之间的数据连接件。印刷电路基板被定位在电池外壳内并且包括用于向热电装置供应电力的电力连接件。
[0011 ] 在一些实施例中，该热电式电池热管理系统包括控制器，该控制器与该热电管理控制器电连通并且经配置以控制提供给该热电装置的电流的极性。在冷却模式的系统操作中提供第一极性的电流并且其中在加热模式的系统操作中提供与该第一极性相反的第二极性的电流。
[0012]在一些实施例中，该电池管理控制器经配置以对电池单元执行控制功能。
[0013]在一些实施例中，该热电式电池热管理系统包括与电池单元热连通且与热电管理控制器电连通的温度传感器。
[0014]在一些实施例中，该印刷电路基板包括经配置以容纳热电装置的开口部分。
[0015]在一些实施例中，该汇流条的表面与电导体的表面直接物理接触。
[0016]在一些实施例中，该热电式电池热管理系统包括鼓风机与管道组件，该鼓风机与管道组件被附接至印刷电路基板并且经配置以推动或拉动空气跨过热电装置的废表面。该鼓风机与管道组件包括控制器，该控制器与电池管理控制器和热电管理控制器中的至少一个电连通，使得电池管理控制器和热电管理控制器中的至少一个经配置以优化系统效率，从而来自该鼓风机的气流被增大或减小以适应电池单元的冷却或加热要求。
[0017]在一些实施例中，该汇流条包括一个或更多个安装孔，用于将汇流条安装至印刷电路基板和电导体。
[0018]在一些实施例中，该电池单元被密封在外壳内，该外壳包括与热电装置邻接的高热导率材料窗口，该窗口经配置以在定位在该窗口外的废热去除系统的一部分与热电装置的废表面之间提供基本热连通的通路。
[0019]在一些实施例中，热电装置附接至汇流条的顶表面和底表面。
[0020]在某些实施例中，一种用于对电池单元进行热管理的方法，包括通过使用附接至印刷电路基板的电池管理控制器，控制电池单元的充电和放电。该方法包括通过使用附接至印刷电路基板的热电管理控制器来控制传递到热电装置的电力。该方法包括从附接至印刷电路基板的电力连接件供应电力至热电装置。该热电装置经配置以在将电力施加至热电装置时，传递主表面与废表面之间的热能。该热电装置的主表面与汇流条物理接触。汇流条与电池单元的电极热连通和电连通。该电极经配置以将电力传递到电池单元或传递来自电池单元的电力并且用作传导电池单元的温度敏感区域与热电装置之间的热能的导管。通过调节传递到热电装置的电流的极性，能够加热或冷却该电池单元。
[0021]在一些实施例中，热电管理控制器经配置以控制提供给热电装置的电流的极性，其中在冷却模式的系统操作中提供第一极性的电流并且其中在加热模式的系统操作中提供与第一极性相反的第二极性的电流。
[0022]在一些实施例中，电池管理控制器经配置以管理电池单元的充电和放电。
[0023]在一些实施例中，提供与电池单元热连通且与热电管理控制器电连通的温度传感器。
[0024]在一些实施例中，印刷电路基板包括经配置以容纳热电装置的开口部分。
[0025]在一些实施例中，汇流条的表面与电导体的表面直接物理接触。
[0026]在一些实施例中，鼓风机与管道组件附接至印刷电路基板并且经配置以推动或拉动空气跨过热电装置的废表面。鼓风机与管道组件包括控制器，该控制器与电池管理控制器和热电管理控制器中的至少一个电连通，使得电池管理控制器和热电管理控制器中的至少一个经配置以优化系统效率，从而来自该鼓风机的气流被增大或减小以适应电池单元的冷却或加热要求。
[0027]在一些实施例中，汇流条包括一个或更多个安装孔，用于将汇流条安装至印刷电路基板和电导体。
[0028]在一些实施例中，电池单元被密封在外壳内，该外壳包括与热电装置邻接的窗口，该窗口经配置以在定位在窗口外的废热去除系统的一部分与热电装置的废表面之间提供基本热连通的通路。
[0029]在一些实施例中，热电装置附接至汇流条的顶表面和底表面。
[0030]在某些实施例中，提供一种用于制造热电式电池热管理系统的方法，该方法包括将印刷电路基板连接至经配置以控制电池单元的充电和放电的电池管理系统和经配置以控制传递到热电装置的电力的热电管理系统。该热电装置经配置以在将电力施加到热电装置是，传递主表面与废表面之间的热能。该方法包括将热电装置的主表面连接至汇流条并且将汇流条连接至与电池单元热连通和电连通的电导体。该电导体经配置以将电力传递到电池单元或传递来自电池单元的电力，使得该电导体用作传导电池单元的温度敏感区域与热电装置之间的热能的导管。该方法包括将定位在印刷电路基板上的电力连接件连接至热电装置以便向该热电装置供应电力。<