用于单舱和多舱电动车辆结构电池的冷却系统

技术领域

本公开涉及一种在电动车辆中使用的电池组(battery pack)。所述电池组包括横向前部零件和横向构件，所述横向前部零件和所述横向构件各自在宽度方向上延伸，并且通过两个在长度方向上延伸的间隔开的底框构件(sill member)相互连接。至少两个纵列的棱柱形电池单元在长度方向上并排延伸。

本公开还涉及一种用于这样的电池组的冷却构件和制造方法。

背景技术

电池电动车辆(BEV)及其动力传动系统通常由电池单元阵列供电，这些电池单元串联、并联或两者相结合以达到期望的系统输出电压窗口，该系统输出电压窗口对电机和传动系统效率是最佳的。电池单元有不同的样式，如圆柱形、棱柱形或袋状，并且在供电(加速)和输电(充电)时，由于内阻而产生热量。所产生的热量被主动移除，以防止电池单元温度超过设定阈值，在设定阈值，电池单元电解液发生分解，从而导致永久性损害并明显降低电池单元寿命。

因此，电动车辆电池组的一个重要设计参数是将绝对温度保持在一定的限度以下，以确保足够的电池单元寿命和产品安全。但是，根据电池单元内部和使用的制造方法-缠绕或堆叠的凝胶卷(jellyroll)-热量并不在所有电池单元方向上均匀分布，从而在较热和较冷的区域显著地形成温度梯度。希望尽可能地降低温度梯度，并在整个电池单元中达到非常均匀的温度分布，其中热点与冷点之间的差异被减小。

为了保护电池单元中的电池单元电解液不被破坏，当电池单元温度超过通常与电池单元热点形成一致的设定值时，功率输入和功率输出受到限制(节流)。因此，如果电池单元的一个区域过热，则控制硬件和软件将启动节流协议，以保护电解液。在实践中，消费者在高功率和高电流的快速充电时最常遇到这个问题。常规的快速充电间歇(fast-chargingstop)的持续时间为10-30分钟，取决于特定车辆和充电站的额定功率。在功率输入期间长的充电时间与在坡道加速(on-ramp acceleration)或超车情形期间从电池功率输出形成对比，后者是相对较短的持续时间事件，通常不到一分钟，但有时在较短的时间间隔内重复若干次。

为了提供改进的快速充电体验(更短的充电时间)，电池组必须使电池单元具有避免热点发展的优化内部和强大的冷却系统。

已知一种电池组具有在长度方向延伸并串联连接的圆柱形电池单元，这些圆柱形电池单元通过曲折冷却板来冷却。已知的冷却板导致沿板的长度的不均匀冷却，并可能导致局部热点。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种具有有效冷却系统的电池组，其在由电池单元供电时和在电池单元被充电时具有基本均匀的温度分布。另一个目的是提供一种具有结构电池的电动车辆，该结构电池具有相对较轻的重量并且能够以相对较快的充电周期充电。

提供了一种用于电动车辆的电池组。所述电池组包括横向前部零件和横向构件，所述横向前部零件和所述横向构件各自在宽度方向上延伸并且通过在长度方向上延伸的两个间隔开的底框构件相互连接。至少两个纵列的棱柱形电池单元在长度方向上并排延伸。电池单元被包装在包括横行的阵列中。该阵列具有纵向侧。该电池组还包括板状冷却构件，所述冷却构件被置于所述纵列中的相邻电池单元之间并且在所述宽度方向上从所述阵列的第一纵向侧延伸到第二纵向侧。每个板状冷却构件利用入口连接到冷却剂分配管道，并利用出口连接到冷却剂流出管道。分配管道和流出管道平行于所述底框构件延伸。所述分配管道连接到冷却剂供应管道，所述流出管道连接到返回管道。所述冷却剂供应管道和所述返回管道延伸穿过前部零件和/或穿过横向构件。在该配置中，所述至少两个纵列在所述长度方向上延伸。此外，所述至少两个纵列并排布置。这意味着所述至少两个纵列在所述宽度方向上彼此相邻地排列。在一列内，形成所述列的棱柱形电池单元在所述长度方向上彼此相邻地排列。彼此相邻排列的相邻纵列的电池单元形成横行。

所述板状冷却构件沿着棱柱形电池单元的横行延伸。

诸如所述宽度方向或者所述横向方向和所述长度方向或者所述纵向方向的方向是指电池组的方向。这意味着所述宽度方向或所述横向方向应理解为电池组的宽度方向或电池组的横向方向。同样，所述长度方向或所述纵向方向应理解为电池组的长度方向或电池组的纵向方向。

在所述电池组安装在车辆中的情况下，所述电池组的方向可以对应于车辆的方向。这意味着所述电池组的宽度方向或所述电池组的横向方向对应于所述车辆的宽度方向或所述车辆的横向方向，并且所述电池组的长度方向或所述电池组的纵向方向对应于所述车辆的长度方向或所述车辆的纵向方向。

将冷却剂平行供应到根据本发明的板状冷却构件导致有效冷却，从而允许降低电池组的最高温度。通过这种方式，能够监控最高温度并将其保持在温度阈值以下，并且能够减少电池单元的电解液的退化。平行的冷却剂分配还导致改善了冷却的均匀性，避免了局部热点，并允许在相对高的功率输入(安培)下更快的充电速度充电更长时间，然后才需要由于一个或多个电池单元中的局部热点而进行节流。

电池单元层级上的低温差增加了电池单元的寿命。根据本发明的电池组中的电池单元通过将内部温度保持在更均匀的水平而经历较少的退化(较慢的老化)，从而允许电化学反应以同样均匀的方式进行和运行。

冷却构件可以设置在电池单元的每对相邻横行之间。这意味着冷却构件被布置在电池单元的任意两个横行之间。因此，当沿着长度方向时，电池单元和冷却构件以交替的方式布置。

因此，电池组中的每个电池单元都沿着至少一个侧面被冷却，以实现最佳冷却并避免局部热点。

在可选方案中，冷却构件被设置在电池单元的每第二对相邻横行之间。这意味着在电池单元的相邻横行之间的每个第二界面处设置冷却构件。在电池单元的相邻横行之间的每个另一界面处没有冷却剂构件。这在沿着长度方向时适用。换言之，再次沿着长度方向创建以下图案：横向电池单元行-横向电池单元行-冷却构件-横向电池单元行-横向电池单元行-冷却构件等。该可选方案在结构简单性与有效冷却之间提供了良好的折衷。

注意，其中在电池单元的每对相邻横行之间设置冷却构件的可选方案和其中在电池单元的每第二对相邻横行之间设置冷却构件的可选方案可以组合。这意味着在电池组的第一部分中，冷却构件设置在电池单元的每对相邻横行之间。在电池组的第二部分中，冷却构件设置在电池单元的每第二对相邻横行之间。因此，冷却剂构件能够在特定应用中根据需要设置在电池组内。

前部零件和横向构件可以在长度方向上对电池单元施加20与200kN/m

在前部零件与横向构件之间的电池单元和冷却板的预压缩堆叠导致了能够有效和均匀地冷却的轻量结构电池。

入口管道可以在分配管道的中点处或分配管道的中点附近连接到分配管道。分配管道的中点可以对应于电池单元阵列沿长度方向的中点。

这导致当在长度方向上观察时沿冷却构件的对称流动分配，并且增加了冷却的均匀性。

在根据本公开的电池组中，冷却构件可以设置在横向前部零件与电池单元的相邻横行之间以及在横向构件与电池单元的相邻横行之间。

通过冷却电池单元的第一横行和最后横行的两个长面，每个电池单元抵接横向梁，从而防止了所述电池单元的过热。

在电池组中，在宽度方向上所述阵列的纵向侧与所述底框构件之间的距离可以是5cm至25cm。冷却剂入口管道和冷却剂返回管道在所述阵列的纵向侧与底框构件之间延伸。

通过将冷却剂供应管道和冷却剂返回管道容纳在底框构件与电池单元阵列之间的空间中，冷却剂供应管道和冷却剂返回管道被以紧凑的结构集成在一起。这导致电池组的高度降低，并在冷却通道与电池单元之间建立了牢固的联结，加强了结构电池组的构造。

电池组的横向构件可以包括梁或脚存放区，以及互连底框构件后部的后横向零件。电池单元的第一阵列位于前横向构件与梁或脚存放区之间。电池单元的第二阵列位于梁或脚存放区与后横向零件之间。电池单元的每个阵列设置有各自的冷却构件、冷却剂入口和分配管道以及流出管道和返回管道。电池单元的第一阵列和电池单元的第二阵列的入口和返回管道延伸穿过前横向零件和梁或脚存放区。第一阵列可以被认为是如上所限定的电池单元阵列的子阵列。还有，第二阵列可以被认为是如上所限定的电池单元阵列的子阵列。

在本上下文中，脚存放区应理解为包括至少一只脚可接近的容器或接收空间的部件或组件。这适用于电池组安装在车辆中的情况。

电池单元容纳在前电池单元舱(bay)和后电池单元舱中，每个电池单元舱具有自己的冷却系统。脚存放区形式的横向梁将在低矮的车辆中提供改进的人体工程学。在电池组的长度方向(例如，在中间)上充当定标构件(scaling member)的横向梁加强了结构电池组的构造。

可以提供一种电池组，其中每个冷却构件包括具有端盖的两个平行板，所述端盖具有两个侧管部分。所述侧管部分可以互连以形成分配管道。

冷却构件具有轻薄且紧凑的设计，并提供与电池单元的侧面交换热的较大的热交换面。板状冷却构件能够容易地通过挤压来制造。在电池单元老化与膨胀时，冷却构件的壁和横截面在厚度和表面积上将在最佳冷却需求与在长度方向上需要施加在电池单元上的压力之间保持平衡。如果冷却构件太薄，它们可能会在压力下坍塌，导致无法控制的膨胀和电池单元寿命的大幅缩短。

相邻冷却构件的侧管部分可以分别经由软管构件相互连接。

冷却构件上的侧管形成接头，接头最好由铝制成。相邻冷却构件的相对接头通过一段软管或导管相互连接，该软管或导管被卡入到位以完成连接并形成冷却流体的连续分配通道。

支撑结构可以布置在至少一个冷却构件的两个平行板之间。支撑结构可以是弹性的。在这种情况下，支撑结构可以被指定为弹簧元件或弹簧结构。这具有的效果是，即使在前部零件和横向构件沿长度方向对电池单元和被布置在其间的冷却构件施加压力的情况下，在两个平行板之间仍保持足够尺寸的流道。此外，这样的支撑结构具有将压力均匀地分配在电池单元和冷却构件上的效果。

支撑结构可以由金属材料或塑料材料制成。

支撑结构可以包括波浪形轮廓。优选地，当沿宽度方向观察时，支撑结构具有波浪形轮廓。这具有这样的优点，即，在宽度方向上提供了足够尺寸的冷却剂流动通道。同时，这样的冷却构件是高度稳定的。

这样的波浪形轮廓可以通过使板材例如金属板材或塑料板材变形来产生。可替换地，这样的波浪形轮廓可以使用挤压工艺(extrusion process)来制成。

在一个示例中，支撑结构可以布置在每个冷却构件的两个平行板之间。

分配冷却构件可以设置在电池组中，该电池组具有端部部件，该端部部件具有基本平行于板构件延伸的附接部和与附接部液密接合以形成接收室的盖，以及用于连接到入口管道的连接器短管。因此，冷却剂可以以可靠的方式提供给冷却构件。

根据本公开的冷却构件可以包括两个平行板构件和基本平行于板构件布置的两个端盖。端盖可以与板构件液密连接，并且可以沿周边以液密方式连接。冷却构件还可以包括这样的管段，即该管段在所述端盖的每一侧上横向延伸到板构件的平面，并且适于连接到相邻的管段以与相邻的冷却构件形成分配管道。这样的冷却构件可以被指定为第一类型的冷却构件。

端盖可以包括基本上平行于板构件延伸的附接部和与附接部液密接合以形成接收室的盖，以及用于连接到入口管道的连接器短管。

根据本公开的另一冷却构件可以包括两个平行板构件和与板构件液密连接的两个端盖，其中至少一个端盖具有基本平行于板构件延伸的附接部，以及与附接部液密接合以形成接收室的盖。所述冷却构件还包括用于连接到所述入口管道的连接器短管。这样的冷却构件可以被指定为第二类型的冷却构件。

根据本公开的冷却构件可以是用于根据本公开的电池组的冷却构件。

一种用于电池组的冷却系统包括至少一个第一类型的冷却构件和/或至少一个第二类型的冷却构件。使用这样的冷却系统允许有效和高效地控制电池组内的温度。

在一个示例中，所述冷却系统包括多个第一类型的冷却构件，每个冷却构件被置于相邻电池单元之间。另外，所述冷却系统可以包括一个第二类型的冷却构件，用于向第一类型的冷却构件供应冷却剂。

一种电动车辆包括本公开的电池组。因为在这样的电池组中可以保证有效且高效的冷却，所以能够相对快速地充电。

一种用于电动车辆的电池组的制造方法，包括：

-形成在长度方向上并排延伸的至少两列棱柱形电池单元和板状冷却构件的阵列，所述冷却构件放置在相邻电池单元之间并且在宽度方向上从所述阵列的上游纵向侧延伸到相反的纵向侧，所述电池单元以横行布置，并且所述阵列具有纵向侧，

-将所述阵列夹在在宽度方向上延伸的横向前部零件与横向构件之间以压缩所述阵列，

-经由沿每一纵向侧延伸的两个底框构件将横向前部零件和横向构件相互连接，以及

-将冷却构件连接到延伸穿过横向前部零件和/或延伸穿过横向构件的冷却剂供应管道和冷却剂返回管道。

在连接所述底框构件之前，冷却板可以经由柔性管段相互连接。

在一个示例中，制造电池组的方法涉及制造根据本公开的电池组的方法。

附图说明

通过非限制性示例，将参照附图详细描述包括根据本公开的冷却构件的电池组的实施例。在附图中：

图1示出了包括电池组的电动车辆，

图2显示了包括冷却系统的电池组的透视图，

图3显示了图2的电池组的俯视图，

图4显示了图2的冷却系统的入口管道的详细视图，

图5显示了图2的冷却系统的分配管道的详细视图，

图6示出了图2的冷却系统的分配构件，

图7示出了入口管道与分配构件的连接，

图8以放大的比例显示了分配构件，

图9显示了图2的冷却系统的部分横截面，以及

图10显示了图2的电池组的冷却构件的细节。

具体实施方式

图1示出了电动车辆的车架1，其包括前车架结构2、包括后地板的后车架结构3、和形成车辆的底部结构5的结构电池组4。结构电池组4包括纵向底框型材6、7和横向前、后梁8、9。底框型材6、7连接到车架的底框构件10、11，横向梁8、9连接到前、后车架结构2、3。电池组4的顶板12形成车辆的驾驶室的底部。

图2显示以在长度方向L上延伸的行16、17、18、19布置的棱柱形电池单元的两个阵列13、14。前阵列13中的电池单元被压缩在前梁8与脚存放区15之间。后阵列14中的电池单元被压缩在脚存放区15与后梁9之间。

冷却板21、22、23沿着电池单元的横行25、26、27、28在宽度方向W上延伸，用于冷却电池单元的侧表面。冷却板21、22、23利用它们的端部部件连接到流体分配管道30，流体分配管道30经由入口管道31接收冷却液，如箭头I所示。以类似的方式，冷却板21、22、23的出口连接到冷却剂流出管道30’和返回管道31’，如图3所示。入口管道31、流体分配管道30和分配构件32被放置在纵向底框构件7与电池单元阵列13的纵向侧33之间。在相反侧处，流体流出管道30’和返回管道31’位于底框型材6与阵列13的纵向侧34之间。被加热的冷却剂从返回管道31’流向出口36，如箭头O所示。

图3示出了入口管道31连接到电池单元的前阵列13的冷却板21、22、23，并经由延伸穿过脚存放区15的入口管道37继续延伸到后分配管道39的分配构件40。后分配管道39向电池单元的后阵列14的冷却构件供应冷却剂。如箭头所示，冷的冷却剂在电池单元的阵列13、14的上游纵向侧33处经由入口I进入冷却板21、22、23，并在宽度方向W上流向下游纵向侧34。在那里，加热的冷却剂经由流出管道30’和返回管道31’输送到冷却剂出口O。

注意，在图3的示例中，入口管道31延伸穿过横向前部零件或横向前梁8。此外，返回管道31’延伸穿过横向前部零件或横向前梁8。在一个可选方案中，入口管道31可以延伸穿过横向后梁9。此外，返回管道31’可以延伸穿过横向后梁9。这两个示例也可以结合，使得入口管道31延伸穿过横向前梁8和横向后梁9。在该结合中，返回管道31’也延伸穿过横向前梁8和横向后梁9。

图4示出了入口管道31从底框型材7与电池单元的阵列13的纵向侧33之间的空间中从入口I延伸到分配构件32。底框型材7与纵向侧33之间的距离d可以是5cm至25cm。

图5示出使冷却构件21、22、23互相连接的入口管道31和分配管道30。

图6显示了具有T形端部部件40的中央分配构件32的放大比例的透视图。端部部件40密封被形成在平行冷却板41、42之间的冷却通道的端面。端部部件40包括用于连接到入口管道31的连接器短管43和用于连接到相邻冷却构件48、49的接头(spigots)47、52以形成分配管道30的两个侧接头44、45。

对于每个冷却构件48、49、54，冷却通道被封闭在冷却构件的平行冷却板之间。每个冷却构件在其端面处设置有端盖50，端盖50密封冷却通道的端面，并且端盖被设置有两个侧接头51、52。相邻冷却构件48、54的侧接头51、53经由柔性管状构件55例如橡胶软管相互连接，该柔性管状构件55在完成分配管道30时卡入到位。

图7显示了连接到分配构件32的端部部件40的连接器短管43的入口管道31的俯视图。

图8示出了分配构件32由两个T形端法兰57、58和横向端盖59形成，其中每个T形端法兰57、58包括侧接头45，横向端盖59承载连接器短管43。端盖59和法兰57、58限定了用于冷却剂通过入口管道进入的接收室66，如图9所示。从接收室66，冷却剂经由侧接头45进入分配管道30，并进入被限定在冷却板41、42之间的冷却通道。冷却板41、42、T形法兰和端盖59可以由铝形成，并且能够通过铜焊、咬接(clinching)或卷边(hemming)相互连接。

图9示出了位于相邻横行的电池单元63、64、65之间的平行冷却通道60、61、62。由入口管道31供应的冷却剂从分配构件32的接收室66沿两个相反的长度方向分配到分配管道30中。分配构件32被放置在分配管道的中点处，使得均匀的冷却剂流通过所有冷却构件。冷却剂从分配管道30进入与电池单元63、64、65的侧面热交换接触的冷却通道。冷却剂传递到横行的电池单元63、64、65的下游侧，以经由在布局上类似于图9所示的入口构造的出口构造被输送到出口。

图10显示冷却构件21、22、23的细节。

冷却构件21、22、23包括被布置在两个平行板41、42之间的支撑结构68。

在图10所示的示例中，支撑结构68由金属制成，并且形成为波浪形或之字形的轮廓。当在宽度方向上观察支撑结构68时，可以看到波浪形或之字形结构。

冷却构件21、22、23的内部未被支撑结构68占据的部分用作冷却剂的流动通道。换句话说，支撑结构68仅轻微地或根本不抑制冷却剂在宽度方向上的流动。

如果电池单元和冷却构件21、22、23在长度方向上被压缩，则支撑结构68提供弹簧功能。因此，压缩力被均匀地分布，并且不会导致流动通道的可用横截面的严重减小。