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技术领域

本公开涉及在车辆中使用的用于高电压电池的热管理系统。

背景技术

诸如电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、轻度 混合动力电动车辆(MHEV)或全混合动力电动车辆(FHEV)的车辆包含牵 引电池(诸如，高电压(HV)电池)，以用作车辆的推进源。HV电池可包括 用于辅助管理车辆性能和操作的组件和系统。HV电池可包括电池单元端子之 间相互电连接的一个或更多个电池单元阵列和互连器汇流条。HV电池和周围 环境可包括用于辅助管理HV电池组件、系统和各个电池单元的温度的热管 理系统。

发明内容

一种牵引电池热板总成包括：具有限定空腔的边缘部并被构造为支撑电 池单元阵列的结构；热板，设置在空腔中并邻近电池单元阵列；弹簧组件， 在所述结构与热板之间设置在空腔中。弹簧组件被构造为抵着热板施加力， 使得热板接触电池单元阵列以在热板与电池单元阵列之间传递热。设置在空 腔中的热板可位于电池单元阵列之下。弹簧组件可包括限定多个凸片的主体， 所述多个凸片被构造为从由主体限定的平面向外伸出。弹簧组件可包括波纹 板材，所述波纹板材限定多个凸片，所述多个凸片以波浪状的方式在由主体 限定的平面之上和之下延伸。弹簧组件可包括基部和上部，基部和上部被构 造为在这两者之间支撑一个或更多个压缩弹簧。弹簧组件可被构造为向热板 施加比热板的重量大的力。所述结构还可限定一对支承部分，所述一对支承 部分在电池单元阵列的底表面的一部分之下延伸，使得所述支承部分承受电 池单元阵列的负载。

一种车辆包括：电池单元阵列，限定至少一个表面；位于电池单元阵列 附近的结构，使得电池单元阵列与所述结构限定邻近电池单元阵列的空腔； 热板，被构造为与电池单元阵列热连通，并沿着所述表面在整个空腔中延伸； 弹簧组件，被构造为对热板施加向上的力，使得热板接触所述至少一个表面。 所述至少一个表面可以是电池单元阵列的底表面，所述结构可以是包括一对 支承部分的支撑结构，所述一对支承部分在底表面的一部分之下延伸，使得 所述支承部分承受电池单元阵列的负载。在整个空腔中延伸的热板可位于电 池单元阵列之下。弹簧组件可包括限定多个凸片的主体，所述多个凸片从由 主体限定的平面向外伸出并被构造为施加等于或大于热板的重量的力。弹簧 组件可包括限定凸片的波纹板材，凸片以波浪状的方式向上和向下延伸，并 且凸片可被构造为抵着热板施加力。弹簧组件可包括基部和上部，基部和上 部被构造为在这两者之间支撑多个压缩弹簧，并且所述压缩弹簧可被构造为 施加等于或大于热板的重量的力。弹簧组件可被构造为抵着热板施加比由热 板的重量产生的力大的力，施加的力不使电池单元阵列运动。弹簧组件可被 构造为抵着热板施加与由热板的重量和电池单元阵列的重量产生的力相等的 力。

一种牵引电池总成包括限定底表面的电池单元阵列、支撑结构、热板和 弹簧组件。支撑结构包括一个或更多个支承部分和边缘部，所述一个或更多 个支承部分被构造为承受由电池单元阵列产生的负载，边缘部与电池单元阵 列布置为使得在电池单元阵列与支撑结构之间限定空腔。热板设置在空腔中 并在热板中限定通道，通道被构造为引导热流体流过。弹簧组件在热板之下 设置在空腔中，并被构造为向热板施加力，使得热板接触底表面以促进热传 递。弹簧组件可包括限定多个凸片的主体，所述多个凸片从由主体限定的平 面向上伸出并被构造为施加等于或大于热板的重量的力。弹簧组件可包括限 定凸片的主体，凸片以波浪状的方式向上和向下延伸，并且凸片可被构造为 抵着热板施加力。弹簧组件可包括基部和上部，基部和上部被构造为在这两 者之间支撑多个压缩弹簧，所述压缩弹簧可被构造为施加等于或大于热板的 重量的力。

附图说明

图1是电池电动车辆的示意图。

图2是用于图1中的车辆的牵引电池的热管理系统的一部分的透视图。

图3是牵引电池总成的一部分的截面形式的正视图，包括电池单元阵列、 阵列支撑结构、热板和基部支撑结构。

图4A是牵引电池总成的一部分的截面形式的正视图，包括电池单元阵 列、热板、弹簧组件和电池单元阵列支撑结构。

图4B是图4A的电池单元阵列的透视图。

图5A是电池单元阵列、热板、弹簧组件和电池单元阵列支撑结构的截 面形式的正视图。

图5B是图5A的弹簧组件的透视图。

图6A是电池单元阵列、热板、另一弹簧组件和电池单元阵列支撑结构 的截面形式的正视图。

图6B是图6A的弹簧组件的透视图。

图7A是电池单元阵列、热板、又一弹簧组件和电池单元阵列支撑结构 的截面形式的正视图。

图7B是图7A的弹簧组件的透视图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅为示 例并且其它实施例可采用多种和替代的形式。附图不一定按比例绘制；可夸 大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构 和功能细节不应被解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形 式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一 附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合以 产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代 表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可期望用 于特定应用或实施方式。

图1示出了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)的示意图。典型 的插电式混合动力电动车辆12可包括机械地连接到混合动力传动装置16的 一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或发电机运转。此外，混合动 力传动装置16机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还机械地连接 到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时， 电机14能够提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够通过回 收在摩擦制动系统中通常将作为热损失掉的能量而提供燃料经济效益。由于 混合动力电动车辆12可在一定条件下按照电动模式或混合动力模式运转以 减少车辆12的整体燃料消耗，因此电机14还可减少污染物排放。

牵引电池或电池包(battery pack)24储存并提供可以被电机14使用的 能量。牵引电池24通常从牵引电池24中的一个或更多个电池单元阵列(有 时称为电池单元堆)提供高电压直流(DC)输出。电池单元阵列可包括一个 或更多个电池单元。牵引电池24通过一个或更多个接触器(未示出)电连接 到一个或更多个电力电子模块26。所述一个或更多个接触器在断开时使牵引 电池24与其它组件隔离，并在闭合时将牵引电池24连接到其它组件。电力 电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间提供双 向传输电能的能力。例如，典型的牵引电池24可以提供DC电压，而电机14 可能需要三相交流(AC)电压来运转。电力电子模块26可以将DC电压转 换为电机14所需要的三相AC电压。在再生模式下，电力电子模块26可以 将来自用作发电机的电机14的三相AC电压转换为牵引电池24所需要的DC 电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动 装置16可以是连接到电机14的齿轮箱并且发动机18会不存在。

牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电 气系统的能量。典型的系统可包括将牵引电池24的高电压DC输出转换为与 其它车辆负载兼容的低电压DC供应的DC/DC转换器模块28。其它高电压负 载(例如，压缩机和电加热器)可直接连接到高电压而不使用DC/DC转换器 模块28。在典型的车辆中，低电压系统电连接到辅助电池30(例如，12V电 池)。

电池电控制模块(BECM)33可与牵引电池24通信。BECM 33可用作 牵引电池24的控制器，并且还可包括管理每个电池单元的温度和荷电状态的 电子监控系统。牵引电池24可具有温度传感器31，例如，热敏电阻或其它 温度计量器。温度传感器31可与BECM 33通信，以提供关于牵引电池24的 温度数据。温度传感器31还可位于或靠近牵引电池24中的电池单元。还预 期可使用不止一个温度传感器31来监测电池单元的温度。

例如，车辆12可以是牵引电池24可通过外部电源36进行再充电的电动 车辆，例如，PHEV、FHEV、MHEV或BEV。外部电源36可以连接到电源 插座。外部电源36可电连接到电动车辆供电设备(EVSE，electric vehicle  supply equipment)38。EVSE 38可提供电路和控制以调节并管理电源36与车 辆12之间的电能的传输。外部电源36可向EVSE 38提供DC电或AC电。 EVSE 38可具有用于插入到车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电 端口34可以是被构造为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。 充电端口34可电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可 以调节从EVSE 38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压水平和电 流水平。电力转换模块32可与EVSE 38配合，以协调向车辆12的电力传递。 EVSE连接器40可具有与充电端口34的对应的凹入匹配的插脚。

所讨论的各种组件可具有控制并监视组件的运转的一个或更多个相关联 的控制器。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离 散的导体进行通信。

电池单元(例如，棱柱形的电池单元)可包括将储存的化学能转换为电 能的电化学电池单元。棱柱形的电池单元可包括壳体、正极(阴极)和负极 (阳极)。电解质可允许离子在放电期间在阳极和阴极之间运动，然后在再充 电期间返回。端子可允许电流从电池单元流出以被车辆使用。当多个电池单 元按照阵列定位时，每个电池单元的端子可与彼此相邻的相对的端子(正和 负)对齐，汇流条可提供辅助以便于在多个电池单元之间串联连接。电池单 元还可并联布置，从而类似的端子(正和正或者负和负)彼此相邻。例如， 两个电池单元可被布置为正极端子彼此相邻，紧挨着的两个电池单元可被布 置为负极端子彼此相邻。在该示例中，汇流条可接触所有的四个电池单元的 端子。

可使用液体热管理系统、空气热管理系统或本领域公知的其它方法加热 和/或冷却牵引电池24。现在参照图2，在液体热管理系统的一个示例中，牵 引电池24可包括电池单元阵列88，电池单元阵列88被示出为由热板90支 撑以通过热管理系统被加热和/或冷却。电池单元阵列88可包括彼此相邻地 定位的多个电池单元92和结构组件。在特定的操作状况下，DC/DC转换器 模块28和/或BECM 33也可能需要冷却和/或加热。热板91可支撑DC/DC 转换器模块28和BECM 33并辅助其进行热管理。例如，DC/DC转换器模块 28可在电压转换期间产生可能需要被消散的热。可选地，热板90和热板91 可以彼此流体连通以共用共同的流体进入口和共同的排出口。

在一个示例中，电池单元阵列88可安装到热板90，使得每个电池单元 92只有一个表面(例如，底表面)接触热板90。热板90与各个电池单元92 可在彼此之间传递热，以在车辆运转期间辅助管理电池单元阵列88中的电池 单元92的热工况(thermal conditioning)。为了提供电池单元阵列88中的电 池单元92及其它周围组件的有效的热管理，均匀的热流体分布和高的热传递 能力是热板90的两个考虑因素。由于经由传导和对流在热板90和热流体之 间传递热，因此对于有效的热传递(移除热和加热处于低温的电池单元92两 者)来说，热流体流场的表面面积是重要的。例如，如果不移除电池单元充 电和放电所产生的热，则会对电池单元阵列88的性能和寿命产生负面影响。 可选择地，当电池单元阵列88经受低温时，热板90还可向电池单元阵列88 提供热。

热板90可包括一个或更多个通道93和/或空腔，以分配通过热板90的 热流体。例如，热板90可包括可与通道93连通的进入口94和排出口96， 用以提供热流体并使热流体循环。进入口94和排出口96相对于电池单元阵 列88的位置可变化。例如，如图2中所示，进入口94和排出口96可相对于 电池单元阵列88位于中央。进入口94和排出口96还可位于电池单元阵列 88的侧部。可选地，热板90可限定空腔(未示出)，该空腔与进入口94和 排出口96连通，用于提供热流体并使热流体循环。热板91可包括进入口95 和排出口97以传送和移除热流体。可选地，热界面材料片(未示出)可分别 应用到在电池单元阵列88之下的热板90和/或在DC/DC转换器模块28和 BECM 33之下的热板91。热界面材料片可通过填充(例如)电池单元92与 热板90之间的孔隙和/或气隙来增强电池单元阵列88和热板90之间的热传 递。热界面材料还可在电池单元阵列88和热板90之间提供电绝缘。电池托 盘98可支撑热板90、热板91、电池单元阵列88和其它组件。电池托盘98 可包括用于容纳热板的一个或更多个凹入。

可使用不同的电池包结构来应对包括封装约束和功率要求的各个车辆变 量。电池单元阵列88可被容纳在外罩或壳体(未示出)中，以保护并围住电 池单元阵列88及其它周围组件(例如，DC/DC转换器模块28和BECM 33)。 电池单元阵列88可位于若干不同的位置，这些位置包括(例如)前座椅之下、 后座椅之下或车辆的后座椅之后。然而，预期电池单元阵列88可位于车辆 12中的任何合适的位置。

热板与电池单元的表面之间的配合表面的接触是可能影响电池热管理系 统内的热传递(具体地，关于热板与电池单元之间的传导)的因素。配合表 面由于表面公差、组件不平整和/或可能导致配合表面之间的间隙的碎屑而可 能是不平坦的。此外，电池单元阵列的变形(例如，弯曲和/或扭曲)可导致 电池单元与电池单元的定位公差(placement tolerance)。在各个热板的配合表 面与电池单元的底表面之间存在间隙的情况下，涉及电池单元冷却的热传递 可能是较低效率的。一些热管理系统可使用热界面层来辅助填充间隙，然而， 热界面层可能不能弥补某些接触缺陷。可期望消除这些接触缺陷和/或获得配 合表面之间的齐平接触以在热管理系统内提供更增强的热传递。另外，某些 热管理系统包括作为支撑电池单元阵列的结构的一部分的热板。这种整合可 能需要热板被设计为承受电池单元阵列的重量和结构负载，这可能会增加成 本和生产时间。电池单元阵列的重量和/或结构负载还可在热板的某些部分上 产生力矩。

图3示出了牵引电池总成的一部分的示例，包括被封装在阵列结构152 中的电池单元阵列150。热板154位于电池单元阵列150和阵列结构152之 下，从而热板154支撑电池单元阵列150和阵列结构152。基部(base)支撑 结构156支撑热板154、电池单元阵列150和阵列结构152。在本示例中，热 板154承受电池单元阵列150和阵列结构152的负载，该负载还可在热板154 上产生力矩。此外，热板154是静止的，并且可能不能调节热板154与电池 单元阵列150之间的某些配合表面接触缺陷。

图4A示出了牵引电池总成的一部分的另一示例，包括被封装在支撑结 构162中的电池单元阵列160。电池单元阵列160可限定一个或更多个表面， 例如，如图4B所示的底表面164。支撑结构162可包括和/或限定在底表面 164的一部分之下延伸的一对支承部分(retainer segment)170，使得支承部 分170承受电池单元阵列160的负载。支撑结构162与电池单元阵列160布 置为使得在这两者之间限定空腔。在一个示例中，支撑结构162的边缘部172 可与电池单元阵列160布置为在这两者之间限定空腔。热板174可被设置在 该空腔中并邻近电池单元阵列160。在热板174中可限定可被构造为引导热 流体流过的一个或更多个通道(未示出)。热板174可被构造为与电池单元阵 列160热连通，并且可沿着电池单元阵列160的底表面164在整个空腔中延 伸。弹簧组件178可在支撑结构162的边缘部172与热板174之间被设置在 空腔中。弹簧组件178可被构造为抵着热板174施加力，使得热板174接触 电池单元阵列160。这种接触可辅助在电池单元阵列160、热板174和在热板 174中流动的热流体之间传递热。例如，弹簧组件178可以是包括机械储能 装置(例如，一个或更多个压缩弹簧、柔性凸片或波纹板材(crimped sheet of  material))的弹簧组件。

图5A和图5B示出了弹簧组件178的示例，弹簧组件178可包括基部 194和上部196，基部194和上部196可被构造为在这两者之间支撑一个或更 多个压缩弹簧200。压缩弹簧200可固定到基部194和上部196。压缩弹簧 200可在整个弹簧组件178中隔开和/或可在整个弹簧组件178中密密麻麻地 排列。预期可使用压缩弹簧200的多种布置方式，这些布置方式可适应(例 如)不同类型的电池单元阵列的不同的牵引电池封装约束和不同的负载需求。 在本示例中，所述一个或更多个压缩弹簧200可被构造为抵着热板174施加 力，使得热板174接触电池单元阵列160。压缩弹簧200还可被构造为使得 压抵热板174的力基本上不会抵着电池单元阵列160施加力或者不会使电池 单元阵列160运动。因为在本示例中支撑结构162被构造为支撑电池单元阵 列160而非热板174，所以这种类型的构造会是可取的。

图6A和图6B示出了弹簧组件178的另一示例，弹簧组件178可包括限 定多个凸片222的主体220。凸片222可从由主体220限定的平面向外伸出。 凸片222所使用的材料的特性可辅助加固凸片222，从而抵着热板174施加 力并使热板174接触电池单元阵列160。例如，凸片可由钢或玻璃填充聚丙 烯制成，凸片可被偏置而以一定的力推动热板174压抵电池单元阵列160， 所述一定的力可以比热板174的重力大，在某些情况下，所述一定的力可以 是热板174的重力的几倍，以抵消在持续运行的弹跳和颠簸运动期间可能出 现的热板174的任何向下的加速度。凸片222可横跨和遍布主体220被隔开 和/或可横跨和遍布主体220密密麻麻地排列。预期可使用凸片222的多种布 置方式，这些布置方式可适应(例如)不同类型的电池单元阵列的不同的牵 引电池封装约束和不同的负载需求。在本示例中，凸片222可被构造为抵着 热板174施加力，使得热板174接触电池单元阵列160。由凸片222施加的 力可等于或大于热板174的重量。因为在本示例中支撑结构162被构造为支 撑电池单元阵列160而非热板174，所以这种类型的构造会是可取的。

图7A和图7B示出了弹簧组件178的示例，弹簧组件178可包括限定波 纹板材的主体230，例如，主体230限定一连串单独的悬臂式凸片232。凸片 232可从由主体230限定的平面向上和/或向下延伸。如图7B所示，凸片232 可以以波浪状的方式限定一连串的片簧形式。弹簧组件178可由一个连续的 组件(例如，冲压的钢板或模制的塑料弹簧)构成或可由多个组件构成。预 期可使用凸片232的多种布置方式，这些布置方式可适应(例如)不同类型 的电池单元阵列的不同的牵引电池封装约束和不同的负载需求。在本示例中， 凸片232可被构造为抵着热板174施加力，使得热板174接触电池单元阵列 160。由凸片232施加的力可等于或大于热板174的重量。在另一示例中，支 撑结构162可形成有位于电池单元阵列160之下的凸面，该凸面可趋向于将 热板174推向电池单元阵列160。这样，弹簧组件178可直接与支撑结构162 成为一体。

如上所述，弹簧组件178可具有多个实施例，并且可被设置为邻近热板 174并位于由支撑结构162和电池单元阵列160限定的空腔中。弹簧组件178 可被构造为抵着热板174施加力，使得热板174接触电池单元阵列160的底 表面164，并可在这两者之间传递热。由弹簧组件178施加的力可被构造为 等于取决于具有各种类型的牵引电池总成和该牵引电池总成的各种类型的封 装约束的期望实施方式的力值。

虽然以上描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了权利 要求所包含的所有可能的形式。在说明书中使用的词语是描述性的词语而不 是限制性的词语，并且应该理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况 下，可以进行各种改变。如前面所描述的，可以对各个实施例的特征进行组 合以形成本发明的可能未被明确描述或说明的进一步的实施例。虽然关于一 个或更多个期望的特性，各个实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施 例或现有技术的实施方式，但是本领域的普通技术人员意识到，根据具体应 用和实施方式，可以折衷一个或更多个特点或特性，以实现期望的整体系统 属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场 性、外观、包装、尺寸、维修保养方便性、重量、可制造性、易组装性等。 这样，关于一个或更多个特性，被描述为不如其他实施例或现有技术的实施 方式合意的实施例不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定的应用。