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CN106067576A - 牵引电池总成 - Google Patents

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CN106067576A
CN106067576A CN201610261329.2A CN201610261329A CN106067576A CN 106067576 A CN106067576 A CN 106067576A CN 201610261329 A CN201610261329 A CN 201610261329A CN 106067576 A CN106067576 A CN 106067576A
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CN
China
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plate
manifold
longitudinal side
array
port
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Application number
CN201610261329.2A
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English (en)
Inventor
李安·王
乔治·艾尔伯特·加芬克尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
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Publication date
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Abstract

公开了一种牵引电池总成。一种电池总成包括布置成阵列的多个电池单元。所述阵列具有第一纵向侧面、第二纵向侧面和多个分隔件，所述多个分隔件与所述电池单元交错布置以在相邻的电池单元之间产生空气间隙从而允许空气在电池单元之间循环。入口歧管设置在第一纵向侧面上并包括入口，所述入口被布置为使得空气沿大体上平行于第一纵向侧面的方向流动到所述歧管中。板设置在所述歧管内并沿着第一纵向侧面延伸。所述板具有靠近入口的近端以及远端。所述板具有开口，每个开口限定允许空气循环通过所述板的通过面积。所述开口布置在所述板上，使得所述板在靠近近端处的通过面积比在靠近远端处的通过面积大。

Description

牵引电池总成
技术领域
本公开涉及用于机动车辆的牵引电池总成，特别地，涉及空气冷却的牵引电池。
背景技术
诸如电池电动车辆和混合动力电动车辆的车辆包含牵引电池总成作为车辆的能量源。牵引电池可包括用于协助管理车辆的性能和操作的部件和系统。牵引电池还可包括高电压部件，并且可包括用于控制电池温度的空气热管理系统或液体热管理系统。
发明内容
根据一个实施例，一种电池总成包括布置成阵列的多个电池单元。所述阵列具有第一纵向侧面、第二纵向侧面和多个分隔件，所述多个分隔件与所述电池单元交错布置以在相邻的电池单元之间产生空气间隙从而允许空气在电池单元之间循环。入口歧管设置在第一纵向侧面上并包括入口，所述入口被布置为使得空气沿大体上平行于第一纵向侧面的方向流动到所述歧管中。板设置在所述歧管内并沿着第一纵向侧面延伸。所述板具有靠近入口的近端以及远端。所述板具有开口，每个开口限定允许空气循环通过所述板的通过面积。所述开口布置在所述板上，使得所述板在靠近近端处的通过面积比在靠近远端处的通过面积大。
根据本公开的一个实施例，所述板与第一纵向侧面间隔开，以在第一纵向侧面和所述板的内表面之间产生空气间隙。
根据本公开的一个实施例，所述板限定所述歧管的内壁。
根据本公开的一个实施例，所述开口中的每个具有相同的通过面积，并且，所述开口的数量在靠近近端处比在靠近远端处多。
根据本公开的一个实施例，所述分隔件大体上垂直于第一纵向侧面。
根据本公开的一个实施例，所述电池总成还包括设置在第二纵向侧面上的出口歧管。
根据本公开的一个实施例，所述开口中的每个的直径在5mm和12mm之间，包括5mm和12mm。
根据另一个实施例，一种电池总成包括堆叠的电池单元的阵列，所述阵列具有纵向侧面和与所述纵向侧面相邻的歧管。所述歧管包括端口，所述端口被布置为使得空气沿大体上平行于所述纵向侧面的方向流动通过所述端口。板设置在所述阵列和所述端口之间并大体上平行于所述纵向侧面。所述板具有孔，其中，靠近所述端口处的孔的数量比靠近所述端口远端的端部处的孔的数量多。
根据又一个实施例，一种电池总成包括堆叠的电池单元的阵列，所述阵列具有纵向侧面。歧管与所述纵向侧面相邻并且包括端口，所述端口被布置为使得空气沿大体上平行于所述纵向侧面的方向流动通过所述端口。板设置在所述阵列和所述端口之间并且大体上平行于所述纵向侧面。所述板具有孔，所述孔被布置为使得对于给定的时间段，在靠近所述端口处通过板的空气比在靠近板的位于所述端口的远端的端部处通过板的空气多。
根据本公开的一个实施例，在靠近所述端口处的孔的数量比在靠近所述端口远端的端部处的孔的数量多。
根据本公开的一个实施例，所述歧管是入口歧管。
根据本公开的一个实施例，所述电池总成还包括多个分隔件，所述多个分隔件与电池单元交错布置，以在相邻的电池单元之间产生空气间隙，其中，所述分隔件大体上垂直于所述纵向侧面。
附图说明
图1是示例性混合动力车辆的示意图。
图2是牵引电池总成的透视图。
图3是图2的阵列的一部分的透视图。
图4是图2的牵引电池总成省略了辅助部件的局部透视图。
图5是图2的牵引电池总成省略了分隔件和其它辅助部件的示意性俯视图。
图6是示出两个不同的牵引电池总成的空气流量的曲线图。
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。如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征相组合，以产生未明显示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，对于特定应用或实施方式，可期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型。
图1示出了典型的插电式混合动力电动车辆(PHEV)的示意图。然而，某些实施例也可以在非插电式混合动力车辆和全电动车辆的背景下实施。车辆12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可机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还可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可以提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够通过经由再生制动回收能量来提供燃料经济效益。通过降低发动机18的工作载荷，电机14降低污染物排放并且提高燃料经济性。
牵引电池或电池包24储存能够被电机14使用的能量。通常，牵引电池24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。
电池单元(诸如，棱柱形电池单元、袋状电池单元、圆柱形电池单元或任何其它类型的电池单元)将储存的化学能转化成电能。所述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供车辆使用。
不同的电池包构造可用于应对车辆个体差异(包括封装约束和动力需求)。可利用热管理系统对电池单元进行热调节。热管理系统的示例包括空气冷却系统、液体冷却系统以及空气冷却系统和液体冷却系统的组合。
牵引电池24可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将牵引电池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可以电连接到电机14，并且可以在牵引电池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可将DC电压转化成电机14所需的三相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电压转化成牵引电池24所需的DC电压。在此的描述同样适用于全电动车辆。在全电动车辆中，混合动力传动装置16可以是连接至电机14的齿轮箱并且不存在发动机18。
牵引电池24除提供用于推进的能量之外，还可为其他车辆电气系统提供能量。典型的系统可以包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换成与其他车辆组件兼容的低电压DC供应。其他高电压负载(诸如，压缩机和电加热器)可直接地连接到高电压供应而不使用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)。
电池能量控制模块(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，诸如热敏电阻或其他温度计量器。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。
车辆12可通过外部电源36进行再充电。外部电源36连接到电源插座。外部电源36可以电连接到电动车辆供电设备(EVSE)38。EVSE 38可提供电路和控制以调节和管理电源36和车辆12之间的电能传输。外部电源36可向EVSE 38提供DC电力或AC电力。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可以是被配置为将电力从EVSE38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以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EVSE38配合，以协调向车辆12的电力输送。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一个或更多个关联的控制器，以控制并监控组件的运转。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由专用的电缆(electrical conduit)进行通信。
图2至图5和相关的讨论描述了牵引电池总成24的示例。参照图2和图3，牵引电池总成50包括附连到托盘52的一个或更多个电池阵列。例如，图2示出了附连到托盘52的阵列54。每个阵列包括具有主侧面96和副侧面58的多个电池单元56，所述主侧面96是电池单元的较大的面，所述副侧面58是电池单元的较小的面。根据设计约束，阵列54中的电池单元56的数量可以有所不同。电池单元56堆叠成阵列，相邻的电池单元的主侧面96彼此面对。副侧面58中的一个包括至少一个端子64。该侧面称为电池单元56的端子侧面60。电池单元56可布置成阵列，使得所有的端子侧面60均在阵列54的同一侧并且共同限定阵列54的端子侧62。电池单元56的选择的端子64与汇流条(未示出)电连接。汇流条可被布置为串联或并联地电连接电池单元。
阵列54可包括设置在阵列的每一端处并在其中夹住电池单元56的一对端板66。端板66可向电池单元施加压紧力。多个轨道或受拉构件可在端板66之间延伸。受拉构件可通过紧固件或焊接附连到每个端板66。
多个分隔件90与电池单元56交错布置。分隔件90通常是中空的，并在相邻的电池单元的主侧面96之间产生空气间隙。在操作期间，相对较热或相对较冷的空气可循环通过空气间隙以加热或冷却阵列。每个分隔件90可包括具有顶部、底部和侧部的外框架。多个水平构件104在所述侧部之间延伸并延伸跨过电池单元56的主侧面96。每个分隔件90还包括用于将分隔件90附连到一个或更多个电池单元的夹子。
电池阵列54包括位于阵列54的相对两侧的第一纵向侧面78和第二纵向侧面80。入口歧管70可设置为抵靠第一纵向侧面78，出口歧管74可设置为抵靠第二纵向侧面80。入口歧管70可包括共同形成C形壳体的顶部82、底部84和侧板86。歧管70还可包括附连到C形壳体的一端的前板88和附连到C形壳体的另一端的后板(back panel)91。在一些实施例中，如图2中所示，前板和后板与端板成一体。在这个实施例中，歧管70限定内腔92，所述内腔92具有面向阵列54的第一纵向侧面78的开口侧。出口歧管74可包括与入口歧管70的壳体类似的壳体。
入口歧管70包括连接到空气循环系统(未示出)的入口72。空气循环系统可包括泵、管道、阀门和配件。入口72可限定在前板88或后板91中。在车辆的操作期间，空气循环系统选择性地将空气经由入口72泵送到入口歧管70的内腔92中。入口72被布置为使得空气沿大体上平行于第一纵向侧面78的方向进入到歧管70中。入口歧管70内的空气压力高于出口歧管74内的空气压力，这使得空气从入口歧管70循环通过每个电池单元56之间的空气间隙，并循环到出口歧管74中。经过的空气从电池单元56提取热，以对电池单元的温度进行热调节。出口歧管74包括出口76，出口76也连接到空气循环系统。出口76可被布置为使得空气沿平行于第二纵向侧面80的方向离开歧管74。出口76可以与入口72位于同一端部上，或者如示出的，可以位于相对的端部上。
参照图4和图5，板110可被设置在入口歧管70或出口歧管74中或者被设置为靠近入口歧管70或出口歧管74。例如，板110在入口72和阵列54之间设置在入口歧管70中。板110沿着第一纵向侧面78延伸，并包括靠近入口72的近端116和靠近后板91的远端118。板110可大体上平行于第一纵向侧面78。板110包括面向阵列54的内表面112和面向歧管70的侧板86的外表面114。在一些实施例中，板110是与歧管分开的部件并且在一个或更多个位置处连接到歧管。或者，板110是歧管的一部分并形成歧管的内壁。板110可以与阵列54间隔开，以在第一纵向侧面78和板110之间产生气阱(air pocket)108。
板110可包括多个孔120，所述多个孔120在内表面112和外表面114之间延伸。每个孔120具有空气可以经过的横截面积。所述孔允许歧管70内的空气循环通过板110并循环到阵列54中，以冷却电池单元56。孔120以特定图案布置在所述板上，以控制歧管内的空气压力、循环通过每个分隔件90的空气流量以及通过阵列54的流动的均匀性。所有孔的横截面积的总和是板110的总通过面积(pass-through area)。板110可被划分为多个区域，位于每个区域内的孔的横截面积的总和是区域通过面积。不同区域的通过面积可以不同，以控制通过阵列54的空气流量。例如，板110可包括位于入口72附近的入口区域122，并且可包括位于远端118附近的端部区域124。入口区域122的通过面积可以比端部区域124的通过面积大。板110还可包括中间区域126，所述中间区域126的通过面积比入口区域122的通过面积小，且比端部区域124的通过面积大。根据实施例，板可具有数十个或数百个具有不同通过面积的区域。孔120可以是圆形的、方形的或任何其它合适的形状。所有的孔120可具有相同的横截面积，或者可具有不同的横截面积。
在一个实施例中，在每个区域中的孔的数量不同，以在每个区域中产生不同的通过面积。这里，所有的孔120可具有相同的横截面积。孔120被布置在板110上，使得板的近端116附近的孔密度比远端118附近的孔密度高。孔图案可被布置为使得孔密度沿着板110的长度从近端116到远端118逐渐减小，如图4所示。所述逐渐减小可以是线性的或非线性的。每个孔120的直径可在2毫米(mm)(含2mm)和30mm(含30mm)之间。
或者，可以改变孔的横截面积(例如，直径)，而非改变孔的数量，以沿着板110实现不同的通过面积。例如，在近端116附近的孔比在远端118附近的孔大。在另一个实施例中，板110可不包括孔；而是，板是可渗透的。板的孔隙率可沿着它的长度改变，以允许通过近端116的空气比通过远端118的空气多。
参照图6，示出了在多个分隔件位置处的空气体积流量的曲线图。该曲线图示出了两种不同的牵引电池的空气流量。标有“有板”的线对应于具有板110的牵引电池，标有“无板”的线对应于类似于本公开但不包括板110的牵引电池。每个牵引电池包括被布置为使得空气沿大体上平行于阵列的纵向轴线的方向流动到歧管中的空气入口。空气入口被定位成靠近电池单元1，歧管腔的端壁被定位成靠近电池单元38。y轴指示以立方英尺/分钟(cubic feetper minute,cfm)为单位的循环通过分隔件的空气流量，x轴是进行流量测量的电池单元分隔件的位置。例如，在有板的电池的分隔件3处的空气流量是0.68cfm。
无板的电池总成在整个阵列中具有不均匀的空气流量。一般来说，入口附近(即，分隔件1-21)的流量大体上比入口远端(即，分隔件30-39)的流量小。例如，电池单元1处的流量是0.38cfm，电池单元39处的流量是1.81cfm。这些不均匀的流量使得分隔件1-21接收的循环空气比分隔件30-39接收的循环空气少，因此，与这些分隔件关联的电池单元比接收更多循环空气的电池单元更热。不均匀的冷却在整个阵列中产生温度差，这是不期望的。不均匀的流量主要归因于入口相对于阵列的布置。由于空气沿大体上平行于阵列的纵向侧面的方向进入到歧管中，所以空气趋向于沿着直线路径继续流动，直到空气到达歧管的端壁为止；而非转向且均匀地行进通过电池单元中的间隙。这使得通过更靠近端壁的分隔件的空气流量比通过更靠近入口的分隔件的空气流量高。
有板的电池总成在整个阵列中的空气流量比无板的电池总成更加均匀。虽然分隔件与分隔件之间存在差异，但阵列的一端实质上没有接收到比阵列的另一端更高的流量。因此，有板的电池总成在整个阵列中具有更均匀的温度分布。这至少部分地归因于板110的添加。板110中的孔图案用于调节歧管内的压力。通过在入口附近提供比在端壁附近更大的通过面积，在歧管中的端壁附近形成较高的压力，使得相比于无板的电池总成来说有更多的空气流经分隔件1-21。在可选的实施例中，板110可以以类似于入口歧管70的方式设置在出口歧管74内。
虽然上面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涵盖的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可作出各种改变。如之前所描述的，可组合多个实施例的特征以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。虽然多个实施例可能已被描述为提供优点或在一个或更多个期望的特性方面优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，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、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术实施方式的实施例并不在本公开的范围之外，并且可以期望用于特定应用。

Claims (9)

1.一种电池总成，包括：
堆叠的电池单元的阵列，所述阵列具有纵向侧面；
歧管，与所述纵向侧面相邻并包括端口，所述端口被布置为使得空气沿大体上平行于所述纵向侧面的方向流动通过所述端口；
板，设置在所述阵列和所述端口之间并且大体上平行于所述纵向侧面，所述板具有孔，其中，靠近所述端口处的孔的数量比靠近所述端口远端的端部处的孔的数量多。
2.根据权利要求1所述的电池总成，其中，所述板与所述纵向侧面间隔开，以在所述纵向侧面和所述板的内表面之间产生空气间隙。
3.根据权利要求1所述的电池总成，其中，所述歧管是入口歧管，所述端口是入口端口。
4.根据权利要求1所述的电池总成，其中，所述歧管是出口歧管，所述端口是出口端口。
5.根据权利要求1所述的电池总成，其中，所述板限定所述歧管的内壁。
6.根据权利要你1所述的电池总成，其中，所述板连接到所述歧管。
7.根据权利要求1所述的电池总成，还包括多个分隔件，所述多个分隔件与电池单元交错布置，以在相邻的电池单元之间产生空气间隙，其中，所述分隔件大体上垂直于所述纵向侧面。
8.根据权利要求1所述的电池总成，还包括设置在所述阵列的另一纵向侧面上的出口歧管，所述出口歧管包括出口，所述出口被布置为使得空气沿大体上平行于所述另一纵向侧面的方向离开所述出口歧管。
9.根据权利要求1所述的电池总成，还包括夹住所述阵列的一对端板，其中，所述端板中的一个限定所述端口的至少一部分。
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