具有减少热界面材料使用的支座特征的电池阵列框架设计
阅读：1030发布：2020-06-07
专利汇可以提供具有减少热界面材料使用的支座特征的电池阵列框架设计专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供“具有减少热界面材料使用的支座特征的 电池 阵列 框架 设计”。本公开详述在电动化车辆中使用的示例性 电池组 设计。示例性电池组可以包括 热交换器 板和抵靠所述热交换器板 定位 的电池阵列。所述电池阵列可以包括阵列框架和保持在所述阵列框架内的 散热 片。所述阵列框架可以另外包括支座，用于控制在所述 散热片 和所述热交换器板之间延伸的间隙的大小。通过控制该间隙，可以减少填充所述间隙所必需利用的热界面材料(TIM)的量。，下面是具有减少热界面材料使用的支座特征的电池阵列框架设计专利的具体信息内容。
1.一种电池组，其包括：
热交换器板；
电池阵列，所述电池阵列抵靠所述热交换器板定位，所述电池阵列包括阵列框架和保持在所述阵列框架内的散热片；以及
所述阵列框架的支座，所述支座在所述热交换器板和所述散热片之间建立间隙。
2.如权利要求1所述的电池组，其包括连接到所述阵列框架的第二阵列框架。
3.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述电池阵列包括多个电池单元，并且所述多个电池单元中的至少一个电池单元保持在所述阵列框架内。
4.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述支座在朝向所述热交换器板的方向上从所述阵列框架突出，并且任选地，其中所述支座从所述阵列框架的底壁突出。
5.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述支座是楔形的。
6.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述支座是矩形的。
7.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述阵列框架包括与所述支座间隔开的第二支座，其中所述间隙在所述支座和所述第二支座之间以及在所述散热片和所述热交换器板之间延伸。
8.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述阵列框架是塑料结构，并且所述散热片和所述热交换器板是金属结构。
9.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述散热片包括延伸到所述阵列框架外部的支腿，并且任选地，其中所述间隙在所述支腿和所述热交换器板之间延伸。
10.如任一项前述权利要求所述的电池组，其中所述阵列框架包括顶壁、底壁和在所述顶壁和所述底壁之间延伸的框架臂。
11.如任一项前述权利要求所述的电池组，其包括设置在所述间隙内的热界面材料。
12.如任一项前述权利要求所述的电池组，其包括定位在所述热交换器板和托盘之间的结构件，并且任选地，其中所述结构件是泡沫块或弹簧元件，被配置为使所述热交换器板移动成与所述支座接触。
13.一种方法，其包括：
将电池阵列抵靠电池组的热交换器板定位，其中所述电池阵列包括阵列框架和保持在所述阵列框架内的散热片；
利用所述阵列框架的支座将所述热交换器板与所述散热片隔开固定距离；以及利用热界面材料填充所述散热片和所述热交换器板之间的间隙。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述散热片插入成型在所述阵列框架内，并且所述支座与所述阵列框架的表面成一体。
15.如权利要求13或14中任一项所述的方法，其包括：
利用结构件迫使所述热交换器板与所述散热片接触，所述结构件是泡沫块或弹簧元件；以及
任选地，其中迫使所述热交换器板包括使所述热交换器板在朝向所述阵列框架的方向上偏转。
具有减少热界面材料使用的支座特征的电池阵列框架设计
技术领域
背景技术
[0002] 降低汽车燃料消耗和排放的愿望已有详细记载。因此，正在开发降低或完全消除对内燃发动机的依赖的车辆。目前正在为此目的开发电动化车辆。通常，电动化车辆与常规的机动车辆不同，因为电动化车辆由一个或多个电池供电的电机选择性地驱动。相反，常规的机动车辆完全依赖内燃发动机来推进车辆。
[0003] 高压牵引电池组通常为电动化车辆的电机和其他电气负载供电。电池组包括多个电池单元，这些电池单元存储用于为这些电气负载供电的能量。电池单元在充电和放电操作期间生成热量。必须将该热量耗散以便实现所需的电池性能水平。通常被称为“冷板”的热交换器板可以用于耗散热量。热界面材料(TIM)也可以用于增大电池单元和热交换器板之间的热导率。发明内容
[0004] 一种根据本公开的示例性方面的电池组尤其包括热交换器板和抵靠所述热交换器板定位的电池阵列。所述电池阵列包括阵列框架和保持在所述阵列框架内的散热片。所述阵列框架的支座在所述热交换器板和所述散热片之间建立间隙。
[0005] 在前述电池组的另一非限制性实施例中，第二阵列框架连接到所述阵列框架。
[0006] 在任一前述电池组的另一非限制性实施例中，所述电池阵列包括多个电池单元，并且所述多个电池单元中的至少一个电池单元保持在所述阵列框架内。
[0007] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述支座在朝向所述热交换器板的方向上从所述阵列框架突出。
[0008] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述支座从所述阵列框架的底壁突出。
[0009] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述支座是楔形的。
[0010] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述支座是矩形的。
[0011] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述阵列框架包括与所述支座间隔开的第二支座。所述间隙在所述支座和所述第二支座之间以及在所述散热片和所述热交换器板之间延伸。
[0012] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述阵列框架是塑料结构，并且所述散热片和所述热交换器板是金属结构。
[0013] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述散热片包括延伸到所述阵列框架外部的支腿。
[0014] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述间隙在所述支腿和所述热交换器板之间延伸。
[0015] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，所述阵列框架包括顶壁、底壁和在所述顶壁与所述底壁之间延伸的框架臂。
[0016] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，热界面材料设置在所述间隙内。
[0017] 在任何前述电池组的另一非限制性实施例中，结构件定位在所述热交换器板和托盘之间。
[0019] 一种根据本公开的另一示例性方面的方法尤其包括将电池阵列抵靠电池组的热交换器板定位。所述电池阵列包括阵列框架和保持在所述阵列框架内的散热片。所述方法还可以包括利用所述阵列框架的支座将所述热交换器板与所述散热片隔开固定距离，并用热界面材料填充所述散热片和所述热交换器板之间的间隙。
[0020] 在前述方法的另一非限制性实施例中，所述散热片插入成型在所述阵列框架内，并且所述支座与所述阵列框架的表面成一体。
[0021] 在任一前述方法的另一非限制性实施例中，所述方法包括利用结构件迫使所述热交换器板与所述散热片接触。
[0022] 在任何前述方法的另一非限制性实施例中，所述结构件是泡沫块或弹簧元件。
[0023] 在任何前述方法的另一非限制性实施例中，迫使所述热交换器板包括使所述热交换器板在朝向所述阵列框架的方向上偏转。
[0024] 前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案，包括它们的各个方面或相应的各个特征中的任何一个，可以独立地或以任何组合方式进行。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非这些特征不兼容。
[0025] 根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员而言将变得明显。随附于具体实施方式的附图可以简要描述如下。
附图说明
[0027] 图2示出电动化车辆的电池组。
[0028] 图3示出图2的电池组的阵列框架。
[0029] 图4是穿过图3的阵列框架的截面4-4的剖视图。
[0030] 图5是图2的电池组的一部分的组装剖视图。
[0031] 图6示意性地示出另一示例性电池组的各部分。
[0032] 图7是图6的一部分的放大视图。
[0033] 图8示出又一示例性电池组的各部分。
具体实施方式
[0034] 本公开详述在电动化车辆中使用的示例性电池组设计。示例性电池组可以包括热交换器板和抵靠热交换器板定位的电池阵列。电池阵列可以包括阵列框架和保持在阵列框架内的散热片。阵列框架可以另外包括支座，用于控制散热片和热交换器板之间的间隙的大小，从而减少填充间隙所必需利用的热界面材料(TIM)的量。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论了这些和其他特征。
[0035] 图1示意性地示出用于电动化车辆12的动力传动系统10。尽管被描绘为混合动力电动车辆(HEV)，但应理解，本文描述的概念不限于HEV并且可以扩展到其他电动化车辆，包括但不限于插电式混合动力电动车辆(PHEV)、电池电动车辆(BEV)、燃料电池车辆等。
[0036] 在实施例中，动力传动系统10是采用第一和第二驱动系统的动力分配式动力传动系统。第一驱动系统可以包括发动机14与发电机18(即，第一电机)的组合。第二驱动系统可以至少包括马达22(即，第二电机)、发电机18和电池组24。在此示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统10的电驱动系统。第一和第二驱动系统各自能够生成扭矩以驱动电动化车辆12的一组或多组车辆驱动轮28。尽管图1中描绘动力分配式配置，但是本公开扩展到任何混合动力或电动车辆，包括完全混合动力车辆、并联式混合动力车辆、串联式混合动力车辆、轻度混合动力车辆或微混合动力车辆。
[0037] 可以作为内燃发动机的发动机14与发电机18可以通过动力传递单元30(诸如行星齿轮组)连接。当然，其他类型的动力传递单元(包括其他齿轮组和变速器)可以用于将发动机14连接到发电机18。在非限制性实施例中，动力传递单元30是包括环形齿轮32、中心齿轮34和齿轮架总成36的行星齿轮组。
[0038] 发电机18能由发动机14通过动力传递单元30来驱动，以将动能转换为电能。发电机18可以替代地用作马达以将电能转换为动能，由此将扭矩输出到轴38，所述轴连接到动力传递单元30。因为发电机18可操作地连接到发动机14，所以发动机14的转速可以由发电机18控制。
[0039] 动力传递单元30的环形齿轮32可以连接到轴40，所述轴通过第二动力传递单元44连接到车辆驱动轮28。第二动力传递单元44可以包括具有多个齿轮46的齿轮组。其他动力传递单元也可为合适的。齿轮46将扭矩从发动机14传递到差速器48以最终为车辆驱动轮28提供牵引力。差速器48可以包括多个齿轮，该多个齿轮使得能够将扭矩传递到车辆驱动轮28。在非限制性实施例中，第二动力传递单元44通过差速器48机械地联接到车桥50以向车辆驱动轮28分配扭矩。
[0040] 马达22还可以用于通过将扭矩输出到轴52来驱动车辆驱动轮28，所述轴也连接到第二动力传递单元44。在非限制性实施例中，马达22和发电机18配合作为再生制动系统的一部分，其中马达22和发电机18两者都可以用作马达以输出扭矩。例如，马达22和发电机18可各自向电池组24输出电力。
[0041] 电池组24是示例性电动化车辆牵引电池。电池组24可以是高压牵引电池，所述高压牵引电池包括多个电池阵列25(即，电池总成或电池单元组)，所述多个电池阵列能够输出电力以操作马达22和/或电动化车辆12的其他电气负载并且能够从发电机18接收功率。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可以用于为电动化车辆12供电，包括低压电池。
[0042] 在实施例中，电动化车辆12具有两种基本操作模式。电动化车辆12可以在电动车辆(EV)模式下操作，其中马达22用于(通常没有来自发动机14的辅助的情况下)车辆推进，由此在某些驾驶模式/循环下消耗电池组24的充电状态直至其最大允许放电率。EV模式是电动化车辆12的电荷消耗操作模式的示例。在EV模式期间，电池组24的充电状态在一些情况下例如由于一段时间的再生制动而可能增加。发动机14在默认EV模式下通常是关断的，但是可以根据需要基于车辆系统状态或在操作员允许的情况下操作。
[0043] 电动化车辆12可以另外在混合动力(HEV)模式下操作，其中发动机14和马达22都用于车辆推进。HEV模式是电动化车辆12的电荷维持操作模式的示例。在HEV模式期间，电动化车辆12可以减少马达22的推进使用以便通过增加发动机14的推进将电池组24的充电状态保持在恒定或大致恒定的水平。除了本公开范围内的EV和HEV模式之外，电动化车辆12还可以在其他操作模式下进行操作。
[0044] 图2示意性地示出可以在电动化车辆内采用的电池组24。例如，电池组24可以是图1的电动化车辆12的动力传动系统10或任何其他电动化动力传动系统的一部分。图2是电池组24的透视图，并且一些外部部件(例如，外壳总成58)以虚线示出以更好地示出电池组24的内部部件。
[0045] 电池组24容纳多个电池单元56，所述电池单元存储用于为电动化车辆12的各种电气负载供电的能量。在图2和图4中以虚线示出两个示例性电池单元56。然而，电池组24在本公开的范围内可以采用任何数量的电池单元，并且本公开不限于图2中所示的具体配置。
[0046] 电池单元56可以成行布置以构建一组电池单元56，有时被称为“电池单元堆”。在实施例中，电池单元56是锂离子软包电池。然而，在本公开的范围内可以替代性地使用具有其他几何形状(圆柱形、棱柱形等)、其他化学物质(镍-金属氢化物、铅酸等)或两者的电池单元。
[0047] 电池单元56以及任何支撑结构(例如，阵列框架、间隔件、导轨、壁、板、结合件等)可以统称为电池阵列25。尽管图2的电池组24被描绘为具有单个电池阵列25，但电池组24在本公开的范围内可以包括更多数量的电池阵列。
[0048] 外壳总成58容纳电池组24的每个电池阵列25。在实施例中，外壳总成58是密封外壳，所述密封外壳包括托盘60和固定到托盘60的盖62，以封闭并密封电池组24的电池阵列25。在另一个实施例中，电池阵列25定位在外壳总成58的托盘60内，然后盖62可以被接收在电池阵列25上方。外壳总成58可以包括在本公开的范围内的任何大小、形状和配置。
[0049] 在实施例中，电池阵列25的电池单元56由围绕电池单元堆的外周边设置的支撑结构64支撑、固持和/或保持在一起。支撑结构64可包括多个互连的阵列框架66、相对的端板68和相对的侧板70。阵列框架66并排堆叠、组装在一起、并且定位在相对的端板68之间以及相对的侧板70之间，所述相对的端板定位在电池阵列25的纵向边界处，所述相对的侧板在相对的端板68之间连接。因此，在实施例中，电池阵列25在相对的端板68之间沿着纵向轴线A1延伸，并且阵列框架66各自沿着大体横向于纵向轴线A1的纵向轴线A2延伸。
[0050] 电池阵列25可以抵靠热交换器板72(有时称为冷板)定位(例如，定位在热交换器板的顶部)，使得电池单元56相对靠近热交换器板72。电池组24可以采用本公开范围内的一个或多个热交换器板。
[0051] 热交换器板72可以是与电池组24相关联的液体冷却系统的一部分，并且被配置用于热管理电池阵列25的电池单元56。例如，在充电操作、放电操作、极端环境条件或其他条件期间，电池单元56可以生成并释放热量。可能需要从电池组24中耗散热量以改善电池单元56的容量、寿命和性能。热交换器板72可以被配置为将热量从电池单元56中导出。例如，热交换器板72可以用作散热器以从热源(即，电池单元56)中移除热量。例如，热交换器板72可以替代地用于诸如在极冷环境条件期间加热电池单元56。尽管被示出为与托盘60分开的部件，但是热交换器板72可以替代地与托盘60集成在一起作为单个部件。
[0052] 热交换器板72可以包括板主体74和形成在板主体74内部的冷却剂回路75。冷却剂回路75可以包括在板主体74内部延伸的一个或多个通道。在实施例中，冷却剂回路75在板主体74内部建立通道的曲折路径。
[0053] 来自冷却剂源(未示出)的冷却剂C可以选择性地循环通过冷却剂回路75，以热调节电池组24的电池单元56。冷却剂源可以是电动化车辆12的主冷却系统的一部分，或者可以是电池组24的专用冷却剂源。尽管未示出，但冷却剂C可以穿过热交换器，然后进入热交换器板72。
[0054] 在实施例中，冷却剂C是常规类型的冷却剂混合物，诸如混合有乙二醇的水。然而，包括气体的其他冷却剂也预期在本公开的范围内。
[0055] 在使用中，来自电池单元56的热量被传导到热交换器板72的板主体74中，然后随着冷却剂C被传送通过冷却剂回路75而传导到冷却剂C中。因此，可以通过冷却剂C将热量从电池单元56带走。
[0057] 继续参考图2，图3和图4示出电池阵列25的示例性阵列框架66。阵列框架66可以包括沿着纵向轴线A2延伸的框架主体76。框架主体76可以是矩形的(即，四边的)并且可以包括顶壁78、底壁80和连接在顶壁78与底壁80之间的框架臂82。在实施例中，框架臂82设置在顶壁78和底壁80的相对端附近(即，靠近纵向边界)。顶壁78、底壁80和框架臂82建立周边，围绕穿过框架主体76形成的开口84。在实施例中，顶壁78和底壁80水平地并且平行于框架主体76的纵向轴线A2延伸，并且框架臂82竖直地并且横向于纵向轴线A2延伸。当安装在电池组24(参见图2)内时，底壁80可以更靠近托盘60并因此建立电池阵列25的基部的一部分，并且顶壁78可以更靠近盖62并因此建立电池阵列25的上表面的一部分。
[0059] 框架主体76的每个相对侧都可以建立区域85，所述区域的大小和形状被设定成用于接纳电池单元56。每个阵列框架66都可以容纳一个或两个电池单元56，其中每个区域85都能够接纳单个电池单元56。
[0060] 散热片86可以保持在阵列框架66内，用于将相邻的电池单元56彼此分开。在实施例中，散热片86是金属(例如，铝)部件，其插入成型在阵列框架66内并因此至少部分地嵌入阵列框架66内。然而，散热片86可以以任何已知的方式安装在阵列框架66内，并且可以由各种材料制成。
[0061] 散热片86可以包括主体88和从主体88延伸的支腿90。在实施例中，散热片86是L形的。主体88可以嵌入或成型到框架主体76中，并且支腿90可以延伸到框架主体76的外部。散热片86的支腿90可以横向于主体88定向，使得所述支腿在底壁80下方延伸到框架主体76的横向外侧的位置。如下面更详细讨论的，支腿90可以接触热界面材料，用于耗散由散热片86从电池单元56吸收的任何热量。
[0062] 由于与高压电池组24相关联的电隔离要求，一般不希望阵列框架66的散热片86直接接触电池组24的热交换器板72。因此，在组装电池组24时，可以在散热片86和热交换器板72之间保持间隙(即，开放空间)。间隙可以填充有热界面材料，所述热界面材料被设计成增大散热片86和热交换器板72之间的热导率，以便充分地冷却电池单元56。然而，热界面材料相对昂贵，且因此希望通过控制散热片86和热交换器板72之间的间隙来减少所使用的热界面材料的量。为此，阵列框架66可以包括被配置用于控制间隙的一个或多个支座92。
[0063] 在实施例中，如图3至图4所示，阵列框架66可以包括多个支座92。支座92彼此间隔开并且可以从阵列框架66的表面突出。在所示实施例中，支座92从框架主体76的底壁80向外突出(例如，在远离顶壁78的方向上)。然而，支座92可以设置在阵列框架66的旨在与热交换器接合的任何表面上，包括顶壁78或框架臂82。设置在阵列框架66上的支座92的总数取决于设计，且因此不旨在限制本公开。
[0064] 支座92可以具有各种大小和形状。在实施例中，支座92是楔形的(参见例如图4至图5)。在另一个实施例中，支座92是矩形的(参见例如图6和图7)。
[0065] 支座92可以是阵列框架66的整体部件。在实施例中，支座92是阵列框架66的框架主体76的成型特征。
[0066] 现在参考图5，当组装电池组24时，阵列框架66(或多个阵列框架66)可以定位在热交换器板72的顶上。每个支座92都充当正向止动件特征，用于限制热交换器板72可以偏转或以其他方式朝向散热片86的支腿90移动的距离。因此，支座92可以在散热片86和热交换器板72之间建立一个或多个间隙G。换句话说，支座92将热交换器板72与散热片86隔开固定距离。在实施例中，每个间隙G都在相邻的支座92之间以及在散热片86的支腿90和热交换器板72之间延伸。
[0067] 间隙G可以填充有热界面材料(TIM)94。TIM 94保持散热片86和热交换器板72之间的热接触，从而增大这些相邻部件之间的热导率，以便从电池单元56中放出热量。在实施例中，TIM 94包括环氧树脂。在另一个实施例中，TIM 94包括聚硅氧烷基材料。包括热油脂的其他材料可以替代地或另外地构成TIM 94。
[0068] 结构件96可以定位在托盘60和热交换器板72之间。在实施例中，结构件96是泡沫块，诸如基于膨胀聚合物的泡沫块。在另一个实施例中，结构件96是弹簧元件。结构件96可以配置为对热交换器板72施加力F。力F可以使热交换器板72移动、偏转或偏置成与支座92直接接触，从而使每个间隙G都塌缩到其最小允许大小，并消除对过量TIM 94的需求。
[0069] 图6和图7示出另一示例性电池组124的各部分。应该理解，图6和图7不一定按比例绘制。电池组124的许多特征被示意性地示出并且被放大以试图更好地说明本公开的各种特征和优点。
[0070] 电池组124可以包括阵列框架166、热交换器板172、结构件196和托盘160。结构件196可以抵靠托盘160定位，热交换器板172可以抵靠结构件196定位，并且阵列框架166可以抵靠热交换器板172定位。
[0071] 在实施例中，热交换器板172的外凸缘191夹在阵列框架166的安装脚193和托盘160的安装凸缘195之间。阵列框架166的底壁180可以在朝向阵列框架166的顶壁178的方向上从安装脚193凹进。
[0072] 多个支座192可以在朝向热交换器板172的方向上从底壁180突出。支座192充当正向止动件特征，用于限制热交换器板172可以朝向阵列框架的散热片186移动的距离。因此，支座192在散热片186和热交换器板172之间建立间隙G。间隙G可以填充有热界面材料(TIM)194。结构件196可以配置为对热交换器板172施加力F。力F可以使热交换器板172偏转成与支座192直接接触，从而使间隙G塌缩到其最小允许大小，并消除对过量TIM 94的需求。
[0073] 如图7中最佳所示，支座192可以从阵列框架166的底壁180的外表面198突出第一距离D1，并且散热片186可以延伸超过外表面198第二距离D2。在实施例中，第一距离D1是比第二距离D2更大的距离。第一距离D1和第二距离D2之间的差确定了间隙G的大小。
[0074] 图8示出另一示例性电池组224的各部分。电池组224与电池组24类似，不同之处在于在该设计中不使用结构件96。因此，电池组224可以包括阵列框架266、热交换器板272和托盘160。
[0075] 在该实施例中，热交换器板272抵靠托盘260定位，并且阵列框架266抵靠热交换器板272定位。阵列框架266的支座292在阵列框架266的散热片286和热交换器板272之间建立固定间隙G。间隙G可以填充有热界面材料(TIM)294。
[0076] 本公开的电池组设计利用电池阵列框架支座特征，所述电池阵列框架支座特征充当正向止动件，用于控制每个阵列框架的散热片与相邻定位的热交换器板之间的间隙。通过控制散热片和热交换器板之间的间隙，可以严格控制填充间隙所需的热界面材料的量。因此，所提出的阵列框架设计降低了组装复杂性和成本。
[0077] 尽管不同的非限制性实施例被示出为具有特定部件或步骤，但本公开的实施例不限于那些特定组合。有可能将来自非限制性实施例中的任一者的部件或特征中的一些与来自其他非限制性实施例中的任一者的特征或部件相组合地使用。
[0078] 应理解，相同的附图标记在全部若干附图中表示对应或类似的元件。应理解，尽管在这些示例性实施例中公开和示出特定的部件布置，但是也可以从本公开的教导得到其他布置。
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