包含热交换区域的电池单元
技术领域
本发明涉及自主电能源领域，特别涉及内嵌在机动车辆中的自主电能源，并且本发明的主题是一种电池单元和包括至少一个这种单元的混合动力或电动力机动车辆。
背景技术
混合动力/电动车辆配备有电池，该电池可以储存车辆运行所需的电能。当前的问题是需要对电池单元(也称为“电池组”)的设计进行优化，以便在寿命(充电/放电)和运行范围方面获得最佳性能水平。充电时间也是这些电池组日常使用中的一个重要因素。
在理想情况下采用的电池需要在10℃至30℃之间的温度下运行，特别是例如锂离子或锂聚合物类型的高密度蓄电池。温度过低会影响续航里程，而温度过高会影响电池的寿命。因此，有必要将电池的温度调节到可能的最佳程度。
在内嵌到车辆上的应用的背景下，有风冷电池的技术方案，但是热交换仍然相当有限。目前的趋势是使用传热流体来改善热交换并提高调节效率。
此外，用于接收这些电池的壳体可以直接由车辆的一部分制造，或者由在该车辆的结构部件中形成的空腔构成。然而，这些方案在位置方面不太灵活，使得维护变得困难。因此，优选的是涉及未并入车辆的结构中、自主的(autonomous)电池组的方案。
在现有技术中存在很多种设计：它们使用金属方案(钢、铝等)，并通过软管将传热流体分配到组装并布置在电池组内的冷却板上，在该冷却板上布置有组合了电池元(cell)或电池元件的模块。
其结果是一种由大量部件组装而形成的复杂的结构，从而在生产过程中需要进行许多紧密性连接(其抗老化性能可能会有问题)，并形成了具有许多部件的庞大结构。
此外，由于电池单元的壳体由金属制成(优先采用铝)，因此它不能将电池组与外部进行热和电绝缘，此外成本也很高，而且容易受到腐蚀。
发明内容
本发明的目的是克服至少上述主要限制。
为此，本发明的主题是一种电池单元，尤其是用于混合动力和/或电动力机动车辆的电池单元，电池单元基本上包括：一方面，多个电池元或电池元件，如有必要所述多个电池元或电池元件在物理上和/或电气上被分组成若干块或模块；另一方面，壳体，该壳体容纳并包围所述电池元或电池元件；以及最后的用于通过传热流体的循环来调节所述电池元或电池元件的温度的装置，
所述电池单元的特征在于，壳体至少在所述电池元布置所在的底部区域中在所述电池元与传热流体之间包括至少一个、优先为若干(several)个热交换区域，所述一个或若干热交换区域被并入(incorporated)所述壳体的结构中，优先并入壳体的壁中。
附图说明
从以下描述中将更好地理解本发明，以下描述涉及以非限制性实例给出且参考附图进行说明的优选实施例，其中：
图1A和图1B是从根据本发明的电池单元的两个不同角度观察到的透视图，该电池单元具有由底部托盘和盖子组装而形成的长方体壳体；
图2是类似于图1A的透视图，其中盖子已移除；
图3是图1和图2中所示的电池单元的总剖视图；
图4是以不同比例表示的图3中的图示的一部分；
图5是以不同比例表示的图4中的图示的一部分；
图6是根据本发明的电池单元的另一实施例的配备有电池的底部托盘的示意性剖视图；
图7是根据本发明的电池单元的另一实施例的电池单元的示意性剖视图；
图8A是类似于图2的图，其中电池元或电池元件已移除且仅示出底部托盘；
图8B是示出了托盘的另一变体实施例的类似于图8A的图，其中电池元已移除且在托盘上添加了加强框架；
图9图1A和图1B中所示的电池单元的底部透视图；
图10是与图9中的细节的不同比例的图；
图11是并入底部托盘中的热交换区域的已将导热或具有高热导率的板移除之后的类似于图8的图；
图12是以不同比例示出的图11的细节(导热板从其上移除之后的热交换区域的凹陷部)的图；
图13是热交换区域的具有高热导率的板的底部透视图；
图14至图16是分别与图1A、图1B和图1C相同的图，示出了传热流体在供应和排放管道中(图14和图15)、在分接管线中(图15)以及在热交换区域的形成U形基本回路的一部分的内部体积中(图16)的循环；
图17是图1A和图1B中所示的电池单元的横截面的局部视图，示出了传热流体在供应/排放管道、分接管线和热交换区域中的循环；以及
图18是类似于图1A的图，还示出了旨在安装在电池单元的壳体的底部托盘周围和底部托盘中的加强框架。
具体实施方式
图1、图3、图7、图14、图15和图17特别示出了一种电池单元1，特别用于混合动力和/或电动力机动车辆，该电池单元1基本上包括：一方面，多个电池元2或电池元件，如有必要该多个电池元2或电池元件在物理上和/或电气上被一起分组成若干块或模块2'；另一方面，壳体3，该壳体3容纳并包围所述电池元或电池元件2；以及最后，装置4、5，所述装置4、5用于通过传热流体FC的循环来调节所述电池元或电池元件2的温度。
根据本发明，壳体3至少在底部区域6(所述电池元2布置在该底部区域6上)中、在所述电池元2与传热流体FC之间包括至少一个，优先为若干个热交换区域6'，所述一个或若干个热交换区域6'被并入所述壳体3的结构中，优先被并入壳体3的壁3'中。
因此，由于将温度调节装置4、5的至少一部分(在这里至少是热交换区域6')并入壳体3自身的结构中，所以获得了紧凑的结构(最大的内部体积，最小的外部体积)，其中仅有限数量的部件和部分需要组装(仅壳体3的构成部分10、11必须相互固定，而一个或多个热交换区域6'被并入壳体3的所述部分中)。
优先的是，该热交换区域6'或每个热交换区域6'包括具有高热导率的表面元件7，该表面元件7一方面与电池元2接触，另一方面与传热流体FC接触，表面元件7如有必要与模块2'的电池元2相关联。
因此，热交换区域6'可以构成用于调节电池元2的温度的装置，该装置不仅被并入壳体3自身的结构中，而且还可以根据电池元2(模块2'中)的组织和可能的分组来进行组织和分割，以获得经过优化的传热效率。
根据本发明的有利结构特性，尤其是如图4至图13和图17所示，该热交换区域6'或每个热交换区域6'包括用于传热流体FC的循环的体积8，该体积8被限定在与电池元2直接接触的具有高热导率的表面元件7和(如有必要)与外部环境接触的具有低热导率的表面元件9之间。
因此，与体积8的流体FC进行的热交换在表面元件7处极为有利，并且相反在互补的表面元件9处被减少到最大限度。
通过结合表面元件7和电池元2(如有必要是相关模块2'的电池元2)之间的最大接触表面积和经过优化的接触质量，使用本身为良好热导体且以小厚度使用的材料，可以实现流体FC与电池元2之间的高热导率，并且更一般地说是良好的传热。
通过与表面元件9的壁的相对大的厚度组合地使用作为弱的热导体、甚至是热绝缘体的材料，可以实现其低热导率。
通常，高热导率λ在本文中理解为是指使得λ>50W.m-1.K-1、优先地λ>100W.m-1.K-1的λ的值，并且低热导率λ在本文中理解为是指使得λ<1W.m-1.K-1优先地λ<0.5W.m-1.K-1.的λ的值。
根据本发明的有利实施例，具有高热导率的表面元件7是添加到壳体3中的元件，并且有利地由金属板或刚性且作为良好热导体的类似材料构成，并与具有低热导率的表面元件9流体密封地固定。
表面元件7的材料(优先采用铝)也可以是非金属的，并且例如由填充有添加物以提高其热导率的热塑性或热固性材料构成。
作为变体，表面元件7也可以具有柔软或柔性性质以适应和弥补模块2'的平坦度缺陷，同时是良好热导体(元件7例如由硅树脂制成，优先为被填充的硅树脂)。
该导热板7或每个导热板7，除了与电池元2(可能仅是分派给它的模块2'的电池元)的经过优化的热交换之外，还必须与表面元件9一并紧密地界定用于流体FC的循环的基本体积8，并且能够承受由温度变化引起的变形，以便与电池元2永久地维持最佳表面接触。因此，有利的是，导热板7与壳体3和成对的表面元件9的固定和组装都是沿周边的，并且至少根据特定要求，分布在其表面上。
如图6和图7示意性所示，壳体3可以仅包括单个热交换区域6'(仅在底部托盘10中，见图6)，或者在其每个构成部分中包括单个热交换区域6'(例如，在底部托盘10中包括一个热交换区域6'并在盖子11中包括一个热交换区域6'，见图7)。
然而，优选的是，壳体3在其构成部分(托盘10，盖子11)中的一个、若干或每个中包括多个热交换区域6'，有利的是，每个区域6'被分派给一个模块2'(参见图3、图4、图8、图9、图11和图16)。
根据另一有利结构特征，该热交换区域6'或每个热交换区域6'的具有低热导率的表面元件9形成壳体3的一体部分，并且有利的是构成壳体3的壁3'的一部分。
因此，表面元件7和9通过合作构成了壳体3的壁3'的具有双壁结构的区域，具有双层的壁的这些区域对应于热交换区域6'并且包围出用于传热流体FC的循环的内含体积8。
有利的是，并且例如如图10至图12以及图15至图17所示，该热交换区域或不同热交换区域6'的循环体积8形成了被并入壳体3的结构中的用于传热流体FC的循环的一个或多个回路4的一部分，回路4的所述一部分串联或非串联地流体连通，并且被连接至分配/收集管道5'、5”，该分配/收集管道5'、5”形成用于供应/排放传热流体液体FC的回路5的一部分，这些回路4和5构成了用于调节电池元2的温度的装置。
根据本发明的优选结构变体，尤其如图1、图3、图7、图14、图15和图17所示，壳体3由具有低热导率的刚性材料制成，优先采用塑料，并且它一方面包括具有底壁10'和侧壁10”的底部托盘10，并且还包括顶部盖子11，该底部托盘10和顶部盖子11沿周边组装起来，优先采用螺纹件连接，并且在底部托盘10和顶部盖子11之间可以夹置有密封件。
由刚性塑料材料(填充或未填充添加物和/或纤维的热塑性材料，例如聚丙烯、聚酰胺、聚酯等)制成且以沿周边组装起来的两个部分10和11制造的壳体3的实施例使得可以同时获得(与金属壳体相比)更好的热绝缘和成本的降低，并且允许多种多样的可生产形式。
托盘10与盖子11的紧密组装区域可以由连续的周边接触带3”构成，该周边接触带3”是通过对托盘和盖子的相应边缘进行加压处理而获得的，或者可以通过在壳体3的两个构成部分10和11的彼此面对且具有互补构造的边缘之间使材料熔化而获得。
通过螺纹件连接、夹持或类似方式进行的可移除式组装是优选的，因为这允许盖子11被移除以进行测试和维护操作以及一个或多个电池元2或一个或多个模块2'的更换。
此外，如所知的那样，压缩密封件被插入在组装区域3”中接触的两个边缘之间。
根据本发明的特征，底部托盘10在其底壁10'中、并且可在其至少一些侧壁10”中具有结构部或凹陷部，这些结构部或凹陷部各自构成具有低热导率的表面元件9，并且各自与呈板形式或和电池元2(例如模块2'的所有电池元2)接触的具有高热导率的表面元件7协作形成热交换区域6'，每个热交换区域6'具有用于传热流体FC的循环的体积8。
作为变体并且如图6和图7所示，该托盘10还可以在其底部区域6中具有仅单个板7和单个区域6'。
为了通过增加热交换界面和可用的加热/冷却功率来提高电池元调节的可能性，盖子11也可以在其结构中并入有位于至少一些、优选所有电池元2与传热流体FC之间的一个或多个热交换区域6'。盖子11的该热交换区域6'或每个热交换区域6'可以包括用于传热流体FC的循环的体积8，并且可以通过盖子11的壁11'的形成具有低热导率的表面元件(9)的结构部或凹陷部，与具有高热导率的、呈板形式且与电池元2(例如，模块2'的所有电池元2)接触的表面元件7(图3和图7)协同构成。因此，盖子11的双壁结构与托盘10的类似。
为了能够补偿壳体3的不同部分10、11的可能的装配间隙，以便不损害电池元2与传热流体FC之间的、特别是在盖子11处的传热性能水平，将柔性且导热的板或片12插入被并入盖子11、托盘6的底部6'和/或托盘10的侧壁10”中的一个或多个热交换区域6'的具有高热导率的一个或多个表面元件7和与之面对的模块2'的电池元2的相关表面之间。
如有必要，作为一种变体，每个呈板形式的表面元件7可以涂有具有高热导率的单独材料层，例如填充的硅树脂。
如图16所示，每个热交换区域6'包括用于传热流体FC的循环的体积8，该体积8形成U形或蛇形回路的一部分，该U形或蛇形回路的两个支路的两个自由端被流体连通至分配/收集管线5、5”，该分配/收集管线5、5”形成用于供应/排放传热流体FC的回路5的一部分。
U形或蛇形循环体积8(未示出)均以下述方式流体连接：
-单独串联且共同地连通至回路5(未示出)；
-单独且并联地连通至该回路5(图8至图11和图17)。
根据本发明的第一变体实施例，具有高热导率且呈板形式的每个表面元件7通过机械附接与壳体3的壁3'固定在一起，例如通过顶进、卡扣、压接、螺纹件连接等方式，壁3'的面对表面元件7的部分构成具有低热导率的表面元件9。
根据本发明的第二变体实施例，如图4、图5和图11至图13所示，具有高热导率且呈板形式的每个表面元件7包括以一体件形式形成周边框架13或通过包覆成型添加而形成周边框架13的边缘区域，该边缘区域通过焊接与壳体3的壁3'固定在一起，该壁3'的面对表面元件7的部分构成具有低热导率的表面元件9。这样的框架13尤其使得可以在周长上建立连续的接合，优先采用激光焊接的方式。
有利的是，密封件14以压缩状态存在于两个表面元件7和9的相互固定的周边边缘之间(例如被收纳在托盘10的槽中)。
优选地，并且如图11至图13中的实例所示，具有高热导率的呈板形式的每个表面元件7一方面沿周边与壳体3的壁3'固定在一起，优选连续地并且例如通过机械附接或焊接的方式固定在一起，并且另一方面被固定在位于所述板7的表面内侧的至少一个接合区域15中，有利地被固定在分布于(优先为规则分布于)所述板7的表面上的多个接合区域15中。
因此，除了周边固定之外，该板7或每个板7还在多个分散点或区域15处被刚性地固定。其结果是分布式固定，避免了一个或多个板7在热的影响下、以及在电池元2的重量的影响下的任何变形(对于托盘10的板7—区域15也形成支承点)，从而使得可以随时间的推移确保一个或多个板7与电池元2之间的最佳表面接触。
因此，每个板7沿其轮廓周向地(可能连续地)且在该轮廓内沿被固定(例如通过点固定而被局部固定)，从而有利于其抵抗热变化和变形的能力。
由此，还可以通过使用与托盘6的材料相容的材料对金属板7进行局部包覆成型来提供机械附接，以便通过焊接进行固定。
根据有利的实际实施例，特别如图4和图5所示，具有高热导率且呈板形式的每个表面元件7与壳体3的壁3'的构成具有低热导率的表面元件9的部分固定在一起，并如此被固定在至少一个接合区域15中、优先被固定在多个规则分布的接合区域15中。每个接合区域15由金属板形式的表面元件7的朝向壁3'的一部分突出的局部变形部16构成，所述变形部16由与壁3'的所述部分的材料相容的材料16'包覆成型而成，以通过例如激光焊接进行接合。
由具有金属芯16的塑料材料16'制成的局部突出结构部形式的这些接合点15例如可以被支承地接合到在壁3'的构成表面元件9的部分中形成的凹陷局部结构部9'中，以产生尽可能多的点机械接合。
尽管在点16'之间存在可能的材料带(从包覆成型过程演变而来)，但在相关的热交换区域6'中，在两个表面元件7和9之间在它们之间界定的体积8中仍然形成有用于流体FC的循环路径。
有利地，两个面对的表面元件7和9在二者之间限定出热交换区域6'的用于传热流体FC的循环的体积8，所述体积8有利地具有矩形形式，所述两个面对的表面元件7和9中的一个具有肋17，该肋17将所述体积8细分成U形、S形或蛇形循环回路4'的基本部分的两个支路。
虽然这种形式的基本循环回路4'因其生产简单性、大的热交换表面积以及适合简单循环的循环路径而是优选的，但其它形式也是可能的，诸如蛇形、S形、Z形或类似形式。
如还可以从图1至图3、图8至图12以及图14至图17看出的，温度调节装置4、5包括：构成用于供应/排放传热液体流体LC的一个或多个回路的分配5'/收集5”管道，这些管道5'、5”在结构上被并入壳体3中：以及将所述管道5'、5”连通至热交换区域6'的循环体积8的辅助或分接管线18，这些管道5'、5”和管线18至少部分地与壳体3的壁3'一体形成。
因此，可以在托盘10和盖子11的制造过程中至少部分地执行管道5'、5”和管线18的并入，并且使得可以省却管道和软管的提供和繁琐的紧密性连接，同时还避免了这些装置暴露于外部环境(分配装置附接到壁3'上)。
有利地，管道5'、5”和管线18的管状壁一方面部分地形成在壳体3(优先的是一般大体为长方体形式)的壁3'中和/或上，并且另一方面部分地由包覆成型的材料23、23'形成和/或由壁的利用振动焊接或激光焊接添加并组装的部分形成。
所述管状壁的在其通过托盘10的壁10'、10”形成的部件与其通过部分添加或通过包覆成型23、23'添加的部分之间的分配和切分，取决于用于成型托盘10的模具的可能性以及其托盘10的构造复杂性，并且如有必要，还取决于盖子11的构造复杂性。
尤其如图1所示，该供应/排放回路5或每个供应/排放回路5包括用于一个或多个分配管道5'的连接端部配件19，以及用于一个或多个收集管道5”的连接端部配件19'，有利的是，为形成壳体3的两个构成部分的底部托盘10和盖子11中所存在的热交换区域6'的循环体积8提供共同的回路5或单独的回路5。
为了使托盘10具有增强的机械强度和刚度，尤其是考虑到电池元2所表现的显著重量，可以规定托盘10包括：
-被并入托盘10的主体中的加强结构，该加强结构例如通过构成所述托盘10的壁的热塑性材料包覆成型而成，和/或
-通过形状的耦合(by conjugation of forms)与所述托盘10的热塑性壁在外部配合的加强结构20，该加强结构20例如为框架型，尤其为所述托盘1提供中间和周边的加固(图18)。该框架20可以包括侧壁20'和中间间隔件20”。
此外，为了在结构上加强托盘10的底部10'以及可以为热交换区域6'的结构部提供附加壁表面，托盘10还可以包括从托盘10的底部成一整体延伸的至少一个细分内壁21，该至少一个细分内壁21有利地与加强结构20协作并且如有必要还包含用于传热流体FC的循环的体积8，这些体积8优先形成托盘10的循环装置4的一部分并且流体连通至分配装置5(图8、图9、图11和图17)。
所述细分壁21可以是将托盘6细分成两个子托盘并提供用于加强框架20的间隔件20”的接收槽的双壁。
此外，用于控制传热液体的温度、循环和/或分配的装置22在结构上、甚至在材料上，至少部分地被并入壳体3中(参见图8B—水泵的部分并入)。
最后，本发明还涉及一种机动车辆，特别是电动或混合动力的机动车辆，其特征在于，包括至少一个如上所述的电池单元1，该电池单元1还包括至少一个内部温度测量装置、用于将电池元或电池元件2彼此电连接的装置以及外部连接装置，有利的是，后者地与壳体3的壁3'一起形成或者部分地形成在壳体3的壁3'中。
显然，本发明不限于附图中描述和表示的实施例。仍然可以进行修改，尤其是从各种元件的结构方面或通过替换技术等效物方面，而不会以任何方式偏离本发明的保护范围。
