本发明总体上涉及用于车辆的电池冷却装置，更具体地涉及使用相变材料冷却单电池的用于车辆的电池冷却装置。
背景技术：
最近，电动车辆需要长距离行驶、高功率/高性能行驶和快速充电。作为电动车辆能量源的电池系统具有在其单电池中流动的高水平的电流，这导致其发热量大于安装在现有电动车辆中的传统电池冷却装置的容量。由于单电池中产生的热量对电池寿命有不利影响，因此需要将热量保持在预定的温度范围内。
为了保持单电池的温度，现有电动车辆使用空气冷却系统或水冷却系统。特别地，空气冷却系统使用冷却风扇向电池系统提供车厢内的空气，从而冷却单电池。水冷却系统使用泵向电池系统提供由车辆前部中的附加电池冷却器冷却的冷却剂，从而冷却单电池。特别地，电池冷却器与散热器或空调压缩机协同操作。然而，电动车辆使用高水平的电流用于长距离行驶和高功率/高性能行驶，因此，即使电动车辆使用冷却性能大于空气冷却系统冷却性能的水冷却系统，增加空调压缩机(或散热器)和电池冷却器的容量以冷却单电池中产生的热量也是不可避免的。
技术实现要素：
本发明提供一种用于车辆的电池冷却装置，该装置使用相变材料(pcm)冷却单电池。pcm可以与单电池交换热量，用于冷却相变材料的冷却水可以与相变材料交换热量，以通过单电池的发热来加热相变材料。同时，相变材料可以通过冷却水的吸热来冷却，从而促进相变材料的连续相变。电池冷却装置可以经配置通过在单电池盖内部的相变材料(pcm)熔化期间吸收热量来冷却单电池。此外，单电池盖与冷却通道接触，冷却水流过冷却通道以冷却相变材料，从而促进相变材料的连续相变。
因此，本发明提供一种用于车辆的电池冷却装置，通过该装置冷却具有多个单电池的电池模块，该装置可以包括：多个单电池盖，设置在多个单电池的至少一些单电池之间，并且包括通过与单电池盖相邻的单电池的发热来加热的相变材料；和冷却板，设置成经由单电池盖与相变材料交换热量，并允许用于冷却相变材料的冷却水从中流过。
根据本发明的示例性实施例，单电池盖中的每个可以包括设置在彼此相邻的单电池之间的第一板；并且相变材料可以设置在第一板的内部。具体而言，第一板可以在其内部包括可填充有相变材料的容纳室(例如，空间)，并且相变材料可以设置在彼此相邻的单电池之间。换句话说，第一板可以与彼此相邻的单电池的外表面接触，并且容纳室中的相变材料可以设置成经由第一板与相邻单电池的整个外表面交换热量。另外，单电池盖可以从第一板垂直地延伸，并且可以包括设置在冷却板的顶面上的第二板，第二板可以设置在单电池中的每个的底面上。
另外，根据本发明的示例性实施例，冷却板可以设置成通过与单电池盖接触而交换热量。冷却板可以包括多个冷却水通道，冷却水可以在冷却水通道中的每个中流动，以固化由于单电池的发热而熔化和液化的相变材料。冷却水通道中的每个可以在单电池的布置方向上延伸。
根据如上所述的本发明的电池冷却装置，由于相变材料可以通过单电池的发热来加热，同时通过冷却水来冷却，因此在单电池的冷却期间可以连续重复相变材料的相变(固体→液体)。因此，当单电池被相变材料冷却时，相变材料可能由于相变而连续产生潜热，从而有效地冷却单电池。当使用由相变产生的潜热来冷却单电池，而不是使用单相显热来冷却单电池时，相变材料可从单电池吸收的热量增加几倍。因此，与现有技术的水冷却系统不同，当使用本发明的电池冷却装置时，不需要增加空调压缩机和冷却器的容量。
附图说明
结合附图，从下面的详细描述中将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和其它优点，其中：
图1和图2是示出根据本发明示例性实施例的用于车辆的电池冷却装置的视图；
图3是根据本发明示例性实施例的从图1中的a-a观察的视图；以及
图4是示出根据本发明示例性实施例的应用了用于车辆的电池冷却装置的电池模块中的传热路径的视图。
具体实施方式
应该理解，术语“车辆”或“车辆的”或如在本文中使用的其他类似术语一般包括机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(suv)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船只和船舶的水运工具船、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插入式混合动力电动车辆、氢动力车辆、以及其他代用燃料车辆(例如，得自除石油之外的资源的燃料)。如本文所提到的，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如兼具汽油动力和电动力的车辆。
在本文中使用的术语仅用于描述特别实施例并且不旨在限制本发明。如在本文中所使用的，单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”旨在同样包括复数形式，除上下文以其他方式明确表明之外。应当进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括的(comprising)”指定所述特征、整数、步骤、操作、要素和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其集合的存在或添加。如在本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任何和全部组合。
除非特别说明或从上下文显而易见，否则如本文所使用的，术语“大约”理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均值的2个标准偏差内。“大约”可以理解为在设定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非另外从上下文中清楚得知，否则本文中提供的所有数值均由术语“大约”来修饰。
在下文中，将参考附图详细地描述本发明的示例性实施例。
当液态制冷剂用于冷却作为电动车辆动力源的电池模块时，在制冷剂流过制冷剂通道时制冷剂吸收从电池模块产生的热量，从而冷却电池模块。当制冷剂处于液态时，制冷剂被电池模块中产生的热量气化的同时冷却电池模块，然后制冷剂处于气态并吸收电池模块的热量以冷却电池模块。制冷剂在处于液态时能够使用气化产生的潜热冷却电池模块的热量(例如，第一热量)和在处于气态时能够使用单相显热冷却电池模块的热量(例如，第二热量)之间具有显著差异。虽然热量之间的差异可以根据制冷剂的类型而发生变化，但是第一热量大约是第二热量的几倍，因为通过相变而不改变冷却剂的温度来冷却电池模块比仅通过改变温度而不改变冷却剂的相变来冷却电池模块具有更大的冷却效果。
换句话说，当制冷剂中发生相变时，可以充分地执行热传递，并且在相变(液体→气体)发生之后，热传递效率可能快速降低。因此，在制冷剂气化之前由电池模块吸收的热量和制冷剂气化之后吸收的热量之间存在差异，并且在制冷剂气化之后最小化地执行电池模块的冷却。换句话说，当制冷剂处于气态时，与当制冷剂处于液态时相比，制冷剂的冷却性能显著降低。此外，由于即使在制冷剂变为气态之后，制冷剂也可以被单电池中产生的热量加热，因此制冷剂可能难以返回到初始阶段。
更具体地，在电池模块的单电池中，在制冷剂气化之前执行冷却的单电池和在制冷剂气化之后执行冷却的单电池之间的冷却量存在显著差异。当在制冷剂气化之后冷却单电池时，最小化地执行冷却，由此可能难以均匀地冷却电池模块的单电池。因此，在本发明中，用于冷却单电池的相变材料(pcm)可以设置成与单电池交换热量，并且用于冷却相变材料的冷却水可以设置成与相变材料交换热量。特别地，当相变材料通过单电池的发热来加热时，相变材料可以通过冷却水的吸热来冷却。因此，相变材料可以在被单电池加热的同时引起连续的相变，从而根据相变(固体→液体)使用潜热冷却单电池。换句话说，当相变材料被单电池加热时，相变材料可以将单电池的冷却性能保持在特定的水平。
当相变材料的一部分(例如，第一部分)通过单电池的发热而熔化和液化时，单电池可以被冷却，而相变材料的另一部分被液化，并且液化的相变材料中的一些可以通过冷却水的吸热再次固化，而相变材料的另一部分(例如，第二部分)冷却单电池。更具体地，根据本发明，当用于冷却单电池的相变材料中发生相变时，相变材料可以返回到原始相，从而在冷却单电池期间保持相变材料的冷却性能。
图1和图2是示出根据本发明示例性实施例的用于车辆的电池冷却装置的视图；图3是从图1中的a-a观察的视图；以及图4是示出根据本发明示例性实施例的应用了用于车辆的电池冷却装置的电池模块中的传热路径的视图。
如图1至图3所示，根据本发明的电池冷却装置是用于冷却具有多个单电池110的电池模块100的装置，并且电池模块100可以使用相变材料m的熔化潜热连续冷却。电池模块100可以通过组合串联或并联地电连接的多个单电池110来配置。多个单电池110可以在一个方向上彼此相邻地布置，并且单电池110中的每个作为用于发电的最小单元可以在结构上与其它单电池分离并由单电池盖120支撑。
单电池盖120可以设置在单电池110中的每个的外部，并且可以包括通过单电池110中的每个的发热来加热的相变材料m。具体地，单电池盖120可以包括第一板121和第二板122。第一板121可以设置在彼此相邻的单电池110之间，并且可以由具有对应于相邻单电池110之间的接触表面的横截面积的平板或者具有略大于接触表面的横截面积的平板形成。第一板121可以完全设置在相邻的单电池110之间，而不是部分地设置在相邻的单电池110之间。第一板121也可以在与单电池110的布置方向垂直的方向上延伸。第一板121可以设置在每个相邻的单电池110之间。
相变材料m可以设置在第一板121内。因此，第一板121可以在其内部包括容纳室(例如，空间或空隙)123，相变材料m可以填充在容纳室123中。空间123可以在与单电池110的布置方向垂直的方向上延伸。空间123可以具有对应于相邻单电池110的接触表面的横截面积，或者具有略小于接触表面的横截面积。因此，相变材料m可以完全分布和设置在相邻的单电池110之间。相变材料m可以以固态插入空间123中或者以液态填充在空间123中。相变材料m是在室温下保持固态的材料，并且当以液态注入到空间123中时可能经历固化过程。
第二板122可以从第一板121垂直延伸以与其一体地形成。特别地，第二板122可以在第一板121的下端沿单电池110的堆叠方向(例如，布置方向)延伸。换句话说，第二板122可以布置在垂直于第一板121的方向上。第二板122可以设置在冷却板130的顶面和单电池110的底面上。包括第一板121和第二板122的单电池盖120可以具有“l”形横截面。单电池盖120可以设置在单电池110中的每个的外部，并且一个单电池盖120可以容纳一个“l”形状的单电池110。特别地，多个单电池盖120可以布置在单电池110的布置方向上。因此，与单电池110中的每个的底面接触的第二板122可以在单电池110的布置方向上连续地布置在电池模块100的底面上。
虽然在图1至图3的示例中，单电池盖120可以设置在所有相邻的单电池110之间，但是这仅是示例性实施例，并且本发明不限于该示例。例如，包含相变材料m的单电池盖120可以不设置在一些单电池之间。然而，考虑到冷却性能和电池充电/放电性能，包括相变材料m的单电池盖120设置在所有单电池110之间，如图1至图3所示。
用于冷却容纳在单电池盖120中的相变材料m的冷却板130可以设置在单电池盖120下方(例如，第二板下方)。另外，用于吸收从相变材料m释放的热量的冷却水c可以流过冷却板130。特别地，冷却板130可以包括冷却水c可在其中流动的多个冷却水通道131。多个冷却水通道131可以布置在与单电池110的堆叠方向(即，布置方向)垂直的方向上，并且冷却水通道131中的每个可以在单电池110的布置方向上延伸。此外，在冷却水通道131中的每个中流动的冷却水c可以从冷却水通道131排出，在冷却板130的外部被冷却，然后供应回冷却水通道131。
此外，冷却板130可以设置成与单电池盖120交换热量，以允许从单电池盖120中的相变材料m释放的热量被冷却水吸收。换句话说，冷却板130可以经配置通过单电池盖120接收和吸收相变材料m的热量。冷却板130可以布置成通过和单电池盖120之间的接触而与单电池盖120交换热量。换句话说，冷却板130可以设置成与单电池盖120接触，从而冷却单电池盖120内部的相变材料m。
设置在单电池盖120下方的冷却板130可以设置在单电池110的底面上，单电池盖120的第二板122设置在其间。换句话说，冷却板130可以设置成经由单电池盖120的第二板122与单电池110接触。因此，单电池110可以经由第二板122将从单电池110释放的热量传递到冷却板130。与通过相变材料m传递到冷却板130的单电池110的热量相比，经由第二板122传递到冷却板130的单电池110的热量小得多。换句话说，冷却板130可以布置成允许通过单电池盖120从相变材料m释放的热量被吸收，同时从单电池110释放的热量可以被吸收。换句话说，冷却板130可以设置成与单电池盖120接触，从而同时冷却单电池110和相变材料m。
单电池盖120可以由有利于导热的金属材料形成，并且可以由具有高导热率的金属材料诸如铝形成。另外，界面薄板(interfacesheet)140可以设置在电池板120的第二板122和冷却板130之间，以提高单电池盖120和冷却板130之间的热交换效率。第二板122和冷却板130具有能够彼此表面接触的表面。然而，由于第二板122和冷却板130可能具有微尺度上的粗糙表面，在第二板122和冷却板130之间可以形成界面间隙。因此，当第二板122和冷却板130彼此接触时，实际接触面积是很小的。
此外，由于界面间隙可以填充有具有相对低导热率的空气，因此通过第二板122和冷却板130之间的界面(接触面)的热传递可能不会平稳地执行。为了在单电池盖120和冷却板130之间平稳地传递热量，界面薄板140可以设置在第二板122和冷却板130之间，以填充单电池盖和冷却板130之间的界面间隙。界面薄板140可以填充第二板122和冷却板130之间的间隙，以最小化第二板122和冷却板130之间的热接触热阻并促进第二板122和冷却板130之间的热传递。换句话说，界面薄板140可以接触地设置在第二板122和冷却板130之间，从而提高单电池盖120和冷却板130之间的热传递效率。特别地，界面薄板140可以由热界面材料(tim)形成以最小化热传递中的阻力。
相变材料m可以使用从固体变为液体并产生熔化潜热的材料。换句话说，相变材料m可以使用在室温下保持固态并当被单电池110加热时变为液态的材料。相变材料m也可以由具有电绝缘的材料制成，由此即使在单电池盖120的外部发生漏电时，也可以确保电气安全。在本发明中，容纳在单电池盖120中的相变材料m可以是其中液态相变材料与固态相变材料混合的中间形式，并且可以是指以下材料：重复呈现当单电池盖120周围的温度升高时吸收热量和当单电池盖120周围的温度降低时释放热量的吸热和发热特性。
特别地，本发明中的相变材料m可以是可在单电池的操作温度范围内相变的材料，以有效地有助于确保车辆的单电池的冷却性能。例如，相变材料m的熔点可以在约30℃至45℃的范围内。当使用具有上述熔点的相变材料时，相变材料可以在单电池110过热发生之前通过相变材料的熔化潜热稳定地保持单电池110的温度。特别地，在大多数锂离子单电池应用于车辆单电池的情况下，最高温度必须保持在约45℃至50℃的范围内，以确保期望的使用寿命。此外，在相变材料的熔点在上述范围内(例如，约30℃至45℃)的情况下，由相变材料吸收的热能大于单电池110中产生的热能，因此，单电池100的温度可以保持在熔点或更低。
具体地，相变材料m可以是选自由有机相变材料和无机相变材料组成的组中的任何一种，或者可以是选择的两种或更多种的混合物。有机相变材料可以包括烷烃类(paraffinbased)相变材料和非烷烃类相变材料。烷烃类相变材料可以包括熔点约为37℃的石蜡，而非烷烃类相变材料可以包括坎尼酮(camphenilon)(熔点：约39℃)和二庚基酮(caprylon)(熔点：约40℃)等。无机相变材料可以包括盐水合物、金属和共熔物(eutectic)；金属可以包括熔点约为30℃的镓等。共熔物是固体混合物，其中通过熔化形成的液相示出与原始固相相同的组成，并且可以包括镓-镓锑共熔物(熔点：约29.8℃)等。
当被单电池110加热时，相变材料m吸收单电池110的显热而没有相变，因此温度升高直到达到熔点为止。当被单电池110加热到熔点时，相变材料m经历从固态到液态的相变。即使在发生相变时，由于熔化潜热相变材料m也吸收单电池110的热量，但是相变材料m的温度保持恒定。换句话说，当相变材料m由于单电池110的发热而温度升高而达到熔点时，相变材料m的一部分开始熔化，并且可以保持在熔点的温度，直到相变材料m完全熔化。
当由于单电池110的发热而发生相变时，相变材料m可以吸收比单电池110中产生的最大热能更大的热能。因此，根据相变材料m的相变通过熔化潜热冷却的单电池110可以保持在低于相变材料m的熔点的温度。
特别地，冷却水c可以连续冷却相变材料m，而不管相变材料m是否相变。换句话说，当单电池110通过相变材料m的显热而冷却时，以及当单电池110通过相变材料m的潜热来冷却时，冷却水c可以连续冷却相变材料m。因此，相变材料m的至少一部分可以保持固态，结果是，相变材料m可以由于单电池110的发热而保持相变，并且单电池110可以连续通过相变材料m的潜热来冷却。
此外，将参照图4描述电池模块100中的传热路径。图4中所示的箭头基于单电池110产生的热量指示电池模块100的热传递方向。如图4所示，当通过快速充电等将单电池110加热到高温时，从单电池110发出的热量经由单电池盖120的第一板121传递到相变材料m，并且由相变材料m吸收的单电池110的热量经由单电池盖120的第二板122和界面薄板140传递到冷却板130。传递到冷却板130的单电池110的热量可以被冷却水c吸收，因此可以由冷却水c连续执行相变材料m的冷却。
考虑基于冷却水c的吸热的电池模块100的传热路径，热传递可以按照冷却板130→单电池盖120→相变材料m→单电池110的冷却水c的顺序执行。相变材料m在由于单电池110的热量而从固相变为液相时可以产生熔化潜热，并且通过冷却水c从液相返回到固相。当重复该相变过程时，单电池110可以通过相变材料m的熔化潜热连续冷却。换句话说，本发明的电池冷却装置可以将通过单电池110的发热而熔化的相变材料m返回到固态，以允许相变材料m的相变连续发生，由此可以使用相变材料m的潜热来连续冷却单电池110。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但是应当理解，本发明的范围不限于所公开的示例性实施例。本领域技术人员使用如以下权利要求中定义的本发明的基本概念进行的各种修改和改进也包括在本发明的范围内。
技术特征：
1.一种用于车辆的电池冷却装置，冷却包括多个单电池的电池模块，包括：
多个单电池盖，设置在所述多个单电池的至少一些单电池之间，并且包括通过与所述单电池盖相邻的所述单电池的发热来加热的相变材料；和
冷却板，设置成经由所述单电池盖与所述相变材料交换热量，其中用于冷却所述相变材料的冷却水流过所述冷却板。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述单电池盖中的每个包括设置在彼此相邻的单电池之间的第一板，所述相变材料设置在所述第一板的内部。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述第一板在其内部包括填充所述相变材料的空间。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一板与彼此相邻的所述单电池的外表面接触，填充在所述空间中的所述相变材料设置成经由所述第一板与相邻单电池的整个外表面交换热量。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述单电池盖从所述第一板垂直地延伸，并且包括设置在所述冷却板的顶面上的第二板。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述第二板设置在所述单电池中的每个的底面上。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述冷却板设置成通过与所述单电池盖接触而交换热量。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述冷却板包括多个冷却水通道，并且冷却水流过所述冷却水通道中的每个，以固化通过所述单电池的发热而液化的所述相变材料。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述冷却水通道中的每个在所述单电池的布置方向上延伸。
10.根据权利要求1所述的装置，其中在所述单电池盖和所述冷却板之间设有界面薄板，以填充所述单电池盖和所述冷却板的界面间隙。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述相变材料从固相变为液相以产生熔化潜热。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述相变材料具有30℃至45℃的熔点。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述相变材料是选自以下中的任何一种：有机相变材料、无机相变材料和从中选择的两种或更多种的混合物。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述有机相变材料包括烷烃类相变材料和非烷烃类相变材料。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述无机相变材料包括盐水合物、金属和共熔物。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述相变材料是石蜡。
技术总结
本发明提供一种用于车辆的电池冷却装置以冷却单电池。该装置包括相变材料(PCM)，该相变材料冷却单电池并设置成与单电池交换热量，用于冷却相变材料的冷却水设置成与相变材料交换热量。因此，相变材料通过单电池的发热来加热，同时相变材料通过冷却水的吸热来冷却，从而促进相变材料的连续相变。
技术研发人员：全伦哲
受保护的技术使用者：现代自动车株式会社;起亚自动车株式会社
技术研发日：.11.20
技术公布日：.02.28
