用于电池的加热和冷却装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电池的加热和冷却装置(1)，尤其是用于机动车的电池的加热和冷却装置(1)，具有-一个用来与电池热耦合的导电基板(2)，其中基板(2)上设置有至少一个流道(6)用来流通冷却剂，由此电池可以被冷却，-一个由绝缘材料形成的承载板(3)，至少一个电加热元件(4)插入该承载板(3)中，电加热元件(4)与导电基板(2)电连接。-一个导电盖板(5)，其与电加热元件(4)电连接，-基板(2)、承载板(3)和盖板(5)沿堆叠方向(S)彼此堆叠在一起。
【专利说明】用于电池的加热和冷却装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电池的加热和冷却装置，以及具有这种加热和冷却装置的电池。本发明还涉及一种具有上述电池的机动车。
【背景技术】
[0002]现在的研究对象是用于纯电动汽车、混合动力车和燃料电池驱动车的可再充电电池系统。目前，在所述的汽车类型中，优选使用锂离子电池，其具有突出的高能量密度和不太大的内存影响。可再充电电池供给安装在机动车辆内电耗品的容量取决于电池使用的环境，这是由于在供电和充电过程中，电池中发生的电化学反应在一定程度上依赖于电池的运行温度。对于不同的锂离子电池的大量研究表明，在标准温度下，例如接近(TC左右时，电池的电量密度相对于高温下的电量密度减少。在标准温度下，在充电过程中可能会损坏锂离子电池。
[0003]因此，热定义明确的环境条件的创作对所述电池的可靠、安全运行的运行是非常关键的，不光锂离子电池是这样，任何可充电电池系统通常都是如此。这意味着，对于在正常条件下的汽车的温度波动，必须由合适的温度控制装置来平衡，温度控制装置与电池热耦合，以便将电池的周围温度以及电池本身的温度保持在预定温度区间。这样的装置，一方面，假定温度低于容许温度的范围，增加电池直接环境的周围温度。另一方面，当温度超出区间上限时，必须可以降低周围温度。
[0004]现有技术中已知的各种能够与电池热耦合的装置通常同时具有提高电池温度的加热单元和降低电池温度的冷却系统。
[0005]DE102009058819A1公开了一种用于加热和冷却电池的装置，其具有一个冷却回路和至少一个电加热元件，并都布置在一个共用导热部件中。电加热元件以形状配合或压合的形式与导热部件连接。该装置的特点是需要很多的组件，这是由于所述结构在热处理过程中也由加热元件进行加热，这显然增加了加热电池所需的热量输出。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供一种用于电池的加热和冷却装置，其特征在于该装置能够与要加热和冷却的电池进行有效的热耦合，同时具有简单的结构设计，该结构具有少量的组件。本发明还说明一种电池组，该电池组具有通过上述加热和冷却装置进行温度控制的电池。最后，本发明说明一种具有上述电池组的电动车。
[0007]根据本发明，该问题由独立权利要求的保护主题来解决。有利的实施方式构成从属权利要求的主题。
[0008]由此，本发明的基本构思是构造一种用于加热和冷却电池的装置，该装置为板状，其具有一个基板、一个承载板和一个盖板，各板沿堆叠方向彼此堆叠在一起。分别用于加热和冷却电池的加热元件和冷却元件设置在基板和盖板之间，电池与基板热耦合。这样，用于冷却剂支持冷却电池的冷却剂流道设置在基板本身上，而加热电池所需的电加热元件插入承载板，其以夹心的形式布置在基板和盖板之间。这种结构形式使得本发明的加热和冷却装置所需的空间小于传统的加热和冷却装置所需的空间。
[0009]要进行温度控制的电池设置紧靠在基板上远离承载板的一侧，由此其可以同时与设置有流道的基板和插入承载板中的电加热元件进行热耦合。加热和冷却装置的主要部件的堆叠形布置，所述堆叠以板的形式构建，即平板，使得该装置能够与要进行温度控制的电池具有足够的热连接。
[0010]基板与盖板导电结构是本发明的关键，其可以在技术上简单地使电加热元件与外部电池进行电连接。实现上述内容的必要条件是电加热元件的上部和下部的结构设计由至少几个导电部件构成，进而这些导电部件起到加热元件的外部电连接作用。在加热和冷却装置的安装状态下，分别位于电加热元件的上侧和下侧的盖板与基板，以导电连接线的方式连接电加热元件与电池。
[0011]如果本发明的加热和冷却装置用于控制安装在机动车的发动机舱内的电池的温度，与盖板相反，这不需要通过额外的电连接线使其与外部供电装置连接，而是直接通过汽车本体以技术简洁的方式接地。
[0012]一个在安装空间方面非常有利的实施方式，其中，至少一个形成流道且沿基板纵向延伸至少一部分的扁管设置在基板朝向承载板的第一侧。这里的术语“扁管”包括各种类型的流线，其整体高度小于其宽度。传统的扁管高度最多为宽度的1/4，大多优选至多1/10。此类型的扁管可以使流经扁管的冷却剂与基板平面接触，当电池应用在基板背向扁管的一侧时，其有利于冷却剂与电池的相互作用。
[0013]不仅可以通过设置在冷却板上的单个扁管，还可以通过至少2个，优选4个扁管来获得整个冷却板的极其均匀的冷却效果。这些扁管例如在基板的横向上间隔一定距离布置。替换的，相邻扁管可以彼此直接连接。在上述例子中，冷却剂可以对冷却板产生平面的、均匀的冷却效果。
[0014]在另一个实施方式中，至少两个扁管分别一体成型在基板上，该实施方式对于生产制造来说是首选的。与之相替代的实施方式，扁管可以通过材料连接的方式固定在基板上，例如通过纤焊或焊接。
[0015]为了尽可能地使电加热元件与基板进行热耦合，并通过后者与要进行温度控制的电池进行热耦合。提出，根据一个优选的实施方式，在承载板上设置至少两个通孔，电加热元件分别插入所述通孔中，也就是，在承载板的俯视图上，加热元件尽可能地完全填充在通孔中。可通过粘结的方式将电加热元件固定在通孔中。在通孔边缘即通孔的边界上，可以设置一个或多个凸向通孔内部的凸起，其作为电加热元件插入通孔时的止动件，其在一定程度上方便了操作者的插入操作。
[0016]显然，当不仅是单一的加热元件，而是多个电加热元件设置在承载板上时，与承载板热耦合的基板可以得到非常均匀的侧部加热。实验研究表明，为实现构建可以使基板获得最佳的均匀加热效果的结构，设置4个通孔，优选15个，更优选20个，各电加热元件插入通孔中。
[0017]在一个非常优选的实施方式中，在加热和冷却装置的安装状态下，承载板的通孔布置在两个相邻的扁管之间的区域中。
[0018]通过至少4个在承载板的俯视图上以网格形式布置在侧面的加热元件，可以使基板获得非常均匀的侧面加热。
[0019]加热元件构造成在俯视图上为矩形的板，其在加工方面可以节省劳动力。从而，设置在承载板的俯视图上为矩形的通孔也是非常有用的。
[0020]基板和承载板在堆叠方向上所需的安装空间可以减小到非无关紧要的程度，承载板朝向基板的一侧的表面轮廓与基板朝向承载板一侧的表面轮廓互补。
[0021]特别有利的是，承载板具有塑性承载材料。通过这种方法，可以确保不会有意外的短路电流在导电基板和导电盖板之间流通，如果基板和盖板与电池的两极相连，两块板都可以起到电加热元件的导电部件的作用，导电部件连接到向加热元件供电的外部电池。
[0022]为了将冷却剂引入基板的流道中，建议在基板的第一端部上纵向设置共用的冷却剂进口，其沿基板横向延伸并与扁管流体连接。因此，有用的，为了使冷却剂流出基板，在第二端部横向设置冷却剂出口，其沿基板横向延伸并同样与扁管流体连接。换句话说，此处提出的结构，在基板的第一端部上，冷却剂沿纵向流入流道。冷却剂纵向流经由扁管形成的流道，并从第二端部区域流出，第二端部与第一端部彼此相对。
[0023]非常有利地，所述共用冷却剂进口和冷却剂出口可以构造成为扁管，其在第一端部或第二端部沿基板横向延伸。对于由一个或多个沿基板纵向延伸的扁管形成的流道的情况，冷却剂首先流入共用的流体进口，例如通过从基板延伸的管连接形式的进口孔，并随后分流到形成流道的扁管中。相同的结构修改用于设置于其上的共用的流体进口孔和出口孔。
[0024]然而，在加工技术方面优选的变形中，冷却剂进口和/或冷却剂出口通过材料连接的形式与基板连接在一起，优选焊接或钎焊。
[0025]在一个优选的实施方式中，本领域专家熟知的板状PTC加热元件可用作电加热元件。所述加热元件的板状外形在商业上可以大量获得，其可用于本发明的加热和冷却装置而不需要对主要结构进行改进。所述PTC元件通常具有近似35_的长度、4-14_的宽度和最闻2mm的闻度。
[0026]本发明还涉及一种用于机动车的电池组，所述电池组具有一个电池(优选锂离子电池)和一个与电池热耦合的加热和冷却装置，所述加热和冷却装置具有一个或多个前述特征。通过将电池固定在加热和冷却装置的例如基板上，可以实现两者间的热耦合。也可以想到将电池固定在加热和冷却装置的盖板或侧部。
[0027]一个在技术角度证明为特别简洁的变形，通过加热和冷却装置进行加热或冷却的电池同时用作供电单元向加热和冷却装置的电加热元件供电。
[0028]最后，本发明涉及一种具有前述电池组的电动车。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]本发明的其他重要特征和优点体现在从属权利要求、附图和相应的【专利附图】
【附图说明】中。
[0030]应该明白，上述提及的和下面将要解释的特征不仅可用于描述的组合中，还可用于其他组合或单独使用，不脱离本发明的范围。
[0031]本发明的优选实施例示出在附图中，并在下面的说明中进行更详细地解释。其中，相同的附图标记表示相同的、相似的或功能相同的部件。
[0032]下面各附图中分别示出了:
[0033]图1为本发明的加热和冷却装置的分解示意图；
[0034]图2为图1所示加热和冷却装置在安装状态下的纵向剖面图；
[0035]图3为加热和冷却装置的承载板以及加热元件的分解图；
[0036]图4为图1所示加热和冷却装置在安装状态下的透视图。
【具体实施方式】
[0037]图1示出了本发明的加热和冷却装置I的分解图。加热和冷却装置I具有一个导电基板2，一个要进行温度控制的电池，可以通过机械接触的形式与基板2热耦合。加热和冷却装置I还具有一个由绝缘材料形成的承载板3，其用于接收多个电加热元件4。在附图1中，为了使图面清晰，没有示出电加热元件4在接收状态下在承载板3中的情形，而是示出了加热和冷却装置I组装后，电加热元件位于基板2上的情形。通过对比，图3示出了承载板3和其要接收的电加热元件4的分解图。
[0038]再次参考附图1，加热和冷却装置I还具有一个导电盖板5。在加热和冷却装置的安装状态下，基板2、承载板3以及盖板5沿堆叠方向S彼此堆叠在一起。为了使安装空间沿堆叠方向S最优化，承载板3朝向基板2的一侧具有与基板2朝向承载板3 —侧相应的表面轮廓。
[0039]流道6设置在基板2上，冷却剂或制冷剂(为了表述简单，下文简写为冷却剂)可以在流道6中流动，由此，通过冷却剂与要进行温度控制的电池的热交换使电池冷却。水乙二醇可用作冷却剂，在特定的商业领域为制冷剂，其名称为“ 134a”、“R1234yf ”或“R744”。
[0040]图1所示实施例中，流道6具有4个扁管7a、7b、7c、7d，其沿基板的纵向L彼此大体平行的延伸，同时沿朝向承载板3的基板2的一侧的横向Q彼此间隔一定距离。显然，图1所不实施例的修改中，可以设置不同数量的扁管7a_7d。在图1所不实施例中，扁管7a_7d一体形成在基板2上。替换的实施方式，扁管7a_7d可以先分别制作，再通过材料连接的方法固定在基板2上，例如通过纤焊或焊接。
[0041]这里的术语“扁管”特别包括流线，其整体高度小于其宽度。传统的扁管高度最多为宽度的1/4，大多优选至多1/10。此种方式构造的扁管7a-7d可以使流经扁管7a_7d的冷却剂与基板2平面接触，当电池应用在基板2背向扁管7a-7d的一侧时，其有利于冷却剂与电池的相互作用。
[0042]扁管7a_7d在横向Q上彼此间隔一定距离的布置方式使得相邻扁管之间的空间可以接收电加热元件4，这可以从图1中直接看出。电加热元件4和扁管7a-7d的这种布置形式使得两个组件可以均匀地分布在基板2上，这促进了基板2的均匀地温度控制，由此也保证了与基板2热耦合的电池的均匀温度控制。
[0043]为了将冷却剂引入基板2的流道6中，在基板2的第一端部8a上沿纵向L设置共用的冷却剂进口 9a，其沿基板横向Q延伸，因此与纵向L相反。如图1所示，冷却剂进口 9a也可以是扁管的形式构造，并可具有一个从基板2凸起的管连接件1a用来将冷却剂引入冷却剂进口 9a。冷却剂通过进口 9a分流到各扁管7a_7d。换句话说，通过冷却剂进口 9a，管连接件1a与流道6的扁管7a_7d流体连通。
[0044]相同的结构也可用来将冷却剂从流道6的扁管7a_7d导出，为此目的，在基板2的第二端部8b沿纵向L设置冷却剂出口 9b，第二端部8b与第一端部8a彼此相对。冷却剂出口 9b以类似于冷却剂进口 9a的形式沿基板2的横向Q延伸。图1中，冷却剂出口 9b也是以扁管的形式构造，并且也具有一个从基板2凸起的管连接件1b用来将冷却剂导出冷却剂出口 9bο
[0045]冷却剂流经基板2，并流入由沿基板2纵向L设置的扁管7a_7d形成的流道6，并从基板2的第二端部8b流出，第二端部8b与第一端部8a彼此相对。共用冷却剂进口 9a和共用冷却剂出口 9b可以通过材料连接的形式固定在基板2上，例如通过焊接或熔接。
[0046]图3示出了承载板3和电加热元件4的分解图，电加热元件4可插入承载板3中。承载板3上设置有18个通孔11，这些通孔布置成网格状，如图3所示，具有3个格行12a、12b、12c。当然，在其变体中，还可以设置不同数量的通孔。在所示实施例中，通孔11在承载板3的俯视图上呈矩形。
[0047]具有通孔11的承载板3可以通过相应数量的沿纵向L设置的纵向支柱13实现，纵向支柱13由沿横向Q布置的横向支柱连接，横向Q与纵向L垂直。
[0048]在图1和3所示实施例中，需要4个纵向支柱13和7个横向支柱14，以便提供18个通孔。在加热和冷却装置I的组装中，18个电加热元件4插入18个通孔11中，所述电加热元件插入后(如图3箭头P所示)也在承载板3上形成具有三个格行的网格。
[0049]可以通过材料连接的方法将电加热元件4固定在通孔11中，例如通过粘结剂。在通孔11的边缘设置一个或多个凸向通孔内的凸起(未示出)，这些凸起作为电加热元件4插入通孔11时的止动块。
[0050]相应的，以板状形式构造的电加热元件4在俯视图上也为矩形，就加工技术而言生产非常简单，因此节约成本。
[0051]具有电加热元件4的承载板3用于将加热和冷却装置I布置在基板2上。通过将盖板5安装在承载板3上，基板2和承载板3形成加热和冷却装置I。通过在承载板3安装盖板5，基板2和承载板3完成了来形成加热和冷却装置I。
[0052]附图4示出了组装好的加热和冷却装置的透视图，附图2为纵向剖面图。
[0053]基板2和承载板3在堆叠方向上所需的安装空间可以减小到非无关紧要程度，承载板3朝向基板2的一侧的表面轮廓与基板2朝向承载板3 —侧的表面轮廓互补。
[0054]承载板3此外还具有塑性承载材料。通过这种方法，可以确保不会有意外的短路电流在导电基板2和导电盖板5之间流通，如果基板2和盖板5与电池的两极相连，两块板都可以起到电加热元件的导电部件的作用，导电部件连接到向18个电加热元件4供电的外部电池(未示出)。
[0055]通过导电盖板5的相应构造，可以分别控制I个或几个电加热元件4，借此可以实现电加热元件4的热容量的特别多变的调整。
[0056]以板状形式构造的PTC元件可用作电加热元件4。所述PTC加热元件的板状外形在商业上可以大量获得，其可用于本发明的加热和冷却装置而不需要对主要结构进行改进。所述PTC元件通常具有近似35mm的长度、4-14mm的宽度和最高位2mm的高度。PTC加热元件的优点在于其电阻会随着温度增加，而由此产生的热容会减少，即PTC加热元件以自调节方式运行。因此，不需要单独的传感系统，当温度超过最大允许值时，存在破坏温度控制的电池的风险，所述传感系统关掉电加热元件。
【权利要求】
1.一种用于电池的加热和冷却装置(I)，尤其是用于机动车的电池的加热和冷却装置(1)，具有 -一个用来与电池热耦合的导电基板(2)，其中基板(2)上设置有至少一个流道(6)用来流通冷却剂，由此电池可以被冷却， -一个由绝缘材料形成的承载板(3)，至少一个电加热元件(4)插入该承载板(3)中，电加热元件⑷与导电基板⑵电连接。 -一个导电盖板(5),其与电加热兀件(4)电连接， -基板(2)、承载板(3)和盖板(5)沿堆叠方向(S)彼此堆叠在一起。
2.根据权利要求1所述的加热和冷却装置，其特征在于，至少一个形成流道(6)并沿基板(2)的纵向(L)延伸至少一部分的扁管(7a、7b、7c)设置在基板(2)的朝向承载板(3)的第一侧。
3.根据权利要求2所述的加热和冷却装置，其特征在于，设置至少两个，优选四个扁管(7a、7b、7c)，其在基板(2)横向(Q)上彼此间隔布置。
4.根据权利要求2或3所述的加热和冷却装置，其特征在于，至少一个扁管(7a、7b、7c) 一体成型在基板(2)上，或者以材料连接的形式与基板(2)连接，优选焊接或熔接。
5.根据前述任一权利要求所述的加热和冷却装置，其特征在于，在承载板(3)上设置至少两个通孔(11)，电加热元件⑷插入所述通孔中。
6.根据前述任一权利要求所述的加热和冷却装置，其特征在于，在承载板(3)上设置至少4个，优选15个，更优选20个具有各自电加热元件(4)的通孔(11)。
7.根据权利要求5或6所述的加热和冷却装置，其特征在于，在加热和冷却装置(I)的安装状态下，承载板(3)的通孔(11)布置在两个相邻的扁管(7a、7b、7c)之间。
8.根据权利要求6或7所述的加热和冷却装置，其特征在于，至少4个电加热元件(4)在俯视图上以网格状沿堆叠方向(S)布置在承载板(3)上。
9.根据权利要求5-8任一项所述的加热和冷却装置，其特征在于，通孔(11)在承载板(3)的俯视图上为矩形。
10.根据前述任一权利要求所述的加热和冷却装置，其特征在于，承载板(3)朝向基板(2)的一侧的表面轮廓与基板(2)朝向承载板(3)—侧的表面轮廓互补。
11.根据前述任一权利要求所述的加热和冷却装置，其特征在于，承载板(3)具有塑性承载材料。
12.根据权利要求3-11任一项所述的加热和冷却装置，其特征在于， -在基板(2)的第一端部(8a)上沿纵向(L)设置共用的冷却剂进口(9a)，其沿基板(2)横向(Q)延伸，并与扁管(7a、7b、7c、7d)流体连接， -在基板⑵的第二端部(8b)沿纵向(L)设置冷却剂出口(％)，其沿基板⑵横向(Q)延伸，并与扁管(7a、7b、7c、7d)流体连接。
13.根据权利要求12所述的加热和冷却装置，其特征在于，共用的冷却剂进口(9a)和/或共用的冷却剂出口(％)以材料连接的方式与基板(2)连接，特别以焊接或熔接的方式。
14.根据前述任一权利要求所述的加热和冷却装置，其特征在于，电加热元件(4)构造成为板状PTC加热件。
15.一种用于机动车的电池组，具有-一个电池，特别是锂离子电池，-一个根据前述任一权利要求所述的与电池热耦合的加热和冷却装置(I)。
16.一种机动车，具有至少一个权利要求15所述的电池组。
【文档编号】H01M10/615GK104518258SQ201410482200
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】斯特凡·希尔施, 帕斯卡尔·米斯, 贝恩德·沙费尔, 约阿希姆·特赖尔, 斯特凡娜·魏因格特纳 申请人:马勒贝洱有限两合公司, 马勒贝洱法国鲁法克股份有限公司