一种高压蓄电池的汇流排、电池包、及冷却方法与流程

1.本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及一种高压蓄电池的汇流排、电池包、及冷却方法。


背景技术：

2.高压蓄电池通常由多个电池模块串联、并联组成，汇流排连接电池模块的电极构成电能传输通道，汇流排通常由低电阻率的紫铜构造以达成期望的导电能力。高压蓄电池为驱动车辆输出电能，高压蓄电池所存储电能消耗后需要对其充电以维持期望的放电功率和续航里程。在上述充放电操作期间，汇流排由于焦耳热会产生明显的温升，汇流排温度升高会增加汇流排的电阻，在通过同等电流条件下进一步地加剧温度升高；尤其是在大功率直流充电应用场景，汇流排温度太高导致的可预见的绝缘材料老化、机械连接松动、间接加热电芯等风险限制了充电电流进一步提升，进而限制了进一步缩短充电时间的可能。
3.解决上述问题的现有技术有增加汇流排的导流截面积、采用电阻率更低的导电材料等，现有方案受到布置空间、重量或成本等因素限制了在高压蓄电池的应用。汇流排因包覆导热不良的绝缘层而难以实施高效地冷却，去除绝缘层直接对汇流排的导电体进行热传导式冷却因电气绝缘问题难以实施。
4.因此，高压蓄电池的汇流排的冷却问题是个亟需解决的重要问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种汇流排，汇流排内设有冷却通道和冷却介质，汇流排中部设有缓冲区，冷却介质在冷却通道内循环工作将汇流排的热量从缓冲区转移，并通过导热地且绝缘地连接的冷却装置将汇流排的热量从缓冲区转移至散热装置。本发明还提供一种电池包和冷却方法，具有箱体、电池模块、控制模块、电气接口和上述汇流排、散热装置，实现在充放电操作期间高效地冷却汇流排，降低汇流排的温度，从而使得减小汇流排的导流截面积、采用轻量化低成本的铝代替铜作为导电材料具有工程可行性，进一步提升快充性能、使电池包轻量化并降低成本，从而解决上述提到的技术问题。
6.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.在本公开的一方面，公开了一种高压蓄电池的汇流排，包括：
8.导电体，绝缘层、冷却装置；
9.其中，所述导电体具有毛细管结构、空腔结构；
10.所述毛细管结构设于所述导电体的内壁面；
11.所述导电体内部设有冷却介质；
12.所述绝缘层套设在所述导电体外部；
13.所述导电体的中段区域具有缓冲区；
14.所述缓冲区设有所述冷却装置，所述冷却装置包括第一导线、第二导线、第一壳体、第二壳体、半导体组件和密封剂；
15.其中，所述半导体组件包括多个n型半导体和多个p型半导体；
16.所述n型半导体和所述p型半导体间隔设置，且端部设有铜金属片使整体串联；
17.所述第一导线、所述第二导线分别与两侧的所述铜金属片相连接；
18.所述半导体组件设于所述第一壳体、所述第二壳体之间并且通过所述铜金属片适配连接；
19.所述第一壳体与所述第二壳体的端部之间的间隙填充所述密封剂。
20.进一步地，所述缓冲区为拱形；所述缓冲区位于高处的端面为热交换接口；
21.所述热交换接口与所述冷却装置适配连接。
22.进一步地，所述导电体的两端具有第一端头和第二端头；
23.所述第一端头设有第一安装孔；
24.所述第二端头设有第二安装孔。
25.在本公开的另一方面，公开了一种电池包，所述电池包包括汇流排，以及箱体、电池模块、电气接口、控制模块、散热装置；
26.所述电池模块设有多个，且通过所述汇流排相连接；
27.所述电池模块通过导电组件连接至所述控制模块；
28.所述电池模块通过导体连接至所述第一导线和所述第二导线；
29.所述控制模块与所述电气接口电连接；
30.所述散热装置与所述冷却装置通过导热介质相连接。
31.进一步地，所述散热装置为冷却板；
32.所述冷却板包括第一外壁面、第二外壁面、流道；
33.冷却液或者冷媒在所述流道内流通，并与所述第一外壁面、所述第二外壁面热交换，再通过所述导热介质与所述冷却装置热交换。
34.进一步地，所述散热装置为为散热片；
35.所述散热片包括导热面和多个散热翅片；
36.所述导热面通过所述导热介质与所述冷却装置相连接。
37.在本公开的另一方面，公开了一种冷却方法，应用于如权利要求4所述的电池包，其特征在于，包括以下步骤：
38.制作导电体；
39.装配汇流排和电池包；
40.温度调控；
41.其中，步骤温度调控包括：
42.控制模块内部的电池管理系统通过传感器监控汇流排的温度或通过汇流排的电流，并据此控制冷却装置的工作功率进而调节汇流排的温度在合适范围；
43.或者电池管理系统根据预见的充电电流控制冷却装置工作功率从而预调节汇流排的温度进而达成更优的充电时间。
44.进一步地，当散热装置为冷却板时，步骤温度调控还包括：
45.控制模块内部的电池管理系统控制冷却液或者冷媒的温度以及冷却液或者冷媒在流道内流动速度从而控制散热装置的散热效率进而调节汇流排处在预期的温度。
46.进一步地，当散热装置为为散热片时，步骤温度调控还包括：
47.控制模块内部的电池管理系统控制流过散热翅片的空气的温度和流速从而控制散热装置的散热效率进而调节汇流排处在预期的温度。
48.进一步地，步骤制作导电体包括：
49.在铜管内壁构造出毛细管结构；
50.将铜管压扁成扁平铜管，仍保留内部的空腔结构；
51.将扁平铜管中段折弯形成折弯铜管；
52.将折弯铜管的第一端头压实焊接密封；
53.将空腔结构中的空气抽出；
54.往空腔结构中填充冷却介质；
55.将折弯铜管的第二端头压实焊接密封；
56.在第一端头和第二端头上加工出第一安装孔和第二安装孔。
57.本发明的有益效果为：
58.汇流排的导电体基于热管原理将热量转移至缓冲区，热管传热相比金属导热有更高的热导率，有利于相对温度更高的导电体的端部的冷却；并通过冷却装置绝缘地冷却缓冲区，导电体内的冷却介质在液态相和气态相之间转换循环并持续冷却导电体，进而维持导电体处于合适的温度范围。汇流排的冷却装置通过半导体制冷原理冷却导电体，冷却装置的第二壳体(制冷端)可以制造与导电体更大的温差，从而提高冷却装置与导电体的传热功率，冷却的及时性得以实现。
附图说明
59.图1为构造导电体的铜管结构示意图；
60.图2为压扁后的扁平铜管结构示意图；
61.图3为扁平铜管折弯出缓冲区示意图；
62.图4为导电体结构示意图；
63.图5为汇流排结构示意图；
64.图6为汇流排截面示意图；
65.图7为图6的局部放大示图；
66.图8为冷却装置结构示意图；
67.图9为电池包结构示意图；
68.图10为图9的汇流排和散热装置截面视图；
69.图11为电池包设置散热片后的结构示意图；
70.图12为图11的汇流排和散热装置截面视图；
71.图13为电池包设置散热片后的俯视结构示意图。
72.1、导电体；11、毛细管结构；12、空腔结构；13、缓冲区；1a、铜管；1b、扁平铜管；1c、折弯铜管；121、冷却介质；131、热交换接口；132、下方表面； 14、第一端头；141、第一安装孔；15、第二端头；151、第二安装孔；
73.2、汇流排；21、绝缘层；22、冷却装置；23、导热结构胶；24、导热介质； 221、第一导线；222、第二导线；223、第一壳体；224、第二壳体；225、半导体组件；226、密封剂；2251、n型半导体；2252、p型半导体；2253、第一铜金属片；2254、第二铜金属片；2255、第三铜金属片；
2256、第四铜金属片；2257、第五铜金属片；
74.3、电池包；31、箱体；32、电池模块；33、电气接口；34、控制模块；35、导电组件；36、第一紧固件；37、第二紧固件；38、冷却板；381、第一外壁面； 382、第二外壁面；383、流道；39、散热片；391、导热面；392、散热翅片。
具体实施方式
75.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
76.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
77.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
78.如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，汇流排2包括导电体1、绝缘层21和冷却装置22；导电体1根据热管原理构造而成，即导电体1区别于现有技术的由实心材料构造的铜棒，导电体1由内部设有毛细管结构11的铜管1a 或铝管制作；本实施例按照铜管为例展开描述，毛细管结构11可由一定目数的金属粉末烧结在铜管1a内壁面构造；毛细管结构11也可由金属丝网烧结在铜管 1a内壁面上构造；毛细管结构11也可在铜管1a壳内壁开轴向细槽构造、细槽的截面形状可为矩形、梯形、圆形或变截面槽道。将上述铜管1a压扁构成导电体1所需要的形状，例如将铜管1a压扁构成截面近似宽度18mm、高度5mm的矩形的形状，容易理解的是，上述压扁过程需要工装或模具限制压扁后的形状。如图2所示，压扁后扁平铜管1b依然保留空腔结构12。如图3所示，进一步将扁平铜管1b通过折弯工艺在导电体1的中段区域构造缓冲区13，缓冲区13为拱起的拱形，在本实施例中，缓冲区13为v型，扁平铜管1b折弯后构成折弯铜管 1c，v型缓冲区13的上表面为热交换接口131；在其他实施例中，上述v型缓冲区13可以在导电体1内部填充冷却介质121后再进行折弯构造，成型工艺步骤的调整不做限定。如图3、图4所示，将折弯铜管1c的第一端头14压实焊接密封，例如在压力下将第一端头14内部的空腔结构12压溃至内表面贴合再通过分子扩散焊将第一端头14构造成实心的、密封的状态，即压实焊接后第一端头14 区域的折弯铜管1c内壁面之间无缝隙地填充；进一步通过负压装置在折弯铜管 1c的第二端头15端面通过空腔结构12开口抽吸空腔结构12内容纳的空气，可选地，负压装置控制空腔结构12内的压力为-10kpa～-30kpa；进一步地往折弯铜管1c的空腔结构12内填充适量的冷却介质121，可选地，冷却介质121可以为液态相的丙酮或乙醇；进一步地将折弯铜管1c的第二端头15压实焊接密封，即压实焊接后第二端头
15区域的折弯铜管1c内壁面之间无缝隙地填充。进一步在第一端头14和第二端头15上加工出第一安装孔141和第二安装孔151，结合图 9所示，安装孔141、安装孔151用于同电池模块32的第一输出极321、第二输出极322机械地连接。应当理解的是，导电体1在中段区域折弯出v型缓冲区 13可以更好地吸收热胀冷缩造成的长度变量和缓冲机械应力。
79.如图7、图8所示，冷却装置22是基于珀尔帖原理构造的半导体制冷器；冷却装置22包括第一导线221、第二导线222、第一壳体223、第二壳体224、半导体组件225和密封剂226构成。第一壳体223和第二壳体224由高热导率的绝缘材料构造；例如第一壳体223和第二壳体224由氧化铝陶瓷构造而成，典型地，氧化铝陶瓷的热导率为30w/m.k，电阻系数大于10
14
ω.mm2/m。半导体组件 225包括多个n型半导体2251和多个p型半导体2252以及连接上述n型半导体 2251和p型半导体2252的多个铜金属片：第一铜金属片2253、第二铜金属片 2254、第三铜金属片2255、第四铜金属片2256、第五铜金属片2257，一组n型半导体2251和p型半导体2252构成一对热电偶，本实施例中，设置2对的热电偶，第一壳体223侧的第一铜金属片2253和第二铜金属片2254与第一壳体223 导热地连接，例如通过钎焊连接、或在第一铜金属片2253和第二铜金属片2254 与第一壳体223之间填充绝缘导热剂连接；第二壳体224侧的第三铜金属片 2255、第四铜金属片2256和第五铜金属片2257与第二壳体224导热地连接，例如通过钎焊连接、或在第三铜金属片2255、第四铜金属片2256和第五铜金属片 2257与第二壳体224之间填充绝缘导热剂连接；第一导线221、第二导线222 分别连接至处于外侧的第三铜金属片2255和第五铜金属片2257，使得与第一导线221、第二导线222电气地导通的多个n型半导体2251和多个p型半导体2252 以及连接上述n型半导体2251和p型半导体2252的多个铜金属片构成串联电路 (如图8所示)。在一些实施例中，第一壳体223和第二壳体224之间的缝隙由绝缘特性的密封剂226填充，从而避免半导体组件225暴露从而提升半导体组件 225对液体、电的耐干扰能力。在第一导线221、第二导线222两端施加电压，当第一导线221为负极、第二导线222为正极，第四铜金属片2256处电流将从 n型半导体2251通过第四铜金属片2256流向p型半导体2252，n型半导体2251 和p型半导体2252的接头会发生吸热进而导致铜金属片2256以及与其导热地连接的第二壳体224温度降低，即第二壳体224为制冷端；相反地，第一铜金属片 2253和第二铜金属片2254处电流将从p型半导体2252流向n型半导体2251，n 型半导体2251和p型半导体2252的接头会发生放热进而导致第一铜金属片2253 和第一铜金属片2254以及与其导热地连接的第一壳体223温度升高，即第一壳体223为散热端。
80.如图5、图6、图7所示，导电体1设置于v型缓冲区13开口朝下安装，即第一端头14和第二端头15处于低点、相比之下v型缓冲区13处于比第一端头 14和第二端头15更高的高点，v型缓冲区的13上的热交换接口131处于导电体 1的高点。冷却装置22安装于导电体1的热交换接口131，冷却装置22的第一壳体223与导电体1导热地连接，例如通过钎焊连接、或在冷却装置22的第一壳体223与导电体1之间填充导热结构胶23连接。绝缘层21覆盖在导电体1 的热交换接口131、第一端头14和第二端头15以外的区域，热交换接口131被冷却装置22绝缘地覆盖，在绝缘层21和冷却装置22共同遮蔽下，避免了导电体1在第一端头14和第二端头15以外区域的电气暴露。绝缘层21可以通过浸塑、喷塑或热缩套管等方式施加绝缘材料而制成。
81.如图6、图7、图9所示，汇流排2安装在电池模块32上，导电体1的第一端头14的第一
安装孔141和第二端头15的第二安装孔151分别与电池模块32 的第二输出极322、第一输出极321机械地连接，优选地，通过第二紧固件37 将导电体1的第一端头14和第二端头15压紧固定在电池模块32的第二输出极 322、第一输出极321，导电体1的第一端头14的下表面143和第二端头15的下表面153分别压紧地贴合第二输出极322、第一输出极321的上表面以实现充分的接触面积，进而实现良好的电连接；即便如此，导电体1的第一端头14、第二端头15与电池模块32的第二输出极322、第一输出极321的接触界面的电阻依然大于导电体1本体的其他区域电阻，因此电池模块32充放电操作期间传导电流产生的欧姆热致使导电体1的第一端头14、第二端头15的温度高于导电体1本体的其他区域(如缓冲区13)。安装在电池模块32上的状态为v型缓冲区13开口朝下安装，即第一端头14和第二端头15处于低点，相比之下v型缓冲区13处于比第一端头14和第二端头15更高的高点，冷却装置22处于汇流排 2的高点。在重力作用下液态相的冷却介质121会分别积聚在第一端头14和第二端头15处的内部空腔结构12的低点；电池模块32充放电操作期间传导电流产生的欧姆热使导电体1温度升高，例如导电体1处于约50℃，积聚在第一端头14和第二端头15处的内部空腔结构12的液态相的冷却介质121在导电体1 的空腔构12内部达到沸点，即冷却介质121从液态相转变为气态相，下文将冷却介质121从液态相转变为气态相的相变过程描述为“蒸发”，冷却介质121 蒸发过程会吸收导电体1的热量，由此避免导电体1温度进一步升高。其中，被加热的气态相的冷却介质121沿着导电体1的空腔结构12的壁面往高点流动，即气态相的冷却介质121沿着v型缓冲区13的内表面流动至热交换接口131下方表面132；已知构造导电体1的材料铜具有良好的热导率，蒸发过程出现的气态相的冷却介质121与热交换接口131下方表面132热交换，并进一步地热交换接口131通过冷却装置22将上述气态相的冷却介质121的热量导走，气态相的冷却介质121被冷却而凝结且由此重新转变为液态相，进一步地借助于经由毛细管结构11生成的毛细作用和重力作用下将液态相的冷却介质121吸引回流至导电体1的第一端头14、第二端头15处的内部空腔结构12的低点，回流至导电体1的第一端头14、第二端头15处的内部空腔结构12低点的液态相的冷却介质121再次蒸发并吸收导电体1的热量，由此冷却介质121在液态相和气态相之间转换循环并持续冷却导电体1，进而维持导电体1处于合适的温度范围。
82.如图9、图10、图11、图12和图13所示，电池包3包含箱体31、多个电池模块32、电气接口33、控制模块34、汇流排2、散热装置。
83.每个电池模块32分别设有一个第一输出极321和一个第二输出极322，容易理解的是，第一输出极321可以是正极、第一输出极321也可以是负极。多个电池模块32通过汇流排2电气地连接，即汇流排2的导电体1的第一端头14 的安装孔141和第二端头15的安装孔151与分别电池模块32的第二输出极322、第一输出极321机械地连接，优选地，通过紧固件37分别将导电体1的第一端头14和第二端头15压紧固定在电池模块32的第二输出极322、第一输出极321，导电体1的第一端头14的下表面143和第二端头15的下表面153分别压紧地贴合第二输出极322、第一输出极321的上表面以实现充分的接触面积，进而实现良好的电连接。多个电池模块32通过导电组件35电气地连接至控制模块34，电池模块32通过第一紧固件36与箱体31进行连接；导电组件35可以基于汇流排2相同的原理构造；控制模块34可包含电池配电单元(bdu)和电池管理系统 (bms)，控制模块34电气地连接电气接口33并由此实现电池包3与外部设备进行充放电操作。控制模块34可通过导体341电气地连接至汇流排2的冷却
装置22的导线221和导线222，从而控制冷却装置22工作，进而将汇流排2的导电体1产生的热量有效地导出。优选地，控制模块34内部的电池管理系统(bms) 通过传感器监控汇流排2的温度和或通过汇流排2的电流，并据此控制冷却装置 22工作功率进而调节汇流排2的温度在合适范围，或者电池管理系统(bms)根据预见的充电电流控制冷却装置22工作功率从而预调节汇流排2的温度进而达成更优的充电时间。
84.散热装置与汇流排2的冷却装置22通过导热介质24导热地连接，散热装置 38或散热装置39将汇流排2的冷却装置22导出的热量有效转移，进而维持汇流排2处于合适的温度范围。散热装置可以是通过已知的风冷、液冷、相变冷却等方式将汇流排2导出的热量有效转移。
85.如图9、图10所示，在一个实施例中，散热装置为冷却板38，可以通过液冷、相变冷却等方式散热，散热装置38设有第一外壁面381、第二外壁面382 和流道383，冷却液或者冷媒在流道383内流动同时与第一外壁面381、第二外壁面382热交换，外壁面382通过导热介质24与冷却装置22的第一壳体223 传热从而将冷却装置22导出的热量有效转移。可选地，控制模块34内部的电池管理系统(bms)可以控制冷却液或者冷媒的温度以及冷却液或者冷媒在流道383 内流动速度从而控制散热装置的散热效率进而调节汇流排2处在预期的温度。
86.如图11、图12所示，在另一个实施例中，散热装置为散热片39，可以通过连接外部风道、风机采用风冷方式散热，散热片39设有导热面391和多个散热翅片392，多个散热翅片392增加了与空气的对流换热面积，导热面391通过导热介质24与冷却装置22的第一壳体223传热再将热量通过散热翅片392传递至空气从而将冷却装置22导出的热量有效转移。优选地，控制模块34内部的电池管理系统(bms)可以控制流过散热翅片392的空气的温度和流速从而控制散热装置的散热效率进而调节汇流排2处在预期的温度。容易理解的是，风速通过风机转速进行调节，流过散热翅片392的空气温度可通过调节设在风机前或后的热交换器进行调节。箱体31用于容纳固定上述电池模块32、控制模块34、电气接口33、汇流排2、散热装置并提供需要的防护功能。
87.通过以上描述本领域的技术人员可以得到以下预期效果：
88.汇流排2的导电体1基于热管原理将热量转移至热交换接口131，热管传热相比金属导热有更高的热导率，有利于相对温度更高的导电体1的第一端头14、第二端头15的冷却；并通过冷却装置22绝缘地冷却热交换接口131，导电体1 内的冷却介质121在液态相和气态相之间转换循环并持续冷却导电体1，进而维持导电体1处于合适的温度范围；进一步通过散热装置将汇流排2的冷却装置 22导出的热量有效转移，进而维持汇流排2处于合适的温度范围。上述热量转移过程冷却装置22与导电体1导热地连接且电气绝缘地运行，散热装置与冷却装置22导热地连接且电气绝缘地运行，从而实现通过散热装置同时冷却电池包 3内的多个汇流排2而不需要附加的电气隔离措施。
89.汇流排2的冷却装置22通过半导体制冷原理冷却导电体1，冷却装置22的第二壳体224(制冷端)可以制造与导电体1更大的温差，从而提高冷却装置22 与导电体1的传热功率，冷却的及时性得以实现。
90.汇流排2的冷却功能和散热装置的作用下降低了汇流排2的温度，从而使得减小汇流排2的导流截面积、采用轻量化低成本的铝代替铜作为导电材料具有工程可行性，进一步
提升快充性能、使电池包轻量化并降低成本。
91.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。