本實用新型總體涉及電動車輛，并且更具體地，涉及向電動車輛的電池組提供底盤(undercarriage)保護的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

響應于由日益升高的燃油價格和全球變暖的可怕后果所帶來的消費者的需求，汽車行業(yè)緩慢地開始接受超低排放、高效率汽車的需求。盡管在該行業(yè)中的一些人嘗試通過建造更有效的內(nèi)燃機而實現(xiàn)這些目的，然而其他人將混合動力或者全電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合至其車輛系列。然而為了滿足消費者預期，汽車行業(yè)必須不僅僅實現(xiàn)更綠色的驅(qū)動系統(tǒng)，還必須在這樣做的同時保持合理水平的性能、行程、可靠性和成本。

近年來，已經(jīng)有若干電池組(容納在筆記本電腦中的電池組或者車輛中使用的電池組)著火的事故。因此，影響混合動力和全電驅(qū)動車輛的消費者信心的一個主要問題是電池組著火的風險。

與不可充電電池相比，可充電電池由于其化學性質(zhì)易于相對不穩(wěn)定和更傾向于熱逸潰(thermal runaway)。當電池內(nèi)的反應速度增大到這樣的程度從而其產(chǎn)生的熱量多于能散發(fā)的熱量時，發(fā)生熱逸潰。如果反應速度和熱量產(chǎn)生不減弱的話，最終產(chǎn)生的熱量變得足夠多，引起電池和電池附近材料燃燒。通常電池熱逸潰是由于以下原因引起的：電池短路、不正確使用或物理損壞導致的損害、制造缺陷或電池暴露至極端溫度。

混合動力和電動車輛(EV)制造商使用多種技術(shù)以保護其電池組免受由于道路碎片或車輛碰撞所引起的可能損害。例如，在使用相對小的電池組的車輛(諸如混合動力車輛)中，可通過將電池組放置在后艙室(rear trunk)內(nèi)，在后座后面，在前座下或在另外的相對保護良好的位置而保護電池組。使用大電池組的車輛通常必須將電池組安裝在車下。為了保護這樣的電池組，可在道路表面和電池組底部之間設(shè)置防護板，如在2012年10月16日授權(quán)的美國專利第8,286,743號和2013年3月12日授權(quán)的美國專利第 8,393,427號中所公開的。

盡管現(xiàn)有技術(shù)示教了能將電池組置于汽車的相對保護區(qū)域中或者另外地保護電池組免受潛在損害的多種安裝技術(shù)，然而考慮到災難性電池事故的嚴重后果，需要用于保護底盤安裝電池組的進一步技術(shù)。本實用新型提供這樣的保護系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種用于電動車輛的電池組保護系統(tǒng)，其中電池組被安裝在汽車下。所述系統(tǒng)使用多個可變形冷卻管道，該多個可變形冷卻管道被設(shè)置在電池組內(nèi)的電池的每個的下表面和下電池組封裝板之間，且絕熱體被布置在所述管道和下封裝板之間。所述絕熱體可包括絕熱材料(例如，空氣)的層，優(yōu)選地絕熱材料的導熱系數(shù)在25攝氏度時小于1.0Wm^-1K^-1，且更優(yōu)選地，導熱系數(shù)在25攝氏度時小于0.2Wm^-1K^-1。電池組可還包括與所述多個可變形冷卻管道的每個相接觸的導熱材料層，例如，該層被布置在所述冷卻管道和所述絕熱體之間，且與所述冷卻管道的每個的下表面相接觸。

所述冷卻管道被配置成在物體撞擊所述下電池組封裝板的下表面時變形和吸收沖擊能量，所述冷卻管道包括可使用圓形或非圓形橫截面的一個或多個冷卻劑通道。在所述冷卻劑通道內(nèi)流動的冷卻劑在與下電池組封裝板基本平行的平面內(nèi)流動?？墒褂脠A柱形電池，例如，電池使用18650形狀因子，并被定位在電池組中，使得每個電池的圓柱軸線基本垂直于下電池組封裝板?？勺冃卫鋮s管道可由塑料聚合物材料(例如，聚乙烯、聚丙烯等)制成，并且下電池組封裝板可由金屬(例如，鋁、鋼等)制成。

在另一方面，防護板可被安裝在所述電動車輛下并在所述電池組下，從而提供額外的電池組保護。防護板通常由金屬或高密度塑料制成，防護板被安裝成與電池組封裝的底部相距一定距離(例如，在1至15厘米之間)。諸如開孔或閉孔泡沫塑料或開孔或閉孔海綿的可壓縮材料的層可被布置在電池組和防護板之間。

通過參照說明書的其余部分以及附圖可進一步理解本實用新型的實質(zhì)和優(yōu)點。

附圖說明

圖1提供了電池組和其所安裝的車輛底架的透視圖；

圖2提供了圖1中所示的電池組的一部分的剖視圖；

圖3示出了適用于本實用新型的電池組可變形冷卻管道的示例性冷卻系統(tǒng)；

圖4示出了適用于本實用新型的電池組可變形冷卻管道的另一示例性冷卻系統(tǒng)；

圖5示出了圖3中所示的示例性冷卻系統(tǒng)，其中電池組內(nèi)的冷卻管道配置不同；

圖6提供了在物體撞擊電池組封裝的底部之后，圖2中所示的電池組部分的剖視圖；

圖7提供了圖2中所示的電池組部分的剖視圖，其中包括在冷卻管道和電池組封裝之間的空氣間隙；

圖8提供了圖2中所示的電池組部分的剖視圖，其中包括設(shè)置在冷卻管道和電池組封裝之間的絕熱材料層；

圖9提供了圖7中所示的電池組部分的剖視圖，其中包括與冷卻管道的下表面相接觸的導熱材料板片；

圖10提供了圖8中所示的電池組部分的剖視圖，其中包括與冷卻管道的下表面相接觸的導熱材料板片；

圖11提供了圖7所示的電池組部分的剖視圖，具有可變形冷卻管道的可選配置；

圖12提供了圖7中所示的電池組部分的剖視圖，具有可變形冷卻管道的可選配置；

圖13提供了圖7中所示的電池組部分的剖視圖，具有可變形冷卻管道的可選配置；

圖14提供了圖13中所示的電池組部分的剖視圖，其中增加了下防護板；并且

圖15提供了圖14中所示的電池組部分的剖視圖，其中增加了被布置在電池組下板和防護板之間的可壓縮層。

具體實施方式

在下文中，術(shù)語“蓄電池”、“電池”、“蓄電池單元”可互換地使用，并 且可指多種不同電池配置和化學電池中的任一種。常規(guī)的化學電池包括但不限于，鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、鎳金屬氫電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池和銀鋅電池。術(shù)語“電池組”和“電池組封裝(enclosure)”可互換使用并且指封裝，其容納有電互連以實現(xiàn)預期電壓和容量的一個或多個電池。這里使用的術(shù)語“電動車輛”可指全電動車輛(也被稱為EV)、插電式混合動力車輛(也被稱為PHEV)或混合動力車輛(也被稱為HEV)，其中混合動力車輛使用多個推進源，包括電驅(qū)動系統(tǒng)。

圖1提供了被配置成安裝在車輛底架(chassis)103下面的電池組101的透視圖。應理解，本實用新型不限于特定的電池組安裝方式、電池組尺寸或電池組配置。

圖2提供了電池組101的一部分的剖視圖。為了清楚起見，在視圖中沒有包括電池相互連接件和電池支架。圖2中可見上電池封裝板201的一部分、下電池封裝板203的一部分和多個電池205。應注意在該視圖中沒有示出封裝側(cè)板。電池205優(yōu)選地是圓柱形電池，例如使用18650形狀因子的電池，并且被定位在電池組內(nèi)，使得圓柱形的軸線(即，圓柱軸線)基本垂直于下封裝板203和道路表面兩者。介于各圓柱形電池205的底部和下板203之間的是多個可變形冷卻管道207，液體冷卻劑(即傳熱介質(zhì))被泵送通過該冷卻管道207。如圖所示，在優(yōu)選實施例中，冷卻管道207與下板203相對齊，使得通道209內(nèi)的冷卻劑在與圓柱形電池的軸線基本垂直的方向上流動。通過調(diào)節(jié)管道207內(nèi)的冷卻劑流動和/或調(diào)節(jié)從冷卻劑至另一溫度控制系統(tǒng)的傳熱，可調(diào)節(jié)電池205的溫度，使得電池被保持在其優(yōu)選工作范圍內(nèi)。

圖3和4示出了連接至冷卻管道207的示例性冷卻系統(tǒng)。在圖3所示的系統(tǒng)300中，使用泵303將管道207內(nèi)的冷卻劑泵送通過散熱器301。鼓風風扇305可用于推動使空氣通過扇熱器301，以確保汽車靜止時的冷卻。在圖4所示的系統(tǒng)400中，管道207內(nèi)的冷卻劑經(jīng)由熱交換器403而耦合到熱管理系統(tǒng)401。優(yōu)選地，熱管理系統(tǒng)401是制冷系統(tǒng)且因此包括壓縮機405和冷凝器409，壓縮機405將制冷劑管線407中的低溫蒸氣壓縮成高溫蒸氣，且在冷凝器409中，一部分儲熱被散發(fā)。在流過冷凝器409后，制冷劑從蒸氣相變成液體，該液體所保持的溫度在常壓的飽和溫度之下。制冷劑然后流過干燥器411，其從冷凝的制冷劑中去除水汽。在干燥器411之后，制冷劑管線407經(jīng)由熱膨脹閥413而連接到熱交換器403，該熱膨脹閥413控制制 冷劑進入熱交換器403的流速。另外，在所示的系統(tǒng)中，鼓風風扇215與冷凝器409結(jié)合使用，以提高系統(tǒng)效率。應理解，電池組冷卻劑管道207可連接至其它冷卻/熱管理系統(tǒng)，并且圖3和4中所示的冷卻系統(tǒng)僅旨在示出用于與本實用新型的管道一起使用的一些常用配置。另外，圖3和圖4中所示的冷卻管道207的幾何形狀僅僅旨在示出一種可能的配置。例如，圖5示出了圖3的冷卻系統(tǒng)，其具有在電池組101內(nèi)的不同管道配置，其使用了冷卻劑歧管。本實用新型也可使用其它配置，假如管道被置于電池205和下封裝板203之間，如上所述和所示。

冷卻管道207用作雙重目的。第一，在車輛和電池的正常工作過程中，管道207內(nèi)的冷卻劑將熱量從電池205帶走，從而允許電池的溫度被保持在優(yōu)選的工作范圍內(nèi)。第二，在其中諸如道路碎片的物體從車輛下方撞擊電池組101的底板203的非正常事件中，管道207通過管道變形吸收能量而防止對電池組的災難性損害。如圖6所示，當車輛下方的物體在601的方向上被推動向上時，該物體使得底部封裝板203變形，以及使得撞擊區(qū)域內(nèi)的管道207的這些部分變形。由于撞擊區(qū)域內(nèi)的下板203和管道變形，能量被吸收。如果通過該過程吸收了足夠的能量，則在該撞擊區(qū)域內(nèi)對電池205的損害被顯著地限制，從而潛在地避免了熱逸潰事件。優(yōu)選地，管道207由聚乙烯或類似材料制成，其能嚴重變形而不開裂或破裂。另外，通過選擇不導電冷卻劑，如果在變形時管道開裂或破裂，釋放的冷卻劑不會在電池組內(nèi)造成短路。

應理解，冷卻系統(tǒng)的熱效率以及由冷卻管道所提供的保護程度可容易地調(diào)整以滿足特定車輛的設(shè)計要求。例如，在大多數(shù)應用中，冷卻管道207由導熱材料制成，從而確保從電池205至電池熱管理系統(tǒng)的傳熱效率。然而，如本實用新型已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通常希望限制冷卻管道207和電池組封裝板203之間的傳熱，在優(yōu)選實施例中，在管道和電池組封裝之間增加了一層或多層絕熱體。例如，在圖7所示的實施例中，通過在冷卻管道207和電池組封裝板203之間設(shè)置空氣間隙701而限制兩種結(jié)構(gòu)之間的傳熱。在該實施例中，支座(stand-off)703幫助確保電池組結(jié)構(gòu)的機械強度，同時仍維持充足的空氣間隙701，以將傳熱限制至可接受的水平。優(yōu)選地，支座703由低導熱系數(shù)的材料制成，例如在25攝氏度時低于1.0Wm^-1K^-1，并且更優(yōu)選地，在25攝氏度時低于0.2Wm^-1K^-1。支座可與板203一體形成，與管道207一體形成(例如，與用于制造冷卻管道207的相同擠壓成型加工中擠壓成型)，或者 獨立于板203和管道207。使用空氣間隙701以將管道與下封裝板間隔開以及使支座703的數(shù)量最小化的優(yōu)點在于，當物體撞擊板203的下表面時，板甚至在撞擊可變形冷卻管道207之前變形，從而加強了對電池205的保護。

在圖8所示的實施例中，空氣間隙701已經(jīng)被一層801絕熱材料替代，層801優(yōu)選地在25攝氏度時具有低于1.0Wm^-1K^-1的導熱系數(shù)，并且更優(yōu)選地，在25攝氏度時具有低于0.2Wm^-1K^-1的導熱系數(shù)。在一種配置中，層801由可變形材料形成，從而允許在撞擊管道207之前一定程度的封裝板變形。

圖9和圖10分別示出了圖7和圖8所示的配置的變形。在這些實施例中，導熱材料層901(諸如鋁板片)被設(shè)置成與各冷卻管道207的下表面接觸。層901在冷卻管道之間傳熱，從而例如在一個電池開始運行的溫度高于周圍電池時幫助防止局部升溫，即熱點。在圖9所示的實施例中，層901通過空氣間隙701與封裝板203絕熱，而在圖10所示的實施例中，板片901通過低導熱系數(shù)板片801與封裝板203絕熱。

除了通過在冷卻管道和電池組封裝之間增加一層或多層絕熱和/或?qū)岵牧弦愿淖冸姵亟M的熱特性以外，應理解，冷卻管道的配置也可被調(diào)整以滿足特定車輛的設(shè)計要求。例如且如圖11所示，通過增加管道的深度，且從而增加下封裝板203和電池205之間的分離距離，提供了更大的管道變形區(qū)域。更大的管道變形區(qū)域進而允許撞擊電池組的底部的物體在電池被損壞之前使板203和管道1101變形程度大得多。另外，由于管道1101內(nèi)的通道1103的更大內(nèi)直徑，在受影響的管道內(nèi)的冷卻劑流動完全停止之前，可產(chǎn)生更大程度的管道變形。該方法的附加優(yōu)點在于管道1101內(nèi)的更大通道提供了更大的冷卻能力。

圖12示出了本實用新型的另一實施例，其中每個管道1203內(nèi)的通道1201數(shù)量增加且每個通道的形狀被改變成圓柱形。結(jié)果，管道的壓縮強度增加，得到較難變形的結(jié)構(gòu)。同時，給定接近每個電池205的通道尺寸以及通道數(shù)量，在變形事件(即，與物體撞擊)過程中，對于任何特定電池來說，較不可能全部冷卻終結(jié)。

圖13示出了本實用新型的另一實施例。在該實施例中，每個管道1301的角以及管道內(nèi)的每個通道1303的角是圓形的。因此，保持了與電池結(jié)構(gòu)接觸的大管道表面積，同時還實現(xiàn)了在變形過程中較不可能破裂的管道。

如上所述，本實用新型的底盤撞擊緩沖區(qū)可被調(diào)整以滿足特定車輛設(shè)計 的具體要求。因此，與其中電池組較少暴露或較不可能碰到道路碎片的車輛相比，其中電池組較多暴露(例如由于在車輛下的低安裝位置)或者其中電池組更可能碰到道路碎片(例如在運動型多用途車(SUV)中)的車輛可被提供有更多的保護。撞擊緩沖區(qū)的特征可被改變以實現(xiàn)期望的特性，該特征包括每個管道的通道數(shù)量，管道的寬度和高度，每個通道的橫截面形狀和尺寸，每個管道的橫截面形狀和尺寸，管道壁厚(即，將通道從外管道壁分離的壁厚)，管道材料，下封裝板厚，和下封裝板材料。優(yōu)選地，可變形冷卻管道由塑料聚合物形成，諸如聚乙烯或聚丙烯。如果希望，可對材料進行處理以提高導熱性，同時仍保持其不導電特性。下封裝板優(yōu)選地由金屬(諸如鋁或鋼)制成，然而也可使用其它材料(例如，絕熱復合材料)。

在至少一個實施例中并且如圖14所示，通過包括在下電池封裝板203和道路表面(未示出)之間安裝的防護板(ballistic shield)1401而改進底盤撞擊緩沖區(qū)的性能。防護板1401在道路碎片或其它物體撞擊板203的外表面之前吸收來自這些物體的一些沖擊能量。此外，通過如在優(yōu)選實施例中所示將防護板1401與板203間隔開一定距離，在撞擊過程中防護板1401較不可能被驅(qū)動進入下封裝板。因此，盡管防護板1401可被安裝至板203并與板203接觸，優(yōu)選地，其與板203間隔開在1-15厘米之間的距離。防護板1401可由金屬(例如鋁)制成，盡管優(yōu)選地使用重量較輕的材料(諸如高密度塑料)以減輕車輛重量。

圖15示出了圖14所示的實施例的變形。在所示的實施例中，可壓縮材料層1501被布置在防護板1401和下封裝板203之間，以有助于撞擊能量吸收。優(yōu)選地，層1501由開孔或閉孔海綿或泡沫塑料制成，例如由硅樹脂或聚氨酯制成，其它類似的低密度材料也可用于層1501。應理解，盡管圖11-15所示的實施例使用了圖7所示的配置作為下層結(jié)構(gòu)，這些實施例也可使用諸如圖8中所示的絕熱材料層，或如圖9和10中所示的絕熱材料層和被設(shè)置成與每個冷卻管道的下表面相接觸的導熱層。

應理解，附圖僅旨在示意而非限制本實用新型的范圍，并且不應被認為是按比例的。

已經(jīng)總體地描述了系統(tǒng)和方法，以有助于理解本實用新型的細節(jié)。在一些情況下，沒有具體地示出或詳細的描述公知的結(jié)構(gòu)、材料和/或操作，以避免使本實用新型的多個方面不清楚。在其它情況下，已經(jīng)給出了具體細節(jié)， 已提供對本實用新型的徹底理解。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應理解，本實用新型可實現(xiàn)為其它特定形式，例如為了適應特定系統(tǒng)或設(shè)備或條件或材料或部件，而不偏離本實用新型的本質(zhì)或?qū)嵸|(zhì)性特征。因此，這里的公開和描述旨在是本實用新型的范圍的示例，而不是限制。