具有集成热管理系统的电池模组组件及电池管理系统

摘要

本发明公开了一种具有集成热管理系统的电池模组组件，其包括电池模组；所述电池模组组件还包括：集成底板，所述电池模组设于该集成底板上，所述集成底板内设有靠近集成底板上表面的第一型腔和第二型腔，其中第一型腔为冷却流道，第二型腔内设有陶瓷加热器，所述冷却流道内用于流通冷却介质。此外，本发明还公开了一种电池管理系统，其包括若干个本发明所述的电池模组组件，其中若干个电池模组串联连接在主电气回路中，各电池模组对应的集成底板内的陶瓷加热器彼此并联连接后连接在主电气回路中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池模组组件，尤其涉及一种具有集成热管理系统的电池模组组件。

背景技术

近年来，随着国家和车企对新能源汽车的重视程度逐渐提高，规模各异的新能源工厂也不断落成，新能源电动汽车的产量也有了显著提升。

目前，新能源电动汽车的发展受到人们的广泛关注，而作为动力电池作为电动汽车的心脏更是电动汽车研究的重点。由于动力电池系统所处环境及自身温度会直接影响其正常运行、循环寿命、充电可接受性、输出功率、可用能量、安全性和可靠性。

因此，为了使电池系统达到最佳的性能和寿命，常常需要引入热管理系统对电池进行低温加热、高温散热，从而实现电池组温度均匀化，以保证电池工作在适宜的温度范围内，降低电池性能衰减速度并消除相关的潜在安全风险。通过热管理系统对温度的调节和控制，使动力电池在运行过程中始终保持在合适的温度范围，对提高动力电池系统的性能和效率，延长其使用寿命，降低车辆的成本，保障电动汽车的使用安全等方面都有重要的现实意义。

在现有的技术方案中，常用的热管理系统加热冷却方式有风冷和水冷。其中，风冷热管理方式相对来说比较容易实现，但其冷却散热效果有限，在低温工况下加热效果也不理想。

因此，目前市场上纯电动汽车所采用的主流热管理方式为液冷，液冷能够满足高倍率充放电、低温快速加热等复杂工况下的热管理要求。

现有的液冷热管理系统主要包括：液冷管路、液冷板、水加热器、冷却板支撑结构、泵、阀等零部件，加热与冷却都是通过铝合金液冷板与电芯模组进行换热来实现。在现有技术中，液冷热管理系统的具体实现过程为：在加热需求下，水加热器收到来自电池管理系统的加热需求，水加热器可以对水进行加热并对进入电池系统的入水口温度进行控制，同时水泵对进入电池系统的水流量进行控制，高温水通过铝流道板对电芯模组进行换热，直到达到设定的温度要求；在冷却需求下，开启整车空调和电子泵，泵对电池系统进水口流量进行控制，冷却水同样也是通过铝流道板对电池模组进行换热，直到达到设定的温度要求。

然而，需要注意的是，现有技术中的液冷热管理设计方案通常均具有以下几点缺陷：

(1)电池系统液冷板独立于下壳体零部件存在，占用电池包Z()方向空间，且液冷板不能承重，下壳体需要额外的承重结构实现。

(2)水加热器成本高，故障率高，加热过程较为复杂，加热器产生的热量通过循环水路传递至铝合金冷却板，进而传递至电芯，存在一定的能量损失加热效率低。

(3)由于电池系统在运行过程中，电池系统内部各个部位发热量和散热条件不同，导致电池系统内部各个温度点的升温梯度和降温梯度不同，即有的地方升温比较快，有的地方降温比较快，导致系统内部温差较大，影响电池系统的使用寿命。

(4)传统热管理系统通用性差，针对特定气候特定区域热管理需求需要重新开发特定的热管理系统，开发周期长，成本高。

由此可见，现有技术中的液冷热管理设计方案仍然存在诸多的不足之处，因此，为了解决以上现有技术中的问题，本发明期望获得一种具有集成热管理系统的电池模组组件及电池管理系统，该电池模组组件通过采用合理的设计，可以在控制生产成本的同时获得很高的集成度，其可靠性高且控制策略和控制逻辑相对简单其，不仅具有较高的加热效率，还具有很好的环境适应性和通用性好。该电池模组组件可以有效应用于新能源电动汽车生产领域中，具有良好的推广前景和应用价值。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有集成热管理系统的电池模组组件，通过采用合理的设计，可以在控制生产成本的同时获得很高的集成度，其可靠性高且控制策略和控制逻辑相对简单其，不仅具有较高的加热效率，还具有很好的环境适应性和通用性好。

该电池模组组件的可靠性高且使用寿命长，其可以有效应用于新能源电动汽车生产领域中，具有良好的推广前景和应用价值。

为了实现上述目的，本发明提出了一种具有集成热管理系统的电池模组组件，其包括电池模组；所述电池模组组件还包括：集成底板，所述电池模组设于该集成底板上，所述集成底板内设有靠近集成底板上表面的第一型腔和第二型腔，其中所述第一型腔为冷却流道，所述第二型腔内设有陶瓷加热器，所述冷却流道内用于流通冷却介质。

在本发明上述的技术方案中，与传统电池模组组件相比，本发明取消了整车端水加热器，并采用了将陶瓷加热器直接继承于电池模组组件中的设计。

需要说明的是，在本发明所述的电池模组组件中，加热流程和冷却流程是两套单独的系统，电池模组的加热方式可以由陶瓷加热器直接加热与电池模组相接触的集成底板。与传统方式的水加热器先加热介质水，再利用水循环将电池模组加热的技术方案相比，本发明采用的这种加热方式的热传递路径短，加热效率高，能量损失小且可靠性高。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述集成底板内还设有第三型腔，所述第三型腔设于第一型腔和第二型腔的下方，所述第三型腔内填充有保温隔热材料。

在本发明上述技术方案中，在第三型腔内填充保温隔热材料，不仅可以减少电池模组有效冷却和有效加热的热量损失，还可以通过保温隔热材料的弹性特征，起到一部分隔音降噪的功能。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述第三型腔内设有加强筋。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述加强筋在第三型腔内对角设置，以将每一个第三型腔分隔为截面为三角形的两个型腔。

在本发明上述技术方案中，本发明所述的第三型腔内设置有的加强筋，加强筋可以在第三型腔内对角设置，从而将每一个第三型腔分隔为截面为三角形的两个型腔，稳固的三角形腔体可以提供可靠的强度和刚度，能够有效保证集成底板的性能及安全性。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述陶瓷加热器与第二型腔的内壁之间填充有密封胶。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述集成底板上设有冷却介质接口，其与所述冷却流道连通。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述集成底板的上表面和电池模组之间设有导热垫片。

进一步地，在本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中，所述陶瓷加热器具有温度传感器。

在本发明上述技术方案中，温度传感器可以有效监测陶瓷加热器的温度，以方便操作人员对陶瓷加热器自控温度的安全控制和加热策略的灵活制定。

此外，本发明的另一目的在于提供一种电池管理系统，该电池管理系统的全天候、全地域适应性强，其可以有效应用于新能源电动汽车中。对于全天候、全地域运行的新能源电动汽车来说，既有加热又有冷却的电池管理系统可以满足客户全方位的使用要求。

为了实现上述目的，本发明提出了一种电池管理系统，其包括若干个本发明上述的电池模组组件，其中若干个电池模组串联连接在主电气回路中，各电池模组对应的集成底板内的陶瓷加热器彼此并联连接后连接在主电气回路中。

进一步地，在本发明所述的电池管理系统中，所述主电气回路中设有主正继电器、主负继电器、预充继电器和预充电阻，其中主正继电器和主负继电器串联连接在电气回路中，以控制电气回路的通断；所述预充继电器与预充电阻串联连接后与主正继电器并联连接；若干个彼此并联连接的陶瓷加热器通过加热继电器和加热熔断器连接在主电气回路中。

本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件及电池管理系统相较于现有技术具有如下所述的优点和有益效果：

在本发明所述的电池模组组件中，采用了合理的设计，其集成底板设计成型腔结构，一部分型腔可以形成水流通道用于电池模组的冷却，另一部分型腔可以填充陶瓷加热器用于电池模组的加热。电池模组组件的集成底板的集成度高，其可以为电池模组提供了更多的空间存放电芯，从而提高整车续航。同时这种集成式设计方案不仅可以提高电池模组的空间利用率，还可以降低生产成本。此外，在本发明所述的电池模组组件中，取消了与冷却板相连的整车端水加热器，从而大大降低了成本。

本发明所述的电池模组组件所采用的加热方式是由陶瓷加热器直接加热与电池模组相接触的集成底板。与传统方式的水加热器先加热介质水，再利用水循环将电池模组加热的技术方案相比，本发明采用的这种加热方式的热传递路径短，加热效率高，能量损失小且可靠性高。

本发明所述的电池模组组件可以根据电池模组内部不同的温升梯度，在各部位设置不同的加热功率，保证整个电池模组的内部温差，提高电池模组寿命。

相应地，本发明所述的电池管理系统中包括若干个电池模组组件，可以满足纯电动汽车对于特定区域、特定气候的运行需求，其可以根据电动汽车目标客户选择适合的热管理功能，而不用重新开发一种电池模组或者热管理系统，可以大大提高开发效率、节省开发成本。

附图说明

图1为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下的结构爆炸图。

图2为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下集成加热器和集成底板的装配结构的示意图。

图3为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下集成加热器和集成底板的装配结构的剖面示意图。

图4为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下的集成底板的结构示意图。

图5为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下集成加热器和集成底板的装配结构的爆炸图。

图6示意性地显示了本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下第二型腔内的陶瓷加热器的结构示意图。

图7为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下加热线走线槽的结构示意图。

图8示意性地显示了本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件的电气原理图。

图9示意性地显示了本发明所述的电池管理系统的热管理加热控制策略图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件及电池管理系统做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

图1为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下的结构爆炸图。

如图1所示，在本实施方式中，本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件可以包括：上壳体1、冷却管道2、加热线束3、加热线束走线槽4、电池模组5、集成底板6和下壳体7。

在本发明中，本发明所述的冷却管道2可以包括管道201和管道202；加热线束3可以包括有线束301和线束302；加热线束走线槽4可以包括有走线槽401和走线槽402。其中，在本实施方式中，管道201和管道202中流通有冷却介质，线束301和线束302可以分别对应设置于走线槽401和走线槽402中。

图2为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下集成加热器和集成底板的装配结构的示意图。

图3为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下集成加热器和集成底板的装配结构的剖面示意图。

如图2和图3所示，在本实施方式中，本发明所述的集成底板6可以采用型腔结构，其可以通过一体挤压成型，工艺简单且生产效率高。

需要说明的是，在本实施方式中，本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件中的电池模组5设置于集成底板6上，电池模组5和集成底板6之间可以设置有导热垫片8，集成底板6内设有靠近集成底板6上表面的第一型腔609和第二型腔606，其中第一型腔609可以为冷却流道，以用于流通冷却介质，第二型腔606内可以设有陶瓷加热器，陶瓷加热器可以用于加热集成底板6。

进一步参阅图3可见，电池模组5可以通过拉铆凸台螺母607固定在集成底板6上，集成底板6上还设有冷却介质接口602，在集成底板6的第一型腔609两侧可以采用焊接的方式将冷却流道堵块603与集成底板6连接，冷却流道堵块603可以堵住冷却流道两端端口，防止冷却介质留出。相应地，在第二型腔606两侧可以通过填充密封胶604，以保证陶瓷加热器的密封。

此外，在本实施方式中，集成底板6内还设有第三型腔，第三型腔可以设于第一型腔609和第二型腔606的下方，其内可以填充有保温隔热材料，其不仅可以减少电池模组5有效冷却和有效加热的热量损失，还可以通过保温隔热材料的弹性特征，起到一部分隔音降噪的功能。

相应地，在第三型腔内还设置有加强筋608，加强筋608可以在第三型腔605内对角设置，从而将每一个第三型腔605分隔为截面为三角形的两个型腔605，稳固的三角形腔体605可以提供可靠的强度和刚度，能够有效保证集成底板6的性能及安全性。

图4为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下的集成底板的结构示意图。

如图4所示，同时结合参考图2，在本实施方式中，集成底板6上还设有冷却介质接口602，冷却介质接口602可以与冷却管道2连通，以使冷却管道2中的冷却介质可以进入冷却介质接口602中。其中，在本发明中，冷却介质接口602与集成底板6可以通过钎焊或者熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)连接为一体。

电池模组5可以通过拉铆凸台螺母607固定在集成底板6上，拉铆凸台螺母607的凸台厚度可以设计为1mm-1.5mm，可以通过设置不同凸台厚度，控制导热垫片8(如图5所示)压缩后的尺寸，从而更好的实现电池模组5底部与导热垫片8的贴合，达到更好的散热或加热效果。

需要说明的是，在本发明中，集成底板6的第一型腔609可以形成冷却流道用于电池模组5的冷却；集成底板6的第二型腔606内设有陶瓷加热器用于电池模组5的加热，此时电池模组5的冷却和加热功能在同一个集成底板6上基础层，却又相互独立互不影响。这种集成设计能够为电池模组5在竖向方向上提供了更多的空间存放电芯，从而提高整车续航。同时，这种方案还可以有效提高了电池模组5的空间利用率，从而降低生产成本。

图5为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下集成加热器和集成底板的装配结构的爆炸图。

如图5所示，在本实施方式中，本发明所述电池模组组件的集成底板6的上表面和电池模组5之间还设置有导热垫片8。其中，导热垫片8具有十分良好的导热性，以有效传递集成底板6和电池模组5之间的热量。

需要说明的是，在本发明中，电池模组组件的加热热量传递路径可以为：陶瓷加热器606→集成底板6→导热垫片8→电池模组5，即可以通过陶瓷加热器606直接加热集成底板6，集成底板6的热量可以先传递给导热垫片8，而后又由导热垫片8传递给电池模组5，这种加热方式加热效率能达到0.5℃/min-1.0℃/min。

与之不同的是，传统现有技术中电池模组组件的加热和冷却的热量传递路径通常为：水加热器→水和乙二醇介质→水冷板→导热垫片→电池模组。这种传统加热方案的加热路径比较长，且加热效率不够优秀，只有0.3℃/min-0.5℃/min。

图6示意性地显示了本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下第二型腔内的陶瓷加热器的结构示意图。

如图6所示，在本实施方式中，陶瓷加热器与第二型腔的内壁之间可以填充有密封胶，陶瓷加热器606可以包括有热敏电阻606a和氧化铝陶瓷606b，其可以通过灌胶封装组成。

需要说明的是，在本发明中，热敏电阻606a为制热元件，氧化铝陶瓷606b为导热元件。陶瓷加热器可以通过采用可自控温的陶瓷热敏电阻作为制热元件，其制热迅速且安全可靠。操作人员可以根据需要通过改变陶瓷热敏电阻的设计，从而实现不同的自控温度。

此外，在本实施方式中，还可以在陶瓷加热器606的内部添加温度传感器(图中未示出)，以实现对陶瓷加热器606自控温度的安全控制和加热策略的灵活制定。

此外，还需要注意的是，在加热过程中，由于电池模组5各个部位与外界的接触环境不同，所以电池模组5各个位置的散热能力和温升速率也不相同。例如：由于电池模组5两端与外界环境接触面积大，其散热能力相较于电池模组5的中部明显更快，故而在同一加热条件下模组电池模组5中部的电芯的升温速率要明显高于电池模组5两端的电芯，从而比较容易导致电池模组5内部电芯温差过高的问题。因此，在本发明中，通过采用陶瓷加热器对电池模组5进行加热，来解决上述这一技术问题。

采用陶瓷加热器对电池模组5进行加热，可以实现电池模组5不同部位温升速率控制，其主要可以通过两种方法实现，一是通过改变电池模组5底部不同部位热敏电阻606a的自控温温度实现，例如可以设置靠近电池模组5两端的热敏电阻自控温温度高于电池模组5中部的热敏电阻自控温温度；二是通过调整热敏电阻的排布方式实现对电池模组5不同部位温升速率控制，例如可以设置靠近电池模组5两端的热敏电阻排布间距较为紧密，靠近电池模组5中部的热敏电阻排布较为稀疏。具体的自控温温度设置和热敏电阻排布，可根据工况要求，具体结构可以通过仿真和试验手段确定设计参数。

图7为本发明所述的具有集成热管理系统的电池模组组件在一种实施方式下加热线走线槽的结构示意图。

如图7所示，在本实施方式中，由于加热线束3两端电压为电池模组5的总电压，为了保证加热线束3的绝缘和固定，电池模组5的两侧均可以对应设计有加热线束走线槽4。

在本发明中，加热线束走线槽4可以采用EPP发泡材料一体成型制得，其绝缘性能好且易于成型，在加热线束走线槽4的主路径上可以设计有多个线槽卡槽，并通过过盈配合将加热线束3固定在加热线束走线槽4中。

需要说明的是，在本实施方式中，电池模组5的冷却流程和加热流程是互相独立的，较高的加热速率能够实现更快的低温充电、能够提供更好的低温下的功率输出和更长的续航里程，从而给消费者更好的电动车驾驶体验。加热及冷却控制策略制定可以更加灵活，能够降低加热和冷却能耗。同时加热器与水循环的联合使用在电池包内部温差较大的情境下，可以实现整个电池模组5的均温效果，快速安全的实现预定的整车功率输出。

图8示意性地显示了本发明所述的电池管理系统在一种实施方式下的电气原理图。

本发明所述的电池管理系统的通用性十分强，其可以有效应用于新能源电动汽车中。本发明所述的电池管理系统可以满足纯电动汽车对于特定区域、特定气候的运行需求，其可以根据电动汽车目标客户选择适合的热管理功能，而不用重新开发一种电池模组或者热管理系统，可以大大提高开发效率、节省开发成本。

如图8所示，在本实施方式中，本发明所述的电池管理系统可以包括4个本发明上述的电池模组组件，其中4个电池模组5串联连接在主电气回路中，各电池模组5对应的集成底板6内的陶瓷加热器彼此并联连接后连接在主电气回路中。

相应地，在本实施方式中，本发明在主电气回路中设置有主正继电器、主负继电器、预充继电器和预充电阻。其中，主正继电器和主负继电器串联连接在电气回路中，以控制电气回路的通断；预充继电器与预充电阻串联连接后与主正继电器并联连接；若干个彼此并联连接的陶瓷加热器通过加热继电器和加热熔断器连接在主电气回路中。

在本发明所述电池管理系统的主电气回路中，预充继电器可以有效电容和熔断器，防止上电瞬间，充电电流太大，造成电容顺坏；预充电阻可以起到限流的作用。

需要说明的是，在本发明中，主电气回路中的加热继电器与预充继电器配合控制加热回路的断开与闭合，两个继电器串联控制，可以提高系统的安全性和鲁棒性，降低了系统失效概率；加热熔断器起到了加热回路短路保护的功能，在某些短路失效情况下如加热继电器与预充继电器同时粘连或者加热线束绝缘层失效后与金属壳体搭接等失效模式下，加热熔断器会自动熔断避免了程度更高的风险的发生。

图9示意性地显示了本发明所述的电池管理系统在一种实施方式下的热管理加热控制策略图。

如图9所示，为了进一步地说明本发明所述的电池管理系统，在本实施方式中，以系统在低温充电加热工况下为例，说明电池管理系统的控制策略。

在低温下，动力电池充电功率以及充电倍率都会首先，从而导致充电时间延长，因此为了缩短时间，需要对其进行加热。

需要说明的是，在本实施方式中，可以设定电池模组的初始温度为-20℃；设定要求电池模组内部各电芯温差△T≤8℃；设定陶瓷加热器中热敏电阻自控温温度T1为80℃，设定安全上限为85℃；设定水泵流量为20L/min；并设定电池模组平均温度T＜0℃时，系统处于只加热不充电状态；设定电池模组平均温度0℃≤T≤10℃时，系统处于边充电边加热状态；设定电池模组平均温度T＞10℃时，电芯温差△T≤8℃，系统停止加热。

本发明所述的电池管理系统在低温充电工况下的基本步骤如下所述：

步骤S101：-20℃外界环境下，电池管理系统收到充电信号需求，同时发出电池管理系统加热需求信号。

步骤S102：电池管理系统的负极继电器闭合。

步骤S103：电池管理系统的加热继电器闭合。在加热过程中电池管理系统可以始终监控电池包平均温度T，陶瓷加热器热敏电阻可以自控温温度T1以及电池模组内部各电芯温差△T。

步骤S104：若T≥0℃且T1＜85℃，则启动步骤S109。

步骤S105：若T1≥85℃，则启动步骤S107。

步骤S106：若△T＞8℃且T1＜85℃，则启动步骤S113。

步骤S107：若发生步骤S105，则加热继电器断开。

步骤S108：当加热继电器断开后，若T≤10℃且T1＜85℃时，则启动步骤S109；若不满足T≤10℃且T1＜85℃时，则返回步骤S103。

步骤S109：充电机启动充电。

步骤S110：充电机启动后，若△T≤8℃且T＞10℃，则启动步骤S111。

步骤S111：加热继电器断开。

步骤S112：启动步骤S111后，加热过程停止，充电机则继续充电。

步骤S113：启动步骤S106后，冷却泵打开，启动水循环。

步骤S114：启动S113后，若T＞10，则启动步骤S115。

步骤S115：加热过程结束，冷却泵关闭，水循环停止。

需要说明的是，本发明的保护范围中现有技术部分并不局限于本申请文件所给出的实施例，所有不与本发明的方案相矛盾的现有技术，包括但不局限于在先专利文献、在先公开出版物，在先公开使用等等，都可纳入本发明的保护范围。

此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。

还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。