基于熱電的熱管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)總體上涉及電氣裝置的熱電(TE)冷卻和加熱。
【背景技術(shù)】
[0002]電力電子裝置和其他電氣裝置(如電池)能夠?qū)^(guò)熱、冷溫、極端溫度和工作溫度極限敏感。當(dāng)這些裝置在建議的溫度范圍之外操作時(shí)，此類裝置的性能可能有時(shí)嚴(yán)重減弱。在半導(dǎo)體器件中，集成電路芯片可能過(guò)熱并且出現(xiàn)故障。在包括例如用于電氣化車輛中的汽車應(yīng)用的電池在內(nèi)的電池中，電池單元及其部件在過(guò)熱或過(guò)冷時(shí)會(huì)降級(jí)。此類降級(jí)本身能夠反映為電池儲(chǔ)存能力降低和/或電池在多個(gè)工作周期上被再充電的能力降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明能夠有利地管理電力電子裝置和其他電氣裝置的熱狀況。熱管理能夠減少以下情形:過(guò)熱、過(guò)冷以及電氣裝置降級(jí)。本文描述的某些實(shí)施例提供對(duì)載有大量電力和/或要求高電流和高效率的裝置(例如，功率放大器、晶體管、變壓器、電力逆變器、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、電動(dòng)機(jī)、高功率激光器和發(fā)光二極管、電池以及其他)的熱管理。大范圍的解決方案能夠用于熱管理此類裝置，包括對(duì)流式空氣和液體冷卻、傳導(dǎo)式冷卻、液體射流噴射式冷卻、板和芯片盒的熱電冷卻以及其他解決方案。與加熱或冷卻電氣裝置的現(xiàn)有技術(shù)相比，本文公開(kāi)的至少一些實(shí)施例提供至少一項(xiàng)以下優(yōu)點(diǎn):更高的電力效率、更低或消除維護(hù)成本、更高的可靠性、更長(zhǎng)的使用壽命、更少的部件、更少或消除移動(dòng)部分、加熱和冷卻操作模式、其他優(yōu)點(diǎn)、或優(yōu)點(diǎn)的組合。
[0004]在電氣裝置中，典型地，該裝置的電氣有效部分和/或溫度敏感區(qū)域與外界相連，例如經(jīng)由電導(dǎo)體與外部電路或裝置相連。例如，電池單元的電極能夠設(shè)計(jì)成承載高的電力而無(wú)大量損失(例如，按照焦耳定律，與電流的平方成比例的熱量損失)。用于此類電極的電導(dǎo)體的電線規(guī)格與此類裝置中典型流動(dòng)的高電流相稱。電池的尺寸越大，與外部電路相連的電極接線柱就越大。
[0005]電極以及許多其他類型的電導(dǎo)體的高電導(dǎo)率還意味著，此類導(dǎo)體通常具有高的熱導(dǎo)率。高熱導(dǎo)率能夠用來(lái)解決各種熱管理問(wèn)題，其中人們能夠通過(guò)加熱和/或冷卻電極來(lái)將希望的熱功率(例如，冷卻、加熱等等)繞過(guò)該裝置的非熱敏性元件，直接傳遞到裝置的敏感性元件。類似于在輸血過(guò)程中使用熱調(diào)節(jié)的血液以將熱量深入傳遞到人體核心，熱泵送通過(guò)電極能夠用于高效地將希望的熱狀況深入傳遞到電氣裝置中。舉例而言，已經(jīng)確定，高級(jí)汽車電池的電極冷卻是用于電池?zé)峁芾淼淖钣欣募夹g(shù)之一。例如，能夠使用固體、液體或空氣冷卻技術(shù)來(lái)冷卻這些電極。在某種意義上，電極在這樣的熱管理系統(tǒng)中充當(dāng)指形冷凍器。
[0006]本文公開(kāi)的實(shí)施例包括能夠通過(guò)對(duì)功率部件、電子裝置以及其他電氣裝置的載有電流的電導(dǎo)體(例如，電極)施加直接或間接熱電(TE)冷卻和/或加熱來(lái)對(duì)電氣裝置進(jìn)行熱管理的系統(tǒng)和方法。這樣的裝置通常能夠從熱管理中獲益。將參照具體電氣裝置(例如電池)來(lái)描述一些實(shí)施例。然而，本文公開(kāi)的至少一些實(shí)施例能夠?qū)ζ渌姎庋b置(例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、其他電氣裝置、或裝置的組合)提供熱管理。至少一些這樣的裝置能夠具有高的電流承載能力并且能夠承受優(yōu)選溫度范圍之外的操作。參照冷卻操作模式來(lái)描述一些實(shí)施例的操作。然而，在此公開(kāi)的一些或所有實(shí)施例也能夠具有加熱操作模式。在一些情形下，加熱操作模式能夠用于將電氣裝置的溫度維持在閾值溫度以上，在該閾值溫度以下該電氣裝置可能降級(jí)或表現(xiàn)受損的操作。TE裝置尤其適于提供加熱和冷卻功能，其中對(duì)系統(tǒng)構(gòu)造具有最小復(fù)雜性。
[0007]在此公開(kāi)的實(shí)施例包括基于熱電的熱管理系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，熱管理系統(tǒng)經(jīng)配置以管理電氣裝置的溫度敏感區(qū)域中的溫度。該熱管理系統(tǒng)能夠包括熱電裝置，該熱電裝置經(jīng)配置以在將電力施加到該熱電裝置時(shí)，傳遞主表面與廢表面之間的熱能。在一些實(shí)施例中，該熱電裝置的主表面與電導(dǎo)體的熱交換表面實(shí)質(zhì)熱連通。該電導(dǎo)體經(jīng)配置以將電力傳遞到電氣裝置或傳遞來(lái)自電氣裝置的電力，使得該電導(dǎo)體用作傳導(dǎo)電氣裝置的溫度敏感區(qū)域與該熱電裝置之間的熱能的導(dǎo)管。
[0008]在某些實(shí)施例中，一種用于對(duì)電氣裝置進(jìn)行熱管理的方法，其包括將熱傳遞裝置連接到電氣裝置的多個(gè)電導(dǎo)體，該熱傳遞裝置包括導(dǎo)電部分和電氣絕緣部分。該方法能夠包括在熱傳遞裝置與熱電裝置的主表面之間進(jìn)行實(shí)質(zhì)熱能交換。
[0009]在一些實(shí)施例中，一種用于對(duì)電氣裝置進(jìn)行熱管理的方法，包括在熱電裝置與電導(dǎo)體的熱交換表面之間建立實(shí)質(zhì)熱連通，該電導(dǎo)體與該電氣裝置熱連通和電連通。該方法能夠包括通過(guò)調(diào)節(jié)引入或引出該熱電裝置的電流來(lái)加熱或冷卻該電氣裝置。
[0010]在某些實(shí)施例中，提供一種熱電式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)配置以管理電池單元的溫度敏感區(qū)域中的溫度，該系統(tǒng)包括經(jīng)配置以控制電池單元的充電和放電的電池管理控制器。該系統(tǒng)包括經(jīng)配置以控制傳遞到熱電裝置的電力的熱電管理控制器，其中該熱電裝置經(jīng)配置以在將電力施加到熱電裝置時(shí)，傳遞主表面與廢表面之間的熱能。該熱電裝置的主表面附接至匯流條，其中該匯流條與電池單元的電導(dǎo)體實(shí)質(zhì)熱連通。該電導(dǎo)體經(jīng)配置以將電力傳遞到電池單元或傳遞來(lái)自電池單元的電力，并且該電導(dǎo)體用作傳導(dǎo)電池單元的溫度敏感區(qū)域與該熱電裝置之間的熱能的導(dǎo)管。該系統(tǒng)包括包圍該電池單元的電池外殼。該系統(tǒng)包括印刷電路基板，該印刷電路基板包括電池管理控制器、熱電管理控制器、以及電池管理控制器與熱電管理控制器之間的數(shù)據(jù)連接件。印刷電路基板被定位在電池外殼內(nèi)并且包括用于向熱電裝置供應(yīng)電力的電力連接件。
[0011 ] 在一些實(shí)施例中，該熱電式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括控制器，該控制器與該熱電管理控制器電連通并且經(jīng)配置以控制提供給該熱電裝置的電流的極性。在冷卻模式的系統(tǒng)操作中提供第一極性的電流并且其中在加熱模式的系統(tǒng)操作中提供與該第一極性相反的第二極性的電流。
[0012]在一些實(shí)施例中，該電池管理控制器經(jīng)配置以對(duì)電池單元執(zhí)行控制功能。
[0013]在一些實(shí)施例中，該熱電式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括與電池單元熱連通且與熱電管理控制器電連通的溫度傳感器。
[0014]在一些實(shí)施例中，該印刷電路基板包括經(jīng)配置以容納熱電裝置的開(kāi)口部分。
[0015]在一些實(shí)施例中，該匯流條的表面與電導(dǎo)體的表面直接物理接觸。
[0016]在一些實(shí)施例中，該熱電式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)與管道組件，該鼓風(fēng)機(jī)與管道組件被附接至印刷電路基板并且經(jīng)配置以推動(dòng)或拉動(dòng)空氣跨過(guò)熱電裝置的廢表面。該鼓風(fēng)機(jī)與管道組件包括控制器，該控制器與電池管理控制器和熱電管理控制器中的至少一個(gè)電連通，使得電池管理控制器和熱電管理控制器中的至少一個(gè)經(jīng)配置以優(yōu)化系統(tǒng)效率，從而來(lái)自該鼓風(fēng)機(jī)的氣流被增大或減小以適應(yīng)電池單元的冷卻或加熱要求。
[0017]在一些實(shí)施例中，該匯流條包括一個(gè)或更多個(gè)安裝孔，用于將匯流條安裝至印刷電路基板和電導(dǎo)體。
[0018]在一些實(shí)施例中，該電池單元被密封在外殼內(nèi)，該外殼包括與熱電裝置鄰接的高熱導(dǎo)率材料窗口，該窗口經(jīng)配置以在定位在該窗口外的廢熱去除系統(tǒng)的一部分與熱電裝置的廢表面之間提供基本熱連通的通路。
[0019]在一些實(shí)施例中，熱電裝置附接至匯流條的頂表面和底表面。
[0020]在某些實(shí)施例中，一種用于對(duì)電池單元進(jìn)行熱管理的方法，包括通過(guò)使用附接至印刷電路基板的電池管理控制器，控制電池單元的充電和放電。該方法包括通過(guò)使用附接至印刷電路基板的熱電管理控制器來(lái)控制傳遞到熱電裝置的電力。該方法包括從附接至印刷電路基板的電力連接件供應(yīng)電力至熱電裝置。該熱電裝置經(jīng)配置以在將電力施加至熱電裝置時(shí)，傳遞主表面與廢表面之間的熱能。該熱電裝置的主表面與匯流條物理接觸。匯流條與電池單元的電極熱連通和電連通。該電極經(jīng)配置以將電力傳遞到電池單元或傳遞來(lái)自電池單元的電力并且用作傳導(dǎo)電池單元的溫度敏感區(qū)域與熱電裝置之間的熱能的導(dǎo)管。通過(guò)調(diào)節(jié)傳遞到熱電裝置的電流的極性，能夠加熱或冷卻該電池單元。
[0021]在一些實(shí)施例中，熱電管理控制器經(jīng)配置以控制提供給熱電裝置的電流的極性，其中在冷卻模式的系統(tǒng)操作中提供第一極性的電流并且其中在加熱模式的系統(tǒng)操作中提供與第一極性相反的第二極性的電流。
[0022]在一些實(shí)施例中，電池管理控制器經(jīng)配置以管理電池單元的充電和放電。
[0023]在一些實(shí)施例中，提供與電池單元熱連通且與熱電管理控制器電連通的溫度傳感器。
[0024]在一些實(shí)施例中，印刷電路基板包括經(jīng)配置以容納熱電裝置的開(kāi)口部分。
[0025]在一些實(shí)施例中，匯流條的表面與電導(dǎo)體的表面直接物理接觸。
[0026]在一些實(shí)施例中，鼓風(fēng)機(jī)與管道組件附接至印刷電路基板并且經(jīng)配置以推動(dòng)或拉動(dòng)空氣跨過(guò)熱電裝置的廢表面。鼓風(fēng)機(jī)與管道組件包括控制器，該控制器與電池管理控制器和熱電管理控制器中的至少一個(gè)電連通，使得電池管理控制器和熱電管理控制器中的至少一個(gè)經(jīng)配置以優(yōu)化系統(tǒng)效率，從而來(lái)自該鼓風(fēng)機(jī)的氣流被增大或減小以適應(yīng)電池單元的冷卻或加熱要求。
[0027]在一些實(shí)施例中，匯流條包括一個(gè)或更多個(gè)安裝孔，用于將匯流條安裝至印刷電路基板和電導(dǎo)體。
[0028]在一些實(shí)施例中，電池單元被密封在外殼內(nèi)，該外殼包括與熱電裝置鄰接的窗口，該窗口經(jīng)配置以在定位在窗口外的廢熱去除系統(tǒng)的一部分與熱電裝置的廢表面之間提供基本熱連通的通路。
[0029]在一些實(shí)施例中，熱電裝置附接至匯流條的頂表面和底表面。
[0030]在某些實(shí)施例中，提供一種用于制造熱電式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的方法，該方法包括將印刷電路基板連接至經(jīng)配置以控制電池單元的充電和放電的電池管理系統(tǒng)和經(jīng)配置以控制傳遞到熱電裝置的電力的熱電管理系統(tǒng)。該熱電裝置經(jīng)配置以在將電力施加到熱電裝置是，傳遞主表面與廢表面之間的熱能。該方法包括將熱電裝置的主表面連接至匯流條并且將匯流條連接至與電池單元熱連通和電連通的電導(dǎo)體。該電導(dǎo)體經(jīng)配置以將電力傳遞到電池單元或傳遞來(lái)自電池單元的電力，使得該電導(dǎo)體用作傳導(dǎo)電池單元的溫度敏感區(qū)域與熱電裝置之間的熱能的導(dǎo)管。該方法包括將定位在印刷電路基板上的電力連接件連接至熱電裝置以便向該熱電裝置供應(yīng)電力。<