CN101326657A - 模块化电池系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种模块化电池系统，其具有至少一组串行连接的优选为单块模块的电池模块。每个电池模块设计有第一和第二端板，并设置在第一和第二端板之间，且至少一个带状构件将端板相互连接，并将电池模块结合在端板之间。端板紧固在一对轨道之间，且系统布置在系统壳体中。冷却集管提供其中冷却剂流入并离开每个电池模块的系统。系统壳体优选地具有冷却剂入口和出口。冷却集管与冷却剂入口和出口流动连通。电池监控系统可包括电池控制模块和至少一个远程传感模块，优选地监控并收集电池模块的性能和状态信息，譬如电压和温度。集成控制单元(ICU)可设置在系统壳体中。ICU维持电子器件，其中一些用于收集由电池模块产生的电能和/或监控系统。

Description

模块化电池系统
技术领域
本发明一般地涉及可充电高性能电池、模块和组的改进。特别地，本发明涉及结合到模块化电池系统中的多芯单块电池(multi-cell monoblockbattery)。
背景技术
可充电镍氢(NI-MH)电池用于各种工业和商业应用中，例如叉式起重机、高尔夫球车、不间断电源、纯电动车辆和混合电动车辆。车辆应用包括涉及推进的应用以及涉及起动、照明和点火的应用。
电池操作对于电动车辆和混合动力车辆应用来说一个尤其重要的方面是热管理。在电动和混合动力车辆应用中独立的电化电池靠得很近地结合一起。很多电池都是电学地和热学地耦合到一起。因此，在这些应用中使用的镍氢电池在操作中可能产生巨大的热。热源主要来自三方面。第一，由于在炎热气候下车辆操作导致的环境热。第二，在充电和放电中的电阻或I2R加热，其中I是流入或流出电池的电流，R是电池的电阻。第三，在过度充电期间由于气体再化合而产生的巨大的热。
电池在充电和放电操作中由于电极反应而产生焦耳热和反应热。包括一系列具有较大容量电池的电池模块(module battery)或包括一系列电池模块的电池组由几十至几百个设置为相互邻接的电池构成。这些电池具有增大的电容量和密封的构造，增加了热积累的量，其结果是从电池散热变得缓慢，因而产生的热量积累在电池中。从而，这样的电池的内部温度升高程度大于较小的电池。美国专利No.5879831(下文中称为“831专利”)揭露了一种电池模块，其具有多个单独的电池，这些电池通过焊接在角部的结合/压缩装置紧固，以在经受运输或使用的机械振动时限制电池移动和挪动。美国专利No.5663008(下文中称为“008专利”)揭露了一种电池模块，其具有多个紧固在两个端板之间的电池和用于连接端板的带状结合构件。所揭露的设计的主要目的是防止电池盒体的变形。然而，‘831专利和‘008专利都没有描述具有用轨道紧固的多个模块的模块化电池系统。此外，‘831专利和‘008专利都没有揭露具有在单块(monoblock)内的单独电池之间的内部电连接的模块。
尽管关于散热的问题是所有蓄电池系统都需要面对的问题，但是它们对于镍氢电池系统来说尤其重要。因为Ni-MH具有高比能且充电和放电电流也很高。第二，因为Ni-MH具有异常能量密度(即能量非常紧凑地存储)，散热例如比铅酸电池更加困难。这是因为其表面积体积比远小于铅酸电池，这意味着虽然Ni-MH电池比铅酸电池产生更多的热，但热消散表面减少了。
此外，尽管Ni-MH电池的充电和放电期间产生的热在小消耗电池中一般不是问题，然而，较大的电池(尤其是当串联或并联使用多于一个电池时)在充电和放电时产生大量的热足以影响电池的最终性能。
在美国专利No.6255015、美国专利No.6864013和美国专利申请No.10/848277中提出了镍氢电池的热管理问题，这些专利的全部内容在此引入以作参考。
Meadows等的美国专利No.5356735中提供了单块电池的一个例子，该专利在此引入以作参考。Corrigan等的美国专利No.6255015中提供了另一个例子，该专利在此引入以作参考。
当前，现有技术中存在对这样的模块化电池系统的需要，该电池系统提供了独立模块的稳定性和系统的热管理，从而在除了其他方面之外，还可以减少系统的过热、盒体的变形和对系统的冲击。此外，现有技术中存在对这样的模块化电池系统的需要，该电池系统使用电池管理系统，以监控模块化电池系统中的每一个电池模块的性能和状态信息。
发明内容
本文公开了一种模块化电池系统，具有至少一组串行连接的电池模块，其中所述电池模块优选为单块模块。每一个电池模块都设计为具有第一端板和第二端板，其中每一个电池模块设置在所述第一和第二端板之间，并且至少一个带状构件将端板相互连接，并将电池模块结合在端板之间。端板紧固在一对轨道之间，且系统布置在系统壳体中。冷却集管提供其中冷却剂流入并离开每一个电池模块的系统；优选地冷却集管包括流动通道的互锁系统。系统壳体优选地具有冷却剂入口和冷却剂出口。冷却集管与冷却剂入口和冷却剂出口流动相通。此外，实施例包括各种紧固和稳定机构，譬如支撑梁、凸缘、压紧杆(hold down bar)，其使得本发明的模块化电池系统经得起各种导致机械振动的应用。优选地，本发明的模块化电池系统允许使用叉式起重机沿轴线方向提升，且本发明的模块化电池系统是独立组件，其支撑和安装系统元件。
优选地，系统包括用于从系统释放气体并防止湿气进入或离开系统的机构，譬如设置在系统盖或系统壳体的开口中的透气疏水隔膜。优选地，本发明的模块化电池系统包括电池监控系统(BMS)，其监控电池电压、电池温度、电池组电压、电池组电流和电介质隔离。
本文公开了一种模块化电池系统，其具有可以设置在系统壳体中的集成控制单元(ICU)。ICU维持电子器件，其中一些用于收集由电池模块产生的电能和监控系统。优选地，ICU包括电池控制模块(BCM)、保险丝、分流器、主正极接触器、主负极接触器、预充电继电器和预充电电阻器。优选地，每一个模块与远程传感模块(RSM)电连通，其中每一个RSM模块可以与多于一个模块连通。RSM收集每一个电池模块的性能和状态信息，譬如电压和温度，并将信息传送到BCM。优选地，RSM的地址允许BCM从所有的RSM独立地获取数据。
在另一实施例中，本文公开了一种具有至少一个子系统的模块化电池系统，所述子系统包括优选地串行连接的电池模块。该子系统包括电池模块，每一个电池模块都具有第一端板和第二端板，其中每一个电池模块设置在各自的第一和第二端板之间。多个带状构件将每个第一和第二端板相互连接，并将电池模块结合在端板之间。此外，端板紧固在一对轨道之间，优选地将端板栓接到靠近的轨道。冷却集管提供了一种其中冷却剂流入并离开每一个电池模块的系统；优选地冷却集管包括流动通道的互锁系统。优选地，模块化电池系统包括至少第一子系统。然而，任意数量的子系统可以结合有冷却剂搭接片，该搭接片连接各自子系统的冷却集管，以允许冷却剂从第一子系统串行流动到最后的子系统。每一个子系统都可以布置在系统壳体中，其中系统壳体具有冷却剂入口和冷却剂出口。冷却剂入口与第一子系统冷却集管流动连通，且冷却剂出口与最后的子系统冷却集管流动连通。
附图说明
现在参考附图以便于帮助理解本发明及其各实施例的各方面，其中相似的参考标号指代相似的元件。这些附图仅仅是示例性的，而不是用来限定本发明。
图1A是模块化电池系统的实施例的透视图，其中单块模块以12×2的阵列串行连接，其中压紧杆有助于紧固系统的组件；
图1B是具有盖的模块化电池系统的实施例的透视图；
图1C是模块化电池系统的实施例的透视图，其中单块模块以12×2的阵列串行连接，其中保持通道夹具(hold channel clamp)有助于紧固系统的组件，所述系统包括气流通道；
图2是图1A的放大视图，其提供了母线(bus bar)和互锁的冷却剂通道的视图；
图3是子系统的实施例的透视图，并提供了连接到具有紧固环的轨道的端板的视图；
图4A是用于模块化电池系统的电池模块的三维视图，示出了紧固端板的带状构件；
图4B是图4A的单块电池盒体的实施例的分解图，示出了容器、盖和侧壁盖板；
图4C是来自图4A的单块容器的三维视图，示出了间隔物(partition)；
图4D是图4C中所示的单块容器的侧视图，示出了该容器的侧壁；
图4E是图4C中所示的单块容器的侧视图，示出了与图4D中所示侧壁相对的侧壁；
图4F是图4C的单块容器的水平截面图，示出了冷却剂以串行流动构造流过容器的流动；
图5A是在一对轨道之间串行对准的模块的实施例的顶视图，示出了用来连接阵列的冷却剂通道的冷却剂搭接片(jumper)；
图5B是图5A的放大视图；
图5C是具有两个子系统的模块化电池系统的顶视图，示出了冷却剂流过模块化电池系统的优选路径；
图6是图1A的分解图，示出了侧轨到端板的连接点；
图7A是本发明的实施例的优选端板的三维侧视图；
图7B是本发明的实施例的优选端板的三维正视图；
图7C是可用于本发明的单块模块的端板的实施例沿图7B的C-C线截取的视图，示出了肋的优选实施例；
图7D是可用于本发明的端盖的替换实施例的三维正视图；
图8A是本发明的实施例的集成控制单元(ICU)的透视图；
图8B是可以用于本发明的实施例的分流器和保险丝的实施例的透视图；
图9是本发明的优选实施例的透视图，其中两个24模块电池系统串在一起；
图10A是模块化电池系统的实施例的透视图，其中两个单块模块在布置到系统壳体中时串联到一起；
图10B是图10A的放大侧视图，其中两个单块模块用压紧杆和模块支撑梁紧固；
图11是图9所示的模块化电池系统的应用的顶视图，其中该系统并入交通应用中，特别是公共汽车。
图12A是流动通道的实施例的分解透视图，该流动通道可以包括本发明的冷却集管；
图12B是本发明的流动通道的外管(male tube)部分的实施例的侧视图；
图12C是本发明的流动通道的内管(female tube)部分的实施例的侧视图；
具体实施方式
本文公开了一种模块化电池系统，其具有多个电池和冷却集管，该电池优选为单块电池，并通过母线相互电连接和通过轨道相互机械连接。参考图1A，示出了一般称为100的模块化电池系统的实施例，其中单块模块101使用母线117串行连接。图1A示出了模块化电池系统，其包括串行电线连接(electrically wired)的24个电池模块101。这24个电池模块101以12×2的阵列设置。该模块化电池系统可以设置并紧固在具有集成控制单元(ICU)103的系统壳体102中。ICU103紧固如下文所述的可以用于系统的优选实施例的各种组件。每一个模块101优选地紧固在一对平行轨道之间。在该视图中，只示出了外侧轨道110，然而，参考图5B可以看到两个轨道的视图。模块101由螺栓106紧固在轨道之间，该螺栓106螺纹穿过端板104和轨道110。尽管，优选地每一个端板都栓接到轨道，诸如焊接或粘结的其它紧固方法也可以使用。该系统可以包括邻接压紧杆128紧固的远程传感模块(RSM)126和RSM密封盒(potting box)125。图1C示出了通道夹具131被结合以紧固流动通道112的实施例。
参考图1A、2、3和6，轨道110可以配备有至少一个，优选为几个紧固环107。紧固环107用于独立地或同步地运送或操纵模块系统阵列进入和移出系统壳体102。优选地外侧轨道具有L形，且L的一侧栓接到端板，而L的另一侧焊接到系统壳体的侧壁并栓接到系统壳体的底部。底部凸缘118(图10B的参考标号1018更好地示出了该凸缘)可以用来将轨道110紧固到系统壳体102的底部。螺栓可以螺纹穿过轨道110的焊接栓钉149和凸缘118。紧固系统的各个组件使得本发明的模块化电池系统可以在移动应用中使用时经得起冲击。支撑梁119可以紧固到系统壳体102的底部，且如图6所示，轨道110可以栓接或以其它方式紧固到支撑梁119。
压紧杆128可以使用能提供系统所需稳定性的任意材料构成。尽管可以使用诸如铝或者不锈钢这样的金属，优选地压紧杆128由轻质材料构成，譬如具有足够厚度的任意已知的聚合物。优选地聚合物是丙烯晴-丁二烯-苯乙烯(ABS)。轨道110可以使用能提供用于紧固模块101所需稳定性的任意材料构成。优选地，轨道110可以由诸如铝或不锈钢这样的金属构成，尽管优选的金属是低碳钢。系统壳体102和系统盖130的优选构造材料是。
图6示出了优选方式的分解图，其中轨道紧固到一般称为600的子系统。螺栓106螺纹穿过轨道110和端板104，且轨道110栓接到凸缘118。凸缘118优选地通过焊接紧固到系统壳体102的底部。此外，轨道110优选地焊接到系统壳体102的侧面。在所示的实施例中，凸缘(未示出)紧固到系统壳体102的侧面，且支撑梁119紧固到系统壳体102的中心部分。独立的凸缘(未示出)支撑每一个侧轨道110A，且独立的支撑梁119支撑每一个中心轨道110B。
优选地，本发明的模块化电池系统具有冷却集管(cooling manifold)，该冷却集管包括一系列的流动通道112，如图1A和5A所示。流动通道112允许冷却剂从冷却剂入口114流过每一个模块101并到达冷却剂出口115。入口互连器件136可以用来提供冷却剂入口114和冷却剂集管之间的流动连通，且出口互连器件117可以用来提供冷却剂集管和冷却剂出口115之间的流动连通。此外，隔板(bulkhead)146可用于提供互连器件136或137和其各自入口/出口之间的流体连通。
参考图1B，系统盖130优选地经由螺栓或其它紧固机构紧固到系统壳体102。系统盖130提供对各种物质的防护，譬如取决于应用而出现的水和灰尘。此外，系统盖130优选地与系统壳体102建立密封，其中该密封防止气体或湿气的传递。安装脚138提供了将系统壳体102紧固到诸如图11所示的公共汽车这样的目标物的装置。提升架139可以紧固到系统壳体102，优选地为其外周边缘，以辅助本发明的模块化电池系统100的定位和安装。由模块101产生的能量可以通过高压(HV)连接器121或低压(LV)连接器122进入。优选地，HV连接器121具有可以经受250安培的两尺寸0孔(cavity)、可以经受35安培的六尺寸16孔和转锁或其它紧固机构。优选地，LV连接器122具有可以经受5安培或10安培的十针孔壳体(pin cavityhousing)。HV连接器121和LV连接器122是ICU103的优选元件，其在图1A中示出并在下面讨论。
优选地，系统包括这样的机构，其用于从系统释放诸如氢气这样的气体同时防止湿气的离开和进入。为了帮助防止湿气离开或进入系统壳体102和容纳于其中的系统，透气疏水隔膜(gas-permeable，hydrophobic membrane)可结合到系统盖130中的开口135，如图1B所示。该隔膜遮盖物将会防止诸如水或电解液的湿气的离开或进入系统壳体102；然而，由于该隔膜优选为透气，它们将允许诸如氢气这样的由系统产生的气体从壳体102散发。
透气疏水隔膜可以由具有足以补偿过度充电气体逸出速度的气体扩散表面积的材料制成。这可以是约5cm2到约50cm2每12Ah电池。通常，疏水材料是允许气体通过但不允许湿气通过的任何材料。这种材料的例子是包括具有碳酸钙填充物的聚乙烯。其它例子包括很多类型的菱形花纹织物材料(diaper material)。可以使用的材料的例子是由Tridegar产品提供的可呼吸型XBF-100W EXXAIRE膜。该膜是聚乙烯膜，其混合有微细碳酸钙颗粒然后被进一步拉伸使之能渗透。在一个实施例中，该层选择具有约0.25标准量度(gauge)(0.25g每平方米)的厚度，其对应于约0.001英寸。材料的Gurley孔隙度(porosity)选定为约360(在气压为4.9英寸水柱下每平方英寸通过100cc气体需要360秒)。该膜的疏水性通过在约120℃的30％KOH电解液中非常高的接触角而得到证实。
为了便于装配和维护，优选的是互锁的一系列流动通道112，如图3、5A和5B所示。电池模块101并排设置，且互锁流动通道112引导冷却剂流入连接到流动通道出口140的模块冷却剂入口150，通过电池模块101并流出连接到流动通道入口141的模块冷却剂出口170，如图5B所示。为了便于设计，冷却集管可以进一步包括冷却剂搭接片129，以将第一系列的电池模块的流动通道112连接到第二系列的电池模块的流动通道112。还可以结合有后支承件134。流动通道112可以由可以防止冷却剂从流动通道112泄漏的任何材料构成。优选地，流动通道112由诸如任意已知的聚合物的轻质材料构造。可应用的聚合物包括聚苯乙烯、聚丙烯和聚砜(polysulfone)。
参考图12A到12C，示出了一般称为1200的互锁流动通道的分解图。该互锁部分设计为允许外管1202插入毗邻部分的相应的内管1203。填塞端部(plugged end)1204可用于引导冷却剂通过最后一系列电池模块，并且带刺端部(barbed end)1201可用于将通道1200从入口互连器件136连接到出口互连器件137，或经由冷却剂搭接片129连接到彼此，如图1A和图5A所示。O型环1205可以设置在每个互连部分的连接点处，以防止冷却剂泄漏。每一个流动通道部分可以进一步用夹具紧固。在优选实施例中，每一个外集管部或内集管部都被根据位置紧固到电池模块冷却剂入口或电池模块冷却剂出口。
互锁流动通道112允许冷却集管在模块化电池系统装入系统壳体102之后而被结合。然而，冷却集管可以在模块化电池系统装入系统壳体102之前被结合。
参考图7A至7C，优选地通常称为700的端板具有多个肋701和焊接栓钉702。端板700的肋701提供了模块的结构支撑和机械稳定性。此外，每一个端板700优选容纳有至少一个焊接栓钉702，且焊接栓钉702提供建立多模块盒的集成特征。焊接栓钉702用于将模块101紧固在轨道110之间，如图1A和3所示。端板700可以由钢或者不锈钢制成。然而，端板700可以由这样的材料制成，该材料为轻质且在给定尺寸下具有足够强度以致内部压力的增加不会导致变形，特别是包括具有高导热性的铝作为主要组分的材料。图7D示出了通常称为710的端板的一个替代实施例，其可以结合到本发明中。与上述实施例相似，每一个端板710优选地容纳有至少一个焊接栓钉712。
参考图5A，母线117优选地将模块101串行连接；然而，模块101可以并行连接。母线117可以与主正极接触器810和主负极接触器816电连通，其中模块正极端子与主正极接触器810电连通，且模块负极端子与主负极接触器816电连通。图5A示出了这样的实施例，其中模块正极端子经由保险丝820和分流器554与主正极接触器810电连通。接触器810和816优选位于ICU103上，如下文所述。母线117优选由导电材料构成，更具体地说母线是铜或者铜合金，其优选地涂覆有用于抗腐蚀的镍。
电池系统优选地包括冷却系统所需要的所有组件。例如，电池系统可以包括散热片、风扇、泵、溢流瓶(overflow bottle)、冷却剂连接件、集管、系统的控制和系统的监控。此外，控制风扇和泵的电力由外部提供。
参考图8A，一般称为800的集成控制单元(ICU)可以结合到本发明的模块化电池系统中。ICU800优选地包括ICU支架801，其提供了用于各ICU电学组件的结构支撑，其中ICU支架801安装并紧固到系统壳体。ICU800可以包括电池控制模块BCM802、保险丝820、诸如霍尔效应电流换能器818这样的在线电流传感设备、主正极接触器810、主负极接触器816、预充电继电器812和预充电电阻器814A和814B。
BCM802是电池监控系统(BMS)的优选元件。BCM802是嵌入式控制器模块，其提供了通讯接口、传感引线(sense lead)、和系统控制界面。优选地，BCM802紧固到ICU800并滑入ICU支架801，这将BCM802紧固到ICU支架801，BCM802可以包括低压线束连接器804、高压线束连接器808和由凸起806指示的预充电电阻器。BCM802提供诸如内部RS485通讯、外部CAN通讯、电池组电压和电流的测量、电池组接触器的控制、电池操作系统和监控电池状态并预测电池性能的电池算法这样的功能，以使得通过系统控制器可以实现电池系统的有效控制。BCM802优选地位于用于监控系统的集中采集点处，并接收由贯穿系统设置的RSM采集的信息。BCM802优选地由可以承受系统的压力和温度的塑料制成。优选的塑料是热塑性树脂。
保险丝820提供对电池系统的低电阻短路的保护，而保险丝保持器821提供用于保险丝820的安装柱(mounting stud)，如图8A所示。优选地，保险丝820是FWJ1000V高速保险丝。霍尔效应电流换能器818是在线电流传感设备，其提供对电子器件的电压传感以用于电池系统电流的计算。优选地，霍尔效应电流换能器位于保险丝820和主正极接触器810之间。诸如分流器的其它测量设备可以代替霍尔效应电流换能器使用。本发明的模块化电池系统可以包括外部+24VDC(22VDC-28VDC)电源供应/返回，用于为系统提供电力。系统可以结合有DC/DC转换器以将24VDC输入转换为用于电子器件的12VDC。
主正极接触器810是继电器，其将来自霍尔效应电流换能器818的高压正极连接件连接到HV连接器，优选地通过1/0高压电缆，如图8A所示。预充电接触器812是继电器，其中通过预充电电阻器814A和814B、母线和配线(wiring)而将高压负极连接到HV连接器，以在将系统电压提升到电池电压时控制变化的电流量，从而预充电接触器812用于使系统预充电。这通过限制由于高压总线的容量所导致的流入电流而保护接触器810和816。优选地，外部系统确保在预充电次序中使负载从系统移除。主负极接触器816是继电器，其将来自电池主负极的高压负极连接件连接到HV连接器，优选地通过1/0高压电缆。预充电电阻器814A和814B连接在高压负极和预充电接触器812之间，以在系统的预充电过程中控制电流。优选地电阻器814A和814B是非导电陶瓷电阻器。预充电电阻器814A和814B优选地串行连接，但是也可以并行连接。
模块化电池系统优选地包括允许高压总线预充电的设计。这通过限制由于高压总线的容量所导致的流入电流而保护系统的接触器。外部系统必须确保在预充电次序中使负载从系统移除。预充电电路和SW控制可设计成使得当“连接”命令发送到系统时，预充电次序在给定时间内完成。可包括保护策略以确保预充电电路不会由于重复预充电尝试而变得过热。
如图8B所示的分流器854可替代霍尔效应电流换能器而被使用，以用作在线电流传感设备，其提供对电子器件的电压传感以用于电池系统电流的计算。图8B示出了可用于本发明的分流器854和保险丝852的实施例。优选地，保险丝保持器850提供用于保险丝852的安装柱，且分流器底部858设计为具有凹入(recess)、突起(boss)以及具有螺纹的栓柱以容纳保险丝852。分流器854可以是800A@15mV分流器。导体855可以延伸具有螺纹拴柱以安装保险丝852。图5A示出了一实施例，其中分流器554被结合作为位于保险丝820和主正极接触器810之间的在线电流传感设备。
远程传感模块(RSM)126，也是BMS的优选元件，其直接连接到至少一个电池模块101。优选实施例是RSM126连接到四个模块101。RSM126收集每一个模块101的性能和状态信息，譬如电压和温度。每一个密封盒125优选地紧固到模块101。在图1A、1C和5A中所示的优选实施例中，六个编有地址的RSM126被结合到具有24个电池模块101的系统中，其中每一个RSM126传递四个电池电压的测量和一个电池的温度。RSM126的地址允许BCM802从所有的RSM126独立地获取数据。每一个RSM1126将收集到的信息传递到BCM802。优选地，RSM126在内部RS485通讯连接上作为从设备(slave)与BCM通讯。BMS优选地通过使用RSM126收集的信息监控和跟踪电池模块的充电状态(SOC)。此外，可以使用算法来预测电池模块和模块化电池系统的SOC。
为了模块化电池系统的安全和有效操作，设计优选地在每一个子组中包括接触器以及封闭地高压接口盒，其中所有的子组连接将收集到一起并连接到外部系统。除了每一个子组中的接触器隔离之外，在高压连接器中的引导回送连接(pilot loop back connection)在高压连接器被移除时，将从该组中的接触器线圈移除12V。这确保组连接器在其被移除之后其上将不会有高压。
参考图4A，在此公开了用于模块化电池系统的优选电池模块。模块400的所有侧面都被封闭，且其中容纳有独立的电池隔间(cell compartment)。模块400可以设置在第一端板401和第二端部402之间，至少一个带状构件将第一端板401和第二端板402连接到彼此，并将所述电池模块400结合在端板401和402之间。两个带状构件404A和404B在图4中示出。在端板401和402的较窄侧壁的外表面的上部和下部部分上，可以设置凹槽用于定位和安装带状构件。
在本发明的模块化电池系统的优选实施例中，包含有如图4B所示的多芯单块电池盒体。盒体1600包括电池容器1602、容器的盖子1604。在所示实施例中，盒体还包括壁盖1610A，B，其安装在盒体相应的侧壁上方。
图4C中示出了容器1602的三维视图。参考图4C，容器1602包括两个侧壁1613A，B和两个端壁1615。图4C示出了第一侧壁1613A。侧壁1613B与1613A相对并且在视图中不可见。同样地，两个端壁1615中的第一个在图4C中示出，而第二端壁与第一端壁相对且在图中不可见。容器1602进一步包括一个或多个电池间隔物1607、1609，其将盒体的内部分为多个电池隔间1605。电池盒体可以保持一个或多个电化电池，并优选地保持至少两个电化电池。优选地，每一个电化电池都放置在其各自的电池隔间内。这些电化电池可以串行和/或并行地连接到一起。
每一个电池间隔物都可以是隔板间隔物(divider partition)1607或冷却剂间隔物1609。隔板间隔物1607不包括冷却剂通道，而冷却剂间隔物1609包括冷却剂通道。优选地，容器1602包括至少一个冷却剂间隔物。优选地，冷却剂通道可以与冷却剂间隔物整体地形成。更优选地，冷却剂通道优选地形成在冷却剂间隔物内部。此外，冷却剂间隔物可以形成为单件结构。
在图4C所示的容器1602的实施例中，冷却剂通道的入口和出口形成在容器的侧壁中。依赖于冷却剂在冷却剂通道内的流动方向，每一个开口1620都可以是冷却剂通道的入口或者出口。冷却剂通道将冷却剂从一个侧壁引导到相对侧壁。这是“交叉流动设计”的另一例子。在如图4C所示的容器中，冷却剂通道基本水平地布置，且冷却剂流动的方向基本平行与冷却剂间隔物的外表面。
优选地，在冷却剂间隔物中的一个的内部的冷却剂通道与在其它冷却剂间隔物内部的冷却剂通道连通。这建立了完全集成的冷却系统，其允许冷却剂流动通过所有的冷却剂间隔物。不同冷却剂间隔物的冷却剂通道可以以各种不同的方式流体地连接到一起。在如图4C所示电池盒体600的实施例中，这通过使用壁盖1610A，B来实现。优选地，壁盖1610A，B是刚性板的形式。
图4D是容器1602的侧视图，其示出了侧壁1613A(还被称为容器的冷却剂端口侧)。图4E是容器的相对侧的侧视图，其示出了与侧壁1613A相对的侧壁1613B(还被称为容器的气体端口侧)。参考图4D和4E的侧视图，可以看到容器1602的侧壁1613A、B的外表面包括肋1643。肋1643限定了用于流体流动目的的折流板(baffle)。具体地说，肋1643限定了在侧壁1613A，B的外表面上限定了流体路径。当壁盖1610A、B(在图16A中示出)连接到其相应的侧壁1613A、B时，该路径与其相应的壁盖1610A、B结合，其中壁盖1610A、B限定了壁连接器通道1645(此处也称为壁流动通道)。这些壁连接器通道1645将各个冷却剂间隔物的冷却剂通道的开口1620互连。因此，每一个冷却剂间隔物的冷却剂通道与在其它冷却剂间隔物的冷却剂通道互连。这建立了冷却剂通道的互联网络，其使得冷却剂可以在整个电池盒体内循环。应该注意到，侧壁1613A、B和其连接的相应壁盖1610A、B的结合共同地形成了双层侧壁。壁冷却剂通道由此位于这些双层侧壁中。
还存在其它方式将冷却剂通道互连。例如，壁连接器通道可以形成为独立件(譬如管)，其整体地连接到侧壁1613A、B中的开口1620。
冷却剂可以以各种方式在容器1602内循环。在图4C所示的实施例中，冷却剂被引导而在蜿蜒的路径中在相对侧壁之间来回流动。图4F是容器1602的水平截面视图，其更清楚地示出了冷却剂通过冷却剂通道的路径。图4F示出了隔板间隔物1607和冷却剂间隔物1609。图4D还示出了由第一侧壁1613A及其相应的壁盖1610A所限定的壁连接器通道1645，和由第二侧壁1613B及其相应的壁盖1610B所限定的壁连接器通道1645。壁连接器通道1645和冷却剂通道中的箭头示出了冷却剂流动的方向。
参考图4F，冷却剂通过容器入口1650进入容器1602，然后被引导到第一侧壁1613A中的开口1620A(通道入口)。冷却剂由冷却剂间隔物1609中的冷却剂通道引导到第二侧壁1613B(其与第一侧壁1613A相对)中的开口1620B(通道出口)。然后在第二侧壁1613B中的壁连接器通道1645将冷却剂引导到开口1620C(通道入口)，在这里它被冷却剂间隔物1609传送回到第一侧壁1613A并从开口1620D(通道出口)离开。该过程对于其它冷却剂通道开口1620E到1620L重复，在开口1620L处冷却剂其后被引导到容器出口1670。因此，冷却剂通过在冷却剂间隔物中的冷却剂通道在第一和第二侧壁之间来回传送。如上文所讨论的，这种类型的流动称为串行连接，因为冷却剂从一个间隔物流到另外一个间隔物。
由于电池的电化电池会发出气体(譬如氧气和氢气)，因此需要将气体从电池排出。在排出气体的过程中，一些来自各个电池的电解液可能会随着气体被携带并从其相应的电池隔间内逸出。尽管一个电化电池的气体和另外一个电化电池的气体混合是可以接受的，但是一个电化电池的电解液进入另外一个电化电池则是不可接受的。因此，在用于电池的气体排放系统的设计中，必须关注于防止来自一个电化电池的电解液进入电池的任何其它电化电池。出于讨论目的，从其电池隔间逸出的电解液被称为“逸出电解液”。
再参考图4D和4E，可以看到侧壁1613A、B进一步包括肋1686B和1686T。肋1686T、B限定了用于流体流动目的的折流板。具体地说，肋1686T、B之间的区域限定了侧壁1613A、B表面上的路径。
当壁盖1610A、B(如图4B所示)连接到其相应的侧壁1613A、B时，侧壁1613A、B、相应的壁盖1610A、B以及肋1686B、T限定了气体通道1688。每一个气体通道1688经由孔1684(参见图4D和4E)与每一个电池隔间1605和每一个电化电池连通。应该注意到，在图4D和4E中所示的电池盒体的实施例中，孔1684优选地不被任意类型的膜材料覆盖。电池气体和液体电解液都可以具有从每一个电池隔间到每一个气体通道的路径。因此每一个气体通道1688优选地与每一个电池隔间气体连通并流体连通(因此，每一个电池隔间可以被描述为与每一个气体通道流体连通)。如上文所指出的，侧壁1610A、B与其相应的壁盖1613A、B的结合共同地形成双层侧壁。因此，气体通道1688位于这些双层侧壁中。
由于电池的每一个电化电池都会放出气体，电池气体随同逸出电解液一起进入(经由槽1682)进入与相应的电池隔间1605相邻的桶形物(tub)1680(如图4C所示)。逸出电解液的一部分在桶形物1680中被截留，由此防止这部分逸出电解液抵达任意其它的电化电池。电池气体和逸出电解液的残余部分经由开口1684(如图4D和4E所示)离开桶形物1680并进入气体通道1688。(因此，气体通道1688运输电池气体以及随电池气体携带的液体电解液)。进入侧壁1613B上的气体通道1688(如图4E所示)的电池气体沿路径通过气体通道，且当气压足够高时经由气体出口1670离开气体通道。
肋1686B、T的设置形成气体通道1688，其优选地具有曲折的流动路径。由于电池气体和逸出的液体电解液移动通过气体通道1688，气体通道1688的迫使它们随通道的曲折流动路径行进。由于气体和逸出电解液所沿的路径是曲折流动路径，逸出电解液被截留在井1690的底部，该井1690由底部肋1686B所限定。因为逸出电解液由井1690所截留，所以基本没有来自一个电池隔间1605的逸出电解液进入另外的电池隔间1605。因此，基本没有来自一个电化电池的电解液接触任何其它的电化电池。
如所指出的，电池气体经由定位在气体通道的相对端的气体出口1694离开图4E所示的通道。因此，在图4B-E所示的电池壳体的实施例中，气体出口仅连接到一个气体通道。然后，当然可以在每一个侧壁的气体通道上设置一个或多个气体出口。同样地，电池也可以制成只在一个侧壁上仅有单个气体通道。
气体通道可以形成为具有任何曲折流动路径。例如，流动路径可以是蜿蜒的、迂回的、弯曲的、Z字形的等等。在如图4D和4E所示的实施例中，气体通道1688具有蜿蜒的流动路径，该路径由交替地设置基本垂直布置的肋1686B和基本垂直布置的肋1686T建立。然而，曲折的流动路径可以以各种方式形成。例如，可以去除顶部肋1686T，从而仅留下底部肋1686B以形成气体通道。在这种情况下，保留的肋1686B将仍然建立用于电池气体和逸出电解液的曲折流动路径。此外，肋可以成角度地设置。此外，也可以用节点(nub)、尖头、坑或其它形式的凸起替代肋1686B、T，使得电池气体和逸出电解液所沿的流动路径是曲折的。
图4D和图4E中气体通道1688中的每一个都经由孔1684与每一个隔间1605流体连通。因此，来自设置在电池盒体中的所有电化电池的气体可以和每一个气体通道1688中的气体混合，因此电池底部用作每一个电化电池的单个或公用压力容器。然而，电池还可以包括多个气体通道，其中每一个气体通道与所有的隔间流体连通但不是与所有的隔间流体连通。例如，每一个气体通道可以与至少两个隔间连通。还可以的是每一个隔间具有唯一对应的气体通道和唯一对应的气体出口，从而气体不会混合。
如上文所提到的，气体通道1688由侧壁1613A、B、相应的壁盖1610A、B以及肋1686B、T所限定。然而，气体通道可以以其它方式形成。例如气体通道可以形成为具有内部肋从而形成曲折流动路径的细长管。该管可以是独立件，然后通过连接到盒体与盒体的一个或两个侧壁结合。管和盒体的侧壁可以整体地形成为单件，例如通过模制为单件或以基本永久的方式熔铸到一起。气体通道可以在侧壁内部或在侧壁的外表面上。因此，可以消除对独立的壁盖的需要。
此外，在上面讨论的实施例中，气体通道与电池盒体的侧壁结合。气体通道还可以与电池盒体的任意部件结合。例如气体通道可以与电池盒体的一个或两个端壁结合。气体通道还可以与电池盒体的顶部结合。气体通道可以与电池盒体的盖子结合。盖子本身可以形成为具有顶部和外伸侧。气体通道可以与盖子的顶部或盖子的外伸侧中的一个结合。
还应该注意到，本发明的气体通道可以用于任何多芯电池和任何化学电池。在所示的实施例中，气体通道在多芯电池中使用，该电池还包括冷却剂通道。然而，并非一定如此。气体通道可以在不包括冷却剂通道的电池模块构造内使用。
参考图9，示出了优选实施例。模块化电池系统是更大的模块化系统的组件，该更大的模块化系统通过将两个模块化电池系统串到一起以形成高压串(high voltage string)而建立的。每一个所述的模块化电池系统包括24个串行电连线的电池模块。24个电池模块布置为12×2的阵列。图11示出了如图9所示的系统的应用。交通应用可以包括公共汽车，其中系统壳体紧固到公共汽车的顶部，并为驱动系统提供电力以降低内燃机排放并降低化石燃料的消耗。
图10A示出了通常称为1000的模块化电池系统的实施例，其中两个单块模块1001当布置在系统壳体1002中时被串行连接。每一个模块1001都被约束在具有两个带状构件1004的第一端板1005和第二端板1006之间(第二带状构件被系统壳体挡住)。端板1005和1006可以通过螺栓1003或其它紧固机构紧固在一对轨道1007和1008之间。参考图10B，支撑梁1012紧固到系统壳体1002的底部。螺栓1010可以螺纹穿过模块1001之间的压接杆1009并穿过支撑梁1012。轨道1008可以使用螺纹穿过轨道和底部凸缘1018的螺栓(未示出)紧固到系统壳体1002。优选地，底部凸缘1018焊接或通过其它方式紧固到系统壳体1002。
尽管在附图和前面的描述中详细地描述了本发明，但应认为是描述性的，而不是对本发明特征的限定，且文中的原理可以应用到任何可成形的材料。对于本领域技术人员显然的是可以在不背离本发明的范围或精神的情况下作出各种变式和修改。例如，取决于结合的具体电池模块，冷却剂的流动可以沿不同的路径；其它电子器件可以用于监控系统；取决于系统壳体的尺寸和所期望的应用，任意的多个子系统可以布置在系统壳体中；取决于系统壳体的尺寸和所期望的应用，任意多个电池模块可以布置在系统壳体中。由此，本发明打算覆盖本发明的所有在本发明所附权利要求及其等价物范围之内的修改和变形。

Claims (38)

1、一种模块化电池系统，包括：
多个电池模块；
每一个所述电池模块具有第一端板和第二端板，每一个所述电池模块设置在所述第一端板和第二端板之间；
至少一个带状构件，其使所述第一端板和第二端板中的每一个相互连接，并将所述电池模块结合在所述端板之间；和
一对轨道，其中所述端板紧固在所述轨道之间。
2、如权利要求1所述的模块化电池系统，进一步包括系统壳体，其中所述轨道紧固到所述系统壳体。
3、如权利要求1所述的模块化电池系统，进一步包括冷却集管，所述冷却集管使得冷却剂流入所述系统，流过所述多个电池模块中的每一个，然后流出所述系统。
4、如权利要求3所述的模块化电池系统，所述冷却集管包括互锁的流动通道。
5、如权利要求1所述的模块化电池系统，进一步包括母线，所述母线将所述多个电池模块串行连接。
6、如权利要求2所述的模块化电池系统，进一步包括压紧杆，所述压紧杆将所述多个模块紧固到所述系统壳体。
7、如权利要求2所述的模块化电池系统，进一步包括设置在所述系统壳体中的集成控制单元。
8、如权利要求1所述的模块化电池系统，每一个所述端板具有至少一个肋。
9、如权利要求1所述的模块化电池系统，其中所述第一端板和第二端板和所述带状构件由选自包括铝、铝合金、钢、不锈钢的组中的材料制成。
10、如权利要求1所述的模块化电池系统，进一步包括电池监控系统。
11、如权利要求10所述的模块化电池系统，所述电池监控系统包括至少一个远程传感模块和电池控制模块，所述远程传感模块与所述电池模块中的至少一个电连通，其中每一个所述远程传感模块将每一个所述电池模块的性能和状态信息传递到所述电池控制模块。
12、如权利要求7所述的模块化电池系统，所述集成控制单元包括电池控制模块、保险丝、分流器、主正极接触器、主负极接触器、预充电继电器和至少一个预充电电阻器。
13、如权利要求7所述的模块化电池系统，进一步包括至少一个远程传感模块，所述远程传感模块与所述电池模块中的至少一个电连通，其中所述远程传感模块收集每一个所述电池模块的性能和状态信息。
14、如权利要求2所述的模块化电池系统，所述系统壳体具有侧壁和底部，其中所述轨道焊接到所述侧壁并经由凸缘栓接到所述底部。
15、如权利要求14所述的模块化电池系统，进一步包括紧固到所述系统壳体的系统盖。
16、如权利要求14所述的模块化电池系统，所述系统盖具有至少一个透气疏水隔膜，所述隔膜防止湿气通过所述系统盖传送，并允许气体通过所述系统盖传送。
17、一种模块化电池系统，包括：
多个电池模块；
每一个所述电池模块具有第一端板和第二端板，每一个所述电池模块设置在所述第一端板和第二端板之间；
多个带状构件，其将每个所述第一端板和第二端板相互连接，并将所述电池模块结合在所述端板之间；
一对平行的轨道，其中所述端板紧固在所述轨道之间；以及
冷却集管，所述冷却集管包括流动通道，所述流动通道引导冷却剂进入并离开每一个所述电池模块。
18、如权利要求17所述的模块化电池系统，所述流动通道包括互锁的流动通道。
19、如权利要求17所述的模块化电池系统，进一步包括系统壳体，所述模块化电池系统设置在所述系统壳体中。
20、如权利要求19所述的模块化电池系统，所述系统壳体具有冷却剂入口和冷却剂出口，其中所述冷却集管与所述冷却剂入口和冷却剂出口流动连通。
21、如权利要求17所述的模块化电池系统，进一步包括电池监控系统。
22、如权利要求21所述的模块化电池系统，所述电池监控系统包括至少一个远程传感模块和电池控制模块，所述远程传感模块与所述电池模块中的至少一个电连通，其中每一个所述远程传感模块将每一个所述电池模块的性能和状态信息传递到所述电池控制模块。
23、如权利要求19所述的模块化电池系统，进一步包括设置在所述系统壳体中的集成控制单元。
24、如权利要求23所述的模块化电池系统，所述集成控制单元包括电池控制模块、保险丝、分流器、主正极接触器、主负极接触器、预充电继电器和至少一个预充电电阻器。
25、如权利要求23所述的模块化电池系统，进一步包括至少一个远程传感模块，所述远程传感模块与所述电池模块中的至少一个电连通，其中所述远程传感模块收集每一个所述电池模块的性能和状态信息。
26、一种具有至少一个子系统的模块化电池系统，所述子系统包括串行连接的多个电池模块，所述子系统包括：
每一个所述电池模块，其具有第一端板和第二端板，每一个所述电池模块设置在所述第一端板和第二端板之间；
多个带状构件，其将所述第一端板和第二端板中的每一个相互连接，并将所述电池模块结合在所述端板之间；
一对轨道，其中所述端板紧固在所述轨道之间；以及
冷却集管，所述冷却集管包括流动通道，所述流动通道引导冷却剂进入并离开每一个所述电池模块。
27、如权利要求26所述的模块化电池系统，所述至少一个子系统至少包括第一子系统和最后的子系统。
28、如权利要求27所述的模块化电池系统，每一个所述子系统设置在系统壳体中，所述系统壳体具有冷却剂入口和冷却剂出口。
29、如权利要求28所述的模块化电池系统，所述第一子系统冷却集管和最后的子系统冷却集管通过冷却剂搭接片连接。
30、如权利要求29所述的模块化电池系统，所述冷却剂入口与所述第一子系统冷却集管流动连通，且所述冷却剂出口与所述最后的子系统冷却集管流动连通。
31、如权利要求30所述的模块化电池系统，所述系统壳体进一步包括低压连接器和高压连接器。
32、如权利要求31所述的模块化电池系统，所述低压连接器与电连通。
33、如权利要求31所述的模块化电池系统，所述高压连接器与电连通。
34、如权利要求26所述的模块化电池系统，进一步包括电池监控系统。
35、如权利要求34所述的模块化电池系统，所述电池监控系统包括至少一个远程传感模块和电池控制模块，所述远程传感模块与所述电池模块中的至少一个电连通，其中每一个远程传感模块将每一个所述电池模块的性能和状态信息传递到所述电池控制模块。
36、如权利要求26所述的模块化电池系统，进一步包括集成控制单元。
37、如权利要求36所述的模块化电池系统，所述集成控制单元包括电池控制模块、保险丝、分流器、主正极接触器、主负极接触器、预充电继电器和至少一个预充电电阻器。
38、如权利要求37所述的模块化电池系统，进一步包括至少一个远程传感模块，所述远程传感模块与所述电池模块中的至少一个电连通，其中所述远程传感模块收集每一个所述电池模块的性能和状态信息，并将所述信息传送到所述电池控制模块。
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