CN103119746A - 卷曲的棱柱形电池结构 - Google Patents

Abstract

一种由一个单一无缝底座部件构成的电池外壳，该底座部件具有一个大致为平面的四边形底面以及从该处延伸出的侧壁。底面的长度尺寸至少是侧壁高度的两倍。底座部件具有一个开放的顶面。该外壳包括一个盖，可以关闭开放的顶面并能够与侧壁接合。配置了一个电阻密封垫片以便和盖部件及侧壁相接触，以提供不漏流体的密封。这些组件通过压接或卷边形成机械互锁。外壳是专门配置的，以适应将多个单独的电池堆叠组成动力总成，外壳的几何结构优化了热量管理。进一步公开了电池和包含外壳的电池组件。

Description

卷曲的棱柱形电池结构

相关应用的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请序列号为61/351,526，2010年6月4日提交的题为“卷曲的棱柱形电池结构”的专利申请的优先权，其公开的内容并入本文作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及电池系统。更具体地讲，本发明涉及一种采用基于一种卷曲密封结构的特定外壳构造的电池模块，和基于这些模块组合的电源系统。

背景技术

电池外壳用来容纳并保护电池堆的电化学活性组件，同时还允许从中提取电力。电池外壳将电解质和电池的其它潜在反应成分与氧气，湿气，和周围大气环境中其它有害成分相隔离。电池外壳应该重量轻并坚固耐用，而且它的使用和制造应该简单和廉价。此外，外壳应该被配置以便于组装由多个电池模块组成的电源系统，同时优化热负载的管理。

在某些情况下，电池组件被安置在柔性聚合物部件内。虽然这种类型的外壳重量轻且成本低，这些部件往往容易渗透水分和氧气，在电极接线片或其他结构必须从部件中突出以允许电流输出这点上也遇到了问题。此外，这些柔性部件不能很容易的被设置成堆叠配置。正因如此，这些柔性部件通常不用于电动汽车和其他这类高功率和/或长使用寿命的应用中。

金属的电池外壳可以建立一个针对大气污染物的优良密封，同时提供高强度，良好的散热，以及与电池组件良好的电接触。然而，某些与使用金属电池外壳有关的问题会出现。在一般情况下，圆柱形电池外壳结构比较容易制造。然而，圆柱型电池结构不提供在电动汽车应用中可能需要的最大封装密度。

在某些情况下，电池外壳被配置为棱柱形结构，其被理解为是指具有一个多边形的，并且通常为矩形的结构。这种电池结构允许高容量的封装，其最大限度地提高了功率密度。此外，相对较大的外表面积可以非常良好的散热。成本是一个显著问题，这限制了该棱柱形电池结构的使用，因为其制造通常需要使用相对昂贵的，深冲压金属结构组件。此外，这种结构的密封通常需要执行相对昂贵的工艺，例如激光焊接。

正如下面将说明的，本发明提供一种采用棱柱形电池外壳的改进电池结构，其制造过程无需使用任何深冲压或其它昂贵的金属制造工艺。此外，本发明的电池外壳被配置，以便利用相对低成本的压接或卷边技术来对其组装。此外，本发明的外壳被配置以允许很容易的将多个单独电池模块堆叠组成电源配置，同时最大限度地减少互连并优化热负载管理。从附图，说明和以下的讨论中来看，本发明的这些和其它优点是显而易见的。

发明内容

公开的是一种电池外壳，包括一个单一的无缝底座部件。底座部件具有一个底面及其延伸出的侧壁，和一个开放的顶面。底座部件的底面是四边形形状，例如矩形形状，底面的长度尺寸至少是侧壁高度的两倍。电池外壳还包括盖部件，其被配置以布置在底座部件的顶面中，并将其关闭，并能够与底座部件的侧壁相接合。该外壳进一步包括一个电阻性密封垫片，当盖与底座部件接合时，其与盖部件和底座部件的侧壁相接触。

在特定情况下，底座部件的矩形底面被配置，使得其长度至少是宽度的两倍。在具体实例中，侧壁被配置，以便界定其与底座交界处的凹形台阶部分，在特定的实例中，此台阶部分由不超过侧壁总高度20％的部分构成。盖部件也可以包括一个凹形周边部分，其界定了一个与台阶部分相对应的中央凹形部分，以方便堆叠组装后的外壳。

在进一步的实例中，外壳的侧壁可包括其中形成的槽或凹形部分，凹形部分可用来接合并支持密封垫片和盖部件。在某些特定的情况下，盖部件被卷曲并与密封垫片相接合，以便将垫片偏置并与底座的侧壁相接触。在其他实例中，侧壁被卷曲并与密封垫片接合，以便将垫片偏置成与盖接合。

该垫片可由聚合物材料构成，在某些情况下，可以在盖被安装到底座部件之前，在盖上注射成型。

本发明还公开基于前述外壳设计的电池结构。该电池结构包括保留在外壳中的电池堆。电池堆包括至少一个阳极和至少一个阴极，第一端子与每个所述的至少一个阳极电连通，第二端子与每个所述的至少一个阴极电连通。电池堆进一步还包括一个离子可透过的、电绝缘的分隔膜，以便使每个所述的至少一个阳极和每个所述的至少一个阴极电绝缘。电解质材料的主体被布置后与所述的至少一个阳极和至少一个阴极流体接触，以便构成一个完整的电池结构。在某些情况下，电池堆被布置，以便使至少一个阳极与底座部件或盖部件建立电连通，以及使至少一个阴极与其它的底座部件和盖部件建立电连通。该类型的电池可串联堆叠，其中一个外壳的盖与另一外壳的底座相接触，以及在某些情况下，导电填料可以放置在堆叠的外壳之间，从而建立更好的电接触。

本发明还公开了用于制造外壳结构的方法。

附图说明

图1是符合本发明的电池外壳的第一个实施例的底座部件的一部分的横截面视图；

图2是盖部件的一部分的一个横截面视图，该盖部件被配置后可以与图1中的底座部件相接合；

图3是密封垫片的一个横截面视图，它可以用于将图1中的底座部件和图2中的盖部件相结合；

图4A-4D示出如图1-3中所示的电池外壳的第一个实施例组件的组装和密封的顺序步骤；

图5是图1-3中的组件组装置入电池外壳的第一个实施例后的透视图；

图6A说明由图5中所示类型的电池单元构成的电池堆；

图6B是图6A中电池堆的一部分的放大图；

图7A是本发明另一实施例在组装之前的底座部件、盖部件、以及密封垫片的一部分的横截面视图；

图7B示出图7A的组件在被组装，但没有被卷曲的阶段；

图7C示出了图7A和图7B的组件被卷曲成一个闭合的密封接合；

图8示出了由图7A-7C的组件组装成的电池外壳的第二个实施例的透视图。

具体实施方式

本发明的电池外壳被配置以便于提供一种电池结构，可以很容易地被组装成串联和/或并联连接的电池堆，使得电池堆能提供非常好的电接触，有效地利用空间，并且优化散热。本发明的结构无需使用昂贵的金属成形技术，如深冲压技术来制造，可以很容易地组装成可靠的密封电池结构。本发明的电池外壳可以进行多个不同的配置。本发明的原理将参考一些具体的实施例进行说明，应当理解的是，其它实施例是在本发明范围内的。

现在参照图1，所示为可用于本发明中的底座部件10的一个实施例的局部横截面视图。该底座部件是一个完整无缝的材料主体，通常是金属，例如钢或铝。外壳10包括一个大致为平面的四边形底面12。通常情况下，底面是矩形，并在特定情况下，底面的长度将大于底面的宽度。该外壳10包括一个从其中伸出的侧壁14；可以看到，该侧壁与底面的四周无缝连接。

在图1的实施例中，可以看到，侧壁14包括位于其与底座10的底面12交界处的一个凹形台阶部分16。此凹形台阶部分通常高度不超过侧壁14总高度的20％，并且分布在整个底座部件10的周围。

需进一步注意的是，在图1的实施例中，侧壁14包括一个上端槽或凹形部分，其靠近底座部件10开放的上表面。此凹形部分18也分布在整个底座的周围。在一个特定的实施例中，底座部件10被配置使得其总体长度约为74毫米，由于台阶部分16的存在，其在底面12处测得的长度为67.5毫米。在这个特定的实施例中，侧壁14的总体高度是27.23毫米，台阶部分的高度约为4.75毫米，而凹形部分18的高度约为3.63毫米，剩下的中央部分的高度是18.85毫米。尺寸可以根据特定的应用来变化，在一个典型的实施例中，壁高度不超过底座长度的50％。外壳被配置使得侧壁与外壳的长度相比相对较浅，便于通过简单的金属成形技术，例如单步拉伸或冲压，来制造底座，从而把制造成本降至最低。同样地，外壳台阶部分的存在有利于电池单元的堆叠。此外，外壳的配置将大批单独电池单元之间的热传递最大化，同时保持了用于流过其间的冷却气体或液体的通道，从而优化了热量管理。

现在参照图2，显示了盖部件20的配置，它可以与图1中外壳10共同使用。此盖20通常是由金属板制成，利用相对简单的技术，如冲压或单步拉伸。盖20是矩形形状，一般对应于底座部件的开放顶面。盖20包括一个接合部分22，其被配置以便能够与底座部件的侧壁相接合。还值得注意的是盖部件20包括一个凹形周边部分22，它界定了一个中央凹形部分24，将在下文中解释，其被配置后一般与台阶部分16界定的外壳部件底面的一部分相对应并接合。还值得注意的是周边部分22界定了一个肩部26，它可以接合底座部件10的凹形部件18。

现在参照图3，显示了一个可用于将分别在图1和图2的底座部件10和盖20密封在一起的密封垫片30的横截面视图。垫片30通常由电阻性的弹性材料如聚合物材料制成。在特定情况下，高度结晶的聚合物被发现可在这类应用中提供一种可靠的不漏流体的密封。一种可在本发明中使用的特定聚合物由聚丙烯构成。在其它实例中，聚乙烯，特别是高密度聚乙烯，可以作为垫片材料使用。其它的聚烯烃可以类似地用于这些目的。

图4A-4D示意性地说明图1至图3中组件的组装步骤。在图4A中，显示的是底座部件10、盖20以及垫片30在组装之前处于分散的状态。正如图4B中将会显示的，垫片30被布置以便于在侧壁14的凹形部分18这里被底座部件10支持。在某些情况下，一种粘合材料可以被应用到密封垫片30，以便有助于保持其和底座部件10相接合。但是，这一步骤是可选的，并且在许多情况下，垫片30将不需要任何这样的粘合剂。在某些特定情况下，垫片30可以在底座部件10上注射成型，或者也可以在盖20上注射成型。

图4C显示的是底座部件10、盖20和垫片30，被布置成相接合。正如将要看到的，凹形部分18用于支持垫片30和盖20。图4D示出组装顺序中的最后一个步骤，盖20的连接器部件22被卷曲，以便针对底座部件10压缩垫片30，有效形成一个紧密的防潮密封。通过各种机械工具可以很容易实现压接，并且重要的是该设计无需任何昂贵和/或复杂的密封步骤，例如激光焊接或类似步骤，这在现有技术中是很典型的。

现在参照图5，显示了符合上述步骤组装的电池封装50的透视图。封装50包括底座10、盖20和垫片30，如前面所述。正如将要指出的是，台阶部分16沿底座周围延伸以界定一个阶状后部，盖20凹进的周边部分22形成一个在盖20中的中央凹形部分24，其通常被配置以适应相应的单元24的底座的阶状部分。

本发明的电池外壳可以被用来包含一个电池堆。如本领域中已知的那样，电池堆将包括一个或多个阳极、一个或多个阴极和一个布置其间的离子可透过的电阻分隔膜。当部件的这种布局被放置在一个适当的电极中时，可以形成电池结构。本发明的外壳是不漏流体的，并容纳了这些部件；在特定情况下，电池堆的阳极部件可以连接到盖或底座部件，以便形成电极的一个端子，而阴极部件可以连接到其他的盖和底座形成电池的第二端子。按这种方式，外壳本身将界定电池端子，虽然应当理解的是，在其它实施例中也可以包含单独的端子。

现在参照图6A，显示了电池堆的一部分，其可以利用前述电池外壳制备。正如图6A中所示，三个电池60a，60b，60c被组装成一个堆。在每个实例中，底座部件10形成电池的一个电极，盖部件20形成电池的另一端子。在图6A所示中，第一个电池60a的底座部件10a与第二个电池60b的底座部件10b直接电接触，第一个电池60a的盖部件20a与第二个电池60b的盖部件20b直接电接触，从而按照并联关系连接电池60a和60b的各个电极。第二个电池60b的盖部件20b也和第三个电池60c的盖部件10c电接触，从而将这两个电池按照串联电气关系放置。要理解的是，其它电池还可被放置在此电池堆中以形成一个电源封装。通常，这样的组合可包括80至100个单独模块，并可能产生300伏或更高。

虽然在某些情况下，电池60各自的外壳组件可以是直接电接触的，然而在其他实施例中，诸如导电贴或导电粘合剂的导电材料的一层可以被插入组件之间以帮助建立一个更好的电连接(在某些情况下为热连接)。

现在参照图6B，显示了图6A放大的细节，更好地说明了其中单独电池模块60a-60c相接触的方式。正如将要看到的，本发明的电池外壳配置允许各种部件之间有良好的电接触，同时仍然提供通过电池堆的开放的通道62、64以利于冷却。因此，本发明的结构提供了最大的热接触，以便分配单元之间的大片热量，同时仍然允许大面积冷却的发生。

本发明的电池外壳还可以在其它配置中实施，图7A-7C描述一个这样的实施例。图7A显示电池外壳的第二实施例的底座部件70、盖部件72和密封垫片74的部分横截面视图。在图7A的实施例中，底座部件70也是一个单一的无缝部件，具有一个大致为平面的底面76，正如在以前的实施例中那样，其通常是矩形的。侧壁78从底座延伸，正如在以前的实施例中那样，底座的底面76的长度尺寸至少是侧壁78高度的两倍。在本实施例中，侧壁78不包括在以前的实施例中的阶状后部，但包括如前所述的底座的开放顶部附近的凹形部分18。盖部件72具有垫片74固定在其上，并且在特定情况下，该垫片74可以通过直接在盖72上注射成型，但在其他情况下，它可以附加在一个单独的步骤中。盖72包括一个向上伸出的凸缘部分80，其被垫片74覆盖。它还包括第二个向上伸出的部分82，其用来将盖的顶面84提高到与外壳的其余部分保持同一水平，从下面的附图中来看这是显而易见的。

在组装过程的第二个步骤中，如图7B所示，盖72与其附属的垫片74被处理以便覆盖底座部件70的开放顶面。在这方面，底座部件70的侧壁78中形成的凹形部分18接合并支持盖/垫片组件。应当进一步注意的是，放置在凹形部分18上方的侧壁78的上部86向垫片74的顶面上突出。

现在参照图7C，显示的是电池封装组装的最后一个步骤。在此步骤中，侧壁78的向上突出部分86被卷曲，以便针对盖72的凸缘部分80压缩垫片74，需要注意的是，盖72的上表面84约与单元剩余部分保持同一水平。

现在参照图8，显示符合本发明的实施例完成的电池封装90的透视图。正如其中会看到的，包括底座部件70、盖部件72以及垫片74。

本实施例可以按照许多不同的配置和尺寸来制造。特别地，本实施例被配置从而使底座部分的长度尺寸，以及由此得到的电池，至少是它高度尺寸的两倍，从而外壳的长度尺寸至少是宽度尺寸的两倍。在一个特定的实施例中，外壳的长度尺寸是约为200毫米，外壳的宽度尺寸约为75毫米，高度尺寸约为47.5毫米。

上述的附图和描述是对本发明的一些具体实施例的说明，并不意味着要限制其实践。考虑到在此处展示的教示，进一步的修改和变化对那些在本领域的技术人员将是显而易见的。下面的权利要求，包括所有的等同物，界定了该发明的范围。

Claims (20)

1.一种电池外壳，包括：

单一的无缝底座部件，具有一个大致为平面的四边形底面以及从其上延伸的侧壁，其中所述底面的长度尺寸至少是侧壁的高度的两倍，所述底座部件具有一个开放顶面；

盖部件，所述盖部件被配置为布置在所述底座部件的所述开放顶面中，并可以与所述底座的侧壁相接合；以及

电阻密封垫片，当所述盖部件与所述底座部件的所述侧壁相接合时，电阻密封垫片被配置以插入其间，并与所述盖部件和所述底座的所述侧壁相接触。

2.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述底座的四边形底面为矩形。

3.根据权利要求2所述的电池外壳，其中所述底面的长度尺寸至少是其宽度尺寸的两倍。

4.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述侧壁包括其与底座交界处的一个凹形台阶部分。

5.根据权利要求4所述的电池外壳，其中所述台阶部分的高度尺寸不超过侧壁总高度尺寸的20％。

6.根据权利要求4所述的电池外壳，其中所述的盖部件包括一个凹形周边部分，所述凹形周边部分界定了与所述台阶部分相对应的中央凹形部分。

7.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述侧壁包括底座部件的开放顶面附近的凹形部分，所述凹形部分可用来接合并支持所述密封垫片和所述盖部件。

8.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述盖部件被卷曲成与所述密封垫片接合，以便将所述密封垫片偏置成与所述底座的侧壁相接触以建立其间的密封。

9.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述侧壁被卷曲成与所述密封垫片接合，以便将所述密封垫片偏置成与所述盖部件相接触以建立其间的密封。

10.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述垫片由聚合物材料制成。

11.根据权利要求10所述的电池外壳，其中所述聚合物材料选自聚丙烯、聚乙烯、高密度聚乙烯、聚烯烃以及其组合。

12.根据权利要求10所述的电池外壳，其中所述垫片在盖部件或所述底座部件上注射成型。

13.根据权利要求1所述的电池外壳，其中所述底座部件和所述盖部件由金属制成。

14.一种电池，所述电池包括：

如权利要求1所述的外壳；

保留在所述外壳中的一个电池堆，所述电池堆包括至少一个阳极；第一端子与每个所述至少一个阳极电连通；至少一个阴极；第二端子与每个所述至少一个阴极电连通；一个离子可透过的、电绝缘分隔膜，其被布置以便使每个所述至少一个阳极和每个所述至少一个阴极电绝缘；以及

电解质材料的主体，所述电解质材料的主体被布置以便与所述至少一个阳极和所述至少一个阴极流体接触。

15.根据权利要求14所述的电池，其中所述第一端子与所述底座部件和所述盖部件中的一个电连通，第二端子与其它的所述底座部件和盖部件电连通。

16.一种电池堆，包括至少两个如权利要求15所述的电池，所述电池被布置成堆叠关系，使得所述至少两个电池中的一个的底座部件与所述至少两个电池中的另一个的盖部件电连通。

17.一种电池堆，包括至少两个如权利要求15所述的电池，所述电池被布置成并排关系，以便使所述至少两个电池中的一个的底座部件与所述至少两个电池中的另一个的底座部件电接触。

18.根据权利要求15的电池堆，还包括导电填料，所述导电填料被布置在所述至少两个电池中的一个的外壳的至少一部分和所述至少两个电池中另一个的外壳的至少一部分之间，以便建立其间的电接触。

19.一种用于构造电池外壳的方法，所述方法包括以下步骤：提供一个单一的无缝底座部件，所述单一的无缝底座部件具有一个大致为平面的四边形底面以及从其延伸出的侧壁，其中所述底面的长度尺寸至少是侧壁的高度的两倍，所述底座部件具有开放顶面；

提供一个盖部件，所述盖部件被配置成布置在所述底座部件的顶面并可与所述底座的侧壁接合；

提供一个电阻密封垫片，当所述盖与所述底座的侧壁相接合时，所述电阻密封垫片被配置成与所述盖部件和所述底座部件的侧壁相接触。

布置所述盖部件和所述密封垫片与所述底座部件相接合，因此所述盖部件被布置并闭合所述底座部件的顶面，并使得所述垫片部件插入其间，并与所述盖部件和所述底座部件相接触；

并在所述盖部件和所述底座部件之间形成卷曲密封，以便压缩其间的所述密封垫片。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述底座部件被配置使得其侧壁在其与所述底座部件的所述底面交界处包括凹形台阶部分，其中所述盖部件包括一个与所述侧壁的台阶部分相对应的中央凹形部分。

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