CN103975457A - 电池电芯、电池和机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池电芯(10)，其电池电芯外壳(16)具有为褶皱结构(18)形式的结构部。此外，本发明还涉及一种电池电芯(10)，其电池电芯外壳(16)具有为夹层结构(20)形式的结构部，所述夹层结构包括一个中间层(22)和两个覆层(24)。此外，本发明涉及一种电池电芯(10)，其电池电芯外壳(16)具有为倒置结构(26)形式的结构部。另外，本发明涉及一种包括多个电池电芯(10)的电池以及一种包括所述电池的机动车。

Description

电池电芯、电池和机动车
技术领域
本发明涉及一种具有电池电芯外壳的电池电芯、一种包括多个这类电池电芯的电池以及一种包括所述电池的机动车。
背景技术
作为汽车驱动装置的移动能量来源，电池得到越来越广泛的应用，尤其是自从研发出锂离子二次电池至今，与之前的技术、例如铅蓄电池相比，锂离子蓄电池实现了较高的能量密度或者说功率密度。新型电池技术被研发用于电子设备、例如视频摄像机或者移动电话，其对环境负荷提出的要求与针对汽车领域研发的电池完全不同。然而，对于这两种应用领域而言，在某一方面使用了相同的标准。因此，电池在事故情况下均不容许受到任何机械性损坏，外壳或者在汽车中的底盘必须承受所有的力和载荷，以避免电池电芯的内部受损。然而，一旦其导致了电池电芯相应的机械性损坏，那么，后续反应通常无法控制，因为电芯并不是针对这种情况进行设计的。但首先是在被应用于汽车时，储能器必须满足最高的安全标准，以避免尤其是在发生碰撞的情况下构成任何风险。
多个单独的电池电芯组成了电池模块，这些电池模块又组成了电池。图1示出了多个单独的电池电芯10可以通过并联或者串联连接成电池模块12，然后又连接成电池14。其中，顾名思义，一个电池模块12或者电池14是由至少两个电池电芯10构成的，其中，所使用的电池和电池模块的概念通常是同义的。
由专利文献EP2 172 994 A1已知一种电池模块，所述电池模块包括多个电池电芯，其第一端部(包含电池电极)被保持在具有帽状容纳部的第一顶盖中。在所述帽状容纳部内集成有电芯连接器，以便导电地连接电池电芯的电极。电池电芯的第二端部被容纳在第二顶盖中，其中，所述第二顶盖气密地包围着该端部，使其起到排气系统的作用。在电池气体由电池电芯中溢出、例如在超负荷或者出现故障的情况下，电池气体被第二顶盖收集起来并且例如通过软管从电池模块或者汽车中导出。
专利文献WO2010/111647A2也描述了一种电池模块，所述电池模块包括多个电池电芯和一个排气系统，其中，电池电芯的电池气体可由其中溢出的那个侧面与所述排气系统相连接。但与专利文献EP2 172 994A1所不同的是，所述排气系统的两个相对的侧面现可与电池电芯相连接。
但在汽车事故情况下，必须不仅要确保溢出的电池气体可靠地从汽车中排出，还要力求避免电池电芯的致命损坏。
在汽车应用中，采用了三种不同类型的电芯：圆柱形电芯、棱柱形电芯以及具有软壳的电芯(袋状电芯)。所有这些电芯的共同点在于，在力的作用下能够变形。然而，这种变形带来的问题是，通常无法预估变形是从电芯的哪个位置开始以及变形沿着外壳又如何进一步扩散。在最坏的情况下，这种变形始于电芯的这些位置，即：在这些位置上电芯的内部构造由于变形而受损或者被破坏，以致后续的反应结果非常激烈，例如以爆炸的形式。
发明内容
根据本发明的第一种设计，提供了一种包括电池电芯外壳的电池电芯。其特征是，所述电池电芯外壳具有为褶皱结构形式的结构部。这种褶皱结构通常由重复的褶皱区段构成，并且可以电池电芯外壳的微结构部的形式实现。这些微结构部例如可被冲压或者激光处理到所述电池电芯外壳上。
本发明的根据第一种设计的电池电芯具有这样的优点，即：在力作用下，变形由一个预先既定的位置开始，然后受控地在电池电芯外壳上继续散播。在褶皱结构中，所谓的传力铰接部(Fliessgelenk)由于力影响而变弯，由此弯曲前锋(Biegefront)均匀地延伸穿过要变弯的结构。由于力作用，各个微结构既定地在传力铰接部上折叠起来，可借助这些结构准确地预计出折叠的电池电芯外壳的几何形状。此外，一部分在汽车碰撞时要承受的动能并不只是通过汽车的底盘吸收，而是还由于电池电芯外壳的机械结构而通过微机械的结构部吸收。因此，电芯尽管在其作为蓄能器的功能方面不能使用，但电芯后续的反应(例如内部短路、电芯的打开、起火)可得到控制。能够准确地预估到后续的反应，因为能够准确地控制电池电芯变形时的机械特性。
因此，相对于现有技术而言，电池电芯的安全性显著提高，因为由于电池电芯的机械变形的可预测性，电池电芯的内部结构就能够设计成，使得可以不再发生伴随着高风险的后续反应。此外，被置入电池电芯外壳中的微结构还具有这样的优点，即：其能够提高电池电芯外壳的强度，由此与目前所用的电芯相比只有在作用的力更大时才可能发生变形。
根据本发明的一种有利设计，褶皱结构具有在横截面上呈波形且具有笔直连接部段的结构。其中，所述笔直连接部段通过小小的、倒圆的或者折弯的过渡部彼此相连，所述过渡部在荷载情况下起到了传力铰接部的作用。峰-峰值优选小于等于2.0mm，褶皱区段的纵向延伸优选小于等于1.5mm，其中该值取决于所期望的褶皱的数量。
此外，所述褶皱结构具有在横截面上呈连续波形且弯曲小于180°的结构。峰-峰值优选小于等于2.0mm，褶皱区段的纵向延伸优选小于等于1.5mm，其中该值取决于所期望的褶皱的数量。在横截面上呈连续波形的结构可优选被设计为正弦形。此外，弯曲也可优选等于180°。
此外，所述褶皱结构具有在横截面上呈迂回波形且弯曲大于180°的结构。峰-峰值优选小于等于2.0mm，褶皱区段的纵向延伸优选小于等于1.5mm，其中该值取决于所期望的褶皱的数量。
根据本发明的第二种设计，提供了另一种包含电池电芯外壳的电池电芯。其特征是，所述电池电芯外壳具有为夹层构造形式的结构部，该结构部包括一个中间层和两个覆层。因此，所述电池电芯外壳并非被实施为单层，而是包括多个金属层，其中各个金属层通过稳定的结构彼此相连。
本发明的根据第二种设计的电池电芯具有这样的优点，即：在向这些结构施压时可通过变形来吸收能量，而不会损坏电池电芯的内部。因此，只有中间层的空隙被压死。由于例如碰撞时的力作用，所述中间层弯曲变形，由此承担了能量吸收的用途。
所述夹层构造的中间层优选具有蜂窝结构。这种蜂窝结构与蜂窝类似，构成了大量串接成行的六边形。
此外，所述夹层构造的中间层优选由纯粹相互平行布置且彼此相连的管构成。所述管有利地布置成，使得在预先给定空间以及预先给定管直径的情况下给尽可能多的管提供空间。这就意味着，这些管成行地相互交错连接，即，一行相对于下一行以在成行方向上错开管直径一半的方式布置。
根据本发明的第三种设计，提供了另一种包含电池电芯外壳的电池电芯。其特征是，所述电池电芯外壳具有为倒置结构(Inversionsstruktur)形式的结构部。这些倒置结构例如由一个空心体(可变形以便吸收动能)和一个冲头(导致变形)构成。在变形时，所述冲头被压进所述空心体中，然后空心体的壁可翻转并卷起。因此，电池电芯外壳不是被实施为单层，而是优选通过多个串接成行的倒置结构构成。
本发明的根据第三种设计的电池电芯具有这样的优点，即：能够根据翻转的壁的翻卷半径而形成柔性或刚性的结构，这些结构需要大小不同的能量以变形。
此外，本发明的第一种、第二种或者第三种设计的电池电芯优选为锂离子蓄电池。通过使用锂离子技术，可达到非常高的蓄能器密度，这尤其是在电动领域具有进一步的优点。
作为电池电芯外壳的材料，例如适用金属、尤其是铝和钢。
此外还提供了一种包括多个根据本发明的电池电芯的电池。
此外，提供了一种包括了根据本发明的电池的机动车，其中，所述电池通常被设置为用于给汽车的电动驱动系统供能。
本发明的优选改进方案由从属权利要求中给出或者可由说明书获悉。
附图说明
借助附图以及下面的说明内容进一步阐述本发明的实施例。其中：
图1示出了电池电芯的连接(现有技术)；
图2至4示出了褶皱结构；
图5至7示出了由蜂窝结构构成的中间层和夹层构造；
图8至10示出了由管结构构成的中间层和夹层构造；以及
图11和12示出了倒置结构。
具体实施方式
为阐述现有技术，上文已对图1做出了说明。
图2、3和4以示意性图示说明了电池电芯外壳16的三种不同的根据本发明的褶皱结构18，所述电池电芯外壳例如可如图所示为旋转对称的。为便于更好地辨识，放大地示出了在电池电芯外壳16的中间部分所示的褶皱结构18，其中，在电池电芯外壳16的上部示出了由于力F而折叠的褶皱结构18。褶皱结构18可如图所示地仅覆盖电池电芯外壳16的一部分，或者覆盖电池电芯外壳16的整个外周面。如果此时向电池电芯外壳16施加力F，那么，电池电芯外壳16就由于褶皱结构18而以预定的方式折叠起来，由此电池电芯内部的破坏是能够预计的。
图2示出的褶皱结构18包括在横截面上呈波形且具有笔直连接部段的结构。峰-峰值优选小于等于2.0mm，褶皱区段的纵向延伸k优选小于等于1.5mm，其中该值取决于所期望的褶皱的数量。在褶皱结构18折叠时，位置P就起到了传力铰接部的作用，其在变形后形成弯曲半径约为180°的折叠的结构。
图3示出的褶皱结构18包括在横截面上具有连续呈波形的结构。峰-峰值优选小于等于2.0mm，褶皱区段的纵向延伸k优选小于等于1.5mm，其中该值取决于所期望的褶皱的数量。在折叠时形成大于180°的弯曲半径。
图4示出的褶皱结构18在横截面上具有呈迂回波形的结构。峰-峰值优选小于等于2.0mm，褶皱区段的纵向延伸k优选小于等于1.5mm，其中该值取决于所期望的褶皱的数量。在折叠时形成大于180°的弯曲半径。
图5示出了夹层构造20的蜂窝形式的中间层22。
图6示出了包括一个中间层22和两个覆层24的夹层构造20，其中，所述覆层布置成，其封密蜂窝的开口。根据本发明，这种夹层构造20用作用于电池电芯外壳16的材料。在以与夹层构造20的平面延伸呈法向的力使夹层构造20承受载荷时，中间层22相互合拢并且通过变形吸收能量，而不会损坏所述电池电芯的内部。
图7同样示出了包括一个中间层22和两个覆层24的夹层构造20，其中，所述覆层24沿着蜂窝的外周面布置。在以与夹层构造20的平面延伸呈法向的力使夹层构造20承受载荷时，中间层22相互合拢并且通过变形吸收了动能。另外产生了一个力分量，所述力分量与导入的力F呈法向并且法向于各个六边形的轴。该力分量提供其它吸收能量的可能。
图8示出了夹层构造20的另一种中间层22。所述中间层并未被设计为蜂窝状，而是包括了多个管。这些管能够如图所示呈直线地串接成行，每个依次邻接的行在行的纵向上错开管直径的一半。各个管可彼此相连，以便提高稳定性。
对于具有由多个管构成的中间层22的图9和10，有着与图6和7相类似的考虑。
在图11中示出了未变形状态下的倒置结构26。这种倒置结构由一个空心体28、例如具有矩形横截面的空心圆柱体和一个与之相符的冲头30、例如具有矩形底面的棱锥体构成。通过将大量这种结构设置到电池电芯外壳16上，电池电芯外壳16能够吸收在汽车发生碰撞时所要导出的一部分动能。
图12为图11中的倒置结构在由于力F而变形之后的图示。如果冲头30进入空心体28中，则空心体28就沿着其棱角撕开并且在斜切的冲头表面上弯曲，空心体28的壁由此以翻卷半径r卷起。可根据翻卷半径r形成需要大小不同的能量来变形的柔性结构或者刚性结构。

Claims (10)

1.一种电池电芯(10)，包括电池电芯外壳(16)，其特征在于，所述电池电芯外壳(16)具有为褶皱结构(18)形式的结构部。
2.根据权利要求1的电池电芯(10)，其中，所述褶皱结构(18)在横截面上具有呈波形且具有笔直连接部段的结构。
3.根据权利要求1的电池电芯(10)，其中，所述褶皱结构(18)在横截面上具有呈连续波形且弯曲小于180°的结构。
4.根据权利要求1的电池电芯(10)，其中，所述褶皱结构(18)在横截面上具有呈迂回波形且弯曲大于180°的结构。
5.一种电池电芯(10)，包括电池电芯外壳(16)，其特征在于，所述电池电芯外壳(16)具有为夹层构造(20)形式的结构部，所述夹层构造包括一个中间层(22)和两个覆层(24)。
6.根据权利要求5所述的电池电芯(10)，其中，所述夹层构造(20)的中间层(22)具有蜂窝结构。
7.根据权利要求5所述的电池电芯(10)，其中，所述夹层构造(20)的中间层(22)由相互平行布置且彼此相连的管构成。
8.一种电池电芯(10)，包括电池电芯外壳(16)，其特征在于，所述电池电芯外壳(16)具有为倒置结构(26)形式的结构部。
9.一种电池，包括多个根据权利要求1至8中任一项所述的电池电芯(10)。
10.一种汽车，包括根据权利要求9所述的电池。
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