CN104521024A - 通过电池壳体的鼓凸的结构来将电池单元夹紧的方法 - Google Patents

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Abstract

介绍一种用于被预紧的电池模块（13）的电池单元（1）。此外介绍相应的、被预紧的电池模块（13）以及相应的制造方法。所述电池单元（1）在此具有单元壳体（3）和化学剂载体（9）。所述化学剂载体（9）布置在所述单元壳体（3）中。所述单元壳体（3）在此构造为鼓凸的结构。

Description

通过电池壳体的鼓凸的结构来将电池单元夹紧的方法
技术领域
本发明涉及通过电池壳体的鼓凸的结构来将电池单元夹紧的方法。
背景技术
电池用在许多技术领域内。比如可以将多个单个的电池单元联合成一个模块。此外，可以将多个模块组合成一个所谓的电池组。通过这种方式产生高功率电池、比如高电压电池。
一般来说，所述电池单元构造为矩形或者方形。为了保证更好的操纵并且能够以尽可能小的容积提供尽可能大的能量，将所述矩形的电池单元夹紧成模块。此外，所述夹紧方案为提高电池使用寿命作贡献。
为了将所述电池相互夹紧，在此在力线通量链中需要有弹性的元件，用于比如对各个电池单元的或者漆层及绝缘层的公差进行补偿。在此一般来说，将所述电池单元并排竖放。随后在外侧面上、比如在右边和左边布置了弹簧或者预弯曲的板片。所述板片比如作为板簧发挥功能，并且被一直压紧到特定的预紧力。为了能够维持在所述板簧之间的应力，将所述板簧比如与所谓的拉紧板（Zugblech）连接起来。为了均匀地将压力分布到所述电池单元上，在所述有弹力的板片与所述电池单元之间插入钢板。所述拉紧板一般来说由钢制成，用于均匀地分布较高的力。
发明内容
因此，可能存在着对得到改进的电池单元、得到改进的被预紧的电池模块以及相应的制造方法的需求，所述电池单元、电池模块及制造方法尤其能够实现一种被预紧的电池模块的、重量减轻的并且可能成本更为低廉的设计方案。
这种需求可以通过本发明的、按照独立权利要求的主题来满足。本发明的有利的实施方式在权利要求中得到了描述。
下面对一种按照本发明的实施方式的装置的特征、细节和可能的优点进行详细探讨。
按照本发明的第一方面，介绍一种用于被预紧的电池模块的电池单元。所述电池单元具有一单元壳体和至少一个化学剂载体。所述化学剂载体在此布置在所述单元壳体中。所述单元壳体构造为鼓凸的结构。
换句话说，本发明的构思基于以下情况：提供一种电池单元，该电池单元的单元壳体凸出地向外拱起，并且在此构造为能够变形并且能够在一定的程度以内压缩或者有弹性的结构。通过这种方式来将前面所描述的有弹力的板片的功能迁移到各个电池单元中。由此可以取消至少两个重量密集的结构元件，也就是比如所述有弹力的板片。通过这种方式，不仅节省重量而且节省成本。此外，通过所述单元壳体的鼓凸的结构并且由于在电池模块的侧面上放弃有弹力的板片而必定遵守比使用有弹力的板片的情况低的长度公差。具有按本发明的电池单元的、电池模块的长度公差还仅仅相当于压紧装置的、在模块安装中的公差。由此，对于完整的、具有多个模块的电池组来说，可以遵守较窄的长度公差。由此，此外可以比如在车辆中减小用于电池模块或者电池组的结构空间。
所述电池单元、所述被预紧的电池模块以及由被预紧的电池模块所构成的电池组比如可以用在电动机中或者用在混合动力车中。
所述电池单元可以优选构造为锂离子电池单元。此外，所述电池单元可以构造为铅电池、镍氢电池、镍铁电池、锂聚合物电池、锂金属电池、锂锰电池、锂钛电池、锂硫电池、银锌电池或者锌溴电池。
所述单元壳体也可以被称为“Can（罐头）”，并且比如可以具有金属的材料。尤其所述单元壳体可以由深拉的铝制成。在所述单元壳体中布置了一个或者多个化学剂载体。所述化学剂载体比如可以被称为“Jellyrolls（寿司卷）”。在此，所述化学剂载体可以具有阳极材料和阴极材料。比如所述阳极材料以及所述阴极材料可以构造为薄膜，所述薄膜设有不同的层并且被卷绕到彼此上面。
所述单元壳体构造为鼓凸的结构，也就是说，至少一面单元壁向外拱起。此外，所有单元壁可以向外拱起。此外，单元底部可以额外地向外拱起。可以在将所述化学剂载体插入到单元壳体中之前或者之后来对所述单元壳体实施鼓凸处理。通过所述鼓凸处理，所述单元壳体能够变形并且能够压缩，从而现在也在没有所述有弹力的板片的情况下在所述电池模块的力线通量链中存在有弹性的元件。
比如可以如此进行所述鼓凸处理，使得所述单元壳体在每一侧上都比如相对于通过所述电池单元的角点撑开的平面具有高达2mm的隆起或者拱起。换句话说，所述单元壳体的厚度在横截面中通过所述鼓凸处理而增加了多达4mm。
按照本发明的一种实施例，所述电池单元具有发泡的材料，该发泡的材料布置在所述单元壳体与所述化学剂载体之间。所述发泡的材料是有弹性的或者能够变形的并且能够压缩的材料，该材料比如具有塑料或者复合材料。所述发泡的材料可以具有细胞状的结构以及较低的材料密度。此外，所述发泡的材料可以具有较高的导热性。所述发泡的材料在此比如可以以物理的、化学的或机械的方式来发泡。
尤其可以如此选择所述发泡的材料，使得其尽可能少地与所述化学剂载体起反应或者相对于所述化学剂载体是稳定的。此外，所述发泡的材料可以有助于将通过所述夹紧过程而作用于所述电池单元的压力均匀地分布到所述化学剂载体上。
按照本发明的另一种实施例，所述发泡的材料具有聚丙烯。所述聚丙烯可以具有化学的结构式C3H6并且可以构造为部分结晶的热塑性塑料。所述聚丙烯材料的密度在此比如在0.895g/cm3与0.92g/cm3之间。作为丙烯的补充，所述发泡的材料可以具有像白垩或者玻璃纤维一样的矿物质的材料。
按照本发明的另一种实施例，所述单元壳体具有一壳体底部和一壳体壁。所述壳体底部和所述壳体壁在此凸出地向外拱起。尤其所述单元壳体可以设有有棱角的或者圆形的或者椭圆形的横截面。如果所述单元壳体设有有棱角的横截面，那么每面单个的壳体壁都可以向外拱起。
按照本发明的第二方面，介绍一种被预紧的电池模块。所介绍的电池模块也被称为被夹紧的电池模块，它具有至少两个上面所描述的电池单元。此外，所述电池模块具有刚性的模块框架，该模块框架具有比全部应该布置在所述模块框架中的、鼓凸的电池单元的尺寸小的尺寸。所述电池单元在此如此被插入到所述模块框架中，使得其由于其的鼓凸结构而被相对彼此压紧并且所述鼓凸结构如有必要则被压缩。
尤其可以将5和13个之间的电池单元组合在一个电池模块中。在此，必要时可以将按本发明的、鼓凸的电池单元与商业上常用的电池单元一起夹紧在一个电池模块中。此外，可以仅仅将按本发明的电池单元连同一个鼓凸的单元壳体设置在所述被预紧的电池模块中。
所述模块框架在此构造为刚性的结构。也就是说，所述模块框架比所述鼓凸的单元壳体硬或者能够变形的程度小于所述鼓凸的单元壳体。所述电池单元可以在插入到所述模块框架中时候或者之前就已经被相对彼此压紧，并且所述鼓凸的壳体可以如此被压缩，使得所述电池单元插入到所述模块框架中。随后，所述电池单元由于所述刚性的模块框架的较小的尺寸而保持这种形状并且保持由此所施加的压力。
比如，一个单个的鼓凸的电池单元可以具有49mm的厚度。如果所述电池单元布置在所述刚性的模块框架中并且被朝其它的电池单元压紧，那么它就还仅仅具有大约45mm的厚度。换句话说，一旦所述电池单元被相对彼此压紧并且被插入所述模块框架中，所述电池单元的鼓凸结构就可以被弄平。由此所述电池单元在所述模块框架中向彼此施加夹紧力。
按照本发明的另一种实施例，所述模块框架具有金属和/或复合材料。尤其所述模块框架的端板可以具有金属或者复合材料。所述金属在此比如可以是钢并且尤其是优质钢。此外，所述金属可以是铝。所述复合材料可以具有任意的材料。尤其所述复合材料可以具有一种混有聚酰胺及玻璃纤维的铬镍钢1.45510。所述玻璃纤维在此比如相当于所述聚酰胺的6.6到30%（PA6.6-30%GF）。
按照本发明的另一种实施例，所述模块框架具有至少两块端板以及至少两块拉紧板。所述拉紧板在此如此与所述端板相连接，使得所述端板将压力施加到所述电池单元上。如果所述模块框架比如构造为方形，那么两块对置的板就可以构造为端板。此外，其余的四个侧面可以构造为拉紧板。所述拉紧板可以材料融合地、形状配合地或者传力连接地与所述端板相连接。尤其所述拉紧板可以与所述端板焊接、螺纹连接或者粘接在一起。此外，所述拉紧板可以借助于紧固带被固定在所述端板上。
按照本发明的第三方面，介绍一种用于制造上面所描述的、鼓凸的电池单元的方法。所述方法具有以下步骤：提供一个单元壳体；将一个或者多个化学剂载体布置在所述单元壳体中并且使所述单元壳体鼓凸。所述方法步骤可以以任意的顺序来执行。比如可以首先使所述单元壳体鼓凸。随后可以将所述化学剂载体插入到所述单元壳体中。作为替代方案，可以首先将所述化学剂载体插入在所述单元壳体中。随后可以对所述单元壳体进行鼓凸处理。
按照本发明的另一种实施例，对于所述单元壳体的鼓凸处理通过将介质注入到所述单元壳体的内部这种方式来进行。所述介质在此从下组介质中选出：处于压力之下的气体、发泡的塑料或者复合材料。所述处于压力之下的气体比如可以是空气，将空气在比大气压高的压力下注入到所述单元壳体中。
按照本发明的第四方面，介绍一种用于制造上面所描述的、被预紧的电池模块的方法。所述方法具有以下步骤：提供至少两个上面所描述的、鼓凸的电池单元；提供一个刚性的、具有比有待插入到所述模块框架中的鼓凸的电池单元的全部尺寸小的尺寸的模块框架；并且将所述鼓凸的电池单元如此布置在所述模块框架中，使得其由于其的鼓凸结构而被相对彼此压紧。在此，将所述鼓凸的电池单元布置在所述模块框架中这个过程此外包括以下步骤：将所述鼓凸的电池单元压紧在一起，从而可以对所述鼓凸的单元壳体进行压缩并且由此可以将所述电池单元插入到所述模块框架中。
按照本发明的另一种实施例，将所述鼓凸的电池单元布置在所述模块壳体中这个过程此外包括：将所述电池单元通过第一开口从侧面插入到所述模块壳体中；并且通过端板来如此封闭所述第一开口，从而将所述鼓凸的电池单元相对彼此压紧。对于按照这种实施例的制造方法来说，不必在插入到所述模块壳体中之前将所述鼓凸的电池单元相对彼此压紧。比如所述模块壳体可以在五个侧面上通过一块第一端板以及四块拉紧板来封闭。第二端板还没有布置在所述壳体上，因而侧面的第一开口被开启。通过这个开口可以将所述鼓凸的电池单元插入到所述模块壳体中。随后将压力施加到所述鼓凸的电池单元上，从而对所述鼓凸的单元壳体进行压缩并且所述第二端板可以封闭所述第一开口。随后可以将所述第二端板焊接到所述拉紧板上。在此，可以将所述第二端板与一块或者多块拉紧板焊接在一起。
按照本发明的另一种实施例，将所述鼓凸的电池单元布置在所述模块壳体中这个过程此外具有以下步骤：将有弹性的板在侧面设置在所述电池单元上；将所述电池单元通过第二开口从上方或者从下方如此插入到所述模块壳体中，从而将所述鼓凸的电池单元相对彼此压紧；并且通过拉紧板将所述第二开口封闭。在这种实施例中，首先在侧面给所述鼓凸的电池单元配设有弹性的板，所述板比如具有发泡的、较薄的材料。随后将所述鼓凸的电池单元压紧在一起，从而对所述鼓凸的壳体进行压缩。而后将所述鼓凸的电池单元插入到所述壳体中。
在此将所述有弹性的板相应地布置在最外面的电池单元上，比如布置在右边的外面并且布置在左边的外面，从而在将所述电池单元布置在所述模块壳体中时在相应的电池单元与所述模块壳体的端板之间存在着有弹性的材料。所述有弹性的板在此在将所述鼓凸的电池单元插入到所述模块壳体中时防止所述鼓凸的电池单元的损坏并且尤其是防止所述鼓凸的电池单元的绝缘层的损坏。通过拉紧板来封闭所述第二开口，随后可以将所述拉紧板焊接到另一拉紧板上并且/或者焊接到所述模块壳体的端板上。
附图说明
对于本领域的技术人员来说，可以从以下对示范性的实施方式所作的说明中在参照附图的情况下看出本发明的其它特征和优点，但是所述实施方式不应该被设计为对本发明的限制。
图1是所熟知的被预紧的电池模块的俯视图；
图2A是所熟知的夹紧原理的等效图解的示意图；
图2B是按照本发明的一种实施例的、夹紧原理的等效图解的示意图；
图3是按照本发明的一种实施例的、鼓凸的电池单元的横截面；
图4A是所述鼓凸的电池单元的、在夹紧之前的图示；
图4B是所述鼓凸的电池单元的、在夹紧之后的图示；
图5是按照本发明的一种实施例的、用于被预紧的电池模块的制造方法；
图6是按照本发明的另一种实施例的、用于被预紧的电池模块的制造方法；并且
图7是按照本发明的一种实施例的电池模块及电池组。
具体实施方式
所有附图仅仅是按照本发明的实施例的、按本发明的装置或者其组成部分的示意图。尤其间距及大小关系在附图中不按比例尺地示出。在不同的附图中，相应的元件设有相同的参考编号。
在图1中示出了一种所熟知的、被预紧的电池模块的俯视图。在此所熟知的电池单元1’构造为方形。所述电池单元1’被并排地竖放。在所述外面的电池单元1’的右边和左边设置了与板簧相类似地起作用的弹簧板4’。为了均匀地将压力分布到所述电池单元1’上，在所述弹簧板4’与所述电池单元1’之间插入了由钢制成的压力分配板2’。将所述弹簧板4’一直压紧到特定的预紧力。为了保持所述应力，将所述弹簧板4’与所谓的拉紧板19焊接或者螺纹连接在一起。比如一个具有弹簧板4’及压力分配板2’的构件的质量可能大约为300g。如果比如将八个单个的电池模块联合在一个电池组，则产生4.8g的质量，该质量分摊到所述压力分配板2’及所述弹簧板4’上。
在图2A中示出了在图1中示出的、所熟知的电池模块的等效图解。所述刚性的方形的电池单元1’在此作为准固定的元件布置在所述构造为刚性的板的压力分配板2’之间。所述压力分配板2被预拱起的弹簧板4’挤压到所述电池单元1’上。力线通量通过拉紧板19来闭合，所述拉紧板19与所述弹簧板4’焊接或者螺纹连接在一起。
图2B示出了按照本发明的一种实施例的夹紧原理的等效图解。所述按本发明的电池单元1构造为鼓凸的结构，并且由此本身作为有弹力的元件发挥功能。也就是说，所述电池单元1具有有针对性的弹性。尤其所述弹簧板4’的功能、也就是力的施加和公差的补偿被迁移到所述鼓凸的电池单元1中。所述电池单元1在此被夹紧在刚性的端板17、18之间。所述端板17、18与拉紧板19焊接或者螺纹连接在一起，并且形成一个刚性的模块框架。通过这种方式可以放弃有弹力的备件、尤其是所述弹簧板4’。由此不仅节省了成本而且节省了重量。此外，被预紧的电池模块的长度公差得到改进。尤其所述被预紧的电池模块的长度公差相当于在进行模块安装时所使用的压紧装置的公差。由于遵守了比较窄小的长度公差，而可以节省比如在车辆中的结构空间，其中要将所述被预紧的电池模块安装在所述车辆中。
图3示出了鼓凸的电池单元1的横截面。所述电池单元1在此具有一单元壳体3，在该单元壳体中布置了化学剂载体9。所述化学剂载体9在此比如可以具有多个单个的“寿司卷”。所述单元壳体3在此可以具有一壳体底部5、一壳体壁7以及一壳体盖27。在所述壳体盖27上，在此设置了一单元端子29。该电池端子29在此比如可以是正极或者负极，所述正极或者负极与所述化学剂载体9的阴极或者阳极相连接。
所述单元壳体3以及尤其所述壳体壁7和所述壳体底部5凸出地向外拱起。壳体壁7的最大的隆起比如与在压紧之后的额定尺寸相比可以高达2mm。在所述壳体壁7与所述化学剂载体9之间可以加入也被称为塑料基体的、发泡的材料11。所述发泡的材料可以将由于所述电池单元的夹紧状态而施加的压力均匀地分布到所述化学剂载体9上。
在图4A和4B中示出了所述电池单元1的、在具有六个拥有45mm的额定尺寸厚度的63Ah-VDA-电池单元的模块的实例上的夹紧状态。可以将所述电池单元1与刚性的第一端板17及刚性的第二端板18一起放入到夹紧装置中。在鼓凸的状态中，所述电池分别具有49mm的厚度或者宽度。所述端板17、18分别具有3mm的厚度。在总体上产生300mm的模块厚度。在图4A中在压紧或者夹紧之前示出了所述电池单元1连同所述端板17、18。
图4B示出了所述模块的、在夹紧之后的状态。也就是说，将力F施加到所述端板17、18上，从而对所述鼓凸的单元壳体3进行压缩并且所述各个电池单元1随后具有45mm的额定尺寸。在压紧过程之后，整个具有六个电池单元1和两块端板17、18的电池模块具有比如276mm的总厚度。夹紧力在此来自于所述电池单元1本身。
图5示出了一种用于被预紧的电池模块13的制造方法。在图5中的实施例中，可以将一刚性的模块框架15安装并且焊接在压紧装置中。比如所述刚性的模块框架15在此可以具有第一端板17以及拉紧板19。在一侧上设置了第一开口21，所述第一开口能够通过所述第二端板18来封闭。所述各个鼓凸的电池单元1可以通过所述第一开口21被放入到所述刚性的模块框架15中。接合方向通过在图5中的箭头来勾画出来。随后可以将所述第二端板18放置到位，并且将所述鼓凸的电池单元1压紧在一起，使得所述第二端板18将所述第一开口21封闭。此外，随后可以焊接或者拧紧所述第二端板18。
图6示出了另一种用于被预紧的电池模块13的制造方法。在图6中的实施例中，将所述刚性的模块框架15作为预装配的标准组件送交到装配传送带上。在此，首先可以并排地布置所述鼓凸的电池单元1，并且在侧面在左右两边分别设置一有弹性的板23。所述有弹性的板在此用于在插入到所述刚性的模块框架15中时保护所述电池单元1。将所述电池单元1与所述有弹性的板23一起相对彼此压紧，并且随后将其通过第二开口25在图6中的实施例中从上方插入到所述刚性的模块框架15中。所述接合方向通过箭头来勾画出来。随后所述第二开口25可以通过拉紧板19来封闭。
在图7中示出了一个具有多个单个的电池单元1的、被预紧的电池模块13的、一个鼓凸的电池单元1的透视图，并且此外示出了一个具有多个单个的、被预紧的电池模块13的电池组31。
最后要说明，像“具有”一样的表述或者类似的表述不应该排除这一点：可以设置另外的元件或者步骤。此外要指出，“一个”不排除大量数目。此外，结合不同的实施方式所描述的特征可以任意地彼此组合。此外要说明，权利要求中的附图标记不应该被设计为对权利要求的范围的限制。

Claims (12)

1.用于被预紧的电池模块（13）的电池单元（1），具有：
单元壳体（3）；
化学剂载体（9）；
其中所述化学剂载体（9）布置在所述单元壳体（3）中；
其特征在于，
所述单元壳体（3）构造为鼓凸的结构。
2.按权利要求1所述的电池单元（1），此外具有：
发泡的材料（11）；
其中所述发泡的材料（11）布置在所述单元壳体（3）与所述化学剂载体（9）之间。
3.按权利要求2所述的电池单元（1），
其中所述发泡的材料（11）具有聚丙烯。
4.按权利要求1到3中任一项所述的电池单元（1），
其中所述单元壳体（3）具有壳体底部（5）和壳体壁（7）；
其中所述壳体底部（5）和所述壳体壁（7）凸出地向外拱起。
5.被预紧的电池模块（13），具有
至少两个按权利要求1到4中任一项所述的、鼓凸的电池单元（1）；
刚性的模块框架（15），该模块框架具有比所述鼓凸的电池单元（1）小的尺寸；
其中所述鼓凸的电池单元（1）如此被插入到所述模块框架（15）中，使得它们由于其鼓凸而被彼此相对压紧。
6.按权利要求5所述的被预紧的电池模块（13），其中所述模块框架（15）具有金属和/或复合材料。
7.按权利要求5和6中任一项所述的被预紧的电池模块（13），
其中所述模块框架（15）具有至少两块端板（17、18）以及拉紧板（19）；
其中所述拉紧板（19）如此与所述端板（17、18）相连接，使得所述端板（17、18）将压力施加到所述电池单元（1）上。
8.用于制造按权利要求1到4中任一项所述的、鼓凸的电池单元（1）的方法，所述方法具有以下步骤：
-提供单元壳体（3）；
-将化学剂载体（9）布置在所述单元壳体（3）中；
所述方法的特征在于，它此外具有使所述单元壳体（3）鼓凸的步骤。
9.按权利要求8所述的方法，
其中所述单元壳体（3）的鼓凸通过将介质注入到所述单元壳体的内部这种方式来进行；
其中所述介质从下组介质中选出：
处于压力之下的气体、发泡的塑料和复合材料。
10.用于制造按权利要求5到7中任一项所述的、被预紧的电池模块（13）的方法，所述方法具有以下步骤：
提供至少两个按权利要求1到4中任一项所述的、鼓凸的电池单元（1）；
提供刚性的模块框架（15），该模块框架具有比所述鼓凸的电池单元（1）小的尺寸；
所述方法的特征在于，它此外具有以下步骤：
将所述鼓凸的电池单元（1）如此布置在所述模块框架（15）中，使得它们由于其鼓凸而被彼此相对压紧。
11.按权利要求10所述的方法，
其中将所述鼓凸的电池单元（1）布置在模块壳体（15）中的步骤此外具有以下步骤：
将所述鼓凸的电池单元（1）通过第一开口（21）在侧面插入到所述模块壳体（15）中；并且
通过端板（18）来如此封闭所述第一开口（21），从而将所述鼓凸的电池单元（1）彼此相对压紧。
12.按权利要求10所述的方法，
其中将所述鼓凸的电池单元（1）布置在所述模块壳体（15）中的步骤此外具有以下步骤：
将有弹性的板（23）在侧面设置在所述鼓凸的电池单元（1）上；
将所述鼓凸的电池单元（1）通过第二开口（25）从上方或者从下方如此插入到所述模块壳体（15）中，从而将所述鼓凸的电池单元（1）彼此相对压紧；并且
通过拉紧板（19）将所述第二开口（25）封闭。
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