CN106159139A - 聚合物材料的刚性电池模块框架 - Google Patents

Abstract

一种模块化电池组组件及其制造方法。棱柱形电池沿堆叠轴线放置在结构框架内，该结构框架由聚合物材料制成，其包括由邻近堆叠的电池的边缘设置的顶部段、配合地耦合到顶部段的多个侧部段构成以限定围绕电池的外壳。在一种形式中，孔口，突出部及其他特征可形成在面向电池或以其他方式接合电池的外壳表面中或外壳表面上，而另一形式中，内置铰链允许邻近外壳部分之间的可选闭锁。可由相同或类似材料制成的底部段可以固定到由顶部段和侧部段形成的剩余的外壳上，使得堆叠的电池完全封装于便携式模块化组件中。在组装电池组中，应用逆作法工艺使得限定电池电端子的电池堆叠的边缘首先沿大致向下的垂直轴线安放于框架的顶部段。

Description

聚合物材料的刚性电池模块框架

技术领域

本发明总体上涉及电池组中电池的封装结构，更具体地涉及联接一种聚合物材料构成的用于容纳和支撑电池的零件少的刚性框架。

背景技术

锂离子及相关电池，统称为可再充电式能量存储系统(RESS)，现用于汽车和相关运输用途，以于混合电动车辆(HEVs)中辅助或于纯电动车辆(EVs)中代替常规内燃机(ICEs)。由于这些电池具有被动储存来自固定式和便携式电源以及车辆及其部件提供的重获的动能的能力，使得它们可作为用于轿车，卡车，巴士，摩托车与相关车载平台的推进系统的理想的组成部分。在一种适用于汽车用途的形式中，单独电池(即，单独电化学单元)通常形成为薄矩形构件。流向和来自电池的电流使得当多个这样的电池组合成更大的组件时，可提高电流或电压以产生所需功率输出。在本上下文中，较大的模块和电池组组件由一个或多个串联或并联或串并联结合在一起的电池所组成，并可包括额外的结构以确保这些电池的适当安装和运转。尽管此处所用的术语“电池组”用于讨论用于推进功率用途的大体上完整的电池组件，本领域技术人员应当理解“电池单元”等相关术语也可用来描述这种组件，且这两个术语可交换使用而不造成理解缺失。

在一种形式中，组成电池组的单独电池配置为限定刚性外壳即电池壳的矩形(即，棱柱形)包壳。正如它们的相似形状的棱柱形袋状对应电池，棱柱形包壳式电池以一种面对配置的方式(很像一幅扑克牌)沿平行对齐的板状表面形成的堆叠轴线放置。位于电池壳外部一边缘的正极端子和负极端子相对于堆叠轴线彼此横向地间隔开并充当连接(例如，通过母线)至外部负载或电路的电触头。在电池壳内，多个单独交替的正负电极沿着堆叠方向彼此间隔开并通过非导电性隔膜保持电隔离。从每个负电极引出的导线在电池壳内部集中在一起馈入负极端子，而从每个正电极引出的导线同样集中在一起馈入正极端子。

传统用于容纳电池的框架由金属部件连接制成。能为多个电池提高满意的支撑的同时，它们往往很笨重，而基于这种框架的组件则涉及大量零件，往往要求(除电池和柔性电路之外)大约20个单独件。此外，由于装配模块中配合部件之间的大间隙，它们易泄漏，并且也可于电池和地面以及每一个电池中的正负极电压端子之间提供导电路径。

发明内容

本发明通过提供一种由非导电性塑料基材料制成的刚性电池框架来解决上述问题。一方面，汽车电池组组件包括沿堆叠轴线设置的多个棱柱形电池，所述电池中的每一个沿其边缘限定横向间隔开的正负极电池端子。该组件还包括由大体上由聚合物材料制成的可折叠部件组成的单独框架。该框架包括邻近每一电池的一边缘设置的顶部段，以及协同联接至所述顶部段的多个侧部段以限定围绕电池的壳体。这些框架的可折叠部分连接至邻近每一个电池的端子承载边缘设置的底部段(其优选由聚合物材料制成)。在一种形式中，孔口，突出部及其他特征可形成在外壳的面向或啮合电池的表面之中或之上，而另一形式中，由内置铰链可实现邻近壳体部分之间可选的闭锁。而在一优选配置中，该底部段是一单独的分立件并可随后连接至所述框架；在另一形式中，其也可通过柔性铰链整体形成；这两种形式均被视为在本发明的范围之内。在本上下文中，将框架的各个部分彼此紧固以及将其他可连接部件(如所述底部)紧固的动作足以说明所述框架为一组件。也可使用其他由其他塑料，硅胶等制成的部件。然而，主要的框架架构由具有适当的结构(包含疲劳)以及电气性能的聚合物材料制成，如聚丙烯，聚邻苯二甲酰胺(PPA)，尼龙，聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)，热塑性烯烃(TPO)等。通过这种结构，所提出的保持架减少了配合部件接合处的间隙和泄漏路径。

在本文中，组件和包括在组件中的电池形成与汽车用途兼容的模块化结构。这种模块化结构可以形成电池组的有效零部件，所述电池组被视为推进要使用所设计的电池组的车辆所需要的部件的基本上完整的组件或系统。在这种理解下，电池模块和个别电池(如上文提及)被视为随后组装到电池组中的子部件或整体系统的其他较大零部件。同样地，除了数种电池之外，用于车辆应用的电池组的部件的组件还包括散热板、固定机构和其他设备，所述其他设备虽然不会促成产生电功率或形成已组装电池和框架，但是构成了整体电池系统封装和组件的重要零部件。

根据本发明的另一个方面，汽车电池组组件包括沿堆叠轴布置的数个棱柱形容器电池，所述电池中的每一个沿其边缘界定横向分隔开的正负极电池端子。基本上由聚合材料制成的框架包括顶部段和多个侧部段。顶部段形成基座以接收包括突出端子的电池中的每一个的对应边缘，而侧部段被整体铰接到顶部段使得在被折叠为电池支撑外壳的形状之前，顶部段和侧部段的形状类似于尚未展开的纸箱。底部段可以被固定到侧部段中的一个或多个，使得在电池周围完全形成外壳之后，底部段设置在与具有端子的边缘相对的堆叠的电池的边缘附近。这个底部段可以是可附接到整体式框架的单独段或形成穿过整体铰接连接件的框架本身的零部件。在本文中，整体铰接连接件或联接件是其中铰链和其所附接的段是由整体式结构(诸如通过相同材料的模制)形成的连接件和联接件；本文内所讨论的这样的铰链的更特定形式是活动铰链，其中铰链通常相对于其所附接的更刚性段颈缩或者变薄。

还根据本发明的另一个方面，将棱柱形电池放置到模块中的方法包括提供基本上由聚合材料制成的整体框架以界定至少一个顶部段和铰接地联接到顶部段的数个侧部段。电池以彼此成面相邻(即，堆叠)定向放置在顶部段上使得沿电池中的每一个界定的边缘位于顶部段的对应表面上。框架的结构致使其铰链允许侧部段绕堆叠的电池折叠使得形成开口式盒状外壳，但是与具有突出电端子的边缘相对的电池堆叠的底部除外。一旦已执行这样的铰接以基本上封闭堆叠的电池的顶缘和侧缘，框架的底段被放置使得基本上在面相邻的电池周围形成外壳。

附图说明

当结合以下附图阅读时可最佳地理解本发明的优选实施例的以下详述，其中相同结构用相同数字指示，且其中：

图1示出了具有呈电池组和内燃机形式的混合动力推进系统的车辆；

图2A示出了根据本发明的方面的放置在框架内以界定电池组或模块组件的多个单个电池的分解图；

图2B示出了图2A的组件的棱柱形容器电池中的一个的部分内部细节；

图3A到3G示出了用于生产图2A的组件的序列；

图4示出了图3A和3B的处于其大致上平面的预组装状态中以示出数个活动铰链的位置的刚性聚合框架的俯视图；

图5示出了从图3G截取的截面图，高亮显示电池的端子与形成到刚性聚合框架中的互补孔隙之间的搭扣特征；且

图6示出了根据本发明的另一个实施例的具有用于框架的侧面的不同搭扣闭合的刚性聚合框架的透视图。

具体实施方式

首先参考图1，车辆1包括呈由常规的ICE 5和电池组10(这两者均与电动机15协作)构成的电源的形式的混合动力推进系统。这种车辆被视为混合动力电动车辆(HEV)。本领域技术人员应当明白的是，车辆1不一定需要ICE 5，在这种情况中车辆1是电动车辆(EV)而非HEV；任一种形式均在本发明的范围内。有用于给车轮中的一个或多个提供推进动力并且联接到电池组10和ICE5中的一个或两个的另外的传动系部件(均未示出)被理解为包括旋转轴、车轴、变速器、控制器或类似物。虽然车辆1当前被视为轿车，但是混合动力推进系统对其他这样的汽车形式(包括卡车、客车、飞机、船只、航天器和摩托车)的适用性被视为在本发明的范围内。

接下来参照图2A和2B，示出由若干棱柱状锂离子电池(在本文也称为棱柱状电池、棱形电池或更简单地称为电池)100的堆叠布置制成的组件200以及用于布置在图1的电池组10内的每个电池100的概念结构的分解视图。特定地如图2A所示，由少至四个部分(除了电池100和可包括母线电缆、母线以及它们相关联的连接器的柔性电路(其一部分在图6示作260))制成的组件200包括下板或盘210、可选的散热片组220、刚性框架230以及排气帽240，它们一起设置成使得围绕电池100堆叠和散热片220形成笼状壳体。明显地，下板210、框架230以及排气帽240均由例如上文所述的聚合物材料制成。该排气帽240具体用于提供一种装置，该装置用于在从一个或多个电池100排气的情形下容纳并适当地引导气体。螺纹螺柱(或相关端子)245提供用于主电源连接的夹持接口；这样，它们用作轴环以便于将电极螺柱或端子(未示出)固定、精确地布置于外部电路、例如前述柔性电路。

特定地参照图2B，不同于袋型电池变型(未示出)，其虽然通常以大体类似于棱形电池的方式具有大体平坦的矩形可堆叠形状但包括与冷却板和其他部件散布的多个电池以及薄周向边缘和从袋边缘伸出的甚至更薄的导电箔片，棱形电池100具有封装在焊接刚性金属(例如，铝)的矩形罐、封壳或类似的自支承壳体内的阳极和阴极。虽然电池100促进了规模化以及相关的设计灵活性，但须采取更多的考虑来促进更充分的密封和热管理方案。以部分剖视图示出的是，能用于本发明的电池100的概念构造包括和安全气孔130一起从其顶缘突出的正负极端子110、120；该安全气孔130可接合排气帽240使用以在需要对一个或多个电池100进行排气的情形中提供稳固的排气路径。在电池100的刚性外壳140内存在若干正负电极150、160以及不导电的散布分隔器170。来自每个电极150、160的引线(呈片180、190的形式)在电池壳140内部聚集在一起以对相应的端子110、120馈电。如上所述，电池100限定了刚性的矩形(即，棱柱形)形状，以使得它们易于沿着堆叠轴线A-A以面向的相邻关系堆叠。柔性电路(未示出)可布置在组件200的顶部上以在堆叠电池100的端子110、120和合适的负荷(例如，用于推进的电动机15以及用于为车辆10提供功能的其他系统)之间形成电路。

接下来结合图4参照图3A至图3G，示出与形成组件200相关的步骤。通常，电池100以面对面的关系堆叠，以使得它们的边缘基本上对准来限定大体矩形的形状。在本发明中，该面对面的关系还可包括在相邻的电池100之间存在微小间隙G的构造，以允许布置可选的散热片220；这些散热片220的波形(或其他非波形)形状有助于限定冷却路径。

特定地参照图3A，刚性框架230初始呈现为大体平坦的板，该板在折叠和胶合之前类似于波形的纸板盒，作为纸板的替代，框架230由上述单片聚合物材料制成。下文结合图4将更详细描述的是，框架230能在选定的位置中、例如铰链处弹性地变形以形成用于堆叠电池100的盒状壳体结构。该刚性框架230限定顶部段231和铰链连接的侧部段233，后者相应地包括侧部235和端部237两者。电池100的堆叠的布置使得端子110、120沿着基本上垂直的轴线向下定向。

特定地在图4中示出，框架230限定倒置构造，该倒置构造与传统的盒状封壳的不同之处在于，电池堆叠100的布置沿着顶部段231而非底部段210开始。此外，框架230包括多个活动铰链238，这些活动铰链用作大体平坦的挠性弹簧以允许中心顶部段231与侧部段233的侧部235和端部237之间的枢转运动。类似地，呈栓锁239形式的多个紧固件包括片239A和孔239B之间的协配卡扣件，它们中的每个均形成在侧部235和端部237的相应部分上或中。沿着端部237的边缘一体地形成的栓锁239的弹性偏置特性使得片239A的突出远端可被临时地按压，直到其运动到与在相邻侧部235的边缘附近的对应孔239B接触地接合为止。如同将顶部段231连结于侧部段233的区域那样，形成片和孔的区域也可包括活动铰链238以便于卡扣连接。栓锁239和铰链238的组合效果具有如下效果：允许将顶部段231和由侧部段233限定的各个翼部半永久地组装成整体的并且基本上矩形的盒状笼子或壳体，例如在图1和图3D至3G中所示。此外，本发明的组件200的构造在控制泄漏方面优于传统的金属框架，因为其在电池端子110、120周围进行密封以使得在顶部段231和侧部235之间不存在间隙。此外，端部237之间的协配具有更少的泄漏路径，以使得框架230更易于被密封。大体矩形的孔231A的阵列形成在顶部段231的平面内，使得尤其是允许接近各个电池100的顶部。这些孔231A的附加细节将结合图5进行更详细地描述。类似的孔235A可形成在侧部235的一个或两个的表面中，并且它们的功能将在下文结合图3D进行更详细地描述。

特定地参照图3B至3D并结合图4所示，经对准的电池堆叠100首先布置在顶部段231上，以使得每个电池100的顶缘(包含正端子和负端子110、120)抵靠在顶部段231的表面上。孔231A的阵列的至少一部分被确定尺寸并且定形成接受对应形状的端子110、120以使得后者坐落在前者内。形成在侧部段233的侧部235中的周期地隔开的突部235P可有助于沿着所形成框架230的高度方向尺寸限定通道或相关承座；除了有助于固定以外，重复地将堆叠的电池100布置到由框架230所形成的笼状壳体中，这些突部235P有助于在相邻的电池100之间建立在图3A中识别的轴向间隙G，以及有助于在每个电池100和它们在框架230内的对应布置之间建立就座或相关对准(即，电池定位或定向)。尽管存在如下事实、即电池100沿着它们的顶缘包括呈端子110、120形式的突部并且框架230的电池接合表面可包括各种承座、通道和突部以更好地固定电池100，但框架230和电池100均限定具有基本上平坦的互补表面的基本上刚性的矩形形状，例如从图3A至3D中显而易见地那样。

在按照图3D进行组装时，盒状结构的六面中用以为各种单独的电池100提供容纳和支承的五个面已就位。此时并且特定地参照图3E，沿着堆叠轴线A-A以轴向间隙G充分地隔开的堆叠棱柱形电池100可接纳波形散热片220。如上所述，在需要散热片220或其他冷却结构的情形中，能在图3A至3D中示出的突部235P有助于使得相邻的电池100之间的间隔保持一致并且可重复。此外，形成在侧部段233的侧部235中的孔235A通常与散热片220对准，以使得热量可沿着由孔235A和散热片220限定的流动路径从堆叠电池100和框架230向外引导(在被动或强制对流下)。

接下来参考图3F、3G和5，堆叠的电池100和框架230然后上下倒置使得下板210可以从顶部附接。下底板210也可包括形成于其表面的弹簧偏压突出部243以有助于提供抵靠在各电池100的底边缘的紧密配合。在一个优选配置中，突出部243一体地形成于下板210内以限定整体结构；在一种方式中，它们可以共同由适当设置的模具制成。因此，电池100的重量足以轻压突出部243以促进电池100在框架230内安全的、大致无松动的放置。此外，由于电池100和框架230的相应内表面的大小和形状为使得二者限定大致矩形的外形，以便电池100的外部侧向边缘和由框架230限定的相邻内壁之间的大致平面的互补接触表面进一步促进接触接合以确保前者进入到后者的适贴安全的配合。一旦下板210固定到框架230，则组件限定盒状结构的所有六个侧面以提供多个单个电池100的容纳和支撑。在一个优选实施例中，下板210设计成超声焊接至顶框架，从而进一步有助于以类似于侧部段233和顶部段231的侧部235之间，以及侧部段233和顶部段231的端部237之间的连续形成的铰链的形式保持低泄漏。此时，组件200可返回至如在图3G中特别示出的其恰当取向以便电池100的每一个中的端子110、120是面向上的。

参照图5特别示出，形成于顶部段231的表面中的孔231A可以进一步限定弹性偏压的连接件231C，其通过压靠电池端子110、120的侧边可有助于维持电池100在由框架230形成的盒状封闭件中的适贴配合。连接件231C的弹性偏压也可制成类似于如上所述的栓锁239的卡扣配合特征。连接件231C的任一偏压形式均视为在本发明的范围之内。如上所述，在本发明的组件200启用的容纳结构的情况下，配合部件所接合的缝隙和泄漏路径显著减小或消除。这在邻近电池端子110、120的区域尤其如此，其中组件200提供在其顶部段上的密封接合。

接下来参照图6，示出了用于固定图3A至3G和4的框架的侧边以及与组件200相关的一些附加组件的栓锁239的卡扣配合特征的变体。本质上，卡扣配合特征形成不同的铰链配置，其不是以使片239插入孔239B中来形成，而是使用表面安装的搭扣配置。以此方式，更少的泄漏路径形成于侧部235和端部237所接合的接缝的附近。附加的组件200部件，例如模块盖250(其也可以由塑料材料制成)可以放在顶部段231的顶部。这种盖子提供了对电池的额外的环境保护以及柔性电路连接器260的安装表面以接收柔性电路270的相应端以及电池平衡板280。同样，其他电学特征(例如从柔性电路260延伸的环形端子290)围绕螺纹螺栓245设置，该螺纹螺栓245从组件200的顶部突出。

应当注意的是，类似“优选地”、“通常地”以及“典型地”的术语当应用于本文中时，并非用于限制所要求的发明的范围或者意指某些特征对所要求保护的发明的结构或功能是重要的、基本的或者重大的。不如说，这些术语仅仅打算用来突出在本发明的具体实施方案中可以使用或可以不使用的备选的或额外的特征。同样地，术语“基本上”还用于表示固有的不确定性程度，这种不确定性可归因于任何定量的比较、数值、测量或其他表示法。其还用来表示定量表示可以与给定的参考有差异的程度，而不会导致讨论中的主题的基本功能的变化。

为了描述和定义本发明，注意本文中的术语“设备”代表部件的组合和单独的部件，不管这些部件是否和其他部件进行了组合。例如，根据本发明的设备可包括电池或者反过来可以用来提供动力源的相关电源。设备也可指结合动力源或其他装置的车辆，该其他装置可构成车辆或动力源或者可与车辆或动力源结合使用；设备的性质从上下本中将会变得清楚。此外，术语“汽车”、“汽车的”、“车辆的”等等意欲按照常规进行解释，除非上下文中另有指示。因此，参照汽车应理解成涵盖轿车、卡车、公共汽车、摩托车、和其他类似运输方式，除非上下文中更具体地叙述。同样地，本发明可与和汽车应用无关的电池结合使用，其中温度敏感装置可能需要加强的热保护；这种附加配置应理解为落入本发明的范围之内。

已经参照具体实施例详细描述了本发明，将显而易见的是，在不背离由本发明所附权利要求所限定的范围的情况下，可以对本发明进行更改和改变。更具体地，虽然本发明的一些方面在本文中被认为是优选的或特别有利的，但是考虑本发明不必局限于本发明的这些优选的方面。

Claims (10)

1.一种汽车电池组组件，其包括：

沿堆叠轴线设置的多个棱柱形电池，所述电池中的每一个沿其边缘限定横向间隔开的正负极电池端子；和

框架组件，其包括多个部件，每一个均大致上由聚合物材料制成，所述部件包括：

顶部段，其与所述电池中的每一个的所述边缘邻近设置，所述顶部段限定其中的多个孔以将所述端子接收在其中；

底部段，其与所述电池中的每一个的边缘邻近设置，其大致上与所述端子相对；和

多个侧部段，其配合地联接到所述顶部段和底部段以限定围绕所述电池的外壳。

2.如权利要求1所述的组件，其中所述框架和所述电池中的每一个均大致上限定具有大致平面的互补表面的刚性矩形形状。

3.如权利要求1所述的组件，进一步包括多个散热片，每一个均面向地散布在一相邻对的所述电池之间。

4.如权利要求1所述的组件，其中所述侧部段和顶部段中的至少一个限定其间的孔。

5.如权利要求4所述的组件，其中限定在所述顶部段中的所述孔进一步限定操作用来将所述端子固定到所述顶部段的偏置连接件。

6.如权利要求1所述的组件，进一步包括铰链以限定以下中的至少一个之间的配合联接：(a)所述侧部段的相邻部和(b)所述侧部段以及所述顶部段和底部段中的至少一个。

7.如权利要求6所述的组件，其中所述铰链限定活动铰链。

8.如权利要求6所述的组件，其中用于将所述侧部段彼此固定的所述铰链包括卡扣配合连接。

9.如权利要求1所述的组件，进一步包括安置在所述顶部段并且限定其中的路径的排气帽，其与所述多个电池流体连通以提供用于其的选择性排气。

10.如权利要求1所述的组件，其中所述框架组件中的位置限定所述多个侧部段和所述顶部段之间的连续连接使得不存在由此限定的流体泄漏路径。