CN106450098A - 一种高能量密度易维护电池箱结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高能量密度易维护电池箱结构，包括易维护连接插头、串联铜排装置、电池箱顶盖及控制系统、整车用电器装置、电池箱体结构、电池组结构、电池包结构和电池组顶盖；所述易维护连接插头、串联铜排装置和电池包结构设置于电池箱体结构内，所述电池箱顶盖及控制系统设置于电池箱体结构顶部；所述易维护连接插头用于实现相连两电池组结构间的串联；所述电池组顶盖设置在电池组结构的上部，对电池组结构进行防护。本发明中以层叠式电池单体为基本单元的高能量密度的电池箱结构，能满足纯电动车用电池箱强度要求，能克服现有技术中电池箱技术缺陷，易于维护，并具有一定主动防护装置，实用性和安全性大大提高。

Description

一种高能量密度易维护电池箱结构
技术领域
本发明涉及一种电动汽车的电池箱，具体涉及一种高能量密度易维护电池箱结构。
背景技术
随着社会的发展，能源日益短缺、环境污染严重、全球气候变化潜在影响巨大，电力来源多元化、零排放的纯电动汽车成为未来汽车的发展方向。电池箱是电动乘用车、电动公交车等的一个重要部件。目前，纯电动车面临的巨大技术瓶颈之一就是电池系统能量密度低、安全性差，而电池箱（Battery Container）的结构设计将直接关系到箱体内电池组的安全工作状况，同时也将直接影响电池箱的能量密度。
为了满足使用的需求，通常需要将多个电池单体(Cell)串并联形成电池组，以提供所需的电压和功率。技术成熟的电池单体主要分为以18650型为代表的柱状卷绕式电池和以软包电池为代表的方形层叠式电池。柱状卷绕式电池的单体能量密度虽然比方形层叠式电池高，但其形状为圆柱形，无法密堆积，其空间利用率低，成组后能量体积密度较小；卷绕式电池单体的散热性能也较差，一般需要设置液体冷却方式散热，使得成组后结构复杂且能量密度降低，因此国内目前主流电池箱仍采用方形层叠式电池单体。
层叠式电池多为软铝膜外封装，受力性能差，且对于穿刺、振动、冲击等抵抗能力差，必须设计合理的电池箱体等支撑结构加以保护。公开号为CN102024921A的中国发明专利公开了一种叠层电池箱，多个壳体顺序排列，壳体为浅槽型并具有与壳体内蓄电池相适应的几何形状和安装空间，密封元件设置于相邻壳体之间以使相邻壳体紧密连接和相互密封，挡板设置于壳体排列的两端，挡板与壳体之间设置有保温层和密封元件，挡板上设置有蓄电池组的端子并与外电路连接，通过紧固元件将挡板与壳体排列夹紧，形成全封闭叠层电池箱，结构简洁、易于组装以及易于生产管理和质量管理的优点。目前所用的电池箱体均存在一定缺陷，有的是过分追求电池箱能量密度，而使得电池单体固定不牢靠、安全性较低；有的是过分考虑电池箱体强度，使用过多高强度金属件，使得整体能量密度降低；有的则是设计过于复杂，未考虑更换某一电池单体或某一电池包（Pack）的可行性，使得电池箱不具备快速维护性能，实用性大大降低。
电池箱的设计必须考虑电池管理系统（Battery Management System，BMS）的安置。目前很多电池箱设计中，总把BMS放置于电池箱内部，即挨着各个高压电池包。这不仅违背了工程设计中高低压分离的基本原则，也使得在仅对BMS进行维护时，不得不拆开整个电池箱，使高压部分暴露在外，极大地增加了维护操作难度和危险性。同时，现有的电池箱设计中，对箱内电池的管理及保护仅以BMS的信息作为全部判断依据。一方面，BMS管理上存在滞后性，即只有当电池箱受损异常后它才能检测到；另一方面，一旦BMS软件内部出现故障（Bug）误报电池电压、温度等信息，将无法快速核验。维护工人需要拆开电池箱，测量实际高压端电压及实际电池温度才能确认是电池本身存在故障还是BMS误报信息，这一过程不仅操作复杂，而且需要人工操作接触高压，存在极大的风险。
发明内容
本发明的目的在于设计一种以层叠式电池单体为基本单元的高能量密度的电池箱结构，并满足纯电动车用电池箱强度要求。同时，本发明所提出的电池箱结构将克服现有技术中电池箱技术缺陷，其易于维护，并具有一定主动防护装置，使得实用性和安全性大大提高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种高能量密度易维护电池箱结构，包括易维护连接插头100、串联铜排装置200、电池箱顶盖及控制系统300、整车用电器装置400、电池箱体结构500、电池组结构600、电池包结构700和电池组顶盖800；所述易维护连接插头100、串联铜排装置200和电池包结构700设置于电池箱体结构500内，所述电池箱顶盖及控制系统300设置于电池箱体结构500顶部；所述易维护连接插头100用于实现相连两电池组结构600间的串联；所述电池组顶盖800设置在电池组结构600的上部，对电池组结构600进行防护。
优选的是，所述电池包结构700采用电池单体为高能量密度的三元材料层叠式方形锂离子电池，根据整体设计需求先进行并联组成电池包，再进行串联。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池包结构700中电池单体705的极耳依次向中间折弯为阶梯形，两两表面叠放在一起，接触部分使用超声波焊接牢固，并在极耳面上适当位置打同心圆孔。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池包结构700中电池单体705以其长宽所成平面接触叠放排列，每两个单体之间使用含胶面的导热硅胶片704粘合在一起。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池包结构700中电池单体705的极耳包括电池单体正极耳702和电池单体负极耳701，所述电池单体705的电池单体正极耳702、电池单体负极耳701折弯后，与另一单体两两配对，使用超声波将其极耳焊接在一起，电池单体间用两面含胶的导热硅胶垫704粘合，构成电池包结构700。
在上述任一技术方案中优选的是，所述导热硅胶垫704上表面高于电池单体705的电池单体顶封703。
在上述任一技术方案中优选的是，所述串联铜排装置200具有串联铜排支架201，所述串联铜排支架201上设置两个含通孔的固定点并固定有串联铜排204、温度传感器202和电压采集线203，所述温度传感器202用于采集对应位置处温度信息，所述电压采集线203用于采集对应电压信息。
在上述任一技术方案中优选的是，所述串联铜排支架201的下部为锯齿状，可依次对应与电池组结构600的电池组压条607顶部楔合。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池组结构600具有一长方体空腔结构的电池组保持架605，所述电池组保持架605内部设置有电池组内隔板603和电池组内耳片604，所述电池组保持架605侧壁上设计有减重孔606，所述电池组保持架605端部设置有电池组上凸台608和电池组下凸台609。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池组内隔板603上设置有电池组隔板耳片602。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池包结构700贴合电池组保持架605侧壁及电池组内耳片604滑入到电池组保持架605底部，依次在其上部两极耳空隙中插入电池组压条607。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池组压条607由导热塑料制成，所述电池组压条607用于夹持住电池单体顶封703，所述电池组压条607底部与导热硅胶垫704上缘接触。
在上述任一技术方案中优选的是，所述串联铜排支架201下部与电池组压条607顶部楔合，所述串联铜排支架201上耳片通过螺栓与电池组隔板耳片602相固连，用于完成电池包结构700顶部限位。
在上述任一技术方案中优选的是，所述串联铜排装置200的串联铜排204的两端分别与相邻两电池包结构700上极耳连接，所述电池组结构600的拐角铜排601的两端分别与并排的两电池包结构700上极耳连接，从而实现电池组内串联。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱体结构500具有电池箱左板503、电池箱底板511、电池箱右板509、电池箱内隔板507，所述电池箱左板503、电池箱底板511、电池箱右板509、电池箱内隔板507为一体固定连接结构。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱左板503及所述电池箱右板509上设置有进风口；所述进风口处设置有防水罩504，其内部含有滤网和干燥棉。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池组下凸台609上设有通孔，可通过螺栓与电池箱底板511固定连接。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池组上凸台608用于安置易维护连接插头100。
在上述任一技术方案中优选的是，所述易维护连接插头100上设有易维护插头支架101、信息采集PCB板102和插座铜排103，所述易维护插头支架101与电池组上凸台608通过螺栓固定连接，所述信息采集PCB板102一端与电压采集线203和温度传感器202连接，所述信息采集PCB板102另一端与BMS 317连接，所述信息采集PCB板102上设有贴片式保险丝和稳压管。
在上述任一技术方案中优选的是，所述易维护连接插头100具有插头铜排105和绝缘保护板107，所述插头铜排105嵌入绝缘保护板107下表面上，所述插头铜排105两端分别与相连两个易维护插头支架101上的插座铜牌103对应；采用滚花螺栓104穿过插头铜排105和绝缘保护板107上的通孔后与滚花螺母108结合压紧固定。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱顶盖及控制系统300设置有电池箱顶板312，所述电池箱顶板312用于机械隔离下部高压电池组结构600和上部低压电池箱顶盖及控制系统300。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池组顶盖800设置有走线孔801、防护板802和极耳隔板803，所述防护板802用于防止在打开电池箱顶板312时异物落入造成短路，所述极耳隔板803用于防止电池箱在振动、碰撞中相邻两极耳间碰触短路，所述走线孔801用于采集线灵活布置。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱顶板312的前端布置有主负接触器防护罩301、熔断器防护罩302、主正接触器防护罩309，所述主负接触器防护罩301内含主负接触器313，所述熔断器防护罩302内含熔断器314，所述主正接触器防护罩309内含主正接触器315。
在上述任一技术方案中优选的是，所述整车用电器装置400与电池箱体结构500之间设置有高压连接器304、U型槽305固定、BMS防护罩308、高压线支座310，所述电池箱顶盖及控制系统300设置有总连接排316，所述主负接触器313和所述主正接触器315各自一端分别通过对应总连接排316与电池箱内串联后的电池组总负、总正端相连，所述主负接触器313另一端与所述熔断器314相连后再与负极连接线306相连，所述主正连接器315另一端与正极连接线307相连，所述负极连接线306、所述正极连接线307通过高压线支座310固定后接入高压连接器304的一头，所述高压连接器304的另一头由整车用电器装置400引出，使用时将两头对接，将U型槽305卡入后通过螺栓紧固构成主动防松结构。
在上述任一技术方案中优选的是，所述BMS防护罩308布置于电池箱顶板312后端，所述BMS防护罩308内部封装BMS 317。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱顶板312侧壁上装有低压航插311和电压显示表303，所述低压航插311用于将BMS控制信息接到电池箱体结构500外，所述电压显示表303用于实时反映电池箱体结构500内真实总电压。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱体结构500具有电池箱后板505，所述电池箱后板505上设置有用于安装排风风扇512的风扇排风口506，所述排风风扇512安装在该风扇排风口506处并与电池箱体结构500内电池组结构600位置相对应。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱体结构500具有电池箱前板510，所述电池箱前板510上设置有温度贴502，所述温度贴502内部含有热敏材料。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱体结构500具有电池箱左板503，所述电池箱左板503上安装有惯性开关501，所述惯性开关501的工作方向与车辆行驶方向一致。
在上述任一技术方案中优选的是，所述电池箱体结构500具有电池箱底板511，所述电池箱底板511上设有L型连接梁513和U型连接梁514，所述L型连接梁513和U型连接梁514用于电池箱体结构500与车体底盘的固定。
本发明涉及一种纯电动车领域方形层叠式电池单体的高能量密度易维护电池箱结构。本发明的这种高能量密度易维护电池箱结构，使用电池单体（Cell）为高能量密度的三元材料（NCM）层叠式方形锂离子电池，根据整体设计需求先进行并联组成电池包（Pack），再进行串联。一个电池包中电池单体的极耳（Tab）依次向中间折弯为阶梯形，两两表面叠放在一起，接触部分使用超声波焊接牢固。在极耳面上适当位置打同心圆孔。一个电池包中电池单体以其长宽所成平面接触叠放排列，每两个单体之间使用含胶面的导热硅胶片粘合在一起。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，设计了一种保持架用于安置固定上述并联后的电池包，并可利用该保持架上的结构方便地对各电池包进行串联。保持架基本形状为含内腔的长方体，其内部设计有隔板，用于在机械上隔离各电池包，同时也起到限位作用。隔板上设计有耳片，用于固定串联铜排。保持架四个底脚设计有凸台，用于将保持架固定在电池箱壳体上。将并联后的电池包放入保持架中各隔板内，其上部用一种压条（Bar）限位。所设计的压条是用导热阻燃塑料材质制成，如PA-6材料；且其未直接作用在电池单体顶部，而是架于保持架隔板上，并夹持住电池顶部密封处，对电池单体在竖直方向上起限位、防震作用。该压条底部与各电池单体间导热硅胶接触，构成导热路径。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设计了一种串联铜排支架，该支架固定在保持架隔板的耳片上，其上部支撑串联用铜排，下部为锯齿状，压住各个压条。串联铜排上有通孔，固定于支架后，分别用螺栓与金属防松螺母将相邻两电池单体极耳连接，将其串联，同时固定电压采集装置。该支架上设置有凹槽，用于固定温度传感器。电压采集装置和温度传感器的信号线统一连接在一块印刷电路板（PCB）上。该印刷电路板上设置有贴片式保险丝和稳压管，固定在保持架的一端，设有与外部连接的端口。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设计了一种方形结构电池箱体，其特征在于前面板、后面板及上面板均可独立拆卸；面板均采用强度较高、加工性好的金属材料制成，如7075铝，内表面上均覆有绝缘阻燃材料，如Formex材料。上述组装好的电池组将固定在电池箱底面板上。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设计了一种高效的抽风式主动散热路径。在电池箱后板上固定有散热风扇，由BMS控制开关状态。在电池箱左板及右板上设置有进风口，进风口处设置有含过滤装吸附装置的屋檐式结构，可提高整箱的防水防尘等级。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设计了一种特殊的电池组间易维护连接插头（Maintenance Plug）。其特征在于可安全、快速地在不使用工具的前提下拆除，同时连接可靠并具有主动防松特性。该连接插头的串联连接片为“三明治”结构，上下层为绝缘材料，方便手持，中间层为导电的铜片。两端用一种特殊滚花螺母紧固，其螺栓端可穿出螺母端，穿出部分贴近螺母上表面部分穿有通孔，安装完成后，将一个R型销穿入该通孔作为机械防松。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设计了一种电池组顶盖。其以绝缘导热材料制成，主体结构为一扁平长方形，下部设有与各电池单体极耳位置相对应的片状隔板。该顶盖在使用中仅作隔离用，为非承力件，在侧面设有卡槽，可良好地固定电池组上方。顶盖装配上后，各个电池单体均处于完全被绝缘导热材料包覆状态，且各电池单体极耳彼此有绝缘材料隔离。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，遵循了高低压分离原则。将电池系统所涉及低压控制件、需更换件均放置在电池箱顶部面板以上。主正接触器、主负接触器、熔断器及高压输出口均固定在上面板前端，上部用绝缘塑料材料封装。其中主正接触器一端与正极高压线相连，一端与正极连接排相连；主负接触器一端与熔断器串联后与负极高压线相连，一端与负极连接排相连。上述正极、负极连接排分别与电池箱内串联完毕的电池组的总正端极耳、总负端极耳相连。BMS及低压控制线接口设置在顶板后端，并用绝缘塑料材料封装。BMS信号接收端引线接入电池箱内各电池组的信号采集PCB板上；BMS信号发送端引线接入固定于封装盒内壁的低压航插上。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还针对高压连接器设置有主动防松结构。在现有一般连接器基础上，加设一个U形槽装结构，上有2个通孔；在连接器两端上各有1个通孔，当连接器对接后，将U形槽装上，穿入螺栓紧固。该结构能保证连接器固定可靠，使用过程中无松动。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，设置有电压显示表，电压显示表设置在BMS旁边。其所测电压为电池箱内实际总电压，可直观地读数。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设置有温度显示贴，温度显示贴设置在电池箱前板上。其原理与普通温度贴相同，但其刻度根据实验值做一定标定，实际显示的为电池箱内温度。
本发明的高能量密度易维护电池箱结构，还设置有惯性开关，惯性开关设置在电池箱板上，使其工作方向与电池箱使用中车辆前进方向一致。该惯性开关设置的阈值为电池箱结构在设计时所能承受的最大加速度与所装载车辆碰撞时可能产生最大加速度两者中的较小值。各电池箱上均设有该惯性开关，在使用中，若某箱上惯性开关被激活，则发送检修报警，高亮当前车辆BMS信息、绝缘监测信息，提示驾驶员停车检查，确认无异常后手动复位惯性开关；若超过总箱数半数以上的惯性开关被激活，则发送故障报警，直接切断各箱电池电压输出，自动解除各车门电子锁，激活双闪灯报警。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益效果：
1、本发明针对现有电池箱能量密度低的缺陷，提出了一种适用于高能量密度的三元层叠式电池单体的电池箱结构。该结构紧凑、精致，充分考虑电池箱中电池单体的受力、固定、导热、散热、振动、维护、更换等实际问题。所制样件测试质量比能量为147.84Wh/kg，体积比能量为325.16Wh/L，而一般乘用车的电池系统比能量仅为90Wh/kg和250Wh/L。
2、本发明采用了模块化、成组化的设计思想，所设计结构使用灵活，互换性强，维护方便。本发明根据整体需要，先将电池单体并联形成电池包，再将电池包固定在保持架中并依次串联形成电池组，电池组固定在底板上并依次串联形成电池箱内的高压供电部分。在实际使用中，可以对电池组、电池包、电池单体分别设置备件，根据维护条件，可将整个电池组快速更换或仅更换某电池包、电池单体。
3、本发明采用了分层管理的设计思想，设计时将高低压件分层布置、将承力和非承力件分层设计。
4、本发明将高压部分封装在电池箱内部，而将低压控制部分封装在电池箱顶部。这样可以减弱高压系统对控制系统的电磁干扰，同时也能避免高压电弧等对控制系统的损害。在仅对电池箱控制系统，如BMS进行维护时，可以避免拆开电池箱这一危险又繁琐的操作，直接在电池箱顶部打开封装盒体即可操作。大大提高了现场维护控制系统的效率，也降低了操作中的风险。
5、本发明对于对电池箱结构进行了系统分析，对于仅起保持、限位、绝缘隔离等作用的箱内结构件使用密度较小的工程塑料制备；而对于起承力、保护等作用的箱体面板则使用强度较高的金属材料制备。这样能根据需要充分利用不同材料特性，在保证同等安全性的前提下，从材料上对电池箱结构进行轻量化优化。
6、本发明充分考虑了电池单体的可受力情况。所使用的层叠式方形电池单体因其制备原理，无法承受局部集中应力，在顶部及侧面无法承力，极耳处无法承力。本发明中将各电池单体对齐后用导热硅胶片粘合为电池包，防止其彼此错位而拉扯焊接在一起的极耳。将电池包安置于保持架中，在其顶部用压条限位，在承力性最好的面上依靠面接触产生的摩擦力固定，各电池单体上均无集中应力，优化了电池受力情况。
7、本发明充分考虑电池单体的导热及散热路径。各电池单体间无直接接触，均有导热硅胶片隔离，其散热性能、绝缘性能优异，能防止直接地连锁热失控发生，且能有效地减缓各电池单体的振动。电池单体的发出的热量传递给导热硅胶，导热硅胶向上传递给导热压条。导热压条上表面为散热风道，从左右进风口吸入的风经后部风扇排出，将热量散到电池箱外。本发明中使用抽风式散热，在末端始终有负压源存在，风道上局部受阻后会形成高压区，能自动疏散，而吹风式散热则无法快速消除局部高压区。
8、本发明技术方案中电池采集系统以电池组为单位进行，各电池组内采集线统一接入各电池组上的PCB采集板，由PCB采集板再连入BMS从板上，这样可以避免飞线。同时，在快速更换电池组时只需拔插PCB板上的接插件，在快速更换BMS从板时，只需拔插BMS从板接口处接插件，提高更换效率。PCB板上的贴片式保险丝和稳压管可以有效地防止电池单体采集线短路、搭接后产生的大电流、电压对BMS从板的损坏，降低维护成本。
9、本发明技术方案中各电池组间串联使用了快速维护插头设计。在实际使用中，可以不借助工具便能断开两个电池组间的电气连接，使得更换电池组的可行性大大提高；在紧急情况下，也能快速隔离开各电池组，防止进一步的危险发生。同时，该维护插头又具有主动防松结构，保证连接的可靠性。
10、本发明技术方案针对现有高压输出连接器额外设置了机械主动防松装置。在高压输出连接器上额外设置机械主动防松装置，该装置结构简单，防松效果明显，且不易发生磨损失效，可以良好地保证各电池箱间高压连接可靠。
11、本发明技术方案中设置了不经BMS等程序控制的电压显示表，其读数直接反映电池箱中实际高压值。在实际维护中，可以根据该读数快速判断是BMS故障误报电压还是电池本身损坏，避免了开箱实测电池输出端电压这一操作，提高了维护效率，降低了维护风险。
12、本发明技术方案中设置了与箱内实际温度相关联的温度贴，其读数可以反映电池箱中实际温度。这种方式虽然存在一定误差，但可以提供足够精度的箱内温度参考值，与BMS所报温度比对后，可以快速判断出是BMS程序、温度传感器等故障还是电池箱内电池温度异常，避免了开箱实测电池温度这一操作，提高了维护可行性和效率，降低了维护风险。
13、本发明还在电池箱上设置了惯性开关，并设计了一套控制策略。当车辆发生碰撞时，电池箱能主动自我保护切断高压电源输出，发出双闪指令预警，同时解除车门电子锁方便可能需要的紧急救援，最大限度保证驾驶员安全。一旦触发该报警，需要驾驶员手动逐个复位电池箱上惯性开关，由此可以充分确保各电池箱状态被人为检查过，避免出现危险。
14、本发明的技术方案结构简单，易于在现有零部件基础上改造升级，控制方案准确高效，响应迅速。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池箱总体装配结构示意图；
图2为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池箱总体装配结构剖视图；
图3为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的单体并联所形成的电池包结构示意图；
图4为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池包间串联铜排装置结构示意图；
图5为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池包串联所形成的电池组结构示意图；
图6为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池包串联所形成的电池组结构侧视图；
图7为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池箱体结构示意图；
图8为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的易维护连接插头结构示意图；
图9为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池箱顶盖及控制系统结构示意图；
图10为图9的B-B方向剖视图；
图11为图9的D-D方向剖视图；
图12为图9的C-C方向剖视图；
图13为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池组防护盖结构示意图；
图14为按照本发明的高能量密度易维护电池箱结构的一优选实施例的电池箱工作流程示意图；
附图标记：
100为易维护连接插头，200为串联铜排装置，300为电池箱顶盖及控制系统，400为整车用电器装置（与本发明结构无关，辅助表达电源连接结构），500为电池箱体结构，600为电池组结构，700为电池包结构，800为电池组顶盖；
101为易维护插头支架，102为信息采集PCB板，103为插座铜排，104为滚花螺栓，105为插头铜排，106为R型销，107为绝缘保护板，108为滚花螺母；
201为串联铜排支架，202为温度传感器，203为电压采集线，204为串联铜排；
301为主负接触器防护罩，302为熔断器防护罩，303为电压显示表，304为高压连接器，305为U型槽，306为负极连接线，307为正极连接线，308为BMS防护罩，309为主正接触器防护罩，310为高压线支座，311为低压航插，312为电池箱顶板，313为主负接触器，314为熔断器，315为主正接触器；316为总连接排，317为BMS；
501为惯性开关，502为温度贴，503为电池箱左板，504为防水罩，505为电池箱后板，506为风扇排风口，507为电池箱内隔板，508为进风口，509为电池箱右板，510为电池箱前板，511为电池箱底板，512为排风风扇，513为L型连接梁，514为U型连接梁；
601为拐角铜排，602为电池组隔板耳片，603为电池组内隔板，604为电池组内耳片，605为电池组保持架，606为减重孔，607为电池组压条，608为电池组上凸台，609为电池组下凸台；
701为电池单体负极耳，702为电池单体正极耳，703为电池单体顶封，704为导热硅胶垫，705为电池单体；
801为走线孔，802为防护板，803为极耳隔板，804为卡槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了克服电池箱在电动车领域现有技术中所存在的问题，本发明实施例提出一种高能量密度易维护电池箱结构，这种以层叠式电池单体为基本单元的高能量密度的电池箱结构，能满足纯电动车用电池箱强度要求，能克服现有技术中电池箱技术缺陷，易于维护，并具有一定主动防护装置，实用性和安全性大大提高。
如图1和图2所示，本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构包括与整车用电器装置400相连接的电池箱体结构500，还包括易维护连接插头100、串联铜排装置200、电池箱顶盖及控制系统300、电池组结构600、电池包结构700和电池组顶盖800；易维护连接插头100、串联铜排装置200和电池包结构700设置于电池箱体结构500内，电池箱顶盖及控制系统300设置于电池箱体结构500顶部；易维护连接插头100用于实现相连两电池组结构600间的串联；电池组顶盖800设置在电池组结构600的上部，对电池组结构600进行防护。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构，采用了适用于高能量密度的三元层叠式电池单体的电池箱结构。电池包结构700采用电池单体为高能量密度的三元材料层叠式方形锂离子电池，根据整体设计需求先进行并联组成电池包，再进行串联。电池包结构700中电池单体705的极耳依次向中间折弯为阶梯形，两两表面叠放在一起，接触部分使用超声波焊接牢固，并在极耳面上适当位置打同心圆孔。电池包结构700中电池单体705以其长宽所成平面接触叠放排列，每两个单体之间使用含胶面的导热硅胶片704粘合在一起。这种层叠式电池单体的电池箱结构，结构紧凑、精致，充分考虑电池箱中电池单体的受力、固定、导热、散热、振动、维护、更换等实际问题。所制样件测试质量比能量为147.84Wh/kg，体积比能量为325.16Wh/L，而一般乘用车的电池系统比能量仅为90Wh/kg和250Wh/L。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构采用了模块化、成组化的设计思想，所设计结构使用灵活，互换性强，维护方便。根据整体需要，先将电池单体并联形成电池包，再将电池包固定在保持架中并依次串联形成电池组，电池组固定在底板上并依次串联形成电池箱内的高压供电部分。在实际使用中，可以对电池组、电池包、电池单体分别设置备件，根据维护条件，可将整个电池组快速更换或仅更换某电池包、电池单体。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构采用了分层管理的设计思想，设计时将高低压件分层布置、将承力和非承力件分层设计。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构将高压部分封装在电池箱内部，而将低压控制部分封装在电池箱顶部。这样可以减弱高压系统对控制系统的电磁干扰，同时也能避免高压电弧等对控制系统的损害。在仅对电池箱控制系统，如BMS进行维护时，可以避免拆开电池箱这一危险又繁琐的操作，直接在电池箱顶部打开封装盒体即可操作。大大提高了现场维护控制系统的效率，也降低了操作中的风险。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构对于对电池箱结构进行了系统分析，对于仅起保持、限位、绝缘隔离等作用的箱内结构件使用密度较小的工程塑料制备；而对于起承力、保护等作用的箱体面板则使用强度较高的金属材料制备。这样能根据需要充分利用不同材料特性，在保证同等安全性的前提下，从材料上对电池箱结构进行轻量化优化。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构充分考虑了电池单体的可受力情况。所使用的层叠式方形电池单体因其制备原理，无法承受局部集中应力，在顶部及侧面无法承力，极耳处无法承力。本发明中将各电池单体对齐后用导热硅胶片粘合为电池包，防止其彼此错位而拉扯焊接在一起的极耳。将电池包安置于保持架中，在其顶部用压条限位，在承力性最好的面上依靠面接触产生的摩擦力固定，各电池单体上均无集中应力，优化了电池受力情况。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构充分考虑电池单体的导热及散热路径。各电池单体间无直接接触，均有导热硅胶片隔离，其散热性能、绝缘性能优异，能防止直接地连锁热失控发生，且能有效地减缓各电池单体的振动。电池单体的发出的热量传递给导热硅胶，导热硅胶向上传递给导热压条。导热压条上表面为散热风道，从左右进风口吸入的风经后部风扇排出，将热量散到电池箱外。本发明中使用抽风式散热，在末端始终有负压源存在，风道上局部受阻后会形成高压区，能自动疏散，而吹风式散热则无法快速消除局部高压区。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构中电池采集系统以电池组为单位进行，各电池组内采集线统一接入各电池组上的PCB采集板，由PCB采集板再连入BMS从板上，这样可以避免飞线。同时，在快速更换电池组时只需拔插PCB板上的接插件，在快速更换BMS从板时，只需拔插BMS从板接口处接插件，提高更换效率。PCB板上的贴片式保险丝和稳压管可以有效地防止电池单体采集线短路、搭接后产生的大电流、电压对BMS从板的损坏，降低维护成本。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构中各电池组间串联使用了快速维护插头设计。在实际使用中，可以不借助工具便能断开两个电池组间的电气连接，使得更换电池组的可行性大大提高；在紧急情况下，也能快速隔离开各电池组，防止进一步的危险发生。同时，该维护插头又具有主动防松结构，保证连接的可靠性。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构针对现有高压输出连接器额外设置了机械主动防松装置。在高压输出连接器上额外设置机械主动防松装置，该装置结构简单，防松效果明显，且不易发生磨损失效，可以良好地保证各电池箱间高压连接可靠。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构中设置了不经BMS等程序控制的电压显示表，其读数直接反映电池箱中实际高压值。在实际维护中，可以根据该读数快速判断是BMS故障误报电压还是电池本身损坏，避免了开箱实测电池输出端电压这一操作，提高了维护效率，降低了维护风险。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构中设置了与箱内实际温度相关联的温度贴，其读数可以反映电池箱中实际温度。这种方式虽然存在一定误差，但可以提供足够精度的箱内温度参考值，与BMS所报温度比对后，可以快速判断出是BMS程序、温度传感器等故障还是电池箱内电池温度异常，避免了开箱实测电池温度这一操作，提高了维护可行性和效率，降低了维护风险。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构还在电池箱上设置了惯性开关，并设计了一套控制策略。当车辆发生碰撞时，电池箱能主动自我保护切断高压电源输出，发出双闪指令预警，同时解除车门电子锁方便可能需要的紧急救援，最大限度保证驾驶员安全。一旦触发该报警，需要驾驶员手动逐个复位电池箱上惯性开关，由此可以充分确保各电池箱状态被人为检查过，避免出现危险。
本实施例所述高能量密度易维护电池箱结构，结构简单，易于在现有零部件基础上改造升级，控制方案准确高效，响应迅速。
为了清楚地描述本发明所提出的电池箱结构，结合图1至13，以一种电池单体2并72串所组成的电池箱系统为例进行说明。
电池单体705的电池单体正极耳702、电池单体负极耳701折弯后，与另一单体两两配对。使用超声波将其极耳焊接在一起，单体间用两面含胶的导热硅胶垫704粘合，构成电池包。其中，导热硅胶垫704上表面要略高于电池单体顶封703。
串联铜排装置200的主体部分为串联铜排支架201，其上有两个含通孔的固定点，并固定有串联铜排204、温度传感器202和电压采集线203。串联铜排支架201下部为锯齿状，可依次对应与电池组压条607顶部楔合。
电池组保持架605为一长方体空腔结构，其内部设置有电池组内隔板603和电池组内耳片604，其侧壁上设计有减重孔606；其端部设置有电池组上凸台608和电池组下凸台609。电池组内隔板603上设置有电池组隔板耳片602。将电池包结构700贴合电池组保持架605侧壁及电池组内耳片604滑入到保持架底部，依次在其上部两极耳空隙中插入电池组压条607。电池组压条607由导热塑料制成，恰能夹持住电池单体顶封703，且其底部可与导热硅胶垫704上缘良好接触。串联铜排支架201下部与电池组压条607顶部楔合，串联铜排支架201上耳片可通过螺栓与电池组隔板耳片602相固连，从而完成电池包结构700顶部限位。串联铜排204两端分别与相邻两电池包结构700上极耳连接，拐角铜排601两端分别与并排的两电池包结构700上极耳连接，从而实现电池组内串联。温度传感器202可采集对应位置处温度信息，电压采集线203可采集对应电压信息。
电池箱体结构500中电池箱左板503、电池箱底板511、电池箱右板509、电池箱内隔板507是一体固定连接的。在装配及维护中，电池箱前板510、电池箱后板505及电池箱顶板312可自由拆卸。电池箱内隔板507主要起对电池组机械隔离，及增加方形腔体整体刚度作用。上述电池箱板内表面上均覆有绝缘阻燃材料。电池箱左板503及电池箱右板509上设置有进风口，进风口处设置有防水罩504，其内部含有滤网和干燥棉，可提高整箱的防水防尘等级。
电池组下凸台609上设有通孔，可通过螺栓与电池箱底板511固定连接。电池组上凸台608用于安置易维护连接插头100。
易维护连接插头100上易维护插头支架101与电池组上凸台608通过螺栓固定连接。易维护插头支架101上设有信息采集PCB板102和插座铜排103。信息采集PCB板102一端与电压采集线203和温度传感器202连接，其另一端与BMS317连接，其上设有贴片式保险丝和稳压管，可在短路及搭线时保护BMS不被损坏。插头铜排105嵌入绝缘保护板107下表面上，其两端分别与相连两个易维护插头支架101上的插座铜牌103对应，滚花螺栓104穿过上述零件上的通孔后与滚花螺母108结合压紧固定。在滚花螺栓104适当位置上设有通孔，固定好后，使用R型销106穿过该通孔，从而实现防松功能。上述滚花螺栓104、滚花螺母108为通用的手拧预紧装置，R型销106为插拔式，因此该结构可在主动防松前提下，不使用工具便快速拆装。当易维护连接插头100装置连接完后，即实现相连两电池组结构600间的串联，否则即断开相邻两电池组结构600间电气连接。
电池组结构600连接完成后，其上部可通过电池组顶盖800防护。防护板802可防止在打开电池箱顶板312时有异物落入造成短路；设置极耳隔板803可防止电池箱在振动、碰撞中相邻两极耳间碰触短路；走线孔801可方便采集线灵活布置。
电池箱顶板312从机械上隔离了下部高压电池组结构600和上部低压电池箱顶盖及控制系统300。
电池箱顶板312前端布置有主负接触器防护罩301，内含主负接触器313；熔断器防护罩302，内含熔断器314；主正接触器防护罩309，内含主正接触器315。主负接触器313和主正接触器315各自一端分别通过对应总连接排316与电池箱内串联后的电池组总负、总正端相连；主负接触器313另一端与熔断器314相连后再与负极连接线306相连；主正连接器315另一端与正极连接线307相连。负极连接线306、正极连接线307通过高压线支座310固定后接入高压连接器304的一头；高压连接器304的另一头由整车用电器装置400引出，在使用时将两头对接，将U型槽305卡入后通过螺栓紧固，构成主动防松结构。
电池箱顶板312后端布置有BMS防护罩308，其内部封装着BMS317，实现对电池系统的监管；在一个侧壁上装有低压航插311，可将BMS控制信息接到电池箱外；在适当位置处安装有电压显示表303，可实时反映电池箱内真实总电压。当BMS317发送奇异电压数据时，可通过该电压显示表303快速判断箱内真实电压值。
电池箱后板505上设置有若干风扇排风口506，排风风扇512安装在该风扇排风口506处，且与箱内电池组结构600位置相对应。自然风经进风口508处过滤网及干燥棉处理后，进入电池箱内部。电池单体705工作时发热，热量传递给导热硅胶垫704，导热硅胶垫704将热量传递给电池组压条607，风将其表面热量带走，由排风风扇512送出电池箱外，完成散热。
电池箱前板510上设置有温度贴502。温度贴502为简易贴纸式，其内部含有热敏材料，对温度变化会做出反应，如体积膨胀或变色。由上述风道可知，从电池箱两侧进风，后部排风，散热效果最差的点应为电池前部中点。将温度贴502贴在该处，将最能表现出电池箱内温度。对电池箱进行温度标定，用精密温度传感器获取电池箱内实际温度，并依次标定在温度贴纸刻度或图例上。实际使用中，即可通过该温度贴502得知电池箱内温度，一旦BMS317发出奇异温度值时，可快速判断当前电池箱内实际温度情况。
电池箱上适当位置，如电池箱左板503上，安装有惯性开关501。该惯性开关501的工作方向与车辆行驶方向一致。
电池箱底板511上设有L型连接梁513和U型连接梁514，可通过L型连接梁513和U型连接梁514将电池箱与车体底盘固定。该惯性开关501设置的阈值为电池箱结构在设计时所能承受的最大加速度与所装载车辆碰撞时可能产生最大加速度两者中的较小值。
在工作中，将按图14所示流程响应。当正常行车时，检测到惯性开关501进行激活，如果激活数量超过电池箱半数，进入故障模式，切断电池输出，发送故障报警并激活双闪报警，然后解除各车门电子锁，车辆停止。如果激活数量未超过电池箱半数，则进入预警模式，发送检修警告，驾驶员检查确认并手动复位。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高能量密度易维护电池箱结构，包括与整车用电器装置（400）相连接的电池箱体结构（500），其特征在于：所述高能量密度易维护电池箱结构还包括易维护连接插头（100）、串联铜排装置（200）、电池箱顶盖及控制系统（300）、电池组结构（600）、电池包结构（700）和电池组顶盖（800）；所述易维护连接插头（100）、串联铜排装置（200）和电池包结构（700）设置于电池箱体结构（500）内，所述电池箱顶盖及控制系统（300）设置于电池箱体结构（500）顶部；所述易维护连接插头（100）用于实现相连两电池组结构（600）间的串联；所述电池组顶盖（800）设置在电池组结构（600）的上部，对电池组结构（600）进行防护。
2.如权利要求1所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述电池包结构（700）采用电池单体为高能量密度的三元材料层叠式方形锂离子电池，根据整体设计需求先进行并联组成电池包，再进行串联。
3.如权利要求1所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述电池包结构（700）中电池单体（705）的极耳依次向中间折弯为阶梯形，两两表面叠放在一起，接触部分使用超声波焊接牢固，并在极耳面上适当位置打同心圆孔。
4.如权利要求1所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述电池包结构（700）中电池单体（705）以其长宽所成平面接触叠放排列，每两个单体之间使用含胶面的导热硅胶片（704）粘合在一起。
5.如权利要求3或4所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述电池包结构（700）中电池单体（705）的极耳包括电池单体正极耳（702）和电池单体负极耳（701），所述电池单体（705）的电池单体正极耳（702）、电池单体负极耳（701）折弯后，与另一单体两两配对，使用超声波将其极耳焊接在一起，电池单体间用两面含胶的导热硅胶垫（704）粘合，构成电池包结构（700）。
6.如权利要求5所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述导热硅胶垫（704）上表面高于电池单体（705）的电池单体顶封（703）。
7.如权利要求1所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述串联铜排装置（200）具有串联铜排支架（201），所述串联铜排支架（201）上设置两个含通孔的固定点并固定有串联铜排（204）、温度传感器（202）和电压采集线（203），所述温度传感器（202）用于采集对应位置处温度信息，所述电压采集线（203）用于采集对应电压信息。
8.如权利要求7所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述串联铜排支架（201）的下部为锯齿状，可依次对应与电池组结构（600）的电池组压条（607）顶部楔合。
9.如权利要求1所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述电池组结构（600）具有一长方体空腔结构的电池组保持架（605），所述电池组保持架（605）内部设置有电池组内隔板（603）和电池组内耳片（604），所述电池组保持架（605）侧壁上设计有减重孔（606），所述电池组保持架（605）端部设置有电池组上凸台（608）和电池组下凸台（609）。
10.如权利要求9所述的高能量密度易维护电池箱结构，其特征在于：所述电池组内隔板（603）上设置有电池组隔板耳片（602）。
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