CN106935752A - 用于电动车辆的电池包装和嵌件模制 - Google Patents

Abstract

一种用于电动车辆的电池组可包括被布置成一行或多行的多个电池单体、冷却剂回路和模制嵌件，其中所述模制嵌件包围多个单体和冷却剂回路，以使得多个单体和冷却剂回路相对于彼此被固定。模制嵌件可覆盖电池组的冷却剂回路的大部分和/或电池组的单独的电池单体。注塑模具可用作夹具以相对于冷却剂回路而将单独的电池单体固持在适当位置中，并且模制嵌件可围绕电池和冷却剂回路组件被注射。

Description

用于电动车辆的电池包装和嵌件模制

关联申请的交叉引用

本专利申请是2015年12月30日递交的题目为“用于电动车辆的电池包装和嵌件模制(BATTERY PACKAGING AND INSERT MOLDING FOR ELECTRIC VEHICLES)”的美国专利申请No.62/272,711的非临时申请并主张其优先权，所述美国专利申请与以下共同转让的专利申请关联。这些申请中的每一个都以引用方式被并入本文中：

2015年12月30日递交的题目为“用于电动车辆的电池包装和嵌件模制(BATTERYPACKAGING AND INSERT MOLDING FOR ELECTRIC VEHICLES)”的美国专利申请No.62/272,712。

2015年12月30日递交的题目为“用于电动车辆电池组的集成汇流条和电池连接(INTEGRATED BUSBAR AND BATTERY CONNECTION FOR ELECTRIC VEHICLE BATTERYPACKS)”的美国专利申请No.62/272,713。

技术领域

本发明涉及用于电动车辆的电池包装和嵌件模制。

背景技术

电动车辆使用由可再充电电池组中所储存的电能供电的一个或多个电动机。锂基电池通常因其高功率和能量密度而被选择。为了确保电动车辆高效地且安全地工作，电池组的温度必须被维持在规定的最佳温度范围内。电动车的冷却剂系统可在物理上被延伸到电池组以去除过量的热，从而延长电池组的使用寿命并延长一次充电可行驶的距离。

随着电动车辆日益普及，制造过程的效率将变得更重要。在提高电池组的可靠性和安全性的同时降低电池组的制造成本的过程和装置将是满足消费者需求的关键所在。具体来说，需要确保单独的电池单体之间的可靠电连接、高效地冷却电池组，并且辅助将数千个单独的电池单体组装为可在必要时安装和替换的模块化电池组的制造过程的过程和装置。

发明内容

在一些实施例中，一种用于电动车辆的电池组可包括被布置成一行或多行的多个电池单体、冷却剂回路和模制嵌件，其中模制嵌件包围多个单体和冷却剂回路，以使得多个单体和冷却剂回路相对于彼此被固定。

在一些实施例中，一种制造用于电动车辆的电池组的方法可包括：提供注塑模具；以及将被布置成一行或多行的多个电池单体放置在注塑模具中。所述方法还可包括在注塑模具中围绕多个电池单体的一行或多行引导(routing)冷却剂回路；以及注塑模制包围多个单体和冷却剂回路的模制嵌件，以使得多个单体和冷却剂回路相对于彼此被固定。

在这些实施例中的每一个中，以下特征中的一个或多个还可按任意组合且不受限制地存在。模制嵌件可以是使用注塑模具围绕多个电池单体和冷却剂回路被注塑模制的。注塑模具可包括使冷却剂回路离开注塑模具的孔。在模制嵌件被注塑模制之后，模制嵌件可能需要不到10分钟来凝固。模制嵌件可包括一种或多种塑料或环氧树脂。模制嵌件可填充冷却剂回路和多个电池单体之间的间隙。模制嵌件可保持多个电池单体的顶部和底部为暴露的。模制嵌件可填充多个电池单体之间的间隙。模制嵌件的顶部可与多个电池单体的顶部齐平。模制嵌件的顶部可终止在多个电池单体的顶部之下至少5mm处。

附图说明

可参照本说明书的其余部分和附图来实现对本发明的性质和优点的进一步理解，其中贯穿若干附图，相同的附图标记用于表示类似组件。在一些情形下，子 标记与附图标记相关联以表示多个类似组件中的一个。当参照附图标记而没有具体指定现有子标记时，旨在表示所有这些多个类似组件。

图1图示根据一些实施例的具有可再充电电池系统的电动车辆的简化图。

图2图示根据一些实施例的可用于电动车辆中的锂基电池。

图3图示根据一些实施例的具有冷却剂回路的电池组。

图4图示根据一些实施例的具有热偶套管的冷却剂回路。

图5图示根据一些实施例的具有部分模制嵌件的电池组。

图6图示根据一些实施例的具有完全模制嵌件的电池组。

图7A图示根据一些实施例的具有模制嵌件的电池组。

图7B图示根据一些实施例，电池组和冷却剂回路被装配到注塑模具中以应用模制嵌件。

图8图示根据一些实施例的用于将模制嵌件应用到电池组的注塑模制系统。

图9图示根据一些实施例的用于将模制嵌件应用到电池组的方法的流程图。

具体实施方式

本文中描述用于将模制嵌件应用到电池组的装置和过程的实施例。多个电池单体可与集成的冷却剂回路一起被布置为模块化组。为了将单独的电池单体固定在适当位置中，可使用特别制造且设计成使模制嵌件凝固所花费的时间减到最少的材料，经由注塑模制来应用模制嵌件。举例来说，可再充电电池系统中的每一个模块化电池组可包括500到1000个单独的电池单体。这些单独的电池单体可被放置到注射系统的夹具中，并且一种或多种塑料的复合物可被注射到电池组中。此注射的温度和压力低于环氧树脂或紫外光固化胶的温度和压力，并且在短达3分钟的时间内相对快速地凝固。所得的固体模块化电池组显著减少制造用于电动车辆的电池系统所需的成本和时间。

图1图示根据一些实施例的具有可再充电电池系统104的电动车辆102的简化图100。可再充电电池系统104可包括一个或多个电池组106。电池组可包括多个单独的电池单体，所述多个单独电池单体被电连接以为电动车辆102提供特 定电压/电流。取决于实施例，电动车辆102可包括使用燃料燃烧与所储存的电力两者工作的混合动力车辆，以及完全使用所储存的电力工作的全电动车辆。

可再充电电池系统104在大小、重量和成本方面代表电动车辆102的主要组件。大量努力投入到可再充电电池系统104的设计和成形中，以便在确保电动车辆102的乘客的安全的同时，将在电动车辆102中所使用的空间的量减到最少。在一些电动车辆中，可再充电电池系统104位于车厢的地板下，如图1所描绘的那样。在其他电动车辆中，可再充电电池系统104可位于电动车辆的后备厢或引擎盖区域中。

虽然较小数量的较大的电池单体可能是更节能的，但这些较大的电池的大小和成本过大。此外，较大的电池在电动车辆102中需要更多相连的空间块。这妨碍较大的电池被储存在例如如图1所描绘的车厢的地板等位置中。因此，一些实施例使用大量较小的电池单体，所述较小的电池单体被联接在一起以产生相当于单个较大的单体的电特性。较小的单体可以是，例如，传统AA/AAA电池的大小，并且可被分组在一起以形成多个电池组106。每一个电池组可包括大量单独的电池单体。在一个实施例中，700个单独的锂基电池被联结在一起以形成单个电池组106a，并且可再充电电池系统104可包括并联或串联连接的四个电池组106、八个电池组、十个电池组、十六个电池组和/或类似的，直到满足电动车辆102的电力要求为止。对于单个电动车辆102来说，每一个电池组106中所包括的单独的电池单体可总计有数千个。

图2图示根据一些实施例的可用于电动车辆中的锂基电池202的图200。如本文所使用，术语“电池(battery)”、“单体(cell)”和“电池单体(battery cell)”可互换地使用，以表示电池系统中所使用的任何类型的单独的电池元件。本文所述的电池通常包括锂基电池，但也可包括各种化学物质和配置，所述各种化学物质和配置包括磷酸铁、金属氧化物、锂离子聚合物、镍金属氢化物、镍镉、镍基电池(氢、锌、镉等)，以及与电动车辆兼容的任何其他电池类型。举例来说，一些实施例可使用来自的6831NCR 18650电池单体，或18650的某一呈6.5cm×1.8cm的外形尺寸且约45g的变型。

图3图示根据一些实施例的具有冷却剂回路306的电池组304的俯视图300和等角视图302。图3所描绘的电池组304是从原本用于电动车辆中的实际电池组大幅简化来的。单独的电池单体和单体行的数量已大幅减少，以便简单地且清楚地描述本发明的元件。应理解，实际电池组将包括更多个单独的电池单体以及冷却剂回路306的更复杂的路径。

电池组304中的单独的电池单体被线性布置为一系列行，其中每一个单独的电池单体邻近于行内的另一个电池单体。在一些实施例中，单一行内的单独的电池单体之间将不存在明显间隙。为了使每单位体积的单独的电池单体的数量最大化，电池单体的邻近行偏移约一个单独的电池单体的半径。邻近行接着在图3所描绘的偏移位置中被放置成挨着彼此，以使得第一行中的每一个单独的电池单体邻近于或接触第二行中的两个单独的电池单体。在一些实施例(未示出)中，三行或更多行被放置成相互邻近，而在所述行之间没有明显间隙。

图3的电池组304包括由冷却剂回路306分开的成对的邻近行。电动车辆可被配置成泵送液体冷却剂穿过冷却剂回路306，以便将热从电池组304传递到散热器或其他热交换系统。冷却剂回路306可包括一根或多根冷却剂管308，液体冷却剂可穿过所述一根或多根冷却剂管308而循环。在一些实施例中，电动车辆可将专用冷却剂回路用于电池组304，而其他实施例可利用现有的发动机冷却剂系统。在一些实施例中，冷却剂回路306还可被联接到加热系统，以使得当极端天气导致环境温度降低到低于单独的电池单体的优选工作温度范围时，电池组304可被加热。

冷却剂回路306可围绕电池组304中的单独的电池单体的行而被引导。每一个电池组可包括用于冷却剂回路306的入口和出口。在一些实施例中，冷却剂回路可被缠绕在单独的电池单体的成对的行周围，以使得每一个电池单体邻近于冷却剂回路的至少一部分。虽然图3中未示出，但一些冷却剂回路可具有与每一行中的圆形的单独的电池单体的轮廓相符的波形剖面或扇贝形剖面。此类型的冷却剂回路的示例被描绘在美国专利No.8,541,127中，并且与下文所述的模制嵌件 兼容。在其他实施例(例如，图3的实施例)中，冷却剂回路306可被维持呈基本上直的形式。

图4图示根据一些实施例的具有导热垫410的冷却剂回路406的俯视图400和等角视图402。代替需要将冷却剂回路406卷曲为波形或扇贝形图案以便与电池组中的单独的电池单体的曲率相符，导热垫410可被插入在冷却剂回路406与单独的电池单体之间。导热垫可由任何导热材料构造而成，并且可在一侧上被预形成有与单独的电池单体的曲率相符的扇形边缘，且在另一侧上被预形成有直边缘以与冷却剂回路406接合。出于本发明的目的，应注意，下文所述的模制嵌件与具有或不具有导热垫410的冷却剂回路406的任何配置兼容。

图5图示根据一些实施例的具有部分模制嵌件512的电池组的俯视图500和等角视图502。在电池组中围绕冷却剂回路和单独的电池单体应用固体模制材料，以将这些单独的组件变换为可耐受持续的车辆使用的严苛条件(rigors)的固体电池组。固体模制确保单独的电池单体保持在适当位置中，并且电连接不因振动和移动而受到打扰。固体模制还形成模块化单元，所述模块化单元在可再充电电池系统的制造过程和电动车辆的使用寿命期间可容易地进行移动、安装和/或替换。在一个示例性实施例中，750个单独的电池单体可与一个或多个电流回路组合以形成被封闭在固体模制材料中的电池组。

在本公开之前，固体模制因为需要长达12个小时的时间来凝固而难以使用。考虑到单个电动车辆所需的单独的电池单体的绝对数量，这种延迟在大量制造过程期间是不可接受的。然而，本文所述的实施例可使用可在应用到电池组之后短达3分钟的时间内凝固的材料的组合。在一些实施例中，材料可以是塑料、环氧树脂、胶和/或具有快速固化时间的其他材料的组合。

图5所描绘的部分模制嵌件512因为仅围绕电池组的外部应用而被称为“部分的”。在一些实施例中，这可足以形成可以可靠地安装并使用在电动车辆中的固体电池组。

图6图示根据一些实施例的具有完全模制嵌件614的电池组的俯视等角视图600和仰视等角视图602。在此较典型的实施例中，上文所述的模制材料可被注 射到注塑模具中，并且被允许在单独的电池单体和与冷却剂回路606相关的任何组件之间的任何空穴周围和穿过所述空穴而流动。在一些实施例中，注塑模具可在模具中包括允许冷却剂回路606以及将电池组与可再充电电池系统(未示出)的其余部分连接的任何电子器件或电连接从模制嵌件614穿出的模穴。

在此实施例中，完全模制嵌件614被应用以使得完全模制嵌件614与单独的电池单体的顶部齐平。然而，完全模制嵌件614不覆盖单独的电池单体的顶部或单独的电池单体的底部。实际上，单独的电池单体的这些区域被保持为暴露的，以使得可在应用模制嵌件之后在单独的电池单体之间进行电连接。举例来说，为了从电池组提供更多电流，单独的电池单体中的每一个的顶部(或“+”)端子可使用第一金属汇流条而被连接在一起。类似地，单独的电池单体中的每一个的底部(或“-”)端子可使用第二金属汇流条而被连接在一起。由第一金属汇流条和第二金属汇流条进行的电连接可以是由电池组提供的，以从电池组提供可以大量的电流的形式使用的电力。如本领域的技术人员将会理解的，单独的电池单体还可以串联方式或以串联和并联组合的方式布线，以从电池组产生更大的电压。通过使单独的电池单体的顶部端子和底部端子被完全模制嵌件614保持为暴露的，可为这些类型的连接中的任一种提供便利。

图7A图示根据一些实施例的具有模制嵌件716的电池组的侧视图700和仰视等角视图702。这些实施例类似于图6的实施例，不同之处在于模制嵌件716不一直延伸到电池组的顶部端子和/或底部端子。不同于图5的实施例，模制材料被允许流动到单独的电池单体和/或与冷却剂回路相关的组件之间的空穴中。然而，注塑模具被铸造有用于单独的电池单体的模穴，以使得顶部端子的一部分和底部端子的一部分保持为暴露的。在一些实施例中，单独的电池单体的暴露部分可在1mm和15mm之间。每一个单独的电池单体的暴露量可在单独的电池单体的顶部部分和底部部分之间有所不同。通过保持单独的电池单体的一部分为暴露的，可更容易地应用通往单独的电池单体的一些类型的电连接。

图7B图示根据一些实施例，电池单体704和冷却剂回路706被装配到注塑模具718中以应用模制嵌件716。如上所述，单独的电池单体704可与冷却剂回 路706组合。为了引导冷却剂回路706穿过单独的电池单体704，这些单独的电池单体可被放置到将单独的电池单体704固持在正确位置中的夹具中。冷却剂回路706可被引导穿过单独的电池单体704。注塑模具718可包括足够大以容纳单独的电池单体704和冷却剂回路706的模穴722，从而为模制嵌件716留下空间来覆盖所述的单独的电池单体704和冷却剂回路706两者。在一些实施例中，注塑模具718可被划分为顶半部和底半部。在一些实施例中，用于放置单独的电池单体704的夹具可以是注塑模具718的集成部分。或者，用于放置单独的电池单体704的夹具可与注塑模具718分开，并且可被放置在注塑模具718内以便在注射模制过程期间将单独的电池单体704和/或冷却剂回路706固持在适当位置中。

在模制嵌件716不一直延伸到单独的电池单体704的顶部的实施例中，模穴720可被放置在注塑模具718中以防止模制嵌件延伸到单独的电池单体704的顶部。在这些实施例中，注塑模具718可用作如上所述的组装夹具。所得的模制嵌件716将覆盖冷却剂回路706并覆盖单独的电池单体704的大部分，从而保持单独的电池单体704的顶部和底部为暴露的。

图8图示根据一些实施例的用于将模制嵌件814应用到电池组的注塑模具818的关闭视图800和打开视图802。注塑模具可包括两个部分，电池组可被放置到所述两个部分中。在此实施例中，注塑模具被划分为顶半部和底半部。单独的电池单体以及与冷却剂回路相关的组件可被插入到注塑模具818中，并且模具的材料可接着被注射并被允许固化持续几分钟，之后再分开注塑模具的两个部分并且移除电池组。

在一些实施例中，注塑模具818可包括一个或多个开口820，所述开口820允许与冷却剂回路相关的组件从注塑模具818穿出。虽然未明确地示出，但还可设置其他开口以允许其他连接(电连接或其他方式的连接)从注塑模具818穿出。结果是，电池组被封装在模制嵌件814中，而冷却剂回路从模制嵌件814穿出和穿进模制嵌件814，以使得冷却剂回路可被连接到用于可再充电电池系统的冷却系统。

图9图示根据一些实施例的用于将模制嵌件应用到电池组的方法的流程图900。所述方法可包括提供注塑模具(902)。注塑模具可包括凹处，单独的电池单体被放置到所述凹处中。注塑模具还可包括用于引导冷却剂回路的模穴或标记。因此，用户可简单地将电池单体插入到注塑模具中的凹处中，并且围绕如上文附图所示的单独的电池单体的行来引导冷却剂回路，以确保通过注塑模具制造的每一个电池组几乎相同。所述方法还可包括：将被布置成一行或多行的多个电池单体放置在注塑模具中(904)；以及在注塑模具中围绕多个电池单体的一行或多行引导冷却剂回路(906)。在一些实施例中，注塑模具可包括使冷却剂回路从注塑模具穿出的孔，以使得冷却剂回路可从注塑模具引导出以连接到冷却系统。

所述方法还可包括注塑模制包围多个单体和冷却剂回路的模制嵌件，以使得多个单体和冷却剂回路相对于彼此被固定(908)。在一些实施例中，模制嵌件可包括塑料或多种塑料的组合，并且在模制嵌件被注射之后，可需要不到10分钟来凝固。在一些实施例中，模制嵌件可需要三到五分钟来凝固。模制嵌件可仅围绕电池组的外围被注射，以使得电池组的内部未被填充以模制嵌件。在其他实施例中，模制嵌件可被注射以使得模制嵌件填充单独的电池单体中的每一个之间的间隙。模制嵌件还可被注射以使得模制嵌件填充冷却剂回路和多个单独的电池单体之间的间隙。

在一些实施例中，单独的电池单体的顶部和/或底部可在模制嵌件硬化之后保持暴露。这可通过被焊接的导线或任何其他形式的电汇流条来实现通往单独的电池单体的电连接。在其他实施例中，可在插入到注塑模具中之前进行单独的电池单体之间的电连接。在这些实施例中，模制嵌件可覆盖单独的电池单体的顶部和/或底部。在一些实施例中，模制嵌件的顶部和/或底部可终止在不到单独的电池单体的顶部和/或底部处，如上文图7所描绘的那样。在这些实施例中，模制嵌件可终止在距离单独的电池单体的顶部和/或底部1mm、3mm、5mm、7mm、10mm、12mm、15mm和/或在1mm和20mm之间的某处。

应了解，图9所图示的具体步骤提供根据本发明的各种实施例的提供用于电动车辆的电池组的模制嵌件的特定方法。还可根据替代实施例来执行其他的步骤序列。举例来说，本发明的替代实施例可按不同次序执行上文概述的步骤。此外，图9所图示的单独的步骤可包括可以适用于单独的步骤的各种序列执行的多个子步骤。此外，可取决于特定应用而添加或移除额外步骤。本领域的技术人员将认识到许多变化、修改和替代。

在前文描述中，出于解释的目的，阐述众多具体细节以便提供对本发明的各种实施例的全面理解。然而，对于本领域的技术人员将明显的是，可在不存在这些具体细节中的一些的情况下实践本发明的实施例。在其他情形下，以框图形式示出熟知的结构和装置。

前文描述仅提供示例性实施例，并且不是旨在限制本公开的范围、适用性或配置。实际上，前文对示例性实施例的描述将向本领域的技术人员提供用于实施示例性实施例的充分描述。应理解，可对元件的功能和布置进行各种改变，而不偏离如随附的权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。

在上文描述中给出了具体细节以便提供对实施例的全面理解。然而，本领域的技术人员将理解，可在不存在这些具体细节的情况下实践实施例。举例来说，电路、系统、网络、过程和其他组件可能已经按框图形式被示出为组件，以免以不必要的细节混淆实施例。在其他情形下，可在没有不必要的细节的情况下示出熟知的电路、过程、算法、结构和技术，以便避免混淆实施例。

并且，应注意，单独的实施例可能已经被描述为这样的过程，所述过程被描绘为流程图、数据流程图、结构图或框图。虽然流程图可能已经将操作描述为依序过程，但许多操作可并行地或同时地执行。此外，操作的次序可被重新布置。过程在其操作完成时终止，但可具有图中未包括的额外步骤。过程可对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止可对应于函数返回到调用函数或主函数。

在上文的说明书中，参照本发明的具体实施例来描述本发明的方面，但本领域的技术人员将认识到，本发明不被限制于此。可单独地或结合地使用上述发明 的各种特征和方面。此外，实施例可用于超出本文所述的那些环境和应用的任何数量的环境和应用中，而不偏离本说明书的较广泛的精神和范围。因此，本说明书和附图被视为说明性的，而不是限制性的。

Claims (22)

1.一种用于电动车辆的电池组，所述电池组包括：

被布置成一行或多行的多个电池单体；

冷却剂回路；以及

模制嵌件，所述模制嵌件包围所述多个单体和所述冷却剂回路，以使得所述多个单体和所述冷却剂回路相对于彼此被固定。

2.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件是使用注塑模具围绕所述多个电池单体和所述冷却剂回路被注塑模制的。

3.根据权利要求2所述的电池组，其中所述注塑模具包括使所述冷却剂回路从所述注塑模具穿出的孔。

4.根据权利要求2所述的电池组，其中在所述模制嵌件被注塑模制之后，所述模制嵌件需要少于10分钟来凝固。

5.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件包括一种或多种塑料或环氧树脂。

6.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件填充所述冷却剂回路和所述多个电池单体之间的间隙。

7.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件保持所述多个电池单体的顶部和底部为暴露的。

8.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件填充所述多个电池单体之间的间隙。

9.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件的顶部与所述多个电池单体的顶部齐平。

10.根据权利要求1所述的电池组，其中所述模制嵌件的顶部终止在所述多个电池单体的顶部之下至少5mm处。

11.一种制造用于电动车辆的电池组的方法，所述方法包括：

提供注塑模具；

将被布置成一行或多行的多个电池单体放置在所述注塑模具中；

在所述注塑模具中围绕所述多个电池单体的所述一行或多行引导冷却剂回路；以及

注塑模制包围所述多个单体和所述冷却剂回路的模制嵌件，以使得所述多个单体和所述冷却剂回路相对于彼此被固定。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述冷却剂回路从所述注塑模具被引导出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述注塑模具包括使所述冷却剂回路从所述注塑模具穿出的孔。

14.根据权利要求12所述的方法，其中在所述模制嵌件被注塑模制之后，所述模制嵌件需要少于10分钟来凝固。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述模制嵌件包括一种或多种塑料或环氧树脂。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述模制嵌件填充所述冷却剂回路和所述多个电池单体之间的间隙。

17.根据权利要求11所述的方法，其中所述模制嵌件保持所述多个电池单体的顶部和底部为暴露的。

18.根据权利要求11所述的方法，其中所述模制嵌件填充所述多个电池单体之间的间隙。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述模制嵌件的顶部与所述多个电池单体的顶部齐平。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述模制嵌件的顶部终止在所述多个电池单体的顶部之下至少3mm处。

21.一种用于电动车辆的电池组，包括权利要求1至10中的任意一个技术特征或者技术特征的任意组合。

22.一种制造用于电动车辆的电池组的方法，包括权利要求11至20中的任意一个技术特征或者技术特征的任意组合。