CN106941140B - 挤出电池外壳接口配置 - Google Patents

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Abstract

一种将电池组单元封装在外壳内的汽车电池组外壳、组件和方法。该外壳包括限定用于各种单个电池单元的安装表面的托盘以及直立壁，同时组件还包括沿着外壳内的堆叠轴线对齐的多个单独的电池单元。该壁由具有周期性间隔开的斜接部的连续的挤出预成型件制成，该预成型件允许弯曲，使得壁可呈现出由各种面板限定的任何形状。该面板与托盘的外围边缘协作以限定电池容器，该电池容器具有与托盘大致类似的覆盖区域形状。除了壁端部彼此相邻配合之外，由于所有的角部基本上都由单件的预成型件形成，因此所有的角部都能形成连续的结构性密封，而不需要密封剂、焊接或其它补充封闭的方法。

Description

挤出电池外壳接口配置
背景技术
本发明总体涉及组成车辆电池组的单个电池单元的容纳，更具体地涉及组成电池外壳的至少部分的挤出部件的使用，以促进单个电池单元的密封容纳。
锂离子和相关电池正在用于汽车和相关运输应用中，作为混合动力电动车辆(HEV)的补充，或者在纯电动车辆(EV)中替代常规内燃机(ICE)。锂离子和相关电池能够被动地存储来自固定式和便携式电源的能量，以及存储来自车辆及其部件提供的回收动能，这种能力使得这种电池能够理想地用作汽车、卡车、公共汽车、摩托车和相关车辆平台的推进系统的一部分。在适于汽车应用的一种形式中，单个电池单元被组合成更大的组件，使得电流或电压增加，以产生期望的功率输出。在本发明上下文中，较大的电池模块和组件由一个或多个电池经串联、并联或串并联组成，并且包括附加结构以确保其能正确地安装到车辆中。虽然本文中使用术语“电池组”来讨论用于推进动力应用中的基本上完整的电池组件，但是本领域技术人员将认识到，相关术语例如“电池单元”等也可以用于描述这样的组件，并且两个术语中的任何一个都可以互换使用而不会影响这种理解。
在一种形式中，构成电池组的单个电池可以被配置为矩形(即棱柱形)罐，其限定刚性外壳，称为电池箱。在另一种形式中，单个电池可以容纳在更薄的柔性矩形袋中。两个变型都可以沿着由对齐的平行板状表面形成的堆叠轴线对置排列(非常类似于一叠卡片)。位于电池外壳的外部的一个或多个边缘上的正极和负极端子相对于堆叠轴线彼此横向间隔开，并且作为用于连接(例如经由母线)到外部负载或电路的电触点。不管采用哪种变型，与用于容纳堆叠的单个电池的外壳相关的设计目标都包括使该外壳具有能够牢固附着于相应的车厢，并密封于车厢中的能力，并提供一定程度的密封气体、液体以及与周围环境隔离的热力和电气。传统上，这需要使用复杂而昂贵的外壳组件，特别是当涉及到减少或消除与这种目标不兼容的外壳接口时。这种复杂或昂贵的外壳的实例包括通过焊接、粘合或铆接钢基部件构造的外壳，而其他外壳使用简单的塑料构造，使其难以保持电池的尺寸质量和耐久性，还有的外壳为复合材料，包含昂贵的材料和制造技术。
发明内容
本文公开的本发明提供了一种消除两个相邻竖直面板之间的接口的新颖方式，该面板用于形成堆叠的棱柱形电池单元的外壳或相关壳体，电池单元无论是罐形还是袋形，都适用于本发明。根据本发明的教导，公开了用于将一个或多个这样的电池固定到更大的电池组件(例如电池模块或电池组)中的设计。同样地，除了包含在外壳内的许多电池单元之外，用于车辆应用的电池组的部件的组件还可以包括冷却设备、固定设备、电气连接设备、控制和监控设备以及其他设备，这些设备虽然不产生电力，但形成了整个电池系统的封装和组装的重要组成部分。
根据本发明的一个方面，公开了一种汽车电池组组件，其包括多个棱柱形电池单元以及用于容纳或包含电池单元的外壳，所述棱柱形电池单元中的至少一些沿着堆叠轴线对齐。外壳由限定安装表面的托盘以及与托盘配合的直立壁构成。所述壁包括沿着托盘外围边缘形成的面板，其中每个面板由挤出的预成型件形成，所述挤出的预成型件可以在选定的斜接位置处弯曲，使得连接两个相邻面板的交叉点在斜接处形成密封的角部。此外，凹槽可形成在每个面板的下部，其允许大致平坦的托盘的滑入接合。在一种形式中，多个电池可以被分组成更大(通常为箱形)的电池模块，使得这些模块中的一个或多个可以以最佳地利用由这样的外壳限定的覆盖区域的方式容纳在外壳内。此外，覆盖区域可以成形为任何形状，以产生连续斜接弯曲，从而更好地适应相应数量的模块，包括具有不同堆叠方向的那些模块。因此，因为这种电池模块的高效放置较为重要，所以可以使堆叠轴线基本上与一个模块的支撑表面的细长方向一致，而另一个模块可以布置成使得堆叠轴线基本上与支撑表面横向方向一致，两种方式组合放置亦可。
根据本发明的另一方面，电池组外壳包括限定安装表面的托盘，以及具有周期性间隔开的斜接部的直立壁，所述斜接部以类似于前述方面的方式限定多个面板。
根据本发明的又一方面，公开了一种组装汽车电池组的方法。
附图说明
当结合以下附图阅读时，可以最好地理解本发明的优选实施例的以下详细描述，其中相同的结构由相同的附图标记表示，其中：
图1示出了具有电池组和内燃机形式的混合动力推进系统的车辆；
图2A和图2B示出了构造为可放置在根据本发明的电池外壳内的棱柱形罐(图2A)和棱柱形袋(图2B)的概念性电池单元；
图3示出了图1的车辆的下侧视图，包括根据本发明的一个方面的电池组的概念性放置；
图4示出了与V形斜接部相关联的细节，该V形斜接部穿过基本上连续的挤出预成型件上；
图5示出了具有复合形状的壁的电池外壳的简化底部透视图；
图6示出了图4所示的预成型件的一系列面板是如何布置成用于限定图5中电池外壳的一部分复合壁形状的；
图7示出了图4中预成型件的两个相邻面板以连续的90度角配合，以形成壁的一部分，以及托盘的滑入放置，两者一起可以用作图2A或图2B所示电池的电池外壳；
图8A和图8B示出了图4的预成型件的两个假想的可替代沿边剖面图，包括形成在其中的有开放通道的较厚剖面(图8A)和没有(图8B)这种通道的较薄剖面；以及
图9示出了托盘的滑入附接结构，该附接结构通过形成在各种面板中的对齐槽附接到壁。
具体实施方式
首先参照图1、图2A和图2B，示出了具有用于推进车辆100的概念性电池组400的混合动力车辆100的视图。在本上下文中，应当理解，术语“车辆”可以适用于由一个或多个电池组400供电的汽车、卡车、货车、运动型多用途车辆(SUV)或类似车辆，以及摩托车、飞机或船只。除了电池组400，车辆100还包括ICE 200、一个或多个电动机300以及电子控制系统(未示出)。车辆100还包括动力系统(未示出，其可以是驱动轴等形式)，用于将推进动力从ICE 200、电动机/发电机300或电池组400输送到一个或多个车轮500。电池组400可以另外包括荷电状态(SOC)系统和功率逆变器组件(均未示出)，以及其它导电元件，这些导电元件配置为在这些组件和其他相关联的电池相关电子部件之间提供电流流动的路径。虽然电池组400被示出在车辆100的下部中央及后部，但是其可以位于任何合适的位置，以便于实现优选的电耦合程度、结构集成度等。在一个实施例中，电池组400是由多个锂离子(Li离子)电池组成的组件组成，其形式是罐形式405A(图2A)和袋形式405B(图2B)；这些单独的电池统称为电池405。在一种形式中，通过对多个电池405进行堆叠和分组制成的较大模块(未示出)可以被配置为，使得至少一部分电池405的堆叠轴线基本上平行于车辆100的细长(即纵向)方向，而在其他形式中，堆叠轴线可以配置为，使得包含在其中的模块和电池405基本上平行于车辆100的横向方向，并且又一种形式可以是模块和电池405中的一个或多个沿纵向设置，而另一个或多个的模块和电池405沿横向设置。所有变型都被认为在本发明的范围内。同样地，本领域技术人员将理解，尽管车辆100当前被示为混合动力车辆，但具有纯电力(即不需要ICE 200)的车辆也被认为在本发明的范围内。
由本发明的受让人研究的电池组400的一种常见的车辆形式被称为动力电池，而另一种被称为能量电池。两种变型都可以包括将各种模块或相关子单元以各种取向放置在电池组400中，而与每个模块相对应的单个电池405的数量沿由对齐的平行板状表面形成的堆叠轴线对置排列(非常类似于一叠卡片)。在罐或袋形式中，正极端子和负极端子(或接线片)从电池405的一个或多个边缘向外延伸，并且用作将内部产生的电流连接到母线、电缆或相关公共电路的电触点。不管使用哪种变型，用于堆叠的单个电池405的外壳410都需要在相应车辆100车厢中提供牢固附着及容纳；以及在车辆100中，在电池405和耗电电负载之间提供适当的电连接，并提供适当的热管理流路和环境隔离。
接下来，如图3、图4和图5所示，车辆100的下侧包括类似底盘的子结构110，许多汽车部件可以被安装或以其他方式固定到该子结构110上。这种子结构110可以由冲压金属形成，以包括凹痕，脊或相关的起伏115，以此作为限定各种部件的座位区域的方式；通过调整这样的一个座位区域120的尺寸和形状，以使其适于容纳在图5中特别示出的本发明的外壳410，并且可以形成用于电池组400的壳体。
如图4和图5详细所示，基本平坦的细长预成型件406的一部分用于形成外壳410的壁412，该细长预成形件具有相对而设的平坦表面407和408。在优选实施例中，预成型件406可以通过连续加工的方法制造，例如挤出法，该方法可使用诸如铝基材料的相对轻质的材料、刚性材料及结构上可行的基于塑料的材料等。沿着预成型件406的宽度和长度形成一系列大致呈V形的斜接部409，以允许其中一个表面(例如，如图所示的表面407)围绕由斜接部409限定的中心朝另一个表面彼此向内弯曲。以这种方式，面板412A，412B，4126J(例如目前在图5中所示)可以被限定为大致平坦的壁412部分，该部分位于连续的斜接部409之间。可以沿着斜接部409的底部的长度形成额外的凹口(未示出)，以避免当相邻面板(例如，面板412A和412B)以90°或更大的角度朝向彼此折叠时所产生的过盈配合。通过由单件挤出材料构造出直立壁412的基本整体，可产生固有角密封，因为其结构的连续性质(即使在由斜接部409形成的接口处，也依然具有连续性质)可确保没有接缝或间隙的存在。事实上，通过正确构造，外壳410将仅保留一个接合角部，为通过焊接、弹性密封珠等进行补充密封提供需要。通过显著减少这种耗时且昂贵的密封步骤所需位置的数量，可以实现对整个电池组400组件的改进。事实上，通过密封单个非连续角部(该角部与预成型件406的两个相对端部的相邻连接部重合)，也减少了分开接合操作的需要，否则这将使组装过程进一步复杂化。
因为预成型件406由挤出材料制成，可选的细长通道411可以形成在两个相对而设的平坦表面407和408之间的空间中；这样的通道411用作在预成型件406相对较厚的构造中减少外壳410重量的有用方式。通道411还可用于在温度(例如由电池组400产生的温度)可能需要控制的配置中输送冷却剂或相关流体。本领域技术人员将理解，面板的数量将根据由预成型件406形成的壁412限定的覆盖区域而变化。因此，在外壳410是简单箱形(即基本上为矩形的形状)的配置中，将存在四个这样的面板(例如，4126A至412D)，它们以形成在每个角部的大致90°的角连接在一起。值得注意的是，图5强调，外壳410不需要限定这样的矩形轮廓，并且可以包括用于每个面板412A至412J的多个表面，该面板412A至412J布置成为外壳410提供复合形状。事实上，面板412A至412J的数量以及壁412的外部覆盖区域仅受限于斜接部409的数量和布置(后者同时允许面向内的角度弯曲和面向外的角度弯曲)，因为可以在每个斜接部409处形成连续弯曲部，以便到达壁412的最终外部轮廓。预成型件406的连续性质使得由其形成的面板412A至412J固有地具有材料连续性，该连续性贯穿各种形式的面板412A至412J的厚度或宽度。这样，由于结构的这种连续性，产生了具有这种接口形式的密封的角部。此外，虽然图5中所示的大多数相邻接合的面板之间的角度关系限定为90°接合，但是可以从面板412B和412C、面板412C和412D、面板412D和412E、面板412E和412F以及面板412F和412G之间的偶联关系看出，在外壳410限定非矩形部分的情况下，可以产生其他角度变化。事实上，通过使交替地将斜接部409放置在表面407和408的一个或另一个上，可以容易地形成如图所示限定复合形状覆盖区域的外壳410。除了壁412之外，外壳410还包括基本平坦的托盘420，该托盘420形成支撑表面，其上搁置单个电池单元405。
图6和图7进一步强调了单个大致平坦的挤出壁预成型件406是如何可以在斜接部409处被操纵成各种角部形状的。图6特别地示出了斜接部409的交替放置是如何促进形成预成型件406的各种向内和向外的弯曲的，以产生图5所示外壳410的壁412的面板412G、412H和412I。图7特别示出了如何在预成型件406的表面407、408中形成凹槽G，使得在将预成型件弯曲成各种面板(例如所示的面板412A和412B)时，托盘420(其具有相当大小的外围边缘)可以在凹槽G处与各种面板412A和412B可滑动地接合。在优选形式中，凹槽G位于预成型件406，或接近预成型件406的部分，该预成型件406将形成为限定壁412的底部。优选地，各个面板的凹槽G对齐，以使得它们限定出基本上共同的平面，以此作为促进大致平坦的托盘420和壁412之间的滑入开槽连接的方式。在另一种形式(未示出)中，托盘420可以被固定到壁412的底表面上，从而消除对凹槽G的需要。然而，本发明人已经确定，凹槽G的优点在于，其可以有助于促进外壳410更好的密封，因为可以通过凹槽G所提供的重叠和干涉式配合，更容易地对壁412和托盘420进行密封。
参考图8A和图8B，并与图4结合，示出了构成预成型件406的两个不同的挤出变型。在图8A中特别示出的变型中，预成型件406有足够的厚度，以使得开口通道411可以在相对表面407和408之间一体地形成。在需要更厚、更结构坚固的壁412的情况下，这种通道可用于促进重量减少或冷却流体的引入。在图8特别示出的变型中，用于螺纹螺钉孔的整体凸起413可以形成为从预成型件406的边缘向外延伸，同时周期性间隔的加强件414可以从侧面407、408的一侧或两侧突出。在任一变型中，凸缘F可以在预成型件406的顶部和底部边缘中的两者或其中之一处一体地形成。可以在许多设计考虑(包括重量，总体外壳坚固性等)上做出哪个变体更适合于形成壁412的选择，只要确保保留相邻形成的面板之间的连续性即可，从而促进电池和容纳在外壳410内的其他灵敏电气设备之间的加强绝缘即可。
接下来参考图9，通过由挤出的垂直面板中的对齐的凹槽G构成的槽，来实现滑入式底部。通过有助于更加模块化的外壳410设计，诸如滑入式托盘420的特征有助于减少设计和维护检修时间，以在车辆100配置改变时开发新的电池组400。这继而使得非常低成本的工具能够被采用，以及减少计算机辅助工程(CAE)建模和验证的时间。值得注意的是，本发明使得大部分电池组400部件能够被预组装到托盘420上，然后滑入大多数预折叠的外壳410中，这可以有助于提高组装的速度和容易性。
应当注意到，在本文中，诸如“优选地”、“共同地”和“典型地”等术语并不旨在限制本发明的范围或暗指某些特征对于本发明的结构和功能而言是关键性的、必不可少的或甚至是很重要的。相反，这些术语仅仅旨在凸显本发明特定实施方式中可以使用或不使用的备选或额外的特征。同样地，本文使用诸如“基本上”的术语来表示可属于任何定量比较、值、量度或其它表示法来表示不确定性的内在程度。本文还用“基本上”一词来表示某一定量在不导致所讨论主题的基本功能产生变化的情况下可能与所陈述的参考值有偏离的程度。
为了描述和定义本发明，需注意的是，本文中术语“装置”代表部件的组合和单独的部件，而不管这些部件是否和其它部件进行了组合。例如，根据本发明的装置可以包括电池或相关的电源，而该电源又可以用于提供动力。所述装置还可以指结合有动力源或其它设备的车辆，该设备可以构成车辆动力源，或与车辆动力源结合使用；所述装置的性质将从上下文中了解清楚。此外，除非上下文另有规定，否则术语“汽车”、“车辆的”、“车辆”等变型遵照一般意义。因此，除非在上下文中有更具体地叙述，否则对汽车的提及将被理解为涵盖汽车、卡车、公共汽车、摩托车和其他类似的运输工具。同样地，本发明可以与和汽车应用无关的电池单元结合使用，其中温度敏感设备可能需要附加的热保护；这样的附加配置被理解为在本发明的范围内。
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：
多个沿着堆叠轴线对齐的棱柱形电池；以及
与多个棱柱形电池协作以提供其容纳的外壳，所述外壳包括：
在外壳上限定安装表面的托盘；以及
由挤出的预成型件制成的直立壁，所述挤出的预成型件具有周期性间隔的斜接部，所述斜接部限定斜接部间的多个连续面板，所述面板形成在设于所述周期性间隔的斜接部处的相应弯曲部上，使得所述面板沿着多个托盘外围边缘设置并且联接至其，所述直立壁具有密封的角部，
其中，所述直立壁是挤出的预成型件，其包括设置在至少两个相邻面板的两个相对的平坦表面之间的多个细长通道，使得在弯曲挤出的预成型件并将托盘联接到直立壁的下部时形成连续通道，并且其中，所述连续通道构造成接收流过其中的冷却流体，以冷却外壳内的多个棱柱形电池，并且
其中，通过使交替地将斜接部放置在平坦表面的一个或另一个上，从而形成限定复合形状覆盖区域的外壳。
2.根据权利要求1所述的组件，其中至少大部分所述面板还限定凹槽，所述凹槽形成在面板下部中，以便于与所述托盘滑动接合。
3.根据权利要求1所述的组件，其中所述电池的至少一部分的所述堆叠轴线基本上平行于所述托盘的细长方向。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所有所述多个面板围绕所述托盘，使得所述直立壁上有不超过一个的角部需要附加材料以在壁上形成密封。
5.根据权利要求1所述的组件，其中至少一个所述周期性间隔的斜接部限定形成在其中的卸荷凹口，使得在所述弯曲发生时，构成与至少一个所述周期性间隔的斜接部相邻的所述面板的材料不形成过盈配合。
6.一种电池组外壳，其包括：
在外壳上限定安装表面的托盘；以及
具有周期性间隔的斜接部的直立壁，所述周期性间隔的斜接部限定多个连续面板，所述多个连续面板被构造成在所述周期性间隔的斜接部处弯曲并与所述托盘配合，使得在弯曲发生时，所述多个连续面板沿着多个托盘外围边缘设置，所述壁在角部处限定连续的结构性密封，所述角部形成在所述多个连续面板的至少大部分相邻面板之间，
其中，所述直立壁是挤出的预成型件，其包括设置在至少两个相邻面板的两个相对的平坦表面之间的多个细长通道，使得在弯曲挤出的预成型件并将托盘联接到所述壁的下部时形成连续通道，并且其中，所述连续通道构造成接收流过其中的冷却流体，以冷却所述电池组外壳内的多个棱柱形电池，并且
其中，通过使交替地将斜接部放置在平坦表面的一个或另一个上，从而形成限定复合形状覆盖区域的外壳。
7.根据权利要求6所述的外壳，其中所述周期性间隔的斜接部限定在所述预成型件的两个平坦表面上。
8.根据权利要求6所述的外壳，其还包括凹槽，所述凹槽形成在所述壁的下部中，以便于与所述托盘的至少一部分滑动接合。
9.一种将多个汽车电池组单元容纳在外壳内中的方法，所述方法包括：
将挤出的预成型件弯曲，所述挤出的预成型件包括沿着挤出的预成型件形成的斜接部，使得在形成于所述斜接部处的弯曲部之间形成多个连续面板，以限定具有密封角部的直立壁；
将托盘联接到所述壁的下部，使得所述壁和所述托盘形成外壳，其中所述托盘限定位于所述托盘上的安装表面；以及
将多个棱柱形电池放置在所述外壳内，
其中，所述挤出的预成型件包括设置在至少两个相邻面板的两个相对的平坦表面之间的多个细长通道，使得响应于弯曲挤出的预成型件并将托盘联接到所述壁的下部而形成连续通道，并且其中，所述方法还包括通过使流体流过所述连续通道来冷却所述外壳内的多个棱柱形电池，
其中，通过使交替地将斜接部放置在平坦表面的一个或另一个上，从而形成限定复合形状覆盖区域的外壳。
10.根据权利要求9所述的方法，其中凹槽形成在所述面板内，使得所述直立壁通过形成在所述托盘中的外围边缘限定基本上平面的互锁结构。
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