CN107068925A - 多单元集成壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于保持多个电池单元元件的电池单元壳体，每个电极结构在其自己的隔室中。所公开的壳体消除对一些单独的电池壁的需要并且用共享壁隔板替代它们。

Description

多单元集成壳体
技术领域
本申请总体上涉及电池和电池系统的领域，并且具体地涉及可以用于电动车辆的电池和电池系统。
背景技术
通常，电动车辆不同于传统机动车辆，因为电动车辆使用一个或多个电池供电的电动马达至少部分地驱动。相比之下，传统机动车辆仅依靠内燃发动机来驱动车辆。电动车辆可以使用电动马达代替内燃发动机或者除了内燃发动机之外使用电动马达。
示例电动车辆包括混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池车辆、燃料电池电动车辆和纯电动车辆(BEV)。BEV包括电动马达，其中用于马达的能量源是可从外部电网再充电的电池。HEV包括内燃发动机和电动马达，其中用于发动机的能量源是燃料，并且用于马达的能量源是电池。PHEV类似于HEV，但是PHEV具有可从外部电网再充电的更大容量的电池。
电动车辆通常需要使用各种专用车辆部件，比如高电压(HV)电池系统。用于电动车辆的HV电池系统通常包括用来提供这种车辆的驱动系统所需的能量的一个或多个高电压电池。
由于它们的高电压、高比能、高能量密度、低自放电率、长循环寿命和宽温度操作范围，所以棱柱形锂离子(Li-ion)电池单元广泛使用在供BEV、HEV和PHEV使用的HV电池系统中。棱柱形锂离子电池单元1a通常包括封装具有多层材料的电池单元元件5的硬壳壳体2(有时称为“罐”)，该多层材料被折叠和/或卷绕和/或堆叠以提供电池单元元件5。由于其包含的电池单元元件5的形状，所以壳体2通常具有比其侧面4更长的正面3。所描述的棱柱形锂离子电池单元1a具有顶盖8和底盖7。顶盖8通常包括负电端子9a和正电端子9b。
为了产生用于许多电动汽车的电池系统，可以通常以面对面配置(有时称为前对后配置)将多个单独的棱柱形锂离子电池单元设置在一起，以形成各个棱柱形锂离子电池单元的阵列1b。然而，这种阵列可能很重并且经常遭受热和压力异质性。此外，这种阵列内的各个电池单元易受不对准和不均匀的压缩力的影响，这可能不利地影响各个电池之间的电连接并且导致其他问题。
期望的是，提供解决与由多个单个电池单元组成的电池系统相关联的一个或多个缺陷的改进的电池系统。
发明内容
本发明的目的是提供解决与由多个单个电池单元组成的电池系统相关联的一个或多个缺陷的改进的电池系统。
所公开的发明构思提供一种用于保持多个电池单元元件的电池单元壳体，每个电池单元元件在其自己的隔室中。所公开的壳体消除对一些单独的电池单元壁的需要并且用共享隔板替代它们。在一些实施例中，具有共享隔板允许重量节省。在一些实施例中，具有共享隔板允许尺寸/体积节省。在一些实施例中，具有共享隔板允许成本节省。在一些实施例中，具有共享隔板允许改进的电池单元部件的对准和更均匀的压缩力。在一些实施例中，具有共享隔板允许改进的温度均匀性和调节。在一些实施例中，部分地由于改进的热均匀性，所以具有共享隔板减少或消除对电池单元间冷却机构的需要，这可以进一步导致体积节省和重量节省。在一些实施例中，具有共享隔板促进改进的机械刚度。在一些实施例中，具有共享隔板使构建过程更容易。
根据本发明，提供一种多电池单元可再充电电池，包含：
壳体，壳体包含将壳体的内部分成多个电池单元隔室的一个或多个隔板；
可再充电电池单元元件，可再充电电池元件设置在壳体的每个隔室内；以及
多个电端子，
其中壳体包含上层和下层，并且
其中上层包含至少两个电池单元隔室，并且下层包含至少两个电池单元隔室。
根据本发明的一个实施例，其中可再充电电池单元元件从由以下组成的组中选择：锂离子电池单元元件、镍镉电池单元元件和镍金属氢化物电池单元元件。
根据本发明的一个实施例，其中上层包含至少三个电池单元隔室，并且下层包含至少三个电池单元隔室。
根据本发明的一个实施例，其中隔板由金属材料或金属化材料构成。
根据本发明的一个实施例，其中金属材料或金属化材料从由以下组成的组中选择：铝、铝合金、不锈钢、碳钢、合金钢、镁、镁合金、钛、钛合金和金属化碳纤维。
根据本发明的一个实施例，其中金属材料具有至少10W/(m·K)的热导率。
根据本发明的一个实施例，其中可再充电电池单元元件是锂离子电池单元元件。
根据本发明的另一方面，提供一种多电池单元锂离子电池，包含：
壳体，壳体包含将壳体的内部分成多个电池单元隔室的一个或多个隔板；
锂离子电池单元元件，锂离子电池元件设置在壳体的每个隔室内；以及
多个电端子，其中隔板由金属材料或金属化材料构成。
根据本发明的一个实施例，其中金属材料或金属化材料从由以下组成的组中选择：铝、铝合金、不锈钢、碳钢、合金钢、镁、镁合金、钛、钛合金和金属化碳纤维。
根据本发明的一个实施例，其中壳体包含上层和下层，并且其中所述上层包含至少两个电池单元隔室，并且所述下层包含至少两个电池单元隔室。
本发明的上述发明内容不旨在描述本发明的每个实施例或每个实施方式。通过参照附图和下面某些优选实施例的具体实施方式，优点和成就连同本发明的更完整的理解将变得明显且被领会。
附图说明
图1A是棱柱形锂离子电池单元的分解透视图；
图1B是以阵列面对面堆叠的三个棱柱形锂离子电池的分解透视图；
图2A、图2B、图2C和图2D是具有共享隔板的各种多单元电池的分解透视图；
图3是具有共享隔板的各种多单元电池的俯视图；
图4A、图4B、和图4C示出了具有共享隔板的多单元电池的各种配置；
图5是示出了由利用共享壁造成的示例重量节省的图；
图6是示出了由利用共用壁造成的示例体积节省的图；以及
图7示出了示例电动车辆的动力传动系统的示意图。
具体实施方式
在本节中提供本发明的某些优选实施例的具体实施方式。本文所使用的术语是为了描述本发明的某些优选实施例的特定方面的目的，并不旨在限制所要求保护的本发明的范围，本发明的范围将仅由所附权利要求来限制。所公开的实施例是可以以各种和替代形式体现的本发明的示例。附图不一定按比例绘制。一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。本申请中公开的具体结构和功能细节不应该被解释为限制，而仅仅是作为教导本领域技术人员如何实践本发明的代表性基础。
除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的技术人员通常理解相同的含义。
图2A描述了多单元锂离子电池21a的一个实施例的部分分解图。图2A所描述的实施例包含框架22，该框架22包括外壁25和二十七(27)个隔板，它们一起将内部分成十八(18)个隔室26。在那些二十七(27)个隔板中，十五(15)个是面对面隔板23，十二(12)个是并排隔板24。锂离子电池单元元件5设置在每个隔室26内。在图2A所描述的实施例中，壳体由底壁27、框架22的外壁25和顶盖28形成。电解液也设置在每个隔室26内。图2A所描述的实施例的顶盖28包括用于每个锂离子电池单元元件5的一个负电端子9a和用于每个锂离子电池单元元件5的一个正电端子9b，总共有十八(18)个负电端子和十八(18)个正电端子。
在一些实施例中，底壁和外壁被形成为单个单元。这种实施例的示例是图2B中所描述的多单元锂离子电池21b。在图2B所描述的实施例中，壳体由顶盖28、框架22'的外壁25'和框架22'的底壁部分27'形成。尽管图2B描述了具有十八(18)个隔室26的实施例，但是许多不同数量的隔室和隔室设置被预期。
应当理解的是，图2A所示的底壁27或图2B所示的框架22'的底壁部分27'可以被在下面的另一层电池单元共享。例如，图2C描述了包括第二层电池单元的多单元锂离子电池21c的一个实施例的部分分解图。在图2C所描述的实施例中，壳体由底壁27、框架22的外壁25和盖28形成。尽管图2C描述了具有三十六(36)个隔室26(在上层具有十八(18)个隔室，并且在下层具有十八(18)个隔室)的实施例，但是许多不同数量的隔室和隔室设置被预期。例如，在一些实施例中，壳体包含上层和下层，其中上层包含至少两个隔室，并且下层包含至少两个隔室。在一些实施例中，壳体包含上层和下层，其中上层包含至少三个隔室，并且下层包含至少三个隔室。在一些实施例中，壳体包括上层和下层，其中上层包含至少四个隔室，并且下层包含至少四个隔室。在一些实施例中，壳体包含上层和下层，其中上层包含至少六个隔室，并且下层包含至少六个隔室。在一些实施例中，壳体包含上层和下层，其中上层包含至少八个隔室，并且下层包含至少八个隔室。术语“上层”和“下层”在本文中仅用于便于可视化，并且不旨在限制电池在使用时的取向。在一些应用中，可优选地旋转多层电池，以使如图2C所描述的“上层”和“下层”并排定向。此外，包含多于两层电池单元的实施例也被预期。
应当理解的是，隔板本身可以形成若干模式中的任何一种。这样的模式可以包括但不限于可以是六边形以容纳圆柱形电池单元类型的蜂窝状隔板模式。例如，图2D描述了包括蜂窝状隔板模式的多单元锂离子电池21d的一个实施例的部分分解图。图2D所描述的实施例包含框架22”，该框架22”包括外壁25”和蜂窝状隔板29，蜂窝状隔板29一起将内部分成十(10)个隔室26。在图2D所描述的实施例中，壳体由底壁27”、框架22”的外壁25”和顶盖28'形成。锂离子电池单元元件5设置在每个隔室26内。电解液也设置在每个隔室26内。图2D所描述的实施例的顶盖28'包括用于每个锂离子电池单元元件5的一个负电端子9a和用于每个锂离子电池单元元件5的一个正电端子9b，总共有十(10)个负电端子和十(10)个正电端子。尽管图2D描述了具有十(10)个隔室26的实施例，但是许多不同数量的隔室和隔室设置被预期。例如，图2D所示的底壁27”或者对应于图2D所示的底壁27”的框架的底部可以被下面的另一层电池单元共享。
在一些实施例中，单件材料(比如单件金属)包含两个或更多个隔板。例如，在一些实施例中，单件金属包含以2x2配置322存在的两(2)个面对面隔板23。类似地，在一些实施例中，单件材料(比如单件金属)包含至少一个隔板，并且还包含外壁25的一部分或全部。从单个金属片形成部件的优选方法包括深拉金属工艺。挤出工艺也在优选的方法中。在一些实施例中，外壁和至少一个隔板由单件材料制成，比如单个金属片。在一些实施例中，隔板被配置在壳体内以防止电解液在隔室之间转移。在不偏离如图所述的本发明的范围和精神的情况下，可以进行适应电解液流动进入且离开电池中的各个电池单元的替代设置。
在一些实施例中，隔板(包括面对面隔板23、并排隔板24和蜂窝状隔板29)是金属隔板。在一些实施例中，隔板由从以下组成的组中选择的金属材料构成：铝、铝合金、不锈钢、碳钢、合金钢、镁、镁合金、钛、钛合金。在一些实施例中，隔板由金属化碳纤维构成。壳体和隔板不需要由相同的材料构造。在一些实施例中，隔板由与壳体或壳体的部分相同的材料构成。在一些实施例中，壳体或壳体的部分由金属材料构成。在一些实施例中，壳体或壳体的部分由从以下组成的组中选择的金属材料构成：铝、铝合金、不锈钢、碳钢、合金钢、镁、镁合金、钛、钛合金。在一些实施例中，壳体或壳体的部分由金属化碳纤维构成。
尽管图2A、图2B和图2D描述了被定向以使得它们的端子在壳体的顶部上的电池，但是在一些实施例中，电池被定向以使它们的端子位于其他地方。例如，在一些实施例中，电池被定向以使它们的端子位于侧面，从而允许例如更容易管理端子。
为了促进热均匀性，一些实施例采用高导热材料。在一些实施例中，隔板由具有至少10W/(m·K)的热导率的金属材料构成。在一些实施例中，金属隔板由具有至少20W/(m·K)的热导率的金属材料构成。在一些实施例中，金属隔板由具有至少40W/(m·K)的热导率的金属材料构成。在一些实施例中，金属隔板由具有至少100W/(m·K)的热导率的金属材料构成。在一些实施例中，金属隔板由具有至少200W/(m·K)的热导率的金属材料构成。在一些实施例中，金属隔板由铝构成，其具有大于200W/(m·K)的热导率。在一些实施例中，隔板由铝或铝合金构成，并且隔板具有至少0.53mm，但不大于0.75mm的厚度。
尽管图2A、图2B、图2C和图2D各自描述了覆盖整个框架的单个顶盖，但是其他配置也可以被预期。例如，在一些实施例中，每个隔室26的顶部被其自己的顶盖覆盖。在一些实施例中，顶盖和框架被形成为单个单元。在一些实施例中，顶盖和框架由单件材料制成，比如单件金属。尽管图2A、图2C和图2D各自描述了用于整个框架的单个底盖，但是其他配置也可以被预期。例如，在一些实施例中，每个隔室26的底部被其自己的底盖覆盖。
尽管图2A、图2B、图2C和图2D描述了具有用于每个锂离子电池单元元件5的一个负电端子9a和用于每个锂离子电池单元元件5的一个正电端子9b的配置，但是其它配置也可以被预期。例如，在一些实施例中，一个负电端子9a可以并联或串联连接到多个锂离子电池单元元件5，从而减小负电端子9a与锂离子电池单元元件5的比率。在一些实施例中，一个正电端子9b可以并联或串联连接到多个锂离子电池单元元件5，从而减小正电端子9b与锂离子电池单元元件5的比率。尽管顶盖是负电端子9a和正电端子9b的优选位置，但是本领域技术人员应当理解的是，其它位置——包括壳体上的其它位置——也是可能的。例如，在一些实施例中，整个外壳可以用作正电端子9b。
尽管图2A、图2B、图2C和图2D描述了包含锂离子电池单元元件的电池，但是在不脱离如图所述的本发明的范围和精神的情况下，可以采用其他可再充电电池单元元件。其它合适的可再充电电池单元元件的示例包括，但不限于，镍镉(NiCd)和镍金属氢化物(NiMH)电池单元元件。另外合适的可再充电电池单元元件包括，但不限于，使用钠或镁作为电荷载体的电池单元。
尽管图2A描述了具有以6×3配置设置的十八(18)个隔室26的实施例，但是许多不同数量的隔室和隔室设置被预期。例如，图3描述了以下另外的实施例：具有四(4)个隔室和三(3)个面对面隔板23的4×1配置341、具有两(2)个隔室和一(1)个面对面隔板23的2x1配置321、具有四(4)个隔室和两(2)个面对面隔板23以及两(2)个并排隔板24的2x2配置322、具有两(2)个隔室和一个(1)并排隔板24的1x2配置312、和具有四(4)个隔室和三(3)个并排隔板24的1x4配置314。仅示出用于比较并且不旨在描述要求保护的实施例，单个隔室配置311——其不具有任何面对面隔板且不具有任何并排隔板——也在图3中被示出。图4A描述了具有至少三(3)个隔室和至少两(2)个面对面隔板23的实施例。图4B描述了具有至少六(6)个隔室、至少四(4)个面对面隔板23和至少三(3)个并排隔板24的实施例。图4C描述了具有至少九(9)个隔室、至少六(6)个面对面隔板23和至少六(6)个并排隔板24的实施例。
图5概述了各种面对面(前对后)和并排组合的重量节省机会。每个数据点正上方的加框数字说明了由使用给定的多HEV单元配置的共享壁产生的大约重量节省，并且每个数据点正左侧的加框数字说明了由使用给定的多PHEV电池单元配置的共享壁产生的大约重量节省。例如，部分地由于共享壁，所以具有八个单元——全部被配置为面对面(前对后)的多HEV配置将被预期衡量比八个单独的HEV单元的重量小约9.7％。可以预期各种设计，然而，面对面设计产生重量节省的最大机会。
图6概述了各种面对面(前对后)和并排组合的体积节省机会。每个数据点正上方的加框数字说明了由使用给定的多HEV电池单元配置的共享壁产生的大约体积节省，并且每个数据点的正左边的加框数字说明了使用给定的多PHEV电池单元配置的共享壁产生的大约体积节省。例如，具有八个单元——全部被配置为面对面(前对后)——的多HEV配置将被预期在一些配置中比八个单独的HEV单元的体积减少约17.3％。
图7示意性地示出了电动车辆的动力传动系统70。尽管被描述为混合动力电动车辆(HEV)，但是应当理解的是，本文所描述的构思不限于HEV，并且可以扩展到其他电动车辆，包括，但不限于，插电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池电动车辆和纯电动车辆(BEV)。
在一个实施例中，动力传动系统70是采用第一驱动系统和第二驱动系统的动力分配动力传动系统。第一驱动系统包括发动机71和发电机72(即，第一电机)的组合。第二驱动系统至少包括马达73(即，第二电机)、发电机72和电池组74，该电池组74包含一个或多个多单元锂离子电池。在该示例中，第二驱动系统被认为是动力传动系统70的电驱动系统。第一和第二驱动系统产生扭矩以驱动电动车辆的一组或多组车辆驱动轮。
发动机71——其在该示例中是内燃发动机——和发电机72可以通过动力传输单元76(比如行星齿轮组)连接。当然，其他类型的动力传输单元——包括其他齿轮组和变速器——可以用来将发动机71连接到发电机72。在一个非限制性实施例中，动力传输单元76是包括环形齿轮77、中心齿轮78和行星齿轮架总成79的行星齿轮组。
发电机72可以通过动力传输单元76被发动机71驱动以将动能转换成电能。发电机72可以供选择地作为马达运行来将电能转换成动能，从而输出扭矩到连接到动力传输单元76的轴80。因为发电机72可操作地连接到发动机71，所以发动机71的速度可以由发电机72控制。
动力传输单元76的环形齿轮77可以连接到轴80，轴80通过第二动力传输单元81连接到车辆驱动轮。第二动力传输单元81可以包括具有多个齿轮82的齿轮组。其它动力传输单元也可以是合适的。齿轮82将扭矩从发动机71传递到差速器83以最终提供牵引力给车辆驱动轮。差速器83可以包括使扭矩能够传递到车辆驱动轮的多个齿轮。在该示例中，第二动力传输单元81通过差速器83机械地连接到车桥84以将扭矩分配到车辆驱动轮。
马达73(即，第二电机)也可以通过输出扭矩到也连接到第二动力传输单元81的轴用来选择性地驱动车辆驱动轮。在一个实施例中，马达73和发电机72合作作为再生制动系统的一部分，其中马达73和发电机72都被用作马达来输出扭矩。例如，马达73和发电机72可以各自输出电力到电池组74。
电池组74是电动车辆电池系统。电池组74可以具有能够输出电力以操作马达73和发电机72的高电压电池的形式。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可以与具有动力传动系统70的电动车辆一起使用。
以下权利要求特别指出被认为是新颖且非显而易见的某些组合和子组合。本文描述和要求保护的本发明在范围上不被本文公开的具体实施例或示例限制。相反地，实施例和示例仅意在说明本发明的几个方面。可以改变优选实施例和示例以提供所公开的发明的其他实施例。任何等效的实施例旨在本发明的范围内。所公开的特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。这样的权利要求——在范围上无论是与原始权利要求相比更宽、更窄、相等还是不同——都被认为包括在本发明的主题内。

Claims (12)

1.一种多电池单元可再充电电池，包含：
壳体，所述壳体包含将所述壳体的内部分成多个电池单元隔室的一个或多个隔板；
可再充电电池单元元件，所述可再充电电池单元元件设置在所述壳体的每个所述隔室内；以及
多个电端子。
2.根据权利要求1所述的多电池单元可再充电电池，其中所述可再充电电池单元元件从由以下组成的组中选择：锂离子电池单元元件、镍镉电池单元元件和镍金属氢化物电池单元元件。
3.根据权利要求2所述的多电池单元可再充电电池，其中所述隔板由金属材料或金属化材料构成。
4.根据权利要求3所述的多电池单元可再充电电池，其中所述金属材料或金属化材料从由以下组成的组中选择：铝、铝合金、不锈钢、碳钢、合金钢、镁、镁合金、钛、钛合金和金属化碳纤维。
5.根据权利要求3所述的多电池单元可再充电电池，其中所述金属材料具有至少10W/(m·K)的热导率。
6.根据权利要求3所述的多电池单元可再充电电池，其中所述金属材料是铝或铝合金，并且其中每个所述隔板具有至少0.53mm，但不大于0.75mm的厚度。
7.根据权利要求3所述的多电池单元可再充电电池，其中所述可再充电电池单元元件是锂离子电池单元元件。
8.根据权利要求2所述的多电池单元可再充电电池，其中所述隔板被配置在所述壳体内以防止电解液在所述隔室之间转移。
9.根据权利要求2所述的多电池单元可再充电电池，其中所述壳体包含上层和下层，并且其中所述上层包含至少两个所述电池单元隔室，并且所述下层包含至少两个所述电池单元隔室。
10.一种电动车辆，所述电动车辆包含根据权利要求1所述的多电池单元可再充电电池。
11.一种多电池单元可再充电电池，包含：
壳体，所述壳体包含将所述壳体的内部分成多个电池单元隔室的一个或多个隔板；
可再充电电池单元元件，所述可再充电电池单元元件设置在所述壳体的每个所述隔室内；以及
多个电端子，
其中所述壳体包含上层和下层，并且
其中所述上层包含至少两个所述电池单元隔室，并且所述下层包含至少两个所述电池单元隔室。
12.一种多电池单元锂离子电池，包含：
壳体，所述壳体包含将所述壳体的内部分成多个电池单元隔室的一个或多个隔板；
锂离子电池单元元件，所述锂离子电池元件设置在所述壳体的每个所述隔室内；以及
多个电端子，其中所述隔板由金属材料或金属化材料构成。
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