CN110574216A - 车辆电池 - Google Patents

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Abstract

提供了用于电池封装剂的方法和系统。在一个示例中，一种方法可以包括电池封装剂围绕车辆电池中的一个或多个电池单元，封装剂在固化后包括在0.05GPa至0.15GPa之间的杨氏模量。

Description

车辆电池
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年4月24日提交的题为“用于增加抗挤压性的结构灌封材料”、申请号为62/489,394的美国临时申请的优先权。上述申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及包括围绕多个电池单元的封装剂的多单元电池系统(multi-cellbattery system)。
背景技术和发明内容
许多车辆电池利用串联和并联组装的电池单元来满足车辆的电流和/或电压要求。然而，本文的发明人已经认识到这种车辆电池的潜在问题。
在车辆碰撞或撞击期间产生的力可能足够大而损坏和/或降低车辆电池的功能。更具体地，随着锂离子电池的使用增加，本文的发明人已经认识到需要增加这种电池可以承受的压力的量。
本设计还通过使用提供挤压保护的完全相同的元件，从而也约束和保持电池单元，创造了组装和固定电池内的电池单元和电池单元组的新方式。
在一个示例中，上述问题可以通过用于电池的方法来解决，该电池包括多个电池单元和封装剂，该多个电池单元排列和堆叠以形成一系列电池单元组，该封装剂围绕电池单元组而具有0.05至0.15GPa的范围内的杨氏模量(Young Modulus)。以此方式，封装剂可提供热传导效果，同时还提供抗挤压性。
作为一个示例，封装剂位于电池的不同区域中。另外，这些区域围绕电池单元，使得封装剂位于电池单元与周围大气之间。这样，封装剂用作将热量从电池单元传导至周围空气的介质。另外，在发生碰撞的情况下，封装剂为电池单元提供抗挤压性。这防止了电池单元内的膜破裂。以此方式，在碰撞的情况下，减轻和/或防止了电池单元的退化。
应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的构思的选择。这无意确定所要求保护的主题的关键或必要特征，所要求保护的主题的范围由在具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决以上或在本公开的任何部分中指出的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了电池。
图2示出了电池的内部。
图3A示出了电池的垂直截面。
图3B描绘了根据图3A的电池的横截面。
图4A示出了电池的水平截面。
图4B示出了根据图4A的电池的横截面。
图1至图4B大致按比例示出。
具体实施方式
现在将在这里参考附图更详细地描述本公开，在附图中示出了本公开的示例性实施例。特定实施例本质上仅是示例性的并且绝不旨在限制本发明的范围、本发明的应用或用途，其可以变化。本文公开的实施例是相对于本文包括的非限制性定义和术语来描述的。这些定义和术语并非旨在用作对本发明的范围或实践的限制，而是仅出于说明性和描述性目的给出。尽管处理和/或组成可以被描述为单个步骤的顺序或使用特定材料，但是应当理解，步骤或材料可以是可互换的，使得本文的公开描述可以包括以许多不同方式布置的多个部分或步骤。
在一个或多个实施例中可以基本相同的组件、处理步骤和其他元件被协调地标识并且以最少的重复进行描述。但是，应注意，协调地标识的元素也可能有所不同。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并非旨在进行限制。如本文所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”旨在包括复数形式，包括“至少一个”，除非内容清楚地另外指出。“或”是指“和/或”。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列对象的任何和所有组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”或“包含”和/或“包含有”指明了所述特征、区域、整数、步骤、操作、元素的和/或其他组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其群组的存在或添加。术语“其组合”或“其混合物”是指包括前述元素中的至少一种的组合。
除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的至少普通技术人员之一通常理解的相同含义。还将理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语，应被解释为具有与它们在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确定义，否则不应被解释为理想化或过于形式化的含义。
图1示出了具有外壳体110、负极端子102和正极端子104以及LIN(本地互连网络)管理接口106的汽车电池100，LIN(本地互连网络)管理接口106是用于耦接至车辆内的LIN的连接器。壳体110被模制，电端子102和104被插入模制在壳体上的适当位置。壳体由包括端子的顶盖和包围底座组成。在至少一个实施例中，外壳体110可以包括铝结构，然而，本文中已经意识到其他材料结构。
图2示出去除了包围壳体(enclosure case)的汽车电池100的内部。从相对于图1颠倒旋转180度的角度示出了电池。电池包含一个或多个电池单元子组件202。电池单元子组件是基本的构建块，由该构建块可以构造任意规模的汽车电池。电池单元子组件包含锂离子棱柱形电池单元(不可见)，每个电池单元提供电池的电能和存储容量的一部分。电池单元子组件202通过压板204、顶盖200和绑带206保持在一起。各个电池单元通过母线(在相关申请中描述)并联和/或串联电连接，所述母线将电池单元彼此连接并且连接至电池的端子。在图2中示出了一个这样的母线208，该母线208将四个不同电池单元中的每一个电池单元的一个相应端子连接在一起。母线208还将四个端子连接到正极端子104。
本文所述的棱柱形汽车电池具有一组相同的电池单元。每个模块的电池单元的数量和模块的电连接配置(并联总数与串联总数)限定了模块的电特性和性能评级。例如，电池100被配置为“4S4P”配置，该配置具有分为四个子组的16个电池单元，其中各子组被串联电连接，并且每个子组中的四个电池单元被并联电连接。取决于配置，汽车电池可包含偶数或奇数个电池单元。
因此，以上描述对车辆启动器电池进行了描述。以下附图进一步描述了电池，其中该电池包括多个电池单元和封装剂，该多个电池单元排列和堆叠以形成一系列电池单元组，该封装剂围绕电池单元组而具有0.05至0.15GPa的范围内的杨氏模量。在一些示例中，封装剂是环氧化物。封装剂还具有在0.100至0.250GPa的范围内的挠曲模量(FlexModulus)。在一个示例中，挠曲模量精确地等于0.180GPa。附加地或可选地，封装剂是填充壳体中至少一部分气隙的液体。在其他示例中，附加地或可选地，封装剂是模制在电池单元组周围的固体，并且其中该壳体围绕封装剂。封装剂在注入电池的内部空间后固化。附加地或可选地，封装剂在被放置在电池壳体中之前被固化并模制到电池单元上。
图3A示出去除了包围壳体的汽车电池100的内部，类似于图2所示。然而，从相对于图2颠倒旋转180°的角度示出了电池100。示出了沿着平行于垂直轴302的平面与电池100相交的横截面300。
图3B示出根据图3A的横截面300的汽车电池100的内部350。电池单元310由分隔件312沿水平轴分隔开。在至少一个实施例中，分隔件312可以是刚性的。电池100内用于容纳电池单元310的区域由侧壁314、顶壁316和底壁318限制。顶壁316邻近顶盖200，底壁318远离顶盖200。在至少一个实施例中，顶壁316的形状是波浪形的，并且包括与顶盖200相邻的切口，用以将电池单元310电耦接到电路。
封装剂320围绕电池单元310。具体地，封装剂320位于电池单元310与顶壁316之间、电池单元310与底壁318之间以及电池单元310与侧壁314之间。在一个实施例中，封装剂320是灌封材料。在每种情况下，封装剂320的各部分在物理上彼此分开。
边界326位于侧壁314和电池单元310之间。边界326包括从边界326延伸到侧壁314的侧壁的突出部328。
电池单元310、分隔件312、顶壁316、侧壁314和底壁318的表面可以用包括一种或多种一些含量的纤维和一些含量的玻璃的玻璃纤维或其他材料处理，以增加封装剂和所述表面之间的粘附力。例如，电池单元310的表面是粗糙的，具有延伸到电池100的空隙中的小(例如，在0.1至2微米之间)突出部。当封装剂320被固化时，封装剂320可以与这些凸起结合并包围这些凸起。附加地或可选地，电池100内的光滑表面可以通过蚀刻、磨蚀设备(例如，砂磨机)和/或其他方法而使得均匀性和/或光滑度降低，以在电池内的表面上引入不一致性，从而形成用于填充和结合封装剂的口袋部(pocket)。
封装剂320在固化之后包括在0.05Gpa至0.15GPa的范围内的杨氏模量。具体地，封装剂320具有精确地等于0.06GPa(60MPa)的杨氏模量。可选地或附加地，封装剂320包括大于或等于至少0.06GPa的杨氏模量。这允许封装剂320是相对柔韧的和/或柔性的。附加地，封装剂320在固化之后具有在0.100Gpa至0.250GPa的范围内的挠曲模量。在一个示例中，封装剂320包括精确地等于0.180GPa(180MPa)的挠曲模量。可选地或附加地，封装剂320包括大于或等于至少0.180GPa的挠曲模量。固化的封装剂320在多个方向上协同地提供期望的压缩强度。换句话说，由于意外事故，封装剂320可从外部对象接收大量的力，同时将小部分或为零的力施加到电池单元310，从而防止电池单元310的挤压和/或退化。
杨氏模量和挠曲模量范围的组合可以基于电池单元的结构和布置(例如，圆柱形与棱柱形)来校准。这样，可以调节杨氏模量和挠曲模量以提供期望的益处。例如，封装剂320可以包括0.08GPa的杨氏模量和0.200GPa的挠曲模量。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以实现多个杨氏模量和挠曲模量范围。
在一个示例中，封装剂320可以由单聚物或共聚物形式的环氧树脂组成。以这种方式，封装剂320是相对柔性的，同时提供与本领域中已知的其他封装剂类似的热传导能力。以这种方式，封装剂320提供碰撞保护，同时提供热传导能力以冷却电池。换句话说，封装剂是导热的并且抗挤压的。
封装剂320可以是液体或固体。如果封装剂320是液体，则将封装剂320插入和/或注入到电池壳体中的某些区域内(例如，顶部、底部和侧壁的内部)，其中封装剂可以固化和凝固。可选地，如果封装剂是固体，则封装剂320被模制在电池单元310周围。这样，顶壁、底壁和侧壁可以围绕封装剂320放置。去除了气泡和/或防止在电池100中形成气泡。
如果封装剂320是液体，则封装剂320在电池单元310之前被布置在电池100中。一旦电池单元310被装载到电池100中，封装剂320就被移位。封装剂320通过加热、光、湿气和化学反应性添加剂中的一种或多种来固化。虚线332和334表示在封装剂320固化之后的最大填充线范围。在一个示例中，基于最大填充线范围来选择在电池单元310的浸没之前布置在电池100中的封装剂的量。在另一个示例中，可以基于固化的封装剂相对于最大填充线范围的位置来调节固化。以这种方式，防止了封装剂接触位于虚线334上方的电池100的电路，同时为电池单元310提供了增强的挤压保护。
在另一个示例中，阈值量的封装剂320被加载到电池壳体中。电池单元310被放置(例如，压入)到电池壳体中，其中封装剂被移位。这可能会限制气泡的形成。封装剂320可以在添加电池单元310之后被固化。在一个示例中，在固化封装剂320之前将电池单元310与电路电连接。在另一个示例中，在固化封装剂320之后形成电连接。通过在电池单元之前将封装剂加载到电池壳体中，封装剂的固化温度可以相对较低(例如，30℃至70℃)，从而防止电池单元310退化。退化可能包括电池膜泄漏。
图4A示出去除了包围壳体的汽车电池100的内部，类似于图3A所示。然而，示出了沿着平行于水平轴304的平面与电池100相交的横截面400，该横截面400垂直于横截面300。
图4B包括电池100的横截面450的图示。封装剂320的一部分被示出为在电池单元310和侧壁314之间完全围绕电池单元310的连续封装剂。以这种方式，对于电池100的整体高度和长度，封装剂320与侧壁314、顶壁(例如，图3B的顶壁316)的一部分和底壁(例如，图3B的底壁318)的一部分共面接触。通过这样做，响应于车辆碰撞，通过封装剂减少和/或防止了电池100的内部组件(例如，电池单元310)的移动。这可以减少电短路的可能性。
以这种方式，封装剂可以与多种电池形状因素(battery form factor)一起使用。电池中的气隙填充有封装剂，以在车辆撞击过程中保护封装剂免于压损，同时还提供热阻尼和振动阻尼。通过这样做，可以将封装剂选择性地放入需要碰撞保护的电池中，而从在不需要碰撞保护的构造电池中省去。
使用具有校准的杨氏模量值和挠曲模量值的封装剂的技术效果是：为各种电池形状因素提供了优化的抗挤压性，同时还提供所期望的热传导能力。
一种电池的示例包括多个电池单元和封装剂，该多个电池单元排列和堆叠以形成一系列电池单元组，该封装剂围绕电池单元组而具有0.05至0.15GPa的范围内的杨氏模量。电池的第一示例还包括其中封装剂是环氧化物。电池的第二示例可选地包括第一示例，还包括其中封装剂具有在0.100GPa至0.250GPa范围内的挠曲模量。电池的第三示例可选地包括第一示例和/或第二示例，还包括其中挠曲模量精确地等于0.180GPa。电池的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，还包括其中封装剂是填充壳体中至少一部分气隙的液体。电池的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，还包括其中封装剂是围绕电池单元组模制的固体，并且其中壳体围绕封装剂。电池的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，还包括其中杨氏模量精确地等于0.06GPa。电池的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，还包括其中封装剂在注入到电池的内部空间中之后被固化。电池的第八示例可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个，还包括其中封装剂在被放置在电池壳体中之前被固化并模制到电池单元。电池的第九示例可选地包括第一示例至第八示例中的一个或多个，还包括其中电池单元是棱柱形的。电池的第十示例可选地包括第一示例至第九示例中的一个或多个，还包括其中电池单元包括碳纤维表面，所述碳纤维表面具有延伸到电池的空间中的小突出部，从而形成用于填充封装剂的口袋部。电池的第十一示例可选地包括第一示例至第十示例中的一个或多个，还包括其中电池是车辆启动器电池。
一种车辆启动器电池的示例包括位于顶壁、底壁和侧壁内部的多个电池单元，封装剂位于电池单元与顶壁、底壁和侧壁中的每个之间，封装剂包括0.100GPa至0.250GPa之间的挠曲模量。汽车启动器电池的第一示例还包括其中电池单元和顶壁之间的封装剂与电池单元和底壁、侧壁之间的封装剂流体地分离。汽车启动器电池的第二示例可选地包括第一示例，还包括其中封装剂是柔性的，并且包括0.05GPa至0.10GPa之间的杨氏模量。汽车启动器电池的第三示例可选地包括第一示例和/或第二示例，还包括其中封装剂包括精确为0.180GPa的挠曲模量和精确为0.06GPa的杨氏模量。汽车启动器电池的第四示例可选地包括第一示例至第三示例，还包括其中封装剂是导热的且抗挤压的。
一种车辆电池的示例包括包围多个电池单元的封装剂，该多个电池单元排列在电池壳体的顶壁、侧壁和底壁的范围内，封装剂位于电池单元与顶壁、侧壁和底壁中的每一个之间，封装剂包括在0.05GPa至0.10GPa之间的杨氏模量和在0.100GPa至0.250GPa之间的挠曲模量。车辆电池的第一示例还包括：封装剂在电池壳体内部被固化。车辆电池的第二示例可选地包括第一示例，还包括：封装剂在电池壳体外部被固化。
除了本文中示出和描述的那些之外，本公开的各种修改对于以上描述的领域的技术人员将是明显的。这样的修改也旨在落入所附权利要求的范围内。
应当理解，除非另有说明，所有试剂均可通过本领域已知的来源获得。
说明书中提到的专利、出版物和申请表明了本发明所属领域的技术人员的水平。这些专利、出版物和申请以相同的程度通过引用并入本文，就如同每个单独的专利、出版物或申请都被具体地和单独地通过引用并入本文一样。
前述说明是对本发明的特定实施例的说明，但并不意味着对其实施的限制。
前述讨论应该被理解为是说明性的，并且在任何意义上都不应被视为限制。尽管已经参照本发明的优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
附图示出了具有各个部件的相对位置的示例性配置。如果示出为彼此直接接触或直接耦接，则至少在一个示例中，这样的元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，示出为彼此邻近或彼此相邻的元件可以分别彼此邻近或彼此相邻。作为示例，彼此共面接触地放置的组件可以被称为共面接触。作为另一示例，在至少一个示例中，彼此间隔开而在其间仅具有间隔并且没有其他组件的元件可以被称为这样放置。作为又一示例，示出为在彼此上方/下方、彼此相对的侧面或彼此的左侧/右侧的元件可以相对于彼此称为这样放置。此外，如图中所示，在至少一个示例中，最顶部的元件或该元件的点可以被称为组件的“顶部”，而最底部的元件或该元件的点可以被称为组件的“底部”。如本文所使用的，顶部/底部、上部/下部、上方/下方可以相对于附图的垂直轴并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。这样，在一个示例中，在其他元件上方示出的元件垂直地位于其他元件上方。作为又一个示例，在附图内描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如圆形、笔直、平面、弯曲、倒圆、倒角、成角度等)。此外，在至少一个示例中，示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步，在一个示例中，示出为在另一个元件内或示出为在另一个元件外的元件可以被称为这样放置。
以下权利要求书中的所有方法或步骤加上功能元件的相应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与要求保护的其他元件组合以执行功能的任何结构、材料或动作。
最后，将理解的是，上文描述的物品、系统和方法是本公开的实施例-非限制性示例，对于这些非限制性示例，也可以推导许多变化和扩展。因此，本公开包括本文公开的物品、系统和方法的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合，以及其任何和所有等同形式。

Claims (20)

1.一种电池，包括：
多个电池单元，排列并堆叠以形成一系列电池单元组；以及
封装剂，围绕所述电池单元组，具有在0.05Gpa至0.15Gpa的范围内的杨氏模量。
2.如权利要求1所述的电池，其中，所述封装剂是环氧化物。
3.如权利要求1所述的电池，其中，所述封装剂具有在0.100GPa至0.250Gpa的范围内的挠曲模量。
4.如权利要求3所述的电池，其中，所述挠曲模量正好等于0.180GPa。
5.如权利要求1所述的电池，其中，所述封装剂是填充壳体中至少一部分气隙的液体。
6.如权利要求1所述的电池，其中，所述封装剂是围绕所述电池单元组模制的固体，所述壳体围绕所述封装剂。
7.如权利要求1所述的电池，其中，所述杨氏模量正好等于0.06GPa。
8.如权利要求1所述的电池，其中，所述封装剂在注入到所述电池的内部空间中之后被固化。
9.如权利要求1所述的电池，其中，所述封装剂在被放置在电池壳体中之前被固化并模制到所述电池单元。
10.如权利要求1所述的电池，其中，所述电池单元是棱柱形的。
11.如权利要求1所述的电池，其中，所述电池单元包括碳纤维表面，所述碳纤维表面具有延伸到所述电池的空间中的小突出部，从而形成用于填充所述封装剂的口袋部。
12.如权利要求1所述的电池，其中，所述电池是车辆启动器电池。
13.一种车辆启动器电池，包括：
位于顶壁、底壁和侧壁内部的多个电池单元，所述电池单元与所述顶壁、底壁和侧壁之间均存在封装剂，所述封装剂包括0.100Gpa与0.250GPa之间的挠曲模量。
14.如权利要求13所述的车辆启动器电池，其中，所述电池单元与所述顶壁之间的封装剂流体分离于所述电池单元与所述底壁及所述侧壁之间的封装剂。
15.如权利要求13所述的车辆启动器电池，其中，所述封装剂是柔性的，并且包括0.05Gpa与0.10GPa之间的杨氏模量。
16.如权利要求15所述的车辆启动器电池，其中，所述封装剂包括正好为0.180GPa的挠曲模量和正好为0.06GPa的杨氏模量。
17.如权利要求13所述的车辆启动器电池，其中，所述封装剂是导热的且抗挤压的。
18.一种车辆电池，包括：
围绕多个电池单元的封装剂，所述多个电池单元排列在电池壳体的顶壁、侧壁和底壁的范围内，所述电池单元与所述顶壁、侧壁和底壁之间均存在所述封装剂，所述封装剂包括在0.05GPa至0.10GPa之间的杨氏模量和在0.100GPa至0.250GPa之间的挠曲模量。
19.如权利要求18所述的车辆电池，其中，所述封装剂在所述电池壳体内部被固化。
20.如权利要求18所述的车辆电池，其中，所述封装剂在所述电池壳体外部被固化。
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