CN110998898B - 用于叉车的模块化锂离子电池系统 - Google Patents

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Abstract

许多实施方式涉及可再充电电池组件，可再充电电池组件为叉车电池大小但包括多个可移动电池模块。可移动电池模块是可单独再充电的，并且彼此可互换。壳体包含六个竖向安装在组件的前侧上的电池模块，它们的电气和数据连接发生在壳体内在背面上。组件将是双侧的，所以系统具有两个机架，每个机架具有六个模块。每个模块的把手都是可折叠的，并且位于整个组件的顶部边缘上，使得在移除期间能容易地接近它们。每个电池模块都具有集成的电池管理系统(BSS)。电池操作系统管理器(BOSS)模块处理器用作所有电池模块的电池管理系统。BOSS模块向电池模块授予权限，以使它们能够在适当的时间与汇流条连接和断开连接，以防止电气问题。

Description

用于叉车的模块化锂离子电池系统
在先申请的优先权
本申请要求于2017年7月13日提交的、序列号为62/532,199的先前提交的共同待决的美国临时申请以及于2018年6月30日提交的、序列号为62/692,702的先前提交的共同待决的美国临时申请的优先权。通过该引用，序列号为62/532,199和62/692,702的美国临时申请的全部公开内容(包括权利要求和附图)并入本文，如同现在整体阐述的那样。
技术领域
本发明涉及电池供电的工业卡车及其可再充电电池，以及其使用的相关方面。更具体地，本发明最直接涉及I类叉车，但是也可以发现与其他类的电池供电的工业卡车相关的适用性。
背景技术
在评述本发明的具体领域之前，考虑可再充电锂离子电池的背景信息通常是有帮助的。可再充电锂离子电池是在1970年代开发的，它们的许多好处和潜在的工业用途在那时被广为人知。尽管最初商业采用较慢，但到1990年代，它们变得广受欢迎。可再充电锂离子电池主要具有用于电池单元阴极的一类嵌锂化合物相关的特征。锂金属氧化物最成功，其中锂钴氧化物(LCO或LiCoO2)在工业使用中最受欢迎，尽管其使用并非没有缺点，尤其是在热失控和相关安全问题方面。在开发过程中，通过在锂阴极配方中掺入其他金属，诸如镍、锰和铝，已实现了实质性的改进。各种创新还涉及核-壳粒子阴极、改进的阳极以及固体锂聚合物电解质的使用，并且其他创新还已得到较小的阴极粒度、增加的电极表面积以及总体电池容量的其他改进。
现今，最受欢迎的锂离子电池是LCO型，其中锂镍钴铝氧化物(NCA或LiNiCoAlO2)和锂镍锰钴氧化物(NMC或LiNiMnCoO2)特别受欢迎。其他替代性的阴极组合物包括其他锂金属氧化物，诸如锂锰氧化物(LMO)和锂锰镍氧化物(LMNO)，并且可以考虑其他锂离子化学成份用于特定需求。从理论上讲，锂金属磷酸盐也早就可以用于改进循环次数、保质期和安全性，尽管其他性能折衷使它们在制造商中不如LCO型受欢迎。作为一种特定类型的锂金属磷酸盐，磷酸铁锂(LFP或LiFePO4)电池长期以来一直被认为是可用类型的可再充电锂离子电池，相对于NCA、NMC和其他LCO电池具有各种优缺点，这些优缺点通常会影响LFP的使用。
作为在其他领域成功实施锂离子电池的具体示例，特斯拉公司已将NCA电池推广用于其Model S电动汽车。他们的NCA电池工作良好在很大程度上是由于其高能量密度，尽管它们往往具有相对较低的热稳定性，热失控温度为约150℃。特斯拉的电池制造方法通过将数百个较小的电池单元在更大组件中安全地互连而有助于平衡好处和风险，在电弧放电和过热的风险最小化的同时，以这种方式能够实现必要的能量密度。在较大的组件内，数百个较小的电池单元成组连接，每个组包括平行布置的许多单元，许多单元通过焊线连接到相邻汇流条。然后将这些组的汇流条串联组合，以生产出满足电动汽车功率需求的更大的组件。该方法将每个单元的每个端子永久地连接到整个组件中，然而不是使用常规的钎焊、电阻点焊或激光焊接的方法，特斯拉使用了超声波振动焊接，并且焊线由低电阻线制成，该低电阻线允许预期的电流通过而不会造成严重的过热。每个焊线的长度仅约一厘米，其中一端键合到电池端子，另一端键合到铝汇流条导体，铝汇流条导体又电接入具有其他汇流条的电路中。在发生诸如短路之类的过电流的情况下，每个焊线都可以充当保险丝，该保险丝断开以防止过度过热。
尽管LFP电池往往具有比NCA和NMC电池低的能量密度，但是它们一直被认为具有较高的热稳定性。LFP电池的热失控通常要到约270℃才会发生，这提高了安全性并减少了灾难性故障的可能性。LFP电池在短路或过充电条件下也更稳定，并且在高温下不易分解。作为其他可争论的优点，与铅酸电池相比，LFP电池还往往具有较高的功率密度(即LFP电池每单位体积可以提供更高的功率水平)以及大大增加的循环寿命。普通铅酸电池的平均寿命为300个循环，储存的电量降低20％，而LFP电池可以持续超过2000个循环，储存的电量同样降低20％。
同时，在本发明的领域中，尽管通常锂离子电池的可用性长，但I类叉车仍通常通过铅酸电池供电。一个原因是许多叉车，特别是I类叉车，为了安全使用需要大量的平衡力。由于铅酸叉车电池通常重量超过一千磅，因此许多叉车被设计成使用铅酸电池的重量来保持稳定性。然而，它们的巨大重量也带来了许多挑战，特别是在取出、更换和以其他方式处理它们的情况下。在人员无法在该重量级安全地举起附近任何物品时，需要特殊的起重机和电池更换设备，反过来牵涉更多的费用和占地面积，更不用说背部损伤等风险。
除了与重量有关的风险外，由于硫酸的腐蚀性，铅酸电池还存在损害对与其工作的人员的眼睛、肺部、皮肤和衣服的风险。另外，在电池再充电期间通常会释放氢气，氢气会与氧气爆炸性地结合，并导致周围部件加速腐蚀。因此，铅酸电池需要特殊的安全协议，并且需要特别注意以确保叉车及其再充电站周围的氢气和硫酸烟雾气的足够通风。
此外，铅酸叉车电池在时间、空间和库存方面也很昂贵。铅酸叉车电池通常在需要8-9个小时进行再充电之前只能连续使用约六个小时。当与锂离子技术相比时，铅酸叉车电池还需要大量的维护时间，并且使用寿命要短得多。它们还往往需要仓库中大面积的区域以进行充电和维护，并且每辆叉车通常需要两个备用电池以便于进行24小时操作。
由于许多上述原因和其他原因，其他人长期以来一直考虑使用锂离子叉车电池作为替代，但由此产生的任何尝试充其量都是微不足道的，并且典型地巨大的铅酸叉车电池的许多挑战仍困扰着叉车相关行业。
因此，尽管可再充电的LFP和其他锂离子电池技术有众所周知的特性和较长的可用性，但是对于叉车行业中的电池技术改进仍然存在大量且长期的未解决的需求。共同拥有的美国临时专利申请62/532,199通过引用整体并入本文。
发明内容
本发明的创新以各种方式改进了常规电动叉车的安全和可靠的操作，部分地是实现了可再充电锂离子叉车电池与此类叉车通常适于使用的铅酸叉车电池的互换。本发明的许多实施方式涉及可再充电电池组件，可再充电电池组件为叉车电池大小但包括多个可移动电池模块。可移动电池模块是可单独再充电的，并且彼此可互换。每个这样的电池模块是独立的，配备有易于从外部组件移除的一体式把手，并且优选地确定大小设置成并以其他方式适于叉车操作员和维护人员手动移除。因此，每个单独的电池模块都可以选择性地移除，以用于对其进行再充电或用完全充电的更换模块更换它的目的。
优选的适应性是，如果操作员或维护人员希望对整个组件进行再充电，则可以以与传统铅酸叉车电池相同的方式或优选方法移除整个组件并对整个组件进行再充电，优选方法为在整个组件仍在叉车中时对整个组件进行充电；而单独可移动的模块中的一个或多个可以替代性地被手动移除以进行再充电或更换。本发明的方面还允许从较大的电池组件中移除多个模块，以允许对其进行充电或更换，同时仍允许继续进行叉车操作。此外，由于本申请人方法的其他创新方面，单个电池模块和/或较大的组件可以用锂离子充电器进行再充电，但也容易兼容用传统铅酸电池充电器进行再充电。
较大的电池组件的优选实施方式包括叉车电池大小的壳体以及单独可移动和可互换的对称布置的模块。优选地，壳体包含竖向安装在组件的前侧上的六个电池模块，它们的电气和数据连接发生在壳体内在后侧上。优选实施方式将是双侧的，所以系统具有两个机架，每个机架具有六个模块，总共12个模块。每个模块的把手都是可折叠的，并且定向在整个组件的顶部边缘上，使得在手动移除对应的模块期间可以容易地接近把手。
优选实施方式具有使用带有闩锁的门被固定在适当位置的电池模块。每个电池模块均具有低摩擦表面，以确保在释放电池模块期间平稳且受控的移动。低电压连接器中的针内置有互锁功能。该互锁装置是有线的，所以在电池模块接合通信总线之前必须满足三个条件。这些条件包括低电流连接器的配对，物理锁定系统在壳体机架上的接合以及成功链接到通信总线。互锁销循环通过模块所连接的插槽中的物理闩锁，使得BOSS模块知道连接了模块。当模块插入且闩锁闭合时，互锁销与模块接地销短路。在本发明的许多实施方式中，该机制有助于防止电弧放电。没有相关联的益处的情况下，电弧放电可能以其他方式导致过电流情况，过电流情况又会在缺少适当防护措施时有导致电连接器的毁坏的风险。
每个电池模块具有集成的电池管理系统(BSS)。该系统监测运行状况，以包括单元电压、电流和温度。在充电期间，系统监测电量状态、补偿电压差，并确保当且仅当电池单元适当平衡且在工作温度极限内，电池组才保持操作性。另外，该系统可以保留历史和信息并通过物理CAN总线将历史和信息传送给升降车和充电器。
优选实施方式的电池模块以串联和并联的组合连接以实现较高的电压、较高的容量和较高的载流量。每个电池模块都是自给自足的，包含其自己的内部控制器。但是，次级控制器，例如马达控制器和/或充电器，将进行一些冗余的监测和控制。
在每个模块内，各个电池单元使用与特斯拉引线键合电池制造相当的方法进行连接。但是，与特斯拉的重要区别涉及使用LFP电池技术而不是如前所述的NCA或其他LCO电池技术。在许多由此引起的性能差异中，值得注意的是，在优选实施方式中，每个壳体机架移除多达四个模块进行充电仍允许叉车的继续运行，因为这种移除不会将电压降低到低于总体要求。组件需要最小数为两个24伏电池模块用于继续运行。塑料电池托盘和导热粘合剂位于电池单元和印刷电路板(PCB)之间。顶部塑料电池托盘和PCB之间使用了导热、电绝缘的粘合剂。另外，在电池单元与顶部和底部塑料电池托盘之间使用了相同的粘合剂。为了进行热管理，在电池单元的底部和模块围壳之间使用了热间隙填充物。
附图说明
图1示出了所公开的具有关闭的门的组件的优选实施例的立体图。该组件包括壳体机架，壳体机架包含六个可分离的电池模块。
图2示出了代表现有技术的配置的I类叉车的侧视图，示出了其在可打开的电池隔室中包括传统铅酸叉车电池，其中箭头概念性地说明了与在叉车的前轮处形成的相反支点的力相比其配重、其载荷的重力以及产生的质心之间的关系。
图3是没有图2的传统铅酸叉车电池、而是包括根据本发明的教导的可再充电电池组件的I类叉车的侧视图。
图4A示出了撞击闩锁与壳体的分开。
图4B示出了将电池模块保持在适当位置的门的销锁定特征。
图5A和图5B示出了壳体的处于中途打开位置的门以及门销的位置。
图6A和图6B示出了壳体的处于完全打开位置的门以及门销的位置。
图7A和图7B示出了一旦门完全打开，模块就从壳体移除的过程。
图8A和图8B示出了替代性实施方式的撞击闩锁与壳体的分开。
图9A和图9B示出了壳体的处于中途打开位置的门以及模块销的位置。
图10A和图10B示出了壳体的处于完全打开位置的门以及模块销的位置。
图11A和图11B示出了一旦门完全打开，模块就从壳体移除的过程。
图12示出了插有模块的壳体的后视图。
图13示出了插有模块的壳体的后部和侧部的立体图。
图14示出了电池模块的后视图。
图15示出了电池模块的截面正视图。
图16示出了电池模块内部的立体图。
图17示出了电池模块的顶部内部视图。
图18示出了模块内的单个电池单元的横截面图。
图19示出了其中六个并联的电池模块连接到壳体机架的示意图。
图20是替代性实施方式的可再充电电池组件220的正视图。组件220是包括八个可分离的电池模块330的变型，而图15示出了外壳体机架300和可操作地定位在其中的那八个电池模块330的一半(即模块330a-330d)。
图21是替代性实施方式的可再充电电池组件220的中间横截面图，示出了外壳体机架300和可操作地定位在其中的电池模块330的另一半(即，图21中未示出的一半，即模块330e-330h)，其中图21的观察平面被编号为图22中的横截面平面4-4。
图22是替代性实施方式的可再充电电池组件220的局部切掉的等轴测视图，其电池模块330可操作地定位在其中，其中顶壁303的大部分和中心壁350的一部分被部分地切掉以揭示其中的一些细节。
图23A是关注于替代性实施方式的单个电池模块330(即，模块330a)的局部等轴测视图，单个电池模块330处于可操作地接合的位置，且位于壳体机架300的凹部307a内，其中大部分的壳体被切掉以示出模块330a及沿其箭头608和609的方向的可移动性。
图23B是较简单的等轴测视图，示出了替代性实施方式的单个电池模块330的后部，单个电池模块330搁置在壳体机架组件300的无摩擦滑动件310的基本平面(elementalrepresentation)上。
图24A是替代性实施方式的电池模块330内的顶部及其后部的连接器400、401和402的等轴测视图。
图24B是图24A的替代性实施方式的电池模块330内的底部及其后部的连接器400、401和402的等轴测视图。
图25是替代性实施方式的电池模块330的基本顶视图，示出了其连接以及用于可操作地安装在图23的壳体机架300中和从其移除的机制的符号表示。
图26是替代性实施方式的示意图示例，其中壳体机架中的电池模块并联并且连接到机架控制系统901。
具体实施方式
以下描述涉及当前优选的实施方式，并且不应被解释为描述对本发明的限制，而本发明的较广泛范围应替代参考权利要求来考虑，权利要求可以现在被附上，或者可以随后在该申请或相关申请中被添加或修改。除非另有说明，否则应理解，在这些描述中使用的术语通常具有与本领域普通技术人员理解的含义相同的含义。还应理解，所使用的术语往往具有在相关技术的背景下被理解的普通含义，并且它们通常不应局限于正式的或理想的定义，在概念上包含等同物，除非并且仅到特定上下文明显需要其他方式的程度。
为了这些描述的目的，一些措词简化也应被理解为是通用的，除了在说明书或特定权利要求中的特定上下文中另有说明的程度外。术语“或”的使用应理解为是指替代方案，但是除非明确指出仅指替代方案，或者除非替代方案固有地相互排斥，否则通常将其用于表示“和/或”。当涉及数值时，术语“约”可以用于指示近似值，通常是可以被解读为该数值加上或减去该数值的一半的数值。除非另外明确指示，否则“一”或“一个”等可以表示一个或多个。当结合开放式词，诸如“具有”、“包括(comprising)”或“包括(including)”，进行参考时，最特别地意在这种“一个或多个”含义。同样，“另一个”对象可以至少表示第二个对象或更多。
优选实施方式
以下描述主要涉及优选实施方式，同时，有时也可以参考一些替代性实施方式，但是应该理解，许多其他替代性实施方式也将落入本发明的范围内。本领域普通技术人员应该理解，这些示例中公开的技术被认为代表了在各种实施方式的实践中运作良好的技术，因此可以被认为构成了其实践的优选模式。然而，根据本公开内容，本领域普通技术人员还应该理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下相对于所公开的实施方式做出许多改变，同时仍然获得类似的功能或结果。
壳体机架和电池模块接口设计
在图1中，示出了优选实施方式10的立体图，示出了壳体机架(“壳体”)100的正面。壳体100优选地由钢或适合于提供强度和稳定性的另一种材料制成。优选实施方式10具有六个竖向布置的电池模块(“模块”)200。当安装在壳体100中时，每个模块200通过具有撞击闩锁115的门110固定在适当的位置。撞击闩锁115附接到每个门110的正面。门110防止模块200来回滑动并防止接触变得松动。每个门110从壳体100的顶部延伸到模块200的暴露的底部护套202。另外，隔板101固定到壳体100并且位于每个模块200之间，以防止边到边移动。总共有五个隔板101固定到壳体100。每个门110都被挖空，使得每个模块200上的显示板225都是可见的。显示板225使用LED点亮，并指示每个模块200的状态。关于显示板225的更多细节在图15中示出并且在说明书中随后描述。
代表性升降车
图2示出了常规I类电动叉车130的侧视图，该叉车代表了现有技术的升降车设计，并且本发明可以结合、体现或用于该现有技术的升降车设计中。所示的叉车130的特定型号最像Caterpillar型号E6000叉车，其指定48V电池，该电池34.4英寸长(即，从前到后的深度)×39.5英寸宽(即，安装在叉车上时的横向尺寸)×23.3英寸高，并且满足最低重量要求。作为I类叉车，叉车130是具有升降组件131的移动卡车，升降组件131用于升高和降低适于在其上支撑载荷150的叉或其他载荷支撑构件132，以用于升降、运送或移动该载荷150的目的。
载荷支撑构件132通常被设计成以悬臂方式支撑载荷150，载荷支撑构件132由叉车130的前轮142形成的支点向前方延伸，较重的载荷存在使叉车130倾翻的风险。因此，使载荷下倾翻的风险最小化对于这种叉车130的安全操作是基本的，并且根据其为I类升降车的分类，叉车130承载的载荷150的整个重力范围(FL，由箭头151示出)必须由配重力(FC，箭头121示出)适当地平衡。换句话说，为了安全地升降和操纵载荷150而没有倾翻，主要由载荷150的重力(FL，由箭头151示出)产生的向前倾翻的扭矩必须被主要由叉车130的配重力(FC)产生的相反扭矩超过，特别是对于叉车130的制造商指定的载荷能力的范围的较重端处的载荷。
在现有技术中，这种叉车130通常包括大型铅酸电池160作为配重力(FC)的主要部分，并且I类叉车通常进行相应的设计。这种叉车的设计通常包括安全地支撑叉车电池160重量的结构，叉车电池160在特定长度(即深度)、宽度和高度的电池隔室122内。电池隔室122通常部分地由可移动或可打开的板等限定，在其中限定了用于叉车电池160的空间。例如，在所示的叉车130的情况下，电池隔室122部分地由座椅组件135和部分侧板136限定。座椅组件135通常位于叉车电池160的顶部上方，但是具有可释放的闩锁，可释放的闩锁允许座椅组件135被手动向上枢转并离开叉车电池160，以使操作员能够接近叉车电池160或其隔室122。类似地，提供了板136或其他结构以帮助封闭和限定电池隔室122，并且板136也可以是可移动的或可打开的，以使得能够更完全地接近该电池隔室122，诸如用于检查或更换其中的叉车电池160的目的。叉车130还具有正极电导体和负极电导体，用于将叉车130的电路可移除地连接到常规叉车电池160的对应端子。
叉车使用在叉车的前轮和下面的地板90之间形成的支点(由箭头91示出)。如果由载荷150的载荷力(FL)向该支点91前方产生的力矩超过叉车配重(FC)的相反力矩，则叉车130会朝载荷150向前倾斜，从而导致危险情况。重心161的位置部分取决于叉车是否装载或未装载。当叉132在承载载荷150的同时被升高时，重心161自然地朝叉车的前方并向上转移。
可再充电锂离子电池组件
图3示出了与图2所示的相同的代表性I类电动叉车130，但是该电动叉车130具有根据本发明教导的优选可再充电电池组件230，其可操作地安装在电池隔室122中、代替图2的常规铅酸叉车电池160。相比于常规铅酸电池160，可再充电组件230包括多个可分离的电池模块200，优选地，偶数个这样的模块200(在所示实施方式中为六个)，其中每个模块200在其中都包括多个轻质锂离子电池单元。最优选地，那些多个电池单元是LFP类型的。相比于常规铅酸电池160的较短使用持续时间和长得多的充电持续时间的特性，即使不对单个模块200进行再充电或者不更换单个模块200，整个组件230也可以在需要大约60分钟进行再充电之前保持约十个小时的可操作电量。同样，由于其锂离子化学性质，每个模块200的循环充电周期约为常规铅酸电池160的六倍。
特别地，对于LFP的化学性质，与一小时以下的充电时间相对应的充电速率通常在单元的推荐操作极限内。另外，模块200的移除允许在工间休息期间充电的机会。例如，操作员可以在15分钟的休息期间移除模块200，并在此短间隔期间进行大量再充电。与常规铅酸电池160相比，可再充电组件230的较长运行时间还提高了工作场所效率。对于铅酸电池160，大的面积被分配用于再充电。在8小时的工作班次结束后，移除铅酸电池160进行再充电，插入另一已充电的铅酸电池160。用可再充电组件230替换该系统可以节省工作环境中的时间和宝贵空间。
可再充电组件230的另一重要优点是LFP电池中的等效串联电阻(ESR)比铅酸电池160低。铅酸电池160由于具有较高的ESR而导致性能下降。通常当这些电池160放电时，会发生“电压下降”，从而导致在载荷或加速下的叉式升降车运行迟缓。通常来说，这种情况一班次发生约6个小时，需要每班次额外再充电，从而减少了电池的寿命。LFP电池改进了班次期间的持续性能，同时显著降低了电压下降的风险。
可再充电组件230的优选实施方式具有六个电池模块200，六个电池模块200安装在较大的壳体机架100中。这些模块200优选地布置成两个对称的组，其中一半可从壳体机架100的一侧移除，而另一半可从壳体机架100的另一侧移除。整个组件230优选地包含布置成背对背并且竖向地定向的两组六个模块200，在任何可拆卸的板136被移除或打开时，组件230的正面暴露于叉车的一侧或另一侧。替代性实施方式可以具有装配在壳体机架100的不同位置或不同数量的电池模块。
大小、重量等适于与常规电池160大致相比，组件230的高度“H”、深度“D”和宽度(垂直于图2的尺寸)与适用于叉车130使用的常规叉车电池160基本相同。因此，组件230可以被描述为“叉车电池尺寸(forklift-battery-sized)”。由于其叉车电池尺寸的特性，对于所示的叉车130，组件230能够安全地适配在与常规电池160相同的电池隔室122中。可再充电电池组件230的优选实施方式在其基部中还加重有中心定向的钢板，中心定向的钢板整体固定到可再充电电池组件230的下表面304，以满足如叉车130的制造商指定的在叉车130中使用的电池重量最小(和最大)的要求。
因此，对于在图3所示的I类电动叉车130上使用，锂离子电池组件230适于适配在Caterpillar E6000叉车电池隔室122中，以用作常规铅酸电池160的替换物。更具体地说，对于E6000，锂离子电池组件230大致适合34.4英寸长(即，从前到后的深度)×39.5英寸宽(即，安装在叉车130上时的横向尺寸)×23.3英寸高的尺寸，并且组件230的最小重量为3100磅，最好具有超出制造商指定的最小电池重量要求五十磅的裕度。
本领域的技术人员将理解，不同品牌和型号叉车的尺寸、式样、形状和重量将规定适用于与任何特定品牌和型号叉车使用的替代性实施方式的尺寸范围。I类叉车电池的全部大小范围都适用于替代性实施方式。I类电动叉车的最小电池重量要求范围为大约1500到4,000lbs.，这也适用于替代性实施方式。
预期的，优选实施方式允许移除每个壳体机架100上的四个模块200以进行更换或再充电，同时每个机架100仍然有两个模块能够保持叉车操作。为了适应即使移除一个模块200的继续操作，这样的移除不会将电压降低到叉车130的要求以下。
虽然通过其他类型的可再充电电池可以实现本发明的许多方面，但是优选实施方式使用锂离子类型之一的电池单元。最优选地，电池组件230的每个模块200包括数百个LFP(磷酸铁锂)类型的独立电池单元。尽管所有锂离子电池类型都可能经历热失控，但优选实施方式的LFP电池单元具有270℃的相当高的热失控温度，大大高于NCA或其他LCO单元的失控温度，NCA或其他LCO单元是更常规的锂离子电池单元，其热失控温度通常为约150℃。尽管优选实施方式使用LFP电池，但是应该理解，可以通过使用其他类型的可再充电锂离子电池单元来实现本发明的一些方面。例如，用于本发明的一些方面的替代化合物预期包括但不限于钴锂氧化物(LiCoO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4、Li2MnO3)、锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)和锂镍锰钴氧化物(LiNiMnCoO2)。
在优选实施方式的每个电池模块200内，使用引线键合法以串联和并联的组合连接多个独立电池单元(最好大约在从每个模块200一百六十个单元到两百个单元的范围内)。引线键合法使用焊线替代汇流条来连接电池。引线键合是通过超声波摩擦焊接实现的。通过引线键合使电池互连，焊线可以在充当保险丝的同时防止短路。焊线由下述线制成，所述线允许预期的电流通过而不会明显过热，并且允许焊线断开以防止单个单元的过电流。另外，FET或其他形式的常规保险丝放置在电池模块内部。如果超过了载流能力，保险丝将开路，并防止过电流还烧断焊线。该设计的替代性实施方式可以并联连接电池单元。另外，连接电池的替代方法可以包括传统的焊接和点焊接。
电池模块的移除和插入
转到图4A，示出了撞击闩锁115与壳体100的分开。闩锁115的底端116被向下推动以便将顶端117从与壳体100的接合中释放。销201永久地附接到门110并适配到凹槽112中。在图4B中，示出了门110的铰链111，门110与模块200接合。尽管在图4B中不可见，门110在其相反侧上具有相同的销201。类似地，模块200在其相反侧上具有相同的凹槽112。销201保持在凹槽112的顶部，直到门110打开。
转到图5A，示出了壳体100的处于中途打开位置的门110。在图5A中示出了模块200从壳体100的前边缘102突出。在图5B中，示出了销201位于凹槽112的中途。当门110打开时，门110在铰链111上逆时针旋转。同时，销201沿着凹槽112朝向模块200的底部移动。应该理解，相同的机制同时出现在模块200的相反侧。当门110打开时，模块200开始滑出壳体100。
转到图6A，示出了处于完全打开位置的壳体100的门110，门110从关闭位置旋转了90度。由于打开的门110，模块200被拉出壳体100并从边缘102突出。模块200的提手205在图6A中清晰可见。提手205优选地螺栓连接到模块200，并且可拆卸。在图6B中，示出了销201在凹槽112的底部，使模块200能够从壳体100移除。
转到图7A，示出了从壳体100移除并搁置在门110上的模块200。在模块200的顶部，有保护性的顶部护套203，该顶部护套203具有挖空的区域，用于观看显示板225。一旦门110处于完全打开位置，用户就可以沿着轨道(未示出)手动将模块200滑出壳体100并滑到门110上。优选实施方式10具有位于每个模块200下方的低摩擦滑动件。转到图7B，用户可以手动将提手205向上折，并将模块200提离门110。用户可以使用提手205将模块200运送到电池充电站，并用另一已充电的模块200更换它。优选地，电池模块200重量不超过51磅，符合OSHA和其他工作场所标准。更换模块200需要执行上述移除过程的相反动作。
图8A至图11B示出了替代性实施方式中用于移除模块200的过程。转到图8A，示出了撞击闩锁115与壳体100的分开。闩锁115的底端116被向下推动以便将顶端117从与壳体100的接合中释放。在图8B中，示出了的铰链111'，门110'与模块200接合。永久地附接到模块200的销201'适配到铰链111'中的凹槽112'中。销201'保持在铰链111'的底部，直到门110'被打开。
转到图9A，示出了壳体100的处于中途打开位置的门110'。在图9B中，销201'被示出为位于凹槽112'的中途。当门110'打开时，铰链111'绕固定销201'逆时针旋转。当门110'打开时，模块200开始滑出壳体100。这时，电开关(未示出)被致动。互锁销911(在图19中示意性示出)循环通过模块200c所连接的插槽中的物理闩锁(未示出)。当插入模块200c并且闩锁闭合时，互锁销911与模块接地销914短路。在图9B中示出了模块200从壳体100的前边缘102突出。转到图10A，示出了壳体100的门110'处于完全打开的位置。由于打开的门110'，模块200被拉出壳体100并从边缘102突出。模块200的提手205在图10A中清晰可见。提手205优选地用螺栓栓到模块200，并且可以被拆卸。在图10B中，铰链111'被示出为从关闭位置逆时针旋转90度。销201'在凹槽112'的外部，使得模块200能够从壳体100移除。转到图11A，示出了从壳体100移除并且搁置在门110'上的模块200。一旦门110'处于完全打开位置，用户就可以沿着轨道(未示出)手动将模块200滑出壳体100并滑到门110'上。该实施方式具有位于每个模块200下方的低摩擦滑动件。转到图11B，用户可以手动将提手205向上折并将模块200提离门110'。用户可以使用提手205将模块200运送到充电站，并用另一已充电的模块200更换它。更换模块200需要执行上述移除过程的相反动作。
转到图12，示出了壳体100的后视图。有六组风扇120用于冷却模块200。每组具有三个风扇120，并且各组位于模块200之间。例如，图12左侧所示的第一组位于第一模块200和第二模块200之间。第二组位于第二模块200和第三模块200之间，第三组在第三模块200和第四模块200之间，第四组在第四模块200和第五模块200之间，第五组在第五模块200和第六模块200之间。第六组风扇位于第六模块200与壳体100的壁之间。为了提供模块冷却的目的，发明人还预想了不同数量的风扇。壳体100的六个部分被挖空，使得模块200的后侧连接被暴露。在每个模块的后部，可以看到10针信号连接器210、正极连接器211和负极连接器212。
转到图13，示出了优选实施方式10的立体图，示出了壳体100的背面。从这个角度来看，清楚地示出了从壳体100的背部表面突出的正极电池端子211和负极电池端子212。重要的是要理解在信号连接器210凹入的同时使这些连接211、212突出的目的。在插入过程期间，在“启用”电池模块200之前，必须确保正极和负极电池端子211、212配对。当10针信号连接器210与总线(未示出)进行一系列互锁时，发生“启用”。如果模块200在其物理地连接到总线之前被“启用”，并且总线电压和电池电压不同，则在端子211、212配对的时刻，将有瞬时高电流来均衡电位。该机制的目的是为了安全确保在启用电池模块200以及在高电流连接器断开连接之前禁用电池模块200之前高电流连接器配对，特别是以防止可能损害电连接器的电弧放电。
由于这些原因，信号连接器210是在模块200插入期间要配对的最后一个连接器，并且是在模块200移除期间要解开的第一个连接器。此方法要求10针连接器210中的针实质上比电池端子211、212短，使得在移除过程期间10针连接器将在电池端子211、212仍连接时断开连接。此时，在过程中，模块200将检测到它不再通过10针连接器210连接到壳体100，并在电池端子211、212断开连接之前立即将其自身关断。
转到图14，示出了电池模块200的后视图。电池模块200的保护壳204优选地由铝或具有类似特性的另一种轻质材料制成。底部护套202被挖空用于10针连接器210和电池端子211、212。每个模块200都具有微控制器，并能够使用模块200的10针连接器210连接到CAN总线。
转到图15，示出了电池模块200的部分正视图。顶部护套203被挖空用于显示板225和提手205。显示板225使用LED照明并具有按钮221，按钮具有状态条222和故障条223。用户可以按压按钮221以将显示器从睡眠模式“唤醒”。编码的推送可以用于诊断。如果状态条222亮蓝色，则模块200正常运行。如果故障条223亮红色，则模块200存在故障。有五个条224，五个条亮绿色并指示模块200的电池电量水平。五个条224将基于被照亮的LED的数量以范围从0％到100％的电量的20％的增量来显示电量状态。例如，一条指示电量非常低(约20％)，五条指示模块200完全充电(100％)。
电池单元网络和电池模块的电气设计
转到图16，示出了模块200的内部的立体图。每个电池单元1710引线键合到印刷电路板(PCB)1722。顶部塑料电池托盘1720a和导热胶1721位于电池单元1710和PCB 1722之间，或者其他粘性塑料电池托盘1720a、1720b直接放置在电池单元1710的顶部和下方。导热胶1721用在电池托盘1720a、1720b与PCB 1722之间。导热胶1721还是电绝缘体。
转到图17，示出了模块200的顶视内部图。每个电池单元1710引线键合到印刷电路板(PCB)1722。对于每个电池单元1710，有三根线1725a、1725b、1725c键合到PCB 1722上的焊盘。线1725a、1725b这两根为负极，线1725c这一根为正极。两根负极线的目的是为了冗余。该优选实施方式包含184个LFP电池。电池单元1710可以被分成23个单元的组，称为“触排”。BSS可以监测触排的电压、温度和电量状态，但是不能监测单个电池单元1710。替代实施方式可以包含电池单元1710的布置或数量的变型。
转到图18，示出了单个电池单元1710的横截面图。如前所述，电池单元1710和其他部件地优选被保护性围壳204围绕，该保护性围壳204由铝制成。在电池单元1710的正上方，有塑料电池托盘1720a。在电池单元1710的顶部和顶部电池托盘1720a之间使用导热粘合剂1721a。类似地，将相同的导热粘合剂1721b施加在顶部电池托盘1720a和PCB 1722之间。清楚地示出，正极线1725c和两根负极线1725a、1725b引线键合到PCB 1722的顶部。转到图18的底部，导热粘合剂1721c被施加在电池单元1710的底部与底部电池托盘1720b之间。此外，在电池单元1710的底部与保护性围壳204的底部之间使用热间隙填充材料1726。间隙填充材料1726允许热从电池单元传递至围壳204，使得热可以从模块200消散。
转回到图17，每个模块200具有集成的电池管理系统(BSS)。BSS 1700监测运行状况，包括单元电压、电流和温度。每个模块200由多个电池单元1710组成，多个电池单元1710通过引线键合串联和并联地连接并最终终接集成的BSS 1700。引线键合将使用类似于特斯拉超声摩擦焊接方法的方法来完成。所示的孔用于将电池单元1710引线键合到PCB 1722。在每个孔中，微小线1725a、1725b、1725c将被键合到PCB 1722和电池单元1710。然后PCB1722被用于直接传输电流通过电池模块200的内部。如果一个电池单元1710发生故障，由于其他电池单元仍连接到板，PCB 1722的使用防止整个电池模块200发生故障。
BSS 1700的优选实施方式使用实时电池单元信息，并将该信息与一组参考值进行比较。它使用该比较来确定单个电池单元和多个单元中的异常，以诊断问题。诊断信息可以使用通信单元从外部传输。如果BSS1700感觉到问题，BSS 1700还将使用该实时数据通过以电子的方式将电池与壳体机架100断开连接来防止在电池运行期间的任何问题。
在充电期间，BSS 1700监测每个触排的23个单元的放电深度，补偿电压温度差，并确保电池触排适当均衡。如果一个电池单元具有比其余电池单元略多或略少的容量，则其放电水平将在数个充电和放电循环内偏离其余电池。BSS 1700必须使电池均衡，以防止过度放电和过度充电，这会造成损害并最终使电池模块完全失效，并可能带来安全风险。
充电管理系统集成
图19是六个并联的电池模块200a-f连接到壳体机架100的示意图。在任何特定时间点，每个电池模块200都可能具有不同的电量状态，尤其是当模块电量通过用于为叉车供电来被耗尽时。“电量状态”定义为模块200当前具有的电量百分比。由于电池寿命或初始电量水平的差异，每个模块200可能处于不同的初始电压。考虑到特定模块200的使用期限和使用情况的差异，每个模块200在它们“完全充电”时还可能具有不同的最大电压。例如，模块200a在完全充电时可能具有24.0V的电压，而模块200f在完全充电时可能具有23.9V的电压。
电池操作系统管理器(BOSS)模块处理器(“BOSS模块”)901用作模块200a-f的电池管理系统是必要的。但是对于BOSS模块901的控制，在一个模块中的电压超过其他模块的此类情况下，较低电压的电池模块会使电流从较高电压的模块流到较低电压的模块中，这仅受连接器、单元、汇流条和键合线的电阻的限制。较大的电压差会导致高电流流向具有较低电压的电池模块。这些情况是不期望的，因为当电流在电池模块之间流动而不是流出壳体100时，流向电机的电流会减少。如果维持高电流持续延长的时间段，或者电压差异足够高，以致产生比键合线的处理能力高的电流，还可能通过快速耗尽电池或使键合线开路而导致电池故障。
转回到图19，总共有三个汇流条，模块200连接到该三个汇流条。根据分组，模块200的负极端子212将连接到0V(接地)汇流条或24V汇流条。模块200的负端子212中的一半将连接到0V汇流条，另一半将连接到24V汇流条。模块200的正极端子211将连接到48V汇流条。如前所述，Boss模块901通过向模块200发送信号来向电池模块200授予权限以确定哪些模块200连接到汇流条以及哪些模块断开连接。然后模块200使用MOSFET开关进行连接和断开。
应该理解，模块200c在这里仅用作示例，并且每个模块200以相同的方式进行布线和使用。如图19示意性描述的，低电压10针连接器210(图14中所示的实际连接器210)可以最好地理解BOSS模块901和模块200之间的通信。针中的四个针是“隔离的”，并且五个针是“非隔离的”，其中一个备用针目前未使用，但可以在以后使用。在描述与线束904和909中各自的针相对应的线时，这里也使用术语“针”。隔离的针作为隔离的线束904的一部分被分组。本领域普通技术人员将理解，“隔离”是指电流隔离。变压器用于将隔离的线束904与主电源分开。如果在隔离的线束904中发生电短路，则不存在损坏系统中其余电路的风险。隔离的线束904被描绘为连接至模块200c的上方虚线。隔离的线束904还连接到车辆总线920。车辆总线920是由多个虚线描绘的通信网络。当将模块200c插入壳体100中的“插槽”时，隔离的5V控制连接器905连接到模块200c并向BOSS模块901发信号。有两个针用于模块200c和BOSS模块901之间的通信。具体的，有CAN HI针906和CAN LO针907。最后，隔离的线束904上有接地908针。
非隔离的针作为非隔离的线束909的一部分被分组。当模块200c插入壳体100中时，编号(ID)针910连接到BOSS模块901，以便在壳体100中分配CAN地址(确定模块200c在壳体100内的插槽位置)。互锁销911循环通过模块200c所连接的插槽中的物理闩锁(未示出)，使得BOSS模块知道连接了模块200c。还有用于控制风扇功率的针912、用于控制风扇速度的针913和模块接地针914。电池模块200c(和所有电池模块)负责控制其自己的风扇速度和风扇功率。当模块200c插入并且闩锁闭合时，互锁销911与模块接地针914短路。一旦发生这种情况，BOSS模块901就可以向模块200c授予权限以连接至汇流条。
在叉车的连续运行和模块200的更换期间，可以理解BOSS模块901的重要性的示例。在叉车运行时，插入完全充电的模块200的过程称为“热插拔”。参见图19，模块200c完全充电，并且在模块200a-200f已连接时被插入。BOSS模块901不会授予模块200c立即连接到汇流条的权限。在连接到汇流条之前，模块200c将等待直到对其他模块200有低需求。低需求是指叉车不需要大量电流的时间。例如，承载载荷并驶上山坡的叉车将需要大量电流。当叉车空闲时，需求的电流将较低，并且这将是用于模块200c连接的合适时间。BOSS模块901不控制模块200与汇流条的断开和连接。BOSS模块901仅针对模块200能够连接和断开时的条件向模块200授予权限。每个模块200使用内部MOSFET开关903a-f来快速断开和闭合从模块200到汇流条的电路连接。一旦连接了完全充电的模块200c，处于较低电量状态的模块200就可以断开连接。例如，如果模块200f为60％，而其他模块200为80％以上，则模块200f将断开，并且仅在一旦其他电量状态降低到约60％才重新连接。
至少由于这些原因，壳体100中的BOSS模块901在联网的范围内被设计为监测每个模块200中的电量状态，并将对变化超过某个阈值的模块200授予权限以断开。这允许叉车继续运行而不会妨碍性能。在优选实施方式中，使用特定的24V电池模块，但是替代性实施方式可以根据特殊升降车的需要使用各种电压。
在存在空的壳体并且系统完全关掉的情况下，可以描述系统的另一重要特征。当模块200从壳体机架100被拔掉时，它们自动关掉。对于空的壳体100，当插入模块200a时，BOSS模块901不会自行通电。因此，优选实施方式10具有连续热的独立5V控制连接器905。当插入模块200a时，其连接到5V控制连接器905，5V控制连接器905为BOSS模块901供电。该过程在与车辆总线920分开的5V总线上发生。由于5V总线上的电流低，因此没有电弧放电的风险。尽管上述附图描绘了具有一侧的壳体机架100，但是优选实施方式将是两侧，其中每侧上有六个模块200，总共12个模块200。在优选实施方式中，六个电池模块200在每个壳体100中并联以在恒定电压下获得较高的电流容量。替代性实施方式可以采用任何数量的电池模块。
替代性实施方式
以下部分描述了所公开的系统的替代性实施方式。
锂离子电池模块系统设计
图20提供了替代性实施方式的可再充电电池组件220的正视图，再充电电池组件220与叉车130分开。可再充电电池组件220具有八个可移动和可互换的电池模块330a-330h，它们可操作地插入限定在外壳体300内的八个相同的模块分隔间(bay)307a-307h中的一个中。壳体300组成了较大电池组件220的外表面，并且组件220的总高度(“H”，如图20所标记)、深度(“D”，也如图3所标记)和宽度(即与图3的纸张垂直尺寸；宽度未在图20中标记)与铅酸电池160(如图2所示)的的高度、宽度和深度大致相同，该铅酸电池160的高度、宽度和深度适合于叉车130的预期使用的大小。
替代性实施方式具有单一壳体机架300的形式，该单一壳体机架300具有容纳和管理八个可移动电池模块330的能力，每个可移动电池模块330可与其它可移动电池模块互换。图20仅示出了四个模块，因为替代性实施方式具有两个背对背对准的四个模块的对称布置。这样使得把手在两侧暴露于叉车130上的可拆卸板136的开口。这也简化了壳体机架中的连接点，简化到仅一个位置。壳体机架300具有多种目的和益处。除了将电池模块330容置在叉车130内之外，机架还可以被移除，并用作充电站，通常是落地式充电站。在替代性实施方式中，壳体机架300由金属制成。特别地，在优选实施方式中，壳体机架300将由提供耐用性的钢制成。除了提供耐用性之外，由钢制成的壳体机架300增加了重量，这在移除一个或多个电池模块330时、特别是在将壳体机架300用作充电站时，有助于防止壳体机架300倾斜。预想的其他材料，包括但不限于复合材料和聚合物。
除了具有如前所述的叉车电池大小的尺寸外，壳体机架300的最下部表面304优选地通过添加固定到其中的重量级材料来进行加重，优选地以放置在其上但在壳体300的围壳内的钢板的形式。这些钢板添加的重量增加了整个组件220的重量，使得整个组件220的重量超过了叉车130的制造商指定的最小电池重量，同时仍使可移动模块330的轻质特性成为可能，可移动模块330每个的重量小于五十一磅。对于本领域技术人员将明显的是，该配重将由重量级材料，诸如高密度钢组成，并且可以由多个板或部分组成，以允许用户操纵重心161以使叉车的安全升降能力最大化。替代实施方式可以包括但不限于可调节配重的不同位置，诸如在壳体机架的顶部，或壳体机架和配重的材料的多种变化。壳体机架300可以被设计成使得机架本身可以由不同材料的壳体机架300更换以调节配重。
可以预想，在小于电池模块330的完整布置的情况下，通过壳体机架300和配重将满足最小电池重量要求。这允许用户在没有足够的具有足够电量的电池模块的情况下仍安全地操作叉车130。替代性实施方式将能够满足具有6-7个模块的重量要求。其他替代性实施方式将理想地满足其中缺少完整布置的1-3个电池330之间的最小重量要求。
结合了壳体机架300的适度重量，替代性实施方式的重量大大小于传统铅酸电池。即使在壳体机架300具有不完整的电池模块330的布置的情况下，这些模块的重量仍将小于51磅。每个电池模块330或“电池组”在模块的后部配备有把手335。把手335将被设计成确保容易抓握模块并确保模块的安全移动。在随后的部分中，将更详细地讨论用于模块330的移除和安装的把手的设计和功能方法。
替代性实施方式包括实现并确保从叉车130安全地移除电池模块和壳体机架300的其他改型。优选地，在每个电池模块330的背部上存在模块释放按钮333，模块释放按钮333将确保从壳体机架300安全地解开模块330，从机械角度考虑安全释放。利用互锁针配置将出现电解开。在以下部分“壳体机架和电池模块接口设计”中将详细描述该按钮。电池模块的正面还将有指示器，指示器将显示电池是处于活动使用中还是切断。对于本领域技术人员将明显的是，该指示器可以呈现各种替代实施方式，包括但不限于小的LED指示器、作为按钮333的一部分照明的灯或在电池组的正面上的LCD显示板，该电池组还显示有关电池的运行状况的其他指标。在该替代性实施方式中，LCD显示板将显示用于监测电池运行状况的指标，包括但不限于电压、温度和剩余电池使用时间。
图20包括另一重要的安全特征。存在眼钩226，眼钩226位于壳体机架组件300顶部的凸台225内。壳体机架300的替代性实施方式将包括在壳体机架两端的眼钩226，以易于移除机架或将机架安装到叉车电池隔室中。对于本领域技术人员将明显的是，该凸台225和眼钩226的结构将模仿现有的眼钩125和当前在传统铅酸电池160的设计中使用的安全移除机制，以确保完全的后续兼容性。这在形状上可以与图21中的表示不同。替代实施方式可以利用不同的方法从叉车130移除壳体机架300，但是将被利用以安全且方便的方式进行移除。
图21示出了壳体机架300的一半的后视图，使得可以看到电池组连接点。该观察平面的位置作为图22中的截面4-4示出。在壳体机架300后部的顶部存在另一眼钩226。位于电池组330的后部，6针公连接器400以及正极电池端子401和负极电池端子402是用于接合和解开模块的仅有的有线连接点。在每个模块330内是多个锂离子电池单元。本领域普通技术人员将理解，可以应用具有各种数量的针的其他连接器。电池模块330的外壳由硬质轻质金属制成。可以预想其他材料，包括但不限于合金、复合材料和聚合物。
图22是壳体机架300的替代性实施方式的等轴测视图。该替代性实施方式将具有八个(在此示出四个)电池模块330，八个电池模块330背对背地布置成两个四个的堆叠。当安装在壳体300中时，每个模块330位于低摩擦滑动件310的顶部，低摩擦滑动件310允许模块330进入和离开壳体300中的对应凹部307的平稳运动以进行组装。此外，该视图中包括先前关于模块描述的特征。每个模块的正面具有把手335，并且背面具有用于移除的按钮333。机架上的按钮将释放要从机架拉出的单元。电池组将依靠针互锁(首先连接，最后断开)来接通/关掉高电流端子的电源。闩锁用于将电池保持在适当的位置，使得接触不会变得松动。在每个模块的后部，可以看到6针连接器400以及正极连接器401和负极连接器402。另外，在壳体机架300的前部和后部可以看到眼钩226和凸台225。
电池模块设计
图23A和23B是电池模块330的等轴测视图，示出了单个电池模块和无摩擦滑动件310。图23A描绘了模块330的替代性实施方式的正面，其中解开按钮333和把手335都可见。如前所述，把手335将用于安全地运送和移除模块330。从图23A清楚地看出，替代性实施方式使用了用螺栓栓在模块330的面后部的把手。对本领域技术人员将明显的是，把手将被定位以确保容易地提起和抓握，并且相对尺寸和位置可以不同于图23A所示的那些。把手335被设计成承载整个模块的重量。
把手335允许用户以类似于抽屉的方式移动壳体机架300中的模块330，并且由硬质轻质金属制成。可以预想其他材料，包括但不限于合金、复合材料和聚合物。预想了替代实施方式，其可以包括在单个模块330的后部的把手或者在各个模块的侧面上的把手。这些把手中的每个将以一方式制成到电池模块330，以允许容易抓握模块并允许模块的安全移动。对于本领域技术人员明显的是，添加到替代性实施方式的模块的把手可以具有铰链以与表面平齐放置，使得它们将不会干扰电池连接点或移入和移出电池机架300。
图23B描绘了电池模块的后部。6针连接器400直接线接到用于监测电池运行状况的BSS。最后，正极端子401和负极端子402连接到相同的多个电池单元。正极端子401和负极端子402通过使用快速释放连接器连接到壳体机架300。该快速释放连接器的要求是它们能够：大量循环时维持性能，盲插连接电池模块330和壳体机架300，并通过多个接触点安全地将电流从模块330传输到壳体机架300。替代性实施方式利用了弹簧偏置连接，当连接电池模块330时，弹簧偏置连接允许每个电池端子401和402滑入对应的插座中。其他替代性实施方式可以利用允许在不看的情况下滑动连接和断开的类似快速连接。
由于在较大的壳体机架300中使用多个电池模块330的性质，将模块移除以及安装到机架中是该设计的重要方面。替代性实施方式具有位于每个电池组下方的低摩擦滑动件310。替代性实施方式可以使用其他方法来实现该滑动运动，以将模块330定位在壳体机架300中，诸如使用滚子或滚子轴承来促进移除和安装。
在这样的替代性实施方式中，模块330在具有滚子轴承的柱形滚子上滑动，并在与无摩擦滑动件310相同的位置中由在模块的每一侧上的轨道引导。在实施方式中，滚子和滚子轴承将由轻质金属制成。替代性实施方式可以采用由金属以外的其他材料制成的各种类型的滚子轴承和滚子。设想的是，设计的每个实施方式将包括某种方法，以防止模块不受控制地移出组件。
预想的是，电池模块移除的替代性实施方式将完成两件事：具有防止电池以不受控制的方式被移除的机制，并且不向电池模块设计添加过多数量的额外移动部件。在图23A中，替代性实施方式包括位于连接到壳体机架300的模块的任一侧上的两个止动件603和604。在模块的任一侧上还有两个突片605和606。止动件603和604用于沿着模块的侧面的后部抓住电池突片605和606，以防止电池意外滑出。在替代性实施方式中，电池模块330在移除期间的运动在图23A中以虚线部分607示出。通过抓握模块前部的把手335并沿箭头608的方向向前滑动外壳，可以将模块330从壳体机架组件300移除。模块将沿着低摩擦滑动件310滑动，直到电池突片605和606与壳体机架组件300上的止动件603和604接触。然后必须将模块330提起到止动件603和604上方以沿箭头609的方向将其完全移除。在该替代性实施方式中，安装运动将要求确切的相反顺序的移除步骤。
该设计的其他替代性实施方式可以包括但不限于下述止动件，该止动件允许电池模块330向下枢转和旋转90°，如此可以通过模块后部的把手将电池提离枢转杆。此外，枢转杆优选地连接到位于壳体机架300任一侧上的旋转阻尼器。这些旋转阻尼器将在移除期间将电池模块330的旋转减慢至其竖向提起定向，这减少了对电池模块330或壳体机架300造成损害的机会。设想的替代实施方式可以包括在电池外部上的棘爪或闩锁，但是它们将被应用为在电池寿命结束之前不会失效。
电池单元网络和电池模块的电气设计
图24A和图24B分别示出了电池模块330的顶部和底部的等轴测视图。每个电池组330由多个电池单元组成，多个电池单元经由引线键合串联和并联地连接并最终终接集成的BSS 700。引线键合将使用类似于特斯拉超声摩擦焊接方法的方法来完成。尽管引线键合已广泛用于其他背景，诸如集成电路和分立电子设备，电池行业已经采用了引线键合技术，该引线键合技术可以比以前完成更大规格的引线的键合。两个图均示出了多个电池板701-709。每个板上显示的孔用于将电池单元引线键合到板上。在每个孔中，微小线将被键合到板和电池单元上。然后板被用于直接传输电流通过电池模块330的内部。如果一个电池单元发生故障，则这些板的使用可以防止整个电池模块330发生故障，这是因为其他电池单元仍连接到板。
如图24A和图24B所示，多个单元通过板701-709的布置连接。有四个板(702、704、706和708)位于电池模块内的顶部，有五个板(701、703、705、707和709)位于在电池模块内的底部。
每个板在正极电池单元布置和负极电池单元布置之间交替。对于板702-708，这大致是空间的几何面积的一半。在替代性实施方式中，这些内部板中的每一个与50个电池单元接触，其中一半是负极接触，另一半是正极接触，并且最负极和最正极的板各自与25个单元接触。板701和709仅与25个单元接触，因为它们仅与电池单元的正极端或负极端接触。这些板还直接连接到电池端子或BSS。板701连接到BSS，然后BSS连接到正极端子401。板709连接到负极端子402。替代实施方式包含200个LFP电池单元。替代性实施方式可以包含电池单元的布置或数量的变化。这也意味着替代实施方式中的板可以具有与替代性实施方式不同的数量、布置或几何形状。
流过电池单元的电流在其以其方式围绕模块330内部工作时在模块330的顶部和底部之间交替。电流从正极端子401流到位于电池模块的底部上的板701(图24B)。板701带正电并且仅与板上方的25个电池单元的正极端接触。这些电池单元的负极端与位于电池模块顶部的板702的负极部分接触(图24A)。板702的负极部分由虚线部分702a示出。板702的另一半702b与在其下方的25个单元的正极端接触。板在702a中与25个负极电池单元端接触，在702b中与25个正极单元端接触。随后，用于板703的电池单元的负极端是与板702的702b部分具有正极连接的相同单元。这些单元与板703具有负极连接。板703的另一半位于704a的区域中。该区域包含与电池单元的正极接触。板704的区域704b连续构图并且与板705具有负极连接。这里在板705上的接触是负极。板705的另一半正极连接，并且单元与区域706a中的板706也具有负极连接。区域706b在顶部和底部上为正极连接，与板707负极连接。板的另一半正极连接，并与708a具有负极连接。电流穿过708b中的正极连接。到电流到达负极板709时，负电压从负极端子402流出。
集成的BSS 700监测模块330的运行状况，包括单元电压、电流和温度。关于监测，在一些实施方式中，为了监测电池模块330的状态，可以包括具有多个LED灯的显示器。例如，显示器可以具有七(7)个LED，其中，基于被照亮LED的数量，LED中的五(5)个以范围从0％到100％的电量的20％的增量来显示电量状态。基于照亮的颜色和/或通过LED的闪烁序列或模式，其他两(2)个LED可以显示状态和故障码，其中，不同的闪烁序列或模式与特定的故障码有关。此外，每个显示器可以包括按钮，按钮可以用于查询特定电池模块330的状态，并且还可以用于通过按压按钮的次数或通过按钮按压的持续时间来对电池模块330进行故障排除。每个视图(图24A-24B)示出了柔性电缆710，柔性电缆710顺着从BSS 700和六针连接器400到电池单元的每个部分布线。在替代性实施方式中，柔性电缆710将用于对所有诊断仪器进行布线以测量温度、电流和电压。另外，每个模块330将包含与电池单元串联的场效应晶体管(FET)711的布置，以确保适当的功率处理。这些开关是替代性实施方式的方面，该替代性实施方式允许从壳体机架300移除模块并且用作有源和可复零的保险丝元件。FET711的数量基于多个单元的功率容量，并且当从壳体机架300移除模块330时，它们禁用端子的功率。一个替代性实施方式具有二十个FET 711，但是该设计的具有不同功率容量的其他替代性实施方式将可理解地具有不同数量的FET或等效物。
BSS 700的替代性实施方式使用实时电池单元信息，并将该信息与一组参考值进行比较。它使用该比较来确定单个电池单元和多个电池单元中的异常，以诊断问题。诊断信息可以使用通信单元从外部传输。如果BSS 700感觉到问题，BSS 700还将使用该实时数据通过以电子的方式将电池与壳体机架300断开连接来防止在电池运行期间的任何问题。
在充电期间，BSS 700监测每个单元的放电深度，补偿电压温度差，并确保电池单元适当均衡。如果一个电池单元具有比其余电池单元略多或略少的容量，则其放电水平将在数个充电和放电循环内偏离其余电池。BSS 700必须使电池均衡，以防止过度放电和过度充电深度放电，这会造成损害并最终使电池模块完全失效，并可能带来安全风险。
在替代性实施方式中，控制器局域网(CAN)通信协议被用作主BSS。CAN总线具有错误检测和容错功能，但是具有相当大的材料成本和通信开销。为了传输信息，可以应用各种通信系统。其他替代性实施方式可以使用工业传输接口，诸如串行外围设备接口(SPI)、DC-BUS或本地互连网络(Lin总线)。在替代性实施方式中，CAN将与每个BSS接口，并且能够有效地监测和控制整个电池壳体机架的性能。这防止了电池到电池的性能问题，并尽可能有效地使用了每个模块。这样，CAN允许壳体机架作为单个单元与VCU交互，而不是允许每个电池模块单独与VCU交互。此外，可以应用隔离的CAN方案，该方案允许与电池模块堆叠的“顶部”中的电池模块进行通信，其中，那些电池模块可能位于下述电位处，所述电位是比堆叠中较低的那些电池模块高的某个电压。
壳体机架和电池模块接口设计
图25是电池模块的顶视示意图，示出了用于机架中的移除和安装的机制。通过按压外部把手上的按钮333来移除电池模块330。按钮333用于确保模块330在叉车的操作期间保持在适当的位置。按压按钮333释放了来自弹簧加载的公连接器800的张力，使公连接器800从母连接器801弹出，并使电池模块端子401和402与壳体机架端子802和803断开。公连接器800和母连接器801最先接合并且最后解开。在图25中，出于说明目的，800-803、401和402是符号表示。系统的该部分的替代性实施方式将是不同大小并且更复杂，但完成相同的任务。
要将可移动电池模块330安装在机架300的类似插槽的凹部307中，用户首先将可移动电池模块330的背面手动放置在对应凹部307的开口中，然后手动将可移动电池模块330向后滑动到该凹部中。一旦模块330滑入足够远使得其背面接触弹簧加载的公连接器800，连接器800就开始压缩。在连接器800被完全压缩之后，模块330锁定在适当的位置。预想的是，将限制连接器800沿着插入轴线移动。该系统被弹簧加载，以实现电池模块端子401和402与壳体机架端子802和803的压力接触。公连接器800推动背部开关，背部开关充当位于母连接器801内的系统的开/关机制。
另外，在将电池模块完全移除之前，需要安全地将其从壳体机架解开，以防止电弧放电。缺少适当的防护措施时，电弧放电会引起过电流，并且可能导致电池毁坏。特别地，如果电池模块330在其物理地连接(即，电连接)到公连接器800之前被启用，并且每个的电压不同，则当连接器800和801物理地配对时，将有瞬时高电流来均衡电位。目的是确保在启用电池模块330之前高电流连接器已配对，以及在电池模块330断开连接之前已禁用电池模块。这可以通过多种方法来实现。一种这样的方法是使用把手旁边的按钮333向处理器发送信号，以使端子的电源断开连接。替代性方法是在电池模块的后部使用压敏开关，并且仅当电池与连接器完全接合时，电池才将接通。开关和电源连接器的相对尺寸使得开关将从电池的后部突出刚好足够远，使得在电池模块完全断开连接之前开关解开。
另一替代性方法是通过电子信号。如前所述，电池模块将通过针连接器和电池端子连接到壳体机架。电子信号发送方法将要求针连接器比电池端子短得多，使得在移除过程期间，针连接器将在电池端子仍然连接时断开连接。此时，电池模块将检测到它不再通过针连接器连接到壳体机架，并在电池端子断开连接之前立即将其自身关断。本领域普通技术人员将理解，在替代性实施方式中可以采用除了图25中采用的那些机制之外的机制，或者采用被描述为替代物的机制。该机制的目的是为了安全，尤其是防止电弧放电。
替代性实施方式的附加特征反映，电池模块330与用于对传统电池组件160(如图2所示)进行再充电的现有技术的充电器兼容，叉车130被设计为与该传统电池组件一起使用。当组装在根据实施方式的模块中时，部分由于本申请人设计的可以由常规充电器安全地充电的磷酸铁锂单元模块330，模块330的特点和结构使得锂离子电池能够通过当前使用的并且已经安装在仓库中，用于对传统叉车电池160进行再充电的充电器进行充电。
充电管理系统集成
图26是替代性实施方式的示意图，其中八个电池模块330a-330h并联连接到壳体机架300，该壳体机架300具有其自己的BSS 901。在任何特定的时间点，每个电池模块330可能具有不同的电压，如图26所示的电压数字所示，特别是因为模块电量通过用于为叉车130供电而消耗。由于电池寿命或初始电量水平的差异，每个模块可能处于不同的初始电压。在图26的示例中，一对模块具有36.0V的完全充电的电压，而其他模块如图所示具有较低的电压。
但是对于BSS 901的控制，在一个模块中的电压超过其他模块的此类情况下，较低电压的电池模块会使电流从较高电压的模块流到较低电压的模块中，这仅受连接器、单元、汇流条和键合线的电阻的限制。较大的电压差会导致高电流流向具有较低电压的电池模块。这些情况是不期望的，因为当电流在电池模块之间流动而不是流出壳体机架时，流向电机的电流会减少。如果维持高电流持续延长的时间段，或者电压差异足够高，以致产生比键合线的处理能力高的电流，还可能通过快速耗尽电池或使键合线开路而导致电池故障。
由于这些原因，在壳体机架300中的主BSS 901在联网的范围内被设计为监测每个模块中的电压，并将使变化超过0.10V的阈值的模块断开。这允许叉车继续运行而不会妨碍性能。使用特定的36V电池模块作为示例，因为替代性实施方式可以根据特殊升降车的需要使用各种电压。
电池监测系统架构的其他替代性实施方式在本发明的范围内预想。在一个实施方式中，每个电池模块包含具有数字隔离器的PC板和多单元电池组监测器。每个模块都具有独立的接口连接控制器板，控制器板具有微控制器、CAN接口和电流隔离变压器。微控制器能够提供到叉车的主CAN总线的通路并协调模块。
在另一替代性实施方式中，每个多单元电池组监测器(MBSM)在每个电池模块内的PC板上。BSS还包含CAN收发器和电流隔离变压器。每个模块都通过MBSM非隔离SPI兼容串行接口进行通信。这种结构需要在电池模块之间连接的3芯或4芯电缆。仅一个微控制器通过底部监测器集成电路来控制所有电池监测器。该微控制器还用作到叉车的主CAN总线的通路。
另一预想的实施方式，在电池模块中的任何电池模块内都没有监测和控制电路。一个PC板具有3个MBSM集成电路(用于3个模块)，每个集成电路都连接到电池模块。MBSM设备能够通过非隔离SPI兼容串行接口进行通信。一个微控制器通过SPI兼容串行接口控制所有电池监测器，并且是到叉车的主CAN总线的通路。与前面公开的实施方式相似，CAN收发器和电流隔离变压器完善了BSS。
另外其他替代方案
尽管已经根据前面公开的实施方式描述了本发明，但是该描述仅是通过说明的方式提供的，并且不旨在被解释为对本发明的限制。例如，尽管如此参考了I类叉车，但是应该理解，本发明的一些方面可以在其他类型的电池供电的工业卡车中具有更广泛的应用。实际上，即使前面的描述涉及当前设想的许多部件和其他实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到这里没有明确参考或甚至没有建议的许多可能的替代方案。虽然前面的书面描述应该使相关领域的普通技术人员能够制造和使用目前被认为是本发明的最佳模式的技术，但是普通技术人员还将理解和领会本文所参考的特定实施方式、方法和示例的各个方面存在许多变型、组合和等同物。
因此，本文中的附图和详细描述应被认为是说明性的，而不是穷举性的。它们不将本发明限制为所公开的特定形式和示例。相反，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明包括许多其他对于本领域普通技术人员明显的修改、改变、重新布置、替换、替代方案、设计选择以及实施方式。
因此，在所有方面，应该理解，本文的附图和详细描述应以说明性而非限制性的方式被看待，并且不旨在将本发明限制为所公开的特定形式和示例。在任何情况下，所有基本等同的系统、制品和方法都应被认为在本发明的范围内，并且，除非另有明确说明，否则所有结构或功能上的等同物都预计为仍在当前公开的系统和方法的精神和范围内。

Claims (15)

1.一种可再充电电池系统，在电池供电的工业叉式升降车中，用作传统铅酸电池的替换物或替代物，所述可再充电电池系统适于为所述电池供电的工业叉式升降车供电，所述系统包括：
多个电池模块，所述多个电池模块中的每个电池模块都包括正极端子、负极端子、电池管理系统BSS、与所述正极端子和所述负极端子电耦合的印刷电路板PCB以及多个与所述PCB电耦合的锂离子电池单元，以在所述多个电池模块中的每个相应的电池模块的正极端子和负极端子之间提供组合的电势，所述BSS被配置为基于BSS将BSS收集的电池模块的诊断信息与参考值进行比较，将电池模块与系统的多个汇流条中的至少一个汇流条电连接和断开连接，其中，对于多个电池模块中的每个电池模块，多个锂离子电池单元中的每个锂离子电池单元布置在PCB的第一面上，且
与所述PCB通过与PCB的第二面和所述锂离子电池单元的正极端子键合的第一引线，以及
与PCB的第二面和所述锂离子电池单元的负极端子键合的第二引线电耦合，
所述第二面在所述PCB的第一面的反面，其中，所述第一引线穿过所述PCB的缝隙，所述缝隙允许从所述PCB的第二面进入所述PCB的第一面，且所述第一引线通过超声波摩擦焊接与所述PCB和所述正极端子键合，
所述第二引线与所述第一引线穿过所述PCB的同一所述缝隙，且所述第二引线通过超声波摩擦焊接与所述PCB和所述负极端子键合；
壳体，所述壳体尺寸设置成并适于可操作地适配在所述电池供电的工业叉式升降车的电池隔室内，并包括：
多个电池模块凹部，多个所述电池模块凹部中的每个电池模块凹部都被配置用于容纳所述多个电池模块中的任一个电池模块，且包括一对电源连接器，当所述多个电池模块中的任一个电池模块容纳在每个凹部中时，所述电源连接器用于配对连接到该任一个电池模块的正极端子和负极端子，和
电导体和外部电源端子，所述外部电源端子被定向并且适于可操作地连接到所述电池供电的工业叉式升降车的电源电路，并且所述电导体具有用于将来自所述多个电池模块凹部的电源连接器对的电力连接到所述外部电源端子的布局；和
处理器，其用于监测所述可再充电电池系统并且用于控制电源开关，使得工作电功率通过所述电导体被引导到所述外部电源端子，所述处理器适于将所述工作电功率引导到所述外部电源端子。
2.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，所述壳体大小设置成并且适于可操作地适配在I类叉车的电池隔室，并且其中，每个所述电池模块的重量为51磅以下。
3.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，对于多个电池模块中的每个电池模块：多个锂离子电池单元中的每个锂离子电池单元进一步地与所述PCB通过与PCB的第二面和所述锂离子电池单元的所述负极端子键合的第三引线电耦合，其中，所述第三引线与所述第一引线和所述第二引线穿过所述PCB的同一所述缝隙；且
所述第一引线、所述第二引线和所述第三引线中的每一个被配置为充当保险丝并且响应于受到大于期望电流的电流而断开，从而防止所述PCB短路。
4.根据权利要求3所述的可再充电电池系统，其中，对于多个锂离子电池单元中的每个锂离子电池单元，所述锂离子电池单元的正极端子布置在所述锂离子电池单元的顶端，所述负极端子布置在所述锂离子电池单元的顶端的边缘。
5.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，对于多个电池模块中的每个电池模块的多个锂离子电池单元中的每个锂离子电池单元，导热间隙填充材料与所述锂离子电池单元的底表面热接触，其中，所述导热间隙填充材料不导电。
6.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，所述电池模块凹部中的每个电池模块凹部还被配置为使得所述一个电池模块以竖向定向可移除地容纳在所述电池模块凹部内。
7.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，所述电池模块凹部中的每个电池模块凹部还被配置为使得所述一个电池模块以水平定向可移除地容纳在所述电池模块凹部内。
8.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，每个电池模块凹部由两个横向隔板和在所述壳体的外侧上的门限定，所述门具有用于将所述门固定在关闭位置的闩锁，所述门还具有用于打开和关闭所述门的铰链和配合销。
9.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，所述多个电池模块中的每个电池模块是能单独再充电的。
10.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中：
对于多个电池模块中的每个电池模块，多个锂离子电池单元中的每个锂离子电池单元与所述PCB耦合以形成多个电池单元触排，多个电池单元触排中的每个电池单元触排包括一组多个电池单元，所述多个电池单元通过它们到所述PCB的有线连接而彼此电耦合；
对于多个电池模块中的每个电池模块，多个电池触排中的每个电池触排终接于BSS，且BSS被配置为监测多个电池触排中的每个电池触排的特性；且
所述系统还包括电池操作系统管理器BOSS，其包括控制器局域网(CAN)，且BOSS被配置为接收和监测来自所述多个电池模块中的每个电池模块的BSS的诊断信息。
11.根据权利要求10所述的可再充电电池系统，其中，所述BOSS还被配置为至少部分地基于所述诊断信息，在所述可再充电电池系统的操作期间启用和禁用一个或多个电池模块，其中BOSS被配置为基于多个电池模块的诊断信息，向多个电池模块中的每个电池模块的BSS授予权限以将电池模块与多个汇流条中的至少一个汇流条电连接和断开连接。
12.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，每个所述电池模块还包括针连接器。
13.根据权利要求12所述的可再充电电池系统，其中，所述针连接器相对于所述正极和负极电池端子从所述电池模块的表面凹入。
14.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中，所述锂离子电池单元是磷酸锂铁(LFP)电池单元。
15.根据权利要求1所述的可再充电电池系统，其中：
所述电池模块中的每个电池模块的重量均小于51磅；
所述电池模块中的每个电池模块能单独再充电；
导热间隙填充材料在所述锂离子电池单元的底表面与模块围壳之间热接触，以出于热管理的目的实现从所述锂离子电池单元到所述模块围壳的热传递，其中，所述导热间隙填充材料不导电；
所述电池模块凹部中的每个电池模块凹部还被配置为以竖向定向可移除地容纳所述一个电池模块；
每个所述电池模块凹部由两个横向隔板和在所述壳体的外侧上的门限定，所述门具有用于将所述门固定在关闭位置的闩锁，所述门还具有用于打开和关闭所述门的铰链和配合销；
所述可再充电电池系统进一步包括电池操作系统管理器BOSS，其包括控制器局域网(CAN)，且BOSS被配置为：
接收和监测来自所述多个电池模块的诊断信息，以及
至少部分地基于所述诊断信息，在所述可再充电电池系统的操作期间启用和禁用一个或多个电池模块；
每个所述电池模块进一步包括针连接器，其中，所述针连接器相对于所述正极和负极电池端子从所述电池模块的表面凹入；并且
所述锂离子电池单元是磷酸锂铁(LFP)电池单元。
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