CN111146368A - 用于电池单池的壳体、电池单池和用于制造电池单池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电池单池（100）的壳体（102），其特征在于，所述壳体（102）的内部空间（104）在使用至少一个多层板（106）的情况下划分成至少两个子空间（108），其中，在多层板（106）的至少一个侧棱边和壳体（102）之间构成了连接子空间（108）的间隙（110），其中，多层板（106）具有至少一个布置在至少两个导热层（118）之间的绝热层（116），其中，绝热层（116）的热阻大于导热层（118）的热阻并且导热层（118）具有与壳体（102）的至少一个壳体面（120）的导热的连接。

Description

用于电池单池的壳体、电池单池和用于制造电池单池的方法

技术领域

本发明涉及一种用于电池单池的壳体、一种电池单池和一种用于制造电池单池的方法。

背景技术

电池单池通过电化学的过程在充电过程或放电过程期间变热。所述过程进行得越快，那么电池就变热得越厉害。为了将电池单池保持在一温度范围内，需要冷却。电池单池传统上从外部通过壳体加以冷却。

电池单池具有阳极和阴极的堆垛，所述阳极和阴极通过分离器电子地彼此分离。电路在电池单池外部通过消耗器闭合。

当分离器例如由于电池单池的变形或事故时侵入的物体而受损时，在电池单池内的电路可以闭合并且在阳极和阴极之间的局部短路可能导致局部变热。当热无法通过壳体排出时，变热可能导致起火并且在极端情况下导致爆炸。即使没有起火，变热也会通过所产生的气体使壳体爆裂。

DE 10 2010 062 858 A1例如说明了一种电池单池。DE 10 2009 005 854说明了一种带有包套的电池单池。

发明内容

在这个背景下，用在此提出的方案提出了按照独立权利要求所述的一种用于电池单池的壳体、一种电池单池和一种用于制造电池单池的方法。在此提出的方案的有利的扩展方案和改进方案由说明书得出并且在从属权利要求中说明。

本发明的实施方式可以以有利的方式实现，改进地冷却电池单池、限制在电池单池中的局部变热并且放缓或阻止了扩展以及提供了防止电池单池受损的保护。

建议了一种用于电池单池的壳体，该壳体的特征在于，壳体的内部空间在使用至少一个多层板的情况下划分成了至少两个子空间，其中，在多层板的至少一个侧棱边和壳体之间构造有连接所述子空间的间隙，其中，多层板具有至少一个布置在至少两个导热层之间的绝热层，其中，绝热层的热阻大于导热层的热阻并且导热层具有与壳体的至少一个壳体面的导热的连接。

本发明的实施方式的想法也可以被视作基于接下来所说明的思想和认识。

电池单池可以是电池的最小的单元。电池单池可以联合成电池模块。多个电池模块可以联接成电池。电池可以例如是车辆的牵引电池。在电池单池内可以布置着由电化学活跃的阳极和阴极以及布置在它们之间的分离器构成的堆垛。所述堆垛在此可以划分成至少两个子堆垛。电池单池的壳体可以是棱柱形的。所述壳体可以具有小的热阻。壳体可以是刚性的。壳体可以具有多个特别是彼此正交地取向的壳体面。电池单池可以具有两个能称为终端的电接头。终端中的至少一个终端插入到壳体中并且相对壳体电子地绝缘。另一个终端则可以由壳体本身构成。子堆垛的所有的阳极与其中一个终端电子传导地连接。所有的阴极则与另一个终端电子传导地连接。终端可以例如通过接触片与阳极或阴极连接。

多层板可以指的是由导热性不同的多个不同的层构成的三明治结构。层可以具有不同的成分。所述层此外还可以用于不同的功能。导热层的材料可以例如具有比绝热层的材料高得多的导热性。导热层的材料可以例如具有和壳体的材料那样一样高的或更高的导热性。导热层可以例如具有一种金属材料或者由该金属材料构成。绝热层可以具有非金属材料或者由非金属材料构成。绝热层可以具有比导热层更高的机械强度和/或比导热层更厚。绝热层可以具有和壳体的壁那样一样大的或甚至更大的机械强度。多层板可以具有比基本上平行于此取向的壳体面更小的尺寸。

导热层中的至少一个导热层可以材料锁合地与所述壳体面连接。该导热层可以与壳体焊接。通过材料锁合的连接可以达到特别高的导热性。

多层板可以材料锁合地与壳体的构成了壳体面的底部或顶部连接。底部或顶部可以为了封闭壳体而与壳体的其余部分连接。多层板可以在壳体封闭之前被引入到内部空间中。多层板可以插在子堆垛之间。多层板可以插在电极-分离器层的绕组之间。

多层板可以构造成壳体的在两个对置的壳体面之间的按照负荷设定尺寸的机械的加固结构。多层板可以具有至少一个承载性的层。绝热层尤其可以构造成承载性的层。承载性的层可以具有按照负荷设定尺寸的层厚。多层板可以将力从一个壳体面传递到另一个壳体面。

多层板可以传力配合地与壳体面中的至少一个壳体面连接。多层板可以压入到内部空间中。壳体可以通过多层板处在机械的预应力下。

与导热层连接的壳体面可以构造成电池单池的冷却面。通过冷却面可以连接例如电池的冷却系统。热因此可以直接从与子堆垛处于接触的导热层导出给冷却面。反过来也能通过冷却面提供热，以便在低温下加热电池单池。

至少一个另外的多层板可以布置在内部空间中。所述另外的多层板的另外的导热层可以具有与壳体的壳体面中的至少一个壳体面的导热的连接。多个独立的多层板可以布置在壳体中。多层板可以将内部空间划分成多个子空间。所述子空间可以通过间隙挂连。

多层板可以彼此连接并且横向于彼此地取向。多层板可以十字形地彼此连接。通过十字形布置的多层板可以将四个子空间彼此分离。

此外还提出了一种带有按照在此提出的方案的壳体的电池单池。在此在多层板的两侧，电化学活跃的材料层布置在子空间中并且与壳体的终端电接触。

此外还提出了一种用于制造按照在此提出的方案的电池单池的方法，其中，电化学活跃的材料层在多层板两侧布置在子空间中，材料层与壳体的终端电接触并且封闭内部空间。

多层板可以在至少两个对置的侧棱边上与壳体的壳体面相间隔。电化学活跃的材料层可以作为线圈围绕多层板卷绕。多层板可以构成线圈的芯。多层板和线圈一起作为芯可以布置在壳体的内部空间中。所述层可以通过所述芯被牢固地卷绕。通过所述芯能避免层的变形。所述层可以具有软的一致性（Konsistenz）。线圈可以称为卷芯（Jelly Roll）。

要指出的是，本发明的可能的特征和优点中的一些特征和优点在本文中参考不同的实施方式加以说明。本领域技术人员认识到，壳体的、电池单池的和所述方法的特征能以恰当的方式组合、匹配或交换，以便达到本发明的另外的实施方式。

接下来参考附图说明本发明的实施方式，其中，附图和说明书均不得作为对本发明的限制来设计。

附图说明

图1示出了按一个实施例的电池单池；

图2至4示出了按照实施例的带有多层板的壳体的空间图；并且

图5示出了按照一个实施例的与电池单池的底部连接的多层板的示图。

附图仅是示意性的并且不是忠于比例的。相同的附图标记在附图中标注相同的或作用相同的特征。

具体实施方式

图1示出了按照一个实施例的电池单池100的示图。该电池单池100是车辆的牵引电池的最小的单元。多个彼此连接的电池单池构成了牵引电池的电池模块。牵引电池可以具有多个电池模块。

电池单池100具有棱柱形的壳体102。壳体102包围内部空间104。在内部空间104中布置着多层板106。多层板106将内部空间104划分成两个子空间108。子空间108通过在多层板106和壳体102之间的间隙110彼此连接。在子空间108中分布布置着电池单池100的电化学的堆垛114的子堆垛112。在子堆垛112中，在此没有单独示出的电化学活跃（aktive）的阳极层、阴极层和分离器上下堆叠。阴极层与电池单池100的一个极连接，而阳极层则与电池单池100的另一个极连接。

多层板106在此放大示出。多层板106具有至少三个层。至少一个绝热层116布置在至少两个导热层118之间。绝热层116具有大的热阻。绝热层116因此导热差。导热层118具有小的热阻。导热层118因此导热良好。绝热层（116）的热阻大于导热层（118）的热阻。导热层118导热地与壳体102的至少一个壳体面120连接。当热被从电池单池100排出时，壳体面120起到散热片的作用。当向电池单池100输入热时，壳体面120起到热源的作用。在此，导热层118与壳体102的底部连接。

电池单池100用底部立在电池模块的冷却板122上。冷却板122能被主动地（aktiv）冷却或加热。热能通过底部被从电池单池100排出或者输入给电池单池100。因为多层板106的导热层118与底部处于导热接触，所以热也通过导热层118从子堆垛112排出或输入。导热层118扩大了子堆垛112的传热面。

电池单池在事故时可能受损。由于受损，在阳极层和阴极层之间可能产生短路。由于短路可能出现局部变热（Erwärmung）。变热导致了在阳极层和阴极层中的加强的化学反应。在化学反应中可能产生气体，气体施加压力到壳体102上。当压力过大时，可能在先前已受损的壳体不再能承受所述压力并且发生故障。

为了防止产生压力，需要有效地冷却受损的电池单池100。通过冷却可以放缓化学反应。所产生的热通过冷却板122排出。通过多层板106的与冷却板122热耦合的、与子堆垛112邻接的导热层118，更大的冷却面可供使用并且热能够得到改进地被排出。通过排出热也能中断化学反应的不受控制的扩散。多层板106的绝热层116额外防止了到另一个子堆垛112中的热传输。因此能够局部限制受损并且阻止了扩展（Propagation）。

此外，多层板如下改进了电池单池的机械的稳定性，即，壳体以及电极堆垛在事故时保持完好。由此可以防止电池单池的排气、起火或甚至爆炸。

图2至4示出了按实施例的带有多层板106的壳体102的空间图。壳体102是棱柱形的并且基本上对应图1中的壳体。壳体102是立方体形的并且具有微长矩形的基面。

在图2中，多层板106基本上平行于壳体102的窄侧取向并且至少与壳体102的壳体底侧102导热地连接。多层板106居中地布置在壳体102的长侧上。多层板可以将力从一个长侧传递给另一个长侧并且因此大大加固（versteifen）了壳体102。通过多层板106将内部空间划分成两个一样大的子空间。壳体102具有两个终端（Terminal）200，所述两个终端布置在壳体102的壳体上侧上。在终端200下方布置着连接子空间的间隙110。当子堆垛布置在子空间中时，在间隙110的区域内留有一空腔用于将堆垛的层的导体片（Ableiterfahnen）与终端200连接。壳体102在壳体底侧上被冷却。

在图3中，多层板106基本上平行于长侧取向。多层板106居中地取向于窄侧并且与窄侧导热地连接。

与图2中的示图相反的是，壳体在壳体上侧上和壳体底侧上具有终端200。壳体102通过窄侧被冷却。为了将子堆垛与终端200连接起来，将两个间隙110布置在壳体上侧和多层板106之间以及壳体底侧和多层板106之间。

在图4中，两个彼此正交地取向的多层板106布置在壳体102的内部空间中。多层板彼此十字交叉。通过多层板106将所述内部空间划分成四个子空间。如在图3中那样，终端布置在壳体上侧和壳体底侧上。多层板106与壳体102的长侧和窄侧均导热地连接并且加固长侧和窄侧。如在图3中所示那样，在壳体上侧或壳体底侧和多层板106之间布置着间隙110。

图5示出了按照一个实施例的与电池单池100的底部连接的多层板106的示图。所述示图基本上对应图3中的示图。与之相反的是，壳体在壳体上侧上具有如在图2中那样的终端200。多层板106与壳体底侧或底部材料锁合地连接。在底部与侧壁连接之前，将多层板引入到内部空间中。在此在窄侧和多层板106之间构成了间隙。

在引入之前将堆垛114卷绕到多层板106上。多层板106因此形成了由电化学活跃的层构成的线圈（Wickel）的芯。通过多层板106加固所述线圈。因此柔韧的层能够被卷绕并且和多层板一起引入到内部空间中。线圈基本上填满在窄侧和多层板106之间的间隙。

换句话说，提出了一种冷却-扩展-挤压（CPC）板。冷却-扩展-挤压（CPC）板可以用作有高能量密度的电池单池100的新型安全方案。

用于电动车（EV）的电池以及带有基于锂离子技术（LIT）的混动-（HEV）和插电式混动驱动器（PHEV）的车辆通常分等级（hierarchisch）建造。最小的单元是单池，单池中的多个单池组装成一模块，由此又形成了电池包。为了实现越来越高的有效范围、但也为了能降低成本，总是追求更高的能量密度。但在同时较大的能释放的能量的情况下，有高能量密度的锂离子技术（LIT）化学原则上在故障情况下具有较高的反应动力，这可能导致相应更危险的事件、如起火或爆炸。因此在使用有高容量和能量密度的单池时，尤其重要的是使电池单池100不会热失控。在此，当发生了单池的本身加速的加热（Aufheizung）时，称为热失控。

倘若出现了这种故障情况，那么应当防止电池内到其它单池的扩展。热失控的原因可以例如是内部的短路、过载、过电流、碰撞/挤压或其它可能导致单池的内部加热的故障情况。迄今为止，相应的冷却集成到包块和/或模块层面上，以便在安全的温度窗口内运行单池。此外，可以在单池之间或各个模块之间插入扩展垫。也可以围绕包块（Pack）安装防撞框架。电池可以安装在车辆的碰撞保护区域中。

在此提出的方案实现了在单池层面上的得到改进的冷却效率并且起到单池层面上的扩展保护的作用。因此能够改进了单池的性能（Performance）和安全性。在此提出的方案同时可以改进在事故情况下单池的安全性并且因此作为单独措施提供了对抗最难保护的故障情况中的三种故障情况、即热失控（例如由于内部的短路）、热扩展和碰撞/挤压的附加保护。

迄今为止，单池仅从外部基本上通过安放在冷却板上的单池壳体冷却，所述冷却板安装在包块级上。在大的单池中则恰好很难通过这种布置也有效地冷却单池内部。

在此提出的方案中，单池可以直接从内部被冷却。这导致了由于电流消耗和保险时的低温度升高带来的高性能，因为可以通过外部的冷却控制单池内部的重新变热（Aufwärmen）。

通过将大的单池内部空间分成两个或多个单个空间，使在此提出的方案同时用作单池层面上的一种扩展保护。这种单池内部的扩展保护迄今为止同样和单池内部的冷却一样被一点点建立。通过熟练地引入和设计在此提出的方案，同时也提高了单池的机械稳定性并且因此改进了在事故的情况下和挤压测试中的稳定性。在此提出的方案改进了电池单池的以及因此模块和电池包的安全性，而无需要求后者作巨大的设计改动。

在此提出的方案中，电极堆（Elektrodenstack）通过将分隔壁引入到单池壳体中而被有效地划分成两个或更多区域。两个或更多卷芯备选可以装入到单池壳体中。视材料或材料组合的选择以及这些分隔壁的布置而定，可以达到得到改进的冷却、抵抗热扩展的保护和单池的提高的机械稳定性。因为在此提出的方案承担起冷却（Cooling）、扩展保护和碰撞时保护的功能，所以在此提出的三明治层能够称为“CPC板”（冷却、扩展、挤压）。

通过在此提出的CPC板能以如下方式达到对单池内部的得到改进的冷却，即，所引入的CPC板至少在表面上具有高的导热性并且直接与单池壳体的底部连接，所述底部本身安放在包块的冷却板上。因此达到了与小的电池单池的冷却功率类似的冷却功率，小的电池单池的大小对应在带有CPC板的电池单池内的各个子空间。

通过CPC板对单池的得到改进的冷却，提高了整个电池的性能。因此在系统层面上，最大的持久的电流消耗（与持久地最大能达到的车辆速度对应）以及连续相继的最大的电流消耗的频率（与最大的加速度的频率对应）强烈地与电池单池的冷却相关。

此外，改进地冷却单池使得能够利用较快的充电周期（快充），这缩短了直至电池充电的保养时间。

在单池内的得到改进的冷却使得能更好地防止故障情况，所述故障情况由于单池过热可能导致电池单池热失控并且接下来会导致起火或爆炸。针对此的示例是过载、过电流、内部的短路或挤压。

此外，由于通过CPC板改进地冷却单池，还可以通过熟练地选择CPC板装置减轻和均匀化单池的老化，因为在单池内的大的温度梯度被从侧面向内或从上向下降低。

在导致电池单池变热的故障情况下（例如内部的短路），通过引入CPC板缩小了直接变热的空间，减少了到电池单池内的邻接的、分开的区域上的热传递并且因此使在单池内和相邻单池上的热扩展放缓。

因此总体上减轻了电池单池的热失控，因为现在单池的整个能量无法被同时释放。由此使单池的危险等级（HL）6（破裂）或7（爆炸）变得更为不可能并且将单池的最大的HL降低到5（起火）。最大的单池HL的这种降低在单池和模块层面上提供了大量优点。在临界的故障情况下尤其能更为容易地确保包块完整度，由此能防止包块的爆炸和快速扩散的起火，这提高了车辆乘员和行人的安全性。

此外，最初由受损的电池单池转交给相邻单池的能量被减小并且因此在带有CPC板的两个电池单池之间的扩展也放缓，因而也使对抗热扩展的其它措施在模块和包块层面上更好地起作用。

CPC板可以改进单池的机械完整度并且因此可以例如在挤压测试中或真实事故时导致，单池不会发生热失控。

这种机械增强的单池的另一个优点在于这样一个可能性，即，这些单池也能装在车辆的事故保护区域外，这给车辆制造商创造出了更多的设计自由度。

通过引入CPC板在单池层面上减小了体积效率，可以通过总体上略微更大的单池的构造在模块和包块层面上再次得到补偿，由此CPC板在一如既往地充分利用体积并且降低成本（少量单池和少量电子器件…）的情况下提高了系统的整体安全性。

此外还减少了生产中的废品，因为现在制造更小的堆或卷芯，因而所出现的误差仅会导致相应较小的堆失效。

CPC板本身的成本在仅很少的附加的工作步骤下是小的并且可以通过使用少量、但为此较大的单池总体上补偿更多的成本。

CPC板尤其能沿单池的纵向取向，因而在堆和/或卷芯电接触时不存在任何问题。它们可以要么已经在引入堆/卷芯之前就与单池壳体连接（焊接），但要么在构建堆期间随之插入并且然后和堆一起导入到单池中。与单池壳体的接触然后通过机械的按压接触完成。在卷芯的情况下，可以直接利用CPC板本身，以便将卷芯卷绕到CPC板上。这个过程步骤因此减少了循环期间在卷芯内部（在弯曲的区域中）所出现的弯曲和高机械负荷的区域，因为它们在引入到单池壳体中之前不再被压到一起。

CPC板可以是连续的，但或者单池仅部分划分成多个区域。CPC板可以由热绝缘体构成，热绝缘体在两侧被金属涂层。这造成了沿着CPC板的良好的导热性并且在防止垂直于CPC板的热传递的同时使热从单池内部排出以及因此造成了良好的热扩展保护。热绝缘体因此可以这样选择，使得CPC板赋予单池更高的机械稳定性并且因此能更好地被保护不受外力作用（碰撞、挤压）的影响。

最后要指出的是，诸如“具有”、“包括”等的术语，不排除其它的元件或步骤，并且诸如“一个”这样的术语不排除多个。权利要求中的附图标记不得视作限制。

Claims (12)

1.用于电池单池（100）的壳体（102），其特征在于，所述壳体（102）的内部空间（104）在使用至少一个多层板（106）的情况下划分成至少两个子空间（108），其中，在多层板（106）的至少一个侧棱边和壳体（102）之间构成了连接子空间（108）的间隙（110），其中，所述多层板（106）具有至少一个布置在至少两个导热层（118）之间的绝热层（116），其中，绝热层（116）的热阻大于导热层（118）的热阻并且导热层（118）具有与壳体（102）的至少一个壳体面（120）的导热的连接。

2.按照权利要求1所述的壳体（102），在所述壳体中，所述导热层（118）中的至少一个导热层材料锁合地与所述壳体面（120）连接。

3.按照权利要求2所述的壳体（102），在所述壳体中，所述多层板（106）材料锁合地与所述壳体（102）的构成了所述壳体面（120）的底部或顶部连接。

4.按照前述权利要求中任一项所述的壳体（102），在所述壳体中，所述多层板（106）构造成所述壳体（102）的在两个对置的壳体面（120）之间的按照负荷设定尺寸的机械的加固结构。

5.按照权利要求4所述的壳体（102），在所述壳体中，所述多层板（106）传力配合地与所述壳体面（120）中的至少一个壳体面连接。

6.按照前述权利要求中任一项所述的壳体（102），在所述壳体中，与所述导热层（118）连接的壳体面（120）构造成所述电池单池（100）的冷却面。

7.按照前述权利要求中任一项所述的壳体（102），在所述壳体中，至少一个另外的多层板（106）布置在内部空间（104）中，其中，另外的多层板（106）的另外的导热层（118）具有与所述壳体（102）的壳体面（120）中的至少一个壳体面的导热的连接。

8.按照权利要求7所述的壳体（102），在所述壳体中，所述多层板（106）彼此连接并且横向于彼此取向。

9.电池单池（100），带有按照权利要求1至7中任一项所述的壳体（102），其中，在多层板（106）的两侧，电化学活跃的材料层布置在子空间（108）中并且与壳体（102）的终端（200）电接触。

10.按照权利要求9所述的电池单池（100），其中，所述多层板（106）在至少两个对置的侧棱边上与壳体（102）的壳体面（120）相间隔并且电化学活跃的材料层作为线圈围绕所述多层板（106）卷绕。

11.用于制造按照权利要求9至10中任一项所述的电池单池（100）的方法，其中，电化学活跃的材料层在多层板（106）的两侧布置在子空间（108）中，材料层与壳体（102）的终端（200）电接触并且内部空间（104）被封闭。

12.按照权利要求11所述的方法，其中，材料层作为线圈围绕所述多层板（106）卷绕并且线圈和多层板（106）一起作为芯布置在壳体（102）的内部空间（104）中。

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