CN111971810A - 多件式多功能电池壳 - Google Patents

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J HKesipei
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Abstract

现有技术中已公知由包络结构来制造用于电动车辆的多功能电池壳，该包络结构填充有多孔且可受机械负荷的填料。但这种公知的多功能电池壳不易操作并且无法同时满足对车辆中的多功能电池壳的所有要求，因此本发明旨在改进公知的现有解决方案。这一点通过创建多功能电池壳来实现，避免或至少延迟电池本身发生并可能蔓延到车辆的内燃以及可能蔓延到电池的外燃，无需采取其他措施或额外设备，就能满足操作、防火、碰撞安全、热管理和车底防护方面的所有要求。为此，外壳由真空隔绝支撑复合材料(GVI)制成，其阻隔效果可通过用多微孔填料填充真空密封的中空体并由此制成底槽、外围边缘元件和顶部元件来调节。底部元件在其内侧具有冷却面，该冷却面以真空密封方式整合到内壁中并与被动冷却和主动冷却皆相关联。另一方面，底部元件在其外侧被抗冲击的纤维垫覆盖，该纤维垫下方布置有增强织网。这样布置组件提供的多功能电池壳能够满足对于多功能电池壳的所有要求。

Description

多件式多功能电池壳
本发明涉及一种用于车辆中容纳至少一个电池模块的电池壳，其中，该电池壳由双壁且真空密封的包络结构形成，该包络结构填塞有多微孔或多纳米孔的填料并至少基本上抽空气体并且具有用于容纳至少一个电池单元的内腔。
这样的多功能电池壳可参阅EP 2 985 804 B1。这种多功能电池壳尤其是在电动和混合动力车辆中用来安置车用电池。在本文中，本发明提供一种用于制造多功能电池壳的材料，该材料利用了真空的绝热特性。为此，壁体构建为真空密封的中空体形式，但该壁体填塞有填料来提高强度。同时，中空体被抽空气体，从而产生一种既有耐抗性又有良好绝热性的本体。
然而，现有技术中的多功能电池壳在其目前的设计中仍有缺陷。多功能电池壳因其各侧的设计相似而无法完全满足热性能和机械性能方面日益增长的需要。
为了符合所有法律规定和要求以及汽车制造商的规定和要求，尤其是在防火、碰撞安全、热管理、底盘和碎石防护以及在车辆上装卸电池时的操作等标准方面，随着上述车型的普及，这些要求也随之增加并更为具体。
就此而言，DE 10 2016 106 021 A1公开了一种用于借由制造半成品来制造电池壳的方法，该半成品包括下半壳和上半壳，随后将它们彼此焊接，内嵌电池。在进一步的过程中，将下半壳的外壁焊接到上半壳的外壁，下半壳和上半壳的内壁与外壁之间均夹置有真空隔绝支撑体。
此外，DE 10 2014 645 A1公开了一种用于容纳电池的一个或多个单元块的电池壳。各个电池块的外壁与内壁之间的空隙均设置有由多孔支撑材料制成的真空隔绝支撑体。
另外，DE 10 2012 214 964 A1揭示了一种具有导电单元壳的电池单元。该电池单元壳的外侧设置有电绝缘层，其粘附至电池单元壳的外侧。
就此而言，现有技术中还已知DE 10 2016 216 050 A1，其将多功能电池壳或多或少地分为三层，即槽形的底部元件、外围边缘元件和顶部元件。但在此解决方案中，需要一些其他元件，诸如承载结构或额外的内部底槽，这也令组装显得相当繁复。
WO 2010/040520 A2提供了电池模块之间单独的模块分隔壁，但这些分隔壁未连接到外壳，因此仍需采取额外的手动工作。
另一方面，在DE 10 2016 213 832 A1中提出了冷却剂流经中空壁，从而可能因发生碰撞而丧失稳定性。
DE 10 2013 015 837 A1利用了类似于前述EP 2 985 804 B1的构思，即采用蜂窝结构，然后填充阻燃介质。这里也不再采取任何其他措施来稳固电池单元，而是提供了通过壳壁在各侧达成相似的稳固性。
另一方面，DE 10 2016 202 024 A1认识到需要确保电池模块的安全存放，并用容纳在实际外壳中的泡沫体包围这些电池模块。
DE 10 2014 217 655 A1还采用两件式外壳，正如DE 10 2016 116 729 A1，其中对顶盖和底槽加以区分。
DE 20 2016 100 629 U1提出了一种由弹性圆柱体制成的包壳，该弹性圆柱体环绕电池模块的侧面布置。
DE 10 2015 224 777 A1揭示了在电池模块之间插入加固柱，这些加固柱应用来防止电池模块在承受冲击时遭到损坏。出于同样的目的，EP 3 041 063 A2提议将电池模块置入泡沫体之间，以使它们在热和机械方面皆能受到保护。
然而，这些公知的解决方案均未提供任何防止底侧损伤的特殊保护，特别是未能在车辆和/或多功能电池壳的制造过程中合理又简便地实现整体保护。
在此背景下，本发明的目的是提出一种多件式多功能电池壳，其中同时考虑到热和机械方面的要求以及环境保护功能。另外，本发明提出的多功能电池壳应能避免或至少延迟电池本身中发生且可能蔓延到车辆的内燃以及可能蔓延到电池的外燃。另外，该多功能电池壳应能确保长期的温度稳定性，以便电池的运行能够不依赖于环境温度。这里，该多功能电池壳应设计和实现为车辆结构的一部分。
本发明达成上述目的的解决方案为根据独立权利要求1所述特征的多功能电池壳，其中该多功能电池壳构建为分开的构型，其中，该多功能电池壳的每个部分均适配于其特定的任务范围。这种构型的进一步设计方案参阅后续的从属权利要求。
根据本发明规定，该多功能电池壳分为三个以上部分，即底部元件、至少一个外围边缘元件和顶部元件，所有这三个部分皆设计为真空隔绝支撑体(GVI)。边缘元件是弯成框架的空心型材，它以真空密封方式焊接、填塞有多微孔或多纳米孔填料并抽空。与之相比，多功能电池壳的其余两个部分由双壁且真空密封的包络结构组成，该包络结构填塞有多微孔或多纳米孔的填料并且在隔绝工作状态下至少基本上抽空气体。这三个外壳部分彼此连接，从而形成一个内腔，其用于容纳和固定电池单元或电池模块。
这里，包络结构尤其可由薄壁的不锈钢制成，而使用高度压缩的支架、硅酸盐泡沫颗粒或玻璃粉末作为填料，所述支架由人造矿物精纤维制成，其纤维直径主要在2μm至6μm的范围内。
边缘元件能提高整体外壳的防撞安全性，用于被动式空调，并为底部元件和顶部元件发挥中介作用。此外，与公知的框架结构相比，所述框架/边缘元件作为GVI结构具有相当轻质的结构潜力。顶部元件与底部元件经由边缘元件彼此连接，而外壳又经由该边缘元件连接到车辆。它是承载整个架构并在发生碰撞时吸收作用力的部分。由于边缘元件采用GVI技术来设计，即使金属包壳的壁厚很薄，它也能具有极高的刚度，因此能够吸收很高的机械负荷。顶部元件搁置在边缘元件上，在最简单的实施方式中，该边缘元件仅朝上封闭外壳，而底部元件则用于承载电池模块。通过粘接在底部元件中的卡箍能够将电池模块锚固在底部元件中。需要保护底面以防从下侧损伤电池，诸如防止碎石撞击。
为此，底部元件的底面在外侧(即背离内腔的一侧)但在双壁结构内用增强织网覆盖，该增强织网旨在安全地阻挡任何可能穿刺的石块。底部元件的外表面覆有抗冲击的纤维垫作为额外的碎石防护，该纤维垫既能整体上例如通过粘合方式施加到表面上，又能通过植绒、浸渍等方式模制到底部元件上。这种整体架构就能形成三重的碎石防护机制，保护电池单元免受机械性损伤。在外侧施加的纤维垫还可以构造为耐高温的防火层，进而防护外燃。
底部元件的内侧上还布置有冷却面，该冷却面是包络结构内壁的固定组成部分并且能够冷却立在底部元件上的电池模块。
借此，底板尤其保护电池模块免受来自底侧的机械性影响，其中，通过将抽空的壁结构设计为可调的隔热结构，能够实现被动冷却。整合到壁结构的内壁中的冷却面还能实现主动冷却，并散发来自电池模块的多余放热。由于冷却面在底部元件的壁结构中的整合以及增强织网的整合，增强织网也被整合到一起，因此主动冷却元件也得到可靠的保护，免遭损坏和泄漏，并与电池单元分离。
这样，当安装本发明的多功能电池壳时，可在无附加架构元件的情况下满足现有要求，确切而言，将上述三个部分拼合并将电池模块连接到底部元件便足矣，从而与公知的现有技术相比，根据本发明的多功能电池壳的安装既能有所简化又能改善结果。
这一点更适于下文阐述的其他实施方式。因此，顶部元件还配设有第二冷却面，该第二冷却面也是包络结构的内壁的组成部分，这样就能进一步改善电池模块的冷却。这样，电池模块容纳在顶部元件和底部元件中的两个主动冷却元件之间。如果将附加的导热板或主动冷却的平坦散热片从顶部元件自上而下地和/或从底部元件自下而上地插入各个电池模块之间，则能进一步改善冷却。此外，这些散热片可以在其背离电池单元的一侧上设置有阻燃、隔热和耐温的涂层，以防在电池单元出现热失控的情况下导致温度跳到相邻的电池单元。该涂层优选由耐高温的矿物纤维、云母或蛭石或这些物质的组合制成。顶部元件也可以配备有可调的隔热结构，以进行被动冷却。
主动冷却需要经由闭合的冷却剂回路连接散热器，该冷却剂回路又贯穿整合到内壁中的冷却元件和/或散热片。这里，主要通过冷却剂回路的冷却剂流速来影响冷却度，必要时，也可以建立调控回路。冷却剂管路可以借由真空密封的通道对接到冷却元件和散热片。
在设置外围边缘元件对整体架构进行紧固和组装之后，可以为其配设紧固机构。就此而言，车辆紧固机构可用于将边缘元件紧固至车架，而底部紧固机构或顶部紧固机构可用于将多功能电池壳的这些部分紧固至边缘元件。
首先，可以采用多功能电池壳对电池进行绝热，以便维持电池的必要温度。在电池临界升温的情况下，多功能电池壳的各个元件的阻隔效果可能下降。特定而言，如果多功能电池壳内部的电池模块与外部环境之间存在很大的热梯度，则可能影响隔热。然后，借由适当的供给机构将导热气体向外壳部分的包络结构引入到抽气空腔中，从而可以借助该气体改善内壁与外壁之间的热传导，并散发多余的热量。这里，除前文已述的措施之外，尤其是还能建立可在此进行干预的调控机制。
为了将各个电池模块紧固在多功能电池壳的内腔中，可以将用于封闭和固定模块的张紧带粘接到底部元件中。这样就能简单、快速又安全地组装电池模块，并视需要保留足够的空间来插入冷却元件并使其连接到顶部元件。
在底部元件的内腔下方嵌入的增强格网可以优选为金属丝网，特别是不锈钢细网或芳纶织网，其用作多功能电池壳的底部元件的整合碎石保护机构。
根据边缘元件和底部元件侧壁的结构高度以及要布置在多功能电池壳中的电池模块，顶部元件可以设计为平坦的顶部元件或设计有在顶面下方延伸的外围侧壁。如果顶部元件具有外围侧壁，则多功能电池壳就允许多功能电池壳具有更高的结构来容纳更高的电池和/或额外容纳HV控制元件。通过这两种实施方式，尤其是通过不同高度的边缘元件，可以实现采用不同高度设计的多功能电池壳。
如果在操作期间或发生故障时从电池单元中逸出气态反应产物并积聚在多功能电池壳中形成超压，则可以在其外壁上设置排气阀，该排气阀可以优选布置在顶部元件中。这种单向阀允许气体在超压时泄出，而随后在压力平衡时再度关闭。
就此而言，该排气阀可以配设有能够化学键合废气的过滤器元件，例如活性炭过滤器或者细滤器(例如用于结合气溶胶的矿物滤纸或纤维网)和吸附成分(例如活性炭)的组合。
下面结合实施例来详细说明上述发明。
图中：
图1示出外围边缘元件作为由包络结构组成的多功能电池壳的一部分的俯视图和正面剖视图；
图2示出底部元件作为多功能电池壳的一部分的正面剖视图；
图3示出顶部元件作为多功能电池壳的一部分的正面剖视图；
图4示出多功能电池壳的正面剖视图，其包括根据图2的底部元件、根据图3的变型方案的顶部元件以及位于其间的根据图1的外围边缘元件。
首先，图1示出外围边缘元件7，其或多或少地代表根据本发明的多功能电池壳1的中间。将这种多功能电池壳1组装到车辆中时，首先可以将外围边缘元件7紧固至车架，为此其具有呈U形螺纹法兰形式的紧固机构8。借由所述架构的这三个元件中的每个元件上的紧固机构8，通过螺接件14以公知的方式实现紧固。一旦组装在车辆中，便可将底部元件3自下而上地紧固至边缘元件7。边缘元件7是弯曲成形的空心型材，它填充有填料/支撑结构，以真空密封方式焊接并抽空，使其获得机械刚度和隔热效果。空心型材的壁厚较薄，优选为1mm至2mm，这取决于预期的应力。这样提出的架构能够为制造轻型架构带来可行性。
这样的底部元件3参阅图2。正如边缘元件7，底部元件3由双壁且真空密封的包络结构组成，该包络结构填塞有多微孔或多纳米孔的填料并且至少基本上抽空气体。图2示出粘接到底部元件3中的单个电池模块2。因底部元件3具有立在底面上的侧壁，它形成的槽中为电池模块2提供空间，并优选借由张紧带13来固定这些电池模块2。借助将底部元件3的L形紧固元件8安置在边缘元件7的紧固机构8处，与边缘元件7实现紧固。优选通过螺接件14实现连接。
一般而言，电池模块布置在车辆下方，诸如汽油和柴油动力车辆中的油箱下方，其主要原因是有利于车辆重心。然而，多功能电池壳在行驶时会暴露于道路上的飞溅材料，如果车辆在底侧未设护层，则这些石块也可能撞击到多功能电池壳。
为了减小它们对壳壁的影响，底部元件3配设有由不锈钢制成的增强织网5以及保护底部元件3的底面的抗冲击纤维垫6。这里，增强织网5在包络结构内部布置在外壁上。
底部元件3进一步具有作为一部分内壁的第一冷却面4，一方面，该第一冷却面4用于吸收和分布电池的放热，以在通过外壳结构进行可调隔热的情况下，它可以作为被动冷却系统而散热。另一方面，该第一冷却面4也可以设计为主动热转换器，当冷却介质流过该第一冷却面4并且其对接到外部冷却单元时，它可以作为主动冷却系统的一部分。
图3进一步示出顶部元件9，该顶部元件9与边缘元件7和底部元件3共同形成用于容纳电池模块2的内腔。在此，顶部元件9也具有第二冷却面12，类似于底部元件3的第一冷却面4。
最后，图4示出多功能电池壳1的所有部分拼合。此外，在本例中，顶部元件9具有一系列冷却元件10以及主动冷却系统，其中顶部元件9的冷却元件10馈自闭合的冷却回路，图中未示出该冷却回路的终端。同样地，在图4的示图无法看出，冷却元件10被循环运行的单个冷却剂回路所遍历，俯视观察时，它们貌似死路。但确实需要连续的回路以免管道终端出现倒流。各个元件通过它们各自的紧固机构8经螺接件14彼此连接而保持接合。
有鉴于此，上文描述的多功能电池壳以分体设计构建，其中，该多功能电池壳的每个部分均适配于其特定的任务范围，并且由各个组件拼合而成的电池壳形成一种多功能单元。所述多功能电池壳的功能涵盖主动和被动热管理，将电池单元或模块防振地固定在多功能电池壳中，以及将整个电池紧固在车辆结构中，在发生碰撞或石块撞击时保护电池免受外界机械力的影响，针对内燃和外燃的防火保护，针对电池单元组件(尤其是电解液)泄漏的防漏保护及相关的环境保护，以及EMC安全性，因为该多功能电池壳的各侧均构造为法拉第笼。
附图标记列表
1 多功能电池壳
2 电池模块
3 底部元件
4 第一冷却面
5 增强织网
6 纤维垫
7 边缘元件
8 紧固机构
9 顶部元件
10 散热片
11 冷却剂管路
12 第二冷却面
13 张紧带
14 螺接件

Claims (14)

1.一种用于车辆中容纳至少一个电池模块(2)的电池壳，其中，所述电池壳(1)由双壁且真空密封的包络结构形成，所述包络结构填塞有多微孔或多纳米孔的填料并至少基本上抽空或能抽空气体并且具有用于容纳所述至少一个电池模块(2)的内腔，其特征在于，所述电池壳采用多件式且多功能的设计，其中所述包络结构包括：槽形的底部元件(3)，所述底部元件(3)具有在底面上突出的外围侧壁；置于所述外围侧壁上的外围边缘元件(7)；以及置于所述外围边缘元件(7)上的顶部元件(9)，其中，所述底部元件(3)在其面向内腔的一侧上设有以真空密封方式整合到所述包络结构中的至少一个第一冷却面(4)，所述底部元件(3)在其背向内腔的一侧上设有由抗冲击纤维垫(6)覆盖的增强织网(5)。
2.根据权利要求1所述的电池壳，其特征在于，所述顶部元件(9)在面向内腔的一侧上还设有以真空密封方式整合到包络结构中的至少一个第二冷却面(12)。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述顶部元件(9)和/或所述底部元件(3)均在面向内腔的一侧上设有至少一个散热片(10)，所述散热片(10)伸入各个电池模块(2)之间的内腔并以导热方式连接到相应的冷却面(4,12)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述冷却面(4,12)和所述散热片(10)中的至少单独一个被主动冷却，其中，它通过敷设在所述底部元件(3)和/或所述顶部元件(9)的包络结构中的至少一个冷却剂管路(11)来供给冷却剂。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述至少一个散热片至少在其背离所述电池模块(2)的一侧上设置有阻燃、隔热和耐温的涂层。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述外围边缘元件(7)上布置有紧固机构(8)，其用于紧固至车辆的车架和/或连接至所述底部元件(3)和/或所述顶部元件(9)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述包络结构为了形成可调的隔热而具有用于将导热气体引入包络结构内部的机构以及用于将导热气体从包络结构中抽出的机构。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，多个电池模块(2)布置在所述内腔中并固定至所述包络结构(3)的内壁。
9.根据权利要求8所述的电池壳，其特征在于，张紧带粘接或焊接到所述底部元件(3)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述增强织网(5)是金属丝网或芳纶织网。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述顶部元件(9)具有在顶面下方延伸的外围侧壁。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述顶部元件(9)设有排气阀，其用于将来自受损电池单元的反应废气排放到环境中。
13.根据权利要求12所述的电池壳，其特征在于，所述排气阀设有由用于分离气溶胶的细滤器和用于结合污染物的吸附材料组成的组合过滤元件。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电池壳，其特征在于，所述每个单独元件中至少由底部元件、外围边缘元件和顶部元件组成的包络结构由奥氏体不锈钢以真空密封方式制成，并且采用高度压缩的矿物纤维板或硅酸盐泡沫颗粒或空心玻璃微珠粉末或上述填料的组合作为填料。
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