CN113889697B - 电池箱体及其侧板、电池模组、动力电池包、电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电池箱体及其侧板、电池模组、动力电池包、电动汽车。该侧板(100)为电池箱体的端板或中部隔板，该侧板(100)包括内板(10)、外板(20)、正刚度件、及负刚度件，所述正刚度件与所述负刚度件设置在所述内板(10)和所述外板(20)之间，且所述正刚度件和所述负刚度件构造成准零刚度机构(50)，以向设置于所述电池箱体内的电芯(200)提供恒定压力。该侧板应用于电池箱体时，利于对设置于电池箱体内部的电芯提供恒定压力，且该侧板结构简单，给电芯提供恒定压力的可靠性高。

Description

电池箱体及其侧板、电池模组、动力电池包、电动汽车
技术领域
本公开涉及电池箱技术领域，具体地，涉及一种电池箱体及其侧板、电池模组、动力电池包、电动汽车。
背景技术
电芯工作时所受的压力对其充放电效率有着较大影响，当电池在某一特定压力下工作时，其放电效率可以达到峰值，即，电芯所受的力有一个最佳值，当受力为该最佳值时，电芯的性能会更好。
而现有的大多数电池模组的内部组件的组装通常是固定的，由于电芯在工作过程中会出现热膨胀，电芯施加到电池模组的壳体的上的力是变化的，使得壳体施加到电芯上的反作用力也是变化的，因此不能对电芯施加恒定压力。
为了规避上述缺陷，现有技术中有一些对电芯进行动态压力调整的方案，但是效果并不理想。例如，中国发明专利(CN104979602A)公开了一种电池箱及动态调节电池箱压紧力的方法。其中，该电池箱包括一套完整的检测控制系统，用距离传感器实时监测电芯膨胀量，反馈信号并且自动控制电动马达且利用丝杠螺母机构调整调压板压力，以保证提供给电芯的压力恒定。虽然在该方案中通过改变电池组端面压力，使电芯始终工作在一个最佳状态下，在理论上是可以达到要求的，但是也相应地需要一套复杂的闭环控制系统，对系统检测与控制精度要求高，且其控制结构占空间比较大，对于电池系统体积能量比有很大影响。而且，在实际工况中，电芯在循环过程中时刻会有微小膨胀收缩，时刻会受到震动冲击等复杂工况(例如车辆行驶在颠簸路段时)，使得该系统难以满足现实要求，即，实际应用时很难给电芯提供恒定压力。
发明内容
本公开的目的是提供一种电池箱体及其侧板、电池模组、动力电池包、电动汽车。该侧板应用于电池箱体时，利于对设置于电池箱体内部的电芯提供恒定压力，且该侧板结构简单，给电芯提供恒定压力的可靠性高。
为了实现上述目的，本公开提供一种侧板，该侧板为电池箱体的端板或中部隔板，该侧板包括内板、外板、正刚度件、及负刚度件，所述正刚度件与所述负刚度件设置在所述内板和所述外板之间，且所述正刚度件和所述负刚度件构造成准零刚度机构，以向设置于所述电池箱体内的电芯提供恒定压力。
可选地，所述正刚度件为弹性块，和/或，所述负刚度件为波纹板。
可选地，所述弹性块设置于所述外板的内表面，所述波纹板设置在所述弹性块与所述内板之间，在所述侧板的长度方向上，所述波纹板与所述弹性块对应的部分朝向所述内板凹陷以形成内凸部，所述内板在受电芯挤压过程中抵顶所述内凸部。
可选地，在所述内板未受所述电芯挤压时，所述弹性块与所述内凸部的外表面之间具有间隙。
可选地，所述弹性块为多个，多个所述弹性块沿所述侧板的长度方向等间隔布置于所述外板。
可选地，所述外板的内表面设置有凹槽，所述弹性块嵌设在所述凹槽内且所述弹性块的内端面凸出于所述外板的内表面。
可选地，所述外板的内表面上沿所述侧板的长度方向间隔设置有多个第一凸起，相邻两个所述第一凸起之间设置有至少一个所述弹性块，所述波纹板的外侧连接于所述第一凸起，所述内板的外表面沿所述侧板的长度方向间隔设置有多个第二凸起，所述第二凸起的外端面与所述内凸部的内表面接触。
根据本公开的又一方面，提供一种电池箱体，该电池箱体用于安装电芯，包括上述的侧板，该侧板为所述电池箱体的端板，或者，该侧板为所述电池箱体的中部隔板。
根据本公开的又一方面，提供一种电池模组，包括电芯和用于容纳所述电芯的电池箱体，所述电池箱体为上述的电池箱体。
根据本公开的又一方面，提供一种动力电池包，包括上述的电池模组。
根据本公开的又一方面，提供一种动力电池包，包括电芯和用于容纳所述电芯的电池托盘，所述电池托盘为上述的电池箱体。
根据本公开的又一方面，提供一种电动汽车，包括根据上述的动力电池包。
准零刚度机构也可称为恒力机构，它在恒力输出范围内其动态刚度近似为零。在电芯膨胀或收缩过程中，借助该准零刚度机构，能够使得电芯施加到侧板的内板上的压力为恒定压力，从而使得内板反馈到电芯上的反作用力也是恒定压力。这样，由于电芯受压为恒压，通过合理设计正刚度件和负刚度件的刚度，可调节该准零刚度机构的恒压范围，以适应不同电芯的最佳压力条件。电芯承受恒定的挤压力，有利于使电芯在最佳状态工作。
相较于现有方案采用实时监测控制并借助丝杠螺母机构的方式调节电芯端面的挤压条件来控制挤压力保持恒定的方式。本公开提供的采用准零刚度机构给电芯端面提供恒压的方案，无需采用电控元件，省去了复杂的控制系统和驱动系统(如丝杠螺母机构)，避免电控元件失效的风险。在电芯膨胀或收缩过程中，准零刚度机构根据电芯的热膨胀压力做适应性的自动调节，即可实现对电芯提供恒定压力。结构简单，而且可靠性更高。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开一种实施方式的侧板的立体结构示意图，其中，波纹板和弹性块处于未受压状态；
图2是本公开一种实施方式的侧板的立体结构示意图，其中，波纹板和弹性块处于受压状态；
图3是本公开一种实施方式的侧板的力-位移示意图；
图4是本公开一种实施方式的侧板的波纹板的立体结构示意图；
图5是本公开另一种实施方式的侧板的波纹板的立体结构示意图；
图6是本公开另一种实施方式的侧板的立体结构示意图；
图7是本公开一种实施方式的侧板的外板的立体结构示意图；
图8是本公开一种实施方式的电池模组的立体结构示意图，其中，侧板为电池模组的外壳的端板；
图9是本公开一种实施方式的电池模组的爆炸结构示意图，其中，侧板为电池模组的外壳的中部隔板；
图10是本公开一种实施方式的动力电池包的立体结构示意图，其中，侧板为电池托盘的边板；
图11是本公开一种实施方式的动力电池包的立体结构示意图，其中，侧板为电池托盘的中部隔板；
图12本公开一种实施方式的动力电池包的电池托盘的边板或中部隔板的立体结构示意图。
附图标记说明
100-侧板；10-内板；11-第二凸起；20-外板；21-第一凸起；22-凹槽；23-定位安装孔；24-焊接槽；30-弹簧块；40-波纹板；41-内凸部；42-外凸部；43-本体板；50-准零刚度机构；200-电芯；300-电池模组；400-电池托盘。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“内、外”是指相关零部件的内、外，具体地，在电池箱中，以靠近电芯200的方向为内，以远离电芯200的方向为外。此外，本公开使用的术语“第一”、“第二”等仅是区别两个零部件，不具有顺序及重要程度的限定。
如图1至图12所示，本公开提供了一种侧板100，该侧板100为电池箱体的端板或中部隔板。如图8至图10所示，该电池箱体可以是电池模组300的外壳，也可以是电池托盘400，本公开对此不作限定。
该侧板100包括内板10、外板20、正刚度件、及负刚度件，正刚度件与负刚度件设置在内板10和外板20之间，且正刚度件和负刚度件构造成准零刚度机构50，以向设置于电池箱体内的电芯200提供恒顶压力。
准零刚度机构50也可称为恒力机构，它在恒力输出范围内其动态刚度近似为零。在电芯200膨胀或收缩过程中，借助该准零刚度机构50，能够使得电芯200施加到侧板100的内板10上的压力为恒定压力，从而使得内板10反馈到电芯200上的反作用力也是恒定压力。这样，由于电芯200受压为恒压，通过合理设计正刚度件和负刚度件的刚度，可调节该准零刚度机构50的恒压范围，以适应不同电芯200的最佳压力条件。电芯200承受恒定的挤压力，有利于使电芯200在最佳状态工作。
相较于现有方案采用实时监测控制并借助丝杠螺母机构的方式调节电芯200端面的挤压条件来控制挤压力保持恒定的方式。本公开提供的采用准零刚度机构50给电芯200端面提供恒压的方案，结构简单，而且可靠性更高。
通过上文可知，现有控制系统为闭环控制系统，控制原理比较复杂。电芯200在循环过程中时刻都在发生着变化，加上电池的工作环境比较苛刻，一般都会伴随着振动冲击等复杂工况。由于采用多个电控元件，例如距离传感器、马达等。当应用在严苛环境时，存在传感器检测失效或检测精度下降等情况。在实际操作过程中，该控制系统难以达到恒力效果。而在本公开的侧板100中，无需采用电控元件，省去了复杂的控制系统和驱动系统(如丝杠螺母机构)，避免电控元件失效的风险。在电芯200膨胀或收缩过程中，准零刚度机构50根据电芯200的热膨胀压力做适应性的自动调节，即可实现对电芯200提供恒定压力。
而且，在电芯200热膨胀过程中，通过内板10的移动使得本公开的恒力机构也能提供缓冲，利于使安装有该侧板100的电池包或者电池模组300整体稳定。另外，在电芯200成组前产生的尺寸累计公差，也能被恒力机构的压缩或者伸长抵消掉，降低了电芯200成组难度，即，通过内板10的移动可抵消掉尺寸累计公差。
另外，内板10在受到电芯200挤压过程中，整体移动，不易产生变形，有利于为电芯200的膨胀力提供一个很好的受压平面。
在本公开对正刚度件和负刚度件的具体结构不做限定，只要正刚度件和负刚度件能够构造成上述准零刚度机构50即可。对于正刚度件而言，理论上来说，一切可以提供正刚度的部件，理论上都可以为准零刚度机构50提供正刚度。例如弹簧，橡胶垫等。对于负刚度件而言，理论上来说，一切可以提供负刚度的部件，理论上都可以为准零刚度机构50提供负刚度。例如弹簧、有初始曲率的梁、直梁等。
可选地，在本公开的一种实施方式中，正刚度件为弹性块30，和/或，负刚度件为波纹板40。在电芯200热膨胀过程中，内板10抵顶波纹板40和弹性块3朝着靠近外板20的方向移动，在该过程中，弹性块30随着压缩距离的变大施加给电芯200的反作用力变大，从而提供正刚度。波纹板40在随着压缩距离的变大施加给电芯200的反作用力变小，从而提供负刚度。
在本公开的其他实施方式中，准零刚度机构50可由两根对称倾斜的弹黃和竖直线性弹黃组合来实现准零刚度，其中两根对称的倾斜弹簧为负刚度件，用以提供负刚度，竖直线性弹簧为正刚度件，用以提供正刚度。或者，使用磁性弹簧来制作准刚度机构，将磁性弹簧作为负刚度弹簧，与提供正刚度的线性弹簧并联，减小整体刚度。或者，还可采用气动式可调弹簧系统装置这种类型，该装置是将空气弹簧作为正负刚度元件进行组合设计准零刚度机构50。
如图1、图2和图12所示，在本公开的一种实施方式中，弹性块30设置于外板20的内侧，波纹板40设置在弹性块30与内板10之间，在侧板100的长度方向上，波纹板40与弹性块30对应的部分朝向内板10凹陷以形成内凸部41，内板10在受电芯200挤压过程中抵顶该内凸部41。这里，内凸部41既可以与内板10连接(如焊接或螺接)，也可以仅与内板10接触，本公开对此不做限定。
在本实施方式中，对于波纹板40而言，当电芯200膨胀时，施加到内板10的压力使得内凸部41向外凹陷。向外凹陷的过程中，如图1和图2所示，内凸部41的形态由初始状态的向内凸出(向外凹陷)到与内板10平行，再到向外凸出(向内凹陷)。可选地，参照图3，在压缩量从0到2mm过程中，波纹板40受力为正刚度到负刚度变化，之后保持一个稳定的负刚度。对于弹性块30而言，参见如图3，随着向外压缩量的增加，其施加到内板10上的反作用力越来越大，并保持一个稳定的正刚度。
通常，电芯200热膨胀时，电芯200施加到内板10上的最大力较合适的压力范围可能要大些，为了适应电芯200的膨胀，使得电芯200最后的受压力稳定在一个相对较合适的范围内，在本公开的一种是实施方式中，在内板10未受电芯200挤压时(弹性块30在初始状态时)，弹性块30与内凸部41的外表面(靠近弹性块30的表面)之间可具有间隙。参照图3，由于在初始状态下弹性块30与波纹板403之间存在间隙，弹性块30在内板10前2mm为无压力状态，即，在此过程中，弹性块30为未受压。这样，内板10能够在弹性块30未受压的情况下向外移动上述间隙的长度，从而有利于减小电芯200的最大受压力，有利于保证最后将电芯200的受压力控制在一个合适的范围。
需要说明的是，本公开对上述间隙的具体值不作限定，可以是上述的2mm，也可以是其他任意适当的数值。
如图3所示，在本公开的一种实施方式中，波纹板40的压缩曲线在压缩量从0到2mm过程中，波纹板40的刚度从正刚度到负刚度变化，之后保持一个稳定的负刚度。由于在初始状态下与波纹板40之间存在间隙，弹性块30的压缩曲线在前2mm为无压力状态，压缩后为正刚度，且与波纹板40为负刚度绝对值相等，弹性块30与波纹板40并联之后为准零刚度，使得准零刚度机构50的压缩曲线为直线。对单个侧板100而言，其恒压范围在压缩量2mm-8mm之间。
通过改变波纹板40的厚度或材料，可以调整其输出的负刚度值和负刚度范围。同时与弹性块30并联后的恒力范围也受其影响，因此可以根据设计需要，来确定恒力范围。同样，也可以通过改变弹性块30的厚度或材料，以根据设计需要，来确定恒力范围。
本公开对波纹板40的具体形状不做限定。可选地，如图4所示，在本公开的一种实施方式中，波纹板40呈水波状，上述的内凸部41为呈弧形内凸部41，且相邻两个该弧形内凸部41之间间隔设置有一个弧形外凸部42。其中，弧形外凸部42可与第一凸起21(见下文)的内端面相连(例如焊接或粘接)。
如图5和图6所示，在本公开的另一种实施方式中，上述内凸部41呈U字形内凸部，此时，波纹板40包括本体板43和从本体板43上向内凹陷的U字形内凸部41。其中，本体板43可与第一凸起21(见下文)的内端面相连(例如焊接或粘接)。
在本公开中对弹性块30的数量不作限定，可选地，如图1和图2所示，在本公开的一种实施方式中，弹性块30为多个，多个弹性块30沿侧板100的长度方向间隔布置于外板20。
设置多个弹性块30并沿并间隔设置在侧板100上，有利于弹性块30均匀地给电芯200的端面施加压力，避免出现局部挤压力集中的情况。
为了进一步提升弹性块30施加上电芯200端面的均衡力，可选地，如图1和图2所示，相邻两个弹性块30之间的距离相等。
为了便于安装弹性块30，如图7所示，在本公开的一种实施方式中，外板20的内表面设置有凹槽22，如图1和图2所示，弹性块30可嵌设在凹槽22内且弹性块30的内端面凸出于外板20的内表面。即，对每一个弹性块30而言，弹性块30的远离波纹板40的一端嵌设在凹槽22内。
由于弹性块30在挤压过程中变形，因此设置凹槽22来安装弹性块30，有利于保证弹性块30在挤压过程中安装的稳定性和可靠性。
可选地，弹性块30可采用结构胶粘接在凹槽22内，以进一步提升弹性块30在外板20上安装的可靠性。
如图1、图2和图12所示，在本公开的一种实施方式中，外板20的内表面上沿侧板100的长度方向间隔设置有多个第一凸起21，相邻两个第一凸起21之间设置有至少一个弹性块30，波纹板40的外侧连接于第一凸起21，对应地，波纹板40上形成有多个凸出部，且内凸部41的数量与弹性块30的数量相等，以与弹性块30对应。内板10的外表面沿侧板100的长度方向间隔设置有多个第二凸起11，第二凸起11的外端面与内凸部41的内表面(靠近内板10的表面)接触。当电芯200膨胀时，第二凸起11抵顶波纹板40的内凸部41，使得内凸部41变形。设置第一凸起21，便于安装波纹板40，设置第二凸起11，便于内板10抵顶波纹板40的内凸出部41。
这里，第二凸起11既可以与内凸部41的连接(如焊接或螺接)，也可以仅仅是接触，本公开对此不作限定。
如图7所示，在本公开的一种实施方式中，侧板100还包括安装定位孔23和焊接槽24。通过设置定位安装孔23和焊接槽24，如图8所示，当侧板100和其他端板(如其他普通侧板、以及顶板)构造成电池模组300的外壳时，便于与其他端板相连。
根据本公开的又一方面，提供一种电池箱体，该电池箱体用于安装电芯200，该电池箱体包括上述的侧板100。其中，如图8和图10所示，该侧板100可为电池箱体的端板，或者，如图9和图11所示，该侧板100为电池箱体的中部隔板。安装时，电芯200的端面可与侧板100接触或间隔一定的距离。
根据本公开的又一方面，提供一种电池模组300，该电池模组300包括电芯200和用于容纳电芯200的电池箱体，该电池箱体为上述的电池箱体。即，此时，该电池箱体为电池模组300的外壳。如图8所示，在该实施方式中，侧板100为电池模组300的外壳的端板；如图9所示，在该实施方式中，侧板100可为电池模组300的外壳的中部隔板，此时，电池模组300的外壳的端板可以采用普通板状结构。
根据本公开的又一方面，提供一种动力电池包，该电池包包括例如图8和图9所示的电池模组300。
如图10和图11所示，根据本公开的又一方面，提供一种动力电池包，该电池包包括电芯200和用于容纳电芯200的电池托盘400。该方案中动力电池包取消了模组概念，直接将电芯200放置在电池托盘400内，相较而言，取消了部分结构件，节省了动力电池包的内部空间，能大幅提高电池包单位体积能量。
在该动力电池包中，如图10所示，电池托盘400可包括底板和形成在底板四周边缘的边板，该边板可为上述的侧板100。如图11所示，电池托盘400可包括底板、形成在底板四周边缘的边板、以及设置在底板上的中部隔板，该中部隔板可为上述的侧板100。
由于电池托盘400的边板或中部隔板为上述的侧板100，在托盘承受电芯200的膨胀力的过程中，可使得托盘的承受的力是恒定力，增加了动力电池包整体的稳定性。
根据本公开的又一种电动汽车，该电动汽车包括上述的动力电池包，例如包括图10和图11所示的动力电池包，或者，例如包括安装有如图8和图9的电池模组的动力电池包。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种侧板，该侧板(100)为电池箱体的端板或中部隔板，其特征在于，该侧板(100)包括内板(10)、外板(20)、正刚度件、及负刚度件，所述正刚度件与所述负刚度件设置在所述内板(10)和所述外板(20)之间，且所述正刚度件和所述负刚度件构造成准零刚度机构(50)，以向设置于所述电池箱体内的电芯(200)提供恒定压力；所述正刚度件为弹性块(30)，所述负刚度件为波纹板(40)；所述弹性块(30)设置于所述外板(20)的内表面，所述波纹板(40)设置在所述弹性块(30)与所述内板(10)之间，在所述侧板(100)的长度方向上，所述波纹板(40)与所述弹性块(30)对应的部分朝向所述内板(10)凹陷以形成内凸部(41)，所述内板(10)在受所述电芯(200)挤压过程中抵顶所述内凸部(41)。
2.根据权利要求1所述的侧板，其特征在于，在所述内板(10)未受所述电芯(200)挤压时，所述弹性块(30)与所述内凸部(41)的外表面之间具有间隙。
3.根据权利要求1或2所述的侧板，其特征在于，所述弹性块(30)为多个，多个所述弹性块(30)沿所述侧板(100)的长度方向等间隔布置于所述外板(20)。
4.根据权利要求3所述的侧板，其特征在于，所述外板(20)的内表面设置有凹槽(22)，所述弹性块(30)嵌设在所述凹槽(22)内且所述弹性块(30)的内端面凸出于所述外板(20)的内表面。
5.根据权利要求1或2所述的侧板，其特征在于，所述外板(20)的内表面上沿所述侧板(100)的长度方向间隔设置有多个第一凸起(21)，相邻两个所述第一凸起(21)之间设置有至少一个所述弹性块(30)，所述波纹板(40)的外侧连接于所述第一凸起(21)，
所述内板(10)的外表面沿所述侧板(100)的长度方向间隔设置有多个第二凸起(11)，所述第二凸起(11)的外端面与所述内凸部(41)的内表面接触。
6.一种电池箱体，其特征在于，该电池箱体用于安装电芯(200)，包括根据权利要求1-5中任一项所述的侧板(100)，该侧板(100)为所述电池箱体的端板，或者，该侧板(100)为所述电池箱体的中部隔板。
7.一种电池模组，其特征在于，包括电芯(200)和用于容纳所述电芯(200)的电池箱体，所述电池箱体为根据权利要求6所述的电池箱体。
8.一种动力电池包，其特征在于，包括根据权利要求7所述的电池模组(300)。
9.一种动力电池包，其特征在于，包括电芯(200)和用于容纳所述电芯(200)的电池托盘(400)，所述电池托盘(400)为根据权利要求6所述的电池箱体。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括根据权利要求8或9所述的动力电池包。
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