CN114245951A - 用于电池外壳的结构复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化复合电池外壳，该模块化复合电池外壳包含附接在一起的多个单独复合结构。该单独复合结构形成盖，该盖封闭开放区域，以用于容纳由电池单元和冷却设备组成的电池系统。该复合电池外壳是轻质的，并且由可用于吸收能量和隔离电池壳体区域的材料制成。该复合结构包含芯材料，该芯材料粘附并夹置在纤维层之间。

Description

用于电池外壳的结构复合材料

技术领域

本公开涉及用作电池外壳的模块化结构复合材料，并且具体地讲，涉及用作电动车辆或设备的电池外壳的增强结构复合材料。

背景技术

近来，由电池驱动的车辆越来越受用户欢迎。这些车辆允许用户能够在其住所或充电站为电池充电，从而避免购买汽油的花销。为了提供长途行驶所需的电力，这些车辆需要大容量电池。然而，如果电池在碰撞过程中损坏，则这些大容量电池会增加乘员和应急响应人员的风险。需要保护电池不受碰撞过程中产生的力的影响，或另选地，传递给电池的任何力都必须足够低，以免对电池造成严重损坏。

与迄今为止已知的电池外壳相比，本公开提供了一种坚固且重量轻的电池外壳。外壳重量轻，因此不会给车辆增加可观的重量。给车辆增加可观的重量可能会对车辆的性能产生负面影响。外壳也很坚固，以在碰撞过程中保护电池免受严重损坏。

发明内容

在第一方面，公开了一种复合电池外壳，该复合电池外壳包括模制顶部复合盖，该模制顶部复合盖具有：单片面板，该单片面板具有第一表面和第二表面，并且由嵌入第一聚合物中的纤维制成；以及连接到单片面板的侧向梁，该侧向梁由与第一纤维层粘结的第一芯制成；以及模制底部复合盖，该模制底部复合盖包括：第二芯，该第二芯具有第一表面，该第二芯的第一表面的一部分粘结到嵌入第二聚合物中的第二纤维层；以及至少一个外横构件和至少一个内横构件，其中模制顶部复合盖附接至模制底部复合盖。

在方面1的示例中，模制顶部复合盖具有一对侧向梁，该对侧向梁被单片面板分隔，并且每个侧向梁具有与第一纤维层粘结的第一芯。

在方面1的另一个示例中，模制顶部复合盖的单片面板包括第一芯的一部分。

在方面1的另一个示例中，至少一个侧向梁的第一芯为蜂窝结构材料。

在方面1的另一个示例中，电池定位在至少一个外横构件和至少一个内横构件之间，电池固定在模制底部复合盖上。

在方面1的另一个示例中，冷却设备与电池接触。

在方面1的另一个示例中，冷却设备定位在电池下方，并且冷却设备与模制底部复合盖接触。

在方面1的另一个示例中，模制底部复合盖包括用于容纳冷却设备的至少一个凹槽。

在方面1的另一个示例中，模制底部复合盖包括一对外横构件和定位在对外横构件之间的多于一个内横构件。

在方面1的另一个示例中，至少一个外横构件和至少一个内横构件具有相同高度，并且固定在模制顶部复合盖的单片面板上。

在方面1的另一个示例中，至少一个外横构件和至少一个内横构件包括蜂窝结构材料。

在方面1的另一个示例中，其中增强板定位在至少一个内横构件附近。

在方面1的另一个示例中，增强板为金属，并且包括用于容纳附接夹具的开口，附接夹具用于将电池固定在模制底部复合盖上。

在方面1的另一个示例中，其中密封件定位在模制顶部复合盖和模制底部复合盖之间，模制顶部复合盖包括通道，并且密封件布置在通道中。

在方面1的另一个示例中，模制底部复合盖的第二纤维层的一部分与第二芯相邻，第二纤维层位于一对外横构件之间并且与模制顶部复合盖的至少一个侧向梁接触。

在第二方面，存在一种复合电池外壳，该复合电池外壳包括模制顶部复合盖，该模制顶部复合盖具有：单片纤维面板，该单片面板具有第一顶部纤维层和第一底部纤维层的单片面板，第一顶部纤维层和第一底部纤维层由嵌入第一聚合物中的纤维制成；以及一对侧向梁，该对侧向梁包括第一芯材料，第一芯材料夹置在第一顶部纤维层和第一底部纤维层之间；以及模制底部复合盖，该模制底部复合盖包括：第二芯，该第二芯夹置在第二顶部纤维层和第二底部纤维层之间；第二顶部纤维层和第二底部纤维层由嵌入第二聚合物中的纤维制成；以及一对外横构件和多个内横构件，该对外横构件和多个内横构件用于限定电池保持区域，其中模制上部复合盖附接至模制底部复合盖。

在方面2的一个示例中，电池保持区域包括用于容纳冷却设备的凹槽。

在方面2的另一个示例中，多个内横构件包括第三芯材料，该第三芯材料与第二芯接触。

在方面2的另一个示例中，多个内横构件包括顶表面，多个内横构件的顶表面与模制顶部复合盖的单片纤维面板接触。

在方面2的另一个示例中，密封件定位在模制顶部复合盖和模制底部复合盖之间，密封件位于由对外横构件和多个内横构件限定的电池保持区域之外。

上述方面(或那些方面的示例)中的任一者可单独提供或与以上讨论的该方面的任何一个或多个示例组合提供；例如，第一方面可单独提供或者与以上讨论的第一方面的任何一个或多个示例组合提供；并且第二方面可单独提供或者与以上讨论的第二方面的任何一个或多个示例组合提供；等等。

另外的特征和优点将在下面的详细描述中阐述，并且对于本领域的技术人员来说，该描述或者通过实践如本文描述的实施方案包括以下详细描述、权利要求书以及附图而认识到的部分将是显而易见的。

应当理解，前述一般描述和以下详细描述都仅是示例性的，并且旨在提供概述或框架以理解权利要求的性质和特性。包括附图以提供进一步理解，并且附图被并入且构成本说明书的一部分。附图示出了一个或多个实施方案，并且与描述一起用于解释各种实施方案的原理和操作。本文所用的方向术语(例如，上、下、右、左、前、后、顶部、底部)仅参考所绘制的附图来制作并且不旨在暗示绝对取向。

附图说明

当参照附图阅读下面的详细描述时，本公开的方面或示例的以上和其他特征、示例和优点被更好地理解，其中：

图1示出了分解的两件式电池外壳的透视图，该电池外壳包括模制上部复合盖和模制底部复合盖以及电池保持区域。

图2示出了图1的两件式电池外壳的透视图，该电池外壳具有固定在该模制底部复合盖上的该模制上部复合盖，使得该模制上部复合盖被部分移除，以查看固定在该模制底部复合盖的保持区域中的电池。

图3示出了图1的两件式电池外壳的横截面视图。

图4示出了具有外横构件和多个内横构件的电池外壳结构的模制底部复合盖的透视图。

图5示出了具有外横构件和多个内横构件的电池外壳结构的模制底部复合盖的横截面视图。

图6示出了电池外壳结构的模制底部复合盖的横截面视图，该电池外壳结构具有内横构件和沿该内横构件两端布置的单片纤维部分。

图7示出了模制底部复合盖的内横构件的侧部的横截面视图，该侧部包括增强板。

图8示出了模制底部复合盖的横截面视图，该底部复合盖具有定位在内横构件和外横构件之间的电池保持区域中的电池和冷却设备。该电池固定在该模制底部复合盖上，与容纳冷却设备的凹槽的端部相邻。

图9示出了模制底部复合盖的角部的横截面视图，该模制底部复合盖具有使用附接夹具固定在盖上的电池，该附接夹具延伸穿过纤维层并进入盖的芯材料。

图10示出了模制底部复合盖的透视图，该模制底部复合盖具有定位在内横构件和外横构件之间的凹槽中的冷却设备。该模制底部复合盖还包括用于安装与该电池或冷却设备相关联的其他设备的通道，以供在复合电池外壳中操作。

图11示出了通过密封材料用模制底部复合盖的顶表面密封的模制顶部复合盖的底表面的横截面视图。

图12示出了模制底部复合盖的透视图，该模制底部复合盖在内横构件的凸起部分上具有o形圈密封件，用模制顶部复合盖进行密封。该模制底部复合盖的外周长部分还包括与模制顶部复合盖接触的密封材料。

图13示出了模制顶部复合盖的底表面侧，该模制顶部复合盖具有单片纤维面板部分，其中由芯材料制成的两个侧向梁沿该模制顶部复合盖每侧的内边缘定位。该单片纤维面板包括用于将该模制顶部复合盖固定到模制底部复合盖的部分的抽头开口。

图14示出了模制顶部复合盖的横截面视图，该模制顶部复合盖具有中心单片纤维面板部分，其两端具有由芯材料制成的两个侧向梁。

图15示出了模制顶部复合盖的部分横截面视图，该模制顶部复合盖具有与侧向梁部分连接的中心夹层型复合部分，该侧向梁部分的夹层型复合材料的芯材料的厚度增加。

图16示出了模制顶部复合盖的部分横截面视图，该顶部复合盖具有单片纤维面板，该单片纤维面板过渡到侧向梁中，该侧向梁具有在端部具有单片纤维部分的芯材料。

图17示出了模制底部复合盖的内横构件的部分横截面视图，该模制底部复合盖具有固定在模制顶部复合盖的单片纤维面板的一部分上的凸起部分。

图18示出了固定在模制底部复合盖的边缘上的模制顶部复合盖的边缘以及放置在该模制底部复合盖的基部部分上的冷却设备顶部的电池的部分横截面视图。

具体实施方式

本文所述的术语仅用于描述实施方案，并且不应被解释成作为整体限制本发明。

本文，当给出诸如5-25(或5至25)的范围时，这意指优选至少或超过5，并且单独且独立地，优选小于或不超过25。在一个示例中，这样的范围独立地定义5或更大，并且单独且独立地定义25或更小。

如本文所用，术语“实质上”、“基本上”及其变型旨在指示所描述的特征等于或约等于值或描述。例如，“基本上平坦的”表面旨在表示平坦或大致平坦的表面。还应当注意，术语“基本上”和“约”在本文中可用于表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的不确定性的固有程度。这些术语在本文中也用于表示定量表示可与所述参考不同而不会导致所讨论的主题的基本功能发生变化的程度。

本公开涉及可用于各种应用中的复合电池外壳。例如，复合电池外壳可用于容纳机械设备的电池系统和相关配件并用于汽车应用(如乘用车、汽车、卡车、公共汽车、拖拉机、全地形)中。在一些实施方案中，复合电池外壳可容纳用于电动和混合动力车辆的电池系统。复合电池外壳可为模块化的，并且包含彼此连接或附接的多个零件，以形成完整的外壳或箱。

复合电池外壳一般可具有增加的整体刚度(该增加的整体刚度抵抗结构的弯曲和扭转)，并且为相对轻质的。在一个或多个实施方案中，复合电池外壳可具有能量吸收部件以提供碰撞强度和完整性，例如，夹置在纤维和聚合物片材之间的可压碎热塑性芯。这种复合结构能够抵抗来自石屑和弹道的机械撞击和冲击。能量吸收部件优选地具有足够的强度以吸收能量并使其不被送至电池系统或其他结构部件(例如，冷却设备、线路)。复合电池外壳还可具有有效衰减噪声、振动或其组合的一个或多个部件，并提供理想的导热性和电磁兼容性特性。复合电池外壳可具有耐火特性，例如，耐火屏蔽件或涂层(例如，陶瓷、耐火织物)可应用于外壳的外表面，或用于形成顶部或底部复合盖外表面的外部纤维层中。复合电池外壳的其他优点可包括能够易于通过常规模制方法形成为期望形状，该常规模制方法优选使用低或中等的压力和热，这有利地降低了用于制造结构的时间和成本。

单独复合结构可通过常规方法彼此附接，例如，使用粘合剂或环氧树脂、紧固件(例如，螺钉、螺栓、夹子)或焊接。在形成时，复合结构可附接或结合在一起以形成模块化复合电池外壳。可使用任何合适的粘合剂，例如环氧树脂。将粘合剂施加到复合盖的外表面，例如纤维层的暴露表面(诸如外周长凸缘部分)。优选的是，复合盖永久性地彼此附接以确保模块化复合结构在使用期间的结构完整性。可使用其他紧固件或附接夹具来代替粘合剂，例如，螺钉、卡扣、铆钉、夹具、螺栓或夹子。可在附接位置提供局部插入件或插入件，以提供刚度。

单独复合结构(诸如模制底部和顶部复合盖)可具有可由相同或类似材料制成的类似部件。例如，复合盖可具有含纤维层，该含纤维层至少部分地粘附到其上可任选地具有选定增强区域或区的芯结构或材料。各种单独复合盖的纤维层和纤维增强区可由相同或类似的材料制成以减小材料和制造成本。相似地，当再循环材料可取代例如纤维层中的纤维时，此类材料可用于进一步减小制造成本并促进可持续性。

一个或多个实施方案还包括用于制作和制造单独和模块化复合电池外壳的方法。例如，可将纤维层定位或施加在芯材料的一个或多个表面(例如，第一表面)上以形成坯料。第二纤维层可定位在芯材料的第二表面上。附接设备可任选地定位在纤维层的下方或上方，例如定位在纤维层中的切口区域中。可将可固化材料(例如，树脂)喷涂、倾倒、铺展、辊涂、刷涂或压延到纤维层和增强纤维上，以将纤维涂覆和嵌入可固化材料中，从而形成预成形复合材料。在加热条件下，可模制预成形复合材料(例如，在压缩或压制模具或类似工具中)以形成复合电池外壳的最终形状。

模制条件诸如温度和压力可根据需要调整，但优选地为低至中等的，以减少制造复合电池外壳的时间和成本。例如，外壳可在模制期间被加热至约100℃至约200℃、约110℃至约190℃、约120℃至约180℃、或约130℃至约160℃的范围内的温度。在另一个示例中，外壳可在模制期间经受约0.1兆帕(MPa)至约1MPa、约0.15至约0.8MPa、或约0.2至约0.6MPa的范围内的压力。

模制工艺可在复合电池外壳中形成厚度不同的区域，该区域选择性地减小芯材料的厚度，例如，在弯曲区域减小厚度或形成凹槽、压痕、通道或沟槽。在包括蜂窝结构作为芯材料的实施方案中，蜂窝结构芯的部分可在厚度减小的地方(例如，在角部、边缘、过渡区域、凹槽、通道等处)被压扁或部分压扁。在一个或多个实施方案中，期望利用热塑性材料(例如，聚碳酸酯)作为芯材料。例如，热塑性芯材料可在加热模具条件下熔融，并且可实现不同厚度而不改变材料的完整性。

在一个或多个实施方案中，复合电池外壳(例如，结合在一起的模制盖)可在模制之后被修剪和抛光以移除任何不期望的表面缺陷，例如，在耦合到另一电池外壳复合件之前留在结构上的毛刺或凸起边缘或材料件。可手动或机械地移除毛刺或缺陷，例如机械地磨削或打磨复合盖的表面。在修剪步骤之后，如果需要，可清洁复合盖以从表面移除碎屑或任何多余材料。清洁可用常规方法进行，例如，可将加压气体或空气吹到复合盖上以去除粘附到表面的碎屑(诸如灰尘或颗粒)。也可刷涂或擦拭复合盖以移除不需要的材料。在另一个示例中，可使该盖与清洁溶液接触，该清洁溶液可溶解来自盖表面的残余物(例如，脱模剂)。例如，可使用具有清洁剂(例如，表面活性剂)的水性溶液。清洁溶液可通过任何合适的方法(诸如喷涂、浸渍或刷涂)施加到复合盖的表面。

如果需要，修剪和清洁的步骤准备用于下游过程的复合电池外壳。在一些个实施方案中，复合电池外壳可具有施加至其表面的附加涂层，诸如外层涂料或保护涂层(火灾、烟雾和毒性(FST)材料、阻燃材料或树脂)。在其他实施方案中，复合电池外壳可被涂漆以用于其最终应用，例如在电动车辆或混合动力车辆中安装。

在一个实施方案中，制造方法可在一系列机器人工作单元或制造工位中进行。在第一单元中，通过将芯材料(例如，蜂窝结构或热塑性材料)夹置在两个面片材(纤维层)之间来形成坯料或坯件，并且任选地，将热固性树脂的初始层施加到面片材。面片材可包含纤维或可为玻璃纤维材料。在任选的第二单元中，可在一个或多个选定区域将增强材料(例如，增强板)或附接设备/整体紧固件(例如，插入件、插入件、铆钉、联轴器)施加至面片材(例如，湿润面片材)上。增强材料还可包括单向玻璃、芳族聚酰胺、碳纤维或它们的组合。在第三单元中，将热固性树脂施加到增强材料部分，或另选地，施加到整个面片材以将增强材料和/或面片材嵌入树脂材料中。使用钢或铝工具在低压加热压机中模制增强的预成形复合材料。在第四单元中，如果需要，将复合电池外壳或复合件(盖)修剪为最终形状，并且将一个或多个紧固件施加到边缘区域以有利于附接到另一个复合盖以便形成模块化复合电池外壳。

通过定位底部复合盖，然后插入冷却设备或系统，可组装复合电池外壳和相关部件。电池单元可安装在冷却系统上方，然后连接所有电缆。将周边密封件定位在底部复合盖上，随后将顶部复合盖放置在底部复合盖上。使用附接夹具(例如，螺钉)将顶部和底部复合盖固定在一起，随后将组装好的复合电池外壳安装到所需应用(诸如电动汽车)中。

转向附图，图1和图2示出了两件式复合电池外壳40，该复合电池外壳包括模制顶部复合盖10和模制底部复合盖20，该模制顶部复合盖和该模制底部复合盖可彼此附接以提供电池外壳区域。如图所示，模制底部复合盖20可设计成容纳包括多个多个电池30的电池系统。外壳40可以是车辆的部件，使得外壳40固定到车辆的其他部分或零件，例如框架结构。顶部复合盖10和底部复合盖20具有布置在两个纤维层之间的芯部分。如图所示，芯部分可沿其整个长度在盖的中心区域内延伸，或定位在选定区域，例如，沿用于提供冲击保护的周边边缘。

在一个或多个实施方案中，单独复合盖的芯可为由单元壁限定的多个开放或气体填充的单元。单元可具有任何合适的横截面形状(例如，圆形、六边形、正方形等)。例如，芯可为蜂窝结构，该蜂窝结构包括许多并列并且以复合结构布置的单独开放单元，使得单元壁垂直于复合结构或相邻纤维层的纵向轴线。另选地，单元壁可能以其他角度布置，例如相对于复合结构的纵向轴线平行或成角度。单元壁可由塑料(例如，热塑性或热固性材料)制成。在一个示例中，聚丙烯或聚碳酸酯可用作芯和/或单元壁的材料。可模制多个单元以形成期望形状，其中单元的一部分在压力和任选的热量下变形以减小芯材料的初始厚度。

在一个或多个实施方案中，芯可为非单元材料并且由任何合适的热塑性材料组成。热塑性材料的示例包括(但不限于)聚丙烯和聚碳酸酯。热塑性芯可为无开口(诸如单元)的实心结构。热塑性芯材料可在中等的热量和压力下模制以软化材料并使其形成为具有变化厚度的期望形状。在一个示例中，在模制过程中将热塑性材料加热至高于其玻璃化转变温度以形成结构的期望形状。热塑性材料可例如在模具中被加热以具有在约100℃至约200℃、约110℃至约190℃、约120℃至约180℃、或约130℃至约160℃的范围内的温度。在形成芯的期望结构形状之后，可将热塑性材料冷却至室温。在一个或多个实施方案中，芯的平均厚度可在约5至约250毫米(mm)、约5至约100mm、或约10至约50mm的范围内。

芯优选能够易于模制以获得复合盖的期望形状。在一个或多个实施方案中，芯可具有沿其长度的不同厚度和角度的区域。如图3所示，模制顶部复合盖10具有一对芯，该对芯具有基本上均匀的厚度，并且呈侧向梁12的形状，该侧向梁基本上沿边缘11的内表面的整个长度延伸。侧向梁12可以是附接(例如，使用粘合剂)到模制顶部复合盖的独立部件。侧向梁12可包括夹置在两个纤维层之间的芯材料，如本文中类似描述。另选地，在制造过程中，矩形梁形状的芯材料部分可沿模制顶部复合盖10的相对边缘布置在纤维层之间，以形成侧向梁12。侧向梁12可在每个端部附近具有部分压碎的芯材料部分，以在厚度在约1mm至约10mm范围内的中央单片面板区13和厚度在约1mm至约8mm范围内的单片端盖或凸缘14(图1)之间形成平滑过渡。在从面板13的底面向下延伸的方向上测量，侧向梁12的厚度范围可为约40mm至约100mm。

模制顶部复合盖10包括两个相对朝向的边缘11，该边缘从中央单片面板13向下延伸，形成具有延伸的平坦中间部分的U形。模制顶部复合盖10安装在模制底部复合盖20上并抵靠在模制底部复合材料盖20上。盖10的中央单片面板13具有薄轮廓，并在外壳40中的电池系统上方提供顶盖区。在一个示例中，单片面板13形成为嵌入聚合物材料中的一个或多个纤维层。定位在沿面板13长度延伸的两个边缘11之间的单片面板13可不含芯材料，从而减小总厚度。在另一个示例中，单片面板13可包括夹置在纤维层之间的芯材料，使得芯材料完全或基本上被压缩或压碎，以在整个面板13上提供减小的厚度。

模制顶部复合盖10安装在模制底部复合盖20上，使得边缘11的端部位于盖20的单片纤维部分或凸缘23上，并且顶部复合盖10的单片端盖或凸缘14位于一对外横构件21的上表面上，并且任选地位于内横构件22的上表面上。单片纤维部分或凸缘23和单片端盖或凸缘14还可包括纤维增强部分或补片，以增加用于将顶部复合盖10和底部复合盖20附接在一起的硬度和刚度。在盖10、20的接触部分，可使用紧固件、粘合剂或附接设备将盖10、20固定在一起，以形成复合电池外壳40。在一个示例中，盖10、20可通过常规方法诸如胶水、粘合剂、胶带、机械紧固件(例如，铆钉)等彼此附接。

模制底部复合盖20具有与盖10类似的宽度和长度尺寸。模制底部复合盖20由顶部纤维层和底部纤维层形成，该顶部纤维层和该底部纤维层具有夹置在其间的芯材料。横跨盖20中包含芯材料的各个部件和区域，底部复合盖20的厚度可在约10mm到约40mm范围内。底盖20的相对两端由从基部部分向上延伸的外横构件21侧接。基部部分包括外横构件21和内横构件22下方的盖20的部分，并且其厚度范围可为约8mm至约20mm。在另外两端，盖20具有平坦单片纤维部分或凸缘23作为周边边缘。当没有芯材料时，单片纤维部分或凸缘23的厚度可在约1mm至约5mm的范围内。布置在两个外横构件21之间的盖20包含多个内横构件22，这些内横构件从基部部分向上延伸，例如，在外横构件21的相同高度处或大约在外横构件21的相同高度处。厚度在约10mm至约40mm范围内的外横构件21和内横构件22为底部复合盖20提供弯曲刚度和结构完整性。内横构件22限定了电池保持区域，用于将电池系统或阵列定位在模制底部复合盖中。外横构件21和内横构件22包含芯材料的中心区域。基部部分的芯材料可以是构件21、22中相同的芯材料。另选地，构件21、22可以由布置在基部部分芯材料上的附加芯材料形成，例如，附加芯材料可以是与基部部分相同或不同的材料。

内横构件22可通过在施加上覆纤维层和树脂之前模制单个芯材料或提供如上所述的附加芯材料，而与底部复合盖的其余部分一起形成。另选地，可以单独形成内横构件22，并将其应用或组装到底部复合盖20的外表面。单独内横构件22可包括包裹在纤维层中的芯材料，该纤维层嵌入与底部复合盖20中使用的材料类似或相同的聚合物材料中。单独内横构件22可粘附在底部复合盖20上的选择性位置，以分隔电池保持区域。分别形成内横构件22允许关于形状、设计、材料选择和制造步骤的不同可能性。

芯材料可具有提供能量吸收能力和绝缘能力的特性。例如，芯可为低密度的可压扁芯，其在冲击时变形并且在正常操作中仍然保持机械完整性(例如，刚度)。蜂窝结构芯的开放单元和单元壁可在单元壁塌缩和断裂时吸收冲击能量。可吸收能量的其他材料可包括弹性体、热塑性材料、泡沫(例如，开放单元、粘弹性等)、纸张(例如，纸板)或模制树脂。这些材料可与多个单元组合，例如，单元或其部分(例如，期望冲击或绝缘的选定区域)可填充有或部分地填充有泡沫或弹性体。在其他实施方案中，与其他常规材料诸如钢相比，芯材料可减小导电性。在一个或多个实施方案中，本公开的复合结构的芯材料可包括例如用于提供电磁兼容性特性或复合结构的行为的导电纤维(例如，导电的)。例如，导电增强体(例如，金属嵌体)或导电线可以分层在夹层复合材料中，或者编织在顶部复合盖10和底部复合盖20的纤维层中。在另一个示例中，可将诸如铝箔的屏蔽箔或诸如金属(例如，铜)纱的外部屏蔽层应用于电池外壳40。

如图1和图2所示，盖10、20可包括夹置在纤维层之间并与纤维层直接接触的芯材料。纤维层可包含嵌入聚合物材料中的连续和/或不连续纤维以形成具有基本上均匀厚度的层。纤维可被布置在一起以形成可定位在芯材料上的片材或垫。

纤维能够以随机图案或以更系统的设计缠结，例如，纤维能够以织造纤维片材的形式编织在一起。在其他示例中，纤维可一起松散地捆绑或一起压制成垫以形成纤维片材。整个纤维片材可用于覆盖芯材料表面(例如，顶表面)。另选地，可将纤维条或纤维部分以分段布置并列施加以便覆盖芯材料表面。可用于纤维层的纤维的示例包括碳纤维、玻璃纤维、塑性纤维等。在一个示例中，可将廉价的玻璃纤维片材施加到芯材料的第一表面。

可将纤维施加到芯材料的表面以覆盖芯材料的整个面表面或其部分。在一个或多个实施方案中，纤维可延伸到芯材料的表面之外，以形成没有芯材料的单片纤维部分(例如，凸缘)。这些部分可与施加到芯材料或其部分的相对面表面的第二纤维组合。

一旦纤维被布置在芯材料上，就可将聚合物形成材料或树脂施加到纤维上。聚合物形成材料可渗透并浸泡到布置在芯材料上的纤维中。如本文所述，可在模制步骤期间将聚合物形成材料推入并迫使其进入纤维层中以嵌入纤维，例如，压机或压缩模具可将聚合物树脂推入纤维中以涂覆纤维、填充纤维层中的空隙并接触芯材料。可将足量的聚合物形成材料施加到纤维以形成聚合物层，该聚合物层嵌入纤维并接触芯材料以将纤维彼此粘附并粘附到芯。在一个或多个实施方案中，聚合物可由可固化聚合物树脂或组合物形成。组合物可包括组分的混合物，例如热固性材料、热塑性材料、硬化剂、催化剂、填料以及它们的任何组合。材料可包括环氧树脂、聚氨酯、聚醚醚酮、聚乙烯、或它们的组合。组合物优选具有1至20分钟，或小于15、10或5分钟的范围内的低固化时段。一旦固化，聚合物形成材料就可将纤维层粘结到芯材料以形成层合体作为复合结构。纤维层优选地粘结或粘附到芯以防止纤维层在使用期间与芯分层或分离。

纤维增强区(如果存在)可由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等或它们的组合制成。纤维可具有任何合适的长度并且可以单向纤维束供应。纤维的长度可基本上彼此相等或可变化，使得长度在整个增强区中为随机的。纤维的长度优选地大于50mm以向复合材料的选定区域赋予增加的刚度。增强纤维可能以多种方式布置，例如以单向/对准或织造(例如，方平组织)图案。可使用多层单向纤维，例如，每层单向纤维可布置在相对于下面的纤维增强层平行、成角度或垂直的位置处。另选地，纤维可以是不连续的(例如，不同长度的纤维)并且呈现为随机或不均匀的图案。

当施加到纤维层或芯材料时，可将可固化材料施加到一个或多个纤维增强区(如果存在)上。可固化材料可以是用于嵌入纤维层的纤维的相同可固化材料。例如，材料可包括组分的混合物，例如热固性材料、热塑性材料、硬化剂、催化剂、填料以及它们的任何组合。可固化材料可包括环氧树脂、聚氨酯、聚醚醚酮、聚乙烯、或它们的组合。可将可固化材料(例如，树脂)喷涂、倾倒、铺展、辊涂、刷涂或压延到纤维增强区上，以将纤维嵌入可固化材料中，从而形成预成形复合材料。在加热条件下，可模制预成形复合材料(例如，在压缩模具中)以形成复合结构的最终形状。

可将附接设备、紧固件或其部件模制到复合电池外壳之中或之上以适应附接或锚固到另一个结构，诸如在多件式复合电池外壳的情况下，附接或锚固到车辆的框架或主体或相邻复合盖。一个或多个附接设备、紧固件或其部件可与复合盖和任何期望的位置(例如，靠近或在端部区处或靠近横构件)模制在一起。作为插入件，一个或多个附接设备或部件可定位在芯材料和纤维层或表皮之间，并且与复合结构一起模制以提供用于将复合材料固定到另一个结构(另一个复合盖、电池或冷却设备)的附接区域。在一个示例中，紧固件部件可在将纤维和树脂施加到芯的表面之前定位在芯材料上以将紧固件部件布置为复合结构插入件。作为插入件，附接件或紧固件或其部件可定位在上覆芯材料的纤维层或纤维增强区的表面上，使得附接设备或部件形成于复合结构的外表面上。使用插入件或插入件附接部件可减小对用于将复合盖固定到其他部分的粘合剂的需要。

图3示出了固定在底部复合盖20上的顶部复合盖10的侧视图。电池30和冷却设备32(例如，柔性冷却系统或冷却板)定位在底部复合盖20上。电池30彼此隔开，并与顶部复合盖的上覆单片纤维面板13隔开。电池30和冷却设备32通过顶部复合盖的侧向梁12免受外物的冲击，该侧向梁包含可压碎的芯材料，用于吸收冲击能量。侧向梁12的芯材料定位在顶部复合盖10的边缘11处，每个芯被纤维层夹置在中间，该纤维层在侧向梁12的每一端结合。在一端，纤维层结合以在盖10的中心区域形成单片纤维面板13，并且在另一端，纤维层结合以形成构成盖10两端的周边边缘的平坦单片纤维部分。平坦单片纤维部分(例如凸缘)靠在底部复合盖20周边边缘处的相对单片纤维部分上，用于将两个盖10、20结合在一起。纤维层的聚合物材料和纤维可以是相同的，并且优选用于在芯材料的端部将各层结合在一起，例如，用于形成盖10、20的单片纤维端部。

图4示出了具有形成盖20两端的两个外横构件21的底部复合盖20。也就是说，外横构件21形成盖20两端的整个长度。为了附接到顶部复合盖10，外横构件21的顶表面在顶盖10的每一端接触单片端盖14。外横构件21由夹置在两个纤维层之间的芯材料形成，该纤维层从电池保持区域24向上延伸并靠近电池保持区域24。在外横构件21的顶表面上，平坦单片纤维部分可从电池保持区域24向外延伸，以形成包围芯材料上边缘的唇口。在外横构件21的底部，可以减小芯材料的厚度以形成包括多个电池保持区域24的基部部分。在电池保持区域24的相对端部，例如与外横构件21相邻的端部，单片纤维部分23由纤维层连接在一起以包裹芯材料来形成。在单片纤维部分23附近，电池保持区域24的剩余两端由外横构件21和内横构件22或两个内横构件22的组合形成。

底部复合盖20的内横构件22由芯材料形成，该芯材料由延伸至相邻电池保持区域24的顶部纤维层覆盖。如图5所示，内横构件22的芯材料可以是盖20基部部分的芯材料，或是定位在下面的基部部分芯材料26顶部的附加芯材料27。如图所示，内横构件22延伸到基部部分和电池保持区域24上方，以形成电池保持区域24的一个壁，其中其他限定壁由外横构件21或内横构件22以及顶部复合盖10的边缘11或侧向梁12形成。电池保持区域24可以是基部部分的缩进或下凹部分，并定位在横构件21、22和单片纤维部分23之间。电池保持区域24厚度减小，这可以通过在模制工艺期间部分压碎芯材料来实现。

底部复合盖20可包括一个或多个内横构件22，例如，2个、3个、4个、5个或6个内横构件22。内横构件22可向上延伸，以具有与一对外横构件21相同的顶表面高度。例如，内横构件22可在外横构件21的顶表面的同一平面上具有峰值高度区域，以提供用于将顶部复合盖10固定到底部复合盖20的附接区域。如图5所示，内横构件22的顶表面与外横构件21的顶表面相同。图4和图6示出了内横构件22可以包括多个凸起部分，该多个凸起部分具有可与外横构件21的顶表面高度相同的峰值顶表面25。内横构件22的凸起部分可提供接触顶部复合盖10的单片面板13的附接面。

在内横构件22的底部部分每一侧附近，以及在电池保持区域24附近，可使用增强板为电池单元连接至盖提供附接支持。增强板的厚度可在约1mm至约5mm的范围内。如图7所示，增强板50可定位在纤维层28和靠近内横构件22基部的基部部分芯材料26之间。增强板50可由任何合适的材料制成，例如，金属、塑料或增强纤维部分。增强板50可包括开口，以用于容纳将部件固定到底部复合盖20的附接夹具(例如，螺钉、螺栓、杆)。例如，增强板50可用于提供附接位置，以用于将电池30或冷却设备32固定在电池保持区域24中。示例性增强板50可包括铆钉螺母，以用于容纳附接电池单元的螺钉或螺栓。可通过钻导孔，制成用于在增强板50中容纳附接夹具的开口以及上覆和下覆材料(例如，纤维层、芯材料)(如适用)。多个增强板50可沿构件的长度定位在内横构件22的每个底侧，以便可将多个部件固定到底部复合盖20上。例如，2个、3个、4个、5个或6个增强板50可沿内横构件22的每个底部边缘布置。多个增强板50优选地彼此隔开(例如，以相等的距离)。

图8示出了通过使用附接夹具固定到底部复合盖20上的电池30，该附接夹具被固定到定位在内横构件22和外横构件21的相邻底部部分附近的增强板52上。增强板52为附接夹具提供坚硬、刚性的板区域，以确保电池外壳40中电池位置的稳定性。增强板52可以延伸到下面的芯材料中，例如，可以是用于将电池30固定到底部复合盖20的螺栓或螺钉的壳体。如图所示，底部复合盖20包含电池保持区域24，该电池保持区域具有厚度减小的盆部，该盆部的周长向上升高，并由横构件21、22和两个单片纤维部分23(图10)包围。冷却设备32布置在电池保持区域24中的电池30正下方。将电池30固定到底部复合盖20上，例如在增强板52处，将冷却设备32固定在适当位置，并压在电池30的底表面和电池保持区域24的底部(即纤维层的顶表面)。冷却设备32用于确保电池表面和复合电池外壳40中的恒定工作温度。可根据需要将一个或多个冷却设备32布置在电池保持区域24中。冷却设备32的另选定位可包括位于电池30的顶部。电池30产生的不断升温的热量将通过固定在电池30顶部的冷却设备32有效吸收。

图9示出了图8的冷却设备32，该冷却设备固定在电池30的底表面并与电池30的底表面接触。电池30通过安装在增强板52中的附接夹具固定在底部复合盖20上，该增强板提供延伸到外横构件21(图8)底部边缘的基部部分芯材料26中的壳体。增强板52定位为纤维层28中的插入件，以便增强板52与电池30直接接触。冷却设备32位于电池30下方，该电池穿过冷却设备32延伸到安装部分上，该安装部分容纳与横构件21、22的每个底部区域相邻的增强板52。图10示出了在底部复合盖20的电池保持区域24中串联布置的多个冷却设备32。

在一系列冷却设备32的一个或多个端部，冷却导管可定位在底部复合盖20上，以提供用于将冷却液循环至冷却设备32的入口和出口。通道或沟槽可模制到底部复合盖20中，以用于定位冷却导管。例如，电池保持区域24底部与盖20周边边缘处的单片纤维部分或凸缘23之间的凸起部分可包括用于容纳一个或多个冷却导管的通道。横构件(例如，内横构件22)可以用一个或多个通道进行模制，以用于安装冷却导管(例如，冷却导管56，如图12所示)，该冷却导管从电池保持区域24中的一个冷却设备32移动到第二电池保持区域24中的另一个冷却设备32。横构件(例如，内横构件22)也可进行压印或模制，以用于定位连接到电池30的电气导管或电缆。在一个示例中，横构件可包括用于使导管穿过横构件的通路。可在底部复合盖20中形成开口，以用于容纳多个冷却导管和电气导管，这些导管连接到容纳在外壳40中的电池30和冷却设备32。开口优选为密封的，以减少外壳40外部的环境条件对外壳40内部容纳电池30和冷却设备32的内腔的任何暴露。可根据需要使用常规密封件，并且可根据需要模制盖10、20以容纳密封件，例如，在用于冷却导管和/或电气导管的盖中的外部开口处模制通道或唇口。

顶部复合盖10和底部复合盖20除了通过附接夹具固定在一起外，还优选为密封的。图11示出了定位在底部复合盖的外横构件21的顶表面和顶部复合盖10的单片面板13的底表面之间的密封件54。密封件54(例如弹性体密封件)可呈环的形式，该环围绕顶部复合盖10和底部复合盖20接合处，例如在由单片纤维部分(例如，23、14、11a、21)形成的凸缘区域处的周边边缘延伸。当密封件54定位在顶部复合盖10和底部复合盖20的表面之间时，该密封件可在盖10、20之间挤压或压缩，以密封电池保持区域24，使其免受外部环境条件的影响，例如湿度、灰尘、碎屑、温度变化等。优选地将密封件54暴露于盖10、20之间的充足压力下，以减少或消除工作期间的移动。在一个或多个实施方案中，可将通道模制到顶部复合盖10、底部复合盖20或其组合的表面中，以容纳密封件54的一部分，从而确保其在复合电池外壳40工作期间不会移动或移位。密封件54可以是待压缩的圆形材料或平面密封件，例如，具有集成孔的平坦密封件，以容纳顶部复合盖10和底部复合盖20之间的附接点。密封件中的集成孔可用于确保与盖连接点对齐后密封件的正确位置。

图12示出了布置在底部复合盖20的外横构件21的顶表面和单片纤维部分23上的外部周边密封件58。外部周边密封件58包围电池保持区域24以及定位在复合电池外壳40中的安装好的电池30和冷却设备32。进一步如图所示，内横构件22具有多个凸起部分，该多个凸起部分具有峰值顶表面，该峰值顶表面包括用于接触顶部复合盖10的单片面板13的底表面的密封件22a。密封件22a可以是任何所需形状，例如o形圈。内横构件22的凸起部分可包括用于容纳附接夹具的增强板或安装板，该附接夹具可用于将顶部复合盖10固定在底部盖20上。图17示出了内横构件22的顶表面和顶部复合盖10的单片纤维面板13的底表面之间的附接区域。单片纤维面板13具有与附接插入件53叠合的开口，该附接插入件位于内横构件22的纤维层中的开口中。附接夹具可通过面板13中的开口插入附接插入件53中，以将两个盖10、20固定在一起。

图13示出了顶部复合盖10的底面视图，其中单片面板13具有多个开口13a，用于将盖10与底部复合盖20附接。如图所示，提供了开口13a的多个阵列，该多个阵列被布置成与底部复合盖20的内横构件22上的附接区域对齐并叠合。例如，开口13a的阵列可以沿内横构件22的顶表面(例如，内横构件22上的凸起部分的峰值顶表面区域)与开口对齐。盖10的单片端盖14可包括开口13a，用于附接到底部盖20的外横构件21。盖10中的开口13a可在形成开口之前，例如通过钻孔或冲孔操作，在开口处用纤维增强插入件或补片进行局部增强。

图14至图16示出了顶部复合盖10的多个实施方案。图14和图16的顶部复合盖10具有单片纤维面板13，该单片纤维面板由用聚合物材料粘结在一起的两个纤维层组成。纤维层在每个边缘11处分离，以容纳形成侧向梁12的芯材料16，该侧向梁从面板13边缘向下延伸。盖10的外边缘包括纤维单片部分或凸缘11a，该纤维单片部分或凸缘由封装侧向梁12的芯材料16的纤维层组成，该芯材料与聚合物材料结合在一起并与聚合物材料粘结在一起。

另选地，如图15所示，芯材料16穿过顶部复合盖10的整个部分，并在每一端用粘结在一起的纤维层封盖。芯材料16被部分压碎以相对于侧向梁12减小厚度，从而减小面板13作为复合面板而非单片纤维面板的轮廓。优选地，侧向梁12的芯材料16与形成面板13的芯的材料相同。与单片纤维面板相比，在面板13中使用芯材料16提供了更高的弯曲刚度，然而，由于具有芯材料16的面板13的轮廓大于单片纤维面板，因此复合电池外壳40中的空腔空间减小。

图14至图16的顶部复合盖10还可包括纵向梁或横梁17，该纵向梁或横梁从面板13的底表面向下延伸并进入复合电池外壳40的电池保持区域24。梁17可类似于底部复合盖20的内横构件22形成。芯材料16可在组装期间插入单片纤维面板的纤维层之间，并以所需形状模制在适当位置以形成梁。另选地，梁17可与盖10分开形成，并随后在所需位置附接至面板13的底表面。使用梁17可增加面板13的弯曲刚度，并且由于使用可压碎的芯材料而增加潜在的局部抗冲击性。梁17增加了面板13的总厚度，从而减少了复合电池外壳40的电池保留区域24中的可用空间。

图18示出了固定到底部复合盖20的单片纤维部分或凸缘23的顶部复合盖10的边缘11的纤维单片部分或凸缘11a。可使用任何理想的附接夹具将两个部分固定在一起。例如，部分11a、23可配备附接插入件或固定件，该插入件或固定件为螺钉、螺栓或铆钉提供开口，以将盖10、20的边缘固定在一起。在另一个示例中，可使用套管来防止纤维叠层的夹紧。在另一个示例中，可在单片纤维部分或凸缘11a、23的顶侧和底侧使用增强板，以提供结构支撑。

在一个或多个实施方案中，附接点可远离纤维凸缘区域，并位于顶部复合盖10的侧向梁12下方。附接夹具可通过盖10、20的单片纤维部分或凸缘11a、23插入侧向梁12的芯材料16中。可在侧向梁12的底表面使用插入件，以容纳附接夹具。将连接点向内定位到侧向梁12下方可增加复合电池外壳的刚度。

虽然本文已经公开了组合物和方法的多个方面和实施方案，但是其它方面和实施方案对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。本文公开的多个方面和实施方案是出于说明的目的，而并非旨在限制，其真实范围和实质由权利要求指示。

Claims (20)

1.一种复合电池外壳，所述复合电池外壳包括：

a.模制顶部复合盖，所述模制顶部复合盖包括：

i.单片面板，所述单片面板包括嵌入第一聚合物中的纤维，所述单片面板包括第一表面和第二表面；和

ii.至少一个侧向梁，所述至少一个侧向梁与所述单片面板连接，所述至少一个侧向梁包括与第一纤维层粘结的第一芯；和

b.模制底部复合盖，所述模制底部复合盖包括：

i.第二芯，所述第二芯包括第一表面，所述第二芯的所述第一表面的一部分粘结到嵌入第二聚合物中的第二纤维层；和

ii.至少一个外横构件和至少一个内横构件，

其中所述模制顶部复合盖附接至所述模制底部复合盖。

2.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述模制顶部复合盖包括一对侧向梁，所述一对侧向梁被所述单片面板分隔，并且每个侧向梁包括与所述第一纤维层粘结的所述第一芯。

3.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述模制顶部复合盖的所述单片面板包括所述第一芯的一部分。

4.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述至少一个侧向梁的所述第一芯为蜂窝结构材料。

5.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中电池定位在所述至少一个外横构件和所述至少一个内横构件之间，所述电池固定在所述模制底部复合盖上。

6.根据权利要求5所述的复合电池外壳，其中冷却设备与所述电池接触。

7.根据权利要求6所述的复合电池外壳，其中所述冷却设备定位在所述电池下方，并且所述冷却设备与所述模制底部复合盖接触。

8.根据权利要求6所述的复合电池外壳，其中所述模制底部复合盖包括用于容纳所述冷却设备的至少一个凹槽。

9.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述模制底部复合盖包括一对外横构件和定位在所述一对外横构件之间的多于一个内横构件。

10.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述至少一个外横构件和所述至少一个内横构件具有相同高度，并且固定在所述模制上部复合盖的所述单片面板上。

11.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述至少一个外横构件和所述至少一个内横构件包括蜂窝结构材料。

12.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中增强板定位在所述至少一个内横构件附近。

13.根据权利要求12所述的复合电池外壳，其中所述增强板为金属，并且包括用于容纳附接夹具的开口，所述附接夹具用于将电池固定在所述模制底部复合盖上。

14.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中密封件定位在所述模制顶部复合盖和所述模制底部复合盖之间，所述模制顶部复合盖包括通道，并且所述密封件布置在所述通道中。

15.根据权利要求1所述的复合电池外壳，其中所述模制底部复合盖的所述第二纤维层的一部分与所述第二芯相邻，所述第二纤维层位于一对外横构件之间并且与所述模制顶部复合盖的所述至少一个侧向梁接触。

16.一种复合电池外壳，所述复合电池外壳包括：

a.模制顶部复合盖，所述模制顶部复合盖包括：

i.单片纤维面板，所述单片纤维面板包括第一顶部纤维层和第一底部纤维层，所述第一顶部纤维层和所述第一底部纤维层包括嵌入第一聚合物中的纤维；和

ii.一对侧向梁，所述一对侧向梁包括第一芯材料，所述第一芯材料夹置在所述第一顶部纤维层和所述第一底部纤维层之间；和

b.模制底部复合盖，所述模制底部复合盖包括：

i.第二芯，所述第二芯夹置在第二顶部纤维层和第二底部纤维层之间；所述第二顶部纤维层和所述第二底部纤维层包括嵌入第二聚合物中的纤维；和

ii.一对外横构件和多个内横构件，所述一对外横构件和所述多个内横构件用于限定电池保持区域，

其中所述模制顶部复合盖附接至所述模制底部复合盖。

17.根据权利要求16所述的复合电池外壳，其中所述电池保持区域包括用于容纳冷却设备的凹槽。

18.根据权利要求16所述的复合电池外壳，其中所述多个内横构件包括第三芯材料，所述第三芯材料与所述第二芯接触。

19.根据权利要求16所述的复合电池外壳，其中所述多个内横构件包括顶表面，所述多个内横构件的所述顶表面与所述模制顶部复合盖的所述单片纤维面板接触。

20.根据权利要求16所述的复合电池外壳，其中密封件定位在所述模制顶部复合盖和所述模制底部复合盖之间，所述密封件位于由所述一对外横构件和所述多个内横构件限定的所述电池保持区域之外。

Images