CN115939613A - 用于电动车辆的结构电池及制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于在电动车辆中使用的电池组(4)，包括：沿长度方向L延伸的两个纵槛构件(6，7)，所述纵槛构件在前侧通过横向前片(15)互连并且在距前片一距离处通过横向构件(16、21、42)互连。两排或更多排(11、12、13、14；17、18、19、20)的电池单元(9)并排放置在槛构件(6、7)之间。前片(15)和横向构件(16、21、42)沿长度方向对电池单元(9)施加在20到200kN/m2之间的压缩力。

Description

用于电动车辆的结构电池及制造方法
技术领域
本发明涉及在电动车辆中使用的电池组，具有沿长度方向延伸的两个纵槛构件，在前侧通过横向前片并且在距前片一距离处通过横向构件互连，前片和横向构件沿宽度方向延伸，多个矩形电池单元放置在槛构件、前片以及横向构件之间，电池单元沿长度方向相互邻近。
本发明还涉及包括这种电池组的电动车辆及制造方法。
背景技术
电动车辆(也称为电池电动车辆，简称BEV)使用电池组来向最常位于白车身(body-in-white)结构下方中央的传动系/电机提供电力。直到最近，电池组被视为独立单元，其主要功能是成为围绕电池单元和模组的保护笼，其在发生事故时防止入侵，同时从外部环境中保护内部敏感电子件。进一步深入电池组设计，电池单元和模组已被视为子系统，带有其自己的单独的机械结构，诸如模组端板和扎带。但是，如果将输入部分集成以形成更大的单元，作为一个系统运行，则有改进的机会。从自下而上的方法，电池集成以形成具有高容积效率的强电池组；电池组安装到白车身上时用作结构部件并且在也可如此被利用。这样的设计能够移除冗余的结构，增加电池容量并降低整车重量，因为电池单元被包装得更接近车辆重心，同时通过降低的极惯性矩提供的更轻、更灵活的车辆，全面提高续航里程(range)、耐撞性和驾驶员体验。
当前技术正在通过使用更大的单元占地(或由于轴距限制而简单地选择更低的组能量)来补偿更低的容积效率和集成水平。目前开发的目标是通过使用顶部布局的策略来改善容积效率。单元集成到组中，而组集成到白车身中。这样做，目的在于减少的单元占地，创造并允许单元之间中以及车辆的外部尺寸更加可形变的结构和停止距离(stoppingdistance)。
较短的停止距离在道路上具有两个影响。能量吸收是停止距离以及随着溃缩在中间的结构产生的力的函数。
给定上述能量函数，增加车本体(也称为“白车身”或BiW)与单元之间的允许停止距离，可使得结构减量变为可能；减轻重量，降低成本，减少环境影响。
已知提供结构电池，其中，电池壳形成车辆本体的底部并且移除传统的前地板。电池单元阵列借助于浇注在电池单元之间的间隙中的树脂保持在电池组壳内的位置。
本申请旨在围绕电池单元构建组(其中，单元被认为是基础构建块)，扩展提供能够替代传统白车身中心地板结构的结构电池组，同时全面改善组容积效率。固有的组结构强度将在正面和侧面碰撞载荷情况下在整车水平上被利用。随着容积效率的改善，组和单元占地可做得更窄，有利于侧面碰撞，因为更长的停止距离为平衡范围、重量和耐撞性打开了更多的选项。最后，更强的组设计被利用以交付和改善重要的驾驶员动态属性，如噪音、振动和声振粗糙度(NVH)以及操控性。靠近车辆重心包装的单元将减少极惯性矩，使车辆更灵活并且响应更快。
本申请的另一目的是提供制造在电动车辆中使用的电池组并将电池组组装到电动车辆的框架部分的有效方法。
发明内容
根据本公开的在电动车辆中使用的电池组包括：沿长度方向L延伸的两个纵槛构件，所述纵槛构件在前侧处通过横向前片并且在距前片一距离处通过横向构件互连，前片和横向构件沿宽度方向W延伸，多个矩形电池单元放置在槛构件、前片和横向构件之间，单元沿长度方向L相互邻近，前片和横向构件沿长度方向对单元施加在20到200kN/m2之间的压缩力，两排或更多排的电池单元沿宽度方向W并排放置。
根据本公开的电池组通过压缩相互邻近的单元，在前和后横梁之间形成堆叠，而在单元之间无需更多的内部支撑部件，减轻了重量并改善了容积效率。这允许在电动车辆中移除一层结构(BiW)，并让电池在一旦安装到车辆中后成为BiW的结构部分。由根据本公开的电池组实现的改善的容积效率可用于使组更窄并且通过产生更长的停止距离拓展减轻重量。
棱柱形电池单元在安装到模组或单元-组解决方案时需要在寿命开始(BOL)时的预压缩力。这由于其矩形形式。前片和横向构件将槛构件互连，并起到作为压缩端板同时提供将组集成到电动车辆的机械接口的双重目的。
电池组的一实施方式包括：压缩构件，该压缩构件位于沿长度方向L邻近的电池单元之间。压缩构件可包括在沿长度方向的每对邻近电池单元之间或者可放置在仅一些邻近单元之间，并沿长度方向保持单元上的弹性压缩。压缩构件可包括在框架内部具有气凝胶化合物的橡胶框架。橡胶是可压缩的并且适合达到初始压缩力。气凝胶作为热障，防止热失控。可替代地，压缩构件包括聚合物泡沫垫或框架。用于压缩构件的另一选项是纤维材料垫。
外部电池单元的纵向侧可定位靠近纵槛构件或可紧密抵靠槛构件以沿宽度方向为槛构件提供结构支撑。在后一情况下，单元用作备用结构。可替代地，取决于所使用的侧面碰撞原则，单元和槛构件之间沿宽度方向的距离可在5cm到25cm之间。间隙将导致不使用单元作为备用结构。在这种情况下，允许外部电池结构向内溃缩到侧面柱在严重的电池侵入之前停止的特定点。主要载荷由白车身区段(即摇臂(rockers)和摇臂加强件)与电池顶的横向横构件以及电池槛构件本身的某些部分一起承载。后一设计，其特征在于电池内部气隙，允许取决于具体需要布线；例如可容纳的内部冷却系统。
在一实施方式中，前片包括：横向部分，该横向部分具有与电池单元的高度基本上对应的高度，以及搁板部分，该搁板部分在由电池单元的顶侧限定的上平面处或附近的上平面中沿长度方向延伸远离单元。
前片和横向部分在电池单元上提供压缩力，同时经由搁板部分提供电池组到电动车辆的前和后副框架的刚性连接。
在一个实施方式中，横向构件可包括：通过底板互连的、距槛构件的后端一距离的两个横梁，所述两个横梁限定足部容纳空间，后横梁在槛构件的后端处延伸。这种结构特别适用于制成具有非常低的足部位置的轿车。
可替代地，横向构件可包括位于槛构件的后端处的后横梁。
在一实施方式中，前片和/或后横梁具有沿长度方向延伸的厚度并且具有接触电池单元的内侧和背离电池单元的外侧，具有电导体的一个或多个通道从内侧到外侧延伸通过前片和/或后横梁。
后端梁可允许母线、传感线和其他低压应用的穿通路。由于端片与电池单元接触以施加压缩力，电池单元侧上的用于电源线和数据线的布线的空间被有效地封闭。通过将多穿通路集成到前和/或后端片中，可有效地容纳电源线和信号线。
根据本发明的电池组可通过以下形成：
-形成两排或更多排的矩形电池单元，其沿长度方向相互邻接，
-用与沿宽度方向W延伸的横向构件接触前和后单元，并在横向构件上施加在20到200kN/m2之间的压缩力，以及
-通过将槛构件的端区段附接到横向构件同时保持压缩力，由沿长度方向延伸、两个基本上平行的槛构件互连横向构件。
电池单元可堆叠在一起，例如通过单元之间中的压缩构件或膨胀垫来完成。在所需的预压缩下将单元夹在前和后横向片之间，然后将槛的端区段焊接到横向片上。
沿宽度方向W延伸的足部容纳构件或可压缩材料的横梁(缩放构件)可放置在前和后单元组之间，并且可在附接槛构件之前与前和后横向构件之间的单元堆一起被压缩。
足部容纳构件或足部容槽和/或横梁是单元堆叠过程的独立部分。当整个电池组堆在前和后横向构件之间被压缩时，槛构件被加载，并且如果需要，足部容槽构件可焊接到槛构件以满足预定的结构需求。
可压缩材料的横梁形成“缩放构件”，其例如可应用于高SUV上的电池组。在那里，横梁可形成“电池堆填件”以移除电池堆空隙，并使电池堆与前和后梁接触。由于轴距可伸缩性，需要填充件。没有通用的电池形式可完全地填在数个不同轴距上的，有或没有足部容槽的，以及使用不同数量的单元来达到不同的能量水平(例如使用144、168或192单元)的组。因此，需要缩放构件来填充不期望的组空隙。
附图说明
将参照附图以非限制性示例的方式详细说明结构电池和制造方法的一些实施方式。在图中：
图1示出了连接到电动车辆的前和后框架部分的根据本发明的结构电池组件，
图2示出了具有足部容槽的结构电池组件的透视图，
图3示出了定位在电池单元侧表面上的框架形膨胀垫，
图4示出了具有用于电导体的穿通路的结构电池组件的后部的纵向截面图，
图5示出了图4的后部分的透视图，
图6示出了结构电池组件的前部分及其与前框架部分的连接的纵向剖视图，
图7示意性地示出了根据本发明的制造结构电池组件的方法的第一实施方式，
图8示意性地示出了根据本发明的制造结构电池组件的方法的另一实施方式，
图9示出了包括弹性缩放构件的结构电池组件的实施方式的透视图，以及
图10示出了图9的电池组件的侧视图，其中一个槛构件被移除。
具体实施方式
图1示出了电动车辆的框架1，包括前框架结构2，包括后地板的后框架结构3，以及结构电池组件4，其形成车辆底部结构5。结构电池组件或组4包括纵槛型材6、7，其互连前和后框架结构2、3并支撑多排的互连电池单元9。电池组4的顶板10形成车辆的驾驶室的底部。
图2示出了在电池组4的前部分中以四排11、12、13、14布置的电池单元9的堆叠。电池单元9沿长度方向L在前横梁15和足部容槽16之间堆叠。前横梁15、后横梁21和足部容槽16焊接到槛型材6、7。
在电池组4的后部分，单元的排17、18、19、20放置在足部容槽16和后横梁21之间。每排11-14和排17-20中的单元9相互邻近并且可包括单元之间的膨胀垫。单元排11-14在前横梁15和足部容槽16之间沿长度方向L被压缩。单元排17-20在足部容槽和后横梁21之间被压缩。压缩构件由弹性材料形成。沿长度方向L对单元的预压缩可在20-200kN/m2之间。
沿着单元9的纵向侧23、24和槛型材6、7，沿宽度方向W可存在在5-25cm之间的距离d，以增加在侧面碰撞时离单元的停止距离，其允许单元9的重量减轻。
图3示出了放置在电池单元9的侧表面上的弹性压缩构件8。压缩构件由弹性材料的矩形框架形成，诸如橡胶棒或管。具有阻燃性能的气凝胶化合物可包含在橡胶管内。
图4示出了排17-18的电池单元9，其在一方面横梁25和足部容槽16的底板26以及另一方面后横梁21之间，沿长度方向L被压缩。足部容槽16由两个间隔开的经由底板26互连的横梁25、27限定。后横梁21的高度H基本上对应于电池单元9的高度，并具有外壁28和用于连接到后框架部分3的水平延伸的搁板部分29。在离外壁28一距离处，平行的内壁30与电池单元9的后面压缩接触。通通路31在梁21的内壁30和外壁28之间形成，该梁包含附接到电池单元9的母线33的高压导体32和携带低压控制信号的一个或多个信号线33。
图5示意性地示出了母线33，其形成串联互连的单元邻近电池单元的排18和19中。高压导体32、32'一方面分别连接到电池单元的阳极和阴极，并且穿通过后横梁21。
图6示出了具有横梁部分36和搁板部分37的前横梁15。搁板部分37经由螺栓39、40连接到前框架结构2的板38。板38在电池单元9上方沿长度方向L延伸，以在施加由正面碰撞产生的力F时沿箭头A的方向提供增加的扭转刚度。
图7示意性地示出了制造根据本发明的电池组4的优选方法，通过压缩在前和后横梁15、21之间的电池单元9的堆叠和足部容槽构件16并在前和后横梁15、21上施加压缩力C。在压缩状态下，前横梁和后横梁15、21焊接到槛型材6、7的端部。
图8示意性地示出了根据本发明的制造电池组4的替代方法，通过将足部容槽16焊接到槛型材6、7来形成H型材。随后，将成排电池单元9放置在槛型材6、7和足部容槽16之间的H形前和后空间中，并且将前和后横梁15和21沿纵向方向L压在一起，直到横梁15、21位于与其通过焊接连接的槛构件6、7的端区段相对的位置。
图9示出了包括在前向电池单元组43和后向电池单元组44之间的压缩堆叠中的缩放构件42。缩放构件42调整为取决于车辆的轴距的宽度Ws(沿长度方向L来看)。缩放构件42作为“填充物”以移除电池堆空隙，并使电池单元42、43与前和后梁15、21进行压缩接触。缩放构件42允许使用固定的电池单元形式来完全地填充在数个不同轴距上的，有或没有足部容槽的，以及具有不同数量的电池单元以达到不同的能量水平(例如144、168和192单元)的电池组。
图10示出了由EPP(膨胀聚丙烯)或EPP泡沫的中央梁45形成的缩放构件42，其两侧为两个铝型材46、47。

Claims (13)

1.用于在电动车辆中使用的电池组(4)，包括：沿长度方向L延伸的两个纵槛构件(6、7)，所述纵槛构件在前侧处通过横向前片(15)互连并且在距前片(15)一距离处通过横向构件(16、21、42)互连，前片(15)和横向构件(16、21)沿宽度方向W延伸，多个矩形电池单元(9)放置在槛构件(6、7)、前片(15)和横向构件(16、21、42)之间，单元(9)沿长度方向L相互邻近，前片(15)和横向构件(16、21、42)沿长度方向对单元(9)施加在20到200kN/m2之间的压缩力，两排或更多排(11、12、13、14；17、18、19、20)的电池单元(9)沿宽度方向W并排放置。
2.根据权利要求1所述的电池组(4)，包括：压缩构件(8)，所述压缩构件位于沿长度方向L邻近的电池单元之间。
3.根据权利要求1或2所述的电池组(4)，其中，在宽度方向W上，单元和槛构件之间的距离(d)在5cm和25cm之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池组(4)，其中，前片(15)包括：横向部分(36)，所述横向部分具有与电池单元(9)的高度基本上对应的高度H；以及搁板部分(37)，所述搁板部分在由电池单元(9)的顶侧限定的上平面处或附近的上平面中沿长度方向L延伸远离单元(9)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池组(4)，其中，横向构件(16)包括：通过底板(26)互连的、距槛构件(6、7)的后端一距离的两个横梁(25、27)，所述两个横梁限定足部容纳空间，后横梁(21)在槛构件的后端处延伸。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电池组(4)，其中，横向构件(42)包括梁(45)。
7.根据权利要求1或2所述的电池组(4)，其中，横向构件包括：后横梁(21)，所述后横梁位于槛构件(6、7)的后端处。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池组(4)，其中，前片(15)和/或后横向构件(21)具有沿长度方向L延伸的厚度(l)并且具有接触电池单元(9)的内侧(30)和背离电池单元(9)的外侧(28)，具有电导体(32、34)的一个或多个通道(31)从内侧(30)到外侧(28)延伸通过前片(15)和/或后横梁(21)。
9.根据权利要求2结合权利要求3-8中任一项所述的电池组(4)，其中，经由叠置在搁板部分(37)上并在长度方向L上延伸超过搁板部分的板(38)，前框架部分(2)连接到搁板部分(37)。
10.电动车辆，包括：根据前述权利要求中任一项所述的电池组(4)。
11.形成用于在电动车辆中使用的电池组(4)的方法，包括：
-形成两排或更多排(11、12、13、14；17、18、19、20)的矩形电池单元(9)，其沿长度方向L相互邻接，
-用沿宽度方向W延伸的横向构件(15、16、21)接触前和后单元，并在横向构件上施加在20到200kN/m2之间的压缩力，
-通过将槛构件的端区段附接到横向构件同时保持压缩力，由沿长度方向L延伸、两个基本上平行的槛构件(6、7)互连横向构件(15、16、21)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在宽度方向W上延伸的足部容纳构件(16)和/或横梁(45)被放置在单元的前向组(43)和后向组(44)之间，并且与单元一起在槛构件之间放置。
13.根据权利要求11或12所述的方法，包括：将压缩构件(8)放置在沿长度方向L邻近的两个或更多个电池单元之间。
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