CN116805735A - 具有电芯-电池包电池系统的牵引电池包的多层外壳结构 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“具有电芯‑电池包电池系统的牵引电池包的多层外壳结构”。公开了包括电芯‑电池包电池系统的牵引电池包。电芯‑电池包电池系统的电芯矩阵可以定位在牵引电池包的外壳总成内。外壳总成可以包括一个或多个多层结构。每个多层结构可以包括第一腔室和第二腔室。第一腔室提供用于对电芯矩阵进行热管理的内部冷却回路，并且第二腔室提供用于使电芯矩阵与外部环境绝缘的气隙。

Description

具有电芯-电池包电池系统的牵引电池包的多层外壳结构
相关申请的交叉引用
本公开要求美国临时申请第63/322,766号的优先权，所述美国临时申请于2022年3月23日提交并通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及牵引电池包，并且更具体地涉及包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包。电芯-电池包电池系统可以由牵引电池包的外壳总成的多层结构进行热管理。
背景技术
电动化车辆包括具有一个或多个电机的传动系。作为内燃发动机的替代或补充，电机可以驱动电动化车辆。牵引电池包可以为车辆的电机和其他电气负载供电。
常规的牵引电池包包括称为电池阵列的电池电芯组。电池阵列包括各种阵列支撑结构(例如，阵列框架、间隔件、纵梁、壁、端板、绑定件等)，所述阵列支撑结构被布置用于将电池电芯分组并支撑在牵引电池包外壳内的多个单独单元中。
发明内容
根据本公开的示例性方面的牵引电池包尤其包括：外壳总成，所述外壳总成包括外壳托盘；以及电芯-电池包电池系统，所述电芯-电池包电池系统容纳在外壳总成内并且包括电芯矩阵。外壳托盘的底板包括：第一腔室，所述第一腔室提供用于对电芯矩阵进行热管理的内部冷却回路；以及第二腔室，所述第二腔室提供用于使电芯矩阵与外部环境绝缘的气隙。
在前述牵引电池包的另一非限制性实施例中，电芯矩阵包括多个电池电芯，所述多个电池电芯被布置成与底板的内壁的面向内部的底板表面对接。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，底板连接到外壳托盘的多个侧壁。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，多个侧壁被布置成提供用于压缩电芯矩阵的电芯压缩开口。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，内部冷却回路在底板的内壁与内部壁之间延伸。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，内部冷却回路包括通过多个壁彼此至少部分地分开的多个流体通道。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，内部冷却回路在第一腔室内部建立蜿蜒通路。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，第一腔室比第二腔室更靠近电芯矩阵。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，第二腔室在底板的内部壁与外壁之间延伸。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，内部壁建立内部冷却回路的底板。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，外壁包括暴露于外部环境的外表面。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，至少一个支柱在底板的内部壁与外壁之间延伸。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，气隙包括第二腔室内部的静态气穴。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，气隙包括第二腔室内部的完全没有空气的真空穴。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，底板包括面向外壳总成的内部区域的内壁、面向外部环境的外壁以及在内壁与外壁之间的位置处封闭在底板内部的内部壁。
根据本公开的另一个示例性方面的牵引电池包尤其包括：电芯-电池包电池系统，所述电芯-电池包电池系统包括电芯矩阵；以及外壳总成，所述外壳总成包括多层结构，所述多层结构被布置成与电芯矩阵对接。多层结构包括面向外壳总成的内部区域的内壁、面向外部环境的外壁以及在内壁与外壁之间的位置处封闭在多层结构内部的内壁。内部冷却回路布置在内壁与内部壁之间，并且气隙布置在内部壁与外壁之间。
在前述牵引电池包的另一非限制性实施例中，多个壁在内壁与内部壁之间延伸以建立内部冷却回路的多个流体通道。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，至少一个支柱在内部壁与外壁之间延伸。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，气隙包括静态气穴或没有空气的真空穴。
在前述牵引电池包中的任一者的另一非限制性实施例中，多层结构建立外壳总成的外壳托盘的底板。
前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各种方面或相应各个特征中的任一者)可独立地或以任何组合采用。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非此类特征是不兼容的。
根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。可如下简要描述随附于具体实施方式的附图。
附图说明
图1示意性地示出了电动化车辆。
图2示出了图1的电动化车辆的牵引电池包。
图3示出了图2的牵引电池包的电芯-电池包电池系统。
图4是穿过图3的截面4-4的横截面视图。
图5示出了牵引电池包外壳总成的多层结构的内部冷却回路。
具体实施方式
本公开详述了包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包。电芯-电池包电池系统的电芯矩阵可以定位在牵引电池包的外壳总成内。外壳总成可以包括一个或多个多层结构。每个多层结构可以包括第一腔室和第二腔室。第一腔室提供用于对电芯矩阵进行热管理的内部冷却回路，并且第二腔室提供用于使电芯矩阵与外部环境绝缘的气隙。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论了这些和其他特征。
图1示意性地示出了电动化车辆10。电动化车辆10可以包括任何类型的电动化动力传动系统。在实施例中，电动化车辆10是电池电动车辆(BEV)。然而，本文描述的概念不限于BEV并且可扩展到其他电动化车辆，包括但不限于混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池车辆等。因此，尽管在示例性实施例中未具体示出，但是电动化车辆10可装备有内燃发动机，所述内燃发动机可以单独采用或者与其他动力源组合采用以推进电动化车辆10。
在实施例中，电动化车辆10是汽车。然而，电动化车辆10可以可替代地为皮卡车、货车、运动型多功能车(SUV)或任何其他车辆配置。尽管在本公开的附图中示出特定的部件关系，但是图示并不意图限制本公开。电动化车辆10的各种部件的布局和取向被示意性地示出，并且可在本公开的范围内变化。此外，本公开所附的各种附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被放大或最小化以强调特定部件或系统的某些细节。
在示出的实施例中，电动化车辆10是仅通过电力(诸如通过一个或多个电机12)推进的纯电动车辆，而无需内燃发动机的辅助。电机12可以充当电动马达、发电机或其两者。电机12接收电力，并且可以将电力转换成用于驱动电动化车辆10的一个或多个驱动轮14的扭矩。
电压总线16可以将电机12电联接到牵引电池包18。牵引电池包18能够输出电力以为电动化车辆10的电机12和/或其他电气负载供电。
牵引电池包18可以固定到电动化车辆10的车身底部22。然而，在本公开的范围内，牵引电池包18可以位于电动化车辆10上的其他地方。
牵引电池包18是示例性电动化车辆电池。牵引电池包18可以是包括电芯-电池包电池系统20的高压牵引电池包。与常规的牵引电池包电池系统不同，电芯-电池包电池系统20并入有电池电芯或其他能量存储装置，而没有以单独的阵列或模块布置电芯。因此，电芯-电池包电池系统20消除了将电池电芯分组为阵列/模块所必需的大部分(如果不是全部的话)阵列支撑结构(例如，阵列框架、间隔件、纵梁、壁、端板、绑定件等)。此外，与需要必须在定位在电池外壳内之后连接在一起以实现总高压电势的多个单独的电池阵列/模块的常规电池系统不同，电芯-电池包电池系统20可以用单个电池单元提供牵引电池包18的总高压总线电势。
现在参考图2和图3，牵引电池包18可以包括被布置用于容纳电芯-电池包电池系统20的外壳总成24。在实施例中，电芯-电池包电池系统20包括多个电池电芯26，所述多个电池电芯保持在由外壳总成24建立的内部区域28内。
电池电芯26可以向电动化车辆10的各种部件供应电力。电池电芯26可以相对于彼此并排堆叠以构造电芯堆30，并且电芯堆30可以成行并排定位以提供电芯矩阵32。
在实施例中，每个电芯堆30包括八个单独的电池电芯26，并且电芯矩阵32包括总共三十二个电池电芯26的四个电芯堆30。提供均匀数量的电池电芯26和均匀数量的电芯堆30可以帮助支持有效的电气总线布置。尽管在本公开的各个附图中示出了特定数量的电池电芯26和电芯堆30，但是牵引电池包18的电芯-电池包电池系统20可以包括任何数量的电池电芯26和任何数量的电芯堆30。换句话说，本公开不限于图2和图3所示的示例性配置。
在实施例中，电池电芯26是棱柱形锂离子电芯。然而，在本公开的范围内，可以可替代地利用具有其他几何形状(圆柱形、软包状等)和/或化学性质(镍-金属氢化物、铅酸等)的电池电芯。
牵引电池包18的外壳总成24可以包括外壳盖34和外壳托盘36。外壳盖34可以固定到外壳托盘36，以提供用于容纳电芯-电池包电池系统20的内部区域28。
外壳托盘36可以包括相对于彼此布置的底板38和多个侧壁40，以提供电芯压缩开口42。底板38和侧壁40可以彼此机械地联接，例如，诸如通过焊接。
底板38有时可以被称为外壳托盘36的底盖。在一些电池工况期间，热能可能通过底板38损失到牵引电池包18周围的外部环境。如下面进一步详述的，底板38因此可以被设计成包括用于使到外部环境的加热/冷却损失最小化的特征件(例如，气隙等)。
在牵引电池包18的组装期间，外壳盖34可以在基本上包围内部区域28的接口44处固定到外壳托盘36。在一些实施方式中，机械紧固件46可以用于将外壳盖34固定到外壳托盘36，但是其他紧固方法(粘附等)也可以是合适的。
电芯-电池包电池系统20的电芯矩阵32可以定位在由外壳托盘36提供的电芯压缩开口42内。示例性外壳托盘36被描绘为包括单个电芯压缩开口42，然而，应当理解，本公开扩展到提供一个或多个电芯压缩开口的结构总成。外壳盖34可以覆盖电芯压缩开口42内的电芯矩阵32，以基本上在所有侧面上围绕电池电芯26。一旦相对于外壳托盘36完全组装并定位，电芯矩阵32就可以建立能够提供牵引电池包18的总高压总线电势的单个电池单元。
当电芯矩阵32被接收在电芯压缩开口42内时，外壳托盘36可以压缩并保持电芯矩阵32。在实施例中，当电芯矩阵32定位在电芯压缩开口42内时，外壳托盘36的侧壁40向电芯矩阵32施加力。
在实施例中，为了将电芯矩阵32插入电芯压缩开口42中，可以首先压缩电芯矩阵32，然后在被压缩时将所述电芯矩阵移动到电芯压缩开口42中的适当位置。可以向电芯堆30中的一个的相对端施加压缩力FC。压缩力FC基本上挤压电芯堆30内的电池电芯26，从而将电芯堆30和单独的电池电芯26压缩到减缩厚度。当压缩力FC被施加到电芯堆30时，电芯堆30可以通过向下的力FD插入相应的电芯压缩开口42中。向下的力FD可以直接施加到电池电芯26中的一个或多个。
虽然术语“向下”在本文中用来描述向下的力FD，但是应理解，术语“向下”在本文中也用来指代倾向于将电芯堆30压入电芯压缩开口42中的所有力。特定地，术语“向下”指代基本上垂直于压缩力FC的所有力，而不管所述力是否真正是在“向下”的方向上。例如，本公开扩展到在侧向上压缩并插入电芯压缩开口中的电芯堆。
电芯堆30可以被单独压缩并插入电芯压缩开口42中。在另一个实施例中，整个电芯矩阵32被压缩并插入电芯压缩开口42中。如图3中示意性地示出，在这样的实施例中，附加的压缩力FX可以将电芯堆30压缩在一起以将电芯矩阵32插入电芯压缩开口42中。压缩力FX通常垂直于压缩力FC。压缩力FX可以与压缩力FC一起施加。然后可以施加力FD以将整个电芯矩阵32移动到电芯压缩开口42中。
在实施例中，电芯压缩开口42的整个周边由外壳托盘36的侧壁40限定。侧壁40可以围绕电芯矩阵32的整个周边向电池电芯26施加压缩力。因此，侧壁40可以用作压缩并紧密地保持电芯矩阵32的刚性环型结构。
上述配置被认为是电芯-电池包类型的电池包，其不同于常规的电池包类型，常规的电池包类型包括保持由与电池外壳的壁间隔开的阵列支撑结构封闭的电池电芯阵列的外壳，并且其中电池外壳不向任何电池电芯施加压缩力。本文所述的电芯-电池包类型的电池包还消除了通常固定到常规牵引电池包的外壳托盘以提供用于固定电池阵列和外壳盖的安装点的刚性横向构件。
电芯-电池包电池系统20还可以包括一个或多个电芯行分隔件48。在实施例中，一个电芯行分隔件48定位在电芯矩阵32的每对相邻电芯堆30之间。在其他实施例中，每个电芯堆30设置有两个电芯行分隔件48。然而，设置在电芯-电池包电池系统20内的电芯行分隔件48的总数不意图限制本公开。
现在参考图4，外壳托盘36的底板38可以被配置为包括内壁50、外壁52和内部壁54的多层结构。内壁50面向外壳总成24的内部区域28并且建立用于支撑电芯矩阵32的面向内部的底板表面56。因此，底板38可以在面向内部的底板表面56处与电芯矩阵32对接。外壁52面向位于牵引电池包18外部的外部环境58。外壁52包括暴露于外部环境58的外表面60。内部壁54可以在内壁50与外壁52之间的位置处被封闭在底板38的内部。内壁50、外壁52和内部壁54中的每一者可以是冲压金属板，其钎焊或焊接到其他板以建立底板38的封闭的整体多层结构。
内部壁54可以将底板38的内部分成第一腔室或上腔室62和第二腔室或下腔室64。上腔室62可以在内壁50与内部壁54之间延伸，并且因此与下腔室64相比，位于更靠近内部区域28处。下腔室64可以在内部壁54与外壁52之间延伸，并且因此与上腔室62相比，位于更靠近外部环境58处。
底板38的上腔室62可以被配置用于对电芯矩阵32的电池电芯26进行热管理。例如，在充电操作、放电操作、极端环境状况等期间，电池电芯26可生成并释放热量。通常期望主动从牵引电池包18中去除热量以提高电池电芯26的容量和性能。上腔室62可以被配置为将热量从电池电芯26中传导出去。换句话说，上腔室62可以充当从热源(即，电池电芯26)移除热量的散热器。上腔室62可以替代地用于加热电池电芯26，诸如在极其寒冷的环境状况期间。
在实施例中，内部冷却回路66可以设置在上腔室62内，以用于执行在前一段中描述的热传递功能。冷却剂C可以选择性地循环通过内部冷却回路66，以对电芯矩阵32的电池电芯26进行热调节。在实施例中，冷却剂C是常规类型的冷却剂混合物，诸如与乙二醇混合的水。然而，包括气体的其他冷却剂也预期在本公开的范围内。
内部冷却回路66可以包括在底板38的上腔室62内部延伸的多个流体通道68。流体通道68可以彼此连接以使冷却剂C传递通过上腔室62。每个流体通道68的大小和形状以及流体通道68的总数并不意图限制本公开，并且可以根据牵引电池包18的冷却要求进行具体调节。
在实施例中，流体通道68在底板38内部建立蜿蜒通路70(参见图5)。蜿蜒通路70在内部冷却回路66的入口72与出口74之间延伸。
壁76在上腔室62内部延伸以将内部冷却回路66的相邻流体通道68彼此分开。壁76可以连接在内壁50与内部壁54之间。在实施例中，每个壁76从端壁78A朝向相对的端壁78B延伸，但是在到达相对的端壁78A、78B之前终止。例如，壁76可以从相对的端壁78A、78B向内一定距离处终止(参见图5)。以这种方式，冷却剂C的流动不会被壁76阻挡，并且可以在其沿着蜿蜒通路70行进时从一个流体通道68转向另一个流体通道。
在使用中，冷却剂C可以传递到蜿蜒通路70的入口72中，然后可以传递通过限定蜿蜒通路70的流体通道68，再通过出口74流出。当冷却剂C沿着其路径曲折前行时，冷却剂C吸收通过内壁50的面向内部的底板表面56从电池电芯26传导的热量。尽管未示出，但是离开出口74的冷却剂C可以被输送到散热器或某个其他热交换装置，被冷却，然后在闭合回路中返回到入口72。
在实施例中，内部壁54建立内部冷却回路66的底板。因此，当冷却剂C循环通过内部冷却回路66时，内部壁54有助于引导所述冷却剂。
底板38的下腔室64可以被配置用于将电芯矩阵32的电池电芯26与外部环境58绝缘。可以在下腔室64内设置气隙80以提供绝缘特征件。气隙80可以在内部壁54与外壁52之间延伸。气隙80可以定位在底板38内部的任何位置处，所述位置在内部冷却回路66与外壁52的暴露于外部环境58的部分(例如，外表面60)之间。
通过提供绝缘特征件，气隙80适于限制能量从外部环境58到上腔室62的内部冷却回路66中的热传递。例如，气隙80(其可以是静态气穴或已经排空空气的真空穴)充当绝缘体，使得来自外部环境58的较少热量(或较小冷却效果)被引入到内部冷却回路66中。换句话说，气隙80减少了下腔室64与上腔室62之间的热路径，从而提高了热效率。
一个或多个支柱82可以在底板38内部延伸。在实施例中，支柱82可以延伸跨过气隙80并连接在内部壁54与外壁52之间。支柱82可以在结构上加强底板38的下腔室64。例如，每个支柱82可以包括泡沫和/或六角结构。
在上述实施例中，外壳托盘36的底板38提供用于对电芯矩阵32的电池电芯26进行热管理和绝缘的多层外壳结构。然而，在本公开的范围内设想了其他配置。例如，外壳托盘36的侧壁40中的一个或多个可以替代地或另外包括类似的多层结构。在其他实施方式中，类似的多层结构可以替代地或另外集成到外壳盖34中。
本公开的示例性牵引电池包包括用于向电芯-电池包电池系统的电芯矩阵提供热管理和绝缘特征件两者的多层外壳结构。因此，本文所述的牵引电池包被更好地配备以减少对外部环境的加热和冷却损失。
尽管不同的非限制性实施例被示出为具有具体的部件或步骤，但是本公开的实施例不限于这些特定组合。来自任何非限制性实施例的一些部件或特征可以与来自任何其他非限制性实施例的特征或部件组合使用。
应理解，相同的附图标记在全部若干附图中表示相应或类似的元件。应当理解，尽管在这些示例性实施例中公开和示出了特定的部件布置，但是其他布置也可受益于本公开的教导。
以上描述应当被解释为说明性的而不具有任何限制意义。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可出现一些修改。出于这些原因，应研究所附权利要求来确定本公开的真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种牵引电池包，其包括：
外壳总成，所述外壳总成包括外壳托盘；以及
电芯-电池包电池系统，所述电芯-电池包电池系统容纳在所述外壳总成内并且包括电芯矩阵，
其中所述外壳托盘的底板包括：第一腔室，所述第一腔室提供用于对所述电芯矩阵进行热管理的内部冷却回路；以及第二腔室，所述第二腔室提供用于使所述电芯矩阵与外部环境绝缘的气隙。
2.如权利要求1所述的牵引电池包，其中所述电芯矩阵包括多个电池电芯，所述多个电池电芯被布置成与所述底板的内壁的面向内部的底板表面对接。
3.如权利要求1或2所述的牵引电池包，其中所述底板连接到所述外壳托盘的多个侧壁，并且任选地，其中所述多个侧壁被布置成提供用于压缩所述电芯矩阵的电芯压缩开口。
4.如任一前述权利要求所述的牵引电池包，其中所述内部冷却回路在所述底板的内壁与内部壁之间延伸，并且任选地，其中所述内部冷却回路包括多个流体通道，所述多个流体通道通过多个壁至少部分地彼此分开，并且此外，任选地，其中所述内部冷却回路在所述第一腔室内部建立蜿蜒通路。
5.如任一前述权利要求所述的牵引电池包，其中所述第一腔室比所述第二腔室更靠近所述电芯矩阵。
6.如任一前述权利要求所述的牵引电池包，其中所述第二腔室在所述底板的内部壁与外壁之间延伸。
7.如权利要求6所述的牵引电池包，其中所述内部壁建立所述内部冷却回路的底板，并且任选地，其中所述外壁包括暴露于所述外部环境的外表面，并且此外，任选地，所述牵引电池包包括在所述底板的所述内部壁与所述外壁之间延伸的至少一个支柱。
8.如任一前述权利要求所述的牵引电池包，其中所述气隙包括在所述第二腔室内部的静态气穴。
9.如任一前述权利要求所述的牵引电池包，其中所述气隙包括在所述第二腔室内部的完全没有空气的真空穴。
10.如任一前述权利要求所述的牵引电池包，其中所述底板包括面向所述外壳总成的内部区域的内壁、面向所述外部环境的外壁以及在所述内壁与所述外壁之间的位置处封闭在所述底板内部的内部壁。
11.一种牵引电池包，其包括：
电芯-电池包电池系统，所述电芯-电池包电池系统包括电芯矩阵；
外壳总成，所述外壳总成包括多层结构，所述多层结构被布置成与所述电芯矩阵对接；
所述多层结构包括面向所述外壳总成的内部区域的内壁、面向外部环境的外壁以及在所述内壁与所述外壁之间的位置处封闭在所述多层结构内部的内部壁；
内部冷却回路，所述内部冷却回路布置在所述内壁与所述内部壁之间；以及
气隙，所述气隙布置在所述内部壁与所述外壁之间。
12.如权利要求11所述的牵引电池包，其包括多个壁，所述多个壁在所述内壁与所述内部壁之间延伸以建立所述内部冷却回路的多个流体通道。
13.如权利要求11或12所述的牵引电池包，其包括在所述内壁与所述外壁之间延伸的至少一个支柱。
14.如权利要求11至13中任一项所述的牵引电池包，其中所述气隙包括静态气穴或没有空气的真空穴。
15.如权利要求11至14中任一项所述的牵引电池包，其中所述多层结构建立所述外壳总成的外壳托盘的底板。
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