DE112010000785T5 - Bimetallische Stromschienenbrücke und assoziiertes Schweißverfahren für Batteriesysteme - Google Patents

Bimetallische Stromschienenbrücke und assoziiertes Schweißverfahren für Batteriesysteme Download PDF

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Shazad Mahmood Butt
Jonathan HOSTLER
Mujeeb Ijaz
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A123 Systems Inc
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Abstract

Ein Batteriesystem umfasst eine Vielzahl von in Sequenz angeordneten Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen ersten und zweiten Spannungspol umfasst, wobei die ersten Spannungspole der Vielzahl in einer Reihe angeordnet sind; und eine bimetallische Stromschienenbrücke, die ein erstes Segment besitzt, das mit einem zweitem Segment verbunden ist, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall und das zweite Segment aus einem zweiten Metall hergestellt ist, das sich von dem ersten Metall unterscheidet, wobei das erste Segment eine erste U-förmige Krümmung einschließt, die eine erste Rinne definiert, in die der erste Spannungspol von einer Batteriezelle aus der Vielzahl der Batteriezellen positioniert ist, wobei die Stromschiene eine Oberflächenbehandlung zur Reduzierung der Reflektivität mindestens in den Bereichen der ersten und zweiten Krümmungen aufweist, und wobei ein Laserstrahl auf die Krümmung gerichtet wird, die Stromschiene an der Krümmung aufschmilzt, und eine metallurgische Verbindung zwischen der Stromschiene und dem oberen Ende des ersten Spannungspols bildet.

Description

  • QUERVERWEISE ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht gemäß 35 U. S. C. § 119(e) Priorität von der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 61/143,976, eingereicht am 12. Januar 2009, mit dem Titel „Prismatic Battery Module With Scalable Architecture”, der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,780, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Bi-metallic Busbar Jumpers for Battery Systems”, der U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,699, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Methods Welding Battery Terminals”, deren gesamter Inhalt hierin durch Verweis Bestandteil ist.
  • Diese Anmeldung ist auch mit folgenden Anmeldungen verwandt, die zusammen hiermit eingereicht wurden, deren gesamter Inhalt hierin durch Verweis Bestandteil ist:
    U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,733, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Structure Prismatic Battery Modules with Scalable Architecture”,
    U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,713, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Safety Venting Mechanism For Batteries”,
    U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,809, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Prismatic Battery Module With Scalable Architecture”,
    U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,796, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Fuse For Battery Cells” und
    U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/628,786, eingereicht am 1. Dezember 2009, mit dem Titel „Busbar Supports and Methods of Their Use for Battery Systems”,
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Batteriemodule und skalierbare Architekturen zur Herstellung von Batteriemodulen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Ein „Batteriemodul” ist ein Unteraggregat, das typischerweise in einem „Batteriepack” installiert wird, welches ein Aggregat ist, das in einem Land-, See- oder Luftfahrzeug installiert wird. Diese Fahrzeuge haben typischerweise eine Vielfalt an elektrischen Lasten hoher Leistung, wie etwa computergesteuerte Wechselrichter, die einen Elektromotor antreiben, der zur Fahrzeugfortbewegung oder einer Form von mechanischer Betätigung verwendet wird.
  • Eine große Gruppe von Batteriemodulen kann auch von einem Stromversorgungsunternehmen verwendet werden, um dabei zu helfen, die schlimmsten Fälle von Leistungsfluktuationsepisoden eines örtlichen Stromverteilungsnetzes auszugleichen. Die Module werden in einer „Batteriestation” installiert, die ein großes festes stationäres wetterfestes klimakontrolliertes Gehäuse ist, das an einem Betonfundament fixiert ist. Die Module werden mittels Gestellen und Kupplungen montiert und elektrisch verbunden, so dass jedes Modul schnell angeschlossen oder abgekoppelt werden kann.
  • In Batteriepacks und Batteriestationen werden typischerweise andere Unteraggregate und Komponenten installiert, um vollständige gebrauchsfertige Batteriepacks an Fahrzeughersteller oder vollständige gebrauchsfertige Batteriestationen an Stromversorgungsunternehmen zu liefern. Diese Unteraggregate und Komponenten umfassen elektronische Sensormodule, elektronische Kontrollmodule, elektrische Lademodule, elektrische Schnittstellensteckverbinder, elektrische Sicherungen, elektrische Kabelstränge und Thermomanagement-Mittel.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Allgemeinen umfasst in einem ersten Aspekt eine Batteriesystem eine Vielzahl von in Sequenz angeordneten Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen ersten und zweiten Spannungspol umfasst, wobei die ersten Spannungspole der Vielzahl in einer Reihe angeordnet sind; eine bimetallische Stromschienenbrücke, die eine erstes Segment besitzt, das mit einem zweitem Segment verbunden ist, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall und das zweite Segment aus einem zweiten Metall hergestellt ist, das sich von dem ersten Metall unterscheidet, wobei das erste Segment eine erste U-förmige Krümmung einschließt, die einen ersten Kanal definiert, in den der erste Spannungspol von einer Batteriezelle aus der Vielzahl der Batteriezellen positioniert ist, und wobei das zweite Segment eine zweite U-förmige Krümmung einschließt, die einen zweiten Kanal definiert, in den der erste Spannungspol von einer anderen Batteriezelle aus der Vielzahl der Batteriezellen positioniert ist.
  • Andere Ausführungsformen umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale. Wobei die erste U-förmige Krümmung eine erste untere innere Ecke am Boden des ersten Kanals bildet und wobei der erste Pol in dem ersten Kanal metallurgisch mit dem ersten Segment an der ersten unteren inneren Ecke durch einen wieder erstarrten Metallpool verbunden ist, wobei in einigen Ausführungsformen der erste Pol mit dem ersten Segment durch eine Laserschweißnaht verbunden ist. Wobei die bimetallische Stromschiene eine Oberflächenbehandlung mindestens der Bereiche der ersten und zweiten Krümmungen umfasst, und die Behandlung dazu dient, dass das Reflexionsvermögen der metallischen Stromschiene zu reduzieren, wobei in einigen Ausführungsformen die Behandlung eine Beschichtung mit mindestens einen von Nickel oder Zinn umfasst. Wobei das erste Segment gestanzt ist und das zweite Segment extrudiert wurde, wobei in einigen Ausführungsformen das erste Segment primär aus Kupfer und das zweite Segment primär aus Aluminium hergestellt ist.
  • Wobei mindestens eines des ersten Segmente und des zweiten Segmente extrudiert ist. Wobei das erste Segment mit dem zweiten Segment durch eine Ultraschallschweißnaht verbunden ist.
  • Einige Ausführungsformen umfassen ferner eine Kabelklammer, die mit dem ersten Segment der Stromschiene verbunden ist, wobei die Kabelklammer ein Kabel beinhaltet, das mit der Kabelklammer verbunden ist. In bestimmten Ausführungsformen ist die Kabelklammer metallurgisch mit dem ersten Segment durch einen wieder erstarrten Metallpool verbunden. In einigen dieser Ausführungsformen beinhaltet die Kabelklammer einen oder mehrere Zähne, wobei die Kabelklammer gegenüber dem ersten Segment der Stromschiene mindestens zum Teil durch einen oder mehrere Zähne in Position gehalten wird, die in die Stromschiene greifen, wobei in anderen Ausführungsformen die Kabelklammer mit einer Presspassung konstruiert ist und wobei die Kabelklammer gegenüber dem ersten Segment der Stromschiene mindestens zum Teil durch die Presspassung in Position gehalten wird. In einigen Ausführungsformen besitzt die Kabelklammer ein U-förmiges Seitenprofil, während in anderen Ausführungsformen die Kabelklammer ein W-förmiges Seitenprofil besitzt.
  • Im Allgemeinen umfasst unter einem anderen Gesichtspunkt ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie folgende Schritte; Bereitstellen einer Stromschiene mit einem U-förmigen Bereich, der eine Rinne definiert und charakterisiert ist durch eine Krümmungsecke an einem Ende des U-förmigen Bereichs, wobei die Stromschiene auch eine Behandlung zu einem verringerten Reflektivität zumindest in der Nähe der Krümmungsecke aufweist; Positionieren eines einzelnen Batteriepols in der vom U-förmigen Bereich gebildeten Rinne, so dass das obere Ende des Pols unmittelbar an der Krümmungsecke ist; Richten eines Laserstrahls auf die Krümmungsecke des U-förmigen Bereichs; und mittels des Laserstrahls Schmelzen der Stromschiene an der Krümmungsecke und Bilden einer metallurgischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem oberen Ende des einzigen Pols.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist die Stromschiene an dem Batteriezellenpol durch eine Laserschweißnaht befestigt, wobei der Laserstrahl primär auf den Bereich mit verringerter Reflektivität gerichtet wird. In bestimmten Ausführungsformen wird der Laserstrahl in einem im Wesentlichen frontalen Winkel auf das Ende des Batteriezellenpols gerichtet. In bestimmten Ausführungsformen kann sich der Laserstrahl in einer Bewegungsrichtung parallel zur Rinne bewegen, wobei in manchen Ausführungsformen der Laserstrahl in einem etwas weniger als senkrechten Winkel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet sein kann.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Behandlung zur Reduzierung der Reflektivität eine Beschichtung mit einem oder mehreren von Nickel und Zinn.
  • Andere Ausführungsformen umfassen weiter die Bildung der Stromschiene durch die Verbindung eines ersten Stromschienensegments mit einem zweiten Stromschienensegment, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall gemacht ist und das zweite Segment aus einem zweiten Metall gemacht ist, das verschieden vom ersten Metall ist. In bestimmten dieser Ausführungsformen wird das erste Stromschienensegment mittels Ultraschall ans zweite Stromschienensegment geschweißt, bevor die Stromschiene am Pol befestigt wird. In einigen dieser Ausführungsformen ist das erste Segment gestanzt und das zweite Segment extrudiert. In einigen dieser Ausführungsformen ist das erste Segment primär aus Kupfer und das zweite Segment primär aus Aluminium hergestellt, und diese Ausführungsformen schließen diejenigen ein, bei denen mindestens eines von dem ersten Segment und dem zweiten Segment extrudiert ist. In weiteren dieser Ausführungsformen umfasst das Positionieren des Batteriepols in der Rinne die Schritte des Befestigens der Batteriezelle an einem Kühlkörper; das Anbringen eines Trägers für die Stromschiene an dem Kühlkörper; und das Aufbringen der Stromschiene auf dem Stromschienenträger.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle.
  • Bestimmte Ausführungsformen umfassen ferner das Sichern einer Kabelklammer an der Stromschiene, bevor die Stromschiene an dem Batteriezellpol befestigt wird. In einigen dieser Ausführungsformen werden die Kabelklammer, die Stromschiene und der Batteriezellpol gleichzeitig durch Laserschweißen zusammengefügt, und können ferner das Anbringen eines Kabels an der Kabelklammer vor dem Sichern der Kabelklammer an der Stromschiene umfassen. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Sichern einer Kabelklammer an die Stromschiene vor dem Anbringen der Stromschiene an dem Batteriezellpol. Die Ausführungsformen können ferner das Anbringen eines Kabels an der Kabelklemme vor dem Sichern der Kabelklammer an der Stromschiene umfassen, und zusätzlich kann das Kabel an der Kabelklammer mittels Ultraschallschweißens angebracht werden.
  • Zusätzliche Ausführungsformen sind solche, bei denen das Positionieren des Batteriepols in der Rinne die Schritte Anbringen der Batteriezelle an einem Kühlkörper; Anbringen eines Trägers für die Stromschiene, und Aufbringen der Stromschiene auf dem Träger für die Stromschiene umfasst.
  • Im Allgemeinen umfasst in einem Aspekt eine Batterie: eine Batteriezelle mit einem Spannungspol; eine Stromschiene mit einem U-förmigen Bereich, der eine Rinne definiert und charakterisiert ist durch eine Krümmungsecke an einem Ende des U-förmigen Bereichs, wobei die Stromschiene auch eine Behandlung zu einer verringerten Reflektivität zumindest in der Nähe der Krümmungsecke aufweist; wobei der Spannungspol in die Rinne reicht, die durch den U-förmigen Bereich gebildet wird, und ein oberes Ende besitzt, das in unmittelbarer Nähe der Krümmungsecke ist; und eine metallurgische Verbindung, die zwischen dem oberen Ende des Pols und der Stromschiene innerhalb der Rinne bei der Krümmungsecke gebildet wird. Die Batterie besitzt zahlreiche Ausführungsformen, wobei jede der Folgenden umfasst ist.
  • In bestimmten Ausführungsformen wird die metallurgische Verbindung durch eine Laserschweißnaht gebildet, wobei der Laserstrahl primär. auf den Bereich mit verringerter Reflektivität gerichtet wird. In bestimmten dieser Ausführungsformen wird der Laserstrahl in einem im Wesentlichen frontalen Winkel auf das Ende des Batteriezellenpols gerichtet. In einigen dieser Ausführungsformen wird die metallurgische Verbindung durch einen Laserstrahl gebildet, der sich in einer Bewegungsrichtung parallel zur Rinne bewegen, wobei in manchen Ausführungsformen der Laserstrahl in einem etwas weniger als senkrechten Winkel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet sein kann.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Behandlung zur Reduzierung der Reflektivität eine Beschichtung mit einem oder mehreren von Nickel und Zinn.
  • In weiteren Ausführungsformen umfasst die Stromschiene ein erstes Stromschienensegment, das mit einem zweiten Stromschienensegment verbunden ist, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall gemacht ist und das zweite Segment aus einem zweiten Metall gemacht ist, das verschieden vom ersten Metall ist. In bestimmten dieser Ausführungsformen wird das erste Stromschienensegment mittels Ultraschall ans zweite Stromschienensegment geschweißt. In einigen dieser Ausführungsformen ist das erste Segment gestanzt und das zweite Segment extrudiert. In einigen dieser Ausführungsformen sind das erste Segment primär aus Kupfer und das zweite Segment primär aus Aluminium hergestellt, und diese Ausführungsformen schließen diejenigen ein, bei mindestens eines von dem ersten Segment und dem zweiten Segment extrudiert ist. Weitere dieser Ausführungsformen umfassen einen Träger für die Stromschiene, der an dem Kühlkörper angebracht ist, wobei die Stromschiene auf dem Stromschienenträger aufgebracht ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle.
  • Bestimmte Ausführungsformen umfassen ferner eine Kabelklammer, die an der Schiene befestigt wird. In einigen dieser Ausführungsformen werden die Kabelklammer, die Stromschiene und der Batteriezellpol an der gleichen metallurgischen Verbindung zusammengefügt, und einige Ausführungsformen können ferner ein Kabel umfassen, das an eine Kabelklammer angebracht ist. In einigen Ausführungsformen kann das Kabel an der Kabelklammer mittels Ultraschallschweißen angebracht werden.
  • Die Einzelheiten von einer oder mehr Ausführungsformen der Erfindung werden in den beigefügten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen erkennbar sein und aus den Ansprüchen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Für ein umfassenderes Verständnis der Beschaffenheit und Ziele der vorliegenden Erfindung sollte die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen werden, in denen dieselben Referenznummern verwendet werden, um das gleiche oder ähnliche Teile zu kennzeichnen, wobei:
  • 1 ein Batteriemodul zeigt.
  • 2 ein Batteriemodul mit entfernten Stromschienenabdeckungen und Stromschienen und offengelegten Unteraggregaten zeigt.
  • 3 eine prismatische Batteriezelle zeigt.
  • 4 eine Reißverschlusssicherung einer prismatischen Batteriezelle zeigt.
  • 5 eine detailliertere Ansicht eines Zell-Unteraggregats zeigt.
  • 6 eine andere Ansicht eines Zell-Unteraggregats zeigt.
  • 7 einen alternativen Kühlkörper und Zell-Unteraggregat zeigt.
  • 8 einen anderen alternativen Kühlkörper und Zell-Unteraggregat zeigt.
  • 9 einen Kühlkörper mit befestigten Druckentlastungszähnen zeigt.
  • 10 eine Ansicht einer Batteriemodul-Druckplatte zeigt.
  • 11 einen Bereich einer Bandkomponente eines Batteriemoduls zeigt.
  • 12 mehrere Stromschienenträger zeigt, befestigt an Zell-Unteraggregaten in einem Batteriemodul, einschließlich eines Zell-Unteraggregats mit reduzierter Höhe.
  • 13A einen an einem Kühlkörper befestigten Stromschienenträger zeigt.
  • 13B einen alternativen Stromschienenträger zur Unterstützung einer Batteriezelle zeigt.
  • 14 mehrere an Zell-Unteraggregaten befestigte Stromschienenträger in einem Batteriemodul zeigt, wobei jeder zumindest einen Teil eines Stromschienenjumpers festhält.
  • 15 ein Seitenprofil eines Stromschienenjumpers zeigt.
  • 16 einen Stromschienenpol im Verhältnis zu einer Druckplatte und Zell-Unteraggregaten zeigt.
  • 17 einen an einer Druckplatte und einer Stromschienenbrücke befestigten Stromschienenpol zeigt.
  • 18 einen Stromschienenpol mit zwei Variationen von Klammern zur Befestigung von Verdrahtung zeigt.
  • 19 eine Seitenansicht einer Verdrahtungsbefestigungsklammer zeigt.
  • 20 eine Unterstützungsklammer zur Befestigung eines Thermistors zeigt.
  • 21 eine geschnittene Ansicht einer Stromschienenhülle zeigt.
  • 22 eine Familie von Batteriemodulen zeigt, die skalierbare Architektur umfassen.
  • 23 Druckentlastungszähne zeigt.
  • 24 mehrere Anordnungen von Stromschienenkomponenten zeigt, die verwendet werden können, um verschiedene Konfigurationen von Batteriemodulen zu erreichen.
  • 25 Ansichten einer Konfiguration eines Schweißlasers in Bezug auf eine Stromschienenkomponente zeigt.
  • 26 Vorher- und Nachher-Ansichten der Befestigung einer Stromschienenkomponente an einen Batteriezellpol zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Batteriemodul besteht aus einem Aggregat von Zell-Unteraggregaten, jede enthaltend eine prismatische Batteriezelle, wobei die Zellen mit den anderen Zellen im Modul elektrisch verbunden sind, um das Batteriemodul zu bilden. Der Ausdruck „prismatisch” bezieht sich auf die Form der Batteriezelle, die hierin beschrieben wird, und differenziert dieses Modul von anderen Modulen mit zylindrischen Batteriezellen.
  • 1 zeigt ein Batteriemodul 10 mit einem Minuspol 20 und einem Pluspol 21. Das Batteriemodul 10 enthält ein oder mehr Zell-Unteraggregate 30. Wie unten in mehr Einzelheiten beschrieben, sind die Zell-Unteraggregate ein grundlegender Baustein, aus dem Batteriemodule von willkürlicher Größenordnung konstruiert werden können. Die Zell-Unteraggregate enthalten prismatische Batteriezellen (nicht gezeigt), von welchen jede einen Teil der elektrischen Leistung und Speicherkapazität der Batterie bereitstellt. Die Zell-Unteraggregate 30 werden durch Druckplatten 50 und Bänder 51 zusammengehalten. Druckplatten 50 dienen als ein Montiermechanismus für das Batteriemodul, und enthalten ein oder mehr Montierdurchlässe 52, um es dem Modul zu erlauben, Geräte (nicht gezeigt) zu empfangen, um das Batteriemodul 10 beispielsweise in einem Batteriepackgehäuse oder auf dem Gestell einer Batteriestation in verschiedenen Montierungsorientierungen zu montieren. Die individuellen Batteriezellen sind durch Stromschienen (unten beschrieben), welche die Zellen miteinander und mit den Polen der Batterie verbinden und die alle auf einer Seite des Batteriemoduls sind, parallel und/oder in Reihe elektrisch miteinander verbunden. Die Seite von Batteriemodul 10 ist mit einer oder mehr Stromschienenhüllen 40 bedeckt.
  • 2 zeigt ein Batteriemodul 10 mit entfernten Stromschienen und Stromschienenhüllen, um eine Ansicht des Inneren von Zell-Unteraggregaten 30 zu enthüllen. jedes Unteraggregat enthält ein oder zwei prismatische Batteriezellen 300, jede Zelle mit einem Pluspol 301 und einem Minuspol 302. Pole 301 und 302 sind über Stromschienenjumper (nicht gezeigt) in Reihe und/oder parallel elektrisch verbunden. Stromschienenpole (auch nicht gezeigt) verbinden manche der Batteriepole mit entweder dem Minuspol 20 oder dem Pluspol 21 des Batteriemoduls.
  • Das hierin beschriebene prismatische Batteriemodul hat eine Gruppe identischer Zellen. Die Menge an Zellen pro Modul und die elektrische Verbindungskonfiguration (Parallelzählung gegen Reihenzählung) des Moduls definiert die elektrischen Charakteristika und Leistungswerte des Moduls. Beispielsweise hat ein Modul mit „23S3P”-Konfiguration neunundsechzig (69) Zellen, dreiundzwanzig (23) Untergruppen, die elektrisch in Reihe verbunden sind, und drei (3) Zellen in jeder Untergruppe, die elektrisch parallel verbunden sind. Abhängig von der Konfiguration können Batteriemodule entweder eine gerade oder eine ungerade Zahl an Batteriezellen enthalten.
  • PRISMATISCHE BATTERIEZELLE
  • 3 zeigt eine prismatische Batteriezelle 300. Eine prismatische Zelle hat zwei große flache Oberflächen, Deckfläche 306 und Bodenfläche 307 (nicht sichtbar), die im Grunde parallel zueinander sind und die zur mechanischen Befestigung und zum Thermomanagement innerhalb des Moduls verwendet werden. Das Gehäuse der Zelle kann als „Beutel” bezeichnet werden, da es ein nichtstarres biegsames Blech ist, dass gefaltet und gebunden wird, um ein kostengünstiges und gegen die Umwelt versiegeltes Gehäuse zu schaffen. Das Material des Beutels ist eine dünne Aluminiumfolie mit einer an beiden Oberflächen angebrachten Polymerbeschichtung. Der Beutel wird am Bodenrand gefaltet, was Versiegelungsgrenze 303 erzeugt. Der polymerbeschichtete Beutel wird an den zwei Seiten zu einem thermisch verfestigten Flansch ausgeformt, was zwei weitere Versiegelungsgrenzen 304 und 305 erzeugt. Diese Anordnung verringert das physische Volumen des Moduls ohne eine Abnahme der Nettoleistung. Die Größe des Seitenflansches wird so ausgewählt, dass langfristige Robustheit sichergestellt wird. Die Seitenflansche der Zelle werden so gefaltet, dass eine kompakte Breite erzeugt wird.
  • Die zwei flachen elektrischen Pole der Zelle, Pluspol 301 und Minuspol 302, ragen von einem der Ränder des Beutels auf und die Pole sind gegen die Umwelt versiegelt mittels elektrisch isolierenden polymerischen Umfangsversiegelungen. Der verbleibende Bereich des Polrandes des Beutels ist thermisch verfestigt, um eine vierte gegen die Umwelt versiegelte Grenze zu erzeugen, die die Umfangsversiegelung der Zelle vervollständigt. Die Pole sind in Bezug auf die Mittelachse 315 symmetrisch angeordnet, und vorzugsweise sind die Pole in der Mittelebene der Batteriezelle. Entsprechend kann Batteriezelle 300 um 180 Grad um Mittelachse 315 „gekippt” werden mit dem Ergebnis, dass jeder Pol in derselben Position ist, die der entgegengesetzte Pol vor dem „Kippen” der Zelle innehatte (in Bezug zur Betrachtung der Zelle entlang Achse 315 mit Blick auf den Rand, der die Zellpole enthält). Diese Symmetrie erlaubt es einem, eine Reihe von Zellen aufzustapeln ohne Rücksicht darauf, ob der Minuspol auf der linken oder rechten Seite (wie entlang der Mittelachse 315 gesehen) ist, und in jeder Orientierung sind die resultierenden Reihen von Polen jede in einer geraden Reihe ausgerichtet und können so leicht miteinander verbunden werden. Insbesondere können Batteriemodule mit verschiedenen Kombinationen von Serien- und Parallelverbindungen gebaut werden mittels (1) selektiver Ausrichtung der Batteriezellen, so dass die Pole auf derselben linken/rechten Seite von benachbarten Batteriezellen entweder dieselbe oder entgegengesetzte Polarität haben; und (2) elektrischer Verbindung von Gruppen dieser benachbarten Pole unter Verwendung von Stromschienenkomponenten (unten beschrieben), wobei Verbindungen zwischen Polen entgegengesetzter Polarität Reihenkonfigurationen bilden und Verbindungen zwischen Polen gleicher Polarität Parallelkonfigurationen bilden. Das Material des Minuspols ist Kupfer und das Material des Pluspols ist Aluminium, um die Chemie und den inneren Aufbau der Zelle zu ergänzen. Die Pollänge ist klein verglichen mit anderen kommerziell erhältlichen Konstruktionen. Die Möglichkeit, kompakte Pole zu verwenden, ist in dem Unterabschnitt mit dem Titel „Stromschienenkomponenten” erklärt. Zum Zwecke der Erklärung sind zu der Zelle von 3 ergänzende Minus- und Plus-Symbole hinzugefügt worden.
  • Der nichtstarre biegsame Beutel der Batteriezelle wird sich physisch ausdehnen, wenn sich ein schlimmstmöglicher elektrischer Überlastvorfall ereignet. Druckentlastung (auch als Ausgasung bekannt) während eines elektrischen Überlastvorfalls kann durch die Verwendung eines von außen an der Zelle montierten „Zahns” ermöglicht werden, entweder als Alternative zu oder in Verbindung mit Druckentlastungsventilmerkmal 309. Der Zahn durchbohrt die Zelle in einer kontrollierten Weise, sollte sich die Zelle bis zum Kontakt mit ihm ausdehnen. Dieser Zahn ist unten weiter beschrieben.
  • 4 zeigt Reißverschlusssicherung 308, integriert in einen elektrischen Pol 302 von Batteriezelle 300. Reißverschlusssicherung 308 umfasst zwei Reihen, jede Reihe bestehend aus einem schlitzförmigen Loch 310 an einem Ende der Reihe und kreisförmigen Löchern 311 zwischen dem schlitzförmigen Loch 310 und dem anderen Ende der Reihe. Diese Sicherung wird als eine „Reißverschlusssicherung” bezeichnet, weil wie ein Reißverschluss aussieht. Die Reißverschlusssicherung ist in den Minuspol der Zelle integriert. Die Geometrie, Anzahl und Position der Reißverschlusssicherung-Schlitzlöcher 310 und kreisförmigen Löcher 311 werden so gewählt, dass die Sicherung innerhalb einer festgelegten Zeitspanne auslöst, die einen kaskadenartigen Versagensmodus mit den benachbarten oder womöglich allen Zellen des Moduls verhindert. Insbesondere helfen die Sicherungsschlitzlöcher ein konsistentes Muster der Sicherungsaktivierung zu gewährleisten, indem sie Strom-„Hotspots” nahe des Bereichs um die Löcher konzentrieren, um den Beginn der Sicherungsauslösung in jenen Gebieten zu fördern. Die Verwendung von kreisförmigen Löchern zusätzlich zu den Schlitzen hilft unter anderem die strukturelle Integrität des Pols vor der Sicherungsauslösung aufrechtzuerhalten. Die Anordnung der zwei parallelen Reihen von Schlitzlöchern und kreisförmigen Löchern erzeugt einen Bereich 312 zwischen den Reihen, der vom Rest des Pols thermisch teilweise isoliert ist, was die während der Sicherungsauslösung entstandene Hitze konzentriert und hilft, die Auslösung vollständiger und konsistenter zu machen.
  • BATTERIE-UNTERAGGREGAT
  • 5 zeigt eine Gruppe von Zell-Unteraggregaten, einschließlich Unteraggregate 30a und 30b. Unteraggregat 30a umfasst Kühlkörper 400a mit zwei großen, flachen Oberflächen, sowie eine Batteriezelle 300a, die auch zwei große, flache Oberflächen hat. Batteriezelle 300a ist benachbart zu Kühlkörper 400a montiert, so dass die zweite große, flache Oberfläche von Batteriezelle 300a an die erste große, flache Oberfläche von Kühlkörper 400a angrenzt. Unteraggregat 30a umfasst auch nachgiebiges Kissen 40ia mit zwei großen, flachen Oberflächen und eine zweite Batteriezelle 310a mit zwei großen, flachen Oberflächen. Nachgiebiges Kissen 401a ist benachbart zu Batteriezelle 300a montiert, so dass die erste große, flache Oberfläche von Batteriezelle 300a an die zweite große, flache Oberfläche von nachgiebigem Kissen 401a angrenzt. Nachgiebiges Kissen 401a ist auch benachbart zu Batteriezelle 310a montiert, so dass die erste große, flache Oberfläche von nachgiebigem Kissen 401a an die zweite große, flache Oberfläche von zweiter Batteriezelle 310a angrenzt. Diese Anordnung bildet eine sich wiederholende „Kassettenkonfiguration” einer Batteriezelle, eines Kühlkörpers, einer anderen Batteriezelle und eines nachgiebigen Kissens, gefolgt von einer anderen Gruppierung einer Batteriezelle, eines Kühlkörpers, einer anderen Batteriezelle und eines nachgiebigen Kissens, und so weiter. Nachgiebiges Kissen 401a hilft, den Druck zwischen den Unteraggregaten zu verteilen, wenn sie zwischen den Druckplatten zusammengeschlossen sind, sowie erlaubt Ausdehnung/Kontraktion von Zellen während der Verwendung. Ähnlich ist Unteraggregat 30b benachbart zu Unteraggregat 30a montiert. Unteraggregat 30b umfasst Kühlkörper 400b mit zwei großen, flachen Oberflächen, sowie eine Batteriezelle 300b, die auch zwei große, flache Oberflächen hat. Kühlkörper 400b ist benachbart zu Batteriezelle 310a montiert, so dass die erste große, flache Oberfläche von Batteriezelle 310a an die zweite große, flache Oberfläche von Kühlkörper 400b angrenzt. Batteriezelle 300b ist benachbart zu Kühlkörper 400b montiert, so dass die zweite große, flache Oberfläche von Batteriezelle 300b an die erste große, flache Oberfläche von Kühlkörper 400b angrenzt. Unteraggregat 30b umfasst auch nachgiebiges Kissen 401b mit zwei großen, flachen Oberflächen und eine zweite Batteriezelle 310b mit zwei großen, flachen Oberflächen. Nachgiebiges Kissen 401b ist benachbart zu Batteriezelle 300b montiert, so dass die erste große, flache Oberfläche von Batteriezelle 300b an die zweite große, flache Oberfläche von nachgiebigem Kissen 401b angrenzt.
  • Wie sowohl in 5 als auch in 2 gezeigt, werden alle Kühlkörper während des Montageverfahrens des Moduls mittels eines dispensierten, nach der Montage aushärtenden Klebstoffs an die benachbarten Zellen gebunden, welcher auch verwendet wird, um die nachgiebigen Kissen an die benachbarten Zellen zu binden. Die Gruppe von Zellen, Kissen und Kühlkörpern erzeugt das Hauptstapelunteraggregat für jedes Modul, was eine skalierbare Architektur fördert. In anderen Worten kann man die Größe des Moduls leicht durch einfaches Hinzufügen oder Wegnehmen von identischen Unteraggregaten ändern. Die Unteraggregate können oder können nicht als solche vorher montiert sein und dann später als Untereinheiten im Hauptstapel des Batteriemoduls zusammenmontiert werden. Die Montage des Hauptstapels kann als ein Ein-Schritt-Verfahren verwirklicht werden, wobei alle Batteriezellen, Kühlkörper und nachgiebigen Kissen in einem Verfahren zusammenmontiert werden. Das Konzept eines „Unteraggregats” wird als eine geeignete Bezeichnung für eine logische Gruppe von Komponenten verwendet, wenn die Gesamtstruktur des Batteriemoduls beschrieben wird.
  • Auch wie in 5 gezeigt werden alle Batteriezellen (z. B. 300a, 310a, 300b und 310b) auf entsprechenden Kühlkörpern (z. B. 400a und 400b) mit ihren Pluspolen nach links oder rechts orientiert montiert, wie vom Ende her zu den Polen hin betrachtet. Beispielsweise sind in 5 Batteriezellen 300a, 310a und 300b alle mit ihren Minuspolen nach rechts von der Perspektive von 5 aus orientiert, während Batteriezelle 310b mit ihrem Pluspol nach rechts montiert ist. Andere Ausrichtungen von Gruppen von Batteriezellen (z. B. Kippen von Batteriezelle 310b um 180 Grad, so dass ihre Plus- und Minuspole die Position wechseln) erlauben verschiedene Kombinationen von Reihen- oder Parallelverbindungen zwischen den Polen, abhängig davon welche Gruppen von benachbarten Polen über die unten beschriebenen Stromschienenjumper und Pole elektrisch verbunden sind.
  • 6 zeigt eine Ansicht eines Zell-Unteraggregats 30, aus denen Batteriemodul 10 gebaut ist. 6 zeigt einen Kühlkörper 400 verbunden mit einer Batteriezelle 300, welche wiederum mit einem nachgiebigen Kissen 401 verbunden ist. 6 zeigt nicht die benachbarte Zelle, die mit nachgiebigem Kissen 401 verbunden wäre, wie oben und in 5 beschrieben. Immer noch in Bezug auf 6 kontaktiert der metallische Kühlkörper 400 zwei Zeilen 300 und 310, wenn Unteraggregat 30 neben ein anderes Unteraggregat gestapelt wird. Jede Zelle kontaktiert den Kühlkörper über eine der beiden flachen Oberflächen der Zelle, um das Thermomanagement durch Wärmeübertragung über Leitung oder erzwungene Konvektion zu erleichtern. Das führt dazu, dass nur etwa die halbe Anzahl Kühlkörper pro Modul erforderlich sind verglichen mit der Verwendung eines Kühlkörpers für jede Zelle. Der Vorteil ist ein kompaktes Modul, das ein verbessertes Verhältnis von Leistungsabgabe zu physischen Volumen hat verglichen mit kommerziell erhältlichen Modulen, von denen manche größere und aufwändigere Kühlkörper haben.
  • Der Kühlkörper ist aus einem Aluminiumblech gefertigt, das unter Verwendung von Standard-Werkzeugpraktiken gestanzt und geformt wird. Der Kühlkörper hat eine elektrisch isolierende Beschichtung um zu gewährleisten, dass ein schlimmstmöglicher elektrischer Überlastvorfall keinen elektrischen Kurzschlusspfad zu irgendeinem oder allen der Kühlkörper ermöglicht. Die Beschichtungsdicke wird vorzugsweise so gewählt, dass sie die Wärmeübertragung nicht wesentlich behindert. Schutzbeschichtungen und Auftragungsverfahren können ausgewählt werden, um zugleich Schutz vor elektrischen Kurzschlüssen während eines schlimmstmöglichen elektrischen Überlastvorfalls zu gewähren, wirksame Wärmeübertragung zu ermöglichen und Kosten zu reduzieren.
  • Eine andere Funktion des Kühlkörpers ist der Schutz der Zellen vor fremden Objekten während eines schweren Fahrzeugzusammenstoßes. Wie vorher diskutiert fügen sich die geformten Flügel 403 des Kühlkörpers ins Profil eines benachbarten Kühlkörpers ein und gewähren ein zufriedenstellendes Niveau an Zellenschutz im Hinblick auf Komplexität, Kosten und das physische Volumen des Moduls. Diese Flügel entstehen durch das Falten von drei Rändern des Kühlkörpers in einem ungefähr rechten Winkel zu den großen flachen Oberflächen des Kühlkörpers.
  • In Bezug auf 5 wird eine Einkerbung (404a, 404b) vom Kühlkörper gebildet unter Verwendung von zusätzlichen Krümmungen nahe des Gebiets des Flügels, das die großen flachen Oberflächen des Kühlkörpers trifft, um einen Bereich der Flügel eines benachbarten Kühlkörpers aufzunehmen. Beispielsweise wird Einkerbung 404b gebildet, um einen Teil von Flügel 403a aufzunehmen. Das macht es einfacher, die Kühlkörper mit ihren inneren Komponenten aufeinander zu stapeln. Das Gehäuse des Batteriepacks kann die Hauptschutzbarriere während eines Zusammenstoßes sein, so dass die Kühlkörper eine weitere Barriere sind, um die Sicherheitsfähigkeiten des Batteriemoduls zu verbessern.
  • Ein zweiter Typ von Kühlkörper mit kurz geformten Flügeln, die nur eine Batteriezelle umhüllen (im Gegensatz zu Kühlkörpern „voller Höhe”, die zwei Zellen umhüllen) wird verwendet, wenn das Modul eine ungerade Zellenzahl hat, wobei der zweite Typ Kühlkörper sich an einem Ende des Stapels von Unteraggregaten befindet. In diesen Konfigurationen mit ungerader Zellenzahl ist keine Batteriezelle am Boden des untersten Kühlkörpers befestigt, wie in 5 gezeigt.
  • 7 zeigt diesen zweiten Typ Kühlkörper 420, der sich in ein benachbartes Zell-Unteraggregat 421 einfügt. Kühlkörper 420 ist mit Batteriezelle 320 auf dieselbe Weise verbunden, wie die Kühlkörper voller Höhe an den benachbarten Zellen befestigt sind. 7 zeigt auch die Verwendung von zwei nachgiebigen Kissen, 422a und 422b, welche an beiden Enden des Hauptstapels eines Moduls verwendet werden, um die Klemmkraft, die dem Stapel von den Druckplatten vermittelt wird, zu verteilen und auszugleichen. Dieser zweite Typ Kühlkörper wird auch verwendet, wenn das Modul eine gerade Zellenzahl hat, aber Module mit gerader Zellenzahl verwenden auch einen dritten Typ Kühlkörper.
  • Ein dritter Typ Kühlkörper mit zu mittlerer Höhe geformten Flügeln, die nur eine Batteriezelle umhüllen, können auch verwendet werden, wenn das Modul eine gerade Zellenzahl hat, wo der dritte Typ Kühlkörper sich am einen Ende des Stapels von Unteraggregaten gegenüber dem Ende mit dem zweiten Typ Kühlkörper befindet. In diesen Konfigurationen mit gerader Zellenzahl fügt sich dieser dritte Typ Kühlkörper benachbart zu einem Kühlkörper ein, der ansonsten eine exponierte Batteriezelle hätte. Beispielsweise, mit Bezug auf 8, ruht dieser dritte Typ Kühlkörper 430 unter dem untersten Kühlkörper 429, um eine einzelne Batteriezelle 321 schützen zu helfen, die sich zwischen Kühlkörpern 429 und 430 befindet. Zwei nachgiebige Kissen (nicht gezeigt) sind benachbart zueinander montiert, und eine Seite von einem der nachgiebigen Kissen ist benachbart zu Kühlkörper 430 am Ende des Hauptstapels des Moduls von Unteraggregaten montiert.
  • Während diese zusätzlichen Typen von Kühlkörpern die Freisetzung und Produktion zusätzlicher Komponenten im Herstellungsprozess verursachen, respektieren sie vollumfänglich das Prinzip, dass ein Kühlkörper jede Zelle über eine der zwei großen flachen Oberflächen der Zelle kontaktiere und dass jede Zelle vor fremden Objekten während eines schweren Zusammenstoßes geschützt sei.
  • 9 zeigt einen Kühlkörper 400 mit Druckablasszähnen 410 und 411, die durch Löcher am Kühlkörper montiert sind. Ein Zahn 410 ist so ausgerichtet, dass sein spitzes Ende einer der befestigten Batteriezellen des Kühlkörpers zeigt, und wenn eine zweite Zelle an den Kühlkörper angefügt wird, ist der andere Zahn 411 zu jener Zelle gerichtet. Ein zusätzliches Paar Zähne kann anderswo auf dem Kühlkörper 400 oder auf dem mit dem Kühlkörper verbundenen Stromschienenträger angebracht sein. Das Material des Zahns ist geformter Kunststoff und es ist an ein einfaches Loch im gestanzten Aluminiumkühlkörper entweder hitzeverkerbt oder ultraschallgeschweißt. Falls sich ein elektrischer Überlastvorfall ereignet, dehnt sich der nichtstarre biegsame Beutel der Zelle auf Grund von schneller interner Gasbildung physisch aus. Während er sich ausdehnt, drückt die Kraft des inneren Drucks den Beutel gegen den Zahn, wobei die Zelle durchlöchert und eine kontrollierte Entlastung des inneren Drucks gewährt wird. Die Batteriezelle hat eine Öffnung, die einen spezifischen Bereich definieren hilft, in dem sich der Beutel ausdehnen kann, und innerhalb dessen sich die scharfe Spitze oder Kante des Zahns zumindest teilweise befindet, um den Beutel zu durchlöchern, wenn er sich ausdehnt. Obwohl sich die Batteriezelle entlang mehrerer Ausdehnungspfade ausdehnen kann, hilft die Öffnung, die Ausdehnung entlang mindestens eines solchen Pfades zu definieren und zu fördern. Die Ausdehnung des Beutels kann auch teilweise kontrolliert werden, indem ein Bereich des Beutels mit erhöhter Dehnbarkeit im Verhältnis zum Rest der Batteriezelle erzeugt wird. In manchen Ausführungsformen kann die Öffnung einen Bereich von erhöhter Dehnbarkeit offenlegen. In jedem dieser Ausführungsformen befindet sich die scharfe Spitze des Zahns entlang mindestens eines der Ausdehnungspfade des Beutels.
  • 23 zeigt zwei zusätzliche alternative Ausführungsformen von Druckablasszähnen. Zahn 450 umfasst eine Spitze 451 und zwei Kanäle 452. Zahn 455 umfasst zwei Spitzen 456 und zwei Kanäle 457, die sich vom Bereich der Spitze weg erstrecken. Die Struktur von Zahn 455 (zusammen mit anderen Ausführungsformen, die eine scharfe Kante statt einer Spitze verwenden) kann helfen, die Bildung eines „Schlitzes” oder Risses im Beutel zu fördern, um die Gasentweichung zu fördern. In jedem dieser Typen Zähne helfen die Kanäle, einen Weg für die Gase bereitzustellen, um aus der Batteriezelle zu entweichen, und zu gewährleisten, dass der Beutel sich nicht unbeabsichtigt gegen den Zahn hin wiederversiegelt (trotz des Loches). Andere Ausrichtungen und Kombinationen von scharfen Spitzen und Kanälen können auch verwendet werden, wie auch andere Kombinationen von scharfen Kanten und/oder Kanälen.
  • Der Zahn wird aus einem nichtleitenden Material hergestellt, um einen Kurzen zwischen dem Inneren der Batteriezelle und dem Kühlkörper vermeiden zu helfen.
  • Wie in 5 und 6 angedeutet, kontaktiert ein nachgiebiges Kissen jede Zelle über eine der zwei großen flachen Oberflächen der Zelle, um die folgenden Funktionen zu gewähren: (a) Bereitstellen gleichförmiger Druckverteilung für das Leben und die Leistung der Zelle, (b) Bereitstellen konstanten Druckes auf der aktiven Fläche der Zelle über die gesamte Lebensdauer der Zelle, (c) Kompensation der Dickenänderungen der Zelle auf Grund der inhärenten Beschaffenheit während Ladungs- und Entladungszyklen und (d) Kompensation der Längenänderungen des Moduls auf Grund der thermischen Ausdehnung und Kontraktion der Zelle und anderer Modulkomponenten wie etwa der Kühlkörper, Druckplatten und Klemmbänder.
  • DRUCKPLATTENKOMPONENTE
  • 10 zeigt eine Druckplatte 50. Druckplatte 50 ist eine starre Struktur überträgt auf den Hauptstapel von Zellen, nachgiebigen Kissen und Kühlkörpern des Moduls eine statische Klemmkraft. Die Struktur gewährt auch Mittel, mit denen das Modul innerhalb des Gehäuses eines Batteriepacks befestigt werden kann. Diese Komponente kann als eine „Druckplatte” bezeichnet werden, um die Primärfunktion zu betonen. Das Material der Platte ist ein geformtes Kunststoffpolymer mit definierten Temperatureinwirkungs- und Flammbarkeitswerten. Die Platte hat eine prominente flache Oberfläche, um ein Ende des Hauptstapels des Moduls zu kontaktieren, welcher zwei nachgiebige Kissen an beiden Enden hat, um die Klemmkraft verteilen und ausgleichen zu helfen.
  • Die Seite von Druckplatte 50, die von den Unteraggregaten weg gerichtet ist, hat eine Matrix von Verstärkungsrippen 520, um ihre strukturelle Steifigkeit zu erhöhen und die Konstruktionspraxis für geformte Teile zu ergänzen, eine gleichförmige Wanddicke anzupeilen. Die Matrix hat ein nichteinheitliches Muster, weil die Rippen auch Taschen bilden, die große elektronische Bauteile aufnehmen, die ans aktive Kontrollleiterplatten-(PCB)-Unteraggregat (nicht gezeigt) des Moduls gelötet werden. Das PCB-Unteraggregat umfasst eine Leiterplatte und Bauteile, wo die Mehrzahl der Bauteile auf einer Seite der Platten ist. Das PCB-Unteraggregat wird mit der Bauteilseite nach unten auf Druckplatte 50 montiert. Das Einfügen der elektronischen Bauteile spart wertvollen Platz und trägt zu einer kompakten Modullänge an der Platte bei, was hilft ein hervorragendes Verhältnis von Leistungsabgabe zu physischem Volumen zu erreichen. Die Taschen der Platte sind auch wertvoll, weil sie als Behälter für vibrationsdämpfende Elemente (nicht gezeigt) verwendet werden können, um die oberen Oberflächen der großen elektronischen Bauteile zu greifen, die ans aktive PCB-Unteraggregat des Moduls gelötet sind. Die Elemente verhindern übermäßige Belastung und Ermüdung an den Lötstellen auf dem PCB. Das bevorzugte vibrationsdämpfende Element ist ein gestanzter Block mit einem elastomerischen geschlossenzelligen nichthygroskopischen Polyurethanschaummaterial und druckempfindlichem Klebematerial auf einer Seite, welche beide definierte Temperatureinwirkungs- und Flammbarkeitswerte haben.
  • Das PCB-Aggregat kann entweder passiv oder aktiv sein. Passive PCB-Aggregate können für kleinere Batteriemodule ausreichend sein, während größere Module ein oder zwei aktive PCB-Aggregate verwenden, wobei je ein Aggregat auf jeder der Druckplatten an jedem Ende des Moduls montiert ist. Das aktive PCB-Kontrollunteraggregat hat drei rechtwinklige elektrische PCB-Verbindungssteckerleisten, die durch Löcher im PCB selektiv an Platten von Industriestandard gelötet sind. Alle anderen elektronischen Bauteile sind SMT-(Oberflächenmontagetechnologie)-Vorrichtungen, die an beiden Seiten des PCB an Blöcke von Industriestandard Reflow-gelötet sind. Vorkehrungen werden getroffen, um eine richtige elektrische Isolierung zwischen den Stahlbändern des Moduls und dem PCB zu gewährleisten, weil die Bänder in der Nähe vorbeigeführt werden. PCB-Trace-, Via-, und Keep-in- und Keep-out-Zonen für Bauteile werden für beide Seiten des PCB sorgfältig definiert, um elektrische Interferenzen zu vermeiden. Die Lebensfähigkeit des Moduls kann durch Auftragen einer silikonbasierten oder polyurethanbasierten konformen Beschichtung auf beiden Seiten des PCB verbessert werden, welche das Wachstum von Dendriten zwischen benachbarten Kupfertraces niedriger Stromstärke und hoher Impedanz verringern.
  • Seite 510 von Druckplatte 50 ist entgegengesetzt zur Seite mit der Matrix von Verstärkungsrippen 520, und ist zum Stapel von Unteraggregaten gerichtet. Seite 510 kann flach sein, oder kann ein nichtflaches seichtes konvexes oder konkaves gewölbtes Profil bilden, um die Kraftverteilung innerhalb des Hauptstapels des Moduls weiter zu optimieren.
  • Druckplatte 50 hat zwei flache Schienen 501, um dünne Rückhaltebänder aus Stahl aufzunehmen, die dem Hauptstapel des Moduls die statische Klemmkraft verleihen. Die Schienen haben ein gewölbtes Profil, um die Klemmkraft verteilen und ausgleichen zu helfen. Geeignete Wölbungsprofile können durch Messungen bestimmt werden, die mit vorhandenen, spezifisch für diese Art von Instrumentationsanwendung entwickelten und vermarkteten Messprodukten aufgenommen werden.
  • Druckplatte 50 hat auch vier Durchlässe mit eingelassenen Buchsen 503, 504, 505 und 506 (auch als Senkungen bekannt), um Befestigungskomponenten aus Stahl aufzunehmen, wie etwa zylindrische Hülsen, Unterlegscheiben, Durchführungen und Rückhaltebolzen, um eine flexible Befestigungsstrategie zu fördern. Die vorliegende Konfiguration ermöglicht die Montage eines Moduls innerhalb des Gehäuses eines Batteriepacks oder auf dein Gestell einer Batteriestation mittels einer von drei Montierungsausrichtungen, welche für die Mehrzahl von vorhandenen und vorhergesagten Anwendungen und Kundenerfordernissen angemessen ist.
  • Die Druckplatte kann aus zwei getrennten Bereichen gebildet werden, welche mittels Vibrationsschweißen zusammengefügt werden. Jeder Bereich würde die Hälfte der Profile der Befestigungslöcher und eingelassenen Buchsen haben. Nach dem Schweißen würden vollständige kreisförmige Löcher und Buchsen gebildet. Der Vorteil dieses Ansatzes wäre dass die zwei Bereiche geformt werden könnten ohne lange aktive Schlitten in dem Formwerkzeug, die senkrecht sind zur hauptsächlichen Formzugrichtung des Werkzeugs.
  • Druckplatte 50 hat zwei eingelassene Bereiche 508, um eine Stromschienenmutter oder Muttern (nicht gezeigt) aus Stahl aufzunehmen. Die Gestaltung der Muttern ist absichtlich einfach, um eine kostengünstige Lösung zu sein. Die Mutter hat drei Gewindelöcher zur Befestigung. Das mittlere Loch greift einen Stahlverschluss (nicht gezeigt), der die Stromschienenmutter an der Druckplatte hält. Die zwei anderen Löcher greifen Stahlverschlüsse, die einen äußeren Stromschuh und einen Kabelstrang an der negativen oder positiven Stromschiene des Moduls befestigen, die in folgenden Abschnitten erläutert werden.
  • BANDKOMPONENTE
  • 11 zeigt Stahlband 530, welches eines von zwei Stahlbändern ist, die zum Umhüllen des Hauptstapels des Moduls aus Zellen, nachgiebigen Kissen, Kühlkörpern und Druckplatten verwendet werden. Jedes Stahlband 530 sitzt in einer der flachen Schienen 501 von Druckplatte 50. Zwei Bänder sind ausreichend und drei Binder sind nicht notwendig, wenn das Modul sechsundsiebzig (76) Zellen oder weniger hat. Mehr Bänder können verwendet werden, falls erwünscht. Die Länge von Stahlband 530 wird durch die erforderliche Klemmkraft bestimmt, um alle nachgiebigen Kissen im Hauptstapel richtig zusammenzupressen, und es wird durch eine vorhandene veröffentlichte und geeignete Stahlschnalle 531 festgehalten, die permanent ans Band gecrimpt ist. Ein handgehaltenes pneumatisches Werkzeug mit einem pneumatischen Stellantrieb kann verwendet werden, um das Band und Crimpschnalle 531 zu spannen, und das Werkzeug kann auch einen Mechanismus haben, um den überschüssigen Schwanz des Bandes zu stutzen, nachdem Schnalle 531 gecrimpt wird. Verglichen mit einem alternativen Ansatz, der seht lange Bindestäbe aus Stahl und Haltemuttern an beiden Enden verwendet, ist die Verwendung der Bänder und Schnallen ein kompakterer Ansatz. Die Verwendung desselben Bandes, derselben Schnalle und desselben Installationsprozesses für jedes Modul begünstigt eine skalierbare Architektur. Ein anderer Ansatz ist es, das Band zu spannen und zu schweißen, anstatt die gecrimpte Schnalle zu verwenden. Die Druckplatte 50 kann flache oder eingekerbte Bereiche innerhalb der flachen Schienen 501 integrieren, um die Schnallen der Klemmbänder aufzunehmen und um den Druck im Bereich der Schnallen gleichmäßiger zu verteilen. Druckplatte 50 kann auch vier Eckrundungen entlang jeder Schiene 501 haben, um zu gewährleisten, dass die Spannkräfte in den geraden Bereichen der zwei Bänder ausgeglichen sind.
  • Ein vorhandenes veröffentlichtes und geeignetes handgehaltenes computergesteuertes elektrisches Werkzeug mit einer Servokontrolle mit geschlossener Schleife kann anstatt eines pneumatischen Standard-Stellantriebs verwendet werden. Das kann die Präzision der angewandten statischen Klemmkraft erhöhen und die Zykluszeiten des Bandinstallations- und Schnallencrimpprozesses verringern. Während die Druckplatten und Bänder helfen, das Batteriemodul physisch zusammenzuhalten, verbinden die Stromschienen (als nächstes beschrieben) des Moduls das System elektrisch.
  • STROMSCHIENENTRÄGERKOMPONENTE
  • Die elektrische Verbindung zwischen den benachbarten Zellen des Moduls ist ein wichtiges Merkmal, welches die Registrierung der biegsamen und brüchigen Zellpole relativ zueinander umfasst, und umfasst die Verhinderung eines versehentlichen Kontakts zwischen benachbarten Polen, die für die beabsichtigte Anwendung nicht elektrisch verbunden werden. 2 zeigt wie alle Zellen im Hauptstapel des Moduls relativ zueinander sicher festgehalten und eingerastet sind, außer den Zellpolen, z. B. 101 und 102.
  • 12 zeigt eine robuste, kompakte und kostengünstige Lösung unter Verwendung einer geformten Kunststoffkomponente. Die Komponente kann als „Stromschienenträger” bezeichnet werden, um ihre Primärfunktion zu betonen. Der Standard-Stromschienenträger 600a kontaktiert den oberen Rand eines Kühlkörpers 600a und umhüllt auch die zwei Zellen 300a und 310a. Zellen 300a und 310 sind beide an einer entsprechenden Seite des Kühlkörpers fixiert, und jede hat zwei elektrische Pole (die Minuspole jeder Batteriezelle 300a und 310a sind in 12 gezeigt), welche sich durch Öffnungen im Stromschienenträger hindurch erstrecken. Ein Stromschienenträger wird für jedes Unteraggregat verwendet und begünstigt eine skalierbare Architektur. Beispielsweise kontaktiert Stromschienenträger 600b den Rand des zweiten Typs Kühlkörper, Kühlkörper 400b.
  • 13A zeigt eine andere Ansicht eines auf einem Kühlkörper 400 montierten Stromschienenträgers 600. Der Standard-Stromschienenträger hat neun Merkmale/Funktionen:
    • 1. Sieben flexible Zungen 608 (vier gezeigt) sowie zwei keilförmige Schnappriegel 609, um zwei Schlitze Komponente 406 in 5) in einem Kühlkörper zu greifen.
    • 2. Rechteckige zentrale Öffnung 604, um an einen Thermistor 605 zu koppeln, der einen überspritzten elastomerischen Griff hat.
    • 3. Vier sich verjüngende Öffnungen 601, um die gleichzeitige Einführung und Registrierung von vier Zellpolen zu erlauben.
    • 4. Hauptkörper 610, der eine Stromschiene während eines Auslösevorfalls einer Reißverschlusssicherung in einer Zelle trägt. Durch die Aufrechterhaltung einer Trennung zwischen jeglichem Rest des Pols und der Stromschiene verhindert der Stromschienenträger eine versehentliche Wiederanbindung der fehlerhaften Zelle an die Stromschiene, was einen kaskadenartigen Versagensmodus mit den benachbarten Zellen verursachen könnte.
    • 5. Zwei feste Schnappriegel 602 und zwei flexible Schnappriegel 603, um zwei getrennte Stromschienenkomponenten (nicht gezeigt) während des Laserschweißens der Stromschienen an die Zellpole zu greifen. Dieses Merkmal hilft die Notwendigkeit einer speziellen Laserschweißbefestigung zu erübrigen. Wie unten beschrieben, fungiert es als eine Montagevorrichtung, das die Stromschienenkomponenten in Registrierung mit den Zellpolen vor und während des Schweißens fixiert. Diese Schnappriegel halten jede Stromschienenkomponente in einer im Wesentlichen fixierten Position im Verhältnis zum Kühlkörper und zu den befestigten Batteriezellen. Die sich verjüngenden Öffnungen und der Hauptkörper halten die Pole jeder der Batteriezellen in einer im Wesentlichen fixierten Position im Verhältnis zum Kühlkörper und zur Stromschienenkomponente.
    • 6. Achtzehn Aussparungen 607, um jedem elektrischen Verbindungsniet einer Stromschiene ausreichenden Freiraum zu gewähren.
    • 7. Zentrale Rinne 606, um die Verlegung des Spannungssensorkabelstrangs und des Thermistorkabelstrangs des Moduls zu erlauben.
    • 8. Vier flexible Finger 611, um die zwei Kabelstränge (nicht gezeigt) festzuhalten, bevor die Stromschienenhüllen installiert sind.
    • 9. Zwei Schraubdome 612 an den Enden zur Befestigung der Stromschienenhüllen.
  • Zusätzlich zeigen 13B und 16 einen zweiten Stromschienenträger 650, der entwickelt wurde, um nur eine Zelle zu umhüllen, wenn das Modul eine ungerade Zellenzahl hat. Während diese Entscheidung zur Freisetzung und Produktion einer anderen Komponente führt, respektiert sie vollumfänglich das Prinzip, dass jeder Zellpol registriert und vor versehentlichem Kontakt mit einem benachbarten Pol geschützt sei. Die Ausdauerfestigkeit des Moduls für Vibration kann durch das Hinzufügen von zwei oder mehr Schlitzen im Kühlkörper nahe der Mitte und/oder das Hinzufügen von zwei zusätzlichen keilförmigen Schnappziegeln im Stromschienenträger verbessert werden.
  • STROMSCHIENENKOMPONENTEN
  • Stromschienenkomponenten bestehen aus Stromschienenjumpern, welche die benachbarten Zellen des Moduls elektrisch verbinden, und Stromschienenpolen, welche die ein oder mehr Batteriezellpole mit den äußeren Polen des Batteriemoduls verbinden. 14 zeigt einen robusten, kompakten und kostengünstigen Verbindungsansatz unter Verwendung dieser Stromschienenkomponenten zur Steigerung der Lebensfähigkeit des Moduls. Dieser Ansatz vermeidet die Verwendung von Verschlüssen mit Gewinde für irgendwelche der elektrischen Verbindungen im Inneren des Moduls und stattdessen Präzisionsschweißnähte zu verwenden, die mit adaptiven automatischen computergesteuerten Verfahren hergestellt werden.
  • 14 zeigt mehrere Stromschienenjumper 700, jeder von Stromschienenträgern 600 gehalten. Für jeden der Stromschienenträger, durch welchen sich der Pol einer Batteriezelle erstreckt, wird der mit jenem Pol verbundene Stromschienenjumper zwischen dem festen Schnappriegel des Trägers und seinem gegenüberliegenden flexiblen Schnappriegel gehalten. Die Schnappriegel halten den Stromschienenjumper gegen den Pol fest und verhindern seine Bewegung.
  • 15 zeigt einen bimetallischen Stromschienenjumper 700. Das Batteriemodul verwendet eine Gruppe Stromschienenjumper 700, jede umfassend einen Kupferbereich 701, der mit einer Gruppe von Zellminuspolen laserverschweißt ist, die aus Kupfermaterial hergestellt sind, und einen Aluminiumbereich 702, der mit einer Gruppe von aus Aluminiummaterial hergestellten Zellpluspolen laserverschweißt ist. Die 180-Grad-Biegungen 703 des Stromschienenjumpers definieren eine innere Oberfläche 704, in die die Zellpole während der Montage eingefügt sind. Die Bereiche der Stromschiene, die Biegungen haben, sind zusammenhängende Stücke Metall.
  • Präzisionslaserschweißen wird verwendet, um die Stromschienenjumper teilweise zu schmelzen und metallurgisch an die Pole zu binden, so dass Ultraschallschweißen vermieden wird, das zu viel Energie in einen Zellpol leiten könnte und wiederum die internen elektrischen Verbindungen einer Zelle beschädigen könnte. Eine Flüssigschweißbehandlung wird auf der äußeren Oberfläche (gegenüber der inneren Oberfläche 704) der Biegungen des Stromschienenjumpers 703 angewendet. Während des Schweißens wird Laserenergie auf diese Oberfläche gerichtet. Diese Behandlung erzeugt eine Oberflächenbeschaffenheit, die die Reflektivität des Laserstrahls während des Laserschweißens von hochreflektiven Oberflächen sowohl aus Aluminium als auch aus Kupfer verringert. Diese Behandlung kann eine Nickel- oder Zinnbeschichtung sein, die eine bessere Absorption der Nd-YAG-Laserstrahlwellenlänge erlaubt. Das ermöglicht, die zum Schweißen benötigte Energie zu minimieren und erlaubt die Durchführung des Schweißens von Zellpolen, ohne eine maximale Temperaturgrenze der Versiegelung des Zellpols zu überschreiten. Die Energie des Laserstrahls durchdringt die 180-Grad-Biegung 703 der Stromschiene und erzeugt eine geschmolzene Perle innerhalb der Biegung der Stromschiene 704 und an der Spitze des Zellpols (nicht gezeigt). Der Schweißlaser wird in einem Winkel auf die Krümmung 703 der Stromschiene gerichtet, der im Wesentlichen frontal zum Ende des Batteriepols und in Richtung der äußeren Oberfläche der Biegung ist, wie im Angriffswinkel 708 gezeigt.
  • 25 zeigt eine zusätzliche Ansicht 735 der Konfiguration eines Schweißlasers 730 und eines bimetallischen Stromschienenjumpers 700, wobei der Laserstrahl 733 in einem Angriffswinkel 708 auf die Biegung der Stromschiene gerichtet ist, der im Wesentlichen frontal zum Ende des Batteriepols ist. Eine zweite Ansicht 740 zeigt die Konfiguration aus Ansicht 735 wie entlang einer Referenzlinie 736 gesehen (d. h. Ansicht 735 um 90 Grad um die vertikale z-Achse rotiert). Ansicht 740 zeigt, wie sich Laser 730 vom rechten Seitenende der Biegung 742 der Stromschiene nach links bewegt, wo der Laserstrahl 733 sich in einer Bewegungsrichtung parallel zur Rinne bewegt, wobei der Laserstrahl 733 in einem leichten Winkel 741 in Bezug auf die Biegung 742 gerichtet ist, wobei Winkel 741 der Bewegungsrichtung des Lasers 730 entgegengesetzt ist, um den Laserstrahl daran zu hindern, in die Laseroptik zurückzureflektieren und Schaden zu verursachen. Das führt dazu, dass Laserstrahl 733 in einem etwas weniger als senkrechten Winkel zur Bewegungsrichtung des Laserstrahls gerichtet ist. Während des Schweißens kann sich der Laser 730 im Verhältnis zur Stromschiene und dem Batteriepol, die geschweißt werden, bewegen, die Stromschiene und das Batteriepolaggregat können sich relativ zum Laser bewegen, oder beide können sich im Verhältnis zueinander bewegen. Das Ergebnis ist in jedem Fall, dass die Stromschiene und der Batteriepol entlang der Länge der Rinne, in der der Batteriepol liegt, aneinander befestigt werden.
  • 26 zeigt Seitenansichten der Befestigung einer Stromschienenkomponente an Batteriezellpol sowohl vor als auch nach der Befestigung. Ansicht 770 zeigt eine Biegung 704 in Stromschiene 700, die eine Rinne bildet, in der sich Batteriepol 771 befindet. Ansicht 775 zeigt diese Komponenten nach dem Verschweißen, in dem Batteriepol 776 durch eine wiedererstarrte Metalllache 778 an einer inneren Ecke der Biegung in Stromschiene 777 befestigt wird.
  • Schweißverfahren wie etwa Laserschweißen oder herkömmliche Schweißverfahren können bei der Verwendung zur Verknüpfung der zwei Bereich einer bimetallischen Jumperstromschiene unpraktisch sein, auf Grund von unähnlichen Materialien und bekannten metallurgischen Einschränkungen. Stattdessen verwendet Stromschienenjumper 700 ein Ultraschall-Rollnahtschweißverfahren, um lineare Schweißnaht 705 zu erzeugen. Das Ultraschallschweißen der zwei Komponenten der Jumperstromschiene wird getrennt vom Modul durchgeführt, so dass keine Ultraschallenergie in einen Zellpol geleitet wird, wobei wiederum Schaden an den internen elektrischen Verbindungen einer Zelle riskiert wird. Wie oben angemerkt, fungieren die Stromschienenträger als Schweißvorrichtungen. Die Stromschienenträger halten die Stromschienenkomponenten an Ort und Stelle, wobei die Zellpole in die von den Biegungen in den Stromschienen definierten Schlitze eingefügt sind, bis die Stromschienen wie oben diskutiert mit den Polen laserverschweißt werden.
  • Um die elektrischen Stromcharakteristika der bimetallischen Jumper weiter auszubalancieren und zu optimieren, können die Querschnitte, Breiten und/oder Dicken der zwei Bereiche der Jumperstromschiene – deren Materialien Aluminium und Kupfer sind – unabhängig zugeschnitten werden, um ähnliche Widerstände in jedem Bereich zu erreichen. In der Herstellung der Stromschienenjumper können, um Kosten zu reduzieren, anstatt Blechstanz- und -formverfahren fließgepresste, ablängbare Profile für einen oder beide der zwei Bereiche der bimetallischen Jumperstromschienen verwendet werden. In einer Konfiguration wild der Kupferbereich des Stromschienenjumpers gestanzt und der Aluminiumbereich fließgepresst.
  • 16 zeigt einen Stromschienenpol 750, teilweise fixiert durch Stromschienenträger 600 und 650. Stromschienenträger halten die Stromschienenpole auf dieselben Weise fest wie die Träger die Stromschienenjumper festhalten. Stromschienenpol 750 ist mit einem entsprechenden Pol von Batteriezellen 300a, 310a und 320 laserverschweißt. Batteriemodule verwenden einen monometallischen Stromschienenminuspol mit einem Kupfermaterial am einen Ende des Hauptstapels des Moduls und einen monometallischen Stromschienenpluspol mit einem Aluminiummaterial am anderen Ende des Hauptstapels des Moduls. Die Stromschienenpole sind durch stählerne Stromschienenmuttern 760 fixiert, die an den Buchsen 508 der Druckplatte 50 befestigt sind. Der Stromschienenpol 750 hat einen sich verjüngenden zentralen Bereich 751, der als Modulsicherung dient, falls sich ein schlimmstmöglicher elektrischer Überlastvorfall ereignet. Die Sicherung hat eine Tendenz, im dünnen Bereich zu schmelzen, wo die Stromdichte am höchsten ist. Die Sicherheitsfähigkeit des Moduls kann durch die Anpassung der Auslöseantwortzeit der zwei Modulsicherungen verbessert werden, indem Reißverschlusssicherungsslöcher und -schlitze an den Stromschienenpolen in einer ähnlichen Weise angebracht werden, wie die Reißverschlusssicherungen in die Batteriezellpole integriert sind.
  • 17 zeigt die Installation von Stromschienenpol 750 an Druckplatte 50. Stromschienenpol 750 wird an einer stählernen Stromschienenmutter (nicht sichtbar unter Stromschienenpol in 17) befestigt. Die Stromschienenmutter ist an einer der Buchsen 508a der Druckplatte befestigt. Stromschienenpol 750 ist mit einem äußeren Stromschuh und einem Kabelstrang (nicht gezeigt) befestigt, wie früher beschrieben. Zusätzlich kann eine gestanzte kupferne Stromschienenmutterbrücke 780 mit Stromschienenpol 750 verbunden sein und auch mit Druckplattenbuchse 508b über Stromschienenmutter 760b verbunden sein. Stromschienenmutter 760b ist über ein zentrales Loch, das einen in Druckplattenbuchse 508b angebrachten Stahlverschluss greift, an Druckplatte 50 fixiert, Die Brücke ist ein Zubehör, das eine optionale Befestigungsstelle für den Modul-zu-Modul-Hochleistungskabelstrang ermöglicht.
  • VERDRAHTUNGSBEFESTIGUNGEN
  • 18 zeigt einen Stromschienenpol 750 mit zwei Variationen von Klammern zur Befestigung von Verdrahtung, wie etwa Spannungssensorkabelsträngen, an Stromschienenpolen und Stromschienenjumpern. Von der einer Seite ist Klammer 791 u-förmig und im Wesentlichen konvex, während Klammer 790 w-förmig ist. Jede oder beide Klammern 790 und 791 können verwendet werden, um Verdrahtung zu verbinden. Spannungssensorkabel werden mit Ultraschall an die Klammern geschweißt, bevor die Klammern an den Stromschienenkomponenten befestigt werden. Die Klammern haben einen oder mehr Zähne 793, die in die Stromschienenjumper oder Pole beißen, so dass die Klammern in Position gebracht und gehalten werden können, bis eine Laserschweißoperation die Klammern an der Stromschiene befestigt. Die Klammern können aus gestanztem Kupfer oder Aluminium sein, entsprechend und kompatibel zu dem Typ Stromschiene, mit dem sie verbunden werden. Die Klammern haben für einen Metalltyp Kerben 792, um den Typ der Klammer während der Herstellung unter Verwendung von automatischer Bildüberwachung anzuzeigen. Diese Klammern können zur selben Zeit mit den Stromschienenkomponenten laserverschweißt werden, zu der die Stromschienenkomponenten an die Batteriezellpole geschweißt werden, und eine gemeinsame Schweißnaht teilen. Unter Verwendung derselben Schweißtechnik wie oben für die Befestigung der Stromschienenkomponenten an den Batteriepolen beschrieben wird ein Laser durch die Klammer und die darunterliegende Stromschienenkomponente gesteuert und auf das Ende des Pols gerichtet, das sich in der u-förmigen Biegung der Stromschienenkomponente befindet. Wenn man so verfährt, verschweißt eine einzige Schweißoperation alle drei Komponenten (die Klammer, die Stromschienenkomponente und den Batteriepol) zur selben Zeit. Die u-förmigen Klammern können auch mit den Stromschienenkomponenten laserverschweißt werden, ohne eine gemeinsame Schweißnaht zu teilen.
  • 19 zeigt eine Seitenansicht einer w-förmigen Klammer 790, wobei die Zähne 793 der Klammer zur Installation auf einer Stromschiene leicht nach innen gebogen sind. Zähne können oder können nicht erforderlich sein, um die Klammer an der Stromschiene zu fixieren, bis sie verschweißt wird, wenn die Klammer mit einer Presspassung entworfen wird, so dass die Pressung die Haltefunktion gewähren würde.
  • 20 zeigt einen Stromschienenpol 750 mit einer Klammer 794 zur Befestigung eines Thermistors 795 am Stromschienenpol. Der Kopf des Thermistors ist mit einem aufgetragenen, nach der Montage aushärtenden Epoxyklebstoff innerhalb des Bügels der Klammer gebunden. Der Hals des Thermistorkopfes kontaktiert das benachbarte Plättchen 796, so dass der Kopf eine definierte reproduzierbare Position hat. Geprägte Abschrägungen 797 an den oberen Kanten des Bügels helfen Schäden am Thermistorkopf verhindern, wenn er installiert wird.
  • STROMSCHIENENHÜLLEN
  • 1 zeigt drei Stromschienenhüllen 40. Batteriemodule verwenden eine Gruppe geformter Kunststoffhüllen zum Schutz der Stromschienen und anderen inneren Komponenten des Moduls, wie etwa des Spannungssensorkabelstrangs und des Thermistorkabelstrangs, vor jeglichem versehentlichem Kontakt mit äußeren fremden Objekten, besonders wenn sie metallisch sind.
  • 21 zeigt eine Stromschienenhülle 40a ohne die flache Haupthaut der Hülle, so dass die relativen Passungen gesehen werden können. Stromschienenhülle 40b ist auch gezeigt, einschließlich der flachen Haupthaut der Hülle. Jede der Hüllen hat eine Matrix von Verstärkungsrippen, einschließlich 801, 802 und 803, um ihre strukturelle Steifigkeit zu erhöhen und auch um jegliche schädlichen äußeren Kräfte auf die Stromschienenträger und Kühllkörper des Moduls umzuleiten und zu verteilen anstatt auf die Stromschienenpole 750, Stromschienenjumper 700 und/oder Zellpole. Stromschienenhüllen umhüllen die Stromschienen des Moduls, um benachbarte Stromschienen daran hindern zu helfen, während eines schlimmstmöglichen elektrischen Überlastvorfalls oder eines schweren Fahrzeugzusammenstoßes einander zu kontaktieren und elektrische Kurzschlusspfade zu verursachen. Bestimmte Rippen, z. B. Rippe 802, erstrecken sich tiefer ins Batteriemodul als andere Rippen und zwischen die Stromschienenjumper, z. B. 803, um Kontakt zwischen benachbarten Stromschienen verhindern zu helfen, während Rippen wie etwa 803 weniger tief sind, um die Verteilung von Kräften auf die Stromschienenpole, Stromschienenjumper oder Zellpole zu vermeiden. Alternativ kann das Batteriemodul kostengünstigere, einfachere Hüllen verwenden, die ein Überlappungsgelenk und weniger senkrechte Kontaktplättchen haben. Der Nachteil dieses letzteren Ansatzes ist, dass die Robustheit des Moduls, äußeren senkrechten Kräften zu widerstehen, herabgesetzt sein kann.
  • SKALIERBARE ARCHITEKTUR
  • Die oben beschriebenen Merkmale ergeben eine skalierbare Architektur. Der Begriff „skalierbare Architektur” bezieht sich auf eine flexible Konfiguration, welche schnelle Konstruktion, Entwicklung, Qualifizierung und Produktion von Batteriemodulen mit verschiedenen Mengen an Batteriezellen, Untergruppen mit elektrisch parallel verbundenen Zellen und Untergruppen mit elektrisch in Reihe verbundenen Zellen erleichtert. Diese Flexibilität erlaubt es einem Batterielieferanten, die elektrischen Charakteristika vieler verschiedener Module maßzuschneidern und unterschiedliche Leistungsspezifikationen von Kunden zu befriedigen. Beispielsweise ist die jetzige prismatische Batteriemodulfamilie von A123Systems mit der „3P”-Konfiguration in 22 gezeigt. Die sieben Mitglieder dieser Familie sind die 23S3P-, 22S3P-, 16S3P-, 13S3P-, 11S3P-, 6S3P- und 1S3P-Module, in 22 jeweils identifiziert als 907, 906, 905, 904, 903, 902 und 901.
  • 24 zeigt verschiedene Konfigurationen von Stromschienenkomponenten für die folgenden Mitglieder der prismatischen Batteriemodulfamilie von A123Systems, 13S3P, 23S2P, 4S2P und 4S6P, in 23 jeweils identifiziert als 950, 951, 952 und 953.

Claims (54)

  1. Ein Batteriesystem umfassend; Eine Vielzahl von in Sequenz angeordneten Batteriezellen, wobei jede Batteriezelle einen ersten und zweiten Spannungspol umfasst, wobei die ersten Spannungspole der Vielzahl in einer Reihe angeordnet sind; und eine bimetallische Stromschiene, die ein erstes Segment besitzt, das mit einem zweitem Segment verbunden ist, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall und das zweite Segment aus einem zweiten Metall hergestellt ist, das sich von dem ersten Metall unterscheidet, wobei das erste Segment eine erste U-förmige Krümmung besitzt, die eine erste Rinne definiert, in die der erste Spannungspol von einer Batteriezelle aus der Vielzahl der Batteriezellen positioniert ist, und wobei das zweite Segment eine zweite U-förmige Krümmung besitzt, die eine zweite Rinne definiert, in den der erste Spannungspol von einer anderen Batteriezelle aus der Vielzahl der Batteriezellen positioniert ist.
  2. Das Batteriesystem aus Anspruch 1, wobei die erste U-förmige Krümmung eine erste untere innere Ecke am Boden der ersten Rinne bildet und wobei der erste Pol in der ersten Rinne metallurgisch mit dem ersten Segment an der ersten unteren inneren Ecke durch einen wieder erstarrten Metallpool verbunden ist
  3. Das Batteriesystem aus Anspruch 1, wobei die bimetallische Stromschiene eine Oberflächenbehandlung mindestens der Bereiche der ersten und zweiten Krümmungen aufweist, und die Behandlung dazu dient, die Reflektivität der metallischen Stromschiene zu reduzieren.
  4. Das Batteriesystem aus Anspruch 3, wobei in einigen Ausführungsformen die Behandlung eine Beschichtung mit mindestens einem von Nickel oder Zinn umfasst
  5. Das Batteriesystem aus Anspruch 1, wobei das erste Segment gestanzt ist und das zweite Segment extrudiert ist.
  6. Das Batteriesystem aus Anspruch 5, wobei das erste Segment primär aus Kupfer und das zweite Segment primär aus Aluminium hergestellt ist.
  7. Das Batteriesystem aus Anspruch 1, wobei mindestens eines der ersten Segmente und der zweiten Segmente extrudiert ist.
  8. Das Batteriesystem aus Anspruch 1, wobei das erste Segment mit dem zweiten Segment durch eine Ultraschallschweißnaht verbunden ist.
  9. Das Batteriesystem aus Anspruch 2, wobei das erste Segment mit dem zweiten Segment durch eine Laserschweißnaht verbunden ist.
  10. Das Batteriesystem aus Anspruch 1, ferner umfassend eine Kabelklammer, die mit dem ersten Segment der Stromschiene verbunden ist, wobei die Kabelklammer ein Kabel beinhaltet, das mit der Kabelklammer verbunden ist.
  11. Das Batteriesystem aus Anspruch 10, wobei die Kabelklammer metallurgisch mit dem ersten Segment durch einen wieder erstarrten Metallpool verbunden.
  12. Das Batteriesystem aus Anspruch 11, wobei die Kabelklammer metallurgisch mit dem ersten Segment in dem Bereich der ersten U-förmigen Krümmung durch einen wieder erstarrten Metallpool verbunden.
  13. Das Batteriesystem aus Anspruch 10, wobei die Kabelklammer einen oder mehrere Zähne beinhaltet und wobei die Kabelklammer gegenüber dem ersten Segment der Stromschiene mindestens zum Teil durch einen oder mehrere Zähne in Position gehalten wird, die in die Stromschiene greifen.
  14. Das Batteriesystem aus Anspruch 13, wobei die Kabelklammer ein U-förmiges Seitenprofil besitzt.
  15. Das Batteriesystem aus Anspruch 13, wobei die Kabelklammer ein W-förmiges Seitenprofil besitzt
  16. Das Batteriesystem aus Anspruch 10, wobei die Kabelklammer mit einer Presspassung konstruiert ist und wobei die Kabelklammer gegenüber dem ersten Segment der Stromschiene mindestens zum Teil durch die Presspassung in Position gehalten wird.
  17. Das Batteriesystem aus Anspruch 16, wobei die Kabelklammer ein U-förmiges Seitenprofil besitzt.
  18. Das Batteriesystem aus Anspruch 16, wobei die Kabelklammer ein W-förmiges Seitenprofil besitzt
  19. Ein Verfahren zur Herstellung einer Batterie umfassend: Bereitstellen einer Stromschiene mit einem U-förmigen Bereich, der eine Rinne definiert und charakterisiert ist durch eine Krümmungsecke an einem Ende des U-förmigen Bereichs, wobei die Stromschiene auch eine Behandlung zum Bewirken einer verringerten Reflektivität zumindest in der Nähe der Krümmungsecke aufweist; Positionieren eines einzelnen Batteriepols in der vom U-förmigen Bereich gebildeten Rinne, so dass das obere Ende des Pols unmittelbar an der Krümmungsecke ist; Richten eines Laserstrahls auf die Krümmungsecke des U-förmigen Bereichs; und mittels des Laserstrahls Schmelzen der Stromschiene an der Krümmungsecke und Bilden einer metallurgischen Verbindung zwischen der Stromschiene und dem oberen Ende des einzigen Pols.
  20. Das Verfahren aus Anspruch 19, wobei die Stromschiene an dem Batteriezellenpol durch eine Laserschweißnaht befestigt, wobei der Laserstrahl primär auf den Bereich mit verringerter Reflektivität gerichtet wird.
  21. Das Verfahren aus Anspruch 20, wobei der Laserstrahl in einem im Wesentlichen frontalen Winkel auf das Ende des Batteriezellenpols gerichtet wird.
  22. Das Verfahren aus Anspruch 21, wobei sich der Laserstrahl in einer Bewegungsrichtung parallel zur Rinne bewegt.
  23. Das Verfahren aus Anspruch 22, wobei der Laserstrahl in einem etwas weniger als senkrechten Winkel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet wird.
  24. Das Verfahren aus Anspruch 21, wobei die Behandlung eine Beschichtung von einem oder mehren von Nickel und Zinn umfasst.
  25. Das Verfahren aus Anspruch 21, weiter umfassend die Bildung der Stromschiene durch die Verbindung eines ersten Stromschienensegments mit einem zweiten Stromschienensegment, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall hergestellt ist und das zweite Segment aus einem zweiten Metall hergestellt ist, das verschieden vom ersten Metall ist.
  26. Das Verfahren aus Anspruch 25, wobei das erste Stromschienensegment mittels Ultraschall ans zweite Stromschienensegment geschweißt wird, bevor die Stromschiene am Pol befestigt wird.
  27. Das Verfahren aus Anspruch 26, wobei das erste Segment gestanzt ist und das zweite Segment extrudiert ist.
  28. Das Verfahren aus Anspruch 26, wobei das erste Segment primär aus Kupfer und das zweite Segment primär aus Aluminium hergestellt ist.
  29. Das Verfahren aus Anspruch 28, wobei mindestes eines von dem ersten und dem zweiten Segment extrudiert ist.
  30. Das Verfahren aus Anspruch 21, weiter umfassend das Sichern einer Kabelklammer an der Stromschiene vor dem Anbringen der Stromschiene an dem Batteriezellpol.
  31. Das Verfahren aus Anspruch 30, wobei die Kabelklammer, die Stromschiene und der Batteriezellpol gleichzeitig mittels Laserschweißen zusammengefügt werden.
  32. Das Verfahren aus Anspruch 31, weiter umfassend das Anbringen eines Kabels an die Kabelklammer vor dem Sichern der Kabelklammer an die Stromschiene.
  33. Das Verfahren aus Anspruch 30, wobei das Kabel an die Kabelklammer mittels Ultraschallschweißen angebracht wird.
  34. Das Verfahren aus Anspruch 19, wobei das Positionieren des einzelnen Batteriepols in der Rinne die folgenden Schritte umfasst: das Befestigen der Batteriezelle an einem Kühlkörper; das Anbringen eines Trägers für die Stromschiene an dem Kühlkörper; und das Aufbringen der Stromschiene auf dem Stromschienenträger.
  35. Das Verfahren aus Anspruch 26, wobei das Positionieren des einzelnen Batteriepols in der Rinne die Schritte umfasst: das Befestigen der Batteriezelle an einem Kühlkörper; das Anbringen eines Trägers für die Stromschiene an dem Kühlkörper; und das Aufbringen der Stromschiene auf dem Stromschienenträger.
  36. Das Verfahren aus Anspruch 19, wobei die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle ist.
  37. Eine Batterie umfassend: eine Batteriezelle mit einem Spannungspol; eine Stromschiene mit einem U-förmigen Bereich, der eine Rinne definiert und charakterisiert ist durch eine Krümmungsecke an einem Ende des U-förmigen Bereichs, wobei die Stromschiene auch eine Behandlung für eine verringerten Reflektivität zumindest in der Nähe der Krümmungsecke aufweist; wobei der Spannungspol in die Rinne reicht, die durch den U-förmigen Bereich gebildet wird und ein oberes Ende besitzt, das in unmittelbarer Nähe der Krümmungsecke ist; und eine metallurgische Verbindung, die zwischen dem oberen Ende des Pols und der Stromschiene innerhalb der Rinne bei der Krümmungsecke gebildet wird.
  38. Die Batterie aus Anspruch 37, wobei die metallurgische Verbindung mittels Laserschweißens gebildet wird und wobei der Laserstrahl primär auf den Bereich mit verringerter Reflektivität gerichtet wird.
  39. Die Batterie aus Anspruch 38, wobei die metallurgische Verbindung mittels Laserstrahl gebildet wird, der im Wesentlichen im frontalen Winkel auf das Ende des Batteriezellenpols gerichtet wird.
  40. Die Batterie aus Anspruch 39, wobei die metallurgische Verbindung mittels Laserstrahl gebildet wird, der sich in einer Bewegungsrichtung parallel zur Rinne bewegt.
  41. Die Batterie aus Anspruch 40, wobei der Laserstrahl in einem etwas weniger als senkrechten Winkel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet wird.
  42. Die Batterie aus Anspruch 39, wobei die Behandlung eine Beschichtung von einem oder mehren von Nickel und Zinn umfasst.
  43. Die Batterie aus Anspruch 39, wobei die Stromschiene ein erstes Stromschienensegment umfasst, das mit einem zweiten Stromschienensegment verbunden ist, wobei das erste Segment aus einem ersten Metall hergestellt ist und das zweite Segment aus einem zweiten Metall hergestellt ist, das verschieden vom ersten Metall ist.
  44. Die Batterie aus Anspruch 43, wobei das erste Stromschienensegment mittels Ultraschall ans zweite Stromschienensegment geschweißt wird.
  45. Die Batterie aus Anspruch 44, wobei das erste Segment gestanzt ist und das zweite Segment extrudiert ist.
  46. Die Batterie aus Anspruch 44, wobei das erste Stromschienensegment primär aus Kupfer und das zweite Segment primär aus Aluminium hergestellt ist.
  47. Die Batterie aus Anspruch 46, wobei mindestens eines von dem ersten und dem zweiten Segment extrudiert ist.
  48. Die Batterie aus Anspruch 39, weiter umfassend eine Kabelklammer, die an die Stromschiene gesichert ist.
  49. Die Batterie aus Anspruch 48, wobei die Kabelklammer, die Stromschiene und der Batteriezellpol an der gleichen metallurgischen Verbindung zusammengefügt sind.
  50. Die Batterie aus Anspruch 49, weiter umfassend ein Kabel, das an die Kabelklammer gesichert ist.
  51. Die Batterie aus Anspruch 50, wobei das Kabel an die Kabelklammer mittels Ultraschallschweißen angebracht wird.
  52. Die Batterie aus Anspruch 37, ferner umfassend einen Träger für die Stromschiene, angebracht an dem Kühlkörper; wobei die Stromschiene auf dem Stromschienenträger aufgebracht ist.
  53. Die Batterie aus Anspruch 44, ferner umfassend einen Träger für die Stromschiene, angebracht an dem Kühlkörper; wobei die Stromschiene auf dem Stromschienenträger aufgebracht ist.
  54. Die Batterie aus Anspruch 37, wobei die Batteriezelle eine prismatische Batteriezelle ist.
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