用于棱柱形电池组件的带有插头的整体外壳的制作方法

用于棱柱形电池组件的带有插头的整体外壳的制作方法
【专利摘要】公开了一种具有外壳系统的电池模块的系统。根据公开的实施例，外壳系统可以包括具有至少一个孔与插头的四个壁的外壳(例如，没有顶部/底部)，孔与插头使用延迟机构与外壳中的孔相连接。外壳能够以面对面的布置容纳多个棱柱形电池。插头可以穿过外壳中的孔延伸，以接触外壳中的电池，并且将压缩力施加至外壳中的电池。进一步，外壳可以在平行侧上具有孔与插头组件，使得压缩力从两个方向施加于电池。压缩力可以保留外壳中的电池，并且限制电池的膨胀，以保持它们的产品寿命。外壳系统还可以包括与电池和/或压板的底部相接触的冷却系统，以均匀地分配棱柱形电池上的压缩力。
【专利说明】用于棱柱形电池组件的带有插头的整体外壳
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年11月7日申请的序列号为61/556，747，标题为“用于棱柱形蓄电池组件的带有插头的整体外壳”的美国临时申请的优先权与利益，为了全部的目的，其通过引用合并在此。
【技术领域】
[0003]本公开通常涉及电池模块领域。尤其，本公开涉及用于电池模块的外壳系统，其可以尤其用于车辆环境，以及其他能量存储/消耗应用。
【背景技术】
[0004]该部分旨在向读者介绍可能涉及本公开的各方面的领域的各种方面，其在以下描述和/或要求保护。相信本论述能够有助于向读者提供背景信息，以方便对本公开的各方面的更好的理解。因此，应该理解的是，这些说明将从这个角度理解，并且不作为对现有技术的承认。
[0005]为了它们的全部或一部分原动力而使用电力的车辆相比于由内燃机提供动力的传统车辆可以提供大量的优势。例如，使用电力的车辆可以产生更少的污染，并且可以显示更大的燃油经济性。在相同情况中，使用电力的车辆可以完全消除对汽油的使用，并且从电力获得它们全部的原动力。当技术持续发展，需要为这种车辆提供改进的动力源，尤其是电池模块。例如，需要最小化电池模块的复杂性，以降低与加工相关的成本。还需要最小化电池模块的重量与尺寸，以保持车辆重量，并且提供用于额外车辆元件和/或存储的空间。
[0006]使用电力为至少一部分它们的原动力的车辆可以从多个封装为电池模块的单体棱柱形电池获得它们的电力。不像用于容纳传统电池的圆柱形容器，由于圆柱体与矩形棱柱的几何形状之差，棱柱形容器可以在一定程度上具有结构柔性。这种柔性提出问题，由于电池中的压力的建立，棱柱形电池可以经历膨胀。膨胀可以导致棱柱形电池的内部元件的更换。例如，棱柱形电池的电极中的绕组可以分离，退化棱柱形电池的化学性质。进一步，棱柱形电池的不受控制的膨胀可以彻底降低它们的效率与产品寿命。因此，需要为棱柱形电池提供压缩，以保护它们的化学完整性，并且因此提高它们的效率与产品寿命。

【发明内容】

[0007]以下陈述此处公开的特定实施例的概述。应该理解的是，仅提出这些方面，以向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面并不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以包含各种方面，其可以不在以下陈述。
[0008]本技术可以适合于广泛的环境，并且可以尤其很好地适合于它们的至少一部分原动力来自电力的车辆。本公开的实施例涉及电池模块外壳系统，其可以用于压缩一个或多个棱柱形电池。这种压缩可以防止或至少控制或限制由一个或多个棱柱形电池经历的膨胀的量。根据公开的实施例，外壳系统可以包括四个壁包围的外壳(例如，不具有顶部/底部)，具有穿过容纳插头的外壳的一端或两端的孔。布置成面对面的多个棱柱形电池可以放置在外壳中，端电池的面相邻于孔。孔与插头可以具有互补的延迟机构，以使得插头固定在孔中的轴向位置处。当插头穿过孔，朝向外壳的内部区域轴向平移时，其可以应用于或压缩至外壳中的电池。该外壳与插头系统可以进一步起作用，以保持在外壳中的电池，同时，暴露出电池的底部。在一个实施例中，冷却系统(例如，分散、板、散热片等)可以设置成与电池的底部相接触，以辅助电池的冷却。
[0009]在另一实施例中，电池模块外壳系统可以包括位于外壳壁中的孔与多个电池的端电池面之间的压板。当插头穿过孔延伸，插头可以对压板施力，其随后相对于相邻电池挤压。当相反于插头接触电池面的单个点时，压板的刚性可以使得压板在电池的整个面上传播插头的力。这可以降低损害电池的可能性。
[0010]在特定的实施例中，需要从电池模块的两端施加压缩。因此，外壳可以包含位于相反端壁上的两个孔，并且两个插头可以用于将压缩施加于外壳中的电池，使用压板或不使用压板。
[0011]以上提及的各种特征的改进可以相关于此处公开的实施例存在。额外的特征还可以包括在这些各种实施例中。这些改进与额外的特征可以单独或组合存在。例如，以下论述的有关于一个或多个实施例的各种特征可以包括在其他公开的实施例中，单独或组合。再次，以上提出的简要概述仅旨在使读者对本公开的实施例的特定方面与内容了解得更加清楚，而不对要求保护的主题进行限制。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]一旦阅读以下详细说明，并且参照附图，则可以更好地理解本公开的各种方面，其中:
[0013]图1为具有提供所有或一部分车辆原动力的电池模块的车辆的实施例的透视图；
[0014]图2示例了以混合动力电动车辆形成提供的车辆的实施例的剖面示意图；
[0015]图3为封闭多个棱柱形电池的外壳系统的实施例的透视图；
[0016]图4为图3的外壳系统的实施例的分解图,具有冷却系统；
[0017]图5为图3的外壳系统的实施例的分解图，具有压板；
[0018]图6为外壳系统的实施例的顶视图，出了具有两个插头的外壳系统；
[0019]图7为外壳系统的实施例的顶视图,不出了具有一个插头的外壳系统；
[0020]图8为插头的实施例的透视图，具有作为延迟机构的棘轮机构；
[0021]图9A为插头的实施例的透视图，具有带有作为延迟机构的卡环的有肋结构；
[0022]图9B为包括有肋插头与卡环的外壳的实施例的顶视图；以及
[0023]图10为插头的实施例的侧视图，具有弹簧承载特征。
【具体实施方式】
[0024]在此限定术语“xEV”包括所有以下车辆，或任意变化或其组合，其使用电力作为它们车辆原动力的全部或一部分。本领域技术人员应该知道的是，混合动力电动车辆(HEVs)结合内燃机驱动系统与电池供电的电驱动系统。术语HEV可以包括混合动力车辆的任意变化，例如微混合动力与轻度混合动力系统，当车辆怠速时，其禁用内燃机，并且利用电池系统持续为空调单元提供动力、或其他电子设备，以及当需要驱动时发动发动机。轻度混合动力系统可以为内燃机施加某些级别的动力辅助，然而，微混合动力系统不为内燃机提供动力辅助。插电式电动车辆(PEV)为任意车辆，其可以从外部电源充电，例如壁式插座，并且存储在可再充电的电池组中的能量驱动或作用于驱动车轮。PEVs为电动车辆的子范畴，其包括全电动或纯电动车辆(BEVs)、插电式混合动力车辆(PHEVs)、以及混合动力电动车辆的电动车辆转换以及传统内燃机车辆。电动车辆(EV)为全电动车辆，其使用一个或多个由电能提供动力的电机，用于其驱动。
[0025]如以下更加详细的说明，此处公开的为电池模块外壳系统的实施例，其可以用于压缩一个或多个电池，并且可以很好地适合于xEV应用。电池模块的单元可以保持在使用插头的外壳中，以相对于外壳将电池保持在合适的位置。插头可以对电池施加力，将电池压缩在外壳中。此外，为了将电池保持在适当的位置，压缩力可以通过限制它们在外壳中膨胀的能力而延长电池的寿命。而且，插头的使用使得能够为大量设置于外壳中的电池调节压缩力的量，不管电池尺寸与公差的方差。而且，此处提供的外壳系统的实施例可以包括整体外壳。尤其，整体结构作为外壳的使用可以产生外壳中的刚性，相比于组合外壳。当它们在操作过程中膨胀时，这可以使得整体外壳能够为棱柱形电池提供刚性与压缩。进一步，整体结构的使用降低了电池模块外壳的部件数量，从而减少与电池模块向管理的加工的时间与成本。
[0026]包括具有整体外壳与插头的外壳系统的电池模块可以易于配置成在xEVs中使用。在特定实施例中，xEV可以包括至少一个电池模块，并且每个电池模块均可以具有简化设计的外壳系统。为了确保外壳系统的外壳与插头保持连接，外壳可以具有用于插头直连的孔，并且插头与孔可以包括它们连接表面上的延迟机构。这样，插头可以牢固地连接至外壳，并且提供将可调节的压缩力施加至外壳中的电池的能力。
[0027]现转向附图，图1为具有用于为车辆10提供全部或一部分原动力的电池模块12的汽车形式的车辆10的透视图。电池模块12可以从多个单个棱柱形电池构成，并且可以包括一个或多个如上所述的外壳系统。尽管如图1中的汽车示例的，车辆10的类型可以特定实现，并且因此，可以不同于其他实施例，所有这些均旨在落入本公开的范围中。例如，车辆10可以是卡车、公共汽车、工业车辆、摩托车、休闲车、船、或任意其他类型的车辆，其可以从其驱动动力的全部或一部分的电力的使用中获益。为了本公开的目的，应该注意的是，此处示例并且描述的电池模块12与电池附件尤其涉及提供和/或存储xEVs中的能量。然而，还可以在其他、非车辆应用中利用具有外壳系统的电池模块12的实施例。
[0028]进一步，尽管在图1中示例了电池模块12定位于卡车或车辆10的后部，根据其他实施例，电池模块12的定位可以不同。例如，可以基于车辆10中可获得的空间、所需的车辆10的重量平衡、与电池模块12 —起使用的其他元件的位置(例如，电池管理模块、通风孔或冷却装置等)以及各种其他特定实现原因而选择电池模块12的位置。
[0029]为了论述的目的，其有助于论述与特殊类型xEV相关的电池模块12，例如，HEV。图2示例了以HEV形式设置的车辆10的剖面示意图。在示例的实施例中，朝向靠近燃料箱14的车辆后部设置电池模块12。燃料箱14将燃料提供至内燃机16，提供其用于HEV使用汽油动力驱动车辆10的情况。还将电动机18、动力分配装置20、以及发电机22作为车辆驱动系统的零部件提供。这种HEV可以仅由电池模块12、仅由发动机16、或同时由电池模块12与发动机16提供动力或驱动。
[0030]如前所述，每个电池模块12均包括外壳系统，其封闭电池模块12的单元。在图3中例了这种外壳系统30的实施例。外壳系统30通常包括电绝缘外壳32,其封闭一个或多个棱柱形电池34。外壳32可以设计成围绕或封闭任意所需数量的棱柱形电池34。如可以理解的，电绝缘分配器可以设置于电池34之间，在这种情况中，极化外壳32和/或电池34。如所示的，外壳系统30的外壳32可以由通常布置成盒的四个壁36构成，没有顶部或底部。在四个壁36中，两个端壁38可以彼此平行，并且两个侧壁40可以彼此平行，以使得壁36产生容纳电池34的外壳32中的矩形内部空间42。端壁38与侧壁40可以具有等高44。然而，侧壁40的长度46可以大于端壁38的长度48，以面对面的布置容纳多个棱柱形34。可以调整壁36的长度46与48，以容纳电池34的不同数量或布置。
[0031]在特定实施例中，外壳32可以形成为整体。将外壳32产生为整体可以增加外壳32的强度，从而当它们在操作过程中膨胀时，使得外壳32能够为电池34提供刚性。当它们膨胀时，整体外壳32的结构稳定性可以将压力施加至电池34，降低改变电池34的内部几何形状的可能性。这可以保护产品寿命以及电池34的效率。进一步，整体外壳32减少与外壳系统30相关联的部件数量，并且减少需要产生外壳32的加工步骤的数量。例如，可以通过热塑材料的注射成型而在单步中产生整体外壳32，从而降低与电池模块12的加工相关联的成本，并且使得产生的车辆10对消费者更加价格实惠。外壳32可以形成为在至少一个端壁38中包括孔(参见图4)，以容纳插头50。孔可以与外壳32 —起同时形成，以减少加工步骤/复杂性。例如，聚氯乙烯(PVC)或相似的热塑性塑料可以用于形成整体外壳32。
[0032]为提供对插头50与其他元件如何安装在外壳32中的更好理解，图4提供外壳系统30的实施例的分解图。如前所述，外壳32可以包括孔60，以容纳插头50。在描绘的实施例中，每个端壁38均包括通常在中心位置处的孔60。孔60使得插头50能够接触电池34，并且对电池34施加压力。孔60的表面上的延迟机构62使得插头50能够牢固地连接至孔60，并且穿过孔60轴向平移。该轴向平移可以用于调节孔60中的插头36的位置，使得能够调节施加于电池34的压缩力的量。可能需要调节施加于电池34的压缩力的量，以使得外壳系统30调节电池34的尺寸中的方差。例如，如果外壳32容纳八个电池34，并且将每个电池加工为一英寸±l/16th的公差，其可以增加至一英寸1/2的公差，外壳系统30必须调节。因此，可调节的压缩力可以使得外壳系统30的设计相对于多个棱柱形电池34的公差与方差鲁棒。
[0033]每个插头50均可以包括头部64与主体部66。主体部66可以从外部插入外壳32的孔60中。因此，插头50的主体部之上的延迟机构62可以与孔60中的延迟机构相匹配，以将插头50连接至外壳32。尽管如图4中的匹配螺纹表面所示的，延迟机构62可以利用棘轮与棘爪系统、肋与卡环系统、或其他合适的系统。可以将力和/或转矩施加于头部64，以平移外壳32中的插头50，导致插头50的轴向运动。这样，插头50的主体部66延伸进入外壳32的内部空间50的距离可调节，从而使得插头50将可调节的压缩力提供至内部空间50中的电池34。
[0034]头部64可以具有比主体部66与孔60更大的横截面，以使得其不能穿过外壳32。进一步，头部64可以具有不同于主体部66与孔60的几何形状。例如，头部64可以具有几何形状，其可以经受施加于头部64的力和/或转矩。例如，可以将插头50的头部64紧固至使用自动系统或通过手的外壳32。
[0035]图4中外壳系统30的实施例进一步包括冷却系统68。因为外壳32不包括底部件，冷却系统68可以具有至电池34的底部的通道，或直接与电池34的底部相接触。因此，冷却系统68可以消除由电池34中的化学反应产生的热。冷却系统68的使用可以通过防止电池34过热而增加电池模块12的可靠性。冷却系统68可以包括液体或气体冷却剂回路、冷却板、散热器、风扇、翅片结构、或其组合。
[0036]为了更加平均地分配由插头50施加的压缩力，外壳系统30可以包括压板80。因此，图5描绘了具有两个压板80的外壳系统30。压板80可以为刚性塑料板，其设置于面对面电池34堆的每一端。用这种方式，插头50的主体部66可以将力施加至压板80，替代将力直接施加至电池34。通过将力施加至刚性压板80，替代电池34，将来自插头50的压缩力施加于电池34的表面的整个表面区域之上，从而降低通过施加集中力而损害电池34的可能性。当包括在外壳系统30中时，压板可以通常位于插头50接触电池34的地方或电池34接触外壳32的地方。压板80可以是甚至用于力传递的矩形、圆形、三角形、或任意其他合适的几何形状。尤其，当即使压缩力传递为外壳系统30的主要目标时，压板80可以包括在外壳系统30中，与减少的部件数量和/或加工最小化相对照。
[0037]在图6与7中提供电池模块12的装配的顶视图。这些视图描绘了电池34如何安装在外壳系统30的元件中。例如，电池34可以紧紧安装在从端壁38至端壁38的长度46中。在长度48中，电池34与外壳之间的安装可以足够宽松，以允许电池34经由开口顶部设置在外壳32中。用这种方式，任意组设置数量的电池34可以容纳于外壳32的大批量生产的版本中，并且电池34和/或外壳32的尺寸中的略微变化可以不影响电池34如何安装在外壳32中。虽然未示出，沿长度46的安装提供包括外壳32中的压板80的选项。如在图6中描绘的，单个插头50将压缩力从端壁38施加于电池34。然而，如果需要为电池34提供增加的压缩力，可以使用两个插头50A与50B，如图7中所示的。在可替换的实施例中，可以在每个端壁38处使用多个孔60与插头50。因此，插头50可以根据外壳32中电池34的数量、外壳32中的压板80的存在、电池34尺寸的变化、端壁40的厚度和/或其他设计依据而沿长度改变。进一步，虽然如螺纹件所示，插头50可以包括不同的延迟机构62，以将插头50A与50B固定在孔60中。
[0038]用于将插头50固定在外壳32中合适位置的一个可替换的延迟机构62可以是棘轮系统90，如在图8中描绘的。例如，插头50的主体部66可以包括多行三角形齿92，其沿平行于插头50轴的主体部66延伸。每行齿92可以与布置于外壳32中的孔60中的棘爪94相互作用。使用棘轮系统90，插头50可以仅能够轴向平移入孔60中，通过棘爪94固定在适当的位置。因此，当电池34开始膨胀时，插头50可以不退出孔60，从而将压缩施加至电池34。
[0039]在不同的实施例中，在图9A与9B中描绘的，延迟机构62可以利用肋100与卡扣环102，以将插头50固定在外壳32中的合适位置。如在图9A中所示，多个肋100可以从插头50的主体66径向突出。因此，肋100之间的空间可以形成壕沟102。壕沟102可以容纳卡扣环104。在图9B中，示出卡扣环104布置于壕沟102之一中，以使得插头50的主体部66延伸所需的距离，进入外壳32的矩形内部空间42中。以这种方式，当它们开始在外壳32中膨胀时,插头50可以将压缩施加于电池34。
[0040]插头50可以包括额外的特征，以确定它如何将压缩施加于电池34。例如，如图10中描绘的，插头50可以包括螺旋弹簧110，以当它们开始膨胀时，增加施加于电池34的压缩力，或允许电池34的限制运动。螺旋弹簧90可以安装于外壳32的内表面与端电池34或压板80的表面之间。插头50可以包括其他元件，以方便压缩，例如聚合物垫圈、钢板弹簧、以及其他压缩方式。当对电池34施加压缩为外壳系统30的主要目标时，可以使用这种压缩元件，与最小化加工成本与部件数量对照。
[0041]此处对元件位置(例如，“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”)的引用仅用于描述图中各元件的定位。值得注意的是，根据其他实施例，各种元件的定位可以不同，并且这些变化旨在包括于本公开中。
[0042]重要的是注意，仅示例了如在各种实施例中所示的锂离子电池的元件的结构与布置。虽然在本公开中仅详细描述了几个实施例，但回顾本公开的本领域技术人员将容易知道的是，很多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状与比例、参数值、安装布置、材料使用、颜色、定位等的变化)，而无需实质上脱离新颖性教导与此处描述主题的优势。例如，如整体形成所示的元件可以由多个零部件或元件构成，可以反向或另外改变元件的位置，并且可以变化或改变离散元件的性质或数量或位置。可以根据可替换的实施例改变或重新排序任意工艺或方法步骤的顺序或序列。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种实施例的设计、操作条件、以及布置中作出其他替换、修改、改变与省略。
【权利要求】
1.一种用于一个或多个电池的外壳系统，所述外壳系统包括: 外壳，其形成通常矩形的内部空间，具有相反的尾端件； 孔，其穿过所述尾端件之一延伸；以及 插头，其具有头部与主体部，其中，所述主体部配置成穿过所述孔延伸，以接触所述电池之一，并且所述主体部具有延迟机构，以固定其位置，从而在所述电池上提供压缩力。
2.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述外壳配置成封闭多个棱柱形电池。
3.根据权利要求1所述的外壳系统,其中,所述外壳为整体结构。
4.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述外壳由塑料材料形成。
5.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述孔为带螺纹的，并且所述插头的所述延迟机构包括螺纹，其与所述孔的螺纹相匹配，以将所述插头固定于所述孔中的所需轴向位置。
6.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述延迟机构包括围绕所述插头的所述主体设置的一系列肋以及安装在肋之间，以将所述插头固定于所述孔中的所需轴向位置的卡环。
7.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述延迟机构包括棘轮机构，其具有沿所述插头的所述主体部分轴向布置的至少一组三角形齿，并且具有至少一个棘爪，以接合围绕所述外壳的所述尾端件的 所述孔布置的所述齿。
8.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述插头配置成设置于所述孔中，并且具有施加于所述头部的转矩，以将压缩力施加于所述外壳中的所述电池。
9.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述插头包括弹簧。
10.根据权利要求1所述的外壳系统具有冷却系统，其布置于所述外壳之下，其中，所述冷却系统具有至所述电池底部的直接通道。
11.根据权利要求1所述的外壳系统具有压板，其中，所述压板为通常的矩形，其位于相邻于具有所述孔的所述尾端件的所述外壳中，并且定位于所述插头的所述主体部与所述多个棱柱形电池之间。
12.根据权利要求1所述的外壳系统，其中，所述外壳的两个尾端件均包括所述孔与插座组件。
13.根据权利要求12所述的外壳系统具有两个矩形压板，每个均位于相邻于每个尾端件的所述外壳中，并且将每个压板定位于所述插头的所述主体部与所述多个棱柱形电池之间。
14.一种电池模块,包括: 外壳，其具有形成通常的矩形内部空间的两个侧壁与两个端壁，并且具有穿过所述端壁延伸的孔； 电池堆，每个均为通常的矩形形状，并且具有刚性容器，所述电池堆安装在所述外壳的所述矩形内部空间中；以及 插头，其具有头部与主体部，其中，所述主体部配置成穿过所述孔延伸，以接触所述电池之一，并且所述主体部具有延迟机构，以固定其位置，从而在所述电池上提供压缩力。
15.根据权利要求15所述的电池模块具有布置于电化学电池堆与具有所述孔的所述外壳的所述端壁之间的压板，其中，所述插头的所述主体部与所述压板相接触。
16.根据权利要求14所述的电池模块，具有布置于所述外壳之下的冷却板，其中，所述冷却板与每个所述电池的底部相接触。
17.根据权利要求14所述的电池模块，其中，两个端壁均包括所述孔与插头以及与每个孔相对应的压板，每个压板均位于端壁与电化学电池堆之间。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，xEV包括所述电池模块。
19.一种使用刚性外壳与至少一个插头对电化学电池堆施加压缩的方法，包括: 将所述电化学电池堆设置于所述刚性外壳中； 将所述插头定位于所述刚性外壳中的孔中；并且 将所需数量的力施加至所述插头，其中，所述插头将压缩力施加至所述外壳中的所述电化学电池堆的端部。
20.根据权利要求19所述的方法，包括将所述插头通过延迟机构固定在所述外壳中的所述孔中合适位置处 。
【文档编号】H01M10/0585GK103999258SQ201280062752
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2011年11月7日
【发明者】罗伯特·J.·麦克 申请人:约翰逊控制技术有限责任公司