蓄电池结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种蓄电池结构，其具有多个单电池单元，所述单电池单元中的每个均是电化学蓄电池单元的形式并且均具有棱柱形的壳体，其中这些单电池单元一个接一个地设置在至少一排中并且设置在壳体或框架中，以便被集合在一起以形成蓄电池模块，其特征在于，a)一个、几个或所有的单电池单元被形成为蓄电池单元，其根据各自的电荷状态改变其厚度，b)至少在所述单电池单元的串联结构的在最后一个单电池单元和所述壳体或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个可弹性变形的补偿构件，所述补偿构件被设计用于容纳和补偿由于电荷状态的变化而引起的单电池单元的厚度变化以及由此引起的串联结构的长度变化。本发明还涉及一种用于制造这种蓄电池结构的方法。
【专利说明】蓄电池结构及其制造方法
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的具有多个单电池单元的蓄电池结构。此外，本发明涉及一种根据权利要求13所述的用于制造这种蓄电池结构的方法。
[0002]根据权利要求1的前序部分所述的蓄电池结构例如由wo2012/135758 al或wo2013/120770 al已知。这种具有棱柱形单电池单元的蓄电池结构例如应用在电动车和混合动车力中。多个单电池单元由此通过壳体或框架组合在一起以形成紧凑的蓄电池模块。尽管蓄电池技术已经发展得非常先进，但电动车和混合动力车在市场上的普遍接受度却相对缓慢。
[0003]本发明的目的是，提供一种改进的蓄电池结构，其在重量、成本和功能方面进一步优化。此外，还说明了一种用来制造这种蓄电池结构的方法。
[0004]此目的根据权利要求1通过一种蓄电池结构得以实现，其具有多个单电池单元，所述多个单电池单元中的每个均是电化学蓄电池单元的形式并且具有棱柱形的壳体，其中这些单电池单元一个接一个地设置在至少一排中并且设置在壳体或框架中，因此它们集合成蓄电池模块，其特征在于:
[0005]a)—个、几个或所有的单电池单元构成为蓄电池单元，其根据各自的电荷状态改变其厚度；
[0006]b)至少在所述单电池单元的串联结构的在最后一个单电池单元和所述壳体或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个可弹性变形的补偿构件，所述补偿构件被设计成容纳和补偿由于电荷状态的变化而引起的单电池单元的厚度变化以及由此引起的串联结构的长度变化。
[0007]本发明的优点是，现在能够将高度优化的单电池单元用作蓄电池单元，其能够根据各自的电荷状态可逆地改变其厚度。因此，单电池单元的厚度能够随着电荷状态(s0c-state of charge)的提升而增大，并且随着该单电池单元的电荷状态的降低又再次减小。配置有相对轻重量且薄壁的单电池单元壳体的单电池单元由此能够被用于形成蓄电池结构，这在蓄电池结构的重量和制造成本方面是有利的。本发明能够将所谓的“呼吸”单电池单元应用在蓄电池结构中，但不会增加它们损坏的危险。为此，所述单电池单元或这些单电池单元的厚度变化以及由此引起的单电池单元的串联结构的长度变化由至少一个可弹性变形的补偿构件容纳和补偿。通过它的弹性特性，所述补偿构件负责将单电池单元的串联结构在各种电荷状态下机械稳固地保持在所述壳体或所述框架中，并且总是处于一定的预应力之下。因此这些单电池单元稳固且可靠地固定在所述壳体或框架中，但由于单电池单元的厚度变化，其还能实现所需的补偿运动。通过这样的固定，这些单电池单元能够更好地承受出现的振动负荷。
[0008]只要所述蓄电池结构具有用来容纳单电池单元的壳体，则这些单电池单元通过所述壳体保护，以便完全或至少大部分免受外部环境的影响。通过所述壳体10，能够将单电池单元封装。只要所述蓄电池结构具有用来容纳单电池单元的框架，则同样可靠地固定了这些单电池单元并且将它们汇集以形成如在壳体中的紧凑的蓄电池模块，但更少受到抵抗外部环境影响的保护。
[0009]所述棱柱形的壳体可以特别是方形或至少近似方形的壳体。这些单电池单元例如依照表面面积借助其各自的最大的壳体侧面依次排列。
[0010]这些单电池单元的串联结构能够在串联结构的与具有补偿构件一端相反的另一端部上直接支撑在壳体或框架上，或者支撑在其它构件上，尤其是支撑在下面还将更详细阐述的至少一个预紧元件上。所述蓄电池结构能够具有唯一一个补偿构件或多个相互紧挨着(平行)或一个接一个地(成排)设置的补偿构件。特别地，所述补偿构件能够构成为具有或没有缓冲特性的压力加载的弹性构件。所述补偿构件例如能够由泡沫、硅酮或橡胶材料制成，或由这种类型的不同材料的组合构成。特别地，所述补偿构件能够由同时具有弹性和缓冲特性的材料制成。
[0011]根据本发明的有利的改进方案，所述补偿构件具有由至少一个缓冲元件和至少一个压缩弹簧构成的结构。这种方式能够提供用于“弹性”功能和“缓冲”功能的独立的元件，它们能够被单独地优化以用于各自的应用。所述压缩弹簧能够例如由金属制成，例如构成为螺旋弹簧、圆筒形弹簧、锥形弹簧、盘形弹簧或类似弹簧。所述缓冲元件例如能够是液压缓冲器。
[0012]根据本发明的有利的改进方案，所述至少一个补偿构件构造成用来补偿所述单电池单元的串联结构的至少为1mm的长度变化，所述长度变化是由厚度变化引起的，所述厚度变化是由电荷状态的变化引起的。这允许使用具有相对高的厚度变化(厚度上升)偏差的单电池单元。
[0013]单电池单元的厚度变化指单电池单元在多个单电池单元的串联结构的纵向方向上延伸的几何尺寸的空间变化。
[0014]根据本发明的有利的改进方案，至少在所述单电池单元的串联结构的在最后一个单电池单元和所述壳体或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个预紧元件，所述预紧元件抵靠着所述壳体或所述框架来支撑所述最后一个单电池单元。所述至少一个预紧元件使所述单电池单元的串联结构能够相对于所述至少一个补偿构件以可调节的预紧力预紧。所述预紧力尤其在制造蓄电池结构的过程期间能够随意地调节到预设的值。其优点是，限定的预紧力能够被施加到这些单电池单元的串联结构上，其尤其满足了用于这些单电池单元的规定的最大负荷。这种方式能够将单电池单元牢固地固定在壳体或框架中，而预紧力不会对这些单电池单元造成损坏。
[0015]根据本发明的有利的改进方案，至少在所述单电池单元的串联结构的在最后一个单电池单元和所述壳体或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个预紧元件，所述预紧元件抵靠着所述壳体或所述框架来支撑所述最后一个单电池单元。所述至少一个预紧元件构造成在至少沿所述单电池单元的串联结构的纵向延伸的方向上的可调节长度方面是随意可控的。这种随意的控制由此能够沿单电池单元的串联结构的纵向延伸的方向调节预紧元件的纵向伸展。通过这一点，能够补偿单电池单元、壳体或框架的尺寸中的制造公差以及与之相关的间隙。另一优点是，能够在蓄电池结构的制造过程中简化这些单电池单元在壳体或框架中的组装。因此，这些部件，即补偿构件、单电池单元和预紧元件能够松散地以一定的间隙设置在所述壳体或框架中，然后所述预紧元件沿串联结构的纵向延伸的方向扩张，直到所述间隙被补偿并且这些单电池单元被固定。
[0016]根据本发明的有利的改进方案，所述至少一个补偿构件被设计作为所述至少一个预紧元件，或在具有多个补偿构件的情况下，这些补偿构件中的至少一个被设计作为所述至少一个预紧元件。在这种情况下，所述补偿构件就认为其同时具有预紧元件的功能。
[0017]所述补偿构件和/或预紧元件能够例如以由挠性材料(例如塑料薄膜材料)制成的袋子、包或管子的形状构成。这允许所述补偿构件或预紧元件能够用填充介质填充并且由此可选择地具有弹性功能、缓冲功能和/或长度变化功能。所述补偿构件也能够被设计为深拉伸件或吹塑件。
[0018]根据本发明的有利的改进方案，所述至少一个预紧元件设置在所述单电池单元的所述串联结构的与在最后一个单电池单元和所述壳体或所述框架之间的所述至少一个补偿构件的那侧相反的另一端部上。以这种方式设置至少一个独立的、与补偿构件分开的预紧元件，它能够借助可调节的预紧力预紧和/或沿这些单电池单元的串联结构的纵向延伸的方向上调节长度，如已提到的那样。
[0019]根据本发明的有利的改进方案，所述至少一个预紧元件具有内部空腔，所述空腔能够用至少一种填充材料填充，其中所述填充材料通过所述至少一个预紧元件的外壁被保持在内部空腔中。为此，所述至少一个预紧元件例如能够具有用于填充材料的填充口和/或通风口，所述通风口使包含在所述内部空腔中的气体流通。在合适的情况下，所述填充口也可同时作为通风口来用。
[0020]根据本发明的有利的改进方案，所述至少一个预紧元件的所述空腔用硬化的填充材料填充。为此例如能够应用环氧树脂、聚氨脂类泡沫、硅酮或橡胶。“硬化的”这一术语在此指填充材料的状态变化，即填充材料的硬度在硬化过程中增加，其中所述填充材料也在硬化之后还可以是可弹性变形的并且能够是挠性或相对软的。特别地，所述填充材料能够这样选择，即它在硬化之后仍然还具有这种弹性的和/或缓冲的特性，使得它适合形成补偿构件。
[0021]根据本发明的有利的改进方案，一个、几个或所有的单电池单元被设计为锂离子电池单元。其优点是，这些单电池单元能够以蓄电池技术来被形成，在最小的空间下将高容量与良好的导电性能结合起来。根据本发明的所述至少一个可弹性变形的补偿构件能够容纳和补偿在这种单电池单元中出现的厚度变化。
[0022]此外，所述开始时提及的目的根据权利要求13还通过一种用来制造蓄电池结构的方法来实现，其具有以下步骤:
[0023]a)提供根据权利要求5或6中任一项所述的蓄电池结构；
[0024]b)随意地加载所述至少一个预紧元件，以产生或增加由所述至少一个预紧元件施加到所述单电池单元的串联结构上的预紧力；
[0025]c)在达到了预紧力的预设值时，结束所述至少一个预紧元件的加载。
[0026]其优点是，能够以简单且快速的方式制造蓄电池结构。尤其在制造时不会出现问题，例如，通过预紧力损坏所述单电池单元，因为在将单电池单元装入壳体或框架中之后才将所述预紧力调节到期望的数值。通过这种预紧过程，能够产生限定的预紧力。因此，实现了更可靠验证过的最终的产品。
[0027]根据本发明的有利的改进方案，下面的步骤在前述方法的步骤a)和b)之间实施:随意地加载所述至少一个预紧元件以便消除此结构的间隙。
[0028]接下来参考附图通过实施例来更详细地阐述本发明。
[0029]其中:
[0030]图1以立体视图示出了蓄电池结构的构件；
[0031]图2以俯视图示出了蓄电池结构；以及
[0032]图3以俯视图示出了另一蓄电池结构；以及
[0033]图4示出了蓄电池结构的制造步骤；以及
[0034]图5示出了预紧元件；以及
[0035]图6示出了填充图5的预紧元件的步骤。
[0036]在图中使用相同的附图标记表示彼此相对应的元件。
[0037]图1示出了壳体i，基本上呈方形的壳体的多个单电池单元2如箭头所示地被插入到所述壳体中，以便以这种方式构成蓄电池结构10。这些单电池单元2—个接一个地设置成排，图1示例性地示出了四个单电池单元。当然，更多或更少的单电池单元数量同样也是可行的。在图1中还可看到可弹性变形的补偿构件6，它在这些单电池单元的串联结构的端部上设置在最后一个单电池单元2上。所述补偿构件6抵靠着壳体i来支撑所述最后一个单电池单元2，并因此将单电池单元2的整个串联结构固定在壳体i中。在过程中，所述补偿构件6还容纳并且补偿由于单电池单元2的厚度改变而引起的串联结构的长度变化。在图2中详细地描述了这一点。图2以视图a)和b)示出了根据图1的蓄电池结构，但此处具有六个一个接一个串联设置的单电池单元2。如可看到的那样，这些单电池单元2在串联结构的一侧上通过补偿构件6支撑在所述壳体i的壁上，在另一侧上通过预紧元件3支撑在所述壳体的壁上。所述预紧元件3也可省略，因此在这种情况下最后一个单电池单元2直接支撑在壳体i的壁上。
[0038]附图2在视图a)中示出了处于电荷状态的单电池单元2，在该电荷状态下这些单电池单元2只是最少量地充电。在视图b)中这些单电池单元2更强地充电，也就是说，它们具有更高的电荷状态。这会增加单电池单元2的厚度并因此引起补偿构件6的更强压缩，如在图2的视图b)中可看到的那样。根据图2的尺寸d指示为所述单电池单元的厚度。这些单电池单元2的串联结构由此具有长度为l的纵向延伸。通过这些单电池单元的厚度变化，所述串联结构整体上产生了长度变化δ l，如图2所示。
[0039]所述补偿构件6能够构成为模块，其由可弹性变形的材料(例如泡沫或橡胶)构成并且在合适的地方具有内部空腔。所述补偿构件6能够构成为多个单个构件的结构，如图3示例性地示出的那样。根据图3，所述补偿构件6能够具有由压缩弹簧8和缓冲器7构成的结构。最后一个单电池单元2随后通过缓冲器7和压缩弹簧8支撑在壳体i的壁上。通过这种用于缓冲功能和弹簧功能的单独构件(如图3所示)，补偿构件6的缓冲系数和弹性系数能够针对各自的应用情况分别进行优化。
[0040]现在参考图4来描述预紧元件3如何能够将这些单电池单元2固定在根据图3的蓄电池结构10的壳体i中。首先在其视图a)中假定这些单电池单元2最初已经被插入到壳体i中，其中在这些单电池单元2的串联结构的一个端部上设置有补偿构件6，在另一端部上设置有预紧元件3。这些单电池单元2、所述补偿构件6和所述预紧元件3最初相对松散地以一定的间隙a s设置在壳体i中，即，还未将这些单电池单元2固定。
[0041]在图4中分别在所示蓄电池结构10的右边示出了力/位移图，在此示出了力f在位移s上的特征曲线。所述力f是指由预紧元件3施加到单电池单元2的串联结构上的力，其与补偿构件6的相应对抗力相关。根据视图a)，所施加的力f等于o，也就是，所述结构位于工作点&中。根据视图b)，所述预紧元件3已略微伸展，以使得它紧靠着其关联的单电池单元2并且填补了间隙as。还没有产生f>0的力，也就是，所述结构位于工作点x2中。
[0042]根据视图c)，所述预紧元件3现在进一步伸展，如在视图c)中的箭头所示的那样。因此，这些单电池单元2压向压缩弹簧8和缓冲器7，由此使它们略微缩短。在此，所述力f增大。执行所述过程，直到达到了期望的预紧力f1，这一点发生在视图c)所示的图中的位移点s1i。所述结构现在位于工作点x3中。
[0043]长度可变的预紧元件3例如能够设计为可填充有填充材料的构件，例如管子、袋、包或吹塑件。附图5示出了形式为管子的这种预紧元件3，其具有用来以填充材料填充的结构。所述预紧元件3具有用来填充填充材料的填充口 4和用来使包含在预紧元件3的内部空腔9中的气体流通的通风口 5。通过连接管64将具有填充材料66的容器61连接到填充口 4上。所述填充材料66能够被活塞60加压，并因此如箭头62所示压入预紧元件3中。为了使包含在预紧元件3中的气体流通，通风口 5通过管子65与排泄阀63相连，所述排泄阀能够关闭和打开。所述管子65在所述排泄阀63的另一边例如通到大气中。
[0044]借助图6，阐述了根据图5所示的结构如何实施预紧元件3的填充过程。图6的视图a)首先示出了根据图5的结构，其中预紧元件3还未填充填充材料66。然后将排泄阀63打开。通过活塞60上的压力62，将填充材料66压入预紧元件3中，如视图b)中可看到的那样。视图c)示出了整个预紧元件3已经用填充材料66填充。所述填充材料66已部分延伸到管子65中。现在将排泄阀63关闭。由于关闭了排泄阀63，所述填充材料66不能再从预紧元件3上出去。在进一步的压力加在活塞60上时(如从视图d)中可看到的那样)，预紧元件3可以说是由填充材料66引起超压，因此它沿视图d)所示的竖直箭头扩张。所述扩张例如相当于预紧元件3的图4的视图c)所不的加厚。
[0045]—旦完成了根据图6的过程，所述预紧元件3能够在填充口4和通风口5处封闭，并且能够移除其余的部件，比如连同套管64—起移除存储容器61以及连同排泄阀63—起移除管子65。
【主权项】
1.一种蓄电池结构(10)，其具有多个单电池单元(2)，每个单电池单元均为电化学蓄电池单元的形式并且均具有棱柱形的壳体，其中这些单电池单元(2) —个接一个地设置在至少一排中并且设置在壳体(i)或框架中以便被集合在一起以形成蓄电池模块，其特征在于: a)这些单电池单元(2)中的一个、几个或所有构成为蓄电池单元，所述蓄电池单元根据各自的电荷状态改变其厚度； b)至少在这些单电池单元(2)的串联结构的在最后一个单电池单元(2)和所述壳体(i)或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个可弹性变形的补偿构件(6)，所述补偿构件设计成容纳和补偿由于电荷状态的变化而引起的单电池单元(2)的厚度变化以及由此引起的串联结构的长度变化(al)。2.根据权利要求1所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个补偿构件(6)构成为具有或没有缓冲特性的压力加载的弹性构件。3.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个补偿构件(6)具有由至少一个缓冲元件(7)和至少一个压缩弹簧(8)构成的结构。4.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个补偿构件(6)被设计用来补偿所述单电池单元(2)的串联结构的至少为1mm的长度变化(al)，所述长度变化是由厚度变化引起的，所述厚度变化是由电荷状态的变化引起的。5.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，至少在所述单电池单元(2)的串联结构的在最后一个单电池单元(2)和所述壳体(i)或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个预紧元件(3)，所述预紧元件抵靠着所述壳体(i)或所述框架来支撑所述最后一个单电池单元(2)，其中所述至少一个预紧元件(3)使所述单电池单元(2)的串联结构能够相对于所述壳体(i)或所述框架以可调节的预紧力预紧。6.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，至少在所述单电池单元(2)的串联结构的在最后一个单电池单元(2)和所述壳体(i)或所述框架之间的一个端部上设置有至少一个预紧元件(3)，所述预紧元件抵靠着所述壳体(i)或所述框架来支撑所述最后一个单电池单元(2)，其中所述至少一个预紧元件(3)在至少沿所述单电池单元(2)的串联结构的纵向延伸(l)的方向的可调节长度方面是随意可控的。7.根据权利要求5至6中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个补偿构件(6)被设计作为所述至少一个预紧元件(3)，或在具有多个补偿构件(6)的情况下，这些补偿构件(6)中的至少一个被设计作为所述至少一个预紧元件。8.根据权利要求5至7中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个预紧元件(3)设置在所述单电池单元(2)的串联结构的与在所述最后一个单电池单元(2)和所述壳体(i)或所述框架之间的所述至少一个补偿构件(6)的那侧相反的另一端部上。9.根据权利要求5至8中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个预紧元件(3)具有内部空腔(9)，所述空腔能够用填充材料(66)填充，其中所述填充材料(66)通过所述至少一个预紧元件(3)的外壁保持在内部空腔(9)中。10.根据权利要求9所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个预紧元件(3)具有用于填充材料(66)的填充口(4)和/或用于使包含在所述内部空腔(9)中的气体流通的通风口(5)。11.根据权利要求9至10中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，所述至少一个预紧元件(3)的所述空腔(9)用硬化的填充材料(66)、尤其是环氧树脂、聚氨脂类泡沫、硅酮或橡胶填充。12.根据上述权利要求中任一项所述的蓄电池结构，其特征在于，一个、多个或所有的单电池单元(2)被设计为锂离子电池单元。13.—种用来制造蓄电池结构(10)的方法，其包括以下步骤: a)提供根据权利要求5或6中任一项所述的蓄电池结构(10); b)随意地加载所述至少一个预紧元件(3)，以产生或增加由所述至少一个预紧元件(3)施加到所述单电池单元(2)的串联结构上的预紧力(f);c)在所述预紧力(f)达到了预设值(fl)时，结束所述至少一个预紧元件(3)的加载。14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在权利要求13的步骤a)和b)之间实施以下步骤:随意地加载所述至少一个预紧元件(3)，以便消除所述结构的间隙(as)。
【文档编号】h01m2/02gk105993085sq201480059334
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2014年10月30日
【发明人】黑尔格·布伦纳, 伯恩哈德·欧利希, 拉尔夫·约斯维奇
【申请人】江森自控先进能源动力系统有限责任公司