帶有懸臂側密封的電池單元冷卻框架的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明通常涉及一種在電池包(battery pack)內的用于電池單元的冷卻結構，以及更具體地涉及將電池聯(lián)接至帶有整體附接特征部的冷卻框架，以同時提升在高容量電池包組裝期間電池單元和框架之間的適當間隙和當電池包已組裝好時對于引入至限定在電池單元和冷卻框架之間的空間中的流體的密封。
【背景技術】
[0002]在混合動力電動車輛(HEV)的情況下，或替代地，在純電動車輛(EV)、常規(guī)的內燃發(fā)動機(ICE)的情況下，統(tǒng)稱為可再充電的能量存儲系統(tǒng)(RESS)的鋰離子和相關的電池在車輛及相關的運輸應用中正被用作補充方式。從固定的和便攜式的電源被動存儲能量的能力，以及從由車輛及其部件提供的回收動能存儲能量的能力，使此類電池理想地作為用于車輛、卡車、公共汽車、摩托車和相關的車輛平臺的推進系統(tǒng)的一部分。在適用于車輛應用的一種形式中，單獨的電池單元(即，單個的電化學電池單元)成形為大體薄的矩形構件。電流往返電池單元的流量如此設置，使得當幾個此類電池單元組合成較大的組件時，能夠增加所述電流或電壓以產(chǎn)生所期望的功率輸出。在本文中，較大的模塊和包組件是由一個或更多個以串聯(lián)的、并聯(lián)的或兩者均有的形式連接的電池單元組成，且可包括額外的結構以確保這些電池單元的正確安裝和運轉。雖然在此文中使用術語“電池包”來描述用于使用在推進動力應用中的大致完整的電池組件，但是本領域技術人員將理解到，相關的術語-例如“電池單元”或類似的-也可用于描述此類組件，而且任一術語可互換地使用，且在此類理解中沒有損失。
[0003]溫度是影響電池性能和壽命兩者的最重要因素之一，尤其是那些用于車輛應用的推進動力和相關的高功率需求構型。從外因方面，環(huán)境狀況(例如那些在冷或熱的環(huán)境中持久的閑置周期期間所遇到的)是重要因素，而從內因方面，由電池包產(chǎn)生的大量電能和伴隨的熱量產(chǎn)生，以及濫用狀況(如快速充電/放電，或電池單元的物理形變、穿透或制造缺陷引起的內部/外部短路)，能夠對電池的正確運轉能力造成負面影響。在任一情況的極端形式中，此類溫度能夠完全損壞電池。特別是關于長期暴露在高溫下，副作用可包括過早老化和加速功率和能量衰減，此外這兩者都是不期望的。
[0004]在一種形式中，組成電池包的各個電池單元配置成限定被稱為電池殼的剛性外殼體的矩形(即，棱柱形)罐。與其形狀相似的棱柱形袋狀電池單元對應物一樣，棱柱形罐式電池單元能夠沿著由排列的平行板狀表面形成的堆疊軸線放置成面對布置(很像一副紙牌)。位于電池殼外部上的一個邊緣上的正負端子相對于堆疊軸線彼此側向間隔開，且作為電接觸用于連接(例如經(jīng)由母線)至外部負載或電路。在電池殼內，多個單獨交替的正和負電極沿堆疊方向彼此間隔開，且由非導電的分離器保持電隔離。來自每個負電極的引線一起聚集在電池殼內部以供給負端子，而來自每個正電極的引線也同樣聚集在一起以供給正端子。
[0005]為了幫助避免過量的熱積累，冷卻系統(tǒng)可以集成到電池包中。在上述構型中(其中電池單元以大體重復的方式中堆疊或布置)此類冷卻系統(tǒng)可包括用于在各電池單元之間引入冷卻介質的裝置。此類冷卻系統(tǒng)的運轉可響應于溫度升高的電池單元的膨脹和相關的壓縮作用而被阻礙，如在較低的包溫度期間可存在的冷卻通道傾向于響應單個電池單元膨脹而尺寸減少(或整個被切斷)。為了防止溫度相關的問題，用于保持、安裝或以其它方式固定鄰接-堆疊的電池單元的框架狀構件可用來保持在其間形成的通道或相關的體積空間。如此，這些框架通常對于保持鄰接電池單元之間的尺寸一致性及相關的密封完整性是關鍵的，其是作為防止引入通道的或相關體積間隙的冷卻介質意外釋放的方式。盡管如此，與將框架聯(lián)接到電池單元相關聯(lián)的接頭和密封需要復雜的制造工藝。采用棱柱形罐式電池單元構型(尤其將冷卻框架放置成鄰接電池單元)能夠具有相互排斥的益處。例如，通過緊密尺寸公差來試圖確保適當高的水平的密封完整性阻礙高速組裝操作，但是大的組裝生產(chǎn)量留出較大的制造公差，這反過來引起在電池單元與框架之間的間隙，而這些間隙是包內大多數(shù)冷卻劑損耗的原因。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明通過下列來解決上述問題:允許在高速自動組裝期間在鄰接的冷卻框架與電池單元之間的空隙(即間隙)，而當框架和電池單元已經(jīng)連接在一起且放置于電池單元保持架或相關殼體結構中時閉合此間隙。單個棱柱形罐式電池單元的此類高速自動組裝成較大模塊或包結構的示例可以在由本發(fā)明的受讓人擁有并且通過引用并入本文的一對同族專利申請中找到；這些是2013年3月15日提交的名稱為LARGE FORMAT CELL HANDLINGFOR HIGH SPEED ASSEMBLY (用于高速組裝大號電池操作)的美國申請N0.13/835，858和2013 年 8 月 21 日提交的名稱為High Speed Stacking for Batteries withPrismatic Cans (用于棱柱形罐式電池的水平高速堆疊)的美國申請N0.13/972，224。本發(fā)明的聯(lián)接是有益的在于，它避免必須使用外來成形冷卻板或可壓碎的部件來影響氣流密封，且同樣避免了減少每個電池單元和冷卻框架之間的間隙至對于例程模塊組裝操作而言過小的尺寸。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的教導，公開了用于將一個或更多個棱柱形罐式電池單元固定成較大的電池組件(例如電池模塊或電池包)的模塊設計。在本文中，保持架或相關殼體可限定由沿一個軸線的兩個相對支架和沿正交軸線的兩個相對的端部板組成的開口箱，所有這些都可以被放置在托盤上或與其一起形成，以作為模塊主要支撐結構。而且在本文中，電池包被認為是該包設計用于車輛的推進的所需部件的大致完整的組件或系統(tǒng)，而電池模塊和單個電池單元(如上所述的)被認為是隨后組裝到總體系統(tǒng)的包或其它較大部分的子部件。同樣地，用于車輛應用的電池包的部件的組件可以包括(除了多個電池單元)冷卻板、框架、托盤、固定機構以及雖然不促進電力產(chǎn)生卻是形成整個電池系統(tǒng)組裝和組裝的重要部分的其它設備。傳統(tǒng)上，所有這些部件以此方式堆疊和連接在一起，使得重量、成本和復雜性都增加了。以示例的方式，單獨的框架可高達整體電池包組件或系統(tǒng)的總重量的10%，而包含冷卻和密封功能可顯著增加組裝操作的復雜性。
[0008]多個棱柱形罐式電池單元沿堆疊軸線布置，使得相對應的多個冷卻框架中的每個都能夠面對地穿插在鄰近的一對電池單元之間以限定帶有冷卻路徑的電池單元-框架組件。每個框架包括一個或更多個彈性偏壓的密封構件，使得當形成電池單元-框架組件且隨后放置至配置來包含電池單元-框架組件的殼體中時，所述密封構件的突起遠端(在其正常、未變形狀態(tài)中，其被偏壓遠離與電池單元的接觸接合且因此在由所述電池單元的板狀表面限定的印跡外)由剛性殼體內壁的作用力壓縮。然后遠端的相對表面(由于遠離其懸臂表面的樞軸點)移動到與電池單元的邊緣的相對應表面處于接觸接合中。因為這些接觸表面限定大體線性的扁平結構，其接觸沿著重要的各個部分部件，它們形成的密封表面使得引入的冷卻空氣從在接合的電池和框架之間形成的冷卻路徑中更難逸出。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的再另一個方面，公開了一種組裝冷卻框架至汽車電池包的棱柱形罐式電池單元的方法。本方法包括提供帶有一個或更多個彈性偏壓的密封構件形成在其上的框架。在此之后，所述冷卻框架放置成鄰接電池單元使得它們限定在其間帶有冷卻路徑的電池單元-框架組件。隨后，將所述電池單元-框架組件放置至殼體中，使得所述密封構件(在其自然(即，未變形)狀態(tài)中，密封構件位于由電池單元限定的印跡外)由殼體表面的壓縮作用而變形。所述密封構件的此變形使得它達到與電池單元上的鄰接表面(例如，側向邊緣)相接觸，使得形成接觸接合。由于所述接合表面是大致扁平的和平的，此接合限定用于形成在組件框架和電池單元之間的冷卻路徑的密封表面。顯著地，這允許采用高速自動堆疊或連接技術生產(chǎn)電池單元-框架組件，此技術具有在組裝前的大制造公差和在組裝之后的大致無間隙的電池-冷卻框架接觸表面。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，其進一步存在以下技術方案:
1.一種交通工具電池包的組件，其包括:
沿堆疊軸線布置的多個棱柱形罐式電池單元；
多個冷卻框架，其每個面對地穿插在鄰近的一對所述電池單元之間且聯(lián)接到至少一個電池單元以限定在其間帶有冷卻路徑的電池單元-框架組件，每個所述框架限定形成在其上的至少一個彈性偏壓的密封構件；以及
殼體，其配置來容納所述電池單元-框架組件，使得在所述電池單元-框架組件放置至所述殼體中之前，所述密封構件被偏壓遠離與所述各自的一個所述電池單元的接觸接合，且當所述電池單元-框架組件由此放置至所述殼體中以形成所述接觸接合時，所述密封構件由于所述殼體的表面而從其偏壓的位置變形，所述接觸接合在相對應的所述電池單元-框架組件內的每個所述框架和所述電池單元之間限定冷卻路徑密封表面。<