电池系统和包括该电池系统的电动车辆的制作方法

本公开的实施例的方面涉及电池系统和包括该电池系统的电动车辆。

背景技术：

1、近来，已经开发了使用电力作为用于动力源的用于运输货物和人员的车辆。电动车辆是长期地或暂时地通过电动机使用存储在可再充电（或二次）电池中的能量来推进（propell）的汽车。电动车辆可以仅由电池供电（所谓的电池电动车辆（bev）），或者可以包括电动机和例如常规内燃机的组合（所谓的插电式混合电动车辆（phev））。bev和phev使用被设计成在持续的时间段内提供用于推进（propulsion）的动力的高容量可再充电电池。

2、通常，可再充电（或二次）电池单体包括电极组件，该电极组件包括正电极、负电极和插置在电极之间的隔膜。固体电解质或液体电解质允许离子在电池单体的充电和放电期间移动。电极组件位于外壳（或壳）中，并且位于外壳外部的电极端子建立与电极的导电连接。常见的电池单体形式包括例如圆柱形、棱柱形和袋形。

3、电池模组由串联或并联连接在一起的多个电池单体形成（或者包括串联或并联连接在一起的多个电池单体）。电池模组是通过将多个电池单体的电极端子互连而形成的，其中电池单体的数量和连接布置取决于期望的电量，以实现相对高容量可再充电电池。

4、电池模组可以以块设计或模组化（modular）设计被构造。在块设计中，每个电池单体结合到公共集流体结构和公共单体管理单元并容纳在壳体中。在模组化设计中，多个电池单体连接在一起以形成子模组，并且若干子模组连接在一起以形成电池模组。在汽车应用中，电池系统可以包括串联连接在一起的多个电池模组，以提供期望电压。

5、电池组是任意数量的（通常相同的）电池模组的集合和/或单个（例如，单独的）电池单体。电池模组或相应的电池单体可以被配置为串联、并联或两者的混合，以提供期望的电压、容量和/或功率密度。电池组的组件包括单独的电池模组和在电池模组之间提供导电性的互连。

6、电池组的机械集成通过单独的组件之间（例如，电池模组之间以及电池模组与车辆的支撑结构之间）的适当机械连接来实现。这些连接应在电池系统的整个平均使用寿命期间保持功能和安全。此外，应满足安装空间和互换性（interchangeability）规范，特别是在移动应用中。

7、电池模组的机械集成可以通过提供载体框架（carrier framework）并通过将电池模组定位在载体框架上来实现。固定电池单体或电池模组可以通过框架中的配合凹陷（depression）或通过机械互连件（interconnector）（诸如螺栓或螺钉）来实现。在一些情况下，通过将侧板（side plate）紧固（fasten）到载体框架的侧面来限制电池模组。此外，盖板可以固定在电池模组的顶部和下方。

8、电池组的载体框架被安装到车辆的承载（carrying）结构。当电池组要被固定在车辆的底部时，可以通过例如穿过（pass through）电池组的载体框架的螺栓从底侧建立机械连接。框架通常由铝或铝合金制成，以减轻结构的总重量。

9、尽管具有任何模组化结构，但常规的电池系统通常包括电池壳体，该电池壳体用作将电池系统相对于环境密封并且提供对电池系统的组件的结构保护的壳体。封装的电池系统通常作为整体（例如，作为单个单元）安装到其应用环境中，诸如电动车辆。因此，有缺陷的系统组件（例如有缺陷的电池子模组）的更换需要首先拆卸整个电池系统并移除其壳体。即使是小型和/或廉价系统部件（part）的缺陷也可能需要拆卸和更换整个电池系统及其单独的修理。因为高容量电池系统昂贵、大且重，所以该过程是繁重的，并且体积大的电池系统的存储（例如，在机械车间中）是困难的。

10、作为用于电池系统的有源组件和无源组件的位置，电池壳体在储能系统的功能性、安全性和使用寿命中起重要作用。电池壳体保护敏感组件免受有害的环境影响，诸如水、湿气和灰尘，因此对于长期安全和可靠的操作至关重要。因为牵引（traction）型电池通常位于车厢外部，通常在地板区域中（或下方），所以壳体直接暴露于极端环境状况，诸如温度、湿度、溅水、盐雾、灰尘和石头碎裂或冲击。因此，在恶劣的外部状况下，高机械稳定性和耐腐蚀性也是必不可少的。除了主要影响壳体表面或壳体密封性的环境影响之外，内部紧固系统和外部紧固系统在车辆运行状况下也是特别重要的。

11、可以包括主动热管理系统或被动热管理系统以提供电池组的热控制，从而通过有效地散发（emit）、排放（discharge）和/或消散（dissipate）由至少一个电池模组的可再充电电池产生的热量，来安全地使用该至少一个电池模组。如果没有充分地执行热量散发、排放和/或消散，则各个电池单体之间可能出现温度偏差，使得至少一个电池模组可能不再产生期望的（或设计的）电量。另外，内部温度的升高可能导致可再充电电池中发生异常反应，因此，可再充电电池的充电和放电性能劣化，并且可再充电电池的寿命缩短。因此，用于有效地从电池单体散发、排放和/或消散热量的单体冷却是重要的。

12、热能的有效管理对于锂离子电池在移动应用中的最佳功能和寿命至关重要，因为调节温度的能力对于在各种状况下保持全部性能和操作就绪性至关重要。热管理包括冷却操作和加热操作。鉴于锂离子电池种类繁多其单体的化学和结构各有不同，热管理应根据每种变体的具体要求进行调整。类似的情况适用于许多不同的车辆应用，包括从小型城市汽车到跑车的一系列车辆，以及轻度混合电动汽车和纯电动汽车。此外，集成到车辆的热回路中是非常重要的。

13、在空气冷却的情况下，冷却空气围绕电池单体流动，从而对可自由接入的表面进行冷却。因为这种类型的冷却不需要与电池单体直接热接触，所以与冷却系统的接口相对简单。然而，电池单体之间的冷却空气管道（duct）所需的安装空间相当大，并且冷却效率（例如，单体冷却的均匀性（homogeneity））通常不足。相比之下，与电池单体建立热接触并经由热传导消散热量的冷却方法在冷却效率方面比空气冷却更有效。然而，热接触的设计带来了不同的挑战。因为冷却装置与电池单体的电气组件直接接触，因此与冷却系统的接口更复杂。在单体具有低高度和足够厚的单体壁（wall）的情况下，通常经由冷却板简单地接触电池单体的底部就足够了。如果这证明是不够的，则必须在电池单体之间结合（incorporate）补充的导热元件，以便于将热量传递（transfer）到冷却板。然而，这导致更重型且更昂贵的冷却系统。在电池单体之间使用流体传导（fluid-conducting）冷却板已被证明是有效的，因为从电池单体内部到冷却流体的热传导路径相对较短，从而导致电池单体内的温度均匀性很高。另一种冷却方法是极柱（arrester）冷却。在该方法中，经由电极直接冷却电池单体的内部。袋型电池单体可以非常适合于这种类型的冷却，因为它们具有平坦的并且因此相对容易接触的端子。来自电池单体的废热被引导到冷却板中。在那里，冷却水或蒸发的制冷剂吸收热量并经由车辆的冷却或制冷系统将其消散到环境中。

14、电池组件的放热分解（exothermic decomposition）可能导致所谓的热失控。通常，热失控描述了由于温度升高而加速，进而释放进一步升高温度的能量的过程。在温度升高改变了条件，导致温度进一步升高时，就会发生热失控，这通常导致破坏性结果。在可再充电电池系统中，热失控与通过温度升高而加速的强放热反应相关联。在热失控中，电池单体温度非常快地上升，并且存储的能量非常突然地释放。在极端情况下，热失控会导致电池单体爆炸并起火。在较小的情况下，热失控会导致电池单体被不可修复地损坏。

15、当电池单体被加热到临界温度以上时，电池单体可能转变为热失控。通常，在电池单体的低侧或高侧的安全区域之外的温度可能导致对电池单体的不可逆损坏，并且因此可能触发热失控。热失控也可能由于电池单体的内部短路或外部短路或电池维护不佳而发生。例如，过充电或快速充电可能导致热失控。

16、在热失控期间，故障的电池单体可能达到超过约700°c的温度。此外，大量的热气从故障的电池单体的内部通过电池单体壳体中的排气开口喷射（eject）到电池组中。排出的气体的主要成分是h2、co2、co、电解质蒸气和其他碳氢化合物。因此，排出的气体是易燃的并且具有潜在的毒性。排出的气体还导致电池组内部的气体压力增加。在最坏的情况下，高温导致该过程扩散到相邻电池单体并在电池组中着火。在这个阶段，着火很难扑灭。

17、电池组的电池单体可以被布置成通过将电池单体堆叠到彼此上，或者将电池单体布置成行并且将单体堆叠放置在单体堆叠框架内来形成单体堆叠。这种单体堆叠的相邻电池单体可以经由单体隔离物（spacer）彼此间隔开（例如，分隔开）。为了确保电池单体在其使用寿命内的最佳运行，可以通过单体堆叠框架将参考（或预定义）压力施加（exert）到电池单体上，以补偿电池单体的可能生产公差和膨胀。

18、当前的电池系统通常包括具有端板的单体堆叠框架，该端板在一些情况下经由端部隔离物以刚性线性压力特性或渐进弹性压力特性将压力施加到单体堆叠上。这种刚性线性压力特性或渐进弹性压力特性可能易受长度或定位偏差的影响，因为小的位移可能导致施加在单体堆叠上的力的急剧增加或减小，这又可能降低堆叠性能。为了减轻这种情况，必须满足非常精确并且因此昂贵的生产公差，或者必须实施在组装期间经由端板的定位来调节单体堆叠预张力（pre-tension）的其他昂贵且复杂的方式。这种单体堆叠框架可能不能确保在单体堆叠的整个寿命期间将适量的压力施加到单体堆叠上。

技术实现思路

1、根据本技术的实施例，提供了一种电池系统，其确保了用于电池单体在其整个寿命期间的最佳操作的合适的压力条件以及温度。

2、本公开由所附权利要求及其等同物限定。以下描述受限于此限制。位于权利要求及其等同物的范围之外的任何公开内容旨在用于说明以及比较目的。

3、根据实施例，一种电池系统包括：被布置在单体堆叠中的多个电池单体；容纳单体堆叠并且将压力施加到单体堆叠上的单体堆叠框架；包括被布置在电池单体中的相邻电池单体之间的多个冷却板的冷却结构。每个冷却板包括两个板元件，在两个板元件之间具有用于冷却剂流过的冷却室和被布置在冷却室内部的压缩结构。压缩结构包括将两个板元件彼此互连的一个或多个弹簧元件。弹簧元件具有波形形状（corrugated shape）并且被配置为响应于作用在板元件上的压缩力而被弹性变形。压缩结构还包括将弹簧元件连接到板元件的连接部分，连接部分被配置为响应于作用在板元件上的压缩力而被塑性变形。

4、根据实施例，冷却结构还包括弯曲的连接元件，该弯曲的连接元件围绕（或绕）电池单体的端侧延伸并且将多个冷却板中的相邻的冷却板互连，使得冷却结构具有曲折形式。

5、根据实施例，单体堆叠框架包括将压力施加到单体堆叠上的端板。

6、根据实施例，冷却结构还包括被布置在单体堆叠的第一端部处的流体入口元件和被布置在单体堆叠的第二端部处的流体出口元件。冷却结构被配置用于使冷却剂从流体入口元件流过冷却板的冷却室并且流出流体出口元件。

7、根据实施例，冷却板是挤出板和/或由铝制成。

8、根据实施例，弹簧元件包括将两个板元件互连的v形弹簧，并且v形弹簧各自包括具有波形形状的两个腿。腿被配置为响应于作用在板元件上的压缩力而被弹性变形，并且连接部分将腿连接到板元件。

9、根据实施例，v形弹簧以相同的取向被一个接一个地布置。

10、根据实施例，v形弹簧被布置成两个一对，其中两个v形弹簧的开口端彼此面对（或相对）。

11、根据实施例，v形弹簧的波形形状被配置为使得当冷却板被完全压缩时，v形弹簧的两个腿嵌套在彼此内部，同时通过冷却室的冷却通道被部分地保持在压缩的冷却板内部。

12、根据实施例，弹簧元件包括具有波形形状的弹簧板（spring plate），并且弹簧板的主延伸平面基本上平行于板元件延伸。

13、根据实施例，板元件被配置为在松弛状态下向外突出，并且在压缩状态下变平，以使由板元件施加到电池单体中的相邻电池单体的压力均匀化。

14、根据实施例，电动车辆包括电池系统。

15、本公开的其他方面、特征和实施例可以从从属权利要求或以下描述中获知。