电池组、用于其的框架、包括其的车辆和组装其的方法与流程

本发明涉及一种为具有至少两个堆叠的电池单元排的电池组提供结构支撑的框架，特别地，涉及一种当在电池组中使用时允许单个堆叠的电池单元排容易更换的框架。本发明还涉及一种具有至少两个堆叠的电池单元排的电池组以及使用包括这样的电池组的电源的车辆。本发明还涉及一种组装堆叠的电池单元的托架的方法。

背景技术：

1、近年来，已经开发了使用电力作为动力来源的用于运输货物和人员的车辆。这样的电动车辆是由电动马达使用储存在可再充电电池中的能量驱动的汽车。电动车辆可以仅由电池供电，或者可以是由例如汽油发电机附加地供电的混合动力车辆的形式。此外，车辆可以包括电动马达和传统内燃机的组合。一般来说，电动车辆电池(evb)或牵引电池是用来为电池电动车辆(bev)的驱动提供动力的电池。电动车辆电池不同于启动电池、照明电池和点火电池，因为它们设计为在持续的时间段内供电。可再充电电池或二次电池与一次电池的不同之处在于，它可以反复地充电和放电，而一次电池只提供化学能到电能的不可逆转换。低容量可再充电电池用作用于小型电子装置(诸如移动电话、笔记本计算机和摄像机)的电源，而高容量可再充电电池用作用于混合动力车辆等的电源。

2、一般来说，可再充电电池包括电极组件、容纳电极组件的壳和电连接到电极组件的电极端子，该电极组件包括正电极、负电极以及插设在正电极和负电极之间的分隔件。电解质溶液被注入到壳中，以便使电池能够通过正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应来充电和放电。壳的形状(例如，圆柱形或矩形)取决于电池的预期用途。通过其在膝上型电脑和消费电子产品中的使用而广为人知的锂离子(和类似的锂聚合物)电池主导了开发中的最新一批电动车辆。

3、可再充电电池可以用作由串联和/或并联联接的多个单位电池单元形成的电池模组从而提供高能量密度，特别是为混合动力车辆的马达驱动提供高能量密度。即，取决于所需的电量并为了实现高功率可再充电电池，通过互连多个单位电池单元的电极端子来形成电池模组。

4、电池组是任意数量的(优选地，相同的)电池模组的集合。它们可以串联、并联或两者混合地配置以提供所期望的电压、容量或功率密度。电池组的部件包括各个电池模组以及在它们之间提供导电性的互连。

5、这样的电池组的机械集成需要在电池模组的例如各个部件之间以及在它们和车辆的支撑结构之间的适当机械连接。在电池系统的平均使用寿命期间，这些连接必须保持起作用以及是安全的。此外，必须满足安装空间和可互换性要求，尤其是在移动应用中。

6、电池模组的机械集成可以通过提供载体框架以及在其上安置电池模组来实现。固定电池单元或电池模组可以通过框架中的配合凹陷或通过诸如螺栓或螺钉的机械互连件来实现。可选择地，通过将侧板紧固到载体框架的侧面来限定电池模组。此外，可以将盖板固定在电池模组的顶上和下面。

7、电池组的载体框架安装到车辆的承载结构。在应将电池组固定在车辆底部的情况下，可以通过例如穿过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降低结构的总重量。在下文中，电池组的载体框架也简称为“框架”。

8、不管任何模组化结构，根据现有技术的电池系统通常包括电池壳体，该电池壳体用作外壳，以将电池系统相对于环境密封并为电池系统的部件提供结构保护。带有壳体的电池系统通常整体地安装到其应用环境(例如，电动车辆)中。因此，更换有缺陷的系统部件(例如，有缺陷的电池子模组)需要首先拆卸整个电池系统并移除其壳体。甚至小的和/或便宜的系统部件的缺陷也可能于是导致整个电池系统的拆卸和更换以及对其的单独修理。由于高容量电池系统昂贵、大且重，因此所述工序证明是繁重的，并且例如在机修工车间中储存庞大的电池系统变得困难。

9、为了提供电池组的热控制，需要热管理系统通过高效地散发、释放和/或消散从其可再充电电池产生的热来安全地使用至少一个电池模组。如果热散发/释放/消散没有充分地执行，则在各个电池单元之间出现温度偏差，使得至少一个电池模组不能产生期望的电量。此外，内部温度的升高可能导致在其中发生异常反应，因此可再充电电池的充电和放电性能恶化，并且可再充电电池的寿命缩短。因此，需要用于有效地散发/释放/消散来自单元的热的单元冷却。

10、典型的电池壳体构思和/或框架构思常常采用一定数量的铝挤压型材，这些铝挤压型材用作纵梁和横梁以便实现刚性机械结构。那些部件也常常用于主支撑件，并且也用于冷却电池单元。由于降低总成本和封装空间的持续压力，将电池单元集成为直接在诸如铝挤压型材的“梁”之间的所谓的“电池单元堆叠”是常见的。因此，电池单元本身主要通过结构粘合材料接合到梁(载体、型材)。

11、不管上述堆叠布置(电池单元堆叠)是否通过使用一个、两个或更多个梁被分隔开，在所需部件的数量、制造成本、封装、安全性和返工可能性方面总存在妥协(折衷)。

12、因此，本发明的一目的在于克服或减少现有技术的缺点中的至少一些，并提供一种电池组和一种用于电池组的框架，其中与现有技术相比，上述特性(即所需部件的数量、制造成本、封装、安全性和返工可能性)中的至少两项同时得到改善。

13、具体地，本发明的实施方式具有至少以下优点：

14、·使用两种有成本效益的、非常简单的类型的挤压型材(子梁)，其易

15、于制造；

16、·降低在相同封装空间处的两个电池单元堆叠之间的热传播风险；

17、·可以在梁内实现冷却机构(作为热管理系统的部分；见上文)；

18、·两个子梁之间的刚性连接，使得所连接的子梁可以视为一个单独的型

19、材(梁)；

20、·允许电池单元堆叠的整体更换，即使在电池单元直接粘合/粘附到型

21、材的情况下；

22、·非常灵活，并且特别地允许不同类型的梁(型材)的组合，例如可以安装特别适合作为前和/或后端梁(例如，配备有接口、密封凸缘等)的梁。

23、利用本发明，特别地设计在相同封装空间处具有更高安全性能的非常有成本效益的电池构思/框架构思成为可能。此外，在电池单元堆叠内发生故障的情况下，更换受影响的堆叠是可能的，即使单元粘合到梁(型材)。

技术实现思路

1、本公开的实施方式寻求至少在某种程度上解决现有技术中存在的问题中的至少一个。特别地，本发明的第一方面涉及一种用于为具有至少两个堆叠的电池单元排的电池组提供结构支撑的框架。该框架包括第一端梁、第二端梁和一个或更多个中间梁。这些梁优选地在虚拟平面上平行地布置。所述一个或更多个中间梁布置在第一端梁和第二端梁之间，并且每个梁沿着预定方向取向。每个梁包括：第一板，具有第一侧和与第一板的第一侧相反的第二侧；第二板，具有第一侧和与第二板的第一侧相反的第二侧；以及联接机构，将第一板的第二侧可滑动地联接到第二板的第二侧，使得除了第一板相对于第二板顺着或逆着预定方向移动以外，第一板相对于第二板的任何位移被禁止。

2、注意，对于一个组装好的梁(即相应的第一板和第二板联接的梁)，板的内侧标记为第二侧，外侧标记为第一侧。

3、简要总结，本发明提供了拆分型材构思，其中在前一部分中提到的特性(即所需部件的数量、制造成本、封装、安全性和返工可能性)之间不再有比较大的妥协或折衷。

4、表述“结构支撑”特别是指提供机械支撑，使得被支撑的构件(例如，电池堆叠排和/或每个单独的电池单元)相对于彼此保持在基本上固定的几何位置。这里，“基本上”是指由于正常温度变化或从外部施加到框架上的变化的机械载荷导致的几何形状的小变化可以仍然是可能的。

5、术语“堆叠的电池单元排”应表示成排的电池单元，优选地相同形状的电池单元，它们沿某一方向一个接一个地或一个在另一个之上地对准从而形成一个或更多个电池单元堆叠。如果堆叠的电池单元排仅包括单个堆叠，则所述堆叠的电池单元排与所述堆叠相同。然而，所述排可以可选择地包括多于一个的电池单元堆叠：在那些情况下，电池单元堆叠本身在与各单元堆叠的每个中的单元堆叠方向垂直的方向上堆叠在一起。于是电池单元堆叠的堆叠形成“堆叠的电池单元堆叠排”，其中单元堆叠的取向定义为各单元堆叠(其在这样的排中相对于彼此平行取向)的每个中的单元堆叠取向。

6、通常，各电池单元具有棱柱形状，即单元的主体在两个平行的基部(基底基部和顶部基部)之间延伸，这两个基部相同地成形，例如成形为多边形、圆形或椭圆形。于是，单元可以简单地通过取出单元中的一个并将任何其它单元的基底基部放置在前一单元的顶部基部上来堆叠。正常情况下，电池单元各自成形为直棱柱，即侧面垂直于每个基部的棱柱。在电池组中，可以使用多于一个堆叠的电池单元排。

7、在根据本发明的框架的一个实施方式中，其中每个梁的联接机构包括：第一引导机构，包括一个或更多个第一导轨；以及第二引导机构，包括一个或更多个第二导轨。每个第一导轨固定地布置在相应的第一板的第二侧的表面上并沿着预定方向线性延伸。每个第二导轨固定地布置在相应的第二板的第二侧的表面上并沿着预定方向线性延伸。第一导轨中的至少一个和第二导轨中的至少一个彼此接合。

8、优选地，对于每个联接机构，第一导轨的数量对应于第二导轨的数量。在这样的实施方式中，在相应的第一板上的每个第一导轨可以与第二导轨中的相匹配的一个第二导轨接合。然而，在一些情况下，提供在梁的第一板上的导轨的数量可以不同于提供在该梁的第二板上的导轨的数量：例如，可以一起使用不同的预制板，并且可以存在第一类型的成对的第一板和第二板(其各自具有两个导轨)以及另一类型的成对的第一板和第二板(其各自仅具有一个导轨)，但是选择导轨在板上的位置使得尽管如此，例如第一类型的第一板可连接到第二类型的第二板，因为第一板的导轨中的仅一个与第二板上的单个导轨接合。在后者的示例中，第一板的另一导轨将保持未使用。优选地，对于每个联接机构，第一导轨的数量为至少两个，并且第二导轨的数量为至少两个。

9、每个导轨可以与其上布置该导轨的相应的板一体形成(即作为一件材料)。于是，板与布置在其上的联接机构一起可以通过挤压来制造。一些板或每个板的材料可以是铝(al)。于是，一些板或每个板可以制造为铝挤压型材。

10、在框架的一个实施方式中，接合的至少一对第一导轨和第二导轨具有以下特性：第一导轨在垂直于预定方向并与第一导轨相交的任何平面中表现出第一截面轮廓，而与所述平面相对于预定方向的位置无关。第二导轨在垂直于预定方向并与第二导轨相交的任何平面中表现出第二截面轮廓，而与所述平面相对于预定方向的位置无关。此外，第一截面轮廓的形状包括具有开口的空腔，并且第二截面轮廓包括配合到空腔中的凸起，其中凸起通过穿过空腔的开口的连接部分而连接到剩余的第二截面轮廓，以及其中凸起可以具有太大而不能穿过空腔的开口的尺寸，或者第二截面轮廓的形状包括具有开口的空腔，并且第一截面轮廓包括配合到空腔中的凸起，其中凸起通过穿过空腔的开口的连接部分而连接到剩余的第一截面轮廓，以及其中凸起可以具有太大而不能穿过空腔的开口的尺寸。

11、在框架的一个实施方式中，至少一个梁的联接机构包括至少一对第一导轨和第二导轨，其中第一导轨和第二导轨使用燕尾榫接合器(dovetail joint)而彼此接合。

12、在框架的一个实施方式中，对于每个梁，一个或更多个冷却通道布置在相应的第一板的第二侧的表面上。在框架的一个实施方式中，对于每个梁，一个或更多个冷却通道布置在相应的第二板的第二侧的表面上。冷却通道可以与其上布置这些冷却通道的相应的板一体形成。在优选的实施方式中，每个冷却通道沿着预定方向线性延伸。于是，一些板或每个板与各自的联接机构和冷却通道一起可以通过挤压来制造。

13、在框架的一个实施方式中，对于每个中间梁，相应的第一板的第一侧适配为向堆叠的电池单元排的侧面提供支撑，并且相应的第二板的第一侧适配为向另一堆叠的电池单元排的侧面提供支撑。对于第一端梁，相应的第二板的第一侧适配为向堆叠的电池单元排的侧面提供支撑。对于第二端梁，相应的第一板的第一侧适配为向堆叠的电池单元排的侧面提供支撑。

14、在此上下文中，术语堆叠的电池单元排的“侧面”应表示平行于电池单元堆叠以形成堆叠的电池单元排的方向延伸的排侧。因此，堆叠的电池单元排的侧面取决于堆叠在一起以形成堆叠的电池单元排的电池单元的给定形状。例如，如果各个电池单元各自表现出立方形形状，则堆叠的电池单元排的四个侧面各自具有矩形平面形状。在这种情况下，板的适配为向堆叠的电池单元排的侧面提供支撑的第一侧可以同样表现出平面矩形形状或平面梯形形状。然而，如果电池单元的一些侧面具有凸形(例如，如果单元的截面类似于两个横卧的字母“u”且它们的开口侧放在一起)，则板的适配为向堆叠的电池单元排的侧面提供支撑的第一侧可以具有互补的凹形。

15、在框架的一个实施方式中，对于每个中间梁，相应的第一板的第一侧适配为向第一和第二堆叠的电池单元排的每个侧面提供支撑，并且相应的第二板的第一侧适配为向第二和第三堆叠的电池单元排的每个侧面提供支撑；其中对于第一端梁，相应的第二板的第一侧适配为向第一堆叠的电池单元排的侧面提供支撑；以及其中对于第二端梁，相应的第一板的第一侧适配为向第三堆叠的电池单元排的侧面提供支撑。

16、在框架的实施方式中，由板的第一侧为堆叠的电池单元排的侧面提供的支撑可以通过至少一个凸缘来实现。优选地，布置在第一侧上的凸缘的数量是两个。在后者的情况下，凸缘可以沿着预定方向布置在第一侧的任一边缘上。此外，两个凸缘可以彼此相隔涵盖堆叠的电池单元排的侧面的距离。

17、在框架的一个实施方式中，对于每个梁，第一板的第二侧的表面具有在各自沿着预定方向取向的两个平行的边缘之间延伸的基本上梯形形状。此外，对于每个梁，第二板的第二侧的表面具有在各自沿着预定方向取向的两个平行的边缘之间延伸的基本上梯形形状。梯形形状可以特别地是矩形形状。然而，例如为了有助于将梁安装到垂直于预定方向取向并配置为将第一端梁、第二端梁和中间梁中的每个保持在预定位置的前杆和后杆(见下文)，板的矩形形状可以在它们各自的端部处顺着或逆着预定方向延长，从而形成安装区域等，这可以导致基本上梯形形状。

18、在框架的一个实施方式中，对于第一端梁，相应的第一板的第一侧可以适配为安装到预定的外部结构。在框架的一个实施方式中，对于第二端梁，相应的第二板的第一侧可以适配为安装到预定的外部结构。预定的外部结构可以是例如配置为容纳框架的壳体的部分或配置为使用根据本发明的框架储存几个电池组的机架的部分。

19、在一个实施方式中，框架还包括前杆，其中前杆垂直于预定方向取向，并配置为当在预定方向上观看时机械连接到第一端梁、第二端梁和每个中间梁的各自的近端中的每个。在一个实施方式中，框架还包括后杆，其中后杆垂直于预定方向取向，并配置为当在预定方向上观看时机械连接到第一端梁、第二端梁和每个中间梁的各自的远端中的每个。这里，第一端梁、第二端梁和每个中间梁的“近端”应表示相应梁的指向与预定方向相反(即逆着预定方向)的方向的这端。此外，第一端梁、第二端梁和每个中间梁的“远端”应表示相应梁的指向预定方向的这端。前杆和/或后杆允许将第一端梁、第二端梁和中间梁中的每个保持在各自的预定位置。当在一个框架中一起使用前杆和后杆时，前杆和后杆可以彼此平行地布置。

20、将第一端梁、第二端梁和每个中间梁中的任何一个安装到前杆可以使用前杆和相应的第一板和/或相应的第二板之间的连接(例如，螺钉接合器或螺栓连接)来执行。将第一端梁、第二端梁和每个中间梁中的任何一个安装到后杆可以使用后杆和相应的第一板和/或相应的第二板之间的连接(例如，螺钉接合器或螺栓连接)来执行。

21、在框架的实施方式中，诸如用于容纳螺钉或螺栓的孔的机械结构可以形成在至少一些板中以有助于梁和杆之间的连接工序。优选地，这些机械结构中的每个机械结构可以布置在该机械结构布置于其上的相应的板的第二侧的表面上。这些机械结构中的每个或一些可以与其上布置有它的相应的板一体形成。在实施方式中，这些机械结构可以通过沿着预定方向线性延伸的通孔通道来实现，并且可以与至少一些板一体形成。在实施方式中，包括那些通孔通道的板可以通过挤压技术来制造。

22、在框架的实施方式中，第一端梁、第二端梁和每个中间梁可以以以下方式安装到前梁和/或后梁：第一端梁的第二板的第一侧面对相邻的中间梁。与第一端梁相邻的中间梁的第一板的第一侧面对第一端梁。每个中间梁的第一板的第一侧面对平行于该中间梁取向的相邻梁的第二板的第一侧。每个中间梁的第二板的第一侧面对平行于该中间梁取向的相邻梁的第一板的第一侧。最后，第二端梁的第一板的第一侧面对相邻的中间梁的第二板的第一侧。在上文中，表述“面对”应仅考虑框架的构件，而与堆叠的电池单元排是否安装到框架中无关。

23、本发明的第二方面涉及一种电池组。根据本发明的电池组包括至少两个堆叠的电池单元排和根据本发明的第一方面的框架。中间梁的数量等于堆叠的电池单元排的数量减一。每个堆叠的电池单元排安装在一对相邻的梁之间。这里，表述“梁”是指第一端梁、第二端梁和中间梁中的任何一个。表述“堆叠的电池单元排安装在一对相邻的梁之间”应特别地表示堆叠的电池单元排通过相邻的梁中的任何一个保持就位。这可以简单地通过机械结构(例如，使用如上面在某些实施方式的上下文中描述的凸缘)或通过其它方法(见下文)来执行。

24、在根据本发明的电池组的一个实施方式中，堆叠的电池单元排各自使用粘合剂安装到相应的相邻的梁。

25、本发明的第三方面涉及一种使用电源的车辆，该电源包括根据本发明的第二方面的电池组。

26、本发明的第四方面涉及一种组装电池组中使用的堆叠的电池单元的托架的方法。该方法包括以下步骤：

27、a1)提供至少两个堆叠的电池单元排；

28、a2)提供第一端梁的第一板和第二板；

29、a3)提供第二端梁的第一板和第二板；

30、a4)提供中间梁的多个第一板和中间梁的多个第二板，其中中间梁的第一板的数量和中间梁的第二板的数量彼此相等并且等于堆叠的电池单元排的数量减一。这里，每个板具有第一侧和第二侧。第一端梁的第一板和第二板配置为利用它们各自的第二侧而联接以形成第一端梁，其中该联接禁止除了相应的第一板相对于相应的第二板顺着或逆着第一端梁的伸长方向移动以外的相应的第一板相对于相应的第二板的任何位移。第二端梁的第一板和第二板配置为利用它们各自的第二侧而联接以形成第二端梁，其中该联接禁止除了相应的第一板相对于相应的第二板顺着或逆着第二端梁的伸长方向移动以外的相应的第一板相对于相应的第二板的任何位移。中间梁的每个第一板配置为与中间梁的对应的第二板联接以形成中间梁，其中相应的第一板的第二侧联接到相应的第二板的第二侧，以及其中该联接禁止除了相应的第一板相对于相应的第二板顺着或逆着由该相应的第一板和该相应的第二板形成的中间梁的伸长方向移动以外的相应的第一板相对于相应的第二板的任何位移。

31、该方法还包括以下步骤：

32、b)通过在第一端梁的第二板的第一侧和中间梁的第一板的第一侧之间安装堆叠的电池单元排的一个来建立第一端部托架；

33、c)通过在中间梁的第二板的第一侧和第二端梁的第一板的第一侧之间安装堆叠的电池单元排的另一个来建立第二端部托架；

34、d)如果堆叠的电池单元排的数量大于二，则：

35、通过在中间梁的第二板的第一侧和另一中间梁的第一板的第一侧之间安装除了已经在步骤b)和c)中安装的堆叠的电池单元排以外的每个堆叠的电池单元排，针对剩余的堆叠的电池单元排的每个建立中间托架。

36、本发明的又一方面涉及一种用于利用根据本发明的第一方面的框架来组装电池组的方法。该方法包括：

37、e)使用根据本发明的第四方面的方法来产生堆叠的电池单元的托架；

38、f)通过将第一端梁的第一板的第二侧与第一端梁的第二板的第二侧联接来组装第一端梁；

39、g)通过将第二端梁的第一板的第二侧与第二端梁的第二板的第二侧联接来组装第二端梁；

40、h)如果堆叠的电池单元排的数量等于二，则：

41、通过组装唯一的中间梁来将第一端部托架与第二端部托架连接，组装唯一的中间梁是通过联接该中间梁的第一板和第二板的各自的第二侧；

42、i)如果堆叠的电池单元排的数量大于二，则：

43、执行以下子步骤：

44、i1)通过组装中间梁来将第一端部托架与一个中间托架连接，组装中间梁是通过将中间梁的在第一端部托架中使用的未联接的第一板的第二侧与所述一个中间托架中使用的第二板的第二侧联接；

45、i2)如果存在另一未连接的中间托架，则：通过组装中间梁来连接该另一未连接的中间托架，组装中间梁是通过将中间梁的在前述子步骤i1)中连接的中间托架中使用的未联接的第一板的第二侧联接到中间梁的在该另一未连接的中间托架中使用的第二板的第二侧；

46、i3)重复子步骤i2)，直到不再有未连接的中间托架；

47、i4)通过组装中间梁来连接第二端部托架，组装中间梁是通过将中间梁的在前述子步骤i1)或i2)中最后已连接的中间托架中使用的未联接的第一板的第二侧联接到中间梁的在第二端部托架中使用的第二板的第二侧。

48、本发明的上述实施方式中的至少一些提供以下优点：

49、·可分解性：本领域的趋势是电池单元直接粘合到单元框架(不再有模组)，因此电池组不再能被分解。然而，利用本发明，堆叠的电池单元排(两个“型材半部”(板)各自在电池单元的左侧和右侧)可以从侧面被拉出电池组。

50、·安全性：因为在两个“型材半部”(第一板和第二板)之间只有最低限度的材料连接，所以热传递显著减少。因此，极大地防止了相邻的单元排之间的热传播。

51、·相同的部分：在每个型材(梁)中，面对电池单元的“型材半部”(板)可以总是同一种部件。于是取决于安装位置来选择剩余的“型材半部”，即如果梁布置在两个堆叠的电池单元排之间，则选择用于建立全体电池组的外侧的“外半部”或面对电池单元的“内半部”。

52、本发明的另外的方面可以由以下描述获知。