電池電芯、電池和機(jī)動車的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電池電芯(10)，其電池電芯外殼(16)具有為褶皺結(jié)構(gòu)(18)形式的結(jié)構(gòu)部。此外，本發(fā)明還涉及一種電池電芯(10)，其電池電芯外殼(16)具有為夾層結(jié)構(gòu)(20)形式的結(jié)構(gòu)部，所述夾層結(jié)構(gòu)包括一個(gè)中間層(22)和兩個(gè)覆層(24)。此外，本發(fā)明涉及一種電池電芯(10)，其電池電芯外殼(16)具有為倒置結(jié)構(gòu)(26)形式的結(jié)構(gòu)部。另外，本發(fā)明涉及一種包括多個(gè)電池電芯(10)的電池以及一種包括所述電池的機(jī)動車。
【專利說明】電池電芯、電池和機(jī)動車
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種具有電池電芯外殼的電池電芯、一種包括多個(gè)這類電池電芯的電池以及一種包括所述電池的機(jī)動車。
【背景技術(shù)】
[0002]作為汽車驅(qū)動裝置的移動能量來源，電池得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其是自從研發(fā)出鋰離子二次電池至今，與之前的技術(shù)、例如鉛蓄電池相比，鋰離子蓄電池實(shí)現(xiàn)了較高的能量密度或者說功率密度。新型電池技術(shù)被研發(fā)用于電子設(shè)備、例如視頻攝像機(jī)或者移動電話，其對環(huán)境負(fù)荷提出的要求與針對汽車領(lǐng)域研發(fā)的電池完全不同。然而，對于這兩種應(yīng)用領(lǐng)域而言，在某一方面使用了相同的標(biāo)準(zhǔn)。因此，電池在事故情況下均不容許受到任何機(jī)械性損壞，外殼或者在汽車中的底盤必須承受所有的力和載荷，以避免電池電芯的內(nèi)部受損。然而，一旦其導(dǎo)致了電池電芯相應(yīng)的機(jī)械性損壞，那么，后續(xù)反應(yīng)通常無法控制，因?yàn)殡娦静⒉皇轻槍@種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但首先是在被應(yīng)用于汽車時(shí)，儲能器必須滿足最高的安全標(biāo)準(zhǔn)，以避免尤其是在發(fā)生碰撞的情況下構(gòu)成任何風(fēng)險(xiǎn)。
[0003]多個(gè)單獨(dú)的電池電芯組成了電池模塊，這些電池模塊又組成了電池。圖1示出了多個(gè)單獨(dú)的電池電芯10可以通過并聯(lián)或者串聯(lián)連接成電池模塊12，然后又連接成電池14。其中，顧名思義，一個(gè)電池模塊12或者電池14是由至少兩個(gè)電池電芯10構(gòu)成的，其中，所使用的電池和電池模塊的概念通常是同義的。
[0004]由專利文獻(xiàn)EP2 172 994 Al已知一種電池模塊，所述電池模塊包括多個(gè)電池電芯，其第一端部(包含電池電極)被保持在具有帽狀容納部的第一頂蓋中。在所述帽狀容納部內(nèi)集成有電芯連接器，以便導(dǎo)電地連接電池電芯的電極。電池電芯的第二端部被容納在第二頂蓋中，其中，所述第二頂蓋氣密地包圍著該端部，使其起到排氣系統(tǒng)的作用。在電池氣體由電池電芯中溢出、例如在超負(fù)荷或者出現(xiàn)故障的情況下，電池氣體被第二頂蓋收集起來并且例如通過軟管從電池模塊或者汽車中導(dǎo)出。
[0005]專利文獻(xiàn)W02010/111647A2也描述了一種電池模塊，所述電池模塊包括多個(gè)電池電芯和一個(gè)排氣系統(tǒng)，其中，電池電芯的電池氣體可由其中溢出的那個(gè)側(cè)面與所述排氣系統(tǒng)相連接。但與專利文獻(xiàn)EP2 172 994A1所不同的是，所述排氣系統(tǒng)的兩個(gè)相對的側(cè)面現(xiàn)可與電池電芯相連接。
[0006]但在汽車事故情況下，必須不僅要確保溢出的電池氣體可靠地從汽車中排出，還要力求避免電池電芯的致命損壞。
[0007]在汽車應(yīng)用中，采用了三種不同類型的電芯:圓柱形電芯、棱柱形電芯以及具有軟殼的電芯(袋狀電芯)。所有這些電芯的共同點(diǎn)在于，在力的作用下能夠變形。然而，這種變形帶來的問題是，通常無法預(yù)估變形是從電芯的哪個(gè)位置開始以及變形沿著外殼又如何進(jìn)一步擴(kuò)散。在最壞的情況下，這種變形始于電芯的這些位置，即:在這些位置上電芯的內(nèi)部構(gòu)造由于變形而受損或者被破壞，以致后續(xù)的反應(yīng)結(jié)果非常激烈，例如以爆炸的形式。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的第一種設(shè)計(jì)，提供了一種包括電池電芯外殼的電池電芯。其特征是，所述電池電芯外殼具有為褶皺結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)部。這種褶皺結(jié)構(gòu)通常由重復(fù)的褶皺區(qū)段構(gòu)成，并且可以電池電芯外殼的微結(jié)構(gòu)部的形式實(shí)現(xiàn)。這些微結(jié)構(gòu)部例如可被沖壓或者激光處理到所述電池電芯外殼上。
[0009]本發(fā)明的根據(jù)第一種設(shè)計(jì)的電池電芯具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即:在力作用下，變形由一個(gè)預(yù)先既定的位置開始，然后受控地在電池電芯外殼上繼續(xù)散播。在褶皺結(jié)構(gòu)中，所謂的傳力鉸接部(Fliessgelenk)由于力影響而變彎，由此彎曲前鋒(Biegefront)均勻地延伸穿過要變彎的結(jié)構(gòu)。由于力作用，各個(gè)微結(jié)構(gòu)既定地在傳力鉸接部上折疊起來，可借助這些結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)出折疊的電池電芯外殼的幾何形狀。此外，一部分在汽車碰撞時(shí)要承受的動能并不只是通過汽車的底盤吸收，而是還由于電池電芯外殼的機(jī)械結(jié)構(gòu)而通過微機(jī)械的結(jié)構(gòu)部吸收。因此，電芯盡管在其作為蓄能器的功能方面不能使用，但電芯后續(xù)的反應(yīng)(例如內(nèi)部短路、電芯的打開、起火)可得到控制。能夠準(zhǔn)確地預(yù)估到后續(xù)的反應(yīng)，因?yàn)槟軌驕?zhǔn)確地控制電池電芯變形時(shí)的機(jī)械特性。
[0010]因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，電池電芯的安全性顯著提高，因?yàn)橛捎陔姵仉娦镜臋C(jī)械變形的可預(yù)測性，電池電芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就能夠設(shè)計(jì)成，使得可以不再發(fā)生伴隨著高風(fēng)險(xiǎn)的后續(xù)反應(yīng)。此外，被置入電池電芯外殼中的微結(jié)構(gòu)還具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，S卩:其能夠提高電池電芯外殼的強(qiáng)度，由此與目前所用的電芯相比只有在作用的力更大時(shí)才可能發(fā)生變形。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一種有利設(shè)計(jì)，褶皺結(jié)構(gòu)具有在橫截面上呈波形且具有筆直連接部段的結(jié)構(gòu)。其中，所述筆直連接部段通過小小的、倒圓的或者折彎的過渡部彼此相連，所述過渡部在荷載情況下起到了傳力鉸接部的作用。峰-峰值優(yōu)選小于等于2.0mm，褶皺區(qū)段的縱向延伸優(yōu)選小于等于1.5mm，其中該值取決于所期望的褶皺的數(shù)量。
[0012]此外，所述褶皺結(jié)構(gòu)具有在橫截面上呈連續(xù)波形且彎曲小于180°的結(jié)構(gòu)。峰-峰值優(yōu)選小于等于2.0mm，褶皺區(qū)段的縱向延伸優(yōu)選小于等于1.5mm，其中該值取決于所期望的褶皺的數(shù)量。在橫截面上呈連續(xù)波形的結(jié)構(gòu)可優(yōu)選被設(shè)計(jì)為正弦形。此外，彎曲也可優(yōu)選等于180°。
[0013]此外，所述褶皺結(jié)構(gòu)具有在橫截面上呈迂回波形且彎曲大于180°的結(jié)構(gòu)。峰-峰值優(yōu)選小于等于2.0mm，褶皺區(qū)段的縱向延伸優(yōu)選小于等于1.5mm，其中該值取決于所期望的褶皺的數(shù)量。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第二種設(shè)計(jì)，提供了另一種包含電池電芯外殼的電池電芯。其特征是，所述電池電芯外殼具有為夾層構(gòu)造形式的結(jié)構(gòu)部，該結(jié)構(gòu)部包括一個(gè)中間層和兩個(gè)覆層。因此，所述電池電芯外殼并非被實(shí)施為單層，而是包括多個(gè)金屬層，其中各個(gè)金屬層通過穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)彼此相連。
[0015]本發(fā)明的根據(jù)第二種設(shè)計(jì)的電池電芯具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即:在向這些結(jié)構(gòu)施壓時(shí)可通過變形來吸收能量，而不會損壞電池電芯的內(nèi)部。因此，只有中間層的空隙被壓死。由于例如碰撞時(shí)的力作用，所述中間層彎曲變形，由此承擔(dān)了能量吸收的用途。
[0016]所述夾層構(gòu)造的中間層優(yōu)選具有蜂窩結(jié)構(gòu)。這種蜂窩結(jié)構(gòu)與蜂窩類似，構(gòu)成了大量串接成行的六邊形。
[0017]此外，所述夾層構(gòu)造的中間層優(yōu)選由純粹相互平行布置且彼此相連的管構(gòu)成。所述管有利地布置成，使得在預(yù)先給定空間以及預(yù)先給定管直徑的情況下給盡可能多的管提供空間。這就意味著，這些管成行地相互交錯(cuò)連接，即，一行相對于下一行以在成行方向上錯(cuò)開管直徑一半的方式布置。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的第三種設(shè)計(jì)，提供了另一種包含電池電芯外殼的電池電芯。其特征是，所述電池電芯外殼具有為倒置結(jié)構(gòu)(Inversionsstruktur)形式的結(jié)構(gòu)部。這些倒置結(jié)構(gòu)例如由一個(gè)空心體(可變形以便吸收動能)和一個(gè)沖頭(導(dǎo)致變形)構(gòu)成。在變形時(shí)，所述沖頭被壓進(jìn)所述空心體中，然后空心體的壁可翻轉(zhuǎn)并卷起。因此，電池電芯外殼不是被實(shí)施為單層，而是優(yōu)選通過多個(gè)串接成行的倒置結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
[0019]本發(fā)明的根據(jù)第三種設(shè)計(jì)的電池電芯具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即:能夠根據(jù)翻轉(zhuǎn)的壁的翻卷半徑而形成柔性或剛性的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)需要大小不同的能量以變形。
[0020]此外，本發(fā)明的第一種、第二種或者第三種設(shè)計(jì)的電池電芯優(yōu)選為鋰離子蓄電池。通過使用鋰離子技術(shù)，可達(dá)到非常高的蓄能器密度，這尤其是在電動領(lǐng)域具有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。
[0021]作為電池電芯外殼的材料，例如適用金屬、尤其是鋁和鋼。
[0022]此外還提供了 一種包括多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電池電芯的電池。
[0023]此外，提供了一種包括了根據(jù)本發(fā)明的電池的機(jī)動車，其中，所述電池通常被設(shè)置為用于給汽車的電動驅(qū)動系統(tǒng)供能。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)選改進(jìn)方案由從屬權(quán)利要求中給出或者可由說明書獲悉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]借助附圖以及下面的說明內(nèi)容進(jìn)一步闡述本發(fā)明的實(shí)施例。其中:
[0026]圖1示出了電池電芯的連接(現(xiàn)有技術(shù));
[0027]圖2至4示出了褶皺結(jié)構(gòu)；
[0028]圖5至7示出了由蜂窩結(jié)構(gòu)構(gòu)成的中間層和夾層構(gòu)造；
[0029]圖8至10示出了由管結(jié)構(gòu)構(gòu)成的中間層和夾層構(gòu)造；以及
[0030]圖11和12示出了倒置結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為闡述現(xiàn)有技術(shù)，上文已對圖1做出了說明。
[0032]圖2、3和4以示意性圖示說明了電池電芯外殼16的三種不同的根據(jù)本發(fā)明的褶皺結(jié)構(gòu)18，所述電池電芯外殼例如可如圖所示為旋轉(zhuǎn)對稱的。為便于更好地辨識，放大地示出了在電池電芯外殼16的中間部分所不的裙皺結(jié)構(gòu)18,其中，在電池電芯外殼16的上部示出了由于力F而折疊的褶皺結(jié)構(gòu)18。褶皺結(jié)構(gòu)18可如圖所示地僅覆蓋電池電芯外殼16的一部分，或者覆蓋電池電芯外殼16的整個(gè)外周面。如果此時(shí)向電池電芯外殼16施加力F，那么，電池電芯外殼16就由于褶皺結(jié)構(gòu)18而以預(yù)定的方式折疊起來，由此電池電芯內(nèi)部的破壞是能夠預(yù)計(jì)的。
[0033]圖2示出的褶皺結(jié)構(gòu)18包括在橫截面上呈波形且具有筆直連接部段的結(jié)構(gòu)。峰-峰值優(yōu)選小于等于2.0mm，褶皺區(qū)段的縱向延伸k優(yōu)選小于等于1.5mm，其中該值取決于所期望的褶皺的數(shù)量。在褶皺結(jié)構(gòu)18折疊時(shí)，位置P就起到了傳力鉸接部的作用，其在變形后形成彎曲半徑約為180°的折疊的結(jié)構(gòu)。
[0034]圖3示出的褶皺結(jié)構(gòu)18包括在橫截面上具有連續(xù)呈波形的結(jié)構(gòu)。峰-峰值優(yōu)選小于等于2.0mm，褶皺區(qū)段的縱向延伸k優(yōu)選小于等于1.5mm，其中該值取決于所期望的褶皺的數(shù)量。在折疊時(shí)形成大于180°的彎曲半徑。
[0035]圖4示出的褶皺結(jié)構(gòu)18在橫截面上具有呈迂回波形的結(jié)構(gòu)。峰-峰值優(yōu)選小于等于2.0mm，褶皺區(qū)段的縱向延伸k優(yōu)選小于等于1.5mm，其中該值取決于所期望的褶皺的數(shù)量。在折疊時(shí)形成大于180°的彎曲半徑。
[0036]圖5示出了夾層構(gòu)造20的蜂窩形式的中間層22。
[0037]圖6示出了包括一個(gè)中間層22和兩個(gè)覆層24的夾層構(gòu)造20，其中，所述覆層布置成，其封密蜂窩的開口。根據(jù)本發(fā)明，這種夾層構(gòu)造20用作用于電池電芯外殼16的材料。在以與夾層構(gòu)造20的平面延伸呈法向的力使夾層構(gòu)造20承受載荷時(shí)，中間層22相互合攏并且通過變形吸收能量，而不會損壞所述電池電芯的內(nèi)部。
[0038]圖7同樣示出了包括一個(gè)中間層22和兩個(gè)覆層24的夾層構(gòu)造20，其中，所述覆層24沿著蜂窩的外周面布置。在以與夾層構(gòu)造20的平面延伸呈法向的力使夾層構(gòu)造20承受載荷時(shí)，中間層22相互合攏并且通過變形吸收了動能。另外產(chǎn)生了一個(gè)力分量，所述力分量與導(dǎo)入的力F呈法向并且法向于各個(gè)六邊形的軸。該力分量提供其它吸收能量的可能。
[0039]圖8示出了夾層構(gòu)造20的另一種中間層22。所述中間層并未被設(shè)計(jì)為蜂窩狀，而是包括了多個(gè)管。這些管能夠如圖所示呈直線地串接成行，每個(gè)依次鄰接的行在行的縱向上錯(cuò)開管直徑的一半。各個(gè)管可彼此相連，以便提高穩(wěn)定性。
[0040]對于具有由多個(gè)管構(gòu)成的中間層22的圖9和10，有著與圖6和7相類似的考慮。
[0041]在圖11中示出了未變形狀態(tài)下的倒置結(jié)構(gòu)26。這種倒置結(jié)構(gòu)由一個(gè)空心體28、例如具有矩形橫截面的空心圓柱體和一個(gè)與之相符的沖頭30、例如具有矩形底面的棱錐體構(gòu)成。通過將大量這種結(jié)構(gòu)設(shè)置到電池電芯外殼16上，電池電芯外殼16能夠吸收在汽車發(fā)生碰撞時(shí)所要導(dǎo)出的一部分動能。
[0042]圖12為圖11中的倒置結(jié)構(gòu)在由于力F而變形之后的圖示。如果沖頭30進(jìn)入空心體28中，則空心體28就沿著其棱角撕開并且在斜切的沖頭表面上彎曲，空心體28的壁由此以翻卷半徑r卷起。可根據(jù)翻卷半徑r形成需要大小不同的能量來變形的柔性結(jié)構(gòu)或者剛性結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1.一種電池電芯(10),包括電池電芯外殼(16),其特征在于,所述電池電芯外殼(16)具有為褶皺結(jié)構(gòu)(18)形式的結(jié)構(gòu)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電池電芯(10)，其中，所述褶皺結(jié)構(gòu)(18)在橫截面上具有呈波形且具有筆直連接部段的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的電池電芯(10)，其中，所述褶皺結(jié)構(gòu)(18)在橫截面上具有呈連續(xù)波形且彎曲小于180°的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的電池電芯(10)，其中，所述褶皺結(jié)構(gòu)(18)在橫截面上具有呈迂回波形且彎曲大于180°的結(jié)構(gòu)。
5.一種電池電芯(10),包括電池電芯外殼(16),其特征在于,所述電池電芯外殼(16)具有為夾層構(gòu)造(20)形式的結(jié)構(gòu)部，所述夾層構(gòu)造包括一個(gè)中間層(22)和兩個(gè)覆層(24)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池電芯(10)，其中，所述夾層構(gòu)造(20)的中間層(22)具有蜂窩結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池電芯(10)，其中，所述夾層構(gòu)造(20)的中間層(22)由相互平行布置且彼此相連的管構(gòu)成。
8.—種電池電芯(10),包括電池電芯外殼(16),其特征在于,所述電池電芯外殼(16)具有為倒置結(jié)構(gòu)(26)形式的結(jié)構(gòu)部。
9.一種電池,包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的電池電芯(10)。
10.一種汽車，包括根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池。
【文檔編號】H01M2/02GK103975457SQ201280055071
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月10日
【發(fā)明者】A·賴茨勒, J·費(fèi)策爾 申請人:羅伯特·博世有限公司, 三星Sdi株式會社