用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的方法与流程

用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本公开要求美国临时申请第63/322,766号的优先权，所述美国临时申请于2022年3月23日提交并通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及牵引电池包，并且更具体地涉及用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的方法。


背景技术：

4.电动化车辆不同于常规机动车辆，因为电动化车辆包括具有一个或多个电机的传动系。作为内燃发动机的替代或补充，电机可以驱动电动化车辆。牵引电池包可以为车辆的电机和其他电气负载供电。
5.常规的牵引电池包包括称为电池阵列的电池电芯组。电池阵列包括各种阵列支撑结构(例如，阵列框架、间隔件、导轨、壁、端板、绑定件等)，所述阵列支撑结构被布置用于将电池电芯分组并支撑在牵引电池包外壳内的多个单独单元中。


技术实现要素：

6.根据本公开的示例性方面的用于组装牵引电池包的方法尤其包括：组装多个电芯堆；将所述多个电芯堆并排布置以提供电芯矩阵；以及将所述电芯矩阵插入所述牵引电池包的外壳托盘的电芯压缩开口中。
7.在前述方法的另一非限制性实施例中，所述电芯矩阵是所述牵引电池包的电芯-电池包电池系统的一部分。
8.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在所述插入之后，所述方法包括经由所述电芯压缩开口向所述电芯矩阵施加压缩力。
9.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，组装所述多个电芯堆包括将所述多个电池堆中的每一者分阶段安置在其自身的压缩夹具内。
10.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，组装所述多个电芯堆包括在第一压缩夹具内压缩所述多个电芯堆中的第一电芯堆以及在第二压缩夹具内压缩所述多个电芯堆中的第二电芯堆。
11.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，并排布置所述多个电芯堆包括相对朝向所述第二电芯堆按压所述第一电芯堆，使得所述第一压缩夹具接触所述第二压缩夹具。
12.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，将所述电芯矩阵插入所述电芯压缩开口中包括向所述电芯矩阵施加向下的力以将所述电芯矩阵移动到所述外壳托盘中。
13.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在所述插入之前，所述方法包括将所述多个电芯堆按压在一起，直到所述多个电芯堆的相邻压缩夹具彼此接触。
14.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在所述布置期间，所述方法包括用电芯矩阵接合器总成向所述多个电芯堆施加压缩力。
15.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在所述组装期间，所述方法包括向所述多个电芯堆中的每一者施加第一压缩力。在所述布置期间，所述方法包括施加第二压缩力以将所述多个电芯堆相对朝向彼此按压。
16.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述第二压缩力横向于所述第一压缩力施加。
17.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在所述插入期间，所述方法包括向所述电芯矩阵施加向下的力。
18.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述向下的力横向于所述第一压缩力和所述第二压缩力中的每一者施加。
19.根据本公开的另一个示例性方面的用于组装牵引电池包的方法尤其包括：使用自上而下的方法，将电芯-电池包电池系统的电芯矩阵插入所述牵引电池包的外壳托盘的电芯压缩开口中。
20.在前述方法的另一非限制性实施例中，在所述插入之前，所述方法包括：施加第一压缩力以将所述电芯矩阵的第一电芯堆压缩到第一期望长度；以及施加第二个第一压缩力以将所述电芯矩阵的第二电芯堆压缩到第二期望长度。
21.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括将所述第一电芯堆和所述第二电芯堆彼此并排布置，同时维持所述第一压缩力和所述第二个第一压缩力。
22.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括施加第二压缩力以将所述第一电芯堆和所述第二电芯堆压缩在一起。
23.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述第二压缩力是小于所述第一压缩力或所述第二个第一压缩力的力。
24.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述插入包括施加向下的力以将所述电芯矩阵移动到所述外壳托盘中。
25.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述向下的力横向于所述第一压缩力、所述第二个第一压缩力和所述第二压缩力中的每一者施加。
26.前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各种方面或相应各个特征中的任一者)可独立地或以任何组合采用。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非此类特征是不兼容的。
27.根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。可如下简要描述随附于具体实施方式的附图。
附图说明
28.图1示意性地示出了电动化车辆。
29.图2示出了图1的电动化车辆的牵引电池包。
30.图3示出了图2的牵引电池包的电芯-电池包电池系统。
31.图4是具有电芯-电池包电池系统的另一个牵引电池包的局部分解图。
32.图5、图6和图7示意性地示出了组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的方
法。
具体实施方式
33.本公开详述了用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的制造过程。一种示例性组装方法包括使用自上而下的方法将电芯-电池包电池系统的电芯矩阵插入外壳托盘的电芯压缩开口中。方法可以包括将多个电芯堆压缩到期望长度，在横向方向上将电芯堆压缩在一起以形成电芯矩阵，然后将电芯矩阵作为单个单元安装到外壳托盘的电芯压缩开口中。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论了这些和其他特征。
34.图1示意性地示出了电动化车辆10。电动化车辆10可以包括任何类型的电动化动力传动系统。在实施例中，电动化车辆10是电池电动车辆(bev)。然而，本文描述的概念不限于bev并且可扩展到其他电动化车辆，包括但不限于混合动力电动车辆(hev)、插电式混合动力电动车辆(phev)、燃料电池车辆等。因此，尽管在示例性实施例中未具体示出，但是电动化车辆10可装备有内燃发动机，所述内燃发动机可以单独采用或者与其他动力源组合采用以推进电动化车辆10。
35.在实施例中，电动化车辆10是汽车。然而，电动化车辆10可以替代地是皮卡车、货车、运动型多功能车(suv)或任何其他车辆配置。尽管在本公开的附图中示出特定的部件关系，但是图示并不意图限制本公开。电动化车辆10的各种部件的放置和取向被示意性地示出，并且可在本公开的范围内变化。此外，本公开所附的各种附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被放大或最小化以强调特定部件或系统的某些细节。
36.在示出的实施例中，电动化车辆10是仅通过电力(诸如通过一个或多个电机12)推进的纯电动车辆，而无需内燃发动机的辅助。电机12可以充当电动马达、发电机或其两者。电机12接收电力，并且可以将电力转换成用于驱动电动化车辆10的一个或多个驱动轮14的扭矩。
37.电压总线16可以将电机12电耦合到牵引电池包18。牵引电池包18能够输出电力以对电动化车辆10的电机12和/或其他电气负载供电。
38.牵引电池包18可以固定到电动化车辆10的车身底部22。然而，在本公开的范围内，牵引电池包18可以位于电动化车辆10上的其他地方。
39.牵引电池包18是示例性电动化车辆电池。牵引电池包18可以是包括电芯-电池包电池系统20的高压牵引电池包。与常规的牵引电池包电池系统不同，电芯-电池包电池系统20并入有电池电芯或其他能量存储装置，而没有以单独的阵列或模块在电池外壳内部布置电芯。因此，电芯-电池包电池系统20消除了将电池电芯分组为阵列/模块所必需的大部分(如果不是全部的话)阵列支撑结构(例如，阵列框架、间隔件、纵梁、壁、端板、绑定件等)。此外，电芯-电池包电池系统20可以用单个电池单元而不是常规电池系统提供牵引电池包18的总高压总线电势，所述常规电池系统需要在定位于电池外壳内之后必须连接在一起以实现总高压电势的多个单独的电池阵列/模块。
40.现在参考图2和图3，牵引电池包18可以包括被布置用于容纳电芯-电池包电池系统20的外壳总成24。在实施例中，电芯-电池包电池系统20包括保持在由外壳总成24建立的内部区域28内的多个电池电芯26。
41.电池电芯26可以向电动化车辆10的各种部件供应电力。电池电芯26可以相对于彼
此并排堆叠以构造电芯堆30，并且电芯堆30可以成行并排定位以提供电芯矩阵32。
42.在实施例中，每个电芯堆30包括八个单独的电池电芯26，并且电芯矩阵32包括具有总共三十二个电池电芯26的四个电芯堆30。在另一个实施例中，每个电芯堆30包括十个单独的电池电芯26，并且电芯矩阵32包括具有总共五十个电池电芯26的五个电芯堆30(参见图4)。提供均匀数量的电池电芯26和均匀数量的电芯堆30可以帮助支持有效的电气总线布置。尽管在本公开的各个图中示出了特定数量的电池电芯26和电芯堆30，但是牵引电池包18的电芯-电池包电池系统20可以包括任何数量的电池电芯26和任何数量的电芯堆30。换句话说，本公开不限于图2、图3和图4所示的示例性配置。
43.在实施例中，电池电芯26是棱柱形锂离子电芯。然而，在本公开的范围内，可以可替代地利用具有其他几何形状(圆柱形、软包状等)和/或化学性质(镍-金属氢化物、铅酸等)的电池电芯。
44.牵引电池包18的外壳总成24可以包括外壳盖34和外壳托盘36。外壳盖34可以固定到外壳托盘36，以提供用于容纳电芯-电池包电池系统20的内部区域28。
45.外壳托盘36可以包括底板38和相对于彼此布置的多个侧壁40，以提供电芯压缩开口42。底板38和侧壁40可以彼此机械地联接，例如，诸如通过焊接。
46.在牵引电池包18的组装期间，外壳盖34可以在基本上包围内部区域28的界面44处固定到外壳托盘36。在一些实施方式中，机械紧固件46可以用于将外壳盖34固定到外壳托盘36，但是其他紧固方法(粘附等)也可以是合适的。
47.电芯-电池包电池系统20的电芯矩阵32可以定位在由外壳托盘36提供的电芯压缩开口42内。示例性外壳托盘36被描绘为包括单个电芯压缩开口42，然而应当理解，本公开扩展到提供一个或多个电芯压缩开口的结构总成。外壳盖34可以覆盖电芯压缩开口42内的电芯矩阵32，以基本上在所有侧面上包围电池电芯26。一旦相对于外壳托盘36完全组装并定位，电芯矩阵32就可以建立能够提供牵引电池包18的总高压总线电势的单个电池单元。
48.当电芯矩阵32被接收在电芯压缩开口42内时，外壳托盘36可以压缩并保持电芯矩阵32。在实施例中，当电芯矩阵32定位在电芯压缩开口42内时，外壳托盘36的侧壁40向电芯矩阵32施加压缩力。电芯压缩开口42的整个周边可以由外壳托盘36的侧壁40建立。侧壁40可以围绕电芯矩阵32的整个周边向电池电芯26施加压缩力。因此，侧壁40可以用作压缩并紧密地保持电芯矩阵32的刚性环型结构。
49.上述配置被认为是电芯-电池包类型的电池包，其不同于常规的电池包类型，所述常规的电池包类型包括保持电池电芯阵列的外壳，所述电池电芯阵列由与电池外壳的壁间隔开的阵列支撑结构封闭，并且其中外壳不向电池电芯中的任一者施加压缩力。本文所述的电芯-电池包类型的电池包还消除了刚性横向构件，所述刚性横向构件通常固定到常规牵引电池包的外壳托盘以提供用于固定电池阵列和外壳盖的安装点。
50.电芯-电池包电池系统20还可以包括一个或多个电芯行分隔件48。在实施例中，一个电芯行分隔件48定位在电芯矩阵32的每对相邻电芯堆30之间。在其他实施例中，每个电芯堆30设置有两个电芯行分隔件48。然而，设置在电芯-电池包电池系统20内的电芯行分隔件48的总数不意图限制本公开。
51.电芯-电池包电池系统20还可以包括一个或多个垫片50(参见图4的实施例)。垫片50可以补偿外壳托盘36的侧壁40的公差变化。垫片50可以定位在每个电芯堆30与外壳托盘
36之间，其中一个垫片50位于电芯堆30的每个纵向范围处。垫片50可以在将电芯矩阵32插入电芯压缩开口42中之前或之后相对于电芯堆30定位。
52.图5至图7(同时继续参考图1至图4)示意性地示出了用于组装牵引电池包18的部分的方法。所述方法可以包括比下文叙述的更多或更少数量的步骤，并且步骤的确切顺序不意图限制本公开。
53.首先参考图5，电芯-电池包电池系统20的每个电芯堆30可以首先通过将一组电池电芯26定位在压缩夹具52内来进行分级安置。压缩夹具52可以提供相对于电芯堆30的至少两个相邻侧(例如，底部和端部)的参考点。电池电芯26可以沿着电芯堆轴线a被压缩以提供电芯堆30中的一者。压缩夹具52可以沿着电芯堆轴线a向电芯堆30的相对端施加压缩力fc。压缩力fc实质上挤压电池堆30内的电池电芯26，由此将电池堆30和各个电池电芯26压缩到期望的电芯堆长度。
54.在一个实施例中，由压缩夹具52施加在电池电芯26上的压缩力fc为约3千牛顿。然而，所施加的实际压缩力可以根据电池电芯类型以及其他因素而变化。在本公开中，术语“约”表示所表达的量或范围不需要是精确的，而是可为近似的和/或较大些或较小些，从而反映可接受的公差、转换因子、测量误差等。
55.压缩夹具52可以由气动致动器驱动以沿着电芯堆轴线a压缩电池电芯26。然而，可以替代地采用其他类型的致动器(诸如dc电气或机械螺杆致动器)来实现压缩。
56.在示例性方法中，图5中示意性地示出的方法步骤被执行四次以提供电芯-电池包电池系统20的四个电芯堆30。电芯堆30中的每一者由模拟压缩夹具52的不同压缩夹具压缩和保持。因此，在该示例性实施例中，四个压缩夹具52将用于提供示例性电芯-电池包电池系统20的四个电芯堆30。
57.接下来，如图6所示，电芯堆30可以彼此并排定位，同时压缩夹具52维持压缩力fc以建立电芯矩阵32。在电芯矩阵32内，电芯堆轴线a彼此平行。然后，电芯矩阵接合器总成54可以施加附加的压缩力f
x
以沿着接合器轴线x将电芯堆30压缩在一起。压缩力f
x
横向于(例如，大约垂直于)压缩力fc。在实施例中，压缩力fc通常是比压缩力f
x
大的压缩力。
58.电芯矩阵接合器总成54可以包括一对台板56，其中一个台板被布置用于在电芯矩阵32的每个相对侧上施加压缩力f
x
。电芯矩阵接合器总成54可以通过致动器沿着接合器轴线x移动，以沿着接合器轴线x将电芯堆30按压在一起。当牵引电池包18安装在车辆内时，接合器轴线x对应于电动化车辆10的纵向轴线。
59.在实施例中，电芯矩阵接合器总成54沿着接合器轴线x按压电芯堆30，直到压缩夹具52彼此接触，这防止电芯堆30中的一者中的电池电芯26直接接触相邻电芯堆30的电池电芯26。压缩夹具52之间的接触可以帮助将电芯堆30相对于彼此定位。
60.现在参考图7，电芯矩阵32接下来可以竖直地定位在外壳托盘36上方，其中底板38向上面向电芯矩阵32。如示意性所示，在电芯矩阵32的定位期间，压缩力fc和f
x
可以由压缩夹具52和电芯矩阵接合器总成54维持。
61.使用自上而下的方法，然后可以通过施加向下的力fd将电芯矩阵32插入外壳托盘36的电芯压缩开口42中。因此，电芯堆30同时并且作为单个单元而不是单独地插入外壳托盘36中。向下的力fd可以直接施加到电芯矩阵32的一个或多个电芯堆30的一个或多个电池电芯26。向下的力fd在大致垂直于压缩力fc和压缩力f
x
两者的方向上施加。向下的力fd可以
由又一个致动器提供。
62.虽然术语“向下”在本文中被使用来描述向下的力fd，但是应当理解，术语“向下”在本文中也被用来指代倾向于将电池堆30按压到电芯压缩开口42中的力。具体地，术语“向下”是指基本上垂直于压缩力fc的所有力，而不管所述力是否真正是在“向下”的方向上。例如，本公开扩展到在侧向上压缩并插入电芯压缩开口中的电池堆。
63.在插入之后，外壳托盘36的电芯压缩开口42周向地围绕电芯矩阵32(参见图2)。因此，电芯压缩开口42可以在电芯堆30中的每一者上施加压缩力。在电池电芯26从压缩夹具52中移除之后，电芯压缩开口42可以允许电池电芯有一些膨胀。在插入之后由外壳托盘36施加在电芯堆30上的压缩力可以小于由压缩夹具52施加在电芯堆30上的压缩力fc。
64.本文描述的示例性制造过程提供了用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的方法。电芯-电池包电池系统的电池电芯可以有利地使用其中外壳底板面向上的自上而下的方法作为所提出的方法的一部分安装为单个单元，由此为由于消除与常规牵引电池包相关联的许多阵列支撑结构而可能出现的各种组装复杂性提供解决方案。
65.尽管不同的非限制性实施例被示出为具有具体的部件或步骤，但是本公开的实施例不限于这些特定组合。可以将来自非限制性实施例中的任一个的一些部件或特征结合来自其他非限制性实施例中的任一个的特征或部件使用。
66.应当理解，相同的附图标记在全部若干附图中表示相应或类似的元件。应当理解，尽管在这些示例性实施例中公开和示出了特定的部件布置，但是其他布置也可受益于本公开的教导。
67.以上描述应当被解释为说明性的而不具有任何限制意义。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可出现一些修改。出于这些原因，应研究所附权利要求来确定本公开的真实范围和内容。

技术特征：
1.一种用于组装牵引电池包的方法，其包括：组装多个电芯堆；将所述多个电芯堆并排布置以提供电芯矩阵；以及将所述电芯矩阵插入所述牵引电池包的外壳托盘的电芯压缩开口中。2.如权利要求1所述的方法，其中所述电芯矩阵是所述牵引电池包的电芯-电池包电池系统的一部分。3.如权利要求1或2所述的方法，其包括在所述插入之后，经由所述电芯压缩开口向所述电芯矩阵施加压缩力。4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中组装所述多个电池堆包括：将所述多个电池堆中的每一者分阶段安置在其自身的压缩夹具内。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中组装所述多个电池堆包括：在第一压缩夹具内压缩所述多个电芯堆中的第一电芯堆；以及在第二压缩夹具内压缩所述多个电芯堆中的第二电芯堆。6.如权利要求5所述的方法，其中并排布置所述多个电芯堆包括：相对朝向所述第二电芯堆按压所述第一电芯堆，使得所述第一压缩夹具接触所述第二压缩夹具。7.如权利要求6所述的方法，其中将所述电芯矩阵插入所述电芯压缩开口中包括：向所述电芯矩阵施加向下的力以将所述电芯矩阵移动到所述外壳托盘中。8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：在所述插入之前，将所述多个电芯堆按压在一起，直到所述多个电芯堆的相邻压缩夹具彼此接触，以及任选地在所述布置期间，用电芯矩阵接合器总成向所述多个电芯堆施加压缩力。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：在所述组装期间，向所述多个电芯堆中的每一者施加第一压缩力；以及在所述布置期间，施加第二压缩力以将所述多个电芯堆相对朝向彼此按压，并且任选地，其中所述第二压缩力横向于所述第一压缩力施加。10.如权利要求9所述的方法，其包括：在所述插入期间，向所述电芯矩阵施加向下的力，并且任选地，其中所述向下的力横向于所述第一压缩力和所述第二压缩力中的每一者施加。11.一种用于组装牵引电池包的方法，其包括：使用自上而下的方法，将电芯-电池包电池系统的电芯矩阵插入所述牵引电池包的外壳托盘的电芯压缩开口中。12.如权利要求11所述的方法，其包括在所述插入之前：施加第一压缩力以将所述电芯矩阵的第一电芯堆压缩到第一期望长度；以及施加第二个第一压缩力以将所述电芯矩阵的第二电芯堆压缩到第二期望长度。13.如权利要求12所述的方法，其包括：将所述第一电芯堆和所述第二电芯堆彼此并排布置，同时维持所述第一压缩力和所述第二个第一压缩力。14.如权利要求13所述的方法，其包括：
施加第二压缩力以将所述第一电芯堆和所述第二电芯堆压缩在一起，并且任选地，其中所述第二压缩力是小于所述第一压缩力或所述第二个第一压缩力的力。15.如权利要求14所述的方法，其中所述插入包括：施加向下的力以将所述电芯矩阵移动到所述外壳托盘中，并且任选地，其中所述向下的力横向于所述第一压缩力、所述第二个第一压缩力和所述第二压缩力中的每一者施加。

技术总结
本公开提供了“用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的方法”。公开了用于组装包括电芯-电池包电池系统的牵引电池包的制造过程。一种示例性组装方法包括使用自上而下的方法将电芯-电池包电池系统的电芯矩阵插入外壳托盘的电芯压缩开口中。方法可以包括将多个电芯堆压缩到期望长度，在横向方向上将电芯堆压缩在一起以形成电芯矩阵，然后将电芯矩阵作为单个单元安装到外壳托盘的电芯压缩开口中。中。中。


技术研发人员：帕特里克
受保护的技术使用者：福特全球技术公司
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/9/26