用于组装牵引电池包的电池提升和转移解决方案的制作方法

用于组装牵引电池包的电池提升和转移解决方案
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.本公开总体上涉及包括电池系统的牵引电池包，并且更具体地涉及用于在牵引电池包组装过程期间提升电池电芯并在制造工作站之间转移电池电芯的方法。


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、纵梁、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组装牵引电池包的方法尤其包括：在组装线的第一工作站处将电芯矩阵插入环(halo)托盘的环结构的电芯接收开口中；利用至少部分地定位在环托盘下方的电芯矩阵支撑结构提升环托盘；利用电芯矩阵支撑结构将环托盘从所述第一工作站转移到所述组装线的第二工作站；以及将环托盘定位在位于第二工作站处的焊接托盘的顶部。
7.在前述方法的另一非限制性实施例中，电芯矩阵是牵引电池包的电芯-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，第一工作站是电芯矩阵组装工作站，并且第二工作站是焊接工作站。
9.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，插入电芯矩阵包括利用电芯-矩阵推动器总成的柱塞将电芯矩阵向上推入环结构的电芯接收开口中。
10.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括在提升环托盘之前使柱塞远离环托盘后退。
11.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：在提升所述环托盘之前，将电芯矩阵支撑结构的定位垫定位在位于电芯-矩阵柱塞总成的一对相邻柱塞之间的间隙内。
12.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括在将定位垫定位在间隙内之前使柱塞远离环托盘后退。
13.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，将环托盘定位在焊接托盘的顶
部包括：将电芯矩阵支撑结构的定位垫定位在位于焊接托盘的一对相邻的推动块之间的间隙内。
14.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括在第二工作站处将母线模块焊接到电芯矩阵。
15.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，焊接包括激光焊接。
16.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：利用电芯矩阵支撑结构提升电芯矩阵；以及利用电芯矩阵支撑结构将电芯矩阵从组装线的第一工作站转移到第二工作站。在提升和转移期间，电芯矩阵在z轴方向上由电芯矩阵支撑结构的定位垫支撑。
17.在前述方法的另一非限制性实施例中，电芯矩阵是牵引电池包的电芯-电池包电池系统的一部分。
18.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：在提升电芯矩阵之前，将电芯矩阵支撑结构的定位垫定位在位于电芯-矩阵柱塞总成的一对相邻柱塞之间的间隙内。
19.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括在定位所述定位垫之前，将电芯矩阵插入环托盘的环结构的电芯接收开口中。
20.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，插入电芯矩阵包括利用柱塞将电芯矩阵向上推入电芯接收开口中。
21.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，转移电芯矩阵包括：将电芯矩阵支撑结构的定位垫定位在位于焊接托盘的一对相邻的推动块之间的间隙内，所述焊接托盘位于第二工作站处。
22.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，电芯矩阵支撑结构包括所述定位垫和第二定位垫。所述定位垫在提升和转移期间支撑电芯矩阵的第一电芯堆，并且第二定位垫在提升和转移期间支撑电芯矩阵的第二电芯堆。
23.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，所述方法包括在第二工作站处将母线模块焊接到电芯矩阵。
24.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，焊接包括激光焊接。
25.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，第一工作站是电芯矩阵组装工作站，并且第二工作站是焊接工作站。
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和图5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
32.本公开详述了用于组装包括电池系统(诸如电芯-电池包电池系统)的牵引电池包的制造过程。一种示例性牵引电池包组装方法可以包括提升保持在四面或五面结构内的多个电池电芯并且在组装线工作站(诸如电芯矩阵组装工作站和焊接工作站)之间或在组装托盘之间转移所述多个电池电芯。所述方法还可以涉及使用自动化工具，诸如电芯-矩阵推动器和电芯矩阵支撑结构，所述电芯矩阵支撑结构包括用于在工作站转移期间支撑一组非刚性电池电芯的定位垫。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。
33.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。
34.在实施例中，电动化车辆10是汽车。然而，电动化车辆10可以可替代地为皮卡车、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的各种部件的布局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。
35.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。
36.电压总线16可以将电机12电联接到牵引电池包18。牵引电池包18能够输出电力以为电动化车辆10的电机12和/或其他电气负载供电。
37.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。
38.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，而没有在电池外壳内以单独的阵列或模块布置电芯。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，与需要必须在定位在电池外壳内之后连接在一起以实现总高压电势的多个单独的电池阵列/模块的常规电池系统不同，电芯-电池包电池系统20可以用单个电池单元提供牵引电池包18的总高压总线电势。
39.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包括多个电池电芯26，所述多个
电池电芯保持在由外壳总成24建立的内部区域28内。
40.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。
41.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包括总共三十二个电池电芯26的四个电芯堆30。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附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和图3所示的示例性配置。
42.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。
43.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。
44.外壳托盘36可以包括相对于彼此布置的底板38和多个侧壁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。
45.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的接口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。
46.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围绕电池电芯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。
47.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施加力。
48.在实施例中，为了将电芯矩阵32插入电芯压缩开口42中，可以首先压缩电芯矩阵32，然后在被压缩时将所述电芯矩阵移动到电芯压缩开口42中的适当位置。可以向电芯堆30中的一个的相对端施加压缩力fc。压缩力fc基本上挤压电芯堆30内的电池电芯26，从而将电芯堆30和单独的电池电芯26压缩到减缩厚度。当压缩力fc被施加到电芯堆30时，电芯堆30可以通过向下的力fd插入相应的电芯压缩开口42中。向下的力fd可以直接施加到电池电芯26中的一个或多个。
49.虽然术语“向下”在本文中用来描述向下的力fd，但是应理解，术语“向下”在本文中也用来指代倾向于将电芯堆30压入电芯压缩开口42中的所有力。特定地，术语“向下”指代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芯堆。
50.电芯堆30可以被单独压缩并插入电芯压缩开口42中。在另一个实施例中，整个电芯矩阵32被压缩并插入电芯压缩开口42中。如图3中示意性地示出，在这样的实施例中，附加的压缩力f
x
可以将电芯堆30压缩在一起以将电芯矩阵32插入电芯压缩开口42中。压缩力fx
通常垂直于压缩力fc。压缩力f
x
可以与压缩力fc一起施加。然后可以施加力fd以将整个电芯矩阵32移动到电芯压缩开口42中。
51.在实施例中，电芯压缩开口42的整个周边由外壳托盘36的侧壁40限定。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。
52.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，常规的电池包类型包括保持由与电池外壳的壁间隔开的阵列支撑结构封闭的电池电芯阵列的外壳，并且其中电池外壳不向任何电池电芯施加压缩力。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的刚性横向构件。
53.继续参考图1至图3，图4至图5示意性地示出了用于组装牵引电池包18的部分并且具体地用于支撑、提升一组电池电芯26并在制造组装线的相应工作站之间转移所述一组电池电芯的方法50。方法50可以包括比下面叙述的更多或更少数量的步骤，并且步骤的确切次序不意图限制本公开。
54.首先参考图4，在该实施例中包括五个电芯堆30的电芯矩阵32可以相对于电芯矩阵组装工作站w1处的环托盘52定位。环托盘52可以包括被配置为接收电芯矩阵32的环结构54。定位销56可以用于将环结构54定位在相对于环托盘52的适当位置处。
55.环结构54可以包括相对于彼此布置的多个侧壁58，以提供电芯接收开口60。电芯矩阵32可以相对于环托盘52移动，直到电芯矩阵32在环结构54和电芯接收开口60的竖直下方。
56.方法50还可以包括经由电芯-矩阵推动器总成62将电芯矩阵32插入环结构54的电芯接收开口60中。为了插入电芯矩阵32，可以通过致动器(未示出)向上驱动电芯-矩阵推动器总成62的多个柱塞64，以将电芯堆30/电芯矩阵32沿着z轴竖直向上压入电芯接收开口60。尽管在该实施例中z轴被示出为竖直轴线，但是电芯堆30/电芯矩阵32可以在其他方向上插入电芯接收开口60中。
57.在某些实施方式中，电芯-矩阵推动器总成62的柱塞64可以由气动致动器驱动。然而，可以替代地采用其他类型的致动器来将电芯矩阵32插入电芯接收开口60中。
58.当将电芯矩阵32向上推动到电芯接收开口60中时，电芯-矩阵推动器总成62的每个柱塞64可以接触电芯堆32中的一个。然而，其他配置在本公开的范围内也是可能的。
59.在实施例中，柱塞64彼此间隔开以在每对相邻的柱塞64之间限定间隙66。间隙66的大小可以被设计成接收可以在方法50期间采用的附加工具，如下面进一步讨论的。
60.在插入之后，环结构54包围电芯矩阵32的外周边。环结构54可以在电芯矩阵32上施加压缩力。当电芯矩阵32被接收在电芯接收开口60内时，环结构54可以允许电池电芯26有一些膨胀。
61.一旦将电芯矩阵32插入环结构54的电芯接收开口60中，就可以提升环托盘52并将其转移到附加工作站，例如，诸如焊接工作站w2。可以经由电芯矩阵支撑结构68来实现提升和转移。电芯矩阵支撑结构68可以包括多个定位垫70，所述多个定位垫被配置为当电芯-矩阵推动器总成62的柱塞64释放并远离环结构54后退时相对于环托盘52/环结构54在z轴方向上支撑电芯矩阵32。当定位在环结构54下方时，每个定位垫70可以支撑一个电芯堆30，并
且可以沿着基本上平行于其所支撑的电芯堆30的纵向轴线的轴线延伸。
62.在在电芯矩阵组装工作站w1处释放柱塞64之前，电芯矩阵支撑结构68的定位垫70可以定位在柱塞64之间的间隙66内，使得定位垫70被定位成将电芯矩阵32支撑在环结构54的电芯接收开口60内。然后可以释放柱塞64，从而使得电芯矩阵支撑结构68在环托盘52被提升并转移离开电芯矩阵组装工作站w1时负责支撑所述环托盘，所述环托盘现在包括环结构52和电芯矩阵32。
63.接下来，电芯矩阵支撑结构68可以用于将环托盘52转移到焊接工作站w2。包括环结构54和电芯矩阵32的环托盘52可以相对于焊接工作站w2处的焊接托盘72定位。焊接托盘72可以包括基座74和从基座74向上突出的多个推动块76。推动块76被配置为将环托盘52支撑在基座74上方，并且还被配置为当在焊接工作站w2处时相对于环结构54在z轴方向上支撑电芯矩阵32。
64.在实施例中，推动块76沿着基座74的长度彼此间隔开，以在每对相邻的推动块76之间限定间隙78。间隙66的大小可以被设计成在环托盘52降低到焊接托盘72的顶部上方时接收电芯矩阵支撑结构68的定位垫70。一旦环托盘52定位在焊接托盘72的顶上，就可以从间隙78移除定位垫70，然后可以将电芯矩阵支撑结构68移动远离环托盘52/焊接托盘72。
65.现在参考图5，然后，当在焊接工作站w2处时，母线模块80可以被安装并固定到与电芯矩阵32相关联的电池电芯26的端子。每个母线模块80可以包括一根或多根母线，所述一根或多根母线可以经由激光焊接操作电连接到电芯堆30中的一个或多个。尽管本文具体公开了激光焊接，但是应当理解，可以利用其他焊接工艺来将母线模块80电连接到电池电芯26的端子。在示例性激光焊接操作期间，激光焊接装置90可以相对于母线模块80定位，然后被控制以将母线模块80焊接到端子。焊接操作的完成可以使得建立电芯-电池包电池系统20的至少一部分。
66.上述方法50的按压、提升、转移和焊接步骤可以是由机器人自动化工具执行的自动化过程的一部分。在其他实施方式中，方法50的全部或部分可以在组装线的一个或多个工作站处至少部分地手动执行，诸如由一个或多个组装线工人或在一个或多个组装线工人的帮助下执行。
67.本文描述的示例性制造过程提供了一种用于提升一组非刚性电池电芯并在组装线工作站之间转移所述一组非刚性电池电芯的方法。所提出的提升和转移技术维持进行焊接所必需的电池电芯定位并且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。
68.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来自非限制性实施例中的任一个的一些部件或特征。
69.应理解，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。
70.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：
1.一种组装牵引电池包的方法，其包括：在组装线的第一工作站处将电芯矩阵插入环托盘的环结构的电芯接收开口中；利用至少部分地定位在所述环托盘下方的电芯矩阵支撑结构提升所述环托盘；利用所述电芯矩阵支撑结构将所述环托盘从所述第一工作站转移到所述组装线的第二工作站；以及将所述环托盘定位在位于所述第二工作站处的焊接托盘的顶部。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，其中所述第一工作站是电芯矩阵组装工作站，并且所述第二工作站是焊接工作站。4.如任一前述权利要求所述的方法，其中插入所述电芯矩阵包括用电芯-矩阵推动器总成的柱塞将所述电芯矩阵向上推动到所述环结构的所述电芯接收开口中，并且任选地，所述方法包括在提升所述环托盘之前，使所述柱塞远离所述环托盘后退。5.如任一前述权利要求所述的方法，其包括在提升所述光环托盘之前，将所述电芯矩阵支撑结构的定位垫定位在位于电芯-矩阵柱塞总成的一对相邻柱塞之间的间隙内，并且任选地，所述方法包括在将所述定位垫定位在所述间隙内之后，使所述柱塞远离所述环托盘后退。6.如任一前述权利要求所述的方法，其中将所述环托盘定位在所述焊接托盘的顶部包括：将所述电芯矩阵支撑结构的定位垫定位在位于所述焊接托盘的一对相邻的推动块之间的间隙内。7.如任一前述权利要求所述的方法，其包括在所述第二工作站处将母线模块焊接到所述电芯矩阵，并且任选地，其中所述焊接包括激光焊接。8.一种组装牵引电池包的方法，其包括：利用电芯矩阵支撑结构提升电芯矩阵；以及利用所述电芯矩阵支撑结构将所述电芯矩阵从组装线的第一工作站转移到所述组装线的第二工作站，其中在所述提升和所述转移期间，所述电芯矩阵在z轴方向上由所述电芯矩阵支撑结构的定位垫支撑。9.如权利要求8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。10.如权利要求8或9所述的方法，其包括：在提升所述电芯矩阵之前，将所述电芯矩阵支撑结构的所述定位垫定位在位于电芯-矩阵柱塞总成的一对相邻柱塞之间的间隙内。11.如权利要求10所述的方法，其包括在定位所述定位垫之前将所述电芯矩阵插入环托盘的环结构的电芯接收开口中，并且任选地，其中插入所述电芯矩阵包括利用所述柱塞将所述电芯矩阵向上推入所述电芯接收开口中。12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中转移所述电芯矩阵包括：将所述电芯矩阵支撑结构的所述定位垫定位在位于焊接托盘的一对相邻的推动块之间的间隙内，所述焊接托盘位于所述第二工作站处。13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述电芯矩阵支撑结构包括所述定位
垫和第二定位垫，并且此外，其中所述定位垫在所述提升和所述转移期间支撑所述电芯矩阵的第一电芯堆，并且所述第二定位垫在所述提升和所述转移期间支撑所述电芯矩阵的第二电芯堆。14.如权利要求8至13中任一项所述的方法，其包括在所述第二工作站处将母线模块焊接到所述电芯矩阵，并且任选地，其中所述焊接包括激光焊接。15.如权利要求8至14中任一项所述的方法，其中所述第一工作站是电芯矩阵组装工作站，并且所述第二工作站是焊接工作站。

技术总结
本公开提供了“用于组装牵引电池包的电池提升和转移解决方案”。公开了用于组装包括电池系统的牵引电池包的制造过程。示例性牵引电池包组装方法可以包括提升电池电芯并且在诸如电芯矩阵组装工作站和焊接工作站的组装线工作站之间转移所述电池电芯。所述方法还可以涉及使用自动化工具，诸如电芯-矩阵推动器和电芯矩阵支撑结构，所述电芯矩阵支撑结构包括用于在工作站转移期间支撑一组非刚性电池电芯的定位垫。芯的定位垫。芯的定位垫。


技术研发人员：M
受保护的技术使用者：福特全球技术公司
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/9/25