牵引电池包的母线焊接解决方案的制作方法

牵引电池包的母线焊接解决方案
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.本公开总体上涉及牵引电池包，并且更具体地涉及用于将母线电连接到电池电芯端子的母线焊接操作。


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牵引电池包的电池系统的母线上执行主焊接操作，以及在所述母线上执行辅助(secondary)焊接操作。在辅助焊接操作期间，在母线的焊接修复区内形成修复焊道。
7.在前述方法的另一非限制性实施例中，在主焊接操作期间，在母线上形成主焊道。
8.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，主焊道形成在与焊接修复区相邻但不在焊接修复区内的位置处。
9.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，主焊道包括弧形形状或马蹄形形状。
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：在执行辅助焊接操作之前，对主焊道执行事后电气测试(post electrical test)。
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：在执行主焊接操作和辅助焊接操作之前，清洁母线要连接到的电池电芯的端子。
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：在执行主焊接操作和辅助焊接操作之前，将母线按压抵靠在电池系统的电池电芯的端子上。
13.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在主焊接操作期间，用于执行按压的按压装置被定位成覆盖母线的焊接修复区。
14.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在辅助焊接操作期间，焊接修复区域未被按压装置覆盖。
15.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，主焊接操作和辅助焊接操作是
激光焊接操作。
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：将母线按压抵靠在电池电芯的端子上；形成用于将母线接合到端子的主焊道；测试主焊道；以及当主焊道未通过测试时，在与主焊道相邻处形成修复焊道。修复焊道形成在母线的焊接修复区处，当形成主焊道时，所述焊接修复区被按压工具覆盖。
17.在前述方法的另一非限制性实施例中，电池电芯是牵引电池包的电芯-电池包电池系统的电芯矩阵的一部分。
18.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，在按压和形成期间，电芯矩阵被接收在牵引电池包的外壳托盘的电芯压缩开口内。
19.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，形成主焊道包括执行第一激光焊接操作，并且形成修复焊道包括执行第二激光焊接操作。
20.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，主焊道包括弧形形状或马蹄形形状。
21.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，修复焊道以不同于主焊道的方式成形。
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：在按压和形成之前，清洁电池电芯的端子。
23.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，母线连接到母线模块的托架。
24.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：在按压之前，将母线模块定位在包括电池电芯的电芯堆上方。
25.在前述方法中的任一者的另一非限制性实施例中，电芯堆是牵引电池包的电芯-电池包电池系统的一部分。
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示意性地示出了用于将母线焊接到电池电芯端子作为用于组装牵引电池包的电芯-电池包电池系统的制造过程的一部分的方法。
32.图5示出了电芯-电池包电池系统的电池电芯。
33.图6示出了图4的方法的母线模块定位步骤。
34.图7示出了电芯-电池包电池系统的母线。
35.图8示出了图4的方法的按压步骤。
36.图9示出了图4的方法的修复焊接操作。
具体实施方式
37.本公开详述了用于将母线电连接到电池系统内的电池电芯端子的母线焊接解决方案。一种示例性方法可以包括执行焊接修复操作。焊接修复操作可以包括在母线的焊接修复区处产生修复焊道。焊接修复区可以包括在所述方法的按压操作和主焊接操作期间母线被按压装置覆盖的区域。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。
38.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。
39.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。
40.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。
41.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。
42.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。
43.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。
44.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。
45.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。
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.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。
53.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。
54.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。
55.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f
x
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。
56.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。
57.上述配置可以被认为是电芯-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。
58.继续参考图1至图3，图4至图9示意性地示出了用于组装牵引电池包18的各部分并且具体地用于将母线82电连接到电池电芯端子70以便电连接电芯-电池包电池系统20的每个电芯堆30的电池电芯26的方法50。电池电芯26必须可靠地彼此连接，以便实现驱动电动化车辆10所需的牵引电池包18的期望电压和功率电平。
59.图4是方法50的流程图，而包括图5至图9以更好地示出方法50的某些步骤。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。
60.方法50可以在框52处开始。在框54处，可以清洁电芯-电池包电池系统20的电芯矩阵32的每个电池电芯26的端子70。端子70可以位于每个电池电芯26的顶侧72处，并且每个电池电芯26可以包括正(+)端子和负(-)端子两者(参见图5)。例如，可以使用合适的清洁剂(诸如酒精)来清洁端子70。
61.接下来，在框56处，可以相对于电芯矩阵32的电芯堆30中的每一个定位电芯电池包电池系统20的一个或多个母线模块74。在实施例中，一个母线模块74定位在电芯矩阵32的每个电芯堆30的顶部上方(参见图6)。因此，母线模块74可以定位在电池电芯26的端子70的顶部上方。然而，在本公开的范围内还设想了其他配置。
62.如图6所示，在框56期间，电芯-电池包电池系统20的电芯矩阵32可以被接收在外壳托盘36的电芯压缩开口42(或某种其他环状结构)内。此外，外壳托盘36可以定位在与制造组装线的工作站相关联的组装托盘78的平坦表面76上。
63.每个母线模块74可以包括托架80和安装到/保持在托架80内的多根母线82。设置在托架80内的母线82的总数可以变化，并且可以取决于设置在每个电芯堆30内的电池电芯26的数量以及各种其他因素而定。
64.例如，托架80可以由绝缘塑性材料(诸如合适的热塑性塑料或热固性塑料)制成。然而，在本公开的范围内还可以利用其他绝缘材料。例如，母线82可以由金属材料(诸如铜)制成。在实施例中，母线82由铜制成，并且涂覆有外部涂层84(参见图7)，所述外部涂层由铝或镍制成并且被设计成在焊接期间最大化热吸收。因此，母线82可以是双金属结构。然而，每根母线82的实际大小、形状和材料组成并不意图限制本公开。
65.再次参考图4，在将母线模块74定位在电芯堆30上方之后，方法50可以前进到框58。在该步骤处，可以将母线模块74的母线82按压抵靠在与电芯矩阵32的电芯堆30中的一个相关联的电池电芯26的端子70上。在实施例中，母线模块74的每根母线82按压抵靠在相应的电芯堆30的一个或多个端子70上。在另一个实施例中，每根母线82可以按压抵靠在电芯堆30的两个相邻电池电芯26中的每一个的一个端子上。
66.在框58期间，可以利用按压装置86(参见图8)来将母线82直接按压抵靠在端子70上。按压装置86可以被配置为向母线82施加校准的按压力f。母线82被按压装置86接触的区域以附图标记“88”示意性地示出，并且可以被称为母线82的焊接修复区。
67.接下来，在框60处，可以将母线82激光焊接到端子70。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82电连接到端子70。
68.在示例性激光焊接过程期间，激光焊接装置90可以相对于母线82定位并且可以被控制以形成用于将母线82接合到端子70的主焊道92(参见图8)。主焊道92可以包括弧形或马蹄形形状，并且可以包括圆形焊接部的重复图案。然而，在本公开的范围内还设想了其他焊接配置。在形成主焊道92期间，按压装置86可以维持按压力f抵靠母线82。因此，主焊道92可以形成在母线82的紧邻焊接修复区88的位置处。在实施例中，主焊道92至少部分地包围焊接修复区88。
69.然后，可以在框62处对焊接的母线82执行事后电气测试。例如，可以执行事后电气测试以识别主焊道92中的缺陷。
70.在框64处，如果需要，可以在母线82上执行辅助焊接操作。在辅助焊接操作期间，激光焊接装置90可以相对于母线82定位，并且可以被控制以在母线82上形成修复焊道94(参见图9)。修复焊道94可以在先前被按压装置86覆盖的焊接修复区88中产生，并且可以以与主焊道92不同的方式成形。因此，每根母线82的向下保持区域可以重新用作焊接修复位置，以用于完成将母线82电连接到包括在电芯矩阵32内的端子70所必需的焊接操作。
71.可以针对每个母线模块74的每根母线82执行上述方法50的步骤。按压和焊接步骤可以各自按顺序或同时执行，使得一根或多根母线82可以与电芯-电池包电池系统20的其他母线82的按压/焊接同时被按压/焊接。
72.此外，上述按压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，按压和焊接步骤的全部或部分可以在组装线的一个或多个工作站处手动执行，诸如由组装线工人手动执行。
73.本文描述的示例性制造过程提供了一种用于在电芯-电池包电池系统内以增加的几何精度将母线电连接到电池电芯端子的方法。所提出的解决方案维持所需的公差并允许在第一次不合格的情况下修复焊接部。
74.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。
75.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。
76.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：在所述牵引电池包的电芯-电池包电池系统的母线上执行主焊接操作；以及在所述母线上执行辅助焊接操作，其中在所述辅助焊接操作期间，在所述母线的焊接修复区内形成修复焊道。2.如权利要求1所述的方法，其中在所述主焊接操作期间，在所述母线上形成主焊道，并且任选地，其中所述主焊道形成在与所述焊接修复区相邻但不在所述焊接修复区内的位置处，并且此外，任选地，其中所述主焊道包括弧形形状或马蹄形形状。3.如权利要求2所述的方法，其包括：在执行所述辅助焊接操作之前，对所述主焊道执行事后电气测试。4.如任一前述权利要求所述的方法，其包括：在执行所述主焊接操作和所述辅助焊接操作之前，清洁所述母线要连接到的电池电芯的端子。5.如任一前述权利要求所述的方法，其包括：在执行所述主焊接操作和所述辅助焊接操作之前，将所述母线按压抵靠在所述电芯-电池包电池系统的电池电芯的端子上。6.如权利要求5所述的方法，其中在所述主焊接操作期间，用于执行所述按压的按压装置被定位成覆盖所述母线的所述焊接修复区，并且任选地，其中在所述辅助焊接操作期间，所述焊接修复区未被所述按压装置覆盖。7.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述主焊接操作和所述辅助焊接操作是激光焊接操作。8.一种组装牵引电池包的方法，其包括：将母线按压抵靠在电池电芯的端子上；形成用于将所述母线接合到所述端子的主焊道；测试所述主焊道；以及当所述主焊道未通过所述测试时，在与所述主焊道相邻处形成修复焊道，其中所述修复焊道形成在所述母线的焊接修复区处，当形成所述主焊道时，所述焊接修复区被按压工具覆盖。9.如权利要求8所述的方法，其中所述电池电芯是所述牵引电池包的电芯-电池包电池系统的电芯矩阵的一部分，并且任选地，其中在所述按压和所述形成期间，所述电芯矩阵被接收在所述牵引电池包的外壳托盘的电芯压缩开口内。10.如权利要求8或9所述的方法，其中形成所述主焊道包括执行第一激光焊接操作，并且此外，其中形成所述修复焊道包括执行第二激光焊接操作。11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述主焊道包括弧形形状或马蹄形形状。12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中所述修复焊道以不同于所述主焊道的方式成形。13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其包括：在所述按压和所述形成之前，清洁所述电池电芯的所述端子。14.如权利要求8至13中任一项所述的方法，其中所述母线连接到母线模块的托架。15.如权利要求14所述的方法，其包括：在所述按压之前，将所述母线模块定位在包括所述电池电芯的电芯堆上方，并且任选地，其中所述电芯堆是所述牵引电池包的电芯-电池
包电池系统的一部分。

技术总结
本公开提供了“牵引电池包的母线焊接解决方案”。公开了用于将母线电连接到电池系统内的电池电芯端子的母线焊接解决方案。一种示例性方法可以包括执行焊接修复操作。焊接修复操作可以包括在母线的焊接修复区处产生修复焊道。焊接修复区可以包括在所述方法的按压操作和主焊接操作期间母线被按压装置覆盖的区域。和主焊接操作期间母线被按压装置覆盖的区域。和主焊接操作期间母线被按压装置覆盖的区域。


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