具体实施方式

本公开内容的各实施方式将呈现于下文及相关附图中。在不脱离本公开内容范围的情况下，还可想出替代实施方式。此外，本发明将不对众所周知的要素进行详细描述，或者将省去对这些要素的描述，以免模糊了对本发明有意义的细节的描述。

能量存储系统可依赖电池存储电力。例如，在某些传统的电动车辆(EV)设计(例如，全电动车辆，混合动力电动车辆等)中，电动车辆中安装的电池外壳容纳有多个电池单元(例如，多个电池单元可以单独地安装到电池外壳中或可选地以分组的方式安装在各自的电池模块内，每个电池模块包括一组电池单元，各个电池模块安装在电池外壳中)。电池外壳中的电池模块经由汇流条连接到电池接线盒(BJB)，以将电能分配到驱动电动车辆的电动机，以及电动车辆的各种其他电气部件(例如，无线电、控制台、车辆供暖设备、通风和空调(HVAC)系统、内部灯、诸如头灯和刹车灯等的外部灯)。

图1所示为金属离子(如锂离子)电池的示例，其中本文所述的部件、材料、方法、其他技术或其组合可根据各种实施方式在其内得以应用。此处，出于说明目而示出了圆柱形电池单元，但是还可根据需要使用包括棱柱形电池或袋装电池(薄片类型)在内的其他类型电池。例示电池100包括负极(阳极)102，正极(阴极)103，置于阳极102和阴极103之间的隔膜104，浸渍隔膜104的电解质(隐含性地示出)，电池壳105以及将电池壳105密封的密封元件106。

本发明的实施方式涉及可部署为能量存储系统一部分的电池模块的各种构造。在一示例中，虽然图中未明确示出，但是根据本文所述任意实施方式的多个电池模块可针对能量存储系统进行部署(例如，通过相互串联而向能量存储系统提供更高的电压，或者通过相互并联而向能量存储系统提供更高的电流，或者以这两种方式的组合方式连接)。

图2为根据本发明实施方式的由P电池组(并联电池组)1……N串联而成的电池模块200的高电平电气示意图。在一示例中，N可以为大于或等于2的整数(例如，如果N＝2，则图1中标示为2……N-1的中间P电池组可省略)。每一P电池组包括并联的电池单元1……M(例如，每一电池单元的结构如图1的电池单元100所示)。第一串联P电池组(或P电池组1)的负极端子与电池模块200的负极端子205连接，而最后一个串联P电池组(或P电池组N)的正极端子与电池模块200的正极端子210连接。在本文中，电池模块可由在其内部串联的P电池组的数量进行表征。具体而言，具有2个串联在一起的P电池组的电池模块称为“2S”系统；具有3个串联在一起的P电池组的电池模块称为“3S”系统；依此类推。

图3A所示为组装过程中电池单元305A插入后的电池模块300A。在一些设计中，电池模块300A内电池单元的正极端子(阴极)和负极端子(阳极)可设于同一侧(如顶侧)。例如，中央电池单元“头部”可对应于正极端子，而环绕该电池单元头部的电池单元边缘可对应于负极端子。在此类电池模块中，各P电池组通过设于电池单元305上方的多个接触板彼此电气串联。

图3B-3D所示为接触板相对于电池模块的电池单元的一般设置方式。如图3B-3D所示，在一些设计中，接触板可以与相应电池单元的正极和负极端子紧密接近的方式设置于电池单元的顶部。

图4-16B示出了根据本发明实施方式的电池模块的组装过程。

参考图4，电池模块起始构造于基板上，在基板上(例如，经由螺钉)安装了夹具(正侧夹具和负侧夹具)。夹具是可堆叠的，在下面将进行更详细地描述。电池模块的外部框架部件设置在夹具之间。如本文所用，电池单元的“负侧”是指电池单元的与电池单元的正极端子相对的一侧。对于某些实施方式，可以使用具有布置在同一侧的正极端子和负极端子的电池单元(例如，正极电池单元头部被负极电池单元边缘包围)，在这种情况下，“负侧”不一定必须对应于相应的电池单元的负极端子。

参考图5，通过分配机将绝缘层粘合到外部框架部件上。

参考图6A所示，将电池单元层1放置在绝缘层上。在图6A所示的实施例中，电池单元层1包括12个圆柱形电池单元，每个圆柱形电池单元是同一P电池组的一部分。图6B-6C示出了如何使用布置在各个夹具上的销来固定每个电池在电池单元层1中的位置。在一示例中，磁体可以被集成至每个负侧夹具以拉动每个电池单元层的各个单元，使得每个电池单元层的负侧是齐平的。

参考图7A，在电池单元层1的顶部上添加间隔件。间隔件设置为用于定义电池单元层1和电池单元层2之间的间隔。在一示例中，间隔件可以包括一件或几件(例如，由塑料制成)。

参考图8A，将用于电池单元层2的夹具(负侧夹具和正侧夹具)堆叠到用于电池单元层1的夹具上。如图8B中更清楚地示出，在电池单元层1和2之间的间隔件中的槽口与电池单元层2的夹具上的销对准。

参考图9A，将绝缘层放置在电池单元层1和2之间的间隔件上。虽然在图9A中没有明确显示，可以将胶施加到该绝缘层。

参考图9B所示，将电池单元层2放置在绝缘层上并通过胶固定。在图图9B的实施例中，电池单元层2包括12个圆柱形电池单元，每个圆柱形电池单元是同一P电池组的一部分。取决于电池模块中使用的接触板的构造，电池单元层2的P电池组可以与电池单元层3的P电池组相同或不同(下面将更详细地描述)。

在这一点上，图7A-9B中描述的过程可以重复给定次数直到构建期望数量的电池单元层，以形成图10中描绘的装置，其包括电池单元层1-8。如图10所示，将胶施加到最上方的绝缘层上，然后如图11所示，将另一外部框架部件附接至最上方的绝缘层。参考图12A-12B，添加顶部夹具之后，相对的侧壁通过胶附接。然后，将电池模块与相应的夹具以及基板分离，如图13所示。

参考14A-14B，底板经由胶固定至电池模块。

参考图15A，导电板(或接触板)布置在电池模块的电池单元上方(例如，用胶固定)。图15B描绘了包括两层箔的替代性接触板。接触板的例子的描述至少参照公开号为US2018/0108886A1，发明名称为“与电池模块中的电池单元建立电键合的多层接触板”的美国专利的图7A-8B，在此通过引用整体并入。参考图15C，图15A的接触板可以进一步包括可以将传感器线连接到其上的接触片(例如，热敏电阻)。

参考图16A-16B，将盖板添加至电池模块(例如，经由胶)。至此，电池模块已经完成，可以作为储能系统的一部分进行部署(例如，用于电动车辆)。电池模块的外部部件(例如，外部框架部件，侧壁，底板和盖板)共同包括用于容纳电池单元的电池外壳。

图17示出了组装装置中的销布置的两个变型(即，在负侧夹具和正侧夹具中)。在变型A中，销固定在不同的夹具上，并且如图4-16B所示在添加每个新夹具时被添加。在变型B中，使用包括多个堆叠的夹具和/或单个大型结构(一个大型夹具包括多个电池单元层)的夹具塔，将销设置到抽出位置(未插入)或插入位置。在变型B(1)中，夹具塔的每个销都被抽出。在变型B(2)中，电池单元层1的销被插入。在变型B(3)中，电池单元层1-2的销被插入。将会理解，夹具塔架可以跨越任何数量的电池单元层，并且多个夹具塔和/或各个夹具也可以堆叠在一起。

在一些设计中，电池模块可以在一组圆柱形电池单元的一端(例如，在电池单元下方)与冷却板集成在一起。在这样的实施方式中，如果该组圆柱形电池单元基本上与冷却板齐平(例如，虽然也可以使用热膏来桥接它们之间的间隙)，则冷却效率提高。在一些设计中，可以在一组圆柱形电池单元的一端(或在一些设计中，两端)上形成电端子连接。在这样的设计中，电池单元的精确固定可以简化将电池单元端子焊接到一个或多个接触板的过程。

获得上述电池单元固定均匀性的常规方法通常依赖于机械固定装置(或夹紧装置)，该机械固定装置(或夹紧装置)(除了固定销之外)将电池单元固定在适当的位置，同时在其上施加胶水。一旦胶水固化，移除机械固定装置。然而，这种机械固定装置的应用和随后的移除增加了电池模块组装过程的时间和复杂性。因此，本公开的实施例涉及一种电池模块组装装置及其方法，由此在不需要使用这种机械固定装置的情况下使用磁力来实现上述电池单元位置均匀性。

图18示出了根据本发明实施方式的电池模块组装步骤1800。在框1805的步骤中，第一夹具塔被安装在表面(例如，底板)上。在框1810的步骤中，第二夹具塔被安装在表面(例如，底板)上。框1805-1810的步骤的示例性实施在图4、8A和10中示出。

在一示例实施方式中，第一夹具塔可由第一组可堆叠夹具组成，第一组可堆叠夹具中的每个可堆叠夹具包括第一组电池单元固定元件(例如，销、凸片、凹痕、销钉等)。在这种情况下，第一组可堆叠夹具可以包括任意数量的可堆叠夹具，并且可以在每次将新的可堆叠夹具添加到第一夹具塔时执行框1805的步骤。在另一示例实施方式中，第二夹具塔可以类似地包括第二组可堆叠夹具，第二组可堆叠夹具中的每个可堆叠夹具包括第二组电池单元固定元件(例如，销、凸片、凹痕、销钉等)。在这种情况下，第二组可堆叠夹具可以包括任意数量的可堆叠夹具，并且每次将新的可堆叠夹具添加到第二夹具塔时都可以执行框1810的步骤。图19A-19F描绘了示例，其中第一和第二夹具塔中的每一个包括各自的可堆叠夹具组。

在另一示例实施方式中，第一夹具塔可以包括单个或“整体”侧板，该侧板布置有位于侧板不同高度处的多组电池单元固定元件(例如，凸片、凹痕、销钉等)以用于固定不同排的电池单元。在这种情况下，在电池组装过程开始时，侧板的固定元件开始处于非插入状态。然后，随着每次新以一层电池单元的添加，用于固定该层电池单元的固定元件被推入插入状态以促进电池单元的固定。在添加所有层的电池单元并实现永久性电池单元的固定后(例如，在以未固化状态开始的所施加的胶水已充分固化后，或达到具有足够稳定性的部分固化状态，或完全固化状态后)，所有固定元件可以转变回非插入状态以允许移除电池单元，此时电池单元被集成到如上所述的电池模块中。在另一示例实施方式中，第二夹具塔也包括单个或“整体”侧板，该侧板布置有不同高度的多组电池单元固定元件，以用于固定不同排的电池单元。图20描绘了一示例，其中第一和第二夹具塔中的每一个都包括各自的侧板。

在又一示例实施方式中，第一和第二夹具塔中的一个(或多个)可以包括一组可堆叠的夹具，而第一和第二夹具塔中的另一个包括侧板，该侧板布置有多组位于侧板不同高度处的电池单元固定元件，以便固定不同排的电池单元。这个特定的实施例在图中没有明确地示出，但是可以从对图19A-20的评述中容易地确定。例如，图19A-19F的可堆叠夹具1905A、1905C等可以与图20的侧板2005结合使用，或图19A-19F的可堆叠夹具1910A、1910C等可以与图20的侧板2000结合使用。

在框1815的步骤中，一组电池单元布置在包括第一组电池单元固定元件的第一夹具塔的第一部分和与第一夹具塔的第一部分相对的且设置有第二组电池单元固定元件的第二夹具塔的第二部分之间，该组电池单元中的每个电池单元至少部分地由第一组固定元件和第二组固定元件固定就位。例如，如果第一夹具塔和第二夹具塔被配置为可堆叠夹具组，则第一夹具塔和第二夹具塔的第一部分和第二部分可以对应于电池模块组装的当前阶段的各自最顶部夹具。框1815的步骤的示例在图6A和9B中示出。

在框1820的步骤中，沿朝向第一夹具塔并远离第二夹具塔的方向向电池单元组中的每个电池单元施加磁力。在框1820的步骤中施加的磁力可以实施为将电池单元组中的每个电池单元拉向第一夹具塔的吸引力、将电池单元组中的每个电池单元推离第二夹具塔的排斥力，或它们的组合。

在一些设计中，磁力是通过使用基于磁性的补充固定元件来施加的。在一些设计中，基于磁性的补充固定元件可以包括一个或多个永磁体，它们可以集成到第一和/或第二夹具塔中或者可以简单地靠近接近于电池组的第一和/或第二夹具塔放置。在其他设计中，基于磁性的补充固定元件可包括一个或多个电磁体。使用电磁体的一个优点是它们能够处于开启状态(产生磁力)或关闭状态(消除磁力)。

在框1825的步骤中，可选地，在施加磁力的同时施加胶水(例如，处于未固化状态，之后胶水随着时间的推移固化到部分固化状态并最终到完全固化状态)以将电池组永久固定到位。在框1830的步骤中，在胶已充分固化(例如，达到具有足够稳定性的部分固化状态，或完全固化状态)之后，可选地停止施加磁力。在基于磁性的补充固定元件包括一个或多个永磁体的示例中，框1830的步骤中磁力的停止可对应于机器或人工操作者将一个或多个永磁体移离该组电池单元。在基于磁性的补充固定元件包括一个或多个电磁体的示例中，框1830的步骤中磁力的停止可对应于机器或人工操作者关闭一个或多个电磁体。

图1的过程的示例实现。现在将结合图19A-19F对图18中步骤的示例性执行进行描述，每个图都描绘了具有夹具塔的电池模块组装装置，该夹具塔包括在组装的连续阶段的相应的可堆叠夹具组。

参考图19A，电池模块组装装置包括基板1900A，其上安装有第一可堆叠夹具1905A和第二可堆叠夹具1910A。第一可堆叠夹具1905A布置有处于插入状态的固定元件1915A，并且第一可堆叠夹具1910A布置有处于插入状态的固定元件1920A。虽然在图19A的侧视图中不可见，第一和第二可堆叠夹具1905A-1910A可以包括如以上各个图(例如，图6B等)中所示的其他类似配置的固定元件

参考图19A，在第一可堆叠夹具1905A处产生磁引力(例如，通过永磁体、电磁体等)。如上所述，在其他设计中，可以实施磁斥力(或一个夹具处的磁引力与另一夹具处的磁斥力的组合)。

参考图19B，电池单元1925B被添加到电池模块组装装置。第一可堆叠夹具1905A处的磁引力拉动电池单元1925B以保持与第一可堆叠夹具1905A齐平接触。虽然在图19B中没有明确示出，电池单元1925B是包括一个或多个附加电池单元的一排电池单元的一部分。在该示例中，磁引力被施加到一排电池单元中的每个电池单元，使得该一排电池单元中的每个相应电池单元与第一可堆叠夹具1905A保持齐平接触，第一可堆叠夹具1905A用于对齐该一排电池单元中的每个电池单元。

参考图19C，第三可堆叠夹具1905C安装在第一可堆叠夹具1905A的顶部，第四可堆叠夹具1910C安装在第二可堆叠夹具1910A的顶部。第三可堆叠夹具1905C布置有处于插入状态的固定元件1915C，并且第四可堆叠夹具1910C布置有处于插入状态的固定元件1920C。虽然在图19C的侧视图中不可见，第三和第四可堆叠夹具1905C-1910C可以包括如以上各个图(例如，图6B等)所示的其他类似配置的固定元件。

参考图19D，电池单元1925D被添加到电池模块组装装置。第三可堆叠夹具1905C处的磁引力拉动电池单元1925D以保持与第三可堆叠夹具1905C齐平接触。虽然在图19D中没有明确显示，电池单元1925D是包括一个或多个附加电池单元的一排电池单元的一部分。在该示例中，磁引力被施加到该一排电池单元中的每个电池单元，使得该一排电池单元中的每个相应电池单元与第三可堆叠夹具1905C保持齐平接触，第三可堆叠夹具1905C用于对齐该一排电池单元中的每个电池单元。

参考图19E，第五可堆叠夹具1905E安装在第三可堆叠夹具1905C的顶部，第六可堆叠夹具1910E安装在第四可堆叠夹具1910C的顶部。第五可堆叠夹具1905E布置有处于插入状态的固定元件1915E，并且第六可堆叠夹具1910E布置有处于插入状态的固定元件1920E。虽然在图19E的侧视图中不可见，第五和第六可堆叠夹具1905E-1910E可以包括如以上各个图(例如，图6B等)中所示的其他类似配置的固定元件

参考图19F，电池单元1925F被添加到电池模块组装装置。第五可堆叠夹具1905E处的磁引力拉动电池单元1925F以保持与第三可堆叠夹具1905E齐平接触。虽然在图19F中没有明确显示，电池单元1925F是包括一个或多个附加电池单元的一排电池单元的一部分。在该示例中，磁引力被施加到该一排电池单元中的每个电池单元，使得该一排电池单元中的每个相应电池单元与第五可堆叠夹具1905E保持齐平接触，第五可堆叠夹具1905E用于对齐该一排电池单元中的每个电池单元。

图19A-19F描述的组装过程可以继续，因为夹具塔随着更多夹具(和电池单元)的添加而逐层增长。

图20示出了根据本发明另一实施例的基于图18的过程1800的示例性实施方式的电池模块组装装置。与采用相应的可堆叠(或模块化)夹具组构建夹具塔的图19A-19F不同，图20的电池模块组装装置包括两个“整体式”侧板2000和2005。如图20所示，在侧板2000的每个单元层(或排)处(例如，通过永磁体、电磁体等)产生磁引力。虽然在图20中没有具体示出，侧板2000和2005可以安装在表面(例如图19A的基板1900A)上。

在图20的实施例中，固定元件2015和2020分别布置在侧板2000和2005的相应孔(或开口)内，以便是可移动的(例如，配置在插入状态以供电池单元固定，或非插入状态以允许电池单元可移动)。在电池组装过程开始时，固定元件2015和2020处于未插入状态。然后，随着每个新电池单元层的添加，用于固定该电池单元层的固定元件被推入插入状态以促进电池单元的固定。在所有电池单元层都被添加并实现永久性电池单元固定后(例如，在应用的胶水已充分固化后，或者到具有足够稳定性的部分固化状态，或者到完全固化状态)，所有固定元件都可以转回到非插入状态以允许移除电池单元，此时电池单元被集成到如上所述的电池模块中。如图19A-19F所示，每个电池单元层(或排)的每个电池单元可以相对于侧板2000齐平，使得每个电池单元层(或排)的每个电池单元彼此对齐。

本文关于本发明的任何实施例描述的任何数值范围不仅旨在限定相关数值范围的上限和下限，而且还隐含公开了该范围内的每个离散值的单位或增量，其与表征上下限的精度水平保持一致。例如，从7nm到20nm的数值距离范围(即，以1为单位或增量为精度水平)涵盖(以nm为单位)集合[7、8、9、10，...，19、20]，就如同明确公开了以1为单位或增量的中间数字8到19一样。在另一示例中，30.92％～47.44％(即以百分之一为单位或递变步长的精度水平)这一百分比数值范围涵盖(以单位为％的)集合[30.92，30.93，30.94，……，47.43，47.44]，就如同明确公开了以百分比为单位或增量的中间数值30.92～47.44一样。因此，所公开的任何数值范围所涵盖的任何中间数值均旨在被理解为这些数值等同于已经被明确公开，而且任何此类中间数值均可因此本身构成落入所述数值范围内的子范围的上限和/或下限。因此，每一子范围(例如将更大范围的至少一个中间数值作为上限和/或下限的每一更小范围)旨在被理解为借助于更大范围的明确公开而被隐含性地公开。

虽然上述实施例主要涉及地面上的电动车辆(例如，汽车，卡车等)，但是应当理解的是，其他实施例可对于任何类型的电动车辆(例如，小船，潜艇，飞机，直升机，无人驾驶飞机，宇宙飞船，航天飞机，火箭等)实施各种电池相关的实施例。

以上描述旨在使得本领域任何技术人员能够做出或使用本发明的实施方式。然而，应该该理解的是，对于本领域技术人员而言，对这些实施方式做出各种修改将是显而易见的，因此本发明不限于本文公开的具体配方、工艺步骤和材料。也就是说，在不脱离本公开内容的实施方式的精神或范围的情况下，本文中给出的普遍原理可应用至其他实施方式。