CN107895763A - 具有用于多个电池单元的壳体的电池组设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有用于多个电池单元的壳体的电池组设备。在一些示例中，高能量密度电池组设备包括电路板和安装在电路板上的至少两个壳体结构。在一些示例中，高能量密度电池组设备还包括通过电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元。在一些示例中，所述至少两个电池单元中的每个电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的一壳体结构中。在一些示例中，相应的壳体结构围绕相应的电池单元并在电池单元的一端具有开口。

Description

具有用于多个电池单元的壳体的电池组设备

技术领域

本公开涉及高能量密度电池组。

背景技术

在2015年，联邦航空管理局（FAA）就一次性（不可充电）锂电池发布了初步的新规定草案。此类电池在航空航天中的典型用途包括紧急定位发射器（ELT）、声学定位声波发射器、手电筒、航空电子设备备份等。新规定背后的观点是，为了在航空航天应用中安全运行电池单元，具有“自发热事件”的电池对机身及其乘员的影响应该是温和的。

发明内容

本公开涉及一种用于高能量密度电池组的***、设备和方法，该高能量密度电池组包括通过电路板串联电连接的一串至少两个电池单元。电池组还在电路板的每一侧包括至少两个壳体结构，其中每个电池单元定位在壳体结构中。

在一个示例中，高能量密度电池组设备包括电路板和安装在电路板上的至少两个壳体结构。在一些示例中，高能量密度电池组设备还包括通过电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元。在一些示例中，所述至少两个电池单元中的每个电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的一壳体结构中。在一些示例中，相应的壳体结构围绕相应的电池单元并在电池单元的一端具有开口。

在另一示例中，一种设备包括高能量密度电池组，其包括电路板和安装在电路板上的至少两个壳体结构。高能量密度电池组还包括通过电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元。所述至少两个电池单元中的每个电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的一壳体结构中。相应的壳体结构围绕相应的电池单元并在电池单元的一端具有开口。该设备还包括发射器，其被配置为通过电路板从至少两个电池单元接收电功率。发射器还配置为基于电功率发射电磁信号。

另一示例涉及包括形成电路板并且在电路板上安装至少两个壳体结构的方法。该方法还包括将所述至少两个电池单元中的每个电池单元安装在所述至少两个壳体结构中的相应壳体结构中，使得所述至少两个电池单元通过电路板串联或并联电连接。相应的壳体结构围绕相应的电池单元并在电池单元的一端具有开口。

在附图和下面的说明书中阐述一个或多个示例的细节。其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求书中变得显而易见。

附图说明

图1A和1B是根据本公开的一些示例的包括定位在壳体结构中的电池单元的高能量密度电池组设备的概念框图。

图2是根据本公开的一些示例的电池单元的两个并联串（string）的概念框图和电路图。

图3是根据本公开的一些示例的在热事件之后的两个高能量密度电池单元的照片。

图4是根据本公开的一些示例的在安装壳体结构之前的电路板的透视图。

图5是根据本公开的一些示例的在安装电池单元之前的电路板和壳体结构的透视图。

图6是根据本公开的一些示例的定位在壳体结构中的电池单元的透视图。

图7是根据本公开的一些示例的采用开口部分地包围电池单元的壳体结构的透视图。

图8是根据本公开的一些示例的定位在壳体结构中的电池单元的俯视图。

图9是根据本公开的一些示例的以平行但相反方向定位的两个电池单元的概念框图。

图10是根据本公开的一些示例的以四个不同角度取向的四个电池单元的概念框图。

图11示出了根据本公开的一些示例的用于构建包括定位在壳体结构中的电池单元的高能量密度电池组设备的示例性技术的流程图。

具体实施方式

下面描述各种实施例，其大体涉及用于被设计为减少或消除由热事件引起的损坏的高能量密度电池组的设备、***和方法。当电池组中的电池单元过热并可能***时，发生热事件，也称为热失控。在诸如航天航空的一些敏感的应用中，热事件可能会对较大的***（如航天器）造成严重破坏。电池组的设计可以通过遏制电池单元***并减少热事件扩散到电池组中的第二电池单元的可能性来降低热事件的损害。

对于给定的电池，热事件可能是非常罕见的事件，但是在诸如商用航天器的***中存在数百或数千个电池。在舰队中的数千架航天器情况下，热事件可能经常发生，足以成为设计考虑因素。例如，手电筒，备用电池，除颤器，传感器等可能包括电池。许多电池位于航天器驾驶舱内或附近。本公开的技术还可用于其它***（诸如建筑物、陆地交通工具、船用交通工具、航空器等）中的电池。

与高能量密度电池相比，碱性电池或铅酸电池可能不太容易发生热事件，但是碱性电池和铅酸电池相对于高能量密度电池（诸如锂离子电池、锂金属电池和镍镉电池）具有一些缺点。例如，碱性电池每千克存储更少的能量，并且具有比高能量密度电池更高的泄漏电流。因此，用碱性电池替代高能量密度电池会导致更大的电池组。

此外，与高能量密度电池相比，碱性电池可以存储每体积和每千克更少的能量。碱性电池也可能具有比高能量密度电池更高的内部阻抗，因此碱性电池的电源电压随着电源电流要求的增加而下降。此外，碱性电池或铅酸电池在低于负一摄氏度或二摄氏度的温度下可能无法正常工作，但某些高能量密度电池化学物质可以在远低于零摄氏度的温度下继续运行。虽然高能量密度电池具有许多优点，但与碱性电池相比，高能量密度电池单元可能会经受散布在电池组中的部分或全部高能量密度电池单元中的热事件。电池组的设计可以影响第一电池单元中的热事件扩散到电池组中的另一电池单元的可能性。

例如，在2013年7月，锂电池的热失控可能在停放的埃塞俄比亚航空公司航天器上引起火灾。该航天器包括由锂电池供电的紧急定位发射器（ELT）。其中一个锂电池单元的热失控可能扩散到ELT中的其他锂电池单元，从而导致航天器的机舱和机身发生火灾。

热事件可能产生一千二百摄氏度到一千五百摄氏度的极热火。锂的熔点约为一百八十点五摄氏度。如果一个锂电池单元的热事件导致另一锂电池单元的温度达到锂的熔解温度，则另一电池单元中的锂将会熔化，并且很有可能导致电池单元经受热事件。火灾可能会很快烧掉电池单元的电解质，并且电池单元中的锂可能会持续燃烧二十或三十秒。不锈钢壳体结构在热事件期间也可能部分或全部熔化。电池单元的熔融金属可能需要三十秒以上的时间来冷却。较大电池单元中的热事件可能比较小电池单元中的热事件持续更长的持续时间。

为减少或消除由诸如锂电池的高能量密度电池中的热事件造成的损害，电池组可以包括电路板和壳体结构，以牢固地保持和/或物理地分离电池单元。壳体结构可以被配置为即使在热事件期间也保持电池单元，以防止电池单元从电路板掉下。壳体结构可以包括具有高热容量的材料以吸收热事件的热。电池组可使电池单元在不同方向上取向，使得由热事件引起的热和熔渣将沿着远离在热事件中未被涉及的其他电池单元的方向行进。因此，电池组可能具有热事件从第一电池单元扩散到任何其他电池单元的降低可能性。如果一电池单元在没有任何屏障（例如，壳体结构）的情况下附接到另一电池单元，则其中一个电池单元中的热事件将扩散到其他电池单元。

因此，本公开的设备可以经受一个电池单元中的热事件，而不允许热事件扩散到任何其他电池单元。相反，现有的具有多个电池单元的电池组将电池单元布置成彼此相邻，而在电池单元之间没有任何屏障。现有的电池组可能不包括印刷电路板（PCB）作为电池单元之间的屏障。相反，现有电池组将包括电连接电池单元的导线，并且导线可能将热从一个电池单元扩散到其他电池单元。在本公开的设备中，导线可能不是必需的，因为电路板有助于电池单元与其它部件之间的电连接，并且可以消除任何夹紧或损坏导线的安全问题。该设备还可能具有较少的由使用多个部件与导线组装电池组而引起的制造误差。现有电池组不会将电池单元布置为指向电路板的不同角部。当在现有电池组的一个电池单元中发生热事件时，与本公开的电池组相比，热事件更可能扩散到另一电池单元。

图1A和1B是根据本公开的一些示例的包括定位在壳体结构120A，122A，170A和170B中的电池单元130A，132A，180A和180B的高能量密度电池组设备100和150的概念框图。设备100和150还包括电路板110和160，以有助于电池单元130A与132A之间以及电池单元180A与180B之间的电连接。设备100和150可以被称为电池模块或电池组。

电路板110可以被配置为将电池单元130A和132A串联或并联连接。电路板160可以被配置为将电池单元180A和180B串联或并联电连接。电路板110和160可以包括绝缘或半绝缘材料，诸如阻燃材料（FR-4）、环氧树脂、玻璃、硅和/或模塑料。电路板110和160还可以包括诸如铜、焊料、铝和/或金的导电材料。

壳体结构120A和122A定位在电路板110的不同侧（例如，图1A中的顶部和底部），并且壳体结构170A和170B定位在电路板160的同一侧（例如，图1的顶部）。电路板的同一侧上的电池单元可以串联电连接成串，或者该串可以包括电路板的不同侧上的电池单元。在一些示例中，设备100或150可以在电路板110或160的每一侧包括多于两个的壳体结构和多于两个的电池单元。

每个壳体结构可以被配置成将相应的电池单元保持成远离电路板一空气间隙或由材料填充的间隙。电池单元与电路板之间的间隙可以填充有陶瓷或泡沫材料。空气、陶瓷或泡沫可以在电池单元和电路板之间提供额外的热障。如果壳体结构包括金属，则金属层可能在热事件期间转化为熔融金属，从而吸收热能。壳体结构还可以被配置为在热事件期间将电池单元保持在适当位置，以防止电池单元从电路板掉下，这可能导致损坏并增加热事件扩散到其他电池单元的机会。

壳体结构120A，122A，170A和170B可以包括耐热、阻燃和/或能够吸收大量热的材料。壳体结构120A，122A，170A和170B可以包括诸如不锈钢的金属和/或陶瓷材料。在热事件期间，壳体结构可以吸收热事件的一些或全部热。因此，在热事件期间，壳体结构可以用作散热器和/或屏障。壳体结构120A，122A，170A和170B中的每个可以围绕电池单元130A，132A，180A和180B中的相应一个，并且包括一个或多个开口。在一些示例中，每个电池单元可以包括当在整个电池单元破裂之前从热事件建立压力时打开的通气口。在电池单元的正常操作期间，该通气口可以被密封。在热事件期间，从电池单元的通气口点释放的热（例如火焰，烟雾和碎屑）可以行进到相应壳体结构的开口外。壳体结构可以被设计成使得该开口点远离其他高能量密度电池单元，使得热事件不会从一个高能量密度电池单元扩散到其他电池单元。因此，壳体结构也可以作为漏斗以在较小的破坏性方向上推动或引导热。

高能量密度电池组设备的一个重要特征是在以不同角度安装时能够运行良好。该特征可以被称为取向不可知（orientation-agnostic）。例如，如果设备以一定角度设计使得来自热事件的熔渣将滴落在设备上，则熔渣在设备以不同角度安装时可以沿不同方向滴落。设计一种能够在以右上侧、上下颠倒或任何其他角度安装时良好运行的设备可能是有利的。实际上，设计人员和制造商可能对安装设备的角度几乎没有控制。相反，设计者可以控制电池单元之间的相对角度，而不是每个电池单元的绝对角度。在无法控制重力相对于电池单元的方向的情况下，设计人员不能依靠重力将热从其他电池单元引导出来。

电池单元130A，132A，180A和180B定位在壳体结构120A，122A，170A和170B中。壳体结构120A，122A，170A和170B中的每个可以完全或部分地包围电池单元130A，132A，180A和180B中的相应一个。在一些示例中，壳体结构120A，122A，170A和170B中的每个可以围绕电池单元130A，132A，180A和180B中的相应一个包裹，以形成柱形或矩形盒形。

电池单元130A，132A，180A和180B可以包括锂离子电池单元、锂金属电池单元、锂聚合物电池单元和/或镍镉电池单元。与完全充电的碱性电池或铅酸电池相比，电池单元130A，132A，180A和180B在完全充电时可具有“高能量密度”。电池单元130A和132A可以通过电路板110中的导电材料串联地电连接成串或者以并联或以串联和并联的组合方式电连接。在一些示例中，在电路板的第一侧上的电池单元可以串联地电连接为串，该串通过电路板110的导电材料与电路板110的第二侧上的一串电池单元并联地电连接。电接触垫可以被焊接或拧在电路板110或壳体结构上。电池单元可以定位在电接触垫上以产生电连接。

根据本公开的技术，壳体结构120A，122A，170A和170B可以使电池单元130A，132A，180A和180B中的每个彼此热绝缘。在第一电池单元的热事件期间，相应的壳体结构可以吸收来自热事件的部分或全部热，以防止热事件扩散到第二电池单元。相应的壳体结构还可能阻碍第一电池单元的熔渣向其他电池单元移动。相应的壳体结构可以包括一个或多个开口以引导热和渣远离其他电池单元。

许多现有的电池组很少使用或不使用绝缘，以便减少热事件的可能性。如果电池单元是绝缘的，则电池单元在运行期间产生的热可能积聚并导致热事件。例如，如果电池单元的温度达到一百八十点五摄氏度，则锂电池单元可能会经历热事件。因此，现有电池组可能不使用绝缘来确保电池单元的较低工作温度。

相反地，发明人已经认识到绝缘可能有助于将热事件遏制在单个电池单元中，并且防止热事件扩散到第二电池单元、第三电池单元等。设备100和150可以包括具有开口的绝缘壳体结构，以允许热在热事件期间远离电池单元。壳体结构可以防止热事件的热直接传播到电池组的其他电池单元。

对本公开的设备进行了两次测试。第一次，电池组以全电流和最高工作温度运行，以确保电池单元没有发生热失控。在测试期间对电池单元进行监控，以确保电池单元不会变得太热，这可能由太多的绝缘造成。第二次，致使电池单元多次发生热失控并呈多个取向，并对附近电池单元的温度进行监控，以确保附近电池单元不会接近发生热事件。

联邦航空管理局（FAA）已经认识到热事件是重要的，但FAA和业界并没有认识到电路板和壳体结构对遏制热事件的重要性。此外，没有人认识到壳体结构和电池单元的取向影响热事件是否从第一电池单元扩散到第二电池单元。壳体结构120A，122A，170A和170B以及电路板110和160可以被设计，定位和取向以阻止电池单元130A，132A，180A和180B中的两个之间的热的流动。

尽管图1中未示出，但设备100的外壳也可以被设计成减少由热事件引起的损坏。设备100的外壳可以包围电路板110，壳体结构120A，122A，170A和170B以及电池单元130A，132A，180A和180B。外壳可以包括可以防止异物碎屑（FOD）进入电池组的聚氯乙烯（PVC）热收缩。外壳可以被配置为牢固地保持电池组的内含物、防止篡改、并提供易于标识的位置、并防止FOD损坏和短路电池单元。外壳还可以包括一个或多个开口以从热事件释放热和压力，以便减少热事件扩散到多于一个电池单元的可能性。相反地，现有电池组可能具有围绕电池单元包裹的外壳，从而防止热离开和将热导向其他电池单元。

图2是根据本公开的一些示例的电池单元230A，230B，232A和232B的两个并联串的概念框图和电路图。每个并联串还可以包括其它部件，诸如熔丝、二极管和/或任何其它部件。电池单元230A，230B，232A和232B中的每个可以产生三伏，使得每个串产生六伏。来自每个串的电流可以相加在一起以向发射器260或任何其他电负载提供电功率。在一些示例中，如果一个串发生故障并且另一串继续运行，则两个或多个串可能会提供冗余。然而，在一些示例中，单个串可能不能在延长的时间段内向发射器260提供足够的电功率。

另一设备可以使用单个电池单元或并联的两个电池单元，其中每个电池单元可以产生足够的电源电压（例如，六伏特）。另一设备的电池单元可能大于电池单元230A，230B，232A和232B。或者，电池组可以包括串联的两个较大的电池单元，其中每个电池单元产生所需电源电压的一半，但产生比电池单元230A，230B，232A和232B中的一个更多的电流。因此，与仅在电池单元230A，230B，232A和232B中的一个中的热事件相比，较大的电池单元可能在热事件期间产生更多的热，这可能导致较大***中的损坏增加。

二极管240和242被配置为允许电功率从电池单元230A，230B，232A和232B流向发射器260。二极管240和242中的每个通过电路板与一串电池单元串联地电连接。二极管240和242可以防止电功率的反向流动，其可以对电池单元230A，230B，232A和232B重新充电。二极管240和242可用于一次性（即不可充电）电池单元。二极管240中的每个可以包括与二极管并联的晶体管，以在一些示例中将跨过二极管的电压降减少为小于一百毫伏。晶体管可具有比可能下降约五百毫伏或七百毫伏的传统二极管小得多的电压降。二极管240和242的一示例是智能旁路二极管，诸如由德克萨斯州达拉斯的德州仪器（Texas Instrument）公司制造的SM74611。

使用具有相对低的电压降的智能旁路二极管可以允许使用较小的电池单元。例如，如果需要六伏的电压源，则串联的两个电池单元可每个产生略高于三伏。如果设计使用具有七百毫伏压降的传统二极管，则电池组的效率将下降，因为设备只能使用五点三伏。如果电池单元包括非零内部串联电阻，则设备可用的电源电压可能甚至更低。具有传统二极管的电池组的设计可能需要更高容量的电池单元或更多的串联电池单元以获得更高的电压，从而提供足够的电能。

此外，智能旁路二极管可以允许更容易的测试来确认电池单元230A，230B，232A和232B的两个串是否正常工作。每个智能旁路二极管可能经受相对较短的电压脉冲，在此期间二极管上的电压降从大约五十毫伏增加到大约五百毫伏。在脉冲期间，智能旁路二极管的电荷泵重新充电。如果脉冲以规则的间隔再次出现，则测试器可以通过测量电压降并将电压的脉冲频率与单个智能旁路二极管的脉冲频率进行比较来确定二极管240和242两者是否都有效。如果电压的脉冲频率是单个智能旁路二极管的脉冲频率的两倍，则两个串均是有效的。

熔丝250和252可以与电池单元230A，230B，232A和232B的串中的一个以及二极管240和242串联地电连接。熔丝250和252中的每个可以被配置为响应于足够高的电流（诸如1.5安培）而断开。例如，如果在电池单元230A或230B中存在热事件，则通过电池单元232A和232B的电流可能剧增，从而导致熔丝252断开并防止任何进一步的电流。因此，熔丝252可以防止电池单元232A和232B免受由电池单元230A或230B中的热事件引起的过大电流，这可能导致通过电池单元230A和230B的电流变为零。

发射器260可以被配置为响应于诸如碰撞、其他高G力事件或由可用于交通工具操作者的开关的启动的紧急情况来发射位置指示信号。在一些示例中，发射器260可以被配置为以406兆赫兹发射信号。发射器260可以包括一个或多个电压调节器（例如，交换式电压调节器），以将电压信号提供给发射器260内的一个或多个电负载。一串电池单元可能不能产生足够的电流以供应发射器260的全部部件和电压调节器。对于交换式电压调节器，较低的电源电压可导致调节器提供较大的电源电流。较大的电源电流可能会在串联电阻上产生较大的电压降，这进一步降低电源电压，从而产生更大的电源电流。当电池已经开启数小时并处于相对较低的温度时，这个问题可能会更加尖锐。

本公开的高能量密度电池组可能能够在紧急位置指示发射器（诸如紧急定位发射器（ELT））内遏制单个电池单元热事件。电池组实现以下有利特征。第一，电池组在单个电池单元热事件期间降低了最大功率和总能量释放。第二，电池组分散由单电池单元事件产生的热能，以避免对设备外壳（热点）进行局部加热。第三，电池组减少电池组内部的短路。 如由正式认证测试所证明的，该电池组还是满足新的FAA要求的第一个已知的电池设计。

通过进行试图平衡ELT所需的功率和由多个电池单元划分该功率的研究来开发电池组。提供所有功率的单个电池单元电池是最简单和最有效的设计。然而，已发现，从一个大型电池单元释放的最大功率和总能量在热事件的启动时没有合理的遏制机会。还已发现，在单个电池单元热事件期间，电池单元的温度高于一千二百摄氏度，释放了大量的能量。

图3是根据本公开的一些示例的在热事件之后的两个高能量密度电池单元330A和330B的照片。如图3所示，热事件实际上是一个电池单元“***”，其破坏电池单元的内部并熔化不锈钢壳体。高能量密度电池单元330A可能经历过热事件，并且高能量密度电池单元330A的熔渣可能向高能量密度电池单元330B移动。渣可能导致高能量密度电池单元330B也经历热事件。电路板310在高能量密度电池单元330A和330B的下方可见。

研究表明，需要四个锂电池单元来满足ELT的功率和脉冲电流要求。如图2所示，该设计可以使用两个串联连接的三伏、三安培小时（Ah）一次性锂（例如由法国巴尼奥莱的Saft Groupe SA公司制造的LM17500二氧化锂锰电池单元）A尺寸电池单元的两个并联串。这些锂电池单元被测试以满足用于锂电池的最低运行性能（MOP）航天航空无线电技术委员会（RTCA）D0-227标准，并且能够在低温（例如，负二十摄氏度）下提供大的脉冲电流。

研究还表明，鉴于在最低温度（例如，负二十摄氏度）下操作所需的高脉冲电流和时间，不能使用常规二极管来保护并联串。已发现，有效的二极管电压降（室温下通常为0.55-0.7伏特）随着温度下降而增加，从而以更高的速率消耗电池容量并使得使用两个串联的A电池单元无效。如图2所示，每个串可包括与每个电池单元串串联的智能旁路二极管（例如，二极管240和242）。这些二极管将在所需的最低温度下的有效二极管电压降低到小于一百毫伏。

电池组还可包括用于跟踪电池使用的计时器（例如，由加利福尼亚州圣何塞的Maxim Integrated公司制造的DS1682）。如果电池过度使用，则计时器可能会触发报警。该设计还可以使用用于固体电气连接的标准（0.125英寸厚）玻璃环氧树脂（Panasonic R-1755V）PCB，以用于支持适当的保护电路（例如智能旁路二极管和熔丝）以及用于耐火焰性/耐热性和结构完整性。电路板也消除了最大的短路原因，即电池组的接线。

进一步的研究表明，从单个A电池单元***中遏制熔渣和***传播到相邻的电池单元是重大的问题。新设计通过使用包括陶瓷胚体和不锈钢（0.020英寸厚）电池保持器的壳体结构并来仔细选择电池单元取向/间距来解决这些问题，以遏制每一单个A电池单元***并同时还限制***的传播。

每个陶瓷胚体（例如，壳体结构）优选地包括设置在相应的电池单元周围的氧化铝柔性陶瓷（Cotronics 390）带。每个电池单元保持器可包括大体U形，从而在其中保持相应的电池单元。每个电池单元保持器（例如，壳体结构）可以设置在电路板与相应的电池单元之间，并且可以被配置为限制可以逃逸到周围电池单元的热量。壳体结构可以在热事件期间遏制渣和/或将其移离其他电池单元。壳体结构可相对于电路板的两侧不对准，以将热从其他电池单元移离。

图4是根据本公开的一些示例的在安装壳体结构之前的电路板410的透视图。图4示出电路板410的第一侧，其包括安装到电路板410的二极管440和屏障470A-470D。屏障472A和472B在电路板410的第二侧也是可见的。电路的第一侧包括用于在第一侧通过壳体结构接收螺钉的四个孔。螺纹锁定器460在电路板410的第一侧也是可见的，用于***在电路板410的第二侧上的螺钉。在一些示例中，电路板410可以包括紧固元件而不是螺钉，诸如钉子、铆钉、焊料等等。该设备还可以包括用于将电池单元电连接到电负载（诸如发射器）的连接元件（描绘为在二极管440附近）。

图5是根据本公开的一些示例的在安装电池单元之前的电路板510以及壳体结构520A，520B，522A和522B的透视图。每个壳体结构可以包括在电池单元与电路板510之间的第一壳体元件，其中第一壳体元件平行于电路板510。例如，壳体结构520A包括定位在第一壳体元件的一侧上的板524A和电池单元与第一壳体元件的另一侧上的电路板510之间的第一壳体元件。

每个壳体结构可以包括垂直于电路板510的平面的第二壳体元件。例如，壳体结构520A包括直立并平行于壳体结构520B的第二壳体元件的第二壳体元件。壳体结构520A的第二壳体元件定位在两个电池单元之间。

壳体结构的两个壳体元件可以是单个结构或两个单独的部件。如图5所示，壳体元件可以相对于彼此以90度取向。如图7所示，制造过程可以包括将壳体元件围绕相应的电池单元包裹。壳体结构可以将相应的电池单元物理地保持在适当位置，在热事件期间吸收热，并且在热事件期间引导或移动热。

板524A可以通过两个螺钉附接到电路板510和壳体结构520A。板524A可以被配置为接收电池单元。板524A还可以被配置为通过电路板510将电池单元电连接到其它部件。板524A、壳体结构520A和电路板510可为来自定位在壳体结构520A中的电池单元中的热事件的热提供高温屏障。

图6是根据本公开的一些示例的定位在壳体结构中的电池单元630A和630B的透视图。电池单元630B在电池单元630B的端子端包括绝缘帽634B。如图所示6，电池单元630A指向电路板610的左上角部，并且电池单元630B指向电路板610的右下角部。电路板610的另一侧上的电池单元可指向电路板610的右上角部和左下角部。通过将电池单元指向不同的角部，电池组可以减少一个电池单元中的热事件传播到另一电池单元的可能性。

图7是根据本公开的一些示例的采用开口740A，740B，742A和742B部分地包围的壳体结构720A，720B，722A和722B的透视图。例如，壳体结构720A的开口740A指向电路板710的左上角部，并且壳体结构720B的开口740B指向电路板710的右下角部。

图7的壳体结构可以初始地以与图5和图6的壳体结构类似的构型来安装。外壳体元件可以像胚体一样包裹在相应的电池单元周围，以部分地包围电池单元。当壳体结构围绕电池单元包裹时，壳体结构可以具有筒状形状。柱体的端部可以是圆形的，如图7所示。壳体结构可以将电池单元包住，其中一端紧密封闭并且另一端部分地打开以允许在热事件期间释放热。壳体结构可以被配置为使相应的电池单元绝缘并提供用于释放热的通路。

如图7所示，每个电池单元具有至少部分地围绕电池单元的其自身的壳体结构。每个相应的壳体结构可以被配置为通过使相应的电池单元的至少一端在一端处开放而围绕相应的电池单元。每个电池单元可以是三维物体，并且相应的壳体结构可以围绕电池单元的整个周边（例如，二维横截面）。每个壳体结构可以被配置成在两个维度上围绕相应的电池单元并在一端具有第三维度的开口。

每个电池单元可以具有柱形形状，其具有弯曲表面（例如，纵向表面或细长表面）和柱体端部上的两个平坦表面。在一些示例中，柱体端部上的表面可以稍微弯曲，使得端部表面不完全平坦。相应的壳体结构可以整个围绕和/或覆盖一个平坦表面并且部分地围绕和/或覆盖弯曲表面。在一些实例中，壳体结构可以围绕和/或覆盖电池单元的至少百分之五十、至少百分之六十、或至少百分之八十。电池单元还可以包括矩形形状，其中只有一个由相应壳体结构暴露的矩形形状的表面。

图8是根据本公开的一些示例的定位在壳体结构830A，830B，832A和832B中的电池单元820A，820B，822A和822B的俯视图。图。图8示出定位在偏移位置处的电池单元820A，820B，822A和822B，使得电池单元820A不直接从电池单元822A跨过电路板810。此外，电池单元822A不直接从电池单元830B跨过电路板810。电池单元830A，830B，832A和832B的偏移位置可以降低一个电池单元中的热事件扩散到第二电池单元的可能性。

图9是根据本公开的一些示例的以平行但相反方向定位的两个电池单元930A和930B的概念框图。例如，电池单元930A可以在基线（诸如水平线或任何其它任意线）以下以角度980A取向。角度980A可以是二十度、三十度、四十度、或任何其他合适的角度。电池单元930A的正端子可以定位成朝向电路板910的左侧。在图9的示例中，电池单元930A和930B的负端子指向电路板910的角部，因为负端子可以具有与相应的壳体结构上的开口对准并定位在该开口上的电池单元通气口。在一些示例中，正端子可以包括与相应壳体结构上的开口对准并定位在该开口上的电池单元通气口。

电池单元930B可以在基线（诸如水平线或任何其它任意线）以上以角度980B取向。角度980B可以是二十度、三十度、四十度、或任何其他合适的角度。电池单元930B的正端子可以定位为朝向电路板910的右侧。角度980A以等于角度980A和980B的总和的角度从角度980B偏移，该总和角度可以至少为二十度，或者至少三十度。总偏移角度是角度980A和980B之和，因为角度980A是从水平向下测量的并且角度980B是从水平向上测量的。更大的偏移角度可能意味着电池单元930A和930B的壳体结构的开口从其他电池单元远离取向，以便在热事件期间从其他电池单元移离更多热。

角度980A可以等于角度980B，使得电池单元930A和930B指向平行但相反的方向。电池单元930A和930B指向相反的方向，因为电池单元930A的负端子指向电路板910的右上角部，并且电池单元930B的负端子指向电路板910的左下角部。

图10是根据本公开的一些示例的指向四个不同方向的四个电池单元1030A，1030B，1032A和1032B的概念框图。电池单元1030A，1030B，1032A和1032B中的每个可以被定位在具有指向远离其他电池单元的方向的开口的壳体结构中。电池单元1030A，1030B，1032A和1032B中的每个的开口可以指向电路板1010的四个角部中的每个，使得电池单元1030A，1030B，1032A和1032B中的每个可以朝向独特角移除热。

例如，电池单元1030A可以定位在具有指向电路板1010的右上角部的开口的壳体结构中。电池单元1030B可以定位在具有指向电路板1010的左下角部的开口的壳体结构中。电池单元1032A可以定位在具有指向电路板1010的左上角部的开口的壳体结构中。电池单元1032B可以定位在具有指向电路板1010的右下角部的开口的壳体结构中。因此，如果电池单元1030A，1030B，1032A和1032B中的任一个经受热事件，则相应的壳体结构可以被配置为沿着远离其他电池单元的方向移除或引导热。

电池单元1030A可以由具有指向第一方向（例如，朝向电路板1010的右上角部）的开口的相应的壳体结构部分地包围。电池单元1030B可以由具有指向与第一方向相反的第二方向（例如，朝向电路板1010的左下角部）的开口的相应的壳体结构部分地包围。电池单元1032A可以部分地由具有指向第三方向（例如，朝向电路板1010的左上角部）的开口的相应壳体结构包围。电池单元1032B可以由具有指向与第三方向相反的第四方向（例如，朝向电路板1010的右下角部）的开口的相应的壳体结构部分地包围。

如本文所使用的，术语“平行”或“相同方向”可以意味着两个对象是精确平行的。术语“平行”或“相同方向”也可以意味着两个物体处于精确平行的角度阈值内，诸如在精确平行的五度内、在精确平行的十度内或在精确平行的二十度内。如本文所使用的，术语“垂直”可以意味着两个对象是精确垂直的，或者两个对象在精确垂直的角度阈值内，诸如在精确垂直的五度内、在精确垂直的十度内或在精确垂直的二十度内。

如本文所使用的，术语“相反方向”可以意味着两个物体指向偏移精确一百八十度的方向，或者两个物体指向在精确一百八十度的角度阈值内偏移的方向，诸如在一百八十度中的五度内、在一百八十度中的十度内、或在一百八十度中的三十度内。术语“指向”和“在……方向上指向”可以意味着第一对象精确地指向第二对象或位置，或者第一对象在第二对象或位置的角度阈值内指向，诸如在第二对象或位置的五度内、在第二对象或位置的十度内、或在第二对象或位置的二十度内。如本文所使用的，电池单元基于从电池单元的第一端子到电池单元的第二端子的矢量的方向或角度在一方向上或以一角度指向。电池单元可以基于从第一端子到靠近壳体结构的开口的第二端子的矢量的角度指向电路板的角部处。

如图3，图6，图7，图9和图10所示，电池单元（例如，锂电池单元）相对于电路板的侧面以倾斜（优选对角地）角度取向，以限制可能从螺钉（其保持电池单元保持器，例如壳体结构）散出并转移通过陶瓷胚体和电路板到电路板的相对侧上的电池单元的热的量。此外，电池单元通气口和壳体结构中的开口朝向电路板的角部取向，以减少可从其中一个电池单元排出的熔渣不直接落在相邻电池单元上的可能性。

如图5-8所示，在优选的制造方法中，将每个陶瓷胚体的一部分布置在电路板和相应的电池单元保持器之间，并将电池单元保持器拧到电路板上，从而将陶瓷胚体固定到电路板并将电池单元保持器和电池单元从电路板热隔离。然后将电池单元布置在相应的U形电池单元保持器中并用环氧树脂固定到电池单元保持器。

然后将陶瓷胚体的剩余部分围绕电池单元的暴露的柱形表面包裹，从而在热事件期间在熔融渣从电池单元喷出时保护周围的电池单元免受热的影响。在一些示例中，壳体结构可以使用陶瓷材料或其它材料模制。然而，如所示，优选地，每个电池单元的端部不被陶瓷胚体包围，而是被暴露，从而将来自熔渣的热从电路板引导开。

在将所有电池单元包裹在它们相应的陶瓷胚体中之后，优选将所组装的锂电池组封装在薄壁半刚性（收缩套管（ShrinkSleeve）聚乙烯平铺式（PVLF））PVC管中。

图11示出了根据本公开的一些示例的用于构建包括定位在壳体结构中的电池单元的高能量密度电池组设备的示例技术的流程图。参考图4-7的设备，包括图1和10的设备10和1000，来描述图11的技术，但其它部件可以执行类似的技术。

在图11的示例中，制造过程包括形成电路板410（1100）。电路板410可以由诸如印刷线路板、柔性电路板、原型板和/或任何其它电路板的PCB构成。在一些示例中，电路板410可以具有比电池单元中的锂或其他材料的熔化温度更高的温度等级。在图11的示例中，制造过程还包括将壳体结构520A和520B安装在电路板510的第一侧上（1102）。可以使用诸如螺钉、钉子、焊料或其他紧固件的紧固元件将壳体结构520A和520B中的每个安装在电路板510上。壳体结构520A和520B中的每个还可以包括用于保持电池单元并将电池单元电连接到电路板510的板。

在图11的示例中，制造过程还包括将电池单元630A和630B中的每个安装在壳体结构620A和620B中的相应一个中（1104）。电池单元630A和630B的安装可以包括将每个电池单元电连接到电路板510。在安装电池单元630A和630B之后，制造过程还可以包括使壳体结构620A和620B的每个围绕电池单元630A和630B中相应的一个包裹。壳体结构620A和620B中的每个可以为电池单元630A和630B提供开口。

在图11的示例中，制造工程还包括将壳体结构522A和522B安装在电路板510的第二侧上（1106）。在图11的示例中，制造过程还包括将电池单元632A和632B中的每个安装在壳体结构622A和622B中的相应一个中（1108）。电池单元632A和632B可以串联电连接为第二串，其中电池单元的第二串可以与电池单元630A和630B的第一串并联地电连接。串联地连接两个电池单元可增加电源的电压电平，并且并联地连接两个电池单元可增加供电电流的幅度。

以下示例可以说明本公开的一种或多种技术。

示例1：一种高能量密度电池组设备包括电路板和安装在电路板上的至少两个壳体结构。在一些示例中，高能量密度电池组设备还包括通过电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元。在一些示例中，所述至少两个电池单元的每个相应的电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的壳体结构中。在一些示例中，相应的壳体结构围绕相应的电池单元并在电池单元的一端具有开口。

示例2：根据示例1所述的设备，其中，所述至少两个电池单元包括第一电池单元和第二电池单元，并且所述至少两个壳体结构包括部分地包围第一电池单元并具有朝向电路板的第一角部的开口的第一壳体结构。所述至少两个壳体结构还包括部分地包围第二电池单元并具有朝向电路板的第二角部的开口的第二壳体结构，其中电路板的第一角部不同于第二角部。

示例3：根据示例1-2或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个电池单元串联地电连接为第一串至少两个电池单元，并且所述设备还包括通过电路板串联地电连接的第二串至少两个电池单元。所述第一串至少两个电池单元通过电路板与所述第二串至少两个电池单元并联地电连接。所述第二串至少两个电池单元包括第三电池单元和第四电池单元，并且所述至少两个壳体结构包括部分地包围第三电池单元并具有朝向电路板的第三角部的开口的第三壳体结构，其中电路板的第四角部与第二角部和第一角部不同。所述至少两个壳体结构还包括第四壳体结构，其部分地包围第四电池单元并具有朝向电路板的第四角部的开口，其中电路板的第四角部分不同于第三角部、第二角部和第一角部。

示例4：根据示例1-3或其任何组合所述的设备，其中，第一壳体结构和第二壳体结构安装在电路板的第一侧上，并且第三壳体结构和第四壳体结构安装在电路板的第二侧。

示例5：根据示例1-4或其任何组合所述的设备，其中，第一壳体结构和第二壳体结构被配置为使第一电池单元和第二电池单元相对于基线以第一角度取向。第三壳体结构和第四壳体结构被配置为使第三电池单元和第四电池单元相对于基线以第二角度取向，并且第一角度与第二角度偏移至少三十度。

示例6：根据示例1-5或其任何组合所述的设备，其还包括通过电路板与所述至少两个电池单元中的电池单元串联地电连接的旁路二极管，其中所述旁路二极管导致跨越旁路二极管的电压降小于二百毫伏。

示例7：根据示例1-6或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个壳体结构的每个壳体结构包括金属壳体结构或陶瓷壳体结构。

示例8：根据示例1-7或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个壳体结构包括第一壳体结构和第二壳体结构，其中第一壳体结构的开口和第二壳体结构的开口平行且在相反方向上取向。

示例9A：根据示例1-8或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个电池单元包括第一电池单元和第二电池单元，并且第一壳体结构被配置为部分地包围第一电池单元，其中第一个壳体结构的开口指向第一个方向。第二壳体结构被配置为部分地包围第二电池单元，其中第二壳体结构的开口指向与第一方向相反的第二方向。

示例9B：根据示例1-9A或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个电池单元的每个电池单元具有带有弯曲表面、第一平坦表面和第二平坦表面的柱形形状。相应壳体结构覆盖相应电池单元的第一平面和至少百分之八十的弯曲表面。

示例10：一种设备包括高能量密度电池组，其包括电路板和安装在电路板上的至少两个壳体结构。高能量密度电池组还包括通过电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元。所述至少两个电池单元的每个电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的壳体结构中。相应的壳体结构围绕相应的电池单元并在电池单元的一端具有开口。该设备还包括发射器，其被配置为通过电路板从所述至少两个电池单元接收电功率。发射器还配置为基于电功率发射电磁信号。

示例11：根据示例10所述的设备，其中，所述至少两个电池单元包括第一电池单元和第二电池单元。所述至少两个壳体结构包括第一壳体结构和第二壳体结构，所述第一壳体结构部分地包围第一电池单元并具有朝向电路板的第一角部的开口，所述第二壳体结构部分地包围第二电池单元并具有朝向电路板的第二角部的开口，其中电路板的第一角部与第二角部不同。

示例12：根据示例10-11或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个电池单元串联地电连接为第一串至少两个电池单元，并且所述设备还包括通过电路板串联地电连接的第二串至少两个电池单元。所述第一串至少两个电池单元通过电路板与所述第二串至少两个电池单元并联地电连接。所述第二串至少两个电池单元包括第三电池单元和第四电池单元，并且所述至少两个壳体结构包括部分地包围第三电池单元并具有朝向电路板的第三角部的开口的第三壳体结构，其中电路板的第四角部与第二角部和第一角部不同。所述至少两个壳体结构还包括第四壳体结构，其部分地包围第四电池单元并具有朝向电路板的第四角部的开口，其中电路板的第四角部分不同于第三角部、第二角部和第一角部。

示例13：根据示例10-12或其任何组合所述的设备，其中，第一壳体结构和第二壳体结构被配置为使第一电池单元和第二电池单元相对于基线以第一角度取向。第三壳体结构和第四壳体结构被配置为使第三电池单元和第四电池单元相对于基线以第二角度取向，并且第一角度与第二角度偏移至少三十度。

示例14：根据示例10-13或其任何组合所述的设备，其还包括通过电路板与所述至少两个电池单元中的电池单元串联地电连接的旁路二极管。所述旁路二极管被配置为允许电功率从所述串至少两个电池单元流到发射器，并且所述旁路二极管导致跨越旁路二极管的电压降小于二百毫伏。

示例15：根据示例10-14或其任何组合所述的设备，其还包括通过电路板与所述至少两个电池单元中的电池单元串联地电连接的熔丝，其中所述熔丝被配置为在通过所述串至少两个电池单元的电流超过第一阈值振幅时断开。

示例16：根据示例10-15或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个壳体结构的每个壳体结构包括金属壳体结构或陶瓷壳体结构。

示例17：根据示例10-16或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个壳体结构包括第一壳体结构和第二壳体结构，其中第一壳体结构的开口和第二壳体结构的开口平行且在相反方向上取向。

示例18：根据示例10-17或其任何组合所述的设备，其中，所述至少两个电池单元包括第一电池单元和第二电池单元。第一壳体结构被配置成部分地包围第一电池单元，其中第一壳体结构的开口指向第一方向。第二壳体结构被配置成部分地包围第二电池单元，其中第二壳体结构的开口指向与第一方向相反的第二方向。

示例19：根据示例10-18或其任何组合所述的设备，其中，所述发射器包括紧急位置指示发射器。

示例20：一种方法包括形成电路板和在电路板上安装至少两个壳体结构。该方法还包括将至少两个电池单元中的每个电池单元安装在所述至少两个壳体结构中的相应壳体结构中，使得所述至少两个电池单元通过电路板串联或并联电连接，并且使得相应壳体结构围绕相应电池单元并在电池单元的一端具有开口。

示例21：根据示例20所述的方法，其中，安装所述至少两个壳体结构包括安装第一壳体结构以使第一电池单元在电路板的第一侧上以第一角度取向，和安装第二壳体结构以使第二电池单元在电路板的第二侧上以第二角度取向。

示例22：根据示例20-21或其任何组合所述的方法，还包括将旁路二极管安装在电路板上，使得旁路二极管通过电路板与所述串至少两个电池单元串联地电连接。

示例23：根据示例20-22或其任何组合所述的方法，其中，安装所述串至少两个电池单元中的每个电池单元包括安装一串至少两个锂电池单元中的每个锂电池单元。

示例24：根据示例20-23或其任何组合所述的方法，其还包括将发射器电连接到所述串至少两个电池单元，使得发射器被配置为通过电路板从所述串至少两个电池单元接收电功率。

如本文所述，“交通工具”可以是航天器、诸如汽车的陆地交通工具、或诸如船舶或潜艇的水上交通工具。本文所述和要求保护的“航天器”可以包括任何固定翼或旋翼航天器、飞艇（例如，由氦气或其他比空气轻的气体浮动的飞船或气艇）、亚轨道太空飞船、航空器、消耗性或可重复使用的运载交通工具或运载交通工具台，或其他类型的飞行设备。本文所述和要求保护的“航天器”可以包括任何载人或未载人的飞行器（例如，未载人的空中交通工具（UAV）、飞行机器人或自动货物或包裹递送无人机或其他飞行器）。

上文描述了本公开的各种说明性方面。这些和其它方面在所附权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种高能量密度电池组设备，其包括：

电路板；

安装在所述电路板上的至少两个壳体结构；和

通过所述电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元，其中所述至少两个电池单元中的每个相应电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的相应壳体结构中，并且其中所述相应壳体结构围绕所述相应电池单元并在所述电池单元的一端具有开口。

2. 根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少两个电池单元包括第一电池单元和第二电池单元，并且其中所述至少两个壳体结构包括：

第一壳体结构，其部分地包围所述第一电池单元并具有朝向所述电路板的第一角部的开口；和

第二壳体结构，其部分地包围所述第二电池单元并具有朝向所述电路板的第二角部的开口，其中所述电路板的所述第一角部不同于所述第二角部。

3.一种设备，其包括：

高能量密度电池组，其包括：

电路板；

至少两个壳体结构；和

通过所述电路板串联或并联电连接的至少两个电池单元，其中所述至少两个电池单元中的每个相应电池单元定位在所述至少两个壳体结构中的一壳体结构中，其中，所述相应壳体结构围绕所述相应电池单元并在所述电池单元的一端具有开口；和

发射器，其被配置为：

通过所述电路板从所述至少两个电池单元接收电功率；和

基于所述电功率发射电磁信号。