CN114497841A - 电气外壳 - Google Patents

Abstract

一种用于电气设备(诸如电池)的外壳，所述外壳具有带有相对端部的壳件，所述壳件由复合材料制成，以使得所述容纳的设备由包含膨胀性材料的复合壁包围，所述膨胀性材料保护所述外部复合材料以免受所述外壳内部产生的高温的影响。设置了具有带有核心的夹层结构的端盖，所述夹层结构被配置为将压缩预载荷均匀地分布在所述外壳中的电池组上。还设置了高度可调的端盖。

Description

电气外壳

技术领域

本公开涉及用于诸如电池的电气部件的外壳。

背景技术

在许多电气电路或电气应用中，电气零件或部件安装在壳件或外壳中，以便保护部件，或以便将其与其他部件或周围环境隔离，或为了便于组装。电池还可以布置为外壳或壳件中的电池单元的组。例如，车辆电池通常由一组中的多个电池单元组成。在某些情况或条件下，电气零件或部件可能会出现故障或损坏，从而变得非常热和/或泄漏化学品或有毒烟雾等，这可能会对周围零件或部件或对环境或用户造成损坏。即使部件容纳在外壳或壳件中，由故障部件发出的极热和/或排放物可能会从外壳辐射或泄漏，这不仅会损坏部件本身，还会损坏其周围环境。

说明上述内容的示例是电池，例如车辆电池。上述电池通常由多个电池单元组成。短路或其他电气或热事件会导致单元温度迅速升高。然后，这会加热组中的其他单元，从而会导致单元组损毁、泄漏有毒烟雾并对周围环境造成显著的机械和热损坏。温度升高会导致相邻部件或零件变热。例如，出现故障的电池单元内部的温度通常可以达到1000摄氏度或更高，这会导致局部气温升高。相邻的电池组可能会被损坏的组的热量加热，导致相邻单元也损毁，等等。

为了避免这种‘失控’效应，已知将多个电池单元组彼此分开，以使单个出现故障的组不会产生导致许多其他单元组出现故障的失控效应。

已经开发出外壳来尝试提供组与周围环境的热隔离。这些外壳由必须能够承受极高温度的特殊材料制成，例如特殊聚合物。这些材料非常昂贵并且可能难以加工。尤其是在恶劣的环境中，例如在车辆中，这类外壳很容易损坏，并且在这类环境中使用昂贵的壳件材料并不理想。不锈钢外壳也已用于更恶劣的环境中，例如机动车辆中，但它们很重。这类外壳的附加重量在一些应用中产生问题，例如在飞机中。

电池组的另一个问题是许多类型的电池(例如，锂离子电池)要求压缩预载荷。为了获得最大的单元组性能，压缩预载荷应均匀地分布在单元表面上以确保完全接触。典型的电池外壳或壳件不能以高效、成本有效且易于制造的方式可靠地提供预载荷的均匀分布。

另一个问题是外壳通常被构造成容纳特别高度的特定电池组。不同的组高度需要新的外壳，因此外壳不易于适应不同的组高度。

因此，需要一种克服上述问题的用于电气部件的外壳。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种用于电池组的外壳，所述外壳包括用以接纳电池组的壳件，所述壳件在一端或两端由端盖封闭，其中所述端盖形成为具有夹层结构，所述夹层结构包括在增强材料层之间的核心，所述增强材料层被布置为将压缩预载荷均匀地分布在外壳中的电池组上。

通过使用这种结构，可以将诸如通风口、连接器管道等的辅助特征模制到泡沫中并固化到端盖中，同时增强材料为盖提供均匀地分布预载荷的结构。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于电气设备的外壳，所述外壳包括被配置为包围设备的壳件，所述壳件具有复合结构，所述复合结构具有由第一材料形成的外部表面和包括第二不同材料的内部表面，所述第二不同材料包括膨胀性材料。

第一材料优选地是纤维增强材料，例如，碳纤维复合层。

可选地，壳件限定侧壁，所述侧壁形成用以容纳设备的内部并且进一步包括相对的端壁。相对端壁中的一个或两个可由诸如在第一方面中定义的端盖形成，在所述端盖中可安装辅助特征。端盖可选地包括被增强材料包围的例如由泡沫制成的核心，以用于辅助特征。

膨胀性材料可作为层的形式设置在壳件内部表面上和/或端盖的内部表面上。

可在端盖上设置定位结构以将设备定位在外壳中。

密封件或接头可设置在端盖与侧壁之间。

根据第三方面，提供了一种用于电池组的外壳，所述外壳包括用以接纳电池组的壳件，所述壳件在一端或两端由端盖封闭，其中所述端盖设置有可变接头，以使得盖能够以可变高度气密地密封在壳件内。

根据第四方面，提供了一种制造用于电子设备的外壳的方法，所述方法包括形成限定用以容纳设备的内部的壳件，从而在壳件的内部上设置膨胀性材料。

形成壳件可选地包括形成增强材料的壳件的外部和由膨胀性材料的层形成壳件的内部。

可以设置端部(特别是端盖)以封闭内部。端盖可以包括核心(例如，泡沫核心)和增强材料的外部以及在内部表面上的膨胀性材料层。

电气设备可以是例如电池组或易于产生高温或其他排放的其他部件。

附图说明

图1是简单示意图，示出出现故障的电池单元会如何导致电池组中的热失控。

图2A是根据本公开的外壳的透视图。

图2B示出了穿过图2A的外壳的截面。

图3是根据本公开的外壳的截面图。

图4是根据本公开的外壳的端盖的截面图。

图5是根据本公开的外壳的零件的可能结构的简图。

图6是根据本公开的外壳的截面图。

图7是图6的外壳在外壳内部温度升高时的视图。

图8A示出了根据本公开的外壳的细节。

图8B以不同的配置示出了图8A的细节。

具体实施方式

以下仅作为示例给出的描述描述了用作电池外壳的外壳。然而，外壳也可以用于其他电气和电子零件和部件并且对其他电气和电子零件和部件有利，并且本公开不限于电池外壳。

如上所述，电气或电子部件或零件中的短路或其他故障事件会引起热或化学反应，从而产生会影响附近的其他部件、零件、周围环境或人员的高温和/或烟雾或泄漏。例如，图1示出了多单元电池，这里具有布置成组的五个电池单元1、2、3、4和5。如果一个单元(这里为单元1)出现故障，那么此单元可能会过热，并且产生的热量7会扩散到相邻单元2，从而引发该单元的故障，依此类推，这可能会导致整个组损毁。此外，热量可能会辐射到环境中，从而对环境造成损坏。对单元的损坏还可能释放可释放到周围环境中的有毒烟雾6。

其他电气部件可能会出现类似问题，这些部件在出现故障时可能会过热。

根据本公开，为电气部件(例如，电池或电池组)设置外壳，以防止如下效应：部件损坏对周围结构和部件周围环境产生不利影响。

将参考剩余附图描述外壳的优选实施方案。

首先参考图2A和图2B，外壳10包括限定用以包含待容纳部件(未示出)的内部100的壳件11，内部由侧壁200和相对的端壁300限定。端壁中的一者或两者可形成为端盖12。端盖12可形成有特征13、14、15，以取决于待容纳部件的类型和用途来接纳电线或连接器或其他零件，诸如冷却管道、通风口或排气口等。外壳应设计成合适的尺寸和形状，以便以安全和密封的方式充分容纳所讨论的部件。

如图3可见，外壳10设置有膨胀性材料层16。此膨胀性材料层设置在壳件11侧壁和/或端壁的面向外壳内部100的一部分上。膨胀性材料是由于热暴露而膨胀的材料或物质。在示出的示例中，膨胀性材料作为壳件11上的内层的形式设置在限定外壳内部100的侧壁的表面上。还设想膨胀性材料的其他位置或布置，只要这种材料设置在外壳的内部与外部400之间的位置处。外壳的外部是外壳的背离内部100且面向部件周围环境的表面。

如果安装在外壳中的部件遭受导致其升温的故障事件(例如，如图1所示)，那么外壳的内部100中的温度将升高。这可能是迅速升高，例如在热失控的情况下，如上面参考图1所解释的。

在临界温度下，膨胀性材料16将膨胀。由于这种膨胀吸收了外壳内部增加的热量，外壳的外部零件不会像没有膨胀性材料的情况那样升温到那种极端温度。这意味着可以为外壳的外部零件选择更简单、更便宜的材料，因为它们不需要针对极高温度进行选择。

在示例中，外壳的外部400由诸如增强材料的复合材料形成，因为这类材料坚固、轻便、便宜且易于成形和加工。由于外壳具有膨胀性材料的内层或部分来吸收由部件产生的热量，因此可以使用这类材料。正因为如此，增强材料保持在足够低的温度下，仍然在结构上有效。在重量是重要因素的情况下，例如在飞机中，发现具有特别优势的一类增强材料是单向(unidirectional, UD)碳纤维增强材料。碳纤维优于例如玻璃，因为它们具有较低的重量以及改进的刚度和强度。碳纤维可以快速编织以形成高质量的复合结构。由于对外部材料的温度要求较低，因此可以使用具有较高应变失效比的基质材料，这有助于保持密封并避免开裂。

在一个示例中，膨胀性材料可以设置为围绕壳件11的内表面而层压的层。外壳的外部可以是(例如)细丝缠绕的或编织的干燥预成型件，所述干燥预成型件在形成外壳时可以沉积在膨胀性层上。

各种膨胀性材料是已知的并且可用于本公开的外壳。所述材料可以是传导性的或非传导性的。如果使用电性上非传导性的材料作为膨胀性材料，那么此层将为部件提供电隔离以及热隔离。或者，如果使用传导性的膨胀性材料，那么可设置附加的非传导性层以提供电隔离。

取决于其用途，壳件可以具有任何管状类型的横截面并且可以沿其轴线变化。

在电池(例如锂离子电池单元组)的情况下，可以设置附加特征以进一步改进外壳。锂离子电池单元组要求压缩预载荷。为了获得最大的单元组性能，此压缩预载荷应均匀地分布在单元表面上以确保完全接触。本公开的外壳可设计有端盖，所述端盖被配置为保持所要求的压缩预载荷。这些端盖也可用于电池组的其他类型的外壳中，并且未必限于与具有上述膨胀性材料的外壳一起使用。

在优选的布置中，端壁由端盖12限定，并且在端盖被设计为确保保持压缩预载荷的示例中，端盖可以具有夹层结构，如图4最佳可见，所述夹层结构由在外部增强结构内的核心20形成，所述核心20例如泡沫/液体泡沫的核心。核心柔软且可加工，因此它能够具有模制在其中的辅助特征，例如通风口21、电连接器、管道等。当核心固化时，它将包含辅助件。核心允许复杂的接线和通风/管道工程而无需在核心或外壳中使用复杂的固定装置(参见图5)。核心材料(例如，泡沫)也提供一些附加的热隔离。外部增强结构30为端盖12提供刚性，并且这保持了外壳内部的组上的压缩预载荷。因此，端盖在其可能受到外部载荷、振动等的地方被增强。此结构30可以由例如使用单向(UD)织物增强层的增强纤维制成。单元组定位特征40可以确保组相对于外壳/端盖的正确位置，以确保预载荷的均匀分布并为部件提供稳定性。

作为对设置在壳件的侧壁上的补充或替代，膨胀性材料16'可以设置在端盖的内表面(面向外壳内部100)上。外壳的一端或两端可形成有这种端盖12。

如下文所进一步描述，为了密封目的，可以在端盖中设置凹槽或通道50。设置安装点600以用于组装外壳。

为了进一步改进外壳的隔离特性，外壳可以设置有密封件或接头组件60，在8A和图8B中最佳地示出，以确保端盖12和外壳的其余部分之间的有效气密密封。这种密封布置也可用于上述以外的其他类型的外壳中，并且不限于在具有膨胀性材料的外壳中使用。一个接头或密封凹槽60A设置在端盖12上，并且配合的密封或接头凹槽60B设置在壳件侧壁上，使得当端盖就位时这两个凹槽配合。图8B示出了密封凹槽‘完美’对齐时的情况。在图8A中，可以看出，密封件可以通过凹槽的重叠来适应外壳中部件高度的变化，例如电池组高度。当端盖正确定位时，例如通过注入口70注入粘合剂或密封材料，以填充由配合的凹槽60A、60B形成的空腔。粘合剂或密封材料可以在外壳的组装过程中通过上面提到且在图4中示出的凹槽/通道50来注入。密封也可以以其他方式提供，例如通过弹性材料代替凹槽60A、60B。

在示出的示例中，由于膨胀性材料膨胀(图7)，从而保护外层免受极端热量的影响，所述材料可以布置为在外壳的角部重叠(参见图7中的X)以同时保护壳件与端盖之间的密封和连接。在此示例中，当组装外壳时，设置间隙(图6中的Y)以允许端盖12正确地安装到壳件11中。随着膨胀性材料膨胀，此间隙闭合(图7)，从而导致重叠X。

现在将通过示例的方式描述组装本公开的外壳的方法。

壳件11可以由内部侧面上的膨胀性材料层和外部材料层压形成，所述外部材料层压例如呈预成型件的形式，例如沉积在膨胀性材料层上以形成外壳的外部的细丝缠绕的或编织的干燥预成型件。然后，可以将整个壳件形成为同质结构，例如通过树脂传递模塑或使用其他形式的树脂灌注。然后，将壳件与端盖组装在一起，以便在适当的情况下保持外壳中的部件上的预载荷。

形成端盖的一种方式是在泡沫核心中形成辅助结构，例如通过在辅助件周围注入泡沫并且使泡沫固化。增强材料(例如，机织织物层)设置在泡沫周围，并且膨胀性材料层设置在端盖的内部表面中。再次，然后通过树脂传递模塑或使用其他形式的树脂灌注将盖形成为同质零件。

将端盖12装配到壳件11的端部。端盖可以通过例如注入速凝化合物以形成机械锁来密封和固定。这也可以兼作密封件以防止有毒烟雾从外壳逸出。或者，可以添加单独的密封件。

粘合剂锁件和密封件应位于膨胀性层的外部，其中结构充分绝缘，以防止锁定/密封化合物被加热和熔化。

或者，可以使用机械接头，例如铆钉、螺栓等或其他类型的结合连接技术。

因此，容纳的部件被包含隔离和绝缘膨胀性材料的复合壁包围，所述膨胀性材料保护外部复合材料免受外壳内部产生的高温的影响。所述外壳重量轻且制造成本低。

几乎所有的制造步骤都可以例如通过拾放机器人来实现自动化，从而缩短交货时间并降低成本。

Claims (17)

1.一种用于电池组的外壳，所述外壳包括用以接纳所述电池组的壳件(11)，所述壳件在一端或两端由端盖封闭(12)，其中所述端盖形成为具有夹层结构，所述夹层结构包括在增强材料层(30)之间的核心(20)，所述增强材料层被布置为将压缩预载荷均匀地分布在所述外壳中的所述电池组上。

2.一种用于电气设备的外壳，所述外壳包括被配置为包围所述设备的壳件(11)，所述壳件具有复合结构，所述复合结构具有由第一材料形成的外部表面(400)和包括第二不同材料的内部表面，所述第二不同材料包括膨胀性材料(16)。

3. 一种用于电池组的外壳，所述外壳包括用以接纳所述电池组的壳件(11)，所述壳件在一端或两端由端盖(12)封闭，其中所述端盖设置有可变接头(60A, 60B)，以使得所述盖能够以可变高度气密地密封在所述壳件内。

4.如前述权利要求中任一项所述的外壳，其中所述壳件限定用于形成内部(100)的侧壁(200)并且还包括相对的端壁(300)。

5.如权利要求4所述的外壳，其中所述相对端壁中的一个或两个由端盖(12)形成。

6. 如权利要求2所述的外壳，或其任何从属权利要求，其中所述第一材料包括纤维增强材料，并且 可选地，其中所述第一材料是碳纤维增强材料。

7.如权利要求2或3所述的外壳，或其任何从属权利要求，其中所述端盖(12)包括被增强材料(30)围绕的核心(20)。

8.如权利要求7所述的外壳，其中辅助特征被限制在所述核心(20)中。

9.如权利要求2所述的外壳，或其任何从属权利要求，其中所述膨胀性材料(16)作为层的形式设置在所述壳件内部表面上。

10.如权利要求5所述的外壳，当从属于权利要求2时，或其任何从属于权利要求，其中所述膨胀性材料(16')作为层的形式设置在所述端盖(12)的朝向所述外壳(10)的内部的表面上。

11.如权利要求1或5所述的外壳，或其任何从属权利要求，其还包括在所述端盖上的用以将所述设备定位在所述外壳中的定位结构(40)。

12.如权利要求1或5所述的外壳，或其任何从属权利要求，其还包括在所述端盖与所述侧壁之间的密封装置(60)。

13.一种制造用于电子设备的外壳的方法，所述方法包括形成限定用以容纳所述设备的内部的壳件，从而在所述壳件的所述内部上设置膨胀性材料。

14.如权利要求13所述的方法，其中形成所述壳件包括形成增强材料的所述壳件的外部和由所述膨胀性材料的层形成所述壳件的所述内部。

15.如权利要求12或13所述的方法，其还包括设置端部以封闭所述内部，所述端部中的一个或两个被设置为端盖(12)。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述端盖包括核心和增强材料的外部以及在内部表面上的膨胀性材料层。

17.如权利要求1或7所述的外壳或如权利要求16所述的方法，或其从属权利要求中的任一项，其中所述核心是泡沫核心。

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