锂离子电池组的制作方法

文档序号:14682179发布日期:2018-06-12 22:30
锂离子电池组的制作方法

如下所述的电池组用于在诸如不间断电源(“UPS”)和机动车辆等应用中替换密封铅酸(“SLA”)电池组。

多年来,诸如UPS的应用已使用密封铅酸(“SLA”)电池组。近年来,锂离子电池技术在成本和功能方面取得了许多进展。相比于SLA电池,锂离子电池有几个优点。锂离子电池重量明显更小,效率更高,具有更短的充电时间,并且具有比SLA电池更长的循环寿命。然而,使用锂离子电池作为标准形状因子的SLA电池的直接替代存在几个挑战。

例如,设计具有与SLA电池组近似相同的外部尺寸的锂离子电池组,确保符合这种电池组所要求的标准,和具有高功率输出都是困难的。目前的锂离子电池组有时会牺牲功率输出,以满足空间限制、热限制和电气要求。需要更先进的锂离子电池组来最大化锂离子电池的特性。

在机械方面,在空间约束的情况下将大量电池(cell)组装到电池组中,并且以经济、易于组装和有效散热的方式进行该组装是具有挑战的。必须创建复杂的电池连接模式和焊接方法,以最小化组装错误的可能性,所述组装错误可以导致容量降低和现场故障。电池组中的电池数量越高,制造风险就越高。所有这些挑战使构建有用的、具有成本效益的锂离子电池组的任务变得复杂。



技术实现要素:

在第一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、控制电路、多个锂离子电池、第一汇流条、第二汇流条、和互连板。壳体包括顶部、基部、第一侧壁、和第二侧壁。第二侧壁与第一侧壁相对。控制电路在壳体内。控制电路包括具有纵向轴线的印刷电路板。多个锂离子电池在壳体内。所述多个锂离子电池中的每个包括两个电池端子和纵向轴线,该纵向轴线定位成平行于印刷电路板的纵向轴线。所述多个锂离子电池全部布置在至少第一电池堆和第二电池堆中。第一和第二汇流条基本上从壳体的基部延伸到顶部。第一汇流条将印刷电路板电联接到第一电池堆的电池端子。第一电池堆的电池端子邻近于第一侧壁。第二汇流条将印刷电路板电联接到第二电池堆的电池端子。第二电池堆的电池端子邻近于第一侧壁。互连板电联接多个锂离子电池的邻近于第二侧壁定位的电池端子。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、控制电路、互连板、第一锂离子电池和第二锂离子电池。控制电路在壳体内。控制电路包括具有纵向轴线的印刷电路板。互连板包括在互连板的第一端部和第二端部之间的弯曲部。互连板还包括在互连板的第一端部上的第一焊接点和在互连板的第二端部上的第二焊接点。第一锂离子电池联接到第一焊接点和第一电池组端子。第二锂离子电池联接到第二焊接点和第二电池组端子。第一锂离子电池和第二锂离子电池中的每个具有纵向轴线,该纵向轴线定位成平行于印刷电路板的纵向轴线。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、控制电路、和多个锂离子电池。壳体包括顶部、基部、第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁、第四侧壁、和多个通气口。顶部和基部之间的第一距离为约94毫米。第一侧壁和第二侧壁之间的第二距离为约150毫米。第三侧壁和第四侧壁之间的第三距离为约65毫米。所述多个通气口构成壳体的表面积的至少百分之五。控制电路在壳体内。所述多个锂离子电池在壳体内。所述多个锂离子电池电联接到第一电池组端子和第二电池组端子。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、控制电路、多个锂离子电池、和外部暴露的散热器。壳体限定内部空间。控制电路在壳体内。控制电路包括印刷电路板。所述多个锂离子电池在壳体内。外部暴露的散热器热联接到内部空间。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、控制电路、多个锂离子电池、和汇流条。控制电路在壳体内。所述多个锂离子电池在壳体内。汇流条将所述多个锂离子电池电联接到控制电路。汇流条包括第一金属层和第二金属层。第一金属层包括用于连接到所述多个锂离子电池的电池端子的多个焊接点。第一金属层基本上由镍构成。第二金属层联接到第一金属层。第二金属层由除镍之外的高导电性金属构成。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、多个锂离子电池、和控制电路。所述多个锂离子电池在壳体内。控制电路在壳体内。控制电路包括电池旁路电路。电池旁路电路配置为选择性地允许电流在第一电池组端子和第二电池组端子之间直接流动。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、多个锂离子电池、和汇流条。壳体包括顶部。所述多个锂离子电池在壳体内。所述多个锂离子电池中的每个包括纵向轴线,该纵向轴线定位成与顶部平行。所述多个锂离子电池全部布置在至少第一电池堆中。第一电池堆包括第一锂离子电池和第二锂离子电池。汇流条包括第一金属层和第二金属层。第一金属层包括第一焊接点,该第一焊接点联接到第一锂离子电池的第一端子。第一金属层还包括第二焊接点,该第二焊接点联接到第二锂离子电池的第一端子。第一金属层电联接到第一电池组端子。第二金属层由不同于第一金属层的金属构成。第二金属层包括第一孔,该第一孔定位成邻近于第一焊接点。第二金属层还包括第二孔,该第二孔定位成邻近于第二焊接点。

在另一实施例中,锂离子电池组包括壳体、第一电池组端子、第二电池组端子、控制电路、多个锂离子电池、和间隔件。第一电池组端子和第二电池组端子部分地在壳体内。控制电路在壳体内。所述多个锂离子电池在壳体内。所述多个锂离子电池电联接到第一电池组端子和第二电池组端子。间隔件从顶部或基部突出。间隔件包括阶梯式结构,该阶梯式结构适于接合选自由另外的电池组壳体、另外的电池组壳体中的凹部或另外的间隔件组成的组的至少一个。

通过考虑详细的描述和附图,锂离子电池组的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1A和1B是根据一些实施例的锂离子电池组的壳体的不同透视图;

图2A至图2C是根据一些实施例的锂离子电池组的内部结构的不同透视图;

图3A至图3C是根据一些实施例的包括在锂离子电池组中的汇流条的不同侧视图;

图4A至4D示出了根据一些实施例的用于使包括在锂离子电池组中的互连板弯曲的过程;

图5A是根据一些实施例的锂离子电池组的横截面视图;

图5B是图5A的一部分的放大视图;

图6A和6B是根据一些实施例的包括间隔件的锂离子电池组的壳体的透视图;

图7是包括在图6A中的间隔件的透视图;

图8A是根据一些实施例的包括凹部的锂离子电池组的壳体的俯视图;

图8B是根据一些实施例的包括凹部的锂离子电池组的壳体的仰视图;

图9A是两个锂离子电池组的嵌套阵列的侧视图;

图9B是两个锂离子电池组的非嵌套阵列的侧视图;

图9C是两个锂离子电池组的串联阵列的侧视图;

图10是根据一些实施例的与电池组充电器串联连接的两个锂离子电池组的示意图。

具体实施方式

在详细说明锂离子电池组的任何实施例之前,应当理解,锂离子电池组在其应用上不限于以下描述中阐述或如以下附图所示的构造细节和部件的布置。锂离子电池组能够具有其他实施例,并且可以以各种方式实践或执行。

还应注意,可以使用多种不同的结构部件来实现本公开。此外,并且如后续段落中所述,附图中所示的具体配置旨在例示本公开的实施例。替代配置是可行的。

图1是包括壳体105的锂离子电池组100的一个示例性实施例的透视图。图1所示的壳体105可以用作标准形状因子SLA 12伏/9安培电池组的直接替代。壳体105的横截面大体为矩形,并且包括基部110、顶部115、第一侧壁120、平行于第一侧壁120并与第一侧壁120相对的第二侧壁125、垂直于第一侧壁120的第三侧壁130、以及平行于第三侧壁130并且与第三侧壁130相对的第四侧壁135。在一些实施例中,基部110与顶部115之间的距离约为94毫米。在一些实施例中,第一侧壁120和第二侧壁125之间的距离为约150毫米。在一些实施例中,第三侧壁130和第四侧壁135之间的距离为约65毫米。壳体105的顶部115包括外部暴露的散热器140,其将在下面更详细地描述。第一电池组端子145和第二电池组端子147从壳体105的顶部115向上延伸。壳体105还包括围绕壳体105设置的通气口行148。通气口行148允许气流通过壳体105。在一些实施例中,通气口行148构成壳体105的表面积的5%至25%。

图2A至图2C是示出了锂离子电池组100的内部结构的不同视图的示意图。图2A至图2C中所示的锂离子电池组100在壳体105内包括十二个锂离子圆柱形电池(以下称为“电池”)150A至150L(例如,26650或18650圆柱形电池)、第一汇流条155、第二汇流条160、第一互连板165、第二互连板170、第三互连板175和控制电路180。在一些实施例中,锂离子电池组100包括不同类型、形状或数量的锂离子电池,例如棱柱形电池。

图2A至2C中示的十二个电池150A至150L中的每一个具有圆柱形形状的果子卷(jelly roll)结构。所述十二个电池150A至150L中的每一个还包括第一电池端子(例如,正极端子、高电压电位端子)和第二电池端子(例如,负极端子、低电压电位端子)。第二电池端子定位在与第一电池端子相反的一侧。例如,第四电池150E包括第一电池端子152和第二电池端子153,如图2A所示。所述十二个电池150A至150L每个包括纵向轴线,该纵向轴线被定位成与壳体105的基部110和顶部115平行。例如,第一电池150A包括纵向轴线154,其被定位成与壳体105的基部110和顶部115平行,如图2A所示。上文关于图1A和图1B讨论的通气口行148被定位成与所述十二个电池150A至150L的纵向轴线平行。

电池150A至150L均布置在四个电池堆181A至181C中。每个电池堆包括至少两个电池,该至少两个电池被定位成使得电池的纵向轴线彼此平行。所述十二个电池150A至150L被布置成三个并联和四个串联的配置,如下面进一步详细讨论的。

如图2A所示,第一电池堆181A包括第一、第二和第三电池150A至150C。第一、第二和第三电池150A至150C彼此并联联接。第一、第二和第三电池150A至150C的第一电池端子邻近于第一侧壁120,并且经由第一汇流条155联接到控制电路180。第一汇流条155也邻近于第一侧壁120并且基本上从壳体105的基部110延伸到顶部115。第一、第二和第三电池150A至150C的第二电池端子联接到第一互连板165。第一互连板165包括从第一互连板165向上延伸并且不使用电线而直接联接(例如,钎焊)到控制电路180的电压感测点167(例如,插脚)。这种直接连接提高了制造效率和可靠性。

此外,如图2A所示,第二电池堆181B包括第四、第五和第六电池150D至150F。第四、第五和第六电池150D至150F彼此并联联接并与第一、第二和第三电池150A至150C串联联接。第四、第五和第六单电池150D至150F的第一单电池端子联接到第一互连板165。第四、第五和第六电池150D至150F的第二电池端子邻近于第二侧壁125,并且联接到第二互连板170。第二互连板170包括从第二互连板170向上延伸并且不使用电线而直接联接到控制电路180的电压感测点172。

如图2B所示,第三电池堆181C包括第七、第八、和第九个电池150G至150I。第七、第八和第九电池150G至150I彼此并联联接并且与第四、第五和第六电池150D至150F串联联接。第七、第八和第九电池150G至150I的第一电池端子邻近于第二侧壁125并且联接到第二互连板170。第七、第八和第九电池150G至150I的第二电池端子联接到第三互连板175。第三互连板175包括从第三互连板175向上延伸并且不使用电线而直接联接到控制电路180的电压感测点177。

此外,如图2B所示,第四电池堆181D包括第十、第十一和第十二电池150J至150L。第十、第十一和第十二电池150J至150L彼此并联联接并与第七、第八和第九电池150G至150I串联联接。第十、第十一和第十二电池150J至150L的第一电池端子联接到第三互连板175。第十、第十一和第十二电池150J至150L的第二电池端子邻近于第一侧壁120,并且经由第二汇流条160联接到控制电路180。第二汇流条160与第一汇流条155并排,并且也邻近于第一侧壁120并基本上从壳体105的基部110延伸到顶部115。

如图2A和2B最佳地示出,控制电路180包括印刷电路板(“PCB”)182,该印刷电路板182限定至少一个平面表面183,该平面表面183设置有多个电气和电子部件,所述多个电气和电子部件提供功率、操作控制和对锂离子电池组100的保护。PCB 182还包括多个附加的无源和有源部件等其他部件,诸如场效应晶体管(“FET”)、电阻器、电容器、电感器、集成电路和放大器。这些部件被布置和连接为向PCB 182提供多个电气功能,包括滤波、信号调节或电压调节等。PCB 182包括纵向轴线184,其定位成平行于电池150A至150L的纵向轴线。例如,PCB 182的纵向轴线184定位成平行于第一电池150A的纵向轴线154。

流(即,电流)从印刷电路板182的一个端部通过电池150A至150L流到印刷电路板182的另一个端部。更具体地,电流经由印刷电路板182中包括的多个保险丝、FET和分流电阻器从第二电池组端子147流到第二汇流条160。电流通过第二汇流条160流到第十、第十一和第十二电池150J至105L。接下来,电流通过第三互连板175流到第七、第八和第九电池150G至150I。然后,电流通过第二互连板170流到第四、第五和第六电池150D至150F。接下来,电流通过第一互连板165流到第一、第二和第三电池150A至150C。然后,电流通过第一汇流条155和印刷电路板182流到第一电池组端子145。

图3A至图3C是第一汇流条155的一个示例性实施例的示意图。第一汇流条155包括第一金属层185和第二金属层190。在一些实施例中,第一金属层185基本上由镍(例如,镍合金)构成。在一些实施例中,第二金属层190由除镍之外的高导电性金属(诸如铜或铝)构成。在一些实施例中,第二金属层190还包括沉积在所述高导电性金属上的镍的薄层。第二金属层190联接到第一金属层185(例如,通过焊接)。在所示的实施例中,第二金属层190比第一金属层185更厚。在一些实施例中,第一金属层185为约0.25毫米厚,第二金属层190为约3毫米厚。

如图3B所示,第一金属层185包括用于第一、第二和第三电池150A至150C的三个焊接点195A至195C。例如,第一电池150A的第一电池端子被点焊到焊接点195A。第二金属层190确保第一、第二和第三电池150A至150C之间的低阻抗连接。第二金属层190还有助于平衡流过并联连接的电池的电流的量。如图3C所示,第二金属层190包括三个孔200A至200C,该三个孔200A至200C有助于将三个焊接点195A至195C点焊到第一、第二和第三电池150A至150C的第一电池端子。

图4A至4D示出了折叠第三互连板175的过程。对于开始,如图4A所示,第七、第八、第九、第十、第十一和第十二电池150G至150L定位为二乘三阵列配置。第七、第八和第九电池150G至150I的第二电池端子定位成与第十、第十一和第十二电池150J至150L的第一电池端子平行。如图4B所示,第三互连板175包括第一多个焊接点201和第二多个焊接点202。第一多个焊接点202定位在第三互连板175的第一端部203上。第二多个焊接点202定位在第三互连板175的第二端部204上。第七、第八和第九电池150G至150I的第二电池端子被点焊到第三互连板175上的第一多个焊接点201。第十、第十一和第十二电池150J至150L的第一电池端子被点焊到第三互连板175上的第二多个焊接点202。接下来,如图4C所示,第十、第十一和第十二电池150J至150L在箭头205的方向上移动,直到第三互连板175弯曲成U形,如图4D所示。在图4D中,第三互连板175包括在第三互连板175的第一端部203和第二端部204之间的弯曲部206。此外,在图4D中,第一多个焊接点201定位成与第二多个焊接点202相对。

在操作期间,包括在控制电路180中的许多部件以及所述十二个电池150A至150L产生不期望的热量。图5A是示出多个散热器部件的锂离子电池组100的实施例的横截面侧视图。外部暴露的散热器140的至少一部分在壳体105的外部。外部暴露的散热器140热联接到壳体105的内部空间207。外部暴露的散热器140包括多个翅片208,所述多个翅片相对于外部暴露的散热器140的其余部分以一角度延伸。在一些实施例中,锂离子电池组100包括设置在电池150A至150F和电池150G至150L之间的绝缘体层210。绝缘体层210是在制造期间用以帮助的、提供加固的结构元件。在一些实施例中,绝缘体层210由非导电塑料、玻璃纤维材料或玻璃增强环氧树脂层压片组成。锂离子电池组100还包括设置在壳体105的内部空间207内的内部散热器215。在一些实施例中,内部散热器215由铝构成。如图5B所示,内部散热器215设置在包括在控制电路180中的多个FET 220上方。内部散热器215经由绝缘体层225热联接到外部暴露的散热器140。在一些实施例中,绝缘体层225由具有高导热性的硅橡胶构成。除了热联接之外,绝缘体层225电隔离内部散热器215和外部暴露的散热器140。

在一些应用中,并且根据功率需要,多个锂离子电池组被一起使用。图6A示出了壳体105的实施例,其包括从壳体105的顶部115突出的两个间隔件230和235。图6B示出了壳体105的实施例,其包括从壳体的底部110突出的两个间隔件240和245。在一些实施例中,间隔件230至245被模制到壳体105中。图7是图6A中的间隔件230的放大视图。间隔件230包括阶梯式结构,其适于接合另外的电池组壳体、另外的电池组壳体中的凹部或另外的间隔件。在一些实施例中,如图7所示,间隔件230包括第一级250、第一突起255和第二突起260。第一级250从壳体105延伸。第一突起255和第二突起260从壳体105比第一级250更进一步地延伸。

图8A示出了壳体105的一实施例,其包括在壳体105的顶部115上的四个凹部265、270、275和280。图8B示出了壳体105的一实施例,其包括在壳体105的基部110上的四个凹部285、290、295和300。凹部265、270、275、280、285、290、295和300被配置为接收和接合间隔件230、235、240和245,以便将两个电池组安装在稳定的位置。在一些实施例中,壳体105包括在壳体105的基部110和顶部115上的凹部。

图9A至图9C示出了两个锂离子电池组之间的若干不同间隔配置。在图9A中,所述两个锂离子电池组的顶部定位成彼此相邻,其之间具有窄的距离量。此外,在图9A中,所述两个锂离子电池组被定位成使得锂离子电池组中的一个的电池组端子被定位成与另一锂离子电池组的电池组端子相对。替代地,间隔件可以接合不同的锂离子电池组上的类似间隔件,以将两个锂离子电池组安装在稳定的位置。在图9B中,与图9A的配置相比,所述两个锂离子电池组的顶部定位成彼此相邻且其之间具有更宽的距离量。此外,在图9B中,所述两个锂离子电池组被定位成使得所述两个锂离子电池组中的一个的电池组端子定位成与另一锂离子电池组的电池组端子相邻。在图9C中,所述两个锂离子电池组串联地放置,其之间具有适当的距离量。在图9C中,所述两个锂离子电池组定位成使得所述两个锂离子电池组中的一个的电池组端子被定位成与另一锂离子电池组的底部相邻。

图10示出了彼此串联连接的第一锂离子电池组305、第二锂离子电池组310和电池组充电器315。在一些实施例中,锂离子电池组100包括电池旁路电路320。如图10所示,电池旁路电路320联接到第一电池组端子145和第二电池组端子147。电池旁路电路320选择性地允许电流在第一电池组端子145和第二电池组端子147之间直接流动。例如,当第一锂离子电池组305中的电池150A至150L被充分充电时,电池旁路电路320绕过它们,以使得能够对第二锂离子电池组310中的电池150A至150L充电。

锂离子电池组的各种特征和优点在所附权利要求中阐述。

再多了解一些
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