电芯串的制作方法

本发明属于低阻耗串联的充电电池。

背景技术：

由于电动汽车的发展，锂电池在动力方面的应用得到迅速发展，但当前在汽车上使用的锂电池组无论哪一种都存在连接点过多电阻大，容易出故障的缺点，为此提出本发明。

技术实现要素：

本文所述电芯串是指采用两极箔将两节以上(含两节)电芯以串联的方式连接起来构成一个整体，电芯串中相邻的电芯之间没有极耳连接而是通过一张两极箔相连，本文所述两极箔是一种金属箔，该金属箔按照功能可划分为正极区、负极区、连接区三部分，两极箔的正极区在一节电芯中充当正极集流体且其表面有正极材料，两极箔的负极区在另一节电芯中充当负极集流体且其表面有负极材料，两极箔的连接区在两极箔的中间位置是两极箔的正极区和负极区的交界处，由于两极箔的正极区和负极区是不同的金属箔，所以两极箔的连接区也是两种不同的金属箔的连接处，两极箔的连接区的作用是连接相邻电芯及隔离相邻电芯中的正负极材料。

电芯串按照层结构及形状可分为：叠片电芯串、扁平形卷绕电芯串和圆柱形电芯串这三种，为便于陈述后文将在电芯中充当正极集流体的金属箔简称为正极箔，将在电芯中充当负极集流体的金属箔简称为负极箔。

参见图1、图2这是本发明中最简单的叠片电芯串，该电芯串由正极箔10、负极箔11、两张薄膜12和两极箔13以叠片的方式所制造，正极箔10上与薄膜12相邻的表面有正极材料，负极箔11上与薄膜12相邻的表面有负极材料，薄膜12的正反面都有电解质，且所述薄膜12为以下四者之一：①聚合物电解质构成的膜；②多孔隔膜；③玻璃箔(厚度小于0.1毫米的玻璃或釉质物体)；④陶瓷箔(厚度小于0.1毫米的陶瓷)；显然图1、图2中所示的电芯串中有两节电芯，其中一节由正极箔10、薄膜12和两极箔13的负极区所构成，另一节由负极箔11、薄膜12和两极箔13的正极区所构成，利用正极箔10、负极箔11、薄膜12和两极箔13我们不仅可以制作出两节的叠片电芯串、三节的叠片电芯串(参见图3、图4)，还可以制作四节的叠片电芯串(参见图5、图6)，甚至更多节数的叠片电芯串，在图1至图6中所示的电芯串中的每节电芯只有一层电池材料储存电能，当然电芯串中也可采用多层电池材料来储存电能，参见图7、图8中所示为四节的叠片电芯串，且每节电芯中都有三层电池材料储存电能。

参见图9这是本发明中最简单的扁平形卷绕电芯串，该电芯串由正极箔20、负极箔21、四张薄膜22和两极箔23以扁平形卷绕的方式所制造，正极箔20的正反面都有正极材料，负极箔21的正反面都有负极材料，薄膜22的正反面都有电解质，且所述薄膜22为以下四者之一：①聚合物电解质构成的膜；②多孔隔膜；③玻璃箔(厚度小于0.1毫米的玻璃或釉质物体)；④陶瓷箔(厚度小于0.1毫米的陶瓷)；显然图9中所示的电芯串中有两节电芯，其中一节由正极箔20、薄膜22和两极箔23的负极区所构成，另一节由负极箔21、薄膜22和两极箔23的正极区所构成，利用正极箔20、负极箔21、薄膜22和两极箔23我们不仅可以制作出两节的扁平形卷绕电芯串、三节的扁平形卷绕电芯串(参见图10)，还可以制作四节的扁平形卷绕电芯串(参见图11)、五节的扁平形卷绕电芯串(参见图12、图13)，甚至更多节数的扁平形卷绕电芯串。

参见图14这是本发明中最简单的圆柱形电芯串，该电芯串由正极箔30、负极箔31、四张薄膜32和两极箔33以圆柱形卷绕的方式所制造，正极箔30的正反面都有正极材料，负极箔31的正反面都有负极材料，薄膜32的正反面都有电解质，且所述薄膜32为以下四者之一：①聚合物电解质构成的膜；②多孔隔膜；③玻璃箔(厚度小于0.1毫米的玻璃或釉质物体)；④陶瓷箔(厚度小于0.1毫米的陶瓷)；显然图14中所示的电芯串中有两节电芯，其中一节由正极箔30、薄膜32和两极箔33的负极区所构成，另一节由负极箔31、薄膜32和两极箔33的正极区所构成，利用正极箔30、负极箔31、薄膜32和两极箔33我们不仅可以制作出两节的圆柱形电芯串、三节的圆柱形电芯串(参见图15)，还可以制作四节的圆柱形电芯串(参见图16)，甚至更多节数的圆柱形电芯串。

为了保证电芯串的安全，我们可以将电芯串的两个连接端即正极和负极连接在一个保护板上，电芯串中有些电芯内部可能存在微弱的漏电，虽然在短期内微弱漏电对电芯串的储电能力无明显的影响，但日积月累会导致电芯串中各节电芯中剩余电量出现显著差异，这时电芯串的储电能力会显著下降，为了克服这个缺点，我们要在电芯串中增加补差维护(均衡维护)的功能，因此保护板除了要保证正常的充电电流、对外做功的放电电流顺畅通过外还要实现以下五个功能：①过充保护；②过放保护；③过流保护；④短路保护；⑤补差维护(均衡维护)；本文所述过充保护要求在充电时电芯串中的各节电芯都不能出现过充现象，要实现这一要求我们必须对电芯串中各节电芯的电压进行检测，因此电芯串中每一节电芯的正极和负极通过两根导线(后文将这两根导线称为芯压线)连接到保护板上，保护板一旦检测到电芯串中任意一节电芯的芯压线电压达到充电终止电压，保护板停止电芯串的串联线路充电，本文所述电芯串的串联线路充电是指充电电流从电芯串的正极流入依次流过电芯串中的各节电芯从电芯串的负极流出的线路所进行的充电过程，保护板在停止电芯串的串联线路充电后启动补差维护，本文所述补差维护的实现方法是保护板在电芯串的串联线路停止充电之后，通过检测芯压线的电压找到电芯串中电压最低且低于充电终止电压的电芯，然后通过找到的电芯的芯压线直接给该电芯进行补充充电，即当电芯串的串联线路充电时补差维护电路不会参与充电，电芯串的串联线路停止充电时，补差维护电路才允许工作，补差维护电路工作时保护板通过芯压线给电芯串中电压低于充电终止电压且电压最低的电芯充电，即电芯串的串联线路充电结束后，保护板只维护电芯串中电压低于充电终止电压且电压最低的这一节电芯。

附图说明

图1：两节的叠片电芯串立体示意图

图2：两节的叠片电芯串层结构示意图

图3：三节的叠片电芯串立体示意图

图4：三节的叠片电芯串层结构示意图

图5：四节的叠片电芯串立体示意图

图6：四节的叠片电芯串层结构示意图

图7：四节的多层叠片电芯串立体示意图

图8：四节的多层叠片电芯串层结构示意图

图9：两节的扁平形卷绕电芯串层结构示意图

图10：三节的扁平形卷绕电芯串层结构示意图

图11：四节的扁平形卷绕电芯串层结构示意图

图12：五节的扁平形卷绕电芯串层结构示意图

图13：五节的扁平形卷绕电芯串立体示意图

图14：两节的圆柱形电芯串层结构示意图

图15：三节的圆柱形电芯串层结构示意图

图16：四节的圆柱形电芯串层结构示意图

图17：轿车用电池板结构立体示意图(为便于观察电池仓52中电池模块及散热层未画出)

图18：电池板的层结构示意图(为便于观察电池仓52中电池模块及散热层未画出)

图19：芯压线在负极旁的电池模块(简称负模块)

图20：芯压线在正极旁的电池模块(简称正模块)

图21：底层电池模块

图22：顶层电池模块

图23：电池模块中的电芯串立体示意图

图24：电池模块中的电芯串层结构示意图

图25：散热层

图26：散热层中的散热板

图27：测温线

图28：散热板

具体实施方式

本发明第一个实施例为电芯串在轿车的动力电池板中的应用：

参见图17、图18，这是利用电芯串设计的在轿车上使用的动力电池板，该电池板安装在轿车的底盘上，该电池板中有两个电池仓，这两个电池仓的分别为电池仓51、电池仓52，电池仓51和电池仓52的尺寸都为1130毫米×1090毫米×112毫米，在每个电池仓中有10块电池模块，其中所述10块电池模块中有5块是图19所示的芯压线27在负极耳26旁的电池模块(后文简称为负模块)另外5块是图20所示的芯压线27在正极耳25旁的电池模块(后文简称为正模块)，电池模块在电池仓中的排列方式为以下两者之一：①从下往上数，电池仓51中单数层的电池模块采用正模块，双数层的电池模块采用负模块，电池仓52中单数层的电池模块采用负模块，双数层的电池模块采用正模块；②从下往上数，电池仓52中单数层的电池模块采用正模块，双数层的电池模块采用负模块，电池仓51中单数层的电池模块采用负模块，双数层的电池模块采用正模块；根据前面陈述可知电池模块61应与电池模块63、65、67、69相同，但在图18、图21中显示不相同，其实这五者是相同的电池模块，只是为了便于焊接到保护板上，电池模块61上靠近芯压线27的极耳上焊接了一条用于连接保护板的导体611，根据前面陈述可知电池模块70应与电池模块62、64、66、68相同，但在图18、图22中显示不相同，其实这五者是相同的电池模块，只是为了便于连接相邻电池仓中的电池模块，电池模块70上靠近芯压线27的极耳上焊接了一条用于连接相邻电池仓中电池模块的导体701。

参见图17、图18在两个电池仓的旁边有一个保护盒53，保护盒53用于安装保护板，本实施例中所述保护板除了要保证正常的充电电流、对外做功的放电电流顺畅通过外还要实现以下五个功能：①过充保护；②过放保护；③过流保护；④短路保护；⑤均衡补差维护；前面所述均衡补差维护是指充电过程中检测电芯串中每一节电芯的电压，一旦发现任意一节电芯的电压达到充电终止电压后，保护板停止电池仓的串联线路充电，保护板在停止串联线路充电后启动小电流补差维护(均衡维护)，其中所述电池仓的串联线路充电是指充电电流按照串联的顺序依次流过两个电池仓中各个电池模块所进行的充电过程，在电池板中有多个电池模块，由于每个电池模块中都有一个电芯串，为了满足每个电芯串的补差维护且相互之间不会干扰避免出现短路，电池板中每个电池模块的芯压线都被连接在保护板上电池模块所对应的隔离区，每个电池模块连接一个隔离区，每个隔离区都是由隔离电源独立供电且只负责一个电池模块的补差维护，在补差维护的过程中每个隔离区都能对连接到该区的电池模块中的电压最低且低于充电终止电压的这一节电芯进行小电流充电，也就是说在补差维护的过程中在同一时刻任意一个电池模块中最多只有一节电芯在进行小电流充电，隔离区与电池管理系统之间采用光信号进行通信，电池仓中任意层电池模块的正极耳附近是相邻层的电池模块的负极耳，任意层电池模块的负极耳附近是相邻层的电池模块的正极耳以便串联连接，且将电池仓中的各个电池模块串联起来，两个电池仓之间也是串联，在图18中所显示的电池仓51中散热层81、82、83、84、85的上面和下面都安装电池模块，另外在图18中未显示电池的电池仓52也有5层散热层且各层的散热层的两面都安装电池模块，也就是说在每个电池仓中电池模块的第一层和第二层之间、第三层和第四层之间、第五层和第六层之间、第七层和第八层之间、第九层和第十层之间都布设如图25所示的散热层，其中所述散热层由散热板801、测温线804所构成，参见图26、图28、图17，散热板801的两端各有一个管口，其中管口805连接分流管58侧面的小管子，管口806连接集流管侧面的小管子，前面所述集流管用来收集从散热板801的管口806流出的水形成较大的水流，该水流在水泵的作用下流出集流管，集流管有两根，其中一根是电池仓51的集流管57，另一根是电池仓52的集流管59，当电池板需要散热时，水泵驱动水流从进水管54进入分流管58，分流管58中的水流一部分从分流管58侧面上且位于电池仓51中的小管子流入散热板801的管口805，并穿过散热板801的通道同时吸收相邻电池模块释放的热量，然后依次经过散热板801的管口806、集流管57侧面的小管子、集流管57、排水管55、冷却系统，分流管58中另一部分水流从分流管58侧面上且位于电池仓52中的小管子流入散热板801的管口805、并穿过散热板801的通道同时吸收相邻电池模块释放的热量，然后依次经过散热板801的管口806、集流管59侧面的小管子、集流管59、排水管56、冷却系统，水流在冷却系统中被冷却后又被水泵驱动继续流动循环工作带走电池板中的热量，从而保持电池板内部温度稳定在安全的范围之内，参见图25，在每块散热板801的两边是测温线804，测温线804能够实时将测得电池模块的温度传给电池的管理系统，以便电池的管理系统及时调度电池散热系统(开启、关停水泵、调整水泵的速度，开启、关停冷却系统、调整冷却系统的功率)和调整充放电速度，参见图25和图27，测温线804中处在两个散热板801之间的部分被嵌入条形的绝缘条中，在靠近极耳这部分被嵌入比较宽大的绝缘板中(绝缘板802和绝缘板803)。

图19所示的负模块是由一个如图23、图24所示的9节扁平形卷绕的电芯所构成的电芯串，该电芯串的宽度为1000毫米、厚度为6.53毫米，该电芯串中两极箔23的正极区宽度、负极区宽度都为90毫米，两极箔23的连接区宽度10毫米，两极箔23的连接区上开设透气的细缝，防止电芯内部压强过大产生危险，同时为了防止两极箔23上正极区的正极材料和负极区的负极材料直接接触，两极箔23的连接区涂了不会与正极材料、负极材料发生反应的胶体，本例中电芯串第一节电芯由正极箔20、两极箔23的负极区、两张薄膜22所构成，第二节至第八节中每节电芯中都有两张两极箔23，且由其中一张两极箔23的正极区、另一张两极箔23的负极区、两张薄膜22所构成，且每一张两极箔23都与相邻的一节电芯相连，第九节电芯由负极箔21、两极箔23的正极区、两张薄膜22所构成，正极箔20正反面有正极材料，负极箔21正反面有负极材料，每一张两极箔的正极区在一节电芯中充当正极集流体且其表面有正极材料，两极箔的负极区在另一节电芯中充当负极集流体且其表面有负极材料，薄膜22的正反面都有电解质，且所述薄膜22为以下四者之一：①聚合物电解质构成的膜；②多孔隔膜；③玻璃箔(厚度小于0.1毫米的玻璃或釉质物体)；④陶瓷箔(厚度小于0.1毫米的陶瓷)。

参见图23，电芯串的正极有正极耳25，负极有负极耳26，并在图23中所示电芯串的正极连接芯压线l0，在连接第一节与第二节电芯的两极箔23上的连接区连接芯压线l1，在连接第二节与第三节电芯的两极箔23上的连接区连接芯压线l2，……在连接第n节与第n+1节电芯的两极箔23上的连接区连接芯压线ln，……在连接第八节与第九节电芯的两极箔23上的连接区连接芯压线l8，电芯串的负极连接芯压线l9，电池仓中所有的芯压线按序连接在插头上以便连接在保护板上。

我们将图23中所示电芯串用既绝缘又能密闭还不容易刺破且耐电池中材料腐蚀的包装膜包装好就得到了一块图19所示的电池模块，该电池模块的正极耳25、负极耳26从包装膜中伸出来以便连接，芯压线l0至l9都从包装膜中伸出来以便测量电池模块中每一节电芯的电压，也便于给电压最低且低于充电终止电压的这节电芯补充电量。

图20所示的正模块与图19所示的负模块的结构非常类似，不同之处是芯压线从正极耳旁边出来，其余完全相同。

现有技术中锂电池电芯的额定电压已经达到4.2伏特，因此图19所示的电池模块的额定电压能达到4.2×9＝37.8(伏特)，两个电池仓中的20块电池模块串联起来的额定电压能达到37.8×20＝756(伏特)，如果采用的锂电池能量密度200wh/kg，密度(质量相对体积的比值)4257.3千克/立方米则根据本实施例中前面提供参数可算出每一节电芯额定储存能量值可达到0.5kwh(即千瓦时)，本实施例中的电池板额定储存能量值可达到0.5×9×20＝90(kwh)，电芯质量为90×1000/200＝450(kg)，我们再将保护板、散热系统、电池仓及绝缘层的重量也算入轿车电池的总重量，则该轿车电池的总重量不会超过800kg，采用本实施例不仅内阻小节能，充电速度快省时，而且电源管理系统简单高效，能检测到每一节电芯的电压和温度，并能有效地控制电池中的温度，确保安全。

另外，虽然本文相关的图中所显示的电芯串中相邻电芯的薄膜都是不相连的，但在实际制造中，我们可以采用大薄膜，使电芯串中相邻电芯的薄膜相连，即一个电芯串中的所有电芯共用两张大的薄膜

尽管已经参照本发明的给定优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的条件下，可以在这里进行形式和细节上的各种变化。