专利名称：Fuse for battery cells的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池组模块(battery module)和用于制造电池组模块的可扩展结构。
背景技术：
“电池组模块”是通常安装在“电池包(battery pack)，，内的子组件，所述电池包 是安装在地面、水上或航空的交通工具中的组件。这些交通工具通常具有各种高电力负荷， 例如驱动电动机的计算机控制的功率变换器，所述电动机用于交通工具的推进或某种形式 W1/1(mechanical actuation)。电业公司还可使用一大批电池组模块来帮助补偿局部配电网络最坏情况的供应 波动事件。模块安装在“电池站(battery station) ”内，所述电池站是被固定在混凝土基 础上的、大的、刚性的、固定的、不受天气影响的、气候控制的外壳(enclosure)。模块经架子 安装并电连接到站台(dock)，以便任一模块可被快速连接或分离。电池包和电池站通常具有在其内部分安装的其他子组件和元件，目的是将完整的 成品电池包交付给交通工具制造厂或完整的成品电池站交付给电力公司。这些子组件和元 件包括电子传感器模块、电子控制模块、电子充电模块、电子接口连接器、电子熔断器、电子 组合线束和热量管理装置。
发明内容
通常，在一个方面，电池组系统包括电池组电池，其具有电池主体和电压端子，所 述电压端子伸出所述电池主体并具有第一和第二端子边缘；母线，所述电压端子的上端与 所述母线电连接；和拉链熔断器(zipper fuse)，其在所述电池主体和所述母线之间的所述 端子的部分中形成，其中所述拉链熔断器包括穿孔的阵列，所述穿孔通过所述电压端子并 从第一边缘至第二边缘延伸越过所述电压端子。在某些实施方案中，所述穿孔的阵列包括第一排穿孔和与所述第一排穿孔平行的 第二排穿孔，其中所述第一排穿孔和第二排穿孔均从所述第一边缘至所述第二边缘延伸越 过所述端子。在某些实施方案中，所述第一排穿孔包括拉长的穿孔和多个圆形的穿孔，并且在 某些这样的实施方案中，所述第二排穿孔包括拉长的穿孔和多个圆形的穿孔。在这些实施 方案的一些实施方案中，所述第一排穿孔和第二排穿孔的所述拉长的穿孔在所述端子的相 对侧。某些实施方案还包括在母线和所述电池主体之间的母线支撑件，并且在某些这样 的实施方案中，所述母线支撑件包括所述电压端子通过的槽。在这些实施方案的一些实施 方案中，所述穿孔的阵列在支撑件和电池主体之间。在某些实施方案中，所述电池组电池是棱形电池组电池。在附图和以下的说明书中提出了本发明的一个或多个实施方案的细节。从说明书 和附图以及从权利要求书中，本发明的其他特征、目的和优势将是明显的。
为了更完全地理解本发明的性质和目的，应当结合附图参考以下的详细描述，在 附图中，相同的参考数字用于表示相同的或类似的部件，其中图1显示电池组模块。图2显示具有母线盖和除去母线以及电池子组件被暴露的电池组模块。图3显示棱形电池组电池(battery cell)。图4显示棱形电池组电池的拉链熔断器。图5显示电池子组件的更详细的视图。图6显示电池子组件的另一视图。图7显示可选择的散热器和电池子组件。图8显示另一可选择的散热器和电池子组件。图9显示具有连接的减压齿(pressure relief teeth)的散热器。图10显示电池组模块压板的视图。图11显示电池组模块的带元件的一部分。图12显示连接至电池组模块中的电池子组件、包括降低高度的电池子组件的若 干母线支撑件。图13A显示连接至散热器的母线支撑件。图13B显示支撑一个电池组电池的可选择的母线支撑件。
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图14显示连接至电池组模块中的电池子组件、每个保留至少一部分母线跳线的 若干母线支撑件。图15显示母线跳线的侧貌。图16显示关于压板和电池子组件的母线端子。图17显示连接至压板和母线桥接器的母线端子。图18显示具有用于配线连接的夹子的两种变化的母线端子。图19显示配线连接夹子的侧视图。图20显示用于连接热控管的支撑夹。图21显示母线盖的局部剖视图。图22显示一类并入可扩展结构的电池组模块。图23显示减压齿。图24显示可用于获得多种电池组模块配置的母线元件的若干排列。图25显示关于母线元件的焊接激光的配置的视图。图26显示母线元件连接至电池组电池端子之前和之后的视图
具体实施例方式电池组模块是由电池子组件的组件组成，每个子组件包括棱形电池组电池，其中 所述电池与模块中的其他电池电连接以形成电池组模块。术语“棱形”是指本文描述的电 池组电池的形状并且它区分本文的模块与具有圆柱形电池组电池的其他模块。图1显示具有负极端子20和正极端子21的电池组模块10。电池组模块10包括 一个或多个电池子组件30。如以下更详细地描述，电池子组件是基本的结构单元，由该结构 单元可构建任意规模的电池组模块。电池子组件包括棱形电池组电池(未显示)，每个电池 组电池提供部分电池组的电功率和存储容量。通过压板50和带51使电池子组件30保持 在一起。压板50作为电池组模块的安装机构，并且包括一个或多个安装通道52以允许模 块接受硬(未显示)件，从而以多种安装方向、在例如电池包外壳内或在电池站的架子上安 装电池组模块10。单独的电池组电池通过母线并联和/或串联地电连接(以下描述)，所 述母线使电池互相连接并连接至电池组(battery)的端子，以上所有均在电池组模块的一 侧。电池组模块10的另一侧用一个或多个母线盖子40覆盖。图2显示电池组模块10，母线和母线盖被除去以展现电池子组件30内部视图。 每个子组件包括一个或两个棱形电池组电池300，每个电池具有正极端子301和负极端子 302。端子301和端子302通过母线跳线(未显示)串联和/或并联地电连接。母线端子 (也未显示)使某些电池组端子连接至电池组模块的负极端子20或正极端子21。 本文所述的棱形电池组模块具有一组相同的电池。每个模块的电池数量和模块 的电连接配置(并联计数对串联计数)定义了该模块的电特征和性能级别(performance rating)。例如，具有‘23S3P’配置的模块具有六十九(69)个电池，二十三(23)个串联电 连接的子组和在每个子组中并联电连接的三(3)个电池。取决于配置，电池组模块可包括 偶数个或奇数个电池组电池。棱形电池组电池图3显示棱形电池组电池300。棱形电池具有两个大的平面，顶面306和底面
5307 (不可见)，所述两个大的平面基本上互相平行并且用于模块内的机械保持和热量管 理。电池的外壳可被称为“袋”，因为它是非刚性的柔性片，该柔性片被折叠并被结合以产生 有成本效益的、环境密封的罩。所述袋的材料是用聚合物涂覆两面的薄铝箔。所述袋在下 缘被折叠，这提供了密封边界303。使聚合物涂覆的袋在两侧形成热结合的凸缘，这又形成 两个密封边界304和305。这种安排减少了模块的物理体积而不降低净性能。选择侧面凸 缘的尺寸以便保证长期的坚固性。电池的侧面凸缘被折叠以产生紧凑的宽度。电池的两个平的接线端(electrical terminal)，正极端子301和负极端子302从 所述袋的边缘中之一伸出并且所述端子是使用电绝缘的聚合物周边密封而环境密封的。将 袋的端子边缘余下的部分热结合以产生第四个环境密封的边界，该边界完成了电池的周边 密封。将端子相对于中心轴315对称设置，并且优选地，端子在电池组电池的中心平面中。 因此，电池组电池300可绕中心轴315被“翻转” 180度，结果是每个端子均在相对的端子 在“翻转”电池前所处的相同的位置(相对于朝向包括电池端子的边缘、沿轴315观察该电 池)。这种对称性允许堆叠一连串电池而不考虑负极端子是在左侧还是右侧(如沿中心轴 315观察)，并且在每个方向上，所得一排排的端子将各自被排列成整齐的排，并因此可容 易地互相连接。特别地，可通过以下方法以串联连接和并联连接的不同的组合建立电池组 模块(1)选择性地使电池组电池定向以便在相邻电池组电池的相同的左侧/右侧上的端 子具有相同的或相反的极性；和(2)使用母线元件(以下描述)使这些相邻的端子的组电 连接，在相反极性的端子之间的连接形成串联配置而在相同极性的端子之间的连接形成并 联配置。负极端子的材料是铜而正极端子的材料是铝，以符合(compliment)电池的化学和 内部结构。端子长度与其他商业可得的设计相比是小的。在标题为“母线元件”的小节中 阐明了使用紧凑的端子的可能。为了说明的目的，将辅助性的负号和正号加入图3的电池 中。如果发生最坏情况的电过载事件，电池组电池的非刚性的柔性袋将物理地膨胀。 作为减压排气部件309的替换或与其结合，可通过使用安装在电池外部的“齿”而提供在电 过载事件期间的减压(还称为排气)。如果电池将膨胀至与其接触，则齿将以可控的方式刺 破电池。齿在以下进一步描述。图4显示被整合至电池组电池300的接线端302的拉链熔断器308。拉链熔断器 308包括两排，每一排由在所述排的一端的槽形孔310和在所述槽形孔310与所述排的另一 端之间的圆形孔311组成。该熔断器被称为“拉链”熔断器是因为看起来象一个拉链。拉 链熔断器被并入电池的负极端子。选择拉链熔断器槽形孔310和圆形孔311的几何形状、 数量和位置以便该熔断器在特定时间内动作(actuate)，防止模块中相邻的电池或可能地 所有电池的级联故障状况。特别地，熔断器槽形孔通过使在所述孔周围区域附近的电流“热 点”集中而有助于确保熔断器动作的一致模式，以促进熔断器动作在那些区域开始。除了槽 外，使用圆形孔尤其有助于在熔断器动作前维持端子的结构完整性。两排平行的槽形孔和 圆形孔的设置在排之间产生了区域312，该区域与端子的余下部分部分地隔热，这使在熔断 器动作期间产生的热集中而有助于使动作更完整和一致。电池组子组件图5显示一组电池子组件，包括子组件30a和30b。子组件30a包括具有两个大 平面的散热器400a以及也具有两个大平面的电池组电池300a。电池组电池300a与散热器400a相邻安装以便电池组电池300a的第二个大平面紧靠散热器400a的第一个大平面。 子组件30a还包括具有两个大平面的顺从的衬垫(compliant pad) 401a和具有两个大平面 的第二电池组电池310a。顺从的衬垫401a与电池组电池300a相邻安装以便电池组电池 300a的第一个大平面紧靠顺从的衬垫401a的第二个大平面。顺从的衬垫401a还与电池组 电池310a相邻安装以便顺从的衬垫401a的第一个大平面紧靠第二电池组电池310a的第 二个大平面。这种排列形成这样的重复的“盒式”配置电池组电池、散热器、另一电池组电 池和顺从的衬垫，然后是另一组电池组电池、散热器、另一电池组电池和顺从的衬垫，等等。 当子组件在压板之间结合在一起时，顺从的衬垫401a有助于在子组件之间分配压力，并允 许使用期间电池的膨胀/收缩。类似地，子组件30b与子组件30a相邻安装。子组件30b包 括具有两个大平面的散热器400b以及也具有两个大平面的电池组电池300b。散热器400b 与电池组电池310a相邻安装以便电池组电池310a的第一个大平面紧靠散热器400b的第 二个大平面。电池组电池300b与散热器400b相邻安装以便电池组电池300b的第二个大 平面紧靠散热器400b的第一个大平面。子组件30b也包括具有两个大平面的顺从的衬垫 401b和具有两个大平面的第二电池组电池310b。顺从的衬垫401b与电池组电池300b相 邻安装以便电池组电池300b的第一个大平面紧靠顺从的衬垫401b的第二个大平面。如图5和图2中所示，所有散热器在模块装配过程中均通过配给的装配后固化 (cure-after-assembly)粘结剂结合到相邻的电池，所述粘结剂还用于结合顺从的衬垫与 相邻的电池。电池、衬垫和散热器的组形成每个模块的主堆叠(stack)子组件，这促成可扩 展结构。换句话说，通过仅加上或减去相同的子组件可以容易地改变模块的大小。所述子 组件可如此预装配或可以不如此预装配，然后后来装配在一起作为进入电池组模块的主堆 叠的子单元。主堆叠的装配可以一步法实现，其中所有的电池组电池、散热器和顺从的衬垫 在一个过程中装配在一起。“子组件”的概念是在描述电池组模块的整体结构时用作元件的 逻辑组的方便的标记。如图5所示，每个电池组电池(例如，300a、310a、300b和3IOb)安装在各个散热器 (例如，400a和400b)上，它们的正极端子按照在端子一端观察被定向在左边或右边。例如， 在图5中，各个电池组电池300a、310a和300b的负极端子被定向在图5的视图的右边，而 电池组电池310b的正极端子安装在右边。电池组电池的组的其他定向(例如，将电池组电 池310b翻转180度以便其正极端子和负极端子互换位置)允许在端子之间串联连接或并 联连接的不同的组合，取决于哪些组的相邻端子通过母线跳线和端子被电连接，如下所述。图6显示电池子组件30的视图，电池组模块10由该子组件构建。图6显示连接 至电池组电池300的散热器400，所述电池组电池又连接至顺从的衬垫401。图6未显示如 以上和图5所描述的连接至顺从的衬垫401的相邻的电池。仍参考图6，当子组件30相邻 于另一子组件被堆叠时，金属的散热器400与两个电池300和310接触。每个电池通过电 池的两个平面之一接触散热器以促进经传导的和强制的对流的热传递的热量管理。与每个 电池使用一个散热器相比，这导致每个模块仅需要约一半数量的散热器。益处是紧凑的模 块，这样的模块相比于其他商业可得的模块(其中某些具有较大的和更复杂的散热器)具 有改善的功率输出/物理体积比。散热器是由铝片制成的，所述铝片是使用标准加工实践压制和形成的。散热器具 有电绝缘的涂层以保证最坏情况的电过载事件不允许至任一或全部散热器的电短路路径。优选地选择涂层厚度以便基本上不阻止热传递。可选择保护性的涂层和涂覆方法以同时提 供电过载事件期间的电短路保护、允许有效的热传递和降低成本。散热器的另一功能是在严重的车祸中保护电池免受外来物体伤害。如前所述，散 热器的形成的翼403套住(nest with)相邻的散热器侧面以提供关于复杂性、成本和模块 的物理体积的满意的电池保护水平。这些翼通过将散热器的3个边缘以大致直角折叠至散 热器的大平面而形成。现参考图5，通过在接触散热器的大平面的翼附近的区域使用另外的弯曲部而由 散热器形成凹槽(404a、404b)，以容纳相邻散热器的翼的一部分。例如，形成凹槽404b以容 纳一部分翼403a。这使散热器与其内部元件更易于堆叠在彼此顶部上。电池包的外壳可能 是碰撞时主要的保护屏障，因此散热器是另一屏障以进一步改善电池组模块的安全性能。如果模块具有奇数个电池计数，则使用仅包封一个电池组电池的具有短的形成的 翼的第二种散热器(与包封两个电池的“全高”散热器相对照)，其中第二种散热器位于子 组件的堆叠的一端。在这些奇数个电池计数的配置中，没有电池组电池连接至最底部散热 器的底部，如图5中所示。图7显示套入相邻电池子组件421的所述第二种散热器420。以与金高散热器连 接至相邻电池相同的方式，散热器420连接至电池组电池320。图7还显示使用两个顺从的 衬垫，422a和422b，该顺从的衬垫在模块的主堆叠的两端使用，目的是分配并均衡由压板 给予堆叠的夹紧力。如果模块具有偶数个电池计数，也使用这样的第二种散热器，但偶数个 电池计数还使用第三种散热器。如果模块具有偶数个电池计数，还可使用包封仅一个电池组电池的、具有中等高 度的形成的翼的第三种散热器，其中所述第三种散热器位于子组件的堆叠的一端，该端与 第二种散热器的端相对。在这些偶数个电池计数的配置中，这样的第三种散热器套住相邻 的散热器，否则所述散热器将具有暴露的电池组电池。例如参考图8，这样的第三种散热器 430搁在最下面的散热器429之下以帮助保护位于散热器429和430之间的单个电池组电 池321。两个顺从的衬垫(未显示)互相邻近地安装，并且所述顺从的衬垫之一的一侧在模 块的子组件的主堆叠的末端相邻地安装到散热器430。虽然这些另外种类的散热器造成在制造过程中免除(release)并产生另外的元 件，但它们完全遵守这样的原则散热器经电池的两个大平面之一与每个电池接触，和在严 重的车祸中保护每个电池免受外来物体的伤害。图9显示具有通过散热器中的孔安装的压力释放齿410和411的散热器400。定 向一个齿410以便其尖端指向散热器的连接的电池组电池之一，并且如果第二电池连接至 散热器，另一齿411指向该电池。可在散热器400的其他位置或在连接至散热器的母线支 撑件上设置另外的一对齿。齿的材料是模制的塑料并且它被热打桩(heat-staked)或超声 焊接至压制的铝散热器中的平孔(plain hole)。如果发生电过载事件，由于快速产生内部 气体，电池的非刚性的柔性袋将物理膨胀。当其膨胀时，内部压迫的力将对着齿压迫袋、刺 穿电池并提供内压的可控的减轻。电池组电池具有帮助界定特定区域的端口，袋可在所述 特定区域中膨胀，并在所述特定区域中齿的锋利的尖头或边缘至少部分地设置为在袋膨胀 时将其刺破。虽然电池组电池可沿着多个膨胀路径膨胀，但端口帮助界定并促进沿着至少 一个这样的路径膨胀。袋的膨胀还可通过相对于电池组电池的剩余部分产生膨胀性增加的袋的区域，而被部分地控制。在某些实施方案中，所述端口可暴露膨胀性增加的区域。在任 意的这些实施方案中，齿的锋利的尖头沿着至少一个袋的膨胀路径设置。图23显示压力释放齿的两个另外可选择的实施方案。齿450包括尖头451和两个 通道452。齿455包括两个尖头456和从所述尖头的区域向远处延伸的两个通道457。齿 455的结构(连同使用锋利的边缘代替尖头的其他实施方案)可帮助促进袋中的“撕开”或 裂口的形成以促进气体逸出。在每一个这种类型的齿中，通道帮助提供气体从电池组电池 逸出的路径并且保证袋不会不慎将其自身相对于齿密封(尽管有小孔)。还可使用锋利的 尖头和通道的其他定向和组合，同样也可使用锋利的边缘和/或通道的其他组合。由非导电的材料制备所述齿以有助于防止电池组电池的内部和散热器之间的短 路。如图5和图6所示，顺从的衬垫401经电池的两个大平面之一接触每个电池以提 供以下功能(a)为了电池寿命和性能而提供均衡的压力分配，(b)在电池的整个寿命中对 电池的活性区域(active area)提供恒定的压力，(c)在充电和放电循环期间补偿由于固 有性质引起的电池厚度变化，和(d)补偿由于电池和其他模块元件的热膨胀和收缩的模块 的模块长度变化，所述其他模块元件例如散热器、压板和夹钳带。压板元件图10显示压板50。压板50是刚性的结构，对模块的电池、顺从的衬垫和散热器的 主堆叠赋予静态夹紧力。该结构还提供这样的装置，模块可通过所述装置连接在电池包的 外壳的内部。该元件可被称为“压板”以强调主要功能。板的材料是具有规定的暴露温度 (temperature exposure)和易燃性等级的模制的塑料聚合物。板具有突出的平面以匹配模 块的主堆叠的一端，所述主堆叠在两端具有两个顺从的衬垫以帮助分配和均衡夹紧力。不面向子组件的压板50的侧面具有加强肋的阵520以增强其结构刚性和补足目 标的统一的壁厚度的模制部分的设计原则。该阵具有非统一的样式，因为肋也形成容纳大 电子元件的凹处，所述电子元件焊接至模块的有源控制印刷电路板(PCB)子组件(未显 示)。PCB子组件包括电路板和元件，其中所述元件的大部分在板的一侧上。PCB子组件安 装在压板50上在元件下侧。电子元件的嵌套保存了宝贵的空间并有助于在板上的紧凑模 块长度，这有助于获得极好的功率输出与物理体积比。板的凹处也是宝贵的，因为它们可用 作用于减震元件(未显示)的容器以紧夹所述大电子元件的上表面，所述大电子元件被焊 接至模块的有源控制PCB子组件。该元件防止在PCB上的焊点处的过大压力和疲劳。优选 的减震元件是冲切衬垫，所述冲切衬垫在一侧具有弹性体密闭槽的非吸湿性聚氨酯泡沫材 料和压敏粘合剂材料，两种材料均具有规定的暴露温度和易燃性等级。PCB组件可以是无源的或有源的。无源的PCB组件对较小的电池组模块可能 是足够的，而较大的模块使用一个或两个有源PCB组件，一个组件在模块的每个末端安 装在每个压板上。有源的PCB控制子组件具有3个直角PCB电连接器头(electrical connectorheader)，它们通过PCB中的孔选择性地被焊接至工业标准的板。所有其他电子 元件是回流焊接至PCB两侧上的工业标准的衬垫的SMT (表面安装技术)设备。采取预防 措施以保证模块的钢带与PCB之间适当的电绝缘，因为所述带在附近通过。PCB迹线，通路， 以及元件紧排和疏排区在PCB的两侧被周密地限定以避免电干扰。可通过将基于硅氧烷的 和基于聚氨酯的保形涂层涂覆于PCB的两侧而改善模块的寿命性能，这将减少在相邻的弱
9电流高阻抗铜迹线之间的枝晶生长。压板50的侧面510与具有加强肋520的阵的侧面相对，并且面向子组件的堆叠。 侧面510可以是平的或可以形成不平的浅的凸或凹的半球形外形以进一步优化模块的主 堆叠内的压力分配。压板50具有两个浅的轨道501以容纳薄钢保持带(retentionband)，所述薄钢保 持带给予模块的主堆叠静态夹紧力。所述轨道具有半球形外形以帮助分配和均衡夹紧力。 适当的半球形外形可通过使用现有的传感产品进行测量而确定。所述现有的感测产品是为 这种仪器应用特别开发和市场化的。压板50还具有4个具有凹进的轴孔(还称为沉孔)503,504,505和506的通道以
容纳诸如圆柱套管、垫圈、轴衬和保持螺栓的钢紧固件，来促进柔性连接策略。当前的配置 允许模块经三个安装方向之一被安装在电池包的外壳内或安装在电池站的架子上，这对于 大部分现有的和预测的应用以及客户需求是足够的。可由振动焊接(vibration-weld)在一起的两个单独的部分形成压板。每个部 分将具有连接孔和凹进的轴孔外形的一半。焊接后将形成完整的圆形孔和轴孔。该方法 的益处将在于，可模制两部分而在模制工具中没有垂直于工具的模具拉伸方向(die draw direction)的长的活动性滑动(active slide)。压板50具有两个凹进的区域508以容纳钢母线螺母或多个螺母(未显示)。螺母 的设计有意地简单以成为有成本效益的方案。螺母具有3个带螺纹的孔用于连接。中心孔 紧夹将母线螺母保持在压板的钢紧固件(未显示)。两个其他的孔紧夹钢紧固件，所述钢紧 固件将外部电线接头和线束连接至模块的负极母线或正极母线，这在随后的段落中说明。带元件图11显示钢带530，钢带530是用于包封模块的电池、顺从的衬垫、散热器和压板 的主堆叠的两个钢带之一。每个钢带530位于压板50的浅的轨道501之一中。如果模块具 有七十六(76)个电池或更少，两个带是足够的而三个带是不必要的。如果需要可使用更多 的带。通过所需的夹紧力适当地压紧主堆叠中的所有顺从的衬垫而确定钢带530的长度， 并且经过永久性束缚(crimp)在带上的现有的松开和受限的(released and qualified) 钢扣531而保持其长度。带有气动执行机构的手持式气动扣环起子(applicator)可用于 拉紧带和束缚扣531，并且该扣环起子还可具有在扣531被束缚后修整带的额外的尾部的 机构。与在两端使用很长钢拉杆和保持螺母的可选择的方法相比较，使用带和扣是更紧凑 的方法。对每个模块使用相同的带和扣以及安装方法促成可扩展结构。另一方法是拉紧并 焊接带，而不是使用被束缚的扣。压板50可将平的或锯齿状的区域并入浅的轨道501内以 容纳夹紧的带扣和更均勻地分配扣的区域中的压力。压板50还可沿每个轨道501具有4 个拐角圆形物(corner round)以保证张力在两个带的直线部分是均衡的。可使用具有闭环伺服控制的现有的松开和受限的手持式计算机控制的电子扣环 起子代替标准的气动执行机构。这可增加施加的静态夹紧力精度并减少带安装和扣束缚过 程的周期时间。虽然压板和带帮助将电池组模块物理地保持在一起，但模块的母线(接下 来描述)电连接系统。母线支撑件元件在模块的相邻电池之间的电互连是重要的特征，包括相对于彼此柔性和脆性的电
10池端子的配准，并且包括防止相邻端子之间的意外接触，所述意外接触不是为了意图应用 的电连接。图2显示除了电池端子，例如101和102之外，所有电池如何在模块的主堆叠中 相对于彼此被安全地保持和配准。图12显示使用模制的塑料元件的、坚固的、紧凑的且有成本效益的方案。所述元 件可称为“母线支撑件”以强调其主功能。标准的母线支撑件600a匹配一个散热器600a 的上边缘并且还包封两个电池300a和310a。电池300a和310的每一个均附在散热器的分 别的侧面，并且每个具有延伸通过母线支撑件的端口的两个接线端(每个电池组电池300a 和310a的负极端子在图12中显示)。母线支撑件用于每个子组件并促成可扩展结构。例 如，母线支撑件600b匹配第二种散热器(散热器400b)的边缘。图13A显示安装至散热器400的母线支撑件600的另一视图。标准的母线支撑件 具有9个特征/功能1.7个弯曲片(flex tab) 608 (显示4个)以及两个楔形闩609以紧夹散热器中的 两个槽(图5中的元件406)。2.与具有超模压弹性体钳的热控管605连接的矩形中心端口 604。3.四个锥形的端口 601，以允许四个电池端子的同时插入和配准。4.在电池拉链熔断器动作事件期间支撑母线的主体610。通过保持端子的任意剩 余部分与母线之间的分离，母线支撑件防止有问题的电池意外重接至母线，所述意外重接 可能造成与相邻电池的级联故障状况。5.在母线激光焊接至电池端子期间紧夹两个单独的母线元件(未显示)的两个固 定的闩602和两个弯曲的闩603。该特征有助于消除对特定激光焊接设备的需求。如下所 述，其作为使在焊接前和焊接期间固定母线元件与电池端子配准的装配夹具。这些闩使每 个母线元件保持在相对于散热器和连接的电池组电池基本上固定的位置。锥形的端口和主 体使电池组电池中每个的端子保持在相对于散热器和母线元件基本上固定的位置。6. 18个离隙607，其保证与任意母线电连接铆钉的足够的空隙。7.中心通道606，其允许模块的电压检测线束和热控管线束的布线。8. 4个弯曲指状物(611)，其在母线盖安装前保持两个线束(未显示)。9.在用于连接母线盖的在末端的2个螺丝孔612。此外，图13B和图16显示第二母线支撑件650，如果模块具有奇数个电池计数，所 述第二母线支撑件已被形成以包封仅一个电池。虽然这个结果造成另一元件被释放并产 生，但其完全遵守这样的原则每个电池端子被配准并被防止与相邻端子的意外接触。模块 的振动耐受坚固性可通过在中心附近的散热器中加入两个或多个另外的槽和/或在母线 支撑件中加入两个多个楔形闩而改善。母线元件母线元件由母线跳线和母线端子组成，所述母线跳线电连接所述模块的相邻电 池，所述母线端子电连接一个或多个电池组电池端子到电池组模块的每一个外部端子。图 14示出使用这些母线元件以增强所述模块的寿命性能的坚固、紧凑、具有成本效益的互联 方式。此方式避免对模块内部的任意电连接使用带螺纹的紧固件，并且改用由自适应自动 电脑控制过程所产生的精密焊接。图14示出几个母线跳线700，每一个都由母线支撑件600保持。对于电池组电池的端子延伸穿过的每一个母线支撑件，连接至那个端子的母线跳线被紧夹在支撑件的固定 闩及其相对的柔性闩之间。闩紧靠端子保持母线跳线并防止其运动。图15示出双金属母线跳线700。电池组模块使用一组母线跳线700，每一个都包 括铜部分701和铝部分702，所述铜部分701被激光焊接到由铜材料制成的一组电池负极端 子，所述铝部分702被激光焊接到由铝材料制成的一组电池正极端子。母线跳线的180度 弯曲部703限定内表面704，在组装期间电池端子被嵌入内表面704。具有弯曲部的母线部 分是连续的金属件。精密激光焊接被用来部分融化和冶金地连接母线跳线到端子以避免超 声波焊接，其会施以太多的能量到电池端子中，并且转而损害电池的内部电连接。液体焊接 处理被应用到母线跳线的弯曲部703的外表面(相对内表面704)。在焊接期间，激光能量 将对准这个表面。此处理引起精加工，该精加工减少了在激光焊接铝和铜的高反射面期间 的激光束的反射率。此处理可以是镍或锡涂覆，其提供Nd-YAG激光束波长的更好的吸收。 这允许最小化焊接所需的能量，并允许在不超过电池端子的封条(seal)的最高温度极限 的情况下进行电池端子的焊接。激光束的能量穿透母线的180度弯曲部703并在母线弯曲 部704的内部和电池端子的尖端(未示出)处产生熔珠。焊接激光以大体上正面对着电池 组端子的端部并朝着如迎角708所示的弯曲部的外表面的角度而对准母线弯曲部703。图25示出焊接激光730和双金属母线跳线700的的配置另一视图735，激光束733 以大体上正面对着电池组端子的端部的迎角708指向母线的弯曲部。第二视图740示出沿 着参考线736看去的视图735( S卩，绕垂直的ζ轴旋转90度的视图735)的配置。视图740 示出激光730从母线弯曲部742的右侧端部移动到左侧，其中激光束733以平行于通道的 行进方向移动，激光束733以相对于弯曲部742的小角度741被引导，角度741与激光730 的行进方向相反以防止激光束反射回激光光学装置中并导致损害。这导致激光束733被以 略小于垂直于激光束的行进方向的角度引导。在焊接期间，激光730可相对于正在被焊接 的母线和电池组端子移动，母线和电池组端子组件可相对于激光移动，或两者彼此相对移 动。在任何情况下结果是母线和电池组端子沿着电池组端子驻留在其中的通道的长度而连 接到彼此。图26示出母线元件连接到电池组电池端子的连接前后的侧视图。视图770示出 母线700中的弯曲部704，形成了电池组端子771定位在其中的通道。视图775示出焊接之 后的这些元件，其中电池组端子776通过凝固的金属集合体778连接到母线777中的弯曲 部的内角。由于不同的材料和已知的冶金限制，诸如激光焊接或其它传统的焊接工艺的焊接 工艺对于用于将双金属跳线母线的两个部分结合到一起并不实际。作为替代，母线跳线700 采用超声波辊缝焊接工艺以产生直线焊接705。跳线母线的两个部分的超声波焊接独立于 模块被执行，以使得超声波能量不被引入电池端子，转而有损害电池内部电连接的风险。如 上所述，母线支撑件作为焊接夹具。母线支撑件保持母线元件在合适的位置，电池端子嵌入 由母线中的弯曲部所限定的槽中，直到如上所述的母线被激光焊接到端子为止。为进一步平衡和优化双金属跳线的电流特征，材料为铝和铜的跳线母线的两个部 分的横截面、宽度和/或厚度可被独立地修改以通过每个部分达到相似电阻。在制造母线 跳线中，为减少成本，用于双金属跳线母线的两个部分中的一个或两个的挤压的定长剪切 剖面可被使用以代替板压制和形成工艺。在一种配置中，母线跳线的铜部分被压制，且铝部分被挤压。图16示出部分地由母线支撑件600和650固定的母线端子750。母线支撑件以与 支撑件保持母线跳线的同样的方式保持母线端子。母线端子750被激光焊接到电池组电池 300a、310a和320的相应端子。电池组模块使用单金属负极母线端子和单金属正极母线端 子，单金属负极母线端子在模块的主堆叠的一端具有铜材料，单金属正极母线端子在模块 的主堆叠的另一端具有铝材料。母线端子由连接到压板50的轴孔508的钢母线螺母760 固定。母线端子750具有锥形的中央部分751，其在发生最坏情况的电过载事件时作为模块 熔断器。当电流密度最高时，该熔断器将具有在狭窄部分融化的趋势。可通过以类似于拉 链熔断器被整合进电池组电池端子的方式添加拉链熔断器孔和槽到母线端子，从而调整两 个模块熔断器的动作响应时间，来改善模块的安全性能。图17示出母线端子750安装到压盘50。母线端子750被连接到钢母线螺母(在 图17中位于母线端子下面而不可见)。母线螺母被连接到压盘的轴孔之一 508a。如前所 述母线端子750被连接到外部电线接头和线束(未示出)。此外，压制的铜母线螺母桥接 器780可被连接到母线端子750并且也可通过母线螺母760b连接到压盘轴孔508b。母线 螺母760b通过中心孔被固定到压盘50，所述中心孔紧夹布置在压盘轴孔508b中的钢紧固 件。所述桥接器是允许用于模块到模块的高功率线束的可选的连接位置的配件。配线连接图18示出母线端子750，其具有两种变化形式的夹子，所述夹子用来连接配线如 电压检测线束到母线端子和母线跳线。从一个侧面，夹子791是U形的且大体上是凸的，而 夹子790是W形的。夹子790和791中的任一个或两个可用来连接配线。在将夹子连接到 母线元件之前，电压检测配线被超声波焊接到夹子。夹子具有一个或多个齿793，其咬入母 线跳线或端子以使得夹子可被定位或保持在适当位置，直到激光焊接操作将夹子固定在母 线上为止。夹子可以是压制的铜或铝，对应于且兼容于他们将被连接到其上的母线类型。 夹子具有开槽792，用于一种金属类型以指示使用自动视觉系统制造的夹子类型。在母线 元件被焊接到电池组电池端子的同时，这些夹子被激光焊接到母线元件且共用共同的焊接 点。通过使用以上描述的用于连接母线元件到电池组端子的相同的焊接技术，激光通过夹 子和下面的母线元件被引导并指着搁在母线元件的U形弯曲部中的端子的末端。这么做， 单个的焊接操作同时焊接了所有三个元件(夹子、母线元件和电池组端子)。U形夹子还可 被激光焊接到母线元件，而不共用共同的焊接点。图19示出W形夹子790的侧视图，所述W形夹子790具有略向内弯曲部的夹子的 齿793以安装在母线上。如果夹子被设计具有干涉配合以使得干涉将提供保持功能，齿可 以被要求或可以不被要求固定夹子到母线上直到它被焊接为止。图20示出具有夹子794的母线端子750，所述夹子用于连接热控管795到母线端 子上。用配给的装配后固化的环氧树脂粘合剂将所述热控管的头部连接在夹子的保持器的 内部。所述热控管头部的颈部接触相邻的片796以使得头部具有规定的可重复的位置。到 保持器的上部边缘的铸造的刻槽797帮助防止在安装热控管时其头部受到损害。母线盖图1示出三个母线盖40。电池组模块使用一组模制的塑料盖以保护模块的母线和 其他内部元件，例如电压检测线束和热控管线束，免受任何外部外来物体(尤其如果他们
13是金属的物体)的意外接触。图21示出母线盖40a，去除盖子的主要平外层以使得相关的装配可以被看见。母 线盖40b也被示出，包括盖子的主要平外层。每一个盖具有加强肋的阵，加强肋包括801、 802和803，以提高它的结构刚性并且也重新定向和分配任何不利的外力到模块的母线支 撑件和散热器上而非母线端子750、母线跳线700和/或电池端子上。母线盖包封模块的母 线以帮助防止相邻母线彼此接触以及防止在最坏的情况电过载事件或严重的车祸期间导 致电短路路径。某些肋，例如棱802，比其他肋更深地延伸到电池组模块中和在母线跳线之 间，如肋803，以帮助防止相邻的母线之间的接触，而像803的肋不那么深以避免分配力到 母线端子、母线跳线或电池端子。可选地，电池组模块可使用成本较低、较简单的盖子，这些 盖子具有重叠接合处和更少的垂直接触片。后一种方法的缺点是模块抵御垂直外力的坚固 性被降低了。可扩展结构上述特征产生可扩展结构。术语“可扩展结构”指有助于电池组模块的快速设计、 开发、鉴定和生产的灵活的配置，所述电池组模块具有不同数量的电池组电池、带有并行电 连接的电池的子组和串行电连接的子组。此灵活性使得电池组供应商能够调整许多不同模 块的电特征以及满足各种客户性能规范。例如，具有“3P”配置的目前的A123系统棱形电 池组模块系列在图22中示出。此系列中的七个成员是23S3P、22S3P、16S3P、13S3P、11S3P、 6S3P 和 1S3P 模块，在图 22 中分别标识为 907、906、905、904、903、902 和 901。图24示出不同的母线元件配置，用于下列A123系统棱形电池组模块系列中的成 员，13S3P、23S2P、4S2P 和 4S6P，在图 23 中分别标识为 950、951、952 和 953。
1权利要求
一种电池组系统，其包括电池组电池，其具有电池主体和电压端子，所述电压端子伸出所述电池主体并具有第一端子边缘和第二端子边缘；母线，所述电压端子的上端与所述母线电连接；以及拉链熔断器，其在所述电池主体和所述母线之间的所述端子的部分中形成，其中所述拉链熔断器包括穿孔的阵列，所述穿孔通过所述电压端子并从第一边缘至第二边缘延伸越过所述电压端子。
2.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述穿孔的阵列包括第一排穿孔和与所述 第一排穿孔平行的第二排穿孔，并且其中所述第一排穿孔和所述第二排穿孔均从所述第一 边缘至所述第二边缘延伸越过所述端子。
3.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述第一排穿孔包括拉长的穿孔和多个圆 形的穿孔。
4.根据权利要求3所述的电池组系统，其中所述第二排穿孔包括拉长的穿孔和多个圆 形的穿孔。
5.根据权利要求4所述的电池组系统，其中所述第一排穿孔和所述第二排穿孔的所述 拉长的穿孔在所述端子的相对侧上。
6.根据权利要求1所述的电池组系统，还包括在母线和所述电池主体之间的母线支撑件。
7.根据权利要求6所述的电池组系统，其中所述母线支撑件包括所述电压端子所通过 的槽。
8.根据权利要求7所述的电池组系统，其中所述穿孔的阵列在支撑件和电池主体之间。
9.根据权利要求1所述的电池组系统，其中所述电池组电池是棱形电池组电池。
全文摘要
文档编号H01H85/00GK101952924SQ201080000568
公开日2011年1月19日 申请日期2010年1月11日 优先权日2009年1月12日
发明者Sinsheimer Benjamin Jay, Allison Chad Jeromy, Hostler Jonathan, Butt Shazad Mahmood, Ijaz Mujeeb, Brian D Rutkowski 申请人:A123 Systems Inc