专利名称：电池芯、电池芯构成的电池组件及制造电池组件的方法
电池芯、电池芯构成的电池组件及制造电池组件的方法
技术领域：
本发明是关于一种电池芯、一种设有该电池芯的电池组件以及一种电池组件制造方法。本发明亦关于适用于节能型油电混合车、电力储存系统或笔记本电脑的充电电池系统，特别是用以达成电池芯互连的电池系统。
背景技术：
目前科技业对于燃烧石油与天然气等储存量有限、且会造成大量碳排放的污染性能源已经逐渐设法减少使用，试图以可由太阳能、风力、水力等天然来源转换而来、且使用后无污染的电能作为干净能源。电动交通工具因而成为当前热门议题。然而，电动车辆等交通工具，一方面受限于需耗费大量电能驱动马达，必须使用大量电池；另方面，交通工具必须因应严酷的环境考验、甚至必须考虑意外碰撞后的安全性。因此，如何将多组电池以安全的方式串\并接，增加所储存的电能、延长续航力，并且避免一旦发生意外所可能导致的电池燃烧、爆炸，减少生命财产的损失，将是推广及使用此类用电设备时的重要课题。诸如锂离子电池或镍氢电池等常用充电电池可经串联或并联排设而获得所需求的任何电压或电流。举例而言，一组电池可藉由以一导体将其正电极予以连接，而以另一导体连接其负电极而达成并联，从而形成一个可提供更大电流的电池组件。该电池组件也可经由串联而获得高于个别电池的电压。充电电池的一种最常见规格是呈圆柱形，正电极位于一端，而负电极位于另一端。 如第I图所示的一个典型构造。电池芯101在顶部具有一正电极102，而负电极104亦为电池芯101的金属外壳。正电极102和负电极104在顶部被一绝缘垫片所隔开。一通常为塑胶材料所制成的绝缘包膜103施设于电池外部，暴露出位于顶部的正电极102以及位于底部的负电极104。典型的连接是将一金属焊片108点焊至位于顶部的正电极102，并将另一金属焊片109点焊至位于底部的负电极104。连接电池芯101的制程需要两个个别的步骤固持并定位电池芯101底部而将金属焊片108点焊于顶部正电极102 ;随后，反转电池芯101，固持并定位其顶部而将另一金属焊片109点焊于底部负电极104。如第3a图所示，并联连接需要将金属焊片108点焊连接各个正电极102、112和 122，以及点焊第二金属焊片109以连接负电极104、114和124。相对地，将两个电池芯串联要比并联更为困难，因为一电池的底部电极必须被连接至另一电池的顶部电极，且两电极位于相对端。如第3b图所示，串联需要从正电极102点焊一金属焊片118至负电极134，且从正电极132点焊第二金属焊片119至负电极144。当同一金属焊片必须从一电池的顶部连通另一电池的底部时，在生产时进行串联即有困难。一般产业实施时，乃限定将电池芯垂直堆叠以进行串联，此一限制严重地局限电池组件的规格尺寸。有必要寻求更好的组件构型以简化并联和串联，并对于组件规格提供更宽广的弹性。直接连接电池芯所带来的一个问题在于缺乏短路保护措施。就电池芯的并联而言，若单一个电池因故障、损坏或制造缺陷而发生内部短路，则邻接的电池会将电流导引至该短路电池中从而快速地耗尽所有的电能，连带使所有相连的电池过度放电，致整个并联电池组件无法运作。又，大量流入该短路电池的电流可能导致过热和爆炸，造成重大灾情。就电池芯的串联而言，若因金属物体落在电池组件上或因严重撞击使线路或电极短路而发生外部短路，则位于此一短路路径上的电池芯会产生显著的电流，直到所蓄积的所有电能耗尽为止。更由于串联所产生的电压高于并联所产生者，且总能量也更高，故容易过热、产生电弧和爆炸。一种常见的锂离子电池称做为18650电池，其尺寸为直径18mm,而长度为65mm。 要在第I图所示正电极102和负电极104上的18mm圆形狭小面积内进行点焊，在生产上有相当难度。尤其如特斯拉电动车(Tesla Motors’Roadster)在其电池组中使用超过6，800 个18650电池。要使所有的上万个焊接点每一个都牢固可靠，足以承受车辆所经历的振动和摇晃，以避免前述各式风险，在生产上实属重大挑战。因此，产业上需要一种改良的电池芯以及一种将多个电池芯组接成组件的方法， 以促进生产力，并帮助避免因内部或外部短路而造成组件失效。本发明则因应此种需求而提供可行的解决方案。
发明内容因此，本发明之一目的，在于提供一种在负电极形成有一焊接区以供连接导电金属焊片的电池芯，其中该焊接区是从底端移位至电池芯的周侧面，使串联和并联结构易于完成。较佳地，该焊接区是经扩大以产生一较大的表面积以供点焊之用，例如，该焊接区被扩大成具有一较底端更大的表面积，从而增进串联或并联作业的生产效率，更进一步促进电池芯散热至周围环境。本发明的另一目的，在于提供一种并有多个前述电池芯的电池组件，其具有结构简单且成本低的优势。较佳地，用于连接电池芯的焊接区的金属焊片是经扩大以降低金属焊片与负电极的接触电阻。较佳地，个别金属焊片是包括一个窄化脆弱部，供作为短路保护元件之用。本发明的又一目的，在于提供一种用于制造并有多个前述电池芯的电池组件的方法。该方法大致上藉由从底部固持电池芯，再将正电极和负电极加以串联或并联，从而提供一用以达成电池芯的串联或并联的高效率制程。本发明因而提供一种电池芯，包括一个具有两个相反端部及一个环绕侧壁的长向本体，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极；及一个包覆该负电极中的该环绕侧壁部分的绝缘包膜，其中该绝缘包膜至少在该环绕侧壁远离该另一端部处形成有一缺口，使得该环绕侧壁被暴露而形成有一焊接区。本发明又提供另一种电池芯，包括一个具有两个相反端部及一个环绕侧壁的长向本体，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极，且该负电极更有一个延伸至形成有该正电极端部的接触端；及一个包覆该负电极中的至少一部分的绝缘包膜，使得该接触端被暴露而形成有一焊接区。本发明又关于一组具有多个电池芯的电池组件，其包含多个长向延伸电池芯，每一电池芯包括一个具有两个相反端部及一个环绕侧壁的长向本体，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极；及一个包覆该负电极中的该环绕侧壁部分的绝缘包膜，其中该绝缘包膜至少在该环绕侧壁远离该另一端部处形成有一缺口，使得该环绕侧壁被暴露而形成有一焊接区；多个分别串/并导接上述电池芯正电极与焊接区的金属焊片。本发明又关于一种电池组件制造方法，是供将多个分别包括一个长向本体及一个绝缘包膜的电池芯组成一组电池组件，每一上述长向本体分别具有两个相反端部及一个环绕侧壁，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极；及上述绝缘包膜是包覆至该负电极中的该环绕侧壁的部分，且上述绝缘包膜至少在该对应环绕侧壁远离该另一端部处形成有一缺口，使得该环绕侧壁被暴露而形成有一焊接区，该方法包含下列步骤a)将上述电池芯以彼此平行的方式，沿着一个与上述长向夹一个角度的排列方向固持住，且其中每一个上述电池芯的上述绝缘包膜缺口是形成在与该排列方向夹一个角度的侧面；b)提供多个分别形成有至少一个截面较小的脆弱部的金属焊片 '及c)将上述金属焊片分别串/并焊接至上述电池芯正电极与焊接区。
第I图为常用圆柱形电池芯的侧视图；第2图为依据本发明第一较佳具体例的改良圆柱形电池芯的侧视图；第3a图为常用电池芯经并联后的侧视图；第3b图为常用电池芯经串联后的侧视图；第4a图为依据本发明第二较佳具体例的电池芯经并联后的立体视图；第4b图为依据本发明第二较佳具体例的电池芯经串联后的立体视图；以及第5图为依据本发明第三较佳具体例的电池芯的示意图。主要元件符号说明101,201...电池芯 205···底端103、203···包膜 2090. ··脆弱部102、112、122、132、202、212、222、232、312· · ·正电极104、114、124、134、144· · ·负电极108、109、118、119、208、209、218、219、308· · ·金属焊片204、214、224、234、244、304· · ·焊接区
具体实施方式有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。第I图为一常用电池芯101的侧视图。金属外壳虽然被导接作为负电极104的一部分，但轻薄塑胶包膜103将大部分的金属外壳加以包覆，使得负电极104仅能从电池的底部接近与导通。第2图显示为本发明的第一较佳实施例电池芯201的侧视图。该电池芯201 包括两个相反端部及一个在二端部间延伸的环绕侧壁，以构成一长向本体。环绕侧壁的外表面在此被定义成为该长向本体的一个周侧面。以一圆柱形电池芯为例，该周侧面由距离圆柱形本体的长轴等距的无数个点所构成，在此将其定义为该本体的一个径向侧面。在两个相反端部当中，顶端构成一正电极202，而底端205与环绕侧壁共同构成一个与该正电极 202呈电气绝缘的负电极。在本例中，轻薄塑胶包膜203在近顶部处被切除，暴露出一部分的负电极作为焊接区204，供与一金属焊片相接。以一圆柱形电池芯为例，被切除的部分对应于长向本体的径向侧面，使得该环绕侧壁位在远离底端205处的一部分被暴露出，而形成一焊接区204，供与一金属焊片相接。在一具体例中，塑胶包膜203沿着圆柱形长向本体的周缘被环剥，从而暴露出环绕侧壁远离底端205处的一部分。在另一具体例中，塑胶包膜 203沿着圆柱形长向本体周缘仅有一部分被移除。第4a图显示三个彼此并联相接的电池。一通常由薄镍片所制成的金属焊片208 被点焊于三个电池的正电极202、212、222。另一金属焊片209则被点焊于三个负电极焊接区204、214、224。镍片的一般厚度是介于O. Imm和O. 3mm之间，使得焊接过程中镍片可以先熔融，并与被焊接部分牢固接合。将该镍片预成形为能够顺应电池的圆柱形曲度的技术属业界所熟悉的制程。将这种镍片点焊至电池侧壁亦属常用的简单制程。第4b图显示三个彼此串联相接的电池。一通常由薄镍片所制成的金属焊片218 被点焊于第一电池的正电极202，并被扭转且预成形为可点焊于第二电池的负电极焊接区 234。另一金属焊片219则被点焊于第二电池的正电极232，并被扭转且预成形为可点焊于第三电池的负电极焊接区244。金属焊片通常以镍质为主，且厚度为O. Imm至O. 3mm,以方便进行扭转和预成形。藉由本案的特殊设计，只要从底部固持这些电池芯，就可以将正电极和负电极加以串联或并联以制成一电池组件，使得数千颗电池的焊接过程大幅简化，并且减少因不断反转所导致的焊点松脱问题，相较于先前技术实属一长足进步。这些电池芯是沿着一个方向彼此平行排列，该方向在此定义为一排列方向。较佳地，该排列方向与电池芯长轴延伸的长向正交，以获致一体积精简的电池组件。较佳地，这些电池芯的绝缘包膜的切除部分被定向为面朝同一方向，以方便进行串联和并联。更佳地， 这些切除部分是朝与该排列方向夹一个预定角度的方向排成一行，该预定角度较佳但不必然为O度。切除塑胶包膜以暴露出负电极的工序可做为电池制作过程的最终步骤，或于电池制程中沿着切除区形成由细微穿孔所构成的脆弱线，并在电池组件制作过程的第一步骤中撕除部分包膜。可选择地，在电池制作过程中将塑胶包膜包覆于电池芯的环绕侧壁上时，可制作成环绕侧壁在接近顶端的部分不被塑胶包膜所包覆。虽然可向供应商购买不具有塑胶包膜的电池芯，但不具有绝缘保护的电池不易作业，因其接触金属物体即可能造成短路。在本发明的一较佳具体例中，焊接区204经延伸以产生一较大的面积供点焊之用，以增进生产效率。在一更佳具体例中，焊接区204的面积大于底端205的面积。又，欲散除电池充放电时所生热能相当不容易。电池芯的温度过高会减短其寿命， 甚至造成电池损坏、过热或爆炸。第I图所示常用电池芯101的外部大半包覆有塑胶包膜 103。大多数塑胶具有良好的电气绝缘性质以及隔热性质。但是，这种塑胶绝缘性质会严重地致使热能不易从电池芯101散放至周围环境。依据第4a图所示较佳具体例，本发明设有被暴露出且被与金属焊片209牢固焊接的焊接区204、214和224，故相较于完全被塑胶包膜包覆的情况，具有明显更好的散热能力，依据本发明较佳具体例所制成的电池组件具有更低的温度、更长的寿命以及更高的安全边际。点焊技术有许多种类，分别基植于激光、超声波或电阻加热等原理。所有的点焊技术中，对于金属焊片的厚度均有限制，否则点焊效率会开始下降。亦即，厚度超过O. 3mm的金属焊片在焊接过程中容易过热熔毁，通常被认为不适合于达成本发明的目的。对于点焊 18650电池而言，厚度上限通常为O. 3mm。金属焊片在电池组件中所造成的电阻在运作上是个麻烦，因为电能经过时会转换成热能逸失。再者，它会使电池运作时的散热问题更形恶化。在第4a图所示本发明较佳具体例中，用以连接焊接区204、214、224的金属焊片209被加宽以形成更多焊点，以降低金属焊片与负电极的接触电阻。金属焊片的加宽亦能降低电阻。更进一步地如4a图所示，在至少一些导电金属焊片上设有窄化脆弱部2090，以供短路保护之用。该窄化脆弱部容许预定电流通过而不会明显发热，但窄化脆弱部在诸如预期将会短路的过电流状况下会断裂。在过电流状况下，窄化脆弱部将会充分断裂，以确保在最坏的短路情形下，所产生的电压不会致使电弧发生。该窄化脆弱部可依不同的电压和电流熔融需求而具有不同宽度和形状。在一具体例中，该窄化脆弱部的截面积较金属焊片其余部分的截面积实质为小。在一具体例中，如熟悉本项技术人士所知，该窄化脆弱部仅仅设置于连接正电极或是连接负电极的导电金属焊片其中一者即可产生效果，不需要二者皆设有窄化脆弱部。在另一具体例，连接正电极以及连接负电极的导电金属焊片中皆设有窄化脆弱部。对于先将电池芯并联成数个电池小组再将这些小组加以串联的电池组件而言，在串联结构中作用为熔丝的窄化脆弱部可位于一个可从外部接近的位置，且会在一相较于各电池小组的运作电流的总和更低的电流位准下熔毁，以确保串联结构中的熔丝在外部短路的情形下会比并联结构中的熔丝先行熔毁，使其得以藉由将可从外部接近的窄化脆弱部复行导接而容易地进行维修，不需维修各并联电池小组中所有或部分的熔丝。本案所揭示的电池组件适供任何需要电力才能运作的装置做为电源之用，特别适用于节能型油电混合车、电力储存系统或笔记本电脑的充电电池系统，尤其是用以达成电池芯互连的电池系统。依据本发明的第三较佳具体例，如第五图所示，电池芯被制作成具有与前述第一具体例中相同的构型，但另设有一个从负电极且较佳为从环绕侧壁朝向电池芯的顶端延伸的接触端。该接触端经由包覆于负电极外的绝缘包膜暴露出，而构成一焊接区304，供一金属焊片308连接至相邻电池芯的正电极312之用，藉此，串联多个电池芯可以更轻易被达成。熟悉本项技术人士将会了解，本发明可延伸涵盖方形电池芯，因为差异仅在于电池芯的形状而已。且对于大型电池而言，电池结构上具有位于顶面上的负电极金属表面。在此例中，熟习本项技术人士亦会了解，本发明也可延伸涵盖电池电极移位至顶面的态样。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书范围及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。
权利要求
1.一种电池芯，包括一个具有两个相反端部及一个环绕侧壁的长向本体，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极；及一个包覆该负电极中的该环绕侧壁部分的绝缘包膜，其中该绝缘包膜至少在该环绕侧壁远离该另一端部处形成有一缺口，使得该环绕侧壁被暴露而形成有一焊接区。
2.如权利要求I所述的电池芯，其中该焊接区的面积大于该另一端部。
3.如权利要求I所述的电池芯，其中该长向本体是圆柱型。
4.如权利要求3所述的电池芯，其中该绝缘包膜缺口是形成在该长向本体的一个径向侧面。
5.一组具有多个电池芯的电池组件，包括多个长向延伸电池芯，每一电池芯包括一个具有两个相反端部及一个环绕侧壁的长向本体，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极；及一个包覆该负电极中的该环绕侧壁部分的绝缘包膜，其中该绝缘包膜至少在该环绕侧壁远离该另一端部处形成有一缺口，使得该环绕侧壁被暴露而形成有一焊接区；多个分别串/并导接上述电池芯正电极与焊接区的金属焊片。
6.如权利要求5所述的电池组件，其中上述金属焊片分别具有至少一个截面较小的脆弱部。
7.如权利要求6所述的电池组件，其中上述金属焊片是厚度小于O.3毫米的镍片。
8.如权利要求6所述的电池组件，其中上述金属焊片包括一片导接上述各电池芯正电极的正极焊片、及一片导接上述各电池芯焊接区的负极焊片。
9.如权利要求6所述的电池组件，其中上述金属焊片分别具有两个相对焊接端，其中之一焊接至上述电池芯中一者的正电极，另一者则焊接至相邻电池芯的焊接区。
10.如权利要求9所述的电池组件，其中上述电池芯是彼此平行且沿着一个与上述长向夹一个角度的排列方向配置，且上述绝缘包膜缺口是形成在与该排列方向夹一个角度的侧面。
11.一种电池组件制造方法，是供将多个分别包括一个长向本体及一个绝缘包膜的电池芯组成一组电池组件，每一上述长向本体分别具有两个相反端部及一个环绕侧壁，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极；及上述绝缘包膜是包覆至该负电极中的该环绕侧壁的部分，且上述绝缘包膜至少在该对应环绕侧壁远离该另一端部处形成有一缺口，使得该环绕侧壁被暴露而形成有一焊接区，该方法包含下列步骤a)将上述电池芯以彼此平行的方式，沿着一个与上述长向夹一个角度的排列方向固持住，且其中每一个上述电池芯的上述绝缘包膜缺口是形成在与该排列方向夹一个角度的侧面；b)提供多个分别形成有至少一个截面较小的脆弱部的金属焊片'及c)将上述金属焊片分别串/并焊接至上述电池芯正电极与焊接区。
12.—组具有多个电池芯的电池组件，包括多个长向延伸电池芯，每一电池芯包括一个具有两个相反端部及一个环绕侧壁的长向本体，其中一个端部形成有一个正电极，该环绕侧壁及相反于该正电极的另一端部则形成一个与该正电极绝缘的负电极，且该负电极是由该环绕侧壁更进一步与该正电极绝缘地延伸至该形成有正电极端部；及一个包覆该负电极中的该环绕侧壁部分的绝缘包膜，其中该负电极延伸至形成有该正电极端部处是被暴露而形成有一焊接区；多个分别串/并导接上述电池芯正电极与焊接区的金属焊片。
全文摘要
本发明是关于一种设有焊接区以供连接金属焊片的电池芯，该焊接区设于电池芯的周侧面，而非其底面。本发明亦关于一种将多个电池芯并联或串联成为一电池组件的方法，其涉及进行点焊以连接正电极以及非位于底端的负电极，增进产率。本发明另并合有一过电流保护装置，以制成具有过电流保护作用的体积精简型电池组件。
文档编号H01M2/26GK102610846SQ20111026541
公开日2012年7月25日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年1月21日
发明者庄嘉明 申请人:庄嘉明