电池模块的制作方法

本发明涉及具有冷却气体入口的电池模块以及构造用于在电池模块的电池单元的异常操作情况下关闭冷却气体入口的冷却气体阀。

背景技术：

可再充电电池或二次电池与一次电池不同在于它能被重复地充电和放电，而后者仅提供化学能到电能的不可逆转换。低容量可再充电电池用作用于诸如蜂窝电话、笔记本电脑和便携式摄像机的小型电子设备的电源，而高容量可再充电电池用作用于混合动力车辆等的电源。

通常，可再充电电池包括：电极组件，其包括正电极、负电极和插置在正电极与负电极之间的分隔部；接收电极组件的壳体；以及电连接到电极组件的电极端子。电解质溶液被注入到壳体中以便能够经由正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应而对电池充电和放电。壳体的形状，例如圆柱形或矩形，取决于电池的预期用途。

可再充电电池可以用作由串联和/或并联联接的多个单位电池单元形成的电池模块，从而例如为混合动力车辆的电动机驱动提供高能量密度。就是说，电池模块通过取决于所需的功率量以及为了实现例如用于电动车辆的高功率可再充电电池而互连所述多个单位电池单元的电极端子而形成。

为了安全地使用电池模块，从可再充电电池产生的热应被有效地散发、排出和/或消散。如果热散发/排出/消散不被充分地执行，则温度偏差在各个单位电池之间出现，使得电池模块不能产生用于电动机驱动的期望的功率量。此外，当电池的内部温度由于从可再充电电池产生的热而升高时，会出现电池单元的异常操作情况，因而可再充电电池的充电性能和放电性能劣化并且可再充电电池的寿命缩短。

简单的冷却系统为空气冷却，其中冷却气体流(例如空气流)被引导至电池单元以便从电池排出热。在移动应用中，例如在包括电池模块的车辆中，来自客厢的预处理过的空气可以用于冷却电池单元。当空气沿着电池单元经过用于冷却的同时，来自电池单元的废气会与空气流混合，特别是在电池单元的异常操作情况下。因此，应避免与电池的废气混合后的冷却气体进入客厢中的回流。

这样的异常操作情况的一示例是电池单元的可通过强过热或强过充电的锂离子电池而进入的热失控。热失控是电池内部的自加速化学反应，其产生大量的热和气体直到所有可用材料被耗尽。由于大量的氢气和一氧化碳，所产生的气体会是有毒且易燃的。应避免这些有害的燃烧气体经由冷却气体入口进入客厢。

wo2009/128214a1公开了具有空气冷却的电池包，其中由电池单元散发的气体的主动排出应由沿着电池单元流动的冷却空气流确保。为了防止废气的不受控制的流动，盖构件在冷却气体通路中布置在电池单元上游，并通过冷却空气流的流动压力而被打开。因此，应避免废气在冷却气体通路中的侵入。

根据现有技术，电池废气的流动路径的阻挡对冷却空气流敏感，但不对电池单元的异常操作情况敏感。因此，仍会发生其中电池单元的废气被引入到客厢中的状况。

因此，本发明的目的是克服或减少现有技术的缺点中的至少一些，以及提供用于防止对电池单元自身的异常操作情况敏感的废气的不需要的流动的方法。

技术实现要素：

本发明的另外的方面将由从属权利要求、附图和/或附图的以下描述明显。

根据本发明的第一方面，提供了一种电池模块，其包括：多个对准的电池单元，电池单元的每个包括容纳在电池壳体中的电极组件；放置在电池壳体上的盖组件；以及排气口。电池模块还包括用于将冷却气体供应到电池模块中的冷却气体入口和设置在冷却气体入口中的冷却气体阀。根据本发明，电池单元的电池壳体，优选所述多个电池单元中的每个电池单元的电池壳体，被构造为在电池单元的异常操作情况下在气体通过排气口排出之前膨胀。此外，冷却气体入口的第一侧壁被构造为响应于膨胀的电池壳体而变形，优选响应于所述多个电池单元中的任何电池单元的膨胀的电池壳体而变形，并且冷却气体阀被构造为通过冷却气体入口的变形的侧壁而关闭。

发明人已经发现，包括电池壳体和盖组件的电池单元在产生大量废气的异常操作情况下(例如在热失控下)显示出特征行为。每个电池单元的排气口被构造为在电池壳体内部的一定压力下打开即破裂。根据本发明，排气口被构造为在阈值压力下打开，其中电池壳体在低于阈值压力的内部压力下膨胀。电池壳体的膨胀被利用来操作冷却气体阀。

因此，通过将电池单元的电池壳体构造为在异常操作情况下膨胀(例如通过使排气口的阈值压力适合于电池壳体的壁厚度)，通过将冷却气体入口的侧壁构造为经由膨胀的电池壳体而变形(例如通过使侧壁的材料和壁厚度适合)，以及通过将冷却气体阀构造为经由变形的壁而关闭，用于在异常操作情况下关闭冷却气体阀的新的且可靠的操作机制被提供，该机制直接对电池单元的异常操作情况敏感。

优选地，电池单元是棱柱形或矩形电池单元，而不限制保护的范围。进一步优选地，电池单元在第一方向上对准例如堆叠，并且优选地布置在电池模块的壳中。优选地，电池模块壳沿着所述多个电池单元中的至少一个的壳体的外表面，优选沿着所述多个电池单元的每个的外表面，包围冷却气体流动通路。冷却气体流动通路被构造用于沿着电池单元引导冷却气体流以便将热输运离开电池单元。

冷却气体入口被构造用于将冷却气体引导至冷却气体流动通路中，并优选地布置在电池模块壳中。优选地，冷却气体入口在第一方向上与所述多个电池单元相邻布置，并与至少一个最外电池单元紧密接触。冷却气体入口包括第一侧壁和第二侧壁，它们中的至少一个面对最外电池单元的电池壳体的表面，或者由最外电池单元的电池壳体的表面构成。可以有两个冷却气体入口，其每个挨着单元堆叠(cellstack)的两个最外电池单元中的一个放置。冷却气体入口也可以放置在电池单元的子堆叠之间，并且一个冷却气体入口可以包括多于一个的冷却气体阀，其中冷却气体阀可以在冷却剂的流动方向上一个放置在另一个上方。

根据本发明的一实施方式，冷却气体阀被构造为在第一位置中(例如在敞开的位置中)并且在所述多个电池单元的每个的正常操作情况期间让冷却气体通过冷却气体入口。关闭的冷却气体阀，即通过变形的第一侧壁而关闭的冷却气体阀，还被构造为在第二位置中(例如在关闭的位置中)密封变形的冷却气体入口即包括变形的第一侧壁的冷却气体入口。换言之，冷却气体阀具有第一(操作)位置和第二(操作)位置，并响应于膨胀的电池壳体通过冷却气体入口的变形的第一侧壁从第一位置转移到第二位置。

优选地，冷却气体阀的转移可以由于变形后的或正在变形的第一侧壁与冷却气体阀的至少一部分之间的机械相互作用而发生。进一步优选地，冷却气体阀被构造为使得第一侧壁的变形将冷却气体阀从其第一位置推到其关闭的第二位置。第一侧壁的变形可以由于与膨胀的电池壳体的直接接触而发生。然后，第一侧壁被构造为通过膨胀的电池壳体而变形，例如通过选择合适的壁厚度。或者，第一侧壁的变形可以由于电池单元的移位而发生，该移动归因于与另一电池单元的膨胀的电池壳体的接触。然后，例如通过选择合适的壁厚度，第一侧壁被构造为通过移位的电池单元而变形，例如通过抵着第一侧壁倾斜的电池单元而变形。膨胀的电池单元与移位的电池单元之间的接触可以是直接接触，或者可以经由放置在相邻电池单元之间的间隔物而发生。

进一步优选地，冷却气体阀可旋转地附接到冷却气体入口的与第一侧壁相对的第二侧壁，并被构造为通过变形的第一侧壁而从第一位置旋转到第二位置。从而，第二侧壁被构造为在电池单元的异常操作情况下保持基本上不变形。根据该实施方式，冷却气体阀包括在电池单元的正常操作情况期间朝第一侧壁延伸并与第一侧壁紧密接触的，即在与第一侧壁响应于膨胀的电池壳体的预期变形对应的距离内的，至少一个部分，例如第二部分。随着第一侧壁变形，它推动该部分并因而通过相对于冷却气体阀在第二侧壁上的附接点提供扭矩而使冷却气体阀从第一位置旋转到第二位置。因此，第二部分是构造为由变形的第一侧壁推动的启动部分，并优选地被构造为在其每个位置中让冷却气体流通过。冷却气体阀还包括构造为在冷却气体阀的第一位置中让冷却气体流通过并在冷却气体阀的第二位置中阻挡气体流的至少一个另外的部分，例如第一部分。该部分被构造为随着变形的第一侧壁推动另一部分(例如第二部分)而转移到第二位置。

根据一特别优选的实施方式，冷却气体阀包括基本上l形的剖面，其具有围住超过90°优选略为超过90°的角度的较长的第一部分和较短的第二部分。第一部分和第二部分的连接线，即两个部分在此相遇的线，可旋转地附接到冷却气体入口的与第一侧壁相对的第二侧壁。在冷却气体阀的第一位置中，第一部分与第二侧壁基本上对准，并且第二部分的外周边缘靠近第一侧壁放置。冷却气体阀被构造为随着第二部分由变形的第一侧壁推动而绕连接线旋转到第二位置使得第一部分的外周边缘与第一侧壁接触。

换言之，在第一位置中，第一部分基本上平行于冷却气体入口中的冷却气体的流动方向对准，第二部分相对垂直于冷却气体的流动方向的方向以小角度对准。在第二位置中，第一部分对准为使得其交叉冷却气体入口中的冷却气体的流动方向并且第一部分的外周边缘接触第一侧壁。在该优选实施方式中，第一部分被构造为在冷却气体阀的第二位置中覆盖冷却气体入口的整个剖面。在基本上l形的剖面中，第一部分或第二部分的外周边缘被定义为各部分的与连接线相反的最外端。

根据一特别优选的实施方式，第一部分可以包括固体金属片。该金属片可以在垂直于基本上l形的剖面的绘画平面的方向上沿着整个冷却气体入口延伸。因此，如果第一部分从附接到第二侧壁的连接线延伸到第一侧壁，则冷却气体入口被阻挡，即冷却气体流不能流过它。进一步优选地，第二部分包括构造用于让冷却气体通过的至少一个穿孔。特别优选地，第二部分包括含用于冷却气体流动通路的至少一个穿孔的金属片。穿孔可以是内部穿孔，即在所有侧面上被第二部分围绕，或者可以向第二部分的一个边缘敞开，即不在所有侧面上被第二部分围绕。在后者中，第二部分可以包括多个穿孔，并且基本上可以由从连接线朝冷却气体入口的第一侧壁延伸的一个或更多个螺柱构成。

进一步优选地，第一部分的外周边缘和第二部分的外周边缘在冷却气体阀的第二位置中接触变形的第一侧壁。因此，冷却气体阀在其第二位置中被夹紧，因而被阻止有任何移动。然后，冷却气体阀不能朝第一位置回转，并且废气的泄漏能被避免。在该实施方式中进一步优选地，第一部分和第二部分弹性地连接。因此，能确保两个外周边缘与第一侧壁的紧密接触，同时能避免冷却气体阀的破损。该弹性连接可以由冷却气体阀的材料固有地实现，或者可以由第一部分与第二部分之间的连接或连接线的类型实现。根据一个实施方式，第一部分和第二部分被焊接在一起。

在该实施方式中进一步优选地，第一部分和第二部分围住90°与120°之间的角度，特别优选93°与110°之间的角度并且也优选95°与100°之间的角度。这样的角度防止第二部分在第一位置中在冷却气体入口的第一侧壁与第二侧壁之间被阻挡，并确保冷却气体阀从第一位置到第二位置的旋转。此外，以略为超过90°的角度，第二部分必须不比冷却气体入口的宽度大许多，以便使其外周边缘在冷却气体阀的第一位置中与第一侧壁紧密接触，。有利地，第二部分与第一部分相比越短，第二部分必须的角位移越小，以便使第一部分的外周边缘在冷却气体阀的第二位置中与第一侧壁接触。换言之，第一部分和第二部分的功能可以被看作以连接线为支点的杠杆。

在该实施方式中进一步优选地，第二部分的外周边缘具有摩擦被减小的部分，以便允许冷却气体阀通过变形的第一侧壁的从第一位置到第二位置的容易的旋转。外周边缘的摩擦被减小的部分由摩擦被减小的涂层、由布置在第二部分的外周边缘处的滚珠轴承和/或由第二部分的外周边缘的圆化的形状实现。对所有实施方式进一步优选地，冷却气体阀包括弹性元件，该弹性元件被构造用于在冷却气体阀的第一位置中保持第一部分与第二侧壁基本上对准。该弹性元件可以是布置在第一部分和第二部分的连接线处的弹簧，例如螺旋弹簧。

在根据本发明的电池模块的另一优选实施方式中，对准的电池单元的每个的电池壳体包括与第二宽侧表面相对的第一宽侧表面，并且所述多个电池单元被对准使得相邻电池壳体的宽侧表面彼此面对。换言之，第一方向(或布置方向)是基本上平行于宽侧表面的法向量的方向。电池单元还可以包括顶表面和与顶表面相对的底表面、以及第一窄侧表面和与第一窄侧表面相对的第二窄侧表面。根据该实施方式，冷却气体入口的至少一个侧壁面对至少一个最外电池壳体的宽侧表面。或者，冷却气体入口的至少一个侧壁由至少一个最外电池壳体的宽侧表面构成。可以有分别的冷却气体入口挨着两个最外电池单元的每个，或者可以有冷却气体入口在电池单元的两个子堆叠之间。在后者的情况下，可以有多于一个的冷却气体阀在冷却气体入口中，例如两个冷却气体阀一个布置在另一个上方并可旋转地连接到冷却气体入口的相对的侧壁。当一次一个电池单元进入热失控时，侧壁中的一个将变形，因而一次将启动冷却气体阀中的一个。

根据该实施方式，所述多个电池单元的电池壳体的宽侧表面被构造为在各电池单元的异常操作情况下在气体通过排气口排出之前膨胀。换言之，电池壳体的宽侧表面是电池壳体的机械弱点，并且可以是响应于渐增的内部压力而膨胀的仅有的壳体表面。

进一步优选地，相邻电池单元的宽侧表面之间的最短距离小于在异常操作条件下气体通过排气口排出之前电池单元的膨胀的宽侧表面的最大偏移。最大偏移是宽侧表面的最外点在宽侧表面的膨胀之前和之后在平行于该表面的法向量的方向上的距离。根据该实施方式，膨胀的情况可以直接地影响相邻电池单元，例如使相邻电池单元倾斜，或者可以直接地使冷却气体入口的第一侧壁变形。进一步优选地，第二部分的外周边缘放置在电池单元的膨胀的宽侧表面的最大偏移点的高度处。从而膨胀的电池壳体对冷却气体阀的第二部分的影响被最大化，并且由于第二部分的外周边缘是用于使冷却气体阀倾斜的启动装置，因此实现了冷却气体阀的可靠的倾斜。宽侧表面的最大偏移点通常位于壳体上表面与相对的底表面之间的中间。

还优选地，间隔物布置在相邻电池单元的宽侧表面之间。优选地，间隔物是机械坚硬的，因而能例如通过间隔物的倾斜而将膨胀的电池壳体的机械负荷传递到相邻的电池单元或相邻的第一侧壁上。进一步优选地，间隔物包括绝缘表面，以便使相邻的电池单元彼此电绝缘。优选地，间隔物包括用于冷却气体流的至少一个冷却气体流动通道。冷却气体流动通道可以是如以上介绍的冷却气体流动通路的部分。

附图说明

通过参照附图详细描述示例性实施方式，特征对本领域普通技术人员将变得明显，附图中：

图1示出根据一实施方式的电池模块的透视图；

图2示出根据一实施方式的电池模块在电池单元的正常操作情况期间的剖面；

图3示出根据一实施方式的电池模块在第一电池单元的异常操作情况期间的剖面；以及

图4示出根据一实施方式的电池模块在第二电池单元的异常操作情况期间的剖面。

具体实施方式

参照图1，根据本发明的电池模块100的一示例性实施方式包括在第一方向上布置和对准的多个电池单元10。每个电池单元10是棱柱形(或矩形)单元，电池单元的宽的平坦表面18、19堆叠在一起以形成电池模块100。此外，每个电池单元10包括构造用于电极组件和电解质的容纳的金属电池壳体17。电池壳体17由盖组件14气密地密封。盖组件14配置有具有不同极性的正电极端子11和负电极端子12以及排气口13。排气口13是电池单元10的安全装置，其用作电池单元10中产生的气体通过其排出到电池单元10的外部的通路。排气口13被构造为在阈值压力下破裂，电池单元10的宽侧表面18、19被构造为在低于该阈值压力的内部压力下膨胀。相邻电池单元10的正电极端子11和负电极端子12通过母线15电连接。电池模块100可以通过将所述多个电池单元10电连接成一捆而用作电源单元。

通常，电池单元10在充电/放电的同时产生大量的热。所产生的热在电池单元10中积聚，从而加速电池单元10的劣化。因此，电池模块100配置有在第一方向上与最外电池单元相邻布置的冷却气体入口20。冷却气体入口20包括面对相邻电池单元10的宽侧表面19的第一侧壁21以及与第一侧壁21相对的第二侧壁22。冷却气体阀30放置在冷却气体入口20中。刚性间隔物40插置在电池单元10之间，其中每个间隔物40具有多个垂直的冷却气体流动通道41。电池单元10和冷却气体入口20被容纳在电池模块壳(未示出)中。

图2示出根据一实施方式的电池模块100在电池单元10的正常操作情况期间的剖面。以下关于图1和2描述了冷却气体阀30在电池单元10的正常操作模式期间的功能。

冷却气体阀30包括基本上l形的剖面，具有固体金属片作为第一部分31以及包括内部穿孔36(例如开口)的金属片作为第二部分32。第一部分31和第二部分32在连接线33处被焊接在一起，并围住约100°的角度。冷却气体阀30经由连接线33可旋转地连接到第二侧壁22。因此，连接线33可以包括轴承(未示出)，该轴承容纳轴(未示出)并附接到第二侧壁22。螺旋弹簧(未示出)可以布置在轴承中并被构造为保持第一部分31基本上平行于第二侧壁22。在冷却气体阀30的这个第一位置30a(例如敞开的位置)中，第二部分32的外周边缘35与第一侧壁21紧密接触地放置。

在所述多个电池单元10的每个的正常操作情况期间，冷却气体流，例如来自车辆的客厢的预处理过的空气，在冷却气体入口20中向上流动。冷却气体经由穿孔36穿过第一位置30a中的冷却气体阀30的第二部分32。冷却气体入口20与冷却气体流动通路42连续，包括电池单元10上方的第一室和电池单元10下方的第二室。从冷却气体入口20起，冷却气体穿过间隔物40中的冷却气体流动通道41向下流动到冷却气体通路的第二室中。然后，加热后的冷却气体经由电池模块壳(未示出)的左下角中的排气装置(未示出)被排出。在图2中，冷却气体流由箭头指示。

图3示出根据一实施方式的电池模块100在第一电池单元10的异常操作情况期间的剖面，图4示出根据一实施方式的电池模块100在第二电池单元10的异常操作情况期间的剖面。关于图3和4描述了冷却气体阀30在电池单元10的异常操作模式期间的功能。

图3显示了在所述多个电池单元10中间的中间电池单元10处于异常操作模式即热失控。由于电池单元10中产生的过量的气体，中间电池单元10的电池壳体17膨胀。具体地，膨胀的第一宽侧表面18b和膨胀的第二宽侧表面19b在电池壳体17的底部与盖组件14之间的中间以最大偏移膨胀。由于膨胀的第二宽侧表面19b，相邻的刚性间隔物40和相邻的最外电池单元10移位，即倾斜，从而使冷却气体入口20的第一侧壁21变形。

图4显示了所述多个电池单元10中的最外电池单元10处于异常操作模式，即热失控。由于电池单元10中产生的过量的气体，最外电池单元10的电池壳体17膨胀。鼓胀的第二宽侧表面19b面对冷却气体入口的第一侧壁21。因此，膨胀的第二宽侧表面19b的偏移直接使冷却气体入口20的第一侧壁21在电池壳体17的底部与最外电池单元10的盖组件14之间的中间以最大偏移变形。

在图3和4的两种情形下，变形的第一侧壁21b将冷却气体阀30的第二部分32的外周边缘35推向第二侧壁22，因而使冷却气体阀30从其第一位置30a(见图2)旋转到其第二位置30b(例如关闭的位置)。由于外周边缘35大致放置在膨胀的电池单元10的膨胀的第二宽侧表面19b的最大偏移的高度处，因此可靠地获得了冷却气体阀30的旋转。

在冷却气体阀30的第二位置30b中，第一部分31的外周边缘34与变形的第一侧壁21b接触。第一部分31是固体金属片并在垂直于图3的绘画平面的方向上沿着冷却气体入口20的整个长度延伸。因此，第一部分31在冷却气体阀30的第二位置30b中覆盖处冷却气体入口20的整个剖面。如果膨胀的中间电池单元10的内部压力达到一定的阈值压力，则排气口13破裂开，并且废气被释放到冷却气体流动通路42中。由于冷却气体入口20被处于其第二位置30b的冷却气体阀30阻挡，因此废气仅能通过电池模块壳(未示出)的排气装置(未示出)被排出。因此，避免了有害废气在上游地流体连接到冷却气体入口20的汽车的客厢中的回流。在图3和4中，箭头指示电池废气的流动方向。

附图标记

100电池模块

10电池单元

11正电极端子

12负电极端子

13排气口

14盖组件

15母线

17电池壳体

18第一宽侧表面

18b膨胀的第一宽侧表面

19第二宽侧表面

19b膨胀的第二宽侧表面

20冷却气体入口

21第一侧壁

21b变形的第一侧壁

22第二侧壁

30冷却气体阀

30a第一位置

30b第二位置

31第一部分

32第二部分

33连接线

34第一部分的外周边缘(第一外周边缘)

35第二部分的外周边缘(第二外周边缘)

36穿孔

40间隔物

41冷却气体流动通道

42冷却气体流动通路