用于电池组的单元模块和电池组的制作方法

本发明涉及用于所有应用的类型的电池结构，特别但不限于军事、航空或车辆应用。更具体地，本发明涉及包括多个电池单元的单元模块，以及包括串联和/或并联布置的多个单元模块的电池组。

背景技术：

例如，随着电动车辆和混合动力车辆的发展，电池已成为机动车辆工业中的主要问题。实际上，电池现在必须提供足够量的能量以使车辆获得足够的行程，同时具有不需要过于频繁更换电池的寿命。此外，相对于电池的效率，必须限制电池的重量和体积。最后，有益的是，电池能够在所有车辆行驶的情况下正确运行，无论是在温度、湿度还是其它条件下。

从申请wo2014198778中已知一种用于机动车辆的电池组，其包括一组电池单元和冷却装置，该冷却装置包括导热管和散热元件，散热元件包括散热片，以将热量散发到大气中。该电池组可满足前文所述的需求。然而，该电池组具有特定的结构，具有梯形形状的散热片，这不允许其在所有系统中使用。

此外，随着使用电池的系统不仅在机动车辆领域、而且还在固定领域激增，电池组的架构和特性需要能够根据每种应用的需要进行最佳调整。

因此，本发明的目的是提出一种在组装方面简单地、模块化地并且经济地形成电池组的解决方案。

技术实现要素：

为此目的，本发明涉及一种用于电池组的单元模块，所述单元模块包括一组电池单元和至少一个冷却装置，

所述冷却装置包括与至少一个电池单元的外表面接触的集热板，与集热板接触的导热管，以及安装在导热管的端部的散热元件。

单元模块的特征在于其包括

-至少两级电池单元，每一级串联连接到另一个级，并且每一级包括至少两个并联连接的电池单元，

-机械固定装置，用于将电池单元固定在冷却装置周围，

-电连接装置，用于将电池单元相互连接，

-机械和/或电气和/或电子装置，用于与其它单元模块配合。

本发明还涉及一种将在后面描述的电池组。根据本发明的单元模块旨在安装成导热管处于竖直位置，并且位于管端部的散热元件位于离地面最远的位置。因此，在整个说明书中，根据该竖直位置，将采用“底部”、“顶部”、“上方”、“下方”类型的位置用语和高度的概念。

散热元件包括一个堆叠在另一个之上的一组散热片，以便使空气能够在散热片之间循环。这些散热片优选为方形，其尺寸不超过或稍稍超过电池单元的级的截面。

因此，通过配合装置和对体积的考虑，根据本发明的单元模块提供的优点在于，能够与其它单元模块简单地布置，以产生完整的电池组。此外，通过共用导热管，在数个电池单元之间分享冷却功能，能够降低电池组的成本，并且还可以在单元模块内获得更均匀的温度分布。

在本发明的有利实施方案中，所述机械固定装置包括顶盖，所述顶盖由电绝缘材料制成并具有凸耳形状的轮廓，该盖安装在最高的级的电池单元上。

在本发明的有利实施方案中，所述机械固定装置包括分隔元件，所述分隔元件由电绝缘材料制成并具有凸耳形状的轮廓，分隔元件安装在两个电池单元级之间。

顶盖和分隔元件能够保证电池单元围绕导热管的正确定位和固定。

在另一个示例性实施方案中，机械固定装置包括螺纹连接在导热管的底端上的螺母，以确保竖直地夹紧并固定电池。有利地，在固定到导热管底端上的端部接头上产生允许这种螺纹连接的螺纹。

在另一个示例性实施方案中，用于将电池单元相互连接的电连接装置包括电力传输装置和电流传输装置。这些装置的布置使得单元模块本身具有“+”极和“-”极。这些电连接装置包括例如电连接线。在这种情况下，为这些电线提供保护元件是有用的，以防止它们受到外部攻击。

在另一个示例性实施方案中，单元模块进一步包括电子电路板，该电子电路板包括用于管理电池平衡的装置。与前面提到的连接装置相关联的电子电路板能够从每级电池获取电压，还能够平衡电池。这些元件将在后面的实施方案的描述中详述。

在示例性实施方案中，用于与其它单元模块配合的机械装置包括安装在单元模块上的接合元件，电气配合装置包括安装在单元模块上的连接件，这些连接件分别具有“+”极性或“-”极性或者两个极性。优选地，接合装置包括方形板，其尺寸类似于散热元件的散热片的尺寸，以便不改变单元模块的体积。

在另一个实施方案中，冷却装置包括第二导热管。将使用图6和图7详细描述该实施方案。

本发明还涉及一种电池组，其包括至少两个根据本发明的单元模块。这些模块可以串联和/或并联连接。将使用图8和图9详细描述这种模块。

根据本发明的单元模块的优点在于，其代表了一种易于使用的解决方案，其仅需要一种布置和一些电气和/或电子连接以形成具有所期望的尺寸和所期望的特性的电池组。

附图说明

本发明的其它目的和优点将在以下优选但非限制性的实施方案的描述中变得清楚，所述实施方案通过以下附图说明，附图中：

·图1示出了根据本发明的电池组的单元模块的第一示例，

·图2、图3、图4和图5详细显示了如图1所示的单元模块的某些元件，

·图6和图7示出了根据本发明的电池组的单元模块的第二示例，

·图8和图9示出了根据本发明的电池组的示例。

具体实施方式

图1和图2示出了单元模块，其包括冷却装置，该冷却装置本身包括导热管1，集热板2以及由钎焊到导热管1上的散热片形成的散热元件3。散热片由铝制成，并覆盖一层薄薄的铜，以能够与导热管进行钎焊。由铜制成的导热管长为420mm，外径为9.5mm。

集热板具有碟形形状，旨在符合圆柱形电池单元的轮廓。这些板位于导热管上，根据单元模块所需的结构的功能来确定位置。就像散热片一样，这些集热板优选用铝制成，这在减轻整体重量方面具有优势。

因此，在图1的示例中，单元模块包括五个电池级(e1、e2、e3、e4和e5)，每个电池级包括四个电池单元4。一个级的四个单元并联连接，级与级之间串联连接。

电池单元优选是相同的，例如18650型，直径18mm并且长度为65mm。包括20个电池单元的适当形成的单元模块具有以下特征：

-额定电压为18伏，

-额定能量为250wh

-最大直流电功率为500w，

-由冷却装置消散的焦耳损失为40w。

在另一个示例性实施方案中，电池单元为21700型，直径21mm并且长度为70mm。使用这种较大类型的电池可以使电池组的容量增加近45％，而电连接的数量不变。

单元模块还包括机械固定装置和电连接装置，它们在图2至图5中详细示出。

因此，导热管1在其端部5上具有带螺纹的端部接头，使得可以接收紧固螺母以确保电池竖直地固定在导热管上。此外，凸缘6安装在导热管上，位于散热元件3与级e1之间。该凸缘用于接收能够与其它单元模块连接和/或配合的元件，以形成根据本发明的电池组。在竖直紧固时，凸缘还起到机械支座的作用。

级e1的电池单元插入顶盖，如图3所示。该盖由电绝缘材料制成，例如塑料。该盖具有四个凸耳8，凸耳8可以容纳每个电池单元的端部并且可以保证四个单元相对于彼此的正确定位。

该顶盖7还包括用于连接电池单元的电连接装置，其形式为通过顶盖侧面上的狭缝9插入的金属板，该金属板与同一级的四个电池单元的电极接触。该金属板通过舌片10延伸，舌片10能够将在该级收集的电流传输到单元模块和电子电路板的底部，这将在后面使用图5进行描述。本文具体说明了舌片10存在于单元模块的整个高度上。

单元模块还包括分隔元件，分隔元件的一个示例在图4中示出。分隔元件13安装在两个电池级之间。以类似于顶盖的方式，分隔元件由电绝缘材料(例如塑料)制成，并且具有四个凸耳以确保电池相对于导热管正确定位,并且相对于其它级的电池单元正确定位。

这种分隔件有利地具有由导电材料制成的波纹状的凸起11，其具有一定的弹性。这些与上方的级的电池以及下方的级的电池接触的凸起具有以下几种功能：

-它们可以对安装在该分隔元件中的电池单元施加轻微的预应力。

-它们可以消除不同电池级和导热管1之间的某些膨胀差异或两者的差异，

-它们可以使电池单元的电极相互连接。

分隔件还包括连接到这些金属凸起的连接线12，其使得可以将信息传输到电子电路板并确保电池的平衡，这将在后面描述。

可以看出，舌片10和连接线11没有显示在示出了根据本发明的单元模块的图1中。实际上，模块还包括夹在分隔元件13上的塑料盖14，这使得可以保护电连接。

然后根据以下步骤安装这种单元模块：

-首先将接合件15穿过导热管，所述接合件15夹在凸缘6上，并且随后能够与其它单元模块连接以形成电池模块，

-然后穿入如图3所示的顶盖7，直到其与接合件15邻接，

-然后，将级e1的四个电池单元定位顶盖中，

-然后穿入如图4所示的分隔元件13，根据电池级的需求将最后两个步骤重复多次；

-在最后一级单元放置到位后，安装底部支撑件20，底部支撑件20将使用图5进行描述，

-最后，在位于导热管端部处的螺纹端部接头上安装紧固螺母，并且机械地紧固组件。

该底部支撑件20由电绝缘材料(例如塑料)制成，包括凸耳21，凸耳21能够定位最后一级的电池单元的底部。它还包括四个连接件22，连接件22安装在单元模块的四个侧面上，这将能够连接单元模块。

其中一个连接件具有模块的“-”极性，其中一个连接件具有模块的“+”极性，而分别面向彼此的另外两个连接件具有两个极性。

支撑件20还包括电子电路板，电子电路板收集模块的级的信息。在包括数个模块的电池组的情况下，该电子电路板包括用于将信息传输到中央电子单元的装置。该电子电路板还可以通过从电压最高的电池中获取将会在电阻器(其安装在该电子电路板上)中消散的能量，来管理模块的不同电池单元的平衡。随着能量在导热管的底端消散，促进了热量向散热元件的散热片的散发。通过这种方式，如果需要，还可以设想用于加热电池。实际上，在电池组安装在非常寒冷的环境中的一些应用中，有时加热电池单元以改善启动是有用的。在这种情况下，可以构思用于防止散热装置的散热片中的空气循环的装置，以便不会损失在导热管中循环的热能。

现在将基于图6和图7描述单元模块的另一个示例。该模块的特征在于它包括两个导热管。实际上，在如前所述的模块中，可能担心会损失导热管内部所存在的局部真空，这将导致管道将不再能够把收集的热量排放到散热元件的故障。然而，虽然会保留沿着导热管的竖直传热，但是热量的排出效率将低很多，并且不足以满足大多数设想的应用。

为了弥补这个缺点，在这个示例中，在热量排放水平上实施冗余。因此，图6和图7中所示的模块包括两个导热管30和31，其上安装有集热板。在该示例中，导热管的截面不是圆形的而是椭圆形的，这使得可以优化电池单元的布置。因此，每级可以有五个电池单元。

导热管优选地由具有非常好的导热性的材料制成。因此，在其中一个导热管(由于局部真空的损失)发生故障的情况下，待冷却的电池消散的热量(其将要到达不工作的导热管)将通过传导，来传递至工作的导热管，以排放至散热元件。

本文表明，尽管未示出，但是如图6和图7所示的单元模块包括那些类似于前述示例所述的机械固定、电连接和其它元件。

前面描述的单元模块可以有利地彼此布置成形成完整的电池组。串联或并联安装的模块数量取决于完整的电池组所期望的特性。根据本发明的单元模块的使用允许大量配置，因此可以构造最符合所期望的应用的电池组。

实际上，串联连接的模块的电压叠加在一起，并联的模块的电流叠加在一起。因此，串联连接的模块的数量将取决于完整电池组所需的电压水平，并联连接的模块的数量将取决于电池组中应有的能量的量，或者取决于后者应供应的电流。

图8以横截面示出了符合图1的单元模块的布置的平面图，图9示出了完整电池组的示例。

图8的组包括如下布置的九个单元模块：三个模块串联连接，每组串联的三个模块并联连接到另一个组。本文表明连接的顺序是无关紧要的，即可以在模块中并联三个，然后将每组并联的三个模块串联连接到另一组。在模块40上，可以清楚地看到四个电池单元和四个连接件41、42、43和44，它们具有如前面使用图5所描述的单元模块的极性。

对于操作的布置，安装单元模块时应当匹配极，以便能够协作。因此，对于串联安装，一个单元模块的“+”极连接到另一个单元模块的“-”极，并且对于并联安装，承载双极性的连接件面向相同的连接件放置。

然后，如图9所示，完整的电池组有利地安装在壳体或其它容器中，以保护其免受外部攻击(温度、水、灰尘等)。容器必须用作与由电池组供电的外部系统的接口，并且尤其包括电连接，或者甚至包括能够冷却的通风元件。