电池包的制作方法

1.本发明涉及一种包括电池模块的电池包。该电池包适用于电动车辆和其它用途。


背景技术：

2.电池包的市场正在不断增长，尤其是用于电动车辆。典型情况下，电池包可包括许多电池芯，成组的电池芯可在电池包内封装成电池模块。电池模块可通过母线互连。电池模块和母线理想地封装在电池包内，以在制造、使用和维护期间提供高能量存储密度、轻重量和安全操作特性。


技术实现要素：

3.根据本发明的第一方面，提供了一种电池包，该电池包包括：从电池包的前部向后部布置成一排的多个电池模块，所述多个模块被配置成使得在使用时电流沿着电流路径从电池包的前部向后部流过第一子组多个模块，并且从电池包的后部向前部流过第二子组多个模块，其中所述第二子组的至少一个模块位于所述第一子组的至少两个模块之间。
4.这种布置形式可允许通过所述一排电池模块的电流路径的两端位于电池包的同一端，同时使每条母线较短，因而减少对母线的附加支撑的要求，并减少使用时的热膨胀效应。
5.所述多个电池模块可被布置为所述一排中的成对的相邻模块，每对的模块直接串联电连接在一起。这种布置形式可使每条母线较短，从而避免了提供较长母线的要求。减少所需的母线长度可减少质量和成本。较长的母线通常需要更多支撑，并且在使用时还可能有更大的热膨胀问题。
6.第一子组模块可通过电池包后部的电流中断装置连接至第二子组模块。所述电流中断装置可包括熔断器，和/或可包括开关。
7.将电池模块布置为两个子组并在这些子组之间布置电流中断装置可实现两个子组的安全断开，从而限制这排模块中的任何两点之间的最大电压差，以实现更安全的操作。将熔断器布置在两个子组之间可实现防止与不同子组相关联的母线之间短路的布置。与将电流中断装置布置在电池包内的中间模块之间的情况相比，将电流中断装置布置在电池包的后部可实现更紧凑的布置，因为可更紧密地封装电池模块，并且电池包的端部可以是锥形的，从而在锥形部分之间为电流中断装置提供空间。这还能在维护期间方便地接近熔断器和/或开关。
8.每个电池模块的第一端可包括第一端子，并且位于这排电池模块的第一侧，每个电池模块的第二端可包括第二端子，并且位于这排电池模块的相对的第二侧。所述一排中的电池模块可被布置成使得这排中的相邻电池模块在这排的第一侧具有相反极性的端子。在一些布置形式中，这能允许电池模块的互连而不会使母线交叉，这减少了对母线之间的绝缘的要求，并且允许在不使母线交叉的前提下沿着电池包的长度设置用于布设其它电路的通道。例如，所述电池包可包括在这排电池模块的第一侧的母线与这排电池模块的相对
侧的母线之间的区域中沿着这排电池模块布置的电池管理电路。
9.所述电池包可包括从电池包的前部向后部布置成另外的一排的另外的多个电池模块，所述另外的一排电池模块与所述一排电池模块相邻，其中所述另外的多个电池模块被配置成使得在使用时电流沿着另外的一条电流路径从电池包的前部向后部流过第三子组另外的多个电池模块，并且从电池包的后部向前部流过第四子组另外的多个电池模块，其中所述第四子组的至少一个模块位于所述第三子组的至少两个模块之间。
10.所述排和所述另一排可具有相同的电池模块总体布置形式。尤其是，每排可由相同数量、类型和取向的模块组成，从而在重量分布和匹配电阻特性方面提供均衡的设计，以便于在这些排并联连接的情况下实现负载均衡。
11.所述电池包可在第一配置和第二配置之间切换，在第一配置中，所述多个电池模块与所述另外的多个电池模块串联连接，在第二配置中，所述多个电池模块与所述另外的多个电池模块并联连接。
12.这种布置形式能允许选择不同的充电和/或放电电压。
13.电动车辆可包括如任何前述段落所述的电池包。
14.如前述段落所述的电池包尤其适合用于电动车辆。
15.通过在下文中参照附图做出的本发明的实例的说明，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
16.为了更容易理解本发明，现在将参照附图说明本发明的实例，在附图中：
17.图1是一个实例的电池包的示意性平面图，示出了电池模块的布置；
18.图2是图1的电池包的电池模块的示意图；
19.图3是图1的电池包的示意图，示出了将电池模块互连起来的母线的布置；
20.图4是图1的电池包的示意图，示出了布置在母线之间的区域中的电池管理电路；
21.图5是图1的电池包的一部分的透视图，示出了布置在连接至一排电池模块的端子的母线与连接至相邻的一排电池模块的端子的另一条母线之间的绝缘材料屏障；
22.图6是承载图1的电池包的电气部件的绝缘托盘的俯视图，该绝缘托盘在相邻母线之间提供绝缘材料屏障；
23.图7是布置在图1的电池包中的电池模块的侧边缘处的端子的透视图，示出了用于接收母线的孔口；
24.图8是图7所示的布置在电池模块的侧边缘处的端子的透视图，示出了电绝缘盖，该电绝缘盖被布置成在母线被孔口接收时遮盖母线的至少一部分；
25.图9是图1的电池包的顶面的一部分的透视图，示出了与电池模块的端子接合的母线，并示出了由框架支撑在电池包中的电池模块；
26.图10是包括如图1所示的电池包的电动车辆的示意性侧视图；和
27.图11是包括如图1所示的电池包的电动车辆的示意性平面图。
具体实施方式
28.本发明的实例是在用于电动车辆的电池包的背景下说明的。本领域技术人员应认
识到，这些实例不限于此目的。例如，在本文中说明的电池包也可用于为任何类型的工业、商业或家用目的提供和存储电能，例如用于在智能电网、家用储能系统、电力负载均衡等应用中存储和输送能量。
29.在所说明的实例中，所述电池包包括电池模块，每个电池模块包括多个电池芯，这些电池芯是所谓的方形蓄电池，并且是大致立方形的。但是，在其它实例中，电池模块可包括其它形式的电池，例如圆柱形电池。所述电池芯可以是锂离子、锂离子聚合物、镍金属氢化物、镍镉、镍氢、碱性或其它电池类型/配置。所述电池芯连接在电池模块内，以在电池模块的两个端子之间提供电压。电池模块安装在电池包结构内的框架上。
30.图1至图4示出了电池包的一个实例，图5至图9更详细地示出了该电池包实例的特征。图10和图11示出了包括所示的电池包实例的电动车辆。相同的附图标记用于表示每个附图中的相同或相似的特征。
31.图1示出了所示的电池包1的实例包括十六个电池模块2a-2p，这些电池模块被布置为第一排3a和第二排3b，每排有八个电池模块。每排3a、3b从电池包的前部向后部布置，前部在左侧，后部在右侧，如图所示。如图1所示，电池模块2a和2i朝向电池包的前部布置，电池模块2h和2p朝向电池包的后部布置。每个电池模块2a-2p具有包括第一端子4a-4p的第一端和与第一端相对的包括第二端子5a-5p的第二端。第一排3a的电池模块2a-2h的第一端子4a-4h布置在这排3a的第一侧，第一排3a的电池模块2a-2h的第二端子5a-5h布置在这排3a的相对的第二侧。沿着所述排3a交替布置的第一端子具有相反的极性，相应地，沿着所述排3a交替布置的第二端子具有相反的极性。在所示的实例中，端子5a、4b、5c、4d、5e、4f、5g和4h具有正极性，端子4a、5b、4c、5d、4e、5f、4g和5h具有负极性。
32.类似地，对于第二排3b，第二排3b的电池模块2a-2h的第一端子4i-4p布置在第二排3b的第一侧，并且第二排3b的电池模块2a-2h的第二端子5i-5p布置在第二排3b的相对的第二侧。沿着第二排3b交替布置的第一端子具有相反的极性，相应地，沿着第二排3b交替布置的第二端子具有相反的极性。
33.根据此实例，模块2a-2p布置在单层中。其它实例可具有不止一层的电池模块。
34.图2更详细地示出了电池模块2a。电池模块2b-2p具有类似的特征。如电池模块2a的实例中所示，每个电池模块是大致立方体的形式，在第一副面上具有第一端子4a，并在与第一副面相对的第二副面15上具有第二端子5a。电池模块2a被布置成使得所述副面平行于电池包的长度。电池模块2a的主尺寸垂直于相应的一排3a电池模块，并且垂直于电池包的长度。此实例中的端子4a、5a向上延伸超过电池模块2a的上表面。
35.图3示出了所示的实例的电池包1具有母线6a-6e、7a-7e、8a-8e和9a-9e，这些母线将电池模块2a-2p的端子互连起来，以提供通过电池包的两条电流路径。每排3a、3b的电池模块提供一条电流路径。所述两条电流路径可被配置为串联或并联。每条母线在相应电池模块的端子之间提供低电阻电连接路径。母线通常由金属制成，例如可由铜或铝制成。此实例中的母线是细长的，并且基本上是平面形的。
36.如图3所示，在通过每排3a、3b的电池模块的电流路径中设有熔断器10a、10b。在所示的实例中，设置有与每个熔断器10a、10b串联的断开装置14a、14b，所述断开装置可以是开关或可移除的链路。其它实例除了设有熔断器10a、10b之外，可没有断开装置14a、14b。熔断器10a、10b和/或断开装置14a、14b可被称为电流中断装置。如下文所述，每排包括两个模
块子组，每个子组有四个模块，并且熔断器10a、10b和断路装置14a、14b位于一排中的每个子组之间。在所示的实例中，第一排3a包括第一子组和第二子组，所述第一子组包括电池模块2c、2d、2g和2h，所述第二子组包括电池模块2f、2e、2b和2a。熔断器10a位于第一子组与第二子组之间的电流路径中。第二排3b包括第三子组和第四子组，所述第三子组包括电池模块2i、2j、2m和2n，所述第四子组包括电池模块2p、2o、2j和2k。熔断器10b位于第三子组与第四子组之间的电流路径中。
37.断开装置14a、14b可在维护和修理期间使用，以通过将所述一排分成两个断开部分来限制每排电池模块中的任何两点之间的电压。在所示的实例中，每个电池模块的端子之间的电压的标称值是50伏，从而在断开装置14a、14b被设置成断开一排的两个部分时，这排的任何两个部分之间会存在标称值为200伏的最大值，与存在400伏的情况相比，这允许更安全的操作。
38.在所示的实例中，电池包1包括电池包控制电路13，该电池包控制电路13包括电池管理系统控制器和电池包重新配置电路。所述电池管理系统控制器包括处理器，该处理器被配置成接受安装在电池模块上的传感器(例如温度和/或电压传感器)的输入，并通过控制电池包的充电和/或放电来保护电池包，以将操作参数保持在安全限值之内。所述电池包重新配置电路包括半导体和/或机电开关，以允许将第一排电池模块和第二排电池模块配置为串联或并联。
39.图3利用指示电池放电期间的电流方向的箭头(叠加在相应的母线上)示出了通过第一排3a的电池模块的电流路径。电流从电池包控制电路13流向电池模块2c的负极端子；从电池模块2c的正极端子流向电池模块2d的负极端子；从电池模块2d的正极端子流向电池模块2g的负极端子；从电池模块2g的正极端子流向电池模块2h的负极端子；然后流向熔断器10a。然后电流通过熔断器10a流向电池模块2f的负极端子；从电池模块2f的正极端子流向电池模块2e的负极端子；从电池模块2e的正极端子流向电池模块2b的负极端子；从电池端子2b的正极端子流向电池模块2a的负极端子；然后从电池模块2a的正极端子流向电池控制电路13。
40.第一排电池模块2a-2h(又可称为半包)被分成两个子组(又可称为四分之一包)：第一四分之一包2c、2d、2g、2h和第二四分之一包2f、2e、2b、2a。在此实例中，每个四分之一包包括四个模块，并且每个四分之一包具有与所述排的另一个四分之一包相反的电流方向。这种布置形式允许包括两个四分之一包之间的熔断器10a、10b和/或断开装置14a、14b的电流中断装置位于电池包的后部，而不是位于电池包内的电池模块之间。通过将电流中断装置布置在电池包的后部，即使在模块被封装和/或遮盖在外壳或类似部件中时，也更容易接近熔断器和/或断开装置。这种布置形式还允许在电池包的同一端(在此情况下是在电池包的前部)取得在所述两排上产生的电压。通过在电池包的同一端取得在所述两排上产生的电压，可以将排3a、3b通过电池包重新配置电路13串联或并联连接，而无需使用从电池包的前部延伸到后部的长母线。通过将每个四分之一包布置成包括两对相邻的模块，并使这两对模块被一对模块从半包的另一个四分之一包分开，进一步避免了长母线的使用。相比之下，将四分之一包布置成四个相邻的电池模块会导致使用更长的母线。较长的母线增加成本，可能需要额外的支撑，并且可能表现出更多的热膨胀问题。
41.若所述电池包控制电路13中的电池包重新配置电路被配置成将母线7a和8a连接
在一起，则所述两排电池模块被连接为串联的十六个模块。或者，若所述电池包被配置成使得母线6a和8a连接在一起，并且母线7a和9a被电池包重新配置电路连接在一起，则分别由八个模块组成的两排并联连接。在此实例中，如前文所述，每个电池模块具有标称值为50伏的电压，从而串联布置形式提供800伏标称值，而并联布置形式提供400伏标称值。在使用时，可首先将两排模块并联连接以从大约400伏的直流充电器充电，然后串联连接以从大约800伏的电源驱动电动机，从而提高效率。或者，可将两排模块串联连接，以从大约800伏的充电器充电。电池包的放电也可布置为从两排并联的电池模块以400伏标称电压放电。如果在其中一排中检测到故障，那么可将电池包配置成仅使用一排进行充电和/或放电，以便继续使用，虽然其容量降低了。
42.图3示出了每排3a、3b的母线布置在每排的边缘处或边缘附近，在电池模块的顶面上的母线之间沿着每排的中部设有空间，该空间不受母线的阻碍。请考虑第一排3a，母线6a、6b、6c和6d位于这排3a的一个边缘处或附近，母线7a、7b、7c和7d位于这排6a的相对侧。图3示出了横跨所述排3a的电池模块2a-2h的顶面的路径，该路径不受母线的阻碍。在第二排3b的母线之间设有类似的路径。每排母线的熔断装置允许它们在所述排的每一侧紧密地封装在一起，同时在彼此相邻的母线之间发生短路的情况下提供保护。与母线进一步分开的情况相比，这种布置形式允许在所述排的每一侧的母线之间提供更大的空间。
43.图3示出了在所示的实例中每排电池模块3a、3b的至少一些母线是成对布置的。尤其是，母线6c和6d、7b和7c、8b和8c以及9c和9d成对布置。成对母线的成员布置在相应排的同一侧。一对中的母线以基本上彼此平行的关系设置，并被布置成跨过所述排中的相同的两个相邻电池模块之间的边界。例如，如图所示，母线6d连接电池模块2e和2f，并跨过模块2e和2f之间的边界25。母线6d在平行于电池模块的顶面的平面内形成为u形，母线具有宽度基本恒定的平直的中央细长段，以及与平直的中央细长段成直角地连接的两个末端段。一个末端段连接至电池模块2e的端子4e，另一个末端段连接至电池模块2f的端子4f。母线6c也在平行于电池模块的顶面的平面内形成为u形，并且母线6c也具有宽度基本恒定的平直的中央细长段。母线6c的平直的中央细长段与母线6d的平直的中央细长段并排并平行地布置。母线6d具有与平直的中央细长段成直角地连接的两个末端段。一个末端段连接至电池模块2d的端子4d，另一个末端段连接至电池模块2g的端子4g。因此，母线6d比母线6c长，并布置成不与母线6c交叉，并且在两条母线6c和6d的平直的细长中央段之间留有宽度基本恒定的间隙。
44.熔断器10a、10b布置在每对母线之间的电流路径中。例如，所述一对母线6a和6b之中的母线受到熔断器10a保护，并且所述一对母线6c和6d之中的母线也受到熔断器10a保护。在所述排3a的另一侧，成对的母线7e和7d以及7c和7b之中的母线也受到熔断器10a的保护。这是因为一对之中的一条母线将一个子组(例如包括电池模块2c、2d、2g和2h的第一子组)的电池模块连接在一起，并且这对之中的另一条母线将所述排的另一个子组(例如包括电池模块2f、2e、2b和2c的第二子组)的电池模块连接在一起。因此，若一对之中的母线一起意外短路，则电流会在包括两个子组之间的熔断器的电路中流动，并且熔断器会熔断，从而停止电流流动。类似地，在第二排中，成对的母线8b和8c、8d和8e、9a和9b以及9c和9d之中的母线受到熔断器10b的保护，以避免彼此短路。
45.图3示出了第一排3a的母线7a-7e与第二排3b的母线8a-8e相邻。尤其是，母线7a和
8a、7b和8b、7c和8c、7d和8d以及7e和8e在这些母线与设置在排之间的端子连接的位置相邻。在第一排3a和第二排3b被配置为串联连接的情况下，在母线上出现如表1所示的电压。若第一排3a和第二排3b被配置为并联连接，则在母线上出现如表2所示的电压。
[0046][0047]
在第一排3a和第二排3b串联连接时，存在与第二排3b的母线相邻并且在相邻母线一起短路的情况下受到一个或多个熔断器的保护的第一排3a的母线。例如，若相邻的50伏母线7c和750伏母线8c一起短路，则导致的电流会流过熔断器10a和10b，并且至少一个熔断器会熔断，从而停止电流。此外，若相邻的150伏母线7e和650伏母线8e一起短路，或者若相邻的200伏母线7d和600伏母线8d一起短路，则熔断器10a和10b之中的一个或两个会熔断。
[0048]
在第一排3b和第二排3a处于串联连接的配置时，还存在与第二排3b的母线相邻并且在相邻母线一起短路的情况下不受熔断器保护的第一排3a的母线，例如相邻的300伏母线7b和500伏母线8b。与在其间设有熔断器的相邻母线相比，为这些母线提供了附加的电绝缘层12a、12b。下面将结合图5更详细地说明附加的电绝缘层12a、12b。
[0049]
在相邻的第一排3a的母线7a和第二排3b的母线8a之间设有附加的电绝缘层11。母线7a是未被布置为连接第一排的电池模块的一对母线的单独的母线，并且母线8a是未被布置为连接第二排的电池模块的一对母线的单独的母线。如果排3a和3b以串联配置连接，那么这两条母线处于相同的电压，即，400伏；但是在排3a和3b以并联配置连接时，母线7a处于400伏电压，而母线8a处于0伏电压。下面将结合图6更详细地说明母线7a与母线8a之间的附加的电绝缘层11。
[0050]
在第一排3a和第二排3b串联连接时，熔断器10a、10b在电池包内位于200伏和600伏点。在有相邻母线、并且一条母线的电压低于或等于200伏而另一条母线的电压高于或等于600伏的情况下，这些母线受到至少一个熔断器的保护。在有相邻母线、并且一条母线的电压高于200伏而另一条母线的电压低于600伏的情况下，在母线之间设置额外的电绝缘部件以防止短路。
[0051]
图4示出了在母线之间设置的不受阻碍的空间可用于布置电池包的部件，例如，在所示的实例中，可用于布置电池管理系统的线束16。线束16沿着母线之间的排3a布设，这些母线具有与图3中相同的附图标记。位于电池包的前部的电池包控制电路13的电池管理控制器通过电池管理系统的线束16中的接线连接至传感器17a、17b。通过这种方式，线束不需
要跨过母线。跨过母线可能会引起电噪声，和/或存在电气安全隐患。
[0052]
图5示出了所示的实例中的母线7b和8b之间的附加的电绝缘层12a。所述附加的电绝缘层是绝缘材料的物理屏障的形式，包括布置在母线所连接的电池模块的相应端子连接器之间的基本上平面形的壁。如图5所示，在此实例中，母线的一部分覆有电绝缘层，但是连接至模块的连接端子的母线端部未被电绝缘层覆盖。
[0053]
图6示出了在所示的实例中设置在母线7a和8a之间的附加的电绝缘层11的更多细节。附加的电绝缘层11是绝缘材料的物理屏障的形式，包括承载电池包的电气部件的绝缘托盘，该绝缘托盘在相邻母线之间提供由电绝缘材料构成的屏障。托盘的支撑件(未示出)布置在母线所连接的电池模块2a、2i的相应端子之间。托盘的支撑件在母线7a和8a之间提供绝缘壁。在一个替代实例中，母线7a和8a之间的附加的电绝缘层可包括按照与图5所示的布置形式类似的配置布置在母线所连接的电池模块的相应端子之间的基本上平面形的壁。应理解，可在电池包内可能发生短路的任何位置提供绝缘材料的物理屏障或壁的形式的附加电绝缘层。
[0054]
图7、8和9示出了电池模块2a的端子4a的透视图，该端子4a作为第一和第二实例中的端子4a-4p和5a-5p的代表性实例。端子4a又被称为端子连接器4a。从图中能够看出，端子4a向上延伸超过电池模块2a的上表面。图9示出了母线6d、7b是基本上平面形的细长的模块间连接器，它们连接至相应的端子4e、4f，并穿过电池模块的上表面。能够看出，在相应电池模块的侧边缘处，每个电池模块的端子被布置成较靠近该排的第一侧，而较远离该排的另一侧。
[0055]
图7、8和9还示出了每个端子4a、4e、4f、5e具有孔口21，该孔口21基本上与相应的电池模块的上表面对准，并被配置成接收母线6d、7b。每个端子具有电绝缘盖19，该电绝缘盖19被布置成遮盖邻近孔口的母线的至少一部分。
[0056]
在所示的实例中，每个端子4a、4e、4f、5e从相应的电池模块2a、2f、2e的侧边缘突出，并且孔口21面向相应的电池模块。所述端子在相应的电池模块的顶面的平面内具有基本上为矩形的横截面。用于接收母线的孔口21位于模块的顶部边缘处或稍高于顶部边缘，从而母线可沿着模块的顶面布置。电绝缘盖19可被称为罩，它在未被电绝缘层覆盖的母线部分上延伸至绝缘部分，这在组装和维护期间提供了电气安全性。
[0057]
图9示出了电池模块2e、2f被框架22支撑在电池包中。
[0058]
图10和11示出了具有如所示的实例所述的电池包1的电动车辆23的示意性侧视图和示意性平面图。电池包1安装在车辆23的下面，以便于维护，并提供较低的质心以提高车辆转弯时的稳定性。
[0059]
上述实例应被理解为本发明的示例性实例。还设想了本发明的其它实例，例如，可设有单排电池模块，或者可设有不止两排电池模块。一排中的模块可多于或少于8个，并且可在电池模块的端子处提供多种标称电压。例如，可提供25伏标称电压或其它电压。根据电池模块的充电状态，电池模块提供的实际电压在使用时会不同于标称电压。在其它实例中，电池模块可具有与所述实例中的形状不同的形状，例如，电池模块可不具有与相应的一排电池模块垂直的主尺寸。例如，电池模块的形状可使得主尺寸平行于所述一排电池模块，并且端子可不位于电池模块的副面上。
[0060]
应理解，与任何一个实例相关联地说明的任何特征可单独使用，或者与所说明的
其它特征结合使用，并且还可与任何其它实例的一个或多个特征结合使用，或者与任何其它实例的任何组合结合使用。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，也可采用在上文中未说明的等同形式和修改形式。