能量模块的制作方法

1.本主题涉及能量模块。更特别地，本主题涉及其中堆叠有多个单元电池的能量模块。


背景技术：

2.不同于无法再充电的一次电池，可再充电电池基本上能被充电或放电。通常，在低容量电池中，仅一个电池被封装成电池组形状，该低容量电池可用作各种紧凑型和便携式电子设备(如移动电话等)的电源。而在高容量电池中，将几个电池串联或并联连接，该高容量电池可用于用电设备(例如，充电宝、笔记本电脑)，或者驱动电动机(例如，电动踏板车、混合动力车辆等)。
3.提出了一种电池作为用于像电动车辆和各种其他应用之类的用电设备的清洁、高效和环境负责型电源，其中一种类型的电池就是锂离子电池，锂离子电池可再充电并且能形成为使得电动车辆中可用的空间被高效填充的各种各样的形状和尺寸。在电池单元模块中能设置多个锂离子电池单元的组合，以提供或产生足以运行用电单元且尤其是便携式用电设备的电量。
4.通常，常规能量模块包括以堆叠配置而布置的多个电池单元，并且还与电气设备电连通。进一步地，每个电池单元均包括阴极端子和阳极端子，其中端子以串联和并联配置的组合进行电连接，以使能量模块的电压输出和运行时间最大化。在某些设计中，电池盖必须设置在电池单元的堆叠上方，以隔离和保护每个电池单元的阳极端子和阴极端子。
附图说明
5.参考附图描述来描述具体实施方式。在所有附图中，相同的附图标记用于指代相似的特征和部件。
6.图1是根据本发明的一个实施例的能量模块的立体图。
7.图1a是根据本发明的一个实施例的能量模块的分解图。
8.图2是根据本发明的一个实施例的多个锂离子圆柱形电池单元的截面图。
9.图3是根据本发明的一个实施例的用于锂离子圆柱形电池单元的端子b的铆钉的截面图。
10.图3a是根据本发明的一个实施例的基于弹性构件的电连接器系统的分解图。
11.图4是根据本发明的一个实施例的用于锂离子圆柱形电池单元的端子b的铆钉的截面图。
12.图5是根据本发明的另一实施例的电池单元保持器外壳的分解图。
具体实施方式
13.电池行业在不断扩展以满足便携式装备、运输和通信市场日益增长的能量需求。基于锂离子的能量设备因其高能量密度、密封设计以及在世界市场上的高可用性而正在成
为工业标准电池。
14.通常，电池被分类为一次电池和二次电池，其中一次电池也被称为一次性电池并主要旨在被使用到能量耗尽，在这之后，该电池只是被一个或多个电池替换。二次电池通常被称为可再充电电池，其能被重复地再充电和重复使用，因此与一次性电池相比，二次电池长期看是经济的，也是环保的。
15.虽然相较于一次电池，可再充电电池提供了许多优点，但也有着一些基于所用电池的化学性质的缺点，这是因为与一次电池单元相比，二次电池单元的这些化学性质较不稳定。进一步地，由于这些相对不稳定的化学物质，在制造期间通常需要对二次电池单元进行特殊处理。
16.锂离子电池典型地配置为二次电池(可再充电电池)，其工作与否主要取决于在正电极和负电极之间移动的锂离子(li+)。在充电和放电过程中，li+内置于两个电极之间并在这两个电极之间行进；li+从正电极移开，电解质内置于负电极中。因此，负电极处于富锂状态。当充电时，锂离子电池通常使用包含锂的材料作为电极，这是现代高性能电池的代表。
17.进一步地，锂离子电池以多种变体进行生产；最流行的锂离子电池有着最高的能量密度，其使用了钴或镍钴氧化物阳极。这些电池如过热时还具有缺点；它们往往产生其自身的内部氧供应。更特别地，在高温下，氧从阴极的氧化物材料中释放，这因许多原因而发生，像内部短路、过度充电或任何其他原因。由于氧和燃料对于电池单元都是内部可用的，因此火能在单个电池单元内起燃，并且难以用常规方法熄灭，从而可能导致安全风险。
18.此外，诸如锂离子电池的二次电池往往比一次电池更容易遭受热失控，并且发生热失控的主要原因是，当内部反应速率增加到热产生速率大于热去除速率的点时。此外，反应速率和放热反应均进一步增加。因此，在能量设备中产生的热值将高到足以引起电池和紧邻电池的材料燃烧。热失控的主要原因是电池单元内的短路、电池单元的不当使用、物理滥用、制造缺陷或将电池单元暴露于过度的外部温度。
19.热失控这个问题之所以重要，是因为热失控的单个事件就能导致严重的物理伤害\损害，并且在一些情况下，它还能导致人身伤害或失去生命。当电池处于热失控状态时，电池通常发出大量的烟雾、燃烧的液体电解质的射流以及显著的热量，这导致电池附近的周围部件燃烧并受到破坏。而且，如果电池组具有一堆电池单元，那么单个热失控事件将立即引起多个电池单元的热失控，因此，可能引起对这堆电池单元及其周围部件的广泛损坏。进一步地，如果初始火焰未被立即熄灭，那么因热失控状态而产生的火焰也有助于增加特性损坏的效果，无论能量设备是由单个电池单元还是多个电池单元构成。
20.以笔记本电脑或电动车辆中的热失控为例，在没有任何人类依赖的情况下，笔记本电脑中的热失控不仅能导致对笔记本电脑的损坏，而且能导致对笔记本电脑附近的周围环境(如家庭、办公室、汽车等)的至少一些损坏。并且，如果笔记本电脑电池被安装在飞行器板上，那么就可能发生最坏的情况，因热失控产生的烟雾能在更苛刻的情形中导致致命的碰撞着陆或紧急着陆。类似地，以电动车辆为例，混合动力车辆或电动车辆的电池组中的一个或多个电池的热失控不仅损坏车辆，而且能造成事故和车辆部件周围的环境的损坏。进一步地，为了克服热失控效应，使用阀来从电池单元中排出气体，但是当需要从被一起配置成形成能量模块的一组电池单元中排出气体时，以及需要通过受控的排放从能量模块中
排出气体以使封闭的能量模块气体压力保持在目标极限内来实现能量模块的安全工作时，问题产生。而且，在现有技术中，为了克服热失控，锂离子圆柱形电池单元通过点焊连接到共用集流条。进一步地，这个过程要求高精度，这是因为这个过程可能损坏电池单元端子，并且校正单个电池单元中的误差将是不可能的，最终它可能导致整个能量模块报废，而这是不期望的。进一步地，现有技术中已经采用的另一种方法是将电池单元端子固定在电池单元保持器组件中。电池单元端子经由铆钉型电接头与电流条接触。进一步地，这里由于两个端子在制造期间以及在生产线中看起来相似，因此存在端子被更换或混合的可能性。另外，由于铆钉的冲击吸收能力较小，因此由热失控引起的冲击将不会被电池单元吸收。之所以出现这种情形，是因为用于在热失控期间从能量模块中排出气体的空间受到阻碍。该空间由于电池单元的两侧因铆钉的存在而变成固定(刚性的，rigid)或减小而受限，而铆钉最终可能损坏这些电池单元。因铆钉的存在而导致的空间受限还会导致火的传播，而这两者都是不期望的。因此，需要一种改进的且高效的能量模块或能量设备，克服现有技术的所有上述问题和其他问题。
21.因此，存在设计具有电连接器铆钉的高效能量模块的挑战，该高效能量模块能妥善容纳锂离子圆柱形电池单元，而无需在静态用电设备或移动用电单元的设计和制造设置中进行任何重大改变。
22.因此，需要具有改进的能量模块，克服上述所有问题和本领域中已知的其他问题。
23.本发明提供了解决上述问题的方案，同时以低成本、易于制造等满足了在用电单元中进行最少修改的要求。
24.考虑到上述目的，本发明涉及能量模块，并且更特别地，涉及对能量模块的改进安装，其中电池单元中的一个或多个端子连接到集流条，并且在电池单元的至少一个端子上，基于弹性构件的电连接器系统与铆钉连接，以从能量模块中排出来自每个电池单元的不期望的气体，其中能量模块由多个电池单元和内置阀构成，以针对每个单独的电池单元将不期望的气体排出，由此使其安全且可靠，并且还增加了组装的便捷性。
25.根据本发明的一个方面，能量模块由或是串联或是并联连接的、布置在电池单元保持器外壳中并用外盖覆盖的锂离子圆柱形电池单元(简称为电池单元)构成。进一步地，根据本发明的一个方面，能量模块的电池单元保持器外壳包括狭槽，该狭槽将这堆电池单元(电池)容纳在其内部，还根据本发明的一个方面，电池单元保持器外壳在从后侧观察时具有向能量模块提供强度的肋型突起。进一步地，根据本发明的一个方面，能量模块的电池单元保持器外壳包括两个部分：顶部分和底部分，其中两个部分均具有孔以将集流条与铆钉组装，从而确保集流条在电池单元保持器外壳上的刚性安装。进一步地，根据本发明的一个方面，能量模块的外盖本质上是滑动的，该外盖包括用于通过传导冷却来消散来自锂离子电池单元的热量的孔。
26.根据本发明的一个方面，能量模块由具有集流条的多个锂离子圆柱形电池单元构成，其中多个锂离子圆柱形电池单元具有两个端部(端子a和端子b)，其中多个基于弹性构件的电连接器系统用铆钉连接到电池单元的至少一个端子，这确保了操作者在组装线中将多个电池单元正确组装在模块中，并且还以电池单元端子颠倒的形式来限制错误组装。进一步地，根据本发明的一个方面，电池单元其余的相对端子用铆钉连接到集流条，并且每对集流条均与矩形形状的连接条连接，从而确保电池单元的连接或是串联或是并联。
27.进一步地，根据本发明的另一方面，在电池单元保持器外壳和电池单元保持器外壳的外罩之间结合具有热绝缘和阻燃特性的防护罩，防止在因电池单元的热失控效应而引起火灾的情况下传播热量和火焰。进一步地，这个防护罩能被结合在电池单元之间，这将增加对电池单元的保护。
28.根据本发明的一个方面，基于弹性构件的电连接器系统包括三个部分，即上部环、中部线圈和下部盘。上部环连接到电池单元的至少一个端子。中部线圈用作减震器，其中中部线圈吸收因热失控效应而在电池单元中发生的冲击。下部盘用铆钉与集流条连接，这在热失控效应期间保护电池单元。在热失控期间，电池单元内部的阀打开并从电池单元端子释放气体，并且安装有基于弹性的电连接器的特定端子因此能被压紧，从而允许容易打开阀，并且进一步地，气体通过外盖和铆钉中的孔释放到大气中，由此确保气体从能量模块完全排放。
29.进一步地，根据本发明的一个方面，上部环由正温度系数材料构成，当电池单元温度高于阈值点时防止电流流动。进一步地，这个机构有助于在导致温度升高到安全极限以上的故障的情况下电断开电池单元。
30.进一步地，根据本发明的另一方面，用于一堆锂离子圆柱形电池单元的电池单元保持器外壳是分体式的，其中这堆电池单元放置在单独的隔室中。根据本发明的另一方面，这堆电池单元由具有开口的覆盖构件覆盖。覆盖构件在本质上是滑动的，覆盖构件包括开口以通过传导冷却来消散来自多个锂离子电池单元的热量。
31.在随后的示范性方面中，一堆电池单元是锂离子圆柱形电池单元。然而，可以预期，在不违背本发明的精神的情况下，本发明的构思可应用于还可能易受爆炸和火灾危害的任何其他高密度离子技术(具有相对的端子)中。
32.下面参考附图详细描述本发明的各种其他特征。在附图中，相似的附图标记通常表示相同的、功能类似的和/或结构类似的元件。附图中首次出现的元件由对应附图标记中最左边的数字表示。参考附图，其中在所有几幅视图中，相同的附图标记将用于标识相同或类似的元件。进一步地，本主题能在圆柱形电池单元的两个端子上实施。
33.图1示出了能量模块的立体图，图1a示出了能量模块的分解图。根据本发明的一个实施例，能量模块(100)由多个锂离子圆柱形电池单元(200)(如图1a所示)构成，多个锂离子圆柱形电池单元(200)或是串联或是并联连接地布置在电池单元保持器外壳(101)中并用外盖(106)覆盖。进一步地，根据本发明的一个实施例，能量模块(100)的电池单元保持器外壳(101)包括将一堆电池单元(电池)(200)容纳在其内部的分割的狭槽(110)。进一步地，在本发明的一个实施例中，电池单元保持器外壳(101)在从背侧观察时具有肋型突起(113)，其对电池单元保持器外壳内部的能量模块提供刚性放置。电池单元保持器外壳具有带孔的突起(111)，以将电池单元保持器外壳(101)与外盖(106)可拆卸地附接。进一步地，根据本发明的一个实施例，能量模块(100)的电池单元保持器外壳(101)包括两个部分，即顶部分(101a)和底部分(101b)，其中这两个部分均具有孔(112)，以将集流条(也称为互连器)与铆钉组装，从而确保集流条(108)在电池单元保持器外壳(101)上的刚性安装。进一步地，根据本发明的一个实施例，能量模块的外盖(106)在本质上是滑动的，其包括开口(109)，以通过传导冷却来消散来自多个锂离子电池单元的热量。
34.电池单元保持器外壳(101)由具有集流条(108)的多个锂离子电池单元(200)构
成，其中多个锂离子电池单元具有两个端子(端子a和端子b)(200a、200b)(如图2所示)，其中多个基于弹性构件的电连接器系统(105)用铆钉(102)连接到电池单元的至少一个端子(端子b)(200b)上，这确保了操作者在组装线中将多个电池单元正确组装在模块中，并且还避免了就电池单元的颠倒端子而言的任何错误组装，这可能会节省组装时间，也具有成本效益。进一步地，根据本发明的另一实施例，基于弹性构件的电连接器系统(105)可连接到电池单元的端子a(200a)，并且每对集流条(108)均与矩形形状的连接条(104)连接，从而确保电池单元的连接或是串联或是并联。
35.进一步地，根据本发明的一个实施例，在能量模块(100)的电池单元保持器外壳(101)和外盖(106)之间结合具有热绝缘和阻燃特性的防护罩(107)，防护罩(107)防止在因电池单元的热失控效应而引起火灾的情况下的热量和火焰传播。进一步地，这个防护罩(107)能被结合为可滑动到多个电池单元(200)的至少一侧上，这增加了对电池单元的保护。电池单元保持器外壳和外盖由电绝缘材料(例如，塑料/聚合物等)制成。
36.图3是用于多个锂离子电池单元的端子b的铆钉的截面图。根据本发明的一个实施例，基于弹性构件的电连接器系统用铆钉(102)可拆卸地附接到圆柱形电池单元(200)的端子b(200b)。进一步地，基于弹性构件的电连接器(105)包括三个部分(如图3a所示)，即上部环(105a)、中部线圈(105b)和下部盘(105c)，其中上部环(105a)连接到圆柱形电池单元的端子b(200b)，中部线圈(105b)起到减震器的作用，确保组装的便捷性，进一步地，下部盘(105c)通过铆钉(102)与集流条(108)建立连接，其中铆钉在顶表面和底表面中具有中空部分。下部盘(105c)由正温度系数材料构成，并且中部线圈(105b)由具有高导电率的材料(如铜、黄铜等)构成。进一步地，上部环(105a)由正温度系数材料构成，当温度上升时，材料的电阻增加，并且材料系数越高，对于给定的温度上升，电阻的增加就越大，这确保在电池单元的温度高于阈值点时限制电流流动。在由于温度升高到安全极限以上而导致故障的情况下，这最终电断开电池单元。而且，在电池单元的至少一个端子上存在基于弹性的电连接器系统，对于生产线中的操作者而言基本上是增加了组装的便捷性，这是因为在将多个电池单元组装在能量模块中期间，它使得识别电池单元的端子变得容易。进一步地，当电池单元中的气体因热失控而积聚，并且电池单元内部的阀(301)打开以用于释放气体时，基于弹性构件的电连接器系统上存在的弹簧自身会压紧，从而允许容易将电池单元的阀打开。由于弹簧的压紧而使阀容易打开，由此导致通过电池单元的端子排出气体(在图3中通过箭头线示出)并确保在电池单元内存在足够的空间以排出气体，并且因此保护能量模块的周围部件。
37.图4是用于多个锂离子电池单元的端子a的铆钉的截面图。根据本发明的一个实施例，电池单元的端子a(200a)用铆钉(103)连接到集流条(108)，其中铆钉在顶表面和底表面中具有中空部分。在热失控状况期间，在电池单元的运行期间或在电池单元中发生燃烧期间所产生的气体通过铆钉(102)的孔从另一个端子(即这里是指端子b)排出，这是因为基于弹性构件的电连接器系统因弹性构件(例如弹簧)的存在而被压紧，因此，电池单元内部的阀容易打开并排出不期望的气体。进一步地，气体通过存在于能量模块(100)的外盖(106)上的开口(109)从电池单元中被释放出来，由此减少电池单元爆炸的可能性并增加对能量模块的安全措施。用于端子b的铆钉(102)和用于端子a的铆钉(103)由导电率高的材料(例如铜、黄铜等)构成。
38.图5是根据本发明另一实施例的分体式电池单元保持器外壳的分解图。根据本发明的另一实施例，电池单元保持器外壳(100)包括单独的隔室(101a’、101b’)，在其中放置至少一堆电池单元(200)。至少一堆电池单元(200)由具有开口(109)的覆盖构件(106)覆盖，从而确保通过传导冷却来消散来自多个锂离子电池单元的热量。借助一对端盖(401a、401b)从前后方向覆盖电池单元保持器外壳(100)。这对端盖(401a，401b)借助各种附接装置(例如紧固件(402))可拆卸地附接到电池单元保持器外壳(100)上，从而确保这堆电池牢固地放置在电池外壳保持器内部。放置在单独的隔室(101a’、101b’)中的这堆电池单元(200)具有控制算法，以运行单个组或与单独的bms一起同时运行两个组。进一步地，一对开关集成在对应的bms电路板中。当bms电路板都正常工作时，开关关闭，但是当bms电路板中的一个不工作时，对应开关打开并将不运转的电池单元堆隔离。该连接是以模制在端盖(401a，401b)中的铜连接器而建立的，因此消除了对外部电线连接和布线的需要。根据本发明的另一实施例，电池单元保持器外壳(100)由铝挤压件(403)分开，在放置于一个隔室中的电池单元堆中的一个电池单元发生火或热问题的情况下，铝挤压件保护置于另一隔室中的电池单元堆。本发明帮助克服空间受限的问题，将新部件的使用最小化，增加能量模块的圆柱形电池单元的易于接近性，同时确保能量模块的周围部件的安全。
39.有利地，本发明的实施例描述了在将基于弹性构件的电连接器系统组装到电池单元的端子b中的可能的修改。这有助于在电池单元中的热失控状态期间将积聚的气体简单而容易的释放，这高效地增加了能量模块的周围部件的易于接近性和安全。
40.在不背离本发明的范围的情况下，可将许多其他改进和修改(如使用具有刚度的不同弹性装置)结合在本文中。
41.附图标记列表：
42.图1：
43.100：能量模块
44.101：电池单元保持器外壳
45.101a：顶部分
46.101b：底部分
47.106：外盖
48.110：狭槽
49.113：肋型突起
50.111：具有狭槽的突起
51.112：孔
52.108：集流条
53.109：孔(外盖)
54.102：铆钉(端子b)
55.103：铆钉(端子a)
56.104：连接条
57.107：防护罩
58.105：基于弹性构件的电连接器系统
59.200：锂离子圆柱形电池单元。
60.图2：
61.200a：端子a
62.200b：端子b
63.图3
64.105a：上部环
65.105b：中部线圈
66.105c：下部盘
67.图5.
68.401a、401b：一对端盖
69.402：紧固件
70.403：铝挤压件
71.101a’、101b’：单独的隔室。