电池单元模块和电池单元装置的制作方法

本发明涉及电池单元模块和由多个电池单元模块组成的电池单元装置。

背景技术：

1、现有技术文件ep 2 759 019 b1描述了电池中的(电池)单元可能以一种称为热失控的放热过程的形式失效。电池单元中的热失控过程可能是由电池单元的制造缺陷、不当处理或滥用或者其他任何能够提高电池温度的因素引起的，或者由将电池暴露在外部的高温下引起的。这种高温通常会导致电池单元中的反应速率增加，从而导致电池单元的温度进一步上升，进而使电池单元的反应速率也进一步增加。由于这种所谓的热失控过程，电池中的电池单元会向电池单元周围区域释放大量的热量和/或气体。

2、多个电池单元通常需要达到更高的电压并储存足够的能量，以使电池有效地实现其预期的用途。由于电池的电池单元通常紧密地排列在一起，如果电池单元组合体或电池单元装置的一个电池单元出现热失控，该热失控的电池单元的高温会引发附近的电池单元出现热失控。这样的过程可能会导致附近的电池单元释放热量，并将热失控过程传递到电池中的其余电池单元，导致电池发生级联故障，并从电池单元内释放出大量的能量和/或气体。

3、为了减少级联热失控的风险，ep 2 759 019 b1提出了一种电池，包括多个排成列的电池单元，该电池具有第一电池单元和第二电池单元的交替系列。该电池还包括具有凸缘的第一热母线，第一热母线的每个凸缘用于与第一电池单元中的一个电池单元电连接；以及具有凸缘的第二热母线，第二热母线每个凸缘用于与第二电池单元中的一个电池单元电连接。第二热母线不与第一热母线电连接，单绝缘体与每个电池单元接触并用于防止每个第一电池单元与相邻的第二电池单元之间的直接物理接触。这样的电池设计尤其存在着空间利用不充分的问题，因此功率重量比相对较低，这对于航空用途来说是不利的。

4、有必要设计一种进一步改进的电池，这种电池能够更好地利用空间，从而提高功率重量比，这对航空用途尤其重要(优选是作为电动飞机推进装置的动力电池单元)，据此，即使不改善热失控避免特性，至少也能保持。

技术实现思路

1、该目的是通过本发明提供的电池单元模块和本发明提供的电池单元装置实现的。

2、有利的进一步实施例在各自的从属方案中被限定。

3、根据本发明的电池单元模块包括：多个在电池组内并排排列的扁平的电池单元；至少两个所述电池单元之间有可压缩的气凝胶层；至少一层相变材料pcm层；具有与多个所述电池单元操作连接的电池单元管理电子器件的电路布置；至少两个设置在所述电池组的相对侧面的压缩板；在电池单元压缩方向上可操作的压缩装置，该压缩装置用于将电池组保持在所述压缩板之间；以及布置在所述电池组和所述电路布置之间的隔离层。

4、所述压缩装置能够对电池单元进行紧密地包装，从而提高空间的利用率。所述pcm可以吸收特定电池单元在热失控期间产生的热量，从而保护其他电池单元。所述可压缩气凝胶可以提供热传导阻力，并允许电池单元在热事件中压缩和膨胀，同时，对于所述电池单元模块的总重量来说几乎可以忽略不计。这生成了改进的电池单元模块。

5、根据iupac的定义，气凝胶是由微孔固体组成的凝胶，其中的分散相是气体，而不是液体。

6、在这里和下文中，相变材料(pcm)是在相变时释放/吸收相对大量能量的物质，以提供有用的热量/冷却。一般来说，相变是从物质的前两种基本状态之一，即固体和液体，过渡到另一种。相变也可能是在非经典物质状态之间，如晶体的一致性，即材料从符合一种晶体结构到符合另一种晶体结构，这可能是较高或较低的能量状态。

7、根据本发明，电池单元装置或电池单元组合体包括多个如上定义的电池单元模块。这生成了改进的电池单元装置。

8、在根据本发明的电池单元模块的实施例中，所述电池单元模块内的电池单元的数量限定为n，优选n<＝20，更优选n<＝15，最优选n＝10。

9、通过这种方式，人们可以在独立的模块中设置多个安全的传播电池单元(例如，占给定的模块中的电池单元总数的20％(四舍五入))，并可以创建具有最低数量的电池单元的电池包，这些电池单元可能同时受到触发事件，该触发事件可能导致高能量的释放(气体、火灾等)，同时内在地降低传播的可能性。

10、破坏热失控的触发和传播情况可以确定热失控传播的可能性。我们选择最有利的配置，该配置允许每个电池单元模块装入最大数量的电池单元，同时减少在热事件和环境条件中因热负荷和机械负荷所需的质量。

11、在根据本发明的电池单元模块的实施例中，所述电池单元设计成软包电池单元。这样的电池单元可以很容易地堆叠起来，因此可以优化空间的使用。

12、在根据本发明的电池单元模块的实施例中，每一对电池单元之间都有两层气凝胶层，优选在所述电池组最外层的电池单元和与之相邻的压缩板之间还有一个额外的气凝胶层。

13、这在成对的电池单元之间增强了热传导阻力，同时提高了电池单元压缩和扩展的可能性。

14、在根据本发明的电池单元模块的实施例中，压缩板之间通过压缩杆连接在一起，优选是在电池组的每一侧至少有两个压缩杆。

15、这提供了简单和轻量化的方式来机械地将电池单元固定在给定的电池组中。

16、为了保护电池单元免受外部冲击，在根据本发明的电池单元模块的实施例中，所述压缩板具有倾斜的边缘，它们至少部分地将电池单元横向包围。此外，所述倾斜边缘可用于容纳所有必要的紧固件，以组装本文所述的电池单元模块的不同组件。

17、在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，每一对电池单元之间设置有pcm层，优选是在上述提到的两层气凝胶层之间设置有pcm层，优选在最外面的电池单元和与之相邻的压缩板之间设置有一个附加的pcm层，最优选是在任何气凝胶层的外侧设置pcm层。

18、由于多层pcm的存在和位置，这样的实施例可以改善热吸收。

19、在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述电路布置，优选包括印刷电路板pcb，电路布置位于所述电池组的外侧，电路布置优选位于与所述压缩方向平行的平面内。

20、这种类型的电路布置可以很容易操作。由于它的位置在电池单元组的外侧，它可以受到保护不受热失控期间产生的热量影响。优选的是，所述电路布置至少有两个不同的连接方向，以允许将电池单元模块的电池单元与其他电池模块的电池单元串联或并联。

21、在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述隔离层包括在所述电池组和所述电路布置之间的热-机械绝缘层，优选为夹层不导电的板(例如，编织陶瓷)的形式，该板包括封装有pcm层的绝缘材料(例如，气凝胶)，该pcm层可以吸收高温余热。

22、这种实施例已经被证明是有用的，因为它提供了热保护和机械保护，特别是对所述电路布置(例如，pcb和电子器件)提供了热保护和机械保护。

23、在根据本发明的电池单元模块的非常有利的实施例中，所述隔离层具有通孔，电池片穿过所述通孔可以穿过该通孔，这些电池片将各个电池单元和电路布置可操作地(即电)连接。所述隔离层优选涂有防火涂层。

24、这样，所述隔离层可以满足其预期的用途，同时允许电信号通过而不损害热和/或机械保护。

25、所述隔离层可用于创建防火墙，将电子器件与电池室(即电池单元模块的内部，所谓的防火区)隔开，同时允许所述电池片通过凹槽(即通孔)或插槽通过。

26、在根据本发明的电池单元模块的另一个非常有利的实施例中，所述电池片是柔性的，以允许电池单元扩展，而不会在扩展过程中撕裂或剪断任何电接触。

27、在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，pcm元件设置在所述隔离层内或所述隔离层上，该pcm元件与所述电池片相连。

28、这个(额外的)pcm元件可以有效地保护电路布置(即电子器件)免受过热。

29、申请人发现，优选地，在根据本发明的电池单元模块的又一实施例中，所述相变材料具有两个相变温度，一个用于(在)低温下工作，优选地在55℃左右，另一个用于(即在)高温下工作，优选地在100℃左右。在正常操作期间，低温相变触发，用于冷却电池单元并将电池单元保持在其操作极限内，优选是通过所述电池片，从而避免电池单元达到临界温度。在热失控事件中，第二相变触发，用于吸收来自被触发电池单元的任何余热，从而防止热量传递给邻近的电池单元或周围的结构。

30、第一种相变材料，用于在低温下工作，例如，55℃左右的温度，可以由封装在树脂基质中的定制蜡组成。第二种相变材料，用于在较高的温度下工作，例如100℃左右，可以由封装在树脂基质中的水晶体组成。

31、这样，可以通过使用双潜热相变材料，将热失控的余热耗散功能与防止电池单元在运行期间达到高温所需的冷却质量相结合，双潜热相变材料优选是设置在给定的电池单元的两侧和/或与电池片相连的位置。

32、在根据本发明的电池单元模块的另一个非常有利的实施例中，所述电池组的外侧设置有盖子，盖子优选是在与所述压缩方向平行的平面内，更优选的盖子是与前面提到的所述电路布置相对，所述盖子具有多个孔。这些孔允许在热失控期间可能产生的气体从电池单元模块中排出。所述盖子可以是单个电池模块的一部分，也可以设计成横跨并覆盖所述电池单元装置中的多个电池单元模块。

33、在这种情况下，在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述盖子的外表面覆盖有薄膜，该薄膜优选是gfrp(玻璃纤维增强聚合物)薄膜。这样的薄膜可以实现二极管(即单一方向)低压爆破功能，有助于从电池单元模块中排空气体。

34、在这种情况下，在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述薄膜被粘合在所述盖子的各个最外侧的边缘。因此，当电池单元模块内部形成压力时，会留下大的无支撑的薄膜表面，该薄膜表面位于薄膜层的中间，从而减少了激活所述爆破功能所需的压力。

35、另外，薄膜的小部分可以单独粘合在所述盖子的孔周围的各个边缘。

36、这些措施通过在整个模块的表面引入孔，可以有利地帮助最大化扩大通风面积，这些孔的一侧可以由支撑在电池单元模块表面的边缘的薄膜所覆盖，以便只能在一个方向上允许爆破。

37、在这种情况下，在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述盖子在其横截面上具有双向波纹通道，该双向波纹通道在所述孔之间延伸，优选为v形通道，并因此形成通风面。这些通道的作用是在几何上加强结构，同时允许气体通过以进行排空。

38、这种在所述通风面使用双向波纹梁元件，可以帮助增加结构惯性，同时允许气体通过并排空。

39、在本文中，“双向”意味着所述通道在两个不同的方向延伸，这些方向优选是相互垂直的。

40、在这种情况下，甚至在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述盖子的内壁表面涂有耐火涂层，以保持结构的高强度保持性。这有助于提高所述电池单元模块的整体防火性能。

41、在根据本发明的电池单元模块的另一个实施例中，所述电池单元模块通过使用隔离层，优选是上述提及的热机械绝缘层和压缩板来包装，这样，所述压缩板通过所述压缩杆压缩所述电池单元和所述隔离层。如前所述，所述压缩板也可以作为外壳，以保护所述电池单元不受开放环境和相邻电池单元模块的影响。这在使用软包电池形式的电池单元时可能很重要。软包电池需要压缩来操作，否则它们可能会更快地分层和/或恶化。

42、通过将所述电池单元和相应的电子器件包装在(迷你)模块或电池单元模块中，可以设计出允许产生不同的电池配置的构件块，不同的电池配置可以适用于不同的车辆结构。

43、在根据本发明的电池单元装置的实施例中，所述电池单元模块布置成行和列的平面配置，其中在每一行中，所述电池单元模块通过各自的压缩板与相邻的电池单元模块接触，并且，其中相邻的行通过优选为h形的模块间壁彼此隔开，外侧的行通过各自的优选为u形的侧壁与外部隔开。

44、这使得电池单元(即电池单元模块)的装配稳定且节省空间。

45、在根据本发明的电池单元装置的另一个实施例中，至少在与所述行和所述列的平面平行的一侧设置有冷却板，优选与所述电路布置和/或所述pcm接触。这样的冷却板可以进一步提高所述电池单元装置的热阻。

46、申请人发现，如果在根据本发明的电池单元装置的另一个实施例中，所述电池单元模块在垂直于所述电池单元压缩的方向串联电连接，则可取得良好的效果。然而，本发明的应用并不限于这样的实施例；在某些情况下，以不同方式连接电池单元是有利的。

47、优选的是，在根据本发明的电池单元装置的另一个实施例中，所述电池单元装置由如前所述的盖子、所述侧壁、所述模块间壁和所述冷却板通过粘合剂和/或可拆卸的连接器(例如螺钉)围住并固定。

48、通过这种方式，所述电池单元受到保护而免受外界影响，同时在热失控的情况下，热量和/或气体可以排出。

49、优选的是，只有压缩板用于包装各自电池单元模块中的电池单元，而侧壁、模块间壁、盖子和冷却板则用于将多个电池单元模块布置在一个单独的电池包(电池单元装置或组合体)中。

50、更优选的是，考虑到前文提到的电路布置(例如，pcb)可以允许电源和信号电子器件在两个(并联和串联)方向上连接，所述电池单元装置中的电池单元模块可以以任何优选的并联和串联顺序包装。

51、例如，一种可能性是在模块层面上以10s4p(10个串联和4个并联)的配置连接电池单元模块(或者在单个电池单元层面上以100s4p连接，如果给定的电池单元模块中有10个电池单元)。这并不是限制性的；任何其他可以实现的配置都可以。

52、在另一个优选的实施例中，提供了可爆裂的防回火套筒，用于包围所述电池单元。所述套筒可以粘在每个电池单元的边缘上。当某个电池单元内的压力增加时，所述套筒的胶合边缘将破裂，使气体和火焰逸到外面。如果火和/或热气碰到某个电池单元模块的内壁并反弹到相邻的电池单元，所述套筒应当避免火碰到所述相邻的电池单元。因此，优选是使所述套管只在一个方向上可爆裂，即从内部到外部(相对于特定的电池单元)。可以有利地提供热失控间隙，以便对任何积累的热气或火进行脱气，从而避免对其他相邻部件的过度影响。

53、本发明的进一步特点和优势可以从以下参照附图的优选和非限制性实施例的描述中得到。