CN100349310C - 电池组 - Google Patents

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Abstract

电池组：将单电池固持在平板状框架中以形成电池模块。在框架的厚度方向上将多个电池模块层叠起来以形成单电池的层状结构。在层叠方向上用散热片从两侧对电池单元增压，并且整体固持以形成电池组。

Description

电池组
技术领域
本发明涉及一种电池组，其具有作为小型轻型并以高能量密度提供大电能的电源的一种最适宜的结构。
背景技术
近年来，基于增长的环境意识，有一种趋势，汽车电源从使用石化燃料的发动机向采用电能的电动机转换。由于这个原因，作为电动机电源的电池组技术得到了迅速发展。
希望汽车所配置的是小型的轻型电池组，所述电池组可以频繁地进行大功率充放电，并且具有卓越的抗冲击性以及散热性。例如，在日本专利申请No.2000-195480中公开了能够提供大功率的具有卓越散热性的电池组。
在该文献中(具体参照[0014]到[0029]段以及附图1、2和4)所公开的电池组具有下面的结构。串联、并联或者串并联电连接的多个扁平单电池在所述单电池的厚度方向上彼此之间以一定的间隔设置。在单电池之间设置按压部件以在其两侧按压电池，以及由外部件固定单电池。基于这种结构，单电池可以良好散热以改进电池组的循环寿命以及放电特性。
发明内容
由于在上述文献中的电池组采用扁平单电池作为单电池，该电池组具有比采用扁平电池之外的电池的常规电池组较高的能量密度。小型单电池可以制造成具有相同的电力电容。因此，考虑到体积小以及高能量密度，采用扁平单电池的电池组适于作为安装在汽车上的电池。
然而，由于电池组对于存储系统已经有所改进，电池组在其结构上需要得到更大的改进以适用于必须满足高生产率、小型以及轻型、抗冲击性和高可靠性的汽车。
特别地，需要考虑能够改进生产率的电池组结构，并且电池组需要多类型的改进。例如，为了实现小型和轻型，必须将采用最小数量部件的单电池设置在电池组中以得到最大的电容效率。电池组频繁的充电和放电应当由于在单电池内部产生的气体而不会导致容量降低和寿命减少。电池组需要具有抗冲击性以确保即使总是受到震动也会工作稳定。当以相当大的密度设置时，单电池需要实现有效的散热。
根据本发明，提供了一种具有作为小型轻型并以高能量密度提供大电能的电源的一种最适宜结构的电池组。
根据本发明的一个技术方面，电池组具有电池模块的层状结构，其中每个电池模块包括一个或者多个彼此电连接的扁平电池。
根据本发明的另一个技术方面，制造电池组的方法包括形成含有多个扁平单电池的电池模块的步骤，以及形成其中的扁平单电池彼此电连接的电池模块的层状结构的步骤。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的电池组外形的透视图；
图2是沿图1中的II-II线截图1中所示电池组得到的部分横截面示意图，示出了主要组元的层叠状态；
图3是图2所示部分的局部放大横截面图；
图4是示出了图1中所示的电池组中的母线和贯穿螺栓之间的连接关系的图；
图5是示出组成图1所示电池组的单电池之间的连接状态的示意图；
图6是单电池的外形的透视图；
图7A和7B是根据本发明的电池组的框架的配置图；
图8是安装电压检测端子的部分结构的放大视图；
图9是示出了将电压检测端子设置在单电池之内的状态的图；
图10是位于底部的散热片结构的透视图；
图11是示出了将增压单元安装到位于底部的散热片上的状态的附图；
图12A和12B是增压单元的具体结构图；
图13A和13B是增压单元的工作说明图；
图14是中间散热片的结构透视图；
图15是位于顶部的散热片的结构透视图；
图16是根据本发明的电池组的制造工艺的说明图；
图17是根据本发明的电池组的制造工艺的说明图；
图18是根据本发明的电池组的制造工艺的说明图；
图19是根据本发明的电池组的制造工艺的说明图；
图20是根据本发明的电池组的制造工艺的说明图；
图21是根据本发明的电池组的制造工艺的说明图；
图22是根据本发明的第二实施例框架连同安装在框架上的单电池的透视图；
图23是框架连同安装在框架上的单电池的顶视平面图；
图24是示出了单电池的电极接头和母线之间的连接状态的说明图；
图25是示出了形成在框架上的工具插入开口的图；
图26是示出了当图24中所示出的框架被层叠以组成电池组的时候在单电池之间的连接状态的示意图；
图27是用在第三实施例中的框架的结构图；
图28是通过层叠如图27所示的框架组成的单电池的层状结构的透视图；以及
图29是具有如图28所示的单电池的层状结构的电池组的透视图。
具体实施方式
下面将具体说明相据本发明第一到第三实施例的电池组。在第一实施例中，将说明电池组的结构和制造过程。
第一实施例
根据本实施例的电池组具有下述结构。沿宽度方向在框架上安排四个扁平单电池(下文中称为单电池)。层叠二十四个框架以组成电池组的单元结构。在层叠方向上用散热片从所述单元的两侧压住电池组单元，并且以一定的压力整体固持。这样，电池组组件总共具有九十六个单电池。所有的单电池由设置在框架和散热片上的电连接单元串联连接。特别地，由电连接单元串联连接四层单电池，在叠层方向上每层都具有串联连接的二十四个单电池。
电池的结构
将参考附图具体说明电池组的结构和制造工艺。图1是根据本发明的电池组外形的透视图。图2是沿图1中的II-II线截图1中所示电池组得到的部分横截面示意图，示出了主要组元的层叠状态。图3是图2所示部分的局部放大横截面图。图4是示出了图1中所示的电池组中的母线和贯穿螺栓之间的连接关系的图。图5是示出组成图1所示电池组的单电池之间的连接状态的示意图。
如图1所示，根据本发明的电池组100具有下述结构。作为固持件的散热片300和350在层叠方向上从单电池200的两侧将其压住，从而以一定压力将单电池(单电池的层状结构)200整体固持。单电池200包括在框架的厚度方向上(也就是Z方向)层叠的多个平板状框架。
图中没有示出的框架具有四个固持件219，其中每一个在平行的相同平面上(也就是，在X-Y方向上)都固持扁平单电池。在电池组100中，在和虚拟平面X-Y相交的方向上(也就是，在Z方向上)层叠二十四个框架。将中间散热片325在层叠方向上插入到的每六个框架之间。因此，电池组100具有二十四个框架的叠层，每个框架具有平行安排的四个单电池，并且总共具有九十六个单电池。
散热片300和350上安装有和两个散热片相结合的六个增压单元。增压单元安装有螺母310A到310F。每个增压单元在拉紧螺旋弹簧的两端具有安装有螺母310A到310F的轴。通过在散热片300和350之间安装增压单元，在层叠方向上将适当的表面压力施加到组成层状结构的单电池200的所有单电池上。
电池组100具有如图2和图3所示的层状结构。这些附图已被简化为的是帮助理解本发明。尽管在这些图中在散热片350和中间散热片325之间仅仅设置了四个框架，但是实际应用中可以设置六个框架。
作为绝缘体的绝缘垫圈212嵌入到组成电池模块180的框架210(也就是绝缘垫圈嵌入框架)的一端。环绕框架210形成支撑单电池214的外围216的外围支撑部218。被框架210的外围支撑部218环绕的框架210的中间部分为开放状态。在层叠方向上邻近的元件(也就是散热片350和单电池224)直接和单电池214的外部表面相接触。在框架210的另一端，形成开口217A以在单电池214的电极接头215B和单电池224的电极接头225B之间提供超声焊接，其设置成在层叠方向上彼此相邻。单电池214的电极接头215A和将在后面描述的绝缘垫圈212以及母线260相接触。绝缘垫圈212比框架210要厚，并且比单电池214要薄。换句话说，绝缘垫圈212具有介于框架210和单电池214的厚度之间的厚度。组成电池组100的所有的绝缘垫圈嵌入框架采用每个都具有统一厚度的绝缘垫圈。
作为导体的导电垫圈222嵌入到框架220(也就是导电垫圈嵌入框架)的一端。环绕框架220形成和框架210的外围支撑部相似的外围支撑部228。被外围支撑部228环绕的框架220的中间部分为开放状态。在框架220的另一端形成和框架210的开口相似的开口217B。单电池224的一个电极接头225A和导电垫圈222相接触，并且经导电垫圈222连接到单电池234的电极接头235A。导电垫圈222比框架220要厚，并且比单电池224要薄。换句话说，导电垫圈222具有介于框架220和单电池224的厚度之间的厚度。基于上述厚度关系，电极接头225A可以和导电垫圈222相接触，同时将预期的表面压力施加到单电池224之上。组成电池组100的所有导电垫圈嵌入框架采用每个都具有统一厚度的导电垫圈。
设置单电池214的电极接头215B并通过框架210支撑，设置单电池224的电极接头225B并通过框架220支撑，从在各自的框架上所形成的开口217A和217B的两侧对所述接头加压，并且用未示出的工具对所述接头进行超声焊接。
将绝缘垫圈232嵌入到框架230的一端(也就是绝缘垫圈嵌入框架)。环绕框架230形成和框架210的外围支撑部相似的外围支撑部238。被外围支撑部238环绕的框架230的中间部分为开放状态。在框架230的另一端形成和框架210的开口相似的开口217C。单电池234的一个电极接头235A和绝缘垫圈232以及导电垫圈222相接触。当层叠框架220和框架230的时候，由于存在开口217C，单电池234的电极接头235B在较低侧接触到所焊接的电极接头215B和225B。因此，为了避免这种接触，将绝缘接头250A贴附到电极接头225B的上方一侧。
将导电垫圈266嵌入到框架265(也就是导电垫圈嵌入框架)的一端，并在框架265上层叠的中间散热片325内形成安装部273。环绕框架265形成和框架210的外围支撑部相似的外围支撑部278。被外围支撑部278环绕的框架265的中间部分为开放状态。在框架265的另一端形成和框架210的开口相似的开口277D。单电池274的一个电极接头275A和导电垫圈266相接触。导电垫圈266具有等于绝缘垫圈或者导电垫圈与中间散热片325的厚度之和的厚度。绝缘垫圈的厚度与导电垫圈的厚度相同。
尽管在图2和图3中提出了在散热片350和中间散热片325之间 仅仅有四个框架，实际上可以在散热片350和中间散热片325之间层叠六个框架，从底层开始按照绝缘垫圈嵌入框架、导电垫圈嵌入框架、绝缘垫圈嵌入框架、导电垫圈嵌入框架、绝缘垫圈嵌入框架以及导电垫圈嵌入框架的顺序层叠。
将中间散热片325安装到框架265的安装部273上。框架265通过导电垫圈266和中间散热片325相隔离。
进一步在中间散热片325上按照六个框架、中间散热片、六个框架、中间散热片、六个框架以及散热片300的顺序进行层叠。直接位于散热片300之下的框架240具有和框架220相似的结构。换句话说，将导电垫圈242嵌入到框架240的一端。环绕框架240形成和框架210的外围支撑部相似的外围支撑部248。被外围支撑部248环绕的框架240的中间部分为开放状态。在框架240的另一端形成和框架210的开口相似的开口217E。单电池244的一个电极接头245A和导电垫圈242相接触。尽管在图中没有示出，单电池244的电极接头245B和位于其下方的单电池的电极接头超声焊连。将绝缘接头250B贴附到电极接头245B的上方侧以隔离电极接头245B和散热片300。
所有的层状框架都安装有贯穿螺栓270和安装在螺栓上的螺母271。在螺母271和导电垫圈242之间设有绝缘垫圈278和垫圈279。绝缘垫圈278用于绝缘母线262。垫圈279用于避免绝缘垫圈278碎裂，因为绝缘垫圈278是由陶瓷制成的。
在散热片350上提供母线260以将层状单电池电连接到在排列方向上和单电池相邻的单电池。绝缘垫圈261将母线260和散热片350隔离。所述垫圈环绕隔离的贯穿螺栓270机械连接到母线260。如图4所示，在电池组100中存在着母线260、262以及264，所述母线和贯穿螺栓270、275、280以及285相连接。贯穿螺栓270、275、280以及285直立在散热片350的底表面上。通过采用母线260、262和264贯穿螺栓270、275、280以及285和层状单电池串联连接。
当图2和图3表示沿线A-A截图4所示结构的横截面图的时候，参考标记262表示连接到电源端子450A的部件263。当图2和图3表示沿线B-B截图4所示结构的横截面图的时候，参考标记262表示母线。
当散热片300和350在插入单电池200的状态下安装有螺栓和螺母310A到310F时，以及当四个贯穿螺栓固紧四个连接端子时，组成电池组100的单电池如图5所示在层叠方向上(也就是，Z方向)串联连接。
电池组100具有单电池的四行层状结构，每行具有二十四个单电池连接的层状结构。换句话说，如图5所示，在每一层状结构400、410、420以及430中，所有的单电池在层叠方向上串联连接。更具体地，在层状结构400一侧的单电池通过超声焊接彼此电连接(正如图5中在层状结构400的左侧？标记所示)。这些单电池的连接部通过绝缘带(例如在图2中用250A和250B所示出的)彼此绝缘(在图5中的方框部分)。在另一方面，用导电垫圈(例如如在图2中用222和266所示)电连接(如在图5中用○标记所示)在层状结构400另一侧上的单电池。用绝缘垫圈使得单电池的连接部分彼此绝缘(正如图5中三角形所示)。因此，当组装电池组100时，组成单电池的层状结构400的所有单电池串联连接。单电池的其它层状结构410、420以及430也都具有以相同方式串联连接的所有单电池。
所述的层状结构400、410、420以及430通过安装在散热片(图2中的300和350)上的母线260、262以及264(参见图4)进一步串联连接。组成电池组100的单电池的所有层状结构如上所述串联连接。当实施该连接方法时，电源端子的连接部分450A和450B可以仅在一个方向上排列(也就是在散热片300的上方侧)。因此，当安装完电池组之后，可以容易地实现电源配线，这提高了生产率。
单电池
将具体说明电池组的主要元件。本实施例中采用的单电池214是如图6所示的矩形扁平层状二次电池，以及具有在其内部至少包括按顺序层叠的阳正极板和负极板的层状发电元件。单电池214具有在日本专利申请公告No.2003-059486所公开的结构。层叠膜用作单电池214的外围材料。所包含的发电元件通过单电池214的外围层叠膜的热熔接来密封。从单电池214的两侧在纵向方向上引出电极接头215A和215B。电极接头215A是正(阴)电极接头，由厚度为大约0.2毫米的铝薄板构成。另一方面，电极接头215B是负(阳)电极接头，由厚度为大约0.2毫米的铜薄板构成。用于插入贯穿螺栓(图2中的270)的插入孔272A和272B在两个电极接头215A和215B内张开。设置通过热熔接连接的单电池214的外围216并由形成在框架上的固持部229将其固持。单电池的层叠方向和组成该发电元件的正极板和负极板的层叠方向相同。
根据本实施例，电池组100包括如图6中所示在每个电池的相反侧具有不同极性电极接头的单电池。然而，电池组100可以由单电池组成，所述单电池正如在日本专利申请公告No.2003-059486中所公开的，仅在每个电池的一侧具有不同极性的电极接头。尽管根据本实施例采用了一个扁平单电池作为单电池，但是可选择地，框架可以具有多个串联连接的单电池、多个并联连接的单电池或者多个串并联连接的单电池。
框架
在本实施例中采用了两种框架，包括在图7A中所示的绝缘垫圈嵌入框架210和在图7B中所示的导电垫圈嵌入框架220。
将绝缘垫圈212嵌入到绝缘垫圈嵌入框架210的一端210A。绝缘垫圈212稍微厚于框架210并厚于单电池。
将导电垫圈222嵌入到导电垫圈嵌入框架220的一端220A。导电垫圈222就像绝缘垫圈一样稍微厚于框架220并薄于单电池，除了如图2和3中用参考标记265所示的框架的导电垫圈266直接位于中间散热片之下。导电垫圈具有作为第一导体的功能，其将固持在框架上的单电池的一个电极接头电连接到在层叠方向上相邻的另一框架上固持的单电池的一个电极接头。
如图7A和7B所示，每个框架210和220具有固持部229，其设置并固持了在相同的平面上排列的四个单电池。换句话说，框架210和220具有外围支撑部218和228，它们支撑单电池214的外围216的至少一部分，并且还具有定位单电池214的定位部。定位部参照分别环绕外围支撑部218和228形成的部分以定位单电池214的外围端部。在框架210和220的两个转角分别形成未示出的定位插针插入孔，将后面所述的定位插针(正如在图10中用参考标记510和520所示)插入到所述孔中。
框架的定位部定位单电池，并且外围支撑部支撑电池的外围。单电池的外围和框架的外围支撑部临时安装双面带。因此，在制造阶段单电池在被安装在框架上的状态下可以很容易地搬运。
将如图8所示的电压检测端子500安装到每个框架一侧的端部，在所述侧固定由导电垫圈或者绝缘垫圈。提供电压检测端子500以检测每个单电池的电源，并将其通过焊接连接到每个单电池的电极接头上。当如图1所示的框架被堆叠时，如图9所示在层叠方向上依照规定间隔按行排列电压检测端子500。将没有示出的连接件安装到所有的电压检测端子500上以将单个的单电池的电压施加到充电/放电控制器。由于电压检测端子500和框架整体成形，提高了电压检测端子500的配线效率从而改进可加工性。
散热片
根据本实施例，正如在图1中所示采用了三种散热片，也就是，位于顶部的散热片300、位于层状框架之间的至少一个中间散热片325以及位于底部的散热片350。
如图10所示，在底部的散热片350具有定位插针510和520以定位层状框架。框架具有定位插针插入孔(未示出)，定位插针510和520插入其中。在散热片350上层叠框架时，将定位插针510和520插入到框架的定位插针插入孔。在散热片350的一端，提供母线嵌入槽360和370到嵌入的母线260和264以将相邻的单电池叠层，例如单电池叠层400和410(参见图5)串联电连接。在母线嵌入槽360和370上形成贯穿螺栓插入孔362、364、372和374，以在散热片350的底部分别安装贯穿螺栓270、275、280和285(参见图4)。在散热片350上形成增压单元的安装孔380到385。这些安装孔具有固持件的功能，所述固持件将电池组200整体固持在散热片300和350之间，并对电池单元200施加适当的表面压力。
如图11所示将六个增压单元530到535安装到这些安装孔380到385上。增压单元530到535能够容易并精确地调节在将电池组200夹在散热片300和350之间的时候施加到电池单元200上的表面压力。铜、铝或者镁适合作为散热片300和350的材料。优选地，考虑到散热和重量轻，采用铝。在散热片350上形成开口352，其在纵向方向上穿过散热片350以改进散热效率。
增压单元530到535具有下述结构。图12A和12B是增压单元的具体结构图，图13A和13B是增压单元的工作说明图。特别地，图12A是整个增压单元的结构图，图12B是弹簧固持件的结构图。图13A是示出了增压单元的初始状态的图，图13B是增压单元安装在散热片之间的图。
增压部件530包括拉紧螺旋弹簧542(也就是弹性单元)和固持拉紧螺旋弹簧542的两端的弹簧固持件543。
将拉紧螺旋弹簧542在张紧的状态下安装到散热片300和350之间(参见图1)。这种设计，拉紧螺旋弹簧542被压缩，并在使得散热片300和350彼此靠近的方向上产生张应力。
弹簧固持件543包括主体544、以比拉紧螺旋弹簧542的螺距P1大的螺距P2形成的具有螺杆头的螺杆545、从螺杆545向拉紧螺旋弹簧542的中心延伸的连杆546以及从主体544延伸并推进到散热片300和350内的推进部547。
主体544具有大于拉紧螺旋弹簧542的直径，并且接触到拉紧螺旋弹簧542以避免拉紧螺旋弹簧542的脱离。当将增压单元530安装到电池组的时候主体544接触到散热片300和350。
如图所示，将螺杆545塞进拉紧螺旋弹簧542的端部，并和拉紧螺旋弹簧542的内部相啮合，从而固定该弹簧。如图12B所示，以螺距P2在螺杆545的表面上形成螺杆头。螺杆545的螺距P2大于拉紧螺旋弹簧542的螺距P1。因此，可将螺杆545以图12B中箭头标记的方向拧进去。当螺杆545被拧进去时，连杆546向着拉紧螺旋弹簧542的中间推进。
当螺杆545被拧进拉紧螺旋弹簧542的两端的时候，从两侧推进的连杆546如图12A所示碰在一起。在该状态下，拉紧螺旋弹簧542由原长度扩展，作为增压单元530的初始状态施加初始张紧。
在推进部547的前端形成能够由螺母541锁定的螺杆头。在推进部547的顶部提供后面将描述的用于防止转动的切槽548。可以通过将扁平头等插入到切槽548中很容易地防止弹簧固持件543的转动。
如图13A所示在散热片300和350之间设置增压单元530。
推进部547穿透通过散热片300的安装孔。在这种状态下，一个弹簧固持件543的推进部547由螺母541固持同时防止其它弹簧固持件543的转动。然后，弹簧固持件543接近螺母541。当两个弹簧固持件543都以这种方式工作时，弹簧固持件543在固持拉紧螺旋弹簧542的状态下相对分离，此时拉紧螺旋弹簧542固持为在散热片300和350之间张紧的状态，正如图13B所示。
延伸拉紧螺旋弹簧542以和散热片300和350之间的距离相匹配。因此，不管螺母541的夹紧转距，在压缩拉紧螺旋弹簧542的方向上获得弹性力。该弹性力起作用以对组成电池组200的单电池加压。
如图14所示，中间散热片325具有穿过定位插针510和520的定位插针通孔330和332、穿过增压单元530到535的增压单元通孔335到340以及穿过贯穿螺栓的贯穿螺栓穿通开口341到344。
通过将安装在散热片350上的定位插针510和520插入到定位插针插入孔330和332来定位中间散热片325。在电池组200中以相等的间隔插入三个中间散燃片325。中间散热片325可以由和散热片350相同的材料构成，或者考虑到重量轻可以由具有合适的热导率的树脂构成。
如图15所示，位于顶端的散热片300形成有定位插针插入孔312和314，以插入定位插针510和520，螺栓插入孔315到320以穿透安装在增压单元530到535顶部的螺栓并且用螺母310A到310F固定这些螺栓，贯穿螺栓穿通开口321和322以穿透贯穿螺栓，以及电源端子安装孔323和324以定位电源端子450A和450B(参见图4)。通过将定位插针510和520插入到定位插针插入孔312和314来定位散热片300。在定位散热片300的时候，将安装到增压单元530到535上的顶部的螺栓插入到螺栓插入孔315到320中，以及散热片300安装有螺母310A到310F。基于这种安装，散热片300和350与电池组200一体成型。将贯穿螺栓如附图从上到下插入到贯穿螺栓穿通开口321和322。将母线262(参见图4)固定到这些贯穿螺栓上。将电源端子450A和450B固定到电源端子安装孔323和324上，并且这些电源端子连接到电源的充电器或者电动机上。
散热片300和350起到固持件的作用，所述固持件通过在层叠方向上从两侧压住该电池单元整体固持住该电池组200。该固持件具有增压单元的作用，其在层叠方向上对所有组成电池组200的单电池施加表面压力，还具有冷却器的作用，其从电池组200驱散所产生的热。散热片300和350具有安装母线(比如在图4中用260表示的)的作用，所述的母线作为将组成电池组200的单电池(比如图5中的电池迭层400)的一个层状结构电连接到其它层状结构(比如图5中的电池迭层410)的第三连接器。
电池组的制造过程
将基于附图具体说明根据本实施例的电池组的制造过程。根据本发明的电池组是通过电池模块形成阶段和单电池形成阶段来制造的。
电池模块形成阶段
首先，如图16所示，在位于电池组200的底层内的平板框架210上安装四个单电池214A到214D。在安装单电池时，将一个很薄的双面带贴附到每个单电池的外围216上，并且外围216安装到框架210的外围支撑部218上，从而将单电池固定到定位器上。基于这个，临时由框架固定四个单电池，并且在生产地能够被运输。依照如图17所示的状态在框架上安装四个单电池。在框架上安排单电池时，电极接头215的极性(正/负)在如图16和图17所示的单电池的排列方向上是依照可选择的顺序的。换句话说，单电池的排列方向可选择地改变，使得不同的极性彼此相邻地设置。
排列在框架210上的每个单电池214A到214D的一侧上的电极接头215如图17所示通过超声波焊接焊连到电压检测端子500。位于一侧的电极接头指的是位于框架210一侧的电极接头，在所述侧嵌入导电垫圈或者绝缘垫圈。因此，在该阶段，每个框架在如图17所示的四个位置超声焊接(也就是，在位于附图底部的电极接头215和电压检测端子500)。
对于组成电池组200的二十四个框架，实现了单电池的排列和电极接头以及电压检测端子之间的连接。单电池的极性必须可选择地依照框架的层叠方向安排，以及依照如图18所示的电池排列方向。例如，当安装到位于底部层内的框架上的单电池具有依照从图17的底部的左侧以正、负、正和负顺序排列的极性的时候，安装在层叠到该框架上的框架上的单电池必须具有依照从底部的左侧以负、正、负和正顺序排列的极性。以这种方式排列单电池，从而组成如图5所示的串联电路。
层状结构形成阶段
嵌入导电垫圈的框架220堆叠在嵌入绝缘垫圈212的框架210上，正如图19所示。框架堆叠，使得安装有导电垫圈和绝缘垫圈的框架侧为相同的方向。在框架的一侧端形成开口217A，在所述侧没有安装导电垫圈和绝缘垫圈，正如图16所示。超声焊接工具插入到分别位于框架210的较低侧和框架220的较高侧的开口217A内。工具夹着安装在框架210和框架220上的单电池的电极接头，从而实现超声焊接。如图19所示对于位于四组单电池的一侧的电极接头215和225实现超声焊接。
在焊接电极接头的时候，采用超声焊接是由于以下两个原因。根据超声焊接，将高频振荡施加到被焊接的位置，从而扩散金属原子。通过再结晶金属原子，电极接头被机械连接。因此，对于将相同种类或者不同种类的金属焊接到一起超声焊接是非常有效的。在本实施例中使用的单电池具有由铝构成的一个薄电极接头以及由铜构成的其它薄电极接头。母线和电源检测端子由铜构成。因此，电极接头之间的连接和电极接头以及电压检测端子之间的连接是不同种类的金属之间的连接。这是采用超声焊接的一个原因。根据超声焊接，连接表面的最高温度并不高，可以抑制为熔点的大约35％到50％。因此，基本金属没有熔化或者在高温焊接时没有形成的不牢固铸造结构。在本实施例中使用的单电池具有由层叠的材料构成的外部，并且电极接头没有被加热到高温。因此，为了不把单电池暴露在高温下连接形成有很薄的金属的电极接头，超声焊接是最合适的。这是第二个原因。
正如图17和图18所示上述焊接实现了在电极接头215和225和电压检测端子500之间的连接。基于上述操作，嵌入绝缘垫圈212的框架210和嵌入导电垫圈的框架220形成一组框架单元。对组成电池组200的十二组框架单元实施该焊接。在焊接操作之后，正如图17所示将绝缘带250A贴附到电极接头215的外表面，以当层叠框架单元的时候在框架单元之间提供电绝缘。
接着，如图20所示，在散热片350上嵌入定位插针510和520。固定增压单元530到535，设置母线260和264，以及安装贯穿螺栓270、275、280和285。定位插针510和520，增压单元530到535，以及安装贯穿螺栓270、275、280和285分别穿过形成在框架单元550上的孔。框架单元550安装在散热片350上，具有如图20所示面向上的导电垫圈的框架。安装在框架上的单电池直接接触到母线260或者264，并且电连接。绝缘垫圈将母线260和264与散热片350绝缘。
层叠三组框架单元550，具有安装有如图21所示的面向上的导电垫圈的框架。三组框架单元的迭层提供了六个单电池的迭层。由于框架具有位于除了支撑单电池的外围之外的位置上的开口，在层叠方向上堆叠的单电池的外表面彼此直接接触。将中间散热片325堆叠在如图21所示的三组框架单元上。因此，将六个单电池夹在散热片350和中间散热片325之间。因为，单电池的外表面直接彼此接触，在单电池的内部产生的热有效地传送给散热片350和中间散热片325，并散失。当然一部分热从框架到散热片直接传送。优选地，考虑到散热采用合适的热导率的材料制造框架。
此外，在中间散热片325上层叠三组框架单元、中间散热片325、三组框架单元、中间散热片325以及三组框架单元。最后，堆叠散热片300，并且用螺母310A到310F临时固定(参见图1)。螺母临时固定贯穿螺栓270、275、280和285。
根据本实施例，导电垫圈具有和单电池相等或小于其厚度的厚度。因此，框架单元的简单层叠不会引起在框架单元之间的电连接，这样使得工人不必顾忌电压进行工作。为了不顾忌电压而有利于工作，电压优选等于或者小于40伏特。每一次当层叠一个框架单元的时候，优选将一个纸制绝缘垫圈插入到贯穿螺栓270内，从而确保每个框架的绝缘。对于这种安排，电池组可以获得电源端子450A和450B之间的高电压。这确实避免了工人被暴露在高电压下。因此，当贯穿螺栓270、275、280和285都临时用上述的螺母固定的时候任何一个单电池都没有电连接。
在组装电池组100并插入纸制绝缘垫圈之后，移走在框架单元之间插入的绝缘垫圈。当拧紧所有的临时固定螺母时，表面压力施加到每个单电池，并且电极接头接触到导电垫圈。结果，正如图5所示组成电池组100的所有单电池在电源端子450A和450B之间串联连接，因此在电源端子450A和450B之间获得高电压。
根据本实施例，单电池的一个电极接头被超声焊连，并且另一个电极接头安装有如上所述的贯穿螺栓。可选择的，在两侧的电极接头可以安装有贯穿螺栓。在用贯穿螺栓固定位于两侧的电极接头时，可选择地将导电垫圈和绝缘垫圈穿通贯穿螺栓，以使得相邻的电极接头导电或者将这些电极接头彼此绝缘。在这种情况下，可以通过将导电垫圈插入其中使得端子连接到贯穿螺栓来设定电压检测端子。可选择地，两个电极接头能够被超声焊接。在这种情况下，在层叠框架时需要实施超声焊接。因此，为了使得在狭窄的空间中可能设置超声焊接工具，单电池的电极接头的图示位置能够依照层叠位置而改变。例如，当单电池安装到位于底部层的框架单元上时，单电池的电极接头偏移左侧。当将单电池安装到堆叠在位于底部层的框架单元的上面的框架单元上时，单电池的电极接头与通常一样从中心引出。当单电池安装到堆叠在框架单元上的下一个框架单元上时，单电池的电极接头从右侧偏移。基于这种设计，当框架单元处于层叠状态时，可以容易地确保用于超声焊接工具的安装空间。
第二实施例
根据第二实施例的电池组，在单电池之间的连接方法不同于第一实施例。具体而言，在框架内排列的单电池在框架内串联连接以形成电池模块185。这些单电池进一步在单电池的层叠方向上相邻的框架之间串联连接，以形成电池组200。包括在电池组200内的所有单电池串联连接。
根据本实施例，具有如图22和图23所示的结构的框架600用于串联连接在框架里排列的单电池。图22是框架600和被安装到框架600上的单电池605到608一起的透视图。图23是单电池605到608被安装到框架600上框架的顶部平面示意图。
正如这些图中所示，框架600在框架的一端610A的两侧都具有L型的母线620A和620B，并在此端610A的中间具有I型的母线620C。框架600在框架的另一端610B具有I型的母线620D和620E。每个框架具有固持在一个表面上排列的四个单电池的固持器619，正象在第一实施例中说明的框架。换句话说，每个框架具有支撑单电池的至少一部分外围的外围支撑部618，以及定位单电池的定位部。定位部是环绕外围支撑部形成的一部分，用于定位单电池的外围端部。框架定位部固定单电池的位置，并且外围支撑部支撑单电池的外围。单电池的外围和框架的外围支撑部临时用双面带固定。因此，可以简单搬运在制造阶段被安装到框架上的状态下的单电池。
当将单电池605到608安装在框架600上时，单电池605的电极接头605A接触到母线620A，并且单电池605的电极接头605B接触到母线620D。单元电池606的电极接头606A接触到母线620C，以及单电池606的电极接头606B接触到母线620D。单电池607的电极接头607A接触到母线620C，以及单电池607的电极接头607B接触到母线620E。单电池608的电极接头608A接触到母线620B，以及单电池608的电极接头608B接触到母线620E。
在框架600上安装单电池，使得单电池的极性如图23所示交替排列。对于单电池的这种排列，安装在一个框架上的所有单电池串联连接。母线620A到620E起到第二连接单元的作用，其将固持在框架内的单电池的一个电极接头电连接到固持在框架内的其它单电池的其它电极接头上。
如图24所示，安装在框架600上的单电池605到608的电极接头605A、605B、606A、606B、607A、607B、608A和608B与分别连接到电极接头上的母线620A到620E超声焊接。图25是在图24中的框架600从箭头标记B的方向看(也就是从底部)的图。在框架的一端610A的另一端以及其它端提供用于通过超声焊接来连接母线和电极接头的所用工具的插入开口630A到630H。将超声焊接的工具插入到这些插入开口中，并将电极接头超声振荡以将电极接头和母线相连接。
如上所述在散热片350上层叠其上连接了单电池的二十四个框架，以和根据第一实施例相似的方式形成电池组。在层叠框架时，还需要将单电池的极性在框架的层叠方向上交替设置。例如，当安装在位于底部层的框架上的单电池具有从图23的底部左侧开始依照正、负、正和负的顺序的极性时，在被层叠在该框架上安装的单电池必须具有从底部的左侧开始为负、正、负和正的顺序的极性。
基于上述排列，每个框架的L型母线的正/负极性在框架的层叠方向上还可以替换设置。因此，当在层叠方向上排列的相邻母线和在每第二个母线之间插入的绝缘材料连接到一起时，所有的层状单电池能够如图26所示的串联连接。在本实施例中，在层叠方向上在每六个框架之间还插入中间散热片。
在图26中，由如图23所示的框架600形成位于底部层的电路。如图26所示，在同一框架上排列的单电池605到608采用母线620A到620E串联连接。在该框架600上层叠另一个框架。定位在母线620B(也就是在图26中用一个？标记表示的部分)的母线在将这些框架层叠的状态下被超声焊接。将绝缘带(也就是在图26中用方框标记表示的部分)贴附到母线620A的上部侧，以避免母线620A和定位在母线620A上的母线相接触。如图所示，层叠二十四个框架。在层叠方向上相邻排列的一个母线被超声焊接，并且其它母线被绝缘。该排列提供了具有串联连接的九十六个单电池的串联电路。
根据本实施例，当通过产生焊接将母线连接到一起时，母线可以采用螺栓螺母连接。由于采用螺栓螺母进行连接，优选采用振荡阻止件用于防止由于螺栓螺母的重量所引起的母线的振荡。
第三实施例
根据第三实施例，采用其上仅仅能够安装一个单电池的框架形成电池组，不同于根据第一和第二实施例的电池组。根据第三实施例，层叠在每一个上面都安装有单电池的框架以形成单电池的层状结构。单电池的多个层状结构设置在一个平面上以形成电池组。
图27是用在本实施例中的框架700的结构图。框架700的结构基本上和根据第一实施例在其上安装有单电池的框架的那部分的结构相同。换句话说，框架700具有固持一个单电池的固持件719。固持件具有固持单电池的至少一部分外围的外围支撑部718，以及定位单电池的定位部。定位部是环绕外围支撑部形成的一部分，用于定位单电池的外围端部。
在框架700的四个转角设置用于穿过框架固定用定位插针的定位插针通孔702、704、706和708。通过插入成型将电压检测端子720固定到框架700上。当将单电池710安装到框架700上时，单电池710的一个电极接头710A接触到电压检测端子720。
层叠二十四个框架700，并且每六个框架插入中间散热片730，以形成单电池750的层状结构，正如图28所示。组成层状结构750的所有单电池串联电连接，就像如图5所示的层状结构400。根据本实施例，通过超声焊接将电极接头彼此连接。被定位在层状结构的底层和顶层内的框架分别安装有母线740A和740B。
在如图29所示的散热片350的同一平面上依照上述方法排列所制造的四个层状结构。在散热片350上嵌入十六个定位插针745以定位层状结构750、760、770和780(也就是将四个定位插针嵌入到每个层状结构中)。将定位插针插入到单电池迭层750、760、770和780的相应定位插针通孔中。所有的层状结构750、760、770和780都以该方式安装到散热片350上。尽管未曾示出，每一层状结构的母线通过连接件电连接，使得四个层状结构串联连接。在将层状结构750、760、770和780安装到散热片350上之后，最后安装如图1所示的散热片300。结果，形成具有和图1所示的电池组100的表面相同表面的电池组。
正如在本发明的第一到第三实施例中所说明的，电池组具有单电池的层状结构，并且在单电池之间基本上没有提供间隙。插入在数量上对应于必须的散热片数量的中间散热片，从而施加适合于每个单电池的表面压力。因此，可以构成汽车用的具有高能量密度的小型电池。由于电池组具有没有间隙的固体结构，电池具有卓越的抗振荡能力的高硬度。可以通过简单的层叠框架单元以及用螺栓紧固框架单元来组装电池组。因此，组装工作是高效率的。
根据本发明的电池组具有卓越的抗振荡能力以及散热性，以及重量轻结构紧凑。因此，电池组可以用于在恶劣工作条件的领域中工作的自动装置的电源，以及建筑工地的电源，并不仅仅限于汽车电源。
根据本发明的电池组的制造方法，首先形成电池模块，并接着形成单电池的层状结构。因此，每一个生产工序的工作任务变得清晰了。结果，能够高效地制造具有高可靠性的电池组。
根据35USC§119条本申请要求2003年10月10日注册的日本专利申请No.2003-351710的优先权，其全部内容在这里引用作为参考。尽管参照本发明的某些实施例在前面已经对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上面所描述的实施例中。对于本领域的普通技术人员来说根据所述原则将对上面所述的实施例提出变型和变化。本发明的范围参照所附的权利要求来限定。

Claims (24)

1.一种电池组，包括：
多个电池模块，该电池模块彼此连接，
每个电池模块包括多个扁平单电池，该扁平单电池具有发电元件以及用作发电元件的外围材料的膜，电极接头被从外围材料引出，
框架使每个电池模块中的扁平单电池排列在一假想平面内，其中，该框架在和假想平面相交的方向上层叠。
2.一种电池组，包括
多个电池模块，该电池模块彼此连接，
平板状框架，其每一个都具有一个扁平单电池，该扁平单电池具有发电元件以及用作发电元件的外围材料的膜，电极接头被从外围材料引出，层叠该框架以形成电池模块。
3.根据权利要求1所述的电池组，进一步包括
固持件，其每一个都通过对电池模块加压来整体固持电池模块。
4.根据权利要求2所述的电池组，其中
框架具有固持扁平单电池的固持件；以及
固持件具有支撑扁平单电池的一部分外围的外围支撑部，以及在其中定位扁平单电池的定位部。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中
框架具有固持扁平单电池的固持件；以及
固持件具有支撑扁平单电池的一部分外围的外围支撑部，以及定位扁平单电池的定位部。
6.根据权利要求2所述的电池组，其中
框架具有第一连接件，其将被固持在框架内的扁平单电池的一个电极接头电连接到被固持在在层叠方向上和其相邻的另一个框架上的扁平单电池的一个电极接头上。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中
框架具有第一连接件，每一个第一连接件将被固持在框架内的扁平单电池的一个电极接头电连接到被固持在在层叠方向上和其相邻的另一个框架上的扁平单电池的一个电极接头上。
8.根据权利要求1所述的电池组，其中
框架具有第二连接件，每一个第二连接件将被固持在框架内的扁平单电池的一个电极接头电连接到被固持在同一框架上的另一扁平单电池的一个电极接头上。
9.根据权利要求2所述的电池组，其中
框架具有电压检测端子，其检测被固持在框架内的扁平单电池的电压，并且其被电连接到扁平单电池的电极接头上。
10.根据权利要求1所述的电池组，其中
框架具有电压检测端子，其检测被固持在框架内的扁平单电池的电压，并且其被连接到扁平单电池的电极接头上。
11.根据权利要求3所述的电池组，其中
固持件起到增压单元的作用，其在层叠方向上对组成电池模块的所有扁平单电池施加表面压力，还起到冷却器的作用，其通过将从电池单元产生的热扩散来冷却电池单元。
12.根据权利要求3所述的电池组，其中
固持件具有第三连接件，其将电池模块的一个层状结构电连接到电池模块的另一个层状结构上。
13.根据权利要求1所述的电池组，其中
在层状框架之间插入至少一个冷却器。
14.根据权利要求1所述的电池组，其中
扁平单电池的外表面直接接触到在层叠方向上和该扁平单电池相邻的扁平单电池的外表面。
15.根据权利要求1所述的电池组，其中
扁平单电池被固持在框架内，使得扁平单电池的电极接头的极生在层叠方向上交替排列。
16.根据权利要求1所述的电池组，其中
在一个框架中排列的扁平单电池被固持在该框架中，使得电极接头的极性在排列方向上交替排列。
17.根据权利要求1所述的电池组，其中
扁平单电池具有层状发电元件，其内具有按顺序层叠的正电极板和负电极板；以及
电池模块在和发电元件的正电极板以及负电极板的层叠方向相同的方向上层叠。
18.根据权利要求1所述的电池组，其中
所有的扁平单电池串联电连接。
19.一种制造电池组的方法，包括以下步骤：
形成包括多个扁平单电池的电池模块，该扁平单电池具有发电元件以及用作发电元件的外围材料的膜，电极接头被从外围材料引出，其包括以下步骤
在平板状框架中固持一个扁平单电池；以及
层叠固持扁平单电池的平板状框架，
以及形成电池模块的层状结构，其中扁平单电池彼此电连接。
20.一种制造电池组的方法，包括如下步骤
形成包括多个扁平单电池的电池模块，其中每个扁平单电池具有发电元件以及用作发电元件的外围材料的膜，电极接头被从外围材料引出，在框架内固持排列在一个平面内的多个扁平单电池；
以及形成电池模块的层状结构，其中扁平单电池彼此电连接。
21.根据权利要求20所述的制造电池组的方法，其中
在形成电池模块的步骤，扁平单电池没有彼此电连接，以及
在形成层状结构之后，每个扁平单电池电连接到包括在相邻的电池模块中的相应扁平单电池。
22.根据权利要求19或20所述的制造电池组的方法，其中
形成层状结构的步骤包括
焊接形成一个电池模块的扁平单电池和形成另一个电池模块的扁平单电池的步骤。
23.根据权利要求19或20所述的制造电池组的方法，其中
形成层状结构的步骤包括
机械连接形成一个电池模块的扁平单电池和形成另一个电池模块的扁平单电池的步骤。
24.根据权利要求19或20所述的制造电池组的方法，其中
形成层状结构的步骤包括
通过焊接并通过机械连接将形成一个电池模块的扁平单电池电连接于形成另一个电池模块的扁平单电池的步骤。
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