CN102142575B - 电池单元模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池单元模块。具体地，提供了一种电池单元模块，其包括：封闭件，该封闭件具有非导电周边；以及由导热材料形成的至少一个盖。所述盖具有大体上平坦的内表面，并且密封地接合非导电周边。多个串联互连的电池单元被放置在一起形成彼此面接触，电池单元中的外部电池单元与盖的内表面处于面接触，以方便通过其传热，并且对所述串联互连的电池单元提供所期望的挤压。串联互连的电池单元的第一端包括正接线端，串联互连电池单元的第二端包括负接线端，串联互连的电池单元的正接线端和负接线端延伸穿过所述非导电周边。

Description

电池单元模块
技术领域
本公开涉及用于电池组的封装，更为具体地，涉及电池单元模块组件。
背景技术
已经提出将电池单元作为清洁、有效和对环境负责的动力源而用于电动车辆和各种其他应用。一种类型的电池单元已知为锂离子电池。锂离子电池可再充电，并且可以形成为各种各样的形状和尺寸，以有效地填充电动车辆内的可用空间。多个单独的锂离子电池单元可以设置在电池单元模块中，以提供足以操作电动车辆的功率量。通常，为了在有效封装中提供高功率密度，大量的电池单元（经常是大于10个）被封装在单独的电池单元模块中。
锂离子电池已知在操作期间会产生热，并且在充电时作为充电循环的结果也产生热。当过热或者另外暴露给高温环境时，不期望的效应可能影响对锂离子电池的操作。主动冷却系统通常与锂离子电池组一起使用，以防止不期望的过热状况。主动冷却系统通常涉及流动通道，或者涉及间置在相邻电池单元之间的冷却翅片上的肋，二者都导致了施加在单独电池单元外表面上的非均匀压力。此外，主动冷却系统由于增加了所需要的封装空间从而减小了体积效率，因而不期望地增加了电池组及其安装的复杂性。另外，由于不均匀的冷却的缘故，所以在相同电池组内的单独电池单元之间仍然可能发生显著的温度变化，从而进一步影响了电池单元模块的操作。
而且，随着锂离子电池单元进行充电和放电，锂离子电池单元可能膨胀，并且锂离子电池单元可能排出作为其中所发生的化学反应的副产物的气体。因此，期望容纳电池单元的膨胀，以及容许由于电池单元膨胀的缘故而在电池单元模块内产生的合成的内部压力。进一步地，期望容纳副产物气体，以及捕集或适当地从电池单元模块排出这些气体。
存在对易于制造的、具有集成冷却系统的电池单元模块的持续需求，并且还存在对用于维持例如锂离子电池组之类的电池组的期望温度和功率密度的方法的持续需求。期望地，该电池单元模块和方法给电池组提供了均匀分布的表面压力，同时保持从其进行有效的传热，并且允许对电池单元内产生的任何排放气体的收集或捕集。
发明内容
根据当前公开，令人惊喜地提供了一种易于制造的、具有集成冷却系统的电池单元模块，以及用于维持例如锂离子电池组之类的电池组的期望温度和功率密度的方法，从而给电池组提供了均匀分布的表面压力，同时保持从其进行有效的传热，并且还使得能够对来自电池组的任何排放气体进行收集或捕集。
根据本发明，公开了一种电池单元模块，包括：边框和至少一个盖，所述至少一个盖由导热材料形成，所述盖具有大体上平坦的内表面且密封地接合所述边框。多个串联互连的电池单元被布置成彼此面接触，电池单元的第一端包括正接线端，电池单元的第二端包括负接线端，每个都延伸穿过所述边框。至少一个电池单元布置成与所述盖的内表面处于面接触，以便利于通过其传热，并且还便利于正接线端和负接线端。
在一个实施例中，封闭件通常是平行六面体形状的，具有顶部、底部、第一侧、第二侧，以及由导热材料形成的第一和第二相对的盖，所述相对的盖具有大体平坦的内表面且密封地接合所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧。多个串联互连的电池单元布置成面接触，以限定处于与相邻电池单元面接触的内部电池单元和与一个电池单元面接触的外部电池单元，并且具有大体平坦的内表面，以方便通过其传热。串联互连的电池单元的第一端包括正接线端，所述串联互连的电池单元的第二端包括负接线端，其中所述正接线端和所述负接线端延伸穿过所述外框的顶部、底部、第一侧和第二侧中的至少一个。所述外框的顶部、底部、第一侧和第二侧中的一个可以进一步包括：通风端口和用于温度监测探头的开口。相对的盖的外表面可以形成翅片，以方便将热传输到外部环境，用于冷却所述模块。
在另一实施例中，串联互连电池单元的相邻电池单元之间的电互连还包括导电片，其中每个所述片还延伸穿过外框的顶部、底部、第一侧和第二侧中的至少一个，以方便对每个电池单元的电压监测。
在另一实施例中，导热板大体上间置于串联互连的电池单元中间，位于相邻单元之间并且处于与相邻单元的相对面的面接触中。该板与相对的盖的内表面热连通，以方便通过其传热。
还公开了一种用于组装电池单元模块的方法。
本发明还包括以下方案：
方案1. 一种电池单元模块，包括：
边框；
至少一个盖，所述至少一个盖由导热材料形成，所述盖具有大体上平坦的内表面且密封地接合所述边框；以及
多个串联互连的电池单元，所述电池单元的第一端包括正接线端，所述电池单元的第二端包括负接线端，所述电池单元被布置成彼此面接触，所述电池单元中的一个与所述盖的内表面处于面接触，以方便通过其传热，所述正接线端和负接线端延伸穿过所述边框。
方案2. 根据方案1所述的电池单元模块，进一步包括间置在所述电池单元中的两个之间的导热板，所述板与所述盖热连通，以方便从所述电池单元之间去除热。
方案3. 根据方案2所述的电池单元模块，其中，所述盖的外表面包括肋，以方便散热。
方案4. 根据方案3所述的电池单元模块，其中，所述肋在它们之间限定冷却剂流动路径。
方案5. 根据方案2所述的电池单元模块，其中，在所述电池单元中相邻电池单元之间的电互连还包括延伸穿过所述边框的导电片，以方便对所述电池单元的电压监测。
方案6. 根据方案5所述的电池单元模块，其中，所述导电片延伸穿过形成在所述边框中的电压监测端口。
方案7. 根据方案6所述的电池单元模块，其中，所述边框还包括温度监测端口，温度探头插入到所述温度监测端口中以监测所述模块内的温度，其中所述温度探头与所述导热板热连通。
方案8. 根据方案1所述的电池单元模块，其中，所述边框由非导电材料注模成形。
方案9. 根据方案1所述的电池单元模块，其中，所述边框还包括通风端口，所述通风端口方便捕集和排出形成在所述模块内的气体。
方案10. 一种电池单元模块，包括：
总体上为平行六面体的外框，所述外框具有顶部、底部、第一侧和第二侧，以及由导热材料形成的相对的第一盖和第二盖，所述相对的第一盖和第二盖分别具有大体平坦的内表面并且密封地接合所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧；以及
多个串联互连的电池单元，所述电池单元的第一端包括正接线端，所述电池单元的第二端包括负接线端，所述电池单元被布置成彼此面接触，以限定与相邻电池单元面接触的内部电池单元和与一个电池单元面接触的外部电池单元，并且还具有大体平坦的内表面，以方便通过其传热，所述正接线端和所述负接线端延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个。
方案11. 根据方案10所述的电池单元模块，进一步包括导热板，所述导热板被间置于至少两个内部电池单元之间，所述板与所述第一盖和所述第二盖中的一个的内表面热连通，以方便从所述内部电池单元之间去除热。
方案12. 根据方案11所述的电池单元模块，其中，存在四个电池单元。
方案13. 根据方案11所述的电池单元模块，其中，所述电池单元中相邻的电池单元之间的电互连还包括导电片，所述导电片延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个，以方便对所述电池单元的电压监测。
方案14. 根据方案13所述的电池单元模块，其中，所述导电片延伸穿过形成在所述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的一个内的电压监测端口。
方案15. 根据方案11所述的电池单元模块，其中，所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的一个还包括温度监测端口，温度探头插入到所述温度监测端口中以监测所述模块内的温度，其中所述温度探头与所述导热板连通。
方案16. 根据方案11所述的电池单元模块，其中，所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧由非导电材料注模成形。
方案17. 根据方案15所述的电池单元模块，其中，所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个还包括通风端口，以方便捕集和排出形成在所述封闭件内的气体。
方案18. 一种组装电池单元模块的方法，包括：
将多个串联互连的电池单元布置成彼此面接触；
将所述多个电池单元放置在边框中；
将侧盖放置成与所述电池单元中的一个的外表面处于面接触；以及
使所述侧盖的周边变形成与所述边框密封接合，其中通过所述侧盖将挤压力施加到所述电池单元以导致变形。
方案19. 根据方案18所述的方法，其中，将所述多个电池单元放置在边框中的步骤进一步包括：
由非导电材料在所述电池单元周围注模成形所述边框。
方案20. 根据方案19所述的方法，进一步包括：
将所述侧盖放置成与导热板热连通，所述导热板间置在至少两个内部电池单元之间。
附图说明
对本领域技术人员而言，本发明的上述以及其他优点将从结合本文所描述的附图的下述详细说明而变得显而易见。
图1是根据本发明的电池单元模块的透视图；
图2是沿着图1中的剖面线2-2所取的电池单元模块的局部截面侧视图；
图3是根据图1的电池单元模块的局部透视图，其中侧盖被去除；
图4是根据图1-3的、在组装为电池单元模块之前的多个电池单元的示意性侧视图；以及
图5是根据图1-4中所示的实施例的导热板的侧向透视图。
具体实施方式
以下详细说明和所附的附图描述和示出了本发明的各种实施例。该描述和附图用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明，而并不是旨在以任何方式限制本发明的范围。对于所公开的方法，所给出的步骤本质上只是示例性的，并且不是必须的或者关键的。
参照图1-3，示出了根据本发明的电池单元模块20。电池单元模块20包括：边框22和相对的导热侧盖24。显示在图1-3中的电池单元模块20被表示为平行六面体形，具有协作地形成边框22的顶部26、底部28、第一侧30和第二侧32，同时导热的相对侧盖24与所述边框22协作以形成电池单元模块20。可以理解的是，电池单元模块20可以具有任何的几何形状，以容许各种电池类型和形状。
多个电池单元34设置在电池单元模块20之内。多个电池单元34是棱柱形电池单元，且可以是棱柱形锂离子（Li-ion）电子单元。必须理解的是，利用不同的结构和电化学的其他电池单元34也可以用在本发明的范围之内。
如图4中所示，每个电池单元34都包括正接线端36和负接线端38。电池单元34串联布置，其中正接线端36通过焊接片40电连接到相邻电池单元34的负接线端38，除了正端电池单元42和负端电池单元44之外。如图所示，焊接片40从电池单元34侧向延伸，且进一步包括电压监测引线54，电压监测引线54从焊接片40延伸且穿过边框22的顶部26伸出，如图1和3中所示。正接线端36和负接线端38之间的电连接以传统的方式形成，且可以根据需要包括焊接或者螺栓。此外，四个串联互连的电池单元34显示在图4中，但是可以互连任何数目的电池单元34，而不背离本发明。
正端电池单元42的正接线端46电连接到正接线端引线48，同时负端电池单元44的负接线端50电连接到负接线端引线52。另外，正接线端引线48包括侧向延伸的电压监测引线56，负接线端引线52包括侧向延伸的电压监测引线58。如图所示，电压检测引线56、58都穿过边框22的顶部26伸出。
如图3中所示，电压监测引线54、56、58可以任意的组合用于监测电池单元模块20之内的单独电池单元34的电压，或者可以用于监测整个电池单元模块20的电压。必须理解，电压监测引线54、56、58可以沿着任何方向伸出。但是，电压监测引线可如常规已知的那样向外延伸穿过边框22，且与边框22电绝缘。
在插入到电池单元模块20中之前，电池单元34被组装成将电池面60放置为彼此面接触（facing contact）。当组装时，电池面60对相邻的电池单元34提供支撑，并且在电池单元模块20内允许有效地封装电池单元34。在一种方法中，电池单元34在被叠拢以将电池面60放置成处于彼此面接触之前，被像所描述的那样电互连。在另一方法中，电池单元34首先被叠置，以将一个电池单元34的正接线端36放置成与相邻电池单元34的负接线端38相邻。在叠置之后，相邻的电池单元34通过焊接片40电互连。通过在互连之前叠置电池单元，焊接片40在后续的叠拢步骤期间不会经受应力。
如图2中所示，当电池单元34被准备好，以便用于插入到边框22中时，单独的电池单元34可以描述为内部电池单元62和外部电池单元64中的一种。内部电池单元62的面60没有与导热侧盖24的内表面66接触，而外部电池单元64使至少一个面60与导热侧盖24的内表面66处于面接触。在正端电池单元42和负端电池单元44也是外部电池单元64的情况下获得了有利的结果，但是要理解的是，这种情形不是必需的。电池单元34插入到边框22中，且导热侧盖24被安装成与外部电池单元64的面60处于面接触，以对电池单元34提供所期望的大体上均匀分布的挤压力。
当电池单元34首先安装在框架部件68内时可以获得有利的结果，如图3中所示。此后，顶部26、底部28、第一侧30和第二侧32都被组装在框架部件68上。顶部26、底部28、第一侧30和第二侧32可以由任何材料形成。当顶部26、底部28、第一侧30和第二侧32被注模成形时，可获得有利的结果。用于顶部26、底部28、第一侧30和第二侧32注模成形的化合物可以是非导电复合物，以形成非导电的边框22。当顶部26、底部28、第一侧30和第二侧32由例如铝之类的金属构造以改进边框22的结构强度和导热性能时，也可获得有利的结果。
如图1中所示，正接线端引线48和负接线端引线52穿过第一侧30伸出，以允许电池单元模块与外部载荷电连接。此外，顶部26围绕电压监测引线54、56、58安装。电压监测端口70可以形成在顶部26中。应当理解，如果边框22由例如铝之类的导电材料构造，则正接线端引线48、负接线端引线52和电压监测引线54、56、58都必须与边框电绝缘。但是，如果边框22由非导电材料形成（例如，通过注模成形）时，正接线端引线48、负接线端引线52和电压监测引线54、56、58都可以直接延伸穿过形成边框22的非导电材料。
通气端口72形成在顶部26中，以允许捕集和适当排出形成在电池单元模块20内的任何气体。温度监测端口74也形成在顶部26中，用于插入温度探头76。必须理解，电压监测端口70、通风端口72和温度监测端口可以放置在边框22上的任何期望位置中。
在边框22已经在电池单元34周围组装就位后，导热侧盖24被安装成与外部电池单元64处于面接触。导热侧盖24可以通过可移动工具78被挤压或者卡扣就位，使得每个导电侧盖24的外周边80与非导电边框22上的模制密封件82接合，从而与其协作以在电池单元模块20内形成不透流体的密封，同时提供用于从电池单元模块20去除热的热通路，并且将均匀分布的挤压预载荷提供给电池单元34。必须理解的是，如果需要，也可以利用将侧盖24的外周边80密封地互连至模制密封件82的其他方法。
侧盖24的厚度t可以被选择成还承受由于电池单元34在其寿命周期上的膨胀所导致的侧盖24上的任何增加的载荷。特别地，厚度t可以根据在多个电池单元模块20（未示出）构成的堆之内的电池单元模块20的位置以及根据用于侧盖24的材料来进行选择。例如，在电池单元模块20的更大的堆上构成端板的铝侧盖24可以具有大约4 mm的厚度t，而多个电池单元模块20的内部位置中的侧盖24可以具有大约0.3 mm的厚度t。
导热侧盖24的外表面84还可以包括凸起肋108，以便使得能够从电池单元模块20进行被动或者主动的热耗散，并且当放置在载荷下时对侧盖24提供结构稳定性。肋108可以形成为翅片，以耗散来自侧盖24的热。然而，在肋108与相邻电池单元模块20上的相邻侧盖24上的对应的肋协作以形成流动路径，从而使例如空气之类的冷却剂可以从其中流动的情况下，这可获得有利的结果。空气可以主动地或者被动地循环通过由相邻的肋108所形成的流动路径。
根据电池单元34的尺寸和存储容量，电池单元模块20之内的额外冷却可能是所期望的。在这样的情况下，导热板86可以面接触地间置在内部电池单元62之间。如图2、图5中最佳所示，导热板86包括大体平坦的面88，所述面88的尺寸设成对相邻的电池面60提供支撑，同时也提供用于从内部电池单元62之间去除热的热路径。导热板86的顶部边沿90形成有交替弯曲的片92，每个片92终止于传热垫片94中。相似地，导热板86的底部边沿96形成有交替弯曲的片98，每个弯曲片都终止于传热垫片100中。中央片102沿着导热板86的顶部边沿90形成，所述导热板86具有传热垫片104，温度探头76安置在传热垫片104上。
当组装好电池单元模块20时，导热中央板86间置于相邻的内部电池单元62之间。交替弯曲的片92、98沿着离开导热板86的方向朝向导热侧盖24的内表面66的周边部分110延伸。传热垫片94、100接触导热侧盖24的内表面66的周边部分110，由此提供从电池单元34之间到导热侧盖24的传热路径。导热侧盖24可以具有足够的热容量，以接收和存储基本上所有在电池单元模块20内产生的热。此外，侧盖24的外表面106（图1）可以包括肋108，肋108用于将存储在侧盖24内的热耗散至外部环境。要理解的是，热从侧盖24的外表面106的传输可以通过主动或者被动系统发生，并且可涉及传导、对流或它们的组合。而且，要理解的是，根据电池单元模块20的散热要求，对导热中央板86的包括是可任选的。作为示例，电池单元模块20内由三个电池单元34构成的组可能不需要额外的冷却，而在电池单元模块20内以四个或更多个电池单元34构成组的情况下，在包括至少一个导热板86时，可观察到有利的结果。
本发明的电池单元模块20是易于制造的封闭件，所述封闭件包括从电池单元模块20的内部到导热侧盖24的外表面106的集成传热路径。由于侧盖24被安装成对电池单元34提供大体上均匀分布的表面压力，从而确保了传热路径。通过电池单元模块20的顶部26插入的温度探头76接触被热连接到电池单元34内的导热板86的传热垫片104，由此允许电池单元模块20内的温度被连续监测。每个电池的电压都可以通过一体提供的电压监测端口70来监测。所排放的气体在电池单元模块20内被捕集，并且可以通过通风端口72去除。正接线端引线48和负接线端引线52使得能够互连任何数目的电池单元模块20，且相应地容易处理和替换任意模块，以实现所期望的功率密度。单独的电池单元模块20可以容易地调整尺寸用于各种应用，包括用于先进的电动车辆和混合动力车辆。
尽管已经示出了某些代表性的实施例和细节，用于对本发明进行说明之目的，但是对普通技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的范围的情况下可以进行各种变化，这将在所附权利要求中进一步进行描述。

Claims (19)

1.一种电池单元模块，包括：
边框；
至少一个盖，所述至少一个盖由导热材料形成，所述盖具有平坦的内表面且密封地接合所述边框；
多个串联互连的电池单元，所述电池单元的第一端包括正接线端，所述电池单元的第二端包括负接线端，所述电池单元被布置成彼此面接触，所述电池单元中的一个与所述盖的内表面处于面接触，以方便通过其传热，所述正接线端和负接线端延伸穿过所述边框；以及
其中，所述至少一个盖设置成将均匀分布的挤压预载荷提供给所述电池单元。
2.根据权利要求1所述的电池单元模块，进一步包括间置在所述电池单元中的两个之间的导热板，所述板与所述盖热连通，以方便从所述电池单元之间去除热。
3.根据权利要求2所述的电池单元模块，其中，所述盖的外表面包括肋，以方便散热。
4.根据权利要求3所述的电池单元模块，其中，所述肋在它们之间限定冷却剂流动路径。
5.根据权利要求2所述的电池单元模块，其中，在所述电池单元中相邻电池单元之间的电互连还包括延伸穿过所述边框的导电片，以方便对所述电池单元的电压监测。
6.根据权利要求5所述的电池单元模块，其中，所述导电片延伸穿过形成在所述边框中的电压监测端口。
7.根据权利要求6所述的电池单元模块，其中，所述边框还包括温度监测端口，温度探头插入到所述温度监测端口中以监测所述模块内的温度，其中所述温度探头与所述导热板热连通。
8.根据权利要求1所述的电池单元模块，其中，所述边框由非导电材料注模成形。
9.根据权利要求1所述的电池单元模块，其中，所述边框还包括通风端口，所述通风端口方便捕集和排出形成在所述模块内的气体。
10.一种电池单元模块，包括：
总体上为平行六面体的外框，所述外框具有顶部、底部、第一侧和第二侧，以及由导热材料形成的相对的第一盖和第二盖，所述相对的第一盖和第二盖分别具有平坦的内表面并且密封地接合所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧；
多个串联互连的电池单元，所述电池单元的第一端包括正接线端，所述电池单元的第二端包括负接线端，所述电池单元被布置成彼此面接触，以限定与相邻电池单元面接触的内部电池单元和与一个电池单元面接触的外部电池单元，并且还具有平坦的内表面，以方便通过其传热，所述正接线端和所述负接线端延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个；以及
其中，所述相对的第一盖和第二盖设置成将均匀分布的挤压预载荷提供给所述电池单元。
11.根据权利要求10所述的电池单元模块，进一步包括导热板，所述导热板被间置于至少两个内部电池单元之间，所述板与所述第一盖和所述第二盖中的一个的内表面热连通，以方便从所述内部电池单元之间去除热。
12.根据权利要求11所述的电池单元模块，其中，存在四个电池单元。
13.根据权利要求11所述的电池单元模块，其中，所述电池单元中相邻的电池单元之间的电互连还包括导电片，所述导电片延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个，以方便对所述电池单元的电压监测。
14.根据权利要求13所述的电池单元模块，其中，所述导电片延伸穿过形成在所述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的一个内的电压监测端口。
15.根据权利要求11所述的电池单元模块，其中，所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的一个还包括温度监测端口，温度探头插入到所述温度监测端口中以监测所述模块内的温度，其中所述温度探头与所述导热板连通。
16.根据权利要求11所述的电池单元模块，其中，所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧由非导电材料注模成形。
17.根据权利要求15所述的电池单元模块，其中，所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个还包括通风端口，以方便捕集和排出形成在所述模块内的气体。
18.一种组装电池单元模块的方法，包括：
将多个串联互连的电池单元布置成彼此面接触；
将所述多个电池单元放置在边框中；
将侧盖放置成与所述电池单元中的一个的外表面处于面接触；
使所述侧盖的周边变形成与所述边框密封接合，其中通过所述侧盖将挤压力施加到所述电池单元以导致变形；以及
将所述侧盖放置成与导热板热连通，所述导热板间置在至少两个内部电池单元之间。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，将所述多个电池单元放置在边框中的步骤进一步包括：
由非导电材料在所述电池单元周围注模成形所述边框。
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