CN102177600A

CN102177600A - 电池组

Info

Publication number: CN102177600A
Application number: CN2009801361485A
Authority: CN
Inventors: 笠井正胜
Original assignee: NEC Energy Components Co Ltd
Current assignee: NEC Energy Components Co Ltd
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2011-09-07
Also published as: WO2010008026A2; EP2312672B1; JP2010027261A; EP2312672A2; WO2010008026A3; TW201014012A; JP5339407B2; US8487586B2; US20110115437A1; TWI469414B; EP2312672A4

Abstract

本发明涉及一种电池组，包括：多个电池模块，其将多个电池单元容纳在外壳中；以及保护电路板，其同时控制多个电池模块的充电和放电。该电池组在串联和并联连接上非常灵活、组装生产率高并且能量密度高。

Description

电池组

技术领域

本发明涉及一种由适合用于二次电池的多串联和并联连接的电池模块组成的电池组。

背景技术

近年来，电子设备、特别是诸如蜂窝电话、膝上型个人计算机和可携式摄像机一类的便携式信息设备已提高性能并变得流行，产生对能量密度高的小型和轻质二次电池的更大需求。正在进行更先进的电池的研究。特别地，作为这种二次电池之一的锂离子二次电池正引起人们的注意。

锂离子二次电池以下面的方式制造：在转变为电池元件之前，经由由多孔合成树脂膜制成并浸渍有电解液的隔板将正极（其中正极活性材料层形成在正极集电器表面上）和负极（其中负极活性材料层形成在负极集电器表面上）堆叠。正极活性材料层由诸如锂钴复合氧化物一类的正极活性材料粉末、导电粉末和粘合剂制成；正极集电器表面由铝箔制成。负极活性材料层由含碳负极活性材料粉末和粘合剂制成；负极集电器表面由铜箔制成。

为了将电池用作用于电动车辆等的电源，需要根据要求的电容量将许多电池单元串联和并联连接。

图6是示出常规电池组的一个实例的图。

图6中所示的电池组是由七个电池单元组成的大容量锂离子电池组。电池组1的第一外壳部3a和第二盖部3b中，保护电路板7被安装在组装好的电池4上，其中具有约4.0Ah的容量的电池单元以7串联、1并联的型式排列；电池组1配备有用于外部连接的连接接头8。

图7是示出常规电池组的另一个实例的图。图7中所示的电池组是由14个常规电池单元组成的大容量锂离子电池组。

该电池组的第一外壳部3a和第二外壳部3b中，具有约1.0Ah的容量的电池单元以7串联、1并联型式排列而产生组装好的电池4a和4b，其然后被并联连接以便形成7串联、2并联型式的排列。另外，安装有保护电路板7；设有用于外部连接的连接接头8。

对于这种电池组，在每个电池组中安装保护电路板以在电池的充电和放电过程中保护电池以免出现异常。取决于保护电路板所占据的空间的体积，体积能量密度减小。例如，请参见专利文献1。

电池单元串联或并联或既串联又并联连接的电池组的生产和维护随着电池单元的数目增加而变得更加复杂。

公知作为用于电池单元被直接布置在其中的电池组的替代品为在外壳中具有存储了多个电池单元的多个电池模块的电池组。

当电池模块被使用时，取决于如何组合各种电池模块，可以使组装具有不同水平的电力输出的电池组的过程更有效率。

即使在电池模块中，如电池组的情形中那样，为电池单元被串联或并联或既串联又并联连接的组装的电池设置保护电路板。例如，请参见专利文献2。

对于保护电路板，一般而言，使用各种半导体元件。使用适合于电池模块的耐电压和耐电流的半导体元件。

例如，假设为了使具有24V的输出的电池模块耐受电压，保护电路由耐受双倍输出电压、即48V的元件制成。如果两个模块是串联连接的，则没有为耐电压留下空间。如果三个模块是串联连接的，则输出电压于是超过元件能耐受的电压；当发生异常时，保护功能可能由于半导体元件损坏而不起作用。因此，对将电池模块电气地连接在一起有限制。

还有一种方法，通过该方法，保护电路板由耐受高电压的构件组成。然而，其中的一个问题在于构件的外部尺寸大并且构件的每单位价格高。构件在体积和价格两方面均不理想。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP-A-2006-12805

专利文献2：JP-A-11-341693。

发明内容

本发明要解决的课题

本发明的目的是提供一种非常可靠的电池组，其在使用共同电池模块进行串联和并联连接方面非常灵活并且组装生产率高，该电池组具有多个电池模块，由多个电池单元组成的组装好的电池被存储在其中，电池模块被串联或并联或既串联又并联连接。

解决课题的手段

根据本发明，一种电池组包括：多个电池模块，其将多个电池单元容纳在外壳中；以及保护电路板，其同时控制多个电池模块的充电和放电。

该电池组中，电流熔丝至少被布置在电池模块中的正极侧输入/输出线或负极侧输入/输出线上。

该电池组中，电池电压检测线连接到电池模块中的各电池单元的正极侧或负极侧上；并且从电池模块引出的电池电压检测线连接到保护电路板上。

该电池组中，电池电压检测线连接到具有形成在绝缘基板上的多个电气隔离的熔丝的贴片熔丝上并从电池模块引出。

该电池组中，电池单元各覆盖有薄膜覆盖材料。

该电池组中，各电池单元的正极活性材料含有锂锰复合氧化物。

本发明的电池组是具有被容纳在由合成树脂或金属制成的外壳内的电池模块的电池组。

本发明的优点

根据本发明，可以提供这样的电池组：其在设定各种串联和并联连接中的输出电压和电流时非常灵活且组装生产率高，并具有高体积能量密度。

附图说明

图1是示出根据本发明的电池组的图并且是外壳的分解透视图，该外壳的一部分已被移除。

图2是示出设置在本发明的电池组容纳的电池模块中的锂离子二次电池的电池单元的一个实例的图且为透视图。

图3是示出根据本发明的一个实施例的被容纳在电池组中的电池模块的图且为分解透视图。

图4是提供图3中所示的电池电压检测线如何连接的更详细的说明的图；图4A是示出贴片熔丝和连接部分的透视图；图4B是示出贴片熔丝如何附接的侧视图；图4C是贴片熔丝的俯视图。

图5是示出根据本发明的一个实施例的电池模块的电布线的图。

图6是示出常规电池组的一个实例的图。

图7是示出常规电池组的另一个实例的图。

具体实施方式

下文将参照附图更详细地描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的电池组的图。图1是外壳的分解透视图，该外壳的一部分已被移除。

本发明的电池组1在由第一外壳部3a和第二外壳部3b组成的外壳中容纳多个电池模块5和保护电路板7。

连接到电池模块5上的电池模块输出线9和电池单元电压检测线11连接到保护电路板7上。此外，连接到保护电路板7上的是能使电池组1被电气连接的输入/输出单元13。

在该实例中，电池组1容纳四个电池模块5。四个电池模块5能够以4串联、1并联型式、2串联、2并联型式、1串联、4并联型式等被连接在一起。对于具有相同构造的电池模块，可以提供具有不同水平的输出电压和电流的电池组。

由于连接到电池模块5的电池模块输出线9和电池单元电压检测线11连接到本发明的电池组1的保护电路板7上，所以可以单独监测组成电池模块的各电池单元的工作状态，从而使得可以防止过充电、过放电、过电流、温度异常等。

如上所述，由于保护电路板7设置在电池组中，所以不需要对每个电池单元或电池模块5设置保护电路板7。

此外，保护电路板7上形成有允许电池模块以任意串联或并联连接型式或以任意串联和并联连接型式连接的可选择的电路。使用相同的电池模块5和相同的保护电路板7，可以为电池组提供不同水平的输出电压和电流。

图2是示出设置在本发明的电池组容纳的电池模块中的锂离子二次电池的电池单元的一个实例的图。图2为透视图。

锂离子二次电池的电池单元21的开口由薄膜覆盖材料23密封；连接到电池元件的正极上的正极接片(tab)25和连接到负极上的负极接片27分别经薄膜覆盖材料23的密封开口部分被引出。

希望将热粘合聚乙烯薄膜作为薄膜覆盖材料布置在电池单元的内表面上，将聚对苯二甲酸乙二酯高强度薄膜、聚酰胺薄膜等布置在外表面上，并使用铝箔层被布置和堆叠在其中的柔性层压薄膜。

此外，可通过对由铝箔制成的集电器的表面施加锂过渡金属复合氧化物颗粒和诸如炭黑一类的含碳导电材料随同粘合剂分散于其中的浆状物来形成正极。

对于锂过渡金属复合氧化物，可使用锂锰复合氧化物。当使用锂锰复合氧化物时，电池当被充电时比使用锂钴复合氧化物的电池更安全。因此，可以使各电池单元的保护电路简单。因而，可以缩小电池模块的尺寸。

锂锰复合氧化物可为仅包括锂和锰的氧化物，或包括其它化学元素的复合氧化物。

负极可以通过对铜箔的表面施加浆状物来形成：通过将用于获得掺杂或不掺杂锂的石墨、无定形碳粉、硅等与粘合剂混合来获得该浆状物。

对于本发明的电池组，可以使用各种电容量不同的电池单元。可以采用电容量大于或等于1Ah且小于或等于500Ah的电池单元。

图3是示出被容纳在根据本发明的一个实施例的电池组中的电池模块的图。图3是分解透视图。

电池模块5包括在电池模块外壳51a和51b中的组装好的电池4：组装好的电池4容纳多个电池单元21。对于电池模块外壳51a和51b，能够使用以下材料：诸如聚碳酸酯或ABS树脂一类的合成树脂，或诸如铝、低碳钢或不锈钢的金属材料。电池模块外壳51a和51b利用螺钉52连接在一起。

当使用合成树脂材料作为外壳的成分时，可以防止被施加电压的部分当该部分与外壳接触时短路。同时，如果要求外壳的热释放特征和强度，则希望使用金属材料。

在该实例中，七个电池单元21在电池模块5中被串联连接而形成组装好的电池4。电池单元的形状、要连接的电池单元的数目和电连接方法可根据预期用途适当变化。

以下设置在本电池模块5中：组装好的电池4的正极侧输入/输出线54、组装好的电池的负极侧输入/输入线55、以及从各电池单元引出并用于监测各电池单元的电压的电池电压检测线60。

正极侧输入/输出线54上设有电流熔丝57以保护免于短路。贴片熔丝61连接到电池电压检测线60上以防止电压检测线短路。

这些情形中，设置了输入/输出线外部连接接头59和电池电压检测线外部连接接头66；未安装保护电路板。

在图3中所示的实例中，用于电压检测线的贴片熔丝61包括在绝缘基板上的多个电气隔离的熔丝62，其数目与电压检测线的数目对应。

电压检测线贴片熔丝61包括接头61a和61b，其能使多个电路被同时连接。因此，连接到一个接头61a上的是具有连接到电池电压检测线60上的多个电气触点的接头63。连接到另一个接头61b上的是连接到电池电压检测线外部连接接头64上的输出侧电池电压检测线65。因此，接头61b连接到电池电压检测线输出侧接头66上，从而能使所有电池电压检测线被同时连接。

用于保护免于短路的正极侧输入/输出线54的电流熔丝57根据电池或其中使用电池的设备而变化。为了确保安全，希望为24V系统采用额定30A或以上的熔丝，并且为用于驱动系统中且需要大电流的系统采用额定100A或以上的熔丝。

正极侧输入/输出线54和负极侧输入/输出线55连接组装好的电池53和输入/输出线外部连接接头59。根据要求的电流量适当选择应用于正极侧输入/输出线54和负极侧输入/输出线55的线材料。优选的是，该材料具有AWG#14th线(直径为1.628mm)或以上的厚度。优选的是，负极侧输入/输出线55具有AWG#30th线(直径为0.2546mm)或以上的厚度。

以上电连接可通过由诸如铜或铝的金属板而非线材料制成的母线来实现。

图4是提供图3中所示的电池电压检测线如何连接的更详细的说明的图。图4A是示出贴片熔丝和连接部分的透视图。图4B是示出贴片熔丝如何附接的侧视图。图4C是贴片熔丝的俯视图。

贴片熔丝61配备有多个电气隔离的熔丝62并具有能使多个熔丝62被同时电连接的接头61a和61b。因此，连接到一个接头61a上的是具有连接到电池电压检测线60上的多个电气触点的接头63。连接到另一个接头61b上的是连接到输出侧电池电压检测线64上的接头65。因此，多个电池电压检测线被连接在一起。

输出侧电池电压检测线64上设有电池电压检测线输出侧接头66。因此，可以对设置在电池组中的保护电路供应电池的电压。

设有配备有多个熔丝的贴片熔丝。因此，可以同时将所有电池电压检测线连接在一起。使用中的接头并不暴露被施加电压的部分。因此，可以形成非常可靠的电连接。

图5中所示的实例中，组装好的电池4由串联连接的七个电池单元21组成。

从定位在组装好的电池4的层压体的一端的电池单元的正极引出的正极侧输入/输出线54被连接。从定位在以上组装好的电池的层压体的另一端的电池单元的负极引出的负极侧输入/输出线55被连接。负极侧输入/输出线54经电流熔丝57连接到输入/输出线外部连接接头59上并连接到电池保护板上。

同时，电池电压检测线60连接到各电池单元的正极侧上并连接到设置在贴片熔丝61中的七个电气隔离的熔丝62上。

定位在贴片熔丝61的输出侧的输出侧电池电压检测线64连接到电池电压检测线外部连接接头66上并经该接头连接到电池保护电路上。

本电池模块并不包括保护电池模块中的电池的充电和放电的保护电路，从而允许根据要求的电压或电流串联或并联或既串联又并联地自由连接多个电池模块。

根据使用该电池的设备所需的电压或电流适当设定串联连接以组成组装好的电池的电池单元的数目。存在12V或24V系统作为使用该电池的设备的典型电压。然而，在锂离子二次电池的情形中，优选对于12V系统将三到四个电池单元串联连接，而对于24V系统将六到八个电池单元串联连接。还可以通过改变串联连接的电池单元的数目来支持各种电压，例如36V或42V。

实例

以下通过举例来描述本发明。

实例1

锂离子二次电池的正极采用以下方式制造。

通过以90：5：5的质量比将锂锰复合氧化物粉末、含碳导电材料和聚偏氟乙烯混合并分散到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中并进行搅拌而制备正极活性材料层的浆状物。然后，使用刮刀将浆状物均匀地施加到厚度为20μm的铝箔板的两侧以形成正极。

对于负极，通过以91：9的质量比将无定形碳粉和聚偏氟乙烯混合并分散到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中并进行搅拌而制备负极活性材料层的浆状物。然后，使用刮刀将浆状物施加到厚度为10μm的铜箔板的两侧以形成负极。

将正极板和负极板经由隔板堆叠在其中的电池元件浸渍电解液：正极活性材料层和负极活性材料层被施加到正极板和负极板的两侧。还通过薄膜覆盖材料密封开口以形成锂离子二次电池的电池单元。电池单元的容量为4.0Ah。

通过串联连接七个二次电池形成组装好的电池，然后将其容纳在电池模块外壳中。附接到各电池单元上的电池电压检测线在配备有七个电气隔离的熔丝的贴片熔丝的一端连接到接头上；贴片熔丝的另一端连接到用于外部连接的接头上。

正极侧输入/输出线连接到电流熔丝的一端上；电流熔丝的另一端和负极侧输入/输出线连接到用于外部连接的接头上。

将希望数量的如上所述形成的电池模块容纳在电池组中并连接到保护电路板上。因而形成电池组。

在一个实例中，其中存储了串联连接的七个电池单元的组装好的电池并且安装了保护电路板的电池组宽90mm、长210mm且厚70mm。当四个电池组被合并时，体积达5292cm³。

而该实例中生产的电池组容纳四个不具有保护电路板的电池模块并且宽200mm、长250mm且厚100mm；体积达5000cm³。

这样，未对每个电池模块设置保护电路板；只为容纳四个电池模块的电池组设置一个保护电路板。

因而，可以减小电池组的体积并因此提高体积能量密度。

本发明的电池组是通过在生产电池模块之后将要求数目的电池模块的接头连接到设置在电池组中的保护电路板上而形成的。因而，可以减少组装步骤的数目并因此提高生产电池组的生产率。

至于电池模块，不是所有四个电池均被串联连接的电池模块，可使用2串联、2并联连接型式的电池模块。因此，使用具有相同构造的电池模块，可以生产不同输出电压和电流的电池组并改善生产电池组的方式的灵活性。

本发明的电池组能够被应用于使用各种活性材料的二次电池。特别地，使用被充电时非常安全的锂锰复合氧化物作为正极活性材料的锂离子电池是优选的。也可以提供只对电池组而不对电池模块使用保护电路板的电池组。

实例2

图7是示出常规电池组的一个实例的图。电池组1中，电池单元以7串联、2并联型式连接以生产组装好的电池并安装保护电路板。在由第一外壳部3a和第二外壳部3b组成的外壳中，七个电池单元被串联连接在其中的两个组装好的电池53被并联连接。保护电路板7被定位成与组装好的电池接触。

电池组1宽180mm、长210mm且厚70mm。当四个电池组被连接时，总体积为10584cm³。

同时，当使用与以上电池组中相同数目的电池单元以及当电池组容纳由7串联、2并联连接型式的组装好的电池组成的四个电池模块时，电池组的尺寸为宽380mm、长250mm且厚100mm并且体积达9500cm³。

根据本发明，可以提供具有比使用相同数目的电池单元的电池组更小的体积的电池组，在每个电池组中设置了保护电路板并且输出电压和电流相等。因此，可以提供每体积电容量大的电池组。

工业实用性

需要布置用于电池的充电和放电的保护电路板。没有为由组合了容量比较大的二次电池如锂离子电池的电池单元的组装好的电池组成的每个电池模块设置用于电池的充电和放电的保护电路板。电池组设有只用于该电池组的保护电路板。因此，可以提供体积效率高的电池组。

Claims

1. 一种电池组，其特征在于，包括：

将多个电池单元容纳在外壳中的多个电池模块；以及

同时控制多个所述电池模块的充电和放电的保护电路板。

2. 根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，

电流熔丝至少被布置在所述电池模块中的正极侧输入/输出线或负极侧输入/输出线上。

3. 根据权利要求1或2所述的电池组，其特征在于：

电池电压检测线连接到所述电池模块中的每个电池单元的正极侧或负极侧上；并且

从所述电池模块引出的电池电压检测线连接到所述保护电路板上。

4. 根据权利要求3所述的电池组，其特征在于，

所述电池电压检测线连接到具有形成在绝缘基板上的多个电气隔离的熔丝的贴片熔丝并从所述电池模块引出。

5. 根据权利要求1至4中任一项所述的电池组，其特征在于，

所述电池单元覆盖有薄膜覆盖材料。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电池组，其特征在于，

所述电池单元的正极活性材料为锂锰复合氧化物。