CN102237547B - 易于组装的带有棱柱形电池单元的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及易于组装的带有棱柱形电池单元的电池组。提供一种免焊、无框架电池设计。这个设计减少了电池组的部件数量和重量、简化了组装操作并且用最小的劳力和成本使电池组可修理和可再造。该电池组包括一组电池单元和冷却肋片，并且在该组周围放置可拆限制件。电池单元的正极和负极接头片包括一堆子接头片，它们弯到单元的面上。一种类型的单元可以具有在处于单元的对立面上的正极和负极子接头片中的一个上的伸出部分。这些子接头片用于形成所需的串联和并联连接。

Description

易于组装的带有棱柱形电池单元的电池组
技术领域
本发明总体上涉及电池组，并且尤其涉及易于组装和拆卸的电池组。
背景技术
用于混合动力或插入式电动车辆（EV）的电池组件可以包括多个电池单元10、冷却肋片15、中继框架20和泡沫板25，它们如图1所示堆叠且连在一起形成模件或组件。虽然电池单元是电池的唯一能源和电源，但是这个组件需要其它部件来形成功能完整且可靠的系统。它们全体增加了电池组的重量和复杂性。例如，中继框架的总重量可能有电池组总重量的10%那么多。
用于长驾驶路程EV的电池可能包括200多个电池单元。为了更好的空间能量密度和热效率，这些单元优选为棱柱形形状。冷却肋片、中继框架和泡沫板的个体数量可以是电池单元数量的一半。每个部件具有不同的材料性质和不同的几何形状。这些电池单元是半刚性的并且在袋子里分层。冷却肋片例如可以由单片铝或两个焊在一起的内部有冷却剂通道的铝片制成，它们是棱柱形的并且是薄的，但是比电池单元更硬。泡沫板提供了热膨胀和压缩的空间，它们比较软并且具有橡胶垫片边缘。塑料的中继框架是窄的并且是中空的，它们在框架的两侧具有复杂的互锁零件和冷却剂密封。不同部件的巨大数量对快速堆叠操作十分有挑战性。外形和性质上的差异进一步增大了自动组装的难度和复杂性，需要高成本的组装设备或者导致更慢的组装操作。
通常，在把这些电池部件堆叠和组装成模件之后，每两个或每三个相邻的电池单元焊在一起以形成平行的电连接。由于这种焊接，每个单元具有至少两个接头片或电端子（一个为正、一个为负）。如果需要，互连板能加到且焊到这些单元上以完成电池组的串联。这些焊接工作需要合适的焊接机和工具，并且它们是费钱和费时的工作。此外，由于接头片的精确弯曲和高度控制的难度，焊接之后任何接头片的突出会造成与连在电池组顶部的电池监控板的电短路。
最后，由于当前焊接技术例如点焊和超声波焊接的不可撤销的性质，从完全组装好的电池组中去除坏了的单元需要切割模件中的所有接头片连接。因此，好的电池单元不能进行补焊，这是个高价产品和制造难题。
因此，需要一种改善的电池组，其能够易于组装和拆卸。
发明内容
提供一种免焊、无框架电池设计。这个设计极大地减少了电池组的部件数量和重量、简化了组装操作并且用最小的劳力和成本使电池组可修理和可再造。此外，这个电池设计保持了电池单元的串联/并联连接的灵活性、热膨胀的余量以及液体或空气冷却/加热的自由性。
在一个实施例中，电池组包括至少两个处于电接触的电池单元，这些电池单元具有第一和第二面，这些电池单元具有在电池单元的边上的正极接头片和负极接头片，该正极接头片包括弯到电池单元的第一和第二面上的一对子接头片，该负极接头片包括弯到电池单元的第一和第二面上的一对子接头片；正极端子，其电接触这些电池单元中的一个的正极子接头片中的一个；负极端子，其电接触这些电池单元中的另一个的负极子接头片中的一个；位于电池单元之间的至少一个冷却肋片；和，围绕第一和第二电池单元以及肋片的可拆限制件。
根据本发明，提供下列技术方案。
技术方案1：一种免焊电池组，包括：
至少两个处于电接触的电池单元，所述电池单元具有第一和第二面，所述电池单元具有在所述电池单元的边缘上的正极接头片和负极接头片，所述正极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对子接头片，所述负极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对子接头片；
正极端子，其电接触所述电池单元中的一个的所述正极子接头片中的一个；
负极端子，其电接触所述电池单元中的另一个的所述负极子接头片中的一个；
位于电池单元之间的至少一个冷却肋片；和
在所述电池单元以及所述肋片周围的可拆限制件。
技术方案2：如技术方案1所述的电池组，其中，有至少三个电池组，并且其中，在所述电池单元之间有至少一个串联连接和至少一个并联连接。
技术方案3：如技术方案1所述的电池组，其中，所述正极接头片和所述负极接头片在所述电池单元的不同边缘上。
技术方案4：如技术方案1所述的电池组，其中，所述电池单元还包括连在所述面中的一个上的至少一个泡沫条。
技术方案5：如技术方案4所述的电池组，其中，所述冷却肋片具有至少一个狭槽，其定位成容纳所述泡沫条。
技术方案6：如技术方案4所述的电池组，其中，所述泡沫条中的至少一个定位在所述电池单元中的一个的第一或第二面的边缘上以支撑所述正极或负极子接头片。
技术方案7：如技术方案1所述的电池组，其中，所述电池单元中的至少一个具有一个带有伸出部分的正极子接头片和一个带有伸出部分的负极子接头片，所述伸出部分在所述电池单元的相对面上。
技术方案8：如技术方案7所述的电池组，其中，所述正极子接头片的所述伸出部分与一个电池单元的负极子接头片电接触，或者所述负极子接头片的所述伸出部分与一个电池单元的正极子接头片电接触，形成串联连接。
技术方案9：如技术方案1所述的电池组，其中，所述可拆限制件包括金属带、螺栓、系杆或硬盒。
技术方案10：如技术方案1所述的电池组，其中，所述冷却肋片包括冷却剂入口、冷却剂出口和连接所述冷却剂入口与所述冷却剂出口的冷却剂通道。
技术方案11：如技术方案1所述的电池组，其中，所述电池单元还包括在具有正极或负极接头片的所述边缘上的绝缘压杆。
技术方案12：一种免焊电池组，包括：
至少一个第一电池单元，其具有第一和第二面，所述第一电池单元具有在所述电池单元的边缘上的正极接头片和负极接头片，所述正极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对子接头片，所述正极接头片的一个子接头片具有伸出部分，并且，所述负极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对子接头片，所述负极接头片的一个子接头片具有伸出部分，所述正极子接头片的所述伸出部分和所述负极子接头片的所述伸出部分在对立的面上；
至少一个第二电池单元，其具有第一和第二面，所述第二电池单元具有在所述电池单元的边缘上的正极接头片和负极接头片，所述正极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对子接头片，并且，所述负极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对子接头片；
其中，所述第一电池单元的所述正极子接头片的所述伸出部分与所述第二电池单元的所述负极子接头片电接触，或者，所述第一电池单元的所述负极子接头片的所述伸出部分与所述第二电池单元的所述正极子接头片电接触；
位于电池单元之间的至少一个冷却肋片；
正极端子，其电接触所述第一或第二电池单元中的一个的所述正极子接头片中的一个；
负极端子，其电接触所述第一或第二电池单元中的另一个的所述负极子接头片中的一个；和
在所述第一和第二电池单元以及所述肋片周围的可拆带。
技术方案13：如技术方案12所述的电池组，其中，有至少三个电池组，并且其中，在所述电池单元之间有至少一个串联连接和至少一个并联连接。
技术方案14：如技术方案12所述的电池组，其中，所述正极接头片和所述负极接头片在所述电池单元的不同边缘上。
技术方案15：如技术方案12所述的电池组，其中，所述电池单元还包括连在所述面中的一个上的至少一个泡沫条。
技术方案16：如技术方案15所述的电池组，其中，所述冷却肋片具有至少一个狭槽，其定位成容纳所述泡沫条。
技术方案17：如技术方案12所述的电池组，其中，所述泡沫条中的至少一个定位在所述电池单元中的一个的第一或第二面的边缘上以支撑所述正极或负极子接头片。
技术方案18：如技术方案12所述的电池组，其中，所述可拆限制件包括金属带、螺栓、系杆或硬盒。
技术方案19：如技术方案12所述的电池组，其中，所述冷却肋片包括冷却剂入口、冷却剂出口和连接所述冷却剂入口与所述冷却剂出口的冷却剂通道。
技术方案20：如技术方案12所述的电池组，其中，所述电池单元还包括在具有正极或负极接头片的所述边缘上的绝缘压杆。
附图说明
图1是现有技术电池组中的部件的图解。
图2是电池组的一个实施例的横截面。
图3是图2所示电池组的冷却肋片和电池单元的一部分的视图。
图4是图2所示电池组的俯视图。
图5A-E是两种类型的电池单元以及肋片的一个实施例的图解。
图6是电池组的一个实施例的横截面。
图7是图6所示电池组的俯视图。
图8是图4所示实施例的示意电流。
图9是替换性实施例的示意电流。
图10A-B是替换性实施例的示意电流。
图11A-D示出了图10所示实施例的电池单元。
图12A-C示出了可拆限制件的不同实施例。
具体实施方式
如图2-5所示，电池组100包括两种类型电池单元105、110和冷却/加热肋片115。电池单元105、110大体上与市场上可买到的产品相同。如果需要，它们可以装在袋子或硬盒中。不需要改变内部化学物质或材料。每个电池单元105具有正极接头片120和负极接头片125，并且每个电池单元110具有正极接头片130和负极接头片135。每个正极或负极接头片具有两个可分的子接头片140、145，它们可以分别弯向电池单元包装的两个面。这些子接头片形成两个相同极性的电端子，正极或负极。
图5A-B是电池单元105的正面和背面，而图5D-E示出了电池单元110的前后。这两种类型的电池单元105和110基本上相同。唯一的显著差异是，对于电池类型105，在电池单元的一面上，正极接头片120具有延伸部分122，在电池单元的另一面上，负极接头片125具有延伸部分127。如图4所示，可以通过彼此相邻地堆叠相同类型的电池单元，类型105或类型110，来布置并联的电池单元连接。电池堆中类型105单元向类型110单元的任何转变或反向转变把电池连接变成串联。因此，电池组中的并联和串联连接的组合是没有限制的。通过电池堆中的直接机械接触来连接这些电池单元。不需要焊接或互连框架。
不像典型的现有技术设计中那样在单元之间有分开的泡沫片堆叠电池组，电池单元而是可以在单元的每个面上具有至少一个预连接泡沫条150。除了帮助组装可塑性之外，离正极和负极接头片120、125最近的条150还用作安装垫片，用于把弯曲的子接头片140、145固定在条150上的规定位置处。
如图5所示，薄的但硬的冷却/加热肋片115具有两个狭槽155A和155B以安装相邻单元的泡沫条150。例如，肋片115可以堆叠在单元110的前面之上，使它的其中一个泡沫条装入狭槽155A中，然后邻近单元105或110将使背面上的它的其中一个泡沫条装入同一肋片的狭槽155B中。因此，狭槽155A和155B帮助对齐电池单元105、110与肋片115之间的相对位置。肋片115可以具有一定厚度使得在压缩单元堆时这些泡沫条可以受到挤压从而让这些单元与这些肋片进行可靠接触以获得最佳传热效率。
这些肋片115可以是空气或液体冷却/加热的。对于空气冷却/加热，肋片可以像平的金属板那样简单。它可以可选地包括上述的狭槽155，和/或围绕边缘的盘状几何形状的凸缘（未示出），其可以帮助更确定地定位这些单元。对于液体冷却/加热，每个肋片115具有在两个焊接金属板之间的冷却剂通道160以及冷却剂入口165和冷却剂出口170。冷却剂入口165和出口170可以各自连接到总管（未示出）用于冷却剂循环，或者它们可以作为耳朵状零件175从肋片伸出，然后如图2那样堆叠在一起。为了填满肋片之间的空隙并且提供合适的冷却剂密封，耳朵状伸出部可以用塑料180模制而成，其是可密封的或者在冷却剂的开口周围具有橡胶密封（未示出）。冷却剂因此可以容易地被供给到电池堆的端板（未示出）中并从中去除。
由于较高的硬度，肋片115可以是电池堆的主要结构性和定位构件以支撑住电池单元。在压缩之后，电池堆可以装在可拆限制件中，包括但不限于用螺栓或系杆190夹紧（图12A）、用金属带195包着（图12B）或装箱到硬盒200内（图12C），用于最后的组装，这节省了中继框架的重量和成本以及组装时间。在再造时，因为是免焊组装，可以很容易拆卸电池堆，并且可以用最少的时间和成本更换任何坏的单元或其它部件。
大家都知道，机械接触的电阻与接合处的接触力成反比。越高的接触力将使金属微观表面粗糙度进一步变形，并因此在这两个表面之间形成越大的接触面积，这又降低电流的集中电阻。同时，越高的接触力有助于破坏金属表面上的氧化膜并且增强接合处的导电性。然而，当如图2-5所示电端子位于单元的背面时，这在组装结束时包装电池堆的时候限制了接触力或压力。过度的压缩可能压碎并且损坏电池单元。图6-7示出另一实施例，其中，绝缘压杆185嵌入单元袋子中用作电端子的机械支撑以在组装时获得更高的接触力。然而，这个方法需要改变电池单元自身。
图8示出图4的示意电流图，且数量增多的单元堆叠在一起。由于伸出的接头片和接头片位置的接近性，存在多个环形区域，在这个特定例子中，单元的每重复的并-串联连接有五个环形区域，如果在堆叠操作期间这些单元之间出现任何未对准那么这些环形区域可能有电短路的风险。
图9示出一种实施例，其通过重新布置接头片位置来减轻电短路的风险。对于单元105，正极接头片120的伸出部分122和负极接头片125的伸出部分127指向相反方向，而不是图8中的相同方向，这促使接头片120和125更靠近彼此。另一方面，对于单元110，正极接头片130和负极接头片135分开得更远。通过这个接头片布置，对于相同模式的并-串联单元连接，电短路风险从五个位置减小为三个位置。然而，仍然存在风险。
图10示出一种实施例，其通过把正极和负极接头片分开到单元的相对边缘可以消除电短路的风险。图10的图形基本上与图9的相同，除了接头片的右半部分是在单元的底边上，这消除了由于单元的堆叠未对准引起的电短路的可能性。图11示出了图10的接头片布置。
应注意到，像"优选为"、"通常"和"典型地"等措辞在本文不是用于限制所要求保护的发明的范围或暗示某些特征是关键的、必需的乃至对所要求保护的发明的结构或功能很重要。更确切地，这些措辞仅仅用于突出可以用于或不用于本发明的特定实施例中的替换或附加特征。
为了描述和限定本发明，注意到，本文的措辞"装置"是用于代表部件的组合和独立的部件，不考虑这些部件是否与其它部件合并。例如，根据本发明的"装置"可以包括电化学转换组件或燃料电池、结合有本发明的电化学转换组件的车辆等。
为了描述和定义本文的实施例，应当注意，本文的措辞"基本上"是用于代表固有的不确定度，其归因于任何定量比较、数值、测量或其它表示法。本文的措辞"基本上"还用于代表定量表达可以不同于规定基准但不导致主题基本功能的变化有争议的程度。
已经详细描述了本发明的实施例，并且参照其特定实施例，很显然，在不脱离所附权利要求所限定的发明范围的情况下，可以有改型和变化。更具体地说，尽管本文将本发明的实施例的一些方面标识为优选或特别有利的，但可以设想，本发明的实施例未必限定在本发明的这些优选方面。

Claims (20)

1.一种免焊电池组，包括：
至少两个处于电接触的电池单元，所述电池单元具有第一和第二面，所述电池单元具有在所述电池单元的边缘上的正极接头片和负极接头片，所述正极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对可分的子接头片，所述负极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对可分的子接头片；
正极端子，其电接触所述电池单元中的一个的所述正极子接头片中的一个；
负极端子，其电接触所述电池单元中的另一个的所述负极子接头片中的一个；
位于电池单元之间的至少一个冷却肋片，其中所述冷却肋片为至少一个平板，其具有一定硬度以作为所述免焊电池组的主要结构性和定位构件以支撑住电池单元，且其中所述至少一个冷却肋片具有用于定位所述电池单元的边缘凸缘；
在所述电池单元以及所述肋片周围的可拆限制件；和
设置在所述至少两个电池单元之间的至少一个泡沫条，用于在所述免焊电池组被压缩时在相邻的电池单元之间形成可靠接触，所述至少一个泡沫条用于连在所述电池单元的所述第一和第二面中的一个上；
其中所述至少两个电池单元在没有焊接或互连框架的情况下通过所述免焊电池组中的直接机械接触被连接；且
其中所述至少一个冷却肋片具有至少一个狭槽，其被定位成容纳所述至少一个泡沫条，所述至少一个狭槽和所述至少一个泡沫条配合地接合使得所述至少一个泡沫条延伸进入所述至少一个狭槽以对齐所述至少两个电池单元和所述至少一个冷却肋片。
2.如权利要求1所述的电池组，其中，有至少三个电池组，并且其中，在所述电池单元之间有至少一个串联连接和至少一个并联连接。
3.如权利要求1所述的电池组，其中，所述正极接头片和所述负极接头片在所述电池单元的不同边缘上。
4.如权利要求1所述的电池组，其中，所述至少一个泡沫条预连接到所述电池单元的所述第一和第二面中的一个上。
5.如权利要求4所述的电池组，其中，所述至少一个泡沫条包括至少两个泡沫条且所述至少一个狭槽包括至少两个狭槽，所述狭槽构造成分别位于所述至少一个冷却肋片的顶面和底面上，每个狭槽用于安装所述至少两个泡沫条中的一个。
6.如权利要求4所述的电池组，其中，所述泡沫条中的至少一个定位在所述电池单元中的一个的第一或第二面的边缘上以支撑所述正极或负极子接头片。
7.如权利要求1所述的电池组，其中，所述电池单元中的至少一个具有一个带有伸出部分的正极子接头片和一个带有伸出部分的负极子接头片，所述伸出部分在所述电池单元的相对面上。
8.如权利要求7所述的电池组，其中，所述正极子接头片的所述伸出部分与一个电池单元的负极子接头片电接触，或者所述负极子接头片的所述伸出部分与一个电池单元的正极子接头片电接触，形成串联连接。
9.如权利要求1所述的电池组，其中，所述可拆限制件包括金属带、螺栓、系杆或硬盒。
10.如权利要求1所述的电池组，其中，所述冷却肋片包括冷却剂入口、冷却剂出口和连接所述冷却剂入口与所述冷却剂出口的冷却剂通道。
11.如权利要求1所述的电池组，其中，所述电池单元还包括在具有正极或负极接头片的所述边缘上的绝缘压杆。
12.一种免焊电池组，包括：
至少一个第一电池单元，其具有第一和第二面，所述第一电池单元具有在所述电池单元的边缘上的正极接头片和负极接头片，所述正极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对可分的子接头片，所述正极接头片的一个子接头片具有伸出部分，并且，所述负极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对可分的子接头片，所述负极接头片的一个子接头片具有伸出部分，所述正极子接头片的所述伸出部分和所述负极子接头片的所述伸出部分在对立的面上；
至少一个第二电池单元，其具有第一和第二面，所述第二电池单元具有在所述电池单元的边缘上的正极接头片和负极接头片，所述正极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对可分的子接头片，并且，所述负极接头片包括弯到所述单元的所述第一和第二面上的一对可分的子接头片；
其中，所述第一电池单元的所述正极子接头片的所述伸出部分与所述第二电池单元的所述负极子接头片电接触，或者，所述第一电池单元的所述负极子接头片的所述伸出部分与所述第二电池单元的所述正极子接头片电接触；
位于电池单元之间的至少一个冷却肋片，其中所述冷却肋片为至少一个平板，其具有一定硬度以作为所述免焊电池组的主要结构性和定位构件以支撑住电池单元，且其中所述至少一个冷却肋片具有用于定位所述电池单元的边缘凸缘；
正极端子，其电接触所述第一或第二电池单元中的一个的所述正极子接头片中的一个；
负极端子，其电接触所述第一或第二电池单元中的另一个的所述负极子接头片中的一个；
在所述第一和第二电池单元以及所述肋片周围的可拆带，其中所述第一和第二电池单元在没有焊接或互连框架的情况下通过所述免焊电池组中的直接机械接触被连接；
设置在所述至少一个第一电池单元与所述至少一个第二电池单元之间的至少一个泡沫条，用于在所述免焊电池组被压缩时在相邻的电池单元之间形成可靠接触，所述至少一个泡沫条用于连在所述电池单元的所述第一和第二面中的一个上；且
其中所述至少一个冷却肋片具有至少一个狭槽，其被定位成容纳所述至少一个泡沫条，所述至少一个狭槽和所述至少一个泡沫条配合地接合使得所述至少一个泡沫条延伸进入所述至少一个狭槽以对齐所述第一和第二电池单元和所述至少一个冷却肋片。
13.如权利要求12所述的电池组，其中，有至少三个电池组，并且其中，在所述电池单元之间有至少一个串联连接和至少一个并联连接。
14.如权利要求12所述的电池组，其中，所述正极接头片和所述负极接头片在所述电池单元的不同边缘上。
15.如权利要求12所述的电池组，其中，所述至少一个泡沫条预连接到所述第一和第二面中的一个上。
16.如权利要求15所述的电池组，其中，所述至少一个泡沫条包括至少两个泡沫条且所述至少一个狭槽包括至少两个狭槽，所述狭槽构造成分别位于所述至少一个冷却肋片的顶面和底面上，每个狭槽用于安装所述至少两个泡沫条中的一个。
17.如权利要求12所述的电池组，其中，所述泡沫条中的至少一个定位在所述电池单元中的一个的第一或第二面的边缘上以支撑所述正极或负极子接头片。
18.如权利要求12所述的电池组，其中，所述可拆带包括金属带、螺栓、系杆或硬盒。
19.如权利要求12所述的电池组，其中，所述冷却肋片包括冷却剂入口、冷却剂出口和连接所述冷却剂入口与所述冷却剂出口的冷却剂通道。
20.如权利要求12所述的电池组，其中，所述电池单元还包括在具有正极或负极接头片的所述边缘上的绝缘压杆。
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