CN102299267A - 集成有测量传感器线路和均衡电阻的蓄电池组电池 - Google Patents

Abstract

一种用于电动车辆蓄电池组的蓄电池组电池，包括表面敷设电线以利于将电池连接到控制器。阻抗性或非阻抗性电线被印制到蓄电池组电池的外表面上面或以其它方式敷设到该外表面上，以消除对于围绕蓄电池组或通过蓄电池组布线的分离跨接电线的需要。表面敷设电线直接连接到蓄电池组电池的每个端子，且每条电线布线到电池的外表面上到达便于连接到电池监测控制器的位置。表面敷设电线可由合适阻抗性材料制成，使得每条电线的阻抗在电池的电荷状态均衡期间可用于耗散功率。绝缘层可敷设到表面敷设电线上以最小化短路的风险。

Description

集成有测量传感器线路和均衡电阻的蓄电池组电池

技术领域

本发明总体上涉及具有集成外部电线的蓄电池组电池，且更具体地涉及用于电动车辆蓄电池组的蓄电池组电池，所述蓄电池组电池包括在电池外表面上的印制或表面敷设的电线，其中电线将电池的正端子和负端子连接到便于附连电池监测控制器的位置，且电线可以是阻抗性的，以便于用于电荷状态均衡而将该电池放电。

背景技术

电动车辆和汽油/电动混合动力车辆在现今的机动车市场中快速地受欢迎。电动车辆和混合动力车辆提供数个期望特征，例如减少排放、减少使用基于汽油的燃料以及可能地降低运行成本。电动车辆和混合动力车辆两者的关键部件是蓄电池组。在这些车辆中的蓄电池组通常包括多个互连的电池，其可按照需要传送大量功率。为了最大化车辆驾驶里程以及最大化蓄电池组寿命，蓄电池组中的电池在充电和放电期间必须被控制，以便所有电池都保持在相对均匀的电荷水平并且处于规定温度范围内。

在许多蓄电池组中，每个电池连接到电池监测控制器，其监测每个电池中的电压和温度状况并且控制充电和放电电流。每个蓄电池组电池的正端子和负端子通常借由跨接电线连接到电池监测控制器。在组装蓄电池组中将跨接电线连接到电池端子以及电池监测控制器需要额外步骤，且跨接电线代表在蓄电池组中的组装期间必须被处理的额外部件。此外，通常不切实际的是在组装蓄电池组之后将电池监测控制器附连到跨接电线，因为端子在该点是物理上不可接近的。

单个蓄电池组电池有时候必须被稍微放电以便均衡电池之间的电荷状态。该放电当前也通过电池监测控制器来处理。然而，通过电池监测控制器中的电阻来耗散功率不是理想情形，因为得到热量会导致电池监测控制器中的电路板的温度升高。向电池监测控制器添加热量耗散特征进一步增加了该装置的成本。

有利的是借由电线印制技术或以其它方式将电线直接敷设到蓄电池组电池的外表面上。这种表面敷设电线可直接连接到电池的端子并且可布线到便于连接到电池监测控制器的位置。为此目的使用阻抗性电线还允许表面敷设电线用作用于电荷状态均衡的功率耗散电阻，且得到热量在蓄电池组电池中被吸收，从而使得电池监测控制器简化并降低成本。

发明内容

根据本发明的教导，公开了包括表面敷设电线以利于将电池连接到控制器的蓄电池组电池。电线或导电材料被印制到蓄电池组电池的外表面上面或者以其它方式敷设到该外表面上，所述蓄电池组电池用于电动或混合动力车辆蓄电池组。表面敷设电线直接连接到蓄电池组电池的每个端子，每条电线在电池的外表面上布线到便于连接电池监测控制器的位置，因而消除了对于围绕蓄电池组或通过蓄电池组布线的分离跨接电线的需要。表面敷设电线可由合适阻抗性材料制成，使得每条电线的阻抗已知并且电线在电池的电荷状态均衡期间可用于耗散功率。在表面敷设电线上可包括绝缘层，以最小化短路的风险。

本发明涉及下述技术方案。

1. 一种蓄电池组电池，包括：

壳体，所述壳体具有外表面；

被包含在壳体中的阳极材料、阴极材料以及电解质；

正端子和负端子；

敷设到壳体外表面上的第一平坦电线，其中第一平坦电线的一端与正端子电接触，且第一平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第一导线；和

敷设到壳体外表面上的第二平坦电线，其中第二平坦电线的一端与负端子电接触，且第二平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第二导线。

2. 根据方案1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线印制到壳体的外表面上面。

3. 根据方案1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括预制电线材料，预制电线材料粘结到壳体的外表面。

4. 根据方案1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线的阻抗都有效用于耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量。

5. 根据方案4所述的蓄电池组电池，其中，所述阻抗在5至100欧姆之间。

6. 根据方案1所述的蓄电池组电池，还包括敷设到壳体外表面的第三平坦电线，其中第三平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量，第三平坦电线的一端与正端子或负端子电接触，且第三平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第三导线。

7. 根据方案1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括绝缘材料的覆盖层。

8. 根据方案1所述的蓄电池组电池，其中，蓄电池组电池是用于电动车辆的蓄电池组的一部分，第一导线和第二导线附连到电池监测控制器。

9. 一种用于电动车辆蓄电池组的蓄电池组电池，包括：

壳体，所述壳体具有外表面；

被包含在壳体中的阳极材料、阴极材料以及电解质；

正端子和负端子；

敷设到壳体外表面上的第一平坦电线，其中第一平坦电线的一端与正端子电接触，且第一平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第一导线，并且第一平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量；和

敷设到壳体外表面上的第二平坦电线，其中第二平坦电线的一端与负端子电接触，且第二平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第二导线，并且第二平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量。

10. 根据方案9所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线印制到壳体的外表面上面。

11. 根据方案9所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括预制电线材料，预制电线材料粘结到壳体的外表面。

12. 根据方案9所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括绝缘材料的覆盖层。

13. 根据方案9所述的蓄电池组电池，其中，第一导线和第二导线附连到电池监测控制器。

14. 一种用于电动车辆的蓄电池组，所述蓄电池组包括：

多个蓄电池组电池，其中每个蓄电池组电池包括具有外表面的壳体、在壳体内部的阳极材料、在壳体内部的阴极材料、在壳体内部的电解质、正端子、负端子、敷设到壳体外表面上的第一平坦电线以及敷设到壳体外表面上的第二平坦电线；

多个冷却板，夹在多个蓄电池组电池之间；和

框架部件和紧固件，其用于将蓄电池组结构地固定到一起。

15. 根据方案14所述的蓄电池组，其中，第一平坦电线的一端与正端子电接触，且第一平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第一导线；第二平坦电线的一端与负端子电接触，且第二平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第二导线。

16. 根据方案14所述的蓄电池组，其中，第一平坦电线和第二平坦电线印制到壳体的外表面上面。

17. 根据方案14所述的蓄电池组，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括预制电线材料，预制电线材料粘结到壳体的外表面。

18. 根据方案14所述的蓄电池组，其中，第一平坦电线和第二平坦电线的阻抗均有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量。

19. 根据方案14所述的蓄电池组，还包括敷设到每个蓄电池组电池的壳体外表面的第三平坦电线，其中第三平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量，第三平坦电线的一端与正端子或负端子电接触，且第三平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第三导线。

20. 根据方案14所述的蓄电池组，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括绝缘材料的覆盖层。

本发明的附加特征从下述说明和所附权利要求结合附图将显而易见。

附图说明

图1是蓄电池组的分解示意图，示出了蓄电池组电池如何与组件中的其它部件堆叠；以及

图2是蓄电池组电池的示意图，所述蓄电池组电池包括根据本发明的表面敷设电线。

具体实施方式

涉及具有集成测量传感器线路和均衡电阻的蓄电池组电池的本发明实施例的下述讨论本质上仅是示例性的，且决不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，本发明可具体应用于电动和混合动力车辆蓄电池组电池。然而，本发明可应用于其它类型的蓄电池组电池（例如，铲车和其它多用途车辆中所使用的）、电气存储和蓄电池备用功率装置以及其它工业领域。

电动车辆和汽油/电动混合动力车辆使用高容量蓄电池组，以存储用于在再充电事件之间驱动车辆行驶合理距离所必要的电能。蓄电池技术继续发展，并且许多不同蓄电池组系统设计都是可能的，但是大多数电动和混合动力车辆蓄电池组共同的一个要求在于，需要先进的电子监测和控制。电动和混合动力车辆蓄电池组通常包括监测和控制单元，其监测每个电池中的电压以及在整个蓄电池组中的温度状况并且控制充电和放电电流。将电池温度保持在规定范围内以及平衡电池之间的电荷状态是在优化蓄电池组的性能和寿命方面的重要考虑。

大多数现代电动车辆使用锂离子蓄电池组电池。已经开发出蓄电池组和蓄电池组电池的许多不同设计，其中共同的是蓄电池组电池包括圆柱体和棱柱形状。近年来流行一种新式的蓄电池组和蓄电池组电池设计，其中蓄电池组电池通常是平坦的矩形形状，蓄电池组包括在蓄电池堆中的多个这种蓄电池组电池，其它部件（例如，冷却板）被夹在电池之间。用于蓄电池堆类型蓄电池组的平坦矩形蓄电池组电池通常被称为袋装电池。

图1是蓄电池组10的分解示意图。蓄电池组10包括多个袋装类型的蓄电池组电池12，其由冷却板14分离。还包括端部框架16。为了清楚起见，在图1中省除了其它框架片件、间隔器、紧固件和其它部件。电池监测控制器18连接到电池12的每个端子，以便监测电压并且控制在每个电池12中的充电和放电电流。导线20用于将电池监测控制器18连接到电池12的每个端子，这将在下文被讨论。电池监测控制器18通常还借由未示出的传感器和电线监测整个蓄电池组10中的温度状况。

图2是从蓄电池组10分离的一个蓄电池组电池12的示意图，其包括更多的细节并且示出了本发明的特征。蓄电池组电池12包括外部壳体30，其可包括刚性材料或柔性材料。壳体30包含阳极材料、阴极材料和电解质，它们在图2中未被示出。在流行的锂离子蓄电池化学中，阳极包括碳基材料，例如石墨；阴极包括金属氧化物，例如锂钴氧化物；电解质包括在有机溶剂中的锂盐。用于蓄电池组电池（例如，电池12）中的许多其它材料、构造技术以及电化学过程是本领域已知的，且在此将不再详细描述。

电池12还包括正端子22和负端子24。在该图中，正端子22和负端子24位于蓄电池组电池12的相同端部上，但是，其它配置也是可能的，例如其中一个端子位于电池12的每个端部。导线20用于将电池监测控制器18连接到端子22和24，每组导线20包括至少一条正电线和一条负电线。然而，在蓄电池组10的紧密区域中可能难以将导线20直接连接到端子22和24。

在组装蓄电池组10期间，电池12的端子22和24可被压制或咬合到在电气总线或通道中的位置，因而使得端子实质上不可用于焊接或以其它方式连接电线。端子22和24的不可接近性由于在组装蓄电池组10期间电池12被紧密地堆叠在冷却板14之间的事实而加剧，从而使得将来自于电池监测控制器18的导线20附连到电池12的端子22和24成为问题。该问题可通过将表面敷设电线26和28添加到壳体30外部来解决。

该表面敷设电线26和28需要是平坦的，使得壳体30保持与相邻冷却板14的良好物理接触，来自于电池12的热量可引导到冷却板14中。存在用于将薄膜或大致平坦导体敷设到表面（例如，壳体30的表面）上的各种技术。一种技术在于，将导体印制到所述表面上，与导电路径被敷设到印刷电路板的方法类似。另一方法是使用针对期望布线合适成形的预制平坦电线材料，并且将电线材料粘结到壳体30的表面。在任一方法中，表面敷设电线26和28需要分别电连接到端子22和24。表面敷设电线26和28优选地可覆盖有绝缘材料层（未示出），以便防止两者之间的意外短路。虽然表面敷设电线26和28如图2示出为布线跨过壳体30的表面，但是可有利的是沿着壳体30的较薄外围边缘布线表面敷设电线26和28，以便避免向电池12添加任何厚度。

如图2所示，表面敷设电线26从正端子22布线到沿着壳体30的一个边缘的位置。类似地，表面敷设电线28从负端子24布线到沿着壳体30的同一边缘的位置。该配置允许在组装蓄电池组10期间或者在组装蓄电池组10之后便利地连接导线20。如上所述，当表面敷设电线26和28被敷设到壳体30上时，表面敷设电线26和28可分别直接印制到端子22和24上、或以其它方式附连到端子22和24上。表面敷设电线26和28可按照数种方法中的任何方法在与端子22和24相对的端部处终止。如果表面敷设电线26和28被印制到壳体30的表面上，那么壳体30可具有压接或以其它方式附连到其边缘的小金属端子（未示出），并且表面敷设电线26和28可正好印制到小金属端子上面。如果表面敷设电线26和28包括预制电线材料，那么电线材料可延伸超过壳体30的边缘或者围绕壳体30的边缘卷绕，因而提供用于导线20的便利附连位置。包括在壳体30上面的表面敷设电线26和28消除了通过蓄电池组10或围绕蓄电池组10的松散电线布线，并且解决了将电池监测控制器18连接到端子22和24的问题，因而使得蓄电池组10的组装和处理更容易且往往更少地出错。

可容易地结合到表面敷设电线26和28中的另一特征在于使得它们是电阻性的以及使用得到阻抗以在电池的电荷状态均衡期间耗散功率。如上所述，在操作电动或混合动力车辆期间，通常有必要耗散来自于蓄电池组10中的一个或多个电池12的一些功率。这是因为单个电池12的充电和放电性能可不同，并且这产生这样的情形，一个电池12的电压和电荷状态可高于或低于其它电池12的电压和电荷状态。该电荷状态的不同由电池监测控制器18监测，并且通过已知为均衡化的过程来校正，其中一些功率从处于较高电荷状态的电池12耗散。在当前蓄电池组系统中，在均衡期间功率在电池监测控制器18中的电阻上被耗散。这不是优化情形，因为电池监测控制器18中的电路板通常未配置有冷却系统，且存在均衡期间必须被耗散许多瓦数的功率的情形，从而使得电池监测控制器18中的电路板变得过热。

使用表面敷设电线26和28作为电阻用于均衡消除了在电池监测控制器18的电路板中吸收和耗散均衡热量的需要。相反，当一个或多个电池12需要针对电荷状态均衡消耗功率时，电池监测控制器18可简单地闭合电路以允许电流流经电阻性表面敷设电线26和28。通过选择用于表面敷设电线26和28的电线材料的阻抗，得到阻抗可根据均衡化的需要制作，且在电池监测控制器18内根本不需要耗散功率。由此，在表面敷设电线26和28中发生所有功率耗散，其与电池12和冷却板14直接热接触。蓄电池组冷却系统在电荷状态均衡期间可容易地吸收所耗散的功率，所述蓄电池组冷却系统的组成包括冷却板14。还存在这样的情形，其中蓄电池组电池12需要被暖热以便使得其温度进入最优操作范围。在这种情形中，期望的是将来自于均衡功率的热量耗散到电池12中，并且这通过将表面敷设电线26和28用作电阻来实现。

在一个非限制性实施例中，电池12的电压是大约4伏，且目标均衡电流是100毫安（mA）。这表示表面敷设电线26和28的总阻抗等于40欧姆，或在表面敷设电线26和28均是阻抗性的时每个均大约是20欧姆。然而，许多变型是可能的，包括使用更少的总阻抗以便增加均衡电流并且减少均衡时间，使用表面敷设电线26和28中的不同阻抗，以及使得表面敷设电线26和28中的仅一个是阻抗性的。

使得表面敷设电线26和28呈阻抗性的另一优势在于，在蓄电池组的组装或维护期间或在意外事件时减少端子22和24意外短路的风险。在组装常规蓄电池组10期间，一些布线连接必须直接实施到端子22和24。如果电线或工具要在端子22和24之间意外产生短路，那么得到接近零阻抗的路径可产生十分高的电流，这会损坏电池12或其它部件。在蓄电池组维护活动期间可出现相同情形。车辆事故还可导致导线20彼此接触并且将正端子和负端子22和24明显短路。为了克服该问题，有时候将保险丝设计到诸如电池12的蓄电池组电池中，以便在进行任何损坏之前中断短路。然而，通过向表面敷设电线26和28添加阻抗，消除了对于保险丝的需要。这是因为导线20的连接出现在表面敷设电线26和28远离端子22和24的端部，并且如果这些远离的端部被意外接触时，电路中具有足够的阻抗以防止破坏性的高电流。避免对于保险丝的需要允许电池12更为简单且成本更低。

由于电荷状态均衡的目标在于将一个或多个电池12中的电荷状态降低至特定值，因此在均衡过程期间有时候有必要测量电池电压，其指示电荷状态。为了精确地测量电池电压，可能有用的是向壳体30的表面添加第三表面敷设电线32。在一个实施例中，表面敷设电线26和28可非阻抗性地制造，且表面敷设电线32可以是阻抗性的。在本文所使用的上下文中，非阻抗性是指接近零欧姆的阻抗，例如通过使用截面面积至少等于18-20规格电线的铜电线来实现的。可有利于均衡功率耗散的该阻抗性表面敷设电线32能够连接到电池12的正端子22或负端子24并且布线到壳体30的表面上达到便于附连导线20的位置，所述导线20可包括第二正电线或负电线。非阻抗性表面敷设电线26和28可允许电池监测控制器18获得电池12的电压的真实读数，甚至在均衡功率通过阻抗性表面敷设电线32耗散时也是如此。

还可能的是，配置电池监测控制器以在均衡期间精确地估计电池12的电压而不使用任何非阻抗性电线。这可通过考虑到由已知均衡电流引起的在表面敷设电线26和28的已知阻抗上的压降或者通过在电压测量期间关掉均衡电流来实现。还可能期望的是包括第四表面敷设电线（未示出），其中两条电线是阻抗性的以及两条电线是非阻抗性的。当该方法被示出针对具体应用而言最精确或成本有效时，可使用阻抗性和非阻抗性电线的组合。

虽然表面敷设电线的上述讨论主要在袋装蓄电池组电池（例如，电池12）的应用方面，但是相同方法可应用于其它类型的蓄电池组电池，例如圆柱体状或棱柱形状的。与所应用的蓄电池组电池的类型无关，使用阻抗性或非阻抗性表面敷设电线可为蓄电池组的制造商带来许多益处，包括更容易且更稳定地组装蓄电池组、蓄电池组和控制器改善的热管理、消除松散跨接电线和其它部件、以及最终的较低成本。

前述讨论仅公开并描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种讨论以及附图和权利要求书将容易地认识到，在不偏离由下述权利要求书限定的本发明精神和范围的前提下可作出本文的各种改变、修改和变换。

Claims (10)

1. 一种蓄电池组电池，包括：

壳体，所述壳体具有外表面；

被包含在壳体中的阳极材料、阴极材料以及电解质；

正端子和负端子；

敷设到壳体外表面上的第一平坦电线，其中第一平坦电线的一端与正端子电接触，且第一平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第一导线；和

敷设到壳体外表面上的第二平坦电线，其中第二平坦电线的一端与负端子电接触，且第二平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第二导线。

2. 根据权利要求1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线印制到壳体的外表面上面。

3. 根据权利要求1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括预制电线材料，预制电线材料粘结到壳体的外表面。

4. 根据权利要求1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线的阻抗都有效用于耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量。

5. 根据权利要求4所述的蓄电池组电池，其中，所述阻抗在5至100欧姆之间。

6. 根据权利要求1所述的蓄电池组电池，还包括敷设到壳体外表面的第三平坦电线，其中第三平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量，第三平坦电线的一端与正端子或负端子电接触，且第三平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第三导线。

7. 根据权利要求1所述的蓄电池组电池，其中，第一平坦电线和第二平坦电线包括绝缘材料的覆盖层。

8. 根据权利要求1所述的蓄电池组电池，其中，蓄电池组电池是用于电动车辆的蓄电池组的一部分，第一导线和第二导线附连到电池监测控制器。

9. 一种用于电动车辆蓄电池组的蓄电池组电池，包括：

壳体，所述壳体具有外表面；

被包含在壳体中的阳极材料、阴极材料以及电解质；

正端子和负端子；

敷设到壳体外表面上的第一平坦电线，其中第一平坦电线的一端与正端子电接触，且第一平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第一导线，并且第一平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量；和

敷设到壳体外表面上的第二平坦电线，其中第二平坦电线的一端与负端子电接触，且第二平坦电线的另一端终结于壳体的边缘附近以便能够连接到第二导线，并且第二平坦电线的阻抗有效耗散来自于蓄电池组电池的过量电荷能量。

10. 一种用于电动车辆的蓄电池组，所述蓄电池组包括：

多个蓄电池组电池，其中每个蓄电池组电池包括具有外表面的壳体、在壳体内部的阳极材料、在壳体内部的阴极材料、在壳体内部的电解质、正端子、负端子、敷设到壳体外表面上的第一平坦电线以及敷设到壳体外表面上的第二平坦电线；

多个冷却板，夹在多个蓄电池组电池之间；和

框架部件和紧固件，其用于将蓄电池组结构地固定到一起。

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