CN103081177A - 电池模块和用于将电池单元的单元端子结合到一起的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于将单元端子联接在一起的电池模块及其方法。该电池模块包括具有第一单元端子的第一电池单元和具有第二单元端子的第二电池单元。该电池模块还包括具有第一和第二侧的放热反应层。第一和第二侧布置为分别邻近于第一和第二单元端子。放热反应层响应于与其至少一部分接触的激光束并且放热以在第一和第二单元端子之间形成联接接头。

Description

电池模块和用于将电池单元的单元端子结合到一起的方法
背景技术
电池模块具有电池单元，电池单元带有被焊接到一起的单元端子。此外，超声波焊接装置具有用于将单元端子焊接到一起的相对长的周期时间。此外，超声波焊接装置的焊接工具必须被顺序地移动到每一组单元端子，这占用相对大的制造时间量。此外，必须在每一次焊接之间使焊接工具冷却，这占用了另外的制造时间量。
相应地，本发明人在这里已经认识到，需要一种改进的电池模块和用于将电池模块的单元端子结合到一起的方法。
发明内容
提供了一种根据示例性实施例的电池模块。该电池模块包括具有第一单元端子的第一电池单元。该电池模块进一步包括具有第二单元端子的第二电池单元。该电池模块进一步包括具有第一和第二侧的放热反应层。第一侧被布置成邻近于第一单元端子。第二侧被布置成邻近于第二单元端子。放热反应层被构造为响应于激光束接触放热反应层的至少一部分而引燃以在第一和第二单元端子之间形成结合接头。
提供了一种根据另一个示例性实施例的用于分别地将第一和第二电池单元的第一和第二单元端子结合到一起的方法。该方法包括利用部件置放机器将放热反应层布置在第一和第二单元端子之间。该方法进一步包括以预定的时间量从激光器发射激光束，该激光束接触放热反应层的至少一部分并且引燃放热反应层以在第一和第二单元端子之间形成结合接头。
提供了一种根据另一个示例性实施例的用于分别地将第一和第二电池单元的第一和第二单元端子结合到一起的方法。该方法包括利用部件置放机器将第一单元端子布置为邻近于其上在先地布置有放热反应层的第二单元端子。该方法进一步包括以预定量的时间从激光器发射激光束，该激光束接触放热反应层的至少一部分并且引燃放热反应层以在第一和第二单元端子之间形成结合接头。
与附图相结合且根据以下说明，这些和其它优点以及特征将变得更加明显。
附图说明
图1是根据一个示例性实施例的电池模块的示意图；
图2是图1的电池模块的顶部部分的截面示意图；
图3是在图1的电池模块中利用的四个电池单元和互连构件的示意图；
图4是图3的四个电池单元和互连构件的截面示意图；
图5是根据另一个示例性实施例的互连构件、第一放热反应层、第一单元端子、第二放热反应层，和第二单元端子的一部分的简化放大截面示意图；
图6是图5的第一放热反应层的一部分的简化放大截面示意图；
图7是图5的第二放热反应层的一部分的简化放大截面示意图；
图8是根据另一个示例性实施例的互连构件、第一放热反应层、第一单元端子、第二放热反应层和第二单元端子的一部分的简化放大截面示意图；
图9是图8的第一放热反应层的一部分的简化放大截面示意图；
图10是图8的第二放热反应层的一部分的简化放大截面示意图；
图11是利用来引燃放热反应层的系统的框图；
图12是根据另一个示例性实施例的用于分别地将第一和第二电池单元的第一和第二单元端子结合到一起的方法的流程图；
图13是根据另一个示例性实施例用于分别地将第一和第二电池单元的第一和第二单元端子结合到一起的方法的另一个流程图；
图14是根据另一个示例性实施例的互连构件、第一结合接头、第一单元端子、第二结合接头和第二单元端子的一部分的简化放大截面示意图；并且
图15是根据另一个示例性实施例的互连构件、第一结合接头、第一单元端子、第二结合接头和第二单元端子的一部分的另一个简化放大截面示意图。
具体实施方式
参考图1，示意了根据一个示例性实施例的被构造为向电池电动车辆或者混合动力车辆提供电力的电池模块10的示意图。参考图1、2和4，电池模块10包括电池单元20、22、24、26、28、30、32、34、36、38、40、42、44、46、47、48、50；框架构件60、62、64、66、68、70、72、74、76；电路板80；互连构件90、92、94、96、97、98、100、102、103；和包括放热反应层110、112、114、116的放热反应层。电池模块10的一个优点在于，模块10利用了放热反应层：该放热反应层能够在模块10的制造期间利用激光束引燃，以极其快速地将电池单元的单元端子结合到一起并且将单元端子结合到相关联的互连构件。放热反应层指的是在被引燃之后产生热量的层。
参考图2、3和4，在所示意的示例性实施例中，电池单元20-50是锂离子电池单元。此外，电池单元20-50的结构是基本相互类似的。当然，在可替代实施例中，电池单元能够是本领域技术人员已知的其它类型的电池单元。
电池单元20包括本体部分130、围绕本体部分130的周边延伸的延伸部分132和从延伸部分132向外延伸的单元端子134、135。在一个示例性实施例中，单元端子134是镀镍的铜单元端子并且单元端子135是铝单元端子。
此外，电池单元22包括本体部分140、围绕本体部分140的周边延伸的延伸部分142，和从延伸部分142向外延伸的单元端子144、145。在一个示例性实施例中，单元端子144是镀镍的铜单元端子并且单元端子145是铝单元端子。
另外，电池单元24包括本体部分150、围绕本体部分150的周边延伸的延伸部分152，和从延伸部分152向外延伸的单元端子154、155。在一个示例性实施例中，单元端子154是镀镍的铜单元端子并且单元端子155是铝单元端子。
此外，电池单元26包括本体部分160、围绕本体部分160的周边延伸的延伸部分162，和从延伸部分162向外延伸的单元端子164、165。在一个示例性实施例中，单元端子164是镀镍的铜单元端子并且单元端子165是铝单元端子。
框架构件60、62、64、66、68、70、72、74、76被构造为被联接到一起以在其间封装电池单元20-50，并且框架构件60、62被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元20、22。此外，框架构件62、64被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元24、26，并且框架构件64、66被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元28、30。另外，框架构件66、68被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元32、34，并且框架构件68、70被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元36、38。另外，框架构件70、72被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元40、42，并且框架构件72、74被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元44、46。最后，框架构件74、76被构造为被联接到一起并且在其间保持电池单元48、50。
参考图2、4和5，互连构件90、92、94、96、97、98、100、102、103被设置成将电池单元20-50的单元端子相互串联地电联接。因为互连构件90、92、94、96、98、100、102具有基本类似的构造，所以将详细地讨论仅互连构件90的结构。互连构件90是基本U形的并且具有外部镍层180、184和中央铜层182。如所示意地，镍层184的表面被布置为邻近于放热反应层112的也具有镍层的第一侧。在可替代实施例中，镍层184的表面被布置为邻近于具有放热反应层112的铝层的第一侧。在一个示例性实施例中，互连构件90的壁具有在0.5-1.0毫米的范围中的厚度。如在图2中所示，互连构件97和103具有不同于其它互连构件的形状，并且互连构件97和103由与其它互连构件相同的材料构造。
参考图5、6和14，放热反应层112被设置成响应于激光束接触放热反应层112而引燃，以在互连构件90和单元端子154之间形成结合接头700。在所示意的实施例中，放热反应层112由多个镍层200和多个铝层202构成。每一个镍层200具有在其上布置的相邻铝层202。层200和202是极薄的，并且利用例如气相沉积工艺或者磁控溅射工艺沉积在彼此之上。此外，放热反应层112的总厚度在40-200微米的范围中。放热反应层112具有被邻近于互连构件90的壁布置的第一侧和被邻近于单元端子154布置的第二侧。另外，在一个示例性实施例中，放热反应层112包括由美国的Indium Corporation公司制造的名为“NanoFoil”的产品并且是独立的部件。在另一个可替代实施例中，在互连构件90的制造期间，层112形成在互连构件90的外壁的一部分上。在再一个可替代实施例中，在电池单元24的制造期间，层112形成在单元端子154的一部分上。放热反应层112被构造为响应于激光束以0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度接触层112而引燃。当被引燃时，放热反应层112可以以至少1200摄氏度的温度水平燃烧，以在互连构件90和单元端子154之间形成结合接头710（例如，焊接接头）。
参考图5、7和14，放热反应层116被设置成响应于激光束接触放热反应层116而引燃，以在单元端子154、164之间形成结合接头702。在所示意的实施例中，放热反应层116由多个镍层204和多个铝层206构成。每一个镍层204具有在其上布置的相邻铝层206。层204和206是极薄的，并且利用例如气相沉积工艺或者磁控溅射工艺沉积在彼此之上。此外，放热反应层116的总厚度在40-200微米的范围中。放热反应层116具有被邻近于单元端子154布置的第一侧和被邻近于单元端子164布置的第二侧。另外，在一个示例性实施例中，放热反应层116包括由美国的Indium Corporation公司制造的名为“NanoFoil”的产品并且是独立的部件。在另一个可替代实施例中，在组装电池模块之前在单元端子的制造期间，层116形成在单元端子154的一部分或者单元端子164的一部分上。放热反应层116被构造为响应于激光束以0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度接触层116而引燃。当被引燃时，放热反应层116可以以至少1200摄氏度的温度水平燃烧，以在单元端子154和单元端子164之间形成结合接头712（例如，焊接接头）。
参考图2和5，在所示意的实施例中，电池单元20-50具有带有基本类似的结构的单元端子。将在下面进一步详细描述地电池单元24的单元端子154。具体地，单元端子154具有外部镍层220、224和被布置在层220、224之间的中央铜层222。在所示意的实施例中，单元端子154的厚度是0.2毫米。当然，在可替代实施例中，单元端子154的厚度能够例如是0.1-0.2毫米。镍层220被结合（例如，焊接）到放热反应层112。在可替代实施例中，薄锡合金层可以被布置在单元端子154和放热反应层112之间，以有助于将单元端子154结合到互连层90。此外，薄锡合金层可以被布置在互连构件90和放热反应层112之间，以有助于将单元端子154结合到互连层90。此外，薄锡合金层可以被布置在单元端子154和放热反应层116之间，以有助于将单元端子154结合到放热反应层116。而且，薄锡合金层可以被布置在单元端子164和放热反应层116之间，以有助于将单元端子164结合到放热反应层116。
参考图8，将讨论用于互连构件、第一放热反应层、第一单元端子、第二放热反应层和第二单元端子的可替代构造。具体地，将讨论互连构件290、放热反应层312、单元端子354、放热反应层316和单元端子364。互连构件290是基本U形的并且具有外部镍层380、384和中央铜层382。如所示意地，镍层384的表面被布置为邻近于放热反应层312的第一侧。在一个示例性实施例中，互连构件290的壁具有在0.5-1.0毫米的范围中的厚度。
参考图8、9和15，放热反应层312被设置成响应于激光束接触放热反应层312而引燃，以在互连构件290和单元端子354之间形成结合接头710。在所示意的实施例中，放热反应层312由多个镍层400和多个铝层402构成。每一个镍层400具有在其上布置的相邻的铝层402。层400和402是极薄的，并且利用气相沉积工艺或者磁控溅射工艺沉积在彼此之上。此外，放热反应层312的厚度在40-200微米的范围中。放热反应层312具有被邻近于互连构件290的壁布置的第一侧和被邻近于单元端子354布置的第二侧。另外，在一个示例性实施例中，放热反应层312包括由美国的Indium Corporation公司制造的名为“NanoFoil”的产品并且是独立的部件。在另一个可替代实施例中，在互连构件290的制造期间，层312形成在互连构件290的外壁的一部分上。在再一个可替代实施例中，在相关联的电池单元的制造期间，层312形成在单元端子354的一部分上。放热反应层312被构造为响应于以0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度接触层312的激光束而引燃。当被引燃时，放热反应层312可以以至少1200摄氏度的温度水平燃烧，以在互连构件290和单元端子354之间形成结合接头710（例如，焊接接头）。
单元端子354由铝构成并且被与放热反应层312的铝层结合。在所示意的实施例中，单元端子354的厚度是0.2毫米。当然，在可替代实施例中，单元端子354的厚度是0.1-0.2毫米。
参考图8、10和15，放热反应层316被设置成响应于激光束接触放热反应层316而引燃，以在单元端子354和单元端子364之间形成结合接头712。在所示意的实施例中，放热反应层316由多个镍层404和多个铝层406构造。每一个镍层404具有在其上布置的相邻的铝层406。层404和406是极薄的，并且利用气相沉积工艺或者磁控溅射工艺沉积在彼此之上。此外，放热反应层316的厚度在40-200微米的范围中。放热反应层316具有被邻近于单元端子354布置的第一侧和被邻近于单元端子364布置的第二侧。而且，在一个示例性实施例中，放热反应层316包括由美国的Indium Corporation公司制造的名为“NanoFoil”的产品并且是独立的部件。在另一个可替代实施例中，在单元端子的制造期间，层316形成在单元端子354或者单元端子364的一部分上。放热反应层316被构造为响应于激光束以0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度接触层316而引燃。当被引燃时，放热反应层316可以以至少1200摄氏度的温度水平燃烧，以在单元端子354和单元端子364之间形成结合接头712（例如，焊接接头）。
单元端子364由铝构成并且被与放热反应层316的铝层结合。在所示意的实施例中，单元端子364的厚度是0.2毫米。当然，在可替代实施例中，单元端子364的厚度是0.1-0.2毫米。
参考图5、11和14，现在将描述一种用于将电池模块10的电池单元的单元端子结合到一起，和用于将互连构件结合到单元端子的系统500。此外，为了简洁的意图，将利用互连构件90、放热反应层112、电池单元端子154、放热反应层116和电池单元端子164解释系统500。然而，应该理解，能够在电池模块10中或者在其它电池模块中利用系统500将多个其它单元端子焊接到一起和将互连构件焊接到单元端子。系统500包括夹持装置501、部件置放机器502、激光器504、反射镜组件506、可选的静电放电装置507，和计算机508。
夹持装置501被构造为响应于来自计算机508的控制信号将互连构件90、放热反应层112、单元端子154、放热反应层116和电池单元端子164夹持在一起。当放热反应层112、116分别地被引燃以形成结合接头702、712时，夹持装置501将互连构件90、放热反应层112、单元端子154、放热反应层116和电池单元端子164保持在一起。在一个示例性实施例中，夹持装置501具有夹持构件580、581和致动器，该致动器响应于来自计算机508的控制信号使构件580、581朝向彼此移动，以向被布置在夹持构件580、581之间的互连构件90、放热反应层112、单元端子154、放热反应层116和电池单元端子164的组合体施加40-60psi的夹持作用力。在结合接头702、712形成之后，致动器响应于来自计算机508的另一个控制信号使夹持构件580、581彼此远离地移动，以释放互连构件90、放热反应层112、单元端子154、放热反应层116和电池单元端子164的组合体。
在所示意的实施例中，部件置放机器502被构造为将放热反应层112布置在互连构件90和单元端子154之间。在可替代实施例中，部件置放机器502被构造为将具有在先地在其上布置的放热反应层的互连构件布置为邻近于电池单元的单元端子。在再一个可替代实施例中，部件置放机器502被构造为将互连构件布置为邻近于电池单元的具有在先地在其上布置的放热反应层的单元端子。部件置放机器502被构造为将放热反应层116布置在单元端子112、116之间。在可替代实施例中，部件置放机器502进一步被构造为将单元端子116布置为邻近于具有在先地在其上布置的放热层的单元端子。部件置放机器502被以可操作方式联接到计算机508并且基于从计算机508接收的控制信号执行任务。在一个示例性实施例中，部件置放机器502是自动置放机。
激光器504被构造为响应于来自计算机508的控制信号以预定量的时间反复地发射激光束。在所示意的实施例中，激光器504以小于或者等于0.1毫秒的时间朝向反射镜组件506发射激光束。在可替代实施例中，激光器504能够例如是钇铝石榴石（YAG）激光器、CO2激光器、纤维激光器，或者盘形激光器。
反射镜组件506被构造为从激光器504接收激光束并且朝向放热反应层的某些部分导引激光束。具体地，反射镜组件506基于来自计算机508的控制信号将激光束导引到预定位置。如所示那样，反射镜组件506朝向放热反应层112导引激光束509以引燃层112，用于在互连构件90和单元端子154之间形成结合接头700。激光束509在放热反应层112处具有0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度。此外，反射镜组件506朝向放热反应层116导引激光束513以引燃层116，用于在单元端子154、164之间形成结合接头702。激光束513在放热反应层116处具有0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度。此外，反射镜组件506能够朝向放热反应层110导引第三激光束511以引燃放热反应层110，并且朝向放热反应层114导引第四激光束515以引燃放热反应层114。在一个示例性实施例中，反射镜组件506是电镜组件。在可替代实施例中，反射镜组件506是扫描镜组件。
可以可选地利用静电放电装置507替代激光器504和反射镜组件506来引燃放热反应层。具体地，静电放电装置507响应于来自计算机508的控制信号发射电火花或者放电以引燃放热反应层。
参考图11和12，将解释根据另一个示例性实施例的一种用于将电池的单元端子结合到一起并且用于将单元端子结合到互连构件的方法的流程图。应该理解，能够反复地执行以下方法以将电池的另外的单元端子结合到一起并且将单元端子结合到其它互连构件。在解释以下方法期间，假设在组装电池模块10之前放热反应层112、116是独立的不同部件。
在步骤600中，部件置放机器502将放热反应层112布置在互连构件90和电池单元24的单元端子154之间。
在步骤602中，部件置放机器将放热反应层116布置在单元端子154和电池单元26的单元端子164之间。
在步骤604中，夹持装置501将互连构件90、放热反应层112、单元端子154、放热反应层116和单元端子164夹持在一起。
在步骤606中，激光器504以预定量的时间发射激光束509。
在步骤608中，反射镜组件506从激光器504接收激光束509并且反射激光束509，使得激光束509接触放热反应层112的至少一部分并且引燃放热反应层112，以在互连构件90和单元端子154之间形成结合接头700。
在步骤610中，激光器504以预定量的时间发射激光束513。
在步骤612中，反射镜组件506从激光器504接收激光束513并且反射激光束513，使得激光束513接触放热反应层116的至少一部分并且引燃放热反应层116，以在单元端子154、164之间形成结合接头702。
参考图11和15，将解释根据另一个示例性实施例的一种用于将电池的单元端子结合到一起并且用于将单元端子结合到互连构件的方法的流程图。应该理解，能够反复地执行以下方法以将电池的另外的单元端子结合到一起并且将单元端子结合到其它互连构件。在解释以下方法期间，假设利用例如气相沉积方法或者磁控溅射方法在先地在互连构件90的外表面上形成放热反应层112。此外，假设在先地在单元端子154上形成放热反应层116。
在步骤630中，部件置放机器502将其上在先地布置有放热反应层112的互连构件90布置为邻近于电池单元24的单元端子154，从而放热反应层112被布置在互连构件90和单元端子154之间。单元端子154具有在与互连构件90相反的一侧上在先地在其上布置的放热反应层116。
在步骤632中，部件置放机器502将电池单元26的单元端子164布置为邻近于单元端子154上的放热反应层116，从而放热反应层116被布置在单元端子154、164之间。
在步骤634中，夹持装置501将互连构件90、放热反应层112、单元端子154、放热反应层116和单元端子164夹持在一起。
在步骤636中，激光器504以预定量的时间发射激光束509。
在步骤638中，反射镜组件506从激光器504接收激光束509并且反射激光束509，使得激光束509接触放热反应层112的至少一部分并且引燃放热反应层112，以在互连构件90和单元端子154之间形成结合接头700。
在步骤640中，激光器504以预定量的时间发射激光束513。
在步骤642中，反射镜组件506从激光器504接收激光束513并且反射激光束513，使得激光束513接触放热反应层116的至少一部分并且引燃放热反应层116，以在单元端子154、164之间形成结合接头702。
本文公开的电池模块10和方法提供了优于其它方法的实质性优点。具体地，电池模块10和方法提供了利用放热反应层的技术效果：该放热反应层在模块10的制造期间利用激光束被引燃，以极其快速地（例如，小于0.5秒）将电池单元的单元端子结合到一起。
虽然已经仅仅结合有限数目的实施例详细描述了本发明，但是应该易于理解，本发明不限于这种公开的实施例。实际上，本发明能够被修改以结合任何数目的、至此没有描述但是符合本发明的精神和范围的变型、更改、替代或者等同布置。另外地，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，本发明的方面可以包括仅仅某些描述的实施例。相应地，本发明不被视为受到前面的说明限制。

Claims (16)

1.一种电池模块，包括：
具有第一单元端子的第一电池单元；
具有第二单元端子的第二电池单元；和
具有第一侧和第二侧的放热反应层，所述第一侧被布置成邻近于所述第一单元端子，所述第二侧被布置成邻近于所述第二单元端子，所述放热反应层被构造成响应于激光束接触所述放热反应层的至少一部分而被引燃，以在所述第一单元端子和第二单元端子之间形成结合接头。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述放热反应层包括多个铝层和多个镍层。
3.根据权利要求2所述的电池模块，其中，所述放热反应层的所述第一侧是所述多个铝层中的一个铝层，并且所述第一单元端子是铝单元端子。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其中，所述放热反应层的所述第二侧是所述多个铝层中的另一个铝层，并且所述第二单元端子是铝单元端子。
5.根据权利要求2所述的电池模块，其中，所述放热反应层的所述第一侧是所述多个镍层中的一个镍层，并且所述第一单元端子是镀镍的铜单元端子。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其中，所述放热反应层的所述第二侧是所述多个镍层中的另一个镍层，并且所述第二单元端子是镀镍的铜单元端子。
7.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述放热反应层的厚度是40-200微米。
8.一种用于分别地将第一电池单元和第二电池单元的第一单元端子和第二单元端子结合到一起的方法，包括：
利用部件置放机器将放热反应层布置在所述第一单元端子和第二单元端子之间；和
以预定量的时间从激光器发射激光束，所述激光束接触所述放热反应层的至少一部分并且引燃所述放热反应层以在所述第一单元端子和第二单元端子之间形成结合接头。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述激光束在所述放热反应层的所述部分处具有0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述放热反应层包括多个铝层和多个镍层。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述放热反应层的厚度是40-200微米。
12.一种用于分别地将第一电池单元和第二电池单元的第一单元端子和第二单元端子结合到一起的方法，包括：
利用部件置放机器将所述第一单元端子布置为邻近于其上在先地布置有放热反应层的所述第二单元端子；和
以预定量的时间从激光器发射激光束，所述激光束接触所述放热反应层的至少一部分并且引燃所述放热反应层以在所述第一单元端子和第二单元端子之间形成结合接头。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述激光束在所述放热反应层的所述部分处具有0.1×108W/cm2到5.0×108W/cm2的功率密度。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述放热反应层包括多个铝层和多个镍层。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述放热反应层的厚度是40-200微米。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预定量的时间小于0.1毫秒。
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