CN103688386B - 蓄电池单元、单元模块、制造蓄电池单元的方法及机动车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池单元（1），尤其是锂离子蓄电池单元，其包括外壳（10）和在所述外壳（10）中的至少一个电极集合（2），在所述电极集合中在横截面上以多于两层的方式来设置电极，其中，所述外壳（10）具有至少两个将所述电极集合（2）与周围环境基本上隔离的外壳元件（11、12）。依据本发明设置：第一外壳元件（11）与所述电极集合（2）的正极电连接并且第二外壳元件（12）与所述电极集合（2）的负极电连接，从而使得所述蓄电池单元（1）在所述第一外壳元件（11）处和所述第二外壳元件（12）处是可电接触的。本发明还涉及一种蓄电池或蓄电池单元模块（100），其包括多个依据本发明所述的蓄电池单元（1）。此外，本发明涉及一种用于制造依据本发明所述的蓄电池单元（1）的方法以及一种机动车。

Description

蓄电池单元、单元模块、制造蓄电池单元的方法及机动车
技术领域
本发明涉及一种蓄电池单元以及一种蓄电池或者蓄电池单元模块，所述蓄电池或者所述蓄电池单元模块包括多个依据本发明的蓄电池单元。本发明还涉及一种用于制造依据本发明的蓄电池单元的方法以及一种机动车。其中，本发明尤其是涉及锂离子蓄电池单元或者锂离子蓄电池或者相应的蓄电池单元模块。
背景技术
这样的锂离子单元通常包括电极，该电极能够在所谓的插入作用的引入时可逆地存储锂离子并且在所谓的拔出作用的引入时重新释放这些锂离子。其中，该插入作用发生在蓄电池单元的充电过程之中并且该拔出作用发生在用于为电子装置供电的蓄电池单元的放电过程之中。
由DE102008015965A1已知了具有铝箔密封的电子元件，其被设置为用于芯片卡的能量存储器。该电子元件是一次蓄电池。该电子元件仅包括两个通过隔板分开的电极层。各个电极层接触部分地形成该电子元件的外壳的铜板。由于较小的容量以及缺失的可再充电性，在该文献中所介绍的电子元件并不适于在汽车领域使用。此外，所示出的用于在汽车应用中通常所利用的板状（所谓的落袋单元的堆栈原则）或者圆状（包卷法）的电极的结构具有侧面的接触，由于其仅为平面的结构而不可用。
由US7,597,994B2已知一种蓄电池，其中，蓄电池单元一般具有一种由上壳和下壳组成的外壳。蓄电池单元的电气连接可通过外壳中的槽实现。外壳由不导电的材料组成，因此可充当电绝缘体，并可避免机械损伤。
传统的锂离子蓄电池通常会被视作对制造费用和与之关联的制造成本产生负面影响的设计方案。关于单个的蓄电池单元，例如，蓄电池外壳中电极与各个接线柱及端子的电气连接必然是通过蓄电池外壳实现的。这使得单体式蓄电池外壳对这种电极-端口-连接的至少一极的绝缘通常是必要的。通过将接线柱或端子固定安装在蓄电池单元的一边，蓄电池模块中多个蓄电池单元的连接只具有很小的自由度。在蓄电池单元中外壳的电势为一个电极的电势，蓄电池单元外壳的附加绝缘可通过涂漆或添加用于串联电路绝缘的塑料护套来实现。
发明内容
依据本发明提供了一种蓄电池单元和尤其是锂离子蓄电池单元，其包括外壳和在所述外壳中的至少一个电极集合（Elektrodenensemble），在所述电极集合中在横截面上以多于两层的方式来设置电极，其中，所述外壳具有至少两个将所述电极集合与周围环境基本上隔离的外壳元件。依据本发明设置：第一外壳元件与所述电极集合的正极电连接并且第二外壳元件与所述电极集合的负极电连接，从而使得所述蓄电池单元在所述第一外壳元件处和所述第二外壳元件处是可电接触的。其中，在所述外壳中能够设置一个或者多个电极集合。这样的电极集合能够例如被以所谓的包卷形式来构造，也就是说在一个绕组装置中，在其中的两个电极和设置于其间的隔板形成三个位置，从而使得在穿过该线圈装置的该线圈的切面中具有基本上多于两个电极层，尽管该绕组仅仅包括两个电极。在电极所谓的堆栈结构中交替连续排列着多个电极，因此这种电极集合在横截面上同样具有超过两层的电极。优选地，依据本发明的蓄电池单元被构造为所谓的二次蓄电池，即构造为可充电的。第一和第二外壳元件如此地一起构造出蓄电池单元的外壳。通过其能够建立与蓄电池单元的电气连接，即蓄电池单元能够通过第一个或第二外壳元件充电及放电。就是说，外壳元件构成了蓄电池单元的端子。因此，本发明的基本思路是，扩展电极集合两级的电绝缘体到外壳层上。因此，能够完全避免电极和电极集合端子通过外壳以绝缘或非绝缘的形式穿透。与此对应，制造费用和与之相关的开支会减小。与传统的蓄电池单元相比，通过向外壳元件供给电势，依据本发明的蓄电池单元能够更灵活地与蓄电池模块及蓄电池连接，因为依据本发明的蓄电池单元的各个位置都能够与外壳元件连接。此外，会降低通过外壳或外壳边上的一个或两个电极的绝缘体的电气穿透的费用。此外，依据本发明的设计方案会降低用于使蓄电池外壳与电极电气绝缘的或建立外壳与电极额外连接的花费，这在传统蓄电池单元中是必须的。本发明中蓄电池单元的散热能够简单有效地在外壳元件中实现，其利用高的热传导性将热能传递到电极集合中。应当注意的是，两外壳元件不可通过散热体短路。
优选地，第一外壳元件及第二外壳元件应分别被构造为半杯体，其中，其开口侧是相对的，此外，蓄电池单元至少具有一个电气绝缘元件。其安装在两外壳元件之间，利用其可避免第一外壳元件和第二外壳元件间的电气短路。优选地，所述外壳元件基本上被实施为棱柱形。其中，所述电极集合与各个半杯体之间的电气连接优选地在外壳反向侧实现，即由外壳元件构造的外壳的正面。能够安装绝缘元件在外壳元件开口侧的正面，其用于外壳元件的安全绝缘并以所谓的绝缘层的形式。其中，所述设计方案并不能限制本发明，也能够规划外壳元件彼此间隔，并且只能通过绝缘元件机械桥接。两个被构造为半杯体的外壳元件能够直接作为电极及端子使用，从而使蓄电池单元具有多种电气连接和散热的可能性。例如在长方体形外壳中，可对各个棱柱形的半杯体长方体六个面中的五个面进行连接。在通常的有N面的棱柱形的半杯体中，可在N-1个面上进行连接，因为只有绝缘面不能连接。
依据本发明，半杯体为至少有一面为开口的空心体。优选地，其开口侧被构造在一个平面上。
在一个优选的设计方案中，设置绝缘单元至少局部触及至少一个外壳元件的内侧，即绝缘单元在这一区域实现外壳元件与电极集合间的电气绝缘。也就是说，所述的绝缘元件不仅可以用作外壳元件之间的绝缘体，也可用作外壳元件和电极集合之间绝缘体，并由此避免施加了电势的外壳元件和电极集合的其它各个电极之间的连接。优选地，只通过一个部件构造这种绝缘单元，因此可轻易实现其生产和安装。此外，绝缘元件可以更便宜的方案包裹住外壳、除了一个或多个侧面以及正面和区域的外壳元件，其中，所述非绝缘区域用于各个外壳元件之间的连接。也就是说，一个用作绝缘蓄电池单元中电极集合的绝缘元件同时可用作本发明所述蓄电池单元的外部绝缘体。
更优选地，在本发明所述的蓄电池单元的设计方案中，能够设置其在至少一个有电气连接的外壳元件中具有散热体。所述散热体也能够承担连接蓄电池单元的作用。由此能够实现较宽的传递横截面，从而实现有效散热，因为在电流流通的部分可利用蓄电池较高的热传递性能实现散热作用。
此外，依据本发明还提出了一种用于制造蓄电池单元方法，尤其是提出了一种用于制造锂离子蓄电池单元的方法。其中，所述蓄电池单元至少包含一个电极集合，在其横截面上以多于两层的方式来设置电极。依据本发明如此设置，即所述电极集合被引入基本上管状的绝缘元件之中并且第一和第二基本上半杯体的外壳元件在所述绝缘元件的两个开口的端面处包裹所述绝缘元件和所述电极集合并且所述两个外壳元件相互电绝缘，以及在所述电极集合的正极和所述第一外壳元件之间建立电接触且在所述电极集合的负极和所述第二外壳元件之间建立电接触。在电极集合和外壳元件之间建立的电接触能够通过例如外部焊接，尤其是能够在焊接接头处实现，以便保证其密封性。
在将多个电极集合设置在一个外壳内时，能够将其一起置入管状的绝缘元件中或者先分别置入管状的绝缘元件，再与如上所述的外壳元件连接。
将电解液注入蓄电池单元的过程能够利用传统方法通过一个单独的开口实现。这个开口能够位于绝缘元件中，并且能够通过焊接或压入塑料塞的方式轻易封闭。与传统的开口在金属外壳上的蓄电池单元相比，这种方法同样具有成本优势。
依据本发明还提出了一种蓄电池或蓄电池模块，其具有多个依据本发明所述的蓄电池单元。
这种蓄电池或蓄电池模块可被构造为其中的外壳元件相互连接并且电气导通。也就是说，例如第一蓄电池单元的第二外壳元件与第二蓄电池单元的第一外壳元件可利用焊接、插入或粘结的方法连接并且电气导通。
在另外一种实施例中如此设置，将依据本发明所述的蓄电池或蓄电池模块构造为多个蓄电池单元的外壳元件以形状配合或力配合的方式连接并且电气导通。也就是说，例如，所述的蓄电池单元能够通过螺丝连接、铆接或插入的方式，也能够通过榫槽连接的方式相互连接。因为半杯体的外壳元件能够在五个边界面上相互连接和/或在此散热，所以模块的结构是很灵活的，多种可行的连接技术可用在蓄电池单元外壳的多个面上。其几乎允许所有二维或三维的布置方案。因此，其能够匹配不同的机动车空间结构。即使蓄电池单元与由其构成的模块的单个组件数量降低了，蓄电池模块与蓄电池构造的灵活性也会同时显著提高。这使得其在设计、材料消耗、安装以及保养和回收上都有价格优势。不管是蓄电池单元的串联电路还是并联电路都适用于此。
其中，所述外壳元件能够直接地相互连接或者间接地相互连接。在直接地连接时，所述外壳元件直接相互连接并且相互接触。在间接的连接时如此地设置，即所述外壳元件借助于连接元件相互连接，其在必要时同时具有散热功能。
此外补充地提供了一种机动车，尤其是电机驱动的机动车，其具有至少一个依据本发明所述的蓄电池单元或者依据本发明所述的蓄电池或依据本发明所述的蓄电池单元模块。
附图说明
将借助于附图和后续的说明书进一步阐述本发明的实施例。其中：
图1以从上面的剖视图示出了依据本发明的蓄电池单元；
图2示出了沿着图1中的交截线A-A的依据本发明的蓄电池单元的剖面图；
图3示出了沿着在图1中示出的交截线B-B的依据本发明的蓄电池单元的剖面图；
图4示出了具有重叠地焊接的蓄电池单元的蓄电池单元模块；
图5示出了具有相继地焊接的蓄电池单元的蓄电池单元模块；
图6示出了具有重叠地借助于角状的元件固定的蓄电池单元的蓄电池单元模块；
图7示出了具有借助于绝缘元件的扩展形式重叠地夹住的蓄电池单元的蓄电池单元模块；
图8示出了上下重叠地安置的蓄电池单元，它们借助于连接元件电连接；
图9示出了以串联和并联电路方式直接安置至蓄电池单元模块的蓄电池单元；以及
图10示出了以串联和并联电路安置的蓄电池单元，它们借助于榫槽连接相连接。
具体实施方式
在所示出的实施例中，半杯体11和12被用作外壳元件，其中，本发明并不限于将半杯体11、12应用为外壳元件。
图1至图3示出了一种半杯体式蓄电池单元的理论结构。下面将基于安装顺序描述本结构。
首先，电极集合2以所谓的包卷法（Jelly-Roll）或袋堆栈（Pouch-Stack）的形式通过两个开口引入用作半杯体绝缘体的绝缘元件20中。优选地，绝缘元件的材料为塑料。
电极集合2的电连接端分别朝向绝缘元件的开口侧13。根据需求，还能够存在一个在此未示出的适配元件，其能够使得电极集合2与半杯体11和12的接触简单化。
但是，在理想情况下将直接实现该接触。
两个半杯体11、12通过绝缘元件20连接。或者直接借助于冷压通过绝缘元件20的塑料和半杯体11、12的金属间的接触面来实现，或者通过后续的加热和/或粘结以单纯的覆盖来实现，从而以这样的方式来得到密封的形状连接。由此制造出蓄电池单元1的外壳10。
最好在两个半杯体11和12与开口相对的端面16处设置凹槽或者至少是导板，其能够实现电极集合2接触区的精确定位。接触点17、18可通过焊接或其他一些传统的连接技术来实现，比如钎焊、插接、导电胶等。直接透焊也是可行的。这样有利于完全杜绝密封性问题。在这一步骤后，半杯体11和12的电势分别为与其电气连接的电极的电势，这里的电极分别用正号及负号来标示。
将电解质注入到蓄电池单元1的过程能够以传统的方法通过单独的开口来实现。该开口能够位于绝缘元件20中并且通过利用塑料塞焊接/压入轻易实现密封。与常规的蓄电池单元相比，这种方法由此简化了安装并因此降低了成本。
绝缘元件20能够由不导电材料制作，例如具有高防水性和高气密性的塑料。在此，可将专用的阻隔膜放入塑料中并用之对其涂膜。
绝缘元件20负责实现两个半杯体11、12间的高阻的隔离。其中，该绝缘元件可延伸到半杯体11、12的外侧，在此在联合区24的范围内在必要时能够通过一个外部夹子23以形状连接和/或啮合连接的方式与半杯体11、12并且在半杯体11、12之间形成机械连接并且同时能够承担密封功能。该绝缘元件20的组件能够被描述为绝缘桥21。
在半杯体11、12与绝缘元件20间采用粘结连接时能够不再使用形状和/或啮合连接。
然后直接实现相对于绝缘桥21的密封。在一种实施变型中需要对半杯体11、12的表面进行绝缘，于是绝缘元件20覆盖两个半杯体11、12的外侧和/或内侧。则蓄电池单元1的除了与电极集合2接触的所有表面都被绝缘了。替代地，能够存在任意形状的用于接触的外部形状或凹槽。
优选地，半杯体11、12由合适的铝合金及铜合金或不锈钢或其它对电解液具有抗腐蚀性的导电材料组成。
在第一个实施例中，两个半杯体11、12都由铝合金组成。这一点在随后将蓄电池单元1连接至模块100时是有利的，因为不再需要连接不同种类的材料了。其中，为了避免在含铜的电极集合与半杯体形状的外壳元件之间的过渡区域造成接触腐蚀，半杯体在其内侧能够用铜覆盖或由铜铝合金以双层的方式来形成。
然而，由铝合金构成的半杯体11、12与含铜的电极集合2之间的电气连接应该尽量避免与电解质相连。为此，设计的铜型接触通过半杯体11、12与电解液绝缘，例如通过压缩以及密封元件，以使电气接触通过焊接完全在半杯体的外侧实现。
在第二个实施例中，第一半杯体11由铜合金组成，优选地在正极侧。在负极侧，第二半杯体12由铝合金组成。这样使得在接触位置会存在较小的腐蚀危险。
图4至8描述了蓄电池单元1与蓄电池单元模块以及蓄电池组100的可能的装配变型。
其中，图4和5描述了低成本的串联布线。各个单独的蓄电池单元1将直接相连，这就是说，在蓄电池单元1之间不需要另外的元件，例如单元连接器、电缆等。取而代之地，将半杯体11、12直接互相焊接在一起，例如直接用焊接装置60将两个半杯体11、12焊接至对应的半杯体11、12的侧面15或者端面16。蓄电池1之间的过渡电阻能够通过导电膏或其它方法来得以改善。替代地，能够在粘结位置70处经由导电的粘结材料直接实现该连接。
图6描述了一种利用机械的连接元件实现的连接变型。在此，通过角状的元件80把各个蓄电池单元用螺丝连接或铆接。其中，蓄电池单元1本身带有机械的元件，如螺栓或嵌入的螺母/螺钉。优选地，这些被集成在半杯体11、12之中。替代地，角状的元件80已经被焊接在一侧上了。这些实施变型的优点在于在维修或回收时能够以简单的方式进行拆卸。
图7描述了一种插入式的连接变型。在此将扩展在半杯体11、12之间的绝缘元件20，使得下一个蓄电池单元1以及其半杯体11、12能够直接插入其中。防止非期望的松开的机械啮合机制作为一种常用的方式虽然未被示出，但也能够用来固定各个蓄电池单元1。所示出的绝缘元件20的扩展部分22能够完全集成到其中或与其进行法兰连接，例如通过螺丝连接、锁连接或其它机械的连接。除了将各个蓄电池单元1相互固定之外，绝缘元件20也承担着由此制成的模块100对外界的局部绝缘。
图8描述了一种完全地绝缘的侧面15的变型。由此，各个蓄电池单元1能够不再用其它与外部绝缘的方法而直接相互堆叠起来。蓄电池通过统一的元件连接，例如在未绝缘的端面16的经过焊接或螺丝连接的连接元件50，即在半杯体11、12的相应的与开口侧相对的面。连接元件50能同时作为散热体30。
图9和10描述了低成本的并联连接布线。
在图9中，如图4至6所示的蓄电池单元1将直接通过侧面15相互连接。
在图10中使用了插入式连接，其细节未被展示。在此能够使用一种以形状连接为基础的连接零件，例如一种榫槽连接40。在此能够在蓄电池单元1的绝缘元件中放入槽，其利用对应的一定造型的榫能够连接其它蓄电池单元1。
蓄电池单元1间的接触同样能够以槽型和榫型来实现，例如以焊接的槽轨以及焊接的榫。半杯体处的槽及榫原则上能够设置在每个半杯体面上，因此，并联电路能够在所有的四个侧面15上实现。
总的来说，由所示的图例可见，蓄电池单元1的外部绝缘能够覆盖其端面16和/或侧面15中的至少一面，这里必须始终保持有施加电势的半杯体11、12中的一部分的电气连接是非绝缘的。

Claims (13)

1.一种蓄电池单元(1)，其包括外壳(10)和在所述外壳(10)中的至少一个电极集合(2)，在所述电极集合中在横截面上以多于两层的方式来设置电极，其中，所述外壳(10)具有至少两个将所述电极集合(2)与周围环境隔离的外壳元件，其特征在于，第一外壳元件(11)与所述电极集合(2)的正极电连接并且第二外壳元件(12)与所述电极集合(2)的负极电连接，从而使得所述蓄电池单元(1)在所述第一外壳元件(11)处和所述第二外壳元件(12)处是可电接触的，
其特征在于，
所述外壳(10)的相互对置的端面(16)由所述第一或者所述第二外壳元件(11、12)来形成，其中，在所述第一外壳元件(11)和所述电极集合(2)的正极之间以及在所述第二外壳元件(12)和所述电极集合(2)的负极之间的接触(17、18)分别被构造在所述蓄电池单元的该相互对置的端面(16)之上，并且
所述外壳(10)的相互对置的侧面(15)由所述第一和所述第二外壳元件(11、12)来加以构造。
2.根据权利要求1所述的蓄电池单元(1)，其第一外壳元件(11)和第二外壳元件(12)分别被半杯体状地设置并且以其开口侧(13)相互相对，其中，所述蓄电池单元(1)还包括绝缘元件(20)，所述绝缘元件被设置在所述外壳元件(11、12)之间，并且借助于所述绝缘元件能够阻止在所述第一外壳元件(11)和所述第二外壳元件(12)之间的电短路。
3.根据权利要求2所述的蓄电池单元，其中，在所述外壳元件(11、12)之间的绝缘元件(20)被设置在所述侧面(15)之上，如此使得所述外壳(10)的侧面(15)包括所述第一外壳元件(11)的一部分和所述第二外壳元件(12)的一部分。
4.根据权利要求2或3所述的蓄电池单元，其中，所述绝缘元件(20)至少局部地触及至少一外壳元件(11、12)的内侧(14)，从而使得所述绝缘元件(20)在该区域实现所述外壳元件(11、12)和所述电极集合(2)之间的电绝缘。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的蓄电池单元，所述蓄电池单元在该电接触的至少一外壳元件(11、12)处具有散热体(30)。
6.根据权利要求1所述的蓄电池单元，其中，所述蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。
7.一种用于制造蓄电池单元的方法，所述蓄电池单元包括至少一个电极集合(2)，在所述电极集合中在横截面上以多于两层的方式来设置电极，其中，所述电极集合(2)被引入管状的绝缘元件(20)之中并且第一和第二半杯体的外壳元件(11、12)在所述绝缘元件(20)的两个开口的端面(16)处包裹所述绝缘元件和所述电极集合(2)并且所述两个外壳元件(11、12)相互电绝缘，以及在所述电极集合(2)的正极和所述第一外壳元件(11)之间建立电接触(17)且在所述电极集合(2)的负极和所述第二外壳元件(12)之间建立电接触(18)，并且在所述第一外壳元件(11)和所述电极集合(2)的正极之间以及在所述第二外壳元件(12)和所述电极集合(2)的负极之间的电接触(17、18)分别被构造在所述蓄电池单元的相互对置的端面(16)之上，其中，所述外壳(10)的相互对置的端面(16)由所述第一或者所述第二外壳元件(11、12)来形成，并且所述外壳(10)的相互对置的侧面(15)由所述第一和所述第二外壳元件(11、12)来加以构造。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述蓄电池单元是锂离子蓄电池单元。
9.一种蓄电池或蓄电池单元模块(100)，其包括多个依据权利要求1至6中任一项所述的蓄电池单元(1)，其中，多个蓄电池单元(1)的外壳元件(11、12)相互间材料配合地导电连接。
10.一种蓄电池或蓄电池单元模块(100)，其包括多个依据权利要求1至6中任一项所述的蓄电池单元(1)，其中，多个蓄电池单元(1)的外壳元件(11、12)相互间形状配合地和/或力配合地导电连接。
11.根据权利要求9或10所述的蓄电池或蓄电池单元模块(100)，其中，所述外壳元件(11、12)
i)直接地相互连接；或者
ii)间接地相互连接。
12.一种机动车，其包括至少一个根据权利要求1至6中任一项所述的蓄电池单元(1)或者根据权利要求9至11中任一项所述的蓄电池或蓄电池单元模块(100)。
13.根据权利要求12所述的机动车，其中，所述机动车是电机驱动的机动车。
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