CN103718330A - 电池电芯模块、电池电芯模块运行方法以及电池和机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池电芯模块，其包括多个电池电芯(10)尤其是锂离子电池电芯和配属于多个电池电芯(10)的一个容气腔室(21)，所述容气腔室用于至少暂时容纳从这些电池电芯(10)逸出的气体，其中每个电池电芯具有一个排气口(13)。本发明规定，该容气腔室(21)的体积与所述排气口(13)直接连通。另外，本发明还涉及一种用于运行电池电芯模块的方法、一种电池以及一种具有所述电池电芯模块或具有所述电池的机动车。

Description

电池电芯模块、电池电芯模块运行方法以及电池和机动车

技术领域

本发明涉及包括多个电池电芯的电池电芯模块。本发明还涉及用于运行本发明的电池电芯模块的方法以及具有多个本发明的电池电芯模块的电池和机动车。

在此，本发明尤其涉及锂离子电池电芯或者锂离子电池或相应的电池电芯模块。

背景技术

人们对用于广泛应用领域例如用于车辆、固定不动的设备(例如像风力发电设备)和移动电子设备(例如像笔记本电脑和通讯器材)的电池有着显著需求。在可靠性、使用寿命和容量方面对电池提出很严格的要求。

锂离子技术注定用于广泛应用领域。它的特点尤其是高能量密度和极低程度的自动放电。

锂离子电池至少具有一个正极和一个负极(阴极或阳极)，它们能借助电解质成分可逆地充入(嵌入)和又释放(脱嵌)锂离子(Li+)。

在此，嵌入在电池电芯的充电过程中进行，而脱嵌在电池电芯放电过程中进行以便给电气设备供电。

为了嵌入和脱嵌，需要存在所谓的锂离子导电盐。不仅对于例如像用在便携式电子设备中的充电较少的电池电芯，而且在用于汽车领域的电池电芯中，作为锂导电盐而采用六氟磷酸锂(LiPF₆)。该导电盐相对于湿气极具反应性，因而可以实现水解，直至出现氟化氢(HF)。

锂离子技术中的一个关键点是各电池电芯或由此组装成的电池在过度充电时的性能。此时可能在释放出强烈氧化介质的情况下出现阴极分解。这可能导致与电解质的强烈放热反应。此时，生成灼热气体，其增大电池电芯内室中的压力。

该压力可能造成在电芯内的不可控的温度升高(所谓的热失控)以及由压力决定的电芯安全机构(例如所谓“安全排气口”)的打开。如果不进行电芯打开，则存在电芯爆炸的危险。

一种呈所谓“安全排气口”形式的安全机构可从US2009/0068550A1中得到，它在电池电芯内出现不允许的过压时打开排气口。

此时，这种排气口能以额定开裂点形式构成。流出的气体包含电解质并且与水反应生成氢氟酸。为避免针对机组和人员的危险而需要从电池电芯流出的气体被可控而有目的地送走。

通常，安装在电池电芯模块上的所谓的模块盖子负责有害物质的截留和送走。

DE202004004335U1与此相关地公开一种用于蓄电池的排气系统，其中，逸出的气体必须流经迷宫式密封装置以便分离固体和液体，随后气体进入盖子内的所谓排气腔室。此实施方式牵扯到相对高的构造成本和进而加工成本。

DE10257918B4公开一种蓄电池，其上安置有所谓的密封盖，密封盖又具有上盖和下盖。在密封盖中，对应于电池电芯数量地分别设有气体空间用于酸沉积。容纳气体的盖子的这个实施方式也由结构设计决定地在尤其大批量加工和安装时是比较昂贵和高成本的。

发明内容

本发明提供一种电池电芯模块，其包括尤其可以是锂离子电池电芯的多个电池电芯。每个电池电芯具有一个排气口。该电池电芯模块还包括一个配属于多个电池电芯的容气腔室用于至少暂时容纳从这些电池电芯逸出的气体，在这里，容气腔室的体积直接与排气口相连通。

就是说，该容气腔室优选共同配属于该电池电芯模块的所有电池电芯，因而同时供多个电池电芯使用。

因此，不必实现从排气口逸出的气体流动的转向，由此实现了简单而低成本的气体汇集和气体排出。

优选该容气腔室的体积与排气口直接连通，就是说，不需要流过设于中间的腔室。必要时只流过相对短的管接头。由此，可以在容气腔室内产生流动时在所有排气口高效地产生负压，从而能可靠快速地排出流出气体。

根据本发明，容气腔室的敞开区可延伸经过多个电池电芯。

在此实施方式中，优选全面实现盖子相对于电池电芯表面的密封，就是说至少流体密封且在优选实施方式中是完全气密的。该盖子密封贴靠多个电池电芯，其中同一敞开区布置在多个电池电芯上方，从而由所述多个电池电芯逸出的气体可以通过相同的敞开区进入该盖子的容气腔室中。所述密封此时通过在盖子和/或电池电芯上的适当的密封元件例如通过海绵橡胶密封件来实现。盖子所贴靠的电池电芯表面优选是端子所伸出的各电池电芯顶面。

电池电芯优选彼此贴靠或者在电池电芯之间设有中间层，在该盖子密封贴靠的电池电芯区域内形成电池电芯模块的基本连续的表面。就是说，在电池电芯之间没有未用固态的可密封材料填充的间隙，因而可以实现覆盖多个电池电芯的容气腔室或者其敞开区相对于电池电芯的密封。通过本发明的实施方式，不再需要将一个模块的电池电芯布置在额外的壳体内，因为通过具有连续表面的实施方式来实现朝下敞开的容气腔室的密封。因为根据本发明该电池电芯模块不必再具有壳体，故也获得了加工技术方面的优点以及实现了重量减轻。

该敞开区覆盖的表面可以对应于容气腔室投射到电池电芯的被盖子覆盖的表面上的投影区。该投影在此是指容气腔室在由盖子覆盖的表面上的垂直投影。就是说，容气腔室的最大宽度和长度基本上限定了容气腔室在电池电芯方向上的敞开面积。换句话说，容气腔室的最大横截面是敞开区的横截面。本发明不局限于这样的实施方式，而是本发明的电池电芯模块也可以如此构成，由敞开区覆盖的电池电芯面积小于容气腔室在由盖子所密封的表面上的投影区域。

在另一个替代实施方式中，容气腔室具有多个进气口，它们分别与一个电池电芯的一个排气口流通相连。就是说，在此实施方式中，容气腔室的各自一个进气口与一个电池电芯的一个排气口相连。此外，优选以很小的长度来构成该机械接合点。此实施方式的优点在于可以低耗费地相对于电池电芯密封该容气腔室，这是因为实现了排气口直接固定在进气口上，即优选利用较短的管接头或管路，其具有小于等于0.5的长度L与直径D之比L/D。

由此一来，可以通过简单且低成本的方式实现流出电池电芯的侵蚀性物质的排出。

优选规定，所述盖子与其构造有仅一个大的敞开区或者多个进气口的结构无关地单壁构成，在这里，盖子内的容气腔室通过局部基本呈凹形的设计结构来形成。尤其是这样的盖子在加工技术方面很容易实现。此外，本发明不局限于盖子的单壁设计结构，而是所述盖子也可以以如下方式构成，即，它由多层构成。

所述的凹形设计结构也可指多角的空间边界，其基本上具有在远离电池电芯的方向上的空间构造。凹形设计结构可以通过单层盖子材料的成型来实现，或者也可通过从盖子材料加工除去整块材料来实现。

在具有多个进气口的变型实施方式中有利地规定，在形成各自一个排气口的材料和形成各自一个进气口的材料之间的连接区域内设有至少一个多臂式的密封件。

该密封例如可以是V形圈密封件，就是说，具有两个支臂的密封件，所述两个支臂在未加载状态下张开并且在安装和加载状态下基本相互平行延伸，在这里，至少一个支臂因为其弹性性能而借助其回复力改善相对于形成各自一个排气口的材料或者相对于形成一个进气口的材料的密封作用。

通过容气腔室内的气压，这些支臂能被压迫分开，由此进一步加强密封作用。

为了排出容纳在容气腔室内的气体，在有利的实施方式中规定，所述容气腔室具有至少一个出口。在该出口上可以连接有用于连接管路如软管的连接机构，以便将逸出气体从电池电芯模块送走并且在那里有目的地排放至不存在气体带来的威胁的环境中。该连接机构例如能以T形管件的形式存在，其两个管接头设计用于分别连接一个软管，从而能以简单方式使多个连接机构相互串接，由此降低将气体从多个电池电芯排出的耗费。

在电池电芯内有过压的情况下其排气口打开，从而气体从电池电芯进入容气腔室。该过压造成气体在容纳于容气腔室中后通过连接机构从电池电芯被继续送走。

可以在该出口上连接止回阀，在这里，该止回阀优选是唇形阀，其也在英文名称中被称为鸭嘴阀。唇形阀可直接连接至该出口或连接一条与该出口相连的管路。唇形阀容许气体流出集气腔室，但阻止气体反向流动。

在有利的实施方式中，该唇形阀具有如此构成的额定开裂点，即，当在集气腔室内高出规定气压时在该额定开裂点出现裂缝，该裂缝使得产生开口，气体可从该开口流出集气腔室。裂缝或者额定开裂点优选出现在这样的区域内，在该区域内唇形部相互贴靠或相互抵靠。当唇形部表面相互成锐角布置时，外界环境中的压力增大造成唇形部表面从外面承受压力，从而唇形部表面被迫贴合并且导致密封作用。

本发明还提供一种用于运行具有唇形阀的电池电芯模块的方法，其中，当在集气腔室内高出规定气压时产生所述开口，当随后在集气腔室内出现低于规定气压时，该唇形阀基本相对于环境密封该集气腔室和/或基本阻止气体流出该集气腔室。在额定开裂点初次打开之前和在集气腔室内低于规定气压时，该唇形阀通过相互气密连接的唇形部或表面元件阻止气体流出集气腔室。但如果在容气腔室内出现不容许的过压，则在唇形部之间或表面元件之间的连接区域裂开并且开放所述开口。

在超出规定压力时成功打开唇形部区域后的阻止气体流出或者密封通过唇形部的可形成打开的区域的贴靠就足以实现。所述区域的贴靠通过唇形部或者其可形成开口的区域的弹性力来实现。

在此，集气腔室相对于环境的密封无法以像通过未打开的或者未开裂的唇形阀的密封作用来保证的密封那样的程度来实现，但可以获得基本充分的密封作用。

本发明还提供一种电池，尤其是锂离子电池，它包括多个本发明的电池电芯模块，其中这些电池电芯模块布置在一个总壳体内并且电池电芯模块的出口与被接到总壳体内的出气口上的排气管路流通相连。就是说，不是每个单独电池电芯模块具有一个壳体，而是这些电池电芯模块布置在一个包围所有电池电芯模块的总壳体内。被连接至电池电芯模块的容气腔室的各出口与可输送逸出电池电芯的气体的至少一个排气管路流通相连，直到气体可从设于总壳体内的出气口有目的且可控地被排出至环境中。

根据本发明，还提供一种机动车，尤其是电动机驱动的机动车，其具有至少一个本发明的电池电芯模块或本发明的电池，其中该电池电芯模块或者电池与机动车的驱动系统相连。

通过根据本发明的电池电芯模块以及电池的结构，可以实现可能在电池电芯中出现的气体或电解质的可靠截留和排出。在此，根据本发明的电池电芯模块以及电池在加工技术和安装技术方面简单并且能以更高的防误装的可靠性来制造。同时预防在一个电池电芯排气时相邻的电池电芯受损和/或被污染。这又对于能够以低消耗和低成本修理电池电芯模块的维修人员或维护人员实现了针对侵蚀性物质的更高安全性。

附图说明

以下将结合附图所示的实施例来描述本发明。在此示出了：

图1以立体图示出了电池电芯，

图2以俯视图示出了盖子，

图3以仰视图示出了盖子，

图4以立体图示出了本发明的电池电芯模块，

图5以侧视图示出了本发明的电池电芯模块，

图6以立体图示出了本发明的电池电芯模块的另一个实施方式，

图7以立体图示出了图6所示的电池电芯模块的盖子，

图8示意性示出了图7所示的电池电芯模块的盖子以及与之相连接的唇形阀，以及

图9以剖视图示出了用在电池电芯模块和盖子之间的密封件的区域。

具体实施方式

图1示出了优选被用在本发明的电池电芯模块中的电池电芯10。电池电芯10包括电池电芯壳体11，在该电池电芯壳体的还设有端子14的顶侧上设置有被容气腔室21遮盖的表面12。在该表面12中还具有排气口13，该排气口例如能以额定开裂点或过载阀的形式构成，以便在电池电芯10内有不容许的过压的情况下使气体离开电池电芯壳体11。

在图2和图3中示出了本发明电池电芯模块的盖子20的一个实施方式。可以看到该盖子20具有基本呈矩形的规格，其中在中央区域设置容气腔室21，该容气腔室在此呈单层盖子材料的凹形隆起部。尤其在此如图3所示，容气腔室21朝下敞开，因而形成具有容气腔室21轮廓的一个敞开区22。也如图3清楚所示，一个出口23与容气腔室21相连通。如图2所示，呈T形件形式的管状连接机构25连接至该出口23。连接机构25具有两个彼此背离的管接头26用于连接其它连接管路。

如图3所示，在盖子20上布置有围绕敞开区22的密封件24。

当盖子20安置在多个电池电芯10上时，如在图4中在突出的端子14上所看到的那样，容气腔室21且进而敞开区22横向叠置在电池电芯10上，从而容气腔室21和敞开区22基本延伸经过电池电芯10的如图1所示的排气口13。当排气口13打开时，气体经敞开区22进入容气腔室21。通过借助密封件24的密封来阻止气体侧向流出。通过在敞开区22的下方形成电池电芯模块的平坦表面，改善了由密封件24所带来的密封作用。

容纳在容气腔室21内的气体可通过如图3所示的出口23进入连接机构25及其管接头26，从而气体可通过在所述管接头26处的未示出的管路从电池电芯模块1被继续送走。气体的体积流量因为逸出气体的较高的过压而实现。

在图2和图3中还能看到盖子20具有设置在每一侧的多个孔27。孔的数量对应于在电路技术方面待连接的电池电芯10的端子14的数量。

如图4所示，端子14穿过所述孔27。此时，在不同的孔27或端子14之间设有呈所谓分隔条28形式的异型件28，其阻止电芯连接器30与下述端子14相连，即在结构上根本没有拟定与之导电连接的端子。就是说，电芯连接器30通过异型件28的布置而仅使下述端子14相互连接，即就电路技术方面尤其拟定了与之导电接通的端子。

由此给安装工人提供了就电池电芯的端子和电路的定位和连接而言的简单有效的防误装手段，这是因为通过异型件使得无法实现或至少很难实现彼此不应接触的端子的连接。就是说，通过带有异型件的盖子设计实现了所谓的防错作用。盖子内的孔的数量优选对应于电池电芯模块的电池电芯的待相互接触的端子的数量。

图5以侧视图示出了本发明的电池电芯模块1，在此可以清楚看到管接头26被构造成连接排气管路以及该容气腔室21的凹形隆起部。还看到异型件28在盖子20支承在电池电芯10上时布置成比端子14高，因而避免由电芯连接器30引起的端子14错误连接。

盖子20优选设置在电芯连接器30和电池电芯壳体之间。就是说，在此情况下如此实现电池电芯模块1的结构，盖子20设置在电池电芯10或其壳体上，在盖子20上又设置有电芯连接器30，电芯连接器连接电池电芯1的穿过盖子内的孔27的端子14。

如此制造在后述的实施方式中的电池电芯模块1：盖子20被基本密封地安放在形成一个安置在基板50上的方决的多个电池电芯10的侧面上，电池电芯10的端子14位于所述侧面上，从而电池电芯10的端子14穿过盖子20内的孔27并且随后使电池电芯10的端子14与电芯连接器30相连。此时，电池电芯10的端子14所处的该电池电芯10的侧面也是电池电芯的排气口13所处的侧面。在电池电芯模块1被构造成具有异型件时，可以只有其之间没有布置异型件28的那些端子14通过电芯连接器30相互连接，由此阻止多个单独的电池电芯10的错误连接。

如图6所示，指向彼此相反的两个方向的两个管接头26也可以连接至容气腔室21。呈软管或硬管形式的管路29可连接至所述管接头26，所述管路必要时通至壳体内的出口。由此一来，可以通过简单的方式获得根据本发明的多个电池电芯模块的流通串联。

图7放大示出了图6所用的盖子。可以看到呈弯管形式的管接头26优选可转动地设置，以便获得电池电芯模块的灵活流通联网。

可被接到管接头26上的管路29能够如图8所示被连接至止回阀，例如如图8所示的唇形阀70。唇形阀70包括两个唇形部71，它们在所示的实施变型方案中在直线区域内相互连接。当在容气腔室21内存在不允许的且可能在所述唇形部71之间产生裂缝的过压时，直线区域也是裂缝形成区域72。因为唇形部71的弹性性能，所述唇形部在裂缝形成后并且在容气腔室21内的压力状况变为标准时又相互抵接，从而可以获得基本充分的、阻挡来自唇形阀周围的气体的密封。就是说，唇形阀70优选可在裂缝形成区域72内没有开口的情况下安装并且只有在容气腔室21内初次达到不允许的过压时才在裂缝形成区域72内形成开口，以便气体逸出容气腔室21。如果容气腔室21内的压力又降低，则唇形阀70的唇形部71又闭合，从而容气腔室21基本相对于周围环境被密封，因而不会发生由可能存在于唇形阀周围的火焰造成在集气腔室和所述一个或多个电池电芯内的气体的点燃，并且湿气不会进入电池电芯。

优选如此构成如图8所示的盖子20，它在底侧代替一个大面积扩宽的敞开区地具有多个进气口22，确切说优选恰好按照组装成电池电芯模块的电池电芯的排气口13的数量。就是说，优选每个排气口13对应于盖子20内的一个进气口22。在排气口13和进气口22之间的密封此时优选通过如图9所示的V形圈密封件60来实现。V形圈密封件60的至少一个支臂61此时可以在未加载状态下从密封件的平面张开，从而在安装和加载状态下，所述张开的支臂61实现了增大的压紧力，由此实现相对于盖子20或形成排气口13的材料的改善的密封作用。

此外，本发明不局限于在代替敞开区而具有进气口22的本发明电池电芯模块的变型实施方案上布置如图9所示的V形圈密封件60或唇形阀70，本发明也可以与此不同地规定，在盖子内有敞开区的电池电芯模块中盖子20用V形圈密封件60来密封和/或在管接头26上连接一个唇形阀70。

Claims (10)

1.一种电池电芯模块，包括多个电池电芯(10)尤其是锂离子电池电芯以及配属于多个电池电芯(10)的用于至少暂时容纳由这些电池电芯(10)逸出的气体的一个容气腔室(21)，每个电池电芯具有一个排气口(13)，其特征是，所述容气腔室(21)的体积直接与所述排气口(13)相连通。

2.根据权利要求1所述的电池电芯模块，其中，所述容气腔室(21)朝向所述电池电芯(10)方向敞开，所述容气腔室(21)的敞开区(22)延伸经过多个电池电芯(10)。

3.根据权利要求1所述的电池电芯模块，其中，所述容气腔室(21)具有多个进气口(22)，每个进气口与一个电池电芯(10)的一个排气口(13)流通相连。

4.根据权利要求3所述的电池电芯模块，其中，在形成各自一个排气口(13)的材料和形成各自一个进气口(22)的材料之间的连接区域内设有至少一个多臂式的密封件。

5.根据前述权利要求之一所述的电池电芯模块，其中，所述容气腔室(21)具有用于排出所容纳的气体的出口(23)。

6.根据权利要求5所述的电池电芯模块，其中，在所述出口(23)上连接有止回阀，该止回阀是唇形阀(70)。

7.根据权利要求6所述的电池电芯模块，其中，所述唇形阀(70)具有额定开裂点，当在集气腔室内高出规定气压时在该额定开裂点处出现裂缝，所述裂缝使得产生能允许气体从该集气腔室流出的开口。

8.一种用于运行根据权利要求7所述的电池电芯模块的方法，其中，当在集气腔室内高出规定气压时产生所述开口，并且当随后在集气腔室内低于规定气压时，所述唇形阀(70)相对于环境基本密封该集气腔室。

9.一种电池，尤其是锂离子电池，包括多个根据权利要求1至7之一所述的电池电芯模块，其中，这些电池电芯模块(1)设置在总壳体内，并且这些电池电芯模块(1)的集气腔室与同该总壳体内的出气口相连的排气管路流通相连。

10.一种机动车，尤其是能由电动机驱动的机动车，具有根据权利要求1至7之一所述的电池电芯模块或者具有根据权利要求9所述的电池，其中，所述电池电芯模块(1)或者所述电池与该机动车的传动系统相连。

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