CN103779517A - 用于二次电池的电化学电池单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于二次电池以及这样的二次电极模块的电池单元。电池单元包括：由第一盒(13)所围封着的第一电池(12)；由第二盒(15)所围封着的第二电池(14)，其中至少第一和第二盒(13、15)的其中之一包括沿其侧边缘(11)延伸的凹部(16、18)以形成插座(30)，其适于接收至少一个热传递元件(28)。

Description

用于二次电池的电化学电池单元

技术领域

本发明涉及二次、即充电电池领域，并且特别指的是对于这种电池的节省空间的热管理，也是指用于这种电池的空间和重量优化的壳体概念。

背景技术

可由二次电池提供电能存储，如锂离子电池。这样的电池，但几乎所有类型的二次电池应该在一种预定温度范围内操作。例如，在非常低的温度，如低于-10℃，电池性能衰退并且效率可显著地降低。在更高的操作温度，例如大约40℃及以上，这种电池的经济寿命和性能以及容量典型地减少。

这些热条件要求这些电池组以及电池模块必须被适当的加热或冷却。因此，有需要对电池组进行足够的热管理。

电化学电池形状通常被归类为棱柱形或圆柱形。圆柱形的电池具有圆柱形的外壳。棱柱形的电池具有棱柱形的外壳形状，诸如平行六面体。棱柱形电池的普通示例包括标准12V汽车电池。一个电化学电池可以是，例如锂离子电池。

锂离子电池经常被打包成所谓的“袋装电池”。袋装电池的一个优点是传统的金属圆筒和玻璃-金属电引线被替换为相对便宜的金属薄膜/箔包装，其类似于用于食品工业中的那种。金属箔常常为由铝制成的层压薄膜。电接触通常由焊接在电极上并密封在袋装材料中的导电片构成。

专利文献WO2010/071463A1描述了置于与珀尔帖电池成热接触的外壳内的电化学电池。珀尔帖电池提供了向电池组内或外的热传递，然而与至少一个侧壁接触的热传导分隔板被放置在所述外壳内，且电化学电池被置于板之间。在那里，外壳的一个侧壁与所述分隔板接触，并且进一步与珀尔帖电池热接触。

此外，夹入多个电化学电池中的分隔板具有与侧壁相接触成90°弯折的后缘。这些后缘进一步和所述侧壁铆接在一起。

由于分隔板从电化学电池的侧面边缘突出，电池不得不被定位和组装在与壳体侧壁相距特定距离处。因此，壳体的内部空间不能被电化学电池完全地填充。

因此，本发明的一个目的是为电池提供空间优化的壳体，其提供了改进的热管理。进一步的目的是优化二次电池的尺寸和重量以及电池有效的冷却或热管理。

发明内容

在第一方面，本发明提供用于二次电池的电化学电池单元。电化学电池单元包括：

-一第一棱柱袋装电池包括一种被由柔性箔制成的第一棱柱袋封入的第一电化学电池，

-一第二棱柱袋装电池包括一种被由柔性箔制成的第二棱柱袋封入的第二电化学电池，

每个棱柱袋装电池进一步包括附在电化学电池的电极上的电流收集片，穿过沿着棱柱袋侧边延伸的凹部而留出袋，并且电流收集片被密封在柔性箔的层之间，

其中，第一和第二棱柱袋装电池被堆叠以便维持介于其凹部之间的空白空间，以便在第一和第二棱柱袋装电池之间形成以一种插座，该插座适用于接收至少一个热传递元件，

特征在于电化学电池单元进一步包括一种框架，其至少部分地侧面地封入第一和第二棱柱袋装电池、并且包括一种跨越过该框架而延伸的支柱，沿第一和第二棱柱袋装电池之一的凹部外表面，外表面背对该插座。

通过在第一和第二棱柱袋装电池的侧边处提供一种凹部，热传递元件可以以这样一种方式设置，即至少部分地与第一和/或第二棱柱袋装电池相重叠。热传递元件典型地沿凹部并由此沿第一和第二棱柱袋的边缘延伸。其可被嵌入至少一个凹部，或被至少一个凹部环绕。

该至少一个热传递元件可包括通过循环一种热交换媒质，如气态或液态流体的方式来提供热能量传递的管道系统。该热传递元件可以备择地包括一般地提供充足热传递或传递热能量的材料的条带。例如，热传递元件可包括一种金属片，如用铜、铝或用类似的金属或合金以提供充足的热能量传递。

通过提供包括相互堆叠的第一和第二棱柱袋装电池的结构的一种插座，包括多个棱柱电池或电化学电池单元的电池的总体积可被减少。同时，热传递元件可被布置呈一种与电池重叠的构造，由此当二次电池在运行模式时提供一种与各自的热能量可从其中发源并扩散的第一和/或第二袋装电池的那些部分直接接触或直接邻近的热传递装置。

第一和/或第二袋装电池的凹部典型地由具有沿棱柱袋侧边缘的减小厚度的第一和/或第二袋装电池的区域来获得。典型地，插座可由第一和第二棱柱袋的凹部形成。凹部特点在于与各自棱柱袋的剩余部分相比减小的厚度。通过堆叠具有或相同或不同几何形状但至少覆盖着凹部的各自相应棱柱袋与另一个棱柱袋，插座可被形成在例如可从第一和/或第二棱柱袋的一侧边缘达到的各自的第一和第二袋之间。

在另一优选的方面，棱柱袋装电池的其中任一个的凹部延伸成与袋的主表面之一齐平。这里，第一和第二棱柱袋装电池被布置成使得：第一和第二电池各自相应的凹部互相面对以形成在那其间的插座。在第一和第二电池的第一和第二凹部位于或形成具有减小厚度的各自电池的侧边缘的情况下，那么当第一和第二电池的的第一和第二凹部基本上以重叠方式布置时，一种U形插座可被提供。

第一和/或第二盒的凹部可包括向下台阶的剖面，从而使得由两个重叠的凹部所形成的凹部或插座基本为矩形。可选择地，从朝向凹部的盒的剩余或有源部分的转换也可是圆锥形或为了提供相应形状的插座而被倾斜的。

在进一步优选的实施例中，与至少一个热传递元件热耦合的至少一个热耦合元件被布置成在第一和第二电化学电池之间的插座中以各自填充介于第一和第二盒和/或介于第一和第二插座之间的间隙。

借助于至少一个热耦合元件，在第一和/或第二盒的至少一个凹部和穿过插座延伸的热传递元件之间有效的热能量传递可被提供。借助于至少一个热耦合元件，面对插座表面部分的内部可以被有效地与热传递元件热耦合。

在热传递元件与第一和/或第二电化学电池的至少一个凹部之间的热交换可以因此被改善。优选地，该至少一个热耦合元件提供位于插座的几何结构与热传递元件的几何结构之间的的几何界面。该至少一个热耦合元件或多个热耦合元件被设计成用以填充介于第一和第二盒的凹部之间的整个间隙，由此几乎完个地填充着在第一和第二凹部间所形成的插座。

在进一步优选的实施例中，电化学电池单元的第一和第二电池包括基本上相同的几何形状。优选地，第一和第二电化学电池包括一种基本上为平面的几何结构，其允许将第一和第二电池组装成堆叠/堆栈以形成包括一对电化学电池的电化学电池单元。其具有特别的好处，当具有基本相同几何形状的第一和第二电池被布置成面对面，即第一和第二电化学电池的凹部在堆叠方向(Z)上互相面对，从而使得与各自电池单元的有源部分一体地形成的侧面突起部分关于堆叠方向(Z)而被彼此分隔开，从而使插座被形成在其间以接收至少一个热传递元件。

根据另一优选方面，框架优选地由塑料材料制成，尤其是可注射模塑的塑料材料。框架材料因此可包括热塑性材料，其可被结构性加强或加固，例如，通过纤维方式。侧面地围封着第一和第二电化学电池中的至少一个的该框架可直接地形成二次电池的模块化外壳的部分。优选地，每个电化学电池可在各自相应的框架中被预先组装以提供一种相应的框架-电化学电池-预组件。电化学电池可被正向地或摩擦地与周围的/环绕的框架相接合。

该至少一个热传递元件典型地与该框架相交以便穿过框架提供充足的热能量传送。

在进一步优选的实施例中，框架包括至少一个框架元件来接收第一和第二电化学电池的其中一个。优选地，框架包括两个框架元件，每个都适于接收和组装其中的第一和第二电化学电池的一个。因此，一种第一框架元件适于接收和安装第一电化学电池，而一种第二框架元件适于接收和安装电化学电池单元的第二电化学电池元件。

框架，特别是其框架元件包括共同地接合的框架部分，通过该方式一系列框架可以用一种明确限定、结构稳定和持久的方式而被互相堆叠。因为每个框架元件典型地提供一种底座和一种用于电化学电池的机械支撑，可仅通过在各自第一和第二框架元件中布置第一和第二电化学电池、并且通过共同地组装第一和第二框架元件来建立和提供电化学电池单元，来共同地组装电化学电池单元的各个相应第一和第二电化学电池。

在该组装期间，第一和第二电池的凹部可与至少一个热传递元件并且可选地与至少一个热耦合元件进行热耦合。

在进一步优选的实施例中，框架元件的厚度(D)超过了其中所组装的电化学电池的厚度(d)至少3％、5％、8％、10％或甚至15％。框架的厚度典型地与各种框架元件的堆叠方向(z)一致。因此框架元件在堆叠方向(Z)上比其中所组装的电化学电池更厚，毗邻地位于框架-电化学电池预组装的堆叠/堆栈中的各种电化学电池被定位在那其间的一种预定间隙尺寸处。这样，电化学电池可在厚度上延伸，由此在堆叠方向上不用相互转移机械张力，至周围的框架结构和/或至二次电池的外壳的各自相应端结构。

因此，在框架元件的堆叠上所组装的电化学电池可“呼吸”并且可自由地在堆叠方向(Z)上延伸而不在堆叠/堆栈中施加机械应力。

典型地，仅仅是电化学电池的电性有源部分与围绕的框架元件在厚度上不同、并且其包括涂覆的金属电极和非导电分隔器。在提供有电化学电池的电接触部分(电流收集片)的区域中，当围绕的框架元件互相堆叠时毗邻地定位的电化学电池优选地在堆叠方向上密集地并且紧凑地被打包/填塞或受挤压。

因此第一和第二电化学电池的电接触部分经受几何变形或膨胀至与电化学电池的有源部分相比相当少的延伸，凹部的相对松的装配是既不必需，也不是想要的。此外，通过建立起凹部与在各自相应插座中受挤压的热传递元件的相当紧的装配/配合，则可以建立和维持充足的热耦合。

根据本发明框架包括至少一个跨越所述框架而延伸的支柱。该支柱用于结构上加强或加固框架。此外，由于电极以及至少一个热传递元件必须与框架元件相交，则框架本身或包括一种沿其外圆周被中断的结构或框架可包括凹部来引导电接触电极和/或至少一个在那穿过的热传递元件。这种自然地施加机械衰弱的框架结构的凹口或中断可被机械地和/或结构地借助该至少一个支柱来补偿。

在一种优选的实施例中，至少一个支柱如在第一和第二电化学电池的堆叠方向(Z)看去基本上和框架元件齐平。因此，如在堆叠方向和垂直于框架元件圆周上看去，支柱没有从框架元件突出。此外，支柱如在堆叠方向(Z)看去向内延伸来提供一种垫片以用于支持着电化学电池的凹部和它们至少一个布置在那之间的热传递元件的紧密装配。

根据本发明，在布置在所述框架内的电化学电池的各自相应棱柱袋上，框架元件的支柱沿凹部的外取向部分而延伸。因此，支柱典型地沿电化学电池盒的凹部的后侧延伸，电化学电池盒背对着位于电化学电池单元的成对布置的电化学电池之间的热传递元件。

其具有特别的益处，当根据另一个优选的实施例所述支柱基本上平行于插座和/或基本上平行于热传递元件来延伸。这样，在面对面定向的电化学电池和成对的凹部之间的热传递元件的预装配或挤压可在结构上被增强和加固。

此外，借助于至少一个支柱，电化学电池可被容易地且直观地牢固束缚和固定在框架内。这样，多个框架-电化学电池-预组件可以被预先组装来形成多个电化学电池单元，其中每一个包括了被预先组装在对应的框架元件对之中的一对电化学电池。

至于支柱，其关于框架的位置和尺寸，根据另一优选实施例，当至少一个热传递元件是在与第一和/或第二棱柱袋装电池的至少一个凹部呈紧密热接触时，当包含第一电化学电池的第一框架元件与包含第二电化学电池的第二框架元件相堆叠时，其具有特别的益处。

即使第一和第二电化学电池的凹部随后在堆叠方向上借助于至少一个支柱而被紧密装配或紧密挤压，由于与各自相应的框架元件相比有所减小的厚度，电化学电池的剩余且电化学有源区域可仍然以堆叠方向(Z)上的一种特定间隙尺寸为特点。

这样，取决于负载或取决于运行条件而定的电化学电池的几何膨胀可对二次电池外壳具有减小的或甚至消除的影响。

附图说明

在下文中，本发明的一种优选实施例将通过参考附图来进行描述，其中：

图1图解地阐示了两个相隔绝的电化学电池具有被布置在其间的一种热传递元件，

图2显示了图1中的电化学电池的侧视图，

图3显示了根据第一透视角度而组装在框架中的根据图1的电化学电池，

图4显示了呈一种不同透视视角的根据图3的电化学电池单元，

图5图示了根据图3和图4如从顶上看的电化学电池单元，

图6显示了根据图5的A-A横截面，

图7图示了如从第一透视视角看的电化学电池单元的堆叠以及

图8显示了从另一透视视角的图7中的堆叠。

附图标记清单

10  电化学电池单元

11  侧边缘

12  棱柱袋装电池

13  棱柱袋

14  棱柱袋装电池

15  棱柱袋

16  凹部

18  凹部

20  有源部分

22  有源部分

24  热耦合元件

26  热耦合元件

28  热耦合元件

30  插座

32  电流收集片

34  电流收集片

36  电流收集片

38  电流收集片

40  框架

41  分隔构件

42  框架元件

43  分隔构件

44  框架元件

45  分隔构件

46  支柱

50  堆栈

具体实施方式

在图1和图2中电化学电池单元10的第一和第二电池12、14分别被显示在各自透视图以及侧视图中。第一电化学电池12包括一种朝向上部电流收集片32的凹部16。因此，第二电化学电池14也包括一种相应形状的凹部18在其上端处。在如图1和图2中所示的下部部分中，电化学电池12、14各自包括一种有源区域20、22，在那里被非导电分隔器所分隔开的金属涂层电极的的各层被布置。

每个电化学电池12、14被围绕着上部凹部16、18的棱柱袋13、15以及各个相应电化学电池12、14的下部电性有源区域20、22所封闭。

电化学电池12、14和它们各自的棱柱袋13、15包括基本相同的几何形状。如图1和图2中所示，棱柱袋装电池12、14被布置成面对面，从而使得插座30被设置在第一和第二电化学电池12、14的各自第一凹部16和第二凹部18之间。因而形成在电化学电池单元10的上侧边缘11处的插座30适于接收至少一个热传递元件28，其根据图1至图8所示的实施例可包括一种管子以用于循环热交换媒质，比如像冷却剂。

因为热传递元件28与介于向下台阶凹部16、18之间的间隙相比具有较小尺寸，凹部16、18之间的剩余空间被填充并填塞满热耦合元件24、26，其在凹部16、18与热传递元件28之间提供充足、恒定且持久的热能量交换。

如图1和图2中所阐示，各自的袋13、15的凹部16、18提供电池12、14的电接触部。相应地，在凹部16、18的自由且上部端处，各种电流收集片32、34、36、38从电化学电池12、14的侧边缘11延伸出来。除了各种电流收集片32、34、36、38的设计和形状以外，这里第一和第二电化学电池12、14是相当同等的。

电化学电池12、14进一步是具有平面且甚至棱柱几何形状。因此，电性有源部分20、22基本上在横向平面上延伸，如根据图1由X轴和Y轴所图示。

为了提供例如在图7和图8中所示的二次电池模组50，很多的电化学电池单元10，其中每个包括了第一和第二电化学电池12、14如从图7和图8的略图上变得非常明显的堆叠方向(z)上被组装呈堆叠配置。

根据图示的示例，相同的电化学电池是电性串联的。因为每个电池单元10被形成为相互面对着的一对电化学电池12、14，每对中的第一电池的正极片面对第二电池的负极片。再参考图1，可以观察到电池12和14的L形电流收集片36和38互相重叠以便相接触。相反，电化学电池12的电流收集片32以一定角度远离开电化学电池14的电流收集片34。片32和34因此没有互相接触。如图7和图8中可见，片32朝向堆叠/堆栈中的下一个电化学电池延伸，以便使得与下一对电池保持接触。

为了提供电池模组50的普遍通用和可适应性的设计，电化学电池单元10的单个电化学电池12、14都各自布置在如图3至6中所示的各个相应框架元件42、44中。这里，一对框架元件42、44形成电化学电池单元10的框架40，其可被如图3和图4中所示来预先组装。框架元件42、44优选地由塑料材料制成。它们可包括一种热塑注射模塑材料以允许有成本效益的大量生产。

框架元件42、44将要被第一和第二电化学电池12、14的各种接触片32、34、36、38插入。此外，第一和第二框架元件42、44被热传递元件28所插入，从图3中所示框架40的左侧延伸穿过并突出。框架40，尤其是它的两个框架元件42、44适于接收并且保持/容纳各个相应电化学电池12、14，通过在圆周横向(x，y)上基本上围封住所述电化学电池12、14，电化学电池12、14可关于横向平面(x，y)而被充分地固定和安装。

在堆叠方向(z)上，框架元件42、44是开放的。这里，第一框架元件42包括一种适于接收第一和第二电化学电池12、14的整体的贯穿开口，然而第二框架元件44包括跨越过各自框架元件44延伸的一种支柱46。支柱46基本上平行于侧边缘11延伸，并且因此基本上平行于热传递元件28的延长方向。

进而，如从图3和图6可见，支柱46没有从圆周框架元件44突出，但与图3中所示的框架元件44的平面齐平。这里，支柱46提供了在该区域中的框架元件44的机械增强，在这里框架元件42、44由电流收集片32、34、36、38和/或由热传递元件28相交。由于相交，而导致的无法避免的框架元件42、44的结构减弱可借助于支柱46而被结构性地补偿。

此外，支柱46也用于提供热插座30内部的热耦合元件24、26以及传递元件28的挤压或紧密装配。进一步，支柱46也可用于补偿与电化学电池12、14相比的框架元件42、44厚度的轻微几何形变。在典型的配置中，第一和第二电池12、14的有源部分20、22的厚度(d)与如在堆叠方向(Z)上看去的第一和第二框架元件42、44的相应厚度(D)相比较小。这些几何形状差别允许组装电化学电池单元10的堆叠/堆栈50，其中相邻的和毗邻地布置的电化学电池12、14由一种特定间隙所分隔，至少在它们的有源部分20、22的区域中。

如图5和图6中示意性地阐述，至少所述框架元件44包括了在堆叠方向(Z)上的厚度(D)。与之相对比，电化学电池14的有源部分22的厚度(d)至少稍微减少，从而使得在堆叠方向上在各个相应框架元件44的边界和有源部分22表面的平面之间的至少一个小间隙产生。

这样，在运行条件和/或在变化的热条件下，电性有源部分20、22可在堆叠方向(Z)上膨胀。在堆叠方向上在周围框架元件42、44和电化学电池12、14的有源部分20、22之间的变化的厚度和间隙允许有源部分20、22至少在预定程度上“呼吸”。

通过在堆叠方向(Z)上提供一种具有预定厚度的支柱46，这种“呼吸”以及凹部16、18的松装配可以被有效地阻止。这样，支柱46也用作一种垫片，借助该垫片，则被布置在那里的凹部16、18、热耦合元件24、26以及热传递元件28可在堆叠方向(Z)上被紧密装配和挤压而不用考虑电化学电池单元的运行模式和运行条件，当多个电池单元如图7和图8中所示而被布置在堆叠/堆栈50中。

从图4可得出，第一框架元件42是无支柱的。然而，一旦图4中所示的框架40与基本相同的框架以这样一种方式被堆叠，即毗邻地定位的框架40的支柱46也邻接着一种毗邻地布置的电化学电池单元10的相邻电化学电池12，则第一和第二电池12、14与热耦合元件24、26以及相对于堆叠方向(Z)上的框架40而被夹入其间的一种热传递元件28的组装而被固定。

进一步，如图3-6中所示，框架元件42、44包括了分隔构件41、43、45，分隔构件从框架结构向外突出但基本上与由框架元件42、44所限定的平面平行。这种分隔构件41、43、45为各种穿过各自框架元件42、44延伸的电流收集片34、36、38提供了机械支撑。此外，分隔构件41、43、45为片34、36、38提供电性绝缘，并帮助阻止毗邻地布置的电化学电池单元10的相邻片36、38互相直接接触，例如在堆叠/堆栈50的组装期间。

这样，在组装期间以及还如果在例如冲击导致变形的情况下电性捷径的风险可被有效地减少或甚至消除。分隔构件41、43、45优选地与框架元件42、44一体地形成，并且可进一步加强它们的机械稳定性、刚性和/或硬度。

实际上，通过在被互相折叠成面对面配置的第一和第二电化学电池12、14的侧边缘11处提供凹部16、18，改善的热管理可被直接地引入到电化学电池接触的区域，由此允许减少二次电池模组的壳体的总尺寸。此外，借助于塑料框架40，一种相当简便、重量轻且模块化的堆叠系统可被提供，以允许普遍地组装各种电化学电池单元来提供不同地配置的二次电池模组50。

Claims (9)

1.一种用于二次电池模块的电化学电池单元，包括：

——第一棱柱袋装电池(12)，包括一种由柔性箔所制成的第一棱柱袋(13)围封着的第一电化学电池，

——第二棱柱袋装电池(14)，包括一种由柔性箔所制成的第二棱柱袋(15)围封着的第二电化学电池，

每个棱柱袋装电池进一步包括附在电化学电池的电极上的电流收集片(32、34、36、38)，穿过沿着棱柱袋侧边缘(11)延伸的凹部(16、18)而离开棱柱袋(13，15)，并且其密封在柔性箔的层之间，

其中，第一和第二棱柱袋装电池(12、14)以维持住介于其凹部(16、18)之间的空白空间的方式而堆叠，以便在第一和第二棱柱袋装电池之间形成一种插座(30)，该插座适于接收至少一个热传递元件(28)，

其特征在于，电化学电池单元进一步包括一种框架(40)，所述框架至少部分地侧面地围封着第一和第二棱柱袋装电池(12、14)；并且包括一种跨越过所述框架(40)而延伸的支柱(46)，沿第一和第二棱柱袋装电池之一(14)的凹部(18)的外表面，外表面背对该插座(30)。

2.根据权利要求1的电化学电池单元，其中与至少一个热传递元件(28)热耦合的至少一个热耦合元件(24、26)布置在插座(30)中以填充介于第一和第二凹部(16、18)的间隙空间。

3.根据权利要求1的电化学电池单元，其中第一和第二棱柱袋装电池(12、14)包括基本上相同的几何结构。

4.根据权利要求1的电化学电池单元，其中框架(40)包括至少一个框架元件(42、44)来接收第一和第二棱柱袋装电池(12、14)中的一个。

5.根据权利要求4的电池单元，其中框架元件(42、44)的厚度(D)超出其中所组装的电池(12、14)厚度(d)至少3％、5％、8％、10％或甚至15％。

6.根据权利要求4的电化学电池单元，其中支柱(46)基本上在第一和第二棱柱袋装电池(12、14)的堆叠方向(Z)与框架元件(44)齐平。

7.根据权利要求1的电化学电池单元，其中支柱(46)基本上平行于插座(30)和/或基本上平行于热传递元件(28)来延伸。

8.根据权利要求1的电化学电池单元，其中当一种包含第一棱柱袋装电池(12)的第一框架元件(42)与一种包含第二棱柱袋装电池(14)的第二框架元件(44)相堆叠时，至少一个热传递元件(28)与第一和/或第二棱柱袋装电池(13、15)的至少一个凹部(16、18)成紧密的热接触。

9.一种包括根据前述任一权利要求的至少两个电化学电池单元(10)的互相堆叠的二次电极模块。

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