CN103999253A - 具有正极性刚性容器的棱柱形锂离子电池单元 - Google Patents

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张旭刚
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Abstract

本发明公开了一种具有正极性刚性容器(42)的电池单元(40)的系统和方法。根据所公开的实施例，电池单元可以包括容器(42)和盖部(44)，其耦合在一起形成矩形棱柱的几何形状。具有正极和负极线圈(84，8)的电极组件(82)被设置在电池内，并且正极线圈可以导电地耦合到电池单元。以这种方式，电池单元(例如，盖和容器两者)可以是正极性的。进一步的，电极组件可以具体表现为包卷或层叠结构。在一个实施例中，盖部可以包括排气孔(52)，其响应于电池单元中的压力超过既定的阈值而打开。盖还可以包括正极端子(58)、负极端子(56)，和用电解质填充电池单元的方法。另一实施例可以提供一种包括多个具有正极性刚性容器的电池单元的电池模块。

Description

具有正极性刚性容器的棱柱形锂离子电池单元
交叉引用
本申请要求序列号为61/555,298、标题为“具有正极性刚性容器的棱柱形锂离子电池单元”、2011年11月3日申请的美国临时申请的优先权和益处，该申请在此通过用于所有目的的参考而并入。
技术领域
本发明通常涉及电池和电池模块领域。更具体地，本发明涉及具有正极性刚性容器的电池单元，其可用于尤其是车辆环境中，以及其它的能量存储/消耗应用中。
背景技术
本部分旨在向读者介绍可能涉及下面将要描述和/或要求保护的本发明的各个方面的领域的各个方面。相信这种讨论有助于给读者提供背景信息，以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解的是，这些陈述要从这个角度读取，而不是作为现有技术的承认。
与传统的用内燃机内的汽油的反应提供动力的车辆相比，将电力用作所有或部分动力的车辆可以提供许多优点。例如，使用电力的车辆可以产生更少的污染，并且可以表现出更大的燃料效率。在某些情况下，使用电力的车辆可以完全消除汽油的使用，而将电力用作全部动力。随着技术的不断发展，有必要为这种车辆提供改进的动力源，特别是电池模块。例如，希望增加这种车辆无需对电池再充电而能够行驶的距离。还希望提高电池的性能和耐用性，同时降低与电池模块相关联的成本。
电池模块的技术上的先进使用以及提高电动车辆性能的愿望已经引起了新的设计和工程挑战。例如，对于这种电池模块来说，增加的能量密度可能是可取的，以增加每个电池充电周期中的车辆行驶距离。目前，将电力用作全部动力的电动车辆每次充电只能行驶约40-100公里。这短短的行驶距离会妨碍公众普遍接受这种电动车辆。因此，希望提供一种展现出改进的能量密度和耐久性、同时降低生产成本的改进的电池模块。
发明内容
本文公开的某些实施例的概要列举如下。应当理解的是，这些方面仅向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。事实上，本公开可以包含可能没有在下文中列举的各种方面。
本发明的系统可以适用于很宽范围的设置，并且可以特别适合于将电力用作其至少一部分动力的车辆。此外，该系统在其他应用中也可能是有用的，如替代能源、便携式电池模块，和后备电源的能量存储。
本发明公开的实施例涉及具有正极性刚性容器的电池单元。根据所公开的实施例，电池单元可以包括容器和盖部，其耦合在一起形成矩形棱柱的几何形状。具有正极和负极线圈的电极组件被设置在电池单元内，并且正极线圈可以导电地耦合到电池单元。以这种方式，电池单元(例如，盖和容器两者)可以是正极性的。进一步的，电极组件可以具体表现为包卷或层叠结构。在一个实施例中，盖部可以包括排气孔，其响应于电池单元中的压力超过既定的阈值而打开。盖还可以包括正极端子、负极端子，以及一种用电解质填充电池单元的方法。
在另一实施例中，电池模块可以包括具有正极性刚性容器的多个电池单元。在模块内，每个电池单元可以包括通常设置为彼此靠近的正极和负极端子。电池单元的正极性可以使得模块内的每个电池单元都被布置在与端子位置相同的取向上。模块可以包括电池单元互连器，其将电池单元彼此有效连接。在一个实施例中，由于端子的放置方式，电池单元互连可以被缩短，并且电池单元互连可以通过冲压形成以减少与制造相关的废料。
关于目前公开的实施例，可以存在上面提到的特征的各种改进。附加的特征也可以被并入这些不同的实施例中。这些改进和附加特征可单独或以任何组合存在。例如，下面讨论的关于一个或多个实施例的各种特征可以被并入其他公开的实施例中，单独地或任意组合的。再次，上面给出的简要摘要仅旨在使读者熟悉本公开的实施例的若干方面和上下文，而不限制所要求的主题。
附图说明
本公开的各个方面可以通过阅读以下详细描述并参考其中的附图更好地理解，其中：
图1是具有为车辆贡献全部或部分动力的电池模块的车辆的实施例的透视图；
图2示出图1的车辆的实施例的剖面示意图，是以混合动力电动车辆的形式提供的；
图3是具有正极性刚性容器的棱柱形电池单元的实施例的透视图；
图4是图3的棱柱形电池单元的实施例的分解视图，具有电极组件；
图5是具有包卷结构的电极的实施例的透视图，该电极可以被容纳于具有正极性刚性容器的棱柱形电池单元中；
图6是包卷电极的实施例沿图5中的线6-6的横截面图，图示了截面结构；
图7是包卷电极的实施例沿图5中的线7-7的横截面图，图示了端部线圈；
图8是具有叠式结构的电极的实施例的透视图，该电极可以被容纳于具有正极性刚性容器的棱柱形电池单元中；
图9是叠式电极的实施例沿图8中的线9-9的横截面图，图示了分立板结构；
图10是叠式电极的实施例沿图8中的线10-10的横截面图，图示了端部线圈；
图11是描述具有正极性刚性容器的棱柱形电池单元的制造和装配过程的流程框图；
图12是具有正极性刚性容器的棱柱形电池单元的另一实施例的透视图，其具有靠近负极端子组件的正极端子；
图12A是图12的电池单元的俯视图，示出了正极端子和负极端子组件的布局的实施例；
图12B是图12的电池单元的俯视图，示出了正极端子和负极端子组件的布局的另一实施例；
图13是包含多个图12的棱柱形电池单元的电池模块的实施例的透视图；
图14是风力涡轮机的实施例的俯视图，其使用图13的用于储能的包装结构；和
图15是太阳能电池板的实施例的俯视图，其使用图13的用于储能的包装结构。
具体实施方式
术语“xEV”在本文中定义为包括下列所有车辆，或它们的任何变化或组合，即将电力用作它们车辆动力的全部或一部分。如将被本领域的技术人员理解的，混合动力电动车辆(HEV)组合内燃机推进系统和电池供电的电动推进系统。术语HEV可以包括混合动力电动车辆的任何变形，如微混合和轻度混合动力系统，当车辆处于怠速并利用电池系统来继续给空调单元、无线电或其它电子产品供电，其停用内燃机，以及当需要推进力时则发动启动内燃机。轻度混合动力系统可以给内燃机施加某种程度的辅助动力，而微混合动力系统可能无法给内燃机提供辅助动力。插电式电动车辆(PEV)是可以由外部电源，如墙壁插座，进行充电的任何车辆，并且存储在可充电电池组中的能量驱动或有助于驱动车轮。PEV是电动车辆的子类，包括全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力车辆(PHEV)，以及从混合动力电动车辆和传统内燃机车辆转换来的电动车辆。电动车辆(EV)是将一个或多个由电能供电的马达用作推进的全电动车辆。
如下面更详细描述的，本文公开的是具有正极性刚性容器的棱柱形锂离子电池单元，其非常适合于xEV上的应用。本文所提供的棱柱形电池单元的实施例可以包括正极性容器，其可通过将正极线圈耦合到电池单元容器来实现。因此，正极端子可以位于电池单元的外部容器的任何地方，这能够实现电池模块的各种改进配置。此外，该容器可以是具有足够硬的，从而电池单元的内部元件可被保护。电池单元一般可以包括收纳卷绕式或叠式电极、正极和负极集电体、正极端子和电绝缘体的容器(如罐)和盖部。盖部可包含正极和/或负极端子、一体式通风孔和密封装置，诸如铆钉。该具有棱柱形几何形状的正极性容器在封装为电池模块时可以提供多个优点。
包括具有正极性刚性容器的棱柱形锂离子电池单元的电池模块可以很容易地配置来在xEV中使用。在某些实施例中，xEV可以包括至少一个电池模块，每个电池模块可以包括至少一个被配置来存储和分配电荷的棱柱形锂离子电池。棱柱形锂离子电池单元可具有正极性刚性容器，这可以提供优于传统的电池组系统的优点。例如，棱柱形电池单元可以以提高系统级封装效率的方式来布置和构造，从而比传统系统的锂离子电池单元具有更高的能量密度。另外，正极性容器可以有助于电池单元的各种包装配置，从而使得改进的电池模块被用于xEV中和各种其它应用中。
现在转到附图，图1是具有电池模块22的汽车(如小汽车)形式的车辆20的透视图，该电池模块22用于给车辆20贡献全部或部分动力。电池模块22可以用多个单独的棱柱形电池单元构造。尽管图1示出的是小汽车，但是车辆20的类型可以是特定于实现的，并且，因此可以与在其他实施例中的不同，所有这些都旨在落入本公开的保护范围之内。例如，车辆20可以是卡车、公交车、工业车辆、摩托车、娱乐车、船，或者可从用电力作为其所有或部分推进力中受益的任何其他类型的车辆。应当注意的是，为了本公开的目的，这里示出和描述的电池模块和系统是特别针对在xEV中提供和/或储存能量的，如在上面详细地描述的。但是，具有正极性刚性容器的锂离子电池单元的实施例也可以被用在其它非车辆应用中。
此外，虽然电池模块22在图1中被图示为位于车辆20的行李箱或后部，但是根据其他实施例，电池模块22的位置可以不同。例如，电池模块22的位置可以基于车辆20内的可用空间、车辆20所需的重量平衡，与电池模块22一起使用的其他组件(例如，电池管理模块、通风孔或冷却装置等)的位置，以及各种其他特定实现的考虑而选择。
为了讨论的目的，结合xEV的特定类型，如HEV，来讨论电池模块22可能是有用的。图2示出了HEV形式的车辆20的剖面示意图。在图示的实施例中，电池模块22朝向车辆20的后部靠近燃料箱24设置。燃料箱24给内燃机26供应燃料，这是为当HEV使用汽油动力来推进车辆20的情况准备的。电动马达28、动力分配装置30，和发电机32也作为车辆驱动系统的一部分而被设置。这样的混合动力车辆可仅由电池模块22、仅由内燃机26、或由电池模块22和内燃机26两者量供电或驱动。
如前所述，每个电池模块22由多个单独的电池单元(例如，锂离子)构成。图3图示了单个棱柱形电池单元40的实施例。矩形棱柱形电池单元40一般由容器部分42和盖部44组成。正如下面详细描述的，容器42和盖部44两者都具有使棱柱形电池单元40在xEV应用中提供优点的特性，如结构刚度和正极性。
包括容器42和盖44的棱柱形电池单元40组件在结构上是刚性的。为了提供刚性，电池单元40可以由金属材料，如铝或钢制成。例如，电池单元40的刚性可以使电池单元40通过标准包装工业测试，如跌落(ISO2248)、冲击(ISO2244)，堆码(ISO2234)，和/或抗压(ISO12048)测试。电池单元40的刚性可以使多个电池单元40能够紧紧地组装在电池模块22内，以减少电池模块22占据的总体积。另外，棱柱形电池单元40的刚性可以通过防止电池单元40的穿刺和其他轻微变形而提高电池单元40的耐用性，从而提高电池单元40的耐滥用性。
容器42包括竖直侧面46(例如，前、后、左和右)和电池单元40的底部48。容器42的几何形状是这样的，相对的竖直侧面46(例如，正面和背面，右和左)大致平行。因此，底部48大致垂直于竖直侧面46。容器42的顶部保持开启，留下开口50。容器42的开口50收纳盖部44，盖部44可分离与容器42进行构造。容器42和盖部44可以耦合(例如，压接、焊接等)，以形成矩形棱柱，从而形成电池单元40的棱柱形状。
盖部44可以一体地包含排气孔52。一体式排气孔52可以提供减压功能，同时还可以简化与盖部44相关联的制造过程。假如电池单元40内积聚了压力，则排气孔52可以作为释放阀，并且可以部分地从盖部44脱离(例如，保持由凸部连接)以释放压力。一体式排气孔52还可以简化用于构造电池单元40的制造和装配过程。例如，排气孔52可被刻划、成形、切割、铸造或以其它机械制造方式加工成盖部44，与此同时盖部44被冲压，从而只需要一个加工步骤并且降低了相关的制造成本。进一步，包括以一体式排气孔52的形式的减压意味着可以不使用内部减压部件，这可以提供更小的、更紧凑的电池单元，或者提供更多的可用空间来增加电池单元40内的含能材料的量。应该指出的是，排气孔52可以具有不同的几何形状，并且不限于图3中所示的盖部44的放置。例如，排气孔52可以是圆形的，矩形的或任何其它合适的形状。
如图3所示，盖部44可以包括额外的部件。在所描绘的实施例中，端子孔54位于盖部44的一端。端子孔54容纳负极端子组件56。另外，盖部44可以包括铆钉孔60以容纳铆钉62。一旦电池单元40已组装(所有内部组件都被封入容器42和盖部44内)，铆钉62可被耦合到铆钉孔60以密封电池单元40。铆钉62一旦放置在铆钉孔60中，可以被固定得足够紧，从而万一压力积聚，排气孔52将先于铆钉62脱离。虽然根据本实施例描述的是铆钉孔60和铆钉62组装，但是其他实施例可以用球轴承、焊接插头、卷曲管或任何其它合适的密封方法代替铆钉62。
为了提供对电池单元40的内部设置的更好理解，图4提供了电池单元40的实施例的分解视图，图示了内部组件。由于盖部44是正极性的，负极端子组件56必须与电池单元40的主体隔离，以防止短路。其中详细地包括负极端子组件56的分解视图，以展示其与正性极的盖部44电绝缘的方式。负极端子组件56具有作为基座的凸部70，环绕凸部70放置有底部垫圈72。具有底部垫圈72的凸部70放入负极端子孔54，使得底部垫圈72的顶面与盖部44的底面接触。顶部垫圈74环绕凸部70放置，使得顶部垫圈74的底面与盖部44的顶面接触。金属垫圈76层叠在顶部垫圈74的顶部上。垫圈72和74可用聚合物材料形成，以提供电绝缘，并环绕密封负极端子孔54。垫圈72和74的布置将负极端子组件56与盖部44隔离。凸部70和金属垫圈76，例如，通过软线、电线、电缆等，将电荷从负极端子组件56转移到正极端子58。
为了给负极端子56和正极端子56充电，集电体78和80将端子56和58耦合到电极组件82。负极端子组件56被耦合到负极集电体78，正极端子58被耦合到正极集电体80。集电体78和80可以被设计来减小集电体78和80在电池单元40内所占据的体积。该减小体积的设计可以使更多的内部容积专用于电极组件82，从而增加电池单元40的总能量密度。例如，集电体78和80可以被超声焊接到电极组件82以节省空间。希望用超声焊接，是因为其不需要额外的填充材料/设备，从而最小化在电池单元40内所占据的体积。
电极组件82提供电池单元40内的能量。为了最大化电池单元40的能量密度，电极组件82应该尽可能多地占据电池单元40的内部容积。为了充分利用由电极组件82所占据的电池单元40的内部体积的大部分，电极组件82可以是包卷式(如卷绕式)或叠式配置。包卷式和叠式电极配置两者都能够实现大的电极表面面积，同时最小化电池单元40内的内部电阻。启用进一步的优化设计，包卷式和叠式电极配置两者都可以在电池单元40内取向成竖直的(例如，线圈84和86延伸到上部和下部)或水平的(例如，线圈84和86延伸到右侧和左侧)。
电极组件82包括从一端延伸的正极线圈84和从相对端延伸的负极线圈86。正极线圈84可以用铝构造，负极线圈86可以用铜构造。正极线圈84通过正极集电体80给正极端子58提供正电荷。同样，负极线圈86通过负极集电体78给负极负端子组件56的凸部70提供负电荷。这样，电极组件82的线圈84和86产生横跨端子56和58的电势。
正极线圈84给容器42提供电荷以正极化容器42和盖部44，从而使得正极端子58能够被放置在电池单元40的外侧上的任意地方。为了实现这一目标，电极组件82的正极线圈84可以被超声焊接到正极集电体80，然后正极集电体80被放置成与容器42和/或盖部44直接接触。由于整个电池单元40都是带正电的，因此正极端子可以位于电池单元40上的任意地方，从而实现改进的电池模块22的配置。此外，利用电池单元40的正极性还可以提高电池单元40的热管理。例如，电池单元40内产生的热量可以通过正极集电体80从电极组件82导出到容器42。多余的热量可随后由外部的热管理系统从该容器42中除去。
为确保电池单元40的可操作性并防止短路的发生，电极组件82的负极线圈86所产生的负电荷是与容器42电绝缘的。绝缘膜88可以被置于电极组件82的主体周围，以防止电极组件82和容器42之间的接触。另外，绝缘帽90可以放置在负极集电体78的主体上，以防止任何负电荷接触正极性容器42。绝缘膜88和帽90可以由任何合适的电绝缘材料，如玻璃、纸、聚合物、塑料，和/或它们的组合制成。绝缘膜88和帽90可以被构造成具有最小的厚度，这样电极组件82就可以最大化其在电池单元40内的空间占有量。
由于电极组件82是电池单元40的容纳能量的唯一组件，所以电极组件82的几何形状可以被优化以更有效地利用电池单元40的内部容积。图5示出了电极组件82的实施例，其中电极组件82是包卷100。在所描绘的实施例中，电极组件82是由4层长而薄的、扁平材料同时卷绕组装成的，以产生平整的圆柱形形状的线圈，从而得名为“包卷”。图5的透视图图示了具有正极线圈84、负极线圈86和绝缘材料的外层102的包卷100。
为了有助于讨论包卷100的层状结构，图6示出了包卷100的横截面图。四个长长的扁平层通过卷绕被配置成压紧形式，并且可以使用或不使用芯轴108进行卷绕。电绝缘材料102占两层。负极线圈材料104占一层，正极线圈材料106占最后一层。当如图6所示卷绕时，绝缘材料102位于外侧，接着是负极线圈材料104、另一层绝缘材料102，和最后一层正极线圈材料106。如图所示，这将导致线圈材料104和106和绝缘材料102在卷绕时形成交替层。将绝缘材料102这层放置于每一层负极线圈材料104和正极线圈材料106之间可以阻止线圈材料104和106之间的接触，因而阻止包卷100内的短路。
当从纵向横截面观察时，如图7中所示，描绘了电极组件82的不同宽度的各层。电绝缘材料102这层相对于包卷100可以是居中的。负极线圈材料104这层可以延伸超出绝缘材料102到左边以形成负极线圈86，而正极线圈材料106这层可以延伸超出绝缘材料102到右边以形成正极线圈84。但是，在替代实施例中，线圈材料104和106可以延伸不同的长度和/或沿不同的方向延伸以形成线圈84和86。另外，应用到包卷100的层或绕组的实际数目可以改变以在实际实现中创建不同的线圈配置。
作为包卷100的替代例，电极组件82可以是层叠120形式的，如图8中所示。在层叠120中，正极线圈84可以用正极线圈材料106形成的分离板形成。同样，负极线圈86可以用负极线圈材料104形成的分离板形成。电绝缘材料102可以是连续的板条，其在负极和正极材料线圈104和106的板之间交替编织，以防止短路，如图9中所示(沿图8的线9-9)。适当的绝缘材料102可以包括纸、玻璃、塑料，或它们的组合。
图10中所示的沿图8的线10-10的电极层叠120的横截面描绘了形成电极线圈84和86的不同宽度的线圈材料104和106。图10的方案类似于图7，展示了交替的线圈材料104和106被电绝缘材料102分隔开来，以防止线圈材料104和106之间的短路。为了形成负极线圈86，负极线圈材料104的板可以延伸到左边，超出绝缘材料102的边缘。为了形成正极线圈84，正极线圈材料106的板可以延伸到右边，超出绝缘材料102的边缘。在实际实现中可以将不同数量的层应用于叠式电极120。
虽然电极82配置，包卷100或层叠120，可以在电池单元40内起作用，但是可以根据执行的特定目标来选择一种配置。例如，当首要目标是最大化电池单元40的能量密度时，包卷100是可取的。作为选择，当首要目标是最小化电池单元40的成本时，层叠120是可取的。两种配置一般都可以实现高效节能地组装在电池单元40中，这可以为xEV提供延长的行驶行程。
电池单元40的装配和制造方法可以提供额外的方案以提高能量密度并降低与xEV的电池模块22相关联的成本。图11示出了构造具有刚性正极性容器42的棱柱形锂离子电池单元40的一般方法122。可以基于期望的电池化学性质来选择绝缘材料102和线圈材料104和106。例如，绝缘材料可以是纸，负极线圈材料104可以是铜，正极线圈材料106可以是铝。选择薄的材料可以使得能够在电极组件82内形成更多的层，从而增加电池单元40的能量密度。另外，线圈材料104和106可被涂覆，只留下裸露的端部来形成正极线圈84和负极线圈86(框124)。根据所选择的几何形状，包卷100或层叠120，可以形成电极组件82(框126)。电极组件82可以在电池单元40的其余部分的制备之前、之后或期间准备。
构造电池单元40包括制造容器42和盖部44。盖部44可以由钢或铝的薄片模压而成。容器42可用钢或铝通过挤压、焊接加工、钎焊加工、铸造、其他方法，或它们的组合形成(框128)。盖部44可以包含两个孔：负极端子孔54和铆钉孔60，这些孔可以通过冲压工艺(框130)形成。两个孔可以同时冲压，或者每个孔可以单独冲压。另外，排气孔52可以被刻划、成型、切割、铸造或以其它机械加工方式加工成盖部44(框132)。为了节省与制造相关的时间和成本，包含在框128、130和132(关于盖部44)中的步骤可以同时执行。电池单元40的内部组件的组装过程也可以被简化以降低所消耗的成本和时间。
为了最大化能量密度，可以最小化用于组装电池单元40的内部构件而分配给连接材料/设备的体积，特别是关于最小化和/或消除焊接的使用。根据所需要的电池模块22的设置，正极端子58可以被焊接到容器42或盖部44上(框134)。可以修改所使用的焊接工艺以限制所需的填充材料的量。垫圈72和74的聚合物性质可以用来形成盖部44和负极端子组件56之间的扣压连接和密封(框136)，从而消除将负极端子组件56焊接到盖部44上的需要。扣压连接可能是组装的有利方法，因为它不使用任何额外的部件/材料，从而为电极组件82保留了电池单元40内的容积。而且，在保留电池单元40的内部容积的努力中，集电体78和80也可以具有减小体积的设计。进一步地努力，集电体78和80可以分别被超声焊接到端子56和58(框138)。超声焊接可能是有益的，因为该工艺不使用填充材料来耦合组件。确切的说，这些组件是使用高频声波振动来耦合，以创建固态焊接联接。超声焊接也可以被用来分别将集电体78和80耦合到线圈86和84(框140)。可替代地，也可以使用另一先进的焊接方法，如激光焊接。
一旦内部组件被组装，它们可以被放置在电池单元40内以完成组装过程122。电极组件82可以被包裹在薄绝缘膜88内以防止电极组件82和容器42之间的电接触。由于容器42是正极性的，进一步还需要将负极线圈86和容器42分隔开。因此，附加的绝缘帽90可以被安装在负极线圈86上(框142)。薄绝缘材料，例如塑料、橡胶或纸的使用可以通过减少绝缘所用的内部容积而增加电池单元40的能量密度。在绝缘膜88和帽90放置到恰当的位置之后，整个合成的组件(例如，绝缘电极组件82、集电体78和80，和耦合到盖部44的端子56和58)可以通过开口50放入容器42内(框144)。然后盖部44可以被耦合(例如压接、焊接等)到容器开口50(框146)。电池单元可以通过铆钉孔60用电解质材料(例如液体或凝胶)填充(框148)。电池单元40可以被形成(框150)，最后，电池单元40可以被密封(例如，通过将铆钉62固定到铆钉孔60内)(框152)。然后完全组装的电池单元40就可以备用了，例如，用于在xEV中使用的电池模块22、便携式电池模块或者其他储能应用中。过程122可以在实际实施过程中包括一些额外的步骤。此外，过程122的步骤可以按照所概述的顺序执行，或者步骤可以被重新排序，按每个设计的要求。
如同关于过程122制造和组装的具有刚性正极性容器42的棱柱形电池单元40，可以非常适合于集成到电池模块22中。特别地，如图12所示的电池单元40可以非常适合于配置在用于xEV的电池模块22中。正极性电池单元40的主要特点是，正极端子58可以位于电池单元40上的任意位置。因此，在图12中，图示了电池单元40的实施例，其中正极端子58已被重新定位(相对于图3)为相对靠近负极端子组件56。例如，图12A提供了电池单元40的俯视图，其中线160平分盖部44的长度162。在所描绘的实施例中，当两个端子56和58位于平分线160的同一侧时，正极端子58可以被认为是靠近负极端子组件56的。或者，如图12B所示，正极端子58和负极端子组件56可以被隔开一段距离164。在该实施例中，当距离164是长度162的一小百分比时，正极端子58可被认为是靠近负极端子组件56的。例如，距离164可以在电池单元40的长度162的约5％和40％之间。当作为电池模块22的部件使用时，负极端子组件56放置为靠近正极端子58可以提供多个优点。
此外，电池单元40的矩形棱柱形形状可以获得改进的电池模块22配置。例如，相对于圆筒型电池单元的模块，由于电池单元40之间的较少空间，需要较少容积来容纳棱柱形电池单元40的模块。这在xEV应用和其他自由空间有限的储能应用中可能是有用的。图13示出了装有七个电池单元40的电池模块22的实施例，正极端子58位于靠近负极端子组件56处。在该实施例中，电池单元40每个都耦合到单一板170。然而，电池单元40可以用各种不同的方式耦合，例如，收缩包装、粘合剂、螺栓等。相对于在典型的电池模块中使用的交替取向而言，正极端子58靠近负极端子组件56可以使得电池模块22内的电池单元40被以相同取向布置。
如在图13中所示，具有彼此接近并且以相同取向布置的端子56和58的电池单元40能够使用更短的电池单元互连器172。例如，当端子56和58被布置在平分线160的同一侧时，互连器172可以是在端子56和58位于电池单元40的相对端时所使用的互连器172的长度的大约一半。另外，当端子56和58具有较小的间隔距离164时(例如，在长度162的5％和40％之间)，互连器172可以小于在端子56和58位于电池单元40的相对端时所使用的互连器172的长度的一半。互连器172可以是汇流条、电线、电缆，或任何合适的导电材料。缩短的互连器172可以降低电池模块22的构造和运行成本。例如，更短的互连器172使得构造需要较少的总材料且制造互连器172产生较少的废料，特别是当通过冲压形成时。另外，缩短的电池单元互连器172可以减小由电池单元互连器172引起的电压降。减小电压降可以降低电池单元40内的功率损耗，从而降低电压检测成本。在所描绘的实施例中，七个电池单元40被图示为在电池模块22中串联连接，但是也可以使用所需数量的电池单元40和布置。
由多个具有刚性正极性容器42的棱柱形电池单元40组成的电池模块22可适当地适合在xEV中使用。对于xEV应用的一些特定优点包括提高的能量密度、增加的刚性和耐用性、改进的模块配置和降低的生产成本。然而，由多个棱柱形电池单元40组成的电池模块22的这些属性在xEV的应用之外也是有用的。例如，至于图13描述的电池模块22就可以适合于储能应用。如在图14和15中所描绘的，电池模块22可以用来为替代能源，如风力涡轮机180或太阳能电池板190储能。
参考图14，电池模块22可以存储风与涡轮机180叶片交互作用所产生的能量。当风力涡轮机180叶片由于来自于风的力而开始转动时，风力涡轮机180内的轴也旋转。旋转轴可能会引起磁体与导电线圈(例如，发电机)的交互作用，并且所得的电压可以驱动电流。此电流可用于对电池模块22充电。类似地，图15中的太阳能电池板190可用于对电池模块22充电。然后存储在电池模块22中的能量可用于简单的家用功能、工业应用，或其他各种用途。可替代地，所存储的能量可以被发送到电网分散给其他用户。具有刚性正极性电池单元40的电池模块22的进一步应用可以包括额外的电池模块、固定动力设备，便携式电池模块、用于HVAC系统的电池模块，并且用作不间断电源等。
本文提及的元件的位置(例如，“顶部”，“底部”，“上方”，“下方”，等等)仅仅用于描述图中各元件的取向。应注意的是，各种元件的取向可以根据其它实施例有所不同，且这种变化意在由本公开所涵盖。
尤其需要注意的是，在各实施例中所示的锂离子电池单元的元件的结构和布置仅是说明性的。尽管在本公开中只有几个实施例进行了详细的描述，但是那些阅读了本公开的本领域技术人员将容易地理解，只要没有严重脱离本文所描述的主题的新颖教导和优点，许多修改都是可能的(例如，大小、尺寸、结构、形状及各元件的比例、参数值、安装布局、使用的材料、颜色、取向等的改变)。例如，所示为一体形成的元件可以由多个部件或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其他方式改变，并且离散元件的特性、数量或位置都可以改变或变化。任何过程或方法步骤的次序或顺序都可以根据备选实施例而改变或重新排序。只要不脱离本公开的范围，在各实施例的设计、操作状态和设置中也可以做出其他替换、修改、改变和省略。

Claims (20)

1.一种电池单元，包括：
棱柱形容器，通常为矩形的形状并具有开口；
耦合到棱柱形容器以密封开口的盖；和
具有负极线圈和正极线圈的电极组件，电极组件的正极线圈与棱柱形容器导电接触，从而棱柱形容器和盖都是正极性的。
2.根据权利要求1所述的系统，具有位于盖上的正极端子和负极端子组件。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，一条线平分盖的长度，正极端子和负极端子组件位于平分线的同一侧。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，正极端子和负极端子组件被分隔开的距离在盖的长度的5％和40％之间。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，负极端子具有顶部垫圈和底部垫圈，这些垫圈构造成将负极端子扣压到盖上并将负极端子与盖电绝缘。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，盖具有排气孔，该排气孔被配置来响应于容器内的压力超过阈值而打开。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，排气孔被刻划、成型、切割或铸造于盖中。
8.根据权利要求1所述的系统，其中电极组件具有包卷结构。
9.根据权利要求1所述的系统，其中电极组件具有层叠结构。
10.根据权利要求1所述的系统，其中负极线圈是铜的，正极线圈是铝的。
11.根据权利要求1所述的系统，其中xEV包括该电池单元。
12.一种电池模块，包括：
多个棱柱形电化学电池单元，每个电化学电池单元都具有正极端子和负极端子组件，其中正极端子靠近负极端子组件，且多个棱柱形电化学电池单元中的每个都是刚性的和正极性的。
13.根据权利要求12所述的电池模块，其中多个棱柱形电化学电池单元被封装为一个组合件，且多个棱柱形电化学电池单元中的每个在所述组合件内都具有相同的取向。
14.根据权利要求13所述的电池模块，其中一条线平分电池单元的长度，且正极端子和负极端子组件位于平分线的同一侧，或者，其中正极端子和负极端子组件被分隔开的距离是在电池单元的长度的5％和40％之间。
15.根据权利要求14所述的电池模块，具有多个由导电材料形成的互连器，并且多个电化学电池单元与互连器有效连接。
16.根据权利要求15所述的电池模块，其中互连器通过冲压形成，以降低制造废料。
17.根据权利要求12所述的电池模块，其中每个棱柱形电化学电池单元都具有带一体式通风孔的盖。
18.根据权利要求12所述的电池模块，其中xEV包括该电池模块。
19.一种电池单元，包括：
具有开口的刚性棱柱形容器；
构造成耦合到刚性棱柱形容器以密封开口的盖；
具有负极线圈和正极线圈的电极组件；
正极集电体，其中正极集电体导电地将电极组件的正极线圈耦合到刚性棱柱形容器，从而刚性棱柱性容器和盖都是正极性的；和
正极端子和负极端子，正极端子被直接耦合到容器或盖，且负极端子被耦合到负极线圈，并且负极端子被设置在容器或盖上且与容器或盖电绝缘。
20.根据权利要求19所述的电池单元，其中xEV包括具有多个电池单元的电池模块。
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