CN105762310B - 锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块，锂离子电池模块包括底板、顶板、多个层单元，层单元由拼接式层单元框架、软包锂离子电池、弹性调整垫、散热板组成，散热板冲有凹坑构成软包锂离子电池、弹性调整垫的容纳空间，散热板两端延设有凸耳，凸耳上设有通孔，多个散热板平行布置在拼接式层单元框架中，每一个散热板上设置的凸耳均夹装在拼接式层单元框架中的上端边框与下端边框之间，构成一个层单元，在底板与顶板之间叠置多个层单元，通过螺栓紧固定位。本发明模块结构紧凑，方便维修，容易扩展，实现电池单体的隔离，对电池起到保护作用，对提高电动汽车锂电池组使用寿命和能量密度具有显著的作用。

Description

锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块

技术领域

本发明属于锂离子电池模块，具体涉及一种锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块。

背景技术

因为锂离子电池因为具有更高的能量密度，采用锂离子电池模块成为纯电动汽车和插电式混合动力汽车的首选技术。

目前锂离子电池模块是采用软包锂离子电池进行模块化拼装，因此软包锂离子电池用于电动汽车首先需要利用模块化技术，通过将电池单体组合成合适的模块，然后组装成为电池箱。但锂离子动力电池在电动汽车上模块化应用时，由于连接方式、一致性、环境温度差异等因素的影响，动力电池模块比能量、比功率等参数达不到单体水平，使用寿命较单体电池缩短，导致系统使用和维护成本增加，成为制约电动车辆产业化发展和应用的瓶颈问题之一。提高电动汽车动力电源的寿命除提高电池自身技术外，还要从锂离子软包电池集成方法或者模块结构展开研究。

例如，申请号为201410386683.9的中国专利文献公开了一种软包锂离子电池模块，包括软包锂离子电池层单元、底板、上盖、紧固螺栓；其中软包锂离子电池层单元包括软包锂离子电池、框架、散热板。框架为矩形结构，由至少一个矩形腔体构成，散热板设有形状及数量与所述框架的矩形腔体数量相同的凹坑，散热板卡装在框架中，散热板上的凹坑陷入框架的矩形腔体中；软包锂离子电池设置在散热板的凹坑中，整体构成软包锂离子电池层单元；至少两个软包锂离子电池层单元沿厚度方向叠置通过紧固螺栓固定安装在底板与上盖之间，构成软包锂离子电池模块。电池的一个表面与散热板实现贴合，便于散热，框架上布置的散热风道增强了散热功能。该电池模块具有结构紧凑，能量密度高的特点。

该方案的不足之处有以下两点：第一、层单元散热板是一个整体，层单元两个以上电池与散热板发生短路时，层单元内部即构成回路，影响电池安全能性。第二、模块的横向扩展缺乏灵活性，框架的矩形腔体数与散热板的凹坑数是相同的，同时也是模块层单元横向布置的电池个数，整个模块横向不具备灵活扩展的功能。

因此，市场急需一种结构更加优化并且可灵活扩展的的锂离子电池模块方案。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有电池模块的不足，提供一种结构简单、易于扩展、结构更紧凑的锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块，提高电动汽车锂离子电池组的能量密度，延长电池的使用寿命。

为解决以上技术问题，本发明具体采用如下技术方案：

一种锂离子电池拼接式层单元框架，包括端边框和侧边框；

所述端边框包括上端边框、下端边框；上端边框及下端边框均为长度相同的长杆，在长杆的一个侧面设有2个凸耳，两个凸耳分别设置在沿长杆长度方向的1/4及3/4位置，每一个凸耳上均设有通孔；

所述侧边框由侧边与两根连接杆构成，两根连接杆分别与侧边的两端固定连接且垂直于侧边轴线，两根连接杆与侧边处于同一平面内；两根连接杆的长度均为构成上端边框或下端边框长杆长度的一半，在两根连接杆长度方向的1/2处的外侧各设有一位置相向的凸耳，每一个凸耳上各设有一个通孔；

所述上端边框、下端边框错位叠置，通过销钉插装在设于其凸耳上的通孔中定位，重复将上端边框、下端边框错位叠置，通过销钉定位，构成端边框，将两个端边框的两端分别与侧边框的两根连接杆叠置，通过销钉插装在设于连接杆凸耳上的通孔与上端边框或下端边框凸耳上的通孔中定位，构成一个锂离子电池模块的层单元框架。

进一步的，重复将上端边框、下端边框错位叠置，通过销钉定位，实现锂离子电池模块的层单元框架沿构成上端边框、下端边框的长杆的轴线方向延伸。

进一步的，上端边框凸耳上的通孔与下端边框凸耳上的通孔通过卡扣连接。

进一步的，卡扣为中心设有通孔的锥状结构卡扣。

进一步的，卡扣设置在上端边框与下端边框叠置时的接合面上，卡扣上设置的中心通孔与上端边框或下端边框凸耳上设置的通孔同心。

本发明还包括一种上述拼接式层单元框架构成的锂离子电池模块，包括底板、顶板、多个层单元，所述层单元由拼接式层单元框架、软包锂离子电池、弹性调整垫、散热板组成，所述散热板冲有凹坑构成软包锂离子电池、弹性调整垫的容纳空间，所述散热板两端延设有凸耳，凸耳上设有通孔，在同一层单元中，软包锂离子电池、弹性调整垫、散热板数量相同，其特征在于：多个散热板平行布置在拼接式层单元框架中，每一个散热板上设置的凸耳均夹装在拼接式层单元框架中的上端边框与下端边框之间，构成一个层单元；在底板与底板之间叠置多个层单元，通过螺栓紧固定位。

进一步的，所述螺栓穿装在每一个层单元中的拼接式层单元框架的上端边框与下端边框设置的凸耳的通孔中，实现紧固定位。

进一步的，夹装在拼接式层单元框架中的上端边框与下端边框之间的散热板的凸耳，其上设置的通孔套装在设于上端边框与下端边框的卡扣上，隔绝散热板与穿装在上端边框、下端边框凸耳上设置的通孔中的螺栓之间的连接，实现绝缘。

进一步的，弹性调整垫为中间厚边缘薄的形状，可以使卷绕结构的软包锂离子电池的压力分布更均匀，延长电池寿命。

进一步的，在锂离子电池模块的底板与顶板之间还设有竖直方向的隔板，隔板插装在相邻散热板之间。

进一步的，在锂离子电池模块的相邻层单元之间布置有压力传感器，所述压力传感器为薄膜型压力传感器。

本发明中的锂离子电池模块由多个电池层单元叠压构成，每个电池层单元由拼接式层单元框架及若干横向并排布置的电池单元构成。其中所述电池单元包括软包锂离子电池、调整垫、散热板等部分。所述拼接式层单元框架由绝缘材料制造而成，拼接式层单元框架围成电池的容纳空间，散热板被冲压出挡边并固定在框架上，散热板依靠挡边对电池进行限位，框架与散热板共同形成对电池的位置约束，电池平躺在散热板上。电池与散热板之间设有橡胶材料制造成的弹性调整垫。所述拼接式层单元框架和电池单元数目可以根据需要横向进行扩展，电池层单元也可以多个叠压实现厚度方向的扩展。所述电池模块可以根据车辆提供的空间进行灵活地扩展，便于布置，具有结构紧凑，能量密度高的特点。

所述层单元中的电池单体数目可以根据需要进行横向扩展；电池层单元多个堆叠构成电池模块，模块中的层单元数目也可以根据需要灵活扩展。所述电池模块可以根据车辆提供的空间进行灵活地扩展，便于布置，并且容易根据电气性能的要求进行软包锂离子电池串/并联的连接以构成电压、容量等参数满足要求的电池模块。

本发明中的所述模块拼接式层单元框架有凸起部分将电池单体的两极分开，减少在装配、连接、维修时出现短路的可能，电池的安全性更好；同时凸起部分的中部开螺栓孔，用螺栓可将堆叠的层单元与底板和顶板固联起来构成模块。横向布置的电池之间可以用隔板进行分隔，模块的安全性更好。

由上所述，本发明提供的锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块作为平躺式的软包锂离子电池模块解决方案，具有如下有益效果：模块结构紧凑，既方便维修，又容易扩展；既能够对电池起到保护作用，又很好地实现了电气连接；既实现单体的隔离，又达到散热的要求，还可以实现对电池实施适当的压紧。总之，本发明的软包锂离子电池模块对提高电动汽车锂电池组使用寿命和能量密度具有显著的作用。

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

附图说明

图1为实施例中的16×6锂离子电池模块结构图。

图2为实施例中的锂离子电池层单元合成图。

图3为实施例中的软包锂离子电池单元结构图。

图4为实施例中的软包锂离子电池单元爆炸图。

图5为实施例中的锂离子电池层单元框架结构图。

图6为实施例中的锂离子电池层单元框架爆炸图。

图7为实施例中的锂离子电池层单元框架的侧边框结构图。

图8为实施例中的锂离子电池层单元框架的上端边框结构图。

图9为实施例中的锂离子电池层单元框架的下端边框结构图。

图10为实施例中的锂离子电池模块内部隔板安装结构图。

图11为实施例中的锂离子电池模块顶板结构图。

图12为实施例中的锂离子电池模块底板结构图。

具体实施方式

实施例

本实施例中包括对本发明中的锂离子电池拼接式层单元框架及其构成的锂离子电池模块做结合性描述。

如图1所示，图示中的锂离子电池模块为横向16块软包锂离子电池平方，纵向6层软包锂离子电池叠放，拼装组合成16×6的锂离子电池模块。其中包括底板4、顶板2和六个层单元1。

结合参见图2至图4，所述层单元1由拼接式的层单元框架12、软包锂离子电池11、弹性调整垫13、散热板14组成，所述散热板14冲有凹坑构成软包锂离子电池、弹性调整垫的容纳空间，散热板14的凹坑与电池的形状、尺寸相匹配，用于容纳平板形状的软包锂离子电池11。所述散热板14侧边上翻构成电池的容纳空间，软包锂离子电池11平躺在此空间，所述散热板14两端延设有散热板凸耳141，散热板凸耳141上设有通孔，散热板凸耳141的宽度比电池单体两极耳111间距略小，散热板凸耳141中间开设的定位圆孔，构成模块时固定螺栓穿过定位圆孔。

在软包锂离子电池11与散热板14之间铺设有弹性调整垫13。该调整垫采用橡胶或其它可伸缩变形的材料制造而成。弹性调整垫的作用主要有两个，一是容纳电池膨胀时的变形，二是对电池产生一定的预压力，达到约束电池位移的目的。所述弹性调整垫13具有可收缩性，弹性调整垫置于散热板14与软包锂离子电池11之间，能容纳软包锂离子电池11充放电过程中的膨胀，同时对电池施加一定的预压力，有利于延长电池的使用寿命。当电池承受压力时，弹性调整垫发生压缩变形，压力越大，形变越大。所述模块中将模块压紧的力作用在层单元框架和软包锂离子电池上，其中层单元框架承受大部分压力，电池承受的压力直接表现为弹性调整垫13的形变，通过增、减弹性调整垫即可调节模块中电池承受的压力。

实际应用中，所述弹性调整垫13优选采用中间厚边缘薄的形状，可以使卷绕结构的软包锂离子电池的压力分布更均匀，延长电池寿命。

在锂离子电池模块的相邻层单元之间通过布置薄膜型压力传感器，可实时监测电池模块之间的压力。

在同一层单元层中，软包锂离子电池11、弹性调整垫13、散热板14的数量相同，多个散热板平行布置在拼接式层单元框架12中，每一个散热板上设置的散热板凸耳141均夹装在拼接式层单元框架中的上端边框与下端边框之间，构成一个层单元；整个锂离子电池模块在底板4与底板1之间叠置层单元，并通过螺栓3整体紧固定位。螺栓3穿装在每一个层单元中的拼接式层单元框架的上端边框与下端边框设置的凸耳通孔中，实现紧固定位。

结合参见图5和图6，构成电池层单元的锂离子电池拼接式层单元框架12由用绝缘材料制造的两个侧边框121与若干上端边框122及若干下端边框123灵活拼接构成。上端边框122及下端边框123均为长度相同的长杆，在长杆的一个侧面设有2个凸耳，两个凸耳分别设置在沿长杆长度方向的1/4及3/4位置，每一个凸耳上均设有通孔；上端边框122、下端边框123错位叠置，通过销钉插装在设于其凸耳上的通孔中定位，重复将上端边框122、下端边框123错位叠置，通过销钉定位，构成端边框，将两个端边框的两端分别与侧边框121的两根连接杆叠置，通过销钉插装在设于连接杆凸耳上的通孔与上端边框或下端边框凸耳上的通孔中定位，构成一个锂离子电池模块的层单元框架12。

具体结合参见图7、图8和图9，所述侧边框121由一个侧边和两条连接杆122’围成开口形状，其中侧边高度与一个软包锂离子电池11的厚度接近，侧边的长度与软包锂离子电池11长度接近；两根连接杆122’分别与侧边的两端固定连接且垂直于侧边轴线，两根连接杆与侧边处于同一平面内，连接杆122’高度方向尺寸与一个软包锂离子电池11的厚度的一半接近，连接杆122’长度与软包锂离子电池11宽度接近；实际上，两根连接杆122’是在上端边框122(或下端边框)长度方向取一半得到的形状，在两根连接杆长度方向的1/2处的外侧各设有一位置相向的凸耳，每一个凸耳上各设有一个通孔作为定位圆孔。

上端边框122的长度尺寸约为软包锂离子电池11宽度的两倍，高尺寸度约为软包锂离子电池11厚度的一半。在上端边框122长度方向的四分之一和四分之三处各有一个上端边框凸耳1222。上端边框凸耳1222的宽度比散热板凸耳的宽度略宽，在上端边框凸耳1222的中部也开有上端边框通孔1223，此孔与散热板凸耳中间所开定位圆孔尺寸相同，位置同心。在上端边框凸耳1222两侧开有上端边框浅槽1221，以便软包锂离子电池11的极耳111通过。

对应的，下端边框123的长度尺寸约为软包锂离子电池11宽度的两倍，高度尺寸约为软包锂离子电池11厚度的一半。在下端边框123长度方向的四分之一和四分之三处各有一个下端边框凸耳1232。在下端边框凸耳1232处开有下端边框浅槽1231，以便散热板凸耳通过。下端边框凸耳1232宽度比散热板凸耳宽度略宽，在下端边框凸耳1232中部开有下端边框通孔1233，此孔与散热板凸耳中间所开圆孔尺寸相同，位置同心，在下端边框凸耳1232的中心还制有锥状结构卡扣1234，锥状结构卡扣1234的中心也开有定位孔，锥状结构卡扣1234与上端边框122的定位孔配合实现将上端边框122与下端边框123上下叠压连接起来。通过卡扣连接时，锥状卡扣同时穿过散热板凸耳中心的定位圆孔，散热板凸耳被夹在上端边框122与下端边框123之间。构成模块时固定螺栓穿过散热板凸耳的定位圆孔，同时也穿过上端边框122的上端边框通孔1223和下端边框123的下端边框通孔1233。散热板凸耳被下端边框123与上端边框122夹在中间，由此实现将散热板14固定在拼接式层单元框架12上，散热板与拼接式层单元框架共同构成对软包锂离子电池11的位置约束，上端边框和下端边框的浅槽之间的凸台在构成模块时将软包锂离子电池的两极隔开，同时，夹装在上端边框122与下端边框123之间的散热板凸耳，其上设置的通孔套装在设于下端边框123的锥状结构卡扣1234上，隔绝散热板与穿装在上端边框、下端边框凸耳上设置的通孔中的螺栓3之间的连接，可以减少在装配、连接、维修时出现短路的可能。

上端边框浅槽1221与下端边框浅槽1231的深度基本一致，在层单元多层叠压构成模块时，上端边框浅槽1221与下端边框浅槽1231相对，构成的缝隙大于软包锂离子电池的极耳111的厚度，以利于电池极耳穿过。

如图10所示，锂离子电池模块在横向布置的软包锂离子电池之间用隔板5进行分隔，隔板5插装在相邻散热板之间在本实施例中，五块隔板可以将横向布置的六个软包锂离子电池的模块进行横向的分隔，模块的安全性更好。

在实际生产应用中，拼接式层单元框架可以灵活地实现横向扩展。在本实施例中，扩展成可以横向并排放置六个电池单元时，利用两个侧边框121，四个上端边框122，六个下端边框123以及六个软包锂离子电池单元可以得到图2中所示的并排六单元结构。

此并排六单元结构然后可以按需要进行层数的扩展。例如16层这样的六单元结构加上图11所示的顶板2和图12所示的底板4可以扩展成如图1的16×6模块，在顶板2和底板4上设置与侧边框及散热板上定位通孔对应的通孔，用于螺栓装配。横向的扩展和层数的扩展可以根据实际情况的需要进行调整。主要考虑因素包括安装位置的空间限制；模块的机械结构强度；电池组容量对电池并联数量的要求等。

电池模块需要承受车身振动与颠簸，其结构需要达到一定强度。模块中散热板、顶板、底板对电池构成垂直方向的约束，装配好的模块对电池施加一定的压力。电池承受一定的压力使得电池在使用过程中不会发生水平面上的纵、横向位移，避免电池与边框发生碰撞而导致的损坏。紧固螺栓将底板、多层框架和顶板自下而上固联在一起。紧固螺栓的作用力表现为电池层单元之间的压力。层与层之间的压力大部分由框架承担，小部分由电池承担。电池承受的压力与调整垫的形变成正比，通过调节调整垫的厚度即可调节电池的形变，也就调整了电池承受的压力。

以上实施例描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.锂离子电池拼接式层单元框架，其特征在于：所述层单元框架包括端边框、侧边框；

所述端边框包括上端边框、下端边框；上端边框及下端边框均为长度相同的长杆，在长杆的一个侧面设有2个凸耳，两个凸耳分别设置在沿长杆长度方向的1/4及3/4位置，每一个凸耳上均设有通孔；

所述侧边框由侧边与两根连接杆构成，两根连接杆分别与侧边的两端固定连接且垂直于侧边轴线，两根连接杆与侧边处于同一平面内；两根连接杆的长度均为构成上端边框或下端边框长杆长度的一半，在两根连接杆长度方向的1/2处的外侧各设有一位置相向的凸耳，每一个凸耳上各设有一个通孔；

所述上端边框、下端边框错位叠置，通过销钉插装在设于其凸耳上的通孔中定位，重复将上端边框、下端边框错位叠置，通过销钉定位，构成端边框，将两个端边框的两端分别与侧边框的两根连接杆叠置，通过销钉插装在设于连接杆凸耳上的通孔与上端边框或下端边框凸耳上的通孔中定位，构成一个锂离子电池模块的层单元框架，实现锂离子电池模块的层单元框架沿构成上端边框、下端边框的长杆的轴线方向延伸。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池拼接式层单元框架，其特征在于：上端边框凸耳上的通孔与下端边框凸耳上的通孔通过卡扣连接。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池拼接式层单元框架，其特征在于：卡扣为中心设有通孔的锥状结构卡扣。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池拼接式层单元框架，其特征在于：卡扣设置在上端边框与下端边框叠置时的接合面上，卡扣上设置的中心通孔与上端边框或下端边框凸耳上设置的通孔同心。

5.一种锂离子电池模块，包括如权利要求1-4中任一项所述的一种锂离子电池拼接式层单元框架，包括底板、顶板、多个层单元，所述层单元由拼接式层单元框架、软包锂离子电池、弹性调整垫、散热板组成，所述散热板冲有凹坑构成软包锂离子电池、弹性调整垫的容纳空间，所述散热板两端延设有凸耳，凸耳上设有通孔，在同一层单元中，软包锂离子电池、弹性调整垫、散热板数量相同，其特征在于：多个散热板平行布置在拼接式层单元框架中，每一个散热板上设置的凸耳均夹装在拼接式层单元框架中的上端边框与下端边框之间，构成一个层单元；在底板与顶板之间叠置多个层单元，螺栓穿装在每一个层单元中的拼接式层单元框架的上端边框与下端边框设置的凸耳的通孔中，实现紧固定位。

6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池模块，其特征在于：夹装在拼接式层单元框架中的上端边框与下端边框之间的散热板的凸耳，其上设置的通孔套装在设于上端边框与下端边框的卡扣上，隔绝散热板与穿装在上端边框、下端边框凸耳上设置的通孔中的螺栓之间的连接，实现绝缘。

7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池模块，其特征在于：弹性调整垫为中间厚边缘薄的形状，可以使卷绕结构的软包锂离子电池的压力分布更均匀，延长电池寿命。

8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池模块，其特征在于：在锂离子电池模块的底板与顶板之间还设有竖直方向的隔板，隔板插装在相邻散热板之间。

9.根据权利要求5所述的一种锂离子电池模块，其特征在于：在锂离子电池模块的相邻层单元之间布置有压力传感器，所述压力传感器为薄膜型压力传感器。