CN106953059B - 汇流条 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电连接电池模块的多个单元的汇流条。为了在单元中的至少一个热失控时或在短路时将电池单元彼此电断开，汇流条包括核和壳，壳至少部分地由第一材料制成，第一材料是导电材料，其中核至少部分地由第二材料制成，第二材料具有显著地高于第一材料的热膨胀系数的热膨胀系数。

Description

汇流条
技术领域
本发明涉及用于电连接电池模块的多个单元的汇流条。本发明还涉及包括这样的汇流条的电池模块和包括这样的电池模块的车辆以及用于构造汇流条的方法。
背景技术
可再充电电池不同于一次电池之处在于，可再充电电池可以重复地充电和放电，而后者仅进行化学能到电能的不可逆转换。低容量可再充电电池被用作小型电子器件诸如便携式电话、笔记本计算机以及摄录机的电源，而高容量可再充电电池被用作驱动混合动力型车辆等等中的电机的电源。
通常，可再充电电池包括电极组件、接收电极组件的壳以及电连接到电极组件的电极端子，电极组件包括正电极、负电极和夹置在正电极与负电极之间的隔板。根据可再充电电池的使用目的和用法，壳可以具有圆柱形或者矩形形状，电解质溶液被注入到壳中用于通过正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应而对可再充电电池充电和放电。
可再充电电池可以用作由串联联接的多个单元电池或者多个单元形成的电池模块，从而用于驱动需要高能量密度的混合动力型车辆的电机。即，根据电机驱动所需的电能的量，电池模块通过连接多个单元电池的每个的电极端子而形成，使得可以实现高功率可再充电电池。电池模块的单元通常通过所谓的“汇流条”而连接，“汇流条”有时也被称为“汇流排”或者“母线”。汇流条通常是整体的并由固体金属制成，因为它们唯一的功能是将电池模块的单元彼此电连接以在电池模块的单元之间传送电流。
为了安全地使用电池模块，从可再充电电池产生的热应该被有效地发射、排出和/或消散。如果热发射/排出/消散没有被充分地执行，在各个单元电池之间发生温度偏差，使得电池模块不能产生用于电机驱动的期望的电能量。此外，如果电池的内部温度由于从可再充电电池产生的热而上升，则在其中发生不正常的反应，因此可再充电电池的充电和放电性能变差并且可再充电电池的寿命缩短。因此，需要可以通过有效地发射/排出/消散从电池产生的热而冷却可再充电电池的冷却装置。
在散热装置或者冷却装置分别出现故障的情况下，或者由于电池单元之一中的另一故障例如内部短路，可能发生单元的热失控。由于汇流条是整体的并且由固体金属制成，其以高速导热，因此热被传送到电池模块的相邻单元。期望消除此效应，因为会发生过热并因此发生单元的故障，导致电池模块完全失效并且可能导致电池模块的破坏。
此外，在电池系统中内部短路的情况下，例如由于在故障期间电池系统的变形，整体的金属汇流条保持短路电流。因此，散热继续，可能影响电池模块的其他单元或者电池模块作为其一部分的车辆或者器件的其他部件。
发明内容
现有技术的一个或多个缺点可以通过本发明的手段被避免或至少减小。具体地，提供用于电连接电池模块的多个单元的汇流条，包括：
-核，和
-壳，至少部分地由第一材料制成，第一材料是导电材料，
其中核至少部分地由第二材料制成，第二材料具有显著地高于第一材料的热膨胀系数的热膨胀系数。换言之，汇流条不是由整片的固体金属制成，而是具有允许汇流条承担附加功能的内部结构。如果被适当地设计，汇流条可以起到在单元之一热失控的情况下将电池模块的单元彼此电断开的安全结构的作用。为此，汇流条可以被设计为如果预定温度阈值被超过，则汇流条材料由于不同的热膨胀系数而断裂并且通过汇流条的热和电流传送被中断。具体地，壳由于核的体积增加而断裂。壳可以部分地由第一材料制成或仅由第一材料制成。具体地，如果壳已经被分为基本上不彼此连接的至少两个分离部分，则壳被认为是“断裂”。
热膨胀的热系数α是材料常数并说明材料对温度变化的反应。其由公式定义
Figure GDA0002856725140000021
其中L是被研究的主体的长度，T是温度。如果一系数超过另一系数的值至少10％，优选地至少20％，该系数被具体地认为是“显著高于”另一系数。在本发明的优选实施方式中，在80K的温度变化下，各个系数的值的差异导致汇流条的不同材料的膨胀中的可见差异。通常，至少两个不同材料的热膨胀系数之间的差异必须使得在结合其他规格诸如尺寸(例如壳和核各自的厚度)的情况下，使壳在预定温度下断裂。
另一方面，汇流条需要能承受缓和的温度变化而不将电池单元彼此电断开，因为在汇流条的操作期间，温度不可避免地一定会在某些参数内变化。此外，电池模块必须能够在不同条件下操作，例如环境温度在-10℃与40℃之间。因此，汇流条必须承受某一温差而不将单元彼此断开。
虽然发明具体地旨在改善用于电池模块的汇流条，但这样的汇流条在使用常规汇流条以及会发生局域生热的任何应用中可以是有用的。
根据本发明的优选实施方式，汇流条的至少壳在超过温度阈值时断裂。汇流条由至少两种不同材料制成并包括核和壳。壳围绕核。壳可以围绕核使得核完全地嵌入壳中并且核没有任何部分是从外部可见的，壳不断裂的话核无法膨胀。然而，核也可以仅部分地被壳围绕。例如，可以在一侧具有开口，核可以通过该开口进入壳。优选地，壳将核与汇流条连接到电池单元处的区域完全地分离。然后该开口优选地布置为在汇流条的与面对电池模块的位置相反的一侧上。
核的目标是当超过温度阈值时破坏壳。阈值温度可以例如是50℃、75℃或100℃。核可以由具有大的热膨胀的材料制成。因此，由于热吸入(thermal intake)引起的核的膨胀大于壳的膨胀。因此，在汇流条的加热期间在壳中形成张力，最终导致壳的结构破坏。如果单元的电连接是单独地通过壳提供的，该壳由导电材料制成，则壳的破坏导致单元的电断开，防止从故障位置到正常功能单元的任何进一步的电流流动。从一个单元到另一单元的热传递也可以被减小。壳可以例如由铝、铜或铁制成。
核可以部分地由第三材料制成，第三材料不同于第一材料和第二材料。因此还可以调节汇流条的性质使其具有期望的功能。例如，第二材料可以是具有大的热膨胀系数的材料，第三材料可以是电绝缘体。则汇流条可以被设计为使得在壳断裂时，不仅热传递被有效地减小，而且电流传送被消除。为了实现此目的，汇流条可以例如被设计为如果导电壳被破坏，则核的连接汇流条的两个部分的部分(在该部分处壳的围绕核的部分仍然完好)单独地由第三材料制造，在这种情况下该第三材料将是电绝缘体。换言之，只要汇流条完好，壳的预计会由于温度增加而断裂的区域接触核的仅由电绝缘材料制成的一个或多个部分。
如果第二材料也是电绝缘体，可以实现相同效果。如果第二材料结合大的热膨胀系数和良好电绝缘性质和/或绝热性质的特征，则如果核仅由第二材料制造是足够的。然而，在构成汇流条的核的两种不同材料即第二材料和第三材料之间分配期望的性质即热膨胀系数以及电绝缘和/或绝热性质同样是可能的并且有时是有利的。根据本实施方式，特定的几何排列是必需的，这将从下面绘示的图以及伴随的说明而变得清楚。
在优选实施方式中，壳具有预定断裂点。此特征使得可以精确控制汇流条在超过热阈值期间的行为。预定断裂点可以例如通过减小壳的横截面而实现，因此减小在具有小的横截面的那些区域中的壳的强度。如果电池壳的温度升高，则汇流条的核膨胀。由于核材料的热膨胀系数显著地高于壳材料的热膨胀系数，核以大于壳的速度膨胀，导致施加于壳上的张力。在断裂点处，破坏壳所需的力比壳的其余部分小。因此壳的结构首先在预定断裂点处损坏。由于壳的破坏，不再有电流可以流过壳。如果壳被破坏，它碎裂为至少第一部分和第二部分。第一部分可以仍然电连接到电池单元之一，而第二部分可以电连接到另一电池单元。然而，在壳的第一部分和第二部分之间没有保持电接触。因此，在单个电池单元之间也没有保持电接触。
核的材料至少在断裂点的区域内需要是电绝缘体，使得也没有电流可以从一个单元通过核被传送到另一单元。因此，电流没有可以通过核的旁路，从而对于任何电流来说不可能从壳的一部分流到另一部分，更具体而言，从核的电连接到第一电池单元的第一部分流到核的电连接到第二电池单元的第二部分。在壳被破坏之后，汇流条的功能从电连接器变为电绝缘体，阻挡任何电流在原先通过汇流条连接的电池单元之间的流动。
代替减小核的横截面，用其它方式在某种程度上减弱断裂点的强度当然是可能的，例如通过对壳穿孔或者在预定断裂点处使用另一材料。
根据应用的特定要求，汇流条可以被设计为使得壳在预定温度断裂。刚好在安全操作温度范围之外的温度，优选地加上误差幅度，作为用于壳的破裂的预定温度是适当的。
第二材料优选地是具有大的热膨胀系数的材料，例如锌合金。锌合金可以具有高达39×10-6K-1的热膨胀系数。第三材料优选地是电绝缘体。此外，如果第三材料是硬质材料是有利的。显示出这些性质的适当的材料例如是二氧化锆。
根据本发明的另一方面，提供一种包括如此定义的汇流条的电池模块。在优选实施方式中，电池模块包括用于将单个电池单元与汇流条电连接的连接装置。连接装置可以是可以被焊接到汇流条的接头或者任何其他已知的电极端子。这样的焊接连接保证具有低电阻的机械坚固的电连接。任何其他适当的紧固装置，诸如螺母和螺钉等等当然也是可能的。
根据本发明的另一方面，提供一种包括以上定义的电池模块的车辆。车辆可以通常是汽车、摩托车或者类似的车辆。本发明尤其适合用于混合动力型车辆、电动汽车(e-car)等等中。
根据本发明的另一方面，提供一种用于构造汇流条的方法。为了构造根据本发明的汇流条，提供至少部分地由第一材料制成的壳以及至少部分地由第二材料制成的核，第一材料是导电材料，第二材料具有高于第一材料的热膨胀系数的热膨胀系数。然后核被预先冷却并且随后与壳结合。该结合可以包括将核按压到提供在壳中的中央穿孔中。优选地，第二材料具有大的热膨胀系数。具体地，如果热膨胀系数α的值高于20×10-6K-1，优选地高于25×10-6K-1，则热膨胀系数α被认为是“大的”。
本发明的其他方面可以通过所附权利要求或者以下说明而获悉。
附图说明
通过参考附图详细描述示范实施方式，多个特征对于本领域普通技术人员将变得明显，在附图中：
图1示出常规电池模块的透视图，
图2示出根据本发明第一实施方式的工作状态中的电池模块的截面图；
图3示出在电池单元之一中的热失控之后图2的实施方式的构造的截面图。
附图标记
10 电池单元
11 正电极端子
12 负电极端子
13 排气孔
14 盖组件
15 汇流条
16 螺母
18 端板
18a 紧固部分
19 连接板
31 支撑板
40 螺钉
100 电池模块
120 弹性构件
200 电池模块
211 电池单元
212 电池单元
220 汇流条
230 核
231a、231b 第一区段的部分
232 第二区段
240 壳
251 单元接头
252 单元接头
260 断裂点
271 焊缝
272 焊缝
具体实施方式
参照图1，常规电池模块100的示范实施方式包括在一个方向上排列的多个电池单元10以及邻近于多个电池单元10的底表面提供的热交换构件110。一对端板18被提供为在电池单元10外部面对电池单元10的宽表面，连接板19被配置为将该对端板18彼此连接由此将多个电池单元固定在一起。在电池模块100两侧上的紧固部分18a通过螺钉40被紧固到支撑板31。支撑板31是壳30的一部分。
这里，每个电池单元10是棱柱形(或者矩形)单元，单元的宽的平坦表面被堆叠在一起以形成电池模块。此外，每个电池单元10包括配置用于容纳电极组件和电解质的电池壳。电池壳通过盖组件14密封。盖组件14提供有具有不同极性的正电极端子11和负电极端子12以及排气孔13。排气孔13是电池单元10的安全装置，其用作电池单元10中产生的气体通过其排出到电池单元10外部的通道。相邻的电池单元10的正电极端子11和负电极端子12通过汇流条15电连接，汇流条15可以通过螺母16等等被固定。因此，通过将多个电池单元10电连接为一束，电池模块100可以用作电源单元。
通常，电池单元10在被充电/放电时产生大量热。产生的热在电池单元10中累积，由此加快电池单元10的恶化。因此，电池模块100还包括热交换构件110，该热交换构件110被邻近于电池单元10的底表面提供从而冷却电池单元10。此外，由橡胶或者其他弹性材料制成的弹性构件120可以夹置在支撑板31和热交换构件110之间。
热交换构件110可以包括提供为具有相应于多个电池单元10的底表面的尺寸的冷却板，例如，冷却板可以完全交叠电池模块100中的所有电池单元10的整个底表面。冷却板通常包括冷却剂可以通过其移动的通道。当冷却剂在热交换构件110内部(即，冷却板内部)流通时执行与电池单元10的热交换。
图2示出当汇流条导电时在工作状态中的本发明的示范实施方式。其在俯视截面图中显示电池模块200包括两个电池单元，即第一电池单元211和第二电池单元212。通常，电池模块可以例如为标准模块，如图1中所绘示的。因此，可以存在更多电池单元，然而，为简单起见，示出仅有两个电池单元的电池模块。电池单元211、212具有用于建立电池单元211、212之间的电接触的单元接头251、252。单元接头251、252起到电极端子的作用。汇流条220被焊接到单元接头251、252，因此经由焊缝(weld)271、272而将电池单元211、212彼此电连接。汇流条220在截面图中被示出，从而汇流条220的内部结构可见。汇流条220由核230和在各个侧面围绕核230的壳240组成。换言之，核230嵌入壳240。壳240由导电材料制成，通常由金属制成。其具有预定的断裂点260，在断裂点260处壳的横截面比壳240的其余部分小。换言之，壳240的材料厚度在预定断裂点260处减小。这可以通过例如在构造汇流条220之后去除壳240的材料或者通过制造壳240使得它具有期望的形状和横截面而实现。断裂点260被布置在汇流条220的中心区域中。断裂点260不物理接触电池单元211、212中的任何一个。
核230布置在壳240内侧。在示出的实施方式中，其由两种不同材料制成，该两种不同材料构成核230的两个不同区段。因此，核230由第一区段231和第二区段232组成。核230的第一区段231由膨胀材料制成。第一区段231被分成两个部分231a和231b，它们结构相同但是在空间上彼此分开。第一区段的材料具有更高的热膨胀系数。第一区段231可以例如由锌合金制成，其通常具有28×10-6K-1的热膨胀系数。在被加热时，第一区段的体积以比壳240的体积高的速度增加，在壳240上施加机械张应力并最终当超过壳材料的张力强度的极限时在预定断裂点260处破坏壳240，因此产生壳240的破坏部分之间的间隙，这将随后在图3中示出。
第二区段232可以由具有低于第一区段的相应的系数的热膨胀系数的材料制成。然而，第二区段232的所述系数应该优选不低于制成壳240的材料的系数。壳240可以例如由铝制成，其具有23.8×10-6K-1的热膨胀系数。
预定断裂点260被布置为使得壳240在断裂点260处的断裂导致电池单元211、212之间的电连接的中断。因此，断裂点260被布置为使得它们不与单元接头251、252的任何一个接触。断裂点260也可以被认为是“断裂线”或“断裂区”，因为它们当然可以覆盖汇流条220的整个周边。
核230的第二区段232由与第一区段的材料不同的材料制成。在示出的实施方式中，第二区段232的材料是电绝缘体，例如二氧化锆，其具有10.3×10-6K-1的热膨胀系数。核230的第二区段232布置为直接邻近断裂点260。换言之，预定断裂点260仅与核230的第二区段232物理接触而不与核230的第一区段物理接触。
图3示出在电池单元212中的热失控之后处于非工作的中断状态的图2的实施方式。汇流条220的连接到电池单元212的部分已经吸收电池单元212中产生的部分热。因此，已经发生热膨胀。核230的第一区段231a的右部分已经以比汇流条220的其余部分包括壳240显著高的速度膨胀。压力已经形成在壳240内部，导致壳240在预定断裂点260处断裂。因此，电池单元211经由壳240与电池单元212的电连接已经中断。因为核230的中心部分232由电绝缘材料制成，没有电流可以从第一区段的右部分231a流到左部分231b，反之亦然。因此单元接头251、252已经彼此电断开。
作为附加的益处，电池单元211、212之间的热传递也被极大地减少。由固体金属制成的常规汇流条通常是优异的热导体。壳240不再提供电池单元211、212之间的任何类型的连接。因此，没有热从电池单元211经由壳240被传送到电池单元212，反之亦然。核230的中心部分232的材料是电绝缘材料，所述材料可以优选地被选择为对于热传递也是良好的绝热体。因此，电池单元211、212之间的热传递被减小，使得在电池单元211、212之一中的热失控不引起另一电池单元的破坏。
因此汇流条220起到类似保险丝的作用。汇流条220的断裂通过过热温度而触发。汇流条220的过热温度可以例如由以下任一个引起：外部源例如相邻电池单元211、212的热失控、或者来自通过汇流条220的过电流的焦耳热，该过电流例如可以由短路引起。
还提供了一种用于构造汇流条220的方法。为了构造汇流条220，提供至少部分地由第一材料制成的壳240以及至少部分地由第二材料制成的核230，第一材料是导电材料，第二材料具有高于第一材料的热膨胀系数的热膨胀系数。然后核230被预先冷却并且随后与壳240结合。该结合可以包括将核230按压到提供在壳240中的中央穿孔中。优选地，第二材料具有大的热膨胀系数，例如高于20×10-6K-1，优选地高于25×10-6K-1。

Claims (9)

1.一种汇流条(220)，用于电连接电池模块(200)的多个电池单元(211，212)，所述汇流条包括：
核(230)，以及
壳(240)，至少部分地由第一材料制成，所述第一材料是导电材料，
其中所述核(230)嵌入在所述壳(240)中并且至少部分地由第二材料制成，所述第二材料具有高于所述第一材料的热膨胀系数的热膨胀系数，以及
其中所述壳(240)被配置为当所述汇流条(220)达到预定温度时通过所述第二材料的膨胀而断裂。
2.如权利要求1所述的汇流条(220)，其中所述核(230)部分地由第三材料制成。
3.如权利要求2所述的汇流条(220)，其中所述第二材料和/或所述第三材料是电绝缘体。
4.如以上权利要求1-3中的一个所述的汇流条(220)，其中所述壳(240)具有预定断裂点(260)。
5.如权利要求1所述的汇流条(220)，其中所述第二材料的热膨胀系数高于所述第一材料的热膨胀系数至少10％。
6.一种电池模块(200)，包括根据以上权利要求中的一个所述的汇流条(220)。
7.如权利要求6所述的电池模块(200)，其中所述电池模块(200)包括电池单元(211，212)，所述电池单元(211，212)具有焊接到所述汇流条(220)的单元接头(251，252)。
8.一种车辆，包括根据权利要求6或7所述的电池模块(200)。
9.一种用于构造根据权利要求1所述的汇流条(220)的方法，包括步骤：
a)提供至少部分地由第一材料制成的壳(240)，所述第一材料是导电材料，
b)提供至少部分地由第二材料制成的核(230)，所述第二材料具有高于所述第一材料的热膨胀系数的热膨胀系数，
c)预冷却所述核(230)，以及
d)结合所述核(230)和所述壳(240)以形成组合的汇流条(220)。
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