CN108428818B - 动力电池顶盖结构、动力电池及电池模组 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及储能器件领域，尤其涉及一种动力电池顶盖结构、包含该顶盖结构的动力电池及电池模组。动力电池顶盖结构包括第一电极组件、第二电极组件以及顶盖片，第一电极组件包括第一极柱以及第一连接块，第一极柱的顶部具备连接段，第一连接块包括主体以及复合部，主体的材质具有第一基体金属，第一极柱的材质具有第二基体金属，复合部的材质具有第三基体金属，复合部与主体复合，复合部上具有第一连接孔，连接段穿过顶盖片和第一连接块，连接段与复合部焊接，第二电极组件附接于顶盖片上。本申请实施例所提供的动力电池顶盖结构、动力电池及电池模组能够有效避免因振动、冲击等外部因素引起两种材质的转换界面发生接触电阻波动。
Description
技术领域
本申请涉及储能器件领域，尤其涉及一种动力电池顶盖结构、动力电池及电池模组。
背景技术
在非水电解质二次电池中，作为正极极柱的构成材料适宜使用在正极电位下不溶解于非水电解质的铝或铝合金。作为负极极柱的构成材料多使用不与负极活性物质合金化的铜等。
动力电池成组时，汇流排(busbar)需要焊接在正极的连接块或者负极的连接块，由于汇流排多采用单一材质(例如铝或者铜)，同时铝的熔点比铜的熔点低、比热容高，无法容易地将铜材质和铝材质采用超声波焊、激光焊等方式焊接在一起，因此要求动力电池顶盖结构中正负极的连接块采用与汇流排相同的材质，也就是正负极的连接块都为铝材质或都为铜材质。如果正极极柱为铝质，负极极柱为铜质，那么就必须有一个铜铝转接的结构来实现电芯外部的两个连接块实现都为铝材质或都为铜材质。
在相关技术中，通常的解决方式为通过摩擦焊或者铆接的方式将极柱加工成铜铝结构(即极柱的上端是铜，下端是铝；或者极柱的上端是铝，下端是铜)。然而，铜铝铆接由于结构配合及铆接控制等因素往往会导致在电池应用过程中由于振动/冲击等外部原因引起铜铝转换界面接触电阻波动，使得电芯不能稳定的输出电流，同时也会因为接触电阻的增大造成铜铝转换界面处发热量增加。
发明内容
本申请提供了一种动力电池顶盖结构，能够解决上述问题。
本申请实施例的第一方面提供了一种动力电池顶盖结构，包括第一电极组件、第二电极组件以及顶盖片，
所述第一电极组件包括第一极柱以及第一连接块，所述第一极柱的顶部具备连接段，
所述第一连接块包括主体以及复合部，所述主体的材质具有第一基体金属，所述第一极柱的材质具有第二基体金属，所述复合部的材质具有第三基体金属，所述第一基体金属不同于所述第二基体金属以及所述第三基体金属，所述复合部与所述主体复合，所述复合部上具有第一连接孔，
所述第一连接块位于所述顶盖片的上方，所述连接段穿过所述顶盖片和所述第一连接块，并由所述第一连接孔露出，所述连接段与所述复合部焊接，
所述第二电极组件附接于所述顶盖片上。
优选地，所述复合部贯通所述主体，所述连接段依次穿过所述顶盖片以及所述第一连接孔。
优选地，所述主体上具有第二连接孔，所述连接段依次穿过所述顶盖片、所述第二连接孔和所述第一连接孔。
优选地，所述连接段与所述第二连接孔铆接。
优选地，所述第二连接孔内具有台阶部，所述第一极柱与所述台阶部卡紧。
优选地，所述第二连接孔的顶端与所述第一连接孔的直径相等，所述连接段的周缘与所述第一连接孔的内壁焊接。
优选地，所述主体的上表面具有凹陷部，所述复合部嵌入所述凹陷部内。
优选地，所述复合部的厚度与所述主体的厚度的比值为1/10～2/3。
优选地，所述复合部的上表面低于所述主体的上表面。
优选地，所述连接段的顶面与所述复合部的上表面齐平。
优选地，所述复合部沿所述顶盖片的宽度方向延伸，且贯穿所述主体。
优选地，
所述复合部与所述主体的结合面的拉伸强度大于所述复合部自身的拉伸强度；
或者
所述复合部与所述主体的结合面的拉伸强度大于所述主体自身的拉伸强度。
优选地，所述第二基体金属不同于所述第三基体金属。
优选地，
所述主体的材质为铝或铝合金，所述第一极柱的材质为铜或铜合金，所述复合部的材质为镍或镍合金；
或者
所述主体的材质为铜或铜合金，所述第一极柱的材质为铝或铝合金，所述复合部的材质为镍或镍合金。
优选地，所述连接段与所述复合部激光焊接。
优选地，所述主体与所述复合部采用冷轧法、热轧法、爆炸复合法或爆炸轧制法复合。
本申请实施例的第二方面提供了一种动力电池，包括所述的动力电池顶盖结构。
本申请实施例的第三方面提供了一种电池模组，包括汇流排以及所述的动力电池，所述汇流排与所述主体焊接，且所述汇流排与所述主体均具有所述第一基体金属。
本申请实施例提供的技术方案可以达到以下有益效果：
本申请实施例所提供的动力电池顶盖结构、动力电池及电池模组能够有效避免因振动、冲击等外部因素引起两种材质的转换界面发生接触电阻波动。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
图1为本申请实施例所提供的动力电池顶盖结构的整体结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的动力电池顶盖结构的爆炸示意图；
图3为本申请实施例所提供的动力电池顶盖结构的侧剖示意图；
图4为本申请实施例的动力电池顶盖结构中主体与复合部采用第一种复合方式时图3中A部分的局部放大示意图；
图5为本申请实施例的动力电池顶盖结构中主体与复合部采用第二种复合方式时图3中A部分的局部放大示意图。
附图标记：
10-第一电极组件；
100-第一极柱；
1000-连接段；
102-第一密封件；
104-第一连接块；
1040-主体；
1040a-第二连接孔；
1040b-台阶部；
1042-复合部；
1042a-第一连接孔；
106-第一上绝缘件；
108-第一下绝缘件；
12-第二电极组件；
120-第二极柱；
122-第二密封件；
124-第二连接块；
126-第二上绝缘件；
128-第二下绝缘件；
14-顶盖片。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。文中所述“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中的动力电池顶盖结构为参照。
本申请实施例提供了一种动力电池顶盖结构，该动力电池顶盖结构安装在动力电池的顶部，动力电池包括壳体和裸电芯，壳体上部具有开口，裸电芯包括正极片、负极片以及位于正极片和负极片之间的隔膜，裸电芯容纳于壳体内，动力电池顶盖结构密封壳体上部的开口。动力电池的电能向外输送，通常情况下，动力电池需要成组使用，即若干动力电池通过汇流排以串联或并联方式电连接，组成电池模组。
如图1所示，本申请实施例提供的动力电池顶盖结构包括第一电极组件10、第二电极组件12以及顶盖片14。第一电极组件10以及第二电极组件12分别用于电连接动力电池的正负极中的一极，即第一电极组件10可以用于电连接动力电池的正极也可以是负极，下面以第一电极组件10电连接正极，第二电极组件12电连接负极的方式进行举例说明。
如图2和图3所示，第一电极组件10具有第一极柱100、第一密封件102、第一连接块104、第一上绝缘件106以及第一下绝缘件108等结构。第二电极组件12具有第二极柱120、第二密封件122、第二连接块124、第二上绝缘件126以及第二下绝缘件128等结构。
为了汇流排能够激光焊接在第一连接块104和第二连接块124上，第一连接块104以及第二连接块124上用来连接汇流排的区域需要具有与汇流排相同的材质(例如都为铜质，或者都为铝质)。需要说明的是，本发明中的所说的具有相同的材质，是指具有相同的基体金属(组成合金的主要成分金属叫基体金属)，例如第一连接块104的材质为纯铝、铝锰合金时，第二连接块124的材质可以为纯铝、铝锰合金，也可以为铝硅合金、铝镁合金，只要它们的基体金属都为铝即可。通常情况下，动力电池的正极极柱(也就是本实施例中的第一极柱100)采用铝作为基体金属，而负极极柱(也就是本实施例中的第二极柱120)采用铜作为基体金属。以第一连接块104、第二连接块124以及汇流排都以铜作为基体金属为例，由于本实施例中的第二极柱120以及第二连接块124的材质均以铜作为基体金属，因此负极无需进行铜铝转接，而由于第一极柱100的材质以铝作为基体金属，同时要求第一连接块104上用来连接汇流排的区域以铜作为基体金属，因此第一电极组件10需要进行铜铝转接。具体装配方式将在下面详细描述。
如图2所示，本实施例中的第一极柱100的材质采用铝或铝合金，也就是说，铜铝转接并不是发生在第一极柱100上。而为了完成铜铝转接，第一连接块104包括主体1040以及复合部1042，主体1040为第一连接块104的主体结构，同时也用于与汇流排进行焊接，因此主体1040的材质为铜、铜合金。与此同时，复合部1042要选用能够与第一极柱100通过激光方式直接焊接连接的材质，复合部1042的材质可以与第一极柱100相同，或具有相同的基体金属；此外，复合部1042还可采用能够与铜和铝直接进行激光焊接的其它材质，例如镍或以镍作为基体金属的镍合金材质。由于复合部1042和第一极柱100焊接连接形成焊接结合面，因此可以构成稳定的电传输面，而不会像铆接那样会因外部的振动或冲击造成接触电阻的波动。复合部1042与主体1040复合，复合后两者的复合界面为冶金结合(即两种金属的界面间原子相互扩散而形成的结合)。主体1040与复合部1042的结合面的复合率通常不能低于90％，最好能够达到100％，并且，主体1040与复合部1042的结合面的拉伸强度最好能够大于主体1040以及复合部1042自身的拉伸强度，从而使二者的结合面构成稳定的电传输面，不会因外部的振动或冲击而发生相对滑动，造成接触电阻波动。
为了保证复合部1042与主体1040的结合紧密性，最好在装配之前将复合部1042与主体1040预先完成复合。
相关技术中，有些会采用在第一极柱100上进行铜铝转接。然而，第一极柱100受限于自身结构，通常采用更为复杂的方式，例如采用摩擦焊接方式才能完成复合，并且，这种复合过程只能单个加工，无法批量生产。此外，由于第一密封件102等部件需要通过第一极柱100与第一连接块104的连接实现固定与密封功能，因此一旦第一极柱100的铜铝结合面发生断裂，则同时会造成第一密封件102散落，动力电池顶盖结构1丧失密封性能，导致漏液情况发生。
而相对于第一极柱100，第一连接块104由于是板状或片状结构，因此采用诸如冷轧法、热轧法、爆炸复合法或爆炸轧制法等更为简单的方式完成复合。
复合部1042与主体1040可以采用以下两种方式进行复合。
第一种方式中，复合部1042可以由主体的上表面向下贯通主体1040，通过侧壁与主体1040进行复合(参见图4)。
第二种方式中，复合部1042也可以仅仅设置在主体1040的上表面，主要通过底面与主体1040复合。并且，为了提高复合部1042与主体1040的连接强度，可以在主体1040的上表面设置凹陷部(图中未标号)，将复合部1042嵌入凹陷部内(参见图5)，使得复合部1042的三个侧面与主体1040复合，进一步提高复合界面的面积。
为了提高加工效率，以上两种复合方式中，复合部1042均可以沿着垂直于顶盖片14厚度的方向一直延伸至主体1040的两侧边缘，这样在复合时可以沿着复合部1042的延伸方向复合很长一段，之后再裁切形成单个第一连接块104，一次复合过程便可完成批量生产。通常情况下，相邻两个动力电池通常会沿着顶盖片14的宽度方向排布，因此，为了便于连接汇流排，通槽最好也沿着顶盖片14的宽度方向延伸，从而留出更多的区域来连接汇流排。
在第一种复合方式中，如图4所示，可以在复合部1042上开设第一连接孔1042a，第一极柱100的顶端具备连接段1000。装配时，第一密封件102以及第一下绝缘件108位于第一极柱100与顶盖片14的下表面之间，第一上绝缘件106则位于第一连接块104与顶盖片14的上表面之间。第一极柱100的连接段1000由下方依次穿过第一密封件102、顶盖片14以及第一上绝缘件106，并伸入第一连接孔1042a内，之后通过激光、超声波焊接等方式将复合部1042与连接段1000焊接，保证第一极柱100与第一连接块104之间形成稳定的电传输面并且提高连接强度。
在第二种复合方式中，如图5所示，除了复合部1042上开设的第一连接孔1042a之外，在主体1040上还具有第二连接孔1040a，第二连接孔1040a与第一连接孔1042a相对。装配时，第一密封件102、第一上绝缘件106以及第一下绝缘件108的连接方式保持不变，第一极柱100的连接段1000由下方依次穿过第一密封件102、顶盖片14、第一上绝缘件106以及第二连接孔1040a，并与第一连接孔1042a焊接。
在第二种复合方式中，如果复合部1042过薄，则可能降低连接段1000与复合部1042之间的焊接强度，而如果复合部1042过宽，则又可能导致主体1040的局部(尤其是第二连接孔1040a的附近区域)强度，从而使第一连接块104与汇流排的连接造成隐患。因此，复合部1042的厚度与主体1040的厚度最好处于一个合适的范围内，即(1/10～2/3)，从而保证整体的综合性能。
在采用上述两种复合方式时，如果遇到剧烈的振动或冲击，则仅依靠复合部1042与连接段1000之间的焊接的方式可能很难继续保持第一极柱100与第一连接块104的固定连接关系，因此，为了提高第一极柱100与第一连接块104之间的连接强度，本实施例中还可以将连接段1000与第一连接孔1042a或者第二连接孔1040a之间进行铆接。其中，与第一连接孔1042a铆接的方式一般仅使用在第一种复合方式中，第二种复合方式中由于复合部1042未贯通主体1040，因此自身厚度较低，同时进行焊接与铆接操作难度较大。
为了适应铆接结构，第一连接孔1042a和第二连接孔1040a通常为上大下小的结构，通过斜面、台阶面等完成铆接。本实施例中，为了提高铆接效果，优选在第一连接孔1042a或第二连接孔1040a内设置一圈台阶部1040b，第一极柱100与台阶部1040b卡紧，减小二者之间的相对活动间隙。铆接完成后，连接段1000的顶面会由第一连接孔1042a露出，之后再进行焊接操作，进一步增强第一连接块104与第一极柱100之间的牢固性，降低接触电阻波动的发生概率。
为了提高焊接效果，同时也为了便于铆接，第二连接孔1040a的顶端与第一连接孔1042a的直径最好相等，这样，连接段1000在铆接前能够伸入第一连接孔1042a内，便于之后的铆接操作。而铆接完成后，将连接段1000的周缘与第一连接孔1042的内壁焊接在一起，增强焊接强度。
由于焊接后会产生焊缝以及焊渣，这些部分会降低第一连接块104的上表面的平整性，为了避免这一问题，第一连接块104在复合后，复合部1042的上表面最好低于主体1040的上表面，从而预留出一些空间用来容纳焊缝和焊渣，而主体1040的上表面依旧保持平整。与此同时，连接段1000的顶面也最好与复合部1042的上表面齐平，一方面提高焊接效果，降低焊接难度，另一方面也更加有效地保证焊缝与焊渣不超出主体1040的上表面。
第二电极组件12方面，如图2和图3所示，第二密封件122以及第二下绝缘件128位于第二极柱120与顶盖片14的下表面之间，第二上绝缘件126则位于第二连接块124与顶盖片14的上表面之间，第二极柱120的顶端穿过第二密封件122、顶盖片14以及第二上绝缘件126，并与第二连接块124通过铆接、焊接或其它方式连接在一起，并同时将第二连接块124、第二上绝缘件126、第二密封件122以及第二下绝缘件128一起夹紧固定。
以上便是以第一电极组件10连接正极，第二电极组件12连接负极，并且汇流排以铜作为基体金属的实施例。
若汇流排以铝作为基体金属，则此时以第一电极组件10电连接负极，第二电极组件12电连接正极，也就是在动力电池的负极进行铜铝转接。具体地，只需将上述实施例中的第一极柱100以及主体1040的基体金属进行相应调换，即此时第一极柱100的基体金属为铜，而主体1040的基体金属为铝，复合部1042的基体金属仍然可以采用镍。各部分的连接结构与上述实施例相同，在此不再赘述。
本申请实施例所提供的动力电池顶盖结构、动力电池及电池模组能够有效避免因振动、冲击等外部因素引起两种材质的转换界面发生接触电阻波动。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，基于本申请所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种动力电池顶盖结构，其特征在于，包括第一电极组件、第二电极组件以及顶盖片，
所述第一电极组件包括第一极柱以及第一连接块，所述第一极柱的顶部具备连接段，
所述第一连接块包括主体以及复合部，所述主体的材质具有第一基体金属，所述第一极柱的材质具有第二基体金属，所述复合部的材质具有第三基体金属，所述第一基体金属不同于所述第二基体金属以及所述第三基体金属，所述复合部与所述主体复合，所述复合部上具有第一连接孔，所述第一连接孔为直径相等的圆柱孔；
所述第一连接块位于所述顶盖片的上方，所述连接段穿过所述顶盖片和所述第一连接块，并由所述第一连接孔露出，所述连接段与所述复合部焊接，
所述第二电极组件附接于所述顶盖片上；
所述主体上具有第二连接孔，所述连接段依次穿过所述顶盖片、所述第二连接孔和所述第一连接孔；
所述第二连接孔内具有台阶部，所述第一极柱与所述台阶部铆接卡紧；
所述第二连接孔的顶端与所述第一连接孔的直径相等，所述连接段的周缘与所述第一连接孔的内壁焊接；
所述第一电极组件还具有第一上绝缘件，所述第一上绝缘件位于所述第一连接块与所述顶盖片的上表面之间，所述第一上绝缘件设置有通孔，
所述第一极柱穿设在所述通孔内的部分的直径大于所述第二连接孔的直径。
2.如权利要求1所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述主体的上表面具有凹陷部，所述复合部嵌入所述凹陷部内。
3.如权利要求2所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述复合部的厚度与所述主体的厚度的比值为1/10～2/3。
4.如权利要求3所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述复合部的上表面低于所述主体的上表面。
5.如权利要求4所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述连接段的顶面与所述复合部的上表面齐平。
6.如权利要求1所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述复合部沿所述顶盖片的宽度方向延伸，且贯穿所述主体。
7.如权利要求1至5任一项所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，
所述复合部与所述主体的结合面的拉伸强度大于所述复合部自身的拉伸强度；
或者
所述复合部与所述主体的结合面的拉伸强度大于所述主体自身的拉伸强度。
8.如权利要求1至5任一项所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述第二基体金属不同于所述第三基体金属。
9.如权利要求8所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，
所述主体的材质为铝或铝合金，所述第一极柱的材质为铜或铜合金，所述复合部的材质为镍或镍合金；
或者
所述主体的材质为铜或铜合金，所述第一极柱材质为铝或铝合金，所述复合部的材质为镍或镍合金。
10.如权利要求1至5任一项所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述连接段与所述复合部激光焊接。
11.如权利要求1至5任一项所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述主体与所述复合部采用冷轧法、热轧法或爆炸复合法复合。
12.如权利要求1至5任一项所述的动力电池顶盖结构，其特征在于，所述主体与所述复合部采用爆炸轧制法复合。
13.一种动力电池，其特征在于，包括权利要求1至12任一项所述的动力电池顶盖结构。
14.一种电池模组，其特征在于，包括汇流排以及如权利要求13所述的动力电池，所述汇流排与所述主体焊接，且所述汇流排的材质与所述主体的材质均具有所述第一基体金属。
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