CN109075269A - 多腔室蓄电池模块 - Google Patents

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Abstract

蓄电池模块包括限定内部空间的蓄电池模块壳体。蓄电池模块壳体包括至少一个内壁，所述至少一个内壁将内部空间隔离成至少两个腔室。蓄电池模块壳体和至少一个内壁由柔性层压材料形成，并且电化学电池设置在所述至少两个腔室中的一个内。电池可包括由柔性层压材料形成的壳体，或者可选地可没有壳体。

Description

多腔室蓄电池模块
技术领域
本公开涉及一种蓄电池模块，其包括蓄电池模块壳体，该蓄电池模块壳体被隔离成单独的腔室，并且每个腔室配置成接收单个电极电池。
背景技术
蓄电池组为各种技术提供电力，范围从便携式电子设备到可再生电力系统和环境友好型车辆。例如，混合电动车辆（HEV）将蓄电池组和电动马达与内燃机结合使用以增加燃料效率。蓄电池组由多个蓄电池模块形成，其中每个蓄电池模块包括多个电化学电池。所述电池可布置成二维或三维阵列，并且以串联或并联的方式电连接。同样地，蓄电池组内的蓄电池模块以串联或并联的方式电连接。
为了处理非常宽范围的各种安装情况的空间要求，出现了不同的电池类型，并且在汽车中使用的最常见的类型是圆柱形电池、棱柱形电池和软包电池。无论电池类型如何，每个电池包括电池壳体和设置在电池壳体中的电极组件。关于电池壳体，圆柱形电池和棱柱形电池各自具有通常由金属或塑料制成的刚性壳体，其将实际蓄电池空间从环境密封。与此不同，软包电池包括由金属箔层压材料制成的柔性壳体。
尽管蓄电池组在全电动车辆和HEV中使用，但是对于改进能量密度和降低蓄电池组的质量、复杂性和成本仍有挑战。此外，将蓄电池组集成到现有的内燃机车辆设计中仍是困难的。
发明内容
在一些方面中，用于接收电化学电池的蓄电池模块包括限定内部空间的蓄电池模块壳体。蓄电池模块壳体包括至少一个内壁，所述至少一个内壁将内部空间隔离成至少两个腔室。蓄电池模块壳体和至少一个内壁由柔性层压材料形成。电化学电池设置在所述至少两个腔室中的一个内，电化学电池包括电极组件。
蓄电池模块包括以下特征中的一个或多个：蓄电池模块壳体包括第一外壁、第二外壁以及至少一个内壁，并且第一外壁、第二外壁和至少一个内壁的周边经由共同的密封结合部结合。蓄电池模块壳体包括第一外壁和第二外壁，并且至少一个内壁平行于第一外壁和第二外壁两者布置。至少两个腔室中的每个腔室至多包括单个电化学电池。电极组件包括单个正电极、单个负电极和设置在正电极和负电极之间的分隔件。正电极、负电极和分隔件中的每个具有板的形式，并且正电极、分隔件和负电极以堆叠体的方式布置，使得分隔件夹在正电极和负电极之间。电化学电池包括由柔性层压材料形成的电池壳体，并且电极组件设置在电池壳体内。电化学电池没有电池壳体，并且电极组件设置在至少两个腔室中的一个内，使得正电极和负电极中的一个面向至少一个内壁。当在俯视图中观察蓄电池模块时，蓄电池模块壳体的周边边缘限定非矩形多边形形状。当在俯视图中观察蓄电池模块时，蓄电池模块壳体的周边边缘限定不规则的曲线形状。
在一些方面中，用于接收电化学电池的蓄电池模块包括限定内部空间的蓄电池模块壳体。蓄电池模块壳体包括至少一个内壁，其将内部空间隔离成至少两个腔室。蓄电池模块壳体和至少一个内壁由柔性层压材料形成。此外，至少两个腔室中的每个腔室定形状和定尺寸以至多容纳单个电化学电池。
蓄电池模块包括以下特征中的一个或多个：蓄电池模块壳体包括第一外壁、第二外壁和至少一个内壁。第一外壁、第二外壁和至少一个内壁的周边经由共同的密封结合部结合。蓄电池模块壳体包括第一外壁和第二外壁，并且至少一个内壁平行于第一外壁和第二外壁两者布置。至少两个腔室中的每个腔室至多包括单个电化学电池。电化学电池包括电极组件，并且电极组件包括单个正电极、单个负电极和设置在正电极和负电极之间的分隔件。正电极、负电极和分隔件中的每个具有板的形式，并且正电极、分隔件和负电极以堆叠体的方式布置，使得分隔件夹在正电极和负电极之间。电化学电池包括由柔性层压材料形成的电池壳体，并且电极组件设置在电池壳体内。电化学电池没有电池壳体，并且电极组件设置在所述至少两个腔室中的一个内，使得正电极和负电极中的一个面向至少一个内壁。当在俯视图中观察蓄电池模块时，蓄电池模块壳体的周边边缘限定非矩形多边形形状。当在俯视图中观察蓄电池模块时，蓄电池模块壳体的周边边缘限定不规则的曲线形状。
在一些方面中，蓄电池模块包括蓄电池模块壳体，其配置成接收多个电化学电池。为此，蓄电池模块壳体被隔离成单独的腔室。每个腔室定形状和定尺寸以接收单个电化学电池。每个电化学电池包括电极组件，其与电解质一起被密封在软包型金属层压薄膜电池壳体内，以形成能量存储单元。电极组件是“堆叠”电极组件，其包括单个正电极板和单个负电极板。正电极板和负电极板堆叠，并且由中间分隔件板分隔。由于在电极组件中仅包括单个正电极板和负电极板，因此电极组件非常薄、重量轻并且容易制造。由于电极组件容纳在软包型电池壳体内，因此电池的尺寸和形状具有很少的限制。例如，在一些实施例中，电池具有在0.05至0.3毫米的范围内的厚度，并且具有基于所要求电池容量的长度和宽度尺寸，并且当在车辆中使用时该长度和宽度尺寸可例如在0.5至3.0米的范围内。此外，电池的相对薄度允许复杂和/或弯曲的几何形状，其继而允许电池和蓄电池组紧密地集成到车辆车身中。
因为电池具有单层电极组件，其中端子设置在其一个端部处，并且因为电池非常薄，所以当电池堆叠在模块内时，电池端子非常紧密地布置。电池端子的紧密布置消除了对于结合各个电池的大并且复杂的高电流电连接网络的需要。此外，电池端子配置还允许直接连接的蓄电池管理系统（BMS），其进一步减少蓄电池组的复杂性、体积和成本。
在一些方面中，蓄电池模块由柔性金属箔层压材料形成并且包括多个腔室。此外，设置在腔室中的电池包括电极组件，其中省去了电池壳体。例如，电极组件与电解质一起设置在模块腔室内，以在腔室内形成能量存储单元。当与其中电池（包括电池壳体和设置在电池壳体中的电级组件）设置在蓄电池模块的腔室中的其它实施例相比时，包括无电池壳体电池的软包型蓄电池模块是有利的。特别地，当无壳体电池设置在腔室中时，要求少得多的金属箔层压材料，并且还改进电池冷却。这是因为模块的壁用作模块壳体壁和电池壳体壁两者，并且仅一层金属箔层压材料将相邻电池的电极组件分隔。与此不同，当电池包括电池壳体时，有三层金属箔层压材料将相邻电池的电极组件分隔。附加的材料层不仅导致附加的成本，而且还对流出电池的热量流提供增加的障碍，并且增加整体模块的厚度和质量。
附图说明
图1是包括多个堆叠模块的蓄电池组的截面视图。
图2是图1的蓄电池组的模块的截面视图。
图3是电池的局部剖切透视图。
图4是正电极板的俯视图。
图5是负电极板的俯视图。
图6是可选实施例模块的透视图。
图7是另一可选实施例模块的透视图。
图8是另一可选实施例模块的透视图。
图9是图3的模块的截面视图，其包括可选实施例电池。
图10是另一可选实施例模块的截面视图。
具体实施方式
参考图1-2，用于提供电力的蓄电池组1包括电化学电池20。电池20是非常薄的大面积锂离子软包电池，其包括与电解质一起密封在电池壳体22内的单层电极组件40，以形成能量存储单元。电池20电互连并且以有组织的方式存储在模块壳体4内，以形成蓄电池模块2。模块壳体4被隔离成多个腔室18。每个腔室18配置成接收单个电池20。在蓄电池模块2内，电池20以串联或并联的方式电连接，并且在蓄电池组1内，蓄电池模块2以串联或并联的方式电连接。所导致的蓄电池组1是相对薄的、具有大面积并且可以任何期望的轮廓（包括复杂、弯曲的几何形状）提供，从而允许空间有效地集成到车辆车身中，如下文进一步讨论的。
蓄电池组1包括以堆叠配置布置的多个模块2。每个模块2包括由柔性金属层压箔形成的模块壳体4。例如，箔可为三层铝层压箔，其包括夹在聚酰胺层和聚丙烯层之间的铝箔层。模块壳体4的内部空间经由内壁10被隔离成分隔的单独的腔室18。内壁01也可由柔性金属层压箔或其它适合的材料形成。
在所示实施例中，模块壳体4由金属层压箔片的堆叠布置形成。金属层压箔的堆叠体的一个端部上的最外片对应于模块壳体4的第一外壁6，并且金属层压箔的堆叠体的对立端部上的最外片对应于模块壳体4的第二外壁8。设置在第一外壁6和第二外壁8中间的片对应于模块壳体4的内壁10。第一外壁6、第二外壁8和内壁10的周边边缘结合在一起。例如，在一些实施例中，焊接线形成密封结合部16，其沿着壁6、8、10的周边边缘延伸。由于外壁6、8和内壁10沿着共同的密封结合部16结合，因此内壁10平行于第一外壁6和第二外壁8两者布置。
腔室18被限定在每对相邻壁6、8、10之间，并且提供在模块壳体4中的腔室18的数量对应于内壁10的数量加一。每个腔室18被定形状和定尺寸以利用最小的额外空间接收单个电池20。因此，模块2的每个腔室18至多包括单个电池20。
参考图3-5，每个电池20包括软包型电池壳体22和设置在电池壳体22内的电极组件40。电极组件40包括单个正电极板42、单个负电极板44和分隔件板46。术语“板”在本文用于指代总体上平坦的几何形状，并且其中长度和宽度尺寸比厚度尺寸大得多（例如至少大百倍）。
正电极板42和负电极板44各自具有分层结构，以助于锂离子的插入和/或移动。例如，正电极板42可包括由第一导电材料（例如铜）形成的第一基板和设置在第一基板的一侧或两侧上的第一活性材料（例如石墨涂层）。此外，负电极板44包括由第二导电材料（例如铝）形成的第二基板和设置在第二基板的一侧或两侧上的第二活性材料（例如锂化金属氧化物涂层）。
分隔件板46是可渗透膜，其用于将正电极板42和负电极板44保持分隔，以防止电短路，同时还允许离子电荷载体通过，该离子电荷载体在电解质中提供，并且在电池20内的电流通过期间是需要的，以闭合电路。分隔件板由电绝缘材料形成，例如三层聚丙烯 - 聚乙烯 - 聚丙烯膜。
正电极板42和负电极板44以堆叠或分层配置布置，其中分隔件46设置（例如夹）在正电极板42和负电极板44之间。电极组件40的堆叠轴线48在平行于堆叠方向的方向上延伸通过电极组件40的中心。在堆叠配置中，正电极板42、负电极板44和分隔件46沿着堆叠轴线48堆叠，使得每个板42、44、46的周边边缘在平行于堆叠轴线48方向的方向上对齐。
与整体电池厚度（例如具有约0.3至1.0 mm量级的厚度）相比，正电极板和负电极板非常薄（例如具有约0.04至0.15 mm量级的厚度），并且因此在附图中示意性地并且未按比例地示出。
电池壳体22是两片柔性金属层压箔材料或折叠单片金属层压薄膜的组件。在所示实施例中，电池壳体22具有矩形形状，并且包括第一外壁24和第二外壁26，该第二外壁26沿着密封结合部28结合到第一外壁24，该密封结合部28沿着电池壳体22的周边边缘延伸。电极组件40设置在电池壳体22中，使得正电极板42和负电极板44各自面向两个外壁24、26中的一个，并且电极组件40与电解质一起利用电池壳体22被密封。
正端子30从正电极板42的周边边缘突出，并且沿着电池壳体22的一侧延伸通过密封结合部28。同样地，负端子32从负电极板44的周边边缘突出，并且沿着电池壳体22的同一侧延伸通过密封结合部28，从而与正端子30相邻但间隔开地安置。正端子30和负端子32没有活性材料，由此暴露导电基板。在所示实施例中，正端子30和负端子32是平坦的突片，其例如在冲压操作中与电极板一体形成，但不限于该配置。在其它实施例中，正端子320和负端子32与相应的电极板42、44独立形成，并且然后例如在焊接操作中与其电连接。
包括电池壳体22和电极组件40的电池20相对于一些传统的软包电池是薄的，因为电池20仅包括单个正电极板42和负电极板44。然而，电池容量可由提供大格式的电池而增加，换句话说，通过为电池提供相对大的长度和宽度尺寸以确保满足容量要求。例如，与可具有约200 mm的长度和宽度尺寸和约10 mm的厚度的一些传统软包电池相比，每个电池20可具有1000 mm或更大的长度和宽度尺寸和约0.3的厚度。
在模块2中的腔室18的数量至少为二，并且由电池尺寸和特定应用的要求确定。在图2中示出的实施例中，模块4包括三个内壁10（1）、10（2）、10（3），并且因此包括四个腔室18。单个电池20设置在每个腔室18中，使得堆叠轴线48垂直于内壁10（1）、10（2）、20（3）。如在图2中所示的模块4的元件（包括电极组件40的电极板42、44、电池壳体22和模块壳体4）示意性地并且不按比例地示出，从而允许这些元件的可视化 。
在图1-5中所示的实施例中，电池20具有矩形周边形状，并且模块壳体4和模块壳体4内的腔室18也具有矩形形状以对应于电池20的周边形状。然而，电池20和模块2不限于具有矩形周边形状，并且电池20和模块2可形成为具有弯曲或不规则的周边形状。例如，如在图6中所见，当在俯视图中观察模块壳体140时，可选模块壳体140的周边边缘141限定非矩形多边形形状。再例如，如在图7中所见，当在俯视图中观察模块壳体240时，另一可选模块壳体240的周边边缘241限定不规则的曲线形状。由于电池20和模块2可具有弯曲或不规则的周边形状，因此对应的蓄电池组1可紧密地集成到车辆车身中。
在图1-7中所示的实施例中，蓄电池模块2和电池20具有总体上平面的配置。然而，蓄电池模块2和电池20不限于具有总体上平面的配置，并且电池20和模块2可形成为具有非平面的配置。例如，如在图8中所见，另一实施例蓄电池模块32具有复杂的弯曲和非平面的几何形状。该特征进一步助于模块320（以及因此包括模块320的蓄电池组1）紧密地集成到车辆车身中的能力。
参考图9，可选实施例电池120设置在模块2的腔室18中。电池120相对于上文描述的电池20被简化。特别地，设置在蓄电池模块140中的每个电池120没有电池壳体，并且电极组件40与电解质一起被密封在对应的腔室18内，以在腔室18内形成能量存储单元。此外，电池120设置在腔室18中，使得正电极板42和负电极板44中的至少一个面向模块2的内壁10。
在所示实施例中，模块壳体4由金属层压箔片的堆叠布置形成，并且堆叠片的周边边缘沿着共同的密封结合部16结合在一起。然而，应理解的是，模块壳体4（包括腔室18）可使用其它方法制造。例如，金属箔层压材料片可折叠成多腔室配置，并且然后使用热和/或其它技术密封。
在图1中所示的实施例中，蓄电池组1包括多个模块2，模块2以串联、并联或其组合的方式电连接。蓄电池组可包括少至一个的模块2，但是在蓄电池组1中包括多个模块2是有利的，因为如果需要则可服务或更换单独的模块2，而不必更换蓄电池组1内的所有模块2。
在所示实施例中，模块2包括四个腔室18。模块2不限于具有四个腔室18，并且可包括更多或更少数量的腔室18。腔室18的数量将取决于应用的整体要求和在应用中使用的电池20的尺寸。例如，为了适应模块的最大输出为60V的安全要求，腔室的数量可在8到12的范围内，取决于要设置在腔室18中的电池20的尺寸。
参考图10，另一可选模块320具有模块壳体340，其包括单个腔室18，其中多个电池20设置在单个腔室内。在该实施例中，软包电池壳体壁24、25代替模块壳体340的内壁10。
尽管电池20在本文被描述为锂离子电池，但是电池20不限于具有锂离子化学成分。例如，电池20可具有其它化学成分，包括铝离子、碱性、镍镉、镍金属氢化物或其它合适的化学成分。
尽管模块壳体4和电池壳体22由三层铝层压箔形成，但是用于形成模块壳体4和电池壳体22的材料不限于三层铝层压箔。例如，在一些实施例中，可使用更多或更少数量的层，以形成铝层压箔。在其它实施例中，金属层由不同的金属形成，例如但不限于钢。在另外其它实施例中，使用合适的非层压材料。
上文以一些细节描述了蓄电池系统（包括电池）的选择性说明性实施例。应理解的是，本文仅描述了被认为是阐明这些装置所必需的结构。其它传统结构以及蓄电池系统的附属和辅助部件的结构被假定为本领域技术人员已知和理解的。此外，虽然上文描述了蓄电池系统和蓄电池电池的工作示例，但是蓄电池系统和/或蓄电池电池不限于上文描述的工作示例，而各种设计修改可在不脱离在权利要求中阐述的装置的情况下实施。

Claims (20)

1. 一种用于接收电化学电池的蓄电池模块，所述蓄电池模块包括：
限定内部空间的蓄电池模块壳体，所述蓄电池模块壳体包括至少一个内壁，所述至少一个内壁将所述内部空间隔离成至少两个腔室，所述蓄电池模块壳体和所述至少一个内壁由柔性层压材料形成，和
设置在所述至少两个腔室中的一个内的电化学电池，所述电化学电池包括电极组件。
2.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述蓄电池模块壳体包括第一外壁、第二外壁和所述至少一个内壁，并且
所述第一外壁、所述第二外壁和所述至少一个内壁的周边经由共同的密封结合部结合。
3.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述蓄电池模块壳体包括第一外壁和第二外壁，并且所述至少一个内壁平行于所述第一外壁和所述第二外壁两者布置。
4.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述至少两个腔室中的每个腔室至多包括单个电化学电池。
5.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述电极组件包括单个正电极、单个负电极和设置在所述正电极和所述负电极之间的分隔件。
6.根据权利要求5所述的蓄电池模块，其中，所述正电极、所述负电极和所述分隔件中的每个具有板的形式，并且所述正电极、所述分隔件和所述负电极以堆叠体的方式布置，使得所述分隔件夹在所述正电极和所述负电极之间。
7.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述电化学电池包括由柔性层压材料形成的电池壳体，并且所述电极组件设置在所述电池壳体内。
8.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述电化学电池没有电池壳体，并且所述电极组件设置在所述至少两个腔室中的所述一个内，使得所述正电极和所述负电极中的一个面向所述至少一个内壁。
9.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，当在俯视图中观察所述蓄电池模块时，所述蓄电池模块壳体的周边边缘限定非矩形多边形形状。
10.根据权利要求1所述的蓄电池模块，其中，当在俯视图中观察所述蓄电池模块时，所述蓄电池模块壳体的周边边缘限定不规则的曲线形状。
11. 一种用于接收电化学电池的蓄电池模块，所述蓄电池模块包括：
限定内部空间的蓄电池模块壳体，所述蓄电池模块壳体包括至少一个内壁，所述至少一个内壁将所述内部空间隔离成至少两个腔室，所述蓄电池模块壳体和所述至少一个内壁由柔性层压材料形成，并且
所述至少两个腔室中的每个腔室定形状和定尺寸以至多容纳单个电化学电池。
12.根据权利要求11所述的蓄电池模块，其中，所述蓄电池模块壳体包括第一外壁、第二外壁和所述至少一个内壁，并且
所述第一外壁、所述第二外壁和所述至少一个内壁的周边经由共同的密封结合部结合。
13.根据权利要求11所述的蓄电池模块，其中，所述蓄电池模块壳体包括第一外壁和第二外壁，并且所述至少一个内壁平行于所述第一外壁和所述第二外壁两者布置。
14.根据权利要求11所述的蓄电池模块，其中，所述至少两个腔室中的每个腔室至多包括单个电化学电池。
15.根据权利要求14所述的蓄电池模块，其中，所述电化学电池包括电极组件，并且所述电极组件包括单个正电极、单个负电极和设置在所述正电极和所述负电极之间的分隔件。
16.根据权利要求15所述的蓄电池模块，其中，所述正电极、所述负电极和所述分隔件中的每个具有板的形式，并且所述正电极、所述分隔件和所述负电极以堆叠体的方式布置，使得所述分隔件夹在所述正电极和所述负电极之间。
17.根据权利要求15所述的蓄电池模块，其中，所述电化学电池包括由柔性层压材料形成的电池壳体，并且所述电极组件设置在所述电池壳体内。
18.根据权利要求15所述的蓄电池模块，其中，所述电化学电池没有电池壳体，并且所述电极组件设置在所述至少两个腔室中的所述一个内，使得所述正电极和所述负电极中的一个面向所述至少一个内壁。
19.根据权利要求11所述的蓄电池模块，其中，当在俯视图中观察所述蓄电池模块时，所述蓄电池模块壳体的周边边缘限定非矩形多边形形状。
20.根据权利要求11所述的蓄电池模块，其中，当在俯视图中观察所述蓄电池模块时，所述蓄电池模块壳体的周边边缘限定不规则的曲线形状。
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