CN109075370A - 用于车辆储能系统的电池单元和电池组 - Google Patents

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Abstract

提供了电池组。每一个电池组可以包括：以并联方式相互电耦合的第一多个串组，所述第一多个串组中的每一个包括第一多个电池模块，所述第一多个电池模块包括多个高功率电池单元；以及以并联方式相互电耦合且电耦合到所述第一多个串组的第二多个串组，所述第二多个串组中的每一个包括第二多个电池模块，所述第二多个电池模块中包括多个高能量电池单元。每一个电池组可以包括：多个串组，所述第一多个串组中的每一个包括多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个包括多个电池单元，所述多个电池单元中的每一个包括将所述多个电池单元中的相应电池单元与相应的电池模块电隔离的熔断器。

Description

用于车辆储能系统的电池单元和电池组
技术领域
本申请主要涉及储能系统，且尤其涉及的是用于车辆储能系统的电过应力保护。
背景技术
本节中描述的任何方法不应该被假定为仅仅因为它们被包含在本节中而认为其可以算作是现有技术。
电动车辆提供了一种用于减小化石燃料引擎对环境的影响以及将汽车移动性转换成可持续的运输模式的解决方案。对于电动车(例如混合动力电动车、插电式混合动力电动车以及全电动车)来说，储能系统是必不可少的。然而，当前的储能系统存在缺陷，这其中包括尺寸很大、效率低下以及安全性差等等。与很多复杂的电气系统相似，汽车储能系统中的热量应被谨慎管理。当前的热量管理方案耗费了过多的空间。当前的储能系统还要忍受因为电池单元与不同电气连接中的电阻之间的不平衡性而在不同方面导致的效率低下。此外，当前的储能系统在免遭外力(例如在碰撞时遭遇到的冲击力)方面并未得到足够的保护。
发明内容
本发明内容部分是为了以简化形式介绍以下在具体实施方式部分中进一步描述的一系列概念而被提供的。本发明内容部分既不旨在标识请求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定请求保护的主题的范围。
根据不同的实施例，本公开可以涉及电池组，包括：以并联的方式相互电耦合的第一多个串组，所述第一多个串组中的每一个实质上都提供了第一输出电压并且包括：以串联的方式相互电耦合的第一多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个实质上都提供了第二输出电压并且包括：多个高功率电池单元，其中所述多个高功率电池单元中的每一个实质上都提供了第三输出电压，并且具有与多个高能电池单元相比相对更高的功率规格；以及以并联的方式相互电耦合且电耦合到所述第一多个串组的第二多个串组，所述第二多个串组中的每一个实质上都提供了所述第一输出电压并且包括：以串联的方式相互电耦合的第二多个电池模块，所述第二多个电池模块中的每一个实质上都提供了所述第二输出电压并且包括：多个高能电池单元，所述多个高能电池单元中的每一个实质上都提供了所述第三输出电压，并且具有与所述多个高功率电池单元相比相对更高的能量规格。
根据不同的实施例，本公开可以涉及电池组，包括：以并联的方式相互电耦合的多个串组，第一多个串组中的每一个包括：以串联的方式相互电耦合的多个电池模块，第一多个电池模块中的每一个包括：多个电池单元，所述多个电池单元中的每一个包括：将所述多个电池单元中的相应电池单元与相应的电池模块电绝缘的熔断器。
附图说明
在附图中以举例而不是限制的方式示出了实施例，其中相同的参考标记指示的是相似的要素。应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，并且那些对于理解技术而言并无必要或是导致其他细节难以理解的细节是可以被省略的。
图1示出了在其中可以使用储能系统的示例环境。
图2A显示了根据本公开的不同实施例的储能系统中的电池模块的方位。
图2B描述了如图2A所示的局部电池组外壳的底部部分。
图3是示出了根据示例实施例的冷却剂流动的简化图示。
图4是根据本公开的不同实施例的电池模块的简化图示。
图5示出了根据不同实施例的半模块。
图6A和6B显示了根据不同实施例的电流载体。
图7描述了示例电池单元。
图8和9示出了关于电池模块的进一步的实施例。
图10A和10B显示了根据一些实施例的电池模块耦合。
图11描述了根据不同实施例的电池模块的分解图。
图12A-C描述了根据一些实施例的爆破板(blast plate)的不同透视图。
图13示出了根据不同实施例的半壳。
图14描述了根据一些实施例的电池模块的剖面图。
图15显示了根据一些实施例的电池模块组装过程的简化流程图。
图16示出了根据不同实施例的电池组的简化视图。
图17描述了根据一些实施例的电池单元的示例特性。
图18显示了根据一些实施例的示例电池组配置。
图19示出了根据不同实施例的电池单元的剖视图。
图20描述了根据一些实施例的电池单元的剖视图。
图21是显示了根据不同实施例的图20中的压力盘的简化图示。
图22示出了根据一些实施例的示例熔断器材料和特性的表格。
具体实施方式
虽然本技术易于采用诸多不同形式的实施例，但是在附图中显示并且在这里将会详细描述若干个具体实施例，应该理解，本公开应被看作是关于技术原理的例证，且目的并不是将本技术局限于所示出的实施例。这里使用的术语只用于描述特定的实施例的目的，而不是旨在对本技术进行限制。除非上下文以其他方式清楚指示，否则这里使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在还包含复数形式。应该进一步了解的是，本说明书中使用的术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”指定的是存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、要素和/或组件，而不是排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、要素、组件和/或其群组的存在或补充。应该理解的是，在附图中可以始终用相同的参考字符来标识在这里引用的相同或相似的要素和/或组件。应该进一步理解的是，这几个附图仅仅是关于本技术的示意性表示。如此一来，为使图像清晰，一些组件相对于其实际比例有可能会失真。
本发明的一些实施例可被部署在用于运输的轮式自供电机动车辆中，例如混合动力电动车、插电式混合动力电动车和全电动车。举例来说，图1示出了一辆电动车100。电动车100是由一个或多个电动机110推进的汽车。电动机110可以通过传动系统(在图1中没有示出)耦合到一个或多个车轮120。电动车100可以包括框架130(也被称为车身底座或底盘)。框架130是电动车100的支撑结构，举例而言，其上可以附着/安装其他组件，例如电池组140a。电池组140a可以为一个或多个电动机110供电，例如通过逆变器供电。根据一些实施例，逆变器可以根据电动机110的需要而将来自电池组140a的直流电(DC)变成交流电(AC)。
如图1所示，电池组140可以具有紧凑的“占地面积(footprint)”，且至少部分被框架130包围，并且被部署成提供预先定义的分离度(例如与耦合到框架130的上部主体的结构轨道150相分离)。相应地，在电池组140a的周围可以形成后部撞击缓冲区160，前部撞击缓冲区170以及横向撞击缓冲区180中的至少一个。框架130和结构轨道150两者都可以保护电池组140a免受从电动车100外部施加的力或冲击的影响(例如在碰撞中)。相比之下，延伸并经过结构轨道150、后部撞击缓冲区160以及前部撞击缓冲区170的至少一个的其他电池组仍旧易受损坏，甚至有可能会在碰撞时爆炸。
电池组140a可以具有紧凑的“占地面积”，以使其可以在具有不同体积的框架130中被灵活地使用和部署。电池组140a还可以被布置在框架130中，以便帮助提升方向稳定性(例如横摆加速度)。举例来说，电池组140a可被布置在框架130中，以使电动车100的重心处于轴距(例如由多个车轮120限制)中心的前方。
图2A显示了根据不同实施例的叠加了假想的x轴、y轴和z轴的电池组140b。电池组140b可以包括多个电池模块210。在非限制性示例中，电池组140b的宽度约为1000毫米(沿着x轴)，长度约为1798毫米(沿着y轴)，高度约为152毫米(沿着z轴)，并且可以包括36个电池模块210。。
图2B示出了了用于电池组140b的示例外壳200，出于图示目的，其遮盖物已被移除。外壳200包括托盘260以及多个电池模块210。该托盘260可包括正母线排220和负母线排230。正母线排220可以电耦合到每一个电池模块210的电源连接器的正(+)部。负母线排230可以电耦合到每一个电池模块210的电源连接器的负(-)部。正母线排220电耦合到外壳200的正端子240。负母线排230则可以电耦合到外壳200的负端子250。如在上文中参考图1所述，由于母线排220和230位于结构轨道150内部，因此其可以受到保护而免受碰撞损坏。
根据一些实施例，负母线排230和正母线排220是沿着托盘260的相对边缘布置的，由此在负母线排230与正母线排220之间提供了预定间隔。负母线排230和正母线排220之间的这种间隔可以防止或者至少可以减小因为冲击引起的变形而导致短路(例如电池组140b短路)的可能性。
如进一步参考图5更详细描述的那样，电池模块210可包括至少一个电池单元(参见图7，在图2中并未显示其细节)。所述至少一个电池单元可以包括阳极端子、阴极端子以及圆柱形主体。该电池单元可被布置在每一个电池模块210中，以使阳极端子的表面和阴极端子的表面垂直于图2A中标引的假想x轴(例如，该电池单元的圆柱形主体平行于假想的x轴)。这可被称为x轴单元方位。
在不同的实施例中，驾驶员、乘客以及货物等等有可能被安排在电池组140b上方的电动车100中(例如沿着z轴)，如果一个或多个电池模块210着火或爆炸，那么可以沿着x轴排出电池单元，由此有利地将对驾驶员、乘客以及货物等等的威胁和/或危害降至最低。
就针对电池组140b中的每一个电池模块210的有效电力和流体布线而言，图2A和图2B所示的电池组140b中的电池模块210的x轴单元方位是非常有利的。举例来说，至少一些电池模块210可以通过以串联方式进行电连接而形成串组212，并且两个或更多的串组212可以以并联的方式电连接。这样一来，根据不同的实施例，如果一个串组212发生故障，那么其他串组212将可以不受到影响。
图3示出了根据不同实施例的冷却剂流动以及冷却剂系统和冷却剂子系统的操作。如图3所示，x轴单元方位对于将冷却剂(冷却流体)并行按路线发送(routing)到电池组140b中的每一个电池模块210而言可能是非常有利的。冷却剂可以在入口310被泵送到电池组140b中，以及在出口320被从电池组140b中抽出。由此得到的电池组140b内部的压力梯度可以提供足够的冷却剂循环，以便最小化电池组140b内部的温度梯度(例如电池模块210之一的内部的温度梯度、电池模块210之间的温度梯度和/或图2A中示出的两个或更多串组212之间的温度梯度)。
在电池组140b内部，冷却剂系统能使冷却剂循环，例如循环至电池模块210(作为示例，该循环是由参考数字330指示的)。一个或多个附加的泵(在图3中没有显示)可以用于在串联连接(例如在图2A的串组212中)的多个电池模块210之间以及这些串组之间保持大致恒定的压力。在每一个电池模块210内部，冷却剂子系统可以使冷却剂循环，例如在图4中所示的两个半模块410和420之间或内部循环(作为示例，该循环是由参考数字340指示的)。在一些实施例中，冷却剂可以在与每一个电池单元的圆柱形主体垂直的方向上(例如沿着y轴或z轴)通过两个半模块410和420之间的接口350进入每一个电池模块210，并且流向每一个单元。然后，受到冷却剂系统内部的压力驱动，冷却剂可以沿着每一个电池的圆柱形主体(例如沿着x轴)流动，并且可以在模块的两个(相对)侧表面360A和360B上被收集，该两个侧表面可以垂直于x轴。这样一来，热量可以被有效管理/消散，并且电池组140b中的所有电池单元之间的热梯度会降至最低，以使温度可以保持在大致均匀的水平。
在一些实施例中，如图3所示，并行冷却可以将电池组140b中的电池单元之间的温度保持在大致均匀的水平，以使每一个电池单元的直流内阻(DCIR)都被保持在基本预定的电阻。DCIR可以随温度变化，由此，通过将电池组140b中的每一个电池单元保持在基本均匀和预定的温度，可以导致每一个电池单元都具有基本相同的DCIR。由于每个电池单元两端的电压可能会依照其相应的DCIR降低，因此，电池组140b中的每一个电池单元都会遭遇到基本相同的电压损失。这样一来，电池组140b中的每一个电池单元可被保持在基本相同的容量，并且可以将电池组140b中的电池单元之间的不平衡性降至最低。
在一些实施例中，与使用金属管来循环冷却剂的技术相比时，并行冷却可以在电池模块210内部实现更高的电池单元密度，以及在电池组140b内部实现更高的电池模块密度。在一些实施例中，冷却剂或冷却流体可以是以下的至少一种：合成油，水和乙二醇(WEG)，聚-α-烯烃(或聚-α-烯烃，也被简称为PAO)油，以及基于相变的液体电介质冷却等等。作为进一步的非限制性示例，冷却剂可以是以下的至少一项：全氟己烷(Flutec PP1)，全氟甲基环己烷(Flutec PP2)，全氟-1，3-二甲基环己烷(Flutec PP3)，全氟萘烷(FlutecPP6)，全氟甲基萘烷(Flutec PP9)，三氯氟甲烷(Freon11)，三氯三氟乙烷(Freon 113)，甲醇(甲醇283-403K)，以及乙醇(乙醇273-403K)等等。
图4示出了根据不同实施例的电池模块210。主电源连接器460可以将来自电池单元450的电力提供给电池模块210的外部。在一些实施例中，电池模块210可以包括两个半模块410和420，每一个半模块都具有外壳430。外壳430可以用一种或多种具有足够低的导热率的塑料制成。两个半模块410和420中的每一个的相应外壳430可以相互耦合，由此形成电池模块210的壳体。
图4包括关于外壳430的视图440(作为示例，其遮盖物已被移除)。对于每个半模块410、420，在这里显示了多个水平定向(安装)的电池单元450(也可以参见图5和图8)。作为非限制性示例，每一个半模块都包括104个电池单元450。作为更进一步的非限制性示例，八个电池单元450以串联的方式电连接(例如图4所示的八个电池单元450的交错列)，并且这样串联电连接的八个电池单元450总共有十三组。作为附加的非限制性示例，这十三个群组(例如以串联方式电耦合的八个电池单元450的交错列)是以并联方式电连接的。该示例配置可被称为“8S13P”(8串联，13并联)。在一些实施例中，如以下结合图5和6进一步描述的那样，这个8S13P电连接可以由电流载体510来提供。关于以串联和/或并联方式电耦合的电池单元450的其他组合及排列也是可以使用的。
图5描述了根据不同实施例的没有外壳430的半模块410、420的视图。半模块410和420不必是相同的，举例来说，在一些实施例中，它们可以是对方的镜像。半模块410和420可以包括多个电池单元450。所述多个电池单元450可被布置在电流载体510与爆破板520之间，以使每一个电池单元450的外侧不接触其他(例如相邻)电池单元450的外侧。这样一来，冷却剂可以在电池单元450之中以及之间循环，从而提供浸没的均匀分布的冷却处理。此外，为了在不需要冷却的区域中节省与冷却剂相关的重量，在未被电池单元450占用的电流载体510与爆破板520之间的空间530中可以使用精心设计的通道来形成气穴。冷却剂可以通过冷却剂入口540进入半模块410、420，其可选地被一个或多个流道引导，在多个电池单元450之中和之间循环，以及通过冷却剂出口550脱离。在一些实施例中，冷却剂入口540和冷却剂出口550中的每一个都可以是凸形或凹形(male or female)流体配件。在一些实施例中，冷却剂或冷却流体是以下的至少一种：合成油，水和乙二醇(WEG)，聚-α-烯烃(或聚-α-烯烃，也被简称为PAO)油，基于相变的液体电介质冷却等。作为更进一步的非限制性示例，冷却剂可以是以下的至少一种：全氟己烷(Flutec PP1)，全氟甲基环己烷(FlutecPP2)，全氟-1，3-二甲基环己烷(Flutec PP3)，全氟萘烷(Flutec PP6)，全氟甲基萘烷(Flutec PP9)，三氯氟甲烷(Freon 11)，三氯三氟乙烷(Freon 113)，甲醇(甲醇283-403K)，以及乙醇(乙醇273-403K)等等。与使用金属管来循环冷却剂的技术相比，在不同的实施例中，浸没式冷却处理将电池单元450(例如电池模块210内部和半模块410、420)的封装密度提高了15％。
图6A和6B描述了根据不同实施例的电流载体510、510A。电流载体510、510A通常是扁平的(或平面的)，并且包含了一个或多个层(在图6A和6B中没有显示)，例如基层、正电源平面、负电源平面以及夹在电介质隔离层(例如用聚酰亚胺制成)之间的信号平面。在一些实施例中，该信号平面可以包括信号迹线，并且可以用于向电池模块210的外部提供电池模块遥测数据(例如电池单元电压、电流、充电状态以及来自电流载体510上的可选传感器的温度)。
如图6B所示，出于说明性目的，电流载体510A可以是电流载体510的一部分的放大视图。电流载体510A可以通信地耦合到每一个电池单元450，例如在单独的(熔接)正(+)部分630和单独的负(-)部分640上，其中正(+)部分630和负(-)部分640可以(相应地)电耦合到电流载体510A的正电源平面和负电源平面，以及(相应地)电耦合到电池单元450的每一个阴极和阳极。在一些实施例中，正(+)部分630可被激光焊接到电池单元450的阴极端子，负(-)部分640可被激光焊接到电池单元450的阳极端子。在一些实施例中，该激光焊接连接会具有大约5毫欧的电阻。相比之下，使用铝键合线的超声波焊接来电耦合元件的处理会具有大约10毫欧的电阻。与超声线焊接相比，激光焊接可以很有利地具有较低的电阻以实现较高的功率效率，并且可以用较短的时间来执行，这一点有助于实现更高的性能和制造效率。
电流载体510A可以包括由电流载体510A的金属层(例如铜、铝等等)的一部分形成的熔断器650(例如在正电源平面中)。在一些实施例中，熔断器650可以在金属层(例如正电源平面)中形成(例如被激光蚀刻在其中)，以使其规格与低电阻电阻器的类型相对应，以及充当用于提供过电流保护的牺牲设备。举例来说，如果一个电池单元450热失控(例如因为内部短路)，那么该熔断器可能“烧断(blow)”，由此会中断与电池单元450的电连接，以及将电池单元450与电流载体510A电隔离。虽然提供了在正电源平面中形成熔断器的示例，但是作为补充或替换，熔断器也可以是负电源平面的一部分。
在不同的实施例中，通过在电池单元450的端部740(在图7中标识)进行刻痕(scoring)，可以提供附加的热失控控制。在过压的情况下，这种刻痕可以促进断裂以实现排气(venting)。在不同的实施例中，所有电池单元450都可以被定向成允许向两个半模块的爆破板520排气。
在一些实施例中，电流载体510可以包括印刷电路板和柔性印刷电路。例如，印刷电路板可以以不同的方式包括以下的至少一种：铜、FR-2(酚醛棉纸)、FR-3(棉纸和环氧树脂)、FR-4(玻璃布和环氧树脂)、FR-5(玻璃布和环氧树脂)、FR-6(哑光玻璃和聚酯)、G-10(玻璃布和环氧树脂)、CEM-1(棉纸和环氧树脂)、CEM-2(棉纸和环氧树脂)、CEM-3(无玻璃布和环氧树脂)、CEM-4(玻璃布和环氧树脂)以及CEM-5(玻璃布和聚酯)。作为更进一步的非限制性示例，该柔性印刷电路可以包括以下的至少一种：铜箔和柔性聚合物膜，例如聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醚酰亚胺(PEI)以及各种含氟聚合物(FEP)和共聚物。
除了将电池单元450相互电耦合(例如以串联和/或并联方式)之外，电流载体510还可以提供与电池模块210外部的电连接(例如通过主电源连接器460(图4))。电流载体510还可以包括传送来自信号平面的信号的电接口560(图5、图6A)。电接口560可包括电连接器(在图5、图6A中没有显示)。
图7显示了根据一些实施例的电池单元450。在一些实施例中，电池单元450可以是锂离子(li-ion)电池。例如，电池单元450可以是18650型锂离子电池，其具有近似直径为18.6mm以及近似长度为65.2mm的圆柱形形状。作为替换或补充，其他可再充电电池形状因子以及化学物质也是可以使用的。在不同的实施例中，电池单元450可以包括罐体720(例如圆柱形主体)、阳极端子770以及阴极端子780。作为示例，阳极端子770可以是电池单元450的负端子，并且阴极端子780可以是电池单元450的正端子。阳极端子770和阴极端子780彼此可以通过绝缘体或电介质而被电隔离。
图8示出了根据不同实施例的电池模块(即电池模块210b)的另一个示例。如结合图4中的电池模块210所述，电池模块210b可包括两个半模块410和420以及主电源连接器460。每一个半模块410和420都可以包括一个用于将电池单元收容在其内的外壳430。电池模块210b进一步描述了主冷却剂输入端口820、主冷却剂输出端口810以及通信和低功率连接器830。冷却剂可以在主冷却剂输入端口820上被提供给电池模块210b，在电池模块210b内部循环，以及在主冷却剂输出端口810上被接收。
与图4的电池模块210的视图形成对照，图8描述了电流载体510。电池模块210b可以包括一个或多个铆接特征(stake feature)840，以便将电流载体510保持在电池模块210b中。作为示例，该铆接特征840可以是塑料桩。在一些实施例中，通信和低功率连接器830可以至少部分电耦合到电流载体510的信号平面和/或电接口560，例如通过用于数据采集和/或控制的电子元件(在图8中没有显示)。通信和低功率连接器830可以提供低功率，例如提供给用于数据采集和/或控制的电子元件以及传感器。
图9显示了电池模块210b的另一个视图，其中出于说明性目的，从其中一个半模块中移除了电池单元和电流载体。如结合图4和图8所述，电池模块210b可以包括两个半模块410和420、主电源连接器460、主冷却剂输出端口810、主冷却剂输入端口820以及通信和低功率连接器830。每一个半模块410和420都可以包括外壳430。每一个外壳430可以进一步包括板件910(例如支架)。板件910可以包括用于将电池单元固定在外壳430内部以及保持电池单元之间的距离的结构。
图10A和10B示出了两个电池模块210b(2101和2102)之间的布置和耦合。从不同的透视图来看，图10A描述的是被分开和校准以进行耦合的电池模块2101和2102。例如，电池模块2101和2102被以图10A所示的方式放置并一起移动，直至如图10B的示例所显示的那样耦合。通常，电池模块2101和2102之一的凹形插座可以分别接纳和保持另一个电池模块2101和2102上的凸形连接器。
如图10A中的示例所示，根据一些实施例，电池模块2101和2102的左侧可以具有凸形连接器，并且电池模块2101和2102的右侧可以具有凹形连接器。作为示例，电池模块2101和2102的左侧包括凸形主电源连接器460M、凸形主冷却剂输出端口810M、凸形主冷却剂输入端口820M以及凸形通信和低功率连接器830M。作为进一步的非限制性示例，电池模块2101和2102的右侧可以包括凹形主电源连接器460F、凹形主冷却剂输出端口810F、凹形主冷却剂输入端口820F以及凹形通信和低功率连接器830F。凹形主电源连接器460F、凹形主冷却剂输出端口810F、凹形主冷却剂输入端口820F以及凹形通信和低功率连接器830F中的每一个可以包括(弹性的)O形环或其他密封件。凸形和凹形连接器的其他组合和排列也是可以使用的，例如每一侧的凸形和凹形连接器的混合以及右侧的凹形连接器和左侧的凸形连接器。
图10B描述了耦合在一起的图10A中的电池模块2101和2102的剖面图。作为示例，凸形主电源连接器460M和凹形电源连接器460F(图10A)可以组合形成耦合的主电源连接器460C，凸形主冷却剂输出端口810M和凹形主冷却剂输出端口810F可以组合形成耦合的主冷却剂输出端口810C，凸形主冷却剂输入端口820M和凹形主冷却剂输入端口820F可以组合形成耦合的主冷却剂输入端口820C(在图10B中没有显示)，以及凹形通信和低功率连接器830F和凸形通信和低功率连接器830M可以组合形成耦合的通信和低功率连接器830C。结果，电池模块的内部冷却通道或歧管可以通过模块之间的耦合相连接，由此形成在图3中示意性示出的冷却系统。
图11显示了根据一些实施例的电池模块210c的分解视图。如结合图4中的电池模块210以及图8中的电池模块210b所述，电池模块210c可以包括两个半模块410c和420c。半模块410c和420c可以如同结合图10B所描述的那样耦合在一起。
半模块410c可以是半模块420c的三维镜像，反之亦然。每一个半模块410c和420c可以分别包括半壳430P和430N、电池单元450P和450N、单元固位件910P和910N、柔性电路510P和510N以及模块遮盖物1110P和1110N。半壳430P和430N是结合图4、图8和图9中的外壳430而被描述的。电池单元450P和450N是结合图4、图5和图7中的电池单元450而被描述的。单元固位件910P和910N结合图9中的板件910而被描述的。柔性电路510P和510N是结合图9中的电流载体910而被描述的。中心分隔件520C是结合图5中的爆破板520而被描述的。
在一些实施例中，电池模块210c可以包括遥测模块1130。在上文中，遥测模块1130是结合用于数据采集和/或控制的电子元件以及传感器而被描述的(图8)。该遥测模块1130可以可通信地耦合到柔性电路510P和/或510N。作为补充或替换，遥测模块1130可以可通信地耦合到凸形通信和低功率连接器830M和/或凹形通信和低功率连接器830F。
图12A-C描绘了中心分隔件520c的各种视图。中心分隔件520c可以包括用于与主冷却剂输出端口810(图8)相关联的冷却剂流动的开口810O，和/或用于与主冷却剂输入端口820相关联的冷却剂流动的开口820O。该中心分隔器525c可以包括可被遥测模块1130的一部分占据的开口1210。中心分隔件525c可以包括以下的至少一种：聚碳酸酯、聚丙烯、丙烯酸、尼龙以及丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。在例示实施例中，中心分隔件520c可以包括一种或多种具有低导电率或高电阻(例如小于15的电介质常数或相对介电常数(permittivity，例如ε或κ)和/或大于1010欧姆·厘米的体电阻和/或低导热率(例如小于1W/m·°K))的材料。
图13示出了根据一些实施例的半壳430P。半壳430P(以及图11所示的430N)可以包括聚碳酸酯、聚丙烯、丙烯酸、尼龙以及ABS中的至少一种。在例示实施例中，半壳430P(和430N)可以包括一种或多种具有低电导率或高电阻(例如小于15的电介质常数或相对介电常数(例如ε或κ)和/或体电阻大于1010欧姆·厘米，和/或低导热率(例如小于1W/m°K))的材料。
半壳430P可以包括基座1310P。在一些实施例中，基座1310P以及半壳430P的剩余部分可以由单个模具形成。基座1310P可以包括在半壳430P中形成的用于与主冷却剂输出端口810(图8)相关联的冷却剂流动的通道1340P，和/或在半壳430P中形成的用于与主冷却剂输入端口820相关联的冷却剂流动的通道1320P。基座1310P可以包括(小)孔1330P。例如，基座1310P中的孔1330P的尺寸和/或布置可以用计算流体动力学(CFD)来优化，以使每一个孔1330P遭受相同的入口压力(例如在每平方英寸(psi)～5psi为0.05磅的范围中)，流经孔1330P的冷却剂的流动分布是均匀的，并且通过每一个孔1330P保持相同的体积流量(例如0.05L/min-5L/min的范围±0.5L/min)。作为示例，每一个孔1330P可以具有基本相同的直径(例如0.5mm至5mm的范围±1mm)。由于每一个电池450P都会经历基本相同的冷却剂体积流量，因此，基座1310P中的孔1330P的这种优化尺寸和/或布置有助于均匀电池450P的冷却。
在一些实施例中，基座1310P可能有助于将电池450P保持在半模块410c中。基座1310P可以包括电池孔1350P、并且电池450P是围绕该电池孔1350P布置的(例如，一个电池单元450的末端740(图12)是围绕一个电池孔1350P为中心放置的)。作为示例，至少一些电池450P可以例如使用紫外(UV)光固化粘合剂(也被称为光固化材料(LCM))固定附着于基座1310P。光固化粘合剂可以有利地在少至一秒的时间以内固化，并且众多的剂型可以有利地粘合相异的材料以及承受恶劣的温度。其他的粘合剂也是可以使用的，例如合成热固性粘合剂(例如环氧树脂、聚氨酯、氰基丙烯酸酯和丙烯酸类聚合物)。
半壳430P还可以包括翼片(tab)1370P和角撑板1360P。半壳430N(图11)可以是半壳430P的三维镜像。例如，半壳430N可包括具有用于与主冷却剂输出端口810(图8)相关联的冷却剂流动的通道和/或用于与主冷却剂输入端口820相关联的冷却剂流动的通道的基座、(小)孔、电池孔、翼片以及角撑板，并且这些都是其相应半壳430P中的配对物的三维镜像(例如分别对应于基座1310P，用于与主冷却剂输出端口810(图8)相关联的冷却剂流动的通道1340P，用于与主冷却剂输出输入端口820(图8)相关联的冷却剂流动的通道1320P，(小)孔1330P，电池孔1350P，翼片1370P以及角撑板1360P)。
角撑板1360P以及半壳430N上的相应角撑板可以包括孔M。在一些实施例中，拉杆的一部分(在图13中没有显示)可以位于(占据)角撑板1360P以及半壳430N上的相应角撑板，并且会穿过半模块410c和420c的每一个孔M。作为示例，每一个半模块410c和420c可以具有(分别)位于半壳430P和430N和两个拉杆的对端的两个角撑板以及两个拉杆，以使这两个拉杆中的每一个穿过电池模块210c上的两个位置，由此提供四个(辅助)固位点。在被组合成串组212(图2A)时，该拉杆还可以将两个或更多电池模块210保持在一起，以便进行固位和处理/移动。
翼片1370P以及半壳430N上的相应翼片可以包括切口部分N。翼片1370P和半壳430N上的相应翼片可用于横向支撑两个或更多耦合在一起的电池模块210c(例如与外壳200(图2B)中安装的串组212(图2A)相同)。例如，固位板(在图13中没有显示)可被置放在翼片1370P以及半壳430N的相应翼片上。紧固件(在图13中没有描述)可以将固位板固定于外壳200中的横向挤压件270(图2B)。该紧固件可以穿过切口部分N。
回过来参考图11，单元固位件910P和910N分别有助于在结构上支撑电池450P和450N。例如，单元固位件910P和910N可以将电池450P和450N(分别)保持或保留在恰当位置。在一些实施例中，作为示例，如在上文中结合图13描述的那样，至少一些电池450P和450N中可以通过使用紫外(UV)光固化粘合剂或其他粘合剂而被(分别)固定附着于单元固位件910P和910N。单元固位件910P和910N可以包括聚碳酸酯、聚丙烯、丙烯酸和尼龙以及ABS中的至少一种。在例示实施例中，单元固位件910P和910N可以包括一种或多种具有低电导率或高电阻(例如小于15的电介质常数或相对介电常数(例如ε或κ)和/或体电阻大于1010欧姆·厘米，和/或低导热率(例如小于1W/m°K))的材料。单元固位件910P和910N还分别有助于在结构上支撑柔性电路510P和510N。例如，单元固位件910P和910N可以分别保持柔性电路510P和510N。
柔性电路510P可以包括电源插头(bud)JP，并且柔性电路510N可以包括电源插座JN。电源插头JP和电源插座JN是结合主电源连接器460(图4)描述的。电源插头JP可被钎焊在柔性电路510P上，且电源插座JN可被钎焊在柔性电路510N上。电源插头JP和电源插座JN可以包含任何导体，例如铝(合金)和/或铜(合金)。电源插头JP和电源插座JN可以分别包含导电环KP和KN。导电环KP和KN可被分别置于(附着于)单元固位件915P和915N(各自)的孔LP和LN。这样一来，导电环KP和KN可以提供更大的表面积，用于分别将柔性电路510P和510N(分别)连接到单元固位件910P和910N。导电环KP和KN可以包含任何导体，例如铝(合金)和铜(合金)。在一些实施例中，导电环KP和KN可以分别包括与电源插头JP和电源插座JN相同的材料。
模块遮盖物1110P可以包括凸形主电源连接器460M、凸形主冷却剂输出端口810M、凸形主冷却剂输入端口820M(在图11中没有显示)以及凸形通信和低功率连接器830M。模块遮盖物1110N可以包括凹形主电源连接器460F、凹形主冷却剂输出端口810F、凹形主冷却剂输入端口820F以及凹形通信和低功率连接器830F。凸形主电源连接器460M、凹形主电源连接器460F、凸形主冷却剂输出端口810M、凹形主冷却剂输出端口810F、凸形主冷却剂输入端口820M、凹形主冷却剂输入端口820F、凸形通信和低功率连接器830M、凹形通信和低功率连接器830F是结合图10A中的各种组件来描述的。在不同的实施例中，半模块410c是电池模块210c的“正”端，并且半模块420c是电池模块210c的“负”端。
模块遮盖物1110P和1110N可以包括聚碳酸酯、聚丙烯、丙烯酸、尼龙以及ABS中的至少一种。在例示实施例中，模块遮盖物1110P和1110N可以包括一种或多种具有低电导率或高电阻(例如小于15的电介质常数或相对介电常数(例如ε或κ)和/或体电阻大于1010欧姆·厘米和/或低导热率(例如小于1W/m°K))的材料。
图14示出了电池模块210c的剖面图。图14描述了耦合在一起以形成电池模块210c的半模块410c和420c。中心分隔件520c可被布置在半模块410c与420c之间。半模块410c和420c可以分别包括基座1310P和1310N、电池单元450P和450N以及模块遮盖物1115P和1115N。
回过来参考图11，在工作过程中，冷却剂可以在凸形主冷却剂输入端口820M(在图11中没有描述，参见图10A)进入或流入电池模块210c。例如，泵(在图11没有显示)可以泵送冷却剂通过电池模块210c，以使冷却剂压力大约小于每平方英寸(psi)5磅(例如大约0.7psi)。冷却剂可以通过通道1320P(图13)传输到中心分隔件520c，在那里，冷却剂(流动)可以在半模块410c与420c之间分开(作为示例，由此存在用于半模块410c的第一冷却剂流(在图14中的用虚线1410P表示)以及用于半模块420c的第二冷却剂流(在图14中用虚线1410N表示))。
在基座1310P(图13)和基座1310N(在图13中没有描述)中，分开的冷却剂(分别)流经孔1330P和1330N(在图13中没有描述)，并且(分别)流向模块遮盖物1110P和1110N。在半模块410c中，流向模块遮盖物1110P的冷却剂可以进入通道1340P，流经半模块420c中的通道1340N(在图13中没有描述)，以及在凹形主冷却剂输出端口810F上脱离电池模块210c。在半模块420c中，流向模块遮盖物1110N的冷却剂会在凹形主冷却剂输出端口810F脱离电池模块210c。在不同的实施例中，通道1320P、1340P、1320N(在图13中没有描述)以及1340N被构造成致使冷却剂流动不会被“短路”(例如，冷却剂从1320P流到1340P和/或从1320N流到1340N，但是没有(分别)通过基座1310P和/或1310N(分别)到达电池单元450P和450N)。作为非限制性示例，中心分隔件520c可被构造成致使冷却剂(流)在半模块410c和420c之间被均匀划分。作为进一步的非限制性示例，基座1310P和/或基座1310N可被构造成(例如孔1330P和1330N的尺寸和位置)致使冷却剂均匀流经孔1330P和1330N。在一些实施例中，第一冷却剂流在半模块410c内部沿着第一方向流过电池单元(在图22中被表示成虚线1410P)，并且第二冷却剂流在半模块420C内部沿着第二方向流过电池单元(在图22中被表示成虚线1410N)。所述第一方向和第二方向(实质上)彼此可以是相反的。
根据一些实施例，冷却剂可以包括抑制离子转移且具有高热量或热容量(例如在90℃时至少为60J/(mol K))的任何非导体流体。举例来说，冷却剂可以是以下的至少一种：合成油，水和乙二醇(WEG)，聚-α-烯烃(或聚-α-烯烃，也被简称为PAO)油，以及基于相变的液体电介质冷却等等。作为进一步的非限制性实例，冷却剂可以是以下的至少一种：全氟己烷(Flutec PP1)，全氟甲基环己烷(Flutec PP2)，全氟-1，3-二甲基环己烷(Flutec PP3)，全氟萘烷(Flutec PP6)，全氟甲基萘烷(Flutec PP9)，三氯氟甲烷(Freon 11)，三氯三氟乙烷(Freon 113)，甲醇(甲醇283-403K)以及乙醇(乙醇273-403K)等等。
在不同的实施例中，半壳430P和430N可以包括不透明(例如吸收激光)材料，例如聚碳酸酯、聚丙烯、丙烯酸、尼龙以及ABS中的至少一种。在一些实施例中，中心分隔件520c、单元固位件910P和910N以及模块遮盖物1110P和1110N中的每一个可以包括(不同的)透明(例如激光透射)材料，例如聚碳酸酯、聚丙烯、丙烯酸、尼龙以及ABS。在例示实施例中，半壳430P和430N、中心分隔件520c、单元固位件910P和910N以及模块遮盖物1110P和1110N全都包含相同的材料，由此有利地简化了激光焊接计划。
半壳430P和430N可以用激光焊接接合到中心分隔件520c、单元固位件910P和910N以及模块遮盖物1110P和1110N，其中这两个部分会在激光束沿着接合线移动时被施加压力。该激光束可以穿过透明部分，并且会被不透明部分吸收，由此产生足够热量来软化这些部分之间的接口，从而形成永久性焊接。依照材料、厚度和期望的处理速度，可以使用波长约为808nm到980nm且功率电平从低于1W到100W的半导体二极管激光器。激光焊接提供了以下的优点：比粘合剂粘合更为清洁、不会让微型喷嘴堵塞、不会有液体或烟雾影响表面光洁度、没有耗材、具有高于其他粘合方法的生产量、提供了针对具有挑战性的几何形状的部件的便利，以及具有很高的处理控制等级。此外，其他焊接方法同样是可以使用的，例如超声波焊接。
图15描述了用于组装电池模块210c的处理1500的简化流程图。虽然包括处理1500的步骤是以特定顺序显示的，但是这些步骤也可以按照任何顺序来执行。此外，这些步骤的各种组合都可以同时执行。在例示实施例中，处理1500会在电池模块210c的每一个如下流体边界区域产生气密密封(hermetic seal)：半壳430P和430N、中心分隔件520c以及模块遮盖物1110P和1110N。
在步骤1510，如在上文中结合图13所述，电池单元450P(和450N)中的至少一些可被固定附着于基座1310P(以及半壳430N的基座1310N(在图13中没有描述))。在步骤1520，单元固位件910P和910N可以分别耦合到半壳430P和430N。例如，单元固位件910P和910N可以是分别被激光焊接、超声波焊接以及胶合(例如使用一种或多种合成热固性粘合剂)到半壳430P和430N中的至少一种。
在步骤1530，柔性电路510P和510N可被分别安装在半壳430P和430N中。例如，柔性电路510P和510N可被分别热铆接到单元固位件910P和910N和/或半壳430P和430N。在步骤1540，模块遮盖物1110P和1110N可被分别接合到半壳430P和430N。作为示例，模块遮盖物1110P和1110N可以是分别被激光焊接、超声波焊接和胶合(例如使用一种或多种合成热固性粘合剂)到半壳430P和430N中的至少一种。
在步骤1550，中心分隔件520c可以附着于半壳430P和430N。例如，中心分隔件520c可以是分别被激光焊接、超声波焊接和粘合(例如使用一种或多种合成热固性粘合剂)到半壳430P和430N中的至少一种。
图16示出了根据不同实施例的电池单元140c。如结合图1的电池组140a所述，电池组140c可被布置在电动车100中并受其保护。作为补充或替换，电池组140c可以包括图2A、图2B和图3中的电池组140b的一些或所有特征和特性。
电池组140c可以包括任何数量的串组212a(即串组212a1-212ax)。作为非限制性示例，电池组140c包括六个串组212a1-212ax(即X＝6)，由此，电池组140c包括串组212a1-212a6。每一个串组212a都可以包括结合图2A描述的串组212的一些或所有特征和特性。2A。在例示实施例中，电池组140c中的串组212a是以并联方式电耦合的。
每一个串组212a(即串组212a1-212ax)都可以包括任何数量的电池模块210d(即电池模块210d1,1-210dX,Y)。作为非限制性示例，每一个串组212a都包括六个电池模块210d(即电池模块210d1,1-210dX,Y)(即Y＝6)，由此，串组212a1包括电池模块210d1,1-210d1,6；串组212a2包括电池模块210d2,1-210d2,6；串组212a3包括电池模块210d3,1-210d3,6；串组212a4包括电池模块210d4,1-210d4,6；串组212a5包括电池模块210d5,1-210d5,6；以及串组212a6包括电池模块210d6,1-210d6,6。
在例示实施例中，每一个串组212a中的电池模块210d都以串联方式电耦合。作为进一步的非限制性示例，串组212a1中的电池模块210d1,1-210d1,6以串联方式电耦合；串组212a2中的电池模块210d2,1-210d2,6以串联方式电耦合；串组212a3中的电池模块210d3,6-210d3,6以串联方式电耦合；串组212a4中的电池模块210d4,1-210d4,6以串联方式电耦合；串组212a5中的电池模块210d5,1-210d5,6以串联方式电耦合；以及串组212a6中的电池模块210d6,1-210d6,6以串联方式电耦合。
每一个电池模块210d都可以包括结合图2A、图2B、图3、图4、图5、图6A、图6B和图7描述的电池模块210的一些或所有特征和特性；结合图8、图9、图10A和图10B描述的电池模块210b的一些或所有特征和特性；以及结合图11、图12A、图12B、图12C、图13、图14和图15描述的电池模块210c的一些或所有特征和特性。例如，每一个电池模块210d都包括电池单元(在图16没有显示)，例如参考图4、图5和图7描述的电池单元450以及参考图11和图14描述的电池单元450P和450N。
作为示例，图17显示了关于可以在电池模块210d(即电池模块210d1,1-210dx,y)中使用的电池单元(即电池单元A和电池单元B)的特性/规格的表格1700。通常，电池单元可以反映在高能量(密度)或高功率(密度)(的选择或平衡)之间进行的权衡。这种权衡是用在对端具有较高能量(密度)和较高功率(密度)的连续区间1710表示的。
在表格1700中，在额定放电能量(Wh)行1720中示出了电池单元A和B的能量。如图17所示，电池单元A朝向连续区间1710的较高能量(密度)端，并且可被称为“高能量”或“较高能量”电池单元。通常，能量指的是电池单元(或电池模块210d或串组212a或电池组140c)能够储备的能量(例如以瓦特小时(Wh)为单位来量度)。例如，对于期望电池电量的工作持续时间更长的便携式电子设备来说，较高能量的电池单元(例如电池单元A)将会是有利的。通常，非常有益的是，在充电一次的情况下，如果其他所有条件全都相同，那么与使用高功率电池单元(例如电池单元B)的电动车相比，使用高能量电池单元的电动车会行进得更远。相比之下，高能量电池单元可能具有很低的功率，由此其放电率(例如电池单元提供能量的速率)将会较慢(例如与具有高功率的电池(例如电池单元B)相比)。
在表格1700中，在最大连续放电电流(A)行1730中示出了电池单元A和B的功率。如图17所示，电池单元B朝向连续区间1710的较高功率(密度)端，并且可被称为“高功率”或“更高功率”电池单元。通常，功率指的是电池单元(或电池模块210d或串组212a或电池组140c)能够(连续地)提供的能量总量，例如以安培(A)为单位来量度的(负载)电流。举例来说，对于期望以更快的放电率来为电动机提供电力的(混合)电动车来说，较高功率的电池单元(例如电池单元B)是非常有利的。通常，非常有益的是，在其他所有条件全都相同的情况下，与使用高能量电池单元的电动车相比，使用高功率电池单元的电动车会将会更快地加速。相比之下，具有高功率的电池单元可能具有较低的能量，由此，电池单元所能储备的能量相对较低(例如与具有较高能量的电池单元(例如电池单元A)相比)。
在表格1700中，在最大连续充电电流(A)行1740中示出了电池单元A和B的最大连续充电电流。该最大连续充电电流是电池单元(或电池模块210d或串组212a或电池组140c)在充电期间可以接收的最大电流。充电处理是通过提供电流来将能量输入电池单元。充电处理可以采用不同的技术，例如恒定直流(DC)、脉冲DC、恒定电压/恒定电流(CV/CC)等充电方式。如图17所示，最大连续放电电流(A)可以与最大连续充电电流(A)相关，反之亦然。通常，非常有益的是，较高的最大连续充电电流促使电池充电时间缩短，而较低的最大连续充电电流则非预期地促使电池充电时间延长。举例来说，较长的电池充电时间会导致为电动车电池充电所需要的时间变长，并且有可能在这之后才能再次使用电动车。
如表格1700所示，电池单元A可以具有3.4Ah(11.9Wh)的额定放电能量(例如最大容量)以及6.8A(＝2C)的最大连续放电电流。AC速率是电池相对于其最大容量的放电速率的量度。在这里，电池单元A的额定值为2C，因此，最大连续放电电流(例如6.8A)是最大容量(例如3.4Ah)的两倍。相比之下，电池单元B可以具有2.0Ah(7.2Wh)的额定放电能量(例如最大容量)以及22A(＝11C)的最大连续放电电流。作为非限制性示例，电池单元A可以是Samsung(三星)的SDI 36G电池单元，和/或电池单元B可以是Samsung的SDI 20R电池单元。
在一些实施例中，电池单元A和B具有基本相同的外部尺寸(例如被制造成具有相同或兼容的外部规格)，但是具有不同的电气规格(例如能量和功率)。在不同的实施例中，电池单元A和B具有基本相同的标定电压(例如被设计和制造成具有相同或兼容的输出电压规格，比方说处于预定的输出电压范围以内)，但是具有其他不同的电气规格(例如能量和功率)。在例示实施例中，所有串组212a(即图16中的串组212a1-212ax)的输出电压基本上是相同的(例如处于预定的输出电压范围以内)。
图17中描述的两个示例电池单元(即电池单元A和B)仅用于说明性目的。其他具有代表了功率和能量权衡的不同规格的电池单元同样是可以使用的。
在一些实施例中，串组212a(即图16中的串组212a1-212ax)中的电池单元是相同种类的。例如，串组212a1到212ax中的电池单元都是高能量电池单元(例如电池单元A)或高功率电池单元(例如电池单元B)，但不会同时是这两者。通常，在电动车中使用相同种类的高能量电池单元或高功率电池单元可以提供更快的加速或是更远的行进距离，但不能同时提供这两者。
在不同的实施例中，每一个串组212a(即图16中的串组212a1-212ax)中的电池单元要么包括高能量电池单元(例如电池单元A)并被称为高能量串组，要么包括高功率电池单元(例如电池单元B)并被称为高功率串组。这样一来，每一个串组212a各自可以提供高能量电池单元或高功率电池单元的优点。
图18显示了图16中的电池组140c的特性/规格的表格1800，针对该电池组140c中的高能量串组和高功率串组的不同示例组合。完全出于说明性而不是限制目的，图18的示例具有电池组140c，该电池组140c包括六个串组212a1-212a6(即X＝6)；每一个串组212a1-212a6分别包括六个电池模块210d1,1-210d1,6、210d2,1-210d2,6、210d3,1-210d3,6、210d5,1-210d5,6以及210d6,1-210d6,6(即Y＝6)；并且每一个电池模块210d1,1-210d6,6包括208个电池单元，电池组140c中总共包括7488个电池单元。
作为非限制性示例，表格1800包含了针对不同比率的高能量串组与高功率串组的特性/规格(即6:0(100％的高能量串组)、5:1、4:2、3:3(50％的高能量串组和50％的高功串组)、2:4、1:5以及0:6(100％的高功率串组))。举例来说，行1810描述了这样一个实施例，其中图16的电池组140c的所有六个串组212a1-212a6都具有高能量单元，并且其总能量是89kWh。行1820显示了另一个示例，其中电池组140c具有五个高能量串组以及一个高功率串组(即5:1的比率)，并且其总能量为83kWh。当串组212a1-212a6的输出电压基本相同(例如350V±预定容差)时，电池组140c的配置会从6:0的比率变成5:1的比率，由此会导致总能量损失6.7％，最大连续放电电流提升37.4％(即从530A提升到728A)，最大连续充电电流增大47.5％。在一些实施例中，通过选择的高能量串组与高功率串组的特定比率，可以平衡电池组140c中的能量和功率，由此适应不同的车辆使用模型或应用，例如高性能(例如更快的加速度)和节能(例如每次充电的里程/行驶距离更大)。
其他数量的串组以及每串组的模块数量也是可以使用的。其他的高能量串组与高功率串组的比率同样是可以使用的。通常，使用一种类型的高功率电池单元和一种类型的高能量电池(与图17中连续区间1710上的两种以上的类型的电池单元相反)会产生足够的组合，以便适当地为特定的应用(例如高性能和节能)权衡高功率和高能量。此外，使用较少的电池类型(例如两个)可以有利地避免因为要对数量更多的电池的单元类型进行采购和库存等等而产生的更高成本。
在一些实施例中，高能量串组被共同布置在电池组140c的一端，并且高功率串组被共同布置在电池组140c的对端。例如，对于表格1800中的行1830所示的配置(即3:3比率)，串组212a1-212a3可以是高能量串组，串组212a4-212a6可以是高功率串组，或者串组212a1-212a3可以是高功率串组，而串组212a4-212a6可以是高能量串组。
在不同的实施例中，在电池组140c中，高能量串组是与高功率串组交错的。例如，对于表格1800中的行1830所示的配置(即3:3比率)，串组212a1、212a3和212a5可以是高能量串组，并且串组212a2、212a4和212a6可以是高功率串组，或者串组212a1、212a3和212a5可以是高功率串组，并且串组212a2、212a4和212a6可以是高能量串组。
关于高能量串组和高功率串组的其他布置也是可以使用的。作为非限制性示例，串组212a1、212a3和212a4可以是高能量串组，并且串组212a3、212a5和212a6可以是高功率串组，或者串组212a1、212a2和212a4可以是高功率串组，以及串组212a3、212a5和212a6可以是高能量串组。
图19示出了根据不同实施例的电池单元450a。电池单元450a可以参考图7描述的电池单元450的一些或所有特征和特性。例如，电池单元450a包括罐体720(例如圆柱体)以及顶盖1610，其中作为示例，该顶盖可以充当阴极端子780。罐体720和顶盖1610可以通过绝缘密封件1630彼此电隔离，所述绝缘密封件1630可以包括聚合物。在不同的实施例中，顶盖1610包含金属，例如钢、铝及其合金等等。在一些实施例中，罐体720包括金属(例如镀镍钢)，所述金属有利地是导电体，并且不会与电池单元450a的材料(例如卷芯(jelly roll)1620的成分)发生化学反应。罐体720可以包括可被用于对电池单元450a进行机械方式的处理和固定等等的凹口(indentation)1625。在不同的实施例中，电池单元450a是18650型锂离子电池，其具有圆柱形形状，直径约为18.6mm，长度约为65.2mm。作为替换或补充，其他再充电电池形状因子(例如，21700)和化学品也是可以使用的。
卷芯1620是一种电化学电池，它可以至少包括阳极板、阴极板以及位于阳极板与阴极板之间的隔板(在图19中没有显示)。该阳极板和阴极板以及隔板可以缠绕成卷，由此形成卷芯1620的至少一部分。作为非限制性示例，导电翼片1635可以与卷芯1620以及顶盖1610的阴极(板)(例如阴极端子780)(在图19中没有显示)电耦合。作为进一步的非限制性示例，另一个导电翼片(在图19中没有显示)可以与卷芯1620和罐体720的阳极(板)(在图19中没有显示)电耦合。如图7所示，在一些实施例中，罐体720的顶部端口可以是阳极端子770。
与图6B中的熔断器650相似，电池单元450a可以包含用于防止非故意的电过应力的特征。举例来说，电池单元450a可以包括电流中断设备(CID)和/或正温度系数(PTC)环1650。顶盖1610可以通过至少串接地通过导电翼片1635、CID以及PTC环1650电耦合到卷芯1620。
所述CID包括CID上部构件1640和CID下部构件1645。CID上部构件1640和CID下部构件1645中的每一个都包含导电材料，所述材料优选不与电池单元450a的材料(例如卷芯1620的成分)发生化学反应。作为示例，CID上部构件1640和CID下部构件1645每个都包含了钢、铝及其合金等等。CID下部构件1645包含了可供压力通过的一个或多个开口(在图19中没有显示)。CID上部构件1640可以被刻痕(例如开槽、划痕等等)，由此，在被暴露于处于或高于预定限度的压力时，CID上部构件1640的刻痕部分(在图16中没有显示)将会破裂。
在工作中，当罐体720内部的压力超出预定阈值时，CID会中断导电翼片1635与顶盖1610(例如阴极端子780)之间的电耦合。例如，罐体720内部的压力会穿过CID下部构件1645中的一个或多个开口到达CID上部构件1640。这种压力会破坏CID上部构件1640，其中所述CID上部构件1640构件因为刻痕在结构上受到损伤，由此将会中断卷芯1620和罐体720之间的电连接。
不幸的是，CID具有提供了不可靠的保护的缺陷。例如，在被暴露于预定压力时，CID上部构件1640有可能不会破裂或者仅仅部分破裂，由此保持卷芯1620和罐体720电耦合。在这种情况下，CID无法阻止电池单元450a的电过应力。
PTC环1650可包括半结晶聚合物(例如结晶聚乙烯)和导电颗粒(例如炭黑)的复合物。该PTC环1650的电阻会随温度增加，并且PTC环1650的电阻会急剧上升并且超过预定温度限定。在工作中，当电池单元450a内部发生短路时，PTC环1650会响应于由此提升并通过PTC环1650的电流而自发热。该PTC环1650有可能转变到高电阻状态，在该状态中，电池单元450a的电压大体在PTC环1650上，但是流经PTC环1650的电流会明显减小。
不幸的是，高电压应用会导致PTC环1650永久性地无法到达低电阻状态。在这种情况下，PTC环1650不能防止电池单元450a的电过应力。此外，当PTC环1650产生足够的热量以增高电池单元450a的温度并且引发热失控时，PTC环1650有可能导致电池单元450a发生灾难性故障。
图20示出了根据一些实施例的电池单元450b。电池单元450b可以包括参考图7所述的电池单元450的一些或所有特征和特性。电池单元450b可以附加地包含参考图19描述的电池单元450a的一些或所有特征和特性。例如，罐体720和顶盖1610彼此可以通过绝缘密封件4710电隔离，所述绝缘密封件4710可以包括聚合物。
电池单元450b可以包括防止非故意的电过应力的特征。顶盖1610可以至少串接地通过导电翼片1635、压力盘4720以及熔断器4730电耦合到卷芯1620。虽然熔断器4730会电耦合顶盖1610和压力盘4720，但是绝缘环4715可以将顶盖1610与压力盘4720相互电隔离。
压力盘4720可以包括刻痕4725(例如凹槽和划痕等等)。该压力盘4720可以包括导电材料(例如钢、铝及其合金等等)，优选地，该导电材料不会与电池单元450a的材料(例如卷芯1620的成分)发生化学反应。在图21中示出了包括刻痕4725的压力盘4720。在工作中，压力盘4720可以充当压力释放器。在被暴露于处于或高于预定限度的压力时，压力盘4720的刻痕部分将会破裂，由此释放电池单元450b内部的压力。压力盘4720的部分破裂足以释放电池单元450b内部的压力。在一些实施例中，压力盘4720的破裂未必会中断从卷芯1620到顶盖1610的电流流动。
回过来参考图20，熔断器4730是一种低电阻的电阻器，并且其充当了用于提供过电流保护的牺牲设备。在一些实施例中，熔断器4730是横截面很小的金属条或金属丝。熔断器4730可以包括锌、银、铁、锡、铜、铝及其合金等等。
在工作中，当电流流经熔断器4730时，熔断器4730的电阻会产生热量。当流经熔断器4730的电流与电池单元450b的常规操作相关联时，该熔断器4730可被设计和/或选择成致使这种电流产生的热量不会熔化(或以其他方式损坏)熔断器4730。当流经熔断器4730的电流处于或高于预定限度时，熔断器4730可被设计和/或选择成致使这种电流产生的热量熔化熔断器4730，由此中断熔断器4730提供的电耦合。举例来说，如果电池单元450b热失控(例如因为内部短路)，那么熔断器4750将会“烧断”，由此中断卷芯1620与顶盖1610(例如图7的阴极端子780)之间的电连接以及电隔离卷芯1620。与图19中描述的电池单元450a相比，图20中的电池单元450b可以提供以下益处：更高可靠性，更高的效率以及更低成本(例如通过降低制造复杂性、降低材料成本等等带来的成本降低)。作为示例，熔断器4730的熔断电流(在下文中结合图22描述)和熔断时间(例如0.1秒到30分钟)是可以精确确定的。
关于熔断器4730的设计考虑因素可以包括速率电流、熔断电流、中断能力、额定电压、速度以及环境温度。速率电流是熔断器4730可以连续导通而不会中断或“烧断”的最大电流。熔断电流是会导致熔断器4730过热和熔断的电流，该电流会中断电路。作为示例，熔断器4730的速率电流和熔断电流应该高于电池单元的最大连续工作电流。中断容量或中断额定值是能被熔断器4730安全中断的最大电流。例如，中断容量应该高于预期的短路电流，以使熔断器在电池单元450b短路时可以安全地中断电流。在一些实施例中，单个电池单元的最大短路电流是如下估计的：最大短路电流＝(最大电池单元电压-最小电池单元电压)/DC-IR@50％SOC。熔断器4730的额定电压应该大于电池单元450b的最大工作电压。熔断器的速度是熔断器4730断开或“烧断”耗费的时间。该速度取决于电流以及制造熔断器的材料。依照电池单元450b的特性和应用，该速度可以是从0.1秒到30分钟。作为示例，较快的速度针对的是那些即使短时间暴露于过载电流也会造成重大损害的应用。相比之下，较慢的速度针对的是这样的应用，其中在熔断器未被烧断的情况下，允许高于熔断器额定值的电流在短时间内流动是可被接受和/或有利的。在设计熔断器4730时，电池单元450b所处环境的(环境)温度同样会被考虑。
图22显示了根据一些实施例的示例熔断器的线材直径、材料和特性的表格1900。线材的载流能力至少取决于其横截面积。表格1900在列1910中给出使用美国线规(AWG)(该线规是关于圆形、实心、有色金属的导电线的直径的标准化线规系统)的线的尺寸(即直径)。如果增加规格数，则表示减小线材直径。在列1920和1930中分别显示了以英寸和毫米为单位的导线直径。
列1940、1950、1960和1970中的熔断器电流是关于将会产生足以在自由空气中熔化相应线材的热量的电流的估计。在列1940、1950、1960和1970中分别示出了以安培为单位的关于铜、铝、铁和锡线的估计熔断电流。用于消散和/或集中热量的电池单元450b周围的环境条件(例如隔热、液体冷却系统等等)会影响所述估计熔断电流。
流经图20中的电池单元450b的最大电流的规格可以取决于应用。根据不同的实施例，在电动车中，流经电池单元450b(例如位于电池组中，比方说图1、图2A、图2B、图3和图16中的电池组140a、140b和140c)的最大电流可取决于电池组容量、里程、加速度以及充电时间等等。出于说明性而不是限制目的，电池单元450b的最大电流为24A，并且高于24A的电流可能存在危险。在一些实施例中，用于图20中的熔断器4730的线材在最大电流规格之上会略微熔化。在这个非限制性示例中，适当的铜线是25号AWG。其他线路材料的尺寸可以从表格1900中确定(例如用于锡线的14号AWG，用于铁线的18号AWG以及用于铝线的23号AWG)。此外，线材尺寸还可以针对其他最大电流规格来确定。
本领域普通技术人员很容易理解，这里描述的不同实施例可以在附加应用中使用，例如在用于风能和太阳能发电的储能系统中使用。其他的应用也是可能的。
出于说明性和描述目的，在这里对本技术进行了描述，但是该描述并不旨在穷举性的，并且其目的不是将本发明局限于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和实质的情况下，众多的修改和变化对于本领域普通技术人员而言都是显而易见的。选择和描述的例示实施例是为了以最佳的方式解释本技术的原理及其实际应用，以及使得本领域普通技术人员能够通过不同的实施例来理解本发明，其中所述实施例可以具有与所设想的特定用途相适合的不同修改。

Claims (40)

1.一种异质电池组，包括：
以并联方式相互电耦合的第一多个串组，所述第一多个串组中的每一个实质提供第一输出电压并且包括：
以串联方式相互电耦合的第一多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个实质提供第二输出电压并且包括：
多个高功率电池单元，所述多个高功率电池单元中的每一个实质提供第三输出电压，并且具有与多个高能量电池单元相比相对更高的功率规格；以及
以并联方式相互电耦合且电耦合到所述第一多个串组的第二多个串组，所述第二多个串组中的每一个实质提供所述第一输出电压并且包括：
以串联方式相互电耦合的第二多个电池模块，所述第二多个电池模块中的每一个实质提供所述第二输出电压并且包括：
所述多个高能量电池单元，所述多个高能量电池单元中的每一个实质提供所述第三输出电压，并且具有与所述多个高功率电池单元相比相对更高的能量规格。
2.如权利要求1所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量与所述第二多个串组中的串组的第二数量的比率致使所述异质电池组具有比另一个只包含高功率电池单元的同质电池组更高的能量。
3.如权利要求1所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量等于所述第二多个串组中的串组的第二数量。
4.如权利要求1所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量与所述第二多个串组中的串组的第二数量的比率致使所述异质电池组具有比另一个只包含高能量电池单元的同质电池组更高的功率。
5.如权利要求1所述的异质电池组，其中所述多个高功率电池单元和所述多个高能量电池单元包括相应的可再充电锂离子电池单元。
6.如权利要求5所述的异质电池组，其中所述多个高功率电池单元中的每一个和所述多个高能量电池单元中的每一个的外部尺寸对应于18650型电池单元。
7.如权利要求1所述的异质电池组，其中所述第一和第二多个电池模块中的每一个分别包括至少两百个高功率电池单元和高能量电池单元。
8.如权利要求7所述的异质电池组，其中所述第一和第二多个串组中的每一个分别包括至少三个第一电池模块和至少三个第二电池模块。
9.如权利要求8所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量和所述第二多个串组中的串组的第二数量各自是至少三个。
10.如权利要求1所述的异质电池组，进一步包括液体冷却系统，所述液体冷却系统热耦合到所述多个高功率电池单元中的每一个高功率电池单元以及所述多个高能量电池单元中的每一个高能量电池单元。
11.一种异质电池组，包括：
以并联方式相互电耦合的第一多个串组，所述第一多个串组中的每一个实质提供第一输出电压并且包括：
以串联方式相互电耦合的第一多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个实质提供第二输出电压并且包括：
两个第一半模块，所述两个第一半模块中的每一个相互电耦合并且包括：
多个高功率电池单元，所述多个高功率电池单元中的每一个实质提供第三输出电压，并且具有比多个高能量电池单元更高的功率规格；以及
以并联方式相互电耦合并且电耦合到所述第一多个串组的第多个二串组，所述第二多个串组中的每一个实质提供所述第一输出电压并且包括：
以串联方式相互电耦合的第二多个电池模块，所述第二多个电池模块中的每一个实质提供所述第二输出电压并且包括：
两个第二半模块，所述两个第二半模块中的每一个相互电耦合并且包括：
所述多个高能量电池单元，所述多个高能量电池单元中的每一个实质提供所述第三输出电压，并且具有比所述多个高功率电池单元更高的能量规格。
12.如权利要求11所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量与所述第二多个串组中的串组的第二数量的比率致使所述异质电池组具有比另一个只包含高功率电池单元的同质电池组更高的能量。
13.如权利要求11所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量等于所述第二多个串组中的串组的第二数量。
14.如权利要求11所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量与所述第二多个串组中的串组的第二数量的比率致使所述异质电池组具有比另一个只包含高能量电池单元的同质电池组更高的功率。
15.如权利要求11所述的异质电池组，其中所述多个高功率电池单元和所述多个高能量电池单元包括相应的可再充电锂离子电池单元。
16.如权利要求15所述的异质电池组，其中所述多个高功率电池单元中的每一个和所述多个高能量电池单元中的每一个的外部尺寸对应于18650型电池单元。
17.如权利要求11所述的异质电池组，其中所述第一和第二多个电池模块中的每一个分别包括至少两百个高功率电池单元和高能量电池单元。
18.如权利要求17所述的异质电池组，其中所述第一和第二多个串组中的每一个分别包括至少三个第一电池模块和至少三个第二电池模块。
19.如权利要求18所述的异质电池组，其中所述第一多个串组中的串组的第一数量和所述第二多个串组中的串组的第二数量各自是至少三个。
20.一种异质电池组，包括：
以并联方式相互电耦合的第一多个串组，所述第一多个串组中的每一个实质提供第一输出电压并且包括：
以串联方式相互电耦合的第一多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个实质提供第二输出电压并且包括：
多个高功率电池单元，所述多个高功率电池单元中的每一个实质提供第三输出电压，并且具有比多个高能量电池单元更高的功率规格；
以并联方式相互电耦合并且电耦合到所述第一多个串组的第多个二串组，所述第二多个串组中的每一个实质提供所述第一输出电压并且包括：
以串联方式相互电耦合的第二多个电池模块，所述第二多个电池模块中的每一个实质提供所述第二输出电压并且包括：
所述多个高能量电池单元，所述多个高能量电池单元中的每一个实质提供所述第三输出电压，并且具有比所述多个高功率电池单元更高的能量规格；以及
液体冷却系统，所述液体冷却系统热耦合到所述多个高功率电池单元中的每一个高功率电池单元以及所述多个高能量电池单元中的每一个高能量电池单元，
其中：
所述多个高功率电池单元和所述多个高功率电池单元高能量电池单元包括相应的可充电锂离子电池单元，
所述多个高功率电池单元中的每一个和所述多个高能量电池单元中的每一个的外部尺寸对应于18650型电池单元，
所述第一和第二多个电池模块中的每一个分别包括至少两百个高功率电池单元和高能量电池单元，
所述第一和第二多个串组中的每一个分别包括至少三个第一电池模块和至少三个第二电池模块，以及
所述第一多个串组中的串组的第一数量和所述第二多个串组中的串组的第二数量各自是至少三个。
21.一种电池组，包括：
以并联方式相互电耦合的多个串组，所述第一多个串组中的每一个包括：
以串联方式相互电耦合的多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个包括：
多个电池单元，所述多个电池单元中的每一个包括：
熔断器，所述熔断器将所述多个电池单元中的相应电池单元与相应的电池模块电隔离。
22.如权利要求21所述的电池组，其中所述熔断器包括锌、银、铜、铝、铁、锡或其合金中的至少一种。
23.如权利要求21所述的电池组，其中所述熔断器具有最大电流规格，所述最大电流规格高于所述相应电池单元的最大电流规格。
24.如权利要求21所述的电池组，其中所述熔断器具有速度规格，所述速度规格是所述熔断器中断的时间，并且处于0.1秒到30分钟的范围以内。
25.如权利要求21所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个进一步包括压力盘，在被暴露于超过预定阈值的压力时，所述压力盘至少部分破裂。
26.如权利要求25所述的电池组，其中所述压力盘包括钢、铝或其合金中的至少一种。
27.如权利要求26所述的电池组，其中所述压力盘包括刻痕区域，所述刻痕区域具有以所述压力盘为中心的大致环形的形状，并且在被暴露于超过所述预定阈值的所述压力时会破裂。
28.如权利要求21所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个是可再充电锂离子电池。
29.如权利要求28所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个还包括卷芯，所述卷芯是电化学电池单元。
30.如权利要求21所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个是18650型电池。
31.一种电池组，包括：
以并联方式相互电耦合的多个串组，所述多个串组中的每一个包括：
以串联方式相互电耦合的多个电池模块，包括：
两个半模块，所述两个半模块中的每一个相互电耦合，并且包括：
多个电池单元，所述多个电池单元中的每一个包括：
熔断器，所述熔断器将所述多个电池单元中的相应电池单元与相应的电池模块电隔离。
32.如权利要求31所述的电池组，其中所述熔断器包括锌、银、铜、铝、铁、锡或其合金中的至少一种。
33.如权利要求31所述的电池组，其中所述熔断器具有最大电流规格，所述最大电流规格高于所述相应电池单元的最大电流规格。
34.如权利要求31所述的电池组，其中所述熔断器具有速度规格，所述速度规格是所述所述熔断器中断的时间，并且处于0.1秒到30分钟的范围以内。
35.如权利要求31所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个进一步包括压力盘，在被暴露于超过预定阈值的压力时，所述压力盘至少部分破裂。
36.如权利要求35所述的电池组，其中所述压力盘包括钢、铝或其合金中的至少一种。
37.如权利要求36所述的电池组，其中所述压力盘包括刻痕区域，所述刻痕区域具有以所述压力盘为中心的大致环形的形状，并且在被暴露于超过所述预定阈值的所述压力时会破裂。
38.如权利要求31所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个是可再充电锂离子电池。
39.如权利要求38所述的电池组，其中所述多个电池单元中的每一个还包括卷芯，所述卷芯是电化学电池单元。
40.一种电池组，包括：
以并联方式相互电耦合多个串组，所述第一多个串组中的每一个包括：
以串联方式相互电耦合的多个电池模块，所述第一多个电池模块中的每一个包括：
多个电池单元，所述多个电池单元中的每一个包括：
熔断器，所述熔断器将所述多个电池单元中的相应电池单元与相应的电池模块电隔离，
其中：
所述熔断器包括锌、银、铜、铝、铁、锡或是合金中的至少一种，
所述熔断器具有最大电流规格，所述最大电流规格高于所述相应电池单元的最大电流规格，
所述熔断器具有速度规格，所述速度规格是所述熔断器中断的时间，并且处于0.1秒到30分钟的范围以内，
所述多个电池单元中的每一个进一步包括压力盘，在被暴露于超过预定阈值的压力时，所述压力盘至少部分破裂，
所述压力盘包括钢、铝或是合金中的至少一种，
所述压力盘包括刻痕区域，所述刻痕区域具有以所述压力盘为中心的大致环形的形状，并且在被暴露于超过所述预定阈值的压力时会破裂，
所述多个电池单元中的每一个是可再充电锂离子电池，以及
所述多个电池单元中的每一个还包括卷芯，所述卷芯是电化学电池单元。
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