CN109449358B - 用于电池组的汇流条 - Google Patents

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Abstract

一种电池组在一端具有汇流条，而电池组的另一端被释放用于冷却或其他布置。多个电池芯具有在电池芯的第一端处的电池芯的第一端子。电池芯的部分第二端子处于电池芯的第一端。电池芯的第一端处于共面布置。多个汇流条邻近电池芯的第一端装配。汇流条在电池芯的第一端耦合到电池芯的第一端子和第二端子，从而将电池芯置于串联连接、并联连接或串联与并联连接中的一种。

Description

用于电池组的汇流条
本申请是于2014年3月10日提交的名称为“用于电池组的汇流条”的中国专利申请201480028782.8(PCT/US2014/022807)的分案申请。
背景技术
汇流条(bus bar)是导电的金属带或金属条并且用于电力分配。电池芯(cell)可以使用汇流条连接以形成电池组。使用柱状电池芯的一些电池组形成到电池芯的顶部和底部的电连接。当串联连接电池芯时，汇流条和高电流互连将一个电池芯或一组并联电池芯的正极端子连结到下一个电池芯或下一组并联电池芯的负极端子。然而，到电池底部的连接妨碍来自用于去除电池芯生成的热量的冷却机构的气流或液体流动。另外，从电池底部到汇流条的高电流互连可表现为稍微长于电池长度的电线的形式，其引入少量电阻，该电阻在高电流水平下引起电压降。将这种电线装配到汇流条或电池的底部增加了电池组的成本并且可能引入可靠性问题。
正是在这样的背景下提出了一些实施例。
发明内容
电池组的一个实施例具有多个电池芯和多个汇流条。电池芯具有在电池芯第一端处的电池芯的第一端子。电池芯具有在电池芯第一端处的电池芯的部分第二端子。电池芯的第一端处于共面布置。多个汇流条邻近电池芯的第一端设置。多个汇流条在电池芯第一端处耦合到电池芯的第一端子和部分第二端子，从而将电池芯置于串联连接、并联连接或串联与并联连接中的一种。
电池组的另一个实施例具有电池芯固定框、多个汇流条和多个电池芯。多个汇流条被定位在电池芯固定框的第一端。多个电池芯被布置在电池芯固定框中。每个电池芯具有邻近多个汇流条的第一端子。每个电池芯具有邻近多个汇流条的部分第二端子。第一端子和部分第二端子在电池芯的第一端处电耦合到多个汇流条。电池芯处于并联连接、串联连接或并联与串联连接中的一种。
本发明提供一种装配电池组的方法。该方法包括布置多个电池芯以使得电池芯的第一端共面。每个电池芯具有在电池芯第一端处的第一端子和在电池芯第一端处的具有第二极性的部分第二端子。该方法包括邻近电池芯的共面的第一端布置多个汇流条。将多个汇流条耦合到电池芯的第一端子和第二端子包括在该方法中。该耦合处于电池芯的第一端，从而留下相对端可用于热去除。电池芯可以以串联连接、并联连接或串联与并联连接中的一种耦合。
根据结合附图考虑的以下详细说明，实施例的其他方面和优点将变得更显而易见，其中附图以示例方式示出所述实施例的原理。
附图说明
参考结合附图考虑的以下说明可以最优地理解所述实施例及其优点。这些附图决不限制本领域技术人员在未背离所述实施例的实质和范围的情况下所做出的形式和细节的任何变化。
图1是电池组的示意图，其中汇流条在电池芯的上方和下方。
图2A是根据一个实施例的电池组的示意图，其中汇流条邻近电池芯的正极端子。
图2B是在图2A电池组的实施例中的呈叠层形式的汇流条的横截面图。
图3是根据一个实施例的电池芯固定框的透视图。
图4是根据一个实施例的电池组的透视图，其中汇流条层在电池组的一端。
图5是图4的电池组的透视图，其中绝缘体层在汇流条层的顶部。
图6是图5的电池组的透视图，其中另一个汇流条层在绝缘体层的顶部。
图7示出根据一个实施例的具有相互交叉指状件的汇流条。
图8是根据一个实施例的键合线的透视图，所述键合线在电池芯的一端处将汇流条耦合到电池芯的端子。
图9是根据一个实施例的用于制造电池组的方法的流程图，该电池组在电池芯的单端具有汇流条。
具体实施方式
本文提供了电池组的详细示例性实施例，其中汇流条被定位成邻近电池端子的一端以留下相对端可用于散热器。然而，本文公开的具体功能细节仅出于描述所述实施例的目的。然而，实施例可以体现为许多替换形式并且不应被解释为仅限于本文阐述的实施例。
应该理解，尽管术语第一、第二等可用于在本文描述各种步骤或运算，但这些步骤或运算不应被这些术语限制。这些术语仅用于将一个步骤或运算与另一个步骤或运算中区分开。例如，在未背离本公开的范围的情况下，第一运算可以被称为第二运算，并且类似地，第二步骤可以被称为第一步骤。如本文所用，术语“和/或”与“/”符号包括一个或多个相关所列举的术语的任意和全部组合。
除非上下文另外清楚地规定，否则如本文所用的单数形式“一”、“一个”与“该”也旨在包括复数形式。应该进一步理解，当在本文中使用时，术语“包含”、“包含的”、“包括”和/或“包括的”表明存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合。因此，本文所用的术语仅是出于描述特定实施例的目的且并非旨在进行限制。
还应注意，在一些可替代的实施方式中，所提到的功能/活动可不以附图中所提到的顺序发生。例如，根据所涉及的功能性/活动，相继示出的两个附图实际上可大体上同时执行或有时候可以倒序执行。
如图1的示意图所示，一种类型的电池组使用在电池芯上方和下方的汇流条来以并联、串联或串-并联的方式连接电池芯，这限制了去除由电池组的电池芯生成的热量的能力。相比之下，在下文将进一步讨论的各种布置中，图2A和图4-7的电池组的实施例仅在电池组或电池芯固定框的一端具有汇流条。本文所述的电池组可以与锂离子电池芯或其他类型的可充电电池芯一起使用，并且可以用于电动交通工具、混合动力交通工具和其他应用。电动交通工具和混合动力交通工具包括陆基机动交通工具以及空基交通工具(诸如飞机、直升机、火箭、宇宙飞船等)以及水基交通工具(诸如船只、潜水艇等)。应该认识到，这些实施例还可以与非可充电的电池芯集成在一起。
图1示出电池组100，其中第一组电池芯102、104并联连接，第二组电池芯106、108并联连接，并且第三组电池芯110、112并联连接。第一组电池芯、第二组电池芯和第三组电池芯以串联连接耦合。汇流条114、116、118、120、122、124被用于以这种并联与串联耦合来连接电池芯。每个汇流条使用一个或多个电线耦合到各自的电池芯。相对厚的电线将第二汇流条114耦合到第三汇流条122，形成用于第一组电池芯和第二组电池芯的串联连接。另一根相对厚的电线将第四汇流条116耦合到第五汇流条124，形成用于第二组电池芯和第三组电池芯的串联连接，使得第六汇流条成为电池组100的正极端子。
图2A示出电池组200，其中由于所有汇流条均邻近电池组的另一端，所以汇流条布置使得能够从电池组的一端有效去除热量。在该实施例中，汇流条214、216、222、218邻近电池组的一端装配，使得能够使用比图1的电池组更少的汇流条。在图2A的实施例中消除了从上汇流条到下汇流条的相对厚的电线。通过经由邻近电池芯顶端的电线将汇流条耦合到正极端子和负极端子，电池组200在电池芯的一端(例如电池芯的顶端)使用对正极端子和负极端子两者的接触。应该认识到，图2A的实施例能够使用在长度上短于任何电池芯的电线。如图2A所示，第一组电池芯102、104并联连接，第二组电池芯106、108并联连接，并且第三组电池芯110、112并联连接。第一组电池芯、第二组电池芯和第三组电池芯彼此串联连接。如下所述，汇流条214、216、218、222被用于以这种并联与串联耦合来耦合电池芯。从电池组200的负极端子开始，第一汇流条214在每个电池组的顶端138处连接到第一组电池芯102、104的负极端子。第二汇流条222在每个电池芯的顶端138处连接到第一组电池芯102、104的正极端子。第一汇流条214和第二汇流条222并联耦合第一组电池芯102、104。第二汇流条222和第三汇流条216并联耦合第二组电池芯106、108。第三汇流条216和第四汇流条218并联耦合第三组电池芯110、112。由这些汇流条形成串联连接。第二汇流条222将第一组电池芯102、104的正极端子连接到第二组电池芯106、108的负极端子。第三汇流条216将第二组电池芯106、108的正极端子连接到第三组电池芯110、112的负极端子。第四汇流条218是电池组200的正极端子。汇流条的其他布置以及并联连接、串联连接或并联与串联连接是容易设想的变体。在这些变体中可以使用具有其他极性的电池芯。应该认识到，在电池芯与汇流条之间的连接可以通过电线来实现，该电线延伸穿过通过叠层限定的孔口，如以下关于图2B所述。
汇流条可以被布置在叠层250中，或者以如稍后将讨论的其他布局进行布置。在叠层250中，第一汇流条214和第三汇流条216被放置在第一层230上，并且通过间隙隔开以免短路。在一些实施例中，该间隙可以充满绝缘体，然而这是任选的。绝缘体被设置成第二层232。第二汇流条222和第四汇流条218被放置在第三层234中，并且通过间隙或绝缘体隔开以免短路。第三层234通过第二层232(即绝缘体)与第一层230隔开，使得在不同层上的汇流条不会短路。应该认识到，由于图2A为一个示例并且并非旨在是限制性的，所以可替代的叠层配置是可能的。例如，叠层可以具有多于三个层，并且每个汇流条层可以具有设置在单个共面层内的单个汇流条或两个或更多个汇流条。
电池芯102-112在电池芯的顶端处具有突出的凸块作为正极端子。电池芯102-112具有罐体或壳体作为电池的负极端子。壳体具有在电池芯底端的相对平坦的表面、柱形侧面以及在电池芯顶端的一部分负极端子。在一些类型的电池芯中，壳体在电池芯的顶端具有皱褶，该皱褶在壳体围绕电池芯的内容物进行密封时形成。在电池芯顶端的皱褶或负极端子的其他部分在顶端提供到电池芯负极端子的物理接触和电气接触。皱褶通过间隙与突出凸块的外围侧间隔开，该间隙可以或可以不充满绝缘体。
应该认识到，在电池芯的两端即顶端和底端均具有汇流条不会留下散热器可贴附到其中的区域，该区域与电池芯的顶表面或底表面进行热交流以用于有效的热去除。另外，从上汇流条到下汇流条焊接或以其他方式连接相对厚的电线涉及装配操作，该操作添加了电池组生产的成本。这种相对厚的电线长于任何一个电池芯的长度，并且可引入寄生电阻到电流路径，这反过来可能在高电流损耗条件下引入电压降。相对厚的电线还可能经受破损，并且与电池中的一个或多个接触以及伴随的短路、开路或其他可靠性问题。
在一个实施例中，叠层使用电路板的多个层形成。例如，汇流条可以由铜层或另一种合适的导电金属制成或在其上制成，并且绝缘体可以由浸树脂的纤维玻璃或其他合适的绝缘体材料制成。在变体中，汇流条可以由铝或其他金属制成，并且可以应用各种材料作为绝缘体。在一个实施例中，散热器252被装配到电池芯102、104、106、108、110、112的底端140并且被热耦合到底端140。散热器可以具有鳍片或通道以用于空气或液体冷却。在一些实施例中，风扇可以在散热器252的表面上供应气流。在变体中，散热器被附接或贴附到电池芯固定框的底部，诸如图3的电池芯固定框。电池芯的共面布置提供相对平坦的表面以附接散热器，而在其他实施例中，电池芯被设计成通过电池芯的底部有效地冷却，例如，18650锂离子电池。
图2B示出将汇流条连接到电池芯端子的一种布线方式。如图2A和图2B所示，这些电线可以短于电池芯的长度，并且因此可以比图1所示的从在上方的汇流条连接到电池芯底部的电线更短且电阻更小。在图2B中，在叠层中的每种材料均具有孔口，并且孔口的尺寸经布置使得键合线236或其他电线更不可能使汇流条中的其中一个短路。在所示的示例中，在叠层的第一层230上的汇流条具有孔口238，键合线236能够穿过孔口238。在叠层的第二层232上的绝缘体具有较小的孔口240，键合线236能够穿过孔口240。在叠层的第三层234上的汇流条具有较大的孔口242，键合线236能够穿过孔口242。绝缘体即第二层232的较小的孔口240约束键合线236的运动，使得键合线236较少可能接触较大孔口242或孔口238的边缘。换句话说，由于孔口的错列尺寸，因此键合线236较少可能接触在第三层234或第一层上的汇流条。键合线236将第一层230上的汇流条耦合到电池芯的表面134，例如，在电池芯顶部的正极凸起端子或负极端子。更靠近电池芯第一端的下汇流条的孔口大于绝缘体的孔口。在一些实施例中，孔口为圆形并且孔口240的直径小于穿过在绝缘体层上方和下方的汇流条的孔口的直径。另外，应该认识到，一个层的孔口与另一层的孔口对齐，使得穿过叠层提供通道。应进一步认识到，孔口可以为任何几何构型并且不局限于圆形形状。容易设想孔口的其他布置，例如用以容纳键合或附接到汇流条的另一表面或以另一种方式附接的电线。堆叠汇流条的实施例可以被封装在壳体内用于特定的应用，诸如混合动力交通工具或电动交通工具。
图3示出电池芯固定框300。在所示的实施例中，电池芯固定框300由塑料材料制成。电池芯固定框300的变体可以由其他材料制成，并且可以被模塑、铸造或者甚至使用3D打印机生产。电池芯308被插入壳体302内，并且盖子304通过例如一个或多个紧固件306或其他装置附接到壳体302上。电池芯固定框300以紧密包装或密集包装、交错行或六边形布置保持电池芯。其他布置是容易设想的，因为实施例并不局限于六边形布置。如图所示，电池芯固定框300仅被部分填充，并且可以容易地充满电池芯。这些可以是购买的电池芯，诸如锂离子电池芯或另一种可充电或非可充电技术的电池芯。在其他实施例中，电池芯可以是为特定电池组特别制作的专用电池芯。电池芯固定框300被显示为没有汇流条，可以如图4-6所示容易地添加汇流条。
图4示出电池组400，诸如完全填充有电池芯的图3的电池芯固定框或其变体。在壳体402的一端例如壳体402的顶端，添加汇流条层。该汇流条层具有第一汇流条404和第二汇流条406。第一汇流条404将第一组电池芯串联耦合到第二组电池芯，而第二汇流条406将第三组电池芯串联连接到第四组电池芯。间隙将第一汇流条404与第二汇流条406隔开(类似于图2A所示的布置)，使得这些汇流条不会短路。在该实施例中，第一汇流条404和第二汇流条406在壳体402的整个顶表面上方延伸。第一汇流条404和第二汇流条406具有孔口，键合线或其他电线能够穿过这些孔口以与电池芯和相应的汇流条形成电连接。
图5示出电池组400，其中在汇流条层的顶部添加了绝缘体层502。绝缘体层502覆盖图4的第一汇流条404和第二汇流条406的顶表面，并且可以具有孔口，键合线或其他电线能够穿过这些孔口以形成与电池芯的电连接。如图所示，绝缘体层502的孔口与图4的汇流条层的相应孔口对齐。图6示出电池组400，其具有在图5的绝缘层502的顶部上的汇流条层。在图6中，所添加的汇流条层包括第三汇流条602、第四汇流条604和第五汇流条606。第三汇流条602将第一组电池芯连接到另一批或另一组电池芯，例如，相邻电池组中的电池芯。第四汇流条604将第二组电池芯连接到第三组电池芯。第五汇流条606将第四组电池芯连接到另一批或另一组电池芯，例如，在第二相邻电池组中的电池芯。汇流条602-604包括穿过表面限定的孔口，这些孔口与图5的绝缘体层的孔口和图6的第一汇流条层的孔口对齐。因此，在每层的相应孔口大体对齐的情况下，为电线或引线提供如参考图2B所示的从电池芯到每个汇流条层的通道。
参考图4-6，第一组电池芯因此通过第一汇流条404和第三汇流条602并联连接。第二组电池芯通过第一汇流条404和第四汇流条604并联连接。第三组电池芯通过第四汇流条604和第二汇流条406并联连接。第四组电池芯通过第五汇流条606和第二汇流条406并联连接。可以通过汇流条的其他布置和连接形成并联和串联连接的其他群组，这在变化中是容易设想的。另外，汇流条和绝缘层的更多叠层可以被集成到本文所讨论的实施例中。
图7示出用于在电池组的单端即在每个电池芯的一端处布置汇流条的可替代技术。两个汇流条702、704处于共面布置，并且在交错汇流条布局700中具有交错的指状件706、710。即，第一汇流条702的指状件706与第二汇流条704的指状件710交错并且共面。第一汇流条的指状件706耦合到第一组电池芯720的负极端子708。第二汇流条704的指状件710耦合到第一组电池芯720的正极端子712。在该示例中，从汇流条到电池芯的正极端子和负极端子的耦合经由附接在电池芯顶端处的键合线实现。第一汇流条702和第二汇流条704并联连接第一组电池芯720。第二汇流条704的额外指状件连接到第二组电池芯722的负极端子。第三汇流条724的指状件连接到第二组电池芯722的正极端子。第二汇流条704和第三汇流条724并联连接第二组电池芯722。因此，第二汇流条704串联连接第一组电池芯720和第二组电池芯722。额外组的电池芯可以通过具有交错指状件的额外汇流条以相关布局串联连接。
图8示出在总线/汇流线到电池芯的布线布局800中将汇流条808耦合或电连接到电池芯802的负极端子806的键合线810。电池芯802具有作为正极端子的凸块(nub)804，该正极端子稍后将被连接到另一个汇流条。在一个示例中，键合线810在键合线的近端处被超声焊接到汇流条808，并且在键合线的远端处被超声焊接到电池芯的负极端子806。键合线可以是铝、铜、银或其他导电金属或其组合。可以设想在汇流条与电池端子之间的其他类型的电连接，诸如点焊接、钎焊、弹簧接触等。应该认识到，在这些实施例中，可以使用相同的机器或工具做出正电连接和负电连接，以进一步提高制造效率。
图9示出用于装配电池组的方法900的流程图。使用较少的操作、额外的操作、改变操作顺序等，容易设想方法900的变化。在操作902中，电池芯被插入电池芯固定框(holder)中或者被插入用于电池芯的一些合适的支撑结构。例如，可以使用图3所示的电池芯固定框300和电池芯。在操作904中，将电池芯以第一端共面的形式进行布置。在操作906中，将汇流条邻近电池芯的第一端进行布置。汇流条以堆叠布局被布置在电池芯一端的上方，以便从相对端进行有效的热去除。在一个实施例中，第一汇流条和第二汇流条在操作908中被放置在叠层的第一层上。在操作910中，绝缘体作为第二层被放置在叠层的第一层上方。在操作912中，第三汇流条被放置在叠层的第三层上。例如，图2A和图2B中所示的叠层可以与图2B中所示的孔口一起使用。因此，所有汇流条沿着单个平面装配，该平面沿着电池芯的顶部，以将电池芯底部的区域空出用于热管理。另外，可以从该装配件的单端做出以下讨论的正极和负极电连接，从而使高电流连接能够完成而无须重新定位。
在一个实施例中，键合线在操作916中穿过叠层的孔口。在操作918中，汇流条在电池芯的第一端处耦合到电池芯的第一端子和第二端子。例如，在操作920中，第一汇流条耦合到第一组电池芯的第二端子。在操作922中，第三汇流条耦合到第一组电池芯的第一端子。在操作924中，第三汇流条耦合到第二组电池芯的第二端子。在操作926中，第二汇流条耦合到第二组电池芯的第一端子。将第一汇流条、第二汇流条和第三汇流条耦合到第一组电池芯和第二组电池芯的操作920、922、924、926导致并联连接的第一组电池芯和并联连接的第二组电池芯，其中第一组和第二组串联连接。通过方法900的变化提供电池芯的其他布置。在一个实施例中，散热器在操作928中附接到电池芯固定框的底部。散热器可以具有通过进一步的冷却机构例如风扇或液体泵引导到散热器表面上方的气流或液体流。用于气流或液体流的管道系统和水管设施、风扇或液体泵的安装以及用于风扇或液体泵的电气布线是容易设想的。
考虑到以上实施例，应该理解，这些实施例可采用涉及储存在计算机系统中的数据的各种计算机实施的操作。这些操作是要求物理量的物理操纵的那种操作。通常，尽管不一定，这些量表现为能够被储存、传递、结合、比较和以其他方式操纵的电信号或磁信号。进一步地，所执行的操纵往往用诸如产生、识别、确定或比较等术语指代。形成实施例的一部分的本文所描述的任何一项操作均是有用的机器操作。这些实施例还涉及用于执行这些操作的设备或装置。该装置可针对所需目的进行特别构造，或者该装置可以是通过储存在计算机中的计算机程序选择性地启动或配置的通用计算机。具体地，各种通用机器可以与根据本文教导所写的计算机程序一起使用，或者可以更方便地构造更专业的装置来执行所需操作。
尽管方法操作以特定顺序进行描述，但应该理解，其他操作可以在所述操作之间执行，所述操作可以被调整以使得它们发生在稍微不同的时间，或者可以将所述操作分配在允许处理操作以与该处理关联的各种间隔发生的系统中。
出于解释的目的，已经参考特定实施例描述了前述说明书。然而，以上的说明性讨论并非旨在详述该发明或将该发明局限于所公开的精确形式。鉴于以上教导，可以做出许多修改和变化。所选和所述的实施例是为了最好地解释实施例及其实践应用的原理，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用该实施例和各种修改，以适合预期的特定用途。因此，当前的实施例应被认为是示例性的而非限制性的，并且该发明并非局限于本文给出的细节，而是可以在随附权利要求的范围和等效范围内进行修改。

Claims (7)

1.一种电池组，其包括：
多个电池芯，其具有在所述多个电池芯的第一端处的所述电池芯的第一端子和在所述多个电池芯的所述第一端处的所述电池芯的部分第二端子，其中所述多个电池芯的所述第一端与第一平面共面，并且所述多个电池芯的相对的第二端与第二平面共面，并且其中所述多个电池芯中的每个电池芯具有相同的取向；以及
多个汇流条，其邻近所述多个电池芯的所述第一端设置并且耦合到所述多个电池芯的所述第一端子和所述部分第二端子，所述多个汇流条包括：
第一汇流条，其耦合到所述多个电池芯中的第一组电池芯的第一端子；以及
第二汇流条，其耦合到所述多个电池芯中的所述第一组电池芯的第二端子并耦合到所述多个电池芯中的第二组电池芯的第一端子，其中具有第一指状件的所述第一汇流条是第一部件，并且具有第二指状件的所述第二汇流条是第二部件，所述第一部件和所述第二部件被布置成处于不同的电位，并且所述第一指状件和所述第二指状件被布置成共面交错指状件。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中在所述多个电池芯中的每个电池芯中：
正极端子是所述第一端子；以及
柱形罐是所述第二端子。
3.根据权利要求1所述的电池组，其进一步包括：
散热器，其耦合到所述多个电池芯的第二端，其中所述多个电池芯是可充电电池芯。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中所述第一汇流条和所述第二汇流条处于共面布置。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中所述多个汇流条与所述第一端子和所述部分第二端子之间的耦合是经由键合线实现的。
6.根据权利要求1所述的电池组，其进一步包括散热器，所述散热器被装配到所述多个电池芯的所述第二端并且被热耦合到所述第二端。
7.根据权利要求6所述的电池组，其中所述散热器具有鳍片或通道以用于空气或液体冷却。
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