CN109860442A - 多联单体锂电池组封装技术 - Google Patents

Abstract

一种多联单体锂电池组封装技术，由模组外壳，多联单体锂电池基本单元，多层电路板构成。多联单体锂电池基本单元由双层锂电芯壳体，圆柱锂电芯和铝塑膜构成。多联单体内壳冲压出冷却液进排液孔和呈栅格排列的圆柱锂电芯壳体，然后与多联单体外壳嵌套密封构成双层锂电芯壳体，壳体间注入冷却液，作为冷却液循环管路。冲压成型的圆柱锂电芯壳内安装锂电芯，锂电池开口采用铝塑膜封装，同时铝塑膜还充当锂电池安全阀。模组外壳为多联单体锂电池基本单元提供安装空间与绝缘隔离；多层电路板安装在模组多联单体锂电池基本单元上，对电池组进行串并联连接，电路板顶层集成BMS管理电路，底层集成温度传感器。

Description

多联单体锂电池组封装技术

技术领域：

本发明涉及动力锂电池封装与电池组串并联技术，可用于动力电池包设计。

背景技术：

锂电池单体通常采用多种封装形式，如圆柱锂电芯，铝塑膜软包电芯和方形硬壳电芯等，生产的电芯尺寸也不尽相同。采用这几种封装方式的锂电芯用于动力电池包的设计时，往往会给设计带来诸多困难，例如多单体成组串并联设计，电池组的热管理，碰撞变形安全性以及单体热失控的预防等等。而且采用这几种封装方式的单体所设计的电池包的成本，比能量密度，电池组循环寿命以及安全性还难以满足电动汽车对续航里程与安全性的要求。

发明内容：

针对现有锂电池封装技术的不足，本发明的目的是提供了一种动力锂电池组的封装方式，具有成本低，比能量密度大，性能优越和安全性好的特点，能满足纯电动汽车对电池组成本，续航里程，电池组寿命与安全性的要求。

为实现上述目的，本发明的技术特征为：多联单体锂电池组封装由绝缘模组外壳，多联单体锂电池基本单元，多层电路板构成。多联单体锂电池外壳与内壳嵌套密封成一个双层壳体，两层壳体间注入冷却液。圆柱锂电芯安装在多联单体锂电池内壳中，圆柱锂电芯开口采用铝塑膜封装并充当安全阀；模组外壳为多联单体锂电池基本单元提供安装空间与绝缘隔离；多层电路板安装在模组多联单体锂电池基本单元上，电路板内层梳状电极连接圆柱锂电芯中心正负电极构成串并联电池组，电路板顶层集成电池组BMS管理电路，底层安装温度传感器。

本发明中所述的双层金属壳体中的多联单体锂电池内壳采用冲压工艺制成，在一块整体金属板材冲压出呈蜂窝状排列的多联圆柱锂电池单体外壳和冷却液进排液孔。圆柱锂电池外壳间保留一定距离，保留的缝隙既可以提供冷却液流动通道，又可以避免因个别单体锂电池热失控时，热量通过传导传递给附近的电池单体而引发连锁反应。壳体间的缝隙还能提供一定的变形空间，避免电池受到挤压变形后发生破裂，或内部短路破坏。多联单体锂电池内壳与外壳套接封闭成一个双层壳体，双层壳体间充入无腐蚀的冷却液。冷却液可以沿管道循环流动，一方面可以控制锂电池组工作温度，另一方面又可以充当防火消防液。当个别单体发生热失控时，冷却液可吸收失控单体产生的大量热量，直至反应停止，避免因失控产生高温，进而引发其他单体的连锁反应酿成火灾事故。采用双层多联单体锂电池壳体设计，一是简化了由圆柱锂电池小单体构建大容量单体锂电池的工艺要求，降低了成本，提高了可靠性，同时又兼容了冷却系统设计，从本质上杜绝了锂电池组发生火灾事故的隐患，满足纯电动汽车对安全性的要求。

本发明中采用的圆柱锂电芯采用卷绕方式制成。与传统圆柱锂电芯不同，多联单体圆柱锂电芯采用多电极耳设计，电芯的正负电极从一端引出后经绝缘盖板分隔为中心电极与侧边电极。根据锂电芯的正负电极位置不同，电芯被分为两组类型，一组电芯的侧边电极为正极，且直接焊接在多联单体圆柱锂电池壳体上；另一组电芯的侧边电极为负极，也焊接在多联单体圆柱锂电池壳体上，两组电芯的正负电极实际上通过金属壳体进行串联，因此每一个多联单体锂电池基本单元实际上是一个2串锂电池组。串联后的电芯中心正负电极则通过铝塑膜封装后引出，然后焊接在多层电路板内层梳状电极上作为2串锂电池组的正极与负极。多联单体锂电池基本单元采用内串联的设计，一方面可以简化电极封口工艺，方便自动化操作，又可以降低串联电池组内阻。

本发明中采用的铝塑膜封装安全阀设计，是采用整张铝塑膜材料对多联单体锂电池开口和中心电极进行封装，同时充当电池安全阀。铝塑膜材料通常分为3层，由尼龙层，金属铝膜层和PP三层材料构成。尼龙层构成外层机械防护层，中间金属铝膜层能阻挡水汽侵入，底层PP材料具有热塑粘性，用来熔接密封电极。使用铝塑膜密封电芯电极时，通常需要在电极上涂覆一层极耳胶，然后通过加热使铝塑膜的PP层与极耳胶熔接在一起密封。铝塑膜材料还有一定的塑形变形特性，可利用这种特性可以构建锂电池安全阀CD装置。其原理是当电芯失效时(如过热、短路、过充等)，内部材料升温释放气体压力增大时，因金属壳体强度远大于铝塑膜式封口材料，所以铝塑膜封装材料会因压力变形鼓起，从而带动电芯中心电极撕裂断开电路，当压力进一步增大时，铝塑膜会破裂释放气体，避免电池壳体爆炸破裂。采用铝塑膜式安全阀设计，一张材料可封装多个锂电池单体，结构简单，成本低廉，动作可靠，适合自动化生产工艺。

本发明中采用的多层电路板是电子工业中常用的多层印刷电路板材料。电路板顶层线路层集成锂电池BMS管理电路，内层为梳状电极层，连接多联单体锂电池中心电极构成电池组的正负极，底层线路层为温度传感器，紧贴圆柱锂电池壳体安装。电路板紧贴铝塑膜安装，对应锂电芯中心电极处开孔，然后中心电极从孔中引出，再焊接在中间梳状电极层，构成电池组的正极和负极，开孔同时作为电池热失控时高压气体溢出孔。采用多层电路板设计，将电池组串并联导体，BMS电池管理系统与传感器电路三种功能集成在一块电路板上，其优点是：多层电路板可充当铝塑膜式封口材料的防护层，防止异物刺穿；内层梳状电极层被封闭在电路板绝缘介质材料中，导体无外漏，绝缘性能好，可避免因碰撞变形短路，具有较好的防护能力；电池组BMS管理电路与传感器直接集成在电路板上，与电池组构成一个整体，电路连接无需导线，简单高效。

本发明中电池模组外壳采用绝缘材料制成，外壳分隔成多个隔间，多联锂电池基本单元安装在每个隔离空间中。多联单体锂电池基本单元进排液孔由管道连接构成循环冷却管道，可对电池工作温度进行管理。模组内多联锂电池基本单元的串并联由上述的一块整体多层电路板进行连接，同时集成BMS管理电路与温度传感器。

附图说明：

图1是多联单体锂电池双层壳体结构示意图

图2是圆柱锂电芯结构示意图

图3是2种类型圆柱锂电芯内部串联示意图

图4是铝塑膜封装安装结构示意图

图5是铝塑膜与多联单体锂电池壳体压合示意图

图6是铝塑膜式安全阀工作原理示意图

图7是多层电路板安装结构示意图

图8是多层电路板结构示意图

图9是内层梳状电极层连接锂电芯中心电极示意图

图10是多层电路板集成BMS管理系统与传感器示意图

图11是锂电池模块结构安装示意图

图12是锂电池模块液冷循环管道示意图

具体实施方式：

下面结合附图图示介绍电池组各部件制作工艺，安装结构与实施原理方式，该实施办法仅用于对本发明技术方案作进一步解释说明，而不能限定本发明的保护范围。

如附图1所示，多联单体锂电池双层壳体由外壳101与多联锂电池内壳102组成，外壳101与内壳102套接组装在一起，两壳体顶部开口结合处焊接构成一个封闭的双层壳体，壳体间注入冷却液。内壳102通过冲压工艺形成冷却液进液孔103，冷却液排液孔104和呈蜂窝状密集排列的圆柱锂电池外壳105。进排液孔103、104与密闭双层壳体可连接液冷循环管道构成电池组的热量管理系统。蜂窝状圆柱锂电池外壳105排列彼此保留一定间距，既为冷却液流动提供通道缝隙，又能提供电池组挤压变形空间，还可以当个别单体发生热失控时，大量产生的热量也不会通过直接接触传导传递给周围电芯，避免出现连锁反应酿成灾难。

附图2所示是圆柱锂电芯结构示意图，圆柱锂电芯是通过卷绕工艺将电极材料卷绕成圆柱体而成。图2中201为圆柱锂电芯体，202为侧边电极，203为中心电极，204为上绝缘盖板，205为下绝缘盖板。与传统圆柱锂电芯不同，多联单体锂电芯采用分散多电极耳，所有电极耳从电芯上端引出，经上绝缘盖板204分隔后成为正负极。根据电芯正负电极的位置不同，电芯分为201a与201b两种类型，如附图3所示，电芯201a的侧边电极202a为负极，中心电极203a为正极，电芯201b的侧边电极202b为正极，中心电极203b为负极。两组电芯的侧边电极202a负极与202b正极直接焊接在多联单体金属壳体上，经壳体连接构成串联电池组，中心电极203a正极与203b负极则通过铝塑膜封装后焊接在多层电路板梳状电极层构成电池组的正负极。多联锂电池基本单元为2串N并电池组，要构成更高电压更大容量等级的电池组，可以将多个多联单体锂电池基本单元再进行串并联。采用分散多电极耳和电芯内串联技术，可以有效降低电池组内阻，提高放电倍率性能，也能简化电池组串联工艺。

附图4所示是铝塑膜封装结构示意图。铝塑膜301采用冲压成型，膜上冲压出锂电极圆柱引出孔302，整张铝塑膜压合在多联锂电池壳体开口端面上，将多联单体锂电池所有单体密封。如附图5所示303阴影填充部分即为铝塑膜与电池壳体压合区域，302为电极引出孔，103与104为冷却液进排出孔。302电极引出孔对应圆柱锂电芯中心电极位置，中心电极涂覆极耳胶后从铝塑膜圆柱孔中穿出，然后通过加热使铝塑膜的圆柱引出孔PP层与极耳胶熔结在一起，完成对圆柱锂电芯单体封装。

附图6所示是铝塑膜式安全阀工作原理示意图，图中102为多联单体锂电池壳体外壁，202与203为锂电芯电极，301为铝塑膜封装安全阀。铝塑膜式安全阀工作原理是利用铝塑膜的塑性变形特点，当圆柱锂电池因失控导致壳内气压增大时，因为金属外壳结构102强度远大于铝塑膜，所以铝塑膜会向上变形鼓起并带动电极203向上运动而断裂，电极回路被切断；当电池气压进一步增大时，铝塑膜变形到极限时破裂，释放壳体内气体从而保证安全。

附图7所示是多层电路板安装结构示意图。图7中101与102为电池外壳与多联单体内壳组成的双层电池壳体，301为铝塑封装膜，401为多层电路板，402为电极引出孔。图7中多层电路板直接安装在铝塑膜301上，经过铝塑膜封装后的锂电芯中心电极203从多层电路板电极引出孔402穿出，然后焊接在多层电路板梳状电极层触点上，构成串并联电池组。多层电路板电极引出孔402同时起到锂电池安全阀气体溢出孔的作用，一旦铝塑膜安全阀破裂，高压气体从多层电路板电极引出孔402释放，而且因为电路板401的隔离作用，释放出的气体不会影响到相邻的锂电芯单体。

附图8所示是多层电路板结构分解示意图，多层电路板广泛用于电子工业，通常是由多层铜箔与绝缘介质层通过热压合制成。图8中501为顶层铜箔线路层，用于安装电池组BMS管理系统，502为绝缘介质层，503为内层梳状电极层，预留触点连接锂电芯正负极构成串并联电池组，504为底层线路层，用于安装温度传感器，温度传感器通过电路板过孔与顶层线路层连接。

附图9所示是内层梳状电极层连接锂电芯中心电极示意图。相互隔离的梳状电极601与602构成锂电池组的正负电极，圆柱锂电池分为两组单体两两串联后，一组中心电极203a从多层电路板电极引出孔402穿出与梳状电极601焊接构成串联电池组的正极，一组中心电极203b与梳状电极602焊接构成串联电池组的负极。每一对梳状电极对可连接一个2串多联单体锂电池基本模块，增加梳状电极数，则1块多层电路板可串联多个多联单体锂电池基本模块。采用内层梳状电极层连接锂电芯构成串联电池组，具有内阻小和安全性好的优点。

附图10所示是多层电路板安装电池管理系统BMS与传感器示意图，图10中多层电路板顶层线路层安装BMS管理芯片与电子元件，底层线路层安装温度传感器，紧贴锂电芯壳体，传感器与顶层电路通过电路板过孔进行连接，为电池组BMS管理系统提供温度传感信息。附图10中401为多层电路板，701为顶层BMS电路表面贴装电子元器件，附图10中702为底层温度传感器。将电池组BMS电路与传感器集成在多层电路板上，一是可以简化BMS电路安装，提高系统集成度，实现无导线连接的电池组BMS管理系统；二是采用分布式的电池组BMS电路，可以简化大容量高电压电池组设计。

附图11所示是采用多联锂电池基本单元构建锂电池组模块结构分解示意图，附图12中101为多联锂电池基本单元外壳，301为铝塑膜式封装安全阀，401为多层电路板，801为模组外壳。801模组外壳采用绝缘材料制成，有多个隔间安装多联锂电池基本单元，相邻基本单元由隔间进行分隔绝缘，附图12中显示总共有4个单元，由1块整体多层电路板401进行串并联，实际应用可以根据需求增减模组隔间与多联单体锂电池基本单元数量。

附图12所示为电池模组液冷示意图。多个多联锂电池基本单元的进排液孔彼此相连，构成液冷循环管道，冷却液从进液孔103流入，从多联圆柱锂电池单体外壳缝隙间流过，然后从排液孔104流出进入下一个单元。冷却液应选择无腐蚀，阻燃，不导电的液体。管道连接材料也应该选择绝缘材料，如工程塑料，避免相连单体短路。

Claims (8)

1.一种多联单体锂电池组封装技术，由绝缘模组外壳，多联单体锂电池基本单元，多层电路板构成，其主要特征在于，所述的多联单体锂电池基本单元由双层锂电芯壳体，圆柱锂电芯和铝塑膜封口材料构成；多联单体内壳冲压出呈蜂窝状排列的圆柱锂电芯壳体，然后与多联单体外壳嵌套密封构成双层锂电芯壳体，两层壳体间充冷却液；圆柱锂电芯壳内安装圆柱锂电芯，电芯开口采用铝塑膜封装并充当安全阀；模组外壳为多联单体锂电池组基本单元提供安装空间与绝缘隔离；多层电路板安装在模组多联单体锂电池组基本单元上，电路板内层梳状电极层连接圆柱锂电芯中心正负极构成串并联电池组，电路板顶层集成电池组BMS管理电路，底层安装温度传感器。

2.权利要求1所述的多联单体锂电池基本单元，是指构成锂电池模组的基本单元。

3.权利要求1所述的多联单体锂电池内壳，其特征是采用整张金属板材上冲压出冷却液进排液孔和呈蜂窝状密集排列的圆柱锂电芯壳体，圆柱锂电芯壳体间留有缝隙，作为冷却液循环通道。

4.权利要求1所述的双层锂电芯壳体，其特征是将多联单体锂电池内壳与外壳通过嵌套密封构成的双层壳体，外壳可充当内壳的保护层，密闭的双层壳体间可注入冷却液，构成冷却循环系统。

5.权利要求1所述的圆柱锂电芯，其特征是电芯采用多极耳设计，正负极耳从电芯上端引出，经上绝缘隔板分隔后分成中心电极与侧边电极，中心电极经铝塑膜封装后引出，侧边电极则直接焊接在电芯壳体内壁；依据电芯正负电极位置不同，电芯分为2组，一组电芯的侧边电极为正极，另一组电芯的侧边电极为负极，2组电芯的侧边正负电极都焊接在电池壳体内壁构成基本串联电池组，串联电池组的中心正负极通过铝塑膜封装密封后引出。

6.权利要求1所述的铝塑膜式封装材料，其特征是采用整体铝塑膜冲压出电极引出圆柱孔，然后整张铝塑膜直接与圆柱锂电池开口端面压合密封，锂电芯中心电极从铝塑膜电极引出孔中穿出，电极涂布极耳胶后与铝塑膜圆柱引出孔PP层熔接密封；同时铝塑膜封装材料充当锂电池安全阀。

7.权利要求1所述的多层电路板，其特征是多层电路板内层为梳状电极层，顶层集成锂电池BMS管理电路，底层集成温度传感器；多层电路板对应锂电芯中心电极处开孔，然后安装在多联单体锂电池组基本单元上方，铝塑膜封装好的锂电芯中心正负电极从开孔处引出，分别焊接在电路板内层梳状电极上，构成串并联电池组。

8.权利要求1所述的模组外壳，其特征是锂电池组的整体外壳，采用绝缘材料成型出多个隔离空间，多联电池组基本单元提供结构安装空间与绝缘隔离。