CN110770946B - 电池模块、电池组和包括该电池组的车辆 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的电池模块，包括：电池堆，其通过堆叠具有双向电极引线的袋型二次电池来构造；汇流条框架，其包括第一和第二竖直板以及上板，第一和第二竖直板分别设置在与电池的电极引线的位置相对应的电池堆的两个侧表面上，上板与第一和第二竖直板连接以设置在电池堆的上部，由此铰链联接到第一竖直板和/或第二竖直板；以及单框架，其形成为有角的管状，从而将安装有汇流条框架的电池堆以插入方式布置其内部空间，其中在第一和第二竖直板的外表面上设置有多个汇流条，且电池的电极引线穿过形成在第一和第二竖直板中的槽与对应汇流条电连接；以及可沿预定路径布置在上板上的感测构件，其与第一和第二竖直板的汇流条电连接以感测电池的电特性。

Description

电池模块、电池组和包括该电池组的车辆
技术领域
本公开涉及一种电池模块，并且更具体地说，涉及一种通过确保有效的组装结构和待组装的部件之间的盈余公差(surplus tolerance)而改善组装的单框架型电池模块。
本申请要求于2018年3月30日在韩国提交的韩国专利申请第10-2018-0037066号的优先权，其公开内容通过引用合并于此。
背景技术
能够充电和放电的二次电池被广泛用作无线移动装置的能源。另外，二次电池作为用于电动车辆(EV)和混合动力车辆(HEV)的电源正在受到关注，电动车辆(EV)和混合动力车辆(HEV)被提出作为解决由使用化石燃料的现有汽油车辆和柴油车辆引起的空气污染的问题。
在较小的移动装置中，每个装置使用一个或几个电池。然而，诸如车辆之类的中型或大型装置使用由于需要大功率大容量的需求而电连接的多个电池单元的中型或大型电池模块，或者通过连接多个这样的电池模块而实现的电池组。
为了使中型或大型电池模块提供预定机器或装置中所需的输出和容量，应将多个电池单元以串联方式、并联方式或者串联和并联两种方式进行电连接，并且应保持抵抗外力保持稳定的结构。
例如，电池模块中的电池单元可以被焊接到多个汇流条(在所述汇流条中以金属板的形式提供电极引线)，从而以串联方式、并联方式或串联和并联两种方式与汇流条电连接。另外，中型或大型电池模块可以进一步包括用于感测和控制在一些电池单元发生的过电压、过电流或过热的感测单元。
由于中型或大型电池模块优选地被制造为具有尽可能小的尺寸和重量，因此可以以高集成度堆叠电池单元。另外，单位容量重量小的矩形电池和袋型电池经常被用作应用于中型或大型电池模块的电池单元。
近来，作为能量密度相比更紧凑的中型或大型电池模块的示例，单框架型电池模块引起了关注。单框架型电池模块是通过将汇流条和感测单元安装到通过堆叠电池单元而构造的电池堆上，然后将它们容纳在以一体的矩形管状设置的单框架中而制造的电池模块。单框架型电池模块主要使用非常容易堆叠的袋型电池单元。
然而，由于袋型电池单元缺乏机械刚度，因此为了在容纳在单框架中的同时保持要堆叠的电池单元，需要支撑单元来保持袋型电池单元。支撑单元也可以被称为堆叠框架或盒。然而，如果使用支撑单元，则电池堆的体积会增加，这是增加能量密度的不利因素。
另外，在具有电极引线沿相反方向突出的袋型电池单元的情况下，汇流条设置在电池堆的两侧，用于每个电池的电连接和电压感测，并且需要多条电线来连接相互隔开的汇流条。此时，由于电线连接结构而限制了电池模块中的组装空间的利用，并且当对电池模块施加外部冲击时，电线之间的短路可能会引起各种事件。
考虑到上述问题，需要开发一种具有安全且节省空间的电线连接结构和能够稳定地保持电池堆而无需堆叠框架的电池支撑结构的电池模块。
同时，在单框架型电池模块的情况下，为了使能量密度最大化，使部件之间的组装公差最小化。特别地，当将电池模块的部件容纳在单框架中时，组装公差最严格。如果如上所述地降低组装公差，则在生产阶段组装会变得困难，导致成品率降低。因此，需要一种设计，在组装电池模块时，该设计能够在不会降低能量密度的范围内确保盈余组装公差。
发明内容
技术问题
本公开旨在解决相关技术的问题，因此，本公开旨在提供一种单框架型电池模块，其可以用最少数量的部件支撑电池堆，并且改善了要电连接的部件之间的组装和安全性。
另外，本公开旨在提供一种电池模块，该电池模块可以通过在不降低能量密度的范围内确保包括单框架和电池堆的部件之间的盈余组装公差来改善组装。
技术方案
在本公开的一个方面，提供了一种电池模块，该电池模块包括：电池堆，该电池堆通过堆叠具有相反方向的电极引线的袋型二次电池来构造；汇流条框架，该汇流条框架具有第一竖直板和第二竖直板以及上板，该第一竖直板和第二竖直板分别设置在与电池的电极引线的位置相对应的电池堆的两个侧表面上，该上板与第一竖直板和第二竖直板连接并设置在电池堆的上部，以铰接到第一竖直板和第二竖直板中的至少一个；以及单框架，该单框架具有插入并布置有安装到所述汇流条框架的所述电池堆的矩形管状内部空间，其中，在第一竖直板和第二竖直板的外表面上设置多个汇流条，并且电池的电极引线穿过形成在第一竖直板和第二竖直板中的槽与对应的汇流条电连接，并且其中，沿预定路径在所述上板处布置感测构件，该感测构件与所述第一竖直板和所述第二竖直板的汇流条电连接以感测所述电池的电特性。
汇流条框架可以具有形成在第一竖直板和第二竖直板的内表面以朝向电池堆突出的止动件，以使得当汇流条框架与上板成直角时，止动件与上板的下表面接触。
上板的一端可以通过两个铰链连接到第一竖直板，并且上板的另一端可以通过两个铰链连接到第二竖直板，并且止动件可以以位于两个铰链之间并具有预定的厚度的至少一个矩形板的形式设置。
第一竖直板和第二竖直板可分别包括组装引导单元，所述组装引导单元沿着电池单元的堆叠方向以规则的间隔凸起地形成在第一竖直板和第二竖直板的内表面并且沿着高度方向延伸。
止动件可以与组装引导单元中的至少一个一体地形成。
感测构件可以包括电路板以及用于连接汇流条和电路板的线缆。
上板可以具有线缆布线槽，该线缆布线槽按照沿着所述线缆的布线路径与所述线缆的宽度和厚度对应的方式比其他部分凹入地形成在该上板的表面处。
上板可以在与线缆布线槽相邻的位置处具有垂直地穿过上板而形成的开口。
在本公开的另一方面，还提供了一种电池组，该电池组包括上述电池模块。
在本公开的另一方面，还提供了一种车辆，该车辆包括电池组。车辆可以包括电动车辆、混合电动车辆、插电式混合电动车辆等。
有益效果
根据本公开的实施方式，可以提供一种单框架型电池模块，该单框架型电池模块可以用最少数量的部件来支撑电池堆，并且在要电连接的部件之间具有改善的组装和安全性。
根据本公开的另一种实施方式，可以提供一种电池模块，该电池模块通过在不降低能量密度的范围内确保包括单框架和电池堆的部件之间的盈余组装公差，可以改善组装。
附图说明
图1是示意性地示出根据本公开的实施方式的电池堆和汇流条框架相互组装的立体图。
图2是示出图1中的汇流条框架的第一竖直板被打开的立体图。
图3是示出图1的不包括感测构件的汇流条框架的上板的平面图；
图4是用于例示根据本公开的实施方式的将单框架与相互组装的电池堆和汇流条框架二者组装在一起的过程的立体图。
图5是示出根据本公开的实施方式的汇流条框架内部的主要部件的局部立体图。
图6是用于例示根据本公开的实施方式的汇流条框架的止动件的功能的参考图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应该理解的是，说明书和所附权利要求书中使用的术语不应解释为限于一般含义和词典含义，而是基于允许发明人适当地定义术语以进行最佳解释的原理，根据与本公开的技术方面相对应的含义和概念来解释。
因此，本文提出的描述仅是出于例示目的的优选示例，而无意限制本公开的范围，因此，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其做出其他等同替换和修改。
图1是示意性地示出根据本公开的实施方式的电池堆和汇流条框架相互组装的立体图，并且图2是示出图1的汇流条框架的第一竖直板被打开的立体图。
参照附图，根据本公开的实施方式的电池模块包括：电池堆100、汇流条框架200和单框架300。
首先，将描述电池堆100。电池堆100可以是多个电池单元110的集合。这里，电池单元110是袋型二次电池，尽管未详细示出，但是电池单元110是正极引线和负极引线在相反的方向上突出的双向袋型二次电池。
袋型二次电池可包括电极组件、电解质和袋外套(pouch exterior)。袋外套可以包括两个袋，并且可以在两个袋的至少一个中形成凹入的内部空间。另外，电极组件可以容纳在袋的内部空间中。在两个袋的外周设置密封部，并且将密封部相互焊接，从而可以密封容纳电极组件的内部空间。电极引线111可以附接到电极组件，并且电极引线111可以被布置在袋外套的密封部分之间并且暴露在袋外套之外以用作二次电池的电极端子。
如图2所示，袋型二次电池单元在垂直竖立的状态下在横向方向上堆叠，从而形成电池堆100。二次电池110的电极引线111突出的表面被定义为电池堆100的前表面和后表面。
汇流条框架200是能够固定汇流条240和端子等的框架并且由绝缘材料制成。汇流条框架200包括第一竖直板210、第二竖直板220以及上板230，该上板230连接到第一竖直板210和第二竖直板的上部。第一竖直板210和第二竖直板220可分别布置在电池堆100的前表面和后表面，并且上板230布置在电池堆100的上部。
多个汇流条240可以设置在第一竖直板210和第二竖直板220的外表面。例如，多个汇流条240可以以卡扣配合的方式安装到第一竖直板210和第二竖直板220。电池堆100的各个电池单元110可以通过形成在第一竖直板210和第二竖直板220的预定位置处的槽(未示出)向外延伸，并且，各个电池单元110的一端可以通过超声波焊接方法等附接到对应的汇流条240。
第一竖直板210和第二竖直板220可在其内表面具有以预定图案凸起地形成的组装引导单元212。组装引导单元212可以在横向方向上以规则的间隔布置，该横向方向与各个电池单元110的堆叠方向相同。各个电池单元110的主体可以由组装引导单元212支撑，并且单个电池单元110的电极引线111可在组装引导单元212之间被引导，以穿过第一竖直板210或第二竖直板220的槽(未示出)延伸到第一竖直板210或第二竖直板220外。
上板230可以连接到第一竖直板210和第二竖直板220以覆盖电池堆100的上部。沿着预定路径在上板230处设置感测构件250。感测构件250可以包括电路板251和线缆252。
电路板251可以包括用于感测单个电池单元110的电压并且均匀地控制单个电池单元110的电压的BMS处理器芯片。
线缆252连接到第一竖直板210的汇流条240和第二竖直板220的汇流条240，并且连接到电路板251，以将各个电池单元110的电压信息发送给BMS处理器芯片。线缆252可以采用柔性印刷电路(FPC)或柔性脂肪线缆(FFC)，这对于增加空间利用率并防止导体之间发生短路的风险是有利的。
如图2和图3所示，上板230具有线缆布线槽231，该线缆布线槽231按照沿着线缆252的布线路径与线缆252的宽度和厚度对应的方式比其他部分凹入地形成在该上板的表面处。线缆252可以以嵌入在线缆布线槽231中的状态附接到上板230。由于线缆252被嵌入并固定在线缆布线槽231中而不暴露在上板230上方，因此可以消除在(如图4所示的)将电池堆100和汇流条框架200组装然后插入单框架300中的组装过程中损坏线缆252的风险。
另外，上板230还可以具有开口232，该开口232在与线缆布线槽231相邻的位置处垂直地穿过其而形成。电路板251可以位于开口232内。而且，开口232可以用作安装用于测量电池单元110的温度的热敏电阻253的空间。例如，热敏电阻253的一端可以连接至电路板251，并且热敏电阻253的另一端可以在开口232下方的插入电池单元110之间。
如上所述的包括第一竖直板210、第二竖直板220和上板230的汇流条框架200具有与基本为
Figure GDA0002324216540000061
形的电池堆100的长度和宽度相对应的尺寸，并且理想地，汇流条框架200以紧凑的方式组装到电池堆100。但是，如果使具有
Figure GDA0002324216540000062
形的汇流条框架200的尺寸最小化，从而使汇流条框架200和电池堆100之间的组装公差最小化，则电池堆100的电极引线111可能不容易与汇流条框架200上的汇流条240组装在一起。
因此，在根据本公开的汇流条框架200中，第一竖直板210和第二竖直板220通过铰链215联接到上板230，从而相对于上板230的两端能够沿顺时针方向和逆时针方向旋转。根据汇流条框架200的构造，沿相反方向突出的电极引线111可以容易地附接到第一竖直板210和第二竖直板220上的汇流条240。
换句话说，当将汇流条框架200组装到电池堆100时，电极引线111的一端插入第一竖直板210和第二竖直板220的槽中，然后弯曲并通过超声波焊接被焊接到对应的汇流条240的表面。此时，如果将第一竖直板210和第二竖直板220放置成在与上板230保持直角的状态下覆盖电池堆100，则难以确保将电池堆100的电极引线111插入第一竖直板210和第二竖直板220的槽中的足够空间，并且电极引线111在组装过程中很可能被损坏。
因此，如图2所示，在第一竖直板210沿顺时针方向旋转以打开的状态下，首先，将位于电池堆100一侧的电极引线111插入到第二竖直板220的槽中，然后使第一竖直板210沿逆时针方向旋转，从而将位于电池堆100另一侧的电极引线111插入到第一竖直板210的槽中。之后，使电极引线111弯曲以与对应的汇流条240的表面接触，并且执行超声波焊接以将电极引线111固定到汇流条240。根据汇流条框架200的构造和组装方法，可以紧密地组装汇流条框架200和电池堆100，并且在组装过程中损坏电极引线111的可能性极低。
在该实施方式中，已经描述了第一竖直板210和第二竖直板220铰接到上板230，但是本公开的范围不限于此。也就是说，也可以通过铰链215将第一竖直板210和第二竖直板220中的仅一个联接到上板230。即使在这种情况下，将汇流条框架200组装到电池堆100也不难。
常规电池模块使用多个端板，这些端板准备以螺栓连接或铰接的方式组装为用于保护电池堆100的外部框架。外部框架可以被理解为电池模块的为电池堆100提供机械支撑并保护电池堆100免受外部冲击的部件。
根据本公开的电池模块使用单框架300作为外框架。单框架300具有中空结构，并且可以通过挤压或压铸形成为矩形管状。
如图4所示，相互组装的电池堆100和汇流条框架200可以插入到单框架300中。(在下文中，将相互组装的电池堆100和汇流条框架200统称为汇流条框架组件。)
单框架300和汇流条框架组件基本上以装配方式组装。优选地，选择单框架300和汇流条框架组件的尺寸以使组装公差最小化，从而使能量密度最大化。因此，单框架300可以被设计为使得其内部空间的高度和宽度几乎等于汇流条框架组件的整体高度和宽度。
在这种情况下，可以有利地使能量密度最大化，但是单框架300和汇流条框架组件之间的组装公差变得非常紧密，这使得组装工作困难。因此，管理单框架300和汇流条框架组件之间的组装公差非常重要。
为了管理组装公差，本公开的汇流条框架200还可包括止动件211，该止动件211防止了第一竖直板210和第二竖直板220相对于上板230过度旋转，以禁止汇流条框架组件的整体高度增加，从而最大程度地确保了边界间隙。
具体地，如图5所示，止动件211在第一竖直板210的内表面上朝向电池堆100突出。当第一竖直板210和第二竖直板220与上板230成直角时，止动件211可以接触上板230的下表面。由于第一竖直板210和第二竖直板220的内表面具有基本相同的结构，因此将详细说明第一竖直板210，并且将不详细说明第二竖直板220。
上板230和第一竖直板210的一端可以连接到彼此隔开预定距离的两个铰链215，并且上板230和第二竖直板220的另一端也可以连接到彼此隔开预定距离的两个铰链215。止动件211可以位于两个铰链215之间，并且以具有预定厚度的至少一个矩形板的形式设置。这里，止动件211的上表面具有与第一竖直板210的上端面相同的高度。当第一竖直板210与上板230成直角时，止动件211的上表面接触上板230的下表面，以防止第一竖直板210旋转。
可以设置两个止动件211，并且两个止动件211可以在组装引导单元212的上部与组装引导单元212一体地形成。可以通过注射成型来制造第一竖直板210和第二竖直板220，并且如该实施方式那样，通过将止动件211与组装引导单元212集成在一起，可以使注射成型用模具的设计变化最小化。该实施方式是通过将止动件211的两个作用点置于两个铰链215之间来使用最少数量的止动件211来使效果最大化。然而，与该实施方式不同，可以改变止动件211的形状或数量，只要止动件211能够防止第一竖直板210和第二竖直板220旋转即可。
参照图6，将进一步说明止动件211的作用。如图6所示，如果没有止动件211，则即使应用了能够将第一竖直板210的旋转限制为相对于上板230成90度的角度的铰链215，也可能在90度附近发生误差。另外，由于袋型二次电池单元110是软部件，所以不可能限制第一竖直板210的旋转。
因此，第一竖直板210可以相对于上板230旋转稍微超过90度。如果将此时的第一竖直板210与90度的第一竖直板210进行比较，则此时第一竖直板210的下端比90度处的第一竖直板210低了如图6所示的间隙G。在这种情况下，汇流条框架200的总高度H增加为间隙G。因为汇流条框架组件与单框架300之间的组装公差非常小，所以即使很小，汇流条框架200的整体高度H的增加也不可避免地对装配工作产生不利影响。
同时，在具有止动件211的汇流条框架200中，第一竖直板210和第二竖直板220相对于上板230旋转不超过90度。因此，如上所述，可以防止汇流条框架200的整体高度H增加，并且可以确保足够的边界间隙G。结果，在单框架300和汇流条框架组件的组装过程中，止动件211的功能可导致电池模块的能量密度增加或盈余的组装公差。
同时，根据本公开的电池组可以包括一个或更多个本公开的电池模块。另外，除了电池模块以外，电池组还可以包括：用于覆盖电池模块的壳体；用于控制电池模块的充电和放电的各种装置；电流传感器；熔丝等。
根据本公开的电池组可以应用于电动车辆、混合动力车辆、蓄电装置等。即，根据本公开的车辆可以包括本公开的电池组。
已经详细描述了本公开。然而，应当理解，尽管详细描述和具体示例指示了本公开的优选实施方式，但是仅以示例的方式给出，因为根据该详细描述，本公开范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。
同时，即使在说明书中使用了诸如“上”、“下”、“左”和“右”的表示方向的术语，这些术语也只是为了便于描述，并且可以根据观看者或对象的位置以不同的方式进行表示，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (11)

1.一种电池模块，该电池模块包括：
电池堆，该电池堆通过堆叠具有沿相反方向突出的电极引线的袋型二次电池单元来构造；
汇流条框架，该汇流条框架具有第一竖直板、第二竖直板以及上板，所述第一竖直板和所述第二竖直板分别设置在所述电池堆的与所述二次电池单元的电极引线突出的位置相对应的两个侧表面处，所述上板与所述第一竖直板和所述第二竖直板连接并且设置在所述电池堆的上部以铰接到所述第一竖直板和所述第二竖直板中的至少一个；以及
单框架，该单框架具有插入并布置有安装到所述汇流条框架的所述电池堆的矩形管状内部空间，
其中，在所述第一竖直板和所述第二竖直板的外表面处设置多个汇流条，并且所述二次电池单元的电极引线穿过形成在所述第一竖直板和所述第二竖直板中的槽与对应的汇流条电连接，并且
其中，所述汇流条框架具有形成在所述第一竖直板和所述第二竖直板的内表面以朝向所述电池堆突出的止动件，所述止动件的上表面具有与所述第一竖直板的上端面相同的高度，使得当所述第一竖直板和所述第二竖直板与所述上板成直角时，所述止动件与所述上板的下表面接触。
2.根据权利要求1所述的电池模块，
所述上板的一端通过彼此隔开预定距离的两个铰链连接到所述第一竖直板，并且所述上板的另一端通过彼此隔开预定距离的两个铰链连接到所述第二竖直板，并且
其中，所述止动件以位于所述两个铰链之间并具有预定的厚度的至少一个矩形板的形式设置。
3.根据权利要求1所述的电池模块，
其中，所述第一竖直板和所述第二竖直板分别包括组装引导单元，该组装引导单元沿着所述二次电池单元的堆叠方向以规则的间隔凸起地形成在所述第一竖直板和所述第二竖直板的内表面并且沿着高度方向延伸。
4.根据权利要求3所述的电池模块，
其中，所述止动件与所述组装引导单元中的至少一个一体地形成。
5.根据权利要求1所述的电池模块，所述电池模块还包括沿着预定路径布置在所述上板处的感测构件，该感测构件与所述第一竖直板和所述第二竖直板的汇流条电连接以感测所述二次电池单元的电特性。
6.根据权利要求5所述的电池模块，
其中，所述感测构件包括电路板以及用于将所述汇流条和所述电路板连接在一起的线缆。
7.根据权利要求6所述的电池模块，
其中，所述上板具有线缆布线槽，该线缆布线槽按照沿着所述线缆的布线路径与该线缆的宽度和厚度对应的方式比其他部分凹入地形成在该上板的表面处。
8.根据权利要求7所述的电池模块，其中，所述线缆以嵌入在所述线缆布线槽中的状态附接到所述上板。
9.根据权利要求7所述的电池模块，
其中，所述上板在与所述线缆布线槽相邻的位置处具有垂直地穿过该上板形成的开口。
10.一种电池组，该电池组包括根据权利要求1至9中的任一权利要求所述的电池模块。
11.一种车辆，该车辆包括根据权利要求10所述的电池组。
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