CN111602262A - 由多个电池电芯的免焊接组件构成的电力单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电力单元，该电力单元由多个电池电芯(1)的免焊接组件构成，所述电池电芯在其两个相反前端上分别具有正极接触表面和负极接触表面，所述电芯机械地并置并且彼此平行，所述单元包括：‑底板(2)，该底板(2)具有金属接触区(3)，该金属接触区(3)能够确保与电芯(1)的底部金属基座电气连接以及可选地热连接；‑顶板(3)，该顶板(3)具有用于确保与电芯(1)的顶部帽电气连接的金属接触区；‑用于与电芯的所述顶部帽连接的装置，该装置能够在相对于所述电芯的取向的轴向方向上弹性变形。
Description
技术领域
本发明涉及由彼此免焊接地连接的多个电池电芯(cellules de batteries)的组件构成的电力单元的领域。
电芯在端面之一处具有通常与正极相对应的圆柱状突起，该圆柱状突起具有截面小于电芯截面的平坦的导电底部，并且电芯在相反的端部处具有由保护外壳界定的平坦的导电底部，该导电底部的截面略小于电芯的外截面并且明显大于上述圆柱状突起。
该区域通常构成负极。这种电芯以原始名称“勒克朗谢电池”而被人所知。
电芯通常是尺寸大体标准化的可再充电电池，例如，根据IEC(国际电工委员会)编纂的长度为50毫米并且直径为14.2毫米的RC6电芯，或者长度为65毫米并且直径为18毫米的18650电芯。当然，本发明不限于特定类型的电芯。
当前的电池现有技术认为圆柱状电芯是能量性能与功率之间的最佳折衷。圆柱状电芯的大量生产还使它们在当前电池形式当中的特定成本最低。
然而，圆柱状电芯的低单位能含量需要大的且昂贵的组件。
另外，由于这些组件的不理想的电气接触和热接触，所以这些组件通常是性能限制的根源。
因此，简单、易于实施、便宜的组件以及电气性能和热性能代表了电力传动机构的基本部分。
当今的电池由大量的电芯构成(有时约为一百甚至几千个)，这些电芯通过借助焊接到所述电芯的端子的导电带形成的触点彼此电气连接，这些电芯由绝缘体隔开并借助于胶带以组(pack)的形式组装。这种电池的生产需要繁琐、费时且昂贵的组装。
此外，这种电池不允许通过售后服务或维修服务来替换一个或更多个可能已证明有缺陷的电芯。
最近，已经提出了如下解决方案，该解决方案包括借助于分别与电芯的一个端部和另一端部电气且机械接触的两个平坦元件或板来机械地且电气地连接电池电芯。
这些板具有通常由铜制成的导电迹线(pistes conductrices)，然后通过诸如间隔件(entretoise)的机械连接元件连接，这些机械连接元件确保夹紧以将所得的单元保持在一起。
背景技术
欧洲专利EP 2034539在现有技术中是已知的，并且描述了一种电力单元解决方案，该电力单元解决方案由多个并置的圆柱状或棱柱状电芯组成，这些电芯免焊接地彼此连接并且通过定位和分隔隔室的槽容纳在其中，其特征在于，定位和分隔隔室设置在包括框架的两个保持和接触板之间，并且其内表面配备有免焊接地固定抵靠在所述表面上的一个或更多个接触带，并且各个接触带确保多个电芯(也就是说，电芯数量大于二)的电气互连，所述接触带或各个接触带由柔性导电材料制成并且包括从所述接触带或各个接触带切出并附接到其上的多个柔性接触舌片，这些接触舌片通过分布在接触和保持板的内表面上的单独的弹性压力装置保持平坦抵靠在电芯的端子上，所述板通过拧紧在分隔和定位隔室的大的相反面上而被固定，使得装备所述板的内表面的所述接触舌片单独压在构成所述电芯的相反端部的端子或者正极或负极之一上。
美国专利US5096788描述了免焊接电池组的另一示例，该免焊接电池组包括：
ο具有盖的壳体；
ο放置在一对上下对齐板中并容纳在所述壳体中的多个电芯，各个电芯具有正极端子和负极端子；
ο柔性电路，该柔性电路由提供多个电芯之间的互连的单个导电片构成；
ο第一压力构件，该第一压力构件设置在壳体底部的内表面与所述柔性导电片的一部分之间；-以及第二压力构件，该第二压力构件设置在盖与柔性导电片的另一部分之间，所述第一压力构件和所述第二压力构件中的每一者设置有弹性指状物，所述弹性指状物朝着正极端子和负极端子倾斜，以将导电片的所述相反部分压在所述端子上并提供所述多个电芯的互连。
该解决方案对于大功率单元而言并不令人满意，因为由并联组装的大量电芯(例如，约一百个电芯)构成的电池会生成将由互连电路传输的非常高的电流(高达100安培甚至几百安培)，这在所描述的柔性电路中是不可能实现的。另外，用于制成柔性电路的材料(聚酰胺或聚酯薄膜)非常脆弱并且在轻微移动的情况下会因支撑弹簧的摩擦而损坏，这将导致失去电气接触。最后，在该文献中描述的弹簧不具有足够的行程和承载力来确保柔性接触带在电芯端子上的有效接触。
ο柔性电路的成本与柔性电路的表面积直接相关；可以设想，如果将该文献中提出的技术应用于由大量将被连接的电芯(将覆盖很大的表面积)构成的电池的生产中，则该成本可能会很高；
ο根据该文献，在通过密封工艺封闭盖之后，无法再拆卸电池。
在用于制造由大量电芯构成的电池的应用中，欧洲专利EP1450422提出将这些电芯容纳在两侧开口的外壳中，并借助于焊接在所述电芯的相反端部上的小连接板将这些电芯两两连接。
这种类型的连接的缺点是，它需要适合于焊接的电芯以及用于进行多次焊接的昂贵、笨重且难以操作的专用工具。这种连接方法的另一主要缺点是无法拆卸电池，例如以更换一个或更多个有缺陷的电芯。
另外，在上述文献中描述的器件中使用的小连接板不是通过单独的压力装置而是通过由弹性材料的板(诸如插设在连接的电芯的端子与顶部盖板和底部盖板之间的橡胶板)构成的共同压力装置来压靠在电池电芯的电极上。这样的弹性板不能保证小连接板与电芯之间的电气接触的连续性，特别是在发生焊料断裂的情况下。
在两个相邻电池之一的连接电极部分与另一电池的电池壳体的底部之间的桥接处，通过靠近它们的每一者进行焊接来连接平坦的连接板，以形成低成本的电池连接结构，该电池连接结构允许通过简单的工艺降低电阻。在由合成树脂制成的支撑壳体的平面图中明显为正方形的各个电池存储部包围圆柱状电池(其轴线是平行的)，并且支撑壳体的两侧由设置有散热孔的盖封闭以构成坚固、抗振动和抗冲击的电池模块。多个电池模块组合并与屏蔽板固定在一起以形成整体，从而构成电池组。
欧洲专利EP2008354描述了一种替代的电池组解决方案，其包括：
-多个导体，各个导体包括多个孔；
-多个电池，其中，各个电池包括两个端子；
-多个可熔链接件。
针对各个电池，可熔链接件之一将导体之一联接到电池的端子之一，其中，可熔链接件延伸穿过导体中的多个孔之一。
文献欧洲专利EP2416405也是已知的，其描述了电池组或电池组模块的另一示例，其证明了在电池组的单个小区域中的冲击的情况下的改进的性能、可靠性和安全性，这对其成本、复杂性、重量和尺寸具有较小的影响。该模块按照使得与单个电池相关联的特定可熔互连件或与单个电池相关联的多个可熔互连件是发生短路情况下最后熔断的熔丝的方式设计。快速擦除互连件的使用使预定互连件的持续电弧放电的风险最小化。因此，发明使损坏和过热的风险最小化。
现有技术的缺点
现有技术的解决方案不是完全令人满意的，因为负极之间的电气连接是通过压在非平面导电表面上实现的，这可能导致不良接触，尤其是当该表面未脱脂或沉积有导电性较差的污垢时，当电池触点未与模块的平坦导电表面完美地接合在一起时。
有时，如在专利EP 2034539中那样，通过可弹性变形的叶片建立与负极的这种电气连接，以便允许弹簧效应和相对于形成线性铰链的区域的偏移。
该解决方案也不令人满意，因为仅当叶片的表面严格地与负极的表面相邻时，接触才是完美的，这仅在弹性铰接叶片的情况下偶尔发生。
专利申请US2015/364744中还已知如下解决方案，该解决方案包括：由片材制成的基板部分；连接部分，该连接部分的外围由形成在导电片材上的第一狭缝限定并连接到电池端子；以及窄熔丝，该窄熔丝的外围由形成在导电片材上的延续到第一狭缝的第二狭缝限定，并且该窄熔丝的一个端部连续地连接到基板部分并且另一端部连续地连接到连接部分。绝缘薄膜固定到包括熔丝和限定熔丝的第二狭缝的区域，并且固定在基板部分和连接部分上。
美国专利申请US2017229208描述了用于连接电池电芯的母线的另一示例。
欧洲专利申请EP2697846描述了一种用于存储电能的存储单元，该存储单元包括具有至少一个正极端子和至少一个负极端子的至少一个能量存储器件。蓄能器被设计成借助于正极端子和负极端子来用电能充电并且借助于端子供应电能。存储单元具有连接到正极端子的导电接触轨和连接到负极端子的导电接触轨。接触轨均具有用于存储单元的电气连接的至少一个外部端子。
本发明提供的解决方案
为了弥补这些缺点，本发明涉及一种电力单元，该电力单元由多个电池电芯的免焊接组件(assemblage sans soudure)构成，该电池电芯在其两个相反端面上分别具有正极接触表面和负极接触表面，所述电芯机械地并置并且彼此平行，所述单元包括：
-底板，该底板具有金属接触区，该金属接触区能够确保与电池电芯的底部金属基座电气连接
-顶板，该顶板具有用于确保与电芯的顶部帽电气连接以及可选地热连接的金属接触区
-用于与电芯的所述顶部帽连接的装置，该装置能够在相对于所述电芯的取向的轴向方向上弹性变形，
所述单元包括导电片，该导电片具有限定了能够弹性变形的触点的切口，该触点具有平面中央部分以确保与对应电芯的顶部帽接触，所述平面中央部分能够相对于所述中间板的所述平面以平行于所述平面的位移移动，所述平面中央部分由能够在垂直于所述平面的方向上弹性变形的材料推向电芯，所述材料容纳在所述顶板的底部表面与触点的所述平面中央部分之间，所述平面中央部分通过至少一个连接臂连接到所述导电片的固定部分。
板有利地但非排他地可以由印刷电路构成。
该解决方案允许使用印刷电路作为板，并且还允许直接集成诸如BMS(电池管理系统)的电池控制组件、电子电路控制模块功能或使用晶体管的固态接触器。
这些组件可以串联以及并联或串联-并联使用，因此是完全模块化的。
还可以针对各个电芯集成熔丝元件。
从热学的观点来看，与电芯紧密接触的导电板的存在使得能够在冷却和加热方面实现最佳的热管理，从而允许改善的性能和更长的电芯寿命。
另外，通过使板与散热器/冷却器/冷板或允许散热/冷却的任何其它元件接触，可以非常简单地实现这种热管理。
技术效果是由于接触表面在垂直于轴线的平面中的位移而改善了电气连接，这使得可以例如在形成正极的表面与单元的连接元件之间保持平行度。此外，这种螺旋形状的构造(无论是否带有弹性元件)可以确保机械承载力大于利用相对于线性铰链区的可变形叶片所获得的机械承载力。
根据优选解决方案，所述单元还包括与所述顶板的底部表面邻接的间隔件板，
所述间隔件板包括导电片，该导电片具有限定了能够弹性变形的触点的切口，该触点具有平面中央部分以确保与对应电芯的顶部帽接触，所述平面中央部分能够相对于所述中间板的平面以平行于所述平面的位移移动，所述平面中央部分由能够在垂直于所述平面的方向上弹性变形的材料推向电芯，所述材料容纳在所述顶板的底部表面与触点的所述平面中央部分之间，所述平面中央部分通过至少一个连接臂连接到所述导电片的固定部分。
优选地，所述臂具有螺旋形状。
另选地，所述触点的平面中央部分通过多个切向臂连接到固定部分。
有利地，所述中间板由印刷电路构成，该印刷电路包括由绝缘体隔开的一个、两个、四个或更多个金属层。
优选地，所述中央部分具有在各个触点处与所述金属层电气连接的多个金属化孔。
根据有利实施方式，所述印刷电路中的至少一个印刷电路的部分迹线、或各个触点具有位于所述中央部分的金属层和与片的金属层连接的区域的金属层之间的可熔区。
根据变型，所述底板由金属片制成。
优选地，所述底板由印刷电路构成，该印刷电路包括由绝缘体隔开的一个、两个、四个或更多个金属层。
有利地，底板的接触区具有与所述金属层电气连接并热连接的多个金属化孔。
在变型中，所述底板和所述顶板通过金属间隔件机械地且大体上电气地连接。
根据另一变型，所述顶板由集成有智能电池管理电路的多层印刷电路构成。
顶板集成有电力单元的正和负电气输入/输出连接点。这些有利地分布的连接点允许通过拧紧大截面的母线或通过焊接电气连接导体来实现机械连接。
本发明的非限制性示例的详细描述
参照所附的附图，通过阅读本发明的非限制性示例的以下详细描述，将更好地理解本发明，在附图中：
-图1示出了根据本发明的电力单元的分解视图；
-图2示出了中间板从下方的详细视图；
-图3示出了中间板的详细截面视图；以及
-图4表示根据本发明的电力单元的另一分解视图。
电力单元的总体描述
图1和图4所示的电力单元包括：
-一组彼此平行并且全部在同一方向上取向的电池(1)，其中形成正极的金属帽面朝上并对齐以形成N行M列的矩阵；
-底部印刷电路(2)，其顶部导电表面(3)确保与构成电池负极的底部金属帽连接；
-顶部印刷电路(4)，其底部表面确保经由中间元件(5)与构成电池正极的顶部金属帽连接；
-中间元件(5)，该中间元件(5)具有限定了接触表面(7)的切口(6)，从而确保与对应的电芯(1)的帽电气连接和机械连接。
底部印刷电路(2)的详细描述
底部印刷电路(1)具有许多功能：
A.确保组件的机械强度，并且具有足够的刚度以避免变形
B.提供电池电芯(1)的负极之间的互连，以产生串联、并联或串联-并联组件
C.确保与顶部印刷电路(4)电气连接
D.确保由电池电芯(1)产生的热量的耗散。
底部印刷电路由被绝缘层隔开的两个导电层构成，并且导电层的外表面涂敷有漆。根据将被传输的电功率来规定层的数量及其厚度。
导电层通常是0.1毫米厚的铜层，并且绝缘层通常是0.28毫米厚的层压材料。已知这样的印刷电路的商品名为FR4。
根据本领域技术人员已知的技术，通过由金属化孔形成的称为镀通孔(PTH)的通孔来确保铜层之间的连接。这些通孔均匀分布在板(2)上。
各个接触区(3)具有多个通孔，也用于确保与电池电芯底部接触的顶部金属表面与底部金属表面之间的热传导，该底部金属表面通过对流或传导(取决于其应用)将热量传导出去。板(2)的内表面附接到散热器，以改善电力单元的热控制。
取决于组件的类型，导电层是连续的或形成互连迹线。当电池电芯并联组装时，导电层没有绝缘区。
此外，板(2)具有直径比通孔大的经铣削且金属化的孔(8)，以用于通过锥形头螺钉，从而确保与铝间隔件(14)的连接，该铝间隔件(14)将底板(2)连接到顶板(4)以形成刚性笼并且将电流从底板(2)传输到顶板(4)，并可以确保热传导。
组装是通过将螺钉(60、61)旋入设置在间隔件(14)端部处的螺纹中来实现的。
顶部印刷电路(4)的详细描述
顶部印刷电路(4)具有与底部印刷电路(2)的结构类似的结构，其中金属层的构造不同，以形成与正极和负极相对应的电流收集迹线，并且确保与输出端子(9、10)的连接。导体迹线还被刻蚀以确保与电池管理系统(BMS)电路(11)的互连。
与底部印刷电路(2)类似，通孔(62)连接顶部印刷电路(4)的各个导电层，并且金属化埋头孔(12)接纳锥形螺钉头，从而确保间隔件(14)的固定。
中间板(5)的详细描述
电芯(1)的帽(13)不与顶部印刷电路(4)的底部导电表面直接接触。
在顶部印刷电路(4)与电池(1)之间插设有中间板(5)。
在所描述的示例中，该板由双层印刷电路形成，该双层印刷电路具有被绝缘体隔开的顶部铜导电表面和底部铜导电表面。外表面涂敷有漆，在接触表面处去除了漆。
图2和图3分别示出了中间电路接触区之一的仰视图和截面视图。切口(6)具有螺旋形状并且限定弯曲臂(15)，该弯曲臂终止于大致盘形的接触表面(7)。臂延伸至少180°，并且优选地至少270°，以允许接触表面(7)在垂直于印刷电路(5)的平面的方向上偏移(débattement)，在整个移动中保持基本上平行于该平面。
在参照图3描述的示例中，顶部印刷电路(4)具有四个导电层(41至44)和三个绝缘层(45至47)。
导电层(41至44)通过通孔(47)规则地连接。
间隔件印刷电路(5)具有接触区(7)，该接触区被可弹性变形的材料(50)(例如弹性体杯)向下压。
举例来说，移动约为2mm，并且接触力约为70N。
存在被绝缘层隔开的两个导电迹线。通孔(51至53)穿过接触区以允许大电流在电池电芯(1)的帽(54)与中间印刷电路(5)之间流过。
顶部印刷电路(4)与中间电路(5)之间的电气连接通过穿过两个电路的所有层并相互接触的通孔(55至56)实现。
其它特征
该单元可以包括由具有孔的刚性片形成的间隔件，这些孔的截面和布置与电池的定位相对应。
这些间隔件确保借助于将电池的圆柱状电芯容纳在其中而没有任何明显间隙的孔来将电池保持并楔入到恰当的位置。
由于这种布置，在电池电芯(1)沿途和周围获得冷却空气循环，同时保持电池电芯(1)定位在恰当的位置而无明显间隙。该结果是重要的，这是由于以下事实：在电池的电芯的充电和放电期间，特别是在以高比功率使用期间，在所述蓄电池电芯中发生温度升高，并且非常希望在电池内部在电芯之间平衡该温度升高，并减少该温度升高。
Claims (14)
1.一种电力单元，所述电力单元由多个电池电芯(1)的免焊接组件构成，所述电池电芯(1)在其两个相反端面上分别具有正极接触表面和负极接触表面，所述电芯机械地并置并且彼此平行，所述单元包括：
-底板(2)，其具有金属接触区(3)，所述金属接触区(3)能够确保与电芯(1)的底部金属基座电气连接以及可选地热连接；
-顶板(3)，其具有用于确保与电芯(1)的顶部帽电气连接的金属接触区；
-用于与所述电芯的所述顶部帽连接的装置，所述装置能够在相对于所述电芯的取向的轴向方向上弹性变形，
其特征在于，所述单元包括导电片，所述导电片具有限定了能够弹性变形的触点的切口，所述触点具有平面中央部分以确保与对应的电芯的顶部帽接触，所述平面中央部分能够相对于所述中间板(5)的所述平面以平行于所述平面的位移移动，所述平面中央部分被能够在垂直于所述平面的方向上弹性变形的材料推向所述电芯(1)，所述材料容纳在所述顶板(3)的底部表面与所述触点的所述平面中央部分之间，所述平面中央部分通过至少一个连接臂连接到所述导电片的固定部分。
2.根据权利要求1所述的电力单元，其特征在于，所述单元还包括与所述顶板(3)的所述底部表面邻接的间隔件板(5)，所述间隔件板(5)包括导电片，所述导电片具有限定了能够弹性变形的触点的切口，所述触点具有平面中央部分以确保与对应的电芯的顶部帽接触，所述平面中央部分能够相对于所述中间板(5)的所述平面以平行于所述平面的位移移动，所述平面中央部分被能够在垂直于所述平面的方向上弹性变形的材料推向所述电芯(1)，所述材料容纳在所述顶板(3)的底部表面与所述触点的所述平面中央部分之间，所述平面中央部分通过至少一个连接臂连接到所述导电片的固定部分。
3.根据权利要求1或2所述的电力单元，其特征在于，所述臂(15)具有螺旋形状。
4.根据权利要求1或2所述的电力单元，其特征在于，所述触点的所述平面中央部分(7)通过多个切向臂连接到所述固定部分。
5.根据权利要求2所述的电力单元，其特征在于，所述中间板(5)由包括被绝缘体隔开的多个金属层的印刷电路构成。
6.根据权利要求1、2或5所述的电力单元，其特征在于，所述中央部分(7)具有多个金属化孔(51-53)，所述金属化孔在各个触点处与所述金属层电气连接。
7.根据权利要求1、2或5所述的电力单元，其特征在于，各个触点具有可熔区。
8.根据权利要求5所述的电力单元，其特征在于，所述可熔区设置在所述中央部分(7)的金属层和与所述片的金属层连接的区域的金属层之间。
9.根据权利要求5所述的电力单元，其特征在于，所述印刷电路中的至少一个印刷电路的一部分迹线具有可熔区。
10.根据权利要求1、2或5所述的电力单元，其特征在于，所述底板(2)由印刷电路、金属片或导电片构成。
11.根据权利要求1、2或5所述的电力单元，其特征在于，所述底板(2)由包括被绝缘体隔开的至少两个金属层的印刷电路构成。
12.根据前一权利要求所述的电力单元，其特征在于，所述底板(2)的接触区具有与所述金属层电气连接的多个金属化孔。
13.根据前一权利要求所述的电力单元，其特征在于，所述底板(1)和所述顶板(4)通过金属间隔件(14)机械地且电气地连接。
14.根据前一权利要求所述的电力单元，其特征在于，所述底板(1)和/或所述顶板(4)由集成有智能电池管理电路或另一电子电路的多层印刷电路构成。
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