CN112154551B - 蓄能模块 - Google Patents

Abstract

一种蓄能模块(10)，包括串联地电连接在一起的多个蓄能装置(20)；以及多个电子器件板(24、26)，多个电子器件板(24、26)跨模块分布，与蓄能装置中的一个或多个电接触。模块还包括多个柔性印刷电路板(25)，由此多个电子器件板中的每个电子器件板通过柔性印刷电路板中的不同柔性印刷电路板与多个电子器件板中的相邻的电子器件板串联地电连接在一起。对于每个电子器件板和每个柔性印刷电路板，提供接地平面(13、16)，由此接地平面跨所有电子器件板和所有柔性印刷电路板以基本相同的电势提供电接地。

Description

蓄能模块

本发明涉及一种蓄能模块，尤其是包括用于向终端用户提供电能的电化学电池单元或电池的模块。

在许多应用中，尤其在用于涉及与敏感环境中的排放相关的环境问题或公共健康问题的应用中，各种类型的存储电能模块或功率单元变得日益普遍。存储电能功率单元通常用于提供电能以操作设备、避免使用时的排放，不过，所存储的能量可能已经以很多不同的方式生成。所存储的电能也可以用于在原本由电网或由各种类型的发电系统(包括柴油发电机、燃气轮机或可再生能源)来供电的系统中提供调峰。飞机、车辆、船舶、海上钻井平台或钻井平台以及在远程位置中的其它功率设备是使用大规模存储电能的用户的示例。车辆驾驶员可以在城市中心使用蓄能功率单元，并在干道上通过内燃机充电，以减少在城镇和城市中的有害排放，或者车辆驾驶员也可以通过电源充电。大部分航程在相对靠近居住区域或在敏感环境中进行的渡轮被设计为具有混合驱动系统或全电驱动系统。当靠近岸边时，渡轮可以利用所存储的能量操作以向船舶提供功率，并在离岸时使用柴油发电机来给电池充电。在一些国家，可以使用来自可再生能源的电力给蓄能单元充电，这意味着在完全不必使用柴油或其它不可再生能源的情况下，只要蓄能单元对于所经过的距离是足够可靠的，就可以使用全电动船舶。无论是混合动力还是全电动，蓄能单元均可以在停靠时从岸上电源充电。为实现能够作为主功率源而长期使用的足够可靠的蓄能单元，技术的发展必须解决某些技术问题。

根据本发明的第一方面，一种蓄能模块，包括串联地电连接在一起的多个蓄能装置；以及多个电子器件板，多个电子器件板跨模块分布，多个电子器件板与蓄能装置中的一个或多个电接触；模块还包括多个柔性印刷电路板，由此多个电子器件板中的每个电子器件板通过多个柔性印刷电路板中的不同的柔性印刷电路板而与多个电子器件板中的相邻的电子器件板串联地电连接在一起；并且对于每个电子器件板和对于每个柔性印刷电路板，提供接地平面，由此接地平面跨所有电子器件板和所有柔性印刷电路板以基本相同的电势提供电接地。

即使是在模块的几何形状使得难以使用单个电子器件板和接地平面的情况下，柔性印刷电路板中的接地遮蔽也在这些电子器件板的整个接地平面内延伸，以形成用于蓄能模块的公共低阻抗接地平面。接地平面还为信号线提供屏蔽。

电子器件板也可以包括柔性印刷电路板，但柔性过大可能使得连接和组装更加困难，因此通常，电子器件板包括更刚性的印刷电路板。

优选地，每个电子器件板之间的柔性印刷电路板包括柔性印刷电路电缆。

优选地，模块还包括多条通信链路，这些通信链路位于电子器件板之间的柔性印刷电路板上，以用于将在每个电子器件板上收集的数据传送给控制器。

蓄能模块的公共低阻抗接地平面为通信链路上发送的信号提供电噪声屏蔽。

优选地，柔性印刷电路板的接地平面包括至少一个接地层以及至少一个信号层，至少一个接地层用于为通信链路提供屏蔽并为电子器件板提供接地，或用于使接地从每个电子器件板延伸。

接地层通常是纯接地层，不过根据应用，也可以使用混合的接地与信号层。然而，混合层需要基本上接地的部件，因此在这种情况下优选的是，接地元件占混合层的至少三分之二，尤其是在混合层的70％和90％之间。

优选地，信号层包括纯信号层或者混合的接地与信号层之一。

串联连接的柔性印刷电路板和电子器件板可以形成围绕蓄能模块的连续回路。

串联连接的柔性印刷电路板和电子器件板是否形成连续回路取决于应用。

现在将参考附图描述根据本发明的蓄能模块的示例，其中：

图1是示出可以使用本发明蓄能模块的蓄能系统的框图；

图2更详细地示出根据本发明的蓄能模块的一部分；

图3a和图3b示出根据本发明一个实施例的蓄能模块的一部分的另一视图；

图4a和图4b示出根据本发明另一实施例的蓄能模块的一部分的另一视图；

图5示出用于在图3a和图3b或图4a和图4b的实施例中使用的电子器件板的结构的更多细节；

图6示出用于在图3a和图3b或图4a和图4b的实施例中使用的柔性印刷电路板的结构的更多细节；并且

图7示出从上方观察的根据本发明的蓄能模块的一部分。

早期的大规模电池是铅酸电池，但是最近，已经针对大规模应用的电能存储开发了锂离子电池。锂离子电池通常是加压的，并且电解质易燃，因而锂离子电池在使用和存储时需要非常小心。锂离子电池可能出现的一个问题是热失控，这可能是在制造期间由于电池单元的内部短路引起的。诸如机械损坏、过充电或不受控电流的其它原因也可能会导致热失控，但电池系统设计通常会适于避免这些情况。电池单元的制造问题不能被完全排除，因此需要采取预防措施来使发生热失控时的影响最小化。在大规模锂离子电池系统中，抑制热失控期间释放的能量的量是一项挑战。热事件可能会使单个电池单元中的温度从20℃至26℃范围内的标准工作温度上升至700℃至1000℃。安全工作温度是低于60℃，因此，这是一个严重的问题。

在海洋和离岸工业中，对于船舶或钻井平台的风险有严格规定，一个要求就是超温不应从一个电池单元传递到另一电池单元。如果发生过热，则过热应当被抑制在单个电池单元中并且不允许扩散。另外，对于海洋和离岸应用，任何设备的重量和体积都受到严格限制，这使得紧凑轻量的系统成为优选。生产紧凑轻量的系统来实现所需热隔离并且快速且有效地冷却发生过热的电池单元是具有挑战性的。

在锂离子电池系统中，非常重要的是电池单元的温度不超过规定的操作温度并且整个系统中的电池单元温度是均衡的。在规定的操作温度窗之外持续操作可能会严重影响电池单元的寿命，并且增加发生热失控的风险。

对于海洋应用，由于安装成本和模块在船舶或离岸平台上占据的重量和空间，需要对以其最大充电或放电速率使用蓄能模块(诸如电池)特别关注。此外，与蓄能系统的基于陆地的使用相比，维护与修理或者更换是非常复杂且昂贵的，因此，延长蓄能模块的寿命是尤其重要的。对于锂离子电池的示例，这些电池对高温敏感，因此对于锂离子电池系统的所有电池单元，确保工作温度和环境温度是受控的以确保满足设计寿命是非常重要的。单个电池单元上的局部变化或热点也会损害可达到的总寿命。

包括多个蓄能装置(例如电池或电池单元)的蓄能模块可以被组合在蓄能单元中。图1示出可以应用本发明的蓄能系统的一个示例。该系统包括柜、隔间或单元1，在隔间或单元1中，多个蓄能模块10通过总线2a而一起被电连接至隔间控制器9，并通过总线2b电连接至中央控制器3。在模块和隔间控制器9之间可以提供无线通信4。隔间1内的蓄能模块10可以被串联电连接、或者被并联电连接(如图所示)或者组合电连接，例如一些模块并联连接，并且接着该并联组与单元中的其它模块串联连接。这些蓄能模块10中的每个蓄能模块10由冷却流体冷却，冷却流体通过入口管6和出口管7从冷却系统5循环。冷却流体通常是水，水便宜并且比合成冷却剂更容易获得和处理。可以提供添加剂，以例如抑制冷冻、生物生长或腐蚀。添加剂的比例通常由所选择的添加剂决定，例如防霜剂是20％。冷却流体通常被并行地供应至每个模块，不过对于后面的模块来说，串行地供应冷却流体也是可能的，只是效率较低。每个蓄能模块10包括串联地电连接在一起的多个蓄能装置，例如电池单元。包括冷却的这种类型的模块化系统尤其适用于锂离子电池。

诸如电池单元的多个蓄能装置20(参见图2)在模块10中串联地电连接在一起，在这样的模块10内，电池单元冷却器21可以被设置在每个电池单元的至少一侧上，并且冷却流体可以从冷却系统5经由入口管6和出口管7提供以冷却电池单元。电池单元冷却器21包括用于冷却流体流过的管，该管可以是金属管，但更典型地是合成材料管，诸如聚合塑料(例如聚乙烯、诸如PA66塑料的聚酰胺)、或诸如TCE2、TCE5的热塑性塑料或其它适当材料，合成材料可以被模制或挤出为所需形状，或通过增材制造技术生成，并且合成材料能够承受蓄能模块10的正常操作温度。各个蓄能装置20可以彼此堆叠，如图2的一侧所示，在电池单元远离其冷却器21的侧面与堆叠中下一个冷却器的表面之间具有或者不具有附加层(未示出)，例如以提供附加绝缘，或提供电池单元的压缩。可以进一步改进蓄能模块的组装和构造。

蓄能模块可以包括每个模块10中的大量电池单元20，这些电池单元中的每个电池单元可以通过极耳22连接至电子器件板24、26上的例如用于监测和控制目的的电子电路，极耳22具有在电池单元外部的暴露表面区域，如图3a和图3b以及图4a和图4b的示例所示。电池单元的数目越多，电池极耳的总暴露面积越大。在大批量产品中，从电池单元极耳到电池管理系统的连接通常是借助于从印刷电路板(PCB)组件24、26到电池单元极耳22的直接连接。这是因为将各导线连接至每个电池单元极耳22会花费太长时间，并且因此使批量生产成本过高。模块中电池单元的数目可能变成很多，以至于不可能使所有电池单元的极耳与单个印刷电路板接触。对于待使用的单个PCB组件，需要由PCB连接覆盖的总暴露极耳面积可能过大，因而需要几个PCB组件24、26以能够连接至所有电池单元极耳。这个问题在电池单元极耳22位于蓄能装置的不同侧(而不是全部位于相同侧)的电池单元上是最严重的。例如，袋状电池可以具有在相对侧上的电池单元极耳22，以便更好地跨电池单元的区域分割热量。因此，两侧均需要连接且进而需要PCB组件24、26，这可能导致在任一侧上提供分开的PCB组件。在示例中，PCB组件24连接至蓄能装置20的堆叠的一侧上的极耳，并且PCB组件26与另一侧上的极耳连接。

尽管任一侧的板之间的连接可以用导线或连接器来实现，但这两者都存在问题。导线方案提供了板之间的柔性，尤其是在板不位于同一几何平面内的情况下。连接器方案没有接地平面，给出的面积较小，但是当板不在同一几何平面中时可能导致组装困难，而且由于板和连接器的刚性，还可能导致机械问题。然而，由于导线未被屏蔽，所以板之间的导线比板本身更容易暴露于噪声。此外，即使在板之间具有直接连接器，也不存在用于所有不同板的低阻抗接地参考平面，结果在板之间可能存在DC的电压差和AC的电压差两者，从而可能导致关于模块的电池单元的数据获取错误或模块的电池单元的操作错误。

为了减少或消除这些问题的影响，可以用具有接地平面的柔性印刷电路电缆(FPC)将板连接在一起，或者通过由具有接地平面的FPC形成所有的板及其连接来将板连接在一起。FPC提供与PCB基本上相同的功能，但是是柔性的。具有接地平面的FPC还充当电池模块中板上的接地扩展，使得存在用于所有蓄能装置的公共低阻抗接地。通过提供连续的低阻抗接地平面，该设计为电子器件板提供了对外部电噪声的RF抗扰性。

图3a和图3b示出本发明第一示例的不同布置，其中示出包括多个蓄能装置20的蓄能模块10。虽然冷却器是模块的一部分，但为了清楚起见，在图3a和图3b以及图4a和图4b中省略了冷却器。模块10包括多个电子器件板24、26，这些电子器件板24、26与蓄能装置一侧或另一侧上的极耳22的暴露区域接触。这些电子器件板中的每个电子器件板包括多层板，多层板具有形成信号线的若干导电铜带状线层11和由绝缘材料12隔开的接地平面层13。每个电子板可以包括多组带状线信号线层11、接地平面层13和分隔绝缘层12，但为了方便起见，在图5中仅示出一组。接地平面层基本上由合适的导电金属(通常是铜)覆盖，不过接地平面还可以包括接地和信号线的有限混合。例如，包括三分之二或更多接地(例如90％接地和10％信号线、或85％接地和15％信号线、或70％接地和30％信号线)的接地平面在某些应用中仍将具有有益效果。

电子器件板24、26通过柔性印刷电路板(例如板之间的柔性印刷电路电缆25)而被电连接在一起，如图6所示的FPC具有柔性印刷电路层14和绝缘层15以及至少一个接地参考平面16，至少一个接地参考平面16用于提供电子器件板之间的低阻抗接地平面。这意味着电子器件板24、26可以通过低阻抗连接25连接在一起，低阻抗连接25适合于该特定应用，并且由于该连接是柔性的，可以将在不同几何平面中的板24、26之间进行连接。另外，FPC接地平面16保护穿过多个FPC25中的一个FPC的任何信号线免受噪声的影响，保护方式与PCB或PCB组件的接地平面13保护那些信号线免受噪声影响的方式相同。这些柔性印刷电路板中的每个柔性印刷电路板可以包括多组多层柔性板，但为了方便起见，在图6中仅示出一组。此外，如果电子器件板上的空间有限，则可以存在控制板(未示出)，该控制板在端部上通过来自相邻电子器件板24、26的FPC而被连接在板24和板26之间。在具有一些到控制板的信号连接的情况下，FPC中的信号线和接地平面可以被布置为穿过该控制板。图4a和图4b示出本发明的第二示例，其中示出包括多个蓄能装置20的蓄能模块10。

该模块包括多个电子器件板34、36，多个电子器件板34、36与蓄能装置的极耳22的暴露区域接触，但是代替用于电子器件板的印刷电路板24，本示例使用柔性印刷电路电缆25，柔性印刷电路电缆25具有用于电子器件板的接地平面16，即，具有与图6所示相同的层构造。一般而言，优选使用图3a和图3b所示的更刚性的PCB，因为这些PCB比柔性PCB便宜，而且柔性过大可能使得更难以确保与极耳的良好连接，或者使组装变得更复杂。然而，可能存在一些情况，诸如模块中的电池单元布置特别不均匀，使得柔性PCB具有吸引力。如前所述，这些电子器件板随后通过板之间的柔性印刷电路电缆25而被电连接在一起，FPC具有至少一个接地参考平面16，该至少一个接地参考平面16提供电子器件板34之间的低阻抗接地平面。本实施例提供具有机械柔性的板，以及板之间的机械柔性连接，使得可以在不同几何平面中的板之间并且在任何形状的电池单元的情况下形成连接。如在前述示例中，电子器件板34、36的接地平面提供了公共低阻抗连接。FPC接地平面16保护穿过多个FPC(无论是电子器件板34、36还是连接25)中的任意FPC的信号线免受噪声的影响。

在图3a和图3b以及图4a和图4b的示例中，柔性印刷电路板可以被形成为多层信号和接地，其中每个接地平面层用作电屏蔽和低阻抗连接，以确保所有信号具有相同的接地电势。在图3a和图4a的示例中，柔性印刷电路板25和电子器件板24、26不形成连续回路，而是可以在一端的连接中具有间隙。替代地，如果蓄能模块的构造需要，柔性印刷电路板25和电子器件板24、26可以形成连续回路，如图3b和图4b所示。为了清楚起见，图3b和图4b中省略了一些蓄能装置，并且在实践中，位于蓄能装置堆叠的端部处的柔性印刷电路板可以与蓄能装置保持紧密接触。

图7示出从上方观察的蓄能模块的一部分，其示出了接地层的端对端特性，该接地层由刚性和柔性印刷电路板以及这些刚性和柔性印刷电路板的接地层的组合形成。为了清楚起见，省略了蓄能装置与电子器件板之间的电接触的细节。每个柔性印刷电路板25被安装为在其端部30处接触(与柔性印刷电路板25接合在一起的)每个刚性印刷电路板24的接地层13。因此，柔性和刚性印刷电路板的接地层一起跨所有电子器件板和所有柔性印刷电路板以基本相同的电势提供电接地。

相对于在电子器件板之间使用线或直接连接而言，所要求保护的本发明的这些和其它实施例改进了性能，因为为信号线提供了更多保护以免受噪声影响，并且接地参考平面在所有板上都是低阻抗的，从而提供了更稳健的、被保护以免受噪声影响的系统。无论电池单元的数目如何或电池单元上电池极耳的位置如何，蓄能模块的PCB组件都可以与电池极耳直接接触。与在极耳和PCB之间使用导线或其它类型的连接器相比，PCB与极耳直接接触意味着将蓄能装置安装在蓄能模块内更简单且更便宜。在噪声水平可能非常高的工业应用中，能够更稳健地抵抗噪声的电池模块是特别有用的。

虽然已经参照诸如电池(例如Li离子、碱性电池或NiMh电池等)的电化学电池单元给出了具体示例，但本发明还适用于其它类型的蓄能单元，尤其是非圆柱形电容器、超电容器(ultracapacitor)或超级电容器(super capacitor)、燃料电池或其它类型的蓄能器，这些其它类型的蓄能器具有可由冷却器冷却的表面、并且在蓄能单元的模块的温度经常超过优选操作范围时可能遭受损害从而减少总寿命并增加维护成本。

Claims (7)

1.一种蓄能模块，包括串联地电连接在一起的多个蓄能装置；以及多个电子器件板，所述多个电子器件板跨所述模块分布，所述多个电子器件板与所述蓄能装置中的一个或多个蓄能装置电接触；所述模块还包括多个柔性印刷电路板，由此所述多个电子器件板中的每个电子器件板通过所述多个柔性印刷电路板中的不同的柔性印刷电路板而与所述多个电子器件板中的相邻的电子器件板串联地电连接在一起；并且每个电子器件板和每个柔性印刷电路板分别包括接地平面，由此多个所述接地平面跨所有所述电子器件板和所有所述柔性印刷电路板以相同的电势提供电接地。

2.根据权利要求1所述的模块，其中所述多个电子器件板包括多个刚性印刷电路板。

3.根据权利要求1或2所述的模块，其中每个电子器件板之间的所述多个柔性印刷电路板包括多个柔性印刷电路电缆。

4.根据权利要求1或2所述的模块，其中所述模块还包括多个通信链路，所述多个通信链路位于多个电子器件板之间的所述多个柔性印刷电路板上，以用于将在每个电子器件板上收集的数据传送给一个控制器。

5.根据权利要求4所述的模块，其中所述柔性印刷电路板的所述接地平面包括至少一个接地层以及至少一个信号层，所述至少一个接地层用于为所述多个通信链路提供屏蔽并为所述电子器件板提供接地。

6.根据权利要求5所述的模块，其中所述信号层包括一个纯信号层，或者包括混合的接地与信号层。

7.根据权利要求1或2所述的模块，其中串联连接的所述多个柔性印刷电路板和多个电子器件板形成围绕所述蓄能模块的一个连续回路。

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