CN112385074A - 具有层压板以减少侧破裂冲击的电池组及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于分离多个电池单元的分离构件，其包括多个第一壁和多个第二壁，多个第二壁的厚度大于第一壁的厚度。所述分离构件可从塌缩状态展开到展开状态。分离构件在塌缩状态下具有板构造，并且在展开状态下具有蜂窝结构。所述多个第一壁和所述多个第二壁共同限定蜂窝结构的多个单元格。

Description

具有层压板以减少侧破裂冲击的电池组及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月15日提交的美国专利申请第16/009,268号的优先权和权益。上述申请的公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开大体上涉及包括电化学单元的电池组，并且更具体地涉及包括用于分离单独的电池单元(battery cell)的分离构件的电池组及其制造方法。
背景技术
此部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
随着电动车辆技术的不断发展，需要为此类车辆提供改进的电池系统和模块。电池模块或电池组可包括紧密包装在电池外壳中的多个电化学单元。
紧密包装的电池单元的构造可能会影响电池系统在受损时的反应。在一些配置中，当一个单元因撞击而受损时，在单元内可能发生热失控过程，从而产生快速上升的压力。在一些情况下，压力尖峰可能使单元的密封内部体积破裂，可能潜在地导致火灾。如果电池组内的单个单元过热或引起火灾，那么它在相邻单元中会导致类似的反应。
减少热失控传播的一个方法是在单元之间提供气隙。虽然空气是良好的绝缘体并且可以足以用于某些应用，但存在改进的空间。例如，在一些应用中的热失控过程期间，可在几秒内在单元内产生几升易燃气体，且气隙在防止热失控传播方面可能不太有效。
减少热失控传播的另一种方法是在每个单元中提供破裂盘。作为压力释放装置的破裂盘设置在单元的端部，以在达到指定压力时释放单元的内部压力。然而，在一些配置中，当单元在一侧破裂时，单元的内部压力可以导致朝向邻近单元侧向指向的喷枪效应，这可能导致邻近单元的热失控和侧破裂。
本公开解决了电池单元热失控和侧破裂等问题。
发明内容
在一种形式中，提供了一种用于分离多个电池单元的分离构件，其包括多个第一壁和多个第二壁，第二壁的厚度大于第一壁的厚度。所述分离构件可从塌缩状态展开到展开状态。分离构件在塌缩状态下具有板构造，并且在展开状态下具有包括单元格的蜂窝结构。所述多个第一壁和所述多个第二壁共同限定所述蜂窝结构的所述多个单元格。在本公开的多种替代形式中：所述多个第一和第二壁各自包括层压结构；所述第一壁各自包括第一层压板，且所述第二壁各自包含一对所述第一层压板及其间的粘合剂区段；所述第一层压板包括芯层和在所述芯层的相对表面上的一对外层；所述芯层选自金属片材、纸张片材、由阻燃树脂编织的碳纤维；所述外层由选自云母、阻燃树脂、介电材料的材料制成；所述蜂窝结构的每个单元格具有六边形横截面，并且由所述第一壁中的四个第一壁和所述第二壁中的两个第二壁限定；所述多个第二壁在所述蜂窝结构中彼此平行；第一壁中的相邻第一壁在蜂窝结构中限定120°的角度。
在另一个形式中，提供了一种用于保护电池组内的单独电池单元免受热失控的结构，其包括限定用于接收成组的电池单元的多个腔的多个壁。每组设置在一个腔中。所述多个壁各自包括层压结构，所述层压结构包括芯层和与芯层相对的外层。外层包括具有低介电常数的阻燃材料。在本公开的多种替代形式中：所述层压结构包括金属层和设置在所述金属层的相对表面上的云母层；所述层压结构包括通过阻燃材料浸渍的纸张片材和在所述纸张片材的相对表面上的一对阻燃涂层；所述芯层包括由阻燃树脂编织的碳纤维，并且所述一对外层包括介电涂层；同一组中的所有电池单元在共同的通气位置处取向成带正端子。
在又一种形式中，提供一种制造用于分离电池组中的多个电池单元的分离构件的方法，其包括：叠置多个材料层；以及在材料层的相邻材料层之间施加多个粘合剂区段以形成层压结构。每行中的粘合剂区段以预定间距间隔开以在所述粘合剂区段之间限定多个腔。所述分离构件可从塌缩状态展开到展开状态。在本公开的多种替代形式中：所述分离构件在塌缩状态下具有板构造，并且在展开状态下具有蜂窝结构，所述蜂窝结构包括多个单元格；所述层压结构包括多个第一壁和多个第二壁，所述第二壁的厚度大于所述第一壁的厚度，所述第一壁和所述第二壁共同限定所述蜂窝结构的所述多个单元格；材料层的不直接接触粘合剂区段的部分形成所述第一壁，并且材料层的相邻两个材料层的与所述粘合剂区段直接接触的部分形成所述第二壁；所述方法还包括在所述粘合剂区段的相对端处弯曲所述材料层以展开所述分离构件；所述多个空腔中的每一个在所述塌缩状态下具有矩形横截面，并且在所述展开状态下具有六边形横截面；所述材料层各自包括第一层压板，所述第一层压板包含阻燃材料；所述第一层压板包括芯层和在所述芯层的相对表面上的一对外层，所述芯层选自金属片材、纸张片材、由阻燃树脂编织的碳纤维；所述第一层压板包括芯层和在所述芯层的相对表面上的一对外层，所述外层由选自云母、阻燃树脂、介电材料的材料制成。
根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。应理解，描述和具体实例仅旨在用于说明的目的而无意限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，将更全面地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的教导的电池组的示意性俯视图，该电池组包括多个电池单元和用于分离单个电池单元的分离构件；
图2是根据本公开的教导构造的形成为分离构件的一部分的第一层压板的横截面图；
图3是根据本公开的教导构造的形成为分离构件的另一部分的第二层压板的横截面图；
图4是根据本公开的教导构造的具有蜂窝构造的分离构件的单元格的示意性俯视图；
图5A是处于塌缩状态的构成分离构件的第三层压结构的示意性横截面图；
图5B是处于展开状态的分离构件的示意性横截面图；
图6A是根据本公开的教导构造的电池组的变型形式的示意性俯视图，该电池组包括多个电池单元和用于分离单个电池单元的分离构件；以及
图6B是图6A的部分A的放大图。
在整个附图的若干视图中，相应的附图标记表示相应的部分。
具体实施方式
以下描述在本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开、应用或用途。
参考图1，根据本公开的教导构造的电池组10包括多个电池单元12和用于分离所述多个电池单元12的分离构件14。所述多个电池单元12被布置成形成阵列。电池单元12中的每一个具有圆柱形构造。例如，电池单元12可以被布置成形成紧密的六边形包装阵列，其中交替的电池单元12行彼此叠置。应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，电池单元12可被包装成具有任何布置形式。电池单元12中的每一个包括正端子和负端子。
分离构件14具有大体蜂窝结构，并且包括多个第一壁22和多个第二壁24，其共同限定用于接收单独电池单元12的多个腔20。腔20中的每一个可具有基本上六边形的形状。所述多个第一壁22和第二壁24具有基本上共面的端部。所述第二壁24的厚度大于第一壁22的厚度。
例如，每个腔20可以由四个第一壁22和两个第二壁24限定，其中第二壁24彼此相对并且彼此平行。因此，分离构件14的蜂窝结构包括多个单元格，每个单元格由第一壁22和第二壁24共同形成。第一壁22中的相邻的两个第一壁由一个第二壁24连接以限定大致Y形状，其中第一壁22与第二壁24之间以及两个相邻第一壁22之间的角度为大致120°。分离构件14的蜂窝结构中的第二壁24彼此对准或平行。第一壁22中的每一个包括第一层压板26(图2中示出)，并且第二壁24中的每一个包括第二层压板28(图3中示出)。
参考图2和3，第一层压板26和第二层压板28是基本上不导电的无孔层压结构，并且包括具有低介电常数的阻燃材料。第一层压板26包含芯层30和在芯层30的相对表面上的一对外层32。芯层30为第一层压板26提供结构强度，而外层32为芯层30提供热保护。
例如，芯层30可以是具有高熔点和高强度的金属层，例如钢，外层32可以包括具有高熔点、低热导率和可忽略的导电率的材料，例如云母。钢的芯层30确保相对脆弱的云母不因火焰喷射的压力而分离。云母的外层32确保局部热不足以造成芯层30的损坏，并且另外在热事件之前和之后维持电隔离。另外，第一层压板26还可包括阻燃材料，该阻燃材料在平面方向上具有高度导热性，或在垂直于平面方向的厚度方向上具有极低的导热性。
替代地，芯层30可以是大量掺杂有阻燃材料的纸张片材，并且外层32可以是在其间完全密封该纸张片材的阻燃材料的涂层。纸张片材为第一层压板26提供了柔性和基本强度。阻燃材料保护纸张片材免受热或火灾的影响。
替代地，芯层30可以是用阻燃树脂编织的碳纤维，并且外层32可以是介电涂层。芯层30中的碳纤维是高度导热的，并且可以将局部热量快速分配到层压的其它部分，以避免局部热量损坏层压。碳纤维的编织物为层压提供了所需的机械强度。芯层30中的阻燃树脂覆盖编织物中的所有孔，以确保没有火焰喷射穿过编织物中的孔以撞击邻近电池单元。外层32的介电涂层防止在电池单元12与第一层压板26之间发生电短路。
第二层压板28包含一对第一层压板26和其间的粘合剂区段34。粘合剂区段34可以是阻燃粘合剂。因此，第二层压板28包括两个芯层30、位于芯层30的相对表面上的两对外层32以及处于中间的粘合剂区段34。
参考图4，分离构件14的蜂窝结构的单元格由具有第一层压板26的四个第一壁22和具有第二层压板28的两个第二壁24限定。电池单元12设置在单元格的腔20中。单元格可被配置成允许气隙形成或不形成在电池单元12与第一壁22和第二壁24中的每一个之间。在任一种情况下，空气空间设置在六面腔20的拐角与圆柱形电池单元12之间，以在热失控事件期间提供朝向电池单元的端部和分离构件14的端部的通气路径。
在特定单元12中发生侧破裂的情况下，具有第一层压板26的第一壁22和具有第二层压板28的第二壁22可承受喷枪效应。因此，从特定单元12排出的热气体被引导到最低阻碍路径，即朝向单元12的任一端。因此，排出气体被引导远离相邻单元12，以降低热失控传播的可能性。
参考图5A和5B，通过形成呈如图5A所示的基本上板构造(处于塌缩状态)的第三层压结构40，然后通过将该第三层压结构40展开成如图5B所示的蜂窝结构(处于展开状态)，可相对容易地制造分离构件14。
更具体地，为了制造分离构件14，将多个材料层42放置在另一个材料层的顶部上，并且是分离的且由多个粘合剂区段34结合以形成第三层压结构40。在附图中，材料层42和粘合剂区段34未按比例绘制，且粘合剂区段34的厚度被放大以用于示出其位置和长度的目的。材料层42可各自具有第一层压板26，如图2所示。粘合剂区段34是如图3中所示的第二层压板28中所示的相同粘合剂区段34。
所述多个粘合剂区段34设置在材料层42的相邻材料层之间。相同(即，在同一行中或在同一层中)的材料层42之间的多个粘合剂区段34以预定间距间隔开，以在其间限定多个腔44。当第三层压结构40处于塌缩状态并且具有基本上板构造时，多个腔44具有矩形形状，每个腔具有的长度大致是每个粘合剂区段34的长度的三倍。
一个行或层中的粘合剂区段34和腔44相对于相邻行或层的粘合剂区段和腔偏移，使得一行中的粘合剂区段34的位置相对于相邻行中的粘合剂区段34的位置为180度异相。因此，每隔一行中的粘合剂区段34沿着第三层压结构40的厚度方向对准。
粘合剂区段34的间距、粘合剂区段34的长度以及因此一行中的腔44的长度是基于将在展开状态下形成的蜂窝结构的单元格的尺寸来选择的。如先前所描述，蜂窝结构的单元格各自由四个第一壁22和两个第二壁24形成。第三层压结构40中的每个粘合剂区段34的长度基本上等于第一壁22和第二壁24的长度。
参考图5B，通过使图5A的第三层压结构40展开，由此形成蜂窝结构。在展开状态下，材料层42在粘合剂区段34的端部处弯曲，由此将腔44从矩形形状展开成六边形形状。材料层42的不与粘合剂区段34直接接触的部分在展开状态下成为分离构件14的蜂窝结构的第一壁22。材料层42的与粘合剂区段34直接接触的部分在展开状态下成为分离构件14的蜂窝结构的第二壁24的一部分。如先前所描述，第二壁24具有第二层压板28，该第二层压板包括由粘合剂区段34结合的一对第一层压板26。一对第一层压板26是相邻材料层42的与相同粘合剂区段34直接接触且相对的部分。材料层42在被层压之前可以是波纹状的，以促进第三层压结构40从板构造弯曲和展开成蜂窝构造。
参考图6A和6B，根据本公开的教导所构建的电池组50的变型形式包括多个电池单元12和分离构件52。分离构件52包括多个壁54，所述多个壁限定多个腔56。所述多个电池单元12形成多个组，每组分别接收在腔56中的一个中。虽然图6A示出了三个电池单元12被布置成形成组且接收在具有矩形形状的腔56中的一个中，但是应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，腔56可以具有任何形状，并且任何数量的电池单元12可以形成一个组。多个组中的电池单元12可以取向成具有指向相同方向或相反方向的正端子58。
参考图6B，分离构件52的多个壁54可具有类似于结合图2描述的层压结构。通常，层压结构包括具有低介电常数的阻燃材料。在一种形式中，每个壁54可包括由具有高熔点和高强度的金属(例如钢)制成的芯层30，以及由云母制成的在芯层30的相对表面上的外层32。在另一个形式中，芯层30可以是被阻燃树脂高度掺杂的纸张片材，并且外层32可包括阻燃树脂。在另一个形式中，芯层30可以是用阻燃树脂编织的碳纤维，并且外层32是介电涂层。
根据本公开的教导构造的分离构件14、52可以通过使用层压结构有效地减少通过侧分割的热失控传播。用于圆柱体电池单元12的近六边形包装阵列的分离构件14具有蜂窝结构，其可通过首先形成层压结构，接着将层压结构展开成蜂窝结构而相对容易地制造，从而在相邻的电池单元12之间提供低成本的屏障。所得的蜂窝结构是轻量性的，并且为电池单元12提供改进的保护，以减小随着侧破裂而发生的热失控的冲击。
用于相对松散地包装的电池阵列的分离构件52(如图6A所示的)包括多个壁54，所述多个壁限定用于接收多个电池单元12组的多个腔56。每个腔56接收一组电池单元12。虽然在同一组中的相邻电池单元之间没有设置分隔件或分离器，但由于壁54的存在，防止一组电池单元12中的热失控事件传播到另一组单元，所述壁具有层压结构以有效地防止热失控传播。
除非本文另外明确指出，否则在描述本公开的范围时，指示机械/热特性、组成百分比、尺寸和/或公差或其它特性的所有数值应理解为由词语“约”或“大约”修饰。出于各种原因，包括工业实践、制造技术和测试能力，需要这种修改。
本公开的描述在本质上仅是示例性的，并且因此，不偏离本公开的实质的变化旨在在本公开的范围内。此类变化不应视为偏离本公开的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于分离多个电池单元的分离构件，其包括；
多个第一壁；以及
多个第二壁，所述多个第二壁的厚度大于所述第一壁的厚度，
其中所述分离构件能够从塌缩状态展开到展开状态，所述分离构件在所述塌缩状态下具有板构造，并且在所述展开状态下具有包括多个单元格的蜂窝结构；并且
其中所述多个第一壁和所述多个第二壁共同限定所述蜂窝结构的所述多个单元格。
2.根据权利要求1所述的分离构件，其中所述多个第一壁和所述多个第二壁各自包括层压结构。
3.根据权利要求1所述的分离构件，其中所述第一壁各自包括第一层压板，并且所述第二壁各自包含一对所述第一层压板和其间的粘合剂区段。
4.根据权利要求3所述的分离构件，其中所述第一层压板包括芯层和在所述芯层的相对表面上的一对外层。
5.根据权利要求4所述的分离构件，其中所述芯层选自金属片材、纸张片材、由阻燃树脂编织的碳纤维。
6.根据权利要求4所述的分离构件，其中所述外层由选自云母、阻燃树脂、介电材料的材料制成。
7.根据权利要求1所述的分离构件，其中所述蜂窝结构的每个单元格具有六边形横截面，并且由所述第一壁中的四个第一壁和所述第二壁中的两个第二壁限定。
8.根据权利要求7所述的分离构件，其中所述多个第二壁在所述蜂窝结构中彼此平行。
9.根据权利要求7所述的分离构件，其中所述第一壁中的相邻第一壁在所述蜂窝结构中限定120°角。
10.一种用于保护电池组内的单独电池单元免受热失控的结构，所述结构包括：
多个壁，所述多个壁限定用于接收成组的电池单元的多个腔，每组电池单元设置在一个腔中，
其中所述多个壁各自包括层压结构，所述层压结构包括芯层和与所述芯层相对的外层，所述外层包括具有低介电常数的阻燃材料。
11.根据权利要求10所述的结构，其中所述层压结构包括金属层和设置在所述金属层的相对表面上的云母层。
12.根据权利要求10所述的结构，其中所述层压结构包括由阻燃材料浸渍的纸张片材和在所述纸张片材的相对表面上的一对阻燃涂层。
13.根据权利要求10所述的电池组，其中所述芯层包括由阻燃树脂编织的碳纤维，并且所述一对外层包括介电涂层。
14.根据权利要求10所述的电池组，其中相同组中的所有电池单元在公共通气位置处取向成带正端子。
15.一种制造用于分离电池组中的多个电池单元的分离构件的方法，所述方法包括：
叠置多个材料层；以及
在所述材料层的相邻材料层之间施加多个粘合剂区段以形成层压结构，每一行中的所述粘合剂区段以预定间距间隔开，并且
其中所述分离构件能够从塌缩状态展开到展开状态，所述分离构件在塌缩状态下具有板构造，并且在展开状态下具有包括多个单元格的蜂窝结构，
其中所述层压结构包括多个第一壁和多个第二壁，所述多个第二壁的厚度大于所述第一壁的厚度，所述第一壁和所述第二壁共同限定所述蜂窝结构的所述多个单元格，并且
其中所述材料层的不与所述粘合剂区段直接接触的部分形成所述第一壁，并且材料层的相邻两个材料层的与所述粘合剂区段直接接触的部分形成所述第二壁。
16.根据权利要求15所述的方法，其还包括在所述粘合剂区段的相对端弯曲所述材料层以展开所述分离构件。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个腔中的每一个在所述塌缩状态下具有矩形横截面，并且在所述展开状态下具有六边形横截面。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述材料层各自包括第一层压板，所述第一层压板包含阻燃材料。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一层压板包括芯层和在所述芯层的相对表面上的一对外层，所述芯层选自金属片材、纸张片材、由阻燃树脂编织的碳纤维。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一层压板包括芯层和在所述芯层的相对表面上的一对外层，所述外层由选自云母、阻燃树脂、介电材料的材料制成。
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