CN115000600A - 一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组，属于方形电芯设计技术领域，本发明提供了一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组，提高电池组能量密度，减轻整个模组重量，实现模组的轻量化设计；加强模组的安全及动力性能实现；提高电池模组的环境适应能力和可靠性；增加电池模组的通用性并改善电池系统的装配工艺性。

Description

一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组
技术领域
本发明公开了一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组，属于方形电芯设计技术领域。
背景技术
随着全球变暖，臭氧层破坏，水污染等环境问题对人类生存威胁的日趋加大，环境保护已经成为当今社会的重要议题。汽车作为现代社会人类出行非常普遍和不可或缺的交通工具，其运行方式对环境的影响已经引起越来越广泛的关注。相比于传统燃油汽车尾气排放对环境造成的负面影响，纯电动汽车以其零污染、零排放的优越节能减排特性得到市场广泛认可，近年来，市场占有率逐年提高。动力电池目前已应用于非常广泛的领域，由于其能量密度高、性能稳定、安全可靠，在电动车辆领域的应用已逐渐得到了市场的认可。
目前市场上的动力电池单体通常可以分为铝壳方形电池、聚合物软包装电池和圆形电池等种类。动力电池模组作为锂电纯电动汽车的基本动力单元和动力电池电性能的物理载体，其结构设计直接影响整车的动力性能和安全性能。
但是,当前锂离子动力电池模组设计存在以下问题:
1.为了避免电池内部的物理化学反应导致的部分电解液气化，从而引起电池体积膨胀导致的电池外壳相互接触，电池单体之间通常会保留一定间隙。间隙的存在必然导致电池模组的体积比能量密度的下降及电池系统的体积比能量密度下降，将减少电动车辆所能携带的最大能量，影响电动车辆的整体性能造成；
2.为确保电流导通，电池单体之间由汇流排连接。在满足导电性能要求的情况下，当前技术中应用的汇流排的散热性能不高；
3.当前汇流排与电池单体的连接方式通常为螺栓连接。优点在玉装配方便、维修简单，可快速、便利地更换电池单体。但螺栓、螺母等紧固件的存在会增加空间尺寸，导致电池模组体积增加，体积比能量密度下降，并引起电池模组的重量增加，重量比能量密度下降；
4.由于环境的差异性，电动车辆可能运行在较为寒冷的气候中，这对于电池性能的发挥是非常不利的
5.现有电池模组的整体设计防振动、冲击、温湿度循环等性能尚有改善和提高的空间。
发明内容
本发明的目的在于解决现有当前锂离子动力电池模组设计存在问题，提出一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组。
本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：
一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法，应用于铝壳方形电池模组，包括：
在模组的电芯与电芯之间，尤其是每单串的电池组之间，电芯与模组的金属部件之间，以及不同的串联铝排间设置有绝缘垫片,所述电池单体与所述绝缘垫片密封连接；
模组汇流排结构为若干块串联铝排上下包裹两层绝缘膜，通过热压工艺压制成一个单一的部件，铝排整体为钣金折弯结构；
所述汇流排与电池单体的连接采用焊接方式；
利用电压温度采样软排结构对电池系统进行监控的需要，包括用来采集电池单体的电压和温度，用于判断各个电池单体的实时状态及健康状况；
预设模组的防尘及安全防护结构包括电压温度采样连接器保护罩和端子防尘罩设计，用于模组的防尘及安全防护。
优选的是，所述电压温度采样软排基体为折弯的FPC软板，所述支腿采用“Z”字形结构。
优选的是，电池模组外框架将其所有电池单体紧紧地箍成一个整体。
一种电池模组，其应用于所述的一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法。
本发明相对于现有而言具有的有益效果：
本发明提供了一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法及电池模组，提高电池组能量密度，减轻整个模组重量，实现模组的轻量化设计；加强模组的安全及动力性能实现；提高电池模组的环境适应能力和可靠性；增加电池模组的通用性并改善电池系统的装配工艺性。
附图说明
图1是本发明实施例中热压后的串联铝排示意图；
图2是本发明实施例中汇流排结构示意图；
图3是本发明实施例中电压温度采样软排结构示意图；
图4是本发明实施例中模组端板装配示意图。
具体实施方式
以下根据附图1-4对本发明做进一步说明：
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明第一实施例在现有技术的基础上提供了一种基于方形电芯的电池大模组设计方法，应用于铝壳方形电池模组。
在模组的电芯与电芯之间，尤其是每单串的电池组之间，电芯与模组的金属部件之间，以及不同的串联铝排1间设置有绝缘垫片11,所述电池单体与所述绝缘垫片密封连接；在串联铝排及模组其他金属件(主要为侧板间)时，也有相应的绝缘防护措施。
在绝缘强度的具体实现上，电芯需要包裹PET绝缘蓝膜，同时在侧板内侧设置了绝缘层，绝缘层也采用PET材质，与钣金侧板通过热压工艺整合成一个部件。在电芯排布的最外侧电芯的外侧，以及每两个电芯之间，放置了绝缘隔热垫，其主要材质为二氧化硅气凝胶。在钣金加强板内侧放置的塑料端板也将金属材质的加强板与电芯排布进行了物理隔离，起到了绝缘隔挡的作用。上述串联排结构，通过热压工艺压合后结构如图1所示。在不同的串联铝排之间，以及串联铝排的四周，都通过PET绝缘膜进行包裹而只暴露出铝排的焊接区域。通过以上细节的方案设计，模组在电芯与电芯之间，电芯与金属侧板及钣金加强板之间，不同单串的串联铝排之间，串联铝排与金属侧板等部件间都设置了有效的绝缘防护，可以保证绝缘强度，杜绝安全隐患。
模组汇流排2结构为若干块串联铝排上下包裹两层绝缘膜21，通过热压工艺压制成一个单一的部件，铝排整体为钣金折弯结构；
模组汇流排结构如图2所示，两侧输出端子22，以及若干块串联铝排上下包裹两层绝缘膜，通过热压工艺压制成一个单一的部件。铝排整体为钣金折弯结构，折弯形成的两个翻边一部分与电芯极柱上表面为面对面接触，焊接连接，另一部分搭于电池肩部。此设计方案可保证整个结构被充分有效支撑，并具备足够的截面积以满足结构强度及过流要求。铝排焊缝形状设计须保证铝排与电池极柱的连接强度防止脱焊，焊缝面积必须足够以承受车辆运行过程中产生的正应力和切应力。
所述汇流排与电池单体的连接采用焊接方式,在产品批量化生产阶段，电池模组采用激光焊接方式，在产品前期开发试制阶段，电池模组采用电阻焊方式；
鉴于螺栓连接方式的缺陷，汇流排与电池单体的连接应尽量选择焊接方式，并选择最合理的焊接工艺。激光焊接效率较高，焊接可靠，焊接处的过电流能力较强，但是焊接设备较贵，实现自动化焊接需要较大投入。电阻焊设备比较容易获得，但是焊接效率不及激光焊接,且由于焊点数量限制,其焊接可靠性与激光焊接相比较低。因此，根据不同的应用情况，批量化生产的电池模组较适合采用激光焊接方式，而在产品的前期开发试制阶段，采用电阻焊方式则更为合理。
利用电压温度采样软排结构对电池系统进行监控的需要，包括用来采集电池单体的电压和温度，以便于判断各个电池单体的实时状态及健康状况；
电压温度采样软排3，其基体为一个PET材质的软板，软板与作为电压采样点的镍片之间为超声焊连接。温度传感器32采用水滴型传感器，传感器水滴探头一侧焊接镍片，另一侧通过铜导线点焊焊接于PET基板上。电压温度采样连接器33点焊焊接于基板上，基板下部黏结补强板34一块。电压采集镍片焊接在基板的支腿结构上，为抵消沿模组长度方向的电池鼓胀力，支腿采用“Z”字形结构35。方案中所涉模组因电芯高度较高，在模组高度方向上无足够空间放置电压温度采样连接器，所以将FPC软板折弯，将电压温度采样连接器通过补强板栓接于模组端板上，如图4所示。
为铝排设计合理的截面形状以保证模组电气件具备充分的过流能力；
为保证模组电气件具备充分的过流能力，需要为铝排设计合理的截面形状。截面须具备足够的宽度，同时为保证足够的焊接强度，铝排的厚度最好不要超过2mm。截面宽度依据模组实际空间设计。同时，对整体汇流排布置中最薄弱的过流部位，也需进行过流量验算。通常，由于输出端子与电池系统的串联排连接位置位于电芯排列之外，出于安全电气距离，以及空间布置等原因，在此处汇流排截面积最小，是汇流排过流的最薄弱部位，模组设计需要考虑对此处进行过流能力验算。此部位采用铜铝复合材质，以便获得比较强的过流量和比较低的接触电阻。
预设模组的防尘及安全防护结构包括电压温度采样连接器保护罩、端子防尘罩和模组上盖的设计，通过上述部件的结构及接口设计，实现模组的防尘及安全防护。
模组的防尘及安全防护结构4，包括电压温度采样连接器保护罩41和端子防尘罩42的设计，通过上述部件的结构及接口设计，实现模组的防尘及安全防护。其中电压温度采样连接器保护罩通过卡扣及卡槽结构固定于端板上。
按照本专利中所描述的方法进行电池模组设计开发，在电池单体能量密度保持不变的情况下，可以比较显著地提高电池组能量密度，减轻整个模组重量，实现模组的轻量化设计，对电动车辆的开发具有重要意义。并且，按照此方法开发的电池模组具备良好的装配工艺性和互换性，使电池系统的装配工艺性得到改善，生产效率得到提高。
本发明第二实施例在第一实施例的基础上提供了一种电池模组，其应用于第一实施例所述的一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法，应用于铝壳方形电池模组，其特征在于，包括：
在模组的电芯与电芯之间，尤其是每单串的电池组之间，电芯与模组的金属部件之间，以及不同的串联铝排(1)间设置有绝缘垫片(11),所述电池单体与所述绝缘垫片密封连接；
模组汇流排(2)结构为若干块串联铝排上下包裹两层绝缘膜(21)，通过热压工艺压制成一个单一的部件，铝排整体为钣金折弯结构；
所述汇流排与电池单体的连接采用焊接方式；
利用电压温度采样软排(3)结构对电池系统进行监控的需要，包括用来采集电池单体的电压和温度，用于判断各个电池单体的实时状态及健康状况；
预设模组的防尘及安全防护结构(4)包括电压温度采样连接器保护罩(41)和端子防尘罩(42)设计，用于模组的防尘及安全防护。
2.根据权利要求1所述的一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法，其特征在于，所述电压温度采样软排(3)基体为折弯的FPC软板，所述支腿(31)采用“Z”字形结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法，电池模组外框架将其所有电池单体紧紧地箍成一个整体。
4.一种电池模组，其特征在于，其应用于权利要求13中任一项所述的一种基于方形电芯的电池大模组的设计方法。
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