CN116845475A - 电池单元的过充保护组件 - Google Patents
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Abstract
一种电池模块包含多个棱柱形电池单元。每一棱柱形电池单元包含壳体和盖组件，所述壳体容纳电化学活性成份。盖组件包含：盖；端子，穿过盖突起；集流器，电耦接到端子；以及过充保护组件，处于端子与集流器之间。过充保护组件包含物理耦接且电耦接的螺旋圆盘和通气圆盘，其中通气圆盘处于螺旋圆盘与端子之间并且包含凹入结构，由此在通气圆盘与端子之间形成空腔。通气圆盘被配置成在壳体内的压力超过阈值时变形到空腔中并断裂。螺旋圆盘被配置成在通气圆盘变形时将剪切力施加到通气圆盘以有助于通气圆盘断裂而中断电流流动。
Description
本申请是申请日为2017年7月31日、国际申请号为PCT/US2017/044730、国家申请号为201780047387.8、发明名称为“电池单元的过充保护组件”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张2016年8月1日申请的名为“锂离子棱柱形电池单元的电流中断(CURRENT INTERRUPT FOR LITHIUM ION PRISMATIC CELL)”的第62/369,716号美国临时申请的优先权和权益，所述美国临时申请出于所有目的而全文以引用方式并入本文中。
背景技术
本公开总的来说涉及电池和电池模块的领域。更具体来说，本公开涉及可在过充事件期间保护电池单元免受热失控的电池单元的特征。
本章希望向读者介绍可与下文所述的本公开的各方面相关的技术的各方面。此论述内容被认为有助于向读者提供背景信息以便于较好地理解本公开的各方面。因此，应理解，这些陈述应从这个角度予以解读，而并不被承认为是现有技术。
固定电池系统可提供对基于化石燃料燃烧而操作的系统的可行替代或补充。例如，住宅、办公室、大楼和类似场所通常包含在中央电力故障(例如，由于恶劣天气)的情形下使用的备用电源，例如，燃气动力发电机。类似地，某些环境(例如，临时办公室、临时房屋或远离电网的其它环境)可不一定连接到电网，而是依赖于来自相对便携的电源(例如，发动机驱动式发电机)的能量源。固定电池系统可以是对这些环境具有吸引力的替代物，这不仅因为它们与燃烧过程相比可排放相对少的排放物，而且因为风和太阳能等其它能源可作用于这些固定电池系统以实现能量捕获供之后使用。
随着技术继续发展，需要对这些应用提供改进的电源(明确地说，电池模块)。例如，电池模块可经受过充测试以确定电池模块及其个别电池单元的边界和/或限制。然而，在某些情形下，对电池模块过充可导致因电池单元的过热或过压而造成的热失控。热失控可使电池模块永久失效，并且因此，需要可防止或阻断热失控的装置。此外，这些电池系统的个别电池单元可特别随着老化而对充电作出不同反应，并且可在操作中在过充事件的情形下容易遭受热失控的影响。因电池单元的过热和/或过压而造成的热失控可产生不稳定工况，所述不稳定工况可传播到电池模块内的邻近电池单元。过充保护机构可保护电池单元和电池模块免受此过热和/或过压影响。
发明内容
下文阐述本文所公开的某些实施例的概述。应理解，呈现这些方面仅是为了向读者提供这些实施例的简要概述，并且这些方面不希望限制本公开的范围。实际上，本公开可涵盖下文可能没有阐述的多个方面。
本公开涉及一种电池模块。电池模块包含外壳以及设置在外壳内的多个电池单元。多个电池单元中的每一电池单元包含容纳电池单元的电化学活性成份的壳体以及紧固到壳体的盖组件。盖组件包含：盖；端子，穿过盖突出；集流器，电耦接到端子；以及过充保护组件，设置在端子与集流器之间。过充保护组件包含螺旋圆盘以及物理耦接并电耦接到螺旋圆盘的通气圆盘，其中通气圆盘设置在螺旋圆盘与端子之间并包含凹入结构，由此通过通气圆盘的凹入结构在通气圆盘与端子之间形成空腔，其中通气圆盘经由螺旋圆盘而电耦接到集流器，其中通气圆盘被配置成在壳体内的压力超过阈值时变形到空腔中并断裂，并且其中螺旋圆盘被配置成在通气圆盘变形到空腔中时将剪切力施加到通气圆盘以有助于通气圆盘的断裂并因此中断集流器与端子之间的电流流动。
本公开还涉及一种电池单元。电池单元包含容纳电池单元的电化学活性成份的壳体以及紧固到壳体的盖组件。盖组件包含：盖；端子，穿过盖突起；集流器，电耦接到端子；绝缘垫圈，设置在端子与盖之间，被配置成防止端子与盖之间的电流流动；以及过充保护组件，设置在端子与集流器之间。过充保护组件包含螺旋圆盘以及物理耦接并电耦接到螺旋圆盘的通气圆盘，其中通气圆盘设置在螺旋圆盘与端子之间并包含凹入结构，由此通过通气圆盘的凹入结构在通气圆盘与端子之间形成空腔，其中通气圆盘经由螺旋圆盘而电耦接到集流器，其中通气圆盘被配置成在壳体内的压力超过阈值时变形到空腔中并断裂，并且其中螺旋圆盘被配置成在通气圆盘变形到空腔中时将剪切力施加到通气圆盘以有助于通气圆盘的断裂并因此中断集流器与端子之间的电流流动。
本公开还涉及一种锂离子电池。锂离子电池包含容纳锂离子电池单元的电化学活性成份的壳体以及紧固到壳体的盖组件。盖组件包含：盖；端子，穿过盖突起；集流器，电耦接到端子；绝缘垫圈，设置在端子与盖之间，被配置成防止端子与盖之间的电流流动；端子焊盘，设置在盖外部并电耦接到端子，其中端子延伸穿过端子焊盘；以及过充保护组件，设置在端子与集流器之间，被配置成中断端子与集流器之间的电流。过充保护组件包含螺旋圆盘以及物理耦接并电耦接到螺旋圆盘的中央的通气圆盘，其中螺旋圆盘和通气圆盘包含导电材料，其中通气圆盘设置在螺旋圆盘与端子之间并包括凹入结构，由此通过通气圆盘的凹入结构在通气圆盘与端子之间形成空腔，其中通气圆盘经由螺旋圆盘而电耦接到集流器，其中通气圆盘包含圆形凹槽并被配置成在壳体内的压力超过阈值时变形到空腔中并沿着圆形凹槽断裂，并且其中螺旋圆盘包含一个或更多个裂口，所述一个或更多个裂口被配置成在壳体内的压力超过阈值时使螺旋圆盘旋转，从而产生剪切力，其中螺旋圆盘被配置成在通气圆盘变形到空腔中时将剪切力施加到通气圆盘以有助于通气圆盘沿着圆形凹槽断裂并因此中断集流器与端子之间的电流流动。
附图简单说明
可在阅读具体实施方式之后并在参照附图之后更好地理解本公开的各方面，其中：
图1是根据本公开的一些方面的锂离子电池模块的示意图，其中所述锂离子电池模块被配置成用于固定能量存储系统中；
图2是根据本公开的一些方面的固定能量存储抽屉的实施例的立体图，其中所述固定能量存储抽屉具有并排地定位在固定抽屉外壳内的两个电池模块；
图3是根据本公开的一些方面的固定能量存储抽屉的实施例的立体图，其中所述固定能量存储抽屉具有并排地定位在固定抽屉外壳内的由多个电池单元组成的两个电池模块；
图4是根据本公开的一些方面的电池单元的实施例的立体图；
图5是根据本公开的一些方面的具有过充保护组件的图4的电池单元的实施例的分解图；
图6是根据本公开的一些方面的图4的电池单元的过充保护组件的实施例的横截面图；
图7是根据本公开的一些方面的图6的过充保护组件的螺旋圆盘的实施例的俯视图；
图8是根据本公开的一些方面的图6的过充保护组件的实施例的横截面图，所述组件处于关闭位置；以及
图9是根据本公开的一些方面的图8的过充保护组件的实施例的横截面图，所述组件处于打开位置。
具体实施方式
下文将描述一个或更多个具体实施例。致力于提供对这些实施例的简明描述，本说明书中并未描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多专门针对实施方案的决策来实现开发者的特定目标，例如，符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件对于不同实施方案可能有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作。
本文所述的电池系统可用于将电力提供给各种高电压能量存储/消耗应用(例如，电网电力存储系统)。这些电池系统可包含一个或更多个电池模块，每一电池模块具有被布置成提供特定电压和/电流的许多电池单元(例如，锂离子(Li离子)电化学电池单元)。应注意，虽然当前论述着重于锂离子电池单元中的过充保护组件，但过充保护组件的实施例可用于可容易遭受过充事件的任何适当电池单元。作为实例，根据本发明的实施例的电池模块可包含到固定电力系统(例如，非汽车系统)或将电力提供给所述固定电力系统。在一些实施例中，本文所述的电池系统可用于将电力提供到各种类型的电动车辆，并且一个或更多个电池模块的电池单元可被布置成提供用于对例如电动车辆的一个或更多个部件供电的特定电压和/或电流。
这些电池系统的个别电池单元可特别随着老化而对充电作出不同反应。因此，虽然这些系统可包含控制特征以尝试限制过充，但在某些情形下，电池单元可容易遭受过充事件。过充事件可导致电池单元过热和/或过压。过热和/或过压可导致电池单元和/或电池模块的热失控(例如，当温度的升高改变工况以致于导致温度的进一步升高时)，并且可导致不稳定工况传播到邻近电池单元。过充保护机构可防止电池单元的电压上升到特定电压以上，因此保护电池单元和电池模块免受此过热和/或过压的影响。
现认识到，在过充事件的情形下防止或阻断热失控的各种特征可包含在电池单元中。总的来说，所公开的实施例涉及可在过充事件的情形下中断流过电池单元的电流的过充保护组件。过充保护组件可包含可焊接在一起的螺旋圆盘和通气圆盘。当电池单元正经受过充时，内部压力可增大。增大的压力可使通气圆盘变形以拉动并旋转螺旋圆盘。这些力(即，来自内部压力的拉伸力以及来自旋转的剪切力)可使得通气圆盘沿着通气凹槽的360°断裂。通气圆盘在通气凹槽处的完全断裂可使流过电池单元和过充保护组件行进到电池单元的端子的电流被中断。因此，过充保护组件可在电池单元正经历过充时使电流中断(例如，停止)。电流中断可减少在过充事件中电池单元中的热失控和不稳定工况的出现以及减少这种工况到邻近电池单元的传播。
图1是电池系统10的实施例的示意图，其中电池模块12(例如，锂离子电池模块)被配置成用于固定能量存储系统16中。更具体来说，电池模块12可用作固定能量存储抽屉20的全部或一部分。固定能量存储抽屉20可移除地耦接到固定能量存储系统16的外壳22(例如，机柜)。每一固定能量存储抽屉20可包含一个或更多个电池模块12，并且固定能量存储系统16可包含一个或更多个固定能量存储抽屉20。
例如，电池模块12可具有多个锂离子电池单元(例如，10个至20个之间)。下文中将更详细地描述电池模块12的整体配置。同样，一个或更多个电池模块12可并入到固定能量存储抽屉20，其中若干个电池模块12可与较大固定能量存储系统16连接以给设施24提供期望的能量存储、能量调节和/或能量输出能力。
如图示，设施24可包含大楼或通常连接到电网26或其它主要能源以提供电力供每日电力消耗的类似环境。然而，在其它实施例中，设施24可以是并未连接到电网26并因此完全依赖于其它手段以提供电能(例如，固定存储系统16)的设施。此外，设施24可以是住宅或其它环境。固定能量存储系统16可并入到或以其它方式连接到设施24的电网以根据需要提供电力。作为非限制性实例，固定能量存储系统16可作为电网26的备用将电力提供给设施24(例如，由于停电)，以进行电力调节、补充电力或补偿电网26的电力消耗等。
图2图示固定能量存储抽屉20的实施例，其中固定能量存储抽屉20具有并排地定位在固定能量存储抽屉20的外壳36内的两个电池模块12。如上文所论述，一个或更多个固定能量存储抽屉20可移除地耦接到固定能量存储系统16的外壳22(例如，机柜)。每一固定能量存储抽屉20可包含可并排地定位在固定抽屉外壳36内的一个或更多个电池模块12。每一个电池模块12可包含许多电池单元(例如，锂离子电池单元)。电池单元可部分地或基本上被包围在电池模块外壳38内。电池模块外壳38可以是模制塑料外壳，所述模制塑料外壳可具有与所包围的电池单元互补的形状或可以是任何适当外形。因电池单元中的过充事件而造成的热失控或其它有害影响可能影响固定能量存储抽屉20的电池模块12和/或其它电池模块中的一个或更多个电池单元。然而，如上文所阐述，电池单元可包含本公开的电流中断特征。
图3图示具有两个电池模块12(图中未示出电池模块外壳38的一部分)的固定能量存储抽屉20，其中每一电池模块12具有在电池模块12内被取向成相互平行的若干电池单元46。在所图示的实施例中，电池单元46成排地定位在电池模块12内。虽然被图示为包含十一个电池单元，但可提供其它数量和配置的电池单元46。然而，电池单元46通常将针对特定应用以一定的量和配置来提供以便具有充足的能量密度、电压、电流、容量等。此外，虽然电池单元46被示出为具有多边形或长方形形状，但在其它实施例中，电池单元46可以是棱柱形的、圆柱形的或其它形状，或这些形状的组合。
每一个电池单元46可包含多个端子(例如，两个端子)。例如，电池单元46可各自在电池单元46的第一端(端子端)处包含正端子48和负端子50。端子48、50电连接到电池单元46的主体52内所含有的电化学活性材料。电池单元46可在电池模块12内以各种并联和/或串联布置电连接。电池单元46相互贴近可导致在过充事件期间因为其中一个电池单元46的过热和/或过压而造成的热失控的传播。对每个电池单元46的过充保护组件可保护电池单元免受因过充事件所致的热失控，并且可在这些情形下实现对邻近的电池单元46和电池模块12的保护，如下文更详细地论述的那样。
图4是其中一个电池单元46的实施例的立体图。电池单元46可包含可用贴片56(例如，Al贴片)密封的填充孔。所图示的电池单元46可包含可用于与电池单元46进行电连接的端子48、50(例如，分别是正端子和负端子)。端子48、50电连接到电池单元46的主体52内所含有的电化学活性材料。电池单元46的充电可导致电池单元46的主体52内的电化学活性材料经受电化学反应，这会产生热和气体。在一些实施例中，电池单元46可包含通气孔58，其中通气孔58可用于将因电化学活性材料的反应而造成的排出物从电池单元46内排出。在过充事件的情形下，可发生热失控，热失控可进一步加热电化学活性材料并导致电池单元46的过压。为了保护电池单元46免受这种过充事件而造成的热失控的影响，电池单元46可包含定位在电池单元46的第一端子焊盘62或第二端子焊盘64下的过充保护组件60。
端子焊盘62、64可直接耦接到端子48、50。具体来说，第一端子焊盘62可耦接到正端子48，并且第二端子焊盘64可耦接到负端子50。端子48、50和相应端子焊盘62、64可设置在电池单元的端子表面66的相对两端处。在一些实施例中，端子焊盘62、64可经由焊接(例如，激光焊接)而耦接到端子48、50，以使得端子焊盘62、64紧固到端子48、50并在端子焊盘62、64与端子48、50之间形成电连接。在一些实施例中，端子焊盘62、64可经由紧固件(例如，铆钉、螺钉或螺栓)或用于将两个部件相互紧固并电耦接的任何其它适宜的技术而耦接到端子48、50。
过充保护组件60可定位在其中一个端子焊盘和对应的端子下方。例如，在一些实施例中，过充保护组件60可定位在第一端子焊盘62与正端子48下方。在一些实施例中，过充保护组件60可定位在第二端子焊盘64与负端子50下方。如果电池单元46的过热和/或过压发生(例如，可在过充事件中发生)，那么过充保护组件60可使得行进到对应端子的电流中断，如参照图8和图9更详细地论述的。
图5是具有过充保护组件60的电池单元46的实施例的分解图。电池单元46的主体52可包含壳体76(例如，罐状物)和绝缘套78。在壳体76和绝缘套78内，电池单元46的主体52可包含一个或更多个线圈堆叠物80。电池单元46的电化学活性材料可设置在线圈堆叠物80内。电池单元46可包含紧固到壳体76的盖组件81，其中盖组件81包含盖84、端子48、50、与端子48、50相关联的集流器82、83以及过充保护组件60。电池单元46可包含设置在正端子48下方的正集流器82以及设置在负端子50下方的负集流器83。集流器82、83可电耦接到线圈堆叠物80。电池单元46可包含盖84，其中盖84可将线圈堆叠物80和集流器82、83封闭在壳体76内。端子48、50可延伸穿过盖84。电池单元46可包含可定位在盖84上方的端子绝缘体86。端子48、50可延伸穿过端子绝缘体86。端子焊盘62、64可在轴向上定位在端子绝缘体86上方，并且可耦接到端子48、50，如上文所论述。端子48、50可延伸穿过端子焊盘62、64，以使得端子焊盘62、64围绕相应端子48、50，从而为端子48、50提供平坦的接口。电池单元46可包含可覆盖端子48、50的一个或更多个端子盖88。在一些实施例中，电池单元46可包含通气孔58，其中通气孔58可用于将因电化学活性材料的反应而造成的排出物从电池单元46内排出。通气孔58可在电池单元内的压力超过特定压力阈值时打开。
在所图示的实施例中，电池单元46包含过充保护组件60。过充保护组件60可被设置成接近端子48、50中的一个(例如，在其下方)。过充保护组件60可包含螺旋圆盘92和通气圆盘94。在一些实施例中，下方绝缘体93(例如，第二绝缘部件)可将螺旋圆盘92与通气圆盘94隔开。在一些实施例中，螺旋圆盘92可经由焊接(例如，激光焊接、超声波焊接、电阻焊接)而耦接到通气圆盘94以在螺旋圆盘92与通气圆盘94之间形成电连接。在其它实施例中，螺旋圆盘92可经由紧固件(例如，铆钉、螺钉或螺栓)或用于将两个部件相互紧固并电耦接的任何其它适宜的技术而耦接到通气圆盘94。
如图示，螺旋圆盘92和通气圆盘94可设置在盖84与集流器82之间。螺旋圆盘92可经由螺旋圆盘92的延伸部分95而焊接到或以其它方式耦接到集流器82，以在螺旋圆盘92与集流器82之间形成电连接。电池单元46的过压可导致过充保护组件60的通气圆盘94变形并轴向向上地牵拉螺旋圆盘92，从而使螺旋圆盘能够旋转。这些力可导致过充保护组件60的通气圆盘94形成剪切，如下文详细地论述的，因此断开集流器83与端子50之间的电连接。此断开可中断电流，并防止电流朝向在下面设有过充保护组件60的相应端子向上行进。在一些实施例中，过充保护组件60可由塑料盖88密封并在比通气孔58更低的压力下被触发。在一些实施例中，插塞96可用于也密封过充保护组件60。因此，过充保护组件60可在比打开通气孔58所需的荷电状态更低的荷电状态下中断到端子的电流。以此方式，过充保护组件60可在过充事件的情形下保护电池单元46免受热失控的影响，并且可保护邻近的电池单元46和/或电池模块12免于热失控的传播。
图6是包含过充保护组件60的实施例的电池单元46的盖组件81的一部分的放大横截面图。在所图示的实施例中，过充保护组件60设置在正端子48下方。然而，在其它实施例中，过充保护组件60可设置在负端子50下方，或适用于在过充事件中中断电流流经电池单元46的任何其它位置处。
如上文所论述，端子48可由端子焊盘62围绕，以使得端子48延伸到端子焊盘62或穿过端子焊盘62。类似地，端子48可延伸穿过盖84。在所图示的实施例中，端子绝缘体86(例如，第一绝缘部件)定位在盖84与端子焊盘62之间，以使得端子48也延伸穿过端子绝缘体86。端子48、50可包含下方平坦部分104(即，相对于电池单元46的底部处于下方)和上方柱部分106(即，相对于电池单元46的底部处于上方)。盖84、端子绝缘体86和端子焊盘62可相对于电池单元46的底部设置在端子48的下方平坦部分104之上，并且端子的上方柱部分106可延伸穿过盖84、端子绝缘体86和端子焊盘62。相对于电池单元的底部，端子48的上方柱部分106的顶部可由端子盖88覆盖。在一些实施例中，绝缘垫圈108可设置在端子48与盖84之间以充当密封件。绝缘垫圈108可防止电流在端子48与盖84之间流动。
过充保护组件60可在端子48与集流器82之间定位在端子48的下方平坦部分104的下方。在一些实施例中，插塞96可用于密封过充保护组件60。过充保护组件60可包含螺旋圆盘92、通气圆盘94以及由通气圆盘94形成的空腔110。通气圆盘94可直接定位在端子48的下方平坦部分104的下方，以使得通气圆盘94与下方平坦部分104物理接触和电接触。通气圆盘94可具有圆形凹入结构，以使得仅通气圆盘94的边缘112可与端子48接触。通气圆盘94的凹入部分114可与端子48间隔一定距离，并且可直接在端子48下方形成空腔110。空腔110可实现通气圆盘94在过充事件中的移动和断裂。在一些实施例中，通气圆盘94可在凹入部分114上具有凹槽116(例如，圆形凹槽)。凹槽116可以是通气圆盘94的经刻划区域或较薄区域。凹槽116可以是在过充事件中断裂或剪切的部位，并且因此是电流中断的部位。通气圆盘94的凹入部分114的中央117可设置在螺旋圆盘92的顶部上并与螺旋圆盘92接触。
螺旋圆盘92可定位在通气圆盘94下方。螺旋圆盘92可以是被刻出一个或更多个裂口118的圆盘。一个或更多个裂口118可使气体能够在电池单元46内的过压的情况下穿过螺旋圆盘92并使得螺旋圆盘92旋转。螺旋圆盘92的中央120可接触通气圆盘94的凹入部分114的中央117。在此接触点处，在一些实施例中，螺旋圆盘92的中央120可经由焊接而耦接到通气圆盘94的凹入部分114的中央117，以使得螺旋圆盘92的中央120紧固到通气圆盘94，并且在螺旋圆盘92与通气圆盘94之间形成电连接。在一些实施例中，螺旋圆盘92的中央120可经由紧固件(例如，铆钉、螺钉或螺栓)或用于将两个部件相互紧固并电耦接的任何其它适宜的技术而耦接到通气圆盘94的凹入部分114。在一些实施例中，此焊接可以是螺旋圆盘92与通气圆盘94之间的唯一的连接点。
在所图示的实施例中，下方绝缘体93(例如，第二绝缘部件)沿着螺旋圆盘92和通气圆盘94的边缘而将螺旋圆盘92与通气圆盘94隔开。螺旋圆盘92可经由螺旋圆盘92的延伸部分95而电耦接到集流器82。电池单元46内的过压可向上推动通气圆盘94并经由一个或更多个裂口118而使螺旋圆盘92旋转。螺旋圆盘92作用在通气圆盘94上的向上的力以及剪切力(例如，旋转力)可沿着通气凹槽116对通气圆盘94形成剪切作用，因此中断电流到端子48的行进路径，如参照图8和图9更详细地论述的那样。
图7是图6的过充保护组件60的螺旋圆盘92的实施例的俯视图。如上文所论述，螺旋圆盘92可以是具有被刻出一个或更多个裂口118的圆盘。一个或更多个裂口118可使气体能够在电池单元46内过压的情况下穿过螺旋圆盘92并导致螺旋圆盘92旋转。螺旋圆盘92的中央120可接触通气圆盘94的凹入部分114的中央117。在此接触点处，在一些实施例中，螺旋圆盘92的中央120可经由焊接而耦接到通气圆盘94的凹入部分114的中央117，以使得螺旋圆盘92的中央120紧固到通气圆盘94，并且在螺旋圆盘92与通气圆盘94之间形成电连接。在一些实施例中，螺旋圆盘92的中央120可经由紧固件(例如，铆钉、螺钉或螺栓)或用于将两个部件相互紧固并电耦接的任何其它适宜的技术而耦接到通气圆盘94的凹入部分114。在一些实施例中，此焊接可以是螺旋圆盘92与通气圆盘94之间的唯一连接点。螺旋圆盘92可经由螺旋圆盘92的延伸部分95而焊接到或以其它方式耦接到集流器82，以在螺旋圆盘92与集流器82之间形成电连接。
图8图示图6的盖组件81的端子48以及相关联的过充保护组件60的实施例的横截面图。如上文所论述，端子48的上方柱部分106可延伸穿过绝缘垫圈108、盖84、端子绝缘体86和端子焊盘62。包含螺旋圆盘92、通气圆盘94和空腔110的过充保护组件60可定位在端子48下方，并且如果在电池单元46内发生过热和/或过压，那么可中断行进到端子和/或端子焊盘或从端子和/或端子焊盘行进的电流。如上文所论述，螺旋圆盘92可在螺旋圆盘92的延伸部分95处与集流器82接触，通气圆盘94可与螺旋圆盘92的中央120接触，并且通气圆盘94可在通气圆盘94的边缘112处与端子48接触。
在一些实施例中，集流器82、螺旋圆盘92和通气圆盘94可电耦接，并且可各自由导电材料制成，以使得电流可沿着集流器82、螺旋圆盘92和通气圆盘94中的每一个行进到端子48和/或从端子48行进。例如，集流器82可电耦接到线圈堆叠物80的阴极部分。在所图示的实施例中，电流可在螺旋圆盘的延伸部分95处在集流器82与螺旋圆盘92之间的电连接点处从集流器82流动到螺旋圆盘92。电流可穿过螺旋圆盘92而流动到螺旋圆盘92的中央120。电流可在一个位置处从螺旋圆盘92的中央120流动到通气圆盘94，在该位置，螺旋圆盘92的中央120与通气圆盘94在凹入部分114的中央117处焊接并电耦接在一起。电流可流过凹入部分114并到达通气圆盘94的边缘112(在此处，通气圆盘94可电耦接到端子48的下方平坦部分104)。电流可从端子48的下方平坦部分104流动到端子48的上方柱部分106并流动到端子焊盘62。
在一些情况下，电化学活性材料和电解质的化学反应和材料分解可导致壳体76内的电池单元内部压力增大。在一些实施例中，一些电解质添加剂在过充期间有助于放气。随着电池单元46被过充，壳体76内的温度可上升(例如，因过量电流所致)，并且壳体76内的压力可增大。当壳体76内的压力达到阈值(例如，小于已知指示热失控的压力的预定压力值)时，过充保护组件60可被触发。
在所图示的实施例中，过充保护组件的通气圆盘94是完好无损的，并且并未沿着凹槽116断裂。这可指示电池单元46的壳体76内的压力尚未达到可触发过充保护组件60的阈值(例如，小于已知指示热失控的压力的预定压力值)。如果电池单元46被过充并且电池单元46的壳体76内的压力达到阈值，那么该压力和由螺旋圆盘92产生的剪切力可使通气圆盘94沿着凹槽116断裂。这可中断电流流动，而这种中断转而可减慢或停止电化学活性材料的化学反应。因此，电池单元46的壳体76内的压力和/或温度可以不增大到可导致发生热失控的点。在一些实施例中，可触发过充保护组件60的阈值可以是比导致通气孔58打开的压力更低的压力。过充保护组件60的较小触发阈值可在过充事件中以及在排出物从电池单元46释放之前减小热失控的可能性，若非如此，热失控可能使整个电池模块12无法操作。
图9图示在图8的盖组件81的端子48以及相关联的过充保护组件60的实施例的横截面图，这发生在过充保护组件60已由壳体76内大于阈值压力的压力触发之后。当壳体76内的压力随着电池单元46被过充而达到阈值(例如，小于已知指示热失控的压力的预定压力值)时，过充保护组件60可被触发。
当壳体76内的压力达到一阈值时——该压力阈值触发过充保护组件60以中断电流流至端子48，电池单元46内的增大的压力可经由螺旋圆盘92的裂口118而向上推动通气圆盘94，并且可使螺旋圆盘92旋转。可导致通气圆盘94被向上推动的压力可由电化学活性材料、电解质、添加剂和/或可作为化学反应的副产物而产生的气体的反应和分解造成。随着通气圆盘94在凹入部分114的中央117处被向上推动，来自电池单元46内的压力可经由螺旋圆盘92中的一个或更多个裂口118而导致螺旋圆盘92扭转或旋转。螺旋圆盘92的旋转可产生剪切力，该剪切力由螺旋圆盘92施加在通气圆盘94的凹入部分114的中央117上。前述压力和由螺旋圆盘92施加在通气圆盘94的凹入部分114的中央117上的剪切力可导致通气圆盘94的凹入部分114(例如，凹入部分114的绝大部分)在通气圆盘94被刻划或较薄的凹槽116处剪切或断裂。
一旦通气圆盘94的凹入部分114已沿着凹槽116被剪切，螺旋圆盘92的中央120便可将通气圆盘94的凹入部分114保持在空腔110内，所述空腔110形成在通气圆盘94与端子48之间。通气圆盘94沿着凹槽116的断裂可中断通气圆盘94与端子48之间的电连接，并因此中断端子48与集流器82之间的电流流动。只有在电流能够从集流器82流动到端子48和/或端子焊盘62的情况下，可增大电池单元46内的压力和温度的电化学活性材料的化学反应才可能继续。因此，在小于已知指示热失控的压力的增大的压力(例如，阈值压力)下经由通气圆盘94的断裂而实现的电流流动的中断可在过充事件的情形下保护电池单元46免受热失控的影响。此外，过充保护组件60可通过在出现不稳定状况之前中断电池单元46的电流流动和过充而保护邻近的电池单元46和/或电池模块12。
所公开的实施例中的一个或更多个可单独地或组合地提供有益于电池模块以及电池模块的一些部分的制造中的一个或更多个技术效果。所公开的实施例涉及包含过充保护组件的电池单元。过充保护组件可在电池单元的壳体中的压力达到阈值时中断到电池单元的对应端子的电流流动。过充保护组件可包含螺旋圆盘、通气圆盘以及由通气圆盘的凹入结构形成的空腔。螺旋圆盘可电耦接到电池单元的集流器。螺旋圆盘可进一步焊接到位于螺旋圆盘上方的通气圆盘。通气圆盘的边缘可与对应端子介接，因此在通气圆盘上方以及端子下方形成空腔。在可导致电池单元的过热和/或过压的过充事件中，来自电池单元的压力可向上推动通气圆盘，并经由螺旋圆盘中的裂口而导致螺旋圆盘旋转。压力和扭力或剪切力可施加在耦接到螺旋圆盘的通气圆盘上，并且可导致通气圆盘沿着通气圆盘中的凹槽剪切或断裂。此断裂可中断或停止从集流器到对应端子的电流流动，因此使电池单元停止进一步充电。因此，过充保护组件可保护电池单元免受可因过充而造成的热失控的影响，并且可保护邻近的电池单元和/或电池模块免于热失控以及这些不稳定状况的传播。应注意，本说明书所述的实施例可具有其它技术效果，并且可解决其它技术问题。
已通过举例方式示出上文所述的具体实施例，并且应理解，这些实施例可具有各种修改和替代形式。应进一步理解，权利要求书不希望限于所公开的特定形式，而是希望涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同物和替代。
Claims (22)
1.一种电池模块，包括：
外壳；以及
多个棱柱形电池单元，所述多个棱柱形电池单元设置在所述外壳中，所述多个棱柱形电池单元中的每一棱柱形电池单元包括：
壳体，所述壳体被布置成容纳所述棱柱形电池单元的电化学活性成份；以及
盖组件，所述盖组件紧固到所述壳体并包括：
盖；
端子，所述端子穿过所述盖突起；
集流器，所述集流器电耦接到所述端子；以及
过充保护组件，所述过充保护组件设置在所述端子与所述集流器之间，所述过充保护组件包括：
螺旋圆盘；以及
通气圆盘，所述通气圆盘物理耦接并电耦接到所述螺旋圆盘，所述通气圆盘经由所述螺旋圆盘而电耦接到所述集流器，所述通气圆盘设置在所述螺旋圆盘和所述端子之间，并且所述通气圆盘包括：
第一通气圆盘部分；以及
第二通气圆盘部分，所述第二通气圆盘部分与所述第一通气圆盘部分邻接，并且所述第二通气圆盘部分包括：
凹入结构，通过所述通气圆盘的所述凹入结构在所述通气圆盘与所述端子之间形成空腔，所述通气圆盘被布置成在所述壳体内的压力超过阈值时变形到所述空腔中并使所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分断裂，所述螺旋圆盘被布置成将剪切力施加到所述通气圆盘以有助于所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分断裂并中断所述集流器与所述端子之间的电流流动。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘和所述通气圆盘包括导电材料。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘包括耦接到所述通气圆盘的中央部分。
4.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘包括延伸部分，其中所述延伸部分延伸到所述集流器上方的位置，并且其中所述延伸部分耦接到所述集流器。
5.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述通气圆盘包括圆形凹槽，所述圆形凹槽包括所述通气圆盘中的划痕和所述通气圆盘的较薄区域中的一者或两者。
6.根据权利要求5所述的电池模块，其中所述通气圆盘被布置成在所述壳体内的所述压力超过所述阈值时沿着所述圆形凹槽断裂。
7.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述阈值指示比与热失控相关联的第三压力更低的第二压力。
8.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述盖组件包括形成在所述盖中的通气孔，其中所述通气孔被布置成在所述壳体内的所述压力超过第二阈值时打开，其中所述阈值小于所述第二阈值。
9.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘被激光焊接到所述通气圆盘。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘包括一个或更多个裂口，所述一个或更多个裂口被布置成在所述壳体内的所述压力超过所述阈值时使所述螺旋圆盘旋转，所述螺旋圆盘的所述旋转产生所述剪切力。
11.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘被布置成在所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分断裂之后维持与所述第一通气圆盘部分接触。
12.根据权利要求11所述的电池模块，其中所述螺旋圆盘被布置成在所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分断裂之后将所述第二通气圆盘部分保持在所述空腔内。
13.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述盖组件包括设置在所述盖外部并电耦接到所述端子的端子焊盘，其中所述端子穿过所述端子焊盘伸出。
14.根据权利要求1所述的电池模块，其中所述盖组件包括绝缘垫圈，所述绝缘垫圈被设置在所述端子与所述盖之间并被布置成防止所述端子与所述盖之间的电流流动。
15.一种棱柱形电池单元，包括：
壳体，所述壳体被布置成容纳所述棱柱形电池单元的电化学活性成份；以及
盖组件，所述盖组件紧固到所述壳体并包括：
盖；
端子，所述端子穿过所述盖突起；
集流器，所述集流器电耦接到所述端子；
绝缘垫圈，所述绝缘垫圈设置在所述端子与所述盖之间，所述绝缘垫圈被布置成防止所述端子与所述盖之间的电流流动；以及
过充保护组件，所述过充保护组件设置在所述端子与所述集流器之间，所述过充保护组件包括：
螺旋圆盘；以及
通气圆盘，所述通气圆盘物理耦接并电耦接到所述螺旋圆盘，所述通气圆盘经由所述螺旋圆盘而电耦接到所述集流器，所述通气圆盘设置在所述螺旋圆盘和所述端子之间，并且所述通气圆盘包括：
第一通气圆盘部分；以及
第二通气圆盘部分，所述第二通气圆盘部分与所述第一通气圆盘部分邻接，并且所述第二通气圆盘部分包括凹入结构，通过所述通气圆盘的所述凹入结构在所述通气圆盘与所述端子之间形成空腔；以及
圆形凹槽，所述圆形凹槽位于所述第一通气圆盘部分和所述第二通气圆盘部分之间，并包括所述通气圆盘中的划痕和所述通气圆盘的较薄区域中的一者或两者，所述通气圆盘被布置成变形到所述空腔中，所述螺旋圆盘包含一个或更多个裂口，所述一个或更多个裂口被布置成在所述壳体内的所述压力超过所述阈值时使所述螺旋圆盘对所述通气圆盘产生剪切力，以使所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分断裂并因此中断所述集流器与所述端子之间的电流流动，所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分沿着所述圆形凹槽断裂。
16.根据权利要求15所述的棱柱形电池单元，其中所述螺旋圆盘的中央耦接到所述通气圆盘。
17.根据权利要求15所述的棱柱形电池单元，其中所述阈值指示比与热失控相关联的压力更低的压力。
18.根据权利要求15所述的棱柱形电池单元，其中所述螺旋圆盘被配置成在所述第二通气圆盘部分从所述第一通气圆盘部分断裂之后维持与所述第一通气圆盘部分接触并将所述第二通气圆盘部分保持在所述空腔内。
19.根据权利要求15所述的棱柱形电池单元，其中所述一个或更多个裂口被布置成在所述壳体内的所述压力超过所述阈值时使所述螺旋圆盘旋转，所述螺旋圆盘的所述旋转产生所述剪切力。
20.根据权利要求15所述的棱柱形电池单元，其中所述盖组件包括设置在所述盖外部并电耦接到所述端子的端子焊盘，其中所述端子穿过所述端子焊盘伸出。
21.一种电池模块，其特征在于，包括权利要求1-14中任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
22.一种棱柱形电池单元，其特征在于，包括权利要求15-20中任意一项技术特征或技术特征的任意组合。
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