CN118077088A - 电池模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一个实施方式的电池模块包括:电池电芯堆叠件,在所述电池电芯堆叠件中,多个电池电芯在一个方向上堆叠;模块框架,所述模块框架在其中容纳电池电芯堆叠件;以及管,所述管被堆叠在电池电芯堆叠件内的电池电芯的一侧上。在模块框架中形成通孔,并且所述管包括经由通孔连接到外部的流体供应装置的注入部。流体通过注入部从流体供应装置流入到所述管中。
Description
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年1月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2022-0009058和于2023年1月19日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2023-0008310的权益,其全部内容通过引用并入本文中。
本发明涉及一种电池模块及其制造方法,并且更具体地,涉及一种能够控制电池电芯的膨胀的电池模块及其制造方法。
背景技术
在现代社会中,由于已经每天使用诸如移动电话、笔记本计算机、摄像机和数码相机的便携式装置,因此已经激活了与如上所述的移动装置相关的领域中的技术的发展。此外,可充电/可放电二次电池用作电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(P-HEV)等的电源,以试图解决由使用化石燃料的现有汽油车辆引起的空气污染等。因此,二次电池的发展需求正在增长。
目前商业化的二次电池包括镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池和锂二次电池。其中,锂二次电池已经受到关注,因为它具有例如与镍类二次电池相比几乎不表现出记忆效应的优点,因此被自由地充电和放电,并且具有非常低的自放电率和高能量密度。
这种锂二次电池主要使用分别锂类氧化物和碳质材料作为正极活性材料和负极活性材料。锂二次电池包括电极组件和电芯壳体,在所述电极组件中,各自涂覆有正极活性材料和负极活性材料的正极板和负极板被布置成在它们之间插置隔膜,所述电芯壳体将电极组件和电解质溶液一起容纳和密封。
通常,取决于外部材料的形状,锂二次电池可分为罐型二次电池和袋型二次电池,在所述罐型二次电池中,电极组件被安装在金属罐中,在所述袋型二次电池中,电极组件被安装在铝层压片的袋中。
近来,二次电池不仅广泛用于诸如蜂窝电话的小型装置,而且用于诸如车辆和能量存储系统的中等尺寸或大尺寸装置。为了应用于这种中等尺寸或大尺寸的装置的目的,大量的二次电池可以电连接以提高容量和输出。此时,袋型二次电池往往由于容易堆叠、重量轻的优点而被更广泛地使用。
袋型二次电池通常可以通过在电极组件被容纳在袋外部部分中的状态下注入电解质溶液并密封袋外部部分的过程来制造。
随着重复充电/放电,二次电池可能由于劣化等而在内部产生气体。并且,当以这种方式从内部产生气体时,内部压力增加,这可能导致其中压力阻力增加并且外部部分的至少部分膨胀的膨胀现象。特别是,在袋型二次电池的情况下,外部部分的结构刚度比罐型二次电池的结构刚度弱,使得膨胀现象可能更严重地发生。
常规地,电池电芯被容纳在模块壳体中,并且设置泡沫状衬垫,使得模块壳体不会过度限制电池电芯,并且衬垫吸收电池电芯的膨胀。
当电池电芯的膨胀现象较大程度地发生时,电池内部的压力增大,并且体积增大,这会对电池模块的结构稳定性产生不利影响。此外,电池模块通常包括多个二次电池。特别是,在汽车、能量存储系统(ESS)等中使用的中等尺寸或大尺寸电池模块的情况下,大量的二次电池可以被包括并且互连以用于高输出或高容量。此时,即使每个二次电池的体积由于膨胀而逐渐增加,每个二次电池的体积变化也会作为整体积累到电池模块中,并且变形程度会达到严重的水平。特别是,容纳多个二次电池的模块框架可能变形,或者模块框架的焊接部分可能损坏。也就是说,由于每个二次电池的膨胀导致的体积膨胀现象可能降低电池模块的整体结构稳定性。此外,当在重复充电/放电时膨胀力大大增加时,电池电芯中的隔膜可以被按压,从而部分地降低电池性能。
因此,需要开发一种能够在电池电芯膨胀期间吸收膨胀位移并对电池电芯施加适当的按压力的方法。
发明内容
技术问题
本公开的目的在于提供一种能够吸收由于电池电芯膨胀而引起的膨胀位移并对电池电芯施加适当的按压力使得电池电芯能够表现出最佳性能的电池模块及其制造方法。
然而,本公开的实施方式要解决的问题不限于上述问题,并且可以在本公开中包括的技术构思的范围内进行各种扩展。
技术方案
根据本公开的一个实施方式,提供了一种电池模块,所述电池模块包括:电池电芯堆叠件,在所述电池电芯堆叠件中,多个电池电芯在一个方向上堆叠;模块框架,在所述模块框架中容纳所述电池电芯堆叠件;以及管,所述管被堆叠在所述电池电芯堆叠件内的所述电池电芯的一侧上,其中,在所述模块框架中形成有通孔,并且其中,所述管包括注入部,所述注入部经由所述通孔连接到外部的流体供应装置,并且流体通过所述注入部从所述流体供应装置流入到所述管的内部。
所述电池模块还包括位于所述电池电芯堆叠件与所述模块框架的一个表面之间的传热构件。
所述传热构件可以包括热树脂层,并且所述电池电芯的一侧可以粘附到所述热树脂层。
可以在所述模块框架的一个表面上形成注入孔。
所述热树脂层可以通过经由所述注入孔注入热树脂来形成。
所述传热构件可以包括导热垫(thermal pad),并且所述电池电芯的一侧可以与所述导热垫接触,且所述电池电芯能沿所述电池电芯的堆叠方向在所述导热垫上滑动。
所述电池模块还可以包括邻近所述电池电芯设置的压缩垫或冷却板中的至少一者。
所述注入部可以具有闭合的微孔形状。当所述流体接收压力时,具有微孔形状的注入部打开,使得所述流体流入到所述管的内部,或者流入的流体从所述管排出。
所述管可以是软的或弹性材料,并且流入所述管的流体可以处于液态或凝胶态。
所述电池模块还可以包括连接到所述管的止回阀。
所述电池电芯可以沿着从所述模块框架的侧表面部到另一侧表面部的一个方向堆叠,可以在相邻电池电芯之间或最外侧电池电芯与所述模块框架的侧表面部之间的至少一个位置处插置有压缩垫。在寿命结束EOL状态下,在所述电池电芯被堆叠的方向上的变形率为12%或更小,并且施加到所述电池电芯的表面压力可以为0.9MPa或更小。
可以在0.00417或更大和0.225或更小的斜率(MPa/%)范围内计算所述电池模块的模块刚性曲线,并且所述电池模块的所述模块刚性曲线可以对应于所述模块框架的变形率与施加到所述模块框架的表面压力之间的关系。
所述电池模块的所述模块刚性曲线可以通过在所述模块框架的所述框架刚性曲线上反映所述压缩垫相对于施加到所述压缩垫的表面压力的压缩程度和所述压缩垫的数量而导出(derive)。
根据本公开的另一实施方式,提供了一种用于制造电池模块的方法,所述方法包括以下步骤:组装步骤,在所述组装步骤中,在模块框架的内部容纳堆叠有多个电池电芯的电池电芯堆叠件以及堆叠在所述电池电芯堆叠件内的所述电池电芯的一侧上并且内部为空的管;以及初始按压步骤,在所述初始按压步骤中,将流体注入到所述管的内部以按压所述电池电芯。在所述模块框架中形成有通孔,并且所述管包括经由所述通孔连接到外部的流体供应装置的注入部。在所述初始按压步骤中,所述流体供应装置通过所述注入部将流体注入所述管中。
可以在所述组装步骤之后执行所述初始按压步骤。
所述方法还可以包括树脂注入步骤,在所述树脂注入步骤中,将热树脂注入到所述电池电芯堆叠件与所述模块框架的一个表面之间以形成热树脂层。
可以在所述模块框架的所述一个表面上形成注入孔,并且在所述树脂注入步骤中,可以通过所述注入孔注入所述热树脂。
可以在所述初始按压步骤之后执行所述树脂注入步骤。
在所述组装步骤中,可以在所述模块框架的内部容纳导热垫,并且所述导热垫可以位于所述电池电芯堆叠件与所述模块框架的一个表面之间。
所述电池电芯的一侧与所述导热垫接触,且所述电池电芯能沿所述电池电芯的堆叠方向在所述导热垫上滑动。
有益效果
根据本公开的实施方式,在所述电池模块内部设置有供流体流动的管,使得可以有效地吸收由于电池电芯的膨胀而引起的膨胀位移。
此外,在将所述电池电芯和所述管设置在电池模块内部之后,将流体注入到所述管中,使得能够施加能使电池电芯表现出最佳性能的适当初始按压,并且可以使由于膨胀而引起的对电池电芯的损坏最小化。
本公开的效果不限于上述效果,并且本领域技术人员根据对所附权利要求的描述将清楚地理解上文未提及的其他附加效果。
附图说明
图1是根据本公开的实施方式的电池模块的立体图;
图2是图1的电池模块的分解立体图;
图3是示出包括在图2的电池模块中的一个电池电芯的平面图;
图4是沿着图1的切割线A-A’截取的截面的截面图;
图5的(a)和(b)是放大并示出图4中的截面“A”的局部图;
图6和图7是解释根据本公开的实施方式的制造电池模块的方法的电池模块的截面图;
图8是示出根据本公开的另一实施方式的电池模块的截面的截面图;
图9是示出根据本公开的实施方式的包括止回阀的电池模块的截面的局部截面图;
图10至图12是示出根据本公开的实施方式的电池模块的模块刚性曲线和电池电芯堆叠件的P-D曲线的图表;
图13是示出根据本公开的实施方式的电池模块的模块刚性曲线的范围的图表;
图14是示出单个电池电芯的P-D曲线的图表;
图15是示出单个电池电芯的P-D曲线和电池电芯堆叠件的P-D曲线的图表;以及
图16是示出根据本公开的示例1至示例4的模块刚性曲线的图表。
具体实施方式
在下文中,将参考附图详细描述本公开的各种实施方式,使得本领域技术人员可以容易地执行它们。本公开可以以各种不同的方式修改,并且不限于本文阐述的实施方式。
与说明书无关的部分将被省略以清楚地描述本公开,并且在整个说明书中,相同的附图标记表示相同的元件。
此外,在附图中,为了便于描述,任意示出每个元件的尺寸和厚度,并且本公开不一定限于附图所示的那些尺寸和厚度。在附图中,为了清楚起见,夸大了层、区域等的厚度。在附图中,为了便于描述,夸大了部件和区域的厚度。
另外,应当理解,当诸如层、膜、区域或板的元件被称为“在”另一元件“上”或“上方”时,其可以直接在另一元件上,或者也可能存在中间元件。相反,当元件被称为“直接在”另一元件“上”时,这意味着不存在其他中间元件。此外,词语“在……上”或“在……上方”意指布置在参考部分上或下方,并且不一定意味着朝向重力的相反方向被布置在参考部分的上端上。
此外,在整个说明书中,当一部分被称为“包括”或“包含”某个部件时,意味着该部分还可以包括其他部件,而不排除其他部件,除非另有说明。
此外,在整个说明书中,当称为“平面”时,意味着从上侧观察目标部分,并且当称为“截面”时,这意味着从竖直地切割的截面的侧面观察目标部分。
图1是根据本公开的实施方式的电池模块的立体图。图2是图1的电池模块的分解立体图。图3是示出包括在图2的电池模块中的一个电池电芯的平面图。
参考图1至图3,根据本公开的实施方式的电池模块100a包括:电池电芯堆叠件120,在所述电池电芯堆叠件120中,多个电池电芯110在一个方向上堆叠;模块框架200,所述模块框架200在其中容纳电池电芯堆叠件120;以及管300,所述管300被堆叠在电池电芯堆叠件120中的电池电芯110的一侧上。
电池电芯110是袋型电池电芯,并且可以通过将电极组件容纳在包括树脂层和金属层的层压片的袋壳体中,并且然后粘附袋壳体的外周来形成。具体地,电池电芯110具有两个电极引线111和112面向彼此并分别从电芯主体113的一端114a和另一端114b突出的结构。电池电芯110可以通过在电极组件(未示出)被容纳在电芯壳体114中的状态下接合电芯壳体114的两端114a和114b以及连接它们的一个侧部分114c来生产。换句话说,根据本实施方式的电池电芯110具有总共三个密封部,密封部具有通过诸如熔合的方法密封的结构,并且剩余的其他侧部可以包括折叠部115。根据该实施方式的电池电芯110可以是袋型电池电芯,所述袋型电池电芯被配置为在袋壳体114内部容纳电极组件并且密封袋壳体114的外周。上面描述的电池电芯110是说明性的结构,并且不言而喻,可以使用两个电极引线在相同方向上突出的单向电池电芯。
这样的电池电芯110沿着一个方向堆叠以形成电池电芯堆叠件120。作为示例,电池电芯110可以在面向电芯主体113的一个表面的同时沿着平行于y轴的方向堆叠。
根据本实施方式的模块框架200是在其中容纳电池电芯堆叠件120的构件,并且可以包括第一侧表面部210、第二侧表面部220、上表面部230和下表面部240。此外,模块框架200的一侧(x轴方向)和另一侧(-x轴方向)可以是开口的,并且电池电芯堆叠件120可以通过开口的一侧或另一侧而被容纳。模块框架200可以包括具有预定强度的金属材料以保护内部电气部件。
图2中所示的模块框架200可以是集成了第一侧表面部210、第二侧表面部220、上表面部230和下表面部240的单框架。也就是说,其通过挤压成型制造,使得第一侧表面部210、第二侧表面部220、上表面部230和下表面部240可以被集成。尽管未具体示出,但是在本公开的另一实施方式中,也可以使用U形框架和上板彼此焊接的模块框架。
另外,根据本实施方式的电池模块100a还可以包括分别位于模块框架200的一个开口侧和另一个开口侧上的端板900。端板900可以位于模块框架200的一个开口侧和另一侧上,以便覆盖电池电芯堆叠件120。每个端板900的边缘可以借助于焊接与模块框架200的对应边缘接合。端板900可以包括具有预定强度的金属材料,并且可以保护电池电芯堆叠件120和其他电气部件免受外部冲击影响。
尽管未具体示出,但是汇流条框架和绝缘盖可以位于端板900与电池电芯堆叠件120之间。汇流条框架被配置为安装用于将每个电池电芯110的电极引线111和112彼此连接的汇流条,并且绝缘盖被配置为包括表现出电绝缘性并且因此切断电池电芯110与端板900之间的电连接的材料。在电池电芯堆叠件120内,电池电芯110经由汇流条可以串联或并联电连接。
接下来,将参考图4等详细描述根据本实施方式的管300。
图4是示出沿着图1的切割线A-A’截取的截面的截面图。
一起参考图1至图4,电池模块100a包括堆叠在电池电芯堆叠件120中的电池电芯110的一侧上的管300。
管300可以具有扁平形状,使得其可以支承电池电芯110的电芯主体113,并且可以被堆叠在电池电芯110的一侧上,以便覆盖电池电芯110的电芯主体113。也就是说,管300可以位于电池电芯110之间或位于设置在最外侧电池电芯110外部。管300的数量没有特别限制,并且单个管或多个管可以被设置在电池模块100a中。
流体F可以流入管300的内部。管300可以由软或弹性的材料制成。管300可以具有由橡胶材料形成的结构。管300由弹性橡胶材料形成,其可以增强分散电池电芯110之间的压力的效果。此外,管300可以是扁平形状的管,使得管300可以被堆叠在电池电芯110的一侧上。
另外,流入管300的流体F可以处于液态或凝胶态。例如,流体F可以是冷却水或水。在管中填充冷却水或水,从而能够实现电池电芯的冷却效果。此外,当流体(F)是水凝胶时,这有利于分散集中在特定区域中的应力并保持热平衡,并且可以使电池模块的重量增加最小化。相反,可以假设气体用作流体,但是当气体用作流体时,可能存在加热的气体升高作为整体的电池电芯110的温度的问题。
根据本实施方式的电池模块100a被配置为使得在内部设置流体F流动的管300,这因此可以向多个电池电芯110施加恒定的力,并且吸收由于电池电芯的膨胀而引起的膨胀位移。由于这是使用流体F的控制方法,因此即使电池电芯110的膨胀发生,电池电芯110的表面压力也可以保持恒定。
另外,在模块框架200中形成通孔200TH。作为示例,通孔200TH可以被形成在模块框架200的上表面部230中。管300包括通过通孔200TH连接到外部的流体供应装置800的注入部310,并且流体F通过注入部310从流体供应装置800流入到管300中。
提供注入部310的方法没有特别限制。作为示例,在包括管300的电池电芯堆叠件120被容纳在模块框架200中之后,与管300的主体集成的注入部310可以经由通孔200TH暴露于外部以连接到流体供应装置800。作为另一示例,注入部310经由通孔200TH插入,使得注入部310可以被连接以便与管300的内部连通,管300的外周被密封。
通过调节从流体供应装置800流入的流体F的压力和量,可以向表现出最佳性能的电池电芯110施加适当的初始按压。
作为示例,流体供应装置800是用于将流体F供应到管300中的装置,并且可以是常规流体泵或使用压头的装置。
在另一实施方式中,使用压头的流体供应装置800包括流体连接到管300的流体供应管。此时,流体供应管位于比管300的注入部310高的位置处,并且具有垂直于地面的结构。
另外,可以调节流体供应管中的流体的高度以确定流入管中的流体F的量,从而控制管的压力。在这种情况下,流体供应装置可以将流体压力施加到管,而不需要单独的电源。
电池模块100a还可以包括位于电池电芯堆叠件120与模块框架200的一个表面之间的传热构件。根据本实施方式的传热构件可以包括热树脂层400。模块框架200的一个表面可以指构成模块框架200的一个壁(即,第一侧表面部210、第二侧表面部220、上表面部230和下表面部240中的一者)。
作为示例,热树脂层400作为传热构件可以位于电池电芯堆叠件120与模块框架200的下表面部240之间。
电池电芯110的一侧可以粘附到热树脂层400。具体地,可以通过注入或施加热树脂并且然后固化该热树脂来形成热树脂层400。热树脂可以包括导热粘合材料,并且具体地,可以包括硅树脂材料、尿烷材料(urethane material)或丙烯酸材料中的至少一种。热树脂可以在施加期间处于液态,但是可以在施加之后被固化以粘附到电池电芯110的一侧。由此,热树脂层400可以用于固定电池电芯110。此外,热树脂层400具有优异的传热特性,并且可以快速地将电池电芯110中产生的热传递到电池模块的下侧。
注入孔200H可以被形成在模块框架200的一个表面上。作为示例,注入孔200H可以被形成在模块框架200的下表面部240中。热树脂层400可以通过经由注入孔200H注入热树脂来形成。
特别是,在根据本实施方式的电池模块100a的情况下,电池电芯堆叠件120在管300为空的状态下被容纳在模块框架200中,并且流体F可以在完成容纳之后被供应到管300。
在常规电池模块的情况下,在电池电芯之间设置泡沫状垫,并且这种电池电芯在被按压状态下被容纳在模块框架中。为了向电池电芯施加预定的按压力,电池电芯在被强烈按压的同时被容纳在模块框架中。当电池电芯的厚度较大时,在容纳期间需要较大的按压力,这会导致诸如对电池电芯的袋壳体的损坏的问题。
与常规电池模块不同,根据本实施方式的电池模块100a可以使在容纳过程期间电池电芯100被损坏的可能性最小化,因为具有内部为空的管300的电池电芯堆叠件120被容纳在模块框架200中。由于在容纳之后通过将流体F注入到管300中足以按压电池电芯110,因此在容纳过程期间不需要强烈地按压电池电芯110。因此,可以减少对电池电芯110的损坏的可能性。
此外,根据本实施方式,在通过将流体注入管300中完成电池电芯110的初始按压之后,可以通过注入孔200H注入热树脂以形成热树脂层400。如上所述,因为热树脂具有粘合性质,所以固化的热树脂层400处于粘附到电池电芯110的一侧的状态。因此,在本实施方式中,在完成初始按压之后形成热树脂层400,并且因此即使电池电芯110发生膨胀,也可以减少对电池电芯110与热树脂层400之间的粘合部分的损坏。
总之,根据本实施方式的电池模块100a调节将流体F注入管300中的过程以及将热树脂注入模块框架200中的过程,从而试图使在容纳电池电芯110的过程和电池电芯110的后续膨胀过程期间发生的损坏最小化。此外,通过调节到流入管300中的流体(F)的压力和量,施加到电池电芯110的按压力可以保持在最佳状态。此外,在全固态电池或纯Si电池的情况下,当初始按压力高时,很好地表现出电池电芯的性能。为了增加初始按压力,在本实施方式中可以使用利用流体的按压装置。另外,如稍后将描述的,即使电池电芯膨胀,也可以在流体流出管的同时释放压力而不连续增加按压力。因此,可以减轻电池模块的变形,从而降低结构损坏的风险。
图5的(a)和(b)是放大和示出图4中的截面“A”的局部图。图5的(a)模拟流体F流入到管300中的状态,并且图5的(b)模拟管300的压力达到一定水平且内部流体F逐渐排出的状态。
参考图5的(a)和(b),管300的注入部310具有闭合的细孔形状,并且当流体F接收压力时,具有微孔形状的注入部310被打开,使得流体F可以流入管300中,或者流入的流体F可以从管300排出。
首先,参考图5的(a),当流体供应装置800(参见图4)使用上述流体泵或压头对流体F施加压力时,具有微孔形状的注入部310打开,使得流体F可以流入到管300的空的空间S中。
同时,参考图5的(b),当在电池电芯110的充电和放电过程中发生膨胀并且电池电芯110膨胀时,压力被施加到管300。当施加到管300和其中的流体F的压力超过预定值时,具有微孔形状的注入部310打开,使得流体F可以从管300排出。也就是说,管300中的流体F可以在电池电芯110的膨胀期间逐渐排出。由此,防止由于电池模块100a的劣化而引起的压力增加,并且释放施加到电池电芯110的过大压力,使得施加到电池电芯110的压力可以保持在最佳状态。也就是说,即使电池电芯110膨胀,在流体F流出管300的同时,电池电芯110上的压力也不会继续增加,并且可以减轻压力。因此,可以减轻电池模块的变形,并且可以降低结构损坏的风险。
另外,再次参考图4,根据该实施方式的电池模块100a还可以包括邻近电池电芯110设置的压缩垫600。具体地,压缩垫600可以被设置在电池电芯110之间或位于最外侧电池电芯110外部。压缩垫600是泡沫状构件,并且可以在电池电芯110的膨胀期间部分地吸收膨胀位移。在该实施方式中,由于包括供流体F流动的管300,所以与常规情况相比,压缩垫600的数量可以减少。
下面将参考图6和图7等描述根据本公开的实施方式的制造电池模块100a的方法。然而,将省略与上述内容重复的部分。
图6和图7是解释根据本公开的实施方式的制造电池模块的方法的电池模块的截面图。
参考图2和图6,根据本公开的实施方式的制造电池模块100a的方法包括:组装步骤,在所述组装步骤中,将堆叠有多个电池电芯110的电池电芯堆叠件120以及堆叠在电池电芯堆叠件120内的电池电芯110的一侧上并且内部为空的管300容纳在模块框架200的内部;以及初始按压步骤,在所述初始按压步骤中,将流体注入到管300的内部中以按压电池电芯110。
在组装步骤中,端板900位于模块框架200的打开的一侧和另一侧,以覆盖电池电芯堆叠件120,并且端板900和模块框架的对应边缘可以被焊接。
另外,如上所述,管300可以位于电池电芯110之间或位于设置在最外侧电池电芯110外部。在组装步骤中,管300处于内部为空的状态,而不被流体填充。
在模块框架200中形成有通孔200TH,并且管300包括经由通孔200TH连接到外部的流体供应装置800的注入部310。流体供应装置800的具体构造或管300与流体供应装置800之间的连接形状与上述内容重复,因此,将省略其详细描述。
如图6所示,在初始按压步骤中,流体供应装置800经由注入部310将流体F注入到管300的内部中。初始按压步骤可以在组装步骤之后执行。也就是说,根据本实施方式,在制造电池模块100a时,由于在组装步骤完成之后通过将流体F注入到管300中足以按压电池电芯110,所以不需要在组装步骤中强烈地按压电池电芯110。因此,可以降低损坏电池电芯110的可能性。
接下来,参考图7,根据本实施方式的电池模块100a的制造方法还可以包括树脂注入步骤,在所述树脂注入步骤,将热树脂注入到电池电芯堆叠件120与模块框架200的一个表面之间以形成热树脂层400。
更具体地,在模块框架200的一个表面上形成注入孔200H,并且在树脂注入步骤中,可以通过注入孔200H注入热树脂。
作为示例,在模块框架200的下表面部240中形成注入孔200H,并且可以在电池电芯堆叠件120与模块框架200的下表面部240之间注入热树脂。注入装置810可以通过注入孔200H将热树脂注入到电池电芯堆叠件120与模块框架200的下表面部240之间。
注入的热树脂可以固化以形成热树脂层400。热树脂可以包括导热粘合材料,并且可以在固化的同时粘附到电池电芯110的一侧。
此时,树脂注入步骤可以在初始按压步骤之后执行。在本实施方式中,在完成初始按压步骤之后执行树脂注入步骤,并且因此即使发生电池电芯110的膨胀,也可以减少对电池电芯110与热树脂层400之间的粘合的损坏。
接下来,将参考图8详细描述根据本公开的另一实施方式的电池模块100b及其制造方法。然而,将省略与上述内容重复的部分。
图8是示出根据本公开的另一实施方式的电池模块的截面的截面图。
参考图8,根据本公开的另一实施方式的电池模块100b包括:电池电芯堆叠件120,在所述电池电芯堆叠件120中,多个电池电芯110在一个方向上堆叠;模块框架200,所述模块框架200在其中容纳电池电芯堆叠件120;以及管300,所述管300被堆叠在电池电芯堆叠件120中的电池电芯110的一侧上。在模块框架200中形成有通孔200TH,并且管300包括经由通孔200TH连接到外部的流体供应装置800的注入部310。流体F经由注入部310从流体供应装置800流入到管300的内部。
此时,电池模块100b还可以包括位于电池电芯堆叠件120与模块框架200的一个表面之间的传热构件。根据本实施方式的传热构件可以包括导热垫500。模块框架200的一个表面可以指构成模块框架200的一个壁(即,第一侧表面部210、第二侧表面部220、上表面部230和下表面部240中的一者)。
作为示例,作为传热构件的导热垫500可以位于电池电芯堆叠件120与模块框架200的下表面部240之间。
电池电芯110的一侧与导热垫500接触,且电池电芯110可沿电池电芯110的堆叠方向在导热垫500上滑动。与上述热树脂层400不同,导热垫500不具有粘合性质。因此,即使电池电芯110的一侧与导热垫500接触,电池电芯110也不处于粘附并固定到导热垫500的状态。
导热垫500可以包括具有高导热性的材料,并且可以具有扁平垫形状。导热垫500的一个表面被设置成平行于电池电芯110的堆叠方向,使得每个电池电芯110的一侧可以接触导热垫500。这种导热垫500可以包括具有良好导热性的硅材料或丙烯酸材料。在电池电芯110中产生的热量可以通过电池电芯110的一侧上的导热垫500消散到外部。
即使电池电芯110的膨胀发生,电池电芯110也处于未粘附到导热垫500的状态,并且因此,电池电芯110可以在电池电芯110的堆叠方向上滑动。也就是说,在图8中,电池电芯110可以在平行于y轴的方向上相对自由地滑动,y轴是电池电芯110的堆叠方向。
由此,即使发生膨胀,也可以防止对电池电芯110的损坏,并且不仅可以减小电池电芯110之间的压力偏差,而且还可以减小电池电芯110内的压力偏差。
特别是,即使在电池电芯堆叠件120被设置在模块框架200内部之后流体F流入管300中,电池电芯110也不被导热垫500限制,并且因此,可以使在电池电芯110中产生的按压力变化最小化。
另外,根据本实施方式的电池模块100b还可以包括邻近电池电芯110设置的冷却板700和压缩垫600中的至少一者。
具体地,压缩垫600或冷却板700可以被设置在电池电芯110之间或位于最外侧电池电芯110外部。压缩垫600是泡沫状构件,并且可以在电池电芯110的膨胀期间部分地吸收膨胀位移。由于该实施方式包括供流体F在其中流动的管300,所以与常规情况相比,可以减少压缩垫600的数量。
冷却板700可以被设置成覆盖电池电芯110的电芯主体113(参见图3)。冷却板700可以包括具有高导热性的材料并且可以包括金属材料。作为示例,冷却板700可以是薄铝板。这种冷却板700的一端可以接触导热垫500。
由于冷却板700覆盖电池电芯110的电芯主体113(参见图3),因此使得电池电芯110的表面冷却成为可能。换句话说,冷却板700通过补充仅实现电池电芯110的边缘冷却的导热垫500来设置,从而能够补充电池模块100b的冷却性能。
下面将描述根据本公开的实施方式的制造电池模块100b的方法。然而,将省略与上述内容重复的部分。
参考图8,根据本公开的实施方式的电池模块100b的制造方法包括:组装步骤,在所述组装步骤中,将堆叠有多个电池电芯110的电池电芯堆叠件120以及堆叠在电池电芯堆叠件120中的电池电芯110的一侧上并且内部为空的管容纳在模块框架200的内部中;以及初始按压步骤,在所述初始按压步骤中,将流体F注入到管300的内部以按压电池电芯110。
在模块框架200中形成有通孔200TH,并且管300包括经由通孔200TH连接到外部的流体供应装置800的注入部310。在初始按压步骤中,流体供应装置800经由注入部310将流体F注入到管300中。
此时,在组装步骤中,导热垫500可以被容纳在模块框架200内部。导热垫500可以位于电池电芯堆叠件120的一个表面与模块框架200之间。作为示例,导热垫500可以位于电池电芯堆叠件120与模块框架200的下表面部240之间。
当包括管300的电池电芯堆叠件120被容纳在模块框架200内部时,导热垫500也可以被容纳在模块框架200内部。与注入热树脂的电池模块100a不同,容纳导热垫500,因此,不需要在模块框架200的一个表面上形成注入孔。
如上所述,电池电芯110的一侧与导热垫500接触,其中,电池电芯110可沿电池电芯110的堆叠方向在导热垫500上滑动。因此,关于与前述内容重复的细节被省略。
因为设置了接触电池电芯但不粘附到电池电芯的导热垫500,所以即使执行初始按压步骤或随后发生电池电芯110的膨胀,也可以防止电池电芯110被损坏。此外,可以减小电池电芯110之间的压力偏差和电池电芯110内的压力偏差两者。
下面将描述根据本公开的另一实施方式的包括止回阀的电池模块。
图9是示出根据本公开的实施方式的包括止回阀的电池模块的截面的局部截面图。
参考图9,根据本实施方式的电池模块可以包括堆叠在电池电芯堆叠件中的电池电芯的一侧上的管300。
根据本实施方式的电池模块还可以包括连接到管300的止回阀320。作为示例,管300可以通过形成在模块框架200的上表面部230中的通孔200TH连接到外部装置(未示出)。止回阀320可以被设置在管300连接到外部装置(未示出)的路径中。尽管止回阀320被示出为位于模块框架200外部,但是止回阀320也可以位于模块框架200内部。
止回阀320是允许流体仅在一个方向上流动而不在相反方向上流动的阀。作为示例,止回阀320可以包括主体管321、弹簧322和阀盘323。当管300内的流体压力增加时,阀盘323打开,同时弹簧322被压缩。由此,流体可以从管300排出。然而,这示出了止回阀320的一个示例,并且可以无限制地应用允许流体根据内部流体压力的增加仅在一个方向上流动的任何配置。
当发生膨胀并且电池电芯110膨胀时,压力被施加到管300。当施加到管300和其中的流体的压力超过预定值时,止回阀320打开并且流体可以从管300排出。也就是说,管300中的流体可以在电池电芯的膨胀期间逐渐排出。即使当电池电芯膨胀时,电池电芯110上的压力也不会继续增加,同时流体流出管300,并且可以减轻压力。因此,可以减轻电池模块的变形,从而降低结构损伤的风险。
另外,根据本实施方式的电池电芯可以是包含纯Si的电池电芯。为了使这种电池电芯顺利地表现出其性能,初始的按压力应该是现有电池电芯的10倍或更多。与根据本实施方式的电池模块类似,通过注入流体F的管300的按压方法可以持续施加高的按压力,使得包含纯Si的电池电芯可表现出最佳性能。也就是说,根据本实施方式的电池模块具有适用于包含纯Si的电池电芯的结构。
下面结合图10至图16描述根据本实施方式的电池模块的设计方法。
图10至图12是示出根据本公开的实施方式的电池模块的模块刚性曲线和电池电芯堆叠件的P-D曲线的图表。图13是示出根据本公开的实施方式的电池模块的模块刚性曲线的范围的图表。
一起参考图2、图4和图10至图13,在根据本公开的实施方式的电池模块100a中,堆叠有电池电芯110的电池电芯堆叠件120可以被容纳在模块框架200中。在电池模块内,电池电芯110可以沿着一个方向从模块框架200的侧表面部210堆叠到另一侧表面部220。此外,压缩垫600可以至少被插置在相邻的电池电芯110之间或在最外侧电池电芯110与模块框架200的侧表面部210和220之间的一个位置处。
此时,分别计算由模块框架200引起的模块刚性曲线C1和示出了电池电芯110的膨胀特性的电池电芯堆叠件120的P-D(压力-位移)曲线C3,并且它们被置于一个图表中。然后,可以通过找到两条曲线之间的平衡点(交点)的方法来预测电池模块的膨胀行为。
图10至图12示出了在电池电芯堆叠件的模块刚性曲线C1、C1’和C”与P-D曲线C3之间的交点P、P’和P”。电池电芯堆叠件的P-D曲线C3是示出当电池电芯110的厚度由于电池电芯110的膨胀而改变时电池电芯110根据改变程度接收的表面压力之间的关系的图表。可以在电池电芯110的EOL(寿命结束)状态下测量电池电芯堆叠件的P-D曲线C3。这里,EOL是指电池的当前容量与电池的初始容量的比率达到预定比率的状态,该比率可以为80%。换句话说,EOL可以指当电池的容量达到初始值的80%时的电池状态,并且可以对应于相应电池的寿命到期或需要更换的状态。另外,模块刚性曲线C1、C1’和C”是示出模块框架200的宽度W根据电池电芯110被堆叠的方向改变的程度和施加到模块框架200的量之间的关系的图表。电池电芯110被堆叠的方向对应于从模块框架200的一个侧表面部210到另一侧表面部220的方向,并且电池电芯110被堆叠的方向在下文中被称为宽度方向。此外,模块框架200的宽度W和W’意味着从一个侧表面部210到另一个侧表面部220的距离。下面将详细描述电池电芯堆叠件的模块刚性曲线C1和P-D曲线C3中的每一者。
在电池电芯堆叠件的每个模块刚性曲线C1、C1’和C”和P-D曲线C3中的每一者中,X轴对应于变形率,并且单位可以是%。Y轴对应于施加的表面压力,并且单位可以是MPa。
电池电芯堆叠件的模块刚性曲线C1、C1’和C”与P-D曲线C3之间的交点P、P’和P”对应于由于电池电芯堆叠件120的膨胀引起的行为和由于模块框架200的变形引起的行为平衡的点。换句话说,在在EOL(寿命结束)状态下表现出特定P-D曲线C3的电池电芯堆叠件被容纳在呈现特定模块刚性曲线C1的模块框架中的电池模块的情况下,可以预测对应的电池模块在EOL状态下具有对应于交点P、P’和P”的变形率和表面压力。也就是说,电池模块在EOL状态下在宽度方向上变形了与交点P、P’和P”的X轴值相对应的量,并且电池电芯110和模块框架200接收与交点P、P’和P”的Y轴值一样多的表面压力。
此时,如图10所示,交点P优选位于变形极限点x1和压力极限点y1内。变形极限点x1为12%,并且压力极限点y1为0.9MPa。也就是说,优选的是,交点P的X轴值为12%(即,变形极限点x1)或更小,并且对应交点P的Y轴值为0.9MPa(即,压力极限点y1)或更小。也就是说,根据本实施方式的电池模块可以具有如下特征,在EOL状态下,在电池电芯110被堆叠的方向上的变形率为12%或更小,并且施加到电池电芯110的表面压力可以是0.9MPa或更小。
如图11所示,当交点P’的Y轴值超过压力极限点y1时,预测在EOL状态下,超过压力极限点y1的表面压力被施加到对应的电池模块的电池电芯110和模块框架200。当超过0.9MPa(即,压力极限点y1)的压力被施加到电池电芯110时,可能发生电池电芯110的寿命性能劣化的问题(诸如,突然下降)。此外,当超过0.9MPa(即,压力极限点y1)的压力被施加到模块框架200时,可以施加超过屈服强度的表面压力,使得模块框架200可以被损坏和变形。
如图12所示,当交点P”的X轴值超过变形极限点x1时,预测在EOL状态下,电池模块将在宽度方向上变形超过变形极限点x1。这意味着由于电池电芯110的膨胀而引起的厚度变化被过度允许,这可能导致问题(诸如,电池电芯110中的电极引线与接头之间的断开以及电池电芯110的袋型电芯壳体中的裂缝)。此外,由于预测电池模块变形大于12%的变形极限点x1,电池组内部的电池模块占用的空间过度增加,这导致电池模块和电池组的能量密度降低。
另外,参考图13,在根据本实施方式的电池模块的情况下,可以在0.00417或更大和0.225或更小(MPa/%)的斜率范围内计算模块刚性曲线C1。也就是说,根据本实施方式的电池模块的模块刚性曲线C1可以在斜率Sb为0.00417MPa/%的下限模块刚性曲线C1b与斜率Sa为0.225MPa/%的上限模块刚性曲线C1a之间的范围内形成。为了使电池电芯堆叠件的模块刚性曲线C1和P-D曲线C3之间的交点(P)位于变形极限点x1和压力极限点y1的范围内,优选的是,在0.00417或更大和0.225或更小的斜率(MPa/%)范围内计算模块刚性曲线C1。
下面将具体描述模块刚性曲线C1。如上所述,模块刚性曲线C1是示出模块框架200的宽度根据电池电芯110被堆叠的方向而变化的程度与施加到模块框架200的负载之间的关系的图表。从模块刚性曲线C1的角度来看,X轴对应于模块框架200沿宽度方向的变形率%。变形率可以基于模块框架200的沿宽度方向变形的宽度相对于模块框架200在变形之前的宽度来计算。例如,变形率可以被计算为模块框架200的宽度变形的程度相对于模块框架200在变形之前的宽度的比率。从模块刚性曲线C1的角度来看,Y轴可以对应于根据模块框架200的变形率施加到模块框架200的侧表面部210和220的表面压力(MPa)。
为了计算模块刚性曲线C1,首先可以计算框架刚性曲线。框架刚性曲线是模块框架200的变形率与施加到模块框架200的表面压力之间的关系的图。这样的框架刚性曲线可以通过若干实际测试或模拟获得。例如,实际力被施加到模块框架200以测量模块框架200在宽度方向上的变形程度。可以通过在改变所施加的力的同时重复该过程来导出框架刚性曲线。可以通过考虑压缩垫600对框架刚性曲线的影响来导出模块刚性曲线C1。具体地,压缩垫600相对于施加到压缩垫600的表面压力的压缩程度和压缩垫600的数量可反映在框架刚性曲线中以最终导出模块刚性曲线C1。
下面将详细描述电池电芯堆叠件的P-D曲线C3。如上所述,电池电芯堆叠件的P-D曲线C3是示出当电池电芯110的厚度由于膨胀而变化时电池电芯110所接收的表面压力根据变化程度的关系的图表。从电池电芯堆叠件的P-D曲线C3的角度来看,X轴可以对应于沿着电池电芯堆叠件120的宽度方向的变形率(%),并且Y轴可以对应于施加到包括在电池电芯堆叠件120中的电池电芯110的表面压力(MPa)。
下面将参考图14和图15详细描述计算电池电芯堆叠件的P-D曲线C3的过程。
图14是示出单个电池电芯的P-D曲线的图表。
参考图14,可以测量单个电池电芯110根据充电/放电循环的厚度变化和表面压力。具体地,单个电池电芯110位于固定夹具中,在该固定夹具中厚度变化受到限制,然后重复充电/放电循环。此后,通过设置在相应的固定夹具中的负载电芯测量表面压力值a0。测得的a0由Y轴上的P0表示。接下来,单个电池电芯110位于可变夹具中,在所述可变夹具中,可以通过弹簧等改变厚度,并且然后重复充电/放电循环。然后,通过设置在可变夹具上的负载电芯测量表面压力值a1,并且测量电池电芯110的增加的厚度以计算厚度变形率b1。对应的a1和b1由点P1表示。改变可变夹具的弹簧常数并且重复测量过程以分别测量表面压力值a2、a3和a4和变形率值b2、b3和b4。基于这样的值,可以显示坐标点P2、P3和P4,并且可以导出一个曲线C2。并且,由此导出的曲线C2对应于单个电池电芯的P-D(压力-位移)曲线。
图15是示出单个电池电芯的P-D曲线和电池电芯堆叠件的P-D曲线的图表。
一起参考图14和图15,包括在电池电芯堆叠件120中的电池电芯110的数量可以反映在通过图14中描述的过程获得的单个电池电芯的P-D曲线C2中,以获得电池电芯堆叠件120的P-D曲线C3。随着电池电芯110的数量增加,根据变形程度所需的表面压力增加,使得电池电芯堆叠件120的P-D曲线C3与单个电池电芯的P-D曲线C2相比自然地位于上部中。
图16是示出根据本公开的示例1至示例4的模块刚性曲线的图表。
参考图16,示出了示例1至示例4中的每一者的模块刚性曲线。未示出电池电芯堆叠件的P-D曲线,但是示例1至示例4的每个模块刚性曲线满足示例1至示例4的每个电池电芯堆叠件的P-D曲线的平衡点(交点)被移位。
查看根据上述方法预测的电池模块的膨胀行为,预测在EOL状态下,示例1的电池模块在宽度方向上变形了5.4%,并且内部电池电芯和模块框架接收0.8MPa的表面压力。此外,预测在EOL状态下,示例2的电池模块在宽度方向上变形了6.7%,并且内部电池电芯和模块框架接收0.71MPa的表面压力。此外,预测在EOL状态下,示例3的电池模块在宽度方向上变形了6.1%,并且内部电池电芯和模块框架接收0.29MPa的表面压力。最后,预测在EOL状态下,示例4的电池模块在宽度方向上变形了9.3%,并且内部电池电芯和模块框架接收0.44MPa的表面压力。
示例1至示例4的所有电池模块表现出如下特征:在EOL(寿命结束)状态下,在电池电芯被堆叠的方向上的变形率是12%或更小,并且施加到电池电芯的表面压力是0.9MPa或更小。此外,示例1至示例4的电池模块的模块刚性曲线在0.00417或更大和0.225或更小的斜率(MPa/%)范围内计算。也就是说,示例1至示例4的电池模块的模块刚性曲线可以在具有0.00417MPa/%的斜率(Sb)值的下限模块刚性曲线C1b与具有0.225MPa/%的斜率(Sa)值的上限模块刚性曲线C1a之间的范围内形成。
在本实施方式中已经使用了表示诸如前侧、后侧、左侧、右侧、上侧和下侧的方向的术语,但是所使用的术语仅为了方便描述而提供,并且可以根据对象的位置、观察者的位置等而变得不同。
根据本公开的实施方式的一个或更多个电池模块可以与各种控制和保护系统(诸如,BMS(电池管理系统)、BDU(电池断开单元))和冷却系统一起安装以形成电池组。
电池模块或电池组可以应用于各种装置。例如,其可以应用于诸如电动自行车、电动车辆和混合动力电动车辆的车辆装置或ESS(能量存储系统),并且可以应用于能够使用二次电池的各种装置,而不限于此。
尽管上文已经参考本公开的优选实施方式详细描述了本发明,但是本公开的范围不限于此,并且本领域技术人员可以使用在所附权利要求中限定的本公开的基本概念来进行各种修改和改进,这也落入本公开的范围内。
附图标记的描述
100a、100b:电池模块
110:电池电芯
120:电池电芯堆叠件
200:模块框架
200TH:通孔
300:管
400:热树脂层
500:导热垫
600:压缩垫
Claims (20)
1.一种电池模块,该电池模块包括:
电池电芯堆叠件,在所述电池电芯堆叠件中,多个电池电芯在一个方向上堆叠;
模块框架,在所述模块框架中容纳所述电池电芯堆叠件;以及
管,所述管被堆叠在所述电池电芯堆叠件内的所述电池电芯的一侧上,
其中,在所述模块框架中形成有通孔,并且
其中,所述管包括注入部,所述注入部经由所述通孔连接到外部的流体供应装置,并且流体通过所述注入部从所述流体供应装置流入到所述管的内部。
2.根据权利要求1所述的电池模块,
所述电池模块还包括传热构件,所述传热构件位于所述电池电芯堆叠件与所述模块框架的一个表面之间。
3.根据权利要求2所述的电池模块,其中,
所述传热构件包括热树脂层,并且
所述电池电芯的一侧粘附到所述热树脂层。
4.根据权利要求3所述的电池模块,其中,
在所述模块框架的所述一个表面上形成有注入孔。
5.根据权利要求4所述的电池模块,其中,
所述热树脂层通过经由所述注入孔注入热树脂来形成。
6.根据权利要求2所述的电池模块,其中,
所述传热构件包括导热垫,并且
所述电池电芯的一侧与所述导热垫接触,且所述电池电芯能沿所述电池电芯的堆叠方向在所述导热垫上滑动。
7.根据权利要求1所述的电池模块,
所述电池模块还包括邻近所述电池电芯设置的压缩垫或冷却板中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的电池模块,其中,
所述注入部具有闭合的微孔形状,并且
当所述流体接收压力时,具有微孔形状的所述注入部打开,使得所述流体流入到所述管的内部,或者流入的流体从所述管排出。
9.根据权利要求1所述的电池模块,其中,
所述管是软或弹性材料,并且
流入所述管的流体处于液态或凝胶态。
10.根据权利要求1所述的电池模块,
所述电池模块还包括连接到所述管的止回阀。
11.根据权利要求1所述的电池模块,其中,
所述电池电芯沿着从所述模块框架的侧表面部到另一侧表面部的一个方向堆叠,
在相邻电池电芯之间或最外侧电池电芯与所述模块框架的侧表面部之间的至少一个位置处插置有压缩垫,并且
在寿命结束EOL状态下,在所述电池电芯被堆叠的方向上的变形率为12%或更小,并且施加到所述电池电芯的表面压力为0.9MPa或更小。
12.根据权利要求11所述的电池模块,其中,
在0.00417或更大和0.225或更小的斜率(MPa/%)范围内计算所述电池模块的模块刚性曲线,并且
所述电池模块的所述模块刚性曲线对应于所述模块框架的变形率与施加到所述模块框架的表面压力之间的关系。
13.根据权利要求12所述的电池模块,其中,
所述电池模块的所述模块刚性曲线通过在所述模块框架的框架刚性曲线上反映所述压缩垫相对于施加到所述压缩垫的表面压力的压缩程度和所述压缩垫的数量而导出。
14.一种用于制造电池模块的方法,所述方法包括:
组装步骤,在所述组装步骤中,在模块框架的内部容纳电池电芯堆叠件和管,所述电池电芯堆叠件堆叠有多个电池电芯,所述管被堆叠在所述电池电芯堆叠件内的所述电池电芯的一侧上并且内部为空;以及
初始按压步骤,在所述初始按压步骤中,将流体注入到所述管的内部以按压所述电池电芯,
其中,在所述模块框架中形成有通孔,
其中,所述管包括经由所述通孔连接到外部的流体供应装置的注入部,并且
其中,在所述初始按压步骤中,所述流体供应装置通过所述注入部将流体注入到所述管的内部。
15.根据权利要求14所述的用于制造电池模块的方法,其中,
在所述组装步骤之后执行所述初始按压步骤。
16.根据权利要求14所述的用于制造电池模块的方法,
所述方法还包括树脂注入步骤,在所述树脂注入步骤中,将热树脂注入到所述电池电芯堆叠件与所述模块框架的一个表面之间以形成热树脂层。
17.根据权利要求16所述的用于制造电池模块的方法,其中,
在所述模块框架的所述一个表面上形成有注入孔,并且
在所述树脂注入步骤中,通过所述注入孔注入所述热树脂。
18.根据权利要求16所述的用于制造电池模块的方法,其中,
在所述初始按压步骤之后执行所述树脂注入步骤。
19.根据权利要求14所述的用于制造电池模块的方法,其中,
在所述组装步骤中,将导热垫容纳在所述模块框架的内部,并且
所述导热垫位于所述电池电芯堆叠件与所述模块框架的一个表面之间。
20.根据权利要求19所述的用于制造电池模块的方法,其中,
所述电池电芯的一侧与所述导热垫接触,且所述电池电芯能沿所述电池电芯的堆叠方向在所述导热垫上滑动。
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