CN118117262A - 具有直接极耳到极耳连接和相关特征的多电芯电池模组 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及具有直接极耳到极耳连接和相关特征的多电芯电池模组。在多电芯电池模组中电芯的极耳中的至少一些紧邻的极耳彼此直接电连接和机械连接以形成极耳对。在一些实施例中，每个极耳对的极耳朝向彼此弯曲并焊接在一起。在一些实施例中，轻质(例如泡沫)电绝缘件被放置在紧邻的极耳对之间的极耳间空间中。在一些实施例中，具有端壁的端部封闭件设置有从端壁延伸到极耳间绝缘件的间隔肋，以便将紧邻的极耳彼此隔离，例如，以抑制或防止爬电。在一些实施例中，柔性印刷电路通过焊接到极耳对的触点直接电连接和机械连接到极耳对。还公开了简单的电引出布置和通信端口连接器布置。
Description
发明领域
本发明总体上涉及软包类多电芯电池模组(pouch-type multicell batterymodule)的领域。特别地，本发明涉及具有直接极耳到极耳连接(direct pole-tab topole-tab connectivity)和相关特征的多电芯电池模组。
背景
随着燃烧发动机驱动的交通工具和有线设备被电池驱动的等价物所取代，以及随着可再生能源变得越来越普遍而导致的电力存储需求的增长，电池变得越来越普遍。在许多应用中，用于这些应用的电池基于电化学电芯，例如锂金属电芯和锂离子电芯，并且这些电芯通常是软包类的，这些电芯通常具有矩形形状因子。因为单独的电芯受到相关化学物质的限制以提供相对低的电压和相对低的电流，所以用于功率密集型应用的多个单独的电芯被封装在一起并彼此电连接以形成具有更高输出电压和/或更高输出电流的电池模组。如果能量需求大于单个模组所能提供的能量需求，那么多个单独的模组被分组和/或封装在一起并且彼此电连接，以形成具有所讨论的特定应用所需的必要能量需求和输出电压及电流特性的电池包(battery pack)。
在许多情况下，软包类多电芯电池模组的构造利用母线来通过电芯的极耳(poletab)将电芯彼此电连接，该极耳存在于模组的一个端部或两个端部处，这取决于电芯的设计。用于安装母线的常见技术是首先安装塑料母线支撑结构，该塑料母线支撑结构通常具有与模组的横向横截面相同的面积尺寸。在安装母线支撑件后，母线被安装并且然后焊接到电芯中的相关电芯的极耳。
这种类型的模组构造的缺点是塑料母线支撑件必须相当坚固以用作焊接夹具，并且这意味着母线支撑件相对大且相对重。相对大的尺寸和相对大的重量分别降低了如此构造的模组的体积和重量能量密度。此外，这种构造在电芯的极耳、母线和母线支撑件之间提供了相对高的刚性。这与增加惯性力的母线支撑件和母线本身的相对高的质量相结合增加了在使用期间由冲击和振动造成损坏的可能性，这可能导致内部故障，例如扭曲极耳和在极耳焊缝和其他部件(例如用于模组性能和健康监控的柔性印刷电路)中引起应力裂纹。
本公开的概述
在实施方式中，本公开涉及一种电池模组，该电池模组包括电芯堆，电芯堆包括沿着堆叠方向彼此堆叠的多个电芯，其中：电芯中的每一个具有第一端部和第二端部，该第一端部和第二端部在垂直于堆叠方向的方向上彼此间隔开并且包括位于第一端部和第二端部中的对应的各个端部处的极性相反的第一极耳和第二极耳；第一极耳中的每对紧邻的第一极耳形成第一极耳间空间(inter-tab space)；第一极耳中的至少一些紧邻的第一极耳彼此紧固以形成至少一个对应的第一极耳对；以及电绝缘材料，其设置在第一极耳间空间中的每一个中；中间壳体，其包括平行于堆叠方向的壁；以及第一端部封闭件，该第一端部封闭件固定到中间壳体并覆盖第一极耳和第一极耳间空间中的电绝缘材料。
附图说明
为了说明的目的，附图示出了本发明的一个或更多个实施例的方面。然而，应当理解，在此公开的发明不限于附图中示出的精确布置和手段，在附图中：
图1A是根据本公开的方面制造的示例电池模组的透视图；
图1B是图1A的模组的部分分解视图；
图2A是与图1A和图1B的模组的其他部件隔离的图1B的引出布置(lead-outarrangement)的透视图；
图2B是图2A的引出布置的放大俯视图；
图2C是沿图2B的线2C-2C截取的引出布置的横截面视图；
图3A是与图1A和图1B的模组的其他部件隔离的图1B的端口连接器布置的透视图；
图3B是图3A的端口连接器布置的放大俯视图；
图3C是沿图3B的线3C-3C截取的端口连接器布置的横截面视图；
图4是图1A和图1B的模组的放大端视图，示出为在模组的引出端部处的第一端部封闭件被移除；
图5是图1A和图1B的模组的在模组的引出端部处的放大的局部横截面视图；
图6是图1A和图1B的模组的放大端视图，示出为在模组的数据连接端部处的第二端部封闭件被移除；以及
图7是图1A和图1B的模组的放大端视图，示出为安装了在模组的数据连接端部处的第二端部封闭件。
详细描述
在一些方面，本公开涉及包括多个软包类电化学电芯(下文简称“电芯”)的电池模组，该多个软包类电化学电芯彼此电连接并使用本文公开的制造技术和结构封装在外壳内，该制造技术和结构或者避免使用母线和任何相关联的一个或更多个母线支撑件，或者减少母线的数量和母线支撑件的范围，这取决于所讨论的模组中电芯的电连接性。这些益处源于极耳中直接电连接且机械连接在一起的相关极耳，而不是作为惯例提供母线。在一些实施例中：相对轻质的电介质材料(例如电介质泡沫)被放置在相邻的极耳之间；模组中的电芯中的各种电芯的极耳彼此直接紧固，以产生机械连接和电连接的极耳对；柔性印刷电路电耦合到极耳对，例如，用于监测模组性能和/或模组健康；和/或提供具有间隔肋的端部封闭件以形成单独的极耳对隔离室。
在一些实施例中，本公开的模组的一个端部可以是电引出端部和/或一个端部可以是数据连接端部。在一些实施例中，电引出端部和数据连接端部可以位于模组的相对端部处。当模组的一个端部是引出端部时，模组可以包括介电内部引线支撑件，该介电内部引线支撑件支撑将内部端子连接到外部端子的正电引线和负电引线。在一些实施例中，引线支撑件可以附接到放置在模组的该端部上的极耳之间的电介质绝缘件。当模组的一个端部是数据连接端部时，模组可以包括数据端口连接器和固定地支撑数据端口连接器的连接器支撑件。在一些实施例中，连接器支撑件固定到放置在模组的该端部上的极耳之间的电介质绝缘件。下面结合附图中所示的示例实施例来描述这些和其他特征和实施例。
现在参考附图，图1A和图1B示出了根据本公开制造的示例电池模组100(下文简称“模组”)。在该示例中，模组100分别具有第一端部100(1)和第二端部100(2)，其中第一端部100(1)是电引出端部，并且第二端部100(2)是数据连接端部。模组100包括单独的电芯的堆104，这里十二个电芯104(1)至104(12)(只有少数标记以避免混乱)沿着堆叠轴线104SA彼此堆叠。如本领域技术人员将容易理解的，电芯的数量不必是十二。事实上，电芯的数量可以是适合模组的特定要求并且基于相关的电芯尺寸和化学物质所需的任何数量。未示出但在一些实施例中可能存在缠绕操作，该缠绕操作围绕堆进行缠绕。堆104包含在外壳108内，外壳108具有中间壳体108B和第一端部封闭件108C(1)和第二端部封闭件108C(2)，第一端部封闭件108C(1)和第二端部封闭件108C(2)分别在模组100的第一端部100(1)和第二端部100(2)处闭合和密封外壳。
如下面详细讨论的，在该示例中，电芯104(1)至104(12)都彼此串联地电连接。然而，在其他实施例中，电芯104(1)至104(12)或任何存在的电芯可以以另一种方式电连接，例如，其中一些电芯彼此串联地连接，并且一些电芯彼此并联地连接，这取决于所讨论的模组的特定要求。
在该示例中，模组100的第一端部100(1)是模组的电引出端部，在该电引出端部处，输出端子112(1)和112(2)(参见图4)通过对应的电引线120(1)和120(2)(参见图2A-图2C和图4)分别电连接到堆104的相关输出极耳，这里是完全串联连接的电芯104(1)至104(12)上的极耳116(1)和116(23)(参见图4和图5)。为此，示例模组100包括结构的引出布置124，在该示例中，引出布置124包括电绝缘件128(1)和用于支撑电引线120(1)和120(2)的引线支撑结构132。下面结合图2A-图2C、图4和图5描述示例引出布置124的细节。
同样在该示例中，模组100的第二端部100(2)是模组的包括数据端口连接器136的数据连接端部。为此，示例模组100包括结构的端口连接器布置140，在该示例中，端口连接器布置140包括电绝缘件128(2)和支撑数据端口连接器136的连接器支撑件144。下面结合图3A-图3C、图6和图7描述示例端口连接器布置140的细节。
该实施例还包括柔性印刷电路148，柔性印刷电路148电连接到数据端口连接器136和模组100的其他部件，如下面结合图4-图6描述的。如上所述，数据端口连接器136允许模组100在模组外传送数据，例如，用于性能和/或健康监测目的。关于数据端口连接器136的类型，本领域技术人员将理解，其类型可以是任何合适的类型，例如标准类型(例如，RS-232、DE-9、DE 15等)或定制类型。在一些实施例中，物理数据端口连接器136可以被取消并由无线数据端口(未示出)代替。
图2A-图2C示出了与示例模组100(图1A和图1B)的其他部件隔离的图1B的引出布置124，以帮助读者理解模组的构造。如图2A-图2C中看到的，引出布置124包括电绝缘件128(1)和引线支撑结构132，在该实施例中，电绝缘件128(1)和引线支撑结构132被固定在一起以提供整体结构。如果电绝缘件128(1)和引线支撑结构132固定在一起，电绝缘件128(1)和引线支撑结构132就可以在与模组100(图1A和图1B)的其余部分接合之前或之后并且以任何合适的方式(例如使用粘合剂、机械紧固、包覆模制(overmold)等，或者这些方式的任何组合，等等)来彼此固定。电绝缘件128(1)是可以由任何合适的电介质材料制成的物理结构(例如，与真空或空气和/或其他气体不同)。因为通常希望使诸如模组100的电池模组尽可能轻质，所以介电泡沫是介电材料的好选择。适用于极耳间绝缘件128(1)的泡沫的示例包括但不限于聚氨酯(PU)、硅橡胶和聚乙烯(PE)等。也可以使用泡沫以外的材料，只要它/它们提供必要的电绝缘。
引线支撑结构132可以具有任何合适的形状，以适应例如输出端子112(1)和112(2)(图4)和堆104的对应极耳(这里，极耳116(1)和116(23)(图5))的位置、电引线120(1)和120(2)的形状和配置以及模组100(图1A和图1B)内可用的内部空间。引线支撑结构132可以由任何一种或更多种合适的材料(例如一种或更多种介电热固性塑料和/或热塑性塑料等)制成。
图3A-图3C示出了与示例模组100(图1A和图1B)的其他部件隔离的图1B的端口连接器布置140，以帮助读者理解模组的构造。如图3A-图3C中看到的，端口连接器布置140包括电绝缘件128(2)、连接器支撑件144和数据端口连接器136。与图2A-图2C的电绝缘件128(1)一样，电绝缘件128(2)可以由任何合适的介电材料(例如上面关于图2A-图2C的电绝缘件128(1)提到的任何一种或更多种介电材料)制成。
连接器支撑件144可以具有任何合适的形状，以适应例如数据端口连接器136的尺寸、形状和安装要求、电绝缘件128(2)的配置以及模组100(图1A和图1B)内可用的内部空间等。连接器支撑件144可以由任何一种或更多种合适的材料(例如一种或更多种介电热固性塑料和/或热塑性塑料等)制成。在该示例中，连接器支撑件144包括包覆模制到其中的一对螺母300(1)和300(2)。这些螺母300(1)和300(2)接纳对应的螺钉700(1)和700(2)(图7)，螺钉700(1)和700(2)将第二端部封闭件108C(2)固定到连接器支撑件144，并且在该示例中，固定到整个端口连接器布置140。
图4示出了模组100的引出端部(第一端部)100(1)，其中第一端部封闭件108C(1)(图1A、图1B和图5)被移除以使能够查看内部部件和电连接。图5以横截面示出了引出端部100(1)，但其中安装了第一端部封闭件108C(1)。为了便于理解，参考图4和图5，这些图分别示出了极耳116(3)+116(5)、116(7)+116(9)、116(11)+116(13)、116(15)+116(17)和116(19)+116(21)，它们朝向彼此弯曲并紧固在一起以便形成五个极耳对400(1)至400(5)。如上所述，紧固可以以任何合适的方式实现，即分别将极耳116(3)+116(5)、116(7)+116(9)、116(11)+116(13)、116(15)+116(17)和116(19)+116(21)彼此机械连接和电连接。如上所述，这种紧固可以以任何合适的方式(例如焊接、机械紧固、钎焊、使用导电粘合剂的结合、共熔化以及它们的任何合适组合等)执行。基本上，对紧固没有限制，只要紧固满足预期服务的电气要求和机械坚固性要求。如上所述，在示例模组100中，所有电芯104(1)至104(12)彼此串联地电连接。因此，在极耳对400(1)至400(5)中的每一对中，极耳116(3)至116(21)具有彼此相反的极性。类似地，极耳116(1)和116(23)具有彼此相反的极性。
如图5中最佳看见的，极耳116(1)和116(23)是串联连接的电芯104的端部极耳，并且这些极耳电连接到电引线120(1)和120(2)且分别被捕获在引线支撑结构132的极耳捕获部分132TCP(1)和132TCP(2)内。参照图4，电引线120(1)和120(2)在其另外的端部处连接到输出端子112(1)和112(2)。图4还示出了柔性印刷电路148通过对应的电触点404(1)至404(7)电连接到电引线120(1)和120(2)中的每一个以及极耳对400(1)至400(5)中的每一对。
再次参照图5，该示例模组100的第一端部封闭件108C(1)包括端壁500，该端壁500与极耳对400(1)至400(5)间隔开，以在端壁和电绝缘件128(1)的自由表面之间提供顶部空间，该顶部空间存在于极耳116(1)至116(23)中的相邻的极耳之间的空间中，以及邻近端部极耳116(1)和116(23)的面向外的侧。在该示例中，第一端部封闭件108C(1)还包括间隔肋504(1)至504(4)，间隔肋504(1)至504(4)从端壁500延伸到电绝缘件128(1)，以形成极耳对隔离室508(1)至508(5)，极耳对隔离室508(1)至508(5)将极耳对400(1)至400(5)彼此电隔离，并抑制极耳对中的紧邻的极耳对之间的爬电。尽管未示出，但是间隔肋504(1)至504(4)可延伸第一端部封闭件108C(1)的全长(进出图5的页面)，或可仅延伸部分长度，例如，相对于极耳对400(1)至400(5)仅在需要的地方延伸。通常，每个间隔肋504(1)至504(4)应该牢固地接合电绝缘件128(1)，以便阻止爬电。如果泡沫被用于电绝缘件128(1)并且如果泡沫是足够可压缩的，则间隔肋504(1)至504(4)可以被设定尺寸为使得当第一端部封闭件108C(1)与模组100完全接合时，它们将泡沫压缩到期望的程度。
图6示出了模组100的数据连接端部(第二端部)100(2)，其中第二端部封闭件108C(2)(图1A、图1B和图7)被移除以使能够查看内部部件和电连接。图7示出了安装了第二端部封闭件108C(2)的数据连接端部100(2)(图1)。参照图6，该图分别示出了极耳116(2)+116(4)、116(6)+116(8)、116(10)+116(12)、116(14)+116(16)、116(18)+116(20)和116(22)+116(24)，它们朝向彼此弯曲并紧固在一起以便形成六个极耳对600(1)至600(6)。如上所述，紧固可以以任何合适的方式实现，即分别将极耳116(2)+116(4)、116(6)+116(8)、116(10)+116(12)、116(14)+116(16)、116(18)+116(20)和116(22)+116(24)彼此机械连接和电连接。还如上所述的，这种紧固可以以任何合适的方式(例如焊接、机械紧固、钎焊、使用导电粘合剂的结合、共熔化以及它们的任何合适组合等)执行。基本上，对紧固没有限制，只要紧固满足预期服务的电气要求和机械坚固性要求。如上所述，在示例模组100中，所有电芯104(1)至104(12)都彼此串联地电连接。因此，在极耳对600(1)至600(6)中的每一对中，极耳116(2)至116(24)具有相反的极性。
图6还示出了电绝缘件128(2)，电绝缘件128(2)存在于极耳116(2)至116(24)中的相邻的极耳之间的极耳间空间中，并且邻近端部极耳116(2)和116(24)的外表面。图6还示出了柔性印刷电路148通过对应的电触点604(1)至604(6)电连接到极耳对600(1)至600(6)中的每一对。尽管未示出，但在该示例中，柔性印刷电路148在模组的第一端部100(1)和第二端部100(2)之间的中间壳体108B(图1A和图1B)内延伸。如上所述，图7示出了分别与端口连接器布置140的螺母300(1)和300(2)(图6)螺纹接合的螺钉700(1)和700(2)。
可做出各种修改和添加而不偏离本发明的精神和范围。上面所述的各种实施例的每个的特征可视情况与其它所述实施例的特征组合，以便提供在相关的新实施例中的多个特征组合。此外，虽然前述内容描述了多个单独的实施例，但是在本文所述的内容仅仅说明本发明的原理的应用。此外，虽然在本文的特定方法可被示出和/或描述为以特定的顺序被执行，但是该顺序在普通技能内是高度可变的以实现本公开的多个方面。相应地，该描述意味着只作为示例被采取，且不以其它方式限制本发明的范围。
示例性实施例在上面已经被公开并在附图中被示出。本领域中的技术人员将理解，可对本文中特别公开的内容做出各种变化、省略和添加而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (19)
1.一种电池模组，包括：
电芯堆，其包括沿堆叠方向彼此堆叠的多个电芯，其中：
所述电芯中的每一个具有第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部在垂直于所述堆叠方向的方向上彼此间隔开并且包括位于所述第一端部和所述第二端部中的对应的各个端部处的极性相反的第一极耳和第二极耳；
所述第一极耳中的每对紧邻的第一极耳形成第一极耳间空间；
所述第一极耳中的至少一些紧邻的第一极耳彼此紧固以形成至少一个对应的第一极耳对；以及
电绝缘材料，其设置在所述第一极耳间空间中的每一个中；
中间壳体，其包括平行于所述堆叠方向的壁；以及
第一端部封闭件，其固定到所述中间壳体并覆盖所述第一极耳和所述第一极耳间空间中的所述电绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的电池模组，其中，每个第一极耳对中的所述第一极耳朝向彼此弯曲并且彼此紧固。
3.根据权利要求1所述的电池模组，其中，每个第一极耳对中的所述第一极耳朝向彼此弯曲并且彼此焊接。
4.根据权利要求1所述的电池模组，其中，所述电芯堆包括多个所述第一极耳对，并且所述第一端部封闭件在所述第一端部封闭件和所述电芯堆之间提供第一顶部空间，所述电池模组还包括至少部分地容纳在所述第一顶部空间内的柔性印刷电路。
5.根据权利要求4所述的电池模组，其中，所述柔性印刷电路通过对应的电触点电连接到所述第一极耳对中的每一个。
6.根据权利要求5所述的电池模组，还包括：
数据端口连接器；以及
连接器支撑件，其固定地支撑所述数据端口连接器；
其中，所述柔性印刷电路电连接到所述数据端口连接器。
7.根据权利要求6所述的电池模组，其中，所述连接器支撑件在所述第一极耳间空间中固定到所述电绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的电池模组，其中，所述电芯堆包括多个所述第一极耳对，并且所述第一端部封闭件包括多个间隔肋，所述间隔肋接合存在于所述第一极耳对中的相邻的第一极耳对之间的所述第一极耳间空间中的所述电绝缘材料，从而形成单独的极耳对隔离室。
9.根据权利要求1所述的电池模组，还包括：
内部模组端子，其电耦合到所述第一极耳和所述第二极耳中的极耳；
外部模组端子，其通过对应的引线电耦合到所述内部模组端子中的对应的各个内部模组端子；以及
引线端子支撑件，其由介电材料制成并支撑所述内部模组端子和所述引线中的每一个。
10.根据权利要求9所述的电池模组，其中，所述引线端子支撑件在所述第一极耳间空间中固定到所述电绝缘材料。
11.根据权利要求1所述的电池模组，其中，所述电绝缘材料包括介电泡沫。
12.根据权利要求1所述的电池模组，其中：
所述第二极耳中的每对紧邻的第二极耳形成第二极耳间空间；
所述第二极耳中的至少一些紧邻的第二极耳彼此机械连接且电连接，以形成至少一个对应的第二极耳对；
电绝缘材料设置在所述第二极耳间空间中的每一个中。
13.根据权利要求12所述的电池模组，其中：
所述电芯堆包括多个所述第一极耳对和多个所述第二极耳对；
所述第一端部封闭件在所述第一端部封闭件和所述电芯堆之间提供第一顶部空间；
所述第二端部封闭件在所述第二端部封闭件和所述电芯堆之间提供第二顶部空间；并且
所述电池模组还包括至少部分地容纳在所述第一顶部空间和所述第二顶部空间中的每一个内的柔性印刷电路。
14.根据权利要求13所述的电池模组，其中，所述柔性印刷电路通过对应的电触点电连接到所述第一极耳对中的每一个和所述第二极耳对中的每一个。
15.根据权利要求14所述的电池模组，还包括：
数据端口连接器，其延伸穿过所述第一端部封闭件；以及
连接器支撑件，其固定地支撑所述数据端口连接器；
其中，所述柔性印刷电路电连接到所述数据端口连接器。
16.根据权利要求15所述的电池模组，其中，所述连接器支撑件在所述第一极耳间空间中固定到所述电绝缘材料。
17.根据权利要求12所述的电池模组，其中：
所述电芯堆包括多个所述第一极耳对；
所述第一端部封闭件包括多个第一间隔肋，所述多个第一间隔肋接合存在于所述第一极耳对中的相邻的第一极耳对之间的所述第一极耳间空间中的所述电绝缘材料，从而形成单独的第一极耳对隔离室；
所述电芯堆包括多个所述第二极耳对；以及
所述第二端部封闭件包括多个第二间隔肋，所述多个第二间隔肋接合存在于所述第二极耳对中的相邻的第二极耳对之间的所述第二极耳间空间中的所述电绝缘材料，从而形成单独的第二极耳对隔离室。
18.根据权利要求12所述的电池模组，还包括：
内部模组端子，其电耦合到所述第一极耳和所述第二极耳中的极耳，其中所述内部模组端子位于所述第二顶部空间中；
外部模组端子，其通过对应的引线电耦合到所述内部模组端子中的对应的各个内部模组端子；以及
引线端子支撑件，其由介电材料制成并支撑所述内部模组端子和所述引线中的每一个。
19.根据权利要求18所述的电池模组，其中，所述引线端子支撑件在所述第二极耳间空间中固定到所述电绝缘材料。
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