CN1310482A - 封闭型电池模块 - Google Patents

Abstract

防止在内部空间被隔板分隔的封闭型电池模块的容器外壁上形成裂纹及类似危险。分隔封闭型电池模块容器的内部空间的各个隔板具有可变形部位,在作用于容器的负荷在容器外壁上产生的应力大于允许值之前发生变形。当负荷作用于模块容器时,分隔容器内部空间的隔板限制容器外壁变形,从而使外壁可能产生大的应力。但是,当这样的负荷使隔板的可变形部位产生变形,容器外壁上产生的应力减小,从而容器外壁上形成裂纹或类似危险的可能性很小。

Description

封闭型电池模块

本发明涉及封闭型蓄电池模块的结构。

封闭型蓄电池广泛地被用作各种电器的电源，因为这些电池即使在倾斜的情况下也不会使电解溶液泄漏，且可以在任何设置形式下使用，如干电池。通过将多个封闭型蓄电池连接而成整体电池模块也广泛地被使用以满足各种电器对电源的需求。

这种电池模块的结构特征在于封闭容器的内部空间被分成多个小电池单元。每个电池单元包括电解溶液、正电极板和类似的物体等。每个电池单元构成一个小蓄电池。这些电池单元以串联或并联方式进行电气联接。电池模块设有用于获取电力的正负端。

在某些情况下，一般蓄电池会因电极板处产生气体而增加电池内部压力，具体视使用状况或放电/充电的状况而有所不同。在另一些情况下，封闭的容器会由于电池模块受到某些干扰等原因而承受外力。考虑到这些情况，电池模块的外壁具有一定的强度，即使外壁承受这样的负荷也不会破损。

但是，如果电池模块的内部压力增大到超过封闭的容器所能承受的压力，或者电池模块受到超过允许值的巨大外力，则封闭型电池容器的外壁会有形成裂纹或类似问题的危险。

相应地，本发明的目的是提供即使在容器受到大于允许值的负荷的情况下电池模块的封闭容器的外壁也可以避免形成裂纹的封闭型电池模块。

为了实现上述的和其它的目的，本发明的封闭型电池模块包括可将封闭容器的内部空间分成多个电池单元的隔板，隔板分成的各个电池单元中的单位单元，以及隔板上的可变形部位。作用于该容器的负荷所导致的大于预定允许值的应力在外壁上产生之前，可变形部位就会变形。

因此，在该容器的外壁上产生的应力会减少。从而，可能防止大于预定允许值的应力产生。

大于预定允许值的应力可能是一种不立即在外壁形成裂纹而在多次作用后才形成裂纹的应力。如果在外壁上产生的应力可以控制在允许值以下，则可实现防止裂纹或其他在外壁上形成的类似损坏发生。

本发明的上述及其他的目的、功能特性和优点将通过对优选实施例的介绍并参照附图予以清楚阐述，其中同样的数字用于表示相同的部件。其中：

图1是功能方框图，说明根据本发明实施例的用于混合动力车的电池模块；

图2是一个概念示意图，说明使用根据本发明实施例的电池模块构成的电池组的结构；

图3是一个示意图，举例说明根据本发明实施例的电池模块的外部结构；

图4是一个分解的装配图，说明根据本发明实施例的电池模块的结构；

图5是一个示意图，说明根据本发明第一个实施例的电池模块的隔板结构；

图6是一个示意图，说明用于与第一个实施例进行比较的电池模块的结构；

图7A和7B是两个示意图，说明根据第一个实施例的电池模块内部压力异常增加时的状态；

图8是一个示意图，说明根据相关技术的电池模块的内部压力异常增加时的状态；

图9是一个示意图，说明第一个实施例的电池模块的模块容器受到外部载荷时的状态；

图10是一个示意图，说明根据相关技术的电池模块的模块容器受到外部载荷时的状态；

图11是一个示意图，显示根据第一个实施例的电池模块的隔板结构的修改；

图12是一个示意图，说明根据本发明第二个实施例的电池模块的隔板结构；

图13是一个示意图，说明根据第二个实施例的电池模块的内部压力异常增加时的状态；

图14是一个示意图，说明根据第二个实施例的电池模块的隔板结构的修改；

图15是一个示意图，说明根据本发明第三个实施例的电池模块的隔板结构；

图16是示意图，说明根据本发明第三个实施例的电池模块的隔板结构。

下文将参照附图对本发明的实施例加以介绍。

图1是一个配备了根据本发明第一个实施例的电池模块的混合动力车辆的结构。

该混合动力车辆是一种同时以发动机和电动机作为驱动动力源的车辆。如图1所示，混合动力车辆有一个发动机10，一个电动机20，一个扭矩变换器30，一个驱动电路40，一个电池组50，一个控制单元70和一个变速器80。本实施例的封闭型电池模块100用作电池组50的一个组件。

下面将简要介绍组成该混合动力车辆的各个部件。

发动机10是一个普通的汽油发动机。发动机10的输出轴12与电动机20的转子相连。

电动机20是一个三相同步电动机，它具有一个转子22和一个定子24。在转子22的外圆周面上设有多个永久磁铁。用于产生旋转磁场的三相绕组缠绕在定子24内圆周面上设置的齿条之间。当交流电通过定子24的三相绕组时，就产生了旋转磁场。由于旋转磁场和转子22的永久性磁铁产生的磁场之间的相互作用，转子22产生旋转。通过控制流经三相绕组的交流电的电流值和频率，就可以控制电动机20的驱动动力和旋转速度。当外力使转子22旋转时，由于上述两个磁场的相互作用而在三相线圈上产生电动势。因此，电动机20还具有发电机的功能。

驱动电路40是一个半导体元件构成的变流器。驱动电路40具有开关缠绕在定子24上的三相线圈与电池组50形成的直流电源(下面加以介绍)之间连接的功能。在控制单元70的控制下，驱动电路40向定子24的各个三相线圈提供电流，同时顺序地改变各个线圈上的电压，从而产生旋转磁场。因此，电动机20就被驱动。当外力使转子22旋转时，通过驱动电路40依次改变三相线圈的各端子与电池组50的联接，三相线圈上产生的交流电动势被转换成直流电动势。从而使电力可以存储到电池组50中。电池组50将在下文中介绍。

控制单元70是一个单片微型计算机，备有一个CPU、一个RAM和ROM等。通过CPU执行记录在控制单元70的ROM中的程序，控制单元70控制发动机10、驱动电路40，或类似的部件。

扭矩变换器30是一个使用液体的驱动力传动机构。扭矩变换器30的输入轴与电动机20的转子22连接。扭矩变换器30是密封的。传动油以密封方式装在扭矩变换器30中。在扭矩变换器30的输入轴13和输出轴14的各轴端设置了有多个叶片的涡轮。这些涡轮设置在扭矩变换器30的内侧，其中输入轴13一侧的绕组与输出轴14一侧的涡轮相互面对。当输入轴13转动时，扭矩从输入轴13侧的涡轮通过传动油将扭矩传送到输出轴14侧的涡轮，将该扭矩从输出轴14输出到变速器80。

变速器80是一个常见的自动传动装置，由一个行星齿轮机构、多个离合器、和类似的部件构成。变速器80是这样设计的，如果离合器啮合状态改变，则行星齿轮机构就会改变转动装置80的输入轴和输出轴15之间的速度比。每个离合器的操作都由控制单元70来控制。变速器80的输出轴15通过差动齿轮16与轮轴17连接。

有上面所介绍结构的混合动力车辆中，从发动机10或电动机20输出的驱动力通过扭矩变换器30传送到变速器80。通过变速器80进行加速或减速后，驱动力传送到轴17，从而驱动车辆行驶。根据车辆的行驶状况选择性地使用两种驱动力源，发动机10和电动机20，使混合动力车辆在总体上提高了能源效率。例如，在车辆制动过程中，电动机20行使发电机的功能，将动能转变成电能存储到电池组50中。又如车辆加速过程中需要大功率输出时，电动机20补充发动机10输出的不足。通过有效地使用电动机20，发动机10能够在燃料效率提高的状况下运行。混合动力车辆的整体能源效率可以得到提高。

图2是一个概念示意图，说明电池组50的结构。电池组50的结构特征在于多个封闭型电池模块100装在箱体52中。图3说明封闭型电池模块100的外部结构。本实施例的封闭型电池模块100具有两个从薄盒状的模块容器102中伸出的端子，即正极端子104和负极端子106。在本实施例中，如图3所示，电池组50的箱体52中装配有38个封闭型电池模块100。这些封闭型电池模块100以串联方式通过电线58彼此联接，然后联接到电池组50的正电极输出端子54和负电极输出端子56。通过这种方式将多个电池模块组合在一起，电池组50可以具有电压和电流。

在充电或放电过程中，由于内部电阻每个封闭型电池模块产生焦耳热。因此，为了散发焦耳热，电池模块以固定的间隔放置。

图4是一个说明封闭型电池模块100结构的示意图。封闭型电池模块100的结构特征在于，在箱体下部110装配有多个电池单元120，由顶板116将其封装。箱体下部110的内部空间被分成多个小单元。每个单元装有一个单位电池120。在图4所示的示例中，箱体下部110被分成6个单元。总共6个单位电池装配在这些单元中。箱体下部110由高绝缘性的树脂材料构成。

每个单位电池120由正电极122与隔离片126构成的一对，负电极124和隔离片126构成的一对交替堆叠形成。正电极122的一端与正电极板128焊接。负电极124的一端与负电极板129焊接。当这样构成的单位电池120与电解溶液一起装配在单元中时，在正电极板128和负电极板129之间产生电动势。隔离片126由具有较好透气性的纸或树脂材料不织布构成。隔离片126放置在各对相邻电极之间，以便防止正电极122和负电极124之间电接触。

本实施例的每个单位电池120包括镍-氢蓄电池。正电极122的材料是镍基合金。负电极124的材料是储氢合金。使用强碱溶液作为电解溶液。作权利要求的实施例并不局限于镍氢蓄电池，而是适用于封闭型电池模块的任何电池。

当单位电池120装配在箱体下部110的对应单元中后，每两个相邻单位电池120的正电极128和负电极129通过导电构件118(如导线)互联。在分隔单元的各个隔板112的上部有一个通过导电构件118的缺口。6个单位电池进行电气联接后，单位电池两端的正电极板128和负电极板129分别与封闭型电池模块100的正电极端子104和负电极端子106焊接。各个单元充满了电解溶液之后，装上顶板116并与箱体下部110粘合，这样就是一个完整的封闭型电池模块100。

箱体下部110与顶部116粘合之后，具有上述结构的封闭型电池模块100在模块100倾斜时也可以防止所装电解溶液泄漏。在本实施例中，6个各产生1.2V的电动势的镍氢电池以串联方式联接，这样，一个封闭型电池模块100就产生7.2V的电力。

当封闭型电池模块100充电时，由于封闭型电池模块100的内部电阻而产生焦耳热。当封闭型电池模块100放电时也会由于内部电阻而产生焦耳热。封闭型电池模块100具有如图3和4所示的薄板形状，即它们具有相对其体积的大表面积，因此，可以有效地散发焦耳热。

当蓄电池过度充电或过度放电时，电解溶液发生电解作用，从而在电极上产生气体。在镍氢蓄电池的情况下，过度放电状态正电极板产生氧气，过度充电状态正电极板产生氢气，这样封闭型电池模块100的内部压力会暂时上升。封闭型电池模块100的箱体下部110和顶板116的结构强度可以承受这种压力上升。

图5是一个封闭型电池模块100中所用的箱体下部110的放大的局部视图。如图5所示，分隔箱体下部110内部空间的各个隔板112有通过弯曲平板构成的折叠屏形状。相比较，图6是显示放大的箱体下部910的视图，其隔板和容器外壁的厚度几乎相等。

封闭型电池模块100具有如图5所示的隔板结构，由于下面将说明的原因，即使模块容器102的内部压力异常增加也可以防止在容器外壁形成裂纹或类似的问题。图7A是一个示意图，显示上述箱体下部110的示意图。在图7A中，虚线表示模块容器102的内部空间被隔板112分成6个单元。当封闭型电池模块100进入过度放电或过度充电状态时，会从正电极板产生气体。虽然各单元被隔板112隔离，各隔板112的上部都有用于连接相邻单元电极板的缺口114。因此，各单元的压力是均衡上升的。模块容器102的构造要能够承受预定的内部压力上升。因此，如果压力上升量小，模块容器102不会明显变形。

图7B是一个示意图，显示由于车辆驱动条件导致过度放电或过度充电状态持续较长时间，从而，封闭型电池模块100的内部压力上升的状态。当封闭型电池模块100的内部压力上升时，模块容器102的外壁受到大的负荷，所以隔板112如图7B所示出现弹性变形，因此，模块容器102的侧壁向外膨胀。随着这种变形持续，模块容器102的容积增大，容器的内部压力相应地减小。结果，使容器变形所需的力与容器的内部压力达到平衡。

图8显示具有厚度几乎相等的隔板912和容器壁的电池模块900发生内部压力上升时的状态。因为隔板912和容器壁的厚度几乎相等，容器壁的变形受阻。结果，模块容器902变形形成模块容器在靠近隔板912处收缩的形状，即，即使各平板状隔板壁912的各相对端受到将隔板拉伸的载荷，与箱体下部一样使用树脂材料制成的隔板壁也基本不会延长。因此，模块容器902的外壁表面在隔板部位处受到约束而变成图8所示的形状。如上所述，因为模块容器902的容器壁在隔板处受到约束，虽然容器壁表面向外膨胀到一定程度，但是容积增加得很小以及通过容器壁变形容器内部压力降低也很小。这样，容器以容器壁表面进一步向外膨胀的方式变形。当容器壁以这种方式变形时，在容器壁和隔板间的结合处周围的部位发生弯曲变形，并且在这些部位产生高应力。此外，随着隔板912和模块容器902容器壁结合处及周围的弯曲刚度的急剧变化，这些结合处及周围部位产生应力集中。如果在容器壁局部产生的应力超过箱体下部材料的许用应力，模块容器902就有形成裂纹的危险。

相反，本发明的隔板112具有图5所示的通过弯曲平板形成的形状。因此，当受到沿拉伸隔板11 2方向的一定负荷时，隔板112会伸长。结果，如图7B所示，模块容器102在隔板处没有大的约束，形成了容器整体扩大的形状。通过图7B和图8的比较，很显然当模块容器变成图7B所示的形状，容器壁未发生大的弯曲变形，即容器整体地膨胀而不会在隔板处有大的约束。因此，模块容器102避免了形成裂纹或类似问题的危险。

上述说明针对的是电池模块的内部压力增加的情况。第一个实施例的电池模块100能够不仅在上述情况而且在其他情况下，如封闭型电池模块100受到外来负荷，防止在模块容器102中形成裂纹或类似问题。

图9是一个示意图，显示当电池模块100与外部部件出现干涉使模块容器102的容器壁表面受到外载荷时模块容器102发生变形的情况。图10是一个示意图，显示具有与容器壁几乎相等厚度的隔板的电池模块900受到外来载荷时的状态。

在图10中，外部作用的负荷用箭头B来表示。当负荷从外部作用于容器模块902，该负荷以从外部压缩隔板的方向作用于隔板912。但是，用与箱体下部相同的树脂材料构成的隔板几乎不会被压缩，因此，模块容器902的容器壁变形使负荷点及其周围部位变得下凹很多。随着容器变形成这种形状，容器壁在图10中C所示的部位受到弯曲变形。结果，模块容器902的这个部位存在形成裂纹或类似问题的危险。

相反地，在所提出的实施例中的隔板112具有图5所示通过弯曲平板构成的形状，所以某种负荷可使隔板112收缩。即当受到图9箭头B所示的负荷时，负荷点附近的隔板112以收缩的形式变形。结果，模块容器102的容器壁的一个区域发生图9所示的变形。比较图9和图10，如果模块容器发生图9所示的变形，变形使容器壁在较宽的区域发生内凹，容器壁则不会经受大的变形。因此，在模块容器102上形成裂纹等危险的可能性很小。

上述介绍是针对隔板112具有折叠平板构成的形状以及在容器受到外力时隔板弹性变形使折叠部位弯曲的情况。当然，折叠部位弹性变形不一定是必然的，折叠部位也可以塑性变形。例如，可以采用这样一种结构当模块容器受到预定的外力时隔板在折叠部位折断。当负荷使隔板在折叠部位折断，模块容器的容器壁上的应力减少。从而，可以避免容器壁上形成裂纹或类似问题。

此外，虽然在电池模块100中，隔板112具有折叠平板构成的形状，但是隔板并不局限于图5所示的形状，而可以是任何形状，只要隔板能够根据外来负荷以拉伸和收缩的方式变形。例如，隔板212也可以具有图11所示的曲线形状。隔板还可以具有局部弯曲的形状。如果模块容器由具有上述形状隔板212的箱体下部构成，即使外力作用于该模块容器也可以避免容器外壁形成裂纹或类似问题。

图12是第二个实施例的电池模块300中所用的箱体下部310的放大局部视图。第二个实施例的电池模块300用于图1所示的混合系统。如图12所示，分隔箱体下部310内部空间的各个隔板312的中间部位的厚度减薄。

第二个实施例的电池模块300设置如图12所示形状的隔板。这种形状使模块容器302的外壁形成裂纹的可能性很小，既使在模块容器302的内部压力异常增加的情况下。图13是显示从上面看去电池模块300的示意图。当电池模块300进入过度放电和过度充电状态时，在正电极板处产生气体，所以模块容器302内部的压力增加。如果压力增加的量较小，第二个实施例的模块容器302基本不变形。

如果由于车辆的驱动状况而使电池模块300过度放电或过度充电状态持续较长时间，导致了电池模块300的内部压力增加的话，模块容器302的容器壁表面会受到很大的负荷，而使隔板312承受很大的拉伸载荷。因为隔板312是用与箱体下部310相同的材料制成，所以当受到拉伸负荷时，隔板312基本不会延长。这样，箱体下部310的壁表面受到隔板312的约束。即，由于电池模块300的内部压力增加，模块容器302的外壁变形为图8所示外壁邻近隔板的部位受到约束的形状。在此应当指出的是，第二个实施例的模块容器302的各个隔板312具有厚度减薄的部位，因此，当容器内部压力进一步上升时，在容器壁表面形成裂纹之前隔板312的厚度减薄部位会断开。图13是显示隔板312在箭头B所示的部位断开的示意图。当如图13所示隔板312断开时，容器壁靠近断开隔板的部位从约束中释放，从而能够以产生向外膨胀的形式变形。这样，容量增加和容器的内部压力减少。结果，在容器壁表面上产生的应力值减小，从而避免了裂纹的形成。

隔板312的断开使电解溶液可以在相邻单元之间来回流动。在此状态下，相邻两单元的作用恰似一个单元，这样总体上电池模块300产生的电动势降低。这意味着可以通过测量电池模块300的端电压来测出有断开隔板的电池模块300。

虽然在第二个实施例的上述电池模块300中，每个隔板312具有壁厚度减薄的部位，但是隔板不必拘泥于图12所示的结构。隔板可以是任何形式，只要在模块容器外壁形成裂纹之前隔板能够断开即可。例如，还可以采用图14所示加工成较薄的隔板412。

在不违背本发明精神的前提下，本发明可以以各种方式实现。例如，可以通过图15或图16所示的两个突出构件的组合来构成各个隔板。具体来说，可如图15所示在模块容器的一容器壁上有突出构件512a，而从相对的容器壁突出另一个面向突出构件512a的突出构件512b。两个突出构件512a和512b构成了隔板512。两个突出构件512a和512b互相紧密接触，以防止电解溶液通过两个构件中间的缝隙。还可如图16所示构成各个隔板，其中一个突出构件612a从模块容器壁突出，而另一个突出构件612b从对面的容器壁突出，从而两个突出构件612a和612b构成隔板612。在这种结构中，两个突出构件612a和612b互相紧密接触，以防止电解溶液通过两个突出构件中间的缝隙。

在具有图15或图16所示隔板的电池模块中，单元通过隔板512或612相互隔离，当模块容器的内部压力不是很高时，而每个隔板由两个突出物形构件构成。因此，在此状态下，电池模块可以在两个端子之间产生对应于单元数目的电动势。当模块容器的内部压力上升到一定水平时，因为隔板512或隔板612不能约束容器壁，整个容器壁表面变形。这样，减小了发生在模块容器壁上的应力，从而容器壁上不存在形成裂纹或类似的问题的危险。

此外，具有图16所示隔板的电池模块可以避免外来负荷作用时模块容器上形成裂纹或类似的问题。即，适应压缩隔板方向的负荷，图16所示的各个隔板612可以朝收缩方向变形。当外来负荷作用时，隔板612不会约束容器壁。结果，隔板612允许模块容器壁在较大区域上发生变形。因此，不会有大的局部应力出现在模块容器壁上，从而可以避免容器上形成裂纹。

在已经参照被认为是本发明目前最优实施例来介绍本发明的同时，要明确的是本发明不局限于所披露的实施例或结构。相反，本发明旨在涵盖各种修改和等效的结构

Claims (7)

1．一种封闭型电池模块(100)，其中封闭的容器(110)的内部空间被隔板(112)分成多个单元，且每个单元中有一个单位电池(120)，其特征在于，所述隔板(112)的可变形的部位在作用于所述容器(110)的负荷使所述容器(110)外壁上的应力大于预定允许值之前发生变形。

2．根据权利要求1的所述电池模块(100)，其特征在于，所述单位电池(120)是一个蓄电池。

3．根据权利要求1的所述电池模块(100)，其特征在于，可变形部位是一种受负荷作用可以塑性变形的构件。

4．根据权利要求1的所述电池模块(100)，其特征在于，可变形部位是一种受负荷作用可以弹性变形的构件。

5．根据权利要求1的所述电池模块(100)，其特征在于，可变形部位是一种其强度设定为在发生在容器外壁上的应力超过预定允许值之前断开的构件。

6．根据权利要求1至5中任一项的所述电池模块(100)，其特征在于，应力的预定允许值对应于容器外壁开裂应力。

7．根据权利要求1至5中任一项的所述电池模块(100)，其特征在于，负荷在所述容器外壁上造成的应力是所述隔板与所述容器外壁结合处周围的应力。

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