TWI418079B

TWI418079B - 電池模組

Info

Publication number: TWI418079B
Application number: TW100123569A
Authority: TW
Inventors: Yuan Kun Hsiao; Po Lin Pan
Original assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2013-12-01
Also published as: TW201304250A; US20130011718A1

Description

電池模組

本發明係關於一種電池模組，特別關於一種稜柱式電池模組。

隨著科技的迅速發展，各種電子裝置豐富了我們的生活，而對於可移動式電子裝置而言無不需要電池作為其能量供應的來源。其中，稜柱型電池（prismatic cell）呈薄矩形狀的外觀，為常用的電池種類之一。多個稜柱式電池可組成一個電池模組，電池模組可與其他組件如電子控制模組等組成一個電池組（pack），以供各種運輸工具使用。

圖1為習知之一種稜柱型電池模組1，其包括一框體11、複數電池12及複數金屬片13。電池12堆疊排列，每一個電池12具有一正極柄121a及一負極柄121b。金屬片13為一較極柄為厚之金屬導體，以多個螺絲14螺合於框體11。正極柄121a或負極柄121b彎折至金屬片13設置之一面後，藉由電阻焊接的方式焊至金屬片13，使金屬片13電性連接相鄰電池12的至少二正極柄121a或負極柄121b ，以並聯多個電池12。

然而，電阻焊接方式有諸多缺點，例如，極柄121a、121b的厚度超過0.1公厘時，電阻焊接將難以施行，若加大焊接能量又容易導致焊點燒焦或破裂；其二，電阻焊接形成的焊點面積很小，換言之，兩者之間連接的導電面積小，導致當電池模組1進行大電流充放電時，焊點處產生大量熱能，造成電池模組1過熱或溫度不均的現象，尤其當堆疊多個電池12時，產生的廢熱累積起來相當可觀，不但影響其應用設備的運轉效率，更可能導致設備的損壞甚至造成危險；其三，極柄121a、121b若為鋁材質時，幾乎無法與其他金屬材質焊接，而必須轉焊成銅或鎳的極柄材料，除了使成本上升外，轉焊後的接觸面積又會再次下降。另外，習知的電池模組1結構中，極柄與金屬片焊接前需使極柄121a、121b彎折，而會使其導電率下降。

習知技術的電池模組1結構亦有安全性的疑慮。若電池模組1應用在車輛環境中時，因長時間處於震動的環境下，小面積的焊點其強度的可靠度也遭受嚴重考驗。同時，由於固定金屬片13於框體11時利用了許多小型螺絲14，並且螺絲14的組裝點相當接近，不僅組裝不便，在組裝螺絲14時也容易不小心誤觸造成短路，再者，小型螺絲14在震動環境下的牢固度也是極大的隱憂。

此外，圖1中之金屬片13係以可並聯六個電池12的態樣為例，圖2A及圖2B分別顯示圖1中之金屬片13以及可使二個電池並聯的金屬片13a。為了因應應用上的需求而欲改變電池12的並聯數量時，如圖2A及圖2B所示，金屬片13的構型也需要跟著修改，無法共用，從而造成開發成本的增加。

因此，如何提供一種電池模組，能夠改善電阻焊接的缺點，提升電池模組的性能及安全性，同時透過其組裝結構的設計，以提高組裝效率及產品可靠度且利於調整應用，進而降低生產成本，已成為當前重要課題。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種電池模組，能夠改善電阻焊接的缺點，提升電池模組的性能及安全性，同時透過其組裝結構的設計，以提高組裝效率及產品可靠度且利於調整應用，進而降低生產成本。

為達上述目的，依據本發明之一種電池模組，包括複數電池單元。電池單元具有一第一面及一第二面，電池單元沿一方向堆疊組裝，電池單元包括一框體、至少一電池以及至少二導體。框體具有至少一第一容置槽，第一容置槽位於第一面。電池容置於第一容置槽，電池具有二極柄。導體與框體連接設置於第二面，導體具有一熔接部，位於第一面。其中，相鄰的電池單元之導體彼此連接固定。

在一實施例中，框體更具有至少二第二容置槽，其位於第二面，二導體係分別設置於二第二容置槽。

在一實施例中，導體具有至少一固定部，其與框體連接，其連接的方式為卡合、螺合、膠合、熔合或上述方式的組合。

在一實施例中，框體更具有至少一定位件，以固定相鄰的電池單元。

在一實施例中，電池係膠接於第一容置槽。

在一實施例中，二極柄為一正極柄及一負極柄，連接正極柄的導體彼此連接固定，連接負極柄的導體彼此連接固定，導體的數量係對應電池的數量設置。其中，導體彼此連接的方式可為卡合、螺合、熔合或上述方式的組合。

在一實施例中，當電池單元包括複數個電池時，電池模組可更包括至少一串聯件，設置於第二面，串聯件串接相鄰的電池。其中，串聯件串接相鄰的電池的方式可為卡合、螺合、熔合或上述方式的組合，使連接其中一電池的正極柄的至少一導體，與連接相鄰之另一電池的負極柄的至少一導體電性連接。在一較佳實施例中，電池單元之導體具有一通孔，通孔設置於第二面，串聯件藉由通孔與導體螺合，較佳地，電池模組可更包括一分壓線，分壓線藉由通孔與導體連接。

在一實施例中，電池單元中最外側之二電池單元之導體設置於第二容置槽時，導體相對於二電池單元之框體凹入。

在一實施例中，導體之熔接部為一凹部，凹部更可為一精銑凹部。其中，凹部平面之平行度與導體連接時之前後承靠平面平行。

在一實施例中，二導體之熔接部分別與二極柄超音波熔接。

承上所述，本發明之電池模組係藉由導體與導體、導體與框體及框體與框體間的組裝結構設計，使電池模組在並聯多個電池單元時易於組裝，故可進一步提高組裝的穩固度、組裝效率及產品可靠度，同時大幅減少並聯電池單元所使用的螺絲，且並聯的電池數量愈多其節省的效益愈大，因而能有效降低生產成本及組裝時數。並且，電池極柄與導體係透過超音波熔接的方式達到固定電池極柄的目的，此方式可改善電阻焊接的缺點，避免焊點的發熱現象並加大導電面積，以提升電池模組的性能及安全性。此外，由於電池模組常隨著各種應用需要並聯不同數量之電池單元，藉由本發明之電池模組，不論並聯數量多寡皆不需改變導體的構型，可共用於各種設計，故在設計上可具有極大的彈性，進而又節省了開發模具的成本。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種電池模組，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖3A為本發明較佳實施例之一種電池模組2的組合示意圖，圖3B為電池模組2的部份分解示意圖。如圖3A及圖3B所示，電池模組2包括複數個電池單元20，電池單元20具有一第一面S1及一第二面S2，且電池單元20沿一方向D1堆疊設置。電池單元20包括一框體21、至少一電池22以及至少二導體23。於此，電池模組2係以具有八個電池單元20，且每個電池單元20包括二個電池22為例，其中，電池22的表面以絕緣膠帶包覆，提高其耐壓性。電池模組2可作為車用電池模組，於應用時係由複數個電池模組2堆疊成電池組以進行充、放電。適於本實施例中使用的電池22可例如但不限於為稜柱型鋰電池，然而，其他原料製成的稜柱型電池亦可使用。

另請同時參照圖4所示，其為本發明較佳實施例之電池模組2之框體21的示意圖，框體21具有至少一第一容置槽211，第一容置槽211位於第一面S1，用以容置電池22。在本實施例中，框體21更可具有至少二第二容置槽212，位於第二面S2，二導體23係分別設置於二第二容置槽212。第一容置槽211及第二容置槽212分別對應電池22及導體23的形狀設計。框體21還可包括至少一走線部213，位於第二面S2且設置於二導體23之間，以隔開二導體23並方便整理及固定電池模組1的線路。當電池單元20彼此堆疊設置時，係藉由框體21上的至少一定位件214，來固定相鄰的電池單元20。定位件214於此係以四個凸部及四個凹部為例，設置於框體21的四個角及二長邊上，當然，雖圖中僅顯示電池單元20第一面S1上的定位件214，其相對第一面S1之另一面亦有對應設置之定位件214，以與另一電池單元20組裝固定。

電池22容置於第一容置槽211，各電池22具有二極柄221，分別為一正極柄221a及一負極柄221b。導體23具有一熔接部231，位於第一面S1，且二導體23之熔接部231分別與二極柄221超音波熔接，意即，導體23的設置數量係與電池22極柄221的數量相同，因此導體23的數量會隨著電池單元20內電池22的設置數量而變。於此，熔接部231可為一凹部，於此實施例為一精銑凹部，方便置放極柄221於上後進行熔接。又由於熔接部231與極柄221的接觸面的粗糙度會影響超音波熔接的效果，故熔接部231與極柄221較佳可經過電腦數值控制（CNC）加工，使兩者的接觸面平滑且互相平行。另外，為了提升電池模組2的抗震度並避免在受到外力或震動時，連結電池22及導體23的極柄221受到拉扯而斷裂，可以於第一容置槽211內點膠使電池22固設於其中。

上述之導體23為一金屬塊，其材質可為鋁、銅等金屬導電材質，其與框體21係連接設置於第二面S2。正因極柄221可於電池單元20的第一面S1上與熔接部231超音波熔接，故在組裝電池單元20的過程中，進行固設電池22於框體21、設置導體23於第二容置槽212、使極柄221與導體23超音波熔接等組裝步驟時可於同樣的第一面S1施工即可完成，而不需換面，且此組裝過程亦不需要治具定位，從而可提升組裝效率並降低組裝成本。

需特別說明者，超音波焊接可焊接異種材質之金屬，且焊接基材的厚度可達0.6公厘以上（依焊接材料及能量而定），焊點面積可達直徑16公厘範圍。經超音波焊接後，極柄221與導體23間的焊接面積及焊接點密度相較於電阻焊接皆大幅地提升，極柄221與導體23間的結合力已可大於其本身材質的材料強度，並且能有效降低電池22因焊點面積不足所造成的電阻發熱現象，同時，導體23為一金屬塊，比起金屬片具有較大的熱容及散熱面積，可避免環境溫度上升並避免電阻發熱產生之熱能回流到電池22，造成電池22的生命週期減短。

接著，堆疊設置電池單元20時，相鄰的電池單元20之導體23彼此連接固定。其連接關係為：連接正極柄221a的該些導體23彼此連接固定，連接負極柄221b的該些導體23也彼此連接固定，以使電池單元20並聯，其連接方式較佳可利用二螺絲25a由框體21之第一面S1鎖合各電池單元20的一導體23。當然，本發明並不限其連接方式，導體23間的連接方式還可為卡合、膠合、熔合或上述方式的組合。

此外，在本實施例中，導體23可具有至少一固定部232，導體23係藉由固定部232與框體21連接設置於第二面S2，於此，固定部232係以二凸部，卡合第二容置槽212之對應的二凹部215為例，非用以限制本發明，其連接方式還可為卡合、螺合、膠合、熔合或上述方式的任意組合，例如還可如本實施例中利用二螺絲25b從第二面S2將最外側的二個電池單元20a、20b的導體23a、23b，鎖附於電池單元20a、20b的第二容置槽212，以增強整體結構的固定強度。上述的組裝方式可大幅減少螺絲的使用量，不論電池模組2並聯多少個電池單元20，都只需要十六個螺絲即能完成所有結構的固定，同時又可提升連結穩固度及可靠度，故尤其適用於具有許多個電池單元20的電池模組2。

另需注意的是，最外側的電池單元20a、20b之導體23a、23b（於此所述之「最外側」一詞，係相對所有堆疊設置的電池單元20而言），其寬度W₁ 可設計成小於其他導體23c的寬度W，使最外側的電池單元20a、20b之導體23a、23b設置於第二容置槽212時可相對於電池單元20a、20b之框體21凹入，因而當將電池模組2組裝成電池組且將電池模組2以第一面S1或相對第一面S1之另一面安裝時，電池模組2的導體23a、23b可與其他電池模組留有空隙，以避免不當的電性接觸造成損害甚至短路。另一較佳設計中，熔接部231之凹部平面之平行度與導體23a、23b連接時之前後承靠平面平行。

依據上述之組裝結構及方式，即可完成導體23與框體21間、電池22與框體21間、導體23與電池22間以及導體23與導體23間的穩固連結。

以上為電池模組2的並聯及固定結構，接著則說明當電池模組2中的電池單元20包括複數個電池22時，電池模組2的串聯結構。如前所述，並請參考圖5所示，本實施例中的每個電池單元20係以包括二個電池22為例，為了將電池單元20內的電池22串聯起來，電池模組2可更包括至少一串聯件26，其可為一導電金屬片，設置於電池單元20的第二面S2，其一端連接與其中一電池22的正極柄221a連接之導體23，另一端連接與另一電池22的負極柄221b連接之導體23，以串接相鄰的二電池22。若電池單元20包括三個電池22，則藉由二個串聯件26進行串接，以此類推。於此，串聯件26係以螺合的方式，使連接其中一電池22的正極柄221a的導體23，與連接相鄰之另一電池22的負極柄221b的導體23電性連接，此外，串接相鄰電池22的方式也可為卡合、螺合、熔合或上述方式的組合。於此，串聯件26係連接兩個電池單元20中兩個電池22的四個導體23，然本發明並不限制串聯件26之形狀、大小、數量及其連接的導體23數量，端視整體串接結構的穩固度而定。

另外，本實施例中之電池模組2更可具有不需因電池模組2中電池單元20的並聯數量改變，而改變導體23的設計態樣之優點。每個電池單元20中的導體23，原本製作出的形狀大小皆相同，不過為了各元件間的螺合設計，部分導體23上需要銑孔以配合螺絲的螺合及螺合方向。

詳而言之，如圖4所示，在較佳實施例中，最外側的電池單元20a、20b之各導體23a、23b需分別銑出二沉頭孔233及二牙孔234，沉頭孔233及牙孔234分別位於電池單元20a、20b的第一面S1，且最外側的電池單元20a、20b之外的電池單元20c，其導體23c的第一面S1需銑出一通孔236，以配合由電池單元20之第一面S1螺合固定各電池單元20的導體23。並且，最外側的電池單元20a、20b之各導體23a、23b還需分別於第二面S2銑出一長孔235，以使最外側的電池單元20a、20b之導體23a、23b與框體21螺合，在此銑長孔235而不使用一般螺孔的用意在於，克服堆疊多個電池單元20時導體23厚度累積的公差。復參考圖5所示，最外側的電池單元20a、20b之外的電池單元20c，其導體23c還可具有一通孔236，通孔236設置於第二面S2，上述之串聯件26可藉由通孔236或長孔235與導體23螺合。通孔236的設置除了可用以鎖合串聯件26外，同時還可使電池模組2的一分壓線（圖未顯示）藉由通孔236或長孔235與導體23連接，以供電池模組2分壓使用。

綜上所述，本發明之電池模組係藉由導體與導體、導體與框體及框體與框體間的組裝結構設計，使電池模組在並聯多個電池單元時易於組裝，故可進一步提高組裝的穩固度、組裝效率及產品可靠度，同時大幅減少並聯電池單元所使用的螺絲，且並聯的電池數量愈多其節省的效益愈大，因而能有效降低生產成本及組裝時數。並且，電池極柄與導體係透過超音波熔接的方式達到固定電池極柄的目的，此方式可改善電阻焊接的缺點，避免焊點的發熱現象並加大導電面積，以提升電池模組的性能及安全性。此外，由於電池模組常隨著各種應用需要並聯不同數量之電池單元，藉由本發明之電池模組，不論並聯數量多寡皆不需改變導體的構型，可共用於各種設計，故在設計上可具有極大的彈性，進而又節省了開發模具的成本。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1、2‧‧‧電池模組

11、21‧‧‧框體

12、22‧‧‧電池

121a、221a‧‧‧正極柄

121b、221b‧‧‧負極柄

13、13a‧‧‧金屬片

14、25a、25b‧‧‧螺絲

20、20a、20b、20c‧‧‧電池單元

211‧‧‧第一容置槽

212‧‧‧第二容置槽

213‧‧‧走線部

214‧‧‧定位件

215‧‧‧凹部

221‧‧‧極柄

23、23a、23b、23c‧‧‧導體

231‧‧‧熔接部

232‧‧‧固定部

233‧‧‧沉頭孔

234‧‧‧牙孔

235‧‧‧長孔

236‧‧‧通孔

26‧‧‧串聯件

D1‧‧‧方向

S1‧‧‧第一面

S2‧‧‧第二面

W、W₁ ‧‧‧寬度

圖1為一種習知之電池模組的示意圖；
圖2A及圖2B為習知之不同態樣的金屬片的示意圖；
圖3A為本發明較佳實施例之一種電池模組的組合示意圖；
圖3B為本發明較佳實施例之一種電池模組的部份分解示意圖；
圖4為本發明較佳實施例之電池模組之框體的示意圖；以及
圖5為本發明較佳實施例之電池模組的部份分解示意圖。

2‧‧‧電池模組

20、20a、20b、20c‧‧‧電池單元

21‧‧‧框體

22‧‧‧電池

221‧‧‧極柄

221a‧‧‧正極柄

221b‧‧‧負極柄

23‧‧‧導體

D1‧‧‧方向

S1‧‧‧第一面

S2‧‧‧第二面

Claims

一種電池模組，該電池模組包括：
複數電池單元，具有一第一面及一第二面，該些電池單元沿一方向堆疊設置，該些電池單元包括：
一框體，具有至少一第一容置槽，該第一容置槽位於該第一面；
至少一電池，容置於該第一容置槽，該電池具有二極柄；以及
至少二導體，與該框體連接設置於該第二面，該些導體具有一熔接部，位於該第一面，
其中，相鄰的該些電池單元之該些導體彼此連接固定。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該框體更具有至少二第二容置槽，位於該第二面，該二導體係分別設置於該二第二容置槽。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該些導體具有至少一固定部，與該框體連接，其連接的方式為卡合、螺合、膠合、熔合或上述方式的組合。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該框體更具有至少一定位件，以固定相鄰的該些電池單元。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該電池係膠接於該第一容置槽。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該二極柄為一正極柄及一負極柄，連接該正極柄的該些導體彼此連接固定，連接該負極柄的該些導體彼此連接固定，該些導體的數量係對應該電池的數量設置。
如申請專利範圍第6項所述之電池模組，其中該些導體彼此連接的方式為卡合、螺合、熔合或上述方式的組合。
如申請專利範圍第6項所述之電池模組，其中當該電池單元包括複數個電池時，該電池模組更包括至少一串聯件，設置於該第二面，該串聯件串接相鄰的該些電池。
如申請專利範圍第8項所述之電池模組，其中該串聯件串接相鄰的該些電池的方式為卡合、螺合、熔合或上述方式的組合，使連接其中一電池的該正極柄的至少一該導體，與連接相鄰之另一電池的該負極柄的至少一該導體電性連接。
如申請專利範圍第8項所述之電池模組，其中該些電池單元之該些導體具有一通孔，該些通孔設置於該第二面，該串聯件藉由該些通孔與該些導體螺合。
如申請專利範圍第8項所述之電池模組，其中該些電池單元之該些導體具有一通孔，該些通孔設置於該第二面，且該電池模組包括一分壓線，該分壓線藉由該些通孔與該些導體連接。
如申請專利範圍第2項所述之電池模組，其中該些電池單元中最外側之二電池單元之該些導體設置於該些第二容置槽時，該些導體相對於該二電池單元之該框體凹入。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該些導體之該熔接部為一凹部。
如申請專利範圍第13項所述之電池模組，其中該凹部平面之平行度與該些導體連接時之前後承靠平面平行。
如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中該二導體之該熔接部分別與該二極柄超音波熔接。