TWI423500B - 使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構 - Google Patents

Description

使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構

本發明是有關於一種鋰離子電池模組結構，且特別是有關於一種鋰離子電池模組之周邊設備。

鋰離子電池具有高能量密度與高充放電電流，可以解決電動汽車續航力不足的問題，近年來鋰離子電池的性能有長足的進步，帶動電動汽車之加速發展，進而使得電動汽車用的鋰離子動力電池模組需求量很大，過去靠人力組裝配線已不敷供應。

先前的電池模組皆由獨立且複雜的設計來對多數個電芯分別做結構的固定與串併聯的電極連接，電池模組所需的保護系統與其所需的電極引線也需要非常熟練的技術人員才能執行，接觸不良或接錯電極屢見不鮮。

在電動車的應用上，串聯多電芯成高電壓的電池模組以提高系統的效率是不變的法則；但每個電芯因為製造或材料的缺陷容易有阻抗不均而衍生的電壓不平衡或溫度異常的現象，鋰離子動力電池模組因此需要保護系統來避免任何一個電芯有電壓過放或過充或溫度過高的情形發生，因此需在每一個電芯上拉引線與溫度感測器到保護電路板上，當電芯數目一多，引線與感測器的數目也成等量增加，徒增模組化困難。

本揭示內容是在提供一種使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，此結構不僅將鋰離子電芯模組化，且實現串並聯之電性連結，更整合諸多訊號偵測線於印刷電路板。

依據本技術態樣一實施方式，提出一種使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，包括多個鋰離子電池、一第一電路板、一第二電路板及一第三電路板。鋰離子電池係彼此並排以呈現供電之一第一平面與一第二平面，且第一平面平行第二平面。第一電路板係用以貼合第一平面，以電性連接鋰離子電池；第二電路板係用以貼合第二平面，以電性連接鋰離子電池。第三電路板一端卡合第一電路板，另一端卡合第二電路板，且垂直第一平面與第二平面。其中，第一電路板、第二電路板與第二電路板係用以支撐上述多個鋰離子電池，使其成一整體，且第一電路板與第二電路板上佈有印刷電路以整合這些鋰離子電池之電力。

依據本技術態樣其他實施方式，上述模組化結構更包括多個感應元件如溫度感測器，分佈於第一電路板與第二電路板上，以逐一對應這些鋰離子電池，進而偵測其溫度訊號。另一方面，其亦可包括一印刷電路層，分佈於第一電路板與第二電路板上，以電性連接鋰離子電池，進而取得其電壓訊號。值得注意的是，上述模組化結構更可包括一印刷電路層，分佈於第三電路板上，以整合第一電路板與第二電路板上的訊號於一端子群集，藉以取代懸浮形式之訊號偵測線，進而避免訊號偵測線彼此交纏。此外，模組化結構亦可於其他實施方式中包括一保護電路，保護電路電性連接端子群集，以監控這些鋰離子電池。

本揭示內容之另一技術態樣是在提供一種使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，以提供各別鋰離子電池易於組裝、拆解、更換於支架電路板之精簡結構。

依據本技術態樣一實施方式，提出一種使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，包括多個鋰離子電池及一支架電路板。每一個鋰離子電池係於一端具有正負極兩端子，且這些鋰離子電池係彼此並排以呈現供電之一端子群平面。支架電路板係貼合於端子群平面，其包括多個螺鎖元件及一印刷電路層。螺鎖元件係用以可拆卸地固定且電性連接上述端子，進而將鋰離子電池固定於支架電路板上。印刷電路層則係用以透過這些端子整合多個鋰離子電池之電力。

依據本技術態樣其他實施方式，上述之模組化結構更可包括一印刷電路層，以透過螺鎖元件及端子，各別取得每個鋰離子電池之電壓訊號。另一方面，其亦可包括多個感應元件(例如溫度感測器)，分佈於支架電路板上，以逐一對應上述多個鋰離子電池，進而偵測其溫度訊號。值得注意的是，上述模組化結構更可包括一印刷電路層，以整合這些訊號於一端子群集，藉以取代懸浮形式之訊號偵測線，進而避免訊號偵測線彼此交纏。此外，模組化結構亦可於其他實施方式中包括一保護電路，保護電路係電性連接端子群集，以監控這些鋰離子電池。

藉此，上述諸實施方式利用印刷電路來取代傳統懸浮形式之訊號偵測線，進而避免訊號偵測線彼此交纏。更進一步的說，上述諸實施方式利用印刷電路板來整合個別鋰離子電池之電力、訊號偵測線之佈局，乃至於提供整體結構的剛性。

請參考第1A圖，第1A圖是本揭示內容一實施方式之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構的結構示意圖，其係應用於正負極端子位於兩端之鋰離子電池。第1A圖中，本實施方式之模組化結構100包括多個鋰離子電池110、一第一電路板121、一第二電路板122及一第三電路板130。鋰離子電池110係彼此並排以呈現供電之一第一平面111與一第二平面112，且第一平面111平行第二平面112。第一電路板121係用以貼合第一平面111，以電性連接上述多個鋰離子電池110；第二電路板122係用以貼合第二平面112，亦電性連接上述多個鋰離子電池111。

第三電路板130一端卡合第一電路板121，另一端卡合第二電路板122，且垂直第一平面111與第二平面112；其係用以結合第一電路板121與第二電路板122，使三者呈一整體以固定多個鋰離子電池110。結構上來說，第三電路板130一端具有一卡合塊131，可用以固定於第一電路板121上的插槽123；同理，第三電路板130另一端具有一卡合塊132以將之固定於第二電路板122上的插槽124。卡合塊131的結構可為單純的凸塊，亦可設計為如第1圖所示的內扣含銜結構。

第一電路板121與第二電路板122上的印刷電路層，例如第一電路板121上的印刷電路層125，可用以整合這些鋰離子電池110的電力，而不需使用傳統的懸浮式引線。值得注意的是，卡合塊131與插槽123間不僅互相固定，且其上可設有相對應之端子或金屬片以互相電性接合。藉此，本實施方式可視需求，從第一電路板121與第二電路板122，或者整合於第三電路板130上，來取得鋰離子電池110的串聯或並聯電力。

另一方面，第一電路板121上的印刷電路層125也可以用來取得各個鋰離子電池110的端點電壓訊號，這些電壓訊號透過單層或多層夾板形式之第一電路板121，以及卡合塊131與插槽123間的端子或金屬片互相電性連接，可被傳遞至第三電路板130。同理，第三電路板130上也佈有印刷電路層135。印刷電路層135不只可依設計需求來整合鋰離子電池110的電力，也可用來整合第一電路板121與第二電路板122上的印刷電路層從鋰離子電池110所取得得各種訊號，然後將之彙整之端子集群133。

藉此，各種類型的保護電路，例如電壓監控電路，便可訊號連接端子集群133而進行各種相應的保護電路機制。舉例來說，各個鋰離子電池110的電壓訊號可被彙整於端子集群133；然後，具有保護電路功能的單晶片128再直接裝設於第三電路板130上。當然，視需求也可利用排線來連接端子集群133與位於他處的保護電路等裝置。

請復參考第1B圖，第1B圖是第1A圖之局部結構示意圖，其係繪示第一電路板121的背面電路結構。除了上述的電壓訊號以外，各個鋰離子電池110的溫度訊號，亦可被整合到端子集群133。以第1B圖為例，鋰離子電池110上可被標定出適當的感應位置113，來偵測諸如溫度等物理參數。另一方面，第一電路板121的背面設有印刷電路層126及感應晶片127。在使用上，感應晶片127貼合於鋰離子電池110的感應位置113以進行偵測；然後取得的訊號，例如溫度訊號，再透過印刷電路層126整合到端子集群133。

藉此，本實施方式利用印刷電路板將多個鋰離子電池110包裝成一個整體商品；印刷電路板不僅強固了一整個電池模組，而且透過其電路佈局與預先埋設之探針或偵測裝置，兼具截取各鋰離子電池110之電壓或溫度等物理參數以進行保護監控，與串並聯整合電力兩種功能。值得注意的是，保護電路可以直接設置在第三電路板130上；但若基於實際應用之需求，第三電路板130亦可於端子集群133上設有一整排傳導訊號用之針腳(pin)，再透過一排線連接位於他處之保護電路。換句話說，本實施方式利用第一電路板121、第二電路板122與第三電路板130將鋰離子電池110模組固定；與此同時，更利用第一電路板121與第二電路板122上的電路佈局將鋰離子電池110的電芯電極串並聯連接；還進一步把保護電路之電芯引線預先佈局於第一電路板121、第二電路板122與第三電路板130的印刷電路層。

請一併參考第2圖與第3圖，第2圖是本揭示內容一實施方式之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構的結構示意圖，其係應用於正負極端子位於同一端的鋰離子電池，第3圖是第2圖之支架電路板220的背面結構示意圖。本實施方式之模組化結構200包括多個鋰離子電池210及一支架電路板220。每一個鋰離子電池210係於一端具有正負極兩端子211，且這些鋰離子電池210係彼此並排以呈現供電之一端子群平面212。支架電路板220係貼合於端子群平面212，其包括多個螺鎖元件221及印刷電路層222。

上述多個螺鎖元件221係用以可拆卸地固定且電性連接上述多個端子211，進而將這些鋰離子電池210固定於支架電路板220上。藉此，螺鎖元件221可以賦予鋰離子電池210易於被更換或組裝的功能。換句話說，若有特定某個鋰離子電池210損壞，則透過螺鎖元件221便可輕易予以更換。

當然，印刷電路層222係用以透過上述多個端子211整合上述多個鋰離子電池210之電力。此外，如第3圖所示，支架電路板220背面亦可裝設有印刷電路層223以透過上述多個螺鎖元件221及端子211，各別傳遞上述多個鋰離子電池210之電壓監控訊號予一端子集群；如前所述，各種保護電路，例如單晶片224，可直接訊號連接端子集群或另透過排線來處理，進而取代傳統的訊號偵測線。當然，第1B圖所繪示之溫度偵測機制亦可套用於支架電路板220之背面。

最後，請參考第4圖，第4圖是本揭示內容另一實施方式之支架電路板220的結構示意圖。第4圖中，支架電路板300上具有電力線310、電壓訊號線330及端子群集340。每個電力線310於端子位置320開設有螺孔，以供支架電路板300與鋰離子電池組裝，電壓訊號線330將各端子之電壓訊號整合到端子群集340，則端子群集340可直接裝設具有電壓保護功能的單晶片，或再透過排線訊號連接他處的保護電路。藉此，當個別鋰離子電池工作異常時，透過端子位置320上的螺鎖裝置，便可直接進行更換。

從另一個角度觀之，由於諸如探針、感測元件或端子等結構皆已被預先埋設於相應之印刷電路板中，所以上述諸實施方式之電池模組在整體生產製造上，可以節省相當可觀的成本。舉例來說，預先埋設的感測元件可以配合保護電路使用，節省傳統組裝生產線需逐一拉線所花費的時間。以每拉一條引線需要兩分鐘來計算，一個簡單的四乘四共16顆的電池模組陣列便需要至少32條線，亦即64分鐘來完成作業。而且，複雜交錯的引線還會有脫漏或錯接等人為錯誤存在。反觀上述諸實施方式，直接以印刷電路板貼合相應之端子群，等於在五分鐘內即完成了拉線的工作；其效率提升數倍之高。更遑論各端子位置已預先佈局之印刷電路板不會有脫漏或錯接等人為錯誤。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．模組化結構

110、210．．．鋰離子電池

111．．．第一平面

112．．．第二平面

113．．．感應位置

121．．．第一電路板

122．．．第二電路板

123、124．．．插槽

125、126、135、222、223、127．．．感應晶片

310．．．印刷電路層

130．．．第三電路板

128、224．．．單晶片

133、340．．．端子群集

131、132．．．卡合塊

211．．．端子

212．．．端子群平面

220、300．．．支架電路板

221．．．螺鎖元件

310．．．電力線

320．．．端子位置

330．．．電壓訊號線

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1A圖是本揭示內容一實施方式之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構的結構示意圖，其係應用於正負極位於兩端的鋰離子電池。

第1B圖是第1A圖之局部結構示意圖。

第2圖是本揭示內容一實施方式之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構的結構示意圖，其係應用於正負極位於一端的鋰離子電池。

第3圖是第2圖之支架電路板220的背面結構示意圖。

第4圖是本揭示內容另一實施方式之支架電路板220的結構示意圖。

100．．．模組化結構

110．．．鋰離子電池

111．．．第一平面

112．．．第二平面

121．．．第一電路板

122．．．第二電路板

123、124．．．插槽

125、135．．．印刷電路層

128．．．單晶片

130．．．第三電路板

131、132．．．卡合塊

133．．．端子群集

Claims (10)

1. 一種使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，包括：複數個鋰離子電池，係彼此並排以呈現供電之一第一平面與一第二平面，且該第一平面平行該第二平面；一第一電路板，係用以貼合該第一平面，以電性連接該複數個鋰離子電池；一第二電路板，係用以貼合該第二平面，以電性連接該複數個鋰離子電池；以及一第三電路板，一端卡合該第一電路板，另一端卡合該第二電路板，且垂直該第一平面與該第二平面；其中，該第一電路板、該第二電路板與該第二電路板係用以支撐該複數個鋰離子電池，使其成一整體，且該第一電路板與該第二電路板上佈有印刷電路以整合該複數個鋰離子電池之電力。
2. 如請求項1所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括複數個感應元件，分佈於該第一電路板與該第二電路板上，係用以逐一對應該複數個鋰離子電池，以偵測該複數個鋰離子電池之溫度訊號。
3. 如請求項1所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括一印刷電路層，分佈於該第一電路板與該第二電路板上，係用以電性連接該複數個鋰離子電池，以取得該複數個鋰離子電池之電壓訊號。
4. 如請求項1或2所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括一印刷電路層，分佈於該第三電路板上，係用以整合該第一電路板與該第二電路板上的訊號於一端子群集，藉以取代懸浮形式之訊號偵測線，進而避免該些訊號偵測線彼此交纏。
5. 如請求項1或2所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括一保護電路，係電性連接該端子群集，以監控該複數個鋰離子電池。
6. 一種使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，包括：複數個鋰離子電池，每一該些鋰離子電池係於一端具有正負極兩端子，且該些鋰離子電池係彼此並排以呈現供電之一端子群平面；以及一支架電路板，係貼合於該端子群平面，包括：複數個螺鎖元件，係用以可拆卸地固定且電性連接該些端子，進而將該些鋰離子電池固定於該支架電路板上；以及一印刷電路層，係用以透過該些端子整合該些鋰離子電池之電力。
7. 如請求項6所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括一印刷電路層，係用以透過該 些螺鎖元件及該些端子，各別取得該複數個鋰離子電池之電壓訊號。
8. 如請求項6所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括複數個感應元件，分佈於該支架電路板上，係用以逐一對應該複數個鋰離子電池，以偵測該複數個鋰離子電池之溫度訊號。
9. 如請求項7或8所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括一印刷電路層，係用以整合該些訊號於一端子群集，藉以取代懸浮形式之訊號偵測線，進而避免該些訊號偵測線彼此交纏。
10. 如請求項9所述之使用印刷電路板電路整合鋰離子電芯模組化之結構，更包括一保護電路，係電性連接該端子群集，以監控該複數個鋰離子電池。