TWI497805B - 電池單元的熔絲 - Google Patents

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TWI497805B
TWI497805B TW099100674A TW99100674A TWI497805B TW I497805 B TWI497805 B TW I497805B TW 099100674 A TW099100674 A TW 099100674A TW 99100674 A TW99100674 A TW 99100674A TW I497805 B TWI497805 B TW I497805B
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Mujeeb Ijaz
Brian David Rutkowski
Benjamin Jay Sinsheimer
Chad Jeromy Allison
Shazad Butt
Jonathan Hostler
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Description

電池單元的熔絲 【相關申請案之交叉參考】
本申請案根據35 U.S.C. § 119(e)主張2009年1月12日申請且題為「Prismatic Battery Module With Scalable Architecture」之美國臨時申請案第61/143976號以及2009年12月1日申請且題為「Fuse For Battery Cells」之美國專利申請案第12/628,796號的優先權，所述申請案之整個內容以引用之方式併入本文中。
本申請案亦是有關於與之同時申請之以下申請案，該等申請案之整個內容以引用之方式併入本文中：2009年12月1日申請且題為「Bi-metallic Busbar Jumpers for Battery Systems」之美國專利申請案第12/628,780號，2009年12月1日申請且題為「Methods of Welding Battery Terminals」之美國專利申請案第12/628,699號，2009年12月1日申請且題為「Structure of Prismatic Battery Modules with Scalable Architecture」之美國專利申請案第12/628,733號，2009年12月1日申請且題為「Safety Venting Mechanism For Batteries」之美國專利申請案第12/628,713號，2009年12月1日申請且題為「Prismatic Battery Module With Scalable Architecture」之美國專利申請案第12/628,809號，以及2009年12月1日申請且題為「Busbar Supports And Methods Of Their Use for Battery Systems」之美國專利申請案第12/628,786號。
本發明是有關於電池模組及用於製造電池模組之可調架構。
「電池模組」為通常安裝於「電池組」內之次總成，電池組為安裝於地面、海上或空中運輸工具中的總成。此等運輸工具通常具有多種高功率電性負載，諸如驅動電動馬達之受電腦控制之功率換流器(inverter)，所述電動馬達用於運輸工具推進或某一形式的機械致動。
電業公司亦可使用較大群(group)電池模組來輔助均衡局部功率分佈網路之最差情況的供應波動事件。所述模組安裝於「電池站」內，電池站為緊固至混凝土基礎的大型、硬質、靜止、耐風雨且氣候受控之外罩。所述模組經安裝並經由托架(racks)而與塢(docks)電性連接，使得任一模組可快速連接或斷開。
電池組及電池站通常具有安裝於其內的其他次總成及組件，以便將完整的成品電池組遞送至運輸工具製造商，或將完整的成品電池站遞送至電業公司。此等次總成及組件包含電子感測器模組、電子控制模組、充電模組、電介面連接件、電熔絲、電佈線線束以及熱管理構件。
一般而言，在一態樣中，一種電池系統包括：電池單元，其具有單元主體及電壓端子，所述電壓端子自所述電池主體延伸出來且具有第一及第二端子邊緣；匯流條，所述電壓端子之上端電性連接至所述匯流條；以及拉鏈式熔絲，其形成於所述端子之在所述單元主體與所述匯流條之間的部分中，其中所述拉鏈式熔絲包括穿孔陣列，所述穿孔穿過所述電壓端子且越過所述電壓端子而自所述第一邊緣延伸至所述第二邊緣。
在一些實施例中，所述穿孔陣列包括第一列穿孔及平行於所述第一列穿孔之第二列穿孔，其中所述第一及第二列穿孔兩者都越過所述端子而自所述第一邊緣延伸至所述第二邊緣。
在某些實施例中，所述第一列穿孔包含一細長穿孔及多個圓形穿孔，且在一些此類的某些實施例中，所述第二列穿孔包含一細長穿孔及多個圓形穿孔。在此等實施例中之一些實施例中，所述第一及第二列穿孔中之所述細長穿孔在所述端子之相對側。
一些實施例進一步包括位於匯流條與所述單元主體之間的匯流條支撐件，且在一些此類實施例中，匯流條支撐件包含穿過有電壓端子之狹槽。在此等實施例中之一些實施例中，穿孔陣列位於支撐件與單元主體之間。
在某些實施例中，電池單元為稜柱式電池單元。
在附圖及以下描述內容中陳述本發明之一或多個實施例之細節。將自描述內容及圖式且自申請專利範圍明白本發明之其他特徵、目標及優點。
為了更全面地理解本發明之本質及目標，應參看以下結合附圖而進行之詳細描述，在附圖中，使用相同參考標號來指示相同或相似部分。
電池模組由單元子總成之總成組成，每一單元子總成含有稜柱式電池單元，其中所述單元電性連接至模組中之其他單元，以形成電池模組。術語「稜柱式」指出本文所描述之電池單元之形狀，且其將此模組與具有圓柱形電池單元之其他模組區分開。
圖1繪示具有負端子20及正端子21之電池模組10。電池模組10含有一或多個單元子總成30。如下文更詳細地描述，單元子總成為可構造任意比例之電池模組的基本構建塊。單元子總成含有稜柱式電池單元(未圖示)，其中之每一者提供電池之電功率及儲存容量之一部分。單元子總成30由壓力板50及帶51固持在一起。壓力板50充當電池模組之安裝機構，且含有一或多個安裝通路52，以允許所述模組接受硬體(未圖示)以將電池模組10以各種安裝定向而安裝於(例如)電池組外罩內，或電池站之托架上。個別電池單元藉由匯流條(下文所述)而並列及/或串列電性連接，匯流條將單元彼此連接，且將單元連接至電池之端子，其所有均在電池模組之一側。電池模組10之所述側覆蓋有一或多個匯流條覆蓋物40。
圖2繪示匯流條及匯流條覆蓋物被移除以展現單元子總成30之內部之視圖的電池模組10。每一子總成含有一或兩個稜柱式電池單元300，每一單元具有正端子301及負端子302。端子301及302藉由匯流條橋接器(未圖示)而串列及/或並列地電性連接。匯流條端子(亦未圖示)將電池端子中之一些連接至電池模組之負端子20或正端子21。
本文所描述之稜柱式電池模組具有一群相同單元。每模組之單元數量及所述模組之電性連接組態(並列計數對比於串列計數)界定所述模組之電特性及效能等級(ratings)。舉例而言，具「23S3P」組態的模組具有六十九(69)個單元、串列電性連接之二十三(23)個子群，以及每一子群中並列電性連接的三(3)個單元。視組態而定，電池模組可含有偶數或奇數個電池單元。
稜柱式電池單元
圖3繪示稜柱式電池單元300。稜柱式單元具有兩個較大的平坦表面，頂部表面306及底部表面307(不可見)，其基本上彼此平行，且用於模組內之機械固定及熱管理。單元之外罩可被稱為「囊(pouch)」，因為其為非剛性的撓性片，其摺疊且接合以形成節約成本、對環境密封的外殼(housing)。囊之材料為兩個表面塗施有聚合物塗層之薄鋁箔。囊在提供密封邊界303之底部邊緣處摺疊。塗覆有聚合物之囊在兩側形成為熱接合之凸緣，其形成另外兩個密封邊界304及305。此配置在不降低淨效能之情況下減小模組之實體體積。選擇側部凸緣之大小，以便確保長期耐久性。摺疊該單元之側部凸緣以形成緊湊寬度。
單元之兩個平坦電性端子，正端子301及負端子302，自囊之邊緣中之一者突出，且使用電性隔離之聚合周邊密封件來針對環境而密封所述端子。囊之端子邊緣之其餘部分經熱接合以形成第四環境密封邊界，其完成單元之周邊密封。所述端子相對於中心軸315而對稱地定位，且較佳是所述端子在電池單元之中心平面內。因此，為了在「倒裝(flipping)」該單元(相對於沿著面向含有單元端子之邊緣的軸315來看所述單元)之前，使每一端子處於固持相對端子之相同位置，電池單元300可圍繞中心軸315而「倒裝」180度。此對稱允許堆疊起一系列單元，而不考慮負端子是在左側還是右側(就像沿中心軸315看一般)，且在任一定向中，所得的端子列每一者將以直列的形式而對準，且因此可容易地彼此互連。具體而言，可藉由(1)選擇性地定向電池單元，使得鄰近的電池單元之同一左側/右側上之端子具有相同或相反極性；及(2)使用匯流條組件(下文描述)，以形成串列組態之具有相反極性之端子之間的連接及形成並列組態之相同極性端子之間的連接來電性連接此等鄰近的端子群，來以串列及並列連接之不同組合而建立電池模組。負端子之材料為銅，且正端子之材料為鋁，以順應該單元之化學性質及內部構造。端子長度與其他商業上可用設計相比之下較小。在題為「匯流條組件」之分部中闡明使用緊湊端子之機會。出於闡釋之目的，已將輔助之負及正符號添加至圖3之單元。
電池單元之非剛性、撓性囊將在發生最差情況的電力過載事故時實體上膨脹。可經由使用安裝於單元外部之「齒(tooth)」來提供電力過載事故期間的壓力釋放(亦稱為除氣作用)，作為釋壓排放特徵309之替代或與之組合。所述齒將在單元膨脹至與之接觸時以可控方式戳穿所述單元。下文進一步描述此齒。
圖4繪示整合至電池單元300之電性端子302中之拉鏈式熔絲308。拉鏈式熔絲308包含兩個列，每一列由所述列之一端處之狹槽形孔310及位於狹槽形孔310與所述列之另一端之間的圓形孔311構成。此熔絲因為看似拉鏈而被稱為「拉鏈式」熔絲。拉鏈式熔絲併入單元之負端子中。拉鏈式熔絲狹槽孔310及圓形孔311之幾何形狀、數目及位置經選擇以使得熔絲在指定時間週期內致動，所述指定時間週期防止與鄰近單元或可能模組中之所有單元的級聯故障模式。具體而言，熔絲狹槽孔有助於藉由集中圍繞所述孔之區附近的當前「熱點」來確保熔絲激活之一致型式，以促進熔絲激活在彼等區域中開始。除狹槽之外的圓形孔之使用尤其有助於在熔絲激活之前維持端子之結構完整性。兩個平行列之狹槽形孔及圓形孔之定位在所述列之間形成區312，其部分地與端子之其餘部分熱隔離，所述區312集中熔絲激活期間所形成之熱量，以有助於使激活更完全且一致。
電池子總成
圖5繪示一群單元子總成，包含子總成30a及30b。子總成30a包含：散熱片400a，其具有兩個較大的平坦表面；以及電池單元300a，其亦具有兩個較大的平坦表面。電池單元300a鄰近地安裝至散熱片400a，使得電池單元300a之第二大平坦表面鄰接散熱片400a之第一大平坦表面。子總成30a亦包含：順應墊401a，其具有兩個較大的平坦表面；以及第二電池單元310a，其具有兩個較大的平坦表面。順應墊401a鄰近地安裝至電池單元300a，使得電池單元300a之第一大平坦表面鄰接順應墊401a之第二大平坦表面。順應墊401a亦鄰近地安裝至電池單元310a，使得順應墊401a之第一大平坦表面鄰接第二電池單元310a之第二大平坦表面。此配置形成電池單元、散熱片、另一電池單元及順應墊，接著為另一群電池單元、散熱片、另一電池單元及順應墊等等的重複的「盒式」組態。順應墊401a有助於在子總成一起結合在壓力板之間時將壓力分佈在子總成之間，且允許單元在使用期間膨脹/收縮。類似地，子總成30b鄰近地安裝至子總成30a。子總成30b包含：散熱片400b，其具有兩個較大的平坦表面；以及電池單元300b，其亦具有兩個較大的平坦表面。散熱片400b鄰近地安裝至電池單元310a，使得電池單元310a之第一大平坦表面鄰接散熱片400b之第二大平坦表面。電池單元300b鄰近地安裝至散熱片400b，使得電池單元300b之第二大平坦表面鄰接散熱片400b之第一大平坦表面。子總成30b亦包含：順應墊401b，其具有兩個較大的平坦表面；以及第二電池單元310b，其具有兩個較大的平坦表面。順應墊401b鄰近地安裝至電池單元300b，使得電池單元300b之第一大平坦表面鄰接順應墊401b之第二大平坦表面。
如圖5及圖2中所示，在模組之裝配過程期間，所有散熱片均經由所分配之裝配後固化的黏合劑而接合至鄰近單元，所述黏合劑亦用於將順應墊接合至鄰近單元。單元、墊及散熱片之群(group)形成每一模組之主要堆疊子總成，其促成可調架構。換言之，可藉由簡單地添加或除去相同子總成來容易地改變模組之大小。子總成可或不可預裝配成如此形式，且接著稍後一起作為子單位而裝配至電池模組之主堆疊中。主堆疊之裝配可作為單一步驟過程來完成，其中在一個過程中將電池單元、散熱片及順應墊全部裝配在一起。當描述電池模組之總體結構時，使用「子總成」之概念作為組件之邏輯群的便利標籤。
亦如圖5中所示，電池單元(例如300a、310a、300b及310b)中之每一者安裝於相應的散熱片(例如400a及400b)上，所述電池單元之正端子定向於左側或右側(如在所述端子之末端處看時)。舉例而言，在圖5中，從圖5之角度來看，電池單元300a、310a及300b每一者之負端子定向於右側，而電池單元310b之正端子安裝於右側。電池單元之群的其他定向(例如，倒裝電池單元310b達180度，使得其正端子與負端子交換位置)允許端子之間的串列或並列連接之不同組合，其視哪些鄰近的端子群由下文所述之匯流條橋接器及端子來形成電性連接而定。
圖6繪示從單元子總成30來構建電池模組10的視圖。圖6繪示散熱片結合至電池單元300，電池單元300又結合至順應墊401。圖6未繪示如上文及圖5中所述將結合至順應墊401的鄰近單元。仍參看圖6，當子總成30鄰近另一子總成而堆疊時，金屬散熱片400接觸兩個單元300及310。每一單元經由所述單元之兩個平坦表面中之一者而接觸散熱片，以經由傳導或強制對流的熱傳遞而促進熱管理。此情形導致與針對每一單元而使用一散熱片相比，每模組僅需要約一半數目之散熱片。益處為緊湊的模組，其與其他商業上可用模組(其中一些具有較大且較多複雜的散熱片)相比，具有經改良之功率輸出/實體體積比。
散熱片由使用標準加工實踐來衝壓並成形之鋁片製成。散熱片具有電性隔離塗層，以確保最差情況下的電力過載事故不允許發生至任何或所有散熱片之電性短路路徑。塗層厚度較佳是經選擇以便不實質上阻礙熱傳遞。可選擇保護性塗層及塗施過程，以同時在電力過載事故期間提供電性短路保護，允許有效的熱傳遞且降低成本。
散熱片之另一功能為在嚴重的運輸工具碰撞期間保護單元免受外來物體的傷害。如先前所論述，散熱片之所形成之翼形部403與鄰近散熱片之輪廓形成巢套，以就複雜性、成本及模組之實體體積而言提供令人滿意的單元保護水準(level)。藉由以與散熱片之大平坦表面近似成直角的角度摺疊散熱片之三個邊緣來形成此等翼形部。
現參看圖5，藉由使用會合散熱片之大平坦表面之翼形部之區域附近之額外彎曲而自散熱片形成凹痕(404a、404b)，以接納鄰近的散熱片之翼形部的一部分。舉例而言，凹痕404b經形成以接納翼形部403a之一部分。此情形使得散熱片之內部組件更容易一者堆疊於另一者之頂部上。電池組之外罩可為碰撞期間之主要保護障壁，因此散熱片為另一障壁，以進一步改良電池模組之安全能力。
具有包封僅一個電池單元(與包封兩個單元之「全高度」散熱片形成對比)之較短方式形成之翼形部的第二種類型的散熱片在模組具有奇數單元計數時使用，其中所述第二種類型的散熱片位於子總成堆疊之一端。在此等奇數單元計數組態中，無電池單元附接至最底部散熱片之底部，如圖5中所示。
圖7繪示此第二種類型之散熱片420，其巢套入(nest into)鄰近的單元子總成421中。散熱片420以與全高度散熱片附接至鄰近單元之方式相同的方式而結合至電池單元320。圖7亦繪示兩個順應墊422a及422b之使用，順應墊422a及422b用於模組之主堆疊之兩端，以便分佈及均衡由壓力板施加至所述堆疊之夾持力。此第二種類型之散熱片亦在模組具有偶數單元計數時使用，但偶數單元計數模組亦使用第三種類型之散熱片。
具有包封僅一個電池單元之以中等高度形成之翼形部的第三種類型之散熱片亦可在模組具有偶數單元計數時使用，其中第三種類型之散熱片位於子總成堆疊之與具有第二種類型之散熱片之末端相對的一端處。在此等偶數單元計數組態中，此第三種類型之散熱片鄰近於原本將具有暴露之電池單元之散熱片而形成巢套(nested)。舉例而言，參看圖8，此第三種類型之散熱片430擱置於最下部的散熱片429下面，以有助於保護位於散熱片429與430之間的單個電池單元321。兩個順應墊(未圖示)彼此鄰近而安裝，且所述順應墊中之一者的一側鄰近地安裝至位於模組之子總成主堆疊之末端處的散熱片430。
雖然此等額外類型之散熱片致使額外組件在製造過程中被釋放及產生，但所述散熱片完全遵守以下原理：散熱片經由單元之兩個大平坦表面中之一者而接觸每個單元，且每個單元均在嚴重的運輸工具碰撞期間被保護以免受外來物體的傷害。
圖9繪示具有穿過散熱片中之孔而安裝的釋壓齒410及411的散熱片400。一個齒410經定向以使得其尖銳的末端指向散熱片所附接之電池單元中之一者，且若第二單元結合至所述散熱片，則另一齒411指向所述單元。一對額外的齒可定位於散熱片400上或連接至散熱片之匯流條支撐件上之其他地方。所述齒之材料為模製塑膠，且所述齒經熱退火或以超音波方式而熔接至經衝壓之鋁散熱片中之平孔。若發生電力過載事故，則單元之非剛性、撓性囊將因快速的內部氣體生成而在實體上膨脹。當所述囊膨脹時，內部壓力將抵靠所述齒而壓迫所述囊，從而戳穿所述單元，且提供內部壓力之受控的釋放。電池單元具有埠，其有助於界定囊可膨脹之特定區，且齒之尖銳點或邊緣至少部分地位於此區內以在所述囊膨脹時戳穿所述囊。儘管電池單元可沿多個膨脹路徑膨脹，但所述埠有助於界定並促進沿至少一個此路徑之膨脹。亦可藉由形成所述囊之膨脹性相對於電池單元之其餘部分而言增加的區，來部分地控制囊之膨脹。在一些實施例中，埠可使具有增加之膨脹性的區暴露。在此等實施例中之任一者中，齒之尖銳點沿囊之膨脹路徑中之至少一者而定位。
圖23繪示釋壓齒之兩個額外替代的實施例。齒450包含一點451及兩個通道452。齒455包含兩個點456及遠離所述點之區而延伸的兩個通道457。齒455之結構(以及使用尖銳邊緣而非點的其他實施例)可有助於促進囊中之「撕裂(tear)」或裂口(rip)之形成以促進氣體逸出。在此等類型之齒的每一者中，通道有助於為氣體自電池單元逸出提供路徑，且確保囊不會無意中抵靠著所述齒而再次將其自身密封(而不管戳穿)。亦可使用尖銳點與通道之其他定向及組合，且亦可使用尖銳邊緣及/或通道之其他組合。
所述齒由非導電材料製成，以有助於防止電池單元之內部與散熱片之間的短路。
如圖5及圖6中所指示，順應墊401經由單元之兩個大平坦表面中之一者而接觸每個單元，以提供以下功能：(a)為單元壽命及效能提供均勻的壓力分佈，(b)在單元之整個壽命期間，在單元之活性區域上提供恆定的壓力，(c)補償由於充電及放電循環期間的固有性質而導致之單元的厚度變化，及(d)補償由於單元及其他模組組件(諸如散熱片、壓力板及夾持帶)之熱膨脹及收縮而導致的模組之長度變化。
壓力板組件
圖10繪示壓力板50。壓力板50為將靜態夾持力施加至模組之單元、順應墊及散熱片之主堆疊的剛性結構。所述結構亦提供該模組可附接於電池組之外罩內時所需的構件。此構件可被稱為「壓力板」，以強調主要功能。所述板之材料為具有經界定之溫度暴露及可燃性等級的模製塑膠聚合物。所述板具有顯著的平坦表面，以與模組之主堆疊之一端配合，所述主堆疊在兩端具有兩個順應墊，以有助於分佈及均衡該夾持力。
壓力板50之背離子總成的側具有加強筋矩陣520，以增強其結構剛性，且對目標為均勻壁厚度之模製零件的設計實踐進行補充。所述矩陣具有非均勻圖案，因為所述筋亦形成容納熔接至模組之主動控制印刷電路板(printed-circuit board，PCB)子總成(未圖示)的大電子組件的匣(pockets)。PCB子總成包含電路板及組件，其中多數組件在所述板的一側。PCB子總成以組件側向下方式而安裝於壓力板50上。電子組件之巢套保存了有價值的空間，且為所述板處之緊湊模組長度作貢獻，所述板處之緊湊模組長度有助於達成極佳之功率輸出與實體體積比率。所述板之匣亦為有價值的，因為其可用作振動阻尼元件(未圖示)之插座，以扣住熔接至模組之主動控制PCB子總成之大電子組件之上部表面。所述元件防止PCB上熔接點處之過量應力及疲勞。較佳的振動阻尼元件為一側上具有彈 性體封閉之單元非吸濕性聚胺酯發泡體材料及壓敏黏合材料的模切墊(die-cut pad)，上述兩種材料均具有經界定之溫度暴露及可燃性等級。
PCB總成可為被動或主動的。被動PCB總成對較小電池模組而言即已足夠，而較大模組使用一或兩個主動PCB總成，其中模組之每一端處之壓力板中之每一者上安裝一個總成。一主動PCB控制子總成具有三個直角PCB電性連接器頭部，其經由PCB中之孔而選擇性地熔接至工業標準板。所有其他電子組件為表面黏著技術(Surface Mount Technology，SMT)裝置，其回焊(reflow-soldered)至PCB兩側上之工業標準墊。作出預防措施以確保模組之鋼帶與PCB之間的適當電性隔離，因為所述帶在附近導引。為PCB之兩側謹慎地界定PCB跡線、通路及組件緊排及疏排區，以避免電性干擾。可藉由將基於聚矽氧或基於聚胺甲酸酯之保形(conformal)塗層塗施至PCB之兩側來改良模組之壽命容量，將基於聚矽氧或基於聚胺甲酸酯之保形塗層塗施至PCB之兩側將減少鄰近低電流高阻抗銅跡線之間的樹突(dendrites)的生長。
壓力板50之側510與具有加強筋矩陣520的側相對，且面向子總成的堆疊。側510可為平坦的，或可形成非平坦的淺凸或凹半球形輪廓，以進一步最佳化模組之主堆疊內的力分佈。
壓力板50具有兩個淺軌道510，以接納薄鋼固定帶，其將靜態夾持力施加至模組的主堆疊。所述軌道具有半球 形輪廓以有助於分佈及均衡該夾持力。可藉由使用為此類型的儀器應用而特別開發並銷售的現存感測產品所進行的測量來確定適當的半球形輪廓。
壓力板50還具有四個通路，其具有凹陷插口503、504、505及506(亦被稱為埋頭孔(counter-bores))，以接納鋼扣件組件，例如圓柱形套管、墊圈、襯套及固定螺栓，以促成撓性附接策略。本組態允許模組經由三個安裝定向中之一者而安裝於電池組之外罩內或電池站之托架上，此對大多數現存及預測應用以及客戶要求而言為足夠的。
壓力板可由振動熔接在一起的兩個單獨部分形成。每一部分將具有附接孔及凹陷插口輪廓的一半。在熔接之後，將形成完整的圓形孔及插口。此方法之益處將為可在模製工具中不具有垂直於所述工具之原則模具拉晶(principle die draw)方向的較長有效滑條的情況下模製所述兩個部分。
壓力板50具有兩個凹陷區域508以接納鋼匯流條螺帽(未圖示)。所述螺帽之設計有意地作成較簡單以作為節約成本的解決方案。所述螺帽具有三個帶螺紋孔以供附接。中心孔扣住將匯流條螺母固定至壓力板的鋼扣件(未圖示)。另外兩個孔扣住將外部電線接頭及線束附接至模組之負或正匯流條的鋼扣件，其在隨後部分中闡釋。
帶組件
圖11繪示鋼帶530，其為用於包封模組之單元、順應墊、散熱片及壓力板之主堆疊的兩個鋼帶中之一者。每一 鋼帶530位於壓力板50之淺軌道501中之一者中。若模組具有七十六(76)個單元或更少電池，則兩個帶即足夠，且三個帶並無必要。若需要，則可使用更多帶。鋼帶530之長度由將主堆疊中之所有順應墊適當地壓縮時所需之夾持力來界定，且其經由永久捲縮至所述帶上之現已發布且合格之鋼環扣531而保持著。具有氣動致動器之手持式氣動施力器可用於使所述帶及捲縮環扣531張緊，且所述施力器亦可具有在環扣531捲縮之後微調所述帶之額外尾部的機構。與在兩端使用非常長的鋼連接桿及固定螺母之替代方法相比，使用所述帶及環扣是更緊湊之方法。針對每個模組而使用相同的帶及環扣以及安裝過程促成可調結構。另一方法為使所述帶張緊並熔接所述帶，而非使用捲縮環扣。壓力板50可在淺軌道501中併入有平坦或鋸齒狀區域，以容納夾持用的帶上的環扣，且將壓力更均勻地分佈在環扣區中。壓力板50亦可沿每一軌道501而具有四個角圓形物，以確保張力在兩個帶之直線部分中均衡。
可使用具有閉合環路伺服控制之現已發布且合格之手持式電腦控制之電力施力器，代替標準的氣動致動器。此情形可增加所施加之靜態夾持力之精度，並減少帶安裝及環扣捲縮過程的循環時間。雖然壓力板及帶有助於實體上將電池模組固持在一起，但模組之匯流條(接下來描述)電性連接所述系統。
匯流條支撐組件
模組之鄰近單元之間的電性互連為重要特徵，其包含 撓性且脆性之單元端子相對於彼此的對齊，且包含防止不會為既定應用而電性連接之鄰近端子之間的意外接觸。圖2繪示模組之主堆疊中所有單元如何安全地固定且相對於彼此而對齊，單元端子(例如101及102)除外。
圖12繪示使用模製塑膠組件之穩固、緊湊且節約成本之解決方案。所述組件可被稱為「匯流條支撐件」，以強調其主要功能。標準匯流條支撐件600a與一散熱片400a之上部邊緣配合，且亦包封兩個單元300a及310a。單元300a及310a每一者附加至散熱片之各別一側，且每一者具有兩個電性端子(圖12中繪示每一電池單元300a及310a之負端子)，其延伸穿過匯流條支撐件中之埠。針對每個子總成使用一匯流條支撐件，且匯流條支撐件促成可調架構。舉例而言，匯流條支撐件600b與第二種類型之散熱片(散熱片400b)之邊緣配合。
圖13A繪示安裝至散熱片400之匯流條支撐件600之另一視圖。標準匯流條支撐件具有九個特徵/功能：
1.七個撓曲片608(繪示四個)以及兩個楔形閂鎖609，其用以扣住散熱片中之兩個狹槽(圖5中之組件406)。
2.矩形中央埠604，其用以與具有過模製(over-molded)的彈性扣之熱敏電阻605介接。
3.四個錐形埠601，其用以允許四個單元端子之同時插入及對齊。
4.主體610，其在單元拉鏈式熔絲致動事故期間支撐匯流條。藉由維持端子之任何其餘部分與匯流條之間的 分隔，匯流條支撐件防止有故障的單元意外重新連接至匯流條，其可導致鄰近單元之級聯故障模式。
5.兩個固定閂鎖602及兩個撓曲閂鎖603，其用以在將匯流條雷射熔接至單元端子期間扣住兩個單獨的匯流條組件(未圖示)。此特徵有助於消除對特殊雷射熔接固定物(fixture)的需要。如下文所述，此特徵充當裝配夾具(jig)，其緊固匯流條組件，其使其在熔接之前及期間與單元端子對齊。此等閂鎖將每一匯流條組件相對於散熱片及所附接之電池單元而固定於實質上固定的位置中。所述錐形埠及主體將電池單元中之每一者的端子相對於散熱片且相對於匯流條組件而固定於實質上固定的位置中。
6.十八個離隙(reliefs)607，其用以確保與任何匯流條電連接鉚釘之足夠間隙。
7.中央通道606，其用以允許布設模組之電壓感測線束及熱敏電阻線束。
8.四個撓曲指狀物(611)，其用以在安裝匯流條覆蓋物之前固定所述兩個線束(未圖示)。
9.兩個螺轂(screw bosses)612，其位於末端處以用於附接匯流條覆蓋物。
另外，圖13B及圖16繪示已形成包封僅一個單元(若模組具有奇數單元計數)的第二匯流條支撐件650。雖然此決策導致發布及產生另一組件，但其完全遵守每一單元端子均與鄰近端子對齊且被保護以免於與鄰近端子意外接觸的原理。可藉由在中心附近將兩個或兩個以上額外狹槽 添加於散熱片中及/或將另外兩個楔形閂鎖添加於匯流條支撐件中，來改良模組之耐振穩固性的強度。
匯流條組件
匯流條組件由匯流條橋接器(其電性連接模組之鄰近單元)及匯流條端子(其將一或多個電池單元端子電性連接至電池模組之外部端子中之每一者)組成。圖14繪示使用此等匯流條組件來增強模組之壽命容量的穩固、緊湊且節約成本的互連方法。此方法避免將帶螺紋的扣件(fasteners)用於模組內之電性連接中之任一者，而是使用藉由自適應的自動電腦控制過程而產生之精確熔接。
圖14繪示若干匯流條橋接器700，其每一者由匯流條支撐件600固持著。對於電池單元之端子穿過其而延伸之匯流條支撐件中之每一者，連接至所述端子之匯流條橋接器被扣於支撐件之固定閂鎖與其相對的撓性閂鎖之間。所述閂鎖抵靠端子而固定該匯流條橋接器，且防止其移動。
圖15繪示雙金屬匯流條橋接器700。電池模組使用一群匯流條橋接器700，每一者包含：銅部分701，其雷射熔接至由銅材料製成之一群單元負端子；以及鋁部分702，其雷射熔接至由鋁材料製成之一群單元正端子。匯流條橋接器之180度彎曲703界定單元端子在裝配期間巢套於其中的內側表面704。匯流條之具有所述彎曲的部分為連續的金屬件。使用精確雷射熔接來部分地熔化匯流條橋接器並以冶金方式將其連接至端子，以便避免可能使單元端子遭受過多能量且又損害單元之內部電性連接的超音波熔 接。將液體熔接處理應用於匯流條橋接器之彎曲703的外表面(與內表面704相對)。在熔接期間，雷射能量將瞄準此一外表面。此處理形成一修飾面層(finish)，其減小在鋁及銅之高反射性表面之雷射熔接期間雷射束的反射性。此處理可為鎳或錫塗覆，其提供對Nd-YAG雷射束波長之較佳吸收。此情形允許使熔接所需之能量減至最小，且允許在不超過單元端子之密封件之最大溫度限制的情況下，進行單元端子之熔接。雷射束之能量穿透匯流條之180度彎曲703，且在匯流條之彎曲704內及在單元之端子的尖端(未圖示)處形成熔融珠粒(bead)。熔接用的雷射以實質上朝向電池端子之末端且朝所述彎曲之外表面的角度(如由攻角708所示)瞄準匯流條之彎曲703。
圖25繪示熔接用的雷射730及雙金屬匯流條橋接器700之組態的其它視圖735，其中雷射束733以實質上朝向電池端子之末端的攻角708指向匯流條之彎曲。第二視圖740繪示如沿參考線736所見之視圖735(亦即，圍繞垂直的z軸而旋轉90度之視圖735)的組態。視圖740繪示雷射730自匯流條之彎曲742之右側末端移至左側，其中雷射束733在平行於通道之行進方向上移動，雷射束733以相對於彎曲742之微小角度741而行進，其中角度741與雷射730之行進方向相對，以防止雷射束反向反射至雷射光學裝置中且導致損壞。此情形導致雷射束733以稍小於垂直於雷射束之行進方向之角度的角度而行進。在熔接期間，雷射730可相對於正被熔接之匯流條及電池端子而移動，匯流條及電池端子總成可相對於雷射而移動，或上述兩者可相對於彼此而移動。任一情況下的結果均為匯流條及電池端子沿著存在有電池端子之通道的長度而彼此附接。
圖26繪示附接之前及附接之後匯流條組件與電池單元的附接的側視圖。視圖770繪示匯流條700中之彎曲704，其形成一通道，電池端子771位於此通道中。視圖775繪示在藉由重新凝固之金屬池778而將電池端子776附接至匯流條777中之彎曲的內角的熔接之後的此等組件。
諸如雷射熔接或其他習知的熔接製程等熔接製程對用於將雙金屬橋接器匯流條之兩個部分結合在一起來說可能是不實際的，原因是不同的材料及已知的冶金限制。作為代替，匯流條橋接器700使用超音波輥縫焊(roller seam welding)製程來形成線性焊縫705。橋接器匯流條之兩個部分的超音波熔接是獨立於所述模組而執行，使得超音波能量不被引入至單元端子中，亦不會對單元之內部電性連接造成損壞。如上文所述，匯流條支撐件充當熔接夾具。匯流條支撐件將匯流條組件固持於適當位置，其中單元端子嵌套於由匯流條中之彎曲所界定之狹槽中，直至匯流條被雷射熔接至端子(如上文所論述)為止。
為進一步平衡及最佳化雙金屬橋接器之電流特性，可獨立地定製橋接器匯流條之兩個部分(其材料為鋁及銅)之橫截面、寬度及/或厚度，以經由每一部分達成類似的電阻。在製造匯流條橋接器之過程中，可使用雙金屬橋接器匯流條之兩個部分中之一者或兩者之擠出的(extruded)定長剪切輪廓(cut-to-length profile)來代替薄片衝壓及成形製程，以便降低成本。在一組態中，衝壓該匯流條橋接器之銅部分，且擠出鋁部分。
圖16繪示部分由匯流條支撐件600及650緊固之匯流條端子750。匯流條支撐件以與支撐件固定匯流條橋接器之方式相同的方式來固定匯流條端子。將匯流條端子750以雷射方式熔接至電池單元300a、310a及320之對應端子。電池模組在模組之主堆疊之一端使用具有銅材料之單金屬負匯流條端子，且在模組之主堆疊之另一端使用具有鋁材料之單金屬正匯流條端子。匯流條端子由附接至壓力板50之插口508的鋼匯流條螺帽760而緊固著。匯流條端子750具有錐形中心部分751，其在發生最差情況電力過載事故時充當模組熔絲。所述熔絲將具有在電流密度最高的較窄部分處熔化的趨勢。可藉由以與將拉鏈式熔絲整合至電池單元端子中之方式類似的方式，將拉鏈式熔絲孔及狹槽添加至匯流條端子而調整兩個模組熔絲之致動回應時間，來改良模組之安全性能力。
圖17繪示將匯流條端子750安裝至壓力板50。匯流條端子750附接至鋼匯流條螺帽(在圖17中之匯流條端子下方不可見)。匯流條螺帽附接至壓力板之插口508a中的一者。如先前所述，匯流條端子750連接至外部電線接頭及線束(未圖示)。另外，經衝壓之銅匯流條螺帽橋接器780可連接至匯流條端子750，且亦經由匯流條螺帽760b而連接至壓力板插口508b。匯流條螺帽760b經由扣住安置於壓力板插口508b中之鋼扣件的中心孔而緊固至壓力板50。橋接器為准許模組至模組高功率線束之任選的(optional)附接位點的附件。
佈線附接
圖18繪示具有用於將佈線(諸如電壓感測線束)附接至匯流條端子及匯流條橋接器之夾件(clips)的兩種變化的匯流條端子750。自一側觀看，夾件791為u形且實質上凸起，而夾件790為w形。夾件790及791中之任一者或兩者可用於連接佈線。在將夾件附接至匯流條組件之前，以超音波方式將電壓感測線熔接至夾件。所述夾件具有一或多個齒793，齒793咬入匯流條橋接器或端子中，使得夾件可被定位且保留在適當位置中，直至雷射熔接操作將夾件固定至匯流條為止。夾件可由對應於其將附接至的匯流條之類型並與之相容的衝壓銅或鋁製成。夾件具有用於一種金屬類型的齒痕792，以指示夾件的類型以便使用自動視覺系統來製造。此等夾件在匯流條組件熔接至電池單元端子的同時被雷射熔接至匯流條組件，並共用一共同焊縫。使用上文所述的用於將匯流條組件附接至電池端子的相同熔接技術，雷射被引導穿過夾件及下伏(underlying)之匯流條組件，且指向擱置於匯流條組件之u形彎曲中的端子之末端。在如此做之過程中，單一熔接操作同時熔接所有三個組件(夾件、匯流條組件及電池端子)。亦可將u形夾件以雷射熔接至匯流條組件，而不共用一共同焊縫。
圖19繪示夾件之齒793稍稍向內彎曲以安裝於匯流條上的w形夾件790的側視圖。若夾件設計有一種干涉配合件(fit)，使得干涉將提供固定功能，則可需要或可不需要齒來將夾件緊固至匯流條，直至其被熔接為止。
圖20繪示具有用於將熱敏電阻795附接至匯流條端子之夾件794的匯流條端子750。用經配製之裝配之後固化的環氧樹脂黏合劑而將熱敏電阻之頭部接合於夾件之固定件內。熱敏電阻之頭部的頸部接觸鄰近之片796，使得頭部具有經界定之可重複位置。至固定件之上邊緣之精壓斜面(coined chamfers)797有助於防止在安裝時對熱敏電阻之頭部的損害。
匯流條覆蓋物
圖1繪示匯流條覆蓋物40。電池模組使用一群模製塑膠覆蓋物來保護模組之匯流條及其他內部組件(諸如電壓感測線束及熱敏電阻線束)，使其免遭外部外來物體(尤其當其為金屬時)的任何意外的接觸。
圖21繪示匯流條覆蓋物40a，其不具有覆蓋物之主要平坦外皮以使得可看見相對的配合件。亦繪示匯流條覆蓋物40b，其包含覆蓋物之主要平坦外皮。所述覆蓋物中之每一者具有加強筋矩陣，包含801、802及803，以增強其結構剛性，且亦將任何不利的外力重新引導及分佈至模組之匯流條支撐件及散熱片，而非匯流條端子750、匯流條橋接器700及/或單元端子。匯流條覆蓋物包封模組之匯流條，以有助於防止鄰近匯流條彼此接觸且在最差情況電力過載事故或嚴重的運輸工具碰撞期間導致電性短路路徑。某些筋(例如筋802)比其他筋更深地延伸至電池模組中，且位於匯流條橋接器(例如803)之間，以有助於防止鄰近匯流條之間的接觸，而諸如803之筋較淺，以避免將力分佈至匯流條端子、匯流條橋接器或單元端子。或者，電池模組可使用成本較低、較簡單的覆蓋物，其具有重疊接頭及較少的垂直接觸片。後一方式之缺點在於模組承受垂直外力的穩固性可能減小。
可調架構
上文所述之特徵得出可調架構。術語「可調架構」指出撓性組態，其促進具有不同數量之電池單元、帶有並聯電性連接之單元的子群以及串聯電性連接之子群之電池模組的快速工程設計、開發、檢核及生產。此可撓性允許電池供應商定製許多不同模組之電特性，且滿足不同客戶之效能規格。舉例而言，圖22中繪示具有「3P」組態之現存A123系統稜柱式電池模組系列。此系列之七個成員為23S3P、22S3P、16S3P、13S3P、11S3P、6S3P及1S3P模組，在圖22中分別識別為907、906、905、904、903、902及901。
圖24繪示用於A123系統稜柱式電池模組系列之以下成員13S3P、23S2P、4S2P及4S6P(在圖23中分別識別為950、951、952及953)的各種匯流條組件組態。
10．．．電池模組
20．．．負端子
21．．．正端子
30．．．單元子總成
30a．．．子總成
30b．．．子總成
40．．．匯流條覆蓋物
40a．．．匯流條覆蓋物
40b．．．匯流條覆蓋物
50．．．壓力板
51．．．帶
52．．．安裝通路
101．．．單元端子
102．．．單元端子
300．．．稜柱式電池單元/單元
300a．．．電池單元
300b．．．電池單元
301．．．正端子
310a．．．第二電池單元/電池單元
302．．．負端子
303．．．密封邊界
304．．．密封邊界
305．．．密封邊界
306．．．頂部表面
307．．．底部表面
308．．．拉鏈式熔絲
309．．．釋壓排放特徵
310．．．狹槽形孔/單元
310a．．．第二電池單元/電池單元
310b．．．電池單元
311．．．圓形孔
312．．．區
315．．．中心軸
320．．．電池單元
321．．．電池單元
400．．．金屬散熱片
401．．．順應墊
400a．．．散熱片
400b．．．散熱片
401a．．．順應墊
403．．．翼形部
403a．．．翼形部
404a．．．凹痕
404b．．．凹痕
410．．．釋壓齒
411．．．釋壓齒
420．．．散熱片
421．．．單元子總成
422a．．．順應墊
422b．．．順應墊
429．．．最下部散熱片/散熱片
430．．．散熱片
450．．．齒
451．．．點
452．．．通道
455．．．齒
456．．．點
457．．．通道
501．．．淺軌道
503．．．凹陷插口
504．．．凹陷插口
505．．．凹陷插口
506．．．凹陷插口
508．．．凹陷區域/插口
508a．．．壓力板之插口
508b．．．壓力板插口
510．．．側
520．．．加強筋矩陣
530．．．鋼帶
531．．．鋼環扣
600．．．匯流條支撐件
600a．．．匯流條支撐件
600b．．．匯流條支撐件
601．．．錐形埠
602．．．固定閂鎖
603．．．撓曲閂鎖
604．．．中央埠
605．．．熱敏電阻
606．．．組件/中央通道
607．．．離隙
608．．．撓曲片
609．．．楔形閂鎖
610．．．主體
611．．．撓曲指狀物
612．．．螺轂
650．．．第二匯流條支撐件
700．．．匯流條橋接器/雙金屬匯流條橋接器
701．．．銅部分
702．．．鋁部分
703．．．180度彎曲
704．．．內側表面/內表面
705．．．線性焊縫
708．．．攻角
730．．．熔接用的雷射/雷射
733．．．雷射束
735．．．額外視圖
736．．．參考線
740．．．第二視圖
741．．．微小角度
742．．．彎曲
750．．．匯流條端子
751．．．錐形中心部分
760．．．鋼匯流條螺帽
760b．．．匯流條螺帽
770．．．視圖
771．．．電池端子
775．．．視圖
776．．．電池端子
777．．．匯流條
778．．．金屬池
780．．．銅匯流條螺帽橋接器
790．．．夾件
791．．．夾件
792．．．齒痕
793．．．齒
794．．．夾件
795．．．熱敏電阻
796．．．片
797．．．精壓斜面
801．．．加強筋
802．．．加強筋
803．．．加強筋
901．．．1S3P模組
902．．．6S3P模組
903．．．11S3P模組
904．．．13S3P模組
905．．．16S3P模組
906．．．22S3P模組
907．．．23S3P模組
950‧‧‧13S3P模組
951‧‧‧23S2P模組
952‧‧‧4S2P模組
953‧‧‧4S6P模組
圖1繪示電池模組。
圖2繪示匯流條覆蓋物及匯流條被移除且單元子總成暴露之電池模組。
圖3繪示稜柱式電池單元。
圖4繪示稜柱式電池單元之拉鏈式熔絲。
圖5繪示單元子總成之更詳細視圖。
圖6繪示單元子總成之另一視圖。
圖7繪示替代的散熱片及單元子總成。
圖8繪示另一替代的散熱片及單元子總成。
圖9繪示附接有釋壓齒之散熱片。
圖10繪示電池模組壓力板之視圖。
圖11繪示電池模組之帶組件的一部分。
圖12繪示附接至電池模組中之單元子總成(包含高度減低之單元子總成)的若干匯流條支撐件。
圖13A繪示附接至散熱片的匯流條支撐件。
圖13B繪示用以支撐一電池單元的替代匯流條支撐件。
圖14繪示附接至電池模組中之單元子總成的若干匯流條支撐件，其每一者固定匯流條橋接器之至少一部分。
圖15繪示匯流條橋接器之側面輪廓。
圖16繪示相對於壓力板及單元子總成的匯流條端子。
圖17繪示附接至壓力板及匯流條橋接器的匯流條端子。
圖18繪示具有用於附接佈線之夾件之兩種變型的匯流條端子。
圖19繪示佈線附接夾件之側視圖。
圖20繪示用於附接熱敏電阻之支撐夾件。
圖21繪示匯流條覆蓋物之剖視圖。
圖22繪示併入有可調架構之一系列電池模組。
圖23繪示釋壓齒。
圖24繪示可用於達成電池模組之各種組態的匯流條組件的若干配置。
圖25繪示熔接用的雷射相對於匯流條組件之組態的視圖。
圖26繪示將匯流條組件附接至電池單元端子之前及之後的視圖。
10．．．電池模組
20．．．負端子
21．．．正端子
30．．．單元子總成
40．．．匯流條覆蓋物
50．．．壓力板
51．．．帶
52．．．安裝通路

Claims (5)

  1. 一種電池系統，其包括：電池單元，其具有單元主體及電壓端子，所述電壓端子自所述單元主體延伸出來且具有第一及第二端子邊緣；匯流條，所述電壓端子之上端電性連接至所述匯流條；以及拉鏈式熔絲，其形成於所述端子之在所述單元主體與所述匯流條之間的部分中，其中所述拉鏈式熔絲包括穿孔陣列，所述穿孔陣列穿過所述電壓端子，且越過所述電壓端子而自所述第一端子邊緣延伸至所述第二端子邊緣，其中所述穿孔陣列包括：第一列穿孔，其包含水平地越過所述電壓端子的一第一細長穿孔以及多個第一圓形穿孔；以及第二列穿孔，其平行於所述第一列穿孔，且包含水平地越過所述電壓端子的一第二細長穿孔以及多個第二圓形穿孔，其中，所述第一細長穿孔與所述第二細長穿孔在所述電壓端子之相對側，且所述第一細長穿孔比所述第二細長穿孔更靠近所述電壓端子，所述第一細長穿孔的內面積大於每一所述第一圓形穿孔的內面積，所述第二細長穿孔的內面積大於每一所述第二圓形穿孔的內面積。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統，其更包括位於匯流條與所述單元主體之間的匯流條支撐件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池系統，其中所述匯流條支撐件包含狹槽，所述電壓端子穿過所述狹槽。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電池系統，其中所述穿孔陣列位於支撐件與單元主體之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電池系統，其中所述電池單元為稜柱式電池單元。
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