电池单元模块的制作方法

xiaoxiao2020-8-1  4

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专利名称:电池单元模块的制作方法
技术领域
本公开涉及用于电池组的封装,更为具体地,涉及电池单元模块组件。
背景技术
已经提出将电池单元作为清洁、有效和对环境负责的动力源而用于电动车辆和各 种其他应用。一种类型的电池单元已知为锂离子电池。锂离子电池可再充电,并且可以形 成为各种各样的形状和尺寸,以有效地填充电动车辆内的可用空间。多个单独的锂离子电 池单元可以设置在电池单元模块中,以提供足以操作电动车辆的功率量。通常,为了在有效 封装中提供高功率密度,大量的电池单元(经常是大于10个)被封装在单独的电池单元模块 中。锂离子电池已知在操作期间会产生热,并且在充电时作为充电循环的结果也产生 热。当过热或者另外暴露给高温环境时,不期望的效应可能影响对锂离子电池的操作。主 动冷却系统通常与锂离子电池组一起使用,以防止不期望的过热状况。主动冷却系统通常 涉及流动通道,或者涉及间置在相邻电池单元之间的冷却翅片上的肋,二者都导致了施加 在单独电池单元外表面上的非均勻压力。此外,主动冷却系统由于增加了所需要的封装空 间从而减小了体积效率,因而不期望地增加了电池组及其安装的复杂性。另外,由于不均勻 的冷却的缘故,所以在相同电池组内的单独电池单元之间仍然可能发生显著的温度变化, 从而进一步影响了电池单元模块的操作。而且,随着锂离子电池单元进行充电和放电,锂离子电池单元可能膨胀,并且锂离 子电池单元可能排出作为其中所发生的化学反应的副产物的气体。因此,期望容纳电池单 元的膨胀,以及容许由于电池单元膨胀的缘故而在电池单元模块内产生的合成的内部压 力。进一步地,期望容纳副产物气体,以及捕集或适当地从电池单元模块排出这些气体。存在对易于制造的、具有集成冷却系统的电池单元模块的持续需求,并且还存在 对用于维持例如锂离子电池组之类的电池组的期望温度和功率密度的方法的持续需求。期 望地,该电池单元模块和方法给电池组提供了均勻分布的表面压力,同时保持从其进行有 效的传热,并且允许对电池单元内产生的任何排放气体的收集或捕集。

发明内容
根据当前公开,令人惊喜地提供了一种易于制造的、具有集成冷却系统的电池单 元模块,以及用于维持例如锂离子电池组之类的电池组的期望温度和功率密度的方法,从 而给电池组提供了均勻分布的表面压力,同时保持从其进行有效的传热,并且还使得能够 对来自电池组的任何排放气体进行收集或捕集。根据本发明,公开了 一种电池单元模块,包括边框和至少一个盖,所述至少一个 盖由导热材料形成,所述盖具有大体上平坦的内表面且密封地接合所述边框。多个串联互 连的电池单元被布置成彼此面接触,电池单元的第一端包括正接线端,电池单元的第二端 包括负接线端,每个都延伸穿过所述边框。至少一个电池单元布置成与所述盖的内表面处于面接触,以便利于通过其传热,并且还便利于正接线端和负接线端。在一个实施例中,封闭件通常是平行六面体形状的,具有顶部、底部、第一侧、第二 侧,以及由导热材料形成的第一和第二相对的盖,所述相对的盖具有大体平坦的内表面且 密封地接合所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧。多个串联互连的电池单元布置 成面接触,以限定处于与相邻电池单元面接触的内部电池单元和与一个电池单元面接触的 外部电池单元,并且具有大体平坦的内表面,以方便通过其传热。串联互连的电池单元的第 一端包括正接线端,所述串联互连的电池单元的第二端包括负接线端,其中所述正接线端 和所述负接线端延伸穿过所述外框的顶部、底部、第一侧和第二侧中的至少一个。所述外框 的顶部、底部、第一侧和第二侧中的一个可以进一步包括通风端口和用于温度监测探头的 开口。相对的盖的外表面可以形成翅片,以方便将热传输到外部环境,用于冷却所述模块。在另一实施例中,串联互连电池单元的相邻电池单元之间的电互连还包括导电 片,其中每个所述片还延伸穿过外框的顶部、底部、第一侧和第二侧中的至少一个,以方便 对每个电池单元的电压监测。在另一实施例中,导热板大体上间置于串联互连的电池单元中间,位于相邻单元 之间并且处于与相邻单元的相对面的面接触中。该板与相对的盖的内表面热连通,以方便 通过其传热。还公开了一种用于组装电池单元模块的方法。本发明还包括以下方案 方案1. 一种电池单元模块,包括 边框;
至少一个盖,所述至少一个盖由导热材料形成,所述盖具有大体上平坦的内表面且密 封地接合所述边框;以及
多个串联互连的电池单元,所述电池单元的第一端包括正接线端,所述电池单元的第 二端包括负接线端,所述电池单元被布置成彼此面接触,所述电池单元中的一个与所述盖 的内表面处于面接触,以方便通过其传热,所述正接线端和负接线端延伸穿过所述边框。方案2.根据方案1所述的电池单元模块,进一步包括间置在所述电池单元中的 两个之间的导热板,所述板与所述盖热连通,以方便从所述电池单元之间去除热。方案3.根据方案2所述的电池单元模块,其中,所述盖的外表面包括肋,以方便 散热。方案4.根据方案3所述的电池单元模块,其中,所述肋在它们之间限定冷却剂流 动路径。方案5.根据方案2所述的电池单元模块,其中,在所述电池单元中相邻电池单元 之间的电互连还包括延伸穿过所述边框的导电片,以方便对所述电池单元的电压监测。方案6.根据方案5所述的电池单元模块,其中,所述导电片延伸穿过形成在所述 边框中的电压监测端口。方案7.根据方案6所述的电池单元模块,其中,所述边框还包括温度监测端口, 温度探头插入到所述温度监测端口中以监测所述模块内的温度,其中所述温度探头与所述 导热板热连通。方案8.根据方案1所述的电池单元模块,其中,所述边框由非导电材料注模成形。方案9.根据方案1所述的电池单元模块,其中,所述边框还包括通风端口,所述 通风端口方便捕集和排出形成在所述模块内的气体。方案10. —种电池单元模块,包括
总体上为平行六面体的外框,所述外框具有顶部、底部、第一侧和第二侧,以及由导热 材料形成的相对的第一盖和第二盖,所述相对的第一盖和第二盖分别具有大体平坦的内表 面并且密封地接合所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧;以及
多个串联互连的电池单元,所述电池单元的第一端包括正接线端,所述电池单元的第 二端包括负接线端,所述电池单元被布置成彼此面接触,以限定与相邻电池单元面接触的 内部电池单元和与一个电池单元面接触的外部电池单元,并且还具有大体平坦的内表面, 以方便通过其传热,所述正接线端和所述负接线端延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底 部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个。方案11.根据方案10所述的电池单元模块,进一步包括导热板,所述导热板被间 置于至少两个内部电池单元之间,所述板与所述第一盖和所述第二盖中的一个的内表面热 连通,以方便从所述内部电池单元之间去除热。方案12.根据方案11所述的电池单元模块,其中,存在四个电池单元。方案13.根据方案11所述的电池单元模块,其中,所述电池单元中相邻的电池单 元之间的电互连还包括导电片,所述导电片延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底部、所述 第一侧和所述第二侧中的至少一个,以方便对所述电池单元的电压监测。方案14.根据方案13所述的电池单元模块,其中,所述导电片延伸穿过形成在所 述外框的所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧中的一个内的电压监测端口。方案15.根据方案11所述的电池单元模块,其中,所述顶部、所述底部、所述第一 侧和所述第二侧中的一个还包括温度监测端口,温度探头插入到所述温度监测端口中以监 测所述模块内的温度,其中所述温度探头与所述导热板连通。方案16.根据方案11所述的电池单元模块,其中,所述顶部、所述底部、所述第一 侧和所述第二侧由非导电材料注模成形。方案17.根据方案15所述的电池单元模块,其中,所述顶部、所述底部、所述第一 侧和所述第二侧中的至少一个还包括通风端口,以方便捕集和排出形成在所述封闭件内的气体。方案18. —种组装电池单元模块的方法,包括 将多个串联互连的电池单元布置成彼此面接触; 将所述多个电池单元放置在边框中;
将侧盖放置成与所述电池单元中的一个的外表面处于面接触;以及 使所述侧盖的周边变形成与所述边框密封接合,其中通过所述侧盖将挤压力施加到所 述电池单元以导致变形。方案19.根据方案18所述的方法,其中,将所述多个电池单元放置在边框中的步 骤进一步包括
由非导电材料在所述电池单元周围注模成形所述边框。方案20.根据方案19所述的方法,进一步包括将所述侧盖放置成与导热板热连通,所述导热板间置在至少两个内部电池单元之间。


对本领域技术人员而言,本发明的上述以及其他优点将从结合本文所描述的附图 的下述详细说明而变得显而易见。图1是根据本发明的电池单元模块的透视图2是沿着图1中的剖面线2-2所取的电池单元模块的局部截面侧视图3是根据图1的电池单元模块的局部透视图,其中侧盖被去除;
图4是根据图1-3的、在组装为电池单元模块之前的多个电池单元的示意性侧视图;以

图5是根据图1-4中所示的实施例的导热板的侧向透视图。
具体实施例方式以下详细说明和所附的附图描述和示出了本发明的各种实施例。该描述和附图 用于使本领域技术人员能够制造和使用本发明,而并不是旨在以任何方式限制本发明的范 围。对于所公开的方法,所给出的步骤本质上只是示例性的,并且不是必须的或者关键的。参照图1-3,示出了根据本发明的电池单元模块20。电池单元模块20包括边框 22和相对的导热侧盖24。显示在图1-3中的电池单元模块20被表示为平行六面体形,具 有协作地形成边框22的顶部沈、底部观、第一侧30和第二侧32,同时导热的相对侧盖M 与所述边框22协作以形成电池单元模块20。可以理解的是,电池单元模块20可以具有任 何的几何形状,以容许各种电池类型和形状。多个电池单元34设置在电池单元模块20之内。多个电池单元34是棱柱形电池 单元,且可以是棱柱形锂离子(Li-ion)电子单元。必须理解的是,利用不同的结构和电化 学的其他电池单元34也可以用在本发明的范围之内。如图4中所示,每个电池单元34都包括正接线端36和负接线端38。电池单元34 串联布置,其中正接线端36通过焊接片40电连接到相邻电池单元34的负接线端38,除了 正端电池单元42和负端电池单元44之外。如图所示,焊接片40从电池单元34侧向延伸, 且进一步包括电压监测引线54,电压监测引线M从焊接片40延伸且穿过边框22的顶部 沈伸出,如图1和3中所示。正接线端36和负接线端38之间的电连接以传统的方式形成, 且可以根据需要包括焊接或者螺栓。此外,四个串联互连的电池单元34显示在图4中,但 是可以互连任何数目的电池单元34,而不背离本发明。正端电池单元42的正接线端46电连接到正接线端引线48,同时负端电池单元44 的负接线端50电连接到负接线端引线52。另外,正接线端引线48包括侧向延伸的电压监 测引线56,负接线端引线52包括侧向延伸的电压监测引线58。如图所示,电压检测引线 56、58都穿过边框22的顶部沈伸出。如图3中所示,电压监测引线M、56、58可以任意的组合用于监测电池单元模块20 之内的单独电池单元34的电压,或者可以用于监测整个电池单元模块20的电压。必须理 解,电压监测引线M、56、58可以沿着任何方向伸出。但是,电压监测引线可如常规已知的 那样向外延伸穿过边框22,且与边框22电绝缘。
在插入到电池单元模块20中之前,电池单元34被组装成将电池面60放置为彼此 面接触(facing contact)。当组装时,电池面60对相邻的电池单元34提供支撑,并且在电 池单元模块20内允许有效地封装电池单元34。在一种方法中,电池单元34在被叠拢以将 电池面60放置成处于彼此面接触之前,被像所描述的那样电互连。在另一方法中,电池单 元;34首先被叠置,以将一个电池单元34的正接线端36放置成与相邻电池单元34的负接 线端38相邻。在叠置之后,相邻的电池单元34通过焊接片40电互连。通过在互连之前叠 置电池单元,焊接片40在后续的叠拢步骤期间不会经受应力。如图2中所示,当电池单元34被准备好,以便用于插入到边框22中时,单独的电 池单元34可以描述为内部电池单元62和外部电池单元64中的一种。内部电池单元62的 面60没有与导热侧盖M的内表面66接触,而外部电池单元64使至少一个面60与导热侧 盖M的内表面66处于面接触。在正端电池单元42和负端电池单元44也是外部电池单元 64的情况下获得了有利的结果,但是要理解的是,这种情形不是必需的。电池单元34插入 到边框22中,且导热侧盖M被安装成与外部电池单元64的面60处于面接触,以对电池单 元34提供所期望的大体上均勻分布的挤压力。当电池单元34首先安装在框架部件68内时可以获得有利的结果,如图3中所示。 此后,顶部26、底部观、第一侧30和第二侧32都被组装在框架部件68上。顶部沈、底部 观、第一侧30和第二侧32可以由任何材料形成。当顶部沈、底部观、第一侧30和第二侧 32被注模成形时,可获得有利的结果。用于顶部沈、底部观、第一侧30和第二侧32注模成 形的化合物可以是非导电复合物,以形成非导电的边框22。当顶部沈、底部观、第一侧30 和第二侧32由例如铝之类的金属构造以改进边框22的结构强度和导热性能时,也可获得 有利的结果。如图1中所示,正接线端引线48和负接线端引线52穿过第一侧30伸出,以允许电 池单元模块与外部载荷电连接。此外,顶部沈围绕电压监测引线M、56、58安装。电压监 测端口 70可以形成在顶部沈中。应当理解,如果边框22由例如铝之类的导电材料构造, 则正接线端引线48、负接线端引线52和电压监测引线M、56、58都必须与边框电绝缘。但 是,如果边框22由非导电材料形成(例如,通过注模成形)时,正接线端引线48、负接线端引 线52和电压监测引线M、56、58都可以直接延伸穿过形成边框22的非导电材料。通气端口 72形成在顶部沈中,以允许捕集和适当排出形成在电池单元模块20内 的任何气体。温度监测端口 74也形成在顶部沈中,用于插入温度探头76。必须理解,电压 监测端口 70、通风端口 72和温度监测端口可以放置在边框22上的任何期望位置中。在边框22已经在电池单元34周围组装就位后,导热侧盖M被安装成与外部电池 单元64处于面接触。导热侧盖M可以通过可移动工具78被挤压或者卡扣就位,使得每个 导电侧盖M的外周边80与非导电边框22上的模制密封件82接合,从而与其协作以在电 池单元模块20内形成不透流体的密封,同时提供用于从电池单元模块20去除热的热通路, 并且将均勻分布的挤压预载荷提供给电池单元34。必须理解的是,如果需要,也可以利用将 侧盖M的外周边80密封地互连至模制密封件82的其他方法。侧盖M的厚度t可以被选择成还承受由于电池单元34在其寿命周期上的膨胀所 导致的侧盖M上的任何增加的载荷。特别地,厚度t可以根据在多个电池单元模块20 示出)构成的堆之内的电池单元模块20的位置以及根据用于侧盖M的材料来进行选择。例如,在电池单元模块20的更大的堆上构成端板的铝侧盖M可以具有大约4 mm的厚度t, 而多个电池单元模块20的内部位置中的侧盖M可以具有大约0. 3 mm的厚度t。导热侧盖M的外表面84还可以包括凸起肋108,以便使得能够从电池单元模块 20进行被动或者主动的热耗散,并且当放置在载荷下时对侧盖M提供结构稳定性。肋108 可以形成为翅片,以耗散来自侧盖M的热。然而,在肋108与相邻电池单元模块20上的相 邻侧盖M上的对应的肋协作以形成流动路径,从而使例如空气之类的冷却剂可以从其中 流动的情况下,这可获得有利的结果。空气可以主动地或者被动地循环通过由相邻的肋108 所形成的流动路径。根据电池单元34的尺寸和存储容量,电池单元模块20之内的额外冷却可能是所 期望的。在这样的情况下,导热板86可以面接触地间置在内部电池单元62之间。如图2、 图5中最佳所示,导热板86包括大体平坦的面88,所述面88的尺寸设成对相邻的电池面 60提供支撑,同时也提供用于从内部电池单元62之间去除热的热路径。导热板86的顶部 边沿90形成有交替弯曲的片92,每个片92终止于传热垫片94中。相似地,导热板86的底 部边沿96形成有交替弯曲的片98,每个弯曲片都终止于传热垫片100中。中央片102沿着 导热板86的顶部边沿90形成,所述导热板86具有传热垫片104,温度探头76安置在传热 垫片104上。当组装好电池单元模块20时,导热中央板86间置于相邻的内部电池单元62之 间。交替弯曲的片92、98沿着离开导热板86的方向朝向导热侧盖M的内表面66的周边 部分110延伸。传热垫片94、100接触导热侧盖M的内表面66的周边部分110,由此提供 从电池单元34之间到导热侧盖M的传热路径。导热侧盖M可以具有足够的热容量,以接 收和存储基本上所有在电池单元模块20内产生的热。此外,侧盖M的外表面106 (图1) 可以包括肋108,肋108用于将存储在侧盖M内的热耗散至外部环境。要理解的是,热从侧 盖M的外表面106的传输可以通过主动或者被动系统发生,并且可涉及传导、对流或它们 的组合。而且,要理解的是,根据电池单元模块20的散热要求,对导热中央板86的包括是 可任选的。作为示例,电池单元模块20内由三个电池单元34构成的组可能不需要额外的 冷却,而在电池单元模块20内以四个或更多个电池单元34构成组的情况下,在包括至少一 个导热板86时,可观察到有利的结果。本发明的电池单元模块20是易于制造的封闭件,所述封闭件包括从电池单元模 块20的内部到导热侧盖M的外表面106的集成传热路径。由于侧盖M被安装成对电池 单元34提供大体上均勻分布的表面压力,从而确保了传热路径。通过电池单元模块20的 顶部沈插入的温度探头76接触被热连接到电池单元34内的导热板86的传热垫片104,由 此允许电池单元模块20内的温度被连续监测。每个电池的电压都可以通过一体提供的电 压监测端口 70来监测。所排放的气体在电池单元模块20内被捕集,并且可以通过通风端 口 72去除。正接线端引线48和负接线端引线52使得能够互连任何数目的电池单元模块 20,且相应地容易处理和替换任意模块,以实现所期望的功率密度。单独的电池单元模块20 可以容易地调整尺寸用于各种应用,包括用于先进的电动车辆和混合动力车辆。尽管已经示出了某些代表性的实施例和细节,用于对本发明进行说明之目的,但 是对普通技术人员而言显而易见的是,在不背离本发明的范围的情况下可以进行各种变 化,这将在所附权利要求中进一步进行描述。
权利要求
1.一种电池单元模块,包括边框;至少一个盖,所述至少一个盖由导热材料形成,所述盖具有大体上平坦的内表面且密 封地接合所述边框;以及多个串联互连的电池单元,所述电池单元的第一端包括正接线端,所述电池单元的第 二端包括负接线端,所述电池单元被布置成彼此面接触,所述电池单元中的一个与所述盖 的内表面处于面接触,以方便通过其传热,所述正接线端和负接线端延伸穿过所述边框。
2.根据权利要求1所述的电池单元模块,进一步包括间置在所述电池单元中的两个之 间的导热板,所述板与所述盖热连通,以方便从所述电池单元之间去除热。
3.根据权利要求2所述的电池单元模块,其中,所述盖的外表面包括肋,以方便散热。
4.根据权利要求3所述的电池单元模块,其中,所述肋在它们之间限定冷却剂流动路径。
5.根据权利要求2所述的电池单元模块,其中,在所述电池单元中相邻电池单元之间 的电互连还包括延伸穿过所述边框的导电片,以方便对所述电池单元的电压监测。
6.根据权利要求5所述的电池单元模块,其中,所述导电片延伸穿过形成在所述边框 中的电压监测端口。
7.根据权利要求6所述的电池单元模块,其中,所述边框还包括温度监测端口,温度探 头插入到所述温度监测端口中以监测所述模块内的温度,其中所述温度探头与所述导热板 热连通。
8.根据权利要求1所述的电池单元模块,其中,所述边框由非导电材料注模成形。
9.一种电池单元模块,包括总体上为平行六面体的外框,所述外框具有顶部、底部、第一侧和第二侧,以及由导热 材料形成的相对的第一盖和第二盖,所述相对的第一盖和第二盖分别具有大体平坦的内表 面并且密封地接合所述顶部、所述底部、所述第一侧和所述第二侧;以及多个串联互连的电池单元,所述电池单元的第一端包括正接线端,所述电池单元的第 二端包括负接线端,所述电池单元被布置成彼此面接触,以限定与相邻电池单元面接触的 内部电池单元和与一个电池单元面接触的外部电池单元,并且还具有大体平坦的内表面, 以方便通过其传热,所述正接线端和所述负接线端延伸穿过所述外框的所述顶部、所述底 部、所述第一侧和所述第二侧中的至少一个。
10.一种组装电池单元模块的方法,包括将多个串联互连的电池单元布置成彼此面接触;将所述多个电池单元放置在边框中;将侧盖放置成与所述电池单元中的一个的外表面处于面接触;以及使所述侧盖的周边变形成与所述边框密封接合,其中通过所述侧盖将挤压力施加到所 述电池单元以导致变形。
全文摘要
本发明涉及电池单元模块。具体地,提供了一种电池单元模块,其包括封闭件,该封闭件具有非导电周边;以及由导热材料形成的至少一个盖。所述盖具有大体上平坦的内表面,并且密封地接合非导电周边。多个串联互连的电池单元被放置在一起形成彼此面接触,电池单元中的外部电池单元与盖的内表面处于面接触,以方便通过其传热,并且对所述串联互连的电池单元提供所期望的挤压。串联互连的电池单元的第一端包括正接线端,串联互连电池单元的第二端包括负接线端,串联互连的电池单元的正接线端和负接线端延伸穿过所述非导电周边。
文档编号H01M2/20GK102142575SQ20111003113
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者A·P·欧里, L·F·施瓦布 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司

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