CN104795527B - 电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池模块，它包括电池单元和集流片，所述电池单元设置正极极耳及负极极耳，所述正极极耳及负极极耳分别位于电池单元的相对两端，相邻的电池单元通过集流片将极耳串联连接形成Z型排列。所述电池单元的正极极耳为铝箔极耳或铜箔极耳，负极极耳为铜箔极耳或铝箔极耳，且正极极耳和负极极耳的材料不相同，所述集流片为组合式集流片，所述集流片由铝片和铜片组合而成。

Description

电池模块
技术领域
本发明涉及一种软包电池模块。
背景技术
锂离子电池是一种平均输出电压高，输出功率大，自放电小，无记忆效应，工作温度范围宽（为-20℃～60℃），循环性能优越，充放电效率高，使用寿命长，不含有毒有害物质的绿色电池。它是依靠锂离子在正、负极之间的往返嵌入、脱嵌完成电池充电和放电工作的。
虽然电动汽车与传统汽车相比存在诸多优势，但是将锂离子电池组应用到电动汽车中还存在诸多问题，其中最待解决的就是锂离子电池的成组技术，其中涉及最多的就是电池组的能量密度问题，直接影响电动汽车的续航里程。
锂离子电池组的能量密度主要由电池组的构架决定，一般是先将锂离子电池单元并联之后，再将并联模块串联组成，而电池单元的极耳的连接需要使用集流片，现有技术中，电池单元的并联是直接将电池单元的极耳焊接在集流片上，而串联是使用导线将集流片连接起来；但是这种电池模块的组合存在以下缺点：1、电池组在运行过程中，容易将导线与集流片的焊点震松，从而导致虚焊和脱焊；2、由于电池组中还存在其他采样用的采样线等线材，再加入导线，使得电池组内部较为凌乱，占用过多空间。
申请号为CN201010142205.5，名称为“电池组”的发明专利公开了一种由数个软包电池单元构成的电池组,包括与两电池连接的连接装置,通过导线的作用将电池和连接装置连接在一起，大大占用了电池组的空间，降低了能量密度，且导线与连接装置为点焊接，在使用过程中，容易被震松，导致虚焊和脱焊的发生。
又如，Tesla公司投放在市场上，能量密度最大的产品ModelS采用的电池模块，其尺寸为长2.7m，宽1.5m，厚度为0.1m至0.18m，由7600个18650电池组成，一节18650电池单元中，电池外壳大约为0.02dm,去除电池顶部和底部的部件之后极片的长度为0.65-0.05，故单节18650电池单元的极片的体积为3.14*(（0.18-0.004）/2)2*（0.6）=0.0146升，整个车辆所用的电池的极片的体积为0.0146*7600=111升,电池模块的体积为27*15*1+3*15*0.8=441L。综上，此电池组中极片所占体积比（Electrode Volume Ratio下文简称EVR）为111/441=25.2%，在其他材料相同的情况下，极片所占比例越高，电池组的能量密度越高，反之也就越低，25.2%的EVR对于电动体积能量密度的提高制约较大，不利于动力电池的布置使电动车行驶里程达到传统燃油车的指标从而满足顾客的需求（传统汽车单次加油行驶里程大多在600公里左右，而Tesla的行驶里程最长的也只有单次充电400公里左右）。
而且此电池组采用的是圆柱型电池单元，将圆柱型电池单元焊接到连接片上只能通过点焊的方式，且由于电池单元两极与连接片的接触面积较小，减小了电流通过能力，也增加了发热量，而将如此数量的圆柱型电池单元组合成电池组，产生的热量将非常巨大，用于散热的设计也更加复杂，浪费的电能也就更多，又进一步降低了整个锂离子动力电池组能量的有效利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池模块，包括电池单元和集流片，所述电池单元设置正极极耳及负极极耳，所述正极极耳及负极极耳分别位于电池单元的相对两端，相邻的电池单元通过集流片将极耳串联或并联连接形成Z型排列。
根据本发明的电池模块，其中，电池单元的长宽比为2:1至8:1；采用长宽比为2:1至8:1的软包电池单元有利于提高体积密度，进而提高整个电池组的能量密度。优选地，电池单元的长宽比为4:1至6:1。
所述电池单元的正极极耳为铝箔极耳或铜箔极耳，负极极耳为铜箔极耳或铝箔极耳，且正极极耳和负极极耳的材料不相同，所述集流片为组合式集流片，所述集流片由铝片和铜片组合而成。 根据本发明的另一种实施方式，电池单元的正极极耳和负极极耳可以同时为铝箔极耳或铜箔极耳，此时，集流片可以采用单一金属铝或铜的集流片。
当电池单元的正极极耳为铝箔极耳或铜箔极耳，负极极耳为铜箔极耳或铝箔极耳，且正极极耳和负极极耳的材料不相同，在组装成电池组的过程中，将电池单元并联连接，仅需将相同材料的极耳焊接在一起；若要对电池单元进行串联，则需要将铜箔极耳和铝箔极耳焊接到集流片上，由于集流片由铝片和铜片组合而成，故只需将铜箔极耳焊接到铜片上，将铝箔焊接到铝片上，电池单元之间通过集流片串联连接并形成Z型排列。此种电池组结构增加了电池组的EVR（Electrode Volume Ratio ），从而增加了电池组的能量密度，下文的实施例将通过对传统圆柱形电池组与本方案中的电池组的EVR作对比来做进一步说明。
作为优选，所述铝片和铜片之间可以铆接固定，也可以焊接固定在一起。
将铝片和铜片连接在一起，而铆接的方式既能保证连接的稳定性，也能保证大电流的通过能力。
作为优选，所述铝片和铜片上分别设置焊接槽。
在铝片和铜片上分别设置焊接槽，便于电池单元的正极极耳和负极极耳的焊接。
作为优选，所述铜箔极耳焊接在铜片的焊接槽上，所述铝箔极耳焊接在铝片的焊接槽上。
将铜箔极耳焊接在铜片的焊接槽上，铝箔极耳焊接在铝片的焊接槽上可以保证电池单元的极耳与集流片的焊接强度。作为优选，所述铜箔极耳与铜片的焊接槽完全焊接，所述铝箔极耳与铝片的焊接槽完全焊接。
现有技术中，极耳与集流片的焊接多为点焊，而且使用导线连接集流片的方式必须通过导线才能实现串并联，而点焊在长期使用之后存在虚焊或脱焊现象，极大影响了电池组的使用寿命，也容易导致危险的发生；本方案中由于采用新型集流片的缘故，可以避免导线连接的传统方式，将极耳与集流片上的焊接槽完全焊接，增加了接触面积，减小内阻，对于抑制电池组的产热有优异效果。并且使用独特涉及的电池单元和集流片，配合Z型排列极大提高了电池组的能量密度。
作为优选，所述相邻电池单元之间设置隔片，所述隔片的表面积大于电池单元的表面积。
将电池单元成组设计之后，为了追求电池组的稳定性并兼顾电池组的能量密度电池单元之间的间距尽可能压缩，容易导致热量散布不均。在电池单元之间设置隔片，有助于将电池单元产生的热量均匀分布。
作为优选，所述隔片上设置凹凸纹，所述凹凸纹分布在整个隔片上。在隔片上设置凹凸纹，有利于增加隔片的表面积，增大了隔片与电池单元的接触面积，增强了隔片的散热能力，有利于使得电池组内部温度更均匀。
作为优选，所述凹凸纹选自菱形凹凸纹、方形凹凸纹、三角形凹凸纹、条形凹凸纹和橘纹中的至少一种。
凹凸纹选自菱形凹凸纹、方形凹凸纹、三角形凹凸纹、条形凹凸纹和橘纹中的至少一种，纹路从隔片的底部延伸至顶部，便于加工，同时增大隔片表面积以获得更好的散热效果。
电池单元的极耳两端均设置固定框，固定框上设置夹持电池单元极耳的阻挡部分，将电池单元夹持在两个固定框的中间。同时在固定框之间设置套设在电池单元上的缓冲环。
由于本技术方案中使用软包电池单元，缓冲环可以为橡胶制成，将缓冲环套设在电池单元上，对电池单元起到缓冲作用，将其夹在两个固定框的中间，保证在使用过程中位置固定不移动，可以达到如下效果：在电池组受到冲击时，可以有效地起到缓冲作用；在电池单元成组过程中，收紧电池模块的过程中，保护软包电池单元不受挤压。
作为优选，电池模块上还设置温度传感器。当电池组发生异常时，温度传感器可以监测到电池单元的温度参数变化。电池组在正常工作时，其各项参数都是稳定的，一旦发生故障后，电池组内的某个电池单元可能会发生膨胀，温度急剧上升，在电池组内设置温度传感器可以检测这些变化，并且在温度传感器预设几组对比数值，可以根据温度传感器的检测结果对电池组作出相应的调整，例如使得电池组从供电电路中断路或者减小电池组的放电电压等。
作为优选，温度传感器设置在电池模块的极耳处。对于软包电池来说，其发热量最大的部位位于极耳周围，若其发生故障，温度变化最为剧烈的也是这个部位，将温度传感器设置在电池模块的极耳处可以在电池单元发生异常的初期就发现，在及时做出补救措施之后，可以避免危险的扩散，保证电池组的安全。
作为优选，所述电池模块两端极耳的位置设置线束部件，线束部件上设置线束通道，从电池模块上引出的采样线束从线束通道内穿过，比如温度传感器线束等。
作为优选，所述电池单元的极耳两端均设置固定框，固定框上设置夹持电池单元极耳的阻挡部分，将电池单元夹持在两个固定框的中间；这种设计可以将电池单元夹在固定框中间，使得电池单元保持较好的稳定性，并且使得极耳露出，便于连接。
作为优选，所述固定框之间设置缓冲环，所述缓冲环套设在电池单元上。
本发明中使用软包电池单元，缓冲环为橡胶制成，将缓冲套套设在电池单元上，对电池单元起到缓冲作用，将其夹在两个固定框的中间，保证在使用过程中位置固定不移动，可以达到如下效果：在电池组受到冲击时，可以有效地起到缓冲作用；在电池单元成组过程中，收紧电池模块的过程中，保护软包电池单元不受挤压。
作为优选，所述电池模块的两个端面分别设置缓冲垫。
电池组在充电时会发生膨胀，在电池模块的两个端面分别设置缓冲垫可以起到缓冲的作用，避免将电池箱胀破后发生事故。
作为优选，所述箱体的外壁上设置数根纵向加强筋。
当电池箱由铝合金制成时，在箱体的外壁上设置数根纵向加强筋可以增加电池箱的强度，加强抗压和抗扭曲能力，同时也增大了箱体的表面积，优化了散热性能。当电池箱由强度较高的不锈钢制成时，箱体外壁上可以不另设置加强筋。
作为优选，所述箱体的外表面设置防爆槽，所述防爆槽的切口深度为箱体壁厚度的20%～50%。
作为优选，所述防爆槽包括U型槽。
当电池组内部发生异常，体积急剧膨胀的时候防爆槽，比如U型槽，可以在达到箱体破裂压力前提前破开以达到泄压的目的，并且可以引导爆破方向，从而避免电池箱的内压积聚过大而发生更剧烈的爆炸，同时也可防止端板与箱体分离被炸飞。
作为优选，所述箱体上设置与两块盖板连接的柔性连接条。
箱体上设置柔性连接条，柔性连接条的另一端固定在盖板上，并且两块盖板均通过柔性连接条与箱体连接，当电池箱内压过大，防爆槽也不能完全保证不发生爆炸时，为防止端板被炸飞伤及人员，柔性连接条能够将端板牢牢锁住，即使电池箱爆炸也能保证端板不炸飞，进一步提升电池组的安全性能。
附图说明
图1是电池模块的结构示意图；
图2是电池模块的集流片的结构示意图；
图3是Z字型电池模块的俯视图；
图4是本发明的一种实施方式的电池模块的结构示意图；
图5是本发明的一种实施方式的电池模块的爆炸图；
图6是本发明的一种实施方式的电池模块的结构示意图；
图7是本发明公开的一种实施方式的电池箱的结构示意图；
图8是本发明公开的一种实施方式的电池箱的爆炸图；
其中1、电池模块，11、电池单元，2、集流片，21、铜片，22、铝片,23、焊接槽，12、固定框，13、线束部件，132、线束通道，14、缓冲环，15、温度传感器，16、密封片， 3、电池箱， 33、加强筋，34、箱体，35、盖板，36、柔性连接条，37、U型槽。
实施方式
实施例1
如图1至图3所示，本实施例提供一种电池模块1，包括电池单元11和集流片2，电池单元11设置正极极耳及负极极耳，正极极耳及负极极耳分别位于电池单元11的相对两端，电池单元11的正极极耳为铝箔极耳，负极极耳为铜箔极耳，集流片2为组合式集流片，集流片2由铝片22和铜片21组合而成，铝片22和铜片21之间铆接固定，铝片22和铜片21上分别设置焊接槽23。
在组装电池模块1的过程中，首先将电池单元11串联连接，把需要串联的电池单元11的铝箔极耳焊接在铝片22的焊接槽23上，将铜箔极耳焊接在铜片21的焊接槽23上，使得电池模块中的电池单元首尾连接形成Z字型。
此实施例的优点在于超高的能量密度和电池组结构的稳定性；本实施例中电池组的长为14dm、宽为4.3dm、高为1dm，电池组由3并，96串电池单元组成，电池单元中极片的长为3.6dm、宽为0.8dm、厚为0.036dm，电池箱3的容量为14*4.3*1=60L，电池组中所有极片体积为3.6*0.8*0.036*3*96=30L，故EVR为30/60=50%，远大于背景技术中Tesla使用的EVR仅为25.2%的电池组，在极片隔膜等材料完全一致前提下，极大提高了电池组的能量密度。
实施例2
如图1至图4所示，本实施例提供一种电池模块1，包括电池单元11和集流片2，电池单元11设置正极极耳及负极极耳，正极极耳及负极极耳分别位于电池单元11的相对两端，电池单元11的正极极耳为铝箔极耳，负极极耳为铜箔极耳，集流片2为组合式集流片，集流片2由铝片22和铜片21组合而成，铝片22和铜片21之间铆接固定，铝片22和铜片21上分别设置焊接槽23；电池单元1的长宽比为4:1。
在组装电池模块1的过程中，首先将三个同样的电池单元11并联连接，把需要并联的电池单元11的铝箔极耳焊接在铝片22的焊接槽23上，将铜箔极耳焊接在铜片21的焊接槽23上。然后再将并联好的电池单元的铜箔极耳焊接在上一个并联好的电池单元正极集流片的铜片21的焊接槽23上，铝箔极耳焊接在下一个并联好的电池单元正极集流片的铝片22的焊接槽23上。使得电池模块中并联后的电池单元首尾连接形成Z字型。
电池模块1的末端均设置固定框12，将电池单元夹持在两个固定框12的中间，同时在固定框12之间设置套设在电池单元上的缓冲环14，固定框12上设置夹持电池单元极耳的阻挡部分。
此实施例的优点在于保证较高的能量密度情况下，设计的缓冲结构使得电池组具备一定的防震和抗冲击能力。
实施例3
如图1至图8所示，本实施例提供一种电池模块1，包括电池单元11、集流片2和电池箱，盖板将电池箱的开口密封，箱体34的外壁上设置数根纵向加强筋33，箱体34和盖板35之间设置缓冲环14和密封片16，电池单元11设置正极极耳及负极极耳，正极极耳及负极极耳分别位于电池单元11的相对两端，电池单元11的正极极耳为铝箔极耳，负极极耳为铜箔极耳，集流片2为组合式集流片，集流片2由铝片22和铜片21组合而成，铝片22和铜片21之间铆接固定，铝片22和铜片21上分别设置焊接槽23；箱体34的外表面设置切口深度为箱体34壁厚度的20%的U型槽37；箱体34上设置与盖板35连接的柔性连接条36；电池单元1的长宽比为4:1。
在组装电池模块1的过程中，首先将三个同样的电池单元11并联连接，把需要并联的电池单元11的铝箔极耳焊接在铝片22的焊接槽23上，将铜箔极耳焊接在铜片21的焊接槽23上。然后再将并联好的电池单元的铜箔极耳焊接在上一个并联好的电池单元正极集流片的铜片21的焊接槽23上，铝箔极耳焊接在下一个并联好的电池单元正极集流片的铝片22的焊接槽23上。使得电池模块中并联后的电池单元首尾连接形成Z字型；相邻电池单元11之间设置表面积大于电池单元11的铝制隔片，隔片上设置条形凹凸纹。
电池模块1的末端均设置固定框12，将电池单元夹持在两个固定框12的中间，同时在固定框12之间设置套设在电池单元上的缓冲环14，固定框12上设置夹持电池单元极耳的阻挡部分；固定框之间设置缓冲环，缓冲环套设在电池单元上，电池模块的两个端面分别设置缓冲垫。
电池模块1上还设置温度传感器15，温度传感器15设置在电池模块1的极耳处，当电池组发生异常时，温度传感器15可以监测到电池单元的温度参数变化。电池模块1两端极耳的位置设置线束部件13，线束部件13上设置线束通道132，从电池模块1上引出的采样线束从线束通道132内穿过。
此实施例的优点在于保证较高的能量密度情况下，同时可以提供对电池模块温度的检测，更有利于提高电池模块的安全性能。

Claims (15)

1.一种电池模块，包括电池单元和集流片，所述电池单元设置正极极耳及负极极耳，所述正极极耳及负极极耳分别位于电池单元的相对两端，相邻的电池单元通过集流片串联或并联连接形成Z型排列，所述电池单元的长宽比为2:1至8:1；所述电池单元的正极极耳为铝箔极耳或铜箔极耳，负极极耳为铜箔极耳或铝箔极耳，且单个电池单元的正极极耳和负极极耳的材料不相同，所述集流片为组合式集流片，所述集流片由铝片和铜片组合而成；所述铝片和铜片之间铆接固定或焊接固定；所述铝片和铜片上分别设置焊接槽；所述铜箔极耳焊接在铜片的焊接槽上，所述铝箔极耳焊接在铝片的焊接槽上。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于：所述电池单元的长宽比为4:1至6:1。
3.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于：所述相邻电池单元之间设置隔片，所述隔片的表面积大于电池单元的表面积。
4.根据权利要求3所述的电池模块，其特征在于：所述隔片上设置凹凸纹，所述凹凸纹分布在整个隔片上。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其特征在于：所述凹凸纹选自菱形凹凸纹、方形凹凸纹、三角形凹凸纹、条形凹凸纹和橘纹中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于：所述电池模块上还设置温度传感器，温度传感器设置在电池模块的极耳处。
7.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于：所述电池模块两端极耳的位置设置线束部件，线束部件上设置线束通道。
8.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于：所述电池单元的极耳两端均设置固定框，固定框上设置夹持电池单元极耳的阻挡部分，将电池单元夹持在两个固定框的中间。
9.根据权利要求8所述的电池模块，其特征在于：所述固定框之间设置缓冲环，所述缓冲环套设在电池单元上。
10.根据权利要求1所述的电池模块，其特征在于：所述电池模块的两个端面分别设置缓冲垫。
11.根据权利要求1至10任一所述的电池模块，其特征在于：所述电池模块被设置在电池箱内，所述电池箱的开口由盖板密封。
12.根据权利要求11所述的电池模块，其特征在于：所述电池箱的外壁上设置数根纵向加强筋。
13.根据权利要求11所述的电池模块，其特征在于：所述电池箱的外表面设置防爆槽，所述防爆槽的切口深度为电池箱壁厚度的20％～50％。
14.根据权利要求13所述的电池模块，其特征在于：所述防爆槽包括U型槽。
15.根据权利要求11所述的电池模块，其特征在于：所述电池箱上设置与盖板连接的柔性连接条。
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