CN102047471A - 电池系统的改进或与电池系统有关的改进 - Google Patents

Abstract

为在包括多个电池的电池模块内的电池提供连接，并且还提供多模块电池系统中模块之间的连接，所述连接器设计为能够改善电池系统的通风，以最小化过热和电池失效，增加在临界电池失效的情况下对短路危害的抵抗力，并且还能提供适当的绝缘。还提供电池系统及其应用，尤其是其在电池供电的移动体中的应用。

Description

电池系统的改进或与电池系统有关的改进

技术领域

本发明涉及电池的改进或与电池有关的的改进，具体地涉及用于为移动体提供电力的电池组。

背景技术

目前，从环境方面和经济方面考虑，都逐渐需要抛弃矿物燃料驱动的车辆。汽油驱动或柴油驱动的内燃机由于不期望的气体排放及微粒排放物的产生，是产生严重环境污染的原因。燃料价格的增长和获得原料的最终限制也需要替代的电源的发展。

电池驱动的车辆是已知的，多年来送奶车和高尔夫球车一直是电池驱动的。然而，所需的电池系统非常沉重和笨重，并且需要大量空间。在需要充电之前，电池寿命也是有限的。最近，出现了混合动力汽车例如Toyota出产的Prius。这些混合动力汽车能够依靠矿物燃料或电池提供的电力工作，并且它们能够从一种电源切换到另一种电源。但是，电池寿命是有限的，并且需要频繁地通过在矿物燃料运行期间产生的能量进行充电。另一个缺点在于电池系统依然很沉重和笨重，并且在汽车结构内部需要足够的空间来容纳电池系统。

发明内容

本发明提供克服上述缺点的改进的电池系统。

在本申请中，术语“电池”指单个电池；术语“模块”指安装在一起以提供发电单元的几个电池，以及术语“系统”指链接在一起作为整个发电单元的几个模块。为了在足够的时间内产生充足的电力，几个模块可以组装在一起。例如，可以通过将电池串联连接在一起产生电压，而可以通过将电池并联在一起产生容量(储能量)。首尾相接结构表示安装模块使得一个模块中的电池正极端(首端)连接到相邻模块中的电池负极端(尾端)。

作为示例，如果使用电压为3.2伏特的电池组装成电池系统，则10个电池可以串联连接提供32伏特的模块。如果电池还具有1.6Ah的容量，那么并联连接10个电池将提供16Ah的容量。然后电压和电流的乘积是储能。再例如，如果需要大约45千瓦时的储能，则可以使用包括在每个模块中并联106个电池并且84个模块采用首尾相接结构串联的系统。在这种方式中，如果每个电池是3.2伏特和1.6Ah，则系统提供106×1.6Ah＝169.6Ah和84×3.2伏特＝268.8伏特。作为电压和电流的乘积的容量是45588瓦时或45.588千瓦时。

本发明关于改进这种电池系统的组装和效力。难点可能在于组装这种系统和保证模块内电池之间和系统内模块之间的充分电气连接。此外，难点还可能在于系统内的模块内可能引起过热的产生，可能引起火灾和腐蚀材料的释放。

本发明应用于任何类型的多电池系统。电池合宜地彼此并联安装到模块中，它们合宜地是圆柱形、棱柱形或聚合体，并安装使得每个电池的正极端在模块的同一端。采用几个模块的情况优选地将它们以首尾相接的结构安装。然后有必要保证模块内电池之间良好的电气连接以提供所需电压，以及模块之间良好的电气连接以建立所需要的电流，两种电气连接的结合保证提供整个容量。提供充分的绝缘以防止电池和/或模块短路也是很重要的。

因此本发明提供一种电池系统，其包括至少两个模块，每个模块中的电池并联安装，并且模块以首尾相接的结构安装，其中通过模块之间的连接板提供模块之间的导电性，该连接板在与模块内电池端部相对应的位置上具有孔。

在本发明的另一个实施例中，提供一种系统，其用于多个电池的电气连接以形成包括板的模块，该板具有用于建立电池之间电气连接的装置，其中该板具有通风装置，借助该通风装置，流体或气体可以从模块中电池周围流过。

在一优选实施例中，该板包括位于与电池的正极和/或负极端的位置对应的位置的一串孔，并利用穿过这些孔的金属条建立连接。在另一实施例中，该条不覆盖这些孔的整个表面，通过这种方式可以在条的边缘提供间隙，从而允许流体流过模块的轴。此外或可替换地，板可以具有其它孔以允许通风。在模块由几个彼此临近设置的圆柱形电池组成的实施例中，可以在板中提供其它的孔，以与相邻电池之间形成的通道的端部相符。

在另一实施例中，流体或气体是空气，并提供风扇以沿模块的轴驱动空气，并且在一优选实施例中，贯穿电池系统驱动空气。利用这种方式，电池系统是可控的，如果电池失效，可能产生的任何废气都能够被移走。利用这种方式，提供更为安全的系统，该系统不会由于单个电池的失效而失效。

可以将连接器板连接到模块的两端，并且该板可以具有相邻板可以借其互相固定以形成电池系统的装置。模块可以合宜地用螺栓固定在一起，因为这样允许在一次处理中实现所需的机械和电气组装。在另一优选实施例中，提供导电垫片，以在模块之间形成小的间隙，从而允许排空(vent)特别是可能由于电池失效而产生的逐步形成的任何压力。优选的是0.5mm至2.0mm的间隙，更优选的是1mm至1.5mm的间隙。合宜地，垫片可以由钢或铜制成。对于大功率电池系统来说，我们优选具有通风孔的垫片。

首尾相接的结构还有助于减小模块边缘的短路风险。而且，如果模块失效，也易于卸掉螺栓并更换。此外，可以容易地提供连接装置例如夹片或支架，以将电池系统固定在所需位置。如果整个电池系统包括安装在不同位置的两个或更多个电池的系统，还可以提供接触点用于连接两个或更多个电池的系统。

使用本发明的连接器板还具有其它益处，该板可以作为将热量从电池带走的热沉，使能量可以消散到周围环境中。

本发明的连接系统中采用的板应该是导电材料，以便当两个模块彼此连接在一起时确保它们之间良好的电气接触。铜由于其高导电性而成为制造该板尤其优选的金属。然而，铜并不是形成接触电池端部的金属条的适宜材料，因为必需将该条点焊到电池的顶部接触而铜又不可焊接。我们发现镍或某些镍合金是制造连接器条的适宜材料。

因此，在另一实施例中，本发明提供一种用在电池模块中的连接器板，其包括具有一串孔的铜板，这些孔位于与电池模块内的电池的正极和/或负极端接触点相对应的位置，该板具有桥接但是不覆盖孔的连接器条，所述条可焊接到电池的上端以与电池建立电气接触，并且调节其尺寸使得能够在条的边缘和孔的圆周之间提供间隙。

用于形成当前的承压板的材料和可焊接地连接到电池的顶部的材料的不同特性在接合所述材料中产生问题。我们发现超声焊接是将两种不同材料接合的有效方法，而不会产生如我们在一同提出的申请PAAJBA778中所描述的热熔合焊接(heat based fusion weld)。超声焊接在进行焊接的地方产生两种材料的合金混合。同样重要的是不需要第三种粘合介质，例如焊料。而且，形成这种接合的超声方法提供低阻抗和高质量的接合。

在另一实施例中，本发明提供一种电池模块，其具有如前所述的连接到其的连接器板。在另一实施例中，本发明提供一种电池系统，其包括多个连接到一起的模块，其中通过连接器板(可选择地与垫片一起)建立了模块内的电池模块之间的电气接触和模块之间的电气接触。

在另一实施例中，在系统内提供适当的电气绝缘以防止系统短路。如果系统包括彼此并排运行(run alongside)的模块，那么绝缘是尤其有用的，并且在电池的顶部周围也是有用的，以防止电池系统壳的两个元件与用于接合多个电池的板之间的短路。绝缘可以减小短路的可能性并限制模块失效的影响。能够使用的适合绝缘材料的示例是天然橡胶和合成橡胶以及耐温的电绝缘材料例如云母，可替换地，可以使用起泡灵(fomex)膜材料，其可以通过双面胶固定在板组件上。尤其优选的是合成橡胶，例如聚丁二烯、丙烯腈丁二烯共聚物等能够制成片材和打孔(die cut)的材料，使得它们能够与模块和连接板组装在一起，以提供所需的电池系统内的绝缘。

本发明适用于任何类型和尺寸的电池以及包括任何数量电池的模块。其可以适用于镍镉、有时已知为镍氢的镍金属氢、铅酸和锂离子电池，其可以是钴、锰或磷酸盐离子。电池通常是圆柱形或棱柱形或聚合体，并且可以根据电池系统应用的用途来选择单个电池的容量。

在另一实施例中，本发明提供一种电池系统，其包括由前述连接器板连接在一起的多个模块，还提供一种前述的绝缘片。当绝缘片由连接器板提供时，优选地，绝缘片被成形为保持通风系统，因此不应该覆盖电池之间的间隙或连接器条的边缘与在连接器板中形成的孔的圆周之间具有的间隙。

本发明适用于设计为产生任何功率输出的电池系统。它还适用于基于不同尺寸和容量的电池的系统，以及适用于包括不同数量电池的模块。可以根据所需的功率输出选择电池的容量、模块内电池的数量以及系统内模块的数量。例如为驱动轻型车辆如高尔夫球车、送奶车和轻型汽车所需的功率输出与驱动重型汽车和重型货车相比需要的不同的功率输出。而且，如果电池系统用作其可在混合动力汽车运行时由另一电源充电的汽车的电源元件，与如果电池系统用作唯一的电源相比，需要不同的功率输出。此外，是否需要通风取决于所需的功率输出；低功率全电动汽车例如高尔夫球车、送奶车和轻型汽车可以不需要通风。更高功率的混合动力汽车或插电式混合动力汽车(plug in hybrid vehicle)中冷却(通风)孔和流体流动是重要的。

给定的功率需求表示为“C”额定值。如果电池容量为40KWh，并且能够为40KW的电动机供电，那么应用的额定牵引功率(power draw)为1C。如果用于同样应用的是80KWh的电池，牵引功率将是C/2。如果20KWh的电池为40KW的电动机供电，那么应用的额定值为2C。典型地，高功率电动汽车，例如具有大约30C的额定值的混合动力汽车(HEV)，具有大约30C的额定值。插电式混合动力汽车(PHEV)具有5C至10C的额定值，而电动汽车(EV)典型地具有1C至5C的额定值，更典型地具有1C至2C的额定值。

此外，根据车辆的性质可能需要系统再充电之间的不同的系统寿命。另一个需要考虑的问题是本发明的电池系统的重量应该选择为对汽车速度具有最小影响，并且当电池系统用于混合动力汽车时燃料消耗的增加最小。本发明的电池系统具有下述优点，即可以灵活选择可以用在模块中的电池的数量、容量和尺寸，以及可以采用的模块的数量。

用于为移动体供电的传统电池系统很庞大，并且需要在移动体内提供特殊的定位器。本发明的模块化系统具有其它优点，即模块或批量模块可以位于移动体内的不同位置，并且它们可以通过配线连接以保证整个电池系统的所需输出。通过这种方式，可以节省移动体结构内的空间。例如，模块或批量模块可以在驱动轴周围和其它类似的位置被安装到移动体的不同的结构元件上，例如车架纵梁(frame rail)和支柱。在优选实施例中，在优选的玻璃纤维强化塑料的箱体中提供电池系统，以提供必要的强度和绝缘，并能承受由于电池系统运行而产生的能达到160℃的温度。

同时，本发明尤其适用于电池供电的车辆，并且关于其在电池供电的车辆中的用途，描述了其能够用在任何使用电池功率的环境中。可以使用本发明的其它环境的实例包括由于固定及备用功率、工业电池应用、航空电池、用于空间和勘测的电池、潜水艇和船载电池系统、无线电通信和便携式功率应用。

附图说明

以参照附图但不限于附图的方式例示本发明，其中：

图1示出了根据本发明的连接器板；

图2示出了图1的连接器板，其具有金属条以与模块内的电池建立电气连接；

图3示出了与图1相似的连接器板，但设计为与包含大量电池的模块一同使用；

图4示出了连接到电池模块的图2的连接器板；

图5示出了连接到模块的图3的连接器板；

图6示出了三个图4中所示的电池模块，其以首尾相接的结构组装以提供电池系统；

图7示出了三个图3中所示的模块，其以首尾相接的结构组装以提供电池系统；

图8示出了一种绝缘片，其可以用在如图6所示的电池系统中；

图9示出了在一个箱体中包括几个模块的电池系统。

具体实施方式

图1示出了铜连接器板(1)，其具有一串孔(2)，电池的正极端穿过孔(2)暴露。板(1)具有臂(3)，其能够用于配线连接等。图2示出了图1所示的连接器板(1)的背面，其具有含镍的金属连接器条(4)、(5)和(6)，这些连接条连接到板(1)，并且当将板被安装到模块上时会接触电池的正极端。

图3示出了与图1的板(1)相似的并具有一串孔(2)的更大的连接器板(7)。

图4示出了可以如何将24个电池(8)安装为在模块的前端带有如图2所示的连接器板的模块，连接器板连接电池的正极端。在模块的后端提供如图1所示的连接器板，以准备提供与第二模块的连接。图5示出了图3所示的连接器板可以如何用于建立96个电池的模块。

图6示出了三个图4所示的模块如何能够以首尾相接的方式串联连接，以提供72个电池的电池系统。类似地，图7示出了三个图5所示类型的模块如何能够通过螺栓(9)连接在一起以提供如下电池系统，该电池系统本身具有在所需位置连接电池系统的连接装置(10)。在模块之间提供1mm的小间隙以在压力增加时允许通风。

图8示出了一种云母绝缘片(11)，用于图1、2、4和6中所示的连接器板。绝缘片(11)具有与图1的连接器板上的孔(2)相对应的一串孔(12)。

图9示出了一种电池系统，其包括如图7所示的几个模块，这些模块安装在例如移动体内的箱体(13)中，并且具有插座(14)，用于连接插头(未示出)以使能够从系统传送电力。

Claims (24)

1.一种电池系统，其包括至少两个模块，每个模块中的电池并联安装，并且所述模块以首尾相接的方式安装，其中通过所述模块之间的连接板提供所述模块之间的电气传导，所述连接板在与所述模块内的电池的端部相对应的位置具有孔。

2.一种用于将多个电池电气连接以形成模块的系统，所述模块包括具有用于建立电池之间的电气连接的装置的板，其中所述板具有通风装置，通过该通风装置，流体或气体可以从所述塻块中所述电池周围流过。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述板包括位于与所述电池的正极端的位置相对应位置的一串孔，并且利用穿过所述孔的金属条建立所述连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述条不覆盖所述孔的整个表面。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其中所述流体或气体是空气。

6.根据前述权利要求的任一项所述的系统，其中提供风扇以沿所述模块的轴驱动流体。

7.根据前述权利要求的任一项所述的系统，其中所述板由铜制成。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的系统，其中所述连接器条由镍或含镍金属制成。

9.一种用在电池模块中的连接器板，其包括铜板，该铜板具有位于与所述模块内的电池的正极和/或负极端对应位置的一串孔。

10.一种电池模块，具有一个或更多个根据权利要求9所述的连接器板。

11.一种电池系统，其包括连接在一起的根据权利要求10所述的多个模块，其中通过根据权利要求9所述的连接器板建立模块内电池之间的电气接触及模块之间的电气接触。

12.根据权利要求11所述的电池系统，其中在所述系统内提供适当的电气绝缘以防止所述系统短路。

13.根据权利要求11或12所述的电池系统，其中所述电池选自镍镉、铅酸和锂离子电池，其中所述离子选自钴、锰或磷酸盐。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的电池系统，其中在所述模块之间提供导电垫片。

15.根据权利要求14所述的电池系统，其中所述垫片由铜或钢制成。

16.根据前述权利要求的任一项所述的电池系统，其中提供用于连接所述电池系统的连接器板的附加装置。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的电池系统的应用，用于为机动移动体提供电力。

18.根据权利要求17所述的应用，其中所述移动体是EV，并且所述电池系统具有1C至5C的额定值。

19.根据权利要求17所述的应用，其中所述移动体是PHEV，并且所述电池系统具有5C至10C的额定值。

20.根据权利要求17所述的应用，其中所述移动体是HEV，并且所述电池系统具有大约30C的额定值。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的应用，其中所述机动移动体是汽车、公共汽车或卡车。

22.一种机动移动体，其由根据权利要求11至16中任一项所述的电池系统供电。

23.根据权利要求22所述的移动体，其选自EV、PHEV和HEV。

24.根据权利要求22或23所述的机动移动体，其包括汽车、公共汽车或卡车。

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