專利名稱：安全性提高的電池模塊和含有所述電池模塊的中型或大型電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安全性提高的電池模塊，更具體地，涉及高功率、大容量的電池模塊， 所述電池模塊包括相互串聯(lián)的多個電池單元或單位模塊，使得所述電池單元或單位模塊在 堆疊的同時彼此緊密接觸或彼此相鄰，其中將所述電池模塊固定，使得即使在所述電池單 元或單位模塊在充電和放電時所述電池單元或單位模塊的體積發(fā)生變化時，所述電池單元 或單位模塊仍保持堆疊狀態(tài)，并且在所述電池單元之間或所述單位模塊之間電極終端連接 區(qū)域的一部分相對于電池單元或單位模塊的體積膨脹而言較弱，使得因電池單元脹大而產(chǎn) 生的膨脹應(yīng)力集中在電極終端連接區(qū)域上，由此在脹大超過預(yù)定值時，電極終端連接區(qū)域 斷裂，因此在電極終端連接區(qū)域處發(fā)生電斷開。
背景技術(shù)：
隨著移動裝置的日益發(fā)展和對這種移動裝置需求的增加，對作為移動裝置電源的 二次電池的需求也急劇增加。其中，關(guān)于具有高能量密度和高放電電壓的鋰二次電池，已經(jīng) 對其進(jìn)行了大量研究，且其現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化并且廣泛使用。作為動力驅(qū)動裝置如電動自行車(E-自行車)、電動車輛(EV)或混合電動車輛 (HEV)的能源、以及移動無線電子裝置如移動電話、數(shù)字照相機、個人數(shù)字助理(PDA)和膝 上型電腦的能源，二次電池已經(jīng)引起了極大關(guān)注。其中包裝了電池單元的小型電池組用于小型裝置，如移動電話和數(shù)字照相機。另 一方面，其中包裝了電池組、而該電池組包括彼此并聯(lián)和/或串聯(lián)連接的兩個或多個電池 單元(下文中有時稱作“多單元”)的中型或大型電池組用于中型或大型裝置，如膝上型電 腦和電動車輛。如前所述，鋰二次電池展現(xiàn)出優(yōu)異的電力性能；然而，鋰二次電池的安全性差。例 如，當(dāng)鋰二次電池發(fā)生反常操作如過充、過放、暴露于高溫下、以及電短路時，作為電池組分 的活性材料和電解質(zhì)會發(fā)生分解，導(dǎo)致產(chǎn)生熱和氣體，且由所產(chǎn)生的熱和氣體造成的高溫 和高壓條件會加速上述分解。最終，可能發(fā)生燃燒或爆炸。鑒于此，鋰二次電池設(shè)有安全系統(tǒng)，如用于在電池過充、過放、或過電流期間中斷 電流的保護(hù)電路；在電池溫度升高時電阻急劇增大從而中斷電流的正溫度系數(shù)(PTC)元 件；和在壓力因產(chǎn)生的氣體而升高時將電流中斷或排出氣體的安全排氣口。例如，在小型圓 柱形二次電池的情況中，通常將PTC元件和安全排氣口布置在具有陰極/隔膜/陽極結(jié)構(gòu) 的電極組件(發(fā)電元件)頂部，所述電極組件安裝在圓柱形殼內(nèi)。另一方面，在棱柱形或袋 形小型二次電池的情況中，通常將保護(hù)電路模塊和PTC元件安裝在棱柱形殼或袋形殼的上 端，發(fā)電元件以密封狀態(tài)安裝在其中。對于具有多單元結(jié)構(gòu)的中型或大型電池組，鋰二次電池的安全相關(guān)問題要更加嚴(yán) 重。由于在多單元結(jié)構(gòu)的電池組中使用多個電池單元，因此一部分電池單元的反常運行會 引起其他電池單元的反常運行，導(dǎo)致可能發(fā)生燃燒或爆炸，從而可能造成大型事故。鑒于 此，中型或大型電池組設(shè)有安全系統(tǒng)如保險絲、雙金屬和電池管理系統(tǒng)(BMS)，以用于保護(hù)電池單元免于過充、過放和過電流。然而，由于鋰二次電池是連續(xù)使用的，即由于鋰二次電池要連續(xù)進(jìn)行充電和放電， 因此，發(fā)電元件和電連接構(gòu)件逐漸退化。例如，發(fā)電元件退化導(dǎo)致電極材料和電解質(zhì)分解， 從而產(chǎn)生氣體。因此，電池單元(圓柱形、棱柱形或袋形殼)逐漸脹大。在鋰二次電池的正 常狀態(tài)下，安全系統(tǒng)即BMS對過放、過充和過電流進(jìn)行檢測，并控制/保護(hù)電池組。然而，在 鋰二次電池的反常狀態(tài)下，當(dāng)BMS不發(fā)揮作用時，增大了危險的可能性，并難以控制電池組 以確保所述電池組的安全。通常將中型或大型電池組構(gòu)造成將多個電池單元牢固安裝在預(yù) 定殼中的結(jié)構(gòu)。結(jié)果，各個脹大的電池單元，進(jìn)一步在限制性外殼中承壓，因此，在電池組的 反常運行條件下，極大地增加了燃燒或爆炸的可能性。考慮到這種情況，

圖1為典型顯示常規(guī)中型或大型電池組的電路圖。參考圖1，常 規(guī)的中型或大型電池組900包括由多個電池單元構(gòu)成的電池模塊組件500、用于檢測和控 制電池模塊組件500運行的BMS600、以及根據(jù)BMS 600的操作命令而使得電池模塊組件 500與外部輸入和輸出電路(變換器)800相互連接或使得電池模塊組件500與外部輸入和 輸出電路800相互斷開的電源開關(guān)裝置(繼電器)700。所述BMS 600將電源開關(guān)裝置700在電池模塊組件500的正常運行條件下保持為 開的狀態(tài)。當(dāng)檢測到電池模塊組件500反常時，BMS600將電源開關(guān)裝置700轉(zhuǎn)換成關(guān)閉狀 態(tài)，使得電池模塊組件500的充電和放電操作中斷。另一方面，當(dāng)BMS反常運行或不運行時， BMS不進(jìn)行控制，因此，電源開關(guān)裝置700保持為開的狀態(tài)。結(jié)果，即使電池模塊組件500處 于正常操作條件下，所述電池模塊組件500仍繼續(xù)進(jìn)行充電和放電操作。因此，迫切需要一種既能夠從根本上確保中型或大型電池組的安全性，又能解決 上述問題的技術(shù)。發(fā)明概述因此，為了解決上述問題和尚未解決的其他技術(shù)問題，而完成了本發(fā)明。作為為了解決上述問題而進(jìn)行的各種細(xì)致而廣泛的研究和實驗的結(jié)果，本發(fā)明的 發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在電池模塊構(gòu)造成在因電池單元脹大而引起的電池單元體積膨脹的情況 下電池單元之間的電極終端連接區(qū)域的一部分較弱的結(jié)構(gòu)的情況中，因電池單元脹大而引 起的膨脹應(yīng)力集中在弱區(qū)域上，當(dāng)因電池模塊的反常操作如過充、過放或過電流、或因長時 間對電池單元進(jìn)行充電和放電造成電池單元劣化而使得電池單元脹大時，導(dǎo)致電極終端連 接區(qū)域斷裂，因而在電極終端連接區(qū)域處發(fā)生電斷開，從而確保電池模塊的安全性達(dá)到期 望的水平。因此，本發(fā)明的目的是提供一種特定結(jié)構(gòu)的電池模塊以提高安全性、以及包括所 述電池模塊的中型或大型電池組。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，通過提供高功率、大容量的電池模塊能夠?qū)崿F(xiàn)上述和其 它目標(biāo)，所述電池模塊包括相互串聯(lián)的多個電池單元或單位模塊，使得所述電池單元或單 位模塊堆疊且相互緊密接觸或相互相鄰，其中所述電池模塊被固定，使得即使在對電池單 元或單位模塊充電和放電時候電池單元或單位模塊的體積變化時，仍保持所述電池單元或 單位模塊的堆疊狀態(tài)，并且在電池單元或單位模塊體積膨脹的情況下，電池單元之間或單 位模塊之間電極終端連接區(qū)域的一部分較弱，使得因電池單元脹大而引起的膨脹應(yīng)力集中 在該電極終端連接區(qū)域上，因此當(dāng)脹大超過預(yù)定值時，電極終端連接區(qū)域斷裂，因而在電極終端連接區(qū)域處發(fā)生電斷開。在構(gòu)造成電池單元或單位模塊堆疊的結(jié)構(gòu)的電池模塊中，如前所述，因為電池模 塊的反常操作如過充、過放或過電流、或者因電池單元長時間充電和放電而引起的電池單 元劣化而造成的電池單元脹大，使得電池單元膨脹，且電池單元的膨脹造成電池模塊燃燒 和爆炸。鑒于此，本發(fā)明的電池模塊被構(gòu)造成在電池單元脹大時電池單元體積膨脹的情況 下，電池單元之間或單位模塊之間的電極終端連接區(qū)域弱的結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)脹大超過預(yù)定值 如極限值時，膨脹應(yīng)力集中在電極終端連接區(qū)域上，由此電極終端連接區(qū)域發(fā)生物理變形 如斷裂。通過電極終端連接區(qū)域的斷裂，電極模塊的電連接中斷，因此充電和放電操作停 止，從而限制了電池單元或單位模塊的進(jìn)一步脹大。因此，阻止了電池模塊的燃燒或爆炸， 由此大大提高了電池模塊的安全性。在示例性實施方案中，構(gòu)成本發(fā)明電池模塊的電池單元或單位模塊被殼覆蓋，并 在與電極終端連接區(qū)域相對應(yīng)的殼的預(yù)定區(qū)域處形成部分開口或槽口，所述連接區(qū)域在電 池單元過度脹大時發(fā)生斷裂。也就是，將與電極終端連接區(qū)域相對應(yīng)的殼的部分形成開口 或槽口形狀，其在膨脹應(yīng)力下弱，使得電池單元脹大所引起的電池單元的過多膨脹應(yīng)力集 中在與電極終端連接區(qū)域相對應(yīng)的開口區(qū)域或槽口區(qū)域上。所述殼可以為高強度殼或密封構(gòu)件。作為后者的實例，將多個電池單元或單位模 塊安裝在預(yù)定的框架構(gòu)件中，并將密封構(gòu)件安裝在所述框架構(gòu)件的外部。當(dāng)所述密封構(gòu)件 由絕熱材料制成時，可限制因電池單元或單位模塊的一部分暴露在外部而引起的電池單元 或單位模塊之間的溫差。對于通過切去部分而暴露的電極終端連接區(qū)域或位于與槽口部分相對應(yīng)位置處 的電極終端連接區(qū)域來說，充分具有在電池單元或電池模塊發(fā)生脹大時引起期望的電斷開 的尺寸。因此，所述電極終端連接區(qū)域可整體暴露?；蛘撸梢詢H暴露所述電極終端連接區(qū) 域的一部分。在本說明書中，未對所述槽口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊限制，只要在電池單元或電池模塊 脹大時所述槽口易于斷裂即可。例如，所述槽口可以構(gòu)造成通過將與電極終端連接區(qū)域相 對應(yīng)的殼或密封構(gòu)件區(qū)域的一部分部分切割成狹縫形狀而形成的結(jié)構(gòu)，或者厚度相對小的 薄且長的凹槽結(jié)構(gòu)。作為所述結(jié)構(gòu)的具體實例，各個單位模塊包括電池單元和一對高強度的單元蓋， 所述電池單元具有相互串聯(lián)連接的電極終端且被構(gòu)造成電極終端之間的連接部分發(fā)生彎 曲的堆疊結(jié)構(gòu)，所述單元蓋相互連接以覆蓋除了電極終端之外的電池單元的外表面，并在 與電極終端連接區(qū)域相鄰的至少一個單元蓋的預(yù)定區(qū)域處，形成切去部分或槽口部分，所 述切去部分或槽口部分的構(gòu)型在電池單元脹大時會誘發(fā)電池單元的局部變形。例如，可通過高強度的單元蓋(cell cover)來覆蓋電池單元，從而構(gòu)造單位模塊， 所述單元蓋由合成樹脂或金屬制成。所述高強度單元蓋用于保護(hù)表現(xiàn)出低強度的電池單 元，同時用于限制在電池單元充電和放電期間所述電池單元反復(fù)膨脹和收縮的變化，由此 防止各自的電池單元的密封區(qū)域破壞。在與電極終端連接區(qū)域相鄰的至少一個單元蓋的一 部分處，形成期望形狀的切去部分或槽口部分，使得因電池單元脹大而造成的膨脹應(yīng)力集 中在與單元蓋的切去部分或槽口部分相對應(yīng)的電極終端連接區(qū)域上。
例如，所述電池模塊可包括各自包括板狀電池單元的多個單位模塊，所述電池單 元各自具有在電池殼前側(cè)和后側(cè)形成的電極終端。在這種結(jié)構(gòu)中，單位模塊可以以下述結(jié) 構(gòu)安裝在所述殼中單位模塊直立在橫向上且相互隔開預(yù)定的距離，使得冷卻劑能夠流過 所述空間以冷卻所述單位模塊的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，可以在最外面單位模塊的單元蓋處 形成所述切去部分或槽口部分。因此，因電池單元的反常操作而引起的電池單元的膨脹應(yīng) 力集中在最外面單位模塊的單元蓋處形成的切去部分或槽口部分上，導(dǎo)致最外面單位模塊 的電池單元之間的電極終端連接區(qū)域斷裂，由此中斷充電和放電的電連接。根據(jù)電極終端連接區(qū)域的斷裂設(shè)定條件，可改變切去部分或槽口部分的尺寸。優(yōu) 選地，對所述切去部分或槽口部分的尺寸進(jìn)行設(shè)定，使得在電池單元的脹大引起電池單元 的體積增加等于各個電池單元厚度的1. 5 5倍時，電極終端連接區(qū)域斷裂。可根據(jù)所需 電池模塊的安全測試標(biāo)準(zhǔn)來改變所述設(shè)定范圍。然而，當(dāng)所述切去部分或槽口部分的尺寸 太大時，通過所述單元蓋獲得的電池單元的機械強度下降，并在正常操作條件下可能不能 合適地限制電池單元的膨脹。因此，考慮到上述方面，必須將切去部分或槽口部分的尺寸設(shè) 定在適當(dāng)范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種包括如上所述電池模塊的中型或大型電池組。具體地，本發(fā)明的中型或大型電池組包括電池模塊、用于檢測和控制所述電池模 塊運行的電池管理系統(tǒng)(BMS)、以及位于所述電池模塊與外部輸入和輸出電路之間的電源 開關(guān)裝置，所述電源開關(guān)裝置根據(jù)BMS的運行命令使得所述電池模塊與所述外部輸入和輸 出電路相互連接或使得所述電池模塊或所述外部輸入和輸出電路相互斷開。電池模塊與電 源開關(guān)裝置之間的連接在反常運行條件下可不依賴于BMS進(jìn)行中斷。如前面參考圖1所描述的，在常規(guī)中型或大型電池組中，當(dāng)在電池模塊中發(fā)生過 電流或過電壓時，電池模塊與外部輸入和輸出電路之間的連接由BMS控制下的電源開關(guān)裝 置來中斷，因此阻止了因過電流或過電壓引起的安全相關(guān)問題的發(fā)生。然而，當(dāng)BMS反常運行或不運行時，BMS不能控制所述電源開關(guān)裝置，導(dǎo)致反常條 件下的電池模塊連接到外部輸入和輸出電路，從而引起嚴(yán)重的狀況。另一方面，本發(fā)明的中型或大型電池組被構(gòu)造成下述結(jié)構(gòu)其中電池模塊和電源 開關(guān)裝置之間的連接在反常運行條件下可不依賴于BMS進(jìn)行中斷。因此，當(dāng)電池模塊發(fā)生 反常操作如過充、過放、或過電流時，則如前所述，由電池單元脹大所引起的電池單元的膨 脹應(yīng)力造成電極終端連接區(qū)域斷裂并短路，因此中斷電池模塊的電力供應(yīng)。因此，即使在 BMS反常運行或不運行時，仍可阻止電池模塊與外部輸入和輸出電路之間的電傳導(dǎo)。作為參考，可將外部輸入和輸出電路連接到外部裝置如車輛的發(fā)動機或電動裝置 上。例如，所述外部輸入和輸出電路可以為將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的變換器。此外，所述電 源開關(guān)裝置可以為繼電器。在示例性實施方案中，以如下結(jié)構(gòu)來構(gòu)造中型或大型電池組通過框架構(gòu)件固定 多個電池模塊，利用固定到所述框架構(gòu)架上的密封構(gòu)件來覆蓋最外面的電池模塊，且以在 電池模塊脹大時可誘發(fā)電池模塊發(fā)生局部變形的形狀來構(gòu)造的切去部分或槽口部分形成 在與電極終端連接區(qū)域相鄰的密封構(gòu)件的預(yù)定區(qū)域處。也就是，在與電極終端連接區(qū)域相鄰的密封構(gòu)件的預(yù)定區(qū)域處形成預(yù)定形狀的切
7去部分或預(yù)定形狀的槽口部分，使得因電池模塊脹大而引發(fā)的膨脹應(yīng)力集中在密封構(gòu)件的 切去部分或槽口部分上。因此，在各個最外面電池模塊的電池單元或單位模塊之間的電極終端連接區(qū)域， 通過相應(yīng)的切去部分或通過斷裂的槽口部分而擠出到外部。突出的電極終端連接區(qū)域的脹 大體積持續(xù)增大，且當(dāng)脹大體積達(dá)到預(yù)定臨界斷裂值時，電極終端連接區(qū)域斷裂，導(dǎo)致電極 終端之間的連接中斷，由此確保了電池組的安全性。在上述結(jié)構(gòu)中，所述密封構(gòu)件可由絕熱材料制成，從而進(jìn)一步提高電池模塊之間 的均勻性。特別地，所述密封構(gòu)件可由泡沫樹脂制成，從而使電池組的總重量最小化，同時 改善絕熱。作為這種結(jié)構(gòu)的具體實例，電池組包括電池模塊組件，所述電池模塊組件包括多 個矩形電池模塊、和BMS，各個電池模塊包括相互串聯(lián)連接的多個電池單元或單位模塊，在 橫向(垂直方向)和高度方向(水平方向)上由兩個或多個進(jìn)行堆疊使得所述電池單元或 單位模塊通常構(gòu)造成六面體結(jié)構(gòu)(六面體堆)，利用框架構(gòu)件來固定所述六面體堆的外邊 緣，而所述BMS安裝在輸入和輸出終端的定向表面、與所述定向表面相對的表面、或在所述 定向表面一側(cè)的表面上，用于控制所述電池模塊的運行。各個矩形電池模塊中單位模塊的 電池單元排列成與六面體堆的一對相對表面(a，d)平行，并將具有切去部分或槽口部分的 密封構(gòu)件安裝在六面體堆的相對表面(a，d)的至少一個上。在中型或大型電池組中，在垂直方向和水平方向上堆疊多個矩形電池模塊，從而 構(gòu)成六面體堆，并通過框架構(gòu)件來固定所述六面體堆。因此，通常以緊湊和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)來構(gòu) 造中型或大型電池組。此外，在不使用太多構(gòu)件的條件下，實現(xiàn)中型或大型電池組的機械連 接和電連接。如前所述，構(gòu)成六面體堆的各個矩形電池模塊構(gòu)造成其中多個電池單元或單位模 塊彼此串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu)。例如，將兩個或多個板狀電池單元進(jìn)行堆疊來構(gòu)成各個矩形電池 模塊。優(yōu)選地，將兩個或多個單位模塊進(jìn)行堆疊來構(gòu)成各個矩形電池模塊。此外，BMS是控制電池模塊運行的系統(tǒng)，被安裝在放置輸入和輸出終端的表面(終 端定向表面)、所述定向表面的相對表面、或所述定向表面一側(cè)的表面上。因此，可容易地 實現(xiàn)BMS與輸入和輸出終端之間的連接，進(jìn)一步簡化了電連接結(jié)構(gòu)并因此簡化了其組裝工 藝，通過縮短電連接構(gòu)件的長度而阻止了內(nèi)部電阻的升高，并降低了因外部沖擊而造成連 接構(gòu)件短路的可能性。由于各個矩形電池模塊中單位模塊的電池單元排列成與六面體堆的一對相對表 面(a，d)平行以實現(xiàn)高空間利用率，所述矩形電池模塊也排列成與六面體堆的一對相對表 面(a，d)平行，且在安裝在相對表面(a，d)處的密封構(gòu)件處形成切去部分或槽口部分，由此 在電極終端連接區(qū)域處易于引發(fā)脹大電池模塊的局部變形。在上述結(jié)構(gòu)中，可以以各種結(jié)構(gòu)來構(gòu)造用于固定六面體堆外邊緣的框架構(gòu)件，所 述六面體堆由矩形電池模塊構(gòu)成。例如，所述框架構(gòu)件可以構(gòu)造成其中多個框架件整體上 相互連接而使得各個框架件固定六面體堆的12個邊中相應(yīng)一邊的結(jié)構(gòu)、或其中多個框架 整體上相互連接而使得各個框架固定六面體堆同一平面上至少四個邊的結(jié)構(gòu)。具體地，將固定位于六面體堆橫向的相對側(cè)上四個邊的框架，構(gòu)造成整合結(jié)構(gòu)，并 將其余的單個框架件連接到所述整合框架上。例如，在這種連接結(jié)構(gòu)中，通過兩個單個框架件固定上排的矩形電池模塊，通過其余兩個單個框架件固定下排的矩形電池模塊，并將這 兩個整合的框架連接到四個單個框架件上。以此方式，可容易地實現(xiàn)制造電池模塊組件，由 此提高制造效率。鑒于電池組的安裝效率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以將本發(fā)明的中型或大型電池組用作電 動車輛、混合電動車輛等的電源，所述車輛等具有的安裝空間有限并暴露于頻繁的振動和 強烈沖擊下。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種確保高功率、大容量電池模塊或電池組的安 全性的方法，所述電池模塊包括相互串聯(lián)連接的多個電池單元或單位模塊，使得所述電池 單元或單位模塊進(jìn)行堆疊同時相互緊密接觸或相互相鄰，所述電池組包括相互串聯(lián)或并聯(lián) 連接的多個電池模塊，所述方法包括將膨脹應(yīng)力集中在電池單元或單位模塊之間的電極終 端連接區(qū)域上，當(dāng)電池單元過度脹大時，所述電極終端連接區(qū)域斷裂，因此在電極終端連接 區(qū)域處發(fā)生電斷開。如前所述，通過使用該方法，即便作為充電和放電控制系統(tǒng)的BMS可不運行或反 常運行，也可以在電池模塊過度使用而造成電池模塊反常運行或電池模塊偏離其合適運行 狀態(tài)時，破壞電池模塊中的電連接結(jié)構(gòu)，由此防止電池組燃燒或爆炸。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包括高功率、大容量電池模塊的電池組，所述 電池模塊以相互串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接，各個電池模塊包括相互串聯(lián)連接的多個電池單元 或單位模塊，使得所述電池單元或單位模塊進(jìn)行堆疊，同時相互緊密接觸或相互緊鄰，其中 電池組被構(gòu)造成下述結(jié)構(gòu)在電池單元過充時在電池單元中所產(chǎn)生的壓力集中在電池單元 或單位模塊的弱部分上，使得弱部分?jǐn)嗔眩虼?，在所述弱部分處發(fā)生電斷開，由此確保了 電池組的安全性。由于電池組包括以特殊結(jié)構(gòu)構(gòu)造的弱部分，因此當(dāng)電池單元過充時，在所述弱部 分處誘發(fā)電池單元的內(nèi)壓，導(dǎo)致在所述弱部分處發(fā)生電斷開，由此大大提高了電池組的安全性。附圖簡述結(jié)合附圖，根據(jù)下面的詳細(xì)說明，將使得本發(fā)明的上述和其他目的、特征和其他優(yōu) 勢變得更加清楚，其中圖1為典型顯示常規(guī)中型或大型電池組的電路圖；圖2為顯示本發(fā)明示例性實施方案的電池模塊的透視圖；圖3和4為顯示構(gòu)成單位模塊的一對電池單元和單元蓋的透視圖；圖5為顯示單位模塊堆的透視圖；圖6為顯示本發(fā)明另一個示例性實施方案的電池模塊組件的透視圖；圖7為移除了電池模塊組件的中型或大型電池組的透視圖；圖8為典型顯示本發(fā)明另一個示例性實施方案的中型或大型電池組的電路圖；圖9為顯示電極終端因脹大而斷裂的中型或大型電池組的實驗照片；圖10為顯示本發(fā)明其他示例性實施方案的中型或大型電池組的透視圖；圖11為顯示圖10密封構(gòu)件的透視圖；和圖12為顯示圖11的區(qū)域A的垂直截面圖。優(yōu)選實施方案詳述
現(xiàn)在，參考附圖，對本發(fā)明的示例性實施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)注意，不能將本發(fā)明的范圍限制為所示實施方案。圖2為典型顯示本發(fā)明示例性實施方案的電池模塊的透視圖。參考圖2，電池模塊100’被構(gòu)造成下述結(jié)構(gòu)單位模塊堆200安裝在相互垂直組裝 的上殼120和下殼130之間，同時單位模塊堆200直立在其側(cè)面。在上殼120的前面形成 輸入和輸出終端140。在下殼130的前面形成與輸入和輸出終端140電連接的匯流條(bus bar) 150。在下殼130的后部安裝連接器160，并將電壓和溫度傳感器連接到所述連接器160 上。在單位模塊堆200中，在最外面單位模塊210的單元蓋中形成切去部分212。因此， 當(dāng)因電池單元短路或過充而在電池單元中所產(chǎn)生的氣體使得電池單元脹大時，所述電池單 元在切去部分212處發(fā)生局部變形。圖3和4為典型顯示構(gòu)成單位模塊的一對電池單元和單元蓋的透視圖。單位模塊(未示出)被構(gòu)造成下述結(jié)構(gòu)將兩個電池單元302和304相互串聯(lián)連 接，并利用高強度單元蓋310來覆蓋電池單元302和304，同時將電極終端305和306進(jìn)行 彎曲。將所述單元蓋310相互連接以覆蓋除電極終端305和306之外的電池單元外表面。 在與電池單元302和304的電極終端連接區(qū)域相鄰的一個單元蓋310的區(qū)域中形成切去部 分312，其通過切割掉相應(yīng)單元蓋310的一部分而得到。因此，當(dāng)電池單元302和304發(fā)生 脹大時，電極終端連接區(qū)域314從切去部分312中突出并變形。圖5為典型顯示單位模塊堆的透視圖。參考圖5，單位模塊堆200被構(gòu)造成下述結(jié)構(gòu)以Z字形方式將四個單位模塊202、 203、204和205進(jìn)行堆疊，同時所述單位模塊202、203、204和205彼此串聯(lián)，其中所述各個 單位模塊202、203、204和205被制成相應(yīng)單元蓋覆蓋電池單元的結(jié)構(gòu)。在單位模塊202、 203,204和205中，覆蓋最外面單位模塊202的一個單元蓋中，形成了預(yù)定形狀的切去部分 316，其位于與電極終端連接區(qū)域相鄰的區(qū)域318處。圖6為典型顯示本發(fā)明另一個示例性實施方案的電池模塊組件的透視圖，而圖7 為典型顯示移除了電池模塊組件的中型或大型電池組的透視圖。參考這些附圖，中型或大型電池組被構(gòu)造成將電源開關(guān)裝置600和電池管理系統(tǒng) (BMS) 700安裝在電池模塊組件500’的一個側(cè)面上的結(jié)構(gòu)，所述電池模塊組件500’包括由 六個矩形電池模塊101、102、103、104、105和106構(gòu)成的六面體堆400、以及用于固定所述六 面體堆400外邊緣的框架構(gòu)件510。通常將所述中型或大型電池組形成矩形平行六面體的 形狀。以水平方向堆疊每兩個電池模塊和垂直方向堆疊每三個電池模塊的方式，來堆疊 六個矩形電池模塊101、102、103、104、105和106。此外，以相對的排列結(jié)構(gòu)來堆疊矩形電 池模塊101、102、103、104、105和106，使得在電池模塊的一側(cè)表面上形成的輸入和輸出終 端240相互相鄰。S卩，以上排電池模塊101、102和103面朝下使得上排電池模塊101、102 和103與相應(yīng)的下排電池模塊104、105和106沿假想的中心線相互對稱的狀態(tài)，在相應(yīng)下 排電池模塊104、105和106上堆疊上排電池模塊101、102和103?？蚣軜?gòu)件510被構(gòu)造成多個框架彼此連接從而牢固固定所述六面體堆400的十二 個外邊緣的結(jié)構(gòu)。在六面體堆400安裝在框架構(gòu)件510中的狀態(tài)下，所述六面體堆400的六個面暴露在外部。
在布置輸入和輸出終端240的六面體堆400的前面，安裝電源開關(guān)裝置600和BMS 700，其可用于傳導(dǎo)電流以根據(jù)需要進(jìn)行充電和放電操作，用于在電池系統(tǒng)開始操作時或電 池系統(tǒng)分解期間適當(dāng)降低電壓，用于將矩形電池模塊101、102、103、104、105和106進(jìn)行電 互連，和用于保護(hù)電路免于過電流、過電壓等。矩形電池模塊101、102、103、104、105和106 的輸入和輸出終端240彼此相鄰。因此，可以容易地在輸入和輸出終端240與電源開關(guān)裝 置600之間形成連接，并大大縮短電連接構(gòu)件的長度。在六面體堆400前面的安裝了電源開關(guān)裝置600的一個側(cè)面處，在框架的開口中 安裝密封構(gòu)件520，所述密封構(gòu)件520具有在其中形成的切去部分522。因此，在切去部分 522的開口處引發(fā)了最外面電池模塊101的脹大，且因為最外面電池模塊101的脹大而使得 與切去部分522相鄰的最外面電池模塊101中的電極終端連接區(qū)域524斷裂或短路，由此 確保了中型或大型電池組的安全性。圖8為典型顯示本發(fā)明另一個示例性實施方案的中型或大型電池組的電路圖。參考圖8，中型或大型電池組910包括電池模塊組件500’、用于檢測和控制電池模 塊組件500，運行的BMS600、連接到外部裝置的外部輸入和輸出電路800、以及位于電池模 塊組件500’與外部輸入和輸出電路800之間的電源開關(guān)裝置700，所述電源開關(guān)裝置700 根據(jù)BMS 600的運行命令而使得電池模塊組件500’與外部輸入和輸出電路800相互連接 或使得電池模塊組件500’與外部輸入和輸出電路800相互斷開。所述中型或大型電池組910包括具有在其中形成圖2切去部分212的最外面的單 元蓋或在其中形成圖6切去部分522的密封構(gòu)件520。因此，當(dāng)電池單元的脹大厚度變?yōu)殡?池單元原始厚度的兩倍以上時，電極終端連接區(qū)域突出而進(jìn)入切去部分212或522中，因此 電池單元發(fā)生短路。結(jié)果，電池模塊組件500’與電源開關(guān)裝置700之間的電連接中斷，由 此阻止了電池模塊組件500’與外部輸入和輸出電路800之間的導(dǎo)電。本發(fā)明的發(fā)明人根據(jù)圖6的結(jié)構(gòu)制造了中型或大型電池組，并對所制造的中型或 大型電池組進(jìn)行了過充實驗，從而真實確認(rèn)了通過構(gòu)造本發(fā)明中型或大型電池組所獲得的 效果。結(jié)果示于圖9中。參考圖9，當(dāng)中型或大型電池組過充時，觀察到電池單元302和304發(fā)生脹大。所 述脹大集中在密封構(gòu)件520的切去部分522上，而所述脹大明顯被限制在固定于框架構(gòu)架 510的密封構(gòu)件520處。因此，在切去部分522處，電池單元302和304的脹大達(dá)到各自的 電池單元普通厚度的大約三倍。通過電池單元302和304的這種脹大，電池單元302和304 的電極終端連接區(qū)域318斷裂，導(dǎo)致電池單元302和304之間的串聯(lián)連接中斷，因此，發(fā)生 電斷開。因此，不再進(jìn)行充電操作。圖10為典型顯示本發(fā)明另外的示例性實施方案的中型或大型電池組的透視圖， 圖11為典型顯示圖10的密封構(gòu)件的透視圖。參考這些附圖，中型或大型電池組910包括具有六個矩形電池模塊的電池模塊 組件502，所述六個電池矩形電池模塊以兩層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆疊并在橫向(垂直方向)上以 3X3的方式排列，使得所述六個矩形電池模塊通常構(gòu)成六面體結(jié)構(gòu)(六面體堆)，所述六面 體堆的外邊緣由框架構(gòu)件510’固定，且將BMS 700’安裝在輸入和輸出終端相對應(yīng)的框架 構(gòu)件510’ 一個側(cè)面上以控制電池模塊的運行。
此外，將具有槽口 522，的密封構(gòu)件520，安裝在布置了 BMS 700，的框架構(gòu)件510， 處，所述槽口 522’大致形成“[”形。因此，當(dāng)電池單元過度脹大時，密封構(gòu)件520’的槽口 522’斷裂，因此，最外面電池模塊的電池單元向外突出。結(jié)果，在電池單元之間的電極終端 連接區(qū)域處發(fā)生電斷開。圖12為典型顯示圖11的區(qū)域A的垂直截面圖。參考圖12，所述槽口可以構(gòu)造成通過將密封構(gòu)件520’的一部分進(jìn)行部分切割而 成為狹縫形狀的結(jié)構(gòu)522’、或相對小厚度的薄且長凹槽的結(jié)構(gòu)524’。工業(yè)應(yīng)用
從上述說明可看出，本發(fā)明的電池模塊被構(gòu)造成在電池單元脹大而引起的電池單 元體積膨脹的情況下電池單元之間的電極終端連接區(qū)域的一部分弱的結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)因電 池模塊的反常操作如過充、過放或過電流，或因電池單元長時間充電和放電造成電池單元 劣化而使得電池單元脹大時，電極終端連接區(qū)域斷裂并發(fā)生短路。因此，本發(fā)明具有明顯改 進(jìn)電池模塊安全性的效果。此外，本發(fā)明的中型或大型電池組被構(gòu)造電池模塊與電源開關(guān)裝置之間的電連接 可不依賴BMS而中斷的結(jié)構(gòu)。因此，即使在BMS反常運行或不運行時，本發(fā)明仍具有確保電 池組安全的效果，另外還大大提高了電池組的可靠性。盡管出于說明性目的而公開了本發(fā)明的示例性實施方案，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng) 理解，可完成各種變化、添加和替代而不背離所附權(quán)利要求書中所公開的本發(fā)明的范圍和主旨。
權(quán)利要求
一種高功率、大容量電池模塊，其包含相互串聯(lián)連接的多個電池單元或單位模塊，從而將所述電池單元或所述單位模塊進(jìn)行堆疊并相互緊密接觸或彼此相鄰，其中將所述電池模塊進(jìn)行固定，使得即使在對所述電池單元或所述單位模塊進(jìn)行充電和放電的時候所述電池單元或所述單位模塊的體積發(fā)生變化時，所述電池單元或所述單位模塊仍保持所述堆疊狀態(tài)，且在所述電池單元或所述單位模塊體積膨脹的情況下，所述電池單元之間或所述單位模塊之間的電極終端連接區(qū)域的一部分弱，使得因所述電池單元脹大而引起的膨脹應(yīng)力集中在所述電極終端連接區(qū)域上，由此在所述脹大超過預(yù)定值時，所述電極終端連接區(qū)域斷裂，并因此在所述電極終端連接區(qū)域處發(fā)生電斷開。
2.如權(quán)利要求1所述的電池模塊，其中所述電池單元或所述電池模塊被殼覆蓋，且在 與所述電極終端連接區(qū)域相對應(yīng)的所述殼的預(yù)定區(qū)域處形成部分開口或槽口，當(dāng)所述電池 單元的脹大過度時所述電極終端連接區(qū)域斷裂。
3.如權(quán)利要求2所述的電池模塊，其中各個所述單位模塊包括電池單元和一對高強度的單元蓋，所述電池單元具有相互串聯(lián) 連接的電極終端，并構(gòu)造成其中所述電極終端之間的連接部分發(fā)生彎曲的堆疊結(jié)構(gòu)，且所 述單元蓋相互連接以覆蓋所述電池單元除所述電極終端之外的外表面，且在與所述電極終端連接區(qū)域相鄰的至少一個所述單元蓋的預(yù)定區(qū)域處形成切去部分 或槽口部分，所述切去部分或槽口部分構(gòu)造成在所述電池單元發(fā)生脹大時用于誘發(fā)所述電 池單元局部變形的形狀。
4.如權(quán)利要求3所述的電池模塊，其中在所述最外面單位模塊的單元蓋處形成所述切 去部分或所述槽口部分。
5.如權(quán)利要求3所述的電池模塊，其中設(shè)定所述切去部分或所述槽口部分的尺寸，使 得所述電池單元的脹大導(dǎo)致所述電池單元的體積增加至等于各個電池單元厚度的1. 5 5 倍時，所述電極終端連接區(qū)域斷裂。
6.一種中型或大型電池組，包括 權(quán)利要求1的至少一種電池模塊；用于檢測和控制所述至少一種電池模塊運行的電池管理系統(tǒng)(BMS)；和 在所述至少一種電池模塊與外部輸入和輸出電路之間布置的電源開關(guān)裝置，用于根據(jù) 來自BMS的運行命令使得所述至少一種電池模塊與所述外部輸入和輸出電路相互連接或 使得所述至少一種電池模塊與所述外部輸入和輸出電路相互斷開，其中在所述至少一種電池模塊和所述電源開關(guān)裝置之間的連接在反常運行條件下不依賴 于BMS進(jìn)行中斷。
7.如權(quán)利要求6所述的電池組，其中所述電池組被構(gòu)造成下述結(jié)構(gòu)，其中 利用框架構(gòu)件對多個電池模塊進(jìn)行固定，利用固定到所述框架構(gòu)件的密封構(gòu)件來覆蓋最外面的電池模塊，且 在與所述電極終端連接區(qū)域相鄰的所述密封構(gòu)件的預(yù)定區(qū)域處形成切去部分或槽口 部分，所述切去部分或槽口部分構(gòu)造成在所述電池模塊發(fā)生脹大時用于誘發(fā)所述電池模塊 局部變形的形狀。
8.如權(quán)利要求7所述的電池組，其中所述密封構(gòu)件由絕熱材料制成。
9.如權(quán)利要求7所述的電池組，其中所述電池組包括電池模塊組件，所述電池模塊組件包括多個矩形電池模塊，各個矩形電池模塊包括在 橫向(垂直方向)和高度方向(水平方向)上由兩個或多個進(jìn)行堆疊的相互串聯(lián)連接的多 個電池單元或單位模塊，使得所述電池單元或單位模塊通常被構(gòu)造成六面體結(jié)構(gòu)(六面體 堆)，利用框架構(gòu)件來固定所述六面體堆的外邊緣；和BMS，安裝在輸入和輸出終端的定向表面、與所述定向表面相對的表面、或在所述定向 表面一側(cè)的表面上，用于控制所述電池模塊的運行，并且其中，各個矩形電池模塊中所述單位模塊的電池單元被排列成與所述六面體堆的一對相對 表面平行，并將具有所述切去部分或槽口部分的密封構(gòu)件安裝在所述六面體堆的相對表面 上。
10.如權(quán)利要求9所述的電池組，其中所述框架構(gòu)件包括相互整合連接的多個框架，使 得各個框架固定所述六面體堆12個邊中的相應(yīng)一個或各個框架固定所述六面體堆在同一 平面上的至少四個邊。
11.包括權(quán)利要求6所述電池組作為電源的電動車輛或混合電動車輛。
12.—種確保高功率、大容量電池模塊或電池組的安全性的方法，所述電池模塊包括 相互串聯(lián)連接的多個電池單元或單位模塊，從而將所述電池單元或所述單位模塊進(jìn)行堆疊 并同時相互緊密接觸或彼此相鄰，所述電池組包括相互串聯(lián)或并聯(lián)連接的多個所述電池模 塊，所述方法包括當(dāng)所述電池單元過度脹大時，膨脹應(yīng)力集中在所述電池單元或所述單位模塊之間的電 極終端連接區(qū)域上，由此所述電極終端連接區(qū)域斷裂，并因此在所述電極終端連接區(qū)域處 發(fā)生電斷開。
13.一種包含相互串聯(lián)或并聯(lián)連接的高功率、大容量電池模塊的電池組，各個所述電池 模塊包括相互串聯(lián)連接的多個電池單元或單位模塊，從而將所述電池單元或所述單位模塊 進(jìn)行堆疊，同時相互緊密接觸或彼此緊鄰，其中所述電池組構(gòu)造成如下結(jié)構(gòu)在所述電池單元過充時在所述電池單元中所產(chǎn)生的壓力集中在所述電池單元或所述 單位模塊的弱部分上，使得所述弱部分?jǐn)嗔?，并因此，在所述弱部分處發(fā)生電斷開，由此確保了所述電池組的安全性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高功率、大容量電池模塊，其包含相互串聯(lián)連接的多個電池單元或單位模塊，從而可將所述電池單元或所述單位模塊進(jìn)行堆疊并相互緊密接觸或彼此相鄰，其中將所述電池模塊進(jìn)行固定，使得即使在對所述電池單元或所述單位模塊進(jìn)行充電和放電的時候所述電池單元或所述單位模塊的體積發(fā)生變化時，所述電池單元或所述單位模塊仍保持所述堆疊狀態(tài)，且在所述電池單元或所述單位模塊體積膨脹的情況下，所述電池單元之間或所述單位模塊之間的電極終端連接區(qū)域的一部分弱，使得因所述電池單元脹大而引起的膨脹應(yīng)力集中在所述電極終端連接區(qū)域上，由此在所述脹大超過預(yù)定值時，所述電極終端連接區(qū)域斷裂，并因此在所述電極終端連接區(qū)域處發(fā)生電斷開。
文檔編號H01M2/10GK101861666SQ200880116537
公開日2010年10月13日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月21日
發(fā)明者全浩辰, 姜達(dá)模, 尹熙琇, 尹種文, 崔大植, 樸慧雄, 樸成焌, 李漢浩, 李汎炫, 李珍圭, 金智浩 申請人:株式會社Lg化學(xué)