CN100588003C - 二次电池模块 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种高输出、大容量二次电池模块，该电池模块具有彼此电连接的多个单元电池，用于充电和放电。多个单元电池彼此堆叠并安装在板上，优选地安装在彼此分离的上壳体和下壳体间，电路单元接连地安装在模块的侧面上，用于检测电池的电压、电流和温度，控制电池以及当产生过电流时断电，由此二次电池模块构造成紧凑结构，根据电容和输出容易改变电池模块的设计，以及稳定地安装电池模块的部件。

Description

二次电池模块

技术领域

本发明涉及高输出、大容量二次电池模块或组，该二次电池模块或组具有彼此电连接的多个单元电池，用于充电和放电，并且更具体地涉及一种二次电池模块，其中，多个单元电池彼此堆叠并安装在板上，优选地安装在彼此分离的上外壳和下外壳间，电路单元接连安装在模块的侧面上，用于检测电池的电压、电流和温度，控制电池以及当生成过电流时，断开电力，由此以紧密结构构成二次电池模块，根据电容和输出可容易地改变电池模块的设计，以及稳定地安装电池模块的部件。

背景技术

近年来，能充放电的二次电池已经广泛用作用于无线移动设备的能源。而且，作为用于电动车和混合电动车的电源，二次电池已经引起相当大的关注，该电动车和混合电动车已经被开发用来解决由使用化石燃料的现有的汽油车和柴油车引起的诸如空气污染的问题。因此，由于二次电池的优点，使用二次电池的应用类型正在增加，此后，期望二次电池应用于比现在更多应用和产品中。

由于二次电池所适用的应用和产品的种类增加，也增加电池的种类，以致电池能提供对应于各种应用和产品的输出和容量。此外，强烈需要减小施加到相应的应用和产品的电池的尺寸和重量。

例如，根据相应产品的尺寸和重量的减少，诸如移动电话、个人数字助理(PDAs)、数码相机以及膝上型计算机的小型移动设备将一个或多个小尺寸、重量轻的电池用于每一设备。另一方面，因为中型或大型设备需要高输出和大容量，诸如电动自行车、电动摩托车、电动车和混合电动车的中型或大型设备使用具有彼此电连接的多个电池的中型或大型电池模块(或中型或大型电池组)。电池模块的尺寸和重量直接与相应的中型或大型设备的容纳空间和输出关联。为此，制造商正尝试制造小尺寸、重量轻的电池模块。此外，经受大量外部撞击和振动的诸如电动自动车和电动车的设备需要构成电池模块的部件间的稳定的电连接和物理连接。另外，使用多个电池来实现高输出和大容量，因此，认为电池模块的安全很重要。

通常，通过在具有预定尺寸的壳体(外壳)中安装多个单元电池并电连接单元电池，制造中型或大型电池模块。可以以高集成度堆叠的矩形二次电池或袋状二次电池用作单元电池。优选地，由于袋状电池轻且廉价，袋状电池通常用作单元电池。

图1是示例说明传统的袋状电池100的典型平面图。参考图1，袋状电池100包括电极组件(未示出)，该电极组件包括与电解液一起安装在由铝层压板制成的密封的袋状壳体110中的阴极、隔离膜和阳极。从电极组件延伸电极分接头，该电极分接头从电池的上端凸出来构成板状电极端120和130。可选地，板状电极端120和130可以由连接到从电池的上端凸出的电极分接头的电极引线构成。

然而，当将上述电池用作单元电池，制造电池模块时，产生几个问题。

具体地，电池护套(壳体)的机械强度较低，因此，难以使用多个这种电池制造结构坚固的电池模块。而且，电池本身不包括用于使电池彼此联接的结构，因此，需要另外的联接构件来制造电池模块。

在传统技术中，将电池安装在能容纳一至三个电池的电池盒中，多个电池盒彼此堆叠(堆积)，以及堆叠的电池盒安装在模块壳体中以便制造电池模块。换句话说，使用多个电池盒和模块壳体来制造包括多个电池的电池模块。因此，增加了电池模块的尺寸，以及使电池模块的制造过程复杂化。

而且，难以使袋状电池的板状电极端彼此串联或并联电连接。因此，也使用于电极端间的电连接的过程复杂化。通常，通过焊接，使用导线、板或母线，使电极端彼此连接。为此，板状电极端是局部弯曲的，以及通过焊接，将板或母线连接到板状电极端的弯曲部分，这需要熟练的技术。而且，该连接过程非常复杂。另外，连接部分可能由于外部撞击而彼此分离，这导致次品的数量增加。

而且，如前所述，在中型或大型设备应用中，由于存在使用二次电池的多种产品，能提供相应的电容和输出的各种电池模块是必要的。此外，即使在相同产品组中，当产品的尺寸不同时，相应的电容和输出也不同，因此，有必要改变电池模块的设计。

在具有预定尺寸的壳体(外壳)中，容纳多个单元电池，以及使单元电池彼此电连接，从而构造传统的中型或大型二次电池模块。在壳体的外表面，安装用于检测单元电池的电压、电流和温度以及用于控制电池的电路单元。然而，该电池模块的结构具有几个问题。

首先，难以根据希望的电容和输出增加或减小电池模块的尺寸。设计单元电池以便单元电池适合于具有预定尺寸的壳体和具有对应于壳体的结构的各种部件。因此，例如，当添加单元电池来增加输出时，有必要改变整个电池模块的设计。

此外，安装在壳体外或为电连接而提供的各种部件和导线不构造成紧凑(高密度)的结构。因此，增加电池模块的尺寸，以及电池模块不提供抵抗外部撞击的高安全性。

发明内容

因此，本发明的目的是基本上避免传统技术的上述问题以及过去要求的技术问题。

本发明的第一目的是提供一种电池模块，其中，根据所需电容和输出，能易于增加或减小电池模块的尺寸，构成电池模块的部件和用于电连接的导线构成紧凑的结构，同时稳定地实现电连接。

本发明的第二目的是提供一种电池模块，即使使用具有紧密结构和相对低强度的模块外壳，该电池模块也能提供抵抗外部撞击的高安全性。

根据本发明，通过提供一种高输出、大容量二次电池模块，能实现上述和其他目的，该电池模块具有彼此电连接的多个单元电池，用于充电和放电，其中，电池模块包括：板，在该板上，为可充电和放电的二次电池的多个单元电池相互堆叠；以及电路单元，用于控制电池的工作。

不特别限制该板，只要该板具有能彼此堆叠单元电池的结构即可。该板可以是具有对应于单元电池的尺寸的容纳部的壳体，以便单元电池能易于安装在容纳部中。优选地，壳体构造为分离的结构，在该结构中，分别由分离的壳体覆盖堆叠的单元电池的上下部分。

在本发明的优选实施例中，二次电池模块包括：为可充电和放电的二次电池的多个单元电池；下壳体，在其上顺序地相互堆叠单元电池，下壳体具有上容纳部；上壳体，用于覆盖在下壳体上堆叠的单元电池的上端，上壳体具有下容纳部；第一电路单元，用于在堆叠的单元电池间执行电连接，第一电路单元包括检测板组件，该检测板组件用于检测电池的电压、电流和/或温度；电连接到第一电路单元的第二电路单元，该第二电路单元包括用于控制电池模块的主板组件；以及电连接到第二电路单元的第三电路单元，第三电路单元也连接到外部输出端，同时防止过充电、过放电和/或过电流。

根据本发明的电池模块的宽度和长度稍微大于单元电池的宽度和长度，因此，电池模块的整体尺寸非常小。因此，最小化电池模块的尺寸，因此，将电池模块有效地安装在应用该电池模块的外部设备和装置上。

不特别限制单元电池，只要单元电池是可充电和放电的二次电池。例如，锂二次电池、镍氢(Ni-MH)电池，或镍镉(Ni-Cd)电池可以用作单元电池。优选地，将锂二次电池用作单元电池，因为锂二次电池提供高的输出-重量比。基于它们的形状，将锂二次电池分成圆柱形电池、矩形电池和袋状电池。优选地，能以高集成度堆叠的矩形电池和袋状电池用作单元电池。更优选地，其重量小的袋状电池用作单元电池。

在本发明的优选实施例中，电池模块的上壳体和下壳体是彼此分离的。因此，当根据需要改变电池模块的电容或输出时，在上壳体和下壳体间增加或移出单元电池，由此电池模块的灵活设计是可能的。

上壳体和下壳体的整体尺寸近似与单元电池的尺寸一致。因此，容纳单元电池的下壳体的上容纳部和容纳单元电池的上壳体的下容纳部与单元电池的主体的尺寸一致。

优选地，在堆叠的单元电池的最上面一个和上壳体间布置板状、高强度安全构件，以便与最上单元电池的电极板平行地安置安全构件。

作为紧凑的和轻重量的电池模块中的严重问题的机械安全涉及由于外部撞击引起的电池模块的脱落和碰撞或由于针状导体的穿透引起的单元电池中的内部短路。当沿单元电池的电极板的方向施加外部撞击时，严重地损坏电池模块的安全性。因此，当沿单元电池的电极板的方向在壳体中布置板状、高强度安全构件时，即使仅稍微增加电池模块的重量，但大大地增加了机械安全性。

安全构件优选地由高强度金属材料制成，并且更优选地由不锈钢制成。优选地，设置安全构件的尺寸以便安全构件具有与单元电池相当的表面积和适当的厚度。当安全构件的厚度太小时，难以提供所需机械强度。在另一方面，当安全构件的厚度太大时，显著增加电池模块的重量，这不是优选的。

在本发明的优选实施例中，在堆叠的单元电池间放置双面胶构件。单元电池更稳定地相互堆叠并通过双面胶构件固定在电池模块中。双面胶构件可以是双面胶带。然而，双面胶构件不限于双面胶带。例如，可以将两个或更多双面胶构件安置在每一堆叠面上，使得双面胶构件彼此分开。在这种情况下，通过双面胶构件，在堆叠的单元电池间形成预定间隙。当充电或放电单元电池时，堆叠的单元电池间的间隙用来吸收单元电池的体积的变化，同时，有效地耗散由单元电池生成的热量。

彼此堆叠单元电池，使得单元电池的电极端沿相同方向取向。优选地，单元电池的每一个具有板状电极端，在电极端上分别形成连接通孔，并且通过穿过连接通孔***的固定构件，使上壳体和下壳体彼此固定，由此，实现单元电池间的固定联接，同时，容易地实现用于电连接的连接端间的接触。

板状电极端被认为具有低的机械强度。为此，板状电极端通常不用作用于联接单元电池的直接联接装置。换句话说，如前所述，电池通常安装在盒中，以及使多个盒彼此连接以制造电池模块。然而，在本发明的优选实施例中，其上形成通孔的板状电极端直接用来连接电池。

可以构造电极端使得在每一电池的一侧上形成阴极端和阳极端，或在每一电池的一侧上形成阴极端，而在每一电池的另一侧形成阳极端。例如，可以在每一电池的上端和下端分别形成阴极端和阳极端，使得阴极端和阳极端彼此相对。电极端可以由诸如铝、铜、镍或其合金的导电材料制成，用来实现由于电极组件的电化学反应引起的电传导。

在本发明的优选实施例中，电池模块还包括：安装在相邻单元电池的电极端间的绝缘构件，用于实现电极端间的电绝缘，绝缘构件具有装配在连接通孔中的凸起；以及连接构件，该连接构件联接到绝缘构件，用于彼此串联或并联地电连接联接到绝缘构件的单元电池的电极端。

在这种情况下，绝缘构件也用来通过凸起机械地连接电极端。优选地，凸起的每一个具有内直径小于电极端的连接通孔的内直径的通孔，以及通过堆叠单元电池，同时在单元电池间放置绝缘构件并且穿过凸起的通孔***固定构件，从而使单元电池彼此连接。

在以本申请的申请人的名义提交的韩国专利申请No.2004-112590中描述了绝缘构件和连接构件的细节。该申请的公开内容在此以参考的方式引入。

在根据本发明的电池模块中，第一电路单元包括：连接构件，用于使单元电池彼此并联或串联连接；以及检测板组件，用于接收和检测来自各个单元电池的电压、电流和温度信号。优选地，第一电路单元接收单元电池的电压和温度信号。可以在检测板组件或主板组件测量温度，作为电池的整体温度。第一电路单元安装在与单元电池的电极端相邻的模块的一个侧面上。

不特别限制连接构件的结构，只要通过连接构件，彼此串联或并联连接单元电池。优选地，在连接构件间连接安全构件，用于当过电流或过热出现时，中断电流。安全构件可以是保险丝、双金属器件或正温度系数(PTC)元件。

优选地，检测板组件是印刷电路板，其电连接到各个单元电池。

第二电路单元可以与第一电路单元一起安装在与单元电池的电极端相邻的模块的一个侧面上。第二电路单元也可安装在下壳体的下容纳部中。可选地，第二电路单元可以安装在模块的另一侧面上，使第二电路单元与第一电路单元相对。优选地，第二电路单元安装在下壳体的下容纳部中。在这种情况下，通过第一电路单元，单元电池电连接到安装在下壳体的下容纳部中的第二电路单元。第二电路单元的主板组件控制电池的工作。

当充电或放电电池时，作为连接到外部设备用于控制过充电、过放电和/或过电流的模块的最后一个元件的第三电路单元可以与第一电路单元一起安装在与单元电池的电极端相邻的模块的一个侧面上。第三电路单元也可以安装在下壳体的下容纳部中。可选地，可以将第三电路单元安装在模块的另一侧面上，使第三电路单元与第一电路单元相对。优选地，将第三电路单元安装在模块的另一侧面上，使得第三电路单元与第一电路单元相对。

电路单元可以部分地或全部地构成为组合结构。最优选地，将第二电路单元安装在下壳体的下容纳部中，以及第三电路单元安装在模块的另一侧面上，使得第三电路单元与第一电路单元相对。在这种情况下，用来操作电池的电路单元彼此连接，使得电路单元包围根据本发明地电池模块，因此，大大地减小了电池模块的整体尺寸。

在本发明的优选实施例中，第三电路单元包括开关板，该开关板包括：开关元件，用于控制二次电池模块的充电和放电，以及连接到开关元件的散热片结构。优选地，开关板是包括相关电路的印刷电路板(PCB)。

开关元件与构成电池模块的单元电池串联连接用来控制电池中的电流。开关元件也连接到保护电路，用于检测电池的电压和/或电流，以便控制开关元件。不特别限制开关元件，只要开关元件控制过充电、过放电或过电流。例如，可以将场效应晶体管(FET)元件或晶体管用作开关元件。优选地，FET元件用作开关元件。

充电目的的开关元件是用于控制电池的充电状态的开关元件，以及放电目的的开关元件是用于控制电池的放电状态的开关元件。通常，电池模块的开关元件包括充电目的开关元件和放电目的开关元件。

开关元件连接到控制电路，用于检测电池的电压和/或电流以便控制开关元件。根据从控制电路输出的信号，控制开关元件开或关。具体地，控制电路将开关元件(充电目的开关元件和放电目的开关元件)维持在开状态。在另一方面，当在充电电池其间出现异常状态时，使充电目的开关元件断开以便中断充电电流。当在放电电池期间出现异常状态时，断开放电目的开关元件，以便中断放电电流。而且，在充电电池期间，当电池的电压超出预定最大电压时，控制电路输出用于断开充电目的开关元件以防止电池的过充电的信号。在另一方面，在放电电池期间，当电池的电压降低到低于预定最小电压时，控制电路输出用于断开放电目的开关元件以防止电池过放电的信号。当电池的输出侧短路，并因此过电流在电池中流动时，或当由于电池的异常操作而将高的充电电压施加到电池，并因此过电流在电池中流动时，控制电路检测电池中流动的过电流，并输出用于断开开关元件的信号。控制开关元件的控制电路包括在印刷电路板或另外的电路构件中。

根据本发明的电池模块优选地用在具有高输出和大容量的中型或大型电池***中。不特别地限制高输出和大容量的范围。

例如，根据本发明的电池模块可以用作用于各种应用和产品的电源，包括用于诸如电动自动车(e-bikes)、电动摩托车、电动车或混合电动车的车辆的电源。由于电池模块构造成紧密结构，因而更优选地，根据本发明的电池模块用作用于电动自动车的电源。

附图说明

从结合附图的下述详细描述，将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是示例说明传统的袋状电池的典型平面图；

图2和3是分别示例说明根据本发明的优选实施例的电池模块的典型透视图和典型侧视图；

图4是示例说明图2所示的电池模块的下外壳上的单元电池的堆叠的典型视图；

图5是示例说明图2所示的电池模块的下外壳的下表面的透视图；以及

图6是示例说明图2所示的电池模块的上外壳的下表面的透视图。

具体实施方式

现在，参考附图，详细地描述本发明的优选实施例。然而，应注意到本发明的范围不受所示实施例限制。

图2和3是分别示例说明根据本发明的优选实施例的电池模块1000的典型透视图和典型侧视图。

参考图2和3，电池模块1000包括上壳体200、下壳体300、多个单元电池100、第一电路单元400、第二电路单元(未示出)以及第三电路单元500。单元电池100堆叠在彼此分开的上壳体200和下壳体300之间。第一电路单元400安装在电池模块1000的前表面上，第二电路单元安装在电池模块1000的下表面，以及第三电路单元500安装在电池模块1000的后表面。

由于上壳体200和下壳体300彼此分离，因而彼此可堆叠的单元电池100的数量不受上壳体200和下壳体300限制。因此，可以易于设计电池模块1000，以便根据堆叠的单元电池100的数量，通过修改第一电路单元400和第三电路单元500，使得电池模块1000具有所需电容和输出。而且，暴露单元电池100，因此，在充电或放电单元电池100的同时，有效地实现散热。

图4是示例说明图2中所示的电池模块的单元电池和下壳体的透视图，以及图5是示例说明安装第二电路单元的下壳体的下表面的透视图。

首先参考图4，下壳体300是具有几乎与单元电池100的外观相同的外观的结构构件。下外壳300包括容纳单元电池100的上容纳部301。优选地，下壳体300由具有高强度和电绝缘的诸如丙烯睛-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)或聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的塑料树脂制成。

堆叠在下壳体300上的单元电池100是袋状二次电池，具有从电池本体110的上端凸出的阴极端120和阳极端130。在电极端120和130上分别形成连接通孔140。当单元电池100和101处于堆叠状态时，通过连接通孔140和在下壳体300中形成的固定孔302，***另外的固定构件，例如紧固件700，然后在下壳体300的下面，在紧固件700上装配螺母(未示出)，因此，使单元电池101和101彼此固定。

在单元电池100的电极端120、130和单元电池101的电极端120、130之间安装绝缘构件600，用于实现单元电池100和101之间的电绝缘。在绝缘构件600上形成凸起610，该凸起610装配在电极端120和130的连接通孔140中。在凸起610处也形成通孔620，因此，通过凸起610的通孔620***的紧固件700和电极端120和130之间的电绝缘被保持。尽管在该图中未示出，但在包括绝缘构件600的情况下，可以通过另外的连接构件(未示出)实现电极端之间的电连接。如前所述，在已经以本申请的申请人的名义提交的韩国专利申请No.2004-112590中描述了绝缘构件和连接构件的细节，该申请的公开内容以参考的方式并入这里。

而且，双面胶带800和801连接到单元电池100的电池本体110，由此保证堆叠的单元电池100和101间的更稳定的联接。此外，堆叠的单元电池100和101以双面胶带800和801的厚度彼此分开。当单元电池100和101充电或放电时，堆叠的单元电池100和101间的间隙用来吸收单元电池100和101的体积的变化，并用来有效地耗散由单元电池100和101产生的热量。

如图5所示，下壳体300在其下表面处具有安装第二电路330的下容纳部310。第二电路330包括用于实现主端子(未示出)的阴极和阳极间的电传导的电线320和322。电线320和322连接到第三电路单元。而且，第二电路330包括电线332和334，该电线332和334分别电连接到第一电路单元400和第三电路单元的检测板组件410。

图6是示例说明图2所示的电池模块的上壳体的下表面以及连接到上壳体的下表面的安全构件的透视图。

参考图6，上壳体200可以由与下壳体相同的绝缘构件或不同于下壳体的另一绝缘构件制成。优选地，上壳体200由塑料树脂制成。

上壳体200具有下容纳部201，该下容纳部201具有与单元电池100(见图2)相当的尺寸，使得最上单元电池100的上端容纳在下容纳部201中。而且，上壳体200具有孔202，该孔202对应于单元电池的电极端的通孔。

在上壳体200的下容纳部201上安装板状安全构件900。安全构件900具有几乎与单元电池相同的尺寸。安全构件900布置成与相应的单元电池的电极板平行。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和替代是可能的，而不背离如在所附权利要求中公开的本发明的范围和精神。

工业适用性

如从上述描述显然可见的，基于所需电容和输出，可以容易地增加或减小根据本发明的二次电池模块的尺寸。而且，构成电池模块的部件和连接电池模块的部件的导线布置成紧凑的结构。此外，根据本发明的二次电池模块对于外部撞击具有高安全性。因此，本发明具有实现稳定电连接的效果。

Claims (10)

1.一种高输出、大容量的二次电池模块，具有彼此电连接的多个单元电池，用于充电和放电，其中，该电池模块包括：

下壳体，在其上顺序地堆叠所述单元电池，该下壳体具有上容纳部；

上壳体，用于覆盖在所述下壳体上堆叠的所述单元电池的上端，该上壳体具有下容纳部；

第一电路单元，用于在所述堆叠的单元电池间实现电连接，该第一电路单元包括检测板组件，用于检测所述电池的电压、电流和/或温度；

电连接到所述第一电路单元的第二电路单元，该第二电路单元包括用于控制所述电池模块的主板组件；以及

电连接到所述第二电路单元的第三电路单元，该第三电路单元还连接到外部输出端，同时防止过电流、过充电和/或过放电，并且

容纳单元电池的下壳体的上容纳部和容纳单元电池的上壳体的下容纳部与单元电池的主体的尺寸一致。

2.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述二次电池为袋状电池。

3.如权利要求1所述的电池模块，还包括：

布置在所述单元电池之间的双面胶带构件。

4.如权利要求1所述的电池模块，还包括：

布置在所述堆叠的单元电池的最上面一个和所述上壳体之间的板状、高强度安全构件，使得该安全构件布置成与该最上面的单元电池的电极板平行。

5.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述第一电路单元包括：

连接构件，用于使所述单元电池彼此并联或串联连接，以及

检测板组件，用于从各个单元电池接收电压和电流信号并检测所述电池的温度。

6.如权利要求5所述的电池模块，还包括：

连接在所述连接构件间的安全构件，用于当过电流或过热出现时中断电流。

7.如权利要求1所述的电池模块，其中，

所述第一电路单元安装在与所述单元电池的电极端相邻的所述模块的一个侧面上，

所述第二电路单元安装在所述下壳体的所述下容纳部中，以及

所述第三电路单元安装在与单元电池的电极端相对的模块的另一侧表面上。

8.如权利要求1所述的电池模块，其中，所述第三电路单元包括开关板，该开关板包括：

开关元件，用于控制所述电池模块的充电和放电，以及

连接到该开关元件的散热片结构。

9.如权利要求8所述的电池模块，其中，所述开关元件是场效应晶体管元件。

10.如权利要求1所述的电池模块，其中，将所述电池模块用作用于电动自动车、电动摩托车、电动车或混合电动车的电源。

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