CN104319362B - 一种车用锂离子电池集成模块及其集成方法 - Google Patents

Abstract

一种车用锂离子电池集成模块及其集成方法，使用结构胶粘接工艺将单体电池固定在具有导热作用的导热框内形成一个单体电池模块，将多个单体电池模块再次通过结构胶粘接工艺、模块整形工艺、绑带捆扎工艺固定，通过激光焊接工艺进行铝制跨接片和电池极柱的连接，最后进行线束端子接插工艺和上盖固定工艺。本发明采用电池单元化拼装，极柱间连接采用铝质跨接片激光焊接，大大提高了可靠性，并且与传统的螺母锁紧工艺相比模块整体减重20%‑40%左右。

Description

一种车用锂离子电池集成模块及其集成方法

技术领域

本发明涉及动力电池模块集成技术领域，尤其涉及一种车用锂离子电池集成模块及其集成方法。

背景技术

如图1所示，传统的电池模块的外框设计采用壳体1’和上盖6’组合，单体电池2’并排设置在壳体1’内，每个单体电池2’具有电池上罩5’，单体电池2’之间连接采用螺母3’锁紧跨接片4’的结构。由于单体电池2’正极极柱材料为铝质，无法承受很大的扭矩，只能达到钢质螺柱3’锁紧扭矩的1/10，所以极柱螺母3’锁紧后存在松脱的潜在风险，且大量的螺母3’也增加了整个模块的重量。

发明内容

本发明提供一种车用锂离子电池集成模块及其集成方法，采用电池单元化拼装，极柱间连接采用铝质跨接片激光焊接，大大提高了可靠性，并且降低了整体重量。

为了达到上述目的，本发明提供一种车用锂离子电池集成模块，该车用锂离子电池集成模块包含：

若干单体电池模块，这些单体电池模块并排设置，相互之间采用结构胶粘结，形成拼装整形模块；

所述的单体电池模块包含：

导热框架，该导热框架是可以容纳单体电池的框架结构，所述的导热框架具有镂空底板和连接镂空底板的侧板，在侧板内表面与单体电池的侧面接触的位置，涂布有一层结构胶，在镂空底板外表面与相邻单体电池模块内的导热框架接触的表面上具有点胶槽，该点胶槽内涂布有结构胶；

单体电池，其设置在导热框架内，所述的单体电池为矩形六面体结构，具有正面、背面和侧面，单体电池的正面或者背面与导热框架的镂空底板内表面接触，在单体电池与导热框架的镂空底板内表面接触的表面上，涂布有一层导热硅脂；

绝缘缓冲垫，其粘贴在单体电池的正面或者背面，且设置在单体电池和导热框架之间，该绝缘缓冲垫的尺寸大于导热框架的镂空底板上的镂空部分；

所述的车用锂离子电池集成模块还包含：

若干绑带，其绑扎在拼装整形模块上，该绑带采用不锈钢材质；

若干跨接片，每个跨接片分别与其相邻的两个单体电池的极柱焊接，该跨接片采用铝材质。

所述的车用锂离子电池集成模块还包含：

线束，其每一根线的采样端子连接在拼装整形模块的每一个采样点的铜接线端子上；

上盖，其固定在导热框架上。

本发明还提供一种车用锂离子电池集成模块的集成方法，该集成方法包含以下步骤：

步骤1、在单体电池上涂布导热硅脂；

步骤2、在导热框架的侧板内表面涂布结构胶；

步骤3、拼装单体电池模块；

步骤4、在每一个单体电池模块的导热框架的镂空底板外表面的点胶槽内涂布结构胶；

步骤5、将若干单体电池模块拼装整形；

步骤6、利用绑带捆扎收紧拼装整形模块；

步骤7、焊接绑带；

步骤8、使用激光焊接将跨接片焊接在相邻的两个单体电池的极柱上，实现单体电池极柱间的串并联连接；

步骤9、利用锡焊固定线束的采样端子和铜接线端子；

步骤10、将上盖固定安装到导热框架上。

所述的步骤1中，在单体电池的正面或背面的规定区域内涂布一层导热硅脂，该规定区域的形状位置与单体电池的正面或背面和导热框架的镂空底板内表面接触的区域相匹配，所述的导热硅脂采用绝缘的硅脂，涂布的导热硅脂的厚度为0.1mm~0.2mm。

所述的步骤2中，在导热框架的侧板内表面的侧面区域内均匀涂布结构胶，该侧面区域与导热框架的侧板的边缘距离为2~5mm，该侧面区域的宽度为导热框架的侧板宽度的15~20%。

所述的步骤2和步骤4中，所述的结构胶的固化时间大于整条车用锂离子电池集成模块的集成生产线的总生产时间，保证在后道工序完成前不能固化，结构胶的表干时间为20分钟，同时结构胶的流动性大于300pa.s。

所述的步骤3包含以下步骤：

步骤3.1、将绝缘缓冲垫单面背胶，粘贴到单体电池上涂布有导热硅脂的一面，绝缘缓冲垫粘贴的位置与导热框架的镂空底板上的镂空部分对应，使得单体电池模块拼装完成后，绝缘缓冲垫能够完全遮挡住镂空底板上的镂空部分；

步骤3.2、将粘贴有绝缘缓冲垫的单体电池安装到导热框架内，涂布在导热框架的侧板内表面的侧面区域内的结构胶将单体电池的侧面与导热框架粘结在一起，形成单体电池模块。

所述的步骤5中，将若干单体电池模块排布在整形工装上的治具托盘上，通过丝杆压紧机构从若干单体电池模块的两端向中间挤压，使相邻的单体电池模块之间相互粘结，形成拼装整形模块，丝杆压紧机构将拼装整形模块的尺寸进行0.2%的过量挤压。

所述的步骤6中，利用钢带收紧治具将若干不锈钢绑带捆扎在拼装整形模块上，并收紧不锈钢绑带，钢带收紧治具提供的收紧力大于2000N，通过拉力强行将绑带贴合拼装整形模块转角处的R角，绑带之间的收紧力差异控制在10%以内。

所述的步骤8包含以下步骤：

步骤8.1、使用激光点焊在跨接片和单体电池的极柱上形成预焊点来固定跨接片；

步骤8.2、使用光纤激光焊对焊缝进行焊接。

本发明采用电池单元化拼装，极柱间连接采用铝质跨接片激光焊接，大大提高了可靠性，并且降低了整体重量。

附图说明

图1是背景技术中传统电池模块的结构示意图。

图2是导热硅脂涂布区域示意图。

图3是导热框架结构胶涂布区域示意图。

图4是导热框架结构胶涂布区域示意图。

图5是电池单元组合示意图。

图6是整形工装示意图。

图7是模块整形示意图。

图8是钢带点焊区域示意图。

图9是跨接片激光焊接轨迹示意图。

图10是接插件安装示意图。

图11是本发明提供的车用锂离子电池集成模块的结构示意图。

图12是有无导热硅脂的温升实验图表。

具体实施方式

以下根据图2～图12，具体说明本发明的较佳实施例。

如图11所示，本发明提供一种车用锂离子电池集成模块，包含：

若干单体电池模块，这些单体电池模块并排设置，相互之间采用结构胶粘结，形成拼装整形模块；

所述的单体电池模块包含：

导热框架3（采用导热塑料注塑而成，基材为聚酰胺PA），如图3和图4所示，该导热框架3是可以容纳单体电池1的框架结构，该导热框架3具有镂空底板301和连接镂空底板301的侧板302，在侧板302内表面与单体电池1的侧面接触的位置，涂布有一层结构胶，在镂空底板301外表面与相邻单体电池模块内的导热框架3接触的表面上具有点胶槽22，该点胶槽22内涂布有结构胶；

单体电池1，其设置在导热框架3内，如图2所示，该单体电池1为矩形六面体结构，具有正面、背面和侧面，单体电池1的正面或者背面与导热框架3的镂空底板301内表面接触，在单体电池1与导热框架3的镂空底板301内表面接触的表面上，涂布有一层导热硅脂；

绝缘缓冲垫5（采用圣戈班K30-125为基材裁切而成），如图5所示，其粘贴在单体电池1的正面或者背面，且设置在单体电池1和导热框架3之间，该绝缘缓冲垫5的尺寸大于导热框架3的镂空底板301上的镂空部分，该绝缘缓冲垫5的作用在于缓冲在单体电池1鼓胀后的电池间空隙变小，并使在单体电池1间绝缘；

如图11所示，所述的车用锂离子电池集成模块还包含：

若干绑带15，其绑扎在拼装整形模块上，该绑带15采用不锈钢材质；

若干跨接片17，每个跨接片17分别与其相邻的两个单体电池1的极柱焊接，该跨接片17采用铝材质；

线束23，其每一根线的采样端子24连接在拼装整形模块的每一个采样点的铜接线端子21上；

上盖6，使用M4自攻螺钉固定于导热框架3上，用于绝缘保护整个拼装整形模块的电池极柱。

本发明还提供一种车用锂离子电池集成模块的集成方法，包含以下步骤：

步骤1、在单体电池1上涂布导热硅脂；

如图2所示，在单体电池1的正面或背面的规定区域2内涂布一层导热硅脂，该规定区域2的形状位置与单体电池1的正面或背面和导热框架3的镂空底板301内表面接触的区域相匹配；

涂布的导热硅脂的厚度为0.1mm~0.2mm；

通过丝网印刷实现导热硅脂涂布的均匀性，通过选择不同的丝网网板的厚度来获得不同的导热硅脂的涂布厚度，通过选择不同的丝网网板的目数来获得不同的导热硅脂的涂布量；

所述的导热硅脂采用绝缘的硅脂；

由于零件加工的误差，导致单体电池1与导热框架3不可能完美的贴合，单体电池1与导热框架3之间的间隙由空气填充，空气的导热率仅为0.02W/mK大大小于导热框架3的导热率14W/mK，这使得整体散热效果降低，涂布导热硅脂的目的是排除空气，降低单体电池1与导热框架3之间的热阻，从图12中的实验数据，可以看出，温度与时间的关系为线性关系，线性公式为y=kx+b，其中，y是温度（℃），x是时间（s），b是实验起始温度，k是斜率，从图中可以看出，无导热硅脂时的斜率k₁=0.0059，有导热硅脂时的斜率k₂=0.0039，这说明在使用了导热硅脂后，温升得到了显著减缓。步骤2、在导热框架3的侧板302内表面涂布结构胶；

在导热框架3的侧板302内表面的侧面区域4内均匀涂布结构胶，该侧面区域4与导热框架3的侧板302的边缘距离为2~5mm，该侧面区域4的宽度为导热框架3的侧板302宽度的15~20%，保证了单体电池1装入导热框架3时，结构胶可以分布在单体电池1的整个侧面，达到最佳粘接效果；

所述的结构胶具有一定的固化时间，该固化时间必须大于整条生产线的总生产时间，大约为1小时，保证在后道工序完成前不能固化，结构胶的表干时间小于20分钟，同时结构胶的流动性大于300pa.s，提高工艺可操作性；

步骤3、拼装单体电池模块（如图5所示）；

步骤3.1、将绝缘缓冲垫5单面背胶（该背胶的型号为3M9495），粘贴到单体电池1上涂布有导热硅脂的一面，绝缘缓冲垫5粘贴的位置与导热框架3的镂空底板301上的镂空部分对应，使得单体电池模块拼装完成后，绝缘缓冲垫5能够完全遮挡住镂空底板301上的镂空部分；

步骤3.2、将粘贴有绝缘缓冲垫5的单体电池1安装到导热框架3内，涂布在导热框架3的侧板302内表面的侧面区域4内的结构胶将单体电池1的侧面与导热框架3粘结在一起，形成单体电池模块；

步骤4、在每一个单体电池模块的导热框架3的镂空底板301外表面的点胶槽22内涂布结构胶（如图4所示）；

使用结构胶替代整体结构件来提供整个模块的XYZ方向结构强度；

所述的结构胶具有一定的固化时间，该固化时间必须大于整条生产线的总生产时间，大约为1小时，保证在后道工序完成前不能固化，结构胶的表干时间约为20分钟，同时结构胶的流动性大于300pa.s，提高工艺可操作性；

步骤5、将若干单体电池模块拼装整形；

如图6所示，将若干单体电池模块排布在整形工装8上的治具托盘11上，通过丝杆压紧机构9从若干单体电池模块的两端向中间挤压，使相邻的单体电池模块之间相互粘结，形成拼装整形模块；

所述的治具托盘11可保证单体电池模块整形时的直线度；

丝杆压紧机构9将拼装整形模块的尺寸进行0.2%的过量挤压，比如：在36个单体电池模块粘结成拼装整形模块的情况下，拼装整形模块的总长应该为515±0.5mm，丝杆压紧机构9进行0.2%的过量挤压后，总长为514±0.5mm；步骤6、利用绑带捆扎收紧拼装整形模块；

如图7所示，利用钢带收紧治具10将若干不锈钢绑带15捆扎在拼装整形模块上，并收紧不锈钢绑带15；

钢带收紧治具10提供的收紧力需要大于2000N， 通过拉力强行将绑带15贴合拼装整形模块转角处的R角22，绑带完全收紧达到约束模块Y方向的目的，四条绑带15的收紧力差异在需控制在10%以内，才能有效防止拼装整形模块发生翘曲；

步骤7、焊接绑带；

如图8所示，本实施例中，使用80W激光焊接机对0.5mm厚10mm宽的绑带15进行激光点焊，在4个焊接位置14处进行焊接，该焊接位置14与绑带15边缘的间距为2~3mm，以焦距225.5mm、点距0.5mm、点直径0.5mm共15个点一组进行焊接，形成一条焊接轨迹，不在同一直线上的相邻两条焊接轨迹之间的间距为2~3mm，位于同一条直线上的两条焊接轨迹之间的间距为5~10mm；

焊接时需保证焊接部分绑带15之间无间隙，焊接后进行拉力测试，焊接强度达到4000N以上403不锈钢带材料屈服强度；

步骤8、激光焊接跨接片；

使用激光焊接将跨接片17焊接在相邻的两个单体电池1的极柱16上，实现单体电池1极柱16间的串并联连接；

步骤8.1、使用激光点焊在跨接片17和单体电池1的极柱16上形成预焊点固定跨接片17，防止焊接收缩造成的焊缝19变大；

如图9所示，使用IPG2000激光焊机，功率1500W，对铝3003跨接片17和极柱16进行点焊固定，有8个预焊点18（预焊点至少要达到6个），预焊点应两侧对称，防止因焊接收缩造成的单边焊缝过大（焊缝超过0.4时，有50%以上的几率出现不良）；

步骤8.2、使用光纤激光焊对焊缝19进行焊接，需要惰性气体保护，并使用废气回收装置回收焊接废气。

使用功率1400~1800W，双焦点，速度80mm/s的激光焊机，进行连续出光焊接，由于焊点18形成的焊接轨迹20为多边形，在转角处焊接轨迹不能完全按照焊缝形状进行焊接，将造成能量堆积，因此进行连续出光焊接后的焊接轨迹19需要进行平滑处理，焊接过程需要进行惰性气体保护，并使用排风装置回收焊接废弃物；

步骤9、利用锡焊固定线束23的采样端子24和铜接线端子21；

如图10所示，将线束23的采样端子24插在每个采样点的铜接线端子21上，使用锡焊固定线束23的采样端子24和铜接线端子21，防止松脱，完成线束的连接。

步骤10、将上盖6通过自攻螺钉及导热框架3的螺钉孔26，安装在导热框架3上。

本发明采用电池单元化拼装，极柱间连接采用铝质跨接片激光焊接，大大提高了可靠性，并且降低了整体重量。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种车用锂离子电池集成模块，其特征在于，该车用锂离子电池集成模块包含：

若干单体电池模块，这些单体电池模块并排设置，相互之间采用结构胶粘结，形成拼装整形模块；

所述的单体电池模块包含：

导热框架（3），该导热框架（3）是可以容纳单体电池（1）的框架结构，所述的导热框架（3）具有镂空底板（301）和连接镂空底板（301）的侧板（302），在侧板（302）内表面与单体电池（1）的侧面接触的位置，涂布有一层结构胶，在镂空底板（301）外表面与相邻单体电池模块内的导热框架（3）接触的表面上具有点胶槽（22），该点胶槽（22）内涂布有结构胶；

单体电池（1），其设置在导热框架（3）内，所述的单体电池（1）为矩形六面体结构，具有正面、背面和侧面，单体电池（1）的正面或者背面与导热框架（3）的镂空底板（301）内表面接触，在单体电池（1）与导热框架（3）的镂空底板（301）内表面接触的表面上，涂布有一层导热硅脂；

绝缘缓冲垫（5），其粘贴在单体电池（1）的正面或者背面，且设置在单体电池（1）和导热框架（3）之间，该绝缘缓冲垫（5）的尺寸大于导热框架（3）的镂空底板（301）上的镂空部分；

所述的车用锂离子电池集成模块还包含：

若干绑带（15），其绑扎在拼装整形模块上，该绑带（15）采用不锈钢材质；

若干跨接片（17），每个跨接片（17）分别与其相邻的两个单体电池（1）的极柱（16）焊接，该跨接片（17）采用铝材质。

2.如权利要求1所述的车用锂离子电池集成模块，其特征在于，所述的车用锂离子电池集成模块还包含：

线束（23），其每一根线的采样端子（24）连接在拼装整形模块的每一个采样点的铜接线端子（21）上；

上盖（6），其固定在导热框架（3）上。

3.一种如权利要求1-2中任意一个所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，该集成方法包含以下步骤：

步骤1、在单体电池（1）上涂布导热硅脂；

步骤2、在导热框架（3）的侧板（302）内表面涂布结构胶；

步骤3、拼装单体电池模块；

步骤4、在每一个单体电池模块的导热框架（3）的镂空底板（301）外表面的点胶槽（22）内涂布结构胶；

步骤5、将若干单体电池模块拼装整形；

步骤6、利用绑带捆扎收紧拼装整形模块；

步骤7、焊接绑带；

步骤8、使用激光焊接将跨接片（17）焊接在相邻的两个单体电池（1）的极柱（16）上，实现单体电池（1）极柱（16）间的串并联连接；

步骤9、利用锡焊固定线束的采样端子（24）和铜接线端子（21）；

步骤10、将上盖（6）固定安装到导热框架（3）上。

4.如权利要求3所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤1中，在单体电池（1）的正面或背面的规定区域（2）内涂布一层导热硅脂，该规定区域（2）的形状位置与单体电池（1）的正面或背面和导热框架（3）的镂空底板（301）内表面接触的区域相匹配，所述的导热硅脂采用绝缘的硅脂，涂布的导热硅脂的厚度为0.1mm~0.2mm。

5.如权利要求3所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤2中，在导热框架（3）的侧板（302）内表面的侧面区域（4）内均匀涂布结构胶，该侧面区域（4）与导热框架（3）的侧板（302）的边缘距离为2~5mm，该侧面区域（4）的宽度为导热框架（3）的侧板（302）宽度的15~20%。

6.如权利要求3或5所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤2和步骤4中，所述的结构胶的固化时间大于整条车用锂离子电池集成模块的集成生产线的总生产时间，保证在后道工序完成前不能固化，结构胶的表干时间为20分钟，同时结构胶的流动性大于300pa.s。

7.如权利要求3所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤：

步骤3.1、将绝缘缓冲垫（5）单面背胶，粘贴到单体电池（1）上涂布有导热硅脂的一面，绝缘缓冲垫（5）粘贴的位置与导热框架（3）的镂空底板（301）上的镂空部分对应，使得单体电池模块拼装完成后，绝缘缓冲垫（5）能够完全遮挡住镂空底板（301）上的镂空部分；

步骤3.2、将粘贴有绝缘缓冲垫（5）的单体电池（1）安装到导热框架（3）内，涂布在导热框架（3）的侧板（302）内表面的侧面区域（4）内的结构胶将单体电池（1）的侧面与导热框架（3）粘结在一起，形成单体电池模块。

8.如权利要求3所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤5中，将若干单体电池模块排布在整形工装（8）上的治具托盘（11）上，通过丝杆压紧机构（9）从若干单体电池模块的两端向中间挤压，使相邻的单体电池模块之间相互粘结，形成拼装整形模块，丝杆压紧机构（9）将拼装整形模块的尺寸进行0.2%的过量挤压。

9.如权利要求3所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤6中，利用钢带收紧治具（10）将若干不锈钢绑带（15）捆扎在拼装整形模块上，并收紧不锈钢绑带（15），钢带收紧治具（10）提供的收紧力大于2000N，通过拉力强行将绑带（15）贴合拼装整形模块转角处的R角，绑带（15）之间的收紧力差异控制在10%以内。

10.如权利要求3所述的车用锂离子电池集成模块的集成方法，其特征在于，所述的步骤8包含以下步骤：

步骤8.1、使用激光点焊在跨接片（17）和单体电池（1）的极柱（16）上形成预焊点来固定跨接片（17）；

步骤8.2、使用光纤激光焊对焊缝（19）进行焊接。