CN110506354B - 具有内部串联堆的电动车辆蓄电池单池 - Google Patents

具有内部串联堆的电动车辆蓄电池单池 Download PDF

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Abstract

一种蓄电池模块，包括多个串联连接的蓄电池单池，每个蓄电池单池具有阴极、阳极和分隔阴极和阳极的隔板以及双极性集流体；多个聚合物框架，每个聚合物框架具有窗口，所述窗口用于接收多个蓄电池单池中的一个蓄电池单池的一部分；多个聚合物框架中的两个聚合物框架限定隔室；和电解质，所述电解质填充用于多个蓄电池单池中的一个蓄电池单池的隔室。还提供一种方法。

Description

具有内部串联堆的电动车辆蓄电池单池
技术领域
本发明笼统地涉及一种电动车辆、更具体地涉及一种用于电动车辆的蓄电池。
背景技术
在传统的锂离子蓄电池单池中，电解质润湿壳体中的所有电极。因此，被电解质润湿的所有电极以大容量并联连接。为了增大电压，需要将具有单独壳体的单池串联堆叠。
串联的蓄电池单池是已知的。
公布号为2013/0157111的美国专利申请例如公开一种多个蓄电池的组合装置、即蓄电池组，通过将几个蓄电池串联，可以在没有任何额外电气连接的情况下制造这种蓄电池组。为实现这一点，将多个蓄电池堆叠，使两个相邻蓄电池之间的反极性触点接触。通过堆叠具有相同的、单位功率等于15Wh的双极性元件的十片蓄电池，可以获得能够提供240V电压的蓄电池组。美国专利申请2014/0045040和2016/0104913公开了来自同一受让人的其它蓄电池。
美国专利申请2013/0101878公开一种具有多个独立的、大致呈长方体形的单池壳体的蓄电池，在每个单池壳体中，一个侧面至少在一些区域中构造为负极并且相反的侧面至少在一些区域中设计为正极。在每种情况下，电解质都填充双金属件和金属体之间的空间，其中，在每种情况下都布置有金属体的阳极和阴极或双金属件，从而在双金属件的每一侧上都形成电化学单池。在每种情况下，电极都通过铁可透过但电绝缘的隔板彼此分开，以避免电极之间的短路。双金属件安装在框架上并通过密封件在接触区域中离子密封，从而不会在双金属件上形成铁桥。因此，两个电化学单池彼此在离子方面分离，但是存在通过双金属件的闭合电路，从而两个电化学单池串联连接在单池壳体的两个极之间。
美国专利申请2004/0253512公开一种由几个单池(单池层)构成的蓄电池元件9。双极性电极(包括最外面的非双极性电极)要堆叠的次数根据需要的输出电压调整。如果单池的端电压设为4.2V，则由等效于十片单池的串联连接的单池层构成的蓄电池元件的端电压(蓄电池电压)为42V。
发明内容
串联堆叠的蓄电池单池的制造和组装可能是昂贵和困难的。例如，美国专利申请2013/0157111描述了模具和树脂的使用。
此外，许多蓄电池部件可能遭受振动或移动，并且电解质的密封可能受到损害，这可能导致蓄电池单池故障。
本发明提供一种蓄电池模块，包括：
多个串联连接的蓄电池单池，每个蓄电池单池具有阴极、阳极和分隔阴极和阳极的隔板以及双极性集流体；
多个聚合物框架，每个聚合物框架具有窗口，所述窗口用于接收多个蓄电池单池中的一个蓄电池单池的一部分；和
多个聚合物框架中的两个聚合物框架限定隔室；和
电解质，所述电解质填充用于多个蓄电池单池中的一个蓄电池单池的隔室。
本发明有利地产生蓄电池模块，其具有单独的允许串联连接的电解质隔室并且具有框架，所述框架允许容易的组装和稳定的蓄电池。
也可以提供构成隔室的一部分的单独的壳体，或框架可以直接在其边缘处被密封。
由于隔室是密封的，因此可以使用液体电解质或凝胶电解质作为电解质。
聚合物框架可以例如是刚性结构或致密薄膜、穿孔薄膜、多孔薄膜、粘合带或粘合薄膜，并且可以例如由聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯-聚丙烯混合物制成。
聚合物框架有利地可以预先与蓄电池单池的部件例如双极性集流体或隔板连接。随后可以容易地组装蓄电池，并且附接在框架上的部件可以被非常稳定地支撑。
有利地，双极性集流体可以例如通过胶合、焊接热连接，层压或粘合带附接在框架上。有利地，铝-双极性集流体的涂镍侧可以直接附接在框架上。
聚合物框架例如可以具有至少一个、最优选四个进给孔，进给孔例如可以装配在杆上以辅助加工堆叠体。如果需要隔室之间的密封并且杆正在被使用。杆可以被移除。多余的框架材料、包括进给孔随后可以修剪掉并且丢弃或重复使用，并且将壳体连接以便密封。
本发明还提供一种制造蓄电池模块的方法，包括：
堆叠多个蓄电池单池单元，每个蓄电池单池单元包括具有窗口的聚合物框架和具有阴极、阳极和分隔阴极和阳极的隔板以及双极性集流体的蓄电池单池，所述窗口接收所述蓄电池单池的一部分；
将壳体与聚合物框架连接，多个聚合物框架中的两个聚合物框架和壳体限定隔室；和
用电解质填充隔室。
所述方法可以包括首先提供壳体的一部分、例如具有连接的侧壁的端框架或提供现有壳体，电极、例如阴极被装配到所述壳体的一部分或现有壳体中，接着装配隔板、另一电极、例如阳极。随后可以添加液体电解质，并且具有已附接在窗口上的双极性集流体的聚合物框架可以放置在阳极上。聚合物框架可以以密封的方式例如通过胶合、焊接热连接(welding heatbonding)、层压或粘合带与壳体侧壁连接。焊接热连接例如可以有利地从壳体外部进行。
随后可以将下一个阴极置于集流体上，接着放置隔板和另一个阳极。可以添加液体电解质，并且随后附加下一个聚合物框架/双极性集流体，随后将聚合物框架/双极性集流体密封到壳体上，以此类推。一旦附加了所需数量的单池，就可以附接具有端板的最后一个聚合物框架。
有利地，可以使用杆和框架中的杆孔来附加框架，之后杆可以被移除。
附图说明
下文描述了本发明的几个非限制性实施例，其中：
图1示出本发明第一实施例中的多个堆叠的蓄电池部件的侧视图；
图2示出了图1的实施例的侧视图，其中壳体与蓄电池部件的聚合物框架连接以形成蓄电池模块；
图3a、图3b和图3c示出本发明的蓄电池部件的实施例的产生的俯视图，和图3d示出蓄电池部件的备选实施例；
图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f示出根据本发明的聚合物框架的各种框架几何形状，和图4g示出具有多个窗口的框架；
图5示出根据本发明的具有用于使组装容易的进给孔的聚合物框架；
图6示出通过中间板并联连接的两个模块；
图7示意性示出串联连接的两个模块；
图8示出以另外的结构连接的三个模块；和
图9示意性示出电动车辆或混合动力车辆，其具有由蓄电池单池模块构成的电动蓄电池。
具体实施例
图1示出根据本发明的实施例的具有五个可堆叠的蓄电池部件11、12、13、14、15的蓄电池单池模块10，这些蓄电池部件具有根据本发明的实施例的电极部件。
每个蓄电池部件11、12、13、14、15包括阳极24、隔板28、阴极26和双极性集流体22。每个部件还包括聚合物框架20，聚合物框架20在平面侧124与双极性集流体22连接并且在相对的平面侧128具有隔板28。在该实施例中，聚合物框架20是聚合物薄膜，并且隔板28与框架20的连接将结合图3a、图3b和图3c更详细地描述。
隔板28可以是电介质材料、例如多孔的聚乙烯或聚乙烯-聚丙烯薄膜(厚度典型地为8至25μm)。
聚合物框架20可以例如由如下材料构成：聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、丙烯腈丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯醚(PPO)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚苯并咪唑(PBI)、尼龙和复合薄膜或由涂有聚合物例如聚丙烯的铝薄膜构成的多层薄膜。最优选地，聚合物框架是PE/PP混合物。
虽然可以有利地使用典型的电解质如液体或凝胶，但本发明也可以掺入固态电解质如氧化锂或硫化物玻璃或玻璃陶瓷或陶瓷作为电解质。双极性集流体22可以例如由铜或铝或镍包铝或镍制成。阳极24和阴极26可以分别通过气相沉积或其它薄膜技术沉积在双极性集流体22上或隔板28上。
图2示出图1的实施例的侧视图，其中壳体40与蓄电池部件11至15的聚合物框架20连接以形成蓄电池单池模块。壳体40具有底端框架41，底端框架41可以类似于聚合物框架20。壳体可以具有例如四个壁以覆盖聚合物框架20的每一侧，聚合物框架20优选地具有矩形外形。
壳体40可以例如由与聚合物框架20相同的材料制成或者由不同的聚合物材料制成。
如将要描述的，如图1所示的杆99可以与下文将要描述的聚合物框架20中的进给孔配合作用，并且可以在堆叠体产生之后被移除。可以修剪框架的多余材料并且可以附加壳体用于密封。在移除之前，杆99可以例如支撑在壳体40的底端框架41上。
图3a、图3b和图3c示出本发明的蓄电池部件的实施例的产生的俯视图，图3d示出具有先与聚合物框架连接的双极性集流体22的替代蓄电池部件。
图3a示出具有矩形窗口60的聚合物框架20的平面侧128。
如图3b所示，框架20可以放置在隔板28上，隔板28可以在一侧具有阳极24并且在另一侧具有阴极26，如图1所示。阴极26突出通过窗口60，如图3c所示。可以是金属薄膜的双极性集流体22随后可以被附加在阴极26上并且在其边缘处被连接在框架20上。框架20同样在窗口60周围与隔板28连接。
因此，固定连接的框架20和隔板28产生可容易地堆叠的蓄电池部件98。双极性集流体22、阳极24和阴极26可以如同上述连接在可堆叠的部件上或者也可以单独附加或随后在组装时附加。
有利地，阳极和阴极可以由聚合物、玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷固态材料制成，并且机械性能被改善，并且单池组装过程中的大部分机械应力可以被聚合物框架保持，这降低了对组装过程的要求。另外，固态材料边缘处的小缺陷可以被容忍并且可以减少缺陷产品的数量。
图3d示出从与图3a中相同的框架20开始的备选实施例。可以是涂镍的铝薄膜的双极性集流体22镍面朝下地放置在框架上以与平面侧128重叠。可以使用胶合或其它连接方式将镍涂层附接在PP/PE框架上，这与PP/PE-铝或铜连接相比有利地提供稳定的连接。集流体的单面涂覆有阳极24或阴极26或双面涂覆有阳极24和阴极26的薄膜由聚合物框架良好地稳定并且可以分别与隔板组合。
图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f示出根据本发明的聚合物框架的各种框架几何形状，图4a类似于图3a，框架201、202、203、204、205分别具有带有圆形边缘的窗口301、圆形窗口302、类似于窗口301但对于相同外部尺寸的框架来说更小的窗口303、完美的正方形窗口304和椭圆形窗口305。
图4g示出具有例如四个窗口306、307、308、309的聚合物框架206。
图5示出根据本发明的具有用于使组装容易的进给孔的聚合物框架203，该进给孔在此以椭圆形窗口305示出。
图1实施例的组装可以如下进行：提供端板阳极集流体92，并且附加蓄电池部件11，从而框架20通过进给孔在杆99上滑动。聚合物框架20可以通过进给孔在另外的杆上滑动。随后可以将部件12、13、14和15堆叠在杆99上，如图1所示，并且最后附加阴极顶板90以产生蓄电池模块10。因此，蓄电池部件12、13、14、15的阳极24可以支撑在蓄电池部件11、12、13、14的双极性集流体22上。
为了产生图2实施例，可以移除杆99，修剪多余的框架材料，并且壳体40的侧部可以被附加并且连接在聚合物框架上。备选地，多个框架可以在进给孔和窗口之间焊接在一起，并且多余的框架材料被修剪掉。因此不需要额外的壳体，并且额外的薄膜或材料可以用于最末的隔室。液体或固态电解质可以添加到由壳体(如果存在的话)和两个聚合物框架(如果需要的话)形成的区域以提高效率。
由壳体和聚合物框架构成的隔室有利地可以被密封，从而液体或凝胶电解质与每个隔室隔离，以便产生串联连接的蓄电池单元部件。针对图2实施例的有利的制造方法可以如下进行：
提供具有壳体40的经连接的侧壁的底端框架41或提供已经存在的、结构类似的壳体。将电极(例如阳极24)装配入底端框架41的窗口中，接着安装隔板28和阴极26。随后可以添加液体电解质，并且具有已连接在窗口上的双极性集流体22的聚合物框架20可以放置在阴极26上。聚合物框架20可以以密封的方式、例如通过胶合、焊接热连接、层压或胶带连接到壳体40的侧壁上。焊接热连接例如可以有利地从壳体外部进行。
可以附加下一个阳极24、隔板28、阴极26，添加更多的液体电解质，并且随后附加下一个聚合物框架20/双极性集流体22部件并且将框架20密封到壳体40上。当存在需要数量的单池部件时，最后一个框架20可以具有连接的端板或中间板，并且蓄电池单池模块完成。
图6示出具有两个模块的蓄电池，顶部模块120类似于模块10，但在阳极侧具有朝不同的横向方向延伸的板或薄片，该板是所谓的中间板94。顶部模块120的底部框架可以省略。底部模块130可以仅仅是倒转物，其中阳极延伸穿过窗口并接触中间板94，并且框架与中间板94或薄片连接在一起，中间板94或薄片优选在与阴极端板相对的一侧上延伸。备选地，端板可以是阳极端板并且阴极可以在中间延伸。
可以有利地产生具有不同端板配置的不同蓄电池模块，然后串联或并联连接以产生不同的蓄电池容量或电压。具体而言，可以产生在壳体的端部仅具有一个端板、阴极端板或阳极端板的蓄电池模块，在此记为模块EP，端板优选地横向延伸超出壳体。为了与这种模块EP并联连接，可以产生所谓的模块EMP，其具有一个端板和一个中间板连接器，中间板连接器从壳体的另一侧横向延伸作为端板。也可以产生仅具有一个中间板而没有其它端板的模块MP以及具有两个中间板的模块TMP。这些模块EP、EMP、MP和TMP可以串联或并联组合，以便产生不同的蓄电池容量和电压。所述双极性集流体可以焊接在一起，连接处的框架也可以焊接在一起。
因此，图6示出EMP/EP组合。
例如，图7示出串联的两个模块EP，它们的框架在焊接处210结合，以及用于产生电压更高的蓄电池的额外的端板190。
图8示意性示出具有两个EP模块和一个处于中间的TMP模块的另外的蓄电池结构。其它结构如EP/MP/EMP或EP/MP/TMP/EP也是可能的。
如图9所示，在一种应用中，蓄电池单池模块或蓄电池单池堆110可以设成例如具有许多蓄电池单池，以便作为电动蓄电池为用于驱动电动车辆300的电动机200提供动力。
所得到的用聚合物框架堆叠的电池还允许将阳极和阴极分隔在额外的隔室中，并允许使用不同的阳极电解质和阴极电解质。例如，一个电极侧可以具有液体或凝胶聚合物型的电解质并且第二电极侧可以使用固态电解质或甚至根本不使用电解质。
通过将隔板-聚合物框架单元与壳体连接，隔板不再能够在单池内移动或滑动。因此，该单元更具弹性并且当在汽车或任何可移动设备中存在蓄电池时可以更好地容忍所发生的振动或冲击，因为整个单池堆(或称为单池堆叠体)的位置固定在单池内。
同样地，如果使用双极性集流体-聚合物框架单元的实施例，则双极性集流体受到良好的保护。

Claims (13)

1.一种蓄电池模块，包括：
多个串联连接的蓄电池单池，每个蓄电池单池具有阴极、阳极和分隔阴极和阳极的隔板以及双极性集流体；
多个聚合物框架，每个聚合物框架具有窗口，所述窗口用于接收多个蓄电池单池中的一个蓄电池单池的一部分；
包围所述多个聚合物框架的壳体，其中所述壳体的壁与所述多个聚合物框架连接；和
多个聚合物框架中的两个聚合物框架和所述壳体的位于所述两个聚合物框架与所述壳体的相应连接处之间的部分限定单独的隔室，所述隔室填充有电解质。
2.如权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述电解质是液体电解质或凝胶电解质。
3.如权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述聚合物框架包括聚乙烯或聚丙烯。
4.如权利要求1所述的蓄电池模块，其中，聚合物框架固定在双极性集流体或隔板上。
5.如权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述双极性集流体由具有涂镍侧的铝制成。
6.如权利要求5所述的蓄电池模块，其中，所述涂镍侧直接附接在聚合物框架之一上。
7.如权利要求1所述的蓄电池模块，其中，所述聚合物框架具有至少一个用于杆的进给孔。
8.一种制造蓄电池模块的方法，包括：
在壳体的壁内堆叠多个蓄电池单池单元，每个蓄电池单池单元包括具有窗口的聚合物框架和具有阴极、阳极和分隔阴极和阳极的隔板以及双极性集流体的蓄电池单池，所述窗口接收所述蓄电池单池的一部分；
将多个聚合物框架连接至所述壳体的壁，多个聚合物框架中的两个聚合物框架和所述壳体的位于所述两个聚合物框架与所述壳体的连接处之间的部分限定单独的隔室；和
用电解质填充所述隔室。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述电解质是液体电解质或凝胶电解质。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述连接包括将聚合物框架密封到壳体上，从而所述隔室是密封的隔室。
11.如权利要求8所述的方法，其中，使用与聚合物框架中的进给孔配合作用的杆来堆叠聚合物框架。
12.一种电动车辆蓄电池，包括多个蓄电池模块，每个蓄电池模块如权利要求1所述。
13.一种电动车辆，包括如权利要求12所述的电动车辆蓄电池。
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