TW200814405A - Middle or large-sized battery module - Google Patents

Description

200814405 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 土發明係關於—種中尺寸或大尺寸電池模組，尤指一 種包含二或多個覃仿捃& 卜 〇 7 早位H母—料單位模組分別具有- 或=4固的平板狀電池單元，此等平板狀電池單元係單位單 兀亚被-由合成樹脂或金屬構成之高強度保護構件圍繞； 以：-上框架構件及一下框架構件，此上框架構件及此下 框架構件係分別設置並S —裝配型式結合結構中互相結 合，使得此等單位模組垂直地固定於此上框架構件及此下 框架構件中。 【先前技術】 、近，來，可被充電及放電之二次電池已經被廣泛應用 為’、、、線行動I置的·量來源。此外，二次電池也吸引了不 15 t，注意在應用為電動車輛（EV)及混合電力車輛（HEV)的 ，量來源的方面上。這些車輛係被開發用來克服各種問 題如目韵使用石化燃料之汽油及柴油車輛所造成之空氣 污染。 ” 小尺寸行動裝置使用一個或複數個小尺寸電池單元， 20而另方面，中尺寸或大尺寸裝置，如車輛，則使用一具 有複數個互相連接之電池單元的電池模組，以提供中尺寸 或大尺寸裝置所需之高輸出及大容量。 如果可能的話，中尺寸或大尺寸電池模組較佳地具有 較小的尺寸及重量。為此，可高密度堆疊並具有較小之重 200814405 置/體積比的稜柱電池或袋狀電池常被應用為中尺寸或大 尺寸電池模組的電池單元。尤其，由於袋狀電池之重量小， 其製造成本也較低，所以使用鋁薄板做為一保護構件的袋 狀電池目前受到較多的注意。 5 圖1係習知之袋狀電池的代表性示意圖，圖1所示之袋 狀電池10具有兩分別自電池本體13之上端及下端凸出的電 極線11及包極線12，且電極線^及電極線12彼此相對。保 &構件14包含上保護部及下保護部。也就是說，保護構件 14係一兩單元結構。一電極總成（圖中未示）係被容納於一被 10定義於保護構件14之上保護部及下保護部之間的容納部 中，相對側14a、上端14b及下端14c(即保護構件14之上保護 部及下保護部的接觸區域）則彼此結合以形成袋狀電池 1 〇保濩構件14係由一樹脂層/一金屬薄膜層/一樹脂層之薄 片結構構成。因此，可藉由加熱及施壓於保護構件14之上 15保護部及下保護部之相對側14a、上端14b及下端14c的才 式，將彼此接觸之保護構件14之上保護部及下保護部之相 對側14a、上端14b及下端14c互相結合，以將保護構件14之 树月曰層熔接在一起。依據環境的不同，保護構件14之上保 濩。卩及下保護部之相對側14a、上端14b及下端14c可藉由結 20 合劑彼此結合。在保護構件Μ之相對側14a中，保護構件14 之上保護部及下保護部的相同樹脂層係彼此直接地接觸。 如此，保護構件14之相對側14a的均勻密封便可藉由熔接的 方式達成。另一方面，在保護構件14之上端14b及下端14c 中，電極線11及電極線12分別自保護構件14之上端14b及下 7 200814405 端He凸出。為此’保護構件14之上保護部及下保護部之上 端14b及下端14e彼此熱溶接，且考慮到電極線似電極線 12的厚度以及電極線u、電極線12與保護構件“之間的材 料差異，-薄膜狀密封結構16被***於電極線似電極線 5 12與保護構件14之間，以增加保護構件14的可密封度。 然而，保護構件14的機械強度較低。而為了解1此— 問題，一種將電池單元（單位單元）架設於一箱盒（如一卡匿） 的方式被提出，以製造出-具有穩定結構的電池模組。但 是，裝設有一中尺寸或大尺寸電池模組的裝置或車輛一般 H)僅具有相當有限的安裝空間。因此，當電池模組的尺寸由 於使用箱封如卡E)的緣故而增加時，空間使用效率便會降 低。此外，由於其機械強度較低，電池單元在充電及放電 時重複地膨脹及收縮。因此，保護構件的熱溶接區域很容 易會彼此分離。 15 ⑽此外，由於一電池模組係一具有複數個彼此連接之電 池單元的結構主體，所以當部分電池單元發生超電壓 (=erV0ltage)、超電流（〇vercurrem)及過熱…Mrheat)之現象 %，整個電池模組的安全性及操作效率便受到了影響。因 此，一用於感測前述之超電壓、超電流及過熱之現象的感 20測單元是需要的。尤其，一電壓或溫度感測器係連接至電 池早7L，以即B夺或在事先預定的時間間隔内债測並控制電 .池單元的細作。然而，感測單元的黏貼及連接使得電池模 組的裝配程序更加複雜。此外，黏貼及連接感測單元所需 的複數條導線亦可能會造成短路現象的發生。

S 200814405 、此外，當中尺寸或大尺寸電池模組由複數個電池單元 或複數個分別具有事先預定數目之電池單元的單位模組構 成打，複數個位於電池單元或電池模組之間的機械結合及 電性連接結構是需要的，且組合前述之機械結合及電性連 5接結構所需的程序是非常複雜的。更加地，一用於結合、 熔接或焊接前述之機械結合及電性連接結構的空間是需要 的，因而造成系統的總尺寸增加，而在前述的面向中，系 統尺寸的增加是不被偏愛的。因此，業界非常需要一具有 緊緻及結構穩定的中尺寸或大尺寸電池模組。 八 10 【發明内容】 因此，本發明係用於解決前述之問題以及其餘尚待解 決的技術問題。 尤其 15 20 ★ 尽愈明之目的在於提供一中尺寸或大尺寸電池 ΐ組’其中—可縮小電池單元之尺寸及減輕其重量的感測 早=可輕易地被固定於其上’且此感測單元可同時強化電 池單之低機械強度並感測電池單元之操作。 本發明之另-目的在於提供—可藉由—無須使用複數 固、成機械結合及電性連接所需之結構之簡化裝配程序裝 配而成的中尺寸或大尺寸電池模組，因而降低中尺寸咬大 =電池模㈣製造成本録巾尺寸或大尺寸電池模組的 k或運作過程中，有效地避免短路缝破壞的現象發生。 =發明之又—目的在於提供—種可藉由將中尺寸或大 、电池模組做為-單位元件的方式而製造的中尺寸或大 9 200814405 尺寸電池電池系統，此中尺寸或大尺寸電池電池系統具有 理想的輸出及容量。 依據本發明之一面向，前述之目的可藉由提供一種中 尺寸或大尺寸電池模組達成，此中尺寸或大尺寸電池模組 5包含二或多個單位模組，每一此等單位模組分別具有一或 夕個的平板狀電池單元，此等平板狀電池單元係單位單元 並被一由合成樹脂或金屬構成之高強度保護構件圍繞；以 及一上框架構件及一下框架構件，此上框架構件及此下框 架構件係分別設置並於一裝配型式結合結構中互相結合， 10使得此等單位模組垂直地固定於此上框架構件及此下框架 構件中。 平板狀電池單元係二次電池，這些二次電池具有極小 的厚度及相對較大的寬度及長度，#此當這些二次電池被 互相=疊而形成一電池模組時，這些二次電池的總體尺寸 15可被最小化。在本發明一較佳實施例中，每一個平板狀電 池係一-人電池，其結構係一被固定於一電池盒中的電極 總成，此電池盒係由一包含一樹脂層及一金屬層的薄板構 f，且複數個電極端自此電池盒之上端及下端凸出。尤其， 母一電池單元之結構係一被固定於一袋狀電池盒中的電極 20 ^成，且此袋狀電池盒係由一銘薄板構成。在以下的說明 曰中，具有上述之結構的二次電池係指袋狀電池單元。 袋狀電池單元的外盒可具有任何種類的結構，例如， 袋狀電池的保護構件可使電極總成被容納於形成於一兩單 元結構之上側内表面及/或下側内表面的容納部内，且上接 200814405 2區域與下接觸區域均被密封…具有前述之結構的袋狀 電池單元已經被揭露於國際中請號pcT/KR2⑽伽％ η的 專利申請案中，此案與本專利申請案具有相同的申請人， 且此專利申請案所揭露之技術内容在此做為本 5 的參考技術。 木 ^电極總成包括陰極及陽極，使得電池可被充電及放 電。電=總成具有-由陰極及陽極相互堆疊而成的結構， 且間隔單兀分別設置於前述之陰極及陽極之間。舉例來 說’電池總成可具有—折疊（膠捲狀）類型結構、—堆疊類型 〇 K堆豐/折豐類型的結構。此外，電極總成的陰極及 陽極的接頭可自電池直接向外凸出或可連接至額外的複數 條導線，而這些導線再自電池直接向外凸出。 電池單元係一對一或二對二被高強度保護構件圍繞以 形成一單位模組，此高強度保護構件係由合成樹脂或金屬 15構成。㊣強度保護構件限制了具有低機械強度之電池單元 f充電及放電時所發生的重複膨脹及收縮，因而避免電池 單元各密封區域的分離。在一單位模組中，電池單元係以 串聯及/或亚聯的方式互相連接，或一單位模組的電池單元 係以串聯及/或並聯的方式與另一單位模組的電池單元互 2〇相連接。在一較佳實施例中，單位模組係藉由將電池單元 的電極端互相結合的方式製成，且前述之電池單元係縱向 地串聯，使得電池單元的電極端接連地互相鄰近，彎折電 池單元二次或二次以上使得電池單元互相堆疊並彼此緊= 接觸；以及將互相堆疊之事先預定數目的電池單元以保^ 11 200814405 構件圍繞起來。 由各種方式達成，如熔接、桿 極^之間的結合係藉由溶接達 電極端之間的結合可藉 接或機械結合。較佳地，電 成0 虽其電極端互相連接時，形成—高密度堆疊的單位模 =垂直地固以上框架構件及下框架構件中，且上框卒 構件=下框架構件並於_|配型式結合結構中互相結合。 車乂佳地’上框架構件及下框架構件形成-圍繞單位模 二之邊緣並使單位模組之外表面暴s至外界的結構，以便 P位模組架設於上框架構件及下框架構件，且在上框架 出框架構件互相結合後，單位模組可輕易地將熱排 卜門'°尤其，上框架構件及下框架構件係在橫向方向 二口，使得單位㈣之邊緣固定於上框轉件及下框架 構件。 15 20 較佳實施例中，上框架構件及下框架構件之内部 2有硬數個隔間，以導引各單位模組之垂直架設操 包含形纽上框架構件及下框架構件之内部的 以料位模組之邊緣插人溝槽及/或關之隔間牆， 協助早位模組之邊緣穩固地固定於溝槽中。 έ力上框架構件及下框架構件之間的結合係藉由將單位模 設於上框架構件及下框架構件兩者其中之_(如下框 =牛)’再將另一框架構件(如上框架構件)與已架設有單 心！：架構件結合。上框架構件及下框架構件之間的 、--“可猎由各種方式達成，如—料形成於兩_構件其 12 200814405 對應於前述之釣的結合孔則可形成於另—框 使二::合 5 15 組的安全性及池:二考量電池模 測與控制、“认、 之電壓及溫度的量 _ Ζ 、’尤其需要量測個別電池單元或個別電 ’破電性連接區域的電摩。因此，用於 =屢與溫度之感測結構於電池單元上的黏貼便成為= 电池模組結構日趨複雜化的主要因素之一。 # _前述之問題可藉由提供一沿著框架構件架設之感測單 2的方式獲得解決，以量測電池單元之電麼及/或溫度，即 本發明所提出之解決方式。 在架設於上框架構件及下框架構件之單位模組中，最 遠端之單純㈣電極端係電性連接於外料路或鄰近電 池模組的電極端。為此，輸人端匯流棒及輸出端匯流棒係 連接於最遠端之單位模組的電極端。在—較佳實施例中， 匯流棒具有結合孔，且至少—框架構件於其外表面設置有 對應於前述之結合孔的結合凸出部，使得匯流棒可輕易並 穩固地固定於電極端。 本發明之電池模組更包括一裝置（所謂的電池管理系 統）以控制電池模組的操作。較佳地，電池管理系統（BMS) 係架設於輸入端匯流棒及輸出端匯流棒所設置之侧邊的相 對側（即電池模組的後侧）。當複數個電池模組用於組成一中 尺寸或大尺寸電池系統時（將敘述於下），架設於個別電池模 13 200814405 組之電池管理系統則可被稱為從屬電池管理系請 BMS)。 5 本發明之中尺寸或大尺寸電池模組具有一緊緻的結 構，且中尺寸或大尺寸電池额之機械結合及電性連接盈 須複=個，構便可穩固地達成。此外，可使用事先預定數 目之電池單元（如六、八或十個電池單元）組成—電池模組， 以有效地將—需要數目之電池模組架設於一有限制的空間 中0

10 依據本發明的另一面向， 尺寸或大尺寸電池系統被提供 複數個電池模組的方式構成。 一具有咼輸出及大容量之中 ，而此電池系統係藉由連接 15

，之中尺寸或大尺寸電池系統可基於所需之輸出 =而由複數個單位模組結合而成’本發明之電池系統 乂土:用於—電動車輛、混合電力車輛、電動機車或電動 =:旦：這:應用環境電池系統的組裝效率及結構的穩 震動=衝:具有非常有限的組裝空間辦 【實施方式】 以下係蒼照各各圖式而詳述本發明。需 η 本發明的範疇並不限於所繪示的實施例。 、 圖2係本發明一較佳實施例之中尺寸或大尺 組的***示意圖，圖3至兔 寸電^拉 ^ 口 3主圖8則為顯不中尺寸或大 板組之裝配程序的代表示意圖。 ' 20 200814405 如圖2所示，中尺寸或大尺寸電池模組100包含複數個 袋狀電池單元200、電池蓋310以及上框架構件400及與下框 架構件500。其中，電池蓋310係金屬保護裝置，且兩·兩地 圍繞著電池單元200，上框架構件400及與下框架構件500則 5 在一裝配型式結合結構中互相結合。 如圖3所示，當電池單元2Q0及201縱向地串聯時，電池 單元200及201的電極端210、220、211及221係藉由焊接的 方式彼此結合，使得電池單元200及201的電極端210、220、 211及221接連地互相鄰近。接著，電池單元200、201被沿 10 著一如箭頭所示的方向彎折，使得電極端210、220、211及 221的結合區域位於外侧。因此，電池單元200及201互相堆 疊並彼此緊密接觸。接著，互相堆疊之電池單元200及20 1 係二對二地被電池蓋3 10圍繞，如圖2所示。如此，便形成 具有如圖4所示之結構的單位模組300。 15 請參閱圖4，由於每一電池單元200之外表面係由一袋 狀盒構成，所以每一電池單元具有較低的機械強度。然而， 由於電池單元200係被高強度的電池蓋310圍饒，電池單元 200在遭受外力衝擊下仍可保持完整。另一方面，當電池單 元充電或放電時，電池單元200的體積變化會被電池蓋310 20 限制住。如此，可有效避免架設於每一電池單元200之電池 總成之各電極之間的分離以及袋狀盒之各密封部之間的分 離。 由於電池單元200及201的電極端220及211係藉由焊接 的方式彼此結合，電池單元200及201之間的電性連接便可 15 200814405 穩定地達成，且無須任何額外的結合結構。在每一個電池 蓋310之主要相對侧設置有複數個溝槽320，且這些溝槽320 相隔一事先預定的間隔。因此，當電池單元200及201堆疊 時，一冷卻劑通道便自然地形成，使得熱能可有效地被排 5 散。 至於並未互相結合之最遠端之單位模組300及303的電 極端210，將稍後與一外部電路結合。 前述之單位模組係垂直地置入於一内部具有隔間的下 框架構件500中，使得單位模組穩固地架設於下框架構件 10 500。前述之隔間係藉由形成於下框架構件500之内部之上 端（圖5之前半部）及下端（圖5之後半部）的溝槽510被定義。 如此，溝槽510具有對應於單位模組300之上端及下端的尺 寸。隔間牆520自下框架構件500之内部的橫向側（圖5之下 半部）凸出，使得隔間牆520位於各單位模組的橫向侧之 15 間，且下框架構件500具有“[”形結構。如此，架設於下框架 構件500之每一個電池蓋310的主要相對侧便暴露至外界， 使得熱能可自單位模組300被排散。 請參閱圖2，下框架構件500於其一側設置有一鉤530， 此鉤530並***一形成於上框架構件400的結合孔410中，使 20 得下框架構件500與上框架構件400結合。因此，下框架構 件500與上框架構件400之間的穩固結合可輕易地達成，且 無須任何額外的結合結構。 圖6係顯示下框架構件500與上框架構件400之結合的 示意圖，其中單位模組係架設於下框架構件500，且上框架 16 200814405 構件400於其内部設置有位於各單位模組300之橫向側之間 的隔間牆(圖中未示）。 最遠端之單位模組300及303之電極端210及223的一側 向前凸出，使得電極端210及223與圖2所示之匯流棒600及 5 601結合。每一匯流棒600及601的一側係彎曲設置，以使匯 流棒600及601在無須彎曲電池端210及223的情況下，可與 電池端210及223結合。匯流棒600及601具有結合孔6Λ0，以 供設置於上框架構件400之結合凸出部420***’使得匯流 馨棒600及601在匯流棒600及601與電池端210及223結合時， 1〇 可穩固地固定於上框架構件400 ° 圖7係顯示匯流棒與電池端之結合的代表示意圖’如圖 7所示，由於單位模組300之電極端210與匯流棒600之垂直 彎曲侧620緊密地結合，所以電阻溶接（resistance welding) 可輕易地達成。於此同時，藉由將結合凸出部420***結合 15 孔610的方式，匯流棒600可與上框架構件400結合。因此， 即便施加震動或衝擊於匯流棒600上，匯流棒600仍可穩定 φ 地架設於上框架構件400上。 請回頭參閱圖2,感測電池單元200及201之電壓與溫度 的感測線700係連接至下框架構件500。尤其，感測線700係 2〇 連接至位於下框架構件500之上端及下端的電極端結合區 域，以感測單位模組3〇〇的電壓，且感測線700具有與下框 架構件500大致相同的形狀。如此，電池模組便具有一簡單 的結構。 感測線700係與位於下框架構件500之底部的電池管理 17 200814405 系統（BMS)800相連接，圖8則為顯示BMS800所位於之中尺 寸或大尺寸電池模組100之後側的示意圖。 如圖9所示，複數個電池模組可相互堆疊，以形成一具 有理想之輸出及容量的中尺寸或大尺寸電池系統。 5 請參閱圖9，中尺寸或大尺寸電池系統係藉由堆疊複數 個電池模組10 0及101的方式形成’其中匯流棒6 〇 〇及6 01係 位於中尺寸或大尺寸電池系統的前側，而BMSs800及801則 位於中尺寸或大尺寸電池系統的後側。 匯流棒600及601可藉由一連接構件（圖中未示）互相連 10 接，如線、金屬板、印刷電路板（PCBs)、軟性PCBs。此外， 一額外的BMS(圖中未示）可架設於此中尺寸或大尺寸電池 系統中，以控制電池系統的全部操作。在此圖中，8〇〇 及801係分別架設於電池模組100及1〇1中，以做為從屬電池 管理系統。 15 雖然本發明的較佳實施例已揭露前述目的，熟悉此項 技術者雖可能作不同的修飾、添加與取代，但均不會悖離 本發明申請專利範圍的範圍與精神。 產業利用性 如前所述，本發明具有簡化感測單元之架設程序的功 20效’且可在有效強化電池單元之低機械強度及感測一中尺 寸或大尺寸電池模組之電池單元之操作狀態的同時，縮小 電池單元的重量及尺寸。此外，本發明可在無須使用複數 個用於機械結合及電性連接之結構的情況下而藉由簡單的 裝配程序製造而成，因而降低電池模組的製造花費及避免 200814405 電池模組在製造或操作的過程中發生短路的現象。再者， 本發明可使用做為單位元件之電池模組而組成—t尺寸或 大尺寸電池系統。 【圖式簡單說明】 圖1係習知之袋狀電池的代表示意圖。 圖2係本發明—較佳實施例之中尺寸或大尺寸電池模組的 ***示意圖。 圖3至圖8麵示圖2所示之中尺寸或大尺寸電池模組之裝 配程序的代表示意圖。 圖9係田顯示-由複數個如圖2所示之中尺寸或大尺寸電池模 組堆疊而成之電池系統的代表示意圖。 、 【主要元件符號說明】 10袋狀電池 13電池本體 14a相對側 14c下端 100 ' 101電池模組 210 、 220 、 211 、 221 、 223 310電池蓋 400上框架構件 420結合凸出部 520隔間牆 11、12電極線 14保護構件 14b上端 16薄膜狀密封結構 200、201電池單元 電極端300、303單位模組 320、510 溝槽 410、610結合孔 500下框架構件 530鉤 19 200814405 600、601 匯流棒 620 700感測線 800 垂直彎曲侧 801電池管理系統

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Claims (1)

1. 200814405 十、申請專利範圍： 1. 一種中尺寸或大尺寸電池模組，包括： 二❹㈣⑽組’每―料單位模組分別具有 夕個的平板狀電池單元’該等平板狀電池單元係單位單元 亚被一由合成樹脂或金屬構成之高強度保護構件圍繞；以 一上柩讀件及—下«餐，該上框架構件及該下 =架構件係分別設置並於—裝配型式結合結構中互相社 10 15 20 & ’使得該等單位模組垂直地固定於該上 ; 框架構件中。 傅1千及该下 2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組，其中备一 該等平板狀電池單元係一 ^ f & 、 一祜面—於一+丄 人電池，忒一次電池之結構係 電池盒中的電極總成’該電池盒係由一包含 =脂層及-金屬層的薄板構成，且複數個電 ^ 池盒之上端及下端凸出。 I 3. 如申請專利範.圍第2項所述之電池模組，直 %池單元係-袋狀電池單元，該袋狀電池單元之電極 係被固定於一袋狀電池盒中，冰 〜 板構成。 衣“池盒係由-銘薄 时4:如中請專·圍第丨項所述之電池模組，其中該等 早位模組之製作係當該等電池單 、 向地串聯時，將該等 V池早70的電極端彼此連接，使得該等電池單元 接連地互相鄰近；彎折該等電池 4 〇 得該等電池單元互相堆疊並彼此緊或二次以上，使 冢在接觸，以及將互相堆 21 200814405 疊之事先預定數 來0 目的該等電池單元以該保護構件圍繞起 5·如申請專利範圍第丨項所述之電池模組，其中該上 n料及訂框架構件係在横向方向上開口，使得該等 5早4歧之邊緣固定於該上框架構件及該下框架構件。 如申明專利範圍第1項所述之電池模組，其中該上 框架構件及該下框架構件之内部設置有複數個隔‘以導 引各该等單位模組之垂直架設操作。 如申明專利範圍第6項所述之電池模組，豆中該等 隔間包含複數個形成於該上框架構件及該下框架構狀内 ^的溝槽’使得該等單位模組之邊緣插人該等溝槽及/或該 仏間之隔間牆’以協助該等單位模組之邊緣穩固地 於該等溝槽中。 8·如申清專利範圍第6項所述之電池模組，其中該裝 15配型式結合結構係包含一形成於該等框架構件其中之一的 鉤以及一形成於另一該等框架構件的結合孔，使得該結合 孔對應於該釣D 9·如申請專利範圍第丨項所述之電池模組’其中該電 池模組更包括： 20 一沿著該等框架構件其中之一固定的感測單元，以感 測該等電池單元之電壓及/或溫度。 10.如申請專利範圍第〗項所述之電池模組，苴 池模組更包括： 複數個匯流棒，該等匯流棒係結合至最遠端之單位模 22 200814405 組的電極端，

   電路或鄰近之 該等結合孔的複數個結合凸出部。 匯流棒之該等框架構件其中之一 孔一起被提供，且對應於該等 之一於其外表面設置有對應於 U·如申請專利範圍第1〇項所述之電 池模組更包括·· 池模組，其中該電 一電池管理系統（BMS)，該電池管理系統係固定在相 料該輸入端匯流棒及該輸出端匯流棒所設置之側邊的另 側邊（該電池模組的後側），以控制該電池模組的操作。 _ 12· —種中尺寸或大尺寸電池系統，該電池系統具有大 輸出及大谷量，該電池系統係藉由將複數個如申請專利範 圍第1至11項中任何一項所述之電池模組互相組合的方式 構成。 13·如申請專利範圍第12項所述之電池系統，其中該電 池系統係做為電動車輛、混合電力車輛、電動機車或電動 腳踏車的動力來源。 23