TW201304247A - 具有可替換單元元件的模組化電池 - Google Patents

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Elie Chazarenc
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Abstract

本案揭示係有關一種用於製造的方法以及一種用於更換一二次電池之囊袋的方法。本發明亦有關一種用於一二次電池之支架或基座。該基座包括複數個套接部分，其中各該等複數個套接部分包括有一用於套接及機械式地支撐該等複數個囊袋之至少一個的固緊元件。一對電性接觸元件被提供用於接觸於該囊袋中之電化學式單元。

Description

具有可替換單元元件的模組化電池
本案揭示係有關用於一電池之組件、一種用於製造電池之方法、以及一種以該種方法製造之電池。本發明特別是有關可用的二次電池、以及一種用於組合及用於更換該二次電池之組件的方法。
二次電池對行動應用中之能源儲存以及用於電力網之緩衝器系統愈形重要，且係現代能源技術中愈加重要之部分。今日，高容量之二次電池相當昂貴，且使用壽命有限，此限制了二次電池之應用。因此延長二次電池的使用壽命為該領域中之研究及發展的主要興趣之一。
二次電池通常是由複數個堆疊在一起以達成所要之電池容量及/或所需求之電壓的電化學式單元所組成。各電化學式單元包括至少二個電極，例如是藉由一分離器彼此電性分隔開之一陰極及一陽極。
該等電極(陰極及陽極)各包括有一電流收集器以及至少一電化學式活性電極材料。於該技術領域中已知有多種不同的電化學式活性電極材料，其等可被使用為電化學式活性陰極材料或電化學式活性陽極材料。該等電化學式活性電極材料依據被使用之電解質及電池之應用來選擇。
複數個電化學式單元以堆疊方式組成，且被裝設在一電池盒體中。加入其他之組件例如一散熱器、冷卻及電氣 裝置以控制該等電池之狀態及功用。
鋰基電池通常係根據囊袋類型單元，其中，複數個薄且撓性之電化學式單元被堆疊及預先組合於一密封囊袋中。該囊袋通常具有一負極及一正極接點。該等囊袋係可機械式地變形，且通常被固緊在一電池盒體中。
現有技術之製造程序，電化學式單元或囊袋之堆疊被放置在一電池盒體或電池模組中，且該等散熱器、冷卻系統及電子模組在電池罩殼被關閉前被附接於該電池堆疊。
WO2009/073225說明了一種用於堆疊電化學式單元的方法及系統，其中，複數個包含有電化學式單元之囊袋被釘附於支撐框架中。於該等框架中之該等囊袋被裝設入一電池盒體中，且被熱性及電性連接。
已知之製造方法可使該電池有一快速的組合，但無法更換電池單元。
本發明之目的為克服習知技術之缺點。
本案揭示提出一種用於支撐複數個囊袋之一電池的電池支架。各該等複數個囊袋包含至少一電化學式單元。該電池支架包括複數個囊袋套接區段，其中，各該等複數個囊袋套接區段包括有一可鬆解開之固緊元件，其用於可鬆解開式地固定及機械式地支撐該等複數個囊袋之至少一個。該電池支架亦包括至少一對電性接觸元件，其用於在該囊袋係定位在該個別之囊袋套接區段中時，電性接觸於 該等複數個囊袋之至少一個中的該至少一個電化學式單元。該固緊元件係可鬆解開的，以可反轉式地附接該至少一個囊袋。該固緊元件可以一簡單有效的方式鬆解開及更換一或多個該等囊袋，以能有一可用的電池。此對二次電池是特別有利的。包含有缺損之電化學式單元的囊袋或包含有在循環使用壽命終端之單元的囊袋可輕易地被更換。此固緊元件可為一卡扣式機構，或可包括螺絲或其他可鬆解開之裝設或固定裝置。包括有複數個套接區段之該電池支架可被認為是一能對該等囊袋提供機械式支撐的基座。該電池支架同時對該至少一個囊袋提供一機械式支撐、對齊以及一電性接觸。
該等囊袋可為相關技術中一般所知的特別是鋰離子二次電池之電池組或電化學式單元組。本案揭示對箔片類型囊袋亦即是包括具有電流收集器及/或電極箔片之電化學式單元的囊袋特別有用。
該等囊袋可被配置在給予該等囊袋機械式穩定性之一囊袋支撐框架中或於另一支撐結構中。此在若使用由本身非為機械性穩定之箔片材料所製成的電化學式單元時是特別有用的。諸如此支撐框架的使用為相關技術中已知的。若使用一囊袋支撐框架，該固緊構件可用於套接及機械式支撐該囊袋支撐框架。於此種情況下，該等囊袋可被可反轉式地或非可反轉式地固定於該囊袋支撐框架中。
若該等囊袋係由該支撐框架機械式地支撐，該電池支架對齊及機械式地支撐該支撐框架，藉此接著支撐該囊 袋。該固緊元件可用於套接及機械式地支撐該支撐框架，該支撐框架接著機械式地支撐該囊袋。一支撐框架可用於支撐單一個囊袋或複數個囊袋。用於單一個囊袋之支撐框架及用於二個囊袋之支撐框架本身係相關技術中已知的。
或者，可省略支撐框架之使用，且該等囊袋可直接由電池支架支撐。
該電池支架可由一剛性結構製成，且可由例如是塑膠或金屬或其他材料或不同材料之組合所製成。該電池支架可包括一散熱器，且該散熱器可與該至少一囊袋熱性接觸。該散熱器使在該囊袋中之該電化學式單元能有有效的熱傳送及冷卻。
該散熱器可由一剛性結構所製成，並給該電池支架一剛性結構，以機械式地支撐該等複數個囊袋。於此狀況下，該承接部分可由一輕量型材料製成，該輕量型材料具有一於其本身為非剛性且足夠穩定能機械式地及穩定地支撐該等複數個囊袋之結構。
該電池支架可進一步包括有一電子電路以控制在該至少一囊袋中之該至少一電化學式單元。該電子電路可涉及該電化學式單元之充電及放電控制、溫度控制、以及其他參數之控制中的至少一個。每一囊袋可提供有一電子電路，或可使用一電子電路控制所有或複數個囊袋。
該電池支架可進一步包括有複數個用於接觸複數個囊袋之接觸元件。該等接觸元件可被用於接觸不同囊袋之二或多個電極接點。此允許該等囊袋以串聯或並聯方式連 接，以依據需求調整該電池之組態。該等電氣接觸元件可以可反轉式地接觸該等電極接點，亦即該陽極接點或該陰極接點。此使得在若該電池之應用改變時，亦能修改該電池。
該等電氣接觸元件可被實施為匯流條。該電氣接觸元件可與一散熱器熱性接觸。此使得能有一自該電氣接觸元件之有效的熱傳送，且藉此能有自該電化學式單元之一電極之有效的熱傳送，以將該電化學式單元保持在一定的溫度範圍。
該電池支架可進一步包括有一或多個感測器，用於控制該等電化學式單元及該等囊袋之溫度或該電池之其他參數。
本案發明亦有關一種包括此種電池支架之二次電池。該二次電池進一步包括有複數個固緊於該電池支架之囊袋。該等囊袋被可鬆解開式地固緊，且係可輕易地被更換。此提供一種亦可被設計用於複數個電池支架之模組化電池系統。
該二次電池可包括有該電池支架及該等複數個囊袋被保護於其中之一罩殼。
本案亦揭示有關一種用於製造一二次電池的方法。該製造方法包括有提供一預先組合之電池支架，以及將至少一囊袋以一可反轉之方式附接至該電池支架。該囊袋並非固定式地連接至該電池支架，且可輕易地被移開以增加該電池支架支之可用性。
該至少一囊袋之可反轉式附接可包括將該至少一囊袋放置於一框架中，並將該至少一框架可反轉式附接至該電池支架。
本案發明亦有關一種用於更換一個二次電池之一囊袋的方法。該更換方法包括鬆解開一包含自該電池支架待被更換之該電化學式單元的囊袋，該囊袋係被可反轉式地附接於該電池支架，以及包括將該更換之囊袋附接於該電池支架。該待被更換之囊袋及該更換之囊袋可由一囊袋支撐框架支撐。
本發明現將依據諸圖式被說明。將要了解的是於本文中所說明之本發明之實施例及態樣僅為範例，且不以任何方式限制申請專利範圍之保護範圍。本發明係由該等申請專利範圍及其等之相當內容所界定。應了解到本發明之一態樣或實施例之諸特徵係可與本發明之不同的態樣及/或實施例之一特徵組合。
圖1顯示一電池模組2，其係可在一個一次電池或二次電池中被單獨使用或與其它的電池模組被組合使用。該電池模組2於使用中係被配置在一罩殼中，以保護電池單元及電氣裝置。該罩殼可為一種標準的電池罩殼，且並未顯示於該等圖式中。
該電池模組2包括有一電池支架或基座100，複數個囊袋20被裝設於該電池支架或基座100。各囊袋20被裝設於 一囊袋支撐框架30中。於圖1所示之範例中，總共有五個各包括有一囊袋20之囊袋支撐框架30被裝設於該支架100。此數目之支撐框架僅係顯示用於說明之目的，不同數目之囊袋及囊袋支撐框架30可被裝設於該支架100。被附接至一基座100之囊袋的典型數目之範圍為自一單一囊袋至約數百個囊袋。實際被使用之囊袋的數目係依據該電池的應用及所需求的特性。該等囊袋可被選用以提供達約1000V及300A電流之最終電壓。然而囊袋及單元之數目可輕易地被乘上2、4、6或更大的因數。
該等囊袋20包括有複數個電化學式單元，各單元包括有至少一陽極、一陰極及一分隔件。包括有該等電化學式單元之該等囊袋20本身為相關技術中已知的，且任何習知的囊袋可與本案所揭示者一起使用。除了囊袋外，可使用其他類型之電池組或電化學式單元。
各囊袋20具有至少二個電極接點，一正極接點12以及一負極接點14電性地接觸該等電化學式單元之個別電極。於所顯示之範例中，二電極接點12、14被配置在該囊袋20之相同的支架面對側21。該等電極接點亦可被配置成其他組態，例如是在該囊袋之相對位置。
該囊袋支撐框架30環繞該囊袋20，且至少是環繞四邊，並保持該囊袋20為機械式穩定。以此方式，該囊袋被保護避開偏斜、其他機械式作用力或損壞。然而該等囊袋支撐框架30可以不同的方式被配置，且僅覆蓋該囊袋20之某部分。此外，該等支撐框架30可配合該囊袋之形狀。 該等支撐框架30可或可不包括電氣接點。於所顯示之範例中，該等支撐框架30提供機械式穩定性給該等囊袋20，且未包含任何電氣接點或控制器。
各支撐框架30被***該電池支架100之一支架元件130的一囊袋套接區段133中。該支架元件130具有複數個囊袋套接區段133，其中，於各囊袋套接區段133中，可拿起一支撐框架30及固定一支撐框架30。該等囊袋套接區段133具有和該支撐框架30之一套接部分33互補的形狀。螺絲40可被用為固緊元件，以將包含該等囊袋20之該等支撐框架30固定於該支架元件130。藉由鬆解開該等螺絲40，一對應之框架30可自該支架100被移開，且一具有一更換囊袋20之更換框架可被***該對應之套接區段133，並使用該等螺絲40被固緊。以此方式，一缺損之囊袋20可輕易地被更換。除了螺絲40外之其他可鬆解開的固緊元件可被用於將該等囊袋20附接於該支架100。例如可使用凹槽及彈扣鉸鏈。
於所顯示之範例中，該等囊袋支撐框架30及該等囊袋20被並排對齊，且基本上係垂直於該支架100。然而該等囊袋20相對該支架100之其他配置係可能的。
圖2從反側顯示圖1之該電池模組2，顯示諸電氣裝置160及一散熱器150將以參考圖3a至3c以更詳細的方式描述。
圖3a顯示一可與本案所揭示者一起被使用之散熱器或冷卻裝置150。該散熱器150具有用於將散熱器連接至熱傳 送裝置的熱性連接件152、153、154、155。該等熱性連接件152、153、154、155可包括有用於一冷卻介質之流體連接件，該冷卻介質可例如是流過該散熱器150之冷媒。或者，該等接點152、153、154、155係金屬接點，用於熱傳送由該等使用中之電化學式單元所產生的熱。該散熱器150形成用於該基座或支架100之一剛性的主幹。一具有複數個套接構件133的套接區段130被配置在該散熱器150上以形成該支架100。各該等套接構件133具有用於引導及機械式地支撐及定位該支架100上之該框架30的引導機構135。此外，該等複數個電子電路160被配置在該支架100上。該等電氣裝置可被用於控制例如該電化學式單元之溫度、電流、電壓及其他參數。其它功能可被實施於該電氣裝置160。
圖3c顯示配置在圖3b中之支架100上的複數個電性接觸元件或匯流條122、124。該等匯流條122、124可被配置在支架元件130中，並與該等囊袋之電極接點12及14形成一電氣接點。該等匯流條122、124另可與該散熱器150熱性接觸。一電性絕緣及熱導性材料可被使用在該散熱器150及該等匯流條122、124之間，以避免一在該散熱器上之電位，同時可得到該等電化學式單元之有效率的冷卻。
該等匯流條122、124可具有不同的尺寸，且可依據該等匯流條122、124之配置而被配置成以串聯或並聯方式電性接觸該等囊袋20。任何以串聯及/或以並聯方式接觸該等囊袋之電極接點12及14的組合可依據最終電池的需求被 調整。例如，組成某一數目之囊袋20及將所有該組合之囊袋20以並聯方式電性地連接以增加容量是有用的。數組囊袋可隨後以串聯方式被連接，以依據需求增加該電池的公稱張力。該等匯流條122、124可被用於連接該等囊袋20之任何種組態。亦能組合及將所有該組囊袋20以串聯方式電性連接，以增加公稱電壓，或以任合串聯及並聯之組合連接該等囊袋。若在電池之使用壽命期間電池之需求或應用改變了，若有需要，該等匯流條可被重新配置成不同的組態。以此方式，該電池能被用在不同的應用上，且可得到不同的公稱電壓。
其有一優點，即該等囊袋20可被移開以重新調整或更換該支架100的零件。此可有一可用的電池模組，其中該電池模組的各部件可輕易地被更換以延長二次電池的使用壽命。其亦可能更換一電池之所有囊袋，例如是在使用壽命之終點，及重新使用具有新囊袋之基座。
該支架元件130之各囊袋套接區段133包括有用於該等匯流條122、124之固定的開口112、114。一彈扣式機構、螺絲或其他可反轉式的固定裝置可被用於將該等匯流條122、124配置在該支架元件130上。
本發明之各種不同的實施例已於上文中說明，應了解到其等藉由範例而非模擬之方式被提出。對所屬領域中具有通常知識者而言，顯然的，可在細節上做各種不同的改變及形式，而不會脫離本案發明之範圍。因此，本發明不應被任何上述之範例性實施例所限制，而應僅依據在等相 當之以下的申請專利範圍被界定。
2‧‧‧電池模組
12‧‧‧正極接點
14‧‧‧負極接點
20‧‧‧囊袋
21‧‧‧支架面對側
30‧‧‧囊袋支撐框架
33‧‧‧套接部分
40‧‧‧螺絲
100‧‧‧電池支架或基座
112‧‧‧開口
114‧‧‧開口
122‧‧‧電性接觸元件或匯流條
124‧‧‧電性接觸元件或匯流條
130‧‧‧支架構件/套接區段
133‧‧‧囊袋套接區段/套接元件
135‧‧‧引導機構
150‧‧‧散熱器或冷卻裝置
152‧‧‧熱性連接件/接點
153‧‧‧熱性連接件/接點
154‧‧‧熱性連接件/接點
155‧‧‧熱性連接件/接點
160‧‧‧電子電路/電氣裝置
圖1顯示一具有一依據本發明之支架的組合。
圖2從一相反的視圖顯示圖1之該支架。
圖3a至3c顯示一依據本發明之支架的組合。

Claims (12)

  1. 一種用於支撐複數個包含至少一電化學式單元之囊袋(20)的電池支架(100)，該支架包括：複數個囊袋套接區段(133)，其等具有用於可鬆解開式地固定及支撐個別之囊袋(20)的可鬆解開式固緊元件(40)；至少一對電性接觸元件(122、124)，用於電性接觸於該等複數個囊袋(20)之至少一個中的該至少一電化學式單元，該等複數個囊袋(20)位在該囊袋套接區段(133)中，其中該囊袋(20)被配置在一囊袋支撐框架(30)中，且其中該固緊元件(40)用於套接及機械式地支撐該囊袋支撐框架(30)。
  2. 如申請專利範圍第1項的電池支架(100)，其中該電池支架(100)包括一散熱器(150)，其於該囊袋被附接於電池支架(100)時，與該等複數個囊袋(20)之至少一個中的該至少一電化學式單元之至少一電極熱性接觸。
  3. 如申請專利範圍第2項的電池支架(100)，其中該支架構件(130)及該散熱器(150)一起形成一剛性結構。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項的電池支架(100)，其中該電池支架(100)包括至少一用於控制該至少一電化學式單元之電子電路(160)。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項的電池支架(100)，其中該等電性接觸元件(122、124)之至少一個，係與該等複數個囊袋(20)之至少二個的該至少一電化 學式單元電性接觸。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項的電池支架(100)，其中該電池支架(100)進一步包括至少一感測器。
  7. 一種二次電池，其包括：a.至少一個如申請專利範圍第1至6項中任一項的電池支架(100)；及b.複數個被固緊於該至少一個電池支架(100)的囊袋(20)。
  8. 如申請專利範圍第7項的二次電池，其進一步包括一罩殼，於其中該至少一個電池支架(100)及該等複數個囊袋(20)被配置在該罩殼內部。
  9. 一種用於製造一個二次電池的方法，該方法包括：a.提供一個如申請專利範圍第1至7項中任一項之預先組合的電池支架(100)；b.將至少一個囊袋(20)可反轉式地附接至該電池支架(100)，其中將該至少一個囊袋(20)可反轉式地附接至該電池支架(100)包括將該至少一個囊袋(20)放置於一囊袋支撐框架(30)中，及將該至少一囊袋支撐框架(30)可反轉式地附接至該電池支架(100)。
  10. 如申請專利範圍第9或10項之用於製造一個二次電池的方法，其中將該至少一個囊袋(20)可反轉式地附接至該預先組合的電池支架(100)包括建立一電性接觸、一熱性接觸以及由該電池支架(100)對該至少一個 囊袋之機械式支撐的至少一個。
  11. 如申請專利範圍第9至11項中任一項之用於製造一個二次電池的方法，其進一步包括配置至少一電性接觸元件(122、124)，使得其與二或多個囊袋(20)之二或多個電極接點(12、14)電性接觸。
  12. 一種用於更換一個二次電池之一電化學式單元的方法，該方法包括：a.鬆解開一個囊袋(20)，其包括自一個如申請專利範圍第1至7項中任一項的電池支架(100)之待被更換之電化學式單元；b.將一個更換之囊袋(20)附接至該電池支架(100)，其中該至少一個囊袋(20)及該更換之囊袋(20)被放置入一囊袋支撐框架(30)中，該囊袋支撐框架(30)包括一可鬆解開之機械式固定裝置。
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