二次電池模塊的製作方法

2023-04-25 00:31:56

專利名稱：二次電池模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及高輸出、大容量二次電池模塊或組，該二次電池模塊 或組具有彼此電連接的多個單元電池，用於充電和放電，並且更具體 地涉及一種二次電池模塊，其中，多個單元電池彼此堆疊並安裝在板 上，優選地安裝在彼此分離的上外殼和下外殼間，電路單元接連安裝 在模塊的側面上，用於檢測電池的電壓、電流和溫度，控制電池以及 當生成過電流時，斷開電力，由此以緊密結構構成二次電池模塊，根 據電容和輸出可容易地改變電池模塊的設計，以及穩定地安裝電池模 塊的部件。
背景技術：
近年來，能充放電的二次電池已經廣泛用作用於無線行動裝置的 能源。而且，作為用於電動車和混合電動車的電源，二次電池已經引 起相當大的關注，該電動車和混合電動車已經被開發用來解決由使用 化石燃料的現有的汽油車和柴油車引起的諸如空氣汙染的問題。因此， 由於二次電池的優點，使用二次電池的應用類型正在增加，此後，期 望二次電池應用於比現在更多應用和產品中。
由於二次電池所適用的應用和產品的種類增加，也增加電池的種 類，以致電池能提供對應於各種應用和產品的輸出和容量。此外，強 烈需要減小施加到相應的應用和產品的電池的尺寸和重量。
3例如，根據相應產品的尺寸和重量的減少，諸如行動電話、個人 數字助理(PDAS)、數位相機以及膝上型計算機的小型行動裝置將一 個或多個小尺寸、重量輕的電池用於每一設備。另一方面，因為中型 或大型設備需要高輸出和大容量，諸如電動自行車、電動摩託車、電 動車和混合電動車的中型或大型設備使用具有彼此電連接的多個電池 的中型或大型電池模塊(或中型或大型電池組)。電池模塊的尺寸和 重量直接與相應的中型或大型設備的容納空間和輸出關聯。為此，制 造商正嘗試製造小尺寸、重量輕的電池模塊。此外，經受大量外部撞 擊和振動的諸如電動自動車和電動車的設備需要構成電池模塊的部件 間的穩定的電連接和物理連接。另外，使用多個電池來實現高輸出和 大容量，因此，認為電池模塊的安全很重要。
通常，通過在具有預定尺寸的殼體(外殼)中安裝多個單元電池 並電連接單元電池，製造中型或大型電池模塊。可以以高集成度堆疊 的矩形二次電池或袋狀二次電池用作單元電池。優選地，由於袋狀電
池輕且廉價，袋狀電池通常用作單元電池。
圖1是示例說明傳統的袋狀電池100的典型平面圖。參考圖1，袋 狀電池100包括電極組件(未示出)，該電極組件包括與電解液一起 安裝在由鋁層壓板製成的密封的袋狀殼體110中的陰極、隔離膜和陽 極。從電極組件延伸電極分接頭，該電極分接頭從電池的上端凸出來 構成板狀電極端120和130。可選地，板狀電極端120和130可以由連 接到從電池的上端凸出的電極分接頭的電極引線構成。
然而，當將上述電池用作單元電池，製造電池模塊時，產生幾個 問題。
具體地，電池護套(殼體)的機械強度較低，因此，難以使用多 個這種電池製造結構堅固的電池模塊。而且，電池本身不包括用於使 電池彼此聯接的結構，因此，需要另外的聯接構件來製造電池模塊。在傳統技術中，將電池安裝在能容納一至三個電池的電池盒中， 多個電池盒彼此堆疊(堆積)，以及堆疊的電池盒安裝在模塊殼體中 以便製造電池模塊。換句話說，使用多個電池盒和模塊殼體來製造包 括多個電池的電池模塊。因此，增加了電池模塊的尺寸，以及使電池 模塊的製造過程複雜化。
而且，難以使袋狀電池的板狀電極端彼此串聯或並聯電連接。因 此，也使用於電極端間的電連接的過程複雜化。通常，通過焊接，使 用導線、板或母線，使電極端彼此連接。為此，板狀電極端是局部彎 曲的，以及通過焊接，將板或母線連接到板狀電極端的彎曲部分，這 需要熟練的技術。而且，該連接過程非常複雜。另外，連接部分可能 由於外部撞擊而彼此分離，這導致次品的數量增加。
而且，如前所述，在中型或大型設備應用中，由於存在使用二次 電池的多種產品，能提供相應的電容和輸出的各種電池模塊是必要的。 此外，即使在相同產品組中，當產品的尺寸不同時，相應的電容和輸 出也不同，因此，有必要改變電池模塊的設計。
在具有預定尺寸的殼體(外殼)中，容納多個單元電池，以及使 單元電池彼此電連接，從而構造傳統的中型或大型二次電池模塊。在 殼體的外表面，安裝用於檢測單元電池的電壓、電流和溫度以及用於 控制電池的電路單元。然而，該電池模塊的結構具有幾個問題。
首先，難以根據希望的電容和輸出增加或減小電池模塊的尺寸。 設計單元電池以便單元電池適合於具有預定尺寸的殼體和具有對應於 殼體的結構的各種部件。因此，例如，當添加單元電池來增加輸出時， 有必要改變整個電池模塊的設計。
此外，安裝在殼體外或為電連接而提供的各種部件和導線不構造成緊湊(高密度)的結構。因此，增加電池模塊的尺寸，以及電池模 塊不提供抵抗外部撞擊的高安全性。

發明內容
因此，本發明的目的是基本上避免傳統技術的上述問題以及過去 要求的技術問題。
本發明的第一目的是提供一種電池模塊，其中，根據所需電容和 輸出，能易於增加或減小電池模塊的尺寸，構成電池模塊的部件和用 於電連接的導線構成緊湊的結構，同時穩定地實現電連接。
本發明的第二目的是提供一種電池模塊，即使使用具有緊密結構 和相對低強度的模塊外殼，該電池模塊也能提供抵抗外部撞擊的高安 全性。
根據本發明，通過提供一種高輸出、大容量二次電池模塊，能實 現上述和其他目的，該電池模塊具有彼此電連接的多個單元電池，用 於充電和放電，其中，電池模塊包括板，在該板上，為可充電和放 電的二次電池的多個單元電池相互堆疊；以及電路單元，用於控制電 池的工作。
不特別限制該板，只要該板具有能彼此堆疊單元電池的結構即可。 該板可以是具有對應於單元電池的尺寸的容納部的殼體，以便單元電 池能易於安裝在容納部中。優選地，殼體構造為分離的結構，在該結 構中，分別由分離的殼體覆蓋堆疊的單元電池的上下部分。
在本發明的優選實施例中，二次電池模塊包括為可充電和放電 的二次電池的多個單元電池；下殼體，在其上順序地相互堆疊單元電 池，下殼體具有上容納部；上殼體，用於覆蓋在下殼體上堆疊的單元 電池的上端，上殼體具有下容納部；第一電路單元，用於在堆疊的單元電池間執行電連接，第一電路單元包括檢測板組件，該檢測板組件 用於檢測電池的電壓、電流和/或溫度；電連接到第一電路單元的第二 電路單元，該第二電路單元包括用於控制電池模塊的主板組件；以及 電連接到第二電路單元的第三電路單元，第三電路單元也連接到外部 輸出端，同時防止過充電、過放電和/或過電流。
根據本發明的電池模塊的寬度和長度稍微大於單元電池的寬度和 長度，因此，電池模塊的整體尺寸非常小。因此，最小化電池模塊的 尺寸，因此，將電池模塊有效地安裝在應用該電池模塊的外部設備和 裝置上。
不特別限制單元電池，只要單元電池是可充電和放電的二次電池。 例如，鋰二次電池、鎳氫(Ni-MH)電池，或鎳鎘(Ni-Cd)電池可以 用作單元電池。優選地，將鋰二次電池用作單元電池，因為鋰二次電 池提供高的輸出-重量比。基於它們的形狀，將鋰二次電池分成圓柱形 電池、矩形電池和袋狀電池。優選地，能以高集成度堆疊的矩形電池 和袋狀電池用作單元電池。更優選地，其重量小的袋狀電池用作單元 電池。
在本發明的優選實施例中，電池模塊的上殼體和下殼體是彼此分 離的。因此，當根據需要改變電池模塊的電容或輸出時，在上殼體和 下殼體間增加或移出單元電池，由此電池模塊的靈活設計是可能的。
上殼體和下殼體的整體尺寸近似與單元電池的尺寸一致。因此， 容納單元電池的下殼體的上容納部和容納單元電池的上殼體的下容納 部與單元電池的主體的尺寸一致。
優選地，在堆疊的單元電池的最上面一個和上殼體間布置板狀、 高強度安全構件，以便與最上單元電池的電極板平行地安置安全構件。作為緊湊的和輕重量的電池模塊中的嚴重問題的機械安全涉及由 於外部撞擊引起的電池模塊的脫落和碰撞或由於針狀導體的穿透引起 的單元電池中的內部短路。當沿單元電池的電極板的方向施加外部撞 擊時，嚴重地損壞電池模塊的安全性。因此，當沿單元電池的電極板 的方向在殼體中布置板狀、高強度安全構件時，即使僅稍微增加電池 模塊的重量，但大大地增加了機械安全性。
安全構件優選地由高強度金屬材料製成，並且更優選地由不鏽鋼 製成。優選地，設置安全構件的尺寸以便安全構件具有與單元電池相 當的表面積和適當的厚度。當安全構件的厚度太小時，難以提供所需 機械強度。在另一方面，當安全構件的厚度太大時，顯著增加電池模 塊的重量，這不是優選的。
在本發明的優選實施例中，在堆疊的單元電池間放置雙面膠構件。 單元電池更穩定地相互堆疊並通過雙面膠構件固定在電池模塊中。雙 面膠構件可以是雙面膠帶。然而，雙面膠構件不限於雙面膠帶。例如， 可以將兩個或更多雙面膠構件安置在每一堆疊面上，使得雙面膠構件 彼此分開。在這種情況下，通過雙面膠構件，在堆疊的單元電池間形 成預定間隙。當充電或放電單元電池時，堆疊的單元電池間的間隙用 來吸收單元電池的體積的變化，同時，有效地耗散由單元電池生成的
彼此堆疊單元電池，使得單元電池的電極端沿相同方向取向。優 選地，單元電池的每一個具有板狀電極端，在電極端上分別形成連接 通孔，並且通過穿過連接通孔插入的固定構件，使上殼體和下殼體彼 此固定，由此，實現單元電池間的固定聯接，同時，容易地實現用於 電連接的連接端間的接觸。
板狀電極端被認為具有低的機械強度。為此，板狀電極端通常不 用作用於聯接單元電池的直接聯接裝置。換句話說，如前所述，電池通常安裝在盒中，以及使多個盒彼此連接以製造電池模塊。然而，在 本發明的優選實施例中，其上形成通孔的板狀電極端直接用來連接電 池。
可以構造電極端使得在每一電池的一側上形成陰極端和陽極端， 或在每一電池的一側上形成陰極端，而在每一電池的另一側形成陽極 端。例如，可以在每一電池的上端和下端分別形成陰極端和陽極端， 使得陰極端和陽極端彼此相對。電極端可以由諸如鋁、銅、鎳或其合 金的導電材料製成，用來實現由於電極組件的電化學反應引起的電傳 導。
在本發明的優選實施例中，電池模塊還包括安裝在相鄰單元電 池的電極端間的絕緣構件，用於實現電極端間的電絕緣，絕緣構件具 有裝配在連接通孔中的凸起；以及連接構件，該連接構件聯接到絕緣 構件，用於彼此串聯或並聯地電連接聯接到絕緣構件的單元電池的電 極端。
在這種情況下，絕緣構件也用來通過凸起機械地連接電極端。優 選地，凸起的每一個具有內直徑小於電極端的連接通孔的內直徑的通 孔，以及通過堆疊單元電池，同時在單元電池間放置絕緣構件並且穿 過凸起的通孔插入固定構件，從而使單元電池彼此連接。
在以本申請的申請人的名義提交的韓國專利申請No.2004-1125卯 中描述了絕緣構件和連接構件的細節。該申請的公開內容在此以參考 的方式引入。
在根據本發明的電池模塊中，第一電路單元包括連接構件，用 於使單元電池彼此並聯或串聯連接；以及檢測板組件，用於接收和檢 測來自各個單元電池的電壓、電流和溫度信號。優選地，第一電路單 元接收單元電池的電壓和溫度信號。可以在檢測板組件或主板組件測
9量溫度，作為電池的整體溫度。第一電路單元安裝在與單元電池的電 極端相鄰的模塊的一個側面上。
不特別限制連接構件的結構，只要通過連接構件，彼此串聯或並 聯連接單元電池。優選地，在連接構件間連接安全構件，用於當過電 流或過熱出現時，中斷電流。安全構件可以是保險絲、雙金屬器件或 正溫度係數(PTC)元件。
優選地，檢測板組件是印刷電路板，其電連接到各個單元電池。
第二電路單元可以與第一電路單元一起安裝在與單元電池的電極 端相鄰的模塊的一個側面上。第二電路單元也可安裝在下殼體的下容 納部中。可選地，第二電路單元可以安裝在模塊的另一側面上，使第 二電路單元與第一電路單元相對。優選地，第二電路單元安裝在下殼 體的下容納部中。在這種情況下，通過第一電路單元，單元電池電連 接到安裝在下殼體的下容納部中的第二電路單元。第二電路單元的主 板組件控制電池的工作。
當充電或放電電池時，作為連接到外部設備用於控制過充電、過 放電和/或過電流的模塊的最後一個元件的第三電路單元可以與第一電 路單元一起安裝在與單元電池的電極端相鄰的模塊的一個側面上。第 三電路單元也可以安裝在下殼體的下容納部中。可選地，可以將第三 電路單元安裝在模塊的另一側面上，使第三電路單元與第一電路單元
相對。優選地，將第三電路單元安裝在模塊的另一側面上，使得第三 電路單元與第一電路單元相對。
電路單元可以部分地或全部地構成為組合結構。最優選地，將第 二電路單元安裝在下殼體的下容納部中，以及第三電路單元安裝在模 塊的另一側面上，使得第三電路單元與第一電路單元相對。在這種情 況下，用來操作電池的電路單元彼此連接，使得電路單元包圍根據本發明地電池模塊，因此，大大地減小了電池模塊的整體尺寸。
在本發明的優選實施例中，第三電路單元包括開關板，該開關板 包括開關元件，用於控制二次電池模塊的充電和放電，以及連接到 開關元件的散熱片結構。優選地，開關板是包括相關電路的印刷電路 板(PCB)。
開關元件與構成電池模塊的單元電池串聯連接用來控制電池中的
電流。開關元件也連接到保護電路，用於檢測電池的電壓和/或電流， 以便控制開關元件。不特別限制開關元件，只要開關元件控制過充電、
過放電或過電流。例如，可以將場效應電晶體(FET)元件或電晶體用 作開關元件。優選地，FET元件用作開關元件。
充電目的的開關元件是用於控制電池的充電狀態的開關元件，以 及放電目的的開關元件是用於控制電池的放電狀態的開關元件。通常， 電池模塊的開關元件包括充電目的開關元件和放電目的開關元件。
開關元件連接到控制電路，用於檢測電池的電壓和/或電流以便控 制開關元件。根據從控制電路輸出的信號，控制開關元件開或關。具 體地，控制電路將開關元件(充電目的開關元件和放電目的開關元件) 維持在開狀態。在另一方面，當在充電電池其間出現異常狀態時，使 充電目的開關元件斷開以便中斷充電電流。當在放電電池期間出現異 常狀態時，斷開放電目的開關元件，以便中斷放電電流。而且，在充 電電池期間，當電池的電壓超出預定最大電壓時，控制電路輸出用於 斷開充電目的開關元件以防止電池的過充電的信號。在另一方面，在 放電電池期間，當電池的電壓降低到低於預定最小電壓時，控制電路 輸出用於斷開放電目的開關元件以防止電池過放電的信號。當電池的 輸出側短路，並因此過電流在電池中流動時，或當由於電池的異常操 作而將高的充電電壓施加到電池，並因此過電流在電池中流動時，控 制電路檢測電池中流動的過電流，並輸出用於斷開開關元件的信號。控制開關元件的控制電路包括在印刷電路板或另外的電路構件中。
根據本發明的電池模塊優選地用在具有高輸出和大容量的中型或 大型電池系統中。不特別地限制高輸出和大容量的範圍。
例如，根據本發明的電池模塊可以用作用於各種應用和產品的電
源，包括用於諸如電動自動車(e-bikes)、電動摩託車、電動車或混合
電動車的車輛的電源。由於電池模塊構造成緊密結構，因而更優選地， 根據本發明的電池模塊用作用於電動自動車的電源。


從結合附圖的下述詳細描述，將更清楚地理解本發明的上述和其
他目的、特徵和其他優點，其中
圖1是示例說明傳統的袋狀電池的典型平面圖2和3是分別示例說明根據本發明的優選實施例的電池模塊的 典型透視圖和典型側視圖4是示例說明圖2所示的電池模塊的下外殼上的單元電池的堆 疊的典型視圖5是示例說明圖2所示的電池模塊的下外殼的下表面的透視以及
圖6是示例說明圖2所示的電池模塊的上外殼的下表面的透視圖。
具體實施例方式
現在，參考附圖，詳細地描述本發明的優選實施例。然而，應注 意到本發明的範圍不受所示實施例限制。
圖2和3是分別示例說明根據本發明的優選實施例的電池模塊 1000的典型透視圖和典型側視圖。
參考圖2和3，電池模塊1000包括上殼體200、下殼體300、多個單元電池100、第一電路單元400、第二電路單元(未示出)以及第三 電路單元500。單元電池100堆疊在彼此分開的上殼體200和下殼體 300之間。第一電路單元400安裝在電池模塊1000的前表面上，第二 電路單元安裝在電池模塊1000的下表面，以及第三電路單元500安裝 在電池模塊1000的後表面。
由於上殼體200和下殼體300彼此分離，因而彼此可堆疊的單元 電池100的數量不受上殼體200和下殼體300限制。因此，可以易於 設計電池模塊IOOO，以便根據堆疊的單元電池100的數量，通過修改 第一電路單元400和第三電路單元500，使得電池模塊1000具有所需 電容和輸出。而且，暴露單元電池IOO，因此，在充電或放電單元電池 IOO的同時，有效地實現散熱。
圖4是示例說明圖2中所示的電池模塊的單元電池和下殼體的透 視圖，以及圖5是示例說明安裝第二電路單元的下殼體的下表面的透 視圖。
首先參考圖4，下殼體300是具有幾乎與單元電池100的外觀相同 的外觀的結構構件。下外殼300包括容納單元電池100的上容納部301。 優選地，下殼體300由具有高強度和電絕緣的諸如丙烯睛-丁二烯-苯乙 烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)或聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)的塑料 樹脂製成。
堆疊在下殼體300上的單元電池100是袋狀二次電池，具有從電 池本體110的上端凸出的陰極端120和陽極端130。在電極端120和 130上分別形成連接通孔140。當單元電池100和101處於堆疊狀態時， 通過連接通孔140和在下殼體300中形成的固定孔302，插入另外的固 定構件，例如緊固件700，然後在下殼體300的下面，在緊固件700上 裝配螺母(未示出)，因此，使單元電池101和101彼此固定。在單元電池100的電極端120、130和單元電池101的電極端120、 130之間安裝絕緣構件600，用於實現單元電池100和101之間的電絕 緣。在絕緣構件600上形成凸起610，該凸起610裝配在電極端120和 130的連接通孔140中。在凸起610處也形成通孔620，因此，通過凸 起610的通孔620插入的緊固件700和電極端120和130之間的電絕 緣被保持。儘管在該圖中未示出，但在包括絕緣構件600的情況下， 可以通過另外的連接構件(未示出)實現電極端之間的電連接。如前 所述，在已經以本申請的申請人的名義提交的韓國專利申請 No.2004-112590中描述了絕緣構件和連接構件的細節，該申請的公開 內容以參考的方式併入這裡。
而且，雙面膠帶800和801連接到單元電池100的電池本體110， 由此保證堆疊的單元電池100和101間的更穩定的聯接。此外，堆疊 的單元電池100和101以雙面膠帶800和801的厚度彼此分開。當單 元電池100和101充電或放電時，堆疊的單元電池100和101間的間 隙用來吸收單元電池100和101的體積的變化，並用來有效地耗散由 單元電池100和101產生的熱量。
如圖5所示，下殼體300在其下表面處具有安裝第二電路330的 下容納部310。第二電路330包括用於實現主端子(未示出)的陰極和 陽極間的電傳導的電線320和322。電線320和322連接到第三電路單 元。而且，第二電路330包括電線332和334，該電線332和334分別 電連接到第一電路單元400和第三電路單元的檢測板組件410。
圖6是示例說明圖2所示的電池模塊的上殼體的下表面以及連接 到上殼體的下表面的安全構件的透視圖。
參考圖6，上殼體200可以由與下殼體相同的絕緣構件或不同於下 殼體的另一絕緣構件製成。優選地，上殼體200由塑料樹脂製成。
14上殼體200具有下容納部201,該下容納部201具有與單元電池 100 (見圖2)相當的尺寸，使得最上單元電池100的上端容納在下容 納部201中。而且，上殼體200具有孔202，該孔202對應於單元電池 的電極端的通孔。
在上殼體200的下容納部201上安裝板狀安全構件900。安全構件 900具有幾乎與單元電池相同的尺寸。安全構件900布置成與相應的單 元電池的電極板平行。
儘管為示例目的，已經公開了本發明的優選實施例，本領域的技 術人員將意識到各種改進、增加和替代是可能的，而不背離如在所附 權利要求中公開的本發明的範圍和精神。
工業適用性
如從上述描述顯然可見的，基於所需電容和輸出，可以容易地增 加或減小根據本發明的二次電池模塊的尺寸。而且，構成電池模塊的 部件和連接電池模塊的部件的導線布置成緊湊的結構。此外，根據本 發明的二次電池模塊對於外部撞擊具有高安全性。因此，本發明具有 實現穩定電連接的效果。
權利要求
1. 一種高輸出、大容量的二次電池模塊，具有彼此電連接的多個單元電池，用於充電和放電，其中，該電池模塊包括板，為可充電和可放電的二次電池的多個單元電池堆疊在該板上；以及電路單元，用於控制該電池的工作，其中，所述單元電池的每一個具有板狀電極端，在該板狀電極端上分別形成連接通孔；以及上殼體和下殼體通過固定構件彼此固定，該固定構件穿過所述連接通孔插入。
2. 如權利要求l所述的電池模塊，還包括絕緣構件，該絕緣構件安裝在相鄰單元電池的電極端間，用於實 現該電極端間的電絕緣，該絕緣構件具有裝配在所述連接通孔中的凸 起；以及連接構件，聯接到該絕緣構件，用於串聯或並聯地相互電連接聯 接到該絕緣構件的單元電池的電極端。
3. 如權利要求2所述的電池模塊，其中，每一凸起具有通孔，其內直徑小於所述電極端的連接通孔的內直 徑，以及通過堆疊所述單元電池，同時在所述單元電池間布置所述絕緣構 件，以及通過所述凸起的所述通孔插入固定構件，從而使所述單元電 池彼此連接。
全文摘要
在此公開了一種高輸出、大容量二次電池模塊，該電池模塊具有彼此電連接的多個單元電池，用於充電和放電。多個單元電池彼此堆疊並安裝在板上，優選地安裝在彼此分離的上殼體和下殼體間，電路單元接連地安裝在模塊的側面上，用於檢測電池的電壓、電流和溫度，控制電池以及當產生過電流時斷電，由此二次電池模塊構造成緊湊結構，根據電容和輸出容易改變電池模塊的設計，以及穩定地安裝電池模塊的部件。
文檔編號H01M10/48GK101488595SQ20091000232
公開日2009年7月22日 申請日期2005年11月29日 優先權日2004年12月24日
發明者李漢浩, 河真雄, 金智浩 申請人:株式會社Lg化學