具有电绝缘的单元模块和互连器外围的高电压模块化电池 |
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| 申请号 | CN201080019107.0 | 申请日 | 2010-04-28 | 公开(公告)号 | CN102414909B | 公开(公告)日 | 2014-03-19 |
| 申请人 | 照明能源有限公司; | 发明人 | 邓肯·科尔沃; 克里斯托弗·K·戴尔; 迈克尔·L·爱普斯顿; | ||||
| 摘要 | 一种模 块 化 电池 ，包括：壳体；第一平面电池单元，其具有第一平面 电极 表面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及互连器，其布置于所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面电连接，所述互连器、所述第一平面电池单元和所述第二平面电池单元的侧面外围与所述壳体电绝缘。还提供了一种方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种模块化电池，其包括： |
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| 说明书全文 | 具有电绝缘的单元模块和互连器外围的高电压模块化电池[0002] 背景技术 [0004] 近来，模块化电池在包括混合电动车辆(“HEV”)、插入式混合电动车辆(“PHEV”)和其它应用的许多应用中变得重要。模块化电池在用于HEV、PHEV和其它应用时，除了需要耐用、安全和节省成本以外，还需要输送大量电力。 [0005] 像手持式手电筒这样的模块化电池的应用需要使用多个以串联方式连接的电池单元。然而，例如，HEV和PHEV用的模块化电池可能不同于常见的手电筒中使用的模块化C型单元。 [0006] 美国专利5,552,243和美国专利5,393,617公开了堆叠型晶片单元的双极性电化学电池。晶片单元以串联方式电连接，其中，各单元的正极面接触相邻的单元的负极面。可以利用导电糊剂或粘合剂来提高单元到单元的接触。堆组件被保持为压缩方式。在此处通过引用而包含美国专利5,552,243和美国专利5,393,617。 [0007] 发明内容 [0008] 本发明提供一种模块化电池，其包括：壳体；第一平面电池单元，其具有第一平面电极表面；第二平面电池单元，其具有第二平面电极表面；以及互连器，其布置于所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面之间，并且使所述第一平面电极表面和所述第二平面电极表面电连接，所述互连器的侧面外围、所述第一平面电池单元的侧面外围和所述第二平面电池单元的侧面外围与所述壳体电绝缘。 [0009] 本发明还提供一种用于形成模块化电池的方法，该方法包括：将具有第一平面电极表面的第一平面电池单元放置在壳体中；将互连器放置在壳体中的第一平面电池单元的上方；将具有第二平面电极表面的第二平面电池单元放置在壳体中，使得所述互连器使第一平面电极表面和第二平面电极表面电连接，并且所述互连器的侧面外围、所述第一平面电池单元的侧面外围和所述第二平面电池单元的侧面外围与所述壳体电绝缘。 附图说明 [0010] 将参照优选实施方式来说明本发明，其中： [0011] 图1A、1B、1C和1D是可用于本发明的四种类型的电极的平面图。 [0012] 图2是电极和隔离体交错的单个单元模块内的电极配置的示意性截面图； [0013] 图3A是示出去掉前框架部分的单元模块的被密封的单个单元的示意性主视图，图3B示出前框架部分在其位的单元模块，图3A和3B均示出根据本发明的互连器的布置； [0014] 图4是上层具有互连器的单元模块的平面图，示出具有馈通、爆破片和端口的塑料框架； [0015] 图5是具有用于填充、密封和感测的连通馈通的塑料框架的立体图； [0016] 图6A示意性举例说明具有馈通的外壳内具有6个单元模块的模块化电池的截面，图6B示出平面图；图6C示出具有绝缘侧面外围的互连器；以及 [0017] 图7是图示电池及其单元模块的远程监测和警告的说明图。 [0018] 这些附图本质上是示意性的，并且不是按比例绘制的。为了清楚和便于理解，放大了一些元件的大小 具体实施方式[0019] 为了足够为HEV、PHEV和其它应用供电，期望使用包含表面体积比高的单元的模块化电池，例如为电池的各单元使用平面设计。例如，这些单元可以约为大型书本的大小，其中，书本的“正面”包含例如正端子(也称为电极)，书本的“背面”包含例如负端子。与这些单元的、在单元的一端处使用凸起的凹座(raised dimple)从而与相接的筒状单元进行电接触的筒状对应物(例如，C型单元电池)不同，大致为平面的单元不需要具有这种凸起的凹座。 [0020] 对于包括HEV和PHEV在内的需要高电力的许多应用来说，期望电池以高电压输送电力以降低供应电力所需的电流，这也益于降低为使用该电力的装置采用高电流承载材料的需要。电力是电压和电流的倍数，并且将电力高电压输送至例如电机等装置需要为该装置设置更薄的或者低导电性的电流承载体(例如铜丝)，这样可以降低成本。例如电动车可能需要电池以300伏特至600伏特提供电力。这种高电压典型地通过将多个低压电池模块电串联地外部连接到一起来实现，这在某种程度上是出于对电池模块内的串联连接的典型“袋状”(pouch)单元“堆”(stack)进行组装和操作的安全性考虑，因为较高电压时、尤其是大约60伏特以上时，产生电弧放电的风险很大，并且由于诸如典型的“袋状”单元的“平坦”单元的边缘外围(edge periphery)的单元端子是暴露的，因此存在严重的电击危险。为了安全起见，这些单元端子在低电压、例如低于60伏特电压 的电池模块内以串联的方式被电连接。 [0021] 本发明的目的是提供均具有电绝缘外围以防止意外电弧放电的互连器和单元模块，并且在组装和操作多个单元的高电压电池的过程中，只有电池末端终端(end termination)处是暴露的。本发明的单个电池模块可以包含高达100个或者更多的单独的单元模块，这些单元模块以电池模块的末端终端之间的中间单元模块电终端没有暴露的状态安全地内部互连。本发明的单个电池模块能够被安全地构造为利用多个单元模块输出300伏特以上的电压。本发明的另一替代的或附加的目的是促进从单独单元模块经由单元模块及其互连器的导热和电绝缘的外围向外部环境的热传递。 [0022] 单元模块 [0023] 本发明的优选实施方式的单元模块可以具有正极面和负极面位于相反侧的刚性或半刚性的平坦形状，其中，正极面和负极面与相邻的单元模块电连通，以形成更高电压的单元模块的电池堆。在各单元模块内，配置有多个正电极和负电极，其中，各正电极和负电极以并联方式电连接至相同极性的各个其它电极。利用用于正电极和负电极的任何适当的锂离子电池材料来制造电极。例如，正极活性材料或阴极可以包括涂布到铝上的锂锰氧化物、锂钴氧化物或磷酸铁锂电化学活性材料。例如，负极活性材料或阳极可以包括涂布到铜(或阳极是钛酸锂尖晶石的情况下的铝)上的人造石墨或钛酸锂尖晶石。 [0024] 单元模块包含在所示的实施方式中具有如图1A～1D所示的四种图案的活性材料涂层的多个电极。图1A图示了两侧上均涂布有阴极活性材料1、并且一侧上具有裸露的(无涂层的)箔片2的内部正电极9(例如，铝)，图1B图示了两侧上均涂布有阳极活性材料3、并且在与正性片相反的侧上具有裸露的(无涂层的) 箔片4的内部负电极10(例如，铜或铝)。图1C图示了仅在一侧上涂布有阴极活性材料5、并且具有一个或两个裸露的箔片6的正端电极14，图1D图示了仅在一侧上涂布有阳极活性材料7、并且具有一个或两个裸露的箔片8的负端电极15。两个端板片的优势在于允许改进随后的电极在单元模块中的密封。在本实施方式中，电极9、10、14、15采用矩形板的形式，应当理解为可以根据单元模块的期望结构和其它设计考虑来使用其它适当形式和形状的电极。 [0025] 位于组装的单元模块的相反端处的端电极14和15的两侧可以是无涂层的，并且对表面进行清洁和蚀刻以实现随后对单元模块的改进了的密封。优选本发明中的单元模块被良好地密封以防止水汽和空气进入。 [0026] 在图2中，示出了将图1A～1D所示的正电极和负电极(电极板)9、10、14、15组装在单个单元模块内。在附图中，为了清楚，大幅放大了活性材料涂层1、3、5、7的厚度。正电极和负电极以并联方式电连接至相同极性的多个其它电极，以形成以单个单元模块的正端电极14和负端电极15终止的交错型电极组件。如图1C～1D和图2所示，正端电极板14具有两个片6，负端电极板15具有两个片8。正端电极板14的片6其中之一优选以焊接方式连接至正电极板9的片2，以形成构成单元模块的正端子的端片12。以相同方式，负端电极板15的片8其中之一优选以焊接方式连接至负电极板10的片4，以形成构成单元模块的负端子的端片13。端电极板14、15之间是交错的正电极9与负电极10，并且各电极之间是包含电解质的、诸如微孔聚烯烃等的具有充分的绝缘性的隔离体11。在图2中，示出仅在端电极板14和15的一侧进行涂布，而未对它们的另一侧进行涂布，并且分别通过端片 12和13，它们的另一侧呈现分别用于通过本发明的互连 器实现的随后的高电压电池组件的外部正负单元终端表面。 [0027] 在实践中，改变并且选择电极和隔离体的数量，以实现所需的电化学能存储容量和所需的电力。除了增大电化学能存储以外，对于相同量的能，电极数量较多将允许较高的充放电速率。本发明中的具有多个电极的较大的表面面积降低了单元模块内每单位电极面积的比电化学电流密度，也就是说，对于较大数量的电极，电极的每平方厘米的安培数减少，以使得电极可以在输送电压的损耗较少的情况下，以较低的电流密度输送更多的总电流。在电池中，由于众所周知的电极极化或电压损耗的电化学原理，高电极电流密度使电池电压降低。实际上，一般可以利用诸如超声波金属焊接机等的焊接机将多于30个的多个电极对分别典型地结合至正电极和负电极的焊接端片12和13。如由单元模块的正极侧的端片12和负极侧的端片13所图示，优选电极片在电极单元模块的相反侧上沿着其全长连接。单元模块的外侧上表面呈现正端电极14的裸露的箔表面，并且外侧下表面呈现负端电极15的裸露的金属表面。附着在各个片或电极片上的电压和温度传感器(后面描述)由于它们极接近电极活性材料，因而提供与安全性有关的早期信息。 [0028] 图3A中示出图2的交错型电极组件的密封，其中，对各电极以截面示出正极活性材料和负极活性材料。如上所述，端电极板14、15具有两个片，并且仅在一侧上涂布有活性材料。如图3A所示，在单元模块23的相反的边缘处，利用电绝缘的密封剂16分别密封正端片12和负端片13，并且在相反极性的片在相同侧上重叠的位置处通过绝缘体17使正极片和负极片彼此电隔离。密封剂16也可以是导热的以从单元模块中除去热。更特别地，单元模块23的左侧的绝缘体17使负端电极15的片8与正端片12电隔离，单元模块23的右侧的绝缘体17使正端电极14的片6 与负端片13电隔离。此外，图3A中示出密封剂16与电极9、10和隔离体11的端部之间的间隙18。密封体16的材料还可以在与密封端片12和13正交的各侧上将塑料框架19(图5)密封到交错型电极组件。密封的方法包括嵌件成形、注入成形、熔焊和粘结(两者均为反应性的，例如，环氧的和热熔的)。 [0029] 如图4和5所示，塑料框架19是具有大体上为C形的前框架部分19a和后框架部分19b的两部分电绝缘框架，其中，前框架部分19a和后框架部分19b在单元模块23的正面和背面处横跨交错型电极组件和密封剂16而被插入，并被密封到交错型电极组件和密封剂16。塑料框架19也可以导热的以便从单元模块除去热。图3A示出不具有框架19的单元模块23，图3B示出前框架部分19a密封到单元模块的单元模块23。图3B图示了包含在框架19a中的特征，该特征包括：端口20，用于对具有电解质的单元模块进行抽真空、填充和排放，还可以由机械部件永久或暂时密封该端口；电馈通21，用于测量并监测各个单元电压和温度；以及爆破片(burst disc)22，用于释放单元模块23内累积的任何压力。 [0030] 为了串联地电连接堆叠的单元模块23，将导电性的可压缩互连器24插入相邻的单元模块之间。图3A和3B示出所示的单元模块23上方和下方的用于串联连接到附加的单元模块的上、下部互连器24。图4是省略了上部互连器24、并且单元模块的负端电极15的外表面(裸露的箔表面)与下部互连器24相接触的密封的单元模块23的俯视图。本发明的如图3和图4所示的互连器未延伸超过单元模块的外围，以便防止产生电弧放电，或者以便在组装本发明的电池模块过程中应该在互连多个单元模块时与外围接触才产生电击。 防止产生电弧放电或者防止在外围接触上产生冲击也可以通过使导电性的互连器的材料的侧边外围 电绝缘来实现。 [0031] 如图2和3A所示，示出电极板的片2、4、6、8成角度急剧弯曲以彼此重叠，从而形成端片12、13。当然可以并且有时优选地使片以曲率弯曲而不是如所示地急剧弯曲。此外，如图1C和1D所示，端电极板14、15的片6和8的宽度在端电极板的相反侧(左侧/右侧)上可以不同，其中，宽度较宽的片连接至端片或端子12、13，并且宽度较窄的片位于绝缘体17上。优选端口20置于用于随后在形成之后对单元模块进行填充和真空排气的对角线角落上。 [0032] 在本实施方式中，如图2、3A和3B所示，使电压传感器30a附着在正端片12和负端片13上，该传感器30a允许监测单元模块的电池堆内的任何单元的电压，并允许通过外部电池管理系统(BMS)来调整单元模块的充电状态以平衡多单元模块电池内的单元。诸如热敏电阻等温度传感器31a以与正端片12和负端片13相接触的方式被安装，以监测单元模块23的电极的温度。如图5所示，电压传感器30a和温度传感器31a经由感测线(导体)30b和31b分别电连接至前框架部分19a和后框架部分19b中设置的电馈通21。单元模块23配备有爆破片22，以便在灾难性的单元故障的情况下释放过多的内部压力。 [0033] 期望完整的单元模块23作为在整个单元形成和真空排气过程中在干燥室环境中被处理的制造模块。除了测量各个单元模块电压以外，电压传感器还可用于测量例如在互连器24和一个单元模块的正端电极14之间以及互连器24和相邻的单元模块的负端电极15之间的机械接触处产生的、单元模块之间的阻抗分量。如这里所论述的，尽管期望在互连器电接触附近使用惰性气体以防止或减少在互连器和单元模块电表面接触之间产生电阻层，但连续监测这种机械接触的电阻率的能力是本发明的附 加的益处和特征。 [0034] 在自动化组装工艺或在批量制造中，可以在单个步骤中将交错型电极组件的所有四侧均密封到塑料框架19中，并在同一步骤或后续的细化步骤中同时引入填充孔、可爆破区域和嵌入式传感器布线。在自动化制造工艺时，例如，可以通过利用将图2的交错型电极组件放置在彼此接触的顶部模具和底部模具之间的注入成形、并且将被注入了电绝缘的聚合密封材料的开放的连续周边体积围住以制成包括可能预先放置的填充管、传感器和用于爆破保护的薄区的连续的单元模块周边密封，来完全除去塑料框架。 [0035] 互连器 [0036] 本发明提供用于图6A的例子所示的互连器24，该互连器24有利地可以是可压缩的从而提供对于平面型单元模块23之间的冲击或振动的缓冲。例如，互连器24可以是提供多个并行的传导路径的可压缩的挠性导电片材。互连器24的挠性可以在通过施加确保模块之间的良好接触和低电阻的力来维持单元平面模块之间的电接触的同时，容纳在对电池充电和放电期间单元堆内的周期应变。可压缩的互连器24可以与相邻的单元板模块表面之间的可压缩挠性导电互连的需求一致的、由例如以可压缩弹性矩阵形式保持的金属丝网、金属或碳纤维、或者交织导电垫等的、具有充分性质的任何材料制成。可以选择单元模块的接触表面，以维持与单元模块的正负连接器的表面的长期、低阻抗连接界面。 [0037] 例如，丝网可以是约4密尔(mil)或0.004英寸的细丝。互连器的可压缩性可以是例如30％，以使得例如在施加充足的力以缩小织物的间距时，互连的体积减小至施力之前的体积的70％。因而，假设在压缩过程中层不会从垂直于压力方向的侧 面膨胀出的层结构，那么在平坦表面上加压时厚度为10密尔的互连层可以压缩成厚度为7密尔。优选地，互连器的可压缩性使得体积可以压缩成小于90％。 [0038] 另外，与相邻的单元之间使用直接的金属与金属接触的现有技术或在相邻的单元之间使用导电的胶粘剂或糊剂相对比，有利地，本发明的特定互连器可以提高单元模块连接的导电性。表1示出根据本发明的用于制造互连器材料的可压缩织物或毡制品的各种材料。一些纤维进行了表面处理，以提高互连器的接触材料的稳定性。 [0039] 表1.本发明的互连器垫所使用的材料 [0040]材料 纤维 表面处理 厚度 垫重量 英寸 克/平方英寸 A 铜/钢 锡 0.020 0.33 金属丝 B 蒙奈尔铜镍合金 无 0.020 0.31 金属丝 C 铝 无 0.021 0.10 金属丝 D 尼龙 银 0.072 0.24 毡 E 织物 银 0.015 0.08 尼龙 F 碳 镍 0.018 0.25 纤维 G 无纺布 铜 0.012 0.04 聚酯 H 无纺布 镍 0.014 0.17 聚酯 [0041] 将采用由表1所示的材料制成的1平方英寸垫材料的形式的互连器放置在以铝或铜的金属箔为表面的压板之间(铝和铜模拟本发明的示例锂离子单元模块的外表面)，并且在经由具有铝或铜箔表面的压板向互连器垫施加电流和机械压力时，测量电阻。在表2中示出在相同条件下并且对于互连器的相同区域测量出的作为结果的电阻。所施加的压力约为每平方英寸10磅。 [0042] 表2.铝表面和铜表面之间的互连的电阻值 [0043]下箔 上箔 互连器 互连阻抗(毫欧) 铝 铝 无 35 铜 铝 无 3.0 铝 铝 A ＜1 铝 铝 B 2.5 铝 铝 C 37 铝 铝 D 5.1 铝 铝 E 2.8 铝 铝 F 18 铝 铝 G 2.8 铝 铝 H 127 铜 铝 A ＜1 铜 铝 B 3.0 铜 铝 导电性银 40 胶粘剂 铜 铝 导电性石 130 墨胶粘剂 铜 铝 导电糊剂 2.6 [0044] 互连器A例如是本发明的互连器的优选实施方式，也可以例如由诸如可从宾夕法尼亚州萨吉尔敦(Saegertown，Pennsylvania)的MAJR产品公司得到的垫片等的从电磁干扰/射频干扰遮蔽产品制成。 [0045] 除了减轻例如来自道路冲击的冲击和振动以外，本发明的几个互连器24可以改善或维持电阻。在存在振动时互相连接的单元模块之间的电流的连续性也是车辆的重要的安全性和可靠性特征，这是因为如果电流的连续性出现缩减或单点断开，则由于任何模块化电池中的单元模块的任意对之间的电流的单点断开或缩减都会使分别用于所有其它的串接的单元模块的电流与用于车辆的电力输送上“断开”或缩减，因而来自电池的电力输出可能减少或没有电力输出，从而基本上不驱动整个车辆。这在例如车辆必须躲避道路事故的紧急情形下也成为车辆安全性问题。使用根据本发明的可压缩的弹性互连器可以避免电流的“单点故障”或缩减的发生和影响，并且与现有技术中可能不能够在不使电连接性和电流连续性在物理上断开或改变的情况下经受住过度的振动或连续道路冲击的、导电胶粘剂和糊剂的使用形成鲜明的对比。 [0047] 优选地，互连器用于单元模块的铝-铝或铝-铜端电极之间，并且优选包括镍、锡、银或铜，并且最优选包括铜或银。为了改善和维持界面连接，例如，可以诸如通过镀锡或镀铟等对互连器24的表面进行表面处理。 [0048] 为了举例说明本发明在不改变电阻的情况下吸收振动(压力变化)方面的优点，表3示出在施加不同的压力时压力对本发明的可压缩互连器的电阻的影响。施加至互连材料A(表1)的1平方英寸垫的压力的增加在超过所施加的每平方英寸(psi)15磅的压力的情况下，并未产生电阻的进一步减小。 [0049] 表3.铝表面和铜表面之间的互连材料A的电阻值 [0050] [0051] 模块化电池 [0052] 图6A和6C举例说明了多个单元模块如何可以被电性串联地配置以便形成电池堆从而提供高电压和高功率的模块化电池，同时也防止产生电弧放电以及防止在组装多单元高电压电池的过程中在外围接触上的电击。图6A示出电性串联地一个堆叠在另一个上的6个单元模块，这6个单元模块通过本发明的用于将一个单元模块串联地电性连接至下一个单元模块的并且与该单元模块堆的边缘外围或者与电池模块的壁或外壳没有电接触的可压缩互连器24而被分离开。注意，可以在两个单元模块之间设置例如8层的每层10密尔厚的几个互连器。因而，单元模块之间的间距例如可以为80密尔，并且在使用时可压缩至60密尔。 [0053] 通过示例并且如上所述，正极单元模块表面可以由铝制成，负极单元模块表面可以由铜制成。如图6A所示，互连器24未延伸超过单元模块侧面外围因此不与电池外壳的内壁电接触，而且同时维持与该单元模块堆内的其它互连器的电隔离。互连器24 的侧面外围的电绝缘可以通过填充由互连器24和单元模块23的侧面外围与外壳的内壁所围成的空间的气体、例如惰性气体来实现。电绝缘也可以如通过图6C中的密封剂或垫片35所示的通过在互连器的侧面外围上使用电绝缘体来实现。 [0054] 在图6A的示例性例子中，6个单元模块23以堆叠型阵列包含于本实施方式中具有矩形截面的外壳25内。外壳25是例如可以由铝制成、优选地由片状金属制成或由铸造结构构成的气密密封的壳体。为了允许单元模块23的堆叠和组装、以及组装之后单个单元模块的拆除和替换，外壳25的顶部或底部或者侧面之一可以经由螺栓或其它适用紧固件可拆卸地连接至外壳。外壳25提供用于将单元模块和互连器经受住电池工作环境中的冲击和振动的坚固的机械构造地设置在堆中的能力，并且如果导电，则外壳25还用作用于供电至电池或从电池中获得电力的负性连接。在图6A中，为了示例性目的示出6个单元模块，而实际的电池可以容纳10到100个单元模块或更多。本发明使得大量的单元模块能够被互相连接以制成电压非常高的电池堆，优选单元的数量至少为50个，那么电压至少为150伏特。 [0055] 图6A中的外壳25的侧面可以与互连器24热接触但决不是电接触，从而便于通过如图6C中举例示出的在互连器的侧面外围上增加导热但电绝缘的材料，使得热经由例如密封剂或者垫片35转移到外部环境。用于本发明的元件16、19、35的导热但电绝缘的材料的例子包括填充的聚合物。外壳25的至少两个、甚至所有的四个侧面仅与单元模块23和互连器24的侧面外围边缘热接触，以使到外部环境的热转移最大化。单元模块23和外壳25的壁之间的热接触由双层的导热但电绝缘的材料25a来提供，该材料25a例如是在外壳的内部上对铝外壳进行硬质阳极氧化而产生的电绝缘涂层，另外，尽管可以使用具有适当的导热 且电绝缘特性的任何材料，不过也可以包括围绕各互连器的侧面外围边缘的弹性的电绝缘且导热的垫片35，以便进一步提高热去除。可以通过向外壳的外部添加散热片(由此提高对流性热传递)、以及通过利用氦气回充外壳的内部体积(由此提高传导性热传递)，来进一步提高从单元模块的散热。利用惰性气体填充外壳还降低了可能增加互连器和单元模块的外表面之间的互连点的电阻的不期望的金属氧化的可能性。在存在空气的情况下，铝特别容易受到这种氧化的影响，并且可以形成很强的阻电的氧化膜。 [0056] 由于放电时与放电电流的平方(i2R)成比例地发生欧姆加热，因此选择放电时经过热动(thermodynamic)或熵冷却的电极活性材料在减少电池中的热生成和温度上升方面也是有利的。可以通过熵冷却来抵消欧姆加热，直至本发明的电池在放电时实际上可以冷却到比开始放电时的温度低的温度的程度。例如，我们已经发现，本发明的具有磷酸铁锂阴极和碳阳极的、以给定电流(等同于C速率)被放电的单元模块，在放电时被冷却了10℃。 [0057] 外壳25包括用于电源输入端子和电源输出端子、即正端子26和负端子27的馈通。电源端子经由用于正端子26的内部电源总线28内部连接至单元模块电池堆的端部，并且导电性外壳25用作到负端子27的负总线29。外壳25配置有用于分别监测单元电压和单元温度的外部多管脚连接器30和31，并且这些连接器可以位于与电源端子26和27相同的区域中。在所示实施方式中，具有6组多管脚连接器30和31(图6B)，每一组用于各单元模块23。各单元模块的感测线30b和31b经由电馈通21连接至感测线30c和31c，感测线30c和31c又连接至多管脚连接器30和31中的相应的多管脚连接器。为了便于从堆叠型阵列中拆除和替换各 个单元模块23，感测线30c、31c可以经由管脚-插座连接器或允许容易的安装和拆卸的其它适当连接器连接至馈通21。在图6A中，仅示出了一个单元模块的从多管脚连接器30和31到单元模块23的感测线30c、31c的内部连接。实际上，连接可以达到电池堆中的一些或所有的单元模块。如上所述，将从各个传感器30a和31a获取的数据发送至整个车辆系统内的独立型或集成型分析、控制和通信模块。可以提供外部泄压装置32，以安全地处理电池堆的任意高压故障模式。使用本发明中的多管脚连接器30和31便于替换单个的单元模块。 [0058] 尽管这里利用导电性外壳25举例说明了本发明，但外壳25也可以由不导电材料制成，在这种情况下，单独的负性总线29将单元模块23的堆的一端处的单元模块23的负性表面连接至电池的负端子27。使用非金属的电绝缘外壳25的优势例如可以降低成本和减轻重量。如同使用与外壳25的外侧壁相邻的主动或被动冷却部件、例如与外壳的外壁相接触的吸热材料或流动冷却剂将有助于散热一样，在外壳的壁中使用导热性材料以便于从单元模块向外壳25的外部的排热也将是有利的。 [0059] 为了降低电池堆中的单元模块23之间的电阻，可以向单元模块23之间的可压缩互连器24施加压力。在图6A中示出可以如何容易地实现该操作的例子，其中，弹簧33位于外壳25的顶部，并且布置于正性电总线28和外壳25的顶部之间。弹簧33向单元模块23的堆内的互连器24传递压力。另外，或者可选地，弹簧可以包含于外壳25的底部，从而从下方向单元模块23的堆和互连器24施加压力。 [0060] 在图6A中，图示了端子26和27以及多管脚连接器30和31以及爆破片32和气口34位于外壳25的顶表面上，其中，该表面与端电极14和15平行。根据本发明，所有这些元件均可位于外壳 25的一个或多个侧面上。 [0061] 外壳25提供了以下特征：压缩单元模块的堆的部件、气密密封的外壳和用于电连接到端部单元模块的表面的部件。 [0062] 在本发明的电池的操作过程中，可以提供电子管理系统，以连续监测单元模块电压和单元模块温度、以及互连器两端的电压下降。这种将感测点紧密耦合到单元的电池功能广泛监测允许改善了的电池监测，并且使电池安全性提高。在图7中示出中央监测中心和HEV之间的简单的示意性数据监测和警告配置。 [0063] 在图7中，HEV配备有包括根据本发明构造的多个串联连接的单元模块的电池40。电池40与以现有技术中已知的方式监测并控制电池性能的电池控制器48相连。电池控制器48通过包括HEV上安装的天线45和中央站天线46的无线通信网络与中央站44进行通信。电池控制器48连续监测各单元模块的电压和温度，并且在需要时，减少流过一个或多个单元模块的电流，以维持该电流处于安全水平。电池控制器48将监测数据发送至中央站 44，并且从中央站接收通知数据以调节电池40的操作。 [0064] 经由电压感测引线的电荷传输可以用于保持单元的电化学容量处于平衡。高电压和/或高温指示将触发电池管理系统采取诸如使电池从其充电源断开等的校正动作，这特别对于HEV应用而言是重要的安全特征。参数随时间经过的偏差可以是需要维护的指标。本发明的电池的单元模块之间是容易分离地连接的，这使得可以电安全地拆卸电池和替换有缺陷的组件，从而大大延长了以本发明的方式构造的整个电池的服务寿命。 [0065] 在本发明的单元模块中使用平面或平坦电极，使得：与可实际用于必需被弯成、例如其中电极被弯折形成为螺旋形的多个电池单元的常用结构方法所采用的筒形单元的电极的正极材 料和负极材料的涂层相比，本发明中电极板上要使用的正极材料和负极材料的涂层可以更厚。由于活性材料涂层厚的电极的弯曲可能在该厚涂层内产生应力，该应力可能导致活性材料的开裂以及随后的与支撑和传导面的直接电接触的损耗，这又将减少特别是高电流时的可用安培小时(Ah)容量，因此对圆柱形单元用的必须弯成螺旋形的电极上的涂层的厚度存在限制。可以利用活性材料的涂层较厚的平面或平坦电极来实现本发明的单元模块的可用安培小时容量的大幅增加，并且由于电极的活性材料的重量和体积相对于电极的非活性材料、主要是活性材料支撑结构(例如，这里给出的例子的铜和铝活性材料支撑体)的重量和体积的比相对增加，因此可以利用比能量密度(每单位重量或体积的瓦特小时)的增加来实现这种容量增加。 [0066] 尽管将所示实施方式中的电极公开为优选具有方形或长方形平面形式，但可以根据本发明制造其它的平面形式。例如，通过将正电极和负电极切割成平面片形式，并且利用隔离体以错开方式交错正电极和负电极、从而允许随后将所有的正电极平面片与所有的负电极平面片分开地焊接到一起，本发明的单元模块还可以具有柱形形式。可以使用例如半圆形的弯曲的框架来实现具有感测馈通和填充馈通的被焊接的交错型电极的堆的周边密封。由此产生的单元模块在外观上将类似厚片或平坦化的柱体，然后，将它们彼此堆叠并且与本发明的互连器电连接，随后密封到外壳中，以制成具有正端表面片和负端表面片的柱形多单元电池。本发明的单元模块的形状、大小和形式因素的灵活性使得能够最大化地利用需要电池的应用内的可用空间，并且使得能够灵活地可定制地制造单元模块。 [0067] 虽然此处所描述的本发明是特别参考锂电池而举例说明的，其它化学电池也会从本发明受益。特别地，如同HEV应用 一样需要非常高的充放电速率的电池由于相邻的单元模块之间的大的互连区域以及大量的正电极和负电极，因而将特别受益。利用本发明而变得可能制得的这种相邻的单元模块之间的大的互连区域降低了比电流密度、即每平方厘米的安培数，以使得这些电极可以在单元模块的电压损耗较少的情况下，以较低的电流密度输送更多的总电流。在电池中，电极上的高电流密度由于众所周知的电极极化的电化学原理而产生电池电压下降。单元模块以及单元模块之间的内部互连器的侧面外围与外部接触上的电击是电绝缘的，从而允许高电压电池可以被安全地构造、维持和重复使用。 [0068] 得益于本发明的化学电池包括所有的锂电池、铅酸电池、镍金属氢电池、镍锌电池和其它可充电电池以及一次电池或不可充电电池。 |
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