專利名稱：具有可更換的電池單元元件的模塊化電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池的部件、用于制造電池的方法以及使用該方法制造的電池。本發(fā)明尤其涉及耐用的二次電池和用于裝配和更換該二次電池的部件的方法。
背景技術(shù)：
二次電池對移動應用和電カ網(wǎng)絡的緩沖系統(tǒng)中的能量存儲變得日漸重要，并且成為現(xiàn)代能源技術(shù)的越來越重要的一部分。當今，高容量二次電池相對昂貴，并且具有有限的使用壽命，這限制了二次電池的應用。因此，延長二次電池的使用壽命為本領(lǐng)域中研究和發(fā)展的主要關(guān)注點之一。二次電池通常包括多個層疊到一起的電化學電池單元以實現(xiàn)所需的電池容量和/ 或所需的電氣電壓。每個電化學電池單元包括至少兩個電極，即陰極和陽極，這兩個電極例如通過隔離件而電隔離。這些電極(陰極和陽極)各包括集流器和至少ー種電化學活性電極材料?，F(xiàn)有技術(shù)已知多種不同的電化學活性電極材料，這些電化學活性電極材料可以被用作電化學活性陰極材料或電化學活性陽極材料。根據(jù)使用的電解液和電池的應用選擇電化學活性電極材料。多個電化學電池單元被層疊地組裝并且被安裝在電池殼體中。例如散熱器、冷卻系統(tǒng)和電子器件的另外的部件被添加以控制電池的狀態(tài)和功能。鋰電池通常基于袋式電池(pouch type cells)，其中多個薄且柔性的電化學電池単元被壓緊并且被預先裝配在密封袋中。該袋通常具有陰極觸點和陽極觸點。該袋是可機械變形的并且通常被固定在電池殼體中。在現(xiàn)有技術(shù)的制造方法中，將層疊的電化學電池單元或袋置于電池殼體或電池模塊中，以及在封閉電池殼體之前，將散熱器、冷卻系統(tǒng)和電子模塊附接到電池組。專利WO 2009/073225描述了用于層疊電化學電池單元的方法和系統(tǒng)，其中，多個含有電化學電池單元的袋被釘在支承框架中?？蚣苤械拇惭b到電池殼體中并且被熱連接和電連接。這些已知的制造方法可快速組裝電池但不能更換電池單元。本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的所述缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了用于電池的電池架以支承多個袋。所述多個袋的每個袋具有至少ー個電化學電池單元。電池架包括多個袋接納部分，其中所述多個袋接納部分的每個袋接納部分包括可松脫的緊固元件，該緊固元件用于可松脫地固定和機械支承所述多個袋中的至少ー個袋。該電池架還包括至少ー對電接觸元件，當所述袋被置于相應的袋接納部分上吋，所述電接觸元件用于電接觸所述多個袋的至少ー個袋中的至少ー個電化學電池單元。緊固元件為可松脫的以可撤除地附接所述至少ー個袋。緊固元件允許以簡單有效的方式松脫并替換ー個或多個袋，實現(xiàn)耐用的電池。這對于二次電池特別有利。含有缺陷電化學電池單元的袋或含有使用壽命周期結(jié)束的電池單元的袋可以被容易地更換。緊固元件可以為咬合(click-in)機械構(gòu)件或可以包括螺釘或其他可松脫的安裝件或固定部件。包括多個接納部分的所述電池架可以被視為基座，該基座能夠機械支承所述袋。電池架同時對所述至少一個袋提供機械支承、排列和電接觸。所述袋可以為現(xiàn)有技術(shù)公知的特別是鋰離子二次電池的電池組或電化學電池單元組。本發(fā)明對箔型袋尤其有用，所述箔形袋即包括具有集流器和/或電極箔的電化學電池単元的袋。袋可以被布置在袋支承框架上或?qū)Υ峁C械穩(wěn)定性的另ー支承結(jié)構(gòu)上。如果使用箔材料制成的無法自身機械穩(wěn)定的電化學電池單元，則這特別有用。支承框架的使用本身在本領(lǐng)域是已知的。如果使用袋支承框架，則緊固元件可以用于接納和機械地支承袋支承框架。在該情況下，袋可以被可撤除地或不可撤除地固定在袋支承框架上。
如果袋通過支承框架被機械地支承，則電池架排列并且機械地支承所述支承框架，由此依次支承袋。緊固元件可用于接納并機械地支承所述支承框架，由此依次機械地支承袋。支承框架可以用于支承單個袋或多個袋。本領(lǐng)域技術(shù)人員已知用于單個袋的支承框架和用于兩個袋的支承框架?？商鎿Q地，可以不使用支承框架并且可以通過電池架直接支承袋。電池架可以由剛性結(jié)構(gòu)制成并且可以由例如塑料或金屬或其它不同材料制成或者由不同材料的組合制成。電池架可包括散熱器，散熱器可與所述至少一個袋熱接觸。散熱器允許有效的熱傳輸和袋中的電化學電池單元的冷卻。散熱器可以由剛性結(jié)構(gòu)制成并且可以對電池架提供剛性結(jié)構(gòu)以機械地支承多個袋。在該情況中，接納部分可以由輕質(zhì)材料制成，該輕質(zhì)材料本身的結(jié)構(gòu)不具有足以機械地和穩(wěn)定地支承所述多個袋的剛性和穩(wěn)定性。電池架還可包括電子電路以控制所述至少一個袋中的所述至少ー個電化學電池単元。該電子電路可涉及至少以下之一電化學電池單元的充電和放電控制、溫度控制和其它參數(shù)的控制。每個袋可以提供ー個電子電路，或可以使用控制所有袋或多個袋的一電子電路。電池架還可包括用于接觸多個袋的多個接觸元件。該接觸元件可用于接觸不同袋的兩個或多個電極觸點。這允許串聯(lián)連接或并聯(lián)連接袋以根據(jù)需要調(diào)整電池的構(gòu)型。所述電接觸元件可以可撤除地接觸電極觸點(即，陽極觸點或陰極觸點)。這還可以允許在改變電池的應用時改動電池。所述電接觸元件可以作為母線實現(xiàn)。所述電接觸元件可以與散熱器熱接觸。這允許從電接觸元件有效地傳熱，并且由此從電化學電池單元的電極有效地傳熱以便使電化學電池單元保持在一定的溫度范圍內(nèi)。電池架還可包括一個或多個傳感器，該傳感器用于控制電化學電池單元和袋的溫度或電池的其它參數(shù)。本發(fā)明還涉及包括這樣的電池架的二次電池。該二次電池還包括緊固到電池架的多個袋。這些袋被可松脫地緊固并且可以被容易地更換。這提供了一種模塊化的電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)也可以針對多個電池架而被設(shè)計。
所述二次電池可包括殼體，在殼體中，電池架和多個袋被保護。本發(fā)明還涉及ー種用于制造二次電池的方法。該制造方法包括提供預裝配的電池架以及將至少ー個袋以可撤除的方式附接到電池架。該袋非固定地連接到電池架并且可以被容易地去除以增加電池架的耐用性。所述至少ー個袋的可撤除的附接可以包括將所述至少ー個袋放置到框架中并且將所述至少ー個框架可撤除地附接到電池架。本發(fā)明還涉及ー種用于更換二次電池的袋的方法。該更換方法包括將包括待更換的所述電化學電池單元的袋從所述袋可撤除地附接的電池架上松脫以及將替換袋附接到該電池架?？梢酝ㄟ^袋支承框架支承待更換的袋和替換袋。



圖I示出根據(jù)本發(fā)明的帶有架的組件；圖2示出從相反的視角看的圖I的架；圖3a到圖3c示出根據(jù)發(fā)明的架的組件；
具體實施例方式現(xiàn)將基于附圖描述本發(fā)明。應該理解，本文中描述的本發(fā)明的實施方式和方面僅為示例而并非以任何方式限制權(quán)利要求書的保護范圍。本發(fā)明由權(quán)利要求書及其等同物限定。可以理解，本發(fā)明的ー個方面或一個實施方式的特征可以結(jié)合本發(fā)明的不同方面和/或示例的特征。圖I示出電池模塊2，該電池模塊2可以單獨使用或結(jié)合一次電池或二次電池中的其他電池模塊使用。該電池模塊2被布置在殼體中使用以保護電池單元和電子器件。該殼體可以為標準的電池殼體并且在附圖中未示出。該電池模塊2包括電池架或基座100，多個袋20安裝至該電池架或基座100。每個袋20被安裝在袋支承框架30中。在圖I示出的示例中，總共有五個袋支承框架30被安裝到架100，每個袋支承框架30包括ー個袋20。袋支承框架的該數(shù)量僅出于例證目的而示出，且不同數(shù)量的袋和袋支承框架30可以被安裝至架100。附接到基座100的袋的通常數(shù)量的范圍從單個袋到約數(shù)百個袋。實際使用的袋的數(shù)量取決于電池的應用和所需的性能?？梢赃x擇袋來提供高達約1000V的最終電壓和300A的電流。然而，袋和電池單元的數(shù)量可以容易地乘以2、4、6或更大的因子。袋20包括多個電化學電池單元，各電池單元至少包括一個陽極、一個陰極和ー個隔板。包括電化學電池單元的袋20本身在本領(lǐng)域中是已知的，并且任何常規(guī)的袋可以用于本發(fā)明?？梢蕴娲褂闷渌愋偷碾姵亟M或電化學電池單元。各個袋20至少具有兩個電極觸點，即電接觸電化學電池單元的相應電極的陽極觸點12和陰極觸點14。在該示例中，陽極觸點12和陰極觸點14都被布置在袋20的面向架的同一側(cè)21上。電極觸點還可以以其它構(gòu)型布置，例如布置在所述袋的相對位置。袋支承框架30環(huán)繞在袋20的周圍并且至少環(huán)繞4個側(cè)面且保持袋20機械穩(wěn)定。通過該方式，保護袋以免彎曲且免受其它的機械カ或損害。然而，支承框架30可以被不同地布置并且僅覆蓋袋20的特定的一部分。而且，該支承框架30可以適應于袋的形狀。支承框架30可以包括或不包括電觸點。在所示的示例中,支承框架30對袋20提供機械穩(wěn)定性并且不具有任何電觸點或電控制。各支承框架30插入到電池架100的架元件130的袋接納部分133中。架元件130具有多個袋接納部分133，其中每個袋接納部分133可接納ー個支承框架30并固定該ー個支承框架30。袋接納部分133具有與支承框架30的裝配部分33互補的形狀。螺釘40可以被用作緊固元件以將含有袋20的支承框架30固定到架元件130上。通過松脫螺釘40，相應框架30可以從架100上取下并且具有替換袋20的替換框架可以被插入到相應的接納部分133中并且使用螺釘40緊固。通過該方式，可以容易地更換缺陷袋20。與螺釘40不同的其他可松脫的緊固元件可以用于將袋20附接到架100上。例如，可以使用凹ロ(notch)或咬緊式鉸鏈(snap hinge)。在所示示例中，袋支承框架30和袋20平行排列并且基本上垂直于架100。然而，袋20相對于架100的其他布置是可行的。
圖2從相反側(cè)示出圖I的電池模塊2，其示出電子線路160和散熱器150，這將關(guān)于圖3a到圖3c更詳細地描述。圖3a示出本發(fā)明可以使用的散熱器或冷卻裝置150。散熱器150具有用于將該散熱器連接至熱傳輸部件的熱連接件152、熱連接件153、熱連接件154和熱連接件155。熱連接件152、熱連接件153、熱連接件154和熱連接件155可包括流體連接件，該流體連接件用于可以流過散熱器150的例如制冷劑的冷卻介質(zhì)?？商鎿Q地，接觸件(contact) 152、接觸件153、接觸件154和接觸件155為金屬接觸件，以對使用中的電化學電池單元產(chǎn)生的熱進行熱傳輸。散熱器150形成用于基座或架100的剛性骨架。具有多個接納元件133的接納部分130被布置在散熱器150上，形成架100。每個接納元件133具有引導部件134，該引導部件用于引導和機械支承框架30并將該框架30定位在架100上。此外，多個電子電路160布置在架100上。該電子線路可以用于控制例如電化學電池單元的溫度、電流、電壓和其他參數(shù)。在電子線路160中可以實現(xiàn)其他功能。圖3c示出在圖3b的架100上布置的多個電接觸元件或母線(bus bar) 122、124。母線122和母線124可以布置在架元件130中并且與袋的電極接觸元件12和電極接觸元件14進行電氣接觸。此外，母線122和母線124可以與散熱器150熱接觸。電隔離且導熱的材料可以用在散熱器150與母線122、124之間以避免散熱器上有電勢，同時可以獲得電化學電池單元的有效冷卻。母線122和母線124可以具有不同的尺寸并且可以根據(jù)母線122和母線124的布置而布置成串聯(lián)或并聯(lián)地電接觸袋20?？梢愿鶕?jù)最終電池的需要，來調(diào)整串聯(lián)和/或并聯(lián)地接觸袋的電極觸點12、14的任ー組合。例如，可以有用的是，使一定數(shù)量的袋20形成組并且使該組的所有袋20并聯(lián)地電連接以增加容量。若干組袋隨后可以串聯(lián)連接以根據(jù)需求增加電池的標稱電壓(nominal tension)。母線122和母線124可以用于連接袋20的任ー構(gòu)型。還可以形成組并且使所述組的所有袋20串聯(lián)地電連接以便增加標稱電壓，或者以串聯(lián)和并聯(lián)的任一組合連接袋。如果在電池的使用壽命期間需求或電池應用改變，則如果需要的話，可將母線重新布置成不同的構(gòu)型。以此方式，該電池可以適用于不同的應用且可以獲得不同的標稱電壓。有利地，袋20可以被去除以再調(diào)整或更換架100的部件。這實現(xiàn)了耐用的電池模塊，其中各個部件可以容易地更換，從而延長了二次電池的使用壽命。例如在使用壽命結(jié)束時還可以更換電池的所有袋，并且可以再利用該基座和新的袋。架元件130的每個袋接納部分133包括可以用于固定母線122和母線124的開ロ112和開ロ 114。咬合(snap-in)機械構(gòu)件、螺釘、或其他可撤除的固定部件可以用于將母線122、母線124布置在架元件130上。盡管上文已經(jīng)描述了本發(fā)明的多個實施方式，但應該理解，這些實施方式通過示例的方式呈現(xiàn)并且并非限制。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言明顯的是，在這些實施方式中可 以做出具體的各種變化和形式而不違背本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明不應該限于任ー上述的示例性實施方式，但應該根據(jù)權(quán)利要求書的等同范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種用于支承多個袋(20)的電池架(100)，所述袋包括至少一個電化學電池單元，所述架包括 -多個袋接納部分(133)，所述袋接納部分具有可松脫的緊固元件(40)，所述緊固元件用于可松脫地固定和支承所述多個袋(20)； -至少一對電接觸元件(122，124)，所述電接觸元件用于電接觸位于所述袋接納部分(133)中的所述多個袋(20)的至少一個袋(20)中的所述至少一個電化學電池單元， 其中，所述袋(20)被布置在袋支承框架(30)中，以及所述緊固元件(40)用于接納和機械地支承所述袋支承框架(30)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池架(100)，其中，所述電池架(100)包括散熱器(150)，當所述袋附接到所述電池架(100)時，所述散熱器(150)與所述多個袋(20)的至少一個袋中的所述至少一個電化學電池單元的至少一個電極熱接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池架(100)，其中，架元件(130)和所述散熱器(150)—起形成剛性結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的電池架(100)，其中，所述電池架(100)包括用于控制所述至少一個電化學電池單元的至少一個電子電路(160)。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的電池架(100)，其中，所述電接觸元件(122，124)的至少一個電接觸元件與所述多個袋的至少兩個袋的所述至少一個電化學電池單元電接觸。
6.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的電池架(100)，其中，所述電池架(100)還包括至少一個傳感器。
7.—種二次電池，包括 a.至少一個根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的電池架(100);以及 b.緊固到至少一個所述電池架(100)的多個袋(20)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的二次電池，所述二次電池還包括殼體，在所述殼體中，至少一個所述電池架(100)和所述多個袋(20)被布置在所述殼體內(nèi)。
9.一種用于制造二次電池的方法，所述方法包括 a.提供預裝配的根據(jù)權(quán)利要求I到7中任一項所述的電池架(100);以及 b.可撤除地將至少一個袋(20)附接到所述電池架(100)， 其中，所述可撤除地將至少一個袋(20)附接到所述電池架(100)包括，將所述至少一個袋(20)置入袋支承框架(30)中以及可撤除地將所述至少一個袋支承框架(30)附接到所述電池架(100)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于制造二次電池的方法，其中，可撤除地將所述至少一個袋(20)附接到預裝配的所述電池架(100)包括以下步驟中的至少一個步驟建立電觸點、建立熱觸點和通過所述電池架(100)機械地支承所述至少一個袋。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的用于制造二次電池的方法，所述方法還包括將電接觸元件(122，124)的至少一個電接觸元件布置成使得所述至少一個電接觸元件與兩個或多于兩個的袋(20)的兩個或多于兩個的電極觸點(12，14)電接觸。
12.—種用于更換二次電池的電化學電池單元的方法，所述方法包括 a.將包括待更換的所述電化學電池單元的袋(20)從所述袋(20)所可撤除地附接的、根據(jù)權(quán)利要求I到7中任一項所述的電池架(100)上松脫；以及b.將替換袋附接到所述電池架(100)， 其中，所述至少一個袋(20)和所述替換袋(20)被置于袋支承框架(30)中，所述袋支承框架(30)包括可松脫的機械固定件。
全文摘要
本發(fā)明公開了具有可更換的電池單元元件的模塊化電池。本發(fā)明涉及用于制造二次電池的方法和更換二次電池的袋的方法。本發(fā)明還涉及用于二次電池的架或基座。該基座包括多個接納部分，其中多個接納部分的每個接納部分包括用于接納和機械地支承多個袋的至少一個袋的緊固元件。提供了一對電接觸元件，以接觸袋中的電化學電池單元。
文檔編號H01M2/10GK102842691SQ20121018930
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者羅伯特·尼塞爾, 伊利·沙扎朗, 帕特里克·沃呂 申請人:勒克朗謝有限公司