本發(fā)明涉及用于電連接電池模塊的多個(gè)單元的匯流條。本發(fā)明還涉及包括這樣的匯流條的電池模塊和包括這樣的電池模塊的車輛以及用于構(gòu)造匯流條的方法。

背景技術(shù)：

可再充電電池不同于一次電池之處在于，可再充電電池可以重復(fù)地充電和放電，而后者僅進(jìn)行化學(xué)能到電能的不可逆轉(zhuǎn)換。低容量可再充電電池被用作小型電子器件諸如便攜式電話、筆記本計(jì)算機(jī)以及攝錄機(jī)的電源，而高容量可再充電電池被用作驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力型車輛等等中的電機(jī)的電源。

通常，可再充電電池包括電極組件、接收電極組件的殼以及電連接到電極組件的電極端子，電極組件包括正電極、負(fù)電極和夾置在正電極與負(fù)電極之間的隔板。根據(jù)可再充電電池的使用目的和用法，殼可以具有圓柱形或者矩形形狀，電解質(zhì)溶液被注入到殼中用于通過正電極、負(fù)電極和電解質(zhì)溶液的電化學(xué)反應(yīng)而對可再充電電池充電和放電。

可再充電電池可以用作由串聯(lián)聯(lián)接的多個(gè)單元電池或者多個(gè)單元形成的電池模塊，從而用于驅(qū)動(dòng)需要高能量密度的混合動(dòng)力型車輛的電機(jī)。即，根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的電能的量，電池模塊通過連接多個(gè)單元電池的每個(gè)的電極端子而形成，使得可以實(shí)現(xiàn)高功率可再充電電池。電池模塊的單元通常通過所謂的“匯流條”而連接，“匯流條”有時(shí)也被稱為“匯流排”或者“母線”。匯流條通常是整體的并由固體金屬制成，因?yàn)樗鼈兾ㄒ坏墓δ苁菍㈦姵啬K的單元彼此電連接以在電池模塊的單元之間傳送電流。

為了安全地使用電池模塊，從可再充電電池產(chǎn)生的熱應(yīng)該被有效地發(fā)射、排出和/或消散。如果熱發(fā)射/排出/消散沒有被充分地執(zhí)行，在各個(gè)單元電池之間發(fā)生溫度偏差，使得電池模塊不能產(chǎn)生用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的期望的電能量。此外，如果電池的內(nèi)部溫度由于從可再充電電池產(chǎn)生的熱而上升，則在其中發(fā)生不正常的反應(yīng)，因此可再充電電池的充電和放電性能變差并且可再充電電池的壽命縮短。因此，需要可以通過有效地發(fā)射/排出/消散從電池產(chǎn)生的熱而冷卻可再充電電池的冷卻裝置。

在散熱裝置或者冷卻裝置分別出現(xiàn)故障的情況下，或者由于電池單元之一中的另一故障例如內(nèi)部短路，可能發(fā)生單元的熱失控。由于匯流條是整體的并且由固體金屬制成，其以高速導(dǎo)熱，因此熱被傳送到電池模塊的相鄰單元。期望消除此效應(yīng)，因?yàn)闀?huì)發(fā)生過熱并因此發(fā)生單元的故障，導(dǎo)致電池模塊完全失效并且可能導(dǎo)致電池模塊的破壞。

此外，在電池系統(tǒng)中內(nèi)部短路的情況下，例如由于在故障期間電池系統(tǒng)的變形，整體的金屬匯流條保持短路電流。因此，散熱繼續(xù)，可能影響電池模塊的其他單元或者電池模塊作為其一部分的車輛或者器件的其他部件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)可以通過本發(fā)明的手段被避免或至少減小。具體地，提供用于電連接電池模塊的多個(gè)單元的匯流條，包括：

-核，和

-殼，至少部分地由第一材料制成，第一材料是導(dǎo)電材料，

其中核至少部分地由第二材料制成，第二材料具有顯著地高于第一材料的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。換言之，匯流條不是由整片的固體金屬制成，而是具有允許匯流條承擔(dān)附加功能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果被適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，匯流條可以起到在單元之一熱失控的情況下將電池模塊的單元彼此電斷開的安全結(jié)構(gòu)的作用。為此，匯流條可以被設(shè)計(jì)為如果預(yù)定溫度閾值被超過，則匯流條材料由于不同的熱膨脹系數(shù)而斷裂并且通過匯流條的熱和電流傳送被中斷。具體地，殼由于核的體積增加而斷裂。殼可以部分地由第一材料制成或僅由第一材料制成。具體地，如果殼已經(jīng)被分為基本上不彼此連接的至少兩個(gè)分離部分，則殼被認(rèn)為是“斷裂”。

熱膨脹的熱系數(shù)α是材料常數(shù)并說明材料對溫度變化的反應(yīng)。其由公式定義

其中l(wèi)是被研究的主體的長度，t是溫度。如果一系數(shù)超過另一系數(shù)的值至少10％，優(yōu)選地至少20％，該系數(shù)被具體地認(rèn)為是“顯著高于”另一系數(shù)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，在80k的溫度變化下，各個(gè)系數(shù)的值的差異導(dǎo)致匯流條的不同材料的膨脹中的可見差異。通常，至少兩個(gè)不同材料的熱膨脹系數(shù)之間的差異必須使得在結(jié)合其他規(guī)格諸如尺寸(例如殼和核各自的厚度)的情況下，使殼在預(yù)定溫度下斷裂。

另一方面，匯流條需要能承受緩和的溫度變化而不將電池單元彼此電斷開，因?yàn)樵趨R流條的操作期間，溫度不可避免地一定會(huì)在某些參數(shù)內(nèi)變化。此外，電池模塊必須能夠在不同條件下操作，例如環(huán)境溫度在-10℃與40℃之間。因此，匯流條必須承受某一溫差而不將單元彼此斷開。

雖然發(fā)明具體地旨在改善用于電池模塊的匯流條，但這樣的匯流條在使用常規(guī)匯流條以及會(huì)發(fā)生局域生熱的任何應(yīng)用中可以是有用的。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，匯流條的至少殼在超過溫度閾值時(shí)斷裂。匯流條由至少兩種不同材料制成并包括核和殼。殼圍繞核。殼可以圍繞核使得核完全地嵌入殼中并且核沒有任何部分是從外部可見的，殼不斷裂的話核無法膨脹。然而，核也可以僅部分地被殼圍繞。例如，可以在一側(cè)具有開口，核可以通過該開口進(jìn)入殼。優(yōu)選地，殼將核與匯流條連接到電池單元處的區(qū)域完全地分離。然后該開口優(yōu)選地布置為在匯流條的與面對電池模塊的位置相反的一側(cè)上。

核的目標(biāo)是當(dāng)超過溫度閾值時(shí)破壞殼。閾值溫度可以例如是50℃、75℃或100℃。核可以由具有大的熱膨脹的材料制成。因此，由于熱吸入(thermalintake)引起的核的膨脹大于殼的膨脹。因此，在匯流條的加熱期間在殼中形成張力，最終導(dǎo)致殼的結(jié)構(gòu)破壞。如果單元的電連接是單獨(dú)地通過殼提供的，該殼由導(dǎo)電材料制成，則殼的破壞導(dǎo)致單元的電斷開，防止從故障位置到正常功能單元的任何進(jìn)一步的電流流動(dòng)。從一個(gè)單元到另一單元的熱傳遞也可以被減小。殼可以例如由鋁、銅或鐵制成。

核可以部分地由第三材料制成，第三材料不同于第一材料和第二材料。因此還可以調(diào)節(jié)匯流條的性質(zhì)使其具有期望的功能。例如，第二材料可以是具有大的熱膨脹系數(shù)的材料，第三材料可以是電絕緣體。則匯流條可以被設(shè)計(jì)為使得在殼斷裂時(shí)，不僅熱傳遞被有效地減小，而且電流傳送被消除。為了實(shí)現(xiàn)此目的，匯流條可以例如被設(shè)計(jì)為如果導(dǎo)電殼被破壞，則核的連接匯流條的兩個(gè)部分的部分(在該部分處殼的圍繞核的部分仍然完好)單獨(dú)地由第三材料制造，在這種情況下該第三材料將是電絕緣體。換言之，只要匯流條完好，殼的預(yù)計(jì)會(huì)由于溫度增加而斷裂的區(qū)域接觸核的僅由電絕緣材料制成的一個(gè)或多個(gè)部分。

如果第二材料也是電絕緣體，可以實(shí)現(xiàn)相同效果。如果第二材料結(jié)合大的熱膨脹系數(shù)和良好電絕緣性質(zhì)和/或絕熱性質(zhì)的特征，則如果核僅由第二材料制造是足夠的。然而，在構(gòu)成匯流條的核的兩種不同材料即第二材料和第三材料之間分配期望的性質(zhì)即熱膨脹系數(shù)以及電絕緣和/或絕熱性質(zhì)同樣是可能的并且有時(shí)是有利的。根據(jù)本實(shí)施方式，特定的幾何排列是必需的，這將從下面繪示的圖以及伴隨的說明而變得清楚。

在優(yōu)選實(shí)施方式中，殼具有預(yù)定斷裂點(diǎn)。此特征使得可以精確控制匯流條在超過熱閾值期間的行為。預(yù)定斷裂點(diǎn)可以例如通過減小殼的橫截面而實(shí)現(xiàn)，因此減小在具有小的橫截面的那些區(qū)域中的殼的強(qiáng)度。如果電池殼的溫度升高，則匯流條的核膨脹。由于核材料的熱膨脹系數(shù)顯著地高于殼材料的熱膨脹系數(shù)，核以大于殼的速度膨脹，導(dǎo)致施加于殼上的張力。在斷裂點(diǎn)處，破壞殼所需的力比殼的其余部分小。因此殼的結(jié)構(gòu)首先在預(yù)定斷裂點(diǎn)處損壞。由于殼的破壞，不再有電流可以流過殼。如果殼被破壞，它碎裂為至少第一部分和第二部分。第一部分可以仍然電連接到電池單元之一，而第二部分可以電連接到另一電池單元。然而，在殼的第一部分和第二部分之間沒有保持電接觸。因此，在單個(gè)電池單元之間也沒有保持電接觸。

核的材料至少在斷裂點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)需要是電絕緣體，使得也沒有電流可以從一個(gè)單元通過核被傳送到另一單元。因此，電流沒有可以通過核的旁路，從而對于任何電流來說不可能從殼的一部分流到另一部分，更具體而言，從核的電連接到第一電池單元的第一部分流到核的電連接到第二電池單元的第二部分。在殼被破壞之后，匯流條的功能從電連接器變?yōu)殡娊^緣體，阻擋任何電流在原先通過匯流條連接的電池單元之間的流動(dòng)。

代替減小核的橫截面，用其它方式在某種程度上減弱斷裂點(diǎn)的強(qiáng)度當(dāng)然是可能的，例如通過對殼穿孔或者在預(yù)定斷裂點(diǎn)處使用另一材料。

根據(jù)應(yīng)用的特定要求，匯流條可以被設(shè)計(jì)為使得殼在預(yù)定溫度斷裂。剛好在安全操作溫度范圍之外的溫度，優(yōu)選地加上誤差幅度，作為用于殼的破裂的預(yù)定溫度是適當(dāng)?shù)摹?/p>

第二材料優(yōu)選地是具有大的熱膨脹系數(shù)的材料，例如鋅合金。鋅合金可以具有高達(dá)39×10^-6k^-1的熱膨脹系數(shù)。第三材料優(yōu)選地是電絕緣體。此外，如果第三材料是硬質(zhì)材料是有利的。顯示出這些性質(zhì)的適當(dāng)?shù)牟牧侠缡嵌趸啞?/p>

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括如此定義的匯流條的電池模塊。在優(yōu)選實(shí)施方式中，電池模塊包括用于將單個(gè)電池單元與匯流條電連接的連接裝置。連接裝置可以是可以被焊接到匯流條的接頭或者任何其他已知的電極端子。這樣的焊接連接保證具有低電阻的機(jī)械堅(jiān)固的電連接。任何其他適當(dāng)?shù)木o固裝置，諸如螺母和螺釘?shù)鹊犬?dāng)然也是可能的。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括以上定義的電池模塊的車輛。車輛可以通常是汽車、摩托車或者類似的車輛。本發(fā)明尤其適合用于混合動(dòng)力型車輛、電動(dòng)汽車(e-car)等等中。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于構(gòu)造匯流條的方法。為了構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的匯流條，提供至少部分地由第一材料制成的殼以及至少部分地由第二材料制成的核，第一材料是導(dǎo)電材料，第二材料具有高于第一材料的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。然后核被預(yù)先冷卻并且隨后與殼結(jié)合。該結(jié)合可以包括將核按壓到提供在殼中的中央穿孔中。優(yōu)選地，第二材料具有大的熱膨脹系數(shù)。具體地，如果熱膨脹系數(shù)α的值高于20×10^-6k^-1，優(yōu)選地高于25×10^-6k^-1，則熱膨脹系數(shù)α被認(rèn)為是“大的”。

本發(fā)明的其他方面可以通過所附權(quán)利要求或者以下說明而獲悉。

附圖說明

通過參考附圖詳細(xì)描述示范實(shí)施方式，多個(gè)特征對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得明顯，在附圖中：

圖1示出常規(guī)電池模塊的透視圖，

圖2示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的工作狀態(tài)中的電池模塊的截面圖；

圖3示出在電池單元之一中的熱失控之后圖2的實(shí)施方式的構(gòu)造的截面圖。

附圖標(biāo)記

10電池單元

11電極端子

12電極端子

13排氣孔

14蓋組件

15匯流條

16螺母

18端板

18a緊固部分

19連接板

31支撐板

40螺釘

100電池模塊

120彈性構(gòu)件

200電池模塊

211電池單元

212電池單元

220匯流條

230核

231a、2131b第一區(qū)段的部分

232第二區(qū)段

240殼

251單元接頭

252單元接頭

260斷裂點(diǎn)

271焊縫

272焊縫

具體實(shí)施方式

參照圖1，常規(guī)電池模塊100的示范實(shí)施方式包括在一個(gè)方向上排列的多個(gè)電池單元10以及鄰近于多個(gè)電池單元10的底表面提供的熱交換構(gòu)件110。一對端板18被提供為在電池單元10外部面對電池單元10的寬表面，連接板19被配置為將該對端板18彼此連接由此將多個(gè)電池單元固定在一起。在電池模塊100兩側(cè)上的緊固部分18a通過螺釘40被緊固到支撐板31。支撐板31是殼30的一部分。

這里，每個(gè)電池單元10是棱柱形(或者矩形)單元，單元的寬的平坦表面被堆疊在一起以形成電池模塊。此外，每個(gè)電池單元10包括配置用于容納電極組件和電解質(zhì)的電池殼。電池殼通過蓋組件14密封。蓋組件14提供有具有不同極性的正電極端子11和負(fù)電極端子12以及排氣孔13。排氣孔13是電池單元10的安全裝置，其用作電池單元10中產(chǎn)生的氣體通過其排出到電池單元10外部的通道。相鄰的電池單元10的正電極端子11和負(fù)電極端子12通過匯流條15電連接，匯流條15可以通過螺母16等等被固定。因此，通過將多個(gè)電池單元10電連接為一束，電池模塊100可以用作電源單元。

通常，電池單元10在被充電/放電時(shí)產(chǎn)生大量熱。產(chǎn)生的熱在電池單元10中累積，由此加快電池單元10的惡化。因此，電池模塊100還包括熱交換構(gòu)件110，該熱交換構(gòu)件110被鄰近于電池單元10的底表面提供從而冷卻電池單元10。此外，由橡膠或者其他彈性材料制成的彈性構(gòu)件120可以夾置在支撐板31和熱交換構(gòu)件110之間。

熱交換構(gòu)件110可以包括提供為具有相應(yīng)于多個(gè)電池單元10的底表面的尺寸的冷卻板，例如，冷卻板可以完全交疊電池模塊100中的所有電池單元10的整個(gè)底表面。冷卻板通常包括冷卻劑可以通過其移動(dòng)的通道。當(dāng)冷卻劑在熱交換構(gòu)件110內(nèi)部(即，冷卻板內(nèi)部)流通時(shí)執(zhí)行與電池單元10的熱交換。

圖2示出當(dāng)匯流條導(dǎo)電時(shí)在工作狀態(tài)中的本發(fā)明的示范實(shí)施方式。其在俯視截面圖中顯示電池模塊200包括兩個(gè)單元，即第一單元211和第二單元212。通常，電池模塊可以例如為標(biāo)準(zhǔn)模塊，如圖1中所繪示的。因此，可以存在更多單元，然而，為簡單起見，示出僅有兩個(gè)電池單元的電池模塊。單元211、212具有用于建立單元211、212之間的電接觸的單元接頭251、252。接頭251、252起到電極端子的作用。匯流條220被焊接到單元接頭251、252，因此經(jīng)由焊縫(weld)271、272而將單元211、212彼此電連接。匯流條220在截面圖中被示出，從而匯流條220的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見。匯流條220由核230和在各個(gè)側(cè)面圍繞核230的殼240組成。換言之，核230嵌入殼240。殼240由導(dǎo)電材料制成，通常由金屬制成。其具有預(yù)定的斷裂點(diǎn)260，在斷裂點(diǎn)260處殼的橫截面比殼240的其余部分小。換言之，殼240的材料厚度在預(yù)定斷裂點(diǎn)260處減小。這可以通過例如在構(gòu)造匯流條220之后去除殼240的材料或者通過制造殼240使得它具有期望的形狀和橫截面而實(shí)現(xiàn)。斷裂點(diǎn)260被布置在匯流條220的中心區(qū)域中。斷裂點(diǎn)260不物理接觸單元211、212中的任何一個(gè)。

核230布置在殼240內(nèi)側(cè)。在示出的實(shí)施方式中，其由兩種不同材料制成，該兩種不同材料構(gòu)成核230的兩個(gè)不同區(qū)段。因此，核230由第一區(qū)段231和第二區(qū)段232組成。核230的第一區(qū)段231由膨脹材料制成。第一區(qū)段231被分成兩個(gè)部分231a和231b，它們結(jié)構(gòu)相同但是在空間上彼此分開。第一區(qū)段的材料具有更高的熱膨脹系數(shù)。第一區(qū)段231可以例如由鋅合金制成，其通常具有28×10^-6k^-1的熱膨脹系數(shù)。在被加熱時(shí)，第一區(qū)段的體積以比殼240的體積高的速度增加，在殼240上施加機(jī)械張應(yīng)力并最終當(dāng)超過殼材料的張力強(qiáng)度的極限時(shí)在預(yù)定斷裂點(diǎn)260處破壞殼240，因此產(chǎn)生殼240的破壞部分之間的間隙，這將隨后在圖3中示出。

第二區(qū)段232可以由具有低于第一區(qū)段的相應(yīng)的系數(shù)的熱膨脹系數(shù)的材料制成。然而，第二區(qū)段232的所述系數(shù)應(yīng)該優(yōu)選不低于制成殼240的材料的系數(shù)。殼240可以例如由鋁制成，其具有23.8×10^-6k^-1的熱膨脹系數(shù)。

預(yù)定斷裂點(diǎn)260被布置為使得殼240在斷裂點(diǎn)260處的斷裂導(dǎo)致單元211、212之間的電連接的中斷。因此，斷裂點(diǎn)260被布置為使得它們不與單元接頭251、252的任何一個(gè)接觸。斷裂點(diǎn)260也可以被認(rèn)為是“斷裂線”或“斷裂區(qū)”，因?yàn)樗鼈儺?dāng)然可以覆蓋匯流條220的整個(gè)周邊。

核230的第二區(qū)段232由與第一區(qū)段的材料不同的材料制成。在示出的實(shí)施方式中，第二區(qū)段232的材料是電絕緣體，例如二氧化鋯，其具有10.3×10^-6k^-1的熱膨脹系數(shù)。核230的第二區(qū)段232布置為直接鄰近斷裂點(diǎn)260。換言之，預(yù)定斷裂點(diǎn)260僅與核230的第二區(qū)段232物理接觸而不與核230的第一區(qū)段物理接觸。

圖3示出在單元212中的熱失控之后處于非工作的中斷狀態(tài)的圖2的實(shí)施方式。匯流條220的連接到單元212的部分已經(jīng)吸收單元212中產(chǎn)生的部分熱。因此，已經(jīng)發(fā)生熱膨脹。核230的第一區(qū)段231a的右部分已經(jīng)以比匯流條220的其余部分包括殼240顯著高的速度膨脹。壓力已經(jīng)形成在殼240內(nèi)部，導(dǎo)致殼240在預(yù)定斷裂點(diǎn)260處斷裂。因此，單元211經(jīng)由殼240與單元212的電連接已經(jīng)中斷。因?yàn)楹?30的中心部分232由電絕緣材料制成，沒有電流可以從第一區(qū)段的右部分231a流到左部分231b，反之亦然。因此單元接頭251、252已經(jīng)彼此電斷開。

作為附加的益處，單元211、212之間的熱傳遞也被極大地減少。由固體金屬制成的常規(guī)匯流條通常是優(yōu)異的熱導(dǎo)體。殼240不再提供單元211、212之間的任何類型的連接。因此，沒有熱從單元211經(jīng)由殼240被傳送到單元212，反之亦然。核230的中心部分232的材料是電絕緣材料，所述材料可以優(yōu)選地被選擇為對于熱傳遞也是良好的絕熱體。因此，單元211、212之間的熱傳遞被減小，使得在單元211、212之一中的熱失控不引起另一單元的破壞。

因此匯流條220起到類似保險(xiǎn)絲的作用。匯流條220的斷裂通過過熱溫度而觸發(fā)。匯流條220的過熱溫度可以例如由以下任一個(gè)引起：外部源例如相鄰單元211、212的熱失控、或者來自通過匯流條220的過電流的焦耳熱，該過電流例如可以由短路引起。

還提供了一種用于構(gòu)造匯流條220的方法。為了構(gòu)造匯流條220，提供至少部分地由第一材料制成的殼240以及至少部分地由第二材料制成的核230，第一材料是導(dǎo)電材料，第二材料具有高于第一材料的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。然后核230被預(yù)先冷卻并且隨后與殼240結(jié)合。該結(jié)合可以包括將核230按壓到提供在殼240中的中央穿孔中。優(yōu)選地，第二材料具有大的熱膨脹系數(shù)，例如高于20×10^-6k^-1，優(yōu)選地高于25×10^-6k^-1。