БЛОК АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ, ИМЕЮЩИХ КОНФИГУРАЦИЮ С ЧЕРЕДУЮЩЕЙСЯ ОРИЕНТАЦИЕЙ Российский патент 2008 года по МПК H01M10/00 H01M2/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к блоку аккумуляторных (вторичных) батарей, имеющих конструкцию с чередующейся ориентацией, и, более конкретно, к блоку аккумуляторных батарей, включающему в себя множество картриджей, каждый из которых имеет множество установленных в нем единичных элементов-аккумуляторов и которые установлены стопкой друг на друга так, что электродные выводы соседних картриджей не находятся в одной и той же плоскости, когда картриджи электрически соединены друг с другом, посредством чего реализуется простое и безопасное электрическое соединение между картриджами.

Предпосылки изобретения

В последнее время аккумуляторные батареи, которые могут заряжаться и разряжаться, широко применяются в качестве источника энергии для беспроводных мобильных устройств. Кроме того, аккумуляторные батареи привлекают большое внимание в качестве источника питания для электромобилей и гибридных электромобилей, которые были разработаны для решения таких проблем, как загрязнение воздуха, вызываемое существующими транспортными средствами с бензиновыми и дизельными двигателями, использующими ископаемое топливо.

В мобильных устройствах небольшого размера используется один или более единичных элементов, например, три или четыре единичных элемента на каждое устройство. Напротив, в устройствах среднего или большого размера, таких как транспортные средства, используется блок батарей, содержащий множество единичных элементов, электрически соединенных друг с другом, поскольку требуется батарея большой емкости и большой выходной мощности.

Обычно множество единичных элементов, которые соединены последовательно или параллельно друг с другом, устанавливают в картридж, и множество таких картриджей электрически соединяют друг с другом. Таким путем изготавливают блок батарей.

Фиг.1 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий примерную конструкцию картриджа с установленными в нем четырьмя единичными элементами.

Обращаясь к фиг.1, картридж 100 содержит пару рамок 120 и 122, которые скреплены друг с другом. Единичные элементы 200 и 201 помещают в предназначенные для элементов отделения 130 рамок 120 и 122 в то время, когда рамки 120 и 122 отделены друг от друга, и прочно закрепляют в предназначенных для элементов отделениях 130 рамок 120 и 122 после того, как рамки 120 и 122 скреплены друг с другом. Единичный элемент 200 имеет электродный вывод (не показан), который электрически соединен с электродным выводом соседнего единичного элемента 201 через шину 140, находящуюся в верхней части картриджа 100. Как показано на фиг.1, единичные элементы 200 и 201 соединены друг с другом последовательно, хотя единичные элементы могут быть соединены друг с другом параллельно. Единичные элементы электрически соединены соответственно с катодным выводом 150 и анодным выводом 160, которые выступают с противоположных сторон верхнего конца картриджа 100.

Фиг.2 представляет собой типичный вид, иллюстрирующий электрическое соединение картриджей в традиционном блоке батарей.

Обращаясь к фиг.2, множество единичных элементов (не показаны) установлены в каждом из картриджей 101, 102, 103 ... 110 таким же образом, как показано на фиг.1. Картридж 101 на противоположных сторонах своего верхнего края снабжен катодным выводом 151 и анодным выводом 161. Чтобы осуществить электрическое соединение между картриджами 101, 102, 103 ... 110, первый картридж 101 устанавливают на второй картридж 102 в виде стопки, причем первый картридж 101 и второй картридж 102 обращены друг к другу так, что катодный вывод 151 первого картриджа 101 находится рядом с анодным выводом 162 второго картриджа 102. Электрическое соединение между картриджами 101, 102, 103 ... 110 осуществляется с помощью электрических шин 170. Электрические шины 170 крепятся к соответствующим выводам картриджей сваркой. Далее второй картридж 102 ставится стопкой на третий картридж 103, причем второй картридж 102 и третий картридж 103 обращены друг к другу так, что катодный вывод 152 второго картриджа 102 находится рядом с анодным выводом 163 третьего картриджа 103. Аналогичным образом устанавливаются стопкой друг на друга другие картриджи 104 ... 110, причем эти картриджи 104 ... 110 обращены друг к другу. Анодный вывод 161 первого картриджа 101 и катодный вывод 150 последнего картриджа 110 соединены с системой управления батареей (СУБ), которая на чертежах не показана. Картриджи 101, 102, 103 ... 110 установлены стопкой друг на друга, причем картриджи 101, 102, 103 ... 110 обращены друг к другу, как описано выше, и таким путем получается блок 300 батарей с высокой выходной мощностью, содержащий множество соединенных друг с другом последовательно единичных элементов.

Однако блок 300 батарей с вышеописанной конструкцией имеет следующие проблемы из-за того, что длина соединения между выводами 151 и 162 двух соседних картриджей (например, картриджей 101 и 102) очень мала, а также очень мало расстояние между соединяющей выводы деталью (первой соединительной деталью) 401 для соединения выводов соседних картриджей 101 и 102 и другой соединяющей выводы деталью (второй соединительной деталью) 402 для соединения выводов соседних картриджей 103 и 104.

Во-первых, выводы трудно соединять. Толщина каждого картриджа почти равна толщине единичного элемента. В результате, когда картриджи установлены стопкой друг на друга, длина соединения между выводами соседних картриджей очень мала. Следовательно, процесс соединения выводов, которые находятся очень близко друг к другу, и процесс формирования соединяющих выводы деталей без влияния на соседние соединяющие выводы детали требует больших затрат времени и высокой точности, значительно снижая тем самым эффективность производства блока батарей.

Во-вторых, когда выводы соединяют друг с другом, используя электрические провода, конструкция блока батарей очень усложняется. Кроме того, электрические провода могут соединиться друг с другом и, следовательно, электрические провода будут мешать друг другу.

В-третьих, соединяющие выводы детали сосредоточены на одной стороне блока батарей. В результате вторая соединяющая выводы деталь должна быть сформирована вблизи первой соединяющей выводы детали. Следовательно, очень высока вероятность удара током.

Как описано выше, традиционный блок батарей имеет несколько конструктивных проблем, и поэтому требуется блок батарей, имеющий новую конструкцию, решающую эти проблемы.

Сущность изобретения

В соответствии с этим, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы по существу избавиться от вышеупомянутых проблем существующего уровня техники, а также от технических проблем, оставшихся от прошлого.

Авторы настоящего изобретения провели различные эксперименты и исследования и установили, что когда первый и второй картриджи установлены стопкой друг на друга так, что угол ориентации между электродными выводами первого и второго картриджей составляет 90 градусов или более, электродные выводы третьего картриджа, который находится рядом со вторым картриджем, расположены в той же самой ориентации, что и электродные выводы первого картриджа, электродные выводы первого и третьего картриджей, которые расположены в одинаковой ориентации, электрически соединены друг с другом, и электродные выводы второго картриджа электрически соединены с электродными выводами четвертого картриджа, который расположен в той же ориентации, что и второй картридж, и рядом с третьим картриджем, то длина соединения между соединенными выводами и расстояние между соединяющими выводы деталями увеличивается на толщину одного картриджа, и соединяющие выводы детали не сосредоточены на одной стороне блока батарей, в результате чего блок батарей изготавливается легко, эффективность производства повышается, и значительно повышается безопасность во время изготовления блока батарей.

Согласно настоящему изобретению, вышеуказанная и другие задачи могут быть решены путем создания блока батарей, включающего в себя множество картриджей, которые установлены стопкой друг на друга, причем картриджи электрически соединены друг с другом, при этом картриджи установлены стопкой с чередующейся ориентацией, при которой электродные выводы второго из картриджей, соседнего с первым из картриджей, расположены под углом 90 градусов или более к электродным выводам первого из картриджей, а электродные выводы третьего из картриджей, соседнего со вторым из картриджей, расположены в той же самой ориентации, что и электродные выводы первого из картриджей, и при этом электродные выводы первого из картриджей соответственно электрически соединены с электродными выводами третьего из картриджей, электродные выводы второго из картриджей соответственно электрически соединены с электродными выводами четвертого из картриджей, и электродные выводы последнего из картриджей соответственно электрически соединены с электродными выводами соседнего из картриджей.

Предпочтительно, угол ориентации между электродными выводами соседних картриджей составляет 180 градусов. В этом случае первый картридж и второй картридж установлены стопкой друг на друга так, что передняя сторона второго картриджа является смежной с задней стороной первого картриджа. Следовательно, такая чередующаяся на 180 градусов ориентация картриджей легко реализуется.

Число картриджей, установленных стопкой друг на друга в блоке батарей, особо не ограничивается. Число картриджей задается в соответствии с требуемой выходной мощностью батареи. Например, от 4 до 20 картриджей могут быть установлены стопкой друг на друга с образованием блока батарей.

Кроме того, конструкция картриджей не огранивается, при условии, что в каждом картридже установлено множество единичных элементов, причем эти единичные элементы электрически соединены друг с другом. Число единичных элементов, устанавливаемых в каждом картридже, особо не ограничивается. Единичные элементы, установленные в каждом картридже, могут быть соединены либо последовательно, либо единичные элементы могут быть соединены параллельно после того, как единичные элементы соединены последовательно. Предпочтительно, единичные элементы соединены друг с другом последовательно.

Единичные элементы, установленные в каждом картридже, являются элементами-аккумуляторами, которые могут заряжаться и разряжаться. Предпочтительно, в качестве единичных элементов используются элементы квадратной формы или элементы пакетной формы («карманные» элементы), которые аккумулируют электричество с высокой плотностью. Более предпочтительно, в качестве единичных элементов используются элементы пакетной формы.

Каждый из единичных элементов имеет катод, анод, разделительную пленку и электролит, размещенные в герметизированном корпусе элемента. Электродный узел, включающий в себя тончайшую пористую разделительную пленку между тонкопленочными катодом и анодом, может быть смотан в рулон, или же полные элементы или сдвоенные элементы конструкции катод/разделительная пленка/анод могут быть последовательно установлены стопкой друг на друга. Активные материалы, нанесенные на катод и анод, особо не ограничиваются. Предпочтительно, активный катодный материал состоит из оксида на основе лития-марганца, имеющего высокую безопасность, а активный анодный материал состоит из углерода. Предпочтительный единичный элемент является литий-ионным элементом-аккумулятором или литий-ионным полимерным элементом-аккумулятором.

Электрическое соединение между электродными выводами картриджей выполняют с использованием проводящих металлических шин (стержней), электрических проводов или печатной платы, которые прикрепляют к соответствующим электродным выводам, например, путем сварки, клепки или привинчивания. Электродные выводы картриджей могут быть электрически соединены последовательно, или же электродные выводы картриджей могут быть электрически соединены параллельно после того, как электродные выводы картриджей электрически соединены последовательно. Предпочтительно, электродные выводы картриджей электрически соединяют друг с другом последовательно.

Последний (n-ый картридж) из картриджей, установленных стопкой с чередующейся ориентацией, электрически соединяют с соседним картриджем (n-1-ым картриджем). Таким образом, картриджи, имеющие разные ориентации, электрически соединяют друг с другом и, следовательно, блок батарей завершен.

Блок батарей согласно настоящему изобретению применяется в качестве источника питания большой емкости с высокой выходной мощностью. Предпочтительно, этот блок батарей применяется в качестве источника питания для электромобилей или гибридных электромобилей.

Краткое описание чертежей

Указанная выше и другие задачи, признаки и другие преимущества настоящего изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания, рассматриваемого вместе с сопроводительными чертежами, на которых:

фиг.1 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий картридж с установленными в нем единичными элементами;

фиг.2 представляет собой типичный вид, иллюстрирующий электрическое соединение картриджей в традиционном блоке батарей;

фиг.3 представляет собой типичный вид, иллюстрирующий электрическое соединение картриджей в блоке батарей согласно одному варианту реализации настоящего изобретения; и

фиг.4 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий блок батарей, образованный путем установки стопкой картриджей, один из которых показан на фиг.1, в конструкции, показанной на фиг.3.

Описание основных ссылочных позиций на чертежах

100, 101, 102, 103, 104 - картриджи;

120, 122 - рамки картриджа;

150, 151, 152, 153, 154 - катодные выводы;

161, 162, 163, 164, 165 - анодные выводы;

170, 171 - электрические шины;

200, 202 - единичные элементы;

300 - блок батарей;

401, 402 - детали, соединяющие выводы.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации

Теперь с обращением к сопроводительным чертежам будет подробно описан один предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения. Следует отметить, однако, что объем настоящего изобретения не ограничен проиллюстрированным вариантом реализации.

Фиг.3 представляет собой типичный вид, иллюстрирующий электрическое соединение картриджей в блоке батарей согласно одному варианту реализации настоящего изобретения, а фиг.4 представляет собой вид в перспективе, иллюстрирующий блок батарей, образованный путем установки стопкой картриджей, один из которых показан на фиг.1, в конструкции, показанной на фиг.3. Для облегчения понимания картриджи, показанные на фиг.4, не соединены электрически друг с другом.

Обращаясь к фиг.3 и 4, блок 300 батарей включает в себя десять картриджей, которые соединены последовательно друг с другом с чередованием ориентации на 180 градусов. В частности, электродные выводы 151 и 161 первого картриджа 101 и электродные выводы 152 и 162 второго картриджа 102 расположены имеющими противоположные ориентации. С другой стороны, электродные выводы 153 и 163 третьего картриджа 103 и электродные выводы 151 и 161 первого картриджа 101 расположены в одинаковой ориентации. Аналогично, электродные выводы 154 и 164 четвертого картриджа 103 и электродные выводы 152 и 162 второго картриджа 102 расположены в одинаковой ориентации. Такие чередующиеся ориентации электродных выводов являются одинаковыми для всех картриджей. Следовательно, электродные выводы картриджей с нечетными номерами 101, 103, 105, 107 и 109 и электродные выводы картриджей с четными номерами 102, 104, 106, 108 и 110 расположены в ориентации, отличающейся на 180 градусов.

Анодный вывод 161 первого картриджа 101 соединен с системой управления батареей (СУБ), которая на чертежах не показана. Катодный вывод 151 первого картриджа 101 соединен с анодным выводом 163 третьего картриджа 103 посредством шины 170. Катодный вывод 153 третьего картриджа 103 соединен с анодным выводом 165 пятого картриджа 105. Следовательно, длина соединения между выводами (например, выводами 151 и 163) является большей на толщину по меньшей мере одного картриджа по сравнению со случаем, показанным на фиг.2. Кроме того, расстояние между первой соединяющей выводы деталью 401 и второй соединяющей выводы деталью 402 является большим на толщину по меньшей мере одного картриджа по сравнению со случаем, показанным на фиг.2. Как описано выше, длина соединения между электродными выводами и расстояние между соединяющими выводы деталями увеличивается, и, следовательно, соединение электродных выводов осуществляется легко, а взаимные помехи между соединительными элементами минимизируются.

В то время как первый картридж 101, третий картридж 103, пятый картридж 105, седьмой картридж 107 и девятый картридж 109 электрически соединены друг с другом, катодный вывод 159 пятого картриджа 109 соединен с анодным выводом 160 десятого картриджа 110, который расположен в ориентации, противоположной катодному выводу 159 пятого картриджа 109. Это соединение выполняется с использованием модифицированной электрической шины 171, которая является удлиненной. Форма электрической шины 171 не ограничивается, при условии, что девятый картридж 109 и десятый картридж 110 электрически соединяются друг с другом этой электрической шиной 171.

Электрическое соединение между десятым картриджем 110, восьмым картриджем 108, шестым картриджем 106, четвертым картриджем 104 и вторым картриджем 102 проводится таким же путем, как описано выше. Наконец, катодный вывод 152 второго картриджа 102 соединен с СУБ (не показана).

Таким образом, соединяющие выводы детали картриджей распределены на противоположных сторонах блока 300 батарей, и поэтому блок батарей можно легко изготовить, и при этом вероятность удара током значительно снижена.

Хотя выше в целях иллюстрации был описан предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, специалисты в данной области техники поймут, что возможны различные модификации, добавления и замены без выхода за рамки сущности и объема изобретения, как они изложены в прилагаемой формуле изобретения.

Промышленная применимость

Как ясно из приведенного выше описания, блок батарей согласно настоящему изобретению сконструирован так, что электродные выводы соседних картриджей расположены с чередующейся на 90 или более градусов ориентацией, предпочтительно, с чередующейся на 180 градусов ориентацией. Следовательно, длина соединения между электрически соединенными выводами и расстояние между соединяющими выводы деталями увеличивается на толщину по меньшей мере одного картриджа, и поэтому легко осуществляется соединение между картриджами, и при этом предотвращаются взаимные помехи между соединительными деталями. Кроме того, соединяющие выводы детали не сосредоточены на одной стороне блока батарей, и поэтому вероятность удара током значительно снижена.

Изобретение относится к блоку аккумуляторных батарей, имеющих конструкцию с чередующейся ориентацией. Согласно изобретению, блок аккумуляторных батарей включает в себя множество картриджей. Каждый из картриджей имеет множество установленных в нем единичных элементов. Картриджи установлены стопкой друг на друга в конструкции с чередующейся ориентацией, при которой электродные выводы соседних картриджей не находятся в одной и той же плоскости, когда картриджи электрически соединены друг с другом. Техническим результатом является обеспечение быстрого и безопасного электрического соединения между картриджами. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Блок батарей, включающий в себя множество картриджей, которые установлены стопкой друг на друга, причем картриджи электрически соединены друг с другом, при этом картриджи установлены стопкой с чередующейся ориентацией, при которой электродные выводы второго из картриджей, соседнего с первым из картриджей, расположены под углом 90° или более к электродным выводам первого из картриджей, а электродные выводы третьего из картриджей, соседнего со вторым из картриджей, расположены в такой же ориентации, что и электродные выводы первого из картриджей, и при этом электродные выводы первого из картриджей соответственно электрически соединены с электродными выводами третьего из картриджей, электродные выводы второго из картриджей соответственно электрически соединены с электродными выводами четвертого из картриджей, и электродные выводы последнего из картриджей соответственно электрически соединены с электродными выводами соседнего из картриджей.2. Блок батарей по п.1, в котором угол ориентации между электродными выводами соседних картриджей составляет 180°.3. Блок батарей по п.1, в котором каждый из картриджей имеет установленные в нем единичные элементы, и эти единичные элементы являются элементами квадратной формы или элементами пакетной формы.4. Блок батарей по п.3, в котором единичные элементы являются литий-ионными полимерными элементами-аккумуляторами.5. Блок батарей по п.1, в котором каждый из картриджей имеет установленные в нем единичные элементы, и эти единичные элементы соединены последовательно, или единичные элементы соединены параллельно после того, как единичные элементы соединены последовательно.6. Блок батарей по п.1, в котором электрическое соединение между электродными выводами картриджей выполнено с помощью проводящих металлических шин, электрических проводов или печатной платы.7. Блок батарей по п.1, в котором электродные выводы картриджей электрически соединены последовательно, или электродные выводы картриджей электрически соединены параллельно после того, как электродные выводы картриджей электрически соединены последовательно.8. Блок батарей по п.1, причем этот блок батарей применяется в качестве источника питания для электромобилей или гибридных электромобилей высокой мощности с большой вместимостью.