АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ СРЕДНЕГО ИЛИ БОЛЬШОГО РАЗМЕРА ПОВЫШЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК H01M2/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к аккумуляторной батарее среднего или большого размера с повышенной безопасностью, и, более конкретно, к аккумуляторной батарее среднего или большого размера, включающей в себя сборку батарейных модулей, сконфигурированную в виде структуры, в которой множество батарейных модулей, каждый из которых содержит множество батарейных элементов или единичных модулей, соединенных последовательно друг с другом наряду с размещением в кожухе для модуля, расположено в боковом направлении таким образом, что батарейные модули соприкасаются друг с другом, пару боковых опорных элементов и по меньшей мере один верхний соединительный элемент, причем по меньшей мере один из боковых опорных элементов имеет область (слабый участок), проявляющую низкое сопротивление объемному расширению, причем слабый участок частично сформирован по меньшей мере на одном из боковых опорных элементов, чтобы вызывать локальную деформацию батарейных модулей при возникновении разбухания, вызывая тем самым короткое замыкание.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Поскольку мобильные устройства были разработаны в значительной степени, и потребность в таких мобильных устройствах увеличилась, то резко возросла также потребность в аккумуляторных батареях в качестве источника энергии для мобильных устройств. Среди таких аккумуляторных батарей числятся литиевые аккумуляторные батареи, обладающие высокой плотностью энергии и высоким напряжением разряда, в отношении которых выполнено множество исследований, и которые в настоящее время изготавливаются в промышленном масштабе и широко используются.

Аккумуляторные батареи привлекли значительное внимание в качестве источника энергии для устройств с механическим приводом, таких как электрические велосипеды (E-bike), электромобили (EV) или гибридные транспортные средства (HEV), а также в качестве источника энергии для мобильных беспроводных электронных устройств, таких как сотовые телефоны, цифровые камеры, персональные цифровые секретари (PDA), портативные мультимедийные проигрыватели (PMP) и портативные компьютеры.

Аккумуляторные батареи малого размера, имеющие размещенный в них батарейный элемент, применяются для малогабаритных устройств, таких как сотовые телефоны и цифровые камеры. С другой стороны, аккумуляторные батареи среднего или большого размера, включающие в себя два батарейных элемента или более (на что далее в данном документе иногда делается ссылка как на «многоэлементные»), соединенных параллельно и/или последовательно друг с другом, применяются для устройств среднего или большого размера, таких как портативные компьютеры и электромобили.

Как описано ранее, литиевые аккумуляторные батареи проявляют превосходные электрические свойства; однако, литиевые аккумуляторные батареи обладают низкой безопасностью. Например, в случае аномальных условий функционирования литиевой аккумуляторной батареи, таких как избыточная зарядка, чрезмерная разрядка, воздействие высокой температуры и электрические короткие замыкания, происходит разложение активных материалов и электролита, которые являются компонентами батареи, в результате чего выделяются тепло и газ, и условия с высокой температурой и высоким давлением, вызванные генерацией тепла и газа, ускоряют вышеуказанное разложение. В конце концов, может произойти возгорание или взрыв.

По этой причине литиевая аккумуляторная батарея снабжается системой безопасности, такой как схема защиты для прерывания электрического тока при избыточной зарядке, чрезмерной разрядке или чрезмерном токе батареи, элемент с положительным температурным коэффициентом (PTC), сопротивление которого быстро возрастает таким образом, что прерывает электрический ток, когда температура батареи увеличивается, и предохранительное вентиляционное отверстие для прерывания электрического тока или выпуска газа, если давление возрастает вследствие образования газа. В случае цилиндрической аккумуляторной батареи малого размера, например, элемент PTC и предохранительное вентиляционное отверстие обычно расположены наверху электродной сборки (генерирующего элемента), имеющей структуру катод/сепаратор/анод, которая установлена в цилиндрическом кожухе. С другой стороны, в случае призматической или пакетной аккумуляторной батареи малого размера модуль схемы защиты и элемент PTC обычно устанавливаются на верхнем конце призматического кожуха или пакетного кожуха, в котором генерирующий элемент установлен в герметичном состоянии.

Проблема безопасности литиевых аккумуляторных батарей еще более серьезна для аккумуляторных батарей среднего или большого размера, имеющих многоэлементную структуру. Поскольку множество батарейных элементов применяются в аккумуляторных батареях с многоэлементной структурой, то аномальное функционирование некоторых батарейных элементов может вызывать аномальное функционирование других батарейных элементов, в результате чего может произойти пожар или взрыв, что может привести к крупномасштабной аварии. По этой причине аккумуляторные батареи среднего или большого размера снабжаются системой безопасности, такой как плавкий предохранитель, биметаллический элемент и система управления батареей (BMS), для защиты батарейных элементов от избыточной зарядки, чрезмерной разрядки и чрезмерного тока.

Однако когда литиевая аккумуляторная батарея используется непрерывно, т.е., когда литиевая аккумуляторная батарея неоднократно заряжается и разряжается, при этом генерирующий элемент и электрические соединительные элементы постепенно деградируют. Например, деградация генерирующего элемента приводит к разложению материала электродов и электролита, вследствие чего образуется газ. В результате батарейный элемент (цилиндрический, призматический или пакетный кожух) постепенно разбухает. При нормальном состоянии литиевой аккумуляторной батареи система безопасности, т.е. BMS, определяет чрезмерную разрядку, избыточную зарядку и чрезмерный ток и управляет/защищает аккумуляторную батарею. При аномальном состоянии литиевой аккумуляторной батареи, однако, если BMS не функционирует, вероятность угрозы возрастает, и трудно управлять аккумуляторной батареей для обеспечения безопасности аккумуляторной батареи. Аккумуляторные батареи среднего или большого размера обычно сконструированы в виде структуры, в которой несколько батарейных элементов установлено неподвижным образом в предварительно изготовленном кожухе. В результате соответствующие разбухающие батарейные элементы подвергаются дополнительному избыточному давлению в ограничивающем кожухе, и поэтому вероятность пожара или взрыва существенно возрастает при аномальных условиях функционирования аккумуляторной батареи.

На фиг.1 представлена типичная принципиальная схема, иллюстрирующая известную аккумуляторную батарею среднего или большого размера. Обычная аккумуляторная батарея 900 (фиг.1) среднего или большого размера включает в себя сборку 500 батарейных модулей, включающую в себя множество батарейных модулей, электрически соединенных друг с другом, причем каждый батарейный модуль включает в себя множество батарейных элементов или единичных модулей, соединенных последовательно друг с другом наряду с размещением в кожухе для модуля, BMS 600 для детектирования информации о состоянии функционирования сборки 500 батарейных модулей и управления сборкой 500 батарейных модулей на основании детектированной информации и блок 700 силового переключателя (реле) для выполнения соединения и разъединения между сборкой 500 батарейных модулей и внешней входной и выходной схемой (инвертором) 800 в соответствии с командой управления от BMS 600.

BMS 600 поддерживает блок 700 силового переключателя во включенном состоянии во время нормального функционирования сборки 500 батарейных модулей и отключает блок 700 силового переключателя, когда детектируется, что функционирование сборки 500 батарейных модулей является аномальным, чтобы остановить операции заряда и разряда сборки 500 батарейных модулей. Во время ошибочного функционирования или несрабатывания BMS 600, с другой стороны, BMS 600 не выполняет управление, и поэтому блок 700 силового переключателя находится во включенном состоянии. В результате, операции заряда и разряда сборки 500 батарейных модулей выполняются непрерывно даже во время аномального функционирования сборки 500 батарейных модулей.

Поэтому имеется значительная потребность в технологии, которая способна обеспечить фундаментальным образом безопасность аккумуляторной батареи среднего или большого размера наряду с разрешением вышеуказанных проблем.

Данное изобретение было выполнено, чтобы решить вышеуказанные проблемы и другие технические проблемы, которые еще предстоит разрешить.

В результате ряда экстенсивных и интенсивных исследований и экспериментов, направленных на решение описанных выше проблем, авторы данного изобретения нашли, что в случае аккумуляторной батареи, сконфигурированной в виде структуры, в которой область, имеющая низкое сопротивление к объемному расширению аккумуляторной батареи, частично сформирована по меньшей мере на боковом опорном элементе аккумуляторной батареи, причем напряжение расширения, вызванное разбуханием батарейных элементов, концентрируется на области низкого сопротивления аккумуляторной батареи, когда батарейные элементы разбухают вследствие аномального функционирования аккумуляторной батареи, такого как избыточная зарядка, чрезмерная разрядка или чрезмерный ток, или вследствие ухудшения состояния аккумуляторной батареи, обусловленного зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи в течение длительного периода времени, в результате чего при возникновении разбухания образуется локальная деформация батарейных элементов, и поэтому происходит короткое замыкание, посредством чего обеспечивается безопасность батарейного модуля на желательном уровне.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Поэтому, задачей настоящего изобретения является предоставление аккумуляторной батареи среднего или большого размера специфической структуры для повышения безопасности.

В соответствии с одним аспектом данного изобретения, вышеуказанная и другие задачи могут быть выполнены посредством предоставления аккумуляторной батареи среднего или большого размера, включающей в себя: (a) сборку батарейных модулей, сконфигурированную в виде структуры, в которой множество батарейных модулей, каждый из которых содержит множество батарейных элементов или единичных модулей, соединенных последовательно друг с другом наряду с размещением в кожухе для модуля, или множество батарейных элементов электрически соединены друг с другом при расположении в боковом направлении, так что батарейные модули или батарейные элементы соприкасаются друг с другом, (b) пару боковых опорных элементов для закрытия сторон внешних батарейных модулей или внешних батарейных элементов сборки батарейных модулей, и (c) по меньшей мере один верхний соединительный элемент для соединения боковых опорных элементов на верхней стороне сборки батарейных модулей, причем по меньшей мере один из боковых опорных элементов имеет область (слабый участок), проявляющую низкое сопротивление объемному расширению, причем слабый участок частично сформирован по меньшей мере на одном из боковых опорных элементов, чтобы вызывать локальную деформацию батарейных модулей или батарейных элементов при возникновении разбухания, вызывая тем самым короткое замыкание.

В аккумуляторной батарее, включающей в себя батарейные модули или батарейные элементы, батарейные элементы расширяются посредством разбухания батарейных элементов вследствие аномального функционирования аккумуляторной батареи, такого как избыточная зарядка, чрезмерная разрядка или чрезмерный ток, или вследствие ухудшения состояния аккумуляторной батареи, обусловленного зарядкой и разрядкой аккумуляторной батареи в течение длительного периода времени, как описано ранее, причем расширение батарейных элементов вызывает возгорание и взрыв аккумуляторной батареи.

По этой причине, аккумуляторная батарея в соответствии с данным изобретением сконфигурирована таким образом, что область, проявляющая низкое сопротивление объемному расширению аккумуляторной батареи, частично сформирована по меньшей мере на одном из боковых опорных элементов для закрытия сторон внешних батарейных модулей или внешних батарейных элементов. В результате, если разбухание превышает заданную величину, например, предельную величину, напряжение расширения концентрируется на слабом участке, сформированном по меньшей мере на одном из боковых опорных элементов, в результате чего слабый участок физически деформируется и в конце концов разрывается. Посредством такого разрыва слабого участка электрическое соединение во внешнем батарейном модуле или внешнем батарейном элементе прерывается, и поэтому операции зарядки и разрядки останавливаются, в результате чего дальнейшее разбухание батарейных модулей или батарейных элементов ограничивается. Соответственно, возгорание или взрыв аккумуляторной батареи предотвращается, посредством чего безопасность аккумуляторной батареи значительно возрастает.

Также возможно обеспечение безопасности аккумуляторной батареи при возникновении разбухания посредством предоставления лишь структуры бокового опорного элемента, на котором сформирован слабый участок, без дополнительного предоставления электрического устройства, такого как датчик или реле. Кроме того, эта структура использует увеличение давления, чтобы вызывать короткое замыкание, вместо применения электрического сигнала как при предшествующем уровне техники, и поэтому техническая надежность аккумуляторной батареи в соответствии с данным изобретением очень высокая. В состоянии, в котором явление разбухания не происходит, боковые опорные элементы улучшают сопряжение между батарейными модулями, и поэтому возможно поддерживать прочную структуру аккумуляторной батареи в условиях ударных воздействий или вибрации.

Слабый участок может быть сформирован на одном из боковых опорных элементов. В качестве альтернативы, слабый участок может быть сформирован на каждом из боковых опорных элементов. Предпочтительно, слабый участок сформирован на одном из боковых опорных элементов. В этом случае локальная деформация батарейных модулей или батарейных элементов обеспечивается лишь в одном направлении при возникновении разбухания, в результате чего происходит короткое замыкание. Поэтому этот случай более эффективен, чем случай, в котором слабый участок сформирован на каждом из боковых опорных элементов.

Предпочтительно, слабый участок сформирован в месте внешнего батарейного модуля или внешнего батарейного элемента, соответствующем области последовательного соединения или смежной с ней области, чтобы максимизировать эффект короткого замыкания. Поэтому при разбухании батарейного элемента внутреннее давление батарейного элемента концентрируется на области последовательного соединения внешнего батарейного модуля или внешнего батарейного элемента, посредством чего более простым образом вызывается желательное короткое замыкание.

Слабое место не ограничивается особым образом до тех пор, пока слабое место имеет структуру, легко деформируемую в соответствии с объемным расширением, обусловленным возникновением разбухания. Например, слабый участок может включать в себя вырезанную часть, через которую открыта область последовательного соединения, или часть с канавкой, имеющую канавку, сформированную на боковом опорном элементе в соответствии с областью последовательного соединения.

Вырезанная часть сформирована на боковой опорной части таким образом, чтобы область последовательного соединения между батарейными модулями, область последовательного соединения между батарейными элементами каждого из батарейных модулей, область последовательного соединения между единичными модулями каждого из батарейных модулей или область последовательного соединения между батарейными модулями была открыта.

Таким же образом, часть с канавкой сформирована на боковой опорной части в соответствии с тем, чтобы область последовательного соединения между батарейными модулями, область последовательного соединения между батарейными элементами каждого из батарейных модулей, область последовательного соединения между единичными модулями каждого из батарейных модулей или область последовательного соединения между батарейными модулями была открыта.

Область последовательного соединения представляет собой область, в которой электродные выводы соединены последовательно друг с другом. Область последовательного соединения может быть электродными выводами, соединенными друг с другом, или соединительным элементом, таким как провод или шина, для соединения электродных выводов.

Поэтому, при возникновении разбухания, область последовательного соединения выступает через вырезанную часть бокового опорного элемента или прорывается через часть с канавкой бокового опорного элемента. Во время такой деформации область последовательного соединения разрушается, в результате чего происходит короткое замыкание.

Для области последовательного соединения, открытой через вырезанную часть, или области последовательного соединения, расположенной в месте, соответствующем части с канавкой, достаточно иметь некоторый размер, чтобы вызывать намеренное короткое замыкание при возникновении разбухания.

Поэтому размер вырезанной части или части с канавкой бокового опорного элемента определяется на основании определенного выше размера. Например, вырезанная часть может иметь размер, эквивалентный от 20 до 80% площади поверхности бокового опорного элемента. Однако, если размер вырезанной части слишком мал, в расчете на площадь поверхности бокового опорного элемента, то может быть затруднено осуществление деформации области последовательного соединения вследствие объемного расширения батарейного модуля. С другой стороны, если размер вырезанной части слишком большой, то может быть затруднено поддержание прочности, необходимой для защиты сборки батарейных модулей от внешних усилий. Более предпочтительно, вырезанная часть имеет размер, эквивалентный от 30 до 70% площади поверхности бокового опорного элемента.

Форма части с канавкой не ограничивается особым образом до тех пор, пока часть с канавкой может быть легко разорвана вследствие объемного расширения батарейных элементов или единичных модулей. Например, часть с канавкой может быть сформирована таким образом, чтобы иметь плоскую П-образную форму. В этом случае возможно формирование простым образом части с канавкой и максимизация разрывных свойств (способности к разрыву) части с канавкой вследствие объемного расширения батарейных элементов или единичных модулей.

В этом описании структура части с канавкой не ограничивается особым образом при условии, что часть с канавкой легко разрывается, когда батарейные элементы или батарейные модули разбухают. Например, часть с канавкой может быть сконфигурирована в виде структуры, в которой область бокового опорного элемента, соответствующая области последовательного соединения, частично вырезана в форме щели или в виде узкой и длинной канавки, имеющей сравнительно небольшую толщину.

В то же время, каждый из боковых опорных элементов может быть снабжен с внутренней стороны уплотнительным элементом для минимизации отклонения температуры между батарейными модулями, составляющими сборку батарейных модулей.

Предпочтительно, уплотнительный элемент выполнен из, например, теплоизолирующего материала, чтобы дополнительно увеличить равномерность охлаждения между батарейными модулями. В частности, уплотнительный элемент может быть выполнен из вспененной смолы, чтобы минимизировать общий вес аккумуляторной батареи и, вместе с этим, улучшить теплоизоляцию.

В вышеуказанной структуре уплотнительный элемент может иметь вырезанную часть или часть с канавкой, имеющую форму, которая соответствует слабому участку, причем вырезанная часть или часть с канавкой сформирована на участке уплотнительного элемента. А именно, вырезанная часть или часть с канавкой, имеющая форму, идентичную слабому участку, сформированному на боковом опорном элементе, или сходную с ней, чтобы осуществлять локальную деформацию батарейного модуля при возникновении разбухания, может быть сформирована в области уплотнительного элемента, соответствующей слабому участку, сформированному на боковом опорном элементе, в результате чего более простым образом достигается локальная деформация области соединения электродных выводов при возникновении разбухания.

При этом сборка батарейных модулей может быть установлена на опорной пластине таким образом, чтобы сборка батарейных модулей имела более компактную и стабильную структуру, и верхний соединительный элемент может быть установлен на каждой стороне верхней части сборки батарейных модулей.

В этой структуре боковые опорные элементы могут быть связаны с верхним соединительным элементом на противоположных сторонах своими верхними частями, в то время как боковые опорные элементы закреплены своими нижними частями на опорной пластине.

В особенности, аккумуляторная батарея среднего или большого размера, имеющая вышеуказанную структуру, сконфигурирована в виде структуры, в которой множество батарейных элементов или батарейных модулей размещены в виде пакета в продольном направлении и/или поперечном направлении, чтобы образовать сборку батарейных модулей, причем сборка батарейных модулей установлена на опорной пластине, наряду с тем, что противоположные стороны сборки батарейных модулей покрыты боковыми опорными элементами, причем боковые опорные элементы закреплены верхним соединительным элементом, и эти компоненты аккумуляторной батареи окружены корпусом батареи. В соответствии с этим возможно упрощение общего процесса сборки аккумуляторной батареи.

В предпочтительном примере батарейные модули, составляющие аккумуляторную батарею среднего или большого размера в соответствии с данным изобретением, могут быть закреплены таким образом, что пакетизированное состояние батарейных элементов или единичных модулей поддерживается вследствие равномерного изменения объема батарейных элементов или единичных модулей во время зарядки или разрядки батарейных элементов или единичных модулей, причем напряжение расширения батарейных элементов вследствие разбухания может концентрироваться на области соединения электродных выводов между батарейными элементами или единичными модулями, и область соединения электродных выводов может быть сконфигурирована в виде структуры, имеющей низкое сопротивление объемному расширению, так что область соединения электродных выводов разрушается, когда разбухание превышает заданную величину, вызывая тем самым короткое замыкание.

Соответственно, батарейные модули сконфигурированы в виде структуры, в которой область соединения электродных выводов между батарейными элементами или единичными модулями обладает низким сопротивлением объемному расширению батарейных элементов или единичных модулей при разбухании батарейных элементов или единичных модулей. Когда разбухание превышает заданную величину, т.е. предельную величину, напряжение расширения соответственно концентрируется на области соединения электродных выводов, в результате чего область соединения электродных выводов физически деформируется и разрывается.

В этой структуре батарейные элементы или единичные модули могут быть окружены кожухом, и область соединения электродных выводов, сконфигурированная таким образом, что разрывается при чрезмерном разбухании батарейных элементов, может быть открыта или иметь канавку, сформированную в кожухе.

А именно, единичные модули изготавливаются таким образом, что участок области соединения электродных выводов имеет структуру с низким сопротивлением напряжению расширения, такую как открытая структура или структура, имеющая канавку, посредством чего чрезмерное напряжение расширения, вызванное разбуханием батарейных элементов, концентрируется на открытой области или области с канавкой области соединения электродных выводов.

В качестве конкретного примера вышеуказанной структуры, каждый из единичных модулей может включать в себя батарейные элементы, сконфигурированные таким образом, что электродные выводы батарейных элементов соединены последовательно друг с другом, и соединительная часть между электродными выводами изогнута таким образом, что батарейные элементы размещены в виде пакета, и пару высокопрочных крышек для элементов, сконфигурированных для соединения друг с другом таким образом, что крышки для элементов закрывают внешние поверхности батарейных элементов, за исключением электродных выводов, и одна из крышек для элементов может быть снабжена в ее области, прилегающей к области соединения электродных выводов, вырезанной частью или частью с канавкой, имеющей такую форму, чтобы осуществлять локальную деформацию батарейных элементов во время разбухания.

Например, батарейные элементы могут быть покрыты высокопрочными крышками для элементов, выполненными из синтетической смолы или металла, чтобы образовать единичный модуль. Высокопрочные крышки для элементов служат для защиты батарейных элементов, которые проявляют низкую механическую прочность, и, в то же самое время, для ограничения изменения в повторяющемся расширении и сжатии батарейных элементов во время зарядки и разрядки батарейных элементов, посредством чего предотвращается повреждение уплотнительных областей соответствующих батарейных элементов. Вырезанная часть желательной формы или часть с канавкой желательной формы сформирована на участке одной из крышек для элементов, смежной с областью соединения электродных выводов, таким образом, что напряжение расширения, вызванное разбуханием батарейных элементов, концентрируется на вырезанной части или части с канавкой крышки для элемента.

Например, каждый батарейный модуль может включать в себя множество единичных модулей, каждый из которых включает в себя плоские батарейные элементы, каждый из которых имеет электродные выводы, сформированные с передней и задней стороны батарейного кожуха. В этой структуре единичные модули могут быть установлены в батарейном кожухе в виде структуры, в которой единичные модули установлены в поперечном направлении при расположении с зазором с заданным расстоянием между ними, так, что хладагент может протекать для охлаждения единичных модулей.

В вышеуказанной структуре вырезанная часть или часть с канавкой может быть сформирована на соответствующей одной из крышек для элементов каждого из внешних единичных модулей.

Соответственно, напряжение расширения батарейных элементов, обусловленное аномальным функционированием батарейных элементов, концентрируется на вырезанной части или части с канавкой, сформированной на крышке для элемента внешнего единичного модуля, в результате чего область соединения электродных выводов между батарейными элементами внешнего единичного модуля разрушается, таким образом, электрическое соединение для зарядки и разрядки легко прерывается.

Размер вырезанной части или части с канавкой может быть изменен в зависимости от заданных условий разрыва области соединения электродных выводов. Предпочтительно, размер вырезанной части или части с канавкой задается таким, что область соединения электродных выводов разрушается, когда разбухание батарейных элементов приводит к увеличению объема батарейных элементов, эквивалентному увеличению в 1,5-5 раз толщины каждого батарейного элемента. Такой диапазон задания может быть изменен на основании нормы испытаний на безопасность желательного батарейного модуля. Однако, если размер вырезанной части или части с канавкой слишком велик, то механическая прочность батарейных элементов, достигаемая крышками для элементов, может уменьшаться, и расширение батарейных элементов не может сдерживаться надлежащим образом при нормальных условиях функционирования. Поэтому необходимо устанавливать размер вырезанной части или части с канавкой в пределах соответствующего диапазона с учетом упомянутых выше требований.

Форма части с канавкой не ограничивается особым образом до тех пор, пока часть с канавкой сформирована в области соответствующей одной из крышек для элементов, прилегающей к области соединения электродных выводов. Например, часть с канавкой может быть сформирована таким образом, чтобы иметь прямолинейную форму.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает типичную принципиальную схему, иллюстрирующую известную аккумуляторную батарею среднего или большого размера;

Фиг.2 изображает общий вид, иллюстрирующий аккумуляторную батарею среднего или большого размера в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения;

Фиг.3 и 4 изображает общие виды, иллюстрирующие боковые опорные элементы аккумуляторной батареи среднего или большого размера по фиг.2;

Фиг.5 и 6 изображает общие виды, иллюстрирующие батарейный модуль, применяемый в аккумуляторной батарее среднего или большого размера по фиг.2;

Фиг.7 и 8 изображает общие виды, соответственно иллюстрирующие пару батарейных элементов и крышек для элементов, составляющих единичный модуль батарейного модуля по фиг.5;

Фиг.9 изображает общий вид, иллюстрирующий пакет единичных модулей;

Фиг.10 изображает экспериментальный батарейный модуль, иллюстрирующий электродный вывод, разорванный вследствие разбухания; и

Фиг.11 изображает вид вертикального сечения, иллюстрирующий область A батарейного модуля по фиг.6.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь примеры вариантов осуществления данного изобретения будут описаны подробно со ссылками на сопроводительные чертежи. Следует, однако, заметить, что объем данного изобретения не ограничивается данными иллюстративными вариантами осуществления.

Фиг.2 изображает общий вид, иллюстрирующий аккумуляторную батарею среднего или большого размера в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, и фиг.3 и 4 изображают общие виды, иллюстрирующие типичные боковые опорные элементы аккумуляторной батареи среднего или большого размера по фиг.2.

Аккумуляторная батарея 902 среднего или большого размера включает в себя сборку 500 батарейных модулей, включающую в себя девять батарейных модулей 502 и 504, электрически соединенных друг с другом при расположении в поперечном направлении таким образом, что батарейные модули 502 и 504 соприкасаются друг с другом, пару боковых опорных элементов 510 и 520 для закрытия сторон внешних батарейных модулей 502 и 504, соответственно, и пару верхних соединительных элементов 530 и 532, соединенных с боковыми опорными элементами 510 и 520 на верхней части сборки 500 батарейных модулей.

Вырезанная часть 512, через которую внешний батарейный модуль 502 частично открыт таким образом, что легко достигается локальная деформация внешнего батарейного модуля 502, сформирована на участке бокового опорного элемента 510, который расположен на левой стороне сборки 500 батарейных модулей.

Вырезанная часть 512 имеет размер, эквивалентный примерно 30% площади поверхности бокового опорного элемента 510. Вырезанная часть 512 расположена в месте, соответствующем области последовательного соединения внешнего батарейного модуля 502 и в месте, смежном с ним.

Кроме того, уплотнительные элементы 528, которые выполнены из теплоизолирующего материала для обеспечения равномерности охлаждения между батарейными модулями 502 и 504, установлены на внутренних сторонах соответствующих боковых опорных элементов 510 и 520. Соединительные отверстия 514, 516, 524, и 526 для соединения между боковыми опорными элементами 510 и 520 и верхними соединительными элементами 530 и 532 сформированы на противоположных сторонах верхних частей соответствующих боковых опорных элементов 510 и 520.

Щель 522 для позиционирования уплотнительного элемента 528 сформирована на боковом опорном элементе 520, который расположен на правой стороне сборки 500 батарейных модулей. Однако боковой опорный элемент 520 обеспечивает низкую прочность, и поэтому боковой опорный элемент 520 может быть легко разорван при разбухании сборки 500 батарейных модулей. В соответствии с обстоятельствами, вырезанная часть или часть с канавкой, соответствующая вырезанной части 512 бокового опорного элемента 510, может быть сформирована на уплотнительном элементе 528 с тем, чтобы обеспечить более легкий разрыв бокового опорного элемента 520.

Фиг.5 и 6 изображают общие виды, иллюстрирующие типичный батарейный модуль, применяемый в аккумуляторной батарее среднего или большого размера по фиг.2.

При ссылке на фиг.5, батарейный модуль 100 сконфигурирован в виде структуры, в которой пакет 200 единичных модулей установлен в поперечном направлении, наряду с тем, что пакет 200 единичных модулей установлен между верхним кожухом и нижним кожухом 130, которые собраны друг с другом. Входные и выходные выводы 140 сформированы с передней стороны верхнего кожуха 120. Шины 150 для электрического соединения с входными и выходными выводами 140 сформированы с передней стороны нижнего кожуха 130. Соединитель для соединения датчика напряжения и температуры установлен с задней стороны нижнего кожуха 130.

Вырезанная часть 212 сформирована на внешнем единичном модуле 210 пакета 200 единичных модулей. Поэтому, когда батарейный элемент разбухает под действием газа, образуемого батарейным элементом вследствие короткого замыкания или избыточной зарядки батарейного элемента, локальная деформация батарейного элемента может быть обеспечена вырезанной частью 212.

Батарейный модуль 102 на фиг.6 идентичен батарейному модулю 100 на фиг.5, за исключением того, что часть 214 с канавкой сформирована в области, соответствующей крышке для элемента внешнего единичного модуля 211, прилегающей к области соединения электродных выводов в прямолинейной форме, и поэтому его подробное описание не будет представлено.

Фиг.7 и 8 изображают общие виды, соответственно иллюстрирующие пару батарейных элементов и крышек для элементов, составляющих единичный модуль батарейного модуля по фиг.5.

При ссылке на эти чертежи, единичный модуль (не показан) сконфигурирован в виде структуры, в которой два батарейных элемента 302 и 304, соединенные последовательно друг с другом, покрыты высокопрочными крышками 310 для элементов, наряду с тем, что электродные выводы 305 и 306 батарейных элементов 302 и 304 изогнуты. Крышки 310 для элементов соединены одна с другой таким образом, что закрывают внешние поверхности батарейных элементов 302 и 304, за исключением электродных выводов 305 и 306. Вырезанная часть 312 сформирована в области одной из крышек 310 для элементов, прилегающей к области 314 соединения электродных выводов. Поэтому при разбухании батарейных элементов 302 и 304 область 314 соединения электродных выводов между батарейными элементами 302 и 304 выступает и деформируется через вырезанную часть 312.

Фиг.9 изображает общий вид, иллюстрирующий типичный пакет единичных модулей.

При ссылке на фиг.9, пакет 200 единичных модулей сконфигурирован в виде структуры, в которой четыре единичных модуля 202, 203, 204, и 205, каждый из которых включает в себя батарейные элементы, покрытые крышками для элементов, соединены последовательно друг с другом при пакетировании зигзагом. Вырезанная часть 315 заданной формы сформирована в области 318 соответствующей крышки для элемента, которая покрывает один внешний единичный модуль, т.е. единичный модуль 202, из четырех единичных модулей 202, 203, 204, и 205, прилегающей к области соединения электродных выводов.

Фиг.10 изображает экспериментальный батарейный модуль, иллюстрирующий электродный вывод, разорванный вследствие разбухания.

Авторы изготовили батарейный модуль, имеющий структуру по фиг.6, и выполнили для изготовленного батарейного модуля испытание на перезарядку, чтобы подтвердить эффект данного изобретения. Результаты представлены на фиг.10.

При ссылке на фиг.10 вместе с фиг.6, батарейные элементы 302 и 304 разбухали, когда батарейный модуль 104 был избыточно заряжен. Расширение батарейных элементов 302 и 304 вследствие такого разбухания концентрировалось на части 214 с канавкой, частично сформированной на одной из крышек для элементов внешнего единичного модуля 211. В результате, расширение батарейных элементов 302 и 304 на части 214 с канавкой было эквивалентно примерно тройной толщине нормального батарейного элемента. Вследствие такого расширения область соединения электродных выводов между батарейными элементами 302 и 304 разрывалась, в результате чего последовательное соединение между батарейными элементами 302 и 304 разрушалось, и поэтому возникало короткое замыкание. Соответственно, дополнительная зарядка не происходила.

Для ссылки, батарейный модуль 104 на фиг.10 был изготовлен при той же самой структуре, что и батарейный модуль 102 на фиг.6, за исключением того, что структура крышки для элемента внешнего единичного модуля 211 была применена к крышкам для элементов внешнего единичного модуля, расположенного на правой стороне батарейного модуля.

Фиг.11 изображает вид вертикального сечения, иллюстрирующий область A батарейного модуля по фиг.6.

При ссылке на фиг.11 вместе с фиг.6, часть с канавкой может быть сконфигурирована в виде структуры 124, в которой участок внешнего единичного модуля 211 частично вырезан в форме щели или в виде структуры 216 узкой и длинной канавки, имеющей сравнительно небольшую толщину.

Как очевидно из представленного выше описания, аккумуляторная батарея в соответствии с данным изобретением сконфигурирована таким образом, что область, обладающая низким сопротивлением объемному расширению, сформирована на одном из боковых опорных элементов. Соответственно, область, обладающая низким сопротивлением объемному расширению, разрушается, когда батарейный элемент или единичный модуль расширяется вследствие аномального функционирования, такого как избыточная зарядка, чрезмерная разрядка и чрезмерный ток, или вследствие ухудшения состояния батарейного модуля, обусловленного зарядкой и разрядкой батарейного модуля в течение длительного периода времени, посредством чего существенно повышается безопасность батарейного модуля.

Кроме того, аккумуляторная батарея среднего или большого размера в соответствии с данным изобретением сконфигурирована таким образом, что электрическое соединение и разъединение между батарейными модулями и внешней входной и выходной схемой выполняется силовым переключателем независимо от BMS. Соответственно, возможно обеспечение безопасности аккумуляторной батареи, даже когда имеет место ошибочное функционирование или несрабатывание BMS, посредством чего улучшается надежность аккумуляторной батареи.

Хотя выше в иллюстративных целях были раскрыты примеры вариантов осуществления данного изобретения, специалистам в данной области будет понятно, что возможны различные модификации, дополнения и замены, без отклонения от объема и сущности изобретения, как раскрыто в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к аккумуляторной батарее среднего или большого размера. Техническим результатом изобретения является повышение безопасности эксплуатации. Согласно изобретению батарея включает в себя сборку батарейных модулей, сконфигурированную в виде структуры, в которой множество батарейных модулей, каждый из которых содержит множество батарейных элементов или единичных модулей, соединенных последовательно друг с другом наряду с размещением в кожухе для модуля, электрически соединены друг с другом при расположении в боковом направлении, так что батарейные модули соприкасаются друг с другом, пару боковых опорных элементов для закрытия сторон внешних батарейных модулей сборки батарейных модулей, и по меньшей мере один верхний соединительный элемент для соединения боковых опорных элементов на верхней стороне сборки батарейных модулей, в которой по меньшей мере один из боковых опорных элементов имеет область (слабый участок), проявляющую низкое сопротивление к объемному расширению, причем слабый участок частично сформирован по меньшей мере на одном из боковых опорных элементов, чтобы вызывать локальную деформацию батарейных модулей при возникновении разбухания, вызывая тем самым короткое замыкание. 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Аккумуляторная батарея, содержащая:
(a) сборку батарейных модулей, сконфигурированную в виде структуры, в которой множество батарейных модулей, каждый из которых содержит множество батарейных элементов или единичных модулей, соединенных последовательно друг с другом наряду с размещением в кожухе для модуля, или множество батарейных элементов, электрически соединенных друг с другом при расположении в боковом направлении, так что батарейные модули или батарейные элементы соприкасаются друг с другом;
(b) пару боковых опорных элементов для закрытия сторон внешних батарейных модулей или внешних батарейных элементов сборки батарейных модулей; и
(c) по меньшей мере один верхний соединительный элемент для соединения боковых опорных элементов на верхней стороне сборки батарейных модулей, причем
по меньшей мере один из боковых опорных элементов имеет область (слабый участок), проявляющую низкое сопротивление к объемному расширению, причем слабый участок частично сформирован по меньшей мере на одном из боковых опорных элементов, чтобы вызывать локальную деформацию батарейных модулей или батарейных элементов при возникновении разбухания, вызывающего тем самым короткое замыкание.

2. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой слабый участок сформирован на одном из боковых опорных элементов.

3. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой слабый участок сформирован в месте внешнего батарейного модуля или внешнего батарейного элемента, соответствующем области последовательного соединения или смежной с ней области.

4. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой слабый участок содержит вырезанную часть, через которую открыта область последовательного соединения, или часть с канавкой, имеющая канавку, сформированную на боковом опорном элементе, соответствующем области последовательного соединения.

5. Аккумуляторная батарея по п.4, в которой вырезанная часть имеет размер, составляющий от 20 до 80% площади поверхности бокового опорного элемента.

6. Аккумуляторная батарея по п.4, в которой часть с канавкой сформирована таким образом, что имеет плоскую П-образную форму.

7. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой каждый из боковых опорных элементов снабжен с внутренней стороны уплотнительным элементом.

8. Аккумуляторная батарея по п.7, в которой уплотнительный элемент имеет вырезанную часть или часть с канавкой, имеющую форму, соответствующую слабому участку, причем вырезанная часть части с канавкой сформирована на участке уплотнительного элемента.

9. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой сборка батарейных модулей установлена на опорной пластине, и верхний соединительный элемент установлен на каждой стороне верхней части сборки батарейных модулей.

10. Аккумуляторная батарея по п.9, в которой боковые опорные элементы связаны с верхним соединительным элементом на противоположных сторонах своими верхними частями, в то время как боковые опорные элементы закреплены своими нижними частями на опорной пластине.

11. Аккумуляторная батарея по п.1, в которой батарейные модули закреплены таким образом, что пакетированное состояние батарейных элементов или единичных модулей поддерживается вследствие равномерного изменения объема батарейных элементов или единичных модулей во время зарядки или разрядки батарейных элементов или единичных модулей, причем напряжение от расширения батарейных элементов вследствие разбухания концентрируется на области соединения электродных выводов между батарейными элементами или единичными модулями, причем область соединения электродных выводов сконфигурирована в виде структуры, имеющей низкое сопротивление к объемному расширению, так что область соединения электродных выводов разрушается, когда разбухание превышает заданную величину, вызывая тем самым короткое замыкание.

12. Аккумуляторная батарея по п.11, в которой батарейные элементы или единичные модули окружены высокопрочным кожухом, и область соединения электродных выводов, сконфигурированная таким образом, что разрывается при чрезмерном разбухании батарейных элементов, частично открыта или имеет канавку.

13. Аккумуляторная батарея по п.12, в которой
каждый из единичных модулей содержит: батарейные элементы, сконфигурированные таким образом, что электродные выводы батарейных элементов соединены последовательно друг с другом, и соединительная часть между электродными выводами изогнута таким образом, что батарейные элементы пакетированы; и пару высокопрочных крышек для элементов, сконфигурированных для соединения друг с другом таким образом, что крышки для элементов закрывают внешние поверхности батарейных элементов, за исключением электродных выводов, и
одна из крышек для элементов снабжена в ее области, прилегающей к области соединения электродных выводов, вырезанной частью или частью с канавкой, имеющей такую форму, чтобы создавать локальную деформацию батарейных элементов во время разбухания.

14. Аккумуляторная батарея по п.13, в которой вырезанная часть или часть с канавкой сформирована на соответствующей одной из крышек для элементов каждого из внешних единичных модулей.

15. Аккумуляторная батарея по п.13, в которой вырезанная часть или часть с канавкой имеет размер, заданный таким образом, что область соединения электродных выводов разрушается, когда объемное расширение, соответствующее увеличению в 1,5-5 раз толщины каждого батарейного элемента, вызвано разбуханием батарейных элементов.

16. Аккумуляторная батарея по п.13, в которой часть с канавкой сформирована в области, соответствующей одной из крышек для элементов, прилегающей к области соединения электродных выводов в прямолинейной форме.