一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构的制作方法

1.本发明涉及动力、储能电池模组生产制造技术领域，更具体地说，涉及一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构。


背景技术：

2.锂电池是迄今为止能量密度最高的二次电源，有很多优势，但也存在隐患，其中最大的隐患就是电池的安全性管理，现有的动力锂电池的成组技术，绝大多数均采用“单通道集中式”管理模式，以现行的电动汽车、电力储能站为例，电池管理方式都是先通过电芯进行大型并联形成并联模组，再把所有的并联模组进行串联，达到一定的目标电压，形成系统应用需要的电池，在电池管理的过程中，每个并联模组对并联模组进行集中的数据采集，采集内容包括电压、电流、温度等，上传到一个集中的bms管理系统中，通过bms对保护开关实时控制，这种传统的电池管理模式虽然表面上看，结构简单，有一定的智能化，事实上存在一定的问题，主要表现在以下：监而不控的模式无法解决电池热失控的问题，监控仅仅是告知，热失控的反应时间一般在5秒以内，迄今为止没有任何控制手段，针对传统电池组装各种缺点，我们曾经公开了自由模组锂电池及由自由模组锂电池构成的自由串并联矩阵式系统，将电池的模组化并联能量当量降低到可控的电量，通过多通道组合解决当通道设计中的各种问题，比如每个自由模组三元体系材料，一般在500wh左右，相对安全的磷酸铁锂材料，当量在不超过2千瓦时，实际应用中通过自有产品的组合构成系统，每个模组之间均有隔离，由此可以有效的抑制热失控，不仅解决了电池一次性衰减的问题、自修复的问题、防护的问题，而且还针对热失控采取了多方面措施，本发明所公开的关键工艺结构就是在微观机械电气模式下的工艺方法。
3.现有技术包括：
4.(1)通过直接并联管理：请参阅图3，这是一种典型的不做任何防护的简单粗暴的电池电芯并联连接方式，目前大多数企业的电池封装均采用该模式。成本低，生产效率高。缺点为：并联模组中任何一颗电芯突发热失控，都会引发整个并联组连续热失控，导致类似链式反应现象，引发系统崩溃。这也是国内锂电池系统燃烧现象不断的原因；
5.(2)通过连接带进行熔断管理：请参阅图4，讲究一些的企业不少会采用以上方式，设定两个汇流条作为大正大负，每个电芯并联的时候通过一根熔断丝连接在汇流条上。理论上认为，某颗电芯一旦出现内部短路，引发热失控，利用大回流将熔断丝熔断，是该电芯脱离系统。一般应用于方形磷酸铁锂电池。缺点为：1、对于单体过大的电芯，该方案无效，原因是单体过大的电芯本身的热失控威力过大，并不能实际上解决问题(理论上单体电芯容量低于40安时可控)，现在的单通道系统企业正在把单体电芯做的越来越大，实际上是理论上的误区；2、单通道熔断丝热电阻效应边界不清晰，实际应用的过程中会出现该熔断不熔断，不该熔断提前熔断的变数，效果不佳；
6.(3)通过镍带覆盖方式的熔断机制：请参阅图5，对一些以圆柱形锂离子电芯(18650、26650等)进行电池组组装的企业而言，由于圆柱形锂电池的特性，多数情况下采用
镀镍类汇流片连接进行焊接连接，有的企业也会采用一些通道熔断的模式进行热式控管理，考虑到圆柱形锂离子电芯普遍电量当量较小，虽然更容易出问题而且组装工艺复杂，考虑到单颗电芯威力可控，得到了很多企业认同。缺点为：1、该结构同样存在单通道熔断丝热电阻效应边界不清晰，实际应用的过程中会出现该熔断不熔断，不该熔断提前熔断的变数；2、薄片状的结构汇流不均匀，可控性差。
7.以上所述为了解决该类问题：需要对电池热失控的基本现象进行机理分析，电池热失控早已经是世界公认的问题，主要原因来自电池单体突发性内短路，包括因生产质量问题、温度过热出现的隔膜撕裂等，随着生产技术的提高，该问题已有所改善，另一个重要因素来自于电池内部枝晶析出刺破隔膜出现的内短路，锂离子电池是利用离子嵌入和脱嵌实现电化学特性的。工作的时候，在离子正负极的嵌入和脱嵌的过程中，锂金属枝晶析出是常态问题，实际应用中该问题几乎无解，这也是电池热失控安全问题成为世界性难题的原因。
8.枝晶发生：一旦在电池内部刺破隔膜，产生内短路，所述热失控电芯电压会急剧下降，与该电芯并联的其他电芯能量将以短路的模式充入问题电芯，引发安全事故；客观上，电池如果不做并联就无法保障需求容量，解决此类矛盾是电池管理工作者长期的工作内容，枝晶出现主要表现在以下三个方面：
9.1、反复充放电过程中产生的极化枝晶：此内结晶具有时效性，在低功率工作的状态下极化现象会随着时间的延长而化解，只要不突破极限就不是大事，一般的解决方案是降低系统的整体工作电流；
10.2、过充状态下出现的锂金属还原枝晶：过充结晶无解，唯一的方法就是过充过放进行关断保护，这也是绝大多数热失控现象来自于充电的时候的原因。
11.以上，在模块产品的设计层面，目前唯一有效的解决方案依然是电气连接过程中的物理方法，其中就包括多通道分流、相变材料吸热抑制、开关保护、容量均衡、熔断保护等各种综合措施，自由模组在设计的过程中所有罗列的措施均已采用。


技术实现要素：

12.1.要解决的技术问题
13.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构，它解决现有的传统工艺模式下的缺陷，核心内容就是微型多通道边界化熔断机制。
14.2.技术方案
15.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
16.一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构，包括：
17.电芯机构；
18.汇流机构，连接所述电芯机构；以及
19.微型多通道机构，设于所述电芯机构，获得熔断电流。本发明解决现有的传统工艺模式下的缺陷，核心内容就是微型多通道边界化熔断机制。
20.作为本发明的一种优选方案，所述电芯机构包括矩形电芯，所述矩形电芯设置有多个，且矩形电芯至少设置有六个以上，多个所述矩形电芯竖向等距设置；每个所述矩形电
芯均设置有正极引脚和负极引脚。
21.作为本发明的一种优选方案，所述汇流机构包括汇流条，所述汇流条设置有两个，且两个汇流条分别置于多个矩形电芯的正极引脚侧向和负极引脚侧向。
22.作为本发明的一种优选方案，所述微型多通道机构包括熔断连接件，所述熔断连接件设置有多组，每组熔断连接件所述均设置有多个，且每组熔断连接件至少设置有两个以上，每组所述熔断连接件设置在多个矩形电芯与两个汇流条之间。
23.作为本发明的一种优选方案，每组中相邻的两个所述熔断连接件之间间距为0.5﹣0.8cm。
24.作为本发明的一种优选方案，所述熔断连接件为保险丝或者金属连接片。
25.作为本发明的一种优选方案，所述电芯机构包括圆柱电芯，所述圆柱电芯设置有多组，且圆柱电芯至少设置有三组，三组所述圆柱电芯横向等距设置，每组所述圆柱电芯均设置有多个，且多个圆柱电芯竖向等距设置，每组所述圆柱电芯至少设置有六个以上。
26.作为本发明的一种优选方案，所述汇流机构包括汇流条，多组所述圆柱电芯焊接在汇流条表面。
27.作为本发明的一种优选方案，所述微型多通道机构包括熔断通道窄口，所述熔断通道窄口设置有多组，且多组熔断通道窄口分别开设在多组圆柱电芯上，每组所述熔断通道窄口均设置有多个，且每组熔断通道窄口至少设置有两个以上，多个所述熔断通道窄口等距设置。
28.作为本发明的一种优选方案，还包括通过螺钉连接件可拆卸连接在汇流板后表面的电池支架。
29.3.有益效果
30.相比于现有技术，本发明的优点在于：
31.(1)本发明通过汇流条和矩形电芯之间采用两根以上更小的保险丝或金属连接片进行焊接，通过精确计算和实验，获得熔断电流作为电池并联的最后一道保护。
32.(2)本发明通过多个熔断通道窄口的设置代替多个熔断连接件，获得熔断电流作为电池并联的最后一道保护。
附图说明
33.图1为本发明一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构中实施例1处的结构示意图；
34.图2为本发明一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构中实施例2处的结构示意图；
35.图3为本发明中现有技术的第一结构示意图；
36.图4为本发明中现有技术的第二结构示意图；
37.图5为本发明中现有技术的第三结构示意图。
38.图中标号说明：
39.1、汇流机构；101、汇流条；102、汇流板；2、电芯机构；201、矩形电芯；2011、正极引脚；2012、负极引脚；202、圆柱电芯；3、微型多通道机构；301、熔断连接件；302、熔断通道窄口；4、电池支架。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.实施例1：
44.请参阅图1，一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构，包括：
45.电芯机构2，电芯机构2包括矩形电芯201，矩形电芯201设置有多个，且矩形电芯201至少设置有六个以上，多个矩形电芯201竖向等距设置，每个矩形电芯201均设置有正极引脚2011和负极引脚2012；
46.汇流机构1，用以连接电芯机构2，汇流机构1包括汇流条101，汇流条101设置有两个，且两个汇流条101分别置于多个矩形电芯201的正极引脚2011侧向和负极引脚2012侧向；
47.上述汇流机构1和电芯机构2均为本领域技术人员的公知常识，故此不再对其作过多赘述；
48.微型多通道机构3，设于电芯机构2上，用以获得熔断电流，微型多通道机构3包括熔断连接件301，熔断连接件301设置有多组，每组熔断连接件301均设置有多个，且每组熔断连接件301至少设置有两个以上，每组熔断连接件301设置在多个矩形电芯201与两个汇流条101之间，优选的，熔断连接件301为保险丝或者金属连接片，微小的改变就可以解决大问题，通过汇流条101和矩形电芯201之间采用两根以上更小的保险丝或连接金属进行焊接，通过精确计算和实验，获得熔断电流作为电池并联的最后一道保护，为了使得熔断连接件301的安装更加科学合理，每组中相邻的两个熔断连接件301之间间距为0.5﹣0.8cm，需要进行说明的是：一侧的熔断连接件301安装在正极引脚2011以及汇流条101之间，另一侧的熔断连接件301安装在负极引脚2012以及汇流条101之间。
49.实施例2：一种基于单电芯并联的热失控防护的微型多通道连接结构，包括：
50.电芯机构2，电芯机构2包括圆柱电芯202，圆柱电芯202设置有多组，且圆柱电芯202至少设置有三组，三组圆柱电芯202横向等距设置，每组圆柱电芯202均设置有多个，且多个圆柱电芯202竖向等距设置，每组圆柱电芯202至少设置有六个以上；
51.汇流机构1，连接电芯机构2，汇流机构1包括汇流条101，多组圆柱电芯202焊接在
汇流条101表面，汇流机构1和电芯机构2均是本领域技术人员的公知常识，故此不再对其进行过多赘述；以及
52.微型多通道机构3，设于电芯机构2，获得熔断电流，微型多通道机构3包括熔断通道窄口302，熔断通道窄口302设置有多组，且多组熔断通道窄口302分别开设在多组圆柱电芯202上，每组熔断通道窄口302均设置有多个，且每组熔断通道窄口302至少设置有两个以上，多个熔断通道窄口302等距设置；
53.为了实现对汇流板102的安装和承放，还包括通过螺钉连接件可拆卸连接在汇流板102后表面的电池支架4；
54.实施例2通过多个熔断通道窄口302的设置代替实施例1中的多个熔断连接件301，获得熔断电流作为电池并联的最后一道保护。
55.实施例1和实施例2的设计特点决定了多通道方案可以有效拉开过流电流和实际使用电流之间的距离；
56.本发明人做了下述实验：自由模组的基础通道单元采用9颗18650电芯进行底层并联，设计会流通到最大工作电流约60安培，分摊到每个电池的工作电流约6﹣7个安培，微型多通道共三个；在6﹣7个安培的工作条件下，三根通道没有温升或者温升很低，使用状况十分可靠，实测结果显示，即使在30安培的情况下三根通道同样可以长期支持，而温度达到55安培左右，在500毫秒左右即可熔断，在此设计中，充分考虑到热失控回流电流超过60a，同时，该结构又能够有效面对日常使用过程中的一些浪涌，如50a，并不会发生熔断，此结构认证充分、实验已经验证。
57.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。