电池单体、电池模组和用电装置

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种电池单体、电池模组和用电装置。

背景技术

相关技术中，电池单体通常包括顶盖、壳体和电芯，壳体通常为方形，电芯置于壳体内部，壳体与顶盖装配焊接，完成电池单体的封装。电芯的成型方式以叠片和卷绕为主，而目前电芯封装主要分为圆柱电芯、方形电芯和软包电芯。其中，卷绕而成的方形电芯两侧自然为圆弧状，在将卷绕电芯装入壳体内时，方形电池单体内部会产生较大的缝隙，一方面，不利于卷绕电芯固定于壳体内，导致在装入电芯后，电芯容易在壳体内发生滑动，另一方面，缝隙需要填满电解液，增加了电解液在单体电池内的使用量，造成了电解液的浪费，此外，较大的缝隙会降低电池的能量密度，影响电池能量密度的提升。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明在于提出一种电池单体，所述电池单体可以增大壳体内的电芯的排布密度，增大电池单体的能量密度。

本发明还提出一种具有上述电池单体的电池模组。

本发明还提出一种具有上述电池模组的用电装置。

根据本发明第一方面的电池单体，包括：壳体；第一芯组，所述第一芯组设于所述壳体内，所述第一芯组为一个或包括沿第一方向间隔排布的至少两个，每个所述第一芯组包括多个第一电芯，多个所述第一电芯沿垂直于第一方向的第二方向间隔排布，所述第一电芯为方形电芯，所述第一方向为所述第一电芯的长度方向；第二芯组，所述第二芯组设于所述壳体内，所述第二芯组包括至少一个第二电芯，所述第二电芯为圆柱电芯，所述第一电芯的截面拐角位置形成有第一倒角，所述第二芯组设于相邻两个所述第一芯组中的所述第一电芯的所述第一倒角之间，和/或，所述第二芯组设于所述第一芯组中所述第一电芯的所述第一倒角与所述壳体之间。

根据本发明的电池单体，可以增大壳体内的电芯的排布密度，增大电池单体的能量密度，防止第一电芯在膨胀过程中析锂，提高第一电芯的安全性能和使用寿命；还可以避免电解液的浪费，提高对电解液的利用率，同时，第二电芯可以在壳体内对第一电芯起到限位的作用，提高第一电芯在壳体内的稳定性。

根据本发明的一些实施例，所述第一电芯具有第一极耳，所述第一极耳形成于所述第一电芯在第三方向上的一端，所述第三方向为所述第一电芯的高度方向；所述第二电芯具有第二极耳，所述第二极耳形成于所述第二电芯在所述第三方向上的两端，所述第二电芯的轴向平行于所述第三方向。

根据本发明的一些实施例，所述第一电芯的外表面包覆有第一绝缘膜，所述第二电芯的外表面包覆有第二绝缘膜。

根据本发明的一些实施例，所述第一电芯的外表面设有用于识别所述第一电芯的第一标识层，所述第二电芯的外表面设有用于识别所述第二电芯的第二标识层。

根据本发明的一些实施例，所述第二电芯与所述第一电芯之间的最小间距为0.4mm-1mm。

根据本发明的一些实施例，所述第一倒角为圆角，所述第二电芯的半径与所述第一倒角的半径的比值为0.45-0.6。

根据本发明的一些实施例，所述第二电芯在第三方向上的高度与所述第一电芯在所述第三方向上的高度一致，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。

根据本发明的一些实施例，所述第二电芯包括多个子电芯，多个所述子电芯在所述第三方向上层叠布置。

根据本发明的一些实施例，所述第一芯组中的多个所述第一电芯串联，所述第二芯组中的多个所述第二电芯串联。

根据本发明的一些实施例，相邻的所述第一芯组与所述第二芯组之间串联或并联。

根据本发明的一些实施例，所述第一电芯的截面拐角位置形成有第一倒角，所述壳体为方形壳体，在平行于所述第一方向和所述第二方向的平面内，所述壳体的相邻的两个表面之间形成有第二倒角，所述第一倒角的半径与所述第二倒角的半径之间的比值为0.9-1.1。

根据本发明的一些实施例，所述第二倒角与相邻的所述第一倒角之间的间距为d，所述第一电芯在所述第二方向上的厚度为t，且d和t满足：0＜d/t≤6％。

根据本发明第二方面的电池模组，包括多个根据本发明第一方面的电池单体。

根据本发明的电池模组，通过设置上述第一方面的电池单体，从而提高了电池模组的整体性能。

根据本发明第三方面的用电装置，包括根据本发明第二方面的电池模组。

根据本发明的用电装置，通过设置上述第二方面的电池模组，从而提高了用电装置的整体性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一些实施例的电池单体的示意图，其中，第一芯组与第二芯组串联；

图2是图1中所示的电池单体的另一个角度的示意图；

图3是图1中所示的电池单体的示意图，其中，第一芯组与第二芯组并联；

图4是图3中所示的电池单体的另一个角度的示意图；

图5是根据本发明另一些实施例的电池单体的示意图；

图6是根据本发明再一些实施例的电池单体的示意图；

图7是根据本发明又一些实施例的电池单体的示意图；

图8是图1中所示的第一电芯的示意图；

图9是根据本发明实施例的第一电芯的示意图；

图10是根据本发明实施例的第二电芯的示意图。

附图标记：

100、电池单体；

10、壳体；11、第二倒角；

20、第一电芯；21、第一倒角；22、第一极耳；

30、第二电芯；31、第二极耳；

40、连接件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图10描述根据本发明第一方面实施例的电池单体100。

如图1所示，根据本发明第一方面实施例的电池单体100，包括：壳体10、第一芯组和第二芯组。

具体地，第一芯组设于壳体10内，第一芯组为一个或包括沿第一方向(例如图1中所示的前后方向)间隔排布的至少两个，也就是说，壳体10内可以仅设有一个第一芯组，壳体10内还可以设有多个第一芯组，例如，壳体10内可以设有两个、三个、四个、五个及以上数量的第一芯组，多个第一芯组在第一方向上间隔布置。

每个第一芯组包括多个第一电芯20，例如，每个第一芯组可以包括两个、三个、四个、五个、六个及以上数量的第一电芯20。每个第一芯组中的多个第一电芯20沿垂直于第一方向的第二方向(例如图1中所示的左右方向)间隔排布，第一电芯20的平行于第一方向和第二方向的截面为方形，即第一电芯20为方形电芯，其中，第一电芯20为卷绕成型的方形电芯。其中，第一方向为第一电芯的长度方向，第二方向为第一电芯的宽度方向。

第二芯组设于壳体10内，第二芯组包括至少一个第二电芯30，例如，第二芯组中可以仅包括一个第二电芯30，第二芯组中还可以包括两个、三个、四个及以上数量的第二电芯30。第二电芯30的平行于第一方向和第二方向的截面为圆形，即第二电芯30为圆柱电芯。

其中，第二芯组设于相邻的两个第一芯组之间，和/或，第二芯组设于第一芯组与壳体10之间。也就是说，第二芯组中的第二电芯30可以仅设在相邻的两个第一芯组之间，也可以仅设在在第一芯组与壳体10之间，还可以在相邻的两个第一芯组之间以及第一芯组与壳体10之间均设置第二电芯30。

具体地，如图1、图5和图6所示，第一电芯20的截面拐角位置形成有第一倒角21，第二芯组设于相邻两个第一芯组中的第一电芯20的第一倒角21之间，和/或，第二芯组设于第一芯组中的第一电芯20的第一倒角21与壳体10之间。也就是说，相邻两个第一电芯20与壳体10之间配合限定出第一间隙空间，当第一芯组包括多个时，相邻的两个第一芯组中两两相邻的四个第一电芯20的第一倒角21之间配合也限定出第二间隙空间，第二电芯30设于第一间隙空间和/或第二间隙空间内。

由于第一电芯20为方形电芯，方形电芯的截面呈具有倒角的矩形结构，当多个第一电芯20装入壳体10内时，相邻的两个第一电芯20的第一倒角21与壳体10之间、以及在第一方向和第二方向两两相邻的四个第一电芯20的第一倒角21之间均形成有间隙空间。相对于第一电芯20除第一倒角21的其他位置与壳体10之间的间隙、和相邻第一电芯20之间的除第一倒角21的其他位置之间的间隙，间隙空间的间隙尺寸显著大于其余位置的间隙尺寸。当壳体10内仅设置方形的第一电芯20时，间隙空间的尺寸较大，空间浪费。

本实施例通过将第二电芯30设于相邻两个第一芯组的第一电芯的第一倒角21之间内，可以在不改变第一电芯20的排布方式的前提下，充分利用相邻第一电芯20之间的间隙空间，进一步优化壳体10内的第一电芯20和第二电芯30的排布方式，紧凑结构，提升电池的能量密度。

本实施例通过将圆形截面的第二电芯30设于相邻的第一芯组的第一电芯20的第一倒角21之间，和/或，设于相邻的第一倒角21与壳体10之间，使得第一芯组的第一电芯20与第二芯组的第二电芯30可以在壳体10内混排，这样，可以利用第二电芯30填充第一电芯20与壳体10之间的间隙，和/或，利用第二电芯30填充相邻第一电芯20之间的间隙。由此，可以增大壳体10内的电芯的排布密度，增大电池单体100的能量密度，防止第一电芯20在膨胀过程中析锂，提高第一电芯20的安全性能和使用寿命。同时由于壳体10与第一芯组之间以及相邻第一芯组之间均设置有第二电芯30，当电解液充入壳体10时，无需电解液填充壳体10与第一芯组之间的所有间隙，从而可以减少电解液用量，避免电解液的浪费，提高对电解液的利用率。此外，第二电芯30可以在壳体10内对第一电芯20起到限位的作用，提高第一电芯20在壳体10内的稳定性；通过利用第二电芯30填充壳体10内的间隙。

根据本发明实施例的电池单体100，可以增大壳体10内的电芯的排布密度，增大电池单体100的能量密度，防止第一电芯20在膨胀过程中析锂，提高第一电芯20的安全性能和使用寿命；还可以避免电解液的浪费，提高对电解液的利用率，同时，第二电芯30可以在壳体10内对第一电芯20起到限位的作用，提高第一电芯20在壳体10内的稳定性。

在本发明的一些实施例中，参照图5，第二电芯30与第一电芯20之间的最小间距为0.4mm-1mm。第二电芯30与第一电芯20之间的最小间距优选表示为第二电芯30朝向第一电芯的第一倒角21方向的切点到第一电芯20的第一倒角21朝向第二电芯30的切点之间的最短距离。由此，可以在利用第二电芯30填充间隙空间，提高壳体10内的空间利用率的前提下，保证第一电芯20和第二电芯30的热量扩散，提高壳体10内第一电芯20和第二电芯30的安全性能。

例如，第一电芯20与第二电芯30之间的最小间距可以为0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm等等。

在本发明的一些实施例中，参照图5，第一倒角21为圆角，第二电芯30的半径与第一倒角21的半径的比值为0.3-0.6。由此，可以保证第二电芯30可以装入第一倒角21与壳体10之间的第一间隙空间，保证第二电芯30可以装入多个第一倒角21之间的第二间隙空间中，可以优化第二电芯30对间隙空间的填充率，提高壳体10内的空间利用率，同时，保证第一电芯20和第二电芯30的散热性能。例如，第二电芯30的半径与第一倒角21的半径的比值可以为：0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55或0.6等。

需要说明的是，因为相邻两个第一电芯20与壳体10侧壁形成的第一间隙空间与相邻四个第一电芯20构成的第二间隙空间的尺寸是不一样的，因此在第一间隙空间和第二间隙空间填充的第二电芯30是不同尺寸的。

根据本发明的一些实施例，第二电芯30在第三方向上的高度与第一电芯20在第三方向上的高度一致，第三方向垂直于第一方向和第二方向。其中，当第一方向和第二方向分别为前后方向和左右方向时，第三方向为上下方向。本实施例通过使第二电芯30的高度与第一电芯20的高度保持一致，可以提高对壳体10内间隙空间的填充率，增加电池单体100在单位体积内的能量密度。

在一些实施例中，第二电芯30可以包括多个子电芯，多个子电芯在第三方向上层叠布置。由于圆柱体的第二电芯30相较于方形的第一电芯20截面尺寸更小，在卷绕成型第二电芯30的子电芯时，子电芯的高度可能会小于第一电芯20的高度，此时，为提高对壳体10内空间的利用率，可以将多个子电芯沿高度方向堆叠形成第二电芯30，以使第二电芯30的高度与第一电芯20的高度一致，以进一步提高电池单体100的能量密度。

根据本发明的一些实施例，参照图1，第一芯组中的多个第一电芯20可以串联，由此，可以增大第一芯组的输出电压。例如图1所示，对于第一芯组中的排布在中间的第一电芯20而言，该第一电芯20的正极与右侧相邻的第一电芯20的负极相连，该第一电芯20的负极与左侧相邻的第一电芯20的正极相连。可选地，相邻的第一电芯20的连接的正极和负极之间可以通过连接件40连接。其中，连接件40可以为金属片，例如，连接件40可以为铝片。

根据本发明的一些实施例，参照图1，第二芯组中的多个第二电芯30串联。由此，可以保证第二芯组的输出电压。其中，相邻的两个第二电芯30可以通过连接件40连接，可选地，连接件40可以为铝片。

根据本发明的一些实施例，相邻的第一芯组与第二芯组之间可以串联或并联。由此，可以根据电池单体100的输出的电流或电压需求，合理选择相邻的第一芯组和第二芯组之间的串联和并联连接方式，提高电池单体100的适用性。

例如图1所示，壳体10内设有两个第一芯组和一个第二芯组，两个第一芯组在前后方向间隔排布，第二芯组设在第一芯组之间。其中，第一芯组中的多个第一电芯20串联连接，第二芯组的多个第二电芯30串联连接，且第二芯组串联连接在两个第一芯组之间。

又如图3和图4所示，壳体10内设有两个第一芯组和一个第二芯组，两个第一芯组在前后方向间隔排布，第二芯组设在第一芯组之间。其中，第一芯组中的多个第一电芯20依次串联连接，且两个第一芯组之间串联连接，第二芯组的多个第二电芯30串联连接，第一芯组与第二芯组之间并联连接。

根据本发明的一些实施例，如图1所示，第一电芯20的截面拐角位置形成有第一倒角21，壳体10为方形壳体10，在平行于第一方向和第二方向的平面内，壳体10的相邻的两个表面之间形成有第二倒角11。由此，可以减小位于壳体10拐角位置的第一电芯20与壳体10之间间隙，利于防止第一电芯20膨胀过程中在拐角位置的析锂问题，提高电池单体100的安全性，增加了电芯单位体积的能量密度。

在一些实施例中，第一倒角21的半径与第二倒角11的半径之间的比值为0.9-1.1。由此，可以提高第一倒角21与第二倒角11的相似度，进一步减小第一倒角21与第二倒角11之间的间隙，进一步防止第一电芯20膨胀过程中在拐角位置的析锂问题。例如，第一倒角21的半径与第二倒角11的半径之间的比值可以为：0.9、0.95、1、1.05或1.1等等。

进一步地，第二倒角11与相邻的第一倒角21之间的间距为d，第一电芯20在第二方向上的厚度为t，且d和t满足：0＜d/t≤6％。由此，不仅可以减小第一倒角21与第二倒角11之间的间隙，进一步防止第一电芯20膨胀过程中在拐角位置的析锂问题，还可以使第一倒角21与第二倒角11之间的间距满足95％-98％的群裕度，为第一电芯20的膨胀预留反弹空间，有效防止第一电芯20在膨胀过程中极片发生褶皱。例如，第二倒角11与相邻的第一倒角21之间的间距d与第一电芯20在第二方向上的厚度t的比值可以为1％、2％、3％、4％、5％或6％。

在本发明的一些实施例中，如图9和图10所示，第一电芯20具有第一极耳22，第一极耳22形成于第一电20芯在第三方向上的一端，第三方向为第一电芯的高度方向，即，第一极耳22形成于与第一电芯20的高度方向上的一端；第二电芯30具有第二极耳31，第二极耳31形成于第二电芯30在第三方向上的两端，第二电芯30的轴向平行于第三方向，即第二极耳31形成于第二电芯30的轴向上的两端。由此，结构简单，第一极耳22和第二极耳31均成型方便，且可以方便第一电芯20之间通过第一极耳22电连接，也可方便第二电芯30之间通过第二极耳31电连接，还可以方便第一电芯20与第二电芯30之间通过第一极耳22和第二极耳31电连接。例如，第一电芯具有两个第一极耳，两个第一极耳均布置在第一电芯在高度方向的其中一端，第二电芯具有两个第二极耳，两个第二极耳分别布置在第二电芯在轴向方向上的两端。

在本发明的一些实施例中，第一电芯20的外表面包覆有第一绝缘膜，第一绝缘膜可以对第一电芯20起到保护和绝缘的作用，第二电芯30的外表面包覆有第二绝缘膜，第二绝缘膜可以对第二电芯30起到保护和绝缘的作用。其中，可选地，第一绝缘膜可以为麦拉片，第二绝缘膜也可以为麦拉片。

在本发明的一些实施例中，第一电芯20的外表面设有用于识别第一电芯20的第一标识层，第二电芯30的外表面设有用于识别第二电芯30的第二标识层。由此，可以通过第一标识层识别第一电芯20，通过第二标识层识别第二电芯30，有利于对第一电芯20和第二电芯30进行检测和管控。

其中，可选地，第一标识层可以完全包覆第一电芯20的外表面，例如，第一标识层可以包覆在第一绝缘膜的外侧。第二标识层可以完全包覆第二电芯30的外表面，例如，第二标识层可以包覆在第二绝缘膜的外侧。

进一步地，第一标识层可以为蓝胶层。第二标识层也可以为蓝胶层。蓝胶层可以形成为蓝色标识条，感应器可以检测出蓝色标识条，并将与蓝色标识条相关联的信息反馈至控制器。这样，便于对第一电芯20和第二电芯30的信息进行监测、管理和控制。

根据本发明第二方面实施例的电池模组，包括多个根据本发明第一方面实施例的电池单体100。

其中，电池单体100的数量可以为两个、三个、四个、五个及以上。多个电池单体100之间可以串联，也可以并联，多个电池单体100还可以既有串联也有并联。

根据本发明实施例的电池模组，通过设置第一方面实施例的电池单体100，可以增大电池单体100的壳体10内的电芯的排布密度，增大电池单体100的能量密度，防止第一电芯20在膨胀过程中析锂，提高第一电芯20的安全性能和使用寿命；还可以避免电解液的浪费，提高对电解液的利用率，同时，第二电芯30可以在壳体10内对第一电芯20起到限位的作用，提高第一电芯20在壳体10内的稳定性。

根据本发明第三方面实施例的用电装置，包括根据本发明第二方面实施例的电池模组。电池模组用于提供电能。其中，用电装置可以为但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。

根据本发明实施例的用电装置，通过设置第二方面实施例的电池模组，可以增大电池单体100的壳体10内的电芯的排布密度，增大电池单体100的能量密度，防止第一电芯20在膨胀过程中析锂，提高第一电芯20的安全性能和使用寿命；还可以避免电解液的浪费，提高对电解液的利用率，同时，第二电芯30可以在壳体10内对第一电芯20起到限位的作用，提高第一电芯20在壳体10内的稳定性。

下面将参考图1-图2描述根据本发明一个具体实施例的电池单体100。

参照图1和图2，电池单体100包括壳体10和设于壳体10内的第一电芯20和第二电芯30，第一电芯20为方形电芯，第二电芯30为圆柱电芯。

如图1所示，壳体10为铝壳，铝壳四个角位置做了较大的倒角；铝壳的倒角与方形电芯的倒角的半径和角度相似，这样在拐角处方形电芯与铝壳的贴合会更加紧密，有利于防止电芯膨胀过程中，抑制拐角析锂，安全性提高，并且增加了电芯单位体积的能量密度；此外，方形电芯的倒角与铝壳的倒角的最短距离满足95％-98％的群裕度，由此可以为电芯的膨胀预留反弹空间，有效防止膨胀过程中极片的褶皱。

在组装电池单体100时，采用方形电芯与圆柱电芯混排的方式，具体地，在壳体10内沿前后方向排布的两排方形电芯，每排沿左右方向依次排布的八个方形电芯，此时，在相邻的方形电芯的拐角位置有较大的间隙空间，可在间隙空间中心位置放入圆柱电芯，本实施例中圆柱电芯包括左右依次排布的七个，圆柱电芯与方形电芯之间的间隔满足0.4mm-1mm，有利于电芯热量的扩散，整个模组的空间利用率提高，安全性增强；其中，圆柱电芯的高度与方形电芯的高度保持一致，圆柱电芯的整体高度可以为多颗圆柱电芯的叠加高度，增加了模组单位体积的能量密度。

其中，每排中相邻方形电芯的正负极通过铝巴(连接件40)连接实现串联，且最右侧的方形电芯与最近的一个圆柱电芯正负极串联，然后剩下的圆柱电芯通过铝巴串联，最左侧的圆柱电芯底部的正极与方形电芯的负极通过铝巴相连接，由此，增加了电芯单位体积的能量密度。

根据本发明实施例的电池单体100，通过在壳体10的四个角位置做了较大的倒角，可以使方形电芯与壳体10在倒角位置贴合更加紧密，有利于在方形电芯膨胀过程中抑制拐角析锂，安全性提高；同时增加了电池单体100的单位体积的能量密度。同时在组装电池单体100时，采用方形电芯与圆柱电芯混排的方式，整个壳体10内的空间利用率提高，安全性增强。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。