CN105742755B - 一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，包括导热壳、相变材料及隔离板。至少有两块电池单体，复合板紧密安装在电池之间的空隙中，复合板与单体电池交替配置。导热壳能将单体电池产生的热量转移到相变材料和环境中，提高电池组的散热能力；填充的相变材料能吸收大量热量，有效保证电池在正常温度范围之内工作，并极大地提高了电池组温度的均一性；隔离板能有效阻止热量直接穿过复合板，可以有效隔离热失控单体电池产生的热量，使得电池的热失控局限在单一电池内，从而防止电池组发生连锁热失控。本发明解决了电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，使得两者能够协同作用，从而提高电池组的安全性。

Description

一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板
技术领域
本发明涉及动力电池热管理系统，具体涉及一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其为一种基于导热壳-相变材料-隔离板三者联用构成的“三明治”式复合板，该结构具有提高电池系统的散热能力以及防止热失控传递的功能。
背景技术
近年来，传统燃油汽车所造成的大气污染日趋严重，在能源危机和环境污染的双重压力下，我国正大力发展新能源电动汽车，其动力来源主要是动力电池，但是电池仍存在一定的安全问题。由于电池在充放电过程中会产生大量的热量，加之空间限制和时间积累的效应，易引发单体电池的温度升高，当超过电池正常工作温度范围后，单体电池极易发生热失控，甚至引发整个电池模块的热失控，最终导致整车火灾爆炸事故的发生。因此，提高电池系统的散热能力以及热失控阻隔能力变得十分重要。
传统的电池热管理系统包括空气冷却和液体冷却，但都存在一定的缺陷，空气冷却由于换热系数较低，散热效率难以满足要求；而液体冷却系统较为复杂，需要外加能耗，同时易泄漏引发电池短路。所以，相变材料作为一种新型的电池热管理系统引起了广泛的关注，相变材料系统具有高潜热、无需能耗、体系温度均一等特点，成为了一个新的研究热点。
在电池模块热失控阻隔技术研究方面，美国的特斯拉汽车公司的Berdichevsky等人在电池外部增加导热壳来强化电池与冷却介质间的传热，并将绝热板和金属板放置于不同电池层之间，通过降低不同电池层的热传导和热辐射来阻断热失控时热量的传播。Mehta等人在电池单体表面涂覆可膨胀材料，在电池热失控时膨胀吸热，降低热量对周围电池的影响，从而抑制电池热失控传播。我国研究人员胡宪霖等人公布了一种电池系统中的散热与热失控扩散防护结构，主要包括电池组壳体、导热板及隔热板，导热板与隔离板交替配置，但这样明显会降低电池组的散热能力。
目前，电动汽车存在着系统散热与热失控阻隔之间的矛盾，两者难以起到很好的协同作用。一方面增加阻隔措施后，导致系统散热困难，引起电池温度分布不均，有潜在热失控风险；另一方面，降低隔离措施可增强电池间的散热性能，但会降低阻隔热失控传播性能。因此，亟需设计新型的热失控阻隔方法，解决电池热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，使得两者能够协同作用，从而提高电池组的散热能力和热失控阻隔能力。
发明内容
本发明的目的是为了解决电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，本发明提供了一种基于导热壳-相变材料-隔离板三者联用构成的“三明治”式复合板，将其设置在电池之间的空隙中，提高了电池的散热能力及电池组温度的均一性，同时能够有效地阻隔热失控传播，从而提高电池组的安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，包括：
至少一导热壳，放置在相邻单体电池之间；至少一隔离板，位于导热壳的正中间，将导热壳内部分为均匀的两部分；至少一种相变材料，填充导热壳和隔离板之间的空间；从而形成“导热壳-相变材料-隔离板”构成的“三明治”式复合板。
其中，复合板位于相邻单体电池之间，至少有两个单体电池，电池-复合板交替配置。
其中，隔离板位于导热壳的正中间，相变材料填充在导热壳和隔离板的中间，横向形成“导热壳-相变材料-隔离板-相变材料-导热壳”所构成的五层结构。
其中，所述复合板内部可以根据具体的隔热要求设置多个隔离板，隔离板和导热壳之间形成多个内部空间，这些空间均填充相变材料，内部形成相变材料-隔热层交替配置的多层结构，外部则用导热壳进行封闭。
其中，复合板的形状主要以方形为主，根据电池形状可适当改变，使其紧密安装在两排电池之间，与电池表面充分接触，便于传递电池产生的热量以及防止电池热失控的传递。
其中，导热壳的材料应采用高导热系数的金属及其复合材料，热传导系数k一般在200W/m·K～400W/m·K之间，如铜、铝等，能够及时传递走电池产生的热量，提高散热效果。
其中，隔离板的材料应采用低导热系数的材料，热传导系数k一般低于3W/m·K，如玻璃纤维、石棉、电木等，有效阻止热量的横向传播，防止电池热失控的传播。
其中，相变材料应采用高相变潜热、导热率较高的相变体系，热传导系数最好在10W/m·K以上，如石蜡/膨胀石墨、石蜡/碳纤维等，便于吸收导热壳传递的热量，提高电池组温度的均一性。
其中，复合板的厚度应为单体电池厚度的10％～40％。
其中，导热壳的厚度为复合板厚度的5％～15％。
其中，隔离板的厚度为复合板厚度的10％～50％。
其中，相变材料的相变温度应在30℃～50℃，第一层和第二层相变材料的厚度均为复合板厚度的20％～30％，两层相变材料可以采用不同的相变材料。
本发明的优点：1.本发明通过在电池单体之间的空隙中设置基于导热壳-相变材料-隔离板三者联用构成的“三明治”式复合板，将电池产生的热量通过导热性能良好的导热壳转移到相变材料和环境中，从而大大提高了电池组的散热能力；2.本发明复合板中的相变材料具有高潜热、相变温度稳定、体系温度均一等特点，能有效保证电池的温度在正常工作范围之内，并极大地提高了电池组温度的均一性；3.本发明复合板中的隔离板能有效阻止热量直接穿过复合板，这在单个电池发生热失控时显得尤为关键，隔离板可以有效隔离热失控单体电池产生的热量，使得电池的热失控局限在单一电池内，从而防止电池组发生连锁热失控；4.本发明具有节能、结构简单、高散热、有效隔热、提高均一性等优点，无需外加能耗，解决了电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，适用于电动汽车及储能电池，具有很好的市场前景。
附图说明
图1为本发明的复合板与单排电池的安装结构示意图；
图2为本发明的复合板与单排电池的安装结构正视图；
图3为本发明的复合板与电池组的安装结构示意图；
图4为本发明的复合板与电池组的安装结构俯视图；
图5为本发明复合板的具体结构示意图；
图6为导热壳与隔离板的槽连接结构示意图；
图7为导热壳与隔离板的槽连接结构俯视图；
图8为不同电池组结构的最高温度随放电倍率的变化关系图；
图9为不同电池组结构的最大温差随放电倍率的变化关系图。
其中：1电池单体，2电池的正负极，3复合板，4导热壳上顶盖，5相变材料，6隔离板，7导热壳，8连接槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1和图2所示，所述单排电池至少由两个单体电池1组成，复合板3紧密安装在相邻单体电池1之间形成的空隙中，复合板3与单体电池1交替配置。通过集流片或导线将单体电池1上的正负极2连接起来，连接方式可为并联或者串联，从而为外电路提供电能。复合板3的形状以方形为主，可根据单体电池1的形状进行改变，主要目的是使得复合板3能够和单体电池1之间充分接触，便于及时传递单体电池1产生的热量，从而降低单体电池1的温度。另外，这种安装方式有利于复合板3阻隔电池单体1之间的热失控传播，防止电池组发生连锁热失控。
如图3和图4所示，所述电池组由多个电池单体1组成，至少有2×2＝4个单体电池1。电池组与单排电池之间的区别在于，电池组横纵的总长度不一样，因此为了充分利用电池之间的空隙，可以设计两种不同长度的复合板3，横纵方向可以采用不同长度的复合板3进行安装，其余的内容同单排电池所述。
如图5所示，所述复合板3是由相变材料5、隔离板6及导热壳7组成的，类似“三明治”式结构。导热壳7为复合板3的最外层，安装在相邻单体电池之间；隔离板6位于导热壳的正中间，将导热壳内部空间为均匀的两部分；相变材料5填充在导热壳7和隔离板6之间的空间；从而形成“导热壳7-相变材料5-隔离板6”三者联用的复合板3，横向形成“导热壳7-相变材料5-隔离板6-相变材料5-导热壳7”所构成的五层结构。
如图1、2、3、4、5中所述的复合板3与单体电池1交替配置，通过导热性能良好的导热壳7将单体电池1产生的热量转移到相变材料5和环境中，从而大大提高了电池组的散热能力；填充的相变材料5具有高潜热、相变温度稳定、体系温度均一等特点，能吸收大量导热壳7转移来的热量，能有效保证电池在正常温度范围之内工作，并极大地提高了电池组温度的均一性；复合板3中的隔离板6能有效阻止热量直接穿过复合板3，这在单体电池1发生热失控时显得尤为关键，隔离板6可以有效隔离热失控单体电池产生的热量，使得电池的热失控局限在单一电池内，从而防止电池组发生连锁热失控。
如图5所示，所述复合板3内部可以根据具体的隔热要求设置多个隔离板6，隔离板6和导热壳7之间形成多个内部空间，这些空间均填充相变材料5，内部形成相变材料5-隔热层6交替配置的多层结构，外部则用导热壳7进行封闭。
如图5所示，所述相变材料5为相变温度在30℃～50℃之间的相变材料及复合相变材料，如石蜡/膨胀石墨、石蜡/碳纤维等，第一层和第二层相变材料5的厚度均为复合板3厚度的20％～30％，两层相变材料5可采用不同的相变材料。
如图5所示，所述隔离板6的材料为低导热系数的材料，热传导系数k一般低于3W/m·K，如玻璃纤维、石棉、电木等，隔离板6的厚度为复合板3厚度的10％～50％。
如图5所示，所述导热壳7的材料为高导热系数的金属及其复合材料，热传导系数k一般在200W/m·K～400W/m·K之间，如铜、铝等，导热壳7的厚度为复合板3厚度的5％～15％。
如图5、6、7所示，本发明复合板3的基本制作步骤为：将导热壳7的上顶盖4打开，然后插入隔离板6，隔离板6与导热壳7之间通过连接槽8进行连接，连接槽8的宽度与隔离板的厚度一致。然后将制备好的相变材料5填充到隔离板6和导热壳7之间的空间内，接着盖上导热壳上顶盖4，最后进行密封处理得到复合板3。
为了验证复合板3的散热能力及阻隔热失控的能力，下面通过两个模拟实例进行分析。
实施例一：
一方面为研究复合板3的散热能力，设计了4种不同的结构进行对比分析，分别为：电池单体1之间紧密贴合、电池单体1之间留1cm的空气间隙、电池单体1之间安装1cm的导热板以及电池单体1之间安装1cm的复合板3。在电池箱体中放置3个电池单体1，让每个电池单体1以相同倍率进行放电，然后改变放电倍率(1C、3C、5C、10C)，比较不同结构下电池组的最高温度及最大温差。
从图8中可以看出，电池单体间有空气间隔与紧密贴合两者最高温度相差不大，说明单纯地增加单体电池间的间距并不能有效地改善电池组的散热能力。而电池单体间安装导热板能较好提高电池的散热能力，与电池紧密贴合的情况相比，在10C倍率下电池组的最高温度下降了15℃。进一步可以看出电池单体间安装复合板的效果最好，与电池紧密贴合的情况相比，在10C倍率下电池组的最高温度下降了34℃。从图9中可以看出，在放电倍率为1～5C时，电池单体间安装复合板时电池组的最大温差最低，而在10C倍率下最大温差比导热板略大，这是因为10C放电时电池产热较大，温度上升很快，但是复合板中相变材料的相变潜热较大，靠近复合板的电池一侧温度上升较慢，导致温差反而有所增大。所以，从图8和图9中可以看出复合板具有较好的散热能力及提高电池组温度均一性的能力。
实施例二：
另一方面为研究复合板3的热失控阻隔能力，为模拟电池热失控的情形，将第一个电池单体1作为热失控电池，热释放速率等效为10C时的放电产热，持续时间为2000s，其余两个电池单体1不工作。这里取电池热失控开始的判据是电池单体1的温度达到373.15K，据此计算相邻两个电池发生热失控的时间间隔Δt的大小来分析各自的热失控阻隔能力。
从表一中可以看出，虽然电池单体有空气间隔条件下两个电池发生热失控的时间间隔Δt最长，但是2000s后第一个热失控电池的温度可达到354℃，要远远高于其他结构，更易引发火灾事故，因此不推荐使用空气间隔的结构。另外，电池单体间安装导热板的导热效果较好，可以迅速将热失控电池的热量转移给后面的电池，使得2000s后热失控电池的温度最低，但是它的隔热效果并不明显，Δt仅由106s提高到168s。而安装复合板可以有效阻隔热失控的传播，Δt由106s提高到674s，有利于电池热失控的监测和应急处置，从而避免电池组发生连锁热失控。所以，从表一中可以看出复合板具有提高电池组热失控阻隔的能力。
表一
综上所述，本发明阐述的一种基于导热壳-相变材料-隔离板三者联用构成的“三明治”式复合板，能够有效提高电池组的散热能力及电池组温度的均一性，同时能够有效地阻隔热失控传播，从而提高电池组的安全性。本发明具有节能、结构简单、高散热、有效隔热等优点，无需外加能耗，解决了电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，适用于电动汽车及储能电池，具有广阔的市场前景。
本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：包括至少一导热壳，放置在相邻单体电池之间；至少一隔离板，位于导热壳的正中间，将导热壳内部分为均匀的两部分；至少一种相变材料，填充导热壳和隔离板之间的空间；从而形成“导热壳-相变材料-隔离板”构成的“三明治”式复合板。
2.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：复合板位于相邻单体电池之间，至少有两个单体电池，电池-复合板交替配置。
3.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：隔离板位于导热壳的正中间，相变材料填充在导热壳和隔离板的中间，横向形成“导热壳-相变材料-隔离板-相变材料-导热壳”所构成的五层结构。
4.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：所述复合板内部可以根据具体的隔热要求设置多个隔离板，隔离板和导热壳之间形成多个内部空间，这些空间均填充相变材料，内部形成相变材料-隔热层交替配置的多层结构，外部则用导热壳进行封闭。
5.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：复合板的形状主要以方形为主，根据电池形状可适当改变，使其紧密安装在两排电池之间，与电池表面充分接触，便于传递电池产生的热量以及防止电池热失控的传递；复合板的厚度应为单体电池厚度的10％～40％。
6.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：导热壳的材料应采用高导热系数的金属及其复合材料，热传导系数k在200W/m·K～400W/m·K之间，金属为铜或铝，能够及时传递走电池产生的热量，提高散热效果；导热壳的厚度应为复合板厚度的5％～15％。
7.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：隔离板的材料应采用低导热系数的材料，热传导系数k低于3W/m·K，低导热系数的材料为玻璃纤维、石棉或电木，有效阻止热量的横向传播，防止电池热失控的传播；隔离板的厚度应为复合板厚度的10％～50％。
8.根据权利要求1所述的一种用于电池系统散热及防止热失控传播的复合板，其特征在于：相变材料应采用高相变潜热、导热率较高的相变体系，热传导系数在10W/m·K以上，相变材料为石蜡/膨胀石墨或石蜡/碳纤维，便于吸收导热壳传递的热量，提高电池组温度的均一性，相变材料的相变温度应在30℃～50℃，第一层和第二层相变材料的厚度均为复合板厚度的20％～30％，两层相变材料可以采用不同的相变材料。
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