CN106129295B - 圆柱锂电芯支架及动力电池包 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱锂电芯支架及动力电池包，其中圆柱电芯支架包括无机发泡支架和第一金属支撑突起、第二金属支撑突起，所述无机发泡支架为采用无机发泡一体成型的发泡块状结构，在无机发泡支架的两侧设置有若干个均匀布置的敞口C形凹槽，在C形凹槽的底部镶嵌有第一金属支撑突起，在C形凹槽的两侧镶嵌第二金属支撑突起。本发明抗爆性能好，在电芯自爆的过程中，发泡支架可发生粉碎性自毁，吸收爆炸能量，吸收撞击能量，提高新能源车的安全性能。

Description

圆柱锂电芯支架及动力电池包

技术领域

该发明涉及动力电池技术领域，具体地说是新能源汽车用动力电池包。

背景技术

目前我国流行锂离子动力电，磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。

锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂、锰酸锂完全相同。

磷酸铁锂电池，同样有危险性。因为，磷酸铁锂也是一种锂离子电池。从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程，这一原理与钴酸锂、锰酸锂完全相同。而锂的化学性质非常活泼，很容易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中所产生的气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，如外壳有伤痕，即会破裂，引起漏液、起火甚至爆炸。

从技术理论来看，磷酸铁锂电池，对电池的起火爆炸等危险性有小部分的改善，但很不彻底，危险性一样突出。

在各种情况下，电池外部短路、内部短路、过充都存在发生危险的可能。

如何化解上述的风险，是本领域的重要研究方向。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供锂电芯动力电池总成，首先用于解决电池包中各个电芯之间散热不充分的问题，提供一种在一定温度范围内的可控的近似恒温的动力电池总成，同时解决电芯发热膨胀带来的电芯错位的问题，同时，寻找一种廉价、抗爆、不燃的电芯支架，同时，便于组装和生产，模块化，结构紧凑化，降低使用和制造成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

圆柱电芯支架，其特征在于，包括无机发泡支架和第一金属支撑突起、第二金属支撑突起，所述无机发泡支架为采用无机发泡一体成型的发泡块状结构，在无机发泡支架的两侧设置有若干个均匀布置的敞口C形凹槽，在C形凹槽的底部镶嵌有第一金属支撑突起，在C形凹槽的两侧镶嵌第二金属支撑突起。

所述第一金属支撑突起和第二金属支撑突起为金属冲压件。

圆柱电芯动力电池包，其特征在于，包括壳体、无机发泡支架、上罩和下罩，

所述无机发泡支架为采用无机发泡一体成型的发泡块状结构，在无机发泡支架的两侧设置有若干个均匀布置的敞口C形凹槽，在C形凹槽的底部镶嵌有第一金属支撑突起，在C形凹槽的两侧镶嵌第二金属支撑突起(32)，若干无机发泡支架并列形成一体，且在相邻的两个无机发泡支架之间形成若干圆形电芯安装孔(第一圆孔)，每一电芯安装孔中安装一个电芯；

所述壳体是由第一、第二子壳体相对扣合而成的；第一、第二子壳体为对称结构，且中间通过紧固安装部形成一体，若干所述无机发泡支架位于两个子壳体内腔中；

在第一子壳体上设置有若干与第一圆孔一一对应的第二圆孔，在第二圆孔中嵌入一个集气喷嘴，所述集气喷嘴正对着汇流条焊接点，在集气喷嘴内侧的第一子壳体上设置有若干用于支撑锂电芯端部的突起，在电芯和集气喷嘴之间形成气流通道，

在第二子壳体上设置有若干与第一圆孔一一对应的第三圆孔，在第三圆孔中嵌入一个气流调节阀片，所述气流调节阀片是由固定部和片部组成的记忆合金片状体，在常温状态下，片部处于关闭状态，当第一圆孔内部温度达到设定阀值后，片部自行打开；在气流调节阀片内侧的第二子壳体上设置有若干用于支撑锂电芯端部的支撑结构，在电芯和气流调节阀片之间形成气流通道；

在两个子壳体上分别卡接固定一个上罩和一个下罩，所述上罩上的收口为冷风进口，所述下罩上的接口为热风出口；

在所述电芯的两端分别使用电流汇流条电连接，且所述汇流条落入汇流条缺口内，所述汇流条汇总后通过导线自壳体上的电缆引出口引出，并在电缆引出口处设置密封结构。

所述上罩和下罩内腔内设置有单向透气膜。

在与上罩和下罩结合的两个子壳体外表面设置有增加气流速度的凹槽。

所述汇流条通过导线自壳体上的电缆引出口引出，并在电缆引出口处进行密封处理。

所述密封处理为热塑焊接密封。

在第一、第二子壳体配合面处使用至少双层密封。

所述上罩和下罩为工程塑料注塑件。

锂电动力车，包括车架、方向盘、车轮、动力电池总成和控制模块，其特征在于，所述动力电池总成为圆柱锂电芯动力电池总成，所述动力电池总成安装在车架上，所述动力电池的冷风进口汇集到第一总管道，热风出口汇集到第二总管道，其中第一总管连接一个风机，风机外侧连接第一进气口和第二进气口，其中第一进气口位于轿车驾驶室内，且在驾驶室内的第一进气口处设置有过滤棉，第二进气口位于后侧行李箱内，在第二进气口处设置有过滤装置，第二总管道连接第一出风口、第二出风口和第三出风口，其中第一出风口位于轿车驾驶室内，第二出风口位于行李箱内，第二出风口与所述第二进风口合并，第三出风口位于车架底盘处。

本发明的有益效果是：

核心部件包括发泡支架，采用建筑无机废料回收后制作，可以降低生产成本，并有效的循环再利用。

无机发泡支架，具有不燃特性，在某一电芯发热、自然的情况下，可以对邻近的电芯形成有效的隔离，满足A级防火的要求。

支架可拼装使用，便于动力电池的模块化设计，适应能力强。

无机发泡支架采用二氧化碳、氮气物理发泡技术，在发泡的同时，二氧化碳、氮气被包覆在气泡中，在支架撞击发生粉碎性自毁后，可以释放，在壳体内形成缺氧环境，防止电池总成发生连锁爆炸。

抗爆性能好，在电芯自爆的过程中，发泡支架可发生粉碎性自毁，吸收爆炸能量，吸收撞击能量，提高新能源车的安全性能。

核心部件的无机发泡支架为无机耐温零部件，无论是耐高温、强度，绝缘性都能满足锂电池的使用要求。

便于组装，都是插接结构，提高装配效率，便于后期的维护。

冷风根据设计路线在每一个电芯单体的周围通过，且内腔中的空间较大，可以使得风速减缓，最大程度的与电芯发热进行热交换产生较好的换热效果。

金属支撑突起与电芯接触，可以迅速的转移电芯的热量，产生的热量也被带走，形成更好的热交换效果。

质轻，降低动力电池的总重量，比传统的电池支架降低自重至少20％，成本降低一半以上。

附图说明

图1为圆柱形锂电芯的立体图。

图2为支架与锂电芯的配合立体图。

图3为支架的立体图。

图4为第二金属支撑突起的立体图。

图5为第一金属支撑突起的立体图。

图6为第一子壳体的立体图(正面)

图7为第一子壳体的立体图(背面)。

图8为本发明的立体图。

图9为本发明剖视图。

图10为图7省略上罩后的立体图。

图11为无机发泡支架与电芯的配合示意图。

图12为上罩的立体图。

图13为气流调节阀片的立体图。

图14为本电池散热系统在车中的布置示意图。

图15为电池散热系统的进、出风风路示意图。

图中：1 壳体，11 第一子壳体，111 集气喷嘴，12 第二子壳体，121 气流调节阀片，1211 固定部，1212 片部，13 电缆引出口，14 安装部，2 无机发泡支架，21 第一圆孔，22 汇流条缺口，23 C形凹槽，31 第一金属支撑突起，32 第二金属支撑突起，4 汇流条，5上罩，5’ 下罩，51 冷风进口，52 热风出口，53单向透气膜，6 电芯，71 第一总管道、72 第二总管道、7 风机、711 第一进气口、712 第二进气口、721 第一出风口、722 第二出风口、723 第三出风口，73 闸阀。

具体实施方式

如图1至图15所示，针对现有缺陷，本发明的保护主体如下：

开发的是一种锂电芯动力电池包，现有的圆柱形锂电池在安装过程中存在两种情况，一种是直接使用膜类材料进行捆绑，形成动力电池包，这种动力电池包存在的问题是，容易积累热量，造成温度升高，自膨胀、漏液、自燃、自爆，安全性差，针对这一问题，现有的解决方案是，增加一个框架，现有的框架具有热胀冷缩现象依然明显，例如中国专利CN204927374U中公布的方案，其中支架采用注塑件，具有绝缘和定位的作用，可以方便圆柱形锂电池的装配，但是，上述的结构没有形成风道，对于电芯的散热没有根本上解决，且存在以下问题：支架为塑料件，具有易燃的特性，塑料密度虽然比金属低，但是支架是实心的，自重较大，约占电芯重量的十分之一左右，另外抗震隔声效果也不好。

要解决的技术难题在于：

难题一：在动力电池工作期间，单个电芯存在热胀效应，多个电芯的膨胀量累计在电池包上，就会形成巨大的形变，造成电极位置的错位，目前的解决措施是，电极设计成U型，用于弥补电芯之间的位移和形变。

难题二：单个电芯发生短路的情况下，由于电芯之间是靠近的，没有支架进行隔离，且电芯和汇流条的材质为锂材质，本身高温易燃，会引发相邻之间的电芯的爆燃。

难题三：冷却风处于无序的流动状态，不能针对电芯进行有效的降温，不能在电芯附近形成均匀的风场，各个电芯处的温度不均匀，造成电芯内阻不一致，耗电增加。

难题四、自重大，锂电电芯本身密度大，再加上金属外壳，自重更大，自重占车身自重的一半以上。

难题五，支架、金属壳等制作成本高。

基于上述的描述，本发明提供的圆柱锂电芯动力电池总成，以及对电池进行降温的风调节结构。

动力电池总成包括壳体1、无机发泡支架2、上罩5、下罩5’。

壳体1采用注塑件，是由上、下两个子壳体相对安装形成的，并使用螺栓紧固，内部形成一个矩形空间，内部用于安装电芯。

上述壳体也可以采用薄的金属钣金件。

所述无机发泡支架2为采用无机发泡一体成型的发泡块状结构，在无机发泡支架的两侧设置有若干个均匀布置的敞口C形凹槽23，在C形凹槽的底部镶嵌有第一金属支撑突起31，在C形凹槽的两侧镶嵌第二金属支撑突起32，若干无机发泡支架并列形成一体，且在相邻的两个无机发泡支架之间形成若干圆形电芯安装孔，电芯安装孔标记为第一圆孔21，第一圆孔是由两个相对的C形凹槽扣合形成的，每一电芯安装孔中安装一个电芯。

无机发泡支架2为发泡材料，具有轻质的特点，且是无机材料，且是发泡结构，可以有效的缓冲电芯单体爆炸带来的冲击，具有不燃性能，能够满足防火、防爆的要求。

无机发泡支架2为“1”字形板状结构，在无机发泡支架的两侧设置有若干个均匀布置的敞口C形凹槽，相邻的两个无机发泡支架合拢后形成一个圆形。

在上述C形凹槽的的底部及两个侧边设置有金属支撑突起，该金属支撑突起根据位置不同分为第一金属支撑突起31和第二金属支撑突起32，其中第一金属支撑突起31位于C形凹槽23的底部，镶嵌在无机发泡支架上，且在第一金属支撑突起的顶部为圆弧过渡，便于电芯的安装和装配。

第二金属支撑突起32位于C形凹槽的两侧，镶嵌在无机发泡支架上，对电芯的两外两个垂直方位进行支撑。

上述的两种类型的金属支撑突起采用薄的不锈钢冲压件制作而成，质轻并具有一定的弹性。以及有效增加表面积，不影响内外表面与第一圆孔和电芯的配合，同时又可以增加侧面的散热面积，并使得通过该波纹套筒的气流发生紊流，提高散热效果。

简化装配工作，可以有效的增加散热面积，有利于电芯的散热和换热，电芯产生的热量被同步的释放出来。同时褶皱的存在有利于在撞击的过程中吸收能量。

在发生剧烈碰撞过程中，无机发泡支架2粉碎性开裂可以吸收大量的碰撞能量。

无机发泡支架2采用陶粒、发泡水泥，使用二氧化碳、氮气发泡工艺制作而成，具有质轻、隔热、防爆、不燃的特点。

陶粒的外观特征大部分呈圆形或椭圆形球体，陶粒的粒径一般为5㎜至20㎜最大的粒径为25㎜。本发明中使用的陶粒为免烧陶粒，属于轻质材料，轻质性是陶粒许多优良性能中最重要的一点，陶粒的内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，这些微孔都是封闭型的，而不是连通型的。

陶粒的细小颗粒部分称为陶砂，在陶粒中有许多小于10㎜的细颗粒，在生产中用筛分机将这部分细小颗粒筛分出来，习惯上称之为陶砂。陶砂的密度略高，化学和热稳定性好。

自膨胀系数小，利用建筑垃圾生产陶粒是一种绝佳的途径，该陶粒是将城市生活垃圾处理后，经造粒、焙烧生产出烧结陶粒，或将垃圾烧渣加入水泥造粒，自然养护，生产出免烧垃圾陶粒。

本发明充分利用陶粒这一特性，解决动力电池中的支撑、防爆、防火问题。

在普通的碰撞过程中，无机发泡支架具有很好的减震、缓冲性能，能有效的保护内部的电芯。

在无机发泡支架2两个端面上分别有效的设置汇流条缺口22，用于安装汇流条，汇流条非接触部位镶嵌在内部，可以有效的对汇流条形成保护，阻燃，提高整体安全性能。

无机发泡支架为隔热体和绝缘体，可以有效的绝缘。

两个子壳体包覆在无机发泡支架2两侧，其中无机发泡支架为多个，规律的布置、叠加，形成安装锂电芯的通道，并在无机发泡支架的外侧形成一个包覆体，两个子壳体分别标记为第一子壳体11和第二子壳体12，对上述的无机发泡支架形成保护，隔断，避免浸水，同时有利于提高整体的抗压、抗撞击能力。

上述的无机发泡支架根据位置的不同，分为主支架和副支架，其中主支架参考图3，副支架为主支架的一半，即，仅仅具有一侧设置有C形凹槽及金属支撑突起。

子壳体是由四个侧面和一个顶面组成的外壳，为工程塑料材质，在敞口部分设置一个紧固安装部14，用于两个子壳体的连接，使用螺栓进行连接，连接后的效果参考图7。

子壳体具有绝缘性能。

在第一子壳体11的顶面上设置有若干第二圆孔，在第二圆孔中嵌入一个集气喷嘴111，该集气喷嘴的结构如图5所示，集气喷嘴为圆形，有一个圆形的喷嘴，汇流条4自喷嘴正好对着汇流条焊接点，当进气管中的气压较高时，气流会自集气喷嘴中喷出，并作用在汇流条与电极的焊接点处，使得焊接点处的温度维持在较低状态，有利于焊接点处的温度降低。

在集气喷嘴111的内侧的第一子壳体的内表面设置有若干突起112，用于支撑锂电芯的端部，在电芯和集气喷嘴11之间形成气流通道，参考图8和图5。

在第二子壳体12的第三圆孔中嵌入一个气流调节阀片121，该气流调节阀片121为一记忆合金材质的片状体，参考图13，包括固定部1211和片部1212，其中片部和固定部为一体冲压成型，采用记忆合金材质，在常温状态下，片部相当于一个闸门，处于关闭状态，仅仅有微量气流通过，当内部温度达到该合金的变化阀值后，会进行打开，形成一种打开状态。气流加速，参考图13。

在第二子壳体12的第三圆孔内表面设置有有突起状的支撑结构，与第一子壳体上的突起112结构相同，均布，在电芯和第二子壳体之间形成气流通道。

上述的结构可以对汇流条与电极焊接点处进行特别降温(此处发热量最大)，并通过具有记忆功能的气流调节阀片进行调节气流大小。

在两个子壳体配合面处使用至少双层密封，采用橡胶密封圈，保证内部的电芯处于密封状态，避免浸水和受潮。

在两个子壳体上分别卡接固定一个上罩5和一个下罩5’，其中，上、下罩结构相同，以上罩为例进行说明，上罩，优选工程塑料注塑件，整体为矩形的壳体状，其中，在罩的一端端部具有一个收口，并设计成成圆形收口，上罩5上的收口为冷风进口51。

在上述的上罩和下罩内腔内设置有单向透气膜53，可以允许空气通过，阻止水分子通过，使得无机发泡支架及内部是干燥的，并在整体上具有24小时防水性能，可提高动力电池的涉水性能，提高电池的安全性能。

在与上罩和下罩结合的两个子壳体外表面设置有凹槽，形成气流通道。

下罩5’固定在下接头上，对上罩对称设置，且下罩上的接口为圆形收口，为热风出口52。

在上述的电芯的两端分别焊接一铜镍复合片，形成电流汇流条4，用于相邻之间的电芯6的连接，其中，铜镍复合片为直的金属片，并在铜镍复合片的两端为焊接点，通过焊接的方式与上述的电芯的两个电极进行电连接。

上述的汇流条卡设在无机发泡支架的汇流条缺口22，最终，汇流条通过导线自壳体上的电缆引出口13引出，并在电缆引出口13处进行密封处理，例如，热塑焊接进行封闭。

上述的多个电芯6通过并联的方式形成一列，形成一个单元，参考图10，然后单元之间串联，形成一个动力电池包。

多个动力电池包之间并联连接形成汽车动力源。

一个动力电池总成使用一个壳体进行集成，参考图7。

在每一个冷风进口51通过一个弯管连接到第一支管上，多个第一支管汇集后连接到进风管上处，每一个热风出口52通过一个弯管连接到第二支管中，多个第二支管连接到出风管处。

一种电动轿车，其中设置有动力电池，动力电池包设置在车架的不同位置，多个动力电池的进风管汇集到第一总管道71，出风管汇集到第二总管道72，其中第一总管连接一个风机7，风机外侧连接一个两个进气口，为便于区分，标记为第一进气口711和第二进气口712，其中第一进气口711位于轿车驾驶室内，且在驾驶室内的第一进气口处设置有过滤棉，第二进气口712位于后侧行李箱内，在第二进气口处设置有过滤装置。该过滤装置为三级过滤，包括过滤棉、过滤布和过滤器，实现精准过滤。

第二总管道72连接三个出风口，为便于区分，标记为第一出风口721、第二出风口722和第三出风口723，其中第一出风口位于轿车驾驶室内，第二出风口位于行李箱内，并与上述的第二进风口合并，对过滤装置进行反吹，具有一定的清理效果，第三出风口723位于车架底盘处，用于排空。

在上述的三个出风口和一个进风口处设置有闸阀73，闸阀为电磁阀，通过电磁阀的切换，用于控制风道的切换。

在冬季，室外低于0摄氏度时，起始阶段需要对电池电芯进行加热，循环风在第一进风口进风，采集的是驾驶室内的空气，对电池降温后的热风返回到驾驶室内，形成内循环模式。

在夏季，室外温度高于30摄氏度时，循环风在第一进风口进风，采集的是驾驶室内的空气，对电池降温后的热风通过第三出风口外排，形成内吸外排模式。

在春季或者秋季等季节，室外温度在十多摄氏度，自第二进风口进风，然后自第三出风口外排，形成循环模式。

通过上述多组模式的选择，可以实现全天候的工作。

进一步地，配合电池管理系统，可以在上述的下罩内侧集成一个温度采集元件，腔内的温度，通过控制风机的鼓风量控制电池的温度。

通过上述的实施，可以将电芯的温度控制在20至40度之间的合理范围内，且各个电芯的温度场均匀一致。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，包括壳体（1）、无机发泡支架（2）、上罩（5）和下罩（5’），

所述无机发泡支架（2）为采用无机发泡一体成型的发泡块状结构，在无机发泡支架的两侧设置有若干个均匀布置的敞口C形凹槽，在C形凹槽的底部镶嵌有第一金属支撑突起（31），在C形凹槽的两侧镶嵌第二金属支撑突起（32），若干无机发泡支架并列形成一体，且在相邻的两个无机发泡支架之间形成若干第一圆孔，每一第一圆孔中安装一个电芯；

所述壳体（1）是由第一、第二子壳体相对扣合而成的；第一、第二子壳体为对称结构，且中间通过紧固安装部（14）形成一体，若干所述无机发泡支架并列位于两个子壳体内腔中；

在第一子壳体（11）上设置有若干与第一圆孔一一对应的第二圆孔，在第二圆孔中嵌入一个集气喷嘴（111），所述集气喷嘴正对着汇流条焊接点，在集气喷嘴（111）内侧的第一子壳体上设置有若干用于支撑锂电芯端部的突起（112），在电芯和集气喷嘴（111）之间形成气流通道，

在第二子壳体（12）上设置有若干与第一圆孔一一对应的第三圆孔，在第三圆孔中嵌入一个气流调节阀片（121），所述气流调节阀片（121）是由固定部(1211）和片部（1212）组成的记忆合金片状体，在常温状态下，片部处于关闭状态，当第一圆孔内部温度达到设定阈值后，片部自行打开；在气流调节阀片（121）内侧的第二子壳体上设置有若干用于支撑锂电芯端部的支撑结构，在电芯和气流调节阀片之间形成气流通道；

在两个子壳体上分别卡接固定一个上罩（5）和一个下罩（5’），所述上罩（5）上的收口为冷风进口（51），所述下罩（5’）上的接口为热风出口（52）；

在所述电芯的两端分别使用电流汇流条（4）电连接，且所述汇流条落入汇流条缺口内，所述汇流条汇总后通过导线自壳体上的电缆引出口（13）引出，并在电缆引出口（13）处设置密封结构。

2.根据权利要求1所述的圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，所述上罩和下罩内腔内设置有单向透气膜（53）。

3.根据权利要求1所述的圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，在与上罩和下罩结合的两个子壳体外表面设置有增加气流速度的凹槽。

4.根据权利要求1所述的圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，所述汇流条通过导线自壳体上的电缆引出口（13）引出，并在电缆引出口（13）处进行密封处理。

5.根据权利要求1所述的圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，所述密封处理为热塑焊接密封。

6.根据权利要求1所述的圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，在第一、第二子壳体配合面处使用至少双层密封。

7.根据权利要求1所述的圆柱锂电芯动力电池包，其特征在于，所述上罩和下罩为工程塑料注塑件。