CN106450566A - 一种具有防灾害系统的动力电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有防灾害系统的动力电池模组，包括单体电池和电池模块，所述单体电池包含电池芯、电池芯外壁、相变材料、温度传感器、壳体和底座，所述电池模块包含框体、相变材料、通风孔道和顶盖。所述的相变材料为石墨、阻燃剂与(月桂酸、硬脂酸或石蜡中一种以上)的混合物。相变材料填充在电池芯和壳体之间充当尖状物的缓冲体和温度吸收体；电池芯的外壁由塑胶制成，电池芯固定在框体上端螺孔和底座中；温度传感器固定在塑胶表面以便随时控制电池芯的温度。该动力电池模组的针刺实验，又能实现动力电池在恶劣的环境中整体降温和温度均衡分布，而且采用低密度的高分子材料实现了该装置的轻量化。

Description

一种具有防灾害系统的动力电池模组
技术领域
本发明属于电池技术领域，更具体地，涉及一种具有防灾害系统的动力电池模组。
背景技术
从2014年开始，国内新能源汽车销量增长进入快车道，对动力电池的需求不断增长。然而，动力电池的安全性是制约其在电动汽车上使用的关键因素。通常，电池的内部发生短路，以及在高功率下易造成温度不均衡性，同时使温度升高是影响动力电池安全的重要原因。针对电池内部短路问题，通常采用针刺试验来模拟内部短路，当外界物体穿破电池时，由于刺穿隔膜造成了正负极的短接而发生化学反应，从而使电池内部的温度快速升高。一旦电池内部处于高温时就来不及向外散热，使得反应更加剧烈，甚至会出现漏液，冒烟等现象。严重时可导致电池内部发生剧烈的燃烧而爆炸。因此，针对以上现象，亟需开发一种既能通过针刺实验又能避免热失控的动力电池。
发明内容
本发明的目在于克服现有技术中电池的内部短路和在高功率下温度的不均衡性和易升温的问题，提供一种具有防灾害系统的动力电池及电池模组。该动力电池模组具有紧凑的结构，电池轻量化，循环周期长，成本相对较低的优点；动力电池模组中填充的相变材料作为碰撞物时的缓冲体和温度的吸收体，可避免外界金属等尖锐物体刺破电池腔体，并实现整个电池模组温度的均一性。
本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现：
一种具有防灾害系统的动力电池模组，包括单体电池和电池模块，所述单体电池包含电池芯、电池芯外壁、相变材料、温度传感器、壳体和底座，所述电池模块包含框体、相变材料、通风孔道和顶盖。
所述电池单体与框体之间填充相变材料。
所述单体电池的壳体与电池芯之间填充相变材料。
优选地，所述相变材料为石墨、阻燃剂和A物质的组合物；所述阻燃剂为氮化硅或炭化硅；所述A物质为月桂酸、硬脂酸或石蜡中的一种及以上。
上述框体上设置有通风孔道，所述通风孔道上端设置凸台，所述顶盖上设置与通风孔道上的凸台相对应的凹槽，所述凸台与凹槽相接可实现良好密封。
上述底座设置外螺纹，所述电池芯的上端设置外螺纹，所述壳体的下端和壳体的上端设置内螺纹，所述单体电池是电池芯由底座和壳体以螺旋方式固定。
优选地，所述电池芯外壁的材料为高导热系数的碳纤维和玻璃纤维。
优选地，所述的温度传感器用导热胶固定在电池芯外壁表面。
优选地，所述的导热胶为有机硅导热胶或导热硅脂。
优选地，所述壳体和框体的材料为碳纤维和玻璃纤维的复合材料。
本发明中所述的相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。
本发明的工作原理是将框体和电池单体之间填充相变材料，根据上述相变材料性能特点，通过框体里面设有的通风孔道来散发出相变材料所吸收的热量以控制温度的均一性。壳体和电池芯之间填充相变材料，是利用相变材料储能的优点和可作为尖状物碰撞时的缓冲体的特点，相变材料的相变点根据不同的动力设备选取最佳温度。采用具有低密度，强度高，高导热系数的碳纤维和玻璃纤维制成轻量化、强度高、导热和散热快的壳体，该壳体可抵挡受压，车体碰撞和针刺等实验的考验。温度传感器通过导热胶固定在塑胶表面，随时查看电池内部温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.散热作用：本发明提供的具有防灾害系统的动力电池模组，是用相变材料填充在框体和电池单体之间，通过相变材料先蓄热，进行热量缓冲，然后通过通风孔与外界环境进行热交换实现散热的目的。在电池短路以及高功率下，相变材料能迅速吸收所产生的大量热量，从而避免电池内部恶性的连锁反应，使电池内部处于高温时能及时降温和均温；同时，温度传感器通过导热胶固定在电池芯外壁表面，能随时检测到电池单体的温度示数，可以随时查看电池内部温度
2.缓冲作用：本发明的相变材料可以起到尖状物碰撞时的缓冲作用，本发明的相变材料中的月桂酸、硬脂酸或石蜡是一种柔性物质，而阻燃剂是一种具有一定硬度的物质，加上相变材料填充在壳体和电池芯之间必然起到缓冲作用。
3.稳定作用：电池单体通过塑胶表面的螺纹固定在框体和底座的螺孔中，避免动力电池在运行过程中颠簸等引起电池晃动。
4.轻量化和耐用性：本发明的电池芯外壁采用具有低密度(1.76～1.80g/cm-3)、强度高(强度为1000兆帕)以及高导热系数(700W/cm)的碳纤维和玻璃纤维，有利于该装置的轻量化，在长循环寿命等优势下了实现电池灾害防控性。
附图说明
图1为本发明具有防灾害系统的电池模组的整体图。
图2为本发明具有防灾害系统的电池模组的俯视图和剖面图。
图3为电池单体的剖面图、局部图和整体图。
图标说明：顶盖1，电池单体2，框体3，凹槽11，通风孔道31，电池单体2，单体电池孔32，电池芯21，电池芯的外壁22，相变材料33，壳体23，温度传感器25，底座24。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
本发明在框体和电池单体之间填充相变材料，通过相变材料先蓄热，进行热量缓冲，然后通过通风孔道与外界环境进行热交换实现散热的目的。采用能承受外界压力的玻璃纤维，碳纤维制成的壳体且相变材料在针刺实验和碰撞实验过程中充当压力的缓冲体。相变材料与电池单体构成一体，能够使动力电池在极其恶劣的环境下实现最佳温度，而且能保持电池单体温度的均衡性。
针对本发明的实施方式进行如下具体描述：
图1为本发明具有防灾害系统的动力电池的整体图。图2是本发明具有防灾害系统的电池模块的俯视图和剖面图。如图所示，动力电池模块主要由顶盖1，电池单体2，框体3组成，其中顶盖1设置凸台，框体3设置凹槽11，凹槽11和顶盖1上的凸台可实现良好密封。
顶盖1和框体3采用导热和耐热性能良好的碳纤维和玻璃纤维制成。
相变材料33填充在框体3和电池单体孔32之间以吸收电池单体2所产生的热量实现电池单体温度的均一性。
通风孔道31与框体3一起成型，通风孔道31上端设置凸起，顶盖1上相应的通风孔道设置凹槽11，凹槽和凸台可实现良好密封。通风孔道位置分布和数量按单体电池分布而定。
图3是电池单体的剖面图、局部图和整体图。如图3所示，电池芯21的外壁由塑胶22制成，而塑胶22主要成分是高导热系数碳纤维和玻璃纤维。相变材料33填充电池芯21和壳体23之间，可作为尖状物等物体碰撞时的缓冲体和温度的吸收体。壳体23由碳纤维和玻璃纤维组成。
相变材料33为0.5g石墨，0.5g氮化硅或碳化硅的混合物；
或为0.5g石墨，0.5g氮化硅或碳化硅，5g月桂酸的混合物；
或为0.5g石墨，0.5g氮化硅或碳化硅，5g硬脂酸的混合物；
或为0.5g石墨，0.5g氮化硅或碳化硅，5g石蜡的混合物。
电池芯外壁22表面附有温度传感器25，能随时查看电池单体2的温度示数。底座24设置外螺纹，电池芯21上端设置外螺纹，壳体23的下端和上端分别设置内螺纹，通过外螺纹和内螺纹相接可将电池芯21由底座24和壳体23以螺旋方式将单体电池固定，避免动力设备在运行过程中颠簸等引起电池单体晃动。实施例2刺穿试验
采用电池针刺试验机，产品型号：GT-BT-3104，电池针刺试验机相关参数如下：①Φ2～8mm的耐高温钢针；②针尖距离下部距离：放电池的平面150mm；③可夹距离150MM；④以10～40mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿(钢针停留在蓄电池中)；⑤贯穿力为150～200KG；⑥行程为150mm。依据上述针刺试验机参数进行实验，直径为Φ2～8mm的钢针以速度为30mm/s，贯穿力为180KG垂直贯穿内部带有相变材料的单体电池。测试结果为电池在针刺入的前期温度迅速升高到150℃，但迅速降到30℃，结果表明，这是由于相变材料大量吸收电池短路产生的热量。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有防灾害系统的动力电池模组，包括单体电池和电池模块，其特征在于，所述单体电池包含电池芯、电池芯外壁、相变材料、温度传感器、壳体和底座；所述电池模块包含框体、相变材料、通风孔道和顶盖。
2.根据权利要求1所述的具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述的电池单体与框体之间填充相变材料。
3.根据权利要求1所述具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述单体电池的壳体与电池芯之间填充相变材料。
4.根据权利要求1-3任一项所述的具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述相变材料为石墨、阻燃剂和A物质的组合物；所述阻燃剂为氮化硅或炭化硅；所述A物质为月桂酸、硬脂酸或石蜡中的一种以上。
5.根据权利要求1所述的具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述的框体上设置有通风孔道，所述通风孔道上端设置凸台，所述顶盖上设置与通风孔道上的凸台相对应的凹槽，所述凸台与凹槽相接可实现良好密封。
6.根据权利要求1所述具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述底座设置外螺纹，所述电池芯的上端设置外螺纹，所述壳体的下端和壳体的上端设置内螺纹，所述单体电池是电池芯由底座和壳体以螺旋方式固定。
7.根据权利要求1所述具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述电池芯外壁的材料为高导热系数的碳纤维和玻璃纤维。
8.根据权利要求1所述具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述的温度传感器用导热胶固定在电池芯外壁表面。
9.根据权利要求8所述具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述的导热胶为有机硅导热胶或导热硅脂。
10.根据权利要求1所述具有防灾害系统的动力电池模组，其特征在于，所述壳体和框体的材料为碳纤维和玻璃纤维的复合材料。
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