CN107507937B - 一种隔热防火防爆电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种隔热防火防爆电池组，包括多个锂离子电池单体，电池单体通过先并联再串联的方式构成一个锂离子电池组，电池组放置在箱体中，箱体包括箱体内层和箱体外层，箱体的材质为酚醛树脂，箱体内层和/或箱体外层均包覆有隔热防火层，隔热防火层为三聚氰胺热固性泡沫阻燃层；于箱体侧面上端密封安装有防爆排气管，于防爆排气管末端通过螺纹密封连接有防水透气阀；每个电池单体均包括顶盖、正极、负极、电解液以及位于所述正极负极之间的隔膜；隔膜的材质为陶瓷材料，负极为碳纳米管，正极为磷酸铁锂，电解液为聚合物凝胶电解质或六氟磷酸锂。本发明的有益效果是：该设计具备良好的阻燃、防爆能力，能够显著提升锂离子电池组的安全使用性能。

Description

一种隔热防火防爆电池组
技术领域
本发明涉及电池组应用安全技术领域，尤其是涉及一种隔热防火防爆电池组。
背景技术
近年来，随着能源和环境问题的日益严峻，在节能减排、绿色信贷、绿色证券等产业政策和市场的推动下，电动汽车正在渐渐的引起社会和政府的重视，电动汽车也将成为未来汽车行业的一大分支。电动汽车核心部件之一是电池组。而电池组安全性能是决定该系统是否可用的技术关键。
随着技术的进步，锂离子动力电池系统的应用领域越来越广，对锂离子动力电池系统的性能及安全性要求也越来越高。为满足功率和能量的要求，当电动车依靠电池驱动时则需要将几百节单体电池串并联，一般由数十个单体电池并联封装成一个电池模块，再将若干个电池模块串联成一个电池组，最后将电池组置入电池箱中，当电池组处于极端工作环境下由于短路、热失控等引起电池组冒烟起火、爆炸、燃烧等现象，对电池组起火、燃烧无其他安全的处理结构及措施，常因为电池组内部起火导致箱体表面温度过高诱发电池箱体与整车附近上可燃物起火燃烧，从而导致电动车燃烧事故。
由此可见，如何研究出一种隔热防火防爆电池组，具备良好的阻燃、防爆能力，从而提升锂离子电池组的安全使用性能，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种隔热防火防爆电池组。
本发明一种隔热防火防爆电池组，包括多个锂离子电池单体，所述电池单体通过先并联再串联的方式构成一个锂离子电池组，所述电池组放置在箱体中，所述箱体为所述电池组的包装箱，所述箱体包括箱体内层和箱体外层，所述箱体内层和所述箱体外层通过环氧树脂粘结固定，所述箱体的材质为酚醛树脂，所述箱体内层和/或所述箱体外层均包覆有隔热防火层，所述隔热防火层的材质为三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料；所述三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料的厚度为30mm-50mm；于所述箱体侧面上端密封安装有防爆排气管，于所述防爆排气管末端通过螺纹密封连接有防水透气阀；每个所述电池单体均包括顶盖、正极、负极、电解液以及位于所述正极负极之间的隔膜；所述隔膜的材质为陶瓷材料，所述负极为碳纳米管，所述正极为磷酸铁锂，所述电解液为聚合物凝胶电解质或六氟磷酸锂。
进一步地，所述陶瓷材料为由二氧化硅或碳化硅经高温煅烧而成的多孔陶瓷材料。
进一步地，所述隔膜的厚度为30-45μm 。
进一步地，所述碳纳米管材料为掺杂有纳米氧化钛颗粒的碳纳米管。
进一步地，所述顶盖上设有防爆孔，所述防爆孔的数量为两个，包括大防爆孔和小防爆孔，所述大防爆孔的面积是小防爆孔面积的2-3倍。
进一步地，所述防爆孔上通过激光点焊方式密封连接有金属钛防爆膜，所述防爆膜为向所述电池单体内部凸起的球面，所述球面与焊接面交接部位下端设有开槽，所述球面最底部也开设有凹槽。
进一步地，所述防爆膜的厚度为0.7-0.8mm。
进一步地，所述开槽的深度为0.3-0.4mm，所述凹槽的深度为0.4-0.5mm。
进一步地，所述球面上端焊接有铍铜金属弹片。
进一步地，所述铍铜金属弹片的数量至少为三个，且呈环形阵列均匀固定在所述防爆孔周遭的顶盖上。
本发明一种隔热防火防爆电池组，与现有技术相比具有以下优点：
首先，该隔热防火防爆电池组中，将用于包装所述电池组的箱体材质设计为酚醛树脂材料，从而使该箱体具有质轻、高强和阻燃性能良好的特点；用于粘结所述箱体内层和外层的胶黏剂为环氧树脂胶，这种胶黏剂也具备良好的阻燃性能，且与酚醛树脂同属高分子材料，从而进一步提升箱体内层和箱体外层粘结的牢固程度。可见这两者相结合不仅大幅提升了箱体的机械强度，还使其防火性的得到质的提升。
其次，所述箱体内层和箱体外层均包覆有30-50mm的隔热防火层，且该隔热防火层的阻燃材料为三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料。因为三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料具有优异的耐化学性能，三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料可以表面或者全体泡沫做防水拒油处理，三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料的吸音，隔热，保温，阻燃性能都不会发生任何改变。由此可见该设计与所述箱体的结构设计相结合，可以为所述电池组营造一个更为安全的工作环境。
再者，当电池起火、冒烟、燃烧产生的气体可以通过防爆排气管排放到一个安全的位置，避免箱体内压过大产生爆炸风险。防爆排气管末端设置防水透气阀，箱体内氧气交换通过防水透气阀及防爆排气管传递到箱体内，氧气传递速率、传递量有限，可以降低火势大小，当氧气不足的时候火苗可以自动熄灭，从而保证了电池组的安全性能。
最后，为了进一步提升电池组工作过程中自身的防爆能力，所以在所述电池单体顶盖上开设有一大防爆孔和一小防爆孔，防爆孔上设有防爆膜。当电池单体内温度急剧上升，压力越来越大时，小防爆孔中的防爆膜先行裂缝释放压力，如果压力依旧过大则大防爆孔中的防爆膜会再次破裂以辅助电池单体内部压力的释放。该设计可进一步提升电池单体的防爆能力。之所以设计为大小两个防爆孔主要是为了使防爆膜在破裂释压完毕后，电池单体依然保证一定的密封性，从而可以再次正常充放电。
此外，为了使大防爆膜、小防爆膜破裂后均能顺利复位，所以将其设计为凸起朝下的球面结构，并在防爆膜上方设置用于使破裂防爆膜复位的铍铜金属弹簧片。也即，虽然防爆膜由下向上开裂变形，但是待电池单体内部压力释放完毕后，在铍铜金属弹簧片回弹作用下，破裂的防爆膜还会恢复至原位附近，从而保证电池单体的密封性需求，使其内部的电解液不会因为外界水蒸气的大量涌入而使其快速分解变质。另外，该设计与所述防水透气阀的设计相得益彰，从而可以有效延长锂离子电池单体的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中电池单体的结构示意图；
图3为本发明中电池顶盖的结构示意图；
图4为本发明中电池顶盖的另一种结构示意图。
图中：1、电池单体，2、箱体，3、隔热防火层，4、防爆排气管，5、防水透气阀，1.1、顶盖，2.1、箱体内层，2.2、箱体外层，1.1.1、小防爆孔，1.1.2、大防爆孔，1.1.3、铍铜金属弹片，1.1.4、防爆膜。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
如图1-2所示，一种隔热防火防爆电池组，包括多个锂离子电池单体1，所述电池单体1通过先并联再串联的方式构成一个锂离子电池组。所述电池组放置在箱体2中，所述箱体2为所述电池组的包装箱。为了提升所述箱体2的机械强度，所以将所述箱体2设计为双层保护结构，即其包括箱体内层2.1和箱体外层2.2，所述箱体内层2.1和所述箱体外层2.2通过环氧树脂粘结固定。所述胶黏剂种类的选择以方便是考虑其粘结牢固程度，另一方面则是考虑其阻燃性能。同样为了提升所述箱体2的阻燃性能，所以将所述箱体2的材质设计为酚醛树脂。
此外，为了进一步强化所述箱体2对所述电池组的保护作用，所以在所述箱体内层2.1和/或所述箱体外层2.2均包覆有隔热防火层3，所述隔热防火层3与所述箱体内层2.1和/或所述箱体外层2.2可以通过环氧树脂胶固定连接。
为了使所述隔热防火层3具备良好的隔热、阻燃性能，所以将所述隔热防火层3的材质设计为三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料。为了使所述隔热防火层3具备充足的隔热防火能力，所以将所述三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料的厚度设计为30mm-50mm。
因为三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料具有良好的化学稳定性，所以可以在三聚氰胺泡沫表面进行喷涂，上漆，背胶，溶液，树脂，细菌培养等都可以直接接触三聚氰胺泡沫，且不改变其理化性能。因此，为了进一步提升所述隔热防火层3的耐高温能力，可以在所述三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料外表喷涂一层耐高温涂料，如一层结构致密的镍基合金耐高温层，该设计可以使所述箱体2的耐高温能力高于1000℃。
此外，为了使所述箱体2具有一定的防爆能力，所以在所述箱体2侧面上端密封安装有防爆排气管4，于所述防爆排气管4末端通过螺纹密封连接有防水透气阀5。
所述防水透气阀5为一种新型防水透气组件。防水透气阀5包括金属防水透气阀和注塑防水透气阀。金属防水透气阀是一种金属材料经过高精密设备加工，并后加入微孔e-PTFE（expended polytetrafluoroethylene）膜材制作成型的金属防水透气阀。注塑防水透气阀是一种塑胶材料嵌入微孔e-PTFE膜材注塑成型的防水透气阀。所述防水透气阀5可以为这两款中的任意一种。
防水透气阀5能够有效防止罩壳结雾和结露，可有效抵御酸雨、盐份和其它腐蚀性液体的影响；防水透气阀5具有极高的透气量，也即罩壳内部能和外部实现不断的气体交换大大降低罩壳密封条所承受的应力，从而最大程度地减少故障发生几率，延长罩壳使用寿命维护简单；防水透气阀5可安装在设备外部，为设计和生产带来极大便利。
本实施例除了从包装方面为锂离子电池组的正常工作提供安全运行环境，还需要考虑锂离子电池单体1自身的安全防爆性能。本实施例中，每个所述电池单体1均包括顶盖1.1、正极、负极、电解液以及位于所述正极负极之间的隔膜。所述负极为碳纳米管，所述正极为磷酸铁锂，所述电解液为聚合物凝胶电解质或六氟磷酸锂。
为了使所述隔膜具有良好的耐高温能力，避免温度过高而失效，使电池单体1内部形成短路，所以将所述隔膜设计为陶瓷隔膜。那么该陶瓷隔膜是由二氧化硅或碳化硅经高温煅烧而成的多孔陶瓷材料。为了进一步保障所述隔膜在电池单体1充放电过程中能够始终充分发挥其隔离作用，所以将所述隔膜的厚度为30-45μm ，该设计可以有效延长所述隔膜的使用寿命，更能够大幅提升所述电池单体1的使用寿命。
为了使所述电池单体1的负极能够更好的嵌入和嵌脱锂离子，使电池单体1的充放电进行的更为顺利，所以将负极材料设计为由碳纳米管材料制备而成。此外，为了进一步提升所述负极材料的电学性能，所以将所述碳纳米管材料设计为掺杂有纳米氧化钛颗粒的碳纳米管。这种材料为新兴现有材料。
如图3-4所示，为了使电池单体1具有良好的防爆能力，所以在所述顶盖1.1上设有防爆孔，所述防爆孔的数量为两个，包括大防爆孔1.1.2和小防爆孔1.1.1，所述大防爆孔1.1.2的面积是小防爆孔1.1.1面积的2-3倍。所述防爆孔上通过激光点焊方式密封连接有金属钛防爆膜1.1.4，所述防爆膜1.1.4为向所述电池单体1内部凸起的球面。所述防爆膜1.1.4的厚度为0.7-0.8mm。该设计主要是为了在保证电池单体1有防爆孔释压完毕后还能最大限度保证密封性能，即只要能够破小口解决压力释放问题就不要裂大口。
为了使所述防爆膜1.1.4具有适宜的承压能力，所以在所述球面与焊接面交接部位下端设有开槽，所述球面最底部也开设有凹槽。其中，所述开槽的深度为0.3-0.4mm，所述凹槽的深度为0.4-0.5mm。
最后，为了使破裂的防爆膜1.1.4能够顺利回弹至初始位置附近，所以在所述球面上端焊接有回弹性能良好的铍铜金属弹片1.1.3。为了提高所述铍铜金属弹片1.1.3辅助所述破裂防爆膜1.1.4的回弹复位效果，所以将所述铍铜金属弹片1.1.3的数量设计为至少三个，且呈环形阵列均匀固定在所述防爆孔周遭的顶盖1.1上。
此外，为了使电池组中每个电池单体1在内部发生短路后能够及时与主电路断开，所以可以在处于并联电路上的每个所述电池单体1的连接线路上安装有保险丝，一旦所述电池单体1内部发生短路，所述保险丝变会熔断；该设计可以避免传统温度探测到电池单体1升温时，便立即可以告知IC（Integrated Circuit）切断主回路，但无法阻止并联电池模组内部的持续放电，并且由于主回路切断，电池模组所有的能量都集中于内短路电池，反而增加了热失控发生几率。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种隔热防火防爆电池组，包括多个锂离子电池单体（1），所述电池单体（1）通过先并联再串联的方式构成一个锂离子电池组，其特征在于：所述电池组放置在箱体（2）中，所述箱体（2）为所述电池组的包装箱，所述箱体（2）包括箱体内层（2.1）和箱体外层（2.2），所述箱体内层（2.1）和所述箱体外层（2.2）通过环氧树脂粘结固定，所述箱体（2）的材质为酚醛树脂，所述箱体内层（2.1）和/或所述箱体外层（2.2）均包覆有隔热防火层（3），所述隔热防火层（3）的材质为三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料；所述三聚氰胺热固性泡沫阻燃材料的厚度为30mm-50mm；于所述箱体（2）侧面上端密封安装有防爆排气管（4），于所述防爆排气管（4）末端通过螺纹密封连接有防水透气阀（5）；每个所述电池单体（1）均包括顶盖（1.1）、正极、负极、电解液以及位于所述正极负极之间的隔膜；所述隔膜的材质为陶瓷材料，所述负极为碳纳米管，所述正极为磷酸铁锂，所述电解液为聚合物凝胶电解质或六氟磷酸锂；
所述陶瓷材料为由二氧化硅或碳化硅经高温煅烧而成的多孔陶瓷材料；所述隔膜的厚度为30-45μm；所述碳纳米管材料为掺杂有纳米氧化钛颗粒的碳纳米管；所述顶盖（1.1）上设有防爆孔，所述防爆孔的数量为两个，包括大防爆孔（1.1.2）和小防爆孔（1.1.1），所述大防爆孔（1.1.2）的面积是小防爆孔（1.1.1）面积的2-3倍；所述防爆孔上通过激光点焊方式密封连接有金属钛防爆膜（1.1.4），所述防爆膜（1.1.4）为向所述电池单体（1）内部凸起的球面，所述球面与焊接面交接部位下端设有开槽，所述球面最底部也开设有凹槽；所述球面上端焊接有铍铜金属弹片（1.1.3）。
2.根据权利要求1所述的隔热防火防爆电池组，其特征在于：所述防爆膜（1.1.4）的厚度为0.7-0.8mm。
3.根据权利要求1所述的隔热防火防爆电池组，其特征在于：所述开槽的深度为0.3-0.4mm，所述凹槽的深度为0.4-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的隔热防火防爆电池组，其特征在于：所述铍铜金属弹片（1.1.3）的数量至少为三个，且呈环形阵列均匀固定在所述防爆孔周遭的顶盖（1.1）上。
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