CN107732368A - 一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置 - Google Patents

一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置，属于电动汽车动力电池管理技术领域，包括电池模组、流道、底座以及铝板外套；所述电池模组包括多个相同的电池‑热管模块单元；各电池‑热管模块单元包括单体电池、绝热外套、导热铝片各2个以及热管组、绝热条各1个，两单体电池固定于绝热外套内侧，两导热铝片位于两单体电池之间，两导热铝片通过绝热条与热管组内各热管的蒸发段固定，热管下部的冷凝段置于流道内进行对流换热；电池模组整体通过底座与前后铝板外套进行固定。本装置可有效控制电池模组的温度和电池表面温差，同时抑制电池模组内的热失控扩展，提高电动汽车电池系统的安全性，为电池模组的安全设计提供了指导。

Description

一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置
技术领域
本发明属于电动汽车动力电池管理领域，特别涉及一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置。
背景技术
电动汽车作为一种清洁、环保的新型交通工具越来越受到人们的关注。锂离子动力电池(以下简称“动力电池”)作为一种比能量高、循环寿命高、自放电率低的动力电池，目前已经广泛应用于电动汽车内。动力电池的安全性是电动汽车的大规模发展与应用所需要解决的首要问题。当动力电池发生机械滥用、电滥用、热滥用时，均有可能触发动力电池的热失控。对于动力电池系统而言，一个电池包包含若干个电池模组，一个电池模组又包含若干节串联或并联的单体电池。单体电池热失控所释放的能量，很可能转递给周围的电池造成电池模组内的热失控扩展，进而造成电池包内的热失控扩展。单体电池热失控所释放的能量有限，但若发生热失控扩展，造成电池模组乃至电池包的热失控，则将释放出50-100kgTNT当量的能量，造成极大的危害，可能导致电动汽车发生起火、爆炸等情况。因此，当单体电池发生热失控时，必须抑制热失控在电池模组内发生扩展，严格将热失控限制在单体电池内。
目前绝大多数电动汽车内的电池模组结构，均为单体电池之间直接接触或者在单体电池之间增加导热铝片进行散热，如上汽EV/HEV的电池模组结构，这种电池模组的设计结构，虽然提高了电池模组的成组效率，但对于大容量锂离子电池的导热效果有限，并且当热失控发生时无法抑制电池模组内的热失控扩展。而目前用于抑制电池模组热失控扩展的专利较少，专利201410232534.7利用建模仿真的方法提出了一种在电池单体之间增加隔热层抑制热失控扩展的方法，并通过实验进行了验证了这种方法的可行性。由于动力电池的温度对电池的性能有很大的影响，温度过低或过高会导致电池容量衰减、寿命降低、电池模组一致性减弱等，增加隔热层仅能用于抑制热失控扩展而不能起到电池热管理的效果。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置，该电池模组结构相对于其他基于热管的电池热管理系统具有更高的成组效率，并且可以用于抑制电池模组内的热失控扩展。为了方便说明，本发明以4节电池构成的电池模组为例阐述其热失控扩展抑制结构，多节电池结构与之相同。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置，其特征在于，包括电池模组、用于传递冷却液体的流道、底座以及铝板外套；所述电池模组通过电池模组下部的底座和两侧的铝板外套进行固定，所述流道固定于电池模组下部；所述电池模组包括多个结构相同且沿电池模组厚度方向依次布设的电池-热管模块单元；
各电池-热管模块单元均包括2个对称设置的绝热外套和固定于绝热外套内侧的2节单体电池、1个热管组、1个绝热条以及2个导热铝片；其中，位于电池模组两端的绝热外套分别与所述铝板外套直接接触，各单体电池一侧与相应绝热外套内侧直接接触，各单体电池另一侧分别与1个所述导热铝片直接接触；所述热管组由多个相同且位于同一平面内的热管构成，各热管上端为蒸发端，各热管下端为冷凝端，各热管的蒸发端均通过所述绝热条分别与2个导热铝片固定，各热管的冷凝端置于所述流道内，且热管与流道之间采用密封连接，通过流道内冷却液体的强制对流换热进行电池散热。
各所述电池-热管模块单元中绝热外套与单体电池接触的表面与电池表面形状相配合，该绝热外套的两侧和底部边缘设有用于包裹单体电池的突起结构，且两侧突起结构的宽度不相等；所述绝热条上开设用于通过热管蒸发段的多个通孔。
所述热管为烧结铜粉末热管，并且以水作为热管内部的工作介质；热管为L型，热管冷凝段为圆管，热管蒸发段为厚度为2mm的平板。
所述流道包括上流道和下流道；其中，所述上流道上方开有形状与热管蒸发段相同的小孔，从而将热管蒸发端从下至上插入上流道之中，上流道与热管之间通过胶水进行密封；所述下流道两侧对称设有螺纹孔，并分别接入一个管道接头作为流道的入水口和出水口，上流道与下流道之间通过胶水进行密封。
所述底座的中心开有面积略小于流道上下表面积的孔，流道位于底座中心的下方，底座四角设有支撑立柱。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出了一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置。当电池模组正常工作时，可以用于电池模组的热管理，控制电池模组的温度和温差在最佳的范围内；当单体电池发生热失控时，可以抑制电池模组内的热失控扩展的发生。本发明将电池模组热管理与抑制电池模组的热失控扩展相结合，为电池模组的安全设计提供了指导。
本发明利用热管进行电池模组的热管理，由于热管蒸发段被压成2mm厚度的平板，因此本发明提出的电池模组具有较高的成组效率，基于热管的结构具有很好的导热性能，并且可以抑制电池模组的热失控扩展。
附图说明
图1是本发明的整体结构的三维示意图；
图2是本发明中整体结构的左视图；
图3是本发明中所述电池-热管模块单元的结构示意图；
图4是本发明中所述绝热外套的结构示意图；
图5是本发明中所述热管模块的结构示意图；
图6是本发明中所述流道的结构示意图；
图7是本发明实施例中，2C充放循环测试下电池模组最高温度和电压变化的测试结果。
图8是本发明实施例中，3C充放循环测试下电池模组最高温度和电压变化的测试结果。
图9是本发明实施例中，过充热失控工况下电池模组温度和电压变化的测试结果。
图中，1.电池模组、2.流道、3.底座、4.前铝板外套、5.后铝板外套、6.第一电池-热管模块单元、7.第二电池-热管模块单元、8.第一热管模块、9.第二热管模块、10.右上侧螺栓、11.右上侧螺母、12.右下侧螺栓、13.右下侧螺母、14.左下侧螺栓、15.左下侧螺母、16.左上侧螺栓、17.左上侧螺母、18.第一节电池、19.第二节电池、20.第三节电池、21.第四节电池、22.第一聚四氟乙烯绝热外套、23.第二聚四氟乙烯绝热外套、24.第三聚四氟乙烯绝热外套、25.第四聚四氟乙烯绝热外套、26.第一热管组、27.第二热管组、28.第一聚四氟乙烯绝热条、29.第二聚四氟乙烯绝热条、30.第一铝片、31.第二铝片、32.第三铝片、33.第四铝片、34.上流道、35.下流道
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置详细说明如下。
本发明实施例以包含4节单体电池的电池模组为例阐述本发明装置，多节单体电池结构与之相同。
本发明设计的一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制结构实施例整体结构如图1所示、左视图如图2所示，包括电池模组1、用于传递冷却液体的流道2、底座3、前铝板外套4和后铝板外套5；电池模组1通过电池模组下部的底座3和两侧的铝板外套(4和5)进行固定，前后铝板外套之间通过配套设置的螺栓和螺母(如图1、2中所示的右上侧螺栓10、右上侧螺母11、右下侧螺栓12、右下侧螺母13、左下侧螺栓14、左下侧螺母15、左上侧螺栓16以及左上侧螺母17)将电池模组1压紧后固定于底座3顶部，流道2固定于电池模组1下部；所述电池模组1包括多个(本实施例采用2个)结构相同且沿电池模组厚度方向依次布设的电池-热管模块单元(6、7)；各电池-热管模块单元包括2个对称设置的绝热外套和固定于绝热外套内侧的2节单体电池、1个热管组、1个绝热条以及2个导热铝片；其中，位于电池模组两端的绝热外套分别与所述铝板外套直接接触，各单体电池一侧与相应绝热外套内侧直接接触，各单体电池另一侧分别与1个所述导热铝片直接接触；1个热管组由多个(本实施例采用3个)相同且位于同一平面内的热管构成，热管与单体电池之间通过导热铝片进行导热，各热管上段为蒸发段，各热管下段为冷凝段，各热管的蒸发段均通过所述绝热条与2个导热铝片固定，各热管的冷凝段置于流道2内，且热管与流道2的接触处采用密封连接(本实施例采用胶水)，通过流道内冷却液体的强制对流换热进行电池的散热。
本实施例各部件的具体实现方式及其功能分别说明如下：
本实施例的电池模组1由2个结构相同的电池-热管模块单元构成，结构如图3所示，第一电池-热管模块单元6与第一电池-热管模块单元7之间直接接触，现以第一电池-热管模块单元6为例进行说明。第一电池-热管模块单元6包括2节铝塑膜电池(18、19，图中所示20、21为第二电池-热管模块单元7对应的单体电池)、2个聚四氟乙烯绝热外套(22、23，图中所示24、25为第二电池-热管模块单元7对应的绝热外套)，以及由1个热管组26(图中所示27为第二电池-热管模块单元7对应的热管组)、1个聚四氟乙烯绝热条28(图中所示29为第二电池-热管模块单元7对应的绝热条)和2个导热铝片构成的第一热管模块8；其中，聚四氟乙烯绝热外套22、23分别置于第一单体电池18和第二单体电池19的外侧，既起到固定电池的作用，同时又将不同的电池-热管模块单元相隔开，起到了不同的模块之间的隔热作用，第一热管模块8位于第一单体电池18和第二单体电池19的中间，与两节电池直接接触，起到了将两节电池在充放电过程中的产热传递出去的作用。
各所述电池-热管模块单元中绝热外套与单体电池接触的表面与电池表面形状相配合，该绝热外套的两侧和底部边缘设有用于包裹单体电池的突起结构，且两侧突起结构的宽度不相等；所述绝热条上开设用于通过热管蒸发段的多个通孔。本实施例第一电池-热管模块单元6中第一聚四氟乙烯绝热外套22与第二聚四氟乙烯绝热外套23的结构相同，现以第二聚四氟乙烯绝热外套23为例进行说明，如图4所示，第二聚四氟乙烯绝热外套23的前表面结构与第二单体电池19的外表面相合，后表面为平面，第二聚四氟乙烯绝热外套23的前表面中心有一凹陷的区域，对应着铝塑膜电池表面中心的正负极片所突出的区域，前表面凹陷区域的面积即为所述铝塑膜电池正负极片所突出区域的表面积，凹陷区域的厚度仅有0.8mm,保证聚四氟乙烯绝热外套硬度的同时又保证了电池模组的成组效率。该第二聚四氟乙烯绝热外套23的前表面的下、左、右三个边上均有突出的棱边，构成一个U型结构，从而将单体电池包围在该聚四氟乙烯绝热外套之中，本实施例中，第二聚四氟乙烯绝热外套23的下棱边的宽度为4.25mm，保证第二单体电池19可以被固定于聚四氟乙烯绝热外套之中，同时保证有足够的空间支撑第一热管模块中8的第一聚四氟乙烯绝热条28；第二聚四氟乙烯绝热外套23的左棱边的宽度为4.25mm，保证第二单体电池19和第一聚四氟乙烯绝热条28不会向左侧窜动；第二聚四氟乙烯绝热外套23的右棱边的宽度为1.25mm，保证第二单体电池19和第一聚四氟乙烯绝热条28可以从右侧被放入第二聚四氟乙烯绝热外套23之中。从而当装配第一电池-热管模块单元6时，第一聚四氟乙烯绝热外套22和第二聚四氟乙烯绝热外套23与第一聚四氟乙烯绝热条28之间的配合就保证了第一电池-热管模块单元6的结构稳定性。
本实施例第一热管模块8与第二热管模块9的结构相同，结构如图5所示，现以第一热管模块8为例进行说明。第一热管模块8包括第一热管组26，第一聚四氟乙烯绝热条28，以及第一导热铝片30和第二导热铝片31(图中所示32、33为第二热管模块9对应的导热铝片)；其中，第一热管组26包括位于同一平面内的三根结构相同的烧结铜粉末热管，并且选择将水作为热管内部的工作介质；为了节省系统的空间提升成组效率，热管组26采用L型的结构设计，L型热管的下部为热管的冷凝段，L型热管的上部为热管的蒸发段；热管冷凝端为直径为6mm的圆管，为了保证热管上部的蒸发端和导热铝片(30、31)紧密接触并提高电池模组的成组效率，热管蒸发端被压成了厚度为2mm的平板，热管的工作温度为30-250℃，因此当电池模组发生热失控导致温度超过100℃时，热管组26依然可以正常工作；第一聚四氟乙烯绝热条28的宽度为9mm、厚度为4mm，保证了其能够固定在第一聚四氟乙烯绝热外套22和第二聚四氟乙烯绝热外套23的底部中央，第一聚四氟乙烯绝热条28的中心线上开有长度为9.45mm,宽度为2.05mm的三个小孔，相邻两个小孔之间相隔48mm，热管蒸发端从小孔向上穿过聚四氟乙烯绝热条28，该聚四氟乙烯绝热条固定在热管蒸发段与冷凝段的交界处，从而保证了三根热管位于同一平面内以及热管组26结构的稳定，聚四氟乙烯绝热条还利用其良好的绝热性能，从而将热管的蒸发段与冷凝段所分开；第一导热铝片30和第二导热铝片31的表面积与单体电池正负极片所突出的面积相同，厚度均为0.5mm,分别与第一单体电池18和第二单体电池19的内侧直接接触，增强第一热管模块8的导热能力同时提高第一单体电池18和第二单体电池19的表面温度分布一致性。
所述流道2分为上流道34和下流道35，其中，所述上流道上方开有形状与热管蒸发段相同的小孔，从而将热管蒸发端从下至上插入上流道之中，上流道与热管之间通过胶水进行密封；所述下流道两侧对称设有螺纹孔，并分别接入一个管道接头作为流道的入水口和出水口，上流道与下流道之间通过胶水进行密封。本实施例流到2的结构如图6所示，上流道与下流道均为铝制的中空箱体结构，其中，上流道上开有两排长度为9.45mm,宽度为2.05mm的六个小孔，每排相邻两个小孔之间相隔48mm，将第一热管组26和第二热管组27的蒸发段从下至上插入上流道34对应位置的小孔中，从而使热管组的冷凝段位于流道2内；下流道35两侧的左右对称两端分别攻了一个直径为12mm螺纹孔，并分别接入一个管道接头作为流道的入水口和出水口，上流道34与下流道35之间通过胶水进行密封。
所述底座3和以及前铝板4和后铝板5用于固定电池模组1，如图1和图2所示，前后铝板之间通过四组螺栓、螺母进行连接和固定，从而保证电池模组1的结构紧凑性。底座3的中心开有面积略小于流道2上下表面积的孔，保证了热管组的冷凝段可以被放置到流道2内部，流道2位于底座3中心的下方，底座3通过位于四个角的四个立柱进行支撑。
本发明的具体装配顺序如下：
将第一热管组26和第二热管组27分别从下向上穿过上流道34，使热管组冷凝段位于流道2内，用胶水将热管组与上流道34在上流道34与热管组的接触处进行密封，将流道2放置到底座3的下方，接着将上流道34与下流道35用胶水进行密封，接着将第一绝热条和第二绝热条分别套入第一热管组26和第二热管组27之中，将第二单体电池19和第三单体电池20分别放置到第二绝热外套23和第三绝热外套24中后，分别将其从绝热外套右侧的位置，沿着第一绝热条28和第二绝热条29，插入到热管组之中，再将外侧的第两节电池和绝热外套按同样的方法插入，直到绝热外套两侧的底部突起与中间的特氟龙绝热条形成相互支撑的工字型结构，接着将四片导热铝片分别插入到相应的单体电池与热管组中间，最后将前后铝板4、5放置到电池模组1的前后并用螺栓和螺母进行整体结构的固定，整个电池模组热失控扩展抑制装置组装后应如图1所示。
所述基于热管的电池模组热失控扩展抑制结构中的四节电池串联后与电池充放电设备连接，以便给电池充放电测试。
本发明实施例的有效性验证：
所述基于热管的电池模组热失控扩展抑制结构中的导热铝片上贴有K型热电偶，以便进行电池充放电过程中的电池表面最高温度的测量。
如图7为本发明实施例中实际对电池组进行2C充放电循环时的电池表面温度和单体电池电压的变化情况，电池组以2C的倍率进行了连续4个充放电循环，充电截止电压和放电截止分别为16.8V和10V，从实验结果可以发现，连续4个充放电循环结束后，电池模组的最高温度被控制在38℃以下，表明了热管模块具有很好的温控效果。
如图8为本发明实施例中实际对电池组进行3C充放电循环时的电池表面温度和单体电池电压的变化情况，电池组以3C的倍率进行了连续4个充放电循环，充电截止电压和放电截止分别为16.8V和10V，从实验结果可以发现，连续4个充放电循环结束后，电池模组的最高温度被控制在41℃以下，表明了热管模块在很严苛的充放电条件下能够保持很好的温控效果。
如图9为本发明实施例中实际对电池组进行过充热失控触发时单体电池温度和电压的变化情况，其中，对第一节电池以过充的形式进行了热失控触发，来验证第二单体电池是否会被触发热失控。当第一节电池电压升17.5V时发生了热失控并发生了爆炸和起火，第一单体电池的温度迅速升高，释放出大量的热量，同时电压下降为0V，由于热管的热管理作用，第二单体电池的表面温度被控制在热失控触发温度以下，因此第二单体电池并未发生热失控，从而抑制了热失控扩展的发生，实验证明了本发明所设计的基于热管的电池模组热实验扩展抑制装置可以有效地抑制电池模组内热失控扩展的发生，提高电池模组在热失控工况下的安全等级。

Claims (5)

1.一种基于热管的电池模组热失控扩展抑制装置，其特征在于，包括电池模组、用于传递冷却液体的流道、底座以及铝板外套；所述电池模组通过电池模组下部的底座和两侧的铝板外套进行固定，所述流道固定于电池模组下部；所述电池模组包括多个结构相同且沿电池模组厚度方向依次布设的电池-热管模块单元；
各电池-热管模块单元均包括2个对称设置的绝热外套和固定于绝热外套内侧的2节单体电池、1个热管组、1个绝热条以及2个导热铝片；其中，位于电池模组两端的绝热外套分别与所述铝板外套直接接触，各单体电池一侧与相应绝热外套内侧直接接触，各单体电池另一侧分别与1个所述导热铝片直接接触；所述热管组由多个相同且位于同一平面内的热管构成，各热管上端为蒸发端，各热管下端为冷凝端，各热管的蒸发端均通过所述绝热条分别与2个导热铝片固定，各热管的冷凝端置于所述流道内，且热管与流道之间采用密封连接，通过流道内冷却液体的强制对流换热进行电池散热。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述电池-热管模块单元中绝热外套与单体电池接触的表面与电池表面形状相配合，该绝热外套的两侧和底部边缘设有用于包裹单体电池的突起结构，且两侧突起结构的宽度不相等；所述绝热条上开设用于通过热管蒸发段的多个通孔。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述热管为烧结铜粉末热管，并且以水作为热管内部的工作介质；热管为L型，热管冷凝段为圆管，热管蒸发段为厚度为2mm的平板。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流道包括上流道和下流道；其中，所述上流道上方开有形状与热管蒸发段相同的小孔，从而将热管蒸发端从下至上插入上流道之中，上流道与热管之间通过胶水进行密封；所述下流道两侧对称设有螺纹孔，并分别接入一个管道接头作为流道的入水口和出水口，上流道与下流道之间通过胶水进行密封。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座的中心开有面积略小于流道上下表面积的孔，流道位于底座中心的下方，底座四角设有支撑立柱。
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