CN108321458B - 一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块，涉及锂电池技术领域，其特征在于：至少包括：多个单体电池，每个单体电池的外壁包裹有绝缘膜，绝缘膜的外壁涂抹有一圈胶体，所述胶体位于单体电池的侧壁中心位置；用于固定单体电池的多孔支架，所述多孔支架上开设有楔形阶梯分布的多个圆形安装孔，每个安装孔的内壁中心位置沿周向开有凹槽；所述多孔支架的侧壁设置有紧固螺钉和定位销；所述单体电池插入安装孔内，且所述胶体位于凹槽位置，所述单体电池通过胶体与多孔支架粘接。通过采用上述技术方案，本发明实现了在有限空间内尽可能的排布多的单体电池，降低模块工作时的热密度，提高了模块与整个电池组连接上的力学性能。

Description

一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，特别是涉及一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块。

背景技术

对于移动型设备或是野外作业设备，在紧急情况下的电源供给是必须的。而锂离子电池组作为可循环利用的的备用电源可以多次长时间循环使用。当下，野外移动设备对于电源的要求也越来越高，逐步向高功率、高比能、轻量化、高可靠性方向发展。

锂电池模块作为锂电池组的重要组成部分，它的空间占比，散热的传导速率，高比能性等指标的对于整个电池组的性能起到了关键的作用。

锂电池模块的主要方法有两种：上下模具夹持法、汇流条焊接灌封法。第一种方法对不同形式的模块需要定制不同的夹具，且占用的空间较大，适用性差；对于第二种方法汇流条的机械强度不够容易导致变形，且灌封后电池单体无法取出进行再维护，且对热的传导速率较慢。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为解决空间利用率小、散热慢、机械强度弱等技术问题，提供一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块，实现了在有限空间内尽可能的排布多的单体电池，降低模块工作时的热密度，提高了模块与整个电池组连接上的力学性能。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块，至少包括：

多个单体电池(1)，每个单体电池(1)的外壁包裹有绝缘膜(5)，绝缘膜(5)的外壁涂抹有一圈胶体(6)，所述胶体(6)位于单体电池(1)的侧壁中心位置；

用于固定单体电池(1)的多孔支架(3)，所述多孔支架(3)上开设有楔形阶梯分布的多个圆形安装孔，每个安装孔的内壁中心位置沿周向开有凹槽；所述多孔支架(3)的侧壁设置有紧固螺钉(2)和定位销(4)；

所述单体电池(1)插入安装孔内，且所述胶体(6)位于凹槽位置，所述单体电池(1)通过胶体(6)与多孔支架(3)粘接。

进一步：所述多孔支架(3)的壁厚为0.4mm。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、在热传导上，该锂电池模块具有良好的散热性能，考虑到热交换的三个重要因素包括热接触面积、空间流体速率、介质的热传导系数。该楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块在结构上充分利用多孔支架的热接触面积，单体电池采用环腰式的连接方式配合高导热系数为的胶体与多孔支架连接，并在各个单体之间设计一定宽度的空间供流体进行热涣散，并采用金属介质进行热传导，一方面增加了与各个单体电池的散热接触面，另一方面在整个换热面上的多孔均匀排布使其散热的一致性达到了很好的布局，降低温度梯度对电池的热冲击。

2、在结构强度上，多孔支架的材质选择抗拉强度大于等于425Mp,屈服强度大于等于325Mp,硬度约为HB120。锂电池模块装配完成以后再压力试验机上测试，将压力头置于一颗单体电池的尾部均匀增加压力机的压力，当压力值达到2000N左右时，电池开始逐渐松动，之后压力曲线先在平台上波动，之后逐渐减小,压力曲线的均值取1600N。整个压力作用时间约为3s,压力达到峰值时的时间约为1s。

附图说明

图1是本发明优选实施例的结构图；

图2是本发明优选实施例中单体电池包膜示意图；

图3是本发明优选实施例中单体电池涂抹胶体示意图。

其中：1、单体电池；2、紧固螺钉；3、多孔支架；4、定位销；5、绝缘膜；6、胶体。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图3，一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块，包括：

多个单体电池1，每个单体电池1的外壁包裹有绝缘膜5，绝缘膜5的外壁涂抹有一圈胶体6，所述胶体6位于单体电池1的侧壁中心位置；

用于固定单体电池1的多孔支架3，所述多孔支架3上开设有楔形阶梯分布的多个圆形安装孔，每个安装孔的内壁中心位置沿周向开有凹槽；所述多孔支架3的侧壁设置有紧固螺钉2和定位销4；

所述单体电池1插入安装孔内，且所述胶体6位于凹槽位置，所述单体电池1通过胶体6与多孔支架3粘接。

该模块的主要制造安装工艺为：首先对单体电池进行外部包裹聚酰亚胺膜，该膜具有绝缘的作用，防止电池短路。其次在多孔支架的加工过程中，其孔在径向的中间位置沿着周向预留一部分空间。之后将单体电池在径向的中间位置涂抹胶体再将单体电池旋入多孔支架内部。经过48小时的静置，待胶体完全固化后方可将电池模块装入整个整个电池组。该电池模块在现有的空间内实现了单体数量排布的最优，且单体与单体之间的多孔支架的壁厚仅为0.4mm,并且该多孔支架材料的选择很关键，综合当前工业和军工上所用材料进行分析，镁铝合金是比较好的选择，其比强高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力大，并具有耐有机物和碱腐蚀的性能。从重量上考虑其密度较小约为2g/cm³，该合金在拉伸和抗屈服强度上均有良好的力学性能，在热传导方面其导热系数约为237W/M.K，满足电池在放电过程中的传热速率。

在热传导上，该锂电池模块具有良好的散热性能，考虑到热交换的三个重要因素包括热接触面积、空间流体速率、介质的热传导系数。该楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块在结构上充分利用多孔支架的热接触面积，单体电池采用环腰式的连接方式配合高导热系数为的胶体与多孔支架连接，并在各个单体之间设计一定宽度的空间供流体进行热涣散，并采用金属介质进行热传导，一方面增加了与各个单体电池的散热接触面，另一方面在整个换热面上的多孔均匀排布使其散热的一致性达到了很好的布局，降低温度梯度对电池的热冲击。以下是其热量的主要计算：

设单体的总容量为2200mAh,标称电压设为3.7v。

单体电池的功率P＝UI

P＝3.7×2.2＝8.14Wh

如图1所示的锂电池模块所占的空间约为1.19×10^-3m³,对于整个电池组要求其放电达到4658Wh时，其工作时间应不低于800s,其中每支单体所释放的能量约为5Wh，则对于该锂电模块所需要释放的能量约为420Wh。该模块在理论计算中的热转化因子为9％，则其产热量约37.8Wh。由于局部空间内高热量对电池的正常工作会产生很大的影响，温度超过一定的阈值就会导致电池损坏甚至起火爆炸，所以在短时间内快速释放锂电池模块内部多余的热量对电池的正常工作尤为重要，而之前的锂电池模块设计在散热效果上并不是很理想，无法达到电池正常工作时的温度要求。其中用上下模具夹持法的锂电池模块在规定的放电时间813s内，热传导的理论计算中其能传出去的热量约为17Wh,热转化效率约为45％，汇流条焊接灌封法的散热量约为11.35Wh，热转化效率约为30％。而保证电池正常工作要求的散热量需要达到50％，此楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块很好的解决了此类问题，使热转化效率达到了70％左右。

在实际工况测试中，多孔支架的比热容为880J/(kg·℃)，该支架的质量约为0.5kg，该模块在放电结束后的最大温升约为10。该模块的单体电池在实际工况测试中的比热容为950J/(kg·℃),模块中所有单体的质量约为4kg。

由热量计算公式Q＝cmΔt

Q_支架＝880×0.5×10＝4400J

Q_单体＝950×4×10＝38000J

Q_总＝Q_支架+Q_单体＝42400J＝11.8Wh

由此可以计算出锂电池模块散热完成后剩下的热量即为11.8Wh，该模块在理论计算中的热转化因子为9％，813s做工420Wh，其产热总量约37.8Wh则散掉的热量为26Wh,热转化效率达到了70％左右。

下面单独计算在热传递过程中多孔支架向电池组底部连接处传递的热量，首先将多孔支架进行理想化作为一个规则梯形进行模量化，几何中心处为原点向外以圆环的形式对热源点进行布置，取热流方向微分长度为dn,在dt的瞬时传递的热量为Q，由傅里叶热传导方程建立数学模型，对整个多孔支架进行有限元建模分析：

dQ＝-λdA·dt/dn

(其中λ为导热系数，设q＝-λ(dt/dn)为热流密度,简化模型后，设q在沿矢量上的热流密度的绝对值取其算术平均值，在一维方向上的温度变化率dt/dn也是恒值变化，及温度梯度变化均匀。)对上述方程进行积分求解后可得：

Q＝λAΔT/d

将多孔支架的个参数值代入上述方程可得其所散掉的热量值为12Wh,由此证明此结构在热量散失的过程称起到了很大的作用。

在结构强度上，该锂离子电池模块具有良好的力学性能。多孔支架的材质选择抗拉强度大于等于425Mp,屈服强度大于等于325Mp,硬度约为HB120。锂电池模块装配完成以后再压力试验机上测试，将压力头置于一颗单体电池的尾部均匀增加压力机的压力，当压力值达到2000N左右时，电池开始逐渐松动，之后压力曲线先在平台上波动，之后逐渐减小,压力曲线的均值取1600N。整个压力作用时间约为3s,压力达到峰值时的时间约为1s。以下是对该结构力学性能的计算：

首先计算在该段时间内压力机对压力截面的冲量为：

I＝Ft

＝1600×3

＝4800N·s

由F＝ma,求得其在压力达到峰值前的平均加速度为320g,该产品的加速度实验要求每个方向上的作用时间为60s,最大加速度为12.8g，经计算后可得单体与多孔支架发生位移需要的加速度为160g,完全满足设计要求。

在产品的冲击试验中，要求作用时间为2ms～6ms，峰值加速度为60g，经过力学实验验证在时间2.5ms时，需要峰值为480g的加速度才可以将单体电池和电池模块发生松动，相对于试验要求的峰值加速度冗余比为8满足试验要求。

自由飞振试验中的总均方根值为10.8g，时间要求12min，作用频率为10～2000KH，经过实验验证，该模块单独做随机振动，模块各组成部分发生相对位移所需要的均方根值为52g相对于10.8g冗余比约为4.8。功率谱密度峰值为0.14g2/Hz，而该产品的飞振实验中的最大率谱密度峰值为0.08g2/Hz，冗余比约为1.75。

在公路运输的随机振动试验中测试中低频高功率谱密度起振对产品的力学要求较高，经过力学仿真计算，该模块在6阶模态下的最大频率达到2000Hz,在垂直轴Y轴方向，低频10～40Hz范围内的最大功率谱密度为30(m/s²)²/HZ,40～500Hz范围内的功率谱密度为0.015(m/s²)²/HZ,总均方根值为2.12g。在横侧轴Z轴方向，10～500Hz范围内的最大功率谱密度为0.215(m/s²)²/HZ,总均方根值为0.7g；在纵向轴X方向，10～500Hz范围内的最大功率谱密度为1.81(m/s²)²/HZ,总均方根值为1.62g。对比产品公路运输随机振动要求的各项指标均满足要求。

由此可知该模块无论在加速度、冲击、随机振动等力学场合均具有优良的性能。解决了在有限空间能较优的单体布置，实现了高强度的连接。

首先对单体电池包膜，从单体电池负极端将电池外热缩套管划开小口，将热缩套管撕下，注意不要划伤电池壳；把绝缘垫圈放在单体电池正极上，将裁剪后的热缩套管套在单体电池正极端，热缩套管边缘超过单体电池正极端2mm左右，用热风枪吹缩；按图2所示，对单体电池进行包膜，绝缘膜宽度应距离单体电池负极极端1mm左右，电池包膜共两层，第二层接口处不要出现叠层。接下来在操作台面上铺一层塑料保护膜，在固位框架的固位孔内涂抹胶体，用固位孔涂胶工装在固位孔内顺时针旋转3周～4周将胶体将单体电池的腰部(顶端开始20～45mm处)涂抹均匀；先在电池中间部位涂抹胶体，将单体电池放入电池涂胶工装，按箭头所示方向靠紧工装上边框旋转3周～4周，将胶体涂抹均匀；将电池负极端放入模块固位孔内，在电池下降过程中旋转单体电池至少一周，使硅橡胶分布均匀；将单体电池依次固位，先粘接正极在正面的单体电池，等胶体完全固化后将电池模块翻转，用酒精棉球擦拭单体电池负极端，清理负极端硅橡胶；将电池模块放在压平工装上，重复以上步骤，粘接反面的电池，反面电池粘接完成后，紧固压平工装的螺钉，胶体固化后取下，用酒精棉球擦拭单体电池负极端，清理负极端胶体。最后用绝缘夹板上下固定整个模块进行各部分校正和平整高度。然后对各个模块焊接汇流排，最后将各成型模块组合成楔形阶梯状排列形式。

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。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块，其特征在于：至少包括：

多个单体电池(1)，每个单体电池(1)的外壁包裹有绝缘膜(5)，绝缘膜(5)的外壁涂抹有一圈胶体(6)，所述胶体(6)位于单体电池(1)的侧壁中心位置；

用于固定单体电池(1)的多孔支架(3)，所述多孔支架(3)上开设有楔形阶梯分布的多个圆形安装孔，每个安装孔的内壁中心位置沿周向开有凹槽；所述多孔支架(3)的侧壁设置有紧固螺钉(2)和定位销(4)；

所述单体电池(1)插入安装孔内，且所述胶体(6)位于凹槽位置，所述单体电池(1)通过胶体(6)与多孔支架(3)粘接；

所述楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块的安装工艺为：

首先对单体电池进行外部包裹聚酰亚胺膜，

其次在多孔支架的加工过程中，其孔在径向的中间位置沿着周向预留一部分空间；

之后将单体电池在径向的中间位置涂抹胶体再将单体电池旋入多孔支架内部，经过48小时的静置，待胶体完全固化后，将电池模块装入整个整个电池组。

2.根据权利要求1所述的楔形阶梯分布式多孔型锂电池模块，其特征在于：所述多孔支架(3)的壁厚为0.4mm。

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