CN108336449A - 一种基于相变材料的锂电池包 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于相变材料的锂电池包，包括内壳体(10)、外壳体(20)和单体电池(30)；所述单体电池(30)安装于内壳体(10)内，所述内壳体(10)固定于外壳体(20)内，所述相变材料位于内壳体(10)与外壳体(20)之间的填充空间内，所述内壳体(10)的楔片(103)安装于外壳体(20)的楔片安装槽(203)内。该电池包通过利用相变材料的蓄/放热特性，并结合电池包壳体的特殊结构，吸收并储存锂电池充放电过程中所释放的热量，防止电池温升过大，提高单体电池内的温度均匀度，有效降低单体电池的峰值工作温度，避免热失控的发生，延长电池组的循环次数和寿命，从而提高电池组的工作可靠度和安全运行性能。

Description

一种基于相变材料的锂电池包
技术领域
本发明涉及锂电池领域，尤其是一种基于相变材料的锂电池包。
背景技术
锂电池是新能源汽车的核心部件，具有电压平台高、比能和比功大、充放电效率高、自放电率低、循环寿命长、污染小且无记忆效应等优点，其性能的优劣直接影响到新能源汽车的行驶能力。
锂电池在工作的时候，内部的电化学反应产生大量热量，这些热量会导致电池温度的上升，当电池温度上升到临界值时，将会触发电池内部一系列的有害放热反应，同时这些有害放热反应会进一步释放出更多的热量，产生连锁反应，最严重时将会发生热失控，电池的安全性急剧降低，将会造成不可估量的损失。研究表明，电池的化学反应速率与温度成几何级数关系曲线，温度每上升10℃，电池内部的电化学反应速率将加倍。
电池内部的温升亦会对充放电容量和功率造成大的影响。由于电池内部的反应是活性物质向惰性状态的变化，所以在任何条件下，电池的充放电容量和功率的降级是不可避免的，但是在高温环境下的降级尤其剧烈，此时电池内部的欧姆热阻将急剧增加，这样电池的开路电压(即工作电压)就会大幅度的降低，对外所能输出的功就相应的减少，进而导致充放电容量和功率的急剧降级。
锂电池的工作温度直接影响着电池的安全性、循环寿命、放电容量及充放电效率等性能，进而影响新能源汽车的整车性能，因此，锂电池的温度是影响电池组性能的关键因素。
目前的冷却系统有水冷和风冷，水冷系统的电池外壳必须做到防裂、防漏和绝缘，这就使得电池外壳的结构较复杂，不宜加工和生产。采用风冷系统相对来说效果较差，风冷系统取决于气温的高低，夏天温度甚至高于35℃，那么电池表面的温度也会迅速上升到35℃以上，同样在低温的情况下，电池表面的温度也随之下降。
专利CN200920115997.X公开了一种锂电池包温控外壳，如图1所示，包括壳体2、设在壳体2开口处的盖板1，壳体2包括壳体外层3和壳体内层4，壳体外层3和壳体内层4相互连接形成空腔。空腔内设有相变材料层5。壳体内层4开口处设有隔板6，述隔板6上设有注料孔7。利用注料孔7向空腔内注入变相材料用于控温。壳体内层4各个侧壁的外侧中央设有隔块8，隔块8的厚度与隔板6的宽度相同。壳体外层3底端的内壁上设有隔块8。使得壳体内层4和壳体外层3紧密配合。
上述专利存在以下缺点：
(1)壳体内层4与壳体外层3之间的距离由隔块8决定，但是壳体内层4并无周向定位，也没有轴向定位，导致壳体内层4的安装精度差，电池位于壳体内层4中，会随壳体内层4同时晃动，最终会导致电池与外部接线不牢固，甚至导致电池的发热量不能通过壳体内层4传至相变材料5，不能达到电池降温的目的，将影响电池的使用寿命；
(2)对于(1)中的缺点，若使用隔块8进行定位，则要求隔块8加工精度高，增加整个电池包的成本，同时会使得壳体内层4和壳体外层3装配时难度大，需要耗费更多的人力；
(3)为了固定电池，需要用盖板1，为了密封相变材料，需要加装隔板6，并且隔板6的安装方式不清楚，这使得顶部结构复杂，不易于装配；
(4)仅仅是电池包温控外壳，不能保证电池安装于壳体内层后能够正常使用；使用时必须额外引出导线；
(5)相变材料填满整个空腔，当受热时材料膨胀会溢出壳体，污染电池本身。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于相变材料的锂电池包，解决锂电池工作时温度高、容易出现热失控的问题，同时可以直接作为电池使用。
具体的，为实现上述目的，本发明的一种基于相变材料的锂电池包，包括内壳体、外壳体和单体电池；
单体电池安装于内壳体内，内壳体固定于外壳体内，相变材料位于内壳体与外壳体之间的填充空间内，内壳体的楔片安装于外壳体的楔片安装槽内。
单体电池所发出的热量通过内壳体传递至相变材料，使得相变材料吸热熔融，进而使得单体电池的温度保持稳定，防止电池温升过大，提高单体电池内的温度均匀度，有效降低单体电池的峰值工作温度，避免热失控的发生，延长电池组的循环次数和寿命，从而提高电池组的工作可靠度和安全运行性能。
进一步地，还包括电池盖体；
电池盖体盖在外壳体上，且为过盈配合，将单体电池固定，并将相变材料密封。
电池盖体一个部件同时实现单体电池固定和相变材料密封两个功能，简化了电池结构，使得电池体积小，并且可以降低成本。
进一步地，电池盖体也包括楔片安装槽，内壳体的楔片安装于电池盖体的楔片安装槽、外壳体的楔片安装槽和电池盖体的楔片安装槽内，将内壳体固定于外壳体内。
楔片与楔片安装槽为可拆卸的连接结构，且安装时位置可调节，有利于电池重复利用，提高单个电池的利用率。
进一步地，内壳体包括带有内底盖的内直筒和多个楔片；
楔片均匀固定于内直筒的外表面。
楔片的数量可依据电池和内壳体的体积大小而定，均匀布置可使得楔片受力均匀，更有利于电池的长期使用。
进一步地，每个楔片上可设有多个孔洞。
孔洞用于相变材料熔融后的流通，使得填充空间内的材料分布均匀，进而吸热量均匀，保证电池温度稳定。
进一步地，外壳体包括外直筒和外底盖；
外直筒的内壁面和外底盖的上表面上均开设有均布的楔片安装槽，用于安装所述内壳体的楔片。
外直筒和外底盖的楔片安装槽可保证对楔片进行固定。
进一步地，外直筒的内壁面的楔片安装槽的安装厚度略小于楔片的厚度，使得楔片和楔片安装槽构成过盈配合。
楔片与楔片安装槽配合，将内壳体固定于外壳体内，而过盈配合的方式使得内壳体和外壳体之间没有间隙，进而配合紧密，内壳体与外壳体之间不会有晃动。
进一步地，相变材料的填充量不超过填充空间的净容积的80％。
相变材料未充满填充空间，保证相变材料不会流入电池接线处、或者污染单体电池本身。
进一步地，电池盖体的下表面有一圈环形凸起；
环形凸起的形状与内壳体与外壳体之间的填充空间的形状相吻合；
环形凸起上开设有与外壳体的外底盖相同的均布的楔片安装槽。
环形凸起用于对相变材料进行密封，因此形状与填充空间的形状相吻合，而楔片安装槽用于对楔片上端进行固定。
进一步地，内底盖和外底盖设置有孔，用于引出导线；电池盖体上开设有通孔，单体电池的阳极伸出该通孔。
单体电池的负极通过导线与外部电路相连，而阳极可直接与外部电路相连，使得结构简单，使用方便。
相变材料是一类特殊的功能性材料，能在恒温或近似恒温的情况下发生相变，同时伴随有大量热量的吸收或释放。相变材料的应用基础主要有二：其一，相变材料相变过程等温，有助于将温度变化控制在较小的范围内，可以用来控制温度；其二，相变材料有较高的相变潜热，少量材料就可以存储大量的热量。相变材料主要成分为石蜡。石蜡由直链的烷基组成，在烷基链结晶的过程中释放出大量潜热。材料的熔点和熔化潜热都随着链的长度增长而增加。石蜡安全、可靠、无毒、价格低廉，化学性能稳定，且具有相变温度接近电池最佳工作温度、具有较高的单位质量相变潜热等特点，是较为理想的电池冷却用相变材料。因此，利用石蜡相变材料的这些特点，将其内置于电池包壳体，可有效吸收并存储电池工作时发出的热量，控制电池的温度，防止电池包出现热失控现象。
本发明的有益效果为：
(1)内壳体上有楔片，外壳体的内壁面和底面上以及电池盖体上均开设有楔片安装槽，楔片安装于楔片安装槽内，既实现定位，又用于固定内壳体，结构简单；同时，即使楔片和楔片安装槽的加工精度低，也能够保证高精度的安装，保证内壳体和外壳体之间不会有晃动，另一方面，可使得装配时更容易，易于拆卸维修；
(2)内壳体安装于外壳体的外底盖的凹槽内，进一步对内壳体进行定位，同时内壳体的底面与外壳体的底面贴紧，可有效防止相变材料泄漏；
(3)电池盖体的结构简单，与内壳体和外壳体之间采用过盈配合，既能够固定电池，同时可以密封相变材料，同时实现两个功能；
(4)电池盖体、内底盖和外底盖上开设有用于安装引线的孔，且由于内壳体安装于凹槽内，使得相变材料不会从孔内泄漏；
(5)通过利用相变材料的蓄/放热特性，并结合电池包壳体的特殊结构，吸收并储存锂电池充放电过程中所释放的热量，防止电池温升过大，提高单体电池内的温度均匀度，有效降低单体电池的峰值工作温度，避免热失控的发生，延长电池组的循环次数和寿命，从而提高电池组的工作可靠度和安全运行性能；
(6)相变材料的填充量不超过填充空间的净容积的80％，为相变材料熔融相变时提供必要的空间，这样相变材料熔融后不会溢出。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是已有专利中锂电池包整体结构示意图；
图2是本发明的基于相变材料的锂电池包装配分解图；
图3是本发明的基于相变材料的电池包的内壳体示意图；
图4是本发明的基于相变材料的电池包的内壳体示意图二；
图5是本发明的基于相变材料的电池包的外壳体示意图；
图6是本发明的基于相变材料的电池包的盖体示意图；
图7是本发明的基于相变材料的电池包的内/外壳体装配示意图；
图8是本发明的基于相变材料的电池包的内/外壳体、单体电池装配示意图；
其中：1-盖板、2-壳体、3-壳体外层、4-壳体内层、5相变材料层、6隔板、7注料孔、8隔块；
10-内壳体、20-外壳体、30-单体电池、40-电池盖体；
101-内直筒、102-内底盖、103-楔片、104-孔洞；
201-外直筒、202-外底盖、203-楔片安装槽；
401-环形凸起。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种基于相变材料的锂电池包，如图2所示，包括电池内壳体10、外壳体20、单体电池30和电池盖体40。
内壳体10固定于外壳体20内，且相变材料位于内壳体10与外壳体20之间的填充空间内，单体电池30安装于内壳体10内，并通过电池盖体40将单体电池30固定，并将相变材料密封。
如图3和4所示，内壳体10包括带有内底盖102的内直筒101和多个楔片103。楔片103为长方体薄片，固定焊接于内直筒101的外表面，优选地，楔片103为四片，均布于内筒的外表面，楔片103将内壳体10和外壳体20之间的填充空间分割成四个分隔空间。内筒用于盛装单体电池30，楔片103用于与外壳体20相连接，内底盖102上开设有直径为5mm的孔，用于引出导线，使得单体电池30的电极端通过导线与外部电路相连。
为了使得内壳体10和外壳体20之间的相变材料能够进行流通，优选的，在每个楔片103上可设有多个孔洞104，相变材料在相变过程时可以通过孔洞104在内壳体10和外壳体20之间的周向的四个分隔空间内流动，避免在密闭空间内熔融产生的空穴效应影响相变效果。
在本申请的一个可选实施例中，楔片103上的孔洞104数量为三个，且为均匀布置，这样开孔既能保证楔片103的强度不会被削弱，避免安装过程楔片103被损坏，同时能保证相变材料的流通。
如图5所示，外壳体20包括外直筒201和外底盖202。外底盖202上开设有直径为5mm的孔，且外底盖202上的孔与内底盖102上的孔相连通，用于引出导线，使得单体电池30的电极端通过导线与外部电路相连。外直筒201的内壁面和外底盖202的上表面上均开设有四个均布的楔片安装槽203，用于安装内壳体10的楔片103，内壳体10的楔片103插入外壳体20的楔片安装槽203，同时楔片103的底端插入外底盖202的楔片安装槽203，将楔片103进行固定，则同时内壳体10固定于外壳体20的内部。
较为优选的，外直筒201的内壁面的楔片安装槽203的安装厚度略小于楔片103的厚度，使得楔片103和楔片安装槽203构成过盈配合，这样楔片103和楔片安装槽203之间没有间隙，可保证内壳体10和外壳体20之间没有晃动，可保证单体电池30供电稳定，同时延长单体电池30的使用寿命。
为了使得内壳体10安装于外壳体20后，相变材料不会从外底盖202的孔内泄漏，较为优选的，外底盖202的上表面中心处开有凹槽，安装时，内壳体10的内直筒安装于凹槽内，与凹槽的面贴合，而楔片103位于凹槽周围的楔片安装槽内，这样相变材料就不能从贴合面进入孔内漏出。
由于楔片103上开设有用于相变材料流通的空洞，为避免该孔洞104被遮挡，不能实现流通功能，本申请的一个优选实施例中，外直筒201的内壁面的楔片安装槽203的安装宽度小于楔片103的宽度，并且楔片103上的孔洞104不会被遮挡，这样楔片103既可以被固定，楔片103上的孔洞104可以实现相变材料流通。为了将楔片103固定，外底盖202的楔片安装槽203的安装宽度与楔片103的宽度相同，这样楔片103可完全固定，进而使得内壳体10完全固定，使得内壳体10不会在外壳体20内产生晃动。
相变材料填充于内壳体10和外壳体20之间的填充空间内，为防止相变材料熔融时因体积增大而溢出电池包，优选的，相变材料的填充量不超过填充空间的净容积的80％，为相变材料熔融相变时提供必要的空间。
本申请的一个实施例中，相变材料为石蜡或者石蜡与石墨混合物，其中石蜡与石墨混合物中石墨含量为5％～15％之间，常见的石蜡与石墨混合物相变材料的物理性能参数为密度875kg/m3，相变点48～57℃，比热容(25℃时)1.96J/(kg·K)，相变潜热165J/g。
如图6所示，电池盖体40的中心处开有直径为5mm的通孔，单体电池的阳极伸出该通孔，使得单体电池30的电极直接与外部电路相连，使用方便。电池盖体40的下表面有一圈环形凸起401，环形凸起401的宽度与内壳体10与外壳体20之间的填充空间的宽度相同，且环形凸起401与内壳体10和外壳体20之间为过盈配合，环形凸起401的形状与填充空间的形状相吻合，使得环形凸起401部分可以将内壳体10与外壳体20之间的填充空间进行有效密封，保证相变材料不会泄露。
考虑到内壳体10的楔片103需要固定，本申请的一个实施例中，电池盖体40的环形凸起401上开设有与外壳体20的外底盖202相同的四个均布的楔片安装槽203，用于将内壳体10的楔片103的上端固定，这样，电池盖体40的环形凸起401上的楔片安装槽203、外壳体20的外底盖202的楔片安装槽203和外壳体内壁面的楔片安装槽203相互配合，将楔片103进行完全固定，进而将内壳体10固定，使得内壳体10不会在外壳体20内产生晃动。
在实现电池功能的基础上，内壳体10和外壳体20可以是长方体、圆柱体或者棱柱体形，并不局限于附图中的形状。
本申请的一个实施例中，内壳体10、外壳体20和盖体40的材质为聚酰胺、ABS、MBS或聚丙烯等，可以采用压铸或注塑等一体成型技术生产制造。
使用时，如图7和8所示，内壳体10的楔片103安装于外壳体20的楔片安装槽203内，将内壳体10固定，相变材料位于内壳体10与外壳体20之间的填充空间内，单体电池30安装于内壳体10内，并通过电池盖体40盖在外壳体20的上端，将单体电池30固定，并将相变材料密封。
由于电池外壳体20与电池盖体40的中间处开有孔洞104，电池的正负极接线通过此孔洞104引出。由于电池盖体40将填充空间的相变材料密封，且相变材料加注量不超过净容积的80％，故相变材料不会流入电池接线处、或者污染单体电池本身。
单体电池30装入电池的内壳体10中，电池内壳体10与单体电池30外表面应保证接触充分，单体电池30工作时发出热量，发热量通过电池内壳体10，传导至相变材料填充区，即内壳体10与外壳体20之间的相变材料中，相变材料吸热相变融化后吸收并储存单体电池30所发出的热量，随着电池组的温度进一步升高，相变材料中的石蜡成分将会发生融化，从而吸收多余的热量，使锂离子电池的温度不再升高，从而阻止热失控在电池组内部蔓延。
内壳体10的尺寸与单体电池30的尺寸形式直接相关，本申请的一个优选实施例中，单体电池30为18650型电池，电池尺寸为直径18mm、高65mm，故内壳体10尺寸为内径18mm，外径20mm，高65mm。
综上所述，本发明提供了一种基于相变材料的锂电池包结构，通过利用相变材料的蓄/放热特性，并结合电池包壳体的特殊结构，吸收并储存锂电池充放电过程中所释放的热量，防止电池温升过大，提高单体电池内的温度均匀度，有效降低单体电池的峰值工作温度，避免热失控的发生，延长电池组的循环次数和寿命，从而提高电池组的工作可靠度和安全运行性能。
尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的锂电池包，包括内壳体(10)、外壳体(20)和单体电池(30)；
所述单体电池(30)安装于内壳体(10)内，所述内壳体(10)固定于外壳体(20)内，所述相变材料位于内壳体(10)与外壳体(20)之间的填充空间内，其特征在于，所述内壳体(10)的楔片(103)安装于外壳体(20)的楔片安装槽(203)内。
2.根据权利要求1所述的锂电池包，其特征在于，还包括电池盖体(40)；
所述电池盖体(40)盖在外壳体(20)上，且为过盈配合，将所述单体电池(30)固定，并将相变材料密封。
3.根据权利要求2所述的锂电池包，其特征在于，所述电池盖体(40)也包括楔片安装槽(203)；所述内壳体(10)的楔片(103)安装于所述电池盖体(40)的楔片安装槽(203)、外壳体(20)的楔片安装槽(203)内和电池盖体(40)的楔片安装槽(203)内，将内壳体(10)固定于外壳体(20)内。
4.根据权利要求1-3任一所述的锂电池包，其特征在于，所述内壳体(10)包括带有内底盖(102)的内直筒(101)和多个楔片(103)；
所述楔片(103)均匀固定于内直筒(101)的外表面。
5.根据权利要求4所述的锂电池包，其特征在于，每个所述楔片(103)上可设有多个孔洞(104)。
6.根据权利要求4所述的锂电池包，其特征在于，所述外壳体(20)包括外直筒(201)和外底盖(202)；
所述外直筒(201)的内壁面和所述外底盖(202)的上表面上均开设有均布的楔片安装槽(203)，用于安装所述内壳体(10)的楔片(103)。
7.根据权利要求6所述的锂电池包，其特征在于，所述外直筒(201)的内壁面的楔片安装槽(203)的安装厚度略小于楔片(103)的厚度，使得所述楔片(103)和楔片安装槽(203)构成过盈配合。
8.根据权利要求5-7任一所述的锂电池包，其特征在于，所述相变材料的填充量不超过填充空间的净容积的80％。
9.根据权利要求2所述的锂电池包，其特征在于，所述电池盖体(40)的下表面有一圈环形凸起(401)；
所述环形凸起(401)的形状与内壳体(10)与外壳体(20)之间的填充空间的形状相吻合；
所述环形凸起(401)上开设有与外壳体(20)的外底盖(202)相同的均布的楔片安装槽(203)。
10.根据权利要求2所述的锂电池包，其特征在于，所述内底盖(102)和所述外底盖(202)设置有孔，用于引出导线；所述电池盖体(40)上开设有通孔，所述单体电池(30)的阳极伸出该通孔。
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