CN110120567A - 一种基于相变传热及co2热防护的18650电池模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，内部集成72块18650锂离子电池，所述电池周围交错分布多层金属导热层及相变材料，所述的金属层采用铝合金且采用拉延工艺一次成型，所述金属导热层与电池正/负极之间设有绝缘层。所述电池模组内部通过特殊工艺将空气全部抽出，并填充CO2气体。本发明利用金属导热层的高热导率提高电池的传热效率和散热效率；同时利用相变潜热保证电池模组工作时的热稳定性和热均衡性；绝缘层可有效防止电池工作时的短路情况；CO2气体可有效防止电池的热失控，提高热防护性。本发明装置具有结构紧凑、质量轻、维护方便、安全可靠、易于成组等优点，能满足电池在服役工况下的散热需求，具有广阔的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组。
背景技术
电池模组温度过高不仅会降低电池的使用性能及缩短使用寿命，还会引起火灾、爆炸等安全事故，故电池模组散热性能显得尤为重要。对于锂离子电池，其最佳的工作温度范围为20～45℃，且单体电池之间的温差应小于5℃。目前，商用散热方法一般采用风冷散热的方法，即在电池模组上安装换热器和散热风扇。这种散热结构简单，开发难度低，但是重量大、耗费空间资源大，不利于轻量化设计，且降低了电池的能量密度，且其热均衡性较差，结构复杂，制造工艺难度大，成本高。为了解决风冷在散热效率上的不足，目前在散热方式上有采用或研究液冷、相变材料和热管散热等。相比于风冷散热结构，液冷散热在一定程度上提高了散热效率，但是液冷散热结构复杂，重量大，且存在漏液的可能；在相变散热系统中，由于相变潜热使得散热效率提高了一个层级，但相比于相变材料，热管造价高昂、开发难度较大。
鉴于此，本发明提出了结构轻便、散热效率高、热均衡性高、造价合理及易于维护的电池散热装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、质量轻、易于装配、散热均衡及热稳定性极佳的电池模组散热结构。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，包含72个18650电池，电池周围分布有多层散热层，所述的散热层共有三层，分别为热平衡铝管2、相变材料3、外框架4，所述电池模组两端由上密封盖9、下密封盖10、正极板7、负极板8、密封块13、上绝缘垫5、下绝缘垫6构成密封腔。
作为优选的，所述相变材料为P1型石蜡，相变温度范围为35℃～37℃，在石蜡中可掺杂如泡沫铜等材料提高相变材料的导热性能。
作为优选的，所述的热平衡铝管2及外框架4均采用铝合金材质。
作为优选的，所述的热平衡铝管2作为第一层散热层，18650电池1嵌入于热平衡铝管2内；热平衡铝管2周围布置相变材料3作为第二层散热层；与相变材料3外围接触的外框架4作为第三层散热层。
作为优选的，所述的上密封盖9和下密封盖10为塑料材质，通过M5*12沉孔螺钉12与外框架4连接。
作为优选的，所述的上绝缘垫5和下绝缘垫6为橡胶材质，分布于正极板7与热平衡铝管2之间，同时与18650电池1外轮廓紧密接触。
作为优选的，所述的上密封盖9和下密封盖10前后两侧开有气孔15，气孔15处采用密封块13封口。
作为优选的，所述的上密封盖9和下密封盖10开有极板引出口14，极板引出口14处采取密封措施。
作为优选的，所述的密封腔内通过所开气孔15充入CO2气体。
本发明提供的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组通过填充相变材料，利用其相变潜热来达到热均衡效果，不需要安装风扇，结构简单紧凑，质量轻，能够提高电池模组能量密度；在正负极填充CO2气体，利用CO2气体达到热防护作用，有效改善电池模组的安全性。
附图说明
图1为本发明的爆炸图，图中：1.18650电池，2.热平衡铝管，3.相变材料，4.外框架，5.上绝缘垫，6.下绝缘垫，7.正极板，8.负极板，9.上密封盖，10.下密封盖，11.M5*8沉孔螺钉，12.M5*12沉孔螺钉，13.密封块。
图2为本发明的装配成型图。
图3为本发明的装配成型主视图。
图4为密封盖零件图，上密封盖与下密封盖结构类似，因此共用此零件图，图中：14.极板引出口，15.气孔，16.内螺钉孔，17.外螺钉孔。
图5为密封盖零件主视图。
图6为热平衡铝管零件立体图。
图7为热平衡铝管零件图，图中：18.铝管螺钉孔，19.18650电池安装孔。
图8为绝缘垫零件立体图。
图9为绝缘垫零件图，上绝缘垫与下绝缘垫结构类似，因此共用此零件图，图中：20.绝缘垫螺钉孔，21.18650电池安装孔。
图10为外框架零件图，图中：22.外壳，23.凸起，24.M5螺纹孔。
图11为外框架零件立体图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细的说明。本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
图1所示的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，电池模组由72个18650型锂离子电池1组成，由内而外分别布有热平衡铝管2、相变材料3、外框架4，锂离子电池1嵌入于热平衡铝管2内，在热平衡铝管2内锂离子电池1均等分布，热平衡铝管2外围成波浪形，在热平衡铝管2与外框架4之间填充相变材料3，相变材料3采用石蜡。
当18650电池1在工作时产生的热量时，由热平衡铝管2迅速传递给相变材料，相变材料3利用其相变潜热吸收大量的热量，但其本身温度变化不大，同时部分热量通过外框架散发到电池模组外部；当18650电池1温度过低时，相变材料3利用其相变潜热释放热量，通过热平衡铝管2将热量传递给每一个18650电池1。如此可保证电池工作在最佳的温度范围，实现电池模组的热平衡和温度均衡。
所述的电池模组两侧布有上下密封腔，上密封腔由上绝缘垫5、正极板7、上密封盖9、M5*8沉孔螺钉11、M5*12沉孔螺钉12、密封块13构成，上绝缘垫5为橡胶材质，布置在热平衡铝管2与正极板7之间且紧贴18650电池1外围，起到绝缘防护作用，正极板7布置在上绝缘垫5与上密封盖9之间，并通过上密封盖9的正极引出口14引出，上密封盖9通过M5*8沉孔螺钉11固定热平衡铝管2，通过M5*12沉孔螺钉12与外框架4连接，上密封盖9在前后两个侧面分别设有气孔15，气孔15通过密封块13进行密封；下密封腔由下绝缘垫6、负极板8、下密封盖10、M5*8沉孔螺钉11、M5*12沉孔螺钉12、密封块13构成，下绝缘垫6为橡胶材质，布置在热平衡铝管2与负极板8之间且紧贴18650电池1外围，起到绝缘防护作用，负极板8布置在下绝缘垫6与下密封盖10之间，并通过下密封盖10的负极引出口14引出，下密封盖10通过M5*8沉孔螺钉11固定热平衡铝管2，通过M5*12沉孔螺钉12与外框架4连接，下密封盖10在前后两个侧面分别设有气孔15，气孔15通过密封块13进行密封。
所述的上密封盖9及下密封盖10均为塑料材质，起到绝缘防护作用。所述的紧固方式采用沉孔螺钉紧固方式，一方面保证其安装的便捷，另一方面保证电池模组外部形状的光顺，利于电池模组的成组。
当所有零件装配完成后，对于正负极引出口14作密封处理，取出所有密封块13，从电池模组一侧气孔15充入CO2气体，另一侧排出空气，直至密封腔内充满的都是CO2气体，自此安装排气孔处密封块13，安装完成后停止充气，安装进气孔处密封块13。在此处，电池模组没有严格定义进排气孔，这里气孔15既可以是进气孔也可以是排气孔，同时此处对于电池模组的气密性要求并不十分苛刻，仅需保证密封腔内的CO2气体能达到灭火浓度即可。
当正负极板热负荷加重时，其发热量加大，从而引发一定温升，在CO2气体的防护下，可防止由于这种情况下引发的起火事故，从而达到热防护的作用。
所述的电池模组的安装步骤为：首先，将18650电池1嵌入到热平衡铝管2内；其次，将下绝缘垫6套在18650电池1的负极上；再者，将负极板8焊接到各电池的负极上；再者，将下密封盖10安装到电池负极区域，并通过M5*8沉孔螺钉11与热平衡铝管2连接，通过M5*12沉孔螺钉11与外框架4连接，同时将密封块13安装带下密封盖10上；再者，将上绝缘垫5套在电池正极区域；再者，将正极板7焊接到各电池正极上；再者，在热平衡铝管2与外框架4之间填充相变材料3；再者，安装上密封盖9，并通过M5*8沉孔螺钉11与热平衡铝管2连接，通过M5*12沉孔螺钉12与外框架4连接，同时将密封块13安装在下密封盖10上；再者，对正负极引出口14作密封处理；最后，取下所有密封块13，往电池模组内充入CO2气体，使电池模组内部充满CO2气体，再还原所有密封块13。
本发明不仅仅限于说明书和实施方式中所描述的，因此对于熟悉领域的人员而言可容易实现另外的优点和修改，故不在违背权利要求书及同等范围所限定的一般概念的精神和范围的前提下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里出示与所描述的图示示例。凡在本发明的原则和精神之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明实例的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，包括外框架4、上密封盖9、下密封盖10、18650电池1；其特征在于：18650电池1均匀分布于成型的热平衡铝管2内；热平衡铝管周围布有相变材料3；18650电池1正负极两端设有上密封盖9、下密封盖10、上绝缘垫5、下绝缘垫6、密封块13，形成密封腔。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的热平衡铝管2及外框架4均采用铝合金；所述的散热结构所使用的相变材料3为石蜡，石蜡位于热平衡铝管2和外框架4之间。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的热平衡铝管2管壁壁厚为2mm；所述的热平衡铝管2长度小于18650电池1；所述的热平衡铝管2外围轮廓为波浪形轮廓；所述的热平衡铝管2的内部区域材料全部切除，仅螺钉孔18处材料保留。
4.根据权利要求2所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的外框架4采用铝合金，壁厚2mm，在端部内壁设有凸起23，所述凸起23处设有螺钉孔24。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的密封腔由正极板7、负极板8、上密封盖9、下密封盖10、上绝缘垫5、下绝缘垫6及密封块13构成；所述的密封腔分上下两个密封腔，上密封腔由正极板7、上密封盖9、上绝缘垫5及密封块13构成，下密封腔由负极板8、下密封盖10、下绝缘垫6及密封块13构成。
6.根据权利要求5所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的正极板7位于上绝缘垫5与上密封盖9之间；所述的负极板8位于下绝缘垫6与下密封盖10之间；所述的上密封盖9与外框架4、下密封盖10和外框架4通过M5*12沉孔螺钉12紧固；所述的上密封盖9与上绝缘5、下密封盖10与下绝缘垫6垫通过M5*8沉孔螺钉11固定于热平衡铝管2上。
7.根据权利要求5所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的上绝缘垫5位于正极板7与热平衡铝管2之间；所述的下绝缘垫6位于负极板8与热平衡铝管2之间；所述的上绝缘垫5与下绝缘垫6均为橡胶材质；所述的上绝缘垫5嵌于18650电池1之间，与18650电池1外侧紧密接触；所述的下绝缘垫6嵌于18650电池1之间，与18650电池1外侧紧密接触。
8.根据权利要求6所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的上密封盖9与下密封盖10均为塑料材质。
9.根据权利要求5所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的密封块13分布于上密封盖9和下密封盖10的两侧；所述的上密封盖9和下密封盖10分别拥有两个密封块；所述的上密封盖10和下密封盖10前后两侧分别设有气孔15，密封块13安装于上述气孔15的位置。
10.根据权利要求5所述的一种基于相变传热及CO2热防护的18650电池模组，其特征在于：所述的密封腔内充入CO2气体。
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