CN110649201A - 一种机车用动力电池模块结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机车用动力电池模块结构，属于动力电池系统的技术领域，包括壳体，该壳体内设有至少一个冷却风道，冷却风道与壳体之间设有回风风道；所述冷却风道内设有至少一个电池腔，且冷却风道上密封装配有与各个电池腔对应匹配的检修门，各所述电池腔内均装有动力电池包；还包括空调机组，该空调机组的出风口、冷却风道、回风风道和空调机组的进风口依次连通并形成循环通路，还包括顶盖，该顶盖装配于壳体的端部且顶盖内装有空调机组；所述顶盖内设有泄压风道，其一端装有防爆泄压器，另一端与冷却风道连通，以达到实现动力电池系统的内部模块化设计以简化生产和组装要求，并通过改进动力电池内部结构以提升其安全系数的目的。

Description

一种机车用动力电池模块结构
技术领域
本发明属于动力电池系统的技术领域，具体而言，涉及一种机车用动力电池模块结构。
背景技术
混合动力车多数以电动机推动，能源则来自电池及内燃机。混合动力车多数无需从电网上充电，但是消耗汽油较少，而加速表现却较佳。被视为比普通由内燃引擎发动车辆较为环保的选择。
动力电池系统散热是一直困扰行业的难题，围绕动力电池系统散热展开的研究也持续多年，由于动力电池系统的要求越来越高，其能量密度也越来越高，而且需要满足IP67防护安全级别的要求，动力电池系统使用寿命长几乎成了行业的标准配置，而因各种因素的限制，目前市场上主流的散热方式只有液冷，风冷和自然冷却三种。然而，液冷方式的动力电池系统结构复杂，成本高，风冷方式的动力电池系统结构均衡性差，难以满足IP67防护安全级别的要求，自然冷却的方式则效率低，冷却速度慢。因此,动力电池系统散热技术上以风冷作为突破点。
现有的动力电池系统多采用风冷结构，但为保证其内部风道的密封性，导致内部装配结构较为复杂，生产和组装过程均较为复杂，同时，多采用整体结构设计，导致后期的检修、维修难度较大；
在动力电池系统中缺乏相应的安全保护措施，导致动力电池系统在使用过程中，无法及时获知其安全隐患，不能够及时避免安全事故的发生。
发明内容
鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种机车用动力电池模块结构以达到实现动力电池系统的内部模块化设计以简化生产和组装要求，并通过改进动力电池内部结构以提升其安全系数的目的。
本发明所采用的技术方案为：一种机车用动力电池模块结构，包括壳体，该壳体内设有至少一个冷却风道，冷却风道与壳体之间设有回风风道；所述冷却风道内设有至少一个电池腔，且冷却风道上密封装配有与各个电池腔对应匹配的检修门，各所述电池腔内均装有动力电池包；还包括空调机组，该空调机组的出风口、冷却风道、回风风道和空调机组的进风口依次连通并形成循环通路；还包括顶盖，该顶盖密封装配于所述壳体的端部，且顶盖内装有所述空调机组；所述顶盖内设有泄压风道，泄压风道的一端装有防爆泄压器，另一端与所述冷却风道连通；可有效避免爆炸产生的气体进入司机室，从而保证司乘人员的安全。
进一步地，所述检修门和顶盖的内表面上均涂有防火涂料，提升整体结构的防火性能。
进一步地，所述检修门的一侧铰接于所述壳体上，另一侧配设有控制该检修门开启或关闭的锁门机构，通过锁门机构实现检修门的自动开启，防止动力电池模块内部温度、气压过高，以起到良好的防火、防爆作用。
进一步地，所述锁门机构包括电磁铁、弹簧和控制器，所述检修门通过克服弹簧的弹性力吸附于所述电磁铁上，且电磁体与控制器电连接，控制器连接有操控按钮，利用电磁铁与弹簧的有效配合，实现检修门在紧急时刻能够自动开启。
进一步地，所述动力电池仓内设有感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器，感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器分别与所述控制器电连接，可确保动力电池热失控初期被发现，将热失控信息及时反馈给控制器并通过控制器将各个检修门及时打开，以对防火、防爆进行有效控制。
进一步地，所述壳体内设有动力电池仓，该动力电池仓的两端分别开设有电池仓进风口和电池仓出风口，电池仓进风口、动力电池仓的内腔和电池仓出风口连通以形成所述冷却风道，且壳体上开设有与动力电池仓相通的检修口，检修口上密封装配有所述检修门，以实现对单组动力电池包的起吊和检修。
进一步地，所述壳体内设有与所述电池仓出风口连通的通风风道，通风风道上设有至少一个通风机，通风机的出风口与所述回风风道连通，加快空调机组风在动力电池仓内部从上至下的流动速度，达到快速冷却动力电池包的作用。
进一步地，各所述电池腔沿纵向方向分布于所述冷却风道内，便于空调机组冷风的流通和热交换。
进一步地，所述壳体内设有接触器箱，该接触器箱内设有多个熔断器，各个熔断器分别与各所述动力电池包连接，以免故障蔓延到动力电池模块结构内；同时，还可实现不同动力电池包之间短路保护。
进一步地，所述壳体的底部、壳体的侧部和电池腔的侧部均采用防火墙，防火墙包括绝热材料和贴附于绝热材料两侧的钢板构成，实现将不同的动力电池仓之间进行有效分隔和防火隔热。
本发明的有益效果为：
1、采用本发明所提供的机车用动力电池模块结构，通过在其内部设置多个电池腔，各个电池腔内装配动力电池包，以实现模块化的设计，便于生产和组装，简化生产流程，节约生产周期，同时，在后期应用过程中，既可以实现单独对动力电池包进行起吊和检修，也可以实现动力电池模块结构的整体起吊和检修，为运行后期检修的多样性和快捷性提供保证，同时便于极端故障后迅速吊离。
2、在动力电池模块结构内部通过空调机组、通风机、回风风道、冷却风道形成循环通路，循环通路的空气流通能够对每个动力电池组实现通风和冷却的作用，同时，在通风机的作用下能够加快空调机组风在冷却风道内从上至下的流动速度，达到快速冷却电池的作用，加快空调机组冷风在动力电池包内部循环，使动力电池包快速冷却，且不易过热。
3、在动力电池模块结构的顶部设置有防爆泄压装置，动力电池包在正常使用过程中会产生一些气体，当动力电池模块结构内部空气压力过大时，可通过防爆泄压器实现泄压，避免对司乘人员造成危害以及对设备形成损害。
4、在壳体的底部、壳体的侧部和电池腔的侧部均采用防火墙结构，由于各个电池腔均设有防火墙结构，若电池出现热失控后，将每个动力电池仓防火隔热进行了有效分割，同时，对动力电池仓内动力电池包也进行隔离，动力电池包及电池腔进行绝缘设计，有效实现能量分割和物理隔离。
5、动力电池模块结构中设计有感烟探测器、感温探测器及电池电解液气体浓度探测器，可确保动力电池热失控的初期被发现，将热失控信息及时反馈给控制器并通过控制器将各个检修门及时打开，以对防火、防爆进行有效控制。
附图说明
图1是本发明提供的机车用动力电池模块结构的整体结构示意图；
图2是图1的内部局部结构示意图；
图3是本发明提供的机车用动力电池模块结构中动力电池仓的结构示意图；
图4是本发明提供的机车用动力电池模块结构中冷风循环示意图(一)；
图5是本发明提供的机车用动力电池模块结构中冷风循环示意图(二)；
图6是本发明提供的机车用动力电池模块结构中防爆泄压器的装配结构示意图；
图7是本发明提供的机车用动力电池模块结构中防火墙的布置示意图；
图8是本发明提供的机车用动力电池模块结构中防火墙结构示意图；
图9是本发明提供的机车用动力电池模块结构的局部横切剖视示意图；
附图中标注如下：
壳体-1，动力电池包-2，顶盖-3，空调机组-4，检修门-5，接触器箱-6，通风机-7，防爆泄压器-8，风管-9，动力电池仓-10，壳体板-11，中间隔板-12，回风风道-13，出风风道-14，通风风道-15，钢板-16，泄压风道-17，绝热材料-18，密封垫圈-19，电磁铁-20。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义型实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
如图1所示，在本实施例中具体提供了一种机车用动力电池模块结构，包括壳体1，该壳体1由钢结构制成，以作为整个模块结构的承载体，在该壳体1内设有2个并排排列的动力电池仓10，各所述动力电池仓10的两端分别开设有电池仓进风口和电池仓出风口，电池仓进风口、动力电池仓10的内腔和电池仓出风口连通以形成所述冷却风道，冷却风道用于流通经空调机组4排出的冷空气，并在冷却风道内实现冷空气与动力电池包2所产生的热量进行热交换；动力电池仓10的外部与与壳体1之间设有回风风道13，回风风道13用于流通经动力电池仓10之后的热空气。
如图5所示，在动力电池仓10的冷却风道内设有5个电池腔，各所述电池腔内均装有动力电池包2，各所述电池腔沿纵向方向分布于所述冷却风道内，以实现空调机组4排出的冷空气由上至下流动过程中并进行热交换。
在冷却风道上密封装配有与各个电池腔对应匹配的检修门5，检修门5可进行开启或关闭，当其关闭时，能够对检修口进行密封并保证冷却风道的密封性；当其开启时，能够对单个动力电池包2进行起吊和检修。
在壳体1上开设有与动力电池仓10相通的检修口，检修口上密封装配有所述检修门5。在本实施例中，如图3所示，采用如下结构设计壳体1和动力电池仓10，所述壳体1包括安装架和包覆在安装架周围的壳体板11，在安装架的内部还装配有多个相互平行的中间隔板12，相邻两中间隔板12之间则形成所述冷却风道，在壳体1的壳体板11上则开设有检修口，检修口则装有所述检修门5，打开检修门5后即可对冷却风道内部的动力电池包2进行吊装检修。
还包括顶盖3，该顶盖3密封装配于所述壳体1的端部，且顶盖3内装有空调机组4，在本实施例中，空调机组4设有两台并分别对两个动力电池仓10内部提供冷风，该空调机组4的出风口、冷却风道、回风风道13和空调机组4的进风口依次连通并形成循环通路。优选的，在壳体1与动力电池仓10之间形成回风风道13，回风风道13的端部通过风管9与所述空调机组4的进风口连通(如图2所示)，以将热风传输到空调机组4中进行热交换冷却；在空调机组4的出风口设有出风风道14，出风风道14与所述冷却风道的内部连通。
如图6所示，所述顶盖3内设有泄压风道17，泄压风道17的一端装有防爆泄压器8，防爆泄压器8应设置在远离人工操作区和危险源，保证人员安全，防止次生灾害，另一端与所述冷却风道连通，当动力电池仓10的内部空气压力过大时，可通过防爆泄压器8实现泄压。在本实施例中，在顶盖3的两侧分别设有泄压风道17，当顶盖3装配至壳体1上时，泄压风道17的端口则与动力电池仓10预留的泄压口密封装配，以实现防爆泄压器8能够检测到动力电池仓10内部的气压。若动力电池系统热失控后，动力电池包2的内部会产生大量的热能和化学能，并释放大量气体。当动力电池仓10的内部气压过大时，防爆泄压器8启动，动力电池仓10内气压差减小，延缓对壳体1的整体框架结构造成破坏。优选的，泄压的排气方向朝向机车的两侧面，避免对司乘人员造成危害以及对设备形成损害。
具体使用过程中：防爆泄压器8的泄压值应低于动力电池包2在热失控时产生可燃气体浓度，实现了防爆泄压器8在动力电池模块内可燃气体浓度达到电池失效产生的可燃气体爆炸浓度前的压力值时打开，泄放动力电池仓10内的压力，第一时间降低可燃气体的浓度。
所述壳体1内设有与所述电池仓出风口连通的通风风道15，通风风道15上设有两个通风机7，通风机7的出风口与所述回风风道13连通，在本实施例中，两个动力电池仓10则共采用四个通风机7，通风机7能够加快空调机组4冷风在动力电池包2内部循环，使动力电池包2快速冷却，电池不易过热。优选的，该通风风道15呈锥形状，以能够快速收集冷却风道内部的热空气进入至通风机7的进风口，同时，通风机7工作时，能够加速空气的循环，对动力电池仓10的内部散热提供可靠保障。
所述壳体1内设有接触器箱6，各个所述动力电池包2的输出连接至该接触器箱6，该接触器箱6内设有多个熔断器，各个熔断器分别与各所述动力电池包2连接。熔断器在电路发生短路情况下，可直接对电路进行保护，且该熔断器额定电流低于动力电池包2内部预设熔断器的额定电流，各个单节动力电池包2均设置熔断器，在外围主电路出现短路的情况下，以免故障蔓延到动力电池模块结构内；同时，还可实现不同动力电池包2之间短路保护。
在本实施例所提供的机车用动力电池模块结构，其检查与检修过程如下：
其包括动力电池组、通风机7、接触器以及电器元件所需管线、附件等的检查与检修。
1、动力电池包的检修
动力电池包2主要是对电芯及保护开关的检修。1)电芯检修时，可在车上取下顶盖3装配后，将损坏的电池吊出修复电芯。2)将检修门5拆下，单节电池包保护开关可直接取出。
2、接触器箱检修
接触器箱6活动安装在壳体1内安装架的下端，检修时将接触器箱6取出检修。
3、通风机检修
通风机7活动安装在壳体1内安装架的下端，检修时先将接触器箱6拆出，再将通风机7取出。
本实施例所提供的机车用动力电池模块结构，如图4、图5所示，其工作原理如下：
动力电池模块结构包括两个动力电池仓10，每个动力电池仓10设置有独立通风冷却系统。动力电池仓10的通风由独立的通风风道15和回风风道13完成。通风风道15和回风风道13分别由动力电池仓10外侧的安装架及动力电池仓10顶部的密封结构隔绝，防止串风。
冷却时，顶部的空调机组4提供冷却风源对下部的动力电池仓10内部进行通风和散热，动力电池仓10的四周侧面封闭实现由上至下通风，在动力电池仓10内部循环后的热风进入下部空腔并通过周围空间进入通风风道15，通风风道15经通风机7加压后，最后进入空调机组4内部进行冷却压缩，并进行下一个循环以达到对动力电池包2的内部进行通风和冷却的作用。
实施例2
若电池出现热失控后，电池内部的电能和化学能释放出来，电池会产生可燃性气体，进而升温、爆燃，为进一步提升该动力电池模块结构的防火隔热作用，在所述壳体1的底部、壳体1的侧部和电池腔的侧部均采用防火墙，在实施例1的基础上，如图7所示，在所述安装架侧面和底面的壳体板11均替换成防火墙，将组成所述动力电池仓10的中间隔板12也采用防护墙，并且在所述检修门5和顶盖3的内表面上均涂有防火涂料，以最终实现将实施例1中两个动力电池仓10完全进行物理隔离。
设置于所述壳体1外部的防火墙、以及其内部的中间隔墙，将每个动力电池仓10的防火隔热进行了有效分割，同时，对动力电池仓10内相邻两电池腔之间也采用防火墙(该防火墙上应开设有足够多的通风孔)进行隔离，动力电池仓10与电池腔之间进行绝缘设计，有效实现能量分割和物理隔离。
如图8所示，本实施例中采用的防火墙包括绝热材料18和贴附于绝热材料两侧的钢板16构成，绝热材料18采用陶瓷纤维，具有低导热率、良好的隔热性能。
动力电池模块结构的内部动力电池包2发生热失控后，在防火墙进行隔热之后，不会导致相邻动力电池仓10也发生热失衡，可给司机采取救援措施与逃生留有足够时间，也能有效防止故障进一步扩大。
实施例3
为进一步提升该动力电池模块结构的消防系统，如图9所示，将所述检修门5的一侧通过铰接转轴铰接于所述壳体1上，另一侧配设有控制该检修门5开启或关闭的锁门机构，该锁门机构包括电磁铁20、弹簧和控制器，所述检修门5通过克服弹簧的弹性力吸附于所述电磁铁20上，且电磁铁20与控制器电连接，控制器连接有操控按钮，当用户按下操作按钮时，便可控制对应的电磁铁20断开或接通，从而检修门5便会在弹簧的弹性作用下开启或者被电磁铁20的磁力吸附牢固，在本实施例中，弹簧可采用扭簧并将其安装在检修门的铰接转轴上，扭簧的一端抵紧在壳体1的表面上，另一端抵紧在检修门5的表面上，图上未示出；或者采用压缩弹簧并将其安装在电磁铁20所在一侧，图上未示出。采用上述两种结构，当需要检修门5关闭时，则克服弹簧的弹性作用力，并使检修门5的一侧吸附在电磁铁20上；当需要检修门5开启时，则将电磁铁20的电路断开，此时，检修门5在弹簧的弹性作用力推动下，自动打开。优选的，为保证检修门5的关闭密封性，在检修门的内表面上设有密封垫圈19，密封垫圈19与所述电池腔的开口相适配。
在所述动力电池仓10内设有感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器，感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器分别与所述控制器电连接，感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器分别将检测信息反馈至控制器中，控制器中预设有各项监测参数的阈值，可确保动力电池热失控初期被发现(即烟雾浓度、温度或者气体浓度超过预设阈值)，将热失控信息及时反馈给控制器，并通过控制器控制电磁铁的电路断开，各个检修门在弹簧的弹性作用下及时打开，防止动力电池模块内部的烟雾过多、温度过高或者气压过大，起到辅助散烟、散热和泄压的作用，以对防火、防爆进行有效控制，达到消防的目的。
采用本实施例提供的动力电池模块结构设置有动力电池包2、防火隔热系统、消防系统、冷却循环风道系统、防爆系统等，所有系统集成于动力电池模块结构内，整个动力电池模块结构活动连接于车架上，可单独起吊和安装。动力电池模块结构的设计满足动力电池包2的安装、通风冷却、消防安全等性能要求，同时也方便对电器元件的检修。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机车用动力电池模块结构，包括壳体，其特征在于，该壳体内设有至少一个冷却风道，冷却风道与壳体之间设有回风风道；所述冷却风道内设有至少一个电池腔，且冷却风道上密封装配有与各个电池腔对应匹配的检修门，各所述电池腔内均装有动力电池包；还包括空调机组，该空调机组的出风口、冷却风道、回风风道和空调机组的进风口依次连通并形成循环通路，还包括顶盖，该顶盖密封装配于所述壳体的端部，且顶盖内装有所述空调机组；所述顶盖内设有泄压风道，泄压风道的一端装有防爆泄压器，另一端与所述冷却风道连通。
2.根据权利要求1所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述检修门和顶盖的内表面上均涂有防火涂料。
3.根据权利要求1或2所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述检修门的一侧铰接于所述壳体上，另一侧配设有控制该检修门开启或关闭的锁门机构。
4.根据权利要求3所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述锁门机构包括电磁铁、弹簧和控制器，所述检修门通过克服弹簧的弹性力吸附于所述电磁铁上，且电磁体与控制器电连接，控制器连接有操控按钮。
5.根据权利要求4所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述动力电池仓内设有感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器，感烟探测器、感温探测器和气体浓度探测器分别与所述控制器电连接。
6.根据权利要求1所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述壳体内设有动力电池仓，该动力电池仓的两端分别开设有电池仓进风口和电池仓出风口，电池仓进风口、动力电池仓的内腔和电池仓出风口连通以形成所述冷却风道，且壳体上开设有与动力电池仓相通的检修口，检修口上密封装配有所述检修门。
7.根据权利要求6所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述壳体内设有与所述电池仓出风口连通的通风风道，通风风道上设有至少一个通风机，通风机的出风口与所述回风风道连通。
8.根据权利要求1所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，各所述电池腔沿纵向方向分布于所述冷却风道内。
9.根据权利要求1所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述壳体内设有接触器箱，该接触器箱内设有多个熔断器，各个熔断器分别与各所述动力电池包连接。
10.根据权利要求1所述的机车用动力电池模块结构，其特征在于，所述壳体的底部、壳体的侧部和电池腔的侧部均采用防火墙，防火墙由绝热材料和贴附于绝热材料两侧的钢板构成。
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