CN111640888B - 一种电池包泄压防护系统及其设计方法和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池包泄压防护系统及其设计方法和车辆，涉及电池技术领域。本发明的电池包泄压防护系统包括电池包箱体、防火隔热墙、泄压火道和集气槽；电池包箱体用于容纳电池模组，防火隔热墙设于电池包箱体内部，防火隔热墙将电池包箱体内部分为多个相互独立的隔离区域；在每个隔离区域两端的电池包箱体上均设有单向泄压阀，集气槽铺设于电池模组的防爆排气口上方，集气槽的两端分别与单向泄压阀连通；泄压火道与单向泄压阀处于电池包箱体的同一端，单向泄压阀用于将集气槽中的气流汇集到泄压火道内。本发明经过集气引导、单向泄压、火道汇集的过程，可以很好地控制高温气焰的流动方向，提高了电池包的安全性。

Description

一种电池包泄压防护系统及其设计方法和车辆
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池包泄压防护系统及其设计方法和车辆。
背景技术
动力电池系统作为电动汽车储能的关键部件，其安全性能直接影响着电动汽车的整车安全。随着电动汽车保有量的逐渐增加，因机械、电、加热或管理系统故障导致的起火事件也频频出现。动力电池系统属于高能量的化学体系，热失控过程中电芯内部会引发各种副反应，形成高温气焰喷射而出(高温高压的气体，或被引燃)，同时因电池系统空间结构有限，模组布局紧凑、线束堆叠，热失控高温气焰难以在较短时间内排除到箱体外部，大量的热存留使正常电芯也受到热冲击，最终导致整个电池系统热蔓延，对车辆或人员造成极大伤害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池包泄压防护系统及其设计方法和车辆，用以克服上述背景技术中的技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明一方面提供一种电池包泄压防护系统，包括电池包箱体、防火隔热墙、泄压火道和集气槽；所述电池包箱体用于容纳电池模组，所述防火隔热墙设于所述电池包箱体内部，所述防火隔热墙将所述电池包箱体内部分为多个相互独立的隔离区域；在每个所述隔离区域两端的电池包箱体上均设有单向泄压阀，所述集气槽铺设于所述电池模组的防爆排气口上方，所述集气槽的两端分别与所述单向泄压阀连通；所述泄压火道与所述单向泄压阀处于所述电池包箱体的同一端，所述单向泄压阀用于将所述集气槽中的气流汇集到所述泄压火道内。
进一步地，所述电池包箱体内部具有加强梁，所述防火隔热墙由所述加强梁和覆盖在所述加强梁上的防火材料组成；所述电池包箱体具有上盖，所述防火隔热墙与所述上盖之间密封连接。
进一步地，所述集气槽包括顶板和位于所述顶板两侧的竖板，所述顶板和所述竖板形成U型集气槽，所述顶板靠近所述上盖。
进一步地，所述泄压火道的端口处设有箱体防爆阀，当所述泄压火道内的气体压力达到预设值时，所述箱体防爆阀开启以释放气体压力。
进一步地，电池包泄压防护系统还包括电池管理单元和电池配电单元，所述电池管理单元和所述电池配电单元均设于所述电池包箱体的内部，且通过所述防火隔热墙与所述电池模组隔离开。
进一步地，电池包泄压防护系统还包括热失控灭火装置，当接收到热失控预警信号时，所述热失控灭火装置用于降低所述电池模组的温度。
进一步地，电池包泄压防护系统还包括主动泄压装置，当接收到热失控预警信号时，所述主动泄压装置用于快速导出所述电池包箱体内部的高温气流。
本发明另一方面提供一种用于设计上述的电池包泄压防护系统的方法，包括以下步骤：
获取电芯参数、模组参数和电池包参数信息；
获取热失控电芯触发方式和电池包状态属性信息；
根据所述电芯参数信息、所述模组参数信息、所述电池包参数信息、所述热失控电芯触发方式信息和所述电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案；
对所述泄压防护系统方案进行安全仿真分析；
判断安全仿真分析结果是否满足热失控安全要求；若安全仿真分析结果不满足热失控安全要求，则返回到根据所述电芯参数信息、所述模组参数信息、所述电池包参数信息、所述热失控电芯触发方式信息和所述电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案的步骤；若安全仿真分析结果满足热失控安全要求，则进行电池包热失控试验验证；
判断电池包热失控试验验证结果是否满足热失控安全要求；若电池包热失控试验验证结果不满足热失控安全要求，则返回到根据所述电芯参数信息、所述模组参数信息、所述电池包参数信息、所述热失控电芯触发方式信息和所述电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案的步骤；若电池包热失控试验验证结果满足热失控安全要求，则确定所述泄压防护系统方案为最终设计方案。
进一步地，对所述泄压防护系统方案进行安全仿真分析，具体包括：搭建热失控流体模型进行安全仿真分析。
相应地，本发明还提供一种车辆，该车辆包括上述的电池包泄压防护系统。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明在电池包箱体内部设立防火隔热墙，可以将热失控火焰阻断在隔离区域内，在每个隔离区域均设有单向泄压阀，可以避免其他区域的电池模组热失控火焰反向窜入，从而形成定向疏导的效果；而且，处于电池模组的防爆排气口上方的集气槽，可以避免高温气焰对电池包箱体上盖的直接热冲击，避免上盖破裂引发的氧气倒灌；进一步地，各隔离区域的集气槽尾端与单向泄压阀连通，最终流经泄压火道，形成分级式排放通道，引导气体排出。经过集气引导、单向泄压、火道汇集的过程，可以很好的控制高温气焰的流动方向，提高了电池包的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明实施例的电池包泄压防护系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的电池包泄压防护系统的设计方法的方法流程图；
其中，图中附图标记对应为：1-电池包箱体、2-电池管理单元、3-电池配电单元、4-电池模组、5-防火隔热墙、6-集气槽、7-单向泄压阀、8-泄压火道、9-箱体防爆阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。
实施例
现有技术提供了一种电池包防护方法，该方法将电池系统内的每个模组设立独立的燃烧室，燃烧室以纤维复合材料为主要材质，并配备独立的防爆结构，防爆结构以尼龙复合材料为主要材质。该方法将电芯热失控高温气焰控制燃烧室中，进而通过排气管道及防爆结构疏散到箱体外部。
上述方法虽然能够在一定程度上减缓火势蔓延，但仍存在如下问题：(i)在燃烧室中，电芯热失控产生的高温火焰会充斥整个模组上部空间，模组上部电芯表面均会受到火焰冲击，加剧了热的蔓延；另外，热失控喷射物中除了可燃性气体同时存在熔融铝液，整体温度达到1000℃以上，一旦燃烧室顶部防护失效，火焰会流窜到箱体外部，威胁到乘员舱中的人员和财务；(ii)若每个模组设立独立的燃烧室，需要布置与模组同等数量的隔热结构，理论上固然可行，但受限于空间及成本因素，具体实施上是很困难的。
本实施例提供了一种电池包泄压防护系统，参阅图1，本实施例的电池包泄压防护系统包括电池包箱体1、防火隔热墙5、泄压火道8和集气槽6；电池包箱体1用于容纳电池模组4，防火隔热墙5设于电池包箱体1内部，防火隔热墙5将电池包箱体1内部分为多个相互独立的隔离区域，隔离区域的数量取决于电池箱体1的结构强度、模组的布置方式等，设立多个密闭且相互独立的隔离区域，将电芯热失控产生的高温火焰控制在隔离区域内，能够避免热蔓延对人或物造成伤害；在每个隔离区域两端的电池包箱体1上均设有单向泄压阀7，电池模组4具有防爆排气口，集气槽6铺设于防爆排气口上方，集气槽6的两端分别与单向泄压阀7连通；泄压火道8与单向泄压阀7处于电池包箱体1的同一端，单向泄压阀7用于将集气槽6中的气流汇集到泄压火道8内。
本实施例中的电池包泄压防护系统，在电池包箱体1内部设立防火隔热墙，可以将热失控火焰阻断在隔离区域内。此外，在每个隔离区域均设有独立的单向泄压阀7，单向泄压阀7是一种橡胶密封结构，只能单侧开启，用于引导高温气焰的正向流动，从而避免其他区域的电池模组4因热失控火焰反向窜入，形成定向疏导的效果；而且，设于电池模组4的防爆排气口上方的集气槽6，可避免高温气焰对电池包箱体1上盖的直接热冲击，避免上盖破裂引发的氧气倒灌；进一步地，各隔离区域的集气槽6的两端与单向泄压阀7连通，最终流经泄压火道8，形成分级式排放通道，引导气体排出。
作为一种具体的实施方式，电池包箱体1内部具有加强梁，防火隔热墙5由加强梁和覆盖在加强梁上的防火材料组成；防火隔热墙5的数量依取决于电池系统的整体设计，加强梁可以是结构梁，也可以是支撑梁，具体由电池包箱体1结构设计和产品要求而定。根据电池包箱体1的形状、结构、核心部件位置、模组布局划分防火隔离区，控制热失控火焰范围，占用空间小，设计成本低。
作为一种具体的实施方式，电池包箱体1具有上盖，防火隔热墙5与上盖之间密封连接。具体地，防火隔热墙5与上盖之间可以选用弹性材料压实后螺栓密封，也可以使用独立切分上盖，各自密封。
作为一种具体的实施方式，集气槽6包括顶板和位于顶板两侧的竖板，顶板和竖板形成U型集气槽，顶板靠近上盖。集气槽6一般采用耐高温材料制成，例如可以采用钢制材料制成，能够有效避免高温气焰对上盖的直接热冲击，避免上盖破裂引发的氧气倒灌。
本实施例中的集气槽6具有双重功能，一是集气槽6可承受高温火焰的首轮冲击，保护电池包箱体1上盖，防止上盖破裂火焰从进入乘员舱；二是集气槽6可将气焰控制在槽体内，引导火焰的流向，减少火焰对周围良态电芯的影响。
作为一种具体的实施方式，各处隔离区域的气流均汇集到箱体两端的泄压火道8内，泄压火道8的端口处设有箱体防爆阀9，当泄压火道8内的气体压力达到预设值时，箱体防爆阀9开启以释放气体压力到外部环境，其中，预设值可以为箱体防爆阀9的启爆压力值，根据箱体防爆阀9的性能设定。
本实施例中，经过集气引导、单向泄压、火道汇集、防爆排放的过程，可以很好的控制高温气焰的流动方向，U型集气槽将热失控电芯对周围其他电芯的影响控制到最小，双重防爆泄压即火焰在电池包箱体内部回流，又避免了外界空气从箱体防爆阀孔道的入侵，隔绝了氧气，降低了放热反应严重程度，最终将热量彻底释放到外部环境，保障安全。
作为一种具体的实施方式，电池包泄压防护系统还包括电池管理单元2和电池配电单元3，电池管理单元2和电池配电单元3均设于电池包箱体1的内部，且通过防火隔热墙5与电池模组4隔离开。电池管理单元2和电池配电单元3作为电池系统的核心零部件，可以进行重点防护。
本实施例中的电池包泄压防护系统，在电池箱体内设立若干个防火隔离区，同时将系统核心零部件如电池管理单元2、电池配电单元3进行重点防护，集气槽6可经受第一轮热失控火焰冲击，并与单向泄压阀7联通，将高温气焰疏导至箱体左右两侧的泄压火道8处，最终经箱体两端的箱体防爆阀9进行泄放，从而避免火焰传递、热量累积，阻止系统热蔓延发生，保障电动汽车人员和财产安全。
本发明的另一实施例提供的电池包泄压防护系统，在上述实施例公开内容的基础上，在电池包箱体内还设有热失控灭火装置，当接收到热失控预警信号时，热失控灭火装置用于降低所述电池模组的温度。具体地，灭火系统接收到热失控预警信号后，利用管道或其他方式，将冷却剂喷淋到热失控模组上方，从而降低热失控模组的温度，延缓热蔓延发生。
本发明的另一实施例提供的电池包泄压防护系统，在上述实施例公开内容的基础上，还设有主动泄压装置，当接收到热失控预警信号时，主动泄压装置用于快速导出电池包箱体内部的高温气流。具体地，电池包的防爆阀通过排气管道与外部抽排设备相连，一旦接收到热失控预警信号后，外部抽排设备立即启动，将内部高温气流快速导出，防止箱体内热量累积。
本发明的另一实施例提供一种用于设计上述实施例中的电池包泄压防护系统的方法，参阅图2，包括以下步骤：
获取电芯参数、模组参数和电池包参数信息；
获取热失控电芯触发方式和电池包状态属性信息；
根据电芯参数信息、模组参数信息、电池包参数信息、热失控电芯触发方式信息和电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案；
对泄压防护系统方案进行安全仿真分析；
判断安全仿真分析结果是否满足热失控安全要求；若安全仿真分析结果不满足热失控安全要求，则返回到根据电芯参数信息、模组参数信息、电池包参数信息、热失控电芯触发方式信息和电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案的步骤；若安全仿真分析结果满足热失控安全要求，则进行电池包热失控试验验证；
判断电池包热失控试验验证结果是否满足热失控安全要求；若电池包热失控试验验证结果不满足热失控安全要求，则返回到根据电芯参数信息、模组参数信息、电池包参数信息、热失控电芯触发方式信息和电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案的步骤；若电池包热失控试验验证结果满足热失控安全要求，则确定泄压防护系统方案为最终设计方案。
作为一种具体的实施方式，电芯参数信息包含电芯安全参数信息和电芯热失控参数信息；其中，电芯安全参数信息主要有电芯正负极材料的化学体系、额定容量、能量密度、安全添加剂、隔膜安全措施、绕组结构设计、顶盖熔断设计、工艺设计、电芯比热容、各方向热导率等参数信息；电芯热失控参数信息主要有电芯热失控时触发温度、各个面传热温度、热失控气体产气量、产气速率，气体火焰温度、气体主要成分，电芯本体变形量、膨胀力变化等参数信息。模组参数信息主要有：电芯成组方式、电芯隔热垫选型、模组绝缘设计、模组膨胀间隙、模组泄压孔道等参数信息。电池包参数信息主要有：电池包空腔体积、高低压线束耐温性能、电池管理单元的耐温性能、电池配电单元的耐温性能、接插件耐温及密封性能、密封件耐温及密封性能、上托盘耐温及密封性能、箱体耐温及密封性能。
在车辆和电池包使用过程中，需分析环境因素和应用场景带来的影响。在环境因素中极寒环境、极暑环境、高海拔环境、高湿度环境下电芯热失控诱因是不同的，在应用场景中车辆的行驶路况条件、快充条件、慢充条件、驻车条件下电芯热失控诱因也是不同的，这种诱因的差异性往往会导致获取热失控触发方式的差异性。另外，随着车辆和电池包行驶总里程的不断累积，电池包荷电状态和安全属性也会发生变化，这种变化往往会导致获取电池包状态属性的改变。无论是哪种差异性和改变，都需要结合环境因素和应用场景进行系统性分析判断，获取电芯热失控触发方式和电池包状态属性，以探寻最优的安全设计方案。
作为一种具体的实施方式，热失控电芯触发方式一般包括：过充触发、外短路触发、内短路触发、绝缘触发、热触发、挤压触发、针刺触发等，目前内短路被认为是热失控主要的触发方式，占到了热失控事件的90％以上。
作为一种具体的实施方式，电池包状态属性一般包括：电池包剩余电量、电池包温度表现、电池包寿命老化、电池包密封老化等。
作为一种具体的实施方式，基于电芯参数、模组参数、电池包参数信息准确输入，电芯触发方式和电池包状态属性分析，泄压防护系统设计还需要考虑以下几个方面：
a、在电池包热失控发生时，热失控电芯造成的影响需控制在该电芯所处的防火隔离区内，隔离区内防火隔热层不失效；
b、在电池包热失控发生时，模组上方集气槽需汇集热失控高温气体，承受热失控火焰冲击，不融穿、不拉弧；
c、在电池包热失控发生时，与模组集气槽相连接的单向泄压阀泄放压力一般设定为5～10kpa，保证防火隔离区高温气体在第一时间有效释放，避免超过防火隔离区耐温耐压能力，造成箱体撕裂。单向泄压阀选用的数量和大小取决于热失控电芯产气速率和产气量等相关参数；
d、在电池包热失控发生时，防火隔离区的高温气体经单向泄压阀汇总到泄压火道中，泄压火道截面积设计需考虑到同时触发热失控电芯的数量，泄压火道流转角度和流道设计需考虑到高温气体在泄放中的湍流影响、减少流阻，避免反应产物沉积阻塞；
e、在电池包热失控发生时，电池包箱体外部的防爆阀至关重要，除了热失控考虑外，防爆阀也承载电池箱体IP(Ingress Protection，侵入防护)防护、平衡透气的作用，一般防爆阀开阀压力设定为10～20kpa。防爆阀选型既要满足电池包内部热量快速泄放，又要避免在热失控过程中发生堵塞，同时防止外界氧气进入到箱体内部，在常规设计中弹簧式防爆阀和组合式防爆阀使用的较为普遍。
作为一种具体的实施方式，在泄压防护系统设计中，搭建热失控流体模型进行泄压防护系统安全仿真是不可或缺的一环。通过热失控流体仿真我们可以得到在热失控反应历程中电池包内部流速场、温度场、压力场的变化过程，可以对泄放防护系统方案进行虚拟验证，评估设计方案的可行性，并进行优化设计。
本实施例中的电池包泄压防护系统的设计方法，基于电芯参数、模组参数、电池包参数信息准确输入，评估分析电芯触发方式和电池包状态属性；通过理论计算、仿真分析，得到泄压火道截面积、气体流转角度、集气槽的耐温参数、单向泄压阀数量及箱体防爆阀数量、泄放参数，开阀阈值等特征参数作为设计要求，根据电池热失控试验方案，经电池包热失控试验的实物试验验证后，形成最终的电池包热失控泄压防护系统方案。
本发明的另一实施例还提供一种车辆，本实施例中的车辆包括上述实施例中的电池包泄压防护系统。
本发明的上述实施例，具有如下有益效果：
本发明在电池包箱体内部设立防火隔热墙，可以将热失控火焰阻断在隔离区域内，在每个隔离区域均设有单向泄压阀，可以避免其他区域的电池模组热失控火焰反向窜入，从而形成定向疏导的效果；而且，处于电池模组的防爆排气口上方的集气槽，可以避免高温气焰对电池包箱体上盖的直接热冲击，避免上盖破裂引发的氧气倒灌；进一步地，各隔离区域的集气槽尾端与单向泄压阀连通，最终流经泄压火道，形成分级式排放通道，引导气体排出。经过集气引导、单向泄压、火道汇集的过程，可以很好的控制高温气焰的流动方向，提高了电池包的安全性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电池包泄压防护系统，其特征在于，包括电池包箱体(1)、防火隔热墙(5)、泄压火道(8)和集气槽(6)；
所述电池包箱体(1)用于容纳电池模组(4)，所述防火隔热墙(5)设于所述电池包箱体(1)内部，所述防火隔热墙(5)将所述电池包箱体(1)内部分为多个相互独立的隔离区域；
在每个所述隔离区域两端的电池包箱体(1)上均设有单向泄压阀(7)，所述集气槽(6)铺设于所述电池模组(4)的防爆排气口上方，所述集气槽(6)的两端分别与所述单向泄压阀(7)连通；
所述集气槽(6)包括顶板和位于所述顶板两侧的竖板，所述顶板和所述竖板形成U型集气槽；所述电池包箱体(1)具有上盖，所述顶板靠近所述上盖；所述集气槽（6）用于保护所述上盖；所述泄压火道(8)与所述单向泄压阀(7)处于所述电池包箱体(1)的同一端，所述单向泄压阀(7)用于将所述集气槽(6)中的气流汇集到所述泄压火道(8)内。
2.根据权利要求1所述的电池包泄压防护系统，其特征在于，所述电池包箱体(1)内部具有加强梁，所述防火隔热墙(5)由所述加强梁和覆盖在所述加强梁上的防火材料组成；所述防火隔热墙(5)与所述上盖之间密封连接。
3.根据权利要求1所述的电池包泄压防护系统，其特征在于，所述泄压火道(8)的端口处设有箱体防爆阀(9)，当所述泄压火道(8)内的气体压力达到预设值时，所述箱体防爆阀(9)开启以释放气体压力。
4.根据权利要求1所述的电池包泄压防护系统，其特征在于，还包括电池管理单元(2)和电池配电单元(3)，所述电池管理单元(2)和所述电池配电单元(3)均设于所述电池包箱体(1)的内部，且通过所述防火隔热墙(5)与所述电池模组(4)隔离开。
5.根据权利要求1所述的电池包泄压防护系统，其特征在于，还包括热失控灭火装置，当接收到热失控预警信号时，所述热失控灭火装置用于降低所述电池模组(4)的温度。
6.根据权利要求1所述的电池包泄压防护系统，其特征在于，还包括主动泄压装置，当接收到热失控预警信号时，所述主动泄压装置用于快速导出所述电池包箱体(1)内部的高温气流。
7.一种用于设计如权利要求1-6任一项所述的电池包泄压防护系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电芯参数、模组参数和电池包参数信息；
获取热失控电芯触发方式和电池包状态属性信息；
根据所述电芯参数信息、所述模组参数信息、所述电池包参数信息、所述热失控电芯触发方式信息和所述电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案；
对所述泄压防护系统方案进行安全仿真分析；
判断安全仿真分析结果是否满足热失控安全要求；若安全仿真分析结果不满足热失控安全要求，则返回到根据所述电芯参数信息、所述模组参数信息、所述电池包参数信息、所述热失控电芯触发方式信息和所述电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案的步骤；若安全仿真分析结果满足热失控安全要求，则进行电池包热失控试验验证；
判断电池包热失控试验验证结果是否满足热失控安全要求；若电池包热失控试验验证结果不满足热失控安全要求，则返回到根据所述电芯参数信息、所述模组参数信息、所述电池包参数信息、所述热失控电芯触发方式信息和所述电池包状态属性信息，初步确定泄压防护系统方案的步骤；若电池包热失控试验验证结果满足热失控安全要求，则确定所述泄压防护系统方案为最终设计方案。
8.根据权利要求7所述的电池包泄压防护系统的设计方法，其特征在于，对所述泄压防护系统方案进行安全仿真分析，具体包括：搭建热失控流体模型进行安全仿真分析。
9.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的电池包泄压防护系统。
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