CN111834581A - 一种电池包的排气过滤系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池包的排气过滤系统，包括防爆阀和过滤装置，所述防爆阀的一端与电池包连接，防爆阀的另一端与过滤装置连接，所述过滤装置包括输入口、输出口、壳体和过滤机构，所述输入口和输出口分设于壳体的两端，过滤机构设在壳体内，在所述过滤机构上开设有多个过滤孔。有益效果：通过新型防爆阀和新型过滤装置的优化设计，使得本申请的技术方案适用性更广，无论是大容量电池还是小容量电池都能很好地解决了热失控后诱发火灾的问题，排气更顺畅，过滤效果更好，电池包热失控后续处理效果更好。

Description

一种电池包的排气过滤系统
技术领域
本发明涉及电池包热失控技术领域，具体涉及一种电池包的排气过滤系统。
背景技术
2020年5月12日，工业和信息化部组织制定的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 30381-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准(以下简称“三项强标”)由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布，将于2021年1月1日起开始实施。
三项强标规定电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生时间的要求成为了强制性标准，对新能源车的安全性提出了更高的要求。抑制三元电池热失控满足三项强标的要求，成为新能源车安全领域亟需解决的难题。
现有的热失控后续处理技术方案要么由排气管单独向外排外，要么由排气管和防爆阀组成，要么由排气管和过滤装置组成，其过滤装置采用中和剂或吸附剂(如粗颗粒分离层、活性炭层、高锰酸钾层、活性氧化铝层、微粒过滤器层)的方式来过滤烟气。上述的几种处理技术方案中，最后的含过滤装置的在实践中相对处理效果能好点。但是这种方式也存在局限性，当电池容量小(如20Ah容量)，热失控反应缓和的时候，这种方式是可以起到过滤作用的，当大容量的电芯热失控时(如大于40Ah容量)，尤其是三元电池产生大量的烟气，剧烈燃烧，排出的烟气压力非常大，中和剂或吸附剂的过滤方式会对烟气的排放产生严重的阻碍作用，导致压力过大损坏过滤装置甚至使动力电池包箱体发生爆裂，燃烧的固体颗粒物随爆裂处喷出引燃喷出的可燃气体造成火灾迅速蔓延。
故如何解决大容量电池或电池模组的热失控后续处理是当前技术人员亟需研究的问题，以保证瞬间产生的大量烟气顺利排出，避免过滤装置甚至电池包结构的破坏。
发明内容
本发明的目的克服现有技术的不足，提供一种电池包的排气过滤系统，通过新型防爆阀和新型过滤装置的优化设计，使得本申请的技术方案适用性更广，无论是大容量电池还是小容量电池都能很好地解决其热失控后诱发火灾的问题，排气更顺畅，过滤效果更好，电池包热失控后续处理效果更好。
本发明的目的是通过以下技术措施达到的：一种电池包的排气过滤系统，包括防爆阀和过滤装置，所述防爆阀的一端与电池包连接，防爆阀的另一端与过滤装置连接，所述过滤装置包括输入口、输出口、壳体和过滤机构，所述输入口和输出口分设于壳体的两端，过滤机构设在壳体内，在所述过滤机构上开设有多个过滤孔。
进一步地，所述过滤机构包括第一过滤板组件和第二过滤板组件，第一过滤板组件和第二过滤板组件分设在过滤机构输送方向的两侧，第一过滤板组件包括间隔设置的至少2个第一过滤板，第二过滤板组件包括间隔设置的至少2个第二过滤板，在过滤机构输送方向上，至少2个第一过滤板按过滤孔孔径从大到小排布，至少2个第二过滤板按过滤孔孔径从大到小排布。
进一步地，在垂直于过滤机构的输送方向上，所述第一过滤板与最接近的第二过滤板之间设有缝隙，所述缝隙用于电池包热失控时烟气的通过。
进一步地，单个所述第一过滤板上孔径的透气面积、相邻第二过滤板上孔径的透气面积和单个所述缝隙的有效透气面积之和组成过滤机构的单层透气面积，所述单层透气面积大于输入口的横截面积。
进一步地，所述缝隙的有效透气面积大于输入口的横截面积。
进一步地，所述第一过滤板与壳体长度方向的侧壁设有夹角，所述夹角的角度为大于0°小于180°，所述第一过滤板的透气面积大于输入口的横截面积，第二过滤板与壳体长度方向的侧壁设有夹角，所述夹角的角度为大于0°小于180°，所述第二过滤板的透气面积大于输入口的横截面积。
进一步地，所述过滤孔的最小直径小于0.428mm。
进一步地，与所述输入口相邻的第一过滤板完全覆盖输入口的烟气直线通路。
进一步地，在过滤机构的输送方向上，前后相邻两个所述第一过滤板上的过滤孔孔中心错位设置，前后相邻两个所述第二过滤板上的过滤孔孔中心错位设置。
进一步地，所述电池包的排气过滤系统还包括排气管，所述排气管用于防爆阀与过滤装置之间的连接。
进一步地，所述排气管为耐高压、耐高温材质。
进一步地，所述排气管为不锈钢材质。
进一步地，所述排气管的截面积≤过滤装置的截面积。
进一步地，所述电池包的排气过滤系统还包括消防接口，所述消防接口与过滤装置的输出口连接。
进一步地，所述防爆阀包括框体、密封垫圈和防水透气膜，所述密封垫圈和防水透气膜分设于框体上，密封垫圈用于防爆阀与电池包之间的密封连接，防水透气膜用于电池包热失控时的泄压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种电池包的排气过滤系统，通过新型防爆阀和新型过滤装置的优化设计，使得本申请的技术方案适用性更广，无论是大容量电池还是小容量电池都能很好地解决其热失控后诱发火灾的问题，排气更顺畅，过滤效果更好，电池包热失控后续处理效果更好。具体的，防爆阀的防水透气膜能在爆破之后，顺利排出泄压，不堵塞，消防接口通水之后也能顺利的将水输入到电池包中。新型过滤装置，第一过滤板组件和第二过滤板组件，双重过滤；第一过滤板和第二过滤板交错设置，折流过滤；多个第一过滤板或多个第二过滤板的过滤孔错位设置，又一折流过滤；所述排气管的截面积≤过滤装置的截面积，保证瞬间高压烟气的泄压。所述单层透气面积大于输入口的横截面积保证排气顺畅的手段之一，单个第一过滤板或单个第二过滤板上孔径的透气面积大于输入口的横截面积保证排气顺畅的手段之二；所述缝隙的有效透气面积大于输入口的横截面积保证排气顺畅的手段之三，通过上述3种手段，无论是过滤孔局部堵塞还是全部堵塞都能防止高压烟气在过滤装置中泄不出，从而有效避免电池包或过滤装置损坏爆炸。过滤板上的孔径在烟气输送方向上，由大到小排布，可以起到充分的过滤固体颗粒物和火星等。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是电池包的排气过滤系统的结构示意图。
图2是防爆阀的结构示意图。
图3是过滤装置多个实施例(3A-3C)的结构示意图。
图4是缝隙有效透气面积的示意图。
其中，1.电池包，2.防爆阀，4.过滤装置，3.排气管，5.消防接口，6.输出口，7.输入口，8.过滤机构，9.壳体，10.过滤孔，11.第一过滤板组件，12.第二过滤板组件，13.第一过滤板，14.第二过滤板，15.框体，16.密封垫圈，17.防水透气膜，18.螺栓孔。
具体实施方式
如图1至4所示，一种电池包的排气过滤系统，包括防爆阀2和过滤装置4，所述防爆阀2的一端与电池包1连接，防爆阀2的另一端与过滤装置4连接，所述过滤装置4包括输入口7、输出口6、壳体9和过滤机构8，所述输入口7和输出口6分设于壳体9的两端，过滤机构8设在壳体9内，在所述过滤机构8上开设有多个过滤孔10，所述过滤孔10的最小直径小于0.428mm。所述电池包1的排气过滤系统还包括排气管3和消防接口5，所述排气管3用于防爆阀2与过滤装置4之间的连接，所述消防接口5与过滤装置4的输出口6连接。所述消防接口5采用标准消防接口5，当发生热失控时，过滤装置4为乘客争取到了足够的时间，等消防车来了，以便消防员可将消防水直接快速接到消防接口5处。过滤机构8上的过滤孔10可以很好的保证较大爆破压力的释放，尤其是大容量电池和电池模组瞬间产生的大量烟气的释放，避免过滤装置4甚至电池包1结构的破坏。过滤孔10的形状可以是长条状，圆孔，方孔等，单个第一过滤板13或单个第二过滤板14上的多个过滤孔孔径可以一致，也可以不一致，只要满足在孔径从前到后是由大到小即可。
所述过滤机构8包括第一过滤板组件11和第二过滤板组件12，第一过滤板组件11和第二过滤板组件12分设在过滤机构8输送方向的两侧，第一过滤板组件11包括间隔设置的至少2个第一过滤板13，第二过滤板组件12包括间隔设置的至少2个第二过滤板14，在过滤机构8输送方向上，至少2个第一过滤板13按过滤孔10孔径从大到小排布，至少2个第二过滤板14按过滤孔10孔径从大到小排布。每个第一过滤板13上都设置有多个过滤孔10，每个第二过滤板14上也设置有多个过滤孔10，单个第一过滤板13或单个第二过滤板14上的多个过滤孔10孔径可以相同，只要满足在过滤机构8输送方向上，平行设置的第二过滤板14从前到后的孔径依次变小，平行设置的第一过滤板13从前到后的孔径也依次变小，实现第二过滤板组件12或第一过滤板组件11的逐级过滤。靠近过滤装置4输入口7端的过滤机构8采用较大的孔径，可以阻挡大的固体颗粒物，如铜箔、防爆阀2爆破燃烧的塑料件等，越往输送方向末端孔径越小，较小的孔径可以过滤小固体颗粒物，如火星、尘埃等，经过本申请技术的实验发现多元电池热失控喷射出的固体颗粒物95％以上的固体颗粒物粒径≥0.428mm，故为了将过滤装置4的过滤效果发挥到最好，排出的尾气无固体颗粒物，将过滤装置4中，输送方向最末端的孔径设置到小于0.428mm，这样过滤装置4不仅能发挥过滤大固体颗粒物、火星、尘埃等，还可以释放电池包1热失控产生的较大爆破压力，以便保证排出烟气顺畅。
至少2个所述第一过滤板13之间平行设置，至少2个第二过滤板14之间平行设置。第一过滤板13或第二过滤板14的具体数量可以是3个，4个，5个等，不管第一过滤板13或第二过滤板14的具体数量为几个，在过滤机构8输送方向末端的第一过滤板13或第二过滤板14的孔径小于0.428mm。第一过滤板13和相邻第二过滤板14交错设置，即在相邻两个平行的第一过滤板13之间穿插一个第二过滤板14，但第二过滤板14设在第一过滤板13连接壳体9的相对侧，第二过滤板14与第一过滤板13不接触。进一步地，在垂直于过滤机构8的输送方向上，所述第一过滤板13与最接近的第二过滤板14之间设有缝隙，所述缝隙用于电池包1热失控时烟气的通过。
单个所述第一过滤板13上孔径的透气面积S1、相邻第二过滤板14上孔径的透气面积S2和单个所述缝隙的有效透气面积S之和组成过滤机构8的单层透气面积St1，所述单层透气面积St1大于输入口7的横截面积S3。输入口7与排气管3可以是同直径的，输入口7与排气管3也可以是不同直径的。当不同直径时，若排气管3大于输入口7直径，所述单层透气面积St1相应的要大于排气管3的横截面积S4，若排气管3小于输入口7直径，所述单层透气面积St1大于输入口7的横截面积S3即可。计算单层透气面积St1，若假设单个孔径的面积为n1，单个所述第一过滤板13或相邻第二过滤板14设有12个孔，单个所述第一过滤板13上孔径的透气面积S1＝12*n1，相邻第二过滤板14上孔径的透气面积S2＝12*n1。缝隙的有效透气面积S，St1＝12*2*n1+S。在第一过滤板13和第二过滤板14面积一定的情况下，可以根据不同的孔径设置孔数。12个孔只是第一过滤板13或相邻第二过滤板14的一种实施例。
所述缝隙的有效透气面积S大于输入口7的横截面积S3。有效透气面积S是指烟气通过缝隙的最小截面积，第一过滤板13在长度方向的底边ab，所述底边ab在第一过滤板13长度方向延伸至第二过滤板14表面的交线cd，有效透气面积S即由底边ab和交线cd所形成的平面面积，如图4所示。
所述第一过滤板13与壳体9长度方向的侧壁设有夹角β，0°＜β＜180°，单个所述第一过滤板13的透气面积大于输入口7的横截面积，第二过滤板14与壳体9长度方向的侧壁设有夹角β，0°＜β＜180°，单个所述第二过滤板14的透气面积大于输入口7的横截面积。输入口7的横截面积就是烟气的喷出面积，在单个所述第二过滤板14的透气面积或单个所述第一过滤板13的透气面积大于烟气喷出面积的设计下，可以通过单个第一过滤板13或第二过滤板14实现对喷出烟气的一级过滤，当多个第一过滤板13或第二过滤板14时，就可以实现对喷出烟气的多级过滤，从而保障过滤效果。
与所述输入口7相邻的第一过滤板13完全覆盖输入口7的烟气直线通路。以增大第一过滤板13对烟气的有效过滤面积，如不能覆盖，则第一过滤板13对烟气的有效过滤面积就会减少，当烟气直线通路介于第一过滤板13和相邻第二过滤板14之间时，也就是说，经输入口7喷出的烟气一部分通过第一过滤板13过滤，另一部分会第二过滤板14过滤，还有一部分可能直接从缝隙进入后面的过滤机构8，显然这样的方式，就会浪费一部分第一过滤板13和第二过滤板14的过滤面积。
在过滤机构8的输送方向上，前后相邻两个所述第一过滤板13上的过滤孔10孔中心错位设置，前后相邻两个所述第二过滤板14上的过滤孔10孔中心错位设置。孔中心错位设置，避免了烟气从相邻两个第一过滤板13中直接通过，也避免了烟气从相邻两个第二过滤板14中直接通过，保证烟气在第一过滤板组件11和第二过滤板组件12之间折流，以实现更好的过滤。
以153Ah三元电池为例，通过实验发现，153Ah三元电池热失控时，燃烧剧烈，防爆阀口3的温度最高达到1022.20℃，所以针对大容量电池需要对排放烟气的所述排气管3作材质的选择，以更好地满足排放烟气的要求，同时瞬间产生的大量烟气会附带很高的压力，故排气管3最好是能耐高压的，基于上述大容量电池热失控的特点，将所述排气管3优化选择为不锈钢304材质，耐高温，耐高压。由于不锈钢304材质的优异特性，在满足使用要求的情况下，管壁厚度可做得薄一些，降低排气过滤系统的整体重量，同时降低成本。
Figure BDA0002654081540000091
所述排气管3的横截面积S4≤过滤装置4的截面积S5。
如图2所示，所述防爆阀2包括框体15、密封垫圈16和防水透气膜17，所述密封垫圈16设在框体15的四周边沿，在框体15的中部开设有贯穿的通道，用于覆盖通道的所述防水透气膜17安装在框体15上，密封垫圈16用于防爆阀2与电池包1之间的密封连接，防水透气膜17用于电池包1热失控时的泄压。在框体15的四周边沿上设有至少2个螺栓孔18，防爆阀2通过至少2个螺栓孔18与电池包1连接，电池包1的壳体9上开设有通孔，通孔为至少1个，所述通孔与防水透气膜17的面积匹配，防水透气膜17能完全覆盖通孔。本申请中针对大容量电池和电池模组会瞬间产生大量烟气的特点，将现有的防爆阀2做了新的改进，防水透气膜17防水透气，很好的维持了电池包1内外压力平衡，当热失控时，防爆阀2的防水透气膜17被爆破，框体15中部贯穿的通道被打开，被爆炸的颗粒物通过通道顺畅无阻拦的从电池包1排出，充分的泄压，保证烟气的排泄通畅。当为多个通孔时，可以在每个通孔安装一个防爆阀2，通过对应数量的排气管统一接入过滤装置4内。当然也可以1个通孔对应1个过滤装置4。
过滤装置的实施例1，如3A所示，过滤装置4左侧管路为烟气入口的排气管3，入口靠近过滤装置4顶部的1/3处，上层的第一过滤板组件11能覆盖烟气入口的直线通路。右侧管路为烟气出口的排气管3，出口靠近过滤装置4底部1/3处，同理下层第二过滤板组件12能覆盖烟气出口的直线通路。输入口7处第一过滤板13的过滤孔10采用长条孔，其他的过滤孔10采用圆孔，能有效隔离大块的铜箔、防爆阀2爆裂燃烧后的塑料块、密封垫圈16等。然后大块固体将会滑落到过滤装置4底部的空余位置。后续第一过滤板13和第二过滤板14上加工有孔径逐渐由大到小的过滤孔10，实现逐级过滤。前后过滤板上的过滤孔10位置错开布置，能有效增强过滤效果。第一过滤板13与壳体9长度方向的顶部侧壁夹角β为45度，第二过滤板14与壳体9长度方向的底部侧壁夹角β为45度，第一过滤板13与第二过滤板14交错垂直但不接触，第一过滤板13与第二过滤板14中间留有缝隙，缝隙的有效透气面积不小于排气管3的横截面积S4，保证排气泄压通道的畅通，哪怕第一过滤板13与第二过滤板14被固体颗粒物完全堵塞的情况下也能顺利排烟。
过滤装置的实施例2，如3B所示，第一过滤板13与第二过滤板14的布置角度为135°，离过滤固体颗粒物，烟气顺利排出。过滤孔10采用长条孔和圆孔相结合的方式。
过滤装置的实施例3，如3C所示：第一过滤板13与第二过滤板14上下交错布置，第一过滤板13和第二过滤板14与壳体9长度方向的侧壁夹角为90度，也能有效隔离过滤固体颗粒物，烟气顺利排出。过滤孔10全部采用为圆孔。
泄压排出过程：防爆阀2的防水透气膜17在电池包1热失控产生的大量烟气的作用爆破，烟气从防爆阀2的通道顺着排气管3进入过滤装置4，在过滤装置4壳体9内降压，通过第一过滤板组件11和第二过滤板组件12的多级过滤，折流过滤，无堵塞的充分过滤之后经消防接口5最终排出。当消防车接通消防接口5后，水从消防接口5进入过滤装置4，在过滤装置4中经过滤孔10和缝隙的流通进入防爆阀2的通道，最终进入电池包1降温灭火。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (15)

1.一种电池包的排气过滤系统，其特征在于：包括防爆阀和过滤装置，所述防爆阀的一端与电池包连接，防爆阀的另一端与过滤装置连接，所述过滤装置包括输入口、输出口、壳体和过滤机构，所述输入口和输出口分设于壳体的两端，过滤机构设在壳体内，在所述过滤机构上开设有多个过滤孔。
2.根据权利要求1所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述过滤机构包括第一过滤板组件和第二过滤板组件，第一过滤板组件和第二过滤板组件分设在过滤机构输送方向的两侧，第一过滤板组件包括间隔设置的至少2个第一过滤板，第二过滤板组件包括间隔设置的至少2个第二过滤板，在过滤机构输送方向上，至少2个第一过滤板按过滤孔孔径从大到小排布，至少2个第二过滤板按过滤孔孔径从大到小排布。
3.根据权利要求2所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：在垂直于过滤机构的输送方向上，所述第一过滤板与最接近的第二过滤板之间设有缝隙，所述缝隙用于电池包热失控时烟气的通过。
4.根据权利要求3所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：单个所述第一过滤板上孔径的透气面积、相邻第二过滤板上孔径的透气面积和单个所述缝隙的有效透气面积之和组成过滤机构的单层透气面积，所述单层透气面积大于输入口的横截面积。
5.根据权利要求3所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述缝隙的有效透气面积大于输入口的横截面积。
6.根据权利要求3所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述第一过滤板与壳体长度方向的侧壁设有夹角，所述夹角的角度为大于0°小于180°，所述第一过滤板的透气面积大于输入口的横截面积，第二过滤板与壳体长度方向的侧壁设有夹角，所述夹角的角度为大于0°小于180°，所述第二过滤板的透气面积大于输入口的横截面积。
7.根据权利要求2所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述过滤孔的最小直径小于0.428mm。
8.根据权利要求2所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：与所述输入口相邻的第一过滤板完全覆盖输入口的烟气直线通路。
9.根据权利要求2所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：在过滤机构的输送方向上，前后相邻两个所述第一过滤板上的过滤孔孔中心错位设置，前后相邻两个所述第二过滤板上的过滤孔孔中心错位设置。
10.根据权利要求1所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述电池包的排气过滤系统还包括排气管，所述排气管用于防爆阀与过滤装置之间的连接。
11.根据权利要求10所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述排气管为耐高压、耐高温材质。
12.根据权利要求11所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述排气管为不锈钢材质。
13.根据权利要求10所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述排气管的截面积≤过滤装置的截面积。
14.根据权利要求1所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述电池包的排气过滤系统还包括消防接口，所述消防接口与过滤装置的输出口连接。
15.根据权利要求1所述的电池包的排气过滤系统，其特征在于：所述防爆阀包括框体、密封垫圈和防水透气膜，所述密封垫圈和防水透气膜分设于框体上，密封垫圈用于防爆阀与电池包之间的密封连接，防水透气膜用于电池包热失控时的泄压。
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