CN112103416A - 一种电池以及一种安全电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池以及一种安全电池系统。所述电池包括多个电池模组、水冷系统以及敷设在所述电池中热熔管；所述多个电池模组中的每一个包括多个电芯，所述多个电芯之间填充有隔热体；所述水冷系统包括导热体和引流管道，所述导热体与所述多个电池模组中的每一个热传导地耦合，所述水冷系统经由引流管道将散热液体输送到所述导热体；并且所述热熔管储有高压冷却液，且所述热熔管的熔点为第一设定温度。

Description

一种电池以及一种安全电池系统
技术领域
本发明涉及防止电池热失控的领域，更具体地涉及一种电池以及一种安全电池系统。
背景技术
清洁能源在本世纪内将越来越受到重视，而各种现代电气设备、电子设备都是由电力驱动的，因而电能的地位正愈发重要。电能的储存是当前研究的一个重要课题，诸如锂离子电池的各种电池是目前较为常见的储电设备，其安全性应当得到保障。另一方面，电动汽车在节能减排上具有很大的潜力和优势，而锂离子电池作为电动汽车动力来源的核心，由于其能量密度的不断增加，电池的化学体系变得更加活跃。当电池发生热失控时，会发出等多的热和能量，这会严重威胁车辆以及乘员的安全。
当电池的电芯发生热失控时，电芯瞬间着火，并伴有大量电解液喷出。电池着火时的温度将瞬间升高到800摄氏度，如此高的温度会导致与第一个热失控的电芯临近的其他电芯的温度也瞬间升高，从而造成第二个电芯处于不稳定状态。当第二个电芯温度达到热失控温度后，第二个电芯也将发生热失控，这同样产生大量的热量。如此会导致发生连锁反应，电芯热失控的时间会越来越短，最终导致整个电池模组发生热失控，甚至会引爆相邻的电池模组，最终导致整个电池包发生热失控。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种电池，其特征在于：所述电池包括多个电池模组、水冷系统以及敷设在所述电池中热熔管；所述多个电池模组中的每一个包括多个电芯，所述多个电芯之间填充有隔热体；所述水冷系统包括导热体和引流管道，所述导热体与所述多个电池模组中的每一个热传导地耦合，所述水冷系统经由引流管道将散热液体输送到所述导热体；并且所述热熔管储有高压冷却液，且所述热熔管的熔点为第一设定温度。
可选地，所述热熔管至少敷设在所述多个电池模组之间。
可选地，所述热熔管敷设在所述多个电芯中的每一个的周围。
可选地，所述热熔管敷设在所述电池模组的上盖中。
可选地，所述热熔管为尼龙管或橡胶管，所述第一设定温度低于200℃。
可选地，所述隔热体为气凝胶。
可选地，所述导热体为中空铝板，其热传导地耦合到所述多个电芯中的每一个上。
根据本发明的另一方面，提供一种安全电池系统，其包括本文中的任一种电池，其特征在于，所述安全电池系统还包括：散热液体储器，其用于存储所述散热液体，并且其与所述引流管道通过阀门连通；温度传感器，其用于检测所述电池的温度，并且当检测到的温度高于第二设定温度时，打开所述阀门，从而经由所述引流管道将散热液体输送到所述导热体；以及冷却液储器，其用于存储高压冷却液，并且其与所述热熔管连通。
可选地，所述第二设定温度低于所述第一设定温度。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1示出了现有技术的电池；
图2示出了现有技术的电池；
图3示出了根据本发明的一方面的电池模组；
图4示出了根据本发明的一方面的电池模组；
图5示出了根据本发明的一方面的电池模组；
图6示出了根据本发明的一方面的电池模组；
图7示出了根据本发明的一方面的电池模组；
图8示出了根据本发明的一方面的电池；
图9示出了根据本发明的一方面的电池；
图10示出了根据本发明的一方面的安全电池系统。
具体实施方式
出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本发明的原理。但是，本领域技术人员将容易地认识到相同的原理可等效地应用于所有类型的电池以及安全电池系统，并且可以在其中实施这些相同或相似的原理，任何此类变化皆不背离本专利申请的真实精神和范围。
图1或图2示出了现有技术的电池。电池10由若干个电池模组12组成，而电池模组12则包括了若干个电芯14。出于示意性的目的，图1中示出的电池10包括25个电池模组12，每个电池模组12包括5个电芯14。值得一提的是，图1中示出的电池并不表示其实际上的堆叠方式，这种展示仅是出于说明本发明的原理来考虑的，电芯14以及电池模组12的排布方式可以根据实际需要来指定，且该指定也不影响本发明的一般原理发挥作用（在以下类似的示例中亦是如此）。图1展示了电池10的平面视图（例如可以根据堆叠的方式为俯视图），其中的电芯14为长方体结构（或类长方体等的规则结构）；而更一般地，参见图2，电池模组12中的电芯24可以为圆柱状结构。本发明的原理对于这两种形式的电芯是同等适用的。
图3示出了根据本发明的一方面的电池模组，出于清晰说明的目的，在介绍本发明的一方面时，其他可能影响说明效果的部件被略去，这并不表明这些被省略的部件在实现本发明的原理时可以或者应当被省略（在以下类似的示例中亦是如此），本发明的保护范围以其记载的权利要求为准。图3示出的电池模组12包括5个电芯14以及介于其间的4个隔热体32。隔热体32的数量并不限于5个，但是应当保障至少所需要保护的一部分或者全部电芯能被隔热体32间隔开。隔热体32可以采用导热系数低的气凝胶等材料制作，其能够耐受高温，对火焰冲击也有一定的抵抗作用。当某一个电芯起火时，隔热体32能在一定程度上阻止热量传导到相邻的电芯，以及在一定程度上阻止火势的快速蔓延。
图5和图7也示出了根据本发明的一方面的电池模组，区别于图3中的电芯14，图5和图7中的电芯24是圆柱状的。为了形成对图5中的电芯14的热阻断和/或防止火势蔓延，可以使用圆环状的隔热体52来实现此目的。圆环状的隔热体52可以从各个角度形成对发热和/或起火的电芯的隔离，从而有效地防止“殃及池鱼”。另一方面，图7中示出了另一种类型的隔热体72，其包裹电芯24并且填充了电池模组12中的其余部分或全部间隙。这种设置方式比圆环状更能形成热阻断和/或防止火势蔓延，但是可以想见的是此方式对正常工作时电芯24的散热是不利的，因而其可能更适用于正常工作状态下发热量较少的电芯24。
本发明出于示例性的目的示出了以上各种隔热体类型，本领域技术人员可以根据需要从中选取一种或多种用于实践。另外，本领域技术人员还可以在本发明的启发下作出不脱离本发明的原理的其他变型，这些变型都包括在本发明的保护范围中。
参见图4，其示出的根据本发明的一方面的电池模组12中进一步包括水冷系统，该水冷系统包括导热体48以及引流管道46。其中导热体48与电池10中的每一个电池模组12热传导地耦合在一起（图中仅示出一个电池模组），即，在此种耦合方式下导热体48可以从电池模组12导出热量。在电池的正常工作模式下，水冷系统并不向其中的导热体48注入散热液体；只有当电池发生热失控时水冷系统才通过引流管道46向导热体48注入散热液体，以便散热液体通过热传导的方式将电芯14传导到导热体48上的热量从电池10导出。在该示例中，散热液体的注入是一次性的，该示例不意在通过使得散热液体诸如循环来实现更高的散热效率，反而强调诸如实现简易程度以及成本等。注入的散热液体可以在后期进行电池检修时排出，因而该水冷系统是可以重复利用的。
在图4所对应的实施例中，导热体48可以是进一步紧贴电池模组12中每一个电芯14布置的。以此方式，当电池模组12中的一个电芯热失控时，其产生的热量被水冷系统迅速导出，从而避免将热量传导到其他电芯。此时，水冷系统对电池模组12中的所有电芯产生致冷效果，消除了潜在的威胁。作为非限制性的示例，导热体48可以例如为中空的铝板，其与每一个电芯耦合。中空铝板48可以从引流管道46引入散热液体，所述散热液体可以选择比热容较大的水。
继续参见图4，电池模组12中还包括热熔管42，热熔管42敷设在每一个电芯的周围。热熔管42可以为诸如尼龙管、橡胶管等。由于尼龙管和橡胶管的熔点一般不超过200℃，当第一个电芯发生热失控而导致电芯模组12的上盖（未示出，热熔管42可以敷设在电芯模组12的上盖中）起火时，火焰将热熔管42烧坏产生泄露点，热熔管42的泄露点对着火电芯喷射高压冷却液，通过冷却液浇灭热失控电芯的火焰，从而迅速降低第一个电芯热失控产生的热量，达到避免第二个电芯热失控的目的。热熔管42的熔点可以根据电芯的化学活性选择，如果电芯的化学活性较高，那么选择的热熔管42的熔点应该相对来说更低一点，以此可以在较短时间内使得热熔管42烧熔，降低了火焰传导到其他高化学活性的电芯的风险。
图4以示意性的方式示出了将导热体48与热熔管42分别置于电池模组12的两面，但是这种设置并不是必要的，其他可以在电池模组12中同时容纳水冷系统以及热熔管42的布置也是允许的。
在图5示出的电池模组12中，以蛇形方式布置热熔管54，且热熔管54位于每一个电芯24的上方。为了使得热熔管54能够在电芯24起火时快速烧熔，可以增大热熔管54在其与电芯24接触的地方的面积。图5中示出了在每一个蛇形拐角处增大热熔管54的面积，如此可以增加热熔管54被烧熔的概率，且因此降低了反应时间。
图6示出了图5中的电池模组12的另一面，该电池模组12还包括水冷系统，该水冷系统包括导热体68以及引流管道66。在该示例中，引流管道66分为进口与出口。与图4中的水冷系统相比，图6中的水冷系统可以使得内部的散热液体保持循环流动，这种方式能够加快导热的效率。当电池模组12发生热失控时水冷系统通过引流管道66向导热体48注入散热液体，散热液体将电芯14传导到导热体48上的热量从电池10带出，而散热液体本身在循环的外部能够完成散热。
图7示出了根据本发明的一方面的电池模组。其中，热熔管74可以与外部的冷却液储器连接。尽管图中未示出，冷却液储器用于存储高压冷却液，从而使得连接到其上的热熔管74中充满高压冷却液。需要指出的是，外部的冷却液储器可以不是必需的，如果热熔管74本身可以存储足够量的高压冷却液，那么这种布置也是可行的。
图8示出了根据本发明的一方面的电池。在该电池中，各个电池模组之间敷设有热熔管，从而避免了火焰跨过电池模组蔓延。
转至图9，热熔管42可以布置在多个电芯14之间。当第一个电芯14（1）发生热失控而起火时，火焰将热熔管42烧熔以产生泄露点82，热熔管42的泄露点82对着火电芯14（1）喷射高压冷却液，通过冷却液浇灭热失控电芯14（1）的火焰，从而迅速降低第一个电芯14（1）热失控产生的热量，达到避免第二个电芯14（2）热失控的目的。
图10是根据本发明的一方面的安全电池系统。该系统包括本文中的任一种电池，除此之外，系统还包括散热液体储器1004、温度传感器1006以及冷却液储器1002。散热液体储器1002用于存储散热液体（一般为水），并且其与前文中的示例中的引流管道46经由阀门1008连通。温度传感器1006用于检测电池的温度，并且当检测到的温度高于第二设定温度（例如60℃）时，打开阀门1008，从而经由引流管道46将散热液体输送到导热体48。冷却液储器1002用于存储高压冷却液，并且其与前文中的示例中的热熔管42连通。
根据该实施例处的设定，如果发生电芯热失控，水冷系统将先于热熔管工作。温度传感器1006将检测到的温度发往处理模块（诸如MCU等），当处理模块判定电池的温度高于例如60℃时，其向阀门1008发送开启指令（或直接使其打开，例如通过继电器方式），使得水冷系统工作。并且，如果循环中还包括使得散热液体循环液体流动的水泵时，处理模块还可以进一步向水泵发送开机指令（或直接提供使其工作的电能），这是，散热液体可以按照图中箭头所示的方向流动。
以上例子主要说明了本公开的电池以及安全电池系统，通过可以本公开的电池和/或安全电池系统实现国标中对电池包热失控的要求：热失控时5分钟内不起火、不爆炸。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (9)

1.一种电池，其特征在于：
所述电池包括多个电池模组、水冷系统以及敷设在所述电池中热熔管；
所述多个电池模组中的每一个包括多个电芯，在所述多个电芯之间填充有隔热体；
所述水冷系统包括导热体和引流管道，所述导热体与所述多个电池模组中的每一个热传导地耦合，所述水冷系统经由引流管道将散热液体输送到所述导热体；并且
所述热熔管储有高压冷却液，且所述热熔管的熔点为第一设定温度。
2.根据权利要求1所述的电池，所述热熔管至少敷设在所述多个电池模组之间。
3.根据权利要求2所述的电池，所述热熔管敷设在所述多个电芯中的每一个的周围。
4.根据权利要求3所述的电池，所述热熔管敷设在所述电池模组的上盖中。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的电池，其中，所述热熔管为尼龙管或橡胶管，所述第一设定温度低于200℃。
6.根据权利要求1所述的电池，所述隔热体为气凝胶。
7.根据权利要求1所述的电池，所述导热体为中空铝板，其热传导地耦合到所述多个电芯中的每一个上。
8.一种安全电池系统，其包括根据权利要求1-6中任一项所述的电池，其特征在于，所述安全电池系统还包括：
散热液体储器，其用于存储所述散热液体，并且其与所述引流管道通过阀门连通；
温度传感器，其用于检测所述电池的温度，并且当检测到的温度高于第二设定温度时，打开所述阀门，从而经由所述引流管道将散热液体输送到所述导热体；以及
冷却液储器，其用于存储高压冷却液，并且其与所述热熔管连通。
9.根据权利要求8所述的安全电池系统，所述第二设定温度低于所述第一设定温度。
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