CN112271379A - 一种具有防爆消防功能的电池包 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有防爆消防功能的电池包外壳上具有防爆泄压装置，包含具有一定透气能力的多孔防爆片和具有单向排气功能的阀门，电芯外侧包覆有灭火装置；当电池内部温度达到临界值时，灭火装置的药剂释放出来；或者当电池包遭到外部异物撞击变形，穿刺损坏时，无论电池包是否发生热失控、短路和起火等危险，容器主动破裂释放药剂预防出现危险；本发明在原有电池包的基础上做出了改进，保障了电池包中其他部分及所属设备的安全，减少因电池包热失控而导致其他电池及其所属设备而报废的情况，降低成本；无需对电池结构做出调整，适用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于电池安全领域，涉及一种电池包，具体涉及一种同时具有防爆泄压功能又可以做到防水密封功能的电池包。
背景技术
电池包、电池模组一般放置在密封外壳中，在使用过程中会出现个别电芯温度异常发生热失控起火、保护包失效出现过充起火、电池受到撞击发生短路起火等。当电池和电池包起火燃烧后需要一定的时间才能人员介入进行灭火操作。由于电池包的阻挡，灭火药剂难以到达电芯，灭火效果差。
电池包的安全性能要求，一般都具有较高的防水等级。因此电池包会做全密封处理。当电芯出现热失控过热时会大量分解电解液，电解液分解后的高温高压可燃气体不能及时释放出来，非常容易发生气体爆炸，对使用者造成伤害。
一旦锂离子电池包温度过高，则需要进行灭火，虽然现有技术已经公开了一些具有自动灭火功能的锂电池，例如申请号CN202010448576.X，名称为具有灭火功能的电池包，包括电池单元，还包括装有冷却液的冷却液箱、连通至所述冷却液箱的冷却回路、使所述冷却液流动的驱动装置、与所述冷却回路连通的灭火管路；所述灭火管路包括跨越所述电池单元的易熔断的喷淋管；所述灭火管路与所述冷却回路的连接处设有控制开关；所述控制开关控制冷却液箱择一地连通所述冷却回路和所述灭火管路。该方案采用的是在电池单元外接一灭火装置，对于成本而言增加较多，并且结构上也相对复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有防爆泄压功能又可以做到防水密封功能的电池包；当电芯或者电池包温度异常时或者经受外部剧烈撞击短路发生火灾时，内部的灭火装置自动释放药剂，对在电池包内部降温和扑灭明火。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有防爆消防功能的电池包，包括：
电池包本体，包括外壳、盖板和电芯，所述外壳上设有泄压阀；
防爆泄压装置，设置于外壳上，包括具有透气能力的防爆片与具有单向排气功能的阀门；
灭火装置，包覆于电芯外侧。
在本技术方案中，泄压阀的阀门设定了开闭阀动作的压力范围，并且高压气体、液体只能从电池包内部释放到外部，外部的气体和液体无法进入电池包内部；
当电芯已经发生热失控、电芯破损漏液甚至发生火灾时，灭火装置中的灭火药剂和阻燃隔离药剂一起释放从破损的电芯外壳进入内部，进而降低电芯温度，隔绝氧气扑灭明火。电池包内部灭火药剂、阻燃阻隔药剂分解的气体、电解液挥发的气体通过电池包外壳的泄压阀排出。
作为优选，所述的防爆片为多孔防爆片，孔径为20-50μm，孔隙率＞40％，厚度为2.8-3.2mm，直径39-41mm，10Kpa压差下通气流量大于20L/min、50Kpa压差下通气流量大于50L/min。
在本技术方案中，防爆片防止外部水进入阀门，同时当内部可燃气体往外释放时，可以细化气流，分散可燃气体的浓度，防止外部明火直接引爆内部可燃气体，起到隔离明火的作用。
作为优选，所述的阀门为橡胶帽，通过一固定片安装于泄压阀上，所述固定片上设有多个通孔；泄压阀设计有压力阀门，当内部气压压力大于外部1-200KPa时阀门开启；当内部气压压力小于外部1-100KPa时阀门关闭。
在本技术方案中，阀门为一个橡胶帽结构与外壳紧密配合，配合的紧密程度和橡胶帽的硬度由阀门的开闭阀压力决定。
作为优选，所述橡胶帽的内侧和外壳的外侧涂覆硅油、硅脂或凡士林；所述橡胶帽由三元乙丙橡胶、硅氟橡胶、丁腈橡胶或硅橡胶制成。
在本技术方案中，为了防止外部气体和水汽缓慢渗入电池包内部，在橡胶帽的内侧和外壳的外侧涂覆硅油、硅脂或凡士林等。橡胶帽成分为三元乙丙橡胶、硅氟橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等弹性材质。
作为优选，所述橡胶帽的邵氏硬度A为35度-45度，内径小于配合面塑料外径0.1-0.3mm。
作为优选，所述的灭火装置为内部装有液体的容器，所述容器封口材料的熔点为80-200℃；所述液体为灭火药剂与阻燃隔离药剂。
作为优选，所述的灭火药剂为全氟己酮，所述的阻燃隔离药剂为有机磷或无机磷系阻燃剂。
在本技术方案中，电芯内部的PP隔膜在高温下收缩或者熔化，电芯内部正负极片失去PP隔膜的保护，发生短路二次引发热失控和起火的风险很高。阻燃隔离药剂在遇到高温时会发生分解生成磷酸、偏磷酸、聚偏磷酸等，在正负极极片表面炭化成炭膜，聚偏磷酸呈粘稠状液态覆盖在极片表面。这种固态或液态的阻隔膜能隔绝氧气防止灭火剂挥发完后二次起火、能隔绝短路产生的热量扩散，保护其他未受损坏的PP隔膜减缓其他极片的热量产生；阻燃隔离药剂还能够使电解液的有机成分炭化脱水失去电解液的导锂离子的功能，也能使正负极片之间绝缘隔绝电子传递；阻燃隔绝药剂分解产物燃烧过程中产生PO·和HPO·等自由基，在电解液降解产物气相中捕捉活性H·或者OH·阻止自由基溢出，通过自由基的结合达到气相阻燃的效果，可以有效降低电解液的降解速率。
作为优选，所述的容器为PET、PA、AL、PP双层或多层复合材质制成的容器袋；或者PP，ABS，AL材质的容器瓶。
在本技术方案中，双层或多层袋容器的热封封口材质熔化后，内部药剂释放出来；或者瓶容器开口的密封材料热熔胶熔化后，内部药剂释放出来。安放药剂的容器可以放在电池包的内部的任意位置。袋和瓶等容器可以做成不同形状。封口材料的熔点决定着药剂释放的温度，释放温度可以在80℃-200℃范围内调整。当电池内部温度达到此温度时，药剂释放出来；或者当电池包遭到外部异物撞击变形，穿刺损坏时，无论电池包是否发生热失控、短路和起火等危险，容器主动破裂释放药剂预防出现危险。
作为优选，所述阻燃隔离药剂与灭火药剂的按照1:10-1:4的比例混合。
作为优选，所述的灭火装置与电芯叠片设置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供了一种具有防爆消防功能的电池包外壳上具有防爆泄压装置，包含具有一定透气能力的多孔防爆片和具有单向排气功能的阀门，该阀门设定了开闭阀动作的压力范围，并且高压气体、液体只能从电池包内部释放到外部，外部的气体和液体无法进入电池包内部；迅速挥发带走电芯的热量，降低电芯温度，隔绝氧气实现灭火的功能；当电池内部温度达到临界值时，灭火装置的药剂释放出来；或者当电池包遭到外部异物撞击变形，穿刺损坏时，无论电池包是否发生热失控、短路和起火等危险，容器主动破裂释放药剂预防出现危险；防爆片防止外部水进入阀门，同时当内部可燃气体往外释放时，可以细化气流，分散可燃气体的浓度，防止外部明火直接引爆内部可燃气体，起到隔离明火的作用；本发明在原有电池包的基础上做出了改进，保障了电池包中其他部分及所属设备的安全，减少因电池包热失控而导致其他电池及其所属设备而报废的情况，降低成本；无需对电池结构做出调整，适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明防爆泄压装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1的示意图；
图3是本发明实施例2的示意图。
图中，1.外壳；2.防爆片；3.阀门；4.固定片；5.通孔；6.电芯；7.灭火装置。
具体实施方式
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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
本发明提供了一种具有防爆消防功能的电池包，包括：
电池包本体，包括外壳1、盖板和电芯6，所述外壳1上设有泄压阀(该泄压阀为现有的泄压阀，故不赘述)；
防爆泄压装置，设置于外壳1上，包括具有透气能力的防爆片2与具有单向排气功能的阀门3；
灭火装置7，包覆于电芯6外侧。
其中，防爆片2为多孔防爆片，孔径为20-50μm，孔隙率＞40％；
阀门3为橡胶帽，通过一固定片4安装于泄压阀上，所述固定片4上设有多个通孔5；
灭火装置7为内部装有液体的容器。
实施例1
参见图1与图2，本实施例提供了一种具有防爆消防功能的电池包，本实施例中，灭火药剂为全氟己酮，灭火剂在容器内以液态形式存在，启动灭火后，全氟己酮迅速挥发带走电芯的热量，降低电芯温度，隔绝氧气实现灭火的功能；
阻燃隔离药剂选用有机磷阻燃阻隔剂；
配比比例根据电池类型来定。磷酸铁锂电池安全性能好、发热慢，以降温为主、阻隔反应为辅，全氟己酮比例高一些，采取1:8的配比混合；三元锂电池发热快，来不及降温，在灭火剂总量有限的前提下提高磷系阻燃剂比例，例如按照1:4的配比混合。药剂中磷系阻燃阻隔剂快速捕捉活性自由基、在正负极极片表面形成炭膜终止或减缓反应，降低发热量。
使用PP/PET复合热封塑料膜或PP塑料瓶等容器将混合液体按照要求的重量密封在容器内。PP/PET复合热封塑料膜制作的灭火装置、塑料瓶制作容器的尺寸形状可以根据电池包的剩余空间进行调整，形状可以为不规则的异形。柔性的PP/PET复合热封塑料膜也可以随意挤压改变形状。本实施例采用PP/PET复合热封塑料膜制作的灭火装置，将灭火装置包覆于电芯的外侧，只露出电芯的正极。
药剂重量根据电池包容量大小和电池包内部空间大小来确定，按照最小电池包单元计算，500Wh以下容量的电池包使用50-100g灭火装置；500-1000Wh容量的电池包使用100-150g灭火装置；1000Wh以上容量的电池包使用150g以上的灭火装置。
本实施例采用500Wh以下容量的电池包使用50-100g灭火装置。
橡胶帽的邵氏硬度A 35度-45度，内径小于配合面塑料外径0.1-0.3mm，开阀压力20KPa-50KPa,闭阀压力10KPa-40Kpa。橡胶帽与塑料接触界面使用硅脂处理，封闭界面毛细孔已经疏水处理，防止外部水汽缓慢进入。
防爆片材质为PE,PP，PTFE烧结材料，孔径为35±5微米，孔隙率50±10％，厚度3±0.2mm，直径40±1mm，10Kpa压差下通气流量大于20L/min、50Kpa压差下通气流量大于50L/min。本实施例采用防爆片材质为PE烧结材料，孔径为35微米，孔隙率50％，厚度3mm，直径40mm。
实施例2
参见图1与图3，本实施例提供了一种具有防爆消防功能的电池包，本实施例中，灭火药剂为全氟己酮，灭火剂在容器内以液态形式存在，启动灭火后，全氟己酮迅速挥发带走电芯的热量，降低电芯温度，隔绝氧气实现灭火的功能；
阻燃隔离药剂选用无机磷阻燃阻隔剂；无机粉末磷系阻燃阻隔剂经过0.5％的硅烷偶联剂无水酒精溶液表面改性后，或者使用做过表面高分子材料包覆的成品无机磷阻燃阻隔剂按照比例与灭火剂全氟己酮混合。
本实施例将无机粉末磷系阻燃阻隔剂经过0.5％的硅烷偶联剂无水酒精溶液表面改性后，按照比例与灭火剂全氟己酮混合。
配比比例根据电池类型来定。磷酸铁锂电池安全性能好、发热慢，以降温为主、阻隔反应为辅，全氟己酮比例高一些，采取1:10的配比混合；三元锂电池发热快，来不及降温，在灭火剂总量有限的前提下提高磷系阻燃剂比例，例如按照1:4的配比混合。药剂中磷系阻燃阻隔剂快速捕捉活性自由基、在正负极极片表面形成炭膜终止或减缓反应，降低发热量。
使用PP/PET复合热封塑料膜或PP塑料瓶等容器将混合液体按照要求的重量密封在容器内。PP/PET复合热封塑料膜制作的灭火装置、塑料瓶制作容器的尺寸形状可以根据电池包的剩余空间进行调整，形状可以为不规则的异形。柔性的PP/PET复合热封塑料膜也可以随意挤压改变形状。本实施例采用PP/PET复合热封塑料膜制作的塑料瓶，将灭火装置与电芯叠片设置包覆，即一片电芯一层灭火装置层叠，露出电芯的正极与负极。
药剂重量根据电池包容量大小和电池包内部空间大小来确定，按照最小电池包单元计算，500Wh以下容量的电池包使用50-100g灭火装置；500-1000Wh容量的电池包使用100-150g灭火装置；1000Wh以上容量的电池包使用150g以上的灭火装置。
本实施例采用1000Wh以上容量的电池包使用150g以上的灭火装置。
橡胶帽的邵氏硬度A 35度-45度，内径小于配合面塑料外径0.1-0.3mm，开阀压力20KPa-50KPa,闭阀压力10KPa-40Kpa。橡胶帽与塑料接触界面使用硅脂处理，封闭界面毛细孔已经疏水处理，防止外部水汽缓慢进入。
防爆片材质为PE,PP，PTFE烧结材料，孔径为35±5微米，孔隙率50±10％，厚度3±0.2mm，直径40±1mm，10Kpa压差下通气流量大于20L/min、50Kpa压差下通气流量大于50L/min。本实施例采用防爆片材质为PTFE烧结材料，孔径为40微米，孔隙率60％，厚度3.2mm，直径41mm。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，包括：
电池包本体，包括外壳、盖板和电芯，所述外壳上设有泄压阀；
防爆泄压装置，设置于外壳上，包括具有透气能力的防爆片与具有单向排气功能的阀门；
灭火装置，包覆于电芯外侧。
2.根据权利要求1所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述的防爆片为多孔防爆片，孔径为20-50μm，孔隙率＞40％，厚度为2.8-3.2mm，直径39-41mm，10Kpa压差下通气流量大于20L/min、50Kpa压差下通气流量大于50L/min。
3.根据权利要求1所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述的阀门为橡胶帽，通过一固定片安装于泄压阀上，所述固定片上设有多个通孔；泄压阀设计有压力阀门，当内部气压压力大于外部1-200KPa时阀门开启；当内部气压压力小于外部1-100KPa时阀门关闭。
4.根据权利要求3所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述橡胶帽的内侧和外壳的外侧涂覆硅油、硅脂或凡士林；所述橡胶帽由三元乙丙橡胶、硅氟橡胶、丁腈橡胶或硅橡胶制成。
5.根据权利要求3所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述橡胶帽的邵氏硬度A为35度-45度，内径小于配合面塑料外径0.1-0.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述的灭火装置为内部装有液体的容器，所述容器封口材料的熔点为80-200℃；所述液体为灭火药剂与阻燃隔离药剂。
7.根据权利要求6所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述的灭火药剂为全氟己酮，所述的阻燃隔离药剂为有机磷或无机磷系阻燃剂。
8.根据权利要求6所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述的容器为PET、PA、AL、PP双层或多层复合材质制成的容器袋；或者PP，ABS，AL材质的容器瓶。
9.根据权利要求7所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述阻燃隔离药剂与灭火药剂的按照1:10-1:4的比例混合。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种具有防爆消防功能的电池包，其特征在于，所述的灭火装置与电芯叠片设置。
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