CN112382785B - 基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的汽车电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的汽车电池组，包括绝缘外壳，绝缘外壳中沿竖直方向设置有K个绝缘定位连接板，每层定位连接板上设置有M行N列个嵌套锂离子电池形成电池组单元；各个电池组单元可以单独进行输出，也可以串联或并联后组成电池组输出；嵌套锂离子电池包括金属壳体和填充在壳体中的电芯；壳体包括内筒和外筒，内筒位于外筒中心的通孔中，内筒的侧壁与外筒的次外壁之间存在间隙；电芯包括外电芯和内电芯。基于嵌套锂离子电池的特点，通过合理的热管设计、风道设计和成组方案，增强电池组内部热管理性能，在尽量控制温度传感器数量的前提下，使得每个电池的温度都可以被探测到，提高温度监控的可靠性和精细度。

Description

基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的汽车电池组
技术领域
本发明属于锂离子电池成组技术领域，具体涉及一种基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的汽车电池组。
背景技术
锂离子电池由于自身属性，在充放电和使用过程中容易导致热量积聚，这些热量在工作时会导致电池温度升高，使得电池的工作性能和安全性降低，特别是当锂离子电池用于电动汽车的动力来源时，由于电池的堆叠密集，热量传导困难，更加容易导致电池组内部的温度持续升高及温度不均，温度持续升高会导致电池稳定性下降，进而使得电池发生热失控，导致一系列安全事故。
而锂离子电池在低温下的性能表现不佳，这也是目前电动汽车在冬天续航大幅缩水的主要原因，锂离子电池是一种理想的充当纯电动汽车动力储存单元的电池，但是其高温低温性能都很差，最佳性能需要的环境温度窗口较小，这一定程度上制约了电动汽车的发展。而电池如果长期工作在低温下，会造成电池内部负极析锂，使得电池升温后的稳定性和安全性降低，析锂程度会随着电池在低温下工作的时间延长而增加，使得电池的热失控风险增加。
影响电池高温性能的主要原因在于，如果要增加电动汽车的电池组的能量密度，电池单体的体积就必须越来越大，以减小无用空间的比例，但电池单体越大，电池中心距离的电池表面的距离越远，电池在充放电和工作时的积热问题越严重，电池内部的温度不均匀性越高，这会导致电池在多次充放电之后性能变差以及安全性降低，这使得目前汽车电池组内的电池厚度受限。
而目前电池在低温下的加热需求会导致电池组内部必须存在一套加热装置，以保证在低温下可以将电池加温到合适的工作温度，为了节省降温系统和加温系统的体系，各个汽车厂家的热管理系统同时包含这两部分功能，但是加热装置本身依然占据电池组内部体积，且由于所要实现的功能较多，热管理系统集成度和复杂度都很高，这使得技术门槛和加工要求很高，阻碍了汽车锂离子电池组的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，解决现有汽车锂离子电池组单体能量低、热管理难、系统复杂、安全性能较低的技术问题。
为了实现以上目的，本发明采取的具体技术方案是：
基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，包括绝缘外壳，绝缘外壳中沿竖直方向设置有K个绝缘定位连接板，相邻定位连接板等间距，且平行设置；每层定位连接板上设置有M行N列个嵌套锂离子电池，形成锂离子电池矩阵，该矩阵中的M×N个锂离子电池串联或并联形成电池组单元；各个层的电池组单元可以单独进行输出，也可以串联或并联后组成电池组输出；其中，K、M和N均为大于等于3的正整数；
所述嵌套锂离子电池包括金属壳体和填充在壳体中的电芯；所述壳体包括内筒和外筒，二者均为有底无盖的筒状结构，其中外筒包括外壁和次外壁，外筒的端面呈环状，内筒位于外筒中心的通孔中，内筒的侧壁与外筒的次外壁之间存在第一间隙，第一间隙中设置有金属连接肋板，将内筒和外筒固连为一体并导通；
所述电芯包括外电芯和内电芯，外电芯填充于外筒的腔体中，内电芯填充于内筒的腔体中；外电芯下端通过外电芯下极片与外筒的底板连接导通；外筒的上端开口处设置有第一电池保护组件，外电芯上端通过外电芯上极片与设置在第一电池保护组件上表面的外电芯电极帽连接导通；所述内电芯下端通过内电芯下极片与内筒的底板连接导通；内筒的上端开口处设置有第二电池保护组件，内电芯上端通过内电芯上极片与设置在第二电池保护组件上表面的内电芯电极帽连接导通。
进一步改进，所述嵌套锂离子电池的内筒、外筒和连接肋板一体成型，结构稳定性好。
进一步改进，所述嵌套锂离子电池的外筒为圆柱状或立方体壳体。
进一步优化，所述嵌套锂离子电池外电芯上极片和内芯上极片的电极相同，则外电芯和内电芯通过壳体并联。所述外电芯和内电芯通过壳体并联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1)、当电路中的两个接线端子分别与壳体和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2)、当电路中的两个接线端子分别与壳体和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3)、当电路中的一个接线端子同时与内电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通，另一个接线端子与电壳体连接导通时，外电芯和内电芯并联后同时工作。
进一步优化，所述嵌套锂离子电池外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，则外电芯和内电芯通过壳体串联。所述外电芯和内电芯通过壳体并联接入电路后，存在如下三种工作状态：
1)、当电路中的两个接线端子分别与外壳和内电芯电极帽连接导通时，内电芯处于工作状态，外电芯不工作；
2)、当电路中的两个接线端子分别与外壳和外电芯电极帽连接导通时，外电芯处于工作状态，内电芯不工作；
3)、当电路中的两个接线端子分别与电芯电极帽和外电芯电极帽连接导通时，外电芯和内电芯串联后同时工作。
进一步改进，所述定位连接板上开设有M×N个第一通孔，每个第一通孔中嵌设有一个绝缘限位套，每个嵌套锂离子电池卡设在对应的一个限位套中；相邻两层电池组单元之间设置有绝缘隔离垫。
进一步改进，所述绝缘外壳的内壁固定有2K个限位件，每两个限位件为一组，分布于绝缘外壳相对的两侧壁上；
所述限位件上沿其长度方向开设有凹槽，每个定位连接板的两端卡设在对应的一组限位件的凹槽中；所述凹槽中铺设有中固定设置有柔性缓冲垫，柔性缓冲垫包裹在定位连接板的端部上；
所述限位件上开设有多个第二通孔，定位连接板的两端分别开设有多个第三通孔，每个第二通孔和对应的一个第三通孔同轴设置，每个螺栓插入对应的一组第二通孔、第三通孔中并与螺母连接，将定位连接板与对应的限位件紧固。
进一步改进，所述嵌套锂离子电池的外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，外电芯和内电芯通过壳体串联：
1)、每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池的内电芯电极帽通过一个电流汇流片一连为一体，所有嵌套锂离子电池的外电芯电极帽通过一个电流汇流片二连为一体，则该电池组单元中所有嵌套锂离子电池并联；电流输出极一与电流汇流片一连接导通，电流输出极二与电流汇流片二连接导通，电流输出极一和电流输出极二作为这层电池并联后输出的两极；
2)、每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池，按照矩阵排列顺序依次记作D1、D2、D3、D4、D5、......、DM×N-1、DM×N，其中，每个嵌套锂离子电池的内电芯电极帽连接一个电流汇流片一，外电芯电极帽连接一个电流汇流片二；
则，D1的电流汇流片一和D2的电流汇流片二连接导通；D2的电流汇流片一和D3的电流汇流片二连接导通；D3的电流汇流片一和D4的电流汇流片二连接导通；D4的电流汇流片一和D5的电流汇流片二连接导通；依次连接，则该电池组单元中所有嵌套锂离子电池进行串联；电流输出极一与D1的电流汇流片二连接导通，电流输出极二与DM×N的电流汇流片一连接导通。
进一步改进，所述嵌套锂离子电池的外电芯上极片和内电芯上极片的电极相同，则外电芯和内电芯通过壳体并联；
每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池的内电芯电极帽通过一个电流汇流片一连为一体，所有嵌套锂离子电池的外电芯电极帽通过一个电流汇流片二连为一体，该电池组单元中所有嵌套锂离子电池的壳体与电流汇流片三连接导通：
1)、当电流汇流片一与电流输出极一连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池的内电芯并联后工作；
2)、当电流汇流片二与电流输出极二连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池的外电芯并联后工作；
3)、当电流输出极一与电流输出极二连接导通后作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池并联后工作。
进一步改进，每个电池组单元中，相邻两个嵌套锂离子电池之间存在第二间隙，水冷管道呈S形布置于嵌套锂离子电池之间的第二间隙中；每层定位连接板的边缘开设有过孔，相邻层的水冷管道穿过对应的过孔连通为一体。
进一步改进，K层电池组单元对应的第一间隙上下贯通形成风道，最上层电池组单元的上方和最下方电池组的下方均设置有风扇，风道出风口设置有温度传感器。
进一步改进，所述嵌套锂离子电池内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙中填充有导热材料。低温环境中使用时，先让内电芯进行工作，内电芯工作时产生的热量对外部电芯进行加温，待总体温度升高到正常工作状态后再同时启用电芯或内电芯，使得电池的温度可以有多种调节方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过将锂离子电池电芯分为外电芯和内电芯两部分，且二者中间留出空隙，首先在锂离子电池直径增加的情况下使得单个电芯的整体厚度保持不变或者变厚不明显，改善电池工作时中心处热量难以散出的缺点。
2、本申请中，由于锂离子电池存在三个接线区域，因此电池电芯的工作状态可以有多种选择，且通过改变电芯正负极与电池壳体和电极帽的连接方式，实现外电芯和内电芯之间的串并联；此外分开的外电芯和内电芯可以间歇工作，使得电池的产热仅发生于其中一个，另一个可以用于部分散热；而在低温环境下，内电芯先进行工作，产生的热量给外电芯进行加热，加热效率更高，加温更加均匀，且不需要额外的加温装置。
3、由于电池分为两个电芯，两部分之间存在间隙，因此电池在受到外部机械作用力之后，电池内部有溃缩空间，可以通过变形抵消外部机械损害，保护整体电池组安全。
4、基于嵌套锂离子电池的特点，通过合理的风道设计和成组方案，使得在尽量控制温度传感器数量的前提下，使得每个电池的温度都可以被探测到，提高温度监控的可靠性和精细度。
5、使用一体成型的塑料和金属结合连接结构件连接电池和电路，起到固定电池、连接电路、温度检测、组成风道的多重作用，增强电池组的集成度和稳定性。
6、基于嵌套锂离子电池的增强热管理性能的锂离子电池组，实现更强的散热性能和整体安全性。基于这种特殊设计的电池组，根据这种电池的结构和外观在不过多影响电池组能量密度的前提下，设计了水冷和风冷混合的混合散热系统，其经过特殊设计的电池定位板和电池组外壳兼具固定电池、电路连接、组成风道、温度检测、结构强化等综合性能。而对于低温环境下的电池组则根据电池特点，在不过多影响电池能量密度的性能的前提下，经过特殊设计的电池自加热系统可以使得电池组不需要加热装置，提高电池组内部的集成度，且保证加热的均匀度和高效。
附图说明
图1为本发明实施例一中所述电池组的正视图，水冷管道未示出。
图2为实施例一中所述嵌套锂离子电池的俯视图。
图3为图2的A-A剖视图。
图4为实施例一中电池组单元的水冷管道示意图。
图5为绝缘外壳与定位连接板连接处的局部示意图；其中，5(a)为装配示意图，5(b)为爆炸图。
图6为定位连接板与绝缘限位套的连接示意图。
图7为绝缘隔离垫的结构示意图。
图8为实施例一中每层所有嵌套锂离子电池并联成电池组单元的示意图。
图9为实施例一中每层所有嵌套锂离子电池串联成电池组单元的示意图。
图10为实施例二中未铺设绝缘隔离垫，未装载嵌套锂离子电池时，且定位连接板与绝缘限位套的俯视图。
图11为实施例二中未铺设绝缘隔离垫，未装载嵌套锂离子电池时，且定位连接板与绝缘限位套的仰视图。
图12为实施例二中已铺设绝缘隔离垫，未装载嵌套锂离子电池时，且定位连接板与绝缘限位套的俯视图。
图13为实施例二中已铺设绝缘隔离垫，未装载嵌套锂离子电池时，且定位连接板与绝缘限位套的仰视图。
图14为嵌套锂离子电池定位连接板以及绝缘限位套装配的局部放大视图。
图15为图14的分解视图。
图16为本发明实施例三中所述电池组的正视图。
图17为本发明实施例三中所述嵌套锂离子电池的俯视图。
图18为图17的B-B剖视图。
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。
实施例一：
如图1-8所示，基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，包括绝缘外壳200，绝缘外壳中沿竖直方向设置有K个绝缘定位连接板300，相邻定位连接板等间距，且平行设置；每层定位连接板300上设置有M行N列个嵌套锂离子电池100，形成锂离子电池矩阵，该矩阵中的M×N个锂离子电池串联或并联形成电池组单元；各个层的电池组单元可以单独进行输出，也可以串联或并联后组成电池组输出；其中，K、M和N均为大于等于2的正整数；
在本实施例中，绝缘外壳200中设置有4层定位连接板，每层定位连接板300上设置有3行4列共12个嵌套锂离子电池100。在其他实施例中，定位连接板的数量，以及每个电池组单元中嵌套锂离子电池的数量可以根据具体要求而定。
如图2、3所示，所述嵌套锂离子电池100包括金属壳体1和填充在壳体中的电芯2；所述壳体1包括内筒101和外筒102，二者均为有底无盖的筒状结构，其中外筒102包括外壁1022和次外壁1021，外筒102的端面呈环状，内筒101位于外筒102中心的通孔中，内筒101的侧壁与外筒的次外壁1021之间存在间隙3，间隙3中设置有金属连接肋板4，通过连接肋板4将内筒101和外筒102固连为一体并导通。
所述电芯2包括外电芯202和内电芯201，外电芯202填充于外筒102的环形腔体中，内电芯201填充于内筒101的腔体中；外电芯202下端通过外电芯下极片802与外筒102的底板连接导通；外筒102的上端开口处设置有第一电池保护组件602，外电芯202上端通过外电芯上极片702与设置在第一电池保护组件602上表面的外电芯电极帽502连接导通，外电芯电极帽502呈环状；所述内电芯下201端通过内电芯下极片801与内筒101的底板连接导通；内筒101的上端开口处设置有第二电池保护组件601，内电芯201上端通过内电芯上极片701与设置在第二电池保护组件601上表面的内电芯电极帽501连接导通。第一电池保护组件和第二电池保护组件并不相连，其是两个独立的绝缘组件。本申请中，通过将锂离子电池的壳体设计为内外嵌套结构，内筒和外筒之间存在间隙，但二者通过与外壳一体成型的金属连接肋板连接，实质上仍为一个整体。外电芯和内电芯之间通过金属壳体进行导通，通过改变外电芯和内电芯的正负极与壳体的连接类型，两个电芯可以实现串联或者并联。
这种内外嵌套结构，可以使得单颗锂离子电池的几何尺寸可以进一步增大，使得电池组整体能量密度增加。这种嵌套离子电池内部虽然分为两个电芯，但是外电芯和内电芯之间通过外壳连接导通，而无需借助外部其他组件来连接。这种结构一方面方便外电芯和内电芯连接，另一方面使得外电芯和内电芯的工作状态处于一种可分可合的状态，增加装配成电池组时的选择。
本发明涉及的锂离子电池的电芯为普通卷绕电芯，电池的保护装置结构与普通圆柱形锂离子电池的安全保护装置的结构类似，仅仅是形状根据本发明涉及嵌套电池的需要进行了改变。
在本实施例中，所述内筒101、外筒102和连接肋板4一体成型，结构稳定性好。
在本实施例中，所述外筒呈立方体状，棱进行了圆角处理，内筒为圆柱状，即端面为圆环，如图1所示。
在本实施例中，所述定位连接板300上开设有12个第一通孔，每个第一通孔中嵌设有一个绝缘限位套400，如图6所示，每个嵌套锂离子电池100的卡设在对应的一个限位套400中；相邻两层电池组单元之间设置有绝缘隔离垫500，防止电池之间电极直接接触造成安全隐患和电磁兼容问题。
每个嵌套锂离子电池的上端嵌设在本层定位连接板上一个绝缘限位套的下部；同时该嵌套锂离子电池的下端嵌设在下一层定位连接板上一个绝缘限位套的上部，即不同层的两个嵌套锂离子电池上端和下端公用一个绝缘限位套，绝缘隔离垫500位于上下两个嵌套锂离子电池之间，如图14所示。
所述绝缘隔离垫500为适应嵌套锂离子电池100和定位连接板300的形状，便于适配，绝缘隔离垫上与嵌套锂离子电池内部的间隙所对应处预留了空隙5001，保证了风道的连续性，但中心部位的圆形板依然可以起到隔离作用，如图7所示。
在本实施例中，所述绝缘外壳的内壁固定有8个限位件600，每两个限位件为一组，分布于绝缘外壳200相对的两侧壁上。
所述限位件600上沿其长度方向开设有凹槽6001，每个定位连接板的两端卡设在对应的一组限位件的凹槽中；所述凹槽中铺设有中固定设置有柔性缓冲垫6004，柔性缓冲垫包裹在定位连接板300的端部上，如图5(a)、5(b)所示。
所述限位件600上开设有多个第二通孔，定位连接板300的两端分别开设有多个第三通孔3001，每个第二通孔和对应的一个第三通孔同轴设置，每个螺栓6003插入对应的一组第二通孔、第三通孔中并与螺母连接，将定位连接板与对应的限位件紧固，便于拆装。
在本实施例中，如图4所示，每个电池组单元中，相邻两个嵌套锂离子电池之间存在第二间隙，水冷管道700呈S形布置于嵌套锂离子电池之间的第二间隙中，这样使得中心处的嵌套锂离子电池四周是全面接触水冷管道，且每个嵌套锂离子电池相对两个侧面所接触的水冷管道内冷却液流动方向是反向的，这样使得电池组内部温度分布更加均匀，增加水冷散热的效果和均匀性。每层定位连接板的边缘开设有过孔3002，相邻层的水冷管道穿过对应的过孔连通为一体。不同层的水冷管道700连接处通过与水冷管道相同材料和内部尺寸的直管相连，这样可以在不改动电池组外壳的情况下使得水冷管道可以在不同层之间连接，电池组外壳中预留中水冷管道入水口和出水口装配空间。图中箭头表示冷却液的流动方向。
在本实施例中，4层电池组单元对应的第一间隙上下贯通形成风道，第四层电池组单元的上方和底一层电池组的下方均设置有风扇800，风道出风口设置有温度传感器900。温度传感器实时检测风道内吹出空气的温度值，并传递给控制器，当检测到的温度高于设定值时，控制器控制风扇和水冷加强工作，进行增强降温，外壳上开设有进风口和出风口，便于空气流通
本实施例中的电池组散热系统是水冷风冷综合散热系统，风冷通过对流给内电芯和外电芯内部散热，水冷通过热传导给外电芯外部散热，这两种散热方式可以同时或者单独启动。
可以先启动风冷，等温度传感器检测到风道中的温度升高到一定温度时，启动水冷散热，以控制电池组温度，实现更好的散热效果，并尽量减低能耗。
在本实施例中，所述嵌套锂离子电池100的外电芯上极片702和内芯上极片701的电极不同，所述外电芯上极片为正极，内芯上极片为负极，内电芯下极片为正极，外电芯下极片为负极，外电芯和内电芯通过电池壳体实现串联，内电芯电极帽为电池的负极，外电芯电极帽为电池的正极。
或者，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，外电芯上极片为负极，内芯上极片为正极，内电芯下极片为负极，外电芯下极片为正极，则外电芯和内电芯通过电池壳体实现串联，内电芯电极帽为电池的正极，外电芯电极帽为电池的负极。
1)、每个电池组单元中12个嵌套锂离子电池100的内电芯电极帽501通过一个电流汇流片一111连为一体，12个嵌套锂离子电池的外电芯电极帽502通过一个电流汇流片二222连为一体，则该电池组单元中12个嵌套锂离子电池并联，输出两极为电流输出极一555和电流输出极二666，如图8所示。
2)、每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池，按照矩阵排列顺序依次记作D1、D2、D3、D4、D5、......、DM×N-1、DM×N，其中，每个嵌套锂离子电池的内电芯电极帽连接一个电流汇流片一，外电芯电极帽连接一个电流汇流片二；
则，D1的电流汇流片一和D2的电流汇流片二连接导通；D2的电流汇流片一和D3的电流汇流片二连接导通；D3的电流汇流片一和D4的电流汇流片二连接导通；D4的电流汇流片一和D5的电流汇流片二连接导通；依次连接，则该电池组单元中所有嵌套锂离子电池进行串联；电流输出极一555与D1的电流汇流片二连接导通，电流输出极二666与DM×N的电流汇流片一连接导通，如图9所示。
实施例二：
在本实施例中，所述嵌套锂离子电池100的外电芯上极片702和内芯上极片701的电极相同，同时为正极；内电芯下极片801和外电芯下极片802与外壳导通，同为负极，外电芯和内电芯通过壳体并联。
在其他实施例中，所述外电芯上极片和内芯上极片的电极相同，可以同时为负极；内电芯下极片和外电芯下极片与外壳导通，同为正极。
在本实施例中，每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池的内电芯电极帽通过一个电流汇流片一连为一体，所有嵌套锂离子电池的外电芯电极帽通过一个电流汇流片二连为一体，电流汇流片三连接电池组单元中所有嵌套锂离子电池的壳体；电流汇流片一111、电流汇流片二222和电流汇流片三333的固定设置在定位连接板300上，其一端分别于对应的电流输出极一555、电流输出极二666和电流输出极三777对应连接导通，另一端均穿过对应的绝缘限位套400的侧壁至绝缘限位套400的腔体中。
其中，电流汇流片一111、电流汇流片二222、电流输出极一555、电流输出极二666固定于对应定位连接板300的上表面，如图10、12所示；电流汇流片三333和电流输出极三777固定于对应定位连接板的下表面，如图11、13所示，以免电路发生交叉而短路。
具体如图10-13所示，其中，图10为未铺设绝缘隔离垫500，未装载嵌套锂离子电池100时，且定位连接板300与绝缘限位套400的俯视图，即定位连接板的上表面图。图11为未铺设绝缘隔离垫500，未装载嵌套锂离子电池100时，且定位连接板300与绝缘限位套400的仰视图，即定位连接板的下表面图。图12为已铺设绝缘隔离垫500，未装载嵌套锂离子电池100时，且定位连接板300与绝缘限位套400的俯视图，即定位连接板的上表面图；图13为已铺设绝缘隔离垫500，未装载嵌套锂离子电池100时，且定位连接板300与绝缘限位套400的仰视图，即定位连接板的下表面图，通过是否铺设绝缘隔离垫来进行对比，能更清楚的显出，便于理解。
固定在定位连接板300上的电流汇流片三333弯折后沿绝缘限位套内壁向外延伸，并伸出绝缘限位套，为了便于操作使电流汇流片三333和对应的嵌套锂离子电池100壳体能够良好接触导通，如图15所示。
此时，每个电池组单元中存在如下三种工作状态中的一种：
1)当电流汇流片一111与电流输出极一555连接导通作为一极，电流输出极三777与电流汇流片三333连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池100的内电芯并联后工作。此时仅启动风冷散热，水冷不启动，当温度传感器探测到温度达到一定程度时，加强风冷散热的强度，以加强散热。
2)、当电流汇流片二222与电流输出极二666连接导通作为一极，电流输出极三777与电流汇流片三333连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池100的外电芯并联后工作。此时，风冷散热和水冷散热均启动，当温度传感器探测到温度达到一定程度时，加强水冷散热的强度，以加强散热。
3)、当电流输出极一555与电流输出极二666连接导通作为一极，电流输出极三777与电流汇流片三333连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池100并联后工作。其他部分与实施例一中相同。
实施例三：
在本实施例中，如图16-18所示，所述嵌套锂离子电池内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙3中填充有导热材料9。填充导热材料9的目的在于，使得外电芯盒内电芯之间的热量可以进行传导，这种电池不适合装配在经常工作在高温环境下的电池组内，但非常适合装配在经常工作在低温环境下的电池组内。
在低温环境下，电池在启用时温度过低，容易导致电池性能下降明显，且长期下来容易缩短电池寿命和降低电池稳定性，因此，在低温环境下，本嵌套电池的使用策略与普通锂离子电池不同。在刚启用时，仅使用内电芯201进行工作，使得单位体积电芯工作电流较大，内电芯产热明显，而由于内电芯201被导热材料9包裹，产生的热量大多数通过导热材料9传导到外电芯201上，对外电芯202进行加热，在外电芯202温度升高到正常工作温度之后，使用外电芯202进行工作，暂停内电芯201的工作，或者两电芯同时工作，使得电池的温度可以有多种调节方式。这种嵌套电池的热使用效率高，且不需要额外的加热装置即可对电池组进行加温。
本实施例中，绝缘外壳200中没有设置风扇，如图16。其他部分与实施例一中相同。
在本实施例中，所述嵌套锂离子电池的外电芯上极片和内电芯上极片的电极相同，则外电芯和内电芯通过壳体并联；每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池的内电芯电极帽通过一个电流汇流片一连为一体，所有嵌套锂离子电池的外电芯电极帽通过一个电流汇流片二连为一体，电流汇流片三连接该电池组单元中所有嵌套锂离子电池的壳体；其中电流汇流片一、电流汇流片二、电流输出极一、电流输出极二位于定位连接板上表面，电流汇流片三和电流汇流片三位于定位连接板的下表面面，以免电路发生交叉而导致短路。
在低温下启动时，首先电流汇流片一与电流输出极一连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，该电池组单元内所有嵌套锂离子电池的内电芯并联后工作。由于电流大，内电芯会快速发热，热量通过导热材料9快速加热外电芯，使得外电芯的温度迅速上升到正常工作温度，且在这个过程中，由于内电芯与水冷管道完全不接触，因此热量逸散较少。
当外电芯温度上升到接近正常工作温度时，切换电池组工作状态，此时电流输出极一和电流输出极二连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，该电池组单元内所有嵌套锂离子电池内外电芯并联后工作。也可以切换至，电流汇流片二与电流输出极二连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，该电池组单元内所有嵌套锂离子电池的外电芯并联后工作，使内电芯得到休息。
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；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.基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，包括绝缘外壳，绝缘外壳中沿竖直方向设置有K个绝缘定位连接板，相邻定位连接板等间距，且平行设置；每层定位连接板上设置有M行N列个嵌套锂离子电池，形成锂离子电池矩阵，该矩阵中的M×N个锂离子电池串联或并联形成电池组单元；各个层的电池组单元可以单独进行输出，也可以串联或并联后组成电池组输出；其中，K、M和N均为大于等于3的正整数；
所述嵌套锂离子电池包括金属壳体和填充在壳体中的电芯；所述壳体包括内筒和外筒，二者均为有底无盖的筒状结构，其中外筒包括外壁和次外壁，外筒的端面呈环状，内筒位于外筒中心的通孔中，内筒的侧壁与外筒的次外壁之间存在第一间隙，第一间隙中设置有金属连接肋板，将内筒和外筒固连为一体并导通；
所述电芯包括外电芯和内电芯，外电芯填充于外筒的腔体中，内电芯填充于内筒的腔体中；外电芯下端通过外电芯下极片与外筒的底板连接导通；外筒的上端开口处设置有第一电池保护组件，外电芯上端通过外电芯上极片与设置在第一电池保护组件上表面的外电芯电极帽连接导通；所述内电芯下端通过内电芯下极片与内筒的底板连接导通；内筒的上端开口处设置有第二电池保护组件，内电芯上端通过内电芯上极片与设置在第二电池保护组件上表面的内电芯电极帽连接导通；所述嵌套锂离子电池的内筒、外筒和连接肋板一体成型。
2.根据权利要求1所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述嵌套锂离子电池的外筒为圆柱状或立方体壳体。
3.根据权利要求2所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述定位连接板上开设有M×N个第一通孔，每个第一通孔中嵌设有一个绝缘限位套，每个嵌套锂离子电池卡设在对应的一个限位套中；相邻两层电池组单元之间设置有绝缘隔离垫。
4.根据权利要求3所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述绝缘外壳的内壁固定有2K个限位件，每两个限位件为一组，分布于绝缘外壳相对的两侧壁上；
所述限位件上沿其长度方向开设有凹槽，每个定位连接板的两端卡设在对应的一组限位件的凹槽中；所述凹槽中铺设有柔性缓冲垫，柔性缓冲垫包裹在定位连接板的端部上；
所述限位件上开设有多个第二通孔，定位连接板的两端分别开设有多个第三通孔，每个第二通孔和对应的一个第三通孔同轴设置，每个螺栓插入对应的一组第二通孔、第三通孔中并与螺母连接，将定位连接板与对应的限位件紧固。
5.根据权利要求4所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述嵌套锂离子电池的外电芯上极片和内芯上极片的电极不同，外电芯和内电芯通过壳体串联：
1)、每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池的内电芯电极帽通过一个电流汇流片一连为一体，所有嵌套锂离子电池的外电芯电极帽通过一个电流汇流片二连为一体，则该电池组单元中所有嵌套锂离子电池并联；电流输出极一与电流汇流片一连接导通，电流输出极二与电流汇流片二连接导通；
2)、每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池，按照矩阵排列顺序依次记作D1、D2、D3、D4、D5、......、DM×N-1、DM×N，每个嵌套锂离子电池的内电芯电极帽连接一个电流汇流片一，外电芯电极帽连接一个电流汇流片二；
则，D1的电流汇流片一和D2的电流汇流片二连接导通；D2的电流汇流片一和D3的电流汇流片二连接导通；D3的电流汇流片一和D4的电流汇流片二连接导通；D4的电流汇流片一和D5的电流汇流片二连接导通；依次连接，则该电池组单元中所有嵌套锂离子电池进行串联；电流输出极一与D1的电流汇流片二连接导通，电流输出极二与DM×N的电流汇流片一连接导通。
6.根据权利要求4所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述嵌套锂离子电池的外电芯上极片和内电芯上极片的电极相同，则外电芯和内电芯通过壳体并联；
每个电池组单元中所有嵌套锂离子电池的内电芯电极帽通过一个电流汇流片一连为一体，所有嵌套锂离子电池的外电芯电极帽通过一个电流汇流片二连为一体，所有嵌套锂离子电池的壳体通过一个电流汇流片三连接为一体：
1)、当电流汇流片一与电流输出极一连接导通作为一极，固定在定位结构板上的电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池的内电芯并联后工作；
2)当电流汇流片二与电流输出极二连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池的外电芯并联后工作；
3)当电流输出极一与电流输出极二连接导通作为一极，电流输出极三与电流汇流片三连接导通作为另一极，则该电池组单元内所有嵌套锂离子电池并联后工作。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，每个电池组单元中，相邻两个嵌套锂离子电池之间存在第二间隙，水冷管道呈S形布置于嵌套锂离子电池之间的第二间隙中；
每层定位连接板的边缘开设有过孔，相邻层的水冷管道穿过对应的过孔连通为一体。
8.根据权利要求7所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，K层电池组单元对应的第一间隙上下贯通形成风道，最上层电池组单元的上方和最下方电池组的下方均设置有风扇，风道出风口设置有温度传感器。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述嵌套锂离子电池内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙中填充有导热材料。
10.根据权利要求7所述的基于嵌套锂离子电池的增强热管理安全性的电池组，其特征在于，所述嵌套锂离子电池内筒的侧壁与外筒的次外壁之间的间隙中填充有导热材料。
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Application publication date: 20210219

Assignee: Liaoning Tuosheng Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980053958

Denomination of invention: Automotive battery pack with enhanced thermal management safety based on nested lithium-ion batteries

Granted publication date: 20210803

License type: Common License

Record date: 20231226