CN112397828B - 一种软包无模组化动力电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软包无模组化动力电池系统，包括固定连接的上盖和下箱体组件，所述上盖和下箱体组件之间在上而下依次设有电池管理系统、压杆组件、低压线束、软包电芯组件、高压电组件、横梁组件和液冷系统。上述技术方案无模组化结构，软包电芯直接集成到电池箱内，省掉电芯集成为模组的工艺，省去模组中间集成造成的装配误差，工艺简单化，成本降低；无模组化，省掉模组外壳、模组端板、导热结构胶等物料，重量明显减轻、成本明显降低，更改热交换路径为电芯‑导热结构胶‑液冷管，热传递路径变短，效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池领域，尤其涉及一种软包无模组化动力电池系统。
背景技术
软包电池是指外壳为软包装材料，通常为铝塑复合膜的锂电池，具有容量大、内阻小、设计灵活、安全性高、重量轻等明显优势，在动力电池领域的应用正在加快。有资料显示，软包电芯凭借其安全性能好、重量轻、设计灵活等优点，获得了广大动力电池厂商的青睐。因此，软包电芯在新能源汽车、储能中的使用越来越多。现有软包动力电池系统的组成结构一般由电芯级到模组级，从模组级到电池箱体结构，而软包动力电池形体软，不易固定，且易产生划痕和凹坑等问题，因而软包动力电池的固定及连接成为行业发展的热点。
现有方案先集成模组，再把模组装配到电池箱里面，对于电芯来说经过两次集成工艺，相比较无模组化方案，增加模组结构件物料，工艺较复杂，重量较重，成本较高，同时增加了电芯到液冷系统热交换界面的距离。
现有方案热交换板以铝挤压型材拼焊、冲压板钎焊、铝挤压口琴管为主，以上三种会存在不同的问题，比如重量较重，占用空间大，流道过于简单影响散热，焊接工艺复杂，装配结构复杂，接口插件存在漏液风险，液体单向流动温度均衡差等诸多问题。
以蛇形管为主的液冷板现有方案未与电池箱体有效融合，同样增加限位或支撑结构，形成空间浪费；蛇形管因工艺因素导致热交换面积有限，直接与模组贴合使用换热效率不高；现有方案液冷系统设计复杂，接口插件较多，加大漏液风险，并且系统集成度较低；现有方案采用一端进液一端出液，液体单向流动散热，进液端电芯与液体温差大换热快，出液端电芯与液体温差小换热慢，温度均衡差。
现有技术方案设计未预留缓冲腔，单个电芯发生安全事故后会产生大量气体，如果气体不能快速通过缓冲腔进入防爆阀，会发生连锁反应，有爆炸的风险。现有技术方案未针对电池箱内电芯泄压阀附近设计结构上的物理隔离或者隔离效果不理想，单个电芯发生安全事故后会喷出电解液和熔融物，直接喷到附近电芯上引发连锁反应，有爆炸的风险。同时没有对电芯、高压电器件、低压采集线束做到物理隔离，当其中一块发生事故时容易扩散到其他部件。现有技术方案未设计导流槽或储液槽，对于单个电芯发生安全事故后会喷出电解液和熔融物，高温电解液和熔融物会流到其他电芯处发生连锁反应，有爆炸的风险。
市场上现有方案大多是先把电芯集成为模组，再组装到PACK上，目前针对方型铝壳电芯进行无模组化设计的研究比较多，未有软包电芯无模组化动力电池系统设计方案。
中国专利文献CN107671414A公开了一种“无模组结构的软包动力电池系统结构”。采用多个电芯组分别直接通过螺栓固定于所述箱体上，所述电芯组包括堆叠设置的至少一个电芯，数量根据箱体高度和需求进行调节，且在所述电芯组上设置有第一固定孔，在箱体底部设置有第二固定孔，为了进一步固定，在所述电芯与电芯之间、电芯与箱体之间均匀涂抹结构胶。上述技术方案制得的电池重量大，未设置物理隔离，存在安全隐患。
发明内容
本发明主要解决原有的电池包重量大，设计不够紧凑且存在安全隐患的技术问题，提供一种软包无模组化动力电池系统，无模组化结构，软包电芯直接集成到电池箱内，省掉电芯集成为模组的工艺，省去模组中间集成造成的装配误差，工艺简单化，成本降低；无模组化，省掉模组外壳、模组端板、导热结构胶等物料，重量明显减轻、成本明显降低，更改热交换路径为电芯-导热结构胶-液冷管，热传递路径变短，效率提高。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括固定连接的上盖和下箱体组件，所述上盖和下箱体组件之间在上而下依次设有电池管理系统、压杆组件、低压线束、软包电芯组件、高压电组件、横梁组件和液冷系统。上盖和下箱体组件固定连接形成空腔，电池管理系统和低压线束安装在压杆组件上，软包电芯组件和高压电组件安装在横梁组件上，液冷系统安装在下箱体组件上。
作为优选，所述的上盖上设有与下箱体组件配合的法兰盘固定孔，以及与压杆组件配合的上盖固定孔，材质为冲压铝板成型或连续玻纤复合材料。
作为优选，所述的压杆组件包括压杆和弹性体，所述压杆上设有与上盖固定孔配合的上盖配合孔，压杆中间设有压杆固定孔。压杆采用高强度钢制作而成，限制电芯Z正方向的自由度，弹性体可压缩变形，起缓冲作用。
作为优选，所述的电池管理系统设置在压杆上，电池管理系统与软包电芯组件、高压电组件之间设有隔离。电池管理系统的具体形态不作限制，通过压杆架空布置，隔离用于防止一部分发生事故时快速扩散到其他部件，提高安全性。
作为优选，所述的软包电芯组件包括分为左右两排的若干电芯，所述电芯的极耳串并联焊接形成电芯组，所述电芯上方设有防火垫，左右两排电芯之间设有T型防护板，所述电芯组通过高压连接排连接，所述高压连接排上方安装有绝缘盖。T型防护板隔离两排电芯并与电芯形成两处空腔，且T型防护板是凹凸格栅结构，具有防溅射的作用，并且T型防护板设有通气孔便于散热。
作为优选，所述的横梁组件包括若干横梁和隔热材料，所述横梁上设有横梁固定孔，横梁下边缘设有电芯侧面底部挡板。横梁优选铝挤压成型的空腔管材，与电芯接触的侧面涂覆或粘贴件隔热材料，共三根横梁，配合T型防护板把电池箱内电芯隔为6个独立区域。
作为优选，所述的液冷系统包括焊接连接的蛇形管、集流管和水口接头组件，所述水口接头组件包括法兰盘、固定结构、限位结构、密封材料；每排电芯下方设有一组即两根液体流向相反的蛇形管，这两根蛇形管的进水口端连接同一根集流管，蛇形管的出水口端连接另外一根集流管，每根集流管对应一个水口接头组件，水口接头组件穿过电池箱体侧壁并固定在侧壁上。
作为优选，所述的下箱体组件包括电池箱体和法兰边，所述法兰边凹槽内填充有密封材料，电池箱体前部侧壁上设有防爆阀，电池箱体前部侧壁上设有用于固定水口接头组件的水口接头组件固定孔，电池箱体底部设有箱体底部储液槽、横梁固定点和液冷板放置槽，电池箱体侧壁上设有若干凹凸格栅结构。法兰边凹槽内填充有密封材料与法兰边配合起到箱体密封作用。箱体底部储液槽深度稍大于液冷管厚度，目的是避免制造误差导致装配时液冷管凸出凹槽部分被电芯压破，凹凸槽等壁厚设计不仅减轻重量，同时也能增强结构。凹凸格栅结构防止电解液或熔融物溅射并导流到储液槽。
作为优选，所述的低压线束设置在软包电芯组件上方。
作为优选，所述的高压电气系统包括继电器、熔断器和分流器。还包括其他高压元器件，能够集成为一体化方案。
本发明的有益效果是：
1.本发明无模组化结构，软包电芯直接集成到电池箱内。第一省掉电芯集成为模组的工艺，省去模组中间集成造成的装配误差，工艺简单化，成本降低；第二无模组化，省掉模组外壳、模组端板、导热结构胶等物料，重量明显减轻、成本明显降低，系统能量密度超过210Wh/kg；第三由原来的热交换路径：电芯-导热结构胶-模组外壳-导热胶-液冷管改为现在的热交换路径：电芯-导热结构胶-液冷管，热传递路径变短，效率提高。
2.本发明液冷系统结构。第一采用蛇形管，壁厚仅有0.8-1mm，且全部与冷却液接触，没有多余边角，重量比挤压板、冲压板、口琴管分别轻80％、60％、35％；第二液冷系统集成度较高，蛇形管与集流管焊接，集流管与进水口、出水口焊接，然后固定在箱体上连接到电池包外面。整个电池包内没有一处插件连接，简化了整个液冷系统，与现有方案相比大大降低了插件连接处漏液的可能；第三液冷系统采用四进四出并联设计，创新点是对应一个模组下方一进一出和另一路一进一出反向设计，一条流道的出水口和另一条流道的进水口靠近，形成双向流道，这样设计解决了单向流道进水端和出水端温差过大，电芯温度均衡差的问题。
3.本发明液冷系统与下箱体融合结构。第二本发明方案蛇形管厚度4mm，嵌入铸铝箱体凹槽内，下箱体凹凸的设计不仅增加箱体强度，而且起到液冷板限位作用，减少液冷板支撑结构，整个电池箱高度比带弹性支撑的冲压板方案或口琴管方案减少15-20mm，节省空间10％～15％。
4.本发明电池包内气体膨胀缓冲腔及泄压通道设计，当单个电芯发生热失控时产生的大量气体通过缓冲腔适当降压然后经过泄压通道最后由防爆阀排出，避免了箱体内部瞬间压力过大产生的爆炸风险。电池箱中间通道由T型板及板上设计的通气不通液体的孔组成，气体可以顺利从中间通道排入上方。
5.本发明电池包内物理隔离T型防护板，不仅有防止短路的作用还有防止热扩散的作用。该防护板安装在电芯设计泄压面或薄弱易泄压面，侧面设计凹凸格栅结构为防止电芯喷出的电解液四处溅射，同时该凹凸格栅结构具有导流作用，把喷到其表面的电解液或熔融物导到底部储液槽内。该凹凸格栅结构截面形状不限于三角形、半圆形、长条形等具有防止液态物体溅射的作用。
6.本发明电池包内储液槽结构，储存电芯流出的高温液体，防止高温液体扩散引发热失控。当单个软包电芯发生安全事故后电芯极耳处会优先泄压喷出电解液和熔融物，电芯一侧喷到防护板上通过凹凸格栅结构导流入储液槽，电芯另一侧喷到下箱体侧壁上通过凹凸格栅结构导流入储液槽。
7.本发明电芯、高压电器件、高压连接排、电池管理系统、低压采集线束均采取独立物理隔离设计，防止其中一部分发生事故时快速扩散到其他部件，安全性较现有方案大大提高。T型防护板把电芯与高压连接排隔离，绝缘盖把高压连接排与低压采集线束隔离，结构横梁把高压电器件与电芯隔离，防火隔热层把电池管理系统与电芯隔离等。
附图说明
图1是本发明的一种爆炸图。
图2是本发明的压杆组件的一种立体图。
图3是本发明的软包电芯组件的一种爆炸图。
图4是本发明的横梁组件的一种立体图。
图5是本发明的液冷系统的一种立体图。
图6是本发明的下箱体组件的一种立体图。
图7是本发明的下箱体与液冷管配合的一种剖面图。
图中1上盖，2压杆组件，2.1压杆，2.2弹性体，2.3上盖配合孔，2.4压杆固定孔，3电池管理系统，4低压线束，5软包电芯组件，5.1绝缘盖，5.2高压连接排，5.3T型防护板，5.4防火垫，5.5电芯，6横梁组件，6.1横梁，6.2隔热材料，6.3横梁固定孔，6.4电芯侧面底部挡板，7高压电器件，8液冷系统，8.1蛇形管，8.2集流管，8.3水口接头组件，9下箱体组件，9.1法兰边，9.2密封材料，9.3防爆阀，9.4水口接头组件固定孔，9.5箱体底部储液槽，9.6横梁固定点，9.7液冷板放置槽，9.8凹凸格栅结构。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种软包无模组化动力电池系统，如图1所示，包括固定连接的上盖1和下箱体组件9上盖和下箱体组件固定连接形成空腔。所述上盖1和下箱体组件9之间在上而下依次设有压杆组件2、低压线束4和横梁组件6。电池管理系统和低压线束安装在压杆组件上，软包电芯组件和高压电组件安装在横梁组件上，液冷系统安装在下箱体组件上。电池管理系统3设置在压杆2.1上，电池管理系统3与软包电芯组件5、高压电组件7之间设有隔离。电池管理系统的具体形态不作限制，通过压杆架空布置，隔离用于防止一部分发生事故时快速扩散到其他部件，提高安全性。
上盖1上设有与下箱体组件2配合的法兰盘固定孔，以及与压杆组件2配合的上盖固定孔，材质为冲压铝板成型或连续玻纤复合材料。高压电气系统7包括继电器、熔断器和分流器。低压线束4设置在软包电芯组件5上方
如图2所示，压杆组件2包括压杆2.1和弹性体2.2，压杆2.1上设有与上盖固定孔配合的上盖配合孔2.3，压杆2.1中间设有压杆固定孔2.4。压杆采用高强度钢制作而成，限制电芯Z正方向的自由度，弹性体可压缩变形，起缓冲作用。
如图3所示，软包电芯组件5包括分为左右两排的若干电芯5.5，电芯5.5的极耳串并联焊接形成电芯组，电芯5.5上方设有防火垫5.4。左右两排电芯5.5之间设有T型防护板5.3，T型防护板隔离两排电芯并与电芯形成两处空腔，且T型防护板是凹凸格栅结构，具有防溅射的作用，并且T型防护板设有通气孔便于散热。电芯组通过高压连接排5.2连接，所述高压连接排5.2上方安装有绝缘盖5.1。
如图4所示，横梁组件6包括若干横梁6.1和隔热材料6.2，横梁6.1上设有横梁固定孔6.3，横梁6.1下边缘设有电芯侧面底部挡板6.4。横梁优选铝挤压成型的空腔管材，与电芯接触的侧面涂覆或粘贴件隔热材料，共三根横梁，配合T型防护板把电池箱内电芯隔为6个独立区域。
如图5所示，液冷系统8包括焊接连接的蛇形管8.1、集流管8.2和水口接头组件8.3，水口接头组件8.3包括法兰盘、固定结构、限位结构、密封材料；每排电芯5.5下方设有一组即两根液体流向相反的蛇形管8.1，这两根蛇形管8.1的进水口端连接同一根集流管8.2，蛇形管8.1的出水口端连接另外一根集流管8.2，每根集流管8.2对应一个水口接头组件8.3，水口接头组件8.3穿过电池箱体侧壁并固定在侧壁上。
如图6、图7所示，下箱体组件9包括电池箱体和法兰边9.1，法兰边9.1凹槽内填充有密封材料9.2，电池箱体前部侧壁上设有防爆阀9.3，电池箱体前部侧壁上设有用于固定水口接头组件8.3的水口接头组件固定孔9.4，电池箱体底部设有箱体底部储液槽9.5、横梁固定点9.6和液冷板放置槽9.7。电池箱体侧壁上设有若干凹凸格栅结构9.8，凹凸格栅结构防止电解液或熔融物溅射并导流到储液槽。箱体底部储液槽深度稍大于液冷管厚度，目的是避免制造误差导致装配时液冷管凸出凹槽部分被电芯压破，凹凸槽等壁厚设计不仅减轻重量，同时也能增强结构。
使用时，平放下箱体组件9，在凹槽中放置填充材料，安装液冷系统8，此时液冷管上表面与下箱底部凸起表面平齐，然后平铺填充材料。填充材料通常是带有导热性能的材料，填充材料根据具体要求可以是导热垫、导热胶、隔热垫、缓冲垫等材料。放置软包电芯组件5到固定位置，安装横梁组件6，然后安装压杆组件2。之后可同时分别安装电池管理系统3、低压线束4、高压电组件7，最后安装上盖1。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了压杆、下箱体、液冷系统等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (7)
1.一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，包括固定连接的上盖(1)和下箱体组件(9)，所述上盖(1)和下箱体组件(9)之间在上而下依次设有电池管理系统(3)、压杆组件(2)、低压线束(4)、软包电芯组件(5)、高压电组件(7)、横梁组件(6)和液冷系统(8)，所述软包电芯组件(5)包括分为左右两排的若干电芯(5.5)，所述电芯(5.5)的极耳串并联焊接形成电芯组，所述电芯(5.5)上方设有防火垫(5.4)，左右两排电芯(5.5)之间设有T型防护板(5.3)，所述电芯组通过高压连接排(5.2)连接，所述高压连接排(5.2)上方安装有绝缘盖(5.1)，所述液冷系统(8)包括焊接连接的蛇形管(8.1)、集流管(8.2)和水口接头组件(8.3)，所述水口接头组件(8.3)包括法兰盘、固定结构、限位结构、密封材料；每排电芯(5.5)下方设有一组即两根液体流向相反的蛇形管(8.1)，这两根蛇形管(8.1)的进水口端连接同一根集流管(8.2)，蛇形管(8.1)的出水口端连接另外一根集流管(8.2)，每根集流管(8.2)对应一个水口接头组件(8.3)，水口接头组件(8.3)穿过电池箱体侧壁并固定在侧壁上，所述下箱体组件(9)包括电池箱体和法兰边(9.1)，所述法兰边(9.1)凹槽内填充有密封材料(9.2)，电池箱体前部侧壁上设有防爆阀(9.3)，电池箱体前部侧壁上设有用于固定水口接头组件(8.3)的水口接头组件固定孔(9.4)，电池箱体底部设有箱体底部储液槽(9.5)、横梁固定点(9.6)和液冷板放置槽(9.7)，电池箱体侧壁上设有若干凹凸格栅结构(9.8)。
2.根据权利要求1所述的一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，所述上盖(1)上设有与下箱体组件(2)配合的法兰盘固定孔，以及与压杆组件(2)配合的上盖固定孔，材质为冲压铝板成型或连续玻纤复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，所述压杆组件(2)包括压杆(2.1)和弹性体(2.2)，所述压杆(2.1)上设有与上盖固定孔配合的上盖配合孔(2.3)，压杆(2.1)中间设有压杆固定孔(2.4)。
4.根据权利要求3所述的一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，所述电池管理系统(3)设置在压杆(2.1)上，电池管理系统(3)与软包电芯组件(5)、高压电组件(7)之间设有隔离。
5.根据权利要求1所述的一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，所述横梁组件(6)包括若干横梁(6.1)和隔热材料(6.2)，所述横梁(6.1)上设有横梁固定孔(6.3)，横梁(6.1)下边缘设有电芯侧面底部挡板(6.4)。
6.根据权利要求1所述的一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，所述低压线束(4)设置在软包电芯组件(5)上方。
7.根据权利要求1所述的一种软包无模组化动力电池系统，其特征在于，所述高压电气系统(7)包括继电器、熔断器和分流器。
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