CN112599891A - 电池包和车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了电池包和车辆。在所述电池包（100）内构造有电芯组（4），所述电芯组（4）包括多个电芯，其中，所述电芯包括第一电芯（A）和第二电芯（B），其中，所述第一电芯（A）相比于所述第二电芯（B）具有更好的耐寒能力，并且所述第一电芯（A）与所述第二电芯（B）的布置位置取决于所述电池包（100）内的散热能力。

Description

电池包和车辆
技术领域
本发明属于车辆技术领域，具体而言，涉及一种电池包和装设有所述电池包的车辆，特别是一种具有不同化学体系的电芯组合而成的高性能电池设计方案、一种具有AB电芯的全天候电池包。
背景技术
随着新能源汽车特别是纯电动汽车的市场占有量越来越多，电动汽车的使用场景，尤其是北方寒冷的使用环境也越来越普遍。电池作为电动汽车的核心部件，极端温度环境下对新能源汽车的驾驶体验、寿命、安全性带来巨大的挑战。
汽车在寒冷环境长时间静置时，电池包中的温度分布呈一定的规律，散热较快的区域，电芯温度下降明显，通常体现为电芯间温差过大，个别低于临界温度的电芯限制了整包的放电性能，同时也影响了电池包的使用寿命和安全性。
CN108258365A公开了一种随环境温度自动调节换热高度的动力电池包及温控方法。动力电池底座和上盖密封连接，上盖中心孔内装有中心环，温度计的上端固定于上盖上；活塞杆一端及活塞装在温度计内，另一端伸出上盖并穿过中心环孔后固；动力电池上盖中心孔的四周开有多个孔，孔内分别装有超导热管，每个超导热管的上端固定于上盖上；中心环的外圈有多根连杆，每根连杆的另一端分别安装有绝热盖帽，每个绝热盖帽分别覆盖在各自超导热管的上端。根据电池包内的温度变化，水银推动活塞使活塞杆上升成下降，使绝热盖帽露出超导热管上端的距离大小进行散热。确保动力电池工作在正常温度范围内，提高电池性能，延长电池寿命。整体结构具有密封性及防水防油等功能。
发明内容
本发明的目的在于解决极寒环境场景下，电芯温差大、个别区域电芯低于临界温度影响整包放电性能的情况；解决短板效应，明显改善低温静置后的使用性能，即便电芯间的温差大，也不影响电池包的正常使用。
此外，本发明还旨在解决或者缓解现有技术中存在的其它技术问题。
本发明通过提供一种电池包和车辆来解决上述问题，具体而言，根据本发明的一方面，提供了：
一种电池包，在所述电池包内构造有电芯组，所述电芯组包括多个电芯，
其中，
所述电芯包括第一电芯和第二电芯，其中，所述第一电芯相比于所述第二电芯具有更好的耐寒能力，并且所述第一电芯与所述第二电芯的布置位置取决于所述电池包内的散热能力。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电池包内的散热能力通过热通量仿真进行测定。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电池包具有箱体，所述电芯组布置在所述箱体内部，并且在所述箱体处布置有隔热材料。
可选地，根据本发明的一种实施方式，在所述箱体的外部构造有所述隔热材料，和/或在所述箱体的底部布置有所述隔热材料。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述箱体构造成具有第一子箱体和第二子箱体的分体式结构，并且在所述第一子箱体与所述第二子箱体之间布置有所述隔热材料。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电池包具有用于缓解所述第一电芯和/或所述第二电芯的温度下降速率的热补偿器件。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述热补偿器件包括石墨烯加热膜或帕尔帖效应器件。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述热补偿器件布置在所述电池包向外界环境散热的最大路径上。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述最大路径通过热通量分析进行测定。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电池包具有用于提高所述第一电芯和/或所述第二电芯的温度的加热器件。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述加热器件包括水热加热器件、PTC加热器、电热丝和/或石墨烯加热片。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述第一电芯为三元锂离子电芯，并且/或者所述第二电芯为磷酸铁锂电芯。
可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电池包构造成具有矩形截面的结构，并且所述第一电芯设置在所述电池包内的矩形四角处。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种车辆，其中，所述车辆具有上述任一种电池包。
所提供的电池包和车辆的有益之处包括：1. 被动保温时间延长，能够在长时间在低温环境中存放/使用；2. 解决短板效应，使得在超长时间的静置后，整车在此条件下可以正常使用，拉低了使用的温度下限；3. 在极寒温度下的超长时间静置并且在低于某个温度值后，温度下降的趋势明显变慢，极大地延长极寒环境下的存放/使用时间；4. 继续极寒静置后，提高电芯温度至正常使用的温度区间；5. 解决方案经济、高效。
附图说明
参考附图，本发明的上述以及其它的特征将变得显而易见，其中，
图1示出了根据本发明的一种电池包的电芯组的布置示例；
图2示出了根据本发明的一种电池包的分解示意图；以及
图3示出了根据本发明的一种电池包的剖视图。
具体实施方式
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。
参考图1，其示出了根据本发明的一种电池包100的电芯组4的布置示例。
在所述电池包100内构造有电芯组4，所述电芯组4包括多个电芯，其中，所述电芯包括第一电芯A和第二电芯B，其中，所述第一电芯A相比于所述第二电芯B具有更好的耐寒能力，并且所述第一电芯A与所述第二电芯B的布置位置取决于所述电池包100内的散热能力。
通过上述技术方案，采用具有不同耐寒能力的电芯以及将相应的电芯布置在散热能力不同的区域，解决了极寒环境场景下，电芯温差大、个别区域电芯低于临界温度影响整包放电性能的情况；同时解决了短板效应，明显改善低温静置后的使用性能，即便电芯间的温差大，也不影响电池包的正常使用。
应当理解的是，所述第一电芯A放置于散热较快的区域，而所述第二电芯B放置于散热较慢的区域。如果采用相同的电芯，那么在这种情况下，例如在某一低温环境工作/静置时，电芯温度降低，温差增大。一段时间后，如果全是第二电芯B在电池包中，电池将受限于个别低温的电芯，影响放电性能，而通过本技术方案，将散热较快的区域放置低温性能更好的第一电芯A，拓展了温度下限，使得电池包100的整体低温性能更优。此外，所述电池包可以是动力电池包。
关于散热速度的测定，可以通过热通量仿真来进行。在这种情况下，散热较快相当于热通量较大，散热较慢相当于热通量较小。热通量仿真也可以被称为热通量分析或者更宽泛地被称为热仿真。热仿真是一种虚拟实验，可以在不做出实际产品的前提下，通过输入一系列的信息数据，来计算在不同运行场景下产品的散热风险，达到提前预判产品散热情况，从而节约研发时间和打样成本的目的，仿真软件可以例如采用Flotherm、AnsysIcepak、6 SigmaET、FloEFD等。
例如在图1中，示例性地绘出了所述第一电芯A和所述第二电芯B的布局。从图中可以看出的是，所述电池包100主要呈现为矩形截面，所述第一电芯A设置在所述电池包100内的矩形四角处，其余位置设置所述第二电芯B。当然，也有一些电池包的中部区域是散热较快的区域，应当设置所述第一电芯A，因此这两种电芯的布置需要根据电池包的实际情况来定。这两种电芯的布置位置（包括两两电芯之间的间隔距离、电芯的数量等）也可以通过针对散热情况的实测进行确定。
除了上述关于第一电芯A和第二电芯B的电芯组合的技术方案之外，还可以采用结构性隔热的方式来改善极寒环境下电池包100的工作能力。
参考图2和图3，它们分别示出了根据本发明的一种电池包100的分解示意图；以及根据本发明的一种电池包100的剖视图。
所述电池包100具有箱体1，所述箱体1例如呈现为具有矩形截面的框架，所述电芯组4布置在所述箱体1内部，并且在所述箱体1处布置有隔热材料。
通过隔热材料（也称为热绝缘材料、绝热材料）的设置来实现对热流传递的阻滞，从而实现保温的效果。隔热材料例如可以是玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等。
关于所述隔热材料的具体设置，示例性的是，在所述箱体1的外部构造有所述隔热材料，和/或在所述箱体1的底部布置有所述隔热材料。在所述箱体1的外部的隔热材料例如是具有一定厚度的发泡材料6，导热系数较低，并且具有良好的防水、保温性能和强度。在所述箱体1的底部的隔热材料例如可以是非金属材料，起到保温作用，具体可以是无机非金属材料。
此外，组成所述箱体1的型材可以为挤出型材或铸件，所述箱体1也可以构造成具有第一子箱体和第二子箱体的分体式结构。在这种情况下，在所述第一子箱体与所述第二子箱体之间布置有所述隔热材料。此时，所述第一子箱体和所述第二子箱体可以用螺纹紧固件（如螺栓）进行紧固连接。
应当理解，上述结构性隔热措施可以单独或者组合使用，并且也可以根据实际情况对隔热材料和/或箱体的设计进行改型，这均落入本申请的保护范围之内。例如，在所述箱体1框架内布置同样形状的框架作为隔热填充材料2。
除了上述关于第一电芯A和第二电芯B的电芯组合以及结构性隔热的技术方案之外，还可以采用热补偿和/或加热策略的方式来改善极寒环境下电池包100的工作能力。
所谓的热补偿是用于缓解部件温度下降趋势或者说速率的技术手段。在此，所述电池包100具有用于缓解所述第一电芯A和/或所述第二电芯B的温度下降速率的热补偿器件5。通过热补偿，能极大延长电池在低温环境中静置/使用的时间。
所述热补偿器件5具体可以包括石墨烯加热膜或帕尔帖效应器件。
石墨烯是电和热的良导体，应用在加热膜中一方面能起到导电的作用，结合其它组分如树脂等构成电阻部分，在通电后能够产生热量。另一方面石墨烯在加热膜产热后能快速将热量传递至温度不均衡的部位。由此，石墨烯加热膜是以整个膜为加热面（不同于其它电阻丝加热膜），加热更加迅速、温度更加均衡。
帕尔帖（Peltier，有时称为珀耳帖）效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热的现象。具体地，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当其从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，当其从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。这种效应是可逆的，如果电流方向反过来，则吸热便转变成放热。
由此，可以利用上述效应，通过电流流过时产生的温差来对电芯进行热补偿。通过这种原理运作的器件就被称为是帕尔帖效应器件。
所述热补偿器件能够布置在所述电池包100向外界环境散热的最大路径上，通常是某些金属连接的界面上（如箱体框架处）。在这些特殊的位置上设计热补偿。如上所述，由于能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出，因此在界面处的布置位置可以较好地发挥帕尔帖效应的效果。
关于所述最大路径的位置，也可以通过热通量分析进行测定。有关热通量分析的介绍详见上文，在此不再赘述。
所述热补偿器件5在图中示例性地布置于所述箱体1的内侧上，并且跨越所述电芯组4的多个电芯，以便能够对多个电芯进行均衡的热补偿。
由此，在温度低于某个阈值时，BMS（电池管理系统）控制热补偿功能打开。需要强调的是，热补偿器件使用的功率和位置可以是经结果计算或实验得出的，是较为经济的、能缓解温度散失的器件。
与上述热补偿手段单独或者组合地，还能够采用加热措施。也就是说，所述电池包100具有用于提高所述第一电芯A和/或所述第二电芯B的温度的加热器件。如上所述，热补偿用于极大地延长电池在低温环境中静置/使用的时间。那么在此基础上，如果电池再继续于极寒环境存放，为了使得电池更加能够抵御长期限的极寒环境，设计了该加热策略，使得在超长时间的静置场景中，全部电芯均不会低于临界值。
所用的加热器件能够包括水热加热器件、PTC加热器、电热丝和/或石墨烯加热片。其中，水热加热器件是指用水热的方式实现加热效果的器件，而水热是指利用水这个媒介的温度差对相应的电芯进行加热的方式，例如可以通过在所述箱体1处构造冷板，所述冷板构造于相应电芯处，并且所述冷板内通有经加热的水的方式来实现水热的效果。至于水的加热，可以在所述电池包100之外的外围区域处来进行。
PTC加热器也称为PTC发热体，通常采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成，具有热阻小、换热效率高、自动恒温等优点，并且在任何应用情况下均不会产生如电热管类加热器表面的“发红”现象，避免了烫伤、火灾等隐患。另外，PTC加热器也容易进行安装，例如可以通过简单的粘贴、螺纹连接、卡扣连接等方式就可以安装到指定位置处。所谓PTC即正温度系数。
另外，电热丝也是非常容易进行安装和拆卸的一种加热器件。有关石墨烯加热的相关描述，请参见上文。
需要说明的是，上述各种保温、电芯组合布置、热补偿或加热的手段能够单独或者组合使用。
关于所述第一电芯A和所述第二电芯B的化学材料，示例性的是，所述第一电芯A为三元锂离子电芯，并且/或者所述第二电芯B为磷酸铁锂电芯。其中，三元是指镍盐、钴盐、锰盐为原料，例如是指正极材料使用镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂，其具有安全性高的特点。而磷酸铁锂电芯的工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好，并且具有小的自放电率以及没有记忆效应。
由此，例如在不同位置的A/B电芯各自低于临界温度时，可以开启加热功能。具体的控制的策略可以是：以T1为目标温度，开启加热器功率P1，通过预先导入的升温速率表和预期升温时间t，进行查表调整功率P1。而升温速率表可以由电芯与环境温差ΔT、水温Tc、电池包热容C等参数进行计算或实测得到。
应当理解的是，本发明的电池包100可装设在各种车辆上，包括轿车、货车、客车等的纯电动汽车或混合动力车辆等。因此，本发明的主题还旨在保护装设有本发明的电池包100的各种车辆。
综上所述，由于使用了结构保温的设计，被动保温时间延长，能够在长时间在低温环境中存放/使用；超长时间的静置后，电芯温度降低，电芯温差增加，个别区域温度低于临界值，影响整包放电性能。这些区域采用电芯A，形成AB组合的电池包，解决短板效应，使得整车在此条件下可以正常使用，拉低了使用的温度下限；极寒温度超长时间静置后，主动热补偿功能开启，使得在低于某个温度值后，温度下降的趋势明显变慢。极大延长极寒环境下存放/使用的时间。在此基础上继续极寒静置后，开启加热功能，将电芯温度升高至正常使用的温度区间；以上功能可基于电池包热仿真/热通量分析进行最优化求解，得出最经济最高效的解决方案。
应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。

Claims (14)

1.一种电池包（100），在所述电池包（100）内构造有电芯组（4），所述电芯组（4）包括多个电芯，
其特征在于，
所述电芯包括第一电芯（A）和第二电芯（B），其中，所述第一电芯（A）相比于所述第二电芯（B）具有更好的耐寒能力，并且所述第一电芯（A）与所述第二电芯（B）的布置位置取决于所述电池包（100）内的散热能力。
2.根据权利要求1所述的电池包（100），其特征在于，所述电池包（100）内的散热能力通过热通量仿真进行测定。
3.根据权利要求1所述的电池包（100），其特征在于，所述电池包（100）具有箱体（1），所述电芯组（4）布置在所述箱体（1）内部，并且在所述箱体（1）处布置有隔热材料。
4.根据权利要求3所述的电池包（100），其特征在于，在所述箱体（1）的外部构造有所述隔热材料，和/或在所述箱体（1）的底部布置有所述隔热材料。
5.根据权利要求3所述的电池包（100），其特征在于，所述箱体（1）构造成具有第一子箱体和第二子箱体的分体式结构，并且在所述第一子箱体与所述第二子箱体之间布置有所述隔热材料。
6.根据权利要求1所述的电池包（100），其特征在于，所述电池包（100）具有用于缓解所述第一电芯（A）和/或所述第二电芯（B）的温度下降速率的热补偿器件（5）。
7.根据权利要求6所述的电池包（100），其特征在于，所述热补偿器件（5）包括石墨烯加热膜或帕尔帖效应器件。
8.根据权利要求6所述的电池包（100），其特征在于，所述热补偿器件（5）布置在所述电池包（100）向外界环境散热的最大路径上。
9.根据权利要求8所述的电池包（100），其特征在于，所述最大路径通过热通量分析进行测定。
10.根据权利要求1或6所述的电池包（100），其特征在于，所述电池包（100）具有用于提高所述第一电芯（A）和/或所述第二电芯（B）的温度的加热器件。
11.根据权利要求10所述的电池包（100），其特征在于，所述加热器件包括水热加热器件、PTC加热器、电热丝和/或石墨烯加热片。
12.根据权利要求1所述的电池包（100），其特征在于，所述第一电芯（A）为三元锂离子电芯，并且/或者所述第二电芯（B）为磷酸铁锂电芯。
13.根据权利要求1所述的电池包（100），其特征在于，所述电池包（100）构造成具有矩形截面的结构，并且所述第一电芯（A）设置在所述电池包（100）内的矩形四角处。
14.一种车辆，其特征在于，所述车辆具有根据权利要求1至13中任一项所述的电池包（100）。
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