CN112993440A - 一种防燃电池组 - Google Patents

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陈锦标
任远
许毅钦
刘宁炀
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Abstract

本发明提供了一种防燃电池组，包括：设置于电池组外壳内的导热绝缘液，电芯完全浸没在所述导热绝缘液内；第一导热管，所述第一导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且与各个所述电芯接触；第二导热管，所述第二导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且浸入所述导热绝缘液中。本发明通过第一导热管为电芯散热，以及，通过导热绝缘液和第二导热管降低电芯热失效带来的风险——一方面，导热绝缘液可以将电芯析出的锂单质包裹，隔绝空气和水；另一方面通过相变吸热，强化了热传输，降低了温度。

Description

一种防燃电池组
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种防燃电池组。
背景技术
电池组是电动汽车的主要储能部件，由锂电池组成。锂电池组的安全性和可靠性是关系到人身安全和财产安全的关键问题。因剧烈撞击导致电池模块变形造成的电池内部短路、电池管理系统故障引发的电池过充或过放、电芯的外部绝缘设计不良引起的短路等原因，会导致锂电池热失控并发生自燃现象。
当前的锂电池组由几十至上千个电芯组成，一旦单个电芯发生自燃，极易影响到周围甚至整个电池包中的其它电芯，连锁效应可能造成更严重的损失。因此，需要一种锂电池组的防燃方案，以阻止初始热失控波及到电池组内的邻近电芯的方案。现有的用来降低热失控风险的方法有很多，包括防火防爆的电池储存结构、新电池化学方法、热管理电池模块等。
201610749852.X号中国专利申请公开了一种锂电池防火隔热储存箱，包括承载底座、承载龙骨、承载托盘及阻燃板。该发明一方面良好的承载能力和定位能力，另一方面可及时有效的对锂电池因故障而发生自燃情况时，有效防止因火势蔓延而导致故障周边锂电池受损及燃烧现象发生，提高锂电池存放的安全性和可靠性。
201910137246.6号中国专利申请公开了一个防过充锂电池电解液及其制备方法，所述电解液由电解质锂盐、非水有机溶剂、防过充添加剂、功能添加剂、阻燃剂组成。所述电解液稳定性高，在过充情况下，能自动阻断电解液和电极材料的氧化分解反应，防过充性能优良，高电压循环性能好，耐高低温变化。
201480001895.9号中国专利申请公开了一种二次电池和包括其的二次电池模块，包括电池组件、温度传感器和传感器引线，以及电池壳体。该二次电池具有用于允许在二次电池的充电/放电期间产生的气体被容易地排放到电池组件的周围区域，并且快速地和正确地测量二次电池的温度变化的结构。
现有技术皆为降低热失控风险或降低热失控传播风险的预防方案，重点在控温和阻燃，然而仍具有不能将锂单质与空气和水完全隔开的风险。当单个电芯过充，沉积在负极外侧的锂离子以锂单质析出，产生的锂枝晶会穿过隔膜，使正负极短路发生热失控，高温下电解液分解产生大量气体，导致电芯外壳破裂，电解液外流，暴露出锂单质。若电池组系统无法排除空气和水，将会发生剧烈的化学反应，带来更高的温度，从而影响电池包内周围的电芯，带来连锁效应。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种防燃电池组，以达到解决电池组热失控风险的技术问题。本发明的目的通过以下方案实现：
一种防燃电池组，包括电池组外壳和设置于所述电池组外壳内的若干电芯，还包括：设置于所述电池组外壳内的导热绝缘液，所述电芯完全浸没在所述导热绝缘液；所述导热绝缘液的相变温度不高于所述电芯热失控对应的温度临界值；第一导热管，所述第一导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且与各个所述电芯接触；第二导热管，所述第二导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且浸入所述导热绝缘液内，用于将所述导热绝缘液通过相变作用吸收的热量传递到所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面。
可选地，电池组装置还包括：填充在所述第一导热管和所述电芯之间的导热绝缘热界面材料，和/或，填充在所述电芯之间的导热绝缘热界面材料。
可选地，所述导热绝缘热界面材料为弹性体材料；所述弹性体材料的强度大于预设强度阈值，用于固定所述电芯；以及，所述弹性体材料的熔点大于预设熔点阈值，用于在所述电芯燃烧时起到隔断作用。
可选地，所述导热绝缘热界面材料包括：
硅弹性体或者热塑性弹性体。
可选地，所述第一导热管为液冷散热管，所述液冷散热管内填充导热液体介质，所述液冷散热管与泵连通。
可选地，所述第二导热管为热管，所述热管的设计参数根据所述导热绝缘液的汽化潜热和相变温度确定。
可选地，所述热管的冷端设置在所述电池组外壳表面，和/或所述热管的冷端设置在所述电池组外壳外部的冷却部件上。
可选地，所述导热绝缘液为不与所述电芯的制作材料和所述电芯的生成物进行化学反应的惰性材料，以及，所述导热绝缘液为过冷液体。
可选地，所述导热绝缘液为有机氟化合物。
可选地，所述导热绝缘液充满所述电池组外壳的内部。
可选地，所述有机氟化合物包括全氟酮或者全氟醚。
可选地，所述电池组装置还包括控制器、传感器和加热器；所述加热器的加热部与所述第一导热管接触；所述传感器检测到所述第一导热管或所述电芯的温度低于预设第一门限时，所述控制器启动所述加热器，将所述第一导热管或所述电芯的温度控制在预设第一范围。
可选地，所述电池组装置还包括控制器、传感器和冷却器；所述冷却器的冷却端与所述第一导热管接触；所述传感器检测到所述第一导热管或所述电芯的温度高于预设第二门限时，所述控制器启动所述冷却器，将所述第一导热管或所述电芯的温度降低至预设第二范围。
可选地，所述电池组装置还包括控制器、传感器、加热器和冷却器；所述加热器的加热部与所述第一导热管接触；所述传感器检测到所述第一导热管或所述电芯的温度低于预设第一门限时，所述控制器启动所述加热器，将所述第一导热管或所述电芯的温度控制在预设第一范围；所述冷却器的冷却端与所述第一导热管接触；所述传感器检测到所述第一导热管或所述电芯的温度高于预设第二门限时，所述控制器启动所述冷却器，将所述第一导热管或所述电芯的温度降低至预设第二范围。
可选地，所述电池组外壳包裹隔热材料。
根据本发明的实施例，防燃电池组包括电池组外壳和设置于所述电池组外壳内的若干电芯，还包括：设置于所述电池组外壳内的导热绝缘液，所述电芯完全浸没在所述导热绝缘液内；所述导热绝缘液的相变温度不高于所述电芯热失控对应的温度临界值；第一导热管，所述第一导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且与各个所述电芯接触；第二导热管，所述第二导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且浸入所述导热绝缘液内，用于将所述导热绝缘液通过相变作用吸收的热量传递到所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面。本发明实施例实现了如下技术效果：1、电池组正常工作状态下，主要通过第一导热管散热；2、导热绝缘液通过相变作用在少量电芯热失控时迅速带走大量热量，以及，在电芯生成金属单质时隔绝氧气和水，阻止金属单质的燃烧，防止少量电芯内部的热失控引发连锁反应并蔓延到整个电池组；3、第二导热管能够及时散发导热绝缘液相变吸收的热量。本发明提供的技术方案能够减少少量电芯热失控带来的负面影响，能够降低电池组有金属单质析出时引发起火的风险，以及，具备更强大的散热管理能力，从而大幅提升了电池组的安全性。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1为本发明提供的一种防燃电池组的内部结构图；
图2为本发明提供的防燃电池组的外部热管结构图；
图3为本发明提供的又一种防燃电池组的内部结构图；
其中：
100、电池组外壳；200、电芯；300、导热绝缘液；400、第一导热管；401、泵；500、导热绝缘热界面材料；600、第二导热管(热管)；601、热管冷端；701、加热器；702、冷却器；800、隔热材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
参见附图1和图2，本发明提供的防燃电池组包括电池组外壳100、设置于电池组外壳内的若干电芯200、设置于电池组外壳内的相变的导热绝缘液300、第一导热管400和第二导热管600。其中，电芯200完全浸没在导热绝缘液300内，导热绝缘液300的相变温度不高于电芯热失控对应的温度临界值；第一导热管400的一部分设置于电池组外壳100外部和/或表面，另一部分设置于电池组外壳100内部且与各个电芯200接触；第二导热管600的一部分设置于电池组外壳100外部和/或表面，另一部分设置于电池组外壳100内部且浸入导热绝缘液300内，用于将导热绝缘液300通过相变作用吸收的热量传递到电池组外壳100外部和/或表面。
在本发明实施例中，电芯200浸没在导热绝缘液300内，用以将电芯可能析出的金属单质与空气和水完全隔开，例如，锂电池可能析出锂单质，锂单质接触空气和水后极易燃烧，而导热绝缘液可以起到隔绝锂单质与空气和水的作用。同时，导热绝缘液300的相变温度不高于电芯热失控对应的温度临界值，使得少量电芯在处于热失控状态下发出的热量能够迅速地被导热绝缘液吸收，避免了温度的进一步升高而增加了电池组燃烧的风险。电芯热失控对应的温度临界值是人为定义的值，具体为该电池组装置在有电芯热失控时，发生热失控的电芯附近一定区域内的液体的温度值中的最低值；电芯热失控对应的温度临界值可以通过多次实验获取。
优选地，导热绝缘液300为过冷液体，避免过度沸腾，以减少产生热点的大量气泡，其中，热点是指温度梯度很大的局部区域。
优选地，导热绝缘液300的具有较高的导热系数，以及，具有良好的相变传热性能，从而满足电芯热失控情形下的散热需求。
优选地，导热绝缘液300为不与电芯的制作材料和电芯的生成物进行化学反应的惰性材料。电芯的制作材料可以是电芯的外壳、正极、负极、多空隔膜、电解液等，电芯的生成物指的是电芯经过化学反应生成的各类物质，其中包括由于电池材料杂质或者过充导致析出的锂单质。
优选地，本发明实施例采用有机氟化合物作为导热绝缘液，有机氟化合物(例如全氟酮、全氟醚等)的性质包括：1、化学惰性，不与单质锂发生化学反应，不与电芯内部各材料发生化学反应，不与电池组模块内部各组件材料发生化学反应；2、相变潜热大，沸点低，可通过相变带走电芯上的热量；3、电绝缘性能良好；4、具有阻燃的特性；5、在低温环境仍能正常工作，即保持前面4条性质。因此，能够满足上述的对导热绝缘液的各项性能需求。
由于导热绝缘液体在低温下仍能正常工作和大比热容的物理特性，在相同质量和温升时，能吸收或放出更多的热量；尤其在极寒环境下电动汽车启动前，使电池不会因过冷而无法启动或损耗启动的电力能源，从而提升电动汽车里程数。
优选地，导热绝缘液300充满所述电池组外壳的内部，进而将电芯200与空气完全隔绝。
本发明实施例中，第一导热管400用于电芯200的接触式散热，可采用任意的导热管器件，例如，如图1所示，可在第一导热管内填充导热液体且与泵401连通，通过泵的驱动使得第一导热管内的液体循环，形成液冷循环系统，从而将电芯200的热量散至电池组外部。又例如，可将第一导热管设计为热管，热管内填充相变散热介质，热管的冷端位于电池组外壳外部，从而通过热管将电芯的热量散至电池组外部。
优选地，第一导热管为铝制冷却管路，管路连通泵以形成循环，组成液体冷却系统。管道中的冷却液通常为水、水和乙二醇、矿物质油和R134a等。
由于电池组内电芯通常是按照多行多列进行排布的，因此，第一导热管的与电芯接触的部分也被设计为多行或者多列的排布的形态，第一导热管的具体形态可以参见图1中标记为400的结构。
第二导热管同样可采用任意的导热管器件，优选地，第二导热管600为热管，热管的热端为浸没在导热绝缘液300中的部分，热管的冷端设置于电池组外壳100表面或者电池组外壳100的外部，热管的冷端设置于电池组外壳100表面时，可通过电池组外壳100表面被动散热，热管的冷端设置于电池组外壳100的外部时，可具体设置在冷却部件附近，例如，设置在风扇附近。将第二导热管设置为热管，可以迅速地将导热绝缘液300吸收的少量热失控状态下的电芯的热量传导出去，大幅降低了热失控风险。
参见图2，热管铺设在电池组外壳的表面，同时在电池组外壳的外部设置冷端，从而将少量电芯由于热失控产生的热量散至电池组外部。
进一步地，热管的导热效率设计根据导热绝缘液的汽化潜热和相变温度确定。即需要通过实验或者计算，确定预设个数的电芯热失控状态下，热管的散热效率能够大于电芯的热量产生效率，具体可以通过调整热管的管径、管道数、材质和内部介质来调整热管的散热能力，使得热管的工作温度和导热效率均与系统匹配。
参见附图1，本发明实施例提供的防燃电池组还包括导热绝缘热界面材料500，导热绝缘热界面材料500填充在第一导热管400和电芯200之间，和/或填充在相邻的电芯200之间，导热绝缘界面材料500使得第一导热管400和电芯200之间，以及相邻的电芯200之间可以通过导热绝缘界面材料500传导热量，提高散热效果。导热绝缘热界面材料500的强度大于预设强度阈值，用于固定电芯；以及，导热绝缘热界面材料500的熔点大于预设熔点阈值，用于在电芯燃烧时起到隔断作用。
导热绝缘热界面材料500的典型材料为硅弹性体或热塑性弹性体，填充在电池组内的作用为：1、固定电芯，排出空气间隙，除去接触热阻，便于电芯产生的热量传导至冷却管路和周围的导热绝缘液；2、减小在车辆行驶过程中电芯与其它组件之间的集中应力和摩擦生热。
综上所述，本发明提供的技术方案能够减小单个电芯热失控的影响，即阻止热失控影响到电池组中其它的电芯。通过将电芯完全浸没在导热绝缘液起到了阻燃的效果，以及，采用了两套散热系统并用的方式；一方面完全将锂单质与空气和水完全隔开，另一方面保证了电池组的热管理需求。
参见图3，本发明又一实施例提供了一种防燃电池组，在图1所示防燃电池组的基础上还包括控制器、传感器、加热器701和冷却器702，加热器701的加热部与第一导热管400接触；传感器检测到第一导热管400或电芯200的温度低于预设第一门限时，控制器启动加热器701，将第一导热管400或电芯200的温度控制在预设第一范围；冷却器702的冷却端与第一导热管400接触；传感器检测到第一导热管400或电芯200的温度高于预设第二门限时，控制器启动冷却器702，将第一导热管400或电芯200的温度降低至预设第二范围。
其中，加热器701可以实现为电加热装置。而冷却器702可以实现为由压缩机和冷却管组成，冷却管包括冷却端与散热端，冷却端与第一导热管接触，散热端可设置于汽车的利于散热的位置。冷却器702还可以实现为压缩机，直接对第一导热管内的制冷剂进行压缩，从而将电池组外壳内部的热量带到电池组外壳的外部。冷却器702还可以实现为风扇，通过气流带走第一导热管内的热量。
优选地，为了提高加热器、冷却器的温度控制效果，在电池组外壳还可以设置一层隔热材料800，以降低外界的不利的环境温度对电池组的影响，特别是在气温极低或者极高时，能够保障加热器或者冷却器的温度控制效果。隔热材料800可以是云母、石棉等材料。当电池组外壳包裹隔热材料时，相应地，第二导热管600的冷端601应当设置于电池组外壳的外部。
本发明实施例采用的技术方案，具备如下三个优点：1、系统具有高传热性能，且有助于防止电池与电池间的热失控；2、在冷却水路上添加冷却器和加热器，能为电池提供恒温浴，并实现在极寒与极热的环境下电池可工作；3、有助于电池在低温环境下充放电性能与常温情况下保持一致；4、恒温浴能有效延长电池组的使用寿命，且减少温差过大对电池组循环寿命一致性影响。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种防燃电池组，包括电池组外壳和设置于所述电池组外壳内的若干电芯，其特征在于，还包括：
设置于所述电池组外壳内的导热绝缘液，所述电芯完全浸没在所述导热绝缘液内；所述导热绝缘液的相变温度不高于所述电芯热失控对应的温度临界值；
第一导热管，所述第一导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且与各个所述电芯接触；
第二导热管，所述第二导热管的一部分设置于所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面，另一部分设置于所述电池组外壳内部且浸入所述导热绝缘液内，用于将所述导热绝缘液通过相变作用吸收的热量传递到所述电池组外壳外部和/或所述电池组外壳表面。
2.如权利要求1所述的电池组装置，其特征在于，还包括：
填充在所述第一导热管和所述电芯之间的导热绝缘热界面材料，和/或，填充在所述电芯之间的导热绝缘热界面材料。
3.如权利要求2所述的电池组装置，其特征在于，所述导热绝缘热界面材料为弹性体材料；所述弹性体材料的强度大于预设强度阈值，用于固定所述电芯；以及，所述弹性体材料的熔点大于预设熔点阈值，用于在所述电芯燃烧时起到隔断作用。
4.如权利要求3所述的电池组装置，其特征在于，所述导热绝缘热界面材料包括：
硅弹性体或者热塑性弹性体。
5.如权利要求1所述的电池组装置，其特征在于，所述第一导热管为液冷散热管，所述液冷散热管内填充导热液体介质，所述液冷散热管与泵连通。
6.如权利要求1所述的电池组装置，其特征在于，所述第二导热管为热管。
7.如权利要求6所述的电池组装置，其特征在于，所述热管的冷端设置在所述电池组外壳表面，和/或所述热管的冷端设置在所述电池组外壳外部的冷却部件上。
8.如权利要求1所述的电池组装置，其特征在于，所述导热绝缘液为不与所述电芯的制作材料和所述电芯的生成物进行化学反应的惰性材料，以及，所述导热绝缘液为过冷液体。
9.如权利要求8所述的电池组装置，其特征在于，所述导热绝缘液为有机氟化合物。
10.如权利要求9所述的电池组装置，其特征在于，所述有机氟化合物包括全氟酮或者全氟醚。
11.如权利要求1所述的电池组装置，其特征在于，所述导热绝缘液充满所述电池组外壳的内部。
12.如权利要求1所述的电池组装置，其特征在于，还包括控制器，与所述控制器连接的传感器，以及与所述控制器连接的加热器和/或冷却器；所述加热器的加热部与所述第一导热管接触；所述传感器检测到所述第一导热管或所述电芯的温度低于预设第一门限时，所述控制器启动所述加热器，将所述第一导热管或所述电芯的温度控制在预设第一范围；所述冷却器的冷却端与所述第一导热管接触；所述传感器检测到所述第一导热管或所述电芯的温度高于预设第二门限时，所述控制器启动所述冷却器，将所述第一导热管或所述电芯的温度降低至预设第二范围。
13.如权利要求12所述的电池组装置，其特征在于，所述电池组外壳包裹隔热材料。
CN202110410674.9A 2020-12-15 2021-04-14 一种防燃电池组 Pending CN112993440A (zh)

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