CN113823865A

CN113823865A - 方形电池外壳和采用该外壳的电池、电池包及汽车

Info

Publication number: CN113823865A
Application number: CN202111218813.4A
Authority: CN
Inventors: 陈巍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2021-12-21

Abstract

本发明涉及方形电池外壳和采用该外壳的方形电池、电池包及汽车。方形电池外壳的至少一个壳面上设置有扁平状密封腔，密封腔的至少一个腔壁与连接该腔壁的外壳之间无界面热阻存在，密封腔内设置有吸液芯，密封腔内为真空并灌注有相变传热工质。密封腔使得所在壳面上任一局部的热都可以向周围快速均匀分散开，只需要密封腔表面、密封腔所在壳面的任一区域或临近区域和外部环境接触，就可以和外部环境进行快速散热、快速吸热的热交换，解决了使用现有电池外壳制作出的电池所组成的电池包，为实现对电池的快速热管理，电池外壳上需要设置冷媒管路并通过接头与外部冷媒系统连接所带来的电池包的能量密度显著下降、装配成本增加、可靠性降低的技术问题。

Description

方形电池外壳和采用该外壳的电池、电池包及汽车

技术领域

本发明涉及动力、储能用电池制造及电池热管理技术领域，尤其是涉及方形电池外壳和采用该外壳的方形电池、电池包及汽车。

背景技术

动力电池、储能电池是锂离子电池极其重要的新兴应用领域，这两个重要应用领域的发展方向是高能量密度、快速充电、快速放电。高能量密度意味着相同的体积或重量可以存储更多的电能，对于电动运输工具而言，意味着更高的续航里程；快速充电意味着可以用更短的时间给动力电池充电；快速放电意味着电动运输工具，尤其是电动重型卡车和电动船舶拥有更佳的加速性能，储能电站具有更佳的调峰调频能力。

由于锂离子电池内阻的存在，电流会使电池内部发热，导致电池温度升高，快速充放电需要更大的电流，会加剧热量的产生和电池温度的升高。电池长期在高温状态工作，不仅会大大缩短电池的寿命，而且当温度升高到一定程度，会引起热失控，引发锂电池的爆炸，酿成安全事故。另外在寒冷的天气，又需要给锂电池加热，以确保锂电池能够正常或在最佳工况下工作。因此，采用合适的技术手段对电池实现快速的散热、快速加热的热管理是很有必要的。

专利CN201920140080.9公开了一种方形电池外壳，其由一块具有热超导管路和冷媒通道的铝板折弯、焊接而成，热超导管路中具有相变传热工质，冷媒通道通过接头与外部冷媒系统相连通。采用该电池外壳的电池所组成的电池包，可以实现对电池的快速散热和快速加热的热管理，但存在两个问题：(1)由于电池包中的所有电池均需要通过接头将电池外壳上的冷媒管道与外部的冷媒系统相连，这些连接件占用了电池包的空间，导致电池包的能量密度显著下降，这意味着在同等情况下，显著降低了电动汽车的续航里程；(2)将电池包中所有电池外壳上的冷媒管道与外部冷媒系统的连接，增加了电池包装配环节的工作量和成本，且每个电池包中的多个冷媒接头也降低了电池包的可靠性。

发明内容

本发明提供一种方形电池外壳，以解决使用现有电池外壳制作出的电池所组成的电池包，为实现对电池的快速热管理，电池外壳上需要设置冷媒管路并通过接头与外部冷媒系统连接所带来的电池包的能量密度显著下降、装配成本增加、可靠性降低的技术问题。

为了解决以上技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种方形电池外壳，所述方形电池外壳的至少一个壳面上设置有扁平状密封腔，所述密封腔内为真空并灌注有相变传热工质，其特征是，所述密封腔的至少一个腔壁与连接该腔壁的外壳之间无界面热阻存在，所述密封腔内设置有吸液芯。

在包含所述方形电池外壳的方形电池处于使用工况下，所述电池外壳中与水平垂直壳面上的密封腔，在垂直方向的最大尺寸不大于所述密封腔内吸液芯最大吸液高度指标的200％。

所述密封腔内相变传热工质的最小注液量不小于所述密封腔内吸液芯最大饱和吸液量的50％。

所述密封腔距离所在壳面边缘的距离不小于3mm，不大于30mm。

在包含所述方形电池外壳的方形电池处于使用工况下，所述电池外壳中与水平垂直壳面上的密封腔，在垂直方向的最大尺寸不大于所述密封腔内吸液芯最大吸液高度指标的100％。

所述密封腔内相变传热工质的最小注液量不小于密封腔内吸液芯最大饱和吸液量的100％。

所述密封腔距离所在壳面边缘的距离不小于3mm，不大于15mm。

本发明同时提供一种方形电池，包括方形电池外壳，其特征是，所述方形电池外壳为如上任一所述的方形电池外壳。

本发明同时提供一种电池包，包括多个方形电池，其特征是，所述方形电池为如上所述的方形电池。

本发明同时还提供一种汽车，所述汽车上设置有电池包，其特征是，所述电池包为如上所述的电池包。

在采用了上述技术方案后，由于在密封腔内设置了吸液芯，吸液芯使得液相传热工质可以在毛细力的作用下向各方向流动，尤其是能够克服重力作用向上流动，使得密封腔所在壳面上任一局部的热都可以快速均匀分散开，即具备全向快速传热能力，只需要密封腔、密封腔所在壳面的任一区域或临近区域和外部环境接触，就可以和外部环境进行快速散热、快速吸热的热交换，即支持对电池进行快速散热、快速加热，克服了使用现有方形电池外壳制作出的电池所组成的电池包，为实现对电池进行快速散热和快速加热的热管理，电池外壳上需要设置冷媒管路并通过接头与外部冷媒系统连接所带来的电池包的能量密度显著下降、装配成本增加、可靠性降低的技术问题。使用所述方形电池外壳的方形电池在使用工况下，电池外壳中与水平垂直壳面上的密封腔，在垂直方向的最大尺寸不大于密封腔内吸液芯最大吸液高度指标的200％时，密封腔的各个区域具有较佳的全向传热性能，而且不大于100％时，密封腔的各个区域全向传热性能最佳。密封腔内相变传热工质的最小注液量不小于密封腔内吸液芯最大饱和吸液量的50％时，密封腔的各个区域具有较佳的全向传热性能，而且不小于100％时，密封腔的各个区域全向传热性能最佳。密封腔距离所在壳面边缘的距离不小于3mm，不大于30mm时，方形电池外壳与环境热交换性能较佳，而且在不大于15mm时最佳。

附图说明

图1是本发明实施例方形电池外壳的结构示意图。

图2是本发明中以电池外壳和盖板的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图。

图3是本发明中以盖板的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图。

图4是本发明中以电池外壳的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图。

图5是本发明中以泡沫铜、电池外壳和盖板的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图。

图6是本发明中以泡沫铜、盖板的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图。

图7是本发明电池包的结构示意图。

图中，1为电池外壳的壳面，2为盖板，3为密封腔，4为吸液芯，5为支撑柱，6为金属箱，7为方形电池，8为均热板，9为液冷板，10为相变传热工质。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，一种方形电池外壳，方形电池外壳的至少一个壳面1上设置有扁平状密封腔3，密封腔3的一个面为电池外壳的壳面1，另一个面为盖板2，密封腔3内为真空并灌注有相变传热工质10，密封腔3内设置有吸液芯4，密封腔3内的壳面1和盖板2之间设置有支撑柱5，密封腔3的至少一个腔壁与连接该腔壁的外壳之间无界面热阻存在。使用所述方形电池外壳的方形电池处于使用工况下，电池外壳中与水平垂直壳面上的密封腔3，在垂直方向的最大尺寸不大于密封腔3内吸液芯4最大吸液高度指标的200％时，密封腔3的各个区域具有较佳的全向传热性能，而且不大于100％时，密封腔3的各个区域全向传热性能最佳。密封腔3内相变传热工质10的最小注液量不小于密封腔3内吸液芯4最大饱和吸液量的50％时，密封腔3的各个区域具有较佳的全向传热性能，而且不小于100％时，密封腔3的各个区域全向传热性能最佳。密封腔3距离所在壳面边缘的距离不小于3mm，不大于30mm时，方形电池外壳与环境热交换性能较佳，而且在不大于15mm时最佳。密封腔有两种实现方式，一种是如本发明实施例所述的将电池外壳的表面作为密封腔的一个表面，盖板作为密封腔的另一个表面，该方式的好处是密封腔和外壳表面不存在界面热阻，热交换效果好，而且成本低；另外一种实现方案是先做好一块均热板，用焊接或导热胶将均热板固定在壳体表面，该方案缺点是密封腔和电池外壳表面存在界面热阻，热交换效果差，且成本高。吸液芯可以是密封腔内表面的沟槽、蚀刻面、附着在密封腔内表面的金属粉末、平面状毛细丝网、泡沫金属薄板中的一种或多种。为进一步提高吸液芯的性能，也可以通过激光、磁控溅射、真空蒸镀、热氧化等方式对吸液芯的表面进行改性处理。相变传热工质10是水、乙醇、丙酮、电子氟化液、Al₂O₃纳米流体、CuO纳米流体中的一种或多种混合。方形电池壳体材质为铝合金、不锈钢、铜、铜合金中的一种或多种混合。图2是本发明中以电池外壳1和盖板2的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图，其中左边为侧剖面图，右边为正剖面图，蚀刻所形成的空间为传热通道。图3是本发明中以盖板2的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图，其中左边为侧剖面图，右边为正剖面图，蚀刻所形成的空间为传热通道。图4是本发明中以电池外壳1的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图，其中左边为侧剖面图，右边为正剖面图，蚀刻所形成的空间为传热通道。图5是本发明中以泡沫铜4、电池外壳1和盖板2的蚀刻面为吸液芯的外壳结构示意图，其中左边为侧剖面图，右边为正剖面图，蚀刻所形成的空间为传热通道。图6是本发明中以泡沫铜4、盖板2的蚀刻面为吸液芯外壳结构示意图，其中左边为侧剖面图，右边为正剖面图，蚀刻所形成的空间为传热通道。图7是本发明电池包的结构示意图。电池包的金属箱6、方形电池7、金属箱6中与方形电池7进行热交换的均热板8和与电池箱进行热交换的液冷板9，方形电池7的两个侧面有密封腔。当方形电池7的温度高于液冷板9时，方形电池7外壳表面的热可快速传递到均热板8，均热板8将热量快速均匀分散开，并和电池包的金属箱6进行热交换，金属箱6和液冷板9进行热交换。当方形电池7温度低于液冷板9时，传热路径是液冷板9→金属箱6→均热板8→方形电池7。与在电池外壳上集成热超导管路和冷媒管道、冷媒管道与外部冷媒系统通过接头连通的技术方案相比，采用本发明实施例的电池包(图7)，电池外壳具有全向快速传热能力，能够实现对电池包中方形电池进行快速散热、快速加热的热管理，但电池外壳上并没有冷媒管路，也没有与外部冷媒系统连接的接头，且密封腔的厚度不超过1mm，对电池包能量密度影响甚微，未增加装配成本和降低电池包可靠性。本发明还提供包括上述电池包的汽车。

下面以泡沫铜薄板、电池外壳和盖板的蚀刻面为吸液芯为例说明方形电池外壳的制造方法，包含以下步骤：

S1、材料准备：用于方形电池外壳的铝合金壳体、用于密封腔3外盖的凹状铝合金盖板，盖板上有插入注液管的槽口、作为吸液芯用途的泡沫铜薄板4。

S2、蚀刻：在铝合金壳体的外表面、凹状铝合金盖板的凹底，进行刻蚀，蚀刻深度为0.1～0.5mm。

S3、焊接密封：把泡沫铜薄板放入铝合金盖板中，并将盖板贴合在铝合金壳体的壳面上，用夹具固定，沿盖板的周边进行焊接，形成只留有一个槽口的密封腔。

S4、充液：将注液管插入盖板的槽口并密封，通过注液管抽真空和灌注相变传热工质10。

S5、二次排气：对密封腔3进行二次排、将注液口焊接密封。

本方形电池外壳制造方法的实施例，至少具有如下有益效果：提高了密封腔所在壳面的全向传热能力，密封腔所在壳面上任一局部的热都可以向周围快速均匀分散开，只需要密封腔表面、密封腔所在壳面的任一区域或临近区域和外部环境接触，就可以和外部环境进行快速散热、快速吸热的热交换。

Claims

1.一种方形电池外壳，所述方形电池外壳的至少一个壳面上设置有扁平状密封腔，所述密封腔内为真空并灌注有相变传热工质，其特征是，所述密封腔的至少一个腔壁与连接该腔壁的外壳之间无界面热阻存在，所述密封腔内设置有吸液芯。

2.根据权利要求1所述的方形电池外壳，其特征是，在包含所述方形电池外壳的方形电池处于使用工况下，所述电池外壳中与水平垂直壳面上的密封腔，在垂直方向的最大尺寸不大于所述密封腔内吸液芯最大吸液高度指标的200％。

3.根据权利要求1或2所述的方形电池外壳，其特征是，所述密封腔内相变传热工质的最小注液量不小于所述密封腔内吸液芯最大饱和吸液量的50％。

4.根据权利要求3所述的方形电池外壳，其特征是，所述密封腔距离所在壳面边缘的距离不小于3mm，不大于30mm。

5.根据权利要求2所述的方形电池外壳，其特征是，在包含所述方形电池外壳的方形电池处于使用工况下，所述电池外壳中与水平垂直壳面上的密封腔，在垂直方向的最大尺寸不大于所述密封腔内吸液芯最大吸液高度指标的100％。

6.根据权利要求3所述的方形电池外壳，其特征是，所述密封腔内相变传热工质的最小注液量不小于密封腔内吸液芯最大饱和吸液量的100％。

7.根据权利要求4所述的方形电池外壳，其特征是，所述密封腔距离所在壳面边缘的距离不小于3mm，不大于15mm。

8.一种方形电池，包括方形电池外壳，其特征是，所述方形电池外壳为如权利要求1～7任一项所述的方形电池外壳。

9.一种电池包，包括多个方形电池，其特征是，所述方形电池为如权利要求8所述的方形电池。

10.一种汽车，所述汽车上设置有电池包，其特征是，所述电池包为权利要求9所述的电池包。