CN113991215A - 一种动力电池模块及其动力电池包和热管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动力电池模块及其动力电池包和热管理方法，动力电池模块包括若干电芯单元、若干一端嵌入所述电芯单元之间的热管结构以及连接在所述热管结构未嵌入所述电芯单元的另一端的液体通道，所述电芯单元包括顺次设置的正极集流体、正极材料、隔膜、负极材料和负极集流体，所述热管结构的两侧分别与所述正极集流体或所述负极集流体紧密贴合；本发明将热管结构的两侧与电芯单元的集流体紧密贴合，能够有利于减小传热热阻，大幅提高散热/预热速度，能够提高动力电池的热管理效果，提高换热效率。

Description

一种动力电池模块及其动力电池包和热管理方法
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，特别是涉及一种动力电池模块及其动力电池包和热管理方法。
背景技术
温度过高或过低都会严重影响锂离子动力电池寿命，甚至可能导致热失控，引发电池热安全问题。因此，电池热管理对电池系统的热安全和性能起到重要的保障作用。
电动汽车电池系统的发展趋势是提高能量密度、减少充电时间、低温环境快速启动。其中，提高能量密度必须从单体电池能量密度和系统集成两个角度双管齐下。无模组化技术将电芯直接集成为电池包，取消电池单体至电池模组级别的集成，从系统集成角度提高能量密度，预示当前电池系统高度集成化的发展趋势。传统的热管理结构是在电池外壳上设计，热量在电芯产生，依次经过电芯与外壳的接触面、外壳、外壳与散热元件的接触面，这个热传递过程较复杂，且电池老化之后，电池会膨胀，电芯与外壳的接触面、外壳与散热元件的接触面也难以保证良好接触。因此，若热管理仍被设计为电池包的外部附属系统，则难以满足高集成化电池系统未来的热管理需求，如：由于中间热阻较大，导致较大的电池包内外温差，引起电池性能衰退；也难以应对超级快充下的冷却以及低温工况电池快速预热。例如申请公布号为CN 105703038 A的中国专利公开了一种具有平板热管的电池模块及散热方法，该方案将多个电池单体以层叠状设置在壳体中，还包括极耳固定装置、打包带、底部固定装置以及多个平板热管；每2个电池单体之间设置1个平板热管；打包带箍于极耳固定装置缺口及底部固定装置缺口内，将电池单体的封边固定于极耳固定装置通槽及底部固定装置通槽内，也就是说，该方案利用平板热管对电池单体进行冷却散热，其只能对电池单体散发到外部的热量进行散热，散热效率较低。
再如申请公布号为CN 105703036A的中国专利公开了一种电池Pack热管式散热系统，包括电池壳体、电池模组以及热管散热系统；其中，电池模组置在电池壳体的内侧；热管散热系统包括导热板、热管以及翅片管；其中，导热板设置在电池模组上；热管的一端设置在导热板中，另一端穿出电池壳体；翅片管设置在热管的另一端上且设置在电池壳体外侧，由此可见，该方案仍旧是以电池模组为单位进行散热，而电池模组内部的热量却无法实现有效散热，最终散热效率较低。另外，申请公布号为CN 113036265 A的中国专利公开了一种带热管的电池模组，封堵电芯单元的四周，防止单个电芯单元着火破坏其他电芯单元以及外界铜排安装面周边的支撑结构等，达到良好的防止热失控的效果，但其抑制热失控的原理与本发明不同，也没有针对正常工况的散热进行有效说明；而且该专利并没有明确地定义其所指的电芯单元，实际上，该专利的电芯单元为电池单体，与本发明电芯单元的定义有本质不同，也就是说，该专利仍是针对电池单体散发到外部的热量进行散热。
发明内容
本发明的目的是提供一种动力电池模块及其动力电池包和热管理方法，以解决上述现有技术存在的问题，将热管结构的两侧与电芯单元的集流体紧密贴合，能够有利于减小传热热阻，大幅提高散热/预热速度，能够提高动力电池的热管理效果，提高换热效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种动力电池模块，包括若干电芯单元、若干一端嵌入所述电芯单元之间的热管结构以及连接在所述热管结构未嵌入所述电芯单元的另一端的液体通道，所述电芯单元包括顺次设置的正极集流体、正极材料、隔膜、负极材料和负极集流体，所述热管结构的两侧分别与所述正极集流体或所述负极集流体紧密贴合。
优选地，所述热管结构的外壳以及与其紧密贴合的集流体采用相同的材料。
优选地，相邻两所述热管结构之间的所述电芯单元数量为20以上。
优选地，所述热管结构为平板热管。
优选地，所述平板热管包括外壳、贴合所述外壳内壁设置的吸液芯以及设置在两侧的所述吸液芯之间的支撑柱，所述支撑柱之间形成蒸汽腔，所述平板热管保持封闭状态，内部充有工质。
优选地，所述支撑柱选用阻燃材料制作，每个所述支撑柱分为若干段。
优选地，所述吸液芯包括大孔径泡沫铜骨架以及设置在所述大孔径泡沫铜骨架上的纳米涂层。
本发明提供一种动力电池包，包括壳体以及封装在所述壳体内的如前文所述的动力电池模块。
本发明还提供一种动力电池模块的热管理方法，包括以下内容：
在电芯单元之间设置热管结构，并将所述热管结构的两侧分别与所述电芯单元的集流体紧密贴合，所述热管结构连接有液体通道；
监测动力电池模块内的温度，当温度高于或低于设定值时，冷却或加热流通液体通道的换热流体，实现所述电芯单元与换热流体之间的热交换。
优选地，在所述热管结构内部设置阻燃材料制作的支撑柱，在所述支撑柱之间形成蒸汽腔，当动力电池模块发生极端热安全事故时，热管结构的外壳破裂，破坏热管结构的封闭状态，热管结构失效，利用所述蒸汽腔形成阻隔空间，减少所述电芯单元之间的热传导，利用所述支撑柱与所述蒸汽腔共同作用，抑制热失控蔓延。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明将热管结构的两侧与电芯单元的集流体紧密贴合，能够有利于减小传热热阻，大幅提高散热/预热速度，提高动力电池的热管理效果，提高换热效率，并且热管结构的外壳与集流体采用相同的材料，能够在保证传热效果的基础上避免动力电池的运行产生不利影响；
(2)本发明将热管理引入至电池包内部，与电池系统一体化集成，能有效兼顾系统能量密度及热管理性能，满足高集成化电池系统在超级快充、低温环境等应用场景中的热管理需求，也避免了电池老化引起的电芯单元与外壳的接触面、外壳与散热元件的接触面接触不良的问题；
(3)当电芯发生极端热安全事故(如碰撞、刺穿、短路等引发的热安全事故)时，电芯热失控已不可避免，高温将使得平板热管内部工质完全蒸发，导致壳体破裂，平板热管失效，内部蒸汽腔形成阻隔空间，大幅减少电芯之间的热传导，同时，阻燃材料制作的支撑柱具有良好的阻燃特性，与蒸汽腔共同作用，抑制热失控蔓延；
(4)本发明将液体通道与外部制冷及加热设备连接，外部制冷及加热设备为液体通道提供冷却用液体和加热用换热流体，当电池温度高于设定值时，提供冷却用换热流体；当电池处于较低环境温度时，提供加热用换热流体，使得电池温度保持在合理范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明动力电池包结构示意图；
图2为本发明动力电池模块结构示意图；
图3为本发明电芯单元与平板热管结合示意图；
图4为本发明平板热管内部结构示意图；
其中，1、壳体；2、液体通道；3、电芯单元；31、正极集流体；32、正极材料；33、隔膜；34、负极材料；35、负极集流体；4、平板热管；41、外壳；42、吸液芯；43、支撑柱；44、蒸汽腔。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种动力电池模块及其动力电池包和热管理方法，以解决现有技术存在的问题，将热管结构的两侧与电芯单元的集流体紧密贴合，能够有利于减小传热热阻，大幅提高散热/预热速度，能够提高动力电池的热管理效果，提高换热效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示，本发明提供一种动力电池模块，包括若干电芯单元3、若干一端嵌入电芯单元3之间的热管结构以及连接在热管结构未嵌入电芯单元3的另一端的液体通道2。其中，电芯单元3采用如图3所示的包括顺次设置的正极集流体31、正极材料32、隔膜33、负极材料34和负极集流体35的结构，关键是具有集流体(正极集流体31或负极集流体35)与热管结构贴合；夹在热管结构之间的电芯单元3可以并排设置有若干组，具体设置数量，根据单个电芯单元3的发热功率以及厚度大小设计；热管结构可以选择现有技术的热管结构，可以为管状结构也可以为板状结构，当为管状结构时在电芯单元3之间的夹层内并排设置有多个，当为板状结构时在电芯单元3之间的夹层内并排设置有多个或设置一整块大小能够覆盖电芯单元3的集流体；热管结构能够将电芯单元3的热量传递到液体通道2，也能够将液体通道2的热量传递到电芯单元3，液体通道2用于通入制冷后的液体或制热后的液体，实现电芯单元3所传递到热管结构的热量或冷量的互换，从而能够利用热管结构和液体通道2实现电芯单元3所形成的动力电池模块的热管理。热管结构的两侧分别与电芯单元3的集流体紧密贴合，此处所说的集流体可以是正极集流体31也可以是负极集流体35，在热管结构与集流体紧密贴合的情况下，能够实现二者互相传递热量，热管结构能够直接将电芯单元3所产生的热量传递出或将外界产生的热量传递入，并且紧密贴合的结构有利于减小传热热阻，大幅提高散热/预热速度，从而能够进一步的提高动力电池的热管理效果，提高换热效率，进而能够适用于产热量大和环境温度低的工况。因此，本发明将热管理引入至电池包内部(动力电池模块)的方式，能够与电池系统一体化集成，有效兼顾系统能量密度及热管理性能，满足高集成化电池系统在超级快充、低温环境等应用场景中的热管理需求。
热管结构外壳41的材料可以与集流体的材料相同，也就是说，当热管结构与正极集流体31紧密贴合时，热管结构可以采用正极集流体31相同的材料，例如采用铝，当热管结构与负极集流体35紧密贴合时，热管结构可以采用负极集流体35相同的材料，例如采用铜。热管结构的外壳41与集流体采用相同的材料，能够在保证传热效果的基础上避免动力电池的运行产生不利影响。
相邻两热管结构之间的电芯单元3数量可以设置为20以上，具体的根据单个电芯单元3的发热功率以及厚度大小进行调整。
如图2所示，热管结构可以为平板热管4，平板热管4为板状结构，能够采用单一平板热管4覆盖整面集流体，其覆盖面积大、集成度高，能够很好的适应动力电池的结构并集成在电芯单元3之间。
如图4所示，平板热管4包括外壳41、贴合外壳41内壁设置的吸液芯42以及设置在两侧的吸液芯42之间的支撑柱43，外壳41的材料可以根据所紧密贴合的集流体的材料进行确定，例如为铝或铜。外壳41形成平板热管4内部结构的包裹支撑，外壳41具有良好的导热性，且厚度较薄，其所形成的平板热管4的厚度一般不超过2mm，外壳41与液体通道2可以采用焊接的方式连接在一起形成一个整体，液体通道2的厚度一般不超过10mm，液体通道2的换热流体可以为水、乙二醇/水混合液、制冷剂等。支撑柱43之间形成蒸汽腔44。平板热管保持封闭状态，内部充有工质(水、甲醇等)，在冷却时，工质吸收电芯单元3热量形成的蒸汽主要是往上方(液体通道2的方向)流动，由位于上方的液体通道2冷却。
支撑柱43可以选用阻燃材料制作，如聚亚酰胺，具有良好的热稳定性和阻燃性，阻燃材料制作的支撑柱43具有良好的阻燃特性，与蒸汽腔44共同作用，能够在电芯发生极端热安全事故(如碰撞、刺穿、短路等引发的热安全事故)时抑制热失控蔓延。每个支撑柱43可以分为若干段，也就是说，支撑柱43横向之间也设置有通道，蒸汽腔44内的蒸汽既可以沿支撑柱43的长度方向流动，也可以沿支撑柱43的宽度方向通过，有利于支撑柱43宽度方向的温度均匀传递，实现温度均匀。
吸液芯42可以包括大孔径泡沫铜骨架以及设置在大孔径泡沫铜骨架上的纳米涂层，也就是说，吸液芯42为跨尺度多孔结构，泡沫铜骨架的孔径为微米尺度，孔径较大，能够减小工质回流阻力，表面的纳米结构为纳米尺度，能够产生工质回流的毛细力，通过大孔骨架与纳米结构的组合，实现吸液芯42高毛细力和低流动阻力的解耦，进而提高平板热管4的传热性能。当然，吸液芯42也可采用其他能达到类似效果的结构。
如图1所示，本发明提供一种动力电池包，包括壳体1以及封装在壳体1内的如前文所记载的动力电池模块，壳体1将整个动力电池模块进行封装保护，在壳体1上设置有连接线路的开孔以及液体通道2的开孔。
参考图1～4所示，本发明还提供一种动力电池模块的热管理方法，可以应用前文所记载的动力电池模块和动力电池包，包括以下内容：
在电芯单元3之间设置热管结构(热管结构可以采用平板热管4，也可以采用现有技术中公开的管状结构等形式)，并将热管结构的两侧分别与电芯单元3的集流体紧密贴合，在贴合时可以选择正极集流体31也可以选择负极集流体35，进一步还可以将热管结构的外壳41选择与所贴合的集流体相同的材料，热管结构还连接有液体通道2；
利用温度传感器、探测器或热电偶等电池温度监测模块监测动力电池模块内的温度，当温度高于或低于设定值时，制冷加热系统冷却或加热流通液体通道2的换热流体，实现电芯单元3与换热流体之间的热交换，利用嵌入式结构，可迅速实现电芯单元3与换热流体之间的热交换，较好控制电池包温度，减小热失控的发生，并达到良好的均温效果。
动力电池热管理的具体工作过程为：
冷却时，外部制冷系统降低换热流体温度，换热流体温度流入液体通道2，此时，平板热管4与电芯单元3贴合部分为蒸发段，与液体通道2结合部分为冷凝段，电芯单元3的热量传递至平板热管4蒸发段，蒸发段内部工质蒸发变成蒸汽，流动至冷凝段，将热量传递至液体通道2中的换热流体，冷凝为液体，在吸液芯42的作用下回流至蒸发段。
加热时，外部加热系统提高换热流体温度，换热流体流入液体通道2，此时，平板热管4与电芯单元3贴合部分为冷凝段，与液体通道2结合部分为蒸发段，其余过程与冷却工况时类似。
在热管结构内部可以设置支撑柱43，在支撑柱43之间形成蒸汽腔44，当动力电池模块发生极端热安全事故时，热管结构失效，利用蒸汽腔44形成阻隔空间，减少电芯单元3之间的热传导，利用阻燃材料制作的支撑柱43与蒸汽腔44共同作用，抑制热失控蔓延。
根据上述过程可知，在本发明处于极端情况时：
当电芯单元3发生极端热安全事故(如碰撞、刺穿、短路等引发的热安全事故)时，电芯单元3热失控已不可避免，高温将使得平板热管4内部工质完全蒸发，导致外壳41破裂，平板热管4失效，内部蒸汽腔44形成阻隔空间，大幅减少电芯单元3之间的热传导。同时，阻燃材料制作的支撑柱43具有良好的阻燃特性，与蒸汽腔44共同作用，抑制热失控蔓延。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种动力电池模块，其特征在于：包括若干电芯单元、若干一端嵌入所述电芯单元之间的热管结构以及连接在所述热管结构未嵌入所述电芯单元的另一端的液体通道，所述电芯单元包括顺次设置的正极集流体、正极材料、隔膜、负极材料和负极集流体，所述热管结构的两侧分别与所述正极集流体或所述负极集流体紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的动力电池模块，其特征在于：所述热管结构的外壳以及与其紧密贴合的集流体采用相同的材料。
3.根据权利要求1所述的动力电池模块，其特征在于：相邻两所述热管结构之间的所述电芯单元数量为20以上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的动力电池模块，其特征在于：所述热管结构为平板热管。
5.根据权利要求4所述的动力电池模块，其特征在于：所述平板热管包括外壳、贴合所述外壳内壁设置的吸液芯以及设置在两侧的所述吸液芯之间的支撑柱，所述支撑柱之间形成蒸汽腔，所述平板热管保持封闭状态，内部充有工质。
6.根据权利要求5所述的动力电池模块，其特征在于：所述支撑柱选用阻燃材料制作，每个所述支撑柱分为若干段。
7.根据权利要求5所述的动力电池模块，其特征在于：所述吸液芯包括大孔径泡沫铜骨架以及设置在所述大孔径泡沫铜骨架上的纳米涂层。
8.一种动力电池包，其特征在于：包括壳体以及封装在所述壳体内的如权利要求1-7任一项所述的动力电池模块。
9.一种动力电池模块的热管理方法，其特征在于，包括以下内容：
在电芯单元之间设置热管结构，并将所述热管结构的两侧分别与所述电芯单元的集流体紧密贴合，所述热管结构连接有液体通道；
监测动力电池模块内的温度，当温度高于或低于设定值时，冷却或加热流通所述热管结构的换热流体，实现所述电芯单元与换热流体之间的热交换。
10.根据权利要求9所述的动力电池模块的热管理方法，其特征在于：在所述热管结构内部设置阻燃材料制作的支撑柱，在所述支撑柱之间形成蒸汽腔，当动力电池模块发生极端热安全事故时，热管结构的外壳破裂，破坏热管结构的封闭状态，热管结构失效，利用所述蒸汽腔形成阻隔空间，减少所述电芯单元之间的热传导，利用所述支撑柱与所述蒸汽腔共同作用，抑制热失控蔓延。
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