CN114039127A - 高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包，高体积能量密度外延包覆模组包括：模组壳体，模组壳体内设置有若干单体电芯和模组液冷管，各单体电芯在模组壳体内呈蜂窝状布置，模组液冷管中通有冷却液，模组液冷管的布置方式使得各单体电芯均与模组液冷管接触，各单体电芯之间、单体电芯与模组液冷管之间、模组壳体与单体电芯之间、和模组壳体与模组液冷管之间的缝隙中填充有灌封胶。本发明的高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包，在保证模组及电池包安全性能的前提下，在单体电性能确定的条件下，通过蜂窝状灌胶模组设计及合理的模块布置，以达到电池包最高的能量密度要求，提高整车续航里程。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车动力电池技术领域，尤其涉及一种高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包。
背景技术
随着近几年的时代发展，人们的生活条件显著改善，汽车行业在中国很是火爆。然而汽车的普及在渐渐地推动了人类社会经济和现代文明高速发展的同时，也带来了严峻的能源和环境问题，节能和环保成为汽车技术发展的主题之一。随着近几年国内市场发展，人们对电动汽车的安全性能、能量密度及续航里程的需求越来越高，各大汽车制造厂商也在为满足这些重要指标苦心研发，以期占领市场制高点并推动电动汽车发展进程。
目前的电池包模组采用圆柱电芯成组，电池包由多个模组组成，模组的体积能量密度比较低，导致电池包续航里程较少，目前市场上采用圆柱单体电芯的电池包能量密度均小于等于200Wh/L。
因此，亟需一种高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包。
发明内容
本发明的目的是提供一种高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包，以解决上述现有技术中的问题，能够在保证模组及电池包安全性能的前提下，在单体电性能确定的条件下，通过蜂窝状灌胶模组设计及合理的模块布置，以达到电池包最高的能量密度要求，提高整车续航里程。
本发明提供了一种高体积能量密度外延包覆模组，其中，包括：
模组壳体，所述模组壳体内设置有若干单体电芯和模组液冷管，各所述单体电芯在所述模组壳体内呈蜂窝状布置，所述模组液冷管中通有冷却液，所述模组液冷管的布置方式使得各所述单体电芯均与所述模组液冷管接触，各所述单体电芯之间、所述单体电芯与所述模组液冷管之间、所述模组壳体与所述单体电芯之间、和所述模组壳体与所述模组液冷管之间的缝隙中填充有灌封胶。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，所述单体电芯排列成多行，并且各行之间相互平行且交错布置。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，最底层一行的单体电芯与所述模组壳体的下边缘的间隙大于等于2mm，最最上层一行的单体电芯与所述模组壳体的上边缘的间隙大于等于3mm。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，所述模组液冷管包括蛇形液冷管。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，在所述单体电芯排列成偶数行时，所述模组液冷管分布在最底层一行的单体电芯下方和偶数行单体电芯上方；在所述单体电芯排列成奇数行时，所述模组液冷管分布在最底层一行的单体电芯下方、偶数行单体电芯上方和最上层一行的单体电芯上方。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，所述单体电芯的直径为21.6mm-21.8mm，处于同一行的相邻两个单体电芯的圆心矩为22.8mm-23.0mm，处于同一行的相邻两个单体电芯的间隙为1.15mm-1.25mm。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，在相邻的两行单体电芯之间分布有所述模组液冷管时，相邻两行的相邻两个单体电芯的间隙为2.95mm-3.05mm，相邻两行的相邻两个单体电芯的圆心距为24.6mm-24.8mm；在相邻的两行单体电芯之间未分布有所述模组液冷管时，相邻两行的单体电芯的间隙为1.007mm-1.017mm，相邻两行的相邻两个单体电芯的圆心距为22.212mm-23.212mm，间隔一行的相邻两个单体电芯的圆心距为40.5mm-42.5mm。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，所述高体积能量密度外延包覆模组还包括设置在所述模组壳体侧壁、且与所述模组液冷管连通的进液口和出液口，所述冷却液从所述进液口进入所述模组液冷管，并从所述出液口排出。
如上所述的高体积能量密度外延包覆模组，其中，优选的是，所述灌封胶由A组分和B组分固化形成，所述A组分包括乙烯基硅油和第一低密度粉体，所述B组分包括乙烯基硅油、含氢硅油和第二低密度粉体。
本发明还提供一种动力电池包，包括上述的高体积能量密度外延包覆模组。
本发明提供一种高体积能量密度外延包覆模组及动力电池包，在保证模组及电池包安全性能的前提下，在单体电性能确定的条件下，通过模组液冷管可以满足单体电芯在一定范围内的恒温，降低由于单体电芯发生热失控而引起的安全风险发生率，实现热隔离；通过灌封胶可以保证其中某个单体电芯发生热失控时不影响其周边单体电芯的正常工作，实现热隔离和电隔离；单体电芯内呈蜂窝状布置，可以保证模组内部空间一定的条件下布置最多数量的单体电芯，有助于实现模组的空间利用最大化，进而实现动力电池包内部模组的空间利用最大化，有助于提升电动车的能量密度，进而提高电动车的续驶里程，解决了车规级动力蓄电池热失控的安全难题。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：
图1为本发明提供的高体积能量密度外延包覆模组的实施例的俯视图；
图2为本发明提供的高体积能量密度外延包覆模组的实施例的立体结构示意图；
图3为本发明提供的高体积能量密度外延包覆模组的实施例的单体电芯的电芯间隙示意图；
图4为本发明提供的由多个高体积能量密度外延包覆模组组成的动力电池包的整体布置示意图。
附图标记说明：
1-模组壳体2-单体电芯3-模组液冷管
4-灌封胶5-进液口6-出液口
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”：以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件。当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件，也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
如图1所示，本发明实施例提供了一种高体积能量密度外延包覆模组，其包括：模组壳体1，所述模组壳体1内设置有若干单体电芯2和模组液冷管3，各所述单体电芯2在所述模组壳体1内呈蜂窝状布置，所述模组液冷管3中通有冷却液，所述模组液冷管3的布置方式使得各所述单体电芯2均与所述模组液冷管接触，各所述单体电芯2之间、所述单体电芯2与所述模组液冷管3之间、所述模组壳体1与所述单体电芯2之间、和所述模组壳体1与所述模组液冷管3之间的缝隙中填充有灌封胶4。
其中，在本发明中，所述单体电芯2采用三元圆柱21700单体电芯。具体地，所述单体电芯2排列成多行，并且各行之间相互平行且交错布置。在本发明中，单体电芯2排列成10行，需要说明的是，本发明对单体电芯2的行数及各行的单体电芯的分布位置不作具体限定。
进一步地，最底层一行的单体电芯2与所述模组壳体1的下边缘的间隙大于等于2mm，最最上层一行的单体电芯2与所述模组壳体1的上边缘的间隙大于等于3mm。
在工作中，由于每个单体电芯2均与模组液冷管3接触，在急剧放电或者是充电导致电池温度升高的情况下，模组液冷管3中通入的冷却液会在流动过程中带走能量，实现电池的降温，可以满足单体电芯2在一定范围内的恒温，降低由于单体电芯2发生热失控而引起的安全风险发生率；填充在模组壳体1内部的单体电芯2之间的灌封胶4，可以保证其中某个单体电芯2发生热失控时不影响其周边单体电芯的正常工作；由于每个单体电芯2均被灌封胶4以360°包覆隔离，同时通过灌封胶4可以实现热隔离和电隔离，通过模组液冷管可以实现热隔离，确保一颗单体电芯2爆炸时，电池模组不发生热扩散，电池包及整车不失火，因此，本发明的各单体电芯2可在模组壳体1内呈蜂窝状布置，可以保证模组内部空间一定的条件下布置最多数量的单体电芯2，有助于实现模组的空间利用最大化，进而实现动力电池包内部模组的空间利用最大化，有助于提升电动车的能量密度，进而提高电动车的续驶里程。
由此，相对于现有技术而言，在保证模组及电池包安全性能的前提下，在单体电性能确定的条件下，通过模组液冷管可以满足单体电芯在一定范围内的恒温，降低由于单体电芯发生热失控而引起的安全风险发生率，实现热隔离；通过灌封胶可以保证其中某个单体电芯发生热失控时不影响其周边单体电芯的正常工作，实现热隔离和电隔离；单体电芯内呈蜂窝状布置，可以保证模组内部空间一定的条件下布置最多数量的单体电芯，有助于实现模组的空间利用最大化，进而实现动力电池包内部模组的空间利用最大化，有助于提升电动车的能量密度，进而提高电动车的续驶里程，解决了车规级动力蓄电池热失控的安全难题。
进一步地，所述模组液冷管3为蛇形液冷管。具体而言，在所述单体电芯2排列成偶数行时，所述模组液冷管3分布在最底层一行的单体电芯2下方和偶数行单体电芯2上方；在所述单体电芯2排列成奇数行时，所述模组液冷管3分布在最底层一行的单体电芯2下方、偶数行单体电芯2上方和最上层一行的单体电芯2上方。在本发明中，如图1所示，模组液冷管3从左侧进入最底层一行的单体电芯2下方、从最底层一行最右侧的单体电芯2进入第二行的单体电芯2与第三行的单体电芯2之间、到达最左侧后进入第四行的单体电芯2与第五行的单体电芯2之间、到达最右侧后进入第六行的单体电芯2与第七行的单体电芯2之间，到达最左侧后进入第八行的单体电芯2与第9层的单体电芯2之间，到达最右侧后进入第十行的单体电芯2上方。需要说明的是，模组液冷管3在模组壳体1的排布方式可根据单体电芯2的行数、每一行的单体电芯数的变化而变化，只要保证每一行的单体电芯2均与模组液冷管3接触即可。
进一步地，如图3所示，所述单体电芯2的直径为21.6mm-21.8mm，例如为21.7mm，处于同一行的相邻两个单体电芯2的圆心矩为22.8mm-23.0mm，例如为22.9mm，处于同一行的相邻两个单体电芯2的间隙为1.15mm-1.25mm，例如为1.2mm。
更进一步地，如图3所示，在相邻的两行单体电芯2之间分布有所述模组液冷管3时，相邻两行的相邻两个单体电芯2的间隙为2.95mm-3.05mm，例如为3mm，相邻两行的相邻两个单体电芯2的圆心距为24.6mm-24.8mm，例如为24.7mm；在相邻的两行单体电芯2之间未分布有所述模组液冷管3时，相邻两行的单体电芯2的间隙为1.007mm-1.017mm，例如为1.012mm，相邻两行的相邻两个单体电芯2的圆心距为22.212mm-23.212mm，例如为22.712mm，间隔一行的相邻两个单体电芯2的圆心距为40.5mm-42.5mm，例如为41.5mm。
需要说明的是，本发明的电芯间隙是经过千上万次试验验证得到的，这种间隙设置可以保证在其中一个单体电芯2发生爆炸时，避免引起旁边的另一个或多个单体电芯发生爆炸。通过这样的间隙设置，能在保证模组的安全性的前提下，减小单体电芯2两两之间的间距，以达到模组的空间利用最大化，进而保证动力电池包内部模组的空间利用最大化。
进一步地，所述高体积能量密度外延包覆模组还包括设置在所述模组壳体1侧壁、且与所述模组液冷管3连通的进液口5和出液口6，所述冷却液从所述进液口进入所述模组液冷管，并从所述出液口排出。如图1和图2所示，本发明的进液口5和出液口6均位于模组壳体1左侧，需要说明的是，本发明对进液口5和出液口6的位置不作具体限定。
更进一步地，所述灌封胶4由A组分和B组分固化形成，所述A组分包括乙烯基硅油和第一低密度粉体，所述B组分包括乙烯基硅油、含氢硅油和第二低密度粉体。灌封胶4为轻量化灌封胶，灌封胶4的A组分和B组分混合固化后与单体电芯2直接接触，可以填满单体电芯2之间的间隙，起到对模组内的单体电芯2进行均温、缓冲减振的作用。两种组分分别储存，均匀混合后发生固化反应。其中第一低密度粉体和第二低密度粉体的50％通过粒径(D50)小于50μm，99％通过粒径(D99)<100μm，抗压强度>3000psi，并且第一低密度粉体和第二低密度粉体的粒径分布可以相同，也可以不同，本发明对此不作具体限定；硅油挥发分含量<1.5％，A组分和B组分存在轻微气味，颜色为绿色；在25℃的环境温度时，A组分和B组分混合后的粘度<700cps，自流平性能良好，灌封后能够自动填充单体电芯2的间隙且高度均匀。本发明采用轻量化设计，A组分和B组分的密度相同，混合后的密度<0.71g/cm3。
本发明所采用的轻量化灌封胶属于有机硅体系，耐久可靠。高温老化、冷热冲击老化、双85老化各1000h后外观无龟裂、粉化，硬度为50-90shore00，导热系数、介电强度、拉伸强度衰减<10％，满足10年的设计寿命要求。
本发明通过蜂窝状灌胶模组设计及合理的模块布置，可以达到电池包最高的能量密度要求，整包体积能量密度210Wh/L，提高了整车续航里程。
本发明实施例提供的高体积能量密度外延包覆模组，在保证模组及电池包安全性能的前提下，在单体电性能确定的条件下，通过模组液冷管可以满足单体电芯在一定范围内的恒温，降低由于单体电芯发生热失控而引起的安全风险发生率，实现热隔离；通过灌封胶可以保证其中某个单体电芯发生热失控时不影响其周边单体电芯的正常工作，实现热隔离和电隔离；单体电芯内呈蜂窝状布置，可以保证模组内部空间一定的条件下布置最多数量的单体电芯，有助于实现模组的空间利用最大化，进而实现动力电池包内部模组的空间利用最大化，有助于提升电动车的能量密度，进而提高电动车的续驶里程，解决了车规级动力蓄电池热失控的安全难题。
本发明还提供一种动力电池包，包括上述的高体积能量密度外延包覆模组。
如图4所示的动力电池包包括模块1、模块2和模块3，其中，模块3是由10个图1和图2所示的高体积能量密度外延包覆模组组成的，模块1和模块2是由类似的高体积能量密度外延包覆模组组成的。在整车电池包所处空间已定的情况下，通过合理布置模组，可以保证电池包空间利用的最大化。
如图1所示，上述动力电池包的高体积能量密度外延包覆模组包括：模组壳体1，所述模组壳体1内设置有若干单体电芯2和模组液冷管3，各所述单体电芯2在所述模组壳体1内呈蜂窝状布置，所述模组液冷管3中通有冷却液，所述模组液冷管3的布置方式使得各所述单体电芯2均与所述模组液冷管接触，各所述单体电芯2之间、所述单体电芯2与所述模组液冷管3之间、所述模组壳体1与所述单体电芯2之间、和所述模组壳体1与所述模组液冷管3之间的缝隙中填充有灌封胶4。
本发明实施例提供的动力电池包，在保证模组及电池包安全性能的前提下，在单体电性能确定的条件下，通过模组液冷管可以满足单体电芯在一定范围内的恒温，降低由于单体电芯发生热失控而引起的安全风险发生率，实现热隔离；通过灌封胶可以保证其中某个单体电芯发生热失控时不影响其周边单体电芯的正常工作，实现热隔离和电隔离；单体电芯内呈蜂窝状布置，可以保证模组内部空间一定的条件下布置最多数量的单体电芯，有助于实现模组的空间利用最大化，进而实现动力电池包内部模组的空间利用最大化，有助于提升电动车的能量密度，进而提高电动车的续驶里程，解决了车规级动力蓄电池热失控的安全难题。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，包括：
模组壳体，所述模组壳体内设置有若干单体电芯和模组液冷管，各所述单体电芯在所述模组壳体内呈蜂窝状布置，所述模组液冷管中通有冷却液，所述模组液冷管的布置方式使得各所述单体电芯均与所述模组液冷管接触，各所述单体电芯之间、所述单体电芯与所述模组液冷管之间、所述模组壳体与所述单体电芯之间、和所述模组壳体与所述模组液冷管之间的缝隙中填充有灌封胶。
2.根据权利要求1所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，所述单体电芯排列成多行，并且各行之间相互平行且交错布置。
3.根据权利要求2所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，最底层一行的单体电芯与所述模组壳体的下边缘的间隙大于等于2mm，最最上层一行的单体电芯与所述模组壳体的上边缘的间隙大于等于3mm。
4.根据权利要求2所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，所述模组液冷管包括蛇形液冷管。
5.根据权利要求4所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，在所述单体电芯排列成偶数行时，所述模组液冷管分布在最底层一行的单体电芯下方和偶数行单体电芯上方；在所述单体电芯排列成奇数行时，所述模组液冷管分布在最底层一行的单体电芯下方、偶数行单体电芯上方和最上层一行的单体电芯上方。
6.根据权利要求5所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，所述单体电芯的直径为21.6mm-21.8mm，处于同一行的相邻两个单体电芯的圆心矩为22.8mm-23.0mm，处于同一行的相邻两个单体电芯的间隙为1.15mm-1.25mm。
7.根据权利要求6所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，在相邻的两行单体电芯之间分布有所述模组液冷管时，相邻两行的相邻两个单体电芯的间隙为2.95mm-3.05mm，相邻两行的相邻两个单体电芯的圆心距为24.6mm-24.8mm；在相邻的两行单体电芯之间未分布有所述模组液冷管时，相邻两行的单体电芯的间隙为1.007mm-1.017mm，相邻两行的相邻两个单体电芯的圆心距为22.212mm-23.212mm，间隔一行的相邻两个单体电芯的圆心距为40.5mm-42.5mm。
8.根据权利要求1所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，所述高体积能量密度外延包覆模组还包括设置在所述模组壳体侧壁、且与所述模组液冷管连通的进液口和出液口，所述冷却液从所述进液口进入所述模组液冷管，并从所述出液口排出。
9.根据权利要求1所述的高体积能量密度外延包覆模组，其特征在于，所述灌封胶由A组分和B组分固化形成，所述A组分包括乙烯基硅油和第一低密度粉体，所述B组分包括乙烯基硅油、含氢硅油和第二低密度粉体。
10.一种动力电池包，其特征在于，包括权利要求1-9之一所述的高体积能量密度外延包覆模组。
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