CN114614161A - 一种基于换热、消防及热安全一体的电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于换热、消防及热安全一体的电池系统，包括电箱一体液冷板，电箱一体液冷板的一侧板面固定有防护边框以形成电池放置空间，防护边框内设有模组隔离板，模组隔离板将电池放置空间分隔成多个隔离腔，隔离腔内置有电池模组；防护边框的一端为透气板；透气板与电池模组之间设有防爆泡棉；模组隔离板上设有U型消防管网，U型消防管网上设有与电池模组对应的消防喷口。本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统能够对电池系统进行温控，同时能够实现集换热、消防以及热安全于一体，使得各部件功能得到提升，可提升电池系统使用及安全性能，并具有更少的零部件设计，可减少整体系统制造时间及成本，提升产品质量可靠性。

Description

一种基于换热、消防及热安全一体的电池系统
技术领域
本发明涉及锂电池及新能源技术领域，具体涉及基于换热、消防及热安全一体的电池系统。
背景技术
近年来，随着全球经济社会的发展，环境污染及能源短缺问题的不断加剧，中国为应对全球能源变革提出了新要求，“碳达峰”、“碳中和”的目标也随之提出。开发和使用以锂离子电池系统为动力的新能源汽车、轨道交通车辆、轮船等交通工具及以其作为主要能量转换部件的新能源电力储能系统成为了工业技术重点突破方向，锂离子电池因其环保、节能等诸多优点，掀起了新一轮能源技术革命，受到世界各国的广泛关注。
锂离子电池系统作为新能源产品的核心，其系统零部件较多，集成复杂，其安全性亦是新能源装备可靠性的重中之重。它的充放电工作过程是锂离子材料的电化学反应过程，因其材料特性，锂离子电池在工作状态下会发热，长时间使用，电芯内部温度会超过60℃甚至更高，电芯温度过高，会发生局部电芯热失控，电池热失控是指电池使用过程中，电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏，发生着火，爆炸等现象，向系统内其他电芯热蔓延，如没有采取有效隔温、降温、灭火及抑制复燃等措施，电池系统会发生严重热失控，热失控过程中若没有进行定向排烟气、排热，其会引发电池燃烧、爆炸等严重后果。在温度低于0℃时，电池放电能力显著下降。温度会影响电池的充放电倍率，电池功率容量，循环寿命及安全。从设计上满足电池系统对于换热、消防及安全的需求，从系统集成上降低功能部件个数，采用一体化设计，从电池安全上采用多维度、多层级安全防护预防电池发生爆炸等重大安全问题是后续技术的主要突破方向。本专利提出了一种兼具换热，消防，热安全一体设计技术应对锂电池系统安全挑战，提升电池安全性。
目前主流电池系统换热功能均采用风冷通道或液冷板等部件实现，多数液冷板与电池箱体分离，需进行导热与固定安装的设计。液冷板多采用冲压或吹胀钎焊工艺，安装于电池箱体中，其制造工艺复杂，制造模具成本较高，液冷板材料较薄，长时间使用会出现较大变形，局部温差增大，换热工质腐蚀，漏液隐患较大。消防系统采用七氟丙烷工质结合消防喷头深入电池PACK内部，或电池PACK内置气溶胶等灭火装置，七氟丙烷是一种以化学灭火为主兼有物理灭火作用的洁净气体化学灭火剂，无色、无味、低毒、不导电、不污染被保护对象，不会对财物和精密设施造成损坏，但不能有效针对出现高温发热的电芯单体进行快速物理降温，对于发生着火的电芯区域也不能精准点喷灭火，灭火效果较差。对于消防失效或者严重热失控的电池没有采取热安全设计来进行热阻隔，延缓电池系统从“电芯”到“整体”热失控速度，没有针对热失控的电池系统进行定向排烟气，来预防爆燃、爆炸等重大安全问题的发生。目前换热、消防及系统集成部件较多，工艺复杂。热管理、消防、热安全等系统设计上缺乏一体化、多维度联动设计来保证电池使用安全，也是目前发生电池安全事故的主要原因之一。
发明内容
本发明提出了一种基于换热、消防及热安全一体的电池系统，解决了现有电池系统集成时，换热系统、消防系统、热安全、箱体结构等部件都是单独设计，并在功能和应用上是相互独立的系统，造成在生产制造中零部件繁多、工艺复杂，在安全保障方面功能单一，不能形成从电池的热-消防-热安全多维度，一体化的安全保障机制的问题。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于换热、消防及热安全一体的电池系统，包括电池模组、箱体上盖、U型消防管网、防护边框、电箱一体液冷板、防爆泡棉、透气板以及模组隔离板；
所述电箱一体液冷板的一侧板面固定有所述防护边框，所述防护边框与所述电箱一体液冷板围成用于容纳所述电池模组的电池放置空间；
所述防护边框内设有至少一个所述模组隔离板，所述模组隔离板将所述电池放置空间分隔成多个平行布置的隔离腔，每个所述隔离腔内置有所述电池模组；
沿所述隔离腔布置的方向的一端，所述防护边框为透气板；
所述隔离腔内位于所述透气板与所述电池模组之间设有所述防爆泡棉；
所述模组隔离板上设有所述U型消防管网，所述U型消防管网上设有与所述电池模组对应的消防喷口；
所述箱体上盖与所述防护边框扣合。
进一步地，还包括防爆阀，所述防爆阀设置在所述箱体上盖和/或所述防护边框上。
进一步地，所述模组隔离板内设有中空腔体，所述中空腔体内填充防火隔热胶。
进一步地，所述电箱一体液冷板包括液冷板壳体和设置在所述液冷板壳体内的拉伸筋，所述拉伸筋将所述液冷板壳体的内腔分隔成冷却流道，所述液冷板壳体上设有冷却液进口和冷却液出口。
进一步地，所述U型消防管网包括设置在模组隔离板上的消防工质喷撒管和用于连通多个所述消防工质喷撒管的连通管。
进一步地，还包括导热垫，所述导热垫设置在所述电箱一体液冷板与所述电池模组之间。
与现有技术比较，本发明所述的基于换热、消防及热安全一体的电池系统具有以下有益效果：由于设有电箱一体液冷板、模组隔离板、U型消防管网以及防护边框，防护边框的一端设有防爆泡棉和透气板，使得电池模组在使用过程，由电箱一体液冷板、导热垫等部件构成的热管理系统对电池进行温控，可对电池系统进行高温冷却和低温加热，同时能够实现集换热、消防以及热安全于一体，使得各部件功能得到提升，可提升电池系统使用及安全性能，并具有更少的零部件设计，可减少整体系统制造时间及成本，提升产品质量可靠性。
附图说明
图1为本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统的结构图；
图2为模组隔离板与消防管网连接的结构图；
图3为电箱一体液冷板的内部结构图；
图4为本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统的消防工质流动示意图；
图5为本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统的热安全示意图，即烟气流动示意图；
图6为烟气空过透气板的示意图。
图中：1、电池模组，2、箱体上盖，3、U型消防管网，4、防护边框，5、电箱一体液冷板，6、防爆泡棉，7、透气板，8、模组隔离板，9、电池放置空间，10、隔离腔，11、消防喷口，12、防爆阀，13、冷夜板壳体，14、拉伸筋，15、冷却流道，16、冷却液进口，17、冷却液出口，18、消防工质喷撒管，19、连通管，20、导热垫，21、中空腔体，22、安装孔，23、防火气凝胶垫，24、防火隔热胶，25、消防工质入口，26、透气孔。
具体实施方式
如图1所示为本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，包括电池模组1、箱体上盖2、U型消防管网3、防护边框4、电箱一体液冷板5、防爆泡棉6、透气板7以及模组隔离板8；
所述电箱一体液冷板5的一侧板面固定有所述防护边框4，所述防护边框4与所述电箱一体液冷板5围成用于容纳所述电池模组1的电池放置空间9；
所述防护边框4内设有至少一个所述模组隔离板8，所述模组隔离板8将所述电池放置空间9分隔成多个平行布置的隔离腔10，每个所述隔离腔10内置有所述电池模组1；
沿所述隔离腔10布置的方向的一端，所述防护边框4为透气板7；
所述隔离腔10内位于所述透气板7与所述电池模组1之间设有所述防爆泡棉6；
所述模组隔离板8上设有所述U型消防管网3，所述U型消防管网3上设有与所述电池模组1对应的消防喷口11；
所述箱体上盖2与所述防护边框4扣合。
具体地，如图3所示，电箱一体液冷板为金属板材，内置换热水路，可对电池包进行换热，在本申请中，电箱一体液冷板5采用铝型材挤压一体成型，电箱一体液冷板5包括液冷板壳体13和设置在液冷板壳体13内的拉伸筋14，拉伸筋14将所述液冷板壳体13的内腔分隔成冷却流道15，所述液冷板壳体13上设有冷却液进口16和冷却液出口17，电箱一体液冷板5因材料较厚，电池模组1能够与电箱一体液冷板采用螺栓固定连接，电箱一体液冷板5既作为系统承重单元与又作为内部热管理单元，电箱一体液冷板5的一侧板面焊接有防护边框4，防护边框4与电箱一体液冷板5围成用于容纳所述电池模组1的电池放置空间9，电箱一体液冷板上还焊接有模组隔离板8，所述模组隔离板8将所述电池放置空间9分隔成多个平行布置的隔离腔10，每个所述隔离腔10内置有所述电池模组1，电池模组采用市场主流方形电芯，电芯中间自带排气阀，其主要功能就是及时将热失控电芯内部可燃烟气、高压气体排出电芯本体，降低爆炸风险，所述模组隔离板8内设有中空腔体21，所述中空腔体21内填充防火隔热胶24，模组隔离板8与电池模组之间设有防火气凝胶垫23。优选地，所述电箱一体液冷板5与所述电池模组1之间设置有导热垫20。沿所述隔离腔10布置的方向的一端，所述防护边框4为透气板7，在本实施例中，电池系统的背面焊接有铝材质的透气板；隔离腔10内位于透气板7与电池模组1之间设有所述防爆泡棉6；所述模组隔离板8上设有所述U型消防管网3，如图2所示，所述U型消防管网3包括设置在模组隔离板8上的消防工质喷撒管18和用于连通多个所述消防工质喷撒管18的连通管19，所述U型消防管网3上设有与所述电池模组1对应的消防喷口11，在本实施例中，消防工质喷撒管与模组隔热板8为一体结构，即模组隔热板上部的中空腔体一端通过连接管19相互连通，另一端采用挡板等结构封住；所述箱体上盖2与所述防护边框4扣合用于将电池模组封装于由电箱一体液冷板、防护边框以及箱体上盖围成的密闭空间的电池箱体，电池箱体为用于包裹电池模组的外壳，并可进行外部固定、连接，对内部电池起保护等作用，在本实施例中，箱体上盖分别与防护边框以及U型消防管网顶部通过螺钉固定连接。
进一步地，本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统还包括防爆阀12，所述防爆阀12设置在所述箱体上盖2和/或所述防护边框4上，在本实施例中，防爆阀设置在箱体上盖中。
本发明公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，由于设有电箱一体液冷板、模组隔离板、U型消防管网以及防护边框，防护边框的一端设有防爆泡棉和透气板，使得电池模组在使用过程中发热，本申请公开的电池系统中配的电箱一体液冷板，电箱一体液冷板能够通入换热工质，电箱一体液冷板、导热垫等部件构成的热管理系统对电池进行温控，可对电池系统进行高温冷却和低温加热。由于电箱一体液冷板采用平板铝型材挤压成型，冷板内置流道外部配有入液口、出液口、管路，通过搅拌摩擦焊工艺与机加工制作而成。其既可为模组换热又可以作为电池系统底部承重单元，内部流道截面可强化底部强度，提高部件换热能力的同时，减少部件个数，简化系统集成工艺。高温工况下，高温电池通过底部导热垫，将热量传递给电箱一体液冷板，开启外部制冷机，制冷机通过高压泵将低温制冷剂通过外部管道通入电箱一体液冷板，制冷剂在泵组内循环带走热量，使电池降温，传热路径为：电池模组-导热垫-电箱一体液冷板-制冷剂。
在电池系统因电芯制造或成组工艺偏差及电池滥用等情况下会有电芯局部热量过高的状况出现，如不加以局部温度控制，最终会诱发热失控。当电芯出现温度过高，电芯为电池系统的最小动力单元，接近温度上限时，消防探测会通过BMS检测到温度异常，开启智能消防系统对电芯降温功能，少量消防工质全氟己酮通过U型消防管网的消防工质入口25，进入到U型消防管网中，U型消防管网两侧中配有的消防喷口能够将消防工质喷入电池模组(电池PACK)中，如图4中箭头所示的为消防工质的流动方向，消防喷口距离电芯较近，可直接附着在两侧电芯外表面，吸收电芯热量对电芯降温，当电芯温度超过上限，触发烟感探测器检测到热失控气体时，大量全幅己酮工质通过消防工质入口25，从U型消防管网两侧喷出，针对热失控电芯进行精准灭火并浸没电池PACK，将火灾抑制在发生与发展的初期，并抑制电池系统热失控二次复燃，电池PACK为电芯经过框架及其他附属机构的固定，形成的电池包单元。
本申请公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统针对电芯热失控进行热安全设计，热安全从3个维度展开：1热抑制；2热阻隔；3热疏导。
具体地，热抑制：电箱一体液冷板与消防工质降温作为热抑制的有效手段，对电芯温度进行抑制，防止过高发生热失控。
热隔离：如图5所示，模组隔离板8和防护边框4将电池系统分隔成几个相对密闭空间。模组隔离板8内部为中空设计，内部填充防火隔热胶，可有效隔温，模组隔离板8两侧、防护边框4内侧及箱体上盖2下侧面贴有防火气凝胶层形成防火隔离空间，以模组为隔离单元，可将初期发生热失的电芯控控制在防火隔离空间内，防火气凝胶可以有效阻止着火电芯及模组向侧面相邻模组空间热量传递，封闭空间可以阻止热失控烟尘通向其他模组空间，避免电池系统大规模热失控。
热疏导：当电池系统发生热失控后，消防工质全氟己酮会浸没整个电池系统进行灭火，电池包内气压增加，压力过大时，不同隔离空间的防爆阀会对高压气体进行逐次泄压，防止压力过大发生爆破。如图5和图6所示，当消防系统执行动作后电池热失控没有解除，电池温度扔持续增加，可燃高热烟尘持续增多，当高热烟气温度超过限定温度，防爆泡棉将破裂，烟气将通过透气板上的透气孔迅速排除到电池系统外，压力得到迅速释放，系统温度短时间降迅速降低，防止局部电芯热失控诱发整体热失控，此设计可有效抑制热蔓延速度，延缓电池系统从“小范围电芯”到“大范围整体”热失控速度，可针对热失控的系统进行电池系统侧面定向排烟气，防止发生爆燃，爆炸等重大安全问题，图5中标号A表示热失控电芯位置，标号B表示烟气排放方向，全氟己酮是一种重要的哈龙灭火剂替代品，它是氟化酮类的化合物，它是一种清澈、无色、无味的液体，用氮气进行超级增压，并作为灭火系统的一部分存放在高压气瓶中。
本文申请的专利方案适用于新能源电动汽车、新能源电动机车、新能源电力储能预制舱的电池系统领域，现有主流电池系统集成时，换热系统、消防系统、热安全、箱体结构等部件都是单独设计，并在功能和应用上是相互独立的系统，在生产制造中零部件繁多、工艺复杂。在安全保障方面功能单一，不能形成从电池的热-消防-热安全多维度，一体化的安全保障机制。
本申请公开的基于换热、消防及热安全一体的电池系统采用一体化设计，换热、消防与热安全，一体结构集成。具有以下突出特点：
1、换热、消防、电池箱体、热安全子部件功能得到提升，可提升电池系统使用及安全性能。
2、更少的零部件设计，可减少整体系统制造时间及成本，提升产品质量可靠性。
3、消防工质可直接接触电芯表面进行降温、灭火，可提升消防效果。
4、从控制电池温度-降温灭火-热疏导等功能理念保障电池安全。从换热-智能消防-热安全设计等多维度、多策略、逐层联动的策略来抑制电池热失控发生爆炸事故。
5、电池模组间模组隔离板可有效隔温、隔热。系统定向热烟气排放功能可有效降低电池系统内的可燃气体浓度，及时将高热能量派出系统外，可降低电池系统爆炸风险，提升电池安全性。
结合机车动力电池系统，储能动力电池系统采用换热、消防、热安全一体设计的电池系统，电池工作状态下电芯温差可控制在3℃以内，电芯最高温控制35℃以下，电池使用性能，安全性得到较大提升。智能消防系统可针对电池表面进行全覆盖灭火，可迅速喷灭明火，并抑制复燃。通过做热安全实验可知，电芯的热失控是一个连锁反应，需要热疏导路径，及时将高热烟气排除，热失控速度会降低，未着火电芯不发生热失控得的概率明显增加，安全性得到保障。系统集成零部件减少，整体装配效率提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于换热、消防及热安全一体的电池系统，其特征在于：包括电池模组、箱体上盖、U型消防管网、防护边框、电箱一体液冷板、防爆泡棉、透气板以及模组隔离板；
所述电箱一体液冷板的一侧板面固定有所述防护边框，所述防护边框与所述电箱一体液冷板围成用于容纳所述电池模组的电池放置空间；
所述防护边框内设有至少一个所述模组隔离板，所述模组隔离板将所述电池放置空间分隔成多个平行布置的隔离腔，每个所述隔离腔内置有所述电池模组；
沿所述隔离腔布置的方向的一端，所述防护边框为透气板；
所述隔离腔内位于所述透气板与所述电池模组之间设有所述防爆泡棉；
所述模组隔离板上设有所述U型消防管网，所述U型消防管网上设有与所述电池模组对应的消防喷口；
所述箱体上盖与所述防护边框扣合。
2.根据权利要求1所述的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，其特征在于：还包括防爆阀，所述防爆阀设置在所述箱体上盖和/或所述防护边框上。
3.根据权利要求1或2所述的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，其特征在于：所述模组隔离板内设有中空腔体，所述中空腔体内填充防火隔热胶。
4.根据权利要求3所述的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，其特征在于：所述电箱一体液冷板包括液冷板壳体和设置在所述液冷板壳体内的拉伸筋，所述拉伸筋将所述液冷板壳体的内腔分隔成冷却流道，所述液冷板壳体上设有冷却液进口和冷却液出口。
5.根据权利要求4所述的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，其特征在于：所述U型消防管网包括设置在模组隔离板上的消防工质喷撒管和用于连通多个所述消防工质喷撒管的连通管。
6.根据权利要求5所述的基于换热、消防及热安全一体的电池系统，其特征在于：还包括导热垫，所述导热垫设置在所述电箱一体液冷板与所述电池模组之间。
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