CN115000639A - 电池系统和包括电池系统的车辆 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于电动车辆的电池系统(10)，其包括多个电池单元(12)和包围所述多个电池单元(12)的电池外壳(30)，其中电池单元(12)经由接触电池单元(12)的电极端子(16)的电连接装置(18、19)彼此互连，其特征在于，电绝缘和热绝缘盖元件(20)，其覆盖电极端子(16)和连接装置(18、19)使得电极端子(16)和连接装置(18、19)在热失控的情况下被保护以免受离开一个或更多个电池单元(12)朝向电池外壳(30)的排气产物的影响。

Description

电池系统和包括电池系统的车辆

技术领域

本发明涉及电池系统，该电池系统包括在热失控的情况下保护导电元件免受排放气体的影响。此外，本发明涉及包括该电池系统的车辆。

背景技术

近年来，已经开发出使用电力作为运动源的货物和人员的运输车辆。这种电动车辆是由电动机驱动的汽车，其使用存储在可再充电电池中的能量。电动车辆可以仅由电池供电，或者可以是由例如汽油发电机供电的混合动力车辆的形式。此外，车辆可以包括电动机和传统内燃机的组合。通常，电动车辆电池、EVB或牵引电池是用于为电池电动车辆BEV的推进提供动力的电池。电动车辆电池不同于启动、照明和点火电池，因为它们被设计为在持续的时间段内提供电力。可再充电或二次电池与原电池的不同之处在于它可以重复充电和放电，而后者仅提供化学能到电能的不可逆转换。低容量可再充电电池用作小型电子设备(诸如蜂窝电话、笔记本计算机和摄像机)的电源，而高容量可再充电电池用作混合动力车辆等的电源。

通常，可再充电电池包括：电极组件，其包括正电极、负电极和插置在正电极和负电极之间的隔板；容纳电极组件的壳体；以及电连接到电极组件的电极端子。电解质溶液被注入到壳体中，从而经由正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应对电池进行充电和放电。壳体的形状(例如，圆柱形或矩形)取决于电池的预期用途。因其在笔记本电脑和消费电子产品中的使用而广为人知的锂离子(和类似的锂聚合物)电池主导着最新开发的电动车辆组。

可再充电电池可以用作由串联和/或并联联接的多个单位电池单元形成的电池模块，从而提供高能量密度，特别是用于混合动力车辆的电机驱动。也就是，电池模块通过取决于所需的电量互连多个单位电池单元的电极端子而形成，从而实现高功率可再充电电池。

电池模块可以以块设计或模块化设计来构建。在块设计中，每个电池联接到公共集电器结构和公共电池管理系统，并且其单元布置在外壳中。在模块化设计中，多个电池单元被连接以形成子模块，并且若干子模块被连接以形成电池模块。在汽车应用中，电池系统通常由多个串联连接的电池模块组成，以提供所需的电压。其中，电池模块可以包括具有多个堆叠的电池单元的子模块，每个堆叠包括并联联接的已串联连接单元(XpYs)或串联连接的已并联连接单元(XsYp)。

电池组是一组任意数量(最好是相同数量)的电池模块。它们可以串联、并联或两者混合构造，以提供所需的电压、容量或能量密度。电池组的部件包括单个电池模块和互连，互连提供电池模块之间的导电性。

不管任何模块化结构，根据现有技术的电池系统通常包括电池外壳，该电池外壳用作外罩以将电池系统相对于环境密封并提供电池系统部件的结构保护。装有外壳的电池系统通常作为整体安装到它们的应用环境(例如，电动车辆)中。

为了提供电池外壳内的封闭电池单元的热控制，可以使用热管理系统来有效地散发、释放和/或消散电池外壳内产生的热量。在电池单元的某些条件下，内部温度的升高可导致电池单元中发生异常反应。这种异常操作条件的示例是电池单元中的热失控，可通过强烈过热或过度充电的单元进入该热失控。热失控是电池单元内部的自加速化学反应，其产生大量热量和排放气体，直到所有可用材料耗尽。

现有技术的电池排气构思是让处于热失控状态的电池单元的热排放气体膨胀到电池外壳中并通过外壳排气阀逸出到外部(电池外壳的环境)。

耗尽的材料(排气产物)可包括热和有毒的排放气体以及导电固体物质(材料)，如石墨粉末和金属碎片。所述导电材料可以沉积在单元顶部的电活性部件(也称为带电部件)上，导致短路和电弧。因此，一个电池单元的热失控可导致短路，因此导致其他电池单元的连续热失控，从而导致电池(电池组)、电池系统和车辆的完全损坏。

石墨和金属件引起的污染可影响电池的大部分电池单元或电池模块并导致短路，因为所有电池单元或模块都在同一电池外壳内。取决于处于热失控的电池单元相对于外壳排气阀的位置，可能产生不同的气流并导致电池的不同部分受到影响。

US 2014/0234677 A1描述了一种电池模块，该电池模块包括在一个方向上排列的多个电池单元，相邻的电池单元经由接触电池单元的电极端子的电连接装置彼此互连；以及排气部分，排放气体可以通过该排气部分排出。盖板覆盖排气部分，其中耐热构件布置在电池单元和盖板之间，盖板和耐热构件具有排气开口，每个排气开口形成在与电池单元的排气部分之一相对应的区域中。在盖板的顶部上，盖通道被布置以覆盖排气开口，使得没有排放气体可以膨胀到电池外壳中。经由盖通道，离开电池单元的排放气体被引向排气口。这样的布置在结构上是复杂的。

因此，本发明的目的是克服或减少现有技术的至少一些缺点并提供改进的热失控处理，特别是提供更好地防止在热失控时排出的排气产物的影响的电池系统。

发明内容

本公开的实施方式旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的问题中的至少一个。

具体地，提供了一种用于车辆的电池系统，其包括多个电池单元和包围所述多个电池单元的电池外壳。电池单元经由接触电池单元的电极端子的电连接装置彼此互连。连接装置可以将一个电池单元的电极端子连接到另一电池单元(特别是相邻电池单元)的电极端子。电池单元可以串联和/或并联连接。电池模块可以通过这种如上所述的互连形成。因此，多个电池单元可以经由它们的电极端子和连接装置彼此互连从而形成电池模块。此外，电池系统可以包括多个电池模块，每个电池模块包括多个电池单元，其中相邻模块经由接触电池单元的电极端子的所述电连接装置彼此互连。换言之，电池单元可以布置成一排或更多排从而形成通过电连接装置彼此电互连的模块，或者布置在排内并且因此在模块内，或者跨排布置从而连接模块。互连的单元和/或模块可以经由横梁在空间上彼此分离。电连接装置可以例如包括汇流条或由汇流条组成。电池模块可以形成如上所述的电池组。

根据本发明，电池系统包括电绝缘和热绝缘的盖元件，其覆盖电极端子和连接装置，使得电极端子和连接装置在热失控的情况下免受离开所述多个电池单元中的一个或更多个进入电池外壳的排气产物的影响。具体地，排气产物可以离开单元进入电池外壳的排气通道。电池系统因此可以进一步包括用于接收在热失控的情况下离开所述多个电池单元中的一个或更多个的排气产物的排气通道。所述排气通道可以布置在盖元件和电池外壳的电池盖之间。因为盖元件覆盖电极端子和连接装置，所以排气产物(特别是导电固体材料，如石墨粉末和金属碎片)沉积在盖元件上，但不直接沉积在带电部件(即，电极端子和连接装置)上。由于盖元件是电绝缘和热绝缘的，因此盖元件下面的带电部件的工作不被影响。另外，盖元件在所述带电部件和排气产物之间提供机械分离。因此，可以防止单元的电弧、短路和污染。此外，由于盖元件的热绝缘，单元/模块被保护以免受沉积在盖元件上的排气产物的热量的影响。因此，可以防止传递到排气单元的相邻单元或模块的热量并因此防止连锁反应。这样，盖元件保护电极端子和连接装置免受排气产物的影响。盖元件可以布置成覆盖电池系统的其他元件，特别是电池的否则可受到排气产物影响的所有带电部件。

利用本发明，在热失控的情况下，排气产物仍然可以排放到电池外壳中。然而，相对于现有技术，排气产物不损坏带电部件或电池系统，因为它们不(直接)沉积在单元和带电部件上，而是沉积在盖元件上。

关于US 2014/0234677 A1的现有技术排气构思，提供了结构上更简单的排气构思。所述现有技术没有公开覆盖电极端子和连接装置使得排气产物可以沉积在这些带电部件上而没有负面影响。相反，所述现有技术提出了不同的解决方案，其中排气产物经由引导通道从单元引出，以防止任何排气产物进入电池外壳。

根据一实施方式，盖元件适合于电极端子和连接装置的轮廓。具体地，盖元件的轮廓或形式可以适合于它所覆盖的所有元件的轮廓，例如它所覆盖的所有带电部件的所有轮廓。换言之，盖元件可以在其三维形状方面适合于它所覆盖的部件，特别是电极端子和汇流条。盖元件和被覆盖部件的轮廓的这种适配使得用于排气产物到达被覆盖部件的通道更少或没有。这允许特别可靠的屏蔽。

根据一实施方式，盖元件完全覆盖所述多个电池单元的包括电极端子和连接装置的排气侧。因此，盖元件不仅可以覆盖电极端子和连接装置，而且可以覆盖所述多个电池单元的整个排气侧，即在热失控的情况下排气产物离开单元的一侧。以这种方式，不仅电极端子和连接装置，而且整个电池单元与排气通道分开，在这种情况下，排气通道可以由第一侧上的电池盖和第二相反侧上的盖元件限定。完全覆盖单元的排气侧的盖元件因此可以可靠地防止单元的污染。此外，布置在排气侧的任何其他带电部件可以以这种方式被覆盖并且因此可以被保护以免受排气产物的影响。排气产物可以沉积在所述多个电池单元的整个表面上，而下面的任何元件不会受到损坏。因此可以实现剩余单元的热分离，从而可以防止失控事件的热传播并且降低整个电池系统烧毁的风险。

然而，即使当完全覆盖所述多个电池单元的排气侧时，盖元件也包括排气装置。根据一实施方式，盖元件包括排气装置，其与电池单元的排气出口对齐并且适于使得离开电池单元的排气产物可以穿过排气装置进入排气通道。这允许在热失控的情况下单元到电池外壳中的排气。盖元件的排气装置可以与电池单元的排气出口对齐并相应地形成。盖元件的排气装置和/或电池单元的排气出口可以是槽的形式。根据相应的实施方式，排气装置包括以下中的任一种：延伸穿过盖元件的通孔、排气阀、在排气产品的压力下破裂的破裂膜。包括通孔的盖元件构成特别简单的排气装置。破裂膜可以是与盖元件相同的材料，但厚度较小，因此一开始排气，膜就会破裂。此外，排气阀可以布置在盖元件中，适于在预定压力下打开。

根据一实施方式，盖元件可以抵抗至少1000℃和/或高达1200℃的温度。具体地，盖元件可以适于承受1000℃和1200℃之间的温度，优选地1100℃和1200℃之间的温度。因此，即使在1000℃或更高的排气产物温度下，盖元件也可靠地保护单元的带电部件免受影响。如果盖元件不能抵抗至少1000℃的温度，则盖元件在某些情况下可能由于温度可在1000℃或甚至更高的热排气产物而损坏。然而，盖元件承受高达1200℃的温度就足够了，因为排气产物的温度通常不会超过此温度。

根据一实施方式，盖元件包括具有织造织物和基体支撑材料特别是树脂的复合材料。织造织物可以是垫的形式并且可以包含纤维，特别是玻璃纤维和/或玄武岩纤维。因此，织造织物可以包括例如玻璃纤维垫。基体支撑材料(可优选地为树脂)特别是在排气期间为盖元件提供稳定性。然而，由于复合材料，盖元件可以具有足够的柔性以适应它所覆盖的元件的轮廓。因此，盖元件可以适于电极端子和连接元件的轮廓。这允许特别可靠的屏蔽。

根据相应的实施方式，盖元件包括热反应材料，该热反应材料适于在暴露于排气产物时熔化并随后硬化，从而与复合材料结合形成机械刚性盖板。热反应材料应理解为对热的存在(特别是在热失控期间出现的温度下)作出反应的材料。根据一实施方式，热反应材料包括玻璃颗粒，特别是充气玻璃颗粒。玻璃颗粒可以是膨胀的玻璃颗粒。具体地，多层复合材料和一层或更多层热反应材料的布置是有利的。因此，根据一实施方式，盖元件包括复合材料的至少两个层和一热反应材料的中间层。根据该实施方式的盖元件对排气产物起反应为：热反应材料熔化并与织造织物结合从而将其密封。热反应材料优选地具有比织造织物的熔点低的熔点。盖元件的复合材料的基体支撑材料可以在排气过程期间溶解。然而，由于热反应材料，盖元件保持尺寸稳定和密封。因此，虽然在热失控的情况下，树脂或其他基体支撑材料以及因此盖元件可能在高于200℃的温度下失去其机械稳定性，但热反应材料就在适当的位置，并在排气流暴露下在更高的温度范围内熔化，从而保持织造织物以及因此盖元件紧密密封，以确保剩余的单元和带电部件的屏蔽。在熔化后，热反应材料硬化，从而与复合材料结合形成机械刚性的耐热盖板。该盖板可以用作电池系统的触摸保护。

根据本公开的另一方面，提供了一种包括如上定义的电池系统的车辆。该电池系统优选地集成到车辆的底部结构中，这允许电池系统具有基本平坦的形状。该车辆是有利的，因为在热失控的情况下，带电部件被保护以免受可能包括导电灰尘的排放的排气产物的影响。从而大大减少或防止了短路的发生。

本公开的其他方面可以从从属权利要求或以下描述中了解。

附图说明

通过参照附图详细描述示例性实施方式，特征对于本领域普通技术人员将变得明显，附图中：

图1是概要示出根据一实施方式的电池系统的侧视图，

图2是概要示出图1的电池系统的俯视图，

图3是示出根据一实施方式的盖元件的侧视图。

具体实施方式

现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出。将参照附图描述示例性实施方式的效果和特征及其实现方法。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且冗余的描述被省略。为了更好的可读性，并非图中的所有元素都标有参照标记。特别是在冗余元件的情况下，仅一些元件可以具有参照符号。然而，本公开可以以各种不同的形式实施，并且不应被解释为仅限于这里所示的实施方式。更确切地，这些实施方式作为示例被提供使得本公开将是彻底的和完整的，并将向本领域技术人员充分传递本公开的方面和特征。

因此，可能不描述对于本领域普通技术人员来说针对完全理解本公开的方面和特征而不被认为是必须的工艺、元件和技术。在附图中，为了清楚起见，元件、层和区域的相对尺寸可以被夸大。

当在此使用时，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任何和所有组合。此外，在描述本公开的实施方式时“可以”的使用是指“本公开的一个或更多个实施方式”。在本公开的实施方式的以下描述中，单数形式的术语可以包括复数形式，除非上下文清楚地另行指示。

将理解，虽然术语“第一”和“第二”用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开来。例如，第一元件可以被命名为第二元件，并且类似地，第二元件可以被命名为第一元件，而不背离本公开的范围。当在此使用时，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项目的任何和所有组合。当在一列元素之后时，诸如“……的至少一个”的表述修饰整列元素，而不是修改列中的单独元素。

将进一步理解，术语“包括”、“包含”、“包括……的”或“包含……的”指定性质、区域、固定数量、步骤、工艺、元件、部件和其组合但不排除其他性质、区域、固定数量、步骤、工艺、元件、部件及其组合。

这里，术语“顶部”和“底部”根据z轴定义。例如，顶盖位于z轴的上部，而底盖位于其下部。在附图中，为清楚起见，元件的尺寸可以被夸大。例如，在附图中，为了说明的目的，可以任意地示出每个元件的尺寸或厚度，因此本公开的实施方式不应被解释为限于此。

在本公开的实施方式的以下描述中，单数形式的术语可以包括复数形式，除非上下文另有明确指示。

除非另有定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，诸如通用词典中定义的术语的术语应被解释为具有与其在相关技术和/或本说明书的背景下的含义一致的含义，而不应在理想化或过度形式化的意义上被解释，除非在此明确地如此定义。

在图1和图2中，示出了用于电动车辆的电池系统10。电池系统10包括多个电池单元12，其中多个电池单元12排列成一排形成电池模块13。相邻的电池模块13通过横梁14彼此隔开。电池系统10还包括包围多个电池单元12的电池外壳30，其包括顶盖32和底盖34。电池外壳可以包括在左侧和右侧的未示出的侧盖。电池单元12布置在电池外壳30内，使得中空空间36提供在电池单元12和顶盖32之间。

每个电池单元12包括与相应电池单元12的电极(未示出)连接的两个电极端子16。电池单元12经由汇流条18彼此互连，该汇流条18形成两个相邻电池单元12的电极端子16之间的电连接装置。具体地，电池单元12在模块13内经由汇流条18彼此串联互连。此外，模块13以及因此它们的电池单元12经由在相邻模块13之间延伸的汇流条19彼此串联互连，参见图2。电极端子16和汇流条18、19布置在电池单元12的排气侧15处，在这种情况下，排气侧15是电池单元12的面向顶盖32的上侧，其中每个电池单元12在该侧处包括排气出口17，用于当超过在内部影响电池单元12的某一过压/某一温度时允许异常操作条件(也称为热失控T或热事件)下产生的排气产物24从电池单元释放。

电池系统10还包括电绝缘和热绝缘的盖元件20，其覆盖多个电池单元12的排气侧15(包括电极端子16和汇流条18、19)。盖元件20包括作为排气装置的排气开口22，其与电池单元12的排气出口17对齐，使得在热失控期间离开电池单元12的排气产物24可以穿过排气出口17和排气装置22朝向顶盖32进入中空空间36。从可理解为排气通道的中空空间36，排气产物可以被引导到电池系统10的外部(未示出)。盖元件20适于其覆盖的部件(特别是如可从图2看到的电极端子16和汇流条18、19)的轮廓(即三维形状)。这允许对所覆盖的元件相对于排气产物的特别可靠的屏蔽。

然而，排气产物24(可不仅包括热和有毒的排放气体，而且还包括导电固体材料，如石墨粉末或金属碎片)可至少部分地沉积在多个电池单元12上，尽管不是直接沉积。由于电池单元12被盖元件20覆盖，电极端子16和汇流条18、19以及整个排气侧15被盖元件20屏蔽以防止沉积排气产物24。如可以在图1和图2中看到的，排气产物24沉积在盖元件20上，而与电极端子16和汇流条18、19没有任何接触。由于盖元件20是电绝缘和热绝缘的，盖元件20下面的电极端子16和汇流条18、19以及任何其它带电部件不被影响。具体地，没有电弧或短路由于排气产物24的导电固体材料发生。电池外壳30的盖元件20和顶盖32因此形成排气通道以引导排气产物24朝向电池出口而没有接触到单元12及其带电部件。

如可以在图3中看到的，盖元件20包括两层复合材料26以及作为热反应材料的膨胀玻璃颗粒的中间层28，该复合材料具有织造织物和基体支撑材料(即具有树脂的玻璃纤维垫)。膨胀的玻璃颗粒对热失控期间发生的热量起反应为：它在暴露于排气产物24时熔化并且随后硬化以便与复合材料结合形成机械刚性盖板。因此，盖元件20对排气产物24起反应为：中间层28熔化并与两个玻璃垫层26结合，从而密封它们。因此，热反应材料具有比织造织物的熔点低的熔点。树脂27可以在排气过程期间溶解，从而使盖元件更加具有柔性。然而，盖元件20由于热反应材料保持尺寸稳定和密封，该热反应材料就在适当的位置以与玻璃纤维垫一起形成机械刚性的耐热盖板，以保护剩余部件免受热排气产物24的影响。因此，盖元件可以保持其适合于它所覆盖的部件(特别是电极端子和汇流条)的轮廓(即，三维形状)的形式。

盖元件20可以用作触摸保护。已知的触摸保护可以承受高达200℃的温度，这在电池系统的正常工作条件下是很好的。然而，在热失控的情况下，单元内部将升温，直到内部压力超过排气阀限制，并且温度超过1000℃的排气流将离开单元并很可能流向触摸保护。标准触摸保护无法承受这些温度。作为触摸保护，可以使用可承受高达1200℃温度的材料，例如云母(平板)或带有纤维碎片的模铸材料。然而，这些材料在暴露于排气产物时将不保持其形状。然而，对于本发明的盖元件(其包括具有树脂或其他基体支撑材料的玻璃垫与颗粒的夹层)，如上所述的盖元件机械上保持形状。

总之，利用本发明的电池系统，排放气体和灰尘被引导在盖元件和电池盖之间的中空空间内，从而防止剩余的单元或单元堆叠被排气产物(特别是灰尘和石墨颗粒)污染。盖元件使灰尘、石墨和金属件远离电池的带电部件，如电极端子和汇流条，从而防止电弧和短路。即使在升高的温度下，盖元件也在z方向上保持电绝缘和充分热绝缘。另外，形成为两个玻璃垫和一中间热反应物层的夹层结构的盖元件可以用作电池组的触摸保护。这两个玻璃垫在热失控期间承受热排气产物，而热反应材料在玻璃垫之间形成填充物，并且就在适当位置以用于防火。熔化的填充物与玻璃垫形成稳定的耐热盖板。另外，剩余的单元堆叠的热分离通过盖元件来实现，从而减慢热传播并降低整个电池组烧毁的风险。

参照标记

10电池系统

12电池单元

13模块

14横梁

15排气侧

16电极端子

17排气出口

18汇流条/连接装置

20盖元件

22排气开口

24排气产物

26复合材料层

27树脂

28中间层

30电池外壳

32顶盖

34底盖

36中空空间

T热失控

Claims (13)

1.一种用于电动车辆的电池系统(10)，包括多个电池单元(12)和包围所述电池单元(12)的电池外壳(30)，其中所述电池单元(12)经由接触所述电池单元(12)的电极端子(16)的电连接装置(18、19)而彼此互连，还包括电绝缘和热绝缘的盖元件(20)，其覆盖所述电极端子(16)和所述连接装置(18、19)使得所述电极端子(16)和连接装置(18、19)在热失控的情况下被保护以免受离开一个或更多个所述电池单元(12)朝向所述电池外壳(30)的排气产物(24)的影响。

2.根据权利要求1所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)适合于所述电极端子(16)和连接装置(18、19)的轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)完全覆盖电池单元(12)的包括所述电极端子(16)和连接装置(18、19)的排气侧。

4.根据权利要求1所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)包括排气装置(22)，其与所述电池单元(12)的排气出口对齐并且适于使得离开所述电池单元(12)的所述排气产物(24)穿过所述排气装置(22)进入所述电池外壳的排气通道。

5.根据权利要求4所述的电池系统(10)，其中所述排气装置(22)包括以下中的任一种：延伸穿过所述盖元件(20)的通孔(22)、排气阀、在所述排气产物(24)的压力下破裂的破裂膜。

6.根据权利要求1所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)抵抗至少1000℃和/或高达1200℃的温度。

7.根据权利要求1所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)包括具有织造织物和基体支撑材料的复合材料(26)。

8.根据权利要求7所述的电池系统(10)，其中所述织造织物包括玻璃纤维和/或玄武岩纤维。

9.根据权利要求7或8所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)包括热反应材料(28)，所述热反应材料(28)适于在暴露于所述排气产物时熔化并随后硬化从而与所述复合材料(26)结合形成机械刚性盖板。

10.根据权利要求9所述的电池系统(10)，其中所述热反应材料(28)具有比所述织造织物的熔点低的熔点。

11.根据权利要求9所述的电池系统(10)，其中所述热反应材料(28)包括玻璃颗粒。

12.根据权利要求9所述的电池系统(10)，其中所述盖元件(20)包括至少两层所述复合材料(26)和所述热反应材料(28)的中间层。

13.一种电动车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的电池系统(10)。

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