CN115117510A - 一种电池包及包括其的电动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池包及包括其的电动装置，所述电池包包括箱体，所述箱体内由下至上依次层叠设置有底层液冷板、电池模块和顶层液冷板，所述电池模块包括由下至上依次层叠的至少两层电池模组，相邻两层所述电池模组之间设置有中层液冷板。本发明设计的多层液冷板的热管理结构中，液冷板与电池模组的接触面积增加了一倍，可以在相同的进口流速下，提供更多的冷却液流道，流阻更低；在相同的流阻要求下，可以承受更大的进口流速需求，可以提高电池系统的结构稳定性。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，涉及一种电池包及包括其的电动装置。
背景技术
随着电动汽车的市场发展，在电动车领域中对电池的高续航、快速充电、大功率放电、寿命需要越来越高。为了满足市场的需求，电池系统需要满足大电量布局要求，支持快速充电的要求，支持高倍率放电的需求、电池系统内部具有良好的使用温度环境来提高电池使用过程中的性能和寿命。
电池系统通过提高系统体积密度来尽可能做高电量的设计来实现高续航的需求，为了满足快充快放的需求对电芯进行开发高性能的产品，目前HEV电芯可以实现30倍率的放电，BEV电芯可以实现1C-2C的充放电，但在快速充放电过程中电芯的产热无法得到有效的控制，需要施加热管理系统进行散热。
目前对于纯电动汽车而言，使用的散热方式主要是自然散热和液冷散热，还有使用风冷等方式，在风冷的基础上还开发了直冷的冷却方式。但仍无法满足市场的需求，市场需要20min甚至更短的时间能实现充电80％或充满。常规三元电池的充电倍率为0.5C-1C，充满电至少需要1h，而且三元电池快充时的产热较大，在市场应用中会出现持续使用时，电池系统内部温度达到使用的上限，影响汽车的使用和电芯的寿命。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种电池包及包括其的电动装置，本发明设计的电池包是在电池模组最大产热方向两侧布局液冷板，使模组散热更均匀，整体温差更小，可以达到快速散热的效果。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种电池包，所述电池包包括箱体，所述箱体内由下至上依次层叠设置有底层液冷板、电池模块和顶层液冷板，所述电池模块包括由下至上依次层叠的至少两层电池模组，相邻两层所述电池模组之间设置有中层液冷板。
本发明设计的电池包是在电池模组最大产热方向两侧布局液冷板，使模组散热更均匀，整体温差更小，可以达到快速散热的效果。考虑到目前高续航的需求，对电池包进行两层电池模组或多层电池模组布局时，电池包设计为三明治式的热管理结构，包括由下至上依次层叠的液冷板-电池模组-液冷板-电池模组……，中间的电池模组与其上下两层液冷板接触进行散热。本方案与现有的热管理方案相比，液冷板与电池模组的接触面积增加了一倍，即，当电池包中设置有N层电池模组时，本方案的散热接触面积为2N×S，而现有方案的散热面积为N×S(S为单层电池模组与液冷板的接触面积)。此外，本发明设计的多层液冷板的热管理结构可以在相同的进口流速下，提供更多的冷却液流道，流阻更低；在相同的流阻要求下，可以承受更大的进口流速需求。此外，多层液冷板的热管理结构可以提高电池系统的结构稳定性。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述箱体底部设有底板，所述底板与所述底层液冷板之间设置有保温层。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述保温层和所述底层液冷板由下至上依次层叠后固定于所述底板上。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述顶层液冷板与相邻的所述中层液冷板通过固定组件支撑固定。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述固定组件包括位于所述中层液冷板四角处的固定杆以及位于所述中层液冷板中线处的若干固定板，所述固定杆和所述固定板设置于所述顶层液冷板和所述中层液冷板之间。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述箱体内壁沿水平方向环绕设置有若干支撑件，所述中层液冷板的外缘固定于所述支撑件上。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述底板上设有纵梁，靠近所述底板的所述中层液冷板的底面与所述纵梁的顶面抵接固定，所述纵梁设置于所述底板和所述中层液冷板之间。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述箱体内还设置有液冷管，所述底层液冷板、中层液冷板和顶层液冷板分别并行接入所述液冷管。
作为本发明所述的电池包的优选技术方案，所述底层液冷板与相邻的所述电池模组之间、所述中层液冷板与相邻的所述电池模组之间以及所述顶层液冷板与相邻的所述电池模组之间均设置有导热层。
第二方面，本发明提供了一种电动装置，所述电动装置包括第一方面所述的电池包。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明设计的电池包是在电池模组最大产热方向两侧布局液冷板，使模组散热更均匀，整体温差更小，可以达到快速散热的效果。考虑到目前高续航的需求，对电池包进行两层电池模组或多层电池模组布局时，电池包设计为三明治式的热管理结构，包括由下至上依次层叠的液冷板-电池模组-液冷板-电池模组……，中间的电池模组与其上下两层液冷板接触进行散热。本方案与现有的热管理方案相比，液冷板与电池模组的接触面积增加了一倍，即，当电池包中设置有N层电池模组时，本方案的散热接触面积为2N×S，而现有方案的散热面积为N×S(S为单层电池模组与液冷板的接触面积)。此外，本发明设计的多层液冷板的热管理结构可以在相同的进口流速下，提供更多的冷却液流道，流阻更低；在相同的流阻要求下，可以承受更大的进口流速需求。此外，多层液冷板的热管理结构可以提高电池系统的结构稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的电池包的爆炸图；
图2为本发明实施例1提供的电池包的爆炸图；
其中，1-箱体；2-底层液冷板；3-液冷管；4-顶层液冷板；5-固定杆；6-固定板；7-第一电池模组；8-中层液冷板；9-第二电池模组；10-导热层；11-保温层。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，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，实施例的内容不构成对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。
随着社会经济的快速发展，电动车越来越受到消费者的青睐。电动车以电池包作为能量来源，因此，电池包的使用状况直接决定着电动车的行车安全。当电池包内的电池模组温度过高或充电电压过高时，会引起很多潜在的放热副作用，而这些热量如果得不到散发，就会引起电池温度急促上升，热失控迅速蔓延，从而形成较大的安全隐患。因此，如何控制和延缓电池包的热失控的蔓延速度，已成为当下亟待解决的问题。
至少为了解决上述问题，本发明在一个实施例中提供了一种电池包，所述电池包包括箱体1，所述箱体1内由下至上依次层叠设置有底层液冷板2、电池模块和顶层液冷板4，所述电池模块包括由下至上依次层叠的至少两层电池模组，相邻两层所述电池模组之间设置有中层液冷板8。
本发明设计的电池包是在电池模组最大产热方向两侧布局液冷板，使模组散热更均匀，整体温差更小，可以达到快速散热的效果。考虑到目前高续航的需求，对电池包进行两层电池模组或多层电池模组布局时，电池包设计为三明治式的热管理结构，包括由下至上依次层叠的液冷板-电池模组-液冷板-电池模组……，中间的电池模组与其上下两层液冷板接触进行散热。本方案与现有的热管理方案相比，液冷板与电池模组的接触面积增加了一倍，即，当电池包中设置有N层电池模组时，本方案的散热接触面积为2N×S，而现有方案的散热面积为N×S(S为单层电池模组与液冷板的接触面积)。此外，本发明设计的多层液冷板的热管理结构可以在相同的进口流速下，提供更多的冷却液流道，流阻更低；在相同的流阻要求下，可以承受更大的进口流速需求。此外，多层液冷板的热管理结构可以提高电池系统的结构稳定性。
需要说明的是，本发明对液冷板的结构不作具体要求和特殊限定，现有技术中已公开或新技术中未公开的液冷板及与之相似功能的其他冷却散热结构均可用于本发明中。示例性地，本发明提供了一种可选的液冷板的具体结构：液冷板内形成有蛇形的水冷流道，液冷板上设置有进口接头和出口接头。液冷板的至少一侧设置有缓冲层，因此液冷板对电池模组进行冷却或加热的同时，缓冲层可以吸收冲击能量。
需要说明的是，本发明对箱体1内电池模组的内部结构不作具体要求和特殊限定，本发明中，电池模组采用横放的布置方式，即多个电池模组沿箱体1高度方向叠放，由此可以通过调节电池模组的叠放厚度及叠放层数来适应性的调整电池包的高度要求。本发明中每一电池模组可选地包括2～4个串联连接的单体电芯，单体电芯之间可以通过正负极耳焊接或铆接实现电性串联，通过单体电芯串联的方式来提高电池模组的厚度，从而显著提高电池包的空间利用率和电池容量，但串联连接的单体电芯个数过会导致整个电池模组过厚，进而导致电池模组发热量提升，不利于电池包散热，因此需要控制单体电芯的串联个数为2～4个，使电池包具有较高的空间利用率和电池容量的同时，还能将电池包的发热量控制在一定范围内。电池模组的长度由单体电芯决定，每个电池模组中的单体电芯由多个极片形成，极片越长其成品率越低且单位厚度下的电池模组越软，并且增加极片长度后还会显著提高极片叠放的工艺难度，因此单个电池模组的长度不宜过长，本发明中通过控制电池模组的长度范围可以进一步确保单体电芯具有适宜的强度。
在一个实施例中，所述箱体1底部设有底板，所述底板与所述底层液冷板2之间设置有保温层11。
在本发明中，液冷板与箱体1底面之间设置有保温层11，保温层11一方面发挥保温隔热的作用，另一方面，当箱体1底板受到冲击发生形变时，保温层11可以起到缓冲作用，可以对底层液冷板2起到防护支撑作用，削弱外接冲击对液冷板的影响。
可选地，本发明中的保温层11采用气凝胶材料，气凝胶具有优秀的隔热保温性能。气凝胶的热导率比相应的玻璃态材料低2～3个数量级。通过掺杂不同的物质，可进一步降低气凝胶的辐射热传导并赋予气凝胶不同的理化特性，例如，在常温常压下，掺入碳元素后，气凝胶在常温常压下的热导率可低至0.013w/m，是热导率最低的固态材料。掺入二氧化钛后，气凝胶在800K下的热导率仅为0.03w/m。此外，气凝胶具有良好的耐高温性能和化学稳定性，可以承受1400℃的高温，同时，气凝胶是目前已知的最轻固体，密度仅有3.55kg/cm3，使用在电池包内不会对电池包的重量产生较大影响。因此，本发明优选采用气凝胶材料制备保温层11，能够进一步降低换热效率，达到更好的保温隔热效果。
在一个实施例中，所述保温层11和所述底层液冷板2由下至上依次层叠后固定于所述底板上。
在一个实施例中，所述顶层液冷板4与相邻的所述中层液冷板8通过固定组件支撑固定。
本发明通过设置固定组件将多层液冷板之间连接成一个整体，可以提高电池系统的结构稳定性。
在一个实施例中，所述固定组件包括位于所述中层液冷板8四角处的固定杆5以及位于所述中层液冷板8中线处的若干固定板6，所述固定杆5和所述固定板6设置于所述顶层液冷板4和所述中层液冷板8之间。
在一个实施例中，所述箱体1内壁沿水平方向环绕设置有若干支撑件，所述中层液冷板8的外缘固定于所述支撑件上。
本发明在箱体1内壁上设置支撑件，将箱体1底面、箱体1侧壁、支撑件和液冷板搭建成一体结构，使得箱体1底面在受到向上的集中荷载时，该集中荷载能够通过不同高度的支撑件传递至不同的液冷板，共同承担该集中荷载，从而提高电池包的抗击能力。此外，由于箱体1底面、箱体1侧壁和支撑件固定连接，在各连接处为固定约束，在受到向上的作用力时，由于存在多个固定约束而限制了箱体1底面向上弯曲的形变量。
在一个实施例中，所述底板上设有纵梁，靠近所述底板的所述中层液冷板8的底面与所述纵梁的顶面抵接固定，所述纵梁设置于所述底板和所述中层液冷板8之间。
在本发明中，中层液冷板8仅通过纵梁固接于箱体1内，通过纵梁对忠诚液冷板的中部区域进行支撑固定，配合位于箱体1内壁的支撑件，可以对液冷板进行全方位的支撑固定，而且纵梁和支撑件还能够有效传递外接冲击，阻止箱体1变形，提升了电池包的整体结构强度，安全性得到了提升；此外，也省去了传统电池包内众多横梁和纵梁，大大节省了箱体1内部空间，提高了电池包的空间利用率，以适应安装面积更小的应用场景。
在一个实施例中，所述箱体1内还设置有液冷管3，所述底层液冷板2、中层液冷板8和顶层液冷板4分别并行接入所述液冷管3。
在本发明中，底层液冷板2、中层液冷板8和顶层液冷板4并联设置，底层液冷板2、中层液冷板8和顶层液冷板4的一端接入液冷管3，另一端连接换热装置。底层液冷板2、中层液冷板8和顶层液冷板4均包括进液口、出液口以及介质流道，介质流道两端口分别为进液口和出液口，进液口连接液冷管3，液冷管3的进口端接入水箱，液冷管3上还设置有控制阀和输送泵，控制阀控制液冷管3内的冷却液流量，当电池模组发热量过大时，可通过调节控制阀提高冷却液流量，降低电池模组的温度，提高散热效率。此外，控制阀还可以控制进入不同液冷板的冷却液流量，针对不同电池模组的发热量单独控制相应液冷板内的冷却液流量。各层液冷板的出液口连接换热装置，冷却液由进液口流入液冷板，经过介质流道从出液口流出后进入换热装置进行换热降温。优选地，液冷板的进液口和出液口设置在液冷板的同一侧，这样可以尽可能地延长介质流道的长度，进而增大散热面积，提高散热效率。
在使用过程中，当电池模组内的单体电芯温度过高时，冷却液在输送泵作用下从水箱内流出，顺着液冷管3流入相应的液冷板，并通过液冷板与电池模组进行热交换，将电池模组中的热量传导至所液冷板内的冷却液，常温或低温的冷却液换热后温度升高得到高温冷却液，高温冷却液由出液口流入换热装置，在换热装置内进行换热后降温又变成常温或低温的冷却液，再流入水箱内实现了冷却液的循环。
在一个实施例中，所述底层液冷板2与相邻的所述电池模组之间、所述中层液冷板8与相邻的所述电池模组之间以及所述顶层液冷板4与相邻的所述电池模组之间均设置有导热层10。
在本发明中，上下相邻的两个电池模组可以共用一个液冷板，导热层10、电池模组和液冷板直接接触，可以将电池模组的热量直接传递至液冷板并导出，从而针对每一个电池模组进行独立的冷却降温，有效地从电池模组的内部将热量吸收，并将热量通过各层液冷板内的冷液流道及时传导出电池模组。让电池模组中的电芯在工作过程中的温度能够均匀分布，有效地改善电池模组的使用条件，延长电池模组的使用寿命。尤其在发生热失控后，更能快速地将电池模组中的热量带走，进而延缓整个电池包的热失控，不仅导热效率高且电池内部结构简单、组装难度小，还能更好地适应电池系统高度降低的需求。此外，通过设置导热层10和液冷板将各电池模组之间进行分隔，以有效减少各电池模组之间的热量传递。一旦某个单个电池模组温度过高发生火灾，能够有效减缓火焰或热量传递到相邻的电池模组，防止危害扩散的同时，增加了危害发生的应急应对时间。
本发明在另一个实施例中提供一种电动装置，所述电动装置包括上述实施例提供的电池包。
本发明中，电池包内由上至下层叠设置有至少两层电池模组，通过增加电池模组的层叠数量可扩展电池包高度方向上的容量，充分利用箱体1高度方向的内部空间，保证电池包结构能够适用于车底空间较高的乘用车，亦可适配于比乘用车空间更大、更立体的商用车、特种车等大型车，使用场景更广泛、实用性更高。
实施例
本实施例提供了一种电池包，所述电池包包括箱体1，所述箱体1底部设有底板，如图1和图2所示，所述箱体1内部由下至上依次层叠设置有保温层11、底层液冷板2、底层导热层、第一电池模组7、第一中间导热层、中层液冷板8、第二中间导热层10、第二电池模组9、顶层导热层和顶层液冷板4。
保温层11和底层液冷板2固定于箱体1的底板上。箱体1内壁周向设置有若干支撑件，中层液冷板8的外缘固定于支撑件上，底板上设有纵梁，中层液冷板8的底面与纵梁的顶面抵接固定，纵梁设置于所述底板和所述中层液冷板8之间。中层液冷板8四角处设置有固定杆5，中层液冷板8的中线处设置有一排固定板6，所述固定杆5和所述固定板6设置于所述顶层液冷板4和所述中层液冷板8之间。底层液冷板2、中层液冷板8和顶层液冷板4分别并行接入液冷管3。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种电池包，其特征在于，所述电池包包括箱体，所述箱体内由下至上依次层叠设置有底层液冷板、电池模块和顶层液冷板，所述电池模块包括由下至上依次层叠的至少两层电池模组，相邻两层所述电池模组之间设置有中层液冷板。
2.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述箱体底部设有底板，所述底板与所述底层液冷板之间设置有保温层。
3.根据权利要求2所述的电池包，其特征在于，所述保温层和所述底层液冷板由下至上依次层叠后固定于所述底板上。
4.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述顶层液冷板与相邻的所述中层液冷板通过固定组件支撑固定。
5.根据权利要求4所述的电池包，其特征在于，所述固定组件包括位于所述中层液冷板四角处的固定杆以及位于所述中层液冷板中线处的若干固定板，所述固定杆和所述固定板设置于所述顶层液冷板和所述中层液冷板之间。
6.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述箱体内壁沿水平方向环绕设置有若干支撑件，所述中层液冷板的外缘固定于所述支撑件上。
7.根据权利要求2所述的电池包，其特征在于，所述底板上设有纵梁，靠近所述底板的所述中层液冷板的底面与所述纵梁的顶面抵接固定，所述纵梁设置于所述底板和所述中层液冷板之间。
8.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述箱体内还设置有液冷管，所述底层液冷板、中层液冷板和顶层液冷板分别并行接入所述液冷管。
9.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，所述底层液冷板与相邻的所述电池模组之间、所述中层液冷板与相邻的所述电池模组之间以及所述顶层液冷板与相邻的所述电池模组之间均设置有导热层。
10.一种电动装置，其特征在于，所述电动装置包括权利要求1-9任一项所述的电池包。
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