CN115275473A - 一种电动汽车轻量化固态电池箱体及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于新能源汽车技术领域的一种电动汽车轻量化固态电池系统。该电动汽车轻量化固态电池系统是基于泡沫铝材料和固态电芯的动力电池系统，包含泡沫铝电池箱体、上盖、液冷板、固态电池模组、固态电芯、高电压组件、电池管理系统(BMS)组件；其电池箱体为长方体，由底护板、液冷板、1#‑4#边框、横梁、纵梁及密封圈组成；横梁和纵梁将电池箱体内框划分为放置固态电池模块的能源区、放置高电压组件区和放置BMS组件的三个区。本发明电动汽车轻量化固态电池系统集固态电芯和泡沫铝的优势，不仅能实现电池系统轻量化，而且开孔泡沫铝组件有利于电池系统的散热，提升电池系统的电、热和机械等综合安全性能。

Description

一种电动汽车轻量化固态电池箱体及系统
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域，特别涉及一种电动汽车轻量化固态电池箱体及系统。
背景技术
为应对日益严重的燃油供需矛盾和环境污染问题，汽车产业电动化转型已成为主要路径。解决电动汽车痛点是大规模推广电动汽车的先决条件。根据电动车辆国家工程实验室数据统计，电动汽车出现安全事故61％由电池问题导致。主要原因有两类，一是电芯反应界面物质存在缺陷，由内短路引起电池系统热扩散，二是电池箱体受到外力挤压导致电芯异常后无法及时探测及维护，从而导致事故的发生。安全问题已成为制约电动汽车快速发展的关键因素，解决安全问题迫在眉睫。
相比燃油车，电动汽车的常温续航已经能够满足使用需求，需要继续在不增加能耗的基础上提高续驶里程，对电池系统的能量密度和集成效率提出较高的要求。影响电动汽车续航关键指标之一的电池系统能量密度和整车能耗与动力电池系统的轻量化相关，电池系统的轻量化日益受到重视。
锂离子电池在工作过程由于欧姆热、极化热的存在，因此存在产热的问题，特别是在大电流充放电的过程中，产热现象更为明显。这些热量如果不能及时扩散，堆积在电池内部一方面会造成电池界面副反应的速度增加，另一方面热量过度积累可能会引起电池热失控，因此高效的散热措施是动力电池系统设计必须要考虑的问题。
固态锂电池技术的出现极有希望解决目前液态锂离子电池的痛点，其在提升电池能量密度、拓宽工作温度区间、提升安全性等方面拥有较大空间：①固态锂电池使用固态电解质代替液态电解液，通过采用高容量(1000mA·h/g)或高压(5V)的正极材料和最佳负极材料(锂金属)的固态电池有望获得高的能量密度(＞500W·h/kg，＞700W·h/L)和功率密度(＞10kW/kg)；②固态锂电池电解质不同于液态锂电池的电解液和隔膜，热稳定性显著提升，由此提升了固态锂电池的高温环境适应性，减少辅助散热机构冗余，简化系统设计的同时进一步提升能量密度；③所采用的固态电解质材质不泄漏、不燃烧，在热失控的触发机制中可以提供本质安全，解决了锂电池安全性问题。因此，固态锂电池将是平衡比能量、安全性及性能的较优解决方案。
电池系统中最重的是能源模块，其次是电池下箱体和上盖。电池系统轻量化的解决方案主要从以下三个方面进行：提升电芯能量密度、开发轻量化电池箱体，以及创新集成方式来提升电芯到电池系统的空间利用率。电池箱体轻量化材料的选用趋势，就是比强度、比刚度不断提升的趋势，将轻质吸能效果明显的泡沫铝材料应用于电池箱体是减重和提升机械防护的有效手段。
泡沫金属材料可以看做是一种由纯金属或者合金基体与气相复合而成的固气复合材料，相比于传统的实体金属材料，由于其内部存在大量的孔洞结构，同时兼有金属和气泡特征，使得泡沫金属获得了许多独特的优良性能。泡沫金属的表观密度非常低，具有质轻、高的比强度和比刚度等特点。因此，泡沫金属特别是泡沫铝非常适合于在一些对质量比较敏感的领域作为轻质结构件使用。
其中，开孔泡沫金属是一种低密度的多孔介质，比表面积大，流体流过时与流动方向相垂直的孔棱可将边界层隔断强化流体湍动，且能提高温度分布的均匀性。
而闭孔泡沫金属则具有优异的能量吸收性能。当泡沫金属在受到压力的作用时，压力超过其屈服极限后，泡沫金属便进入塑性变形阶段，此阶段的最大特点就是应力基本不变，应变不断增加，体现在应力应变曲线上就是一个较长的应力平台区，通常情况下应变可以达到60％左右。正是由于这样一个较长的应力平台区间，泡沫金属可在压缩过程中吸收大量的能量，具有良好的缓冲和吸能特性。
闭孔泡沫金属还具有优异的防火性能，例如泡沫铝的防火级别可以达到A1级。虽然纯铝的熔点仅为660℃，但泡沫铝可以在1000℃下燃烧30min不变形。其主要原因是在大量的孔壁结构上的致密的氧化层和泡壁间大量分布的金属间化合物，阻止了热量的传递，从而达到防火的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述电动汽车轻量化固态电池系统是基于泡沫铝材料和固态电芯的动力电池系统，包含泡沫铝电池箱体、上盖、液冷板、固态电池模组、固态电芯、固态电解质、高电压组件、电池管理系统(BMS)组件；
所述电池箱体为长方体，包含边框、底护板、液冷板、横梁、纵梁、密封圈，其中，边框由1#-4#边框组成，1#边框和3#边框为相互平行的长边，2#边框和4#边框为相互平行的短边；2#边框的两端分别连接在1#边框和3#边框的一端，4#边框的两端分别连接在1#边框和3#边框的另一端，组成长方形框的电池箱体；然后电池箱体内框根据固态电芯模块种类划分或不划分区域；所述划分区域是用横梁和纵梁将电池箱体内框划分为能源区、高电压组件区域、BMS组件区域；其中，能源区域内放置固态电池模块；高电压组件区域和BMS组件区域分别在长方形框的两边或同在一个区域内。
所述能源区域内放置固态电池模块；所述高电压组件区域和BMS组件区域分别在长方形框的两边即左边放置高电压组件，右边放置BMS组件。
所述电池系统上盖选择钣金、铝合金、铝镁合金、纤维增强塑料、碳纤维或SMC(片状模塑料)复合材料。
所述固态电池模块是用软包固态电芯组成的标准模组或大模组、方形固态电芯CTP模块以及刀片固态电芯模块中的任意一种；所述固态电芯包括半固态、准固态或全固态。
所述方形固态电芯CTP模块由方形固态电芯、端板组成，方形固态电芯、端板与液冷板采用结构导热胶形式连接；其中端板由开孔泡沫铝三明治复合材料组成。
所述软包固态电芯大模组与液冷板采用结构导热胶连接；其U型外壳与顶盖由开孔泡沫铝三明治复合材料组成。
所述刀片固态电芯、端板与液冷板采用结构导热胶连接，该刀片固态电芯成组后的端板采用开孔泡沫铝三明治复合材料。
所述开孔泡沫铝三明治复合板由开孔泡沫铝内芯、与电芯接触的铝板和外板组成；其外板为铝板、纤维塑料板或气凝胶；所述开孔泡沫铝三明治复合板选择用螺钉、铆接、钎焊、激光束焊接或胶粘进行连接。
所述电池箱体框架由1#～4#边框、横梁、纵梁由铝合金挤压或焊接型材拼接而成；采用胶粘、螺接、铆接、搅拌摩擦焊和激光焊之一种或多种形式连接。
所述电池箱体的边框、上盖板和底护板由泡沫铝复合材料组成；所述电池箱体的边框和底护板、边框和上盖通过铆接、螺接、流钻或胶粘方式连接；在边框和上盖内表面采用气凝胶薄膜或者气凝胶涂料做隔热、保温层，所述气凝胶材质为碳基或硅基。
所述固态电池模组与液冷板通过胶粘、螺接、铆接、钎焊或激光束焊接方式连接。
所述泡沫铝复合材料包含三明治泡沫铝复合板、填充泡沫铝的铝型材，泡沫铝厚度1-20mm，泡沫铝密度0.1-1.0g/cm3，泡沫铝与铝板或者铝型材的连接方式采用胶粘、间隙配合填充、螺钉、铆接、钎焊、激光束焊的方式连接；所述三明治泡沫铝复合板的外板为铝板、铝合金板、镁合金板、钢板或纤维增强塑料板。
所述边框是填充有泡沫铝的铝型材结构，其填充的泡沫铝的方式有外加填充法或原位制备法；所述外加填充法具体采用机械结合、胶粘结合、激光钎焊、自蔓延高温合成法或先进孔形态泡沫铝小球填充法；所述原位制备法具体采用粉末冶金原位发泡法、摩擦搅拌结合粉末冶金发泡法或原位添加造孔剂法。
所述散热形式除液冷方式外，还采用在泡沫铝中填充相变材料，实现电池系统的高效散热；所述相变材料包括石蜡、多元醇类或脂肪酸类的相变材料，所述泡沫铝可以是开孔或者闭孔泡沫铝。
所述固态电芯正极包含磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、富锂锰基正极材料或高电压镍锰正极材料的一种或几种。
所述固态电芯负极采用人造石墨、天然石墨、软碳、硬碳、锂金属、锂金属复合材料、Ag-C负极、纳米硅碳和氧化亚硅复合石墨的一种或几种。
所述固态电芯固态电解质采用硫化物、氧化物、聚合物、以及氧化物-聚合物复合固态电解质或硫化物-聚合物复合固态电解质。
本发明的有益效果是本发明提出的基于泡沫铝材料和固态电芯的动力电池系统，既可以提升动力电池系统的外部机械安全防护性能、降低重量、又可以提升内部散热性能，提高能量密度、且电芯具备本征安全的固态电池箱体及系统，从而整体上提高电动汽车电池系统的安全性，避免其在碰撞或恶劣工况下发生热失控并导致起火燃烧的事故，为电池和乘员的安全提供了有力的保证。
附图说明
图1为双纵梁方形固态电芯CTP电池系统俯视图
图2为方形固态电芯CTP电池系统去盖立体示意图；
图3为固态电芯CTP电池系统的零部件示意图，其中，(a)为固态电芯及端板模块结构示意图，(b)横梁与纵梁连接结构示意图，(c)底板及上盖形状示意图；
图4为单纵梁方形固态电芯CTP电池系统俯视图；
图5为软包固态电芯大模组电池系统俯视图；
图6为刀片固态电芯模块电池系统俯视图；
图7为轻量化固态电池系统局部截面示意图；
图8为填充相变材料的泡沫铝底护板截面示意图。
具体实施方式
本发明提供一种电动汽车轻量化固态电池系统，所述电动汽车轻量化固态电池系统是基于泡沫铝材料和固态电芯的动力电池系统，包含泡沫铝电池箱体、上盖、液冷板、固态电池模组、固态电芯、固态电解质、高电压组件、电池管理系统(BMS)组件；下面结合附图和具体实施例进一步说明。
如图1所示为双纵梁方形固态电芯CTP电池系统俯视图，图2所示为方形固态电芯CTP电池系统去盖立体示意图；图4所示为单纵梁方形固态电芯CTP电池系统俯视图。图中所示，电池箱体为长方体，包含边框1、底护板5、液冷板、横梁3、纵梁2、密封圈，其中，边框1由1#-4#边框组成，1#边框和3#边框为相互平行的长边，2#边框和4#边框为相互平行的短边；2#边框的两端分别连接在1#边框和3#边框的一端，4#边框的两端分别连接在1#边框和3#边框的另一端，组成长方形框的电池箱体；然后电池箱体内框根据固态电芯模块种类划分或不划分区域；所述划分区域是用横梁和纵梁(如图3中(b)所示)将电池箱体内框划分为能源区、高电压组件区域、BMS组件区域；其中，能源区域内放置固态电池模块；高电压组件区域和BMS组件区域分别在长方形框的两边或同在一个区域内；左边放置高电压组件，右边放置BMS组件。
所述电池系统上盖(如图3中(c)底板及上盖形状示意图所示)选择钣金、铝合金、铝镁合金、纤维增强塑料、碳纤维或SMC(片状模塑料)复合材料。
所述固态电池模块是用软包固态电芯组成的标准模组或大模组(如图5所示)、方形固态电芯CTP模块(如图1、图4所示)以及刀片固态电芯模块(如图6所示)中的任意一种；所述固态电芯包括半固态、准固态或全固态。
所述方形固态电芯CTP模块由方形固态电芯、端板组成(如图3中(a)所示，方形固态电芯、端板与液冷板采用结构导热胶形式连接；其中端板由开孔泡沫铝三明治复合材料组成。
所述软包固态电芯大模组与液冷板采用结构导热胶连接；其U型外壳与顶盖由开孔泡沫铝三明治复合材料组成。
所述刀片固态电芯、端板与液冷板采用结构导热胶连接，该刀片固态电芯成组后的端板采用开孔泡沫铝三明治复合材料。
所述开孔泡沫铝三明治复合板由开孔泡沫铝内芯、与电芯接触的铝板和外板组成；其外板为铝板、纤维塑料板或气凝胶；所述开孔泡沫铝三明治复合板选择用螺钉、铆接、钎焊、激光束焊接或胶粘进行连接。
所述电池箱体框架由1～4#边框、横梁、纵梁由铝合金挤压或焊接型材拼接而成；采用胶粘、螺接、铆接、搅拌摩擦焊和激光焊之一种或多种形式连接。
如图7所示为轻量化固态电池系统局部截面示意图；
所述电池箱体的边框和底护板由泡沫铝复合材料组成；所述电池箱体的边框和底护板、边框和上盖通过铆接、螺接、流钻或胶粘方式连接；在边框和上盖内表面采用气凝胶薄膜或者气凝胶涂料做隔热、保温层，所述气凝胶材质为碳基或硅基。
所述固态电池模组与液冷板通过胶粘、螺接、铆接、钎焊或激光束焊接方式连接。
所述泡沫铝复合材料包含三明治泡沫铝复合板、填充泡沫铝的铝型材，泡沫铝厚度1-20mm，泡沫铝密度0.1-1.0g/cm3，泡沫铝与铝板或者铝型材的连接方式采用胶粘、间隙配合填充、螺钉、铆接、钎焊、激光束焊的方式连接；所述三明治泡沫铝复合板的外板可以是铝板、铝合金板、镁合金板、钢板或纤维增强塑料板。
所述边框是填充有泡沫铝的铝型材结构，其填充的泡沫铝的方式有外加填充法或原位制备法；所述外加填充法具体采用机械结合、胶粘结合、激光钎焊、自蔓延高温合成法或先进孔形态泡沫铝小球填充法；所述原位制备法具体采用粉末冶金原位发泡法、摩擦搅拌结合粉末冶金发泡法或原位添加造孔剂法。
如图8所示为填充相变材料的泡沫铝底护板截面示意图。所述散热形式除液冷方式外，还采用在泡沫铝中填充包括石蜡、多元醇类或脂肪酸类的相变材料，实现电池系统的高效散热，泡沫铝可以是开孔或者闭孔泡沫铝。在泡沫铝中浸入相变材料，可以有效地对电池系统进行散热，同时可以避免液冷板冷却液泄露的安全风险。
所述固态电芯正极包含磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、富锂锰基正极材料或高电压镍锰正极材料的一种或几种。
所述固态电芯负极包含人造石墨、天然石墨、软碳、硬碳、锂金属、锂金属复合材料、Ag-C负极、纳米硅碳和氧化亚硅复合石墨的一种或几种。
所述固态电芯固态电解质包含硫化物、氧化物、聚合物、以及氧化物-聚合物复合固态电解质、硫化物-聚合物复合固态电解质。
综上所述，本发明开发的一种电动汽车轻量化固态电池系统，集固态电芯和泡沫铝的优势，不仅可以实现电池系统轻量化(如图7所示)，而且提升电池系统的电、热和机械等综合安全性能，同时开孔泡沫铝组件有利于电池系统的散热。
具体特点如下：
1.降低重量
轻量化材料泡沫铝的使用在有效提高箱体结构吸能性能的前提下降低了电池系统的整体重量。
2.具有良好的抗冲击性能
底部安装的三明治泡沫铝板能够有效抵抗外界的机械破坏，在遭受冲击时吸收大量的能量，边框填充的泡沫铝能够有效的提高能量的吸收。当动力电池系统受到外力撞击时，箱体会在冲击力作用下发生变形，相比于传统箱体，在箱体边框内填充有闭孔泡沫铝芯材后可在外力保持不变的状态下吸收更大的冲击能量，在碰撞冲击中起到防护作用。此外，软包固态电芯大模组的外壳、方形固态电芯CTP模块和刀片固态电芯模块的端板也填充有开孔泡沫铝内芯，虽然其主要功能是固定固态电芯和散发电芯充放电过程的产热，但是在碰撞发生时，它也能起到很好的缓冲吸能作用，从而进一步提高动力电池系统底部球击和侧柱碰撞的抗冲击性能。
3.具有良好的散热效果
采用“液冷/泡沫铝-相变材料”与“开孔泡沫铝端板及外壳”的结构设计，电池系统具有良好的散热效果。电池系统内的固态电芯充放电产生热量后，由于固态电芯模块的端板和外壳的内壁板为导热性能优异的铝，因此电池首先以热传导的方式将热量传递给三明治复合板，并且开孔泡沫铝胞壁表面积增加了单位体积的热量传递量，此外，由于流场域胞壁的存在，从而对散热温度的均匀性进行控制，三明治复合板温度降低后在温差作用下，单体继续向三明治复合板传递热量，依次循环实现对电池的冷却。
此外，通过调节开孔泡沫铝的渗透率和孔隙度也可以实现电池在散热过程中对最高温度以及温度均匀性的控制。
4.具有良好的保温性能
在电池系统的边框和上盖内表面采用碳基或者硅基气凝胶薄膜或者气凝胶涂料做隔热(保温)层，提升低温环境下电池系统的保温性能。

Claims (13)

1.一种电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述电动汽车轻量化固态电池系统是基于泡沫铝材料和固态电芯的动力电池系统，包含泡沫铝电池箱体、上盖、液冷板、固态电池模组、固态电芯、高电压组件、电池管理系统(BMS)组件；
所述电池箱体为长方体，包含底护板、液冷板、1#-4#边框、横梁、纵梁、密封圈，其中，1#边框和3#边框为相互平行的长边，2#边框和4#边框为相互平行的短边，其中2#边框的两端分别连接在1#边框和3#边框的一端，4#边框的两端分别连接在1#边框和3#边框的另一端，组成长方形框的电池箱体，然后根据固态电芯模块种类划分或不划分区域；所述划分区域是用横梁和纵梁将电池箱体内框划分为能源区、高电压组件区域、BMS组件区域；其中，能源区域内放置固态电池模块；高电压组件区域和BMS组件区域分别在长方形框的两边或同在一个区域内。
2.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述电池系统上盖选择钣金、铝合金、铝镁合金、纤维增强塑料、碳纤维或SMC(片状模塑料)复合材料。
3.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述固态电池模块是用软包固态电芯组成的标准模组或大模组、方形固态电芯CTP模块以及刀片固态电芯模块中的任意一种；所述固态电芯包括半固态电芯、准固态电芯或全固态电芯；所述固态电池模组与液冷板通过胶粘、螺接、铆接、钎焊或激光束焊接方式连接。
4.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述方形固态电芯CTP模块由方形固态电芯、端板组成，方形固态电芯、端板与液冷板采用结构导热胶形式连接；其中端板由开孔泡沫铝三明治复合材料组成。
5.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述软包固态电芯大模组与液冷板采用结构导热胶连接；其U型外壳与顶盖由开孔泡沫铝三明治复合材料组成。
6.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述刀片固态电芯、端板与液冷板采用结构导热胶连接，该刀片固态电芯成组后的端板采用开孔泡沫铝三明治复合材料。
7.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述开孔泡沫铝三明治复合板由开孔泡沫铝内芯、与电芯接触的铝板和外板组成；其外板为铝板、纤维塑料板或气凝胶；所述开孔泡沫铝三明治复合板选择用螺钉、铆接、钎焊、激光束焊接或胶粘进行连接。
8.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述电池箱体的1#～4#边框、横梁、纵梁由铝合金挤压或焊接型材拼接而成；采用胶粘、螺接、铆接、搅拌摩擦焊和激光焊之一种或多种方式连接；所述电池箱体的边框和底护板由泡沫铝复合材料组成；所述电池箱体的边框和底护板、边框和上盖通过铆接、螺接、流钻或胶粘方式连接；在边框和上盖内表面采用气凝胶薄膜或者气凝胶涂料做隔热、保温层；所述气凝胶材质为碳基或硅基。
9.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述泡沫铝复合材料包含三明治泡沫铝复合板、填充泡沫铝的铝型材，泡沫铝厚度1-20mm，泡沫铝密度0.1-1.0g/cm3，泡沫铝与铝板或者铝型材的连接方式采用胶粘、间隙配合填充、螺钉、铆接、钎焊、激光束焊的方式连接；所述三明治泡沫铝复合板的外板可以是铝板、铝合金板、镁合金板、钢板或纤维增强塑料板。
10.根据权利要求9所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述边框是填充有泡沫铝的铝型材结构，其填充的泡沫铝的方式有外加填充法或原位制备法；所述外加填充法具体采用机械结合、胶粘结合、激光钎焊、自蔓延高温合成法或先进孔形态泡沫铝小球填充法；所述原位制备法具体采用粉末冶金原位发泡法、摩擦搅拌结合粉末冶金发泡法或原位添加造孔剂法。
11.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述电池系统的散热形式除液冷方式外，还可以采用在泡沫铝中填充包括石蜡、多元醇类或脂肪酸类的相变材料，实现电池系统的高效散热，泡沫铝可以是开孔或者闭孔泡沫铝。
12.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述固态电芯的正极包含磷酸铁锂、磷酸锰铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料、富锂锰基正极材料或高电压镍锰正极材料的一种或几种；所述固态电芯的负极包含人造石墨、天然石墨、软碳、硬碳、锂金属、锂金属复合材料、Ag-C负极、纳米硅碳和氧化亚硅复合石墨的一种或几种。
13.根据权利要求1所述的电动汽车轻量化固态电池系统，其特征在于，所述固态电芯的固态电解质包含硫化物、氧化物、聚合物、以及氧化物-聚合物复合固态电解质、硫化物-聚合物复合固态电解质。
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