CN115315845A

CN115315845A - 电池盒结构

Info

Publication number: CN115315845A
Application number: CN202180021895.5A
Authority: CN
Inventors: K·萨瓦尼; P·R·恩; D·艾思哲
Original assignee: TVS Motor Co Ltd
Current assignee: TVS Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2021-03-14
Publication date: 2022-11-08
Also published as: WO2021191921A1

Abstract

本发明涉及一种电池盒结构(100)，其中所述电池盒结构(100)包括设置在所述电池盒结构(100)内部的电池模块(205)、四个壁(105)、锁定机构(104)以及设置在盖子(103)上且设置在一个或多个壁(105b、105d)上的一个或多个通气孔(102)。此外，在所述电池盒结构内部，所述电池盒结构被分成隔间，其中一个隔间包括锂离子电池(201)并且另一个隔间包括铅酸电池(203)，电池管理系统设置在这两个电池之间的隔间中，以控制电力传输。此外，所述电池模块由存在于所述电池盒结构中的相变材料封闭，并且此外，灭火器材料在所述相变材料之后设置在所述电池盒结构内部，其中所述灭火器抑制所述电池模块中的火。

Description

电池盒结构

技术领域

本主题涉及电池组。更特别地，本主题涉及堆叠有多个单元电池的电池组。

背景技术

基本上，与不能再充电的一次性电池不同，可充电电池可以充电或放电。通常，只有一个电池单体被封装成电池组形状的低容量电池可以用作各种小型便携式电子设备(如移动电话等)的电源。在其中若干电池串联或并联连接的高容量电池的情况下，高容量电池可以用于用电设备，例如行动电源、膝上型电脑或驱动马达，诸如电动速克达、混合动力车辆等。

电池被提议作为清洁、高效和对环境负责的电源，用于用电设备，如电动车辆和各种其他应用。通常，常规电池模块包括以堆叠配置布置的多个电池单体，并且常规电池模块与电气设备电连通。此外，电池单体中的每一者包括阴极端子和阳极端子，其中端子以串联和并联配置的组合电连接，以便最大化电池模块的电压输出和运行时间。在某些设计中，必须在电池单体的堆叠之上设置电池盖，以隔离并保护单体中的每一者的阳极端子和阴极端子。

附图说明

参考附图来描述详细描述。在所有附图中，相同的附图标记用于指代特征和部件。

图1是根据本发明的一个实施例的电池盒结构的组装视图。

图1a是根据本发明的一个实施例的电池盒结构的后视图。

图1b是根据本发明的一个实施例的电池盒结构的剖视图。

图2是根据本发明的一个实施例的具有电池模块和相变材料的电池盒结构的剖视图。

图3是根据本发明的一个实施例的图形表示。

图4是根据本发明的一个实施例的具有灭火器材料的电池盒结构的剖视图。

图4a是根据本发明的一个实施例的穿孔的剖视图。

具体实施方式

近年来，为了环境保护，已经强烈要求减少二氧化碳排放量。特别地，在汽车行业中，已经激发了通过引入电动车辆或混合动力车辆来减少二氧化碳排放的期望，因此电池行业正在持续发展以满足便携式设备、运输和通信市场日益增长的能源需求。

通常，电池分为一次性电池和二次电池，其中一次性电池也被称为一次性电池，并且主要用于使用直到耗尽，在耗尽之后，一次性电池被一个或多个电池简单地替换。二次电池，通常称为可充电电池，可以重复充电和重复使用，因此从长远来看，与一次性电池相比是经济的、环保的。

虽然可充电电池提供了许多优于一次性电池的优点，但也有一些基于所用电池化学性质的缺点，因为与一次性电池相比，二次电池的这些化学性质不太稳定。此外，由于这些相对不稳定的化学性质，在制造期间经常需要对二次电池进行特殊处理。

此外，二次电池分为两部分，即锂离子电池和铅酸电池。此外，铅酸电池是最常见的大容量可充电电池。铅酸电池由许多包含铅合金板层的单体电池制成，铅合金板层浸在电解液中，电解液典型地由硫酸和水组成。纯铅(Pb)太软，无法支撑自身，因此添加少量其他金属以获得机械强度并改善电气性能。最常见的添加物为锑(Sb)、钙(Ca)、锡(Sn)和硒(Se)。当硫酸与铅板接触时，会发生化学反应并产生能量。铅酸电池在低温下工作良好，并且当在零下条件下运行时，优于锂离子电池。

锂离子电池典型地配置为二次电池(可充电电池)，其主要依靠锂离子(Li+)在正极与负极之间移动来工作。在充放电期间，Li+被嵌入并在两个电极之间移动；Li+从正极退出，电解液嵌入负极，负极处于富锂状态。充电时，锂离子电池一般采用含锂的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

此外，锂离子电池有多种生产方式；具有最高的能量密度的最受欢迎的锂离子电池使用钴或镍钴氧化物阳极。这些电池也有缺点，如过热时，它们倾向于产生自己的内部氧气供应。更特别地，氧气在高温下从阳极的氧化物材料中释放出来，这是由于许多原因如内部短路、过充电或任何其他原因而发生的。由于氧气和燃料都是电池内部可用的，因此火灾可以在单个电池内开始，并且可能难以用常规方法扑灭，从而潜在地导致安全风险。

此外，在当前的电动车辆中，铅酸电池和锂离子电池用于向车辆提供电力。车辆的轮胎与直流(DC)马达联接，并且铅酸电池和锂离子电池向车辆的DC马达提供DC电力。

一般来说，在起动车辆或用电设备期间，DC马达需要大电流，需要大电流产生足够的扭矩来克服车辆起动期间的静摩擦。铅酸电池可以提供车辆起动时所需的电流浪涌，此后，一旦车辆达到预定义速度，锂离子电池就接管并向DC马达提供电力。然而，在车辆起动期间，锂离子电池不能有效地提供大电流。对于基于离子的能量设备来说，在起动期间汲取的高电流浪涌通常会导致线束损坏或其他不良影响。因此，车辆可能不具有单独的锂离子电池来为车辆提供电力，并且可能还需要铅酸电池来为车辆提供起动电力。

此外，二次电池(诸如锂离子电池)比铅酸电池更容易受到热失控的影响，并且发生热失控的主要原因是当内部反应速率增加到热量产生速率大于热量移除速率的程度时。此外，反应速率和放热反应都随时间进一步增加。因此，能量设备中生成的热值可以足以引起电池和电池附近材料的燃烧或爆炸。热失控的主要原因为电池内部短路、电池使用不当、物理滥用、制造缺陷或电池暴露在过高的外部温度下。

热失控是一个重要的问题，因为单一的热失控事件会导致严重的物理伤害\损害，在某些情况下，它会对人体造成伤害或造成丧失生命。当电池处于热失控状态时，电池通常会释放出大量的烟雾、燃烧的液体电解质射流和大量的热量，从而导致电池附近的周围部件燃烧和损坏。此外，如果电池组具有电池堆叠，那么单个热失控事件将立即导致多个电池的热失控，因此，潜在地导致电池堆及其周围部件的大范围损坏。此外，如果初始火焰没有立即熄灭，那么由于热失控状态而产生的火焰也会增加财产损失的影响，而不管能量设备由单个电池还是多个电池组成。

以膝上型电脑或电动汽车的热失控为例。没有任何人体附接的膝上型电脑中的热失控不仅会对膝上型电脑造成损坏，而且至少会对膝上型电脑附近的环境造成一些损坏，如家、办公室、汽车等。此外，如果膝上型电脑电池安装在飞机上，则可能会出现最坏的情况，由于热失控产生的烟雾可能会导致致命的紧急着陆或在更苛刻的情况下紧急着陆。类似地，以电动车辆为例，混合动力车辆或电动车辆的电池组中的一个或多个电池的热失控不仅会损坏车辆，还会导致事故和对车辆部件周围环境的损坏。

此外，在已知技术中，可以使用的铅酸电池和锂离子电池的尺寸和容量是固定的。容纳铅酸电池和锂离子电池的隔间的尺寸是固定的，因此铅酸电池和锂离子电池的尺寸和容量受到限制。此外，为了生成固定电压，与锂离子电池相比，需要更多数量的铅酸电池。此外，锂离子电池的单独使用增加了车辆的总成本，因为除了难以有效冷却、处理生成的热量、气体，难以制造以及维修之外，锂离子电池也很昂贵。因此，在已知技术中，铅酸电池和锂离子电池是分开使用的，因此铅酸电池和锂离子电池的组合的更大的组合效果仍未得到利用。

此外，在已知技术中，为了防止热失控，使用了不同类型的机构，即，控制充电机制以最终避免高温的电池管理系统、步进充电、脉冲充电或添加冷却系统，如散热片等，这需要额外的手动干预，以防出现故障，如BMS(电池管理系统)电路中的故障等。

因此，存在设计高效电池模块而不需要对车辆的设计和制造设置进行任何重大改变的挑战。

因此，需要一种改进的电池模块，其克服了所有上述问题和已知技术的其他问题。

本发明提供了上述问题的解决方案，同时以低成本、易于制造等方式满足用电设备(例如电动车辆)的最小修改的要求。

考虑到上述目的，本发明涉及电池模块，并且更特别地涉及一种电池模块的改进配置，其中铅酸电池和锂离子电池放置在一起，并且还克服了热失控，从而使其成本有效，增加了易维护性，并且对骑行者安全。

根据本发明的一个方面，电池盒结构包括四个壁、底板和盖子，其中盖子能拆卸地附接以允许进入盒结构的内部。进入盒结构的内部是为了将铅酸电池和锂离子电池放置在盒结构内部或者用于从盒结构中移除铅酸电池和锂离子电池。盒结构还包括可以容纳隔板的多个凹槽。隔板将盒结构的内部分成一个或多个隔间。通过改变隔板在所分配的凹槽中的位置，可以改变隔间的大小。由于在盒结构内部存在多个凹槽，隔板可以固定在盒结构内部的不同位置。

根据本发明的一个方面，由于隔板而形成一个或多个隔间，其中一个隔间容纳至少一个电池，并且另一个隔间容纳至少一个锂离子电池。此外，盒包括设置在锂离子电池与铅酸电池的堆之间的电池管理系统，电池管理系统管理至少一个铅酸电池和至少一个锂离子电池的组合，以向设备提供电力，更特别地，向DC马达提供电力。

根据本发明的一个方面，电池模块还受到与电池模块相邻设置的相变材料(PCM)的保护。此外，根据本发明的一个方面，当电池模块的温度超过相变材料的熔点时，相变材料从固态变为液态，并且避免了电池温度的急剧升高，从而增加了电池模块的使用期限和耐用性。此外，根据本发明的一个方面，当相变材料周围的温度降低时，产生的热量通过设置在相变材料中的通气孔释放到大气中，然后相变材料再次返回到固态。此外，根据本发明的一个实施例，相变材料具有两个壁，即内壁和外壁，其中具有预定厚度“A’的内壁与另一个壁(即电池模块的外壁)分开。相变材料的内壁由塑料制成。大于或小于壁的预定厚度将影响相变材料的有效放热，这会不利地影响热量从相变模块释放到大气中。

此外，根据本发明的一个实施例，电池盒结构另外包括灭火器材料，例如化学干粉。此外，根据本发明的一个方面，灭火器材料具有连接到电池模块中存在的穿孔的部分。穿孔填充有自熔化材料，如硅等。当电池模块的温度达到预定极限，例如100℃至120℃时，存在于电池模块中的穿孔的槽中的自熔化材料溶解，这进一步导致灭火器材料与电池模块接触，从而抑制来自电池模块的任何火。因此，避免了任何不可修复的损坏或火灾危险，并且大大增强了电池模块及其周围部件的安全性。根据这个实施例的一个方面，当相变材料和由塑料制成的相变材料壁溶解时，灭火器被激活以抑制火。

此外，根据本发明的另一实施例，相变材料壁的厚度‘A’小于相变材料壁的外部厚度‘B’，使得相变材料应该与电池模块而不是与大气交换能量，因为与相变材料与大气之间的热传输相比，电池模块与相变材料之间的热传输更多。

下面参考附图详细描述本发明的各种其他特征。在附图中，相同的附图标记通常表示相同的、功能相似的和/或结构相似的元件。元件第一次出现的附图由相应附图标记中最左边的数字表示。参考附图，其中在所有几个视图中，相同的附图标记将用于标识相同或相似的元件。此外，本主题可以在圆柱形电池的两个端子上实现。

图1是电池盒结构(100)的组装视图。根据本发明的一个实施例，电池盒结构(100)由四个壁(105)，即一对侧壁(105b、105d)、前壁(105a)和后壁(105c)组成，具有底板(未示出)、盖子(103)，其中底板支撑电池盒结构(100)的四个壁(105)。此外，电池盒结构(100)还包括固定在电池盒结构(100)的外部的至少一对保持器(106)(如图1a所示)，以将电池盒结构与用电设备(例如车辆)附接。至少一个壁(105c)包括一个或多个保持器(106)以将所述电池盒结构(100)与车辆附接。此外，电池盒结构(100)包括一个或多个把手(101)以用手握住电池盒结构，这确保了移动方便。此外，根据本发明的一个实施例，电池盒结构的盖子(103)包括用于在电池模块的端子与车辆中的电线束之间建立连接的一个或多个小孔(102)，并且，如果在电池模块中产生任何压力，这些小孔用作排出路径，以确保排出生成的压力和热量。此外，盖子(103)由锁定机构(104)关闭和锁定，以确保电池模块的刚性包装，并且还确保易于接近。

此外，由于用于放置锂离子电池和铅酸电池的堆叠的一个或多个隔板(108)，电池盒结构(100)还被分成一个或多个隔间，这也提高了电池模块的易接近性。此外，一个或多个隔板通过凹槽(107)与电池盒结构(100)附接(如图1b所示)

此外，例如，让我们考虑，为了实现50伏以上的电压，需要40％的铅酸电池和60％的锂离子电池，相对于当使用完整的铅酸电池来实现时，组合电池模块的重量减少了48％。此外，相对于完整的锂离子电池，电池模块的成本降低了32％。这样的灵活的配置确保了使用锂离子电池和铅酸电池的协同效应导致重量、成本的降低，以及能够维持对马达等的起动能量或电力的所需供应。此外，本配置还确保了设计者优先平衡铅酸电池模块相对于锂离子电池模块之间的能量源的灵活性，以克服在起动和/或低转速条件下满足高能量供应以及在马达或用电设备的延长的准稳定阶段运行条件下满足长范围/长时间的电力供应的矛盾障碍。

图2是电池盒结构中的电池模块(205)的组装视图。根据本发明的一个实施例，电池模块(205)还被隔板(108)分成一个或多个隔间(如图1b所示)，其中一个隔间具有一个或多个锂离子电池(201)的堆叠，并且另一个隔间具有一个或多个铅酸电池(203)的堆叠。此外，电池管理系统BMS(202)设置在锂离子电池(201)的堆叠与铅酸电池(203)的堆叠的隔间之间形成的隔间中。此外，由于铅酸电池和锂离子电池具有不同的标称电压、操作窗口、充电-放电电流和循环次数，因此电池管理系统的构造和操作配置为优化使用并校准以满足用电设备的预定要求。仅供参考，例如，铅酸电池的标称电压为2伏，而锂离子电池的标称电压为4伏，此外，为了补偿一个标称电压为4伏的锂离子电池，需要两个标称电压为2伏的铅酸电池。此外，电池管理系统保护电池不在其安全工作区域之外运行，因此，电池管理系统保护电池不过度充电或放电。

此外，电池模块管理用电单元/设备的电力需求。此外，电池模块(205)连同BMS可以接合配置在隔间内部的铅酸电池(203)以在起动期间向用电单元提供能量，并且可以接合容纳在隔间内的锂离子电池(201)以在用电设备的马达达到预定速度时向用电单元提供能量。此外，根据另一个实施例，电池模块(205)可以接合铅酸电池(203)和锂离子电池(201)的组合，以便以比率R向用电单元提供能量，其中R为电池中的每一者上的负载率，范围为0至100％。此外，至少一个铅酸电池(203)和一个锂离子电池(201)的充电由电池管理系统(202)管理。存在于电池模块中的电池管理系统(202)通过在铅酸电池和锂离子电池充满电时防止充电电流流向铅酸电池和锂离子电池来防止铅酸电池和锂离子电池被过度充电。

此外，根据本发明的一个实施例，电池模块(205)还被相变材料(204)层覆盖，其中相变材料(204)包括两个壁，即内壁(204b)和外壁(204a)。内壁(204b)由塑料制成，配置成具有预定厚度A，其中厚度A在0.5至2毫米的预定范围内。小于0.5毫米将对相变材料的内壁的强度产生不利影响，因为如果厚度小于0.5毫米，强度会降低，而大于2毫米会对相变材料的热传输效率产生不利影响，这又会影响相变材料的热量吸收性能。此外，当电池模块(205)中的温度由于潜在的热失控条件而升高时，如此释放的热能被相变材料(204)吸收，导致相变材料(204)从固态转变为液态或半固态，同时仍然牢固地保持在内壁(204b)与外壁(204a)之间。此外，相变材料(204)释放热能减少，并通过设置在外壁(204a)上的排气孔(403)(如图4所示)释放到大气中，从而确保电池模块(205)中的预定温度或环境温度。相变材料的外壁的厚度B在2毫米至5毫米的预定范围内，其中厚度B等于或大于厚度A，确保相变材料(204)从电池模块(204)吸热的速率更高，这增加了电池单体的使用期限和耐久性。

图3是具有和不具有相变材料的电池模块(205)的充电和放电的图形表示。根据本发明的一个实施例，在电池充电期间，从图形表示G1可以清楚地看出，具有相变材料的电池模块(302)的峰值充电温度低于没有相变材料的电池模块(301)的峰值充电温度，证明了具有相变材料的电池模块的更好的工作温度有利地更低。与没有相变材料的电池模块的使用期限的容量损失相比，这将结合相变材料的电池模块的使用期限的容量损失减少了高达50％。此外，根据本发明的一个实施例，在电池放电期间，从图形表示G2可以清楚地看出，具有相变材料(304)的电池模块的峰值放电温度低于没有相变材料(303)的电池模块的峰值放电温度。这表明相变材料的使用显著降低了电池温度，从而提高了电池模块的使用期限和耐用性。

图4是在其处配置有灭火器的电池模块的组装视图。根据本发明的一个实施例，穿孔(401)设置在相变材料(204)的内壁(204b)中。并且灭火器材料(402)围绕PCM的外周边设置。穿孔(401)包括一个或多个开口(404)(如图4a所示)，开口填充有自熔化材料，如硅。当温度突然升高，例如超过100度，导致PCM从固态变为液态时，自熔化材料将其状态从固态变为液态，这使得灭火材料(402)与电池模块(205)物理接触，从而抑制电池模块(205)中的火，从而确保能量单元的安全。此外，根据一个实施例，所需的相变材料与灭火器的重量数量比为1∶2.5的预定比率，以使得对于铅酸模块与锂离子模块之间的不同负载率R能够获得最安全的结果。

本发明有助于克服重量增加、成本增加、由于热失控而释放热量的问题，增加了电池模块的电池的易接近性，同时确保了电池模块的周围部件的安全性。

有利地，本发明的实施例描述了电池模块的组装中的潜在修改，该电池模块包括至少一个锂离子电池和铅酸电池以及相变材料和灭火器材料。这样的配置能够克服铅酸技术和锂离子技术的限制，同时以有效的协同方式结合这两种技术并且还能克服两种技术融合带来的新挑战。本发明有助于简单且容易地释放电池模块中在热失控情况下积累的热量，这有效地增加了电池模块周围部件的易接近性和安全性。

在不脱离本发明的范围的情况下，许多其他改进和修改(如使用具有硬度的不同弹性装置)可以结合到本文中。

附图标记列表：

图1：

100：电池盒结构

101：一对把手

102：孔

103：盖子

104：锁定机构

105(105a、105b、105c、105d)：四个壁

106：保持器

107：凹槽

108：隔板

图2：

A：相变材料的内壁的厚度

201：锂离子电池堆叠

202：电池管理系统

203：铅酸电池堆叠

204：相变材料

204a：相变材料的外壁

204b：相变材料的内壁

B：相变材料的外壁的厚度

图3：

301：没有相变材料情况下的充电

302：有相变材料情况下的充电

303：没有相变材料情况下的放电

304：有相变材料情况下的放电

图4：

401：穿孔

402：灭火器材料

403：通气孔

404：槽

Claims

1.一种电池盒结构(100)，所述电池盒结构(100)包括：

盖子(103)，所述盖子(103)能拆卸地附接，以允许进入所述电池盒结构(100)的内部；

电池模块(205)，所述电池模块(205)包括保持一个或多个隔板(108)的多个凹槽(107)，其中所述隔板(108)容纳锂离子电池(201)的堆叠和铅酸电池(203)的堆叠，

所述电池盒结构(100)包括相变材料(204)，所述相变材料(204)能拆卸地附接到所述电池盒结构(100)的所述电池模块(205)；以及

灭火器材料(402)，所述灭火器材料(402)能拆卸地附接到所述电池盒结构(100)的所述相变材料(204)和所述电池模块(205)。

2.一种电池盒结构(100)，所述电池盒结构(100)包括：

电池管理系统(202)，所述电池管理系统(202)管理所述锂离子电池(201)的堆叠和所述铅酸电池(203)的堆叠的组合，并设置在所述锂离子电池的堆叠与所述铅酸电池(203)之间的隔间中，其中所述电池管理系统(202)以比率R向用电单元提供能量。

3.根据权利要求2所述的电池盒结构(100)，其中所述比率R为所述电池中的每一者上的负载率，范围为0至100％。

4.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述电池盒结构具有四个壁(105)。

5.根据权利要求2所述的电池盒结构(100)，其中所述四个壁(105)包括一对侧壁(105b、105d)、前壁(105a)和后壁(105c)；

6.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述盖子(103)包括一个或多个孔(102)，以建立所述电池模块(205)与车辆中的电连接器的端子连接。

7.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述壁(105c)包括一个或多个保持器(106)，以将所述电池盒结构(100)与车辆附接。

8.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述一个或多个壁(105b、105d)包括一个或多个孔(102)，以将空气流引导至所述电池盒结构(100)的外部。

9.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述相变材料(204)包括两个壁：内壁(204a)和外壁(204b)。

10.根据权利要求9所述的电池盒结构(100)，其中所述内壁具有预定厚度A，

11.根据权利要求10所述的电池盒结构(100)，其中所述厚度A在0.5毫米至2毫米的预定范围内。

12.根据权利要求9所述的电池盒结构(100)，其中所述外壁(204b)具有预定厚度B，

13.根据权利要求12所述的电池盒结构(100)，其中所述厚度B在2至5毫米的预定范围内。

14.根据权利要求9所述的电池盒结构(100)，其中所述相变材料(204)的所述外壁(204b)的所述厚度B大于所述内壁(204a)的所述厚度A。

15.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述相变材料(204)配置有一个或多个通气孔(403)，以释放由所述相变材料(204)吸收的热量。

16.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述电池模块(205)配置有穿孔(401)，其中所述穿孔(401)包括一个或多个开口(404)，所述一个或多个(404)填充有自熔化材料。

17.根据权利要求1所述的电池盒结构(100)，其中所述隔板(108)将所述电池盒结构(100)分成一个或多个隔间，其中一个隔间容纳锂离子电池(201)的堆叠并且另一个隔间容纳铅酸电池(203)的堆叠。