CN115602963A - 一种高安全性电池组及设计方法和控温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用传热装置组成的多个电芯空腔来安装软壳电池，传热装置内设有冷却水道，组成的电芯空腔起支撑、传热、阻燃的作用，选用表面积尽量大的高安全性软包装电芯来组装电池组，通过温控系统对电芯进行控温，当外界温度低至电芯的能量下降时，通过加热装置对传热装置加热，传热装置再对电芯加热，使电芯能在‑70℃的环境也能保持最大的能量密度，当电芯的温度过高时对电芯散热，通过冷却器对冷却液降温，冷却液进入安装电芯的传热装置对电芯降温，有效的防止电芯过温、自燃。

Description

一种高安全性电池组及设计方法和控温方法

技术领域

本申请涉及电池领域，更具体地说，涉及高安全性电池组及设计方法和控温方法。

背景技术

电池的局部短路有些只是发热不会产生其它后果，有些则会冒烟、燃烧、爆炸产生严重后果，当然这与材料有关，如现在的三元锂电池局部短路都会冒烟或燃烧甚至爆炸，而磷酸铁锂电池有些只有较小的温升不冒烟，有些则会冒烟甚至燃烧，这说明它不仅与材料相关还与结构相关。电池燃烧、爆炸是非常严重的后果，为此国际上对电池局部短路出台了针刺实验标准，目前对同样材料的锂电池有些针刺不冒烟，有些不仅冒烟还会燃烧没有明确的机理。再则任何材料的电池都有它的极限低温，低于材料的极限温度时电池的反应能力降低，电池的能量大幅度下降，目前行业里大多数没有解决这个问题，特别是磷酸铁锂电池低于-20℃能量下降很多，在北方和欧洲很不适用。如能将这些问题同时改善就是很好的电池，特别是电池组(有些叫电池包等)。

发明内容

本申请针对现有的上述问题，找出了怎样的电池结构电池局部短路容易燃烧和爆炸，提出了怎样设计电芯和电池组它的安全性最好的设计方法，再则提出了从结构上来解决电池跨极限低温工作的方法，使锂电池也能在-70℃环境正常工作。

要设计出高安全性的电池就得弄清电池短路发热的机理，怎样的结构设计能使电池抗燃烧、爆炸的能力最强，这里以针刺实验来论证，针刺实验是用直径2-8mm的无蚀锈钢针以10mm/s-40mm/s的速度刺穿电池最大表面的中心位置，没有规定电池的厚度和容量大小，按电功率计算它的发热量就是它消耗的电功，这里已知的是电压，可分析的是电阻，因此，它适用公式：W＝U²/R，W是电池短路后的发热功率，U是电池的电压，如磷酸铁锂电池的电压是3.2V，R是电池短路的接触电阻与电池内阻之和，可见电池局部短路的发热量完全是由电阻R决定的，而不同的电池结构它的内阻不同，穿刺时的接触电阻也不同，如针刺实验的接触电阻是由电池极片与刺针的接触面积决定的，接触面积越大接触电阻就越小，发热量就越大，而接触面积是由电极的层数及电池极片的厚度决定的，电极的层数越多极片越厚它们之间的接触电阻就越小，发热量就越大。由此可得出结论：相同容量的电池，所使用的极片数越少局部短路时的发热量越小，即电池极片的面积越大局部短路发热量越小。

进一步地，从散热量来论证，散热量适合公式q＝KAΔt，q是散热量，K是电池材料的导热系数，A是电池的传热面积，Δt是温差是电池温度与外界温度之差，从式中可看出对于相同的材料传热面积A越大散热量越大，电极片的面积越大它的散热面积就越大散热量就越大。

进一步地，从温升方面论证，温升公式是Q＝CMΔT＝CM(T2-T1)，这里的Q是发热量减去散热量q的热量，是电功率W与时间t之积减去散热量q的热量，C是电池的比热，M是电池的重量，ΔT是温升，T1是初始温度，T2是升温后的温度，即温升ΔT＝Q/CM，从此式可看出对于相同材料的电池相同的发热量，电池的质量越大它的温升越小。

综上,电池短路的发热功率无论是严重短路还是轻微短路，与它们的能量大小无关，相同电压的电池与材料也无关，它们的发热功率都是W＝U²/R，能量大的电池只是发热的时间长些，而电池短路造成事故是温升，当温度上升到自燃温度后才会产生燃烧和爆炸，影响电池温升的是发热量、表面积和质量，表面积和质量越大温升就越小。

实验对比，圆柱型三元锂电池针刺后立即燃烧、爆炸，小形磷酸铁锂电池针刺后冒烟并且电池表面温升很高，而大形磷酸铁锂电池针刺后有些不冒烟，温升也较小。按上述理论就能一目了然的解释这些问题，圆柱型三元锂电池的电压是3.7V比磷酸铁锂电池的3.2V高，在相同的接触电阻三元锂电池的发热功率大发热量多，圆柱型电池针刺时穿过的层次相对要多，它的接触电阻小发热功率大，圆柱型电池的散热面积小散热量小，圆柱型电池的质量非常小，巨大的发热量全部加在较小质量的电池上它的温升巨大，三元锂的活性高热失控温度低、自燃温度低，所以小型三元锂电池针刺后都会立即发生燃烧、爆炸，爆炸是由壳体产生的，当气体膨胀不能被释放，压力就会上升，压力上升到壳体(泄压阀)所限的压力后就会爆炸。小型磷酸铁锂电池与大型磷酸铁锂电池的针刺实验对比，它们穿刺后的接触电阻视为相同发热量也视为相同，但是它们两者的表面积相差极大，散热量有巨大的差距，特别是重量之差极大，所以小型磷酸铁锂电池的温升很大，达到冒烟的程度。更细微的分析，电池短路后的发热有两部分，一部分是电池内阻的发热，它分布在整个电池，通常电池越大它的内阻越小电池自身的发热量就小，再则电池越大它的质量越大相同的发热量温升越小，形成热失控的几率越少；另一部分是针刺后的发热电阻集中在刺针上，热量也集中在刺针上，但它会向周边传热来散热，同样面积越大向周边的散热越大温升越小，是否能燃烧是看短路的严重程度和散热效果，三元锂电池的自燃温度低极易燃烧，燃烧后会产生更多的热量而增强燃烧。

现在电池行业大多数对电池组(包)的安全设计不明了，没有正确的方法指导，导致极大数的电池组(包)都没有按高安全性的方法设计，如现在采用多块小电池并联后再串联成电池组(包)，特别是三元锂电池组(包)采用多节圆柱型电池并联后再串联，完全违反了安全设计理念。现在的人士认为三元锂电池发生燃烧、爆炸的原因是三元锂的化学活性高反应速度快导致燃烧、爆炸，为降低电池的燃烧和爆炸威力认为电池越小越安全，事实相反，电池的燃烧、爆炸必须是先有短路发热，然后再热失控到自燃，如电池老化电池极片结晶刺破隔膜后导致短路或外部碰撞损伤导致短路而发热，不管是什么材料的电池短路，它都遵循发热量W＝U²/R，温升ΔT＝Q/CM，电池极片结晶刺破隔膜后的短路，它的短路面积极小，短路电阻较大，它的发热功率并不大，只要散热好是完全可以控制在自燃温度以下的，但是圆柱型电池的表面积小散热小，它的散热量不能抵消发热量，就有多余的热使它升温，又由于它的质量小所以升温较快，当温升到自燃温度后就开始燃烧、爆炸，三元锂的化学活性高反应速度快只是它的自燃温度低，并不是它的发热量大。如果将它做成大表面积的电池，电池极片结晶刺破隔膜短路所发的热温升到一定程度后，就会出现散热量等于发热量而平衡，电池就不会再升温到燃烧爆炸，就不会自燃。对于外部碰撞损伤导致的短路，它的短路电阻会小些，发热功率大些，如它的表面积大质量也大，它的温升速度同样会慢些，如果短路不严重有些也不会升温到自燃温度，就不会产生燃烧、爆炸，就算它的短路严重，只要电池的散热面积大重量大，它的温升就会缓慢，虽然最后可能还会发生燃烧、爆炸，但延长了时间就有了更长的逃生时间或安全处理时间。电池越大燃烧起来的威力确实越大，但延长了燃烧、爆炸的时间就能获得更多的生存机会和处理机会。

对比大型大面积电池的极片结晶刺破隔膜短路基本上不会自燃，因为它的散热面积大、重量大温升小，碰撞严重短路时它的温升也会缓慢，有逃生的时间，而小型方形电池或圆柱电池的结晶刺破隔膜短路的自燃几率高很多，如电池组只要有一个电池自燃就会发生多米诺效应将周边好的电池也引燃、爆炸，出现放鞭炮一样不断的燃烧、爆炸，所以现在很多新能源车自燃就是这个原因。在安全性方面除电芯尽可能的设计表面积大质量大的电芯外，增加强制散热也是提高安全的重要措施。以上机理是现有领域没有公开过的，应算本申请的高安全性电芯设计方法的组成部分，本申请中所述的高安全性电芯按此方法设计制造。

根据以上机理，本申请发明出高安全性电池组及设计方法和控温方法：具体地，在所述壳体底板上盖上一层保温材料，在保温材料上面安装传热装置，用若干块传热装置叠加组成若干个方形电芯空腔，做高安全性电芯的外壳，每个电芯空腔内平放至少一个高安全性电芯，也可平放多个和多层高安全性电芯，每个电芯空腔以同样的方式放置高安全性电芯，电芯空腔的数量由电压高低决定，使所有高安全性电芯串联后的电压等于电池组要求的输出电压，安装好的高安全性电芯经电极串联成一个电池组，由绝缘压板将所需串联的高安全性电芯的正极耳、电极、负极耳夹在其中，经螺栓锁紧，每节高安全性电芯经电缆线连接到电源管理系统管理它的安全充、放电，所有传热装置并联一起，由温度管理系统按所述控温方法进行温度控制。

优选地，所述的高安全性电芯优选软包装电芯，也可使用硬壳电池。

优选地，所述高安全性电芯可选任何材料的电芯或电池，包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂、镍镉、镍氢中的其中一种。

优选地，所选的所述高安全性电芯可以是卷绕式平板电芯或叠片式电芯，当卷绕式平板电芯的容积利用率大于等于95％时优选卷绕式平板电芯，卷绕式平板电芯的容积利用率按容积率公式计算，容积率＝1-0.215a/b，a是电芯厚度，b是电芯卷绕的宽度。

优选地，在所述高安全性电芯的两端分别设置正极耳、负极耳、正极耳和负极耳都开有安装避空缺口，正极耳和负极耳采用全极耳结构，按高安全性设计方法制作成高安全性电芯。

优选地，所述的传热装置由传热装置底板、若干条导流支撑条、面板、边框、进液口、出液口、电芯隔离板、固定耳焊接而成，导流支撑条与电芯隔离板垂直布置增加承重能力，当电池组的温度过高时传热装置做散热使用，当电池组的温度过低时传热装置做加热使用，保证电池组能在-70℃-+60℃环境温度工作。

优选地，所述的传热装置底板、导流支撑条、面板、电芯隔离板选用方形平板，优选不锈钢板或铜板或铝板，所述的传热装置底板、面板的厚度优选但不局限1mm，所述的导流支撑条和电芯隔离板的厚度优选但不局限≥2mm利于增加结构强度。

优选地，所述的边框由传热装置底板折弯而成，分布在传热装置底板的四边，其中一边留有与进液口、出液口的长方形连接口。

优选地，所述的进液口和出液口结构形状相同，一端是波纹圆管另一端是长方形口。

优选地，所述的电极由导电材料制作，优选但不局限于铝条，每块电极都开有螺孔用于固定接线端，通过电缆线与对应的正极或负极或电源管理线连接。

优选地，所述的绝缘压板采用绝缘材料制作，优选但不局限胶木板、环氧树脂绝缘板，在绝缘压板上开有若干个固定孔。

优选地，所述的螺栓其特征在于，包含全螺纹丝杆和若干个螺母。

优选地，采用电极将两相邻高安全性电芯的正极耳与负极耳连接，由上、下两块绝缘压板将正极耳、电极、负极耳三者压在一起，电极在正极耳、负极耳的中间起连接作用，再由螺栓锁紧，同时将传热装置面板上的固定耳锁在一起起固定作用，固定耳设有螺孔，螺栓安装在避空缺口中，螺栓的一端锁紧在壳体底板上。

优选地，所述的串联使电池组的正极与负极设计的位置尽量远些，减少因事故造成正负极相碰的几率，提高安全性。

优选地，所述的电源管理系统其特征在于，用于管理电池包里所有的高安全性电芯的安全运行，包括但不限制过电压保护、过电流保护、过负载保护、过充保护、恒流充电、电池性能检测等，通过电缆线连接到相应的电极的螺孔上。

进一步地，所述的控温方法其特征在于，所述的控温方法包括保温材料、温度管理系统、传热装置、管道、加热阀门、冷却阀门、水泵、散热风机、风冷式散热器、加热器，由管道将传热装置、加热阀门、冷却阀门、水泵、风冷式散热器相连，所有传热装置并联一起。

优选地，所述的保温材料有两种安装方式，可安装在壳体内或壳体外，安装在壳体外的可选任何保温材料，优选但不局限聚胺酯发泡胶、保温棉，安装在壳体内的保温材料优选但不局限可承重的硬质硅酸铝板，将保温材料包裹在壳体内或外的6个面。

优选地，所述的控温方法其特征在于，所述温度管理系统设有多路温度检测和控温功能的温度管理器和多个温度探头，将温度管理系统内的多个温度探头分别安装在某个或几个有代表性的高安全性电芯表面，和管道上感应他们的温度，根据测得的温度温度管理器决定是加热还是散热，不同的电池材料加热和散热的温度控制点不同，由电池的特性来写温度管理器的程序。

优选地，所述的控温方法其特征在于，当外界温度很低至高安全性电芯会降低能量密度时，温度管理器发出加热指令，加热阀门导通、冷却阀门关闭，冷却液经水泵的推动经管道流入加热阀门，再流入加热器加热，加热后的冷却液经传热装置的进液口流入传热装置，再从传热装置的出液口流回水泵，反复循环给所有高安全性电芯加热，使高安全性电芯在-70℃的低温环境都能达到不降低能量的温度，加热状态冷却阀门关闭冷却液不流过风冷式散热器，散热风机也不运行，冷却液不会在散热系统中散热而损失热量。

优选地，所述的控温方法其特征在于，当高安全性电芯的温度过热时，温度管理器发出冷却降温指令，加热阀门关闭、冷却阀门导通，传热装置内的高温冷却液经传热装置的出液口流入水泵，在水泵的推动经管道流入冷却阀门，再流入风冷式散热器，同时启动散热风机通风冷却，冷却后的冷却液经传热装置的进液口流回传热装置，给所有高安全性电芯散热，反复循环使所有高安全性电芯达到最佳工作温度，散热风机的转速可根据高安全性电芯的温度来调整冷却通风量，冷却状态加热阀门关闭冷却液不流入加热器，加热器不启动加热。

进一步地，所述的高安全性电池组设计方法其特征在于，所述方法包括：

S1、采用若干传热装置组成若干个电芯空腔，传热装置内设有冷却水道强制冷却，组成的电芯空腔起支撑、传热、阻燃的作用，电芯装在电芯空腔内；

S2、所选用的电芯的面积尽量的大，整个电池组优选但不局限只设串联不设并联，将需要并联的电芯做成一个大面积电芯；

S3、所述电芯的长度优选但不局限等于壳体内腔的宽度或长度-两侧保温材料的厚度-两侧绝缘压板的宽度-两侧电缆线所占的宽度，高安全性电芯的厚度优选但不局限5-15mm，宽度在满足厚度不小于5mm尽量做宽；

S4、优选软包装电芯，也可使用硬壳电池；

S5、所有电芯由绝缘压板和导电极经螺栓采用夹紧的方式来串联成电池组(包)，便于组装、维修和更换；

S6、所有电芯经电缆线与电源管理系统连接，管理电芯的安全充、放电；

S7、所有的传热装置并联连接到温度管理系统进行温度管理。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本申请作进一步说明，附图中：

图1是本申请实施例中一种高安全性电池组及设计方法和控温方法结构示意图；

图2是本申请实施例中高安全电池的结构示意图；

图3是本申请实施例中传热装置的结构爆炸图；

图4是本申请实施例中多层传热装置叠加结构图；

图5是本申请实施例中电极的结构示意图；

图6是本申请实施例中绝缘压板的结构示意图；

图7是本申请实施例中控温方法原理图。

其中，图中各标号对应的部件名称如下：

1、机箱底板；2、保温材料；3、传热装置；4、高安全性电芯；5、电极；6、绝缘压板；7、螺栓；8、电源管理系统；9、温度管理系统，10、电芯空腔；301、传热装置底板；302、导流支撑条；303、面板；304、边框；305、进液口；306、出液口；307、电芯隔离板；308，固定耳；401、正极耳；402、负极耳；403、避空缺口；501、螺孔；601、固定孔；901、管道；902、加热阀门；903、冷却阀门；904、水泵；905、散热风机；906、风冷式散热器；907、加热器；908，温度管理器。

具体实施方式

为了对本申请的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本申请的具体实施方式。

参阅图1、图4，图1是本申请实施例中高安全性电池组及设计方法和控温方法结构示意图；

本申请高安全性电池组及设计方法和控温方法其特征在于，在所述壳体底板(1)上盖上一层保温材料(2)，在保温材料(2)上面安装传热装置(3)，用若干块传热装置(3)叠加组成若干个方形电芯空腔(10)，做高安全性电芯(4)的外壳，每个电芯空腔(10)内平放至少一个高安全性电芯(4)单体，也可平放多个和多层高安全性电芯(4)，每个电芯空腔(10)以同样的方式放置高安全性电芯(4)，电芯空腔(10)的数量由电压高低决定，使所有高安全性电芯(4)串联后的电压等于电池组要求的输出电压，安装好的高安全性电芯(4)经电极(5)串联成一个电芯组，由绝缘压板(6)将所需串联的高安全性电芯(4)的正极耳(401)、电极(5)、负极耳(402)夹在其中，经螺栓(7)锁紧，每节高安全性电芯(4)经电缆线连接到电源管理系统(8)管理它的安全充、放电，所有传热装置(3)并联一起由温度管理系统(9)按所述控温方法进行温度控制。

优选地，所述的高安全性电芯(4)其特征在于，所述的高安全性电芯(4)优选软包装电芯，也可使用硬壳电池。

优选地，所述的高安全性电芯(4)其特征在于，所述高安全性电芯(4)可选任何材料的电芯或电池，包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂、镍镉、镍氢中的其中一种。

优选地，所述的高安全性电芯(4)其特征在于，所选的所述高安全性电芯(4)可以是卷绕式平板电芯或叠片式电芯，当卷绕式平板电芯的容积利用率大于等于95％时优选卷绕式平板电芯，卷绕式平板电芯的容积利用率按容积率公式计算，容积率＝1-0.215a/b，a是电芯厚度，b是电芯卷绕的宽度。

卷绕式平板电芯的容积利用率是电芯的厚度×电芯的卷绕宽度-两个圆弧未占满的空间，未占满的空间就是以电芯厚度a为正方形的面积减去以a为直径的圆面积，即：容积率＝[ab-(a²-π(a/2)²)]/ab

＝1-((1-π/4)a)/b＝1-0.215a/b。

车用电池组(包)的电芯大，电芯宽度b大基本上都适用卷绕式平板电芯，卷绕式平板电芯与叠片式电芯相比只是容积利用率低些，在品质方面卷绕式平板电芯会更可靠，因为叠片式电芯容易刺破隔膜，叠片式电芯的制造难度高很多价格高不少，只要容积率大于95％，采用卷绕式平板电芯更合理。

以上结构的目的是尽可能采用大表面积的软壳电芯、卷绕式平板电芯、可强制冷却、可强制加热，软壳电芯具有体积小、重量轻、能量密度大、成本低、散热好的优点，是领域内都想直接使用的，大表面积的电芯可降低短路时的温升提高安全性，电芯的四周都有强制水冷的冷却系统，即使某个电芯空腔(10)内的电芯短路，在强制冷却下温度很难上升到自燃温度，并且有隔离有效的限制对周围的影响。对比同类电池组(包)CN201910544020.8比亚迪的刀片电池和宁德时代的麒麟电池，它们的电池是竖放的，由于软壳电芯柔软，自身无法支撑竖立，所以它们只能采用硬壳电池，而硬壳电池不仅要增加壳体、极耳与电极的连接件，以及它们所占的空间和重量，大幅度增加了电池包的体积、重量和成本，本申请的软壳电芯是平放在传热装置(3)上面的，传热装置(3)组成的电芯空腔(10)将承担支撑、散热、隔离的安全作用，和在低温环境时给电芯加热使电芯能达到最佳的工作温度，而不影响电芯的容量。在散热方面比亚迪的刀片电池是采用风冷却，冷却效果差，麒麟电池虽然可以采用水冷，但它的电池是竖放的，而竖放从那个方位加水冷都不理想，因为热是向上走的，如在上、下方向加散热，它的表面小，散热差，在侧面加散热可增大散热面积，热虽然可向四周传递但主要是向上传递，再则它是硬壳电池增加了热阻，本申请是软壳电池传热效果好，又是平放上、下散热，散热效果明显优于麒麟电池。整体上本申请的电池组(包)容积利用率比比亚迪的刀片电池和宁德时代的麒麟电池还高，冷却更好更安全，还解决了它们没有解决的低温环境降低电池组(包)能量的问题，本申请可在-70的环境运行，成本上它们是采用硬壳电池本申请是软壳电芯，成本低很多。

参阅图2，图2是本申请实施例中高安全电池的结构示意图；

所述的高安全性电芯(4)其特征在于，在所述高安全性电芯(4)的两端分别设置正极耳(401)、负极耳(402)、正极耳(401)和负极耳(402)都开有避空缺口(403)，正极耳(401)和负极耳(402)采用全极耳结构，按高安全性设计方法制作成高安全性电芯。

将电芯极耳布置在两端，它不仅是起导电的作用，更关键的是起固定的作用，全极耳是与极片完全相连的，强度大可做固定使用。

参阅图3，图3是本申请实施例中传热装置的结构爆炸图；

所述的传热装置(3)其特征在于，所述的传热装置(3)由传热装置底板(301)、若干条导流支撑条(302)、面板(303)、边框(304)、进液口(305)、出液口(306)、电芯隔离板(307)、固定耳(308)焊接而成，导流支撑条(302)与电芯隔离板(307)垂直布置增加承重能力，当电池组的温度过高时传热装置(3)做散热使用，当电池组的温度过低时传热装置(3)做加热使用，保证电池组能在-70℃-+60℃环境温度工作。

进一步地，所述的传热装置底板(301)、导流支撑条(302)、面板(303)、电芯隔离板(307)选用方形平板，优选不锈钢板或铜板或铝板，所述的传热装置底板(301)、面板(303)的厚度优选但不局限1mm，所述的导流支撑条(302)和电芯隔离板(307)的厚度优选但不局限≥2mm利于增加结构强度。所述的边框(304)由传热装置底板(301)折弯而成，分布在传热装置底板(301)的四边，其中一边留有与进液口(305)、出液口(306)的长方形连接口。所述导流支撑条(302)一端焊接在传热装置底板(301)上形成S型流道，所述面板(303)焊接在边框(304)和导流支撑条(302)的另一端上，使传热装置底板(301)、边框(304)、面板(303)三者组合成方形空腔，导流支撑条(302)在方形空腔内组成S型流道同时支撑面板(303)，电芯隔离板(307)焊接在支撑面板(303)上并与导流支撑条(302)方向垂直布置增加承重能力，电芯隔离板(307)也可以焊接在传热装置底板(301)的下面，在边框(304)所留的长方形连接口焊接进液口(305)和出液口(306)，固定耳(308)设置在面板(303)两端，所述传热装置(3)的所有部件的材料优选不锈钢板或铜板或铝板。

优选地，所述的进液口(305)和出液口(306)结构形状相同，一端是波纹圆管另一端是长方形口。

参阅图4，图4是本申请实施例中多层传热装置叠加结构图；

传热装置(3)是本申请最主要的部件，本申请采用上、下两块传热装置(3)叠放，利用下面传热装置(3)的面板(303)和电芯隔离板(307)，与上面传热装置(3)的底板(301)组成放置软壳电芯的电芯空腔(10)，使整体结构紧凑，容积利用率高，总体的体积、重量、成本都大幅度降低，更重要的是它的安全性更高。最上一层的传热装置(3)无需设置电芯隔离板(307)，导流支撑条(302)在传热装置(3)内起支撑和导流作用，电芯隔离板(307)起支撑和隔离作用，两者垂直布置增加强度。

参阅图5，图5是本申请实施例中电极的结构示意图；

所述的电极(5)其特征在于，所述的电极(5)由导电材料制作，优选但不局限于铝条，每块电极都开有螺孔(501)用于固定接线端，通过电缆线与对应的正极或负极或电源管理线连接。

参阅图6，图6是本申请实施例中绝缘压板的结构示意图；

所述的绝缘压板(6)其特征在于，所述的绝缘压板(6)采用绝缘材料制作，优选但不局限胶木板、环氧树脂绝缘板，在绝缘压板(6)上开有若干个固定孔(601)。

需要说明的是，上、下之间的串联采用电极(5)串联，左右水平之间的串联可采用长些的电极(5)串联，但中间要开螺栓(7)通过的孔，会增大它的尺寸，水平之间的串联也可采用电缆线连接。最底层和最上层的电极(5)厚度及最底层和最上层绝缘压板(6)的厚度不同，要按要求制作，正极输出极和负极输出极与电极(5)的形状基本相同，可采用同样的电极。

参阅图1，所述的螺栓(7)其特征在于，包含全螺纹丝杆和若干个螺母。

参阅图1-图5，所述的串联其特征在于，采用电极(5)将两相邻需要串联的高安全性电芯(4)的正极耳(401)与负极耳(402)连接，由上、下两块绝缘压板(6)将正极耳(401)、电极(5)、负极耳(403)三者压在一起，电极(5)在正极耳(401)与负极耳(403)的中间起连接作用，再由螺栓(7)锁紧，同时将传热装置面板(303)上的固定耳(308)锁在一起起固定作用，固定耳(308)设有螺孔供螺栓(7)穿过，螺栓(7)安装在避空缺口(403)中，螺栓(7)的一端锁紧在壳体底板(1)上。

优选地，所述的串联使电池组的正极与负极设计的位置尽量远些，减少因事故造成正负极相碰的几率，提高安全性。

电极(5)、绝缘压板(6)、螺栓(7)三者的相互组合，可将所需串联的电芯串联，同时还能将电芯固定，所述的高安全性电芯(4)的正负极耳是全极耳结构，它与极片是全连接，可承受较大的拉压力，只要固定了极耳电芯就不会动了。可同时固定传热装置(3)，传热装置(3)的面板(303)上设有固定耳(308)，固定耳(308)开有固定孔，螺栓(7)同时穿过固定耳(308)开设的固定孔将传热装置(3)固定，可增加垫片调整固定位置。

参阅图1-图6，所述的电源管理系统(8)其特征在于，用于管理电池包里所有的高安全性电芯(4)的安全运行，包括但不限制过电压保护、过电流保护、过负载保护、过充保护、恒流充电、电池性能检测等，通过电缆线连接到相应的电极(5)的螺孔(501)上。

参阅图7，图7是本申请实施例中控温方法原理图；

所述的控温方法其特征在于，所述的控温方法包括保温材料(2)、温度管理系统(9)、传热装置(3)、管道(901)、加热阀门(902)、冷却阀门(903)、水泵(904)、散热风机(905)、风冷式散热器(906)、加热器(907)，由管道(901)将传热装置(3)、加热阀门(902)、冷却阀门(903)、水泵(904)、风冷式散热器(906)相连，所有传热装置(3)并联一起。

进一步地，所述的保温材料(2)其特征在于，所述的保温材料(2)有两种安装方式，可安装在壳体内或壳体外，安装在壳体外的可选任何保温材料，优选但不局限聚胺酯发泡胶、保温棉，安装在壳体内的保温材料(2)优选但不局限可承重的硬质硅酸铝板，将保温材料(2)包裹在壳体内或外的6个面。

保温是本申请实现低温环境不降低电池能量的重要措施之一，可实现在-70℃的环境工作，如果没有保温对电芯加热时散热量很大，即使能加热到电芯的最佳作工作温度，能耗极大，再则没有保温电芯的温度均匀性极差，将严重影响电芯的寿命。增加全保温会占用较大的空间降低容积利用率，所以现在小车的电池包基本上不用全保温，本申请的容积利率极高，有空间使用全保温。

进一步地，所述的控温方法其特征在于，所述温度管理系统(9)还设有多路温度检测和控温功能的温度管理器(908)和多个温度探头，将温度管理系统(9)内的多个温度探头分别安装在某个或几个有代表性的高安全性电芯(4)表面，和管道(901)内感应他们的温度，根据测得的温度温度管理器(908)决定是加热还是散热，不同的电池材料加热和散热的温度控制点不同，由电池的特性来写温度管理系统(9)的程序。

参阅图7，所述的控温方法其特征在于，当外界温度很低至高安全性电芯(4)会降低能量密度时，温度管理器(908)发出加热指令，加热阀门(902)导通、冷却阀门(903)关闭，冷却液经水泵(904)的推动经管道(901)流入加热阀门(902)，再流入加热器(907)加热，加热后的冷却液经传热装置(3)的进液口(305)流入传热装置(3)，再从传热装置(3)的出液口(306)流回水泵(904)，反复循环给所有高安全性电芯(4)加热，使高安全性电芯(4)在-70℃的低温环境都能达到不降低能量的温度，加热状态冷却阀门(903)关闭时冷却液不流过风冷式散热器(906)，散热风机(905)也不运行，冷却液不会在散热系统中散热而损失热量。

参阅图7，所述的控温方法其特征在于，当高安全性电芯(4)的温度过热时，温度管理器(908)发出冷却降温指令，加热阀门(902)关闭、冷却阀门(903)导通，传热装置(3)内的高温冷却液经传热装置(3)的出液口(306)流入水泵(904)，在水泵(904)的推动经管道(901)流入冷却阀门(903)，再流入风冷式散热器(906)，同时启动散热风机(905)通风冷却，冷却后的冷却液经传热装置(3)的进液口(305)流回传热装置(3)，给所有高安全性电芯(4)散热，反复循环使所有高安全性电芯(4)达到最佳工作温度，散热风机(905)的转速可根据高安全性电芯(4)的温度来调整冷却通风量，冷却状态加热阀门(902)关闭后冷却液不流过流入加热器(907)，加热器(907)不启动加热。

进一步地，所述的高安全性电池组设计方法其特征在于，所述方法包括：

S1、采用若干传热装置组成若干个电芯空腔，传热装置内设有冷却水道强制冷却，组成的电芯空腔起支撑、传热、阻燃的作用，电芯装在电芯空腔内；

S2、所选用的电芯的面积尽量的大，整个电池组优选但不局限只设串联不设并联，将需要并联的电芯做成一个大面积电芯；

S3、所述电芯的长度优选但不局限等于壳体内腔的宽度或长度-两侧保温材料的厚度-两侧绝缘压板的宽度-两侧电缆线所占的宽度，高安全性电芯的厚度优选但不局限5-15mm，宽度在满足厚度不小于5mm尽量做宽；

S4、优选软包装电芯，也可使用硬壳电池；

S5、所有电芯由绝缘压板和导电极经螺栓采用夹紧的方式来串联成电池组(包)，便于组装、维修和更换；

S6、所有电芯经电缆线与电源管理系统连接，管理电芯的安全充、放电；

S7、所有的传热装置并联连接到温度管理系统进行温度管理。

冷却液的选择，本申请在结构上可实现-70℃的环境工作，但要求有-70℃不凝固60℃又不能沸腾的液体，所以它的实际工作温度得由冷却液来决定，-70℃不凝固60℃又不沸腾的液体很少，酒精能满足，但酒精是易燃物，所以不是特别需要选择汽车水箱冷却液即可，特别是车用领域，车用冷却液就考虑了它的使用环境，能满足极大部分的环境，如确实需要-70℃的工作温度可选用酒精。

值得说明，本申请可使用任何形状的外壳，只要壳体内腔空间的尺寸能装入本电池组即可，壳体外形可以是圆形、方形、三角形等或外形有各种用于固定电池组的结构都可使用，但内腔要求是方形，可正方形或长方形，本申请适合任何行业的电池组(包)，特别是汽车行业的应用，不同行业的外壳多种多样，所有对外壳有创新的使用本申请属外壳的独立发明，属本申请的应用，需发明人授权。

名词解释1，本申请中用到电池组、电池包的词语，最初将两节以上电池串联的组合叫电池组，有些电池组的用量大形成了批量模块式生产，人们又把它叫模组，在车用方面需要将很多模组再串联组合在一起，行业里把这种组合叫电池包，可比亚迪的刀片电池包里没有了模组，只有串联电池它还叫电池包，可见电池组、模组及电池包是没有明确的定义，本申请适用任何两节以上电芯或电池的组合，可以叫电池组、模组也可以叫电池包。

名词解释2，本申请中用到电芯、电池的词语，严格的说电芯是没有硬壳的电池，电池是在电芯上增加了硬壳，电芯柔软需要支撑和固定才能使用，电池有硬壳保护使用范围广。在电池组中有些把电池组叫电池，电池组内的电池叫电芯，本申请所述的电芯是指没有硬壳的电池，所述的电池是指有硬壳的电池，所述的电池组可以指电芯组合或电池组合。极大多数的电池组只能使用电池不能使用电芯，本申请即能使用电芯也能使用电池，电芯比电池少了硬壳及电极以极耳相连的结构件，因此电芯的体积、重量、成本都比电池小。

本申请还包含了两项方法发明，高安全性电池组设计方法和控温方法，两项共用在一个产品上可使产品的性能更好，也可以在一个产品中使用其中的一项，还可将现有的产品应用其中的一项去改造，凡应用到其中的一项都属本申请的应用，需发明人授权。如仅使用高安全性电池组设计方法所设计出的电池组，没有在-70℃环境使用而不降低电池能量的功能，但它的安全性比比亚迪的刀片电池和宁德时代的麒麟电池好，容积利用率也高不少，成本更低。又如宁德时代的麒麟电池增加本申请的控温方法，可增加在-70℃环境使用而不降低电池能量的功能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改、组合和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种高安全性电池组及设计方法和控温方法其特征在于，在所述壳体底板(1)上盖上一层保温材料(2)，在保温材料(2)上面安装传热装置(3)，用若干块传热装置(3)叠加组成若干个方形电芯空腔(10)，做高安全性电芯(4)的外壳，每个电芯空腔(10)内平放至少一个高安全性电芯(4)单体，也可平放多个和多层高安全性电芯(4)，每个电芯空腔(10)以同样的方式放置高安全性电芯(4)，电芯空腔(10)的数量由电压高低决定，使所有高安全性电芯(4)串联后的电压等于电池组要求的输出电压，安装好的高安全性电芯(4)经电极(5)串联成一个电池组，由绝缘压板(6)将所需串联的高安全性电芯(4)的正极耳(401)、电极(5)、负极耳(402)夹在其中，经螺栓(7)锁紧，同时将传热装置面板(303)上的固定耳(308)锁在一起起固定作用，固定耳(308)设有螺孔，螺栓(7)穿过固定耳(308)的螺孔安装在避空缺口(403)中，螺栓(7)的一端锁紧在壳体底板(1)上，每节高安全性电芯(4)经电缆线连接到电源管理系统(8)管理它的安全充、放电，所有传热装置(3)并联一起由温度管理系统(9)按所述控温方法进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的高安全性电芯(4)其特征在于，在所述高安全性电芯(4)的两端分别设置正极耳(401)、负极耳(402)、正极耳(401)和负极耳(402)都开有避空缺口(403)，正极耳(401)和负极耳(402)采用全极耳结构，优选软包装，也可使用硬壳包装，可选任何材料的电芯，包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂、镍镉、镍氢中的其中一种。

3.根据权利要求1所述的传热装置(3)其特征在于，所述的传热装置(3)由传热装置底板(301)、若干条导流支撑条(302)、面板(303)、边框(304)、进液口(305)、出液口(306)、电芯隔离板(307)、固定耳(308)焊接而成，在所述的传热装置底板(301)四周设有边框(304)，分布在传热装置底板(301)的四边优选折弯而成，其中一边留有与进液口(305)、出液口(306)的长方形连接口，所述导流支撑条(302)一端焊接在传热装置底板(301)上形成S型流道，所述面板(303)焊接在边框(304)和导流支撑条(302)的另一端上，使传热装置底板(301)、边框(304)、面板(303)三者组合成方形空腔，导流支撑条(302)在方形空腔内组成S型流道同时支撑面板(303)，电芯隔离板(307)焊接在支撑面板(303)上并与导流支撑条(302)方向垂直布置增加承重能力，电芯隔离板(307)也可以焊接在传热装置底板(301)的下面，在边框(304)所留的长方形连接口焊接进液口(305)和出液口(306)，固定耳(308)设置在面板(303)两端，所述传热装置(3)的所有部件的材料优选不锈钢板或铜板或铝板。

4.根据权利要求1所述的电源管理系统(8)其特征在于，用于管理电池包里所有的高安全性电芯(4)的安全运行，包括但不限制过电压保护、过电流保护、过负载保护、过充保护、恒流充电、电池性能检测等，通过电缆线连接到相应的电极(5)的螺孔(501)上。

5.根据权利要求1所述的控温方法其特征在于，所述的控温方法包括保温材料(2)、温度管理系统(9)、传热装置(3)、管道(901)、加热阀门(902)、冷却阀门(903)、水泵(904)、散热风机(905)、风冷式散热器(906)、加热器(907)，由管道(901)将传热装置(3)、加热阀门(902)、冷却阀门(903)、水泵(904)、风冷式散热器(906)相连，所有传热装置(3)并联一起。

6.根据权利要求1、5所述的保温材料(2)其特征在于，所述的保温材料(2)有两种安装方式，可安装在壳体内或壳体外，安装在壳体外的可选任何保温材料，优选但不局限聚胺酯发泡胶、保温棉，安装在壳体内的保温材料(2)优选但不局限可承重的硬质硅酸铝板，将保温材料(2)包裹在壳体内或外的6个面。

7.根据权利要求1、5所述的温度管理系统(9)其特征在于，所述温度管理系统(9)设有多路温度检测和控温功能的温度管理器(908)和多个温度探头，将温度管理系统(9)内的多个温度探头分别安装在某个或几个有代表性的高安全性电芯(4)表面，和管道(901)内感应他们的温度，根据测得的温度温度管理器(908)决定是加热还是散热，不同的电池材料加热和散热的温度控制点不同，由电池的特性来写温度管理器(908)的程序。

8.根据权利要求1-7所述的控温方法其特征在于，当外界温度很低至高安全性电芯(4)会降低能量密度时，温度管理器(908)发出加热指令，加热阀门(902)导通、冷却阀门(903)关闭，冷却液经水泵(904)的推动经管道(901)流入加热阀门(902)，再流入加热器(907)加热，加热后的冷却液经传热装置(3)的进液口(305)流入传热装置(3)，再从传热装置(3)的出液口(306)流回水泵(904)，反复循环给所有高安全性电芯(4)加热，使高安全性电芯(4)在-70℃的低温环境都能达到不降低能量的温度，加热状态冷却阀门(903)关闭冷却液不能流过风冷式散热器(906)，散热风机(905)也不运行，冷却液不会在散热系统中散热而损失热量。

9.根据权利要求1-7所述的控温方法其特征在于，当高安全性电芯(4)的温度过热时，温度管理器(908)发出冷却降温指令，加热阀门(902)关闭、冷却阀门(903)导通，传热装置(3)内的高温冷却液经传热装置(3)的出液口(306)流入水泵(904)，在水泵(904)的推动经管道(901)流入冷却阀门(903)，再流入风冷式散热器(906)，同时启动散热风机(905)通风冷却，冷却后的冷却液经传热装置(3)的进液口(305)流回传热装置(3)，给所有高安全性电芯(4)散热，反复循环使所有高安全性电芯(4)达到最佳工作温度，散热风机(905)的转速可根据高安全性电芯(4)的温度来调整冷却通风量，冷却状态加热阀门(902)关闭冷却液不流入加热器(907)，加热器(907)不启动加热。

10.根据权利要求1所述的高安全性电池组设计方法其特征在于，所述高安全性电池组设计方法包括：

S1、采用若干传热装置组成若干个电芯空腔，传热装置内设有冷却水道强制冷却，组成的电芯空腔起支撑、传热、阻燃的作用，电芯装在电芯空腔内；

S2、所选用的电芯的面积尽量的大，整个电池组优选但不局限只设串联不设并联，将需要并联的电芯做成一个大面积电芯；

S3、所述电芯的长度优选但不局限等于壳体内腔的宽度或长度-两侧保温材料的厚度-两侧绝缘压板的宽度-两侧电缆线所占的宽度，高安全性电芯的厚度优选但不局限5-15mm，宽度在满足厚度不小于5mm尽量做宽；

S4、优选软包装电芯，也可使用硬壳电池；

S5、所有电芯由绝缘压板和导电极经螺栓采用夹紧的方式来串联成电池组(包)，便于组装、维修和更换；

S6、所有电芯经电缆线与电源管理系统连接，管理电芯的安全充、放电；

S7、所有的传热装置并联连接到温度管理系统进行温度管理。

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