CN116169392A - 电池包及电动工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池包及电动工具，所述电池包包括：壳体；电芯组件，设置在所述壳体内，所述电芯组件包括多个电芯单元；由复合相变材料制成的吸热体，所述吸热体与至少一个所述电芯单元热接触，以吸收所述电池包在充放电过程中所述电芯组件产生的热量；所述复合相变材料至少包括主体相变材料和相变微胶囊。采用以上技术方案能够提供一种结构紧凑、有效抑制温升且在高温下具有稳定性能的电池包。

Description

电池包及电动工具

技术领域

本发明涉及一种用于电动工具供电的电池包，尤其是一种包括相变材料的电池包。

背景技术

利用可再充电电池的手电动工具广泛应用于工厂、农场、草坪和家用，由于这些电动工具使用多个电芯单元，因此通常将多个电芯单元封装组成电池包。由于可再充电电池内阻的存在，在充放电时候将发出热量，而这些可充电电池紧凑地封装在电池包的外壳内，难以将热量散发出去，当热量累积至一定程度时，将影响电池包的效率和使用寿命，甚至会引起爆炸等严重的安全问题。尤其是在大电流放电时，如不及时有效地将热量散发掉，将会在短时间内上升到一个极高的温度，从而影响电池包的性能。目前，对电池包的常规的散热方式为：采用气体对流散热或者散热片进行散热，但需要在电池包内设置额外的对流风道、风扇以及散热片等，将增大电池包的体积，结构也较为复杂。

目前市面上出现了采用相变材料对电池包进行热管理。相变材料是利用物质发生相变时需要吸收大量热量的性质来储热的，具有储热密度高、体积小、热效率高等优点。但是，目前市面上出现的用于对电池包进行热管理的相变材料，均具有溶于水的特性，在相变过程以及潮湿的环境中容易发生漏液与材料流失，会影响用户的使用与电池包的可靠性。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种电池包及电动工具，该电池包结构紧凑、有效抑制温升且在高温下具有稳定的性能。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种电池包，设置为给电动工具供电,所述电池包包括：壳体；电芯组件，设置在所述壳体内，所述电芯组件包括多个电芯单元；由复合相变材料制成的吸热体，所述吸热体与至少一个所述电芯单元热接触，以吸收所述电池包在充放电过程中所述电芯组件产生的热量；所述复合相变材料至少包括主体相变材料和相变微胶囊。

进一步地，所述复合相变材料中，所述主体相变材料的质量与所述相变微胶囊的质量的比值大于或等于2.5且小于或等于5.5。

进一步地，所述相变微胶囊占所述复合相变材料质量的15％至25％。

进一步地，所述相变微胶囊均匀分布在所述主体相变材料中。

进一步地，所述相变微胶囊的平均粒径大于或等于5微米且小于或等于20微米。

进一步地，所述主体相变材料包括聚乙二醇、硅溶胶和水；所述复合相变材料还包括玻璃纤维和石墨。

进一步地，所述玻璃纤维占所述复合相变材料质量的1％至5％。

进一步地，所述相变微胶囊包括设置在胶囊壳体内的正烷烃类相变材料，所述胶囊壳体的材质为聚酰亚胺树脂。

进一步地，所述复合相变材料至少填充在所述多个电芯单元之间的空隙内。

附图说明

图1是本发明的具体实施例的结构示意图；

图2是作为第一实施例的电池包的结构爆炸图；

图3是图2中的电池包的吸热体的结构图；

图4是作为第二实施例的电池包的局部结构图；

图5是图4中的吸热体的位置图；

图6是作为第三实施例的电池包的吸热体与电芯单元的结示意图；

图7是复合相变材料中本体相变材料和相变微胶囊的分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

本发明中的电池包可适用于电钻、电动扳手、电动螺丝批、电锤钻、电圆锯、砂光机等手持式电动工具机，以及电动割草机、打草机、电剪刀、修枝机、电锯等园林工具，为方便描述，以下将手持式电动工具机及园林工具统称为电动工具。电池包可拆卸地连接在上述的电动工具上，或固定设置在上述的电动工具内。很显然，本发明的电池包不局限于上述的电动工具，也不限于指定的标称电压。事实上，本发明的教导可适用于任何类型的由电池供电的无绳电动工具，任何形状的电池包，以及任何额定标称值的电压。

本发明中的电池包为可充电的锂化学电池，如锂离子电池，尤其是电动工具场合经常使用的圆柱形锂离子电池以及软包电池。在一些实施例中，电池包可包括至少一个可充电的电芯单元，或者包括多个可充电的电芯单元，这取决于电池包的不同额定标称值。这些不同标称值的电池包，可通过串联多个可充电的电芯单元来实现。当然，可充电的电芯单元也可以配置为其他以锂为基质的锂化学电池，或者镍镉、镍氢之类的其他化学基质的可充电电池。

本发明中的电池包可以是但不限于方形、筒形、塔形或其他形状等。总体而言，电池包包括：壳体；至少一个电芯单元；用于执行内外部控制和保护措施的电子器件，与外部充电器或电动工具连接的电池包端子；电芯单元连接机构；以及与电芯单元邻接地设置的相变材料。显然地，上述的电池包的壳体，至少一个电芯单元，用于执行内外部控制和保护措施的电子器件，与外部充电器或电动工具连接的电池包端子，以及电芯单元连接机构等内部配置为通用配置，因此在本说明书及附图中将不再赘述。下面将结合附图详述本发明中的电池包的内部散热结构及用于对电芯单元散热的相变材料的配置。该配置可解决电池包在充放电时，尤其是在用于为电动工具提供电能而放电时的散热问题，以及解决使用相变材料在潮湿环境下易漏液，还包括电池包内的电芯单元的分布及电池包的紧凑性问题

参见图1至图3所示的作为一个实施例的电池包100，包括由上壳体11和下壳体12组装形成的壳体10，设置在壳体10内的电芯组件20，多个电芯单元100彼此紧凑排列形成电芯组件20。电池包100还包括第一支架13和第二支架14，分布在电芯单元21及其所形成的电芯组件20的两端部，在多个电芯单元21的纵长方向垂直延伸的平面内设置，用以支撑多个电芯单元21及其所形成的电芯组件20，并通过螺钉、卡扣等机械方式固定结构，将电芯组件20形成一个紧凑的结构。电池包100还包括吸热体30，吸热体30与至少一个电芯单元21热接触，以吸收电池包100在充放电过程中电芯组件20产生的热量。此处要说明的是，吸热体30与至少一个电芯单元21热接触，可以理解为吸热体30与电芯单元21的表面接触，从而实现热传导。当然也可以理解为，吸热体30与电芯单元21的表面不直接接触，从而实现间接的热传导。

多个电芯单元21彼此紧凑地排列，形成一个电芯组件20。相邻的电芯单元21之间以及电芯单元21与第一支架13、第二支架14之间形成有空隙22，吸热体30部分地填充在空隙22内。第一支架13和第二支架14可以由导热材料制成，如金属铝、碳化硅等，第一支架13和第二支架14通过螺钉等机械方式配合固定，将电芯组件20以及吸热体30进行封装，第一支架13和第二支架14与吸热体30充分接触，可以很好的将电芯单元20产生的热传导出去，达到良好的散热效果。

参见图4所示的作为另一个实施例的电池包，电芯单元21a通过紧凑排列组成电芯组件20a。与上述的实施方式不同之处在于，电芯组件20a中的电芯单元21a的排列方式不同。吸热体30a被构造成适配每一个电芯单元21a的外轮廓的环形结构，并套装在电芯单元21a的最大散热区域。在一些实施例中，最大散热区域被定义在由电芯单元21a的外表面中间位置A向正极端部分延伸的区域。如图5所示，电芯单元21a的长度约为65mm，直径约为18mm，而电芯单元21a在充放电时温升最快的区域位于电芯单元21a的外表面中间且偏向正极端5mm的区域。从电芯单元21a的纵长方向的中间位置A(约32.5mm的位置)，向正极端延伸5mm到位置B(约37.5mm的位置)所定义的区域，为电芯单元21a的温度上升最容易也是最快地达到极限保护温度的区域，因此，在一些实施例中，该区域被优选为电芯单元21a的最大散热区域，吸热体30a套装在该区域上。为达到更理想的散热效果，在一些实施例中，吸热体30a还可以套装在从电芯单元21a的纵长方向的中间位置A(约32.5mm的位置)，向正极端延伸更多的距离到达整个电芯单元21a的纵长方向长度三分之二的位置C(约43.3mm的位置)所定义的区域，或者是从电芯单元21a的纵长方向的中间位置A(约32.5mm的位置)，向正极端延伸更多的距离到达整个电芯单元21a的纵长方向长度四分之三的位置D(约48.75mm的位置)所定义的区域，此时，这些位置被优选为电芯单元21a的最大散热区域。在本实施例中吸热体30a被构造为圆环形，具体的尺寸可根据电芯单元21a的尺寸以及排布方式进行调整，通过工装或其他方式套装在电芯单元21a上。

参见图6所示的作为又一种实施例的电池包，包括多个电芯单元21b构成的电芯组件20b。与上述的实施方式不同之处在于，电芯单元21b呈扁平状，多个电芯单元21b层叠排放。优选地，吸热体30b设置在相连的电芯单元21b之间。当然，吸热体30b与电芯单元21b之间的位置关系，应根据电池包的实际内部结构进行排布，因而可以理解，吸热体30b与电芯单元21b或电芯组件20b之间的位置关系并不能作为对本发明的限制。

上述实施例中的吸热体由相变材料制成。其腐蚀性小、无毒、相变形态稳定，尤其是一种聚乙二醇为载体的相变材料，并添加硅胶溶液作为纳米支撑结构所得到的相变材料，其相变焓可达到150到350J/g。相变材料能通过相变反应吸收热量，当相变材料吸收热量时，会发生相变反应。以聚乙二醇为载体的相变材料，其具有溶于水的特性，容易在潮湿的环境中发生材料漏液与材料流失，会影响用户的使用与电池包的可靠性。为防止相变材料在相变后或潮湿的环境下发生泄漏，通常情况下，会在相变材料的覆盖区域上安装有封装层，该封装层可以是仅密封覆盖区域，或者密封整个单元电池的外圆柱轮廓。封装层是一种绝缘材料，如热封管，优选为一种与电芯单元本体的封装材料相同的封装层。

本发明中优选地采用一种复合相变材料。具体而言，复合相变材料至少包括主体相变材料和相变微胶囊。在一些实施例中，主体相变材料包括聚乙二醇，硅溶胶和水。以聚乙二醇为载体，并添加硅溶胶和水作为纳米支撑结构，构成主体相变材料。具体而言，在本实施例中，聚乙二醇占主体相变材料质量的70.4％，硅溶胶占主体相变材料质量的21.6％，剩余为水，占主体相变材料质量的8％。

相变微胶囊的胶囊壳体的材质为聚酰亚胺树脂，胶囊壳体内装有正烷烃类相变材料。相变微胶囊的胶囊壳体超薄、密性好、机械强度及热稳定性好、粒径可控、相变潜热值高，同时相变微胶囊耐低温、耐高温、热稳定性好，在极低的温度(-269℃)下不会破裂。

本实施例中的复合相变材料为本体相变材料与相变微胶囊的按一定配比混合制成。复合相变材料中，主体相变材料的质量与相变微胶囊的质量的比值大于或等于2.5且小于或等于5.5。具体而言，相变微胶囊占复合相变材料质量的15％至25％。进一步地，相变微胶囊占复合相变材料质量的15％至20％，或相变微胶囊占复合相变材料质量的20％至25％。进一步地，相变微胶囊占复合相变材料质量的20％。本体相变材料占复合相变材料质量的66％至78％。进一步地，本体相变材料占复合相变材料质量的66.7％至77.3％。进一步地，本体相变材料占复合相变材料质量的66.7％至71％，或71％至77.3％。进一步地，本体相变材料占复合相变材料质量的71％。另外，复合相变材料中还包括有玻璃纤维。具体而言，复合相变材料中的玻璃纤维的质量为1％至5％。进一步地，复合相变材料中的玻璃纤维的质量为2.7％。复合相变材料中还包括有石墨。具体而言，复合相变材料中的石墨的质量为5％至6％。进一步地，复合相变材料的石墨质量为5.6％。需要说明的是，上述的复合相变材料中的配比是多次试验后获得的数据，对于电池包而言，从成本和性能而言均具有较好的效果。

本实施例中，通过在本体相变材料中按一定的比例添加相变微胶囊形成复合相变材料。参见图7所示，为在本体相变材料31a中加入相变微胶囊31b的效果图。具体而言，相变微胶囊31b在均匀排布在本体相变材料31a中，当复合相变材料吸收电池包所产生的热量后而发生相变反应后，相变微胶囊31b与玻璃纤维组合相当于在本体相变材料31a中增加网状结构(图7中虚线所示)从而增加了对本体相变材料31a中的聚乙二醇分子约束，避免聚乙二醇在相变反应时发生漏液现象。具体而言，本实施例中采用的相变微胶囊31b的平均粒径范围为5微米至20微米。进一步地，采用平均粒径为10微米的相变微胶囊。

由于相变微胶囊自身也是一种相变材料，能够通过相变反应吸收电池包所产生热量。通过将本体相变材料与相变微胶囊按合理的配比进行混合，可增加了本体相变材料的抗湿能力，在潮湿的环境中不发生材料漏液与材料流失。另一方面，相同质量的本体相变材料和复合相变材料相比，复合相变材料的相变焓更高。具体而言，相同质量的复合相变材料和本体相变材料相比，复合相变材料中能发生相变反应的成分占80-90％，因而复合相变材料具有更高的相变焓，提升约17％。

复合相变材料中含有相变微胶囊，使得复合相变材料在吸热过程中发生相变后其内部呈现网状结构，从而增加了对本体相变材料中的聚乙二醇分子约束，避免聚乙二醇在相变反应后发生泄漏的现象，因而无需采用传统的密封层和密封结构，使得电池包的在散热效率更高的情况下，结构更加紧凑，装配更加简单。

如下表1，是电池包1和电池包2的测试结果表。其中，表1中的电池包1表示仅采用本体相变材料的电池包，电池包2表示采用复合相变材料的电池包。从表1中可以看出：相同输出电流下，使电芯单元达到相同的表面温度，电池包2比电池包1需要更长的时间。例如，在25摄氏度的条件下，控制电池包1和电池包2均以30A的放电电流进行放电，并记录电池包1和电池包2达到65摄氏度的时间分别为378秒和434秒，电池包2相比较电池包1而言，其放电效率提升14.8％。

表1电池包1与电池包2的测试结果表

从表1中还可以看出，当电池包1和电池包2以约50A的放电电流进行放电时，电池包2相对电池包1的放电效率能提升21％，具有明显的效果。从表1的试验数据，可以很明显看出，采用复合相变材料的电池包的散热效果更加明显。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电池包，设置为给电动工具供电,所述电池包包括：

壳体；

电芯组件，设置在所述壳体内，所述电芯组件包括多个电芯单元；

其中，还包括：

由复合相变材料制成的吸热体，所述吸热体与至少一个所述电芯单元热接触，以吸收所述电池包在充放电过程中所述电芯组件产生的热量；

所述复合相变材料至少包括主体相变材料和相变微胶囊。

2.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，

所述复合相变材料中，所述主体相变材料的质量与所述相变微胶囊的质量的比值大于或等于2.5且小于或等于5.5。

3.根据权利要求2所述的电池包，其特征在于，

所述相变微胶囊占所述复合相变材料质量的15％至25％。

4.根据权利要求3所述的电池包，其特征在于，

所述相变微胶囊均匀分布在所述主体相变材料中。

5.根据权利要求4所述的电池包，其特征在于，

所述相变微胶囊的平均粒径大于或等于5微米且小于或等于20微米。

6.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，

所述主体相变材料包括聚乙二醇、硅溶胶和水；所述复合相变材料还包括玻璃纤维和石墨。

7.根据权利要求6所述的电池包，其特征在于，

所述玻璃纤维占所述复合相变材料质量的1％至5％。

8.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，

所述相变微胶囊包括设置在胶囊壳体内的正烷烃类相变材料，所述胶囊壳体的材质为聚酰亚胺树脂。

9.根据权利要求1所述的电池包，其特征在于，

所述复合相变材料至少填充在所述多个电芯单元之间的空隙内。

10.一种电动工具，包括根据权利要求书1-9任意一项所述的电池包。

Images