CN116404296A - 一种动力电池包及其冷却处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种动力电池包及其冷却处理方法，从上至下依次包括紧密贴合的防火箱、电芯模块和液冷板，防火箱底部开有多个导流孔，所述电芯模块顶部设置多个排气阀，所述排气阀的数量、位置、轮廓均与位于防火箱底部的导流孔适配，所述排气阀与导流孔贯通，形成电芯顶部通向防火箱顶部排气管的导流通道；所述电芯模块包括电芯阵列、防火布和储能元件，所述电芯模块的横截面具有多个第一区域和第二区域，所述第一区域内设置电芯；所述第二区域设置储能元件，所述第一区域呈矩形波浪状排布，相邻第一区域交错设置，且第一区域与第二区域的面积比为37：10。起火时，电池包内的导流通道能够将火焰和热失控气体从电芯处直接通过排气管排出外界。

Description

一种动力电池包及其冷却处理方法
技术领域
本发明属于动力电池包技术领域，具体涉及一种动力电池包及其冷却处理方法。
背景技术
随着新能源汽车的大范围普及，新能源汽车火灾事故数量也逐年增加，引发行业内及全社会关注。动力电池热失控是目前引发新能源汽车火灾事故的重要原因。然而目前动力电池热失控触发机理尚不明确，诱因繁多，无预兆突发性热失控难以复现，这些问题制约了动力电池应急管理系统的设计，同时也导致新能源汽车火灾消防难等问题。研究新能源汽车火灾事故复现，探究电池系统内部热蔓延、热扩散过程，指导高安全电池系统设计与过火后消防应急管理设计，查清火灾事故的原因，是目前新能源汽车安全管理的重要研究内容。
现有动力电池包多是电芯连成模组置于电池包内部，或者是电芯直接组成电池包，电芯与电芯之间、电芯与电池包内部、模组与电池包内部没有其它材料阻隔开，这种结构能够提高电池包的空间利用率，但是这种装置没有考虑热失控电芯着火后，对其他电芯的危害，以及对电池箱体和电动汽车所造成的致命伤害。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种动力电池包及其冷却处理方法。所述动力电池包内部的电芯阵列并未采用常规的矩形阵列排布，而是交错的波浪形式从而减少两个相邻电芯之间的热量传递，并且在凹陷的地方设置储能元件，不仅起到了降温的作用，还提升了空间利用率。当动力电池包起火时，所述动力电池包内的导流通道能够将火焰和热失控气体从电芯处直接通过排气管排出外界。
本发明第一个方面在于提出一种动力电池包，包括控制模块和电池模组，所述电池模组从上至下依次包括防火箱、电芯模块和液冷板，所述防火箱底面和电芯模块顶部紧密贴合，所述电芯模块底部和液冷板顶部紧密贴合，而且所述防火箱底部开有多个导流孔，所述电芯模块顶部设置多个排气阀，所述排气阀的数量、位置、轮廓均与位于防火箱底部的导流孔适配，所述排气阀与导流孔贯通，形成电芯顶部通向防火箱顶部排气管的导流通道；
所述防火箱为中空的箱体用于容纳来自导流通道的热失控气体和喷射火焰，顶部开有孔用于设置多个排气管，所述排气管的端部凸出于防火箱顶部，用于灭火后烟气的排出至动力电池包外界；且所述防火箱内壁涂覆灭火剂；
所述电芯模块包括电芯阵列、防火布和储能元件，所述电芯模块的横截面具有多个第一区域和第二区域，所述第一区域内设置电芯；所述第二区域设置储能元件，所述第一区域呈矩形波浪状排布，相邻第一区域交错设置，且第一区域与第二区域的面积比为37：10；
所述电芯阵列由多个电芯并排布置组成，相邻两个电芯交错排布，各所述电芯一侧外壁的中心位置设置一温度传感器，所述温度传感器与控制模块采用CAN总线实现信息通讯，且每个电芯顶部具有一排气阀；
所述防火布合围在所述电芯阵列外侧壁用于防火；
在所述防火布外侧，多个储能元件分别填充于交错设置的电芯形成的凹陷处，从而使储能元件和包裹防火布的电芯阵列形成的电芯模块的横截面为矩形，所述储能元件为石蜡材质用于储热；
所述液冷板为中空的箱体，其内设置有液冷管道，所述液冷管道呈S型铺设于液冷管道内，其内工质为水，所述液冷管道进液口处设置有控制阀，所述控制阀与控制模块电连接，用于根据控制模块的指令控制水流速度。
所述防火箱与电芯阵列的外轮廓相同，所述电芯模块与液冷板的外轮廓相同；
所述控制模块用于根据预先设置的阈值和温度传感器检测的温度调节液冷管道进液口处的控制阀从而控制工质流速。
进一步的，相邻两个所述电芯之间设置有隔热板用于隔热和防火，所述隔热板位于第一区域内。
进一步的，所述电芯顶部拓扑2个凸出于顶部的极耳，形成所述电芯的正负极；所述防火箱底部具有与电芯模块顶部轮廓适配的凹槽，用于使防火箱底部与电芯模块紧密贴合。
进一步的，一第一固定件设置于防火布外壁用于固定防火布和电芯，所述第一固定件的内轮廓与围有防火布的电芯阵列外轮廓适配，且与防火布外壁粘接。
进一步的，一第二固定件设置于电芯模块外表面，用于固定电芯模块内元件，其尺寸与电芯模块外表面适配。
本发明的第二个方面在于提供所述动力电池包的冷却处理方法包括：
各电芯的温度传感器实时监测其温度并传送至控制模块，当控制模块监测到最高电芯温度为25-40℃时，调节液冷管道进液口处的控制阀，使工质的流速为0.3m/s；
当监测到最高电芯温度为40-60℃时，调节液冷管道进液口处的控制阀，使工质的流速为0.8m/s；当温度降至25-40℃时，返回上一步，调节控制阀降低工质流速为0.3m/s；
当监测到电芯温度为60-90℃时，调节液冷管道进液口处的控制阀，使液冷管道内部工质的流速为1.2m/s；当温度降至40-60℃时，返回上一步，调节控制阀降低工质流速为0.8m/s；
当监测到电芯温度超过90℃时，保持液冷管道内部工质的流速为1.2m/s，并启动动力电池包内部的BMS。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、位于电池组上方的防火箱体与电池上方紧密接触，在保证火焰不往周围模组扩散的同时兼顾了防火箱与电池之间紧固性的要求，加强了电池包的整体稳定性；
2、位于电池组底部的液冷板中内置蛇形流道，一体式的冷却装置提高了热量传递效率和冷却效率，确保了电池包各部件之间的紧固性和稳定性；
3、电芯之间错开排列的设计，降低了相邻电芯之间的热量传递，在错开位置布置相变材料石蜡，吸收电芯产生的热量，同时位于底部的液冷板能够有效的带走石蜡储存的热量，降低电芯的温度，提升整体电池组的安全性能。
4、在电芯模组外壁加一层与电芯排列结构相同形状的防火布材料，在防火布材料外布置与电芯排列结构相同形状的模组固定件，避免了火焰对其他电芯或者模组的二次伤害，大大提升了电池包的热安全性能。
附图说明
图1为本发明所述的动力电池包的爆炸图；
图2为所述电芯模块的横截面示意图。
图中：
1：防火箱 2：排气道 3：极耳
4：电芯排气阀 5：电芯 6：储能元件
7：隔热板 8：防火布 9：液冷管道
10：液冷板 11：第一固定件 12：第二固定件
13：第一区域 14：第二区域
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体的实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，一种动力电池包，包括控制模块和电池模组，所述电池模组包括最上方的防火箱1、中间的电芯模块和下方的液冷板10，所述防火箱底面和电芯模块顶部紧密贴合，所述电芯模块底部和液冷板顶部紧密贴合。
所述防火箱1为中空的箱体用于容纳热失控气体和喷射火焰，顶部开有孔用于设置3个排气管2，所述排气管的端部凸出于防火箱1顶部，用于灭火后烟气的出至动力电池包外界；所述防火箱1底部开有与电芯5的排气阀4数量、位置、轮廓吻合的导流孔，用做电芯5热失控射流火焰的喷射。所述防火箱1底部具有与电芯模块顶部轮廓适配的凹槽(即与极耳的外轮廓适配)，用于使防火箱底部与电芯顶部紧密贴合，从而形成导流通道避免火焰或热失控烟气在电池包内扩散。
防火箱1内壁面涂覆有NOVEC 1230凝珠灭火剂，当热失控气体从导流孔喷入防火箱1内部时，热失控气体的温度会使得NOVEC 1230凝珠快速气化，带走大量的热，从而达到冷却的作用；若喷入防火箱内部的是火焰，那么NOVEC 1230灭火剂的强吸热能力，会使火焰快速丧失热量，中断燃烧的链式反应。
所述防火箱1未采用普通的长方体结构，而是采用与电芯的排列适配的凹凸结构，即所述防火箱1的横剖面为沿其横向具有竖向凹凸的矩形波浪状。
所述电芯模块包括电芯阵列、防火布和储能元件6。所述电芯阵列由多个电芯5并排布置组成，相邻两个所述电芯5之间设置有隔热板7用于隔热和防火。所述电芯5顶部拓扑2个凸出于顶部的极耳3，形成所述电芯的正负极，且各所述电芯5一侧外壁的中心位置设置一温度传感器，所述温度传感器与控制模块采用CAN总线通讯协议实现信息通讯，减少布线，提高抗干扰能力。所述电芯5顶部还设置排气阀4，所述排气阀4的数量、位置、轮廓均与位于防火箱1底部的导流孔适配，从而在防火箱与电芯阵列贴合时所述排气阀4与导流孔贯通。所述电芯的排布是沿电芯阵列横向具有竖向凹凸的矩形波浪状，即相邻两个电芯交错排布。所述隔热板7的尺寸与所述电芯的侧壁尺寸适配并沿一侧的电芯侧壁设置。所述防火布8合围在所述电芯阵列外侧壁用于防火，一第一固定件11用于固定防火布8和电芯5，所述第一固定件11为铝合金壳体，其内轮廓与围有防火布的电芯阵列外轮廓适配，所述第一固定件11内壁紧贴所述防火布8外侧，且所述第一固定件11与防火布之间采用耐高温胶水粘接。在所述防火布8外侧，多个储能元件6分别布置于交错设置的电芯形成的凹陷处，且填充在凹陷处，从而使储能元件6和包裹防火布8的电芯阵列形成的电芯模块的横截面为矩形，所述储能元件6为石蜡材质用于储热。为了加固本装置，在横截面为矩形的电芯模块外壁套设一第二固定件12，所述第二固定件用于固定电芯模块内的电芯阵列和储能元件。所述第二固定件12也为铝合金壳体，尺寸与电芯模块外表面适配。所述电芯的凹凸排布设计可以减少两个相邻电芯之间的热量传递，并且在凹陷的地方设置储能元件，不仅起到了降温的作用，还提升了空间利用率。在实际应用中，所述第一固定件的形式不做限制，只要能够将防火布固定在电芯阵列外侧即可。
如图2所示，所述电芯模块的横截面具有多个第一区域13和第二区域14，所述第一区域13内设置电芯5和隔热板7；所述第二区域14设置储能元件6，相邻的第一区域13和第二区域14交错设置，且第一区域13与第二区域14的面积比为37：10。
所述液冷板10的横截面为矩形，其外轮廓与设置有储能元件6的电芯模块外轮廓相同。所述液冷板为中空的箱体，其内设置有液冷管道9，所述液冷管道9呈S型铺设于液冷管道9内，其内工质为水，所述液冷管道9进液口处设置有控制阀，所述控制阀与控制模块电连接，用于根据控制模块的指令控制水流速度。
所述防火箱与电芯阵列的横截面相同，所述电芯模块与液冷板的横截面相同。
所述动力电池包的控制模块的工作原理如下：
各电芯5的温度传感器实时监测其温度并传送至控制模块，当控制模块监测到最高电芯温度为25-40℃时，调节液冷管道9进液口处的控制阀，使工质的流速为0.3m/s；
当监测到最高电芯温度为40-60℃时，调节液冷管道9进液口处的控制阀，使工质的流速为0.8m/s；当温度降至25-40℃时，返回上一步，调节控制阀降低工质流速为0.3m/s；
当监测到电芯温度为60-90℃时，调节液冷管道9进液口处的控制阀，使液冷管道内部工质的流速为1.2m/s；当温度降至40-60℃时，返回上一步，调节控制阀降低工质流速为0.8m/s；
当监测到电芯温度超过90℃时，保持液冷管道内部工质的流速为1.2m/s，并启动动力电池包内部的BMS。此时如起火，火焰和热失控气体从电芯处上升，通过排气阀4和导流孔升至防火箱1内，在防火箱内壁的NOVEC 1230会使火焰快速丧失热量，中断燃烧的链式反应，燃烧未尽的烟雾通过排气管2排出外界。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种动力电池包，包括控制模块和电池模组，其特征在于，所述电池模组从上至下依次包括防火箱(1)、电芯模块和液冷板(10)，所述防火箱(1)底面和电芯模块顶部紧密贴合，所述电芯模块底部和液冷板(10)顶部紧密贴合，而且所述防火箱(1)底部开有多个导流孔，所述电芯模块顶部设置多个排气阀(4)，所述排气阀(4)的数量、位置、轮廓均与位于防火箱(1)底部的导流孔适配，所述排气阀(4)与导流孔贯通，形成电芯顶部通向防火箱顶部排气管(2)的导流通道；
所述防火箱(1)为中空的箱体用于容纳来自导流通道的热失控气体和喷射火焰，顶部开有孔用于设置多个排气管(2)，所述排气管的端部凸出于防火箱(1)顶部，用于灭火后烟气排出至动力电池包外界；且所述防火箱(1)内壁涂覆灭火剂；
所述电芯模块包括电芯阵列、防火布和储能元件(6)，所述电芯模块的横截面具有多个第一区域(13)和第二区域(14)，所述第一区域内设置电芯(5)；所述第二区域(14)设置储能元件(6)，所述第一区域(13)呈矩形波浪状排布，相邻第一区域(13)交错设置，且第一区域(13)与第二区域(14)的面积比为37：10；
所述电芯阵列由多个电芯(5)并排布置组成，相邻两个电芯交错排布，各所述电芯5一侧外壁的中心位置设置一温度传感器，所述温度传感器与控制模块采用CAN总线实现信息通讯，且每个电芯(5)顶部具有一排气阀(4)；
所述防火布(8)合围在所述电芯阵列外侧壁用于防火；
在所述防火布(8)外侧，多个储能元件(6)分别填充于交错设置的电芯形成的凹陷处，从而使储能元件(6)和包裹防火布(8)的电芯阵列形成的电芯模块的横截面为矩形，所述储能元件(6)为石蜡材质；
所述液冷板为中空的箱体，其内设置有液冷管道(9)，所述液冷管道(9)呈S型铺设于液冷管道(9)内，其内工质为水，所述液冷管道(9)进液口处设置有控制阀，所述控制阀与控制模块电连接，用于根据控制模块的指令控制水流速度。
所述防火箱(1)与电芯阵列的外轮廓相同，所述电芯模块与液冷板(10)的外轮廓相同；
所述控制模块用于根据预先设置的阈值和温度传感器检测的温度调节液冷管道(9)进液口处的控制阀从而控制工质流速。
2.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，相邻两个所述电芯(5)之间设置有隔热板(7)用于隔热和防火，所述隔热板位于第一区域(13)内。
3.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，所述电芯(5)顶部拓扑2个凸出于顶部的极耳(3)，形成所述电芯的正负极；所述防火箱(1)底部具有与电芯模块顶部轮廓适配的凹槽，用于使防火箱底部与电芯模块紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，一第一固定件(11)设置于防火布(8)外壁用于固定防火布(8)和电芯(5)，所述第一固定件(11)的内轮廓与围有防火布(8)的电芯阵列外轮廓适配，且与防火布外壁粘接。
5.根据权利要求1所述的动力电池包，其特征在于，一第二固定件(12)设置于电芯模块外表面，用于固定电芯模块内元件，其尺寸与电芯模块外表面适配。
6.根据权利要求1所述动力电池包的冷却处理方法，包括：
各电芯(5)的温度传感器实时监测其温度并传送至控制模块，当控制模块监测到最高电芯温度为25-40℃时，调节液冷管道(9)进液口处的控制阀，使工质的流速为0.3m/s；
当监测到最高电芯温度为40-60℃时，调节液冷管道(9)进液口处的控制阀，使工质的流速为0.8m/s；当温度降至25-40℃时，返回上一步，调节控制阀降低工质流速为0.3m/s；
当监测到电芯温度为60-90℃时，调节液冷管道(9)进液口处的控制阀，使液冷管道内部工质的流速为1.2m/s；当温度降至40-60℃时，返回上一步，调节控制阀降低工质流速为0.8m/s；
当监测到电芯温度超过90℃时，保持液冷管道(9)内部工质的流速为1.2m/s，并启动动力电池包内部的BMS。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117691221A (zh) * 2024-02-02 2024-03-12 山东电工时代能源科技有限公司 一种阻燃型储能装置及其阻燃方法

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