CN117199671B - 相变阻燃组件的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池模组生产技术领域，具体公开了一种相变阻燃组件的设计方法。本发明的相变阻燃组件的设计方法，相变阻燃组件包括第一壳体，所述第一壳体为相变材料，所述第一壳体适于包覆在电气元件上，所述相变阻燃组件的设计方法包括：计算所述电气元件的产热功率；计算所述第一壳体相变吸收的热量；根据所述电气元件的产热功率、所述第一壳体相变吸收的热量计算所述第一壳体相变需要的所述相变材料的最小质量；根据所述相变材料的最小质量和所述电气元件的外形加工所述第一壳体。本发明能够提高电气设备的安全性。
Description
技术领域
本发明属于电池模组生产技术领域，具体涉及一种相变阻燃组件的设计方法。
背景技术
电池广泛应用于储能、电动汽车等领域，但是在实际的应用过程中存在较大的安全隐患，并且随着科技的发展，大容量电池的需求逐渐增大，电池的容量大，电池内部的能量密度也相应的增加，这样导致电池会有更高的能量释放，安全隐患更大。电池热失控后还可能会诱发电气连锁安全隐患，作为电气元件，电池储能系统以及电缆线束、继保系统等零部件，都存在电气类短路引发电火花的潜在风险。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种相变阻燃组件的设计方法，能够提高电气设备的安全性。
本发明实施例的相变阻燃组件的设计方法，所述相变阻燃组件包括第一壳体，所述第一壳体为相变材料，所述第一壳体适于设置在电气元件上，所述相变阻燃组件的设计方法包括：计算所述电气元件的产热功率；计算所述第一壳体相变吸收的热量；根据所述电气元件的产热功率、所述第一壳体相变吸收的热量计算所述第一壳体相变需要的所述相变材料的最小质量；根据所述相变材料的最小质量和所述电气元件的外形加工所述第一壳体。
本实施例中，通过相变材料吸收的热量中和电池生成的热量，当电池温度升高导致电气元件温度升高到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收热量，使电池温度停留在熔点附近，相变材料熔化变软，更加紧密的贴合在电气元件上，抑制温度进一步上升，提升了安全性。
在本实施例中，所述电气元件的产热功率计算方法包括：计算第i颗电芯的产热功率；根据以下公式计算所述电气元件的产热功率：
其中，k为电芯-电气元件产热功率系数，n为电芯数量。
在本实施例中，所述第i颗电芯的产热功率的计算公式为：
其中，I为电池放电电流，单位为A；V为电池体积，单位为m3；Req为电池的等效内阻，单位为Ω；Tinitial为电池初始温度，单位为K；Eoc为电池开路电压，单位为V；为电池的温度影响系数，无量纲。
在本实施例中，所述第一壳体相变吸收的热量计算公式为：
其中，Qpcm为第一壳体相变吸收的热量，单位为J；m为第一壳体相变所需材料的最小质量，单位是mg；Cpcm为相变材料比热容，单位为J kg-1K-1；Tm为相变材料相变时的温度，单位为K；Tinitial为相变材料的初始温度，单位为K；h为相变材料的熔化热，单位为J g-1。
在本实施例中，计算所述第一壳体相变吸收的热量还包括：根据所述电气元件的临界温度或报警温度选择所述相变材料，即，
其中，Tj为电气元件的临界温度或报警温度，单位为K。
在本实施例中，所述相变阻燃组件还包括第二壳体，所述第二壳体设置于所述第一壳体的外部。
在本实施例中，所述第一壳体和所述第二壳体通过粘结剂粘结。
在本实施例中，所述第二壳体为绝缘材料。
在本实施例中，所述第二壳体的绝缘电阻为R，R≥1000Ω/V。
在本实施例中，所述相变阻燃组件的设计方法包括：选取所述第二壳体的材料。
附图说明
图1是本发明实施例的相变阻燃组件的设计方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中的相变阻燃组件的设计方法，相变阻燃组件包括第一壳体，第一壳体为相变材料，第一壳体适于设置在电气元件上。
例如，电气元件可以为柔性电路板、线束或电池模组等。第一壳体的材质可以为硬脂酸、石蜡、正十八烷、正十四醇、石蜡/硬脂酸丁酯低共熔混合物、结晶水合盐、熔融盐或金属类相变材料中的一种。
如图1所示，相变阻燃组件的设计方法包括：
S100，计算电气元件的产热功率。
具体地，电气元件的产热功率计算方法包括：
S110，计算第i颗电芯的产热功率；
第i颗电芯的产热功率的计算公式为：
其中，I为电池放电电流，单位为A；V为电池体积，单位为m3；Req为电池的等效内阻，单位为Ω；Tinitial为电池初始温度，单位为K；Eoc为电池开路电压，单位为V；为电池的温度影响系数，无量纲。
具体地，第i颗电芯的产热功率的计算公式是基于Bernadi公式的等效模型算得。计算第i颗电芯的产热功率时，已知电池的放电电流I、电池体积V、电池的等效内阻Req、电池初始温度Tinitial，/>为电池的开路电压Eoc对电池表面温度T进行的微分，本领域的技术人员可以通过直接测量的方法，即通过测量不同荷电状态(也叫剩余电量)的电池在不同温度下的开路电压，计算获得电池在每一个荷电状态下的温度系数，将上述的各个数值带入到第i颗电芯的产热功率/>的计算公式中，从而可以得到第i颗电芯的产热功率。
S120，根据以下公式计算电气元件的产热功率：
其中，k为电芯-电气元件产热功率系数，n为电芯数量。
通过计算所有电芯的产热功率之和，并将所有电芯的产热功率之和与k值相乘，从而可得到电气元件的产热功率。电芯-电器元件的产热功率系数本领域的技术人员可以通过测算获得，其具体值在此不进行限制。
S200，计算第一壳体相变吸收的热量还包括：根据电气元件的临界温度或报警温度选择相变材料。即，
其中，Tm为相变材料相变时的温度，单位为K；Tj为电气元件的临界温度或报警温度，单位为K。
可以理解的是，相变材料发生相变时的温度和电气元件发生短路等安全性问题时的临界温度或报警温度相匹配时，可以通过相变材料吸收热量对电气元件进行保护，抑制电气元件的温度进一步升高，因此可以根据电气元件的临界温度或报警温度与相变材料的相变温度相等，选择相变材料的种类。
S300，计算第一壳体相变吸收的热量。
第一壳体相变吸收的热量计算公式为：
其中，Qpcm为第一壳体相变吸收的热量，单位为J；m为第一壳体相变所需材料的最小质量，单位是mg；Cpcm为相变材料比热容，单位为Jkg-1K-1；Tm为相变材料相变时的温度，单位为K；Tinitial为相变材料的初始温度，单位为K；h为相变材料的熔化热，单位为J g-1。
可以理解的是，第一壳体相变吸收的热量为第一壳体升温需要的热量和第一壳体熔化吸收的热量之和。第一壳体相变吸收的热量的计算公式中，相变材料的比热容Cpcm、相变材料相变时的温度Tm、相变材料的初始温度Tinitial、相变材料的熔化热为已知，第一壳体相变所需材料的最小质量m为未知。
S300，根据电气元件的产热功率、第一壳体相变吸收的热量计算第一壳体相变需要的相变材料的最小质量。
具体地，将第一壳体相变吸收的热量和电气元件生成的热量进行热平衡比较，即：
根据等式：
可以计算得到m的值。
S400，根据相变材料的最小质量和电气元件的外形加工第一壳体。
可以理解的是，计算出相变材料的最小质量后，可以一根据电气元件的外形设计第一壳体的形状及厚度，使第一壳体可以完全包覆在电气元件待保护的表面，第一壳体的形状和电气元件待保护的外形相关，因此，可以根据电气元件待保护的表面设置第一壳体的形状，其具体形状在此不进行限制。
本实施例中，通过第一壳体吸收的热量中和电池生成的热量，合理对第一壳体进行选材和质量计算，并根据电气元件的便面形状对第一壳体的具体结构进行设置，从而使电池温度升高导致电气元件温度升高到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收热量，使电池温度停留在熔点附近，相变材料熔化变软，更加紧密的贴合在电气元件上，可以抑制电气元件的温度进一步上升，从而可以有效减少由于电池热失控导致的电气类短路引发电火花，提高安全性。
在本实施例中，相变阻燃组件还包括第二壳体，第二壳体设置于第一壳体的外部。
具体地，第二壳体设置于第一壳体的外部，可以是第二壳体包覆在第一壳体的外部，也可以是第二壳体贴附在第一壳体的一侧面上，相变阻燃组件的结构可以根据实际需求设置，因此其具体结构在此不进行限制。
可以理解的是，第二壳体设置于第一壳体的外部，第一壳体相变时熔化变软，可以通过第二壳体对第一壳体进行限位，防止熔化的第一壳体散溢，第一壳体不会蔓延失控，从而可以有效减少电气元件发生短路，提高安全性。
在本实施例中，相变阻燃组件的设计方法还包括：S500，选取第二壳体的材料。
在本实施例中，第二壳体为绝缘材料。
例如，第二壳体可以为天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶等橡胶材料。
可以理解的是，将第二壳体设置为绝缘材料，可以防止漏电，降低安全隐患。
在本实施例中，第一壳体和第二壳体通过粘结剂粘结。
例如，粘结剂可以为硅烷偶联剂。
可以理解的是，通过在第一壳体和第二壳体之间设置粘结剂，将第一壳体和第二壳体粘结在一起，可以使第一壳体和第二壳体紧密贴合，降低接触热阻。
在本实施例中，第二壳体的绝缘电阻为R，R≥1000Ω/V。
例如，第二壳体的绝缘电阻R可以为1000Ω/V、1100Ω/V、1200Ω/V、1300Ω/V、1400Ω/V、1500Ω/V等。
可以理解的是，若第二壳体的绝缘电阻过小，则第二壳体不能对内部的电气元件更好的保护，防止电流通过第二壳体流向外部环境，降低安全隐患。
在本实施例中，第二壳体的耐压等级与电池整体的耐压等级相匹配，本领域的技术人员可以根据需要选择相应耐压等级的第二壳体，耐压等级的具体数值在此不进行限制。
例如，将相变阻燃组件设置在铝排、铜排或者与FPC板连接位点的外部时，相变材料的相变温度控制在电池限制温度增加60℃以上，第一壳体可以为石蜡、醋酸等相变材料，绝缘外壳可以为天然橡胶、顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶或硅橡胶等橡胶材料，绝缘外壳的绝缘强度高于1000Ω/V，绝缘材料的耐压电压范围为1000V-3820V，例如，绝缘材料的耐压值可以为1000V、1200V、1500V、1600V、1800V、2000V、25000V、35000V或3820V等。在此范围内可以满足绝缘材料的耐压使用需求。
例如，还可以将相变阻燃组件设置于BMU（电池管理单元，Battery ManagementUnit）的发热元件上，在电池发热导致BMU等部件温度较高时，可根据不同设计位点探测保护温度值，对相变阻燃组件进行设计。
例如，还可以将相变阻燃组件设置于FPC板的表面，其具体设置方式在此不再详述。
本实施例中，通过第一壳体吸收的热量中和电池生成的热量，当电池温度升高导致电气元件温度升高到相变材料的熔点时，相变材料熔化并吸收热量，使电池温度停留在熔点附近，相变材料熔化变软，更加紧密的贴合在电气元件上，抑制温度进一步上升，提升了电气设备的安全性。第二壳体的熔点较高，可以对第一壳体进行限位，防止熔化的第一壳体散溢，不会造成第一壳体的蔓延失控，还能有效防止电气元件短路，提高了电气设备的安全性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，所述相变阻燃组件包括第一壳体，所述第一壳体为相变材料，所述第一壳体适于设置在电气元件上，所述电气元件为铝排、铜排、BMU的发热元件、FPC或线束，所述相变阻燃组件的设计方法包括：
计算所述电气元件的产热功率；
计算所述第一壳体相变吸收的热量；
根据所述电气元件的产热功率、所述第一壳体相变吸收的热量计算所述第一壳体相变需要的所述相变材料的最小质量；
根据所述相变材料的最小质量和所述电气元件的外形加工所述第一壳体；
所述电气元件的产热功率计算方法包括：
计算第i颗电芯的产热功率；
根据以下公式计算所述电气元件的产热功率：
其中，k为电芯-电气元件产热功率系数，n为电芯数量；
所述相变阻燃组件还包括第二壳体，所述第二壳体包覆在所述第一壳体的外部；
所述第二壳体为绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，所述第i颗电芯的产热功率的计算公式为：
其中，I为电池放电电流，单位为A；V为电池体积，单位为m3；Req为电池的等效内阻，单位为Ω；Tinitial为电池初始温度，单位为K；Eoc为电池开路电压，单位为V；为电池的温度影响系数，无量纲。
3.根据权利要求1所述的相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，所述第一壳体相变吸收的热量计算公式为：
其中，Qpcm为第一壳体相变吸收的热量，单位为J；m为第一壳体相变所需材料的最小质量，单位是mg；Cpcm为相变材料比热容，单位为J kg-1 K-1；Tm为相变材料相变时的温度，单位为K；Tinitial为相变材料的初始温度，单位为K；h为相变材料的熔化热，单位为J g-1。
4.根据权利要求3所述的相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，计算所述第一壳体相变吸收的热量还包括：
根据所述电气元件的临界温度或报警温度选择所述相变材料，即，
其中，Tj为电气元件的临界温度或报警温度，单位为K。
5.根据权利要求1所述的相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，所述第一壳体和所述第二壳体通过粘结剂粘结。
6.根据权利要求1所述的相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，所述第二壳体的绝缘电阻为R，R≥1000Ω/V。
7.根据权利要求1所述的相变阻燃组件的设计方法，其特征在于，所述相变阻燃组件的设计方法包括：
选取所述第二壳体的材料。
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- 2023-11-02 CN CN202311446757.9A patent/CN117199671B/zh active Active
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