CN117913467A - 电池热障系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“电池热障系统”。提供了用于牵引电池包的示例性热障系统。示例性电池热障系统可以包括一个或多个热障结构，所述一个或多个热障结构定位在电芯组的相邻成组的电池电芯之间和/或牵引电池包的电池阵列内的其他地方。热障结构可以包括泡沫‑绝缘‑泡沫多层结构、绝缘‑泡沫‑绝缘多层结构或绝缘‑泡沫多层结构。热障结构被设计成在电池热事件期间管理电芯间的热量和电能传递。

Description

电池热障系统
技术领域
本公开总体上涉及电动化车辆牵引电池包，并且更具体地，涉及用于在电池热事件期间管理电芯间的热量和电能传递的热障系统。
背景技术
电动化车辆被设计为降低或完全消除对内燃发动机的依赖。通常，电动化车辆与常规的机动车辆不同，因为电动化车辆是通过电池供电的电机选择性地驱动的。相比之下，常规机动车辆完全依赖内燃发动机来推进车辆。
高压牵引电池包通常向电动化车辆的电机和其他电气负载供电。牵引电池包包括多个电池电芯和支持电动化车辆的电推进的各种其他电池内部部件。
发明内容
根据本公开的示例性方面的电池热障系统尤其包括电芯堆叠，所述电芯堆叠包括第一电池电芯和第二电池电芯。第一电池电芯和第二电池电芯并联电连接。热障结构布置在第一电池电芯与第二电池电芯之间。
在前述电池热障系统的另外的非限制性实施例中，热障结构包括夹置在第一泡沫层与第二泡沫层之间的绝缘层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，绝缘层包括云母、片状模塑料(SMC)或酚醛树脂。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，热障结构包括夹置在第一绝缘层与第二绝缘层之间的泡沫层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第一绝缘层和第二绝缘层各自包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，热障结构包括绝缘层和泡沫层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，电芯堆布置在第一端板与第二端板之间。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第二热障结构布置在第一端板与电芯堆之间，并且第三热障结构布置在第二端板与电芯堆之间。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第二热障结构和第三热障结构中的每一者都包括绝缘层和泡沫层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，电芯堆包括第一电芯组和第二电芯组。第二热障结构布置在第一电芯组与第二电芯组之间。
根据本公开的另一个示例性方面的电池热障系统尤其包括电池阵列，所述电池阵列包括定位在第一端板与第二端板之间的电芯堆。电芯堆包括并联电连接的第一电池电芯和第二电池电芯。第一热障结构布置在第一电池电芯与第二电池电芯之间。第二热障结构布置在电芯堆与第一端板或第二端板之间。
在前述电池热障系统的另外的非限制性实施例中，第三热障结构布置在电芯堆与第一端板或第二端板中的另一者之间。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，电芯堆包括第一电芯组和第二电芯组。第二个第一热障结构布置在第一电芯组与第二电芯组之间。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第一热障结构包括夹置在第一泡沫层与第二泡沫层之间的绝缘层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第一热障结构包括夹置在第一绝缘层与第二绝缘层之间的泡沫层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第一绝缘层和第二绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，第一热障结构包括绝缘层和泡沫层。
在前述电池热障系统中的任一者的另外的非限制性实施例中，绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
可以独立地或以任何组合采用前述段落、权利要求或以下描述和附图的实施例、示例和替代方案(包括它们的各种方面或相应的单独特征中的任何一个)。结合一个实施例描述的特征适用于所有实施例，除非此类特征是不兼容的。
根据以下具体实施方式，本公开的各种特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。可以如下简要描述随附于具体实施方式的附图。
附图说明
图1示意性地示出了电动化车辆的动力传动系统。
图2示出了牵引电池包的电池阵列的示例性热障系统。
图3示出了牵引电池包的电池阵列的另一个示例性热障系统。
图4示出了牵引电池包的电池阵列的又一个示例性热障系统。
图5示出了牵引电池包的电池阵列的又一个示例性热障系统。
具体实施方式
本公开详述了用于牵引电池包的示例性热障系统。示例性电池热障系统可以包括一个或多个热障结构，所述一个或多个热障结构定位在电芯组的相邻成组的电池电芯之间和/或牵引电池包的电池阵列内的其他地方。热障结构可以包括泡沫-绝缘-泡沫多层结构、绝缘-泡沫-绝缘多层结构或绝缘-泡沫多层结构。热障结构被设计成在电池热事件期间管理电芯间的热量和电能传递。在本具体实施方式的以下段落中更详细地讨论了这些特征和其他特征。
图1示意性地示出了电动化车辆12的动力传动系统10。在实施例中，电动化车辆12是电池电动车辆(BEV)。然而，应理解，本文中描述的概念不限于BEV并可扩展到其他电动化车辆，包括但不限于混合动力电动车辆(HEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池车辆等。尽管在该示例性实施例中未示出，但电动化车辆12可装备有内燃发动机，所述内燃发动机可单独地采用或与其他能量源组合采用来推进电动化车辆12。
在所示实施例中，电动化车辆12是在没有来自内燃发动机的任何辅助的情况下仅通过电力(诸如通过电机14)推进的纯电动车辆。电机14可作为电动马达、发电机或这两者来操作。电机14接收电力并提供旋转输出扭矩。电机14可连接到变速箱16以按预定齿轮比调整电机14的输出扭矩和转速。变速箱16可以通过输出轴20可操作地连接到一组驱动轮18。
电压总线22通过逆变器26将电机14电连接到牵引电池包24，逆变器也可称为逆变器系统控制器(ISC)。电机14、变速箱16和逆变器26可统称为电动化车辆12的变速器28。
牵引电池包24是示例性电动化车辆电池。牵引电池包24可以是高压牵引电池包，其包括一个或多个电池阵列25(例如，电池总成、电池模块或成组的电池电芯)，所述一个或多个电池阵列能够输出电力以操作电动化车辆12的电机14和/或其他电气负载。其他类型的能量存储装置和/或输出装置也可以用于为电动化车辆12供电。
牵引电池包24的一个或多个电池阵列25可以各自包括多个电池电芯32，所述多个电池电芯存储用于为电动化车辆12的各种电气负载供电的能量。在本公开的范围内，牵引电池包24可以采用任意数量的电池电芯32。因此，本公开不应限于图1中示出的具体配置。
在实施例中，电池电芯32是锂离子电芯。然而，在本公开的范围内，可以替代地利用其他电芯化学物质(镍-金属氢化物、磷酸锂铁等)。
在另一实施例中，电池电芯32是棱柱形或软包电池电芯。然而，在本公开的范围内可替代地利用其他电芯几何形状。
外壳总成34可以容纳牵引电池包24的电池阵列25。在实施例中，外壳总成34是形成牵引电池包24的最外表面的密封外壳。在本公开的范围内，外壳总成34可以包括任何大小、形状和配置。牵引电池包24的电池阵列25和其他电池内部部件是与外壳总成34分开的结构，并且因此不被认为形成牵引电池包24的最外表面的任何部分。
电动化车辆12还可以包括充电系统30，以用于对牵引电池包24的能量存储装置(例如，电池电芯32)进行充电。充电系统30可以包括位于电动化车辆12上(例如，车辆充电端口总成等)和电动化车辆12外部(例如，电动车辆供电装备(EVSE)等)两者的充电部件。充电系统30可以连接到外部电源(例如，电网电源)，以用于从外部电源接收电力并且在整个电动化车辆12上分配所接收的电力。
由图1描绘的动力传动系统10是高度示意性的，并且不旨在限制本公开。替代地或另外，在本公开的范围内，动力传动系统10可以采用各种另外的部件。
有时，电池电芯32中的一个或多个内的压力和热能可能会增加。例如，压力和热能增加可能是由于过度充电状况或过度放电状况而引起。压力和热能增加可能导致相关联的电池电芯32破裂并从其内部释放气体。气体可能由所施加的力或热事件引起，并且可能引起或加剧现有的电池热事件。在电池热事件期间可能会产生相对大量的热量，并且这种热量有时可能会在牵引电池包24内在电芯间级联。因此，本公开涉及用于减轻电池热事件的影响的电池热障系统。
图2示出了牵引电池包(例如，诸如图1的牵引电池包24)的示例性电池阵列25。如下面进一步详细解释的，电池阵列25可以结合有热障特征，所述热障特征被设计用于减轻或甚至防止电池热事件的影响。
电池阵列25可以包括多个电池电芯32。在电池阵列25内提供的电池电芯32的总数可以变化并且不旨在限制本公开。电池电芯32可以一起分组在电芯堆36中，所述电芯堆本身可以包括两个或更多个电芯组38。在所示实施例中，每个电芯组38包括彼此并联电连接的总共四个电池电芯32，并且相邻的电芯组38可以串联连接。每个电芯组38的电池电芯32之间的电连接在附图标记99处示意性地描绘。然而，在本公开的范围内，电芯组38以及因此电芯堆36可以包括任何数量的电池电芯，并且电芯组38可以电连接以提供串联串配置或并联串配置。
电芯堆36可以封装在一对端板40之间。端板40可以形成电池阵列25的支撑结构的部分。尽管未具体示出，但是支撑结构可以另外包括侧板、顶板和/或底板。
电芯堆36可以被布置成与热交换板42(例如，液体冷却的冷板)对接。冷却剂(诸如与乙二醇混合的水或任何其他合适的冷却剂)可以循环通过热交换板42的内部冷却回路。当冷却剂循环通过热交换板42的内部冷却回路时，冷却剂可以吸收在电池电芯32内产生的热量。
热界面材料44(例如，环氧树脂、硅基材料、热油脂等)可以设置在电芯堆36的电池电芯32与热交换板42之间，以促进它们之间的热传递。
电池阵列25还可以包括用于减轻电池热事件的影响的热障系统46(在下文中简称为“系统46”)或者是所述热障系统的一部分。例如，除了其他益处之外，系统46还可以被配置为延长在电池热事件期间电能和热量在电芯堆36内在电芯间传递所需的时间量。系统46还可以延长在电池热事件期间热量通过电池阵列25的导热连接传递所需的时间量。
系统46可以包括结合到电芯堆36中的多个第一热障结构48。第一热障结构48可以沿着电芯堆36的长度定位在各个位置处，并且适于在电池热事件期间减慢或甚至防止电芯间的传播。在实施例中，电芯堆36的每个电芯组38可以包括定位在其中的至少一个第一热障结构48，其中第一热障结构48定位在电芯组38的相邻电池电芯32之间。在实施例中，一个第一热障结构48设置在每个电芯组38的中点处。然而，也可以设想其他配置，并且因此作为电芯堆36的一部分提供的第一热障结构48的总数不旨在限制本公开。
第一热障结构48的一个或多个取代层可以比电池电芯32的相应宽度或高度更宽和/或更高。因此，第一热障结构48的延伸部分可以用于阻止碎屑在电芯间传递。
在另一个实施例中，第二个第一热障结构48-2可以另外轴向地定位在电芯堆36的相邻电芯组38之间(例如，参见图3)。在这样的实施例中，第二个第一热障结构48-2可以充当在电芯堆36的相邻电芯组38之间的分隔件。
系统46的每个第一热障结构48可以包括多层夹层结构，其中所述结构的每一层具有与减轻电池热事件的影响相关联的独特功能。在实施例中，第一热障结构48可以包括一对泡沫层56和夹置在泡沫层56之间的绝缘层60。在另一个实施例中，第一热障结构48可以包括一对绝缘层60和夹置在绝缘层60之间的泡沫层56(参见图4)。值得注意的是，第一热障结构48的各个层未按比例绘制，并且为了简单和清楚起见，在各个附图中以高度示意性的方式示出。
在实施例中，每个第一热障结构48的泡沫层56被配置为聚氨酯泡沫片材。在另一个实施例中，每个第一热障结构48的泡沫层56被配置为丙烯酸闭孔泡沫片材。然而，在本公开的范围内，泡沫层56可以由其他材料或材料的组合构造而成。
例如，泡沫层56可以被配置为吸收由电芯组38施加的应力载荷，诸如在电池电芯32的膨胀和收缩期间。因此，泡沫板56可以在电池阵列25的整个可操作寿命期间减少作用在相邻电池电芯32上的载荷。泡沫板56还可以用于在相邻的电芯组38之间形成密封。
在实施例中，每个第一热障结构48的绝缘层60被配置为云母、片状模塑料(SMC)或酚醛树脂片材。在另一个实施例中，每个第一热障结构48的绝缘层60被配置为耐火陶瓷纤维(RCF)片材。然而，在本公开的范围内，绝缘层60可以由其他材料或材料的组合构造而成。
通过在电芯堆36的每个电芯组38内并联电连接的相邻电池电芯32之间提供第一热障结构48，可以延长将电能传递到经历电池热事件的电池电芯32所需的时间量。因此，并联配置中的下一个电池电芯32可以在较低的荷电状态下进入电池热事件。
第一热障结构48的总厚度可以变化以决定电池电芯32的放电持续时间。此外，当电池电芯32中的一个正在放电时，热量可以被该电芯的阳极吸收。相邻的电池电芯32可以像电阻器一样起作用以从其他并联电芯汲取电流，从而降低它们的能量水平和温度。
此外，将第一热障结构48定位在每个电芯组38的中点附近延长了热量通过导热连接传递所需的时间量，从而延长了传播时间和/或将热传播阻止到电芯堆36的最小数量的电池电芯32。
系统46可以另外包括可以结合到电芯堆36中的第二热障结构50和第三热障结构55。在实施例中，第二热障结构50可以定位在电芯堆36与端板40中的一个之间，并且第三热障结构55可以定位在电芯堆36与另一个端板40之间。
第二热障结构50和第三热障结构55中的每一者可以包括多层夹层结构，其中所述结构的每一层具有与减轻电池热事件的影响相关联的独特功能。在实施例中，第二热障结构50可以包括泡沫层56和绝缘层60。绝缘层60可以被定位成与端板40中的一个接触，并且泡沫层56可以被定位成与电芯堆38中的一个接触。值得注意的是，第二热障结构50和第三热障结构55的各个层未按比例绘制，并且为了简单和清楚起见，在各个附图中以高度示意性的方式示出。
第二热障结构50的泡沫层56和绝缘层60被配置为类似于上面参考第一热障结构48描述的相同的相应部分。因此，这里不再重复这些层的相应设计和功能。
图5示出了另一个示例性热障系统146。系统146可以包括结合到电芯堆36中的多个第一热障结构148。第一热障结构148可以沿着电芯堆36的长度定位在各个位置处，并且适于在电池热事件期间减慢或甚至防止电芯间的传播。在实施例中，电芯堆36的每个电芯组38可以包括定位在其中的至少一个第一热障结构148，其中第一热障结构148定位在相应电芯组38的相邻电池电芯32之间。在实施例中，一个第一热障结构148设置在每个电芯组38的中点处。
在该实施例中，第一热障结构148包括绝缘层160和泡沫层156。因此，第一热障结构148可以采用两层而不是上面讨论的三层配置。当电池阵列25的总长度覆盖区是设计约束时，两层配置可能是特别有益的。
在实施例中，绝缘层160包括耐火陶瓷纤维(RCF)，并且泡沫层156包括聚氨酯泡沫。然而，在本公开的范围内，也可以使用其他材料或材料的组合。
本公开的示例性电池热障系统被设计成减轻电动化车辆牵引电池阵列/包内部的电池热事件的影响。所述系统可以提供优于已知解决方案的众多优点，包括但不限于呈现在最小能量含量下显著减慢或甚至防止电芯间传播的新颖配置。
虽然不同的非限制性实施例被示出为具有具体的部件或步骤，但是本公开的实施例不限于这些特定组合。可以将来自非限制性实施例中的任一个的一些部件或特征结合来自其他非限制性实施例中的任一个的特征或部件使用。
应理解，相同的附图标记在全部若干附图中表示相应或类似的元件。应当理解，尽管在这些示例性实施例中公开和示出了特定的部件布置，但是其他布置也可受益于本公开的教导。
以上描述应被解释为说明性的而不具有任何限制意义。本领域普通技术人员将理解，在本公开的范围内可出现某些修改。出于这些原因，应研究所附权利要求来确定本公开的真实范围和内容。

Claims (15)

1.一种电池热障系统，其包括：
电芯堆，所述电芯堆包括第一电池电芯和第二电池电芯，
其中所述第一电池电芯和所述第二电池电芯并联电连接；以及
热障结构，所述热障结构布置在所述第一电池电芯与所述第二电池电芯之间。
2.如权利要求1所述的电池热障系统，其中所述热障结构包括夹置在第一泡沫层与第二泡沫层之间的绝缘层。
3.如权利要求2所述的电池热障系统，其中所述绝缘层包括云母、片状模塑料(SMC)、酚醛树脂或耐火陶瓷纤维(RCF)。
4.如任一前述权利要求所述的电池热障系统，其中所述热障结构包括夹置在第一绝缘层与第二泡沫层之间的泡沫层。
5.如权利要求4所述的电池热障系统，其中所述第一绝缘层和所述第二绝缘层各自包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
6.如任一前述权利要求所述的电池热障系统，其中所述热障结构包括绝缘层和泡沫层，并且任选地，其中所述绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
7.如任一前述权利要求所述的电池热障系统，其中所述电芯堆布置在第一端板与第二端板之间。
8.如权利要求7所述的电池热障系统，其包括布置在所述第一端板与所述电芯堆之间的第二热障结构和布置在所述第二端板与所述电芯堆之间的第三热障结构，并且任选地，其中所述第二热障结构和所述第三热障结构中的每一者包括绝缘层和泡沫层。
9.如任一前述权利要求所述的电池热障系统，其中所述电芯堆包括第一电芯组和第二电芯组，并且所述电池热障系统还包括布置在所述第一电芯组与所述第二电芯组之间的第二热障结构。
10.一种电池热障系统，其包括：
电池阵列，所述电池阵列包括定位在第一端板与第二端板之间的电芯堆；
其中所述电芯堆包括并联电连接的第一电池电芯和第二电池电芯；以及
第一热障结构，所述第一热障结构布置在所述第一电池电芯与所述第二电池电芯之间；以及
第二热障结构，所述第二热障结构布置在所述电芯堆与所述第一端板或所述第二端板之间。
11.如权利要求10所述的电池热障系统，其包括布置在所述电芯堆与所述第一端板或所述第二端板中的另一者之间的第三热障结构。
12.如权利要求10或11所述的电池热障系统，其中所述电芯堆包括第一电芯组和第二电芯组，并且所述电池热障系统还包括布置在所述第一电芯组与所述第二电芯组之间的第二个第一热障结构。
13.如权利要求10至12中任一项所述的电池热障系统，其中所述第一热障结构包括夹置在第一泡沫层与第二泡沫层之间的绝缘层。
14.如权利要求10至13中任一项所述的电池热障系统，其中所述第一热障结构包括夹置在第一绝缘层与第二绝缘层之间的泡沫层，并且任选地，其中所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
15.如权利要求10至14中任一项所述的电池热障系统，其中所述第一热障结构包括绝缘层和泡沫层，并且任选地，其中所述绝缘层包括耐火陶瓷纤维(RCF)。
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