CN217361826U - 一种大容量电池的安全保护结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种大容量电池的安全保护结构，其包括气体处理腔室，气体处理腔室包括阻燃药剂入口以及第一通孔、第二通孔，所述第一通孔和第二通孔上分别设置流向相反的单向阀组，使气体处理腔室通过单向阀组与电池壳体受限连通。当电池壳体发生热失控而导致泄压口打开，电池壳体内物质喷放进入气体混合室混合后又返回电池壳体，当电池壳体内的混合气体再次进入气体混合室后压力达到泄压组件的泄压阈值，进入冷却室，经冷却处理后释放，本申请通过初级泄压保护、二次降温保护、三级冷却保护的结合，可以保证电池热失控喷出的各种物质始终具有不燃性，从而可以有效避免电池因为热失控导致的可燃气体泄露而导致的爆炸、着火等二次灾害。

Description

一种大容量电池的安全保护结构

技术领域

本实用新型属于电池安全技术领域，具体涉及大容量电池的安全保护结构。

背景技术

锂电池是一种具有比能量高，高电压、使用寿命长、对环境无危害、无记忆性的新型电池，传统结构的锂电池在工作过程中会产生大量的热量，而锂电池材料的导热性能差，所以此种结构的锂电池内部的热量会迅速累积，使得锂电池温度过高，进一步可能造成锂电池性能下降或者热失控，严重的会引起燃烧或爆炸等危险后果。

锂电池的安全结构上有提高散热性，对电池进行降温等处理方式，设置泄压口、收集气囊等方式，提高电池散热性与对电池进行降温是对电池进行事前安全措施，设置泄压口与收集气囊则是对电池真正发生热失控的一种安全补救措施。而一旦锂电池发生热失控而导致泄压口打开时，其内部的电解液、正负极材料等物质会随着电池内部高温一同喷到环境中，这些物质特别是电解液是极易可燃的物质，喷出时温度就在其自燃点以上，它们在空气中会立即燃烧起来，将电池附近的其他物质引燃，从而造成二次损害。一般认为锂电池发生热失控而导致的火灾难以被扑灭，只能等着电池内部的可燃物燃烧殆尽，因此一旦电池发生热失控时，其安全结构的要解决的主要问题是减少二次损害的程度。

与一般的火灾不同的是，电池热失控的过程不断产生可燃气体，且产热量很大的，如果热气溶胶阻燃剂在电池热失控时同时启动，则电池热失控时不断产生的气体会一直将热气溶胶阻燃剂挤出电池仓，因此仅以电池仓的空间大小来设计热气溶胶阻燃装置的用量显然不能满足电池火的阻燃需要。

如CN202997005U公开了一种电池安全保护装置，其包括电池箱、存储有降温剂的存储容器，电池箱用于放置一个以上的电池，电池箱通过连接管道与所述存储容器相连接，连接管道位于电池箱内的部分设置有一个以上的启动装置；通过把电池或电池组设置在一电池箱内，再把电池箱与一装有降温剂的存储容器通过连接管道相连通，连接管道上设有启动装置，当某一个电池短路时释放出来的热量会导致电池箱内的温度升高，从而启动装置会打开，存储容器内的降温剂会进入电池箱内使电池箱内的温度下降，但是该种方式只能通过降温冷却，预防电池热失控，但是当电池的热量超过其降温的能力时仍然会发生热失控爆炸的可能。

如CN106345086A一种新能源汽车动力电池安全系统，其包括控制单元、报警传感器和阻燃装置。其中所述报警传感器设置在新能源汽车的动力电池包旁，用于检测所述电池包的环境条件，所述报警传感器与所述控制单元连接，所述控制单元与所述阻燃装置连接。当所述报警传感器检测到电池包的环境条件超过预设值时，其会向所述控制单元发出报警信息，并且所述控制单元根据报警信息来触发阻燃装置，但是该种方式存在阻燃后气体余热还会对周围物质带来二次污染或者伤害，甚至引发外围的二次火灾。

还有CN212700167U公开了一种被动式阻燃装置以及电池包，其是对电池包设置消防腔，消防腔中设置气体阻燃剂，将阻燃剂与驱动气体一起密封起来形成带压阻燃剂，当电池发生热失控时阻燃气体的口部打开由驱动气体的压力驱动阻燃剂对电池进行阻燃，以这种方式阻燃时，由于电池热失控时的温度较高、时间也较长，这样有可能造成带压阻燃剂发生爆炸，也有可能造成阻燃剂过早的释放完毕达不到阻燃的目的。

因此，当电池发生热失控后，所设置的阻燃系统将阻燃剂有序的喷出与电池热失控时的易燃气体混合并使混合气体达到可燃浓度以下或者爆炸极限范围以外，是这一阻燃系统能否达到抑制电池火灾的关键所在。因为电池发生热失控时一般维持数分钟之久，当阻燃系统中的阻燃剂没有控制的释放时，其有可能过早的释放完毕，那么后面热失控过程中会发生爆炸或者引燃其他物体。但是目前现有技术中对于该技术问题的处理并未达到理想的效果，对于能否真正有效阻燃以及阻燃后是否会对周围造成二次伤害或引发二次火灾等这些持续性的问题并未有效解决。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种大容量电池的安全保护结构，能够充分利用不燃性阻燃药剂对电池液进行循环冷却降温，有效避免电池因为热失控导致的可燃气体泄露而导致的爆炸、着火等二次灾害。

本申请所采用的技术方案如下：

一种大容量电池的安全保护结构，包括设置于电池壳体外侧的气体处理腔室，所述气体处理腔室包括阻燃药剂入口以及第一通孔、第二通孔，所述第一通孔和第二通孔上分别设置流向相反的单向阀组，使气体处理腔室通过单向阀组与电池壳体受限连通。

进一步限定，所述单向阀组包括将电池壳体内气体向气体处理腔室导出的第一单向阀和将气体处理腔室内气体向电池壳体内导入的第二单向阀，所述第一单向阀设置在第一通孔上，所述第二单向阀设置在第二通孔上。

进一步限定，所述气体处理腔室内设有气体混合室和冷却室，所述冷却室与气体混合室通过隔板隔离，所述隔板上开始有连通孔，连通孔上设置有泄压组件。

进一步限定，所述第一通孔开设在气体混合室的底部，气体混合室通过安装在第一通孔的第一单向阀与电池壳体连通。

进一步限定，所述第二通孔开设在气体混合室的底部，气体混合室通过安装在第二通孔的第二单向阀与电池壳体连通。

进一步限定，所述第二通孔开设在冷却室的底部，气体混合室通过混合气体回流管道与安装在第二通孔的第二单向阀连通。

进一步限定，所述第一单向阀和第二单向阀的压力阈值为0.5～0.7MPa，所述泄压组件为金属泄压膜，压力阈值为0.8～1MPa。

进一步限定，所述冷却室内设置有冷却材料以及用于支撑冷却材料的多孔板。

进一步限定，所述冷却室上设置有排气口，所述排气口设置在冷却室与气体混合室连接处所相对的另一侧端。

进一步限定，所述排气口上设置有防潮膜。

进一步限定，所述排气口外部连接排气管道，或，气囊。

进一步限定，所述气体处理腔室包括消防腔室，所述消防腔室内设置有对高温的可燃性物质进行抑制的阻燃装置，所述阻燃装置的阻燃药剂喷出口通过阻燃药剂入口与气体混合室连通。

进一步限定，所述阻燃装置的启动组件设置于第一单向阀内。

进一步限定，所述启动组件为温感启动装置、烟感启动装置、感温电缆或压力传感启动装置中的一种或多种组合。

与现有技术相比，本实用新型的有益的效果在于：

(1)本申请利用自下而上的单向弹簧压力阀对电池壳体内的气体进行释放，完成初级泄压保护；之后启动阻燃装置释放出阻燃药剂时阻燃药剂与电池壳体释放的气体在气体混合室混合后通过管道汇集，由自上而下的单向弹簧压力阀进入电池壳体内对电解液进行降温，并对电池壳体内的气体进行降温、抑制，进行二次降温保护；当电池壳体内的混合气体再次通过自下而上的单向弹簧压力阀进入气体混合室后压力达到泄压组件的泄压阈值，混合气体会通过泄压组件进入冷却室，经冷却处理后释放，即完成三级冷却保护，本申请通过初级泄压保护、二次降温保护、三级冷却保护的结合，可以保证电池热失控喷出的各种物质始终具有不燃性，这种不燃性的气体经过冷却腔后由冷却腔中的物质对其进行降温，然后再经过排气口排放，从而可以有效避免电池因为热失控导致的可燃气体泄露而导致的爆炸、着火等二次灾害。

(2)本申请利用气体压差和单向阀组的单通优势进行实现了混合气体的单向循环，进而使阻燃药剂与电池壳体内的热气体充分混合，有效达到对热失控气体降温、抑制爆炸的目的。

(3)本申请将消防阻燃、冷却以及缓释泄压等物理手段有机结合，进而实现电池壳体热失控从始发到失控的全过程有效控制与防护，实现电池的安全保护。

本申请的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本申请的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的大容量电池的安全保护结构示意图。

图2为实施例2的大容量电池的安全保护结构示意图。

附图标记说明：

1-气体处理腔室；2-第一单向阀；3-阻燃装置；31-启动组件；4-第二单向阀；5-泄压组件；6-排气口；7-冷却室；8-气体混合室；9-消防腔室。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。

本申请主要是针对大容量锂电池的热失控问题而设计的一种安全保护结构，但是不仅限于锂电池使用。

实施例1

如图1所示，本实施例的大容量电池的安全保护结构，包括电池壳体以及设置在电池壳体外侧的气体处理腔室1，该气体处理腔室1主要是用于处理当电池导热性能下降导致温度过高时释放出的高热气体。在气体处理腔室1内腔通过隔板隔离出并列排布的气体混合室8和冷却室7，通过隔板使气体混合室8和冷却室7正常状态时密封隔离，在隔板上开始有一个连通孔，在连通孔上安装有泄压膜，泄压膜采用阈值为0.8～1MPa的金属膜，当气体混合室8内的气体压力达到泄压膜的阈值时泄压膜打开，气体混合室8和冷却室7连通，使气体混合室8内的混合气体进入冷却室7内冷却后排出。

需要进一步说明的是，本实施例的气体混合室8的侧壁上开设有阻燃药剂入口，阻燃药剂可以从外部通过阻燃药剂入口进入气体混合室8，在气体混合室8的底部开设有第一通孔，通过第一通孔与下方的电池壳体的泄压口连通，在该第一通孔上安装有第一单向阀2，该第一单向阀2为流向向上的单向弹簧压力阀，其压力阈值为0.5～0.7MPa之间，当电池壳体内的热气体聚集气压达到该第一单向阀2的压力阈值时，热气体由电池壳体经该第一单向阀2进入气体混合室8，达到初步泄压目的。

需要进一步说明的是，本实施例的冷却室7底部设置有第二通孔，通过第而通孔与下方的电池壳体连通，在该第二通孔上安装有第二单向阀4，该第二单向阀4为流向向下的单向弹簧压力阀，其压力阈值为0.5～0.7MPa之间，即与第一单向阀2的流向刚好相反。在第二单向阀4上连接有混合气体回流管道，该混合气体回流管道的一端与气体混合室8连通，另一端与电池壳体连通，使气体混合室8的混合气体经该混合气体回流管道、第二单向阀4进入电池壳体，对电池壳体内的高热气体进行降温并混合稀释。在混合气体回流管道外侧沿着冷却室7的横截面安装有多孔板，在多孔板的另一侧填装有冷却材料，本实施例的冷却材料可以选用粒径为3mm的陶瓷球，或者还可以选用蜂窝陶瓷体、二氧化硅等冷却材料对高热气体进行冷却处理。在冷却室7的顶部还开设有排气口6，为了保证进入冷却室7内的热气体的冷却效果，该排气口6应开设在冷却室7的另一端，即冷却室7与气体混合室8连接处所相对的另一侧端，使进入冷却室7的气体能够穿过冷却材料，进行充分热交换降温后再排出。

进一步说明，为了保证冷却室7排放的气体不会污染环境，可以在该排气口6上安装防潮膜并且在排气口6的外部连接排气管道将气体收集起来。

当电池发生导热性能下降时在电池壳体内聚集大量热气体，当气压达到第一单向阀2的压力阈值时，第一单向阀2打开，电池壳体内的热气体向外喷射进入气体混合室8，同时，触发阻燃药剂喷放，使阻燃药剂经阻燃药剂入口进入气体混合室8与电池壳体喷射的热气体混合，通过混合气体回流管道、第二单向阀4回流进入电池壳体，对电池壳体内的气体进行稀释、降温后再从第一单向阀2进入气体混合室8，当气体混合室8内的气体压力达到泄压膜的阈值时，泄压膜打开，混合热气体流向冷却室7，由于阻燃药剂的抑制作用，使得喷出的各种物质具有不燃性，同时这种阻燃物质的喷放时间大于电池热失控的气体释放时间，因此可以保证电池热失控时，喷出的各种物质始终具有不燃性，这种不燃性的气体经过冷却室7后由冷却室7中的物质对其进行降温，然后再经过排气口6排放，从而可以避免电池因为热失控导致的可燃气体泄露而导致的爆炸、着火等二次灾害。

实施例2

参见图2，本实施例是在实施例1的基础上增设了消防腔室9，该消防腔室9设置在气体处理腔室1内气体混合室8的另一侧，使消防腔室9和冷却室7分布在气体混合室8的两侧。该消防腔室9内设置有对高温的可燃性物质进行抑制的阻燃装置3，该阻燃装置3的阻燃药剂喷出口通过阻燃药剂入口与气体混合室8连通，将阻燃药剂能够直接喷射至气体混合室8内。该阻燃装置3的启动组件31可以安装在第一单向阀2内，采用温感启动装置，利用温感启动装置感应从第一单向阀2内的高热气体的温度，当达到启动条件时利用温感启动装置启动阻燃装置3，将阻燃药剂喷射出来。需要进一步说明，该启动组件31也可以选用烟感启动装置或者感温电缆或压力传感启动装置等，只要能够触发启动阻燃装置3即可。

还需要进一步说明的是，为了保证阻燃药剂密实度，使其可以有序燃烧，在阻燃药剂的外部包装有硅橡胶包覆层，将阻燃药剂封装在硅橡胶包覆层内，此热气溶胶阻燃剂以硝酸钾类、硝酸锶类气溶胶阻燃介质为主。

其余部件及其连接关系与实施例1相同。

当电池发生热失控而导致第一单向阀2打开，电池内部的各种物质向外喷放时，首先触碰到温感启动装置，当高温物质温度达到138℃，感温启动装置释放出启动信号，启动阻燃装置3释放高效阻燃物质，从而使热气溶胶阻燃剂产生的高效阻燃物质与电池壳体内部的物质混合，通过混合气体回流管道流向第二单向阀4，在电池壳体内充分混合后再次通过第一单向阀2流动至气体混合室8，当压力达到泄压膜的阈值0.8～1MPa，混合气体打开泄压膜流向冷却室7，由于气溶胶阻燃剂的抑制作用，使得喷出的各种物质具有不燃性进而有效避免电池因为热失控导致的可燃气体泄露而导致的爆炸、着火等二次灾害。

实施例3

本实施例中，气体混合室8的左侧壁上开设有阻燃药剂入口，阻燃药剂可以从外部通过阻燃药剂入口进入气体混合室8，在气体混合室8的底部并列开设有第一通孔和第二通孔，通过第一通孔和第二通孔与下方的电池壳体连通，在第一通孔上安装有第一单向阀2，在第二通孔上安装有第二单向阀4，该第一单向阀2为流向向上的单向弹簧压力阀，其压力阈值为0.5～0.7MPa之间，当电池壳体内的热气体聚集气压达到该第一单向阀2的压力阈值时，热气体由电池壳体经该第一单向阀2进入气体混合室8，达到初步泄压目的；第二单向阀4为流向向下的单向弹簧压力阀，其压力阈值为0.5～0.7MPa之间，即与第一单向阀2的流向刚好相反。在第二单向阀4上连接有混合气体回流管道，该混合气体回流管道的一端与气体混合室8连通，另一端与电池壳体连通，使气体混合室8的混合气体经该混合气体回流管道、第二单向阀4进入电池壳体，对电池壳体内的高热气体进行降温并混合稀释。

需要进一步说明的是，本实施例的冷却室7设置在气体混合室8的右侧，在冷却室7内腔安装有多孔板，在多孔板的另一侧填装有冷却材料，本实施例的冷却材料可以选用二氧化硅微球，对高热气体进行冷却处理。在冷却室7的右端顶部还开设有排气口6，为了保证进入冷却室7内的热气体的冷却效果，使进入冷却室7的气体能够穿过冷却材料，进行充分热交换降温后再排出。在该排气口6外部连接气囊将气体收集起来。

其余部件及其连接关系与实施例1相同。

上述实施例1～3所用的阻燃药剂可以选用热气溶胶阻燃剂或为卤代烷、卤代酮等或者其复配组合，卤代烷为全氟丙烷、全氟丁烷、全氟己烷中任意选择或者复配；所述卤代酮为全氟丙酮、全氟己酮中任意选择或者任意复配。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (14)

1.一种大容量电池的安全保护结构，包括设置于电池壳体外侧的气体处理腔室(1)，其特征在于，所述气体处理腔室(1)包括阻燃药剂入口以及第一通孔、第二通孔，所述第一通孔和第二通孔上分别设置流向相反的单向阀组，使气体处理腔室(1)通过单向阀组与电池壳体受限连通。

2.根据权利要求1所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述单向阀组包括将电池壳体内气体向气体处理腔室(1)导出的第一单向阀(2)和将气体处理腔室(1)内气体向电池壳体内导入的第二单向阀(4)，所述第一单向阀(2)设置在第一通孔上，所述第二单向阀(4)设置在第二通孔上。

3.根据权利要求2所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述气体处理腔室(1)内设有气体混合室(8)和冷却室(7)，所述冷却室(7)与气体混合室(8)通过隔板隔离，所述隔板上开始有连通孔，连通孔上设置有泄压组件(5)。

4.根据权利要求3所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述第一通孔开设在气体混合室(8)的底部，气体混合室(8)通过安装在第一通孔的第一单向阀(2)与电池壳体连通。

5.根据权利要求4所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述第二通孔开设在气体混合室(8)的底部，气体混合室(8)通过安装在第二通孔的第二单向阀(4)与电池壳体连通。

6.根据权利要求4所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述第二通孔开设在冷却室(7)的底部，气体混合室(8)通过混合气体回流管道与安装在第二通孔的第二单向阀(4)连通。

7.根据权利要求3～6任一项所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述第一单向阀(2)和第二单向阀(4)的压力阈值为0.5～0.7MPa，所述泄压组件(5)为金属泄压膜，压力阈值为0.8～1MPa。

8.根据权利要求3所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述冷却室(7)内设置有冷却材料以及用于支撑冷却材料的多孔板。

9.根据权利要求8所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述冷却室(7)上设置有排气口(6)，所述排气口(6)设置在冷却室(7)与气体混合室(8)连接处所相对的另一侧端。

10.根据权利要求9所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述排气口(6)上设置有防潮膜。

11.根据权利要求10所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述排气口(6)外部连接排气管道，或，气囊。

12.根据权利要求3～6任一项所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述气体处理腔室(1)包括消防腔室(9)，所述消防腔室(9)内设置有对高温的可燃性物质进行抑制的阻燃装置(3)，所述阻燃装置(3)的阻燃药剂喷出口通过阻燃药剂入口与气体混合室(8)连通。

13.根据权利要求12所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述阻燃装置(3)的启动组件(31)设置于第一单向阀(2)内。

14.根据权利要求13所述的大容量电池的安全保护结构，其特征在于，所述启动组件(31)为温感启动装置、烟感启动装置、感温电缆或压力传感启动装置中的一种或多种组合。

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