CN219534649U - 一种电池及运输工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电池及运输工具，涉及锂电池技术领域，该一种电池，在使用工况下，所述电池外壳在侧面壳壁和/或上底面和/或下底面的重力和/或水平方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体，所述密封腔体的部分或全部腔壁是所述外壳的一部分，所述密封腔体内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳进行热交换；基于该种电池的热管理系统具有更好抑制熄火热失控的能力，并且提高了电池系统的空间利用率。

Description

一种电池及运输工具

技术领域

本实用新型涉及锂电池技术领域，具体是一种电池及运输工具。

背景技术

锂电池广泛用于电动汽车、电动船舶、电力储能等新能源领域。锂电热管理是锂电池应用的关键技术，涉及锂电使用的安全及锂电工作寿命。

液冷方式正逐渐成为锂电热管理的主流技术。锂电池主要有三种形态，即柱状电池、软包电池和方形电池。柱状电池的液冷方案是采用蛇形液冷板与柱状电池外壳接触进行热交换，通过液冷板中流动的冷媒把电池产生的热带走；软包电池的液冷方案是将软包电芯夹在液冷板的中间进行热交换，通过液冷板中流动的冷媒把电池产生的热带走；方形电池的液冷方案是在方形电池下面设置液冷板进行热交换，通过液冷板中流动的冷媒把电池产生的热带走。对于这三种电池形态及其液冷方案，各有优缺点，譬如柱状和软包电池液冷方案的热交换效果好，但电池系统的空间利用率低，方形电池液冷方案的热交换效果差，但电池系统的空间利用率高。上述三种电池形态的液冷方案均存在一个共同缺点，当电车熄火时，液冷板中的液体不再流动，电池由于老化原因所造成短路发出的热，无法快速分散开，热量累积会酿成热失控，即难以抑制熄火热失控，2021年中国电车热失控事故的统计数据显示大约25％的电车是在熄火状态发生的。而且，随着极速充电技术的发展，目前方形电池的液冷方案已经不能满足锂电散热的需要，柱状电池和软包电池的液冷方案空间利用率低。总之，目前柱状电池、软包电池、方形电池所采用的液冷方案均不甚理想。

中国发明专利CN201910078281.5公布了一种锂电池及锂电池封装壳体，该发明的技术方案是在电池壳体上集成了相变传热腔体，利用相变传热把热量快速转移走。但该发明所公开的相变传热技术方案不能实现逆重力传热，即相变传热工质不能克服重力回流，电池产生的热量只能向上传送，为此该发明专利在电池铝壳表面、相变传热腔体的顶部布置了水道，通过相变传热快速将热汇集到顶部水道后被带走。该发明未能解决锂电液冷技术存在的难以抑制熄火热失控、空间利用率低的技术问题。

中国发明专利CN202111218813.4公布了一种方形电池外壳和采用该外壳的电池、电池包及汽车。该发明所公布的锂电池外壳中包含了相变传热腔体，并在密封腔体中设置了吸液芯，具备逆重力传热能力，可以采用在电池下面设置液冷板的液冷方案，该方案可同时解决锂电液冷技术存在的难以抑制熄火热失控、空间利用率低的技术问题。由于铝密度低且价格便宜，方形电芯通常采用铝壳，水相变传热工质不适用在铝密封腔体中工作，适用在铝腔体中工作的相变传热工质，逆重力回流的能力只有水相变传热工质的三分之一，这使得方形锂电池的高度受限，难以应用。

在电池壳体上集成相变传热腔体、把液冷板设置在电池底部，是最有希望克服目前锂电热管理液冷方案两大缺点(抑制熄火热失控能力弱、电池系统空间利用率低)的技术方案，问题的关键是如何解决相变传热工质克服重力快速回流的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电池及运输工具，旨在克服锂电池液冷热管理方案的两大缺点，即抑制熄火热失控能力弱、电池系统空间利用率低的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种电池，在使用工况下，所述电池外壳在侧面壳壁的重力方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体，所述密封腔体的部分或全部腔壁是所述外壳的一部分，所述密封腔体内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳进行热交换。

本实用新型的进一步的技术方案为，在使用工况下，所述电池外壳侧面和/或上底面和/或下底面的水平方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体，所述密封腔体的部分或全部腔壁是所述外壳的一部分，所述密封腔体内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳进行热交换。

本实用新型的进一步的技术方案为，相邻所述密封腔体的间距≤5cm。

本实用新型的进一步的技术方案为，所述密封腔体的两个内表面局部焊接在一起。

本实用新型的进一步的技术方案为，所述密封腔体内设置有丝或网或板以提高逆重力传热能力。

本实用新型的进一步的技术方案为，所述密封腔体的内表面经过化学蚀刻或/和激光或/和离子束表面处理以提高逆重力传热能力。

本实用新型的进一步的技术方案为，所述电池外壳包含第一壳体和第二壳体，第一壳体和/或第二壳体有1或2个开口，第一壳体和第二壳体嵌套在一起，设置在电池外壳的相变传热密封腔体的两个腔壁包含第一壳体和第二壳体。

本实用新型的进一步的技术方案为，所述电池外壳的外表面设置有散热翅片。

本实用新型的进一步的技术方案为，所述密封腔体的内表面经过机械加工形成微沟槽或/和粗糙表面以提高逆重力传热能力。

一种运输工具，包括上述任一项所述的电池。

本实用新型的有益效果是：

1、电池外壳的侧面壳壁的重力、水平方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体，密封腔体的部分或全部腔壁是电池外壳的一部分，密封腔体中灌注有相变传热工质，密封腔体内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳，整体上提高了电池与外部环境进行热交换的能力，尤其是与液冷热管理系统配合，增强了抑制电车熄火热失控能力，提高了锂电系统的空间利用率。

2、通过焊点将密封腔壁的两内表面局部焊接在一起，焊点不会导致密封腔体中液态或汽态相变传热工质隔离，该焊点的设置增强了密封腔体的强度，避免汽态相变传热工质受热膨胀时，导致腔体鼓包，变形过大。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例示意图；

图2是本实用新型第一实施例的对比方案示意图；

图3是本实用新型第一实施例倾斜工况示意图；

图4是本实用新型第二实施例示意图；

图5是本实用新型第二实施例倾斜工况示意图；

图6是本实用新型第三实施例示意图；

图7是本实用新型第四实施例示意图。

具体实施方式

采用相变传热技术提高锂电外壳与液冷板之间的热交换能力是抑制热失控和提高锂电系统空间利用率的一种可行方法，但需要解决相变传热工质在逆重力工况下能够快速回流到热源处的技术问题，即本实用新型要解决的问题。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示为本实用新型的第一实施例，一种电池，在使用工况下，电池外壳20的侧面壳壁的重力方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体40，密封腔体40的部分或全部腔壁是电池外壳的一部分，密封腔体40中灌注有相变传热工质，密封腔体40内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳，整体上提高了热交换及传热性能；在本实施例中，设置了三个独立相变传热的扁平状密封腔体401、402和403，密封腔体401和密封腔体402之间的区域为A1，密封腔体402和密封腔体403之间的区域为A2，密封腔体403和电池外壳与液冷板接触面之间的区域为A3，A1、A2和A3的高度≤5cm，在本实施例中A1和A2的高度为1mm，A3的高度为5mm。在通常的充放电工况，电池内部产生的热量会传递到外壳20，导致外壳20的温度升高；密封腔体403在受热时，403腔体中的液态相变传热工质会吸热变为汽态，充斥在该密封腔体中，由于密封腔体403靠近A3区域的部分由于液冷板将热带走，温度会低，汽态的相变传热工质在此处释放热，变为液体，释放出来的热量通过A3区域传导到液冷板50，而变为液态的相变传热工质克服重力，回流到密封腔体403的各处，并开启下一轮相变传热循环。密封腔体402的传热类似于密封腔体403，不同在于密封腔体402的汽态相变传热工质在密封腔体402底部放热，变为液体回流，释放的热量通过A2区域传导到密封腔体403，经密封腔体403传递到液冷板50。密封腔体401的传热过程类似密封腔体402，其传热路径是：401密封腔体→A1区域→402密封腔体→A2区域→403密封腔体→A3区域→液冷板50。

图2是在电池外壳20侧壁的重力方向上只设置一个密封腔体40的示意图，在图2中，B点区域发热，需要A点所在底部区域的液态相变传热工质回流至B处，而在图1中，B点区域发热，只需要A'点所在密封腔体401底部区域的液态相变传热工质回流至B处，二者之间的行程相差甚多，导致相变传热工质回流的速度相差甚多，即传热能力相差很多，甚至于相变传热工质难以从图2的A点所在的底部区域回流至B处，无法实现相变传热。虽然看起来图1的传热路径复杂，但传热效果要远优于图2。对于锂电常用的铝壳，与之相匹配的相变传热工质受制于逆重力能力、环保、成本等因素的制约，采用图2的方案在大多数使用工况下无法满足应用需求。

如图3所示，为第一实施例在电动运输工具爬坡工况下的示意图。以密封腔体401为例，在重力作用下，液态的相变传热工质聚集在A'点附近区域，若B处热量突然增加，需要A'点的液态相变传热工质克服重力回流到B点完成相变传热，仍然面临着回流速度慢的问题。

为同时满足多种工况的传热需求，图4为本实用新型的第二实施例，密封腔体40在水平方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体，如图4所示的在水平方向上呈三排排列的密封腔体，第一排是4011、4012、4013、4014四个独立密封腔体，第二排是4021、4022、4023、4024四个独立密封腔体，第三排是4031、4032、4033、4034四个密封腔体，密封腔体的部分或全部腔壁是电池外壳的一部分。本实用新型的第二实施例在电动车辆上坡工况下，如图5所示，液态相变传热工质只需要从A"点回流至B点，而不需要如图3中从A'点回流至B点，相变传热工质的行程减小很多，回流速度更快，传热效果更好。本实用新型不对各独立密封腔体的形状进行限定，可以是规则的多边形，也可以是不规则的形状。

如图6所示，为本实用新型的第三实施例，与第二实施例的不同在于在每个密封腔体中均设置有多个焊点60，通过焊点将密封腔壁的两内表面局部焊接在一起，焊点不会导致密封腔体中液态或汽态相变传热工质隔离，该焊点的设置增强了密封腔体的强度，避免汽态相变传热工质受热膨胀时，导致腔体膨胀鼓包，变形过大。

如图7所示，为本实用新型第四实施例，一种电池，电池壳体包括第一壳体10和第二壳体20，第一壳体10和第二壳体20分别有一个或两个通口，可以通过挤压或拉伸制成，第一壳体10和第二壳体20的截面可以是四边形、五边形等多边形形状，也可以是圆形、椭圆等曲线状。第一壳体10外观尺寸略小于第二壳体20的内部尺寸，第一壳体10插入到第二壳体20中。在第一壳体10和第二壳体20的边缘进行焊接，留下抽真空口、注液口，抽真空和注液后，焊接密封抽真空口和注液口，然后在第二壳体20的部分或全部表面压焊和/或激光焊接，形成如图4所示的多个独立相变传热的密封腔体。在本第四实施例中，在第一壳体的表面30用激光形成竖直的沟槽形貌及微观结构，用以提升相变传热工质的逆重力传热能力。

本实用新型不对密封腔体的形状及排布进行限制，只要在垂直或/和水平方向多个独立密封腔体的设置是为了克服逆重力传热的技术问题，均属于本实用新型的保护范围。本实用新型不对电池外壳的材质进行限定，可以是铝基合金，也可以是不锈钢或其他合金。本实用新型不对相变传热工质进行限定，可以是水、乙醇、丙酮、氨水等，在本实用新型所有实施例中，采用的相变传热工质为丙酮。本实用新型不对相变传热密封腔体中设置的丝、网、板的形态及材质进行限制，可以是金属铝基、镍基、铜基，也可以是非金属，在本实用新型实施例中，未采用该种方式提高相变传热工质克服重力的能力。本实用新型不对密封腔体内表面表面处理方式进行限定，可以是激光、也可以是化学腐蚀、也可以是离子束溅射镀膜或离子束轰击，在本实用新型所有实施例中采用的是激光表面改性方式。本实用新型中不对形成密封腔体的焊接方式进行限定，可以是激光、也可以是机械摩擦焊、也可以是压焊等，在本实施例中，采用了激光与压焊相结合的方式。在本实用新型的实施例中，相邻两个密封腔体的间距小于或等于5cm，优选是5mm，密封腔体的内表面的间距小于或等于5mm，优选是2mm。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。在本实用新型的描述中“两个以上”的含义包含两个。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电池，其特征是：在使用工况下，所述电池具有电池外壳，所述电池外壳在侧面壳壁的重力方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状的密封腔体，所述密封腔体的部分或全部腔壁是所述外壳的一部分，所述密封腔体内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳进行热交换。

2.根据权利要求1所述的电池，其特征是：在使用工况下，所述电池外壳侧面和/或上底面和/或下底面的水平方向上包含有两个以上独立相变传热的扁平状密封腔体，所述密封腔体的部分或全部腔壁是所述外壳的一部分，所述密封腔体内灌注的相变传热工质能够直接接触电池外壳进行热交换。

3.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：相邻所述密封腔体的间距≤5cm。

4.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：所述密封腔体的两个内表面局部焊接在一起。

5.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：所述密封腔体内设置有丝或网或板以提高逆重力传热能力。

6.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：所述密封腔体的内表面经过化学蚀刻或/和激光或/和离子束表面处理以提高逆重力传热能力。

7.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：所述电池外壳包含第一壳体和第二壳体，第一壳体和/或第二壳体有1或2个开口，第一壳体和第二壳体嵌套在一起，设置在电池外壳的相变传热密封腔体的两个腔壁包含第一壳体和第二壳体。

8.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：所述电池外壳的外表面设置有散热翅片。

9.根据权利要求1或2所述的电池，其特征是：所述密封腔体的内表面经过机械加工形成微沟槽或/和粗糙表面以提高逆重力传热能力。

10.一种运输工具，其特征在于：包括权利要求1～9任一项所述的电池。