CN219917302U - 一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组、电池及用电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组、电池及用电装置，电池模组包括：多个电芯，多个电芯进行串联或并联排布；至少一层防护层，设置于相邻电芯之间；液冷板，设置于多个电芯的底面；导热膜，设置于多个电芯的底面与液冷板之间，导热膜具有高导热系数。液冷电池模组结构简单，采用高导热系数的薄膜材料与低成本防护材料相结合的方式，使电芯在进行充放电工作或热失控时产生的热量尽快地导出到液冷板，再通过液冷板将这些传递出来的热量进一步散发出去，解决了模组中电芯出现热失控后产生的热量对其周围电芯的引起热蔓延影响，使整个模组中电芯的失效数量降到最低；避免电芯温度升高，延长模组使用寿命。

Description

一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组、电池及用电装置

技术领域

本实用新型涉及动力电池技术领域，特别涉及一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组、电池及用电装置。

背景技术

锂离子电池作为常用的动力源，能够长时间稳定供电，携带方便，性能稳定可靠，在便携式电子设备、电动汽车等多方面具有广阔的应用前景。

锂离子电池系统由于高能量密度的需求，在电动汽车的电池系统中，电池普遍采用成组应用的形式，电芯在充放电过程中或正常使用过程中会产生大量的热，由于模组的密封性较好，热量不易传递出去，这会导致模组中电芯的温度上升，并且在单个电芯发生热失控后，该电芯的周围温度会瞬间升高，热量会传递给周围多个电芯，进行热蔓延，导致周围这些电芯出现失效甚至是爆炸。一旦发生热失控，电池中蕴含的大量化学能在短时间内大量转换为热能，会导致整个系统温度急剧上升，在极端情况下甚至会引起严重的火灾事故，对驾驶人的生命安全和财产安全造成极大的威胁，这降低了电池的安全性和可靠性。因此，防止热失控电芯对其周围电芯产生影响是电池模组设计中需要尽快解决的一大问题。

电芯由于能量密度较高，目前每颗电芯在进行热防护材料选型时不得不选取厚度较厚、成本较高的气凝胶。气凝胶防护材料密度较高，在电池包中使用数量较多，在使用过程中会降低整个电池模组系统的能量密度，气凝胶作为热防护材料的成本也较高，压缩回弹性差，不利于电芯的膨胀呼吸，本体在受到压缩后，隔热性能会受到一定影响；此外在进行电芯热防护材料使用的过程中，经常会出现电芯间隙小于防护材料厚度的情况，不得不更改初始设计方案。

此外目前行业技术中主要针对电池模组进行散热设计采取的方式如自然冷却、风冷、液冷等，液冷模块是常用的模块，较风冷模块能耗低、均温性好、寿命长；而液冷模块中，液冷板是同电池底部接触，电池下部产生的热量能通过液冷板及时传导出去，但由于电池本身热传导效率低，上部产生的热量无法及时传递到下部，导致电池本体上部和下部温度差异较大，对电池的使用安全和循环寿命不利；另外，为了提升系统集成的效率和降低成本，单个电池越做越大，其上下温差大的现象愈发明显；液体对电池进行加热时，同样是存在电池上下温差大的问题。因此，针对电芯内部的热量无法及时传导至电芯外部的问题，有必要提供一种过程相对简化、成本低、适用范围广且安全性高的电池模组防护设计方式。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中电芯内部的热量无法及时传导至电芯外部的问题，提供一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，本实用新型的液冷电池模组在不影响原有电芯和模组结构的情况下，以简便易行的方式使热失控的电芯瞬间产生的热量极少部分传递到周围电芯中，同时电芯内部因使用过程中产生的热量可以有效地传递到电芯外侧。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，所述电池模组包括：

多个电芯，多个所述电芯进行串联或并联排布；

至少一层防护层，设置于相邻所述电芯之间；

液冷板，设置于多个所述电芯的底面；

导热膜，设置于多个所述电芯的底面与所述液冷板之间，所述导热膜的XY向导热系数＞1500W/(m*k)，Z向导热系数＞6W/(m*k)。

在本实用新型的技术方案中，在电芯之间设置防护层，在液冷板以及电芯地面之间贴附高导热系数的薄膜材料导热膜，此时防护材料可以选择更薄或者成本稍低的材料，通过这样的设置，在目标电芯发生热失控时，电芯本身有一定的存储热量的能力，对相邻电芯不会有影响，所释放出来的热量一小部分会传递至相邻电芯，另外一大部分热量会传至电芯底部通过高导热系数的导热膜传递到整个液冷板，增加了散热面积，从而减缓电池系统中热蔓延的发生。采用高导热系数的薄膜材料与低成本防护材料相结合的方式，结构简单，保证了系统热安全的可靠性的同时，降低了热防护材料的成本。

作为本实用新型的优选方案，每个所述电芯具有相对设置的第一侧面和第二侧面，多个所述电芯沿所述第一侧面和所述第二侧面中的较大面的垂线依次排布，通过多个所述电池的排布，电芯之间进行串联或并联来形成模组。

作为本实用新型的优选方案，所述防护层的厚度为1～3mm。在本发明的技术方案中，所述防护层的厚度是小于现有技术中使用的气凝胶热防护材料，本减小了系统中热防护材料的厚度，缩短了模组长度，解决了电池包中长度方向不足的问题，提升了电池包的空间利用率；也减少pack系统中气凝胶的使用数量，减低系统热防护材料成本的同时提升热管理系统的可靠性；降低了电池系统中热防护材料的成本。

作为本实用新型的优选方案，所述防护层的导热系数为0.03-0.1W/(m*k)。所述防护层的导热系数较小，可以保证只有小部分热量传递到相邻电芯，防止热蔓延。

作为本实用新型的优选方案，所述防护层材料由纤维板、陶瓷化硅胶泡棉、气相二氧化硅绝热板中的任一或组合构成。纤维板、陶瓷化硅胶泡棉、气相二氧化硅绝热板等材料具有较好的导热性能，同时成本低。

作为本实用新型的优选方案，所述导热膜采用超晶石墨散热材料，所述导热膜的XY向导热系数＞1500W/(m*k)，Z向导热系数＞6W/(m*k)。超晶石墨散热材料是具有高导热系数的薄膜材料，在本技术方案中作为导热膜，具有良好的导热、散热能力，可显著提高电芯发生热失控后整体的导热性。更优选地，所述导热膜的XY向导热系数为1800～2000W/(m*k)，Z向导热系数为10～15W/(m*k)，所述导热膜的导热系数要求越高，导热性能越好，但材料成本大幅增加。

作为本实用新型的优选方案，所述导热膜的厚度为100～500μm。所述导热膜的厚度对电芯的导热能力有很大的影响，若所述导热膜的厚度小于100μm，则所述导热膜自身的厚度过小，导致所述导热膜导热能力变差，不利于所述电池电芯的散热；若所述导热膜的厚度大于500μm，从电芯至液冷板的热传导路径过长，传热效率降低。优选地，所述导热膜的厚度为150～250μm。

作为本实用新型的优选方案，所述导热膜沿着所述导热膜的厚度方向包括导热层、第一导热胶层和第二导热胶层，所述第一导热胶层设置在所述导热层面向多个所述电芯底面的一侧表面上，所述第二导热胶层设置在所述导热层面向所述液冷板的一侧表面上。本上述的技术方案中，所述导热膜上设置有第一导热胶层和第二导热胶层的粘接层，第一导热胶层用于将所述导热膜与所述电芯底面贴合，第二导热胶层用于将所述导热膜与所述液冷板贴合，这样的设置可将所述导热膜分别与所述电芯底面和所述液冷板进行粘接，防止使用过程中因外力作用下所述导热膜发生移位。

作为本实用新型的优选方案，所述第一导热胶层或第二导热胶层厚度为2μm-10μm。若所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的厚度分别小于2μm，则所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的粘接力性能较差；因所述第一导热胶层或所述第二导热胶层材料的导热系数小于所述导热层的导热系数，若所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的厚度分别大于10μm，则影响所述导热膜的整体导热性能。

作为本实用新型的优选方案，所述第一导热胶层或所述第二导热胶层为有机硅导热胶层或聚氨酯导热胶层，例如：有机硅导热胶层。所述导热膜中使用的有机硅导热胶和聚氨酯导热胶的优点为具有优异的导热性能，且具有优异的电气绝缘性及稳定性。在应用过程中，进行根据导热性能和粘接的主体进行不同材料的选择，在本发明中所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的厚度和材料可以相同或不同。

作为本实用新型的更优选方案，所述第一导热胶层和所述导热层之间设置有绝缘层。绝缘层的设置让所述导热膜具有优异的导热性能的同时也具有绝缘性能。

作为本实用新型的优选方案，所述电芯主体构造成长方体，所述电芯的正极和负极设置于所述电芯的同一面，如所述电芯的正极和负极设置于所述电芯的顶面。

作为本实用新型的优选方案，所述电芯为硬壳电芯或软包电芯。所述硬壳电芯为铝壳电芯，所述软包电芯的软包装材料为铝塑复合膜。

本发明另一方面提供了一种动力电池，包括电池模组，所述电池模组为上述的抑制电芯失控热蔓延的液冷电池模组。

本发明还提供了一种用电装置，所述用电装置包括上述的动力电池。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1、本实用新型在电芯之间设置防护层，在液冷板以及电芯顶面之间贴附高导热系数的导热膜，在目标电芯发生热失控时，通过设计防护层的厚度和导热系数，使目标电芯所释放出来的热量一小部分会传递至相邻电芯，电芯本身有一定的存储热量的能力，对相邻电芯不会有影响；另外一大部分热量会传至电芯底部通过高导热系数的导热膜传递到整个液冷板，导热膜XY向导热系数较大，热量可以在水平方向传递，增加了散热面积，从而减缓电池系统中热蔓延的发生。采用高导热系数的薄膜材料与低成本防护材料相结合的方式，使电芯在进行充放电工作或热失控时产生的热量尽快地导出到液冷板，再通过液冷板将这些传递出来的热量进一步散发出去，避免热失控的电芯所产生的高温对其周围电芯内部结构的破坏，有效地保护正常电芯的使用，提高电芯使用寿命。

2、本实用新型中防护层的厚度是小于现有技术中使用的气凝胶热防护材料，通过减小了系统中热防护材料的厚度，缩短整体电池模组的长度，模组的缩短长度为3％～5％，解决了电池模组长度方向不足的问题，提升了电池包的空间利用率；本发明的防护层采用纤维板或陶瓷化硅胶泡棉或气相二氧化硅绝热板，也减少pack系统中气凝胶的使用数量，减低系统热防护材料成本的同时提升热管理系统的可靠性，使用该种方式进行三元电池包的热防护与传统气凝胶方案相比大约可以降本30％～40％。

3、本实用新型的液冷电池模组结构简单，提高了电池模组的热稳定性，解决了模组中电芯出现热失控后产生的热量对其周围电芯的引起热蔓延影响，使整个模组中电芯的失效数量降到最低；有效传递电芯内部产生的热量，避免电芯温度升高，延长模组使用寿命。

附图说明：

图1为实施例1中抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组的结构图；

图2为实施例1中抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组的截面图；

图3为实施例1中液冷电池模组的散热示意图；

图中标记：1-电芯，2-防护层，3-液冷板，4-导热膜。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例1

如图1、图2所示，一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，所述电池模组包括：

多个电芯1，多个所述电芯1进行串联或并联排布；

至少一层防护层2，设置于相邻所述电芯1之间；

液冷板3，设置于多个所述电芯1的底面；

导热膜4，设置于多个所述电芯1的底面与所述液冷板3之间，所述导热膜4具有高导热系数，所述导热膜4的XY向导热系数＞1500W/(m*k)，Z向导热系数＞6W/(m*k)。

每个所述电芯1具有相对设置的第一侧面和第二侧面，多个所述电芯沿所述第一侧面和所述第二侧面中的较大面的垂线依次排布，通过多个所述电池的排布，电芯之间进行串联或并联来形成模组，如图1所示，所述防护层2的厚度为1～3μm，所述防护层2的导热系数为0.03-0.1W/(m*k)。所述防护层2的导热系数较小，可以保证只有小部分热量传递到相邻电芯1，防止热蔓延。在上述的技术方案中，通过减小了系统中热防护材料的厚度，缩短整体电池模组的长度，模组的缩短长度为3％～5％，解决了电池模组长度方向不足的问题，提升了电池包的空间利用率，具体地，本实施例中防护层2的厚度为1.5μm；本发明的防护层2采用纤维板或陶瓷化硅胶泡棉或气相二氧化硅绝热板中的一种或组合，纤维板、陶瓷化硅胶泡棉、气相二氧化硅绝热板等材料具有较好的导热性能，同时成本低，也减少pack系统中气凝胶的使用数量，减低系统热防护材料成本的同时提升热管理系统的可靠性，使用该种方式进行三元电池包的热防护与传统气凝胶方案相比大约可以降本30％～40％。

所述导热膜4采用超晶石墨散热材料，所述导热膜4的XY向导热系数＞1500W/(m*k)，Z向导热系数＞6W/(m*k)。超晶石墨散热材料是具有高导热系数的薄膜材料，在本技术方案中作为导热膜4，具有良好的导热、散热能力，可显著提高电芯1发生热失控后整体的导热性。更优选地，所述导热膜4的XY向导热系数为1800～2000W/(m*k)，Z向导热系数为10～15W/(m*k)，所述导热膜4的导热系数要求越高，导热性能越好，但材料成本大幅增加。所述导热膜4的厚度为100～500μm。所述导热膜4的厚度对电芯1的导热能力有很大的影响，若所述导热膜4的厚度小于100μm，则所述导热膜4自身的厚度过小，导致所述导热膜4导热能力变差，不利于所述电池电芯1的散热；若所述导热膜4的厚度大于500μm，从电芯1至液冷板3的热传导路径过长，传热效率降低。优选地，所述导热膜4的厚度为150～250μm。

所述导热膜4沿着所述导热膜4的厚度方向包括导热层、第一导热胶层和第二导热胶层，所述第一导热胶层设置在所述导热层面向多个所述电芯1底面的一侧表面上，所述第二导热胶层设置在所述导热层面向所述液冷板3顶面的一侧表面上。本上述的技术方案中，所述导热膜4上设置有第一导热胶层和第二导热胶层的粘接层，第一导热胶层用于将所述导热膜4与所述电芯1底面贴合，第二导热胶层用于将所述导热膜4与所述液冷板3顶面贴合，这样的设置可将所述导热膜4分别与所述电芯1底面和所述液冷板3进行粘接，防止使用过程中因外力作用下所述导热膜4发生移位。所述第一导热胶层或第二导热胶层厚度为2μm-10μm。若所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的厚度分别小于2μm，则所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的粘接力性能较差；因所述第一导热胶层或所述第二导热胶层材料的导热系数小于所述导热层的导热系数，若所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的厚度分别大于10μm，则影响所述导热膜4的整体导热性能。所述第一导热胶层或所述第二导热胶层为有机硅导热胶层或聚氨酯导热胶层，例如：有机硅导热胶层。所述导热膜4中使用的有机硅导热胶和聚氨酯导热胶的优点为具有优异的导热性能，且具有优异的电气绝缘性及稳定性。在应用过程中，进行根据导热性能和粘接的主体进行不同材料的选择，在本发明中所述第一导热胶层或所述第二导热胶层的厚度和材料可以相同或不同，这里就不做具体说明。

在一些实施例中，所述第一导热胶层和所述导热层之间设置有绝缘层。绝缘层的设置让所述导热膜4具有优异的导热性能的同时也具有绝缘性能。

如图1所示，所述电芯1主体构造成长方体，所述电芯1的正极和负极设置于所述电芯1的顶面。所述电芯1为硬壳电芯或软包电芯。其中，硬壳电芯可以具体为铝(或钢)壳电芯，更具体地为铝合金(或不锈钢)壳方形电芯，而软包电芯的软包装材料可以采用铝塑复合膜(铝塑膜)。硬壳和软包的主要区别就在于硬和软的封装结构，软包电芯的封装技术一般是采用聚合物外壳，在结构上采用了铝塑薄膜包装；而硬壳电芯一般都是采用钢壳或铝壳的封装结构。软包电芯的优点包括安全性能好，不会发生爆炸；重量轻；容量大；内阻小，极大地降低了电池的自耗电；以及设计灵活。硬壳电芯的优点包括安全，硬度高，具有相当的重量来保护电芯本身。另外，铝塑膜具有极高的阻隔性、良好的冷冲压成型性、耐穿刺性、耐电解液稳定性、电性能(包括绝缘性)。同理可见，本实用新型的导热膜4能适用于具有各种类型封装结构的电芯1，并能够达到所想要的抑制电芯热失控蔓延技术效果。

根据上述技术方案可知，在电芯之间设置防护层，在液冷板上面以及电芯顶面之间贴附高导热系数的导热膜，此时防护材料可以选择更薄或者成本稍低的材料，这样的设置，在目标电芯发生热失控时，通过设计防护层的厚度和导热系数，使目标电芯所释放出来的热量一小部分会传递至相邻电芯，电芯本身有一定的存储热量的能力，对相邻电芯不会有影响；另外一大部分热量会传至电芯底部通过高导热系数的导热膜传递到整个液冷板，导热膜的XY向导热系数较大，热量可以在水平方向传递，增加了散热面积，从而减缓电池系统中热蔓延的发生，参见图3，用箭头标示了散热方向。采用高导热系数的薄膜材料与低成本防护材料相结合的方式，使电芯在进行充放电工作时产生的热量尽快地导出到液冷板，再通过液冷板将这些传递出来的热量进一步散发出去，避免热失控的电芯所产生的高温对其周围电芯内部结构的破坏，有效地保护正常电芯的使用，提高电芯使用寿命。

在本技术方案中，导热膜4的厚度为100～500μm之间，因此不会影响原有电芯或模组的设计方案，只需要在模组组装的过程中将导热膜4进行粘贴，工艺方便易行。

实施例2

本实施例提供了一种动力电池，包括电池模组，电池模组有多个，电池模组为实施例所述电池模组为实施例1的抑制电芯失控热蔓延的液冷电池模组。当数个模组被BMS(电池管理系统)和热管理系统共同控制或管理起来后，这个统一的整体就叫做电池。

还有一种用电装置，所述用电装置包括上述的动力电池。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述电池模组包括：

多个电芯，多个所述电芯进行串联或并联排布；

至少一层防护层，设置于相邻所述电芯之间；

液冷板，设置于多个所述电芯的底面；

导热膜，设置于多个所述电芯的底面与所述液冷板之间，所述导热膜的XY向导热系数＞1500W/(m*k)，Z向导热系数＞6W/(m*k)。

2.根据权利要求1所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述防护层的厚度为1～3mm，所述防护层的导热系数为0.03-0.1W/(m*k)。

3.根据权利要求1所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述导热膜的厚度为100~500μm。

4.根据权利要求3所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述导热膜的厚度为150~250μm。

5.根据权利要求3所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述导热膜采用超晶石墨散热材料，所述导热膜XY向导热系数为1800~2000W/(m*k)，Z向导热系数为10~15W/(m*k)。

6.根据权利要求1所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述导热膜沿着所述导热膜的厚度方向包括导热层、第一导热胶层和第二导热胶层，所述第一导热胶层设置在所述导热层面向多个所述电芯底面的一侧表面上，所述第二导热胶层设置在所述导热层面向所述液冷板的一侧表面上。

7.根据权利要求1所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组，其特征在于，所述电芯主体构造成长方体，所述电芯的正极和负极设置于所述电芯的同一面；所述电芯为硬壳电芯或软包电芯。

8.一种动力电池，包括电池模组，其特征在于，所述电池模组为权利要求1-7任意一项所述的抑制电芯热失控蔓延的液冷电池模组。

9.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括权利要求8所述的电池。