TW202337069A - 動力電池模組及其動力電池包和熱管理方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開一種動力電池模組及其動力電池包和熱管理方法，動力電池模組包括若干電芯單元、若干一端嵌入所述電芯單元之間的熱管結構以及連接在所述熱管結構未嵌入所述電芯單元的另一端的液體通道，所述電芯單元包括依序設置的正極集流體、正極材料、隔膜、負極材料和負極集流體，所述熱管結構的兩側分別與所述正極集流體或所述負極集流體緊密貼合；本發明將熱管結構的兩側與電芯單元的集流體緊密貼合，能夠有利於減小傳熱熱阻，大幅提高散熱/預熱速度，能夠提高動力電池的熱管理效果，提高換熱效率。
Description
本發明涉及動力電池技術領域，特別是涉及一種動力電池模組及其動力電池包和熱管理方法。
溫度過高或過低都會嚴重影響鋰離子動力電池壽命，甚至可能導致熱失控，引發電池熱安全問題。因此，電池熱管理對電池系統的熱安全和性能起到重要的保障作用。
電動汽車電池系統的發展趨勢是提高能量密度、減少充電時間、低溫環境快速啟動。其中，提高能量密度必須從單體電池能量密度和系統集成兩個角度雙管齊下。無模組化技術將電芯直接集成為電池包，取消電池單體至電池模組級別的集成，從系統集成角度提高能量密度，預示當前電池系統高度集成化的發展趨勢。傳統的熱管理結構是在電池外殼上設計，熱量在電芯產生，依次經過電芯與外殼的接觸面、外殼、外殼與散熱元件的接觸面，這個熱傳遞過程較複雜，且電池老化之後，電池會膨脹，電芯與外殼的接觸面、外殼與散熱元件的接觸面也難以保證良好接觸。因此，若熱管理仍被設計為電池包的外部附屬系統，則難以滿足高集成化電池系統未來的熱管理需求，如：由於中間熱阻較大，導致較大的電池包內外溫差，引起電池性能衰退；也難以應對超級快充下的冷卻以及低溫工況電池快速預熱。例如申請公佈號為CN 105703038 A的中國專利公開了一種具有平板熱管的電池模組及散熱方法，該方案將多個電池單體以層疊狀設置在殼體中，還包括極耳固定裝置、打包帶、底部固定裝置以及多個平板熱管；每2個電池單體之間設置1個平板熱管；打包帶箍於極耳固定裝置缺口及底部固定裝置缺口內，將電池單體的封邊固定於極耳固定裝置通槽及底部固定裝置通槽內，也就是說，該方案利用平板熱管對電池單體進行冷卻散熱，其只能對電池單體散發到外部的熱量進行散熱，散熱效率較低。
再如申請公佈號為CN 105703036 A的中國專利公開了一種電池Pack熱管式散熱系統，包括電池殼體、電池模組以及熱管散熱系統；其中，電池模組置在電池殼體的內側；熱管散熱系統包括導熱板、熱管以及翅片管；其中，導熱板設置在電池模組上；熱管的一端設置在導熱板中，另一端穿出電池殼體；翅片管設置在熱管的另一端上且設置在電池殼體外側，由此可見，該方案仍舊是以電池模組為單位進行散熱，而電池模組內部的熱量卻無法實現有效散熱，最終散熱效率較低。另外，申請公佈號為CN 113036265 A的中國專利公開了一種帶熱管的電池模組，封堵電芯單元的四周，防止單個電芯單元著火破壞其他電芯單元以及外界銅排安裝面周邊的支撐結構等，達到良好的防止熱失控的效果，但其抑制熱失控的原理與本發明不同，也沒有針對正常工況的散熱進行有效說明；而且該專利並沒有明確地定義其所指的電芯單元，實際上，該專利的電芯單元為電池單體，與本發明電芯單元的定義有本質不同，也就是說，該專利仍是針對電池單體散發到外部的熱量進行散熱。
本發明的目的是提供一種動力電池模組及其動力電池包和熱管理方法，以解決上述現有技術存在的問題，將熱管結構的兩側與電芯單元的集流體緊密貼合，能夠有利於減小傳熱熱阻，大幅提高散熱/預熱速度，能夠提高動力電池的熱管理效果，提高換熱效率。
為實現上述目的，本發明提供了如下方案：
本發明提供一種動力電池模組，包括若干電芯單元、若干一端嵌入所述電芯單元之間的熱管結構以及連接在所述熱管結構未嵌入所述電芯單元的另一端的液體通道，所述電芯單元包括依序設置的正極集流體、正極材料、隔膜、負極材料和負極集流體，所述熱管結構的兩側分別與所述正極集流體或所述負極集流體緊密貼合。
優選地，所述熱管結構的外殼以及與其緊密貼合的集流體採用相同的材料。
優選地，相鄰兩所述熱管結構之間的所述電芯單元數量為20以上。
優選地，所述熱管結構為平板熱管。
優選地，所述平板熱管包括外殼、貼合所述外殼內壁設置的吸液芯以及設置在兩側的所述吸液芯之間的支撐柱，所述支撐柱之間形成蒸汽腔，所述平板熱管保持封閉狀態，內部充有工質。
優選地，所述支撐柱選用阻燃材料製作，每個所述支撐柱分為若干段。
優選地，所述吸液芯包括大孔徑泡沫銅骨架以及設置在所述大孔徑泡沫銅骨架上的納米塗層。
本發明提供一種動力電池包，包括殼體以及封裝在所述殼體內的如前文所述的動力電池模組。
本發明還提供一種動力電池模組的熱管理方法，包括以下內容：
在電芯單元之間設置熱管結構，並將所述熱管結構的兩側分別與所述電芯單元的集流體緊密貼合，所述熱管結構連接有液體通道；
監測動力電池模組內的溫度，當溫度高於或低於設定值時，冷卻或加熱流通液體通道的換熱流體，實現所述電芯單元與換熱流體之間的熱交換。
優選地，在所述熱管結構內部設置阻燃材料製作的支撐柱，在所述支撐柱之間形成蒸汽腔，當動力電池模組發生極端熱安全事故時，熱管結構的外殼破裂，破壞熱管結構的封閉狀態，熱管結構失效，利用所述蒸汽腔形成阻隔空間，減少所述電芯單元之間的熱傳導，利用所述支撐柱與所述蒸汽腔共同作用，抑制熱失控蔓延。
本發明相對於現有技術取得了以下技術效果：
本發明將熱管結構的兩側與電芯單元的集流體緊密貼合，能夠有利於減小傳熱熱阻，大幅提高散熱/預熱速度，提高動力電池的熱管理效果，提高換熱效率，並且熱管結構的外殼與集流體採用相同的材料，能夠在保證傳熱效果的基礎上避免動力電池的運行產生不利影響；
本發明將熱管理引入至電池包內部，與電池系統一體化集成，能有效兼顧系統能量密度及熱管理性能，滿足高集成化電池系統在超級快充、低溫環境等應用場景中的熱管理需求，也避免了電池老化引起的電芯單元與外殼的接觸面、外殼與散熱元件的接觸面接觸不良的問題；
當電芯發生極端熱安全事故（如碰撞、刺穿、短路等引發的熱安全事故）時，電芯熱失控已不可避免，高溫將使得平板熱管內部工質完全蒸發，導致殼體破裂，平板熱管失效，內部蒸汽腔形成阻隔空間，大幅減少電芯之間的熱傳導，同時，阻燃材料製作的支撐柱具有良好的阻燃特性，與蒸汽腔共同作用，抑制熱失控蔓延；
本發明將液體通道與外部製冷及加熱設備連接，外部製冷及加熱設備為液體通道提供冷卻用液體和加熱用換熱流體，當電池溫度高於設定值時，提供冷卻用換熱流體；當電池處於較低環境溫度時，提供加熱用換熱流體，使得電池溫度保持在合理範圍。
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明的目的是提供一種動力電池模組及其動力電池包和熱管理方法，以解決現有技術存在的問題，將熱管結構的兩側與電芯單元的集流體緊密貼合，能夠有利於減小傳熱熱阻，大幅提高散熱/預熱速度，能夠提高動力電池的熱管理效果，提高換熱效率。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
如圖2所示，本發明提供一種動力電池模組，包括若干電芯單元3、若干一端嵌入電芯單元3之間的熱管結構以及連接在熱管結構未嵌入電芯單元3的另一端的液體通道2。其中，電芯單元3採用如圖3所示的包括依序設置的正極集流體31、正極材料32、隔膜33、負極材料34和負極集流體35的結構，關鍵是具有集流體（正極集流體31或負極集流體35）與熱管結構貼合；夾在熱管結構之間的電芯單元3可以並排設置有若干組，具體設置數量，根據單個電芯單元3的發熱功率以及厚度大小設計；熱管結構可以選擇現有技術的熱管結構，可以為管狀結構也可以為板狀結構，當為管狀結構時在電芯單元3之間的夾層內並排設置有多個，當為板狀結構時在電芯單元3之間的夾層內並排設置有多個或設置一整塊大小能夠覆蓋電芯單元3的集流體；熱管結構能夠將電芯單元3的熱量傳遞到液體通道2，也能夠將液體通道2的熱量傳遞到電芯單元3，液體通道2用於通入製冷後的液體或制熱後的液體，實現電芯單元3所傳遞到熱管結構的熱量或冷量的互換，從而能夠利用熱管結構和液體通道2實現電芯單元3所形成的動力電池模組的熱管理。熱管結構的兩側分別與電芯單元3的集流體緊密貼合，此處所說的集流體可以是正極集流體31也可以是負極集流體35，在熱管結構與集流體緊密貼合的情況下，能夠實現二者互相傳遞熱量，熱管結構能夠直接將電芯單元3所產生的熱量傳遞出或將外界產生的熱量傳遞入，並且緊密貼合的結構有利於減小傳熱熱阻，大幅提高散熱/預熱速度，從而能夠進一步的提高動力電池的熱管理效果，提高換熱效率，進而能夠適用於產熱量大和環境溫度低的工況。因此，本發明將熱管理引入至電池包內部（動力電池模組）的方式，能夠與電池系統一體化集成，有效兼顧系統能量密度及熱管理性能，滿足高集成化電池系統在超級快充、低溫環境等應用場景中的熱管理需求。
熱管結構外殼41的材料可以與集流體的材料相同，也就是說，當熱管結構與正極集流體31緊密貼合時，熱管結構可以採用正極集流體31相同的材料，例如採用鋁，當熱管結構與負極集流體35緊密貼合時，熱管結構可以採用負極集流體35相同的材料，例如採用銅。熱管結構的外殼41與集流體採用相同的材料，能夠在保證傳熱效果的基礎上避免動力電池的運行產生不利影響。
相鄰兩熱管結構之間的電芯單元3數量可以設置為20以上，具體的根據單個電芯單元3的發熱功率以及厚度大小進行調整。
如圖2所示，熱管結構可以為平板熱管4，平板熱管4為板狀結構，能夠採用單一平板熱管4覆蓋整面集流體，其覆蓋面積大、集成度高，能夠很好的適應動力電池的結構並集成在電芯單元3之間。
如圖4所示，平板熱管4包括外殼41、貼合外殼41內壁設置的吸液芯42以及設置在兩側的吸液芯42之間的支撐柱43，外殼41的材料可以根據所緊密貼合的集流體的材料進行確定，例如為鋁或銅。外殼41形成平板熱管4內部結構的包裹支撐，外殼41具有良好的導熱性，且厚度較薄，其所形成的平板熱管4的厚度一般不超過2 mm，外殼41與液體通道2可以採用焊接的方式連接在一起形成一個整體，液體通道2的厚度一般不超過10 mm，液體通道2的換熱流體可以為水、乙二醇/水混合液、製冷劑等。支撐柱43之間形成蒸汽腔44。平板熱管保持封閉狀態，內部充有工質（水、甲醇等），在冷卻時，工質吸收電芯單元3熱量形成的蒸汽主要是往上方（液體通道2的方向）流動，由位於上方的液體通道2冷卻。
支撐柱43可以選用阻燃材料製作，如聚亞醯胺，具有良好的熱穩定性和阻燃性，阻燃材料製作的支撐柱43具有良好的阻燃特性，與蒸汽腔44共同作用，能夠在電芯發生極端熱安全事故（如碰撞、刺穿、短路等引發的熱安全事故）時抑制熱失控蔓延。每個支撐柱43可以分為若干段，也就是說，支撐柱43橫向之間也設置有通道，蒸汽腔44內的蒸汽既可以沿支撐柱43的長度方向流動，也可以沿支撐柱43的寬度方向通過，有利於支撐柱43寬度方向的溫度均勻傳遞，實現溫度均勻。
吸液芯42可以包括大孔徑泡沫銅骨架以及設置在大孔徑泡沫銅骨架上的納米塗層，也就是說，吸液芯42為跨尺度多孔結構，泡沫銅骨架的孔徑為微米尺度，孔徑較大，能夠減小工質回流阻力，表面的納米結構為納米尺度，能夠產生工質回流的毛細力，通過大孔骨架與納米結構的組合，實現吸液芯42高毛細力和低流動阻力的解耦，進而提高平板熱管4的傳熱性能。當然，吸液芯42也可採用其他能達到類似效果的結構。
如圖1所示，本發明提供一種動力電池包，包括殼體1以及封裝在殼體1內的如前文所記載的動力電池模組，殼體1將整個動力電池模組進行封裝保護，在殼體1上設置有連接線路的開孔以及液體通道2的開孔。
參考圖1~4所示，本發明還提供一種動力電池模組的熱管理方法，可以應用前文所記載的動力電池模組和動力電池包，包括以下內容：
在電芯單元3之間設置熱管結構（熱管結構可以採用平板熱管4，也可以採用現有技術中公開的管狀結構等形式），並將熱管結構的兩側分別與電芯單元3的集流體緊密貼合，在貼合時可以選擇正極集流體31也可以選擇負極集流體35，進一步還可以將熱管結構的外殼41選擇與所貼合的集流體相同的材料，熱管結構還連接有液體通道2；
利用溫度感測器、探測器或熱電偶等電池溫度監測模組監測動力電池模組內的溫度，當溫度高於或低於設定值時，製冷加熱系統冷卻或加熱流通液體通道2的換熱流體，實現電芯單元3與換熱流體之間的熱交換，利用嵌入式結構，可迅速實現電芯單元3與換熱流體之間的熱交換，較好控制電池包溫度，減小熱失控的發生，並達到良好的均溫效果。
動力電池熱管理的具體工作過程為：
冷卻時，外部製冷系統降低換熱流體溫度，換熱流體溫度流入液體通道2，此時，平板熱管4與電芯單元3貼合部分為蒸發段，與液體通道2結合部分為冷凝段，電芯單元3的熱量傳遞至平板熱管4蒸發段，蒸發段內部工質蒸發變成蒸汽，流動至冷凝段，將熱量傳遞至液體通道2中的換熱流體，冷凝為液體，在吸液芯42的作用下回流至蒸發段。
加熱時，外部加熱系統提高換熱流體溫度，換熱流體流入液體通道2，此時，平板熱管4與電芯單元3貼合部分為冷凝段，與液體通道2結合部分為蒸發段，其餘過程與冷卻工況時類似。
在熱管結構內部可以設置支撐柱43，在支撐柱43之間形成蒸汽腔44，當動力電池模組發生極端熱安全事故時，熱管結構失效，利用蒸汽腔44形成阻隔空間，減少電芯單元3之間的熱傳導，利用阻燃材料製作的支撐柱43與蒸汽腔44共同作用，抑制熱失控蔓延。
根據上述過程可知，在本發明處於極端情況時：
當電芯單元3發生極端熱安全事故（如碰撞、刺穿、短路等引發的熱安全事故）時，電芯單元3熱失控已不可避免，高溫將使得平板熱管4內部工質完全蒸發，導致外殼41破裂，平板熱管4失效，內部蒸汽腔44形成阻隔空間，大幅減少電芯單元3之間的熱傳導。同時，阻燃材料製作的支撐柱43具有良好的阻燃特性，與蒸汽腔44共同作用，抑制熱失控蔓延。
本發明中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
1:殼體；
2:液體通道；
3:電芯單元；
31:正極集流體；
32:正極材料；
33:隔膜；
34:負極材料；
35:負極集流體；
4:平板熱管；
41:外殼；
42:吸液芯；
43:支撐柱；
44:蒸汽腔。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明動力電池包結構示意圖；
圖2為本發明動力電池模組結構示意圖；
圖3為本發明電芯單元與平板熱管結合示意圖；
圖4為本發明平板熱管內部結構示意圖；
31:正極集流體
32:正極材料
33:隔膜
34:負極材料
35:負極集流體
4:平板熱管
Claims (10)
- 一種動力電池模組，包括若干電芯單元、若干一端嵌入所述電芯單元之間的熱管結構以及連接在所述熱管結構未嵌入所述電芯單元的另一端的液體通道，所述電芯單元包括依序設置的正極集流體、正極材料、隔膜、負極材料和負極集流體，所述熱管結構的兩側分別與所述正極集流體或所述負極集流體緊密貼合。
- 如請求項1所述的動力電池模組，所述熱管結構的外殼以及與其緊密貼合的集流體採用相同的材料。
- 如請求項1所述的動力電池模組，相鄰兩個所述熱管結構之間的所述電芯單元數量為20個以上。
- 如請求項1至3任一項所述的動力電池模組，所述熱管結構為平板熱管。
- 如請求項4所述的動力電池模組，所述平板熱管包括外殼、貼合所述外殼內壁設置的吸液芯以及設置在兩側的所述吸液芯之間的支撐柱，所述支撐柱之間形成蒸汽腔，所述平板熱管保持封閉狀態，內部充有工質。
- 如請求項5所述的動力電池模組，所述支撐柱選用阻燃材料製作，每個所述支撐柱分為若干段。
- 如請求項5所述的動力電池模組，所述吸液芯包括大孔徑泡沫銅骨架以及設置在所述大孔徑泡沫銅骨架上的納米塗層。
- 一種動力電池包，包括殼體以及封裝在所述殼體內的如請求項1-7任一項所述的動力電池模組。
- 一種動力電池模組的熱管理方法，包括以下內容： 在電芯單元之間設置熱管結構，並將所述熱管結構的兩側分別與所述電芯單元的集流體緊密貼合，所述熱管結構連接有液體通道； 監測動力電池模組內的溫度，當溫度高於或低於設定值時，冷卻或加熱流通所述熱管結構的換熱流體，實現所述電芯單元與換熱流體之間的熱交換。
- 如請求項9所述的動力電池模組的熱管理方法，在所述熱管結構內部設置阻燃材料製作的支撐柱，在所述支撐柱之間形成蒸汽腔，當動力電池模組發生極端熱安全事故時，熱管結構的外殼破裂，破壞熱管結構的封閉狀態，熱管結構失效，利用所述蒸汽腔形成阻隔空間，減少所述電芯單元之間的熱傳導，利用所述支撐柱與所述蒸汽腔共同作用，抑制熱失控蔓延。
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