电池模组热失控防护装置的制作方法

1.本发明涉及电池安全技术领域，特别是涉及电池模组热失控防护装置。


背景技术：

2.锂离子动力电池作为新能源汽车的核心组件，其技术进步对于电动汽车的发展起着关键作用。相比于其它类型动力电池，锂离子动力电池以能量密度高、循环性能好、自放电效率低、记忆效应小等优点，能够满足电动汽车对动力电池的使用要求，在电动汽车中得到了广泛的应用。然而，随着电池比能量增加以及电池尺寸设计不断增大，单体电池热失控风险也随之加大，单体电池发生热失控时会通过热蔓延导致电池模组以及整个电池包系统触发热失控，从而导致起火、爆炸事故。
3.由于动力电池在正常工作时中部温度较高，底部温度较低，一方面需要在正常工况下将电池产生的热量散发出去以保证电池最高温度和温差在允许范围之内。另一方面，一旦某个电池触发热失控，要尽可能避免热失控电池产生的热量向周围电池热扩散、热蔓延，从而避免周围电池触发热失控，引发大规模火灾甚至爆炸风险。
4.因此，针对动力电池热安全系统，既要保证有良好散热，又要进行热失控隔热防护。然而现有的抑制电池模组热蔓延的装置大多侧重在电池散热，缺乏有效的热失控隔热防护。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对传统的抑制电池模组热蔓延的装置缺乏有效热失控隔热防护的问题，提供一种能够有效的对电池模组进行热失控隔热防护的电池模组热失控防护装置。
6.一种电池模组热失控防护装置，包括液冷板与多个导热套筒；所述导热套筒包括筒上部与筒下部，所述导热套筒的筒上部用于套设在电池的中上部，且所述筒上部内侧贴合在所述电池的表面，所述筒下部所围区域的尺寸大于所述筒上部所围区域的尺寸；所述筒下部内侧与所述电池表面具有间隙；
7.所述多个导热套筒间隔设置，相邻所述导热套筒之间填充有绝热材料；所述液冷板设置于所述多个导热套筒的底端，并与导热套筒紧密连接。
8.进一步的，所述导热套筒的高度小于所述电池的高度，相邻电池高出所述导热套筒的部分之间填充有所述绝热材料。
9.进一步的，所述筒下部的厚度不小于筒上部的厚度。
10.进一步的，所述筒下部上位于窄端的两面可设置为开放式结构。
11.进一步的，所述绝热材料采用气凝胶胶毡或者气凝胶粉末。
12.进一步的，所述导热套筒的下端与液冷板之间填充有防震导热垫，所述防震导热垫分别紧密贴合所述液冷板和电池底部。
13.进一步的，所述液冷板上设有进液口和出液口，所述液冷板的内部并联设有多组
流道，多组流道的两端分别汇聚于进液口和出液口。
14.进一步的，所述筒上部的高度不小于10mm，所述筒下部的高度为电池高度65％以上。
15.进一步的，所述导热套筒筒下部开有小孔，所述筒下部与电池之间的间隙内填充气凝胶粉末。
16.进一步的，所述多个导热套筒组成的套筒集合的外侧设置有侧盖板，所述侧盖板与所述套筒集合之间设置隔热板。
17.上述电池模组热失控防护装置，通过使用导热套筒，并将导热套筒的筒上部套在电池上，将导热套筒的筒下部连接在液冷板上，使得电池上部产生的热量能够随导热套筒传递到液冷板上，增强了电池至液冷板的导热能力，并能够降低电池上部的最高温度，减小电池上部与下部温差，提高温度均匀性、减缓电池性能衰减。同时，通过在各组导热套筒之间填充绝热材料，可以有效避免热失控电池向相邻电池发生热传递，结合底部的液冷板可达到对热失控向相邻电池热蔓延的抑制。
附图说明
18.图1为热失控防护装置的拆分结构示意图；
19.图2为热失控防护装置的剖面结构示意图；
20.图3为单纯隔热与底部液冷板配置结构的电池模组温度云图；
21.图4为单纯隔热与底部液冷板配置结构的电池模组温度曲线图；
22.图5为该热失控防护装置配置后电池模组的温度云图；
23.图6为该热失控防护装置配置后电池模组的温度曲线图；
24.图7为该热失控防护装置不同绝热材料厚度对温度影响的曲线图；
25.图8为该热失控防护装置不同绝缘层热阻对温度影响的曲线图；
26.图9为该热失控防护装置不同筒上部高度对温度影响的曲线图；
27.图10为该热失控防护装置不同筒下部高度对温度影响的曲线图。
28.图中：100、导热套筒；110、筒上部；120、筒下部；200、液冷板；300、气凝胶；400、上盖板；500、侧盖板；600、侧隔热板；700、防震导热垫；80、电池。
具体实施方式
29.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.如图1和图2所示，在一个实施例中，一种电池模组热失控防护装置，包括液冷板200与多个导热套筒100。导热套筒100包括筒上部110与筒下部120，导热套筒筒上部110用于套设在电池80的中上部，且筒上部内侧贴合在电池80的表面，筒下部120所围区域的尺寸大于筒上部110所围区域的尺寸，筒上部110内侧贴合在电池80的表面之间可填充硅胶作为界面导热和结构粘接材料。筒下部内侧与电池80表面具有间隙。多个导热套筒100间隔设置，相邻导热套筒100之间填充有绝热材料。液冷板200设置于多个导热套筒100的底端，并
与导热套筒100紧密相连。
31.上述电池模组热失控防护装置，通过使用导热套筒100，并将导热套筒100的筒上部套在电池80上，将导热套筒100的筒下部连接在液冷板200上，使得电池80上部产生的热量能够随导热套筒100传递到液冷板200上，增强了电池80至液冷板200的导热能力，并能够降低电池80上部的最高温度，减小电池上部与下部温差，提高温度均匀性、减缓电池性能衰减。同时，通过在各组导热套筒100之间填充绝热材料，可以有效避免热失控电池向相邻电池发生热传递，结合底部的液冷板200可达到对热失控向相邻电池热蔓延的抑制。
32.具体的，导热套筒100筒下部120开有小孔，筒下部120与电池80之间的间隙内填充气凝胶300粉末。筒下部120的厚度不小于筒上部110的厚度，用以增强导热套筒100的导热性。筒下部120上位于窄端的两面可设置为开放式结构，用以减少配重，安装方便，同时该处设置为开放式结构不会对导热套筒100的导热效果造成实质影响。
33.在材料选择上，本实施例中的电池80来自于一款商用37ah方形三元(li[ni1/3co1/3mn1/3]o2)锂离子电池。其结构尺寸为146mm
×
91mm
×
26.5mm,工作电压范围为2.8
‑
4.25v。电池模组由5块方形电池组成，电池单体间距为5mm,多组电池80之间通过汇流排与自身极耳串联。
[0034]
在本实施例中，导热套筒100的高度小于电池80的高度，相邻电池80高出导热套筒100的部分之间填充有绝热材料。
[0035]
在上述材料选择的基础上，导热套筒100的厚度设置为1mm，筒上部高度为10mm、筒下部高度为60mm，引入导热套筒100可以有效改善冷却结构散热性能。装配在离电池80底部60mm的高度处，套在每个电池80四周。其中，导热套筒100可通过工装冲压铝材形成，其底部通过焊接与液冷板200连接。
[0036]
在本实施例中，液冷板200上设有进液口和出液口，液冷板200的内部并联设有多组流道，多组流道的两端分别汇聚于进液口和出液口。具体的，液冷板200采用微小型流道结构，且共布置49个流道，流道的高度和宽度都为2mm，流道与液冷板200表面厚度为2mm，相邻两组流道之间的间隔厚度为1mm。液冷板200可采用流道加工、并和背板钎焊而成。
[0037]
上述液冷板200内部流道采用微小型流道设计，在高温下强化了电池80散热性能，在低温下也能够通过液冷板200同时给电池80中上部和底部加热，与常规单纯底部液冷相比，热阻小，传热快，大大提高了电池80温控性能。
[0038]
在本实施例中，电池单体外侧导热套筒100底部端面与液冷板200连接，导热套筒100的下端与液冷板200之间填充有防震导热垫700，防震导热垫700由硅胶垫片复合玻纤而成，防震导热垫700分别紧密贴合液冷板200和电池80底部。同时底部防震导热垫700的水平尺寸与底部液冷板200的尺寸一致，厚度为1mm，其可以强化整个热量的传递速率。保证电池模组在正常工况下电池80温度的均匀性与运行稳定。
[0039]
上述导热套筒100可加固电池80强度、降低电池80膨胀变形幅度，通过在电池模组和底部液冷板200平面之间设置防震导热垫700，可以协助电池80导热套筒100调节电池80温差，降低因漏液而造成电池80短路的风险，从而保证电池80工作可靠性与稳定性。
[0040]
导热套筒100可通过板材冲压成型形成，或者通过筒上部110和筒下部120焊接而成。
[0041]
在本实施例中，绝热材料采用气凝胶300，该气凝胶300为气凝胶胶毡或者气凝胶
粉末。
[0042]
该电池模组在使用时，一旦某个电池单体触发热失控，温度会接近燃烧高温～900℃，大量热量向周围传递，因此仅靠导热套筒100散热结构无法满足电池80热安全防护的要求。需要再对电池80之间采取一定的隔热措施。因此引入绝热材料气凝胶300进行隔热，气凝胶300填充于由每个电池80构成的导热通路中，用于阻隔由于某个电池80发生热失控而导致热量向相邻电池80传递。
[0043]
在本实施例中，气凝胶300隔热材料厚度为0.5mm，其导热系数为0.02w/mk,所以气凝胶300隔热性能较好，可以有效的阻止热量传递至周围电池80。从而在一定程度上避免热蔓延的发生，解决了动力电池散热以及热失控隔热防护的技术难题，保证了动力电池系统的安全性。
[0044]
在实际使用中，气凝胶300的厚度不小于0.5mm。例如，将电池单体之间填充的气凝胶300厚度设置为1mm，其具有纳米多孔网格结构，其孔隙率在90％以上，因此其具有导热率低的特性，适合用于抑制电池80热蔓延。
[0045]
在本实施例中，导热套筒100上方设置有上盖板400，上盖板400的整体高度大于电池80正负极耳和汇流排连接后其凸出电池本体的高度。上盖板400相对电池80的一侧具有凹陷部，凹陷部的空间大于电池80正负极耳和汇流排连接以后所占用的空间。多个导热套筒100组成的套筒集合的外侧设置有侧盖板500，侧盖板500与套筒集合之间设置隔热板600。侧盖板500与上盖板400相连接；具体的，隔热板600可沿电池80宽端方向设置在两组侧盖板500与套筒集合之间。能够防止系统中某个电池单体热失控时热量的蔓延，进一步提高热防护系统的安全性能。多组侧盖板500的下端均与液冷板200固定连接，且位于进液口和出液口之间。
[0046]
本实施例中的宽端代表电池四组侧面中面积大的两面。
[0047]
进一步，上盖板厚度为2mm，本实施例中的上盖板400材料为铝材，靠近电池一侧贴敷气凝胶绝热材料，可以在某个电池单体触发热失控以后，起到基本的机械防护以及防止电池80热失控以后起火烧穿上盖板与其它部件的作用。同时使用上盖板400降低了电池模组的整体高度，减少了零件额外的装配工序，在现有电池模组热防护组件中显示出了一定优势，保证了电池模组的安全性。
[0048]
在本实施例中，电池单体与导热套筒100筒下部120之间间隙为1mm,导热套筒100筒下部120开有小孔，通过小孔在间隙空间内填充绝热材料如气凝胶300粉末，除此之外还可单纯保留空气层隔热，其中填充气凝胶300粉末可以隔绝热辐射效应，隔热效果优于单纯空气层。
[0049]
如图3所示，针对热失控防护装置的电池模组温度，当#1电池单体作为触发电池单体以后，#1电池单体在30s时达到最高温度，最高温度为836.5℃，尽管少量热量通过汇流排向#2电池单体蔓延，但大部分热量通过侧面导热套筒100向底部冷板传递。可以看到，最高温度主要集中在汇流排和#2电池单体极耳处，但由于配置导热套筒100导热结构，电池80#2温度普遍低于热失控温度,有效阻隔了热量向周围电池80蔓延，从而规避了周围电池80触发大规模热失控与热蔓延的风险。
[0050]
如图4所示，电池模组内与#1热失控电池80相邻的电池80最高温度曲线，绝热材料为0.5mm厚度的气凝胶300。可以看出，当1#电池单体触发热失控以后，在30s时间内达到最
高温度，最高温度为836.5℃，电池80热失控过程中产生大量热量向周围蔓延，相邻2#电池单体极柱因汇流排连接导热在90s达到电池最高温度，最高温度为290.7℃，而#2电池单体内芯最高温度为200℃，热失控温度约为255℃(lai xin,et al.investigation of thermal runaway propagation characteristics of lithium
‑
ion battery modules under different trigger modes.international journal of heat and mass transfer，2021,171:121080.中文翻译：来鑫等，不同出发模式下锂离子电池模组热失控传播特性研究，国际传热传质，2021,171:121080。)，低于热失控温度，不发生热失控，没有出现电池80温度急剧升高到热失控峰值温度的现象，可以认为是热防护设计的最小绝热厚度情形。
[0051]
如图5所示，在不同隔热材料厚度情况下邻近热失控电池80的#2电池80最高温度随本热防护系统不同隔热材料厚度分析，隔热材料厚度分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm模拟。结果表明，不发生热失控的最小气凝胶300隔热材料厚度为0.5mm，在不小于0.5mm厚度下不发生热失控的蔓延与传播。
[0052]
如图6、图7和图8所示，#1电池单体热失控之后、相邻#2电池80最高温度随单体电池80之间绝缘层热阻的变化曲线。绝缘层热阻为其厚度与导热系数的比值，绝缘层热阻0.03m2k/w对应气凝胶300厚度0.5mm、导热系数0.016w/mk，这种情况表相邻电池80没有发生热失控，对导热系数为0.05w/mk的柔性橡胶泡沫、玻璃纤维，其厚度达到1.25mm以上才能防控热失控，对于导热系数0.1w/mk的硅胶绝热层需要达到2.5mm厚度以上才可以实现热失控防护的目的。
[0053]
如图9所示，对本热失控防护装置不同导热套筒100高度分析，分别取筒上部高度为5.0mm、10.0mm、15.0mm、20.0mm、25.0mm模拟。结果表明，选取加工的导热套筒100筒上部高度应不低于10mm，可以用于抑制相邻电池80发生热失控。
[0054]
如图10所示，对本热失控防护装置不同导热套筒100高度分析，分别取筒下部高度为50mm、55mm、60mm、65mm、70mm模拟。结果表明，选取加工的导热套筒100筒下部高度应不低于60mm，已知电池单体总高度92mm,变截面导热套筒100筒上部高度10mm,筒上部与筒下部2mm重叠。筒下部高度应相当于占电池80高度65％或以上(60mm)可以用于抑制相邻电池80发生热失控。
[0055]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。