一种可提升电池能效的防爆燃充电电池及其保护系统的制作方法

1.本发明属于充电电池技术领域，特别涉及一种可提升电池能效的防爆燃充电电池及其保护系统。


背景技术：

2.随着锂离子电池、铅酸电池等车用充电电池的相关火灾、爆炸事故频发，对使用者的生命安全和财产安全造成了严重的威胁。当电池模组发生热失控火灾时，会释放大量热能及高温气体，遇空气后爆燃，所以电池模组具有极强的复燃性。
3.现有的电池灭火系统采用干粉、气溶胶、二氧化碳、氮气、四氯化碳等灭火材料来减缓、阻止燃烧。然而，常规的灭火材料仅能短时间内扑灭电池明火并在明火处形成小范围的低氧区，但电池内部还有大量的能量不断释放，只要再与空气接触就会复燃，阻燃效果一般，这也是电池一旦着火就很难将火情控制的原因。
4.此外，现有的电池防护系统采用监控电压、电流、温度、烟雾等各种传感器来嗅探电池模组的整体情况，当监控阀值超出设定范围后自动触发灭火系统对电池模组进行灭火操作。然而，这一措施有较多的局限性，一是距离的远近决定了传感器的灵敏度。距离电池越近，传感器的灵敏度就会越高，但是现实中的检测传感器只有一个到两个，而且传感器安装在电池模组的某一角落，对于监控整个电池模组来说，灵敏度大打折扣；二是传感器不能起到预警效果，只能在发生燃烧后才起作用。当电池模组刚刚开始发生温度异常、漏液的情况，还未达到热失控时，温度、烟雾、火焰、电压、电流传感器不能及时感知、发现，只有当电池模组瞬间高温燃烧后才能检测到数据变化，没有起到在发现异常之初就可断电并预警的作用。
5.因此，如何从源头上预防热失控的发生，提高电池的充放电效能，防止电池模组在热失控后发生起火和爆炸，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种可提升电池能效的防爆燃充电电池及其保护系统，从源头上预防热失控的发生，提高电池的充放电效能，防止电池模组在热失控后发生起火和爆炸，从而达到电池模组安全防护的功能。
7.为解决上述技术问题，本发明提供一种可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统，包括壳体组件，其中，
8.所述壳体组件的内腔用于连接电池模组，且二者之间填充有用于绝缘、导热的保护液；
9.所述壳体组件的外侧设置有保护液加注口和充电口，所述壳体组件的内腔设置有报警模块以及用于监测所述保护液成分的保护液分析模块，所述保护液分析模块与所述报警模块电连接或信号连接。
10.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述壳体组件包括内层壳体和外层
壳体，所述电池模组、所述内层壳体和所述外层壳体由内而外依次套装；其中，
11.所述电池模组与所述内层壳体之间形成的第一间隙内填充所述保护液；
12.所述内层壳体与所述外层壳体之间形成的第二间隙内填充有循环气体并设置用于控制所述循环气体流动的风冷系统，风冷系统可以加快或阻止循环气体的流动性；
13.所述保护液加注口设置于所述内层壳体，所述充电口设置于所述外层壳体。
14.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述内层壳体设置有用于监测所述保护液的液位的液位检测模块，和/或，所述内层壳体和所述外层壳体之间的第二间隙设置有用于监测底部是否有所述保护液泄露的液位检测模块；
15.所述液位检测模块与所述报警模块电连接或信号连接。
16.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述内层壳体设置有用于控制内外压差平衡的压力防护装置。
17.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述内层壳体的部分或全部为连续波纹状的散热翅片，可有效增加散热面积。
18.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述电池模组通过第一支撑机构设置于所述内层壳体，和/或，所述内层壳体通过第二支撑机构设置于所述外层壳体。
19.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述第一支撑机构或所述第二支撑机构为弹簧机构以及设置于所述弹簧机构端部的连接块。
20.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述壳体组件的内腔设置有测温模块，用于监测所述保护液温度并在异常情况下向所述报警模块发送报警信号。
21.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述壳体组件的内腔设置有加热模块，用于对所述保护液调温，以达到最佳充放电的目地。
22.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述壳体组件的内腔设置有保护液循环泵。
23.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述电池模组上设置有保护电路。
24.可选的，在上述防爆燃充电电池保护系统中，所述壳体组件的内腔设置有用于监测所述保护液的测压模块并在异常情况下向所述报警模块发送报警信号。
25.本发明还提供一种可提升电池能效的防爆燃充电电池，包括电池模组和如上文所述的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统，其中，电池模组设置于壳体组件的内腔，且二者之间填充有用于绝缘、导热的保护液，电池模组以及所有电控组件全部浸没于保护液中。
26.本发明所提供的一种可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统，具有以下有益效果：
27.通过壳体组件与保护液的组合方式，将整个电池模组及其电路控制部分浸泡在保护液中，以隔绝空气，使电池模组可远离外界的温湿度、振动、空气等干扰因素，防止电池产生枝晶破裂遇空气自燃以及对电池内部造成损坏而出现的爆燃。同时，采用液位检测模块和保护液分析模块分别对保护液的液位和成分进行监测，当监测到电池模组发生漏液或因密封性问题引起的保护液成分变化时，报警模块发出警报。此设置方式能够从源头上有效避免热失控的发生，防止电池模组在热失控后发生起火和爆炸，从而达到电池模组安全防护的功能。
28.本发明还提供一种具有上述保护系统的可提升电池能效的防爆燃充电电池，其有益效果同上，在此不再进一步赘述。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1为本发明提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统的内部结构示意图(第一支撑机构和第二支撑机构未示出)；
31.图2为本发明提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统的俯视图；
32.图3为本发明提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统的内部结构示意图(包含第一支撑机构和第二支撑机构)。
33.上图中：
34.1-电池模组；2-内层壳体；3-保护液；4-测温模块；5-加热模块；6-防爆阀；7-密封结构；8-测压模块；9-保护电路；10-充电口；11-液位检测模块；12-保护液分析模块；13-风冷系统；14-外层壳体；15-保护液加注口；16-保护液循环泵；17-锁紧机构(锁枥)；18-散热翅片；1901第一支撑机构；1902-第二支撑机构。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
38.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
39.本发明的核心是提供一种可提升电池能效的防爆燃充电电池及其保护系统，从源头上预防热失控的发生，提高电池的充放电效能，防止电池模组在热失控后发生起火和爆炸，从而达到电池模组安全防护的功能。
40.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明提供的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
41.图1为本发明提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统的内部结构示意
图(第一支撑机构和第二支撑机构未示出)；图2为本发明提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统的俯视图；图3为本发明提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统的内部结构示意图(包含第一支撑机构和第二支撑机构)。
42.具体地，请参考图1-图3，该可提升电池能效的防爆燃充电电池包括：壳体组件和电池模组1。
43.其中，电池模组1设置于壳体组件的内腔，且二者之间填充有用于绝缘、导热的保护液3，电池模组1以及所有电控组件全部浸没于保护液3中。
44.其中，应当理解的是，本发明的核心在于上述壳体组件，因此，本发明实施例后续主要针对该壳体组件进行详细介绍。而对于本实施例提供的可提升电池能效的防爆燃充电电池中的其他结构，可参考相关现有技术，此处便不再细述。
45.需要说明的是，保护液3具有阻燃、绝缘、无腐蚀、无污染的特点，冰点可根据使用场景不同，可调至零下40度的液体混合物，即使浸没元器件20年以上，成分不会发生任何变化，也不会对电子元器件产生任何影响。保护剂可将热量迅速分散，避免高温聚集，保护剂还可避免链式反应的发生，从而防止锂电池自燃爆炸的可能性。
46.文中的保护液3可以为氟化液、植物油、变压器油或其他可用于电子元器件绝缘和导热的液体介质，在此不对其具体构成做进一步限定。文中的电池模组1可以为锂离子电池、铅酸电池和镍镉电池等可充电电池中的任意一种，电池模组1还可以为固态电池或新兴的液态电池，具体可根据实际应用环境进行适应性选择。
47.具体地，本发明提供了一种可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统，包括壳体组件，其中，电池模组1设置于壳体组件的内腔，且二者之间填充有用于绝缘、导热的保护液3，电池模组1以及所有电控组件全部浸没于保护液3中，可解决锂电池漏电、散热、电弧打火、温度调控问题。
48.壳体组件的外侧设置有保护液加注口15和充电口10，保护液加注口15用于向壳体组件的内腔注入保护液3。充电口10与电池模块电连接，用于将外部电源传输至电池模块。壳体组件上还可以根据需求另外设置一个出液口，以便排出保护液3，当然，在仅设置保护液加注口15的情况下，也可以将其用于排液。
49.壳体组件的内腔设置有报警模块(图中未示出)以及用于监测保护液3浓度(成分)的保护液分析模块12。保护液分析模块12用于监测保护液3的浓度变化，一方面可以监测壳体组件的密封性能，当壳组组件的密封性出现问题时，外界空气中的水分容易进入到保护液中，引起保护液浓度变化，进而使得保护液的绝缘性能变差；另一方面还可以监测电池模组1是否有漏液情况，当电池模组漏液时，电池液进入保护液，引起保护液浓度变化，此时需要立即更换电池模组。
50.保护液分析模块12与报警模块电连接或信号连接。电连接即为一种物理接触的电路连接方式，而信号连接即为一种不需实体媒介的无线通信连接方式，具体可以依据实际工况需求灵活选择连接方式。因而，当报警模块采用电连接方式时，通常将其设置在壳体组件内部，当报警模块采用信号连接方式时，也可以将其设置在车辆等使用本文所述充电电池系统的设备本体上。
51.上述可提升电池能效的防爆燃充电电池保护系统，通过壳体组件与保护液3的组合方式，将整个电池模组1及其电路控制部分的电控组件全部浸泡在保护液3中，以隔绝空
气，使电池模组1可远离外界的温湿度、振动等干扰因素，起到缓冲作用，防止电池产生枝晶破裂遇空气自燃以及对电池内部造成损坏而出现的爆燃。同时，采用保护液分析模块12对保护液3的成分进行监测，当监测到电池模组1发生漏液或因密封性问题引起的保护液3成分变化时，报警模块发出警报。此设置方式能够从源头上有效避免热失控的发生，防止电池模组1在热失控后发生起火和爆炸，从而达到电池模组1安全防护的功能。
52.此外，保护液3可替代现有灭火方式，可提前热量管控，方便快捷，制造和维护成本更加低廉，无需其它辅助设备和控制单元，使得保护装置更加小巧、科学。
53.在具体实施例中，壳体组件包括内层壳体2和外层壳体14，内层壳体2主要为导出元器件内部热量以及支撑元器件的作用，外层壳体14主要为提供结构强度、保护并防止内部保护液3泄露。
54.外层壳体14不但具有抗冲击、防腐、防爆的功能，还具有吸收冲击能量，避免内层壳体2受损的功能；当内层壳体2爆裂或漏液发生时，外层壳体14可做进一步的补充保护。
55.其中，电池模组1、内层壳体2和外层壳体14由内而外依次套装。电池模组1与内层壳体2之间形成的第一间隙内填充保护液3。内层壳体2与外层壳体14之间形成的第二间隙内填充有循环气体，并设置用于控制循环气体流动的风冷系统13。在需要散热的情况下，开启风冷系统13，以加快空气流动性。在无需散热的情况下(如低温环境)，关停风冷系统13或减小风冷系统13的转速，阻止或减缓空气流通，此时循环气体起到隔热的效果，可提高电池的放电保持率，提升电池使用寿命。循环气体可以为空气或其他阻燃气体。
56.保护液加注口15设置于内层壳体2，充电口10设置于外层壳体14，其内通过线路与电池模组连接。
57.应当理解，风冷系统13可以为风扇或其他可以形成气流流通的设备，其数量可为一个或多个，多个风冷系统13可对称设置于内腔通道中，形成稳定的气流，以实现冷却的均匀性。安装位置也可根据实际情况布置于内腔通道的任意侧，只要是能够满足冷却需求的位置均属于本发明保护范围内。
58.内层壳体2和外层壳体14的形状可设计为如图1所示的矩形，当然，内层壳体2还可以设计成圆柱形、多边形等形状。内外层壳体14采用金属材料或其他高强度硬橡胶或聚丙烯塑料等材料制成，能够承受外力碰撞和内爆冲击，避免因电池起火或内爆对人员造成伤害。内层壳体2和外层壳体14可以选用相同材质，也可以根据实际所需的结构强度选用不同材质。
59.当然，为了进一步快速监控到内层壳体2是否有漏液情况，一种方式为在电池模组1与内层壳体2之间的第一间隙设置用于监测第一间隙内的保护液液位的液位检测模块11；另一种方式为在外层壳体14和内层壳体2之间的第二间隙内设置用于监测底部是否有保护液泄露的液位检测模块11，上述的液位检测模块可以采用相同的设备，也可采用不同设备。同样的，液位检测模块11可与报警模块电连接或信号连接。当内层壳体2发生保护液泄露时，第一间隙的液位检测模块11可以检测到第一间隙的保护液液位下降。同样，第二间隙的液位检测模块11可以第一时间检测到第二间隙的底部存在泄露的保护液，因而液位检测模块11可以只设置一个，当然，如有需要也可以设置多个，在此不再进一步限定。
60.特别的，内层壳体2的部分或全部为连续波纹状的散热翅片18，以增大散热面积。当散热需求不大时，内层壳体2可以仅在一侧面或几个特定面上设置散热翅片18；在需要增
大散热效果时，散热翅片18可布满(除部件安装位以外的)整个内层壳体2。如此设置通常能够增加一倍左右的表面积，提高整体散热能力。当然，散热翅片18还可以为绕片式、串片式、焊片式、轧片式等结构形式，任何具有上述散热翅片的内层壳体均在本案保护范围内。
61.可以推知，在无需风冷系统13即可满足电池散热需求时，可仅采用一个壳体组件罩设于电池模组1上，通过浸没式液冷方式进行冷却。而当电池散热量较大时，通过设计双层壳体，在内层壳体2和外层壳体14之间加设第二间隙作为风冷通道，通过风冷与液冷相结合的方式，实现快速散热降温的目的。
62.为了防止壳体模组或内层壳体2内压力急剧变化发生时，维持壳体内外压差平衡，内层壳体2设置有用于控制内外压差平衡的压力防护装置。压力防护装置可以为防爆阀6或气压调节膜，在内腔压力超过阈值时进行泄压，阻止系统压力失控、达到安全的目的。
63.进一步地，电池模组1通过第一支撑机构1901固定于内层壳体2，和/或，内层壳体2通过第二支撑机构1902支撑于外层壳体14。上述第一支撑机构1901/第二支撑机构1902可以包括支架组件、卡接组件、夹具组件或螺栓等连接结构中的任意一种或多种，只要能够将电池模组1稳定连接于内层壳体2、内层壳体2稳定连接于外层壳体14上即可。当然，外层壳体14外侧也可以设置上述支撑机构，该支撑机构主要用于实现外层壳体14和车辆的安装结构保持对位和连接关系。
64.为了提高缓冲效果，第一支撑机构1901和第二支撑机构1902均可以为弹簧机构以及设置于弹簧机构端部的连接块。第一支撑机构1901和第二支撑机构1902均为对称设置的多个。通过第一支撑机构1901和第二支撑机构1902可以将电池模组1和内层壳体2悬浮设置于外层壳体14的中间位置，使电池模组1、内层壳体2和外层壳体14之间不接触。具体地，如图3所示，电池模组1和内层壳体2相对的八个直角处均设置有连接块，相对的两个连接块之间通过弹簧机构连接，从而将电池模组1悬浮设置于内层壳体2的中心位置，以便于保护液3全方位包裹电池模组1的四周。同理，内层壳体2和外层壳体14也可采用上述设置方式。通过弹簧机构的软连接方式，结合内层壳体2的保护液以及双层壳体的设置方式，可进一步有效缓冲如撞击、地震等外力冲击，防止发生连锁反应，实现对内部构件的保护。
65.在具体实施例中，壳体组件特别是内层壳体2具有较强的密封性，可以采用一体成型的开口腔体、以及与腔体开口相对位适配的盖板形成壳体组件/内层壳体2/外层壳体14。开口腔体和盖板的连接处还设置有锁紧机构17。盖板优选地可位于腔体的顶部，保护液加注口15设置在盖板上。同时，还可以在盖板与腔体开口的连接处设置密封结构7，提高二者对接的紧密性，以避免保护液3吸收空气中的水分而导致其浓度变化。
66.更进一步地，壳体组件的内腔设置有测温模块4，用于监测保护液3温度并在异常情况下向报警模块发送报警信号。测温模块4具体为温度传感器，由于温度传感器浸泡在保护液3中，使得温度传感器更加灵敏，不会受位置、角度、空间等因素的影响而降低精度，从而可提前预判锂电池组的整体状态做出预警处理。
67.相对于现有技术，由于电池模组1完全浸没在保护液3中，保护液3可提高测温模块4的监测灵敏度，使测温模块4不受外界影响，所以仅设置一个测温模块4即可对整个电池系统的温度进行全面监测(即使测温模块4距离电池模组1有一定距离，由于保护液3的存在，完全可以满足测温功能要求)。本案中测温模块4的监测灵敏度对其自身的数量、设置距离的要求不高，从而降低了操作难度。
68.针对低温严寒环境下电池的容量保持率低的问题，可以对保护液3自身进行温度控制，防止因低温环境下电池持续降温而无法正常充电，达到一个最优的解决方案，在壳体组件的内腔设置有加热模块5，用于对保护液3调温，从而达到最佳充放电的目地。由于电池模组在充电和放电状态下的温度要求不同，所以加热模块5的温度控制可大大提升电池的使用效率。
69.针对高温炎热环境下，为了加快保护液3的冷却效率，壳体组件(仅一层壳体时)/内层壳体2(双层壳体时)的内腔设置有保护液循环泵16，通过外部动力驱动保护液3的流动。保护液循环泵16的数量可以为一个或多个，多个保护液循环泵16均匀布置于保护液流通通道内，能够实现保护液的流动，促进保护液的热量传动至覆盖整个电池模块。
70.特别的，保护液循环泵16驱动内层壳体2内的保护液沿某一方向循环流动，相对应的，风冷系统驱动外层壳体14内的空气沿保护液相反方向循环流动，以进一步增强换热效果。
71.在实际操作过程中，系统内的控制模块根据测温模块4反馈的温度进行判断，当测温模块4的温度低于预设温度范围值时，控制加热模块5加热来调节保护液3温度；当测温模块4的温度高于预设温度范围值时，控制保护液循环泵16开启控制保护液3流速，可保证电池模组1在适宜的温度下进行充放电，有效解决电池模组1在不同温度下的储能问题。
72.进一步地，鉴于电池系统中电路存在一些不稳定因素，可在电池模组1上设置保护电路9，在电池处于极端状态时能够发生熔断，以防止不稳定因素影响电路效果的回路作为保护电路9，避免事故的发生。保护电路9的具体类型根据应用功能相适配，比如有过流保护、过压保护、过热保护、空载保护、短路保护等，均属于本技术保护范围。
73.本发明所提供的壳体组件的内腔还设置有用于监测保护液3的测压模块8，在异常情况下可向报警模块发送报警信号。
74.在上文所述的报警模块，可通过声音或在显示屏显示等方式预警，报警模块设置于壳体组件上或壳体组件以外的车辆上，只要能够接收到各监测模块的异常信号即可。
75.为了便于布置、合理分配空间，测温模块9、测压模块8和保护液分析模块12可相邻布置于电池模组1上，或内层壳体2的内腔任何位置。当然，也可以根据各自功能，选择合适位置便于监测。
76.在上述具体实施例的基础上，可以推知，保护液3最大的功能是隔绝空气，即使电池高温也不具备与空气燃烧的必要条件。其次是保护液3对电池充放电时自身的散热、有问题的电池的温度变化的灵敏监测、所有焊接部分电弧打火情况的完美解决。
77.通过保护液3配合风冷系统13的使用，可解决电池和电路在高温带来的所有问题和烦恼。常温和低温下电池和电路更加的稳定和安全，保护液的散热能力是正常风冷或是自然散热的数倍，所以保护液3对电池充放电时自身的散热能力的提升、测温模块更容易捕捉到保护液3循环过程中温度的细微变化，比传统的传感器更加的灵敏、高效，使本案的保护系统更加的安全和实用，本系统最大特点在于预防电池的自燃，而不仅仅是阻止电池的自燃。
78.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
79.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说
明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。