CN105633502B - 一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明是有关一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其包括：单体锂离子电池、隔热垫、端板及导热***；导热***包括导热片及水室,导热片与水室热接触；其中，导热片、单体锂离子电池及隔热垫依次组装在一起，使其中每个单体锂离子电池的一面为所述隔热垫，另一面为导热片；在上述组装结构的两端分别安装端板，通过端板压紧上述组装结构。本发明通过采用正向压紧力压紧电池组，电池间的隔热垫和高效地导热***的设置，可以达到抑制热失控蔓延的目的，同时此技术方案并不影响正常运行工况下电池组的热管理。

Description

一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域的一种锂离子电池模块，特别是涉及一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块。

背景技术

混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,简称HEV)和纯电动汽车(peakenvelope voltage,简称PEV)通过补充可充电电池和以可充电电池完全替换传统的内燃发动机(ICE)为汽车原动力的常规手段提供替代方案。其中可以采用镍氢电池、铅酸电池、锂聚合物电池或锂离子电池等各种电池架构给HEV和PEV提供原动力和所需功率。目前来看，锂离子电池的应用前景最为看好。

锂离子电池具有很高的能量密度，且采用可燃有机溶剂及有机盐作为电解液，因此具有一定的安全隐患。过充电、过放电、过热、机械挤压、针刺和内部微短路等都有可能导致锂离子电池热失控，引发燃烧或***事故，这已经成为锂离子电池在电动汽车上应用的重大阻碍。外界的滥用(包括电、热、机械方面)一般可以采用电池管理***(BMS),及坚固的电池箱体来保护。但电池内部由于设计或制造过程造成的缺陷，会引发内短路事故，造成电池冒烟，自燃或***。而且单个锂离子电池的热失控会迅速传递给相邻的锂离子电池。这种事故的发生概率业界最高水平能控制在千万分之一左右，这对于普通电子产品的电源来说已经是可以接受的了。但对于每辆需要安装100～10000块锂离子电池的电动汽车来说，概率会扩大至千分之一的水平，这已经是不可以接受的了。因此需要设计一种锂离子电池的组装方式，以抑制这种热失控的蔓延，避免引起电池组整体的热失控或大大减缓热失控的速度，给乘员足够的逃生时间。

现有的已经商业化应用的锂离子电池模块，例如，著名的日产聆风(“Leaf”)采用的铝合金盒包装的2并2串的小模块，在此模块的基础上可直接进行串并联操作，但它无冷却***，也未考虑热失控下的防护措施，它主要是通过保证单体电池的绝对安全和高可靠性的策略来实现；又如,通用雪弗兰Volt增程式混合动力车的电池模块，它采用可燃冷却液进行电池组冷却，但它在热失控下的防护措施也不足；再如，专利公开号CN103066313A所描述的一种具有连续弯曲的波纹翅片的电池模块，如图1所示，在它的单只电池发生热失控时也易发生大面积的蔓延。

由此可见，上述现有的锂离子电池模块在抑制热失控蔓延方面仍存在有改进和提升的空间。

发明内容

有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，使其通过定向施加压紧力，电池间增加隔热层和导热机构，并采用阻燃吸热的冷却液，能够保证在单个电池发生热失控时不发生快速蔓延，满足电动汽车所需的高安全性要求。

为了实现上述目的，依据本发明提出的一种一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块,其包括：单体锂离子电池、隔热垫、端板及导热***；所述导热***包括导热片及水室，所述导热片与所述水室热接触；其中，所述导热片、所述单体锂离子电池及所述隔热垫依次组装在一起，使其中每个所述单体锂离子电池的一面为所述隔热垫，另一面为所述导热片；在上述组装结构的两端分别安装所述端板，通过所述端板压紧上述组装结构。

本发明还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，还包括塑料框架，每个所述单体锂离子电池1固定于一个所述塑料框架上。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，还包括丝杆，所述丝杆穿过上述组装结构两端的所述端板，对上述组装结构两端的所述端板施加压力，压紧上述组装结构。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，还包括绑带，所述绑带穿过上述组装结构两端的所述端板，对上述组装结构两端的所述端板施加压力，压紧上述组装结构。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其中所述绑带为钢带或不锈钢带。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其中通过所述丝杆或所述绑带对上述组装结构两端的所述端板施加0.01-5MPa的压力。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其中所述隔热垫根据不同类型的单体锂离子电池的安全特性选择不同耐火等级的材质和厚度，其耐火温度在150-1500℃之间，厚度在0.1-10mm之间。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其中所述水室安装于上述组装结构的一侧，并安装有防爆泄压阀；所述导热片与所述水室的热接触方式为焊接、卡接或以螺栓固定连接。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其中所述水室内的冷却液体为水和乙二醇的混合液、HFC类有机液体或氟化酮类有机液体。

前述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其中所述锂离子电池模块还安装有极耳连接片及低压线束。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明的一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，至少具有下列优点：

一、本发明可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，通过对结构和散热***的设计，可以保证在由于单体电池制造或设计缺陷所导致的内部短路而引起的发热甚至热失控情况下，热量不会快速向周围扩展；并同时利用蒸发散热***将热量吸收，最终达到抑制热失控蔓延的目的。

二、本发明可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，通过对结构和散热***的设计，可以保证在外部电滥用、热滥用或机械滥用的情况下，防止局部电池热失控的快速扩展，给乘员以充分的安全防护和足够的逃生时间。

附图说明

图1是现有的一种具有连续弯曲的波纹翅片的电池模块的示意图。

图2是本发明一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块的一较佳实施例的分解立体示意图。

图3是本发明一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块的一较佳实施例的单体锂离子电池、隔热垫、塑料框架和导热片依次组装的在一起的分解立体示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。

请参阅图2及图3所示，图2是本发明一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块的一较佳实施例的分解立体示意图。图3是本发明一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块的一较佳实施例的单体锂离子电池、隔热垫、塑料框架和导热片依次组装的在一起的分解立体示意图。

本发明一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块主要由单体锂离子电池1、隔热垫2、端板7和导热***组成。其中，导热***包括导热片4和水室6，导热片4与水室6热接触。导热片4、单体锂离子电池1和隔热垫2依次组装在一起，使其中每个单体锂离子电池1的一面为隔热垫2，另一面为导热片4。本发明根据空间和动力***的需要确定安装的导热片4、单体锂离子电池1和隔热垫2组合的数量，以保证电压和容量的需要。在上述组装结构的两端分别安装端板7，通过端板7压紧上述组装结构。

如图3所示，本发明可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块还设有塑料框架3，每个单体锂离子电池1固定于一个塑料框架3上。

其中，在本发明的一较佳实施例中，端板7压紧上述组装结构是通过丝杆8穿过上述组装结构两端的端板7，对上述组装结构两端的端板7施加压力来实现。在本发明的另一较佳实施例中，端板7压紧上述组装结构是通过绑带穿过上述组装结构两端的端板7，对上述组装结构两端的端板7施加压力来实现，其中绑带可以为钢带或不锈钢带。本发明通过丝杆8或绑带对上述组装结构两端的端板7施加0.01-5MPa的压力。

本发明的隔热垫2根据不同类型的单体锂离子电池1的安全特性选择不同耐火等级的材质和厚度，其耐火温度在150-1500℃之间，厚度在0.1-10mm之间。

本发明的水室6安装于上述组装结构的一侧，并安装有防爆泄压阀11。其中，水室6和导热片4都为高导热性材料制造，导热片4与水室6的热接触方式为焊接、卡接或以螺栓固定连接。本发明水室6内的冷却液体一般为使用温度范围宽的液体，如水和乙二醇的混合液、HFC类有机液体或氟化酮类有机液体，其中优选氟化酮类有机液体。本发明水室6安装的防爆泄压阀11，在水室6吸收大量热量时将水室6内过高的压力从防爆泄压阀11泄出，保证电池模块的安全。

如图1所示，本发明可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块还安装有极耳连接片10及低压线束9。

以下通过举例说明本发明可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块对热失控蔓延的抑制作用。

示例一：一种采用本发明制作的锂离子电池模块，尺寸为580(长)*170(高)*290mm(宽)，总重量为45kg。采用60Ah磷酸铁锂电池2并12串组成，并用塑料框架固定单体电池。采用1.0mm厚A0级耐火泡棉(可耐250℃的温度)作为隔热垫，采用1.2mm厚6061铝合金板作为导热片。两端压力采用双绑带形式施加，压力为4000N。采用3M公司的Novec 1230作为水室内的冷却液。对锂离子电池模块的第3支单体电池实施过充电，在第2、3、4支单体电池表面贴附温度传感器，过充电过程为60A电流恒流充电，当第3支单体电池电压上升至30V时，该单体电池冒烟发生热失控，此时停止充电。检测第3支单体电池表面的温度达到200℃，而相邻的第2、4支单体电池表面的温度分别达到120℃、130℃，整个过程未发生起火或***现象。

示例二：一种采用本发明制作的锂离子电池模块，尺寸为600(长)*190(高)*270mm(宽)，总重量为43kg。采用20Ah三元系锂电池3并24串组成，并用塑料框架固定单体电池。采用3.0mm厚A0级耐火纤维棉(可耐600℃的温度)作为隔热垫，采用1.0mm厚6061铝合金板作为导热片。两端压力采用丝杆形式施加，压力为3000N。采用3M公司的Novec 1230作为水室内的冷却液。对锂离子电池模块的第3支单体电池实施过充电，在第2、3、4支单体电池表面贴附温度传感器，过充电过程为20A电流恒流充电，当第3支单体电池电压上升至18V时，该单体电池冒烟发生热失控，此时停止充电。检测第3支单体电池表面的温度最高达到450℃，而相邻第2、4支单体电池表面的温度最高分别达到130℃、125℃，整个过程未发生起火或***现象。

本发明通过端板对电池组施加正向压紧力，可以阻碍电池组内部热失控部分对氧气的吸收，延缓热失控的反应速度；通过电池间隔热垫的设置，可以阻碍发热电池单体的热量快速向相邻电池的扩散；通过高效地导热***，可以将热失控产生的大量热量通过导热片即时导出，让可气化阻燃的有机液体吸收，从而达到抑制热失控蔓延的目的，同时此技术方案还不影响正常运行工况下电池组的热管理。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其包括：单体锂离子电池(1)、隔热垫(2)、端板(7)及导热***；所述导热***包括导热片(4)及水室(6)，所述导热片(4)与所述水室(6)热接触；其中，所述导热片(4)、所述单体锂离子电池(1)及所述隔热垫(2)依次组装在一起，使其中每个所述单体锂离子电池(1)的一面为所述隔热垫(2)，另一面为所述导热片(4)；在上述组装结构的两端分别安装所述端板(7)，通过所述端板(7)压紧上述组装结构。

2.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其还包括塑料框架(3)，每个所述单体锂离子电池(1)固定于一个所述塑料框架(3)上。

3.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其还包括丝杆(8)，所述丝杆(8)穿过上述组装结构两端的所述端板(7)，对上述组装结构两端的所述端板(7)施加压力，压紧上述组装结构。

4.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其还包括绑带，所述绑带穿过上述组装结构两端的所述端板(7),对上述组装结构两端的所述端板(7)施加压力，压紧上述组装结构。

5.根据权利要求4所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其中所述绑带为钢带或不锈钢带。

6.根据权利要求3所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块,其特征在于其中通过所述丝杆(8)对上述组装结构两端的所述端板(7)施加0.01-5MPa的压力。

7.根据权利要求4所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块,其特征在于其中通过所述绑带对上述组装结构两端的所述端板(7)施加0.01-5MPa的压力。

8.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其中所述隔热垫(2)的耐火温度在150-1500℃之间，厚度在0.1-10mm之间。

9.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其中所述水室(6)安装于上述组装结构的一侧，并安装有防爆泄压阀(11)；所述导热片(4)与所述水室(6)的热接触方式为焊接、卡接或以螺栓固定连接。

10.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于其中所述水室(6)内的冷却液体为水和乙二醇的混合液、HFC类有机液体或氟化酮类有机液体。

11.根据权利要求1所述的可抑制热失控蔓延的锂离子电池模块，其特征在于所述锂离子电池模块还安装有极耳连接片(10)及低压线束(9)。