CN109997274B - 电池单元、电池子模块、电池模块或电池***的壁结构 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施方式的壁结构是电池单元、电池子模块、电池模块和电池***之一的壳体的壁结构，并包括多层结构，该多层结构具有面向壳体的内侧的第一层、面向壳体的外侧的第三层、以及布置在第一层和第三层之间的第二层，其中第一层被配置为使第二层与壳体的内部电绝缘，第二层包括烧蚀材料并配置为热防护第三层，第三层具有比第二层的热导率高的热导率。

Description

电池单元、电池子模块、电池模块或电池***的壁结构
技术领域
本发明涉及电池单元、电池子模块、电池模块和电池***之一的壁结构，特别是涉及包括多层结构的壁结构。而且，本发明涉及在具有多层壁结构的同时拥有改善的散热特性与改善的抗电弧性的电池单元、电池子模块、电池模块和电池***。
背景技术
可再充电电池或二次电池与仅不可逆地将化学材料转换成电能的一次电池不同在于，可以重复地充电和放电。低容量可再充电电池用作诸如移动电话、膝上型计算机和便携式摄像机的小型电子设备的电源，高容量可再充电电池用作诸如用于混合动力车辆等的电源。
通常，可再充电电池包括：电极组件，包括正电极、负电极以及插置在正电极和负电极之间的隔板；容纳电极组件的壳体；以及电连接到电极组件的电极端子。电解质溶液被注入到壳体中，以通过正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应使电池充电和放电。壳体的形状，例如圆筒形或矩形，取决于电池的应用而改变。
可再充电电池用作由串联和/或并联连接的多个单位电池单元形成的电池模块，以提供高能量密度。例如，它可以用于驱动混合动力车辆马达。也就是，电池模块通过根据所需电量将多个单位电池单元的电极端子互连而形成，其可以形成为实现用于例如电动车辆的高功率可再充电电池。
电池模块可以被构造为块设计或模块化设计。在块设计中，每个电池联接到共同的集流体结构和共同的电池管理***，并且该单元被容纳在壳体中。在模块化设计中，多个电池单元被连接以形成子模块，并且若干子模块被连接以形成模块。电池管理功能的兼容性可以得到改善，因为它可以至少部分地在模块或子模块级别中实现。至少一个电池模块被机械地且电地集成以形成电池***，被配备有热管理***，并且被配置为与至少一个耗电体(electrical consumer)通信。
电池***的机械集成需要各部件(例如电池子模块的部件、子模块之间、或耗电体、或者例如在车辆中提供的***)的适当机械连接。该连接应被设计为在电池***的平均循环寿命和使用期间发生的应力下保持功能。同时，应满足安装空间和互操作性要求(特别是对于移动设备)。
电池模块的机械集成可以通过提供承载板，例如底板，并在其上放置单独的电池单元或子模块来实现。电池单元或子模块的固定可以例如通过借助于诸如螺栓或螺钉的机械紧固装置将其装配在承载板的凹陷部分中、或者通过约束电池单元或子模块来实现。约束可通过将侧板固定到承载板的侧面和/或通过将另一承载板提供为固定到第一承载板和/或侧板来实现。因此，可以构建多级电池模块，其中承载板和/或侧板可以包括冷却水管道以冷却电池单元或子模块。
电池子模块的机械集成可以通过使用机械增强的电连接器、或者通过将承载梁固定到电连接器或将电池单元固定到支柱来实现。额外地或备选地，子模块可以包括覆盖多个对准的电池单元的一些表面或全部表面的单独的罩。这些电池子模块布置在电池模块中，例如在单独的罩中布置在承载板上。
电池子模块、电池模块和/或电池***可以包括用于限制其构成元件即电池单元、电池子模块或电池模块的壳体。另一方面，该壳体应提供抵抗环境冲击(例如机械冲击、热冲击或电冲击)的保护。它还应保护周围环境免于故障电池单元中的至少一个的危险影响。在电池单元级别，壳体通常包括金属或塑料，以确保机械保护、电绝缘和散热。对于一些电池类型，柔性袋可以代替硬质圆筒形或矩形罐被使用。壳体或袋通常包括金属层以提供机械强度和散热，并且还可以包括在金属层的内表面或外表面上的电绝缘涂层。根据传统技术的袋在US 2006/0083984 A1中在现有技术中公开，根据传统技术的电池壳体在KR20080049548 A1中公开。
在电池子模块、电池模块和电池***级别，外壳通常被提供为由金属板、纤维增强聚合物或注塑铝壳制成的金属壳体或塑料壳体。该壳体应提供机械增强并且可以包括电绝缘涂层。因为内部温度的升高可能导致至少一个电池单元中的异常反应，所以金属壳体可以被额外配置为有效地辐射、发射和/或消散从其内部产生的热。为了提供充分的散热，壳体通常具有相对低的壁强度，以减少壳体的重量。
然而，电池单元、电池子模块、电池模块或电池***中的壳体的相对薄的壁可能通过例如由至少一个电池单元的故障所致的局部升高的温度而熔化。特别是，故障电池单元可能引起电弧，电弧当其碰撞壳体时导致壳体的小区域内骤然的温度上升。这种电弧会损坏壳体并最终破坏壳体。这会导致有害气体泄漏出受损的壳体，对(例如汽车中的)使用者有毒，或者会导致气体点燃并造成额外的损坏。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供了电池单元、电池子模块、电池模块或电池***的壳体的壁结构，该壁结构具有改善的散热特性和改善的抗电弧性。
技术方案
本发明的一个方面涉及一种从包括电池单元、电池子模块、电池模块和电池***的组中选择的壳体的壁结构。该壁结构包括多层结构，该多层结构包括朝向壳体的内侧的第一层、朝向壳体的外侧的第三层、以及在第一层和第三层之间的第二层。换言之，第一层、第二层和第三层按升序彼此相邻或者一个在另一个上。额外的层可以在如此对准的第一层、第二层和第三层上或者在如此对准的第一层、第二层和第三层之间。根据本发明的一示例性实施方式，第一层被配置为使第二层与壳体的内部电隔离。也就是，第一层可以是包括电绝缘材料的电绝缘层。第二层包括烧蚀材料并配置为用作用于第三层的热屏障。也就是，第二层是含有绝热材料的绝热层，并且可以被配置为延迟从壳体的内侧(或第一层)到壳体的外侧(或第三层)的热传递。第三层具有比第二层高的热导率。因此，第三层被配置为将从壳体的内侧传递的热分配到第三层的宽区域(壳体的外部)。
本发明的另一方面涉及一种电池单元，其包括电极组件、容纳电极组件的壳体和密封壳体的开口的盖组件。该壳体和/或该盖组件的底表面和/或侧壁具有多层结构。该多层结构包括朝向电池单元的内侧的第一层、朝向电池单元的外侧的第三层、以及在第一层和第三层之间的第二层。换言之，第一层、第二层和第三层按升序彼此相邻或者一个在另一个上。额外的层可以在如此对准的第一层、第二层和第三层上或者在如此对准的第一层、第二层和第三层之间。根据本发明的一示例性实施方式，第一层被配置为使第二层与电极组件电隔离。也就是，第一层可以是包括电绝缘材料的电绝缘层。第二层包括烧蚀材料并配置为用作用于第三层的热屏障。也就是，第二层是含有绝热材料的绝热层，并且可以被配置为延迟从电池单元的内侧到外侧的热传递。第三层具有比第二层高的热导率。因此，第三层被配置为将从电池单元的内侧传递的热分配到第三层的宽区域。
本发明的另一方面涉及一种电池子模块，其包括多个对准的电池单元和电池子模块壳体。此时，电池子模块壳体具有连接到多个相对的子模块侧板的成对子模块前板。电池子模块壳体容置多个对准的电池单元。子模块前板和/或子模块侧板包括多层结构，该多层结构具有面向多个电池单元的第一层、面向电池子模块壳体的外侧的第三层、以及在第一层和第三层之间的第二层。换言之，第一层、第二层和第三层按升序彼此相邻或者一个在另一个上。额外的层可以在如此对准的第一层、第二层和第三层上或者在如此对准的第一层、第二层和第三层之间。根据本发明的一示例性实施方式，第一层被配置为使第二层与多个电池单元电隔离。也就是，第一层可以是包括电绝缘材料的电绝缘层。第二层包括烧蚀材料并配置为用作用于第三层的热屏障。也就是，第二层是含有绝热材料的绝热层，并且可以被配置为延迟从子模块壳体的内侧到电池子模块壳体的外侧的热传递。第三层具有比第二层高的热导率。因此，第三层被配置为将从电池子模块壳体的内侧传递的热分配到第三层的宽区域(电池子模块壳体的外侧)。
本发明的另一方面涉及一种电池模块，其包括在具有底板的电池模块壳体中(或之上)的多个电池单元和/或多个电池子模块。电池模块壳体的底板或另外的侧壁具有多层结构。该多层结构是面向多个电池单元和/或多个电池子模块的第一层、面向电池模块壳体的外侧的第三层、以及在第一层和第三层之间的第二层。换言之，第一层、第二层和第三层按升序彼此相邻或者一个在另一个上。额外的层可以在如此对准的第一层、第二层和第三层上或者在如此对准的第一层、第二层和第三层之间。根据本发明的一示例性实施方式，第一层被配置为使第二层与多个电池单元和/或多个电池子模块电隔离。也就是，第一层可以是包括电绝缘材料的电绝缘层。第二层包括烧蚀材料并配置为用作用于第三层的热屏障。也就是，第二层是含有绝热材料的绝热层，并且可以被配置为延迟从电池模块壳体的内侧到电池模块壳体的外侧的热传递。第三层具有比第二层高的热导率。因此，第三层被配置为将从电池模块壳体的内侧传递的热分配到第三层的宽区域(电池模块壳体的外侧)。
本发明的另一方面涉及一种电池***，其包括多个电池单元和/或多个电池子模块和/或至少一个电池模块、以及电池***壳体。电池***壳体的侧壁具有多层结构，该多层结构具有面向多个电池单元和/或多个电池子模块和/或至少一个电池模块的第一层、面向电池***壳体的外侧的第三层、以及在第一层和第三层之间的第二层。换言之，第一层、第二层和第三层按升序彼此相邻或者一个在另一个上。额外的层可以在如此对准的第一层、第二层和第三层上或者在如此对准的第一层、第二层和第三层之间。根据本发明的一示例性实施方式，第一层被配置为使第二层与多个电池单元和/或多个电池子模块和/或至少一个电池模块电隔离。也就是，第一层可以是包括电绝缘材料的电绝缘层。第二层包括烧蚀材料并配置为用作用于第三层的热屏障。也就是，第二层是含有绝热材料的绝热层，并且可以被配置为延迟从电池***壳体的内侧到电池***壳体的外侧的热传递。第三层具有比第二层高的热导率。因此，第三层被配置为将从电池***壳体的内侧传递的热分配到第三层的宽区域(电池***壳体的外侧)。
具有根据本发明的一示例性实施方式的多层结构的电池单元、子模块、模块或***的壳体可以承受壳体内部的电弧。该多层结构由至少三层构成，其中第一层面向壳体的内表面，并且可以暴露于故障情况下壳体内的电弧。第一层是电绝缘层，以防止壳体内远离与壳体碰撞的电弧的额外部件短路。为了防止电弧破坏壳体，第二层是含有烧蚀材料的热屏蔽层。在物理上，烧蚀材料被配置为通过牺牲材料来消散大量的热能。多个物理过程可以参与这种高效散热，例如碳化和热解。第二层还可以具有低热导率。第三层被配置为向壳体提供充分的机械稳定性，并且可以与传统电池单元、子模块、模块或***的壳体相同。为了进一步防止第三层变得机械不稳定，第三层具有比第二层的热导率高的热导率，以将穿过第二层的热分配到第三层的宽表面区域。这降低了峰值温度和第三层的软化或熔化的风险。
根据本发明的一示例性实施方式，第二层的烧蚀材料被配置为在600℃或更低，优选是500℃或更低，且特别优选是400℃或更低的阈值温度下转变到烧蚀过程。烧蚀过程可以包括通过与达到阈值温度的烧蚀材料反应而发生的各种物理过程。这些过程包括：诸如熔化、蒸发和升华的相变；烧蚀材料基体的热传导和热存储；液体层中的热对流；气体和液体蒸发；从表面到边界层的热吸收；以及吸热化学反应。因此，烧蚀材料的类型根据占优势的烧蚀机制而生成，但是材料中仍可以出现其它机制。本领域有三种主要类型的烧蚀体：升华或熔化烧蚀体、碳化烧蚀体和膨胀烧蚀体。
膨胀烧蚀体的特征在于，气泡在临界温度以上开始产生。在壳体结构中难以处理与气泡相关联的体积的突然增大，并且会导致壳体本身的破损。因此，熔化烧蚀体和碳化烧蚀体可以是用于根据本发明的壁结构的合适材料。在碳化烧蚀体中，热能主要通过吸热反应消散。这里，大多数烧蚀材料保持为固体。因此，碳化烧蚀体对于根据本发明的壁结构是特别理想的，但是它可以与作为加强物(stiffener)的熔化烧蚀体结合使用。
第二层可以被完全包围在第一层和第三层之间。特别是，第二层可以以气密的方式被完全封闭且密封在第一层和第三层之间。这可以通过用第一层、第二层和第三层完全形成壳体的整个表面来实现。或者，第二层可以部分位于第一层的表面上，并且第三层可以位于第一层和第二层的整个表面上。因此，在多层结构的周边，第一层可以直接接触第三层从而以气密的方式覆盖第二层。通过覆盖第二层，可以避免在高于阈值温度或分解温度的温度下的氧化过程和/或烧蚀气体的点燃。因此，通过第一层和第三层完全覆盖第二层可以是引发碳化烧蚀体的碳化和/或热解的先决条件。根据本发明的多层结构可以通过以下步骤制造：第一步，将第三层提供到传统结构(单元、子模块、模块或***)的壳体；第二步，将第二层沉积在第三层的内表面上；以及第三步，将第一层沉积在第二层内侧。
根据本发明的一示例性实施方式，烧蚀材料包括碳化烧蚀体，其具有600℃或更低，优选是500℃或更低且特别优选是400℃或更低的分解温度。换言之，碳化烧蚀体的碳化和/或热解可以在分解温度下发起。由于这种低的分解温度，可以可靠地防止由铝制成的或含铝的第三层的熔化或不稳定。这里，分解与吸热化学分解开始发生的反应温度有关。因此，纯烧蚀材料的有机基质在分解区域中被热解成碳化材料和一些气体产物。结果，焦炭(在碳化期间产生的碳质材料)从有机基质产生。分解区域将纯的材料与碳化区域分离，并经边界层通过烧蚀材料。边界层的通道改善绝热并减少对流热传递。此外，烧蚀气体干扰辐射热传递。因此，烧蚀材料用作吸收几乎所有入射热通量的散热器。
第二层的烧蚀材料被配置为与和第一层碰撞的电弧反应，然后通过烧蚀过程优选是通过诸如碳化和热解的吸热分解而变异。电弧可以含有被限制于非常小的体积的具有5000K和50,000K之间的温度的高温等离子体。因此，第二层的烧蚀材料也可以被配置为在更高的温度(例如大于5000K，大于10,000K，或大于15,000K)下在烧蚀过程中变异。壳体(诸如电池)内部的电弧与壳体内的非常小的表面区域随机碰撞，并且电弧与相同点重复碰撞的可能性略小。因此，与碰撞电弧反应的烧蚀材料的局部牺牲不会显著地改变第二层的机械稳定性。因此，第二层整体上在壳体中在电弧作用期间及之后保持机械稳定。第三层具有比第二层高的热导率。因此，碰撞点处局部升高的温度分布在第三层的宽区域上，并且第三层整体上当壳体内部产生电弧时保持机械稳定。因此，通过使用根据本发明的一示例性实施方式的壁结构，可以实现延长的循环寿命。然而，在已发生单个故障和内部电弧之后，壳体可以被更换。
根据本发明的一示例性实施方式，烧蚀材料是石墨、碳纤维增强酚醛、环氧树脂、硅弹性体、特氟龙、石英、软木和/或尼龙之中的一种或更多种复合材料。优选是硅弹性体，特别是发泡硅弹性体可以用作第二层的烧蚀材料。这些碳化烧蚀体材料能与升华或熔化增强材料结合使用。特别是，碳化烧蚀体的基体或树脂可以用熔化烧蚀体的颗粒或纤维填充。硅弹性体或酚醛材料可以用作基体材料。特别是，发泡硅弹性体可以用二氧化硅和铁氧化物填充。这些材料分解成SiO2、SiC和FeSiO3的类似泡沫。
或者，碳化烧蚀体材料可以用硅石(silica)或尼龙填充，以通过蒸发提供冷却。碳纤维增强酚醛材料对于第二层中的烧蚀材料也是理想的。说明性地，烧蚀材料可以包括具有酚醛微球和硅石纤维增强的低密度环氧-酚醛清漆树脂，以提供轻重量的第二层。此外，石墨(石墨纤维)增强环氧复合材料可以用作具有高成本效率和低密度的耐热材料。此外，软木可以用作烧蚀材料，并且玻璃或矿物颗粒可以嵌入烧蚀材料的基体(诸如硅基体)中。特别是，含有软木、玻璃和酚醛微球的颗粒的硅树脂可以用作第二层的烧蚀材料。
根据本发明的一示例性实施方式，第三层包括金属或金属合金。特别是，第三层由铝、铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)和锰(Mn)的合金和/或铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)和镍(Ni)的合金制成。因此，第三层可以与传统电池的壳体相同。金属的第三层具有良好的热导率，因而将空间上受限的电弧所产生的热均匀地分配在宽区域上。取决于使用领域，例如，在电池单元或含有数百个单元的电池***的壳体中，第三层具有一厚度，该厚度确保第三层不会通过响应升高的温度而容易地变弱。因此，第三层可以承受在壳体(诸如电池)内部产生的气体的超压(overpressure)。
此外，导热塑料材料或树脂可以用于第三层。适合于第三层的材料***与适合于传统电池壳体的材料***相同或相似。第三层可以提供构成电池元件的机械固定、冲击期间对主要构成元件的机械保护、抵抗环境(湿气和灰尘)的保护、EMC屏蔽、热点(hotspot)情况下的热分配、对可从单元产生的气体的遏制、以及壳体的机械完整性。
根据本发明的一示例性实施方式，第一层包括纤维增强塑料材料，并配置为机械上保护第二层。第一层可以是电绝缘的，并具有柔性和耐热性。因为第一层是电绝缘的，所以如果壳体内部的导电部件，例如汇流排，朝向壳体变形并接触壳体，则不产生短路。因此，第一层对第二层提供机械保护，并配置为当汇流排与壳体内部接触时防止短路。取决于使用应用，例如，在含有电池单元或数百个单元的电池***的壳体中，第一层具有一厚度使得第二层能与壳体内部产生的电压可靠地隔离。
根据本发明的一示例性实施方式的多层壁结构是用于容纳电极组件的电池壳体或用于密封电池壳体的开口的盖组件的必要部分。根据本发明的一示例性实施方式，第一层被配置为使第二层与电极组件电隔离。此时，第一层可以具有20μm至50μm的厚度，第二层可以具有100μm至1mm的厚度，第三层可以具有200μm至2mm的厚度。
此外，根据本发明的一示例性实施方式的多层壁结构是电池子模块壳体的必要部分。电池子模块壳体包括成对子模块前板，该成对子模块前板容纳多个对准的电池单元，并在彼此面对的同时连接到多个子模块侧板。第一层被配置为使第二层与多个电池单元电隔离。在这种情况下，第一层可以具有20μm至200μm的厚度，第二层可以具有400μm至4mm的厚度，第三层可以具有0.5mm至2mm的厚度。
此外，根据本发明的一示例性实施方式的多层壁结构是容纳多个电池单元和/或多个电池子模块的电池模块壳体的必要部分。电池模块壳体包括底板，并且多层壁结构可以是底板的必要部分。第一层被配置为使第二层与多个电池单元和/或电池子模块电隔离。此时，第一层可以具有50μm至1mm的厚度，第二层可以具有1至5mm的厚度，第三层可以具有2至10mm的厚度。
此外，根据本发明的一示例性实施方式的多层壁结构是用于收容多个电池单元和/或多个电池子模块和/或至少一个电池模块的电池***壳体的必要部分。第一层被配置为使第二层与多个电池单元和/或电池子模块和/或至少一个电池模块电隔离。此时，第一层可以具有50μm至2mm的厚度，第二层可以具有1mm至10mm的厚度，第三层可以具有2mm至50mm的厚度。
有益效果
根据本发明的一示例性实施方式，电池单元、电池子模块、电池模块和电池***中的至少一个具有多层壁结构，从而具有改善的散热特性和改善的抗电弧性。
附图说明
图1是根据本发明的一示例性实施方式的电池单元的示意性透视图。
图2是根据本发明的一示例性实施方式的包括多层壁结构的电池单元的示意性剖视图。
图3是根据本发明的一示例性实施方式的包括多层壁结构的电池子模块的示意性透视图。
图4是根据本发明的一示例性实施方式的包括多层壁结构的电池模块壳体的示意性透视图。
图5是根据本发明的一示例性实施方式的包括多层壁结构的电池***的示意性透视图。
具体实施方式
在下文中将参照附图更全面地描述本发明，附图中显示了本发明的示例性实施方式。本领域技术人员将认识到，所描述的实施方式可以以各种不同的方式被修改，所有方式均不背离本发明的精神或范围。附图和描述将被认为在本质上是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，同样的附图标记表示同样的元件。
在整个说明书和所附权利要求中，当描述一元件“联接”到另一元件时，该元件可以“直接联接”到所述另一元件或者通过第三元件“电联接”到所述另一元件。此外，除非明确地相反描述，否则词语“包括”和诸如“包含”或“包罗”的变体将被理解为意味着包括所陈述的元件但不排除任何其它元件。
而且，当在此使用时，术语“和/或”包括项目的任何多种组合或多个所列举项目中的任何项目。也就是，在本说明书中，“A和/或B”可以包括“A”、“B”或“A和B两者”。
在本说明书中，诸如“第一”、“第二”等的术语用于描述各种各样的构成元件、区域、层和/或部分，但是这些构成元件、区域、层和/或部分不受限于这些术语。将理解，当诸如层、膜、区域或基板的一元件被称为“在”另一元件“上”时，它可以直接在所述另一元件上，或者也可以存在居间元件。将理解，当诸如层、膜、区域或基板的一元件被称为“在”另一元件“下方”或“下面”时，它可以直接在所述另一元件下方，或者也可以存在居间元件。
图1是根据本发明的一示例性实施方式的电池单元的透视图，图2是沿图1的线IV-IV截取的剖视图。
参照图1和图2，根据本发明的一示例性实施方式的电池单元80包括电极组件10、以及用于收容电极组件10和电解质溶液的壳体26。电池单元80还可以包括用于密封壳体26的开口的盖组件30。电池单元80被描述成棱柱形锂离子二次电池，但不限于此。
电极组件10可以是果冻卷型电极组件，其中正电极11和负电极12借助于插置在其间的隔板13被螺旋卷绕。正电极11和负电极12可以包括由薄金属箔形成的集流体的其上可涂覆活性材料的涂覆区域，并且活性材料可以不涂覆在集流体的正电极未涂覆区11a和负电极未涂覆区12a上。
正电极未涂覆区11a可以处于正电极11的在长度方向上的一端，负电极未涂覆区12a可以处于负电极12的在长度方向上的一端。电极组件10可以具有包括其中重复地堆叠正电极11、隔板13和负电极12的多个片的结构。
电极组件10可以与电解质溶液一起被容置在壳体26中。电解质溶液可以通过使用诸如EC、PC、DEC、EMC和EMC的有机溶剂由诸如LiPF6或LiBF4的锂盐制成。电解质溶液可以处于液态、固态或凝胶态。壳体26可以具有大致长方体形状，并且开口可以在其一侧上。
壳体26可以包括具有大致矩形形状的底表面27、以及一对第一侧壁(或宽侧面)18和19与一对第二侧壁(或窄侧面)16和17，从而可以提供用于容纳电极组件10的空间。第一侧壁18和19可以彼此面对，第二侧壁16和17可以彼此面对。底表面27与第一侧壁18和19彼此连接的边缘的长度可以比底表面27与第二侧壁16和17彼此连接的边缘的长度长。彼此相邻的第一侧壁和第二侧壁可以形成90°的角度。
盖组件30可以包括：盖板31，联接到壳体26并覆盖壳体26的开口；以及正电极端子21和负极端子22，电连接到正电极11和负电极12、提供在壳体26外部并从盖板31突出。盖板31可以包括与盖组件30的内部连通的入口32和排气孔34。入口32可以允许注入电解质溶液，并且密封盖38可以安装在入口32中或安装在入口32上。此外，排气孔34可以提供有排气构件39，排气构件39具有可在预定压力下破裂的凹口39a。
正电极端子21可以通过集流接片41电连接到正电极11，负电极端子22可以通过集流接片42电连接到负电极12。密封垫圈59可以安装在端子连接构件25和盖板31之间。下绝缘构件43可以安装在盖板31下面，端子连接构件25的下部***到下绝缘构件43中。用于电连接正电极端子21和盖板31的连接板58可以安装在正电极端子21和盖板31之间。
负电极端子22和集流接片42可以彼此电连接。与上述垫圈59相似的密封垫圈可以安装在负电极端子22和盖板31之间。用于使负电极端子22和集流接片42与盖板31电隔离的上绝缘构件54可以安装在负电极端子22和盖板31之间。
如图2所示，电池壳体26的侧壁29可以具有根据本发明的一示例性实施方式的多层结构60。底表面27或盖组件30也可以具有根据本发明的一示例性实施方式的多层结构60。这里，侧壁29包括电池单元壳体26的第一侧壁18和19以及第二侧壁16和17，并且为了便于说明统称为侧壁29。
如图2所示，侧壁29包括朝向侧壁29的内侧64并面向电极组件10的第一层61。第一层61是诸如流延聚丙烯(CPP)的电绝缘材料，并且可以具有25μm的厚度。第一层61被配置为使多层结构60的后续层与在壳体26内由电极组件10产生的电弧或火花隔离。
多层结构60还包括朝向电池单元80的外侧65的第三层63。第三层63由具有0.8mm的厚度的铝制成，并为电池单元壳体26提供机械稳定性。特别是，第三层63被配置为抵抗在低于促动排气构件39的阈值压力的在电池单元80内的压力。第三层63还具有高热导率。
多层结构60还包括第二层62，第二层62被完全包围在第一层61和第三层63之间并包括烧蚀材料。第二层62包含硅树脂基体(silicone resin matrix)，该硅树脂基体在基体中含有尼龙颗粒并具有0.5mm的厚度。第二层62被配置为在约400℃的阈值温度下在烧蚀过程中变异。因此，在高于400℃的温度下，烧蚀材料被热解并开始变为焦炭(在碳化中产生的碳质材料)，从而保护第三层63。
参照图3，根据本发明的一示例性实施方式的电池子模块90包括具有图1和图2所示的平面视图的多个对准的二次电池单元80。电池单元80被对准，使得相邻的电池单元80的第一侧面18和19彼此面对。一对子模块前板91机械联接到一对子模块侧板92，该对子模块侧板92面对电池单元80的第二侧面16和17。子模块前板91和子模块侧板92构成电池子模块90的壳体93。相邻电池单元80的正电极端子21和负电极端子22可以通过汇流排(未示出)电连接。因此，通过将多个电池单元80电连接成组，电池子模块90能用作电源单元。
如图3所示，子模块侧板92包括根据本发明的一示例性实施方式的多层结构60。子模块前板91也可以包括多层结构60。多层结构60具有子模块侧板92的内侧64以及面向对准的电池单元80的窄侧面(第二侧壁：16、17)的第一层61。第一层61由诸如聚酰胺或聚丙烯的电绝缘塑料材料制成，并且可以具有0.1mm的厚度。因此，第一层61可以具有可使后续层(第二层62和第三层63)与至少一个对准的电池单元80所产生的电弧电隔离的厚度。多层结构60包括第三层63，第三层63由诸如导热聚合物或者钢或铝的导热片材料制成的，并具有1mm的厚度。因此，第三层63被配置为在发生外部环境冲击的情况下使多个电池单元80机械稳定。
第二层62被完全包围在第一层61和第三层63之间，并且可以包括具有2mm厚度的石墨(或石墨纤维)增强环氧树脂复合材料作为烧蚀材料。因为第三层63的熔化温度约为600℃，所以第二层62在充分低于该熔化温度的阈值温度下在烧蚀过程中变异，例如环氧树脂复合材料的碳化。因此，第二层62被配置为使第三层63与碰撞在第一层61上的电弧热屏蔽。
图3所示的多个电池子模块90可以在电池模块的壳体96(参见图4)中以形成电池模块。图4是根据一示例性实施方式的包括底板97的电池模块壳体96的视图，电池单元80设置在电池模块壳体96中。特别是，底板97包括多个组装区98，其中一个电池子模块90布置在每个组装区98中。底板97还可以包括一体地合并在底板97中的冷却管99。电池模块壳体96的侧壁或底板可以包括根据本发明的一示例性实施方式的多层结构60。
如图4所示，电池模块壳体96的侧壁包括根据本发明的一示例性实施方式的多层结构60，多层结构60具有朝向电池模块壳体96的内侧64的第一层61。第一层61可以具有1mm的厚度，以对可由电池模块的至少一个故障单元引起的电弧提供充分的电绝缘。第三层63可以由具有0.7cm厚度的铸铝制成，面向电池模块壳体96的外侧65。在这种情况下，厚度可以被确定使得其足以对组装区98中的多个电池单元和/或电池子模块提供机械稳定性。冷却管99可以嵌入第三层63中。第二层62被第一层61和第三层63完全围绕，并包括硅树脂，该硅树脂是含有作为熔化烧蚀体的尼龙纤维的碳化烧蚀材料的基体。第二层62可以具有4mm的厚度，以对可由电池模块的至少一个故障单元产生的电弧提供充分的热屏蔽。
参照图5，根据本发明的一示例性实施方式的电池***100包括图3所示的多个电池子模块90。分别包括九个电池子模块90的四列电池子模块90处于电池***100的壳体101中。电池***壳体101可以包括侧壁102、焊接到侧壁102的底板103、以及盖(未示出)。电池***100包括用于控制电池子模块90的电压和电流的第一电气和/或电子盒(E/E盒，未示出)和/或第二电气和/或电子盒(E/E盒，未示出)。电气电子盒可以包括电池管理单元(BMU)、高电压连接器、输入、保险丝、继电器、电流传感器、EMC滤波器、预充电继电器、电阻器和/或HV接口。
电池***壳体101的侧壁102、底板103和盖(未示出)中的至少一个可以包括根据本发明的一示例性实施方式的多层结构60。
如图5所示，电池***壳体101的至少一个侧壁102，优选是两个侧壁102，包括面向电池***壳体101的内侧64和多个电池子模块90的第一层61。第一层61是由陶瓷颗粒和粘合树脂的混合物构成的电绝缘材料，并且其厚度可以是2mm。因此，第一层61被配置为使第二层62和第三层63与至少一个故障电池子模块90所产生的电弧电屏蔽。多层结构60的第三层63由具有2cm厚度的挤压铝型材(aluminum profile)制成，并面向电池***壳体101的外侧。因此，侧壁102适合于组装到电池***壳体101中，以为电池***100提供机械完整性。第二层62被第一层61和第三层63完全围绕，并且可以包括例如酚醛物质的酚醛微球，或者可以包括包含微小球体作为烧蚀材料的硅树脂。第二层62可以具有5mm的厚度，以对可由电池***100的至少一个故障子模块90产生的电弧提供充分的热屏蔽。
虽然已经结合目前所认为的实际示例性实施方式描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施方式。相反，其旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包含的各种修改和等同布置。
<符号说明>
100 电池***
90 电池子模块
80 电池单元
10 电极组件
11 正电极
12 负电极
13 隔板
18、19 第一侧壁
16、17 第二侧壁
21 正电极端子
22 负电极端子
27 底表面
29 电池壳体侧壁
30 盖组件
31 盖板
32 入口
34 排气孔
38 密封盖
39 排气构件
41、42 集流接片
43、45 下绝缘构件
54 上绝缘构件
58 连接板
59 垫圈
60 多层结构
61 第一层
62 第二层
63 第三层
91 子模块前板
92 子模块侧板
93 子模块壳体
96 电池模块壳体
97 底板
98 组装区
99 冷却管
101 电池***壳体
102 电池***侧壁
103 电池***底板

Claims (13)

1.一种电池单元、电池子模块、电池模块和电池***之中的一个壳体的壁结构，包括：
多层结构，具有朝向所述壳体的内侧的第一层、朝向所述壳体的外侧的第三层、以及在所述第一层和所述第三层之间的第二层，
其中所述第一层被配置为使所述第二层与所述壳体的内部电隔离，
所述第二层包括烧蚀材料，并且被配置为用作用于所述第三层的热屏障，以及
所述第三层具有比所述第二层高的热导率并且包括金属或金属合金，
所述第二层以气密的方式被完全封闭且密封在所述第一层和所述第三层之间。
2.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述烧蚀材料在低于600℃的温度下在烧蚀过程中变异。
3.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述烧蚀材料通过对碰撞在所述第一层上的电弧起反应而在烧蚀过程中变异。
4.根据权利要求2或3所述的壁结构，其中
所述烧蚀过程包括所述第二层中的材料的热解或碳化。
5.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述烧蚀材料包括石墨、碳纤维增强酚醛、环氧树脂、硅弹性体、特氟龙、石英、软木和尼龙之中的一种或其复合物。
6.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述第三层包括铝、铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)和锰(Mn)的合金以及铁(Fe)、碳(C)、铬(Cr)和镍(Ni)的合金之中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述第三层被配置为向所述壳体提供机械完整性。
8.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述第一层包括纤维增强塑料材料。
9.根据权利要求1所述的壁结构，其中
所述第一层的材料具有200℃或更高的熔点。
10.一种用于收容电极组件的电池单元的壳体或一种用于密封所述壳体的开口的盖组件，包括根据权利要求1所述的壁结构，
其中所述第一层被配置为使所述第二层与所述电极组件电隔离。
11.一种电池子模块壳体，收容多个对准的电池单元并包括连接到多个子模块侧板的成对子模块前板，并且包括根据权利要求1所述的壁结构，
其中所述第一层被配置为使所述第二层与所述多个电池单元电隔离。
12.一种电池模块壳体，收容多个电池单元和多个电池子模块中的至少一个并包括底板，并且包括根据权利要求1所述的壁结构，
其中所述第一层被配置为使所述第二层与所述多个电池单元和所述多个电池子模块中的至少一个电隔离。
13.一种电池***壳体，收容多个电池单元、多个电池子模块和至少一个电池模块之中的至少一个，并且包括根据权利要求1所述的壁结构，
其中所述第一层被配置为使所述第二层与所述多个电池单元、所述多个电池子模块和至少一个电池模块中的至少一个电隔离。
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