一种高安全性电池组及设计方法和控温方法技术

本发明专利技术公开了一种采用传热装置组成的多个电芯空腔来安装软壳电池，传热装置内设有冷却水道，组成的电芯空腔起支撑、传热、阻燃的作用，选用表面积尽量大的高安全性软包装电芯来组装电池组，通过温控系统对电芯进行控温，当外界温度低至电芯的能量下降时，通过加热装置对传热装置加热，传热装置再对电芯加热，使电芯能在

【技术实现步骤摘要】
一种高安全性电池组及设计方法和控温方法


[0001]本申请涉及电池领域，更具体地说，涉及高安全性电池组及设计方法和控温方法。

技术介绍

[0002]电池的局部短路有些只是发热不会产生其它后果，有些则会冒烟、燃烧、爆炸产生严重后果，当然这与材料有关，如现在的三元锂电池局部短路都会冒烟或燃烧甚至爆炸，而磷酸铁锂电池有些只有较小的温升不冒烟，有些则会冒烟甚至燃烧，这说明它不仅与材料相关还与结构相关。电池燃烧、爆炸是非常严重的后果，为此国际上对电池局部短路出台了针刺实验标准，目前对同样材料的锂电池有些针刺不冒烟，有些不仅冒烟还会燃烧没有明确的机理。再则任何材料的电池都有它的极限低温，低于材料的极限温度时电池的反应能力降低，电池的能量大幅度下降，目前行业里大多数没有解决这个问题，特别是磷酸铁锂电池低于
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20℃能量下降很多，在北方和欧洲很不适用。如能将这些问题同时改善就是很好的电池，特别是电池组(有些叫电池包等)。

技术实现思路

[0003]本申请针对现有的上述问题，找出了怎样的电池结构电池局部短路容易燃烧和爆炸，提出了怎样设计电芯和电池组它的安全性最好的设计方法，再则提出了从结构上来解决电池跨极限低温工作的方法，使锂电池也能在
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70℃环境正常工作。
[0004]要设计出高安全性的电池就得弄清电池短路发热的机理，怎样的结构设计能使电池抗燃烧、爆炸的能力最强，这里以针刺实验来论证，针刺实验是用直径2
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8mm的无蚀锈钢针以10mm/s
‑r/>40mm/s的速度刺穿电池最大表面的中心位置，没有规定电池的厚度和容量大小，按电功率计算它的发热量就是它消耗的电功，这里已知的是电压，可分析的是电阻，因此，它适用公式：W＝U2/R，W是电池短路后的发热功率，U是电池的电压，如磷酸铁锂电池的电压是3.2V，R是电池短路的接触电阻与电池内阻之和，可见电池局部短路的发热量完全是由电阻R决定的，而不同的电池结构它的内阻不同，穿刺时的接触电阻也不同，如针刺实验的接触电阻是由电池极片与刺针的接触面积决定的，接触面积越大接触电阻就越小，发热量就越大，而接触面积是由电极的层数及电池极片的厚度决定的，电极的层数越多极片越厚它们之间的接触电阻就越小，发热量就越大。由此可得出结论：相同容量的电池，所使用的极片数越少局部短路时的发热量越小，即电池极片的面积越大局部短路发热量越小。
[0005]进一步地，从散热量来论证，散热量适合公式q＝KAΔt，q是散热量，K是电池材料的导热系数，A是电池的传热面积，Δt是温差是电池温度与外界温度之差，从式中可看出对于相同的材料传热面积A越大散热量越大，电极片的面积越大它的散热面积就越大散热量就越大。
[0006]进一步地，从温升方面论证，温升公式是Q＝CMΔT＝CM(T2
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T1)，这里的Q是发热量减去散热量q的热量，是电功率W与时间t之积减去散热量q的热量，C是电池的比热，M是电池的重量，ΔT是温升，T1是初始温度，T2是升温后的温度，即温升ΔT＝Q/CM，从此式可看出对
于相同材料的电池相同的发热量，电池的质量越大它的温升越小。
[0007]综上,电池短路的发热功率无论是严重短路还是轻微短路，与它们的能量大小无关，相同电压的电池与材料也无关，它们的发热功率都是W＝U2/R，能量大的电池只是发热的时间长些，而电池短路造成事故是温升，当温度上升到自燃温度后才会产生燃烧和爆炸，影响电池温升的是发热量、表面积和质量，表面积和质量越大温升就越小。
[0008]实验对比，圆柱型三元锂电池针刺后立即燃烧、爆炸，小形磷酸铁锂电池针刺后冒烟并且电池表面温升很高，而大形磷酸铁锂电池针刺后有些不冒烟，温升也较小。按上述理论就能一目了然的解释这些问题，圆柱型三元锂电池的电压是3.7V比磷酸铁锂电池的3.2V高，在相同的接触电阻三元锂电池的发热功率大发热量多，圆柱型电池针刺时穿过的层次相对要多，它的接触电阻小发热功率大，圆柱型电池的散热面积小散热量小，圆柱型电池的质量非常小，巨大的发热量全部加在较小质量的电池上它的温升巨大，三元锂的活性高热失控温度低、自燃温度低，所以小型三元锂电池针刺后都会立即发生燃烧、爆炸，爆炸是由壳体产生的，当气体膨胀不能被释放，压力就会上升，压力上升到壳体(泄压阀)所限的压力后就会爆炸。小型磷酸铁锂电池与大型磷酸铁锂电池的针刺实验对比，它们穿刺后的接触电阻视为相同发热量也视为相同，但是它们两者的表面积相差极大，散热量有巨大的差距，特别是重量之差极大，所以小型磷酸铁锂电池的温升很大，达到冒烟的程度。更细微的分析，电池短路后的发热有两部分，一部分是电池内阻的发热，它分布在整个电池，通常电池越大它的内阻越小电池自身的发热量就小，再则电池越大它的质量越大相同的发热量温升越小，形成热失控的几率越少；另一部分是针刺后的发热电阻集中在刺针上，热量也集中在刺针上，但它会向周边传热来散热，同样面积越大向周边的散热越大温升越小，是否能燃烧是看短路的严重程度和散热效果，三元锂电池的自燃温度低极易燃烧，燃烧后会产生更多的热量而增强燃烧。
[0009]现在电池行业大多数对电池组(包)的安全设计不明了，没有正确的方法指导，导致极大数的电池组(包)都没有按高安全性的方法设计，如现在采用多块小电池并联后再串联成电池组(包)，特别是三元锂电池组(包)采用多节圆柱型电池并联后再串联，完全违反了安全设计理念。现在的人士认为三元锂电池发生燃烧、爆炸的原因是三元锂的化学活性高反应速度快导致燃烧、爆炸，为降低电池的燃烧和爆炸威力认为电池越小越安全，事实相反，电池的燃烧、爆炸必须是先有短路发热，然后再热失控到自燃，如电池老化电池极片结晶刺破隔膜后导致短路或外部碰撞损伤导致短路而发热，不管是什么材料的电池短路，它都遵循发热量W＝U2/R，温升ΔT＝Q/CM，电池极片结晶刺破隔膜后的短路，它的短路面积极小，短路电阻较大，它的发热功率并不大，只要散热好是完全可以控制在自燃温度以下的，但是圆柱型电池的表面积小散热小，它的散热量不能抵消发热量，就有多余的热使它升温，又由于它的质量小所以升温较快，当温升到自燃温度后就开始燃烧、爆炸，三元锂的化学活性高反应速度快只是它的自燃温度低，并不是它的发热量大。如果将它做成大表面积的电池，电池极片结晶刺破隔膜短路所发的热温升到一定程度后，就会出现散热量等于发热量而平衡，电池就不会再升温到燃烧爆炸，就不会自燃。对于外部碰撞损伤导致的短路，它的短路电阻会小些，发热功率大些，如它的表面积大质量也大，它的温升速度同样会慢些，如果短路不严重有些也不会升温到自燃温度，就不会产生燃烧、爆炸，就算它的短路严重，只要电池的散热面积大重量大，它的温升就会缓慢，虽然最后可能还会发生燃烧、爆炸，但延
长了时间就有了更长的逃生时间或安全处理时间。电池越大燃烧起来的威力确实越大，但延长了燃烧、爆炸的时间就能获得更多的生存机会和处理机会。
[0010]对比大型大面积电池的极片结晶刺破隔膜短路基本上不会自燃，因为它的散热面积大、重量大温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高安全性电池组及设计方法和控温方法其特征在于，在所述壳体底板(1)上盖上一层保温材料(2)，在保温材料(2)上面安装传热装置(3)，用若干块传热装置(3)叠加组成若干个方形电芯空腔(10)，做高安全性电芯(4)的外壳，每个电芯空腔(10)内平放至少一个高安全性电芯(4)单体，也可平放多个和多层高安全性电芯(4)，每个电芯空腔(10)以同样的方式放置高安全性电芯(4)，电芯空腔(10)的数量由电压高低决定，使所有高安全性电芯(4)串联后的电压等于电池组要求的输出电压，安装好的高安全性电芯(4)经电极(5)串联成一个电池组，由绝缘压板(6)将所需串联的高安全性电芯(4)的正极耳(401)、电极(5)、负极耳(402)夹在其中，经螺栓(7)锁紧，同时将传热装置面板(303)上的固定耳(308)锁在一起起固定作用，固定耳(308)设有螺孔，螺栓(7)穿过固定耳(308)的螺孔安装在避空缺口(403)中，螺栓(7)的一端锁紧在壳体底板(1)上，每节高安全性电芯(4)经电缆线连接到电源管理系统(8)管理它的安全充、放电，所有传热装置(3)并联一起由温度管理系统(9)按所述控温方法进行温度控制。2.根据权利要求1所述的高安全性电芯(4)其特征在于，在所述高安全性电芯(4)的两端分别设置正极耳(401)、负极耳(402)、正极耳(401)和负极耳(402)都开有避空缺口(403)，正极耳(401)和负极耳(402)采用全极耳结构，优选软包装，也可使用硬壳包装，可选任何材料的电芯，包括磷酸铁锂、三元锂、钴酸锂、锰酸锂、镍镉、镍氢中的其中一种。3.根据权利要求1所述的传热装置(3)其特征在于，所述的传热装置(3)由传热装置底板(301)、若干条导流支撑条(302)、面板(303)、边框(304)、进液口(305)、出液口(306)、电芯隔离板(307)、固定耳(308)焊接而成，在所述的传热装置底板(301)四周设有边框(304)，分布在传热装置底板(301)的四边优选折弯而成，其中一边留有与进液口(305)、出液口(306)的长方形连接口，所述导流支撑条(302)一端焊接在传热装置底板(301)上形成S型流道，所述面板(303)焊接在边框(304)和导流支撑条(302)的另一端上，使传热装置底板(301)、边框(304)、面板(303)三者组合成方形空腔，导流支撑条(302)在方形空腔内组成S型流道同时支撑面板(303)，电芯隔离板(307)焊接在支撑面板(303)上并与导流支撑条(302)方向垂直布置增加承重能力，电芯隔离板(307)也可以焊接在传热装置底板(301)的下面，在边框(304)所留的长方形连接口焊接进液口(305)和出液口(306)，固定耳(308)设置在面板(303)两端，所述传热装置(3)的所有部件的材料优选不锈钢板或铜板或铝板。4.根据权利要求1所述的电源管理系统(8)其特征在于，用于管理电池包里所有的高安全性电芯(4)的安全运行，包括但不限制过电压保护、过电流保护、过负载保护、过充保护、恒流充电、电池性能检测等，通过电缆线连接到相应的电极(5)的螺孔(501)上。5.根据权利要求1所述的控温方法其特征在于，所述的控温方法包括保温材料(2)、温度管理系统(9)、传热装置(3)、管道(901)、加热阀门(902)、冷却阀门(903)、水泵(904)、散热风机(905)、风冷式散热器(906)、加热器(907)，由管道(901)将传热装置(3)、加热阀门(902)、冷却阀门(903)、水泵(904)、风冷式散热器(906)相连，所有传热装置(3)并联一起。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷衍章，
申请(专利权)人：浙江豪能新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：