一种用于电池系统散热及阻止热失控传播的组装元件的制作方法

本发明涉及动力电池热管理系统，具体涉及一种用于电池系统散热及防止热失控传播的组装元件，其为一种基于导热块-阻隔块-组装扣环三者联用构成的“手拉手”式组装元件，该结构具有提高电池系统的散热能力以及防止热失控传递的功能。

背景技术：

能源和环境是人类可持续发展的主题。新型绿色环保电池在信息、新能源、环境保护以及21世纪的重大技术领域中具有举足轻重的地位和作用。但是电池仍存在一定的安全问题。由于电池在充放电过程中会产生大量的焦耳热，加之空间限制和时间积累的效应，易引发电池的温度逐渐升高，当电池温度超过自身的耐受温度范围后，电池极易发生热失控，甚至引发整个电池组以及电池模块的热失控，最终导致新能源汽车、电池厂房以及储能站等火灾爆炸事故的发生。因此，优化电池系统的散热能力以及热失控阻隔能力变得十分重要。

电池热管理系统致力于如何廉价高效的降低并均衡电池体系的温度，主流的冷却方式包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却及装配热管冷却，但都存在一定的缺陷，空气冷却由于换热系数较低，散热效率难以满足要求；而液体冷却系统较为复杂，同时易泄漏引发电池短路引发事故。而相变材料与热管冷却虽然能有效均衡系统，降低系统温差，但是当电池发生热失控后，导热系数高成为了一把“双刃剑”，助长了连锁热失控的发生。

换言之，电池系统中系统散热与热失控阻隔之间存在着难以调和的矛盾，两者之间很难起到很好的协同作用。一方面，增强电池间的散热性能，但会降低阻隔热失控传播性能，降低隔离效果；另一方面，增加阻隔措施后，导致系统散热困难，引起电池温度分布不均，有潜在热失控风险。因此，亟需设计新型的电池组装配方式，解决电池热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，使得两者能够协同作用，从而提高电池组的散热能力和热失控阻隔能力。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，本发明提供了一种基于导热块-阻隔块-组装扣环三者联用构成的“手拉手”式组装元件，将其设置在电池之间的空隙中，提高了电池的散热能力及电池组温度的均一性，同时能够有效地阻隔热失控 传播，从而提高电池组的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于电池系统散热及防止热失控传播的组装元件，包括：

至少一套导热块和一套阻隔块，导热块和阻隔块交替排列，形成一个闭合环路；至少一套组装扣环，用于固定导热块和阻隔块的相对位置；电池和组装元件紧密贴合，电池与电池之间形成“电池-导热块-孔隙-阻隔块-孔隙-导热块-电池”或者“电池-阻隔块-电池”的结构。

其中，导热块和阻隔块交替贴合排列，形成一个闭合环路。

其中，组装扣环可以和导热块和阻隔块的凹槽紧密贴合，用以固定整个组装元件的相对位置。

其中，组装元件和电池紧密贴合，电池与电池径向间形成“电池-阻隔块-孔隙-导热块-电池”或者“电池-阻隔块-电池”的结构。电池与电池在侧面无直接接触，通过插入组装元件填充空隙，保证每节电池的侧面与多个组装元件完全贴合。

其中，组合元件构成的闭合环路中间会形成圆柱形孔洞，可以用来耦合风冷、液冷、相变材料、热管及复合冷却等形式将热量快速带出。

其中，根据电池的排列方式，导热块、阻隔块及组装扣环的形状可适当改变，中间设置凹槽或凸起使其相互嵌套保持结构完整，同时使组装元件紧密装在电池之间，与电池表面充分接触，便于传递电池产生的热量以及防止电池热失控的传递。

其中，导热块的材料应采用高导热系数的绝缘材料，亦或是经过表面绝缘处理的金属材料及其复合材料。热传导系数k不低于200W/m·K，为铜、铝、石墨膜等高导热材料，能够及时传递走电池产生的热量，提高散热效果。

其中，阻隔块的材料应采用低导热系数的绝缘材料，热传导系数k一般低于导热块所用材料的1％，低导热系数的材料为玻璃纤维、聚氨酯或气凝胶毡等，有效阻止热量的径向传播，防止电池热失控的传播。

其中，组装扣环的材料应有一定的结构强度，同时具有绝缘特性，可以是橡胶、电木等，也可以为做过绝缘处理的金属材料及其复合材料，如铜、铝等。组装扣环应与导热块及阻隔块的凹槽紧密贴合嵌套；

其中，同时为了保证电池组的能量密度，组装元件的直边边长应为单体电池直径的10％～35％。

其中，导热块的直边边长应为组装元件的直边边长的25％～45％。

其中，阻隔块的直边短边边长应与导热块的直边边长相同，阻隔块的直边长边边长应与电池间剩余最小间距相同。

其中，为了保证组装扣环的机械强度，组装扣环的厚度不应低于2mm，高度不低于2mm。

本发明的优点：1.本发明通过在电池单体之间的空隙中设置基于导热块-阻隔块-组装扣环三者联用构成的“手拉手”式组装元件，通过耦合风冷、液冷、热管、相变材料及复合冷却等方式将电池产生的热量通过导热性能良好的导热块转移到环境中，从而大大提高了电池组的散热能力；2.本发明组装元件中的阻隔块能有效阻止热量在电池间的传导，当单个电池发生热失控时，阻隔块可以有效隔离热失控单体电池产生的热量。温差是发生热传导的本质原因，电池的热量通过导热块转移到环境中，而不会出现环境再传到其他电池的热逆流现象，使得电池的热失控局限在单一电池内，从而防止电池组发生连锁热失控；3.本发明具有节能、结构简单、高散热、有效隔热等优点，解决了电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，适用于优化电动汽车及储能电池，具有很好的市场前景。

附图说明

图1为本发明组合元件的具体结构示意图，其中，图1(a)为组装元件整体示意图，图1(b)为组装元件分解示意图；

图2为本发明的组合元件与临近电池的安装结构示意图，其中图2(a)为电池-元件内组合示意图，图2(b)为元件-电池外组合示意图；

图3为本发明的组合元件与电池组的安装结构示意图，其中，图3(a)为电池组耦合冷却散热弯管示意图，图3(b)为电池组耦合冷却散热直管示意图；

图4为本发明的组合元件与电池组的安装结构组装图；

图5为本发明中改变弧边角的组合元件与电池组的安装结构组装图，其中，图5(a)为安装弧边角为90°的组装元件后电池组重排的组装图，图5(b)为分别位于电池组内部、侧边以及四角的弧边角为90°的组装元件示意图；

图6为本发明中改变弧边角的组合元件与电池组的安装结构示意图，其中，图6(a)为重排后的电池组耦合冷却散热弯管示意图，图6(b)为重排后的电池组耦合冷却散热直管示意图；

图7为不同电池组装结构的最高温度随充放电倍率的变化关系图；

图8为不同电池组装结构的最大温差随充放电倍率的变化关系图。

图中附图标记含义为：1为阻隔块，2为导热块，3为组装扣环，4为单体电池，5为集流板，6为冷却管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，所述组装元件至少由一套阻隔块1、导热块2及组装扣环3组成，组装元件紧密安装在相邻单体电池4之间形成的空隙中，每节单体电池4被多个组装元件环绕并且侧面被完全贴合覆盖。通过集流片或导线将多个单体电池1上的正负极相连接，连接方式可为并联或者串联，从而为外电路提供电能。根据电池的排列方式，导热块2、阻隔块1及组装扣环3的形状可适当改变，中间设置凹槽或凸起使其相互嵌套保持结构完整，同时使组装元件紧密装在电池4之间，与电池4表面充分接触，这种结构的设置目的是：阻隔块1的存在使得不同单体电池4难以直接相互进行热交换，但是单体电池1产生的热量可以通过导热块2传向外界环境，从而快速降低单体电池4的温度。此外，这种安装方式有效诱导了热量传递方向，有利于阻隔电池单体1之间的热失控传播，同时遏止电池4(热源)-外界环境(冷端)-电池4(热源)间发生热逆流，有效防止电池组发生连锁热失控。

如图3和图4所示，所述电池组由多个电池单体1组成，形成多排交叉排列。组合元件构成的闭合环路中间会形成圆柱形孔洞，可以通过孔洞从正极向负极亦或是负极向正极鼓风(风冷)、也可以在其中装配冷却管6让冷却介质在其中流动(液冷)、或者填充相变材料、也可以在其中插入热管并安装翅片或者复合的冷却方式等形式将热量快速带出。将集流片或导线与集流板相连，在集流板5上设置与组装元件相应的孔洞，保证整个系统的装配结构稳定性。

如图5和图6所示，这里电池组排布网格为矩形，即由于电池排布方式的差异，组装元件的形状也会适当改变。图1至图4中，组装元件弧边所对圆心角为60°；图5和图6中，组装元件弧边所对圆心角为45°。为了保证电池组的能量密度，电池组排布一般为重复结构，组装元件弧边所对圆心角也可相应设置为30°，45°，60°，90°，120°及180°等。

如图1、2、3、4、5、6中所述的组装元件与单体电池4相互贴合，通过导热性能良好的导热块2通过耦合的冷却方式将单体电池4产生的热量转移到环境中，从而大大提高了电池组的散热能力；组装元件中的阻隔块1能有效阻止热量在电池间的传导，当单个电池发生热失控时，阻隔块可以有效隔离热失控单体电池产生的热量。温差是发生热传递的本质原因，电池的热量通过导热块转移到环境中，而不会出现环境再传到其他电池的热逆流现象，使得电池的热失控局限在单一电池内，从而防止电池组发生连锁热失控。组装元件的直边边长应为单体电池直径的10％～35％。

如图1所示，所述导热块2的材料应采用高导热系数的绝缘材料，亦或是经过表面绝缘处理的金属材料及其复合材料。热传导系数k不低于200W/m·K，为铜、铝、石墨膜等高导热材料。导热块的直边边长应为组装元件的直边边长的25％～45％。

如图1所示，所述阻隔块1的材料应采用低导热系数的绝缘材料，热传导系数k一般低于导热块所用材料的1％，低导热系数的材料为玻璃纤维、聚氨酯或气凝胶毡等。阻隔块的直边短边边长应与导热块的直边边长相同，阻隔块的直边长边边长应与电池间剩余最小间距相同。

如图1所示，所述组装扣环的材料应有一定的结构强度，同时具有绝缘特性，可以是橡胶、电木等，也可以为做过绝缘处理的金属材料及其复合材料，如铜、铝等。组装扣环应与导热块及阻隔块的凹槽紧密贴合嵌套；组装扣环的厚度不应低于2mm，高度不低于2mm。

为了进一步说明组装元件对整个电池组的散热能力及阻隔热失控能力提升，下面通过两个模拟实例进行分析。

实例一：

为研究组装元件对整个电池组的散热能力的影响，设计了5种不同的结构进行对比分析，分别为：单体电池4之间紧密贴合、单体电池4之间延径向留6mm的空气间隙、单体电池4之间安装组装元件耦合空气冷却、单体电池4之间安装组装元件耦合液冷以及单体电池4之间安装组装元件耦合相变材料。在电池箱体中放置7个单体电池4，让每个单体电池1以相同倍率进行充放电循环，然后改变充放电倍率(1C、3C、5C、10C)，比较不同结构下电池组的进行一次充放电循环后的最高温度及最大温差。

从图8中可以看出，电池组在没有安装组装元件的情况下，有空气间隔与紧密贴合两种工况最高温度相差不大，说明单纯地增加单体电池间的间距并不能有效地改善电池组的散热能力。而电池组中安装组装元件后，电池的散热能力得到了明显提升。耦合了风冷、液冷、相变材料的组装结构与电池紧密贴合的情况相比，在10C倍率下电池组的最高温度分别下降了12.3℃、16.8℃、18.5℃。此外，从图8中可以看出，安装组装元件能更好的均衡电池组、散失热量以及管理电池组。安装组装元件的电池组在1-10C充放电倍率下系统内最大温差均能维持在3℃以内，明显低于电池紧密贴合以及仅有空气间隔的情况。因此，根据图8中的数据可以得出结论，组装元件能明显提升整个电池组的散热能力以及热均衡能力。

实例二：

为研究组装元件对整个电池组的阻隔热失控传播能力的影响，模拟电池热失控的情形，将其中一个单体电池4设定为已发生热失控的电池，该电池初始温度为300℃，并以相当于电池10C倍率放电产热的速率加热周围环境，持续时间为1000s，其余六个单体电池4不工作。这里取电池热失控开始的判据是单体电池4的温度达到200℃，据此计算相邻两个单体电池4发生热失控的时间间隔Δt的大小来分析各自的热失控阻隔能力。

从表1中可以得到，整体上讲安装了组装元件的电池组发生连锁热失控的时间相比未安装的情况相对较长，预留了更多的应急灭火以及逃生时间。使用组装元件耦合空气冷却的形式与直接利用空气间隔的组装方式时间相差不大，原因是空气的比热以及导热系数较低，导致热量容易在空隙间积聚，耦合导热系数更高、比热更高、散热效率更优秀的液冷以及相变材料进行冷却后，发生连锁热失控的时间得到明显延长，接近电池组紧密贴合情况下用时的两倍。因此，根据表1中的数据可以得出结论，组装元件能明显提升整个电池组的热失控阻隔能力。

表1

综上所述，本发明阐述的一种基于导热块-阻隔块-组装扣环三者联用构成的“手拉手”式组装元件，能够有效提高电池组的散热能力同时能够有效地阻隔热失控传播，从而提高电池组的安全性。本发明具有节能、结构简单、高散热、有效隔热等优点，解决了电池系统中热失控阻隔与系统散热之间的矛盾，适用于优化电动汽车及储能电池，具有广阔的市场前景。

本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。