具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组及其控制方法

1.本发明涉及锂离子动力电池领域，具体涉及具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组及其控制方法。


背景技术：

2.锂离子动力电池通常以模组形式为电动汽车等设备提供动力来源。关于锂离子动力电池模组，人们最为关注其安全性能，尤其是锂离子动力电池模组发生热失控时往往会导致起火和爆炸，造成严重的安全事故。通常，锂离子动力电池模组的热失控是由局部的某一个电池单体的内短路、外短路、过充和机械滥用等因素引起的。一般来说，模组中的某一个电池单体发生热失控并不会导致严重安全事故；但是，往往模组中的局部热失控现象会蔓延至其他周边电池单体，譬如局部某个电池单体热失控会带来其安全阀的打开和内部高温高压物质的喷发，进而导致多个电池单体发生热失控并破坏模组中的各种线束，使模组丧失供电、信号监测、控制指令传输和通讯能力。一旦多个电池单体发生热失控，其能量累计起来十分巨大，容易造成严重后果。因此，当模组中的某个电池单体发生热失控时，应采取措施对其进行重点降温并阻断热失控向周边电池单体蔓延。
3.但是，当前公知的技术手段中，缺少结构简单合理、方法科学易行且具有较强热失控阻断能力的锂离子动力电池模组技术方案。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、稳定可靠、适应性广、易于实现且具有较强热失控阻断能力的锂离子动力电池模组及其控制方法。本发明解决上述问题的技术方案是：
5.一种具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，包括外框架(1)和多个位于外框架(1)内部且并排放置的方形电池(2)，所述方形电池(2)的顶部设有正极柱(201)和负极柱(202)且底部中心位置设有安全阀(203)；相邻的任意两个方形电池(2)的大面(204)之间设有风冷通道(3)，相邻的任意两个方形电池(2)之间还设有4个橡胶块(4)以及1个石蜡块(5)，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的4个橡胶块(4)分别位于大面(204)的四个角部，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的石蜡块(5)位于大面(204)的底部，任意一个橡胶块(4)不与任意一个石蜡块(5)相接触；所述外框架(1)设有顶板(101)、底板(102)和侧板(103)，所述顶板(101)上设有与风冷通道(3)数目相等的进风网格(1011)且每一处的进风网格(1011)位于与之相对应的风冷通道(3)的正上方，所述底板(102)上设有与方形电池(2)数目相等的矩形开口(1021)且每一处的矩形开口(1021)位于与之相对应的方形电池(2)的正下方，所述任意一个方形电池(2)的安全阀(203)均穿过底板(102)上的矩形开口(1021)；所述底板(102)的下方设有出风通道(6)，所述出风通道(6)底部靠近模组端部的一处位置设有向下开口的出风口(61)，所述出风口(61)处设有变频抽风机(7)；所述方形电池(2)正极柱(201)和负极柱(202)之间连接有电压监测模块(8)以实时采集模组内任意一个
方形电池(2)的端电压值；所述电池模组内的所有方形电池(2)之间依次通过连接片(9)进行电性连接；所述电池模组内设有若干温度传感器(10)以实时采集模组内若干位置的温度值；所述变频抽风机(7)、电压监测模块(8)和温度传感器(10)均与控制器(11)进行双向通讯。
6.上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述方形电池(2)的大面(204)为方形电池(2)外部壳体上面积最大的面且大面(204)与锂离子动力电池模组的长度方向垂直。
7.上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述相邻的任意两个方形电池(2)的大面(204)之间的风冷通道(3)的宽度位于2毫米至20毫米之间。
8.上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的橡胶块(4)为边长等于风冷通道(3)的宽度的正方体，橡胶块(4)通过胶黏的方式与其左右两侧的两个方形电池(2)的大面(204)之间形成机械连接。
9.上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的石蜡块(5)为长方体，石蜡块(5)的长度为方形电池(2)的大面(204)宽度的1/5至1/2，石蜡块(5)的宽度位于5毫米至30毫米之间，石蜡块(5)的高度等于风冷通道(3)的宽度，石蜡块(5)底部的长边与方形电池(2)的底部边缘平齐，石蜡块(5)的熔点处于60℃至100℃之间。
10.上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述变频抽风机(7)的转速位于最小值n1至最大值n2之间，其中n1位于500r/min至2000r/min之间，n2位于5000r/min至12000r/min之间。
11.应用于上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，其特征在于，基于控制器(11)，每隔一个固定的时间间隔δt，比较电池模组温度设定值ts和温度传感器(10)实时获得的所有温度监测值中的最大值tm的大小，并分析电压监测模块(8)获得的电压监测值随时间变化的数据，判断变频抽风机(7)需使用正常模式和热失控阻断模式这两种模式中的何种工作模式并进行针对性控制：
12.(a)正常模式：若tm≤ts，则变频抽风机(7)保持关闭状态；否则，设置变频抽风机(7)的转速n为：
[0013][0014]
式中n1和n2分别为变频抽风机(7)的转速最小值和最大值；ts为电池模组温度设定值，tm为温度传感器(10)实时获得的所有温度监测值中的最大值，t1处于1℃至3℃之间，t2处于5℃至10℃之间，ts和tm的单位均为℃；
[0015]
(b)热失控阻断模式：设置变频抽风机(7)的转速n为n2并持续运行，其中n2为变频抽风机(7)的转速最大值；
[0016]
变频抽风机(7)默认使用正常模式，而当变频抽风机(7)进入热失控阻断模式时，
当同时满足热失控阻断模式持续工作时长超过5分钟且温度传感器(10)实时获得的所有温度监测值中的最大值tm与电池模组温度设定值ts之差小于t2这两大条件时，则结束热失控阻断模式并返回正常模式，其中t2处于5℃至10℃之间。
[0017]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，所述固定的时间间隔δt处于0.1秒至5秒之间。
[0018]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，所述判断变频抽风机(7)需使用正常模式和热失控阻断模式这两种模式中的何种工作模式，当满足以下两个条件中的任意一个条件时判断需使用热失控阻断模式，否则判断需使用正常模式：
[0019]
(i)对于任意一个采集点位的温度监测值，其当前时刻的采集值在上一时刻的采集值的基础之上上升了δt，其中δt处于5℃至10℃之间；
[0020]
(ii)对于任意一个采集点位的电压监测值，其当前时刻的采集值在上一时刻的采集值的基础之上下降了δu，其中δu处于1.5v至3v之间。
[0021]
本发明的有益效果在于：
[0022]
1、本发明的动力电池模组中的动力电池，其顶部设有正、负极柱且底部设有安全阀，即正、负极柱和安全阀分别属于电池相对的两个面上，考虑到动力电池模组中的相关电连接、供电、数据采集和控制通讯等线束只与动力电池的正、负极柱连接，故一旦某个动力电池发生热失控，破坏安全阀并导致内部高温高压的物质喷发，则喷发过程只朝下部喷发而不朝上喷发，喷发物不会接触线束导致短路或线束损坏，进而保障热失控时电池模组的供电、通讯和控制能力以方便处置；此外，发生局部热失控之后，也方便后续局部电池单体的更换和电池模组的线束检查维修。
[0023]
2、本发明的动力电池模组中框架底板上设有与风冷通道数目相等的矩形开口且任意一个方形电池的安全阀均穿过底板上的矩形开口，底板的下方设有出风通道，出风通道底部靠近模组端部的一处位置设有向下开口的出风口，出风口处设有变频抽风机，这样一旦某个动力电池发生热失控，破坏安全阀并导致内部高温高压的物质喷发，则喷发物通过底板上的矩形开口喷至出风通道并被空气抽走排放至出风口之外，这样喷发物对周边电池的影响很小，可阻断热失控蔓延至周边其他电池。
[0024]
3、本发明的动力电池模组中相邻的任意两个方形电池大面之间设有风冷通道、4个橡胶块以及1个石蜡块，石蜡块的高度等于风冷通道的宽度，石蜡块底部的长边与方形电池的底部边缘平齐，石蜡块的熔点处于60℃至100℃之间，当未发生热失控时，石蜡块处于固态并与橡胶块填充了风冷通道的部分空间，充当阻碍物对冷却用空气的流动起到一定阻碍作用；一旦某个动力电池发生热失控，则该电池温度急剧上升，导致与该电池接触的石蜡块熔化并迅速穿过底板上的矩形开口掉落至出风通道，熔化后的石蜡因流动性而最终附着至出风通道的壁面上，其阻力小，故该石蜡块原来所在的风冷通道的流动阻力大幅度下降，相应地导致该石蜡块原来所在的风冷通道的风量迅速上升，加大了对热失控电池的风量供给，有助于降低其温度，阻止热失控向周边电池蔓延。
[0025]
4、本发明的具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，对温度和电压监测数据进行分析，一旦某个采集点位的温度和电压监测值发生剧烈波动，则判断需要使用热失控阻断模式，立刻加大冷却风量的供给，将变频抽风机的转速调至最高并持续运行至少5分钟；当温度传感器获得的监测温度不那么高时才结束热失控阻断模式并返回正
常模式。这有利于热失控过程局部热量的快速散发，且即使发生误判，则5分钟后将回归正常模式，有利于无热失控的正常模式下变频抽风机的节能。此外，一旦判断发生了热失控，则变频抽风机的转速调至最高并持续运行至少5分钟，这是一种将安全视为首要目标的稳妥控制策略。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例中锂离子动力电池模组剖面图。
[0027]
图2为本发明实施例中锂离子动力电池模组俯视图。
[0028]
图3为图2中a-a剖视图。
[0029]
图4为本发明实施例中锂离子动力电池模组电性连接示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0031]
如图1至图3所示，一种具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，包括外框架(1)和多个位于外框架(1)内部且并排放置的方形电池(2)，所述方形电池(2)的顶部设有正极柱(201)和负极柱(202)且底部中心位置设有安全阀(203)；相邻的任意两个方形电池(2)的大面(204)之间设有风冷通道(3)，相邻的任意两个方形电池(2)之间还设有4个橡胶块(4)以及1个石蜡块(5)，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的4个橡胶块(4)分别位于大面(204)的四个角部，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的石蜡块(5)位于大面(204)的底部，任意一个橡胶块(4)不与任意一个石蜡块(5)相接触；所述外框架(1)设有顶板(101)、底板(102)和侧板(103)，所述顶板(101)上设有与风冷通道(3)数目相等的进风网格(1011)且每一处的进风网格(1011)位于与之相对应的风冷通道(3)的正上方，所述底板(102)上设有与方形电池(2)数目相等的矩形开口(1021)且每一处的矩形开口(1021)位于与之相对应的方形电池(2)的正下方，所述任意一个方形电池(2)的安全阀(203)均穿过底板(102)上的矩形开口(1021)；所述底板(102)的下方设有出风通道(6)，所述出风通道(6)底部靠近模组端部的一处位置设有向下开口的出风口(61)，所述出风口(61)处设有变频抽风机(7)；
[0032]
如图4所示，所述方形电池(2)正极柱(201)和负极柱(202)之间连接有电压监测模块(8)以实时采集模组内任意一个方形电池(2)的端电压值；所述电池模组内的所有方形电池(2)之间依次通过连接片(9)进行电性连接；所述电池模组内设有若干温度传感器(10)以实时采集模组内若干位置的温度值；所述变频抽风机(7)、电压监测模块(8)和温度传感器(10)均与控制器(11)进行双向通讯。
[0033]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述方形电池(2)的大面(204)为方形电池(2)外部壳体上面积最大的面且大面(204)与锂离子动力电池模组的长度方向垂直。
[0034]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述相邻的任意两个方形电池(2)的大面(204)之间的风冷通道(3)的宽度位于2毫米至20毫米之间。
[0035]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的橡胶块(4)为边长等于风冷通道(3)的宽度的正方体，橡胶块(4)通过胶黏的方式与其左右两侧的两个方形电池(2)的大面(204)之间形成机械连接。
[0036]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述相邻的任意两个方形电池(2)之间的石蜡块(5)为长方体，石蜡块(5)的长度为方形电池(2)的大面(204)宽度的1/5至1/2，石蜡块(5)的宽度位于5毫米至30毫米之间，石蜡块(5)的高度等于风冷通道(3)的宽度，石蜡块(5)底部的长边与方形电池(2)的底部边缘平齐，石蜡块(5)的熔点处于60℃至100℃之间。
[0037]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组，所述变频抽风机(7)的转速位于最小值n1至最大值n2之间，其中n1位于500r/min至2000r/min之间，n2位于5000r/min至12000r/min之间。
[0038]
应用于上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，其特征在于，基于控制器(11)，每隔一个固定的时间间隔δt，比较电池模组温度设定值ts和温度传感器(10)实时获得的所有温度监测值中的最大值tm的大小，并分析电压监测模块(8)获得的电压监测值随时间变化的数据，判断变频抽风机(7)需使用正常模式和热失控阻断模式这两种模式中的何种工作模式并进行针对性控制：
[0039]
(a)正常模式：若tm≤ts，则变频抽风机(7)保持关闭状态；否则，设置变频抽风机(7)的转速n为：
[0040][0041]
式中n1和n2分别为变频抽风机(7)的转速最小值和最大值；ts为电池模组温度设定值，tm为温度传感器(10)实时获得的所有温度监测值中的最大值，t1处于1℃至3℃之间，t2处于5℃至10℃之间，ts和tm的单位均为℃；
[0042]
(b)热失控阻断模式：设置变频抽风机(7)的转速n为n2并持续运行，其中n2为变频抽风机(7)的转速最大值；
[0043]
变频抽风机(7)默认使用正常模式，而当变频抽风机(7)进入热失控阻断模式时，当同时满足热失控阻断模式持续工作时长超过5分钟且温度传感器(10)实时获得的所有温度监测值中的最大值tm与电池模组温度设定值ts之差小于t2这两大条件时，则结束热失控阻断模式并返回正常模式，其中t2处于5℃至10℃之间。
[0044]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，所述固定的时间间隔δt处于0.1秒至5秒之间。
[0045]
上述具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，所述判断变频抽风机(7)需使用正常模式和热失控阻断模式这两种模式中的何种工作模式，当满足以下两个条件中的任意一个条件时判断需使用热失控阻断模式，否则判断需使用正常模式：
[0046]
(i)对于任意一个采集点位的温度监测值，其当前时刻的采集值在上一时刻的采集值的基础之上上升了δt，其中δt处于5℃至10℃之间；
[0047]
(ii)对于任意一个采集点位的电压监测值，其当前时刻的采集值在上一时刻的采集值的基础之上下降了δu，其中δu处于1.5v至3v之间。
[0048]
实施例
[0049]
某锂离子动力电池模组有5只方形磷酸铁锂电池单体串联而成，该模组额定电压16v，额定容量20ah。电池单体顶部设有正极柱和负极柱且底部中心位置设有安全阀，相邻的任意两个电池的大面之间设有宽为10毫米的风冷通道。相邻的任意两个电池之间还设有4个橡胶块以及1个石蜡块，其中4个橡胶块分别位于电池大面的四个角部且不与石蜡块接触，橡胶块为边长10毫米的正方体；石蜡块位于电池大面的底部，石蜡块为长方体，石蜡块的长度为方形电池的大面宽度的1/3，石蜡块的宽度为20毫米，石蜡块的高度等于风冷通道的宽度，石蜡块底部的长边与方形电池的底部边缘平齐，石蜡块的熔点为63℃。该模组通过外框架进行单体电池的约束，外框架设有顶板、底板和侧板，顶板上设有进风网格，底板上设有矩形开口，底板的下方设有出风通道，出风通道底部靠近模组端部的一处位置设有向下开口的出风口，出风口处设有变频抽风机。每1个电池单体的正极柱和负极柱之间连接有电压监测模块以实时采集模组内任意一个方形电池的端电压值，所述电池模组内设有5个温度传感器以实时采集模组内每个电池顶部正极柱附近处的温度值。
[0050]
本实施例中，变频抽风机的转速位于最小值n1至最大值n2之间，其中n1为1000r/min，n2为10000r/min。
[0051]
本实施例中电池模组温度设定值ts＝35℃，基于控制器，每隔一个固定的时间间隔δt＝1s，比较电池模组温度设定值ts和温度传感器10实时获得的所有温度监测值中的最大值tm的大小，并分析电压监测模块8获得的电压监测值随时间变化的数据，判断变频抽风机7需使用正常模式和热失控阻断模式这两种模式中的何种工作模式并进行针对性控制：
[0052]
(a)正常模式：若tm≤ts，则变频抽风机7保持关闭状态；否则，设置变频抽风机7的转速n为：
[0053][0054]
式中n1和n2分别为变频抽风机7的转速最小值和最大值，n1为1000r/min，n2为10000r/min；ts为电池模组温度设定值，ts＝35℃；tm为温度传感器10实时获得的所有温度监测值中的最大值，t1为2℃之间，t2为10℃；
[0055]
(b)热失控阻断模式：设置变频抽风机7的转速n为n2并持续运行，其中n2为变频抽风机7的转速最大值，n2为10000r/min；
[0056]
变频抽风机7默认使用正常模式，而当变频抽风机7进入热失控阻断模式时，当同时满足热失控阻断模式持续工作时长超过5分钟且温度传感器10实时获得的所有温度监测值中的最大值tm与电池模组温度设定值ts之差小于t2这两大条件时，则结束热失控阻断模式并返回正常模式，其中t2为10℃。
[0057]
本实施例中，判断变频抽风机7需使用正常模式和热失控阻断模式这两种模式中的何种工作模式的方式为，当满足以下两个条件中的任意一个条件时判断需使用热失控阻断模式，否则判断需使用正常模式：
[0058]
(i)对于任意一个采集点位的温度监测值，其当前时刻的采集值在上一时刻的采集值的基础之上上升了δt，其中δt为5℃之间；
[0059]
(ii)对于任意一个采集点位的电压监测值，其当前时刻的采集值在上一时刻的采集值的基础之上下降了δu，其中δu为2v。
[0060]
某次对该模组中最中间的电池单体进行针刺试验，模拟该电池单体的局部热失控。
[0061]
a时刻，该模组中5个电池单体的电压监测值分别为3.24v、3.23v、3.25v、3.24v和3.23v，5个温度监测点位的温度采集值分别为38.5℃、38.9℃、39.2℃、38.8℃和38.4℃，则a时刻所有温度监测值中的最大值tm＝39.2℃，其与电池模组温度设定值之差＝tm-ts＝39.2-35＝4.2℃。由于a时刻与其上一个时刻相比，一个采集点位的温度监测值和任意一个采集点位的电压监测值均变化很小，故判断a时刻处于默认的正常模式；且由于a时刻有t1《tm-ts《t2，故a时刻设置变频抽风机的转速为
[0062][0063]
a时刻过后1s的下一时刻记为b时刻，b时刻模组中最中间的电池单体被钢针刺入并发生热失控，其安全阀破坏，内部物质喷发出来。b时刻该模组中5个电池单体的电压监测值分别为3.14v、3.11v、1.35v、3.04v和3.03v，5个温度监测点位的温度采集值分别为42.5℃、45.6℃、115.2℃、46.2℃和43.5℃。毫无疑问，b时刻至少存在一个温度采集点位的温度值，在a时刻的基础上上升超过5℃，故判断b时刻需要处于热失控阻断模式。故b时刻设置变频抽风机的转速为10000r/min，且一旦激活了热失控阻断模式，变频抽风机以10000r/min的转速至少需要工作5分钟。
[0064]
b时刻起模组中的石蜡块开始融化并吸收大量的热量，且由于变频抽风机以最大转速抽风，加大了冷却风量的供给，尤其是提高了热失控的电池单体两侧冷却通道内的风量，这有利于限制热量的聚集和蔓延，并提升了模组尤其是发生热失控的电池单体的散热效果；同时，经安全阀喷发的高温高压物质流动至下部的出风风道并排出到外部，对模组中相邻的其他电池单体的影响较少，对顶部的各种信号传输、通讯和电性连接线束也无影响。b时刻之后，模组内气体电池单体未发生热失控事件。5分钟后，温度传感器实时获得的所有温度监测值中的最大值tm降低至44.8℃，与电池模组温度设定值ts之差为9.8℃，该差值小于t2，故这之后退出热失控模式，转回正常模式进行变频抽风机转速的调节。
[0065]
本实施例提供的具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组结构简单、成本低廉，其控制方法稳定可靠、适应性广、易于实现且具有较强热失控阻断能力。本实施例动力电池模组中的动力电池，其顶部设有正、负极柱且底部设有安全阀，即正、负极柱和安全阀分别属于电池相对的两个面上，考虑到动力电池模组中的相关电连接、供电、数据采集和控制通讯等线束只与动力电池的正、负极柱连接，故一旦某个动力电池发生热失控，破坏安全阀并导致内部高温高压的物质喷发，则喷发过程只朝下部喷发而不朝上喷发，喷发物不会接触线束导致短路或线束损坏，进而保障热失控时电池模组的供电、通讯和控制能力以方
便处置；此外，发生局部热失控之后，也方便后续局部电池单体的更换和电池模组的线束检查维修。本实施例的动力电池模组中框架底板上设有与风冷通道数目相等的矩形开口且任意一个方形电池的安全阀均穿过底板上的矩形开口，底板的下方设有出风通道，出风通道底部靠近模组端部的一处位置设有向下开口的出风口，出风口处设有变频抽风机，这样一旦某个动力电池发生热失控，破坏安全阀并导致内部高温高压的物质喷发，则喷发物通过底板上的矩形开口喷至出风通道并被空气抽走排放至出风口之外，这样喷发物对周边电池的影响很小，可阻断热失控蔓延至周边其他电池。本实施例的动力电池模组中相邻的任意两个方形电池大面之间设有风冷通道、4个橡胶块以及1个石蜡块，石蜡块的高度等于风冷通道的宽度，石蜡块底部的长边与方形电池的底部边缘平齐，当未发生热失控时，石蜡块处于固态并与橡胶块填充了风冷通道的部分空间，充当阻碍物对冷却用空气的流动起到一定阻碍作用；一旦某个动力电池发生热失控，则该电池温度急剧上升，导致与该电池接触的石蜡块熔化并迅速穿过底板上的矩形开口掉落至出风通道，熔化后的石蜡因流动性而最终附着至出风通道的壁面上，其阻力小，故该石蜡块原来所在的风冷通道的流动阻力大幅度下降，相应地导致该石蜡块原来所在的风冷通道的风量迅速上升，加大了对热失控电池的风量供给，有助于降低其温度，阻止热失控向周边电池蔓延。本实施例提供的具有热失控阻断能力的锂离子动力电池模组的控制方法，对温度和电压监测数据进行分析，一旦某个采集点位的温度和电压监测值发生剧烈波动，则判断需要使用热失控阻断模式，立刻加大冷却风量的供给，将变频抽风机的转速调至最高并持续运行至少5分钟；当温度传感器获得的监测温度不那么高时才结束热失控阻断模式并返回正常模式。这有利于热失控过程局部热量的快速散发，且即使发生误判，则5分钟后将回归正常模式，有利于无热失控的正常模式下变频抽风机的节能。此外，一旦判断发生了热失控，则变频抽风机的转速调至最高并持续运行至少5分钟，这是一种将安全视为首要目标的稳妥控制策略。