轻量化防爆电池总成、设计方法以及防爆方法与流程

1.本发明涉及电动车辆的电池技术领域，尤其涉及一种轻量化防爆电池总成、设计方法以及防爆方法。


背景技术：

2.新能源汽车的快速发展属于行业大势所趋，电池包作为汽车核心部件，重量占到整车重量的30％左右，因此电池包重量优化，对整车的续驶里程，安全性，驾驶体验等都有好处。因此进行电池包的减重很有必要，按照重量占比来说，电芯、箱体占据电池包90％左右的重量，因此，要想减重明显，优化电芯成组和箱体减重是可行路径。
3.目前电池包整体减重的方法和存在瓶颈为电芯减重和电芯重量不变能量提升，受限于目前的技术水平，电芯减重已经很难进行，优化电芯成组属于一条可行路径，但是目前的优化方式未选择新材料，减重效果不太明显，需要寻找一种减重效果明显的路径；箱体结构优化和新材料新工艺应用，目前常用的方式未使用现有的铝材替代钢材料方案，比如钢板箱体切换为铝型材箱体可以整体减重，但是目前铝箱体在想要减重非常困难了，复合材料虽然可以减重，但是刚度不如金属箱体，因此需要在保证刚度和强度不变的前提下进行减重，就需要新的开发路径。
4.电池热失控属于目前的行业难题，由于热失控不能完全避免，因此热失控时，总成需要保证乘员的安全，针对此需求需要进行电池总成热失控防爆设计。
5.随着消费需求升级以及新能源汽车快速发展，对轻量化技术需求日趋迫切。能源安全、节能减排成为汽车产业可持续发展面临的重要问题，汽车面临更大降重压力。行业共识：整车降重10％，带来降低油耗、提升续驶里程等好处，提升品牌竞争力。有研究成果表明：轻量化可抵消车辆增重(智能网联、影音娱乐等)带来的相关影响，因此开发轻量化电池包很有必要。
6.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种轻量化防爆电池总成、设计方法以及防爆方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种轻量化防爆电池总成，包括：
9.上箱体总成；
10.下箱体总成，所述下箱体总成具有容纳腔；
11.电池组，所述电池组包括若干个电芯单体，设置在所述容纳腔内，其中，容纳腔的内壁作为所述电池组的端板和侧板；
12.第一紧固装置，所述第一紧固装置包括第一紧固装置主体，防爆模块，所述防爆模块与所述第一紧固装置主体连接，所述防爆模块用于切断第一紧固装置主体；
13.第二紧固装置，所述第二紧固装置包括第二紧固装置主体和防松衬套，所述防松衬套套设在所述第二紧固装置主体上；
14.所述上箱体总成和下箱体总成通过所述第一紧固装置主体和第二紧固装置主体密封连接；当电池总成发生热失控时，所述防爆模块接收到执行信号时，可以将紧固装置主体切断，将此处作为薄弱点进行定点泄压，防止电池包发生爆炸；所述防松衬套在紧固装置主体的压紧作用下，产生反弹力，反弹力可以补偿所述第二紧固装置主体的轴力，保证紧固装置不松脱。
15.进一步地，所述上箱体总成包括：上箱体外层、上箱体中层、上箱体内层和粘接层；所述上箱体外层和上箱体内层通过粘接层连接形成封闭的空腔，所述空腔用于容纳上箱体中层；所述上箱体中层为相变材料可以将所述上箱体内层传导的热量进行存储，可通过所述上箱体内层向电池总成内释放热量。
16.进一步地，所述上箱体外层包括上箱体外层本体和透气膜，所述上箱体外层本体上具有透气孔，所述透气孔通过透气膜密封，所述透气膜能够使气体通过且液体无法通过，所述透气孔用于平衡上箱体封闭空腔内的压力。
17.进一步地，所述上箱体外层为非金属材料；所述上箱体内层为金属板冲压成型。
18.进一步地，所述下箱体总成包括：第一边梁、第二边梁、第三边梁、第四边梁、底板、第一内粱和第二内粱；所述容纳腔由第一边梁、第二边梁、第三边梁、第四边梁和底板围成；所述第一内粱和第二内粱在所述容纳腔内交叉设置，将所述容纳腔划分成若干个电池组容纳腔。
19.进一步地，所述底板包括：底板上板、底板中板、底板下板和多个竖筋；围成的多个口字形空腔，所述底板上板和底板中板间的空腔用做冷却流道。
20.进一步地，所述第一紧固装置主体包括第一头部、断开部和第一螺纹杆部；所述防爆模块设置有过孔，所述第一紧固装置主体穿设防爆模块的过孔内，使防爆模块设置于所述断开部处；所述防爆模块包括执行模块和控制模块，当所述控制模块接收到信号时，控制所述执行模块将所述断开部断开。
21.进一步地，所述第二紧固装置包括第二紧固装置主体和防松衬套；紧固装置主体包括第二头部和第二螺纹杆部，所述防松衬套为中间带过孔的弹性圆环，所述第二螺纹杆部直径小于防松衬套内径，所述第二紧固装置主体穿设于所述弹性圆环内，所述防松衬套分为衬套端部和衬套中间部，衬套中间部为长条状片体，在通过第二紧固装置连接固定所述上箱体总成和下箱体总成时，所述第二紧固装置的压力下所述衬套中间部的长条状片体呈弹簧状态，提供反弹的作用力，辅助第二紧固装置处于固定状态。
22.另一方面，提供了一种轻量化防爆电池总成设计方法，包括：
23.根据整车重量，分解电池总成重量目标，根据电池总成重量目标，进行零件重量目标分解，其中，所述重量目标包括上箱体总成、下箱体总成和电池组；
24.电池总成功能需求收集与分类；
25.基于功能需求对零件功能整合，根据分解的重量目标进行主要零件方案设计；
26.上箱体总成设计：基于整包热管理需求、防火需求、外部防护需求等将热管理，防火，外部防护进行功能集成，消减零件数量，进行减重；
27.下箱体总成设计：基于cae仿真结果得出需求的抗拉强度、屈服强度、弹性模量值、
延伸率作为目标值，进行陶瓷铝材料开发，制备多个铝基材相同，陶瓷颗粒含量占比相差5％的样片；对样片进行性能测试，收集测试结果与目标值进行比较，识别出接近目标值的陶瓷颗粒占比数值；以接近目标值的陶瓷颗粒占比作为中值，以陶瓷含量相差1％作为跨度覆盖
±
5％含量区间进行多个样片制作测试，对比出陶瓷含量最优值，并按此数值进行材料开发；
28.电池组设计：基于充放电功能，固定需求进行电池组设计，在保证具有充放电功能前提下，将现有的端板、侧板功能与箱体集成，去除端板和侧板，实现电池组减重；
29.将使用上述方法设计的电池总成进行流体力学仿真，求解最优防爆泄压路径，根据防爆泄压路径确定具有防爆功能的第一紧固装置布置位置，其余位置布置第二紧固装置。
30.再一方面，提供了一种轻量化防爆电池总成的防爆方法，包括：
31.电池系统状态检测，当收到热失控报警时进行热失控位置查询；
32.根据热失控位置，查询预设排气最优路径；
33.根据确定的最优排气路径，防爆模块中的控制模块确定需要执行防爆命令；
34.控制模块控制所述执行模块将所述第一紧固装置的断开部断开，执行防爆命令。
35.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在保证整体刚度和强度的前提下，进行整包减重设计，应用于新开发的设计指导和量产项目的减重，并能够在电池总成爆炸时，进行定点泄放，提高系统安全性，避免人员受到伤害。
附图说明
36.图1为本发明实施例中一种轻量化防爆电池总成结构示意图；
37.图2为本发明实施例中一种轻量化防爆电池总成结构爆炸示意图；
38.图3为本发明实施例中上箱体总成、下箱体总成、第一紧固装置和第二紧固装置结构连接刨面图；
39.图4为本发明实施例中一种轻量化防爆电池总成设计方法流程图；
40.图5为本发明实施例中一种轻量化防爆电池总成的防爆方法流程图；
41.图中：100、上箱体总成；200、下箱体总成；300、电池组；400、第一紧固装置；500、第二紧固装置；110、上箱体外层；120、上箱体中层；130、上箱体内层；140、粘接层；210、第一边梁；220、第二边梁；230、第三边梁；240、第四边梁；250、底板；260、第一内粱；270、第二内粱；310、电芯单体；410、第一紧固装置主体；420、防爆模块；510、第二紧固装置主体； 520、防松衬套；111、上箱体外层本体；112、透气膜；251、底板上板；252、底板中板；253、底板下板；411、第一头部；412、第一螺纹杆部；413、断开部；421、执行模块；422、控制模块；511、第二头部；512、第二螺纹杆部；5201、衬套端部；5202、衬套中间部。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.请参阅说明书附图，本发明提供一种技术方案：一种轻量化防爆电池总成，包括：
46.上箱体总成100；
47.下箱体总成200，所述下箱体总成200具有容纳腔；
48.电池组300，所述电池组300包括若干个电芯单体310，设置在所述容纳腔内，其中，容纳腔的内壁作为所述电池组300的端板和侧板；
49.第一紧固装置400，所述第一紧固装置400包括第一紧固装置主体410，防爆模块420，所述防爆模块420与所述第一紧固装置主体410连接，所述防爆模块420用于切断第一紧固装置主体410；
50.第二紧固装置500，所述第二紧固装置500包括第二紧固装置主体510和防松衬套520，所述防松衬套520套设在所述第二紧固装置主体510上；
51.所述上箱体总成100和下箱体总成200通过所述第一紧固装置主体410 和第二紧固装置主体510密封连接；当电池总成发生热失控时，所述防爆模块420接收到执行信号时，可以将紧固装置主体切断，将此处作为薄弱点进行定点泄压，防止电池包发生爆炸；所述防松衬套520在紧固装置主体的压紧作用下，产生反弹力，反弹力可以补偿所述第二紧固装置主体510的轴力，保证紧固装置不松脱。
52.上述实施例中，电池组去掉了传统模组的端板和侧板，将下箱体的容纳腔作为端板和侧板，简化了模组，提高了电芯成组率，实现了整包降重；在防爆模块接收到执行信号时，可以将第一紧固装置主体410切断，将此处作为薄弱点进行定点泄压，防止电池包发生爆炸，同时定点排爆可以避免泄放口的随机性，避免随机的排爆口伤及乘客。
53.优选地，所述电池组300通过粘接的方式固定在下箱体总成200内，与现有使用螺栓和辅助固定结构固定的技术相比可以是整包减重，同时可靠性高于现有技术；所述上下箱体通过第一紧固装置400和第二紧固装置500进行固定连接，保证整体的密封性。
54.可选地，所述上箱体总成100包括：上箱体外层110、上箱体中层120、上箱体内层130和粘接层140；所述上箱体外层110和上箱体内层130通过粘接层 140连接形成封闭的空腔，所述空腔用于容纳上箱体中层120；所述上箱体中层120为相变材料可以将所述上箱体内层130传导的热量进行存储，可通过所述上箱体内层130向电池总成内释放热量。
55.上述实施例中，上箱体总成100可以起到温度调节作用，辅助热管理系统对电池组进行温度调节，节约整车能效，提升续驶里程；同时相比于目前使用液冷板的方案，集成方案可以在效果相同的情况下，达到减重的目的。
56.可选地，所述上箱体外层110包括上箱体外层本体111和透气膜112，所述上箱体外层本体111上具有透气孔，所述透气孔通过透气膜密封，所述透气膜 112能够使气体通过且液体无法通过，所述透气孔用于平衡上箱体封闭空腔内的压力。
57.可选地，所述上箱体外层110为非金属材料；所述上箱体内层130为金属板冲压成型。
58.上述实施例中，所述上箱体外层110为非金属材料，优选碳纤维复合材料、玻纤复合材料或者smc复合材料；所述上箱体内层为金属板冲压成型，优选用钢板或者铝板冲压；所述上箱体中层为相变材料，优选固液相变材料；此结构的效果为上箱体内层为金属材料导热效果好，可以快速进行热量交换，上箱体外层为非金属材料，隔热效果好，可起到保温隔热作用。
59.可选地，所述下箱体总成200包括：第一边梁210、第二边梁220、第三边梁230、第四边梁240、底板250、第一内粱260和第二内粱270；所述容纳腔由第一边梁210、第二边梁220、第三边梁230、第四边梁240和底板250 围成；所述第一内粱260和第二内粱270在所述容纳腔内交叉设置，将所述容纳腔划分成若干个电池组容纳腔。
60.上述实施例中，优选下箱体总成200使用材料为铝基复合材料，优选为一种通过al/k2tif6与kbf4原位反应，生成的tib2陶瓷颗粒与原铝基材进行反应合成的一种陶瓷铝材料，其抗拉强度和屈服强度可以达到铝基材的110％以上，且成形性优于原铝基材，可以用于制作壁厚更薄的铝型材，由于材料强度提升，壁厚减薄厚整体刚度强度不变且重量减轻，可以在相同刚度，强度条件下，使箱体减重10％，达到箱体减重的效果。
61.可选地，所述底板250包括：底板上板251、底板中板252、底板下板253 和多个竖筋；围成的多个口字形空腔，所述底板上板251和底板中板252间的空腔用做冷却流道。
62.上述实施例中，可以将现有技术方案的冷却板去掉，在保证冷却效果的前提下，通过功能集成达到整体减重的效果。
63.可选地，所述第一紧固装置主体410包括第一头部411、断开部413和第一螺纹杆部412；所述防爆模块420设置有过孔，所述第一紧固装置主体410穿设防爆模块420的过孔内，使防爆模块420设置于所述断开部413处；所述防爆模块420包括执行模块421和控制模块422，当所述控制模块422接收到信号时，控制所述执行模块421将所述断开部413断开。
64.上述实施例中，优选地，断开部413设置有杆过孔4121，可在杆过孔4121 内设置熔断装置或爆破装置，通过控制模块422触发切断所述断开部413。
65.可选地，所述第二紧固装置500包括第二紧固装置主体510和防松衬套 520；紧固装置主体包括第二头部511和第二螺纹杆部512，所述防松衬套520 为中间带过孔的弹性圆环，所述第二螺纹杆部512直径小于防松衬套520内径，所述第二紧固装置主体510穿设于所述弹性圆环内，所述防松衬套520 分为衬套端部5201和衬套中间部5202，衬套中间部5202为长条状片体，在通过第二紧固装置500连接固定所述上箱体总成100和下箱体总成200时，所述第二紧固装置500的压力下所述衬套中间部5202的长条状片体呈弹簧状态，提供反弹的作用力，辅助第二紧固装置500处于固定状态。
66.另一方面，提供了一种轻量化防爆电池总成设计方法，包括以下步骤：
67.根据整车重量，分解电池总成重量目标，根据电池总成重量目标，进行零件重量目标分解，其中，所述重量目标包括上箱体总成100、下箱体总成200 和电池组300；
68.电池总成功能需求收集与分类；
69.基于功能需求对零件功能整合，根据分解的重量目标进行主要零件方案设计；
70.上箱体总成设计：基于整包热管理需求、防火需求、外部防护需求等将热管理，防火，外部防护进行功能集成，消减零件数量，进行减重；
71.下箱体总成设计：基于cae仿真结果得出需求的抗拉强度、屈服强度、弹性模量值、延伸率作为目标值，进行陶瓷铝材料开发，制备多个铝基材相同，陶瓷颗粒含量占比相差5％的样片；对样片进行性能测试，收集测试结果与目标值进行比较，识别出接近目标值的陶瓷颗粒占比数值；以接近目标值的陶瓷颗粒占比作为中值，以陶瓷含量相差1％作为跨度覆盖
±
5％含量区间进行多个样片制作测试，对比出陶瓷含量最优值，并按此数值进行材料开发；
72.电池组设计：基于充放电功能，固定需求进行电池组设计，在保证具有充放电功能前提下，将现有的端板、侧板功能与箱体集成，去除端板和侧板，实现电池组减重；
73.将使用上述方法设计的电池总成进行流体力学仿真，求解最优防爆泄压路径，根据防爆泄压路径确定具有防爆功能的第一紧固装置400布置位置，其余位置布置第二紧固装置500。
74.再一方面，提供了一种轻量化防爆电池总成的防爆方法，包括以下步骤：
75.电池系统状态检测，当收到热失控报警时进行热失控位置查询；
76.根据热失控位置，查询预设排气最优路径；
77.根据确定的最优排气路径，防爆模块420中的控制模块422确定需要执行防爆命令；
78.控制模块422控制所述执行模块421将所述第一紧固装置400的断开部 413断开，执行防爆命令。
79.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。