CN111799527A

CN111799527A - 一种高安全性的电池包

Info

Publication number: CN111799527A
Application number: CN202010583001.9A
Authority: CN
Inventors: 陈才星; 牛慧昌; 李钊; 李磊; 朱易; 姜羲
Original assignee: Institute of Industry Technology Guangzhou of CAS
Current assignee: Institute of Industry Technology Guangzhou of CAS
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2020-10-20

Abstract

本发明公开了一种高安全性的电池包，包括至少两个单体电池、至少三个电池热失控阻隔板、电池包箱体、热失控探测装置、及灭火装置；所述单体电池与热失控阻隔板间隔紧密排列，并固定于所述电池包箱体内部；所述热失控探测装置及灭火装置安装于电池包箱体内部。本发明采用热失控阻隔板抑止电池热失控的扩散，采用灭火装置对电池火灾进行主动灭火；在电池包内单一电池或局部电池热失控而诱发火灾的情况下，既能及时扑灭明火，又能抑止热失控的进一步扩散；两者协同防护，最大限度发挥了热失控阻隔板隔热作用及灭火装置的灭火作用，提高了电池包的安全性能。

Description

一种高安全性的电池包

技术领域

本发明涉及电动汽车及储能系统技术领域，具体涉及一种高安全性的电池包。

背景技术

新能源电动汽车及储能系统所用电池，通常为锂二次电池。随着电池技术的发展，锂二次电池的能量密度越来越高，然而安全性能却难以得到保障。近年来新能源电动汽车及储能系统的大规模火灾事故时有发生，危及城市公共安全。

电池系统火灾事故通常由局部区域或单一电池热失控的扩展引起。单一电池热失控时产生大量的热，致使电池温度在短时间升高至800℃左右。由于电池系统内电池排列紧密，热量通过热辐射、热对流及热传导等途径迅速扩散至周围电池，诱发周围电池的热失控，进而导致大规模电池火灾，并释放大量有毒气体。

为争取人员逃生时间，目前通常在电池系统内部配置哈龙1301、全氟己酮、七氟丙烷、CO₂、气凝胶等气体灭火剂，扑灭早期明火。然而由于其对电池的冷却效果不显著，气体灭火剂喷射后较短时间，电池系统将会复燃。尽管可采取再次喷射气体灭火剂的方案再次扑灭明火，然而由于其并不能抑止电池系统内热量的扩散，大量有毒气体将伴随电池热失控而释放。大量的水是公认扑灭电池火灾的高效方案，然而对于封闭的电池系统，水仅能冷却箱体外壳，扑灭外部明火，而无法进入电池系统内部从而直接冷却电池表面。因而采用大量的水灭火，通常需要较长的时间，直至热失控扩散至全部电池，而电池热失控释放的大量有毒气体将直接排入大气。综上，现有的电池系统灭火技术，无法高效应对电池系统火灾。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高安全性的电池包，在电池包内单一电池或局部电池热失控而诱发火灾的情况下，既能扑灭明火，又能抑止热失控的进一步扩散。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高安全性的电池包，包括至少两个单体电池、至少三个电池热失控阻隔板、电池包箱体、热失控探测装置、及灭火装置；所述单体电池与热失控阻隔板间隔紧密排列，并固定于所述电池包箱体内部；所述热失控探测装置及灭火装置安装于电池包箱体内部。

在一些实施方式中，所述的单体电池为方形铝壳或方形软包电池，单体电池之间采用串联/并联方式进行电连接。

在一些实施方式中，所述的热失控阻隔板为低密度、低导热系数的耐高温的无机非金属材料或复合材料。

在一些实施方式中，所述的热失控阻隔板的厚度为1-10mm，其长度和宽度与单体电池一致，其导热系数为0.04-0.2W·m^-1·K^-1。

在一些实施方式中，所述的热失控阻隔板为烧结空心玻璃微珠板，低导热系数的陶瓷纤维复合板，SiO₂气凝胶毡，或耐高温且导热系数低的复合相变材料，例如纳米SiO₂与阻燃型石蜡复合的相变材料。

在一些实施方式中，所述的单体电池与所述的热失控阻隔板间隔紧密排列后通过机械固定形成电池模组，多个电池模组间隔固定于所述电池包箱体内。

在一些实施方式中，所述的热失控探测装置至少包括温度传感器、烟雾传感器、CO气体传感器、H₂气体传感器中的两种。

在一些实施方式中，所述的灭火装置的灭火剂为细水雾、CO₂、哈龙1301、全氟己酮、七氟丙烷气体灭火剂的一种或多种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的电池包，将主动灭火与被动防护结合，通过灭火剂主动扑灭电池包箱体内的明火，同时对电池内环境或电池进行一定程度的冷却，实现主动灭火；采用低导热系数的电池热失控阻隔板，降低电池间的热量传递速率，抑止电池热失控的扩散，实现被动防护。

2.本发明采用热失控阻隔板，将灭火的目标降低为扑灭明火而不考虑电池热失控扩展的问题，因而降低了灭火的难度，同时减少了灭火剂的用量；采用灭火剂扑灭明火的同时会对电池内环境或电池进行一定程度的冷却，将增大热失控电池向周围环境的散热，从而降低对热失控阻隔材料导热系数及厚度的要求。两者协同防护，共同提高电池系统的安全性。

附图说明

图1为本发明的一种高安全性的电池包的结构示意图；

附图标记说明：10-单体电池；20-电池热失控阻隔板；30-电池包箱体；40-热失控探测装置；50-灭火装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

现有的电池包灭火技术尽管能扑灭电池明火，亦可对环境气体进行急剧冷却，但由于对电池无显著冷却，因而无法抑止因电池热失控的扩展而造成的电池复燃，从而限制了电池包灭火技术的推广应用。

应用热失控阻隔材料是抑制或抑止电池热失控扩展的有效方法之一。热失控电池的散热包括向相邻电池的热量传递、及向周围环境的散热两部分。阻隔材料可降低热失控电池向相邻电池的热量传递速率，相应地增加热失控电池向环境传递的热通量的比例。然而当电池热失控时，电池箱内的瞬时环境温度将高度200℃。若未对环境进行冷却，热失控电池向周围环境的热量传递的速率将大幅降低。尽管配置热失控阻隔材料，相邻电池随着热量的不断累积，热失控扩散的风险依然较高。因此，同时应用灭火技术及电池热失控阻隔材料对电池包进行协同防护，不仅降低了各自技术的要求，亦将大幅提高电池包的安全性能。

如图1所示，本发明提出了一种高安全性的电池包，包括至少两个单体电池10、至少三个电池热失控阻隔板20、电池包箱体30、热失控探测装置40、及灭火装置50。

单体电池10为方形铝壳或方形软包电池，单体电池10之间采用串联/并联方式进行电连接。

单体电池10与热失控阻隔板20间隔紧密排列并固定于电池包箱体30内部。单体电池10与热失控阻隔板20可间隔紧密排列后直接通过机械固定方式固定于电池包箱体30内，也可以单体电池10与热失控阻隔板20间隔紧密排列后通过机械固定形成电池模组，然后将电池模组间隔固定于池包箱体30内。

热失控阻隔板20为低密度、低导热系数的耐高温的无机非金属材料或复合材料。其厚度为1-10mm，其长度和宽度与单体电池一致，导热系数为0.04-0.2W·m^-1·K^-1。

优选的，热失控阻隔材料20可以是烧结空心玻璃微珠板，也可以是低导热系数的陶瓷纤维复合板，SiO₂气凝胶毡，还可以是耐高温的低导热复合相变材料，例如纳米SiO₂与阻燃型石蜡复合的相变材料。

热失控探测装置40和灭火装置配置50均安装在电池包箱体30内部。

热失控探测装置40至少具有温度传感器、烟雾传感器、及CO、H₂等气体传感器中的两种。当两种探测器均探测到电池热失控时，将热失控信号传递给灭火装置。

灭火装置50的灭火剂可为兼具冷却和隔离窒息作用的细水雾，不仅能扑灭明火，还能对电池箱内环境及电池进行大幅冷却。亦可为以化学作用为主的哈龙1301、全氟己酮、七氟丙烷、或以隔离窒息作用为主的CO₂等气体灭火剂，在扑灭电池箱内明火的同时，对电池箱内环境进行一定程度的冷却。亦可为细水雾及气体灭火剂中的一种相组合的复合型灭火剂。

灭火装置50在接收到热失控探测装置40传递的热失控信号时，立即喷射灭火剂。

下面选取四种较为极端的实施例对本发明热失控阻隔材料及灭火装置的灭火剂选择方法进行说明：

实施例一：

如图1所示，本发明的灭火装置50的灭火剂在热失控阻隔材料20的导热系数较高(如0.2W·m^-1·K^-1)，厚度较小(如1mm)，即热失控阻隔能力较弱时，选择兼具冷却和隔离窒息的细水雾。当热失控探测装置40探测到电池热失控并将信号传递给灭火装置50时，灭火装置50内的细水雾迅速喷出并扑灭明火，同时对电池箱内环境及电池进行大幅冷却。当环境温度和电池温度下降时，从热失控电池经由热失控阻隔材料20传递给相邻电池的热量将大幅减少，从而抑止热失控的扩散。

实施例二：

如图1所示，本发明的灭火装置50的灭火剂在热失控阻隔材料20的导热系数较低(如0.04W·m^-1·K^-1)、厚度较大(如10mm)，即热失控阻隔能力较强时，选择冷却能力相对较弱的以化学或隔离窒息作用为主的气体灭火剂，如哈龙1301、全氟己酮、七氟丙烷、CO₂等气体灭火剂。单个或局部电池发生热失控时，热阻较大的热失控阻隔材料20大幅降低从热失控电池传递给相邻电池的热量，从而实现热失控的阻隔。热失控探测装置40探测到电池热失控并将信号传递给灭火装置50时，灭火装置50内的气体灭火剂喷出，扑灭电池箱内的明火，同时对电池箱内环境进行一定程度的冷却，从而进一步避免热失控的扩散。

实施例三：

如图1所示，本发明的单体电池为热失控产生非常剧烈的射流火焰的电池时(如正极材料为Ni、CO、Mn三种元素体系，且Ni:Co:Mn＝8:1:1的电池，该种热失控后温度高达1000℃且热失控触发温度低达150℃左右)，热失控阻隔材料20可选择较低的导热系数(如0.04W·m^-1·K^-1)、及较大的厚度(如10mm)，同时灭火装置50中的灭火剂可选择兼具冷却和隔离窒息的细水雾。较大的热失控阻隔能力及较强的灭火剂冷却能力，可协同防止热失控的进一步扩散。灭火装置50中的灭火剂亦可选择细水雾与气体灭火剂中的一种相组合的复合型灭火剂。热失控探测装置40探测到电池热失控并将信号传递给灭火装置50时，灭火装置50内气体灭火剂首先喷出迅速扑灭明火并降低电池箱内环境温度，然后喷出细水雾，进一步的对电池箱内环境及电池进行进行大幅冷却，从而避免热失控的进一步扩展。

实施例四：

如图1所示，本发明的单体电池为热失控通产只产生高温气体而不燃烧的电池时(如正极材料为磷酸铁锂的电池，该种电池热失控后温度不高于500℃，且热失控触发温度高达220℃左右)，在避免热失控扩展的前提下，为了节约成本，热失控阻隔材料20的热阻可相对较大，即热失控阻隔材料20可选择较高的导热系数(如0.2W·m^-1·K^-1)及较小的厚度(如1mm)，同时灭火装置50中的灭火剂可选择冷却能力相对较弱的以化学或隔离窒息作用为主的。热失控探测装置40探测到电池热失控并将信号传递给灭火装置50时，灭火装置50内气体灭火剂喷出避免明火的产生，同时可对电池箱内环境进行一定程度的冷却。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或组合，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims

1.一种高安全性的电池包，其特征在于：包括至少两个单体电池、至少三个电池热失控阻隔板、电池包箱体、热失控探测装置、及灭火装置；所述单体电池与热失控阻隔板间隔紧密排列，并固定于所述电池包箱体内部；所述热失控探测装置及灭火装置安装于电池包箱体内部。

2.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：所述的单体电池为方形铝壳或方形软包电池，单体电池之间采用串联/并联方式进行电连接。

3.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：所述的热失控阻隔板为低密度、低导热系数的耐高温的无机非金属材料或复合材料。

4.如权利要求3所述的电池包，其特征在于：所述的热失控阻隔板的厚度为1-10mm，其长度和宽度与单体电池一致，其导热系数为0.04-0.2W·m^-1·K^-1。

5.如权利要求4所述的电池包，其特征在于：所述的热失控阻隔板为烧结空心玻璃微珠板，低导热系数的陶瓷纤维复合板，SiO₂气凝胶毡，或耐高温且导热系数低的复合相变材料，例如纳米SiO₂与阻燃型石蜡复合的相变材料。

6.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：所述的单体电池与所述的热失控阻隔板间隔紧密排列后通过机械固定形成电池模组，多个电池模组间隔固定于所述电池包箱体内。

7.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：所述的热失控探测装置至少包括温度传感器、烟雾传感器、CO气体传感器、H₂气体传感器中的两种。

8.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：所述的灭火装置的灭火剂为细水雾、CO₂、哈龙1301、全氟己酮、七氟丙烷气体灭火剂的一种或多种。