一种抑制热蔓延和降低接触热阻的电池散热组件及模组

技术领域

本发明涉及动力电池热管理，具体是涉及一种具有抑制热蔓延和降低接触热阻功能的电池散热组件及动力电池模组。

背景技术

通常会在电池模组的各电池单元间填充一些功能性材料，以达到固定、导热、阻燃、防震的要求。然而，在长时间的循环过程中，电池单元的热胀冷缩和填充材料的疲劳失效可能会导致电池单元和填充材料之间形成接触间隙，产生额外的接触热阻。如果接触间隙无法恢复，将不能保证电池模块的热安全性和结构稳定性。此外，电池单元在发生热失控时会向周围电池进行传热，如果不及时阻断相邻电池间的传热路径，会使得整个电池模组发生热蔓延。同时，热失控电池单元还会出现明火燃烧的情况，会进一步加剧电池模组的热失控程度。

发明内容

针对以上缺点，本发明提供一种具有抑制热蔓延和降低接触热阻功能的动力电池模组设计，通过结合相变冷却和风冷提高散热效率，另一方面通过弹性件的压缩和回弹保证动力电池单元始终与散热板紧密贴合，避免存在接触热阻导致散热板失效。

技术方案：本发明公开一种具有抑制热蔓延和降低接触热阻功能的电池散热组件，包括散热板，所述散热板包括封装材料、支撑框架和散热材料，所述散热材料填充在支撑框架的结构中，所述封装材料对支撑框架和散热材料进行密封封装；

所述散热板设置有弹性件，使得所述散热板与所述动力电池单元紧贴。

作为优选，所述支撑框架具有蜂窝结构，所述散热材料填充在所述蜂窝结构中，且蜂窝结构中的各散热材料相互独立；所述蜂窝结构的孔隙密度和孔隙尺寸根据冲击条件进行调整。

作为优选，根据所述动力电池单元的温度分布特性，对支撑框架中的散热材料分布进行梯度设计，对于动力电池单元根据温度进行区域划分，对温度高于40℃的区域，，支撑框架对应的蜂窝结构中设置高潜热和低熔点的散热材料进行散热；对温度低于40℃的区域，，支撑框架对应的蜂窝结构中设置低潜热和高熔点的散热材料进行均温；所述散热材料是具有柔性的相变材料，所述相变材料的柔性随温度升高而增大，所述散热材料的熔点范围在35℃至65℃之间，所述散热材料的潜热在150J·g

作为优选，所述封装材料具有导热和阻燃的特性，所述封装材料在外部火源持续加热30s后不发生燃烧。

作为优选，压缩件对称分布在散热板的两侧。

作为优选，压缩件能够在动力电池热膨胀时自然压缩，在动力电池单元冷缩时自然回弹，保证动力电池单元始终与散热板紧密贴合。

作为优选，电池散热组件采用成对的散热板，此时所述弹性件固定于一对散热板之间，该压缩件初始状态为压缩状态，并能够在散热板运动方向上压缩或伸长。

作为优选，电池散热组件采用单个散热板，此时所述弹性件固定于散热板与动力电池之间。

作为优选，所述弹性件的两端分别固定在一对散热板的相对面上，中间部分与流道等宽，初始状态为压缩状态，对流道中的流体进行扰流。

作为优选，所述弹性件的两端分别固定在散热板和动力电池的相对面上，对于动力电池单元膨胀量大于200μm的区域，弹性件的数量适当增加，且弹性件的劲度系数小于25N/mm；对于动力电池单元低膨胀小于200μm的区域，弹性件的数量适当减小，且弹性件的劲度系数大于25N/mm。

作为优选，一对所述散热板间设置有流道，将该流道封装，构成液冷流道。

作为优选，所述弹性件为压缩弹簧或具有弹性的金属橡胶。

本发明还公开了一种动力电池模组，包括上述的电池散热组件，还包括若干依次排列的动力电池单元，相邻所述动力电池单元基于所述散热组件间隔开，且所述散热组件的流道与所述动力电池单元的大面同向，所述流道能够通过气流；所述散热组件能够在若干动力电池单元热膨胀时进行压缩，在若干动力电池单元冷缩时进行回弹，保证若干动力电池单元能够始终与散热板紧密贴合。

有益效果：

本发明相对于现有技术，其显著优点是利用散热板和压缩弹簧组合的形式取代传统的风冷流道，一方面通过结合相变冷却和风冷提高散热效率，另一方面通过压缩弹簧的压缩和回弹保证动力电池单元始终与散热板紧密贴合，避免存在接触热阻导致散热板失效。此外，散热板和压缩弹簧的组合形式也能抑制动力电池单元发生热失控时的热蔓延。

散热板还可以用作动力电池单元的碰撞防护结构，对动力电池单元在发生外部冲击时起到缓冲和保护的作用。

附图说明

图1为本发明电池模组结构示意图；

图2为散热板结构爆炸图；

图3为散热板和压缩弹簧组合结构正视图；

图4为散热板中压缩弹簧分布示意图；

图5为散热板中压缩弹簧两侧分布结构正视图；

图6为不同压缩弹簧结构正视图；

图7为支撑框架结构正视图；

图8为散热板变形设计示意图；

图9为散热结构爆炸图；

图10为2C放电倍率下动力电池单元有无设置散热板的温度曲线；

图11为2C放电倍率下动力电池单元有无设置散热板的变形和应力云图；

图12为2C放电倍率下不同风冷电池模组有无散热板时中间截面温度云图；

附图标记：100-动力电池单元，200-散热板，201-封装材料，202-支撑框架，203-散热材料，300-压缩弹簧。

具体实施方式

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。

如图1所示，本实施例中一种具有抑制热蔓延和降低接触热阻功能的动力电池模组设计，包括若干动力电池单元100和散热板200，若干动力电池单元100依次排列。

其中，相邻动力电池单元100间设置有两块散热板200，散热板200与动力电池单元100紧密贴合，相邻散热板200间设置有压缩弹簧300，且相邻散热板200间的间隙作为冷却空气的流道。

在实际使用过程，当散热板200的使用数量为两块时，可以采用具有弹性的金属橡胶替代压缩弹簧300设置在相邻散热板200之间，在动力电池单元100热膨胀时进行压缩，在动力电池单元100冷缩时进行回弹，保证动力电池单元100能够始终与散热板紧密贴合；当散热板200的使用数量为一块时，将具有弹性的金属橡胶设置在散热板200和动力电池单元100之间，在动力电池单元100热膨胀时进行压缩，在动力电池单元100冷缩时进行回弹，保证动力电池单元100的热量能够有效地传导给散热板200。此外，当动力电池单元100的产热量较大时，可将相邻散热板200间的流道进行封装，构成液冷流道，提高散热效率。

如图2所示，在本实施例中，散热板200包括封装材料201、支撑框架202、散热材料203，散热材料203填充在支撑框架202的蜂窝结构中，封装材料201对散热材料203和支撑框架202进行密封封装。封装材料201厚度为1mm,支撑框架202的高度为4mm，散热材料203高度为4mm,封装材料201、支撑框架202和散热材料203的长度和高度与动力电池单元100的长度和高度保持一致。

在实际使用中，封装材料201具有导热和阻燃的特性，一方面能够将动力电池单元100所产生的热量传导给散热材料203，另一方面能够在动力电池单元100发生热失控燃烧时，避免发生火焰蔓延。封装材料201在外部火源持续加热30s后不发生燃烧。支撑框架202具有蜂窝结构，支撑框架202的材料可以是非金属材料，如芳纶纤维，也可以是金属材料，如铝合金和铜。散热板200还可以用作动力电池单元100的碰撞防护结构，对动力电池单元100在发生外部冲击时起到缓冲和保护的作用，此时，支撑框架202的蜂窝结构所对应孔隙密度和孔隙尺寸可根据冲击条件进行调整，当外部冲击较大时，蜂窝结构具有较大的孔隙密度和较小的孔隙尺寸；当外部冲击较小时，蜂窝结构具有较小的孔隙密度和较大的孔隙尺寸。散热材料203是具有柔性的相变材料，相变材料的柔性随温度升高而增大。散热材料203的熔点范围在35℃至65℃之间，潜热在150J·g

如图3所示，在本实施例中，压缩弹簧300两头分别固定在散热板200中，形成一个整体。相邻散热板200间设置有流道，流道宽度为3mm，压缩弹簧300的裸露长度与流道等宽，对流道中的冷却流体进行扰流。

在实际使用中，散热板200的厚度和相邻散热板200的间距根据动力电池单元100的产热量进行调整，当动力电池单元100的产热量较大时，增加散热板200中支撑框架202和散热材料203的厚度，同时增大相邻散热板200间的流道宽度；当动力电池单元100的产热量较小时，减小散热板200中支撑框架202和散热材料203的厚度，同时减小相邻散热板200间的流道宽度。压缩弹簧300的长度根据散热板200的厚度和动力电池单元100的热膨胀量进行调整，压缩弹簧300需要在动力电池单元100热膨胀时自然压缩，在动力电池单元100冷缩时自然回弹，保证动力电池单元100始终与散热板200紧密贴合。

如图4所示，在本实施例中，十个压缩弹簧300梯度分布在散热板200表面，压缩弹簧300的线径为0.3mm，外径为3mm，长度为15mm,压缩弹簧300的顶端嵌入在散热板200内部，实现压缩弹簧300的端固定。

在实际使用中，压缩弹簧300的数量不限于十个，压缩弹簧300的数量和分布根据动力电池单元100的热膨胀特性进行调整，对于动力电池单元100的高膨胀区域，压缩弹簧300的数量适当增加，且压缩弹簧300具有较低的劲度系数；对于动力电池单元100的低膨胀区域，压缩弹簧300的数量适当减小，且压缩弹簧300具有较高的劲度系数。

如图5所示，在本实施例中，压缩弹簧300还可以对称分布在散热板200的两侧。

在实际使用中，当动力电池单元100的产热量较低时，散热板200的数量可调整成单块，且若干个压缩弹簧300对称分布在散热板200的两侧。散热板200和动力电池单元100的间隙构成冷却流道，当冷却流体流经时，压缩弹簧300能够对冷却流体进行扰流，增强冷却流体和动力电池单元100壁面间的对流换热。压缩弹簧300的数量和分布根据动力电池单元100的热膨胀特性进行调整，对于动力电池单元100的高膨胀区域，压缩弹簧300的数量适当增加，且压缩弹簧300具有较低的劲度系数；对于动力电池单元100的低膨胀区域，压缩弹簧300的数量适当减小，且压缩弹簧300具有较高的劲度系数。

如图6所示，在本实施例中，压缩弹簧300可以为图6(a)的普通圆柱弹簧，图6(b)的异性弹簧、图6(c)的锥形弹簧、图6(d)的环形弹簧和图6(e)的碟形弹簧。

在实际使用中，当动力电池单元100的产热量较低时，散热板200的数量可调整成单块，此时压缩弹簧300不带薄板的一端嵌入散热板200中，压缩弹簧300带薄板的一端直接与动力电池单元100的表面接触。动力电池单元100的热量一方面通过压缩弹簧300传导至散热板200内部的散热材料203，一方面通过压缩弹簧300和冷却流体之间的对流进行散热。

如图7所示，在本实施例中，支撑框架202具有蜂窝结构，支撑框架202的厚度为0.3mm，孔隙率为92％。

在实际使用中，支撑框架202的材料可以是非金属材料，如芳纶纤维，也可以是金属材料，如铝合金和铜。散热板200还可以用作动力电池单元100的碰撞防护结构，对动力电池单元100在发生外部冲击时起到缓冲和保护的作用。此时，支撑框架202的蜂窝结构所对应的孔隙密度和孔隙尺寸可根据冲击条件进行调整，当外部冲击较大时，蜂窝结构具有较大的孔隙密度和较小的孔隙尺寸；当外部冲击较小时，蜂窝结构具有较小的孔隙密度和较大的孔隙尺寸。

如图8所示，在本实施例中，支撑框架202可直接放置在相邻动力电池单元100之间，支撑框架202的蜂窝结构的外边与动力电池单元100的侧面贴合。

在实际使用中，支撑框架202的宽度方向具有弹性，当相邻动力电池单元100相向发生热膨胀时，中间的支撑框架202能够向内弹性压缩，支撑框架202的蜂窝结构的外边与动力电池单元100的侧面保持贴合；当相邻动力电池单元100反向发生冷回缩时，中间的支撑框架202能够向外弹性伸展，支撑框架202的蜂窝结构的外边与动力电池单元100的侧面保持贴合。支撑框架202的材料可以是非金属材料，如芳纶纤维，也可以是金属材料，如铝合金和铜。散热材料203填充在支撑框架202的完整蜂窝结构中，封装材料201对散热材料203两端进行密封封装。散热材料203是具有柔性的相变材料，相变材料的柔性随温度升高而增大。支撑框架202的非完整蜂窝结构可以作为风冷流道，结合风冷和散热材料203对动力电池单元100进行散热。

如图9所示，在本实施例中，当支撑框架202直接放置在相邻动力电池单元100之间，支撑框架202的完整蜂窝结构中封装有散热材料203。

在实际使用中，散热材料203填充在支撑框架202的完整蜂窝结构中，封装材料201对散热材料203两端进行密封封装。散热材料203是具有柔性的相变材料，相变材料的柔性随温度升高而增大。支撑框架202的非完整蜂窝结构可以作为风冷流道，结合风冷和散热材料202对动力电池单元100进行散热。

如图10所示，在本实施例中，实验对比了动力电池单元100有无配置散热板200的平均温度。

模拟结果：在25℃初始温度下，动力电池单元100在2C放电倍率下的平均温度为52.4℃，而动力电池单元100两侧设置12mm厚的散热板200后，动力电池单元100在2C放电倍率下的平均温度为41.7℃。

如图11所示，在本实施例中，在计算机数值模拟过程中，动力电池单元100底面为固定面，散热板200的底面只能在x和y方向运动，压缩弹簧300只能在x方向上运动，动力电池单元100的放电倍率为2C，动力电池单元100的热膨胀系数为4.06×10

模拟结果：当动力电池单元100两侧不设置散热板200，在2C放电下，动力电池单元100在厚度方向上的最大变形为6.06μm，动力电池单元100的最大应力为0.296MPa，而动力电池单元100两侧设置散热板200时，同样放电条件下，动力电池单元100在厚度方向上的最大变形为4.07μm，动力电池单元100的最大应力为0.215MPa。压缩弹簧300在厚度方向上的最大变形为0.1929μm，压缩弹簧300的最大应力为2.73MPa。

如图12所示，在计算机数值模拟过程中，若干动力电池单元100的放电倍率为2C，封装材料201为灌封胶，支撑框架202为芳纶纸，散热材料203为熔化区间在37.3℃-44.4℃，熔化潜热在163.2J·g

模拟结果：在25℃初始温度下，若干动力电池单元100在2C放电倍率下的截面温度云图。相比于没有散热板200的情况，配置有散热板200后，U型、Z型和I型风冷电池模组的最高温度分别降低3.41℃，3.75℃，和3.32℃，且最大温差分别降低3.59℃，3.16℃，和2.42℃。

综上所述，本发明公开的动力电池模组设计，通过在相邻动力电池单元间设置散热板，结合相变冷却和风冷对若干动力电池单元进行散热，提高若干动力电池单元的温度一致性，同时相邻散热板的间隙和散热板的阻燃封装材料能够抑制动力电池单元热失控时的热蔓延；在若干动力电池单元发生热胀冷缩时，相邻散热板可以通过弹簧压缩和伸长的相向移动，使动力电池单元能够始终与散热板紧密贴合，保证低接触热阻。本方法不仅能够对动力电池单元进行有效散热，还能保证动力电池单元在全寿命周期中始终与散热板贴合进行散热，同时抑制动力电池单元热失控时的热蔓延。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。