一种动力电池隔热防护组件、电芯组件及用电装置的制作方法

本技术涉及新能源，特别涉及一种动力电池隔热防护组件、电芯组件及用电装置。

背景技术：

1、当前新能源汽车动力电池朝着高倍率快充、高能量密度、集成化模组方向快速发展，电池工作温度区间宽、充放电热累积快，热失控触发速度快、火焰喷射温度高、热蔓延剧烈，对电池防护材料及防护结构的综合性能提出极高要求。现有动力电池热防护技术主要分为纯被动隔热防护与纯主动冷却灭火防护两类，存在明显技术短板，无法兼顾长效隔热、极端抗高温冲击、动态智能灭火的一体化防护需求。

技术实现思路

1、本技术提供了一种动力电池隔热防护组件、电芯组件及用电装置，以改善被动防护稳定性差、主动防护可靠性低、全工况适配性不足的缺陷。

2、第一方面，本技术提供了一种动力电池隔热防护组件，在其厚度方向上包括依次设置的第一防护层、第二防护层及第三防护层，其中：

3、所述动力电池隔热防护组件的材料包括陶瓷纤维和气凝胶；

4、所述第一防护层、第二防护层及第三防护层中陶瓷纤维的体积占比逐层递减设置；

5、所述第一防护层、第二防护层及第三防护层中气凝胶的体积占比逐层递增设置；

6、所述第一防护层、第二防护层及第三防护层还设有微流道以供流体通过；

7、所述第一防护层、第二防护层及第三防护层呈一体化成型。

8、本技术通过采用陶瓷纤维与气凝胶体积占比逐层渐变的连续梯度结构，利用两层材料热膨胀系数的差异过渡，可逐级缓释冷热循环产生的热应力。减少传统均质结构因热应力集中导致的热循环开裂、粉化脱落、性能衰减问题，显著延长组件使用寿命，使得在电池全生命周期内防护性能不衰减。微流道与梯度基材采用同质一体化一体化成型，消除了传统分体式流道与隔热层之间的粘接界面或缝制界面，解决了传统结构在高温下因胶粘剂碳化、缝线熔断导致的流道脱落、漏液失效问题；同时，紧密连接减少了层间接触热阻，使得热量能顺利从高温侧传递至微流道被带走，提升了极端热失控工况下的结构完整性和防护可靠性。梯度隔热层提供常态被动隔热，微流道提供极端主动冷却/灭火，实现常态被动隔热防热累积、前兆智能预控防失控、极端主动灭火阻蔓延的全周期协同防护，覆盖电池全生命周期安全需求，解决单一被动隔热无法应对热失控、单一主动冷却能耗高的问题。高纤维含量的第一防护层阻挡外部高温侵入，高气凝胶含量的第三防护层阻断内部热量外传，微流道在中间层快速带走热量，实现双向热管理平衡，既防止外部火源引燃电池，又防止电池内部过热引燃外部，形成双向安全屏障。三层紧密连接形成一个整体构件，提升了组件的整体机械强度，使其能够承受电池包内部的振动和冲击，防止组件在车辆行驶过程中发生位移或松动。

9、一些实施例中，所述陶瓷纤维包括玄武岩纤维、氧化铝纤维、石英纤维、硅酸铝纤维中的至少一种；和/或，

10、所述气凝胶包括二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶中的至少一种。

11、上述陶瓷纤维与气凝胶材料均具备优异的耐电解液腐蚀性能，在电池漏液工况下不发生溶胀、分解，保持防护性能稳定，减少材料失效导致的安全隐患。

12、玄武岩纤维具备超高耐高温性能，可抵御800℃以上瞬时高温喷射，抗火焰冲击性能及抗热辐射性能优异。可作为骨架支撑防止组件在热失控瞬间被烧蚀穿孔，使得在电池喷射火焰冲击下结构不崩塌。氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶可以进一步提升高温耐温上限至1000℃，适配极端高热流密度工况。

13、二氧化硅气凝胶具备纳米多孔结构，导热系数极低，可实现常温长效隔热，有效阻断热量向电池本体传递，减少电池因环境高温或相邻电池热失控而发生热累积，降低空调能耗。氧化铝纤维、石英纤维可以强化热侧抗烧蚀、抗热冲击性能。

14、一些实施例中，所述第一防护层中陶瓷纤维的体积占比为60%~80%，第一防护层（热侧）高纤维占比可以形成致密耐高温屏障，具备耐高温、抗火焰冲击性能，减少基材在热失控初期被高温气流烧蚀穿孔的概率，使得第一道防线不失效；和/或，

15、所述第二防护层中陶瓷纤维的体积占比为20%~60%，具体的第二防护层中陶瓷纤维的体积占比可以从靠近第一防护层的40%~60%渐变至靠近第三防护层的20%~40%，第二防护层（中间）组分连续渐变，通过连续梯度阻抗逐级缓释热流，既阻断热量传递又缓释热循环应力，减少层间因材料突变产生剥离，使得三层结构在长期使用中不分层，减少开裂分化；和/或，

16、所述第三防护层中陶瓷纤维的体积占比为10%~20%。第三防护层（冷侧）高气凝胶占比，导热且柔性优异，可紧密贴合电池模组异形曲面，消除装配间隙，减少因间隙存在导致的热短路风险，减少隔热死角。

17、纤维占比高则强度高，气凝胶占比高则柔性好。实现从热侧的高强度支撑到冷侧的柔性缓冲的力学性能过渡，既保护电池不被硬物磕碰，又避免硬接触损伤电池表皮。

18、一些实施例中，所述第一防护层在25℃下的导热系数为0.025w/(m·k)~0.035w/(m·k)；和/或，

19、所述第二防护层在25℃下的导热系数为0.018w/(m·k)~0.025w/(m·k)；和/或，

20、所述第三防护层在25℃下的导热系数为0.012w/(m·k)~0.018w/(m·k)。

21、通过梯度导热系数设计，第一防护层至第三防护层从高到低，可以实现热流在传递过程中的逐级消耗和衰减，有效阻断热量向电池本体传递，降低电池温升速率，为热管理系统争取反应时间冷侧超低导热系数（0.012w/(m·k)~0.018w/(m·k)）可以实现常温长效隔热，避免电池因环境温差过大、热累积老化，保障电池在适宜温度窗口工作，减少电池热管理系统（btms）的启动频率，降低整车能耗。特定的导热系数匹配有助于电池模组内部温度场均匀分布，减少单体电芯间的温差，提升电池包一致性，延长电池循环寿命，合适的导热系数还可以防止组件表面温度过低，避免在潮湿环境下组件表面产生冷凝水，防止电气短路风险。

22、一些实施例中，所述第一防护层的密度为250kg/m3~400kg/m3；和/或，

23、所述第二防护层的密度为150kg/m3~250kg/m3；和/或，

24、所述第三防护层的密度为80kg/m3~150kg/m3。

25、第一防护层较高密度（250~400kg/m³），第三防护层较低密度（80~150kg/m³），整体密度梯度设计兼顾轻量化与防护性能，同等防护等级下相比传统结构减重明显，直接提升整车续航里程。低密度层柔性优异可以适配异形曲面贴合，减少安装应力，同时低密度多孔结构具有吸能减震作用，可吸收电池充放电膨胀产生的微小形变应力，保护电芯不受机械损伤。低密度材料占用空间小，有助于提升电池包体积能量密度，在有限的电池包空间内装载更多电芯。轻量化组件便于人工或机械手安装，降低生产线工人的劳动强度，提高组装效率。多孔低密度材料具有吸音特性，可辅助降低电池包内部的噪音传递，提升整车的隔音性能。

26、一些实施例中，所述第一防护层、第二防护层及第三防护层的厚度之比为1：（3~7）：（0.5~2）。 可以使得形成热侧致密耐温段、中间梯度隔热段（最厚，主隔热区）、冷侧柔性低导热段的功能分区，实现分级防护，最大化材料性能利用率，避免材料浪费或性能不足。整体厚度控制在合理范围（2.5mm~5mm），占用空间减少，适配电池包高能量密度发展需求，避免防护组件过度占用电池包内部宝贵空间，利于整车布置。中间层较厚提供主要热容，可以吸收突发热量，防止温度瞬时峰值过高，为主动冷却系统启动争取宝贵的时间窗口，提供黄金救援时间。合理的厚度比例确保组件不易弯曲变形，在长期振动环境下，组件仍能保持形状稳定，不与电芯发生摩擦损耗。

27、一些实施例中，所述微流道的直径0.5mm~2mm，需要说明的是，所述微流道直径小于所述第一防护层、第二防护层及第三防护层整体厚度的1/2，以确保微流道的上下两侧均保留有足够厚度的防护层材料，以提供防火隔热性能合支撑性能。当组件整体厚度处于2.5mm~3mm较小区间时，微流道直径优选控制为0.5mm~1.2mm；当组件整体厚度增大至3mm以上，可选用更大直径的微流道，最大不超过2mm，且始终满足微流道直径小于组件整体厚度的1/2；和/或，

28、所述微流道采用分布式或迷宫式均匀布局，流道内嵌于动力电池隔热防护组件三个防护层内部，微流道壁与三个防护层同材质一体化成型，微流道两端预留有流体接口，连通外部流体存储供给单元。

29、分布式或迷宫式均匀布局可以适配不同尺寸模组的全域均匀换热、灭火需求，减少冷却死角，实现快速降温、阻燃、窒息灭火，使得电池包内无局部热点。微流道直径适配多种防护介质例如冷却液、阻燃凝胶、惰性气体流通，实现多介质协同冷却灭火，可根据热失控等级选择不同介质，初期用冷却液，严重时使用凝胶或气体，策略灵活。预留有流体接口，实现组件与外部管路的快速插拔连接，便于后期维护、更换或检修，无需破坏电池包整体结构，降低全生命周期维护成本。

30、一些实施例中，所述动力电池隔热防护组件中集成有温度传感器和/或压力传感器，传感器嵌入式安装于动力电池隔热防护组件内部及电池模组间隙，用于实时采集电池包内部温度与压力数据，其中系统预设触发阈值为：

31、温度阈值120℃~180℃；和/或，

32、压力阈值0.2mpa~0.4mpa。

33、采用温度、压力双参数超限触发逻辑，可精准捕捉热失控初期压力骤升、温度缓升的前兆特征，相比单一温度监测，能更早发现内短路等隐蔽故障，提前介入降温防护，将热失控遏制在萌芽状态，相比传统单一温度触发结构，响应速度更快、防护精度更高，有效弥补单一触发方式响应滞后的缺陷，大幅提升电池热安全冗余，降低误报率，避免不必要的灭火剂浪费。嵌入式安装实时采集数据，可以实现热失控前兆智能预判，为（电池管理系统）系统提供决策依据；同时记录事故前数据，便于事后事故分析和责任认定，传感器被保护在组件内部，避免外部机械冲击、水侵、腐蚀导致的传感器损坏，确保监测数据的长期准确性和可靠性。特定阈值范围匹配锂电池热失控起始特征，使得在不可逆热失控发生前启动防护措施，既不过于敏感导致误触发，也不过于迟钝导致失效，完美适配主流锂离子电池的化学特性，预设阈值可直接联动bms或消防系统，实现毫秒级自动响应，无需人工干预，确保在无人值守工况下，如夜间充电也能安全防护。

34、第二方面，本技术提供了一种电芯组件，包括电芯及设于电芯外表面的如第一方面所述的动力电池隔热防护组件，其中所述第三防护层紧贴电芯设置。防护组件冷侧（低导热柔性层第三防护层）紧密贴合电池电芯，消除装配间隙，杜绝因空气间隙导致的热短路，降低接触热阻，确保隔热性能最大化，同时在需要散热时利于电芯热量向组件传递。无需额外胶黏剂、铆钉固定，依靠材料自身摩擦力和柔性贴合固定，保护周边电芯不被连锁引燃，简化组装工艺，减少紧固件数量，降低bom成本。紧贴设置对电芯充放电过程中的体积膨胀提供一定的约束力，减少电芯过度膨胀导致内部结构损坏，延长电芯循环寿命。

35、第三方面，本技术提供了一种用电装置，包括第二方面所述的电芯组件。