一种电池包的降温并阻燃方法及装置与流程

1.本发明涉及动力电池冷却，特别涉及一种电池包的降温并阻燃方法及装置。


背景技术：

2.随着电气工业的进一步发展，锂离子电池行业备受关注，尤其在电动汽车领域，锂离子电池作为纯电动汽车动力的唯一来源，其研制成本和维护成本占整个电动汽车成本的3～5成，因此锂离子电池的性能指标决定了电动汽车行驶过程中的稳定与安全。锂离子电池工作时会发生化学反应，产生热量，容易导致电池温度升高。若热量得不到释放将会影响电池包的性能，严重时还会出现热失控，发生燃烧或爆炸，影响整车的安全性和可靠性，甚至影响生命财产安全。
3.目前，电动汽车电池包的冷却方式可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却等方式。
4.空气冷却常采用空冷式散热系统，也即风冷式散热系统，其利用外部空气自然对流或者使用泵、阀门等装置进行空气强制对流，使得外部冷空气流经动力电池各模组表面，通过与动力电池模组进行热交换的方式，以实现动力电池冷却。但该方法散热效率低，不能满足高能量密度动力锂电池的散热需求。
5.液体冷却常采用冷却液间接接触动力电池模组来达到冷却的目的。一般地，冷却液在管道中不断循环流动，通过管道与动力电池的接触，将动力电池产生的热量及时带走。常见的冷却液包括水、乙二醇、矿物质油等。
6.相变材料冷却采用相变材料作为传热介质，相变材料在相变中储存能量和放出能量，从而实现对动力电池的低温加热和高温散热。但相变材料的导热率相对较低，导致散热效率不高，所以目前还无法在电动汽车上大规模采用。
7.热管冷却是利用热管来实现动力电池的冷却，将热管与动力电池模组接触，通过管内工质的相变，不仅能够保障动力电池模组维持在正常的工作温度范围内，还能保持各个电池单体模组的温度均匀性。但热管冷却整体结构复杂，且与动力电池模组间接接触，仍然不能满足高密度动力锂电池的散热需求，此外，一旦动力电池发生局部过热或燃烧，采用热管冷却的方式不能有效的发挥阻燃的作用。
8.目前，液体冷却为动力电池包最常见的冷却方式。
9.lg化学专利cn111989381a公开了一种包括不导电油、第一液体和中空无机粒子的散热液组合物，所述第一液体为乙醇、2-丙醇或2-甲基丙醇，中空无机粒子为二氧化硅，将其用于电池模块具有优异的散热性能，且无论组合物的粘度有多大，无机粒子都不会沉淀，能够保持电池在重复充电和放电循环中的散热。但这种散热液组合物含有易燃的乙醇、2-丙醇等物质，一旦动力电池发生爆燃事故，该种组合物不但不能有效的阻燃，反而会加剧电池的燃烧。
10.专利cn105907378a公开了一种包括丙二醇、水、二氧化钛、锆英砂、硼酸经加热搅拌、超声获得的锂电池组冷却液，能够加快锂电池组的热量释放、提高冷却效率，还可用于
防爆燃装置中来提高锂电池的使用安全性。但该冷却液组分复杂，一旦管路泄露，组合物中的水、丙二醇等组分会对电池造成不可逆的损害。
11.丰田公司专利cn112430454a公开了羧酸酯化合物和矿物油的冷却液组合物用于电池的冷却，具有优异的绝缘性和传热特性。但其冷却液组合物中的羧酸酯稳定性差，不能满足长期使用的要求。
12.北京蓝星公司专利cn111218259a公开了一种动力电池冷却液，包括乙二醇、唑类化合物、复合缓蚀剂和去离子水，其通过复配有机特效缓蚀剂，使得冷却液具有优异的金属防腐蚀作用，但其冷却液组分复杂，一旦循环管路泄露，组合物中的水、乙二醇等组分会对电池造成不可逆的损害。
13.道达尔公司专利cn112639047a公开了用于电动或混动车的冷却和阻燃组合物，包括至少8个碳的饱和异链烷烃(如异十六烷)和氟化阻燃剂，但其主要成分为饱和的烷烃，一旦泄露则存在着燃烧的风险，即使在组合物中增加了氟化阻燃剂，仍然存在风险。
14.上述冷却液中，或通过不同组分提高冷却效率，或通过加入有机特效缓蚀剂来防止腐蚀，或通过加入阻燃剂来进行阻燃，不但组分复杂，且多为间接式散热方式，散热效果不佳，一旦冷却液泄露，就会对电池造成不可逆的损害。


技术实现要素：

15.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种结构简单、安全可靠、散热效率高的电池包降温并阻燃方法。
16.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
17.一种电池包的降温并阻燃方法，所述降温并阻燃方法包括：将电池包与液冷介质直接或间接接触，所述液冷介质包括质量百分含量1％～99％的六氟丙烯二聚体和质量百分含量1％～99％的六氟丙烯三聚体。
18.作为优选，将电池包与液冷介质直接接触。
19.更为优选，将电池包浸没于液冷介质中进行直接接触降温，以提高电池包的散热效率。同时，一旦电池包发生过热燃烧，电池包的外包装损坏，液冷介质进入电池包内部，与燃烧点接触，火星接触液冷介质后即刻熄灭，以此达到阻燃效果。
20.为了进一步提高散热效率，及时移除电池包的热量，所述液冷介质连通循环管路进行循环冷却。吸收电池包热量后的液冷介质温度升高，之后进入循环管路，在所述循环管路中与外界空气(温度低于吸收热量后的液冷介质)进行热交换，降低温度后返回，再次对电池包进行散热。
21.作为优选，所述循环管路上设有盘管，以提高液冷介质与外界空气的换热效率。进一步地，可采用外界空气对所述盘管进行吹扫冷却。当然，所述外界空气也可采用其他冷却措施对其先行降温或直接采用低温气体，进一步提高液冷介质与外界空气的换热效率。
22.进一步地，本发明所述液冷介质包括：质量百分含量20％～80％的六氟丙烯二聚体和质量百分含量20％～80％的六氟丙烯三聚体。
23.所述六氟丙烯二聚体包括顺式结构和/或反式结构，如下所示：
[0024][0025]
所述六氟丙烯三聚体包括如下所示的顺式-t1、反式-t1、t2、t3结构中的至少一种：
[0026][0027]
本发明对六氟丙烯二聚体、六氟丙烯三聚体中各同分异构体的含量配比不作具体限定，只要其混合后的液冷介质的沸点、凝固点符合要求即可。
[0028]
为了提高液冷介质的阻燃效果，本发明所述液冷介质还包括第三组分，所述第三组分选自全氟己烷、全氟庚烷、全氟辛烷、全氟己酮、全氟环醚中的至少一种。
[0029]
所述第三组分的质量百分含量为1％～60％，优选10％～50％。
[0030]
本发明所述液冷介质的配制方法如下：常温常压下，按照各组分的质量百分含量采用物理方法混配成为均一稳定的液体。
[0031]
本发明所述液冷介质的沸点为60～90℃，凝固点＜-35℃，且沸腾时的饱和蒸气压≤2个大气压。
[0032]
本发明还提供一种电池包的降温并阻燃装置，所述装置包括：
[0033]
密封容器，所述密封容器内装有液冷介质；
[0034]
电池包，所述电池包浸没在所述液冷介质中；
[0035]
循环管路，所述循环管路连通液冷介质，用于液冷介质的循环冷却。
[0036]
进一步地，所述循环管路上设有盘管，所述盘管与空气接触散热。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
[0038]
1.本发明的液冷介质可与电池包直接接触，提高了散热效率；且一旦发生电池燃烧，液冷介质直接进入电池内部进行灭火阻燃，无需添加额外的阻燃剂进行阻燃；
[0039]
2.本发明的液冷介质不可燃、具有良好的绝缘性和化学稳定性，使用安全可靠；
[0040]
3.本发明的液冷介质与常见金属、非金属材料均具有良好的材料相容性和稳定性，与pet、pa、胶水、塑料、金属(铝合金，钢合金)等具有长期兼容性，不与其发生反应和互溶，适用于动力电池包的冷却，无需添加额外的防腐剂。
附图说明
[0041]
[0042]
图1为本发明实施例的电池包降温并阻燃装置的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
[0044]
本发明实施例、对比例液冷介质涉及组分的基础物性参数如下表1所示：
[0045]
表1液冷介质各组分基础物性参数
[0046][0047]
本发明实施例、对比例的液冷介质的配制如下：按照相应的质量百分比，在常温常压下以液态形式混合，搅拌均匀得到均一稳定的液冷介质，每种组合物的组分质量百分比之和为100％。
[0048]
实施例1：将六氟丙烯二聚体、六氟丙烯三聚体在液相下按20:80的质量百分比进行物理混合。
[0049]
实施例2：将六氟丙烯二聚体、六氟丙烯三聚体在液相下按80:20的质量百分比进行物理混合。
[0050]
实施例3：将六氟丙烯二聚体、六氟丙烯三聚体在液相下按50:50的质量百分比进行物理混合。
[0051]
实施例4：将六氟丙烯二聚体、六氟丙烯三聚体、全氟己酮在液相下按 34:40:26的质量百分比进行物理混合。
[0052]
实施例5：将六氟丙烯二聚体、六氟丙烯三聚体、全氟庚烷、全氟辛烷、全氟己酮在液相下按20:20:15:25:20的质量百分比进行物理混合。
[0053]
对比例1：乙二醇作为冷却介质。
[0054]
对比例2：乙二醇水溶液作为冷却介质，其中，乙二醇与水的质量比为50： 50。
[0055]
对上述实施例及对比例的冷却介质进行物性测试，其中，外观采用目测，均呈现清澈透明且无悬浮物和沉淀物，其他物性测试结果如下表2所示：
[0056]
表2物性测试结果
[0057][0058]
注：表中沸点采用sh/t0089测试，凝点采用sh/t0090测试，传热系数采用astmd2717测试，体积电阻率采用gb/t5654测试。
[0059]
采用ashrae 97-2007方法对上述实施例1～5与金属和非金属材料的相容性进行测试，其质量变化率的测试结果如下表3所示：
[0060]
表3材料相容性测试结果
[0061][0062]
由上表3可知，本发明的液冷介质与金属和非金属材料均具有良好的相容性和稳定性，应用于电池包的降温、阻燃时，与电池包直接接触不会造成腐蚀，无需额外添加防腐剂。
[0063]
图1示意性地给出了本发明实施例的电池包的降温并阻燃装置，包括：密封容器1，
浸没在密封容器内的液冷介质中的电池包2，液冷介质3，连通液冷介质的循环管路4，所述循环管路上设有盘管41，可通过外界空气对液冷介质进行循环散热。
[0064]
将本发明实施例、对比例的液冷介质充注入所述降温并阻燃装置，进行冷却性能测试，测试方法如下：将温度传感器分别连到图1中的电池包的外壳及电池包内部，然后充注液冷介质至密封容器内部高度的80％，然后通过充电0.5h，间歇2h，然后再放电0.5h来记录电池包外壳及电池包内部的最高温度，结果如下表4所示：
[0065]
表4电池包温度测试结果
[0066][0067]
注：实施例1-5的液冷介质，与电池包直接浸没式接触；对比例1、2的冷却介质，通过冷板与电池包间接接触。
[0068]
由上表4可知，本发明的液冷介质与常用冷却介质(对比文件1、2)相比，电池在充放电过程中电池包内部及其外壳的最高温度有明显降低，由此，本公开的液冷介质具有优异的散热性能，应用于电池包直接接触降温具有显著的效果。
[0069]
将本发明实施例、对比例的液冷介质进行灭火浓度测试，测试方法如下：采用蠕动泵以恒定流量将液冷介质输送至气化腔，控制气化腔的温度使液冷介质快速气化，气化后的液冷介质通过质量流量控制器后进入混合腔，与通入到混合腔的一定流量的空气混合形成液冷介质/空气混合气体，在混合腔内充分混合均匀后通入杯式燃烧器与其中燃烧的乙醇火焰作用，进行灭火浓度的测试，测试结果如下表5所示：
[0070]
表5液冷介质灭火浓度测试结果
[0071][0072]
众所周知，全氟己酮为新一代液体灭火剂，而本发明的液冷介质的平均灭火浓度与全氟己酮相当或略低，说明本发明的液冷介质具有较好的灭火性能。一旦电池包发生爆裂或燃烧，液冷介质可进入电池包内部迅速起到阻燃与灭火的效果。