CN113131065A - 一种高比能锂电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高比能锂电池装置，包括软包电芯、翅片散热板、导热金属板、橡胶板、前后固定板、上盖板、下盖板、紧固丝杆及螺母组件，分为电源模块、热管理模块、封装外壳模块三部分；本发明提供的锂电池壳体装置，可以将软包电芯在放电过程中所释放的大量热量快速导出至外界大气中，将电芯的温度控制在一定的范围内；同时利用自身结构特点避免软包电芯在放电时由于体积膨胀造成的内应力过大导致的外壳结构受损；本发明结构简单、可靠，导热性能良好，可根据需求模块化安装，整体功率/质量比值大。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池装置，特别涉及一种对散热有特殊要求的高空无人飞行器用大功率、高比能锂电池装置。
背景技术
高比能锂电池是上世纪70年代率先进入商用市场的固体正极电池，常见的如锂氟化碳电池灯，此类电池具有突出优点：1、质量比能高，低倍率放电比能量超过700Wh/kg；2、安全性能好，氟化碳分解温度高达400℃，是锂原电池中安全性最好的体系；3贮存性能好，可以长期贮存，自放电率小，年自放电率不超过2%。但是由于其放电特点，其放电过程中伴随着发热，同时体积膨胀会对约束其膨胀的封装外壳造成较大的应力。
高比能锂电池工作时会产生大量的热量及体积膨胀。针对放电过程中产生的大量热量一般要设计热管理模块冷却电源模块，同时针对电芯放电过程中产生的体积膨胀设计具有足够强度或预留足够膨胀空间的的封装模块来克服体积膨胀产生的较大应力。
为满足上述特殊高比能锂电池工作时会产生大量的热量及体积膨胀，一般都采用主动散热热管理模块及较大尺寸机械结构装置克服膨胀应力，不仅结构复杂、成本高、尺寸重量大且可靠性较低，难以满足高空无人飞行器对电池装置高比能、小尺寸、低重量的要求。
发明内容
本发明提供一种结构更紧凑、质量更轻的高比能锂电池模块装置，以满足高比能锂电池工作时热管理要求并克服体积膨胀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高比能锂电池装置，由封装外壳模块、热管理模块和电源模块三部分组成；所述的封装外壳模块由前后固定板、上盖板、下盖板、紧固丝杆、弹簧垫圈及螺母等主要零部件构成；所述的电源模块包含串联的多组氟化碳软包电芯，通过前后固定板上部的两个通孔导出电源总正电缆与总负电缆；所述的热管理模块由导热金属板和设置在导热金属上下两端的翅片散热板以及橡胶板等零部件构成；所述的软包电芯紧贴在导热金属板上，相邻的两个软包电芯之间设置有橡胶板，所述的翅片散热板由多个水平排列的散热翅片连接形成，所述散热翅片的左右两端均匀分布有向斜上方延伸的鳍片，散热翅片中间部位设有供导热金属板插入的内部凹槽，紧固丝杆穿过两块前后固定板上居中设置的通孔，通过螺母组件将封装外壳模块与电源模块固定在一起，安装紧固丝杆及电源总正与总负电缆的通孔，最后使用胶体封装。
所述的一种高比能锂电池装置，其软包电芯贴合在导热金属板一侧。
所述的一种高比能锂电池装置，其前后固定板、上盖板、下盖板和翅片散热板通过焊接方式紧固连接。
所述的一种高比能锂电池装置，其软包电芯有20组，导热金属板有30片，橡胶板有10块。
所述的一种高比能锂电池装置，其导热金属板是厚度为2mm、热导率为230W/m.k左右的1060铝合金。
所述的一种高比能锂电池装置，其翅片散热板是厚度为0.8～1mm的6063铝合金。
所述的一种高比能锂电池装置，其翅片散热板的内部凹槽宽度比导热金属板厚度小0.02～0.05mm。
所述的一种高比能锂电池装置，其翅片散热板的鳍片与水平倾角为60°，四层鳍片相互间距3mm。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种可模块化组装的大功率锂电池装置通过导热金属板及两端的翅片散热板进行散热，利用外部大气的低温特点实现自然冷却；通过内部均布的特殊橡胶板避免电芯局部温升过高并大大减弱因电芯体积膨胀传导至封装外壳上的压应力，实现电池装置整体结构紧凑、外形尺寸小、重量轻。
附图说明
图1是本发明主视方向的外形结构示意图；
图2是图1中A-A方向的剖视图；
图3是本发明俯视方向的外形结构示意图；
图4是图3中B-B方向的剖视图；
图5是本发明翅片散热板的截面示意图。
图中标记对应的构件名称为：1—软包电芯，2—翅片散热板，3—导热金属板，4—橡胶板，5—前后固定板，6—上盖板，7—下盖板，8—紧固丝杆，9—螺母组件。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明如下。
实施例1
如图1至图4所示，作为基本实施例，本发明公开的一种高比能锂电池装置，分为电源模块、热管理模块、封装外壳模块三部分。
其中多组串联的氟化碳软包电芯1构成电源模块，软包电芯1通过前后固定板5上部的两个通孔导出电源总正电缆与总负电缆。
其中翅片散热板2、导热金属板3、橡胶板4等零部件构成热管理模块，翅片散热板2分别设置在导热金属板3上下两端。
其中前后固定板5、上盖板6、下盖板7、紧固丝杆8、螺母组件9及垫圈、弹簧等主要零部件构成封装外壳模块。
所述的电源模块中包含20组软包电芯1，其总正接口与总负接口通过导线穿过前后固定板5的通孔输出电能。
所述的橡胶板4具有一定的弹性，并在初始装配时厚度方向具有一定的压缩量，保证软包电芯1始终紧贴在导热金属板3一侧，在软包电芯1放电产生体积膨胀时，橡胶板4会被进一步压缩，大大减弱因电芯体积膨胀传导至封装外壳上的压应力；橡胶板4具有较高的热阻，其保证电芯放电产生的大量热量不会快速传导至橡胶板4另一侧的电芯上，避免电芯局部热量累积；橡胶板4在温升达到设定值时会通过相变吸热融化。
所述的翅片散热板2由多个水平排列的散热翅片连接形成，所述散热翅片的左右两端均匀分布有向斜上方延伸的鳍片，散热翅片中间部位设有供导热金属板3插入的内部凹槽，安装时翅片散热板2内部的凹槽通过盈配合将导热金属板固定，通过外部均布的鳍片倾斜、等距分布增大散热面积。
所述的导热金属板3厚度均一且具有很高的热导率，软包电芯1紧贴在导热金属板3上，导热金属板3均布卡在两侧翅片散热板2的内凹槽中，当软包电芯1放电产生的大量热量通过导热金属板3传导至两侧的翅片散热板2上。
紧固丝杆8穿过两块前后固定板5上居中设置的通孔，通过弹簧垫圈及螺母将封装外壳模块与电源模块固定在一起，安装紧固丝杆8及电源总正与总负电缆的通孔，最后使用胶体封装。
实施例2
结合本发明结构、技术原理对本发明显著效果作进一步说明如下：
所述电源模块包含20组软包电芯1，通过前后固定板5上部两个通孔导出电源总正与总负电缆。热管理模块中的10块橡胶板4具有一定的弹性，并在初始装配时厚度方向具有0.5mm的压缩量，保证软包电芯1始终紧贴在导热金属板3一侧，在软包电芯1放电产生体积膨胀时，橡胶板4会被进一步压缩，橡胶板4可达的最大形变量等于单个软包电芯1厚度方向膨胀量的1.8倍。
橡胶板4大大减弱因电芯体积膨胀传导至封装外壳上前后固定板5的压应力；橡胶板4具有较高的热阻，其保证电芯放电产生的大量热量不会快速传导至橡胶板另一侧的电芯上，避免电芯局部热量累积；橡胶板4在温升达到设定值（本实施例中相变温度与电芯最高允许放电温度相比低25℃）时会通过相变吸热融化。
本实施例中导热金属板3优选厚度为2mm，本实施例中使用1060铝合金，热导率为230W/m.k，30片导热金属板3均布卡在两侧翅片散热板的内凹槽中。
如图5所示，本实施例中的翅片散热板2优选使用铝合金6063，截面厚度为0.8～1mm，其内部为均布的凹槽用于固定导热金属板3，本实施例中凹槽宽度比导热金属板3厚度小0.02～0.05mm，在可装配的前提下降低了传热过程中的接触热阻；其外侧散热鳍片采用黑色阳极氧化发黑处理，以增大散热表面的发射率和辐射换热量。外部为倾斜、等距均布的散热鳍片，本实施例中翅片与平面倾角为60°，四层翅片相互间距3mm，使其具备更大的散热长度。
热管理模块的工作原理：软包电芯1放电产生的大量热量通过导热金属板3传导至两侧的翅片散热板2上，再通过凹槽传导至外部的翅片上，与外界冷空气换热，使内部发热电芯实现自然冷却。
所述封装外壳模块中的2块前后固定板5、上盖板6、下盖板7均选用7005或7075铝合金，厚度1mm～2mm。其分别与热管理模块中翅片散热板2通过间隙配合组装在一起，固定后焊接在一起；本实施例中，紧固丝杆8及螺母选用钛合金，弹簧垫圈选用65 Mn材质，三者将前后固定板与电源模块紧固在一起。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
以上各实施例内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种高比能锂电池装置，其特征在于：由封装外壳模块、热管理模块和电源模块组成；所述的封装外壳模块由前后固定板（5）、上盖板（6）、下盖板（7）、紧固丝杆（8）及螺母组件（9）构成；所述的电源模块包含串联的多组氟化碳软包电芯（1），通过前后固定板（5）上的通孔导出电源总正电缆与总负电缆；所述的热管理模块包括导热金属板（3）和设置在导热金属板（3）两端的翅片散热板（2）；所述的软包电芯（1）紧贴在导热金属板（3）上，相邻的两个软包电芯（1）之间设置有橡胶板（4），所述的翅片散热板（2）由多个水平排列的散热翅片连接形成，所述散热翅片的左右两端均匀分布有向斜上方延伸的鳍片，散热翅片中间部位设有供导热金属板（3）插入的内部凹槽，紧固丝杆（8）穿过前后固定板（5）后通过螺母组件（9）将封装外壳模块与电源模块固定在一起，最后使用胶体封装。
2.根据权利要求1所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述的软包电芯（1）贴合在导热金属板（3）一侧。
3.根据权利要求2所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述的前后固定板（5）、上盖板（6）、下盖板（7）和翅片散热板（2）通过焊接方式紧固连接。
4.根据权利要求3所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述的软包电芯（1）有20组，导热金属板（3）有30片，橡胶板（4）有10块。
5.根据权利要求4所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述的导热金属板（3）是厚度为2mm、热导率为230W/m.k的1060铝合金。
6.根据权利要求4所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述的翅片散热板（2）是厚度为0.8～1mm的6063铝合金。
7.根据权利要求6所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述翅片散热板（2）的内部凹槽宽度比导热金属板（3）厚度小0.02～0.05mm。
8.根据权利要求6所述的一种高比能锂电池装置，其特征在于，所述翅片散热板（2）的鳍片与水平倾角为60°，四层鳍片相互间距3mm。
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