BR112021007110A2 - gestão térmica da bateria por dispersão de líquido de arrefecimento - Google Patents
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Abstract
GESTÃO TÉRMICA DA BATERIA POR
DISPERSÃO DE LÍQUIDO DE ARREFECIMENTO.
A presente invenção refere-se a sistemas de bateria de célula
eletromecânica e métodos associados de operação que são fornecidos com
base na incorporação de uma construção de supressão térmica incluindo um
fornecimento de um hidrofluoroéter eletricamente não condutor
distribuído diretamente a em contato próximo com uma ou mais células
dispostas dentro de um invólucro vedado se uma ou mais células atingirem
um estado térmico inseguro. Calor excessivo gerado por uma ou mais
células faz com que o fluido ferva, gerando vapor que remove o calor de
uma ou mais células e ventila fora do invólucro vedado através de uma
válvula.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "GES-
[001] Este pedido reivindica prioridade ao Pedido Provisório Nor- te-Americano No. de série 62/745.737 depositado em 15 de outubro de 2018 e intitulado "BATTERY THERMAL MANAGMEENT BY COO- LANT DISPERSION", cuja divulgação é incorporada neste documento por referência na medida em que tal divulgação não conflite com a presente divulgação.
[002] A presente divulgação refere-se, de modo geral, a uma ba- teria, e, mais particularmente a uma bateria secundária compreendida por uma pluralidade de células eletromecânicas ou eletrostáticas.
[003] A matéria discutida na seção de antecedentes não deve ser assumida como técnica anterior meramente como um resultado de sua menção na seção de antecedentes. Semelhantemente, um problema mencionado na seção de antecedentes ou associado com a matéria da seção de antecedentes não deve ser assumido ter sido previamen- te reconhecido na técnica anterior. A matéria na seção de anteceden- tes meramente representa diferentes abordagens, que em, e delas, podem ser invenções.
[004] Uma bateria secundária é um dispositivo que consiste em uma ou mais células eletroquímicas ou eletrostáticas, doravante de- nominadas coletivamente como "células" que podem ser carregadas eletricamente para fornecer um potencial estático para energia ou car- ga elétrica liberada quando necessário. A célula é basicamente com- posta por pelo menos um eletrodo positivo e pelo menos um eletrodo negativo. Uma forma comum de tal célula são as células secundárias bem conhecidas embaladas em uma lata de metal cilíndrica ou em um estojo prismático. Exemplos de química usada em tais células secun- dárias são óxido de lítio-cobalto, lítio-manganês, fosfato de lítio-ferro, níquel-cádmio, níquel-zinco e hidreto metálico de níquel. Outros tipos de células incluem capacitores, que podem vir na forma eletrolítica, de tântalo, cerâmica, magnética e incluem a família de super e ultracapa- citores. Essas células são produzidas em massa, impulsionadas por um mercado consumidor cada vez maior que exige energia recarregá- vel de baixo custo para eletrônicos portáteis. A densidade de energia é uma medida da energia total disponível de uma célula em relação à massa da célula, geralmente medida em watts-hora por quilograma ou Wh/kg. A densidade de potência é uma medida do fornecimento de energia da célula em relação à massa da célula, geralmente medida em Watts por quilograma ou W/kg. Tanto a densidade de energia quanto o custo são métricas críticas do valor das baterias de tração, conforme documentado em "Baterias de íon-lítio para veículos híbridos e totalmente elétricos: a cadeia de valor dos EUA", editado por Marcy Lowe, Saori Tokuoka, Tali Trigg e Gary Gereffi, dito ensino aqui incor- porado por referência.
[005] Para atingir o nível de voltagem operacional desejado, as células são eletricamente conectadas em série para formar uma bate- ria de células, que normalmente é chamada de bateria. Para atingir o nível de corrente desejado, as células são conectadas eletricamente em paralelo. Quando as células são montadas em uma bateria, as cé- lulas são frequentemente eletricamente ligadas entre si por meio de tiras de metal, tiras, fios, barramentos, etc., que são soldados, chum- bados ou fixados de outra forma a cada célula para ligá-los na configu- ração desejada.
[006] As baterias secundárias são frequentemente usadas para acionar motores de tração a fim de impulsionar veículos elétricos. Es-
ses veículos incluem bicicletas elétricas, motocicletas, carros, ônibus, caminhões, trens e assim por diante. Essas baterias de tração são ge- ralmente grandes, com centenas ou milhares ou mais células individu- ais conectadas juntas internamente e instaladas em uma caixa para formar a bateria montada.
[007] Os modos de falha dessas células incluem um evento exo- térmico, também conhecido como fuga térmica. Esse recurso torna o uso de tais células altamente perigoso em certas aplicações, como ae- ronaves, veículos ou em aplicações médicas. As causas comuns de fuga térmica incluem sobrecarga, curto-circuito externo ou curto- circuito interno. Sobrecarga e curtos-circuitos externos podem ser evi- tados pelo uso de fusíveis e dispositivos de desconexão de sobreten- são. No entanto, tais dispositivos são ineficazes na prevenção de cur- tos-circuitos internos, uma vez que não há maneira prática de inter- romper os curtos na interface substancialmente grande entre o ânodo e o cátodo interno à célula. Dispositivos de coeficiente térmico positivo às vezes são instalados dentro das células por conveniência e segu- rança aprimorada, mas os dispositivos de coeficiente térmico positivo ainda são incapazes de interromper os curtos internos de ânodo para cátodo, pois eles residem fora desse circuito. Dispositivos de interrup- ção de circuito, sejam mecânicos ou eletrônicos, podem proteger con- tra sobrecarga, mas como também estão fora do circuito ânodo para cátodo, eles são incapazes de fazer qualquer coisa para proteger con- tra curtos internos.
[008] Os eventos térmicos representam uma ameaça substancial para as baterias de tração mencionadas, dado o grande número de células que cada uma contém. A probabilidade de um evento térmico aumenta com o número de células, assim como o potencial de cascata de eventos térmicos para outras células dentro da bateria, resultando em um aumento no potencial de impacto geral do evento. Consequen-
temente, alguma forma de mitigação de fuga térmica é benéfica para a segurança geral da bateria.
[009] Uma nova solução de ter as células imersas em um fluido de hidrofluoroéter eletricamente não condutor foi mostrado para mitigar a fuga térmica, sem a necessidade de bombas ou outro aparelho com- plexo que requeira manutenção ou sujeito a falhas, é ensinada na pu- blicação número US 2009/0176148 A1. Este pedido de patente des- creve a imersão de baterias em um recipiente cheio com um fluido de transferência de calor e contendo um trocador de calor pelo menos parcialmente preenchido com o fluido de transferência de calor. O flui- do é um líquido ou gás e, de preferência, um fluido de transferência de calor, tal como um hidrofluoroéter (HFE) que tem uma temperatura de ebulição baixa, por exemplo, inferior a 80 °C ou mesmo inferior a 50 °C. A vaporização desse fluido contribui para a remoção do calor das baterias imersas.
[0010] Os HFEs estão disponíveis, por exemplo, sob a designação comercial NOVEC Engineered Fluids (disponível na 3M Company, St. Paul, Minn.) ou VERTREL Specialty Fluids (disponível na DuPont, Wilmington, Del.). HFEs particularmente úteis para modalidades dentro da patente acima mencionada incluem NOVEC 7100, NOVEC 7200, NOVEC 71 IPA, NOVEC 71DE, NOVEC 71DA, NOVEC 72DE e NO- VEC 72DA, todos disponíveis na 3M. Conforme descrito no pedido de patente mencionado acima, as células imersas no referido fluido não entram em fuga térmica devido à vaporização do fluido. A imersão de uma célula em um fluido é eficaz na remoção de calor em temperatu- ras bem abaixo do ponto de ignição da célula. Isso tem demonstrado ser verdade, apesar das repetidas tentativas de curto-circuito usando práticas padrão conhecidas por induzirem normalmente tais eventos.
[0011] Uma desvantagem desta abordagem para melhorar a segu- rança das baterias é a dependência de gás e/ou líquido como fluido de transferência. Os HFEs, em particular, são materiais muito escorrega- dios, e o gás ou líquidos dentro da caixa da bateria são propensos a escapar após qualquer abertura sendo formada na caixa, como por impacto ou por permeação direta. Em alguns casos, um reservatório pode ser adicionado para mitigar perdas de material através da caixa ao longo do tempo. O reservatório fornece um backup para o líquido de arrefecimento que escapa com o tempo. Isso também tem o bene- fício adicional de fornecer líquido de arrefecimento adicional à bateria quando necessário.
[0012] Uma desvantagem de ambas as abordagens é a massa do material necessária para implementar tais soluções em baterias de tração em grande escala. A quantidade de fluido necessária para cumprir esses projetos é substancial, uma vez que toda a bateria está cheia de líquido de arrefecimento e há ainda mais massa de líquido de arrefecimento transportada na piscina de líquido de arrefecimento des- crita. HFEs são muito pesados, normalmente duas vezes a densidade de massa da água. Isto é muito desvantajoso para baterias de tração, uma vez que as baterias normalmente já compreendem uma grande parte da massa total do veículo. Como afirmado acima, a densidade de energia gravimétrica é uma métrica crítica para o valor das baterias de tração.
[0013] Outra desvantagem do uso de tanto material é o custo. Normalmente, os HFEs custam cerca de US$ 60/kg. Embora US 2009/0176148 não divulgue especificamente a quantidade de fluido usado nos exemplos comparativos, afirma que as células estão imer- sas. A imersão das células é considerada como sendo pelo menos 20% do volume da célula. A célula A123 usada no experimento tem densidade de 1,7 kg/l, e a HFE tem densidade de 2 kg/l. Com base nessa avaliação, simplesmente inundar uma grande bateria de tração de 100 kWh em energia compreendendo células A123 tem uma massa de 951 kg e requer 223 kg de líquido de arrefecimento. Isso é uma so- brecarga de massa de 23% em comparação com as células sozinhas. O líquido de arrefecimento custaria ainda US $ 13.425 a preços de 2018 e, em comparação com o custo da célula de US $ 30.000, isso representa uma sobrecarga de 44% em comparação com as células sozinhas. Conforme citado acima, o custo geral é uma métrica crítica para o valor das baterias de tração.
[0014] O seguinte apresenta um sumário simplificado a fim de for- necer uma compreensão básica de alguns aspectos de uma ou mais modalidades dos presentes ensinamentos. Este sumário não é uma visão geral extensa, nem se destina a identificar elementos-chave ou críticos dos presentes ensinamentos nem delinear o escopo da divul- gação. Em vez disso, seu objetivo principal é meramente apresentar um ou mais conceitos de forma simplificada como um prelúdio para a descrição detalhada apresentada mais tarde.
[0015] Em uma modalidade dos presentes ensinamentos, um sis- tema de bateria pode incluir um alojamento vedado tendo uma ou mais cavidades internas isoladas. Uma ou mais células da bateria são de- positadas dentro de cada uma das cavidades internas isoladas. Um conduíte interno contínuo percorre ao longo do alojamento vedado, alimentando cada uma dentre uma ou mais cavidades internas isola- das e simultaneamente conectado a um reservatório pressurizado con- tendo um fluido de hidrofluoroéter (HFE) não eletricamente condutor. Cada uma dentre uma ou mais cavidades internas isoladas inclui pelo menos um atuador sensível ao calor que está dentro da proximidade térmica de uma ou mais células da bateria. Cada uma dentre uma ou mais cavidades internas isoladas inclui pelo menos uma porta de venti- lação.
[0016] Se qualquer uma das uma ou mais células dentro de uma das cavidades internas isoladas aquecer suficientemente, isso permite que pelo menos um atuador termossensível se abra, liberando assim o fluido HFE não eletricamente condutor contido dentro do conduíte in- terno contínuo e reservatório pressurizado, de modo que o fluido flui ao redor das células dentro da cavidade interna isolada. O HFE resfria uma ou mais células da bateria por mudança de fase, vaporização, fazendo com que a pressão aumente, forçando assim a ventilação através de pelo menos uma saída de ar, liberando e suprimindo o evento térmico.
[0017] Os desenhos anexos, que são aqui incorporados e consti- tuem uma parte desta especificação, ilustram modalidades da presen- te divulgação e, juntamente com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção. Nos desenhos, em que números de referência semelhantes representam peças semelhantes:
[0018] a Figura 1 ilustra uma vista superior de uma bateria monta- da, de acordo com uma modalidade exemplar; e
[0019] a Figura 2 ilustra um método para impedir um evento de fuga térmica, de acordo com uma modalidade exemplar.
[0020] A descrição a seguir é de várias modalidades de exemplo apenas e não se destina a limitar o escopo, aplicabilidade ou configu- ração da presente divulgação de qualquer forma. Em vez disso, a des- crição a seguir se destina a fornecer uma ilustração conveniente para a implementação de várias modalidades, incluindo o melhor modo. Como se tornará aparente, várias mudanças podem ser feitas na fun- ção e disposição dos elementos descritos nessas modalidades, sem se afastar do escopo das reivindicações anexas. Por exemplo, as eta- pas recitadas em qualquer uma das descrições de método ou proces- so podem ser executadas em qualquer ordem e não estão necessari-
amente limitadas à ordem apresentada. Além disso, muitas das fun- ções ou etapas de fabricação podem ser terceirizadas ou desempe- nhadas por um ou mais terceiros. Além disso, qualquer referência ao singular inclui modalidades plurais e qualquer referência a mais de um componente ou etapa pode incluir uma modalidade ou etapa singular. Além disso, qualquer referência a anexado, fixo, conectado ou seme- lhante pode incluir opção de fixação permanente, removível, temporá- ria, parcial, total e/ou qualquer outra opção de fixação possível. Con- forme usado neste documento, os termos "acoplado", "acoplamento" ou qualquer outra variação dos mesmos, destinam-se a cobrir uma co- nexão física, uma conexão elétrica, uma conexão magnética, uma co- nexão óptica, uma conexão comunicativa, uma conexão funcional e/ou qualquer outra conexão.
[0021] Por uma questão de brevidade, as técnicas convencionais para construção, gerenciamento, operação, medição, otimização e/ou controle de sistema mecânico, bem como técnicas convencionais para transferência de potência mecânica, modulação, controle e/ou uso, podem não ser descritas em detalhes aqui. Além disso, as linhas de conexão mostradas em várias figuras contidas neste documento se destinam a representar exemplos de relações funcionais e/ou acopla- mentos físicos entre vários elementos. Deve-se notar que muitas rela- ções funcionais alternativas ou adicionais ou conexões físicas podem estar presentes em uma estrutura modular.
[0022] Do exposto, será aparente para o leitor que um objeto im- portante e principal da presente divulgação reside no fornecimento de um novo método para evitar fuga térmica de uma célula eletroquímica ou grupo de células. A divulgação tem a vantagem de ter um meca- nismo de resposta automática com base na temperatura da célula e tem massa e impacto financeiro reduzidos em comparação com a téc- nica anterior.
[0023] Com referência agora à Figura 1, uma solução de bateria proposta compreende um invólucro vedado 1 capaz de alojar uma ou mais cavidades internas 3 que são isoladas umas das outras, de modo que o líquido ou gás não pode se mover de uma cavidade para outra. O invólucro pode ser feito de uma ampla variedade de materiais capa- zes de fornecer o suporte mecânico para as células e ter a capacidade de ser completamente vedado. Vários plásticos, incluindo acrilonitrila butadieno estireno (ABS) e metais, incluindo alumínio e aço, são mate- riais adequados para o invólucro vedado 1.
[0024] O invólucro vedado 1 também apresenta um conduíte inter- no contínuo 2 em toda a sua estrutura. O conduíte é encaminhado pa- ra cada uma das uma ou mais cavidades internas 3. O conduíte é acoplado a cada uma das uma ou mais cavidades internas 3 através de pelo menos uma porta de distribuição 10. O conduíte é construído de modo que um fluido 8 empurrado para dentro dele irá passar para todas as cavidades, através de pelo menos uma porta de distribuição 10 durante uma condição de emergência. Uma condição de emergên- cia ocorre quando a temperatura das células de uma bateria 11 exce- de sua temperatura operacional, indicando que é provável que ocorra um evento de fuga térmica. A pelo menos uma porta de distribuição 10 é dimensionada para permitir que fluido de transferência de calor 8 su- ficiente passe em relação ao tamanho da cavidade. A pelo menos uma porta de distribuição 10 é vedada para evitar a passagem de qualquer fluido 8 por uma válvula termicamente sensível 5 durante a operação normal.
[0025] Em uma modalidade de exemplo, uma ou mais válvulas termicamente sensíveis 5 podem ser um plugue simples, feito de um metal que funde a uma temperatura desejada. Metais adequados in- cluem ligas eutéticas ou fusíveis com baixo ponto de fusão, incluindo ligas de chumbo, bismuto e estanho e comumente conhecidas por nomes como Wood's Metal, Rose Metal e Lipowitz's Alloy. Esses me- tais são usados em válvulas de extinção de incêndios, evitando que a água pressurizada saia de um tubo até ser acionada pelo calor, mo- mento em que a liga amolece o suficiente para liberar um tampão de vedação. As uma ou mais válvulas 5 sensíveis ao calor podem, alter- nativamente, compreender um bulbo de vidro sensível ao calor, tam- bém usado em válvulas de extinção de incêndios. Tal como acontece com a liga, o bulbo de vidro é projetado para quebrar como resultado da expansão térmica à medida que aquece, abrindo assim a vedação que restringe o líquido de arrefecimento. Além disso, qualquer outra construção de válvula 5 termicamente sensível pode ser usada para abrir o fluxo de fluido em resposta ao aumento do calor acima de um nível designado. O tamanho, localização e número de uma ou mais válvulas termicamente sensíveis 5 são acionados pela geometria es- pecífica das cavidades internas 3 e podem estar localizados na parte superior, inferior ou lateral da cavidade interna ou qualquer combina- ção dos mesmos. Para uma modalidade de exemplo, a temperatura de uma célula que pode desencadear a fusão de uma válvula termica- mente sensível 5 seria uma célula que excede 70 °C, ou em outra mo- dalidade, uma célula que excede 90°C. Em outra modalidade de exemplo, a temperatura do válvula termicamente sensível 5, que pode desencadear a fusão da válvula termicamente sensível 5, seria a vál- vula excedendo 65°C, ou em outra modalidade a válvula excedendo 85°C. A condição de acionamento varia com base no tipo de célula usada e pode, portanto, ser uma ampla faixa de temperaturas com ba- se na necessidade do projeto e no nível de segurança exigido.
[0026] Um fluido de transferência de calor 8, como um hidrofluo- roéter (HFE) que tem uma temperatura de ebulição baixa, por exem- plo, menos de 80 °C ou mesmo menos de 70 °C, podem ser distribuí- dos dentro do conduíte contínuo. Em uma modalidade alternativa, o fluido de transferência de calor 8 pode ser fornecido externamente a partir do invólucro vedado 1, sendo liberado durante uma condição de emergência. Em uma modalidade de exemplo, o líquido de arrefeci- mento é configurado para começar a ferver a uma temperatura que está em direção à alta faixa de operação das células da bateria 11. Exemplos de classes de materiais para o fluido de transferência de calor 8 são compostos altamente fluorados usados comercialmente para limpar componentes eletrônicos. Exemplos comerciais de líquido de arrefecimentos adequados incluem a família de produtos 3M™ No- vec™ Engineered Fluids, vendidos sob os nomes comerciais HFE- 7100, HFE-7200 e outros. O HFE-7100 tem um ponto de ebulição de 61°C, que é altamente compatível com muitas células eletroquímicas comerciais que têm uma faixa de temperatura operacional de pico de 65°C.
[0027] Um ou mais reservatórios 6 podem ser conectados ao con- duíte através de uma ou mais portas de acesso 9. Esses um ou mais reservatórios 6 podem conter fluido de transferência de calor adicional 8 para complementar o líquido de arrefecimento disperso dentro do conduíte contínuo. Em outra modalidade de exemplo, os reservatórios 6 podem conter a fonte primária do fluido de transferência de calor 8 e o(s) reservatório(s) podem liberar o fluido de transferência de calor 8 para o conduíte contínuo durante uma condição de emergência. Os um ou mais reservatórios 6 também podem fornecer pressurização adicional para aumentar o fluxo de fluido de transferência de calor 8 através do conduíte. Exemplos de tais reservatórios de pressurização 6 são cilindros de pistão com mola 7, bolsas infláveis elásticas ou sim- plesmente alimentados por gravidade.
[0028] Uma ou mais cavidades internas 3 incorporam uma ou mais portas de ventilação 4. As portas de ventilação 4 podem compreender um disco ou placa de liga eutética ou fusível ou um disco de estouro sensível à pressão ou construção semelhante. O tamanho e a locali- zação de um ou mais orifícios de ventilação 4 são conduzidos pela ge- ometria específica das cavidades internas 3 e podem estar localizados na parte superior, inferior ou lateral da cavidade interna ou qualquer combinação dos mesmos. Em uma modalidade de exemplo, as portas de ventilação 4 estão localizadas no topo das cavidades internas 3, para permitir que o vapor escape naturalmente durante uma condição de emergência.
[0029] Dispostas dentro de cada uma das cavidades internas 3 estão uma ou mais células da bateria 11. No exemplo esquemático, dez células do tipo bolsa são mostradas. Alternativamente, as células de bateria 11 podem ser do tipo prismático ou cilíndrico de construção, todas são igualmente compatíveis com a presente divulgação. As célu- las de bateria 11 podem ser conectadas em série ou em paralelo ou uma combinação de série e paralelo. As conexões elétricas podem ser feitas, em uma modalidade de exemplo, por soldagem e/ou chumba- gem, e com tiras de bateria ou barramentos de alumínio ou cobre ou metais semelhantes bem conhecidos dos versados na técnica. As co- nexões externas às células da bateria 11 podem ser feitas, por exem- plo, através de uma das paredes na cavidade interna por passagens eletricamente condutoras. As células da bateria 11 são embaladas de modo a estarem próximas da válvula termicamente sensível 5. Isso permitirá que o calor gerado durante um evento de fuga térmica abra a válvula termicamente sensível 5 e permite que um fluido de transfe- rência de calor 8 flua para as cavidades internas 3. Por exemplo, cada célula de um pacote de bateria pode estar perto o suficiente de modo que uma única célula seja essencialmente a mesma temperatura que a válvula termicamente sensível 5. Em outra modalidade de exemplo, a válvula termicamente sensível 5 pode estar localizada em vários lo- cais em torno de uma cavidade interna das cavidades internas 3, com a intenção de minimizar a distância para a célula mais distante em uma cavidade interna das cavidades internas 3.
[0030] A operação da presente divulgação é desencadeada quan- do uma ou mais células de bateria 11 aquecem além do ponto de atu- ação da válvula termicamente sensível 5. Quando isso acontece, o flu- ido de transferência de calor pressurizado 8 no conduíte e reservatório opcional é liberado para inundar aquela cavidade interna específica, deixando as outras cavidades internas 3 inalteradas. O resultado do fluido de transferência de calor 8 inundando a cavidade é remover o calor das células da bateria 11 através da vaporização de mudança de fase do fluido de transferência de calor 8. À medida que a pressão e/ou calor aumenta, a porta de ventilação abre e libera o gás da vapo- rização do fluido de transferência de calor 8. A superfície de uma ou mais células da bateria 11 é mantida à temperatura de vaporização do fluido de transferência de calor 8, e a fuga térmica é evitada, uma vez que a célula da bateria não pode atingir o ponto de temperatura de ig- nição. O fluido de transferência de calor 8 não é eletricamente condu- tor, não inflamável e não tem ponto de inflamação. Este é um aspecto muito crítico, pois muitos fluidos de transferência de calor além da água, como vários óleos, etilenoglicol, polipropilenoglicol, entre muitos outros, têm pontos de inflamação que estão bem abaixo da temperatu- ra de fuga térmica das células da bateria 11. Esses materiais exibem combustão violenta do líquido de arrefecimento uma vez que as célu- las da bateria 11 atingem temperaturas de fuga térmica e, assim, am- pliando a força destrutiva do evento.
[0031] Os benefícios que a divulgação oferece são reduções de massa substanciais, uma vez que a quantidade de líquido de arrefeci- mento necessária é dimensionada para apenas uma parte do sistema de bateria. Isso está em nítido contraste com a inundação de todas as células no sistema de bateria em fluido de transferência térmica, o que aumenta significativamente a sobrecarga de massa e não fornece maior segurança do que a presente divulgação. A nova abordagem aproveita a baixa probabilidade de que mais de uma célula sofra um curto interno, resultando em um evento térmico potencial a qualquer momento em uma bateria grande. A taxa de falha das células moder- nas é de 0,1 ppm ou 10e-7. Essas probabilidades indicam que uma célula pode sofrer um evento térmico dado um longo período de tempo em um sistema de bateria com um grande número de células 11, mas as probabilidades caem para 10e-14 para duas dessas células sofre- rem um evento térmico ao mesmo tempo. Portanto, é virtualmente im- possível que duas células sofram o mesmo destino simultaneamente em tal sistema. Como a presente divulgação tem a capacidade de de- sarmar um evento térmico de célula única com uma quantidade muito pequena de fluido de transferência de calor 8 especificamente direcio- nado para o local do evento, ela fornece uma solução otimizada, que é uma melhoria significativa.
[0032] Assim, em uma modalidade de exemplo, uma bateria com- preende um sistema de supressão de fuga térmica protegido por um fluido de vaporização de mudança de fase, em que a quantidade total de fluido é 0,2-1X o volume de uma cavidade interna. Em outra moda- lidade de exemplo, a quantidade total de fluido é de 1 - 2X o volume de uma cavidade interna para um sistema com dez a centenas de cavida- des. Em outra modalidade de exemplo, a quantidade total de fluido é 2 - 3X para um sistema com menos de dez cavidades.
[0033] Outro aspecto da presente divulgação é o volume reduzido da bateria. A separação das células 11 da bateria é uma prática co- mum para mitigar a propagação térmica. Mas essa separação não é comum para ser confiável e resultar em uma bateria maior e mais pe- sada. A presente divulgação também reduz o volume e a massa da bateria ainda mais em que a separação das células da bateria 11 pode ser muito pequena. Também é possível, conforme descrito, colocar mais de uma célula em cada cavidade. Embora seja provável que apenas uma célula sofra um evento térmico, as outras células serão minimamente afetadas, devido ao fluido de transferência de calor 8 distribuído por toda a cavidade compartilhada.
[0034] Assim, em uma modalidade exemplar, uma bateria com- preende um sistema de supressão de fuga térmica protegido por um fluido de vaporização de mudança de fase, em que o volume adicional do fluido de transferência de calor 8 protegendo a bateria é 1 - 10% do volume total das cavidades internas 3 da bateria. Mais preferencial- mente, o volume adicional do fluido de transferência de calor 8 que protege as células da bateria 11 é de 1 - 5% do volume total das cavi- dades internas 3 da bateria. Em outra modalidade de exemplo, o vo- lume adicional do fluido de transferência de calor 8 que protege as cé- lulas da bateria 11 é de 3 a 5% do volume total das cavidades internas 3 da bateria. Assim, em uma modalidade de exemplo, uma bateria compreende um sistema de supressão de fuga térmica protegido por um fluido de vaporização de mudança de fase, em que a massa adici- onal do fluido de transferência de calor 8 protegendo a bateria é 1 - 10% da massa da bateria se houvesse nenhum fluido de transferência de calor de proteção 8. Mais preferencialmente, a massa adicional do fluido de transferência de calor 8 protegendo as células da bateria 11 é de 1 - 5% da massa da bateria se não houvesse o fluido de transfe- rência de calor 8 protegendo as células da bateria 11. Em outra moda- lidade de exemplo, o adicional a massa do fluido de transferência de calor 8 protegendo as células da bateria 11 é de 3 - 5% da massa da bateria se não houvesse fluido de transferência de calor 8 protegendo as células da bateria 11. A maior economia de massa e volume ocorre em grandes sistemas que compreendem centenas de cavidades inter- nas 3.
[0035] Agora com referência à Figura 2, um método para impedir um evento de fuga térmica, de acordo com uma modalidade exemplar, é ilustrado. O método compreende aquecer uma célula acima de um ponto de acionamento (etapa 202). Isso pode ocorrer conforme uma célula entra na fuga térmica, conforme descrito neste documento. O método compreende ainda derreter uma válvula termicamente sensível em resposta à célula, gerando uma quantidade de calor acima do pon- to de acionamento (etapa 204). O método compreende ainda quebrar uma vedação na porta de distribuição, em resposta ao derretimento da válvula termicamente sensível (etapa 206). O método compreende ainda liberar um fluido de transferência de calor na cavidade para res- friar a célula (etapa 208). Em uma modalidade exemplar, o fluido de transferência de calor pode ser disposto em um conduíte acoplado à válvula termicamente sensível. Em outra modalidade exemplar, o flui- do de transferência de calor pode ser disposto em um reservatório fora do conduíte e o fluido de transferência de calor pode ser liberado no conduíte, em resposta ao derretimento da válvula termicamente sensí- vel. Em uma modalidade exemplar, o fluido de transferência de calor pode ser pressurizado para melhorar o fluxo do fluido de transferência de calor através do conduíte. O método pode compreender ainda ven- tilar um vapor do fluido de transferência de calor por uma porta de ven- tilação (etapa 210).
[0036] Um sistema de bateria é divulgado neste documento. O sis- tema de bateria pode compreender uma pluralidade de cavidades e reservatório comum. Cada cavidade na pluralidade de cavidades pode compreender uma pluralidade de células. Cada cavidade na pluralida- de de cavidades pode estar em comunicação fluida com uma válvula termicamente sensível. O reservatório comum pode ser conectado a uma respectiva cavidade na pluralidade de cavidades por um conduíte interno em comunicação fluida, com cada respectiva válvula termica-
mente sensível. O sistema de bateria pode ser configurado para resfri- ar a fuga térmica em uma das células na pluralidade de células em uma respectiva cavidade por resfriamento de vaporização.
[0037] Em várias modalidades, cada cavidade pode compreender ainda um respiradouro. O reservatório comum pode ser configurado para fornecer um sistema de resfriamento passivo, em que o reserva- tório é pressurizado quando a fuga térmica ocorre em uma célula em uma respectiva pluralidade de células. O reservatório comum pode conter fluido suficiente para evitar fuga térmica em não mais do que uma das cavidades na pluralidade de cavidades.
[0038] Embora os princípios desta divulgação tenham sido mos- trados em várias modalidades, muitas modificações de estrutura, ar- ranjos, proporções, elementos, materiais e componentes (que são par- ticularmente adaptados para um ambiente específico e requisitos ope- racionais) podem ser usados sem se afastar dos princípios e escopo desta divulgação. Estas e outras alterações ou modificações se desti- nam a ser incluídas no escopo da presente divulgação e podem ser expressas nas seguintes reivindicações.
[0039] A presente divulgação foi descrita com referência a várias modalidades. No entanto, um versado na técnica reconhece que várias modificações e mudanças podem ser feitas sem se afastar do escopo da presente divulgação. Consequentemente, o relatório descritivo deve ser considerado em um sentido ilustrativo, em vez de restritivo, e todas essas modificações se destinam a ser incluídas no escopo da presente divulgação. Da mesma forma, benefícios, outras vantagens e soluções para problemas foram descritos acima, em relação a várias modalida- des.
[0040] No entanto, benefícios, vantagens, soluções para proble- mas e qualquer elemento(s) que podem fazer com que qualquer bene- fício, vantagem ou solução ocorra ou se torne mais pronunciado, não devem ser interpretados como um recurso ou elemento crítico, obriga- tório ou essencial de qualquer ou todas as reivindicações. Tal como aqui utilizado, os termos "compreende", "compreendendo" ou qualquer outra variação dos mesmos, destinam-se a cobrir uma inclusão não exclusiva, de modo que um processo, método, artigo ou aparelho que compreende uma lista de elementos não inclui apenas esses elemen- tos, mas podem incluir outros elementos não expressamente listados ou inerentes a tal processo, método, artigo ou aparelho.
[0041] Quando linguagem semelhante a "pelo menos um de A, B ou C" ou "pelo menos um de A, B e C" é usada nas reivindicações ou especificação, a frase pretende significar qualquer um dos seguintes: 1 em pelo menos um de A; 2 pelo menos um de B; 3 pelo menos um de C; 4 pelo menos um de A e pelo menos um de B; 5 pelo menos um de B e pelo menos um de C; 6 pelo menos um de A e pelo menos um de C; ou 7 pelo menos um de A, pelo menos um de B e pelo menos um de C.
Claims (15)
1. Sistema de bateria caracterizado pelo fato de que com- preende: um invólucro vedado; uma pluralidade de cavidades dentro do invólucro vedado, cada cavidade na pluralidade de cavidades compreendendo uma plu- ralidade de células, em que cada cavidade na pluralidade de cavida- des é isolada fluidamente de todas as outras cavidades na pluralidade de cavidades; um conduíte interno girado na pluralidade de cavidades; uma pluralidade de válvulas termicamente sensíveis, cada válvula termicamente sensível na pluralidade de válvulas termicamente sensíveis, criando uma vedação entre o conduíte interno e uma res- pectiva cavidade na pluralidade de cavidades.
2. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que compreende, ainda, uma pluralidade de portas de distribuição, cada porta de distribuição fluidamente acoplada a uma respectiva cavidade na pluralidade de cavidades e no conduíte interno.
3. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 2, ca- racterizado pelo fato de que cada válvula termicamente sensível é dis- posta em uma respectiva porta de distribuição na pluralidade de portas de distribuição.
4. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que compreende, ainda, um fluido de transfe- rência de calor distribuído dentro do conduíte interno, em que o fluido de transferência de calor é dimensionado e configurado para evitar um evento de fuga térmica em apenas uma cavidade da pluralidade de cavidades.
5. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 1, ca-
racterizado pelo fato de que compreende, ainda, um reservatório de pressurização tendo uma porta de acesso acoplada ao conduíte inter- no, em que o reservatório de pressurização está em comunicação flui- da com a pluralidade de cavidades pelo conduíte interno.
6. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 5, ca- racterizado pelo fato de que o reservatório de pressurização é configu- rado para pressurizar um fluido de transferência de calor para melho- rar um fluxo de fluido de transferência de calor através do conduíte in- terno durante um evento de fuga térmica.
7. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que compreende, ainda, uma fonte de um flui- do de transferência de calor, em que a fonte e o fluido de transferência de calor estão localizados fora da cavidade durante a operação de fu- ga não térmica.
8. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 7, ca- racterizado pelo fato de que o fluido de transferência de calor é apenas fornecido a uma respectiva cavidade da pluralidade de cavidades, que compreende células que estão apresentando fuga térmica.
9. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 8, ca- racterizado pelo fato de que o fluido de transferência de calor tem um volume fluido entre 1 e 10% de um volume total da pluralidade de ca- vidades.
10. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o fluido de transferência de calor tem uma massa fluida entre 1 e 10% de uma massa do sistema de bateria sem o fluido de transferência de calor.
11. Método para prevenir um evento de fuga térmica, carac- terizado pelo fato de que compreende: derreter uma válvula termicamente sensível devido a uma célula gerando uma quantidade de calor acima de um ponto de acio-
namento da válvula termicamente sensível próxima à célula, a válvula termicamente sensível sendo acoplada a uma porta de distribuição, a célula disposta em uma cavidade de uma pluralidade de cavidades; quebrar uma vedação na porta de distribuição devido à fu- são da válvula termicamente sensível; e liberar um fluido de transferência de calor através da porta de distribuição para a cavidade para resfriar a célula, cada cavidade na pluralidade de cavidades isolada fluidamente da cavidade, em que o fluido de transferência de calor é apenas liberado na cavidade.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracteriza- do pelo fato de que o fluido de transferência de calor é liberado de um reservatório em resposta à fusão da válvula termicamente sensível.
13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracteriza- do pelo fato de que liberar o fluido de transferência de calor ainda compreende pressurizar o fluido de transferência de calor para melho- rar um fluxo de fluido de transferência de calor através de um conduíte interno.
14. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracteriza- do pelo fato de que compreende, ainda, ventilar um vapor do fluido de transferência de calor por uma porta de ventilação.
15. Sistema de bateria, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma pluralidade de portas de ventilação, cada porta de ventilação na pluralidade de portas de ventilação acoplada a uma respectiva cavidade na pluralidade de cavidades.
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