CN102064364A - 用于提高电池安全性的快速冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提高电池安全性的快速冷却系统，具体地，提供了一种具有该系统的电池组。例如，在具有分布在多块互相连接的电池模块间的多个电池单元的电池组中，设置了运行期间冷却系统，以在电池单元的常规充电和放电期间冷却(和/或加热)电池单元(例如，给诸如电动车或者混合动力车内的发动机等负载提供电力)，以及应急冷却系统，响应于指示一个或者多个指示电池单元或者电池模块内可能发生热失控的条件的检出的信号来冷却电池单元。运行期间冷却系统可以包括风机、HVAC单元或者其他流体泵浦装置，以在电池组内引起连续的冷却剂流。与之相比，应急冷却系统包括机械接口，或者适于容纳包含加压冷却剂的容器或者其他快速冷却装置。

Description

用于提高电池安全性的快速冷却系统
相关申请的交叉参考
本申请要求于2009年11月11日提交的发明名称为“用于提高电池安全性的快速冷却系统”的美国临时申请第61/260,394号的优先权，其通过引用结合于此。
技术领域
本发明主要涉及能量存储系统的领域，更具体地，涉及多单元电池系统。
背景技术
当经受过多热或者机械应力时，高能量密度电池(诸如车辆用途的电池)在称为热失控的危险放热反应中可能无法控制地释放其能量并且爆炸或者着火。如果以接近距离使用几块电池(这对于使用电池驱动的车辆来说是很普通的)，一块损坏电池所生成的热能量会传递至其他电池，导致这些邻近电池经历相同的放热反应，从而使连锁危险反应蔓延。
发明内容
为了使人员伤亡和损伤最小化，将多种技术用在汽油动力车辆中以预先使用安全措施。例如，在汽车中，加速计检测在撞车以前的快速减速并且展开用于提高乘客安全性的安全气囊。然而，对于电动车辆，不存在什么机制在撞车以后减小电池机械损坏所导致的失控放热反应的机会。
为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种电池组，该电池组包括：多个电池单元；第一冷却系统，在所述电池单元的常规充电和放电期间冷却所述电池单元；以及第二冷却系统，响应于指示一个或者多个指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出的信号，冷却所述电池单元。
另一方面，本发明提供了一种在具有多个电池单元的电池组内的操作方法，所述方法包括：在所述电池单元的常规充电和放电期间使第一冷却系统冷却所述电池单元；以及响应于对指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出，使第二冷却系统冷却所述电池单元。
又一方面，本发明还提供了一种装置，该装置包括：电池单元；用于使第一冷却系统在所述电池单元的常规充电和放电期间冷却所述电池单元的装置；以及用于响应于对指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出，使第二冷却系统冷却所述电池单元的装置。
综上，本发明所提出的电池系统的快速冷却系统减小损坏时单块电池进入热失控状态的机会，还降低热失控状态将蔓延至组内邻近电池的可能性。
附图说明
在附图的图中以实例的方式(而非限制性的方式)示出了本发明，其中，相同的参考标记表示相似的元件，其中：
图1示出了电池内部的能量分布轮廓图，示出了在已经冷却的材料和没有冷却的相同材料之间的差异；
图2示出了快速冷却电池系统的实施方式；
图3是示出为了实现快速冷却操作，可以在图2中所示的电池管理系统中采取的判定和操作的示例性流程图；以及
图4和图5示出了电池系统和作为整体一部分的电池模块的实施方式的顶视图和侧视图。
具体实施方式
本文所提出的电池系统结合了减小损坏时单块电池进入热失控状态的机会、还降低热失控状态将蔓延至组内邻近电池的可能性的特征。电池单元在受到机械损坏时出现的热失控反应是将电池单元中的成分转换为更稳定的产物的化学反应，在该过程中释放热。
在该反应能够发生以前，反应分子必须到达某能量阈值，或者激活能。如图1所示，提供了分子样本，这些分子的能量分布不均匀。在任意指定温度下，样本中均存在具有等于或者大于激活能的能量的一部分分子。这部分分子反映反应将发生的可能性，并且因此反映反应的总速率。然而，该能量分布受到分子温度的影响。如图1中的“冷却材料”和“常规材料”能量轮廓图所示，通过冷却分子样本，减少了等于或者大于激活能的这部分分子样本，所以也降低了反应发生的可能性，从而降低了反应的总速率。
因此，在包括多块电池单元的电池组的情况下，进行冷却将减小任意热失控反应的速率，使得热失控反应更缓慢地进行从而以更加可控的方式继续。由于从损坏的电池单元发出的热能将首先被吸收以克服冷却的影响，因此放热反应也不太可能蔓延至邻近电池。因此只有剩余的能量可被用于将邻近电池单元的能量提升至其热失控激活能。因此，通过在机械损伤以前冷却所有的独立电池单元，损坏的电池单元经历热失控的时间变长，并且不太可能导致邻近电池单元经历热失控。该反应减缓表现为以下事实：冷却的正常电池由于因较低温度所导致的较慢反应进程，从而以与较热的电池相比更低的速率释放电流。
该电池系统包括热和机械应力传感器，当检测到异常情况时，热和机械应力传感器可以激活快速冷却系统以迅速冷却受到影响的电池，从而为例如为了维持电池的通常工作温度而存在的任意其他冷却机制(例如风机、HVAC(采暖、通风与空调)泵等)提供了应急补充。图2示出了这种快速冷却电池系统200的实施方式的框图。
参照图2，每个电池模块203(其可包括几块电池)具有一个或者多个热传感器和烟传感器(213、215)以及冷却剂罐和输送系统211。尽管不是必需的，但期望在每个电池模块203中分别具有传感器和冷却系统，以当发生事故时使损坏最小化，因为被选择的冷却剂罐/袋211可将冷却剂仅输送至受影响的电池模块。即，冷却剂释放可为应急的、一次性的事件，在其后，受影响的电池模块在被重新用于电力传输目的之前可能需要更换或者维修。整个电池系统具有一个或者多个冲击/加速传感器和倾斜/翻转传感器(207、209)以确定车辆受到的撞击是否会有可能损坏电池。如所示的，快速冷却电池系统200包括电池管理系统201(例如，具有执行存储器存储的程序代码的处理器或者其他控制单元)，该电池管理系统从电池组状况传感器207、209和电池模块传感器(例如，热传感器213、烟传感器215等)接收输入信号202，并且基于电池组和电池模块的状况将各个控制信号204输出至冷却剂罐211，以根据检测到的状况或者条件触发冷却剂释放。尽管没有具体示出，但是电池管理系统201可以执行与单个的电池模块和整个电池组有关的多种其他功能，包括确定正在进行的充电状态(state of charge，SOC)、在正常运行操作期间根据需要控制一个或者多个连续使用的冷却系统以维持常规电池模块/组温度等。
在一实施方式中，电池管理系统(BMS)201执行图3所示的流程图以确定何时激活特定电池模块中的冷却系统。在判定块301、303、305、307处，检查图2中所示的每个传感器以确定事件是否已经发生。BMS检查传感器的顺序对于本发明的不同实施方式可以不同。还可以省略某些传感器并且添加其他不同的传感器以改善可能导致热失控状态的情况的预报的速度和/或精度。如果检测到事件(即，在判定块301、303、305、307的任何一个中的肯定判定)，则在309处释放冷却剂，并且在311处记录事件并传达至车辆的主处理器。
存在多种可用于冷却受影响的电池的其他冷却剂化学制品和分布方法。分别在图4和图5中示出了电池系统400的顶视图和侧视图的一实施方式使用硝酸铵和水，该硝酸铵和水通过打开冷却剂罐405中的阀407来混合。在电池支撑框401中的管421允许将冷却剂注入到电池410之间的空间423，以当传感器(即，加速/冲击传感器411、热传感器413a和烟传感器413b(共同为413)等)检测到指示诸如风机415、HVAC等的标准工作冷却机制不足以防止热失控或者其他危险热事故的事件时允许进行迅速冷却。电源连接器409可以包括一个或者多个接触器(半导体装置、继电器或者其他开关元件)，可以由电池管理系统403打开以使电池模块420(或者全部这种模块420)与负载分离。本发明的其他实施方式可以使用以不同方式分布的诸如制冷冷却剂或者液体形式的惰性气体的其他化学制品。
本文所述的电池组系统使用在该组内的多个传感器，以预报一个或多个电池是否由于自然事故而可能进入危险的热失控状态。如果检测到这种事故，则使用快速冷却系统以减少电池组内的能量。当将该快速冷却系统用于车辆应用时，这将减小撞车以后发生爆炸和/或火灾的可能性。
总结前述内容，例如，在具有分布在多块互相连接的电池模块间的多个电池单元的电池组中，设置了运行期间冷却系统，以在电池单元的常规充电和放电期间冷却(和/或加热)电池单元(例如，给诸如电动车或者混合动力车内的发动机等负载提供电力)，以及应急冷却系统，响应于指示一个或者多个指示电池单元或者电池模块内可能发生热失控的条件的检出的信号来冷却电池单元。运行期间冷却系统可以包括风机、HVAC单元或者其他流体泵浦装置，以在电池组内引起连续的冷却剂流(例如，空气或者其他气体或者液体冷却剂的流动)。与之相比，应急冷却系统包括机械接口，或者适于容纳包含加压冷却剂的容器或者其他快速冷却装置。这种容器可形成为电池组的一部分，或者为了在更大的系统内的安装已经设置了电池组以后(例如，在将要安装电池组的电动车辆的装配期间)将这种容器安装于电池组内。如以上所讨论的，可对每个电池模块分别设置冷却剂罐或者袋(或者任意其他冷却剂容器)，且其内的冷却剂可经由内置在电池模块框中的冷却剂传导管或者冷却剂流管、或者其他冷却剂传导通道释放入电池模块中。应急冷却系统内的冷却剂容器可为一次性释放装置，从而在被使能以将冷却剂释放在电池组内时，为了恢复应急冷却系统的完全可操作性，容器必须被更换或者通过电池组外部的源重新装满。而且，冷却剂的紧急释放(即，来自应急冷却系统的加压罐或者其他冷却容器)可使得电池组或者至少电池模块或者其他一部分电池单元被冷却剂充满或者淹没而不可用于能量传输目的。例如，已经经受了由应急冷却系统进行的快速冷却的电池模块可从负载电流通路被旁路(bypass)或者断开(discouple)，直到以后的维修或者更换(作为电池组修理的一部分)为止。设置电池管理系统以发布(确认)指示一个或者多个指示可能发生热失控的条件的检出的信号，并且还能够在根据需要使第一冷却系统能够运行以维持电池组处于工作温度范围内(例如，根据需要，打开和关闭风机、HVAC单元等)。可以将传感器设置在电池组的内部和/或外部以检测指示可能发生热失控的条件，包括但不限于冲击(例如，经由加速计或者其他冲击检测装置)、翻转、极端温度、存在烟、蒸汽等。电池管理系统还可以包括诸如控制器局域网(controller-area network，CAN)总线接口等的接口，用于将电池组的状况(包括对指示可能发生热失控的条件进行检测)传达至车辆管理系统和/或直接传达至车辆或者电池组为其一部分的其他主机系统的操作者。
虽然已参照本发明的具体实施方式描述了本发明，但在不脱离更宽的主旨和范围的情况下，显然可对其进行各种修改和改变。例如，至少在可行的情况下，可以结合任何其他实施方式或替换其对应特征或者方面来应用任何实施方式的特征或者方面。因此，应以示例性的而非限制性的意义来看待说明书和附图。

Claims (20)

1.一种电池组，包括：
多个电池单元；
第一冷却系统，在所述电池单元的常规充电和放电期间冷却所述电池单元；以及
第二冷却系统，响应于指示一个或者多个指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出的信号，冷却所述电池单元。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第一冷却系统包括在所述电池组内引起连续的冷却剂流的装置，所述第二冷却系统适于容纳包含加压冷却剂的容器。
3.根据权利要求2所述的电池组，其中，所述第二冷却系统包括所述包含加压冷却剂的容器。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第一冷却系统包括流体泵浦装置。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述流体泵浦装置包括风机，其中，经所述流体泵浦装置泵浦的流体包括空气。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述多个电池单元包括设置在各个电池模块中的多个电池子集，其中，每个电池模块包括框；其中，所述第二冷却系统包括多个冷却剂容器，每个冷却剂容器被设置为在各自一个所述电池模块中释放加压冷却剂。
7.根据权利要求6所述的电池组，其中，所述每个电池模块包括具有冷却剂流管的框，以当从相应的冷却剂容器释放所述加压冷却剂时，将所述加压冷却剂分布为遍及所述电池模块。
8.根据权利要求1所述的电池组，进一步包括电池管理系统，根据需要使所述第一冷却系统运行，以将所述电池组维持在工作温度范围内，以及发布指示一个或者多个指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出的信号。
9.根据权利要求8所述的电池组，进一步包括设置在所述电池组内的一个或者多个传感器，以检测一个或者多个指示可能发生热失控的条件，并且当检测到所述一个或者多个条件时用信号通知所述电池管理系统。
10.根据权利要求8所述的电池组，其中，所述电池管理系统包括至车辆管理系统的接口。
11.根据权利要求10所述的电池组，其中，所述接口包括至控制器局域网总线的接口。
12.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二冷却系统包括冷却剂释放装置，其中，当使所述冷却剂释放装置在所述电池组内释放冷却剂时，所述冷却剂释放装置使得至少一个电池子集不可用于向负载释放电流，直到所述电池组被维修为止。
13.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述第二冷却系统包括一次性冷却剂释放装置，其中，在使所述冷却剂释放装置在所述电池组内释放冷却剂后，所述冷却剂释放装置需要更换或者从所述电池组外部的源重新装满冷却剂，以使所述第二冷却系统恢复至完全可操作状态。
14.一种在具有多个电池单元的电池组内的操作方法，所述方法包括：
在所述电池单元的常规充电和放电期间使第一冷却系统冷却所述电池单元；以及
响应于指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出，使第二冷却系统冷却所述电池单元。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述在常规充电和放电期间使第一冷却系统冷却所述电池单元包括：在第一时间间隔期间在所述电池组内引起连续的冷却剂流，其中，使所述第二冷却系统冷却所述电池单元包括从加压容器释放冷却剂。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，在所述电池组内引起连续的冷却剂流包括：打开风机。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述从加压容器释放冷却剂包括：使得至少一个电池子集不可用于向负载释放电流，直到所述电池组被维修为止。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述从加压容器释放冷却剂包括：从一次性冷却剂释放容器释放冷却剂，所述一次性冷却剂释放容器需要更换或者从所述电池组外部的源重新装满冷却剂，以使所述第二冷却系统恢复完全可操作状态。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述响应于对所述电池单元内可能发生热失控的检出而使第二冷却系统冷却所述电池单元包括：
多个冷却剂输送装置中的每一个连接至各自的一个其内具有电池子集的电池模块以输送冷却剂，使所述多个冷却剂输送装置中的至少一个将冷却剂输送至所述各自的电池模块。
20.一种装置，包括：
电池单元；
用于使第一冷却系统在所述电池单元的常规充电和放电期间冷却所述电池单元的装置；以及
用于响应于指示所述电池单元内可能发生热失控的条件的检出、使第二冷却系统冷却所述电池单元的装置。
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