CN102310783B - 锂离子电池故障缓解 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池故障缓解，提供了一种缓解电池单元故障的方法。在一个实施例中，所述方法包括：提供电池组与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括位于所述电池组与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀；检测热事件；响应于所述热事件启动风扇、气泵或两者都启动，以强制所述电池单元废气通过所述联接；以及在所述内燃机排气系统中处理所述电池单元废气。还描述了电池故障缓解系统。

Description

锂离子电池故障缓解
技术领域
锂离子电池已经连同内燃机（ICE）一起使用。通常，电池组的空气循环系统从电池组周围的包括车辆结构元件但不包括客舱的环境吸取空气并把空气返回到该环境中。
背景技术
尽管稀有，但是锂离子电池单元偶尔会故障。当锂离子电池单元故障时，从破裂的电池单元会散发气态和液态电解质以及具有相应烟气的某些燃烧材料蒸汽/烟雾。所述烟气是碳酸盐燃烧的结果，并含有细微的碳质微粒。会排出多种蒸汽/烟雾，例如碳酸二甲酯（DMC）和其它高汽压碳酸盐、碳氢化物（HC，例如x可为零的CxHy）以及碳氧化物，例如一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）。在现行实践中，这些气体被排向电池组周围的包括车辆结构构件但不包括客舱的大气环境中。
期望处理在锂离子电池单元故障事件中形成的蒸汽/烟雾。
发明内容
本发明满足这一需求。本发明的一方面是缓解电池单元故障的方法。在一个实施例中，所述方法包括：提供电池组与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括位于所述电池组与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀；检测热事件；响应于所述热事件启动风扇、气泵或两者都启动，以强制所述电池单元废气通过所述联接；以及在所述内燃机排气系统中处理所述电池单元废气。
本发明的另一方面是电池故障缓解系统。在一个实施例中，所述系统包括位于电池组与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括位于所述电池组与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀。
本发明提供下列技术方案。
技术方案1：一种缓解电池单元故障的方法，包括：
提供电池组与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括：
位于所述电池组与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀；
检测热事件；
强制所述电池单元废气通过所述联接；以及
在所述内燃机排气系统中处理所述电池单元废气。
技术方案2：如技术方案1的方法，其中通过启动风扇或气泵或者两者都启动来强制所述电池单元废气通过所述联接。
技术方案3：如技术方案2的方法，其中所述风扇或气泵或两者都位于所述管道中。
技术方案4：如技术方案1的方法，其中所述电池组包括空气入口和空气出口，所述方法还包括在检测到所述热事件时关闭所述空气出口。
技术方案5：如技术方案2的方法，其中所述风扇或气泵或两者都连接到所述空气入口。
技术方案6：如技术方案1的方法，其中所述管道的至少一部分由柔性管制成。
技术方案7：如技术方案1的方法，其中所述联接还包括在所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的隔热部件。
技术方案8：如技术方案6的方法，其中所述隔热部件从涂覆有热障陶瓷涂层、绝缘体或两者都有的柱体中选择。
技术方案9：如技术方案7的方法，其中所述隔热部件为涂覆有热障陶瓷涂层的柱体，并且其中空气被从所述柱体排出。
技术方案10：如技术方案1的方法，还包括在发生所述热事件之后更换损坏的排气系统部件。
技术方案11：如技术方案1的方法，其中具有由隔热部件分隔开的一对单向阀。
技术方案12：一种电池故障缓解系统，包括：
位于电池单元与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括：
位于所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀。
技术方案13：如技术方案12的系统，还包括风扇或气泵或者两者都包括。
技术方案14：如技术方案12的系统，其中所述管道的至少一部分由柔性管制成。
技术方案15：如技术方案12的系统，还包括在所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的隔热部件。
技术方案16：如技术方案15的系统，其中所述隔热部件从涂覆有热障陶瓷涂层、绝缘体或两者都有的柱体中选择。
技术方案17：如技术方案16的系统，其中所述隔热部件为涂覆有热障陶瓷涂层的柱体，并且其中空气被从所述柱体排出。
技术方案18：如技术方案12的系统，其中具有一对单向阀。
技术方案19：如技术方案18的系统，其中所述一对单向阀被隔热部件分隔开。
技术方案20：如技术方案19的系统，其中所述隔热部件从涂覆有热障陶瓷涂层、绝缘体或两者都有的柱体中选择。
技术方案21：一种电池故障缓解系统，包括：
位于电池单元与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括：
位于所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的管道，
定位在所述管道中允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀；
所述管道的至少在所述一对单向阀之间的部分涂覆有热障陶瓷涂层，并且其中空气被从所述管道在一对单向阀之间的部分中排出；以及
风扇、气泵或两者都有，
其中所述管道的至少一部分由柔性材料制成。
附图说明
图1为本发明的联接的一个实施例的视图。
具体实施方式
本发明涉及装置热故障效应的缓解。其可与在故障期间会产生烟雾和/或烟气（通常被排到大气）的任意独立装置一起使用，该装置连接至ICE排气系统。所述装置包括，但不限于，电池单元（例如锂离子电池单元）、电子装置或机械装置。为简便起见，本发明参考电池单元描述。
ICE的排气系统设计成过滤微粒物质，并使部分燃烧的ICE成分充分反应，产生几乎透明、无声、无臭的排气出口烟气。ICE排气系统的一个或多个部件（例如，过滤器、消音器和催化转化器）可用于处理电池单元故障排出的气体和微粒。供电池组用于处理在单元热事件期间排出的可能气体和微粒的排气布置在下文中称为替代的排气布置。
始终将电池单元组空气循环废气供给到ICE排气系统是不现实的。排气管中的压力潜在地允许（或强制）ICE的热的排出烟气透入电池单元组，对电池单元的冷却起反作用。另外，可具有其它不期望的机械、热和/或化学效果。例如，因为ICE系统产生比大气压力高的废气，所以如果较高压力的气体进入电池组并且未足够快速地排出，那么电池组的密封会失效。另外，热气体会损坏用来控制电池单元的电子设备。最后，燃烧中形成的反应气体会与例如空气中的湿气反应，从而引起电池单元中的金属或塑料降解。
在本发明中，热事件触发阀系统的起动，强制电池组废气通过ICE的排气系统。
在正常操作期间，电池组与ICE排气系统（包括阀系统）之间的联接防止了发动机废气、振动和热量进入或影响电池单元组。
当检测到或预测有热事件时，所述联接强制电池单元组中的气体排入ICE排气系统。热事件的存在或预测存在可以多种方式来确定。例如，通常不断地测量系统的温度、电压和电流。触发器可设定成使得如果这些条件中的一个或多个超过可接受范围，那么激活替代的排气布置。可选地（或者在温度、电压和/或电流触发之外），该系统可设定成使得腐蚀和/或高压事件会触发替代排气布置。如果需要，还可使用其它触发器，包括，但不限于，蒸汽传感器或烟气检测器。所述触发器可为手动的，例如驾驶员可在故障或事故中按压的按钮，或者远程的，例如通过消防部或如OnStar?的系统激活。期望地，所述触发器是自动的。
电池组具有空气入口和空气出口。当替代排气布置被触发时，空气入口保持打开，空气出口关闭。结果，空气从周围环境被吸入电池组，但不从电池组排入周围环境。相反，电池组废气流入ICE排气系统以便处理。
电池组与ICE排气系统之间存在联接。该联接包括具有至少一个单向阀的管道。在管道中可安装有联接到电池单元组的电驱动风扇或气泵。在另一实施例中，电驱动风扇或气泵连接至空气入口。所述管道被机械地隔离并联接至ICE排气系统的延伸，并且所述管道保持与ICE排气系统热绝缘。
适当的热障包括，但不限于，各种类型的陶瓷涂层和绝缘体。例如，所述管道可使用美国专利No.7,041,383中描述的陶瓷涂层来隔热，上述美国专利通过引用包含于本文。陶瓷涂层包括使用NiCrAlY的金属粘接层涂覆在不锈钢上的[Nd0.5Zr0.95O1.75Y0.06]0.93[Nd2O3]0.07，并在从600℃到1100℃展现了在0.72与1.06 W/mK之间的导热性能。
图1示出了电池组10与ICE排气系统15之间适当的联接。电池组（未示出）的空气入口和空气出口定位成远离所述联接。在该实施例中，电池组与ICE排气系统之间具有管道20。两个单向阀25、30安装在柱体35内侧各端，柱体35在内部涂覆有例如上述热障陶瓷。如果需要，热障陶瓷涂层还可用在阀的金属阀瓣表面上。该布置应当隔绝通过传导和对流传递的从一般ICE排气到电池组的大部分热量。热辐射传递可使用另外适当的反射涂层来解决。排出阀之间热障内的空气会进一步减少通过传导和对流传递的热量。两个单向阀的使用有助于将电池组从ICE排气系统热隔离。然而，两个单向阀的使用不是必需的，可使用其它布置。根据需要，管道可为一体式零件，或者它可由分离的零件组成。
单向阀25（冷）位于热障的电池组侧。单向阀30（热）位于热障的ICE排气侧。单向阀25、30防止ICE废气进入电池单元组10。
所述联接与电池单元组10之间的柔性软管或管道部分40将电池单元组10与ICE排气系统15中的振动机械地隔离开。可选地，所有管道20可都由柔性管道制成。
通常具有强制空气从电池组到ICE排气系统15的风扇或气泵45。在一个实施例中，风扇或气泵45位于管道20中。风扇/气泵可在单向阀的冷侧、单向阀的热侧或两侧都有。可选地，风扇或气泵可连接至空气入口或空气出口。风扇或气泵可连接至通常关闭的另一孔口，但是如果触发所述替代排气布置，则该孔口会变为空气入口。可具有一个或多个风扇或气泵。在某些情形下，因为电池组中的压力可足以强制流到ICE排气系统，所以可不需要风扇/气泵。
当发生热事件时，触发替代的电池组排气路径。风扇或气泵45开始操作，强制电池组废气通过管道20、冷单向阀25、热障和热单向阀30，进入ICE排气系统15，废气在这里使用已有的排气系统部件（包括，但不限于，标准的或者变型的催化转换器、微粒过滤器和消音器）被过滤和处理。
例如，ICE排气系统可包括与基于铂族金属（PGM）的三效催化转化器串联的碳氢化合物（HC）捕集器。HC捕集器可包括沸石和/或金属有机骨架（MOF）。用于处理内燃机的发动机排出废气供给流的废气后处理系统可包括多级催化转化器，该多级催化转化器包括转化器入口、转化器出口、及基板，该基板具有与转化器入口连接的第一端和与转化器出口连接的第二端。所述基板还包括在所述基板的第一和第二端之间的许多流动通道、对应于基板第一端的第一表面位置和对应于基板第二端的第二表面位置。在对应于基板第一端的第一表面位置对所述基板应用第一涂层阶段（washcoat stage）。在对应于基板第二端的第二表面位置对所述基板应用第二涂层阶段。在ICE废气系统中可使用其它布置和部件，如本领域所公知的。
ICE排气系统可连接至发动机和所述联接。例如，在发动机与ICE排气系统之间的废气流路中可具有分支，可能形如“Y”或“T”。分支的一部分会将发动机连接到ICE排气系统，分支的另一部分会将所述联接连接到ICE排气系统。
如果当电池单元故障时发动机在运行，那么电池废气会通过催化转化器处理。如果当发动机未运行时电池单元故障，那么催化转化器将是冷的。在这种情形下，HC捕集器会存储电池单元废气。然后，当发动机运行时（或借助于加温HC捕集器的某些其它方法），催化转化器变暖，吸收的气体从HC捕集器释放并通过三效催化剂转化。
HC捕集器和/或在热故障期间处理从电池组发出的化学物质的其它排气部件可设计为单一用途系统。在发生热事件和替代排气路径被触发之后，所述部件可被破坏性地使用继而被更换。电池组的一部分或全部可能需要因为其故障而更换。另外，依赖于必须处理的杂质的量，HC捕集器、微粒捕集器和催化转化器可能需要在触发替代排气布置之后被更换。所述联接、阀和风扇也可能不得不更换。逻辑上，这在电池热事件之后，车辆不得不进行专业地维修是合理的。在经济上，该策略免除了为适应可能永不会发生的事件而含有的更重和更高财务成本的过于坚固排气部件的必要性。
尽管已经详细描述了实施本发明的优选模式，但是本发明所属领域的技术人员会认识到在所附权利要求范围内实施本发明的各种替代设计和实施方式。

Claims (21)

1.一种缓解电池单元故障的方法，包括：
提供电池单元与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括：
位于所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀；
检测热事件；
当检测到或预测有热事件时，强制所述电池单元废气通过所述联接；以及
在所述内燃机排气系统中处理所述电池单元废气。
2.如权利要求1的方法，其中通过启动风扇或气泵或者两者都启动来强制所述电池单元废气通过所述联接。
3.如权利要求2的方法，其中所述风扇或气泵或两者都位于所述管道中。
4.如权利要求1的方法，其中所述电池单元包括空气入口和空气出口，所述方法还包括在检测到所述热事件时关闭所述空气出口。
5.如权利要求2的方法，其中所述风扇或气泵或两者都连接到所述电池单元的空气入口。
6.如权利要求1的方法，其中所述管道的至少一部分由柔性管制成。
7.如权利要求1的方法，其中所述联接还包括在所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的隔热部件。
8.如权利要求7的方法，其中所述隔热部件从涂覆有热障陶瓷涂层、绝缘体或两者都有的柱体中选择。
9.如权利要求8的方法，其中所述隔热部件为涂覆有热障陶瓷涂层的柱体，并且其中空气被从所述柱体排出。
10.如权利要求1的方法，还包括在发生所述热事件之后更换损坏的排气系统部件。
11.如权利要求1的方法，其中具有由隔热部件分隔开的一对单向阀。
12.一种电池故障缓解系统，包括：
位于电池单元与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括：
位于所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的管道，所述管道包括定位成允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的至少一个单向阀，
其中当检测到或预测有热事件时，所述联接强制所述电池单元废气排入所述内燃机排气系统。
13.如权利要求12的系统，还包括风扇或气泵或者两者都包括。
14.如权利要求12的系统，其中所述管道的至少一部分由柔性管制成。
15.如权利要求12的系统，还包括在所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的隔热部件。
16.如权利要求15的系统，其中所述隔热部件从涂覆有热障陶瓷涂层、绝缘体或两者都有的柱体中选择。
17.如权利要求16的系统，其中所述隔热部件为涂覆有热障陶瓷涂层的柱体，并且其中空气被从所述柱体排出。
18.如权利要求12的系统，其中具有一对单向阀。
19.如权利要求18的系统，其中所述一对单向阀被隔热部件分隔开。
20.如权利要求19的系统，其中所述隔热部件从涂覆有热障陶瓷涂层、绝缘体或两者都有的柱体中选择。
21.一种电池故障缓解系统，包括：
位于电池单元与内燃机排气系统之间的联接，所述联接包括：
位于所述电池单元与所述内燃机排气系统之间的管道，
定位在所述管道中允许电池单元废气从所述电池单元到所述内燃机排气系统的一对单向阀；
所述管道的至少在所述一对单向阀之间的部分涂覆有热障陶瓷涂层，并且其中空气被从所述管道在所述一对单向阀之间的部分中排出；以及
风扇、气泵或两者都有，
其中所述管道的至少一部分由柔性材料制成，
且其中当检测到或预测有热事件时，所述联接强制所述电池单元废气排入所述内燃机排气系统。
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