CN107534114B - 具有热失控及排气管理系统的电池组模块 - Google Patents

具有热失控及排气管理系统的电池组模块 Download PDF

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Abstract

提供了用于针对大功率电池组的热失控及排气管理的装置、方法和系统。电池组模块具有多个容纳电池的载体，所述多个容纳电池的载体堆叠在彼此的顶部上以形成具有前端部和后端部的电池堆。导管在前端部与后端部之间延伸穿过电池堆以收集从电池组电池逸出的气体。自闭式单向压力安全阀朝向电池堆的后端部定位在导管中。压力安全阀连接至管道系统以将气体运送至远程位置，在该远程位置，气体可以被安全地释放并分散。

Description

具有热失控及排气管理系统的电池组模块
相关申请的引用
本申请要求于2015年3月6日提交的标题为“BATTERY MODULE WITH THERMALRUNAWAY AND GAS EXHAUST MANAGEMENT SYSTEM”的美国申请No.62/129,116的优先权。出于美国的目的，本申请根据35U.S.C.§119要求于2015年3月3日提交的标题为“BATTERYMODULE WITH THERMAL RUNAWAY AND GAS EXHAUST MANAGEMENT SYSTEM”的美国申请No.62/129,116的权益，该申请出于所有目的在此通过参引并入本文。
技术领域
本文中所描述的技术涉及大功率电池组以及用于对这种电池组的热失控及排气进行管理的装置、方法和系统。
背景技术
电池组中的热失控在上升的电池组电池温度引发使电池组中的化学反应加速的链式反应时发生，从而进一步有助于热能的快速释放。热失控可以由电池组电池在电池组的操作期间的不充分冷却而触发。热失控也可以由比如短路、机械冲击、极限温度暴露、制造缺陷等其他事件触发。在热失控事件期间，热气体和其他可燃性物质可以从电池组电池逸出。如果管理不当，则逸出的气体可能会导致火灾或爆炸。
与其他类型的电池组相比，大功率锂离子电池组通常更易于发生热失控。因此，需要用于大功率锂离子电池组的热失控管理系统。普遍期望对电池组电池、模块和/或系统的热失控及排气进行协助管理的装置、系统和方法。
发明内容
该技术的各方面提供了一种用于电池组模块的热失控及排气管理系统。电池组模块结合有多个容纳电池的载体，所述多个容纳电池的载体堆叠在彼此的顶部上以形成具有前端部和后端部的电池堆。热失控及排气管理系统包括导管，该导管在前端部与后端部之间沿着电池堆延伸或延伸穿过电池堆以收集从电池组电池逸出的气体。压力安全阀朝向电池堆的后端部安置在导管中。压力安全阀连接至管道系统以将气体运送至远程位置。在某些实施方式中，压力安全阀是自闭式单向阀。压力安全阀可以具有7kPa的操作压力。
在电池堆上方安置顶板，顶板具有槽，该槽在电池堆的前端部与后端部之间延伸以接纳导管。顶板通过垫片与电池堆密封。导管通过导管垫片与电池堆密封。垫片定位在相邻的载体之间以在载体之间进行密封。
该技术的其他方面提供了用于制造结合有热失控及排气管理系统的电池组模块的方法。根据具体实施方式，该方法包括：形成电池堆并在电池堆上方定位顶板，在顶板中形成在电池堆的前端部与后端部之间延伸的槽，在槽内安置导管，以及在导管中朝向电池堆的后端部安置压力安全阀。压力安全阀连接至管道系统以将收集在导管中的气体运送至远程位置。压力安全阀可以是自闭式单向阀。
通过参照附图且通过研究以下详细描述，除上述示例性方面和实施方式之外，另外的方面和实施方式也将变得明显。
附图说明
在附图的参考图中示出了各示例性实施方式。本文中公开的各实施方式和附图旨在被认为是说明性的而非限制性的。
图1、图2、图3、图4和图4A示出了根据一个实施方式的结合有热失控及排气管理系统的电池组模块。图1示出了组装的电池组模块；图2为示出了热失控及排气管理系统的更清晰的方面的分解图；图3示出了位于电池组模块的后部处的热失控及排气管理系统的各种部件；图4示出了具有顶板的电池组模块；以及图4A为贯穿顶板中的槽的一部分的详细视图，其示出了在电池载体之间的空间。
具体实施方式
在整个以下描述中阐述了具体细节以向本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，尚未详细示出或描述公知元件以避免使本公开不必要地模糊。因此，描述和附图应被认为是说明性的而非限制性意义的。
图1示出了典型的电池组模块100，在该电池组模块100中结合有热失控及排气管理系统。电池组模块100由多个堆叠的电池组电池构成。电池可以是锂离子(Li-Ion)软包电池等或者其他类型的扁平电池组电池比如说例如封装在金属壳中的扁平电池。电池可以堆叠在彼此的顶部上(彼此平行地布置)以构成电池组模块100的电池堆105。每个电池组电池可以容纳在电池载体104中。电池载体104可以与申请人的于2015年2月18日提交的美国专利申请No.62/117,686和申请人的于2016年2月18日提交的PCT专利申请No.PCT/CA2016/050149中所描述的电池载体相类似，以上两个申请的全部内容通过参引并入本文。在特定实施方式中，可以通过设置在电池载体104的框架中的互锁特征来促进电池载体104的堆叠。例如，每个框架可以结合有位于框架的相反侧上以用于将电池载体104连结至相邻的电池载体104的互补的舌槽连接件。可以在相邻的电池载体104之间插入O型圈或其他垫片(未示出)，以对电池载体之间的连接件进行密封。电池堆可以如示出的那样通过带103固定，或者可以通过其他方式比如绳或杆来固定。电绝缘端盖106、108设置成分别盖住电池堆105的前端部110和后端部112。顶板114安置在电池堆105的顶部。顶板114可以用作冷却板。在这种情况下，顶板114可以由铝、铜或具有高导热性的任何其他合适的材料制成。开孔116、118在顶板114中分别限定在电池堆105的前端部110附近和后端部112附近(在电池堆的最正极端子和最负极端子上，参见图2)，以允许电力连接件通向模块100的外部。电力连接件可以借助于电力线缆、柔性母线等连接至位于电池堆105的前端部110处的连接器。在顶板114和电连接件上方安置电绝缘盖120以防止电气暴露。可以结合有冷却系统(未示出，与顶板114分开)以冷却电池组电池、电池组电池的载体104和模块100。
如图2的分解图中最佳地看到的，热失控及排气管理系统102包括沿着电池堆的长度(即，在电池组模块100的电池堆105的前端部110与后端部112之间)延伸的排气或抽气导管123。导管123接纳在槽125内，该槽125限定成穿过顶板114的中心并且沿着电池堆105的长度延伸。导管123可以通过导管垫片126与顶板114密封。电池组电池载体104通过相邻的载体104之间的密封舌槽连接件(如上所述)而在彼此之间密封。顶板114通过垫片165与电池堆密封。以这种方式，堆叠的电池载体104被完全封装且与外部环境密封开。在电池组模块100的电池堆105的后端部112处于导管123中安置有自闭式单向压力安全阀128。在特定实施方式中，阀128的操作压力为7kPa(0.07bar或1psi)。如图3中看到的，喷嘴130连接在阀128与管道系统135之间。管道系统135由一个或更多个管构成，所述一个或更多个管通向远离电池组安装的位置，在该位置处，排气可以被安全地释放并分散。
在一些实施方式中，连接电池堆105中的电池载体104的导管123可以通过电池载体104与顶板114之间的空间创建。导管123也可以作为导气通道结合在顶板114中(例如，顶板114可以成形为提供这样的通道)。在示出的实施方式中，导管123是安置在电池堆105上方的单独的导管。导管123被示出为半圆筒形(或大致半圆筒形)导管。在其他实施方式中，导管123可以呈不同的形状(例如，圆形、椭圆形或矩形)。导管123的尺寸设定为能够移除通常在热失控事件期间产生的一定量的气体。在特定实施方式中，例如，导管123呈半径在2cm至5cm的范围内的半圆筒形形状。
如果在电池组电池受损并且可燃气体从电池中逸出的情况下发生热失控，则气体将被迫进入到导管123中并收集在导管123中。气体在电池组软包电池内的积聚通常将导致软包电池在顶部处裂开。然而，软包电池也可以在软包装上的其他位置处爆裂开。电池载体104可以被设计成使得在电池组软包电池与载体104的围绕每个软包电池的壁之间存在间隙。由于在载体104之间存在密封，因此从电池组软包电池的任意位置释放的气体将到达电池堆105的顶部以及到达导管123。从软包电池逸出的气体将被迫进入到在容纳电池的载体104之间以及在电池薄片122(参见图4、图4A)之间的空间121中，并且将移动越过电池薄片122并进入导管123中。阀128将在足够的气体积聚在导管123中以将导管中的压力增大至第一阈值水平进而触发阀的打开的情况下(即，在阀128的操作压力下)打开。安全阀128的操作压力可以较低，以允许生成的任何气体从电池组模块100中去除。在特定实施方式中，例如，操作压力的值在5kPa至15kPa(0.5个大气压至1.5个大气压)的范围内。一旦阀128打开，则已经收集在导管123中的气体通过阀128离开进入到管道系统135中。因而，导管123和单向气体压力安全阀128有助于通过将逸出的气体运送出电池组模块100并运送到管道系统135中来管理电池组电池的排气。管道系统135随后将气体输送至远离电池组安装的远程位置，在该远程位置处，气体可以被安全地释放并分散。排气在被释放之前被运送的距离可以取决于应用和环境。例如，在船上，气体可以被运送几米直至烟囱。在陆地上，气体可以被运送数10米直至远离任何人的位置。热失控及排气管理系统102防止气体在电池组模块100中或周围释放，否则将可能导致火灾或爆炸。另外，一旦气体已经安全地离开电池组模块100并移动到管道系统135中，则导管123中的压力被降低到低于第二阈值水平，从而使阀128关闭。在特定实施方式中，阀128是弹簧加载式的，并且一旦压力高于弹簧保持压力，则阀128将打开，并且当压力下降到低于弹簧保持压力时，则阀128又关闭(因而在这样的实施方式中，第一阈值压力水平和第二阈值压力水平相等或近似相等)。阀128的关闭防止氧气回流至电池组模块100，因此确保了热失控过程保持缺氧状态。阀128的关闭还确保了热失控排气不会重新进入导管123，在该导管123中，热失控排气会加热电池堆105中的电池组电池并影响电池堆105中的电池组电池的性能。暴露于热气体的任何部件比如抽气导管123、压力安全阀128和管道系统135可以由铝、钢或不锈钢或者耐热的任何其他合适的材料制成。在具体实施方式中，部件耐热的温度高达400℃。在其他实施方式中，部件耐热的温度高达400℃以上。
在一些实施方式中，省去了抽气导管123。可以在顶板114中形成或设置排气通道，以提供与抽气导管123相似的功能。压力安全阀128可以安置在位于端盖108处或附近的排气通道中。在一些实施方式中，端盖108可以由金属制成。在其他实施方式中，抽气导管123形成为承载电池组模块的支架的一部分。
上面涉及的部件(例如，电池、软包电池、电池组模块、垫片、导管、管、阀等)，除非另有说明，否则对该部件的引用(包括对“装置”的引用)应当被解释为包括执行所描述的部件的功能并作为该部件的等同物的任何部件(即，功能上等同)，包括执行示出的示例性实施方式中的功能但是结构上不等同于所公开的结构的部件。
虽然上面已经讨论了多个示例性方面和实施方式，但是本领域技术人员将认识到对所述多个示例性方面和实施方式进行的某些修改、置换、添加和子组合。例如：
·示出的电池组模块100的实施方式代表根据本发明的各实施方式的可以设置有热失控及排气管理系统102的电池组模块。然而，电池组模块100并非必须具有如示出和描述的所有特征。如本领域技术人员将理解的，本文中所描述的热失控及排气管理系统102的其他实施方式可以与具有和所描述的特征不同的特征的其他类型的电池组模块一起工作。例如，在设置有热失控及排气管理系统102的其他实施方式中，电池组模块100可以是具有由外壳保持在一起并容置在外壳内的堆叠的电池组电池的类型(而非具有互锁的电池载体或者使用带固定在一起的电池载体，如图1至图3所示)。在一些实施方式中，电池组模块100可以结合有可以容置在任何形状或尺寸的外壳中的其他类型的电池，比如圆筒形18650或27650电池或棱柱形电池。包括抽气导管123和自闭式单向压力安全阀128的热失控及排气管理系统102可以结合到这样的电池组模块100中，以使热气体移动到排气管道系统135中并远离模块。
·多于一个的电池组模块100可以容置在单个外壳中。在这种实施方式中，外壳可以容纳压力安全阀128，该压力安全阀128用于对来自延伸通过电池组模块100中的一个或更多个电池组模块的抽气导管123的气体的运动进行管理。抽气导管123通过压力安全阀128和喷嘴130连接至排气管道系统135，以将热气体运送至远程烧尽位置。
·压力安全阀128并非必须位于电池组模块100的后部处，如示出的实施方式中所示的那样。在其他实施方式中，例如，压力安全阀128可以位于电池组模块100的侧部、顶部和/或中央处。
·在一些实施方式中，可以在每个电池组模块100中设置多于一个的导管123来收集电池组电池的排气。例如，两个或更多个导管123可以彼此平行地排列并且沿着电池堆的长度延伸。
因此，所附权利要求以及此后引入的权利要求的范围不应当受示例中阐述的各实施方式的限制，而是应当从总体上给出与描述相一致的最宽泛的解释。

Claims (17)

1.一种电池组模块，包括：
多个载体，所述多个载体在彼此之间密封并且堆叠在彼此的顶部上以形成具有前端部和后端部的电池堆，所述载体中的每个载体均容纳锂离子电池组电池；
导管，所述导管在所述前端部与所述后端部之间延伸穿过所述电池堆以收集从所述锂离子电池组电池逸出的气体；以及
自闭式单向压力安全阀，所述自闭式单向压力安全阀朝向所述电池堆的所述后端部安置在所述导管中。
2.根据权利要求1所述的电池组模块，其中，所述自闭式单向压力安全阀连接至管道系统以将所述气体运送至远程位置。
3.根据权利要求1所述的电池组模块，其中，所述自闭式单向压力安全阀具有7kPa的操作压力。
4.根据权利要求1所述的电池组模块，包括安置在所述电池堆上方的顶板，所述顶板具有在所述电池堆的前端部与后端部之间延伸以接纳所述导管的槽。
5.根据权利要求4所述的电池组模块，其中，所述顶板通过垫片与所述电池堆密封。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的电池组模块，其中，每个载体通过载体间垫片与相邻的载体密封。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的电池组模块，其中，所述导管通过导管垫片与所述电池堆密封。
8.根据权利要求1至5中的任一项所述的电池组模块，其中，每个载体的所述锂离子电池组电池包括扁平电池组电池。
9.根据权利要求8所述的电池组模块，其中，每个载体的所述锂离子电池组电池包括锂离子软包电池。
10.根据权利要求1至5中的任一项所述的电池组模块，其中，所述电池堆包括24个电池组电池。
11.一种电池组系统，包括：
根据权利要求1至10中的任一项所述的电池组模块；以及
连接至所述电池组模块的自闭式单向压力安全阀的排气管道子系统。
12.一种制造具有集成的热失控管理系统的电池组模块的方法，所述方法包括：
形成电池堆并在所述电池堆上方定位顶板，其中，形成所述电池堆包括将电池载体以一个在另一个的顶部上的方式堆叠并且将所述电池载体彼此密封，并且每个电池载体均容纳锂离子电池组电池；
在所述顶板中形成槽，所述槽在所述电池堆的前端部与后端部之间延伸；
在所述槽内安置导管以收集从所述电池堆逸出的气体；以及
在所述导管中朝向所述电池堆的后端部安置自闭式单向压力安全阀。
13.根据权利要求12所述的方法，包括将所述自闭式单向压力安全阀连接至管道系统以将收集在所述导管中的气体运送至远程位置。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述自闭式单向压力安全阀具有7kPa的操作压力。
15.根据权利要求12所述的方法，包括使用垫片将所述顶板与所述电池堆密封。
16.根据权利要求12所述的方法，包括使用载体间垫片将每个载体与相邻的载体密封。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，包括使用导管垫片将所述导管与所述电池堆密封。
CN201680014094.5A 2015-03-06 2016-03-04 具有热失控及排气管理系统的电池组模块 Active CN107534114B (zh)

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