CN110192104B - 用于启动电池中的热失控的装置和方法 - Google Patents

用于启动电池中的热失控的装置和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110192104B
CN110192104B CN201880007711.8A CN201880007711A CN110192104B CN 110192104 B CN110192104 B CN 110192104B CN 201880007711 A CN201880007711 A CN 201880007711A CN 110192104 B CN110192104 B CN 110192104B
Authority
CN
China
Prior art keywords
heating element
battery cell
energy
power
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880007711.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110192104A (zh
Inventor
史蒂文·雷科思凯
迪安·麦克尼尔
朱里奥·特隆恩
奥鲁申·科德拉
乔尔·佩龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Research Council of Canada
Original Assignee
National Research Council of Canada
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Research Council of Canada filed Critical National Research Council of Canada
Publication of CN110192104A publication Critical patent/CN110192104A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110192104B publication Critical patent/CN110192104B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H01M10/6571—Resistive heaters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4285—Testing apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
    • G01R31/2832—Specific tests of electronic circuits not provided for elsewhere
    • G01R31/2836—Fault-finding or characterising
    • G01R31/2849—Environmental or reliability testing, e.g. burn-in or validation tests
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385—Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

提供了一种用于启动电池单元中的热失控的装置和方法。该装置和方法可用于启动电池单元和电池组热失控的安全研究中。该装置包括定位成与电池单元热接触的电阻加热元件，其用于将热量传递到电池单元的区域。能量源电连接到电阻加热元件。开关可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件，从而在电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热电池单元的区域来启动热失控。可选地，加热加热元件并保持在预定温度，直到启动热失控。发热速率可以设计成与电池单元内部短路的发热速率相当，这比用于启动热失控的许多现有缓慢加热方法快得多。

Description

用于启动电池中的热失控的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月19日提交的美国临时专利申请号为62/448,134的专利申请和2017年9月8日提交的美国临时专利申请号为62/556,006的专利申请的优先权，其通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及电池技术，并且更具体地涉及电池测试和安全性。
背景技术
随着市场的普及，电池组的安全性研究正在加强。这包括用于电动车辆(EV)的电池组。许多储能系统使用数百个锂离子电池单元。在滥用情况期间或由于缺陷，放热反应导致温度快速且不受控制地升高，导致能量泄漏和/或火灾。在临界温度以上，放热反应超过散发到环境中的热量，并且温度开始快速且不受控制地升高。氧气从活性物质中释放出来，有毒和易燃有机蒸气释放，有时是剧烈的。这个过程被称为热失控。临界温度根据电池而变化，并且可取决于电池单元的尺寸、形状、化学性质等。
可以启动电池单元故障的状况包括电池单元的缺陷，例如电池单元内的内部短路。另一种状况是车辆系统故障，例如电池的过度充电。另一种状况是施加外力，例如电池单元的穿透或外部热量。由于在某些应用中相邻电池单元非常接近，如果一个电池进入热失控状态，会导致故障的连锁反应，从而在整个电池单元阵列中级联。
多个电池单元失控往往是极端事件，其可以包括能量碰撞、相邻火灾和/或严重过度充电。单个电池单元失控事件往往更加难以察觉，例如电池单元内部短路、制造缺陷、电池单元老化，并且应该期望通过适当设计电池组来减轻这种情况。
已经有多种方法来启动热失控，例如用于测试和/或研究目的。这些方法包括例如利用钉子、螺钉、钝物或其他物体穿透或刺穿电池单元，或破碎电池单元。该技术是一种常见的方法，但具有值得怀疑的再现性和最小的能量引入。遗憾的是，难以针对具有多个电池单元的电池组中的单个电池单元实施，难以在车辆内的电池组中实施，并且这可能改变电池/模块边界状况。
另一种常见的热失控启动技术是电池单元加热。可以通过将电池或电池单元放入烘箱或热板上来进行电池单元加热。还可以通过围绕整个或部分电池单元缠绕电阻加热线来传递热量。电池单元加热可以提供良好的再现性，可以在外部或内部应用到电池单元(例如导电、激光、其他)，它具有长的激活时间，并且它可以加热相邻电池单元，从而显著影响边界状况。
另一种热失控启动技术是电池单元过度充电，其具有良好的再现性，但难以在不同电池单元设计中实施。电池单元内的内置电路中断装置和其他内部安全机构可以使用该方法防止热失控的发生。该技术还为电池单元增加了显著的不典型能量，这会加剧所产生的热失控反应。
另一种热失控启动技术是引入电池单元缺陷，其可能涉及故意引入缺陷以引起电池单元内的内部短路。这种方法不太常见，其可重复性未知，并且需要特殊构建的电池单元使得实施不切实际且存在安全隐患。
目前，没有标准化的测试方法来评估EV电池组中电池单元故障或故障向周围电池单元传播的风险。
运输监管机构正在积极尝试开发一种准确、可重复、简单和稳健的方式来启动电池组内的热事件，以确定电池组设计以及大量电池的运输(货物)的安全性。
因此，需要改进涉及用于启动一个或多个电池单元中的热失控的系统和过程。
以上信息仅作为背景信息呈现，以帮助理解本公开。上述内容中的任何内容是否可适用作为关于本公开内容的现有技术，不作任何断言或承认。
附图说明
现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例。
图1是锂离子18650型电池单元的温度-时间曲线图，其示出了多种锂离子化学物质的热失控。
图2是根据实施例的连接到电路的加热元件的图。
图3是根据实施例的用于启动热失控的装置的图，该装置包括与电池单元接触的加热元件。
图4是根据本公开的实施例的用于启动电池中的热失控的装置的图，该电池具有多于一个电池单元。
图5是根据本公开的实施例的用于启动热失控的装置的示意图。
图6是示出本公开的实施例的功率相对于时间结果的曲线图。
图7是图6的曲线在0到2秒的时间范围内的特写图。
图8是根据本公开的实施例的用于启动热失控的装置的图，该图表明加热元件的足迹表面区域。
图9是根据本公开的实施例的加热元件的透视图。
图10和图11示出了两个不同的示例电阻加热元件。
图12是示例电阻加热元件的照片。
图13是包括若干可选涂层的示例电阻加热元件的图示。
图14是包括几种可选涂层的图12的电阻加热元件的照片。
图15是根据本公开的实施例中用于启动电池单元中的热失控的过程图。
图16A是相对于时间绘制的温度曲线图，以示出根据本公开的两阶段斜升和设定方法。
图16B是来自示出两阶段斜升和设定方法的实验的相对于时间绘制的温度曲线图。
图17是根据本公开的实施例的用于启动热失控的装置的示意图。
图18是电阻加热元件的实施例的表示。
图19是根据本公开的实施例中用于启动电池单元中的热失控的过程图。
图20是根据本公开的实施例的示例电子装置的框图。
具体实施方式
为了说明的简单和清楚，可以在附图中重复使用附图标记以指示对应或类似的元件。阐述了许多细节以提供对本文所述实施例的理解。可以在没有这些细节的情况下实践实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程和组件以避免模糊所描述的实施例。该说明不应被视为限制于本文描述的实施例的范围。
图1是温度-时间曲线图100，示出了包含三种不同锂离子化学物质(即具有混合的LiCoO2和Li(Ni0.50Mn0.25Co0.25)(LCO/NMC)、Li(Ni0.45Mn0.45Co0.10)O2(NMC)和LiFePO4(LFP)的阴极活性材料)的18650电池单元中的热失控的示例。对于这些示例图，将锂离子18650电池单元置于加速速率热量计中并从25℃开始以每分钟约2℃的加热速率加热。在达到临界起始温度(150℃和220℃之间)后，电池单元进入热失控状态。图中标出了每种化学物质LCO/NMC 102、NCM 104和LFP 106的各种图的峰。图1的曲线图出现在Golubkov，AW等人，在具有金属氧化物和橄榄石型阴极的消费型锂离子电池上的热失控实验，皇家化学学会进展，2014,4,3633-3642，通过引入将其结合于此。
图1的曲线100中的x轴表示以秒为单位的时间。如峰102、104、106所示，从0到热失控发生的时间在约3500秒至约7000秒(这可转化为约1至2小时)之间变化。
用于启动热失控的装置或过程可以需要以下一个或多个特性：启动方法在峰值功率和反应速率方面模拟内部短路的加热曲线；该过程适于使用多种类型、尺寸和几何形状的电池单元在完整的电池组内进行测试；该过程避免影响电池组布局和设计、其自身结构或相邻电池单元、以及使可再充电能量存储系统(REESS)中通常不存在的材料的添加最小化以及向系统添加的额外能量最小化；并且该过程是可靠的并且尽可能微创。
本公开总体涉及测试和评估电池单元和由多个电池单元组成的电池组。加热元件可用于模拟电池单元所经历的不利状况。可以使用快速的局部加热源来模拟消费者在使用电池期间可能出现的潜在危险情况。这种情况包括由于电池单元中的缺陷引起的短路导致的过热、由于过度充电导致的过热、或者如物理吹气或穿刺的外力的接收、或外部加热。一个电池单元中的热失控会导致在整个电池组中级联的故障连锁反应。将快速局部加热施加到电池单元允许研究导致热失控、热失控期间和/或之后的状况。
在一方面，本公开总体提供可通过向定位为与电池单元热接触的电阻加热元件提供高功率电脉冲而产生的热脉冲局部加热电池单元的装置、方法和系统。可以通过存储在能量源(例如一个或多个电容器)中的能量的突然和快速释放来产生脉冲。发热率可以设计成等于或接近从外部短路观察到的热量，但应用于更小的表面积，这是内部短路的更多特征。将相同的功率施加到较小的区域可以增加热通量并且可以获得更热的局部温度。一经内部电池材料达到临界温度，热失控就会继续进行。
在另一方面，本公开总体提供可通过向定位为与电池单元热接触的电阻加热元件提供和控制电流产生的热量来局部加热电池单元的装置、方法和系统。该方法利用闭环控制并且包括至少两个阶段，第一阶段是将电阻加热元件快速加热到预定温度。第二阶段包括将电阻加热元件差不多保持在预定温度，直到启动热失控。可以将热量施加到相对于电池单元的尺寸的电池单元的小表面积，从而增加热通量并导致非常热的局部温度。一经电池单元的内部材料达到临界温度，热失控就会启动。
在一方面，本发明涉及一种用于启动电池单元中的热失控的装置，该装置包括：电阻加热元件，其定位为与电池单元热接触，以用于将热量传递到电池单元的区域；电连接到电阻加热元件的能量源；以及开关，其用于可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件，从而在电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热电池单元的区域来启动热失控。
在一个实施例中，电流脉冲以指数衰减。
在一个实施例中，由功率脉冲产生的电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为1,000,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是电阻加热元件处的加热功率，并且以平方米为单位的面积是电阻加热元件的足迹表面积。在其他实施例中，由功率脉冲产生的电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)、1,600,000W/m2或任何其他合适的值。
在一个实施例中，电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为6,000,000W/m2。在一个实施例中，电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2。
在一个实施例中，电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元的壳体的总外表面积的20％。
在一个实施例中，电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元的壳体的总外表面积的10％。
在一个实施例中，电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元的壳体的总外表面积的5％。
在一个实施例中，能量源中存储的能量的至少95％在开关形成电路之后的不超过60秒内施加。
在一个实施例中，能量源中存储的能量的至少95％在开关形成电路之后的不超过30秒内施加。
在一个实施例中，能量源包括至少一个电容器。
在一个实施例中，能量源包括连续直流电源。
在一个实施例中，在能量源放电期间在电阻加热元件处的以千瓦(kW)为单位的峰值加热功率()与电池单元的以kW为单位的标准1C C-倍率恒定电流放电循环功率之比至少为50比1，其中C-倍率是电池的放电速率相对于其最大容量的量度。
在一个实施例中，在能量源放电期间由电阻加热元件消耗的以千焦耳(kJ)为单位的热能与电池单元的储能容量(kJ)之比在0.02到0.04的范围内。在一个实施例中，该比例小于0.10。
在一个实施例中，能量源的放电使得电池单元的表面加热到至少150摄氏度。
在一个实施例中，该装置还包括在电阻加热元件外部的电绝缘屏障，电绝缘屏障用于电绝缘电阻加热元件。在一个实施例中，电绝缘屏障包括陶瓷涂层。
在一个实施例中，电阻加热元件包括在陶瓷涂层外部的导热金属基涂层。
在一个实施例中，电阻加热元件包括在金属基涂层外部的导热传热膏状物。
在一个实施例中，电阻加热元件具有平面状形状。
在一个实施例中，电阻加热元件是柔性的以允许对应于电池单元的外表面改变电阻加热元件的形状。
在一个实施例中，电阻加热元件的厚度不大于5毫米。在一个实施例中，电阻加热元件的厚度不大于2毫米。
在一个实施例中，电阻加热元件包括镍铬合金。
在一个实施例中，电阻加热元件包括铁-铬-铝(FeCrAl)合金。
在一个实施例中，该装置被配置为发送单个电流脉冲通过电阻加热元件。
在一个方面，本公开涉及一种用于启动电池单元中的热失控的方法，该方法包括：提供定位为与电池单元热接触的电阻加热元件，该电阻加热元件用于将热量传递到电池单元的区域；提供电连接到电阻加热元件的能量源；可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件，从而在电阻加热元件处产生功率脉冲，以加热电池单元的区域来启动热失控。
在一个实施例中，电流脉冲以指数衰减。
在一个实施例中，功率脉冲在电阻加热元件处产生的峰值热通量密度至少为1,000,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是在电阻加热元件处的加热功率，以平方米为单位的面积是电阻加热元件的足迹表面积。在一个实施例中，由功率脉冲产生的电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)。
在一个实施例中，电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为6,000,000W/m2。在一个实施例中，电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2。
在一个实施例中，所提供的电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元的壳体的总外表面积的20％。
在一个实施例中，所提供的电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元的壳体的总外表面积的10％。
在一个实施例中，足迹表面积不大于电池单元的壳体的总外表面积的5％。
在一个实施例中，在开关形成电路之后的不超过60秒内施加能量源中存储的能量的至少95％。
在一个实施例中，在开关形成电路之后的不超过30秒内施加能量源中存储的能量的至少95％。
在一个实施例中，所提供的能量源包括至少一个电容器。
在一个实施例中，能量源包括连续直流电源。
在一个实施例中，在能量源放电期间在电阻加热元件处的以千瓦(kW)为单位的峰值加热功率与电池单元的以kW为单位的标准1C C-倍率恒定电流放电循环功率之比至少为50比1，其中C-倍率是电池的放电速率相对于其最大容量的量度。
在一个实施例中，在能量源放电期间由电阻加热元件消耗的以千焦耳(kJ)为单位的热能与电池单元的储能容量(kJ)之比在0.02到0.04的范围内。在一个实施例中，该比率小于0.10。
在一个实施例中，能量源的放电使电池单元的表面加热到至少150摄氏度。
在一个实施例中，该方法还包括在电阻加热元件外部提供电绝缘屏障，电绝缘屏障用于电绝缘电阻加热元件。在一个实施例中，电绝缘屏障包括陶瓷涂层。
在一个实施例中，电阻加热元件包括在陶瓷涂层外部的导热金属基涂层。
在一个实施例中，电阻加热元件包括在金属基涂层外部的导热传热膏状物。
在一个实施例中，所提供的电阻加热元件具有平面状的形状。
在一个实施例中，电阻加热元件是柔性的以允许对应于电池单元的外表面改变电阻加热元件的形状。
在一个实施例中，所提供的电阻加热元件的厚度不大于5毫米。在一个实施例中，所提供的电阻加热元件的厚度不大于2毫米。
在一个实施例中，所提供的电阻加热元件包括镍铬合金。
在一个实施例中，电阻加热元件包括铁-铬-铝(FeCrAl)合金。
在一个实施例中，可选地形成电路发送单个电流脉冲通过电阻加热元件。
在一个方面，本公开涉及一种用于启动电池单元中的热失控的装置，该装置包括：用于将电能转换成热量的工具，其可定位为与电池单元热接触以用于将热量传递到电池单元的区域；用于提供能量的工具，其电连接到电阻加热元件；开关工具，其用于可选地将电流脉冲发送到用于将电能转换成热量的工具，从而在用于将电能转换成热量的工具处产生功率脉冲，以加热电池单元的区域来启动热失控。
在一个方面，本发明涉及一种用于启动电池单元中的热失控的装置，该装置包括：电阻加热元件，其定位为与电池单元热接触，从而将热量传递到电池单元的区域；电连接到电阻加热元件的能量源；温度传感器，其用于感测电阻加热元件的温度；温度控制器，其与温度传感器可通信地连接，温度控制器配置为使能量从能量源释放以发送电流通过电阻加热元件，从而在电阻加热元件处产生功率，以加热电池单元的区域来启动热失控，温度控制器还被配置为使电阻加热元件被加热到预定温度并且响应于感测的电阻加热元件的温度而保持在预定温度。
在一个实施例中，由产生的功率在电阻加热元件处产生的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是电阻加热元件处的加热功率，并且以平方米为单位的面积是电阻加热元件的足迹表面积。
在一个实施例中，电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元壳体的总外表面积的20％。
在一个实施例中，电阻加热元件具有平面状形状。
在一个实施例中，电阻加热元件在不超过3秒的时间内从环境温度加热到预定温度。
在一个实施例中，电阻加热元件是柔性的以允许对应于电池单元的外表面改变电阻加热元件的形状。
在一个实施例中，电阻加热元件的厚度不大于5毫米。在一个实施例中，电阻加热元件的厚度不大于2毫米。
在一个实施例中，温度控制器使用脉冲宽度调制(PWM)来控制在电阻加热元件处产生的功率。
在一个实施例中，能量源包括直流(DC)电源。
在一个实施例中，温度传感器包括热电偶。
在一个实施例中，温度控制器防止电阻加热元件的温度响应于从能量源释放的能量而超过预定温度多于5％。
在一个方面，本公开涉及一种用于启动电池单元中的热失控的方法，该方法包括：提供定位为与电池单元热接触的电阻加热元件，其用于将热量传递到电池单元的区域；提供电连接到电阻加热元件的能量源；感测电阻加热元件的温度；从能量源释放以在电阻加热元件处产生功率，从而加热电池单元的区域来启动热失控；以及控制电阻加热元件的温度，使得电阻加热元件被加热到预定温度并且响应于感测的电阻加热元件的温度而保持在预定温度。
在一个实施例中，在电阻加热元件处产生的功率产生的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是电阻加热元件处的加热功率，并且以平方米为单位的面积是电阻加热元件的足迹表面积。
在一个实施例中，电阻加热元件的足迹表面积不大于电池单元壳体的总外表面积的20％。
在一个实施例中，电阻加热元件具有平面状形状。
在一个实施例中，加热电阻加热元件包括在不超过3秒的时间内将电阻加热元件从环境温度加热到预定温度。
在一个实施例中，电阻加热元件是柔性的以允许对应于电池单元的外表面改变电阻加热元件的形状。
在一个实施例中，电阻加热元件的厚度不大于5毫米。在一个实施例中，电阻加热元件的厚度不大于2毫米。
在一个实施例中，控制使用脉冲宽度调制(PWM)来控制电阻加热元件的温度。
在一个实施例中，能量源包括直流(DC)电源。
在一个实施例中，温度传感器包括热电偶。
在一个实施例中，控制包括防止电阻加热元件的温度响应于从能量源释放的能量而超过预定温度多于5％。
图2是根据本公开的实施例的装置200的图，该装置200包括通过一个或多个电导体205连接到电路204的加热元件202。应注意，图中所示的组件不一定按比例绘制。装置200被单独示出，意味着没有示出电池单元。在一些实施例中，加热元件202是电阻加热元件。电路204从能量源208提供能量。装置200总体被配置成可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件202，从而在电阻加热元件202处产生功率脉冲以加热电池单元的区域来启动热失控。在一些实施例中，电路204包括用于控制从能量源208到加热元件202的能量传递的电路。在一个实施例中，能量源208是脉冲电源。在一个实施例中，能量源208包括一个或多个电容器。在一个实施例中，一个或多个电容器可以是超级电容器，例如但不限于电化学双层电容器。在一个实施例中，一个或多个电容器可以是脉冲放电电容器，其能够在非常短的时间内释放其电能。
由充电电容器放电的电流在下面的等式(1)中表示：
其中I是电流，V0是充电电容器两端的电压，t是时间，R是负载的电阻，C是电荷。RC是时间常数。
图3示出了用于启动热失控的示例装置300。在该示例配置中，加热元件302定位成与示例单个电池单元306热接触。术语“热接触”在本文中总体用于表示两个主体可通过传导热传递过程交换能量。当能量从能量源308传递到加热元件302时，加热元件302的温度增加并且热量传递到电池单元306。在一些实施例中，传递到电池单元306的热量导致电池单元306的区域的温度达到启动热失控的温度。通过将加热元件302固定到电池单元306的壳体的外表面，加热元件302可以定位成与电池单元306热接触。
在未示出的实施例中，电阻加热元件可以集成到电池单元本身中以用于测试目的。在实施例中，电阻加热元件可以集成到电池单元的壳体中。
图4示出了根据本公开的实施例的用于启动热失控的示例装置400。该示例配置类似于图3的配置，除了这里有第二个电池单元。具体地，电池410包括第一电池单元406a和第二电池单元406b。以虚线表示并且为了说明的目的而以透视示出的第二电池单元406b被示出为位于第一电池单元406a的前面。加热元件402定位成与第一电池单元406a热接触，同时设置在两个电池单元406a和406b之间。虽然图4中所示的电池410具有仅两个电池单元，但应当理解的是，本公开的装置和方法可以与具有多于两个电池单元的电池一起使用。
在一个实施例中，加热元件402可以与电池单元406a和406b热接触。在一些实施例中，用于启动热失控的装置可包括可插入多个电池单元之间的多个加热元件。
图5是根据本公开的实施例的用于启动热失控的示例电路500的示意图。电路500包括电阻加热元件502和包括能量源520的电路504。虽然本文的实施例被描述为具有电阻加热元件，但是一些实施例可以具有一种或多种其他类型的加热元件(即，不一定是电阻性的)。在一个实施例中，能量源520包括用于以电荷的形式存储能量的一个或多个电容器522。在一个实施例中，一个或多个电容器可以是超级电容器。可以提供充电系统530以在测试之前对能量源520充电。在一个实施例中，充电系统530包括能量源532，例如直流(DC)电源和阻断二极管534。
电路504可以包括控制电路540，控制电路540用于控制从能量源520到电阻加热元件502的能量传递。如前文所述，电路500被配置为可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件发，从而在电阻加热元件处产生功率脉冲以加热电池单元的区域来启动热失控。在一个实施例中，控制电路540包括能量转换开关548，能量转换开关548可选地形成电路以使能量从能量源520传递到电阻加热元件502。形成的电路可以发送能量脉冲(例如电流脉冲)通过加热元件以在加热元件处产生功率脉冲，从而加热电池单元的区域。
在图5的实施例中，能量转换开关548被示为由螺线管546致动的机械开关。可以通过激活或关闭选择开关544以通过激活螺线管546来断开和/或闭合能量转换开关548，以形成将能量从控制电路电源542传递到螺线管546的电路。控制电路电源542可以是电池或任何其他合适的源。
可以通过例如计算机、处理器、微控制器、数字电路或其他合适的电子电路手动或电子地激活能量转换开关548。能量转换开关548可以是任何类型的合适的开关，包括但不限于电子控制的机械开关，例如继电器，或使用半导体技术实施的固态开关。
虽然图5的实施例包括能量转换开关548，但其他实施例可以具有除开关之外用于可选地形成电路的任何其他合适类型的装置。
至少在一些实施例中，用于启动热失控的装置被配置成使得电阻加热元件502具有相对于电池单元的表面积或尺寸的小表面积，使得电阻加热元件可以产生局部脉冲或加热能量的爆发，以将电池单元的部分加热到会启动热失控的温度。这与在电池的较大面积或整个电池上施加热能形成对比，较大面积或整个电池上施加热能可能不会将电池单元加热到足以启动热失控的温度，或者只有经过很长一段时间才最终可能将电池单元加热到足够的温度。同样，这可以将周围的电池单元充分加热到使其超出正常工作温度范围或接近顶部的温度，使得在热失控事件开始时周围电池的边界状况受到充分影响。另外，电阻加热元件502需要至少具有一定的尺寸，以便能够提供足够的能量来将电池的区域加热到启动热失控的温度。
可以基于一个或多个因素来选择电阻加热元件502的特性，例如所需的热量、电池单元的形状和/或尺寸、以及电路500中的组件，例如能量源520。电阻加热元件502的特性可包括加热元件的尺寸、形状、厚度、材料和足迹表面积(FSA)。
使用根据本发明的热失控启动装置的实施例进行了许多实验和测试。图6是功率-时间的曲线图600，示出了由根据本发明的热失控启动装置在电阻加热元件处产生的功率664。曲线图600还示出了电阻加热元件的理论结果662。由于电容器的放电，在该实施例中由装置产生的电流脉冲在加热元件处产生功率。因此，功率曲线662和664由发送通过加热元件的电流脉冲限定。
曲线图600还示出了相同类型的锂离子电池的“硬”外部短路的结果660。通过闭合电池的正极和负极之间的低电阻电路来启动外部短路。该电路的电阻(不包括锂离子电池)为0.2毫欧。由这种“硬”外部短路释放的能量可以被认为类似于一种类型的内部短路。峰值功率(即曲线的峰值)和能量释放形状和持续时间(即峰值后的下降曲线)显示热失控启动装置结果664与外部短路结果660之间的合理匹配。曲线664的峰值是电阻加热元件的功率脉冲峰值。针对不同电池尺寸和几何形状，可以通过使用附加电路进一步控制和调整能量释放的形状，例如通过向电路添加变阻器，或改变脉冲宽度、使用多个脉冲并改变脉冲的高度。在一些实施例中，附加电路串联添加到加热元件，但在可选实施例可以使用串联和/或并联的附加电路的组合。
图7是图6的曲线图在0到2秒的时间范围内的特写。注意到与之对比，图6示出了0到30秒之间的时间范围。在图7中，在加热元件664处产生的功率最初在0和大约0.1秒之间快速上升到大约17kW。然后功率逐渐下降，直到约1.8秒，功率显著下降。在加热元件处的这种功率快速增加然后减小是可以在根据本公开的加热元件处产生的功率脉冲的示例。
图8是用于启动热失控的示例装置800的图，其表明了加热元件802的足迹表面积。足迹表面积(FSA)总体是指由围绕加热元件绘制的外周边界定的面积。在该实施例中用虚线866表示FSA。图8的实施例中的FSA计算为FSA＝FSAw×FSAh(FSA宽度×FSA高度)。FSA小于电池单元806的总外表面积，总外表面积以所有侧面的面积之和进行计算。在该实施例中，FSA可以如下计算：2(CELLw x CELLh)+2(CELLw x CELLt)+2(CELLh x CELLt)，即2(电池单元宽度×电池单元高度)+2(电池单元宽度×电池单元厚度)+2(电池单元高度×电池单元厚度)。
在一个实施例中，加热元件802的FSA可以选择为相对于电池单元806的总表面积的特定尺寸(例如，比例)。此外，虽然图8的实施例中的FSA具有矩形形状，但这并不意味着限制。在其他实施例中，加热元件可具有任何其他合适的形状或布局，包括但不限于正方形、圆形或椭圆形形状。在一个实施例中，电阻加热元件是具有复合电阻加热元件图案的平面片形式的连续金属元件。术语电阻加热元件图案总体是指在至少一个实施例中的一个或多个电阻加热元件自身的导电“轨道”的形状、尺寸和布局。术语复合总体是指具有这样的布局的电阻元件，其中加热元件的一段接近加热元件的一个或多个其他段，以物理地集中由电阻加热元件发出的热量。在本公开中示出并描述了加热元件图案的示例，包括在图2、图9、图10和图11所示的，其中加热元件来回弯曲。应当理解，可以设想并且可以是任何其他合适的图案，因此本公开不限于所示的实施例。其他图案包括但不限于螺旋形图案、十字交叉图案和重叠图案。
图9是根据本公开的实施例的加热元件920的透视图。如图所示，加热元件可以是平面形状，意味着具有总体平面形状但具有厚度T。总体平面状的形状可以允许加热元件920插入到狭窄的空间中，例如在电池组的相邻电池单元之间。加热元件可以具有弯折的子元件922。厚度T可以是任何合适的值。在多种实施例中，厚度T可以是例如约1毫米、2毫米、3毫米、4毫米、5毫米、其间的任何值、小于1毫米、或大于5毫米。在一个实施例中，加热元件920的厚度T不大于5毫米。加热元件的厚度T可以部分地基于加热元件的期望电阻，其中可以通过元件的股线的横截面积乘以元件的长度来计算电阻。因此，增加厚度可以成比例地降低电阻。
在其他实施例中，加热元件可以模制或以其他方式成形到电池单元的表面。在一些实施例中，加热元件可以由可弯曲或柔性的材料制成，允许对应于电池单元的外表面修改其形状。当电池单元的表面不平坦时，例如当使用圆柱形电池时，这些选择是合适的。
加热元件920可以由任何合适的材料或多种材料制成。在一个实施例中，电阻加热元件包括金属或金属合金或基本上由金属或金属合金组成。在一个实施例中，电阻加热元件全部或部分由镍铬合金制成，镍铬合金是镍和铬的合金。镍铬合金的组分可以是约80％的镍和20％的铬，或任何其他合适的比例。在一个实施方案中，金属可包含钨。在一个实施例中，电阻加热元件可包括铁-铬-铝(FeCrAl)合金。
图10和图11示出了两个不同的示例电阻加热元件。图10中的元件1002是手工制作并且包括由铬镍合金A(镍铬合金)制成的若干单独的电阻元件1030，电阻元件1030由铜接头1032连接并连接在两个铜条1034之间。图11中的元件1102是精密加工的，并且包括由连接在两个铜条1134之间的镍铬合金制成的金属电阻加热元件部分1130。金属电阻加热元件部分1130包括多个弯折子元件1132和一对连接片1133，一对连接片1133用于与一对导体(例如铜条1134)连接。加热元件1102的FSA在该实施例中用虚线1166表示。图11中所示的FSA1166不包括连接片1133，因为加热期间连接片1133的温度通常远低于弯折子元件1132的温度。然而，其他实施例中的连接片可以被认为是FSA的一部分。
在一个实施例中，加热元件402的FSA不大于电池单元壳体的总外表面积的20％。在一个实施例中，加热元件402的FSA不大于总外表面积的10％。在一个实施例中，加热元件402的FSA不大于总外表面积的5％。在一个实施例中，加热元件402的FSA在总外表面积的5％至10％的范围内。在其他实施例中，FSA可具有总外表面积的不同百分比。
图12是另一示例电阻加热元件1202的照片，其是精密加工的。元件1202由镍铬合金制成，并且包括多个弯折子元件1232和一对连接片1233，一对连接片1233用于与如铜线或铜条的一对导体连接。
在一个实施例中，在电阻加热元件外部设置电绝缘屏障，以将电阻加热元件和与电阻加热元件接触的任何其他表面电绝缘。电绝缘电阻加热元件的示例是在加热元件和电池单元之间放置电绝缘体。在一些实施例中，加热元件包括外部陶瓷涂层。在另一实施例中，电绝缘屏障可以是膏状物，例如陶瓷基膏状物。
此外，在一个实施例中，电阻加热元件包括导热涂层，例如铜涂层，其可以在陶瓷涂层外部。陶瓷涂层可以电绝缘导电加热元件材料，但导热涂层提供导热表面以促进或改善从加热元件材料到电池单元壳体的热量的传递和/或分配。
此外，在一个实施例中，电阻加热元件包括导热材料，例如膏状物，其可以在导热涂层的外部。膏状物可以改善物理接触，从而改善电阻加热元件和电池单元壳体之间的热能传递。已经发现，在至少一些实施例中，镍基膏状物极大地改善了加热元件和电池单元之间的传热速率。导热膏状物可以是任何合适类型的膏状物，包括但不限于镍基膏状物。在一些实施例中，该过程中的传热速率限制部件是电池单元的外壳的传热率。
图13是示例电阻加热元件1302的表示，其包括若干可选涂层。可以由镍铬合金或任何其它合适材料制成的电阻加热元件1302设置有电绝缘屏障涂层1350，例如陶瓷。然后可以为加热元件1302提供导热涂层1352，例如铜。总体上，导热涂层1352与电阻加热元件1302A的镍铬合金或其他材料之间不应存在电接触。此外，加热元件1302的连接片1233可以连接到一对导体，例如铜线或铜条1334。
此外，在图13中示出了各种物理尺寸值，但这只是示例。在该实施例中，电阻加热元件1302在任何涂层之前具有50mm的长度、24.5mm的宽度和1mm的厚度。加热元件1302涂覆有电绝缘屏障1350的部分约为30mm，电绝缘屏障1350的厚度约为50μm。然后加热元件1302涂覆有导热涂层1352的部分约为28.5mm，导热涂层1352的厚度约为500μm。然而，较厚的导热涂层1352(例如铜)可以允许在涂层1352的外表面处加工更光滑的表面，以潜在地改善与电池单元壳体的热接触。此外，在提供导热涂层1352之后，加热元件1302具有至少2mm的厚度。同样地，该实施例的物理尺寸仅是示例，因此不意味着限制。
在其他实施例中，电阻加热元件的足迹表面积(FSA)可以在5.0至6.0cm2的范围内，包括5.4cm2(图13的实施例)、5.6cm2(图18的实施例)或任何其他合适的值。
图14是图12的电阻加热元件1402的照片，其涂覆有陶瓷电绝缘材料1406，然后涂覆铜导热材料1408。在铜导热材料1408和加热元件1402的裸露的镍铬合金1404部分之间存在物理间隙，由1406表示，以将铜与镍铬合金电绝缘。
如前文所述，在使用中，电阻加热元件可以定位成与电池单元热接触，以将热传递到电池单元的区域。在一个实施例中，能量源电连接到加热元件，并且通过开关使能量传递到加热元件，开关可选地形成电路以发送电流脉冲通过加热元件，从而在加热元件处产生功率脉冲。传递到加热元件的能量导致产生热量，该热量加热电池单元靠近加热元件的区域，并且在某些情况下，例如当热量超过临界温度时，启动热失控。临界温度将根据具体情况而变化，并且通常取决于电池单元的一个或多个特性，例如电池单元的类型、尺寸、形状、制造材料等。内部电池温度通常需要在介于150到220摄氏度的范围内来启动导致热失控的放热反应，但它可以超出此范围。
此外，使电池单元的区域达到临界温度的电池壳体外表面所需的温度总体也取决于电池的特性，例如壳体的厚度、壳体的材料等。例如，当壳体较厚时，外表面处需要较高的温度。在一些实施例中，发送单电流脉冲通过加热元件。可以通过能量源(例如一个或多个电容器)中存储的能量的突然和快速释放产生单脉冲。
为了启动热失控，加热元件本身总体需要加热到临界温度以上。可以将加热元件加热到预定温度。在一些实施例中，加热元件被加热到大约或刚好低于元件可承受而不会失效(例如烧坏等)的最高温度的温度。这总体提供特定加热元件所允许的电池单元的最快加热。然而，在其他实施例中，加热元件可以被加热到比元件可以承受的温度更低的温度，例如以防止或减慢电池壳体的熔化或者出于任何其他合适的原因。将加热元件加热至200至1400摄氏度的范围内的温度或任何其他合适的值。在一些实施例中，将加热元件加热至约900、1000、1100、1200、1300、1400或1500摄氏度的温度，或加热至低于、高于这些值或在这些值之间的任何值。温度通常取决于一个或多个因素，例如加热元件的类型、被测电池单元的类型、电池壳体的特性等。
可以基于一个或多个因素来选择电阻加热元件的特性，例如所需的热能量、电池单元的形状和/或尺寸、以及整个装置中的组件，例如能量源。电阻加热元件的特性可包括加热元件的尺寸、形状、厚度、材料和足迹表面积(FSA)。同样地，足迹表面积总体是指由围绕加热元件绘制的周边线限定的面积。
在一个实施例中，重要的设计特征是由于从能量源释放能量而在电阻加热元件处由功率脉冲产生的电阻加热元件处的峰值热通量密度。热通量密度以瓦/平方米(W/m2)为单位进行测量。以瓦为单位的功率是电阻加热元件的加热功率，以平方米为单位的面积是电阻加热元件的足迹表面积。在一个实施例中，由功率脉冲产生的加热元件处的峰值热通量密度至少为1,000,000瓦/平方米(W/m2)。在一个实施例中，由功率脉冲产生的电阻加热元件处的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)。在一个实施例中，峰值热通量密度至少为6,000,000W/m2。在其他实施例中，峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2、至少为1,000,000W/m2或任何其他合适的值。
在一个实施例中，电阻加热元件的特性可以选择或匹配电容器特性。在一些实施例中，电阻加热元件特性与电路特性匹配，以提供例如所需的能量脉冲特性。在一些实施例中，电阻加热元件和/或电路的设计可以基于电池单元的特性。示例电池单元可以是具有低热质量的薄电池的一部分，或者是具有大热质量的大砖形电池的一部分。
为了在电阻加热元件处产生强烈的能量脉冲，在一些实施例中，能量源(例如一个或多个电容器)能够快速地释放能量。对于至少一些实施例，期望能量源能够提供具有与在外部短路中观察到的类似轮廓或形状的峰值功率，其被表征为一阶衰减并且花费大约30秒达到95％的能量消耗。因此，在至少一些实施例中，能量源根据指数衰减函数提供功率。
在一个实施例中，一经能量转换开关闭合，能量源就能够在不超过60秒内释放其电能或电荷的至少95％。在一个实施例中，一经能量转换开关闭合，能量源能够在不超过30秒内释放其电能的至少95％。在其他实施例中，达到95％能量消耗或放电的时间可以在2秒至60秒的范围内、不超过120秒或任何其他合适的时间或时间范围内。应当理解，这些能量消耗值和经过时间值仅作为示例提供，并不意味着限制。如前文所述，能量源可包括一个或多个电容器，并且一些实施例可包括一个或多个超级电容器。对于至少一些实施例，超级电容器被确定为良好的选择，因为其提供比常规恒定DC电源高得多且更快的能量释放。
电池或能量源的放电率可以用“C-倍率”来量化。C-倍率是电池或其他能量源的放电速率相对于其最大容量的量度。在一个实施例中，在能量源放电期间电阻加热元件处的峰值加热功率(千瓦)(kW)与电池单元的标准1C的C-倍率恒定电流放电循环功率(kW)之比至少为50比1。在一个实施例中，该比率至少为100比1。然而，在其他实施例中，该比率可以更低或更高。在进行的实验中，所测试的电池单元具有4.2V×45A＝189W的标准1C放电功率。
由电阻加热元件处的能量脉冲产生的峰值加热功率可以根据实施例而变化，并且可以取决于将电池单元的区域加热到足以开始热失控的温度所需的热量。在一个实施例中，峰值加热脉冲产生的峰值加热功率为大约17kW。在其他实施例中，峰值加热功率可以在10kW至23kW的范围内。但这些值仅是示例。在一些实施例中，加热功率降低到提供无偏离结果同时提供可靠热失控的水平。
在一些实施例中，期望引入最小量的另外的能量来启动热失控。另外施加的能量的量度可以是由加热元件消耗的热能与电池单元的储能容量的比率。在一个实施例中，该比率小于1。在一个实施例中，在能量源放电期间由电阻加热元件消耗的热能量(千焦耳(kJ))与电池单元的储能容量(kJ)之比在0.02至0.04的范围内。在一个实施例中，该比率小于0.10。在一个实施例中，该比率约为0.03±0.005。在其他实施例中，该比率可以在这些范围和值之外。
与根据本公开的技术相对比，在一些现有的慢加热方法中，意味着电池单元在更长的时间段内缓慢加热，该比率要高得多。例如，一些现有方法具有大约800比1的比率，意味着施加热量形式的能量比存储在被加热的电池单元中的电能多800倍。大部分另外的热量被周围电池单元吸收并严重偏离故障传播结果。
现在回到根据本公开的装置，由电阻加热元件消耗的总能量将根据电池单元和测试场景而在实施例之间变化。在一个实施例中，由电阻加热元件消耗的总能量在大约15kJ至25kJ的范围内，但更宽的范围是可行的。在示例实施例中，施加到电池单元的耗散的总能量大约为22kJ，其中测量的储能容量为680kJ。因此，该比率为22kJ/680kJ＝0.032。在一些实施例中，应用尽可能少的能量来确保可靠地启动热失控。在一些实施例中，最大施加能量受能量源限制。
对于至少一些实施例，期望加热元件能够在失效之前传递峰值功率。在一些实施例中，传递到电阻加热元件中的绝对量的能量导致加热元件的损坏。功率脉冲可以具有足够的功率来损坏加热元件，使得加热元件不能产生类似于先前的功率脉冲的另外的功率脉冲。在一个实施例中，加热元件不能产生任何其他有用的功率脉冲。
根据本公开的至少一些实施例能够在不预热周围电池单元的情况下启动目标电池单元中的热失控。已知预热电池单元会使传播结果偏离，因为它们更接近热失控临界温度。在一个或多个其他电池单元接近目标电池单元或与目标电池单元接触的情况下，会存在一些热量被转移到这些其他电池单元中的一个或多个。然而，在一些实施例中，目标是将转移到其他电池单元的热量保持为低的。这与加热包括多个电池单元的整个电池或加热电池的更大区域使得除了目标电池单元之外的电池单元被加热形成对比。
这里描述的实施例可以应用于但不限于为电动车辆、蜂窝电话、飞机、直升机或军用硬件供电的电池以及来自可再生或不可再生资源的大型能量的大规模存储器。这里描述的实施例可以用于但不限于危险货物的运输或电池的运输。
构建了根据本发明的实施例并对其进行若干次测试。该实施例包括电阻加热元件，其电阻约为120毫欧，尺寸约为5厘米×5厘米，其足迹表面积(FSA)约为25cm2。被测电池单元的尺寸约为15cm×19cm，厚度为0.5cm，该厚度被认为是可以忽略不计的。因此，电池单元的总外表面积约为570cm2(285cm2×2侧)。因此，电阻加热元件的FSA相对于电池的总外表面积约为4.4％。测试的电池单元具有4.2V×45A＝189W的标准1C放电功率。加热元件处的峰值加热功率约为17kW，因此峰值加热功率与电池单元的1C放电功率之比约为90(17kW/0.189kW)。达到能量源的95％的能量消耗的时间约为30秒。施加到加热元件的总能量约为22kJ，并且所施加的能量与电池单元的额定电能的比率约为3.2％。
在环境操作温度(0℃至25℃)下，在不同电池单元几何形状(包括袋状和棱柱形电池)上测试该测试实施例12次。成功地在目标电池单元中启动热失控10次。怀疑第一次失败是由于加热元件的安装不良导致加热元件和电池单元之间的热接触不良。怀疑第二次失败是由于低环境温度(0℃)和棱柱形电池单元中的厚的电池壳绝缘。
图15示出了在根据本公开的实施例中用于启动电池单元中的热失控的过程。
该过程在框1500处开始并且进行到框1502，其中将电阻加热元件设置为与电池单元热接触，以用于将热量传递到电池单元的区域。
该过程进行到框1504，其中提供电连接到电阻加热元件的能量源。
该过程进行到框1506，其中可选地形成电路以发送电流脉冲通过电阻加热元件，从而在电阻加热元件处产生功率脉冲来加热电池单元的区域以启动热失控。
该过程进行到框1508并结束。
根据本公开的另一方面，通过向定位为与电池单元热接触的电阻加热元件提供和控制电流而产生的热量局部加热电池单元，以启动热失控。该方法利用闭环控制并且包括至少两个阶段，第一阶段是将电阻加热元件快速加热到预定温度。第二阶段包括将电阻加热元件差不多保持在预定温度，直到热失控被启动。这两个阶段总体可称为“斜升”和“设定”。因此，在一些实施例中，使用斜升和设定方法而不是单个电流脉冲。
已经确定，用于在电池单元中诱导热失控的有效且高效的方法包括至少两个阶段。第一阶段涉及施加高功率以将加热元件快速加热至高于临界温度的温度，以引起电池单元中的热失控。第二阶段包括施加少量功率以维持加热元件温度，直到热失控开始。
在一个实施例中，第一阶段可以具有非常短的持续时间，例如在大约1-3秒的范围内。在至少一些实施例中总体需要提供短的第一阶段，以模拟真正的内部短路故障的发热曲线。短的第一阶段也可以限制传递到相邻电池单元的热量。在至少一些实施例中，第二阶段的持续时间受到电池单元的壳体或壁的导热率和厚度的限制。因此，持续时间总体根据特定的电池单元而变化。该持续时间会受到电池单元的物理特性的倍率限制，因此仅施加更多功率不一定会加速该过程。
目前的两阶段方法比先前的方法可以具有一个或多个优点，包括减少传递到相邻电池单元的热量，这是由于模拟内部短路事件的电池单元的快速温度上升，通过降低由于施加过多功率而导致热元件失效的可能性来确保在目标电池单元中启动热失控的更高程度的确定性，并且确保绝大部分热量施加到电池单元而不是周围环境。
图16A是根据本公开绘制的温度相对于时间的示例图，示出两阶段的斜升和设定的方法。线1602表示加热元件的温度(T元件)，线1604表示目标电池单元的温度(T启动 电池单元)。在第一阶段，将加热元件快速加热到预定温度T设定，该温度高于启动电池单元中的热失控所需的临界温度(T临界)。第一阶段可以在时间t0开始并且在时间t1结束，其持续时间可以长达2秒，最多3秒或任何其他合适的值。
在第二阶段中，加热元件的温度(T元件)差不多保持在预定温度T设定，直到目标电池单元的温度(T启动 电池单元)达到临界温度(T临界)并且启动热失控，示出在时间t2发生。
时间t0和t1之间的持续时间，t1和t2之间的持续时间以及临界温度(T临界)总体都取决于目标电池单元的物理和化学性质。此外，时间t0和t1之间的持续时间总体还取决于施加到加热元件的功率量。
与目标电池单元最近的相邻电池单元(T相邻电池单元)的温度由线1606表示。相邻电池单元的温度显示为相对于加热元件和目标电池单元的温度保持为非常低。
图16B是来自于示出两阶段斜升和设定方法的实验的相对于时间绘制的温度图。该图示出了实际温度和时间值。例如，加热元件从环境温度加热到大约900摄氏度，如线1612所示。电池单元(是指启动电池单元)的温度在时间t2附近上升并达到热失控并且其温度由于热失控继续升高，如线1614所示。相邻电池单元的温度由线1616表示，并且直到t3才进入热失控，同时即使当启动电池单元进入热失控时，相邻电池单元也保持其温度低于临界热失控温度(指的是时间t2和t3之间的时间段)。
提供图16A和图16B作为示例以说明用于启动热失控的两阶段方法。图中的曲线、温度值、时间和其他特征仅是示例，因此不意味着限制。
在一个实施例中，用于启动热失控的装置使用闭环控制，以通过控制给加热元件的电流来控制加热元件的温度。该装置总体包括加热元件、能量源、温度传感器和温度控制器。
加热元件可以是电阻加热元件或任何其他合适类型的加热元件。能量源可以向加热元件提供电流或另一种形式的能量。能量源可以是直流(DC)电源或任何其他合适类型的能量源。温度传感器感测电阻加热元件的温度。温度传感器可以是热电偶或任何其他合适的传感机构。温度控制器使电阻加热元件加热到预定温度并响应于感应的电阻加热元件的温度而保持在预定温度。在一个实施例中，温度控制器使用脉冲宽度调制(PWM)来控制加热元件处产生的功率。温度控制器可以响应于感测的加热元件的温度来控制继电器以向加热元件提供电流。继电器可以是固态继电器或任何其他合适类型的继电器。
图17是根据本公开的实施例的用于启动热失控的电路1700形式的装置的示意图。电路1700包括电阻加热元件1702和能量源1720。虽然本文的实施例被描述为具有电阻加热元件，但一些实施例可以具有一种或多种其他类型的加热元件。在一个实施例中，能量源1720包括DC电源，例如24VDC电源。
电路1700可以包括温度控制器形式的控制电路1740，用于控制从能量源1720向电阻加热元件1702的能量传递。温度传感器1741设置在加热元件1702处并且与温度控制器1740可通信地连接。
电路1700还包括能量转换开关或继电器1730，其用于可选地形成电路以将能量源1720电连接到加热元件1702。与温度控制器1740可通信地连接的能量传递继电器1730由温度控制器1740控制以控制加热元件1702的温度。虽然能量传递继电器1730被示为固态继电器，但是可以使用其他类型的继电器或开关。
电路1700还包括电路功率继电器1748，其用于可选地形成电路以将能量源1720电连接到加热元件1702。电路功率继电器1748被示为单极单掷机电继电器，但可以使用其他类型的继电器或转换机构。此外，示出的电路功率继电器1748由触发器1746致动。电路功率继电器1748可以由例如DC电源或电池的能量源1742供电。
如前文所述，电路1700被配置为选择性地控制电阻加热元件的温度以加热用于启动热失控的电池单元的区域。
图18是电阻加热元件1802的实施例的表示。加热元件1802可以类似于本文所述的其他实施例，但也可以采用一种或多种不同的方式。例如，在一个实施例中，元件1802包括镍铬合金(80/20)。弯折子元件1822的边缘(例如拐角)可以被倒角，这可以有助于绝缘屏障涂层的应用。在一个实施例中，倒角可以是大约2mm×45度。此外，加热元件1802可包括通道或凹槽1804，以便于将温度传感器(未示出)附接到加热元件1802。通道1804可以是蛇形通道，如图18的实施例，或者可以具有任何其他合适的形状和尺寸。在一个实施例中，具有蛇形形状的通道允许温度传感器固定地连接到加热元件，因此在制备和测试期间不会移位。
此外，加热元件1702的尺寸可以具有任何合适的值。在一个实施例中，尺寸大致如下：L1为50mm，L2为10mm，L3为5mm，W1为23.5mm，W2为0.5mm，W3为1.5mm，W4和W5为5mm，W6和W7为10mm，D1(直径)为3mm。
图19是根据本公开的实施例中用于启动电池单元中的热失控的过程图。
该过程开始于框1900并进行到框1902，其中将电阻加热元件设置为与电池单元热接触，以将热量传递到电池单元的区域。
该过程进行到框1904，其中将能量施加到电阻加热元件以加热电池单元的区域来启动热失控。
该过程进行到框1906，其中感测电阻加热元件的温度。
该过程进行到框1908，其中控制加热元件的温度以使电阻加热元件被加热到预定温度并且响应于感测的电阻加热元件的温度而保持在预定温度。
该过程进行到框1910并结束。
图20是可用于实施根据本公开的实施例的一个或多个方面或组件的示例电子装置2000的框图，包括但不限于用于启动热失控的装置。在一个实施例中，电子装置2000可用于提供控制和/或处理能力。
电子装置2000可以包括中央处理单元(CPU)2002、存储器2004、大容量存储装置2006、输入/输出(I/O)接口2010和通信子系统2012中的一个或多个。电子装置2000的组件或子系统中的一个或多个可以通过一个或多个总线2014或以任何其他合适的方式互连。
总线2014可以是任何类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储器总线、存储总线、存储器控制总线、外围总线等。CPU 2002可以包括任何类型的电子数据处理器，包括但不限于FPGA(现场可编程门阵列)、微处理器和微控制器。状态机可以代替CPU 2002而不超出范围。存储器2004可以包括任何类型的系统存储器，例如动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)、只读存储器(ROM)、它们的组合等。在一个实施例中，存储器可以包括用于启动的ROM，以及用于在执行程序时使用的程序和数据存储的DRAM。
大容量存储装置2006可以包括任何类型的存储装置，其被配置为存储数据、程序和其他信息，并且使得数据、程序和其他信息可以通过总线2014访问。大容量存储装置2006可以包括下列中的一个或多个：固态驱动器(SSD)、硬盘驱动器(HDD)、磁盘驱动器、光盘驱动器等。在一些实施例中，数据、程序或其他信息可以远程存储，例如存储在“云”中。电子装置2000可以以任何合适的方式(包括通过网络或其他数据通信介质经由通信子系统2012)向远程存储器发送或接收信息。
I/O接口2010可以提供将一个或多个其他装置(未示出)连接到电子装置2000的接口。其他装置可以包括但不限于能量转换开关548、选择开关、控制电路540、电路504、能量源520、再充电系统530、能量传递继电器1730、温度传感器1741、触发器1746和电路功率继电器1748，而没有限制。此外，可以使用另外的或更少的接口。例如，可以提供如通用串行总线(USB)(未示出)的一个或多个串行接口。
可以为发送和接收信号中的一个或两个提供通信子系统2012。通信子系统可以包括用于实现通过一个或多个有线和无线接口通信的任何组件或组件集合。这些接口可以包括但不限于USB、以太网、高清多媒体接口(HDMI)、Firewire(火线，例如IEEE 1394)、ThunderboltTM(雷电接口)、WiFiTM(无线保真，例如IEEE 802.11)、WiMAX(全球微波接入互操作性，例如IEEE 802.16)、BluetoothTM(蓝牙)、或近场通信(NFC)、以及GPRS(通用分组无线业务)、UMTS(通用移动通信系统)、LTE(长期演进)、LTE-A(增强长期演进)、DSRC(专用短程通信)和IEEE 802.11。通信子系统2012可以包括用于一个或多个有线连接(未示出)的一个或多个端口或其他组件。另外地或可选地，通信子系统2012可以包括一个或多个发射器、接收器和/或天线元件(未示出)。
图20的电子装置2000仅是示例，并不意味着限制。不同的实施例可以利用所示出或描述的一些或所有组件。一些实施例可以使用未示出或描述但本领域技术人员已知的其他组件。而且，图20中的电子装置2000的边界也并不意味着限制，意思是一些组件可以在电子装置2000的外部，而其他组件可以在内部。
在前面的描述中，出于说明的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，这些具体细节并非是必须的。在其他情况下，以框图形式示出了公知的电气结构和电路，以免理解模糊。例如，没有提供关于本文描述的实施例是否以软件、硬件、固件或其任何组合实现的具体细节。
本公开的实施例可以表示为存储在机器可读介质(也称为计算机可读介质、处理器可读介质、或具有嵌入其中的计算机可读程序代码的计算机可用介质)中的计算机程序产品。机器可读介质可以是任何合适的有形的、非暂时性介质，包括磁性、光学或电子存储介质，其包括磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、存储装置(易失性或非易失性)、或类似的存储机构。机器可读介质可以包含各种指令集、代码序列、配置信息或其他数据，其在被执行时使处理器执行根据本公开的实施例的方法中的步骤。本领域普通技术人员将理解，实施所描述的实施方案所必需的其他指令和操作也可以存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器或其他合适的处理装置执行，并且可以与电路连接以执行所描述的任务。
本文描述的和附图中示出的特定实施例的结构、特征、附件和可选方案旨在总体应用于本公开的所有教导，包括本文描述和示出的所有实施例，只要它们是兼容的。换句话说，除非另有说明，否则特定实施例的结构、特征、附件和可选方案并非意在仅限于该特定实施例。
另外，本文描述的方法步骤和步骤的顺序并不意味着限制。还可以想到包括不同步骤、不同步骤数和/或不同顺序的步骤的方法。
上述实施例仅是示例。在不脱离仅由所附权利要求限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对特定实施例进行改变、修改和变化。

Claims (70)

1.一种用于启动具有多个电池单元的电池组中的电池单元中的热失控的装置，所述装置包括：
加热元件，所述加热元件定位为与所述电池单元热接触，以将热量传递到所述电池单元的区域；
传热材料，所述传热材料定位在所述加热元件和所述电池单元之间并且与所述加热元件和所述电池单元两者都接触，所述传热材料用于改善所述加热元件和所述电池单元之间的热能传输率；
电连接到所述加热元件的能量源；以及
开关，所述开关用于可选地发送电流脉冲通过所述加热元件，从而在所述加热元件处产生功率脉冲，以加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控，
其中由所述功率脉冲在所述加热元件处产生的峰值热通量密度至少为800000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是加热元件处的加热功率，以平方米为单位的面积是加热元件的足迹表面积，
其中所述加热元件的足迹表面积不大于所述电池单元的总外表面积的20％以向所述电池单元提供快速局部加热。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电流脉冲以指数衰减。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述加热元件处的所述峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件的所述足迹表面积不大于所述电池单元的总外表面积的5％。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述能量源包括至少一个电容器。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述能量源中存储的能量的至少95％在所述开关形成电路之后的不超过60秒内施加。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述能量源中存储的所述能量的至少95％在所述开关形成电路之后的不超过30秒内施加。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述能量源包括连续直流电源。
9.根据权利要求1所述的装置，其中在所述能量源放电期间在所述加热元件处的以千瓦(kW)为单位的峰值加热功率与所述电池单元的以kW为单位的标准1C C-倍率恒定电流放电循环功率之比至少为50比1，其中所述C-倍率是电池的放电速率相对于其最大容量的量度。
10.根据权利要求1所述的装置，其中在所述能量源放电期间由所述加热元件消耗的以千焦耳(kJ)为单位的热能与所述电池单元的储能容量(kJ)之比小于10％。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述能量源的放电使所述电池单元的表面加热到至少150摄氏度。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括在所述加热元件外部的电绝缘屏障涂层，所述电绝缘屏障涂层用于使所述加热元件电绝缘。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括在所述电绝缘屏障涂层外部的导热金属基涂层。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述传热材料包括导热传热膏状物。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件具有平面状的形状。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件是柔性的以允许对应于所述电池单元的外表面改变所述加热元件的形状。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件的厚度不大于5毫米。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件的厚度不大于2毫米。
19.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件包括镍铬合金。
20.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件包括铁-铬-铝(FeCrAl)合金。
21.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置配置为发送单个电流脉冲通过所述加热元件。
22.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热元件是电阻加热元件。
23.根据权利要求14所述的装置，其中所述导热传热膏状物包括镍。
24.一种用于启动具有多个电池单元的电池组中的电池单元中的热失控的方法，所述方法包括：
提供与所述电池单元热接触的加热元件，所述加热元件用于将热量传递到所述电池单元的区域；
提供传热材料，所述传热材料在所述加热元件和所述电池单元之间并与两者都接触，所述传热材料用于改善所述加热元件和所述电池单元之间的热能传输率；
提供电连接到所述加热元件的能量源；以及
发送电流脉冲通过所述加热元件，从而在所述加热元件处产生功率脉冲，以局部加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控，
其中由所述功率脉冲在所述加热元件处产生的峰值热通量密度至少为800000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是加热元件处的加热功率，以平方米为单位的面积是加热元件的足迹表面积，
其中所述加热元件的足迹表面积不大于所述电池单元的总外表面积的20％以向所述电池单元提供快速局部加热。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述电流脉冲以指数衰减。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中所述加热元件处的所述峰值热通量密度至少为2,000,000W/m2。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述足迹表面积不大于所述电池单元的所述总外表面积的5％。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所提供的所述能量源包括至少一个电容器。
29.根据权利要求28所述的方法，其中在开始发送所述电流脉冲之后的不超过60秒内施加所述能量源中存储的能量的至少95％。
30.根据权利要求28所述的方法，其中在开始发送所述电流脉冲之后的不超过30秒内施加所述能量源中存储的所述能量的至少95％。
31.根据权利要求24所述的方法，其中在所述能量源放电期间在所述加热元件处的以千瓦(kW)为单位的峰值加热功率与所述电池单元的以kW为单位的标准1C C-倍率恒定电流放电循环功率之比至少为50比1，其中所述C-倍率是电池的放电速率相对于其最大容量的量度。
32.根据权利要求24所述的方法，其中在所述能量源放电期间由所述加热元件消耗的以千焦耳(kJ)为单位的热能与所述电池单元的储能容量(kJ)之比小于10％。
33.根据权利要求24所述的方法，其中所述能量源的放电使所述电池单元的表面加热到至少150摄氏度。
34.根据权利要求24所述的方法，进一步包括在所述加热元件外部提供电绝缘屏障涂层。
35.根据权利要求34所述的方法，进一步包括在所述电绝缘屏障涂层外部提供导热金属基涂层。
36.根据权利要求24所述的方法，其中所述传热材料包括导热传热膏状物。
37.根据权利要求24所述的方法，其中所提供的所述加热元件具有平面状的形状。
38.根据权利要求24所述的方法，其中所提供的所述加热元件是柔性的以允许对应于所述电池单元的外表面改变所述加热元件的形状。
39.根据权利要求24所述的方法，其中所提供的所述加热元件的厚度不大于5毫米。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所提供的所述加热元件的厚度不大于2毫米。
41.根据权利要求24所述的方法，其中所提供的所述加热元件包括镍铬合金。
42.根据权利要求24所述的方法，其中所提供的所述加热元件包括铁-铬-铝(FeCrAl)合金。
43.根据权利要求24所述的方法，其中所述发送电流脉冲包括发送单个电流脉冲通过所述加热元件。
44.根据权利要求24所述的方法，其中所述加热元件是电阻加热元件。
45.根据权利要求36所述的方法，其中所述导热传热膏状物包括镍。
46.一种用于启动具有多个电池单元的电池组中的电池单元中的热失控的装置，所述装置包括：
用于将电能转换成热量的工具，其可定位为与所述电池单元热接触以用于将热量传递到所述电池单元的区域；
传热工具，所述传热工具定位在将电能转换成热量的所述工具和所述电池单元之间并与两者都接触，所述传热工具用于改善将电能转换成热量的所述工具和所述电池单元之间的热能传输率；
用于提供能量的工具，其电连接到所述用于将电能转换成热量的工具；
开关工具，其用于可选地将电流脉冲发送到用于将电能转换成热量的所述工具，从而在用于将电能转换成热量的所述工具处产生功率脉冲，以加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控，
其中由所述功率脉冲在所述用于将电能转换成热量的工具处产生的峰值热通量密度至少为800000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是用于将电能转换成热量的工具处的加热功率，以平方米为单位的面积是用于将电能转换成热量的工具的足迹表面积，
其中所述用于将电能转换成热量的工具的足迹表面积不大于所述电池单元的总外表面积的20％以向所述电池单元提供快速局部加热。
47.一种用于启动具有多个电池单元的电池组中的电池单元中的热失控的装置，所述装置包括：
加热元件，所述加热元件定位为与所述电池单元热接触，以将热量传递到所述电池单元的区域；
传热材料，所述传热材料在所述加热元件和所述电池单元之间并与两者都接触，所述传热材料用于改善所述加热元件和所述电池单元之间的热能传输率；
电连接到所述加热元件的能量源；
温度传感器，所述温度传感器用于感测所述加热元件的温度；以及
温度控制器，所述温度控制器与所述温度传感器可通信的连接，其中所述温度控制器配置为使能量从所述能量源释放以在所述加热元件处产生功率以加热所述电池单元的所述区域来启动所述热失控，
其中由所述功率在所述加热元件处产生的峰值热通量密度至少为800000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是加热元件处的加热功率，以平方米为单位的面积是加热元件的足迹表面积，
其中所述加热元件的足迹表面积不大于所述电池单元的总外表面积的20％以向所述电池单元提供快速局部加热，以及
其中所述温度控制器还配置为使所述加热元件被加热到预定温度并且响应于感测的所述加热元件的温度而保持在所述预定温度。
48.根据权利要求47所述的装置，其中所述加热元件具有平面状的形状。
49.根据权利要求47-48中任一项所述的装置，其中所述加热元件在不超过3秒的时间内从环境温度加热到所述预定温度。
50.根据权利要求47所述的装置，其中所述加热元件是柔性的以允许对应于所述电池单元的外表面改变所述加热元件的形状。
51.根据权利要求47所述的装置，其中所述加热元件的厚度不大于5毫米。
52.根据权利要求47所述的装置，其中所述温度控制器配置用于使用脉冲宽度调制(PWM)来控制在所述加热元件处产生的所述功率。
53.根据权利要求47所述的装置，其中所述能量源包括直流(DC)电源。
54.根据权利要求47所述的装置，其中所述温度传感器包括热电偶。
55.根据权利要求47所述的装置，其中所述温度控制器防止所述加热元件的温度响应于从所述能量源释放的所述能量而超过所述预定温度多于5％。
56.根据权利要求47所述的装置，其中所述加热元件是电阻加热元件。
57.根据权利要求47所述的装置，其中所述传热材料包括导热传热膏状物。
58.根据权利要求57所述的装置，其中所述导热传热膏状物包括镍。
59.一种用于启动具有多个电池单元的电池组中的电池单元中的热失控的方法，所述方法包括：
提供与所述电池单元热接触的加热元件，所述加热元件用于将热量传递到所述电池单元的区域；
提供传热材料，所述传热材料在所述加热元件和所述电池单元之间并与两者都接触，所述传热材料用于改善所述加热元件和所述电池单元之间的热能传输率；
提供电连接到所述加热元件的能量源；
感测所述加热元件的温度；以及
控制所述加热元件的温度，使得所述加热元件被加热到预定温度并且响应于感测的所述加热元件的温度而保持在所述预定温度，
在所述加热元件处产生的功率产生的峰值热通量密度至少为800,000瓦/平方米(W/m2)，其中以瓦为单位的功率是所述加热元件处的加热功率，并且以平方米为单位的面积是所述加热元件的足迹表面积，
其中所述加热元件的足迹表面积不大于所述电池单元的总外表面积的20％以向所述电池单元提供快速局部加热。
60.根据权利要求59所述的方法，其中所述加热元件具有平面状的形状。
61.根据权利要求59-60中任一项所述的方法，其中加热所述加热元件包括在不超过3秒的时间内将所述加热元件从环境温度加热到所述预定温度。
62.根据权利要求59所述的方法，其中所述加热元件是柔性的以允许对应于所述电池单元的外表面改变所述加热元件的形状。
63.根据权利要求59所述的方法，其中所述加热元件的厚度不大于5毫米。
64.根据权利要求59所述的方法，其中所述控制使用脉冲宽度调制(PWM)来控制所述加热元件的温度。
65.根据权利要求59所述的方法，其中所述能量源包括直流(DC)电源。
66.根据权利要求59所述的方法，其中使用热电偶感测所述加热元件的温度。
67.根据权利要求59所述的方法，其中所述控制包括防止所述加热元件的温度响应于从所述能量源释放的所述能量而超过所述预定温度多于5％。
68.根据权利要求59所述的方法，其中所述加热元件是电阻加热元件。
69.根据权利要求59所述的方法，其中所述传热材料包括导热传热膏状物。
70.根据权利要求69所述的方法，其中所述导热传热膏状物包括镍。
CN201880007711.8A 2017-01-19 2018-01-18 用于启动电池中的热失控的装置和方法 Active CN110192104B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762448134P 2017-01-19 2017-01-19
US62/448,134 2017-01-19
US201762556006P 2017-09-08 2017-09-08
US62/556,006 2017-09-08
PCT/CA2018/050055 WO2018132911A1 (en) 2017-01-19 2018-01-18 Apparatus and method for initiating thermal runaway in a battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110192104A CN110192104A (zh) 2019-08-30
CN110192104B true CN110192104B (zh) 2024-03-29

Family

ID=62907522

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880007711.8A Active CN110192104B (zh) 2017-01-19 2018-01-18 用于启动电池中的热失控的装置和方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11387507B2 (zh)
EP (1) EP3566044A4 (zh)
JP (2) JP7290569B2 (zh)
KR (1) KR102589287B1 (zh)
CN (1) CN110192104B (zh)
CA (1) CA3050792C (zh)
WO (1) WO2018132911A1 (zh)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7005475B2 (ja) * 2018-11-30 2022-01-21 プライムアースＥｖエナジー株式会社 二次電池の加熱装置及び二次電池の加熱方法
CN109655748B (zh) * 2018-12-29 2020-06-26 清华大学 电池热失控温度的确定方法与电池热失控性能的评价方法
GB201906147D0 (en) 2019-05-02 2019-06-19 Thermal Ceram Inc Endothermic article and composition thereof
CN110261787B (zh) * 2019-07-09 2021-04-02 哈尔滨工业大学 一种圆柱形三元锂离子电池热失控测试时选择的最佳加热功率方法
CN112397806B (zh) * 2019-08-19 2022-09-09 格朗吉斯铝业（上海）有限公司 集成加热功能的电池冷板、动力电池系统及新能源车辆
US11360154B1 (en) * 2019-09-26 2022-06-14 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Method for thermal abuse testing of a lithium-ion battery
EP4078717A1 (en) * 2019-12-20 2022-10-26 Sion Power Corporation Systems and methods for providing, assembling, and managing integrated power bus for rechargeable electrochemical cell or battery
FR3106021B1 (fr) * 2020-01-03 2021-12-31 Commissariat A L Energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Dispositif de déclenchement d’emballement thermique d’un accumulateur électrochimique, notamment d’un accumulateur métal-ion, Procédé associé.
CN113804316B (zh) * 2020-05-29 2023-02-10 比亚迪股份有限公司 电池热管理方法、装置、介质和设备
DE102020116206A1 (de) 2020-06-19 2021-12-23 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zum Bestimmen des Verhaltens eines galvanischen Elements und Teststand
CN111948543B (zh) * 2020-07-20 2023-02-24 中国电力科学研究院有限公司 一种储能电池组热失控连锁反应判断系统及方法
CN111929590A (zh) * 2020-07-22 2020-11-13 东风时代(武汉)电池系统有限公司 动力电池包热失控及热失控扩展的测试系统及方法
KR20220014716A (ko) 2020-07-29 2022-02-07 주식회사 엘지에너지솔루션 전지 팩의 열폭주 방지 설계 검증 시스템 및 방법
CN112698210A (zh) * 2020-12-22 2021-04-23 阳光三星(合肥)储能电源有限公司 一种电池安全测试一体机、电池测试系统及电池测试方法
CN114860001A (zh) * 2021-01-19 2022-08-05 Oppo广东移动通信有限公司 控制方法、电子设备及计算机可读存储介质
CN113030173B (zh) * 2021-04-06 2021-09-14 南京工业大学 一种基于样品池内表面温度测量的绝热加速量热仪
WO2022266166A2 (en) * 2021-06-18 2022-12-22 Electric Power Systems, Inc. Systems and methods for mechanical prevention of thermal runaway propagation
CN113567865B (zh) * 2021-07-07 2023-11-28 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 一种梯次利用三元电池热失控能量释放估算方法
CN113505500B (zh) * 2021-09-10 2021-12-10 蜂巢能源科技有限公司 电池热失控预测方法、装置及计算机可读存储介质
US20230100761A1 (en) * 2021-09-27 2023-03-30 Lenovo (United States) Inc. Thermal runaway pin-point heating test
CN114167286B (zh) * 2021-11-10 2023-10-24 安徽锐能科技有限公司 基于内阻趋势差的锂电池热失控检测的方法及系统
CN115561274A (zh) * 2021-11-29 2023-01-03 宁德时代新能源科技股份有限公司 热失控的触发方法
CN117007993A (zh) * 2022-04-28 2023-11-07 华为技术有限公司 一种电池热失控测试系统及其测试方法
FR3135567A1 (fr) * 2022-05-13 2023-11-17 Safran Electrical & Power Procédé de contrôle de batterie
CN114789679B (zh) * 2022-06-23 2022-09-02 长安新能源南京研究院有限公司 一种动力电池的脉冲加热电流控制方法、系统及电动汽车

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1647584A (zh) * 2002-02-11 2005-07-27 达特茅斯学院理事会 用于改变冰与物体间界面的系统和方法
CN1991654A (zh) * 2005-12-31 2007-07-04 博奥生物有限公司 不需要温度传感器的精密加热温度控制装置及方法
CN101392409A (zh) * 2002-03-29 2009-03-25 马特森技术有限公司 使用加热源组合的脉冲式处理半导体加热方法
CN102117945A (zh) * 2009-12-31 2011-07-06 财团法人工业技术研究院 电池系统中的散热与热失控扩散防护结构
CN103560302A (zh) * 2013-11-19 2014-02-05 安徽江淮汽车股份有限公司 一种动力电池模组安全试验装置及试验方法
CN103837834A (zh) * 2014-02-18 2014-06-04 清华大学 电池热失控特性的测试方法
CN104330743A (zh) * 2014-11-28 2015-02-04 南京工业大学 锂离子电池热失控测试分析系统
CN104880676A (zh) * 2015-05-29 2015-09-02 金龙联合汽车工业（苏州）有限公司 一种基于电池管理系统的动力电池组热失控安全警报方法
CN105830531A (zh) * 2013-12-02 2016-08-03 约翰·库斯瓦杰 通过交流电供电的加热元件和通过所述加热元件实现的热量产生器
CN105954678A (zh) * 2016-04-21 2016-09-21 中国民航大学 一种电池热失控触发及释放气体收集装置
CN105974319A (zh) * 2016-04-21 2016-09-28 中国民航大学 一种18650型锂电池热失控连锁反应测试方法
CN106058382A (zh) * 2016-07-15 2016-10-26 田峰业 一种电池模组加热系统以及电池模组

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5924269B2 (ja) * 1976-09-07 1984-06-08 トヨタ自動車株式会社 電子式排気ガス再循環装置
US5670861A (en) 1995-01-17 1997-09-23 Norvik Tractions Inc. Battery energy monitoring circuits
US5574355A (en) * 1995-03-17 1996-11-12 Midtronics, Inc. Method and apparatus for detection and control of thermal runaway in a battery under charge
JP2002289520A (ja) 2001-03-23 2002-10-04 Japan Science & Technology Corp 薄膜発熱体によるパルス通電熱処理方法及び熱処理装置
US7939190B2 (en) * 2003-07-09 2011-05-10 Premium Power Corporation Systems and methods for selective cell and/or stack control in a flowing electrolyte battery
US8059007B2 (en) 2009-05-28 2011-11-15 Tesla Motors, Inc. Battery thermal event detection system using a thermally interruptible electrical conductor
US8729904B2 (en) 2010-03-15 2014-05-20 Launchpoint Energy And Power Llc Method and system for safe operation of large lithium-ion batteries
US8558712B2 (en) * 2010-06-03 2013-10-15 C&C Power, Inc. Battery system and management method
US8421469B2 (en) 2010-07-16 2013-04-16 Tesla Motors, Inc. Method and apparatus for electrically cycling a battery cell to simulate an internal short
WO2012105636A1 (ja) 2011-02-02 2012-08-09 株式会社Ｇｓユアサ 電池システム
JP5656884B2 (ja) 2012-01-17 2015-01-21 三菱電機株式会社 蓄電デバイスの熱安定性評価試験方法およびその装置
FR2991548B1 (fr) 2012-06-04 2016-03-11 Valeo Etudes Electroniques Dispositif et procede de maintien a temperature de fonctionnement d'une batterie
US9658146B2 (en) 2013-02-25 2017-05-23 The Boeing Company Analysis of rechargeable batteries
US20150030901A1 (en) * 2013-07-26 2015-01-29 General Electric Company Battery heater systems and methods
US9882197B2 (en) 2013-10-11 2018-01-30 Ec Power, Llc All climate battery and manufacturing and using the same
CN204203436U (zh) 2014-11-28 2015-03-11 南京工业大学 锂离子电池热失控实验装置
CN204362332U (zh) 2015-01-12 2015-05-27 泉州三欣新材料科技有限公司 一种保温加热带

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1647584A (zh) * 2002-02-11 2005-07-27 达特茅斯学院理事会 用于改变冰与物体间界面的系统和方法
CN101392409A (zh) * 2002-03-29 2009-03-25 马特森技术有限公司 使用加热源组合的脉冲式处理半导体加热方法
CN1991654A (zh) * 2005-12-31 2007-07-04 博奥生物有限公司 不需要温度传感器的精密加热温度控制装置及方法
CN102117945A (zh) * 2009-12-31 2011-07-06 财团法人工业技术研究院 电池系统中的散热与热失控扩散防护结构
CN103560302A (zh) * 2013-11-19 2014-02-05 安徽江淮汽车股份有限公司 一种动力电池模组安全试验装置及试验方法
CN105830531A (zh) * 2013-12-02 2016-08-03 约翰·库斯瓦杰 通过交流电供电的加热元件和通过所述加热元件实现的热量产生器
CN103837834A (zh) * 2014-02-18 2014-06-04 清华大学 电池热失控特性的测试方法
CN104330743A (zh) * 2014-11-28 2015-02-04 南京工业大学 锂离子电池热失控测试分析系统
CN104880676A (zh) * 2015-05-29 2015-09-02 金龙联合汽车工业（苏州）有限公司 一种基于电池管理系统的动力电池组热失控安全警报方法
CN105954678A (zh) * 2016-04-21 2016-09-21 中国民航大学 一种电池热失控触发及释放气体收集装置
CN105974319A (zh) * 2016-04-21 2016-09-28 中国民航大学 一种18650型锂电池热失控连锁反应测试方法
CN106058382A (zh) * 2016-07-15 2016-10-26 田峰业 一种电池模组加热系统以及电池模组

Also Published As

Publication number Publication date
CA3050792A1 (en) 2018-07-26
KR20190108133A (ko) 2019-09-23
KR102589287B1 (ko) 2023-10-13
EP3566044A1 (en) 2019-11-13
JP7290569B2 (ja) 2023-06-13
US11387507B2 (en) 2022-07-12
EP3566044A4 (en) 2019-11-20
WO2018132911A1 (en) 2018-07-26
CN110192104A (zh) 2019-08-30
US20200036068A1 (en) 2020-01-30
JP2020510954A (ja) 2020-04-09
CA3050792C (en) 2021-02-23
JP2023065358A (ja) 2023-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110192104B (zh) 用于启动电池中的热失控的装置和方法
Abaza et al. Experimental study of internal and external short circuits of commercial automotive pouch lithium-ion cells
Gao et al. An experimental and analytical study of thermal runaway propagation in a large format lithium ion battery module with NCM pouch-cells in parallel
Lamb et al. Failure propagation in multi-cell lithium ion batteries
US8421469B2 (en) Method and apparatus for electrically cycling a battery cell to simulate an internal short
Maleki et al. Internal short circuit in Li-ion cells
Zhang et al. Safety of lithium-ion batteries
CN106876805B (zh) 具有快速放电单元的电池组电池和其快速放电方法
KR102179415B1 (ko) 다중 저항 레벨을 갖는 재충전 배터리
Niu et al. Thermal-runaway propagation over a linear cylindrical battery module
Plunkett et al. Enhancing thermal safety in lithium-ion battery packs through parallel cell ‘current dumping’mitigation
CN211017281U (zh) 一种包含内短路装置的锂离子电池
Juarez-Robles et al. Degradation-safety analytics in lithium-ion cells and modules: Part III. Aging and safety of pouch format cells
Noh et al. Fast-charging of lithium iron phosphate battery with ohmic-drop compensation method
Liu et al. Challenges and Innovations of Lithium-Ion Battery Thermal Management Under Extreme Conditions: A Review
EP3367475A1 (en) Control and/or trigger unit, battery cell, cell module, battery, and apparatus
Hartmann et al. Thermal runaway prevention of Li-ion batteries by novel thermal management system
Orendorff et al. Propagation testing multi-cell batteries.
Pinnangudi et al. Thermal shutdown characteristics of insulating materials used in lithium ion batteries
JPH06283215A (ja) 高温二次電池の加熱装置及び加熱方法
Arora et al. Lithium-Ion Battery Failures in Consumer Electronics
WO2011086562A1 (en) Method of pulse charging
CN110890588A (zh) 包含内短路装置的锂离子电池、制作方法及触发方法
Mocera et al. Study and identification of the thermo-electric behavior of lithium-ion batteries for electric vehicles
Sheikh et al. Thermal and Electrical failure analysis of lithium-ion battery after crash

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant