CN114497842A - 防止热失控的电池 - Google Patents

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Abstract

一种电池，包括多个电池单元，每个电池单元包括芯体、与芯体流体连通的热控制流体源、以及位于芯体和热控制流体源之间的第一压敏阀，第一压敏阀适于在芯体内的压力超过第一预定值时打开。

Description

防止热失控的电池
技术领域
本公开涉及用于电动和混合电动车辆的电池和电池单元，具体涉及一种适于自动防止热失控事件的电池和电池单元。
背景技术
电动车辆电池是用于为纯电动车辆(BEV)或混合电动车辆(HEV)的电动机提供动力的电池。这些电池通常是可充电电池，并且通常是锂离子电池。这些电池是专门为高安培小时(或千瓦小时)容量设计的。
电动车辆电池不同于启动、照明和点火电池，因为其设计成在持续的时间内提供动力，并且是深循环电池。电动车辆电池的特点是功率重量比、比能量和能量密度相对较高。人们期望更小、更轻的电池，因为这样可以减轻车辆的重量，从而提高其性能。与液体燃料相比，目前大多数电池技术的比能量低得多，这往往会影响车辆的最大纯电动行驶里程。
现代电动车辆中最常见的电池类型是锂离子电池和锂聚合物电池，因为与重量相比，其能量密度更高。电动车辆中使用的其他类型的可充电电池包括铅酸电池(“淹没式”、深循环和阀控式铅酸电池)、镍镉电池、镍金属氢化物电池，以及不太常见的锌空气电池和钠-氯化镍电池(“斑马电池”)。电池中储存的电量(即电荷)以安培小时或库仑为单位，总能量通常以千瓦小时为单位。
对便携式电子产品、笔记本电脑、手机和电动工具的需求推动了锂离子电池技术的进步。BEV和HEV市场已经在性能和能量密度方面均从这些进步中获益。与早期的电池化学物质(特别是镍镉电池)不同，锂离子电池可以每天在任何充电状态下进行放电和充电。
热失控是电池中存在的一个重大风险。热失控的发生是由于某种类型的电池单元故障，例如就像有时阳极和电解质之间的隔膜破裂一样简单的故障。这会导致温度升高，产生连锁反应，释放更多能量，从而导致电解质分解成可燃气体。一旦隔膜熔化，电池的阴极就会分解，进一步向火焰供给氧气，引发不受控制的正反馈回路，这通常会导致破坏性的结果。热失控的风险从60℃开始，在100℃时变得极其关键。一旦该过程开始，温度会在几毫秒内迅速上升(产生大约400℃的温度)。这在锂离子电池中尤其普遍。
因此，虽然当前的电池和电池单元实现了其预期目的，但是仍需要一种新型和改进的系统和方法来自动控制正在接近或已经开始热失控事件的电池。
发明内容
根据本公开的几个方面，电池包括多个电池单元，每个电池单元包括芯体、与芯体流体连通的热控制流体源、以及位于芯体和热控制流体源之间的第一压敏阀，第一压敏阀适于在芯体内的压力超过第一预定值时打开。
根据另一方面，在多个电池单元的每一个内，热控制流体源位于芯体的上方，其中当第一压敏阀打开时，重力将导致热控制流体向下流入芯体。
根据另一方面，每个电池单元还包括第二压敏阀，该第二压敏阀适于在热控制流体源内的压力超过第二预定压力时打开。
根据另一方面，第二预定压力低于第一预定压力。
根据另一方面，多个电池单元中的每一个的第二压敏阀适于将热控制流体源的内容物排出电池单元。
根据另一个方面，电池还包括热控制流体储存器，其中多个电池单元中的每一个的热控制流体源与热控制流体储存器流体连通。
根据另一方面，多个电池单元中的每一个包括位于热控制流体源和热控制流体储存器之间的单向阀，其中对于多个电池单元中的每一个，单向阀适于允许热控制流体从热控制流体储存器流入热控制流体源，并防止从热控制流体源流向热控制流体储存器。
根据另一方面，热控制流体储存器适于以低于第一预定压力和第二预定压力的压力向多个电池单元中的每一个内的热控制流体源供应热控制流体。
根据另一方面，热控制流体储存器位于多个电池单元中的每一个的上方，其中，对于多个电池单元中的每一个，当第一压敏阀打开时，重力将导致热控制流体从热控制流体储存器向下流入热控制流体源。
根据另一方面，第一压敏阀和第二压敏阀可以重复打开和关闭，并且可重复使用。
根据另一个方面，第一压敏阀和第二压敏阀是拉锁阀。
根据本发明的几个方面，电池单元包括芯体、与芯体流体连通的热控制流体源、以及位于芯体和热控制流体源之间的第一压敏阀，第一压敏阀适于在芯体内的压力超过第一预定值时打开。
根据另一个方面，热控制流体源位于芯体上方，其中当第一压敏阀打开时，重力将导致热控制流体向下流入芯体。
根据另一方面，电池单元还包括第二压敏阀，该第二压敏阀适于在热控制流体源内的压力超过第二预定压力时打开。
根据另一方面，第二预定压力低于第一预定压力。
根据另一方面，第二压敏阀适于将热控制流体源的内容物排出电池单元。
根据另一方面，电池单元还包括单向阀，该单向阀适于连接到热控制流体储存器，并适于允许热控制流体从热控制流体储存器流入热控制流体源，并防止从热控制流体源流向热控制流体储存器。
根据另一个方面，第一压敏阀和第二压敏阀是可重复使用的拉锁阀。
根据本发明的几个方面，电池包括多个电池单元，每个电池单元包括：芯体；与芯体流体连通的热控制流体源；位于芯体和热控制流体源之间的可重复使用的第一压敏阀，第一压敏阀适于在芯体内的压力超过第一预定值时打开，热控制流体源位于芯体上方，其中当第一压敏阀打开时，重力将导致热控制流体向下流入芯体；以及第二可重复使用的第二压敏阀，适于当热控制流体源内的压力超过低于第一预定压力的第二预定压力时打开，并将热控制流体源的内容物排出电池单元。
根据另一方面，电池还包括位于多个电池单元中的每一个的上方的热控制流体储存器，其中，多个电池单元中的每一个的热控制流体源与热控制流体储存器流体连通，多个电池单元中的每一个包括位于热控制流体源和热控制流体储存器之间的单向阀，其中对于多个电池单元中的每一个，单向阀适于允许热控制流体从热控制流体储存器流入热控制流体源，并防止热控制流体从热控制流体源流到热控制流体储存器，热控制流体储存器适于以低于第一预定压力和第二预定压力的压力向多个电池单元中的每一个内的热控制流体源供应热控制流体。
根据本文提供的描述，在其他领域的应用将变得显而易见。应当理解，本文的描述和具体实例仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的示例性实施例的电池单元的透视图；
图2是沿图1的线2-2截取的剖视图；
图3A是图2中标记为图3A的虚线圆的放大视图；
图3B是类似于图3A的视图，其中第一压敏阀已经打开；
图4是根据示例性实施例的第一压敏阀的实例的剖视图；
图5A是类似于图3A的视图，其中电池单元包括第二压敏阀；
图5B是类似于图5A的视图，其中第一压敏阀打开；
图5C是类似于图5B的视图，其中第一压敏阀和第二压敏阀均打开；
图6是包括单向阀的电池单元的示例性实施例的透视图，该单向阀用于从位于远处的热控制流体储存器供应热控制流体；
图7A是类似于图5A的视图，其中单向阀从位于远处的热控制流体储存器向热控制流体源供应热控制流体；
图7B是类似于图7A的视图，其中第一压敏阀打开；
图7C是类似于图7B的视图，其中第一压敏阀和第二压敏阀均打开；
图8是根据示例性实施例的电池组的透视图；
图9是具有八个电池组的电池的透视示意图，该八个电池组由热控制流体储存器供应；以及
图10是示出热控制流体储存器相对于电池单元的布置的透视图。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或使用。
参考图1和图2，根据本公开的电池单元10包括芯体12、与芯体12流体连通的热控制流体源14、以及位于芯体12和热控制流体源14之间的第一压敏阀16。
芯体12包括电池单元10的基本部件，例如但不限于阳极、电解质和隔膜，其均被密封袋18包裹。热控制流体源14是适于容纳一定体积的热控制流体20的容器，热控制流体20适于减缓或停止热失控事件。热控制流体20可以是任何合适的流体，例如水或具有特别适于熄灭热失控事件的化学性质的流体。
参照图3A，第一压敏阀16将热控制流体20保持在热控制流体源14内。参考图3B，当芯体12内的压力超过第一预定压力时，第一压敏阀16打开，从而允许容纳在热控制流体源14内的热控制流体20流入密封袋18，如箭头22所示，以减缓或停止热失控事件。
在示例性实施例中，芯体具有高度24。热控制流体源14的高度26在芯体12的高度24的0.05倍至0.2倍之间。
在另一个示例性实施例中，热控制流体源14位于芯体12上方。当第一压敏阀16打开时，重力导致热控制流体20向下流入芯体12，如图3B中的箭头22所示。如图3A所示，热控制流体源14位于芯体12上方1毫米至4毫米之间，如图3A中的28所示。
在示例性实施例中，第一压敏阀16是可重复使用的阀，其可以重复关闭和打开。参考图4，作为非限制性实例，可重复使用的第一压敏阀16是拉锁式密封阀。该拉锁阀包括与通道部32接合的脊部30。脊部30和通道部32的接合将保持密封，直到芯体内的压力超过第一预定压力。第一预定压力是使得施加在第一压敏阀16上的力将导致脊部30和通道部32脱离接合，从而打开第一压敏阀16的压力。在另一个示例性实施例中，第一压敏阀16通过将密封袋18的内表面热封在一起形成密封而形成。在又一示例性实施例中，通过在密封袋18的内表面之间放置一条胶粘带以形成将在第一预定压力下释放的密封来形成第一压敏阀16。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，第一压敏阀16可以通过任何合适的形成密封的方法形成。
参照图5A、图5B和图5C，在另一个示例性实施例中，电池单元10包括第二压敏阀34。第二压敏阀34适于在热控制流体源14内的压力超过第二预定压力时打开。类似于第一压敏阀16，第二压敏阀34可以是可重复使用的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，可以通过任何合适的形成压敏密封的方法形成。
参照图5A，在操作中，电池单元10开始经历热失控事件，并且围绕芯体12的密封袋18内的温度和压力开始增加。当围绕芯体12的密封袋18内的压力达到第一预定压力时，第一压敏阀16打开并将热控制流体20释放到芯体12中，如图5B中的箭头36所示。密封袋18设计成能承受大约5巴的最大压力。第一预定压力是安全地低于该最大压力的压力。在示例性实施例中，第一预定压力在大约3巴至4巴之间。
由于热失控事件以及热控制流体20与芯体12中的部件发生反应，在芯体12内产生蒸汽和其他气体。这将导致芯体12和正在互连的热控制流体源14内的压力升高。参照图5C，当热控制流体源14内的压力达到第二预定压力时，第二压敏阀34打开，以从电池单元10释放芯体12中产生的蒸汽和气体，如箭头38所示。这有助于通过从电池单元10内去除潜在的可燃电池气体来停止热失控事件。可取的是，第二预定压力低于第一预定压力，以防止高压气体在芯体12和热控制流体源14内积聚。
参考图6，在另一个示例性实施例中，电池单元10包括单向阀40，该单向阀40适于连接到热控制流体储存器42。单向阀40将允许热控制流体20从热控制流体储存器42流入热控制流体源14中，如箭头44所示，并且将防止从热控制流体源14流回到热控制流体储存器42。
参照图7A，在操作中，电池单元10开始经历热失控事件，并且围绕芯体12的密封袋18内的温度和压力开始增加。当围绕芯体12的密封袋18内的压力达到第一预定压力时，第一压敏阀16打开并将热控制流体20释放到芯体12中，如图7B中的箭头46所示。在热控制流体源14内的初始体积的热控制流体20流入芯体12之后，来自位于远处的热控制流体储存器42的额外热控制流体20流入热控制流体源14，如图7B中的箭头48所示。
由于热失控事件和热控制流体20与芯体12中的部件的反应，在芯体12内产生蒸汽和其他气体。这将导致芯体12和正在互连的热控制流体源14内的压力升高。参照图7C，当热控制流体源14内的压力达到第二预定压力时，第二压敏阀34打开，以从电池单元10释放芯体12中产生的蒸汽和气体，如箭头50所示。可取的是，第二预定压力低于第一预定压力，以防止高压气体积聚在热控制流体源内。
在另一个示例性实施例中，电池单元10不包括本地的热控制流体源14，相反，单向阀40和第一压敏阀16集成到单个阀中，其中当芯体12内的压力超过第一预定压力时，热控制流体20从位于远处的热控制流体储存器42直接流入芯体12。
参考图8，示出了包括多个电池单元10的电池组52。流体导管54将热控制流体20从位于远处的热控制流体储存器42供给到每个单独的电池单元10。参考图9，示出了包括八个电池组52的电池56。流体导管54从热控制流体储存器42向所有八个电池组52的所有电池单元10供给流体。
参照图10，热控制流体储存器42位于多个电池单元10的每一个的上方，其中，对于多个电池单元10的每一个，当第一压敏阀16打开时，重力将导致热控制流体20从热控制流体储存器42向下流入热控制流体源14。热控制流体储存器42在电池组52上方的高度58将决定热控制流体20输送到电池单元10的压力，从而决定在热失控事件中热控制流体20填充受影响的电池单元10的芯体12的速度。
为了确保正常运行，热控制流体储存器42适于以低于第一预定压力和第二预定压力的压力向多个电池单元10中的每一个内的热控制流体源14供应热控制流体20。这将防止第一压敏阀16和第二压敏阀34被无意中打开。在示例性实施例中，热控制流体储存器42位于八个电池组52上方100毫米处。
通过使用位于远处的热控制流体储存器42，热控制流体20的总体积减小。位于远处的热控制流体储存器42可以容纳足够的热控制流体20，以向可能在电池56内经历热失控事件的少量电池单元10供应热控制流体20。储存在位于远处的热控制流体储存器42内的热控制流体20的体积远小于每个单独的电池单元10储存足够的热控制流体20时用于该电池单元10内的热失控事件所需的热控制流体20的累积体积。通过减少热控制流体20的总体积，并减少或消除每个电池单元10的单独热控制流体源14，电池单元10的尺寸减小，并且相应地，电池组52和电池56的尺寸减小。
当电池单元10接近或已经开始热失控事件时，本发明的电池单元10和电池56提供被动和自动反应，通过用热控制流体20浸透电池单元10的芯体12以熄灭芯体12内的燃烧并通过从芯体12排出可燃气体以防止进一步燃烧来减缓或停止热失控事件。此外，本公开的电池单元10和电池56利用可重复密封的压敏阀16、34，其使得能够重复使用经历了热失控事件的电池单元10。在热失控事件之后，可以更换受影响的电池单元10的芯体12，并且可以重新密封压敏阀16、34，再次将芯体12与热控制流体源14隔离，并且可以重新填充热控制流体源14或热控制流体储存器42。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开要点的变化均落入本公开的范围内。这样变化不应被视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电池，包括：
多个电池单元，每个所述电池单元包括：
芯体；
与所述芯体流体连通的热控制流体源；以及
第一压敏阀，位于所述芯体和所述热控制流体源之间，所述第一压敏阀适于在所述芯体内的压力超过第一预定值时打开。
2.根据权利要求1所述的电池，其中，在所述多个电池单元的每一个内，所述热控制流体源位于所述芯体的上方，其中，当所述第一压敏阀打开时，重力将导致热控制流体向下流入所述芯体。
3.根据权利要求2所述的电池，其中，每个电池单元还包括第二压敏阀，所述第二压敏阀适于在所述热控制流体源内的压力超过第二预定压力时打开。
4.根据权利要求3所述的电池，其中，所述第二预定压力低于所述第一预定压力。
5.根据权利要求4所述的电池，其中，所述多个电池单元中的每一个的第二压敏阀适于将所述热控制流体源的内容物排出所述电池单元。
6.根据权利要求5所述的电池，还包括热控制流体储存器，其中，所述多个电池单元中的每一个的热控制流体源与所述热控制流体储存器流体连通。
7.根据权利要求6所述的电池，其中，所述多个电池单元中的每一个包括位于所述热控制流体源和所述热控制流体储存器之间的单向阀，其中对于所述多个电池单元中的每一个，所述单向阀适于允许热控制流体从所述热控制流体储存器流入所述热控制流体源，并防止从所述热控制流体源流向所述热控制流体储存器。
8.根据权利要求7所述的电池，其中，所述热控制流体储存器适于以低于所述第一预定压力和所述第二预定压力的压力向所述多个电池单元的每一个内的所述热控制流体源供应热控制流体。
9.根据权利要求8所述的电池，其中，所述热控制流体储存器位于所述多个电池单元的每一个的上方，其中，对于所述多个电池单元的每一个，当所述第一压敏阀打开时，重力将导致所述热控制流体从所述热控制流体储存器向下流入所述热控制流体源。
10.根据权利要求9所述的电池，其中，所述第一压敏阀和所述第二压敏阀可以重复打开和关闭，并且可重复使用。
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