CN115668594A - 具有选择性相变特征的电池 - Google Patents

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Abstract

实施例提供了包括相变材料(PCM)的电池单元和/或电池子模块，所述相变材料用于吸收可能在电池单元和/或电池子模块内释放的过量热量。PCM可以以电池单元内的除了隔热层之外的层的形式提供。替代地，PCM层可以代替隔热层。PCM可以提供在包含电池子模块的容器内的电池子模块的一个或多个侧面上。PCM也可以是以层和/或一个或多个条带的形式提供的固态PCM。PCM还可以包括在包含电池子模块的容器中提供的液态PCM。

Description

具有选择性相变特征的电池
相关申请的交叉参考
本申请根据35 USC§119(e)要求2020年6月3日提交的题为“Battery withSelective Phase Change Features（具有选择性相变特征的电池）”的第63/034,246号美国临时专利申请的权益，其公开内容通过引用整体结合于此以用于所有目的。
背景技术
电池是一种能够将储存的化学能转化为电能的电化学设备。电池技术的许多示例在本领域中是已知的，包括锂离子电池、镍金属氢化物电池、铅酸电池、镍镉电池、碱性电池等。电池可以制成许多尺寸并具有一定范围的操作特性(例如电压(或电势)、最大电流、充电容量等)。为了支持高电压或高充电容量，可以通过串联和/或并联电连接多个电池单元来制造电池组。根据技术，一些类型的电池可以通过连接到充电电流源而可再充电。
电池(特别是锂离子电池)已经发现了广泛的用途，包括作为便携式电源以驱动交通工具如汽车、飞机、船只等的马达。在一些情况下，电池或电池组可以是交通工具的唯一电源。如果电池故障，则仅依赖于电池电力来推进的交通工具可能就会突然失去其动力。取决于发生电池故障时交通工具的状态，结果可以范围从不方便到灾难。
通常需要多个电池单元来达到更高的电压并存储足够的能量以使电池能有效地用于其预期用途。多个电池单元可以一起封装到电池子模块中。电池子模块中的一个或多个单元可能会以被称为热失控的放热过程的形式发生故障。单元中的热失控过程可能是由制造缺陷、单元的误操作或滥用或任何升高单元温度或使单元暴露于来自外部源的高温的因素引起的。高温通常会导致单元中反应速率的增加，从而导致它们温度的进一步增加，因此导致反应速率的进一步增加。由于该失控过程，电池子模块中的单元将大量的热量释放到单元周围的区域中。
由于电池子模块的单元通常非常紧密地封装在一起，因此如果单元组装件的一部分中的一个单元经历热失控，那么，该故障单元的高温可触发附近单元的热失控(例如，热失控传播)。这种过程可能会导致附近的单元释放热量，并将热失控过程传播到电池中的其余单元，从而导致电池的级联故障并释放大量能量。因此，可能期望制造减少发生热失控风险的电池。
发明内容
本文描述了包括用于吸收可能在电池单元和/或电池子模块内释放的过量热量的相变材料(PCM)的电池子模块的示例(或实施例)。在故障电池单元或局部温度不期望地升高的其他情况下，相变材料可以提供限制温度增加并防止热失控事件的紧急冷却效果。
根据各种实施例，电池子模块包括容器；由在容器内提供的一个或多个电池单元形成的电池堆叠；以及在容器内提供的相变材料层。相变材料被配置成吸收从电池堆叠释放的热量。电池子模块还可以包括与电池堆叠中的一个或多个电池单元堆叠的一个或多个隔离层。容器可以被配置成压缩电池堆叠和提供在其中的相变材料。
在一些实施例中，相变材料包括与一个或多个电池单元堆叠的相变材料的一个或多个固态层。所述相变材料的一个或多个固态层提供在所述一个或多个电池单元之间。相变材料的一个或多个固态层可以提供在电池堆叠的顶表面或底表面上。相变材料的一个或多个固态层可以被提供在电池堆叠的一个或多个侧表面上。根据一些实施例，相变材料可以将电池堆叠包封在容器中。
根据各种实施例，电池堆叠中的至少一个层可被浸渍有相变材料。相变材料包括发泡型防火涂料。
在一些实施例中，相变材料包括在容器内提供的预定量的液态相变材料。电池堆叠至少部分地浸入到液态相变材料中。该预定量可以是大约1毫升到大约30毫升。
一些实施例涉及一种制造电池子模块的方法，该电池子模块包括容器；由在所述容器内提供的一个或多个电池单元形成的电池堆叠；以及在容器内提供的相变材料层。相变材料被配置成吸收从电池堆叠释放的热量。电池子模块还可以包括与电池堆叠中的一个或多个电池单元堆叠的一个或多个隔离层。该方法还可以包括计算在故障的情况下要从电池堆叠释放的能量；以及基于相变材料的熔化的潜热和将从电池堆叠释放的能量来确定相变材料层的厚度。
一些实施例涉及一种制造电池子模块的方法，该方法包括将由一个或多个电池单元形成的电池堆叠插入到容器中；以及将液态相变材料添加到容器中，使得电池堆叠的至少一部分浸入液态相变材料中。所述液态相变材料被配置成吸收从所述电池堆叠释放的热量。该方法还可以包括测试电池子模块的性能；将所述电池子模块的性能与预定阈值进行比较；以及基于所述比较来调节所述液态相变材料的量。所述调节可以包括将预定量的液态相变材料添加到容器；或者从容器中去除预定量的液态相变材料。
附图说明
在以下详细描述和附图中公开了本发明的各种实施例。
图1A示出一个示例性电池子模块的堆叠(例如，分层)内容物的俯视图。
图1B示出在容器中提供的一个示例性电池子模块，该容器围绕并压缩电池子模块的堆叠内容物。
图2A-2B示出具有用作隔热层的气凝胶的一个示例性电池子模块。
图3A示出根据各种实施例的具有相变材料(PCM)层的一个示例性电池子模块。
图3A示出根据各种实施例的具有相变材料(PCM)的一个或多个条带的一个示例性电池子模块。
图3B示出根据各种实施例的具有连续PCM层的一个示例性电池子模块。
图4示出根据各种实施例的具有与一个或多个电池单元堆叠的一个或多个PCM层的一个示例性电池子模块。
图5示出根据各种实施例的具有PCM贮存器的一个示例性电池子模块。
图6示出根据各种实施例的用于制造具有PCM贮存器的一个示例性电池子模块的步骤的一个示例性流程图。
图7示出根据各种实施例的用于制造具有一个或多个PCM层的一个示例性电池子模块的步骤的一个示例性流程图。
图8示出根据常规系统的热失控事件的一个示例，其中，第一曲线表示故障电池单元的温度。
图9示出根据各种实施例的由电池子模块中的PCM防止的热失控事件的一个示例。
具体实施方式
本发明可以以多种方式来实施，包括作为过程；装置；系统；和/或物质的组合物。在本说明书中，这些实现方式或者本发明可以采取的任何其他形式可被称为技术。通常，在本发明的范围内，可以改变所公开的过程的步骤的顺序。除非另有说明，组件可以被实现为临时被配置成在给定时间执行任务的通用组件或被制造成执行任务的特定组件。
实施例提供了包括相变材料(PCM)的电池单元和/或电池子模块，所述相变材料用于吸收可能在电池单元和/或电池子模块内释放的过量热量。根据各种实施例，PCM可以以电池单元内的除了隔热层之外的层的形式来提供。替代地，PCM层可以代替隔热层。在一些实施例中，PCM可以在包含电池子模块的容器内的电池子模块的一个或多个侧面(例如，底部、顶部、前部、后部)上提供。PCM可以是以层和/或一个或多个条带的形式提供的固态PCM。在其它实施例中，PCM材料是在包含电池子模块的容器中提供的液态PCM。本文所讨论的电池单元/子模块(例如，固态PCM层、一个或多个固态PCM条带、液态PCM)中的PCM的各种实现方式可以单独地或以其任何合理的组合来提供。
（多个）示例性电池子模块
首先，解释电池单元和电池子模块的组件可能是有帮助的。图1A示出了一个示例性电池子模块150的堆叠(例如，分层)内容物的俯视图，包括电池单元、隔热层和导热层。图1B示出了在容器120(例如金属罐)中提供的电池子模块150，该容器围绕并压缩电池子模块150的堆叠的内容物。
电池子模块150可以用于为交通工具提供动力，所述交通工具诸如为飞行器、船只、轨道交通工具、汽车、卡车、越野车、个人运输车(例如，滑板或踏板车)、电动自行车等。电池子模块150可以是任何类型的电池，包括锂离子电池、铅酸电池、镍金属氢化物电池等。电池子模块150可以根据需要被实现为单个电池单元或被实现为包括串联和/或并联连接在一起的多个电池单元的电池组。如本文所使用的，术语“电池单元”或“单元”可以被理解为包括独立电池，或者在电池子模块的情况下，包括电池子模块内的一些数量的可独立替换的电池单元中的一个。
如图1A所示，示例性电池子模块150的堆叠内容物可以包括重复图案，该重复图案包括导热层100、电池单元102和隔热层104。在一些实施例中，导热层100可以包括在一侧或两侧上的鳍状物（fin）。在一些实施例中，每个电池子模块150包括12个电池单元以及对应数量的隔热层和导热层。这里没有示出堆叠图案的具体开始和结束，并且可以使用任何适当的（多个）开始和结束层。在一些实施例中，堆叠的层可以以两个隔热层开始和结束。附加PCM层可以在隔热层的一侧或两侧上提供(例如，以将电池子模块150夹在中间)，如以下更详细地讨论的。
在一些实施例中，导热层100可以充当与该导热层接触的电池单元102的热沉。通过将由电池单元产生的热量(例如，在正常操作和/或灾难性故障期间)从堆叠的层的内部散发到外部，导热层100防止附近的电池单元过热和可能的故障。在一些实施例中，由于金属的良好导热性质，导热层100可由金属(例如，1235系列Al)制成。
根据各种实施例，电池单元102可以是袋式单元。当施加压力(例如，～3-5PSI)时，袋式单元表现更好。更特别地，通过向袋式单元施加压力，袋式单元的循环寿命可以延长。因此，图1A中所示的堆叠的层可以使用如图1B中所示的金属容器120来压缩。
图1B是电池子模块150的堆叠内容物的透视图，包括压缩容器的内容物的容器120。如图1A所示，电池子模块150的每个电池单元102可以包括正接头106和负接头108。每个正接头106可被电连接，并且每个负接头108可被电连接。结果，当容器120的内容物被盖130密封时(如图1B所示)，盖130暴露单个正连接116或端口和单个负连接118或端口。
返回参考图1A，隔热层104可以防止(或至少减缓和/或减轻)热量从一个单元扩散到另一个单元。例如，在一个单元发生灾难性故障的情况下，从该故障单元释放出大量的热量。在没有任何隔离的情况下，所有该热量就将传播到附近的单元，并导致这些单元也灾难性地故障。最终，所有单元将以多米诺骨牌效应灾难性地故障。这种多米诺骨牌效应有时被称为热失控传播。当单个电池单元由于放热化学反应而经历不能停止的温度升高时，可能就会发生热失控。当一个单元的热失控导致另一电池单元进入热失控时，该效应就可被称为热失控传播事件(或简单地称为热失控传播)。隔热层104可以防止(或至少减缓和/或减轻)热失控发生。
隔热层104可由能够承受(例如，不崩溃)来自金属容器120的预期压力的材料制成。例如，使用材料的弹性常数作为感兴趣的度量，隔热层104的弹性常数应该是不可忽略的。在一些实施例中，隔热层104可以由气凝胶制成，该气凝胶是良好的隔热体并且具有不可忽略的弹性常数。图2A-2B示出了具有用作隔热层的气凝胶200的电池子模块。
隔热层是不良热导体，并且由此将过量的热量包含在过热的电池单元内。过量的热量仍然传递到电池子模块的其它区域，但是传递速率变慢。此外，隔热层可以用于通过增加过热电池单元与其他附近电池单元之间的热阻来引导热量远离附近电池单元并且朝向电池子模块的其他区域(例如，其他组件和非相邻电池单元)。结果，过热的电池单元不会快速地将大量的热量传递到其它附近的电池单元。相反，热量可以被导向另外的区域以及缓慢地释放到附近区域二者，然后附近区域继续将热量消散到电池子模块的另外的区域。热量的缓慢释放允许额外的时间将过量的热量传递到电池子模块的另外的区域，并且有效地更均匀地分布在电池子模块周围，而不是集中在局部区域中。因此，隔热层能够防止子模块的在故障的电池单元之外的特定局部区域达到临界温度(例如，200℃)。隔热层可以通过以下方式实现该目的：(1)延长子模块达到临界温度所需的时间，和(2)使向高传导性子模块外部的热传递比对相邻电池单元的热传递更有利，从而提高贯穿子模块的温度均匀性，并防止任何一个部分接近临界温度。因此，隔热层有效地使热量更均匀地分布并且在电池子模块中达到更低的温度。
然而，在一些情况下，即使当温度均匀地分布到电池子模块的所有单元时，温度仍可能会超过临界温度。
具有PCM的电池子模块
本文讨论的实施例在电池子模块中提供相变材料(PCM)以防止电池子模块达到临界温度。虽然PCM可以与上述隔热层结合使用，但是在一些实施例中，PCM可以单独使用(例如，隔热材料可以由PCM形成或由PCM代替)。PCM吸收额外的热量以重新配置PCM的分子之间的结合，而不是传播热量通过电池子模块(例如，将从一个电池单元散发的热量消散到一个或多个相邻的单元，或电池子模块中的其他单元)。也就是说，PCM吸收热量以从一个相(例如，固态、凝胶)转变到另一个相(例如，液态)。
在PCM的相变过程期间，引起相变的吸收的热能不会引起PCM内的温度增加。结果，PCM可以吸收电池子模块中的热量而不会经历温度的增加。由于这种效应，PCM可以提供电池子模块内的温度上限（ceiling）。温度上限(也称为等温边界条件)可以是PCM经历相变过程的温度或其附近温度。温度上限可以防止电池子模块内的温度的不受控制的增加。例如，如果一个电池单元故障，PCM可以从该电池单元吸收过量的热量，使得热量确实升高电池子模块的其余部分的温度或以其他方式影响其他电池单元。结果，在局部温度不受控制地增加的情况下，PCM可以提供紧急冷却效果。PCM提供的紧急冷却效果能够足以容纳由电池单元故障产生的热量，从而防止诸如热失控的灾难性事件。
PCM在其相变期间可以吸收而不经历温度增加的热量是材料的潜热和材料的量的函数。这些因素(例如，PCM的材料类型和尺寸)可以被配置成使PCM能够吸收和容纳足够的热量以防止热失控(或其他过热问题)。
另外，可以基于PCM经历相变的温度来选择PCM的类型。为了防止对一个或多个电池单元的损害，可能希望将电池子模块内的温度限制在低于某个预定温度。可以使用在某个预定温度或低于某个预定温度时经历相变的PCM，以便在某个预定温度或低于该某个预定温度建立温度上限。例如，临界温度可以是电池单元易于出现故障或过热不受控制地增加的温度。可以选择在低于临界温度的特定温度下经历相变的PCM。
图8示出了热失控事件的一个示例。第一曲线850表示不包括PCM层的常规电池系统中的故障电池单元的温度。当故障发生时，第一故障电池单元的温度出现尖峰，温度尖峰高达第一峰值温度870。第一电池单元的温度尖峰导致大量的热量消散到电池子模块和其它电池单元中。第二曲线851和第三曲线852表示电池子模块内的两个其它电池单元的温度，所述两个其它电池单元可以与第一电池单元相邻或者在第一电池单元附近。随着第一故障电池单元泄漏热量，这导致了第二电池单元和第三电池单元的温度升高。一旦第二电池单元和第三电池单元达到某个临界温度860，那些电池单元也会经历故障和不受控制的温度尖峰。如第二曲线851所示，第二故障电池单元的温度在第二故障发生时出现尖峰，温度尖峰高达第二峰值温度871。如第三曲线852所示，第三故障发生时的第三故障电池单元的温度出现尖峰，温度尖峰高达第三峰值温度872。由于热量从第一电池单元消散到第二和第三电池单元所需的时间，在第一电池单元的故障(如温度峰值870所示)与第二和第三电池单元的故障(如温度峰值871和872所示)之间存在时间滞后（lag）。这种不受控制的温度增加在多个电池单元上的传播是热失控事件。临界温度860根据电池单元的类型而变化。在该示例中，临界温度860为大约175摄氏度。
图9示出了根据各种实施例的由电池子模块中的PCM防止的热失控事件的一个示例。第一曲线950表示故障电池单元的温度。当故障发生时，第一故障电池单元的温度出现尖峰，温度尖峰高达第一峰值温度970。由于第一电池单元的温度尖峰，产生了大量的热量。过量的热量被PCM吸收，从而防止了在电池子模块的其它电池单元和其它区域处的温度增加。PCM可在某个相变温度965下经历相变。结果，电池子模块内部和故障电池单元外部的其他电池单元处的温度可能就不会增加到超过相变温度965(例如，只要至少一些PCM尚未相变)。由于相变温度965小于其它电池单元可能发生故障时的临界温度960，因此PCM防止了其它电池单元达到临界温度960并发生故障。这由第二曲线951和第三曲线952示出了，它们表示电池子模块内两个其它电池单元的温度。这些其它电池单元的温度可以达到相变温度965，但是未达到临界温度960。结果，防止了第二电池单元和第三电池单元中的不受控制的温度上升，并且防止了热失控事件。临界温度960取决于电池单元的类型，并且相变温度965取决于PCM的类型。在该示例中，临界温度960为大约175摄氏度，并且相变温度965为大约130摄氏度。
如图3A所示，PCM层300可以被提供为电池子模块350中的吸热层。在一些实施例中，PCM层300可提供在容器305的顶部上，刚好在盖下方。例如，PCM层300可以以放置在电池单元堆叠上方且在单元接头及互连件304下方的一个或多个条带的形式形成。单元的顶部已经示出为主要热传递路径，其导致热失控传播，尤其是在观察到火的情况下。因此，将PCM层300放置在电池子模块350的顶部上将防止起火，这限制了总能量释放(例如，防止电池子模块中的电解质点燃)。另外，将PCM层300放置在电池子模块350的顶部上还将抑制电池子模块350的顶部部分的燃烧，该顶部部分是电池子模块350中的热能的辅助来源。
当在电池子模块中发生热失控传播时，一个或多个电池单元可能在其中提供接头304的顶部部分中断开。该位置也是保持电池单元封闭的粘合剂最弱的位置。当电池单元袋打开时，高压汽化的电解质云在电池子模块内释放。如果局部温度太高，那么，汽化的电解质就具有点燃的趋势。因此，通过将PCM层300放置在电池单元的顶部，可能在电池子模块的顶部(和剩余)部分保持恒定的温度。在热失控传播或不期望的温度增加的情况下，PCM层300将吸收热量并局部降低温度。通过降低废气积聚的电池子模块顶部部分的温度，PCM层300防止了废气点燃(例如，PCM层300防止了燃烧)。
在一些实施例中，示例性电池子模块可以包括PCM 300的多个层，诸如在容器305中提供的底层和顶层。电池单元的堆叠可以夹在底部PCM层和顶部PCM层之间。在一些实施例中，PCM层也可以形成为电池单元的堆叠的前(和/或后)层306。替代地，电池单元堆叠可被包封在PCM层袋中，并且接着插入到容器305中。在所有这些说明性示例性实施例中，除了隔热层302之外，还可以提供PCM层300，诸如气凝胶。
如图3A所示，PCM层300可由多个PCM片(例如，条带)形成。根据各种实施例，PCM层310可以是放置在容器305中的期望位置处和/或电池单元的堆叠上或周围的连续层(例如，膜状层)，如图3B所示。示例性PCM层310可以包括用于容纳单元接头和互连件304的一个或多个开口303(例如，槽)。PCM层(300或310)可以经由任何合适的耦合手段(诸如使用粘合剂)耦合到电池单元的堆叠。在一些实施例中，（多个）PCM层可以经由容器305(和盖)提供的压缩而保持在适当位置。
如果PCM层300或310是凝胶形式的，那么，PCM层300或310就可以在期望的位置处被注入容器305中。
图4示出了另一示例性实施例，其中，PCM层400形成为电池单元之间的堆叠的层。图4中示出的示例性电池子模块450包括以以下示例性顺序堆叠的多个层：PCM层400、电池单元402、散热器404、另一个PCM层400、隔热层406。这些层可以重复以形成示例性电池子模块450。在该示例性实施例中，PCM层400提供在每对电池单元之间。除了(多个)隔热层406之外还提供(多个)PCM层400。
如上所述，PCM层400独立地工作，并且以不同于隔热层406的方式工作。隔热层406抑制了来自过热的电池单元的快速热量泄漏，并且由此使过量的热量围绕整个电池子模块缓慢地消散而不是聚集在局部区域中。相反，PCM层400吸收了过量的热量。根据各种实施例，PCM层400的厚度可以基于PCM的熔化的潜热及从（多个）电池单元释放的能量的量来确定。实施例允许PCM层400足够厚以吸收在正常操作期间、在过热期间和/或在一个或多个电池单元的故障期间释放的能量。
散热器404可以从与电池单元402接触的任何点接收热量，并且贯穿整个散热器404快速传导热量。这可以功能性地增加用于将热量传递到PCM层400的接触表面积，因为散热器404可以在每个PCM散热器接触点处以相等的传递速率将热量传递到PCM层400。因此，散热器404可以辅助将热量从电池单元402快速传递到PCM层400。隔离406可以抑制热量从一个电池单元区域到另一个电池单元区域的传递。
实施例允许电池子模块450层具有其它配置。例如，在一些实施例中，每个电池单元402可以与两个散热器404接触，电池单元402的每侧上有一个散热器。此外，每个散热器404之后可以是PCM层400，并且每一PCM层400之后可以是隔热层406，使得每个电池单元402夹在两个散热器404、两个PCM层400及两个隔热层406之间。围绕第一和最后的电池单元的层可以变化。例如，在电池单元堆叠的最顶部或底部处可以没有隔热层406。
在一些实施例中，可以替代(多个)隔热层406使用PCM层400。也可以将PCM层400放置在一组(例如，两个或更多个)电池单元之后，而不必在每对电池单元之间使用PCM层400。由于PCM层400的有效热吸收特性，这种层叠可以是可能的。该示例性结构可以为给定的电池子模块提供附加体积和/或重量节省。
图3A-4所示的示例性实施例中所示的PCM层可以由PCM材料形成，或者可以由浸渍有例如发泡型防火涂料的衬底形成。
例如，图3A-3B中所示的PCM层300和图4中所示的PCM层400的示例性材料可以包括相变陶瓷分隔器。陶瓷分隔器具有整体水合PCM。PCM可转变成气相，而陶瓷分隔器可以用作散热器。
在发泡型防火涂料的情况下，PCM层300的示例性材料可以包括具有发泡型防火涂料的陶瓷纸隔离(例如，具有IC100涂层的Superwool® EST)。发泡型防火涂料可以例如涂覆在电池子模块的层(例如电池单元、隔离层等)上。因此，电池子模块的层可以浸渍有发泡型防火涂料(PCM)。在过量热量(或火)的情况下，发泡型防火涂料在吸收热量的同时发生相变(例如，变成灰)。发泡型防火涂料的潜热可吸收与电池单元相关的潜在热失控的初始温度尖峰，同时隔离防止了剩余热量扩散到相邻单元。
图5示出了包括液态PCM层500的另一个示例性电池子模块550。堆叠的单元(例如，电池单元502、散热器504、隔热层506的重复图案的堆叠)可以至少部分地浸入包含电池子模块550的容器510内的一定体积的液态PCM 500(例如，PCM贮存器)中。液态PCM的体积应最小化，并且仅足以减轻单个单元热失控的影响。在一些实施例中，可以存在任何合适体积的液态PCM。例如，液态PCM的体积可以是大约10毫升到大约100毫升，这取决于电池子模块550的配置和尺寸。图5中所示的实施例可以基于电池子模块550的性能而进行调节(例如，可以将液态PCM添加到容器510或从其中移除)。液态PCM可以有利地接触多个电池单元并从其上去除热量，使得相同的液态PCM对于其中不同的电池单元可能过热的多种场景是有用的。相同的液态PCM基本上可以由多个电池单元共享。结果，不需要针对每个电池单元的单独的PCM部分，并且可以减少PCM的总量，从而降低电池子模块的重量。
根据一个示例性实施例，在电池子模块550的中间电池单元512中释放的过量热量可以如图5中热矢量530所示的那样扩散。虽然较大量的热量可以被液态PCM 500吸收，但是隔热层506也吸收一些热量。散热器504将引导(例如，扩散)过量的热量到液态PCM 500，如用热矢量所示的。最小量的过量热量仍可传递到相邻单元522，如用热矢量所示的。
在示例性电池子模块550中，PCM可以用于在浸入PCM贮存器中的子模块的整个部分上强制实施等温边界条件。当分布贯穿子模块时，PCM可以产生鳍状物效应，该鳍状物效应使所有的热传递都优先朝向PCM。在固态PCM的情况下(例如，如图3A到4中所示的示例性实施例中)，PCM层可能需要为连续的(例如，图3A中所示的条带可能不理想)，并且PCM层的材料可能需要为高度传导的以便实现类似于PCM贮存器解决方案的鳍状物效应(如图5中所示的示例性实施例中)。
根据各种实施例，容器510可被气密地密封。在容器510上形成一个或多个通气孔的实施例中，可以例如使用挡风雨条或气密带来密封（多个）通气孔。当在子模块中发生热失控传播时，热量可以使通气孔上的密封分解(例如，熔化)，从而打开通气孔以将热气释放到电池子模块的外部环境中。如果电池子模块包括如图5所示的液态PCM层，那么，通气孔上方的密封可以持续更长时间，因为液态PCM层将吸收过量的热量。在一些实施例中，如果子模块的温度增加到超过液态PCM层可以包含的水平，那么，密封可以融化以让热气体出来。此时，液态PCM可转变成气体，并且不会引起泄漏问题。例如，可以选择密封材料以具有比PCM经历相变(例如，汽化)的温度更高的融化温度。只要PCM的一部分经历相变，PCM就可以从电池单元吸收过量的热量，而不会经历温度的增加或使电池子模块温度增加。一旦所有PCM都已经相变(例如，汽化)，PCM温度和电池子模块温度就可以增加到超过PCM相变温度。然后，一旦温度升高到密封融化的点，密封就可能融化以使热气逸出电池子模块。
示例性的液态PCM可以包括在低温下沸腾的相变电介质液态材料(例如3M™ Novec™7000)，这使热质量增加了，其具有低表面张力(良好的芯吸能力)和与工程材料的良好兼容性。示例性液态PCM也可以是电绝缘的。在某些实施例中，液态PCM可以具有低导热率。另外，根据各种实施例，气体旨在从电池子模块中排出，从而使热能排放。因此，用于液态PCM的材料不应表现出冷凝热相。在某些实施例中，容器510可以包括一个或多个开口，用于添加另外的液态PCM和/或替换已经排出的PCM。用于添加PCM的开口可以具有可移除的盖和/或被配置成能允许流体和气体插入而不允许逸出/泄漏。
在一些实施例中，液态PCM和固态PCM的组合可以在相同的电池子模块中使用。
在一些实施例中，具有不同相变温度的两种或更多种类型的PCM可以包括在相同的电池子模块内。这可以在电池子模块内产生两个不同的人工温度极限；由具有第一相变温度的第一类型的PCM提供的第一温度极限，以及由具有高于第一相变温度的第二相变温度的第二类型的PCM提供的第二温度极限。两个不同的温度极限可以帮助确定从一个或多个电池单元释放了多少热量，这可以改进电池诊断和警告系统。例如，如果温度传感器指示达到第一温度极限，然后超过第一温度极限，则其可以指示第一类型的PCM已经被完全利用(例如，所有第一类型的PCM已经经历了相变)。这可以指示已经释放和吸收了多少热量(例如，引起第一类型的PCM的完全相变所需的热量的量)，并且它可以指示仅剩余一条防线(例如，第二类型的PCM)，这可以触发高级警告系统。此外，使用多种类型的PCM可以是控制温度的方式，使得其在某个优选温度带之内(例如，高于第一温度极限并且低于第二温度极限)。这可以是有利的，因为电池单元可以在稍微升高的温度下更高效地工作。因此，PCM产生的温度极限可以被配置成使子模块温度处于或接近电池单元性能的最佳温度。
图6示出了根据各种实施例的用于制造具有PCM贮存器的一个示例性电池子模块的步骤的一个示例性流程图。在步骤602，由一个或多个电池单元形成的电池堆叠被插入到容器内，从而形成电池子模块。在一些实施例中，电池子模块还可以包括在电池单元之间的一个或多个隔热层。
在步骤S604，可以将初始量的液态相变材料添加到容器中，从而在容器中形成PCM贮存器。电池堆叠可以至少部分地浸入PCM贮存器中。所述液态相变材料的初始量可以是大约10毫升到大约100毫升。初始量可以被选择成使得存在足够的液态PCM以在电池单元故障或其他不期望的温度增加的情况下提供足够的紧急冷却。初始量可以基于PCM的汽化的潜热和电池子模块的预定预期电压输出来确定。
在步骤S606，可以使用一种或多种测试方法来测试电池子模块的性能，以评估电池子模块的电压输出。
在步骤S608，可以将电池子模块的性能(例如，电压输出)与预定阈值进行比较。
在步骤S608，基于比较结果，可以通过向容器添加更多的液态相变材料或者通过从容器中去除液态相变材料来调节液态相变材料的量。例如，如果测试/测量的电压输出大于预定阈值，则电池子模块可能能够产生更多的热量。在这种情况下，可以将额外的液态PCM添加到容器，使得总的PCM具有增加的吸热能力。如果测试/测量的电压输出小于预定阈值，那么，电池子模块可能具有降低的产生热量的能力。在这种情况下，一些液态PCM可以被去除到容器，因为减少的吸热能力可能是足够的，并且对减少电池子模块的重量可能是有利的。一旦达到了期望的液态相变材料的水平，容器就可以被气密密封。
在一些实施例中，在步骤S608中，可以去除或添加预定量的液态相变材料。可以使用任何合适的预定量，诸如1毫升、5毫升、10毫升、15毫升、20毫升、25毫升或30毫升。在其它实施例中，可以基于测试的性能与预定阈值之间的差来计算要去除或添加的液态相变材料的量。
图7示出了根据各种实施例的用于制造具有一个或多个PCM层的一个示例性电池子模块的步骤的一个示例性流程图。在步骤702，通过堆叠一个或多个电池单元形成电池堆叠。在一些实施例中，电池堆叠还可以包括在电池单元之间的隔热层的一个或多个层。
在步骤S704，计算在电池故障的情况下要从一个或多个电池单元释放的能量水平。可以针对单个电池单元故障、两个电池单元故障、所有电池单元故障或任何其他合适数量的电池单元故障进行计算。该计算可以基于一个或多个电池单元的某些特性和配置，诸如一个或多个电池单元中存储的能量的总量，以及一个或多个电池单元的最大电压输出。在一些实施例中，计算可以包括测量在电池故障测试期间释放的能量。
在步骤S706，基于在故障的情况下将从电池堆叠释放的计算能量水平和相变材料的一个或多个特性来确定一个或多个相变材料层的厚度。例如，相变材料的熔化的潜热可以用于确定一种或多种相变材料的厚度，该熔化潜热描述了在相变材料的融化过程期间吸收了多少热能。该厚度可以被配置成使得包括足够量的相变材料。在一些实施例中，可能期望包括足以吸收如果一个电池单元故障、两个电池单元故障、所有电池单元故障或任何其它合适数量的电池单元故障的情况下将释放的能量的量的相变材料的量。在一些实施例中，相变材料的量可被设置为吸收在电池故障期间释放的足够的能量，使得防止热失控。这可能小于在电池单元故障期间释放的能量的总量，因为一些热能可能消散，并且电池子模块内一些温度增加可能是可容忍的。
在步骤S708，一个或多个相变材料层插入电池堆叠中。一个或多个相变材料层的厚度可以是在步骤S706处确定的量。例如，一个或多个相变材料层可以插入在一个或多个电池单元之间。一个或多个相变材料层也可被添加在电池堆叠的底部、顶部或侧面。在一些实施例中，电池堆叠可被包裹在一个或多个相变材料层中(例如，由一个或多个相变材料层包封)。在一些实施例中，步骤S702和步骤S708可以同时发生，使得在堆叠一个或多个电池单元的过程期间添加相变材料层。
在步骤S710，电池堆叠和相材料层可以被插入到容器中，从而形成电池子模块。
实施例提供了PCM层，该PCM层吸收电池子模块中的过量的热量，而同时占据最小量的体积，尤其是当与常规的隔热材料相比时。这种性质对于飞行器(例如电动飞行器)中使用的电池变得尤其重要。电动飞行器可能受到严格的体积和重量限制。使用PCM层代替常规的隔热材料使得能够以有效的方式满足体积和重量约束。
尽管已经参考具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员在能够得到本公开内容的情况下应当理解，变化和修改是可能的。本文描述的电池子模块可以包括任何数量的电池单元，并且系统和过程可以适于使用各种电池技术实现的单元。
应当理解，本文所使用的所有数值都是为了说明的目的，并且可以改变。在一些情况下，指定范围以提供标度，但不排除所公开范围之外的数值。
还应当理解，本文的所有图都旨在是示意性的。除非特别指出，否则附图不意图暗示其中所示的元件的任何特定物理布置，或者所有所示的元件是必需的。本领域技术人员在能够得到本公开内容的情况下应当理解，可以修改或省略附图中所示或本公开内容中以其他方式描述的元件，并且可以添加未示出或描述的其他元件。
以上描述是说明性的而非限制性的。在阅读了本公开之后，本发明的许多变化对于本领域技术人员应当变得显而易见。因此，专利保护的范围不应参考以上描述来确定，而是应参考所附权利要求及其全部范围或等同替换物来确定。

Claims (20)

1.一种电池子模块，包括：
容器；
由在所述容器内提供的一个或多个电池单元形成的电池堆叠；以及
在所述容器内提供的相变材料，其中，所述相变材料被配置成吸收从所述电池堆叠释放的热量。
2.根据权利要求1所述的电池子模块，其中，所述相变材料包括与所述一个或多个电池单元堆叠的相变材料的一个或多个固态层。
3.根据权利要求2所述的电池子模块，其中，所述相变材料的一个或多个固态层提供在所述一个或多个电池单元之间。
4.根据权利要求2所述的电池子模块，其中，所述相变材料的一个或多个固态层提供在所述电池堆叠的顶表面或底表面上。
5.根据权利要求2所述的电池子模块，其中，所述相变材料的一个或多个固态层提供在所述电池堆叠的一个或多个侧表面上。
6.根据权利要求1所述的电池子模块，其中，所述相变材料包括在所述容器内提供的预定量的液态相变材料，其中，所述电池堆叠至少部分地浸入所述液态相变材料中。
7.根据权利要求6所述的电池子模块，其中，所述预定量是约1毫升至约30毫升。
8.根据权利要求1所述的电池子模块，还包括：
与所述一个或多个电池单元堆叠的一个或多个隔离层。
9.根据权利要求1所述的电池子模块，其中，所述相变材料将所述电池堆叠包封在所述容器中。
10.根据权利要求1所述的电池子模块，其中，所述电池堆叠中的至少一个层浸渍有所述相变材料。
11.根据权利要求10所述的电池子模块，其中，所述相变材料包括发泡型防火涂料。
12.根据权利要求1所述的电池子模块，其中，所述容器被配置成压缩所述电池堆叠和在其中提供的所述相变材料。
13.根据权利要求1所述的电池子模块，其中，所述相变材料包括在特定温度下经历相变的材料，所述特定温度小于所述电池子模块经历热失控的临界温度。
14.一种制造根据权利要求1所述的电池子模块的方法，所述方法包括：
计算在故障的情况下要从所述电池堆叠释放的能量；以及
基于所述相变材料的熔化的潜热和将从所述电池堆叠释放的能量的量来确定所述相变材料的层的厚度。
15.一种方法，包括：
将由一个或多个电池单元形成的电池堆叠插入到容器中，从而形成电池子模块；以及
将液态相变材料添加到所述容器中，使得所述电池堆叠的至少一部分浸入在所述液态相变材料中，其中，所述液态相变材料被配置成吸收从所述电池堆叠释放的热量。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
测试所述电池子模块的性能；
将所述电池子模块的性能与预定阈值进行比较；以及
基于所述比较来调节所述液态相变材料的量。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述调节还包括：
向容器添加额外的液态相变材料；或
从所述容器中去除至少一些液态相变材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，调节包括当所述电池子模块的性能超过所述预定阈值时向所述容器添加额外的液态相变材料，并且其中，调节包括当所述电池子模块的性能未能满足所述预定阈值时从所述容器去除至少一些液态相变材料。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，将预定量的所述液态相变材料添加到所述容器或从所述容器去除预定量的所述液态相变材料。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述性能是电压输出，并且所述预定阈值是预期电压输出。
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