CN116210116A - 电池模块 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式提供了车辆和电池模块(300)，在电池模块(300)中，排放容积(330)设置在电池模块壳体(350)内。这样的排放容积允许从排放电池单元排出的气体(331)被引导远离模块中的其他电池单元，从而降低了电池单元之一中的排放事件(333)将导致其他电池单元中的一系列排放事件的可能性。

Description

电池模块
技术领域
本发明的各方面涉及电池模块和车辆，特别地但不排他地涉及电动车辆或混合动力电动车辆及其电池模块。
背景技术
最近对提供电池供电的车辆的兴趣增加，这导致车辆电池，特别是车辆牵引电池技术的发展。通常期望车辆电池提供高能量容量和峰值电流输出，同时使电池模块的尺寸和重量最小化以及因此使车辆的尺寸和重量最小化。然而，这些要求必须与电池能够被充分冷却的需求相平衡，因为如果电池单元的温度被允许反复超过某个限制，则通常用于车辆牵引电池中的电池单元可能会相对快速地退化或损坏。
此外，确保在车辆电池损坏的情况下不危及车辆安全也很重要。实际上，一些规范测试要求机动车辆中使用的电池在电池模块内的一个电池单元损坏之后不得引起影响所有电池单元的不受控的放热反应，或者至少任何这样的反应足够慢，以允许车辆乘员有时间逃离车辆。
因此，期望提供能够提供改进的能量和/或电流密度，同时保持足够的冷却性能并且避免热失控可能性的车辆电池模块。
本发明的实施方式的目的是至少减轻现有技术的一个或更多个问题。
发明内容
根据寻求保护的本发明的一方面，提供了一种电池模块，包括：壳体；多个圆柱形电池单元，电池单元中的每个电池单元具有第一端部和第二端部，其中，至少一个排放装置位于电池单元中的每个电池单元的第一端部处；以及分离结构；其中，多个电池单元以共同取向设置在壳体内，使得电池单元中的每个电池单元的第一端部基本上共面；分离结构布置在壳体内靠近多个电池单元的第一端部，并且被布置成允许从排放电池单元排出的气体穿过分离结构；并且壳体包括布置在分离结构与壳体的内表面之间的排放容积，以允许从多个电池单元中的每个电池单元的排放装置经由分离结构排放至排放容积中。有利地，排放容积允许从电池单元排放的排放气体膨胀和冷却，而不会导致电池模块内的其他电池单元过度加热。这有助于降低单个电池单元的故障导致一系列热失控反应的风险。
可选地，圆柱形电池单元中的每个圆柱形电池单元周向地邻接至少一个其他圆柱形电池单元，优选地至少两个其他圆柱形电池单元。这可能有助于减缓故障电池单元内发生的任何放热反应，因为相邻电池单元可以用作散热器以帮助冷却电池单元。
在本申请的范围内，如果电池单元直接接触，或者如果电池单元经由粘合剂层接合在一起，则电池单元可以被认为彼此邻接。在一些实施方式中，粘合剂层的厚度可以为0.5mm或更小，优选地0.3mm或更小。有利地，粘合剂可以是导热的。如从以下公开内容中将变得明显，本发明人已经认识到，使电池单元彼此热接触有助于降低电池单元故障的发生率和/或严重性。
在实施方式中，电池模块还包括汇流条，该汇流条布置在多个电池单元的第一端部处。可选地，汇流条位于电池单元的第一端部与分离结构之间。
在实施方式中，分离结构包括：支承部件，该支承部件具有形成在其中的多个孔；以及保护层，该保护层覆盖孔中的每个孔，保护层被布置成当保护层两端存在预定压力差时破损。有利地，这样的保护层可以有助于减轻从电池单元排放的排放气体进入电池单元之间的空间的风险。可选地，保护层包括施加至每个电池单元的第一端部表面的涂层。
在实施方式中，保护层包括绝缘材料片。绝缘材料片优选地不可燃。在实施方式中，在电池单元中的至少一些电池单元的第一端部与绝缘材料片之间的空间中设置有非固体化合物。优选地，非固体化合物设置在电池单元的第一端部与绝缘层之间的基本上所有空间中。非固体化合物可以是基于非固化硅树脂的化合物和/或非固体膨胀型化合物。有利地，提供这样的化合物可以有助于防止排放容积中的热气体进入电池单元之间的空间，从而有助于降低一个或更多个电池单元中的排放事件将引发一系列其他排放事件的可能性。
在实施方式中，分离结构包括第一过滤层。这样的过滤层可以有助于减少允许从排放容积进入电池单元之间的空间的排放气体的量，因为排放容积中的压力可能相对低，并且不足以使排放容积内的排放气体穿越过滤层。然而，离开电池单元的排放气体通常以相对高的速度离开，使得它们相对容易地穿越过滤层。过滤层还可以具有显著的热质量，因此排放气体在其穿过过滤层时可以被冷却。可选地，第一过滤层包括网状物。此外可选地，网状物至少部分地由金属形成。
在实施方式中，第一过滤层被布置成：允许从多个电池单元中的每个电池单元的排放装置排放至排放容积中；以及基本上防止从多个电池单元之一的排放装置排放的材料从排放容积穿越第一过滤层到达多个电池单元中的另一电池单元。
在实施方式中，电池模块还包括与第一过滤层邻近的第二过滤层。第二过滤层可以包括相变材料。这样的相变材料可以通过在排放气体穿过第二过滤层时经历相变来帮助进一步冷却排放气体。如本领域技术人员将理解的，这样的相变降低了系统的平均温度，因为相变材料的温度在相变期间不增加。
在实施方式中，第一过滤层包括相变材料。
可选地，壳体还包括排气端口，该排气端口被配置成允许排放容积中的流体离开壳体。这样的排气端口可以定位在方便的位置处，以确保离开电池模块的排放气体不会对其他车辆系统或车辆用户产生显著的不利影响。然而，应当理解，离开壳体的排放气体自离开电池单元后将显著冷却。
在实施方式中，排放容积是空隙。
在实施方式中，电池模块还包括冷却板，该冷却板被布置成热耦接至多个电池单元中的每个电池单元的第二端部。有利地，冷却电池单元的第二端部可以避免在电池单元的圆柱形表面之间的空间中提供冷却装置的需要。这可以允许电池单元更有效地被封装在给定容积中。
可选地，排放容积的深度为1mm至20mm，优选地1mm至12mm，更优选地3mm至10mm，最优选地4mm至8mm。在特定实施方式中，排放容积的深度为6.6mm。有利地，这样的深度为排放气体提供足够的容积以膨胀和冷却，同时有效地利用可用空间。
替选地，排放容积的深度可以根据单个电池单元直径的一部分来限定，例如排放容积的深度可以在电池单元直径的1/10至1/1之间，优选地电池单元直径的1/6至3/4，并且更优选地圆柱形电池单元直径的1/5至1/2。
在实施方式中，壳体包括被布置成形成电池模块的外面的挡板，其中，壳体的内表面至少部分地由挡板形成，并且其中，挡板被布置成形成电池模块壳体的下侧。有利地，这样的挡板可以被通过车辆下方的空气冷却。
根据寻求保护的本发明的另一方面，提供了一种包括如上所述的电池模块的车辆。在实施方式中，当车辆在使用中在基本上水平的基底上行驶时，电池单元的第二端部在电池单元的第一端部上方。
根据寻求保护的本发明的另一方面，提供了一种包括电池模块的车辆，该电池模块包括壳体和多个圆柱形电池单元，电池单元中的每个电池单元具有第一端部和第二端部，其中，排放装置位于电池单元中的每个电池单元的第一端部处，其中，多个电池单元以共同取向设置在壳体内，使得电池单元中的每个电池单元的第一端部基本上共面，并且电池单元的第二端部在电池单元的第一端部上方，并且其中，壳体包括布置在电池单元的第一端部与壳体的内表面之间的排放容积，以允许从多个电池单元中的每个电池单元的排放装置排放至排放容积中。有利地，这种布置确保了从电池单元排放的任何排放气体被向下引导。如本领域技术人员将充分理解的，电池模块通常位于车辆车身下方。因此，该方面确保了排放气体被引导远离任何车辆乘员或货物。
应当理解，第二端部在第一端部上方的陈述是指车辆在正常使用中在基本上水平的基底上行驶。例如，在具有一个或更多个车轮或其他地面接合部件的陆地车辆的情况下，以上提到的电池单元的取向是当车轮或其他地面接合部件在基本上水平的地面上时的取向。此外，尽管优选的是当车辆在正常使用中在基本上水平的基底上行驶时，电池单元的纵向轴线基本上垂直，但是如果电池单元被定向成使得多个电池单元内的每个电池单元的第二端部位于相应电池单元的第一端部上方，则纵向轴线相对于垂直轴线倾斜也在本发明的范围内。
在实施方式中，圆柱形电池单元中的每个圆柱形电池单元邻接至少一个其他圆柱形电池单元，优选地至少两个其他圆柱形电池单元。这可能有助于减缓故障电池单元内发生的任何放热反应，因为相邻电池单元可以用作散热器以帮助冷却电池单元。
在本申请的范围内，如果电池单元直接接触，或者如果电池单元经由粘合剂层接合在一起，则电池单元可以被认为彼此邻接。在一些实施方式中，粘合剂层的厚度可以为0.5mm或更小，优选地0.3mm或更小。
在实施方式中，壳体包括排气端口，该排气端口被配置成允许流体从壳体流出。这样的排气端口可以定位在方便的位置处，以确保离开电池模块的排放气体不会对其他车辆系统或车辆用户产生显著的不利影响。然而，应当理解，离开壳体的排放气体自离开电池单元后将显著冷却。
可选地，壳体包括被布置成形成电池模块的外面的挡板，其中，壳体的内表面至少部分地由挡板形成，并且其中，挡板被布置成形成电池模块壳体的下侧。有利地，这样的挡板可以被通过车辆下方的空气冷却。
在实施方式中，排放容积是空隙。
可选地，排放容积的深度为1mm至20mm，优选地1mm至12mm，更优选地3mm至10mm，最优选地4mm至8mm。在特定实施方式中，排放容积的深度为6.6mm。有利地，这样的深度为排放气体提供足够的容积以膨胀和冷却，同时有效地利用可用空间。
可选地，排放容积的深度可以根据单个电池单元直径的一部分来限定，例如排放容积的深度可以在电池单元直径的1/10至1/1之间，优选地电池单元直径的1/6至3/4，并且更优选地圆柱形电池单元直径的1/5至1/2。
在实施方式中，车辆还包括汇流条，该汇流条被设置成靠近电池单元的第一端部并且电连接至电池单元的第一端部。
在实施方式中，冷却板被定位成靠近电池单元的第二端部。冷却板可以被布置成热耦接至多个电池单元中的每个电池单元的第二端部。有利地，冷却电池单元的第二端部可以避免在电池单元的圆柱形表面之间的空间中提供冷却装置的需要。这可以允许电池单元更有效地被封装在给定容积中。
在实施方式中，车辆还包括车身，其中，电池模块在使用时设置在车身下方。在本申请的范围内，车辆车身是指乘员室、行李室或货物室和/或卡车车厢中的至少一个。
在实施方式中，电池模块还包括分离结构，其中，分离结构布置在壳体内靠近多个电池单元的第一端部，并且被布置成允许从排放电池单元排出的气体穿过分离结构进入排放容积。
根据寻求保护的本发明的另一方面，提供了一种包括电池模块的车辆，该电池模块包括壳体和多个圆柱形电池单元，电池单元中的每个电池单元具有第一端部和第二端部，其中，电池单元中的每个电池单元的排放部件和第一端子位于每个电池单元的第一端部处，其中，多个电池单元以共同取向设置在壳体内，使得第一端部基本上共面，并且第二端部在第一端部上方，并且其中，被布置成冷却电池单元的冷却板被定位成靠近电池单元的第二端部。有利地，电池单元的第二端部的冷却消除了在电池单元的圆柱形表面之间的空间中设置冷却装置的需要，从而允许电池单元以更高的效率封装在给定容积中。此外，电池单元的第一端部在第二端部下方的布置确保了从电池单元排放的任何排放气体被向下引导。如本领域技术人员将充分理解的，电池模块通常位于车辆车身下方。因此，该方面确保了排放气体被引导远离车辆、其乘员或货物。
应当理解，第二端部在第一端部上方的陈述是指车辆在正常使用中在基本上水平的基底上行驶。例如，在具有一个或更多个车轮或其他地面接合部件的陆地车辆的情况下，以上提到的电池单元的取向是当车轮或其他地面接合部件在基本上水平的地面上时的取向。
此外，尽管优选的是当车辆在基本上水平的基底上正常行驶时，电池单元的纵向轴线基本上垂直，但是如果电池单元被定向成使得多个电池单元内的每个电池单元的第二端部位于相应电池单元的第一端部上方，则纵向轴线相对于垂直轴线倾斜也在本发明的范围内。应当理解，术语“靠近”不排除在电池单元与冷却板之间存在中间层的可能性。相反，术语“靠近电池单元的第二端部”应被认为意指冷却板与电池单元邻接或导热接触。
在实施方式中，电池单元的第二端部经由热界面材料与冷却板接触。这样的热界面材料可以提供比没有界面材料的直接接触更有效的导热接触。在实施方式中，热界面材料还可以用作粘合剂，从而有助于支承电池单元的重量。
可选地，粘合剂热界面材料将电池单元附接至冷却板。
在实施方式中，圆柱形电池单元中的每个圆柱形电池单元周向地邻接至少一个其他圆柱形电池单元，优选地至少两个其他圆柱形电池单元。这可能有助于减缓故障电池单元内发生的任何放热反应，因为相邻电池单元可以用作散热器以帮助冷却电池单元。
在实施方式中，车辆还包括汇流条，该汇流条被设置成靠近电池单元的第一端部并且电连接至电池单元的第一端部。
在实施方式中，壳体包括布置在电池单元的第一端部与壳体的内表面之间的排放容积，以允许从多个电池单元中的每个电池单元的排放装置排放至排放容积中。
可选地，电池模块还包括分离结构，其中，分离结构布置在壳体内靠近多个电池单元的第一端部，并且被布置成允许从排放电池单元排出的气体穿过分离结构进入排放容积。
可选地，排放容积的深度为1mm至20mm，优选地1mm至12mm，更优选地3mm至10mm，最优选地4mm至8mm。在特定实施方式中，排放容积的深度为6.6mm。有利地，这样的深度为排放气体提供足够的容积以膨胀和冷却，同时有效地利用可用空间。
可选地，排放容积的深度可以根据单个电池单元直径的一部分来限定，例如排放容积的深度可以在电池单元直径的1/10至1/1之间，优选地电池单元直径的1/6至3/4，并且更优选地圆柱形电池单元直径的1/5至1/2。
在本申请的范围内，明确意指的是：在先前的段落中、在权利要求中以及/或者在以下描述和附图中阐述的各个方面、实施方案、示例和替选方案以及特别是其各个特征可以被独立地或者以任何组合采用。也就是说，所有实施方式和/或任何实施方式的特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这样的特征不兼容。申请人保留更改任何最初提交的权利要求或相应地提交任何新权利要求的权利，这些权利包括修改任何最初提交的权利要求以从属于和/或并入任何其他权利要求的任何特征的权利，尽管最初并未以这种方式要求保护。
附图说明
现在将参照附图仅以示例的方式描述本发明的实施方式，在附图中：
图1A至图1C示出了可以用于车辆电池模块中的圆柱形电池单元的不同视图(现有技术)；
图2示出了电池模块内的圆柱形电池单元的示例配置(现有技术)；
图3示出了穿过本发明的实施方式中的电池模块的截面图；
图4示出了图3所示的电池模块的分解图；
图5示出了穿过本发明的另一实施方式中的电池模块的截面图；
图6A和图6B示出了根据本发明的实施方式的车辆的两个示例；以及
图7示出了在各种不同的电池配置中引发热失控之后的电池单元温度的曲线图。
具体实施方式
图1A至图1C示出了常规圆柱形电池单元100的不同视图。圆柱形电池单元100能够以各种不同的尺寸广泛可用。例如，在用于车辆的牵引电池中，通常使用直径D为21mm和长度L为70mm的电池单元。这样的电池单元通常被称为21700电池单元(前两个数字是指直径D，单位为mm，并且后三个数字是指长度L，单位为十分之一mm)。然而，应当理解，在本发明的实施方式中还可以使用其他尺寸的电池单元。
如本领域技术人员将充分理解的，电池单元100包括正极端子100P、负极端子100N和排放装置100V。正极端子由电池单元的第一端部104的中心区域的钢端盖106提供，并且负极端子由钢圆柱形外壳108提供。钢圆柱形外壳108覆盖第二端部102、第一端部与第二端部之间的整个圆柱形表面以及第一端部表面的外围区域100S。第一端部表面的外围区域还可以被称为第一端部表面104的“肩部”区域100S。在可商购的电池单元中，有时存在以下情况：在第一端部表面104上限定正极端子100P的端盖突出超过第一端部表面的肩部区域，尽管在图1所示的电池单元中不是这种情况。这允许基本上平面的连接器连接至正极端子而不是负极端子。如本领域技术人员将充分理解的，避免正极端子与负极端子之间的直接电连接是重要的，因为这样的连接产生会使电池单元损坏的短路。
如图1所示，电池单元100包括第一端部表面104中的三个排放装置100V，所述排放装置100V在限定正极端子100P的钢端盖106与钢圆柱形外壳108的肩部区域100S之间。排放装置100V是由以下材料覆盖的间隙，该材料在电池单元内部出现过度压力的情况下会破裂，以允许热气体通过端盖106与钢圆柱形外壳108之间的间隙逸出，从而减轻电池单元爆炸的风险。
电池单元100可以在壳体内组合在一起，并且通过汇流条组件电连接在一起，以创建电池模块。此外，如从以下描述中将变得明显的，在一些实施方式中，多个电池单元100可以机械地接合在一起以形成电池单元组，并且电池模块可以包括一个或更多个这样的电池单元组。
如本领域技术人员将充分理解的，电池模块中的电池单元的异常操作可能导致电池单元经历“热失控”，“热失控”是一种放出大量气体和碎屑的自维持放热反应，并且通常会持续直至电池单元内的所有可用燃料都通过反应消耗掉。然而，电池单元排放装置通常被设计成当温度和压力已经达到不一定足以引发热失控的水平时允许热气体逸出。当电池单元内的条件还没有足够极端以引起热失控时进行排放可以防止异常的操作条件进展为热失控。因此，可以将导致排放事件的电池单元内的异常操作条件分类为最终导致热失控的异常操作条件和最终不导致热失控的异常操作条件。然而，通常需要设计电池模块，特别是牵引电池模块，其可以包括数百或甚至数千个这样的圆柱形电池单元，以能够承受经历热失控的电池单元。这还确保电池模块能够承受不导致热失控的较不严重的电池单元故障。
车辆电池模块通常包括多个图1中所示类型的圆柱形电池单元100，每个圆柱形电池单元100具有正极端子100P和负极端子100N。电池单元通常位于壳体内，并且提供汇流条以将电池单元以提供所需电压和充电容量的配置连接在一起。如果电池模块中的电池单元中的一个电池单元经历异常操作条件例如热失控，重要的是由电池单元生成的热不会对其他电池单元造成损坏。在极端情况下，这样的损坏可能会导致一连串的热失控事件，最终影响电池模块中的所有电池单元。
图2示出了车辆电池模块201内的圆柱形电池单元的示例配置，模块201通常位于壳体(未示出)内。电池单元100被一起组合成多个组或“块(brick)”200A至200C。尽管在图2中仅示出了三个块，但是应当理解，根据所需电压和各个电池单元的电压，可以提供显著更多的块。每个块200A至200C包括并排(side-to-side)配置的多个电池单元100。块的取向在相邻块之间交替。在图2所示的示例中，端部块200A、200C中的电池单元的正极端子面朝上，而中间块200B中的电池单元的正极端子面朝下。电池单元之间的电连接被布置成使得给定块内的电池单元全部彼此并联连接，并且每个块串联连接至至少一个其他块。
电连接由汇流条提供，在图2所示的示例中，汇流条位于四个独立的部件202A至202D中。第一汇流条部件202A将第一组200A中的所有电池单元的正极端子连接在一起。第二汇流条部件202B连接第一组200A中的电池单元的所有负极端子和第二组200B中的电池单元的所有正极端子。第三汇流条部件202C连接第二组200B中的电池单元的所有负极端子和第三组200C中的电池单元的所有正极端子。第四汇流条部件202D连接第三组200C中的电池单元的所有负极端子。
电池模块201的正极端子204P连接至第一汇流条部件202A，并且电池模块的负极端子204N连接至第四汇流条部件202D。如本领域技术人员将充分理解的，图2所示的布置提供给定组200A、200B、200C内的电池单元中的每一个之间的并联连接以及相邻组之间的串联连接。
尽管图2中未示出，但是图2所示的电池单元的配置通常需要在相邻电池单元之间的空间中提供冷却装置。尽管可以冷却电池单元的任一端，但是由于电池单元的两端处存在汇流条，这就变得复杂。然而，在相邻电池单元之间提供冷却装置降低了其中将电池单元封装至电池模块中的效率，从而降低了在给定封装容积中使用给定类型的电池单元可以实现的最大充电和电流密度。此外，交替块200A至200C的取向意味着相邻块中的排放部件指向相反的方向，因此必须在电池模块的任一端处提供针对排放气体的保护。由于通常情况下电池模块的至少一部分位于车辆车身的底板下方，因此在电池模块的顶部提供针对排放气体的保护特别重要，使得排放气体不能进入车辆的乘员室。
块200A至200C中的各个电池单元中的每一个与其他电池单元中的每一个间隔开。这允许例如通过在电池单元之间通过冷却通道(未示出)来冷却电池单元的圆柱形表面。然而，如以上所讨论的，将电池单元充分间隔开以允许用于冷却通道的空间的需要明显降低了其中将电池单元封装至给定容积的效率，从而降低了通过给定容积的电池模块可以实现的峰值电流和能量存储。
图3示出了穿过本发明的实施方式中的电池模块300的截面。电池模块300包括基本上垂直取向的多个电池单元302，其中电池单元302的第一端部310面朝下并且第二端部320面朝上。电池单元302并排布置，其中每个电池单元302通过薄粘合剂层308连接至相邻电池单元。
在所示的实施方式中，电池单元是如以上关于图1所讨论的21700电池单元，但是应当理解，本发明适用于任何类型的圆柱形电池单元。每个电池单元具有位于第一端部表面310的中心区域的正极端子304和作为电池单元外壳的负极端子306。因此，负极端子302N覆盖第二端部320、第一端部310与第二端部320之间的圆柱形表面302C以及第一端部的外围或肩部区域302S，如图3所示。
每个电池单元302的第二端部320经由热界面材料层314与冷却板360接触。冷却板360包括冷却剂可以流过的多个封闭通道312。因此，可以通过冷却所有电池单元302的第二端部320来管理电池单元302的温度。
单侧汇流条316被设置成邻近电池单元302的第一端部310。尽管单侧汇流条的各种配置是可能的，但是在所示的实施方式中，汇流条316包括正极收集板318和负极收集板321，正极收集板318具有连接至每个电池单元302的正极端子304的多个接线片，负极收集板321在第一端部的外围区域302S处接触每个电池单元的负极端子302N。尽管图3所示的电池单元302都通过汇流条316并联连接，但是应当理解，其他电池模块可以包括多个电池单元组，其中每组内的电池单元并联连接，并且每个电池单元组与一个或更多个其他电池单元组串联连接。在所示的实施方式中，串联连接可以通过将与一个电池单元组连接的负极收集板连接至与相邻电池单元组连接的正极收集板来实现。
电池单元302和汇流条316设置在壳体350内，在图3中仅看到壳体350的下表面324，尽管在一些实施方式中冷却板360也可以形成壳体350的顶表面。在一些实施方式中，壳体的下表面324还可以形成位于其中安装有电池模块300的车辆下侧上的挡板(bashplate)。电池单元302和汇流条316通过支承部件322与壳体的下表面324间隔开。在壳体的下表面324与电池单元302之间提供支承部件322确保了在壳体内部提供相当大且基本上空的排放容积330，来自经历排放事件333的排放电池单元的气体331可以安全地进入该排放容积330，从而引导排放气体331远离相邻电池单元。有利地，提供这样的排放容积330允许排放气体331和碎屑335冷却，而不会加热或以其他方式影响相邻电池单元。
如从图3可以看出，支承部件包括多个孔328，每个孔靠近电池单元302中的相应一个电池单元302的第一端部。保护层326设置在孔中的每一个中，保护层附接至开口的边缘并且基本上覆盖相应电池单元302的第一端部。因此，支承部件322和保护层326的组合可以被称为“盖”。
保护层326被布置成当保护层326两端存在预定压力差时破损。选择预定压力差以确保当电池单元经历排放事件时与给定电池单元相关联的保护层被破坏，从而允许排放气体逸出至排放容积330中。然而，当电池单元经历排放事件时，相邻电池单元上的完整保护层不会破坏，因为排放容积330内的压力没有增加至足以破坏非排放电池单元上的保护层。
当来自排放电池单元302的气体进入排放容积330时，所述气体最初撞击在壳体的下部内表面324上，该下部内表面324可以形成其中安装有电池模块300的车辆下侧上的挡板的一部分。这使得排放气体被冷却，因为挡板具有显著的热质量，并且被通过车辆下方的空气冷却。此外，排放气体还通过与排放容积330中的空气或其他气体混合而被冷却。在所示的实施方式中，支承部件322将电池单元302和汇流条316保持在挡板上方，使得排放容积330的深度约为6.6mm。在单层中包含约660个电池单元的典型壳体中，下部内表面324可以具有约300000mm2的面积，支承部件322与下表面324之间的6.6mm的间隔可以提供约2000000mm3的排放容积，这为排放气体提供了足够的容积来冷却和分散，而不会显著增加不排放的电池单元的温度。
应当理解，在其他实施方式中，排放容积330的深度可以不同。例如，在一些实施方式中，排放容积330的深度可以在1mm与20mm之间，优选地在3mm与10mm之间或者在4mm与8mm之间。类似地，排放容积的深度可以根据单个电池单元直径的一部分来限定，例如排放容积的深度可以在电池单元直径的1/10至1/1之间，优选地电池单元直径的1/6至3/4，并且更优选地圆柱形电池单元直径的1/5至1/2。在所示示例的情况下，排放容积深度约为电池单元直径的1/3。其他排放容积深度是有用的。
尽管在图3中不可见，但是壳体在壳体的一部分中包括至少一个排气端口，该排气端口形成排放容积的边界。排气端口允许排放容积与壳体外部之间的流体连通，从而允许排放气体从排放容积330中逸出，并且避免排放事件之后排放容积内的压力过度增加。这有助于确保如果一个电池单元经历排放事件，从电池单元喷出的热气不会对其他电池单元造成损坏，否则可能导致一系列排放事件。
应当理解，支承部件322与保护层326组合用于将排放容积330与电池单元302和电池单元302周围的容积分离。因此，支承部件322和保护层326的组合可以被称为分离结构。
图4示出了本发明的另一实施方式中的电池模块400的分解图。电池模块400包括多个圆柱形电池单元402，所述多个圆柱形电池单元402被布置成两行一行十一个电池单元组403，使得总共提供22个电池单元组。圆柱形电池单元可以是如图1所讨论的21700电池单元，并且它们都被布置有其正极端子和向下引导的排放装置。在一些实施方式中，电池模块400可以基本上沿图4所示的取向安装在车辆内，其中车辆车身的至少一部分位于电池模块上方。例如，车辆的乘员室和/或行李室可以位于电池模块上方。附加地或替选地，根据电池模块预期用于的车辆应用的类型，电池模块400可以安装在车辆的承载区域(例如，在车辆是轻型卡车的情况下的车厢，或者在车辆是诸如货车的商用车辆的情况下的货物区域)下方。
在组装电池模块之前，使用厚度为0.5mm或更小的粘合剂将每个电池单元组403中的电池单元接合在一起。在所示的实施方式中，粘合剂的厚度约为0.3mm。电池单元载体部件405被设置成将每个电池单元组定位在壳体(未示出)内，并且在相邻电池单元组403之间提供所需的间隔。电池单元载体部件405还可以定位单侧汇流条416的至少一部分，在图4中仅看到单侧汇流条416的一部分。
每个电池单元组403用电绝缘材料418包裹，以确保相邻组中的电池单元的负极端子之间不会出现不想要的电连接。
电池单元的冷却由冷却板460提供，冷却板460经由热界面材料层414与电池单元的第二端部(即，电池单元的与正极端子相对的端部)接触。冷却板460包括液体冷却剂可以流过的多个通道，从而冷却电池单元402。
在一些实施方式中，冷却板460提供壳体的上表面。可以提供结构构件415以确保冷却板460具有所需刚度以形成壳体的一部分。
提供支承部件422以支承壳体内的电池模块。支承部件422包括多个孔423，每个孔被定位成与组装的电池模块400中的相应电池单元402的第一端部对齐并邻近，以便在电池单元经历排放事件时允许气体穿过支承部件422。
尽管壳体在图4中不可见，但是应当理解，支承部件422被配置成在电池单元402与壳体的下部内表面之间保持预定的间隔，使得在电池单元下方提供排放容积。排气端口也设置在壳体中，以允许气体从排放容积中逸出。
如以上关于图3所讨论的，排放容积提供了其中排放气体可以膨胀和冷却的容积，从而降低了单个电池单元中的排放事件将损坏其他电池单元并潜在地使它们也经历排放事件的风险。当气体和碎屑撞击在壳体的下部内表面上时，可以提供对从排放电池单元排放的排放气体和任何碎屑的进一步冷却，壳体的下部内表面通常具有显著的热质量。在壳体的下表面还提供其中安装有电池模块的车辆下侧上的挡板的至少一部分的实施方式中，壳体的下表面还将被通过车辆下方的空气冷却，从而增强壳体的下表面冷却排放气体和碎屑的能力。
尽管在图4中不可见，但是应当理解，在一些实施方式中，组装的电池模块400还可以包括与位于支承部件422的每个孔423中的每个电池单元403相关联的一个或更多个保护层。保护层可以用于与以上关于图3讨论的保护层326类似的目的。也就是说，保护层可以被布置成当它们所附接的电池单元经历排放事件时破裂，但是当相邻电池单元经历排放事件时保持完整。以这种方式，保护层可以防止排放气体进入电池单元402之间的空间。再次，支承部件422和保护层的组合可以被称为分离结构，因为这些部件将排放容积与电池单元周围的容积分离。保护层可以包括一层或更多层电绝缘材料，例如云母或基于云母的材料片或膜。其他电绝缘材料是有用的。
在替选实施方式中，过滤层可以被设置成邻近支承部件422。这样的过滤层可以被布置成使得当高压排放气体从排放电池单元喷出时该过滤层不对高压排放气体提供显著的限制，从而允许排放气体进入电池单元与壳体的下部内表面之间的排放容积。然而，一旦排放气体在排放容积内膨胀和冷却，排放容积内的压力可能不再足以使大量排放气体穿过过滤层返回。以这种方式，过滤层可以减少或基本上防止排放气体流入电池单元402之间的空间中。过滤层可以是网状物，或者在暴露于高温排放气体时不会经历不良反应的任何其他合适的层。过滤层可以有利地被布置成使来自排放电池单元的局部热消散，从而进一步减轻对相邻电池单元的潜在损坏。在这样的实施方式中，过滤层和支承部件422的组合可以被称为分离结构。在示例中，过滤层可以包括钢网。
图5示出了穿过本发明的另一实施方式中的电池模块500的局部截面图，该电池模块500位于壳体550内。电池模块500包括多个圆柱形电池单元502，图5中仅示出了其中的三个。电池单元可以是如以上关于图1所讨论的21700电池单元，但是应当理解，其他类型的圆柱形电池单元同样适用。
电池单元502在其第二端部(即，与正极端子相对的端部)处都被冷却板560冷却，该冷却板560中具有液体冷却剂可以流过的一个或更多个封闭通道。在电池单元中的每一个与冷却板560之间设置有热界面材料层514。如本领域技术人员将充分理解的，热界面材料在电池单元502与冷却板560之间提供改进的热连接，并且还可以有助于将电池单元机械地固定至冷却板560。
单侧汇流条516被设置成邻近电池单元502的第一端部，并且覆盖电池单元的第一端部的过滤层532被设置成邻近汇流条516。如以下将更详细讨论的，过滤层532被布置成减少或基本上防止热气体从排放电池单元流入电池单元502之间的空间中。
过滤层532、电池单元502和汇流条516都在壳体550内被支承在支承部件522上，这确保了在过滤层532与壳体550的下部内表面524之间提供间隙。支承部件的外边缘搁置在由壳体550的内表面限定的凸缘552上。
支承部件522被设置有与每个电池单元502的第一端部基本上重合的孔523，该孔允许从电池单元排放的排放气体进入排放容积530。
如以上关于图3和图4所讨论的，排放容积530提供了空间，在该空间中，从经历失控排放事件的电池单元排放的热排放气体可以膨胀和冷却。在壳体550中设置有排气端口，以允许来自排放容积的气体从壳体逸出，从而防止排放容积530内压力的过度累积。此外，壳体550的下表面524可以包括其中安装有电池模块的车辆下侧上的挡板的至少一部分。因此，壳体的下表面可以由厚度在1mm至3mm之间的金属片形成，并且因此将具有显著的热质量。其他材料厚度是有用的，并且将取决于针对壳体选择的材料。在所示的示例中，壳体至少部分地由钢形成。因此，当进入排放容积530的排放气体撞击在壳体的下部内表面524上时，它们将被冷却至显著的程度。壳体的下表面可以被车辆下方的空气冷却，从而在电池单元排放事件中保持由壳体的下表面提供的冷却效果。
为了为排放气体提供足够的容积以膨胀和冷却，排放容积530可以包括具有至少1mm例如约1mm至20mm的深度530D的空隙。在具体实施方式中，空隙可以具有3mm至10mm或4mm至8mm的深度。在特定实施方式中，空隙具有6.6mm的深度。有利地，这样的深度为排放气体提供足够的容积以膨胀和冷却，同时有效地利用可用空间。应当理解，在本上下文中，空隙的深度是指沿与电池单元502的纵向轴线平行的轴线的尺寸。
过滤层532包括网状物，该网状物被布置成允许离开电池单元之一的高压和高速排放气体穿过网状物进入排放容积530中。然而，网状物为排放容积530中的排放气体提供了屏障，因为排放容积内的压力基本上小于排放电池单元的排放装置附近的压力。因此，过滤层提供针对热排放气体从排放容积进入电池单元502周围的容积的保护。
过滤层532的另一有益效果是，它有助于使排放气体的热消散，排放气体在其穿过过滤层时冷却。过滤层可以由具有显著热质量的金属制成，以便潜在地为离开排放电池单元的排放气体提供显著的冷却效果。在一些实施方式中，由过滤层产生的冷却效果可以通过在过滤层内包括相变材料来进一步增强。例如，相变材料可以被涂覆在金属网上。这样的相变材料可以被布置成在被排放气体加热时经历相变，从而从排放气体中吸收热，而不增加过滤层的温度。
支承部件522的热质量也可以显著地有助于任何排放气体的冷却。例如，支承部件522可以由厚度为0.5m至2mm、优选地约1mm的钢片制成。
应当理解，支承部件522和过滤层532可以被统称为“分离结构”。然而，在一些实施方式中，过滤层532可以被省略，或者可以与支承部件522形成为单个整体部分。在这样的实施方式中，支承部件522单独可以被称为分离结构。
在以上关于图5讨论的实施方式的替选实施方式中，过滤层532可以用不可燃绝缘材料层代替，该不可燃绝缘材料层被布置成当电池单元经历排放事件时破裂。例如，绝缘材料层可以包括云母或
Figure BDA0004097140870000161
层，可选地具有弱化部分，以降低在排放事件之后破坏该层所需的压力。在过滤层532用不可燃绝缘材料层代替的实施方式中，电池单元502的第一端部与不可燃绝缘材料层之间的空间517优选地填充有非固体化合物或其他非固化化合物，该化合物可以是基于非固化硅树脂的化合物，优选地非固化膨胀型化合物。图5所示的其他特征可以保持基本上不变。
有利地，用非固化化合物填充空间517允许排放气体从排放电池单元中逸出，因为当绝缘材料层破坏时该化合物被喷射至排放空间530中，但是该化合物防止排放气体进入电池单元502之间的空间，因为几乎没有空间可供化合物被已进入排放容积530的排放气体置换。因此，膨胀型化合物可以提供针对排放容积530中的热排放气体进入电池单元之间的空间的特别有效的保护。
在一些实施方式中，可以在电池单元502中的每一个之间设置有间隙。在这样的实施方式中，应当理解，可以省去电池单元的第二端部处的冷却板560，替代地可以提供与电池单元的圆柱形表面接触的冷却装置。然而，还应当理解，在图5所示的实施方式中，电池单元之间的间隙不是必要的，并且在一些实施方式中，电池单元可以彼此直接接触，或者电池单元可以通过粘合剂以与图3和图4所示的电池单元类似的方式接合。
上述实施方式的特别优点是，电池模块内的所有电池单元沿相同的方向取向。因此，每当电池单元之一经历排放事件时，排放气体沿相同的方向喷出。这是有利的，因为其允许加强壳体，以防止排放气体仅在壳体的一侧逸出。此外，如图6所示，电动车辆或混合动力车辆602通常将电池模块600至少部分地定位在车辆的车身605下方。车身605可以包括如图6A所示的乘员室604，图6A描绘了典型的乘用车，例如SUV 602a。车辆车身605还可以包括如图6B所示的货物区域607，例如卡车车厢，图6B示出了典型的商用车辆，例如轻型卡车602b。
因此，在本发明的若干实施方式中，电池模块(其可以是如以上关于图3至图5所示的电池模块300、400、500)可以位于车辆600内，其中电池单元的第一端部面朝下。以这种方式，确保了离开故障电池单元的高压和高速排放被引导远离车辆的乘员和/或货物。
在图6所示的实施方式中，电池模块位于车辆的底部处，使得电池模块的壳体的下表面也形成车辆的底部表面，该底部表面可以被称为“挡板”606。有利地，挡板606具有显著的热质量，因此在电池单元排放的情况下，挡板能够从热气体中吸收大量能量。此外，挡板被通过车辆下方的环境空气冷却，这增加了挡板可以从撞击在挡板上的任何热排放气体中吸收的能量的量。
尽管已经针对其中电池单元排放装置在使用时被向下引导的实施方式描述了本发明，但是应当理解，替选的取向也是可能的。例如，图3至图5所示的布置可以被颠倒，使得排放装置被向上引导，或者旋转90度，使得电池单元的纵向轴线是水平的。在这样的实施方式中，“支承部件”323、423、523可以不再承受电池单元的任何重量。然而，仍然可以提供类似的部件作为分离结构的一部分，以将排放容积与电池单元周围的容积分离。
在上述实施方式中的若干实施方式中，并联连接的电池单元组内的电池单元通过粘合剂层直接接合在一起。这样的粘合剂层的厚度通常为0.5mm或更小，优选地0.3mm或更小，并且将有效地建立相邻电池单元之间的直接热接触。迄今为止，假设电池模块内的电池单元之间的直接热接触是不期望的。然而，如图7所示，本发明人已经认识到不一定是这种情况。
图7示出了在电池模块中的电池单元之一中故意引发热失控事件之后，不同电池模块内的电池单元所经历的温度随时间的变化。在所有情况下，热失控事件的引发是由使用钢穿透器使电池单元之一的圆柱形表面破裂引起的，并且发生在时间零点。
线702示出了电池模块中的电池单元的温度，其中热失控事件通过使电池单元的圆柱形表面破裂而引发，在该电池模块中，电池单元被1mm的空气间隙间隔开。线704示出了与其温度由线702示出的电池单元相邻的电池单元内的温度。对于由线702和704所示的两个电池单元，在壳体破裂之后约50秒至55秒观察到温度快速升高。温度的快速升高可以被认为是热失控的开始。
线706示出了其中通过使电池单元的圆柱形表面破裂而引发热失控事件的电池单元的温度，该电池单元位于其中相邻的电池单元彼此直接热接触的另一电池模块内。线708示出了与其温度由线706示出的电池单元相邻的电池单元的温度。如从图7可以看出，两个电池单元在约50秒至55秒之后经历了温度升高，但是这种温度升高比电池模块中的电池单元所经历的温度升高要慢得多，在电池模块中，电池单元间隔1mm，并且在约65秒至70秒时达到稳定期。然后，在约90秒至95秒时出现第二次更快速的温度升高，并且这种温度升高可以被认为是热失控的开始。因此，图7示出了与其中电池单元间隔1mm的电池模块相比，其中电池单元直接接触的电池模块在热失控开始之前的延迟要长40秒。假定在热失控开始之前延迟的这种增加发生是因为与其中引发热失控的电池单元接触的电池单元都用作散热器，从而减缓了所有电池单元的加热。
出于各种原因，减缓热失控的引发是有利的。当然，重要的是确保在车辆电池模块的损坏之后，电池模块内发生的任何不良反应发生得足够慢，以允许车辆乘员有时间离开车辆。实际上，在一些管辖区中，立法要求车辆在电池模块被损坏之后为乘员提供至少五分钟的时间离开和清理车辆。此外，延迟热失控的开始可以允许采取减轻或基本上防止热失控的最终开始的动作。例如，在彼此直接接触的电池单元中，在约50秒至55秒与约90秒至95秒之间发生的相对慢的温度升高可以允许电池管理系统在热失控发生之前识别出异常操作状况已经发生，并且因此允许采取适当的校正动作。这样的动作可以包括打开高压电路，增加冷却剂到电池模块的流率，并且向车辆的乘员提供电池模块已损坏并且他们应当紧急停车并离开车辆的警告。
应当理解，本发明的实施方式可以以硬件、软件或硬件和软件的组合的形式实现。任何这样的软件可以以易失性或非易失性存储装置(例如像ROM的存储装置，无论是可擦除的还是可重写的)的形式存储或以存储器(例如RAM、存储器芯片、装置或集成电路)的形式存储，或者存储在光学或磁性可读介质(例如CD、DVD、磁盘或磁带)上。应当理解，存储装置和存储介质是适用于存储一个或更多个程序的机器可读存储装置的实施方式，所述一个或更多个程序在被执行时实现本发明的实施方式。因此，实施方式提供了包括用于实现如任一前述权利要求所要求保护的系统或方法的代码的程序以及存储这样的程序的机器可读存储装置。更进一步地，本发明的实施方式可以经由诸如通过有线或无线连接承载的通信信号的任何介质来电子地传送，并且实施方式适当地涵盖这些介质。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合。
除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由用于相同、等同或类似目的的替选特征来代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是等同或类似特征的通用系列的一个示例。
本发明不限于任何前述实施方式的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或者延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。权利要求不应被解释为仅涵盖前述实施方式，而是还涵盖落入权利要求的范围内的任何实施方式。

Claims (15)

1.一种电池模块，包括：
壳体；
多个圆柱形电池单元，所述电池单元中的每个电池单元具有第一端部和第二端部，其中，排放装置位于所述电池单元中的每个电池单元的第一端部处；以及
分离结构；
其中，
所述多个电池单元以共同取向设置在所述壳体内，使得所述电池单元中的每个电池单元的第一端部基本上共面；
所述分离结构布置在所述壳体内靠近所述多个电池单元的第一端部，并且被布置成允许从排放电池单元排出的气体穿过所述分离结构；并且
所述壳体包括布置在所述分离结构与所述壳体的内表面之间的排放容积，以允许从所述多个电池单元中的每个电池单元的所述排放装置经由所述分离结构排放至所述排放容积中。
2.根据权利要求1所述的电池模块，其中，所述圆柱形电池单元中的每个电池单元周向地邻接至少两个其他圆柱形电池单元。
3.根据权利要求1或2所述的电池模块，包括汇流条，所述汇流条布置在所述多个电池单元的第一端部处并且电连接至所述电池单元的第一端部；可选地，所述汇流条位于所述电池单元的第一端部与所述分离结构之间。
4.根据任一前述权利要求所述的电池模块，其中，所述分离结构包括：支承部件，所述支承部件中形成有多个孔；以及保护层，所述保护层覆盖所述孔中的每个孔，所述保护层被布置成当所述保护层两端存在预定压力差时破损。
5.根据权利要求4所述的电池模块，其中，所述保护层包括施加至每个电池单元的第一端部表面的涂层。
6.根据权利要求4所述的电池模块，其中，所述保护层包括绝缘材料片；可选地，在所述电池单元中的至少一些电池单元的第一端部与所述绝缘材料片之间的空间中设置有非固体化合物。
7.根据任一前述权利要求所述的电池模块，其中，所述分离结构包括第一过滤层；可选地，所述第一过滤层包括网状物。
8.根据权利要求7所述的电池模块，其中，所述第一过滤层被布置成：
允许从所述多个电池单元中的每个电池单元的所述排放装置排放至所述排放容积中；以及
基本上防止从所述多个电池单元中的一个电池单元的所述排放装置排放的材料从所述排放容积穿越所述第一过滤层到达所述多个电池单元中的另一电池单元。
9.根据权利要求7或8所述的电池模块，还包括与所述第一过滤层相邻的第二过滤层；可选地，所述第二过滤层包括相变材料。
10.根据权利要求7或8所述的电池模块，其中，所述第一过滤层包括相变材料。
11.根据任一前述权利要求所述的电池模块，其中，所述壳体还包括排气端口，所述排气端口被配置成允许所述排放容积中的流体离开所述壳体。
12.根据任一前述权利要求所述的电池模块，其中，所述排放容积是空隙。
13.根据任一前述权利要求所述的电池模块，包括冷却板，所述冷却板被布置成热耦接至所述多个电池单元中的每个电池单元的第二端部。
14.根据任一前述权利要求所述的电池模块，其中，所述壳体包括被布置成形成所述电池模块的外面的挡板，其中，所述壳体的内表面至少部分由所述挡板形成，并且其中，所述挡板被布置成形成电池模块壳体的下侧。
15.一种车辆，其包括根据任一前述权利要求所述的电池模块。
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