CN117117418A - 具有热失控缓解特征的电池组系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于抑制热失控的电池组系统，包括电池单元堆叠，其中每个电池单元具有第一端、与第一端相对的第二端以及从第一端延伸到第二端的侧边缘，并且其中每个电池单元的至少一个侧边缘与另一个电池单元的至少一个侧边缘相邻，热化学材料在高于50℃的温度下经历吸热反应，热化学材料位于(a)电池单元堆叠内部和电池单元之外，或(b)邻近电池单元堆叠，或(c)两者。

Description

具有热失控缓解特征的电池组系统
技术领域
本发明涉及用于电动车辆和/或混合动力电动车辆的电池组系统。
背景技术
电池模块可包括多个可充电的电池单元(通常称为辅助电池)。可充电电池单元使它们可用于各种现代技术应用，例如电子设备、电动自行车、混合动力车、电动车等。电池模块有时会经历不利的热失控，其中由热源(例如，电池单元)产生的热量大于模块向周围环境散热的能力。这可能导致电池模块中不利的温度升高。例如，当电池短路或损坏时，会发生热失控。
电池模块中一个电池单元的热失控现象可能会触发相邻电池单元的相应不利热事件。
因此，希望提供一种缓解系统，以抑制热失控的扩散或传播，或快速抑制任何热失控。
发明内容
在本文公开的一个示例性实施例中，电池组系统包括电池单元堆叠。每个电池单元具有第一端、与第一端相对的第二端以及从第一端延伸到第二端的侧边缘。每个电池单元的至少一个侧边缘与另一个电池单元的至少一个侧边缘相邻。电池组系统包括位于电池单元堆叠内部和/或电池单元外部和/或邻近堆叠的热化学材料。热化学材料在50℃以上的温度会发生吸热反应。热化学材料位于(a)电池单元堆叠内部和电池单元外部，或者(b)邻近电池单元堆叠。
在另一个示例性实施例中，本文公开了一种具有电池单元组件的电池组系统。该系统还包括一个或多个附加特征，热化学材料通过该附加特征提供给系统。该附加特征可以包括容纳热化学材料的贮存器和阀，该阀可以在达到温度、压力或化学成分的阈值水平时向电池单元组件释放热化学材料。该附加特征可以包括由电池组件的第一边缘和框架的内表面限定的间隙。该附加特征可以包括框架中或框架附近的气体歧管。来自电池组件中的热事件的气体可以排放到间隙中和/或气体歧管中，热化学材料可以在框架中、在框架的内表面上、在气体歧管的内表面上或在与间隙流体连通的区域中，或其组合。
此外，上述示例性实施例的电池组系统可包括一个或多个以下特征。电池单元是袋状电池或棱柱形电池。热化学材料位于相邻电池单元的侧边缘之间，潜在地位于诸如泡沫的基质材料中。电池组系统具有由框架的第一端和内表面限定的间隙。框架的内表面包括热化学材料。电池组系统包括热化学材料的贮存器和一个或多个阀，当达到预定阈值时，所述阀可以释放热化学材料。预定阈值是从电池排出的气体的温度、压力或化学成分。该堆叠被分成两个或更多个缓解区，每个缓解区具有多个电池单元、这些电池单元的顶端和贮存器之间的间隙、以及与贮存器连接以将热化学材料释放到该区中的热致动阀，其中两个或更多个缓解区被热失控传播抑制元件彼此分开。该间隙与热化学材料所在的区域流体连通。热化学材料包括水合盐，例如NaAl(SO4)2·10H2O、Na2B4O7·10H2O、Na2P2O7·10H2O、Al(NO3)2·9H2O、Ba(OH)2·8H2O、Mg(NO3)2·6H2O、KAl(SO4)2·Al(NO3)2·12H2O、MgCl2 6H2O和MgSO4·7H2O中的一种或多种。电池组系统还包括冷却元件。该电池组系统还包括位于贮存器和具有冷却剂的冷却系统之间的单向阀，其中单向阀在一个或多个阀打开后打开以将冷却剂释放到贮存器中。
结合附图，根据以下详细说明，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细说明中，详细说明参考了附图，在附图中：
图1为包括热化学材料的示例性电池组系统的示意性剖视图；
图2为示例性电池组系统的横截面示意图，电池组系统包括热化学材料贮存器；和
图3a-3d为电池组中电池单元的示例性布置示意图，电池组通至具有热化学材料的区域。
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、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
本发明通过在电池组系统的特定位置包含热化学材料，解决了电池组系统中的热失控问题。
根据示例性方面，如图1、2和3所示，本文公开的电池组系统1可包括堆叠配置的电池单元2。例如，电池组电池2可以是袋状电池或棱柱形电池。如图1所示，电池可以被堆叠，使得它们的最大尺寸垂直于框架部分7和/或下部部分3。每个单元可以具有第一端21、第二端22和从第一端21延伸到第二端22的侧边缘23。相邻的电池单元2可以在其外边缘23处相互接触。电池单元可以堆叠成使得侧边缘平行于水平方向(例如，参见图3d)，或者堆叠成侧边缘平行于竖直方向的结构。(参见图3a和3b)。
参见图1，电池组系统1可包括框架部分7。框架部分7可以提供结构和/或包含单元。框架部分7可以包括塑料、复合材料或金属板等。框架部分7可以包括内表面8。可以在内表面8和电池单元2的第一端21之间限定间隙6。间隙6可以与气体歧管13流体连通(例如，允许气体流动)。如图所示，例如在图3b、3c、3d中，该气体歧管13可以包括电池组系统1的端部部分31。气体歧管13可以在框架部分7中或邻近框架部分7。注意，在替代实施例(图中未示出)中，在框架部分7和电池单元2的第一端21之间没有间隙。内表面8、气体歧管13和/或端部部分31可以包括热化学材料4。例如，热化学材料可以设置在内表面8中或上(例如表面上的层，沉积在表面的特定区域中或嵌入在表面中)或端部部分31中或上。热化学材料可以设置在插入间隙6、气体歧管13或端部部分31的一个或多个部分中的固体、多孔或网格结构(未示出)上。
电池组系统1可包括下部部分3。该下部部分3可以为电池单元提供支撑。在一个示例性方面，如图2所示，下部部分3可以包括冷却元件，例如冷却板32。来自冷却系统15的冷却剂34可以流过这种冷却板32。
电池组系统1可包括热失控传播抑制元件5。如图1和2所示，热失控传播抑制元件5可以从下部部分3延伸到框架部分7。替代地，热失控传播抑制元件可以仅延伸到电池单元2的第一端21。在固体的、连续的热失控传播抑制元件延伸到框架部分7的情况下，可以添加开口25，以便于将气体排放到包括端部部分31的气体歧管13(如图3b、3c、3d所示)或电池组系统之外。图3c是图3b的剖视图。
热失控传播缓解区11可定义为位于两个热失控传播抑制元件5之间或热失控传播抑制元件5与电池组1的端部之间的多个电池单元2。热失控传播抑制元件5可以包括隔热层。热抑制元件5可以包括延伸到间隙6、框架7和/或下部部分3的导热部件，以将热量从电池单元2传导出去。当热失控传播抑制元件5包括导热部件和隔热层两者时，导热部件可以位于隔热层和电池单元2之间。例如，热失控传播抑制元件5可以包括隔热层、热管或两层金属(例如金属箔)之间的蒸汽柱。可选地，一个或多个压缩层38也可以被包括在热失控传播抑制元件5中或附近，或者电池组中的其他地方(如图1和2所示)。例如，隔热层也可以用作压缩层。热失控传播抑制元件5可以进一步可选地包括分散在热失控传播抑制元件5的表面中或上的热化学材料4。
电池组系统1可包括两个相邻电池单元2的侧边缘之间、电池单元2和抑制层5之间和/或电池单元2和电池组系统的外端框架之间的层38。层38可以是压缩层。例如，它们可以包括泡沫材料，例如微孔聚氨酯。替代地，或者除了用作压缩层之外，层38可以包括热化学材料4。例如，热化学材料4可以分散在压缩层38的泡沫材料内。
参见图2，框架部分7可限定热化学材料4的贮存器10，并限定间隙6的上边界。(间隙6也是可选的)。贮存器10可以容纳热化学材料4。贮存器可以处于升高的压力下(例如，至少300或至少400千帕表压(kPag)，高达1500或高达1200kPag)，这可以有助于在打开阀9时清空贮存器。在这种情况下，热化学材料可以是能够流过阀的自由(例如不粘附到或嵌入另一层)的小颗粒(例如粉末)的形式。使用诸如粉末的小颗粒可以最大化表面积以增强热吸收。在替代实施例中，气体歧管可以邻近贮存器10(例如，在其上方)。
在电池单元36(过热电池单元)中发生热事件时，以及在达到性能(例如温度、压力、化学成分)的阈值水平时，一个或多个阀9打开，如图2所示，从而将热化学材料释放到电池单元2上和/或间隙6中。阀9可以包括阻塞开口的材料，该材料在预定温度(例如高于正常电池组件操作温度的温度，例如高于50℃、高于55℃或高于60℃直到100℃)下熔化或变形，从而释放热化学材料。例如，阀9可以包括凝结在套管内的蜡丸，或者类似于当前内燃机流量控制恒温器的包含的蜡启动阀。在另一个例子中，阀9可以包括双金属片，当被加热时，该双金属片从开口的路径弯曲出。替代地，阀9可以由热失控事件期间释放的压力驱动。作为另一种替代，如果气体从电池单元模块中释放出来，可以通过检测指示热失控事件的化学成分来启动阀。在后一种替代中，可以使用控制单元来致动阀。
可选单向阀12可连接至冷却剂系统15。冷却剂系统包括冷却剂34，例如电介质传热流体。在热失控事件期间，最靠近过热单元36的阀9打开，贮存器中的压力将热化学材料4朝向过热单元36释放到热失控传播缓解区11中。这将贮存器10中的压力降至接近大气压(例如，小于10kPag，或0.1-0.2kPag)，使得冷却剂系统15中的压力将打开单向阀12。冷却剂34然后可以流入贮存器10中，溶解剩余的热化学材料4，并且还可以通过打开的阀9流向过热单元36。这可以进一步有助于控制由于吸收热量的热化学材料以及缓解区11中冷却剂的蒸发热量而导致的热失控。
一旦温度下降，如果阀9受到主动控制并对当前条件(如恒温器阀)敏感，而不是对最大条件(如蜡塞)敏感，则阀9可关闭并防止冷却剂进一步泄漏，从而使电池组系统1的其余部分能够以最低水平持续冷却。
热化学材料4吸热反应吸收能量，从而抑制可用于相邻电池单元或模块中的热失控传播的能量。热化学材料4可以在电池单元之间或邻近电池单元的层上或层中(例如层38，或热失控传播抑制元件5)，在邻近电池单元的间隙6的表面上(例如表面8)，在间隙区域中的网格或筛网结构上，在气体歧管13中，或在端部区域31中，在贮存器10中，或在这些位置中的两个或更多个的组合中。热化学材料4可以是适于在这些位置提供的材料。
高度吸热的反应通过吸收否则会触发进一步事件的能量，在抑制热失控方面更有效。热化学材料4在电池组系统的正常操作温度不应发生反应。因此，热化学材料4优选具有至少50℃、至少60℃或至少70℃的反应起始温度，但是在这些温度以下是热稳定的。同时，如果吸热反应开始时的温度太高，在热化学材料4能够起到抑制热失控的作用之前，电池组系统1会发生太多的损坏。因此，热化学材料优选具有不超过约120℃、不超过105℃或不超过100℃或不超过90℃的反应起始温度。
所需的反应起始温度可根据热化学材料4的放置而变化。例如，仅放置在电池组系统的端部区域的热化学材料4可能期望地具有较低的反应起始温度，因为其远离热事件。类似地，紧邻放置(例如，在电池单元的侧边缘之间)的热化学材料4可以理想地具有较高的反应起始温度。类似地，布置在直接暴露于热失控排出气体的多孔基体上的热化学材料4可以具有更高的反应温度，从而由于这些燃烧产物的温度而有效。
热化学材料4可为例如水合盐、水合沸石或金属氢氧化物。水合盐由于高储热能力而可以是有效的。
例如，可以使用脱水温度大于50℃、大于55℃、大于60℃的水合盐。同时，示例性水合盐的脱水温度可以是例如低于105℃、低于100℃、低于90℃。脱水过程中热量变化(ΔHdehydration)大的盐能使单位质量吸收更多的能量。例如，ΔHdehydration可以是至少150、至少175或至少200千焦/千克。
水合盐的非限制性示例包括NaAl(SO4)2·10H2O、Na2B4O7·10H2O、Na2P2O7·10H2O、Al(NO3)2·9H2O、Ba(OH)2·8H2O、Mg(NO3)2·6H2O、KAl(SO4)2·Al(NO3)2·12H2O、MgCl2·6H2O和MgSO4·7H2O。
热化学材料4优选不与热化学材料所暴露的电池组系统中的其他部件发生反应。例如，可以使用具有基本中性pH值(例如pH值为6-8)的热化学材料4。热化学材料4可以是不导电的或最低限度导电的。在使用贮存器10并且冷却剂34与热化学材料4结合的情况下，热化学材料4不期望使冷却剂显著更具传导性。此外，热化学材料4理想地不会在热事件期间还原成比电解质和其他电池内部物质更具毒性的化合物，并且包含最少的氧以限制热失控事件期间的额外氧化作用。
电池组系统1可包括外围部、物理结构、热失控缓解特征和电池本身之外的其他特征。这些可以包括用以将电池单元保持在其理想的温度范围内并去除多余的热量的用于正常操作的热管理和冷却系统，将电池单元并联和串联组合以满足车辆的电压和电流需求的电气总线，通过平衡并联电池单元组的电压和容量来保持整体电池组能力的电压管理系统，以及提供对电池系统充电、放电以及与推进、充电和其他车辆子系统的电气连接的控制的电池断开单元。如图3a-3d所示，图1和2所示的电池组1可以在竖直(图3b和3c)或水平(图3d)取向上组合在组装结构14中。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种电池组系统，包括：
电池单元堆叠，其中每个电池单元具有第一端、与第一端相对的第二端、以及从第一端延伸到第二端的侧边缘，并且其中每个电池单元的至少一个侧边缘与另一个电池单元的至少一个侧边缘相邻，
热化学材料，在50℃以上的温度会发生吸热反应，
所述热化学材料位于：(a)电池单元堆叠内和电电池单元外部，或(b)邻近电池单元堆叠，或(c)两者。
2.根据权利要求1所述的电池组系统，其中，所述电池单元是袋形电池单元或棱柱形电池单元。
3.根据权利要求1所述的电池组系统，其中，堆叠包括位于相邻电池单元的侧边缘之间的一个或多个层，其中，所述一个或多个层包括热化学材料。
4.根据权利要求1所述的电池组系统，还包括由所述第一端和框架的内表面限定的间隙，其中所述框架的内表面包括所述热化学材料，所述间隙与包括所述热化学材料的区域流体连通，或者两者。
5.根据权利要求1所述的电池组系统，包括热化学材料的贮存器和一个或多个阀，所述阀能够在达到预定阈值时释放热化学材料，其中所述预定阈值是从电池单元排出的气体的温度、压力或化学成分。
6.根据权利要求5所述的电池组系统，其中，所述堆叠被分成两个或更多个缓解区，每个区包括多个电池单元、所述电池单元的第一端和所述贮存器之间的间隙、以及与所述贮存器连接以将所述热化学材料释放到所述区中的热致动阀，其中所述两个或更多个缓解区被热失控传播抑制元件彼此分开。
7.根据权利要求1所述的电池组系统，其中，所述热化学材料包括水合盐。
8.根据权利要求1所述的电池组系统，还包括冷却元件。
9.根据权利要求5所述的电池组系统，还包括位于所述贮存器和包含冷却剂的冷却系统之间的单向阀，其中在打开所述一个或多个阀之后，所述单向阀打开以将冷却剂释放到所述贮存器中。
10.一种电池组系统，包括电池单元组件和以下中的一者或多者：
贮存器，包含热化学材料和阀，所述阀能够在达到温度、压力或化学成分的阈值水平时朝向电池单元组件释放热化学材料；
电池组件的第一边缘和具有内表面的框架，其中第一边缘和内表面限定间隙，来自电池组件中的热事件的气体可以排放到该间隙中，其中框架包括框架中或框架的内表面上的热化学材料；和
气体歧管，在框架中或邻近框架，并与间隙流体连通，其中气体歧管包括包含热化学材料的表面，该表面与包含热化学材料的区域流体连通，或其组合。
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