DE102016100120B4

DE102016100120B4 - Flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem

Info

Publication number: DE102016100120B4
Application number: DE102016100120.1A
Authority: DE
Inventors: Boris Schilder; Horst Mettlach
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-01-09
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: DE102016100120A1; US10270123B2; CN105789729B; CN105789729A; US20160204483A1

Abstract

Flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem (102), das dazu konfiguriert ist, eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern, wobei das Batteriesystem (102) umfasst:einen ersten Batterieabschnitt (320), der derart konfiguriert ist, elektrische Energie durch Wärme erzeugende elektrochemische Reaktionen zu erzeugen und zu speichern;ein Kühlsystem (110), das derart konfiguriert ist, eine Strömung von flüssigem Kühlmittel durch das Batteriesystem (102) zu erzeugen, wobei die Strömung von flüssigem Kühlmittel derart konfiguriert ist, von dem ersten Batterieabschnitt (320) erzeugte Wärme zu entfernen; undeine Kühlrippe (300), die derart konfiguriert ist, zumindest einen Anteil der Strömung des flüssigen Kühlmittels durch einen primären Kühlmittelkanal aufzunehmen und Wärme von dem ersten Batterieabschnitt (320) auf das flüssige Kühlmittel zu übertragen, wobei die Kühlrippe (300) umfasst:einen sekundären Kühlmittelkanal, der als ein Ausschnitt über die Länge eines oberen Randes der Kühlrippe (300) in der Nähe eines oberen Verteilers (314) angeordnet ist, wobei der Ausschnitt so konfiguriert ist, dass er zumindest teilweise mit einem Schmelzmaterial (310) gefüllt ist, das dazu ausgelegt ist, einen Austritt des flüssigen Kühlmittels durch den Ausschnitt bei Temperaturen unterhalb einer Temperaturschwelle zu behindern;ein Kühlmittelreservoir (232) in Fluidkommunikation mit dem Kühlsystem (102), das auf einer ersten Höhe angeordnet ist;wobei das Schmelzmaterial (310) bei einer Schwellentemperatur zumindest teilweise schmilzt und einen Austritt von zumindest einem Anteil des flüssigen Kühlmittels aus der Kühlrippe (300) durch den sekundären Kühlmittelkanal zulässt, undwobei der sekundäre Kühlmittelkanal auf einer zweiten Höhe angeordnet ist, wobei die zweite Höhe geringer als die erste Höhe ist, so dass das Kühlmittel durch den sekundären Kühlmittelkanal passiv durch den Einfluss von Schwerkraft austritt, wenn das Schmelzmaterial (310) zumindest teilweise geschmolzen ist, und das flüssige Kühlmittel, das durch den sekundären Kühlmittelkanal die Kühlrippe (300) verlässt, direkt mit einer Fläche des ersten Batterieabschnitts (320) in Kontakt steht.

Description

Das Gebiet der Offenbarung betrifft allgemein ein Verhindern einer thermischen Ausbreitung von Zelle zu Zelle in einem Batteriesystem. Genauer ist die vorliegende Offenbarung auf ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem anwendbar, bei dem eine passive Kühlung eingeschaltet wird, wenn ein Abschnitt einer Batterie eine festgelegte Temperatur erreicht. Die passive Kühlung kann den beeinträchtigten Batterieabschnitt kühlen und dadurch eine von Zelle zu Zelle erfolgende Ausbreitung eines thermischen Durchgehereignisses verhindern.
Der Begriff „thermisches Durchgehereignis“ betrifft eine ungesteuerte Zunahme der Temperatur in einem Batteriesystem. Während eines thermischen Durchgehereignisses überschreitet die Erzeugung von Wärme in einem Batteriesystem oder einer Batteriezelle die Dissipation von Wärme, was zu einer weiteren Zunahme der Temperatur führt. Ein thermisches Durchgehereignis kann durch verschiedene Bedingungen ausgelöst werden, einschließlich einem Kurzschluss in der Zelle, einer ungeeigneten Zellennutzung, physikalischer Fehlnutzung, Herstelldefekten oder einem Kontakt der Zelle zu extremen Außentemperaturen.
Ein Batteriesystem kann eine Mehrzahl von Batteriezellen in relativ enger Nähe zueinander umfassen. Verschiedene Kühlsysteme können so ausgelegt sein, die Ausbreitung von Wärme von einer Zelle, die einem thermischen Durchgehereignis ausgesetzt ist, zu benachbarten Zellen zu verhindern, da der Kontakt einer Batteriezelle zu hoher Temperatur bewirken kann, dass die Zelle einem thermischen Durchgehereignis ausgesetzt ist.
US 7 433 794 B1 offenbart ein Verfahren zur Abschwächung der Ausbreitung eines thermischen Ereignisses in einem Energiespeichersystem mit einer Vielzahl von Zellen. Das Verfahren umfasst die Schritte zur Identifizierung einer Wärmequelle innerhalb des Energiespeichersystems und der Vielzahl von Zellen. Das Verfahren steuert dann eine Temperatur des Energiespeichersystems und der Vielzahl von Zellen und detektiert vorbestimmte Bedingungen innerhalb des Energiespeichersystems. Das Verfahren führt eine vorbestimmte Aktion durch, die darauf basiert, dass eine der vorbestimmten Bedingungen erkannt wird. Eine Vielzahl von Sensoren und Schaltern zusammen mit zugehöriger Hardware oder Software wird verwendet, um die Temperatur des Energiespeichersystems bei der Erkennung vorbestimmter Zustände wie Überhitzung, Überstrom, Überspannung oder ähnlichem zu steuern.
Weiterer Stand der Technik ist in der DE 10 2014 102 954 A1 und der DE 10 2012 215 732 A1 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteriesystem zu schaffen, mit dem es möglich ist, auf sichere und zuverlässige Weise ein thermisches Durchgehereignis von Batteriezellen zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass gewisse Vorteile dadurch verwirklicht werden können, dass ein sekundäres „Kühl-“System bereitgestellt wird, das zur Anpassung eines thermischen Durchgehereignisses verwendet werden kann und auch passiv arbeitet (z.B. wenn das Hauptkühlsystem abgeschaltet, beschädigt, etc. ist). Die vorliegende Offenbarung sieht verschiedene Ausführungsformen eines derartigen Systems vor. Die Verwendung eines passiven Systems kann helfen, einen zuverlässigen Betrieb des Kühlsystems ungeachtet der anderen Bedingungen sicherzustellen, die das thermische Ereignis ausgelöst haben können.
Nicht beschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung sind einschließlich verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren beschrieben, in welchen:

1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Batteriesystems mit einem sekundären Kühlsystem in einem Fahrzeug gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2A eine Konzeptdarstellung eines Batteriesystems mit einem passiven Kühlsystem, das derart konfiguriert ist, eine von Zelle zu Zelle erfolgende thermische Ausbreitung zu verhindern, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2B eine andere Konzeptdarstellung eines Batteriesystems mit einem passiven Kühlsystem, das derart konfiguriert ist, eine von Zelle zu Zelle erfolgende thermische Ausbreitung zu verhindern, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3A eine Kühlrippe, die zum Gebrauch in einem flüssigkeitsgekühlten Batteriesystem konfiguriert ist, das auch ein passives Kühlsystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, eine von Zelle zu Zelle erfolgende thermische Ausbreitung zu verhindern, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3B die Kühlrippe von 3A zusammen mit einer Batteriezelle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb eines passiven Kühlsystems in einem Batteriesystem, das derart konfiguriert ist, eine von Zelle zu Zelle erfolgende thermische Ausbreitung zu verhindern, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Batteriesystems 102 mit einem passiven Kühlsystem in einem Fahrzeug 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Fahrzeug 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Luftfahrzeug und/oder irgendein anderer Typ von Fahrzeug sein und kann einen Brennkraftmaschinen- („ICE“-) Antriebsstrang, einen Elektromotorantriebsstrang, einen Hybridkraftmaschinenantriebsstrang, einen Brennstoffzellen-(FC)-Antriebsstrang und/oder irgendeinen anderen Typ von Antriebsstrang aufweisen, der zum Einbau des hier offenbarten Systems geeignet ist. Das Fahrzeug 100 kann ein Batteriesystem 102 aufweisen, das bei gewissen Ausführungsformen ein HV-Batteriesystem sein kann. Das HV-Batteriesystem kann dazu verwendet werden, elektrische Antriebsstrangkomponenten (z.B. wie in einem Elektro-, Hybrid- oder FC-Leistungssystem) und ein Kabinenklimasteuersystem des Fahrzeugs mit Leistung zu beaufschlagen, das einen Heizer und/oder Verdichter aufweisen kann. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Batteriesystem 102 eine Niederspannungsbatterie (z.B. eine 12 V-Blei-Kraftfahrzeugbatterie) sein, und kann derart konfiguriert sein, elektrische Energie an eine Vielzahl von Systemen 100 des Fahrzeugs zu liefern, beispielsweise einschließlich Fahrzeuganlassersystemen (z.B. einem Anlassermotor), Beleuchtungssystemen, Zündsystemen und/oder dergleichen. Noch ferner kann bei einigen Ausführungsformen das Batteriesystem so konfiguriert sein, dass es in Mild-Hybrid-Anwendungen arbeitet, und kann eine Spannung im mittleren Bereich aufweisen (z.B. etwa 42 Volt).
Ein Kühlsystem 110 kann derart konfiguriert sein, eine Kühlmittelströmung (z.B. Wasser-Glykol, dielektrische Flüssigkeit, Kältemittel, Luft) zu erzeugen, die dazu verwendet wird, eine Temperatur des Batteriesystems 102 in einem festgelegten Bereich beizubehalten. Das Kühlsystem 110 kann in Fluidkommunikation mit dem Batteriesystem 102 durch eine oder mehrere Kühlmittelleitungen 116 stehen. Bei gewissen Ausführungsformen kann ein Kühlmittel Wärme von dem Batteriesystem 102 absorbieren, wenn es durch das Batteriesystem 102 strömt. Das erwärmte Kühlmittel kann zurück in das Kühlsystem 110 strömen, wo die von dem Kühlmittel absorbierte Wärme an die Umgebung übertragen wird. Wie unten ausführlicher diskutiert ist, kann das Kühlsystem 110 ferner ein passives Kühlsystem aufweisen, das derart konfiguriert sein kann, um eine passive Kühlmittelströmung auf Basis in Ansprechen auf ein thermisches Ereignis bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann das passive Kühlsystem, das derart konfiguriert ist, um eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern, von einem Kühlsystem getrennt sein, das derart konfiguriert ist, das Batteriesystem 102 in dem normalen Betrieb zu kühlen. Bei anderen Ausführungsformen kann das passive Kühlsystem teilweise oder vollständig mit dem Kühlsystem integriert sein, das derart konfiguriert ist, um die Batterie im normalen Betrieb zu kühlen. Eine Mehrzahl von sekundären Kühlleitungen 118 kann in der Nähe zu Zellen oder Unterteilungen 114 angeordnet sein. Die sekundären Kühlleitungen 118 können mit einer Substanz gefüllt sein, die derart konfiguriert ist, in Reaktion auf ein thermisches Ereignis zu schmelzen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Substanz bei einer Temperatur ausgewählt sein, die unter einem Schwellenwert liegt, der in einer von Zelle zu Zelle erfolgenden Ausbreitung eines thermischen Ereignisses resultieren kann. Bei einer speziellen Ausführungsform kann der Temperaturbereich etwa 80 ° C bis 100 ° C umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform können die sekundären Kühlleitungen 118 zumindest teilweise mit Polyethylen gefüllt sein. Bei alternativen Ausführungsformen können die sekundären Kühlleitungen 118 zumindest teilweise mit anderen Materialien gefüllt sein.
Bei einigen Ausführungsformen kann ein Kühlmittelreservoir (nicht gezeigt) in Bezug auf die sekundären Kühlleitungen 118 erhöht sein, so dass Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir unter dem Einfluss von Schwerkraft abfließen kann. Ein Ablaufen des Kühlmittels unter dem Einfluss von Schwerkraft kann den Betrieb eines passiven Kühlmittelsystems ohne Notwendigkeit nach Pumpen oder anderen Mechanismen für aktives Zirkulieren von Kühlmittel ermöglichen.
Das Batteriesystem 102 kann ein Batteriesteuersystem 104 aufweisen. Das Batteriesteuersystem 104 kann derart konfiguriert sein, gewisse Betriebsabläufe des Batteriesystems 102 zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise kann das Batteriesteuersystem 104 derart konfiguriert sein, Lade- und/oder Entlade-Betriebsabläufe des Batteriesystems 102 zu überwachen und zu steuern. Bei gewissen Ausführungsformen kann das Batteriesteuersystem 104 kommunikativ mit einem oder mehreren Sensoren 106 (z.B. Spannungssensoren, Stromsensoren, Temperatursensoren, Feuchtesensoren und/oder dergleichen, etc.) und/oder anderen Systemen gekoppelt sein, die dazu konfiguriert sind, das Batteriesteuersystem 104 in die Lage zu versetzen, Betriebsabläufe des Batteriesystems 102 zu überwachen und zu steuern.
Informationen von Sensoren 106 können von dem Steuersystem 104 für den Betrieb des Kühlsystems 110 verwendet werden. Temperatur- und / oder Feuchtigkeitssensoren 106 können Daten an das Batteriesteuersystem 104 liefern, das wiederum derart konfiguriert sein kann, um das Batteriesystem 102 zu überwachen und zu steuern und das Kühlsystem 110 entsprechend zu betreiben. Insbesondere kann das Kühlsystem 110 betrieben werden, um die Temperatur des Batteriesystems 102 innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs zu halten.
Das Batteriesteuersystem 104 kann ferner derart konfiguriert sein, Information an andere, in dem Fahrzeug 100 enthaltene Systeme zu liefern und/oder Information von anderen, in dem Fahrzeug 100 enthaltenen Systemen zu empfangen. Beispielsweise kann das Batteriesteuersystem 104 kommunikativ mit einem internen Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder dem Kühlsystem 110 gekoppelt sein. Bei gewissen Ausführungsformen kann das Batteriesteuersystem 104 zumindest teilweise so konfiguriert sein, Information bezüglich des Batteriesystems 102 an einen Nutzer des Fahrzeugs 100, ein Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder das Kühlsystem 110 zu liefern. Derartige Information kann beispielsweise Batterieladezustandsinformation, Batteriebetriebszeitinformation, Batteriebetriebstemperaturinformation und/oder jegliche Information bezüglich des Batteriesystems 102 aufweisen.
Das Batteriesystem 102 kann eine oder mehrere Batteriepackungen 112 aufweisen, die geeignet bemessen sind, um elektrische Leistung an das Fahrzeug 100 zu liefern. Jede Batteriepackung 112 kann eine oder mehrere Unterteilungen 114 aufweisen. Die Unterteilungen 114 können Teilpackungen umfassen, von denen jede eine oder mehrere Batteriezellen umfassen kann, die eine beliebige geeignete Batterietechnologie verwenden. Geeignete Batterietechnologien umfassen beispielsweise Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid-(„NiMH“), Lithiumionen („Li-Ion“), Lilonenpolymer-, Lithium-Luft-, Nickel-Cadmium- („NiCad“), ventilregulierte Blei-Säure- („VRLA“) einschließlich absorbierter Glasmatte („AGM“), Nickel-Zink-(„NiZn“), Schmelzsalz (z.B. eine ZEBRA-Batterie), Nickel-Mangan-Kobalt („NMC“), Lithiumeisenphosphat („LFP“), Lithiummanganoxid („LMO“) und/oder andere geeignete Batterietechnologien und Kombinationen daraus umfassen (z.B. Mischchemie-Batterietechnologien). Verschiedene Batterietechnologien betreiben verschiedene Technologien und ein Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass Einstellungen an der vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden können, um die spezifischen Betriebsbedingungen für jeden Typ von Batterie anzupassen. Zum Beispiel kann die Auswahl der geeigneten Schmelzmaterialien zumindest teilweise auf der Betriebstemperatur von unterschiedlichen Typen von Batteriesystemen basieren.
Jeder Unterteilung 114 kann ein Sensor 106 zugeordnet sein, der derart konfiguriert ist, einen oder mehrere Parameter zu messen (z.B. Spannung, Strom, Impedanz, Temperatur, etc.), die jeder Batterieunterteilung 114 zugeordnet sind. Obwohl 1 separate Sensoren 106 zeigt, die jedem Batterieabschnitt 114 zugeordnet sind, kann bei einigen Ausführungsformen ein Sensor, der derart konfiguriert ist, verschiedene Parameter zu messen, die eine Mehrzahl von Unterteilungen 114 zugeordnet sind, ebenfalls verwendet werden. Die Parameter, die von dem Sensor 106 gemessen werden, können an ein Batteriesteuersystem 104 geliefert werden. Unter Verwendung der elektrischen Parameter können das Batteriesteuersystem 104 und/oder jedes andere geeignete System den Betrieb des Batteriesystems 102 koordinieren.
2A zeigt eine konzeptionelle Darstellung eines Batteriesystems 200 mit einem passiven Kühlsystem, das derart konfiguriert ist, eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu verhindern. Bei der dargestellten Ausführungsform können drei Zellen 204, 208 und 212 zur Speicherung und Freisetzung von elektrischer Energie durch elektrochemische Reaktionen konfiguriert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Zellen 204, 208 und 212 verschiedene Chemien verwenden, wie beispielsweise Blei-Säure-, Nickel-Metallhydrid-(„NiMH“), Lithiumionen („Li-Ion“), Lilonenpolymer-, Lithium-Luft-, Nickel-Cadmium- („NiCad“), ventilregulierte Blei-Säure- („VRLA“) einschließlich absorbierter Glasmatte („AGM“), Nickel-Zink-(„NiZn“), Schmelzsalz (z.B. eine ZEBRA-Batterie), Nickel-Mangan-Kobalt („NMC“), Lithiumeisenphosphat („LFP“), Lithiummanganoxid („LMO“) und/oder andere geeignete Batterietechnologien und Kombinationen daraus (z.B. Mischchemie- Batterietechnologien). Jede der Batteriezellen 204, 208 und 212 kann einer Anode 220, 222 bzw. 224 und einer Kathode 226, 228 bzw. 230 zugeordnet sein. Die Batteriezellen 204, 208 und 212 können elektrische Energie mittels Wärme erzeugenden elektrochemischen Prozessen speichern und erzeugen. Andere Komponenten, die in der Nähe der Batteriezellen 204, 208 und 212 angeordnet sind, können so konfiguriert sein, um die Wärme, die von den Batteriezellen 204, 208 und 212 erzeugt wird, zu dissipieren und die Batteriezellen innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs zu halten.
Schaumschichten 202 und 210 können zwischen benachbarten Batteriezellen (z.B. Batteriezellen 208 und 212) angeordnet sein. Die Schaumschichten 202 und 210 können einen Raum zur Zellenausdehnung sowie thermischen Isolierung zwischen benachbarten Batteriezellen bereitstellen.
Kühlrippen 206 und 214 können zwischen benachbarten Batteriezellen an gegenüberliegenden Seiten von dem Schaum angeordnet sein. Das Muster der Schaumschichten, Zellen und Kühlrippen kann bei verschiedenen Ausführungsformen ausgedehnter wiederholt werden, obwohl in 2A nur einige Komponenten dargestellt sind. Die Kühlrippen 206 und 214 können so konfiguriert sein, die von den Batteriezellen 204, 208 und 212 erzeugte Wärme zu dissipieren und die Batteriezellen in einem Betriebstemperaturbereich beizubehalten.
Die Kühlrippen können derart konfiguriert sein, eine Kühlmittelströmung von einem Kühlmittelreservoir 232 aufzunehmen. Das Kühlmittelreservoir 232 kann in Fluidkommunikation mit den Kühlrippen 206 und 214 stehen und kann eine Strömung von Kühlmittel durch eine primäre Kühlmittelleitung 240 bereitstellen. Bei der gezeigten Ausführungsform können Ausschnitte 216 und 218 in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelreservoir 232 über eine sekundäre Kühlmittelleitung stehen. Die Ausschnitte 216 und 218 können mit einem Schmelzmaterial gefüllt sein, das einen Schmelzpunkt unterhalb einer Temperatur aufweist, bei der ein thermisches Ereignis sich von Zelle zu Zelle ausbreiten kann. Unter typischen Bedingungen kann das Schmelzmaterial in fester Form bleiben und den Austritt des Kühlmittels von den Ausschnitten 216 und 218 verhindern. Wenn die Temperaturen einen Schmelzpunkt des Schmelzmaterials erreichen oder überschreiten, kann das Schmelzmaterial zumindest teilweise schmelzen und einen Austritt von zumindest einem Anteil des Kühlmittels durch die Ausschnitte 216 und 218 zulassen. Bei einer Ausführungsform kann das Kühlmittel durch die Ausschnitte 216 und 218 gelangen, wobei eine heiße Zelle (z.B. irgendeine oder alle der Batteriezellen 204, 206 und 212) benetzt wird. Das Benetzen der heißen Zelle kann die Zelle durch Konvektion und/oder Verdunstung kühlen.
Das Kühlen einer heißen Zelle kann passiv basierend auf der Anordnung des Kühlmittelreservoirs 232, der Ausschnitte 216 und 218 und der Kühlmittelrippen 206 und 214 stattfinden. Das Kühlmittel kann so konfiguriert sein, dass es durch die Ausschnitte 216 und 218 durch den Einfluss der Schwerkraft fließt. Ein passiver Betrieb kann bei einigen Ausführungsformen dadurch unterstützt werden, dass das Kühlmittelreservoir 232 über den Kühlrippen 206 und 214 angeordnet wird. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Höhe 238 den Boden 234 des Kühlmittelreservoirs 232 von dem Oberteil 236 der Kühlrippen 206 und 214 trennen. Bei einer spezifischen Ausführungsform kann die Höhe 238 die minimale Höhe sein, die notwendig ist, um einen Fluss des Kühlmittels durch die Ausschnitte 216 und 218 unter dem Einfluss von Schwerkraft zu bewirken.
2B zeigt eine andere Konzeptdarstellung eines Batteriesystems 250, das ein passives Kühlsystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Allgemein kann das System 250 auf eine Weise arbeiten, die ähnlich dem System 200 ist, wie in Verbindung mit 2A gezeigt ist.
Bei System 250 kann das Kühlmittel in der durch Pfeile 242 und 244 angegebenen Richtung strömen und kann durch eine Pumpe 246 aktiv zirkuliert werden. Die Kühlmittelströmung kann so konfiguriert sein, die Temperatur der Batterie unterhalb einer Schwelle beizubehalten, die so gewählt sein kann, um thermische Ereignisse zu vermeiden und/oder eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern. Eine sekundäre Kühlmittelleitung 248 kann ebenfalls in Fluidkommunikation mit dem Kühlmittelreservoir 232 stehen und kann so konfiguriert sein, selektiv eine Strömung von Kühlmittel zu den Kühlrippen für den Fall bereitzustellen, dass die Kühlrippen eine vorbestimmte Temperatur erreicht haben. Bei Erreichen oder Überschreiten der vorbestimmten Temperatur kann ein in den Ausschnitten 216 und 218 angeordnetes Schmelzmaterial zumindest teilweise schmelzen und einen Austritt von Kühlmittel von den Ausschnitten 216 und 218 zulassen. Das Kühlmittel, das von den Ausschnitten 216 und 218 austritt, kann eine heiße Zelle (z.B. irgendeine oder alle der Batteriezellen 204, 208 und 212) benetzen. Das Benetzen der heißen Zelle kann die Zelle durch Konvektion und/oder Verdunstung kühlen und kann somit ein Ausbreiten eines thermischen Durchgehereignisses auf andere Batteriezellen in dem System 250 vermeiden.
3A zeigt eine Kühlrippe 300, die zum Gebrauch in einem flüssigkeitsgekühlten Batteriesystem konfiguriert ist, das auch ein sekundäres passives Kühlsystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Kühlrippe 300 weist Durchlässe 302 und 304 auf, durch die Kühlmittel aktiv durch ein primäres Kühlsystem zirkuliert werden kann. Bei einigen Ausführungsformen kann Kühlmittel in entgegengesetzten Richtungen der Durchlässe strömen, wenn es durch ein System mit geschlossenem Kreislauf zirkuliert. Bei anderen Ausführungsformen kann das Kühlmittel in derselben Richtung durch die Durchlässe 302 und 304 strömen, und ein Rückführpfad für das Kühlmittel in einem System mit geschlossenem Kreislauf kann durch eine andere Leitung strömen.
Eine Mehrzahl von Minikanälen 306 kann in der Kühlrippe geformt sein, um die Wärmeübertragung von der Kühlrippe auf die Umgebung zu unterstützen. Die Mehrzahl von Minikanälen 306 kann die Fähigkeit der Kühlrippe 300 zur Übertragung von Wärme an die Umgebung durch Zirkulation durch das Kühlmittel über die Rippe erhöhen. Eine beispielhafte Strömung von Kühlmittel durch die Kühlrippe 300 ist durch die gestrichelte Linie 312 gezeigt. Bei der gezeigten Ausführungsform kommt die Kühlmittelströmung von dem Durchlass 302 und strömt zu einem oberen Verteiler 314. Das Kühlmittel strömt dann durch einen der Minikanäle 306 zu einem unteren Verteiler 316. Anschließend tritt das Kühlmittel in einen anderen Minikanal 306 ein, der das Kühlmittel zu dem Durchlass 304 zurückführt.
Erfindungsgemäß kann ein Ausschnitt 308 entlang eines oberen Randes der Kühlrippe 300 in der Nähe des oberen Verteilers 314 angeordnet sein. Der Ausschnitt 308 kann mit einem Schmelzmaterial 310 gefüllt sein. Wenn die Temperatur einen Schmelzpunkt des Schmelzmaterials 310 überschreitet, kann Kühlmittel durch den Ausschnitt 308 gelangen und die Kühlrippe 300 und/oder eine Batteriezelle (in 3B) benetzen, die benachbart der Kühlrippe 300 angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform kann das Kühlmittel mit dem Schmelzmaterial 310 in dem oberen Verteiler 314 in Kontakt treten. Demgemäß kann, wenn die Temperatur ausreichend hoch ist, um das Schmelzmaterial 310 zumindest teilweise zu schmelzen, Kühlmittel durch zumindest einen Abschnitt des Ausschnitts 308 austreten. Der Ausschnitt 308 kann als ein sekundärer Kühlmittelkanal bezeichnet werden.
3B zeigt eine Batteriezelle 320 (in gestrichelten Linien gezeigt), die benachbart der Kühlrippe 300 angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform. Während des Normalbetriebs kann eine Strömung von Kühlmittel durch Durchlässe 302 und 304 und durch die Mehrzahl von Minikanälen 306 die von der Batteriezelle 320 erzeugte Wärme entfernen. In dem Fall, dass die Temperatur der Batteriezelle eine Schwelle überschreitet, kann das Schmelzmaterial 310 zumindest teilweise schmelzen und einen Austritt von Kühlmittel durch den Ausschnitt 308 zulassen. Das Kühlmittel kann die Batteriezelle 320 benetzen und die Zelle kühlen.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines rein beispielhaften Verfahrens 400 zum Kühlen eines flüssigkeitsgekühlten Batteriesystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das beispielhafte Verfahren 400 passiv arbeiten, um ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem dadurch zu kühlen, dass flüssiges Kühlmittel selektiv freigesetzt wird und ein oder mehrere Abschnitte des Batteriesystems unter Verwendung von Druck in einem Kühlsystem benetzt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Druck durch Schwerkraft, durch Druck in einem Reservoir, etc. bewirkt werden. Bei 402 kann das beispielhafte Verfahren 400 beginnen. Ein flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem mit einer Mehrzahl von Batterieabschnitten kann bei 404 vorgesehen werden. Bei 406 kann zumindest einer der Mehrzahl von Batterieabschnitten betrieben werden, um elektrische Energie durch Wärme erzeugende elektrochemische Reaktionen zu erzeugen und/oder zu speichern. Bei 408 kann ein flüssiges Kühlmittel durch einen primären Kühlmittelkanal in einer Kühlrippe zirkuliert werden, die in der Nähe zu zumindest einer der Mehrzahl von Batterieabschnitten angeordnet ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kühlrippe direkt benachbart einem oder mehreren Batterieabschnitten angeordnet sein. Bei 410 kann ein Schmelzmaterial einen Austritt von flüssigem Kühlmittel aus der Kühlrippe durch einen sekundären Kühlmittelkanal unter Verwendung eines Schmelzmaterials behindern. Bei einigen Ausführungsformen kann der sekundäre Kühlmittelkanal eine Öffnung umfassen, die eine oder mehrere Fluidleitungen in der Kühlrippe überschneidet.
Unter gewissen Umständen kann Wärme in dem Batteriesystem schneller erzeugt werden, als sie an die Umgebung durch das Kühlsystem übertragen werden kann. Demgemäß kann die Temperatur in dem Batteriesystem anzusteigen beginnen. Bei 412 kann, wenn die Temperatur unter einer Schwelle bleibt, das Verfahren 400 zu 406 zurückkehren. Im Gegensatz dazu kann, wenn die Temperatur die Schwelle überschreitet, das Verfahren 400 mit 414 fortfahren.
Bei 414 kann das Schmelzmaterial zumindest teilweise schmelzen, was einen Austritt des flüssigen Kühlmittels von der Kühlrippe durch einen sekundären Kühlmittelkanal zulassen kann. Das austretende flüssige Kühlmittel kann bei 416 einen oder mehrere Batterieabschnitte in der Nähe der Kühlrippe kühlen. Das Kühlmittel kann die benachbartesten Batterieabschnitte benetzen und somit die Batterieabschnitte kühlen. Der Kühleffekt kann infolge einer direkten Benetzung der Zellen durch Reduzierung des thermischen Widerstandes zwischen dem flüssigen Kühlmittel und der Zelle; Erhöhen des Massenstroms von flüssigem Kühlmittel; und für Temperaturen oberhalb der Sättigung des Kühlmittels Verdampfen des Kühlmittels erhöht werden.

Claims

Flüssigkeitsgekühltes Batteriesystem (102), das dazu konfiguriert ist, eine thermische Ausbreitung von Zelle zu Zelle zu verhindern, wobei das Batteriesystem (102) umfasst: einen ersten Batterieabschnitt (320), der derart konfiguriert ist, elektrische Energie durch Wärme erzeugende elektrochemische Reaktionen zu erzeugen und zu speichern; ein Kühlsystem (110), das derart konfiguriert ist, eine Strömung von flüssigem Kühlmittel durch das Batteriesystem (102) zu erzeugen, wobei die Strömung von flüssigem Kühlmittel derart konfiguriert ist, von dem ersten Batterieabschnitt (320) erzeugte Wärme zu entfernen; und eine Kühlrippe (300), die derart konfiguriert ist, zumindest einen Anteil der Strömung des flüssigen Kühlmittels durch einen primären Kühlmittelkanal aufzunehmen und Wärme von dem ersten Batterieabschnitt (320) auf das flüssige Kühlmittel zu übertragen, wobei die Kühlrippe (300) umfasst: einen sekundären Kühlmittelkanal, der als ein Ausschnitt über die Länge eines oberen Randes der Kühlrippe (300) in der Nähe eines oberen Verteilers (314) angeordnet ist, wobei der Ausschnitt so konfiguriert ist, dass er zumindest teilweise mit einem Schmelzmaterial (310) gefüllt ist, das dazu ausgelegt ist, einen Austritt des flüssigen Kühlmittels durch den Ausschnitt bei Temperaturen unterhalb einer Temperaturschwelle zu behindern; ein Kühlmittelreservoir (232) in Fluidkommunikation mit dem Kühlsystem (102), das auf einer ersten Höhe angeordnet ist; wobei das Schmelzmaterial (310) bei einer Schwellentemperatur zumindest teilweise schmilzt und einen Austritt von zumindest einem Anteil des flüssigen Kühlmittels aus der Kühlrippe (300) durch den sekundären Kühlmittelkanal zulässt, und wobei der sekundäre Kühlmittelkanal auf einer zweiten Höhe angeordnet ist, wobei die zweite Höhe geringer als die erste Höhe ist, so dass das Kühlmittel durch den sekundären Kühlmittelkanal passiv durch den Einfluss von Schwerkraft austritt, wenn das Schmelzmaterial (310) zumindest teilweise geschmolzen ist, und das flüssige Kühlmittel, das durch den sekundären Kühlmittelkanal die Kühlrippe (300) verlässt, direkt mit einer Fläche des ersten Batterieabschnitts (320) in Kontakt steht.
Batteriesystem (102) nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein druckbeaufschlagtes Kühlmittelreservoir (232) in Fluidkommunikation mit dem Kühlsystem (110); wobei das Kühlmittel durch den sekundären Kühlmittelkanal passiv aufgrund von Druck in dem druckbeaufschlagten Kühlmittelreservoir (232) austritt, wenn das Schmelzmaterial (310) zumindest teilweise geschmolzen ist.
Batteriesystem (102) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Batterieabschnitt und wobei der erste Batterieabschnitt (320) mit einer ersten Seite der Kühlrippe (300) in Kontakt steht und der zweite Batterieabschnitt mit einer zweiten Seite der Kühlrippe (300) in Kontakt steht.
Batteriesystem (102) nach Anspruch 1, wobei das Schmelzmaterial (310) Polyethylen umfasst.
Batteriesystem (102) nach Anspruch 1, wobei die Kühlrippe (300) ferner umfasst: einen Verteiler (314) in Fluidkommunikation mit dem primären Kühlmittelkanal, wobei der Verteiler (314) derart konfiguriert ist, das Kühlmittel an eine Mehrzahl von Minikanälen zu verteilen, die über zumindest einen Anteil der Kühlrippe (300) angeordnet sind; wobei der sekundäre Kühlmittelkanal in Fluidkommunikation mit zumindest einigen der Mehrzahl von Minikanälen steht.
Batteriesystem (102) nach Anspruch 1, wobei der Kontakt des flüssigen Kühlmittels mit der Fläche des ersten Batterieabschnitts (320) Wärme an eine Umgebung durch Konvektion überträgt.