JP2015198087A - 多重セル電池パック、および多重セル電池パックの熱の除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多重セル電池パックおよびその熱の除去方法を提供する。【解決手段】 多重セル電池パックは、熱サイフォンとして機能するように設計することができる。別の言い方をすれば、多重セル電池パックは、機械式ポンプを必要とせずに物質（液体、または空気等の気体）を循環させる自然対流に基づく受動的な熱交換技術を組み込むように設計することができる。このようにして、セル間のキャビティ内の絶縁流体は、熱暴走状態を防止する可能性を飛躍的に向上させる。セル間のキャビティ内の絶縁流体により、アーク発生の低減、および電池収納体内における燃焼の解消がもたらされる。【選択図】図３

Description

本発明は、伝熱システムに関し、特に、電池パックの冷却および防火に関する。

電池の多重セルパックは、典型的には、電力システムにおける使用のための化学エネルギー貯蔵の手段のために用いられる。それぞれの電池セルは、所与の用途のための電圧およびエネルギー貯蔵の要件を満たすために、直列および／または並列に電気的に接続される。それぞれのセルは、コスト、信頼性、容積、重量、およびその他のシステムの制約に応じて、鉛酸、ニッケル金属水素化物、ニッケルカドミウム、リチウムイオン、リチウムポリマー、または他の化学物質を用いてもよい。

多重セル電池パックは、概して、相互接続され、監視および／または充電回路と共に単一の筐体内に実装されたそれぞれのセルから成る。電池セル間の空間は、空気で満たされてもよい。不適切な充電、不適切な放電、高い熱応力、製造欠陥、または他の原因に起因する単セルの故障は、アーク発生および電気火災を引き起こし得る。火災は、多くの場合、他の電池セルに広がり、可用な火災エネルギーおよび可能性のある機器の損傷を実質的に増加させる。

本発明は、熱サイフォン電池パックに関する。例えば、多重セル電池パックであって、複数の電池セルを収納し、内容積を有する圧力容器と、複数の電池セル中の少なくとも２つの電池セル間の空隙を実質的に満たすように構成された絶縁流体と、圧力容器の内容積内に配置された凝縮器と、を有する、多重セル電池パックが本明細書に開示される。

様々な実施形態によれば、局所的な熱を除去し、この局部的な熱を多重セル電池パックの大きな表面積に亘って分散させる方法が開示される。本方法は、多重セル電池パックの液密圧力容器内のセルの局所的な熱上昇に応じて、多重セル電池パックのセルと熱接触する絶縁流体を膨張させることを含む。その絶縁流体は、加熱されるに従い、より低密度になり、かつ浮力が増加する。本方法は、加熱により膨張した絶縁流体を、対流により、多重セル電池パック内のセルから離れて電池パック内部の凝縮器に向かって受動的に移動させることを含む。本方法は、加熱により膨張した絶縁流体を、多重セル電池パックのセルと熱接触する比較的低温の絶縁流体の第２の体積部分と、重力を介して受動的に交換させることを含む。本方法は、加熱により膨張した絶縁流体が蒸気から液体へと状態を変えるにつれ、熱を放散することを含んでもよい。

本発明の主題は、本明細書の結論部分に、特に指摘され、明確に主張される。しかし、本発明のより完全な理解は、同様の番号が同様の要素を示す、図面に関連して考慮されるときに詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって最善に得られ得る。

様々な実施形態に係る絶縁液体を含む典型的な多重セル電池を示す図である。 様々な実施形態に係る絶縁液体を含む多重セル電池の典型的な側面図である。 様々な実施形態に従って本明細書に記載された多重セル電池の流れ図である。

例示的な実施形態の詳細な説明は、図解およびそれらの最良の態様によって例示的な実施形態を示す添付図面を本明細書で参照する。これらの例示的な実施形態が、当業者に本発明を実践することを可能にするために十分に詳細に説明される一方、他の実施形態が実現されてもよいし、かつ論理的な変更が本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくなされ得る、ことが理解されるべきである。したがって、本明細書の詳細な説明は、例示の目的のためにのみ提示されるが、これに限定されるものではない。例えば、方法または工程の説明のいずれかに記載のステップは、任意の順序で実行されてもよく、必ずしも提示された順序に限定されるものではない。さらに、単数への任意の言及は、複数の実施形態を含み、２つ以上の構成要素またはステップへの任意の言及は、単数の実施形態またはステップを含んでもよい。

様々な実施形態により、図１および２を参照すると、多重セル電池パック１００は、液密圧力容器１１０内に収容されている。液密圧力容器１１０は、任意の適合性材料から作製されてもよい。液密圧力容器１１０は、電池の１つ以上のセル等の要素を収納するように構成された内部キャビティを画定し得る。１つ以上の電気化学セルを備えた装置等の電池は、貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに変換するように構成される。それぞれのセルは、正端子１５０と負端子１４５を含みうる。電解質は、イオンの、正端子１５０と負端子１４５との間での移動を可能にし、それにより電流が、その電池から流れて、仕事を行うことを可能にする。本明細書に記載される方法および用途は、一次電池、二次電池、無停電電源装置、蓄電器、および／またはその他等の電気エネルギー貯蔵セルのうちのいずれかの種類を用いて実施されてもよい。セル１１５は、母線１２０を介して等、任意の所望の手段を介して互いに結合されてもよい。圧力容器１１０は、電池パック１００が受けると予想される所望の温度および圧力に基づいて選択された任意の絶縁流体１３０で充填されてもよい。例えば、絶縁流体１３０は、ＦＣ−７２ ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴ（商標）および／またはペルフルオロヘキサン（Ｃ₆Ｆ₁₄）もしくはテトラデカフルオロヘキサン等のフルオロカーボン流体であってもよい。ペルフルオロヘキサンは、５６°Ｃ（１３２．８°Ｆ）の低い沸点および−９０°Ｃ（−１３０°Ｆ）の凝固点を有する。それは無臭、無色である。絶縁流体１３０は、電池および／または多重セル電池のセル１１５等の、電池および／または多重セル電池の構成部品と熱接触してもよい。例えば、絶縁流体１３０は、圧力容器１１０を実質的に満たすようにセル間のキャビティ内に位置付けられてもよい。様々な実施形態によれば、絶縁流体は、約−８０°Ｆ（約−６２．２２°Ｃ）〜約２７００°Ｆ（約１４８２°Ｃ）の沸点を備える。

図１および２を参照すると、圧力容器１１０の上部２２５等の圧力容器１１０の一部が、空気／蒸気の比較的小さな容積部を備えてもよい。蓋２４５、および多重セル電池パック１００の働きは、熱サイフォン（ｔｈｅｒｍｏｓｉｐｈｏｎ）（また熱サイフォン（ｔｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎ）としても知られる）として機能するように設計される。別の言い方をすれば、多重セル電池パック１００は、機械式ポンプを必要とせずに物質（液体、または空気等の気体）を循環させる自然対流に基づく受動的な熱交換技術を組み込むように設計される。

セル間のキャビティ内の絶縁流体１３０は、電池の熱質量（thermal mass）を飛躍的に向上させる。追加の熱質量は、電池パック１００の温度が図２のセル２１７の故障時に危険なレベルに達する前に時間の量を増大させ、熱暴走状態を防止する可能性を増大させる。熱暴走は、温度のさらなる上昇をもたらし、多くの場合破壊的な結果につながるような、温度の上昇が条件を変化させる状況を指す。例えば、熱暴走は火災の原因となりうる。

電池パック１００が、正常動作に起因してまたは構成部品もしくは装置の故障に起因して加熱されることに応じて、熱源からの得られた熱は、絶縁流体１３０に伝達される。絶縁流体１３０の種類および圧力容器１１０の内部の温度および圧力によって決定された閾値等の、閾値を超える生成された熱に応じて、絶縁流体１３０の局所的な沸騰が発生し、絶縁流体１３０は、飽和液体と気体の混合物として存在する。蓋２４５は凝縮器を備えてもよい。凝縮器２４０は、複数の離間したフィンを有するキャビティ等の任意の所望の形状を取ってもよい。

自然対流は、セル２１５、２１６、２１８と比べた場合の、「高温セル」であるセル２１７等の熱源から凝縮器２４０へと流れ、そして、高温セル２１７へと戻る、絶縁流体１３０の流れを推進する。このように、絶縁流体１３０の対流運動は、相対的高温セル２１７によって等、圧力容器１１０内の絶縁流体１３０が加熱されるのに応じて始まり、絶縁流体１３０を膨張させ、より低密度にさせ、その結果、この絶縁流体１３０は、例えば圧力容器１１０の底部２３５付近などの、圧力容器１１０における他の領域内のより低温な絶縁流体１３０に比べて浮力が高くなる。対流は、加熱されて膨張した絶縁流体１３０を、電池パック１００の間近で上方に移動させると同時に、その加熱された流体を、重力によって下方へと戻る低温な絶縁流体１３０と置換させる。絶縁流体１３０の蒸気は、それが蒸気から液体へと状態を変え、冷却されるにつれ、熱を放散する。このように、セル２１７の局所的な熱は、より大きな表面積に亘って、絶縁流体１３０および凝縮器２４０を介して拡散され、任意の一箇所において生じた熱を低下させる。理想的には、絶縁流体１３０は、非常に小さい油圧抵抗に起因して容易に流れる。このように、局所的な熱は除去され、電池パック１００のより大きな容積に亘って分散される。電池セル２１５、２１６、２１７、２１８から絶縁流体１３０への熱伝達は、絶縁流体１３０の多相性によって高められる。

さらに、従来の電池パックと比べて、絶縁流体１３０は、通常は電池のセル間におけるより大きな容積に位置付けられる空気／可燃性ガスを置換し、したがって、酸素の系を奪うことに起因して燃焼の可能性が低くなる。さらに、絶縁流体１３０は、電池パック１００内の高温点の全体数を減少させ、その熱拡散能力を用いる。

様々な実施形態により、図３を参照して、局所的な熱を除去し、この局部的な熱を多重セル電池パックの大きな表面積に亘って分配する方法が開示される。多重セル電池パックの液密圧力容器内のセルの局所的な熱上昇を経験し得る（ステップ３１０）。局所的な熱上昇に応じて、多重セル電池パックのセルと熱接触する絶縁流体が膨張し得る（ステップ３２０）。多重セル電池パックのセルと熱接触している絶縁流体は、沸騰し、液体から蒸気に変換し得る（ステップ３２５）。加熱されて膨張した絶縁流体は、対流（例えば、熱サイフォン）により、多重セル電池パック内のセルから離れて凝縮器に向かって、受動的に移動する（ステップ３３０）。加熱されて膨張した絶縁流体は、重力を介して、多重セル電池パックのセルと熱接触する比較的低温の絶縁流体と受動的に置換される（ステップ３４０）。加熱されて膨張した絶縁流体が蒸気から液体へと変換されるにつれて、熱が放散される（ステップ３５０）。

図２に戻って参照すると、様々な実施形態によれば、相対的高温なセル２１７などの、１つ以上の熱源が熱勾配を生じさせ、それにより絶縁流体１３０を流動させる。適度な熱流束により、絶縁流体１３０は、単相液体として流れ、熱を放散している構成部品から熱を運ぶ。したがって、均一化をもたらすように異なる温度間で流れが生じるため、全体的な絶縁流体１３０の流路は、セル２１６とセル２１７との間、セル２１７とセル２１８との間、および／または圧力容器１１０のセルと内壁との間、等、セル間に形成される。その後凝縮された絶縁流体１３０は、電池パック１００内の熱を伝達し、その後、圧力容器１１０の壁などを介して、外部環境に熱を放散させる。より高い熱流束では、相変化の潜熱が冷却効果を提供する状態で、沸騰または蒸発が熱放散面に発生する。通常気泡中に生成される蒸気は、流体対流および浮力によって凝縮器２４０に運搬され、そこで、気化熱が除去されて、絶縁流体１３０が液体状態に戻る。操作の一部の条件下では、生成された気泡が、循環する過冷された液体中に凝縮されている状態で、沸騰が起こり得る。本明細書中の「絶縁流体」という用語は、概して電気的に非導電性である低沸点を有する、概して液体である材料を指すものと理解されるべきである。

セル１１５のセンサーは、電池パック１００の性能を監視し得る。通常の高い熱的事象は、センサーによって監視されて、セルおよび／または電池セルの交換が保証されることを判断し得る。電池パック１００の設計は、電池パック１００内の致命的な故障の可能性を低減し得る。電池パック１００の設計は、絶縁流体１３０の特性を抑制するアークに起因する電気アークの発生を防止することによって、電池の損傷の可能性を防止および／または低減し得る。電池パック１００の設計は、故障したセルからの熱の除去の改善により、追加のセルに継続接続する単電池セルの故障に起因する電池の損傷の可能性を防止および／または低減し得る。

様々な実施形態によれば、絶縁流体１３０の容積は、ほぼ完全な電池パック１００の圧力容器１１０に加えられてもよい。絶縁流体１３０のこの容積は、圧力容器１１０の容積に基づく既知の容積であってもよい。様々な実施形態によれば、圧力開放弁は、電池パック１００の蓋２４５に結合される等、電池パック１００に結合されてもよい。既知の温度で圧力容器１１０に絶縁流体１３０を加えることに応じて圧力が閾値に達するに従い、圧力開放値により電池パック１００システム内の非凝縮性物質が自動的に脱気され、所望の／閾値に圧力が調整されるように、圧力開放値が、既知の閾値を含んでもよい。圧力容器１１０内の絶縁流体１３０の容積部は、その後、追加の通気なしで一定量に固定され得る。液体としての圧力容器１１０内の絶縁流体１３０の高さは、電池パック１００が低温であるときに最高点にあってもよい。電池パック１００内の加熱に起因する等、圧力が増加するにつれ、絶縁流体１３０が蒸気になるため、絶縁流体１３０の液体の体積は減少し得る。圧力容器１１０内の絶縁流体１３０の質量は一定である。

利益、他の利点、および問題に対する解決策は、特定の実施形態に関して説明されてきた。さらに、本明細書に含まれる様々な図に示される接続線は、様々な要素間の例示的な機能的関係および／または物理的結合を表すことが意図される。多くの代替もしくは追加の機能的関係または物理的接続が実際のシステムに存在してもよい、ことに留意すべきである。しかし、利益、利点、問題に対する解決策、および任意の利益、利点、または解決法を発生させるか、より顕著にならせ得る任意の要素は、重大な、必要とされる、もしくは本質的な、本発明の特徴または要素として解釈されるべきではない。本発明の範囲は、したがって、単数形における要素への言及が明示的にそのように述べられない限り「唯一の」を意味するようには意図されない添付の特許請求の範囲以外の何によっても制限されず、むしろ「１つ以上」となる。また、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」に類似した語句が特許請求の範囲で用いられる場合、その語句が、Ａだけで実施形態に存在し得るか、Ｂだけで実施形態に存在し得るか、Ｃだけで実施形態に存在し得るか、要素Ａ、Ｂ、およびＣの任意の組み合わせ（例えば、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ、またはＡとＢとＣ）が単一の実施形態に存在し得ることを意味するように解釈される、ことが意図される。

様々な実施形態によれば、多重セル電池パックが本明細書に記載されている一方、単一セル電池パックおよび／または複数の別個のチャンバを有する電池パックは、同様に本明細書に企図される、ことが理解されるべきである。例えば、絶縁流体は、電池セルと圧力容器収納体との間の空隙を実質的に充填するように構成されてもよい。

システム、方法、および装置が本明細書中に提供される。本明細書中の詳細な説明において、「様々な実施形態」、「一実施形態」、「実施形態」、「実施形態例」等への言及は、記載の実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含み得るが、あらゆる実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を必ずしも含み得ない、ことを示す。その上、そのような語句は、同一の実施形態を必ずしも指さない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が、実施形態に関連して記述されるとき、そのような特徴、構造、または特性に他の実施形態に関連して影響を与えることは、明示的に記載されているかどうかに関わらず、それは、当業者の知識の範囲内であると考えられる。説明を読んだあと、どのように代替の実施形態において本発明を実行するかが、関連技術（複数可）の当業者には明らかであろう。異なるクロスハッチングが異なる部分を示すために図面全体を通して用いられるが、必ずしも同じ材料または異なる材料を意味しない。

さらに、本発明におけるどの要素、構成要素、または方法ステップも、その要素、構成要素、または方法ステップが明示的に特許請求の範囲に記載されているかどうかに関係なく、公に供されることを意図されない。本明細書中のいかなる特許請求の範囲の要素も、その要素が「〜のための手段」という語句を用いて明示的に列挙されない限り、米国特許法第１１２条（ｆ）項の規定により解釈されるべきではない。本明細書で用いられるように、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、またはその任意の他の変形は、非排他的包含を網羅することが意図され、要素の一覧を含む工程、方法、物品、または装置がそれらの要素のみを含まないが、明示的に列挙されないかそのような工程、方法、物品、または装置に固有ではない他の要素を含んでもよい。

１００…多重セル電池パック
１１０…圧力容器
１１５…セル
１２０…母線
１３０…絶縁流体
１４５…負端子
１５０…正端子

Claims (15)

1. 複数の電池セルを収納し、内容積を有する圧力容器と、
   前記複数の電池セル中の少なくとも２つの電池セル間の空隙を実質的に満たすように構成された絶縁流体と、
   前記圧力容器の前記内容積内に配置された凝縮器と、
   を備えた、多重セル電池パック。
2. 前記圧力容器、前記絶縁流体、および前記凝縮器が組み合わされて熱サイフォンを形成する、請求項１に記載の多重セル電池パック。
3. 前記圧力容器が液密圧力容器である、請求項１に記載の多重セル電池パック。
4. 前記絶縁流体が、前記多重セル電池パックから燃焼用の酸素を奪うように構成される、請求項１に記載の多重セル電池パック。
5. 前記絶縁流体が、電気アーク発生の可能性を低減するように構成される、請求項１に記載の多重セル電池パック。
6. 前記絶縁流体が、前記多重セル電池部品から熱を放散させるように構成される、請求項１に記載の多重セル電池パック。
7. 前記多重セル電池の構成部品が、電池セル、母線、および電気リードのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の多重セル電池パック。
8. 前記絶縁流体が、−８０°Ｆ〜２７００°Ｆ（−６２．２２°Ｃ〜１４８２°Ｃ）の沸点を含む、請求項１に記載の多重セル電池パック。
9. 前記絶縁流体がフルオロカーボンである、請求項１に記載の多重セル電池パック。
10. 多重セル電池パックの液密圧力容器内のセルの温度を上昇させることと、
    前記上昇に応じて前記多重セル電池パックの前記セルと熱接触する絶縁流体を膨張させることであって、加熱されるに従い、より低密度になりかつ浮力が上昇する絶縁流体を、膨張させることと、
    前記加熱により膨張した絶縁流体を、対流により、前記多重セル電池パック内の前記セルから離れて凝縮器に向かって受動的に移動させることと、
    前記加熱により膨張した絶縁流体を、前記多重セル電池パックの前記セルと熱接触する比較的低温の絶縁流体と、重力を介して受動的に置換させることと、
    前記加熱により膨張した絶縁流体から熱を放散させることと、
    を備えた、多重セル電池パックの熱の除去方法。
11. 前記多重セル電池パックの前記セルと熱接触する前記絶縁流体を沸騰させることをさらに備えた、請求項１０に記載の方法。
12. 熱を除去し、その熱を前記多重セル電池パックの大きな表面積に亘って分散させることをさらに備えた、請求項１０に記載の方法。
13. 前記絶縁流体がフルオロカーボンである、請求項１０に記載の方法。
14. 前記絶縁流体が、前記多重セル電池パックから燃焼用の酸素を奪うように構成される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記液密圧力容器が熱サイフォンを備える、請求項１０に記載の方法。

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