JP2019514191A - バッテリーシステム内の熱暴走ガスを管理する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ラック組立体内に設けられた１つ又は２つ以上のバッテリーモジュールを含むシステムが各バッテリーモジュールの側部及び／又は底部を横切って冷却用空気を流してバッテリーモジュールを冷却し、あるいは変形例として、バッテリーモジュール内のエネルギーセルを横切って冷却用空気を流すための冷却用空気経路を備えた構造体を含む。さらに、このシステムは、熱暴走ガスをバッテリーモジュールからシステムの外へ流すための熱暴走ガス経路を備えた構造体を含む。このシステム構造体は、冷却用空気経路と熱暴走ガス経路が物理的に分離されており、それにより熱暴走ガスが冷却用空気と実質的に混合し、潜在的にその結果として突発性の着火及び爆発が生じる恐れを最小限に抑えるようにするよう構成されている。

Description

本発明は、一般に、バッテリーシステム内の熱暴走ガスを管理する方法及び装置に関し、かかる方法及び装置は、バッテリーシステム内において熱暴走ガスを冷却用空気から分離することを含む。

充電式電池の一形式は、種々の混合酸化物又はかんらん石によってアクティブ状態にされる正電極、特定の酸素によってアクティブ状態にされる負電極、及び分離器を含む多層構造体を有するリチウムイオンバッテリーであり、これらのバッテリー構成要素は全て、有機電解質内に浸漬されている。バッテリーは、典型的には、バッテリーモジュールを形成するようエンクロージャ内に収容されている。通常の動作条件中、電気エネルギーが充電の際に化学エネルギーに変換されてこの化学エネルギーとして蓄えられ、そして蓄えられた化学エネルギーは、放電の際に電気エネルギーに変換される。具体的に説明すると、充電中、正電極のリチウムは、イオン化され、このリチウムは、層から層に移動して負電極に至り、放電中、イオンは、正電極に移動し、そしてその元の化合物に戻る。多数のリチウムイオンバッテリーモジュールをラック組立体に取り付けると、バッテリーパックを形成することができる。

ある特定の極端な環境、例えば過電圧、過電流又は過剰温度では、「自己発熱」と呼ばれている現象がリチウムイオンバッテリー内に起こる場合があり、それにより、バッテリーが「熱暴走」と呼ばれている状態に入ることがある。自己発熱は、バッテリーセルの内部電気化学構造がこの内部の温度を上昇させる状態である。熱暴走は、バッテリーセル内の内部温度が、化学反応が起こって可燃性ガスが放出されるレベルまで増大したときに起こる。バッテリーセルを収容したエンクロージャ内に十分な酸素が存在する場合、可燃性ガスが着火して相当な量のエネルギーを放出する。

単一のバッテリーモジュール内の熱暴走の効果は、極めて劇的でありかつ損傷を与える場合がある。熱暴走が起こると、少量の酸素が発生し、内部エネルギーが８００℃を超える温度まで上昇することがある。これら現象の組み合わせにより、内部出火、過度のガス発生及びその結果としてリチウムイオンセルの周りのエンクロージャの破壊が起こることがある。出火は、内部発生酸素を迅速に消費し、セルの周りの酸素を消費し続ける。

バッテリーモジュール内で生じた過剰のガスにより内圧が安全限度を超えて高くなることがあり、それにより破壊的な現象、例えばエンクロージャの破裂が起こる場合がある。したがって、過剰ガスがモジュールを出ることができるようにする圧力逃がし又は通気手段をエンクロージャに設けることが知られている。しかしながら、これらガスが周囲空気と混合し、その結果として生じる混合物が可燃性下限と可燃性上限との間にある場合、混合物は、自発的に燃え、そして潜在的には爆発を生じさせる場合がある。この潜在的な問題は、ブロワを用いて空気をバッテリーモジュール上に流して動作中に生じる熱を除去するある特定のバッテリーシステムによって悪化する。熱暴走がかかるシステムで起こった場合、バッテリーモジュールから逃げ出た過剰のガスは、ブロワが過剰ガスと周囲空気の混合に寄与するので、周囲空気との混合の恐れが高まった状態になる。

したがって、先行技術のバッテリーシステムの直面する課題のうちの少なくとも幾つかに対して解決手段を提供することが望ましい。

本発明の一観点によれば、バッテリー内の熱暴走を管理するシステムがであって、少なくとも１つのエネルギーセルを含む少なくとも１つのバッテリーモジュールと、少なくとも１つのエネルギーセルと熱的連絡状態にある冷却用空気経路と、少なくとも１つのエネルギーセルと気体的連絡状態にある熱暴走ガス経路と、冷却用空気経路と熱暴走ガス経路を互いに物理的に分離して冷却用空気経路に沿って流れる冷却用空気が少なくとも１つのエネルギーセルから逃げ出るとともに熱暴走ガス経路に沿って流れている熱暴走ガスと実質的に混合することがないようにする分離器とを含むことを特徴とするシステムが提供される。

特定の一観点では、少なくとも１つのバッテリーモジュールは、少なくとも１つのエネルギーセルから逃げ出た熱暴走ガスを排出するベントポートを更に含むのが良い。この特定の観点では、分離器は、ベントポートと気体的連絡状態にある熱暴走ガス入口を備えた熱暴走ガスチャネルを有するマニホルドを備えるのが良く、熱暴走ガス経路は、ベントポートから熱暴走ガス入口を通って熱暴走ガスチャネル中に延びている。加うるに、本システムは、マニホルド及び少なくとも１つのバッテリーモジュールを取り付ける少なくとも１つの棚を備えたフレームを含むラック組立体を更に含むのが良く、冷却用空気経路は、少なくとも１つのバッテリーモジュールが棚上に取り付けられるとともにラック組立体とドッキングされると、フレームと少なくとも１つのバッテリーモジュールの少なくとも１つの外面との間に延びている。さらに、マニホルドは、少なくとも１つのバッテリーモジュールの少なくとも１つの外面と気体的連絡状態にある少なくとも１つの冷却用空気出口を備えた冷却用空気チャネルを有するのが良く、冷却用空気経路は、冷却用空気チャネルを通り、少なくとも１つの冷却用空気出口を通り、そして少なくとも１つのバッテリーモジュールの少なくとも１つの外面の上を延びている。本システムは、熱暴走ガス経路内に設けられたフレームアレスタを更に含むのが良い。

別の特定の観点では、少なくとも１つのバッテリーモジュールは、冷却用空気経路を有する冷却用空気チャンバ及び熱暴走ガス経路を有する熱暴走ガスチャンバを備えたエンクロージャを含むのが良い。分離器は、モジュール内に設けられた分離器プレートを有し、分離器プレートは、冷却用空気チャンバと熱暴走ガスチャンバを物理的に分離し、分離器プレートは、少なくとも１つのエネルギーセルの頂端部を熱暴走ガスチャンバ中に嵌合関係をなして受け入れさせる開口部を有し、エネルギーセルに設けられたガスベントが熱暴走ガス経路と気体的連絡状態にあり、少なくとも１つのエネルギーセルの残部は、冷却用空気チャンバ内に配置されるとともに冷却用空気経路と熱的連絡状態にある。少なくとも１つのバッテリーモジュールは、熱暴走ガスチャンバと流体連通状態にある熱暴走ガスベントポートを更に含むのが良く、熱暴走ガス経路は、少なくとも１つのエネルギーセルのガスベントから熱暴走ガスベントポートまで延びている。少なくとも１つのバッテリーモジュールは、冷却用空気入口及び冷却用空気出口を更に含むのが良く、冷却用空気入口と冷却用空気出口は両方とも、冷却用空気チャンバと気体的連絡状態にあり、冷却用空気経路は、冷却用空気入口から冷却用空気出口まで延びている。

さらに別の特定の観点では、少なくとも１つのバッテリーモジュールは、基部及び基部に設けられた開口部に解除可能に取り付けられる蓋を備えたエンクロージャを含むのが良く、本システムは、少なくとも１つのバッテリーモジュールが収納状態で取り付け可能なラック組立体を更に含むのが良い。この特定の観点では、ラック組立体は、少なくとも１つのバッテリーモジュールがラック組立体内にドッキングされると、基部の開口部に結合される開口部を備えた少なくとも１つの熱暴走ガスチャンバを含む。熱暴走ガス経路は、熱暴走ガスチャンバ内を延びるとともに熱暴走ガスチャンバによって、少なくとも１つのバッテリーモジュールの基部と熱的連絡状態にある冷却用空気経路から物理的に分離されている。基部の開口部は、エンクロージャの頂部のところに位置するのが良く、熱暴走ガスチャンバは、蓋が熱暴走ガスチャンバ内に位置するよう基部の頂端部を嵌合的に受け入れる開口部を備えた下側分離器プレートを有するのが良く、基部の残部は、熱暴走ガスチャンバの外側に位置し、熱暴走ガスチャンバの少なくとも一部は、冷却用空気経路と熱的連絡状態にある。熱暴走ガスチャンバは、ラック組立体の後側端部のところに設けられた熱暴走ガス出口を更に有するのが良く、ラック組立体は、冷却用空気出口を更に含むのが良く、冷却用空気経路は、冷却用空気出口と流体連通状態にある上流側端部及びラック組立体の前側端部のところに設けられた開口部と流体連通状態にある下流側端部を有するのが良い。

本発明の別の観点によれば、バッテリーシステム内の熱暴走を管理する方法であって、冷却用空気をバッテリーモジュール内の少なくとも１つのエネルギーセルと熱的連絡状態にある冷却用空気経路に沿って差し向けるステップと、バッテリーモジュール内の熱暴走イベントの際に生じた熱暴走ガスを少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるとともに冷却用空気経路から物理的に分離された熱暴走ガス経路に沿って差し向けて熱暴走ガスが冷却用空気と実質的に混合することがないようにするステップとを含むことを特徴とする方法が提供される。

冷却用空気を冷却用空気経路に沿って差し向けるステップは、バッテリーモジュールを収容したラック組立体中に空気を差し向けるステップ及びバッテリーモジュールの少なくとも１つの外面を横切って冷却用空気を流してラック組立体の前側端部から出すステップを含むのが良い。熱暴走ガスを少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるよう差し向けるステップは、バッテリーモジュールに設けられた熱暴走ガスポート及びラック組立体のマニホルド内に設けられた熱暴走ガスチャネルを通って熱暴走ガスを流すステップを含むのが良い。

変形例として、熱暴走ガスを少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるよう差し向けるステップは、蓋をバッテリーモジュールの基部から分離し、次に熱暴走ガスをバッテリーモジュール基部から流出させてラック組立体の熱暴走ガスチャンバ中に流入させるステップを含んでも良く、少なくとも、バッテリーモジュール蓋は、熱暴走ガスチャンバ内に配置され、バッテリーモジュール基部の少なくとも一部は、熱暴走ガスチャンバの外側にかつ冷却用空気経路内に配置される。

変形例として、冷却用空気を冷却用空気経路に沿って差し向けるステップは、バッテリーモジュール内に設けられた冷却用空気チャンバを通って冷却用空気を差し向けるステップを含むのが良く、少なくとも１つのエネルギーセルの少なくとも一部は、冷却用空気チャンバ内に配置される。さらに、熱暴走ガスを少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるよう差し向けるステップは、バッテリーモジュール内に設けられた熱暴走ガスチャンバを通って熱暴走ガスを差し向け、そしてバッテリーモジュールに設けられた熱暴走ガスポートから出すステップを含むのが良く、ガスベントを有する少なくとも１つのエネルギーセルの一部は、熱暴走ガスチャンバ内に配置され、熱暴走ガスチャンバと冷却用空気チャンバは、分離器プレートによって物理的に分離されている。

この発明の概要は、必ずしも全ての観点の全体的範囲を記載しているわけではない。他の観点、他の特徴及び他の利点は、特定の実施形態についての以下の説明を読むと当業者には明らかであろう。

バッテリーシステム内において熱暴走ガスを冷却用空気から分離する装置の第１の実施形態の概略断面側面図である。 第１の実施形態としての装置のバッテリーモジュールの後ろから見た斜視図である。 第１の実施形態としての装置のラック組立体の一部分及びラック組立体内に設けられた複数のバッテリーモジュールの断面側面図である。 ラック組立体の斜視図であり、バッテリーモジュールが設置された状態を示す図である。 ラック組立体の斜視図であり、バッテリーモジュールが取り外された状態を示す図である。 バッテリーシステム内において熱暴走ガスを冷却用空気から分離する装置の第２の実施形態の概略断面側面図である。 バッテリーシステム内において熱暴走ガスを冷却用空気から分離する装置の第３の実施形態の概略断面側面図である。 図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第３の実施形態としての装置のバッテリーモジュールの概略分解組立斜視図（ａ）、組立状態の斜視図（ｂ）、組立状態の側面図（ｃ）である。

方向を表す用語、例えば「上方」、「下方」、「水平」及び「垂直」は、相対的な基準を提供するに過ぎず、そして読者が本明細書において説明する実施形態を理解するのを助けるために用いられており、これら用語は、任意の構造の向き又は環境に対するその使用を制限するものではない。

本明細書において説明する実施形態は、一般に、バッテリーシステム内の１つ又は２つ以上のバッテリーモジュールに生じた熱暴走現象によって生じた高温可燃性ガス（「熱暴走ガス」）を、バッテリーモジュールを冷却するために用いられる空気から分離する方法及び装置に関する。バッテリーモジュールは、種々の形式のバッテリーを収容することができ、かかるバッテリーとしては、リチウムイオンバッテリーが挙げられるが、これには限定されない。本明細書において説明する実施形態は、一般に、ラック組立体内に設けられた１つ又は２つ以上のバッテリーモジュールを含むシステムを含み、このシステムは、各バッテリーモジュールの側部及び／又は底部を横切って冷却用空気を流し、それによりバッテリーモジュールを冷却し、あるいは変形例として、バッテリーモジュール内のエネルギーセルを横切って冷却用空気を流すための冷却用空気経路を備えた構造体を含む。さらに、このシステムは、熱暴走ガスをバッテリーモジュールからシステムの外へ流すための熱暴走ガス経路を備えた構造体を含む。このシステム構造体は、冷却用空気経路と熱暴走ガス経路が物理的に分離されており、それにより熱暴走ガスが冷却用空気と実質的に混合し、結果として生じた混合物が可燃性下限を超える可燃性濃度を有し、潜在的にその結果として突発性の着火及び爆発が生じる恐れを最小限に抑えるようにするよう構成されている。

図１〜図４を参照し、第１の実施形態によれば、バッテリーシステム１０は、バッテリーモジュール１２を含み、バッテリーモジュール１２は、各々が、モジュール１２の後部のところにベントポート又はガス抜き口１４を備え、その他の点においては流体封止されており、その結果、バッテリーモジュール１２内の熱暴走現象によって生じた任意の熱暴走ガスがベントポート１４を経てバッテリーモジュールから逃げ出るようになっている。バッテリーシステム１０は、バッテリーモジュール１２が収容されたラック組立体１５を更に含む。ラック組立体１５は、フレーム１７の基部のところに設けられた入口を備える冷却用空気チャネル１９を有するマニホルド１８及び各バッテリーモジュール１２の後部の近くに設けられた冷却用空気出口２０を備えたフレーム１７を含む。ファン２１が冷却用空気チャネル１９の入口端部のところに設けられており、冷却用空気を差し向けてこれを冷却用空気チャネル１９に通し、冷却用空気出口２０に通し、バッテリーモジュール１２の外面上に差し向け、ラック組立体１５の前部に通し、そしてシステム１０から出すようになっている（本明細書において、この空気流経路を「冷却用空気経路２２」という）。マニホルド１８は、熱暴走ガスチャネル２４を更に備え、この熱暴走ガスチャネルは、各々がバッテリーモジュール１２のベントポート１４の各々にそれぞれ結合し、そしてバッテリーモジュール１２から逃げ出た熱暴走ガスをそのベントポート１４経由で熱暴走チャネル２４中に差し向け、フレーム１７の頂部のところに設けられている出口に通し、そしてシステム１０から遠ざける熱暴走ガス入口２６を備えている。熱暴走ガス入口２６は、バッテリーモジュール１２がラック組立体内にドッキングされるとバッテリーモジュールベントポート１４と流体結合し、熱暴走ガスチャネル２４は、冷却用空気経路２２から物理的に分離された熱暴走ガス経路２９を構成する。

特に図２（ａ）及び（ｂ）を参照すると、各バッテリーモジュール１２は、エンクロージャ３０、リチウムイオンエネルギーセル３２のスタック（別途「バッテリーセル」という）、及びエネルギーセルと連絡状態にあるバッテリー管理システム回路（図示せず）を含む。リチウムイオンエネルギーセル３２は、当該技術分野において知られており、例えば、典型的には船舶及びグリッドパワー（系統電力）貯蔵装置で用いられる形式のものであるのが良い。エンクロージャ３０の後部は、ベントポート１４、外部電力接続ポート３８及びバッテリー管理回路のための信号接続ポート４０を有するアクセスパネル３６を備えている。エンクロージャ３０の前側、側部及び後部アクセスパネルは、熱暴走現象中に生じる場合のある熱暴走ガスを差し向けてベントポート１４から出すようになった流体密シールを形成する。流体密シールはまた、水がエンクロージャに入るのを阻止するＩＰ６７シールとなることができ、かかるシールにより、例えば、通常動作中のバッテリーモジュールが水スプリンクラーからの水又はミストに対して耐性を示すことができる。エンクロージャ３０は、耐火材料、例えばアルミニウムで作られるのが良い。エンクロージャの底面は、エネルギーセル３２と熱的連絡状態にある熱交換器４１を有し、この熱交換器４１は、バッテリーモジュールエンクロージャ３０の長さに沿って延びる多数の熱交換フィンを有する。

シールがベントポート１４のところに設けられており、マニホルド１８に設けられた対応の熱暴走ガス入口２６との流体密シールを確立するようになっている。マニホルド１８は、バッテリーモジュール１２がドッキングされると、電力及び接続ポート３８，４０（図４参照）と電気的に結合する電力及び通信カップリング４２を更に備えている。電力及び通信カップリング４２は、ラック組立体の後部（図４参照）に沿って延びるとともに冷却用空気チャネル１９及び熱暴走ガスチャネル２４から物理的に分離されたそれぞれ対応の電力及び通信ケーブル４９に接続されている。

特に図３及び図４を参照すると、ラック組立体１５は、基部４４ならびに左側及び右側の側壁４５は、フレーム１７の側部を覆うとともにフレーム１７の基部４４から頂部まで延びている。上述したように、マニホルド１８は、ラック組立体１５の後壁としての役目を果たし、ラック組立体１５の前部は、バッテリーモジュール１２を受け入れるよう開いている。各バッテリーモジュール１２の前部は、熱交換器４１と連通した開口部を有し、それにより、熱交換器フィンは、冷却用空気をモジュール１２の長さに沿って差し向けてこの冷却用空気をラック組立体１２の前部から出てシステムから逃がすことができる。冷却用空気チャネル１９の入口４６が基部４４の前部に設けられ、冷却用空気チャネル１９は、基部４４を貫通し、そしてマニホルド１８を通って上方に延び、マニホルドは、冷却用空気チャネル１９と流体連通状態にある水平の列をなす冷却用空気出口２０を更に有し、これら冷却用空気出口は、マニホルド１８の長さに沿って垂直に間隔を置いて配置されている。

バッテリーモジュール１２を支持する水平棚４８がフレーム１７内を延び、これら水平棚は、バッテリーモジュール１２をバッテリーモジュール１２相互間の幾分かの垂直隙間と一緒に受け入れるのに足るほどのスペースを提供するよう垂直に間隔を置いて配置されており、これら水平棚は、これら棚に取り付けられたバッテリーモジュール１２の底面及び頂面に対する冷却用空気接近を可能にする。具体的に説明すると、棚４８は、各バッテリーモジュール１２の熱交換器４１が横１列をなす冷却用空気出口２０と整列するよう冷却用空気出口２０に対して位置決めされている。

マニホルド１８は、熱暴走ガス入口２６ならびにバッテリーモジュール１２の電力及び通信カップリング４２を更に有する。ラック組立体１５の基部、頂部プレート及び側壁は、冷却用空気２０からラック組立体１５中に差し向けられた冷却用空気の実質的に全てがラック組立体１５の前部に設けられた開口部を経てシステムを出るよう実質的に気密のエンクロージャを形成している。

この実施形態では、ラック組立体１５は、横１列当たり２つのバッテリーを収容するよう設計されており、それによりバッテリーモジュール１２の２つの縦列を構成し、内壁が２つの縦列相互間に設けられ、棚は、内壁の高さに沿って間隔を置いて配置されている。変形実施形態（図示せず）では、各横列は、異なる数のバッテリーモジュールを収容することができ、電力及び通信カップリングならびに熱暴走ガス入口２６の個数及び位置は、それに応じて調節される。

バッテリーモジュール１２は、ラック組立体１５の前部を通ってラック組立体１５内に設けられている。バッテリーモジュール１２は、棚４８に沿って摺動し、ついには、これらバッテリーモジュールは、後部マニホルド１８に接触してこれとドッキング関係をなし、マニホルド１８の電力及び通信カップリング４２ならびに熱暴走ガス入口２６は、バッテリーモジュール１２のそれぞれ対応の外部電力接続ポート３８、信号接続ポート４０及びベントポート１４と嵌合関係をなして係合する。特に、各熱暴走ガス入口２６及び関連のベントポート１４は、バッテリーモジュール１２から放出された熱暴走ガスがラック組立体１５の内部中に流入してこの中の冷却用空気と混合することがないよう実質的に流体密のシールを形成する。

フレーム１７の幅は、バッテリーモジュール１２がフレーム１７内に設けられてマニホルド１８とドッキングされたときに、バッテリーモジュール１２の各側部とそれぞれ対応のフレーム側壁との間に横方向スペースが生じるよう選択され、更に、各バッテリーコンパートメントの高さは、バッテリーモジュール１２がフレーム１７内に設けられたときに隣合うバッテリーモジュール１２相互間に垂直スペースが存在するよう選択される。これら横方向及び垂直方向スペースは、冷却用空気がバッテリーモジュール１２及びこれらの熱交換器４１の表面上を流れ、それによりバッテリーモジュール１２を冷却するための冷却用空気経路となる。

システム１０は、熱暴走ガス経路２９内に挿入されたフレームアレスタ又は火炎防止器（図示せず）を含むのが良い。例えば、１つのフレームアレスタがマニホルド１８の各熱暴走ガス入口２６内に配置される。バッテリーモジュール１２を出た火炎を食い止めるのに十分な市販のフレームアレスタを用いることができる。

動作原理を説明すると、図２（ｂ）を参照し、熱暴走現象中に生じた熱暴走ガス４５は、１つ又は２つ以上のエネルギーセル３２から逃げ出てエネルギーセル３２を収容したバッテリーモジュール１２から出てベントポート１４を通り、マニホルド１８の熱暴走ガス入口２６を通り、そして熱暴走ガス経路２９に沿ってシステム１０から出て行く。熱暴走ガス経路２９と冷却用空気経路２２は、互いに物理的に分離されているので、熱暴走ガスと冷却用空気の混合が最小限に抑えられ、それにより爆発の恐れが減少する。換言すると、マニホルド１８は、分離器としての役目を果たし、そしてバッテリーモジュール１２及びラック組立体１５の構造と一緒になって、冷却空気経路２２と熱暴走ガス経路２９を互いに物理的に分離するのに役立つ。

冷却用空気がバッテリーモジュールの外面を横切って流れるシステムを提供するのではなく、このシステムは、各モジュール内の各エネルギーセルが冷却用空気によって直接冷却されるよう各バッテリーモジュールを通って冷却用空気を流すように構成されるのが良い。次に図５を参照し、第２の実施形態によれば、バッテリーモジュール１２ａは、バッテリーモジュール１２ａを貫通し、そしてエンクロージャ３０ａ内の各リチウムイオンエネルギーセル３２ａを横切って延びる冷却用空気経路２２ａを構成するよう改造型エンクロージャ３０ａを有する。具体的に説明すると、エンクロージャ３０ａは、このエンクロージャ３０ａの後側端部のところに冷却用空気入口５０及びエンクロージャ３０ａの前側端部のところに冷却用空気出口５２を備えている。エネルギーセル３２ａは、市販されており、そして外側金属被覆材を備えた円筒形本体及びガス生成の結果として生じる内圧を逃がすよう設計されたベントを備える頂端部を有する形式のものであるのが良い。エネルギーセル３２ａは、連続空気流路２２ａが冷却用空気入口５０と冷却用空気出口５２との間に作られるようエンクロージャ３０ａ内に側方に離隔した形態をなして垂直に設けられている。

水平分離器プレート５４がエンクロージャ３０ａ内に設けられており、この水平分離器プレートは、エンクロージャ３０ａの内部を２つのチャンバ、すなわち、冷却用空気経路２２ａを有する冷却用空気チャンバ５８及び熱暴走ガス経路２９ａを有する熱暴走ガスチャンバ５９に分割するのに役立つ。分離器プレート５４は、各エネルギーセル３２ａを嵌合関係をなして受け入れる開口部を備え、各エネルギーセル３２ａの頂端部は、熱暴走ガスチャンバ５９中に延び、エネルギーセル３２ａの残部は、冷却用空気が冷却用空気経路２２ａに沿って流れることにより直接的な冷却を可能にするよう冷却用空気チャンバ５８内に位置したままである。ガスケット５６が冷却用空気チャンバ５８と熱暴走ガスチャンバ５９との間にガス密シールを構成するよう各分離器プレート開口部のところに配置されている。熱暴走ガスチャンバ５９の後側端部は、第１の実施形態の場合と同様な仕方でマニホルド１８の熱暴走ガス入口２６と嵌合関係をなして結合することができ又はラック組立体（図示せず）の後部から直接逃がすことができるベントポート１４ａを有する。しかしながら、マニホルド１８の冷却用空気出口２０は、例えばダクトカップリング（図示せず）によって冷却用空気をバッテリーモジュールエンクロージャ３０ａの冷却用空気入口５０中に差し向けるよう改造されている。冷却用空気出口５２から排出された冷却用空気は、第１の実施形態と同じ仕方でラック組立体１５の前側端部から流出してシステムを出る。

動作原理を説明すると、熱暴走現象中に生じた熱暴走ガス５１は、エネルギーセルベントから出て熱暴走ガスチャンバ５９中に入り、次にベントポート１４ａを通り、熱暴走ガス経路２９ａに沿って移動し、そしてシステム１０から遠ざかる。熱暴走ガス経路２９ａと冷却用空気経路２２ａは、バッテリーモジュール１２内の分離器プレート５４によって物理的に分離されているので、熱暴走ガスと冷却用空気の混合が最小限に抑えられ、それにより爆発の恐れが減少する。

別の実施形態によれば、そしていま図６及び図７を参照すると、バッテリーシステム１０ｂが取り外し可能な蓋３４を備えたバッテリーモジュール１２ｂを含む状態で設けられるのが良く、この取り外し可能な蓋は、バッテリーモジュールエンクロージャ３０ｂ内の熱暴走ガス５１の発生により生じたバッテリーモジュールエンクロージャ３０ｂ内の圧力を逃がす手段となる。このシステム１０ｂは、ラック組立体１５ｂを含み、このラック組立体１５ｂは、各々が隣のバッテリーコンパートメント内に配置されたバッテリーモジュール１２ｂの頂端部と連絡状態にありかつバッテリーモジュール１２ｂと気体的連絡状態にあるがバッテリーコンパートメント内の冷却用空気経路２２ｂから実質的に物理的に分離された熱暴走ガス経路２９ｂを構成するのに役立つ多数の熱暴走ガスチャンバを含むよう第１の実施形態から見て改造されている。

具体的に説明すると、熱暴走ガスチャンバは、バッテリーモジュール１２ｂを嵌合関係をなして受け入れるよう寸法決めされている開口部を備えた水平に延びる下側分離器プレート６２を有し、バッテリーモジュール１２ｂのその蓋３４を含む頂端部が熱暴走ガスチャンバ中に延び、バッテリーモジュール１２ｂの残部は、冷却用空気経路２２ｂに沿って流れる冷却用空気を受け入れるために隣のバッテリーコンパートメント内に下方に位置したままである。冷却用空気は、バッテリーモジュール１２の周りのスペース中に流れ、ラック組立体１５ｂの側壁に設けられている冷却用空気出口２０ｂを通り、バッテリーモジュール１２ｂを横切り、そしてラック組立体１５ｂの前部に設けられた開口部を通ってシステムから流出する。分離器プレート６２は、熱暴走ガス経路２９ｂを冷却用空気経路２２ａから物理的に分離するのに役立ち、それにより熱暴走現象が起こった場合においても爆発の恐れが最小限に抑えられ、ガスケット（図示せず）がバッテリーモジュール１２ｂとガス密シールを構成するよう下側分離器プレート開口部のところに配置されるのが良い。熱暴走ガスチャネルは、蓋３４の垂直運動を制限する水平に延びる上側プレート６４ならびに熱暴走ガス経路２９ｂを冷却用空気経路２２ｂから物理的に分離する手段となるのに役立つ側壁、前壁及び後壁（全てが図６に示されているわけではない）を更に有する。熱暴走ガス経路は、ラック組立体１５ｂの後部のところに設けられたベントポート１４ｂを経て熱暴走ガスチャンバを出ている。

次に図７を参照すると、バッテリーモジュール１２は、エンクロージャ基部１６、リチウムイオンエネルギーセル３２のスタック、エネルギーセル３２と連絡状態にあるバッテリー管理システム回路３３、及びエンクロージャ蓋３４を含む。ガスケット（図示せず）が蓋３４の内面を内張りしており、このガスケットは、蓋３４が基部１６の頂部に取り付けられると流体密シールをもたらす（「閉じ位置」）。蓋３４及び基部１６は、耐火材料、例えばアルミニウムで作られている。エネルギーセル３２のための外部電源コネクタ３８及び信号コネクタ４０がエンクロージャ基部１６の一方の側部に設けられている。蓋３４は、長方形水平区分及び水平区分から下方に延びる４つの相互に連結された垂直区分を有する。基部１６は、全体として、長方形フロア及び頂部開口部を備えた長方形ボックスを形成するようこのフロアから上方に延びる４つの相互に連結された側壁で構成されている。リチウムイオンエネルギーセル３２は、当該技術分野において知られている仕方で基部１６内に設けられ、基部の寸法は、幾分かの余地を残した状態でセル３２が基部内に全体的に配置されるよう選択される。

動作原理を説明すると、熱暴走現象の結果として、可燃性ガスの放出が生じ、かかる可燃性ガスは、バッテリエンクロージャ内の空のスペース中に膨張し、それによりエンクロージャ内の圧力が高くなる。内圧がある特定のしきい値をいったん超えると、それにより蓋３４が垂直に持ち上がってリムから離れる。これが起こると、熱暴走ガス５１は、バッテリーモジュール１２を出て熱暴走ガスチャンバ中に入り、熱暴走ガス経路２９ｂに沿って熱暴走ガス入口２６ｂを通って流れ、そしてシステム１０ｂから遠ざかる。事実上、熱暴走ガスチャンバは、熱暴走ガス経路２９ｂを冷却用空気経路２２ｂから物理的に分離する分離器としての役目を果たし、その結果、熱暴走ガスと冷却用空気の混合が最小限に抑えられ、それにより爆発の恐れが減少する。

本明細書で用いられている用語は、特定の実施形態を説明する目的に過ぎず、本発明を限定することを意図していない。したがって、本明細書に対応する英文明細書で用いられている単数形“a”、“an”、及び“the”は、文脈上、明示の別段の指定がなければ、複数形をも含むものである。さらに理解されるように、対応英文明細書で用いられている場合の用語“comprises ”（訳文では「〜を有する」としている場合が多い）及び“comprising”は、１つ又は２つ以上の記載した特徴、整数、ステップ、操作、要素、及びコンポーネントの存在を指定しているが、１つ又は２つ以上の複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、コンポーネント、及びグループの存在又は追加を排除するものではない。方向を表す用語、例えば「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」、「垂直に」、及び「側方に」は、相対的な基準を提供するためだけの目的で本明細書で用いられており、任意の物品が使用の際にどのように位置決めされるようになっているか、あるいは組立体内に又は周囲環境に対してどのように設けられるようになっているかについての限定を何ら示唆するものではない。加うるに、対応英文明細書において用いられている用語“couple”（訳文では、「結合する」）及びその変形語、例えば“coupled ”（「結合され」）、“couples”、及び“coupling”は、別段の指定がなければ、間接的及び直接的な連結を含むことが意図されている。例えば、第１の装置が第２の装置に結合される場合、この結合は、直接的な連結によるものであっても良くあるいは他の装置及び連結部を関して間接的な連結によって行われても良い。同様に、第１の装置が第２の装置に連絡可能に結合される場合、この連絡は、直接的な連結によっても良くあるいは他の装置及び連結部を介して間接的な連結によって行われても良い。

本明細書において説明した任意の観点又は実施形態の任意の部分を本明細書において説明した任意他の観点又は実施形態の任意の部分と共に具体化できあるいは組み合わせることができるということが想定されている。

特許請求の範囲に記載された本発明の範囲は、実施例において説明した好ましい実施形態によって制限されることはなく、かかる範囲には本明細書と全体として一致した最も広い解釈が与えられるべきである。

Claims (18)

1. バッテリー内の熱暴走を管理するシステムであって、
   （ａ）少なくとも１つのエネルギーセルを含む少なくとも１つのバッテリーモジュールと、
   （ｂ）前記少なくとも１つのエネルギーセルと熱的連絡状態にある冷却用空気経路と、
   （ｃ）前記少なくとも１つのエネルギーセルと気体的連絡状態にある熱暴走ガス経路と、
   （ｄ）前記冷却用空気経路と前記熱暴走ガス経路を互いに物理的に分離して前記冷却用空気経路に沿って流れる冷却用空気が前記少なくとも１つのエネルギーセルから逃げ出るとともに前記熱暴走ガス経路に沿って流れている熱暴走ガスと実質的に混合することがないようにする分離器とを含む、システム。
2. 前記少なくとも１つのバッテリーモジュールは、前記少なくとも１つのエネルギーセルから逃げ出た熱暴走ガスを排出するベントポートを更に含み、前記分離器は、前記ベントポートと気体的連絡状態にある熱暴走ガス入口を備えた熱暴走ガスチャネルを有するマニホルドを備え、前記熱暴走ガス経路は、前記ベントポートから前記熱暴走ガス入口を通って前記熱暴走ガスチャネル中に延びている、請求項１記載のシステム。
3. 前記マニホルド及び前記少なくとも１つのバッテリーモジュールを取り付ける少なくとも１つの棚を備えたフレームを含むラック組立体を更に含み、前記冷却用空気経路は、前記少なくとも１つのバッテリーモジュールが前記棚上に取り付けられるとともに前記ラック組立体とドッキングされると、前記フレームと前記少なくとも１つのバッテリーモジュールの少なくとも１つの外面との間に延びる、請求項２記載のシステム。
4. 前記マニホルドは、前記少なくとも１つのバッテリーモジュールの前記少なくとも１つの外面と気体的連絡状態にある少なくとも１つの冷却用空気出口を備えた冷却用空気チャネルを有し、前記冷却用空気経路は、前記冷却用空気チャネルを通り、前記少なくとも１つの冷却用空気出口を通り、そして前記少なくとも１つのバッテリーモジュールの前記少なくとも１つの外面の上を延びている、請求項３記載のシステム。
5. 前記熱暴走ガス経路内に設けられたフレームアレスタを更に含む、請求項４記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つのバッテリーモジュールは、電力接続ポート及び信号接続ポートを含み、前記マニホルドは、電力カップリング及び前記少なくとも１つのバッテリーモジュールが前記マニホルドとドッキングされると、それぞれ前記電力接続ポート及び前記信号接続ポートと電気的に連絡する通信カップリングを更に有する、請求項４記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つのバッテリーモジュールは、前記冷却用空気経路を有する冷却用空気チャンバ及び前記熱暴走ガス経路を有する熱暴走ガスチャンバを備えたエンクロージャを含み、前記分離器は、前記モジュール内に設けられた分離器プレートを有し、前記分離器プレートは、前記冷却用空気チャンバと前記熱暴走ガスチャンバを物理的に分離し、前記分離器プレートは、前記少なくとも１つのエネルギーセルの頂端部を前記熱暴走ガスチャンバ中に嵌合関係をなして受け入れさせる開口部を有し、前記エネルギーセルに設けられたガスベントが前記熱暴走ガス経路と気体的連絡状態にあり、前記少なくとも１つのエネルギーセルの残部は、前記冷却用空気チャンバ内に配置されるとともに前記冷却用空気経路と熱的連絡状態にある、請求項１記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つのバッテリーモジュールは、前記熱暴走ガスチャンバと流体連通状態にある熱暴走ガスベントポートを更に含み、前記熱暴走ガス経路は、前記少なくとも１つのエネルギーセルの前記ガスベントから前記熱暴走ガスベントポートまで延びている、請求項７記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つのバッテリーモジュールは、冷却用空気入口及び冷却用空気出口を更に含み、前記冷却用空気入口と前記冷却用空気出口は両方とも、前記冷却用空気チャンバと気体的連絡状態にあり、前記冷却用空気経路は、前記冷却用空気入口から前記冷却用空気出口まで延びている、請求項８記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つのバッテリーモジュールは、基部及び前記基部に設けられた開口部に解除可能に取り付けられる蓋を備えたエンクロージャを含み、前記システムは、前記少なくとも１つのバッテリーモジュールが収納状態で設置可能なラック組立体を更に含み、前記ラック組立体は、前記少なくとも１つのバッテリーモジュールが前記ラック組立体内にドッキングされると、前記基部の前記開口部に結合される開口部を備えた少なくとも１つの熱暴走ガスチャンバを含み、前記熱暴走ガス経路は、前記熱暴走ガスチャンバ内を延びるとともに前記熱暴走ガスチャンバによって、前記少なくとも１つのバッテリーモジュールの前記基部と熱的連絡状態にある前記冷却用空気経路から物理的に分離されている、請求項１記載のシステム。
11. 前記基部の前記開口部は、前記エンクロージャの頂部のところに位置し、前記熱暴走ガスチャンバは、前記蓋が前記熱暴走ガスチャンバ内に位置するよう前記基部の頂端部を嵌合的に受け入れる開口部を備えた下側分離器プレートを有し、前記基部の残部は、前記熱暴走ガスチャンバの外側に位置し、前記熱暴走ガスチャンバの少なくとも一部は、前記冷却用空気経路と熱的連絡状態にある、請求項１０記載のシステム。
12. 前記熱暴走ガスチャンバは、前記ラック組立体の後側端部のところに設けられた熱暴走ガス出口を有し、前記ラック組立体は、冷却用空気出口を更に含み、前記冷却用空気経路は、前記冷却用空気出口と流体連通状態にある上流側端部及び前記ラック組立体の前側端部のところに設けられた開口部と流体連通状態にある下流側端部を有する、請求項１１記載のシステム。
13. バッテリーシステム内の熱暴走を管理する方法であって、
    （ａ）冷却用空気をバッテリーモジュール内の少なくとも１つのエネルギーセルと熱的連絡状態にある冷却用空気経路に沿って差し向けるステップと、
    （ｂ）前記バッテリーモジュール内の熱暴走イベントの際に生じた熱暴走ガスを前記少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるとともに前記冷却用空気経路から物理的に分離された熱暴走ガス経路に沿って差し向けて前記熱暴走ガスが前記冷却用空気と実質的に混合することがないようにするステップとを含む、方法。
14. 冷却用空気を冷却用空気経路に沿って差し向ける前記ステップは、バッテリーモジュールを収容したラック組立体中に空気を差し向けるステップ及び前記バッテリーモジュールの少なくとも１つの外面を横切って前記冷却用空気を流して前記ラック組立体の前側端部から出すステップを含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記熱暴走ガスを前記少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるよう差し向ける前記ステップは、前記バッテリーモジュールに設けられた熱暴走ガスポート及び前記ラック組立体のマニホルド内に設けられた熱暴走ガスチャネルを通って前記熱暴走ガスを流すステップを含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記熱暴走ガスを前記少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるよう差し向ける前記ステップは、蓋を前記バッテリーモジュールの基部から分離し、次に前記熱暴走ガスを前記バッテリーモジュール基部から流出させて前記ラック組立体の熱暴走ガスチャンバ中に流入させるステップを含み、少なくとも、前記バッテリーモジュール蓋は、前記熱暴走ガスチャンバ内に配置され、前記バッテリーモジュール基部の少なくとも一部は、前記熱暴走ガスチャンバの外側にかつ前記冷却用空気経路内に配置されている、請求項１４記載の方法。
17. 冷却用空気を冷却用空気経路に沿って差し向ける前記ステップは、前記バッテリーモジュール内に設けられた冷却用空気チャンバを通って冷却用空気を差し向けるステップを含み、前記少なくとも１つのエネルギーセルの少なくとも一部は、前記冷却用空気チャンバ内に配置されている、請求項１３記載の方法。
18. 前記熱暴走ガスを前記少なくとも１つのエネルギーセルから遠ざけるよう差し向ける前記ステップは、前記バッテリーモジュール内に設けられた熱暴走ガスチャンバを通って前記熱暴走ガスを差し向け、そして前記バッテリーモジュールに設けられた熱暴走ガスポートから出すステップを含み、ガスベントを有する前記少なくとも１つのエネルギーセルの一部は、前記熱暴走ガスチャンバ内に配置され、前記熱暴走ガスチャンバと前記冷却用空気チャンバは、分離器プレートによって物理的に分離されている、請求項１７記載の方法。

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