JP2023545632A - Thermal runaway detection system for batteries inside the housing and how to use it - Google Patents
Thermal runaway detection system for batteries inside the housing and how to use it Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023545632A JP2023545632A JP2023517781A JP2023517781A JP2023545632A JP 2023545632 A JP2023545632 A JP 2023545632A JP 2023517781 A JP2023517781 A JP 2023517781A JP 2023517781 A JP2023517781 A JP 2023517781A JP 2023545632 A JP2023545632 A JP 2023545632A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sensor
- battery
- thermal runaway
- gas
- detection system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 94
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 claims abstract 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 116
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 31
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 31
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 26
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 20
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims description 6
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 6
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 5
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- LELOWRISYMNNSU-UHFFFAOYSA-N hydrogen cyanide Chemical compound N#C LELOWRISYMNNSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 claims description 3
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 claims description 3
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 claims description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 2
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910000037 hydrogen sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001294 propane Substances 0.000 claims description 2
- XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N sulfur monoxide Chemical class S=O XTQHKBHJIVJGKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052815 sulfur oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 68
- 230000004044 response Effects 0.000 description 12
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 8
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 8
- 239000000047 product Substances 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 4
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)cobalt Chemical compound [Li+].[O-][Co]=O BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- 208000032953 Device battery issue Diseases 0.000 description 2
- VIEVWNYBKMKQIH-UHFFFAOYSA-N [Co]=O.[Mn].[Li] Chemical compound [Co]=O.[Mn].[Li] VIEVWNYBKMKQIH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 2
- 230000006012 detection of carbon dioxide Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 2
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- 238000010943 off-gassing Methods 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 2
- 241000473391 Archosargus rhomboidalis Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910019256 POF3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000220317 Rosa Species 0.000 description 1
- 101100408805 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) pof3 gene Proteins 0.000 description 1
- -1 active cooling Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 1
- FFUQCRZBKUBHQT-UHFFFAOYSA-N phosphoryl fluoride Chemical compound FP(F)(F)=O FFUQCRZBKUBHQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
- G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/4228—Leak testing of cells or batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
- H02J7/007188—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
- H02J7/00719—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to degree of gas development in the battery
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
1つ以上の電池を収容する電池筐体内で使用される電池熱暴走検出センサシステム。システムは、電池セルの排気状態を検出し、リアルタイムで感知された出力を提供するための少なくとも1つのガスセンサを有する。マイクロコントローラは、当該少なくとも1つのガスセンサからの感知された出力に基づいて、特定の電池排出ガスの濃度に基づいて、電力管理及び信号調節済み出力を判定する。そのようなセンサシステムを使用する方法も説明される。A battery thermal runaway detection sensor system for use within a battery enclosure housing one or more batteries. The system has at least one gas sensor for detecting exhaust conditions of the battery cells and providing real-time sensed output. The microcontroller determines power management and signal conditioned output based on the concentration of a particular battery exhaust gas based on the sensed output from the at least one gas sensor. A method of using such a sensor system is also described.
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2020年9月15日に出願された米国出願第17/021,711号の一部継続であり、2021年7月1日に出願された米国仮出願第63/202,962号の利益を主張し、これらの各々の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application is a continuation-in-part of U.S. Application No. 17/021,711, filed on September 15, 2020, and U.S. Provisional Application No. 63, filed on July 1, 2021. No. 202,962, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference.
本開示は、概して、電池障害を検出するための検出システムに関し、より具体的には、筐体内の電池、例えば、電気自動車で使用される電池(図2(a))、又は固定式電池エネルギー貯蔵システム(図2(b))の熱暴走を検出するための検出システムに関する。本開示は、そのようなシステムを使用して電池中の熱暴走を検出する方法にも関係する。 The present disclosure relates generally to detection systems for detecting battery failures, and more specifically to batteries within an enclosure, such as batteries used in electric vehicles (FIG. 2(a)), or stationary battery energy The present invention relates to a detection system for detecting thermal runaway in a storage system (FIG. 2(b)). The present disclosure also relates to a method of detecting thermal runaway in a battery using such a system.
リチウムイオン電池の技術が向上するにつれて、電池のエネルギー密度は増加し続けており、これにより電池の故障のリスクが高まる。リチウムイオン電池の熱暴走は、電気自動車にとって重大な安全上の問題である。例えば、電気自動車安全(EVS)に関して国連によって提案されたグローバル技術規則第20号は、熱暴走によって引き起こされる危険な状態が生じる5分前の事前警告を要求している。 As lithium-ion battery technology improves, the energy density of batteries continues to increase, which increases the risk of battery failure. Thermal runaway of lithium-ion batteries is a serious safety issue for electric vehicles. For example, Global Technical Regulation No. 20 proposed by the United Nations on Electric Vehicle Safety (EVS) requires a five-minute advance warning of a dangerous situation caused by thermal runaway.
図1(a)、図1(b)を参照すると、リチウムイオン系電池における熱暴走は、内部温度を上昇させる故障したセル内で発熱反応が発生し、それにより内部分解反応を維持し、セルの最終的な故障まで温度を上昇させるエネルギーが排出され、多くの場合、火災をもたらし得る分解された電解質及びガス生成物の突然の排出を伴うプロセスである。現代のリチウム電池では、セル内の制御された排気場所を組み込むように設計することで爆発のリスクを減らすことができる(図4を参照)が、熱暴走による火災及び爆発のリスクは、ほとんどの液体電解質リチウムベースの電池において解消されていない。 Referring to Figures 1(a) and 1(b), thermal runaway in lithium-ion batteries occurs when an exothermic reaction occurs within the failed cell that increases the internal temperature, thereby sustaining the internal decomposition reaction and causing the cell to decompose. It is a process that involves the sudden release of decomposed electrolytes and gaseous products, which in many cases can lead to a fire. In modern lithium batteries, the risk of explosion can be reduced by designing them to incorporate controlled vent locations within the cell (see Figure 4), but the risk of fire and explosion due to thermal runaway remains mostly unsolved in liquid electrolyte lithium-based batteries.
図1(a)、図1(b)に戻ると、特定のトリガ及び乱用条件が、電池、例えば、リチウムイオン電池を破壊又は故障させることがあり、これにより、熱暴走が引き起こされる可能性がある。熱暴走は、例えば、外部短絡、内部短絡(粒子、樹状突起、別個の故障、衝撃/パンク)、過充電、過放電、外部加熱、又は過熱(自己加熱)によって引き起こされ得る。温度が上昇するとガスが発生する。放熱が発熱よりも速く生じる場合、安全な結果を得ることができる。 Returning to Figures 1(a) and 1(b), certain triggers and abuse conditions can cause batteries, e.g., lithium-ion batteries, to destroy or fail, which can lead to thermal runaway. be. Thermal runaway can be caused by, for example, external short circuits, internal short circuits (particles, dendrites, discrete failures, shocks/punctures), overcharging, overdischarging, external heating, or overheating (self-heating). As the temperature rises, gas is generated. Safe results can be obtained if heat dissipation occurs faster than heat generation.
しかし、抑制されていない場合、又は熱が発生するよりも速く熱を放散できない場合、急速な温度上昇、排気中の可燃性及び有害なガスの放出、炎、並びにおそらく爆発をもたらす可能性がある。これは、図3に示すように、大型電池システムを有する車両、特に電池電気自動車及び固定貯蔵装置にとって特に問題となり得、単一のセルの熱暴走(図4)が、パック全体を巻き込む可能性のある熱暴走事象のカスケードにつながり、壊滅的な火災及び有害なガスの放出をもたらす可能性がある。電池パックは、いくつかの故障したセルを受動的に収容し、EVS規制を満たすように構成することができるが、熱暴走伝播は依然として起こり得る。したがって、パック内で熱暴走を受けるセルを検出することが重要である。 However, if unchecked or if heat cannot be dissipated faster than it is generated, it can result in a rapid temperature rise, release of flammable and harmful gases in the exhaust, flames, and possibly an explosion. . This can be particularly problematic for vehicles with large battery systems, especially battery electric vehicles and fixed storage devices, as shown in Figure 3, where thermal runaway of a single cell (Figure 4) can engulf the entire pack. This can lead to a cascade of thermal runaway events, resulting in catastrophic fires and the release of harmful gases. Although a battery pack can be configured to passively accommodate some failed cells and meet EVS regulations, thermal runaway propagation can still occur. Therefore, it is important to detect cells that undergo thermal runaway within the pack.
熱暴走を検出するためのセンサが開発されている。しかし、炭化水素センサのような単純なガスセンサは、電解質ガス濃度を検出することしかできず、また、他のガスに対する交差感受性だけでなく、実質的なドリフトの影響を受けるため、寿命の短い熱暴走検出センサとなっている。 Sensors have been developed to detect thermal runaway. However, simple gas sensors, such as hydrocarbon sensors, can only detect electrolyte gas concentrations and are subject to substantial drift as well as cross-sensitivity to other gases, resulting in short-lived thermal It is a runaway detection sensor.
したがって、高速で信頼性の高い、可動及び固定用途で熱暴走を検出するための堅牢な早期検出システムが必要である。 Therefore, there is a need for a robust early detection system for detecting thermal runaway in mobile and stationary applications that is fast and reliable.
本明細書で引用されるいかなる言及も先行技術を構成することを認めない。申請者は、引用された文書及び情報の正確性及び妥当性に異議を申し立てる権利を明示的に留保する。 There is no admission that any references cited herein constitute prior art. The applicant expressly reserves the right to contest the accuracy and validity of the documents and information cited.
多数の設計タイプ間で共有される初期セル排気の属性を識別し、故障したセルの排出ガスに応答することによって、電気化学構造、セルパッケージング(円筒形、プリズム形、又はポーチ形)、セルサイズ、及び電池構成(直列/平行)に一般的に依存しない、電池筐体内の高速で堅牢な熱暴走検出の課題に対処する検出システムが開示されている。 By identifying attributes of initial cell exhaust that are shared across multiple design types and responding to failed cell exhaust gases, the electrochemical structure, cell packaging (cylindrical, prismatic, or pouch), cell A detection system is disclosed that addresses the challenge of fast and robust thermal runaway detection within a battery enclosure that is generally independent of size and battery configuration (series/parallel).
熱暴走分解反応の間、セルは実質的な陰極及び電解質材料をガスに変換し、故障したセルが高電荷状態にあるとき(図1(b))に、加圧されたガス混合物を数秒の時間スパンで排出する。リチウム-マンガン-コバルト-酸化物(NMC)電池、リチウムコバルト酸化物(LCO)、及びリチウム鉄リン酸塩(LFP)電池などの典型的なセル化学構造のうち、熱暴走試験は、大量の二酸化炭素及び水素を含むいくつかのガスの放出を示している。図5を参照されたい。二酸化炭素は、一般に、炭酸塩溶媒の酸化反応中に進化し、水素は、一般に、一酸化炭素及び/又は遊離リチウムによる燃焼反応から得られる水の還元の産物として放出され、メタン及びエタン化合物は、リチウム化陽極での電解質及びエチレン炭酸塩の還元反応からも存在する。 During a thermal runaway decomposition reaction, the cell converts substantial cathode and electrolyte materials into gas, and the pressurized gas mixture is released for several seconds when the failed cell is in a high charge state (Figure 1(b)). Discharge over a time span. Among typical cell chemistries such as lithium-manganese-cobalt-oxide (NMC) batteries, lithium cobalt oxide (LCO), and lithium iron phosphate (LFP) batteries, thermal runaway testing It shows the release of several gases including carbon and hydrogen. Please refer to FIG. 5. Carbon dioxide is generally evolved during the oxidation reaction of carbonate solvents, hydrogen is generally released as a product of the reduction of water obtained from the combustion reaction with carbon monoxide and/or free lithium, and methane and ethane compounds are , is also present from the reduction reaction of the electrolyte and ethylene carbonate at the lithiated anode.
また、熱暴走を検出(例えば、早期検出)し、それによって、例えば、単一のセルに由来する熱暴走のセル間伝播を防止するのを助けるためのそのようなシステムの使用も開示される。一実施形態では、セル排気が検出される。一実施形態において、熱暴走が検出される。一実施形態では、熱暴走分解生成物が検出される。 Also disclosed is the use of such a system to detect (e.g., early detection) thermal runaway and thereby help prevent cell-to-cell propagation of thermal runaway, e.g., originating from a single cell. . In one embodiment, cell exhaust is detected. In one embodiment, thermal runaway is detected. In one embodiment, thermal runaway decomposition products are detected.
本開示の他の例では、電池の二次状態を検出し、圧力又は温度を含むセル排気及び熱暴走の進行速度に関する情報をリアルタイムで提供するための少なくとも1つの追加のセンサが提供され、当該マイクロコントローラは、当該二次センサから提供された情報に基づいて熱暴走の進行速度を提供する。少なくとも1つの追加のセンサは、電池コンパートメントハウジング内の圧力又は温度を検出して、排気/熱暴走の進行速度を判定することができる。センサハウジングは、少なくとも1つのセンサ、及び少なくとも1つの二次センサを密閉するように提供することができる。一次ガスセンサと二次ガスセンサからの出力により、電解質の漏れと排気/熱暴走を区別することが可能になる。システムソフトウェアは、センサマイクロコントローラ内に埋め込まれ、熱暴走の閾値レベルを超過しているかどうかを判定し、電池管理マイクロコントローラ又は充電システムコントローラにアラームを送信することができる。 In other examples of the present disclosure, at least one additional sensor is provided for detecting secondary conditions of the battery and providing information in real time regarding the rate of progression of cell exhaust and thermal runaway, including pressure or temperature; The microcontroller provides a rate of progression of thermal runaway based on information provided by the secondary sensor. At least one additional sensor can detect pressure or temperature within the battery compartment housing to determine the rate of progress of exhaust/thermal runaway. A sensor housing may be provided to enclose the at least one sensor and at least one secondary sensor. The outputs from the primary and secondary gas sensors make it possible to distinguish between electrolyte leaks and exhaust/thermal runaway. System software is embedded within the sensor microcontroller and can determine whether a thermal runaway threshold level is exceeded and send an alarm to the battery management microcontroller or charging system controller.
更に他の例示的な実施形態では、熱暴走のための閾値レベルは、以下から選択される。(i)約10,000ppm超の二酸化炭素レベル、(ii)約40,000ppm超の水素レベル、(iii)爆発下限を上回る二酸化炭素レベル、(iv)爆発下限を上回る水素レベル、及び(v)それらの任意の組み合わせ。電池管理コントローラのプリント基板に取り付けられるマルチチッププリント回路基板を提供することができる。アクティブ電池システムの充電/放電中に高速データ取得モードを可能にし、及び電池システムが充電も放電もしていないときに低減された取得レート/より低い電力モードを可能にする電力管理システムを提供することができる。検出システムは、排気/熱暴走の検出時に、メイン電池システムコントローラにウェイクアップコマンドを送信することができる。センサシステムは、安全が重要な用途における冗長性のために、2つ以上の水素センサ、2つ以上の一酸化炭素センサ、2つ以上の二酸化炭素センサ、及び前記のいずれかの任意の組み合わせから選択される複数のガスセンサを含むことができる。検出システムはまた、湿度センサ、圧力センサ、温度センサ、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。 In yet other exemplary embodiments, the threshold level for thermal runaway is selected from: (i) a carbon dioxide level greater than about 10,000 ppm; (ii) a hydrogen level greater than about 40,000 ppm; (iii) a carbon dioxide level greater than the lower explosive limit; (iv) a hydrogen level greater than the lower explosive limit; and (v) any combination of them. A multi-chip printed circuit board can be provided that is attached to a battery management controller printed circuit board. To provide a power management system that enables high speed data acquisition modes during charging/discharging of an active battery system and reduced acquisition rates/lower power modes when the battery system is neither charging nor discharging. I can do it. The detection system may send a wake-up command to the main battery system controller upon detection of exhaust/thermal runaway. The sensor system can include two or more hydrogen sensors, two or more carbon monoxide sensors, two or more carbon dioxide sensors, and any combination of any of the foregoing for redundancy in safety-critical applications. A plurality of selected gas sensors may be included. The detection system may also include a humidity sensor, a pressure sensor, a temperature sensor, or any combination thereof.
別の例示的な実施形態では、電池筐体内の電池の熱暴走状態を検出するための方法が提供される。本方法は、上で説明されるような検出システムを提供することと、電池から排出される1つ以上のガスを測定しかつ/又は分析することと、分析されたガスレベルが、電池の熱暴走を示す所定の閾値レベル以上であるかどうかを判定することと、を含む。分析されるガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。 In another exemplary embodiment, a method is provided for detecting a thermal runaway condition of a battery within a battery housing. The method includes providing a detection system as described above; measuring and/or analyzing one or more gases exhausted from a battery; and determining that the analyzed gas level is and determining whether the level is equal to or higher than a predetermined threshold level indicating runaway. The gas being analyzed can include hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, or any combination thereof.
本概要は、特許請求される主題の本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の使用を意図するものでもない。前述の概略的な説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的であり、本開示の性質及び特徴を理解するための概要又は枠組みを提供することを意図することを理解されたい。 This Summary is not intended to identify essential features of the claimed subject matter or for use in determining the scope of the claimed subject matter. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and intended to provide an overview or framework for understanding the nature and features of the present disclosure.
添付の図面は、本明細書に組み込まれ、この一部を構成する。図面は、本開示のいくつかの例のみを例解し、図面に具体的に例解されていない他の例又は様々な例の組み合わせは、依然として本開示の範囲内にあり得ることを理解されたい。実施例は、図面を使用することによって、更に詳細に説明される。 The accompanying drawings are incorporated into and constitute a part of this specification. It is understood that the drawings illustrate only some examples of the present disclosure and that other examples or combinations of various examples not specifically illustrated in the drawings may still be within the scope of the present disclosure. sea bream. Embodiments will be explained in more detail by using the drawings.
図面に例解される例解的な非限定的な実施形態を説明する際に、明確化のために特定の用語を使用する。しかしながら、本開示は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図するものではなく、各特定の用語は、同様の目的を達成するために同様の方法で動作する全ての技術的等価物を含むことを理解されたい。いくつかの実施形態は、例解目的で説明され、説明及び特許請求の範囲は、例解される実施形態に限定されず、図面に具体的に示されていない他の実施形態もまた、本開示の範囲内であり得ることが理解されよう。 In describing the illustrative, non-limiting embodiments illustrated in the drawings, specific terminology is used for purposes of clarity. However, this disclosure is not intended to be limited to the particular terms so chosen, and each particular term refers to all techniques that operate in a similar manner to accomplish a similar purpose. It should be understood that equivalents are included. Some embodiments are described for illustrative purposes, and the description and claims are not limited to the illustrated embodiments; other embodiments not specifically shown in the drawings are also contemplated by this invention. It will be understood that this may be within the scope of the disclosure.
電池熱暴走検出器は、例えば、図3に示されるように、典型的な電池筐体の空隙内に事前に配設される。筐体は、1つ以上の電池モジュールを完全に取り囲み、各電池モジュールは、互いに並列又は直列に整列された1つ以上の電池セルを有する。各モジュールの電池セルは、隣接するセルと電気的に連通しており、電池モジュールは、各隣接するモジュールと電気的に連通している。電池コントローラは、各電池モジュール及び/又は電池セルと連通している。電池コントローラは、セルをオン/オフにするか、又は各セルの電圧出力を制御するなど、各電池セルを直接又はモジュールを介して動作させることができる。 A battery thermal runaway detector is pre-positioned within a typical battery housing cavity, as shown in FIG. 3, for example. The housing completely surrounds one or more battery modules, each battery module having one or more battery cells arranged in parallel or series with each other. The battery cells of each module are in electrical communication with adjacent cells, and the battery module is in electrical communication with each adjacent module. A battery controller is in communication with each battery module and/or battery cell. The battery controller can operate each battery cell directly or through a module, such as turning the cell on/off or controlling the voltage output of each cell.
筐体は、水、破片から電池セル及びモジュールを保護し、筐体内の電気的危険からユーザ及び乗員を保護する。筐体空隙容量(筐体内の空間の容量)は、わずか数リットルから200リットル以上まで変化することができ、通常は空気を含む。電池筐体は、通常、筐体の内側及び外側の圧力平衡を可能にして、パックへのひずみ及び損傷を防止する、単一又は複数の小さな開口部を含む排気機能を備えている。これらの開口部は、通常、空気交換を可能にするが、液体水の筐体への直接流入を防止する疎水性膜で保護される。筐体はまた、熱暴走からの過圧が筐体を安全に排気するのを可能にし、爆発及び有害な破片のリスクを低減するバルブ又は同様のデバイスを含み得る。 The enclosure protects the battery cells and modules from water, debris, and protects the user and occupants from electrical hazards within the enclosure. The enclosure void volume (volume of space within the enclosure) can vary from just a few liters to more than 200 liters and typically contains air. Battery housings typically include venting features that include one or more small openings to allow pressure equalization inside and outside the housing to prevent strain and damage to the pack. These openings are usually protected with a hydrophobic membrane that allows air exchange but prevents liquid water from flowing directly into the enclosure. The enclosure may also include a valve or similar device to allow overpressure from thermal runaway to safely vent the enclosure, reducing the risk of explosion and harmful debris.
図9を参照すると、本開示の1つの非限定的な例示的な実施形態による熱暴走検出器又は検出システム100が示されている。検出システム100は、図3のように電池筐体空隙内に存在し、一次検出器、ここではガス検出器110を含む。検出システム100はまた、圧力センサ112、相対湿度(RH)センサ114、及び/又は温度センサ116を含む。 Referring to FIG. 9, a thermal runaway detector or detection system 100 is shown according to one non-limiting example embodiment of the present disclosure. Detection system 100 resides within the cell housing cavity as in FIG. 3 and includes a primary detector, here a gas detector 110. Detection system 100 also includes a pressure sensor 112, a relative humidity (RH) sensor 114, and/or a temperature sensor 116.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、一次ガス検出器100は、熱暴走中に形成された分解生成物の検出のための1つ以上のセンサを含む。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, primary gas detector 100 includes one or more sensors for detection of decomposition products formed during thermal runaway.
例えば、本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、一次ガス検出器110は、1つ以上のセンサを含み、一実施形態では、CO2センサ、一酸化炭素(CO)センサ、HFセンサ、H2ガスセンサ、及び/又は水蒸気センサのうちの1つ以上を含む。 For example, in one embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas detector 110 includes one or more sensors, in one embodiment, a CO 2 sensor, a carbon monoxide (CO) sensor, HF sensor, H2 gas sensor, and/or water vapor sensor.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、一次ガス検出器110は、CO2センサ、COセンサ、HFセンサ、H2ガスセンサ、及び水蒸気センサを含む。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, primary gas detector 110 includes a CO 2 sensor, a CO sensor, an HF sensor, an H 2 gas sensor, and a water vapor sensor.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、一次ガス検出器110は、CO2センサ、COセンサ、HFセンサ、及びH2ガスセンサを含む。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, primary gas detector 110 includes a CO2 sensor, a CO sensor, an HF sensor, and an H2 gas sensor.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの別の実施形態では、一次ガス検出器110は、CO2センサ、COセンサ、H2ガスセンサ、及び水蒸気センサを含む。 In another embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas detector 110 includes a CO 2 sensor, a CO sensor, an H 2 gas sensor, and a water vapor sensor.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの別の実施形態では、一次ガス検出器110は、CO2センサ、COセンサ、及びH2ガスセンサを含む。 In another embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas detector 110 includes a CO 2 sensor, a CO sensor, and an H 2 gas sensor.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの別の実施形態では、一次ガスセンサ110は、感知されたガスの固有の物理的特性を、ガスと化学的に相互作用することなく検査し、それによって、信頼性の高いかつ堅牢な一次センサを提供する。 In another embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas sensor 110 examines the inherent physical properties of the sensed gas without chemically interacting with the gas and provides a reliable and robust primary sensor.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの別の実施形態では、一次ガス検出器110は、熱暴走の前に(例えば、SEI分解及び電解質のガス生成物の初期セル排気中に)セルから排出される1つ以上のガスの検出のための1つ以上の二次ガスセンサを更に含む。 In another embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas detector 110 is configured to detect a cell prior to thermal runaway (e.g., during initial cell evacuation of SEI decomposition and electrolyte gas products). further including one or more secondary gas sensors for detection of one or more gases exhausted from the air.
例えば、本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、一次ガス検出器110は、メタン、エタン、酸素、窒素酸化物、揮発性有機化合物、エステル、硫化水素、硫黄酸化物、アンモニア、塩素、プロパン、オゾン、エタノール、炭化水素、シアン化水素、可燃性ガス、可燃性ガス、有毒ガス、腐食性ガス、酸化ガス、及び/又は還元ガスのうちの1つ以上の検出のための1つ以上の二次ガスセンサを更に含む。 For example, in one embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas detector 110 detects methane, ethane, oxygen, nitrogen oxides, volatile organic compounds, esters, hydrogen sulfide, sulfur oxides. , ammonia, chlorine, propane, ozone, ethanol, hydrocarbons, hydrogen cyanide, flammable gases, combustible gases, toxic gases, corrosive gases, oxidizing gases, and/or reducing gases. Further including one or more secondary gas sensors.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの別の実施形態では、一次ガス検出器110は、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチレンカーボネート(EC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、C4H10、C3H6、C3H8及び/又はPOF3を検出するための1つ以上の二次ガスセンサを更に含む。 In another embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas detector 110 is CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 , diethyl carbonate (DEC), One or more secondary gas sensors for detecting dimethyl carbonate (DMC), ethylene carbonate (EC), ethyl methyl carbonate ( EMC ), C4H10 , C3H6 , C3H8 and/or POF3 further including.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、ガス検出器100は、熱暴走中に形成された分解生成物の検出のための1つ以上の一次センサと、熱暴走前に(例えば、分解及び電解質のガス生成物の初期セル排気中に)セルから排出される1つ以上のガスの検出のための1つ以上の二次ガスセンサとを含む。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, gas detector 100 includes one or more primary sensors for detection of decomposition products formed during thermal runaway and one or more primary sensors for detection of decomposition products formed during thermal runaway; and one or more secondary gas sensors for detection of one or more gases exhausted from the cell (eg, during initial cell evacuation of decomposition and electrolyte gas products).
検出器/センサ110~116は、筐体の周りに位置付けられ、検出器及び/又はセンサ110~116の任意の好適な組み合わせを利用することができる。 Detectors/sensors 110-116 are positioned around the housing, and any suitable combination of detectors and/or sensors 110-116 may be utilized.
熱暴走検出システム100はまた、センサ110~116、マイクロコントローラ又はマイクロプロセッサ118、及び通信トランシーバ122を動作させるのに十分な電力を提供し調整する電圧レギュレータ120を含む。センサ素子110~116は、検出システム100内のマイクロコントローラ118に電気的に接続されている。マイクロコントローラ118は、センサ110~116の各々からのセンサ出力を解釈し、生のセンサ信号を各構成要素のエンジニアリング値に変換するために必要な信号調節を提供する。次いで、値は、通信トランシーバ122に送信され、通信トランシーバ122は、電池管理システムマスタコントローラ又は他の電子監視システムにセンサ情報のデータストリームを提供する。 Thermal runaway detection system 100 also includes a voltage regulator 120 that provides and regulates sufficient power to operate sensors 110 - 116 , a microcontroller or microprocessor 118 , and a communications transceiver 122 . Sensor elements 110 - 116 are electrically connected to a microcontroller 118 within detection system 100 . Microcontroller 118 interprets the sensor output from each of sensors 110-116 and provides the signal conditioning necessary to convert the raw sensor signals to engineering values for each component. The values are then transmitted to communications transceiver 122, which provides a data stream of sensor information to a battery management system master controller or other electronic monitoring system.
CO2ガスセンサ110は、一次ガスセンサ110の1つとして使用されると、筐体(図3)内の二酸化炭素レベルを検出し、長期的な信頼性及び迅速な応答時間(事象の記録には6秒未満)を有する。二酸化炭素のバックグランド濃度レベルは、通常、1,000ppm未満であり、電池セル排気状態の間、これらの濃度は筐体内で容易に60,000ppmを超過することができ、図8に示されるように、検出のための非常に堅牢なガス信号を提供する。排気中の排出速度が200m/sをしばしば超過する場合、筐体空隙内の二酸化炭素の拡散は非常に急速に起こり、排気セルへのセンサの近接に関係なく、2秒以内にガスセンサ110に到達する。 The CO2 gas sensor 110, when used as one of the primary gas sensors 110, detects the carbon dioxide level within the enclosure (Fig. (less than seconds). Background concentration levels of carbon dioxide are typically less than 1,000 ppm, and during battery cell pumping conditions these concentrations can easily exceed 60,000 ppm within the enclosure, as shown in Figure 8. provides a very robust gas signal for detection. If the exhaust velocity in the exhaust often exceeds 200 m/s, the diffusion of carbon dioxide within the housing cavity occurs very rapidly and reaches the gas sensor 110 within 2 seconds, regardless of the proximity of the sensor to the exhaust cell. do.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、CO2の検出のための一次ガスセンサ110は、赤外線(例えば、近分散型赤外線)分光センサである。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas sensor 110 for the detection of CO2 is an infrared (eg, near-dispersive infrared) spectroscopic sensor.
例えば、本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、ガスセンサ110は、処理デバイス118に出力を提供し、処理デバイス118は、感知された状態が所定の閾値を超過するかどうか、又は感知された状態に急速な変化があるかどうかを判定することができる。 For example, in one embodiment of any of the detection systems described herein, gas sensor 110 provides an output to processing device 118, which determines whether the sensed condition exceeds a predetermined threshold. or whether there is a rapid change in the sensed condition.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、熱暴走事象のトリガを信号伝達する二酸化炭素濃度の検出のための所定の閾値は、約10,000ppm超、約20,000ppm超、約30,000ppm超、約40,000ppm超、約50,000ppm超、約60,000ppm超、又は約75,000ppm超などの約1,000ppm超である。本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、熱暴走事象のトリガを信号伝達する二酸化炭素濃度の検出のための所定の閾値は、約10,000ppm超である。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the predetermined threshold for detection of carbon dioxide concentration that signals the triggering of a thermal runaway event is greater than about 10,000 ppm, about 20,000 ppm. greater than about 1,000 ppm, such as greater than about 30,000 ppm, greater than about 40,000 ppm, greater than about 50,000 ppm, greater than about 60,000 ppm, or greater than about 75,000 ppm. In one embodiment of any of the detection systems described herein, the predetermined threshold for detection of carbon dioxide concentration that signals the triggering of a thermal runaway event is greater than about 10,000 ppm.
したがって、本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、システムは、センサによって検出された二酸化炭素の濃度が、約10,000ppm超、約20,000ppm超、約30,000ppm超、約40,000ppm超、約50,000ppm超、約60,000ppm超、又は約75,000ppm超などの約1,000ppm超であるときに、熱暴走事象が発生したことを示す。本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、システムは、センサによって検出された二酸化炭素の濃度が約10,000ppm超である場合に、熱暴走事象が発生したことを示す。 Accordingly, in one embodiment of any of the detection systems described herein, the system detects that the concentration of carbon dioxide detected by the sensor is greater than about 10,000 ppm, greater than about 20,000 ppm, greater than about 30,000 ppm. A thermal runaway event is indicated when the temperature is greater than about 1,000 ppm, such as greater than about 40,000 ppm, greater than about 50,000 ppm, greater than about 60,000 ppm, or greater than about 75,000 ppm. In one embodiment of any of the detection systems described herein, the system indicates that a thermal runaway event has occurred if the concentration of carbon dioxide detected by the sensor is greater than about 10,000 ppm. .
同様に、大気中の水素のバックグランド濃度は、通常、約200~300ppbである。電池セル排気状態下では、電池筐体内部の水素濃度は容易に140,000ppmを超過することができ、図7に示すように、ガス検出のための堅牢な信号対ノイズ比も提供する。 Similarly, the background concentration of hydrogen in the atmosphere is typically about 200-300 ppb. Under battery cell pumping conditions, the hydrogen concentration inside the battery housing can easily exceed 140,000 ppm, also providing a robust signal-to-noise ratio for gas detection, as shown in FIG.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、H2の検出のための一次ガスセンサ110は、熱伝導率センサである。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the primary gas sensor 110 for H 2 detection is a thermal conductivity sensor.
本明細書において説明される検出システムのうちのいずれかの一実施形態では、熱暴走事象のトリガを信号伝達する水素濃度の検出のための所定の閾値は、約300ppb超、約1ppm超、約100ppm超、約1,000ppm超、約10,000ppm超、約40,000ppm超、約50,000ppm超、約100,000ppm超、又は約150,000ppm超などの約200ppb超である。本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、熱暴走事象のトリガを信号伝達する水素濃度の検出のための所定の閾値は、約40,000ppm超である。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the predetermined threshold for detection of hydrogen concentration that signals the triggering of a thermal runaway event is greater than about 300 ppb, greater than about 1 ppm, about greater than about 200 ppm, such as greater than 100 ppm, greater than about 1,000 ppm, greater than about 10,000 ppm, greater than about 40,000 ppm, greater than about 50,000 ppm, greater than about 100,000 ppm, or greater than about 150,000 ppm. In one embodiment of any of the detection systems described herein, the predetermined threshold for detection of hydrogen concentration that signals the triggering of a thermal runaway event is greater than about 40,000 ppm.
したがって、本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、システムは、センサによって検出された水素の濃度が、約300ppb超、約1ppm超、約100ppm超、約1,000ppm超、約10,000ppm超、約50,000ppm超、約100,000ppm超、又は約150,000ppm超などの200ppb超であるときに、熱暴走事象が発生したことを示す。本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、システムは、センサによって検出された水素の濃度が40,000ppm超であるときに、熱暴走事象が発生したことを示す。 Accordingly, in one embodiment of any of the detection systems described herein, the system detects that the concentration of hydrogen detected by the sensor is greater than about 300 ppb, greater than about 1 ppm, greater than about 100 ppm, greater than about 1,000 ppm. , greater than 200 ppm, such as greater than about 10,000 ppm, greater than about 50,000 ppm, greater than about 100,000 ppm, or greater than about 150,000 ppm, indicating that a thermal runaway event has occurred. In one embodiment of any of the detection systems described herein, the system indicates that a thermal runaway event has occurred when the concentration of hydrogen detected by the sensor is greater than 40,000 ppm.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、システムは、センサによって検出された水素の濃度が爆発下限(4%)を上回るときに、熱暴走事象が発生したことを示す。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the system indicates that a thermal runaway event has occurred when the concentration of hydrogen detected by the sensor is above a lower explosive limit (4%). .
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、システムは、センサによって検出されたCOの濃度が、その危険限界及び/又はその爆発下限(12.5%)を上回るときに、熱暴走事象が発生したことを示す。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the system detects when the concentration of CO detected by the sensor exceeds its hazardous limit and/or its lower explosive limit (12.5%). , indicating that a thermal runaway event has occurred.
CO2一次センサの水素及び非分散赤外線測定に熱伝導性の原理を使用することは、他のガスに対する交差感度が制限された堅牢で絶対的な測定デバイスであり、それによって、このようなデバイスは、現場でデバイスを再較正するか又は補修する機会がほとんど又はまったくないこの用途に理想的である。これは一般に、これらの気体分子に固有の物理的挙動に基づいて測定原理を選択するが、環境中の標的ガス又は他のガスと化学的に相互作用しないためである。 The use of thermal conductivity principles for hydrogen and non-dispersive infrared measurements of CO2 primary sensors is a robust and absolute measurement device with limited cross-sensitivity to other gases, thereby making such devices is ideal for this application where there is little or no opportunity to recalibrate or repair the device in the field. This is because measurement principles are generally selected based on the physical behavior inherent to these gas molecules, but not chemically interacting with the target gas or other gases in the environment.
本明細書において説明される検出システムのいずれかの一実施形態では、二次ガスセンサは、(例えば、炭化水素の検出のための)MOx又はペリスタベースのセンサである。 In one embodiment of any of the detection systems described herein, the secondary gas sensor is a MO x or peristaltic-based sensor (eg, for detection of hydrocarbons).
圧力センサ112は、電池筐体の空隙内のガス圧力レベルを検出する。筐体内の公称空気圧は、大気圧に近似している。熱暴走排気中に、図6に示すように100%の充電状態にあるセルの場合のように、排気相が高エネルギーを伴う場合、圧力が急激に上昇する場合がある。しかし、初期に伴う圧力上昇は、特に、小さいセル、又は図8に示されるように、電荷状態がはるかに低いセルの場合、非常に低いこともあり得る。筐体排気システムに依存しているが、ガス圧力又は温度の上昇は、熱暴走の速度に関する情報を提供することができる。圧力センサ112は、小さく、低コストであり、低消費電力で高速時間応答を有するが、電池筐体排気システムが、ガス生成を相殺する速度で閉じ込められたガスの放出を可能にする遅い排気現象の間、不十分なデータを提供することが示されている。しかしながら、ガスセンサ110を補完するために使用されるとき、圧力センサ112は、図6に示すように、開始セルから筐体内の隣接セルにカスケードするときの熱暴走の進行に関する貴重な洞察を提供することができ、ここで、水素ガス濃度及びそれに伴う圧力スパイクの連続的な増大は、熱暴走が追加のセルに進行し、パックのカスケード故障につながることを示す。 Pressure sensor 112 detects the gas pressure level within the cavity of the battery housing. The nominal air pressure within the enclosure approximates atmospheric pressure. During thermal runaway evacuation, the pressure may rise rapidly if the evacuation phase involves high energy, such as in the case of a cell at 100% charge as shown in FIG. However, the initial pressure rise can be very low, especially for small cells or cells with much lower charge states, as shown in FIG. Depending on the enclosure exhaust system, increases in gas pressure or temperature can provide information regarding the rate of thermal runaway. The pressure sensor 112 is small, low cost, has a fast time response with low power consumption, but has a slow exhaust phenomenon that allows the battery housing exhaust system to release trapped gas at a rate that offsets gas production. have been shown to provide insufficient data. However, when used to complement gas sensor 110, pressure sensor 112 provides valuable insight into the progression of thermal runaway as it cascades from the starting cell to adjacent cells within the enclosure, as shown in FIG. where a continuous increase in hydrogen gas concentration and the associated pressure spike indicates that thermal runaway will progress to additional cells, leading to cascading failure of the pack.
温度センサ116は、筐体空隙内の温度を検出し、圧力センサ112と同様に、ガスセンサ110と併せて使用して、熱暴走の進行速度を推定することができる(図6)。各連続したセルの熱暴走に伴う温度の漸進的な上昇は、反応が停止したか、それとも水又は消火剤の導入、能動的な冷却、希釈空気又は窒素の導入、及び疑わしいセルの電気的分離又は放電を含むが、これらに限定されない保護対策を提供することなどの、即時の安全対策を必要とするような速度で進行しているかを判定する上で重要なデータを提供する。 Temperature sensor 116 detects the temperature within the housing cavity and, like pressure sensor 112, can be used in conjunction with gas sensor 110 to estimate the rate of progression of thermal runaway (FIG. 6). The gradual increase in temperature associated with thermal runaway in each successive cell indicates that the reaction has stopped or that the introduction of water or extinguishing agents, active cooling, dilution air or nitrogen, and electrical isolation of the suspected cell or providing critical data in determining if the situation is progressing at a rate that requires immediate safety measures, including but not limited to providing protective measures, including but not limited to discharge.
一実施形態では、温度センサ116は、約600℃~約1000℃などの約100℃~約1200℃の範囲の温度を検出する。 In one embodiment, temperature sensor 116 detects a temperature in a range of about 100°C to about 1200°C, such as about 600°C to about 1000°C.
相対湿度センサ114は、筐体の空隙内の湿度を監視し、分解反応生成物に起因する水蒸気の形成を示す筐体内の水蒸気の実質的な変化を観察するために、ガスセンサ110と併せて使用することもできる。 Relative humidity sensor 114 is used in conjunction with gas sensor 110 to monitor the humidity within the cavity of the enclosure and observe substantial changes in water vapor within the enclosure indicative of water vapor formation due to decomposition reaction products. You can also.
検出システム100は、様々な好適な用途に利用され得る。図2(a)、3に示される実施形態では、検出システム100は、電池筐体、配電ユニット、並びに電池コントローラ及び/又はモータ制御ユニット(MCU)を有する車両に実装される。電池筐体は、複数の電池セルで構成され、電池筐体内に収容され得る。 Detection system 100 may be utilized in a variety of suitable applications. In the embodiments shown in FIGS. 2(a) and 3, the detection system 100 is implemented in a vehicle having a battery housing, a power distribution unit, and a battery controller and/or motor control unit (MCU). The battery case may be configured with a plurality of battery cells and housed within the battery case.
センサ110~116はそれぞれ、マイクロコントローラ118などの処理デバイスに感知された信号を出力する。マイクロコントローラ118は、アナログセンサ信号をエンジニアリング値に変換し、アラーム信号又は出力信号の形態などのデータを、有線又は無線トランシーバ122を介して電池管理システムに送信する。マイクロコントローラ118はまた、センサ110~116からの値が、そのセンサがセル排気を示すための臨界閾値を超過しているかどうかを判定することができ、並びにセンサ110~116が正常に動作しているかどうか及び仕様内で動作しているかどうかを判定するためのアルゴリズムを提供することができる。検出システム100は、冗長センサ110~116を利用して、安全指標レベルを満たすことができる。 Each of the sensors 110-116 outputs a sensed signal to a processing device, such as a microcontroller 118. Microcontroller 118 converts analog sensor signals into engineering values and transmits data, such as in the form of alarm or output signals, to the battery management system via wired or wireless transceiver 122. The microcontroller 118 can also determine whether the values from the sensors 110-116 exceed critical thresholds for that sensor to indicate cell evacuation, as well as whether the sensors 110-116 are operating normally. Algorithms can be provided to determine whether the system is working within specifications. Detection system 100 may utilize redundant sensors 110-116 to meet safety index levels.
センサ110~116のうちの1つ以上は、車両の電池筐体(図3)内の自由空間に配置され、それによって、センサ110~116は、電池及び/又は電池コンパートメントに近接する空隙と連通(例えば、ガス又は圧力連通)し、電池セル排気から生じる状態を受信して検出する。センサ110~116は、処理デバイス118に出力を提供し、処理デバイス118は、感知された状態が所定の閾値(すなわち、超過した場合に熱暴走ベースのセル排気が開始したことを示す閾値)を超過するかどうか、又は感知された状態に急速な変化があるかどうかを判定することができる。センサ110~116、マイクロコントローラ118、レギュレータ120、及びトランシーバ122を含むシステム100全体は、全て、単一のセンサハウジングに収容され、電池コンパートメント内の一箇所に位置付けられ得る。別の実施形態では、システム100は、各々が独自のハウジングを有し、各ハウジングが、電池管理システム電子機器への表面実装を含め、電池コンパートメント内の別々の位置に位置付けられた、別個のデバイスであり得る。 One or more of the sensors 110-116 are positioned in free space within the vehicle's battery enclosure (FIG. 3) such that the sensors 110-116 are in communication with the air gap proximate the battery and/or battery compartment. (e.g., gas or pressure communication) and receive and detect conditions resulting from battery cell exhaust. The sensors 110-116 provide outputs to a processing device 118 that determines whether the sensed condition is a predetermined threshold (i.e., a threshold that, if exceeded, indicates that thermal runaway-based cell evacuation has begun). It can be determined whether an excess is exceeded or if there is a rapid change in the sensed condition. The entire system 100, including sensors 110-116, microcontroller 118, regulator 120, and transceiver 122, can all be housed in a single sensor housing and located in one location within the battery compartment. In another embodiment, the system 100 comprises separate devices, each having its own housing, each housing positioned at a separate location within the battery compartment, including surface mounting to battery management system electronics. It can be.
図示され説明されるように、検出システムは、リチウムイオン電池における熱暴走の堅牢な検出の問題に対処し、ここで、熱暴走へのガス放出前駆体は、数秒又は数時間の時間スパンで発生し得る。検出システムは、放出ガス事象の複数の物理的パラメータを測定し、急速な熱暴走並びにより遅い事象の検出を可能にする。多重検出技術は、誤検出及び検出漏れエラーのリスクを低減し、市場の安全要件を満たすのに十分な冗長性を提供する。システムは、少なくとも、水素及び/又は二酸化炭素濃度を測定し、筐体内の空気圧及び/又は温度及び湿度で補足することができる。 As illustrated and described, the detection system addresses the problem of robust detection of thermal runaway in lithium-ion batteries, where outgassing precursors to thermal runaway occur over time spans of seconds or hours. It is possible. The detection system measures multiple physical parameters of an outgassing event, allowing detection of rapid thermal runaway as well as slower events. Multiple detection technology reduces the risk of false positive and negative errors and provides sufficient redundancy to meet market safety requirements. The system can measure at least hydrogen and/or carbon dioxide concentrations, supplemented with air pressure and/or temperature and humidity within the enclosure.
他の変形例では、検出システムはまた、メタン、エステル、及びエタンガスを含む電解質の炭化水素検出を含むことができる。熱暴走に先行する最初のセル排気の間、排出されたガスには、個々のセンサによって検出されるのに十分な濃度のH2、CO、CO2、及び炭化水素が含まれる。それらの元素を信号調節及び分析を伴う単一のセンサプラットフォームに組み合わせることにより、事象が熱暴走を受ける単一のセルであることを相対的に確実に判定し、ガスを同時に監視することにより、より緊急性の低い電解質漏れとより緊急性の高い熱暴走状態との間の差を判定することが可能である。CO2センサの水素及び非分散赤外線測定に熱伝導性の原理を使用することは、他のガスに対する交差感度が制限された堅牢な絶対測定デバイスであり、それによって、このようなデバイスは、現場でデバイスを再較正又は補修する機会がほとんど又はまったくないこの用途に理想的である。 In other variations, the detection system may also include hydrocarbon detection of electrolytes including methane, ester, and ethane gases. During the initial cell evacuation prior to thermal runaway, the exhausted gases contain sufficient concentrations of H 2 , CO, CO 2 , and hydrocarbons to be detected by the individual sensors. By combining those elements into a single sensor platform with signal conditioning and analysis, we can determine with relative certainty that an event is a single cell undergoing thermal runaway, and by simultaneously monitoring the gas It is possible to determine the difference between a less urgent electrolyte leak and a more urgent thermal runaway condition. The use of thermal conductivity principles for hydrogen and non-dispersive infrared measurement of CO2 sensors is a robust absolute measurement device with limited cross-sensitivity to other gases, thereby making such a device It is ideal for this application where there is little or no opportunity to recalibrate or repair the device.
より具体的に図6を参照すると、例示的な暴走が示されている。この例解的な例では、熱暴走は、1つのセルから隣接するセルにカスケードする。T=0から始まって、電池システムは正常な状態で動作し、水素レベル150、温度160、及び圧力170は全て正常である。第1の時間期間、T=1では、第1の電池モジュールの第1の単一の電池セルは、熱暴走を受ける。その結果、電池セルはガス、ここでは水素を放出する。ガス検出器110の水素センサは、水素レベルを測定し、感知されたガスレベル出力を有する。水素センサは、感知されたガスレベル出力をマイクロコントローラ118に送信する。更に、圧力センサ112は、圧力を検出し、感知された圧力出力を有する。圧力センサは次いで、感知された圧力出力をマイクロコントローラ118に送信する。更に、温度センサ116は、筐体内の温度を測定し、感知された温度出力を提供する。温度センサ116は、感知された温度出力をマイクロコントローラ118に送信する。 Referring more specifically to FIG. 6, an exemplary runaway is illustrated. In this illustrative example, thermal runaway cascades from one cell to an adjacent cell. Starting from T=0, the battery system operates under normal conditions, with hydrogen level 150, temperature 160, and pressure 170 all normal. During a first time period, T=1, the first single battery cell of the first battery module undergoes thermal runaway. As a result, the battery cell releases gas, in this case hydrogen. The hydrogen sensor of gas detector 110 measures the hydrogen level and has a sensed gas level output. The hydrogen sensor sends a sensed gas level output to the microcontroller 118. Additionally, pressure sensor 112 detects pressure and has a sensed pressure output. The pressure sensor then sends the sensed pressure output to the microcontroller 118. Additionally, temperature sensor 116 measures the temperature within the enclosure and provides a sensed temperature output. Temperature sensor 116 sends a sensed temperature output to microcontroller 118.
センサ110~116は、感知された出力を、遅延又は手動の介入なしにリアルタイムでマイクロコントローラ118に即座に送信する。センサ110~116は、感知された出力をマイクロコントローラ118に連続的に、又は断続的なランダム又は所定の周期(例えば、1秒間に数回)で送信することができる。 Sensors 110-116 immediately transmit sensed outputs to microcontroller 118 in real time without delay or manual intervention. Sensors 110-116 may transmit sensed outputs to microcontroller 118 continuously or in intermittent random or predetermined periods (eg, several times per second).
図6の例示的な実施形態では、カスケード熱暴走事象は、初期セルが隣接するセル内で熱暴走をトリガするパック筐体を介して伝播することが示されている。マイクロコントローラ118は、それぞれ、ガス、圧力、及び温度センサ110、112、及び116から感知されたガス、圧力、及び温度出力を受信する。T=1では、水素ガスレベル150及び圧力170は両方ともスパイクを示す。しかしながら、温度160は、わずかに上昇するに過ぎない。電池筐体内の排気は、圧力170を迅速に放散させ、通常のレベルに戻すことを可能にする。ただし、水素はよりゆっくりと排出され、高いレベルにとどまる。これらの状態及び感知された出力の受信に基づいて、マイクロコントローラ118は、少なくとも第1の電池セルが熱暴走事象を受けたと判定し、それが電池コントローラに送信するアラーム信号を生成する。これに応答して、電池コントローラは、例えば、オペレータに補修が必要であることを示すように、電池モジュールの電圧要件を低減するように、又は電池が高温にならないように電池を制御するように、第1の応答を取ることができる。 In the exemplary embodiment of FIG. 6, a cascading thermal runaway event is shown propagating through the pack enclosure where the initial cell triggers thermal runaway in adjacent cells. Microcontroller 118 receives sensed gas, pressure, and temperature outputs from gas, pressure, and temperature sensors 110, 112, and 116, respectively. At T=1, hydrogen gas level 150 and pressure 170 both exhibit spikes. However, the temperature 160 only increases slightly. Venting within the battery housing allows the pressure 170 to quickly dissipate and return to normal levels. However, hydrogen exits more slowly and remains at high levels. Based on these conditions and receiving the sensed output, microcontroller 118 determines that at least the first battery cell has undergone a thermal runaway event and generates an alarm signal that it sends to the battery controller. In response, the battery controller may, for example, indicate to the operator that servicing is required, reduce the voltage requirements of the battery module, or control the battery to prevent the battery from becoming too hot. , can take the first response.
図6の例示的な実施形態では、T=2で、別のセルが熱暴走を受ける。ここで、マイクロプロセッサ118は、ガスセンサ150及び圧力センサ160からの感知された出力に基づいて、それぞれガス及び圧力に別のスパイクがあり、温度が再びわずかに上昇したことを判定する。圧力は、排気状態に起因してかなり迅速に再び正常に戻るが、温度及び水素レベルは上昇パターンを継続する。したがって、マイクロプロセッサ118は、別の熱暴走事象が発生したと判定し、別のアラーム信号を電池コントローラに送信する。電池コントローラは、同じ応答を継続するか、又は例えば、アラート応答時間を短縮し、例えば、即時の補修が必要であることを示すか、又は電池モジュールの1つ以上をオフにすることによって、応答をエスカレートさせることができる。マイクロコントローラ118は、T=3、4に更なるスパイクがあることを判定する。ガス、温度及び圧力の様々なレベルは、排気状態及び特定の熱暴走事象に基づいて変化し得る。例えば、T=4に続いて、圧力は、筐体疎水性排気口が故障したときに低下し得るが、スパイクは、筐体内で更なるセルが故障する各々の連続するセル熱暴走事象と共に発生する。マイクロコントローラ118又は電池コントローラは、事象にカスケードパターンがあることを更に判定し、追加の応答アクションを取ることができる。応答アクションを、トランシーバ122を介して電池コントローラからマイクロコントローラ118に送信することができ、次いで、マイクロコントローラ118がセル及びモジュールの動作を制御する。 In the exemplary embodiment of FIG. 6, at T=2, another cell undergoes thermal runaway. The microprocessor 118 now determines, based on the sensed outputs from the gas sensor 150 and pressure sensor 160, that there has been another spike in gas and pressure, respectively, and that the temperature has again increased slightly. The pressure returns to normal again fairly quickly due to the evacuation conditions, but the temperature and hydrogen levels continue their rising pattern. Therefore, microprocessor 118 determines that another thermal runaway event has occurred and sends another alarm signal to the battery controller. The battery controller may respond by continuing the same response or by, for example, reducing the alert response time, e.g. by indicating that immediate repair is required, or by turning off one or more of the battery modules. can be escalated. Microcontroller 118 determines that there is an additional spike at T=3,4. The various levels of gas, temperature and pressure may vary based on pumping conditions and the particular thermal runaway event. For example, following T=4, the pressure may drop when the housing hydrophobic vent fails, but a spike occurs with each successive cell thermal runaway event in which an additional cell fails within the housing. do. The microcontroller 118 or battery controller can further determine that there is a cascading pattern of events and take additional responsive actions. Response actions can be sent from the battery controller to the microcontroller 118 via the transceiver 122, which then controls the operation of the cells and modules.
図7を参照すると、別の例示的な熱暴走事象が示されている。ここで、システム100は、ガスセンサ110、ここでは、水素センサ、及び圧力センサ112を有する。T=1では、水素濃度150は、最初の排気の直後に上昇し、続いて、T=2(T=1の1分後)において筐体内で、ガス膨張がパックレベルの排気能力を超過したときに、圧力170がわずかに上昇する。したがって、T=1において、マイクロプロセッサ118は、熱暴走が開始した旨のアラートを生成する。図7のT2での圧力上昇は、この例での圧力信号の遅延応答を示しており、ここでは、T1での下限曝露限界を上回る水素ガスが存在するが、圧力は1分を超える時間の間実質的に上昇しない。 Referring to FIG. 7, another exemplary thermal runaway event is illustrated. Here, system 100 includes a gas sensor 110, here a hydrogen sensor, and a pressure sensor 112. At T=1, the hydrogen concentration 150 rose immediately after the first evacuation, and then at T=2 (1 minute after T=1), gas expansion exceeded the evacuation capacity of the pack level within the enclosure. Sometimes the pressure 170 increases slightly. Therefore, at T=1, microprocessor 118 generates an alert that thermal runaway has begun. The pressure rise at T2 in Figure 7 shows the delayed response of the pressure signal in this example, where hydrogen gas is present above the lower exposure limit at T1, but the pressure increases for more than 1 minute. It does not increase substantially during the period.
図8を参照すると、更に別の例示的な実施形態が示されている。ここで、ガス検知器110は、二酸化炭素センサである。プロットは、筐体内で二酸化炭素濃度150が急速に上昇する一方で、圧力170は同じままであり、温度160はわずかな上昇を示すことを示す。T=2において、マイクロコントローラ118は、熱暴走が発生したと判定し、アラームを生成し、電池コントローラに送信する。 Referring to FIG. 8, yet another exemplary embodiment is shown. Here, gas detector 110 is a carbon dioxide sensor. The plot shows that the carbon dioxide concentration 150 increases rapidly within the enclosure, while the pressure 170 remains the same and the temperature 160 shows a slight increase. At T=2, microcontroller 118 determines that thermal runaway has occurred and generates and sends an alarm to the battery controller.
したがって、マイクロコントローラ118は、それぞれ、ガス、圧力、RH、及び/又は温度センサ110、112、114、116からの感知された出力を使用して、電池筐体内に熱暴走事象又は他の状態が存在するかどうかを判定する。マイクロコントローラ118は、その判定を、単一の感知された出力、又は感知された出力の組み合わせに基づき得る。例えば、マイクロコントローラ118は、ガススパイクのみの存在に基づいて、熱暴走が発生している可能性があると判定し、次に、感知された圧力出力及び/又は感知された温度出力を参照して、最初の熱暴走事象を判定するためのガス測定と、事象の大きさを評価するための圧力又は温度の上昇を監視することとの組み合わせを利用することによって、熱暴走事象がパック全体にわたって追加のセルにカスケードされているかどうかを判定することができる。ガス濃度レベルが高く、同時にパック内の温度又は圧力が上昇していることは、対策が事象を単一のセルに特定しておらず、応答をエスカレートさせるアラートを生成していることを示している。例えば、最初のアラートは、可能な限り早く補修可能な施設に車両を持ち込むように車両所有者に通知することであり得、エスカレートする警告は、車両乗員に車両を道路の脇に寄せ、車両を降りるように通知することであり得、BMSは、プロセスを遅らせるために熱交換器システムを除いて車両をシャットダウンする。しかしながら、温度及び圧力が上昇しない場合、マイクロコントローラ118は、熱事象が停止し、単一のセル又はセルグループが特定されたと判定することができ、応答をエスカレートさせるアラートを生成しない。したがって、与えられた例では、アラートは、車両を補修させるように車両所有者に通知し続ける。 Accordingly, the microcontroller 118 uses sensed outputs from the gas, pressure, RH, and/or temperature sensors 110, 112, 114, 116, respectively, to detect a thermal runaway event or other condition within the battery enclosure. Determine whether it exists. Microcontroller 118 may base its determination on a single sensed output or a combination of sensed outputs. For example, the microcontroller 118 may determine that thermal runaway may be occurring based on the presence of gas spikes alone and then reference the sensed pressure output and/or the sensed temperature output. Thermal runaway events can be detected throughout the pack by using a combination of gas measurements to determine the initial thermal runaway event and monitoring pressure or temperature increases to assess the magnitude of the event. You can determine if it is cascaded to additional cells. High gas concentration levels and simultaneous increases in temperature or pressure within the pack indicate that the countermeasure is not localizing the event to a single cell and is generating an alert that escalates the response. There is. For example, an initial alert may be to notify the vehicle owner to take the vehicle to a repair facility as soon as possible, and an escalating warning may be to notify vehicle occupants to pull the vehicle to the side of the road and It may be a notification to exit and the BMS will shut down the vehicle except for the heat exchanger system to slow the process. However, if the temperature and pressure do not increase, the microcontroller 118 can determine that the thermal event has stopped, a single cell or group of cells has been identified, and will not generate an alert to escalate the response. Thus, in the example given, the alert would continue to notify the vehicle owner to have the vehicle serviced.
マイクロコントローラ118は、感知された出力を受信し、スパイクを判定し、トランシーバ122を介して電池コントローラにアラームを送信するために提供されることに留意されたい。しかしながら、マイクロコントローラ動作は、代わりに、電池コントローラ自体によって実行され得、感知された出力は、トランシーバを介して、電池コントローラに送信され得る。応答アクション信号は、トランシーバ122を介して、電池コントローラからセルに直接送信され得る。 Note that a microcontroller 118 is provided to receive the sensed output, determine spikes, and send an alarm to the battery controller via transceiver 122. However, the microcontroller operations may instead be performed by the battery controller itself, and the sensed outputs may be sent to the battery controller via a transceiver. The response action signal may be sent directly from the battery controller to the cell via transceiver 122.
検出システム100の利点は、例えば、既知の、検証され、かつ現場で実証されたセンサ技術を使用し、センサの特定の組み合わせを活用して、熱暴走事象に関連する現象の化学的及び熱物理学特性に関係する検出メカニズムを多層化することを可能にすることを含む。システムは、様々なxEV筐体サイズ/セル構成/電気化学構造に適したカスタマイズをほとんど必要としない。システムはまた、熱暴走を確実に検出するために、検出器漏れ/誤検出のリスクを最小限に抑えた迅速な応答が必要な環境では、非常に高速な時間応答(通常3~5秒)を有する。システムはコンパクトであり、電池筐体が能動的な充電も放電もしていないときの寄生電力消費を削減するために複数のモードで動作することができる。これらのモードは、(駆動又は充電のいずれかであり、高速検出が重要であり、電力消費がそれほど重要ではない能動モード、又は消費が重要であり、サンプリングレートを低減してデバイスの電力消費を削減することができる受動モードにおいて、電池管理システムから受信した情報を利用して、センサアセンブリ100内で制御することができる。 Advantages of the detection system 100 include, for example, using known, validated, and field-proven sensor technology, and leveraging specific combinations of sensors to detect the chemical and thermal physics of phenomena associated with thermal runaway events. This includes allowing multiple layers of detection mechanisms related to chemical properties. The system requires little customization to suit various xEV housing sizes/cell configurations/electrochemical structures. The system also has a very fast time response (typically 3-5 seconds) for environments where rapid response with minimal risk of detector leakage/false positives is required to reliably detect thermal runaway. has. The system is compact and can operate in multiple modes to reduce parasitic power consumption when the battery housing is not actively charging or discharging. These modes can be either driving or charging, where fast detection is important and power consumption is less important, or active mode where consumption is important and reducing the sampling rate to reduce the power consumption of the device. In a passive mode that can be reduced, information received from the battery management system can be utilized to control within the sensor assembly 100.
本発明のシステム及び方法は、マイクロプロセッサ118を含む1つ以上の処理デバイスによる動作を含む。処理デバイスは、プロセッサ、マイクロプロセッサ、コントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)などの任意の好適なデバイスであり得ることに留意されたい。処理デバイスは、ディスプレイ、メモリ又は記憶デバイス、入力デバイス(タッチスクリーン)、無線モジュール(RF、Bluetooth、赤外線、WiFiなどデバイス用)などの他の好適な構成要素と組み合わせて使用され得る。情報は、コンピュータハードドライブなどのコンピュータ媒体、又は処理デバイスに位置するか、又は処理デバイスと通信することができる任意の他の適切なデータストレージデバイスに記憶され得る。プロセス全体は、処理デバイスによって自動的に、手動相互作用なしで実行される。したがって、別途示されない限り、プロセスは、遅延又は手動アクションなしに実質的にリアルタイムで行うことができる。 The systems and methods of the present invention include operation by one or more processing devices, including microprocessor 118. Note that the processing device may be any suitable device, such as a processor, microprocessor, controller, application specific integrated circuit (ASIC), etc. The processing device may be used in combination with other suitable components such as displays, memory or storage devices, input devices (touch screens), wireless modules (for RF, Bluetooth, infrared, WiFi, etc. devices). Information may be stored on computer media such as a computer hard drive, or any other suitable data storage device that can be located on or in communication with the processing device. The entire process is performed automatically by the processing device without manual interaction. Accordingly, unless otherwise indicated, processes may be performed in substantially real time without delay or manual action.
別の態様では、本開示は、筐体内で電池の熱暴走を検出する(例えば、1つ又は複数の電池セルの熱暴走を検出する)方法に関する。 In another aspect, the present disclosure relates to a method of detecting thermal runaway of a battery (eg, detecting thermal runaway of one or more battery cells) within an enclosure.
一実施形態では、本方法は、
(i)電池筐体内に本明細書において説明される実施形態のいずれかによる検出システムを提供することと、
(ii)前記電池から排出される1つ以上のガスを測定及び/又は分析することと、
(iii)前記分析されたガスレベルが、前記電池の熱暴走を示す所定の閾値レベル以上であるかどうかを判定することと、を含む。
In one embodiment, the method includes:
(i) providing a detection system according to any of the embodiments described herein within a battery housing;
(ii) measuring and/or analyzing one or more gases exhausted from the battery;
(iii) determining whether the analyzed gas level is greater than or equal to a predetermined threshold level indicative of thermal runaway of the battery.
一実施形態において、分析されるガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、又はそれらの任意の組み合わせを含む。 In one embodiment, the gas being analyzed includes hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, or any combination thereof.
一実施形態では、本明細書において説明される検出システム及び/又は方法のいずれも、i)センサ信号を受信すること、ii)閾値に対してセンサ信号を評価すること、若しくはiii)評価の結果に基づいてアラートを生成すること、又は前述の任意の組み合わせを行わない。 In one embodiment, any of the detection systems and/or methods described herein include: i) receiving a sensor signal; ii) evaluating the sensor signal against a threshold; or iii) results of the evaluation. or any combination of the foregoing.
別の実施形態では、本明細書において説明される検出システム及び/又は方法のいずれも、周囲ガス環境内の周囲ガスを監視しない。 In another embodiment, none of the detection systems and/or methods described herein monitor ambient gas within the ambient gas environment.
前述の説明及び関連する図面に提示される教示の利点を有する当業者には、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、修正、組み合わせ、部分組み合わせ、及び変形を行うことができることが明らかであろう。同様に、説明された様々な例は、個別に、又は他の例と組み合わせて使用され得る。当業者は、本開示の範囲内にある、本明細書に具体的に説明又は例解されていない例の様々な組み合わせを理解するであろう。この点において、本開示は、記載された具体的な例に限定されず、本開示の例は、限定的ではなく、例解的であることが意図されることを理解されたい。 It will be apparent to those skilled in the art having the benefit of the teachings presented in the foregoing description and associated drawings that modifications, combinations, subcombinations, and variations can be made without departing from the spirit or scope of the disclosure. Probably. Similarly, the various examples described may be used individually or in combination with other examples. Those skilled in the art will appreciate various combinations of examples not specifically described or illustrated herein that fall within the scope of this disclosure. In this regard, it is to be understood that this disclosure is not limited to the specific examples described, and that the examples of this disclosure are intended to be illustrative rather than restrictive.
「a」、「an」、及び「the」という単数形は、本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、文脈が明示的に別様に示さない限り、複数の指示対象を含む。同様に、「別の」という形容詞は、要素を導入するために使用される場合、1つ以上の要素を意味することが意図される。「備える(comprising)」、「含む(including)」、「有する(having)」という用語、及び類似の用語は、列挙された要素以外の追加の要素が存在し得るように、包括的であることが意図される。 As used in this specification and the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" refer to plural referents unless the context clearly dictates otherwise. include. Similarly, the adjective "another" when used to introduce an element is intended to mean one or more elements. The terms “comprising,” “including,” “having,” and similar terms are inclusive so that there may be additional elements other than those listed. is intended.
更に、上で説明される方法又は以下の方法クレームが、そのステップが従う順序を明示的に必要としない場合、又は場合によっては、説明又はクレーム文言に基づいて順序が必要とされない場合、任意の特定の順序を推論することは意図されない。同様に、以下の方法クレームが、上の説明において言及されたステップを明示的に列挙していない場合、そのステップをクレームが必要とすると仮定すべきではない。 Additionally, if the method described above or the method claim below does not explicitly require an order in which its steps follow, or in some cases, no order is required based on the description or claim language, any No particular order is intended to be inferred. Similarly, if a method claim below does not explicitly recite a step mentioned in the above description, it should not be assumed that the claim requires that step.
Claims (20)
(i)電池セルの熱暴走状態を検出し、リアルタイムで感知された出力を提供するための少なくとも1つの一次ガスセンサと、
(ii)前記少なくとも1つの一次ガスセンサからの前記感知された出力に基づいて、特定の電池熱暴走ガスの濃度に関する電力管理及び信号調節済み出力を判定し、リアルタイムで感知された出力を提供するマイクロコントローラと、を備える、電池熱暴走検出センサシステム。 A battery thermal runaway detection sensor system for use within a battery enclosure containing one or more batteries, the sensor system comprising:
(i) at least one primary gas sensor for detecting a thermal runaway condition of a battery cell and providing a real-time sensed output;
(ii) determining a power management and signal conditioned output for a particular battery thermal runaway gas concentration based on the sensed output from the at least one primary gas sensor and providing the sensed output in real time; A battery thermal runaway detection sensor system, comprising: a controller;
(i)約10,000ppm超の二酸化炭素レベル、
(ii)約40,000ppm超の水素レベル、
(iii)爆発下限を上回る二酸化炭素濃度、
(iv)その爆発下限を上回る水素レベル、及び
(v)これらのいずれかの組み合わせから選択される、請求項12に記載の検出システム。 The threshold level for thermal runaway is
(i) a carbon dioxide level greater than about 10,000 ppm;
(ii) a hydrogen level greater than about 40,000 ppm;
(iii) carbon dioxide concentration above the lower explosive limit;
13. The detection system of claim 12, wherein the detection system is selected from (iv) a hydrogen level above its lower explosive limit; and (v) any combination thereof.
(i)前記電池筐体内に請求項1~18のいずれか一項に記載の検出システムを提供することと、
(ii)前記電池から排出される1つ以上のガスを測定及び/又は分析することと、
(iii)前記分析されたガスレベルが、前記電池の熱暴走を示す所定の閾値レベル以上であるかどうかを判定することと、を含む、方法。 A method for detecting a thermal runaway state of a battery in a battery housing, the method comprising:
(i) providing a detection system according to any one of claims 1 to 18 within the battery housing;
(ii) measuring and/or analyzing one or more gases exhausted from the battery;
(iii) determining whether the analyzed gas level is at or above a predetermined threshold level indicative of thermal runaway of the battery.
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US17/021,711 | 2020-09-15 | ||
US17/021,711 US11588192B2 (en) | 2020-09-15 | 2020-09-15 | Thermal runaway detection system for batteries within enclosures |
US202163202962P | 2021-07-01 | 2021-07-01 | |
US63/202,962 | 2021-07-01 | ||
PCT/US2021/050471 WO2022060845A1 (en) | 2020-09-15 | 2021-09-15 | Thermal runaway detection systems for batteries within enclosures and methods of use thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023545632A true JP2023545632A (en) | 2023-10-31 |
Family
ID=80776378
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023517781A Pending JP2023545632A (en) | 2020-09-15 | 2021-09-15 | Thermal runaway detection system for batteries inside the housing and how to use it |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP4214789A1 (en) |
JP (1) | JP2023545632A (en) |
KR (1) | KR20230108259A (en) |
CA (1) | CA3195366A1 (en) |
WO (1) | WO2022060845A1 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20230349978A1 (en) * | 2022-04-27 | 2023-11-02 | Analog Devices International Unlimited Company | Tiered gas monitoring for battery failures |
CN115228013B (en) * | 2022-06-23 | 2023-11-21 | 安徽中科中涣智能装备股份有限公司 | Multi-phase fire disaster treatment system in energy storage shelter |
CN114965655A (en) * | 2022-06-27 | 2022-08-30 | 北京理工大学 | Lithium ion battery thermal runaway fault diagnosis system based on gas signal |
CN116799338A (en) * | 2023-08-22 | 2023-09-22 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | Battery, power utilization device and gas concentration detection method |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9083064B2 (en) * | 2012-03-29 | 2015-07-14 | Tesla Motors, Inc. | Battery pack pressure monitoring system for thermal event detection |
EP2994785A4 (en) * | 2013-05-08 | 2016-12-14 | Univ Colorado State Res Found | Hydrocarbon sensing methods and apparatus |
US9553465B2 (en) * | 2014-04-21 | 2017-01-24 | Palo Alto Research Center Incorporated | Battery management based on internal optical sensing |
US20190319316A1 (en) * | 2018-04-11 | 2019-10-17 | Astronics Advanced Electronic Systems Corp. | Method and System for Detecting Volatile Organic Compounds within a Battery Assembly |
-
2021
- 2021-09-15 KR KR1020237012745A patent/KR20230108259A/en unknown
- 2021-09-15 EP EP21870138.1A patent/EP4214789A1/en active Pending
- 2021-09-15 WO PCT/US2021/050471 patent/WO2022060845A1/en active Application Filing
- 2021-09-15 CA CA3195366A patent/CA3195366A1/en active Pending
- 2021-09-15 JP JP2023517781A patent/JP2023545632A/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2022060845A1 (en) | 2022-03-24 |
CA3195366A1 (en) | 2022-03-24 |
KR20230108259A (en) | 2023-07-18 |
EP4214789A1 (en) | 2023-07-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11588192B2 (en) | Thermal runaway detection system for batteries within enclosures | |
US20220085436A1 (en) | Thermal runaway detection systems for batteries within enclosures and methods of use thereof | |
JP2023545632A (en) | Thermal runaway detection system for batteries inside the housing and how to use it | |
Cai et al. | Detection of Li-ion battery failure and venting with Carbon Dioxide sensors | |
US12040503B2 (en) | Battery module gas sensor for battery cell monitoring | |
US9083064B2 (en) | Battery pack pressure monitoring system for thermal event detection | |
WO2018006102A2 (en) | Systems and methods for monitoring for a gas analyte | |
US11626626B2 (en) | Lithium-ion battery impending failure detection | |
CN111272344A (en) | Battery leakage detector and detection method thereof | |
JP2023506657A (en) | Thermal runaway detection method and battery management system | |
Cai et al. | Modeling li-ion battery first venting events before thermal runaway | |
CN115931239A (en) | Battery, leakage detection method and device thereof, battery management system and electronic equipment | |
CN116569438A (en) | Thermal runaway detection system for battery within enclosure and method of using same | |
CN117198008A (en) | Battery thermal runaway early warning method and device thereof | |
US11688895B1 (en) | Battery safety system for detecting analytes | |
KR102684679B1 (en) | Battery system sensing battery cell damaged and evaluating method for battery module | |
CN108956718B (en) | Combustible gas detection device, power supply device and electric automobile | |
US20240175855A1 (en) | Early fire detection system for an ess battery module | |
US20240266668A1 (en) | Battery cell encapsulation enabling early detection of battery thermal runaway | |
US20240195010A1 (en) | System and method for detecting thermal runaway using acoustic and gas sensors | |
US20230327223A1 (en) | Battery safety system for detecting analytes | |
EP4386877A1 (en) | Battery pack, electrical apparatus, battery pack detection method, and computer storage medium | |
CN118226291A (en) | Method, device, equipment and storage medium for detecting thermal runaway of lithium battery | |
CN117074477A (en) | Distributed lithium battery safety early warning system and method based on gas detection | |
CN114768144A (en) | Energy storage system and fire control method and device thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230512 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20240510 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20240624 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20240924 |