KR20210092734A - 냉각제 분산에 의한 배터리 열 관리 - Google Patents

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KR20210092734A
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일렉트릭 파워 시스템즈, 아이엔씨.
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Abstract

전기화학 배터리 배터리 시스템 및 관련 작동 방법은 하나 이상의 셀이 안전하지 않은 열 상태에 도달되어야 하는 밀봉된 인클로저 내에 배치된 하나 이상의 배터리에 직접 분배되고 그와 밀접하게 접촉하는 전기 비전도성 하이드로플루오로에테르의 공급을 포함하는 열 억제 구조의 통합을 기반으로 제공된다. 하나 이상의 셀에서 생성된 과도한 열은 유체를 끓여서 하나 이상의 셀에서 열을 제거하고 밸브를 통해 밀봉된 인클로저 외부로 통기하는 증기를 생성한다.

Description

냉각제 분산에 의한 배터리 열 관리
본 출원은 "냉각제 분산에 의한 배터리 열 관리"라는 명칭의 2018년 10월 15일자에 출원된 미국 가특허 출원 제62/745,737호를 우선권 주장하며, 이의 개시는 본원에 참조로 인용된다.
본 출원은 일반적으로 배터리에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 복수의 전기화학 또는 정전기 셀로 구성된 이차 배터리에 관한 것이다.
배경 기술에서 논의된 요지는 단지 배경 기술에서의 언급의 결과로서 종래 기술로 가정되어서는 안된다. 유사하게, 배경 기술에서 언급되거나 배경 기술의 요지와 관련된 문제는 종래 기술에서 이전에 인식된 것으로 가정해서는 안된다. 배경 기술의 요지는 그 자체로 발명이 될 수 있는 다른 접근방법을 나타낸다.
이차 배터리는 하나 이상의 전기 화학 또는 정전기 샐(이하 총칭하여 "셀"이라고 함)로 구성된 장치로, 전기적으로 충전되어 전력을 위한 정전기 전위를 제공하거나 필요할 때 전기를 방출할 수 있다. 셀은 기본적으로 하나 이상의 양극과 하나 이상의 음극으로 구성된다. 이러한 셀의 일반적인 형태 중 하나는 원통형 금속 캔 또는 프리즘 케이스에 패키징된 잘 알려진 이차 셀이다. 이러한 이차 셀에 사용되는 화학물의 예는 리튬 코발트 산화물, 리튬 망간, 리튬 철 인산염, 니켈 카드뮴, 니켈 아연 및 니켈 금속 수소화물이다. 다른 유형의 셀에는 전해, 탄탈, 세라믹, 자기 형태로 제공될 수 있는 커패시터가 포함되며 슈퍼 및 울트라 커패시터 제품군이 포함된다.
이러한 셀은 휴대용 전자 제품을 위한 저비용 재충전 가능 에너지를 요구하는 끊임없이 증가하는 소비자 시장에 의해 대량 생산된다. 에너지 밀도는 일반적으로 킬로그램 당 와트시(Wh/kg)로 측정되는 셀의 질량에 대한 셀의 총 가용 에너지 측정 값이다. 전력 밀도는 일반적으로 킬로그램 당 와트(W/kg)로 측정되는 셀 질량에 대한 셀의 전력 전달을 측정값이다. 에너지 밀도와 비용은 모두 마시 로워(Marcy Lowe), 사오리 토쿠오카(Saori Tokuoka), 타리 트리그(Tali Trigg) 및 가리 게레피(Gary Gereffi)가 편집한 "하이브리드 및 모든 전기 자동차용 리튬 이온 배터리: 미국 배류 체인"에 기재된 견인 배터리의 가치에 대한 중요한 지표이며, 상기 교시는 본원에 참고로 포함된다.
원하는 작동 전압 레벨을 얻기 위해, 셀은 일반적으로 배터리라고 불리는 셀의 배터리를 형성하기 위해 직렬로 전기적으로 연결된다. 원하는 전류 레벨을 얻기 위해 셀은 전기적으로 병렬로 연결된다. 셀이 배터리로 조립될 때, 셀은 종종 금속 스트립, 스트랩, 와이어, 버스 바 등을 통해 서로 전기적으로 연결되며, 이는 용접, 납땜 또는 각 셀에 고정되어 원하는 구성으로 함께 결합된다.
이차 배터리는 종종 전기 차량을 추진하기 위해 견인 모터를 구동하는 데 사용된다. 이러한 차량은 전기 자전거, 오토바이, 자동차, 버스, 트럭, 기차 등이 포함된다. 이러한 견인 배터리는 일반적으로 수백 또는 수천 개 이상의 개별 셀이 내부적으로 연결되어 케이스에 설치되어 조립된 배터리를 형성한다.
이러한 셀의 고장 모드는 열 폭주라고도 하는 발열 이벤트가 포함된다. 이 특징은 온보드 항공기, 차량 또는 의료 응용과 같은 특정 응용에서 이러한 셀을 매우 위험하게 만든다. 열 폭주의 일반적인 원인에는 과충전, 외부 단락 또는 내부 단락이 포함된다. 퓨즈 및 과전압 차단 장치를 사용하여 과충전 및 외부 단락을 방지할 수 있다. 그러나 이러한 장치는 셀 내부의 실질적으로 큰 양극-음극 인터페이스에서 단락을 방지할 수 있는 실용적인 방법이 없기 때문에 내부 단락을 방지하는 데 효과적이지 않다. 포지티브 열 계수 장치는 편의성과 보안 향상을 위해 때때로 셀 내부에 설치되지만, 포지티브 열 계수 장치는 회로 외부에 있기 때문에 양극에서 음극으로의 내부 단락을 방지할 수 없다. 회로 차단 장치는 기계식이든 전자식이든 과충전으로부터 보호될 수 있지만 양극-음극 회로 외부에 있기 때문에 내부 단락으로부터 보호하기 위해 아무것도 할 수 없다.
열 이벤트는 각각에 포함된 많은 개수의 셀을 고려할 때 앞서 언급한 견인 배터리에 상당한 위협을 가한다. 열 이벤트의 가능성은 배터리 내의 다른 셀에 열 이벤트 캐스케이드 가능성이 있는 것처럼 셀 수에 따라 증가하여 이벤트의 전체적인 영향 가능성이 증가한다. 따라서 일부 형태의 열 폭주 완화는 배터리의 전반적인 안전에 도움이 된다.
전기 비전도성 하이드로플루오로 에테르 유체에 셀이 침지되는 신규한 해결방법은 공개 번호 US 2009/0176148 A1에 교시된 바와 같이 유지 보수가 필요하거나 고장이 발생하기 쉬운 펌프 또는 다른 복합 장치 없이 열 폭주를 완화하는 것으로 나타났다. 이 특허 출원은 열 전달 유체로 채워진 용기에 배터리를 침지하고 열 전달 유체로 적어도 부분적으로 채워진 열교환기를 포함하는 것을 개시한다. 유체는 액체 또는 기체이며, 바람직하게는 낮은 끓는 온도, 예를 들어 80 °C 미만 또는 50 °C 미만을 갖는 하이드로플루오로에테르(HFE)와 같은 열전달 유체이다. 이 유체의 기화는 침지된 배터리에서 열 제거에 기여한다.
HFE는 예를 들어 상표명 노벡 엔지니어드 플루이드(NOVEC Engineered Fluids)(미국 미네소타 세인트 폴 소재의 3M Company에서 입수 가능) 또는 베르트렐 스페셜티 플루이드(VERTREL Specialty Fluids)(미국 델라웨어 윌밍턴 소재의 DuPont에서 입수가능)로 입수 가능하다. 전술한 특허 내의 실시예들에 특히 유용한 HFE는 3M으로부터 입수가능한 NOVEC 7100, NOVEC 7200, NOVEC 71 IPA, NOVEC 71DE, NOVEC 71DA, NOVEC 72DE, 및 NOVEC 72DA를 포함한다. 상기 언급된 특허 출원에서 설명된 바와 같이, 상기 유체 내에 침지된 셀은 유체의 기화로 인해 열 폭주로 들어 가지 않는다. 유체에 셀을 침지하는 것은 셀 발화점보다 훨씬 낮은 온도에서 열 제거에 효과적이다. 이는 일반적으로 이러한 이벤트를 유발하는 것으로 알려진 표준 관행을 사용하여 반복된 단락 시도에도 불구하고 사실임이 입증되었다.
배터리의 안전성을 향상시키기 위한 이 방식의 단점은 전달 유체로서 가스 및/또는 액체에 의존한다는 것이다. 특히 HFE는 매우 미끄러운 물질이며, 배터리 팩 케이스 내의 가스 또는 액체는 충격이나 직접 침투와 같이 케이스에 형성된 개구에서 빠져나가기 쉽다. 임의의 경우에는 시간이 지남에 따라 케이스를 통한 재료 손실을 완화하기 위해 리저버 추가할 수 있다. 리저버는 시간이 지남에 따라 빠져 나가는 냉각수를 백업한다. 또한 필요할 때 배터리에 추가 냉각수를 제공하는 추가 이점이 있다.
이 두 가지 방법의 한 가지 단점은 대규모 견인 배터리에서 이러한 해결방법을 구현하는 데 필요한 재료의 질량이다. 전체 배터리가 냉각수로 가득 차 있고 설명된 냉각수 풀에 더 많은 냉각수 질량이 있기 때문에 이러한 설계를 충족하는 데 필요한 유체의 양은 상당하다. HFE는 매우 무겁고 일반적으로 물의 질량 밀도의 두 배이다. 이는 배터리가 일반적으로 차량 전체 질량의 많은 부분을 이미 구성하고 있기 때문에 견인 배터리에 매우 불리하다. 전술된 바와 같이 중량 측정 에너지 밀도는 견인 배터리의 값에 대한 중요한 측정 기준이다.
너무 많은 재료 사용의 또 다른 단점은 비용이다. 일반적으로 HFE는 약 US $ 60/kg이다. US 2009/0176148은 비교 예에서 사용된 유체의 양을 구체적으로 밝히지 않았지만, 셀가 침지되었다고 명시하고 있다. 셀의 침지는 셀 부피의 최소 20 %로 가정된다. 실험에 사용된 A123 셀의 밀도는 1.7kg/l이고 HFE의 밀도는 2kg/l이다. 이 평가에 따르면, A123 셀로 구성된 에너지로 100kWh의 대형 견인 배터리를 플러딩하면 질량이 951kg이고 냉각수가 223kg이 필요하다. 이는 셀 단독에 비해 23 %의 질량 오버헤드이다. 냉각수는 2018년 가격으로 US $13,425이며, US $30,000의 셀 비용과 비교할 때 셀만 사용하는 경우에 비해 44%의 비용 오버 헤드가 발생한다. 위에서 언급했듯이 전체 비용은 견인 배터리의 값에 대한 중요한 지표이다.
다음은 본 교시의 하나 이상의 실시예의 일부 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 단순화된 요약을 제시한다. 이 요약은 광범위한 개요가 아니며, 본 교시의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 개시 내용의 범위를 설명하기 위한 것도 아니다. 오히려, 이의 주된 목적은 단지 나중에 제시되는 상세한 설명에 대한 단순화된 형태로 하나 이상의 개념을 제시하는 것이다.
본 교시의 실시예에서, 배터리 시스템은 하나 이상의 격리된 내부 공동을 갖는 밀봉된 하우징을 포함할 수 있다. 하나 이상의 배터리 셀이 각각의 분리된 내부 공동 내에 배치된다. 연속적인 내부 도관은 하나 이상의 격리된 내부 공동으로 공급되는 밀봉된 하우징 전체에 걸쳐 있으며 동시에 비전도성 하이드로플루오로에테르(HFE) 유체를 포함하는 가압된 리저버에 연결된다. 하나 이상의 격리된 내부 공동 각각은 하나 이상의 배터리 셀에 열적으로 근접한 하나 이상의 열 민감 액추에이터를 포함한다. 하나 이상의 격리된 내부 공동 각각은 하나 이상의 배출 벤트를 포함한다. 격리된 내부 공동 중 하나 내의 하나 이상의 셀 중 어느 하나가 충분히 가열되면 적어도 하나의 열 민감 액추에이터가 개방되게 하여 연속 내부 도관 및 가압된 리저버 내에 포함된 비전도성 HFE 유체를 방출하여 격리된 내부 공동 내의 셀 주변에 액체가 범람한다. HFE는 상 변화, 기화에 의해 하나 이상의 배터리 셀을 냉각시켜 압력을 증가시켜 적어도 하나의 배출 벤트를 통해 환기를 강제하고 열 이벤트를 방출 및 억제한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조립된 배터리의 상면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열 폭주 이벤트를 방지하기 위한 방법을 도시하는 도면.
다음의 설명은 단지 다양한 예시적인 실시예들에 대한 것이며, 임의의 방식으로 본 개시의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하려는 의도가 아니다. 오히려, 이하의 설명은 최상의 모드를 포함하는 다양한 실시예를 구현하기 위한 선호되는 예시를 제공하기 위한 것이다. 명백한 바와 같이, 첨부된 청구 범위의 범위를 벗어나지 않고 이들 실시예에서 설명된 요소의 기능 및 배열에 다양한 변경이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 임의의 방법 또는 공정 설명에 언급된 단계는 임의의 순서로 실행될 수 있으며 제시된 순서로 반드시 제한되지는 않는다. 더욱이, 많은 제조 기능 또는 단계는 하나 이상의 제3 자에 의해 아웃소싱되거나 또는 수행될 수 있다. 더욱이, 단수에 대한 언급은 복수의 실시예를 포함하고, 하나 이상의 구성 요소 또는 단계에 대한 언급은 단일 실시예 또는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 부착, 고정, 연결 등에 대한 언급은 영구, 제거가능, 임시, 부분, 전체 및/또는 임의의 가능한 다른 부착 옵션을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "결합된", "커플링"또는 이들의 임의의 다른 변형은 물리적 연결, 전기 연결, 자기 연결, 광학 연결, 통신 연결, 기능 연결 및/또는 또는 다른 연결을 포함한다.
간결함을 위해, 기계적 시스템 구성, 관리, 작동, 측정, 최적화 및/또는 제어를 위한 기존 기술과 기계적 전력 전송, 변조, 제어 및/또는 사용을 위한 기존 기술은 설명되지 않을 수 있다. 여기에 포함된 다양한 도면에 도시된 연결 라인은 다양한 요소 간의 예시적인 기능적 관계 및/또는 물리적 결합을 나타내기 위한 것이다. 모듈식 구조에는 많은 대체 또는 추가 기능적 관계 또는 물리적 연결이 존재할 수 있다.
전술한 내용으로부터, 본 개시 내용의 하나의 중요하고 주요한 목적은 전기 화학 셀 또는 셀 그룹의 열 폭주(thermal runaway)를 방지하기 위한 신규한 방법을 제공하는 데 있다. 본 개시 내용은 셀 온도에 기초한 자동 응답 메커니즘을 갖는 이점을 가지며 종래 기술에 비해 감소된 질량 및 재정적 영향을 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제안된 배터리 해결방법은 액체 또는 가스가 하나의 공동에서 다른 공동으로 이동할 수 없도록 서로 격리된 하나 이상의 내부 공동(3)을 수용할 수 있는 밀봉된 인클로저(1)를 포함한다. 인클로저는 셀에 대한 기계적 지지를 제공할 수 있고 완전히 밀봉할 수 있는 다양한 재료로 제조될 수 있다. ABS(아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌)를 포함한 다양한 플라스틱과 알루미늄 및 스틸을 포함한 금속은 밀봉된 인클로저(1)에 적합한 재료이다.
밀봉된 인클로저(1)는 또한 그 구조 전체에 걸쳐 연속적인 내부 도관(2)을 갖는다. 도관은 하나 이상의 내부 공동(3) 각각으로 유도된다. 도관은 적어도 하나의 분배 포트(10)를 통해 하나 이상의 내부 공동(3) 각각에 연결된다. 도관은 그 내부로 밀어 넣어진 유체(8)가 비상 상태 동안 적어도 하나의 분배 포트(10)를 통해 모든 공동으로 통과한다. 배터리 셀(11)의 온도가 작동 온도를 초과할 때 비상 상황이 발생하여 열 폭주 이벤트가 발생할 가능성이 있음을 나타낸다. 적어도 하나의 분배 포트(10)는 충분한 열 전달 유체(8)가 공동의 크기에 대해 통과할 수 있도록 크기가 결정된다. 적어도 하나의 분배 포트(10)는 정상 작동 동안 열 민감 밸브(5)에 의한 유체(8)의 통과를 방지하기 위해 밀봉된다.
하나의 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 열 민감 밸브(5)는 원하는 온도에서 용융되는 금속으로 제조된 단순한 플러그일 수 있다. 적합한 금속은 납, 비스무트 및 주석의 합금을 포함하고 일반적으로 Wood 's Metal, Rose Metal 및 Lipowitz 's Alloy와 같은 이름으로 알려진 용융점이 낮은 공융 또는 용해성 합금을 포함한다. 이러한 금속은 화재 스프링클러 밸브에 사용되어 열에 의해 트리거링될 때까지 가압된 물이 파이프에서 배출되는 것을 방지하며, 이때 합금은 밀봉 플러그를 분리하기에 충분히 연화된다. 하나 이상의 열 민감 밸브(5)는 대안적으로 화재 스프링클러 밸브에 사용되는 열 민감 유리 벌브를 포함할 수 있다. 합금과 마찬가지로 유리 벌브는 가열되면서 열팽창의 결과로 파손되도록 설계되어 냉각수를 제한하는 밀봉부를 개방한다. 더욱이, 지정된 수준 초과로 상승하는 열에 반응하여 유체 흐름으로 개방되는 다른 열 민감 밸브(5) 구조가 사용될 수 있다.
하나 이상의 열 민감 밸브(5)의 크기, 위치 및 개수는 내부 공동(3)의 특정 기하학적 형상에 의해 구동되고 내부 공동의 상부, 하부 또는 측면 또는 이들의 임의의 조합에 위치할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 민감 밸브(5)의 용융을 트리거링할 수 있는 셀의 온도는 70 ℃를 초과하는 셀, 또는 다른 실시예에서 90 ℃를 초과하는 셀일 것이다. 열 민감 밸브(5)의 용융을 트리거링할 수 있는 열 민감 밸브(5)의 온도는 65 ℃를 초과하거나 또는 다른 실시예에서 85 ℃를 초과할 수 있다. 트리거링 조건은 사용되는 셀의 유형에 따라 변화하고 설계 요구 및 필요한 안전 수준에 따라 다양한 온도 범위일 수 있다.
낮은 끓는 온도, 예를 들어 80 ° C 미만 또는 70 ° C 미만의 하이드로플루오로에테르(HFE)와 같은 열 전달 유체(8)는 연속 도관 내에서 분배될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 열 전달 유체(8)는 비상 상태 동안 배출됨으로써 밀봉된 인클로저(1)로부터 외부적으로 공급될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 냉각제는 배터리 셀(11)의 높은 작동 범위를 향하는 온도에서 끓기 시작하도록 구성된다. 열 전달 유체(8)의 재료 등급의 예는 전자 부품을 세척하기 위해 상업적으로 사용되는 고 불소 화합물이다. 적합한 냉각제의 상업적 예로는 상품명 HFE-7100, HFE-7200 등으로 판매되는 3M Novec® Engineered Fluids 제품을 포함한다. HFE-7100의 끓는 점은 61 °C이며, 최고 작동 온도 범위가 65 °C인 많은 상업용 전기화학 셀과 고도로 호환된다.
하나 이상의 리저버(6)는 하나 이상의 접근 포트(9)를 통해 도관에 연결될 수 있다. 이들 하나 이상의 리저버(6)는 연속적인 도관 내에 분산된 냉각제를 보충하기 위해 추가적인 열 전달 유체(8)를 포함할 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 리저버(6)는 열 전달 유체(8)의 주요 공급원을 포함할 수 있고, 리저버(들)는 비상 조건 동안 연속 도관으로 열 전달 유체(8)를 배출할 수 있다. 하나 이상의 리저버(6)는 또한 도관을 통한 열 전달 유체(8)의 흐름을 향상시키기 위해 추가적인 가압을 제공할 수 있다. 이러한 가압 리저버(6)의 예는 스프링 장착 피스톤 실린더(7), 탄성 팽창 블래더, 또는 단순히 중력 공급이다.
하나 이상의 내부 공동(3)은 하나 이상의 통기 포트(4)를 포함한다. 통기 포트(4)는 공정 또는 용해성 합금의 디스크 또는 플레이트 또는 압력 감지 버스트 디스크 또는 유사한 구조물을 포함할 수 있다. 하나 이상의 통기 포트(4)의 크기 및 위치는 내부 공동(3)의 특정 기하학적 형상에 의해 구동되고 내부 공동의 상부, 하부 또는 측면 또는 이들의 임의의 조합에 위치할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 벤트 포트(4)는 내부 공동(3)의 상부에 위치하여 증기가 비상 상태 동안 자연적으로 빠져 나갈 수 있도록 한다.
각각의 내부 공동(3) 내에는 하나 이상의 배터리 셀(11)이 배치된다. 도식적인 예에서, 10개의 파우치형 셀이 도시된다. 대안적으로, 배터리 셀(11)은 프리즘 유형 또는 원통형 유형의 구조일 수 있으며, 모두 본 개시 내용에 동일하게 적응한다. 배터리 셀(11)은 직렬 또는 병렬로 연결되거나 직렬 및 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 납땜 및/또는 용접에 의해, 그리고 당업자에게 잘 알려진 알루미늄 또는 구리 또는 유사한 금속의 버스 바 또는 배터리 스트랩으로 전기 연결이 이루어질 수 있다. 배터리 셀(11)에 대한 외부 연결은 예를 들어 전기 전도성 피드스루에 의해 내부 공동의 벽 중 하나를 통해 구성될 수 있다.
배터리 셀(11)은 열 민감 밸브(5)에 근접하도록 패키징된다. 이에 따라 열 폭주 이벤트 동안 생성된 열이 열 민감 밸브(5)를 개방하고 열 전달 유체(8)가 내부 공동(3)으로 흐르도록 허용할 수 있다. 예를 들어, 배터리 팩의 각 셀은 단일 셀이 열 민감 밸브(5)와 본질적으로 동일한 온도가 되도록 충분히 가까울 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 열 민감 밸브(5)는 내부 공동(3) 내에 최원위 셀에 대한 거리를 최소화하기 위하여 내부 공동(3) 주위의 다수의 위치에 위치될 수 있다.
본 개시 내용의 작동은 하나 이상의 배터리 셀(11)이 열 민감 밸브(5)의 작동 지점을 넘어서 가열될 때 트리거링된다. 이것이 발생하면, 도관 및 선택적인 리저버에 있는 가압된 열 전달 유체(8)가 배출되어 그 특정 내부 공동 내로 유입되고, 다른 내부 공동(3)은 영향을 받지 않는다. 열 전달 유체(8)가 공동으로 범람하는 결과는 열 전달 유체(8)의 상 변화 기화를 통해 배터리 셀(11)로부터 열을 제거하는 것이다. 압력 및/또는 열이 증가함에 따라, 벤트 포트가 개방되고 결과적인 가스가 열 전달 유체(8)의 기화로부터 야기된 가스를 배출한다.
하나 이상의 배터리 셀(11)의 표면은 열 전달 유체(8)의 기화 온도로 유지되고 배터리 셀이 점화 온도 지점에 도달할 수 없기 때문에 열 폭주가 방지된다. 열 전달 유체(8)는 전기 전도성이 아니고 불연성이며 인화점이 없다.
다양한 오일, 에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜 등과 같은 물 이외의 많은 열 전달 유체는 배터리 셀(11)의 열 폭주 온도보다 훨씬 낮은 인화점을 가지고 있기 때문에 이는 매우 중요한 양태이다. 이러한 재료는 배터리 셀(11)이 열 폭주 온도에 도달하면 냉각수의 격렬한 연소가 야기하고, 이에 따라 이벤트의 파괴력을 확대한다.
본 개시가 제공하는 이점은 필요한 냉각제의 양이 배터리 시스템의 일부에 불과하기 때문에 상당한 질량 감소이다. 이는 배터리 시스템의 모든 셀을 열 전달 유체로 범람하게 하는 것과는 뚜렷한 대조를 이루며, 이는 질량 오버헤드를 상당히 증가시키고 본 개시 물보다 더 큰 안전성을 제공하지 않는다. 신규한 방식은 하나 초과의 셀이 내부 단락으로 인해 큰 배터리에서 한 번에 잠재적인 열 이벤트가 발생할 가능성이 낮다는 이점을 갖는다. 현대 셀의 고장율은 0.1ppm 또는 10e-7이다. 이러한 확률은 하나의 셀이 많은 수의 배터리 셀(11)이 있는 배터리 시스템에서 오랜 시간 동안 열 이벤트를 겪을 수 있지만 동시에 열 이벤트를 겪는 2개의 셀에 대해 확률이 10e-14로 떨어짐을 나타낸다. 따라서 이러한 시스템에서 2개의 셀이 동시에 같은 운명을 겪는 것은 사실상 불가능하다. 본 개시는 특히 이벤트 위치를 겨냥한 매우 적은 양의 열 전달 유체(8)로 단일 셀 열 이벤트를 해소할 수 있는 능력을 갖기 때문에 상당한 개선인 최적화된 해결방법을 제공한다.
따라서, 예시적인 실시예에서, 배터리는 상 변화 기화 유체에 의해 보호되는 열 폭주 억제 시스템을 포함하고, 여기서 유체의 총량은 내부 공동 부피의 0.2-1 배이다. 다른 예시적인 실시예에서, 유체의 총량은 10 개 내지 수백 개의 공동을 갖는 시스템에 대한 내부 공동 부피의 1-2 배이다. 다른 예시적인 실시예에서, 유체의 총량은 10개 미만의 공동을 갖는 시스템에 대해 2-3 배이다.
본 발명의 또 다른 측면은 감소된 배터리 부피이다. 배터리 셀(11)의 분리는 열 전파를 완화하기 위한 일반적인 관행이다. 그러나 이러한 분리는 신뢰할 수 있고 더 큰 배터리를 생성하기 위해 사소한 것이 아니다. 본 발명은 또한 배터리 셀(11)의 분리가 매우 작을 수 있다는 점에서 배터리 부피 및 질량을 더욱 감소시킨다. 설명된 바와 같이 각 공동에 둘 이상의 셀을 배치하는 것도 가능하다. 단 하나의 셀만이 열 이벤트를 겪을 가능성이 있지만, 다른 셀은 공유 공동 전체에 분배되는 열 전달 유체(8)로 인해 최소한의 영향을 받는다.
따라서, 예시적인 실시예에서, 배터리는 상 변화 기화 유체에 의해 보호되는 열 폭주 억제 시스템을 포함하고, 여기서 배터리를 보호하는 열 전달 유체(8)의 추가 부피는 배터리의 내부 공동(3)의 총 부피의 1-10%이다. 보다 바람직하게는, 배터리 셀(11)을 보호하는 열 전달 유체(8)의 추가 부피는 배터리의 내부 공동(3)의 총 부피의 1 % 내지 5 %이다. 다른 예시적인 실시예에서, 배터리 셀(11)을 보호하는 열 전달 유체(8)의 추가 부피는 배터리의 내부 공동(3)의 총 부피의 3 % 내지 5 %이다.
따라서, 예시적인 실시예에서, 배터리는 상 변화 기화 유체에 의해 보호되는 열 폭주 억제 시스템을 포함하고, 여기서 배터리를 보호하는 열전달 유체(8)의 추가 질량은 열 전달 유체(8)를 보호하지 않는 경우 배터리 질량의 1-10 %이다. 더 바람직하게는, 배터리 셀(11)을 보호하는 열 전달 유체(8)의 추가 질량은 배터리 셀(11)을 보호하는 열 전달 유체(8)가 없는 경우 배터리의 질량의 1-5 %이다. 다른 예시적인 실시예에서, 배터리 셀(11)을 보호하는 열 전달 유체(8)의 추가 질량은 배터리 셀(11)을 보호하는 열 전달 유체(8)가 없는 경우 배터리 질량의 3 내지 5 %이다. 수백 개의 내부 공동(3)으로 구성된 대형 시스템 내에는 최대 질량 및 부피가 있다.
이제 도 2을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 열 폭주 이벤트를 방지하는 방법이 예시된다. 이 방법은 작동 점 초과로 셀을 가열하는 단계(단계 202)를 포함한다. 이는 본원에 기술된 바와 같이 셀이 열 폭주로 진입함에 따라 발생할 수 있다. 이 방법은 작동 점 위로 열을 생성하는 셀에 응답하여 열 민감 밸브를 용융시키는 단계(단계 204)를 추가로 포함한다. 상기 방법은 열 민감 밸브의 용융에 응답하여 분배 포트에서 밀봉을 파괴하는 단계를 추가로 포함한다(단계 206). 방법은 열 전달 유체를 공동으로 배출하여 셀을 냉각시키는 단계(단계 208)를 추가로 포함한다. 예시적인 실시예에서, 열 전달 유체는 열 민감 밸브에 결합된 도관에 배치될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 열 전달 유체는 도관 외부의 리저버에 배치될 수 있고 열 전달 유체는 열 민감 밸브의 용융에 응답하여 도관으로 배출될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 열 전달 유체는 도관을 통한 열 전달 유체의 흐름을 향상시키기 위해 가압될 수 있다. 방법은 배출 포트를 통해 열 전달 유체의 증기를 배출하는 단계(단계 210)를 추가로 포함할 수 있다.
여기서는 배터리 시스템이 개시된다. 배터리 시스템은 복수의 공동 및 공통 리저버를 포함할 수 있다. 복수의 공동 내의 각각의 공동은 복수의 셀을 포함할 수 있다. 복수의 공동 내의 각 공동은 열 민감 밸브와 유체 연통할 수 있다. 공통 리저버는 각각의 열 민감 밸브와 유체 연통하는 내부 도관을 통해 복수의 공동 내의 각각의 공동에 연결될 수 있다. 배터리 시스템은 기화 냉각에 의해 각각의 공동에 있는 복수의 셀의 셀 중 하나에서 열 폭주를 냉각하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 각각의 공동은 벤트를 더 포함할 수 있다. 공통 리저버는 수동 냉각 시스템을 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기서 리저버는 각각의 복수의 셀의 셀에서 열 폭주가 발생할 때 가압된다. 공통 리저버는 복수의 공동의 공동 중 하나 이하의 공동에서 열 폭주를 방지하기에 충분한 유체를 포함할 수 있다.
본 개시의 원리가 다양한 실시예에서 도시되었지만, 구조, 배열, 비율, 요소, 재료 및 구성 요소(특히 특정 환경 및 작동 요구 사항에 맞게 조정 됨)의 많은 수정이 본 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있다. 이들 및 다른 변경 또는 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도되고 다음의 청구 범위에 표현될 수 있다.
본 개시는 다양한 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 당업자는 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 인식한다. 따라서, 명세서는 제한적인 의미가 아닌 예시적인 의미로 간주되어야 하며, 이러한 모든 수정은 본 개시의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 게다가, 이점, 다른 이점 및 문제에 대한 해결방법이 다양한 실시예와 관련하여 위에서 설명되었다.
그러나 이점, 장점, 문제에 대한 해결방법 및 이점, 장점 또는 해결방법을 발생시키거나 더 두드러지게 만들 수 있는 요소(들)는 모든 요소의 중요, 필수 또는 필수 기능 또는 요소로 해석되어서는 안된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "포함하다", "포함하는" 또는 그 임의의 다른 변형은 비 배타적 포함을 포함하도록 의도되며, 따라서 요소 목록을 포함하는 공정, 방법, 용품 또는 장치는 다음의 요소만을 포함하지 않지만 이러한 공정, 방법, 용품 또는 장치에 대해 명시적으로 나열되지 않은 요소를 포함할 수 있다.
"A, B 또는 C 중 하나 이상"또는 "A, B 및 C 중 하나 이상"과 유사한 언어가 청구 범위 또는 명세서에서 사용되는 경우, 이 문구는 다음 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다: 1. A 중 적어도 하나; 2. B 중 적어도 하나; 3. C 중 적어도 하나; 4. A 중 적어도 하나 및 B 중 적어도 하나; 5. B 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나; 6. A 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나; 또는 7. A 중 적어도 하나, B 중 적어도 하나 및 C 중 적어도 하나.

Claims (15)

  1. 배터리 시스템으로서,
    밀봉된 인클로저,
    밀봉된 인클로저 내의 공동 - 공동은 복수의 셀을 포함함 - ,
    공동 내로 유도되는 내부 도관 - 내부 도관은 분배 포트를 가짐 - ,
    내부 도관과 공동 사이에 밀봉을 형성하는 열 민감 밸브를 포함하는 배터리 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 공동을 추가로 포함하고, 복수의 공동은 공동을 포함하는 배터리 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 복수의 분배 포트를 추가로 포함하고, 복수의 분배 포트는 분배 포트를 포함하고, 각각의 분배 포트는 내부 도관과 복수의 공동 내의 각각의 공동에 유체 결합되는 배터리 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 복수의 열 민감 밸브를 추가로 포함하고, 복수의 열 민감 밸브는 열 민감 밸브를 포함하고, 각각의 열 민감 밸브는 복수의 분배 포트 내의 각각의 분배 포트에 결합되는 배터리 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 내부 도관 내에서 분배되는 열 전달 유체를 추가로 포함하는 배터리 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 내부 도관에 결합된 접근 포트를 갖는 가압 리저버를 추가로 포함하고, 가압 리저버는 내부 도관을 통하여 복수의 공동과 유체 연통하는 배터리 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 가압 리너버는 열 폭주 이벤트 동안에 내부 도관을 통하여 열 전달 유체의 유동을 향상시키기 위해 열 전달 유체를 가압하도록 구성되는 배터리 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 열 전달 유체의 공급원을 추가로 포함하고, 상기 공급원 및 열 전달 유체는 비-열 폭주 작업 동안에 공동의 외부에 배열되는 배터리 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 열 전달 유체는 열 폭주를 겪는 셀을 포함하는 복수의 공동들 중 각각의 공동에만 제공되는 배터리 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 열 전달 유체는 복수의 공동의 총 부피의 1% 내지 10%의 유체 부피를 갖는 배터리 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 열 전달 유체는 열 전달 유체 없는 배터리 시스템의 질량의 1% 내지 10%의 유체 질량을 갖는 배터리 시스템.
  12. 열 폭주 이벤트를 방지하기 위한 방법으로서,
    셀에 근접한 열 민감 밸브의 작동 점 초과로 열을 생성하는 셀로 인해 열 민감 밸브를 용융시키는 단계 - 열 민감 밸브는 분배 포트에 결합 됨 - ,
    열 민감 밸브의 용융으로 인해 분배 포트에서 밀봉을 파열하는 단계, 및
    열 전달 유체를 공동으로 배출하여 셀을 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 열 전달 유체는 열 민감 밸브의 용융에 반응하여 리저버로부터 배출되는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 열 전달 유체를 배출하는 단계는 내부 도관을 통하여 열 전달 유체의 유동을 향상시키기 위하여 열 전달 유체를 가압하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 벤트 포트를 통하여 열 전달 유체의 증기를 배출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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