專利名稱：用于提高電池安全性的快速冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及能量存儲系統(tǒng)的領域，更具體地，涉及多單元電池系統(tǒng)。
背景技術：
當經(jīng)受過多熱或者機械應力時，高能量密度電池(諸如車輛用途的電池)在稱為 熱失控的危險放熱反應中可能無法控制地釋放其能量并且爆炸或者著火。如果以接近距離 使用幾塊電池(這對于使用電池驅(qū)動的車輛來說是很普通的)，一塊損壞電池所生成的熱 能量會傳遞至其他電池，導致這些鄰近電池經(jīng)歷相同的放熱反應，從而使連鎖危險反應蔓 延。

發(fā)明內(nèi)容
為了使人員傷亡和損傷最小化，將多種技術用在汽油動力車輛中以預先使用安全 措施。例如，在汽車中，加速計檢測在撞車以前的快速減速并且展開用于提高乘客安全性的 安全氣囊。然而，對于電動車輛，不存在什么機制在撞車以后減小電池機械損壞所導致的失 控放熱反應的機會。為了解決上述問題，本發(fā)明一方面提供了一種電池組，該電池組包括多個電池單 元；第一冷卻系統(tǒng)，在所述電池單元的常規(guī)充電和放電期間冷卻所述電池單元；以及第二 冷卻系統(tǒng)，響應于指示一個或者多個指示所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出的 信號，冷卻所述電池單元。另一方面，本發(fā)明提供了一種在具有多個電池單元的電池組內(nèi)的操作方法，所述 方法包括在所述電池單元的常規(guī)充電和放電期間使第一冷卻系統(tǒng)冷卻所述電池單元；以 及響應于對指示所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出，使第二冷卻系統(tǒng)冷卻所述 電池單元。又一方面，本發(fā)明還提供了一種裝置，該裝置包括電池單元；用于使第一冷卻系 統(tǒng)在所述電池單元的常規(guī)充電和放電期間冷卻所述電池單元的裝置；以及用于響應于對指 示所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出，使第二冷卻系統(tǒng)冷卻所述電池單元的裝置。綜上，本發(fā)明所提出的電池系統(tǒng)的快速冷卻系統(tǒng)減小損壞時單塊電池進入熱失控 狀態(tài)的機會，還降低熱失控狀態(tài)將蔓延至組內(nèi)鄰近電池的可能性。


在附圖的圖中以實例的方式(而非限制性的方式)示出了本發(fā)明，其中，相同的參考標記表示相似的元件，其中圖1示出了電池內(nèi)部的能量分布輪廓圖，示出了在已經(jīng)冷卻的材料和沒有冷卻的 相同材料之間的差異；圖2示出了快速冷卻電池系統(tǒng)的實施方式；圖3是示出為了實現(xiàn)快速冷卻操作，可以在圖2中所示的電池管理系統(tǒng)中采取的 判定和操作的示例性流程圖；以及圖4和圖5示出了電池系統(tǒng)和作為整體一部分的電池模塊的實施方式的頂視圖和 側(cè)視圖。
具體實施例方式本文所提出的電池系統(tǒng)結合了減小損壞時單塊電池進入熱失控狀態(tài)的機會、還降 低熱失控狀態(tài)將蔓延至組內(nèi)鄰近電池的可能性的特征。電池單元在受到機械損壞時出現(xiàn)的 熱失控反應是將電池單元中的成分轉(zhuǎn)換為更穩(wěn)定的產(chǎn)物的化學反應，在該過程中釋放熱。在該反應能夠發(fā)生以前，反應分子必須到達某能量閾值，或者激活能。如圖1所 示，提供了分子樣本，這些分子的能量分布不均勻。在任意指定溫度下，樣本中均存在具有 等于或者大于激活能的能量的一部分分子。這部分分子反映反應將發(fā)生的可能性，并且因 此反映反應的總速率。然而，該能量分布受到分子溫度的影響。如圖1中的“冷卻材料”和 “常規(guī)材料”能量輪廓圖所示，通過冷卻分子樣本，減少了等于或者大于激活能的這部分分 子樣本，所以也降低了反應發(fā)生的可能性，從而降低了反應的總速率。因此，在包括多塊電池單元的電池組的情況下，進行冷卻將減小任意熱失控反應 的速率，使得熱失控反應更緩慢地進行從而以更加可控的方式繼續(xù)。由于從損壞的電池 單元發(fā)出的熱能將首先被吸收以克服冷卻的影響，因此放熱反應也不太可能蔓延至鄰近電 池。因此只有剩余的能量可被用于將鄰近電池單元的能量提升至其熱失控激活能。因此，通 過在機械損傷以前冷卻所有的獨立電池單元，損壞的電池單元經(jīng)歷熱失控的時間變長，并 且不太可能導致鄰近電池單元經(jīng)歷熱失控。該反應減緩表現(xiàn)為以下事實冷卻的正常電池 由于因較低溫度所導致的較慢反應進程，從而以與較熱的電池相比更低的速率釋放電流。該電池系統(tǒng)包括熱和機械應力傳感器，當檢測到異常情況時，熱和機械應力傳感 器可以激活快速冷卻系統(tǒng)以迅速冷卻受到影響的電池，從而為例如為了維持電池的通常工 作溫度而存在的任意其他冷卻機制(例如風機、HVAC(采暖、通風與空調(diào))泵等)提供了應 急補充。圖2示出了這種快速冷卻電池系統(tǒng)200的實施方式的框圖。參照圖2，每個電池模塊203 (其可包括幾塊電池)具有一個或者多個熱傳感器和 煙傳感器013、215)以及冷卻劑罐和輸送系統(tǒng)211。盡管不是必需的，但期望在每個電池模 塊203中分別具有傳感器和冷卻系統(tǒng)，以當發(fā)生事故時使損壞最小化，因為被選擇的冷卻 劑罐/袋211可將冷卻劑僅輸送至受影響的電池模塊。即，冷卻劑釋放可為應急的、一次性 的事件，在其后，受影響的電池模塊在被重新用于電力傳輸目的之前可能需要更換或者維 修。整個電池系統(tǒng)具有一個或者多個沖擊/加速傳感器和傾斜/翻轉(zhuǎn)傳感器O07、209)以 確定車輛受到的撞擊是否會有可能損壞電池。如所示的，快速冷卻電池系統(tǒng)200包括電池 管理系統(tǒng)201 (例如，具有執(zhí)行存儲器存儲的程序代碼的處理器或者其他控制單元)，該電 池管理系統(tǒng)從電池組狀況傳感器207、209和電池模塊傳感器(例如，熱傳感器213、煙傳感器215等)接收輸入信號202，并且基于電池組和電池模塊的狀況將各個控制信號204輸出 至冷卻劑罐211，以根據(jù)檢測到的狀況或者條件觸發(fā)冷卻劑釋放。盡管沒有具體示出，但是 電池管理系統(tǒng)201可以執(zhí)行與單個的電池模塊和整個電池組有關的多種其他功能，包括確 定正在進行的充電狀態(tài)(state of charge, SOC)、在正常運行操作期間根據(jù)需要控制一個 或者多個連續(xù)使用的冷卻系統(tǒng)以維持常規(guī)電池模塊/組溫度等。在一實施方式中，電池管理系統(tǒng)(BMS) 201執(zhí)行圖3所示的流程圖以確定何時激活 特定電池模塊中的冷卻系統(tǒng)。在判定塊301、303、305、307處，檢查圖2中所示的每個傳感 器以確定事件是否已經(jīng)發(fā)生。BMS檢查傳感器的順序?qū)τ诒景l(fā)明的不同實施方式可以不同。 還可以省略某些傳感器并且添加其他不同的傳感器以改善可能導致熱失控狀態(tài)的情況的 預報的速度和/或精度。如果檢測到事件(即，在判定塊301、303、305、307的任何一個中 的肯定判定)，則在309處釋放冷卻劑，并且在311處記錄事件并傳達至車輛的主處理器。存在多種可用于冷卻受影響的電池的其他冷卻劑化學制品和分布方法。分別在圖 4和圖5中示出了電池系統(tǒng)400的頂視圖和側(cè)視圖的一實施方式使用硝酸銨和水，該硝酸銨 和水通過打開冷卻劑罐405中的閥407來混合。在電池支撐框401中的管421允許將冷卻 劑注入到電池410之間的空間423，以當傳感器(即，加速/沖擊傳感器411、熱傳感器413a 和煙傳感器41 (共同為413)等)檢測到指示諸如風機415、HVAC等的標準工作冷卻機制 不足以防止熱失控或者其他危險熱事故的事件時允許進行迅速冷卻。電源連接器409可以 包括一個或者多個接觸器(半導體裝置、繼電器或者其他開關元件)，可以由電池管理系統(tǒng) 403打開以使電池模塊420(或者全部這種模塊420)與負載分離。本發(fā)明的其他實施方式 可以使用以不同方式分布的諸如制冷冷卻劑或者液體形式的惰性氣體的其他化學制品。本文所述的電池組系統(tǒng)使用在該組內(nèi)的多個傳感器，以預報一個或多個電池是否 由于自然事故而可能進入危險的熱失控狀態(tài)。如果檢測到這種事故，則使用快速冷卻系統(tǒng) 以減少電池組內(nèi)的能量。當將該快速冷卻系統(tǒng)用于車輛應用時，這將減小撞車以后發(fā)生爆 炸和/或火災的可能性?？偨Y前述內(nèi)容，例如，在具有分布在多塊互相連接的電池模塊間的多個電池單元 的電池組中，設置了運行期間冷卻系統(tǒng)，以在電池單元的常規(guī)充電和放電期間冷卻(和/ 或加熱)電池單元(例如，給諸如電動車或者混合動力車內(nèi)的發(fā)動機等負載提供電力)，以 及應急冷卻系統(tǒng)，響應于指示一個或者多個指示電池單元或者電池模塊內(nèi)可能發(fā)生熱失控 的條件的檢出的信號來冷卻電池單元。運行期間冷卻系統(tǒng)可以包括風機、HVAC單元或者 其他流體泵浦裝置，以在電池組內(nèi)引起連續(xù)的冷卻劑流(例如，空氣或者其他氣體或者液 體冷卻劑的流動)。與之相比，應急冷卻系統(tǒng)包括機械接口，或者適于容納包含加壓冷卻劑 的容器或者其他快速冷卻裝置。這種容器可形成為電池組的一部分，或者為了在更大的系 統(tǒng)內(nèi)的安裝已經(jīng)設置了電池組以后(例如，在將要安裝電池組的電動車輛的裝配期間)將 這種容器安裝于電池組內(nèi)。如以上所討論的，可對每個電池模塊分別設置冷卻劑罐或者袋 (或者任意其他冷卻劑容器)，且其內(nèi)的冷卻劑可經(jīng)由內(nèi)置在電池模塊框中的冷卻劑傳導 管或者冷卻劑流管、或者其他冷卻劑傳導通道釋放入電池模塊中。應急冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻 劑容器可為一次性釋放裝置，從而在被使能以將冷卻劑釋放在電池組內(nèi)時，為了恢復應急 冷卻系統(tǒng)的完全可操作性，容器必須被更換或者通過電池組外部的源重新裝滿。而且，冷 卻劑的緊急釋放(即，來自應急冷卻系統(tǒng)的加壓罐或者其他冷卻容器)可使得電池組或者至少電池模塊或者其他一部分電池單元被冷卻劑充滿或者淹沒而不可用于能量傳輸目的。 例如，已經(jīng)經(jīng)受了由應急冷卻系統(tǒng)進行的快速冷卻的電池模塊可從負載電流通路被旁路 (bypass)或者斷開(discouple)，直到以后的維修或者更換(作為電池組修理的一部分) 為止。設置電池管理系統(tǒng)以發(fā)布(確認)指示一個或者多個指示可能發(fā)生熱失控的條件的 檢出的信號，并且還能夠在根據(jù)需要使第一冷卻系統(tǒng)能夠運行以維持電池組處于工作溫度 范圍內(nèi)(例如，根據(jù)需要，打開和關閉風機、HVAC單元等)?？梢詫鞲衅髟O置在電池組的 內(nèi)部和/或外部以檢測指示可能發(fā)生熱失控的條件，包括但不限于沖擊(例如，經(jīng)由加速計 或者其他沖擊檢測裝置)、翻轉(zhuǎn)、極端溫度、存在煙、蒸汽等。電池管理系統(tǒng)還可以包括諸如 控制器局域網(wǎng)(controller-area network, CAN)總線接口等的接口，用于將電池組的狀況 (包括對指示可能發(fā)生熱失控的條件進行檢測)傳達至車輛管理系統(tǒng)和/或直接傳達至車 輛或者電池組為其一部分的其他主機系統(tǒng)的操作者。 雖然已參照本發(fā)明的具體實施方式
描述了本發(fā)明，但在不脫離更寬的主旨和范圍 的情況下，顯然可對其進行各種修改和改變。例如，至少在可行的情況下，可以結合任何其 他實施方式或替換其對應特征或者方面來應用任何實施方式的特征或者方面。因此，應以 示例性的而非限制性的意義來看待說明書和附圖。
權利要求
1.一種電池組，包括多個電池單元；第一冷卻系統(tǒng)，在所述電池單元的常規(guī)充電和放電期間冷卻所述電池單元；以及第二冷卻系統(tǒng)，響應于指示一個或者多個指示所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件 的檢出的信號，冷卻所述電池單元。
2.根據(jù)權利要求1所述的電池組，其中，所述第一冷卻系統(tǒng)包括在所述電池組內(nèi)引起 連續(xù)的冷卻劑流的裝置，所述第二冷卻系統(tǒng)適于容納包含加壓冷卻劑的容器。
3.根據(jù)權利要求2所述的電池組，其中，所述第二冷卻系統(tǒng)包括所述包含加壓冷卻劑 的容器。
4.根據(jù)權利要求1所述的電池組，其中，所述第一冷卻系統(tǒng)包括流體泵浦裝置。
5.根據(jù)權利要求4所述的電池組，其中，所述流體泵浦裝置包括風機，其中，經(jīng)所述流 體泵浦裝置泵浦的流體包括空氣。
6.根據(jù)權利要求1所述的電池組，其中，所述多個電池單元包括設置在各個電池模塊 中的多個電池子集，其中，每個電池模塊包括框；其中，所述第二冷卻系統(tǒng)包括多個冷卻劑 容器，每個冷卻劑容器被設置為在各自一個所述電池模塊中釋放加壓冷卻劑。
7.根據(jù)權利要求6所述的電池組，其中，所述每個電池模塊包括具有冷卻劑流管的框， 以當從相應的冷卻劑容器釋放所述加壓冷卻劑時，將所述加壓冷卻劑分布為遍及所述電池 模塊。
8.根據(jù)權利要求1所述的電池組，進一步包括電池管理系統(tǒng)，根據(jù)需要使所述第一冷 卻系統(tǒng)運行，以將所述電池組維持在工作溫度范圍內(nèi)，以及發(fā)布指示一個或者多個指示所 述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出的信號。
9.根據(jù)權利要求8所述的電池組，進一步包括設置在所述電池組內(nèi)的一個或者多個傳 感器，以檢測一個或者多個指示可能發(fā)生熱失控的條件，并且當檢測到所述一個或者多個 條件時用信號通知所述電池管理系統(tǒng)。
10.根據(jù)權利要求8所述的電池組，其中，所述電池管理系統(tǒng)包括至車輛管理系統(tǒng)的接
11.根據(jù)權利要求10所述的電池組，其中，所述接口包括至控制器局域網(wǎng)總線的接口。
12.根據(jù)權利要求1所述的電池組，其中，所述第二冷卻系統(tǒng)包括冷卻劑釋放裝置，其 中，當使所述冷卻劑釋放裝置在所述電池組內(nèi)釋放冷卻劑時，所述冷卻劑釋放裝置使得至 少一個電池子集不可用于向負載釋放電流，直到所述電池組被維修為止。
13.根據(jù)權利要求1所述的電池組，其中，所述第二冷卻系統(tǒng)包括一次性冷卻劑釋放裝 置，其中，在使所述冷卻劑釋放裝置在所述電池組內(nèi)釋放冷卻劑后，所述冷卻劑釋放裝置需 要更換或者從所述電池組外部的源重新裝滿冷卻劑，以使所述第二冷卻系統(tǒng)恢復至完全可 操作狀態(tài)。
14.一種在具有多個電池單元的電池組內(nèi)的操作方法，所述方法包括在所述電池單元的常規(guī)充電和放電期間使第一冷卻系統(tǒng)冷卻所述電池單元；以及響應于指示所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出，使第二冷卻系統(tǒng)冷卻所述 電池單元。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中，所述在常規(guī)充電和放電期間使第一冷卻系統(tǒng)冷卻所述電池單元包括在第一時間間隔期間在所述電池組內(nèi)引起連續(xù)的冷卻劑流，其中， 使所述第二冷卻系統(tǒng)冷卻所述電池單元包括從加壓容器釋放冷卻劑。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，在所述電池組內(nèi)引起連續(xù)的冷卻劑流包括打 開風機。
17.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述從加壓容器釋放冷卻劑包括使得至少一 個電池子集不可用于向負載釋放電流，直到所述電池組被維修為止。
18.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中，所述從加壓容器釋放冷卻劑包括從一次性冷 卻劑釋放容器釋放冷卻劑，所述一次性冷卻劑釋放容器需要更換或者從所述電池組外部的 源重新裝滿冷卻劑，以使所述第二冷卻系統(tǒng)恢復完全可操作狀態(tài)。
19.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中，所述響應于對所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失 控的檢出而使第二冷卻系統(tǒng)冷卻所述電池單元包括多個冷卻劑輸送裝置中的每一個連接至各自的一個其內(nèi)具有電池子集的電池模塊以 輸送冷卻劑，使所述多個冷卻劑輸送裝置中的至少一個將冷卻劑輸送至所述各自的電池模 塊。
20.一種裝置，包括電池單元；用于使第一冷卻系統(tǒng)在所述電池單元的常規(guī)充電和放電期間冷卻所述電池單元的裝 置；以及用于響應于指示所述電池單元內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出、使第二冷卻系統(tǒng)冷卻 所述電池單元的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提高電池安全性的快速冷卻系統(tǒng)，具體地，提供了一種具有該系統(tǒng)的電池組。例如，在具有分布在多塊互相連接的電池模塊間的多個電池單元的電池組中，設置了運行期間冷卻系統(tǒng)，以在電池單元的常規(guī)充電和放電期間冷卻(和/或加熱)電池單元(例如，給諸如電動車或者混合動力車內(nèi)的發(fā)動機等負載提供電力)，以及應急冷卻系統(tǒng)，響應于指示一個或者多個指示電池單元或者電池模塊內(nèi)可能發(fā)生熱失控的條件的檢出的信號來冷卻電池單元。運行期間冷卻系統(tǒng)可以包括風機、HVAC單元或者其他流體泵浦裝置，以在電池組內(nèi)引起連續(xù)的冷卻劑流。與之相比，應急冷卻系統(tǒng)包括機械接口，或者適于容納包含加壓冷卻劑的容器或者其他快速冷卻裝置。
文檔編號B60K11/00GK102064364SQ20101054146
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權日2009年11月11日
發(fā)明者戴維.特斯 申請人:美商源捷有限公司