储能系统中用于减轻热失控的相变材料控制的通风口

技术领域

本公开涉及电池模块顶盖，该顶盖被配置为在电池模块中移除热和减轻热失控事件。

背景技术

电能储存或电池系统或阵列可以包括多个彼此相对紧密接近的电池单元。多个电池单元可以被组装成电池堆或模块，多个电池模块可以被组装成电池组。在大型电池组中，单个电池组也可以分成独立的电池子组，每个电池子组均包括电池模块的阵列。电池可大体分为一次电池和二次电池。

一次电池，也被称为一次性电池，旨在被使用到耗尽，此后它们被简单地用新电池替换。二次电池，更常被称为可充电电池，其采用允许此类电池反复充电和重复使用的特定化学组成，因此与一次性电池相比，提供了经济、环保和易于使用的优点。可充电电池可以被用于为如玩具、消费类电子产品和旋转电机等的多种物品提供动力，诸如用于机动车辆的电推进的电动马达-发电机或牵引马达。

可充电电池，诸如锂离子电池单元的特殊化学组成以及外部因素可以引起生成大量热能的内部反应速率。这种化学反应可以引起电池生成比有效地撤出的热更多的热。电池单元长期暴露于高温可以引起电池单元经历热失控事件。因此，在单个电池单元内开始的热失控事件可以导致热扩散到模块中的相邻电池单元，并引起热失控事件影响整个电池阵列。

发明内容

多电池单元可充电储能系统(RESS)包括被组织成电池模块的多个电池单元和被配置为装纳电池模块的第一外壳。所述RESS还包括布置在第一外壳上的第一通风口，该第一通风口被配置为将空气从第一外壳内部引导至第一外壳外部的环境。附加地，所述RESS包括布置在第一外壳上的第二通风口，该第二通风口配置为将空气从第一外壳外部的环境引导至第一外壳内。所述RESS还包括布置在第二通风口上的相变材料(PCM)装置，该装置被配置为响应于源自至少一个电池模块经历热失控事件的第一外壳内部的温度上升而熔化。以与第一通风口相结合的方式，所述PCM生成通过第一外壳的横流式通风以冷却其中的电池模块并减轻热失控。

所述RESS可以是固定的系统，附加地包括配置为装纳包括电池模块的第一外壳的第二外壳。

第二外壳可以包括挡板，该挡板被配置为准许气流从第二外壳外部的环境进入第二外壳内。

所述RESS系统可以是配置为向车辆动力源供应电能的移动系统。

所述RESS系统可以附加地包括风扇，该风扇被配置为通过第一通风口将由第一通风口引导的空气从第一外壳内部抽出(pull)，并且由此将空气排到第一外壳外部的环境。

所述RESS系统可以附加地包括电子控制器，其被配置为响应于第一外壳内部检测到的温度来调节风扇的操作。

所述PCM装置可以是不锈钢带，诸如带有丙烯酸粘合剂的304不锈钢箔。

所述PCM装置可以是热固性模塑部件，并且所述PCM装置的材料可以是聚合物复合材料。

所述PCM装置可以是热塑性注塑部件。在这样的实施例中，PCM装置的材料可以是用15％的玻璃纤维增强的聚酰胺6(PA6-GF 15)。

还考虑了具有动力源的机动车辆和上文公开的被配置为向动力源供应电能的移动式RESS。

本发明还包括以下技术方案：

1.一种多电池单元可充电储能系统(RESS)，包括：

多个电池单元，其组织成电池模块；

第一外壳，其被配置为装纳所述电池模块；

第一通风口，其布置在所述第一外壳上，并被配置成将空气从所述第一外壳的内部引导至所述第一外壳外部的环境；

第二通风口，其布置在所述第一外壳上，并被配置为将空气从所述第一外壳外部的环境引导至所述第一外壳内；以及

相变材料(PCM)装置，其布置在所述第二通风口上，并且被配置成响应于至少一个所述电池模块经历热失控事件而熔化，且由此，与所述第一通风口相结合，生成通过所述第一外壳的横流式通风以冷却其中的电池模块并减轻热失控。

2.根据方案1所述的多电池单元RESS，其中，所述RESS系统是固定的系统，其还包括第二外壳，所述第二外壳被配置为装纳包括所述电池模块的所述第一外壳。

3.根据方案2所述的多电池单元RESS，其中，所述第二外壳包括挡板，所述挡板被配置为准许气流从所述第二外壳外部的环境进入所述第二外壳内。

4.根据方案1所述的多电池单元RESS，还包括风扇，所述风扇被配置为通过所述第一通风口将由所述第一通风口引导的空气从所述第一外壳内部抽出，且由此将空气排到所述第一外壳外部的环境中。

5.根据方案4所述的多电池单元RESS，还包括电子控制器，其被配置为响应于所述第一外壳内部检测到的温度来调节所述风扇的操作。

6.根据方案1所述的多电池单元RESS，其中，所述PCM装置是不锈钢带。

7.根据方案1所述的多电池单元RESS，其中，所述PCM装置是热固性模塑部件，并且其中，所述PCM装置的材料是聚合物复合材料。

8.根据方案1所述的多电池单元RESS，其中，所述PCM装置是热塑性注塑部件，并且其中，所述PCM装置的材料是用15％的玻璃纤维增强的聚酰胺6(PA6-GF 15)。

9.一种机动车辆，包括：

动力源；以及

多电池单元可充电储能系统(RESS)，其被配置为向所述动力源供应电能，所述多电池单元RESS包括：

多个电池单元，其组织成电池模块；

第一外壳，其被配置成装纳所述电池模块；

第一通风口，其布置在所述第一外壳上，并被配置成将空气从所述第一外壳内部引导至所述第一外壳外部的环境；

第二通风口，其布置在所述第一外壳上，并被配置为将空气从所述第一外壳外部的环境引导至所述第一外壳内；以及

相变材料(PCM)装置，其布置在所述第二通风口上，并且被配置成响应于至少一个所述电池模块经历热失控事件而熔化，且由此，与所述第一通风口相结合，生成通过所述第一外壳的横流式通风以冷却其中的电池模块并减轻热失控。

10.根据方案9所述的机动车辆，其中，所述多电池单元RESS附加地包括风扇，所述风扇被配置为通过所述第一通风口将由所述第一通风口引导的空气从所述第一外壳内部抽出，且由此将空气排到所述第一外壳外部的环境中。

11.根据方案10所述的机动车辆，还包括电子控制器，其被配置为响应于所述第一外壳内部检测到的温度来调节所述风扇的操作。

12.根据方案9所述的机动车辆，其中，所述PCM装置是不锈钢带。

13.根据方案9所述的机动车辆，其中，所述PCM装置是热固性模塑部件，并且其中，所述PCM装置的材料是聚合物复合材料。

14.根据方案9所述的机动车辆，其中，所述PCM装置是热塑性注塑部件，并且其中，所述PCM装置的材料是用15％的玻璃纤维增强的聚酰胺6(PA6-GF15)。

15.一种固定式多电池单元可充电储能系统(RESS)，包括：

多个电池单元，其组织成电池模块；

第一外壳，其被配置为装纳所述电池模块；

第二外壳，其被配置为装纳包括所述电池模块的所述第一外壳；

挡板，其被配置为准许气流从所述第二外壳外部的环境进入所述第二外壳内；

第一通风口，其布置在所述第一外壳上，并被配置成将空气从所述第一外壳的内部引导至所述第一外壳外部的环境；

第二通风口，其布置在所述第一外壳上，并被配置为将空气从所述第一外壳外部的环境引导至所述第一外壳内；以及

相变材料(PCM)装置，其布置在所述第二通风口上，并且被配置成响应于至少一个所述电池模块经历热失控事件而熔化，并且由此，与所述第一通风口相结合，生成通过所述第一外壳的横流式通风以冷却其中的电池模块并减轻热失控。

16.根据方案15所述的固定式多电池单元RESS，还包括风扇，所述风扇被配置为通过所述第一通风口将由所述第一通风口引导的空气从所述第一外壳内部抽出，且由此将空气排到所述第一外壳外部的环境中。

17.根据方案16所述的固定式多电池单元RESS，还包括电子控制器，其被配置为响应于所述第一外壳内部检测到的温度来调节所述风扇的操作。

18.根据方案15所述的固定式多电池单元RESS，其中，所述PCM装置是不锈钢带。

19.根据方案15所述的固定式多电池单元RESS，其中，所述PCM装置是热固性模塑部件，并且其中所述PCM装置的材料是聚合物复合材料。

20.根据方案15所述的固定式多电池单元RESS，其中，所述PCM装置是热塑性注塑(工程塑料)部件，并且其中，所述PCM装置的材料是用15％的玻璃纤维增强的聚酰胺6(PA6-GF15)。

上述特征和优点，以及本公开的其他特征和优点，在与附图和所附权利要求结合考虑时，将从针对实施所描述的公开的(多个)实施例和(多个)最佳模式的以下详细描述中显而易见到。

附图说明

图1是机动车辆的实施例的示意性俯视图，该实施例采用多个动力源和包括多个电池单元的移动式多电池单元可充电储能系统(RESS)，所述多个电池单元排列在一个或多个模块中，被配置为生成和储存电能。

图2是图1中所示的移动式RESS的示意图，根据本发明，其具有第一系统外壳、第一通风口和第二通风口、布置在第二通风口上的相变材料(PCM)装置和风扇。

图3是固定式RESS的示意图，根据本公开，其具有第一系统外壳、第一通风口和第二通风口、布置在第二通风口上的PCM装置和风扇，如图2中所示，以及第二系统外壳，和用于准许气流进入第二外壳周围环境的挡板。

图4是固定式RESS的示意图，根据本公开，其具有经受热失控事件的模块和由第一通风口和第二通风口、布置在第二通风口上的PCM装置，以及风扇和图3中所示的挡板的组合提供的横流式通风。

图5是根据本公开的PCM装置的具体实施例的示意性特写横截面图。

图6是根据本公开的PCM装置的另一实施例的示意性特写横截面图。

图7是根据本公开的PCM装置的又一实施例的示意性特写横截面图。

具体实施方式

本领域普通技术人员将认识到，诸如“上”、“下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等的术语是针对图而描述性地使用，且并不代表对由所附权利要求所限定的公开的范围的限制。此外，本文可以用功能和/或逻辑块部件和/或各种处理步骤的措辞来描述教导。应该认识到，这种块部件可以由被配置为执行指定功能的许多硬件、软件和/或固件部件组成。

参照图1，描绘了具有动力系12的机动车辆10。机动车辆10可以包括，但不限于，商业车辆、工业车辆、乘用车辆、飞行器、水运工具、火车等。还可以设想，车辆10可以是移动平台，诸如飞机、全地形车辆(ATV)、船只、个人运动装置、机器人等，以实现本公开的目的。动力系12包括动力源14，其被配置为生成动力源扭矩T(如图1所示)，以便相对于路面18经由从动轮16推进车辆10。动力源14被描绘为电动马达-发电机。

如图1所示，动力系12还可以包括附加动力源20，诸如内燃发动机。动力源14和20可以协同作用以为车辆10提供动力。车辆10附加地包括多电池单元可充电储能系统(RESS)22。RESS 22被配置为通过产热的电化学反应生成和储存电能，以便向动力源14和20供应电能。因此，并入机动车辆10内的RESS 22被配置为移动系统。动力系12和RESS 22的操作大体可由电子控制器24调节。电子控制器24可以是调节车辆10的各种功能的中央处理单元(CPU)，或者是被配置为控制动力系12以生成预定量的动力源扭矩T的动力系控制模块(PCM)。

RESS 22可以经由高压总线26(如图1所示)操作性地连接到动力源14和20、电子控制器24以及其他车辆系统。尽管到目前为止，RESS 22是关于车辆环境描述的，但并不排除本RESS具有固定的应用以为不同的、非汽车系统供能(如图3所示)。图2中示意性地示出了RESS 22的大体结构。如图所示，多个电池单元26初始地可被组合成电池单元组28，其中各个电池单元可被电连接，例如，并联。电池单元组28随后可被组织成电池模块30，其中各个电池单元组可被电连接，例如，串联。尽管图2中示出了六个单独的模块30，但RESS 22可以根据需要具有许多这样的模块。如图2和图3所示，多个模块30也可以被布置和组织成单个电池组或电池子组31。

如图2和图3所示，每个电池单元组28包括多个电池单元，诸如第一电池单元28-1和邻近的、直接相邻的第二电池单元28-2。虽然示出了四个电池单元28-1、28-2、28-3、28-4，但并不排除每个电池单元组28具有更小或更多数量的这种电池单元。每个电池模块30可以具有相应的模块壳体30A，其在RESS 22内将各个模块彼此分开。如图2和图3所示，RESS22还包括第一系统外壳32，其配置为装纳电池模块30。RESS 22还包括布置在第一外壳32上的第一通风口34。第一通风口34被配置为将空气36从第一外壳32内部引导至第一外壳外部的环境36。RESS 22附加地包括一个或多个第二通风口38，其被布置在第一外壳32上。当打开时，每个第二通风口38被配置为将空气36从第一外壳32外部的环境36引导至第一外壳32内。

如图2和图3所示，RESS 22还包括一个或一阵列的相变材料(PCM)装置40。具体地，每个PCM材料装置40被配置为在吸收热能期间从固态转变到液态。每个PCM装置40均被布置在相应的第二通风口38上，并被配置为响应于第一外壳32内部的显著温度上升而熔化。这样的温度升高可能具体地由于电池模块30中的至少一个经受或经历热失控事件41(如图4所示)而发生。术语“热失控事件”通常指代电池系统中不受控制的温度上升。在热失控事件期间，电池系统或电池单元内热的生成超过了热的耗散，从而导致温度进一步上升。热失控事件可由各种条件触发，包括电池单元内的短路、电池单元使用不当、物理虐待、制造缺陷或电池单元暴露于极端的外部温度。

在热失控事件41期间，(多个)PCM装置40的熔化被配置为以与第一通风口34相结合的方式生成通过第一外壳32的横流式通风，利用空气36冷却第一外壳内的电池模块30。由此横流式通风减轻了RESS 22内的热失控从已经受影响的(多个)模块30向RESS的未受影响的区域的扩散。RESS 22可以附加地包括风扇42。风扇42可以布置成靠近第一外壳32或安装于其。风扇42具体地配置为通过第一通风口34将由第一通风口引导的空气36从第一外壳32内部抽出，并且由此将空气排到第一外壳外部的环境36。

每个PCM装置40均可以是不锈钢带(如图5所示)，例如，背衬有高温丙烯酸粘合剂的304不锈钢箔。这样的不锈钢带的厚度可以在0.001至0.006英寸(0.0254至0.1524毫米)的范围内。图5中所示的PCM装置40可以在开孔38处粘接至第一外壳32。在另一实施例中，每个PCM装置40可以是热固性模塑部件(如图6所示)。具体地，热固性模塑PCM装置40的材料可以是聚合物复合材料，例如，树脂。图6中所示的PCM装置40可以与第一外壳32在开孔38处包覆成型。在另一实施例中，每个PCM装置40可以是热塑性注塑的工程塑料部件(如图7所示)。具体地，热塑性模塑的PCM装置40的材料可以是用15％的玻璃纤维增强的聚酰胺6(PA6-GF15)，用于其高刚度和尺寸稳定性以及220摄氏度左右的足够高的熔化温度。图7中所示的PCM装置40可以在开孔38处被压入或以其他方式附连至第一外壳32。

RESS 22可以包括电子控制器24，其在移动系统中可以是机动车辆10所使用的电子控制器。在固定系统中，电子控制器24可以是被编程为操作RESS 22的专用单元。如图1所示，电子控制器24可包括计算机和/或处理器24A，并包括软件、硬件、存储器、算法、连接等，以便管理和控制RESS 22的操作。电子控制器24可以实现为一台或多台数字计算机或主机，每台计算机或主机均具有一个或多个处理器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EPROM)、光驱、磁驱等、高速时钟、模数(A/D)电路、数模(D/A)电路、输入/输出(I/O)电路、I/O装置和通信接口，以及信号调理和缓冲电子设备。

计算机可读存储器可包括参与提供数据或计算机可读指令的非临时/有形介质。存储器可以是非易失性或易失性的。非易失性介质可以包括，例如，光盘或磁盘和其他持久性存储器。易失性介质的示例可以包括动态随机存取存储器(DRAM)，其可以构成主存储器。存储器的实施例的其他示例包括软盘或硬盘、磁带或其他磁性介质、CD-ROM、DVD和/或其他光学介质，以及其他可能的存储装置，诸如闪存。电子控制器24还包括有形的、非临时性存储器24B(如图1所示)，其上记录了计算机可执行指令，包括一个或多个算法24C，以便调节RESS 22的操作。控制器24所需的算法或由此访问的算法可以存储在存储器中并自动执行以提供所需的功能。

如图1所示，电子控制器24可以例如与RESS 22无线通信或有线通信，诸如经由高压总线26。电子控制器24可以被配置，即确定结构和编程，为与一个或多个温度传感器44(如图2-4所示)通信，并从其接收指示第一外壳32内检测到的温度的信号。具体地，每个温度传感器44可以布置在相应的模块30内(如图2所示)或靠近(多个)PCM装置40(如图3和4所示)。因此，电子控制器24可以被配置为经由温度传感器44监测第一外壳32内的温度。电子控制器24可以进一步被配置为调节风扇42的操作，诸如经由算法24C之一。电子控制器24可被配置为响应于第一外壳32内部的温度达到预定值46(如(多个)传感器44所检测到的)和/或一个或多个PCM装置40的熔化而开启风扇42。该预定值46可以是100摄氏度或更高。

在其中RESS 22是固定系统的实施例中，RESS可以进一步包括系统第二外壳48。第二外壳48可以限定开孔50，并被配置为装纳第一外壳32，包括电池模块30。如图3和图4所示，风扇42可以在开孔50处安装于第二外壳48。在RESS 22的这种构造中，第二外壳48内部和第一外壳32外部的空间限定了第一外壳外部的直接环境36。第二外壳48可进一步包括挡板52，其安装在开孔54处并被配置为准许周围气流56(如图3和图4所示)从第二外壳48外部的环境58进入第二外壳48内部的环境36。挡板52可以是被动的或静态的装置(未示出)，其被配置为相对于周围环境58和第二外壳48内部的环境36中的每一个保持开放状态。替代地，挡板52可以是动态受控的装置，诸如具有多个百叶窗板的百叶窗(如图3和图4所示)。在后一种情况下，电子控制器24可以被配置为调节挡板52的操作，即响应于第一外壳32内部的温度达到预定值46而打开挡板，诸如经由算法24C之

总的来说，RESS 22在其外壳中配备有横流式布置，以减轻已经影响到至少一个组成电池模块的热失控。具体地，RESS 22包括(多个)可熔化的相变材料(PCM)装置40，其与一个或多个通风口相结合，以生成这样的横流式通风，以响应于(多个)模块经受热失控事件41而打开通过一个或多个外壳的用于气流的路径。RESS 22可以进一步包括被动或主动受控的装置，诸如风扇42和挡板52，以促进装纳模块30的外壳中的横流式通风。

具体描述和附图或图表是对公开内容的支持和描述，但公开内容的范围仅由权利要求限定。虽然用于实施所要求保护的公开内容的一些最佳模式和其他实施例已经被详细描述，但存在各种替代设计和实施例以便实践所附权利要求中限定的公开内容。此外，附图中所示的实施例或本说明书中提到的各种实施例的特征不必然被理解为相互独立的实施例。相反，可能的是，在实施例的示例中的一个中描述的每个特征可以与来自其他实施例的一个或多个其他期望特征相结合，从而产生未用文字描述或未参照附图描述的其他实施例。因此，这样的其他实施例落入所附权利要求的范围的框架内。