包括脱气安全系统的用于存储电气能量的电池系统

技术领域

本发明要求于2021年4月20日提交的法国申请N°2104090的优先权，该申请的内容(文本、附图和权利要求)通过引用并入本文。

本发明涉及一种电池，所述电池包括冷却部件和与该冷却部件连结的电池模块。本发明特别地应用于具有电气动力系统的车辆，所述具有电气动力系统的车辆包括用于遮蔽乘客舱的车身结构件，并且包括底板，所述底板限界了该乘客舱的下部部分，所述车辆包括电气驱动机器以及用于给该驱动机器供电的底板下电池。

背景技术

在本文件的全文中，“电池”理解成包括至少一个包含至少一个电化学电芯的电池模块的组件。

该电池任选地包括电气或电子部件，以管理至少一个模块的电气能量。当存在多个模块时，所述多个模块通常地重组在包或壳体中并由此形成电池单元，该电池单元经常由英文表达“pack batteries(电池包)”表示，该壳体通常地包含装配接合部和连结端子，并且形成围绕所述模块的密闭空间，同时在底部与盖之间容纳所述模块。该电池还包括用于冷却所述模块的冷却部件(例如，插入于所述模块的底部与所述壳体的底部之间的呈板形式的冷却器)或任何其它部件。该电池通常地与车身结构件通过螺栓连接固定，例如固定在车辆底板下方。

另外，在本文件的全文中，“电化学电芯”理解成通过化学反应生成电流的电芯，所述电芯例如是锂离子(或Li-ion)类型的、Ni-Mh类型的、Ni-Cd类型的、铅类型的又或燃料电池类型的。

因为相对地接近于地面，该电池暴露于来自于所述车辆下方的碰撞。

这意味着，对于电池碰撞敏感的元件(例如，所述模块和所述冷却部件)足够地远离于地面并且经(通过所述电池的壳体的底部)保护免于该类型的碰撞。当所述冷却部件布置在所述电池模块下方时，所述壳体的底部经定位成在所述冷却部件与所述壳体的底部之间保留有空间。

该模块和/或其所包含的电芯还包括用于在所述模块的电芯存在热失控的情况下脱气的脱气安全系统。这些气体非常热，并由此有利地，这些气体穿过所述冷却部件，以便使得这些气体一经排出就由所述冷却部件与所述电池模块热隔离。这些气体由此侵入所保留的空间。

从专利文件US20190229384A1已知一种呈冷却板形式的冷却部件，所述冷却板与电池电芯连结，所述电池电芯中的每个包括如上文描述的安全系统，该板在其厚度中由与每个安全系统面对面的孔穿过，以便使得热气体可穿过所述板。

然而，该布置是可改进的，因为主要缺陷在于，排出的热气体未被冷却，并且具有向邻近的其它电芯或向附近的任何热敏感元件传播热量的风险。

该布置还具有适得其反的次级缺陷，因为所述板的每个孔是与所述电芯(其经去除)的热交换表面，以致所述电芯的发热点可确切地与该孔面对面，从而可能促使所述电芯的热失控和因此所述安全系统的致动，但在不存在该孔的情况下所述安全系统不被触发。

发明内容

本发明的目的在于通过提供一种改进来至少弥补该主要缺陷，所述改进能够同时地使气体穿过所述冷却部件通过和冷却所述气体。

为此，本发明涉及一种用于存储电气能量的电池系统，所述用于存储电气能量的电池系统包括：

-电化学电池元件，所述电化学电池元件在面上包括用于脱气所述电化学电池元件的脱气安全系统，所述安全系统能够释放在所述电化学电池元件过热的情况下生成的热气体，

-用于冷却所述电化学电池元件的冷却板，所述冷却板具有厚度，与所述面热接触，并且包括用于排放所述热气体的排放孔，该孔穿过所述冷却板的厚度，

-管道，所述管道引导所述热气体穿过所述孔，该管道由所述冷却板冷却，

该管道具有恒定截面和至少等于所述冷却板的厚度的长度。

在本文件的全文中，“电化学电池元件”理解成用于在密封外壳中容纳电化学材料并通过化学反应生成电流的元件。该限定特别地涉及元件(例如，电芯或电池模块)。

这种安全系统是已知的作为这样的。存在多个技术，例如在超过温度阈值时易熔的膜粘附在穿过所述模块或电芯施加的开口周围，并且遮蔽该开口。又或，阀门由弹簧推动，并且遮蔽该同一开口。这种安全系统有时与所述模块或电芯的吸气系统结合，该吸气在此仅用于补偿所述气体的正常膨胀或收缩。当所述电芯的电化学反应自动自维持同时创建热失控时，这些安全系统释放热气体射流。

该管道的恒定截面和长度能够引导所述热气体。由于该管道由所述冷却板冷却，该管道的在其整个表面上与处于运动的热气体接触的壁允许与所述热气体的对流式热交换，所述热气体由此被冷却。

在本文件的全文中，“所述管道的恒定截面”理解成所述热气体的通道截面，而非所述管道的剖视壁截面。

在本文件的全文中，“所述冷却板的厚度”理解成在所述冷却板的两个主要面之间的最大化距离，第一主要面与所述电化学电池元件的所述面热接触，第二主要面与所述第一主要面相反。由此，该厚度不包含所述板的固定部件或所述板的流体连结部。

根据本发明的实施例，所述管道与所述冷却板连成一体。

在本文件的全文中，“连成一体”理解成两个零件在六个自由度上直接地彼此连接，也就是说，彼此连成一体的这两个零件形成独立于所述系统的刚性的子组件，即使该子组件后续地变得与所述系统连成一体。在该实施例中，说明性地，所述冷却板和所述管道此处形成刚性的子组件，例如，所述管道与所述板焊接，又或嵌套在所述板的孔中，又或例如通过深冲压与所述板一体成型，并且，该子组件由此组装成抵靠着所述电化学电池元件的所述面。

由此，在所述管道与所述冷却板之间的热传导完美地受掌控。

根据本发明的实施例，所述管道的端部中的一个与所述电化学电池元件热接触。

例如，该热接触允许所述电化学电池元件的沿着所述管道的壁的热量传导。由此，该壁具有冷却翅片功能，所述冷却翅片功能能够至少部分地补偿冷却效率损失(由于所述孔在所述冷却板中的存在)。

根据本发明的实施变型，所述管道是与所述电化学电池元件一体成型的突出部。

根据本文本的限定，该管道由此与所述电池元件连成一体。在所述管道与所述电池元件之间的热传导由此是最佳的，并且，所述管道的壁充分发挥冷却翅片的作用。

根据该变型的实施例，所述管道容置了所述安全系统。

该布置能够优化由电化学成分对于所述电池元件的填充。

根据该变型的实施例，所述安全系统容置在所述管道的自由端部处。

根据本发明的实施例，该系统包括导热膏，所述导热膏经挤压在所述电化学电池元件的面与所述冷却板之间。

该膏有利地是导热的，并且例如包括聚氨酯类型的胶剂。该膏能够使得没有任何空气真空内置在所述面与所述冷却板之间，而且，根据变型，也没有任何空气真空内置在所述管道与所述孔之间、在所述管道与所述面之间，以由此促进在所述面与所述冷却板和/或所述管道之间的热传导。

根据本发明的实施例，该系统还包括托盘，所述托盘限界出密封的内空间，所述密封的内空间容置了：

-所述电化学电池元件，

-所述冷却板，

-和所述管道，

该托盘包括用于引导来自所述管道的热气体的具有挡板(chicanes)的引导系统，所述具有挡板的引导系统定位在所述冷却板与所述托盘的壁之间。

该布置能够在所述热气体从所述托盘排放之前进一步冷却所述热气体。

根据本发明的实施例，所述托盘包括打开部件，所述打开部件配置用于：

-打开或闭合所述托盘的开口，所述开口通到所述密封的内空间中，

-并且，当所述开口打开时，让来自所述具有挡板的引导系统的热气体排出。

根据本发明的实施例，该系统包括：

-多个打开部件，

-多个脱气安全系统，以及

-管控装置，所述管控装置配置用于控制最远离于发射所述热气体的安全系统的打开部件处于打开状态。

该布置能够选择所述具有挡板的引导系统的热气体的最长路径，以便尽可能多地冷却这些热气体，因为该最长路径增加了所述热气体与所述托盘和所述冷却板的热交换表面。

附图说明

通过阅读本发明下文中的非限制性特殊实施例的详细说明和附图，本发明的其它特征和优点将更加清楚，在所述附图中：

-图1示出了根据本发明的应用于具有电气动力系统的车辆电池的系统的示意性截面图，所述具有电气动力系统的车辆电池包括管道和托盘实施例，在车辆的正交坐标系XYZ中，Z是竖直轴线，Y是横向轴线，并且X是车辆的纵向轴线(其沿着所述车辆的前进方向定向)。注意到，对于正交坐标系XYZ的该限定应用于本文件的全文。

-图2示出了与图1相同的截面图，但详细示出了模块和冷却板示例。该模块包括三个电芯，这些电芯中的每个示出了根据本发明的不同变型。

-图3示出了根据本发明的包括具有挡板的引导系统的托盘的示意图，该托盘接收所述模块。

具体实施方式

注意到，这些附图仅作为示例给出，而并不限制本发明。这些附图构成了用于便利理解本发明的原理示意图，而并不一定按照实际应用比例示出。而且，在下文中，参考了组合地采用的所有附图。当参考一个或多个特定附图时，这些附图需与其它附图组合起来采用，以识别所指出的附图标记。不变的或具有相同功能的元件的附图标记是所有附图和实施变型所共同的。

这些附图和特别是图1公开了一种实施根据本文本限定的电池的托盘1、2、8、9、10的机动车辆结构件，但在未示出的变型中，该托盘1、2、8、9、10例如经添加到该车辆的结构件下方或上方。

对于图1上所示的变型，该车辆结构件包括：

-底板1，所述底板包括金属板2，所述金属板具有下部面2i和相反的上部面2s，所述上部面用于朝向所述车辆的乘客舱3定向，

-模块4，所述模块是用于存储电气能量的电化学电池元件4、21的可能示例中的一个，并且包括贴合面5，

-用于冷却所述模块4的冷却板13、22、23、24，该模块4定位在下部面2i与该冷却板13、22、23、24之间，并且，该结构件包括使电池模块4与底板1固定的固定部件6、7，贴合面5贴靠金属板2的下部面2i，并且与该下部面2i接触。

该车辆结构件通常地形成了在底板1与车顶之间的乘客舱3，所述底板和所述车顶彼此之间由立柱联接，但这不是必需的。该车辆结构件可以是无乘客和驾驶员的自主车辆的结构件。乘客舱3由此理解成所述结构件的位于在底板1上方的部分。

电池模块4和/或其所包含的电芯21因此与所述车辆的结构件的底板1直接地固定，这能够使所述模块4沿轴线Z远离于所述车辆的行驶表面。表达“与底板1直接地固定”需理解成贴合面5贴靠金属板2的下部面2i并且与该下部面2i接触。

该模块4例如包括棱柱形电芯21，所述棱柱形电芯彼此之间由电芯间连接小板联接。有利地，使所述电芯安置成经由模块4与冷却部件13接触。但本发明同样可应用于模块4的所有其它架构，尤其是圆柱形电芯21或囊形式的电芯。

理想地，模块4本身是棱柱形的，但这不是强制性的。贴合面5理想地是平面的，但这也不是强制性的，所述贴合面可具有任何形状。但当期望借助于冷却板13、22、23、24进行补充的热交换同时穿过底板1扩散由模块4发射的热量时，有利地，该贴合面匹配金属板2的下部面2i。事实上，如上文所述，有利地，使导热膏插入在贴合面5与下部面2i之间，以使所述导热膏的使用量最小化，有利地，下部面2i与贴合面5形状相符。

使电池模块4与底板1固定的固定部件6、7例如包括螺钉(由点划线6示出)，所述螺钉穿过模块4的孔，并且，所述螺钉的带螺纹端部与螺母7配合，所述螺母直接地或间接地焊接在底板1下方，如图1上所示。该螺母7例如焊接在下部面2i上或梁8上。

但其它固定部件6、7也是可能的，以作为替换或补充。例如，可使导热膏或可变形导热元件插入在下部面2i与贴合面5之间。所述螺钉由此例如用于在胶剂聚合或交联时预维持所述模块4，在该模块安放就位时，该模块在所述胶剂聚合时由装配部件维持在位置上，甚至是不需要所述螺钉。

该底板1例如包括梁8，所述梁至少在其长度的一部分上直接地固定在下部面2i上。

该梁8例如是具有“V”形或“U”形截面的由经冲压钢板制成的型材，该截面由金属板2的下部面2i封闭。特别地，该梁8通过单个或双个电气焊点焊接在下部面2i上，但可考虑其它固定方式(例如添加金属的焊接、铆接、螺接、粘合)。

该结构件例如包括纵梁9，所述纵梁沿轴线X直接地固定在下部面2i上，并且与梁8和金属板2一起形成容置电池模块4的槽腔。

该纵梁9(如同梁8)例如通过电气点式焊接固定。如同对于梁8，该纵梁9例如是经冲压钢板。已知地，该纵梁沿轴线X位于车身下部附近且在车身一侧，并且确保了所述结构件的纵向刚度。

该梁8例如是相对于纵梁9横向的横向横梁，所述横向横梁在其端部中的一个处与纵梁9例如通过焊接直接地固定。

这些梁8直接地参与对于结构件的加强，因为这些梁与纵梁9和底板1直接地连接。

该结构件包括整流板10，所述整流板与冷却板13、22、23、24隔有距离，并且覆盖所述冷却板13、22、23、24以及所述模块的面11，该面11与贴合面5相反，该整流板10与底板1以密封的方式直接地或间接地固定。

在本文件的全文中，“整流板10”理解成板或壁，其配置用于：

-便利由处于前进的车辆的速度所引起的空气流的流动，同时避免由于穿越(阻碍所述空气流的流动的)障碍物而造成的空气动力负载损失，这些障碍物是所述车辆的元件(尤其是电池构件、发动机、车身结构件、传动系、车桥)，以及

-保护所述车辆的这些元件免于道路抛射物(例如水的喷射)。

在本文件的全文中，该密封性理解成在底板1与整流板10之间所包括的内空间的(相对于模块4的外部入侵物(例如，水或泥浆的喷射)的和相对于可由模块4或其电芯21中的一个发射的有毒气体、热气体的)密封性，只要该气体不超过预确定压力阈值和/或预确定温度阈值。

在整流板10与冷却板13、22、23、24之间的距离使整流板10能够在发生碰撞的情况下变形，而不会影响冷却板13、22、23、24和/或模块4。

注意到，该整流板10、底板1和金属板2、梁8、纵梁9形成根据本发明的电池的托盘1、2、8、9、10(还称作电池壳体1、2、8、9、10)的示例。如上文描述，本领域技术人员所熟知的另一托盘示例包括容置所述模块4的接收容器，该接收容器由盖封闭，该托盘由此经添加和拧紧到所述车辆的结构件上。

仍然参考图1，例如，该整流板10例如直接地固定在梁8的下部面上，这能够在整流板10的中央部分处实施固定点。

替代性地或组合地，该整流板10直接地固定在纵梁9的下部面9i上。

该结构件例如包括两个平行的纵梁9、梁8、金属板2和整流板10，该组件限界出容置所述模块4和冷却板13、22、23、24的密封的内空间。

图2特别地示出了该冷却板13、22、23、24。该冷却板例如包括第一壁23和第二壁24，所述第一壁和所述第二壁在彼此之间限定出载热流体循环体积22，第一壁23贴靠所述模块4。

该体积22例如是用于冷却所述模块4的冷却回路的一部分。该回路还包括循环泵、交换器、任选地加热器和膨胀器(当该流体例如呈现液体形式时)以及使上述所有元件联接成闭合环路的流体循环管道。所述流体(例如，乙二醇水)的该循环由所述循环泵致动。

两个壁23、24例如是彼此焊接或粘合的两个金属板。第一金属板23例如是平面的并且贴在模块4上，并且，第二金属板24经冲压成呈现构成由流体流经的通路的且描绘出蛇形管的形式。

有利地，该蛇形管均匀地分布在所述模块的整个相反表面11上。

第一金属板23例如包括由螺钉穿过的孔，所述螺钉使所述冷却板13、22、23、24固定在模块4上。但其它固定部件也是可能的，以作为替换或补充。例如，可使导热膏28或可变形导热元件插入在所述冷却板13、22、23、24与模块4的相反表面11之间，该膏28或可变形元件包括例如聚氨酯类型的胶剂并且/或者由例如聚氨酯类型的胶剂构成，但可考虑其它类型的胶剂。所述螺钉由此例如用于在所述胶剂聚合或交联时使所述冷却板13、22、23、24预维持在模块4上，在该板安放就位时，该板在所述胶剂聚合时由装配部件维持在位置上，甚至是不需要所述螺钉(如同用于使电池模块4与底板1固定的固定部件6、7)。

图2和图3更确切地公开了根据本发明的用于存储电气能量的电池系统。

该用于存储电气能量的电池系统包括：

-电化学电池元件4、21，所述电化学电池元件在面11上包括用于脱气电化学电池元件4、21的脱气安全系统25，该安全系统25能够释放在电化学电池元件4、21过热的情况下生成的热气体，

-用于冷却电化学电池元件4、21的冷却板13、22、23、24，所述冷却板具有厚度，与面11热接触，并且包括用于排放所述热气体的排放孔16，该孔16穿过冷却板13、22、23、24的厚度，

-管道20，所述管道引导所述热气体穿过所述孔16，该管道20由冷却板13、22、23、24冷却。

该管道20具有恒定截面和至少等于冷却板13、22、23、24的厚度的长度。

在图2上，该管道20所具有的长度严格地大于板13、22、23、24的厚度，并且与板13、22、23、24的每个主要面不齐平。该不齐平可在所述主要面中的一个上或在所述两个主要面上为零。在进一步的变型中，该管道20可相对于所述主要面中的一个处于缩进并且与另一个主要面不齐平。注意到，根据上文描述的示例，第一主要面由第一金属板23承载，并且第二主要面由第二金属板24承载。

但在变型中，该管道20所具有的长度等于板13、22、23、24的厚度。

孔16、管道20和安全系统25具有同轴性，该同轴性使得所述热气体从管道20排出，该特征也存在于其它变型，但这不是强制性的，安全系统25可以是略微偏轴的。

该管道20例如具有圆形截面，但这不是必需的。特别地，管道20的内表面可包括一个或多个径向凸起部和/或翅片，所述一个或多个径向凸起部增加了在所述气体与管道20之间的热对流，所述翅片增加了管道20与所述气体的热交换表面。

无论变型如何，管道20的端部26中的一个例如与电化学电池元件4、21热接触。该热接触例如是直接接触，该端部26经抵靠着电池元件4、21预加应力。该热接触例如通过与所述电池元件4、21一体成型实施。该热接触例如通过使导热膏28插入在所述端部26与所述电池元件4、21之间实施。

该图2示出了模块4包括三个电芯21，这些电芯21中的每个示出了根据本发明的不同变型。区分开(更接近于在图2上所承载的坐标系ZY的原点的)“左侧”电芯、“中央”电芯和与所述“左侧”电芯相反的“右侧”电芯。

所述“右侧”电芯示出了变型，其中，管道20与冷却板13、22、23、24连成一体。参见上文中以一般描述说明的对于“连成一体”的限定。

所述“中央”电芯和所述“左侧”电芯示出了变型，其中，管道20是与电化学电池元件4、21一体成型的突出部。而且，该管道20容置了安全系统25。

所述“左侧”电芯示出了变型，其中，安全系统25容置在管道20的自由端部27处。由此，气体射流32经形成在管道20之外，但任何气体良好地穿过管道20，其作用在于使所述气体的热对流独立于气体射流32的形式。

相反，所述“中央”电芯示出了变型，其中，安全系统25容置在管道20的与自由端部27相反的端部26处，其所具有的优点在于在发生机械入侵的情况下(尤其是在电池元件4、21的装配或运输操作期间)保护安全系统25。

独立于这些变型，该系统例如包括导热膏28，所述导热膏经挤压在电化学电池元件4、21的面11与冷却板13、22、23、24之间。

该导热膏28原始地通过由一组小圆圈替代通常的阴影线示出，以便使得所述附图更容易地可读。该膏28例如具有与如上文描述地插入于底板1与模块4之间的膏相同的成分。

注意到，对于所述“左侧”电芯和所述“中央”电芯，管道20与电池元件4、21一体成型，并且因此，出于针对于冷却板13、22、23、24和电池元件4、21的几何弥散的装配原因，管道20的外直径因此略微小于孔16的直径。膏28会弥补该直径偏差，以便使得热传导在该板13、22、23、24与电池元件4、21(其管道20)之间有效地进行。

但图2示出了变型(所述“左侧”电芯和所述“中央”电芯)，其中，该偏差是随意地较大的，以便使得导热膏28可在管道20与孔16之间大量地溢出，并由此在管道20的长度的大部分上、甚至是在所述管道的整个长度上延长了在板13、22、23、24与管道20之间的热传导。

图1和图3示出了托盘1、2、8、9、10，所述托盘限界出密封的内空间，所述密封的内空间容置了：

-电化学电池元件4、21，

-冷却板13、22、23、24，

-和管道20。

图3特别地示出了该托盘1、2、8、9、10和尤其是整流板10，所述整流板包括用于引导来自管道20的热气体的具有挡板29的引导系统，所述具有挡板的引导系统定位在冷却板13、22、23、24与托盘1、2、8、9、10的壁10(也就是说，如上文描述的整流板10)之间。由此，这些挡板29由壁10承载，但在变型中，这些挡板例如由冷却板13、22、23、24的第二壁24承载，甚至是由两个壁的组合承载。

这些挡板29此处由隔板示出，所述隔板的在每个隔板上的开孔与邻近的隔板的开孔交错地排列，该开孔是圆形孔，但当然还可考虑任何其它形式，例如具有不同长度的隔板，甚至是由壁10的冲压部或由冷却板13、22、23、24的第二主要面的冲压部替代所述隔板。

所述气体穿过这些挡板29的“走向”由虚线32示出，所述虚线设有表明移动方向的箭头。竖直的且直的虚线箭头的源点处在其中所述气体从例如第一模块4的管道20排出的地点处。

该托盘1、2、8、9、10包括打开部件，所述打开部件配置用于：

-打开或闭合所述托盘的开口30、31，所述开口通到所述密封的内空间中，

-并且，当开口30、31打开时，让来自具有挡板29的引导系统的热气体排出。

该开口30、31此处布置成穿过整流板10，但这不是强制性的，并且，该开口可布置在纵梁9或梁8的壁中，以便利用所述纵梁或梁9的“中空部”来延长所述气体的走向并且进一步冷却所述气体。

有利地，该托盘1、2、8、9、10包括：

-多个打开部件，

-多个脱气安全系统25，以及

-管控装置，所述管控装置配置用于控制最远离于发射热气体的安全系统25的打开部件处于打开状态。

这些打开部件例如是包括由管控装置激活的致动器的阀或阀门。这些打开部件还包括例如(类似于用于脱气电化学电池元件4、21的脱气安全系统25的)补充安全系统，以便使得当所述打开部件存在运行故障时，所述热气体仍然能够在超过在托盘1、2、8、9、10中的气体的预确定压力和/或预确定温度时从托盘1、2、8、9、10排出。

该托盘1、2、8、9、10例如在每个打开部件附近包括温度和/或压力传感器，该管控装置包括由存储于存储器中的软件指令进行获取和处理的获取和处理部件以及为了实施执行以下步骤的方法所需的控制部件：

-从温度传感器和/或压力传感器获取温度和/或压力，

-确定所述传感器中的一个是否测量出超过预确定阈值的温度和/或压力，然后

-控制最远离于(测量出超出预确定阈值的值的)传感器的打开部件处于打开位置。