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技术领域

本发明总体上涉及的领域包括用于防止电池系统内的电池单元间热传播的方法和组件。更具体地但不排他地，本发明可以适用于液冷式电池，其中当电池的部分达到特定温度时启用被动冷却。被动冷却可以冷却受影响的电池部分并且从而防止热失控事件的电池单元间传播。

背景技术

术语热失控事件指的是电池系统中温度的不受控增加。在热失控事件期间，电池系统或者电池单元内的热量的生成超过散热量，从而导致温度的进一步增加。热失控事件可以由各种条件触发，包括电池单元内的短路、不正确的电池单元使用、机械损伤、制造缺陷或者电池单元暴露于极端外部温度。

电池系统可以包括彼此相对接近的多个电池单元。可以设计各种冷却系统来防止热量从经历失控热事件的电池单元扩散到相邻的电池单元，这是因为电池单元暴露于高温可能导致电池单元经历热失控事件。

本申请的发明人们已经认识到通过提供次要“冷却”系统可以实现某些优点，其中该次要冷却系统可以用于抑制热失控事件并且也被动地工作（例如当主要冷却系统被关断、损坏等等时）。本发明提供这种系统和相关方法的各个实施例。被动系统的使用可以帮助确保冷却系统的可靠操作，而与可能触发热事件的其他条件无关。

发明内容

本发明涉及构造为防止电池单元间热传播的液冷式电池系统和相关方法。在一个实施例中，系统包括构造为通过生热电化学反应生成并存储电能的部分。冷却系统可以构造为生成通过电池系统的液体冷却剂流以去除由电池产生的热量。散热片可以构造为接纳通过主要冷却剂通道的液体冷却剂流并且将热量从电池传递到液体冷却剂。散热片还可以包括构造为至少部分地填充有熔化材料的次要冷却剂通道，该熔化材料构造为在低于温度阈值的温度下阻碍液体冷却剂通过孔离开。当熔化材料熔化时，其允许一些液体冷却剂通过散热片离开并且润湿和冷却相邻的电池部分。在一些实施例，阈值温度可以近似等于液冷式电池系统的电池单元间热传播阈值。对于某些类型的电池系统，阈值温度可以是在从大约80摄氏度到大约100摄氏度的范围内。在这样的实施例中，适当的熔化的材料可以是聚乙烯。随着液体冷却剂通过次要冷却剂通道离开散热片，液体冷却剂可以直接地接触相邻的电池部分。液体冷却剂与电池部分的接触可以通过对流和/或蒸发使热量进入环境。

在一些实施例中，系统可以构造为被动地工作。在一个具体实施例中，可以在次要冷却剂通道上方配置与冷却系统流体连通的冷却剂贮存器。因此，当熔化材料至少部分地熔化时，冷却剂可以在重力作用下通过次要冷却剂通道被动地离开。在一些实施例中，可以对流体贮存器加压，并且当熔化材料至少部分地熔化时，冷却剂可以由于加压冷却剂贮存器中的压力而通过次要冷却剂通道被动地离开。

在一些实施例中，可以在两个电池部分之间放置散热片，使得一个电池部分接触散热片的第一侧并且第二电池部分接触散热片的第二侧。在其它实施例中，电池部分的一侧可以接触散热片并且另一侧可以接触泡沫层。根据本发明的散热片可以包括与主要冷却剂通道流体连通的歧管。歧管可以构造为将冷却剂分配到跨越散热片的至少一部分配置的多个微型通道。在一些实施例中，次要冷却剂通道可以邻近歧管配置。

根据本发明实施例的方法可以包括提供具有多个电池部分的液冷式电池系统。可以操作电池部分以通过生热电化学反应生成并存储电能。方法可以进一步包含使液体冷却剂通过主要冷却剂通道在邻近多个电池部分中的至少一个的散热片中循环；使用熔化材料在低于温度阈值的温度下阻碍液体冷却剂通过次要冷却剂通道离开散热片。可以通过将熔化材料至少部分地熔化而允许液体冷却剂通过次要冷却剂通道离开散热片。离开的冷却剂可以冷却邻近散热片的一个或更多个电池部分。

1.一种构造为防止电池单元间热传播的液冷式电池系统，该系统包括：

第一电池部分，构造为通过生热电化学反应生成并存储电能；

冷却系统，构造为生成通过所述电池系统的液体冷却剂流，该液体冷却剂流构造为去除由所述第一电池部分产生的热量；以及

散热片，构造为接纳所述液体冷却剂流的通过主要冷却剂通道的至少一部分，并且将热量从所述第一电池部分传递到液体冷却剂，该散热片包括：

　次要冷却剂通道，构造为至少部分地填充有熔化材料，该熔化材料构造为在低于温度阈值的温度下阻碍所述液体冷却剂通过孔离开；

其中，所述熔化材料在阈值温度下至少部分地熔化，并且允许所述液体冷却剂的至少一部分通过所述次要冷却剂通道离开所述散热片。

2.根据方案1所述的系统，还包括：

与所述冷却系统流体连通并且配置在第一高度的冷却剂贮存器；

其中所述次要冷却剂通道配置在第二高度，所述第二高度低于所述第一高度，使得当所述熔化材料至少部分地熔化时，所述冷却剂在重力作用下通过所述次要冷却剂通道被动地离开。

3.根据方案1所述的系统，还包括：

与所述冷却系统流体连通的加压冷却剂贮存器；

其中当所述熔化材料至少部分地熔化时，所述冷却剂由于所述加压冷却剂贮存器中的压力而通过所述次要冷却剂通道被动地离开。

4.根据方案1所述的系统，其中所述阈值温度包括所述液冷式电池系统的电池单元间热传播阈值。

5.根据方案1所述的系统，其中所述阈值温度包括从大约80摄氏度到大约100摄氏度的范围。

6.根据方案1所述的系统，还包括第二电池部分，并且其中所述第一电池部分接触所述散热片的第一侧并且所述第二电池部分接触所述散热片的第二侧。

7.根据方案1所述的系统，还包括泡沫层，并且其中所述第一电池部分的第一侧接触所述散热片并且所述第一电池部分的第二侧接触所述泡沫层。

8.根据方案1所述的系统，其中所述熔化材料包括聚乙烯。

9.根据方案1所述的系统，其中所述散热片还包括：

与所述主要冷却剂通道流体连通的歧管，该歧管构造为将所述冷却剂分配到跨越所述散热片的至少一部分配置的多个微型通道；

其中所述次要冷却剂通道与所述多个微型通道中的至少一些流体连通。

10.根据方案1所述的系统，其中所述第一电池部分包括锂-离子电池单元。

11.根据方案1所述的系统，其中所述第一电池部分与所述散热片相邻地配置，并且通过所述次要冷却剂通道离开所述散热片的液体冷却剂直接接触所述第一电池部分的表面。

12.根据方案11所述的系统，其中所述液体冷却剂和所述第一电池部分的表面的接触通过对流将热量传递至环境。

13.一种防止液冷式电池系统中的电池单元间热传播的方法，该方法包括：

提供具有多个电池部分的液冷式电池系统；

操作所述多个电池部分中的至少一个以通过生热电化学反应生成并存储电能；

使液体冷却剂通过主要冷却剂通道在邻近所述多个电池部分中的至少一个的散热片中循环；

使用熔化材料在低于温度阈值的温度下阻碍所述液体冷却剂通过次要冷却剂通道离开所述散热片；

通过至少部分地熔化所述熔化材料而允许所述液体冷却剂通过所述次要冷却剂通道离开所述散热片；以及

使用通过所述次要冷却剂通道离开的液体冷却剂的至少一部分冷却邻近所述散热片的电池部分中的至少一个。

14.根据方案13所述的方法，还包括：

提供配置在第一高度的冷却剂贮存器；

其中所述次要冷却剂通道配置在第二高度，所述第二高度低于所述第一高度，使得所述冷却剂在重力作用下通过所述次要冷却剂通道被动地离开。

15.根据方案13所述的方法，其中所述阈值温度包括所述液冷式电池系统的电池单元间热传播阈值。

16.根据方案13所述的方法，其中所述阈值温度包括从大约80摄氏度到大约100摄氏度的范围。

17.根据方案13所述的方法，其中所述熔化材料包括聚乙烯。

18.根据方案13所述的方法，还包括：

使所述液体冷却剂通过与所述主要冷却剂通道流体连通的歧管循环，该歧管构造为将所述冷却剂分配到跨越所述散热片的至少一部分配置的多个微型通道；

其中所述次要冷却剂通道与所述多个微型通道中的至少一些流体连通。

19.根据方案13所述的方法，其中所述电池部分与所述散热片相邻地配置，并且通过所述次要冷却剂通道离开所述散热片的液体冷却剂直接接触所述电池部分。

20.一种构造为防止电池单元间热传播的液冷式电池系统，该系统包括：

电池部分，构造为通过生热电化学反应生成并存储电能；

冷却系统，构造为生成通过所述电池系统的液体冷却剂流，该液体冷却剂流构造为去除由所述第一电池部分产生的热量；

与所述冷却系统流体连通并且配置在第一高度的冷却剂贮存器；

散热片，包括：

　跨越所述散热片的至少一部分分配冷却剂的多个管道；

　孔，配置在比所述冷却剂贮存器低的高度并且处于液体冷却剂的流体路径中；

　熔化材料，构造为在低于温度阈值的温度下阻碍所述液体冷却剂通过所述孔离开；

其中，所述熔化材料在阈值温度下至少部分地熔化，并且允许所述液体冷却剂的至少一部分通过所述孔离开所述散热片。

附图说明

描述了本发明的非限制性且非排他性实施例，包括参考附图描述的本发明的各个实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的车辆中的具有次要冷却系统的示例性电池系统的框图。

图2A示出了根据本发明的实施例的包括构造为防止电池单元间热传播的被动冷却系统的电池系统的概念图。

图2B示出了根据本发明的实施例的包括构造为防止电池单元间热传播的被动冷却系统的电池系统的另一概念图。

图3A示出了构造用于在液冷式电池系统中使用的散热片，其中该电池系统也包括根据本发明的实施例的构造为防止电池单元间热传播的被动冷却系统。

图3B示出了根据本发明的实施例的与电池单元一起的图3A的散热片。

图4示出了根据本发明的实施例的用于操作构造为防止电池单元间热传播的电池系统中的被动冷却系统的方法的流程图。

具体实施方式

通过参考附图将最佳地理解本发明的实施例，其中贯穿始终相同的部件由相同的标记指代。将容易地理解的是，如本文中大体描述和在附图中示出的那样，所公开实施例的部件可以设置且设计成各种各样的不同构造。因此，本发明的系统和方法的实施例的以下详细描述不试图限制如权利要求保护的本发明的范围，而仅是本发明的可能实施例的代表。此外，除非另外明确说明，否则不一定需要以任意特定次序或者甚至顺序地执行方法的步骤，也不需要仅执行一次步骤。

在一些情况下，没有详细地示出或描述公知的特征、结构或操作。此外，在一个或更多个实施例可以将所描述的特征、结构或操作以任意适当的方式组合。还将容易地理解的是，如本文中大体描述和在附图中示出的那样，实施例的部件可以设置且设计成各种各样的不同构造。

图1示出了根据本发明的实施例的车辆100中的具有被动冷却系统的示例性电池系统102的框图。车辆100可以是机动车、航海交通工具、飞机和/或任意其他类型的交通工具，并且可以包括内燃发动机（“ICE”）传动系、电动马达传动系、混合动力发动机传动系、燃料电池（“FC”）传动系和/或适于结合有本文公开的系统和方法的任意其他类型的传动系。车辆100可以包括电池系统102，在某些实施例中电池系统102可以是HV电池系统。HV电池系统可以用于对（例如，如在电动、混合动力或FC动力系统中的）电动传动系部件和车辆舱室气候控制系统（其可以包括加热器和/或压缩机）供电。在进一步实施例中，电池系统102可以是低压电池（例如铅酸12V汽车电池），并且可以构造为将电能供应到各种车辆100系统，包括例如车辆起动机系统（例如起动机马达）、照明系统、点火系统等等。更进一步，在一些实施例中，电池系统可以构造为在中度混合动力应用中操作并且可以具有中等范围的电压（例如大约42伏）。

冷却系统110可以构造为生成冷却剂（例如水-乙二醇、电介质液体、制冷剂、空气）流，其用于将电池系统102的温度维持在特定范围内。冷却系统110可以通过一条或更多条冷却剂管线116与电池系统102流体连通。在某些实施例中，随着冷却剂流经电池系统102，冷却剂可以从电池系统102吸收热量。被加热冷却剂可以流回到冷却系统110，在此由冷却剂吸收的热量可以被传递到环境。如下文更详细讨论的那样，冷却系统110可以还包括被动冷却系统，其可以构造为基于对热事件的响应提供被动冷却剂流。在一些实施例中，构造为防止电池单元间热传播的被动冷却系统可以独立于构造为在正常操作中冷却电池系统102的冷却系统。在其它实施例中，被动冷却系统可以与构造为在正常操作中冷却电池的冷却系统部分地或完全地集成在一起。多个次要冷却管道118可以邻近电池单元或子部114配置。次要冷却管道118可以填充有构造为响应于热事件而熔化的物质。在一些实施例中，该物质可以是在低于可能导致热事件的电池单元间传播的阈值的温度下选择的。在一个具体实施例中，温度范围可以包括大约80℃至100℃。在这样的实施例中，次要冷却管道118可以至少部分地填充聚乙烯。在替代实施例中，次要冷却管道118可以至少部分地填充其他材料。

在一些实施例中，可以相对于次要冷却管道118升高冷却剂贮存器（未示出），使得冷却剂可以在重力作用下从冷却剂贮存器排出。冷却剂在重力作用下的排出可以允许在不需要泵或用于使冷却剂主动地循环的其他机构的情况下操作被动冷却剂系统。

电池系统102可以包括电池控制系统104。电池控制系统104可以构造为监测和控制电池系统102的某些操作。例如，电池控制系统104可以构造为监测和控制电池系统102的充电和放电操作。在某些实施例中，电池控制系统104可以通信地联接于一个或更多个传感器106（例如，电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器等等）和/或构造为使得电池控制系统104能够监测和控制电池系统102的操作的其他系统。

来自传感器106的信息可以由控制系统104使用来操作冷却系统110。温度和/或湿度传感器106可以提供数据至电池控制系统104，电池控制系统104继而可以构造为监测和控制电池系统102并且适当地操作冷却系统110。具体地，可以操作冷却系统110来将电池系统102的温度维持在预定温度范围内。

电池控制系统104可以进一步构造为提供信息至车辆100中包括的其他系统和/或从其接收信息。例如，电池控制系统104可以通信地联接于内部车辆计算机系统108和/或冷却系统110。在某些实施例中，电池控制系统104可以至少部分地构造成向车辆100的使用者、车辆计算机系统108和/或冷却系统110提供关于电池系统102的信息。这样的信息可以包括例如电池充电状态信息、电池操作时间信息、电池操作温度信息和/或关于电池系统102的任意其他信息。

电池系统102可以包括一个或更多个电池组112，电池组112的尺寸适当地确定为提供电力至车辆100。每个电池组112可以包括一个或更多个子部114。子部114可以包括子组，每个子组均可以包括利用任意适当的电池技术的一个或更多个电池单元。适当的电池技术可以包括例如铅-酸、镍-金属氢化物（“NiMH”）、锂-离子（“Li-Ion”）、锂-离子聚合体、锂-空气、镍-镉（“NiCad”）、包括超细玻璃纤维（“AGM”）的阀控式铅-酸（“VRLA”）、镍-锌（“NiZn”）、熔盐（例如ZEBRA电池）、镍锰钴（“NMC”）、锂离子磷酸盐（“LFP”）、锂锰氧化物（“LMO”）和/或其他适当的电池技术及其组合（例如混合化学电池技术）。各种电池技术操作不同的技术，并且本领域技术人员将认识到可以对本发明进行调整以适应每种类型的电池的特定操作条件。例如，适当的熔化材料的选择可以至少部分地基于不同类型的电池系统的操作温度。

每个子部114可以关联于构造为测量与每个电池子部114相关联的一个或更多个参数（例如，电压、电流、阻抗、温度等等）的传感器106。虽然图1示出了与每个电池部分114相关联的单独的传感器106，但是在一些实施例中也可以利用构造为测量与多个子部114相关联的各种参数的传感器。可以将由传感器106测量的参数提供给电池控制系统104。使用电参数，电池控制系统104和/或任意其他适当的系统可以协调电池系统102的操作。

图2A示出了根据本发明的实施例的包括构造为防止电池单元间热传播的被动冷却系统的电池系统的概念图。在图示的实施例中，三个电池单元204、208和212可以构造为通过电化学反应存储和释放电能。在各个实施例中，电池单元可以利用各种化学物，例如铅-酸、镍-金属氢化物（“NiMH”）、锂-离子（“Li-Ion”）、锂-离子聚合体、锂-空气、镍-镉（“NiCad”）、包括超细玻璃纤维（“AGM”）的阀控式铅-酸（“VRLA”）、镍-锌（“NiZn”）、熔盐（例如ZEBRA电池）、镍锰钴（“NMC”）、锂离子磷酸盐（“LFP”）、锂锰氧化物（“LMO”）和/或其他适当的电池技术及其组合（例如混合化学电池技术）。电池单元204、208和212中的每个可以分别关联于阳极220、222和224且分别关联于阴极226、228和230。电池单元204、208和212可以使用生热电化学处理存储并生成电能。邻近电池单元204、208和212配置的其他部件可以构造为耗散由电池单元204、208和212生成的热量，从而将电池单元维持在操作温度范围内。

可以在相邻的电池单元（例如电池单元208和212）之间配置泡沫层202和210。泡沫层202和210可以提供相邻电池单元之间的用于电池单元膨胀和隔热的空间。

可以在相邻的电池单元之间在与泡沫相对的侧面上配置散热片206和214。尽管在图2A中仅示出了几个部件，但是在各个实施例中泡沫层、电池单元和散热片的样式可以更大量地被重复。散热片206和214可以构造为耗散由电池单元204、208和212生成的热量，从而将电池单元维持在操作温度范围内。

散热片可以构造为接纳来自冷却剂贮存器232的冷却剂流。冷却剂贮存器232可以与散热片206和214流体连通并且可以提供穿过主要冷却剂管道240的冷却剂流。在图示的实施例中，切口216和218可以经由次要冷却剂管道与冷却剂贮存器232流体连通。切口216和218可以填充有熔化材料，该熔化材料具有在热事件可能在电池单元间传播的温度之下的熔点。在通常条件下，熔化材料可以保持为固体形式并且可以阻碍冷却剂从切口216和218离开。当温度达到或超过熔化材料的熔点时，熔化材料可以至少部分地熔化并且允许冷却剂的至少一部分通过切口216和218离开。在一个实施例中，冷却剂可以穿过切口216和218从而润湿热的电池单元（例如，电池单元204、208和212中的任意一个或者全部）。热的电池单元的润湿可以通过对流和/或蒸发冷却该电池单元。

热的电池单元的冷却可以基于冷却剂贮存器232、切口216和218以及散热片206和214的布置而被动地发生。冷却剂可以构造为在重力作用下流经切口216和218。在一些实施例中可以通过将冷却剂贮存器232放置在散热片206和214上方来促进被动操作。在一些实施例中，高度238可以将冷却剂贮存器232的底部234与散热片206和214的顶部236分离。在一个具体实施例中，高度238可以是导致冷却剂在重力作用下流经切口216和218所需的最小高度。

图2B示出了根据本发明的实施例的包括构造为防止电池单元间热传播的被动冷却系统的电池系统250的另一概念图。大体而言，系统250可以以类似于结合图2A描述的系统200的方式操作。

在系统250中，冷却剂可以沿箭头242和244所示方向流动，并且可以通过泵246而主动地循环。冷却剂流可以构造为将电池的温度维持在阈值之下，该阈值可以选择为避免热事件和/或防止电池单元间热传播。次要冷却剂管道248也可以与冷却剂贮存器232流体连通，并且可以构造为在散热片达到预定温度的情况下向散热片选择性地提供冷却剂流。在达到或超过预定温度时，配置在切口216和218内的熔化材料可以至少部分地熔化并且可以允许冷却剂从切口216和218离开。从切口216和218离开的冷却剂可以润湿热的电池单元（例如，电池单元204、208和212中的任意一个或者全部）。热的电池单元的润湿可以通过对流和/或蒸发来冷却电池单元，并且因此可以防止热失控事件扩散到系统250中的其他电池单元。

图3A示出了构造为用于在液冷式电池系统中使用的散热片300，其中该电池系统也包括根据本发明的实施例的构造为防止电池单元间热传播的次要被动冷却系统。散热片300包括端口302和304，可以利用主要冷却系统使冷却剂通过该端口302和304主动地循环。在一些实施例中，随着冷却剂循环通过闭环系统，冷却剂可以沿端口的相反方向流动。在其它实施例中，冷却剂可以沿相同方向流经端口302和304，并且闭环系统中冷却剂的返回路径可以流经另一管道。

可以在散热片中形成多个微型通道306，以帮助热量从散热片传递到环境。多个微型通道306可以通过使得冷却剂遍布整个散热片循环来增加散热片300向周围环境传递热量的能力。冷却剂穿过散热片300的示例性流动由虚线312示出。在图示的实施例中，冷却剂流从端口302出发并且流入到顶部歧管314中。冷却剂然后经过一个微型通道306流到底部歧管316。然后，冷却剂进入另一微型通道306，其使得冷却剂返回到端口304。

可以邻近顶部歧管314沿着散热片300的顶部边缘配置切口308。切口308可以填充有熔化材料310。当温度超过熔化材料310的熔点时，冷却剂可以穿过切口308并且可以润湿散热片300和/或与散热片300相邻地配置的电池单元（在图3B中示出）。在图示的实施例中，冷却剂可以在顶部歧管314中接触熔化材料310。因此，当温度足够高以致至少部分地将熔化材料310熔化时，冷却剂可以通过切口308的至少一部分离开。可以将切口308称为次要冷却剂管道。

图3B示出了根据一个实施例的与散热片300相邻配置的电池单元320（以短划线示出）。在正常操作期间，通过端口302和304且通过多个微型通道306的冷却剂流可以去除由电池单元320生成的热量。在电池单元的温度超过阈值的情况下，熔化材料310可以至少部分地熔化并且允许冷却剂通过切口308离开。冷却剂可以润湿电池单元320并且冷却该电池单元。

图4示出了根据本发明的实施例的冷却液冷式电池系统的方法400的流程图。在各个实施例中，方法400可以通过使用冷却系统中的压力选择性地释放液体冷却剂并且润湿电池系统的一个或更多个部分，而被动地工作以冷却液冷式电池系统。在各个实施例中，压力可以由重力和贮存器中的压力等等引起。在402，方法400可以开始。在404可以提供具有多个电池部分的液冷式电池系统。在406，可以操作多个电池部分中的至少一个以通过生热电化学反应来生成和/或存储电能。在408，可以使液体冷却剂通过主要冷却剂通道在邻近多个电池部分中的至少一个配置的散热片中循环。在一些实施例中，散热片可以与一个或更多个电池部分紧邻地配置。在410，熔化材料可以使用熔化材料来阻碍液体冷却剂通过次要冷却剂通道离开散热片。在一些实施例中，次要冷却剂通道可以包括横切散热片中的一个或更多个流体管道的开口。

在某些情况下，在电池系统中可能以比能够由冷却系统向环境传递更快的节奏生成热量。因此，温度可能开始在电池系统中升高。在412，如果温度保持在阈值之下，则方法400可以返回到406。相反，如果温度超过阈值，则方法400可以前进到414。

在414，熔化材料可以至少部分地熔化，这可以允许液体冷却剂从散热片通过次要冷却剂通道离开。在416，离开的液体冷却剂可以冷却邻近散热片的一个或更多个电池部分。冷却剂可以润湿附近的电池部分，并且因此冷却这些电池部分。由于直接润湿电池单元通过如下机制可以增强冷却效果：减小液体冷却剂和电池单元之间的热阻；增加液体冷却剂的质量流量；以及对于高于冷却剂饱和的温度，蒸发冷却剂。

虽然已经示出并描述了本发明的具体实施例和应用，但是应该理解的是本发明不限于本文公开的确切构造和部件。因此，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对上述实施例的细节进行许多改变。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求确定。