用于抑制储能容器中的不良放热反应的系统的制作方法

1.本技术涉及抑制储能容器中的不良放热反应(例如，火灾或热失控)，并且更具体地，涉及抑制飞机上的电池中的不良放热反应。


背景技术：

2.灭火系统通常使用加压流体(例如压缩气体)，当探测到不良放热反应时释放该加压流体。在一些自动灭火系统中，填充有压缩气体(例如，二氧化碳)的汽缸连接到一段易熔管。易熔管设计成在加热到足够高的温度时破裂，使得压缩气体在不良放热反应的位置处释放。这种系统可安装在工业机械、电气面板和装置以及车辆中。
3.飞机(尤其是商用客机)通常在货舱中配备有防火系统。典型的防火系统包括两个子系统：火灾探测系统和灭火系统。火灾探测系统包括一个或多个火灾探测器(例如，烟雾探测器)，并且灭火系统能够分配灭火剂。当在货舱中探测到火灾时，灭火剂释放并淹没货舱。灭火剂的释放可以响应于火灾探测器的探测而自动发生，或者替代地，可以响应于飞行员的手动干预(例如，在发出警告信号之后关闭开关)而发生。
4.当前的飞机保护涉及限定储能容器的包装规范或对货物内容物进行限制，以通过缓解初始事件来保护飞机。对于飞机电池，这些方法非常重并且对飞机造成性能损失。对于电池的货运，缓解需要航空公司和使用空运的制造商双方做出一定程度的承诺。当前协议难以实施。关于飞机上的储能容器的使用，有一些方法可用于抑制正在发生的火灾事件。然而，这些方法不足以用于抑制高能量密度电池(诸如锂离子电池)中正在发生的热失控事件。


技术实现要素：

5.下文中公开的主题涉及用于抑制储能容器中的不良放热反应的系统。根据各种实施例，保护性系统集成为储能容器的结构部件。该系统包括布置在储能容器内的刚性管道，该刚性管道在储能容器内布线。刚性管道用作分配流体状态下的放热反应抑制非导电剂的装置。如本文中所使用的，术语“管道”是指多个管。这样的多个管可以与共同的试剂供应端口流体连通。刚性管道还可构造成为储能容器内的电气部件(诸如电池单元)提供支撑。
6.本文中提出的实施例包括附接到刚性管道或与该刚性管道集成的易熔部件。根据一个被动实施例，每个易熔部件覆盖管中的相应孔并且由具有比管的熔化温度低的熔化温度的材料制成。根据另一被动实施例，每个易熔部件是管的形成相应开口的整体相对较薄部分，由于相对较薄部分比管的相对较厚部分熔化更快。每个易熔部件的熔化允许将放热反应抑制流体分配到目标位置处以减轻火灾或热失控事件的传播(尤其是在飞机上，在加压的被占用体积内)。根据一个主动实施例，所选择的易熔部件电联接至电加热元件，以用于使得能够手动或自动起动易熔部件的熔化。根据另一混合实施例，该系统可以包括被动和可起动的易熔部件两者。这种混合实施例的一个好处是，用于分配放热反应抑制流体的方法的起动可以是被动的或电气的，从而允许冗余并减少故障。
7.根据多个实施例，易熔部件用于储能容器内的内部流体分配网络中，以用于将不导电的气体或液体放热反应抑制剂(下文中称为“放热反应抑制剂”)有针对性地释放至涉及或促成正在进行的火灾或热失控事件的区域。可选地，分配网络可以预充有放热反应抑制剂，以促进对放热反应的立即响应。在初始释放之后，放热反应抑制剂将继续从外部加压容器供应到分配网络。在所提出的一个实现方式中，易熔部件在遍及储能容器的若干位置处联接到基于电的致动部件，从而能够实现流体分配的引导起动，以用于减轻火灾或热失控事件向未涉及实体的传播。
8.尽管在下文中将详细描述用于抑制储能容器中的不良放热反应的系统的多个实施例，但是这些实施例中的一个或多个可以以下方面中的一个或多个为特征。
9.在下文中详细公开的主题的一个方面是一种储能系统，包括：容器，构造成支撑多个电池单元；多个电池单元，设置在容器内并且由该容器支撑；管道，设置在电池单元之间；以及多个条带，该多个条带附接至管道。管道具有多个孔。条带覆盖多个孔。管道由具有第一熔化温度的第一材料制成。条带由具有第二熔化温度的第二材料制成，该第二熔化温度低于第一熔化温度。加压放热反应抑制剂响应于由于第二材料的熔化使得孔露出而经由管道分配到容器内。
10.在下文中详细公开的主题的另一方面是一种储能系统，包括：容器，构造成支撑多个电池单元；试剂供应端口，附接至容器；多个电池单元，设置在容器内并且由该容器支撑；以及管道，设置在容器内并且具有封闭端和开口端，管道的开口端与试剂供应端口流体连通，管道包括易熔部分，该易熔部分设计成在低于管道的另一部分的熔化或软化温度的温度下熔化或软化。根据储能系统的一些实施例，管道的其他部分包括壁的相对较厚部分，并且管道的易熔部分包括壁的相对较薄部分。根据储能系统的其他实施例，管道的其他部分包括具有孔的壁，并且管道的易熔部分包括易熔盖，该易熔盖在其温度低于易熔盖的熔化或软化温度时覆盖孔。根据储能系统的另一实施例，管道的其他部分包括具有第一孔和第二孔的壁，并且管道的易熔部分包括条带，该条带在其温度低于条带的熔化温度或软化温度时覆盖第一孔和第二孔。
11.在下文中详细公开的主题的另一方面是一种用于储能系统的系统，包括：容器，构造成支撑多个电池单元；试剂供应端口，附接至容器；多个电池单元，设置在容器内并且由该容器支撑；试剂室，与试剂供应端口流体连通；多个管，设置在容器内并且与试剂室流体连通，其中，每个管由具有第一熔化温度的第一材料制成，并且每个管包括封闭端和具有多个孔的壁；以及多个条带，该多个条带分别附接至多个管并且分别覆盖多个孔，其中，每个条带由具有第二熔化温度的第二材料制成，该第二熔化温度低于第一熔化温度。
12.在下文中公开了用于抑制储能容器中的不良放热反应的系统的其他方面。
附图说明
13.前述部分中讨论的特征、功能和优点可以在多个实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合。出于说明上述和其他方面的目的，在下文中将参考附图描述多个实施例。所有示意图都未按比例绘制。
14.图1是表示根据第一实施例的电池模块的三维(3-d)视图的示意图，该电池模块结合有用于抑制内部放热反应的流体分配网络的部件。
15.图1a是表示具有孔的管的一部分的侧视图的示意图，该孔被由熔化温度低于管材料的熔化温度的材料制成的盖封闭。
16.图2是表示根据第二实施例的电池模块的一部分的3-d视图的示意图，该电池模块结合有用于抑制内部放热反应的流体分配网络的部件。
17.图3是表示根据第三实施例的电池模块的3-d视图的示意图，该电池模块结合有用于抑制内部放热反应的流体分配网络的部件。
18.图3a是表示意图3所示的电池模块的前视图的示意图。
19.图3b是其中已经移除了3-d模型的表面元件以显示意图3所示的电池模块的内部特征的剖面图。
20.图4是识别根据一个实施例的系统的部件的混合图，其中，图1所示类型的多个电池模块各自连接到通风系统和加压放热反应抑制剂供应系统。
21.图5是识别根据一个实施例的加压放热反应抑制剂供应系统的部件的过程流程图。
22.图6是识别根据替代实施例的加压放热反应抑制剂供应系统的部件的过程流程图。
23.图7是表示电池模块的一部分的3-d视图的示意图，该电池模块结合有用于实现被动和主动热失控传播缓解的液体冷却的装置。
24.图8是示出了蛇形加热元件的示意图，该蛇形加热元件附接至覆盖多个孔的易熔条带。
25.图9是表示根据另一实施例的多行电池单元的前视图的示意图，该多行电池单元由蛇形流体分配网络保护。
26.图10是识别根据一个实施例的用于电起动放热反应抑制剂的释放的系统的部件的框图。
27.在下文中将参考附图，其中，不同附图中的类似元件具有相同的参考标号。
具体实施方式
28.下文中详细描述了用于抑制储能容器中的不良放热反应的系统的说明性实施例。然而，在本说明书中并未描述实际实现方式的所有特征。本领域技术人员将理解，在任何这种实施例的开发中，必须做出许多实现方式特定的决策，以实现开发者的特定目标，例如，遵守与系统相关和与商业相关的约束，这些约束将在不同的实现方式会有所不同。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说将是一项常规任务。
29.出于说明的目的，下文中描述的系统构造成抑制储能容器中的不良放热反应，该储能容器作为设备安装或作为货物储存在飞机上。然而，在本文中提出的技术的应用不限于飞机，并且还可以应用于位于地面上或其他类型的交通工具(诸如，汽车、工业卡车和火车)上的储能容器。
30.图1是表示根据第一实施例的呈电池模块2形式的储能容器的3-d视图的示意图，该电池模块结合有用于抑制内部放热反应的流体分配网络的部件。电池模块2包括设置在储能容器4(在下文中称为“容器4”)内部并由该储能容器支撑的多个电池单元12。容器4包
括构造成支撑多个电池单元12的托盘4a和部分地限定通风室(vent plenum)18的盖子4b。通风室18是介于电池单元12与盖子4b之间的开放空间。电池模块2还包括附接到盖子4b的通风口8。通风口8与通风室18流体连通。例如，通风室18中的烟雾可经由通风口8离开通风室18。通风口8连接至图1中未示出的通风歧管(但参见图4中的通风歧管60)。
31.图1所示的电池模块2还包括具有封闭端15和连续壁13a的管14。管14位于通风室18中。管14的开口端连接到试剂供应端口6并与该试剂供应端口流体连通。根据一个提出的实现方式，试剂供应端口6是附接至容器4的盖子4b的配件。试剂供应端口6连接到试剂歧管(图1中未示出，但参见图4中的试剂歧管58)。试剂歧管进而连接到加压容器(图1中未示出，但参见图4中的加压容器42)，该容器包含呈气体或液体形式的加压放热反应抑制剂(参见图4中的加压剂16)。
32.响应于在容器4内探测到不良放热反应，放热反应抑制剂经由管14分配到通风室18中。根据一些实施例，管14的连续壁13a的材料根据在容器4内发生不良放热反应时通风室18内的预期温度来选择。更具体地，管材料应该具有低于在容器4内发生火灾或热失控的情况下所预期的温度的熔化温度。这种管14经常被称为“易熔管”。管14可预充有加压放热反应抑制剂，从而在连续壁13a的熔化或软化期间从管14释放和分配该试剂。
33.根据一个实施例，管14可由具有可变壁厚的各向同性塑料材料制成。更具体地，管14可具有第一厚度的较薄部分，相较于具有大于第一厚度的第二厚度的较厚部分，该较薄部分熔化得更快。例如，较薄部分可以被定位和成形为使得管14中的开口(该开口是当较薄部分(而不是较厚部分)熔化时形成的)在电池模块2内的关键位置处释放放热反应抑制剂。
34.根据其他实施例，管14具有在不良放热反应过程中不熔化的穿孔壁；相反，管14的穿孔壁具有多个孔(穿孔)，这些孔由在容器4内发生不良的放热反应时熔化或软化的相应的盖封闭。在盖熔化或软化的情况下，管14的穿孔壁不熔化，并且放热反应抑制剂经由穿孔壁中当前打开的孔分配到通风室18中。
35.图1a是表示管14的一部分的侧视图的示意图，该管包括由具有第一熔化温度的第一材料制成的穿孔壁13b，和具有设置在管14的开口端与封闭端之间的多个孔24。尽管在图1a中仅示出了一个孔24，但应当理解，多个孔可沿管14的长度以相等的间隔隔开。每个孔24由相应的盖21封闭，该盖由具有低于第一熔化温度的第二熔化温度的材料制成。当通风室18内的温度超过第二熔化温度(但不超过第一熔化温度)时，盖21熔化或软化至盖21破裂的点，并且管14内的加压放热反应抑制剂经由未覆盖的孔24分配到通风室18中。
36.具有由易熔盖21封闭的孔24的管14可在易熔盖21破裂之前预充有加压放热反应抑制剂。替代地，管14可以在破裂之前填充有惰性气体。在后一种情况下，放热反应抑制剂从加压容器42流入管14中(参见图4)，然后流出孔24并流入通风室18中。
37.图2是表示根据第二实施例的电池模块2的一部分的3-d视图的示意图，该电池模块结合有用于抑制内部放热反应的流体分配网络的部件。在该示例中，管14与边缘密封件20一体地形成，该边缘密封件在托盘4a和盖子4b的接口处密封容器4。如前所述，管14可包括由熔化或软化的材料制成的连续壁，或具有由响应于容器4内的不良放热反应而熔化或软化的材料制成的盖21的穿孔壁。管14可以在托盘4a和盖子4b的接口的周边的一个或多个侧上延伸。
38.图3是表示根据第三实施例的电池模块2(其中，移除了盖子)的3-d视图的示意图，
该电池模块结合有用于抑制内部放热反应的流体分配网络的部件。图3a是表示图3中所示的电池模块2的前视图的示意图。图3b是其中已经移除了3-d模型的表面元件以显示电池模块2的内部特征剖面图。
39.在图3、图3a和图3b中所示的电池模块2包括平行设置在储能容器4的托盘4a内并且由该托盘支撑的多个电池单元12。如图3a中最佳地示出的，电池单元12布置成行和列，使得任一行中的每对相邻电池单元和相邻行中的相邻对电池单元形成相应的2
×
2单元阵列，其中四个单元的中心位于方形的各个角处。
40.图3、图3a和图3b所示的电池模块2还包括设置在电池单元12之间并与该电池单元平行的多个管14，每个管14的中心位于由相应的2
×
2单元阵列形成的方形的中心处。每个管14具有封闭端15和开口端。管14的开口端连接至试剂室19并与该试剂室流体连通。试剂室19进而与试剂供应端口6流体连通。在该示例中，试剂供应端口6是配件。
41.试剂室19和管14可预充有加压放热反应抑制剂。每个管14可包括由熔化或软化以释放试剂的材料制成的连续壁或具有由响应于容器4内的不良放热反应而熔化或软化以释放试剂的材料制成的盖(图3、3a和3b中未示出)的穿孔壁。在所提出的替代实现方式中，试剂室19和管14可最初填充有惰性气体。在探测到不良放热反应之后，加压放热反应抑制剂从加压容器经由试剂供应端口6供应到试剂室19。
42.图4是识别根据一个实施例的电池系统10的部件的混合图，其中，图1所示类型的多个电池模块2各自连接至试剂供应系统40和通风系统41。每个电池模块2包括连接到试剂供应系统40的试剂供应端口6和连接到通风系统41的通风口8。
43.通风系统41包括经由通风歧管60连接至通风口8并且与该通风口流体连通的机外通风口62。通风系统41还包括探测器28(例如，烟雾或气体探测器)，该探测器构造成用于探测流过通风歧管60的气体中的火灾副产物的存在。
44.试剂供应系统40包括加压容器42，该加压容器经由试剂歧管58将加压放热反应抑制剂16(以下称为“加压试剂16”)供应到试剂供应端口6。试剂仅将被动地分配给管道已经破裂的电池模块。替代地，响应于从探测器28接收到指示在任一电池模块2内发生不良放热反应的信号，控制器(图4中未示出)可以触发将试剂供应至破裂的管道。
45.图5是识别根据一个实施例的试剂供应系统40的部件的过程流程图。试剂供应系统40包括加压容器42，该加压容器容纳有液体形式的加压试剂16和占据加压容器42内加压试剂16上方的空间的加压惰性气隙气体17(例如，氮气)。在电池模块2内发生不良放热反应之前，加压容器42经由填充端口部分地填充有加压试剂16。响应于不良放热反应的发生，加压试剂16流出加压容器42，流过试剂歧管58，并且进入电池模块2(在图4中示出)中。
46.图5所示的试剂供应系统40还包括含有高压惰性补充气体的加压容器44。加压容器44经由管子64连接至加压容器42。试剂供应系统40还包括测量管子64内的气隙气体压力(其等于加压容器42内的气隙气体压力)的压力计46。惰性气隙气体从加压容器44到加压容器42的供应通过调压器48来调节。根据所提出的一个实现方式，调压器48是具有隔膜的独立装置，该隔膜在加压容器42中的加压试剂16耗尽时保持气隙气体压力恒定。
47.图6是示出了根据替代实施例的试剂供应系统50的部件的过程流程图，其中，电池模块2内的管14(参见图4)没有预充有液体试剂。试剂供应系统50包括加压容器42，该加压容器包含呈液体形式的加压试剂16和加压惰性气隙气体17。加压容器42内的气隙气体压力
通过压力计46来测量。加压容器42经由双向阀54填充有流体。气隙气体17也可以经由双向阀54排放。加压容器42经由∩形管子52与试剂歧管58(参见图4)流体连通。更具体地，∩形管子52经由试剂歧管58连接至试剂供应端口6。在起动灭火系统之前，电池模块2内的管14经由单向阀56填充有惰性气体。∩形管子52将加压试剂16保持在试剂歧管58之外，直到易熔管或易熔盖破裂。在管在某处破裂之前，网络中的气体无处流动，从而代替液体抑制剂。由于管道破裂导致的试剂歧管58中的压力的降低使得加压试剂16能够流过∩形管子52、试剂歧管58的至少一部分，然后流入管道已破裂的任一电池模块2中。将试剂歧管58连接到管道完好的电池模块2的管子中的气隙气体17的存在防止了液体抑制剂被卡在这些管中。
48.在试剂供应系统的替代实现方式中，加压试剂16可以是洁净灭火剂(clean agent)。洁净灭火剂是不导电的挥发性或气体灭火剂，其在蒸发时不留下残留物。洁净灭火剂由两大类试剂组成：惰性气体试剂和卤代碳试剂。典型的惰性气体包括氮气、氩气、二氧化碳和它们的混合物。惰性气体试剂不能被压缩成液态，因此必须储存为高压气体。卤代碳试剂(例如氢氟烃(hfc))可以储存为液体，与惰性气体相比，允许以相同体积储存更大质量的试剂。
49.根据图5和图6所示的实施例，加压试剂16在环境条件下是液体。加压流体16应该是不反应的并且具有高介电强度、高热质量和低粘度。一种合适的洁净灭火剂是novec
tm 1230防火液，其可从明尼苏达州圣保罗市的3m公司购得。这种试剂的化学名称是十二氟-2-甲基戊烷-3-酮。novec
tm 649、novec
tm 7100(3m专卖的一种氢氟醚)、或乙二醇/水混合物也是可能的替代方案。
50.图7是表示电池模块的一部分的3-d视图的示意图，该电池模块结合有用于实现被动和主动热失控传播缓解的液体冷却的装置。图7所示的电池模块部件包括多端口挤压(mpe)管道25和邻近mpe管道25布置的一对电池单元12a和12b。mpe管道25包括多个内壁，这些内壁将mpe管道25的内部体积分隔成多个流动通道。工作流体(加压试剂)流经流动通道。在替代的实现方式中，可以省略内壁，结果是得到单个平坦的流通管。
51.此外，mpe管道25具有设置在电池单元12a和12b之间的区域中的多个孔24(在图7中由虚线椭圆表示)。孔24被钎焊到mpe管道25的易熔条带22覆盖。易熔条带22由通过图7中未示出的加热元件加热到熔化温度时熔化的材料制成。图8示出了附接到易熔条带22的蛇形加热元件26，该易熔条带覆盖了多个孔24(由虚线圆圈表示)。加热元件26将电能转换成足以使易熔条带22的材料熔化的热量，从而使工作流体能够经由孔24从mpe管道25逸出到储能容器中。
52.再次参照图7，加热元件26经由绝缘电线32接收来自5-v dc电压源(未示出)的直流电(dc)。可以通过飞行员手动地或者通过编程的控制器自动地响应于电池模块内发生不良放热反应而起动向加热元件26供应直流电。可选地，易熔条带22可由电池模块内的温度由于不良放热反应而升高时也熔化的材料制成。这种实现方式提供了能够被动或主动起动放热反应抑制剂的释放的系统。根据所提出的一个实现方式，mpe管道25由铝制成，易熔条带由锡制成，并且加热元件由镍铬合金制成。
53.图9是表示根据另一实施例的由流体分配网络保护的多行电池单元12的前视图。在该示例中的流体分配网络包括具有平行区段的蛇形管14，在该蛇形管之间布置有两行电池单元12。蛇形管14可以预充有加压试剂16，该加压试剂释放到由电池单元12部分地占据
的大气体积中。
54.图10是识别根据一个实施例的用于电起动多个加热元件26的抑制起动系统30的部件的框图。抑制起动系统30包括电连接到加热元件26的多个开关34和电连接到开关34以用于在开关闭合时向加热元件26提供直流电的dc电源36。抑制起动系统30还包括控制器38，该控制器电连接至开关34并且构造成控制该开关的状态。此外，抑制起动系统30包括电连接至控制器38的探测器28。如前所述，探测器28构造成响应于不良放热反应的存在(例如，在电池模块2内(参见图4))向控制器38输出电信号。控制器38响应于从探测器28接收到指示电池模块2内发生不良放热反应的信号而闭合开关34。加热元件26和dc电源36可设计成确保供应到加热元件26的dc电源足以改变易熔条带的状态以释放加压试剂。
55.以上公开的实施例使用一个或多个控制器。这样的装置通常包括处理器或计算机，诸如中央处理单元、微处理器、精简指令集计算机处理器、专用集成电路、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列、数字信号处理器、和/或能够执行在本文中描述的功能的任何其他电路或处理装置。
56.虽然已经参考各种实施例描述了用于抑制储能容器中的不良放热反应的系统，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文教导的范围的情况下，可以做出各种变化并且可以用等同物替换其元件。此外，在不脱离其范围的情况下，可以做出许多修改以使本文中的教导适于具体情况。因此，旨在使权利要求不限于本文公开的具体实施例。
57.在所附的方法权利要求中，任何按字母顺序排列的步骤的唯一目的是允许后续步骤对前一步骤的简写引用，而不是为了将权利要求的范围限制为要求按照字母顺序来执行方法步骤。