用于液体浸没式冷却电池组件的具有被动抑制袋的热管理系统的制作方法

本公开一般地涉及电化学装置。更具体地，本公开的各方面涉及用于在热失控中调节电池组件的温度的热管理系统。

背景技术：

1、当前生产的机动车辆(诸如现代汽车)最初配备有动力总成，该动力总成操作为推进车辆并为车辆的车载电子器件供电。例如，在汽车应用中，车辆动力总成通常以原动机为代表，原动机通过自动或手动换档的动力传动装置将驱动转矩递送至车辆的最终驱动系统(例如，差速器、车轴、转弯模块、车轮等)。汽车历来由往复式活塞类型内燃机(ice)组件提供动力，因为ice组件随时可用且成本相对低廉、重量轻且整体效率高。作为一些非限制性示例，这种发动机包括压燃式(ci)柴油发动机、火花点火式(si)汽油发动机、二冲程、四冲程和六冲程架构以及转子发动机。另一方面，混合动力电动车辆和全电动车辆(统称为“电动车辆”)利用替代能源来推进车辆，并因此最小化或消除对基于化石燃料的发动机牵引力的依赖。

2、全电动车辆(fev)——通俗地称为“电动汽车”——是一种类型的电动车辆配置，它完全省略了动力总成系统中的内燃机和附带的外围部件，改为依赖于可再充电的能量存储系统(ress)和牵引电动机用于车辆推进。在基于电池的fev中，基于ice的车辆的发动机组件、燃料供应系统和排气系统被单个或多个牵引电动机、牵引电池包以及电池冷却和充电硬件所替代。相比之下，混合动力电动车辆(hev)动力总成采用多种牵引动力源来推进车辆，最常见的是将内燃机组件与电池供电或燃料电池供电的牵引电动机结合操作。由于混合动力类型电动车辆能够从发动机以外的源获得其动力，因此当车辆由(一个或多个)电动机推进时，hev发动机可以全部或部分关闭。

3、高压(hv)电气系统控制牵引电动机和可再充电电池包之间的电力传输，这些可再充电电池包提供操作许多混合动力电动动力总成和全电动动力总成所需的电力。为了提供以期望速度和范围推进车辆所需的功率容量和能量密度，现代牵引电池包将多个电池单元(例如8-16个以上电池单元/堆叠)组合成个体电池模块(例如10-40个以上模块/堆叠)，这些个体电池模块串联或并联电气互连并安装到车辆底盘上，例如，通过电池包外壳或支撑托盘。位于hv电力系统电池侧的是前端dc-dc电力转换器，前端dc-dc电力转换器与(一个或多个)牵引电池包电连接，以增加对主dc母线和dc-ac电力逆变器模块(pim)的电压供应。可以将高频大容量电容器布置在主dc母线的正和负端子之间，以提供电稳定性并存储补充电能。专用电子电池控制模块(ebcm)通过与动力总成控制模块(pcm)和每个电动机的电力电子封装协同操作来控制(一个或多个)电池包和(一个或多个)牵引电动机的操作。

4、电池包的个体电池单元在电池包的充电和放电循环期间可能生成大量热量。这种电池单元携带的热量主要由放热化学反应和由于活化能、化学传输和离子迁移阻力引起的损失产生。在锂离子电池中，随着电池单元温度升高，一系列放热和气体生成反应可能会发生，并可能将电池组件推向不稳定状态。如果不加以控制，这种热事件可能会导致更加速的生热状态，称为“热失控”，在这种状况下，电池系统无法将内部电池部件恢复到正常操作温度。可以采用集成的电池冷却系统来防止这种电池包内的这些不期望的过热状况。例如，主动热管理(atm)系统采用中央控制器或专用控制模块来调节冷却回路的操作，该冷却回路使冷却剂流体循环通过生热的电池部件。对于间接液体冷却系统，传热冷却剂通过电池壳内的内部通道和管道网络循环。相比之下，直接液体冷却系统——或“液体浸没式冷却”(lic)系统——将电池单元浸没在直接传导液体介电冷却剂中。

技术实现思路

1、本文呈现的是具有用于冷却电池组件的被动抑制(quenching)袋的热管理系统、用于制造这种系统的方法和用于操作这种系统的方法，以及配备有用于冷却锂类牵引电池包的这种热管理系统的电驱动车辆。例如，公开了具有一个或多个介电冷却剂容纳袋的被动热管理(ptm)系统，该被动热管理系统被动激活以抑制(quench)圆柱形或棱柱形锂类电池单元从而防止热失控(tr)事件。冷却剂袋可跨每排电池单元放置，封装在电池包/模块外壳内部，用于将冷却剂重力或压力馈送到每个电池单元中。替代地，具有分立的内部流体室的单个冷却剂袋可以跨模块/包中的所有电池单元放置并由模块/包中的所有电池单元共享。每个冷却剂袋都可以被制造为具有一系列热机械“牺牲”塞子，诸如微晶蜡或铝箔阻碍物，这些塞子在设计的激活温度处熔化、分解或以其它方式打开。当打开时，塞子允许介电冷却剂从袋中分配到电池单元容器中；冷却剂在tr事件的电池单元起始区域吸收热能。介电冷却剂可以从冷却剂袋被馈送通过每个电池单元容器中的共享流体出口或专用涌进端口。对于共享出口设计，被动抑制系统(pqs)中的冷却剂分配到电池单元中，并在电池单元完成通过共享出口排出tr气体后抑制卷芯(jellyroll)。

2、至少一些所公开概念的附带益处包括被动热管理系统，当电池单元表现出tr事件的迹象时，该被动热管理系统立即激活。这样做消除了对主动tr感测装置或控制器自动主动tr缓解的需要。在释放到电池单元的固体罐的能量减少的情况下，电池单元到电池单元(c2c)隔离物尺寸可以减小，这有助于减少封装空间需求并防止c2c热传播。其它附带益处可能包括对流tr气体流过介电冷却剂，这可能导致离开ress的气体温度较低。冷却剂歧管可以连接相邻电池单元堆叠的袋以增加所有电池单元端子上的可用流体，这可以提高电池单元堆叠的整体冷却能力。除了减少对主动热缓解和相关时间敏感性的依赖外，随着电池容量的相伴的增加，冷却效率也得到提高，这导致整体车辆效率的提高并增加了行驶范围。

3、本公开的各方面涉及具有用于冷却电池组件的被动激活的抑制器皿的热管理系统。在示例中，呈现了一种用于调节电池组件的工作温度的被动热管理系统。该ptm系统包括安装在电池组件内部、插入在电池壳和电池单元之间的流体容器。其中装填冷却剂(例如，介电lic流体)的流体容器具有多个(第一)流体端口，该流体端口流体连接到电池单元并向其递送冷却剂。一组(第一)热机械塞子密封(第一)流体端口；这些热机械塞子被结构设计成在预定义温度处被动打开，从而使流体端口开封。这样做时，冷却剂流体从流体容器被重力或压力馈送通过开封的端口并进入电池单元的电池单元壳中。

4、本公开的附加方面涉及具有用于冷却锂类牵引电池包的lic型热管理系统的机动车辆。如本文所用的，术语“车辆”和“机动车辆”可互换使用且同义，以包括任何相关车辆平台，诸如乘用车辆(ice、hev、fev、燃料电池、完全和部分自主的等)、商用运输车辆、工业车辆、履带车辆、越野和全地形车辆、摩托车、农用装备、船只、飞机等。对于非汽车应用，所公开的概念可以被实现用于任何逻辑相关的用途，包括独立电站和便携式电源包、光伏系统、泵送装备、机床、服务器系统等。虽然本身不受限制，但所公开的概念可能特别有利于供锂类棱柱罐型牵引电池包使用。

5、在示例中，机动车辆包括具有客舱的车身、安装到车身的多个车轮(例如，经由耦合到一体式底盘或车架分离式底盘的转弯模块)、以及其它标准原始装备。对于电驱动车辆应用，一个或多个电牵引电动机单独操作(例如，用于fev动力总成)或与内燃机组件一起操作(例如，用于hev动力总成)，以选择性地驱动一个或多个车轮以推进车辆。可再充电牵引电池包安装到车身上并且可操作成为(一个或多个)牵引电动机供电。牵引电池包包括保护性电池包壳，保护性电池包壳包含一排或多排锂类电池单元。除了电池包和牵引电动机，车辆还包括其它生热装置，这些生热装置可以通过车载热管理系统进行冷却。

6、继续前面的讨论，车辆还配备有热管理系统，该热管理系统采用被动激活流体容器来选择性地用冷却剂(例如，介电lic流体)淹没一个或多个电池单元，以防止或缓解tr事件。流体容器安装在牵引电池包内部，例如位于电池壳盖和电池单元顶部之间。一系列流体端口延伸通过流体容器的底壁，每个流体端口流体连接到相应的电池单元以向其分配冷却剂。热机械塞子密封每个流体容器端口并在预定义温度处被动打开。塞子在打开时使其相应的流体端口开封，使得冷却剂从流体容器被馈送并进入相应的电池单元。

7、本公开的各方面还涉及用于制作所公开的热管理系统、电池组件和车辆的制造工作流过程以及使用所公开的热管理系统、电池组件和车辆的协议。在示例中，呈现了一种用于组装被动热管理系统的方法。该代表性方法包括(以任何顺序以及与以上和以下公开的任何选项和特征的任何组合)：将流体容器安装在电池组件内部，使得流体容器位于电池壳和一组电池单元之间，流体容器在其中装填有冷却剂流体并限定第一多个流体端口，所述第一多个流体端口被配置为流体连接到电池单元并向其递送冷却剂流体；以及用第一多个热机械塞子密封所述第一多个流体端口，所述第一多个热机械塞子被配置成在第一预定义温度处被动地打开，从而使第一多个流体端口开封，使得冷却剂流体从流体容器被压力或重力馈送到电池单元中。

8、对于所公开的系统、方法和车辆中的任何一个，每个热机械塞子均可以是位于流体端口中相应一个的内部和/或覆盖流体端口中相应一个的结构阻碍物。可选地，每个热机械塞子可以是整体或部分由蜡材料、金属箔材料和/或智能材料形成的单件结构。例如，该单件结构可以由微晶蜡、铝膜、形状记忆合金和/或形状记忆聚合物形成。每个热机械塞子被动打开的预定义温度可以是约80和120摄氏度(℃)(即约175-260华氏度(°f))之间的电池校准热失控起始温度。

9、对于任何公开的系统、方法和车辆，所述流体容器可以具有矩形多面体形状，该矩形多面体形状具有面对电池单元的底壁和面对电池壳的顶壁。在这种情况下，第一组流体端口沿着底壁间隔开并延伸通过底壁。作为另外的选项，第二组流体端口可以沿着流体容器的顶壁间隔开并且延伸通过该顶壁；这些端口在被打开时由电池单元生成的气体通过其排出。第二组热机械塞子可以密封流体容器的顶壁中的流体端口；这些塞子在预定义温度处被动打开，从而使顶壁端口开封。可能期望底壁中的热机械塞子整体或部分地由一种材料形成，该种材料在一个不同的预定义温度处被动地打开，而顶壁中的热机械塞子整体或部分地由另一种不同的材料形成，该另一种不同的材料在另一个不同的预定义温度处被动打开。

10、对于所公开的系统、方法和车辆中的任何一个，每个电池单元可以包括具有电池单元出口的电池单元壳，例如，在tr事件期间通过该出口排出由电池单元生成的气体。在这种情况下，流体容器底部的流体端口经由电池单元出口流体连接到电池单元以向其分配冷却剂流体。可选地，每个电池单元壳可以包括：涌进端口，液体冷却剂通过该涌进端口进入；以及电池单元出口，通过该电池单元出口排出由电池单元生成的气体。在该示例中，流体容器底部的流体端口经由涌进端口流体连接到电池单元以向其提供冷却剂流体。可能期望每个电池壳涌进端口的尺寸大于流体容器中与其配合的流体端口。

11、对于所公开的系统、方法和车辆中的任何一个，电池组件可以合并包含在电池壳内的多排相互平行的堆叠电池单元。在这种情况下，ptm系统可以采用单个共享流体容器或多个不同的流体容器，它们安装在电池组件内部并插入在电池壳和电池单元之间。对于多容器设计，每个流体容器可以位于相应一排堆叠电池单元的顶部。每个流体容器可以是由聚合材料形成为单件结构的柔性袋。

12、一种用于电池组件的被动热管理(ptm)系统，所述电池组件具有包含多个电池单元的电池壳，所述ptm系统包括：

13、流体容器，被配置为安装在所述电池组件内部并插入在所述电池壳和所述电池单元之间，所述流体容器在其中装填冷却剂流体并限定第一多个流体端口，所述第一多个流体端口被配置为流体连接到所述电池单元并向其分配所述冷却剂流体；和

14、第一多个热机械塞子，密封所述第一多个流体端口并被配置成在第一预定义温度处被动打开，从而使所述第一多个流体端口开封，使得所述冷却剂流体从所述流体容器馈送到所述电池单元中。

15、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述热机械塞子中的每一个均是位于所述流体端口的相应一个中和/或覆盖所述流体端口的相应一个的结构阻碍物。

16、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述热机械塞子中的每一个均是由蜡材料、金属箔材料和/或智能材料制成的单件结构。

17、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述单件结构由微晶蜡、铝膜、形状记忆合金和/或形状记忆聚合物形成。

18、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中，所述第一预定义温度是约80和120摄氏度之间的电池校准热失控起始温度。

19、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中，所述流体容器包括相对的底壁和顶壁，所述底壁面对所述电池单元，并且所述顶壁面对所述电池壳，并且其中，所述第一多个流体端口沿着所述底壁间隔开并且延伸通过所述底壁。

20、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中，所述流体容器还限定第二多个流体端口，所述第二多个流体端口沿所述顶壁间隔开并延伸通过所述顶壁，所述第二多个流体端口被配置为通过其排出由所述电池单元生成的气体。

21、根据本公开实施例所述的ptm系统，还包括第二多个热机械塞子，所述第二多个热机械塞子密封所述第二多个流体端口并且被配置成在第二预定义温度处被动打开从而使所述第二多个流体端口开封。

22、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述第一多个热机械塞子均由第一材料形成，所述第一材料被配置为在所述第一预定义温度处被动打开，并且所述第二多个热机械塞子均由第二材料形成，第二材料不同于第一材料并被配置成在不同于第一预定义温度的第二预定义温度处被动打开。

23、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中每个电池单元均包括具有电池单元出口的电池单元壳，通过所述电池单元出口排出由所述电池单元生成的气体，并且其中所述第一多个流体端口经由所述电池单元出口流体连接到所述电池单元，以向其分配所述冷却剂流体。

24、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中每个电池单元均包括具有涌进端口和电池单元出口的电池单元壳，所述液体冷却剂通过所述涌进端口进入，通过所述电池单元出口排出由电池单元生成的气体，并且其中所述第一多个流体端口经由所述涌进端口流体连接到所述电池单元以向其分配所述冷却剂流体。

25、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述第一多个流体端口中的每一个均具有第一端口尺寸并且所述涌进端口中的每一个均具有大于所述第一端口尺寸的第二端口尺寸。

26、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述电池单元包括容纳在所述电池壳内部的多排相互平行的堆叠电池单元，并且其中所述流体容器包括多个流体容器，每个流体容器被配置为安装在电池组件内部并插入在所述电池壳和相应的一排堆叠电池单元之间。

27、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述流体容器包括由聚合材料形成为单件结构的柔性袋。

28、根据本公开实施例所述的ptm系统，其中所述冷却剂流体从所述流体容器被重力馈送到所述电池单元或者所述流体容器被加压以将所述冷却剂流体压力馈送到所述电池单元。

29、一种机动车辆，包括：

30、车身；

31、多个车轮，附接到所述车身；

32、牵引电动机，附接到所述车身并可操作为驱动一个或多个车轮从而推进所述机动车辆；

33、牵引电池包，附接到所述车身并与所述牵引电动机电连接，所述牵引电池包包括电池壳，所述电池壳包含一排锂类电池单元；和

34、热管理系统，包括：

35、流体容器，安装在所述牵引电池包内部并位于所述电池壳和所述电池单元之间，所述流体容器在其中装填液体浸没式冷却(lic)流体，所述流体容器限定通过其底壁的多个流体端口，每个流体端口均流体连接到所述电池单元中相应一个以向其分配所述lic流体；和

36、多个热机械塞子，每个热机械塞子均密封所述多个流体端口中相应一个流体端口并且每个热机械塞子均被配置成在预定义温度处被动打开，从而使相应流体端口开封，使得所述lic流体从所述流体容器被重力馈送到相应电池单元中。

37、一种组装用于电池组件的被动热管理(ptm)系统的方法，所述电池组件具有包含多个电池单元的电池壳，所述方法包括：

38、将流体容器安装在所述电池组件内部，使得所述流体容器位于所述电池壳和所述电池单元之间，所述流体容器在其中装填有冷却剂流体并限定第一多个流体端口，所述第一多个流体端口被配置为流体连接到所述电池单元并向其分配所述冷却剂流体；以及

39、用第一多个热机械塞子密封所述第一多个流体端口，所述第一多个热机械塞子被配置成在第一预定义温度处被动打开，从而使第一多个流体端口开封，使得所述冷却剂流体从所述流体容器被馈送到所述电池单元中。

40、根据本公开实施例所述的方法，其中，所述热机械塞子中的每一个均是位于所述流体端口的相应一个中和/或延伸穿过所述流体端口的相应一个的单件结构阻碍物。

41、根据本公开实施例所述的方法，其中，所述流体容器包括相对的底壁和顶壁，所述底壁面对所述电池单元，并且所述顶壁面对所述电池壳，并且其中所述第一多个流体端口沿所述底壁被间隔开并且延伸通过所述底壁。

42、根据本公开实施例所述的方法，其中，所述流体容器还限定第二多个流体端口，所述第二多个流体端口沿着所述顶壁间隔开并延伸通过所述顶壁，所述第二多个流体端口被配置为通过其排出由所述电池单元生成的气体，所述ptm系统还包括第二多个热机械塞子，所述第二多个热机械塞子密封所述第二多个流体端口并被配置成在第二预定义温度处被动地打开从而使所述第二多个流体端口开封。

43、以上概述并不代表本公开的每一个实施例或每一个方面。相反，前面的概述仅提供本文中阐述的一些新颖概念和特征的概要。当结合附图和所附权利要求理解时，根据用于实施本公开的图示示例和代表性模式的以下具体实施方式，本公开的上述特征和优点以及其它特征和附带优点将是显而易见的。此外，本公开明确包括以上和以下呈现的元件和特征的任何和所有组合和子组合。