用于电池冷却系统的温度相关的保险丝的制作方法

本公开涉及电池保护系统，并且更具体地涉及用于液体冷却的电池系统中的电池过温保护的系统及方法。

背景技术：

电动车辆通常使用一个或多个电动机来推进并且由电池系统供电。这种车辆包括道路和轨道车辆、水上和水下船舶、电动飞行器以及电子娱乐设备。电动车辆释放零空气污染物并且生成比常规的内燃发动机车辆更小的噪声。目前，经常使用锂离子电池。过热的锂离子电池造成严重的火灾危险，使得需要保护系统来阻止锂离子电池在过热时充电或放电。

技术实现要素：

本公开的系统及方法各自具有若干创新方面，这些方面的任何单一方面都不应单独对其期望的属性负责。在限制所附权利要求书所表达的范围的情况下，现在将更简要地讨论其更显著的特征。

在一个实施例中，描述了一种具有过热保护的电池。所述电池可以包括包围至少一个电化学电池的壳体以及与所述至少一个电化学电池串联电连接的温度相关的电路中断元件。所述温度相关的电路中断元件可以具有随着所述电路中断元件的温度增加而减小的连续电流容量。所述电池可以进一步包括位于所述壳体内的冷却剂，所述冷却剂与所述电路中断元件的至少一部分热接触。

在另一个实施例中，描述了一种具有电池冷却和保护系统的电动车辆。所述车辆可以包括至少一个电动机和用于为所述至少一个电动机供电的液体冷却的电池。所述液体冷却的电池可以包括与液体冷却剂热接触的电池。所述车辆可以进一步包括电池保护系统，所述电池保护系统包括与所述液体冷却剂热接触的至少一个温度相关的电路中断元件。所述电路中断元件可以与所述电池串联布置并且可以具有随着所述电路中断元件的温度增加而减小的连续电流容量。

在另一个实施例中，描述了一种电池保护设备。所述电池保护设备可以包括用于包围至少一个电化学电池的装置以及用于中断与所述至少一个电化学电池串联电连接的电路的装置。所述电路中断装置可以被配置成当大于连续电流容量的电流流经所述电路中断装置时中断所述电路。所述电路中断装置可以具有随着所述电路中断装置的温度增加而减小的连续电流容量。所述电池保护设备可以进一步包括用于冷却所述至少一个电化学电池和所述电路中断装置的装置。

在另一个实施例中，一种电池过温保护方法包括使一个或多个电化学电池和至少一个温度相关的电路中断元件浸入同一种液体冷却剂。

附图说明

现在将结合各种实现方式参照附图描述本技术的上述方面以及其他特征、方面和优点。所示出的实现方式仅是示例并且不意图是限制性的。贯穿附图，类似的符号通常表示类似的组件，除非上下文以其他方式指明。

图1是描绘根据示例性实施例的温度相关的保险丝的连续电流容量的示例温度相关性的曲线图。

图2是描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝的液体冷却的电池的布置与操作的框图。

图3描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝的液体冷却的电池的配置。

图4A描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝的液体冷却的电池的示例配置。

图4B描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝的液体冷却的电池的示例配置。

图5是描绘根据示例性实施例的并入温度相关的保险丝的电动车辆的底盘的简化图。

图6是描绘根据示例性实施例的电动车辆内的多个电池串的简化图。

具体实施方式

以下描述涉及为了描述本公开的创新方面的某些实现方式。然而，本领域技术人员将容易地认识到本文的教导可以根据许多不同的方式应用。所描述的实现方式可以在任何电路中实现。在一些实现方式中，词语“电池(battery)”或“电池(batteries)”将用于描述本文描述的实施例的某些元件。需要说明的是，“电池(battery)”不一定指仅单个电池单元。而是，被描述为“电池(battery)”或在附图中被示出为电路中的单个电池单元的任何元件可以等效地由任何更大数量的单个电池单元组成或者可以是位于更大电池结构内的单个模块，而不背离所公开的系统和方法的精神或范围。

一个或多个电池可以使用液体冷却剂来维持适当的操作温度。例如，一个或多个电池可以由壳体包围并且由液体冷却剂围绕。在一些实施例中，冷却剂或冷却液体或冷却流体可以包括例如以下各项中的一项或多项：合成油、聚烯烃(例如，聚α-烯烃(“PAO”))、乙二醇、乙二醇和水以及相变材料(“PCM”)。在一些方面，电池冷却系统采用液体电解质作为冷却剂。冷却剂可以被配置成将热量从液体冷却剂传递到壳体。壳体可以包括一个或多个散热片。在一些实施例中，液体可以循环通过壳体和/或通过热交换器。

如果冷却剂在操作条件期间由于例如热交换故障、电池故障而变得过热或者如果冷却剂泄露、蒸发或与其他方式离开电池冷却系统，液体冷却的电池系统可能经历不期望的温度波动。在后一种情况下，因为系统中不存在足够的总冷却剂来提供足够的总冷却，冷却剂温度可能上升。冷却剂的损耗或过热可能导致可能的电池损坏、火灾或其他危害。

检测冷却剂的损耗或过热具有挑战性。如果电池或其周围的冷却剂被测量为高于预定的温度阈值，电池可以断开连接。因为液体电解质通常由于正常电池操作的温度波动而经历显著的热膨胀和收缩，使用常规的浮点传感器检测冷却剂的损耗不够高效。其他热传感器也可能故障。数字热传感器可能需要电力来操作。其他计算机辅助的热传感器可能易于故障或失效。

为了减少或消除这些问题和/或提供除了上述系统及方法之外的额外的保护水平，在冷却剂损耗的情况下或者出于冷却剂过热的任何其他原因(诸如电池过载或失效)，可以使用温度相关的保险丝将液体冷却的电池断开连接。常规的保险丝被形成为由于电阻性加热而随着电流增加而变热的电阻性金属。当电阻器融化或蒸发时，电流无法流经保险丝。当电阻器融化和/或蒸发时，保险丝“跳闸”或“熔断”。因为当保险丝材料周围的环境温度增加时，融化或蒸发电阻器所需的电流量可能降低，这种保险丝呈现出温度相关的熔断特征。

为了定义这种保险丝的这个特征，在此使用术语“连续电流容量”，这个术语是指保险丝将无限地承载的电流而不存在熔断并且不存在随着保险丝的预期使用寿命而造成的材料特性的显著的热应力相关的降级。流经保险丝的大于保险丝的连续电流容量的电流降熔断保险丝并中断电路。稍微高于保险丝的连续电流容量的电流需要数小时或更长时间来熔断保险丝，而显著地超过承载保险丝的容量的连续电流的电流可以在几分之一秒内熔断保险丝。本文使用的连续电流容量通常与保险丝制造商为其产品分配的保险丝的额定“值”有关但是可以在某种程度上更低。例如，许多保险丝制造商建议保险丝将在使用中承载的连续电流仅为保险丝额定值的70-80％。在温度相关的保险丝中，连续电流容量将随着保险丝的操作环境温度的增加而降低。

图1是描绘根据示例性实施例的温度相关的保险丝的连续电流容量的示例温度相关性的曲线图100。X轴102表示保险丝周围环境的环境温度，而Y轴104表示连续电流容量。线106和108表示示例温度相关的保险丝的连续电流容量的可能温度相关性曲线。

电池系统可以被设计成在正常的温度范围内操作，低于最大温度110，在曲线图100中标记为T_max。在一些实施例中，可以允许在超过T_max 110的温度下操作电池系统，尽管电池损坏或故障可能在更高温度下或者如果长时间暴露于过高的温度而发生。电池系统可以另外具有最大电流I_max 114，此最大电流是在正常操作条件下待从电池汲取的最大电流。大于I_max114的电流也可能由于过热或其他原因而造成电池损坏或故障的风险。如果电池是电动车辆推进电池，I_max 114可能较高，例如为300A-500A或更大。

在本申请中使用的温度相关的保险丝将优选地被设计成在温度和电流正常116时不会跳闸。当温度超过T_max 110时，保险丝将优选地在小于I_max 114的电流跳闸。因此，温度相关的保险丝可以呈现出类似于曲线106的可变连续电流容量，其中连续电流容量对于低于T_max 110的所有温度保持高于I_max 114但是当保险丝温度超过T_max 110时下降。在一些实施例中，材料特性可能导致温度相关的保险丝具有类似于曲线108的更线性的温度相关性。线性温度相关性108也可以是可接受的，连续电流容量在T_max 110以上的温度下降到足以允许保险丝在小于I_max 114的电流熔断。

图2是描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝202的液体冷却的电池200的布置与操作的框图。电池200可以包括布置在壳体206内的一个或多个电化学电池204。该一个或多个电化学电池204可以与电池端子208和210电连接，其中，可以进行连接从而为车辆系统供电，诸如灯、动力系统、气候控制、制动辅助或能够使用电力的任何其他车辆系统。电池200的正端子208可以连接到该一个或多个电化学电池204的正端子或阴极，而电池200的负端子210可以连接到该一个或多个电化学电池204的负端子或阳极。

温度相关的保险丝202可以与该一个或多个电化学电池204串联电连接。在一些实施例中，温度相关的保险丝202可以连接在该一个或多个电化学电池204的阴极与电池200的正端子208之间或者连接在该一个或多个电化学电池204的阳极与电池200的负端子210之间。在包括多个电化学电池的实施例中，温度相关的保险丝202可以连接在这些电化学电池204中的两个或更多个之间。

电池200可以进一步包括冷却剂入口212和冷却剂出口214。外部冷却系统可以通过冷却剂入口212将冷却剂液体引入到壳体206内部的空间216中。进入空间216的冷却剂可以来自外部冷却剂储罐224。进入空间216的冷却剂可以在空间216内循环，收集当其通过时电池204的操作所产生的热量。最终，冷却剂可以基于冷却系统的泵218在冷却剂出口214处造成的负压通过冷却剂出口214从空间216汲取出。在通过冷却剂出口214离开空间216之后，液体冷却剂可以行进到冷却系统的热交换器220并且可以由泵218返回到冷却剂储罐224，并且冷却过程可以无限地重复。

由于泄露、热交换器220故障和/或泵218故障导致缺少冷却剂可能干扰期望的流动222和/或电池壳体206和冷却系统内的空间216中的冷却剂的温度。因为电化学电池204将在操作期间产生热量，如果电池204继续充电或放电的话，干扰冷却剂液体的流动222或冷却可能造成大量热量在电池204内累积和/或冷却剂在空间216内累积。热量的过量累积可能导致电池204到达比它们的预期操作温度高很多的温度，这可能造成电池故障。如果电池204是锂离子或其他，过热可能导致电池204爆炸或着火，由此造成严重的损失或伤害。因此，如果冷却系统故障或冷却剂损耗，应当通过中断电池电路停止电流流动来避免过热。

可以通过电子地监控储罐224中的冷却剂水平传感器并且发送信号来解除接合磁接触器以将电池断开连接来按照有源的方式中断电池电路。然而，因为冷却剂液体可能由于正常操作期间的温度波动而显著地膨胀或收缩，可能难以直接检测冷却剂量损耗。因此，可能难以确定冷却剂损耗和冷却剂液体的正常收缩之间的差异，导致错误的冷却剂损耗指示或故障而在实际冷却剂损耗情况下中断电路。在本文描述的一些实施例中，可以包括温度相关的电路中断元件诸如温度相关的保险丝202以自动地断开电池电路以及在冷却系统无法充分地冷却电池204时停止电流流动。在一些实施例中，这种电路中断元件可以包括保险丝、熔线、其他保险元件、接触器、热熔断器、弹簧、双金属带等等。在这些实施例中，温度相关的电路中断元件是“无源”器件，意味着其不依赖于任何外部感测或信号来操作。而是，该器件自身的固有材料特性确定温度相关的电路中断元件断开电路并且造成电路中断自身的条件。

图3描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝302的液体冷却的电池300的配置。液体冷却的电池300可以包括布置在电池壳体306内的多个电化学电池304。在一些实施例中，电化学电池304可以串联连接、并联连接或串联连接与并联连接组合。尽管图3的配置描绘了四个电池304串联连接，本文描述的系统和方法可以容易地应用于电池304的更复杂的布置。例如，电池300可以包括并联电池304的多个串联连接的集合或串而不是串联连接的单个电池304，以在不增加电池电压的情况下提供附加的能量储存容量。温度相关的保险丝302可以位于电池壳体306内并且电连接在至少一个电化学电池304与电池300的正端子308或负端子310之间。保险丝302应当优选地与电池或电池304的组串联连接，从而使得保险丝302处的断开连接断开通过电池300的整个电路，因此停止电流在任何电池304之间流动。

温度相关的保险丝302可以位于电池壳体306内空间312中，从而使得空间312内的冷却剂液体可以围绕电化学电池304和温度相关的保险丝302两者循环。类似于以上参照图2描述的配置，液体冷却剂可以在冷却剂入口314进入空间312并且在冷却剂出口316离开空间312。冷却剂可以自由地流过空间312，在冷却剂出口316离开之前围绕并且在保险丝302与该多个电化学电池304之间通过，如图3中的加粗箭头所指示的。

在一些实施例中，电池300和保险丝302可以被配置成无源地操作，从而使得在不会电子地检测到冷却剂液体的量值或温度或保险丝熔断序列的电子启动故障的情况下进行保护。如果冷却剂液体从冷却系统泄露或者变得太热而无法有效地冷却保险丝302，可以触发无源过热保护。例如，由于电池壳体306来自内部或外部的损坏、制造缺陷、冷却系统的不同部分的损坏或降低冷却系统容置冷却剂液体的能力的任何其他情况而导致的缺口，冷却剂液体可能泄露。例如，由于冷却系统的故障或电池300内的过热，诸如电池过流情况或其他电池损坏或故障，冷却剂液体可能变得太热而无法有效地冷却保险丝302。

当冷却剂液体损耗或变得过热时，保险丝302的温度由于增加的环境温度而增加。尽管保险丝302在正常的电池操作期间发生某些电阻性加热，只要存在冷却剂液体并且其温度足够低，冷却剂液体就可以将一部分这种热量从保险丝302传走。在不存在足够的冷却剂液体和/或冷却剂液体存在于过高的温度下时，保险丝302内的电阻性加热所释放的更多热量保持在保险丝302的金属内。因此，保险丝302的温度可以在冷却剂液体离开系统或者变得过热而无法充分地冷却保险丝时开始增加。

保险丝302可以是温度相关的，具有随着保险丝302的温度增加而减小的连续电流容量。在一些实施例中，保险丝302可以是任何种类的保险元件，诸如电阻器、保险丝、熔线、热敏电阻器、热保险丝、热熔断器等等。在一些实施例中，保险丝可以由具有相对较低的熔点的金属或合金组成，从而使得保险丝将在不存在有效的冷却系统时在相对较低的电流下融化。

当保险丝302的连续电流容量下降到保险丝302中的实际电流以下时，保险丝可以熔断。通常，当流经保险丝的电流大于保险丝的连续电流容量时，保险丝的金属可以立即或在某个时间延迟之后融化或蒸发。这种融化或蒸发可以中断保险丝的两端之间的电连接，将保险丝位于其中的电路断开。相应地，当温度相关的电池保险丝302熔断时，只要保险丝302与该多个电化学电池304串联连接，电流就可以停止从电池300流出。因此，电池304将被阻止继续充电或放电，从而阻止潜在的过热对电池300的任何损坏。

在一些实施例中，保险丝302在电池壳体306内的位置可以被选择为增强无源过热保护的有效性。例如，保险丝302可以位于电池壳体306的上部分中。在另一个示例中，保险丝302可以靠近冷却剂入口314。在一些实施例中，将保险丝302靠近壳体306的中间或者靠近冷却剂出口316放置可能是更符合实际的，这取决于保险丝材料的特定温度相关性。

图4A和图4B描绘根据示例性实施例的具有温度相关的保险丝402的液体冷却的电池400的示例配置。如图2和图3所示，图4A和图4B中的配置包括包围在电池壳体406内的电化学电池404，其中加粗箭头指示冷却剂液体流经壳体406内的空间408。图4A的配置包括保险丝402串联连接在电池400的正端子416与电池404之间。图4B的配置包括替代布置，其中，保险丝402靠近电池400的中间连接、电连接在两个电池404之间。只要保险丝402与电池404串联连接，保险丝402就可以在各个位置遍及电池400的内部，从而使得不存在通过电池的将允许电池404甚至在保险丝402已经熔断之后充电或放电的替代电流路径。

在一些实施例中，电化学电池404可以通过一个或多个支撑结构被保持在位。例如，电池404可以通过上端板410和下端板412被保持在位。在一些实施例中，上端板410和/或下端板412可以包括大小和形状被确定为容纳电池404的圆形端的切出或内凹部分。在一些方面，上端板还可以支撑、包括和/或锚定电路414，诸如挠性电路、印刷电路或内部布线，以承载去往和/或来自电池404的电流。图4A和图4B描绘电路412将电池404的阴极连接到电池400的正端子416。未示出将电池404的阳极连接到电池400的负端子的电路但是也可以存在这种电路。在各个实施例中，负电路可以被包括在相对的端板412中或者被包括在同一个端板410中，这取决于电池404上的阳极和阴极的位置。在其中正电路414被包含在挠性电路的实施例中，负电路可以被包含在挠性电路的第二导电层中，通过电绝缘材料与正导电层分离。

在液体冷却的电池400中，通过用端板410和412固定在电池404的上端和下端将电池404保持在位可以提供在电池400内创造空间408以供冷却剂液体自由流动并且与电池404的外表面接触的优点。在一些实施例中，电池404可以被布置在分离的配置中，从而使得每个电池404的外表面不与任何其他相邻电池404的外表面接触。分离配置可以提供允许冷却剂液体在其在空间408内循环时接触电池404的所有表面的优点。用端板410和412固定电池404可以提供增加对电池404的振动所导致的损坏的结构完整性和抵抗性的进一步的优点。

图5是描绘根据示例性实施例的电动车辆电池组500内的多个电池串502的图示。在一些实施例中，多个电池可以被封装在模块504中，其中多个模块504组合形成电池组500。单个电池或电池模块504可以被布置在串502中。电池或电池模块504可以包括一个或多个电化学电池。例如，每个电池模块504可以包括以上参照图2至图4B描述并描绘的一个或多个电池。电池可以包括适合电动车辆推进的任何类型的电池，诸如锂离子电池、镍金属氢化物电池、铅酸电池等等。在一些实施例中，电池组500可以是被配置成用于向电动车辆动力系统提供电力的高压电池组。在一些实施例中，电池组500可以是被配置成用于向各种电动车辆系统提供电力的低压(例如，12V)电池组。

电池串502可以通过将两个或更多个电池模块504串联连接来形成。多个串502可以并联组合以形成更大的电池组500。并联连接多个串502允许在不增加电池组500的电压的情况下增加附加的能量储存。例如，图5描绘的电池组500可以包括具有完全相同的电压和能量储存容量的六个串502，从而使得整个电池组500的能量储存容量等于单个串502的储存容量的六倍，而整个电池组500的电压等于每个单独的串502的电压。电池串502的使用允许增加更多的串502来在不影响所产生的电压的情况下为电池组500增加额外的能量储存容量。

在组合多个电池模块504的实施例中，可以按照与以上参照图2至图4B描述的方式相同的方式执行液体冷却。在一些实施例中，包括冷却剂储罐、泵和热交换器的单个冷却系统可以用于为多个电池模块504、多个串502或甚至整个电池组500提供冷冻冷却剂。可以被遍及电池组500提供导管506和508以在电池模块504、串502和冷却系统之间传递冷却剂。在一些实施例中，入口导管506可以将冷冻冷却剂从冷却系统传递到电池模块504，并且返回导管508可以收集并且将加热冷却剂从电池模块504返回到冷却剂系统。

温度相关的保险丝可以按照与以上参照图1至图4B描述的方式相同的方式与多电池组500一起使用。在一些实施例中，单个保险丝可以用于多个电池模块504。例如，当多个电池504被串联地布置在并联串502中时，一个保险丝可以用于每一个串502而不是包括用于每一个电池模块504的分离的保险丝。

图6是描绘根据示例性实施例的并入温度相关的保险丝的电动车辆600的底盘的图示。电动车辆600可以包括动力系统，该动力系统包括电池组602、多个轮子604和被配置成转动轮子604并且推进车辆600的至少一个电力牵引电动机606。电池组602可以被配置成向牵引电动机606提供电力。在一些实施例中，电池组602可以包括多个电池串608。串608可以是单独可切换的，从而使得一些串608可以是有源的并且在其他串608从车辆的剩余部分断开连接时提供电力。单独可切换的串可以提高性能和可靠性，例如通过允许车辆600在一个或多个串608内检测到故障或失效之后继续行驶，因为故障串可以在剩余的串继续提供电力时断开连接。

以上参照图1至图5描述的温度相关的保险丝可以提供类似的益处，如果在每一个电池串608中使用的话。如果任何串608中发生冷却系统故障，这个串中的温度相关的保险丝可以按照以上描述的那样跳闸。当一个串608中的保险丝跳闸时，效果类似于将整个串从电池组602电路断开连接。当串608中的保险丝跳闸时，电流停止流过该串608，并且该串608可以被保护不受到过热引起的任何进一步的损坏。

在于2015年8月31日提交的标题为“车辆能量储存系统(VehicleEnergy-Storage System)”的第14/841,617号美国申请中描述了与在电动车辆中使用液体冷却的电池有关的附加细节和实施例，该申请通过引用以其全文结合在此。

前述描述详细描述了本文公开的系统、装置和方法的某些实施例。然而，将认识到无论上述内容在本文中有多详细，可以按照许多方式实践这些装置和方法。同样如上所述，应当注意的是，当描述本发明的某些特征或方面时使用特定的术语不应当被认为暗示这个术语在本文被重新定义为被限制为包括该术语与其关联的那个术语的特征或方面的任何特定的特性。因此，本公开的范围应当根据所附权利要求书及其任何等效方案来解释。

针对本文适应任何复数和/或单数术语，本领域技术人员可以从复数转换为单数和/或从单数转换为复数，只要适合上下文和/或本申请。为了清晰，可以明确地在本文阐述各个单数/复数置换。

需要说明的是，这些示例被描述为过程。尽管这些操作可以被描述为顺序过程，可以并行地或并发地执行这些操作中的许多操作，并且可以重复该过程。另外，可以重新排列这些操作的顺序。当其操作完成时，过程结束。过程可以对应于方法、函数、流程、子例程、子程序等等。

提供了所公开的实现方式的先前描述以使得本领域技术人员制造或使用本文公开的过程和系统。对这些实现方式的各种修改将对本领域技术人员非常明显，并且本文描述的通用原理可以应用于其他实现方式而不背离本文公开的过程和系统的精神或范围。因此，本文公开的过程和系统不意图受限于本文示出的实现方式而是应当被赋予与本文公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。