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JP7290569B2 - バッテリー内で熱暴走を生じさせるための装置および方法 - Google Patents

バッテリー内で熱暴走を生じさせるための装置および方法 Download PDF

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Description

本願は、２０１７年１月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／４４８，１３４号および２０１７年９月８日に出願された米国仮特許出願第６２／５５６，００６号の優先権の利益を主張するものであり、両者ともここに参考文献として組み込む。
本開示は、バッテリー技術に関し、特に、バッテリー試験および安全性に関する。
バッテリーパックの安全性の研究は市場の採用とともに激化している。これは、電気自動車（ＥＶ）用のバッテリーパックを含む。多くのエネルギー格納システムは、数百個のリチウムイオンバッテリーセルを使用する。間違った使用シナリオまたは欠陥のために、発熱反応が温度の急激かつ制御不能な上昇を生じさせ、それにより、エネルギー放出および／または火災につながる。危機温度より上になると、発熱反応は、外部環境へ発散される熱を上回り、温度は、急速かつ制御不能に上昇し始める。酸素は活性材料から解放され、しばしば激しい毒性および可燃性有機蒸気の放出が存在する。このプロセスは、熱暴走として知られている。危機温度はバッテリー毎に変化し、かつ、バッテリーセルのサイズ、形状、化学成分等に依存しうる。
セル故障を引き起こす条件は、セル内の内部短絡などのセル欠陥を含む。他の条件は、例えばバッテリーの過充電などの車両システム障害である。他の条件は、セル貫通または外部熱のような外力の印加である。あるアプリケーションで、隣接セルの近い距離のために、ひとつのセルが熱暴走すると、故障の連鎖反応はバッテリーセルのアレイ全体を通じてカスケード反応しうる。
複数セルの熱暴走は極端な事象であり、それはエネルギー衝突、隣接火災、および／または深刻な過充電を含む。単一セルの熱暴走は、セル内部回路短絡、製造欠陥、セル寿命などのより繊細な事象であり、バッテリーパックの適切な設計を通じて軽減されることが予想される。
例えば、テストおよび／または研究目的で、調査すべき熱暴走を引き起こすためのさまざまな方法が存在する。これらは、例えば、釘、ネジ、鈍器、または他の物体によりセルを貫通させまたは穴を開けること、または、セルを壊すことを含む。これらの技術は、通常の方法であるが、再現性に問題があり、最小のエネルギー導入が必要である。残念ながら、複数セルを有するバッテリーパック内の単一セルに対して実行することが困難であり、車両内のバッテリーパックにおいて実行するのが困難であり、また、セル／モジュール境界条件を変化させうる。
他の通常の熱暴走発生技術は、セル加熱である。セル加熱は、バッテリーまたはバッテリーセルをオーブン内またはホットプレート上に配置することにより実行可能である。加熱は、バッテリーセルの全体または一部を抵抗加熱ワイヤで包囲することによっても提供可能である。セル加熱は、良好な再現性を与え、セルに対して外部から（例えば、導体、レーザー、他）または内部から適用可能であり、それは長い動作時間を有し、境界条件に有意な影響を与える隣接セルを加熱させる。
他の熱暴走開始技術は、セル過充電であり、それは、良好な再現性を有するが、異なるセル設計をまたいで実行することが困難である。ビルトイン回路は、セル内のデバイスを遮断し、他の内部安全メカニズムはこの方法を使った熱暴走の開始を妨げうる。この技術はまた、セルに対して有意な非特徴的エネルギーを付加し、それは、生成された熱暴走反応を強化しうる。
他の熱暴走開始技術は、セル欠陥の導入であり、それは、セル内に内部短絡回路を生じさせるべく、欠陥を意図的に導入することに関する。このアプローチは、あまり通常ではなく、再現性が不明であり、特別に作成されたセルを必要とし、実行が困難であり安全上の危険がある。
現在、ＥＶバッテリーパック内の包囲セルのセル故障または故障伝搬のリスクを評価する標準化された試験方法は存在しない。
運輸規制機関は、多数のバッテリーの輸送（貨物）およびバッテリーパック設計の安全性を判定するために、バッテリーパック内で熱事象を生じさせる、正確で、再現性があり、単純かつ強固な方法を活発に開発しようとしている。
したがって、ひとつ以上のバッテリーセル内で熱暴走を生じさせるためのシステムおよび方法に関連した改善が所望される。
上述した情報は、本開示の理解を助けるための背景情報にすぎない。本開示に関して従来技術として上述したいずれかが応用可能であるか否かについて、主張または認定するものではない。
ひとつの態様において、本開示は概して、セルと熱的に接触するように配置された抵抗加熱素子に高パワー電気パルスを与えることによって作成される熱のパルスによって、バッテリーセルを局所的に加熱するべく使用されてよい装置、方法およびシステムを与える。パルスは、ひとつ以上のキャパシタのようなエネルギー源内に格納されたエネルギーの突然かつ急速な解放によって生成され得る。熱生成速度は、外部の短絡回路から観測されるものと同じかほぼ同じであるように設計可能であるが、内部の短絡回路に特化されたより小さい面積に適用されるように設計されてもよい。同じパワーをより小さい面積に印加することは、熱流束を増加させ、より高温の局所的温度を達成することができる。内部バッテリー材料が危機温度に達したとき、熱暴走が始まる。
ひとつの態様において、本開示は、バッテリーセル内で熱暴走を生じさせるための装置を与え、当該装置は、バッテリーセルの領域に熱を伝達するためにバッテリーセルと熱接触して配置した熱抵抗発熱素子と、熱抵抗発熱素子に電気的に接続されたエネルギー源と、熱暴走を生じさせるためにバッテリーセルの領域を加熱するための熱抵抗発熱素子においてエネルギーパルスを生成するために、熱抵抗発熱素子を通じて電流パルスを送るための回路を選択的に形成するためのスイッチとを有する。
ひとつの実施形態において、電流パルスは指数関数的に減衰する。
ひとつの実施形態において、パワーパルスによって生成された抵抗加熱素子におけるピーク熱流束密度は、少なくとも１，０００，０００平方メートルワット（W/m２）であり、ここでワットのパワーは、抵抗加熱素子での加熱パワーであり、平方メートルの面積は、抵抗加熱素子のフットプリント表面積である。他の実施形態において、パワーパルスによって生成される抵抗加熱素子でのピーク熱流束密度は、少なくとも８００，０００ワット平方メートル（W/m2）、１，６００，０００W/m2、または他の適当な値である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のピーク熱流束密度は、少なくとも６，０００，０００W/m2である。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のピーク熱流束密度は、少なくとも２，０００，０００W/m2である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の２０％以下である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の１０％以下である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の５％以下である。
ひとつの実施形態において、エネルギー源に格納されたエネルギーの少なくとも９５％が、スイッチが回路を形成してから６０秒未満に印加される。
ひとつの実施形態において、エネルギー源に格納されたエネルギーの少なくとも９５％は、スイッチが回路を形成してから３０秒未満に印加される。
ひとつの実施形態において、エネルギー源は、少なくとも１つのキャパシタを有する。
ひとつの実施形態において、エネルギー源は、連続ＤＣ電源を有する。
ひとつの実施形態において、バッテリーセルのｋＷの標準１Ｃ Ｃレート定常電流放電サイクルパワーに対する、エネルギー源の放電中の抵抗加熱素子でのｋＷのピーク加熱パワーの比は、少なくとも５０：１であり、ここで、Ｃレートは、バッテリーがその最大容量に対する放電量の比の測定値である。
ひとつの実施形態において、バッテリーセルのエネルギー格納容量（ｋＪ）に対する、エネルギー源の放電中の抵抗加熱素子により消散されるキロジュール（ｋＪ）の熱エネルギーの比率は、０．０２から０．０４の範囲である。ひとつの実施形態において、比率は０．１０未満である。
ひとつの実施形態において、エネルギー源の放電は、バッテリーセルの表面を、少なくとも１５０℃まで加熱する。
ひとつの実施形態において、装置は、抵抗加熱素子を電気的に絶縁するための抵抗加熱素子の外部の電気的絶縁バリアをさらに有する。ひとつの実施形態において、電気的絶縁バリアは、セラミックコーティングを含む。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、セラミックコーティングの外側に熱伝導性金属ベースコーティングを有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、金属ベースコーティングの外側に導体熱伝導ペーストを有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、平坦形状を有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、バッテリーセルの外側表面に対応するよう形状の修正が可能なように柔軟である。
ひとつの実施形態において，抵抗加熱素子は、５ミリ以下の厚さを有する。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、２ミリ以下の厚さを有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、ニクロムを含む。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、鉄クロムアルミ（ＦｅＣｒＡｌ）合金を含む。
ひとつの実施形態において、装置は、抵抗加熱素子を通じてひとつの電流パルスを送るように構成されている。
他の態様において、本開示は、バッテリーセル内で熱暴走を生じさせるための方法を与え、当該方法は、バッテリーセルの領域に熱を伝達するために、バッテリーセルと熱接触する抵抗加熱素子を与える工程と、抵抗加熱素子と電気的に接続されるエネルギー源を与える工程と、熱暴走を生じさせるためにバッテリーセルの領域を加熱する抵抗加熱素子において、パワーパルスを生成するべく抵抗加熱素子を通じて電流パルスを送るための回路を選択的に形成する工程とを有する。
ひとつの実施形態において、電流パルスは、指数関数的に減衰する。
ひとつの実施形態において、パワーパルスは、抵抗加熱素子において少なくとも１，０００，０００平方メートルワット（W/m２）のピーク熱流束密度を生成し、ここでワットのパワーは、抵抗加熱素子での加熱パワーであり、平方メートルの面積は、抵抗加熱素子のフットプリント表面積である。ひとつの実施形態において、パワーパルスによって生成された抵抗加熱素子でのピーク熱流束密度は、少なくとも８００，０００ワット平方メートル（W/m2）である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のピーク熱流束密度は、少なくとも６，０００，０００W/m2である。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のピーク熱流束密度は、少なくとも２，０００，０００W/m2である。
ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の２０％以下である。
ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の１０％以下である。
ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の５％以下である。
ひとつの実施形態において、エネルギー源に格納されたエネルギーの少なくとも９５％が、スイッチが回路を形成してから６０秒未満に印加される。
ひとつの実施形態において、エネルギー源に格納されたエネルギーの少なくとも９５％は、スイッチが回路を形成してから３０秒未満に印加される。
ひとつの実施形態において、所与のエネルギー源は、少なくとも１つのキャパシタを有する。
ひとつの実施形態において、エネルギー源は、連続ＤＣ電源を有する。
ひとつの実施形態において、バッテリーセルのｋＷの標準１Ｃ Ｃレート定常電流放電サイクルパワーに対する、エネルギー源の放電中の抵抗加熱素子でのｋＷのピーク加熱パワーの比は、少なくとも５０：１であり、ここで、Ｃレートは、バッテリーがその最大容量に対する放電量の比の測定値である。
ひとつの実施形態において、バッテリーセルのエネルギー格納容量（ｋＪ）に対する、エネルギー源の放電中の抵抗加熱素子により消散されるキロジュール（ｋＪ）の熱エネルギーの比率は、０．０２から０．０４の範囲である。ひとつの実施形態において、比率は０．１０未満である。
ひとつの実施形態において、エネルギー源の放電は、バッテリーセルの表面を、少なくとも１５０℃まで加熱する。
ひとつの実施形態において、方法は、抵抗加熱素子を電気的に絶縁するために抵抗加熱素子の外部に電気的絶縁バリアを与える工程をさらに有する。ひとつの実施形態において、電気的絶縁バリアは、セラミックコーティングを含む。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、セラミックコーティングの外側に熱伝導性金属ベースのコーティングを有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、金属ベースコーティングの外側に導体熱伝導ペーストを有する。
ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子は、平坦形状を有する。
ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子は、バッテリーセルの外側表面に対応するよう形状の修正が可能なように柔軟である。
ひとつの実施形態において，所与の抵抗加熱素子は、５ミリ以下の厚さを有する。ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子は、２ミリ以下の厚さを有する。
ひとつの実施形態において、所与の抵抗加熱素子は、ニクロムを含む。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、鉄クロムアルミ（ＦｅＣｒＡｌ）合金を含む。
ひとつの実施形態において、装置は、抵抗加熱素子を通じてひとつの電流パルスを送るように構成されている。
他の態様において、本開示は、バッテリーセル内で熱暴走を生じさせるための装置を与え、当該装置は、バッテリーセルの領域に熱を伝達するためにバッテリーセルと熱接触して配置可能な電気エネルギーを熱に変換するための手段と、抵抗加熱素子と電気的に接続されたエネルギーを与えるための手段と、熱暴走を生じさせるために、バッテリーセルの領域を加熱するべく、電気的エネルギーを熱に変換するための手段において、パワーパルスを生成するために電気エネルギーを熱に変換するための手段へ電流パルスを選択的に送るためのスイッチ手段とを有する。
ひとつの態様において、本開示は、バッテリーセル内で熱暴走を生じさせるための装置が与えられ、当該装置は、バッテリーセルの領域に熱を伝達するためにバッテリーセルと熱接触して配置された抵抗加熱素子と、抵抗加熱素子に電気的に接続されたエネルギー源と、抵抗加熱素子の温度を検知するための温度センサと、温度センサに通信可能に接続された温度制御器であって、当該温度制御器は、熱暴走を生じさせるためにバッテリーセルの領域を加熱するべく、抵抗加熱素子においてパワーを生成するよう抵抗加熱素子を通じて電流を送るためにエネルギー源からエネルギーを解放させるように構成されており、当該温度制御器は、抵抗加熱素子を、抵抗加熱素子の温度の検知に応答して所定の温度に加熱し、かつ、所定の温度に保持するようにさらに構成されている。
ひとつの実施形態において、生成パワーによって生成された抵抗加熱素子におけるピーク熱流束密度は、少なくとも８００，０００平方メートルワット（W/m２）であり、ここでワットのパワーは、抵抗加熱素子での加熱パワーであり、平方メートルの面積は、抵抗加熱素子のフットプリント表面積である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の２０％以下である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、平坦形状を有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、３秒以内に大気温度から所定の温度まで加熱される。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、バッテリーセルの外側表面に対応するよう形状の修正が可能なように柔軟である。
ひとつの実施形態において，抵抗加熱素子は、５ミリ以下の厚さを有する。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、２ミリ以下の厚さを有する。
ひとつの実施形態において、温度制御器は、抵抗加熱素子において生成されたパワーを制御するのにパルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する。
ひとつの実施形態において、エネルギー源は、直流（ＤＣ）電源を有する。
ひとつの実施形態において、温度センサは、熱電対を有する。
ひとつの実施形態において、温度制御器は、抵抗加熱素子の温度が、エネルギー源から解放されたエネルギーに応答して所定の温度を５％以上超えるのを防止する。
他の態様において、本開示は、バッテリーセル内で熱暴走を生じさせるための方法を与え、当該方法は、バッテリーの領域へ熱を伝達するために、バッテリーセルと熱接触した抵抗加熱素子を与える工程と、抵抗加熱素子に電気的に接続されたエネルギー源を与える工程と、抵抗加熱素子の温度を検知する工程と、熱暴走を生じさせるためにバッテリーセルの領域を加熱するべく抵抗加熱素子においてパワーを生成するようエネルギー源からエネルギーを解放する工程と、抵抗加熱素子の温度の検知に応答して、抵抗加熱素子が所定の温度に加熱され、かつ、所定の温度に保持されるように、抵抗加熱素子の温度を制御する工程とを有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子における生成パワーは、抵抗加熱素子において少なくとも８００，０００平方メートルワット（W/m２）のピーク熱流束密度を生成する。ここでワットのパワーは、抵抗加熱素子での加熱パワーであり、平方メートルの面積は、抵抗加熱素子のフットプリント表面積である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子のフットプリント表面積は、バッテリーセルのケーシングの全外側表面積の２０％以下である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、平坦形状を有する。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子を加熱することは、３秒以内に大気温度から所定の温度まで抵抗加熱素子を加熱する工程を含む。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、バッテリーセルの外側表面に対応するよう形状の修正が可能なように柔軟である。
ひとつの実施形態において，抵抗加熱素子は、５ミリ以下の厚さを有する。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、２ミリ以下の厚さを有する。
ひとつの実施形態において、制御する工程は、抵抗加熱素子の温度を制御するのにパルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する。
ひとつの実施形態において、エネルギー源は、直流（ＤＣ）電源を有する。
ひとつの実施形態において、温度センサは、熱電対を有する。
ひとつの実施形態において、制御する工程は、抵抗加熱素子の温度が、エネルギー源から解放されたエネルギーに応答して所定の温度を５％以上超えるのを防止する工程を含む。
本開示の実施形態は、添付する図面を参照して、例示的に説明される。
図１は、さまざまなリチウムイオン組成の１８６５０サイズのセルの熱暴走を示す温度と時間の関係のグラフである。 図２は、ひとつの実施形態に従う回路に接続された加熱素子の図である。 図３は、ひとつの実施形態に従う、バッテリーセルと接触する加熱素子を有する、熱暴走を開始するための装置の図である。 図４は、本開示のひとつの実施形態に従う、２つ以上のセルを有するバッテリー内で熱暴走を開始するための装置の図である。 図５は、本開示のひとつの実施形態に従う、熱暴走を開始するための装置の略示図である。 図６は、本開示のひとつの実施形態に従うパワーと時間の関係を示すグラフである。 図７は、図６の０秒から２秒の間のグラフの拡大図である。 図８は、本開示のひとつの実施形態に従う、加熱素子のフットプリント表面積を示す、熱暴走を開始するための装置の図である。 図９は、本開示のひとつの実施形態に従う加熱エレメントの斜視図である。 図１０は、抵抗加熱素子の例を示す図である。 図１１は、抵抗加熱素子の他の例を示す図である。 図１２は、抵抗加熱素子の例を示す図である。 図１３は、いくつかの任意のコーティングを有する抵抗加熱素子の例を示す図である。 図１４は、いくつかの任意のコーティングを有する図１２の抵抗加熱素子の写真である。 図１５は、本開示のひとつの実施形態に従うバッテリーセル内で熱暴走を開始するための方法のフローチャートである。 図１６Ａは、本開示に従う、ツーステージのランプおよびセットアプローチを示す、温度と時間の関係を示すグラフである。 図１６Ｂは、ツーステージのランプおよびセットアプローチを示す実験結果の温度と時間の関係を示すグラフである。 図１７は、本開示の実施形態に従う、熱暴走を開始するための装置の略示図である。 図１８は、抵抗加熱素子の例を示す図である。 図１９は、本開示の実施形態に従うバッテリーセル内で熱暴走を開始するための処理を示すフローチャートである。 図２０は、本開示の実施形態に従う電子デバイスの例のブロック図である。
説明を簡略化するために、各図面を通じて同様の構成要素には同じ参照番号を繰り返し付す。ここで説明する実施形態を理解するためにさまざまな説明が詳細になされる。実施形態は、これらの詳細無しで実行されてもよい。他の例において、周知の方法、手続きおよびコンポーネントは、説明する実施形態との混乱を避けるために詳細に説明されない。詳細な説明は、ここで説明する実施形態の態様を制限することを意図しない。
図１は、３つの異なるリチウムイオン化学組成、すなわち、LiCoO2とLi(Ni0.50Mn0.25Co0.25)O2 の混合物(LCO/NMC)、Li(Ni0.45Mn0.45Co0.10)O2(NMC)、およびLiFePO4 (LFP)を含む１８６５０個のバッテリーセル内の熱暴走の例を示す温度と時間の関係のグラフ１００である。これらの例示的プロット曲線において、リチウムイオンの１８６５０個のセルは、加速度熱量計内に配置され、２５℃から毎分約２℃の熱速度で加熱された。危機設定温度（１５０℃と２２０℃の間）に到達した後、セルは熱暴走を起こした。各々の化学特性のプロット曲線のピークは、ＬＣＯ／ＮＭＣ１０２、ＮＣＭ１０４、および、ＬＦＰ１０６としてグラフ上に示されている。図１のグラフは、Golubkov, A.W. らによるRoyal Society of Chemistry Advances, 2014, 4, 3633-3642に記載された “Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes”と題する論文に記載されたものであり、ここに参考文献として組み込む。
図１のグラフ１００のＸ軸は、時間（秒）を表す。０から熱暴走が発生するまでの時間は、ピーク１０２、１０４、１０６で示すように、約３５００秒から約７０００秒の間で変化し、それはほぼ１時間から２時間に相当する。
熱暴走を開始させる装置または方法のために以下のひとつ以上の特性が所望される。その特性は、方法が、ピークパワーと反応速度の両方において内部短絡回路の熱生成プロファイルに似ていること、方法が、さまざまなタイプ、サイズおよびジオメトリのセルを使ったフルバッテリーパック内での試験に適応可能であること、方法が、バッテリーパックのレイアウトおよび設計、その構造または隣接セルに影響を及ぼさず、かつ、再充電可能なエネルギーストレージシステム（ＲＥＥＳＳ）内に典型的に存在しない材料の付加およびシステムへの付加的エネルギーの付加を最小化すること、および、方法が、信頼性が高くかつできるだけ侵襲性が小さいことを含む。
本開示は概して、複数のバッテリーセルから成るバッテリーセルおよびバッテリーパックの試験および評価を目的としている。加熱素子は、バッテリーセルによって経験される逆の条件をシミュレートするために使用されうる。急速な、局所的加熱ソースは、顧客によるバッテリーの使用中に生じうる潜在的に危険な状況を真似るために使用されてよい。この状況は、セル内の欠陥による短絡回路の過熱、過充電、物理的ブローまたは穴のような外力、あるいは、外部の熱による過熱を含む。ひとつのバッテリーセル内の熱暴走は、故障反応を連鎖的に生じさせ、それは、バッテリーパック全体を通じてカスケード反応する。バッテリーセルに対する急速で局所的な熱の印加は、研究対象の熱暴走を導き、それを持続させ、および／または、それに続く状態を与える。
図２は、本開示のひとつの実施形態に従うひとつ以上の電気的導体２０５によって、回路２０４に接続された加熱素子２０２を有する装置２００の図である。図面に示すコンポーネントは必ずしもスケールが実際と同じものではないことに注意すべきである。装置２００は、バッテリーセルが示されていないという意味で独立的に示されている。いくつかの実施形態において、加熱素子２０２は、抵抗加熱素子である。回路２０４は、電源２０８からパワーを与える。装置２００は、概して、熱暴走を生じさせるために、バッテリーセルの領域を加熱するべく、抵抗加熱素子においてパワーパルスを生成するために、抵抗加熱素子２０２を通じて電流パルスを送る回路を選択的に形成するように構成されている。いくつかの実施形態において、回路２０４はエネルギー源２０８から加熱素子２０２へのエネルギーの伝達を制御する回路を含む。ひとつの実施形態において、エネルギー源２０８は、パルス電源である。ひとつの実施形態において、エネルギー源２０８は、ひとつ以上のキャパシタを有する。ひとつの実施形態において、ひとつ以上のキャパシタはスーパーキャパシタであってよく、これに制限しないが、電気化学二重層キャパシタなどである。ひとつの実施形態において、ひとつ以上のキャパシタは、パルス放電キャパシタであってよく、それは非常に短時間でその電気的エネルギーを解放することができる。
帯電コンデンサによって放電される電流は以下の式で表現される。
Figure 0007290569000001
 ここで、Ｉは電流であり、Ｖ０は帯電したコンデンサをまたぐ電圧であり、ｔは時間であり、Ｒは負荷抵抗であり、Ｃは電荷であり、ＲＣは時定数である。
図３は、熱暴走を生じさせるための例示的な装置３００を示す。この例の構成において、加熱素子３０２は、例えば単一のバッテリーセル３０６と熱接触して配置される。用語“熱接触”は、概して、伝導性熱伝達の方法を通じて、２つのボディがエネルギーを交換することができることを指すのに使用される。エネルギーがエネルギー源３０８から加熱素子３０２へ伝達されると、加熱素子３０２の温度が増加し、熱はバッテリーセルへ伝達される。ある実施形態において、バッテリーセル３０６へ伝達された熱により、バッテリーセル３０６の領域は、熱暴走を生じさせる温度に到達する。加熱素子３０２は、バッテリーセル３０６のケーシングの外側面に加熱素子３０２を取り付けることにより、バッテリーセル３０６と熱接触して配置されてもよい。
ひとつの実施形態において、図示しないが、抵抗加熱素子は、試験目的用にバッテリーセル自身の内部に一体化されてもよい。実施形態において、抵抗加熱素子はバッテリーセルのケーシング内に一体化されてもよい。
図４は、本開示のひとつの実施形態に従う熱暴走を生じさせるための例示的な装置４００を示す。本例の構成は、第２のバッテリーセルが存在する点を除いて、図３に示す装置と類似している。具体的には、バッテリー４１０は、第１バッテリーセル４０６ａおよび第２バッテリーセル４０６ｂを含む。破線で描かれ図示のために透明で示す第２のバッテリーセル４０６ｂは、第１のバッテリーセル４０６ａの正面に示されている。加熱素子４０２は、２つのバッテリーセル４０６ａおよび４０６ｂの間に配置される同時に、第１のバッテリーセル４０６ａと熱接触して配置される。図４に示すバッテリー４１０は２つのバッテリーセルのみを有しているが、本開示の装置および方法は、２つ以上のセルを有するバッテリーとともに使用可能であることが理解できよう。
ひとつの実施形態において、加熱素子４０２は、バッテリーセル４０６ａおよび４０６ｂの両方と熱接触してよい。ある実施形態において、熱暴走を生じさせるための装置は、複数のバッテリーセルの間に挿入され得る複数の加熱素子を有してよい。
図５は、本開示のひとつの実施形態に従う、熱暴走を生じさせるための例示的な回路５００の略示図である。回路５００は、抵抗加熱素子５０２、および、エネルギー源５２０を含む回路５０４を有する。ここで実施形態は抵抗加熱素子を有するように説明されているが、ある実施形態は、ひとつ以上の他のタイプ（すなわち、必ずしも抵抗でない）の加熱素子を有してよい。ひとつの実施形態において、エネルギー源５２０は、電荷の形式でエネルギーを格納するためのひとつ以上のキャパシタ５２２を有する。ひとつの実施形態において、ひとつ以上のキャパシタは、ウルトラキャパシタであってよい。充電システム５３０が、試験の前に、エネルギー源５２０を充電するために与えられてもよい。ひとつの実施形態において、充電システム５３０は、直流（ＤＣ）電圧源のようなエネルギー源５３２、および、ブロックダイオード５３４を有する。
回路５０４は、エネルギー源５２０から抵抗加熱素子５０２へのエネルギーの伝達を制御するための制御回路５４０を含んでもよい。上述したように、回路５００は、熱暴走を生じさせるためにバッテリーセルの領域を加熱する抵抗加熱素子においてパワーパルスを生成するべく、抵抗加熱素子を通じて電流パルスを送る回路を選択的に形成するように構成されている。ひとつの実施形態において、制御回路５４０は、エネルギー源５２０から抵抗加熱素子５０２へのエネルギーの伝達を生じさせる回路を選択的に形成するためのエネルギー伝達スイッチ５４８を有する。形成済み回路は、バッテリーセルの領域を加熱する加熱素子においてパワーパルスを生成する加熱素子を通じて、電流パルスのようなエネルギーパルスを送ってもよい。
図５の実施形態において、エネルギー伝達スイッチ５４８は、ソレノイド５４６によって作動する機械的スイッチとして示されている。エネルギー伝達スイッチ５４８は、制御回路電源５４２からソレノイド５４６へエネルギーを伝達するための回路を形成するべく、選択スイッチ５４４の開閉を通じて、ソレノイド５４６を付勢することにより開閉されてよい。制御回路電源５４２は、バッテリーまたは任意の他の適当なソースであってよい。
エネルギー伝達スイッチ５４８は、例えば、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル回路、または他の適当な電子回路によって手動または電子的に動作してよい。エネルギー伝達スイッチ５４８は、これに限定されないが、リレーまたは、半導体技術を使って実装された固体スイッチなどの電子的に制御された機械的スイッチを含む任意のタイプの適当なスイッチであってよい。
図５の実施形態は、エネルギー伝達スイッチ５４８を有するが、他の実施形態は、回路を選択的に形成するためのスイッチ以外の任意のタイプのデバイスを有してよい。
少なくともいくつかの実施形態において、熱暴走を生じさせるための装置は、抵抗加熱素子５０２がバッテリーセルの表面積またはサイズに比べて小さい面積を有するように構成されており、その結果、抵抗加熱素子は、熱暴走を開始する温度までバッテリーセルの一部を加熱するべく、熱エネルギーの局所的パルスまたはバーストを生成することができる。これは、熱暴走を生じさせるために十分な温度までバッテリーセルを加熱しないか、長時間の後にのみ十分な温度までセルを最終的に加熱することができる、バッテリーのより大きい面積またはバッテリー全体にわたって熱エネルギーを適用する方法とは対照的である。また、これは、通常の動作温度範囲外または頂点付近である温度まで、周囲バッテリーセルを十分に加熱することができ、その結果、周囲セルの境界条件は、熱暴走の発生時に十分に影響される。付加的に、抵抗加熱素子５０２は、熱暴走が始まる温度までバッテリーの領域を加熱するべく十分なパワーを与えることができるような少なくとも所定のサイズであることが必要である。
抵抗加熱素子５０２の特性は、所望の熱エネルギー量、バッテリーセルの形状および／またはサイズ、および、エネルギー源５２０などの回路５００内のコンポーネントなどのひとつ以上の要因に基づいて選択されてよい。抵抗加熱素子の特性は、加熱素子のサイズ、形状、厚さ、材料、およびフットプリント表面積（FSA）を含んでよい。
多くの実験および試験が、本開示に従う熱暴走開始装置の実施形態を使って実行された。図６は、本開示に従う熱暴走開始装置によって、抵抗加熱素子において生成されたパワー６６４を示す、パワーと時間との関係を表すグラフ６００である。グラフ６００は、抵抗加熱素子の理論的結果６６２も示す。装置によって（本実施形態においてキャパシタの放電によって）生成された電流パルスの結果として、パワーが加熱素子で生成される。パワーの曲線６６２および６６４は、加熱素子を通じて送られる電流パルスによって画成される。
グラフ６００はまた、同じタイプのリチウムイオンセルのハード外部短絡回路の結果６６０を示す。外部短絡回路は、セルの正と負の端子間で低抵抗回路を閉止することにより発生させた。リチウムイオンセルを含まないこの回路の抵抗は、０．２ｍΩであった。このハード外部短絡回路によって開放されるエネルギーは、内部短絡回路のひとつと類似すると考えてよい。ピークパワー（すなわち、プロットのピーク）およびエネルギー解放形状および時間間隔（すなわち、ピーク後の減少プロット）は、外部短絡回路の結果６６０と比べ、熱暴走開始装置の結果６６４の間の合理的な一致を示す。プロット６６４のピークは、抵抗加熱素子でのパワーパルスのピークである。エネルギー解放の形状は、レオスタットを回路に付加するか、パルス幅を変更するか、ひとつ以上のパルスを使うか、パルスの高さを変更するなどの、付加的な回路の使用を通じて異なるバッテリーサイズおよびジオメトリ用にさらに制御および調整可能である。ある実施形態において、付加的回路は、加熱素子に直列に付加されるが、代替的な実施形態は、直列および／または並列の付加的回路の組みあわせを使用してもよい。
図７は、図６のグラフの０から２秒の時間範囲内の拡大図である。これに対して、図６は、０から３０秒の間の時間範囲を示している点に注意すべきである。図７において、加熱素子６６４において生成されたパワーは、最初の０と約０．１秒の間に、約１７ｋＷまで急激に上昇する。その後、パワーは、約１．８秒まで徐々に低下し、そこで大きく降下する。加熱素子のパワーのこの急激な増加およびその後の減少は、本開示に従う加熱素子で生成されうるパワーパルスの例である。
図８は、加熱素子８０２のフットプリント表面積を示す、熱暴走を生じさせるための例示的な装置８００の図である。フットプリント表面積（ＦＳＡ）は、概して、加熱素子の周囲に描かれた外周によって制限される領域を指す。ＦＳＡは、破線８６６によって本実施形態に示されている。図８の実施形態におけるＦＳＡは、ＦＳＡ＝ＦＳＡｗ×ＦＳＡｈとして計算される。ＦＳＡは、すべての側面の面積の和として計算される、セル８０６の全外側表面積より小さい。本実施形態において、ＦＳＡは、以下のように計算可能である。
２（ＣＥＬＬｗ×ＣＥＬＬｈ）＋２（ＣＥＬＬｗ×ＣＥＬＬｔ）＋２（ＣＥＬＬｈ×ＣＥＬＬｔ）
ひとつの実施形態において、加熱素子８０２のＦＳＡはバッテリーセル８０６の全表面積に対して、あるサイズ（例えば、比率）に選択されてよい。また、図８の実施形態におけるＦＳＡは矩形形状を有するが、これに限定されない。他の実施形態において、加熱素子は、これに限定しないが、正方形、円形、または楕円形などの他の適当な形状またはレイアウトを有してよい。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、複雑な抵抗加熱素子パターンを有する平面状シートの形式の連続メタリック素子である。用語“抵抗加熱素子パターン”は、概して、少なくともひとつの実施形態において、ひとつ以上の抵抗加熱素子自身の導体トラックのレイアウト、形状、サイズを指す。用語“複雑な”とは、概して、抵抗加熱素子によって放出された熱を物理的に集中させるために、加熱素子のセグメントが加熱素子のひとつ以上の他のセグメントに近いところのレイアウトを有する抵抗加熱素子を指す。加熱素子パターンの例は、加熱素子が前後にループをなしている図２、９、１０および１１に記載されたものを含み、本開示で示されかつ説明されている。他の任意のパターンが考えられかつ使用可能であり、本開示は示された実施形態を制限するものではないことは理解されよう。他のパターンは、これに限定しないが、螺旋形状のパターン、十字形状パターン、およびオーバーラップパターンを含む。
図９は、本開示の実施形態に従う、加熱素子９２０の斜視図である。図示のように、加熱素子は、厚みＴを有するが概して平坦形状を有する平面形状であってよい。概して平坦形状により、加熱エレメント９２０は、バッテリーパック内で隣接するバッテリーセル間のようなタイトな空間内に挿入可能となる。加熱素子は、蛇行サブエレメント９２２を有してよい。厚みＴは、任意の適当な値であってよい。さまざまな実施形態において、厚みＴは、例えば、約１ミリ、２ミリ、３ミリ、４ミリ、５ミリ、それらの間の任意の値、１ミリ以下、または、５ミリ以上であってよい。実施形態において、加熱素子９２０は、５ミリ以下の厚みを有する。加熱エレメントの厚みＴは、加熱エレメントの所望の抵抗値に部分的に基づいてよい。ここで、抵抗値は、素子の撚り線の断面積に素子の長さを乗算することにより計算されてよい。したがって、厚みを増加すると、抵抗値が反比例して減少する。
他の実施形態において、加熱素子は、成形されるか、バッテリーセルの表面に形成される。ある実施形態において、加熱素子は、屈曲可能または柔軟な材料から製造されてよく、その形状がバッテリーセルの外側表面に対応して変形可能であってよい。これらの選択肢は、バッテリーセルの表面が平坦ではない場合、例えば、円筒形のバッテリーセルが使用される場合に好適である。
加熱素子９２０は、任意の適当な材料から製造されてよい。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、原則的に金属または合金を有するか、金属または合金から成る。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は全体または部分的にニクロムから製造されており、それは、ニッケルおよびクロムの合金である。ニクロムの組成は、ニッケルが約８０％、クロムが約２０％、または他の適当な比率であってよい。ひとつの実施形態において、金属は、タングステンを含んでよい。ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、鉄クロムアルミ（ＦｅＣｒＡｌ）合金を含んでよい。
図１０および１１は、２つの異なる例示的な抵抗加熱素子を示す。図１０の素子１００２は、手作りされたものであり、銅ジョイント１０３２によって結合されかつ２つの銅ストリップ１０３４の間で結合されたクロメルＡ（ニクロム）から作られたいくつかの別個の抵抗素子を有する。図１１の素子１１０２は、精密機械製造され、２つの銅ストリップ１１３４の間に接続されたニクロム製の金属抵抗加熱素子部１１３０を有する。金属抵抗加熱素子部１１３０は、複数の蛇行サブエレメント１１３２およびストリップ１１３４などの一対の導体を接続するための一対の接続タブ１１３３を有する。加熱素子１１０２のＦＳＡは、破線１１６６によって本実施形態で示されている。加熱中のタブ１１３３の温度は、典型的に蛇行サブエレメント１１３２の温度より非常に低いので、図１１に示されたＦＳＡ１１６６は、接続タブ１１３３を有しない、しかし、他の実施形態の接続タブは、ＦＳＡの一部を形成すると考えてよい。
ひとつの実施形態において、加熱素子４０２のＦＳＡはバッテリーセルのケーシングの全外側表面積の２０％以下である。ひとつの実施形態において、加熱素子４０２のＦＳＡは、全外側表面積の１０％以下である。ひとつの実施形態において、が熱素子４０２のＦＡＳは、全外側表面積の５％以下である。ひとつの実施形態において、加熱素子４０２のＦＳＡは、全外側表面積の５％から１０％の範囲内である。他の実施形態において、ＦＳＡは、全外側表面積の異なるパーセンテージを有してよい。
図１２は、他の例の抵抗加熱素子１２０２の写真であり、それは、精密機械製造された。素子１２０２は、ニクロムから作られ、複数の蛇行サブエレメント１２３２および銅ワイヤまたはストリップのような一対の導体と接続するための一対の接続タブ１２３３を有する。
ひとつの実施形態において、電気的絶縁バリアが、抵抗加熱素子が他に接触するところの任意の他の面から、抵抗加熱素子を電気的に分離するために、抵抗加熱素子の外側に与えられる。抵抗加熱素子を電気的に絶縁する例は、加熱素子とバッテリーセルとの間に電気絶縁体を配置することである。ある実施形態において、加熱素子は、外部セラミックコーティングを有する。他の実施形態において、電気的絶縁バリアは、セラミックベースのペーストなどのペーストであってよい。
また、ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、銅コーティングなどの熱伝導コーティングを有し、それは、セラミックコーティングの外側にあってよい。セラミックコーティングは、導体加熱素子材料を電気的に絶縁してよいが、熱伝導コーティングは、加熱素子材料からバッテリーセルのケーシングへの熱の伝達および／または分配を促進または改良するために熱伝導面を与える。
さらに、ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子は、ペーストなどの熱伝達材料を有し、それは熱伝導コーティングの外側にあってよい。ペーストは、物理的接触を改善することができ、したがって抵抗加熱素子とバッテリーセルのケーシングとの間の熱エネルギー伝達を改善する。少なくともいくつかの実施形態において、ニッケルベースのペーストは概して、加熱素子とバッテリーセルとの間の熱伝達を改善することが発見された。熱伝達ペーストは、これに限定しないが、ニッケルベースのペーストを含む任意のタイプのペーストであってよい。方法において熱伝達速度制限コンポーネントは、バッテリーセルの外部ケーシングの熱伝達速度である。
図１３は、いくつかの選択的コーティングを有する例示的な抵抗加熱素子１３０２を示す。クロムまたは任意の他の適当な材料から作られ得る抵抗加熱素子１３０２は、セラミックなどの電気的絶縁バリアを具備する。加熱素子１３０２は、その後、銅などの熱伝導コーティング１３５２を具備してもよい。一般に、熱伝達コーティング１３５２と抵抗加熱素子１３０２Ａのニクロムまたは他の材料との間に電気的な接触は存在すべきではない。また、加熱素子１３０２の接続タブ１２３３は、銅ワイヤまたはストリップ１３３４などの一対の導体と接続されてよい。
付加的に、さまざまな物理的な寸法値が図１３に示されているが、それは一例にすぎない。本実施形態において、抵抗加熱素子１３０２は、長さが５０ｍｍ、幅が２４．５ｍｍ、コーティング前の厚みが１ｍｍである。電気的絶縁バリア１３５０によってコーティングされた加熱素子１３０２の部分は、約３０ｍｍであり、電気絶縁バリア１３５０の厚さは約５０μｍである。その後に熱伝達コーティング１３５２によって被覆された加熱素子１３０２の部分は、約２８．５ｍｍであり、熱伝達コーティング１３５２の厚さは約５００μｍである。しかし、銅などのより厚い熱伝達コーティング１３５２が、バッテリーセルとの熱接触を潜在的に改善するべく、コーティング１３５２の外側表面で機械処理されてより平坦な面を与えてもよい。また、加熱素子１３０２は、熱伝達コーティング１３５２が与えられた後少なくとも２ｍｍの厚みを有する。再び、本実施形態の物理的寸法は、例示であって、制限することを意図しない。
他の実施形態において、抵抗加熱素子のフットプリント表面積（ＦＳＡ）は、５．４ｃｍ２（図１３の実施形態）、５．６ｃｍ２（図１８の実施形態）または他の適当な値を含む、５．０から６．０ｃｍ２の範囲内であってよい。
図１４は、セラミック電気絶縁体材料１４０６によって、その後、銅熱伝導材料１４０８によって被覆された図１２の抵抗加熱素子１４０２の写真である。ニクロムから銅を電気的に絶縁するために、銅熱伝導材料１４０８と裸のニクロム１４０４との間には１４０６で示す物理的ギャップが存在する。
上述したように、使用中、抵抗加熱素子は、バッテリーセルの領域に熱を伝達するためにバッテリーセルと熱接触して配置されてよい。ひとつの実施形態において、エネルギー源は、加熱素子に電気的に接続され、エネルギーはスイッチによって加熱素子へ伝達される。スイッチは、加熱素子においてパワーパルスを生成するべく、加熱素子を通じて電流パルスを送る回路を選択的に形成する。加熱素子に伝達されたエネルギーにより、熱が生じ、それが、加熱素子に近接したバッテリーセルの領域を加熱し、ある状況において熱暴走が始まる。例えば、熱が危機温度を超えたときである。危機温度は、ケースバイケースで変化し、バッテリーセルのタイプ、サイズ、形状、およびそれが作られる材料などのバッテリーセルのひとつ以上の特性にしばしば依存する。内部バッテリー温度は、熱暴走に導く発熱反応を開始するために、典型的に１５０℃から２２０℃の範囲内である必要がある。
また、バッテリーセルの領域を危機温度に到達させるために、バッテリーケーシングの外側表面で要求される温度もまた、ケーシングの厚さ、ケーシングが作られる材料等のバッテリーの特性に概して依存する。例えば、ケーシングがより厚い場合、外側表面でより高い温度が要求される。ある実施形態において、単一の電流パルスが加熱素子を通じて送られる。単一パルスは、ひとつ以上のキャパシタなどのエネルギー源内に格納されたエネルギーの突然かつ急速な解放によって生成されてよい。
熱暴走を生じさせるために、加熱素子自身は概して、危機温度を上回る温度に加熱される必要がある。加熱素子は、所定の温度に加熱されてよい。ある実施形態において、加熱素子は、素子が壊れずに（例えば、燃えたりせずに）耐えることができる最高温度付近またはそのすぐ下の温度まで加熱される。これは概して、特定の加熱素子によって可能な限り最速なバッテリーセルの加熱を与える。しかし、他の実施形態において、例えば、バッテリーセルの融解を防止または遅くするか、またはそれ以外の適当な理由のため、加熱素子は、素子が耐えることができる温度より低い温度で加熱されてよい。加熱素子は、２００℃から１４００℃の範囲、または、他の任意の適当な値の温度まで加熱される。ある実施形態において、加熱素子は、約９００℃、１０００℃、１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃若しくは１５００℃、または、これらの温度の上下あるいは中間の任意の温度に加熱される。温度は、加熱素子のタイプ、試験中のバッテリーセルのタイプ、バッテリーケーシングの特性などのひとつ以上の要因に典型的に依存する。
抵抗加熱素子の特性は、所望の加熱エネルギーの量、バッテリーセルの形状および／またはサイズ、および、エネルギー源などの装置全体内のコンポーネントなどのひとつ以上の要因に基づいて選択されてよい。抵抗加熱素子の特性は、サイズ、形状、厚み、材料、および、加熱素子のフットプリント表面積（ＦＳＡ）を含んでよい。再度、フットプリント表面積は概して、加熱素子の周囲に描かれた外周ラインによって画定される面積を指す。
ひとつの実施形態において、重要な設計特性は、エネルギー源からのエネルギーの放出の結果として、抵抗加熱素子においてパワーパルスによって生成される抵抗加熱素子におけるピーク熱流束密度である。熱流束密度は、１平方メートルあたりのワットの単位（Ｗ／ｍ２）で測定される。ワットのパワーは、抵抗加熱素子における加熱パワーであり、平方メートルの面積は、抵抗加熱素子のフットプリント表面積である。ひとつの実施形態において、パワーパルスにより生成された加熱素子におけるピーク熱流束密度は、少なくとも１平方メートルあたり１，０００，０００ワット（Ｗ／ｍ２）である。ひとつの実施形態において、ピーク熱流束密度は、少なくとも６，０００，０００Ｗ／ｍ２である。他の実施形態において、ピーク熱流束密度は、少なくとも２，０００，０００Ｗ／ｍ２、少なくとも１，０００，０００Ｗ／ｍ２または他の任意の適当な値である。
ひとつの実施形態において、抵抗加熱素子の特性は、キャパシタ特性に一致するように選択されてよい。ある実施形態において、抵抗加熱素子の特性は、例えば、所望のエネルギーパルス特性を与えるための回路特性に一致している。ある実施形態において、抵抗加熱素子および／または回路の設計は、バッテリーセルの特性に基づいてよい。例示的なバッテリーセルは、低い熱質量を有する薄型バッテリーの一部であってよく、または、大きい熱質量を有する大きい煉瓦形バッテリーの一部であってよい。
抵抗加熱素子においてエネルギーの強烈なパルスを生成するために、ある実施形態において、ひとつ以上のキャパシタなどのエネルギー源がエネルギーを急速に放電することができる。少なくともある実施形態に対して、一次減衰、および、９５％のエネルギー減少まで約３０秒かかるとして特徴づけられる外部短絡回路で観測されるものと類似のプロファイルまたは形状を有するピークパワーを与えることができることが所望される。したがって、少なくともある実施形態において、エネルギー源は、指数関数的な減衰にしたがうパワーを与える。
ひとつの実施形態において、エネルギー源は、エネルギー伝達スイッチが閉止されると、６０秒以内に、その電気的エネルギーまたは電荷の少なくとも９５％を放電することができる。ひとつの実施形態において、エネルギー源は、エネルギー伝達スイッチが閉止されたとき、３０秒以内でその電気的エネルギーの少なくとも９５％を放電することができる。他の実施形態において、９５％エネルギー減少または放電までの時間は、２秒から６０秒の範囲、１２０秒以下、または、他の適当な時間または時間範囲であってよい。エネルギー減少の値および達成時間の値は、例示に過ぎず限定するものではないことが理解されよう。上述したように、エネルギー源は、ひとつ以上のキャパシタを有してよく、ある実施形態は、ひとつ以上のスーパーキャパシタを有してよい。少なくともいくつかの実施形態に対して、エネルギーの解放が従来の定常ＤＣ電源の与えるものに比べ非常に大きくかつ速いため、ウルトラキャパシタが良い選択として決定された。
バッテリーまたはエネルギー源の放電速度は、Ｃレートの用語で数値化可能である。Ｃレートは、バッテリーまたは他のエネルギー源が最大容量に関して放電される速度の測定値である。ひとつの実施形態において、バッテリーセルのｋＷの標準的１Ｃ Ｃレート定常電流放電サイクルパワーに対する、エネルギー源の放電中の抵抗加熱素子におけるキロワット（ｋＷ）のピーク加熱パワーの比は、少なくとも５０：１である。ひとつの実施形態において、その比は、少なくとも１００：１である。しかし、他の実施形態において、その比はより小さくても、より大きくてもよい。実行された実験において、試験されたバッテリーセルは、標準１Ｃ放電パワーが４．２Ｖ×４５Ａ＝１８９Ｗであった。
抵抗加熱素子においてエネルギーパルスによって生成されたピーク加熱パワーは、実施形態ごとに変化してよく、熱暴走を生じさせるために十分な温度までバッテリーセルの領域を加熱することが要求される熱量に依存してよい。ひとつの実施形態において、ピーク加熱パルスは、約１７ｋＷのピーク加熱パワーを生成する。他の実施形態において、ピーク加熱パワーは、１０ｋＷから２３ｋＷまでの範囲であってよい。しかし、これらの値は例示に過ぎない。ある実施形態において、加熱パワーは、信頼できる熱暴走を与えつつ公正な結果を与えるレベルまで減少される。
ある実施形態において、熱暴走を開始させるために、最小量の付加的熱を導入することが所望される。付加的に与えられるエネルギーの量は、バッテリーセルのエネルギー格納容量に対する加熱要素によって消散される熱エネルギーの比率である。ある実施形態において、この比率は１未満である。ある実施形態において、バッテリーセルのエネルギー格納容量に対する、エネルギー源の放電中に抵抗加熱素子によって消散されるキロジュール（ｋJ）の熱エネルギーの比率は、０．０２から０．０４の範囲内である。ある実施形態において、この比率は０．１０未満である。ある実施形態において、この比は、約０．０３プラスマイナス０．００５である。ある実施形態において、この比率は、これらの範囲および値の外にあってよい。
本開示に従う技術と対照的に、既存の低速加熱方法（つまり、より多くの時間にわたってバッテリーセルがゆっくり加熱される）で、この比はより大きい。例えば、ある既存の方法は、約８００対１の比を有する。つまり、バッテリーセル内に格納された電気エネルギーより、８００倍大きな熱形式のエネルギーが印加される。この付加的な熱の多くは、セルの周囲によって吸収され、かつ、故障の伝搬を深刻に生じさせる。
本開示に従う装置に戻って、抵抗加熱素子によって消散される全エネルギーは、バッテリーセルおよび試験シナリオに依存して、実施形態ごとに変化する。ある実施形態において、抵抗加熱素子によって消散される全エネルギーは、約１５から２５ｋＪの範囲であるが、より広い範囲も可能である。ある例示的な実施形態において、６８０ｋＪの計測エネルギー格納容量を有するセルに与えられる全消散エネルギーは約２２ｋＪである。したがって、比率は、２２ｋＪ／６８０ｋＪ＝０．０３２である。ある実施形態において、熱暴走の信頼できる開始を保証するためのできるだけ小さいエネルギーが印加される。ある実施形態において、最大印加エネルギーは、エネルギー源によって制限される。
少なくともある実施形態において、加熱素子は故障する前にピークパワーを分配できることが所望される。ある実施形態において、抵抗加熱素子に伝達される純粋なエネルギー量は、加熱素子に対してダメージを生じさせる。加熱素子が以前のパワーパルスに類似するさらなるパワーパルスを生成することができないように、パワーパルスは、加熱素子にダメージを与えるのに十分なパワーであってよい。ある実施形態において、加熱素子は、さらなる有用なパワーパルスを生成することができない。
本開示に従う少なくともひとつの実施形態は、周囲のセルを予熱することなく、ターゲットセル内で熱暴走を生じさせることが可能である。予熱済みセルは、それが熱暴走危機温度により近いので、伝搬を強く生じさせることが知られている。ひとつ以上の他のバッテリーセルがターゲットバッテリーセルに近接するか、または、接触する場合、これらの他のセルのひとつ以上に伝達される熱が存在しうる。しかし、ある実施形態において、残りのセルへ伝達される熱量を低く維持することが目的である。これは、複数セルを有する全バッテリーを加熱するか、ターゲットセル以外のセルが加熱されるようにバッテリーのより大きい領域を加熱することとは対照的である。
ここで説明する実施形態は、これに限定しないが、電気自動車、携帯電話、飛行機、ヘリコプター、または、軍事的ハードウエア、および、再生可能または再生不能ソースからのバルクエネルギーのラージスケールストレージを付勢するためのバッテリーに応用可能である。ここで説明する実施形態は、これに限定しないが、危険物の輸送またはバッテリーの輸送に関連して使用されてよい。
本開示に従う実施形態が構築され、数回試験された。この実施形態は、約１２０ｍｍΩの抵抗値および約２５ｃｍ２のフットプリント表面積（ＦＳＡ）を与える約５ｃｍ×５ｃｍの寸法を有する抵抗加熱素子を含む。試験されたバッテリーセルは、厚さが無視できると考えられる０．５ｃｍで、約１５ｃｍ×１９ｃｍの寸法を有した。したがって、セルの全外側面積は、約５７０ｃｍ２（２８５ｃｍ２×２側面）であった。よって、セルの全外側面積に対する抵抗加熱素子のＦＳＡの割合は約４．４％であった。試験されたバッテリーセルは、標準１Ｃで放電量は４．２Ｖ×４５Ａ＝１８９Ｗであった。加熱素子のピーク加熱パワーは、約１７ｋＷであった。したがって、セルの１Ｃ放電量に対するピーク加熱パワーの比率は、約９０であった（１７ｋＷ／０．１８９ｋＷ）。エネルギー源の９５％のエネルギー損失までの時間は、約３０秒であった。加熱素子に印加される全エネルギーは約２２ｋＪであり、バッテリーセルの定格電気エネルギーに対する印加エネルギーの比率は、約３．２％であった。
この試験実施形態は、パウチおよびプリズムセルを含むさまざまなセル形状で、大気動作温度（０℃から２５℃）で１２回試験された。熱暴走は、ターゲットセル内で１０回うまく生じた。一つ目の失敗は、加熱素子とセルとの間の貧弱な熱接触を生じさせた加熱素子のインストール不良が原因であったと思われる。二つ目の失敗は、低い大気温度（０℃）およびプリズムバッテリーセル内の厚いセルケースのインシュレーションが原因であったと思われる。
図１５は、本開示に従う実施形態のバッテリーセル内に、熱暴走を生じさせるための方法を示す。
方法は、ブロック１５００で開始する。ブロック１５０２に進み、バッテリーセルの領域に熱を伝達するためにバッテリーセルと熱接触した抵抗加熱素子が与えられる。
方法は、ブロック１５０４に進み、抵抗加熱素子に電気的に接続されたエネルギー源が与えられる。
方法は、ブロック１５０６に進み、熱暴走を開始するために、バッテリーセルの領域を加熱するべく、抵抗加熱素子においてパワーパルスを生成するべく、抵抗加熱素子を通じて電流パルスを送る回路が選択的に形成される。
方法は、ブロック１５０８に進み、終了する。
本開示の他の態様に従い、バッテリーセルは、熱暴走を生じさせるためにセルと熱接触して配置された抵抗加熱素子へ電流を与えかつ制御することにより作成される熱によって、局所的に加熱される。このアプローチは、クローズドループ制御を使用しかつ少なくとも２つのステージを有し、第１ステージは、所定の温度まで抵抗加熱素子を急速に加熱する。第２ステージは、熱暴走が開始されるまで、抵抗加熱素子を所定の温度付近で保持する。２つのステージは、概して、ランプおよびセットと呼ぶ。したがって、ある実施形態において、ランプおよびセットアプローチが単一電流パルスの替わりに使用される。
セル内に熱暴走を誘導するための効率的かつ有効な方法は、少なくとも２つのステージを有するよう決定された。第１ステージは、熱暴走を誘導するための危機温度より高い温度まで加熱素子を急速に加熱するべく、高いパワーを印加することに関連する。第２ステージは、熱暴走が始まるまで、抵抗加熱素子を維持するべく、小さい量のパワーを印加することに関連する。
ひとつの実施形態において、第１ステージは、非常に短い時間間隔を有してよく、例えば、約１から３秒の範囲であってよい。概して短時間で第１ステージを与えることは、本当の内部短絡回路故障の熱発生プロファイルをシミュレートするための少なくともある実施形態において所望される。短時間第１ステージは、隣接セルに伝達される熱量を制限しうる。第２ステージの時間間隔は、少なくともある実施形態において、バッテリーセルのケーシングまたは壁の厚さおよび熱伝導性によって制限される。したがって、時間間隔は、概して、特定のバッテリーセルに依存して変化する。この時間間隔は、バッテリーセルの物理的特性によって速度制限され、よって、単により多くのパワーを印加しても、必ずしも方法のスピードアップにはならない。
現在の２ステージアプローチは、隣接バッテリーセルに伝達される熱エネルギーの量を減少させることを含み、前のアプローチに対してひとつ以上の利点を有しうる。内部短絡回路事象をシミュレートするセルの急速な温度上昇のため、大部分の熱がセルに印加されかつ周囲環境に与えられないことを保証しつつ、非常に大きなパワーの印加による加熱エレメントの故障の可能性を減少させることにより、ターゲットバッテリーセル内に熱暴走が発生するより高い確率を保証する。
図１６Ａは、本開示に従う２ステージのランプおよびセットアプローチを示す温度と時間のグラフの例である。線１６０２は、加熱素子の温度（Ｔelement）を示し、線１６０４はターゲットバッテリーセルの温度（Ｔinitiator cell）を示す。第１ステージにおいて、加熱素子は、所定の温度Ｔsetまで急速に加熱され、それはセル内に熱暴走を生じさせるのに必要な危機温度（Ｔcritical）より上である。第１ステージは、時刻ｔ０において開始し、時刻ｔ１で終了してよい。その間隔は、２秒以内、３秒以内、または他の任意の適当な値であってよい。
第２ステージにおいて、加熱素子の温度（Ｔelement）は、ターゲットバッテリーセルの温度（Ｔinitiator cell）が危機温度（Ｔcritical）に到達しかつ熱暴走が時刻ｔ２で生じるまで、所定の温度Ｔset付近に保持される。
時刻ｔ０とｔ１との間の時間間隔、時刻ｔ１とｔ２との間の時間間隔、および、危機温度（Ｔcritical）は、概して、ターゲットバッテリーセルの物理的および化学的特性にすべて依存する。また、時刻ｔ０とｔ１との間の時間間隔は、加熱素子に印加されるパワーの量にも概して依存する。
図１６Ｂは、２ステージのランプおよびセットアプローチを示す実験プロットにより温度と時間の関係を示すグラフである。このグラフは、実際の温度と時間を示す。例えば、加熱素子は、線１６１２に示すように、大気温度から約９００℃まで加熱される。バッテリーセルの温度は、開始セルとよばれ、上昇して時刻ｔ２付近で熱暴走に達し、その温度は線１６１４に示すように、熱暴走の結果として上昇しつづける。近接セルの温度は、線１６１６によって示され、ｔ３までは熱暴走まで到達せず、開始セルが熱暴走に入るときでも（時刻ｔ２とｔ３との間の時間間隔）、熱暴走危機温度以下の温度に維持される。
図１６Ａおよび１６Ｂは、熱暴走を開始するための２ステージアプローチを示す例として与えられる。ラインプロット、温度値、および他のグラフの特徴は、例示に過ぎず、限定するものではない。
ひとつの実施形態において、熱暴走を開始するための装置は、加熱素子への電流を制御することにより、加熱素子の温度を制御するべく、クローズドループ制御を使用する。装置は概して、加熱素子、エネルギー源、温度センサ、および温度制御器を有する。
加熱素子は、抵抗加熱素子または任意の他の適当なタイプの加熱素子であってよい。エネルギー源は、加熱素子へ、電流または他の形式のエネルギーを供給してよい。エネルギー源は直流電流（ＤＣ）電源または他の適当なタイプのエネルギー源であってよい。温度センサは、抵抗加熱素子の温度を検知する。温度センサは、熱電対または他の適当なタイプの検知機器であってよい。温度制御器によって、抵抗加熱素子は、所定の温度まで加熱され、抵抗加熱素子の温度の検知に応答して所定の温度に保持される。ひとつの実施形態において、温度制御器は加熱素子で生成されたパワーを制御するべくパルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する。温度制御器は、加熱素子の温度検知に応答して加熱素子へ電流を与えるべくリレーを制御してよい。リレーは、固体リレーまたは他の任意のタイプの適当なリレーであってよい。
図１７は、本開示の実施形態に従う、熱暴走を生じさせるための回路１７００の形式の装置の略示図である。回路１７００は、抵抗加熱素子１７０２およびエネルギー源１７２０を有する。この実施形態は、抵抗加熱素子を有するように説明されるが、ある実施形態ではひとつ以上の他のタイプの加熱素子を有してよい。ひとつの実施形態において、エネルギー源１７２０は、例えば、２４Ｖ直流電源であるＤＣ電源を有する。
回路１７００は、エネルギー源１７２０から抵抗加熱素子１７０２へのエネルギーの伝達を制御するための温度制御器の形式の制御回路１７４０を有してよい。温度センサ１７４１は、加熱素子１７０２に与えられ、かつ、温度制御器１７４０と通信可能に接続されている。
回路１７００はまた、エネルギー源１７２０を加熱素子１７０２に電気的に接続する回路を選択的に形成するためのエネルギー伝達スイッチまたはリレー１７３０を有する。温度制御器１７４０に通信可能に接続されたエネルギー伝達リレー１７３０は、加熱素子１７０２の温度を制御するべく温度制御器１７４０によって制御される。エネルギー伝達リレー１７３０は、固定リレーとして示されているが、他のタイプのリレーまたはスイッチが使用されてもよい。
回路１７００は、エネルギー源１７２０を加熱素子１７０２に電気的に接続するための回路を選択的に形成する回路パワーリレー１７４８を有する。回路パワーリレー１７４８は、単極、単投の電気機械式リレーとして示されているが、他のタイプのリレーまたはスイッチ機構が使用されても良い。また、回路パワーリレー１７４８は、トリガー１７４６によって作動されるように示されている。回路パワーリレー１７４８は、ＤＣ電源またはバッテリーなどのエネルギー源１７４２によって付勢されてよい。
上述したように、回路１７００は、熱暴走を生じさせるために、バッテリーセルの領域を加熱するための抵抗加熱素子の温度を選択的に制御するように構成されている。
図１８は、抵抗加熱素子１８０２の実施形態を示す。加熱素子１８０２は、ここで説明する他の実施形態と類似しているが、ひとつ以上の点が異なっている。例えば、ひとつの実施形態において、加熱素子１８０２は、ニクロム（８０／２０）を含む。蛇行サブエレメント１８２２のエッジ（例えば、コーナー）は、面取りされてよく、それは、絶縁バリアコーティングの適用を促進する。ひとつの実施形態において、面取りは、約２ｍｍ×４５度であってよい。また、加熱素子１８０２は、温度センサ（図示せず）を加熱素子１８０２に取り付けるのを容易にするために、チャネルまたは溝１８０４を有してよい。チャネル１８０４は、図１８の実施形態に示すように、サーペンタイン形状チャネルであってよく、または、他の任意の適当な形状およびサイズを有してよい。ひとつの実施形態において、サーペンタイン形状を有するチャネルにより、温度センサは、加熱素子に固定して接続可能となり、準備および試験中に取り外せない。
また、加熱素子１７０２の寸法は、任意の適当な値を有してよい。ひとつの実施形態において、寸法はほぼ次のようなものである。すなわち、Ｌ１が５０ｍｍ、Ｌ２が１０ｍｍ、Ｌ３が５ｍｍ、Ｗ１が２３．５ｍｍ、Ｗ２が０．５ｍｍ、Ｗ３が１．５ｍｍ、Ｗ４およびＷ５が５ｍｍ、Ｗ６およびＷ７が１０ｍｍ、Ｄ１（直径）が３ｍｍである。
図１９は、本開示に従う実施形態のバッテリーセル内で熱暴走を開始させるための方法のフローチャートである。
方法は、ブロック１９００で開始する。ブロック１９０２に進み、抵抗加熱素子が、バッテリーセルの領域へ熱を伝達するためにバッテリーセルと熱接触される。
方法は、ブロック１９０４に進み、熱暴走を開始するために、バッテリーセルの領域を加熱するべく、エネルギーが抵抗加熱素子に印加される。
方法は、ブロック１９０６に進み、抵抗加熱素子の温度が検知される。
方法は、ブロック１９０８に進み、抵抗加熱素子の温度の検知に応答して、抵抗加熱素子が所定の温度まで加熱され、かつ、所定の温度に保持されるように、加熱素子の温度が制御される。
方法は、ブロック１９１０に進み終了する。
図２０は、本開示に従うひとつの実施形態のひとつ以上の態様またはコンポーネントを実装する際に使用される例示的な電子デバイス２０００のブロック図であり、これは、熱暴走を開始するための装置を含むがそれに限定されない。ひとつの実施形態において、電子デバイス２０００は、制御および／または処理能力を与えるのに使用されてよい。
電子デバイス２０００は、ひとつ以上の中央演算装置（ＣＰＵ）２００２、メモリ２００４、大容量記憶装置２００６、入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２０１０、および通信サブシステム２０１２を有してよい。電子デバイス２０００のひとつ以上のコンポーネントまたはサブシステムが、ひとつ以上のバス２０１４によってまたは任意の他の適当な方法で相互接続されてよい。
バス２０１４は、任意のタイプのいくつかのバスアーキテクチャーであってよく、それは、メモリバス、ストレージバス、メモリコントローラバス、周辺バス等を含む。ＣＰＵ２００２は、これに制限しないが、ＦＰＧＡ、マイクロプロセッサ、および、マイクロコントローラを含む、任意のタイプの電子データプロセッサを有してよい。ステートマシンは、発明の範囲を越えることなくＣＰＵ２００２と置換可能である。メモリ２００４は、ダイナミックランダムメモリ（ＤＲＡＭ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、同期ＤＲＡＭ（ＳＤＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、それらの組みあわせ等などの任意のタイプのシステムメモリを有してよい。ひとつの実施形態において、メモリはブートアップ時に使用するためのＲＯＭ、および、プログラムを実行する間に使用するためのプログラムおよびデータ保存用のＤＲＡＭを含んでよい。
大容量記憶装置２００６は、データ、プログラム、および他の情報を格納し、かつ、バス２０１４を介してデータ、プログラムおよび他の情報にアクセス可能にするように構成された任意のタイプの記憶デバイスを有してよい。大容量記憶装置２００６は、ひとつ以上のソリッドステートドライブ（ＳＤＤ）、ハードディスク（ＨＤＤ）、磁気ディスクドライブ、光学式ディスクドライブ等を有してよい。ある実施形態において、データ、プログラム、または他の情報は、例えば、クラウド内に遠隔的に格納されてもよい。電子デバイス２０００は、ネットワークまたは他のデータ通信媒体を介して、通信サブシステム２０１２を含む任意の適当な方法で遠隔ストレージへ情報を送受信してよい。
Ｉ／Ｏインターフェース２０１０は、電子デバイス２０００へひとつ以上の他のデバイス（図示せず）を接続するためのインターフェースを与えてよい。他のデバイスは、これに限定しないが、エネルギー伝達スイッチ５４８、選択スイッチ、制御回路５４０、回路５０４、エネルギー源５２０、充電システム５３０、エネルギー伝達リレー１７３０、温度センサ１７４１、トリガー１７４６、および、回路パワーリレー１７４８を有してよい。また、付加的またはより少ないインターフェースが使用されてもよい。例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）（図示せず）のようなひとつ以上のシリアルインターフェースが与えられてもよい。
通信サブシステム２０１２は、送信および受信信号の一方または両方に対して設けられてよい。通信サブシステムは、ひとつ以上の有線および無線インターフェースを通じた通信を可能にするための任意のコンポーネントおよびコンポーネントの集合を有してよい。これらのインターフェースは、これに限定しないが、USB, Ethernet、high-definition multimedia interface (HDMI（登録商標）)、Firewire (例えば、IEEE 1394)、Thunderbolt（商標）, WiFi（商標） (例えばIEEE 802.11 )、 WiMAX (例えばIEEE 802.16)、 Bluetooth（登録商標）、またはNear-field communications (NFC)、および、GPRS、UMTS、LTE、LTE-A、狭域通信 (DSRC)、およびIEEE 802.11を含んでよい。通信サブシステム２０１２は、ひとつ以上の有線接続用の（図示せず）ひとつ以上のポートまたは他のコンポーネントを含んでよい。付加的または代替的に、通信サブシステム２０１２は、ひとつ以上のトランスミッタ、レシーバ、および／または、アンテナ素子（図示せず）を有してよい。
図２０の電子デバイス２０００は、例示に過ぎず、限定するものではない。さまざまな実施形態が、図示されまたは説明されたいくつかまたはすべてのコンポーネントを使用してよい。ある実施形態は、図示せずまたは説明されていないが、当業者に周知の他のコンポーネントを使用してもよい。また、図２０の電子デバイス２０００の境界は、あるコンポーネントが、電子デバイス２０００の外部にあるが、他のコンポーネントは内部になるという意味で制限されない。
上述した説明において、説明のために、多くの詳細が実施形態の理解を与えるために説明されてきた。しかし、これらの特定の詳細は、必要ではないことは理解されよう。他の例において、周知の電子ストラクチャーおよび回路が理解を妨げないようにブロック図で示されている。例えば、特定の詳細は、ここで説明した実施形態がソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、またはそれらの任意の組みあわせ内に実装されるか否かについて記載していない。
本開示の実施形態は、機械読み取り可能媒体（コンピュータ読み取り可能媒体、プロセッサ読み取り可能媒体、または、コンピュータ読み取り可能プログラムコードを含んだコンピュータ使用可能媒体ともいう）に格納されコンピュータプログラムプロダクトとして表現されてもよい。機械読み取り可能媒体は、ディスケット、コンパクトディスクリードオンリーメモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、メモリデバイス（揮発性または不揮発性）、または同様の記憶機構を含む、磁気、光学または電気記憶媒体を有する任意の適当な有体、非一過性媒体であってよい。機械読み取り可能媒体は、インストラクション、コードシーケンス、コンフィギュレーション情報、または他のデータのさまざまなセットを含む。それらは、実行される際に、本開示の実施形態に従う方法のステップをプロセッサに実行させる。説明した方法を実行するのに必要な他のインストラクションおよびオペレーションもまた機械読み取り可能媒体に格納可能であることは当業者の知るところである。機械読み取り可能媒体に格納されたインストラクションは、プロセッサまたは他の適当な処理デバイスによって実行可能であり、説明したタスクを実行するための回路とインターフェース可能である。
ここで説明した特定の実施形態の構造、特徴、アクセサリーおよび代替は、互換性があるかぎり、ここで説明し図示した実施形態のすべてを含む本開示のすべての教示に概して適応されることを意図している。換言すれば、特定の実施形態の構造、特徴、アクセサリー、および代替は、特に示さない限り、特定の実施形態に限定することを意図しない。
さらに、ここで説明した方法のステップおよびステップの順序は、これに限定されない。方法は、異なるステップ、異なる数のステップ、および／または、異なる順序のステップを有することも考えられる。
上述した実施形態は、例示にすぎない。添付する特許請求の範囲に記載された発明の範囲から離れることなく、特定の実施形態に対する代替、修正および変更が可能であることは当業者の知るところである。
Golubkov, A.W. らによるRoyal Society of Chemistry Advances, 2014, 4, 3633-3642に記載された "Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes"と題する論文

Claims (59)

  1. バッテリーセル内に熱暴走を生じさせるための装置であって、
    前記バッテリーセルの領域に熱を伝達するために、前記バッテリーセルと熱接触して配置する加熱素子と、
    前記加熱素子と、前記バッテリーセルとの間での熱エネルギー伝達率を改善するための、前記加熱素子と前記バッテリーセルとの間でかつその両方に接触して配置するための伝熱材と、
    前記加熱素子に電気的に接続されたエネルギー源と、
    前記熱暴走を生じさせるために、前記バッテリーセルの前記領域を加熱するべく前記加熱素子においてパワーパルスを生成するために、前記加熱素子へ電流パルスを選択的に送るためのスイッチ手段と
    を備え、
    前記パワーパルスによって生成された前記加熱素子におけるピーク熱流束密度が少なくとも８００，０００ワット平方メートル（Ｗ／ｍ ２ ）であり、ここで、ワットで示すパワーは、前記加熱素子における火力であり、平方メートルで示す面積は、前記加熱素子のフットプリント表面積であり、
    前記加熱素子の前記フットプリント表面積は、前記バッテリーセルの全外側表面積の２０％以下である、ことを特徴とする装置。
  2. 前記電流パルスは、指数関数的に減衰する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  3. 前記加熱素子での前記ピーク熱流束密度は、少なくとも２，０００，０００Ｗ／ｍ２である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  4. 前記加熱素子の前記フットプリント表面積は、前記バッテリーセルの前記全外側表面積の５％以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
  5. 前記エネルギー源は、少なくとも一つのキャパシタを有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記エネルギー源に格納されたエネルギーの少なくとも９５％が、前記スイッチ手段がオンになった後に、６０秒以内で印加される、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
  7. 前記エネルギー源内に格納されたエネルギーの少なくとも９５％が、前記スイッチ手段がオンになった後に、３０秒以内で印加される、ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
  8. 前記エネルギー源は、連続直流電源を有する、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  9. 前記バッテリーセルのキロワット（ｋＷ）での標準１Ｃ Ｃレート定常電流放電サイクルパワーに対する、前記エネルギー源の放電中の前記加熱素子でのｋＷのピーク加熱パワーの比は、少なくとも５０：１であり、ここで、前記Ｃレートは、バッテリーがその最大容量に関して放電された速度の測定値である、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
  10. 前記バッテリーセルのキロジュール（ｋＪ）でのエネルギー格納容量に対する、前記エネルギー源の放電中に前記加熱素子によって消散された熱エネルギー（ｋＪ）の割合は１０％未満である、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
  11. 前記エネルギー源の放電により、前記バッテリーセルの表面は、少なくとも１５０℃に加熱される、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
  12. 前記加熱素子を電気的に絶縁するために、前記加熱素子の外側に電気的絶縁バリアコーティングをさらに有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
  13. 前記電気的絶縁バリアコーティングの外側に熱伝導金属ベースコーティングをさらに有する、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記伝熱材は導電伝熱ペーストを有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
  15. 前記加熱素子は、平坦形状を有する、ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置。
  16. 前記加熱素子は、前記バッテリーセルの外面に対応してその形状が変形可能であるように柔軟である、ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の装置。
  17. 前記加熱素子は、５ミリメートル以下の厚さを有する、ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置。
  18. 前記加熱素子は、２ミリメートル以下の厚さを有する、ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の装置。
  19. 前記加熱素子は、ニクロムを含む、ことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
  20. 前記加熱素子は、鉄クロムアルミ（ＦｅＣｒＡｌ）合金を含む、ことを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の装置。
  21. 前記装置は、前記加熱素子へ、単一の電流パルスを送るように構成されている、ことを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置。
  22. バッテリーセル内で熱暴走を生じさせるための方法であって、
    前記バッテリーセルの領域へ熱を伝達するために前記バッテリーセルに熱接触して加熱素子を設ける工程と、
    前記加熱素子と、前記バッテリーセルとの間での熱エネルギー伝達率を改善するための伝熱材を、前記加熱素子と前記バッテリーセルとの間でかつその両方に接触して設ける工程と、
    前記加熱素子に電気的に接続されたエネルギー源を与える工程と、
    前記熱暴走を生じさせるために、前記バッテリーセルの前記領域を加熱するべく、前記加熱素子においてパワーパルスを生成するために、前記加熱素子へ電流パルスを選択的に送る工程と
    を備え、
    前記パワーパルスは、前記加熱素子において少なくとも８００，０００ワット平方メートル（Ｗ／ｍ ２ ）のピーク熱流束密度を生成し、ここで、ワットで示すパワーは、前記加熱素子における火力であり、平方メートルで示す面積は、前記加熱素子のフットプリント表面積であり、
    前記加熱素子のフットプリント表面積は、前記バッテリーセルの全外側表面積の２０％以下である、
    ことを特徴とする方法。
  23. 前記電流パルスは、指数関数的に減衰する、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  24. 前記加熱素子での前記ピーク熱流束密度は、少なくとも２，０００，０００Ｗ／ｍ２である、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  25. 前記加熱素子の前記フットプリント表面積は、前記バッテリーセルの前記全外側表面積の５％以下である、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
  26. 前記エネルギー源は、少なくとも一つのキャパシタを有する、ことを特徴とする請求項２２から２５のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記エネルギー源に格納されたエネルギーの少なくとも９５％が、前記電流パルスが送られ始めてから６０秒以内で印加される、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  28. 前記エネルギー源内に格納されたエネルギーの少なくとも９５％が、前記電流パルスが送られ始めてから３０秒以内で印加される、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  29. 前記バッテリーセルのキロワット（ｋＷ）での標準１Ｃ Ｃレート定常電流放電サイクルパワーに対する、前記エネルギー源の放電中の前記加熱素子でのｋＷのピーク加熱パワーの比は、少なくとも５０：１であり、ここで、前記Ｃレートは、バッテリーがその最大容量に関して放電された速度の測定値である、ことを特徴とする請求項２２から２８のいずれか一項に記載の方法。
  30. 前記バッテリーセルのキロジュール（ｋＪ）でのエネルギー格納容量（ｋＪ）に対する、前記エネルギー源の放電中に前記加熱素子によって消散された熱エネルギー（ｋＪ）の割合は１０％未満である、ことを特徴とする請求項２２から２９のいずれか一項に記載の方法。
  31. 前記エネルギー源の放電により、前記バッテリーセルの表面は、少なくとも１５０℃に加熱される、ことを特徴とする請求項２２から３０のいずれか一項に記載の方法。
  32. 前記加熱素子の外側に電気的絶縁バリアコーティングを設ける工程をさらに備える、請求項２２から３１のいずれか一項に記載の方法。
  33. 前記電気的絶縁バリアコーティングの外側に熱伝導金属ベースコーティングを設ける工程をさらに備える、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記伝熱材は導電伝熱ペーストを有する、ことを特徴とする請求項２２から３３のいずれか一項に記載の方法。
  35. 前記加熱素子は、平坦形状を有する、ことを特徴とする請求項２２から３４のいずれか一項に記載の方法。
  36. 前記加熱素子は、前記バッテリーセルの外面に対応してその形状が変形可能であるように柔軟である、ことを特徴とする請求項２２から３５のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記加熱素子は、５ミリメートル以下の厚さを有する、ことを特徴とする請求項２２から３６のいずれか一項に記載の方法。
  38. 前記加熱素子は、２ミリメートル以下の厚さを有する、ことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
  39. 前記加熱素子は、ニクロムを含む、ことを特徴とする請求項２２から３８のいずれか一項に記載の方法。
  40. 前記加熱素子は、鉄クロムアルミ（ＦｅＣｒＡｌ）合金を含む、ことを特徴とする請求項２２から３８のいずれか一項に記載の方法。
  41. 前記電流パルスを選択的に送る工程は、前記加熱素子へ、単一の電流パルスを送る工程からなる、ことを特徴とする請求項２２から４０のいずれか一項に記載の方法。
  42. 前記加熱素子の温度を検知するための温度センサと、
    前記温度センサと通信可能に接続された温度制御器と
    をさらに備え、
    前記温度制御器は、前記加熱素子の検知された前記温度に応答して、前記加熱素子を所定の温度に加熱し、かつ、前記加熱素子を前記所定の温度に保持するよう前記スイッチ手段と協働する、ことを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の装置。
  43. 前記加熱素子は、３秒以下で大気温度から前記所定の温度まで加熱される、ことを特徴とする請求項４２に記載の装置。
  44. 前記温度制御器は、前記加熱素子において生成されたパワーを制御するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用するように構成されている、ことを特徴とする請求項４２または４３に記載の装置。
  45. 前記エネルギー源は、直流（ＤＣ）電源を有する、ことを特徴とする請求項４２から４４のいずれか一項に記載の装置。
  46. 前記温度センサは、熱電対を有する、ことを特徴とする請求項４２から４５のいずれか一項に記載の装置。
  47. 前記温度制御器は、前記加熱素子の検知された前記温度に応答して、前記加熱素子の前記温度が、前記所定の温度を５％以上超えないように構成されている、ことを特徴とする請求項４２から４６のいずれか一項に記載の装置。
  48. 前記加熱素子の温度を検知する工程と、
    前記加熱素子の検知された前記温度に応答して、前記加熱素子が所定の温度に加熱され、かつ、前記所定の温度に保持されるように、前記電流パルスを選択的に送る工程を制御することにより、前記加熱素子の前記温度を制御する工程と
    をさらに備える、請求項２２から４１のいずれか一項に記載の方法。
  49. 前記加熱素子を加熱する工程は、３秒以下で大気温度から前記所定の温度まで前記加熱素子を加熱する工程を含む、ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  50. 前記加熱素子の前記温度を制御する工程は、前記加熱素子の前記温度を制御するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する、ことを特徴とする請求項４８または４９に記載の方法。
  51. 前記エネルギー源は、直流（ＤＣ）電源を有する、ことを特徴とする請求項４８から５０のいずれか一項に記載の方法。
  52. 前記加熱素子の温度を検知する工程は、熱電対を使って実行される、ことを特徴とする請求項４８から５１のいずれか一項に記載の方法。
  53. 前記加熱素子の前記温度を制御する工程は、前記加熱素子の検知された前記温度に応答して、前記加熱素子の温度が、前記所定の温度を５％以上超えないようにする工程を含む、ことを特徴とする請求項４８から５２のいずれか一項に記載の方法。
  54. 前記加熱素子は抵抗加熱素子である、ことを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の装置。
  55. 前記加熱素子は抵抗加熱素子である、ことを特徴とする請求項２２から４１のいずれか一項に記載の方法。
  56. 前記導電伝熱ペーストはニッケルを含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の装置。
  57. 前記加熱素子は物理的に密集したフットプリントを有する、ことを特徴とする請求項１から２１、５４、および５６のいずれか一項に記載の装置。
  58. 前記導電伝熱ペーストはニッケルを有する、ことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
  59. 前記加熱素子は物理的に密集したフットプリントを有する、ことを特徴とする請求項２２から４１、５５、および５８のいずれか一項に記載の方法。
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