(57)【要約】  セルキャリヤが相変化物質を収容した相変化物質コンパートメントを有する。相変化物質は、バッテリーセルの通常の動作温度とバッテリーセルの自己発熱点との間の相転移温度を有し、この相変化物質は、相転移温度まで加熱されると固体状態から液体状態に転移し又は液体状態から気体状態に転移する。
2019520678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルキャリヤであって、
（ａ）バッテリーセルを受け入れるセルコンパートメントと、
（ｂ）前記セルコンパートメントに熱的結合された相変化物質コンパートメントと、
（ｃ）前記相変化物質コンパートメント内に入れられた相変化物質とを有し、前記相変化物質は、前記バッテリーセルの通常の動作温度と前記バッテリーセルの自己発熱点との間の相転移温度を有し、前記相変化物質は、前記相転移温度まで加熱されると、固体状態から液体状態に又は液体状態から気体状態に転移する、セルキャリヤ。
【請求項２】
前記バッテリーセルは、ある範囲の通常の動作温度内で動作可能であり、前記相転移温度は、前記通常動作温度範囲の上界と前記バッテリーセルの前記自己発熱点との間にある、請求項１記載のセルキャリヤ。
【請求項３】
前記相転移温度は、前記相変化物質の融解温度である、請求項１又は２記載のセルキャリヤ。
【請求項４】
前記セルコンパートメントは、前記バッテリーセルが前記セルコンパートメント内に位置しているときに前記バッテリーセルが当てられる裏当て材を有し、前記裏当て材は、前記相変化物質コンパートメントの壁を構成する、請求項３記載のセルキャリヤ。
【請求項５】
前記相変化物質は、前記裏当て材に直に接触する、請求項４記載のセルキャリヤ。
【請求項６】
前記セルキャリヤは、前記裏当て材から伸びる隆起縁部を有し、前記隆起縁部は、前記裏当て材の一方の側部上の前記セルコンパートメントの周囲及び前記裏当て材の反対側に位置する前記相変化物質コンパートメントの少なくとも一部を構成している、請求項４又は５記載のセルキャリヤ。
【請求項７】
前記裏当て材と反対側に位置した状態で前記隆起縁部に結合された相変化物質コンパートメントキャップを更に有する、請求項６記載のセルキャリヤ。
【請求項８】
前記相変化物質コンパートメントは、流体的に封止されている、請求項３〜７のうちいずれか一に記載のセルキャリヤ。
【請求項９】
前記相変化物質の融解潜熱は、１００ｋＪ／ｋｇ〜５００ｋＪ／ｋｇである、請求項３〜８のうちいずれか一に記載のセルキャリヤ。
【請求項１０】
前記相変化物質の融解温度は、８０℃〜１２０℃である、請求項３〜９のうちいずれか一に記載のセルキャリヤ。
【請求項１１】
セルキャリヤ組立体のスタックを含むバッテリーモジュールであって、前記セルキャリヤ組立体の各々は、
（ａ）セルキャリヤを含み、前記セルキャリヤは、
（ｉ）バッテリーセルを受け入れるセルコンパートメントと、
（ｉｉ）前記セルコンパートメントに熱的結合された相変化物質コンパートメントと、
（ｉｉｉ）前記相変化物質コンパートメント内に入れられた相変化物質とを有し、前記相変化物質は、前記バッテリーセルの通常の動作温度と前記バッテリーセルの自己発熱点との間の相転移温度を有し、前記相変化物質は、前記相転移温度まで加熱されると、固体状態から液体状態に又は液体状態から気体状態に転移し、
（ｂ）前記セルコンパートメント内に入れられたバッテリーセルを含み、互いに直接接触している任意の２つの隣合うセルキャリヤ組立体に関し、前記隣合うセルキャリヤ組立体のうちの一方の前記相変化物質は、前記隣合うセルキャリヤ組立体の前記バッテリーセル相互間に配置されている、バッテリーモジュール。
【請求項１２】
前記隣合うセルキャリヤ組立体のうちの一方の前記相変化物質コンパートメントは、前記隣合うセルキャリヤ組立体のうちの他方に直に接触している、請求項１１記載のバッテリーモジュール。
【請求項１３】
前記スタックに熱的結合されたヒートシンクを更に含み、前記セルキャリヤ組立体の各々は、前記バッテリーセルからの熱を前記ヒートシンクに伝導するよう位置決めされた熱伝導性シートを更に有する、請求項１１又は１２記載のバッテリーモジュール。
【請求項１４】
前記熱伝導性シートは、前記バッテリーセル上に層状に積み重ねられるとともに前記セルコンパートメントから出て前記ヒートシンクに接触している前記セルキャリヤの縁部まで延びている、請求項１３記載のバッテリーモジュール。
【請求項１５】
前記隣合うセルキャリヤ組立体のうちの一方の前記相変化物質コンパートメントは、前記隣合うセルキャリヤ組立体のうちの他方の前記熱伝導性シートに直に接触している、請求項１３又は１４記載のバッテリーモジュール。
【請求項１６】
前記バッテリーセルは、ある範囲の通常の動作温度内で動作可能であり、前記相転移温度は、前記通常動作温度範囲の上界と前記バッテリーセルの前記自己発熱点との間にある、請求項１１〜１５のうちいずれか一に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１７】
前記相転移温度は、前記相変化物質の融解温度である、請求項１１〜１６のうちいずれか一に記載のバッテリーモジュール。
【請求項１８】
前記セルキャリヤ組立体の各々の前記セルコンパートメントは、前記バッテリーセルが前記セルコンパートメント内に位置しているときに前記バッテリーセルが当てられる裏当て材を有し、前記裏当て材は、前記相変化物質コンパートメントの壁を構成する、請求項１７記載のバッテリーモジュール。
【請求項１９】
前記相変化物質は、前記裏当て材に直に接触する、請求項１８記載のバッテリーモジュール。
【請求項２０】
前記セルキャリヤ組立体の各々の前記セルキャリヤは、前記裏当て材から伸びる隆起縁部を有し、前記隆起縁部は、前記裏当て材の一方の側部上の前記セルコンパートメントの周囲及び前記裏当て材の反対側に位置する前記相変化物質コンパートメントの少なくとも一部を構成している、請求項１８又は１９記載のバッテリーモジュール。
【請求項２１】
前記セルキャリヤ組立体の各々の前記セルキャリヤは、前記裏当て材と反対側に位置した状態で前記隆起縁部に結合された相変化物質コンパートメントキャップを更に有する、請求項２０記載のバッテリーモジュール。
【請求項２２】
前記相変化物質コンパートメントは、流体的に封止されている、請求項１７〜２１のうちいずれか一に記載のバッテリーモジュール。
【請求項２３】
前記相変化物質の融解潜熱は、１００ｋＪ／ｋｇ〜５００ｋＪ／ｋｇである、請求項１７〜２２のうちいずれか一に記載のバッテリーモジュール。
【請求項２４】
前記相変化物質の融解温度は、８０℃〜１２０℃である、請求項１７〜２３のうちいずれか一に記載のバッテリーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示内容は、相変化物質を有するセルキャリヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料は、工業用と民生用の両方においてエネルギー源として置き換えが続いている。化石燃料を置き換えている一手法は、内燃エンジンを電気モータに置き換えることによってである。内燃エンジンを電気モータに置き換えるには、典型的には、バッテリーモジュール用の燃料タンクを、電気モータを作動させるのに必要な電気をもたらすバッテリーモジュールと取り替える必要がある。
【０００３】
バッテリーモジュールは、典型的には、直列及び並列のうちの一方又は両方の状態で電気的に接続された多数のバッテリーセルを含む。バッテリーセルの例示の一形式は、「パウチセル」であり、このパウチセルでは、従来型バッテリーセルの剛性外部が可撓性パウチに置き換えられる。可撓性かつ熱伝導性のタブがパウチの縁から延びてセルの電極に溶接されており、これらセルの電極は、パウチ内に収容され、これらタブにより、セルを負荷に電気的に接続することができる。パウチセルは、リチウムポリマーバッテリの化学的性質を有する場合が多い。
【０００４】
従来型バッテリーセルの剛性外部を可撓性パウチと取り替えることにより、バッテリーモジュールの重量が減少するが、セルの固有の構造的健全性が低下する。健全性のこの低下を補償するため、バッテリーモジュール内のパウチセルの各々は、典型的には、バッテリーセルキャリヤ内に位置し、バッテリーセルキャリヤは、実用に十分な構造的健全性を有するスタック組立体を形成するよう互いに物理的に結合されている。スタック組立体は、エンクロージャ内に収容され、エンクロージャは、スタック組立体を周囲環境から保護する。
【０００５】
第１の観点によれば、セルキャリヤが提供される。セルキャリヤは、バッテリーセルを受け入れるセルコンパートメントと、セルコンパートメントに熱的結合された相変化物質コンパートメントと、相変化物質コンパートメント内に入れられた相変化物質とを有する。相変化物質は、バッテリーセルの通常の動作温度とバッテリーセルの自己発熱点との間の相転移温度を有する。相変化物質は、相転移温度まで加熱されると、固体状態から液体状態に又は液体状態から気体状態に転移する。
【０００６】
バッテリーセルは、ある範囲の通常の動作温度内で動作可能であるのが良く、相転移温度は、通常動作温度範囲の上界とバッテリーセルの自己発熱点との間にあるのが良い。
【０００７】
相転移温度は、相変化物質の融解温度であるのが良い。
【０００８】
セルコンパートメントは、バッテリーセルがセルコンパートメント内に位置しているときにバッテリーセルが当てられる裏当て材を有するのが良く、裏当て材は、相変化物質コンパートメントの壁を構成するのが良い。
【０００９】
相変化物質は、裏当て材に直に接触するのが良い。
【００１０】
セルキャリヤは、裏当て材から伸びる隆起縁部を有するのが良く、隆起縁部は、裏当て材の一方の側部上のセルコンパートメントの周囲及び裏当て材の反対側に位置する相変化物質コンパートメントの少なくとも一部を構成するのが良い。
【００１１】
相変化物質コンパートメントキャップが裏当て材と反対側に位置した状態で隆起縁部に結合されるのが良い。
【００１２】
相変化物質コンパートメントは、流体的に封止されるのが良い。
【００１３】
相変化物質の融解潜熱は、１００ｋＪ／ｋｇ〜５００ｋＪ／ｋｇであるのが良い。
【００１４】
相変化物質の融解温度は、８０℃〜１２０℃であるのが良い。
【００１５】
別の観点によれば、セルキャリヤ組立体のスタックを含むバッテリーモジュールが提供される。セルキャリヤ組立体の各々は、セルキャリヤ及びバッテリーセルを含む。セルキャリヤは、バッテリーセルを受け入れるセルコンパートメントと、セルコンパートメントに熱的結合された相変化物質コンパートメントと、相変化物質コンパートメント内に入れられた相変化物質とを有する。相変化物質は、バッテリーセルの通常の動作温度とバッテリーセルの自己発熱点との間の相転移温度を有する。相変化物質は、相転移温度まで加熱されると、固体状態から液体状態に又は液体状態から気体状態に転移する。互いに直接接触している任意の２つの隣合うセルキャリヤ組立体に関し、隣合うセルキャリヤ組立体のうちの一方の相変化物質は、隣合うセルキャリヤ組立体のバッテリーセル相互間に配置される。
【００１６】
隣合うセルキャリヤ組立体のうちの一方の相変化物質コンパートメントは、隣合うセルキャリヤ組立体のうちの他方に直に接触するのが良い。
【００１７】
バッテリーモジュールは、スタックに熱的結合されたヒートシンクを更に含むのが良く、セルキャリヤ組立体の各々は、バッテリーセルからの熱をヒートシンクに伝導するよう位置決めされた熱伝導性シートを更に有するのが良い。
【００１８】
熱伝導性シートは、バッテリーセル上に層状に積み重ねられるとともにセルコンパートメントから出てヒートシンクに接触しているセルキャリヤの縁部まで延びるのが良い。
【００１９】
隣合うセルキャリヤ組立体のうちの一方の相変化物質コンパートメントは、隣合うセルキャリヤ組立体のうちの他方の熱伝導性シートに直に接触するのが良い。
【００２０】
バッテリーセルは、ある範囲の通常の動作温度内で動作可能であるのが良く、相転移温度は、通常動作温度範囲の上界とバッテリーセルの自己発熱点との間にあるのが良い。
【００２１】
相転移温度は、相変化物質の融解温度であるのが良い。
【００２２】
セルキャリヤ組立体の各々のセルコンパートメントは、バッテリーセルがセルコンパートメント内に位置しているときにバッテリーセルが当てられる裏当て材を有するのが良く、裏当て材は、相変化物質コンパートメントの壁を構成するのが良い。
【００２３】
相変化物質は、裏当て材に直に接触するのが良い。
【００２４】
セルキャリヤ組立体の各々のセルキャリヤは、裏当て材から伸びる隆起縁部を有するのが良く、隆起縁部は、裏当て材の一方の側部上のセルコンパートメントの周囲及び裏当て材の反対側に位置する相変化物質コンパートメントの少なくとも一部を構成するのが良い。
【００２５】
セルキャリヤ組立体の各々のセルキャリヤは、裏当て材と反対側に位置した状態で隆起縁部に結合された相変化物質コンパートメントキャップを更に有するのが良い。
【００２６】
相変化物質コンパートメントは、流体的に封止されるのが良い。
【００２７】
相変化物質の融解潜熱は、１００ｋＪ／ｋｇ〜５００ｋＪ／ｋｇであるのが良い。
【００２８】
相変化物質の融解温度は、８０℃〜１２０℃であるのが良い。
【００２９】
この発明の概要の項は、必ずしも全ての観点の全体的範囲を記載しているわけではない。他の観点、他の特徴及び他の利点は、特定の実施形態についての以下の説明を読むと当業者には明らかであろう。
【００３０】
添付の図面は、１つ又は２つ以上の例示の実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】相変化物質を有するセルキャリヤの例示の一実施形態の正面斜視図である。
【図１Ｂ】相変化物質を有するセルキャリヤの例示の一実施形態の背面斜視図である。
【図２】例示の一実施形態による相変化物質を用いた加熱状態及びこれを用いない加熱状態を表わすグラフ図である。
【図３Ａ】セルキャリヤ組立体のスタックを含むバッテリーモジュールの例示の実施形態の断面図であり、セルキャリヤ組立体の各々が相変化物質を含む状態を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａのセルキャリヤ組立体のうちの一方の分解組立図である。
【図４Ａ−４Ｃ】図４Ａは、熱暴走を生じているバッテリーセルの温度を表わすグラフ図であり、図４Ｂは、熱暴走を生じているバッテリーセルを収容したセルキャリヤの一部を構成する相変化物質の温度を表わすグラフ図であり、図４Ｃは、熱暴走を生じているバッテリーセルに隣接して位置するバッテリーセルの温度を表わすグラフ図である。
【図５Ａ】セルキャリヤ組立体のスタックの例示の実施形態の斜視図であり、セルキャリヤ組立体の各々が相変化物質を含む状態を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａのセルキャリヤ組立体のうちの一方の分解組立図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
ある特定の極端な環境では、「自己発熱（self-heating）」と呼ばれている状態がリチウムイオン電池セル（バッテリーセル）内で生じる場合があり、それにより、バッテリーセルは、「熱暴走」と呼ばれている状態に入る場合がある。「自己発熱」は、それによりバッテリーセルが外部加熱源だけで加熱されることに起因して生じる温度を超える温度までバッテリーセルが発熱する自己強化型発熱反応を意味しており、自己発熱が始まる温度を「自己発熱点」と言う。「熱暴走」は、バッテリーセルの温度が発熱反応の結果として上がる正のフィードバックプロセスを意味している。発熱反応は、例えばバッテリーセルから又は過度に高温の環境内でのバッテリーセルの動作からの放電過剰電流に起因して生じる場合がある。最終的に、非制御状態の熱暴走により、バッテリーセルの温度及び圧力のうちの一方又は両方が、バッテリーセルが燃焼し、爆発し、又はこれらの両方が起こる場合のある程度まで増大する。
【００３３】
バッテリーセルのスタック中の１つのセルが熱暴走を生じると、このセルが放出する熱により隣のセルもまた熱暴走を起こす場合があり、それにより潜在的に破局的である連鎖反応が始まる。本明細書において説明する実施形態は、相変化物質（“ＰＣＭ”）を用いてセルが熱暴走に入ったときにセルによって放出される熱を吸収し、それにより隣のセルの熱暴走を阻止する技術に関する。
【００３４】
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、セルキャリヤ１００の一実施形態の前から見た斜視図及び後ろから見た斜視図である。セルキャリヤ１００は、パウチセル１１８（図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示されている）が固定されるよう当てられる裏当て材１０２を有する。裏当て材１０２は、構造的健全性を目的として比較的剛性であるのが良く、あるいは変形例として、比較的可撓性であっても良い。パウチセル１１８の固定は、例えば、セル１１８を裏当て材１０２に固定する接着剤の使用、クランプ機構体（図示せず）による裏当て材１０２へのセル１１８のクランプ、及びセルキャリヤ１００がスタック組立体３００（図３に示されている）の一部を構成する場合に隣のセルキャリヤ１００による裏当て材１０２へのセル１１８の押し付けのうちの任意の１つ又は２つ以上によって実施できる。裏当て材１０２の頂縁沿いに延びる頂壁１０４ａ、裏当て材１０２の底縁に沿って延びる底壁１０４ｂ、裏当て材１０２の左側部分を横切って延びる左側壁１０４ｃ、及び裏当て材１０２の右側部分に沿って延びる右側壁１０４ｄが裏当て材１０２の前側の側部から垂直に延びており、これら４つの壁１０４ａ〜１０４ｄは、ひとまとまりとなって、パウチセル１１８を受け入れるセルコンパートメント１２４を画定している。
【００３５】
最も左側の壁１２２ａが裏当て材１０２の左側の縁に沿って延び、最も左側の壁１２２ａ、左側壁１０４ｃ、頂壁１０４ａ、及び底壁１０４ｂはひとまとまりとなって、パウチセル１１８の一部を構成するとともにパウチセル１１８の電極のうちの一方に電気的に接続されたフォイル（箔）タブを受け入れるよう位置決めされている第１のタブコンパートメント１２０ａを画定している。もしそのように構成されていなければ第１のタブコンパートメント１２０ａ内に収容されることになっていたフォイルタブの一部を支持する第１のタブプラットホーム１２６ａが最も左側の壁１２２ａから左側の方向に延びている。同様に、最も右側の壁１２２ｂが裏当て材１０２の右側の縁に沿って延び、最も右側の壁１２２ｂ、右側壁１０４ｄ、頂壁１０４ａ、及び底壁１０４ｂはひとまとまりとなって、パウチセル１１８の電極のうちの他方に電気的に接続されたパウチセル１１８のフォイル（箔）タブの別の一部を受け入れるよう位置決めされている第２のタブコンパートメント１２０ｂを画定している。もしそのように構成されていなければ第２のタブコンパートメント１２０ｂ内に収容されることになっていたフォイルタブの一部を支持する第２のタブプラットホーム１２６ｂが最も右側の壁１２２ｂから右側の方向に延びている。
【００３６】
セルキャリヤ１００の各コーナー部は、セルキャリヤ１００をセルキャリヤ１００の前又は後ろに配置された隣のセルキャリヤ１００に結合するキャリヤ結合機構体を有する。キャリヤ１００の左側コーナー部に連結された２つのキャリヤ結合機構体（「左側コーナー部キャリヤ結合機構体」）は互いに同一である。これらキャリヤ結合機構体の各々は、前方に延びるタブ１０８及びこれに隣接して位置するスロット１１０を含み、このスロットの側壁には、隣のセルキャリヤ１００のタブ１０８に取り外し可能に結合する切欠きが設けられている。タブ１０８及びスロット１１０の左側には、前方に延びる突出部１１２が設けられ、この突出部の後ろには、隣のセルキャリヤ１００の突出部１１２を受け入れてこれと締まり嵌め関係をなす凹部１１４が設けられている。キャリヤ１００の右側コーナー部に連結された２つのキャリヤ結合機構体（「右側コーナー部キャリヤ結合機構体」）もまた、互いに同一であり、これら右側コーナー部キャリヤ機構体は、右側コーナー部キャリヤ結合機構体の突出部１１２及び凹部１１４が左側コーナー部キャリヤ結合機構体の突出部及び凹部よりも小さいことを除き、左側コーナー部キャリヤ結合機構体と鏡像関係をなしている。
【００３７】
図示の実施形態では、キャリヤ結合機構体は、隣合うキャリヤ１００相互間の解除可能な結合のもたらし、これらキャリヤ結合機構体は、キャリヤ１００のコーナー部のところに位置決めされている。別の実施形態（図示せず）では、より一般的に、キャリヤ結合機構体は、セルキャリヤ１００の一方の側部上で第１の隣のセルキャリヤ１００に結合されるよう位置決めされた雄型部分及びセルキャリヤ１００の反対側の側部上で第２の隣のセルキャリヤ１００に結合されるよう位置決めされた雌型部分を有する解除可能なカップリングであるのが良い。別の異なる実施形態（図示せず）では、キャリヤ１００は、解除不能な技術を用いて、例えば接着剤を用いて解除不能に互いに結合されるのが良い。
【００３８】
ばね１１６が底壁１０４ｂの外面上で延びている。図示の実施形態では、ばね１１６は、一端部が底壁１０４ｂの外面に固定された湾曲片持ち部分を有する。実質的に平べったいアクチュエータ部分が可撓性支点のところで片持ち部分の他端部に固定されており、このアクチュエータ部分は、以下に詳細に説明するように、スタック組立体エンクロージャとの接触により圧縮されるよう設計されている。
【００３９】
ばね１１６の特定の一実施形態が図示されているが、異なる実施形態（図示せず）では、ばね１１６は、異なる設計のものであっても良い。例えば、ばね１１６は、底壁１０４ｂに沿って連続的ではなく間欠的に延びても良く、すなわち、ばね１１６は、一連の別々のばね部分から成っていても良く、これら別々のばね部分の各々は、独立して圧縮可能である。別の異なる実施形態（図示せず）では、ばね１１６は、別形式のばね、例えばコイルばねから成っていても良い。別の異なる実施形態（図示せず）では、ばね１１６は、多数の形式のばねの組み合わせから成っていても良く、例えば、ばね１１６は、互いに異なる別々のばね部分から成っていても良く、これらばね部分のうちの幾つかは、コイルばねであり、これらばね部分のうちの幾つかは、片持ちばねである。別の異なる実施形態（図示せず）では、ばね１１６は、セルコンパートメント１２４を画定する底壁１０４ｂの部分に沿って配置されていなくても良く、例えば、ばね１１６は、左下及び右下コーナー部キャリヤ結合機構体のうちの一方又は両方に直接固定されても良く、あるいは図示の実施形態には示されていないセルキャリヤ１００の別の部分に固定されても良い。加うるに、図示の実施形態では、ばね１１６は、底壁１０４ｂの下に延びることによりセルコンパートメント１２４の周囲を越えて延びているが、別の異なる実施形態（図示せず）では、ばね１１６は、セルコンパートメント１２４の周囲を越えて延びていなくても良い。例えば、ばね１１６は、セルコンパートメント１２４内で延びても良く（例えば、壁１０４ａ〜１０４ｄのうちの任意のものに連結されるとともにセルコンパートメント１２４の内部に向かって延びていても良く）、スタック組立体エンクロージャは、これがそれにもかかわらず、バッテリーモジュール全体が組み立てられたときにばね１１６を圧縮するよう形作られていても良い。
【００４０】
図３Ｂ及び図５Ｂは、セルキャリヤ組立体１５０の２つの例示の実施形態の分解組立図であり、これらセルキャリヤ組立体の各々は、セルキャリヤ１００を含む。セルキャリヤ組立体１５０の各々は、裏当て材１０２の一方の側部（以下、この側部を裏当て材１０２の「前側部」と呼ぶ）に当たった状態でセルコンパートメント１２４内に収まっているバッテリーセル１１８、セル１１８を覆って敷かれるとともにセルコンパートメント１２４から出てばね１１６の下で延びる熱伝導性シート１５６、及び相変化物質（“ＰＣＭ”）３０２を収容した相変化物質コンパートメント（“ＰＣＭコンパートメント”）を更に含む。
【００４１】
ＰＣＭ３０２は、バッテリーセル１１８の通常動作温度では固体であり、セル１１８がニッケルマグネシウムコバルト電池である例示の実施形態では、セル１１８の通常動作温度は、０℃〜６０℃であり、異なる実施形態では、セル１１８の通常動作温度は、例えば、セルの化学的組成に応じて様々であって良い。例えば、チタン酸リチウム電池は、−５０℃から７０℃までの範囲を有するよう構成されるのが良い。ＰＣＭ３０２の一例は、Pluss（登録商標）ポリマーズ・プライベート・リミテッド（Polymers Pvt. Ltd.）製のsavE（登録商標）HS89材料であり、この材料の融点は、８８℃である。ＰＣＭ３０２の融解温度は、バッテリーの通常動作温度とバッテリーセル１１８の自己発熱点との間にあるよう選択され、通常動作温度がある範囲の温度にまたがるある特定の実施形態では、バッテリーセル１１８の通常動作温度範囲の上界とバッテリーセル１１８の自己発熱点との間にあるよう選択される。例えば、異なる実施形態では、ＰＣＭ３０２の融解温度は、８０℃から１２０℃までの範囲から選択され、例えば、８０℃、８５℃、９０℃、９５℃、１００℃、１０５℃、１１０℃、１１５℃、及び１２０℃のうちの任意のものであって良い。
【００４２】
図２は、ＰＣＭ３０２の温度が外部熱源（図示せず）に曝されたときに経時的にどのように変化するかの一例を、相変化を起こさない材料（「非ＰＣＭ」）の温度が同一熱源に曝されたときに同一の期間にわたってどのように変化するかとは対照的に示した一例を示すグラフ図２００である。グラフ図２００は、２本の曲線、すなわち、非ＰＣＭの温度が熱源に曝されたときに時間につれて線形的に増大する非ＰＣＭ曲線２０２ａ及びＰＣＭ３０２の温度がその融解温度（図２では「融解点」と表示されている）に達したとき、熱源からの熱がＰＣＭ３０２の温度を増大させるのとは対照的にＰＣＭ３０２の温度３０２の相を変化させるのにどのように用いられるかを示すＰＣＭ曲線２０２ｂを示している。ＰＣＭ３０２の温度が一定のままである持続時間は、ＰＣＭ３０２の質量にその融解潜熱を乗算してＰＣＭ３０２の温度３０２が熱源からの熱を吸収する速度で除算した値に等しい。例示のある特定の実施形態では、ＰＣＭ３０２の融解潜熱は、１００ｋＪ／ｋｇから５００ｋＪ／ｋｇまでの範囲にわたり、例えば、１００ｋＪ／ｋｇ、１１０ｋＪ／ｋｇ、１２０ｋＪ／ｋｇ、１３０ｋＪ／ｋｇ、１４０ｋＪ／ｋｇ、１５０ｋＪ／ｋｇ、１６０ｋＪ／ｋｇ、１７０ｋＪ／ｋｇ、１８０ｋＪ／ｋｇ、１９０ｋＪ／ｋｇ、２００ｋＪ／ｋｇ、２１０ｋＪ／ｋｇ、２２０ｋＪ／ｋｇ、２３０ｋＪ／ｋｇ、２４０ｋＪ／ｋｇ、２５０ｋＪ／ｋｇ、２６０ｋＪ／ｋｇ、２７０ｋＪ／ｋｇ、２８０ｋＪ／ｋｇ、２９０ｋＪ／ｋｇ、３００ｋＪ／ｋｇ、３１０ｋＪ／ｋｇ、３２０ｋＪ／ｋｇ、３３０ｋＪ／ｋｇ、３４０ｋＪ／ｋｇ、３５０ｋＪ／ｋｇ、３６０ｋＪ／ｋｇ、３７０ｋＪ／ｋｇ、３８０ｋＪ／ｋｇ、３９０ｋＪ／ｋｇ、４００ｋＪ／ｋｇ、４１０ｋＪ／ｋｇ、４２０ｋＪ／ｋｇ、４３０ｋＪ／ｋｇ、４４０ｋＪ／ｋｇ、４５０ｋＪ／ｋｇ、４６０ｋＪ／ｋｇ、４７０ｋＪ／ｋｇ、４８０ｋＪ／ｋｇ、４９０ｋＪ／ｋｇ、及び５００ｋＪ／ｋｇのうちの任意ものであって良い。例えば、上述のsavE（登録商標）HS89材料の融解潜熱は、１８０ｋＪ／ｋｇである。
【００４３】
ＰＣＭコンパートメントは、前側とは反対側の裏当て材１０２の側部（以下、裏当て材１０２のこの側部を裏当て材１０２の「後側部」と言う）上に位置する。ＰＣＭコンパートメントは、裏当て材１０２の後側部、裏当て材１０２の後側部の周囲に沿って延びるリップ３０６、及びリップ３０６に固定されたＰＣＭコンパートメントキャップ１３２によって画定されている。図示の実施形態では、裏当て材１０２から延びていて裏当て材１０２の前側部上に頂壁及び底壁１０４ａ，１０４ｂを有する隆起縁部は、裏当て材１０２の後側部上にリップ３０２の２つの互いに反対側の縁部から成る。裏当て材１０２の前側部上の左及び右壁１０４ｃ，１０４ｄは、裏当て材１０２の後側部上のリップ３０６の他の２つの縁部と整列している。ＰＣＭ３０２は、裏当て材１０２の後側部とＰＣＭコンパートメントキャップ１３２との間に配置されている。ある特定の実施形態では、バッテリーセル１１８の通常の動作温度でのＰＣＭ３０２は、固体であり、例えば、ＰＣＭ３０２はその固体形態において粒状であっても良く、あるいは、図３Ｂ及び図５Ｂに示されているように、材料の固体シートであっても良い。ある特定の実施形態では、ＰＣＭ３０２をセルキャリヤ１００の製造中、融解させてこれをＰＣＭコンパートメント中に注ぎ込み、その後、ＰＣＭ３０２が冷えて凝固し、その後においてバッテリーセル１１８の温度を調節するために用いられる。図示の実施形態では、ＰＣＭ３０２は、扁平でありかつセル１１８の実質的に領域全体にわたってオーバーラップし、異なる実施形態（図示せず）では、ＰＣＭ３０２は、非扁平であるかセル１１８の寸法とは実質的に異なる寸法を有するのが良いかのうちの一方であっても良くあるいは両方であっても良い。加うるに、図示の実施形態では、セルコンパートメント１２４とＰＣＭコンパートメントとの熱的結合は、ＰＣＭ３０２及びセル１１８の各々が裏当て材１０２に直に接触するので熱伝導性であり、しかしながら、異なる実施形態（図示せず）では、熱は、セルキャリヤ１００の構造に応じて、対流、伝導、及び放射のうちの任意の１つ又は２つ以上を用いて伝達されるのが良い。例えば、図示していない一実施形態では、裏当て材１０２の前側部は、結果的に空隙がセル１１８と裏当て材１０２との間に存在するようにするリブ及びスタンドオフのうちの一方又は両方を有し、この図示していない実施形態では、放射及び対流のうちの一方又は両方がセル１１８をＰＣＭコンパートメントに熱的に結合する上で重要な役割を果たす。
【００４４】
ＰＣＭコンパートメントは、図示の実施形態では、流体的に封止されており、異なる実施形態（図示せず）では、ＰＣＭコンパートメントは、流体的に封止されていなくても良く、これとは異なり、ＰＣＭ３０２の使用量及び使用中におけるキャリヤ１００の向きのうちの一方又は両方により、ＰＣＭ３０２は、ＰＣＭコンパートメントから漏れ出すことなく、融解することができる場合がある。例えば、ＰＣＭコンパートメントの頂部は、開いたままであっても良く、コンパートメント内に配置されたＰＣＭ３０２の量は、ＰＣＭ３０２が融解したときに熱暴走中にコンパートメントの頂部から流れ出る融解状態のＰＣＭの量が不十分であるように選択されるのが良い。
【００４５】
次に図５Ａを参照すると、セルキャリヤ１００の結合機構体を用いて互いに機械的に直列に結合された図５Ｂのセルキャリヤ組立体１５０を２４個含むスタック組立体３００が示されている。バスバー３０２がセル１１８を任意適当な電気的形態で互いに電気的に結合しており、例えば、図示の実施形態では、セル１１８は、１２ｓ２ｐ配列状態で電気的に互いに結合されている。上述したように、セルキャリヤ組立体１５０に関し、熱伝導性シート１５６の幾つかの部分がセルキャリヤ組立体１５０の下で延びている。別の異なる実施形態（図示せず）では、キャリヤ１００は、例えばねじ山付きダウウェルをキャリヤ１００中に通してスタック３００の端部をナットの使用により互いにクランプすることによって互いにクランプされるのが良い。
【００４６】
次に図３Ａを参照すると、図３Ｂのセルキャリヤ組立体１５０を１６個含むとともにヒートシンク３０４を含むスタック組立体３００を有するバッテリーモジュール３０８の断面図が示されている。セルキャリヤ組立体１５０は、互いに機械的に直列に結合されており、ヒートシンク３０４は、セルキャリヤ１００の底縁部上を延びる熱伝導性シート１５６と接触状態にある。セルキャリヤ組立体１５０のＰＣＭコンパートメント内に収容されたＰＣＭ３０２のシートは、バッテリーセル１１８を互いに隔てている。セルキャリヤ組立体１５０は、互いに直に接触している任意の２つの隣合うセルキャリヤ組立体１５０に関し、隣合うセルキャリヤ組立体１５０のうちの一方のコンパートメントキャップ１３２が隣合うセルキャリヤ組立体１５０のうちの他方の熱伝導性シート１５６に直に接触するよう積み重ねられており、これにより、セルキャリヤ組立体１５０からヒートシンク３０４への熱伝導が容易になる。セル１１８のうちの任意の１つが熱暴走状態に入った場合、図４Ａ〜図４Ｃは、ＰＣＭ３０２がスタック組立体３００全体にわたる熱暴走の広がりを阻止するようどのように動作するかを示している。別の実施形態（図示せず）では、キャリヤ１００の壁１０４ａ〜１０４ｄは、隣合うセルキャリヤ組立体１５０のうちの一方のＰＣＭコンパートメントキャップ１３２が隣合うセルキャリヤ組立体１５０のうちの他方の熱伝導性シート１５６に直に接触しないよう高さが増大している。この実施形態では、放射及び対流のうちの一方又は両方が隣合うセルキャリヤ組立体１５０を互いに熱的に結合する上で重要な役割を果たす。
【００４７】
図４Ａは、熱暴走を生じているバッテリーモジュール３０８中のセル１１８のうちの１つ（「熱暴走セル」）の温度と時間との関係を表わすグラフ図であり、図４Ｂは、温度が図４Ａにグラフ表示されたセル１１８のためのセルキャリヤ１００中のＰＣＭ３０２の温度と時間の関係を示すグラフ図である、図４Ｃは、温度が図４Ｂに示されているＰＣＭ３０２を収容したＰＣＭコンパートメントに隣接して位置した状態でこれに直に接触するセルキャリヤ組立体１５０中のセル１１８（「隣のセル」）の温度と時間との関係を表わすグラフ図である。図４Ａ及び図４Ｂに示されているＰＣＭ３０２の融解温度は、９０℃である。
【００４８】
時刻Ｔ0では、内部欠陥、例えば内部短絡が熱暴走セル１１８内で起こっている。時刻Ｔ1では、この結果により、熱暴走セル１１８は、熱暴走に入り、熱暴走セル１１８は、その結果として、図４Ａに示されているように１０秒未満で温度が４００℃を超えるまでに急上昇している。熱暴走を生じている間、熱暴走セル１１８は、高温ガスをバッテリーモジュール３０８中に放出する。
【００４９】
時刻Ｔ1で始まり、熱暴走セル１１８は、相当な熱エネルギーをその環境、例えば、セルキャリヤ１００、熱伝導性シート１５６、及びＰＣＭ３０２中に送り込む。時刻Ｔ1と時刻Ｔ2との間で、ＰＣＭ３０２は、この熱のうちの何割かを吸収するが、固体のままである。この時間の間、ＰＣＭ３０２はまた、熱を隣のセル１１８に送り、その結果、ＰＣＭ３０２及び隣のセル１１８の温度は、図４Ｂ及び図４Ｃに示されているように上昇する。
【００５０】
時刻Ｔ2では、ＰＣＭ３０２は、その融解温度に達して融解し始める。融解中、ＰＣＭ２０３は、これが曝されている熱を吸収し、一定温度の状態を保つ。熱暴走セル１１８から隣のセル１１８に伝達された熱が主としてＰＣＭ３０２を通るので、しかもＰＣＭ３０２の温度がその融解温度でピークに達するので、隣のセル１１８の温度もまた、ＰＣＭ３０２のほぼ融解温度でピークに達する。ＰＣＭ３０２の融解温度が自己発熱点未満に選択されているので、熱暴走セル１１８によっては、隣のセル１１８もまた、熱暴走に進むことはない。
【００５１】
時刻Ｔ3では、冷却中にある熱暴走セル１１８は、ＰＣＭ３０２の融解温度まで冷える。したがって、ＰＣＭ３０２は、それ以上の融解を終える。
【００５２】
時刻Ｔ3と時刻Ｔ4との間において、熱暴走セル１１８及びＰＣＭ３０２は、冷え続ける。ＰＣＭ３０２は、最終的には、その凍結点未満まで冷え、固体状態に戻り、そして一定温度を保ちながら熱エネルギーを放出する。
【００５３】
時刻Ｔ4に続き、ＰＣＭは、完全に再固化状態になり、熱を引き続き消散させることによりセル１１８とＰＣＭ３０２の両方の温度が低下する。
【００５４】
したがって、ＰＣＭ３０２は、十分な熱エネルギーが隣接のセル１１８によって吸収されて破局的な連鎖反応を生じさせる前に、熱暴走セル１１８がそれ自体消耗するのに足るほど長い期間にわたってスタック組立体３００を通る熱エネルギーの広がりを阻止するサーマルバッファとしての役目を果たす。熱暴走セル１１８が放出した熱は、幾つかの仕方のうちの任意の１つ又は２つ以上で、例えば、熱暴走セル１１８が放出した高温ガスがモジュール３０８から導き出されることによって、モジュール３０８内の他のセルキャリヤ組立体１５０によって消散され、この熱は、最終的には、放射され又はヒートシンク３０４に伝導により伝達される。熱は、主としてスタック組立体３００に沿う伝導により又はヒートシンク３０４を介して間接的に他のセルキャリヤ組立体１５０に伝達される。したがって、スタック組立体３００中の他のセルキャリヤ１００内のＰＣＭ３０２もまた、組立体３００の温度を調節するのを助けるよう動作する。
【００５５】
ＰＣＭ３０２の厚さは、例えば、バッテリーセル１１８の寸法及び用いられるＰＣＭ３０２の特性により様々である。例えば、セル１１８が６４ＡｈリチウムイオンＮＭＣセルである実施形態では、ＰＣＭ３０２は、代表的には、厚さが１ｍｍ〜３ｍｍである。以下の方程式（１）〜（１４）は、セル１１８が２５５ｍｍ幅×２５５ｍｍ高さ×８ｍｍ厚さの寸法を有しかつＰＣＭ３０２がPluss（登録商標）ポリマーズ・プライベート・リミテッド製のsavE（登録商標）HS89材料である場合、ＰＣＭ３０２の厚さをどのように定めるかの一例を示している。
【００５６】
モジュールをＰＣＭ３０２なしで構成するとともに熱暴走セル１１８を過剰加熱又は過剰充電によって熱暴走状態に強制的に進めるという実験を行った。隣のセル１１８の容積及び熱容量を最初に定める。隣のセル１１８を長方形のアルミニウムブロックとしてモデル化する。したがって、その容積は、方程式（１）によって定められる。
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【００５７】
隣のセル１１８の比熱容量が方程式（２）によって与えられる。
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【００５８】
隣のセル１１８の密度が方程式（３）によって与えられる。
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【００５９】
そして、隣のセルの熱容量が方程式（４）によって与えられる。
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【００６０】
隣のセル１１８は、１２０℃の温度に達するよう測定され、熱暴走を生じている熱暴走セル１１８の結果として隣のセル１１８によって吸収される過剰の熱エネルギーが方程式（５）〜（８）を用いて求められる。ケルビンで表わされた隣のセル１１８のピーク温度が方程式（５）によって与えられる。
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【００６１】
融解点が８８℃であると仮定すると、ケルビンで表わされるＰＣＭ３０２の融解点が方程式（６）によって与えられる。
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【００６２】
ケルビンで表わされるピーク温度とＰＣＭ融解温度の差が方程式（７）によって与えられる。
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【００６３】
そして、この温度差だけ隣のセルの温度を高くするのに必要な熱エネルギーが方程式（８）によって与えられる。
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【００６４】
ＰＣＭ３０２が次の方程式（９）によって与えられる融解潜熱を有すると仮定する。
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【００６５】
このエネルギーを吸収する隣のセル１１８に代わってこのエネルギーを吸収するのに必要なＰＣＭ３０２の質量が方程式（１０）によって与えられる。
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【００６６】
方程式（１１）及び方程式（１２）は、ＰＣＭ３０２の密度及びＰＣＭ３０２の所要の体積を与える。
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【００６７】
したがって、方程式（１３）は、セルキャリヤ１００の各々についてＰＣＭ３０２の厚さを与える。
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【００６８】
そして、方程式（１４）がセルキャリヤ組立体１５０を２４個含むスタック組立体３００について用いられるＰＣＭ３０２の全質量を与える。
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【００６９】
図示の実施形態では、ＰＣＭ３０２は、バッテリーセル１１８の通常動作温度では固体であり、セル１１８が熱暴走に入ると、融解するが、異なる実施形態（図示せず）では、ＰＣＭ３０２は、バッテリーセル１１８の通常動作温度では液体であり、セル１１８が熱暴走に入ると、蒸発する。例えば、ＰＣＭ３０２は、水であるのが良い。ＰＣＭ３０２が液体である実施形態では、ＰＣＭ３０２の蒸発温度は、バッテリーセル１１８の通常動作温度とセル１１８の自己発熱温度との間にあるよう選択される。図示の実施形態の場合と同様、セル１１８が通常動作温度範囲内で動作するとき、ＰＣＭ３０２の蒸発温度は、ある特定の実施形態では、この範囲の上界と自己発熱点との間にある。一般的に言って、ＰＣＭ３０２の融解温度及び蒸発温度の各々は、ＰＣＭ３０２がセル１１８の通常動作中固体であるか液体であるかに応じて、相転移材料が固体状態から液体状態に又は液体状態から気体状態に転移するＰＣＭ３０２の相転移温度となっている。
【００７０】
ＰＣＭ３０２がセル１１８の通常動作中液体である実施形態では、ＰＣＭコンパートメントは、セル１１８が熱暴走に入った場合にＰＣＭ３０２がいったん揮発してコンパートメントから逃げ出すことができるようにするガスベント（図示せず）を更に有する。ある特定の実施形態では、ガスベントは、液体及び気体に対して透過性であり、ある特定の他の実施形態では、ガスベントは、ガス透過性であるが、液体透過性ではない。
【００７１】
方向を示す用語、例えば「頂又は上」、「底又は下」、「上方」、「下方」、「垂直に」、「側方に」は、相対的な基準を提供するためだけの目的で本明細書において用いられており、任意の物品が使用の際にどのように位置決めされるようになっているか、あるいは組立体内に又は周囲環境に対してどのように設けられるようになっているかについての限定を何ら示唆するものではない。
【００７２】
加うるに、本明細書に対応した英文明細書において用いられている用語“couple”（訳文では、「結合する」）及びその変形語、例えば“coupled”（「結合され」）、“couples”、及び“coupling”は、別段の指定がなければ、間接的及び直接的な連結を含むことが意図されている。例えば、第１の物品が第２の物品に結合される場合、この結合は、直接的な連結によるものであって良くあるいは別の物品を介する間接的な連結によるものであって良い。
【００７３】
さらに、本明細書に対応した英文明細書において用いられている単数形“a”、“an”、及び“the”は、文脈上別段の明示の指定がなければ、複数形をも含むものである。
【００７４】
本明細書において説明した任意の観点又は実施形態の任意の部分を本明細書において説明した任意他の観点又は実施形態の任意の部分と共に具体化できあるいは組み合わせることができるということが想定されている。
【００７５】
特定の実施形態を上記において説明したが、理解されるべきこととして、他の実施形態が可能であり、これら他の実施形態は、本発明に含まれるものである。当業者には明らかなように、上述の実施形態に対する図示していない改造及び調整が可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ−４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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