CN101147278B - 具有压电感测器的二次电池模块 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种二次电池模块，包含相互堆叠的多个电池单元，其中这些电池单元彼此互相分离，使得用于散热的一通道设于这些电池单元间，此二次电池模块还包含设置于该通道中的至少一个压电感测器，且此至少一个压电感测器连接至一电池管理系统(BMS)。根据本发明，此压电感测器设置于设于二次电池模块的电池单元间的通道中。因此，不需额外空间安装此压电感测器，且因此，有效防止电池模块尺寸的增加。更进一步，由此压电感测器精准地检测电池内部压力的改进，且因此，有效防止因这些电池单元过充或过热造成的此电池的膨胀或爆炸。

Description

具有压电感测器的二次电池模块

技术领域

本发明是关于一种二次电池模块，且更特别的是，关于一中二次电池模块，其中当排列电池单元以组成二次电池模块时，一压电感测器设置于设于电池单元间的一通道中，如此，当电池单元的内部压力因电池单元的异常操作而增加时，由电池单元膨胀所造成的压力作用于此压电感测器，在压电感测器输出端产生电压，且所产生的感测器电压传输至一控制单元，例如电池管理系统(BMS)，在其中执行控制算法，由此有效防止因电池单元的过充或过热造成电池的膨胀或爆炸，且因此，增加了电池的稳定性。

背景技术

因为移动装置大幅增长，且此类移动装置的需求也增加，作为移动装置电源的二次电池的需求也同样大幅增加。因此，已完成了对应于各种需求的电池的许多研究。

特别的是，因为锂二次电池具有比传统镍镉电池或传统镍氢电池更高的电压及对于锂二次电池可增加充放电周期的数目，所以锂二次电池的需求大幅增加。

就其外部形状而论，因为矩形电池及袋形电池具有小的厚度，且因此，矩形电池及袋形电池可易于应用于各种产品，如移动电话，所以矩形电池及袋形电池的需求量大。就其材质而论，锂二次电池，如锂钴聚合电池的需求量大，因为锂二次电池具有高能源密度及放电电压。

图1为一袋形二次电池100的一范例结构示意图。

参考图1，此二次电池包含电极组件300、从电极组件300延伸的阴极分接头(tap)302及阳极分接头304、电极导线400及410，分别焊接至阴极分接头302及阳极分接头304、以及袋形壳体，用以容置此电极组件300。

电极组件300为结构组件，包含阴极、阳极及设置于阴极及阳极间的隔板，用以互相隔离阴极与阳极，其连续地以阴极、隔板及阳极的顺序堆叠。阴极分接头302及阳极分接头304从电极组件300的各个电极板延伸。电极导线400及410电连接至分别从各电极板延伸的阴极分接头302及阳极分接头304。电极导线400及410从壳体200部分露出。壳体200提供一空间，用以容置电极组件300。在如图1所示的电极组件300为一堆叠式电极组件的例子中，壳体200的内部上端从电极组件300隔离，使得多个阴极分接头302彼此互相附接，然后该多个阴极分接头302耦合至电极导线400，且多个阳极分接头304彼此互相附接，然后该多个阳极分接头304耦合至电极导线410。

电极组件300位于壳体200中，同时电极导线400及410部分暴露于外，电解质被注入壳体200，且热及压力作用于上壳体的边缘及下壳体的边缘，同时此上壳体的边缘及下壳体的边缘彼此互相接触，使得上壳体的边缘及下壳体的边缘可通过热焊接彼此互相稳固地固定。以此方式，完成此袋形二次电池100。

虽然锂二次电池比传统镍镉电池或传统镍氢电池具有很多优点，锂二次电池的问题在于锂二次电池脆弱。特别是，在制造电池期间，在后部流程注入电解质。因此，常常使用一种具有低沸点的有机溶剂。然而，在此例中，当电池过充时或当电池处于高温状态时，因电池内部压力的增加电极组件或电池壳体可能胀大。结果，壳体可能变形。壳体的变形可能造成电池的爆炸。

为了解决上述问题，一种利用紫外线或电子束来硬化平面式电池的方法，以及一种包覆胶体至电极板取代电解质注入的方法均已揭露(美国专利编号5,972,539、美国专利编号5,279,910及美国专利编号5,437,942)。这些已知方法略微减轻了电极组件或电池壳体的膨胀。然而，这些已知方法无法保证令人满意的稳定度。

一些已知技术提出一系统，其中应变仪型(strain gauge type)感测器附接于袋形电池的表面，保护电路设置于电池的端子(阴极与阳极)之间，且输入及输出端子根据由压力感测器侦测的值来中断电池的操作。特别的是，当电池的壳体，即，袋形膨胀时，由感测器侦测膨胀的程度，且所侦测值传输至保护电路，当侦测值到达预设程度时该保护电路中断阴极及阳极间的电流流动。

然而，上述用于测量电池壳体膨胀的系统并没有提供高可靠性。同样地，其不易稳固地安装感测器至袋形电池的表面，用于准确测量目的。举例来说，因电池的尺寸及重量均已减低，根据电池壳体表面区域的改变非常不易于准确测量电池壳体的膨胀。同样地，应变仪型感测器需要大面积以准确测量。结果，从电池的散热因应变仪型感测器而中断，这增加电池的温度。更进一步，应变仪型感测器根本无法用于矩形电池，其表面膨胀相当小。

同时，可充放电的二次电池被广泛地用在无线移动装置上作为能量源。同时，二次电池作为电动车与混合动力电动车的动力来源的情况已引起相当大的注意，其可用来解决使用石油的汽柴油引擎所造成的空气污染问题。

小型移动装置在每个装置上使用一个或多个小型电池。另一方面，中或大型装置，如汽车，因为中或大型装置需要高输出与大容量，所以需使用多个电池单元彼此互相电连接的电池模块。

图2为具有多个电池单元彼此堆叠的二次电池模块的一范例结构示意图。

参考图2，多个电池单元101、102及103以集成度方式彼此堆叠。从电池单元的上端突出电极端401、411、402、412、403及413。电池单元101、102及103可以不同方式排列于二次电池模块500中。一般来说，如图2所示地堆叠电池单元，其具有高集成度。同样地，电池单元101、102及103彼此互相间隔一预设距离，使得设于相邻电池单元间的通道600，当电池单元充电及放电时产生的热可以移除。一般来说，利用矩形电池或袋形电池作为构成二次电池模块500的电池单元101。

因为多个电池单元彼此堆叠于一小空间中，所以二次电池模块的安全性问题更须认真看待。特别的是，一些电池单元的异常操作可减低其他异常电池单元的异常操作。因此，迫切需要用于防止上述问题的测量。然而，直到现在，仍未有一种技术被揭露以有效保证二次电池模块的安全性。

发明内容

因此，本发明的目的为排除前述所提问题以及其他未解决的技术问题。

为了解决上述问题，在做了各种延伸及大量的研究及实验的结果后，本申请的发明人发现，当在安装电池单元以组成二次电池模块的过程中，将一压电感测器安装于电池单元间的通道内时，如果电池单元因内部压力增加而膨胀，由电池单元膨胀所造成的压力作用于此压电感测器，因此电压在此压电感测器的外部端子产生，且所产生的感测器电压传输至一电池管理系统(BMS)，该电池管理系统执行控制演法，由此有效防止因电池单元的过充或过热造成此电池的膨胀或爆炸。本发明根据上述发现而完成。

根据本发明，上述及其他目的可由包含多个彼此堆叠的电池单元的二次电池模块而达成，其中电池单元彼此互相间隔，使得用于散热的通道设于这些电池单元间，此电池模块还包含设置于通道中的至少一个压电感测器，以及该至少一个压电感测器连接至一控制单元。

因此，当根据本发明的二次电池模块的电池单元过充或过热时，因电池单元内部压力的增加，压力作用于装置设于电池单元间通道中的压电感测器，在该压电感测器输出端产生电压，且所产生的感测器电压传输至一控制单元，此控制单元执行控制算法，由此中断电池单元间的导电性。

这些“电池单元”为二次电池，其可连续充电及放电。优选的是，这些电池单元为矩形或袋形电池，其可以高集成度形式彼此堆叠于电池模块中。

各电池单元具有阴极、阳极、隔离板与安装于封闭电池壳体中的电解液。包含有设于一薄膜状阴极与薄膜状阳极间的微孔隔离板的电极组件可以被缠绕，或复数电极组件，各包含阴极、隔离板及阳极，被彼此堆叠。用于阴极与阳极的活性材质并无特别限制。优选的是，阴极活性材质包含具有高安全性的锂锰基氧化物，且阳极活性材质包含碳。优选的电池单元为锂离子电池或锂离子聚合电池。

二次电池模块的电池单元可以各种结构彼此堆叠。此处，“堆叠”方向并无特别限制，只要这些电池单元互相面对即可。举例来说，当电池单元在一平面上连续的彼此堆叠时，这些电池单元可相互面对。或者，当这些电池单元彼此互相紧密接触，且在一平面上垂直竖立时，这些电池单元可互相面对。然而，根据本发明，当电池单元彼此互相间隔一预设距离时，电池单元互相面对，以于此堆叠结构中形成可供散热的通道。

本发明的特征为，当电池单元间所定义的宽度因电池单元内部压力的增加所导致的电池单元的体积膨胀而减少时，精确地量测此种改变以控制此电池模块的操作。

由发明人完成的实验显示，电池单元内部压力的增加在电池单元厚度方向大于在电池单元的纵向。详细来说，因为电池单元的内部压力增加，电池单元的厚度比起电池壳体表面膨胀更为大幅增加。因此，利用压电感测器能够侦测电池单元厚度的改变，保证更精确的测量。

本发明的另一特性为，尽管压电感测器设置于电池模块中，但电池模块的尺寸却不会增加。一般来说，电池模块需要体积小及重量轻。基于此理由，由于设置压电感测器而使电池模块体积增加是不期望的。根据本发明，压电感测器安装于通道中，此通道可有效移除从电池单元产生的热，因此，电池模块的体积并不会因设置压电感测器而增加。

根据本发明的压电感测器设置于电池单元间的通道的方式为：压电感测器与位于压电感测器相对侧的电池单元a及b紧密接触、压电感测器附接于电池单元a或b的其中一个、或压电感测器与电池单元a及b间隔一预设距离。

根据本发明，压电感测器安装于电池单元之间。因此，当电池单元的异常操作造成电池单元的内部压力增加时，通过压电感测器可更精准的测量出压力变化。具体来说，由压电感测器侦测在位于压电感测器相对侧的各电池单元a及b厚度的改变为厚度的改变的两倍(2×Δt)。因此，测量精确度更为增加。此为本发明重要特征之一。

根据本发明的压电感测器并无特别限制，只要压力的改变可如上述由压电感测器测得即可。各种产品已经商业上贩售，因此，将不再对压电感测器做详细描述。

优选的是，压电感测器安装在对应于电池中间部的位置，此位置的厚度的变化大。此电池的中间部从此电池的外环间隔大于电池的长度及宽度的20％，优选的是大于30％。

根据情况，压电感测器可安装于附加支持部，同时压电感测器朝向位于该至少一压电感测器一侧的电池单元或位于该至少一压电感测器相对侧的电池单元。此例中，优选的是在电池单元间所限定的通道宽度更为增加。支持部可为框构件，用于帮助该些电池单元彼此堆叠或附加构件从该框构件延伸。

此框构件的范例外观公开于韩国专利申请案案号2004-81657，并以本申请的申请人名称提出申请。上述韩国专利申请案在此通过参考文件一并完整公开。

优选的是，当从压电感测器传输的感测器电压高于预设临界值时，可建立控制单元，使得此控制单元执行一预设控制流程。

举例来说，此控制流程可包含传输警告讯号的第一阶控制流程、中断电源的第二阶控制流程，操作冷却系统的可选的第三阶控制流程以及操作灭火系统的选用的第四阶控制流程。控制流程可根据从压电感测器传输的感应电压的大小连续地执行。当感测器电压从压电感测器连续地传输，或者即使电源电源中断后，所传输的感测器电压大小仍增加时，根据异常的程度可操作冷却系统或灭火系统。或者，可连续操作冷却系统及灭火系统。

虽然可安装控制单元作为在电池模块中的独立组件，优选的是，控制单元包含于电池管理系统(BMS)中，用以管理电池模块的整体操作。

附图说明

上述及本发明的其他目的、特征与其它优势将会从以下结合附图的详细描述获得清楚认知，其中：

图1为已知袋形二次电池的剖面图；

图2为部分示出已知二次电池模块的结构的典型图；且

图3为根据本发明的优选实施例，具有设于电池单元间通道中的压电感测器装置的电池模块的结构图。

主要元件符号说明

100袋形二次电池

200壳体

300电极构件

400电极导线

500二次电池模块

600通道

700压电感测器

具体实施方式

现在，本发明的优选实施例将会参照图示作详细描述。这里应当注意，本发明的范围并不仅限制于所描述的实施例。

图3为根据本发明的优选实施例，具有压电感测器装置的二次电池模块的结构图。

参考图3，二次电池模块包含电池单元101及102，其彼此堆叠，同时彼此互相间隔一预设距离，使得电池充电及放电期间所产生的热得以散除的通道600设于这些电池单元101及102间。通道600中装置压电感测器700，其侦测位于压电感测器700的相对侧的电池单元101及102的内部压力。因此，不需额外空间来安装压电感测器700。

压电感测器700连接至电池管理系统(BMS)，其具有算法，用于根据从压电感测器700传输的电压来控制电池的操作。

尽管已经为了说明的目的公开了本发明的优选实施例揭露，本领域技术人员应理解的是，可以有各种改进、增加和替换，而不背离由所附权利要求所公开的本发明的精神和范围。

工业应用性

如上述所揭露，压电感测器设置于设于二次电池模块电池单元间的通道中。因此，不需额外空间来安装压电感测器，因此，有效防止电池模块尺寸的增加。更进一步，电池的内部压力的改变由压电感测器精确地检测，因此，有效防止因电池单元过充或过热造成电池的膨胀或爆炸。

Claims (11)

1.一种二次电池模块，包含相互堆叠的多个电池单元，其中该些电池单元彼此互相分离，使得用于散热的通道设于该些电池单元间，该电池模块还包含设置于该通道中的至少一个压电感测器，且该至少一个压电感测器连接至一控制单元，

其中该至少一个压电感测器设置于该些电池单元间的通道中的方式为：该至少一个压电感测器与位于该至少一个压电感测器相对侧的电池单元(a，b)紧密接触、该至少一个压电感测器附接于该些电池单元(a或b)之一、或该至少一个压电感测器与电池单元(a，b)间隔一预设距离。

2.如权利要求1所述的二次电池模块，其中该些电池单元为矩形电池或袋形电池。

3.如权利要求2所述的二次电池模块，其中该些电池单元为锂离子电池或锂离子聚合电池。

4.如权利要求1所述的二次电池模块，其中该至少一个压电感测器安装于该通道中对应于该二次电池的中间部的一位置。

5.如权利要求4所述的二次电池模块，其中该二次电池的中间部从该电池的外环隔开大于该电池长度及宽度的20％。

6.如权利要求1所述的二次电池模块，其中当至少一个压电感测器朝向位于该至少一个压电感测器一侧的电池单元或朝向位于该至少一个压电感测器的相对侧的电池单元时，该至少一个压电感测器安装于一支持部。

7.如权利要求6所述的二次电池模块，其中该支持部是一框构件，用于帮助该些电池单元彼此堆叠。

8.如权利要求1所述的二次电池模块，其中当从该至少一个压电感测器传输出的该感测器电压高于一预设临界值时，该控制单元执行一预设控制流程。

9.如权利要求8所述的二次电池模块，其中该预设控制流程包含传输一警告讯号的第一阶控制流程、中断电源的第二阶控制流程、操作一冷却系统的可选的第三阶控制流程以及操作一灭火系统的可选的第四阶控制流程。

10.如权利要求1所述的二次电池模块，其中该控制单元包含于一电池管理系统(BMS)内，以管理该电池模块的全部操作。

11.如权利要求6所述的二次电池模块，其中该支持部是从用于帮助该些电池单元彼此堆叠的框构件延伸的附加构件。

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