CN102379077A - 确保电池安全工作的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确保电池工作安全的方法,所述电池包括安装在电力产生电路(1)中的多个电能生成元件(E),所述方法包括:监测所述元件中每一个元件的故障的发生,并且在检测到元件(E)的故障的情况下,旁路所述故障元件,以使电流不再流过所述故障元件,同时保持产生电路(1)闭合。本发明还涉及可以执行这种方法的电池。

Description

确保电池安全工作的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种确保电池安全工作的方法和可以执行这种方法的电池。
[0002] 根据本发明的电池具体用于电动或混合动力车的牵引,也就是说,包括用于驱动主动轮的电动机,结合用于驱动这些主动轮或者其他可能的主动轮的热引擎。
[0003] 更具体地,本发明适用于实现牵引链的完全电气化的高度混合热动力车辆。在这种情况下,电池就不仅在加速阶段辅助车辆,而且提供更长距离或更短距离的车辆自动移动。
[0004] 根据本发明的电池也能够应用在其他技术领域,例如应用于其他运输模式(尤其是航空领域)的电能储备。另外,在例如风车的固定应用中,也可以有利地使用根据本发明的确保电池安全的方法。
背景技术
[0005] 为了保证谈及的应用所需的功率水平和/或能量,有必要创造包括安装在电力产生电路中的多个电能生成元件的电池。
[0006] 生成元件通常包括柔性或刚性密封封套,其中设置有分别充当阳极和阴极的电活性层的堆叠或卷绕,所述层通过电解液而接触。更具体地,锂离子或锂聚合物类型的电化学元件可以用于生成所需的电能。
[0007] 然而,生成元件可能具有故障,例如由磨损、工艺缺陷或错用而引起的故障,故障可能阻碍电池的良好功能,尤其关于使用安全性和/或期待的电力产生。
[0008] 更具体地,缺陷元件可能经历会导致热失控的连续的放热化学反应,这与密封封套内部产生的气体结合,会引起使得元件面临爆炸风险的发散反应过程。
[0009] 为了降低元件的故障引起的风险,元件通常被提供有用于停止发散反应过程的各种安全装置。现有技术中出现的这种装置的示例包括集成在元件中的分离器、通风孔和分 1¾点O
[0010] 通过示例的途径,已开发了三层分离器。它们通常由聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)的层以PP/PE/PP型配置制成。位于元件的阳极和阴极之间的这些分离器,通过容纳于其孔隙 (porosity)中的电解液的离子流动来传导电流。在接近130°C的温度下,这些孔隙快速闭合并且膜的阻抗大大增加,因此使其具有电绝缘功能。
[0011] 此外,发生于缺陷元件中的化学过程导致气体的产生,气体如果不快速排出,就会导致热现象的加速,进而引起会导致爆炸的反应过程的热失控的风险。
[0012] 为了防止这个风险,使用通风装置来打开缺陷元件的封套。通风装置可能通过局部减薄电池元件的外壁之一而制成,通过集成到平板上的能够刺穿间隔膜的尖点而制成, 或者通过插入孔(orifice)中的球体而制成。
[0013] 最后,分离点能够集成在元件中,当元件中发生过压或过热时能够触发电路断开。
[0014] 然而,根据现有技术的安全装置的缺点是它们是被动式的,这意味着这些安全装置通过由它们确保安全针对的现象所引起的动作而触发。相应地,它们的触发尽管快速,但仅仅在现象(温度、压力、电压)相对显著时才实施,这一点违背了计划的安全。
[0015] 此外,根据现有技术的电池系统为了其安全而集成了其他装置,其中:
[0016] ·当车辆停止时允许切断电流通路的电流接触器,通过断开产生电路来防止触电的风险;
[0017] ·在外部短路的情况下保护电池的保险丝;
[0018] ·用于管理电池的算法,其在严重放电期间为了防止电解液耗尽区的产生或在再生阶段发生金属盐析出时限制电池的使用。
[0019] 关于电动车的应用,在电池元件故障的情况下,规定要求电池能够提供一段足够长时间的能量和功率以使驾驶者在没有风险的情况下退出交通。为了满足这些要求,通常在检测到故障与断开产生电路之间采用一段延迟。
[0020] 因此,当元件之一发生故障时,信号被传送至主电流接触器以使电流接触器能够断开产生电路。然而,为了给驾驶者在没有危险的情况下退出交通留下足够的时间,在断开产生断路的命令有效执行(需要ECE RlOO法规)之前采用几十秒到一或两分钟的延迟。然而,在该延迟期间,电池的工作是不安全的并且缺陷元件仍然在产生电路中,其故障倾向于变得更糟。
[0021] 因此,当元件中发生发散反应过程时,在主电流接触器有时间断开之前,能够发生相关联的安全装置(通风孔、分离器、分离点)的触发。
[0022] 该配置引起两个风险:第一是相对于过早地中断能量的产生,停止处于交通中的车辆可能更加危险;第二包括触发不希望的现象,例如热失控、电池爆炸。
[0023] 事实上,对于用于电动车辆的牵引的高功率和高能量电池来说,系统工作电压能够达到几百伏特(通常在300V与700V之间),并且根据现有技术的用于确保元件安全的装置的使用因此会引起问题。
[0024] 当元件串联安装在产生电路中时,根据现有技术的安全装置的触发或电解液中出现耗尽区,甚至电解液的泄露,都会产生电通路的局部损失(局部形成“电容器”),局部损耗会在主电流接触器保持闭合时导致形成电弧。这些电弧会在元件的活性材料上引起强烈放热或甚至爆炸反应。
[0025] 此外,当元件串联安装在产生电路中时,根据现有技术的安全装置或电流接触器的触发导致电力产生的停止。电力产生的这一过早中断,没有预先通知,对于困在交通中的电动车辆的驾驶者来说依然危险,并且不能满足法定要求。
[0026] 根据另一个实施例,电池可以包括串联安装在产生电路中的多个单元,每个单元包括至少两个并联安装的元件。在这个实施例中,当主电流接触器闭合时,通过缺陷单元的电流优选通过完好的低电阻元件,从而产生过热、过度放电或甚至反转一个元件的风险。
[0027] —旦主电流接触器断开,单元中完好的元件和缺陷元件之间的高电压流通进而恶化热失控的风险。如果同一单元中所有并联安装的元件都有缺陷,则会发生与在产生电路中串联安装元件的配置同样的问题。
[0028] 与高能量和高功率电池的安全相关的另一个问题起因于在急救人员介入事故车辆时的高压。事实上,在撞车事故的情况下,电池的机械完整性或多或少会被改变。电池的破碎,即使部分破碎也会导致电流接触器无法工作和/或产生短路的风险。
[0029] 另外,与事故车辆有密切关系的急救人员的风险存在第二个来源。事实上,与电流接触器的状态无关,电连接的电池元件之间保持高压,并且可能导致医疗人员与这些电压源接触。
发明内容
[0030] 本发明的目的是通过具体提供一种确保电池安全工作的方法来解决现有技术的问题,该方法可以尽早并且以特别可靠的方式限制与缺陷元件相关的风险而不会导致电力产生电路的中断。此外,本发明可以确保用于事故车辆的牵引的电池安全,尤其针对急救人员的触电风险。
[0031] 为此,根据第一方面,本发明提供一种用于确保电池安全工作的方法,所述电池包括安装在电力产生电路中的多个电能产生元件,所述方法包括:监测所述元件中每一个元件的故障的发生,并且如果检测到元件的故障,则启动缺陷元件的旁路以使电流不再流过所述缺陷元件,同时保持产生电路闭合。
[0032] 根据第二方面,本发明提供一种电池,包括安装在电力产生电路中的多个电能产生元件,每个元件容纳于具有两个端子的密封封套中,所述两个端子用于将所述元件连接至产生电路,每个元件配备有选择器,所述选择器在用于将所述元件的端子连接到所述产生电路的位置与电流不再通过所述元件同时保持产生电路闭合的旁路位置之间可移动,所述电池进一步包括:用于监测所述元件中每一个元件的故障的发生的装置,和用于在检测到元件的缺陷工作的情况下启动所配备的选择器的旁路位置的移位的装置。
附图说明
[0033] 本发明的其他特性和优点将从以下结合附图给出的描述中变得明显,附图中:
[0034] 图1示出根据本发明第一实施例的电池的产生电路;
[0035] 图2示出根据本发明第二实施例的电池的产生电路;
[0036] 图3示出根据本发明第二实施例的替代实施例的电池的产生电路中单元的组件;
[0037] 图4示出根据本发明实施例的选择器,所述选择器分别从顶部(图4a)和在截面 AA (图4b)以旁路位置示出。
具体实施方式
[0038] 参考这些附图,以下描述包括安装在电力产生电路1中的多个电能生成元件E的电池。更具体地,元件E的电化学性质可以是锂离子或锂聚合物类型以产生所需的能量。
[0039] 每个元件E容纳于具有两个端子(阳极和阴极)的密封封套中,这两个端子分别用于将所述元件连接至产生电路1。在封套中,设置有分别充当阳极和阴极的电活性层的堆叠或卷绕,所述层通过电解液而接触。所述层可以容纳于柔性封套中。可替代地,它们也可以容纳于刚性容器中。
[0040] 根据图1所示的第一实施例,元件E1-En串联安装在产生电路1中。在第二实施例中,电池包括串联安装在产生电路1中的多个单元D1-Dn,每个单元D包括并联安装的至少两个元件E。在图2中,每个单元D1-Dn包括并联的三个元件Ep Ep E1,,-&、&,,,并且图 3表示具有并联安装的两个元件E” E1.的单元Dp
[0041] 每个元件E具有选择器S,选择器S在用于将元件E的端子连接至产生电路1的位置B与电流不再流过所述元件同时保持产生电路1闭合的位置A之间可移动,从而使连接至产生电路1的其他元件E能够继续提供所需的电力。
[0042] 因此,电池工作的安全性能够通过监测每个元件E的故障的产生,并且在检测到元件E的故障的情况下,通过启动缺陷元件的旁路以使电流不再流过所述缺陷元件同时保持产生电路1闭合而实施。
[0043] 为此,电池包括用于监测每个元件E的故障的发生的装置,和用于在检测到元件E 的故障的情况下启动所配备的选择器S的旁路位置A的移位的装置。
[0044] 故障的检测使得快速启动缺陷元件E的旁路成为可能,以便将所述缺陷元件与产生电路1电绝缘。因此,一旦故障发生,缺陷元件E不再电偏置,从而更具体地防止会导致与电池工作相关的冒险事件的所述故障的恶化。更具体地,因此而避免缺陷元件E中的任何热失控。此外,进而不中断电池的电力产生,这具体意味着能够满足与驾驶者在没有危险的情况下退出交通所需的时间相关的要求。
[0045] 根据优选的实施例,监测元件E的故障的发生包括测量所述元件的端子上的电压,所述测量通常通过电池的监测电子系统而实施。在产生电路1包括单元D的实施例中, 电压测量可以在所述单元的端子上实施。然后,所测量的电压与阈值相比较,当所测量的电压小于所述阈值时,检测到缺陷工作。例如,阈值可以包括在0. 2至2V之间,例如大约为 IV。
[0046] 在所示的实施例中,元件E的端子通过选择器S连接至产生电路1。另外,如图1 所示,产生电路1可以集成有主电流接触器cp,主电流接触器Cp在缺陷元件E的旁路之后被启动以断开产生电路1 (具体以延迟方式),以使驾驶者在没有危险的情况下退出交通。
[0047] 此外,元件E也可以具有诸如现有技术中已知的分离器、通风孔和/或分离点。由于元件E接着被隔离,因此这些装置可以在旁路之后被启动,而不需要冒着电击穿的风险。
[0048] 另外,安全方法可以包括检测会影响电池的撞击。更具体地,在电池应用于电动车辆的牵引的情况下,所检测的撞击可以涉及车辆的意外事故,更具体地是会影响电池的机械完整性的撞车事故。在实施例的一个示例中,通过为此目的而集成在车辆中的系统来检测撞击,以便具体地触发例如气囊的主动安全装置。
[0049] 因此,该方法使用车辆中的有效信息,在这种撞击的情况下启动所述电池的所有元件E的旁路,从而消除急救人员接触电池的高压而触电的任何风险。此外,选择器S可以与元件E分开组装,从而在所述元件没有损坏的事故之后,可以容易地替换选择器S。
[0050] 示出的产生电路1集成有采用电流接触器C形式的对元件E上的缺陷进行的扫描,但是没有集成这种电流接触器的电路,其中位置1对应于元件E上没有缺陷,而位置0 对应于元件E上检测到缺陷。因此,在图1和2中,元件E出现故障,并且选择器Sl因此而处于旁路位置A。
[0051] 关于图1和图2,示出配备于每个元件E的旁路回路2,所述回路连接至所述元件的端子的两侧上。因此,处于连接位置B处的选择器S将元件E的端子连接至产生电路1, 而处于旁路位置A处的选择器S将所述回路连接至所述电路。
[0052] 根据实施例,旁路回路2可以包括电阻。更具体地,在电池集成有单元D的情况下 (图2),这样的电阻可以防止电流在包括被旁路元件E的单元D中的元件E中的回流。
[0053] 根据另一实施例,在单元D中的元件E故障的情况下,通过启动所述单元的所有元件E的旁路,可以获得相同的效果,从而防止使元件E过放电或者使单元D的元件E之一倒置的风险。
[0054] 在图3中,单元0工的两个元件EpE1,提供有具有两个端子的旁路支路3,每个选择器S将产生电路1连接至元件E的端子或旁路支路3的端子之一。因此,当两个选择器Si、 S1,处于连接点位置(图3)时,两个元件E1J1,并联安装,并且一旦检测到缺陷,对应的选择器S变到支路3的端子上的旁路位置A,而不需要冒着电流回流到其他元件E的风险。
[0055] 关于图4,以下描述可以通过在连接点位置B和旁路位置A之间的移位激活的选择器S的实施例。更具体地,选择器A可以拧在连接器结构E上,从而可以集成有拆卸功能。 类似的,用于测量元件E端子上的电压的工具可以集成到包括选择器S的模块中,所述模块可拆卸地安装到所述元件的连接器结构上。
[0056] 示出的选择器S包括连接到产生电路1的三个构件,两个构件4、5是固定的,并且构件6在位置A、B之间可旋转,以分别与固定构件4、5的其中之一连接。更具体地,选择器 S包括通过8连接到产生电路1的固定箱7、通过9旋转连接到所述箱的可旋转构件6。固定构件4、5安装在箱7中,同时分别连接到元件E的端子以及回路2或者旁路支路3。
[0057] 在示出的实施例中,连接点位置B和旁路位置A之间的移位可以以递进方式进行, 从而确保能够逐步减小经过缺陷元件E的电流。因此,防止了在启动选择器S期间形成电弧。
[0058] 为此,构件4-6具有各自的接触表面如-ea,接触表面4a_6a被设置为使得可旋转构件6确保从固定构件4到另一个固定构件5的连接点的递进转变,以便在所述转变过程中实现电通路。
[0059] 在附图中,构件6的转动通过邻接壁10被限制到90°,并且其接触表面6a以半圆延伸。更进一步,固定构件4、5的接触表面^、5a以四分之一圆延伸,所述表面定位于互为 180°对称。因此,在构件6旋转期间,可旋转构件6和固定构件4、5之间的接触表面的总和保持基本恒定,同时确保从固定构件4到另一个固定构件5的电流通路。
[0060] 优选地,该装置可以包括在选择器S的连接点位置B与旁路位置A之间施加选择器S的机械移位力的工具,从而能够克服这些连接点不可避免的接触力。事实上,为了确保即使在严重的震荡条件下也能够允许所需的能量经过的好的连接质量,构件4-6之间的接触可以优选通过压配式紧固组件而实施。
[0061] 更具体地,所述工具可以在点火工具、压电式工具(尤其是压电式电动机)、机械工具(尤其是被预加应力的弹簧)和机电式工具(尤其是被预加应力的无电磁机械构件)。
[0062] 在示出的实施例中,箱7集成有由外壁10和可旋转构件6在两侧上限定的隔间 11,其中设置有点火工具12。点火工具12包括装料和点火器,点火器在检测到某些故障期间通过在隔间11中产生气体而启动,以推动构件6在其两个连接点位置A、B之间快速旋转。在检测到故障(尤其是通过测量元件E的电压)与旁路元件E之间必须的时间能够少于1秒,例如大约为几十或甚至一百毫秒。

Claims (17)

1. 一种确保电池安全工作的方法,所述电池包括安装在电力产生电路(1)中的多个电能生成元件(E),所述方法包括:监测所述元件中每一个元件的故障的发生,并且在检测到元件(E)的故障的情况下,启动缺陷元件的旁路以使电流不再流过所述缺陷元件,同时保持产生电路(1)闭合。
2.根据权利要求1所述的确保电池安全工作的方法,特征在于,监测元件(E)的故障的发生包括:测量所述元件的端子上的电压,并且将所测量的电压与阈值相比较,当所测量的电压小于所述阈值时,检测到缺陷工作。
3.根据权利要求1或2所述的确保电池安全工作的方法,特征在于,其在缺陷元件(E) 的旁路之后,进一步包括所述产生电路(1)的延迟断开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的确保电池安全工作的方法,特征在于,缺陷元件(E)的旁路通过选择器(¾来实施,所述选择器(¾被启动为在所述元件到所述产生电路⑴的连接点位置⑶与用于旁路所述元件的位置㈧之间进行移位。
5.根据权利要求4所述的确保电池安全工作的方法,特征在于,所述连接点位置(B)与所述旁路位置(A)之间的移位以累进方式产生,以便确保逐步减小所述缺陷元件(E)中的电流通路。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的确保电池安全工作的方法,特征在于,所述电池包括串联安装在所述产生电路(1)中的多个单元(D),每个单元(D)包括并联安装的至少两个元件(E),所述方法包括在单元(D)的元件(E)故障的情况下,启动所述单元的所有元件 (E)的旁路。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的确保电池安全工作的方法,特征在于,其包括检测影响所述电池的撞击,并且包括在这种撞击发生的情况下,旁路所述电池的所有元件 ㈤。
8.电池,包括安装在电力产生电路⑴中的多个电能生成元件(E),每个元件(E)容纳于具有两个端子的密封封套中,所述两个端子用于将所述元件连接至产生电路(1),所述电池的特征在于,每个元件(E)配备有选择器(S),所述选择器(¾在用于将所述元件的端子连接至所述产生电路(1)的位置(B)与电流不再通过所述元件同时保持产生电路1闭合的旁路位置(A)之间可移动,所述电池进一步包括:用于监测所述元件(E)中每一个元件的故障的发生的装置,和用于在检测到所述元件(E)的缺陷工作的情况下启动所配备的选择器 (S)的旁路位置(A)的移位的装置。
9.根据权利要求8所述的电池,特征在于,所述元件(E)的端子通过所述选择器(S)连接到所述产生电路(1)。
10.根据权利要去8或9所述的电池,特征在于,所述元件(E)串联安装在所述产生电路(1)中。
11.根据权利要求8或9所述的电池,特征在于,其包括串联安装在所述产生电路(1) 中的多个单元(D),每个单元(D)包括并联安装的至少两个元件(E)。
12.根据权利要求11所述的电池,特征在于,每个单元(D)包括并联的两个元件(E)和具有两个端子的旁路支路(3),每个选择器(¾连接到元件的端子或所述旁路支路(¾的端子之一,以及所述产生电路(1)。
13.根据权利要求8至11中任一项所述的电池,特征在于,每个元件(E)配备有安装在所述元件的端子的两侧的旁路回路O),所述选择器(¾连接至所述端子或所述旁路回路 (2),以及所述产生电路(I)0
14.根据权利要求13所述的电池,特征在于,所述旁路回路(2)包括电阻。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的电池,特征在于,所述选择器(¾包括连接至所述产生电路(1)的三个构件G-6),两个构件(4、5)是固定的,并且构件(6)在两个位置 (A、B)之间可旋转以分别与固定构件G、5)之一连接。
16.根据权利要求15所述的电池,特征在于,构件G-6)具有各自的接触表面 Ga-6a),所述接触表面被设置为使得可旋转构件(6)确保从固定构件(4)到另一个固定构件(¾之间的连接点的递进转变。
17.根据权利要求8至16中任一项所述的电池,特征在于,启动装置包括在所述选择器⑶的连接点位置⑶与旁路位置㈧之间施加所述选择器⑶的机械移位力的工具, 所述工具从点火工具、压电式工具、机械工具、机电式工具中选择。
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