CN102479985A - 确定电池组中的安全的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定电池组中的安全的装置与方法。具体而言，电池组(10)包括至少一个电池单元(12)，其关于电池单元(12)的化学情况膨胀和收缩。基底(16)构造成用以接触该至少一个电池单元(12)。传感器(26)附接到基底(16)上，并且该传感器(26)产生指示基底(16)的移位的信号。控制器(18)可通信地连接至传感器(26)，从而使得控制器从传感器(26)接收信号。控制器(18)处理信号以产生电池单元(12)的状态的指示。一种监测电池安全的方法包括跨过电池的至少一个单元(12)可移动地固定基底(16)。测量基底(16)的移位。利用控制器(18)处理测量的移位以识别该至少一个单元(12)的安全状态。利用控制器(18)操作输出装置以提供电池的该至少一个单元(12)的安全状态的指示。

Description

确定电池组中的安全的装置与方法
技术领域
本公开涉及储能装置领域。更具体而言，本公开涉及确定电池组的安全状态。
背景技术
现代的可再充电池包括与电池的操作一起储存和释放激励的一个或多个单元。电池单元易于以多种方式受损，这些方式包括过度充电、充电不足或物理损坏。这些情况可导致一个或多个单元的短路，这会导致单元内的温度和压力的升高。在临界情况下，温度和压力的升高会引起电池单元起火和/或爆炸的风险。
发明内容
本文公开了一种带有至少一个电池单元(battery cell)的电池组。该至少一个电池单元关于电池单元的化学情况而膨胀和收缩。带有第一部分的基底构造成用以接触电池单元的第一部分。传感器附接到基底上并产生指示基底的移位的信号。控制器可通信地连接到传感器上，使得控制器从传感器接收信号并处理信号以便产生电池单元的状态的指示。
一种用于电池的安全装置包括带有相对的第一部分和第二部分的基底。基底的第一部分构造成用以接触电池的第一部分，并且基底构造成用以相对于电池保持可移动。发光二极管(LED)被固定到基底上并跨过基底的表面发射电磁激励。光电晶体管被固定到与LED相对的基底上，从而使得光电晶体管从LED接收激励并产生指示接收的激励的信号。控制器可通信地连接至光电晶体管。控制器接收指示接收的激励的信号并处理所接收的信号以确定电池的安全状态。
本文公开了一种监测电池安全的方法。该方法包括跨过电池的至少一个单元固定柔性基底。基底的至少第一部分相对于该至少一个单元固定，并且基底的至少第二部分相对于该至少一个单元可移动。基底的移位利用联接至基底的传感器而测量。利用控制器处理所测量的移位以识别电池的该至少一个单元的安全状态。输出装置通过控制器操作，以便提供电池的该至少一个单元的安全状态的指示。
附图说明
图1为电池组的一示例性实施例的剖视图。
图2为沿图1的电池组的实施例的线2-2得到的剖视图。
图3为电池组的备选实施例的剖视图。
图4为图2的实施例的电池组的沿线4-4的备选视图。
图5为图3中所示的电池组的实施例的沿线5-5的备选视图。
图6为监测电池安全的方法的一实施例的流程图。
图7为监测电池安全的方法的备选实施例的流程图。
项目清单
10   电池组
12   单元
14   外壳
16   基底
18   控制器
20   图形显示器
22   扬声器
24   唇部
26   传感器
28   光电晶体管
30   发光二级管(LED)
32   传感器信号
34   控制信号
36   EM激励
38   放电电路
40   电池组
42   外壳
44   唇部
46   基底
50   方法
52   步骤
54   步骤
56   步骤
58   步骤
60   步骤
70   方法
72   步骤
74   步骤
76   步骤
78   步骤
80   步骤
82   步骤
84   步骤
86   步骤
88   步骤
90   步骤
具体实施方式
图1示出了电池组10的一实施例。电池组10包括至少一个单元(cell，或称电池)12。在许多实施例中，电池组10包括多个单元12。单元12可为多种可再充电池单元中的任一种。单元12的一种示例性构造为锂离子聚合物单元，如本领域中公知的用于可再充电池应用的那样。
单元12的示例性构造包括由薄膜或箔片(例如聚酯薄膜)构成的外层，该外层构造为用以形成凹穴或凹腔，介电材料(例如锂离子聚合物)被保持在该凹穴或凹腔中。在一些实施例中，介电材料为固体聚合物，而在备选实施例中，介电材料为电解液。单元12的箔片凹腔在边缘处密封以便形成开放的内部。当单元储存电荷时，介电材料放出气体，该气体被保持在箔片凹腔内。这导致箔片凹腔以类似于气球的方式膨胀，其中密封的边缘保持基本为平的，同时单元12在中部膨胀。当单元12放电时，气体被再吸收到介电材料中，并且单元12回到收缩情况。在正常充电放电周期的过程内，单元12可在5％至10％的范围内膨胀和收缩。在一示例性实施例中，单元12在窄尺寸(图1中示出为高度)上为大约6毫米，且因此可能在充电放电循环的过程内经历1毫米或更小的膨胀或收缩。单元12处的过度充电是单元故障的一个原因，这将在本文中更详细地描述。
电池组10还包括外壳14。外壳14由塑料或其它类似材料构成，并且给电池组10内的构件(包括单元12)提供保护。如果一个或多个单元12被物理地损坏，则电池组10可能出故障。对一个或多个单元的物理损坏可使单元短路，导致不安全的情况，如将在本文中更详细描述的那样。外壳14有助于保护单元12免受物理损坏。外壳14还给电池组10的其它构件提供结构和支撑，如将在本文中更详细描述的那样。此外，如相对于本文所公开的一些实施例更详细描述的那样，外壳14在结构上可为不透明的，使得来自电池组10的外部的环境光不会进入外壳14的内部。
基底16平行于其中至少一个单元12定位在外壳14内。基底16可由任意数目的公知的基底材料(包括但不限于嵌入树脂或纤维的环氧类)构成。基底构造成使得基底具有柔性性质。基底16的特定程度的柔性可取决于实施例的特定应用的构造而变化；然而，如将在本文中更详细示出的那样，基底16随单元12的膨胀和/或收缩而弯曲。在一实施例中，基底16为印刷电路板(PCB)，其用于机械地支撑以及电连接电池组10的电子构件。本文将进一步详细地公开连接到基底16上的一些电子构件；然而，本领域普通技术人员将理解到的是，基底16将根据电池组10的其它功能和操作的需要而组装有另外的电子构件。
控制器18(其在一实施例中为微处理器)被描绘为利用基底16而支撑并与基底16电连接；然而，应当理解的是，PCB 16上的另外的电子构件也可通信地连接到控制器18上并通过控制器18操作。
控制器18形成多项功能并如本文所公开而处理。控制器18可通信地连接至非暂态计算机可读介质，例如利用计算机可读代码编程的闪速存储器，该计算机可读代码在被控制器18执行时导致控制器18执行如本文所公开的功能。
控制器18可通信地连接至一个或多个输出装置。这些输出装置包括图形显示器20和扬声器22。图形显示器20将来自控制器18的输出指示呈现为视觉表现，而扬声器22以声音表现来呈现来自控制器18的输出。
在包括多个单元12的实施例中，单元12以叠置构造布置，其中单元12以其窄尺寸沿垂直方向叠置。还有其它实施例可使单元并排放置，使得单元的伸长的尺寸是对准的。如图1中所示，多个单元12可包括处于水平对准的多个垂直叠层的这两种布置的组合而布置。在多个单元12的叠置实施例中，使用粘合剂将单元彼此固定。在一示例性实施例中，这种粘合剂为粘合带。尽管基底16构造成使得至少一部分基底16与一个或多个单元12接触，但基底16布置成浮在单元12上，而非固定至单元12。这允许基底16独立于单元12而移动，但基底16的移位响应于单元12的膨胀和/或收缩。外壳14的一个或多个唇部24可使基底16的至少第一部分保持在与一个或多个单元12接触的位置，同时允许基底16浮在单元12上。
传感器26布置在基底16上。传感器26测量由单元12的膨胀或收缩引起的柔性基底16的移位。在图1中所示的实施例中，传感器26为光电晶体管28，其接收来自发光二极管(LED)30的电磁激励，该发光二极管(LED)30与光电晶体管28相对而定位在基底16上。然而，应当理解的是，可在本公开的范围内使用备选构造的传感器以用于感测基底16的移位。可使用的备选类型的传感器26的非限制性示例包括跨过基底16而定位的应变计(未示出)，或者定位在基底16与至少一个单元12之间的压力变换器(未示出)。
控制器18操作LED 30以产生电磁激励(例如可见的紫外光或红外光)，其跨过基底16的表面行进并被光电晶体管28接收。光电晶体管28可通信地连接至控制器18，并且光电晶体管28产生指示由光电晶体管28接收的电磁激励的信号。如上文所述，在实施例，外壳14具有不透明的构造，以便阻止来自电池组10的外部的环境光进入外壳14的内部。因此，在环境光不畸变的情况下，光电晶体管28可对由LED 30产生的相对较低水平的电磁激励敏感。
如上文所述，光电晶体管28产生指示从LED 30接收的电磁激励的信号。该信号从光电晶体管28发送至控制器18。控制器18将从光电晶体管28接收的信号与从控制器发送至LED 30的控制信号进行比较，以便评估由光电晶体管28接收的电磁激励。通过设计或校准，由光电晶体管28接收的电磁激励可与由一个或多个单元12的膨胀或收缩造成的基底16的移位相关。如将关于本文所公开的实施例进一步详细描述的那样，当基底16的至少一部分移位时，由光电晶体管28所接收的来自LED 30的电磁激励的量随着LED 30和光电晶体管28失去对准而减少。
在另外的实施例中，控制器18将控制信号34提供给LED 30，从而使得LED 30以预定模式或频率的脉冲提供电磁激励。该预定脉冲串在由光电晶体管28产生(在接收电磁激励的脉冲串之后)的传感器信号32中提供另外的信息。在一实施例中，脉冲为由控制器18控制的调频的形式。控制器可使用预定频率或脉冲构造的控制信号34来与接收的传感器信号32比较，以便通过减少与光电晶体管28所接收的反射光或环境光相关联的误差而提供基底移位的改进确定。在一实施例中，光电晶体管28解调进入的电磁激励，解调的传感器信号用于验证接收的激励来自LED 30。还应当理解的是，在备选实施例中，控制器18可执行解调。
图2为图1中所示的电池组的沿线2-2截取的剖视图。在图2中相似的参考标号被用来表示如上文描述的相似构件。图2特别强调了外壳14的唇部24的备选视图。如可从图2看到的那样，唇部24在基底16以及定位于基底16下方的单元12两者的第一部分上延伸。
图4示出了沿图2中的线4-4截取的与图1和图2中所示的电池组10相同的实施例。然而，在图4的电池组10中，单元12已膨胀超过单元在正常操作期间所经受的正常膨胀。在使用如上文所述的单元12的现代电池应用中，当单元12达到临界情况时，单元12可快速地膨胀至大小加倍。因此，利用本文所公开的单元12的示例，通常为6至7毫米的单元可在临界情况期间膨胀到12至14毫米之间。
单元12的膨胀在柔性基底16(浮在单元12上)上的效果显示基底16的至少一部分由于单元12的膨胀而移位。由于唇部24基本将基底16的端部保持在适当位置，基底的中心随单元的膨胀而移位。基底16的移位使光电晶体管28和LED 30失去对准，从而使得来自LED 30的电磁激励并不被光电晶体管28完全接收。如上文所述，光电晶体管28产生发送至控制器的传感器信号，该传感器信号指示接收的电磁激励36。控制器分析接收的传感器信号，以便记录由于LED 30与光电晶体管28之间的失准量造成的接收信号的衰减。控制器18使用该衰减来确定由膨胀的单元12引起的基底16的移位。
图3和图5示出了电池组40的备选实施例。相似的参考标号被用来表示图1、图2和图4中示出的实施例以及图3和图5中示出的实施例之间的相似构件。电池组10的实施例与电池组40的实施例之间的主要区别是关于包括唇部部分44的外壳42。唇部44接触基底46，以便固定与一个或多个单元12接触的基底46的一部分。在电池组40中，唇部44将基底46的内部部分固定到单元12的内部边缘上。当基底46浮在单元12上时，基底46的端部部分由于单元12的膨胀可自由地脱离与单元12的接触。因此，在电池组40中，单元12的膨胀使基底46的端部部分向上移位。基底46的这种可选移位与电池组10中的基底16的移位带有相同效果。即，LED 30沿某一方向发射电磁激励36，从而使得光电晶体管28不会接收到较大部分的电磁激励36。控制器18从光电晶体管28接收控制信号，该控制信号反映接收到的电磁激励的减少。控制器18从由光电晶体管28所接收的电磁激励36的量确定基底46的移位。
在更进一步的实施例中，控制器18可操作LED 30以便产生调频的电磁激励36。光电晶体管28将接收该调频的电磁激励并相应地产生传感器信号。如上文所述，光电晶体管28或控制器18解调接收的电磁激励。将频率内容添加至电磁激励36允许控制器18不仅基于强度而且还基于频率内容来比较控制信号34与传感器信号32。这提供额外的处理信息，其可用于控制器18的实施例中以执行电池组40的单元12的安全状态的额外分析。
在本文所公开的电池组的一个示例性实施例中，控制器还提供损坏明显的检测，这将监测其中外壳14、42已打开的情况。正确地操作本文所公开的电池组所需的复杂电子控制，以及电池组的单元所储存的潜在电荷呈现由外壳14、42的破坏引起的危险。这些危险包括来自一个或多个充电电池12的电击的可能性。此外，危险的风险包括对电子器件的损坏，这很关键地影响电池组10、40或单元12的操作或性能，这将降低电池组10、40的性能，或者可导致一个或多个单元12内的临界安全情况。
因此，控制器18可操作成使得其检测光电晶体管28是否暴露于环境光，该环境光将在外壳14、42的不当破坏时进入外壳14、42内。这样的环境光将通过控制器18在来自光电晶体管28的传感器信号32中检测到。相比于光电晶体管28未暴露于环境光时的传感器信号32，控制器18可将这些识别为传感器信号中的另外的噪声或其它畸变。如本文所公开的电池组的实施例(其包括产生处于预定脉冲模式或预定频率的电磁激励36的LED 30的特征)可尤其适于识别损坏电池组构件的实施例，因为控制器18具有来自信号的频率调制的额外的频率内容信息，其可进一步用于识别基准，由于光电晶体管28暴露于环境光造成的传感器信号中存在的畸变或噪声可与该基准进行比较。
回来参看图1，如本文所述，控制器18确定电池组10的安全状态。可检测到的为电池组10的异常操作的安全状态可为一个或多个单元12的临界情况，这由导致基底16移位的过度单元充胀而证实。此外，在检测到传感器信号32中的噪声或畸变(由于光电晶体管所检测的环境光)的情况下，控制器18可检测到电池组10的电气构件已损坏。
控制器18可以多种方式响应削弱的安全状态的这些检测。如之前所确认的那样，控制器18操作图形显示器20和扬声器22，从而使得控制器18可引起检测的危险的视觉和/或声音报警或指示的呈现。这些指示可警告使用者电池组10内检测到的情况的临界性质，并且可给使用者提供补救指示。
在备选实施例中，控制器18还连接至放电电路38。放电电路可由控制器18操作，以便连接至一个或多个单元12而从单元12提供受控的储能放电。当检测到临界单元情况时，控制器18使放电电路38自动地连接至单元12。这将随时间将单元12放电至安全水平并将电池组12置于用于处理的情况。
结合单元12的自动放电或作为其备选方案，控制器18控制电池组10来使电池组10从操作停用。这限制对电池组的进一步损坏。使电池组自动停用还进一步限制使用者遭受电池组内的任何临界情况。控制器操作成呈现视觉或声音指示，以便通知任何潜在使用者电池组已经在操作上停用。
图6为描述监测电池的安全的方法50的一实施例的流程图。方法50开始于52处：跨过至少一个电池单元将基底固定。如上文所述，将基底可移动地固定，从而使得基底的至少一部分与至少一个电池单元的一部分接触；但基底仍以基底相对于该至少一个电池单元可移动的方式而固定。因此，该至少一个电池单元的膨胀和/或收缩将导致基底的至少一部分的移位。在一个实施例中，基底由这样的材料构成，该材料使得基底具有柔性或半刚性的性质；然而，应当理解的是，可使用基底的备选构造。
接下来，在54处测量基底的移位。如上文所述，基底布置成使得至少一个电池单元的膨胀或收缩导致基底的至少一部分的移位。该移位可通过使用多种传感器来测量。用于测量移位的传感器的一示例性实施例包括LED和光电晶体管。用于测量移位的传感器的另一示例性实施例为应变计。
在56处，测量的基底移位被处理成识别至少一个电池单元的安全状态。如上文所述，在至少一个电池单元的正常充电和放电循环期间，该至少一个电池单元膨胀和收缩。电池单元的过量膨胀或收缩指示电池单元处于临界情况，该临界情况可导致对电池、由电池供能的电力装置或电池的使用者的危害或损坏。这种危害或损坏来自一个或多个单元起火或爆炸的风险。因此，由于至少一个电池单元的膨胀造成的基底移位可通过与阈值或指示非期望量的电池单元膨胀的其它预定值相比较来处理。
在58处，提供了识别的安全状态的指示，其示例性地为电池单元临界情况。如上文所述，该指示可为呈现在图形显示器上的视觉指示。该指示还可为由控制器操作的扬声器所提供的声音指示。在更进一步的实施例中，该指示为从电池的控制器引导一个或多个自动响应的电信号，如将在本文中描述的那样。
在60处，提供了自动响应。在一个实施例中，自动响应为跨过一个或多个电池单元的放电电路连接。放电电路操作成用以从单元移除过剩能量，以便补救临界情况并使电池不可操作。在备选实施例中，控制器提供使电池从操作状态电子地停用的自动响应。这用于限制该至少一个电池单元的任何恶化情况，并且提示使用者从使用移除电池。
图7为可结合方法50的实施例使用的方法70的备选实施例。具体而言，方法70为在方法50的54-58处提供的更多特定功能的示例性实施例。
在72处，脉冲电磁能量例如从LED提供，该LED由控制信号控制，并且电磁能可以预定模式或频率(如由控制器所控制的那样)来脉冲调制。在一个实施例中，预定模式或频率为电磁能的频率调制。在74处，接收调频的电磁能，例如通过光电晶体管。光电晶体管接收电磁能并且在76处提供表示接收的电磁能的信号。来自76的信号被发送至控制器，其中在78处控制器分析该信号以便确定电池的安全状态。在一个实施例中，光电晶体管或控制器解调所接收的电磁能。
在一个实施例中，上文从72-76概述的方法在电池的初始激活时执行。在更详细的实施例中，这在电池单元的首次充电之前执行。因此，从72-76的方法引起的结果在于产生参考信号。这种参考信号或基准信号在78处开始被使用以用于分析而确定电池的安全状态。该基准测量的另外的值可在78-90中的方法的其余部分的执行中以比较的方式而使用。
在80处，如果信号匹配调频电磁能或发送至电磁能源的控制信号，则在82处确定电池以正常安全状态操作。这种确定在82处作出，好像在提供的脉冲电磁能与接收的电磁能之间找到匹配，则不会遇到任何异常安全状态条件。
在84处，如果信号从提供的调频电磁能衰减，但仍保持频率内容，则在86处确定电池安全状态为临界的并且一个或多个电池单元充胀且处于临界情况。接收的脉冲电池能的衰减由基底的移位引起，基底移位造成LED与光电晶体管之间的失准。因此，当基底移位并且LED和光电晶体管进一步失去对准时，然后表示由光电晶体管接收的电磁能的信号将以表示基底移位的方式衰减。
最后，在88处，如果表示接收的电磁能的信号被确定为具有较低的信噪比，则在90处确定电池已被损坏。如上文所述，电池的电子器件被包封在阻挡环境光的不透明的外壳内。如果表示接收的电磁能的信号包括增量的畸变或噪声，这是由于环境光引入光电晶体管中引起的。
在第一实施例中，由LED使用的功率很小，以便最大限度地减小电池组安全确定所需的功率消耗。在这种情况下，由LED产生的光不能克服在不透明电池外壳打开时引入的环境光，并且环境光使接收的电磁能饱和。在使用压力计或应变计的备选实施例中，打开电池外壳可消除基底与一个或多个唇部的接合。这将降低跨过基底的压力或应变，并且因此减小或消除由传感器感测的压力或应变。
环境光的这种引入仅在电池的不透明外壳已被破坏时发生，因而使电子器件和单元遭受潜在的损坏或操纵。因此，一旦电子器件已经遭受损坏或操纵的风险，则不可再保证电池的安全，并且在90处对电池已被损坏的确定被用来通知潜在使用者电池不能再以预期方式操作。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种电池组(10)，包括：
至少一个电池单元(12)，所述至少一个电池单元(12)包括第一部分，并且所述至少一个电池单元(12)关于所述至少一个电池单元(12)的化学情况膨胀和收缩；
带有第一部分的基底(16)，所述基底(16)的第一部分构造成用以接触所述至少一个电池单元(12)的第一部分；
附接到所述基底(16)上的传感器(26)，所述传感器(26)产生信号，所述信号指示所述基底(16)的移位；
控制器(18)，所述控制器(18)可通信地连接至所述传感器(26)，从而使得所述控制器(18)从所述传感器(26)接收所述信号，并且所述控制器(18)处理所述信号以产生所述至少一个电池单元(12)的状态的指示。
2.根据权利要求1所述的电池组(10)，其特征在于，所述传感器(26)包括LED(30)和光电晶体管(28)。
3.根据权利要求2所述的电池组(10)，其特征在于，所述控制器(18)操作所述LED(30)以产生处于预定频率的脉冲激励，并且所述光电晶体管(28)从所述LED(30)接收所述脉冲激励。
4.根据权利要求3所述的电池组(10)，其特征在于，所述控制器(18)从所述光电晶体管(28)接收指示所述接收的激励的信号，并将所述信号的频率与所述LED(30)的频率比较以验证所述光电晶体管(28)从所述LED(30)接收所述脉冲激励。
5.根据权利要求4所述的电池组(10)，其特征在于，所述电池组(10)还包括：
包围所述至少一个电池单元(12)、所述基底(16)、所述传感器(26)和所述控制器(18)的不透明外壳(14)，其中，所述不透明外壳(14)将所述基底(16)保持在所述基底(16)的第一部分接触所述至少一个电池单元(12)的第一部分的位置；
其中，如果所述不透明外壳(14)打开，所述光电晶体管(28)暴露于使所述接收的激励畸变的环境光，并且所述控制器(18)识别来自所述光电晶体管(28)的信号作为打开的外壳(14)的指示并产生指示所述电池组(10)已打开的信号。
6.根据权利要求5所述的电池组(10)，其特征在于，所述电池组(10)还包括连接至所述控制器(18)的图形显示器(20)，并且在产生指示所述电池组(10)已打开的所述信号时，所述控制器(18)操作所述图形显示器(20)以呈现所述电池组(10)已被损坏的视觉指示。
7.根据权利要求1所述的电池组(10)，其特征在于，所述电池组(10)还包括连接至所述控制器(18)的图形显示器(20)，并且所述控制器(18)在识别来自所述传感器(26)的信号为临界的时，操作所述图形显示器(20)以产生视觉警告。
8.根据权利要求7所述的电池组(10)，其特征在于，所述电池组(10)还包括通过所述控制器(18)操作的扬声器(22)，以便在识别来自所述传感器(26)的信号为临界的时产生声音报警。
9.根据权利要求1所述的电池组(10)，其特征在于，所述电池组(10)还包括：
选择性地连接至所述至少一个电池单元(12)的放电电路(38)，所述放电电路(38)连接至所述控制器(18)并能通过所述控制器(18)操作；
其中，所述控制器(18)在识别来自所述传感器(26)的信号为临界的时，操作所述放电电路(38)以连接至所述至少一个电池单元(12)，以便使所述至少一个电池单元(12)从所述临界情况放电。
10.根据权利要求1所述的电池组(10)，其特征在于，所述传感器(26)为应变计。
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