CN102823055A - 用于能量存储单元的监视系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监视存储电能的能量存储单元（1）的状态的监视系统，所述能量存储单元具体是电化学能量存储单元（1）或者具有至少一个电容器的能量存储单元（1），其中，在能量存储单元（1）中布置了用于监视能量存储单元（1）的状态的集成电子装置（2），其中集成电子装置（2）具有用于与布置在能量存储单元（1）外部的电池控制系统进行优选为无线的数据交换的传送/接收元件（3），或者所述集成电子装置被连接到用于与布置在能量存储单元（1）外部的电池控制系统进行优选为无线的数据交换的传送/接收元件（3）。

Description

用于能量存储单元的监视系统
技术领域
本发明涉及用于监视存储电能的能量存储单元（具体是电化学能量存储单元或者包括至少一个电容器的能量存储单元）的状态的监视系统。
本发明还涉及具有多个能量存储单元（cell）的电池系统以及用于控制和监视能量存储单元的中央电池控制系统。
背景技术
传统的电池系统通常被细分为多个模块。每个模块包括用于其部分的多个单元。电池系统可以例如包括6个模块，每个模块具有10个单元。例如，通常在用于其中对能量存在高需求的混合或者电动车辆的驱动系统的电池的情况下，使用被细分为多个模块的电池系统。
每个传统模块包括在下文中被称为“CSC”的所谓的“单元监管电路”，其目的是监视模块的各个单元的电压，以便补偿整个系统的单元之间的电压的任何差异（平衡）和执行与安全有关的其它功能，例如，监视温度。
各个模块的CSC通常通过具有用于控制和监视能量单元的电池控制系统的数据总线来通信。该电池控制系统常常被称为“电池管理元件（unit）”。在以下的解释中，电池控制系统或者电池管理元件被简称为BMU。在BMU上运行电池系统的控制软件。BMU传统地具有多个任务。对于本发明而言，这些任务中最重要的是：
a)BMU决定哪些单元要被平衡以及多长时间，换言之，哪些单元要放电（被动平衡）或者同样地，哪些单元要充电（主动平衡）。
b)基于由CSC传送给BMU的数据，控制软件决定系统是否在安全的状况下或者是否需要采取动作。该数据包括例如模块的温度和所有单元的电压。
然而，目前正在使用的CSC具有如下文中详述的一系列缺点。
电池系统包括多个单元。例如，单元的数目可以容易地为总共400个或者更多，其中需要监视每个单独单元的每一个的电压。如果并联连接X个单元，则只需要监视每X个单元，但是这需要电压采样电缆。然而，如果薄电压采样导体中的仅仅一个断裂，则系统一定不能操作。
在12个单元的情况下，在CSC上将电压采样导体集中到一起的位置处，连接器中的引脚之间的电压可能例如达到每个模块50V。冷凝水和污染可能使得在CSC中的该位置处出现漏电流和腐蚀。
电压采样导体和CSC中的短路是在传统系统中极其难以克服的故障的来源。难以使用传统的保护措施来保护大量的电压采样导体。短路可能由以下因素造成：a)机械磨损或者破损;b)外来物；c)在组装过程期间或者在维护工作期间不注意;以及d)在存在冷却液泄露时的随后的故障。例如，作为冷却液电解的结果，在邻近的承载电压的导体上可能沉积导电物质，并且这种沉积物可以形成短路桥。
将电压传导到地的许多部件也增加了接地故障的概率和对电池系统进行工作的人员的电击风险。
此外，需要部分地修改CSC以便适合于新的电池系统和开发新的CSC。
另外，在锂离子电池的情况下，极其难以检测过载的阳极上的锂沉积物（锂枝状结晶（dendrite））。在最坏情况的场景中，锂枝状结晶可能导致对于分隔膜的损害并且作为进一步的结果而导致单元中的内部短路。
发明内容
因此，本发明的目的是增加电池系统的安全性，并且同时使与材料和组装工艺有关的成本最小化，而不会对监视功能产生不利影响。
根据本发明，通过在能量存储单元中布置用于监视能量存储单元的状态的集成电子装置的事实，利用在介绍中提到的类型的监视系统来实现该目的，其中集成电子装置具有用于与布置在能量存储单元外部的电池控制系统进行优选为无线的数据交换的传送/接收元件，或者所述集成电子装置被连接到用于与布置在能量存储单元外部的电池控制系统进行优选为无线的数据交换的传送/接收元件。
根据本发明的解决方案使得一方面可以提高对人员的保护，另一方面可以更精确地确定各个单元的化学状态。集成电子装置与电池控制系统之间的无线通信使得可以以特别安全和简单的方式来传送数据。
作为对在集成电子装置和电池控制系统之间使用无线数据传输的替换，可以从电数据总线或者从可在其上调制信号的主电力电缆提供集成电子装置和电池控制系统之间的数据传输路径。
特征在于对电磁损坏的相对低水平的敏感性的本发明的另一实施例提供了：通过光学传输路径，具体是通过具有或者不具有电绝缘光纤光缆的红外传输路径，将集成电子装置连接到电池控制系统。
根据特征在于以特别可靠的方式检测能量单元的状态的本发明的一个变型，可以提供：集成电子装置包括传感器或者被连接到传感器，所述传感器被布置在能量存储单元中以便检测能量存储单元的温度和/或充电状态和/或化学分解产物。
可以通过集成电子装置包括可切换的放电电阻器的事实，以简单的方式被动平衡能量存储单元。
可以通过集成电子装置包括用于分别测量能量存储单元的阳极电势和阴极电势的参考电极的事实，以特别精确和可靠的方式来确定能量存储单元的充电状态。
通过集成电子装置包括被存储在集成电子装置的存储器中的标识码的事实，可以识别能量存储单元并且因此清楚地向该能量存储单元分配故障或者正确的操作状态。该标识码可以是字母数字码，例如，集成电子装置或者能量存储单元的芯片的序列号。
特征在于需要相当小的空间量并且在制造能量存储单元的过程期间具有良好的处理特性的本发明的变型提供了：将该集成电子装置布置在载体膜上。如果能量存储单元是使用薄膜技术制造的单元，在这一点上是非常占优势的。
使得可以分析能量存储单元的使用的本发明的特定的有利的实施例提供了：将集成电子装置设计为存储与单元使用有关的数据。
根据本发明，也可以通过电池系统包括根据本发明的监视系统的事实，利用介绍中提到的类型的电池系统来实现上述目的。
附图说明
以下参照一些示例性实施例，详细描述本发明以及进一步的优点，所述实施例不是限制性的并且在附图中被图示，在附图中，示意性地：
图1示出了具有根据本发明的用于能量存储单元的监视系统的第一变型的能量存储单元；以及
图2示出了具有根据本发明的监视系统的第二变型的能量存储单元。
具体实施方式
通过介绍而陈述了本发明不限于使用电化学能量存储单元（例如，锂离子单元），而是还可以用于其它类型的能量存储器件或者能量存储单元，例如电容器，并且更具体地是双层电容器。
如在图1中明显的，在根据本发明的能量存储单元1的情况下，通过在能量存储单元1中直接集成的电子装置2替换了在现有技术中通常使用的CSC，该电子装置在下文中被命名为集成单元电路或简称为ICC。可以将如图1或2中图示的根据本发明的多个能量存储单元1组合以形成电池系统。每个能量存储单元1可以通过其安装的ICC 2，优选地以无线方式，与电池系统的BMU进行通信；在此未详细图示所述BMU。出于此目的，ICC 2可以包括传送/接收元件3，其用于与布置在能量存储单元1外部或者连接到对应的传送/接收元件3的BMU进行无线数据交换。ICC 2优选地被设计用于与BMU进行双向通信。
例如，可以使用RFID的基于无线电的通信技术作为在ICC 2和BMU之间传送数据的通信技术。可替换地，也可以通过在主电流电缆上的调制信号或者通过电数据总线而在ICC 2和BMU之间进行通信。还可以在ICC 2和BMU之间提供光数据传输路径。
在被用作能量存储单元1的传统锂离子单元中盛行的最大电压通常达到4.2V。由于ICC 2位于能量存储单元1的内部，所以在使用锂离子单元作为能量存储单元1时，所述ICC绝不会看到高于4.2V的电压。因此，要被控制的电压比在传统CSC中盛行的50V低得多。
在存在电流负载时，电压在能量存储单元1的传导电阻器（transferresistor）处降低。由于ICC 2在能量存储单元1中直接测量该电压，所以还可以使得在传导电阻器处的电压下降引起的故障最小化。通过在能量存储单元1的封闭密封的单元外壳4中安装ICC 2,还可以使发生内部短路（在两个单元之间或者在单元和地之间）的可能性显著最小化。
由于省略了CSC和电压采样电缆，所以与传统解决方案相比，在根据本发明的解决方案的情况下，显著地减少了与组装工艺和维护工作有关的花费。另外，可以更容易地更换根据本发明的能量存储单元1。
另外，ICC 2可以包括传感器5、6、7或者连接到在能量存储单元1中布置的传感器5、6、7，以便检测能量存储单元1的温度和/或充电状态和/或化学分解产物和/或压力。通过使用化学传感器5，可以甚至更精确地检测能量存储单元1的状态。例如，可以测量化学分解产物，其指示能量存储单元1的即将发生的故障。通过使用可以与能量存储单元1的电池组件的分解产物起反应的化学传感器5，还可以确定老化状态和剩余容量。另外，可以在能量存储单元1的即将发生的彻底故障之前提供报警。结果，即使在并联连接了多个能量存储单元1时，也可以识别有缺陷的单元。由于并联连接的能量存储单元1也自动地具有相同的电压，因此仅仅使用电压测量这将是不可能的。
例如，可以使用压力传感器6来确定金属罐单元中的气体压力。然后可以使用对于该气体压力确定的值来计算单元的老化状态。
可能可以将ICC芯片8中集成的传感器或者ICC载体膜（carrier film）9上的专用组件用作温度传感器7。优选地，温度传感器7应该能够以小于2℃的精度来测量在从-30℃到+70℃范围内的温度。出于成本原因，也可以仅仅为根据本发明的电池系统的特定百分比的能量存储单元1配备温度传感器7。然而，在使用成本合算的薄膜技术来制造温度传感器7的情况下，也可以在ICC 2的载体膜9的整个表面上分布温度传感器7的矩阵。结果，可以在早期阶段辨识能量存储单元1的操作期间的热点。
另外，可以借助在ICC 2中可选地安装参考电极10来分别测量阳极和阴极的电势。结果，可以更精确的方式来确定能量存储单元1的充电状态。在确定能量存储单元1的化学状态时，附加的参考电极10的使用还可以产生决定性的优势。例如，参考电极10可以由纯锂或者由铂来实现，并且不应当参与能量存储单元1的电化学反应。还可以借助参考电极10的相当小的尺寸来避免安全问题。借助于分别测量阳极电势和阴极电势，还可以获得用于确定能量存储单元1的充电状态和老化效应的附加信息。另外，可以获得关于能量存储单元的健康状态（简称SOH）的附加信息并且可以将该附加信息传送给BMU。具体地，在已知阳极电势的情况下，可以辨识任何从安全的观点来看较为严重的锂沉积物。
如图1中图示并且已经部分地在上面提到的，ICC 2可以包括ICC芯片8、载体膜9、参考电极10、电压采样点11和12、化学传感器5、压力传感器6、温度传感器7、薄膜电阻器13和在这种情况下被实现为天线的传送/接收元件3。
薄膜电阻器13可以用于能量存储单元1的被动平衡。可以通过晶体管将薄膜电阻器3并联连接到单元电极。结果，受控的平衡过程是可能的。如果存在足够的能量输出，也可以加热能量存储单元，使得可以更容易地将能量存储单元1保持在理想的操作范围中。例如，可以使用MOSFET技术来实现晶体管。这类薄膜晶体管已经可以买到并且对本领域技术人员是已知的。
可以使用“柔性电子（Flexible Electronics）”技术在载体膜9上实现ICC 2。例如，现在已经使用该技术制造了RFID标签一段时间了。因此，可以使用与传统的RFID芯片相同的技术来制造ICC芯片8自身。可以获得被小型化为50μm×50μm的尺寸的RFID芯片(Hitachi)。例如，ICC芯片8可以执行以下功能：(a)与BMU的无线电通信，(b)单元电压的精确模/数转换，(c)测量温度（内部地或者通过附加组件），(d)用于平衡的薄膜晶体管13中的开关，（e）读出可选的传感器5、6、7。ICC芯片8优选地以节能方式工作并且因此仅稍微增加了能量存储单元1的自放电。理想地，可以在不运行的系统的情况下提供可激活的节能模式。
载体膜9优选地不是非常厚，使得基本上不增加能量存储单元1的体积。可以将ICC载体膜9与堆叠的阳极膜、阴极膜和分隔膜组装到一起以形成能量存储单元1。通常，可以以类似于传统的阴极膜和阳极膜的方式来集成ICC2，使得不需要额外的新工艺来组装所述单元。与之前一样，可以将阳极膜、阴极膜和分隔膜一个在另一个顶上堆叠以组装能量存储单元1。另外，还可以增加ICC载体膜9。可以焊接阴极侧和阳极侧上的电流收集器（currentcollector）。可以在同一工序步骤期间同时焊接ICC 2的单元电压采样点。叠层的外膜可以位于适当位置并且被（用合成材料）焊接到密封边缘上。在这样做时，天线接线头（lug）/LED接线头将穿过密封接缝向外突出。然后可以将天线接线头/LED接线头弯曲并且在外部附着到单元外表面。如在从现有技术已知的能量存储单元的情况中那样，可以执行制造过程的其它步骤。
有利地，ICC载体膜9各处具有恒定的厚度。否则，ICC载体膜9中的任何变厚的区域可能挤入阴极膜和阳极膜中并且使它们损坏。在依靠电池系统中的单元的外部机械附件的袋状单元的情况下，或者在依靠刚性单元外壳以及阳极材料和阴极材料的膨胀的金属罐单元的情况下，作为老化和循环操作的结果，在单元内部产生压力。本发明可以用于提到的每一个单元类型的情况，但是不限于此，因此根据本发明的监视电子装置例如也可以用于圆柱形能量存储器件/单元。为了保护不受电解质的影响，可以通过合成膜在两侧密封ICC 2。
此外，基于根据本发明的解决方案，可以以更灵活的方式来实现单元封装。例如，可以以比迄今为止更简单的方式来实现具有不同数目的能量存储单元1的电池系统，电池系统中的能量存储单元1的数目不需要是每个模块的单元的倍数。此外，不需要被半填充了单元的专门模块。
可以在ICC芯片8中存储有关能量存储单元1的使用的日志数据，并且在回收期间或者在服务期间分析该日志数据。
一方面，需要电压采样点11和12以便向ICC 2提供电流，另一方面，例如，可以测量能量存储单元1的单元电压。电压测量的精度应比较高，理想地是在0V到4.5V的电压范围的情况下优于10mV。依赖于在单元中使用的材料，例如铝和铜，以与在单元中使用的电流收集器膜（机械地）兼容的有利的方式来构造ICC 2的电压采样点。然后，可以在焊接电流收集器的相同工序步骤期间同时简单地焊接电压采样点11和12。然而，例如，阳极侧的电流收集器被实现为铜膜，在阴极侧例如使用铝膜。通常利用铜条导体实现“柔性电子”电气电路。因此易于执行阳极侧的焊接过程。在阴极侧，可以用铝来制造整个电压采样点11，或者，如果焊接工艺允许则直接在焊接接线头上、或者预先在ICC芯片8和阳极焊接位置之间制作材料转换铜-铝。
如以上提到的，可以使用不同的技术来实现各个ICC 2与BMU的通信：
1．基于RFID技术，通过电磁无线电进行的通信，
2．在不使用光传导缆线的情况下，使用红外收发器进行的光数据传输，
3．在使用光传导缆线的情况下，使用红外收发器进行的光数据传输，
4．通过在主电力电缆上调制的信号进行的通信，
5．通过传统的电数据总线进行的通信。
依赖于使用的通信技术，需要其它系统组件来用于通信目的。
在ICC 2和BMU之间进行无线电通信的情况下，提供ICC天线。由于无线电信号不能穿过金属，从ICC天线到BMU天线的无线电路径上不应存在金属。然而，无线电路径不需要是直的，这是因为无线电波可以在金属壁上反射。根据这一点可知，例如，锂离子单元通常包括金属外壳。在袋状单元的情况下，可以将铝层焊接到外膜中作为对于电解液液体的扩散屏障；在金属罐单元的情况下，通常完全由金属制作外壳。为了使得可以创建无线电连接，袋状单元情况下的ICC膜可以包括具有天线导体条的附加接线头。由于在制造所述单元的过程期间外膜位于适当的位置，因此允许天线接线头穿过密封接缝向外突出。现在天线在单元外壳的外部。最后，接线头可以被弯曲并且附着到单元外壁（例如，到密封接缝）。可以选择实现天线接线头的位置，使得可以在电池系统中提供到BMU的有利的无线电连接。
在金属罐单元的情况下，该状况比在袋状单元的情况下要更困难。例如，通过对无线电频率透明并且在金属外壳的合适位置处提供的塑料或合成材料窗口而实现该目的。可以以与减压阀同时使用的方式来实现该窗口。
然而，也可以使用其它双向通信技术作为对无线电技术的可替换的选项。例如，可以通过将通信载波信号调制到主电流连接器上而传送信息。
如图2所图示的，取代天线，还可以提供具有指向外侧的接线头的光传感器15和LED 14。可以在电池外壳上分布对应的交互位置。在这些情况下，将以光学方式执行能量存储单元1和BMU之间的通信。除了其他的以外，该变型特征还在于良好的电磁兼容性水平。然而，也可以通过光纤光缆将每个能量存储单元1连接到BMU。结果，将从根本上根除由于污染产生的问题。可替换地，可以使用传统的串行电数据总线在ICC 2和BMU之间传输数据。在这种情况下，根据本发明的电池系统的能量存储单元1的每个ICC 2可以电连接到该数据总线。不需要通过单元外壳的其它馈通（feed-through）。在这种情况下，ICC的收发器有利地与能量存储单元1的其它组件良好隔离，使得在数据总线上不存在高电压电势。
根据本发明的有利变型，每个ICC芯片8可以具有唯一的ID码（下文中简称为ID），使得每个ICC可以被清楚地识别。ID的使用还使得可以在各个ICC和BMU之间实现通信协议。根据简单通信协议，在电池系统被接通时，每个能量存储单元1可以使用其ID对BMU标识其自身。优选地，使用防冲突方法，使得两个ICC 2不同时传送。一旦已经向BMU登记的能量存储单元1的数目对应于电池系统中的能量存储单元1的数目，就可以允许可操作的通信。
在可操作的通信期间，BMU可以连续地遍历单元的ID而工作，并且在最后一个ID之后返回以第一个ID开始。在这样做时，BMU在每个ID的情况下传送查询，并且ICC 2使用正确的ID向BMU报告它的能量存储单元的状态。来自BMU的查询还可以包括用于平衡对应的能量存储单元1的指令。
如果ICC 2之一不响应，则BMU重复该查询。如果在进一步的通信尝试之后没有接收到响应，则出于安全原因可以切断电池系统。
参考标记列表
能量存储单元1
集成电子装置2
传送/接收元件3
单元外壳4
化学传感器5
压力传感器6
温度传感器7
ICC芯片8
载体膜9
参考电极10
电压采样点，阴极11
电压采样点，阳极12
薄膜电阻器13
LED 14
光传感器15

Claims (10)

1.一种用于监视存储电能的能量存储单元（1）的状态的监视系统，所述能量存储单元具体是电化学能量存储单元（1）或者具有至少一个电容器的能量存储单元（1），其特征在于，在能量存储单元（1）中布置了用于监视能量存储单元（1）的状态的集成电子装置（2），其中集成电子装置（2）具有用于与布置在能量存储单元（1）外部的电池控制系统进行优选为无线的数据交换的传送/接收元件（3），或者所述集成电子装置被连接到用于与布置在能量存储单元（1）外部的电池控制系统进行优选为无线的数据交换的传送/接收元件（3）。
2.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，从电数据总线或者从可在其上调制信号的主电力电缆而在集成电子装置（2）和电池控制系统之间提供数据传输路径。
3.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，通过光传输路径，具体是通过具有或者不具有电绝缘光纤光缆的红外传输路径，将集成电子装置（2）连接到电池系统。
4.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，集成电子装置（2）包括传感器（5,6,7）或者被连接到传感器(5,6,7)，所述传感器（5,6,7）被布置在能量存储单元(1)中，以便检测能量存储单元(1)的温度和/或充电状态和/或化学分解产物。
5.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述集成电子装置（2）包括可切换的放电电阻器（13）。
6.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述集成电子装置（2）包括用于分别测量能量存储单元（1）的阳极电势和阴极电势的参考电极（10），或者所述集成电子装置（2）连接到用于分别测量能量存储单元的阳极电势和阴极电势的参考电极（10）。
7.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述集成电子装置（2）包括被存储在集成电子装置（2）的存储器中的标识码。
8.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述集成电子装置（2）被布置在载体膜（9）上。
9.根据权利要求1所述的监视系统，其特征在于，所述集成电子装置（2）被设计为存储与单元的使用有关的数据。
10.一种电池系统，其具有多个能量存储单元(1)以及用于控制并监视能量存储单元（1）的中央电池控制系统，其特征在于，该电池系统包括如权利要求1所述的监视系统。
CN201180015329.XA 2010-03-24 2011-03-11 用于能量存储单元的监视系统 Active CN102823055B (zh)

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