CN104126244A - 统一的能量存储和感应蓄电池 - Google Patents

Abstract

一种蓄电池装置，具有电化学电池，该电池包括电绝缘空心心轴、卷绕在心轴上的一对活性材料以及位于心轴内并且通过一对触点联接到所述对活性材料的感应单元。活性材料由电解质连接及分开。感应单元配置成监控电池的状态并且产生指示感应到的状态的信号以传达到蓄电池管理单元。

Description

统一的能量存储和感应蓄电池

背景技术

除非本文另有指示，否则此部分中所描述的材料并非是此申请中的权利要求书的现有技术，并且不能凭借包括在此部分中而被承认是现有技术。

已知各种配置的蓄电池组用于容纳多个储能电池。通常，电池被内部地装配到诸如图1的电池罐102的容器中。除了电池罐102之外，典型的蓄电池组包括模块容器104、模块组件106、冷却通道108、电池监督控制器(CSC)110以及轨迹板112。因此，常规的蓄电池组含有大量对于能量容量没有贡献的材料。

一些多电池密封的可充电蓄电池包括开口容器和在其口部附接到容器上的封闭部件。除了口部之外，用来形成容器的材料通常允许外部湿气渗入容器。外部湿气的这种渗入可能损害电池的性能。

因此，存在对一种最小化非活性部件的数量并且可以监控和传达个体电池的状态的蓄电池装置的需要。

发明内容

本文披露一种改进的能量存储和感应蓄电池。

在一个方面中，蓄电池装置的一个实施例具有电化学电池，该电池包括电绝缘空心心轴、卷绕在心轴上的一对活性材料以及位于心轴内并且通过一对触点联接到该对活性材料的感应单元。活性材料由电解质连接和分开。感应单元配置成监控电池的状态并且产生指示所感应到的状态的信号以传达到蓄电池管理单元。

在另一个方面中，蓄电池装置包括电化学电池，该电池包括电绝缘空心心轴、卷绕在心轴上的一对活性材料以及配置成将指示电池状态的信号无线地传输到蓄电池管理单元的通信单元。该对活性材料由电解质连接和分开。

在另一个方面中，蓄电池装置包括电化学电池，该电池包括电绝缘空心心轴、卷绕在心轴上的一对活性材料，该活性材料由电解质连接和分开、位于心轴内并且通过一对触点联接到该对活性材料的感应单元。感应单元配置成监控电池的状态并且产生指示所感应到的状态的信号以传达到蓄电池管理单元。蓄电池装置进一步包括位于蓄电池装置内并且联接到感应单元的通信单元。通信单元配置成将指示信号无线地传输到蓄电池管理单元。

在又一个方面中，蓄电池装置包括配置成容纳多个储能电化学电池的壳体，该多个电池中的每一个包括电绝缘空心心轴和用于密封壳体并且实现蓄电池装置的密封性的盖子。蓄电池装置进一步包括位于每个心轴内的感应单元。感应单元配置成监控对应电池内出现的状态并且产生指示感应到的对应电池的状态的信号以传达到蓄电池管理单元。蓄电池装置进一步包括位于密封的蓄电池装置内并且联接到感应单元的通信单元。通信单元配置成将指示信号无线地传输到蓄电池管理单元。

这些以及其他方面、优点和替代将通过在适当的情况下参照附图阅读以下详细描述而对于本领域普通技术人员变得显而易见。另外，应理解，此发明内容部分中以及本文的其他地方提供的披露内容意欲仅通过实例而非通过限制来论述实施例。

附图说明

图中：

图1示出常规蓄电池组的一个实施例；

图2示出统一能量存储器的一个示例性实施例；

图3是示出图1的统一能量存储器内的多个电池的示例性布置的示意图；

图4A是电化学电池中的原位温度传感器布置的一个示例性实施例的高视侧视图；

图4B是图4A的原位温度传感器布置的示例性实施例的俯视图；

图5A是原位温度传感器的一个示例性实施例的示意图；

图5B是示出温度感应材料对温度改变的线性响应的图表；

图6是示出原位传感器的部件和其到蓄电池管理系统的通信链路的方框图；

图7是示出用于监控容纳在图1的统一能量存储器中的电化学电池的一个或多个状态的方法的流程图；以及

图8是示出示例性计算机程序产品的概念上的部分视图的示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，通过参照附图而形成该描述的一部分。图中，除非文中另有指示，否则类似的符号通常标识类似部件。详细描述、附图以及权利要求中描述的说明性实施例并非旨在限制。在不脱离本文呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行其他改变。将容易理解，如本文通常描述和图中所示，本披露的各方面可以被布置、替换、组合、分开和设计成多种不同的配置，所有这些在本文中可明确地预期。

概述

如上所述，常规的多电池能量存储器系统(例如，蓄电池组)包括非活性部件，诸如电池层面上的电池端子和外壳与模块层面上的总线连接和托盘组件。此外，制造这些多电池蓄电池通常涉及能源密集型过程，诸如深冲铝罐和多个印刷电路板的制造过程。

因此，新颖的电化学电池的一个示例性实施例包括电绝缘空心心轴、卷绕在心轴上的一对活性材料以及位于心轴内并且被配置成监控电池的状态以产生指示所感应到的状态的信号以传达到蓄电池管理单元的感应单元。

在另一个示例性实施例中，提供一种新颖的统一的能量存储和感应(UESS)蓄电池组。此UESS蓄电池组包括感应单元和将感应到的状态传达到蓄电池管理系统的通信单元。监控到的状态可以是热量水平、电压水平或应被监控以维持UESS蓄电池组所期望的操作状态的任何其他状态。在一个实施例中，UESS蓄电池组包括由单个聚合物整体容器形成的壳体或容器，并且具有导致减少非活性材料和部件数量的配置。UESS蓄电池组包括可充电的电化学电池，所述电池可以具有基本上相同的容量并且串联连接。当容纳在单个整体容器中时，由于节省材料并且由于减少个体的零件的数量，电化学电池易于操纵，可以较低成本生产，并且具有较高的重量相关和体积相关的能量密度。

现在参照图2，示出UESS蓄电池组或装置200的一个示例性实施例。UESS蓄电池200包括聚合物外壳或壳体202和盖子204。壳体202配置成容纳多个电化学电池208，所述电池之间没有其他物理障碍。盖子204可以由与壳体202的材料相同的聚合物材料或任何其他适合的材料形成。UESS材料所期望的性质包括承受电池中的有机溶剂、在大范围的操作温度下维持所期望的机械性质以及防止湿气渗入(即，维持密封性)。

如本领域普通技术人员已知，蓄电池中的工作单元是电化学电池，其由电解质所分开并连接的阴极和阳极构成。电解质传导离子但是对于电子来说是绝缘体。在放电状态期间，离子离开阳极并且通过电解质移动至阴极，同时其相关电子由电流收集器收集以用于为所联接的电气设备供电。另外，已知电解质有很高的易吸湿性，从而导致性能显著降低。因此，为了保持蓄电池化学性质，UESS蓄电池200被配置成维持密封性，这可以通过用盖子204适当地密封壳体202并且通过选择防潮材料用于壳体202和盖子204来实现。

关于UESS蓄电池200的适当密封，使用选择聚合物接合技术。这些密封技术可以包括激光焊接、热板焊接、振动焊接以及超声波焊接，它们因节能并且具有高通量而被周知。替代地，可以使用任何其他适合的密封技术来适当地密封UESS蓄电池200。关于防潮，选择材料可以包括聚丙烯(PP)复合物和聚四氟乙烯(PTFE)。替代地，可以使用任何其他适合的材料来保护和维持密封性。因此，将盖子204接合到壳体202被配置成实现蓄电池密封性和所需的机械强度。为了进一步保护密封性，可以将UESS蓄电池200的端子(未示出)热熔到盖子204上。

现在参照图3，示出UESS蓄电池200内的多个电池302的示例性布置300。电池302串联对齐并且相邻电池302的电池端子304由电池内连接器306连接，该连接器306如所示为跨壳体电池分离器308桥接，该分离器308可以是整体容器的一部分。如图所示，每个电池302包括联接电池端子304的原位传感器303。在一个实施例中，在需要电连接个体电池302时，电池内端子可以插入成型到壳体202和盖子204中以连接到电池302。在密封壳体202之后，可以通过电阻焊接或者通过任何其它合适的连接技术来实现电池内电连接304。另外，在一个实施例中，在密封壳体202之后，电池内连接和盖子204的端子可以形成DC电力总线或电源线310。替代地，电源线310可以附着到盖子204上并且配置成在盖子204密封壳体202时连接到电池302的端子。

现在参照图4A，示出电池302内的原位传感器布置的一个示例性实施例400。原位传感器可以是温度传感器、电压传感器、压力传感器或配置成感应应被监控的电池状态的任何其他传感器。如图4A中所示，温度传感器404被原位包含在电池302中，即，集成在电绝缘心轴406内，以监控在电池302深处发生的状态。在一个实施例中，UESS蓄电池200的每个电池302包括一个传感器404。

现在参照图4A-B，微传感器集成电路(IC)芯片可以用作传感器，并且包括支持电子功能。在一个实施例中，在温度传感器的情况下，IC芯片包括温度传感器头。对于此温度实施例而言，将传导涂层涂覆到心轴406以形成电极引线，并且在焊接过程之前将温度传感器404连接至这些引线。另外，涂覆保护性涂层408，并且将从温度传感器404开始的触点410焊接到电源线通信(PLC)芯片412上。此外，每个电池302绕有一对活性材料从而形成由电解质418分开和连接的电极414和416。如图4B中所示，在一个实施例中，电极414和416以基本上平坦的布置外部地卷绕在心轴406上，并且每个电极414和416连接到PLC芯片412的引线418a和418b中的一个上。如上所述，微传感器IC芯片也可以用作电压传感器、压力传感器或监控电池302的选择状态的任何其他所期望的传感器。

在一个示例性实施例中，电池302可以进一步包括阳极、阴极和聚合物电解质的组合，它们都卷绕在心轴406上。这三个部件的卷绕布置可以是凝胶卷或者是围绕心轴406卷绕的阳极、电解质和阴极的垂直堆叠的形式。替代地，阳极、电解质和阴极可以布置为围绕心轴406圆周地对齐的垂直带。因此，心轴406被提供为空心塑料管以便在部件布置过程开始时为电池302提供形状。

在另一个实施例中，可以将阳极、阴极和聚合物电解质都内部地布置在心轴406内。其内部布置可以是凝胶卷或者是都在心轴406的内表面中排成行的阳极、电解质和阴极的垂直堆叠的形式。替代地，阳极、电解质和阴极可以布置在心轴406的内表面上圆周地对齐的垂直带。

温度传感器可以由提供对温度改变的所需快速响应和在UESS蓄电池200的电池302内预期的温度范围内的稳健、线性电子信号响应的任何温度敏感材料形成，如图5B中所示。温度敏感材料使得温度传感器能够产生如期望地与温度线性的可重复响应。另外，温度敏感材料可以直接喷射或滴投到传感器电极上。一种此类材料是石墨烯，已知其对温度改变非常快速地起反应，由此为误用容限提供更多反应时间并且确保最佳的蓄电池性能。

如图5A中所示，其示出温度传感器头502的一个示例性实施例500，温度传感器404的一个工作原理是基于形成在漏极部件504与源极部件506之间的通道503，从而在温度材料片508通过热处理而部分地减少时变得打开，这导致温度传感器404的电阻随着变化的温度而改变。用于温度传感器404的此材料可以选择成具有以下优点特征：

·  大小——传感器的厚度如期望地小以易于封装，例如，约几纳米。

·  响应时间——传感器如期望地提供少于1微秒的传感器响应。实际上，响应时间由传感器主体的热质量和环境中的热改变的时间尺度限制。因此，确保了实时温度响应。

·  连接性——传感器可以通过喷射或浸涂直接涂覆到集成电极上，从而消除对诸如丝焊的笨重或易碎连接的需要。将传感器材料直接涂覆到电子器件上的能力对于此石墨烯应用来说是关键的独特之处。

·  集成——传感器可以更容易地集成在包括有限的空间和化学腐蚀性环境的挑战性应用中。

如上所述，温度传感器404联接到PLC芯片412。如图6中所示，数据通信链路602可以建立在PLC芯片412与蓄电池管理设备或系统604之间。包括电源线310的通信链路602可以包括UESS蓄电池200与系统604之间的有线连接或无线连接。如上所述，嵌入在心轴406中的IC芯片连接到电池302的正端子和负端子。电池端子也连接到电源线310，该电源线310为传感器404提供电力并且实现与系统604的通信。如图6中所示，IC芯片601包括联接到传感器404和电源线310的控制器606，并且配置成数字化传感器信号并且通过PLC芯片412将其传达到系统604。IC芯片601进一步包括用于执行和存储监控和控制指令的微处理单元610和存储器单元612。因此，在一个实施例中，IC芯片601配置成集成传感器404、监控器和控制器606以及通信协议608。因此，PLC芯片412用来将来自IC芯片606的数字化传感器信号传送到系统604。

PLC芯片412配置成经由电源线310通过模块化的数字信号提供电池管理数据。此外，可以使用具有高达6级的误差校正和保护的先进的误差消除算法，由此最小化发送错误数据的任何风险。系统604被配置成将模块化的信号解码成原始数据并且对其相应地进行处理。此故障容限方法可以校正对PLC芯片412的大范围的妨碍，包括脉冲噪声、连续音调噪声、相位失真以及电源线310上的多个收发器。PLC芯片412配置成为该推荐的的原位配置提供稳健且可靠的操作，包括同时使用串联接线的高达200个电池302。

如上所述，通信链路602可以包括UESS蓄电池200与系统604之间的无线通信。此无线通信可以通过将无线通信单元(未示出)连接到PLC芯片412以将模块化的数字信号无线传输到系统604来实现。无线通信单元可以是蓝牙通信单元或任何其他适合的数字通信单元。在一个实施例中，无线通信单元在密封地且永久性密封的UESS蓄电池200内部。

如果UESS蓄电池200包括锂离子电池，如本领域普通技术人员已知，锂离子蓄电池的操作要求稳健的热管理策略。初步实验结果建议使用集成到UESS蓄电池200中的热传导材料来增加热传导性。具有高热传导性的三种材料[氮化硼(BN)、石墨板和铜]已经如以下所附的表1中所示考虑。发现BN材料由于其组合了高热传导性、低密度以及易于处理的特性并且因为其可以作为填充物而容易地包含在UESS蓄电池202的聚合物基质中而优选。如表1中所示，关于热传导性性质，发现氮化硼基本上可与铜相比但是较轻，并且石墨在石墨片的平面中更具传导性但是整体传导性又受限于片之间的热传递。

TABLE 1

表1

如以上所提及，热管理是锂离子UESS蓄电池成功的关键。如本领域普通技术人员已知，锂离子蓄电池化学性质对于温度非常敏感。事实上，持续的10-15℃的温度增加可以将蓄电池寿命减少一半。另外，可能发生在锂离子蓄电池中的不均匀温度分布和局部热点造成可能需要UESS蓄电池概念中革新的技术挑战。如所配置，UESS蓄电池200与由独立电池组装而成的模块相比具有减小的散热区域，从而使得锂离子UESS蓄电池的热管理成为另一个显著挑战。解决这些挑战要求创新的热管理策略。

为了对UESS蓄电池开发出高效的热管理解决方案，可增加热传导性，识别热事件，并且减少热产生。UESS蓄电池技术通过消除或组合零件提供在能量、成本和零件数量方面胜过当前使用的技术的有竞争力的优势。基于许多小零件和复杂组装的当前锂离子制造工艺不能调整体积。UESS蓄电池技术用监控每个电池的温度的单个控制器取代电池监督控制器和轨迹板，并且用单个模块级整体容器取代多层容器。简单的设计还可以具有关于制造工艺的其他益处。因为UESS设计的简单性和模块性质，其可被用于作为多个定制蓄电池组设计的基础。这可以通过加强多个模块级的生产线来有助于流线化制造工艺。重要的是，此单个制造工艺可以支持近期车辆技术(诸如启停和微混合动力)以及对于多代车辆将不被实现的技术(诸如先进电动车辆)。UESS蓄电池技术与未来的蓄电池化学以及现有的制造技术完全兼容。用于UESS蓄电池的技术与汽车工业中已经存在的制造基础设施高度兼容。

如以上提及，IC芯片601包括微处理单元610和存储器单元612。此外，PLC芯片412还包括处理单元(未示出)和存储器单元(未示出)。每个处理单元可以实施在单个芯片上。例如，可以使用包括专用或嵌入式微处理器(uP)、微控制器(uC)或其任何组合的各种体系结构。每个存储器单元可以具有任何类型的现在已知或以后开发的存储器，包括但不限于易失性存储器(诸如RAM)、非易失性存储器(诸如ROM、闪存等)或其任何组合，其可以存储可以由例如处理单元访问和执行的软件。

现在接下来参照图7，流程图示出用于监控和控制具有原位微传感器并且容纳在整体蓄电池中的电化学电池的状态的示例性方法800，该方法在步骤701开始。在步骤702，控制器606被配置成监控预定的状态组。在步骤704，控制器606确定监控到的状态之一的值是否在对应的预定范围之外。在步骤706，以肯定方式，控制器606被配置成追踪一持续时间段，在该时间段内，识别出的状态值保持在对应的预定范围之外。随后，在步骤708，控制器606确定追踪的持续时间是否超出预定持续时间阈值。在步骤710，以肯定方式，控制器606触发指示具有识别出的状态的问题的信号的产生，并且将指示信号传达到蓄电池管理系统604。在步骤712，在接收到所产生的信号时，系统604确定缓解所识别出的状态的问题的适当动作，并且将所确定的动作传达到控制器606。在一个实施例中，系统604可以配置成产生消息并将消息发送给可能需要被通知整体蓄电池的状况或状态的用户。

在一些实施例中，所披露的方法可以实施为以机器可读格式编码在计算机可读存储媒体上的计算机程序指令。图8是示出示例性计算机程序产品800的概念部分图的示意图，其包括用于执行根据本文呈现的至少一些实施例布置的计算设备上的计算机过程的计算机程序。在一个实施例中，使用信号承载媒体801来提供计算机程序产品800。信号承载媒体801可以包括一个或多个编程指令802，所述指令在由处理单元执行时可以提供以上参照图7所描述的功能或功能的一部分。因此，例如，参照图8中所示的实施例，方框702至712中的一个或多个特征可以由与信号承载媒体801相关的一个或多个指令承担。

在一些实例中，信号承载媒体801可以涵盖永久计算机可读媒体803，诸如但不限于硬盘驱动、存储器等。在一些实施中，信号承载媒体801可以涵盖计算机可记录媒体804，诸如但不限于存储器、读/写(R/W)CD、R/W DVD等。在一些实施方式中，信号承载媒体801可以涵盖通信媒体805，诸如但不限于数字和/或模拟通信媒体(例如，光纤电缆、波导、有线通信链路等)。

虽然本文披露了各种方面和实施例，但是其他方面和实施例将对本领域技术人员显而易见。本文披露的各种方面和实施例是用于说明目的而非意欲限制，其真实范围和精神由以下权利要求连同这些权利要求享有的等同物的全部范围表明。还应理解，本文使用的技术是仅用于描述特定实施例的目的，而非意欲限制。

Claims (20)

1.一种蓄电池装置，其具有电化学电池，所述电池包括：

电绝缘空心心轴；

一对活性材料，其卷绕在所述心轴上，其中所述一对活性材料对应于由电解质连接和分开的阳极和阴极；以及

感应单元，其位于所述心轴内并且通过一对触点连接到所述一对活性材料，其中所述感应单元配置成监控所述电池的状态并且产生指示所感应到的状态的信号以传达到蓄电池管理单元。

2.如权利要求1所述的蓄电池装置，其中所述感应单元包括传感器头和微处理器单元，所述微处理器单元执行支持电子功能。

3.如权利要求1所述的蓄电池装置，其中被监控的状态包括温度水平和/或电压水平。

4.如权利要求1所述的蓄电池装置，其中所述一对活性材料和所述电解质以凝胶卷布置方式卷绕在所述心轴上。

5.如权利要求1所述的蓄电池装置，其进一步包括整体容器，所述整体容器配置成容纳多个电池，所述多个电池中的每一个基本上类似于所述电化学电池。

6.如权利要求5所述的蓄电池装置，其进一步包括用于密封所述整体容器的盖子。

7.如权利要求6所述的蓄电池装置，其中所述容器和盖子由可以承受与所述多个电化学电池相关的有机溶剂的至少一种材料制成。

8.如权利要求6所述的蓄电池装置，其进一步包括附着至所述盖子上的电源线，其中所述电源线被配置成当所述盖子密封所述壳体时连接到所述多个电池，并且其中所述电源线向其各自的感应单元提供电力。

9.如权利要求8所述的蓄电池装置，其中所述电源线被配置成将所述指示信号提供给通信单元，所述通信单元位于所述蓄电池装置内，并且其中所述通信单元被配置成将所述指示信号传输到所述蓄电池管理单元。

10.一种蓄电池装置，其具有电化学电池，所述电池包括：

电绝缘空心心轴；

一对活性材料，其卷绕在所述心轴上，其中所述一对活性材料对应于由电解质连接和分开的阳极和阴极；以及

通信单元，其配置成将指示所述电池的状态的信号无线地传输到蓄电池管理单元。

11.如权利要求10所述的蓄电池装置，其进一步包括整体容器，所述整体容器配置成容纳多个电池，所述多个电池中的每一个基本上类似于所述电化学电池。

12.如权利要求10所述的蓄电池装置，其进一步包括用于密封所述整体容器的盖子。

13.如权利要求11所述的蓄电池装置，其进一步包括附着至所述盖子上的电源线，其中所述电源线被配置成当所述盖子密封所述容器时电连接到所述多个电化学电池，并且向所述通信单元提供电力。

14.一种蓄电池装置，包括：

电化学电池，其包括：

电绝缘空心心轴；

卷绕在所述心轴上的一对活性材料，其中所述一对活性材料对应于由电解质连接和分开的阳极和阴极；

感应单元，其位于所述心轴内并且通过一对触点联接到所述一对活性材料，其中，所述感应单元配置成监控所述电池的状态并且产生指示所感应到的状态的信号以传达到蓄电池管理单元；以及

通信单元，其位于所述蓄电池装置内并且连接到所述感应单元，其中所述通信单元配置成将所述指示信号无线地传输到所述蓄电池管理单元。

15.如权利要求14所述的蓄电池装置，其进一步包括整体容器，所述整体容器配置成容纳多个电池，所述多个电池中的每一个基本上类似于所述电化学电池。

16.如权利要求15所述的蓄电池装置，其进一步包括用于密封所述整体容器的盖子。

17.如权利要求16所述的蓄电池装置，其进一步包括附着至所述盖子上的电源线，其中所述电源线被配置成当所述盖子密封所述容器时电连接到所述多个电化学电池，并且向所述通信单元和所述感应单元提供电力。

18.如权利要求16所述的蓄电池装置，其中所述容器和盖子由可以承受与所述多个电化学电池相关的有机溶剂的至少一种材料制成。

19.如权利要求14所述的蓄电池装置，其中所述感应单元包括传感器头和微处理器单元，所述微处理器单元执行支持电子功能。

20.如权利要求14所述的蓄电池装置，其中被监控的状态包括温度水平和/或电压水平。