CN104541385A - 电池组件的动态压力控制 - Google Patents

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Abstract

操作包括一个或多个可充电电池单元的电池组件包括：监测所述电池单元的一个或多个操作参数；以及至少部分地基于监测到的一个或多个操作参数对施加至所述一个或多个电池单元的压力进行动态控制。

Description

电池组件的动态压力控制
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年6月11日提交的美国申请第13/493592号的优先权，其内容通过引用的方式并入本文。
技术背景
诸如锂离子电池等高性能可充电电池广泛用于电动车辆。影响这类电池的性能的一个操作特性在于在电池组件内的电池单元所经受的压力。一些电池组件包括：使用在堆叠内的电池单元上维持相对恒定压力的结构而压缩的电池单元的堆叠。在不具有金属外罩的袋装电池单元的情况下，这也为电池单元提供了所需的支持。选择该压力从而实现电池的最佳性能并且该压力通常由电池单元制造商规定。例如，对于一些具有约14-20Ah容量的电池单元，推荐压力约为35-50kPa。在一些情况下，由制造商规定的压力设计为防止在使用期间电池单元发生分层。
发明内容
在一个方面，通常，一种操作包括一个或多个可充电电池单元的电池组件的方法，其包括：监测所述电池单元的一个或多个操作参数；以及至少部分地基于监测到的一个或多个操作参数对施加至所述一个或多个电池单元的压力进行动态控制。
方面可包括一个或多个以下特征。
所述电池组件包括多个可充电电池单元，以及其中，对压力进行动态控制涉及对施加至所述多个电池单元的压力进行动态控制。
对所述压力进行动态控制包括：根据监测到的一个或多个操作参数对施加至所述多个电池单元的所述压力进行控制。
所述方法进一步包括：通过使冷却剂在相邻电池单元之间流动来冷却所述电池单元。
对所述压力进行动态控制包括：对在相邻电池单元之间流动的所述冷却剂的压力进行调节。
对在相邻电池单元之间流动的所述冷却剂的压力进行调节包括：改变在相邻电池单元之间流动的所述冷却剂的流速。
对所述压力进行动态控制包括：向所述电池单元施加偏压并且相对于所述偏压对施加至所述多个电池单元的压力进行调节。
至少一个所述操作参数为充电速率、电荷状态或所述电池的温度。
至少一个所述操作参数为充电速率。
监测所述一个或多个操作参数包括：监测在所述电池单元充电期间至少一个所述操作参数的变化。
所述方法进一步包括：检测在所述电池组件内的冷却剂区域的容积的变化。
在另一方面，通常，一种设备，其包括：一个或多个可充电电池单元；至少一个传感器，其配置为监测所述电池单元的一个或多个操作参数；以及压力控制系统，其配置为：至少部分地基于监测到的一个或多个操作参数对施加至所述一个或多个电池单元的压力进行动态控制。
方面可包括一个或多个以下特征：
所述一个或多个可充电电池单元为多个电池单元。
所述压力控制系统配置为根据监测到的一个或多个操作参数对施加至所述多个电池单元的所述压力进行控制。
所述压力控制系统包括：具有所述多个电池单元的刚性壳体，所述多个电池单元包含在所述刚性壳体内；以及压力调节器，其配置为调节施加至所述多个电池单元的压力从而控制施加至所述多个电池单元的压力。
所述压力控制系统进一步包括：配置为监测施加至所述多个电池单元的压力的一个或多个压力传感器。
所述压力控制系统进一步包括：配置为从所述一个或多个压力传感器接收输入并且向所述压力调节器提供调节信号的控制电路系统。
所述设备进一步包括：包括在所述多个电池单元之间交错的多个冷却剂流板的冷却剂系统。
所述压力调节器配置为：对流经所述多个冷却剂流板的冷却剂的压力进行调节从而对施加至所述多个电池单元中的所述电池单元的压力进行调节。
所述压力调节器包括用于使冷却剂流经所述多个冷却剂流板的泵，以及其中，所述压力调节器配置为：改变流经所述多个冷却剂流板的所述冷却剂的流速从而调节施加至所述多个电池单元的所述压力。
至少一个所述操作参数为充电速率、电荷状态或所述电池的温度。
至少一个所述操作参数为充电速率，以及其中，所述压力控制系统配置为：根据所述充电速率对施加至所述多个电池单元的压力进行动态控制。
所述设备进一步包括：用于检测在所述电池组件内的冷却剂区域的容积的变化的传感器。
所述传感器包括膜片或活塞
方面可具有一个或多个以下优点：
如上面所提及的，一些电池组件包括：使用在堆叠内的电池单元上维持相对恒定压力的结构而压缩的电池单元的堆叠。(见，例如，标题为“AMulti-Cell Battery Assembly”的U.S.S.N.13/445458，其以引用的方式并入本文。)可通过在电池单元的操作期间(例如，在充电和/或放电期间)对施加至电池单元的压力进行动态控制来提高可充电电池单元的性能和/或寿命。例如，在超快充电期间增加施加至电池单元的压力有助于防止分层或对电池单元的损坏。对于可经受每500个周期膨胀5-10％的锂离子袋装电池单元，该机构还可防止电池单元超压。作为安装的一部分，在袋装电池单元中，还需要使应力和弯曲度最小化。在电池单元袋之上的电池压力还应是均匀的，这可利用压力控制系统实现。将压力控制系统的部分并入用于电池组件的冷却剂系统中提高了在堆叠内和在各个电池单元的表面上均匀控制施加至不同电池单元的压力的能力。由于无论怎样都需要冷却剂系统，所以，压力控制系统可利用冷却剂系统的特征来有效地完成两个目标(压力控制和温度控制)。在一些操作环境下，诸如在电动车辆中，由于例如快速加速或快速制动，电池可能会意外经受高负载。这类高负载可能会生成大电流，由于锂离子电池的内部电阻，电流又可能会引起锂离子电池单元的明显升温。可通过在包含对一些生成的热量进行散热的冷却剂流的电池单元之间进行分层交错来控制电池的温度。在锂离子电池的情况下，例如，实现有效操作需要在具体范围内对电池单元进行操作。在大于约40℃的操作温度下，电池的使用寿命可能会大幅减小。另外，在多芯电池中的电池单元之间的温度梯度不应大于约5-10℃。交错的流板限定了平行流动通道的阵列，冷却剂通过平行流动通道传递，以相对于偏压冷却电池单元并且控制施加至电池单元的压力。冷却剂被限制在流板限定出的流动通道内，由此不与电池单元直接接触。
对压力和容积的变化的监测还实现了对电池单元袋中的气体积聚的早期检测和对故障的预防。
本发明的其他特征和优点通过以下说明和权利要求变得显而易见。
附图说明
图1是电池组件的框图；
图2A是电池组件的辅助图；
图2B是图2A所示电池组件的横截面图；
图3图示了用于图2A和图2B的电池组件的扁平或棱柱形电池单元；
图4示出了用于图2A和图2B的电池组件的波状流板的一个部分的侧视图；
图5A和图5B分别示出了组成图2A和图2B的电池组件的歧管的盖板和背板的前后视图。
具体实施方式
参考图1，电池组件10包括电池堆叠12，电池堆叠12在各自的相邻电池单元对之间包括大量具有压力层(未示出)的电池单元14。在堆叠两端处的刚性端板在堆叠12内的电池单元14上施加一定的最小压力。压力层配置为改变厚度以便改变施加至电池单元14的压力大小。在所描述的实施例中，压力层为用于包含冷却剂流体流的冷却剂流板，如下面更详细地描述的，冷却剂流体流同时用于冷却电池单元以及改变流板的厚度。
电池组件10包括用于控制施加至电池单元14的压力控制系统。压力控制系统使用压力调节器16来实际上调节压力层的厚度，从而对施加至在堆叠12内的电池单元14的压力进行相应调节。压力调节器16可为各种类型。例如，其可包括使冷却剂流经在电池单元14之间的流板的齿轮传动的容积泵。该泵配置为防止通过泵回流，即，其仅允许冷却剂在一个方向上流经流板。通过该单向流动，实现了施加稳定的偏压。通过控制泵将冷却剂的流速调整在高于或低于默认单向流速的特定范围内，压力调节器16可相对于偏压调整由流板施加在电池单元14上的压力。为此，存在约束从电池组件流出来的流体的流动的限制器，以增强泵控制在电池组件内的压力的有效性。
一种不使用泵速来控制压力的替代方法涉及对整个冷却剂系统加压。根据该方法，冷却剂系统为闭合的加压系统。泵在预定速率下运行从而实现有效地冷却，并且提供单独的机构来调节冷却剂的压力。例如，与冷却剂接触的致动器控制型膜片或活塞可用于调节施加至冷却剂的压力。这具有将冷却功能(或流速)与压力控制功能隔开的优点。
压力控制系统还包括基于从一个或多个压力传感器20和一个或多个操作传感器22接收到的输入对压力调节器16进行控制的控制模块18。控制模块18包括执行控制程序的电路系统(例如，数字电路系统和/或模拟电路系统)，该控制程序确保压力调节器16在电池堆叠12的范围内基于电池单元14的一个或多个预定操作参数对压力进行调节。一个或多个压力传感器20可分布在整个电池堆叠12上(例如，在压力层与电池单元之间)。压力传感器20可包括，例如，应变仪或响应于所施加的力生成电子信号的其他类型的换能器。将来自压力传感器20的电子输出信号提供给控制模块18，控制模块18监测由传感器20感测到的压力从而确定电池堆叠12中的压力调节器16和压力层向电池单元14施加多少压力。
控制模块18还从一个或多个操作传感器22接收输入从而监测一个或多个操作参数。基于该监测，控制模块18对压力调节器16施加至电池单元14的压力进行控制。在某些实施例中，控制模块18根据一个或多个操作参数对压力进行调整。例如，在某些实施例中使用的一个操作参数为电池单元14的充电速率，其中，根据编程到控制模块18的电路系统中的公式，当充电速率增加时，压力增加。控制模块18根据充电速率改变压力，例如，根据限定了适用于充电速率测量值的特定值或特定范围的压力的特定目标值的公式。具体说明如何根据特定操作参数调整压力的精确函数关系取决于正在使用的特定电池单元并且可凭经验确定。控制模块18包括存储用于描绘正在实施的函数关系的特征的代码和/或参数的存储器或存储装置。可影响施加至电池单元的压力并且由此还将表示在函数关系中的另一操作参数为电池单元温度，电池单元温度可通过使用同样位于电池单元的堆叠内的温度传感器测量。
在存在应适用于测量得到的操作参数的特定值的特定目标压力的情境示例是当使用例如快速充电协议由电源30对电池组件充电，诸如2011年10月21日提交的标题为“Apparatus and Method for Rapidly ChargingBatteries”的U.S.S.N.13/278963(公开号2012/0098481)中所描述的，其通过引用的方式并入本文。在该示例中，操作传感器22测量充电速率。存在充电速率阈值，该充电速率阈值识别出一个点，超出该点，会损坏电池单元并且会缩短电池单元的寿命。该阈值根据诸如电荷状态、充电速率、电池单元温度和施加至电池单元的压力等各种参数而有所变化。在快速充电期间，充电速率应刚好低于该阈值。在充电过程期间通过改变在电池单元上的压力，在不对电池单元的寿命或可靠性产生负面影响的情况下，可增加阈值并且可在更高的充电速率下对电池单元充电。由此，通过调节在快速充电期间施加至电池单元的压力，可更进一步减少充满电池单元所需的时间。
参考图2A和图2B，电池组件10的示例性实施例为液冷多单元电池组件100。电池组件100包括16个由两个矩形端板104a和104b夹在一起的可充电锂离子电池单元102的堆叠。在其四个角均具有孔的端板104a和104b安装在四个杆127上，各个杆127穿过两个端板104a和104b中的每个端板104a和104b中的相应孔。在各个杆127的各端上具有防止各个端板滑动超出距另一端板的预定距离的止挡结构130。由杆保持在一起的端板形成将压力按压并且施加在电池单元的堆叠上的刚性壳体。电池单元102的堆叠包含在电池组件100内。在图2A中，只有其延伸通过楔形母线板110的正端子和负端子108a和108b可见。母线板110保持母线夹，母线夹组成使电池单元的端子电互连的母线。
在图示的实施例中，压力调节器和冷却剂系统都利用了在电池单元之间的流板来支持冷却剂流动并且将压力施加至相邻电池单元。冷却剂由位于电池单元102的堆叠的相对侧上的两个歧管112a和112b传递至流板和从流板传来。各个歧管112a和112b包括由两排螺栓118固定在一起的盖板114和背板116。通过输入端口102a引入一个歧管112a的冷却剂在组件中的电池单元102之间流动并将其冷却，并且在另一侧上由具有相应出口端口120b的另一歧管112b收集起来。电池组件100还包括实施在电路板124上的电路系统中的控制模块，电路板124安装在母线板110上，母线板110包括控制模块18的电路系统和耦合来自操作传感器22的信号并且管理电池组件100的操作(包括在使用期间的充电、放电和平衡电池单元102)所需的任何电路系统。
图3示出了包含在电池组件100内的其中一个电池单元102。在该示例中，电池单元102为具有扁平的、薄的几何形状的分层聚合物袋(也称为“棱柱形电池”)。两个端子108a(正端子)和108b(负端子)从电池单元袋的一端的边缘出来。棱柱形电池单元可从多种来源购得。棱柱形电池单元的标称操作参数千差万别。但操作参数的一些典型值可能为：输出电压为标称3.3伏；以及容量为14-20Ah。对于棱柱形电池单元的最佳运行，在运行期间施加的压缩压力应在特定范围内(例如，约35-50kPa)。
再次参考图2B，图2B示出了电池组件100的内部结构的横截面。在歧管112a和112b中，盖板116和背板114限定出用于接收流经流板的冷却剂的内部腔117。参考图5A和5B，盖板116的内表面凹陷，该表面以恒定梯度从外位置向入口/出口端口120a/b逐渐变细。当组装歧管112a时，背板114在面向盖板116的一侧上还包括凹陷区126。在凹陷区126内的壁上，存在通过背板114等距间隔隔开的插槽128的阵列。流板的阵列(此处提供的是波状流板160)在两个歧管112a/b之间延伸，从而将在电池单元之间的冷却剂从一个歧管112a送至另一歧管112b。
参考图4，各个波状流板160均具有通过使一个片材连接至另一片材的等距间隔隔开的平行肋164的阵列而彼此隔开的两个不透液侧片材162。肋的阵列形成在流板内部在一个方向上延伸的平行通道166的阵列，冷却剂从平行通道166的阵列流过。当置于压缩力下时，肋164防止流动片材倒塌。不透水侧片材162是柔性的并且将响应于增加的冷却剂压力向外膨胀由此将向电池单元施加可变压力。在所描述的实施例中，波状流板是由厚度约为2mm的挤压聚丙烯聚合物制成的可从市场购得的CoroplastTM片材，也可购到其他厚度的片材，例如，2-10mm。
再次参考图2B、图5A和图5B，流板160适配到在两个歧管112a/b的背板中的插槽128中，各个插槽128中均设置有一个流板160。插槽128的大小设计为使流板160紧密适配到插槽中。流板160定向为使在流板160内的通道126从一个歧管延伸至另一歧管。流板160从在背板114中的插槽128穿过并延伸到在歧管112内限定的腔117中。在歧管112的内部，沿在流板160与背板114之间的插槽128存在环氧树脂密封168，该环氧树脂密封168防止冷却剂漏到电池组件内部的区域中，在这些区域中，冷却剂会接触到电池单元。各个插槽128在位于歧管内的一侧上具有锥形入口并且在相对侧上具有另一更小的锥形入口(图中不可见)。在组装期间，更小的锥体使流板160更容易插入插槽128中。当通过将环氧树脂引到锥形区域中并且提供用于形成密封的更大表面区域来施加环氧树脂时，在内部的更大锥体有助于在流板160与背板114之间进行更好地密封。
由盖板116的内表面形成的腔117的倾斜上壁用于减少或防止柯恩达效应，柯恩达效应可导致在流板内的许多流动通道中的一些流动通道不支持流动并且包含停滞的流体/冷却剂。
流板之间的隔开提供了在组装期间供电池单元插入的空间。在流板之间的距离是可选的以便为电池单元提供适贴配合。这使由端板提供的压缩力能够有效地分布在整个电池单元的堆叠上并且当电池组件组装好时所有电池单元均处于偏压下，从而，在操作(例如，充电或放电)期间，压力调节器将能够将压力调节为高于或低于该偏压。在背板116的内部，存在形成在背板116的周长周围的通道142。该通道142接收柔性O型圈(未示出)，当用螺栓将盖板114固定到背板116上时，O型圈形成密封。
电池单元102设置在电池组件100内，交替定向，即，背对背、面对面。通过交替地定向电池单元102，如果第一电池单元的正端子将在右侧，那么第二电池单元(即，在堆叠中的第二电池单元)的负端子将在右侧，第三电池单元的正端子将在右侧，以此类推。由此，当电源或装置的接口上电时，便能够将一个电池单元的负端子与邻近电池单元的正端子电连接。这样，接口的端子夹将电池单元串联地电连接，从而使具有N个电池单元的电池组件的总输出电压是单个电池单元的电压的N倍(例如，3.3N伏)。
针对电池组件的各个部分，可以使用各种材料。在某些实施例中，端板104a和104b由铝制成，而歧管112a和112b以及底盖由ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)或聚丙烯制成，以及环氧胶粘剂是来自3M的DP 100Plus。冷却剂可以是水或为由3M购得的电绝缘冷却剂FluorinertTM。当然，对于可使用的这些材料，存在许多其他市售的可接受的替代材料。另外，电池组件可具有任何数量的电池单元，这取决于应用对于输出电压的要求。此外，可使用除本文所描述的端板和杆之外的机构来提供刚性壳体，从而利用最小偏压压缩电池单元和流板的交错堆叠。
另外，除了波状结构之外的流板也是可能的。因为CoroplastTM流板可从市场购得、廉价并且具有特别适于本应用的特性，所以CoroplastTM流板特别方便。然而，还存在设计和制备流板的其他方法。例如，可通过在不透水材料的两个扁平片材之间键合“波浪形”片材来构建波状板。由此产生的结构看起来更像波状纸板。
上面提及的作为控制压力的一种方式的活塞或膜片还提供了一种用于监测电池单元的健康的机构。一种电池单元故障模式涉及：由于在电池单元袋内生成了气体，所以电池单元袋膨胀。理想的是，在该故障模式发生时能够检测出来，从而可采取纠正措施。电池单元袋的膨胀挤压冷却剂流板并且将冷却剂挤出电池组件。这又使活塞和/或膜片向外移动。活塞和/或膜片的向外移动可由位置传感器检测到并且将提供该故障机制的指示。实际上，运动传感器检测由故障电池单元袋的膨胀所导致的在电池组件内的冷却剂系统的容积减小。
要理解，前述说明旨在图示而非限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定。其他实施例包括在以下权利要求书的范围内。

Claims (24)

1.一种操作包括一个或多个可充电电池单元的电池组件的方法，所述方法包括：
监测所述电池单元的一个或多个操作参数；以及
至少部分地基于监测到的一个或多个操作参数对施加至所述一个或多个电池单元的压力进行动态控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池组件包括多个可充电电池单元，以及其中，对压力进行动态控制涉及对施加至所述多个电池单元的压力进行动态控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述压力进行动态控制包括：根据监测到的一个或多个操作参数对施加至所述多个电池单元的所述压力进行控制。
4.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：通过使冷却剂在相邻电池单元之间流动来冷却所述电池单元。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对所述压力进行动态控制包括：对在相邻电池单元之间流动的所述冷却剂的压力进行调节。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，对在相邻电池单元之间流动的所述冷却剂的压力进行调节包括：改变在相邻电池单元之间流动的所述冷却剂的流速。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，对所述压力进行动态控制包括：向所述电池单元施加偏压并且相对于所述偏压对施加至所述多个电池单元的压力进行调节。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，至少一个所述操作参数为充电速率、电荷状态或所述单元的温度。
9.根据权利要求2所述的方法，其中，至少一个所述操作参数为充电速率。
10.根据权利要求2所述的方法，其中，监测所述一个或多个操作参数包括：监测在所述电池单元充电期间至少一个所述操作参数的变化。
11.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括：检测在所述电池组件内的冷却剂区域的容积的变化。
12.一种设备，其包括：
一个或多个可充电电池单元；
至少一个传感器，其配置为监测所述电池单元的一个或多个操作参数；以及
压力控制系统，其配置为：至少部分地基于监测到的一个或多个操作参数对施加至所述一个或多个电池单元的压力进行动态控制。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述一个或多个可充电电池单元为多个电池单元。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述压力控制系统配置为：根据监测到的一个或多个操作参数对施加至所述多个电池单元的所述压力进行控制。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述压力控制系统包括：
具有所述多个电池单元的刚性外壳，所述多个电池单元包含在所述刚性外壳内；以及
压力调节器，其配置为调节施加至所述多个电池单元的压力从而控制施加至所述多个电池单元的压力。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述压力控制系统进一步包括：配置为监测施加至所述多个电池单元的压力的一个或多个压力传感器。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述压力控制系统进一步包括：配置为从所述一个或多个压力传感器接收输入并且向所述压力调节器提供调节信号的控制电路系统。
18.根据权利要求13所述的设备，其进一步包括：包括在所述多个电池单元之间交错的多个冷却剂流板的冷却剂系统。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述压力调节器配置为：对流经所述多个冷却剂流板的冷却剂的压力进行调节从而对施加至所述多个电池单元中的所述电池单元的压力进行调节。
20.根据权利要求18所述的设备，其中，所述压力调节器包括用于使冷却剂流经所述多个冷却剂流板的泵，以及其中，所述压力调节器配置为：改变流经所述多个冷却剂流板的所述冷却剂的流速从而调节施加至所述多个电池单元的所述压力。
21.根据权利要求13所述的设备，其中，至少一个所述操作参数为充电速率、电荷状态或所述电池单元的温度。
22.根据权利要求13所述的设备，其中，至少一个所述操作参数为充电速率，以及其中，所述压力控制系统配置为：根据所述充电速率对施加至所述多个电池单元的压力进行动态控制。
23.根据权利要求13所述的设备，其进一步包括：用于检测在所述电池组件内的冷却剂区域的容积的变化的传感器。
24.根据权利要求23所述的设备，其中，所述传感器包括膜片或活塞。
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