CN104733791A - 用于防止电池过度充电的安全装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于防止电池过度充电的安全装置。该安全装置包括：电池组，包括多个电池单元；安全电路，连接至两个或更多电池单元并且设置有控制电传导的电传导控制单元；以及闭合电路，布置在连接至安全电路的电池单元之间并且设置有在电池单元膨胀时切换至接通或者断开的开关单元，使得当电池单元膨胀发生时，开关单元通过挤压力被切换至接通，禁用安全电路的电传导控制单元，因此电池单元之间的电传导通过开关单元建立，并且当电池单元膨胀再次发生时，开关单元被切换至断开，切断该电池单元之间的电传导。

Description

用于防止电池过度充电的安全装置

技术领域

本发明涉及一种用于防止电池过度充电的安全装置，尤其是涉及一种安全装置，其能够通过中断对电池组(battery stack)的电力供应防止由于电池过度充电引起的安全事故。

背景技术

近来，为了避免由使用化石燃料所引起的环境污染，对使用电力运行的环保车辆需求更旺，诸如，混合动力汽车。

环保车辆通常使用存储电能的电池。该电池需要具有较大的储存容量，使得该车辆可以使用电力运行。因此，中等或者大容量电池被用于环保车辆。

然而，因为中等或者大容量电池通常较大并较重，所以难以在车辆中安装中等或者大容量电池。因此，需要电池的小型化。近来，一种可以满足这样的需求的使用袋(pouch)的电池结构引起了人们注意。该使用袋的电池结构具有高电效率但是稳定性低。因此，需要一种可以保证安全的技术。

当使用这样的电池组的电池被过度充电时，电池遭受过热、电压上升以及膨胀，其中，电池由于有气体产生而被充气。因此，高压电池系统需要配备用于阻止过度充电的安全装置。当过度充电发生时，用于防止过度充电的安全装置阻断电流，以免发生热失控(thermal runaway)，由此防止电池系统的爆炸。

根据传统技术的用于防止过度充电的被动型安全装置使用电池单元(cell，电芯)膨胀时产生的充气压力(inflation pressure)。当电池单元膨胀足够推进(progresses)时，电池单元通过在端板中形成的开口充气(inflates)，并且最终电池单元转接头(cell tap)断裂。通过该过程，电流被阻断并且确保了安全。

为使该机制能够操作，在热失控发生之前电池单元需要大幅推进。当电池单元膨胀在热失控发生之前不能达到足够程度时，尽管该机制在热失控发生的同时开始操作，但是电池由于热失控仍可能发生爆炸。当产生气体的量不足时，电池单元转接头可能无法断裂。

作为防止电池过度充电的一种替代方法，存在一种主动切断继电器的主动型方法。

用于防止过度充电的主动型安全结构配备有用于检测电池单元或者开关的充气的传感器，并且当检测到电池单元充气时通过中断对继电器的电力供应来中断供给至电池系统的电流。

然而，当继电器短路时中断对继电器的电力供应的技术不能阻断电流的流动。在诸如意外事件的紧急情况下，主动型的防止过度充电的安全结构在电气/电子组件出现故障时，例如，当传感器或者开关故障时，难以确保安全。

一般来说，被动型防止过度充电的安全结构较主动型防止过度充电的安全结构更为可靠，因此需要改进被动型系统的技术。

上述仅旨在帮助对本发明背景部分的理解，并且并不旨在意味着本发明落入为本领域技术人员已知的现有技术的范围内。

发明内容

相应地，本发明涉及一种用于防止电池过度充电的安全装置，甚至是当由于归因于电池过度充电的电池单元膨胀发生时而产生的微量气体情况下，该安全装置能够准确地检测电池单元的充气，并且在检测到电池单元充气时断开充电电路的连接来确保电池的安全。

根据一个方面，用于防止电池过度充电的安全装置包括：电池组，包括多个电池单元；安全电路，连接至该电池组内的电池单元之中的两个或更多电池单元并且设置有被启用或禁用以控制电传导的电传导控制单元；以及闭合电路，布置在连接至安全电路的电池单元之间并且具有在电池单元膨胀时被切换至接通或断开的开关单元，其中，当电池单元膨胀发生时，开关单元通过挤压力被切换至接通，启用安全电路的电传导控制单元，因此电池单元之间的电传导通过开关单元建立，并且当电池单元膨胀再次发生时，该开关单元被切换至断开，切断电池单元之间的电传导。

开关单元可以布置在电池单元之间，该开关单元被连接至安全电路并且开关单元包括邻近连接的电池单元之中的第一电池单元的侧面的第一开关，以及邻近连接的电池单元之中的第二电池单元的侧面的第二开关，第二开关面对第一开关。

开关单元可以构造使得第一开关从第一电池单元的侧面朝向第二电池单元延伸，第二开关延伸以与第一开关对应，并且当第一和第二开关彼此相对地横向移动时，第二开关被插入到第一开关。

第一开关的远端可以设置有第一开关端子，第二开关的中间部分可以设置有第二开关端子，以及第一开关端子和第二开关端子可以进行彼此接触，使当电池单元膨胀发生时并且当第一和第二开关彼此相对地横向移动时在其之间产生电连接。

开关单元可以被构造使得在没有电池单元膨胀的正常状态中第二开关的端部保持插入到第一开关。

电池组可在连接闭合电路的电池单元之间具有安装间隔(installationspace，安装空间)，并且该开关单元被设置在安装间隔的中心部分中。

为安全电路设置的电传导控制单元可以是一种保险丝。

安全电路和闭合电路可以电连接到相同电池单元，对于安全电路，两个或更多电池单元和电传导控制单元可以彼此串联连接，并且对于闭合电路，安全电路和开关单元可以并联连接。

根据本发明的一个实施方式的用于防止电池过度充电的安全装置能够准确地检测电池单元的充气，甚至是由于电池过度充电引起的电池单元膨胀发生时产生的微量气体，并且通过断开充电电路连接确保电池的安全。

常规电池防止过度充电的装置在电池单元的背部具有允许电池单元充气的封装空间。因此，传统装置具有较大体积。另一方面，根据本发明的一个实施方式的安全装置可以实施在不需要封装空间的紧凑模块中。

因此，根据本发明的一个实施方式的安全装置能够增加电池系统每单位体积的能量密度，由此改善了采用本发明的安全装置的车辆的可销售性。

附图说明

从以下结合附图进行的细节说明中，本发明的以上和其他目标、特征和其他优点将变得更为显而易见。

图1是示出根据本发明的一个实施方式的用于防止电池过度充电的安全装置的示意图；

图2是示出图1中所示的用于防止电池过度充电的安全装置的操作状态的示意图；以及

图3至图5是示出图1中所示出的用于防止电池过度充电的安全装置的开关单元的示图。

具体实施方式

应当理解，本文中所使用的术语“车辆(vehicle)”或“车辆的(vehicular)”或其他类似术语包括广义的机动车辆，诸如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆的载客车辆；包括各种小船、海船的船只；航天器等；并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电混合电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，燃料来源于非汽油能源)，如本文所指，混合动力车辆是具有两种或以上动力源的车辆，例如，汽油动力和电动力车辆。

本文中所使用的措辞仅是为了描述特定实施方式而并不旨在对本发明进行限制。除非上下文另有明确说明，否则如本文中所使用的单数形式“一(a)”、“一(an)”及“该”也旨在包括复数形式。还应当理解，当术语“包括”和/或“包含”用于本说明书时，其描述了存在所述特征、整体、步骤、操作、元件及/或组件，但并不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件及/或其组合。作为本文中所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项的任何及所有组合。

将参考附图描述根据本发明优选实施方式的用于防止电池过度充电的安全装置。

图1是示出根据本发明的一个实施方式的用于防止电池过度充电的安全装置的示意图；图2是示出图1中所示出的用于防止电池过度充电的安全装置的操作状态的示意图；以及图3至图5是示出图1中所示出的用于防止电池过度充电的安全装置的开关单元的示图。

参考图1至图5，根据本发明的一个实施方式的用于防止电池过度充电的安全装置包括：由多个电池单元构成的电池组1000；安全电路200，连接至电池组1000内的多个电池单元之中的两个或更多电池单元并且设置有电传导控制单元220，该电传导控制电路被启用或禁用以控制电传导；以及闭合电路300，布置在连接至安全电路200的电池单元之间并且设置有开关单元320，当电池单元膨胀发生时该开关单元切换成接通或断开。

安全电路200和闭合电路300电连接到相同的电池单元100。对于安全电路200，两个或更多电池单元与电传导控制单元220串联连接。对于闭合电路300，安全电路200与开关单元320并联连接。

如在图1和图2中示出的，电池组1000包括彼此堆叠的多个电池单元100，并且电池单元100彼此串联连接。电池组1000通过功率继电器组件(PRA)10充电。在电池组1000中，电池单元100之中的两个或更多电池单元被连接到安全电路200。

总之，多个电池单元100彼此串联连接，并且多个电池单元100之中的两个或更多电池单元经由安全电路200彼此串联地电连接，使得连接的电池单元100之间的电传导经由安全电路200建立。安全电路200包括启用或禁用以控制电传导的电传导控制单元220。电传导控制单元220在电流流动至闭合电路300时阻断供给到安全电路200的电流。

为安全电路200而设的电传导控制单元220可以是保险丝，该保险丝在根据电池规格变化的适当电压熔断。

连接至安全电路200的电池单元100也被连接至闭合电路300。安全电路200和闭合电路300的开关单元320并联连接。闭合电路300设置有开关单元320，该开关单元在电池单元膨胀发生时通过归因于电池单元100的充气压力的物理力切换至接通或者断开。

当由于电池单元100过度充电使电池单元膨胀发生时，电池单元100充气以挤压开关单元320，使得开关单元320切换至接通。当开关单元320切换至接通时，电流流动到闭合电路300。

通过流动到闭合电路300的电流禁用电传导控制单元220。因此，到安全电路200的电传导被取消，并且电池单元100之间的电传导经由闭合电路300的开关单元320建立。

当在该状态中再次出现电池单元膨胀时，开关单元320被切换至断开，以切断电池单元100与闭合电路300之间的电传导。尤其是，电池单元100之间的电传导被切断，并且到电池组1000的电流被截断。

当电池单元膨胀出现时开关单元320选择性的允许电连接到安全电路200或者闭合电路300，在下文中对其详尽的描述。

如在图3中示出的，电池组1000设置有设置在连接至闭合电路300的电池单元100之间的安装间隔120。开关单元320可以被布置在安装间隔120的中部。开关单元320可以固定地安装在两个电池单元100之间，在此两个电池单元100之一将被称作第一电池单元100a，以及另一个电池单元将被称作第二电池单元100b。可替换地，开关单元320可以被实施成通过电池单元100的充气压力接通或者断开的分立器件。

因为开关单元320被布置在电池单元100之间，即，第一电池单元100a和第二电池单元100b之间，开关单元320通过归因于电池单元100膨胀的充气压力平稳的操作。当开关单元320被安装在设置在电池单元100之间的安装间隔120的中心时，开关单元能够准确对电池单元的充气做出响应并且根据电池单元的充气迅速的操作。

安装在电池组1000的安装间隔120中的开关单元320被布置在连接至安全电路200的第一电池单元100a与第二电池单元100b之间，并且包括邻近于第一电池单元100a的侧面的第一开关322，以及邻近于第二电池单元100b的侧面的第二开关324。第二开关324被设置成面对第一开关322。

开关单元320被设置在第一电池单元100a与第二电池单元100b之间，并且在电池单元膨胀发生时被第一电池单元100a和/或第二电池单元100b挤压。由于第一开关322布置在第一电池单元100a的侧面附近，并且第二开关324布置在第二电池单元100b的侧面附近并且面对第一开关322，所以第一开关322和第二开关324在电池单元膨胀时彼此接触，使得它们彼此电连接。

开关单元320被构造使得第一开关322从第一电池单元100a的侧面向着第二电池单元100b延伸，第二开关324从第二电池单元100b的侧面向着第一开关322延伸，并且当第一开关322和第二开关324朝向彼此横向移动时第二开关324被插入到第一开关322。

这样，当第一开关322和第二开关324朝向彼此延伸并朝向彼此横向移动时，使得第二开关324在电池单元膨胀时插入第一开关322，尽管电池单元100a和100b在电池单元膨胀时膨胀不同的体积，但因为第二开关324被插入到第一开关322，这可以防止开关被偏移到一侧。

例如，第一开关322可具有圆筒状，以及第二开关324可具有杆状，使得当横向移动时第二开关324可以被轻易地插入到第一开关322。这样，第一开关322和第二开关324在电池单元膨胀时彼此能够轻易地接触，由此平稳的切断电池组1000中的电传导。

较第一电池单元100a更靠近第二电池单元100b的第一开关322的远端设置有第一开关端子322a，以及第二开关324的中间部分设置有第二开关端子324b。当电池单元膨胀发生时，第一开关322和第二开关324以相对的方向横向移动，以便靠近彼此，使得第一开关端子322a和第二开关端子324彼此接触到并且彼此电连接。

在本发明的一个实施方式中，经电池单元膨胀，开关单元320由于电池单元充气被挤压，使得开关单元320能够被切换至接通。在这时候，安全电路200的电传导控制单元220被禁用，使得电池单元之间的电传导通过开关单元320建立。当电池单元膨胀再次出现时，开关单元320切换至断开，使得电池单元100之间的电传导被切断。

为此，开关单元320包括邻近于第一电池单元100a的第一开关322以及邻近于第二电池单元100b的第二开关324，并且第一开关322和第二开关324分别被设置有第一开关端子322a和第二开关端子324b，使得第一开关端子322a和第二开关单子324b能够彼此电接触。

第一开关端子322a被设置在第一开关322的远端，以及第二开关端子324被设置在第二开关324的中间部分。

具体地，如在图3中示出的，通常第一开关322和第二开关324在电池单元膨胀发生之前被设置成彼此面对，并且第一开关端子322a和第二开关端子324b在正常状态下彼此未电接触。

在正常情况下，电池单元100之间的电传导通过安全电路200的电传导控制单元220建立，并且开关单元230保持断开状态，此时电传导未经过开关单元230建立。

当电池单元100膨胀发生时，如在图4中示出的，由于电池单元100充气使得第一开关322和第二开关324向着彼此移动，使得被设置在第一开关322的端部的第一开关端子322a能够电连接到被设置在第二开关324的中间部分的第二开关端子324b。

当第一开关端子322a和第二开关端子324b彼此接触时，开关单元320被接通。当开关单元320接通时，电流流到闭合电路300。

这时，安全电路的电传导控制单元220被禁用，使得电流不能流向安全电路200，并且电池单元100之间的电传导通过开关单元320的动作而可以经由闭合电路300建立。

如在图5中示出的，在电池单元100之间的电传导通过闭合电路300建立的状态中，当电池单元膨胀再次出现时，第二开关324完全被插入到第一开关322，使得第一开关端子322a和第二开关端子324b彼此分开。

在这种情况下，开关单元320被切换至断开，使得电流不能流向闭合电路300并且电池单元100之间的电传导被切断。具体地，电流不能流向电池组1000。

如果电池单元膨胀不能从此状态进一步前进并且电池单元的充气压力减少时，第一开关322和第二开关324再次被分开，使得第一开关端子322a和第二开关端子324b能够再次彼此接触。然而，通常当电流在电池组中被切断时，控制燃料电池组的电池管理系统(BMS)中断对电池组的电力供应。相应地，尽管第一开关端子322a和第二开关端子324b再次彼此接触，通过BMS的控制避免了额外的电池单元膨胀。

开关单元320可以被构造使得在电池单元不发生膨胀的正常状态中，第二开关324的端部保持插入到第一开关322中。

当没有维持第二开关324的端部插入到第一开关322的状态时，在电池单元膨胀时，第一开关322和第二开关324在其端部相对对立(stand faceto face)或者彼此分开，使得他们之间不能构成电连接。

当第二开关324的端部插入到第一开关322的状态在正常状态中一直维持时，在电池单元膨胀时，第一开关322和第二开关324朝向彼此横向移动，它们能够平稳地电连接。

根据上面描述的本发明的一个实施方式的用于防止电池过度充电的安全装置能够准确地检测电池单元的充气，甚至是由于电池过度充电引起的电池单元膨胀发生时产生的微量气体，并且通过断开充电电路连接确保电池的安全。

此外，与需要具有允许电池的电池单元充气的封装空间，由此具有较大体积的常规电池防止过度充电的装置不同，根据本发明的一个实施方式的安全装置可以实施在紧凑的尺寸中，而无需这样的一种封装空间(packaging space)。

因此，根据本发明的一个实施方式的安全装置能够增加电池系统的每单位体积的能量密度，增强采用该安全装置的车辆的可销售性。

尽管仅用于说明性目的而描述了本发明所述的优选实施方式，但本领域中的技术人员应当理解，在不背离如所附权利要求所披露的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、附加和替代。

Claims (8)

1.一种用于防止电池过度充电的安全装置，所述安全装置包括：

电池组，包括多个电池单元；

安全电路，连接至所述电池组内的所述电池单元之中的两个或更多电池单元并且设置有被启用或禁用以控制电传导的电传导控制单元；以及

闭合电路，布置在连接至所述安全电路的所述电池单元之间，所述闭合电路包括在电池单元膨胀时被切换至接通或断开的开关单元，

其中，当所述电池单元膨胀发生时，所述开关单元由于挤压力而被切换至接通，禁用所述安全电路的所述电传导控制单元，从而所述电池单元之间的电传导经由所述开关单元建立，并且当电池单元膨胀再次发生时，所述开关单元被切换至断开，切断所述电池单元之间的电传导。

2.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述开关单元布置在连接至所述安全电路的所述电池单元之间，并且所述开关单元包括与连接的所述电池单元之中的第一电池单元的侧面邻近的第一开关以及与连接的所述电池单元之中的第二电池单元的侧面邻近的第二开关，所述第二开关面对所述第一开关。

3.根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述开关单元被构造使得所述第一开关从所述第一电池单元的侧面朝向所述第二电池单元延伸，所述第二开关延伸以对应于所述第一开关，并且当所述第一开关和所述第二开关朝向彼此地横向移动时所述第二开关被插入到所述第一开关中。

4.根据权利要求3所述的安全装置，其中，所述第一开关的远端设置有第一开关端子，所述第二开关的中间部分设置有第二开关端子，并且所述第一开关端子和所述第二开关端子进行彼此接触，使得当电池单元膨胀发生时并且当所述第一开关与所述第二开关朝向彼此地横向移动时在所述第一开关端子与所述第二开关端子之间电连接。

5.根据权利要求3所述的安全装置，其中，所述开关单元被构造使得在不存在电池单元膨胀的正常状态下所述第二开关的端部保持插入到所述第一开关中。

6.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述电池组在连接有所述闭合电路的所述电池单元之间具有安装间隔，并且所述开关单元布置在所述安装间隔的中心部分。

7.根据权利要求1所述的安全装置，其中，设置用于所述安全电路的所述电传导控制单元为保险丝。

8.根据权利要求1所述的安全装置，其中，所述安全电路和所述闭合电路电连接至相同的电池单元，对于所述安全电路，两个或更多电池单元与所述电传导控制单元彼此串联连接，并且对于所述闭合电路，所述安全电路与所述开关单元并联连接。