CN106133949A - 具有可控外部散热装置的电池模块 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种具有可控外部散热装置(130)的电池模块(100)和操作所述电池模块的方法。根据本发明的方面，所述电池模块包括电池单元(110)、连接到所述电池单元的外部电路和控制所述外部电路的控制器。所述外部电路包括第一开关(SW1)和散热装置。若检测到在电池单元内的内部短路，控制器闭合第一开关以便在散热装置中生成热。

Description

具有可控外部散热装置的电池模块

技术领域

本发明涉及包括彼此连接的多个电池单元的电池模块。

背景技术

如果在电池单元之一中形成了内部短路，那么受影响的电池单元可能变得非常热，并可能被永久地损坏。进一步地，受影响的电池单元可能起火，并且火可能波及在电池模块内的其他电池单元，导致整个电池模块烧毁。

相关技术系统使用各种措施以确保内部短路不对车辆使用者或配备有电池模块的电子装置的用户造成重大安全威胁。例如，可以使用诸如热电偶之类的电子传感器来测量在电池模块内的每个电池单元的温度。如果电池单元之一的温度超过第一阈值，那么冷却电池模块，并且如果电池单元之一的温度超过高于第一阈值的第二阈值，那么关闭电池模块。然而，该方法需要昂贵的电子组件并可能需要在受影响的电池单元变得过热的情况下关闭整个电池模块。

作为另一个示例，可以使用简单的机械措施来在内部短路以及随后热失控(thermal runaway)的情况中确保电池模块的安全。在内部短路发生之后，由于在受影响的电池单元内生成的热而产生气体。为了防止不受控制的爆炸，可以使用断路器板(breakerplate)或排气口来引导气体远离其他电池单元。进一步地，可以断开电池模块与受影响的电池单元的连接。然而，仅当大部分热能已经被释放到电池单元中时断开受影响电池单元的连接，使得可能不能够防止电池单元的放热失控。

进一步地，由于对可能触发内部短路的潜在事件(诸如锂电镀和过度充电事件)的安全顾虑，因此限制了相关技术电池模块的充电状态窗口(state-of-charge window)。相应地，提供减小在电池单元内内部短路的影响的方法会是有利的。

发明内容

本发明的示例性实施例提供一种具有可控外部散热装置的电池模块和操作所述电池模块的方法。根据本发明的方面，提供了电池模块。所述电池模块包括电池单元；连接到电池单元的外部电路，其中所述外部电路包括第一开关和散热装置；和控制所述外部电路的控制器。如果检测到在电池单元内的内部短路，那么控制器闭合第一开关以便在散热装置中生成热。

如果电池单元的电压低于电压阈值，那么可以检测到内部短路。进一步地，可以基于电池单元的电流确认内部短路。

如果检测到内部短路，那么控制器可以将电池单元从在电池模块内的多个其他电池单元隔离开。如果检测到内部短路，那么控制器可以打开外部电路的第二开关以便中断到电池单元的母线电流(bus current)。进一步地，如果检测到内部短路，那么控制器可以中断到在电池模块内的多个其他电池单元的母线电流。

散热装置的电阻可以小于导致内部短路的枝晶(dendrite)的电阻。可替换地，散热装置的电阻可以近似等于或大于导致内部短路的枝晶的电阻。

在检测到内部短路之后，控制器可以将第一开关维持在闭合状态直到电池单元的温度低于温度阈值为止。在闭合第一开关之后，更多热被生成在散热装置中而不是在电池单元中。

根据本发明的另一个方面，提供了一种操作电池模块的方法。所述方法包括：检测在电池模块的电池单元内的内部短路，和闭合在连接到电池单元的外部电路内的第一开关，以便在外部电路内的散热装置中生成热。

如果电池单元的电压低于电压阈值，那么可以检测到内部短路。所述方法还可以包括基于电池单元的电流确认内部短路。

此外，所述方法还可以包括将电池单元从在电池模块内的多个其他电池单元隔离开。所述方法还可以包括打开在外部电路内的第二开关以便中断到电池单元的母线电流。进一步地，本方法还可以包括中断到在电池模块内的多个其他电池单元的母线电流。

散热装置的电阻可以小于导致内部短路的枝晶的电阻。可替换地，散热装置的电阻可以近似等于或大于导致内部短路的枝晶的电阻。

本方法还可以包括在检测到内部短路之后，将第一开关维持在闭合状态直到电池单元的温度低于温度阈值为止。在闭合第一开关之后，更多热被生成在散热装置中而不是在电池单元中。

还根据本发明的另一个方面，提供了一种非临时性计算机可读介质，其包括可以由处理器执行以使得处理器执行上述方法的计算机指令。

根据以下本发明的详细描述，结合附图考虑，本发明的其他目的、优点以及新特征将变得清楚。

附图说明

图1示出电池模块的示例性实施例的框图；

图2示出其中在电池单元内发生了内部短路，使得枝晶链接了阳极和阴极的示例性实施例；和

图3A和3B示出在内部短路期间、之前和之后电池单元特性的测量结果。

具体实施方式

图1示出电池模块的示例性实施例的框图。如图1中所示出的，电池模块100包括多个电池单元110，每个电池单元110配备有外部电路。例如，用于电动车辆的电池模块100可以包括数百或数千个电池单元110，而用于电动自行车的电池模块100可以包括少于100个的电池单元110。电池单元110可以是锂离子电池，或可以具有任何其他适当的化学组成。

如图1中所示出的，每个外部电路可以是DC/DC转换器，并可以包括第一开关SW₁、第二开关SW₂和第三开关SW₃，这些开关由相应的控制器(未示出)控制。每个外部电路还可以包括电感L和电容C。此外，每个外部电路可以包括测量相应电池单元110的电压的电压传感器V、测量相应电池单元110的温度的温度传感器T和测量相应电池单元110的电流的电流传感器A。从这些传感器产生的测量结果被输出到控制器。在典型操作模式中，第三开关SW₃持续闭合，而控制器控制第一开关SW₁和第二开关SW₂以在打开和闭合之间非常快速地交替，使得当第一开关SW₁打开时第二开关SW₂闭合，反之亦然。

图2示出其中在电池单元110之一内发生了内部短路的示例性实施例。例如，枝晶可以从电池单元110的阳极生长到阴极。该枝晶具有电流I_d流经的电阻R_d。电池单元110还具有内阻R_i，对于锂离子电池该内阻R_i典型地在1-20mΩ范围内，但是取决于电池单元110的尺寸、格式和具体的存储化学，内阻R_i可以更小或更大。枝晶电阻R_d通常远小于内阻R_i。如以下所进一步描述的，为了减小内部短路的影响，在电池单元110的外部提供具有电阻R_ex的散热装置130。电流I_ex流过该散热装置130。

图3A和3B示出在内部短路期间、之前和之后电池单元110特性的测量结果。图3A示出来自温度传感器T的温度测量结果，以及图3B示出来自电压传感器V的电压测量结果。在图3A和3B中，内部短路在t₀时刻开始。可以通过任何适当的方法检测内部短路。例如，如在图3B中所示出的，内部短路可以由电压快速跌落到低于阈值电压V_min的电压指示。阈值电压V_min可以被定义为绝对的值或在内部短路之前正常运行状态中电压的百分比。可以通过检查电池单元110的电流来核实内部短路的存在。内部短路可以触发在电流中的初始尖峰。在初始尖峰之后，电流变得接近零，并在内部短路持续期间保持接近零。相应地，可以通过测量接近零的电流来确认内部短路的存在。

图3A示出一旦内部短路在t₀时刻开始，电池单元110的温度就迅速升高。一检测到内部短路，控制器就通过闭合第一开关SW₁和第三开关SW₃来生成外部短路。控制器可以是处理器或简单的二极管-晶体管电路，其在电池电压跌落到低于阈值电压V_min的情况下闭合第一开关SW₁和第三开关SW₃。这导致至少一些热被生成在散热装置130中而不是在电池单元110中。控制器还可以打开第二开关SW₂以便中断到电池单元110的母线电流。控制器可以将所述开关维持在这种配置中直到电池单元110的温度落到低于温度阈值为止。温度阈值可以是任何适当的值，诸如在50℃和60℃之间，并可以取决于电池单元110的化学组成以及尺寸格式。

可以任何适当的方式确定散热装置130的电阻R_ex。例如，可以如下推导在散热装置130内生成的热P^L _ex与在电池单元110内生成的热P^L _Cell的比：

V_cell＝(Z_L+R_ex)·I_ex (1)

V_cell＝R_d·I_d (2)

此处，V_cell是电池单元110的电压以及Z_L是电感L的阻抗。在等式(1)中第二开关SW₂是打开的。

${P^L}_{ex}=I_{ex}\·V_{cell}=\frac{{V_{cell}}^2}{Z_L+R_{ex}}---\left(3\right)$

${P^L}_{Cell}=I_d\·V_{cell}=\frac{{V_{cell}}^2}{R_d}---\left(4\right)$

Z_L＝j_ω (5)

假定稳定状态响应，在等式(5)中频率ω接近零，使得电感L的阻抗Z_L接近零。相应地，等式(3)和等式(4)可以被如下求解：

$\frac{P_{ex}^L}{P_{Cell}^L}=\frac{R_d}{R_{ex}}---\left(6\right)$

枝晶的电阻R_d取决于各种因素，诸如电池单元110的化学组成。可以选择散热装置130的电阻R_ex使得在等式(6)中所示出的比接近1。在本实施例中，散热装置130的电阻R_ex被选择为近似等于枝晶的电阻R_d。可替换地，散热装置的130的电阻R_ex可被选择为小于枝晶的电阻R_d，以便在散热装置130中生成比在电池单元110中生成的热更多的热。然而，即使外部电阻R_ex大于枝晶的电阻R_d，与不具有这种措施的系统相比仍具有安全的优点，因为在内部短路情况中在电池单元110中将生成较少的热。

如以上所讨论的，当检测到内部短路时，控制器可以打开第二开关SW₂以便中断到电池单元110的母线电流。这将受影响的电池单元110从在电池模块100内的其他电池单元隔离开。如果由内部短路生成的热不太危险，那么可以允许其他电池单元继续运行。在这种情况下，配备有电池模块100的车辆或电子装置可以继续运行。另一方面，如果由内部短路生成的热并非小到足以保证安全，那么还可以中断到其他电池单元的母线电流，使得车辆或电子装置失去电力并停止运行。

通过减小在内部短路期间在电池单元内生成的热量，根据本发明的示例性实施例的电池模块可以阻止或减小电池单元热失控的风险。这减小在电池单元和电池模块中起火的风险，因此改善电池模块的安全性。此外，由于提升了电池模块的可靠性，因此可以扩大电池模块的充电状态窗口。

根据本发明的另一个示例性实施例，提供了编码有用于操作电池模块的计算机程序的非临时性计算机可读介质。本文使用的术语“计算机可读介质”意指参与提供用于执行的指令的任何介质。计算机可读介质的常见形式包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、任何其他光介质、穿孔卡片(punch card)、纸带、任何其他具有孔模式的物理介质、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒，和计算机可以读取的任何其他非临时性介质。

已经仅为了说明本发明而阐述前述公开，并非旨在限制本发明。由于对于本领域技术人员而言，可能出现包含本发明的精神和实质的所公开实施例的修改，因此应当将本发明理解为包括在所附权利要求及其等价物范围之内的所有内容。

Claims (20)

1.一种电池模块，包括：

电池单元；

连接到电池单元的外部电路，其中所述外部电路包括第一开关和散热装置；和

控制所述外部电路的控制器；以及

其中如果检测到在电池单元内的内部短路，那么控制器闭合第一开关以便在散热装置中生成热。

2.根据权利要求1所述的电池模块，其中如果电池单元的电压低于电压阈值，那么检测到内部短路。

3.根据权利要求2所述的电池模块，其中基于电池单元的电流确认内部短路。

4.根据权利要求1所述的电池模块，其中如果检测到内部短路，那么控制器将电池单元从在电池模块内的多个其他电池单元隔离开。

5.根据权利要求1所述的电池模块，其中如果检测到内部短路，那么控制器打开外部电路的第二开关以便中断到电池单元的母线电流。

6.根据权利要求5所述的电池模块，其中如果检测到内部短路，那么控制器中断到在电池模块内的多个其他电池单元的母线电流。

7.根据权利要求1所述的电池模块，其中散热装置的电阻小于导致内部短路的枝晶的电阻。

8.根据权利要求1所述的电池模块，其中散热装置的电阻近似等于或大于导致内部短路的枝晶的电阻。

9.根据权利要求1所述的电池模块，其中在检测到内部短路之后，控制器将第一开关维持在闭合状态直到电池单元的温度低于温度阈值为止。

10.根据权利要求1所述的电池模块，其中在闭合第一开关之后，更多热被生成在散热装置中而不是在电池单元中。

11.一种操作电池模块的方法，所述方法包括：

检测在电池模块的电池单元内的内部短路；和

闭合在连接到电池单元的外部电路内的第一开关以便在外部电路内的散热装置中生成热。

12.根据权利要求11所述的方法，其中如果电池单元的电压低于电压阈值，那么检测到内部短路。

13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括基于电池单元的电流确认内部短路。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将电池单元从在电池模块内的多个其他电池单元隔离开。

15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括打开在外部电路内的第二开关以便中断到电池单元的母线电流。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括中断到在电池模块内的多个其他电池单元的母线电流。

17.根据权利要求11所述的方法，其中散热装置的电阻小于导致内部短路的枝晶的电阻。

18.根据权利要求11所述的方法，其中散热装置的电阻近似等于或大于导致内部短路的枝晶的电阻。

19.根据权利要求11所述的方法，进一步包括在检测到内部短路之后，将第一开关维持在闭合状态，直到电池单元的温度低于温度阈值为止。

20.根据权利要求11所述的方法，其中在闭合第一开关之后，更多热被生成在散热装置中而不是在电池单元中。