CN106663847A - 电池中区分短路的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于区分电池中的短路的系统，包括：一耦合到电池的检测器；一与所述检测器通信的监视器，所述监视器包括电池短路行为曲线和用于将来自所述检测器的数据与所述曲线匹配的比较器；以及用于根据来自所述检测器的信息采取动作的控制器。一种用于检测电池中的短路的方法，包括以下步骤：检测电池的行为；将所述电池的行为与预定的电池行为曲线进行比较；基于所述比较确定短路的类型；以及基于所述确定的短路类型采取缓解行动。该系统/方法可以监测：电池的温度、从电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降、和/或其组合。该系统/方法可以区分各种电池短路行为以采取积极响应或被动响应。

Description

电池中区分短路的系统和方法
相关的申请
本申请要求2014年6月30日提交的序列号为No.62/018,930的待审美国临时专利申请的优先权，通过引用将其并入本文。
技术领域
本发明涉及用于区分电池，特别是锂二次电池中的短路，和/或用于电池，特别是锂二次电池、安全系统、报警器等中的短路区分和/或响应的新的或改进的系统和/或方法。
背景技术
在先进的电池系统，例如锂电池系统中，短路是一个严重的问题，其可能导致以下后果：电池性能下降、电池故障、电池破裂等。短路是不仅电池用户，而且电池制造商和电池组件的供应商主要关注的问题。短路过程的原因和机理未被充分地理解。
发明内容
根据至少选定的实施方式，本发明涉及和/或可以解决上述问题或需要，和/或可以提供新的或改进的系统和/或方法用于区分电池，特别是锂二次电池中的短路，和/或用于区分和响应的安全系统、报警器等。
根据至少某些实施方式，一种用于区分电池中短路的系统包括：耦合到电池或电池单元的至少一检测器装置；一与所述检测器通信的监视器装置，所述监视器装置包括电池短路行为的至少一条曲线，以及一比较器装置用于将来自所述检测器装置的数据与所述曲线匹配；以及一控制器装置，根据来自检测器装置的信息采取行动。所述系统可监测：电池的温度、电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降、和/或前述项的组合。所述系统可以区分各种电池短路行为以采取积极响应或被动响应。
根据至少某些选定的实施方式，一种用于检测、监测和对电池或电池单元中的短路做出反应的方法包括以下步骤：检测电池的行为；将所述电池的行为与至少一个预定的电池行为曲线进行比较；根据所述比较确定短路的类型；以及根据确定的短路类型采取特定的缓解动作。该方法可以包括以下步骤以监测：电池的温度、从电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降和/或其组合。该方法还可以包括区分各种电池短路行为以确定和指示做出积极响应或被动响应的步骤。
所述电池可以是以下至少一种：电池、电池单元、电池组、系统、模块(耦合在一起的多个电池)、大包(耦合在一起的多个模块)、二次(可再充电)电池、锂电池、锂一次电池、锂二次电池、锂二次电池单元、聚合物电池、凝胶电池、锂离子电池、锂金属电池、锂合金电池、锂空气电池、离子传输颗粒为锂离子的任何电池、能量存储装置、蓄电池、电容器、CE、EV、ESS或BESS电池、电池单元、系统或电池组，或其组合。
根据至少某些实施方式，一种用于区分电池中的短路的系统包括：一耦合到电池的检测器；一与所述检测器通信的监视器，所述监视器包括电池短路行为的曲线，以及一用于将来自所述检测器的数据与所述曲线匹配的比较器；以及一控制器，根据来自所述检测器的信息采取行动。一种用于检测电池中的短路的方法，包括以下步骤：检测电池的行为；将所述电池的行为与预定的电池行为曲线进行比较；基于所述比较确定短路的类型；以及基于所确定的结果采取缓解动作。该系统/方法可以监测：电池的温度、从电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降、和/或其组合。该系统/方法对各种电池短路行为进行区分以采取积极响应或被动响应。
附图说明
为了说明本发明至少示例性的实施方式，本发明的方面或目的，在附图中显示了目前优选的形式；然而，应当理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。
图1是本发明(系统)的实施例的示意图。
图2是显示本发明的实施例(方法)的流程图。
图3A-H是电池短路的各种类别(或类型)的示意图。
图4是显示当电池具有未涂覆的隔膜时的一些类型的短路，在短路(短路点)温度对时间的短路曲线(或行为)。
图5是显示当电池具有未涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池温度(平均)对时间的短路曲线(或行为)。
图6是显示当电池具有未涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池两端的电压降对时间的短路曲线(或行为)。
图7是显示当电池具有未涂覆和涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池两端的电压降对时间的短路曲线(或行为)。
图8是显示当电池具有未涂覆和涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池温度(短路点)对时间的短路曲线(或行为)。
图9是显示当电池具有未涂覆和涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池温度(平均)对时间的短路曲线(或行为)。
图10是显示当电池具有未涂覆和涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池两端的电压降对时间的短路曲线(或行为)。
图11是显示当电池具有未涂覆和涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池温度(短路点)对时间的短路曲线(或行为)。
图12是显示当电池具有未涂覆和涂覆的隔膜时的一些类型的短路，电池温度(平均)对时间的短路曲线(或行为)。
发明描述
参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，在图1中显示了本发明的一个实施例，用于至少区分(或预测)电池中的短路的系统10。系统10与电池B通信(或连接到电池B或与电池B耦合)。
电池B可以是任何类型的电池。如本文所使用的，电池可以被理解为包括：单个电池单元，模块(耦合在一起的多个电池)和/或组件(耦合在一起的多个模块)。电池B可以是任何类型的二次(可再充电)电池。在一个优选实施例中，电池B可以是锂二次电池或电池单元。为了简化下述讨论，电池将被称为锂(Li)电池，然而，应当理解，本发明不限于此。除非另有说明，本文所使用的阳极(-)(负极板或电极)和阴极(+)(正极板或电极)是指电池的放电状态。电池的材料可以是任何常规的电池材料。本文所使用的阳极是指任何常规的阳极材料。本文所用的阴极是指任何常规的阴极材料。《Handbook of Batteries》(再版，Linden,D.著，McGraw-Hill纽约公司，纽约(1995))、《Handbook of Battery Materials》(Besenhard,J.O.著，Wiley-VCH，纽约(1999))和《Battery Separators》(Arora,P和Zhang,Z.著，Chem.Rev.，2004,104,4419-4462)中关于常规的阳极和阴极材料的描述均通过引用并入本文。对于锂二次电池，参见：Linden，同上，第36章；Besenhard，同上，第三部分，第3-10章；以及Arora和Zhang，通过引用将其全部并入本文。
在一个实施例中，用于区分(或预测)电池中的短路的系统10通常包括：耦合到电池B的检测装置(检测器)12；与检测装置(检测器)12通信的监控装置(监控器)14，监控装置(监控器)14包括电池短路行为曲线(置于存储装置16中)，以及比较器18以将来自检测器12的数据和存储装置16中的所述曲线比较；以及根据来自检测装置的信息采取动作的控制逻辑装置(控制器)20。系统10可以可选地包括与系统10通信的动作或响应生成器22(如所示与控制逻辑装置20通信)。
为了更好地理解本发明，下面将讨论操作的前提(或理论)，但是本发明不受此前提(或理论)的约束。如上述背景技术部分所述，在电池，例如锂二次电池中的短路未被充分理解。经过广泛研究，已经确定电池短路可以通过各种物理属性(或特性或行为)分组(或表征或区分)。这些属性可以是短路在其发展过程中的物理特性，和/或短路的结果(或后果)。通过区分各种类型的短路(例如测量参数作为时间的函数)，可以解决和/或改善电池安全性和/或性能，对短路的响应，限制对某些短路的响应和/或提高对其他短路的响应，和/或其组合。
为了说明前述内容，参考图3A-H。图3A-H列出或显示了短路的几种示例性类型(或组或类别)。已经针对锂二次电池开发了图3A-H中列出的示例性短路，但是类似的组可以涉及或被创建用于其它类型的电池或能量存储装置(电池、电池单元、模块、电池组、蓄电池、电容器、CE、EV、ESS或BESS系统或电池组，和/或类似物。
图3A是阴极集电器(在Li电池中，其可以是铝(Al)膜)和阳极之间的短路。该短路可以被称为内部短路和/或硬短路。这个短路可能会产生大量的能量。这可能是一个危险的短路。
图3B是阴极集电器(在Li电池中，其可以是铝(Al)膜)和阳极的端部之间的短路。该短路可以称为外部短路和/或硬短路。这个短路可能会产生大量的能量。这可能是一个危险的短路。
图3C是阴极集电器(在Li电池中，其可以是铝(Al)膜)和阳极集电器(在Li电池中，其可以是铜(Cu)膜)之间的短路。该短路可被称为内部短路和/或硬短路。这个短路可能会产生大量的能量。这可能是一个危险的短路。
图3D是阴极集电器(在Li电池中，其可以是铝(Al)膜)的一端和阳极集电器(在Li电池中，其可以是铜(Cu)膜)的端部之间的短路。该短路可以称为外部短路和/或硬短路。这个短路可能会产生大量的能量。这可能是一个危险的短路。
图3E是阴极和阳极集电器之间的短路(在Li电池中，其可以是铜(Cu)膜)。该短路可以被称为内部短路和/或硬短路。该短路可以产生较少量的能量(与图3A-D中提到的短路相比)。这可以是较不危险的短路(与图3A-D中所述的短路相比)。
图3F是阴极和阳极集电器(在Li电池中，其可以是铜(Cu)膜)的边缘之间的短路。该短路可以被称为内部短路和/或硬短路。该短路可以产生较少量的能量(与图3A-D中提到的短路相比)。这可以是较不危险的短路(与图3A-D中所述的短路相比)。
图3G是阴极和阳极之间的短路。该短路可以被称为内部短路和/或硬短路。该短路可以产生较少量的能量(与图3A-D中提到的短路相比)。这可以是较不危险的短路(与图3A-D中所述的短路相比)。
图3H是阴极和阳极之间的短路。该短路可以被称为内部短路和/或软短路。这种短路经常发生在相对健康的电池中。这种短路可以被认为是更不危险或不危险。
另一种类型的短路(图3A-H中未显示)是阴极的边缘和阳极的边缘之间的短路，以下称为3I。
对于识别的几种类型的短路，可以研究它们的行为(或电池短路行为的曲线)并建模(经验地或数学地)。可在电池操作时测量的外部参数包括但不限于：温度、能量(例如，热)、电压、电流、电阻及其组合。温度可以指短路(短路点)的位置(或点)处的温度，或者温度可以指电池或电池单元的温度(平均值)。这些外部参数可以作为例如时间和/或温度的函数来测量。这些参数的分析可以以任何常规方式完成。例如，可以用电压表测量电压降(例如，伏特)(优选作为时间的函数)。可以用电流表测量电流(例如，安培)(优选作为时间的函数)。电阻(例如，欧姆)可以用欧姆表测量(优选地作为时间的函数)。温度(例如,℃)可以用温度计测量(优选作为时间的函数)。温度测量可以用放置在电池内部或外部的热电偶或传感器和/或用热图像扫描仪(优选用于测量电池的内部温度)来测量。热产生(例如，卡)可以用量热计测量(优选作为时间的函数)。基于这些外部参数，可以形成电池短路行为曲线。
在图4-12中显示了代表性曲线的示例。关于图4-12，基膜或未涂覆的隔膜是指在膜的外表面上没有任何陶瓷填充涂层的微孔膜，涂覆的或涂覆的隔膜是指在膜的至少一个或两个外表面上具有陶瓷涂层的微孔膜。参考前面的讨论来确定图4-12中涉及的短路类型。图4显示了各种短路类型(3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3I)的温度(短路点)作为时间的函数的短路曲线。图5显示了各种短路类型(3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3I)的温度(平均)作为时间的函数的短路曲线。图6显示了各种短路类型(3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3I)的电压作为时间的函数的短路曲线。图7显示了各种未涂覆和涂覆(-c)隔膜的短路类型(3A、3C、3E、3G)的电压降作为时间的函数的短路c曲线图。图8显示了各种未涂覆和涂覆(-c)隔膜的短路类型(3A、3C、3E、3G)的温度(短路点)作为时间的函数的短路曲线。图9显示了各种未涂覆和涂覆(-c)隔膜的短路类型(3A、3C、3E、3G)的温度(平均)作为时间函数的短路曲线。图10显示了各种未涂覆和涂覆(-c)隔离器的短路类型(3B、3D、3F、3I)的电压降作为时间函数的短路曲线。图11显示了未涂覆和涂覆(-c)隔膜的各种短路类型(3B、3D、3F、3I)的温度(短路点)作为时间的函数的短路曲线。图12显示了未涂覆和涂覆(-c)隔膜的各种短路类型(3B、3D、3F、3I)的温度(平均)作为时间的函数的短路曲线。
每种短路将形成一个独特的曲线，将一种短路与另一种短路区分开。此外，这些短路行为可以在数学上表示或在“查找”表中定义，用于随后在本发明的系统和/或方法中使用。
这些短路中的每一种都可能在电池中产生后果，但是后果可能不同。有些后果可能比其他后果更严重或没那么严重。换句话说，有些短路可能需要立即动作(积极响应)，而其他短路可能不需要立即动作，或根本不需要动作(被动响应)。积极的或被动的响应可以是任何被认为适合于短路后果的响应。积极的响应可以包括但不限于：清空内部(电池不能被挽救)否则电池将燃烧，或者弹出电池，或者快速冷却电池。被动响应可以包括但不限于：尽早检查电池(没有即时危险)。本发明的系统或方法可以是建筑物安全或消防安全系统、电池或电池单元的安全装置，例如但不限于电池或电池组电气和/或冷却开关、关闭分离器、陶瓷涂覆的分离器、HTMI分离器和/或类似物的一部分和/或与其他的安全装置协同工作。
如上所述，系统10通常包括：检测装置(检测器)12；具有电池短路行为的曲线(设置于存储装置16中)的监控装置(监控器)14，以及比较器18；和控制逻辑装置(控制器)20。系统10可以可选地包括与系统10通信的动作或警报发生器(致动器)22。
检测装置(检测器)12与电池B通信。检测装置12可以包括用于单独和/或作为时间和/或温度函数来测量温度、能量(例如热)、电压、电流和/或电阻的传感器。关于电池操作(或行为)的信息由检测器12捕获并且被传送到监控装置14。
监视装置(监视器)14通常包括存储装置16和比较器18。存储装置16(其可以在监视器14中或系统10中的其他位置)用于保持各种电池短路行为的预定曲线。这些曲线可以以数学公式或“查找”表的形式存储。比较器18用于将来自检测器12的信息与存储在存储装置16中的曲线进行比较。当比较器18确定来自检测器12的信息和存储装置16中的曲线之间存在匹配时，将消息发送到控制逻辑装置(控制器)20。
控制逻辑装置(控制器)20确定应采取何种响应，如果有的话，以减轻或解决短路问题。对于每个短路合适的预定响应可以存储在控制器20(或系统10中的其他位置)。当收到来自监视器14的消息时，控制器20查找预定响应。适当地，控制器20可以向动作发生器(致动器)22发送消息或指令。
动作发生器(致动器)22是执行缓解响应的装置。致动器可以是例如：警报器(例如，克拉克斯灯或警告灯)、切断开关、冷却剂和/或骤冷系统、防护装置(例如以隔离面临风险的电池)，和/或类似的装置。
在图2所示的流程图中显示了对电池中的短路进行检测和缓解的方法100。用于检测电池中的短路的方法100通常包括以下步骤：检测102电池的行为；将电池的行为与预定电池行为曲线进行比较104；根据所述比较的结果确定106短路的类型；并基于该预测采取缓解动作108。这些步骤的细节对应于上面讨论的系统10。
上述系统10/方法100可用于各种应用，包括但不限于：实验室、测试设施、报警系统、电池控制系统、车辆(汽车、飞机、火车等)、能量存储系统、智能电网、家庭能量存储系统等。
根据至少选定的实施方式、方面或目的，本发明涉及/或可以解决上述问题或需要，和/或可以提供用于区分电池，特别是锂二次电池中的短路，和/或用于电池，特别是锂二次电池、安全系统、报警器等中的短路区分和/或响应的新的或改进的系统和/或方法。
根据至少某些实施方式、方面或目的，一种用于区分电池中短路的系统包括：耦合到电池或电池单元的至少一检测器装置；与所述检测器通信的一监视器装置，所述监视器装置包括至少一电池短路行为曲线，以及一比较器装置用于将来自所述检测器装置的数据与所述曲线匹配；以及一控制器装置，根据来自检测器装置的信息采取行动。所述系统可监测：电池的温度、从电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降，和/或前述项的组合。所述系统可以区分各种电池短路行为，并据此指令采取积极响应或被动响应。
根据至少某些选定的实施方式、方面或目的，一种用于检测、监测和对电池或电池单元中的短路做出反应的方法包括以下步骤：检测电池的行为；将所述电池的行为与至少一个预定的电池行为曲线进行比较；基于所述比较确定短路的类型；以及根据该确定的短路类型采取特定的缓解动作。该方法可以包括以下步骤以监测：电池的温度、从电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降和/或其组合。该方法还可以包括区分各种电池短路行为以确定和指示做出积极响应或较被动的响应的步骤。
根据至少某些实施方式、方面或目的，一种用于区分电池中的短路的系统包括：耦合到电池的检测器；与所述检测器通信的监视器，所述监视器包括电池短路行为的曲线，以及用于将来自所述检测器的数据与所述曲线匹配的比较器；以及用于根据来自所述检测器的信息采取动作的控制器。一种用于检测电池中的短路的方法，包括以下步骤：检测电池的行为；将所述电池的行为与预定的电池行为曲线进行比较；根据所述比较确定短路的类型；以及根据所确定的结果采取缓解动作。该系统/方法可以监测：电池的温度、从电池产生的热量、通过电池的电流、电池两端的电压降和/或其组合。该系统/方法对各种电池短路行为进行区分以采取积极响应或被动响应。
在不脱离本发明的精神和本质属性的情况下，本发明可以以其他形式实施，因此，应当参考所附权利要求书，而不是限于前述说明书和附图来确定本发明的范围。

Claims (12)

1.一种用于区分电池中的短路的系统，包括：
耦合到所述电池的检测器；
与所述检测器通信的监视器，所述监视器包括至少一电池短路行为曲线，和一用于将来自所述检测器的数据与所述曲线进行匹配的比较器；以及
控制器，其根据来自检测器的信息采取行动。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测器监测所述电池的温度、所述电池产生的热量、通过所述电池的电流、所述电池两端的电压降、以及它们的组合。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监视器包含各种电池短路行为的多个曲线。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器辨别各种电池短路行为，以采取主动响应或被动响应。
5.如权利要求1所述的系统，用于：实验室、测试设施、报警系统、电池控制系统、车辆、能量存储系统、智能电网、和/或家庭能量存储系统。
6.一种用于检测电池中的短路的方法，包括以下步骤：
检测所述电池的行为；
将所述电池的行为与预定的电池行为曲线进行比较；
基于所述比较确定短路的类型；以及
基于所述确定的结果，采取缓解行动。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述行为包括所述电池产生的热量、通过所述电池的电流、所述电池两端的电压降、以及它们的组合。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电池行为曲线包括各种电池短路行为的多个曲线。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述缓解行动为积极响应和/或被动响应。
10.如权利要求6所述的方法，用于：实验室、测试设施、报警系统、电池控制系统、车辆、能量存储系统、智能电网、和/或家庭能量存储系统。
11.一种基于电池中的短路的区分和缓解系统，包括：
耦合到所述电池的检测器装置；
与所述检测器通信的监视器装置，所述监视器装置包括至少一电池短路行为曲线，以及用于将来自所述检测器装置的数据与所述曲线进行匹配的比较器装置；
控制器装置，用于根据来自检测器的信息发送指令或采取行动；以及
可选致动器装置，用于根据来自控制器装置的指令采取动作。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述电池是以下至少一种：电池、电池单元、电池组、系统、模块(耦合在一起的多个单元)、大包(耦合在一起的多个模块)、二次(可再充电)电池、锂二次电池、锂二次电池单元、聚合物电池、凝胶电池、锂离子电池、能量存储装置、蓄电池、电容器、CE、EV、ESS或BESS电池、电池单元、系统或组件，或它们的组合。
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