CN107394296A - 灵敏的基于应变的电池单元荷电状态和健康状态监测 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及灵敏的基于应变的电池单元荷电状态和健康状态监测。公开了电池包和SOC监测系统。电池包可包括相邻的第一电池单元和第二电池单元以及布置在第一电池单元和第二电池单元之间的应变计。应力集中件可布置在应变计与第一电池单元和第二电池单元中的一个之间。应力集中件可具有接触应变计的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面的面积可不大于所述第二表面的面积。可存在三个或更多个相邻的电池单元以及两个或更多个应变计和应力集中件。控制器可以与应变计通信并被配置为接收来自应变计的应变数据。应变数据可用于确定电池单元或电池包的荷电状态(SOC)和/或健康状态(SOH)。

Description

灵敏的基于应变的电池单元荷电状态和健康状态监测
技术领域
本公开涉及灵敏的基于应变的电池单元(例如，锂离子电池单元)荷电状态(SOC)监测。
背景技术
诸如锂离子(Li离子)电池的可再充电或二次电池可在许多应用中使用。电动车辆(EV)和混合动力电动车辆可使用锂离子电池为车辆提供一些或全部的推进力。因此，知道在电池或电池包中储存了多少能量是很重要的。为了提供可靠的“燃料”里程和/或行驶里程估计，锂离子电池包需要精确的荷电状态(SOC)监测。通常，使用库伦积分或电池单元电压测量来执行SOC监测。库伦积分(或库伦计数)通常涉及将测量的流入或流出电池的电流进行积分或合计(aggregate)以给出其电荷的相对值。在电压方法中，基于测量的电池电压并使用电压-SOC的关系曲线或表格来确定SOC。然而，这些方法中的每个可能会受到不同的限制和不准确性的影响。
发明内容
在至少一个实施例中，提供一种电池包。所述电池包可包括：相邻的第一电池单元和第二电池单元；应变计，布置在第一电池单元和第二电池单元之间；应力集中件，布置在应变计与第一电池单元和第二电池单元中的一个之间，所述应力集中件具有接触应变计的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面的面积不大于所述第二表面的面积。
所述第二表面的面积与所述第一表面的面积的比率可以至少为2:1、5:1或25:1。与所述第二表面相邻的电池单元壁的面积与所述第一表面的面积的比率的范围可以为从10:1至50000:1。在一个实施例中，应力集中件的长轴的长度等于或小于应变计的长度或宽度。所述电池包可包括布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应变计之间的间隔件。在一个实施例中，所述间隔件可直接布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应力集中件的第二表面之间。在另一实施例中，所述间隔件可直接布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应变计之间。在一个实施例中，应力集中件可以是三棱柱、截头三棱柱、矩形棱柱、球体或圆柱体。
在至少一个实施例中，提供一种电池包。所述电池包可包括：相邻的第一电池单元、第二电池单元和第三电池单元；应变计，布置在第一电池单元和第二电池单元之间；应力集中件，布置在应变计与第一电池单元和第二电池单元中的一个之间，所述应力集中件具有与应变计接触的第一表面和与第一表面相对的第二表面，第一表面的面积小于第二表面的面积。
所述第二表面的面积与所述第一表面的面积的比率可以至少为5:1。所述电池包可包括布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应变计之间的间隔件。第二应变计可布置在第二电池单元和第三电池单元之间。第二应力集中件可布置在第二应变计与第二电池单元和第三电池单元中的一个之间。所述电池包可包括至少六个相邻的电池单元和多个应变计，每个应变计可布置在所述至少六个相邻的电池单元中的两个之间。电池单元的数量与应变计的数量的比率可以至少为2:1或5:1。
在至少一个实施例中，提供一种基于应变的荷电状态(SOC)监测系统。所述系统可包括：相邻的第一电池单元和第二电池单元；应变计和应力集中件，布置在第一电池单元和第二电池单元之间；所述应力集中件具有接触应变计的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积；控制器，与所述应变计通信并被配置为接收来自所述应变计的应变数据。
所述系统可包括至少五个相邻的电池单元和多个应变计。每个应变计可布置在所述至少五个相邻的电池单元中的两个之间并与控制器通信。所述控制器可被配置为将所述应变数据与存储的校准曲线或校准表进行比较。在另一实施例中，所述控制器可被配置为基于所述应变数据估计电池SOC，并基于根据压力的应变数据监测电池单元退化。
附图说明
图1是根据实施例的可再充电电池单元的示意性截面图；
图2是根据实施例的包括多个电池单元的电池单元模块的透视图；
图3是根据实施例的包括多个电池单元和布置在电池单元之间的多个应变计的电池单元模块的分解透视图；
图4是示出根据实施例的布置在两个相邻的电池单元之间的应变计和应力集中件的分解透视图；
图5是示出根据实施例的布置在两个相邻的电池单元之间的应变计和应力集中件的端视图；
图6是示出根据另一实施例的布置在两个相邻的电池单元之间的应变计和应力集中件的端视图；
图7是示出根据实施例的布置在两个相邻的电池单元之间的应变计和两个应力集中件的端视图；
图8A、8B、8C和8D分别为包括第一三棱柱和第二三棱柱的应力集中件以及具有弯曲边缘和截头三棱柱的应力集中件的多个实施例的透视图；
图9是根据实施例的基于应变的荷电状态(SOC)监测系统的示意图；
图10是连接到微处理器以分析电池单元的变形或压力的应变计的示意图。
具体实施方式
根据需要，在此公开本发明的详细实施例，然而，应理解的是，公开的实施例仅是可以以各种和可替代的形式实施的本发明的示例。附图不一定按比例绘出；一些特征可被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被理解为限制，而仅作为用于教导本领域的技术人员不同地实施本发明的代表性基础。
参照图1，示出了可以是二次电池或可再充电电池(例如，锂离子电池)的典型的电池或电池单元10。电池10包括负电极(阳极)12、正电极(阴极)14、隔膜16以及设置在电极12、14与隔膜16内的电解质18。然而，根据电池类型或构造，电池10可以包括额外的组件或者可以不需要所有的示出的组件。此外，集流器20可以设置在阳极12和阴极14中的一者或两者上。在至少一个实施例中，集流器20是金属或金属箔。在一个实施例中，集流器20由铝或铜形成。其他适合的金属箔的示例可以包括但不限于不锈钢、镍、金或钛。图1中示出的电池10是单个电池单元的示意图，然而，电池包可包括多个电池单元。电池包内的电池单元可被分组到较小的单元中，诸如模块、阵列或其它子组。
锂离子电池阳极活性材料可以由诸如石墨(天然的、人造的或表面改性天然的)、硬碳、软碳或富集Si/Sn的石墨的碳质材料形成。也可以使用诸如钛酸锂氧化物(LTO)、硅和硅复合物、锂金属和镍氧化物(NiO)的非碳质活性材料。锂离子电池阴极活性材料可以包括锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、锂锰尖晶石氧化物(Mn尖晶石或LMO)、磷酸锂铁(LFP)及其衍生物(混有锂的金属磷酸盐(LFMP))、硫或硫基材料(例如，硫-碳复合物)。此外，可以使用这些材料中的任何的两种或更多种的混合物。这些电极活性材料仅是示例，然而，可以使用本领域已知的任何电极材料。锂离子电池通常包括液体电解质，液体电解质可以包括锂盐和有机溶剂。锂盐的示例可包括LiPF6、LiBF4或LiClO4。适合的有机溶剂可包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)或它们的混合物。锂离子电池隔膜可以由任何适合的离子导电的电绝缘材料(例如，聚烯烃(例如聚乙烯或聚丙烯))形成。
如上所述，确定锂离子电池的SOC的典型方法包括库伦积分或电池单元电压测量。库伦积分方法可能会受到与电流传感器相关联的误差的影响。由于电压-SOC关系的中间区间是平坦的(例如，即使SOC改变，电压也不会显著变化)，所以电池单元电压测量在操作范围的中间附近对锂离子化学特别具有挑战性。因此，不包括这些缺点的用于确定电池SOC的额外方法可替代或补充所述典型方法。
在至少一个实施例中，公开了灵敏的基于应变的监测SOC的方法。该方法可包括使用一个或更多个应变计来监测电池包中一个或更多个电池单元的膨胀和收缩。可再充电电池(例如，锂离子电池)的充电和放电可使电池单元中的电极膨胀和收缩。例如，在阳极充电(例如，电池单元充电)时，锂离子电池的阳极(例如，由石墨形成)可膨胀大约10％。在阴极充电(例如，电池单元放电)时，锂离子电池的阴极(例如，由NMC形成)可膨胀大约3％。与电极的收缩和膨胀相关联的应力可以使电池单元鼓胀或变形。这种电池单元变形可以为使用一个或更多个应变计进行电池SOC监测提供机会。
参照图2和图3，示出了包括多个电池单元32的电池模块30。电池模块30还可称为电池组(battery group)或电池阵列。电池包可以包括一个或更多个电池模块30。在示出的实施例中，电池单元32是棱柱形电池单元，然而，电池模块30可包括其它电池单元类型，诸如袋状电池单元。在图2中，电池单元32紧密地堆叠在一起，类似于完整电池模块中的布置。在图3中，以分解或间隔开的布置示出了电池32。间隔件或分隔件34可布置在相邻的电池单元32之间。在图3中仅示出了位于中部和后部的电池单元32之间的单个间隔件34，然而，间隔件34可以布置在每对相邻的电池单元32之间。间隔件34的面积可等于或类似于相邻的电池单元壁的面积。间隔件34可以是用于分隔开电池单元32的任何适合的材料或结构，并可允许空气或流体在电池单元之间流动以冷却。
在至少一个实施例中，应变计36可以布置在电池模块30中的两个相邻的电池单元32之间。如果电池单元32是具有相对的相对较大的壁38的棱柱形电池单元，则电池单元32可被构造在电池模块30内，使得一个电池单元32的大壁38与(除了电池模块30的两端处的电池单元以外的)另一电池单元32的大壁38直接相邻。在一个实施例中，应变计36可以布置在两个直接相邻的电池单元32(例如，如图3中所示)的两个直接相邻的大壁38之间。应变计36可附连到直接相邻的电池单元32中的任何一个(例如，在壁38上)。如果间隔件34存在于两个直接相邻的电池单元32之间，则应变计36可附连到与电池单元32的壁38平行的间隔件34的表面40上或附连到电池单元32中的一个的壁38。应变计36可使用任何适合的方式(例如，使用粘合剂(诸如，氰基丙烯酸酯粘合剂或环氧粘合剂)附连到电池单元32或间隔件34。
参照图4，示出了基于应变的SOC监测系统的分解透视图。为便于查看，图4中的部件相对于图3旋转，使电池单元32竖直地间隔开。在图4中示出的实施例中，间隔件34布置在两个直接相邻的电池单元32之间。应变计36设置在一个电池单元32和间隔件34之间。在图4中示出的实施例中，SOC监测系统中包括应力集中件42。在示出的实施例中，应力集中件42布置在应变计36与间隔件34之间，然而，如果应变计36附连到间隔件34，则应力集中件42可以布置在应变计36与电池单元32之间。
与电池单元壁相比，应力集中件较小，但应力集中件可具有适于将局部力施加到应变计的敏感元件上的尺寸。应力集中件可捕获通过整个电池单元壁面积上的电池单元膨胀产生的力并将相当部分的力传递到对应于应变计敏感元件表面的小面积，从而使应力集中。因此，假设由于电池单元膨胀而产生力F，在没有应力集中件的情况下施加到应变计的面积上的每单位面积的力(或应力)为σcw＝F/Acw，其中，Acw是电池单元壁的被施加力的面积。应力σcw在Acw上是均匀的。相比之下，使用公开的应力集中件，施加在应变计上的应力取决于应力集中件的面积Asc并通过σsc＝F/Asc得出，其中，Asc<<Acw，理想化地假设所有的力都被传递到应力集中件。因此，从原理上来说，由于系数Acw/Asc，所以应力σsc比在没有应力集中件的情况下产生的σcw大。实际上，由于诸如电池单元组件(电池单元壁、间隔件、集中件)的变形的因素，集中系数可能不正好是Acw/Asc，但可以与该量成比例。
在至少一个实施例中，应力集中件42可被构造为集中或放大施加在应变计36上的应力或压力。应力集中件42可具有被构造为接触电池单元32的壁38或间隔件34的表面40的第一表面44和被构造为接触应变计36的第二表面46。在一个实施例中，第一表面44的面积可以大于第二表面46的面积。然而，在另一实施例中，第一表面和第二表面可具有相等或类似的面积。因此，施加到第一表面44的力可使第二表面46在应变计36上施加更大的应力或压力。因此，当电池单元32由于充电或放电而变形时，通过变形的力而施加到应变计36的应力可被集中或放大，这可放大应变计36的电阻响应。应变计36的放大的电阻响应可允许应变计36对电池单元壁的小变形更加灵敏，这可进而允许在电池单元膨胀和收缩时更精确地监测电池单元32和/或整个电池模块30的SOC。
应变计36可以是能够检测电池单元32的壁38的应变的任何装置。在至少一个实施例中，应变计可以是如图4中所示的基于电阻的应变计。这些应变计可以根据电导率取决于导体的几何形状的原理进行操作。如果电导体被弹性拉伸，则其变得更窄且更长，这增加其电阻。或者，如果导体被压缩，则其变得更宽且更短，这减小其电阻。因此，通过测量应变计的电阻，可确定应变的量并且可以推断出诱发的应力。应变计可包括呈蛇形或之字形(zig-zag)图案的平行线的长而薄的导电条48。所述平行线可允许平行线的取向方向上的少量应力在导体的有效长度上引起放大的应变测量。
参照图5至图7，示出了灵敏的基于应变的监测SOC的方法的多个实施例。以端视图示出了两个电池单元32，其中，间隔件34布置在电池单元之间。在图5中示出的示例中，应变计36附连到电池单元32，应力集中件42布置在电池单元32和间隔件34之间，其中，第一表面(较大的表面)44接触间隔件34并且第二表面(较小的表面)46接触应变计36。在图6中示出的示例中，应变计36附连到间隔件34并且应力集中件42的取向相反，使得第一表面(较大的表面)44接触电池单元32并且第二表面(较小的表面)46接触应变计36。
在图7中示出的实施例中，基于应变的SOC监测系统包括被构造为接触应变计36的两个应力集中件42。例如，应力集中件42可在第一表(较大的表面)44处附连到电池单元32和相对的间隔件34，并且每个第二表面(较小的表面)46可被构造为接触应变计36。通过具有使应变计36上的压力放大的两个应力集中件42，应变计36甚至可以对电池模块30中的电池单元32的变形更加灵敏，并允许更精确地监测SOC和/或电池单元膨胀。附图中示出的组件可以不按比例绘制，为了说明的目的，应变计36和应力集中件42可被放大。
虽然应力集中件42在图4至图7中被示出为在第二表面46处接近于点，但可使用其它构造和形状。使第二表面46的面积小于第一表面44的面积或小于相邻的电池单元壁(例如，壁38)的表面积的任何形状或几何结构均可提供应力放大或应力集中效果。通常，应力放大或应力集中可以与第一表面(较大的表面)44的面积或相邻的电池单元壁的面积与第二表面(较小的表面)46的比率成比例。然而，可存在影响放大程度的其它因素(诸如，间隔件或应力集中件的变形)。图8A至图8D中示出了应力集中件形状的多个示例，然而，这些形状并不意在限制。
图8A和图8B示出了两个不同的棱柱形应力集中件42。这两个应力集中件可具有尖的第二表面46，然而它们可具有不同尺寸的第一表面44。如图所示，图8B中的应力集中件42可具有比图8A中的应力集中件42宽的第一表面44。因此，如果应力集中件具有相同的长度尺寸(例如，进/出附图页面)，则图8B中的应力集中件的第一表面44将具有比图8A中的应力集中件的第一表面大的面积。在特定情况下，由于较大的第一表面44可传递更多的力，因此相比于图8A中的应力集中件图8B中的应力集中件可使应力放大更大的倍数。例如，较大的第一表面44可能对减小力传递的因素(诸如，其它电池单元组件的变形)更加不敏感。
图8C示出了具有圆形的第二表面46的应力集中件42的示例。相应地，由于圆形的第二表面46仅有一部分可接触应变计36，因此相比于第一表面44的面积，接触的面积可减小，应力可以在第二表面46处被放大。图8D示出了具有平坦的第二表面46的应力集中件42的示例。在示出的实施例中，应力集中件42具有形状为截头三角形的横截面。由于第二表面46的面积小于第一表面44的面积，应力可以在第二表面46处被放大。虽然示出的应力集中件的第一表面44(例如，面积)大于第二表面46，但在其它实施例中，表面44和46可具有相同或类似的面积。例如，应力集中件42可以是矩形棱柱。表面44可以比其附连到的组件(诸如，电池单元壁38或间隔件34的表面40)的面积更小。虽然已经示出和/或描述了多个形状，但是应力集中件可具有任何形状，诸如立方体的、球体的或其它大体上为棱柱体的形状。
图8A至图8D示出了多个应力集中件实施例的透视图。相应地，对于具有尖的顶端(例如，图8A和图8B)的应力集中件，第二表面46可以为大致线性的或两维的。当然，由于应力集中件的顶端具有名义宽度，因此在某种意义上该表面不是二维的。虽然三角形示出为尖的，但是三角形的顶端(例如，第二表面46处的尖端)可以是圆的或钝的。在图8D中示出的示例中，第二表面46可以更平坦且平面，且具有明确限定的长度和宽度。在图8C中示出的示例中，第二表面46可以是大致二维或平面的，这取决于曲线的半径。对于非常尖锐的曲线(小半径)，表面46可以类似于尖的应力集中件，而具有相对较平缓的曲线(大半径)的表面46可具有更多的接触面积并且类似于平面的应力集中件。
在至少一个实施例中，应力集中件42的第一表面44的面积与应力集中件42的第二表面46的面积的比率可以至少为2:1，例如，至少为3:1、5:1、10:1、25:1或50:1。在另一实施例中，相邻的电池单元壁38的面积与应力集中件42的第二表面46的面积的比率可以至少为2:1，例如，至少3:1、5:1、10:1、25:1、50:1、100:1或500:1。表示为范围的话，应力集中件42的第一表面44的面积或电池单元壁38的面积与应力集中件42的第二表面46的面积的比率的范围可以是从2:1至50000:1，或该范围的任意子区间，诸如2:1至25000:1、10:1至10000:1、10:1至5000:1、10:1至1000:1、10:1至500:1、10:1至250:1、25:1至250:1、5:1至100:1、5:1至100:1或其它。如上所述，第一表面的面积或壁表面的面积与第二表面的面积的比率可以与通过应力集中件42产生的应力放大成比例。因此，在至少一个实施例中，应力集中件42可以以与上述的比率相同的比率(例如，至少2:1、3:1、5:1、10:1、25:1或50:1)使通过一个或更多个电池单元的变形而施加在应变计上的应力放大或集中。
在另一实施例中，第一表面44可具有等于或小于应变计36的宽度和/或长度的长轴(例如，长度)。例如，第一表面44的长轴(例如，长度)可以是应变计36的宽度和/或长度的50％至100％，或其任何子区间，诸如60％至100％、70％至100％、80％至100％、90％至100％。在另一实施例中，第一表面44的长轴(例如，长度)可以小于应变计36的宽度和/或长度。例如，第一表面44的长轴(例如，长度)可以是应变计36的宽度和/或长度的50％至95％，或其任意子区间，诸如60％至95％、70％至95％、80％至95％、90％至95％。
如上所述，电池模块30可包括多个电池单元32。在一个实施例中，应变计36可布置在每组直接相邻的电池单元32之间(例如，如图5至图7所示)。在一些实施例中，多个应变计36可布置在相邻的电池单元32之间(例如，在一些或全部的相邻的电池单元之间)。然而，在至少一个实施例中，对于每对相邻的电池单元32，可具有少于一个的应变计36。由于应力可以从电池模块或电池包内的一个电池单元机械地传递到另一个电池单元，因此单个应变计36能够监测多于两个电池单元32的变形。
在一个实施例中，应变计36可遍布在电池模块或电池包中，使得对于特定数量的电池单元32存在一个应变计36。例如，对于给定的电池模块或电池包，可确定应变计的数量与电池单元的数量的比率，诸如1:4(例如，每4个电池单元有1个应变计)。因此，在具有12个电池单元的电池模块或电池包中，可以有三个应变计分布在电池模块或电池包内。对于同一电池包或电池模块，1:6的比率将意味着有两个应变计分布在电池包或电池模块内。在具有12个电池单元和比率为1:4的示例中，例如，第一应变计和第二应变计36可分别置于电池模块(例如，单列构造的电池模块)的每端上的电池单元对之间，并且第三个应变计36可置于电池模块的中间中(例如，在第6个和第7个电池单元之间)。在另一实施例中，应变计可以等间隔地置于或遍布于电池模块或电池包中(例如，不一定是在两端的电池单元对之间)。在一个实施例中，电池单元的数量与应变计的数量的比率可以至少为2:1，例如，至少3:1、4:1、5:1、7:1、10:1、15:1或20:1。例如，电池单元的数量与应变计的数量的比率的范围可以是从1:1至20:1，或其任意子区间，诸如2:1至20:1、2:1至10:1、4:1至15:1或4:1至10:1。
参照图9，示出了基于应变的SOC监测系统100的分解示意图。系统100可包括一个或更多个棱柱形电池单元102，为了简便，仅示出了一个电池单元102。可包括间隔件104以分隔开相邻的电池单元102。如上所述，应变计106可布置在电池单元102和间隔件104之间。在示出的实施例中，应变计106附连到电池单元102的壁108，然而，应变计106还可附连到间隔件104。应力集中件110可布置在应变计106和间隔件104之间(或在应变计和电池单元壁之间)。如上所述，应力集中件110可包括具有较小面积的端部和具有较大面积的端部，并且具有较小面积的端部可以与应变计106接触。
应变计106可以与控制器112通信，控制器112可以是电池能量控制模块(BECM)。该通信可以是有线的(例如，通过电线)或无线的(例如，RF、蓝牙等)。如果系统100中存在多个应变计106，则它们可分别与控制器112(例如，单个共用的控制器或多个独立的控制器)通信。控制器112可被配置和编程为从应变计接收表示应变计在电池包内的位置处的应变的数据。该数据可以是应变数据或能够被分析用于确定应变的数据(例如，电阻)。可通过控制器112来执行应变确定，或者控制器可接收应变数据。
在一个实施例中，可使用惠斯通电桥(Wheatstone bridge)202来产生应变数据。图10中示出了包括惠斯通电桥202和被配置为产生和/或分析应变数据的电系统/电路200的示意图。应变计和惠斯通电桥的操作是本领域技术人员已知的，将不详细描述。简言之，惠斯通电桥是可用于利用具有已知电阻的额外电阻器来测量未知电阻(例如，应变计元件)的电路。惠斯通电桥202可包括具有已知电阻的电阻器R1、R2和R3以及具有未知电阻的电阻器Rx(例如，应变计元件)。已知电阻器中的一个可以是可调节的(例如，R2)。
电阻器可被分成两条支路L1和L2。如果在已知支路中的两个电阻的比率等于在未知支路中的两个电阻的比率，则两个中点之间的电压将为零并且将没有电流流动通过连接的电流计(未示出)。如果电桥不平衡，则可改变电阻器中的一个(例如，R2)的电阻直到电桥平衡为止。或者，如果电桥中没有可调节的电阻器，则可使用电流计两端的电压差或流经电流计的电流来计算未知电阻的值。
系统200可包括其它组件，诸如模数转换器204、微处理器206和差分放大器208。电路中可包括额外的电阻器，诸如输入缓冲源电阻器210、反馈电阻器212和下拉分压电阻器214。当然，示出和描述的组件是示例，本领域普通技术人员将理解到可添加、移除、重新定位或改变组件。除应变计(Rx)以外的其它组件可远离电池单元定位，例如，它们可以是BECM或另一控制器的一部分。
因此，公开了可以以非常高的灵敏度来检测电池单元的变形的基于应变的SOC监测系统。一个或更多个应变计可附连到锂离子电池单元的外壁和/或附连到电池单元之间的间隔件上。可利用应力集中件来对由于充电和放电的电池单元变形而产生的应力进行放大而提高灵敏度。应变计可布置在电池模块或电池包阵列内的各个位置处。应变计可布置在每对相邻的电池单元之间，或者给定数量的电池单元可具有一个应变计。
在校准测试期间，电阻的平均变化可以与电池SOC相关。例如，校准测试可包括电池包/电池单元SOC的重复循环并包括监测电阻和/或变形。该循环可以是从0％至100％或其它范围。例如，SOC可循环至100％以上(例如，过充电)，诸如至125％或150％。SOC还可循环至大于0％的最小值。可利用其它SOC监测技术(诸如，库伦计数/积分和/或基于电压的方法)来将电阻/变形关联到SOC。例如，可在SOC-电压曲线的中间处使用库伦计数，并且可在SOC-电压曲线的低端和高端处使用电压曲线。一旦建立并记录了校准曲线，则可通过BECM或其它控制器实时地监测应变计响应以估计电池SOC。监测的应变计响应可随后由BECM使用以基于存储的校准表或校准曲线来估计SOC、电池单元膨胀和/或电池单元压力。基于应变的方法可以用于或附加于诸如库伦积分或电压测量的其它方法。
为了了解包括惠斯通电桥(其后有差分放大器)的仪表放大电路的输出，该差分放大器的输出可以通过A/D转换器读取，可能需要了解SOC与应变(例如，如通过图10中的应变计元件所测量的应变)的关系。此外，还可能需要了解应变计元件的应变与电阻的关系(最终为来自差分放大器的信号的A/D读数)。本领域技术人员可以选择这样的应变计，在没有应力时应变计的电阻表示为Rinit。从无应力到全应力(例如，在电池单元过充电至额定容量的150％时)的电阻的变化可表示为Delta_R。例如，惠斯通电桥的一个设计可以是将R1、R2和R3设置为Rinit。在应变计具有Rinit的电阻时，差分放大器的输出可以是特定数量的A/D计数(A2D_INITIAL)，这可以在电池单元处于低SOC时。
当电池单元接近100％SOC时，应变将增大并且应变计元件的电阻将远离Rinit改变。随着充电的进行，应变计的电阻将变为(Rinit+Delta_R)。在电池单元SOC为150％时，A/D计数可改变A2D_DELTA。可选择差分放大器的增益以获得足够大的A2D_DELTA，从而具有可接受的信噪比。因此，基于本公开，本领域普通计数人员可选择合适的应变计、惠斯通电桥电路、正确的差分放大器电路，以具有可接受的A/D计数变化，这可使整个系统具有足够的分辨率。足够的分辨率可意味着从无应力到全应力的来自应变计的读数(对应于A2D_INITIAL至A2D_INITIAL+A2D_DELTA)是A/D计数的大幅变化(与系统中的噪声因子相比)。
随后，校准包括记录电池单元的已知SOC值的A/D计数，并创建从A/D计数返回到已知SOC的查找表。当电池单元的SOC低时，预期A/D计数的变化不大，所以这个系统在低SOC的范围中可能不太灵敏。然而，当电池SOC超过(例如)80％时，应力集中件在应变计上引起可测量的应变，这能够被A/D转换器读取。因此，在高SOC(例如在80％以上)时，可以看到A/D计数的可辨别的变化。因此，这个查找表稍后能够用于在测量SOC中产生良好效果(例如，在80％以上)。
此外，对于SOC监测，应变计数据可用于监测随时间变化的电池单元中的变化，诸如电池单元/电池包的健康状态(SOH)。例如，应变计能够检测因电池单元退化而引起的随时间变化的压力或变形的缓慢增加(例如，线性增加)。在这种情况下，校准曲线限制之外的应变计响应的缓慢偏差可以指示因气体产生和/或压力增大而产生的过度的电池单元膨胀。一旦检测到膨胀，系统可以提示BECM或另一控制器采取行动来保护电池，诸如重新调节功率限制、向驾驶员或技术人员提供通知或触发软警报或硬警报。
公开的系统和方法能够实现SOC限制之间的更精确的电池包操作、优化电池使用、帮助维持SOH并提高客户满意度。或者，公开的系统和方法可用作集成到测试设备的开发工具。在这个情况下，公开的系统和方法能够带来精确的电池测试方法和/或改善的电池或电池单元管理策略的开发。
此外，公开的系统和方法可使电池的全部容量的利用率提高。这成为可能是归因于它们允许使用接近真正的100％和0％的充电容量，而不需要担心超过电池容量。进而，这可允许在给定车辆应用中使用成本更低、更轻和/或更小的电池。在公开的系统和方法中使用压力测量可提供电池单元电压测量电子器件的额外的简化和成本降低，因为压力可以用作冗余或独立的备用指示器。
公开的系统和方法可以是基于库伦积分或电压测量的感测技术的补充。例如，如果电池单元电压读取系统故障，则传统的系统可以启动定时器以关闭电池。可包括这样的定时器延迟是因为在这些故障情况下电池单元状态是未知的。然而，如果存在覆盖电池单元组的压力测量，则有可能了解电池单元状态。例如，通过了解电压，有可能了解电池单元不会故障，或者了解电池单元是否因使用而损坏。由于基于应变的测量能够感测到损坏是否正在发生，因此，这可允许在SOC系统中的一个中出现错误时使车辆行驶得更远。
公开的系统和方法可以基于充电和放电时电极经历体积变化的事实而提供补充的SOC测量。这些体积变化可在电池单元上建立与压力相关的应力场，这可利用应变计和公开的应力集中件进行测量。基于预定的压力-SOC相关曲线，能够基于测量的体积变化来估计SOC。除了电压和/或安培小时输入之外，还可将应变计信号发送至BECM，从而提供可用于更精确的SOC描述并提高的电池使用的补充和独立测量。在一个实施例中，可基于电池单元或电池包的当前温度来调节压力-SOC相关曲线。例如，诸如热敏电阻的温度传感器可包括在电池包中并且可向BECM发送温度数据。随后，BECM可随后补偿温度并调节SOC确定。或者，可以以不同的温度生成多个压力-SOC相关曲线。
如上所述，公开的系统和方法可提供电池单元退化的指示。电池单元退化可能与电解质分解成气态产物相关联，这可引起电池单元内部压力增大和电池单元逐渐变形。由此可预期压力增大在压力-SOC相关曲线中产生特征性的不可逆的移位(或偏移)，或者可以是可逆的。这种移位或偏移可被转换成电池单元压力并与已知的电池排气压力阈值(例如，大约125psig)比较，以优化电池管理(诸如，限制的操作策略(LOS))。单独基于电压和/或安培小时的监测可能不是用于评估电解质分解和预测电池单元排气的合适工具。本方法还可识别或检测电池单元老化。
虽然上文已经关于棱柱形电池单元示出和描述了电池和SOC监测系统，但本领域普通技术人员将理解到，基于本公开，还可使用其它类型的电池单元。例如，圆柱形、纽扣形或袋状电池单元的任何组合可替代一些或全部棱柱形电池单元。本领域普通技术人员将理解到，基于本公开，可对SOC监测系统进行变型以适应不同的电池单元类型。例如，袋状电池单元可能比棱柱形电池单元膨胀和收缩更大程度。因此，SOC校准曲线可以是基于电池包中电池单元的类型的。使用在电池包中的电池单元的类型可被存储在BECM中或在SOC监测系统中的其它地方。
虽然上面描述了示例性实施例，但这些实施例不意图描述发明的所有可能形式。相反，在说明书中所使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且应理解的是，在不脱离发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，各种实施实施例的特征可以被结合以形成发明的进一步的实施例。

Claims (10)

1.一种电池包，包括：
相邻的第一电池单元和第二电池单元；
应变计，布置在第一电池单元和第二电池单元之间；
应力集中件，布置在应变计与第一电池单元和第二电池单元中的一个之间,
所述应力集中件具有接触应变计的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面的面积不大于所述第二表面的面积。
2.如权利要求1所述的电池包，其中，所述第二表面的面积与所述第一表面的面积的比率至少为2:1。
3.如权利要求1所述的电池包，其中，与所述第二表面相邻的电池单元壁的面积与所述第一表面的面积的比率的范围为从10:1至50000:1。
4.如权利要求1所述的电池包，其中，应力集中件的长轴的长度等于或小于应变计的长度或宽度。
5.如权利要求1所述的电池包，还包括：间隔件，布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应变计之间。
6.如权利要求5所述的电池包，其中，所述间隔件直接布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应力集中件的第二表面之间。
7.如权利要求5所述的电池包，其中，所述间隔件直接布置在第一电池单元和第二电池单元中的一个与应变计之间。
8.如权利要求1所述的电池包，其中，应力集中件是三棱柱、截头三棱柱、矩形棱柱、球体或圆柱体。
9.一种电池包，包括：
相邻的第一电池单元、第二电池单元和第三电池单元；
应变计，布置在第一电池单元和第二电池单元之间；
应力集中件，布置在应变计与第一电池单元和第二电池单元中的一个之间,
所述应力集中件具有与应变计接触的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积。
10.一种基于应变的荷电状态监测系统，包括：
相邻的第一电池单元和第二电池单元；
应变计和应力集中件，布置在第一电池单元和第二电池单元之间；
所述应力集中件具有接触应变计的第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积；
控制器，与所述应变计通信并被配置为接收来自所述应变计的应变数据。
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