CN107452991A - 用于电动车辆的热故障检测器 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于液体冷却车辆电池中的热故障检测的系统，装置和方法。系统可以包括封闭一个或多个电化学电池单元的至少一部分的壳体，至少部分地设置在壳体内并且至少部分地与一个或多个电化学电池单元的至少一部分热接触的流动路径，以及至少部分地设置在流动路径内的热故障检测器。热故障检测器能够检测由一个或多个电化学电池单元在热故障期间输出的物质。热故障期间输出的物质可能包括烟。

Description

用于电动车辆的热故障检测器

背景

技术领域

本公开涉及电池保护系统，更具体地，涉及用于液体冷却电池系统中的电池热故障检测的系统和方法。具体地，公开了用于检测电动车辆中的电池故障的装置、系统和方法。

背景技术

电动车辆通常使用一个或多个用于推进的电动机并且由电池系统供电。这些车辆包括道路和铁路车辆、地面和水下船只、电动飞机和电子娱乐装置。电动车辆释放零空气污染物并产生比传统燃料发动机车辆更少的噪音。目前，经常使用锂离子电池。过热的锂离子电池可能会引起火灾，需要保护系统检测热故障，并在过热时停止锂离子电池充电或放电。

发明内容

本公开的系统和方法各自具有几个创新方面，其中没有一个单独负责其所需的属性。在不限制所附权利要求所表达的范围的情况下，现在将简要讨论其更突出的特征。

在一个实施例中，描述了电池热故障检测系统。该系统可以包括封闭一个或多个电化学电池单元的至少一部分的壳体、至少部分地设置在壳体内的流动路径以及至少部分地设置在流动路径内的热故障检测器。流动路径的至少一部分可以与一个或多个电化学电池单元的至少一部分热接触。热故障检测器能够检测由一个或多个电化学电池单元在热故障期间输出的物质。热故障检测器可以是烟探测器。热故障检测器可以是液体颗粒计数器。流动路径可以包括冷却剂储存器，并且热故障检测器可以至少部分地位于冷却剂储存器内。热故障检测器可以至少部分地位于流动路径的无流体区域内。热故障检测器可以至少部分地位于冷却剂储存器的无流体区域内。热故障检测器可以至少部分地浸入冷却剂中。

壳体和热故障检测器可以位于电动车辆内。电动车辆还可以包括至少一个电动机，并且一个或多个电化学电池单元可以被配置为向电动机提供动力。一个或多个电化学电池单元可以并联电连接以形成多个电池模块，并且多个电池模块可以串联电连接以形成串。泵可以耦合到流动路径并且被配置为移动冷却剂通过流动路径。一个或多个电化学电池单元可以包括多个串，每个串具有至少一个热故障检测器。

热故障检测器可以被配置为当检测到热故障时产生警报。电动车辆的系统可以被配置为至少部分地基于警报来通知车辆的用户。电动车辆的系统可以被配置为至少部分地基于警报断开一个或多个电化学电池单元中的至少一个与至少一个电动机的连接。

在另一个实施例中，描述了检测具有一个或多个液体冷却电池的电动车辆中的电池的热故障的方法。该方法可以包括检测液体冷却电池的冷却剂流动路径内的烟或其它颗粒物质，并且响应于烟或其它颗粒物质的检测而产生警报。该方法还可以包括基于警报通知车辆的用户。该方法可以进一步包括基于警报断开一个或多个电化学电池单元中的至少一个与电动车辆的一个或多个电动机的连接。

在另一个实施例中，描述了一种用于检测电池故障的系统。该系统可以包括多个电化学电池单元，与多个电化学电池单元的至少一部分热接触的传热装置，被配置为容纳所述传热装置的容纳装置，以及用于检测设置在容纳装置内的热故障的装置。用于检测热故障的装置能够检测多个电化学电池单元中的一个或多个在火灾期间输出的物质。用于检测热故障的装置能够检测烟。

附图说明

现在将参照附图结合各种实施例来描述本技术的上述方面以及其它特征，方面和优点。所示的实施例仅是示例，而不是限制性的。在整个附图中，类似的符号通常标识相似的组件，除非另有说明。

图1是示出根据示例性实施例的具有热故障检测器的液体冷却电池的布置和操作的框图。

图2示出根据示例性实施例的具有热故障检测器的液体冷却电池的配置。

图3是示出根据示例性实施例的并入热故障检测的电动车辆的底盘的简化图。

图4是示出根据示例性实施的电动车辆内的多个电池串的简化图。

具体实施方式

以下描述涉及用于描述本公开的创新方面的某些实施例。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，本文的教导可以以多种不同的方式被应用。所描述的实施例可以在任何电路中实现。在一些实施例中，词语“电池(battery)”或“多个电池(batteries)”将用于描述本文所述实施例的某些元件。注意，“电池”不一定仅指单个电池单元。相反，描述为“电池”或者在附图中作为电路中的单个电池单元示出的任何元件，可以同样地由任何更大数量的单独电池单元和/或其他元件组成，或者可以是更大的电池结构内的单个模块，而不脱离所公开的系统和方法的思路或范围。术语“流动路径”或“冷却剂流动路径”也将用于描述本文所述的实施例的某些元件。应注意，“流动路径”或“冷却剂流动路径”是指被配置为包含、容纳和/或引导液体或气体冷却剂的任何结构或结构的组合。例如，“流动路径”或“冷却剂流动路径”可以包括管道，冷却剂储存器，热交换器，冷却剂泵，电池壳体或被配置为冷却剂借以通过的部分，和/或电池或冷却剂系统的其它结构。此外，“流动路径”不需要与冷却剂恒定或偶尔地接触。例如，可能很少或永远不会与冷却系统内的液体冷却剂接触的冷却剂储存器的上部仍然可以被称为流动路径的一部分。

一个或多个电池可以使用液体冷却剂来维持适当的操作温度。例如，一个或多个电池可以由壳体封闭并被液体冷却剂包围。在一些实施例中，冷却剂或冷却液体或冷却流体可以包括例如以下中的一种或多种：合成油，聚烯烃(例如聚-α-烯烃(“PAO”))，乙二醇，乙二醇和水，以及相变材料(“PCM”)。在一些方面，电池冷却系统使用液体电介质作为冷却剂。在一些实施例中，电池冷却系统可以使用空气或其它气体冷却剂。气体冷却剂也可类似地由壳体循环和封闭。冷却剂可以被配置为将热量从气态或液态冷却剂传递到壳体。壳体可以包括一个或多个散热器。在一些实施例中，液体可以通过壳体和/或通过冷却剂储存器和/或热交换器循环。

热故障可能包括过热，这可能导致颗粒物，烟，液体，电池组件或其他材料的发出，材料的熔化和/或对电池的足以使电池组件泄漏到冷却剂流动路径的物理损坏。在某些方面，热故障可能包括情况，诸如短路，热失控或其他异常情况。可以基于冷却剂的温度来检测液体冷却系统中的电池单元的热故障。例如，可以测量冷却剂的总体温度，因为冷却剂从电池组中移除。冷却剂的总体温度的增加可以指示在电池组的一个或多个电化学电池单元中发生热故障。在一些情况下，温度传感器可以位于电池组内的各个位置和/或电池单元附近以便检测使总体冷却剂温度升高不足以被检测到的局部冷却剂温度升高。即使使用多个温度传感器，可能难以或不可能检测单个电池单元的热故障，因为单个电池单元的故障可能不会使冷却剂的温度升高到足以被检测和/或触发警报。对于每个单独的电池单元使用单独的专用温度传感器可能是不切实际的，特别是在具有数百个单独电池单元的实施例中。在一些实施例中，电池故障也可以通过例如监视电池，电池组或电池串的电流和/或电压输出来检测。然而，这种检测方法可能不足以检测单个电池单元或少量电池单元的故障，因为少量电池单元的故障可能不会对包含故障电池的大量电池的总电流和/或电压输出产生很大的影响。

电池单元或其它电池组件的热故障可能产生烟和/或其他输出物质，其可以通过冷却系统传播，溶解在冷却剂中或在无流体区域中。通常，存在于冷却系统中的任何烟将在高点和/或无流体区域(例如系统内的冷却剂储存器的上部)积聚。即使是不能触发冷却剂温度警报的单个故障电池单元也可能产生足够的烟和/或其他与故障相关的输出物质以被检测。

图1是示出根据示例性实施例的具有热故障检测器102的液体冷却电池100的布置和操作的框图。电池100可以包括设置在壳体106内的一个或多个电化学电池单元104。一个或多个电化学电池单元104可以与电池端子(未示出)电连接，其可以连接到电力车辆系统，例如灯，动力总成，空调控制，制动辅助或能够使用电力的任何其他车辆系统。一个或多个电化学电池单元104可以根据需要并联和/或串联电连接。

电池100还可以包括冷却剂流动路径，其包括冷却剂入口112和冷却剂出口114。外部冷却系统可以通过冷却剂入口112将冷却剂液体引入壳体106内的空间116中。冷却剂可以存储在诸如外部冷却剂储存器124的流动路径的一部分中。冷却剂可以基于由冷却系统的泵118产生的负压力从储存器中抽出。冷却剂可以沿着流动路径通过热交换器120被发送，并在冷却剂入口112处进入电池壳体106内的空间116。进入空间116的冷却剂可在空间116内循环，当通过电池单元104时收集由电池单元104操作产生的热能。在通过冷却剂出口114离开空间116之后，液体冷却剂可返回到冷却剂储存器124，并且冷却过程可以无限期地重复。

在一些实施例中，电池壳体106可以被配置为允许冷却剂仅流过壳体106的一部分。例如，壳体106可以包括引导和/或容纳冷却剂流的内部结构和/或流动路径部件(未示出)。如图1所示，冷却剂可能流经单个电池单元的所有侧面。然而，在一些实施例中，冷却剂可能被限制为接触电化学电池单元104的部分侧部，而包含其它电路的壳体106的部分可以保持干燥。通常，被配置为容纳和/或引导冷却剂流动的任何部分，例如电池壳体106和/或内部冷却剂导管结构(未示出)，可被称为冷却系统的一部分和/或冷却剂流动路径的一部分。然而，一般而言，烟或其它颗粒物质可能会离开一个或多个电池单元并进入冷却剂流动路径。

储存器124可用作储存罐以储存不在壳体106、泵118、热交换器120或连接导管内循环的冷却剂液体的一部分。在冷却系统运行期间，一些冷却剂液体可能会经历显著的热膨胀和收缩。因此，储存器124可以包含额外的体积以用作缓冲罐，允许冷却剂自由地膨胀和收缩。当冷却剂体积随时间变化时，储存器内的液位108可能波动。储存器124内的液位108上方的空间可以包含空气和/或任何其它气体。例如，储存器124未被冷却剂液体占据的体积可以包含在储存器124或冷却系统的其它部分被打开以加入或移除冷却剂或检查液体的量和/或状况的任何情况下进入冷却系统的环境空气。在一些实施例中，储存器124的上部可以是冷却系统的高点，使得循环冷却剂内的任何空气或其它气体，例如冷却剂内的气泡，可以保留在储存器124的上部而不是返回到冷却系统的其他部分。

如果壳体106内的任何电化学电池单元104遇到热故障，它可能产生烟103或其他输出物质。类似地，壳体106和/或冷却系统中的其它电气部件可能在例如由于电阻加热或电气部件烧毁而发生故障时产生烟103。如果热故障严重到导致电化学电池单元104部分分解，则输出物质可包括电池材料的碎片或颗粒(例如电解质，聚合物隔板，阳极，阴极和/或电池组件的构成材料或分解产物)。在一些热故障事件中，诸如乙烷，甲烷和/或氧气等气体可能被释放。

被冷却剂包围的或溶解在冷却剂中的这种烟103和/或其他输出物质可以在冷却剂流动路径中通过冷却剂系统，直到烟103或其它输出物质到达储存器124。在储存器124处，烟103或其它气体或颗粒可以穿过液位108并积聚在上面的空气体积中。最终，诸如烟103的足够的输出物质可能积聚在储存器内，以由诸如烟检测器102之类的热故障检测器检测。在一些实施例中，热故障检测器102可位于储存器124顶部或顶部附近，以便保持在液位108上方的无流体空间中，其中烟或其它非流体物质最可能积聚。热故障检测器102可以是任何合适的烟和/或颗粒物质检测装置。例如，检测器102可以是烟检测器，例如光学烟探测器，电离烟探测器，光电烟探测器等。在一些实施例中，检测器102可以能够检测由电池热故障产生的各种气体，例如烃类气体，氧气或其他气体。在一些实施例中，检测器102可以是能够检测流体内的颗粒物质的液体颗粒计数器或其他检测器。

当烟、其他气体或其他输出物质的量足够到可在检测器102检测到时，检测器102可产生警报。例如，警报可以被发送到电池管理系统(未示出)。电池管理系统可以包括被配置为从检测器102接收警报并采取适当的补救措施(例如断开电池、电池模块或包含热故障电池单元104的电池模块组)以便中断电池充电或放电的电路。在一些实施例中，检测器102或电池管理系统可以通知诸如车辆驾驶员的用户已经检测到热故障和/或需要电池服务。警报可以包括用户可听到的音频警报和/或显示在用户容易看到的区域(例如仪表板或视频显示器)中的视觉警报。

图2示出了根据示例性实施例的具有热故障检测器202的液体冷却电池200的配置。在一些实施例中，热故障检测器202可以位于冷却剂流动路径或流体填充区域内，例如在电池壳体206内。因此，热故障检测器202可以与冷却剂流动路径至少部分接触。液体冷却电池200可以包括设置在电池壳体206内的多个电化学电池单元204。在一些实施例中，电化学电池单元204可以串联，并联或串联和并联连接的组合连接。尽管图2的配置描绘了串联连接的四个电池单元204，这里描述的系统和处理可以容易地应用于电池单元204的更复杂的布置。例如，电池200可以包括多个并行电池单元204的串联连接的组或串，而不是串联连接的单个电池单元204，以便提供额外的能量存储容量而不增加电池电压。

热故障检测器202可以位于电池壳体206内的空间212中，使得空间212内的冷却剂可以在电化学电池单元204和热故障检测器202周围循环。类似于参考图1描述的配置，液体冷却剂可以在冷却剂入口214处进入空间212，并在冷却剂出口216离开空间212。冷却剂可以自由地流过整个空间212，在冷却剂出口216离开之前通过多个电化学电池单元204和热故障检测器202周围和之间，如图2中的粗箭头所示。被配置为在浸入冷却剂中时工作的热故障检测器202可以是适合于检测流体中的颗粒的任何类型的颗粒检测器。例如，热故障检测器202可以是液体颗粒计数器等。热故障检测器202可以基于光阻挡，光散射，成像或其它合适方法的检测来检测流体内的颗粒。热故障检测器202可以使用本文别处参考图1所描述的任何方法来附加地检测烟或其它气体热故障产物。

如果热故障检测器202检测到足够的烟或其他与热故障有关的物质以指示热故障，则可以断开电池200以避免进一步的损坏。例如，在一些实施例中，检测器202可以例如通过开关或其它断开装置直接连接到电池电路。当检测到热故障时，检测器202可能打开电池电路来停止电流流动。因此，可以防止热故障电池单元204继续充电或放电，防止或减少过热或热失控对电池200的进一步损坏。

在一些实施例中，可以选择检测器202在电池壳体206内的位置，以便增强与热故障相关的颗粒检测的有效性。例如，检测器202可位于冷却剂出口216附近，使得离开壳体206的大部分冷却剂通过检测器202的紧邻附近。类似地，检测器202可位于冷却剂入口214或冷却剂出口216，或在如图1所示的冷却系统的任何其它导管内。

图3是示出根据示例性实施例的电动车辆电池组300内的多个电池串302的图。在一些实施例中，多个电池可以被封装在模块304中，多个模块304组合以形成电池组300。单个电池或电池模块304可以被布置成串302。电池或电池模块304可以包括一个或多个电化学电池单元。例如，每个电池模块304可以包括如上参考图1和2所描述和示出的一个或多个电池。电池可以包括适用于电动车辆推进的任何类型的电池，例如锂离子电池，镍氢电池，铅酸电池等。在一些实施例中，电池组300可以是被配置为为电动车辆动力总成供电的高压电池组。在一些实施例中，电池组300可以是被配置为为各种电动车辆系统供电的低电压(例如12V)电池组。

可以通过串联连接两个或更多个电池模块304来形成电池串302。多个串302可以并联组合以产生较大的电池组300。并联连接多个串302允许额外的能量存储，而不增加电池组300的电压。例如，图3中所示的电池组300可以包括具有相同的电压和能量存储容量的多达六个或更多个串302(为了清楚起见，仅描绘了三个串)。因此，整个电池组300的能量存储容量等于单个串302的存储容量的六倍，而整个电池组300的电压等于每个单独的串302的电压。使用电池串302允许添加更多的串302以向电池组300添加额外的能量存储容量，而不会影响所产生的电压。每个串可以包括数百个单独的电化学电池单元。

在组合多个电池模块304的实施例中，液体冷却可以以与上面参照图1和2所述的相同的方式执行。在一些实施例中，包括冷却剂储存器、泵和热交换器的单个冷却系统可用于通过多个电池模块304、多个串302或甚至整个电池组300来提供冷却的冷却剂。管道306和308可以设置在整个电池组300中，以在电池模块304、串302和冷却系统的其它部分之间输送冷却剂。在一些实施例中，进入管道306可以将冷却的冷却剂输送到电池模块304，并且返回管道308可收集并将来自电池模块304的加热的冷却剂返回到冷却系统的其它部分。

热故障检测器可以与多电池组300一起使用，其方式与上面参考图1和2所述的相同。在一些实施例中，单个热故障检测器可用于多个电池模块304。例如，在多个电池304串联布置在并联串302中的情况下，可以为每个串302使用一个热故障检测器，而不是为每个电池模块304包括单独的检测器。

图4是示出根据示例性实施例的并入热故障检测的电动车辆400的底盘的图。电动车辆400可以包括动力总成，其包括电池组402，多个车轮404和配置成转动车轮404并推进车辆400的至少一个牵引电动机406。电池组402可以被配置为牵引电动机406提供电力。在一些实施例中，电池组402可以包括多个电池串408。串408可以是可单独切换的，使得其他串408与车辆的其余部分断开时一些串408可以是活动的并且提供动力。可单独切换的串可以提高性能和可靠性，例如，通过允许车辆400在一个或多个串408中的故障或故障检测之后继续驾驶，因为有缺陷的串可能被断开，而剩余的串继续提供电力。

如上参照图1-3所述的热故障检测器，如果在每个电池串408中使用，可以提供类似的益处。如果热故障发生在任何串408中，其可以如上所述被检测。当在一个串408中检测到热故障时，可以断开串与电池组402电路的连接，例如通过电磁接触器或其他开关装置。当串408与电路断开连接时，电流停止流过该串408，并且串408和/或串408中单独的电化学电池单元可以被保护免受来自检测到的热故障的进一步损坏。

涉及在电动车辆中使用液体冷却电池的附加细节和实施例在2015年8月31日提交的题为“Vehicle Energy-Storage System”的美国专利申请No.14/841,617中被描述，其全部内容以引用方式并入本文。

前面的描述详细描述了本文公开的系统，装置和方法的某些实施例。然而，应当理解，无论前述在文中如何详细地描述，装置和方法可以以许多方式实施。如上所述，应当注意，在描述本发明的某些特征或方面时使用特定术语不应被认为意味着术语在本文中被重新定义为被限制为包括与该术语相关联的技术的特征或方面的任何具体特征。因此，本公开的范围应根据所附权利要求及其任何等同物来解释。

关于在本文中使用任何复数和/或单数术语，如适用于上下文和/或应用，本领域技术人员可以将复数形式转换为单数形式和/或从单数形式转换为复数形式。为了清楚起见，可以在此明确阐述各种单数/复数排列。

注意，实施例可以被描述为一个过程。虽然这些操作可以被描述为顺序过程，但许多操作可以并行或同时地执行，并且可以重复该过程。此外，操作的顺序可以重新排列。当操作完成时，过程终止。过程可以对应于方法，功能，过程，子例程，子程序等。

所公开的实施例的先前描述被提供，以使本领域任何技术人员能够制作或使用本公开的过程和系统。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离所公开的方法和系统的思路或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其它实施例。因此，本公开的方法和系统不旨在限于本文所示的实施例，而是符合与本文公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (19)

1.一种电池热故障检测系统，包括：

封闭一个或多个电化学电池单元的至少一部分的壳体；

至少部分地设置在所述壳体内的流动路径，所述流动路径的至少一部分与所述一个或多个电化学电池单元的至少一部分热接触；以及

至少部分地设置在流动路径内的热故障检测器，所述热故障检测器能够检测所述一个或多个电化学电池单元在热故障期间输出的物质。

2.根据权利要求1所述的电池热故障检测系统，其中所述热故障检测器是烟检测器。

3.根据权利要求1所述的电池热故障检测系统，其中所述热故障检测器是液体颗粒计数器。

4.根据权利要求1所述的电池热故障检测系统，其中所述流动路径包括冷却剂储存器，并且所述热故障检测器至少部分地位于所述冷却剂储存器内。

5.根据权利要求4所述的电池热故障检测系统，其中所述热故障检测器至少部分地位于所述冷却剂储存器的无流体区域内。

6.根据权利要求4所述的电池热故障检测系统，其中所述热故障检测器至少部分地位于所述流动路径的无流体区域内。

7.根据权利要求1所述的电池热故障检测系统，其中所述热故障检测器至少部分地浸没在冷却剂中。

8.根据权利要求1所述的电池热故障检测系统，其中所述壳体和所述热故障检测器位于电动车辆内，其中所述电动车辆还包括至少一个电动机，并且其中所述一个或多个电化学电池单元被配置为向所述电动机供电。

9.根据权利要求8所述的电池热故障检测系统，其中所述一个或多个电化学电池单元并联电连接以形成多个电池模块，并且其中所述多个电池模块串联电连接以形成串。

10.根据权利要求1所述的电池热故障检测系统，其中泵耦合到所述流动路径并且被配置为移动冷却剂通过所述流动路径。

11.根据权利要求9所述的电池热故障检测系统，其中所述一个或多个电化学电池单元包括多个串，每个串具有至少一个热故障检测器。

12.根据权利要求8所述的电池热故障检测系统，其中所述热故障检测器被配置为当检测到热故障时产生警报。

13.根据权利要求12所述的电池热故障检测系统，其中，所述电动车辆的系统被配置为至少部分地基于所述警报来通知所述车辆的用户。

14.根据权利要求12所述的电池热故障检测系统，其中所述电动车辆的系统被配置为至少部分地基于所述警报断开所述一个或多个电化学电池单元中的至少一个与所述至少一个电动机的连接。

15.一种检测具有一个或多个液体冷却电池的电动车辆中的电池的热故障的方法，该方法包括：

检测所述液体冷却电池的冷却剂流动路径内的烟或其他颗粒物质；以及

响应于烟或其他颗粒物质的所述检测而产生警报。

16.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括基于所述警报通知所述车辆的用户。

17.根据权利要求15所述的方法，该方法还包括基于所述警报断开所述一个或多个电化学电池单元中的至少一个与所述电动车辆的一个或多个电动机的连接。

18.一种用于检测电池故障的系统，包括：

多个电化学电池单元；

与所述多个电化学电池单元的至少一部分热接触的传热装置；

被配置为容纳所述传热装置的容纳装置；以及

用于检测设置在所述容纳装置内的热故障的装置，用于检测热故障的所述装置能够检测所述多个电化学电池单元中的一个或多个在火灾期间输出的物质。

19.根据权利要求18所述的电池系统，其中用于检测热故障的所述装置能够检测烟。