CN111971813B - 带有感应片的电动车蓄电池单元 - Google Patents

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Abstract

一种蓄电池包括：第一蓄电池单元，第一蓄电池单元包括：端板集电器阴极；端板集电器阳极；位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的多个蓄电池单元组件，每个蓄电池单元组件包括阴极、分隔物、阳极和双极集电器；以及连接到位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的双极集电器之一并从位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的双极集电器所述之一延伸的至少一个感应片。第二蓄电池单元经由端板集电器阴极和端板集电器阳极并联连接到第一蓄电池单元。电压表连接在第一感应片和以下之一之间：端板集电器阴极、端板集电器阳极、或所述至少一个感应片中的第二感应片，电压表经由第一蓄电池单元的至少一个蓄电池单元组件与端板集电器阴极和端板集电器阳极中的至少之一电隔离，并且测量所述蓄电池单元组件中的至少两个蓄电池单元组件。还提供蓄电池单元、方法、电动车蓄电池和电动车。

Description

带有感应片的电动车蓄电池单元
技术领域
一般来说，本发明涉及电动车，并且更特定地，涉及用于电动车或混动车的蓄电池。
背景技术
欧洲专利EP 1 487 034 B1公开了一种带有检测片的双极结构蓄电池。如该专利中所公开，如果相应单元电池层之间的电压出现不均匀，则出现这样的可能性，其中一个单元电池层导致过度充电状态，而另一个单元电池层导致过度放电状态，从而难以实现稳定使用。通过利用检测片作为用于检测在使用时通过引线连接到合适的外部控制电路（如电压检测电路或电流旁路电路）的每个单元电池层的端电压的电压检测片，可以监测每个单元电池层的电压。另外，令检测到其异常电压（偏离额定范围的电压）的单元电池层的充电电流或放电电流流过旁路电路，使得能够有效地消除过度充电和过度放电阶段的出现。这导致抑制了单元电池层之间的电压出现不均匀（由于单元电池层串联连接在蓄电池内部而引起）而导致的过度充电和过度放电状态，从而使得双极蓄电池能够长期稳定且安全地使用。
欧洲专利EP 1487 034 B1还声明，更可取的是，为每个单元电池层设置的检测片检测单元电池层承载异常的存在，从而允许旁路充电或放电电流。这有效地使得整个单元电池或整个蓄电池具有这样的电压值，从该电压值仅出现相当于遭遇异常的单元电池的电压分量的电平的电压降。因此，在将蓄电池作为驱动功率源应用于车辆的情况下，甚至当在车辆行驶过程中在蓄电池中出现异常时，也不会出现蓄电池快速切断电力供应的可能性，从而使得车辆能够在安全模式下继续行驶，并且有可能的是按照足以将车辆从行驶车道清除到诸如路肩的疏散点的速率来保持功率供应，使得车辆能够具有进一步增强的安全性。
欧洲专利EP 1 422 769 B1公开了一种带有单元电池电压测量片的叠堆式蓄电池。如该专利中所声明，叠堆式蓄电池允许相应的单元电池共享电压，以便提供(充电电压)/(串联连接的单元电池的数量)的比率。然而，在实际实践中，单元电池的内部阻抗和容量存在变化，并且因此相应单元电池所共享的电压中也会发生波动。因此，从其共享电压高的单元电池开始恶化，并且可想得到的是，叠堆式蓄电池的生命周期往往受到具有此类高的共享电压的单元电池的限制。为了应对此类现象，根据该专利，需要进行构造以迫使由相应单元电池共享的电压受到控制，以便允许所有单元电池均匀地共享电压，并且因此需要准备用于逐个测量单元电池的电压的电极。
欧洲专利EP 1 422 769 B1专利还公开，以与叠堆方向相交的方向在叠堆式蓄电池的侧面上偏离位置处部署共享电压测量片电极。连接到双极蓄电池的单元电池控制器单元具有并联连接到双极蓄电池的相应单元电池的电流旁路电路。随着充电进行，跨单元电池端子的电压增加，并且如果此类电压超过齐纳（Zener）电压，那么电流旁路电路的齐纳二极管导电以便旁路流过单元电池的电流。当使用其齐纳电压为4.0伏的齐纳二极管时，单元电池的充电在跨端子的电压下降到4.0伏的时间终止。其跨端子的电压达到充电电压的单元电池自动终止它的充电模式，并且在所有电流旁路电路旁路单元电池的时间，双极蓄电池的充电终止。可以为多个电池单元提供通过共享电压测量片电极并联连接的共享电压测量片电极。
日本专利公告JP 2011 082097描述了一种叠层式蓄电池，其中提供从具有多个单元电池元件的堆叠体凸出的电压检测片。在电压检测片的伸出位置处设置连接到电压检测片的电压取出板。对应地，对电压取出板的接线进行定位，电压检测片从单个电池元件凸出，以免在堆叠体的堆叠方向上彼此重叠。该蓄电池据称能够检测蓄电池中的每个单元电池的电压并调整其容量。
发明内容
本发明提供一种蓄电池，包括：第一蓄电池单元，第一蓄电池单元包括端板集电器阴极、端板集电器阳极、位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的多个蓄电池单元组件（每个蓄电池单元组件包括阴极、分隔物、阳极和双极集电器）、以及连接到位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的双极集电器之一并从位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的双极集电器所述之一延伸的至少一个感应片；经由端板集电器阴极和端板集电器阳极并联连接到第一蓄电池单元的第二蓄电池单元；以及连接在所述至少一个感应片中的第一感应片和以下之一之间的电压表：端板集电器阴极，端板集电器阳极或所述至少一个感应片中的第二感应片，电压表经由第一蓄电池单元的至少一个蓄电池单元组件与端板集电器阴极和端板集电器阳极中的至少之一电隔离，并且测量所述蓄电池单元组件中的至少两个蓄电池单元组件。
通过提供电压表的电隔离，利用少量电压表来监测各个蓄电池单元是可能的，并且免除对蓄电池单元组件的单独监测。也可减少与感应片有关的成本和封装或容纳问题。
第二电压表可连接在第一感应片、第二感应片或所述至少一个感应片中的另外的感应片与以下之一之间：端板集电器阴极和端板集电器阳极。这为更好地识别蓄电池单元内可能已出现问题的位置提供保证。
第一电压表可连接在第一感应片和第二感应片之间，并且第二电压表可连接在第二感应片与端板集电器阴极和端板集电器阳极之间。
备选地，第一电压表可连接在第一感应片和第二感应片之间，并且第二电压表可连接在所述另外的感应片与端板集电器阴极和端板集电器阳极之间。
第二感应片和所述另外的感应片可至少被蓄电池单元组件之一的阴极、分隔物和双极集电器隔开。
每个电压表优选监测至少25个蓄电池单元组件，并且更优选地监测至少50个蓄电池单元组件。
用于第一和第二蓄电池单元中的每个的蓄电池单元组件的数量优选为至少50个，并且更优选地为至少100个。
优选地，至少50个蓄电池单元经由端板集电器阴极和端板集电器阳极并联连接。
第一和第二蓄电池单元优选具有至少420伏的电压。
本发明还提供一种蓄电池单元，其包括：端板集电器阴极；端板集电器阳极；位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的至少50个蓄电池单元组件，每个蓄电池单元组件包括阴极、分隔物、阳极和双极集电器；以及连接到位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的双极集电器之一并从位于端板集电器阴极和端板集电器阳极之间的双极集电器所述之一延伸的10个或更少的感应片。
通过按蓄电池单元组件具有减少的数量的感应片(少于20%)，显著地减少了与每个蓄电池单元组件的感应片相关联的成本和问题，同时仍然允许对蓄电池单元的总体监测。
优选地，提供5个或更少的感应片，且更优选地，为蓄电池单元提供确切地两个感应片，或者为蓄电池单元提供确切地一个感应片。
本发明还为在充电或操作期间监测上文公开的蓄电池提供保证。
本发明最优选地与包含以上蓄电池的电动车蓄电池以及与包含上面所记载的电动车蓄电池的电动车一起使用。
附图说明
下文描述本发明的若干个非限制性实施例，其中：
图1示出并非根据本发明的蓄电池的示意图；
图2示出本发明的蓄电池单元的侧面示意图；
图3a和3b示意性地示出连接到电压表的图2的蓄电池单元；
图4示出根据本发明的蓄电池的第一实施例的示意图；
图5示出根据本发明的蓄电池的第二实施例的示意图；
图6示出根据本发明的蓄电池的第三实施例的示意图；
图7示出根据本发明的蓄电池的第四实施例的示意图；
图8示出根据本发明的蓄电池的第五实施例的示意图；
图9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h和9i示意性地示出本发明的蓄电池单元的各种实施例；以及
图10示意性地示出电动或混动车中的图1的蓄电池。
具体实施方式
图1示出用于解释本发明的并非根据本发明的蓄电池1000的示意图。蓄电池1000具有并联连接在阳极线1010和阴极线1020之间的三个蓄电池单元1100、1200、1300。因此，蓄电池的电压Ubat就是这两条线路之间的电压，并且如图所示，蓄电池单元1100、1200、1300将电流相加，以使得由蓄电池1000提供最终电流Ig。
如果使用电压表1030、1040来测量单元1100的电压，那么电压表1030、1040仍然接收来自单元1200和1300的电流。因此，即使单元1100发生故障，从电压表1030、1040接收信息的蓄电池管理系统（BMS）仍将认为单元1100正在正确地工作。
图2示出本发明的蓄电池单元100的侧面示意图。蓄电池单元100具有端板集电器阴极102、端板集电器阳极104以及位于端板集电器阴极102和端板集电器阳极104之间的多个蓄电池单元组件110、112。每个蓄电池单元组件110、112包括阴极120、分隔物122、阳极124和双极集电器126。感应片106和108可连接到位于端板集电器阴极102和端板集电器阳极104之间的双极集电器126之一并从其延伸。
双极集电器126可由例如铜或铝或镀镍铝或镍制成，并且感应片106、108可由相同材料制成，并且可以与双极集电器126一体。优选地，双极集电器126和感应片106、108由涂覆有镍的薄铝箔制成。
分隔物122可以是电介质材料，例如多孔聚乙烯或聚乙烯-聚丙烯箔（通常为8-25μm厚）。可通过例如气相沉积或其它薄膜技术将阳极124和阴极120沉积在分隔物122上。
该蓄电池可并入如在2017年2月14日提交的序号为15/432,401的美国专利申请（该美国专利申请由此以引用的方式并入到本文）中所公开的聚合物框架，并且诸如液体或凝胶的典型电解质可被使用。然而，本发明也可并入诸如锂氧化物或硫化物玻璃或玻璃陶瓷或陶瓷之类的固态电解质作为电解质。
每个蓄电池单元组件110、112通常将具有4.2 V的电压，并且每个蓄电池单元可具有本文中定义为大于200 V的高电压。因此，蓄电池单元100通常将具有50个或更多个蓄电池单元组件，并且优选地具有100个或更多个蓄电池单元组件。在一个实施例中，为每个蓄电池单元100提供200个蓄电池单元组件，如线条101示意性地所示，从而提供大约800 V的电压。对于每个图中示意性地示出的蓄电池单元，情况都是如此。
用于车辆的蓄电池组可具有超过50个并联的高电压蓄电池单元，例如70个蓄电池单元100。
图3a示意性地示出连接到电压表130、140的图2的蓄电池单元100。电压表130可测量例如大量蓄电池单元组件，这里示意性地示为5个。3b电压表150、160显示利用如图所示提供的电阻R1、R2、R3和R4进一步监测的可能性。
图4示出根据本发明的蓄电池400的第一实施例的示意图，蓄电池400具有蓄电池单元410、412和414。这些单元可分别经由它们各自的端板集电器阴极102和端板集电器阳极104简单地并联连接。每个蓄电池单元组件110、112具有通常为约4.2 V的蓄电池单元组件电压Ucell。具有例如50个或更多个蓄电池单元组件的单元410可具有单个感应片，以使制造更容易且潜在的泄漏或污染更难进入到密封的外壳中。
带有电压表420的蓄电池管理系统（BMS）可监测U1，U1可以是Ubatt — Ucell。由于电压表420并非并联连接到蓄电池单元412和414，所以如果电压表420测量区域内的蓄电池组件在例如操作或充电期间发生故障或失灵，那么电压表420将登记指示电压表测量区域内的蓄电池单元410的故障或问题的变化。并且，如果顶部蓄电池组件失灵，而BMS正在监测Ubatt，那么可以识别出顶部单元组件的问题。例如，如果图4中的顶部单元组件短路，那么U1将增加到Ubatt，这指示顶部单元组件中的短路。例如，如果有150个单元组件，其中每个单元组件提供4伏，那么在正常操作期间，Ubatt将是600 V，并且U1将是596 V。然而，顶部单元组件中的短路于是将为蓄电池单元412、414的电压提供与电压表420类似的构造，这将指示600 V的电压。
BMS可为蓄电池单元412、414提供类似的电压表和监测。在现有技术中，每个单元组件都需要感应片，并且对每个单元组件进行单独监测，与现有技术相比，本发明提供一种不那么昂贵、可靠的方法来监测蓄电池单元充电和操作且更容易地识别失灵和故障。例如，如果在车辆电池中使用各自具有200个单元组件的70个蓄电池单元，那么将需要14000个感应片和电压表以及BMS的相应监测功能。尽管这提供了更高的精度，但是从成本和制造的角度来看，它是不切实际的。并且，每个感应片（如果其与液体或凝胶电解质一起使用的话）代表一个潜在的泄漏点。本发明允许供图4的实施例使用的70个感应片，并且对于以下实施例允许140个感应片，同时仍然允许识别失灵蓄电池单元。
然后，也可将失灵的蓄电池单元旁路，以便允许继续操作直到维修。
图5示出根据本发明的蓄电池500的第二实施例的示意图。为了允许更精确地识别问题，可以为蓄电池单元510、512、514提供两个感应片，并且可以为每个蓄电池单元510、512、514提供两个电压表。在具有200个蓄电池单元组件的蓄电池单元中，电压表520可例如监测前110个蓄电池单元组件的电压U1，并且电压表530可监测最后91个蓄电池单元组件的电压U2，其中有一个蓄电池单元组件重叠。可通过例如将来自电压表的结果与其它蓄电池单元512、514或与来自存储的数据（如U1或U2的先前读数）进行比较来识别由每个电压表监测的蓄电池单元510的失灵部分。即使重叠的蓄电池单元组件失灵，仍可通过BMS来识别U1和U2中的每个的电压降。
图6示出根据本发明的蓄电池600的第三实施例的示意图，其中蓄电池单元610的三个蓄电池单元组件被电压表620、630重叠。可通过BMS来监测由电压表620、630测量的蓄电池组件区域内的失灵。提供图6是为了表明重叠的组件的数量可以超过一个，并且这些重叠的单元充当用于电压表的隔离器。
图7示出根据本发明具有蓄电池单元710、712、714的蓄电池700的第四实施例的示意图。这里，提供了两个没有重叠的电压表720、730，但是仍然允许识别在它们的特定测量区域内的问题，其中顶部单元充当用于电压表720和730的隔离器。在该实施例中，顶部的单元的数量可以超过一个。
图8依然示出根据本发明的蓄电池800的第五实施例的示意图，其中电压表820测量一些蓄电池单元组件，并且电压表830测量其它蓄电池单元组件，其中它们的区域被至少一个蓄电池单元组件所间隔。在这种情况下，顶部蓄电池单元组件或间隔蓄电池单元组件的短路将不会导致U1 + U2与Ubatt相同。
图9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h和9i示意性地示出本发明的蓄电池单元的各种实施例，其中阴极片902连接到端板集电器阴极（未示出），并且阳极片901连接到端板集电器阳极903。感应片910、920可位于与片901、902相同的一侧上，如图9a所示，或者感应片923可成90度，或者感应片924可成180度位于相对一侧上，分别如图9b和9c所示。备选地，两个感应片912、923均可位于相对于阳极和阴极片成90度的一侧上，如图9d所示。图9e示出片912、926，并且图9f示出对立的片912和928。图9g示出单个感应片920，并且图9h示出三个感应片910、923、925，其中图9i示出第四个感应片927。
如图10中示意性地所示，在一个应用中，蓄电池1000可作为电池向电机1001提供功率，以便为电动或混动车1002提供动力。

Claims (21)

1.一种蓄电池，包括：
第一蓄电池单元，所述第一蓄电池单元包括：端板集电器阴极；端板集电器阳极；位于所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极之间的多个蓄电池单元组件，每个蓄电池单元组件包括阴极、分隔物、阳极和双极集电器；以及连接到位于所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极之间的所述双极集电器中的一个双极集电器并从位于所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极之间的所述双极集电器中的所述一个双极集电器延伸的至少一个感应片；
经由所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极并联连接到所述第一蓄电池单元的第二蓄电池单元；
连接在所述至少一个感应片中的第一感应片和以下项之一之间的第一电压表：所述端板集电器阴极、所述端板集电器阳极或所述至少一个感应片中的第二感应片，所述第一电压表经由所述第一蓄电池单元的至少一个蓄电池单元组件与所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极中的至少一个电隔离，并测量所述蓄电池单元组件中的至少两个蓄电池单元组件。
2.如权利要求1所述的蓄电池，进一步包括连接在所述第一感应片、所述第二感应片或所述至少一个感应片中的另外感应片和以下项之一之间的第二电压表：所述端板集电器阴极或所述端板集电器阳极。
3.如权利要求2所述的蓄电池，其中所述第一电压表连接在所述第一感应片和所述第二感应片之间，并且第二电压表连接在所述第二感应片与所述端板集电器阴极或所述端板集电器阳极之间。
4.如权利要求2所述的蓄电池，其中所述第一电压表连接在所述第一感应片和所述第二感应片之间，并且第二电压表连接在所述另外感应片与所述端板集电器阴极或所述端板集电器阳极之间。
5.如权利要求4所述的蓄电池，其中所述第二感应片和所述另外感应片至少被所述蓄电池单元组件之一的所述阴极、所述分隔物和所述双极集电器隔开。
6.如权利要求1所述的蓄电池，其中所述第一电压表监测至少25个蓄电池单元组件。
7.如权利要求6所述的蓄电池，其中所述第一电压表监测至少50个蓄电池单元组件。
8.如权利要求1所述的蓄电池，其中所述第一和第二蓄电池单元中的每个蓄电池单元的蓄电池单元组件的数量为至少25个。
9.如权利要求8所述的蓄电池，其中所述第一和第二蓄电池单元中的每个蓄电池单元的蓄电池单元组件的数量为至少50个。
10.如权利要求8所述的蓄电池，还包括经由所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极并联连接到所述第一蓄电池单元的至少48个另外蓄电池单元。
11.如权利要求1所述的蓄电池，其中所述第一蓄电池单元具有至少210伏的电压。
12.一种蓄电池单元，包括：
端板集电器阴极；
端板集电器阳极；
位于所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极之间的至少25个蓄电池单元组件，每个蓄电池单元组件包括阴极、分隔物、阳极和双极集电器；以及
连接到位于所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极之间的所述双极集电器中的一个双极集电器并从位于所述端板集电器阴极和所述端板集电器阳极之间的所述双极集电器中的所述一个双极集电器延伸的10个或更少的感应片，其中所述10个或更少的感应片被布置成允许监测所述至少25个蓄电池单元组件中各自具有电压表的一个或多个部分，所述一个或多个部分中的每个部分不包括所有所述至少25个蓄电池单元组件，但是包括所述蓄电池单元组件中的至少两个蓄电池单元组件。
13.如权利要求12所述的蓄电池单元，其中蓄电池单元组件的数量为至少50个。
14.如权利要求12所述的蓄电池单元，其中提供5个或更少的感应片。
15.如权利要求14所述的蓄电池单元，其中为所述蓄电池单元提供确切地两个感应片。
16.如权利要求14所述的蓄电池单元，其中为所述蓄电池单元提供确切地一个感应片。
17.一种用于监测如权利要求1所述的蓄电池的方法，包括在充电期间监测所述第一电压表。
18.一种用于监测如权利要求1所述的蓄电池的方法，包括在操作期间监测所述第一电压表。
19.一种电动车蓄电池，包括如权利要求1所述的蓄电池。
20.一种电动车，包括如权利要求19所述的电动车蓄电池。
21.一种混动车，包括如权利要求19所述的电动车蓄电池。
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