CN113178634B - 用于感知电池单元膨胀的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于感知电池单元膨胀的系统和方法。在嵌入电池组中的电池单元中产生异常膨胀时，所述系统和方法快速感测所述膨胀以控制对所述电池组的电力供应为被切断，从而防止电池单元和电池组的结构变形以及电池的寿命缩短，并且防止如爆炸或着火的事故。

Description

用于感知电池单元膨胀的系统和方法
本申请是于2017年7月14日进入中国国家阶段的、PCT申请号为PCT/KR2016/006196、国际申请日为2016年6月10日、中国申请号为201680005880.9、发明名称为“用于感知电池单元膨胀的系统和方法”的申请的分案申请。
技术领域
本申请要求2015年6月10日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2015-0082100号的优先权和权益，该申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
本发明涉及一种用于感测电池单元膨胀的系统，并且更特别地，涉及一种感测电池单元膨胀的系统和方法，其中分别在一个或多个电池单元之间所形成的具有预定间隔的空间中设置压力测量传感器，并且测量根据所述一个或多个电池单元各自的体积变化施加至压力测量传感器的压力从而基于测量结果控制外部电源的供应，从而防止因为电池单元的膨胀现象可产生的事故如着火和爆炸以及电池单元和电池组的结构变形。
背景技术
电池具有如下特征：根据产品群容易应用、优良的保存性、高的能量密度等。此外，电池作为用于改进环境友好特征和能量效率的能源而引起关注，因为其不会因为能量的使用而产生副产物，而且其具有可以减少化石燃料的使用的主要优点。
因此电池普遍应用于便携式设备、电动车辆(EV)和储能系统(ESS)，并且用作各种工业中的基础并且同时为日常生活提供便利。
然而，电池可能因为使用环境而被异常地驱动，并且电池的该异常驱动造成各种事故，因此需要借助于小心监测和适当控制来稳定地保护电池。
例如，当将电池置于异常环境如过度充电、短路和反向接触中，或者电池的寿命耗尽时，电池内因为电化学作用而产生气体，并且过量的气体产生引起电池的膨胀现象。
电池的膨胀现象可能导致事故如着火和爆炸，以及缩短电池寿命和减少电池容量，因此需要考虑安全性。
因此，相关现有技术提供了各种技术来感测电池的膨胀现象，例如，韩国专利申请公开第10-2009-0131573号公开了一种用于在电池过度充电期间切断电源的装置，其中当电池中产生膨胀现象时，电极组件与电极引线之间的连接断开，使得单电池之间的电源连接单元断开，从而防止过度充电。
然而，在相关现有技术中，只有当一些元件由于电池膨胀现象而损坏时才会防止过度充电，因此不能容易地借助于再生进行电池的再使用，并且损坏期间可产生的火花会充当着火源，使得火花可能是另一个着火原因。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在解决上述问题，并且本发明的一个目的在于提供一种感测电池单元膨胀的系统和方法，其中分别在一个或多个电池单元之间所形成的具有预定间隔的空间中设置压力测量传感器，并且测量根据所述一个或多个电池单元各自的体积变化施加至压力测量传感器的压力从而基于测量结果控制外部电源的供应，从而防止由电池单元的膨胀现象可产生的事故如着火和爆炸以及电池单元和电池组的结构变形。
此外，本发明的一个目的在于提供一种感测电池单元膨胀的系统和方法，所述系统和方法在电池单元异常膨胀时阻断电源的供应并且同时控制外围设备如风扇和冷却阀从而将其操作成关闭(off)，从而防止因为外围设备的不必要的驱动而致电力消耗。
[技术方案]
根据本发明的一个示例性实施方式的用于感测电池单元膨胀的系统包含：嵌入电池组中的一个或多个电池单元；感测单元，其包含压力测量传感器并且根据所述一个或多个电池单元各自的体积变化测量施加至压力测量传感器的压力；开关单元，其设置在电池组与外部电源之间的连接路径中；以及控制单元，其基于感测单元的测量结果控制开关单元的开路(opening)/闭路(closing)操作。
所述系统可以进一步包含输出单元，其输出所述一个或多个电池单元的状态和开关单元的开路/闭路操作。
所述一个或多个电池单元可以形成具有预定间隔的空间并且可以被嵌入电池组中。
所述压力测量传感器可以设置在电池组的内壁与邻接于电池组的内壁的电池单元之间、和设置在各个所述空间处。
所述感测单元可以将施加至各个压力测量传感器的压力转换为电压值或电流值，并且向控制单元提供转换的电压值或电流值。
所述控制单元可以比较从感测单元接收的电压值或电流值与预定阈值，并且在电压值或电流值超过预定阈值时，所述控制单元可以向开关单元提供开路操作信号。
在电压值或电流值超过预定阈值时，所述控制单元可以向单独的外围设备提供关闭操作信号，并且所述单独的外围设备可以是空气冷却型风扇和水冷却型冷却阀中的一者。
在电压值或电流值不超过预定阈值时，所述控制单元可以向开关单元提供闭路操作信号。
在电压值或电流值超过预定阈值时，所述输出单元可以以图像和声音的形式输出报警信号。
所述开关单元可以由场效应晶体管和继电器中的一者或多者形成。
根据本发明的另一个示例性实施方式的感测电池单元膨胀的方法包括：根据嵌入电池组中的一个或多个电池单元各自的体积变化测量施加至压力测量传感器的压力；以及基于所述测量施加至压力测量传感器的压力中的测量结果控制设置在电池组与外部电源之间的连接路径中的开关的开路/闭路操作。
所述方法可以进一步包括输出所述一个或多个电池单元的状态和所述开关的开路/闭路操作。
所述一个或多个电池单元可以形成具有预定间隔的空间并且可以被嵌入电池组中。
所述压力测量传感器可以设置在电池组的内壁与邻接于电池组的内壁的电池单元之间，和设置在各个所述空间处。
所述测量施加至压力测量传感器的压力可以包括将施加至各压力测量传感器的压力转换为电压值或电流值，以及控制开关的开路/闭路操作。
所述控制开关的开路/闭路操作可以包括比较从所述测量施加至压力测量传感器的压力接收的电压值或电流值与预定阈值，以及控制开关以在电压值或电流值超过预定阈值时将其操作成开路。
所述控制开关的开路/闭路操作可以包括控制单独的外围设备以在电压值或电流值超过预定阈值时将其操作成关闭，并且所述单独的外围设备可以是空气冷却型风扇和水冷却型冷却阀中的一者。
所述控制开关的开路/闭路操作可以包括控制开关以在电压值或电流值不超过预定阈值时将其操作成闭路。
所述输出所述一个或多个电池单元的状态和所述开关单元的开路/闭路操作可以包括在电压值或电流值超过预定阈值时以图像和声音的形式输出报警信号。
所述开关可以由场效应晶体管和继电器中的一者或多者形成。
[有益效果]
根据本发明的一个方面，可以提供感测电池单元膨胀的系统和方法，在嵌入电池组中的电池单元中产生异常膨胀现象时，所述系统和方法快速地感测所述异常膨胀现象，并且控制电池组与外部电源之间的连接路径中的开关的操作，使得对电池组的电源的供应被阻断。
因此，本发明的优点在于可以防止由电池单元的异常膨胀现象所致的电池寿命缩短和结构变形，并且防止如着火和爆炸的事故。
此外，本发明阻断了对电池组的电源供应，并且同时控制了外围设备以将其操作成关闭，从而实现防止因为不必要的驱动而致电力消耗的效果。
附图说明
图1是示意性地说明如下电动车辆的图，根据本发明的一个示例性实施方式的感测电池单元膨胀的系统和方法适用于所述电动车辆。
图2是示意性地说明根据本发明一个示例性实施方式的用于感测电池单元膨胀的系统的构造的图。
图3是示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的用于感测电池单元膨胀的系统的电路图的图。
图4是说明根据本发明一个示例性实施方式的感测电池单元膨胀的方法的流程图。
具体实施方式
本发明将参考附图在下文中详细描述。在本文中，将省去已公知的功能和构造的重复描述和详细描述，这些描述可能使本发明的主旨不必要地含糊。提供本发明的示例性实施方式以便更完整地向本领域的技术人员说明本发明。因此，图中要素的形状、尺寸等可能为了更清晰地说明而被放大。
在整个说明书中，除非明确地相反描述，否则词语“包括/包含”还意欲包含其它组成要素，并不排除其它组成要素。
此外，说明书中所述的术语“…单元”意指用于执行至少一个功能和操作的单元，且可以由硬件部件或软件部件及其组合实施。
图1是示意性地说明如下电动车辆的图，根据本发明的一个示例性实施方式的感测电池单元膨胀的系统和方法适用于所述电动车辆。
然而，应注意，除电动车辆1以外，根据本发明的示例性实施方式的感测电池单元膨胀的系统和方法适用于应用电池的各种技术领域。
参考图1，电动车辆1可以包含电池10、电池管理系统(BMS)20、电子控制单元(ECU)30、逆变器40以及发动机50。
电池10是向发动机50提供驱动力并且驱动电动车辆1的电能源，并且可以通过逆变器40根据发动机50和/或内燃机(未示出)的驱动充电或放电。
BMS 20可以估计电池10的状态，通过使用关于状态的信息控制电池10的充电/放电电流，并且还控制接触器的开路/闭路操作。
ECU 30是控制电动车辆1的状态的电子控制设备。例如，ECU 30基于关于加速器、制动器、速度等的信息确定转矩水平，并且控制发动机50的输出来对应于转矩信息。
逆变器40基于ECU 30的控制信号使电池10充电或放电。
发动机50基于电池10的电能和从ECU 30传输的控制信息驱动电动车辆1。
如上所述，在电动车辆1中，电池10是提供动量的核心要素，并且在电池10呈异常状态时，可能发生电动车辆1的故障和各种事故。
例如，在将电池10置于如过度充电、短路和反向接触的环境中或电池的寿命耗尽时，因为电池10内部的电和化学作用产生气体，从而增加了电池10的内压力，使得电池10可能膨胀而引起爆炸或着火。
因此，适当保护电池关系到应用了电池的机器装置和设备的稳定操作，并且下文将参考图2至图4描述根据本发明的示例性实施方式的感测电池单元膨胀的系统和方法。
图2是示意性地说明根据本发明的示例性实施方式的用于感测电池单元膨胀的系统的构造的图，并且图3是示意性地说明用于感测电池单元膨胀的系统的电路图的图。
参考图2和图3，根据本发明的示例性实施方式的用于感测电池单元膨胀的系统100可以包含一个或多个电池单元110、感测单元120、控制单元130、开关单元140以及输出单元150。
然而，图2和图3中所说明的用于感测电池单元膨胀的系统100是一个示例性实施方式，其组成要素不限于图2和图3中所说明的示例性实施方式，并且应注意一些组成要素可以根据需要增加、改变或去除。
一个或多个电池单元110可以在电池单元之间形成空间并且可以嵌入电池组中。特别地，所述一个或多个电池单元110串联连接，并且在此情况下，所述一个或多个电池单元110可以彼此隔开预定间隔而形成具有预定尺寸的空间。
所述空间的尺寸可以根据下述压力测量传感器121的厚度来确定，使得可以将压力测量传感器121插入在左侧电池单元110与右侧电池单元110之间，同时与左侧电池单元110和右侧电池单元110接触。
此处，包括电池单元110和电池组的电池的种类不受特别限制，并且电池的实例可以包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池以及镍锌电池。
感测单元120可以被设置在电池组的内部或一个外侧来用于感测所述一个或多个电池单元110各自的体积变化。
特别地，感测单元120包含一个或多个压力测量传感器121，并且各压力测量传感器121可以插入在由所述一个或多个电池单元110形成的空间中，同时一对一地对应于所述空间。此外，压力测量传感器121还可以插入在由所述一个或多个电池单元110中的最外面的电池单元与电池组的内壁形成的空间中。
也就是说，所述一个或多个电池单元110各自的一个表面与压力测量传感器121的一个表面可以彼此紧密接触而紧密地填充电池组的内部空间，使得在所述一个或多个电池单元110的每个中产生体积变化时，可以对紧密接触的压力测量传感器121施加压力。
如上所述，将压力测量传感器121插入在由所述一个或多个电池单元110形成的空间中，并且使电池单元110与压力测量传感器121紧密接触，使得可以根据电池单元110的体积变化灵敏地感测压力并且改进电池组内部的空间利用。
所述一个或多个压力测量传感器121各自可以根据所述一个或多个电池单元110各自的体积变化测量所施加的压力，并且在此情况下，所述压力测量传感器121可以测量从紧密接触的左侧电池单元110和右侧电池单元110施加的所有压力，或测量从左侧电池单元110和右侧电池单元110施加的压力之间相对较高的所施加压力，并且向感测单元120提供所测量的压力。
感测单元120可以将所测量的压力转换为电学值如电压值或电流值，并且向下述控制单元130提供所转换的电学值。
控制单元130可以用于基于从感测单元120提供的电压值或电流值控制下述开关单元140的开路/闭路操作，并且可以作为BMS本身实施或可以被包含在BMS中。
可以在控制单元130中设置用于通过与电压值或电流值比较来确定电池单元110的膨胀的阈值。
特别地，控制单元130比较电压值或电流值与预定阈值，并且在电压值或电流值超过预定阈值时，控制单元130可以向开关单元140提供开路操作信号，并且同时向与驱动电池有关的外围设备(未示出)、电路部件等提供关闭操作信号来防止因为外围设备和电路部件的不必要的驱动而致电力消耗。
在本文中，外围设备可以包括空气冷却型风扇、水冷却型冷却阀等。
此外，在电压值或电流值不超过预定阈值时，控制单元130可以向开关单元140提供闭路操作信号。
一个或多个开关单元140可以被设置在电池组与外部电源之间的连接路径中，并且可以根据从控制单元130接收的操作信号将电池组与外部电源之间的连接路径开路或闭路。
也就是说，在从控制单元130提供开路操作信号时，开关单元140可以被操作成开路以阻断从外部电源供应到电池组的电流的路径，并且与此相对，在从控制单元130提供闭路操作信号时，开关单元140可以保持闭路操作。
开关单元140可以由场效应晶体管和继电器之间的一者或多者形成，但应注意，形成开关单元140的接触器的种类不受限制并且可以进行各种选择。
输出单元150可以用于输出关于状态的信息，如电池单元110的体积变化、根据开关单元140的开路/闭路操作的充电/放电状态等。
例如，输出单元150可以用终端设备(如计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)和便携式多媒体播放器(PMP))来实施，并且可以用能够执行数据输入/输出的各种类型的设备来实施。
来自输出单元150的信息输出可以以图像形式显示或可以以声音形式提供。特别地，在通过控制单元130进行电压值或电流值与阈值之间的比较，结果电压值或电流值超过阈值时，输出单元150可以以图像和声音的形式输出报警信号。
图4是说明根据本发明的示例性实施方式的感测电池单元膨胀的方法的流程图。
在根据本发明的示例性实施方式的感测电池单元膨胀的方法开始时，首先测量根据电池单元的体积变化施加至压力测量传感器的压力(S410)，将用感测单元测量的压力转换为电学值如电压值或电流值，并且向控制单元提供转换的电学值(S420)。控制单元比较电压值或电流值与预定阈值(S430)，并且在电压值或电流值超过预定阈值时，控制单元向与驱动电池有关的外围设备提供关闭操作信号(S440-1)并且向开关单元提供开路操作信号(S440-2)。因此，外围设备被操作成关闭，并且开关单元被操作成开路以阻断电池组与外部电源之间的连接路径(S450-1)。
在电压值或电流值不超过预定阈值时，控制单元向开关单元提供闭路操作信号(S440-3)，使得开关单元保持闭路操作(S450-2)。
然后，输出单元以图像和声音的形式输出关于状态的信息，如电池单元的体积变化、根据开关单元的开路/闭路操作的电池组的充电/放电状态等(S460)。
在上文中，已经说明并且描述本发明的具体示例性实施方式，但本领域的技术人员显而易见，本发明的技术主旨不受附图和所述内容限制，并且可以在不背离本发明的精神的情况下以各种形式修改，并且在不背离本发明的主旨的情况下所述修改被认为属于本发明的权利要求书。

Claims (10)

1.一种用于感测电池单元膨胀的系统，所述系统包含：
嵌入电池组中的多个电池单元；
感测单元，其包含压力测量传感器并且根据所述多个电池单元各自的体积变化测量施加至所述压力测量传感器的压力；
开关单元，其设置在所述电池组与外部电源之间的连接路径中；以及
控制单元，其基于所述感测单元的测量结果控制所述开关单元的开路/闭路操作，
其中所述感测单元将施加至各个所述压力测量传感器的压力转换为电压值或电流值，并且向所述控制单元提供转换的电压值或电流值，
其中所述控制单元比较从所述感测单元接收的电压值或电流值与预定阈值，并且在所述电压值或所述电流值超过所述预定阈值时，所述控制单元向所述开关单元提供开路操作信号，同时向单独的外围设备提供关闭操作信号，并且所述单独的外围设备是空气冷却型风扇和水冷却型冷却阀中的一者，
其中在所述电压值或所述电流值不超过所述预定阈值时，所述控制单元向所述开关单元提供闭路操作信号，
其中所述多个电池单元形成具有预定间隔的空间，所述压力测量传感器一对一地设置在各个所述空间处，同时与左侧电池单元和右侧电池单元彼此紧密接触，从而测量从所述左侧电池单元和所述右侧电池单元施加的压力之间相对较高的所施加压力。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包含：
输出单元，其输出所述多个电池单元的状态和所述开关单元的开路/闭路操作。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力测量传感器设置在所述电池组的内壁与邻接于所述电池组的内壁的电池单元之间。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包含：
输出单元，其输出所述多个电池单元的状态和所述开关单元的开路/闭路操作，
其中在所述电压值或所述电流值超过所述预定阈值时，所述输出单元以图像和声音的形式输出报警信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关单元由场效应晶体管和继电器中的一者或多者形成。
6.一种感测电池单元膨胀的方法，所述方法包括：
根据嵌入电池组中的多个电池单元各自的体积变化测量施加至压力测量传感器的压力；以及
基于所述测量施加至压力测量传感器的压力中的测量结果控制设置在所述电池组与外部电源之间的连接路径中的开关的开路/闭路操作，
其中所述测量施加至压力测量传感器的压力包括将施加至各个所述压力测量传感器的所述压力转换为电压值或电流值并且控制开关的开路/闭路操作，
其中所述控制开关的开路/闭路操作包括比较从所述测量施加至压力测量传感器的压力接收的所述电压值或所述电流值与预定阈值，以及控制所述开关以在所述电压值或所述电流值超过所述预定阈值时将所述开关操作成开路，同时控制单独的外围设备以在所述电压值或所述电流值超过所述预定阈值时将所述单独的外围设备操作成关闭，并且所述单独的外围设备是空气冷却型风扇和水冷却型冷却阀中的一者，
其中所述控制开关的开路/闭路操作包括控制所述开关以在所述电压值或所述电流值不超过所述预定阈值时将所述开关操作成闭路，
其中所述多个电池单元形成具有预定间隔的空间，所述压力测量传感器一对一地设置在各个所述空间处，同时与左侧电池单元和右侧电池单元彼此紧密接触，从而测量从所述左侧电池单元和所述右侧电池单元施加的压力之间相对较高的所施加压力。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
输出所述多个电池单元的状态和所述开关的开路/闭路操作。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述压力测量传感器设置在所述电池组的内壁与邻接于所述电池组的内壁的电池单元之间。
9.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
输出所述多个电池单元的状态和所述开关单元的开路/闭路操作，
其中所述输出所述多个电池单元的状态和所述开关单元的开路/闭路操作包括在所述电压值或所述电流值超过所述预定阈值时以图像和声音的形式输出报警信号。
10.根据权利要求6所述的方法，其中所述开关由场效应晶体管和继电器中的一者或多者形成。
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