WO2022056957A1 - 一种智能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能电池。该智能电池包括：一般电池具有的电池壳、层状电芯、正电极和负电极之外，还包括有嵌入式多源传感器组和智能芯片。本发明提供的智能电池，通过采用智能芯片和嵌入式多源传感器组，可以对电池的核心压力、核心温度、电流等工作信息进行实时检测，进而实现对电池工作状态和安全状态的实时监测，以在实现电池自我感知功能的基础上，提高电池使用的安全性和可靠性。并且，本发明提供的智能电池通过添加智能芯片和嵌入式多源传感器组对传统电池结构进行改装，使得在保证电池体积不变的前提下，弥补了对智能电池研发、制造、生产等研究的空白状态。

Description

一种智能电池 技术领域
本发明涉及电池领域，特别是涉及一种智能电池。
背景技术
发展新能源汽车是中国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。欧、美、日等发达国家均投入巨资并相继发布实施了新能源汽车发展战略，加大了政策扶持力度。近年来中国新能源汽车产业发展取得了举世瞩目的成就，成为引领世界汽车产业转型的重要力量。
与其他类型电池相比，锂离子电池因具有高比能量、高比功率，以及长循环寿命的显著优势，被公认为是目前和未来相当长一段时间内电动汽车用动力电池的首选。然而近年来，电池续航里程估计不准确，动力电池容量衰减快，制约着电动汽车的推广。一些知名品牌电动汽车连续发生安全事故，更是加重了消费者对电动汽车安全性的担忧。因此，中国汽车技术研究中心发布了2018版C-NCAP新车评估程序，着重增加了对新能源汽车碰撞安全性的评价指标。
在目前的电池管理系统(Battery Management System，BMS)当中，由于技术、成本和空间的限制，主要实时监测电池的端电压、电流和表面温度。基于监测到的上述物理量对电池工作状态(包括荷电状态State of Charge——SOC、健康状态State of Health——SOH和功率状态State of Power——SOP等)、电池中心温度进行估计，从而实现对电池状态的全面监测，以提高电池的使用效率，保证电池系统的安全状态。但是，由于电池实时状态受充放电倍率、温度、自放电、老化等因素的影响，使得电池在使用过程中表现出高度的非线性，这为准确估计电池SOC、SOH和中心温度带来很大难度。尽管对电池状态估计有很多研究和方法(如安时积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法等)，但是由于方法精度较差、实时性不好、计算过程过于复杂等缺点，都无法精确的对行驶车辆的电池状态进行实时估计，并不能满足基本的使用需求。
Intel在1990年提出智能电池技术，但是随着科技的发展，智能电池技术并未有长足的发展。目前，随着电池系统成组化和大型化，电池管理系统对大规模电池的管理难度越来越大，而智能电池开始凸显优势。目前仅仅依靠电池管理系统对电池进行全面的信息监测、管理控制、系统通信以及安全预警，已经远远不能满足新能源汽车行业对电池使用和安全的要求。电池发展势必向着自感知、自决策、自控制等方向发展。
智能电池与普通电池相比具有智能功能和超高性能。智能功能体现为：在电池单体级别上，能够对多种工作状态信息和安全信号进行高级逻辑判断，对电池单体功能状态自感知、自预警。在模块级别上，能够完成分时扫描、故障上报、信息处理、命令下传和安全处理；在系统级别上，与云端连接，能够进行故障记录并给予高级安全处理建议。超高性能基于智能功能，具体体现在高能量密度、高功率密度、长循环寿命、高可靠性、高安全性、环境可持续性以及可扩展性，其中可扩展性指智能电池可适应不同的应用场景。
但是，智能电池当前研究较少，对智能电池尚未有明确定义，一般而言，智能电池系统是能对自身进行高效管理的电池电源系统，包括电池和控制系统，电池进行能量的存储和供给，控制部分一般由单片机系统及其周边检测控制模块组成，完成智能化测量、计算和管理控制。其整体构成完整的、可靠的、安全的电力供给系统。但是从上述定义可以看出，当前的智能电池更倾向于模组甚至系统层面，无法深入到电池单体层面。
实现电池在单体层面的自感知和自预警，能够实现将复杂的BMS功能分散到单体电池中，进而实现降低BMS管理压力甚至取消BMS。此计划目前停留在对电池管理系统发展方向上的指引，目前对智能电池研发、制造、生产的研究仍处于空白状态。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种能够自我感知的、安全可靠的智能电池。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种智能电池，包括：电池壳、层状电芯、嵌入式多源传感器组、智能芯片、正电极和负电极；
所述层状电芯置于所述嵌入式多源传感器组中；所述智能芯片置于所述正电极和所述负电极之间；所述电池壳包裹所述嵌入式多源传感器组、所述智能芯片、所述正电极和所述负电极，且所述电池壳上开设有用于放置所述正电极、所述负电极和所述智能芯片的数据接口的通孔；
所述正电极与所述层状电芯的正极电连接；所述负电极与所述层状电芯的负极电连接；
所述嵌入式多源传感器组与所述智能芯片电连接；所述嵌入式多源传感器组用于检测所述智能电池核心的温度和压力，以及用于检测所述智能电池内部的电流；所述智能芯片用于根据所述智能电池核心的温度和压力以及所述智能电池内部的电流实时检测所述智能电池的工作状态。
优选的，所述嵌入式多源传感器组包括：复合传感器和霍尔电流传感器；
所述复合传感器嵌入所述层状电芯中；所述层状电芯置于所述霍尔电流传感器中。
优选的，所述复合传感器包括：薄膜温度传感器、光纤布拉格光栅、第一背板和第二背板；
所述光纤布拉格光栅镶嵌在所述第一背板和第二背板中；所述第一背板和所述第二背板上均开设有用于放置所述光纤布拉格光栅和薄膜温度传感器的沟槽；
所述薄膜温度传感器置于所述第一背板和所述第二背板之间；
所述光纤布拉格光栅与所述薄膜温度传感器均与所述智能芯片连接；所述光纤布拉格光栅用于检测所述智能电池核心的压力；所述薄膜温度传感器用于检测所述智能电池核心的温度。
优选的，所述霍尔电流传感器包括：套壳、多条磁性体环带和与所述磁性体环带的数量相同的霍尔传感器；
所述套壳一侧开设有镂空结构；所述磁性体环带周向贴合于所述套壳外部，且贴合在所述套壳外部的所述磁性体环带的第一端和所述磁性体环带的第二端之间的空隙中央开设有镂空结构，所述霍尔传感器置于所述镂空结构中；
所述层状电芯置于所述套壳内部。
优选的，所述智能芯片包括：霍尔电流处理单元、复合传感调制解调单元和中央处理单元；
所述霍尔电流处理单元与所述霍尔电流传感器电连接；所述复合传感调制解调单元与所述复合传感器电连接；所述霍尔电流处理单元和所述复合传感调制解调单元均与所述中央处理单元电连接；
所述霍尔电流处理单元用于根据所述霍尔电流传感器检测得到的传感信号解调得到所述智能电池的电流；所述复合传感调制解调单元用于根据所述光纤布拉格光栅的中心波长的变化解调得到所述智能电池的核心压力，还用于根据所述薄膜温度传感器检测得到的虚拟电压信号解调得到所述智能电池的核心温度；所述中央处理单元加载有用于确定电池工作状态的电池工作状态管理算法和多维安全信号预警逻辑算法；所述中央处理单元根据所述霍尔电流处理单元和所述复合传感调制解调单元解调得到的信号确定所述智能电池的工作状态和安全状态。
优选的，所述智能芯片还包括：芯片基板、超声波传感器和电压传感器；
所述超声波传感器与所述中央处理单元连接；所述电压传感器与所述正电极、所述负电极和所述中央处理单元连接；所述电压传感器用于检测所述智能电池的电压变化；所述超声波传感器用于检测所述智能电池的结构状态；
所述无线传输单元、所述霍尔电流处理单元、所述复合传感调制解调单元、所述中央处理单元、所述超声波传感器和所述电压传感器均固定设置于所述芯片基板上。
优选的，所述智能芯片还包括：无线传输单元；所述中央处理单元与所述无线传输单元连接；所述无线传输单元用于实现所述中央处理单元与车辆管理系统的信息交互和/或所述中央处理单元与互联网云端间的信息交互。
优选的，所述电池壳上设置有智能芯片槽、电池槽、正电极槽和负电极槽；
所述智能芯片槽、所述正电极槽和所述负电极槽均设置在所述电池槽的上方，且所述正电极槽和所述负电极槽沿所述智能芯片槽对称设置；
所述智能芯片槽用于放置所述智能芯片；所述电池槽用于放置所述层状电芯和所述嵌入式多源传感器组；所述正电极槽用于放置所述正电极；所述负电极槽用于放置所述负电极。
优选的，所述电池壳上还设置有防爆阀；
所述防爆阀位于所述智能芯片槽和所述电池槽之间。
优选的，所述层状电芯为层状锂离子电池层状电芯。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的智能电池，通过采用智能芯片和嵌入式多源传感器组，可以对电池的核心压力、核心温度、电流等工作信息进行实时检测，进而实现对电池工作状态和安全状态的实时监测，以在实现电池自我感知功能的基础上，提高电池使用的安全性和可靠性。
并且，本发明提供的智能电池通过添加智能芯片和嵌入式多源传感器组对传统电池结构进行改装，使得在保证电池体积不变的前提下，弥补了对智能电池研发、制造、生产等研究的空白状态。
说明书附图
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的智能电池的结构分解图；
图2为本发明实施例提供的嵌入式多源传感器组的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的嵌入有层状电芯的嵌入式多源传感器组的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的复合传感器的结构分解图；
图5为本发明实施例提供的复合传感器的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的霍尔电流传感器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的智能芯片的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的电池壳的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的智能电池的总体结构图；
图10为本发明提供的霍尔元件的工作原理图；
图11为本发明实施例提供的超声波传感器的探伤原理图；
图12为本发明实施例提供的智能电池的工作原理图。
符号说明：
1-电池壳，11-智能芯片槽、12-电池槽、13-正电极槽，14-负电极槽，15-防爆阀，2-层状电芯，3-嵌入式多源传感器组，31-复合传感器，311-薄膜温度传感器，312-光纤布拉格光栅，313-第一背板，314-第二背板，3131-第一沟槽，3141-第二沟槽，32-霍尔电流传感器，321-套壳、322-磁性体环带，323-霍尔传感器，4-智能芯片，41-霍尔电流处理单元，42-复合传感调制解调单元，43-中央处理单元，44-芯片基板、45-超声波传感器，46-电压传感器，47-数据接口，48-无线传输单元，5-正电极，6-负电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种能够自我感知的、安全可靠的智能电池。
其中，本发明所提及的智能电池的定义为：具有嵌入式多源传感器、智能芯片植入结构的、能够对多种电池工作状态信号(SOC、SOH、SOP等)和安全信号(如内部核心温度、电压、电流、压力、应变、结构演变等)进行实时监测和管理控制的、能够通过有线和无线的方式实现单体电池间的状态共享和电池平衡的、利用数据接口或无线传输模块将电池数据传送给车辆管理单元或互联网云端的，能够对电池工作状态和安全状态实现自我感知、自我决策和自我控制的先进的多功能电池。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的智能电池的结构分解图，如图1所示，一种智能电池，包括：电池壳1、层状电芯2、嵌入式多源传感器组3、智能芯片4、 正电极5和负电极6。
所述层状电芯2置于所述嵌入式多源传感器组3中。所述智能芯片4置于所述正电极5和所述负电极6之间。所述电池壳1包裹所述嵌入式多源传感器组3、所述智能芯片4、所述正电极5和所述负电极6，且电池壳1上开设有用于放置所述正电极5、所述负电极6和所述智能芯片4的数据接口47的通孔。
所述正电极5与所述层状电芯2的正极电连接。所述负电极6与所述层状电芯2的负极电连接。
所述嵌入式多源传感器组3与所述智能芯片4电连接。所述嵌入式多源传感器组3用于检测所述智能电池核心的温度和压力，以及用于检测所述智能电池内部的电流。所述智能芯片4用于根据所述智能电池核心的温度和压力以及所述智能电池内部的电流实时检测所述智能电池的工作状态。
其中，所述层状电芯2优选为层状锂离子电池层状电芯，但不限于此。
如图2和图3所示，上述嵌入式多源传感器组3包括：复合传感器31和霍尔电流传感器32。
所述复合传感器31嵌入所述层状电芯2中。嵌入有所述复合传感器31的层状电芯2置于所述霍尔电流传感器32中。
其中，如图4所示，复合传感器31包括：薄膜温度传感器311、光纤布拉格光栅312、第一背板313和第二背板314。
所述光纤布拉格光栅312镶嵌在所述第一背板313和第二背板314中(如图5所示)。所述第一背板313和所述第二背板314上均开设有用于放置所述光纤布拉格光栅312和薄膜温度传感器311的沟槽(第一沟槽3131和第二沟槽3141)。其中，第一沟槽3131用于放置光纤布拉格光栅312；第二沟槽3141用于放置薄膜温度传感器311。
所述光纤布拉格光栅312与所述薄膜温度传感器311均与所述智能芯片4连接。所述光纤布拉格光栅312用于检测所述智能电池核心的压力。所述薄膜温度传感器311用于检测所述智能电池核心的温度。
如图6所示，霍尔电流传感器32包括：套壳321、多条磁性体环带322和与所述磁性体环带322的数量相同的霍尔传感器323。
所述套壳321一侧开设有镂空结构。所述磁性体环带322周向贴合于所述套壳321外部，且贴合在所述套壳321外部的所述磁性体环带322的第一端和所述磁性体环带322的第二端之间的空隙中央开设有镂空结构，所述霍尔传感器323置于所述镂空结构中。
嵌入有所述复合传感器31的层状电芯2置于所述套壳321内部。
如图7所示，智能芯片4包括：霍尔电流处理单元41、复合传感调制解调单元42和中央处理单元43。
所述霍尔电流处理单元41与所述霍尔电流传感器32电连接。所述复合传感调制解调单元42与所述复合传感器31电连接。所述霍尔电流处理单元41和所述复合传感调制解调单元42均与所述中央处理单元43电连接。
所述霍尔电流处理单元41用于根据所述霍尔电流传感器32检测得到的传感信号解调得到所述智能电池的电流。所述复合传感调制解调单元42用于根据所述光纤布拉格光栅312的中心波长的变化解调得到所述智能电池的核心压力，还用于根据所述薄膜温度传感器311检测得到的虚拟电压信号解调得到所述智能电池的核心温度。所述中央处理单元43加载有用于确定电池工作状态的电池工作状态管理算法和多维安全信号预警逻辑算法。所述中央处理单元43根据所述霍尔电流处理单元41和所述复合传感调制解调单元42解调得到的信号确定所述智能电池的工作状态和安全状态。
为了对智能电池的安全状态进行进一步检测，如图7所示，上述智能芯片4还包括：芯片基板44、超声波传感器45和电压传感器46。
所述超声波传感器45与所述中央处理单元43连接。所述电压传感器46与所述正电极5、所述负电极6和所述中央处理单元43连接。所述电压传感器46用于检测所述智能电池的电压变化。所述超声波传感器45用于检测所述智能电池的结构状态，以便智能芯片4根据超声波传感器45探测得到的信号确定电池电芯的结构演变。
所述无线传输单元48、所述霍尔电流处理单元41、所述复合传感调制解调单元42、所述中央处理单元43、所述超声波传感器45和所述电压传感器46均固定设置于所述芯片基板44上。
如图7所示，为了便于智能电池与车辆系统或云端之间的信息交互，所述智能芯片4还包括：无线传输单元48。所述中央处理单元43与所述无线传输单元48连接。所述无线传输单元48用于实现所述中央处理单元43与车辆管理系统的信息交互和/或所述中央处理单元43与互联网云端间的信息交互。
如图8所示，所述电池壳1上设置有智能芯片槽11、电池槽12、正电极槽13和负电极槽14。
所述智能芯片槽11、所述正电极槽13和所述负电极槽14均设置在所述电池槽12的上方，且所述正电极槽13和所述负电极槽14沿所述智能芯片槽11对称设置。
所述智能芯片槽11用于放置所述智能芯片4。所述电池槽12用于放置所述层状电芯2和所述嵌入式多源传感器组3。所述正电极槽13用于放置所述正电极5。所述负电极槽14用于放置所述负电极6。
为了防止智能电池发生爆炸，如图8所示，所述电池壳1上还设置有防爆阀15。
所述防爆阀15位于所述智能芯片槽11和所述电池槽12之间。
综上，所构建得到的智能电池的总体结构如图9所示。
基于上述本发明提供的智能电池与传统电池的区别在于，其不仅拥有传统电池具有的电极、电池壳1、层状电芯2(一般包含正极活性材料、正极集流体、隔膜、负极活性材料、负极集流体、电解液)等常规充放电功能部件，还拥有能够对电池工作状态和安全状态进行监控的多源传感器以及对电池传感信号进行处理的智能芯片4。因此，本发明提供的智能电池是对传统电池的结构进行改装之后得到的。
下面基于本发明提供的智能电池中各传感部件的具体工作原理，对本发明所提供的智能电池的功能进行进一步说明。
如图2所示，本发明提供的智能电池，从左到右依次为电池壳1、层状电芯2的第一层状电芯2、第一背板313、光纤布拉格光栅312(FBG)、薄膜温度传感器311、霍尔电流传感器32、第二背板314、层状电芯2的第二层状电芯2、智能芯片4、电极(正、负电极)和电池壳1。两个电池壳1用于保护层状电芯2、嵌入式多源传感器组3、智能芯片4等部件。 层状电芯2为传统层状锂离子电池电芯，其为电池充放电的核心部件。第一、第二背板将FBG光纤光栅312和薄膜温度传感器311包裹，保护脆弱的传感器部件。FBG光纤光栅312用于检测电池核心的压力和温度，薄膜温度传感器311用于检测电池核心的温度。霍尔电流传感器32用于检测电池内的电流。智能芯片4搭载各传感器的处理模块、通信模块和中央处理器芯片(中央处理单元43)。正、负电极直接连接在层状电芯2的两极，实现电能的存储和输出。
嵌入式多源传感器组3由复合传感器31和霍尔电流传感器32组成，其结构如图2所示，复合传感器31置于霍尔电流传感器32套壳321中央，采用胶接工艺固定在霍尔电流传感器32的内部。嵌入式多源传感器组3中的FBG光纤光栅312实现了对电池核心温度和压力的耦合检测，薄膜温度传感器311实现了对电池核心温度的监测，二者构成的复合传感器31通过智能芯片4的CPU进行运算和分析即可实现温度与压力的解耦测量。霍尔电流传感器32利用霍尔原理实现对电芯电流的监测。
其中，智能芯片4中的CPU的运算和分析过程包括：
由于FBG光纤光栅312传感器被第一、第二背板包裹固定，其受到的电池膨胀力可以被看做是均匀径向力。
根据相关理论FBG光纤光栅312在均匀径向力的作用下，其折射率变化在X方向(光纤横向径向)和Y方向方向(光纤纵向径向)并不相同，并且有如式(1)和式(2)所示的不同偏振方向波长变化关系。
Figure PCTCN2020118278-appb-000001
Figure PCTCN2020118278-appb-000002
式中，Δλ B为波长变化量，Δn eff为有效折射率变化量，ε z为Z方向(光纤轴向)的应变。平面应变情况ε z＝0，λ B0为光纤光栅原始中心波长。
由式(1)和式(2)分析可知，在平面应变情况下，光纤光栅的两个偏振方向中心波长的变化量只与折射率的变化有关。并且由实验可知，两个偏振方向的中心波长的变化量与作用力呈线性关系，因而可以从中心波 长的变化量直接测得电池所承受的载荷力。
由材料力学原理，横向均布载荷下电池内部不同方向的应力表达如式(3)和式(4)所示。
Figure PCTCN2020118278-appb-000003
Figure PCTCN2020118278-appb-000004
式中，F为均匀径向力，L为光纤光栅长度，D为光纤直径。
因而可得光纤各向应变，如式(5)-(7)所示：
Figure PCTCN2020118278-appb-000005
Figure PCTCN2020118278-appb-000006
Figure PCTCN2020118278-appb-000007
式中，E为弹性模量，ν为泊松比。又因为光纤光栅处于平面应变下ε z＝0，所以σ z＝ν(σ y+σ x)。
因为电池在使用中电池温度会上升，进而温度效应将会作用在光纤光栅中心波长的偏移量中，温度灵敏度表达如式(8)所示：
Figure PCTCN2020118278-appb-000008
式中，λ B为光纤波长，ΔT为温升，
Figure PCTCN2020118278-appb-000009
为热光系数，α为热胀系数。
因为FBG光纤光栅312中心波长的偏移量与应变和温度均呈线性关系，在复合传感器31中的薄膜温度传感器311会实时反馈电池核心温度，进而可在FBG光纤光栅312的中心波长的变化量中减去温度的作用，实现对温度、压力的解耦监测。
霍尔元件工作原理如图10所示，图中A、B为霍尔电极，C、D为控制电极，I为电流，B为磁场强度，d为霍尔元件厚度，l为霍尔电极宽度，L为霍尔电极长度，UH为电压。
导电的载流子是在z轴方向的磁场作用下受到一个沿y轴负方向力的洛仑兹力F L＝-evB，霍尔传感器323的霍尔系数
Figure PCTCN2020118278-appb-000010
霍尔元件 的灵敏度
Figure PCTCN2020118278-appb-000011
式中e为电子伏特，v为电子运动速度，B为磁场强度，n为电子数。
由霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比，d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高。所以霍尔元件可以做的较薄有利于传感器的集成设计，通过将霍尔元件与光纤光栅基体进行如图2和图3的集成制造并植入电池内部有利于实现对电池电流信号的实时监测。
图11为超声波结构探伤原理，图11中，T为始脉冲，B为伤脉冲。电池在充放电循环、道路振动、车辆碰撞等复杂工况下，其结构将会产生微小变化，甚至有裂纹等危险结构损伤的发生，进而会严重威胁电池的使用安全。利用超声波在介质传播过程中，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象，对智能电池在使用中的安全状态进行检测。
霍尔电流传感器32与层状电芯2的组装结构如图6所示，安装在霍尔电流传感器32中央的复合传感器31将霍尔电流传感器32套壳321内部空间分为了两半，两个电芯分别置于两侧的空间内，这样电芯、霍尔电流传感器32、复合传感器31组成了能够对电池核心参数进行实时监测的结构。
复合传感器31的结构如图5所示，光纤布拉格光栅312镶嵌在第一背板和第二背板中。复合传感器31分解结构如图4所示，复合传感器31背板上刻有FBG光纤光栅312传感器沟槽和薄膜温度传感器311沟槽，传感器沟槽用于将微小的传感器固定在一定的位置上，防止传感器因电池的移动发生位移，破坏电极结构。同时传感器沟槽会限制FBG光纤光栅312的轴向窜动，进而使得FBG光纤光栅312的轴向应变为0，即ε z＝0，产生平面应变的情况。沟槽也能够限制薄膜温度传感器311的移动，保证对电池核心温度的正常测量。
霍尔电流传感器32结构如图6所示，其由套壳321、磁性体环带322和霍尔传感器323构成，套壳321一侧镂空，磁性体环带322环绕贴合在套壳321上，霍尔传感器323置于镂空结构内，且正对磁性体环带322的空隙。霍尔电流传感器32利用霍尔原理检测磁场变化，进而感知电芯 电流。
智能芯片4的结构及组成如图7所示，在芯片基板44上装有霍尔电流处理单元41，主要用于处理霍尔电流传感器32的传感信号。复合传感器31调制解调模块，主要用于发射、接收和处理FBG光纤光栅312的波长信号和薄膜温度传感器311的虚拟电压信号。超声波传感器45上装有超声波探头，利用超声波在介质传播过程中，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象，对智能电池在使用中的电池结构状态进行检测。电压传感器46直接连接智能电池的正、负电极，以监测智能电池在使用中的电压变化。数据接口47采用通用数据接口47，其与车辆管理单元实现有线或无线连接，以发送电池状态，并接收车辆管理单元的命令信号。无线传输模块还可以利用无线传输的方式，将智能电池的工作状态和安全状态的相关信息发送给互联网云端，并接受互联网云端的命令。中央处理单元43(中央处理器，CPU)内搭载有智能算法和传感信号分析等算法，以对各部件传送的传感信号进行分析和运算，结合电池工作状态确定算法和安全算法对智能电池的工作状态参数和安全状态进行判断，及时预警智能电池可能发生的危险，并响应车辆管理单元和云端发送的命令。
其中，中央处理单元43是智能电池的大脑，其实现对电池多维工作信号的实时监测和判断，与车辆管理单元或互联网云端实现实时双向通信。
因电池工作信号具有不同的逻辑体系，各安全信号具有不同预警权重，中央处理单元43载有电池工作状态管理算法和多维安全信号预警逻辑算法，能够实现在复杂工况下对电池工作状态的自我感知、自我决策和自我控制。
智能电池的一个重要特征是能够与外部上一级管理单元或云端实现双向通信，及时响应更高级的控制命令，所有电池单体中央处理单元43组成的集群能够实现全体电池工作信息的共享，实现单体层面上的电池平衡，形成分布式智能控制群，延长电池寿命维护电池性能。
电池壳1由左右两半电池子壳组成(如图8的a部分和b部分所示)，其功能是保护智能电池的层状电芯2、嵌入式多源传感器组3和智能芯片4等部件。电池壳1设置的智能芯片槽11用于安装固定智能芯片4。防爆 阀15用于在电池内部电压过大时自动开启释放压力，保证电池使用安全。电极槽用于安装固定正负电极6。电池槽12用于安装固定嵌入式多源传感器和电芯等电池功能部件。各个槽之间的具体位置关系如图8的a部分所示。
本发明提供的智能电池的工作逻辑如图12所示，智能电池的工作状态表征信号有电压、电流、温度、压力、结构等，电池状态监测传感器由电压传感器46、霍尔电流传感器32、光纤FBG光栅传感器、薄膜温度传感器311、超声波传感器45等传感器复合构成，其安全的嵌入电池核心，实时监测电池核心的工作信号。智能电池的各状态监测传感器将电池工作信号传递至中央处理单元43，中央处理单元43将根据内嵌算法计算电池工作状态和和预警权重系数，对电池工作状态和安全状态进行实时监控，并将相关信息与上一级管理单元进行通信，同时接受车辆管理单元或互联网云端的相关命令，中央处理单元43与车辆管理单元和云端构成了双向交互通信机制。单体电池通过中央处理单元43与系统内其他单体电池沟通工作状态，并根据内嵌算法判断电池间工作情况进行电池状态的平衡，实现电池寿命和性能的长效化。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

  1. 一种智能电池，其特征在于，包括：电池壳、层状电芯、嵌入式多源传感器组、智能芯片、正电极和负电极；
    所述层状电芯置于所述嵌入式多源传感器组中；所述智能芯片置于所述正电极和所述负电极之间；所述电池壳包裹所述嵌入式多源传感器组、所述智能芯片、所述正电极和所述负电极，且所述电池壳上开设有用于放置所述正电极、所述负电极和所述智能芯片的数据接口的通孔；
    所述正电极与所述层状电芯的正极电连接；所述负电极与所述层状电芯的负极电连接；
    所述嵌入式多源传感器组与所述智能芯片电连接；所述嵌入式多源传感器组用于检测所述智能电池核心的温度和压力，以及用于检测所述智能电池内部的电流；所述智能芯片用于根据所述智能电池核心的温度和压力以及所述智能电池内部的电流实时检测所述智能电池的工作状态。
  2. 根据权利要求1所述的智能电池，其特征在于，所述嵌入式多源传感器组包括：复合传感器和霍尔电流传感器；
    所述复合传感器嵌入所述层状电芯中；所述层状电芯置于所述霍尔电流传感器中。
  3. 根据权利要求2所述的智能电池，其特征在于，所述复合传感器包括：薄膜温度传感器、光纤布拉格光栅、第一背板和第二背板；
    所述光纤布拉格光栅镶嵌在所述第一背板和第二背板中；所述第一背板和所述第二背板上均开设有用于放置所述光纤布拉格光栅和薄膜温度传感器的沟槽；
    所述薄膜温度传感器置于所述第一背板和所述第二背板之间；
    所述光纤布拉格光栅与所述薄膜温度传感器均与所述智能芯片连接；所述光纤布拉格光栅用于检测所述智能电池核心的压力；所述薄膜温度传感器用于检测所述智能电池核心的温度。
  4. 根据权利要求2所述的智能电池，其特征在于，所述霍尔电流传感器包括：套壳、多条磁性体环带和与所述磁性体环带的数量相同的霍尔传感器；
    所述套壳一侧开设有镂空结构；所述磁性体环带周向贴合于所述套壳外部，且贴合在所述套壳外部的所述磁性体环带的第一端和所述磁性体环 带的第二端之间的空隙中央开设有镂空结构，所述霍尔传感器置于所述镂空结构中；
    所述层状电芯置于所述套壳内部。
  5. 根据权利要求2所述的智能电池，其特征在于，所述智能芯片包括：霍尔电流处理单元、复合传感调制解调单元和中央处理单元；
    所述霍尔电流处理单元与所述霍尔电流传感器电连接；所述复合传感调制解调单元与所述复合传感器电连接；所述霍尔电流处理单元和所述复合传感调制解调单元均与所述中央处理单元电连接；
    所述霍尔电流处理单元用于根据所述霍尔电流传感器检测得到的传感信号解调得到所述智能电池的电流；所述复合传感调制解调单元用于根据所述光纤布拉格光栅的中心波长的变化解调得到所述智能电池的核心压力，还用于根据所述薄膜温度传感器检测得到的虚拟电压信号解调得到所述智能电池的核心温度；所述中央处理单元加载有用于确定电池工作状态的电池工作状态管理算法和多维安全信号预警逻辑算法；所述中央处理单元根据所述霍尔电流处理单元和所述复合传感调制解调单元解调得到的信号确定所述智能电池的工作状态和安全状态。
  6. 根据权利要求5所述的智能电池，其特征在于，所述智能芯片还包括：芯片基板、超声波传感器和电压传感器；
    所述超声波传感器与所述中央处理单元连接；所述电压传感器与所述正电极、所述负电极和所述中央处理单元连接；所述电压传感器用于检测所述智能电池的电压变化；所述超声波传感器用于检测所述智能电池的结构状态；
    所述无线传输单元、所述霍尔电流处理单元、所述复合传感调制解调单元、所述中央处理单元、所述超声波传感器和所述电压传感器均固定设置于所述芯片基板上。
  7. 根据权利要求5所述的智能电池，其特征在于，所述智能芯片还包括：无线传输单元；所述中央处理单元与所述无线传输单元连接；所述无线传输单元用于实现所述中央处理单元与车辆管理系统的信息交互和/或所述中央处理单元与互联网云端间的信息交互。
  8. 根据权利要求1所述的智能电池，其特征在于，所述电池壳上设 置有智能芯片槽、电池槽、正电极槽和负电极槽；
    所述智能芯片槽、所述正电极槽和所述负电极槽均设置在所述电池槽的上方，且所述正电极槽和所述负电极槽沿所述智能芯片槽对称设置；
    所述智能芯片槽用于放置所述智能芯片；所述电池槽用于放置所述层状电芯和所述嵌入式多源传感器组；所述正电极槽用于放置所述正电极；所述负电极槽用于放置所述负电极。
  9. 根据权利要求8所述的智能电池，其特征在于，所述电池壳上还设置有防爆阀；
    所述防爆阀位于所述智能芯片槽和所述电池槽之间。
  10. 根据权利要求1所述的智能电池，其特征在于，所述层状电芯为层状锂离子电池层状电芯。
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