具有可控外部散熱裝置的電池模塊的製作方法

2023-05-24 20:03:06 2

本發明涉及包括彼此連接的多個電池單元的電池模塊。

背景技術：

如果在電池單元之一中形成了內部短路，那麼受影響的電池單元可能變得非常熱，並可能被永久地損壞。進一步地，受影響的電池單元可能起火，並且火可能波及在電池模塊內的其他電池單元，導致整個電池模塊燒毀。

相關技術系統使用各種措施以確保內部短路不對車輛使用者或配備有電池模塊的電子裝置的用戶造成重大安全威脅。例如，可以使用諸如熱電偶之類的電子傳感器來測量在電池模塊內的每個電池單元的溫度。如果電池單元之一的溫度超過第一閾值，那麼冷卻電池模塊，並且如果電池單元之一的溫度超過高於第一閾值的第二閾值，那麼關閉電池模塊。然而，該方法需要昂貴的電子組件並可能需要在受影響的電池單元變得過熱的情況下關閉整個電池模塊。

作為另一個示例，可以使用簡單的機械措施來在內部短路以及隨後熱失控(thermal runaway)的情況中確保電池模塊的安全。在內部短路發生之後，由於在受影響的電池單元內生成的熱而產生氣體。為了防止不受控制的爆炸，可以使用斷路器板(breaker plate)或排氣口來引導氣體遠離其他電池單元。進一步地，可以斷開電池模塊與受影響的電池單元的連接。然而，僅當大部分熱能已經被釋放到電池單元中時斷開受影響電池單元的連接，使得可能不能夠防止電池單元的放熱失控。

進一步地，由於對可能觸發內部短路的潛在事件(諸如鋰電鍍和過度充電事件)的安全顧慮，因此限制了相關技術電池模塊的充電狀態窗口(state-of-charge window)。相應地，提供減小在電池單元內內部短路的影響的方法會是有利的。

技術實現要素：

本發明的示例性實施例提供一種具有可控外部散熱裝置的電池模塊和操作所述電池模塊的方法。根據本發明的方面，提供了電池模塊。所述電池模塊包括電池單元；連接到電池單元的外部電路，其中所述外部電路包括第一開關和散熱裝置；和控制所述外部電路的控制器。如果檢測到在電池單元內的內部短路，那麼控制器閉合第一開關以便在散熱裝置中生成熱。

如果電池單元的電壓低於電壓閾值，那麼可以檢測到內部短路。進一步地，可以基於電池單元的電流確認內部短路。

如果檢測到內部短路，那麼控制器可以將電池單元從在電池模塊內的多個其他電池單元隔離開。如果檢測到內部短路，那麼控制器可以打開外部電路的第二開關以便中斷到電池單元的母線電流(bus current)。進一步地，如果檢測到內部短路，那麼控制器可以中斷到在電池模塊內的多個其他電池單元的母線電流。

散熱裝置的電阻可以小於導致內部短路的枝晶(dendrite)的電阻。可替換地，散熱裝置的電阻可以近似等於或大於導致內部短路的枝晶的電阻。

在檢測到內部短路之後，控制器可以將第一開關維持在閉合狀態直到電池單元的溫度低於溫度閾值為止。在閉合第一開關之後，更多熱被生成在散熱裝置中而不是在電池單元中。

根據本發明的另一個方面，提供了一種操作電池模塊的方法。所述方法包括：檢測在電池模塊的電池單元內的內部短路，和閉合在連接到電池單元的外部電路內的第一開關，以便在外部電路內的散熱裝置中生成熱。

如果電池單元的電壓低於電壓閾值，那麼可以檢測到內部短路。所述方法還可以包括基於電池單元的電流確認內部短路。

此外，所述方法還可以包括將電池單元從在電池模塊內的多個其他電池單元隔離開。所述方法還可以包括打開在外部電路內的第二開關以便中斷到電池單元的母線電流。進一步地，本方法還可以包括中斷到在電池模塊內的多個其他電池單元的母線電流。

散熱裝置的電阻可以小於導致內部短路的枝晶的電阻。可替換地，散熱裝置的電阻可以近似等於或大於導致內部短路的枝晶的電阻。

本方法還可以包括在檢測到內部短路之後，將第一開關維持在閉合狀態直到電池單元的溫度低於溫度閾值為止。在閉合第一開關之後，更多熱被生成在散熱裝置中而不是在電池單元中。

還根據本發明的另一個方面，提供了一種非臨時性計算機可讀介質，其包括可以由處理器執行以使得處理器執行上述方法的計算機指令。

根據以下本發明的詳細描述，結合附圖考慮，本發明的其他目的、優點以及新特徵將變得清楚。

附圖說明

圖1示出電池模塊的示例性實施例的框圖；

圖2示出其中在電池單元內發生了內部短路，使得枝晶連結了陽極和陰極的示例性實施例；和

圖3A和3B示出在內部短路期間、之前和之後電池單元特性的測量結果。

具體實施方式

圖1示出電池模塊的示例性實施例的框圖。如圖1中所示出的，電池模塊100包括多個電池單元110，每個電池單元110配備有外部電路。例如，用於電動車輛的電池模塊100可以包括數百或數千個電池單元110，而用於電動自行車的電池模塊100可以包括少於100個的電池單元110。電池單元110可以是鋰離子電池，或可以具有任何其他適當的化學組成。

如圖1中所示出的，每個外部電路可以是DC/DC轉換器，並可以包括第一開關SW1、第二開關SW2和第三開關SW3，這些開關由相應的控制器(未示出)控制。每個外部電路還可以包括電感L和電容C。此外，每個外部電路可以包括測量相應電池單元110的電壓的電壓傳感器V、測量相應電池單元110的溫度的溫度傳感器T和測量相應電池單元110的電流的電流傳感器A。從這些傳感器產生的測量結果被輸出到控制器。在典型操作模式中，第三開關SW3持續閉合，而控制器控制第一開關SW1和第二開關SW2以在打開和閉合之間非常快速地交替，使得當第一開關SW1打開時第二開關SW2閉合，反之亦然。

圖2示出其中在電池單元110之一內發生了內部短路的示例性實施例。例如，枝晶可以從電池單元110的陽極生長到陰極。該枝晶具有電流Id流經的電阻Rd。電池單元110還具有內阻Ri，對於鋰離子電池該內阻Ri典型地在1-20mΩ範圍內，但是取決於電池單元110的尺寸、格式和具體的存儲化學，內阻Ri可以更小或更大。枝晶電阻Rd通常遠小於內阻Ri。如以下所進一步描述的，為了減小內部短路的影響，在電池單元110的外部提供具有電阻Rex的散熱裝置130。電流Iex流過該散熱裝置130。

圖3A和3B示出在內部短路期間、之前和之後電池單元110特性的測量結果。圖3A示出來自溫度傳感器T的溫度測量結果，以及圖3B示出來自電壓傳感器V的電壓測量結果。在圖3A和3B中，內部短路在t0時刻開始。可以通過任何適當的方法檢測內部短路。例如，如在圖3B中所示出的，內部短路可以由電壓快速跌落到低於閾值電壓Vmin的電壓指示。閾值電壓Vmin可以被定義為絕對的值或在內部短路之前正常運行狀態中電壓的百分比。可以通過檢查電池單元110的電流來核實內部短路的存在。內部短路可以觸發在電流中的初始尖峰。在初始尖峰之後，電流變得接近零，並在內部短路持續期間保持接近零。相應地，可以通過測量接近零的電流來確認內部短路的存在。

圖3A示出一旦內部短路在t0時刻開始，電池單元110的溫度就迅速升高。一檢測到內部短路，控制器就通過閉合第一開關SW1和第三開關SW3來生成外部短路。控制器可以是處理器或簡單的二極體-電晶體電路，其在電池電壓跌落到低於閾值電壓Vmin的情況下閉合第一開關SW1和第三開關SW3。這導致至少一些熱被生成在散熱裝置130中而不是在電池單元110中。控制器還可以打開第二開關SW2以便中斷到電池單元110的母線電流。控制器可以將所述開關維持在這種配置中直到電池單元110的溫度落到低於溫度閾值為止。溫度閾值可以是任何適當的值，諸如在50℃和60℃之間，並可以取決於電池單元110的化學組成以及尺寸格式。

可以任何適當的方式確定散熱裝置130的電阻Rex。例如，可以如下推導在散熱裝置130內生成的熱PLex與在電池單元110內生成的熱PLCell的比：

Vcell＝(ZL+Rex)·Iex (1)

Vcell＝Rd·Id (2)

此處，Vcell是電池單元110的電壓以及ZL是電感L的阻抗。在等式(1)中第二開關SW2是打開的。

<![CDATA[ P L e x = I e x V c e l l = V c e l l 2 Z L + R e x - - - ( 3 ) ]]>

<![CDATA[ P L C e l l = I d V c e l l = V c e l l 2 R d - - - ( 4 ) ]]>

ZL＝jω (5)

假定穩定狀態響應，在等式(5)中頻率ω接近零，使得電感L的阻抗ZL接近零。相應地，等式(3)和等式(4)可以被如下求解：

枝晶的電阻Rd取決於各種因素，諸如電池單元110的化學組成。可以選擇散熱裝置130的電阻Rex使得在等式(6)中所示出的比接近1。在本實施例中，散熱裝置130的電阻Rex被選擇為近似等於枝晶的電阻Rd。可替換地，散熱裝置的130的電阻Rex可被選擇為小於枝晶的電阻Rd，以便在散熱裝置130中生成比在電池單元110中生成的熱更多的熱。然而，即使外部電阻Rex大於枝晶的電阻Rd，與不具有這種措施的系統相比仍具有安全的優點，因為在內部短路情況中在電池單元110中將生成較少的熱。

如以上所討論的，當檢測到內部短路時，控制器可以打開第二開關SW2以便中斷到電池單元110的母線電流。這將受影響的電池單元110從在電池模塊100內的其他電池單元隔離開。如果由內部短路生成的熱不太危險，那麼可以允許其他電池單元繼續運行。在這種情況下，配備有電池模塊100的車輛或電子裝置可以繼續運行。另一方面，如果由內部短路生成的熱並非小到足以保證安全，那麼還可以中斷到其他電池單元的母線電流，使得車輛或電子裝置失去電力並停止運行。

通過減小在內部短路期間在電池單元內生成的熱量，根據本發明的示例性實施例的電池模塊可以阻止或減小電池單元熱失控的風險。這減小在電池單元和電池模塊中起火的風險，因此改善電池模塊的安全性。此外，由於提升了電池模塊的可靠性，因此可以擴大電池模塊的充電狀態窗口。

根據本發明的另一個示例性實施例，提供了編碼有用於操作電池模塊的電腦程式的非臨時性計算機可讀介質。本文使用的術語「計算機可讀介質」意指參與提供用於執行的指令的任何介質。計算機可讀介質的常見形式包括例如軟盤、柔性盤、硬碟、磁帶、任何其他磁介質、CD-ROM、任何其他光介質、穿孔卡片(punch card)、紙帶、任何其他具有孔模式的物理介質、RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM、任何其他存儲器晶片或盒，和計算機可以讀取的任何其他非臨時性介質。

已經僅為了說明本發明而闡述前述公開，並非旨在限制本發明。由於對於本領域技術人員而言，可能出現包含本發明的精神和實質的所公開實施例的修改，因此應當將本發明理解為包括在所附權利要求及其等價物範圍之內的所有內容。