用于檢測電池組中的內(nèi)部短路的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及監(jiān)測電池組特性的領(lǐng)域，并且更具體地涉及為了檢測電池組(battery)中的一個(gè)或多個(gè)電池中的內(nèi)部短路的電池組監(jiān)測。
【背景技術(shù)】
[0002]電池組或者電池組套件由一個(gè)或多個(gè)電池制成，這些電池例如可以是鋰離子電池、鋰空氣電池或者基于鋰金屬的電池，并且用于為許多不同類型的設(shè)備供電。電池組的災(zāi)難性故障會(huì)導(dǎo)致花費(fèi)億萬美元的大規(guī)模召回并且嚴(yán)重?fù)p害公司信譽(yù)和品牌形象。隨著電池組的能量含量繼續(xù)上升，嚴(yán)重故障的潛在性成為主要的擔(dān)心之處。災(zāi)難性的電池組故障可以包括熱失控事件，其中電池內(nèi)部的內(nèi)部短路促使電池內(nèi)部的自加速分解反應(yīng)。如果不以及時(shí)地方式執(zhí)行干涉，則熱失控事件可以包括煙霧、火焰、乃至爆炸。
[0003]幾個(gè)不同的方法適用于通過監(jiān)測電池或者電池塊電壓來檢測電池中的短路。在這些方法中，當(dāng)電池中沒有發(fā)生充電或放電時(shí)監(jiān)測電池或電池塊電壓變化以便檢測與內(nèi)部短路相關(guān)聯(lián)的電池兩端的壓降。電池制造商在基于鋰的電池行業(yè)中使用電池不工作(atrest) ( S卩，當(dāng)電池中沒有流動(dòng)的充電電流或放電電流時(shí))時(shí)監(jiān)測隨著時(shí)間的過去的電池電壓作為質(zhì)量控制測試。繼組裝電池和初次充電之后，使電池不工作一段時(shí)間并且監(jiān)測電池電壓。超出某個(gè)值的電池電壓的下降指示電池中存在內(nèi)部短路，因而允許電池因?yàn)橛泄收隙惶蕴?。這樣的電壓測試不能確定將在它們使用壽命周期中隨后發(fā)展成內(nèi)部短路的電池，這會(huì)導(dǎo)致操作期間發(fā)展成內(nèi)部短路的電池的災(zāi)難性故障。此外，當(dāng)電池不工作時(shí)監(jiān)測電池電壓具有關(guān)于內(nèi)部短路的檢測的相對(duì)低的靈敏度，因?yàn)閮?nèi)部短路需要延長的時(shí)間段以對(duì)電池具有足夠大的影響，以允許對(duì)于內(nèi)部短路是否存在于電池之中的明確的確認(rèn)。如果短路被允許發(fā)展的過長，則會(huì)到達(dá)不能返回的點(diǎn)，其中不再可以避免熱失控和災(zāi)難性的電池故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]提供一種檢測電池組中的內(nèi)部短路的相對(duì)低成本的系統(tǒng)，即可適用于在電池組內(nèi)以任何方式配置的電池，包括被配置為單獨(dú)的電池的串聯(lián)串的電池。在一個(gè)實(shí)施方式中，內(nèi)部短路通過在電池組不工作時(shí)段期間使電壓源與電池平衡，并且在診斷時(shí)段監(jiān)測電流來診斷。穩(wěn)定的、零電流條件指示正常的、無短路電池。非零、增加的電流診斷出存在內(nèi)部短路。在另一個(gè)實(shí)施方式中，電壓源與電池平衡暫時(shí)斷開，并且然后重新連接，涌入到電池中的電流表示存在內(nèi)部短路，并且接近零的電流表示式正常的電池。
[0005]公開一種用于電池組中的短路檢測的方法，該電池組包括多個(gè)電池，該方法包括:將短路檢測模塊連接至電池組；通過短路檢測模塊確定電池組不工作；并且選擇電池組中的用于測試短路的第一電池，其中，測試包括:將電壓源連接至第一電池；測量第一電池的電流；并且基于所測量的第一電池的電流確定第一電池是否包含短路。
[0006]還公開一種用于包括多個(gè)電池的電池組中的短路檢測的系統(tǒng)，包括:電池尋址矩陣(addressing matrix)和控制器，被配置為連接至電池組使得多個(gè)電池中的每一個(gè)被單獨(dú)尋址以用于進(jìn)行測試；電壓源和電流測量模塊，被配置為經(jīng)由電池尋址矩陣和控制器連接至多個(gè)電池；控制邏輯件，被配置為基于來自電流測量模塊的輸入確定多個(gè)電池中的電池是否包含短路。
【附圖說明】
[0007]現(xiàn)在參照附圖，這些附圖是示例性實(shí)施方式并且其中相似元件編號(hào)相同:
[0008]圖1A示出用于短路檢測的系統(tǒng)的實(shí)施方式；
[0009]圖1B示出電池連接和電池組的實(shí)施方式；
[0010]圖2示出電池組中的多個(gè)電池的測量電流的實(shí)施方式；
[0011]圖3和圖4示出用于短路檢測的方法的實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0012]提供用于檢測電池組中的內(nèi)部短路的系統(tǒng)和方法的實(shí)施方式，以下詳細(xì)論述示例性實(shí)施方式。本發(fā)明利用利用正常的、無短路的電池中的鋰離子電池、鋰空氣電池或者基于鋰金屬的電池的特征，一旦電流流動(dòng)停止并且電池不工作，則電池電壓開始緩和(relax)至其平衡值(equilibrium value)，并且一旦其達(dá)到平衡值，則電池電壓非常穩(wěn)定。因?yàn)樯鲜鎏攸c(diǎn)適用于單獨(dú)的電池、并聯(lián)連接的一組電池、串聯(lián)連接的一組電池或者既串聯(lián)連接又并聯(lián)連接的一組電池，所以本發(fā)明可以應(yīng)用于電池組中利用的任何電池布置。如圖1A的系統(tǒng)100所示，短路檢測模塊102的硬件元件包括:(I)電池尋址矩陣和控制器103，將電池組套件101中的單獨(dú)的電池或者電池的組連接至電壓測量模塊104和從電壓測量模塊104斷開連接并且連接至電壓源/電流測量模塊105和從電壓源/電流測量模塊105斷開連接，從而允許電壓測量、電壓源和電流測量資源在多個(gè)電池的兩端進(jìn)行復(fù)用；(2)電壓測量模塊104 ;以及(3)電壓源/電流測量模塊105，包括可以設(shè)定為期望值的可控制的電壓源和測量來自那個(gè)電壓源的電流流動(dòng)的器件。并且提供診斷和量化電池中的內(nèi)部短路的測試的方法。
[0013]圖1A示出用于短路檢測的系統(tǒng)100的實(shí)施方式。電池組101可包括鋰離子電池、鋰空氣電池或者基于鋰金屬的電池的任何合適的數(shù)量和配置。在各種實(shí)施方式中，電池組101中的電池可以是并聯(lián)、串聯(lián)或者并聯(lián)和串聯(lián)的組合。電池組101中的電池經(jīng)由電池連接107被連接到短路檢測模塊102中的電池尋址矩陣和控制器103。電池連接107可具有基于電池組101中的電池的數(shù)量和配置的任何合適的配置和數(shù)量。電池連接107的配置同樣可以取決于通過短路檢測模塊102執(zhí)行的測試的類型。在一些實(shí)施方式中，電池組101中的單個(gè)電池可以通過短路檢測模塊102測試；在其他實(shí)施方式中，電池組101中的電池塊可以通過短路檢測模塊102測試。包括5個(gè)串聯(lián)連接的電池108A-E的電池連接107和電池組101的實(shí)例在圖1B中示出，圖1B被配置為單獨(dú)測試5個(gè)串聯(lián)連接的電池中的每一個(gè)；然而，僅出于示例性目的示出圖1B。電池尋址矩陣和控制器103將電壓測量模塊104和電壓源/電流測量模塊105連接至電池組101中正在測試的電池或電池塊或者從正在進(jìn)行測試的電池或電池塊斷開連接。電池尋址矩陣和控制器103被用于選擇將要進(jìn)行內(nèi)部短路測試的電池或電池的組。以這種方法，短路檢測模塊102中的電壓測量和電壓源資源可以在電池組101中的大量電池兩端進(jìn)行復(fù)用。
[0014]電壓源/電流測量模塊105中的電壓源可以是在輸出端生成被調(diào)節(jié)為目標(biāo)電壓的電壓的任何合適的類型，其包括線性和開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)?？梢杂糜陔妷涸?電流測量模塊105中的這樣的電壓源包括:線性調(diào)節(jié)器，其中在反饋回路中控制串聯(lián)通過元件以保持目標(biāo)輸出電壓；線性調(diào)節(jié)器，其中在反饋回路中控制分流元件以保持目標(biāo)輸出電壓；或者開關(guān)模式調(diào)節(jié)器(DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括提高(升壓)轉(zhuǎn)換器、降低(降壓)轉(zhuǎn)換器、或者反向(輸出端極性與輸入端極性相反)轉(zhuǎn)換器)。電壓源/電流測量模塊105中的電壓源具有以下輸出電壓，該輸出電壓可以被控制為使得輸出電壓可以根據(jù)需要被設(shè)定和改變。這個(gè)控制器可以通過包括，但不限于，模擬和/或數(shù)字控制輸入端的器件實(shí)現(xiàn)。同樣可以采用提供功能等效性的控制器的其他器件。例如，一些電壓調(diào)節(jié)器(線性模式和開關(guān)模式兩者)的電壓輸出可以經(jīng)由編程電阻器控制，該編程電阻器用作將電壓或者電流最終提供至設(shè)定調(diào)節(jié)器的輸出電壓的調(diào)節(jié)器的電路的部分(即，編程電阻器提供模擬控制信號(hào))。
[0015]電壓源/電流測量模塊105中的電流測量裝置可包括任何合適的電流測量裝置，包括但不限于:放置在電流通路中的感測電阻器，其中感測電阻器兩端的電壓被用于確定電流通路中流動(dòng)的電流量；具有放大率的感測電阻器，其中感測電阻器兩端的壓降被放大以允許感測電阻器兩端小的電壓損耗下降，但是更大振幅的信號(hào)與電流成正比；或者提供與目標(biāo)電流的測量有關(guān)系的電壓輸出的霍耳效應(yīng)的電流換能器、磁通門或者其他系列的電流換能器。在一些實(shí)施方式中，電壓源/電流測量模塊105中的電流測量裝置可包括一個(gè)或多個(gè)；磁通門磁力儀；根據(jù)圖5A至圖5B在以下更詳細(xì)地論述。電壓源/電流測量模塊105中的電流測量裝置可以是任何合適電流測量裝置，包括但不限于霍耳效應(yīng)換能器、電流感測電阻器、感應(yīng)傳感器、電流分流器、或者具有放大率的電流感測電阻器。具有放大率的電流感測電阻器包括電流感測電阻器和放大硬件，使得電流感測電阻器兩端的壓降可以保持相對(duì)小(即，使得從感測電阻器產(chǎn)生的插入損耗相對(duì)小)，同時(shí)放大硬件輸出與通過電流感測電阻器的電流有關(guān)系的相對(duì)大的量的輸出電壓信號(hào)以便于分析。
[0016]圖2示出電池組中的多個(gè)電池的測量電流的示例性曲線圖200。將電壓源應(yīng)用于五個(gè)電池的電池組中的每個(gè)電池并且在每個(gè)電池的測試開始時(shí)調(diào)整為約零電流。監(jiān)測電流達(dá)30分鐘的時(shí)段。放置在電池組的電池4兩端的100歐姆的負(fù)載被用于模擬電池4中的100歐姆的內(nèi)部短路。如在曲線圖200中看出的，流到電池4中的電流在具有100歐姆模擬短路在電池中隨著時(shí)間的