CN101038975A - 具有简单结构的安全设备的电池模块 - Google Patents

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Abstract

此处公开了一种具有多个电池单元(单元电池)的中等尺寸或大尺寸的电池模块，其中电池模块被构造为如下结构：用于检测电池单元的物理操作状态的检测单元安装到各个电池单元，检测单元连接到电池模块的控制单元，同时检测单元相互串联连接，并且由各个电池单元检测的信号(检测信号)被传送到控制单元，该检测信号包括在由整个电池单元检测的信号中。检测单元安装到各个电池单元，并且因此，改善了关于电池单元的物理操作状态的信息的准确性，并且尽管检测单元的数目很大，但是用于向控制单元传送检测信号的电路很简单。因此，可以构造具有简单结构的电池模块。此外，对于将锂二次电池用作单元电池的电池模块，使用形成为特定形状的体积变化测量传感器，并且因此，可以通过减少的成本实现简单的电池模块结构，并且可以高度准确地保证电池模块的安全。

Description

具有简单结构的安全设备的电池模块
技术领域
本发明涉及具有简单结构的安全设备的电池模块，更具体地，涉及被构造为如下结构的中等尺寸或大尺寸的电池模块，其中用于检测电池单元的物理操作状态的检测单元安装到各个电池单元，检测单元连接到电池模块的控制单元，同时检测单元相互串联连接，并且由各个电池单元检测的信号(检测信号)被传送到控制单元，该检测信号包括在由整个电池单元检测的信号中，由此来自各个电池单元的检测信号不是个别地而是整体地传送到控制单元，并且因此，简化了传送检测信号的结构。
背景技术
可充电和放电的二次电池已日益用作用于中等尺寸或大尺寸的设备(诸如电动交通工具和混合动力电动交通工具)以及小尺寸的移动设备的电源。当二次电池用作用于中等尺寸或大尺寸设备的电源时，多个单元电池(二次电池)相互串联或者串联/并联连接，以便于制造提供高输出的电池模块。因此，电池模块通常被构造为其中多个二次电池相互电气连接的结构。
迄今为止，镍-金属氢化物二次电池已广泛地用作中等尺寸或大尺寸的电池模块的单元电池(电池单元)。然而，近来，锂二次电池作为中等尺寸或大尺寸的电池模块的单元电池(电池单元)，吸引了极大的注意力，这是因为锂二次电池具有高的能量密度和高的放电电压。
电池模块被构造为其中在电池模块中包括多个电池单元的结构。因此，有必要检测各个电池单元的操作状态，并且控制各个电池单元的操作。例如，有必要检测各个电池单元的物理操作状态，诸如电池单元的电压和温度，并且保证各个电池单元的最优化操作状态和安全性。通过其中将用于电压测量的连接部件(诸如导线)连接到待测量的电池单元和控制单元的构造，以及其中将温度传感器安装在待测量的电池单元的外表面或者与电池单元相邻，并且由各个温度传感器检测的信号经由连接部件传送到控制单元的构造，实现了各个电池单元的物理操作状态的检测。
因此，随着组成电池模块的电池单元的数目的增加，用于检测各个电池单元的物理操作状态的检测单元和控制单元之间的连接结构是非常复杂的。在用于测量电池单元的电压的构造中，用于检测电池单元的电压并且将检测信号传送到控制单元的过程是独立执行的。然而，必须改善各个电池单元的温度测量。
另一方面，在将如上文所述的锂二次电池用作电池模块的单元电池时，必须更加仔细地考虑电池模块的安全问题。当锂离子由阳极吸收或泄放时，每个锂二次电池受到相对大的体积变化的困扰。具体地，在锂二次电池的重复充电和放电的过程中，锂二次电池重复地膨胀和收缩。锂二次电池的重复膨胀和收缩增加了锂二次电池的内阻。结果，极大地降低了锂二次电池的效率。而且，由于锂二次电池的过度膨胀，电池盒与锂二次电池的剩余部件分离。结果，自锂二次电池泄漏电解液，并且因此，锂二次电池可能引起火灾或***。而且，某些电池单元的火灾或***导致了剩余电池单元的连锁的火灾或***，由此可能引发严重的情况。
因此，在将锂二次电池用作单元电池的中等尺寸或大尺寸的电池模块中，考虑到上文提及的问题，有必要检测各个单元电池的膨胀状态。某些传统技术提出了一种用于将压电元件或者测量电池单元的膨胀的另一单元安装到电池单元的表面的技术。
然而，在将上文提及的检测单元和连接部件进一步安装到电池模块以便于检测电池单元的体积膨胀时，用于检测电池单元的物理操作状态的结构更加复杂了。
例如，图1中说明了一种用于检测具有多个电池单元的传统的中等尺寸或大尺寸的电池模块的电池单元的物理操作状态的构造。
图1示意性地仅示出了用于获得检测信号的构造。然而，随着自电池单元获得的物理操作状态的数目的增加，传感器的数目也增加。而且，用于电气连接传感器的检测电路的数目也增加，导致具有限制尺寸的电池模块的结构更加复杂。
在此背景下，美国专利No.6,137,262公开了一种技术，用于自具有相互串联连接的多个电池单元的中等尺寸或大尺寸的电池模块的电池单元获取关于物理操作状态的信息，将获取的信息转换为编码的交流电压，并且经由电池模块的功率线缆将该编码交流电压传送到控制单元。由于未使用额外的连接部件，而是使用电池模块的功率线缆，将由各个电池单元检测的信号传送到控制单元，因此美国专利No.6,137,262中公开的技术被实施为非常简单的结构。然而，有必要安装额外的单元，用于将检测信号转换为针对各个电池单元的编码交流电压。因此，不可避免地增加了电池模块的制造成本。而且，由于提供该转换单元，电池模块的结构更加复杂。
而且，韩国专利申请公开No.2001-46873公开了一种技术，用于测量多个热电偶的电压变化，该多个热电偶相互串联连接并且位于电池单元的相反两端以检测电池单元的异常状态，未将温度传感器安装到各个电池单元。如韩国专利申请公开No.2001-46873的说明书中清楚描述的，所公开的结构具有如下优点，减少了作为检测部件的温度传感器的数目，并且因此简化了用于传送检测信号的电路。然而，所公开的结构具有一个基本问题，即不能检测关于各个电池单元的操作状态信息，并且因此，不能保证电池单元的基本安全性。此外，上文提及的公开文献的公开内容被限制应用于，用于测量将锂二次电池用作单元电池的电池模块的各个电池单元的膨胀的技术。
因此，非常需要一种具有新结构的电池模块，其中简化了用于检测关于各个电池单元的信息并且将检测信息传送到控制单元的构造。
发明内容
因此，本发明用于解决上面的问题，并且用于解决仍未被解决的其他技术问题。
作为用于解决如上文描述的问题的多种广泛和细致的研究和实验的结果，本发明的发明人发现，在将检测单元分别附装到电池单元以便于准确地获取组成电池模块的各个电池单元的物理操作状态信息时，检测单元相互串联电气连接，并且仅有最外侧的检测单元电气连接到控制单元，可由传送到控制单元的一个检测信号整体地确认由特定的电池单元引起的异常操作状态，由此，即使在检测单元的数目等于电池单元的数目时，仍可以实现电池模块的简单的电路构造。基于这些发现完成了本发明。
根据本发明，通过提供一种具有多个电池单元(单元电池)的中等尺寸或大尺寸的电池模块，实现了上文的和其他的目的，其中电池模块被构造为如下结构：用于检测电池单元的物理操作状态的检测单元安装到各个电池单元，检测单元连接到电池模块的控制单元，同时检测单元相互串联连接，并且由各个电池单元检测的信号(检测信号)被传送到控制单元，该检测信号包括在由整个电池单元检测的信号中。
具体地，根据本发明的电池模块被构造为：用于检测电池单元的物理操作状态的检测单元附装到各个电池单元，而由各个电池单元检测的检测信号作为关于电池单元整体的单一信号被传送到控制单元。当检测信号值超过临界值时，控制单元确定电池模块处于异常操作状态，并且因此，控制电池模块的操作。当包括多个电池单元的中等尺寸或大尺寸的电池模块的某些电池单元异常操作时，由于链式反应可能使电池模块整体的安全性恶化。因此，利用上文描述的根据本发明的构造，可以有效地控制电池模块，即使是在某些电池单元异常操作时。
优选地，电池单元的物理操作状态是电池单元的温度变化和/或体积变化。因此，当待检测的电池单元的物理操作状态是电池单元的温度变化时，检测单元可以是温度传感器。根据本发明，作为检测单元的温度传感器附装到各个电池单元，该温度传感器相互串联连接，并且仅有最外侧的温度传感器，即，第一温度传感器和第n温度传感器电气连接到控制单元。由中间的温度传感器，即，第i温度传感器和第i+1温度传感器检测的信号，集成到由第n温度传感器检测的信号中。因此，预先设定所有的电池单元具有异常操作温度时的检测信号范围，并且当由至少一个温度传感器检测到高温，并且检测信号超过预先设定的范围时，确定电池模块异常操作。
当待检测的电池单元的物理操作状态是电池单元的体积变化时，检测单元可以是体积变化测量传感器，诸如压电元件或者机械关断传感器。特别地，在将锂二次电池用作电池单元的电池模块中，体积变化测量是更加优选的。
压电元件是被构造为如下结构的元件，其中在预定的方向中将外力施加到特定的晶体板，在该板的相反的主表面处生成了与外力成比例的正的和负的电荷。当电池单元的体积增加时，生成预定的电流，并且因此，可以确认电池单元的异常。
机械关断传感器是被构造为如下结构的传感器，其中当电池单元的体积增加时，由预定的构造引起电气关断。该电气关断是响应电池单元的膨胀而机械执行的。该结构可以以多种方式修改，并且所有修改方案必须被解释为包括在本发明的范围内。
在优选实施例中，体积变化测量传感器是相互连续连接的线部件，其具有低的膨胀系数，并且线部件连接到控制单元，同时线部件连续地环绕各个电池单元的外表面。被构造为线结构，即线部件的体积变化测量传感器，相比于压电元件和机械关断传感器，具有如下优点，线部件价格低廉并且易于附装到电池单元。
线部件可以以多种方式环绕电池单元的外表面。例如，线部件可以交错地相互连接，由此线部件环绕相邻电池单元的相反的主要表面，或者线部件可以相互连接为，线部件环绕各个电池单元的外表面一次或多次，并且随后该线部件还以相同的方式环绕相邻的电池单元的外表面。
线部件连续地相互连接为，线部件环绕电池单元的中间部分，其体积变化在电池单元膨胀时是大的。因此，可以增加电池单元的体积变化测量时的准确性。
可以将通过线部件传送到控制单元的电池单元的体积变化信号(检测信号)，例如，用作用于执行保证电池单元的安全的预定算法所需的输入数据，或者用作用于基于线部件的拉伸力变化而执行机械操作的操作信号。即，依赖于控制单元的构造，可以以多种形式使用检测信号。由控制过程可以证实用作输入数据的示例，其将在下文中描述。作为用作操作信号的示例，控制单元包括安全开关，其以机械操作方式操作，或者控制单元是安全开关，并且当由线部件传送的拉伸力的变化量值(位移)超过预定水平时，安全开关关断。然而，显而易见，其他的多种构造也是可行的。
优选地，当由检测单元传送的检测信号超过预定的临界值时，控制单元执行预定的控制过程。
例如，控制过程可以包括传送警报信号的第一控制步骤、关闭电源的第二控制步骤、操作冷却***的第三控制步骤和操作灭火***的第四控制步骤。
控制单元可以作为独立的单元包括在电池模块中。然而，优选地，控制单元包括在管理电池模块操作的电池管理***(BMS)中。
附图说明
通过下面的详细描述，接合附图，可以更加清楚地理解本发明的上面的和其他的目的、特征以及其他的优点，在附图中：
图1是说明了用于检测具有多个电池单元的传统的中等尺寸或大尺寸的电池模块的电池单元的物理操作状态的构造的视图；
图2是说明了根据本发明的优选实施例的，具有用于检测电池单元的温度变化的构造的电池模块的视图；
图3A和3B是说明了根据本发明的另一优选实施例的，具有用于检测电池单元的体积变化的构造的电池模块的视图；并且
图4是说明了根据本发明的优选实施例的，基于电池单元的物理操作状态信息，诸如温度变化和体积变化，由控制单元针对电池模块执行的预定的控制过程的流程图。
具体实施方式
现在，将通过参考附图详细描述本发明的优选实施例。然而，应当注意，本发明的范围不限于所说明的实施例。
图2是说明了根据本发明的优选实施例的，具有用于检测电池单元的温度变化的构造的电池模块100的视图。
参考图2，电池模块100被构造为如下结构，其中多个电池单元201、202...高度集成封装，并且温度传感器301、302...附装到各个电池单元201、202...的一侧外表面。温度传感器301、302...相互串联电气连接。仅有最外侧的温度传感器301和308连接到控制单元400。因此，相比于图1的结构，用于将温度传感器301、302...连接到控制单元400的电路500是非常简单的。
图3A和3B是根据本发明的另一优选实施例，具有用于检测电池单元的体积变化的构造的电池模块的视图。
参考这些图，作为用于测量各个电池单元的体积变化的传感器的线部件600相互连接，同时线部件600环绕电池单元201、202...的外表面。线部件600相互连续连接为单一的单元。因此，线部件600通常相互串联连接。在图3A中，线部件600交错地环绕电池单元201、202...的外表面。在图3B中，线部件600一次完全环绕电池单元201、202...的外表面。
当在组成电池模块100的电池单元201、202...中的一个处，例如，在电池单元203处发生异常体积膨胀时，拉伸力被施加到相应的线部件600，并且所施加的拉伸力(检测信号)被传送到控制单元(未示出)，其中执行必要的控制操作。
电池单元201、202...的体积变化小于电池单元201、202...的温度变化。出于该原因，两个或多个电池单元的单元可以使用各自的线部件，以便于增加测量的准确性。然而，甚至在该情况中，优选地，使线部件的数目最少，以便于简化电池模块的整体结构。
图4是说明了根据本发明的优选实施例的，基于电池单元的物理操作状态信息，诸如温度变化和体积变化，由控制单元针对电池模块执行的预定的控制过程的流程图。
如图4所示，控制过程包括传送警报信号的步骤、关闭电源的步骤、操作冷却***的步骤和操作灭火***的步骤。在确定由电池单元检测的信息是否超过预定的膨胀和温度范围之后，执行各个步骤。
工业适用性
由上文的描述显而易见，根据本发明的电池模块的特征在于，将检测单元安装到各个电池单元，并且因此，改善了关于电池单元的物理操作状态的信息的准确性，并且尽管检测单元的数目较大，但是用于向控制单元传送检测信号的电路很简单。因此，可以构造具有简单结构的电池模块。此外，对于将锂二次电池用作单元电池的电池模块，使用形成为特定形状的体积变化测量传感器，并且因此，可以通过减少的成本实现简单的电池模块结构，并且可以高度准确地保证电池模块的安全。
尽管出于说明的目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员应当认识到，在不偏离如所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的前提下，可以进行多种修改、添加和替换。

Claims (13)

1.一种具有多个电池单元(单元电池)的中等尺寸或大尺寸的电池模块，其中电池模块被构造为如下结构：
用于检测电池单元的物理操作状态的检测单元安装到各个电池单元，检测单元连接到电池模块的控制单元，同时检测单元相互串联连接，并且由各个电池单元检测的信号(检测信号)被传送到控制单元，所述检测信号包括在由整个电池单元检测的信号中。
2.权利要求1的电池模块，其中电池单元的物理操作状态是电池单元的温度变化、体积变化、或者温度和体积变化。
3.权利要求2的电池模块，其中当电池单元的物理操作状态是电池单元的温度变化时，检测单元是温度传感器。
4.权利要求2的电池模块，其中当电池单元的物理操作状态是电池单元的体积变化时，检测单元是压电元件或者机械关断传感器。
5.权利要求2的电池模块，其中当电池单元的物理操作状态是电池单元的体积变化时，检测单元是相互连续连接的线部件，其具有低的膨胀系数，所述线部件连接到控制单元，同时线部件连续地环绕各个电池单元的外表面。
6.权利要求5的电池模块，其中线部件交错地相互连接，使得线部件环绕相邻电池单元的相反的主要表面。
7.权利要求5的电池模块，其中线部件相互连接，使得线部件环绕各个电池单元的外表面一次或多次，并且随后所述线部件还以相同的方式环绕相邻的电池单元的外表面。
8.权利要求5的电池模块，其中线部件连续地相互连接，使得线部件环绕电池单元的中间部分，电池单元的中间部分在电池单元膨胀时体积变化大。
9.权利要求5的电池模块，其中通过线部件传送到控制单元的电池单元的体积变化信号(检测信号)用作执行保证电池单元的安全的预定算法所需的输入数据，或者用作用于基于线部件的拉伸力变化而执行机械操作的操作信号。
10.权利要求9的电池模块，其中控制单元包括安全开关，其以机械操作方式操作，或者控制单元是安全开关，并且，当由线部件传送的拉伸力的变化量值(位移)超过预定水平时，安全开关关断。
11.权利要求1的电池模块，其中当由检测单元传送的检测信号超过预定的临界值时，控制单元执行预定的控制过程。
12.权利要求11的电池模块，其中控制过程包括传送警报信号的第一控制步骤、关闭电源的第二控制步骤、操作冷却***的第三控制步骤和操作灭火***的第四控制步骤。
13.权利要求1的电池模块，其中控制单元包括在管理电池模块操作的电池管理***(BMS)中。
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