CN105226334A - 电池监控***与其方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池监控***与其方法在此揭露，其中电池监控***包括电池模块与电池管理***，其中电池模块包含一或多个电芯单元，独立运作或彼此电性连接。每一电芯单元均具有第一电极、第二电极与壳体。电池管理***电性耦接至电池模块。电池管理***用以判断每一电芯单元的第一电极与壳体之间，或第二电极与壳体之间的电位差是否均落于预设电压范围。当一或多个电芯单元中有至少一者的第一电极与壳体之间，或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围时，电池管理***对电池模块启动保护机制。
Description
【技术领域】
本发明是一种监控技术，且特别是有关于一种电池监控***与其方法。
【背景技术】
应用于储能***的电池模块(Batterymodule)内，常见的设计为通过多个电池芯(Batterycell)组装而成，并且电池模块与电池芯之间以及电池芯彼此之间必须绝缘隔离，以维持电池模块的正常运作。然而，若绝缘功能的结构因老化、膨胀、受到碰撞而损坏，使得电池模块与电池芯、电池芯彼此之间、电池芯本身电极与壳体的电性接触短路时，可能造成电池模块漏电、热失控或电位差腐蚀(Galvaniccorrection)的危险。
近年来对于电池模块的监控技术大致上可分成下列三种：(1)对串联的电池芯进行电压监控，当电池模块当中的其中一串电池芯发生大幅电压降时，再进行保护及警示。(2)利用温度传感器(Thermalsensor)对电池芯或电池模块进行温度监控，当上述短路状况发生，造成电池芯温度上升时，温度传感器检测到温度异常，再进行保护及警示。(3)利用压力传感器对电池芯膨胀进行监控，当电池芯短路膨胀时，传感器检测到膨胀，再进行保护及警示。然而，以上三种监控方式都不是在检测到异常的当下立即进行保护及警示，而是通过短路状况发生后所造成的现象(例如电压、温度、压力)来判断短路状况是否发生，因此无法在电池模块发生短路异常的第一时间直接进行保护。
【发明内容】
为了即时检测电池模块内部是否发生短路状况，本揭示内容的一态样是提供一种电池监控***，包含电池模块与电池管理***(BatteryManagementSystem，BMS)，其中电池模块包含一或多个电芯单元，独立运作或彼此电性连接，每一电芯单元均具有第一电极、第二电极与壳体，电池管理***电性耦接至电池模块。电池管理***用以判断每一电芯单元的任一电极与壳体之间的电位差是否均落于预设电压范围，或第二电极与壳体之间的电位差是否均落于预设电压范围，当一或多个电芯单元中有至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围时，对电池模块启动保护机制。
本揭示内容的又一态样为一种电池监控方法，包含：监测电池模块中独立运作或电性连接的一或多个电芯单元，其中每一电芯单元均具有第一电极、第二电极与壳体，进而判断每一电芯单元的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差是否均落于预设电压范围；当一或多个电芯单元中有至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围时，对电池模块启动保护机制。
综上所述，本揭示内容是以通过监测电池模块内部每一个电芯单元的正电极与壳体之间的电位差或者负电极与壳体之间的电位差，若电芯单元发生短路异常时受监测的电位差超出预设范围之外，则立即对电池模块启动保护机制，例如停止电力输出。因此，本发明可即时检测短路情形，以减少因短路情形造成的损害，并且得知发生短路异常的电芯单元位置，进一步改善后续短路异常情形的排除流程。
以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本揭示内容的技术方案提供更进一步的解释。
【附图说明】
为让本揭示内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图示的说明如下：
图1是说明本揭示内容一实施例的电池监控***示意图；
图2是说明本揭示内容一实施例的电池监控***示意图；
图3是说明本揭示内容一实施例的电池监控***的电芯单元示意图；
图4是说明电芯单元的正电极与负电极电位差与金属壳体电位差的示意图；
图5是说明电芯单元的正电极电位、负电极电位与金属壳体电位与预设电压范围示意图；
图6是说明电芯单元的电位检测位置示意图；以及
图7是说明本揭示内容另一实施例的电池监控方法流程图。
【符号说明】
为让本揭示内容的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附符号的说明如下：
100：电池监控***
110：电池模块
112：电芯单元
120：电池管理***
200：电池监控***
222：检测装置
224：处理装置
310：正电极
320：负电极
330：金属壳体
410、420、430：电芯单元
Va：正电极与金属壳体之间的电位差
Vb：负电极与金属壳体之间的电位差
610、620、630、640、650、660：电芯单元
670：导线
Vpositive：正电极电位
Vnegative：负电极电位
Vshell：金属壳体电位
700：电池监控方法
S702～S706：步骤
【具体实施方式】
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，可参照附图及以下所述的各种实施例。但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围；步骤的描述亦非用以限制其执行的顺序，任何由重新组合，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。
于实施方式与申请专利范围中，除非内文中对于冠词有所特别限定，否则「一」与「该」可泛指单一个或多个。
另外，关于本文中所使用的「耦接」及「连接」，均可指二或多个元件相互直接作实体接触或电性接触，或是相互间接作实体接触或电性接触，而「耦接」还可指二或多个元件相互操作或动作。
如图1所绘示，其为本揭示内容一实施例的电池监控***100示意图。电池监控***100包含电池模块110与电池管理***120(BatteryManagementSystem，BMS)，其中电池模块110包含一或多个电芯单元112，独立运作或彼此电性连接，每一电芯单元112均具有第一电极、第二电极与壳体，电池管理***120电性耦接至该电池模块110。实作上，电芯单元112经串联(Seriesconnection)、并联(Parallelconnection)或串联并联组合连接以达到***规格需求。电芯单元112可以是圆柱型(Cylindertype)、方罐型(Prismatictype)、软包型(Pouchtype)或其他合适型态的二次电池，上述二次电池可以是锂锰电池、锂钴电池、锂三元电池、镍铬电池、高分子聚合物电池或其他可进行重复充放电的电池。
电池管理***120用以判断每一电芯单元112的任一电极与壳体之间的电位差是否均落于预设电压范围，当一或多个电芯单元112中有至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差落于预设电压范围时，表示电池模块110中的电芯单元112均正常运作，电池管理***120持续监控电芯单元以即时掌握电芯单元112是否维持正常运作。反之，当一或多个电芯单元112中有至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围时，电池管理***120对电池模块110启动保护机制。举例而言，保护机制为电池管理***120停止电池模块110输出电力，因此可以在当电芯单元112发生短路的时候停止损坏范围扩大，减少因短路情形进一步造成电池模块110其他元件或是电池模块110连接的***(未绘示)发生损坏。
为了进一步描述电池管理***120内部组成，请参考图2，图2是说明本揭示内容一实施例的电池监控***200示意图。电池监控***200硬件架构与电池监控***100大致上相同，除了电池管理***120包含检测装置222与处理装置224，其中处理装置224电性耦接检测装置222。实作上，检测装置222可以是电池管理***120的副板，处理装置224可以是电池管理***120的主板。实作上，上述的监测电芯单元的壳体的方式可通过装设电压监测线于每一个电芯单元的壳体以达成。上述的处理装置224，其具体实施方式可为软件、硬件与/或固件。举例来说，若以执行速度及精确性为首要考量，则处理装置224基本上可选用硬件与/或固件为主；若以设计弹性为首要考量，则处理装置224基本上可选用软件为主；或者，处理装置224可同时采用软件、硬件及固件协同作业。应了解到，以上所举的该多个例子并没有所谓孰优孰劣之分，亦并非用以限制本发明，熟习此项技艺者当视当时需要，弹性选择处理装置224的具体实施方式。于一实施例中，处理装置224为中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)；或者，于另一实施例中，处理装置224为微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)。
检测装置222用于即时检测每一电芯单元112的运作情形，例如第一电极的电位、第二电极的电位与壳体的电位。处理装置224用于接收检测装置的检测消息，并依此通过内部固件逻辑进行判断与处理。当一或多个电芯单元112中的至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围时，处理装置224判定电芯单元112中的至少一者发生异常。因此，电池管理***120的处理装置224可辨别于电池模块110当中发生异常情形的电芯单元112位置，亦即第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围的电芯单元，以改善后续短路异常情形排除的流程。
为了具体说明第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间电位差的监测方式，请参考图3、图4与图5。图3是说明本揭示内容一实施例的电池监控***的电芯单元112示意图，电芯单元112具有正电极310、负电极320与金属壳体330，此处金属壳体330仅以举例说明电芯单元的壳体可使用金属材料制成，并非用以限定本发明，其他合适材料制成的壳体亦在本发明涵盖的范围内。图4是说明电芯单元112的正负电极电位与金属壳体电位的示意图。如图4所示，以三个电芯单元410、420、430为例，电芯单元410以本身的正电极与其相邻的电芯单元420负电极电性连接，电芯单元420以本身的正电极与其相邻的电芯单元430负电极电性连接，形成串联连接的电芯单元。对于每一个电芯单元，其正电极310与负电极320之间的电位差为3.6伏特(Volt，V)，其金属壳体330与同一电芯单元的正电极310之间电位差为1.0伏特(V)，金属壳体330与同一电芯单元的负电极320之间电位差为2.6伏特(V)。因此，串联连接的电芯单元410、420、430，电芯单元410的负电极与电芯单元430的正电极之间可达到10.8伏特(V)的电位差，其中，每一电芯单元112本身的金属壳体330与正电极310之间电位差均为1.0伏特(V)，因此电芯单元410、420、430的金属壳体相对于电芯单元410负电极的电位差依序为2.6伏特(V)、6.2伏特(V)、9.8伏特(V)。图4所示电芯单元410、420、430数目与电位差数值仅为举例说明，并非用以限定本发明，其他数目的电芯单元与其电位差数值亦在本发明涵盖的范围内。
如图5所示，图5是说明电芯单元的正电极、负电极与金属壳体的电位与预设电压范围示意图。于一实施例中，电芯单元112的第一电极为正电极310，第二电极为负电极320，壳体为金属壳体330。电池管理***120判断每一电芯单元112的正电极310与金属壳体330之间的电位差Va是否均落于预设电压范围，当电池管理***120判断一或多个电芯单元112中有至少一者的正电极310与金属壳体330之间的电位差Va未落于预设电压范围时，对电池模块110启动保护机制。
举例而言，如图4与图5所示，电芯单元410、420、430的正电极310与金属壳体330之间的电位差Va为1.0伏特(V)，预设电压范围为Va正负0.1伏特(V)，亦即0.9伏特(V)至1.1伏特(V)之间。当电池管理***120判断一或多个电芯单元112中有至少一者的正电极310与金属壳体330之间的电位差Va未落于0.9伏特(V)至1.1伏特(V)范围之内时，亦即Va小于0.9伏特(V)或大于1.1伏特(V)，即对电池模块110启动保护机制，并且判定未落于预设电压范围的电芯单元112发生异常。上述预设电压范围可依实际需求设计，并非用以限定本发明，其他合适的电压范围数值亦在本发明涵盖的范围之内。于电芯单元112正常运作的情况下，正电极310与金属壳体330之间的电位差Va为定值，并且Va依正电极、负电极、金属壳体选用的材料而决定。
或者，于另一实施例中，电芯单元112的第一电极为负电极320，第二电极为正电极310，壳体为金属壳体330。电池管理***120判断每一电芯单元112的负电极320与金属壳体330之间的电位差Vb是否均落于预设电压范围，当电池管理***120判断一或多个电芯单元112中有至少一者的负电极320与金属壳体330之间的电位差Vb未落于预设电压范围时，对电池模块110启动保护机制。
举例而言，如图4与图5所示，负电极320与金属壳体330之间的电位差为Vb，Vb随着电芯单元充电、放电的过程变动。预设电压范围依据每一电芯单元112的目前电量决定。举例而言，依据电芯单元112的目前电量通过查询表(Look-uptable)的方式决定预设电压范围。当电池管理***120判断一或多个电芯单元112中有至少一者的负电极320与金属壳体330之间的电位差Vb未落于上述通过查询表决定的预设电压范围内时，亦即Vb高于预设电压范围的上限值或者Vb低于预设电压范围的下限值，即对电池模块110启动保护机制，并且判定未落于预设电压范围的电芯单元112发生异常。上述预设电压范围的决定方式可依实际需求设计，并非用以限定本发明，其他合适的预设电压范围决定方式亦在本发明涵盖的范围之内。
接着以锰酸锂(LMO)电芯单元112为例，说明不同状况的短路情形对上述正电极310与金属壳体330之间的电位差Va，或对负电极320与金属壳体330之间的电位差Vb的影响。锰酸锂(LMO)电芯单元112正电极310材料使用铝(Al)与锰酸锂(LMO)，负电极320材料使用铜(Cu)以及锂嵌入石墨的化合物(LiC6)，金属壳体330材料使用不锈钢(Stainlesssteel，Fe)，并且内部具有绝缘层(Insulationfilm)以避免金属壳体330与正电极310或负电极320接触短路。
若短路异常发生于正电极310(Al+LMO)与金属壳体330(Fe)时，金属壳体330发生氧化反应(Fe→Fe2++2e-)，电位差E为0.44伏特(V)，因此金属壳体330发生腐蚀(Corrosion)现象。正电极310发生还原反应(LiX ++LiYMn2O4+e-→LiX+YMn2O4，其中，X,Y为正整数)，电位差E为0.65伏特(V)，因此氧化还原反应的电位差为0.44伏特(V)加上0.65伏特(V)，亦即1.09伏特(V)，导致Va发生变化。于此例中，Va正常范围为0.9伏特(V)至1.5伏特(V)，若判断Va且/或Vb超出其正常范围则判定电芯单元112发生异常，因此，此例氧化还原反应尚未造成电芯单元112发生异常。
若短路异常发生于负电极320(Cu+LiC6)与金属壳体330(Fe)时，由于负电极320含有比不锈钢(Fe)更容易氧化的锂(Li)，负电极320发生氧化反应(Lix→Li++e-，其中，x为正整数)，电位差E为3.04伏特(V)，以及金属壳体330发生还原反应析出锂(Lix ++3e-+Fe2+→Lix+Fe，其中，x为正整数)，电位差E为-0.44伏特(V)，因此氧化还原反应的电位差为3.04伏特(V)加上-0.44伏特(V)，亦即2.60伏特(V)，导致Vb发生变化。于此例中，Vb正常范围为2伏特(V)至2.6伏特(V)，若判断Va且/或Vb超出其正常范围则判定电芯单元112发生异常，因此，此例氧化还原反应尚未造成电芯单元112发生异常。
另外，若短路异常发生于不同电芯单元112的金属壳体330之间，将导致Va发生变化。于此例中，Va正常范围为0.9伏特(V)至1.5伏特(V)，若判断Va超出正常范围则判定电芯单元112发生异常。
上述电芯单元的正电极、负电极与金属壳体材料的选择仅为举例说明，并非用以限制本发明，其他合适的材料亦在本发明涵盖的范围之内，例如表一所示。
表一
| 还原半反应式 | 电位差(E0) |
| Li++e-→Li | E0＝-3.045 |
| K++e-→K | E0＝-2.952 |
| Ca2++2e-→Ca | E0＝-2.866 |
| Na++e-→Na | E0＝-2.714 |
| Mg2++2e-→Mg | E0＝-2.363 |
| Al3++3e-→Al | E0＝-1.662 |
| Zn2++2e-→Zn | E0＝-0.7628 |
| Fe2++2e-→Fe | E0＝-0.4402 |
| Pb2++2e-→Pb | E0＝-0.126 |
| 2H2++2e-→H2 | E0＝-0.000 |
| Cu2++2e-→Cu | E0＝+0.337 |
| O2+2H++2e-→H2O2 | E0＝+0.682 |
| Ag++e-→Ag | E0＝+0.799 |
| Au++e-→Au | E0＝+1.69 |
因此，借由电池管理***120对每一电芯单元112的正电极310与金属壳体330之间的电位差Va进行监测，且/或负电极320与金属壳体330之间的电位差Vb进行监测，可在短路异常发生的最短时间之内对电池模块110启动保护机制，以降低异常造成的损坏范围，并且可得知异常发生在电池模块110中的电芯单元112确切位置，简化后续排除异常的流程。
为了举例说明电芯单元的正负电极电位与金属壳体电位的检测位置，请参考图6。图6是说明电芯单元的电位检测位置示意图，电芯单元610～660彼此以导线670串联连接。以监测电芯单元620为例，电芯单元620具有正电极622与负电极624。通过检测电芯单元610的负电极与电芯单元620的正电极622之间的导线作为电芯单元620的正电极电位Vpositive，并通过检测电芯单元620的负电极624与电芯单元630的正电极之间的导线作为电芯单元620的负电极电位Vnegative。电芯单元620的金属壳体电位Vshell通过装设电压监测线检测。因此，正电极电位Vpositive与金属壳体电位Vshell之间的电位差即为上述Va，负电极电位Vnegative与金属壳体电位Vshell之间的电位差即为上述Vb。因此，电池管理***120可经由监测电池模块110中每一个电芯单元610～660的Va且/或Vb，当任何一个电芯单元发生异常情形，电池管理***120可即时对电池模块110启动保护机制，并且得知异常发生于哪一个电芯单元。
图7是说明本揭示内容另一实施例的电池监控方法700流程图。电池监控方法700包括多个步骤S702～S706，可应用于如图1～图2所示的电池监控***100、200中，然熟习本案的技艺者应了解到，在本实施例中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行。
首先于步骤S702中，监测电池模块中的电芯单元，其中，电芯单元可以是一或多个，独立运作或彼此经串联、并联或串联并联组合电性连接以达到***规格需求。每一该电芯单元均具有第一电极、第二电极与壳体。进而于步骤S704中，判断每一该电芯单元的任一电极与壳体之间的电位差是否均落于预设电压范围。当一或多个电芯单元中有至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差落于预设电压范围时，表示电池模块中的电芯单元均正常运作，持续于步骤S702监控电芯单元以即时掌握电芯单元是否维持正常运作。反之，当一或多个电芯单元中有至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于该预设电压范围时，则于步骤S706中，对电池模块启动保护机制。举例而言，保护机制为停止电池模块输出电力，因此可以在当电芯单元发生短路的第一时间控制损坏范围，减少因短路情形进一步造成电池模块其他元件或是电池模块连接的***发生损坏。
于一实施例中，即时检测每一电芯单元的运作情形，例如第一电极的电位、第二电极的电位与壳体的电位。当一或多个电芯单元中的至少一者的第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围时，即可判定电芯单元中的至少一者发生异常。因此，可辨别电池模块当中发生异常情形的电芯单元位置，亦即第一电极与壳体之间或第二电极与壳体之间的电位差未落于预设电压范围的电芯单元，以改善后续短路异常情形排除的流程。详细实施方式如前述图4与图5所示，请参考前述相关说明，于此不再赘述。
综上所述，本揭示内容得以经由上述实施例，通过监测电池模块内部每一个电芯单元的正电极与壳体之间的电位差或者负电极与壳体之间的电位差，若电芯单元发生短路异常时受监测的电位差超出预设范围之外，则立即对电池模块启动保护机制，例如停止电力输出。因此，本发明可即时检测短路情形，以减少因短路情形造成的损害，并且得知发生短路异常的电芯单元位置，进一步改善后续短路异常情形的排除流程。
虽然本揭示内容已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本揭示内容的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定者为准。
Claims (11)
1.一种电池监控***，其特征在于，包含：
一电池模块，包含：
一或多个电芯单元，独立运作或彼此电性连接，其中每一该电芯单元均具有一第一电极、一第二电极与一壳体；以及
一电池管理***，电性耦接至该电池模块，用以判断每一该电芯单元的该第一电极与该壳体之间或该第二电极与该壳体之间的一电位差是否均落于一预设电压范围，当该一或多个电芯单元中有至少一者的该第一电极与该壳体之间或该第二电极与该壳体之间的该电位差未落于该预设电压范围时，对该电池模块启动一保护机制。
2.如权利要求1所述的电池监控***，其特征在于，该保护机制为该电池管理***停止该电池模块输出电力。
3.如权利要求1所述的电池监控***，其特征在于，该第一电极为一正电极，该第二电极为一负电极，该壳体为一金属壳体。
4.如权利要求3所述的电池监控***，其特征在于，该电池管理***包含：
一检测装置，用以检测每一该电芯单元的该正电极、该负电极的电位与该金属壳体的电位；以及
一处理装置，电性耦接至该检测装置，当该一或多个电芯单
元中的该至少一者的该正电极与该金属壳体之间的该电位差未
落于该预设电压范围时，该处理装置判定该一或多个电芯单元中
的该至少一者发生异常。
5.如权利要求3所述的电池监控***，其特征在于，该电池管理***包含：
一检测装置，用以检测每一该电芯单元的该负电极的电位与该金属壳体的电位；以及
一处理装置，电性耦接至该检测装置，依据每一该电芯单元的一目前电量决定该预设电压范围，当该一或多个电芯单元中的该至少一者的该负电极与该金属壳体之间的该电位差未落于该预设电压范围时，该处理装置判定该一或多个电芯单元中的该至少一者发生异常。
6.如权利要求1所述的电池监控***，其特征在于，该多个电芯单元彼此串联、并联或串联并联组合连接。
7.一种电池监控方法，其特征在于，包含：
监测一电池模块中独立运作或电性连接的一或多个电芯单元，其中每一该电芯单元均具有一第一电极、一第二电极与一壳体，进而判断每一该电芯单元的该第一电极与该壳体之间或该第二电极与该壳体之间的一电位差是否均落于一预设电压范围；以及
当该一或多个电芯单元中有至少一者的该第一电极与该壳体之间或该第二电极与该壳体之间的该电位差未落于该预设电压范围时，对该电池模块启动一保护机制。
8.如权利要求7所述的电池监控方法，其特征在于，该保护机制为停止该电池模块输出电力。
9.如权利要求7所述的电池监控方法，其特征在于，该第一电极为一正电极，该壳体为一金属壳体，更包含：
检测每一该电芯单元的该正电极的电位与该金属壳体的电位；以及
当该一或多个电芯单元中的该至少一者的该正电极与该金属壳体之间的该电位差未落于该预设电压范围时，判定该一或多个电芯单元中的该至少一者发生异常。
10.如权利要求7所述的电池监控方法，其特征在于，该第二电极为一负电极，该壳体为一金属壳体，更包含：
检测每一该电芯单元的该负电极的电位与该金属壳体的电位；
依据每一该电芯单元的一目前电量决定该预设电压范围；以及
当该一或多个电芯单元中的该至少一者的该负电极与该金属壳体之间的该电位差未落于该预设电压范围时，判定该一或多个电芯单元中的该至少一者发生异常。
11.如权利要求7所述的电池监控方法，其特征在于，该多个电芯单元彼此串联、并联或串联并联组合连接。
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