專利名稱：用于能量存儲單元的監視系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于監視存儲電能的能量存儲單元(具體是電化學能量存儲單元或者包括至少ー個電容器的能量存儲單元)的狀態的監視系統。本發明還涉及具有多個能量存儲單元(cell)的電池系統以及用于控制和監視能量存儲單元的中央電池控制系統。
背景技術：
傳統的電池系統通常被細分為多個模塊。每個模塊包括用于其部分的多個單元。電池系統可以例如包括6個模塊，每個模塊具有10個單元。例如，通常在用于其中對能量存在高需求的混合或者電動車輛的驅動系統的電池的情況下，使用被細分為多個模塊的電 池系統。每個傳統模塊包括在下文中被稱為“CSC”的所謂的“單元監管電路”，其目的是監視模塊的各個單元的電壓，以便補償整個系統的單元之間的電壓的任何差異(平衡)和執行與安全有關的其它功能，例如，監視溫度。各個模塊的CSC通常通過具有用于控制和監視能量単元的電池控制系統的數據總線來通信。該電池控制系統常常被稱為“電池管理元件(unit)”。在以下的解釋中，電池控制系統或者電池管理元件被簡稱為BMU。在BMU上運行電池系統的控制軟件。BMU傳統地具有多個任務。對于本發明而言，這些任務中最重要的是a)BMU決定哪些單元要被平衡以及多長時間，換言之，哪些單元要放電(被動平衡)或者同樣地，哪些單元要充電(主動平衡)。b)基于由CSC傳送給BMU的數據，控制軟件決定系統是否在安全的狀況下或者是否需要采取動作。該數據包括例如模塊的溫度和所有単元的電壓。然而，目前正在使用的CSC具有如下文中詳述的一系列缺點。電池系統包括多個單元。例如，單元的數目可以容易地為總共400個或者更多，其中需要監視每個單獨単元的每ー個的電壓。如果并聯連接X個單元，則只需要監視每X個単元，但是這需要電壓采樣電纜。然而，如果薄電壓采樣導體中的僅僅ー個斷裂，則系統一定不能操作。在12個單元的情況下，在CSC上將電壓采樣導體集中到一起的位置處，連接器中的引腳之間的電壓可能例如達到每個模塊50V。冷凝水和污染可能使得在CSC中的該位置處出現漏電流和腐蝕。電壓采樣導體和CSC中的短路是在傳統系統中極其難以克服的故障的來源。難以使用傳統的保護措施來保護大量的電壓采樣導體。短路可能由以下因素造成a)機械磨損或者破損；b)外來物；c)在組裝過程期間或者在維護工作期間不注意；以及d)在存在冷卻液泄露時的隨后的故障。例如，作為冷卻液電解的結果，在鄰近的承載電壓的導體上可能沉積導電物質，并且這種沉積物可以形成短路橋。將電壓傳導到地的許多部件也増加了接地故障的概率和對電池系統進行工作的人員的電擊風險。此外，需要部分地修改CSC以便適合于新的電池系統和開發新的CSC。另外，在鋰離子電池的情況下，極其難以檢測過載的陽極上的鋰沉積物(鋰枝狀結晶(dendrite))。在最壞情況的場景中，鋰枝狀結晶可能導致對于分隔膜的損害并且作為進一步的結果而導致單元中的內部短路。

發明內容
因此，本發明的目的是增加電池系統的安全性，并且同時使與材料和組裝エ藝有關的成本最小化，而不會對監視功能產生不利影響。根據本發明，通過在能量存儲單元中布置用于監視能量存儲單元的狀態的集成電子裝置的事實，利用在介紹中提到的類型的監視系統來實現該目的，其中集成電子裝置具有用干與布置在能量存儲單元外部的電池控制系統進行優選為無線的數據交換的傳送/ 接收元件，或者所述集成電子裝置被連接到用干與布置在能量存儲單元外部的電池控制系統進行優選為無線的數據交換的傳送/接收元件。根據本發明的解決方案使得一方面可以提高對人員的保護，另一方面可以更精確地確定各個單元的化學狀態。集成電子裝置與電池控制系統之間的無線通信使得可以以特別安全和簡單的方式來傳送數據。作為對在集成電子裝置和電池控制系統之間使用無線數據傳輸的替換，可以從電數據總線或者從可在其上調制信號的主電カ電纜提供集成電子裝置和電池控制系統之間的數據傳輸路徑。特征在于對電磁損壞的相對低水平的敏感性的本發明的另ー實施例提供了 通過光學傳輸路徑，具體是通過具有或者不具有電絕緣光纖光纜的紅外傳輸路徑，將集成電子裝置連接到電池控制系統。根據特征在于以特別可靠的方式檢測能量単元的狀態的本發明的ー個變型，可以提供集成電子裝置包括傳感器或者被連接到傳感器，所述傳感器被布置在能量存儲單元中以便檢測能量存儲單元的溫度和/或充電狀態和/或化學分解產物。可以通過集成電子裝置包括可切換的放電電阻器的事實，以簡單的方式被動平衡能量存儲單元。可以通過集成電子裝置包括用于分別測量能量存儲單元的陽極電勢和陰極電勢的參考電極的事實，以特別精確和可靠的方式來確定能量存儲單元的充電狀態。通過集成電子裝置包括被存儲在集成電子裝置的存儲器中的標識碼的事實，可以識別能量存儲單元并且因此清楚地向該能量存儲單元分配故障或者正確的操作狀態。該標識碼可以是字母數字碼，例如，集成電子裝置或者能量存儲單元的芯片的序列號。特征在于需要相當小的空間量并且在制造能量存儲單元的過程期間具有良好的處理特性的本發明的變型提供了 將該集成電子裝置布置在載體膜上。如果能量存儲單元是使用薄膜技術制造的単元，在這一點上是非常占優勢的。使得可以分析能量存儲單元的使用的本發明的特定的有利的實施例提供了 將集成電子裝置設計為存儲與単元使用有關的數據。根據本發明，也可以通過電池系統包括根據本發明的監視系統的事實，利用介紹中提到的類型的電池系統來實現上述目的。


以下參照ー些示例性實施例，詳細描述本發明以及進一步的優點，所述實施例不是限制性的并且在附圖中被圖示，在附圖中，示意性地圖I示出了具有根據本發明的用于能量存儲單元的監視系統的第一變型的能量存儲單元；以及圖2示出了具有根據本發明的監視系統的第二變型的能量存儲單元。
具體實施例方式通過介紹而陳述了本發明不限于使用電化學能量存儲單元(例如，鋰離子単元)，而是還可以用于其它類型的能量存儲器件或者能量存儲單元，例如電容器，并且更具體地 是雙層電各器。如在圖I中明顯的，在根據本發明的能量存儲單元I的情況下，通過在能量存儲單元I中直接集成的電子裝置2替換了在現有技術中通常使用的CSC，該電子裝置在下文中被命名為集成単元電路或簡稱為ICC。可以將如圖I或2中圖示的根據本發明的多個能量存儲單元I組合以形成電池系統。每個能量存儲單元I可以通過其安裝的ICC 2，優選地以無線方式，與電池系統的BMU進行通信；在此未詳細圖示所述BMU。出于此目的，ICC 2可以包括傳送/接收元件3，其用干與布置在能量存儲單元I外部或者連接到對應的傳送/接收元件3的BMU進行無線數據交換。ICC 2優選地被設計用干與BMU進行雙向通信。例如，可以使用RFID的基于無線電的通信技術作為在ICC 2和BMU之間傳送數據的通信技木。可替換地，也可以通過在主電流電纜上的調制信號或者通過電數據總線而在ICC 2和BMU之間進行通信。還可以在ICC 2和BMU之間提供光數據傳輸路徑。在被用作能量存儲單元I的傳統鋰離子單元中盛行的最大電壓通常達到4. 2V。由于ICC 2位于能量存儲單元I的內部，所以在使用鋰離子単元作為能量存儲單元I時，所述ICC絕不會看到高于4. 2V的電壓。因此，要被控制的電壓比在傳統CSC中盛行的50V低得多。在存在電流負載時，電壓在能量存儲單元I的傳導電阻器(transfer resistor)處降低。由于ICC 2在能量存儲單元I中直接測量該電壓，所以還可以使得在傳導電阻器處的電壓下降引起的故障最小化。通過在能量存儲單元I的封閉密封的単元外殼4中安裝ICC 2，還可以使發生內部短路(在兩個單元之間或者在単元和地之間)的可能性顯著最小化。由于省略了 CSC和電壓采樣電纜，所以與傳統解決方案相比，在根據本發明的解決方案的情況下，顯著地減少了與組裝エ藝和維護工作有關的花費。另外，可以更容易地更換根據本發明的能量存儲單元I。另外，ICC 2可以包括傳感器5、6、7或者連接到在能量存儲單元I中布置的傳感器
5、6、7，以便檢測能量存儲單元I的溫度和/或充電狀態和/或化學分解產物和/或壓力。通過使用化學傳感器5，可以甚至更精確地檢測能量存儲單元I的狀態。例如，可以測量化學分解產物，其指示能量存儲單元I的即將發生的故障。通過使用可以與能量存儲單元I的電池組件的分解產物起反應的化學傳感器5，還可以確定老化狀態和剩余容量。另外，可以在能量存儲單元I的即將發生的徹底故障之前提供報警。結果，即使在并聯連接了多個能量存儲單元I時，也可以識別有缺陷的単元。由于并聯連接的能量存儲單元I也自動地具有相同的電壓，因此僅僅使用電壓測量這將是不可能的。例如，可以使用壓カ傳感器6來確定金屬罐單元中的氣體壓力。然后可以使用對于該氣體壓カ確定的值來計算單元的老化狀態。可能可以將ICC芯片8中集成的傳感器或者ICC載體膜(carrier film) 9上的專用組件用作溫度傳感器7。優選地，溫度傳感器7應該能夠以小于2°C的精度來測量在從-30°C到+70°C范圍內的溫度。出于成本原因，也可以僅僅為根據本發明的電池系統的特定百分比的能量存儲單元I配備溫度傳感器7。然而，在使用成本合算的薄膜技術來制造溫度傳感器7的情況下，也可以在ICC 2的載體膜9的整個表面上分布溫度傳感器7的矩陣。 結果，可以在早期階段辨識能量存儲單元I的操作期間的熱點。另外，可以借助在ICC 2中可選地安裝參考電極10來分別測量陽極和陰極的電勢。結果，可以更精確的方式來確定能量存儲單元I的充電狀態。在確定能量存儲單元I的化學狀態時，附加的參考電極10的使用還可以產生決定性的優勢。例如，參考電極10可以由純鋰或者由鉬來實現，并且不應當參與能量存儲單元I的電化學反應。還可以借助參考電極10的相當小的尺寸來避免安全問題。借助于分別測量陽極電勢和陰極電勢，還可以獲得用于確定能量存儲單元I的充電狀態和老化效應的附加信息。另外，可以獲得關于能量存儲單元的健康狀態(簡稱S0H)的附加信息并且可以將該附加信息傳送給BMU。具體地，在已知陽極電勢的情況下，可以辨識任何從安全的觀點來看較為嚴重的鋰沉積物。如圖I中圖示并且已經部分地在上面提到的，ICC 2可以包括ICC芯片8、載體膜
9、參考電極10、電壓采樣點11和12、化學傳感器5、壓カ傳感器6、溫度傳感器7、薄膜電阻器13和在這種情況下被實現為天線的傳送/接收元件3。薄膜電阻器13可以用于能量存儲單元I的被動平衡。可以通過晶體管將薄膜電阻器3并聯連接到単元電極。結果，受控的平衡過程是可能的。如果存在足夠的能量輸出，也可以加熱能量存儲單元，使得可以更容易地將能量存儲單元I保持在理想的操作范圍中。例如，可以使用MOSFET技術來實現晶體管。這類薄膜晶體管已經可以買到并且對本領域技術人員是已知的。可以使用“柔性電子(Flexible Electronics)”技術在載體膜9上實現ICC 2。例如，現在已經使用該技術制造了 RFID標簽一段時間了。因此，可以使用與傳統的RFID芯片相同的技術來制造ICC芯片8自身。可以獲得被小型化為50iimX50iim的尺寸的RFID芯片(Hitachi)。例如，ICC芯片8可以執行以下功能(a)與BMU的無線電通信，(b)單元電壓的精確摸/數轉換，(c)測量溫度(內部地或者通過附加組件)，(d)用于平衡的薄膜晶體管13中的開關，Ce)讀出可選的傳感器5、6、7。ICC芯片8優選地以節能方式工作并且因此僅稍微增加了能量存儲單元I的自放電。理想地，可以在不運行的系統的情況下提供可激活的節能模式。載體膜9優選地不是非常厚，使得基本上不增加能量存儲單元I的體積。可以將ICC載體膜9與堆疊的陽極膜、陰極膜和分隔膜組裝到一起以形成能量存儲單元I。通常，可以以類似于傳統的陰極膜和陽極膜的方式來集成ICC2，使得不需要額外的新エ藝來組裝所述單元。與之前一祥，可以將陽極膜、陰極膜和分隔膜一個在另一個頂上堆疊以組裝能量存儲單元I。另外，還可以増加ICC載體膜9。可以焊接陰極側和陽極側上的電流收集器(current collector)。可以在同一エ序步驟期間同時焊接ICC 2的單元電壓采樣點。疊層的外膜可以位于適當位置并且被(用合成材料)焊接到密封邊緣上。在這樣做時，天線接線頭(lug) /LED接線頭將穿過密封接縫向外突出。然后可以將天線接線頭/LED接線頭彎曲并且在外部附著到単元外表面。如在從現有技術已知的能量存儲單元的情況中那樣，可以執行制造過程的其它步驟。有利地，ICC載體膜9各處具有恒定的厚度。否則，ICC載體膜9中的任何變厚的區域可能擠入陰極膜和陽極膜中并且使它們損壞。在依靠電池系統中的単元的外部機械附件的袋狀単元的情況下，或者在依靠剛性単元外殼以及陽極材料和陰極材料的膨脹的金屬罐單元的情況下，作為老化和循環操作的結果，在単元內部產生壓力。本發明可以用于提到的每ー個單元類型的情況，但是不限于此，因此根據本發明的監視電子裝置例如也可以用于圓柱形能量存儲器件/単元。為了保護不受電解質的影響，可以通過合成膜在兩側密封 ICC 2。此外，基于根據本發明的解決方案，可以以更靈活的方式來實現單元封裝。例如，可以以比迄今為止更簡單的方式來實現具有不同數目的能量存儲單元I的電池系統，電池系統中的能量存儲單元I的數目不需要是每個模塊的単元的倍數。此外，不需要被半填充了單元的專門模塊。可以在ICC芯片8中存儲有關能量存儲單元I的使用的日志數據，并且在回收期間或者在服務期間分析該日志數據。一方面，需要電壓采樣點11和12以便向ICC 2提供電流，另ー方面，例如，可以測量能量存儲單元I的単元電壓。電壓測量的精度應比較高，理想地是在OV到4. 5V的電壓范圍的情況下優于10mV。依賴于在単元中使用的材料，例如鋁和銅，以與在単元中使用的電流收集器膜(機械地)兼容的有利的方式來構造ICC 2的電壓采樣點。然后，可以在焊接電流收集器的相同エ序步驟期間同時簡單地焊接電壓采樣點11和12。然而，例如，陽極側的電流收集器被實現為銅膜，在陰極側例如使用鋁膜。通常利用銅條導體實現“柔性電子”電氣電路。因此易于執行陽極側的焊接過程。在陰極側，可以用鋁來制造整個電壓采樣點11，或者，如果焊接エ藝允許則直接在焊接接線頭上、或者預先在ICC芯片8和陽極焊接位置之間制作材料轉換銅-鋁。如以上提到的，可以使用不同的技術來實現各個ICC 2與BMU的通信I.基于RFID技術，通過電磁無線電進行的通信，2.在不使用光傳導纜線的情況下，使用紅外收發器進行的光數據傳輸，3.在使用光傳導纜線的情況下，使用紅外收發器進行的光數據傳輸，4.通過在主電カ電纜上調制的信號進行的通信，5.通過傳統的電數據總線進行的通信。依賴于使用的通信技木，需要其它系統組件來用于通信目的。在ICC 2和BMU之間進行無線電通信的情況下，提供ICC天線。由于無線電信號不能穿過金屬，從ICC天線到BMU天線的無線電路徑上不應存在金屬。然而，無線電路徑不需要是直的，這是因為無線電波可以在金屬壁上反射。根據這一點可知，例如，鋰離子単元通常包括金屬外売。在袋狀単元的情況下，可以將鋁層焊接到外膜中作為對于電解液液體的擴散屏障；在金屬罐單元的情況下，通常完全由金屬制作外売。為了使得可以創建無線電連接，袋狀単元情況下的ICC膜可以包括具有天線導體條的附加接線頭。由于在制造所述單元的過程期間外膜位于適當的位置，因此允許天線接線頭穿過密封接縫向外突出。現在天線在單元外殼的外部。最后，接線頭可以被彎曲并且附著到単元外壁(例如，到密封接縫)。可以選擇實現天線接線頭的位置，使得可以在電池系統中提供到BMU的有利的無線電連接。在金屬罐單元的情況下，該狀況比在袋狀單元的情況下要更困難。例如，通過對無線電頻率透明并且在金屬外殼的合適位置處提供的塑料或合成材料窗ロ而實現該目的。可以以與減壓閥同時使用的方式來實現該窗ロ。然而，也可以使用其它雙向通信技術作為對無線電技術的可替換的選項。例如，可以通過將通信載波信號調制到主電流連接器上而傳送信息。如圖2所圖示的，取代天線，還可以提供具有指向外側的接線頭的光傳感器15和 LED 14。可以在電池外売上分布對應的交互位置。在這些情況下，將以光學方式執行能量存儲單元I和BMU之間的通信。除了其他的以外，該變型特征還在于良好的電磁兼容性水平。然而，也可以通過光纖光纜將每個能量存儲單元I連接到BMU。結果，將從根本上根除由于污染產生的問題。可替換地，可以使用傳統的串行電數據總線在ICC 2和BMU之間傳輸數據。在這種情況下，根據本發明的電池系統的能量存儲單元I的每個ICC 2可以電連接到該數據總線。不需要通過單元外殼的其它饋通(feed-through)。在這種情況下，ICC的收發器有利地與能量存儲單元I的其它組件良好隔離，使得在數據總線上不存在高電壓電勢。根據本發明的有利變型，每個ICC芯片8可以具有唯一的ID碼(下文中簡稱為ID)，使得每個ICC可以被清楚地識別。ID的使用還使得可以在各個ICC和BMU之間實現通信協議。根據簡單通信協議，在電池系統被接通時，每個能量存儲單元I可以使用其ID對BMU標識其自身。優選地，使用防沖突方法，使得兩個ICC 2不同時傳送。一旦已經向BMU登記的能量存儲單元I的數目對應于電池系統中的能量存儲單元I的數目，就可以允許可操作的通信。在可操作的通信期間，BMU可以連續地遍歷單元的ID而工作，并且在最后ー個ID之后返回以第一個ID開始。在這樣做吋，BMU在每個ID的情況下傳送查詢，并且ICC 2使用正確的ID向BMU報告它的能量存儲單元的狀態。來自BMU的查詢還可以包括用于平衡對應的能量存儲單元I的指令。如果ICC 2之一不響應，則BMU重復該查詢。如果在進ー步的通信嘗試之后沒有接收到響應，則出于安全原因可以切斷電池系統。參考標記列表能量存儲單元I集成電子裝置2傳送/接收元件3單元外殼4化學傳感器5
壓カ傳感器6溫度傳感器7ICC 芯片 8載體膜9參考電極10電壓采樣點，陰極11電壓采樣點，陽極12薄膜電阻器13
LED 14光傳感器1權利要求
1.一種用于監視存儲電能的能量存儲單元(I)的狀態的監視系統，所述能量存儲單元具體是電化學能量存儲單元(I)或者具有至少ー個電容器的能量存儲單元(I )，其特征在于，在能量存儲單元(I)中布置了用于監視能量存儲單元(I)的狀態的集成電子裝置(2)，其中集成電子裝置(2)具有用干與布置在能量存儲單元(I)外部的電池控制系統進行優選為無線的數據交換的傳送/接收元件(3)，或者所述集成電子裝置被連接到用干與布置在能量存儲單元(I)外部的電池控制系統進行優選為無線的數據交換的傳送/接收元件(3)。
2.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，從電數據總線或者從可在其上調制信號的主電カ電纜而在集成電子裝置(2)和電池控制系統之間提供數據傳輸路徑。
3.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，通過光傳輸路徑，具體是通過具有或者不具有電絕緣光纖光纜的紅外傳輸路徑，將集成電子裝置(2 )連接到電池系統。
4.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，集成電子裝置(2)包括傳感器(5，6，7)或者被連接到傳感器(5，6，7)，所述傳感器(5，6，7)被布置在能量存儲單元(I)中，以便檢測能量存儲單元(I)的溫度和/或充電狀態和/或化學分解產物。
5.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，所述集成電子裝置(2)包括可切換的放電電阻器(13)。
6.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，所述集成電子裝置(2)包括用于分別測量能量存儲單元(I)的陽極電勢和陰極電勢的參考電極(10)，或者所述集成電子裝置(2)連接到用于分別測量能量存儲單元的陽極電勢和陰極電勢的參考電極(10)。
7.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，所述集成電子裝置(2)包括被存儲在集成電子裝置(2)的存儲器中的標識碼。
8.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，所述集成電子裝置(2)被布置在載體膜(9)上。
9.根據權利要求I所述的監視系統，其特征在于，所述集成電子裝置(2)被設計為存儲與単元的使用有關的數據。
10.ー種電池系統，其具有多個能量存儲單元(I)以及用于控制并監視能量存儲單元(I)的中央電池控制系統，其特征在于，該電池系統包括如權利要求I所述的監視系統。
全文摘要
本發明涉及一種用于監視存儲電能的能量存儲單元(1)的狀態的監視系統，所述能量存儲單元具體是電化學能量存儲單元(1)或者具有至少一個電容器的能量存儲單元(1)，其中，在能量存儲單元(1)中布置了用于監視能量存儲單元(1)的狀態的集成電子裝置(2)，其中集成電子裝置(2)具有用于與布置在能量存儲單元(1)外部的電池控制系統進行優選為無線的數據交換的傳送/接收元件(3)，或者所述集成電子裝置被連接到用于與布置在能量存儲單元(1)外部的電池控制系統進行優選為無線的數據交換的傳送/接收元件(3)。
文檔編號H01M10/48GK102823055SQ201180015329
公開日2012年12月12日 申請日期2011年3月11日 優先權日2010年3月24日
發明者A.格魯布科夫 申請人:麥格納電動汽車系統公司