本申請要求2014年6月30日提交的序列號為No.62/018,930的待審美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，通過引用將其并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于區(qū)分電池，特別是鋰二次電池中的短路，和/或用于電池，特別是鋰二次電池、安全系統(tǒng)、報(bào)警器等中的短路區(qū)分和/或響應(yīng)的新的或改進(jìn)的系統(tǒng)和/或方法。

背景技術(shù)：

在先進(jìn)的電池系統(tǒng)，例如鋰電池系統(tǒng)中，短路是一個嚴(yán)重的問題，其可能導(dǎo)致以下后果：電池性能下降、電池故障、電池破裂等。短路是不僅電池用戶，而且電池制造商和電池組件的供應(yīng)商主要關(guān)注的問題。短路過程的原因和機(jī)理未被充分地理解。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)至少選定的實(shí)施方式，本發(fā)明涉及和/或可以解決上述問題或需要，和/或可以提供新的或改進(jìn)的系統(tǒng)和/或方法用于區(qū)分電池，特別是鋰二次電池中的短路，和/或用于區(qū)分和響應(yīng)的安全系統(tǒng)、報(bào)警器等。

根據(jù)至少某些實(shí)施方式，一種用于區(qū)分電池中短路的系統(tǒng)包括：耦合到電池或電池單元的至少一檢測器裝置；一與所述檢測器通信的監(jiān)視器裝置，所述監(jiān)視器裝置包括電池短路行為的至少一條曲線，以及一比較器裝置用于將來自所述檢測器裝置的數(shù)據(jù)與所述曲線匹配；以及一控制器裝置，根據(jù)來自檢測器裝置的信息采取行動。所述系統(tǒng)可監(jiān)測：電池的溫度、電池產(chǎn)生的熱量、通過電池的電流、電池兩端的電壓降、和/或前述項(xiàng)的組合。所述系統(tǒng)可以區(qū)分各種電池短路行為以采取積極響應(yīng)或被動響應(yīng)。

根據(jù)至少某些選定的實(shí)施方式，一種用于檢測、監(jiān)測和對電池或電池單元中的短路做出反應(yīng)的方法包括以下步驟：檢測電池的行為；將所述電池的行為與至少一個預(yù)定的電池行為曲線進(jìn)行比較；根據(jù)所述比較確定短路的類型；以及根據(jù)確定的短路類型采取特定的緩解動作。該方法可以包括以下步驟以監(jiān)測：電池的溫度、從電池產(chǎn)生的熱量、通過電池的電流、電池兩端的電壓降和/或其組合。該方法還可以包括區(qū)分各種電池短路行為以確定和指示做出積極響應(yīng)或被動響應(yīng)的步驟。

所述電池可以是以下至少一種：電池、電池單元、電池組、系統(tǒng)、模塊(耦合在一起的多個電池)、大包(耦合在一起的多個模塊)、二次(可再充電)電池、鋰電池、鋰一次電池、鋰二次電池、鋰二次電池單元、聚合物電池、凝膠電池、鋰離子電池、鋰金屬電池、鋰合金電池、鋰空氣電池、離子傳輸顆粒為鋰離子的任何電池、能量存儲裝置、蓄電池、電容器、CE、EV、ESS或BESS電池、電池單元、系統(tǒng)或電池組，或其組合。

根據(jù)至少某些實(shí)施方式，一種用于區(qū)分電池中的短路的系統(tǒng)包括：一耦合到電池的檢測器；一與所述檢測器通信的監(jiān)視器，所述監(jiān)視器包括電池短路行為的曲線，以及一用于將來自所述檢測器的數(shù)據(jù)與所述曲線匹配的比較器；以及一控制器，根據(jù)來自所述檢測器的信息采取行動。一種用于檢測電池中的短路的方法，包括以下步驟：檢測電池的行為；將所述電池的行為與預(yù)定的電池行為曲線進(jìn)行比較；基于所述比較確定短路的類型；以及基于所確定的結(jié)果采取緩解動作。該系統(tǒng)/方法可以監(jiān)測：電池的溫度、從電池產(chǎn)生的熱量、通過電池的電流、電池兩端的電壓降、和/或其組合。該系統(tǒng)/方法對各種電池短路行為進(jìn)行區(qū)分以采取積極響應(yīng)或被動響應(yīng)。

附圖說明

為了說明本發(fā)明至少示例性的實(shí)施方式，本發(fā)明的方面或目的，在附圖中顯示了目前優(yōu)選的形式；然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所示的精確布置和手段。

圖1是本發(fā)明(系統(tǒng))的實(shí)施例的示意圖。

圖2是顯示本發(fā)明的實(shí)施例(方法)的流程圖。

圖3A-H是電池短路的各種類別(或類型)的示意圖。

圖4是顯示當(dāng)電池具有未涂覆的隔膜時的一些類型的短路，在短路(短路點(diǎn))溫度對時間的短路曲線(或行為)。

圖5是顯示當(dāng)電池具有未涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池溫度(平均)對時間的短路曲線(或行為)。

圖6是顯示當(dāng)電池具有未涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池兩端的電壓降對時間的短路曲線(或行為)。

圖7是顯示當(dāng)電池具有未涂覆和涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池兩端的電壓降對時間的短路曲線(或行為)。

圖8是顯示當(dāng)電池具有未涂覆和涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池溫度(短路點(diǎn))對時間的短路曲線(或行為)。

圖9是顯示當(dāng)電池具有未涂覆和涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池溫度(平均)對時間的短路曲線(或行為)。

圖10是顯示當(dāng)電池具有未涂覆和涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池兩端的電壓降對時間的短路曲線(或行為)。

圖11是顯示當(dāng)電池具有未涂覆和涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池溫度(短路點(diǎn))對時間的短路曲線(或行為)。

圖12是顯示當(dāng)電池具有未涂覆和涂覆的隔膜時的一些類型的短路，電池溫度(平均)對時間的短路曲線(或行為)。

發(fā)明描述

參考附圖，其中相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，在圖1中顯示了本發(fā)明的一個實(shí)施例，用于至少區(qū)分(或預(yù)測)電池中的短路的系統(tǒng)10。系統(tǒng)10與電池B通信(或連接到電池B或與電池B耦合)。

電池B可以是任何類型的電池。如本文所使用的，電池可以被理解為包括：單個電池單元，模塊(耦合在一起的多個電池)和/或組件(耦合在一起的多個模塊)。電池B可以是任何類型的二次(可再充電)電池。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，電池B可以是鋰二次電池或電池單元。為了簡化下述討論，電池將被稱為鋰(Li)電池，然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于此。除非另有說明，本文所使用的陽極(-)(負(fù)極板或電極)和陰極(+)(正極板或電極)是指電池的放電狀態(tài)。電池的材料可以是任何常規(guī)的電池材料。本文所使用的陽極是指任何常規(guī)的陽極材料。本文所用的陰極是指任何常規(guī)的陰極材料?！禜andbook of Batteries》(再版，Linden,D.著，McGraw-Hill紐約公司，紐約(1995))、《Handbook of Battery Materials》(Besenhard,J.O.著，Wiley-VCH，紐約(1999))和《Battery Separators》(Arora,P和Zhang,Z.著，Chem.Rev.，2004,104,4419-4462)中關(guān)于常規(guī)的陽極和陰極材料的描述均通過引用并入本文。對于鋰二次電池，參見：Linden，同上，第36章；Besenhard，同上，第三部分，第3-10章；以及Arora和Zhang，通過引用將其全部并入本文。

在一個實(shí)施例中，用于區(qū)分(或預(yù)測)電池中的短路的系統(tǒng)10通常包括：耦合到電池B的檢測裝置(檢測器)12；與檢測裝置(檢測器)12通信的監(jiān)控裝置(監(jiān)控器)14，監(jiān)控裝置(監(jiān)控器)14包括電池短路行為曲線(置于存儲裝置16中)，以及比較器18以將來自檢測器12的數(shù)據(jù)和存儲裝置16中的所述曲線比較；以及根據(jù)來自檢測裝置的信息采取動作的控制邏輯裝置(控制器)20。系統(tǒng)10可以可選地包括與系統(tǒng)10通信的動作或響應(yīng)生成器22(如所示與控制邏輯裝置20通信)。

為了更好地理解本發(fā)明，下面將討論操作的前提(或理論)，但是本發(fā)明不受此前提(或理論)的約束。如上述背景技術(shù)部分所述，在電池，例如鋰二次電池中的短路未被充分理解。經(jīng)過廣泛研究，已經(jīng)確定電池短路可以通過各種物理屬性(或特性或行為)分組(或表征或區(qū)分)。這些屬性可以是短路在其發(fā)展過程中的物理特性，和/或短路的結(jié)果(或后果)。通過區(qū)分各種類型的短路(例如測量參數(shù)作為時間的函數(shù))，可以解決和/或改善電池安全性和/或性能，對短路的響應(yīng)，限制對某些短路的響應(yīng)和/或提高對其他短路的響應(yīng)，和/或其組合。

為了說明前述內(nèi)容，參考圖3A-H。圖3A-H列出或顯示了短路的幾種示例性類型(或組或類別)。已經(jīng)針對鋰二次電池開發(fā)了圖3A-H中列出的示例性短路，但是類似的組可以涉及或被創(chuàng)建用于其它類型的電池或能量存儲裝置(電池、電池單元、模塊、電池組、蓄電池、電容器、CE、EV、ESS或BESS系統(tǒng)或電池組，和/或類似物。

圖3A是陰極集電器(在Li電池中，其可以是鋁(Al)膜)和陽極之間的短路。該短路可以被稱為內(nèi)部短路和/或硬短路。這個短路可能會產(chǎn)生大量的能量。這可能是一個危險的短路。

圖3B是陰極集電器(在Li電池中，其可以是鋁(Al)膜)和陽極的端部之間的短路。該短路可以稱為外部短路和/或硬短路。這個短路可能會產(chǎn)生大量的能量。這可能是一個危險的短路。

圖3C是陰極集電器(在Li電池中，其可以是鋁(Al)膜)和陽極集電器(在Li電池中，其可以是銅(Cu)膜)之間的短路。該短路可被稱為內(nèi)部短路和/或硬短路。這個短路可能會產(chǎn)生大量的能量。這可能是一個危險的短路。

圖3D是陰極集電器(在Li電池中，其可以是鋁(Al)膜)的一端和陽極集電器(在Li電池中，其可以是銅(Cu)膜)的端部之間的短路。該短路可以稱為外部短路和/或硬短路。這個短路可能會產(chǎn)生大量的能量。這可能是一個危險的短路。

圖3E是陰極和陽極集電器之間的短路(在Li電池中，其可以是銅(Cu)膜)。該短路可以被稱為內(nèi)部短路和/或硬短路。該短路可以產(chǎn)生較少量的能量(與圖3A-D中提到的短路相比)。這可以是較不危險的短路(與圖3A-D中所述的短路相比)。

圖3F是陰極和陽極集電器(在Li電池中，其可以是銅(Cu)膜)的邊緣之間的短路。該短路可以被稱為內(nèi)部短路和/或硬短路。該短路可以產(chǎn)生較少量的能量(與圖3A-D中提到的短路相比)。這可以是較不危險的短路(與圖3A-D中所述的短路相比)。

圖3G是陰極和陽極之間的短路。該短路可以被稱為內(nèi)部短路和/或硬短路。該短路可以產(chǎn)生較少量的能量(與圖3A-D中提到的短路相比)。這可以是較不危險的短路(與圖3A-D中所述的短路相比)。

圖3H是陰極和陽極之間的短路。該短路可以被稱為內(nèi)部短路和/或軟短路。這種短路經(jīng)常發(fā)生在相對健康的電池中。這種短路可以被認(rèn)為是更不危險或不危險。

另一種類型的短路(圖3A-H中未顯示)是陰極的邊緣和陽極的邊緣之間的短路，以下稱為3I。

對于識別的幾種類型的短路，可以研究它們的行為(或電池短路行為的曲線)并建模(經(jīng)驗(yàn)地或數(shù)學(xué)地)?？稍陔姵夭僮鲿r測量的外部參數(shù)包括但不限于：溫度、能量(例如，熱)、電壓、電流、電阻及其組合。溫度可以指短路(短路點(diǎn))的位置(或點(diǎn))處的溫度，或者溫度可以指電池或電池單元的溫度(平均值)。這些外部參數(shù)可以作為例如時間和/或溫度的函數(shù)來測量。這些參數(shù)的分析可以以任何常規(guī)方式完成。例如，可以用電壓表測量電壓降(例如，伏特)(優(yōu)選作為時間的函數(shù))?？梢杂秒娏鞅頊y量電流(例如，安培)(優(yōu)選作為時間的函數(shù))。電阻(例如，歐姆)可以用歐姆表測量(優(yōu)選地作為時間的函數(shù))。溫度(例如,℃)可以用溫度計(jì)測量(優(yōu)選作為時間的函數(shù))。溫度測量可以用放置在電池內(nèi)部或外部的熱電偶或傳感器和/或用熱圖像掃描儀(優(yōu)選用于測量電池的內(nèi)部溫度)來測量。熱產(chǎn)生(例如，卡)可以用量熱計(jì)測量(優(yōu)選作為時間的函數(shù))?；谶@些外部參數(shù)，可以形成電池短路行為曲線。

在圖4-12中顯示了代表性曲線的示例。關(guān)于圖4-12，基膜或未涂覆的隔膜是指在膜的外表面上沒有任何陶瓷填充涂層的微孔膜，涂覆的或涂覆的隔膜是指在膜的至少一個或兩個外表面上具有陶瓷涂層的微孔膜。參考前面的討論來確定圖4-12中涉及的短路類型。圖4顯示了各種短路類型(3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3I)的溫度(短路點(diǎn))作為時間的函數(shù)的短路曲線。圖5顯示了各種短路類型(3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3I)的溫度(平均)作為時間的函數(shù)的短路曲線。圖6顯示了各種短路類型(3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3I)的電壓作為時間的函數(shù)的短路曲線。圖7顯示了各種未涂覆和涂覆(-c)隔膜的短路類型(3A、3C、3E、3G)的電壓降作為時間的函數(shù)的短路c曲線圖。圖8顯示了各種未涂覆和涂覆(-c)隔膜的短路類型(3A、3C、3E、3G)的溫度(短路點(diǎn))作為時間的函數(shù)的短路曲線。圖9顯示了各種未涂覆和涂覆(-c)隔膜的短路類型(3A、3C、3E、3G)的溫度(平均)作為時間函數(shù)的短路曲線。圖10顯示了各種未涂覆和涂覆(-c)隔離器的短路類型(3B、3D、3F、3I)的電壓降作為時間函數(shù)的短路曲線。圖11顯示了未涂覆和涂覆(-c)隔膜的各種短路類型(3B、3D、3F、3I)的溫度(短路點(diǎn))作為時間的函數(shù)的短路曲線。圖12顯示了未涂覆和涂覆(-c)隔膜的各種短路類型(3B、3D、3F、3I)的溫度(平均)作為時間的函數(shù)的短路曲線。

每種短路將形成一個獨(dú)特的曲線，將一種短路與另一種短路區(qū)分開。此外，這些短路行為可以在數(shù)學(xué)上表示或在“查找”表中定義，用于隨后在本發(fā)明的系統(tǒng)和/或方法中使用。

這些短路中的每一種都可能在電池中產(chǎn)生后果，但是后果可能不同。有些后果可能比其他后果更嚴(yán)重或沒那么嚴(yán)重。換句話說，有些短路可能需要立即動作(積極響應(yīng))，而其他短路可能不需要立即動作，或根本不需要動作(被動響應(yīng))。積極的或被動的響應(yīng)可以是任何被認(rèn)為適合于短路后果的響應(yīng)。積極的響應(yīng)可以包括但不限于：清空內(nèi)部(電池不能被挽救)否則電池將燃燒，或者彈出電池，或者快速冷卻電池。被動響應(yīng)可以包括但不限于：盡早檢查電池(沒有即時危險)。本發(fā)明的系統(tǒng)或方法可以是建筑物安全或消防安全系統(tǒng)、電池或電池單元的安全裝置，例如但不限于電池或電池組電氣和/或冷卻開關(guān)、關(guān)閉分離器、陶瓷涂覆的分離器、HTMI分離器和/或類似物的一部分和/或與其他的安全裝置協(xié)同工作。

如上所述，系統(tǒng)10通常包括：檢測裝置(檢測器)12；具有電池短路行為的曲線(設(shè)置于存儲裝置16中)的監(jiān)控裝置(監(jiān)控器)14，以及比較器18；和控制邏輯裝置(控制器)20。系統(tǒng)10可以可選地包括與系統(tǒng)10通信的動作或警報(bào)發(fā)生器(致動器)22。

檢測裝置(檢測器)12與電池B通信。檢測裝置12可以包括用于單獨(dú)和/或作為時間和/或溫度函數(shù)來測量溫度、能量(例如熱)、電壓、電流和/或電阻的傳感器。關(guān)于電池操作(或行為)的信息由檢測器12捕獲并且被傳送到監(jiān)控裝置14。

監(jiān)視裝置(監(jiān)視器)14通常包括存儲裝置16和比較器18。存儲裝置16(其可以在監(jiān)視器14中或系統(tǒng)10中的其他位置)用于保持各種電池短路行為的預(yù)定曲線。這些曲線可以以數(shù)學(xué)公式或“查找”表的形式存儲。比較器18用于將來自檢測器12的信息與存儲在存儲裝置16中的曲線進(jìn)行比較。當(dāng)比較器18確定來自檢測器12的信息和存儲裝置16中的曲線之間存在匹配時，將消息發(fā)送到控制邏輯裝置(控制器)20。

控制邏輯裝置(控制器)20確定應(yīng)采取何種響應(yīng)，如果有的話，以減輕或解決短路問題。對于每個短路合適的預(yù)定響應(yīng)可以存儲在控制器20(或系統(tǒng)10中的其他位置)。當(dāng)收到來自監(jiān)視器14的消息時，控制器20查找預(yù)定響應(yīng)。適當(dāng)?shù)兀刂破?0可以向動作發(fā)生器(致動器)22發(fā)送消息或指令。

動作發(fā)生器(致動器)22是執(zhí)行緩解響應(yīng)的裝置。致動器可以是例如：警報(bào)器(例如，克拉克斯燈或警告燈)、切斷開關(guān)、冷卻劑和/或驟冷系統(tǒng)、防護(hù)裝置(例如以隔離面臨風(fēng)險的電池)，和/或類似的裝置。

在圖2所示的流程圖中顯示了對電池中的短路進(jìn)行檢測和緩解的方法100。用于檢測電池中的短路的方法100通常包括以下步驟：檢測102電池的行為；將電池的行為與預(yù)定電池行為曲線進(jìn)行比較104；根據(jù)所述比較的結(jié)果確定106短路的類型；并基于該預(yù)測采取緩解動作108。這些步驟的細(xì)節(jié)對應(yīng)于上面討論的系統(tǒng)10。

上述系統(tǒng)10/方法100可用于各種應(yīng)用，包括但不限于：實(shí)驗(yàn)室、測試設(shè)施、報(bào)警系統(tǒng)、電池控制系統(tǒng)、車輛(汽車、飛機(jī)、火車等)、能量存儲系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、家庭能量存儲系統(tǒng)等。

根據(jù)至少選定的實(shí)施方式、方面或目的，本發(fā)明涉及/或可以解決上述問題或需要，和/或可以提供用于區(qū)分電池，特別是鋰二次電池中的短路，和/或用于電池，特別是鋰二次電池、安全系統(tǒng)、報(bào)警器等中的短路區(qū)分和/或響應(yīng)的新的或改進(jìn)的系統(tǒng)和/或方法。

根據(jù)至少某些實(shí)施方式、方面或目的，一種用于區(qū)分電池中短路的系統(tǒng)包括：耦合到電池或電池單元的至少一檢測器裝置；與所述檢測器通信的一監(jiān)視器裝置，所述監(jiān)視器裝置包括至少一電池短路行為曲線，以及一比較器裝置用于將來自所述檢測器裝置的數(shù)據(jù)與所述曲線匹配；以及一控制器裝置，根據(jù)來自檢測器裝置的信息采取行動。所述系統(tǒng)可監(jiān)測：電池的溫度、從電池產(chǎn)生的熱量、通過電池的電流、電池兩端的電壓降，和/或前述項(xiàng)的組合。所述系統(tǒng)可以區(qū)分各種電池短路行為，并據(jù)此指令采取積極響應(yīng)或被動響應(yīng)。

根據(jù)至少某些選定的實(shí)施方式、方面或目的，一種用于檢測、監(jiān)測和對電池或電池單元中的短路做出反應(yīng)的方法包括以下步驟：檢測電池的行為；將所述電池的行為與至少一個預(yù)定的電池行為曲線進(jìn)行比較；基于所述比較確定短路的類型；以及根據(jù)該確定的短路類型采取特定的緩解動作。該方法可以包括以下步驟以監(jiān)測：電池的溫度、從電池產(chǎn)生的熱量、通過電池的電流、電池兩端的電壓降和/或其組合。該方法還可以包括區(qū)分各種電池短路行為以確定和指示做出積極響應(yīng)或較被動的響應(yīng)的步驟。

根據(jù)至少某些實(shí)施方式、方面或目的，一種用于區(qū)分電池中的短路的系統(tǒng)包括：耦合到電池的檢測器；與所述檢測器通信的監(jiān)視器，所述監(jiān)視器包括電池短路行為的曲線，以及用于將來自所述檢測器的數(shù)據(jù)與所述曲線匹配的比較器；以及用于根據(jù)來自所述檢測器的信息采取動作的控制器。一種用于檢測電池中的短路的方法，包括以下步驟：檢測電池的行為；將所述電池的行為與預(yù)定的電池行為曲線進(jìn)行比較；根據(jù)所述比較確定短路的類型；以及根據(jù)所確定的結(jié)果采取緩解動作。該系統(tǒng)/方法可以監(jiān)測：電池的溫度、從電池產(chǎn)生的熱量、通過電池的電流、電池兩端的電壓降和/或其組合。該系統(tǒng)/方法對各種電池短路行為進(jìn)行區(qū)分以采取積極響應(yīng)或被動響應(yīng)。

在不脫離本發(fā)明的精神和本質(zhì)屬性的情況下，本發(fā)明可以以其他形式實(shí)施，因此，應(yīng)當(dāng)參考所附權(quán)利要求書，而不是限于前述說明書和附圖來確定本發(fā)明的范圍。