用于检测电池组中的内部短路的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开总体上涉及监测电池组特性的领域，并且更具体地涉及为了检测电池组(battery)中的一个或多个电池中的内部短路的电池组监测。
【背景技术】
[0002]电池组或者电池组套件由一个或多个电池制成，这些电池例如可以是锂离子电池、锂空气电池或者基于锂金属的电池，并且用于为许多不同类型的设备供电。电池组的灾难性故障会导致花费亿万美元的大规模召回并且严重损害公司信誉和品牌形象。随着电池组的能量含量继续上升，严重故障的潜在性成为主要的担心之处。灾难性的电池组故障可以包括热失控事件，其中电池内部的内部短路促使电池内部的自加速分解反应。如果不以及时地方式执行干涉，则热失控事件可以包括烟雾、火焰、乃至爆炸。
[0003]几个不同的方法适用于通过监测电池或者电池块电压来检测电池中的短路。在这些方法中，当电池中没有发生充电或放电时监测电池或电池块电压变化以便检测与内部短路相关联的电池两端的压降。电池制造商在基于锂的电池行业中使用电池不工作(atrest) ( S卩，当电池中没有流动的充电电流或放电电流时)时监测随着时间的过去的电池电压作为质量控制测试。继组装电池和初次充电之后，使电池不工作一段时间并且监测电池电压。超出某个值的电池电压的下降指示电池中存在内部短路，因而允许电池因为有故障而被淘汰。这样的电压测试不能确定将在它们使用寿命周期中随后发展成内部短路的电池，这会导致操作期间发展成内部短路的电池的灾难性故障。此外，当电池不工作时监测电池电压具有关于内部短路的检测的相对低的灵敏度，因为内部短路需要延长的时间段以对电池具有足够大的影响，以允许对于内部短路是否存在于电池之中的明确的确认。如果短路被允许发展的过长，则会到达不能返回的点，其中不再可以避免热失控和灾难性的电池故障。
【发明内容】
[0004]提供一种检测电池组中的内部短路的相对低成本的系统，即可适用于在电池组内以任何方式配置的电池，包括被配置为单独的电池的串联串的电池。在一个实施方式中，内部短路通过在电池组不工作时段期间使电压源与电池平衡，并且在诊断时段监测电流来诊断。稳定的、零电流条件指示正常的、无短路电池。非零、增加的电流诊断出存在内部短路。在另一个实施方式中，电压源与电池平衡暂时断开，并且然后重新连接，涌入到电池中的电流表示存在内部短路，并且接近零的电流表示式正常的电池。
[0005]公开一种用于电池组中的短路检测的方法，该电池组包括多个电池，该方法包括:将短路检测模块连接至电池组；通过短路检测模块确定电池组不工作；并且选择电池组中的用于测试短路的第一电池，其中，测试包括:将电压源连接至第一电池；测量第一电池的电流；并且基于所测量的第一电池的电流确定第一电池是否包含短路。
[0006]还公开一种用于包括多个电池的电池组中的短路检测的系统，包括:电池寻址矩阵(addressing matrix)和控制器，被配置为连接至电池组使得多个电池中的每一个被单独寻址以用于进行测试；电压源和电流测量模块，被配置为经由电池寻址矩阵和控制器连接至多个电池；控制逻辑件，被配置为基于来自电流测量模块的输入确定多个电池中的电池是否包含短路。
【附图说明】
[0007]现在参照附图，这些附图是示例性实施方式并且其中相似元件编号相同:
[0008]图1A示出用于短路检测的系统的实施方式；
[0009]图1B示出电池连接和电池组的实施方式；
[0010]图2示出电池组中的多个电池的测量电流的实施方式；
[0011]图3和图4示出用于短路检测的方法的实施方式。
【具体实施方式】
[0012]提供用于检测电池组中的内部短路的系统和方法的实施方式，以下详细论述示例性实施方式。本发明利用利用正常的、无短路的电池中的锂离子电池、锂空气电池或者基于锂金属的电池的特征，一旦电流流动停止并且电池不工作，则电池电压开始缓和(relax)至其平衡值(equilibrium value)，并且一旦其达到平衡值，则电池电压非常稳定。因为上述特点适用于单独的电池、并联连接的一组电池、串联连接的一组电池或者既串联连接又并联连接的一组电池，所以本发明可以应用于电池组中利用的任何电池布置。如图1A的系统100所示，短路检测模块102的硬件元件包括:(I)电池寻址矩阵和控制器103，将电池组套件101中的单独的电池或者电池的组连接至电压测量模块104和从电压测量模块104断开连接并且连接至电压源/电流测量模块105和从电压源/电流测量模块105断开连接，从而允许电压测量、电压源和电流测量资源在多个电池的两端进行复用；(2)电压测量模块104 ;以及(3)电压源/电流测量模块105，包括可以设定为期望值的可控制的电压源和测量来自那个电压源的电流流动的器件。并且提供诊断和量化电池中的内部短路的测试的方法。
[0013]图1A示出用于短路检测的系统100的实施方式。电池组101可包括锂离子电池、锂空气电池或者基于锂金属的电池的任何合适的数量和配置。在各种实施方式中，电池组101中的电池可以是并联、串联或者并联和串联的组合。电池组101中的电池经由电池连接107被连接到短路检测模块102中的电池寻址矩阵和控制器103。电池连接107可具有基于电池组101中的电池的数量和配置的任何合适的配置和数量。电池连接107的配置同样可以取决于通过短路检测模块102执行的测试的类型。在一些实施方式中，电池组101中的单个电池可以通过短路检测模块102测试；在其他实施方式中，电池组101中的电池块可以通过短路检测模块102测试。包括5个串联连接的电池108A-E的电池连接107和电池组101的实例在图1B中示出，图1B被配置为单独测试5个串联连接的电池中的每一个；然而，仅出于示例性目的示出图1B。电池寻址矩阵和控制器103将电压测量模块104和电压源/电流测量模块105连接至电池组101中正在测试的电池或电池块或者从正在进行测试的电池或电池块断开连接。电池寻址矩阵和控制器103被用于选择将要进行内部短路测试的电池或电池的组。以这种方法，短路检测模块102中的电压测量和电压源资源可以在电池组101中的大量电池两端进行复用。
[0014]电压源/电流测量模块105中的电压源可以是在输出端生成被调节为目标电压的电压的任何合适的类型，其包括线性和开关模式电压调节。可以用于电压源/电流测量模块105中的这样的电压源包括:线性调节器，其中在反馈回路中控制串联通过元件以保持目标输出电压；线性调节器，其中在反馈回路中控制分流元件以保持目标输出电压；或者开关模式调节器(DC-DC转换器，包括提高(升压)转换器、降低(降压)转换器、或者反向(输出端极性与输入端极性相反)转换器)。电压源/电流测量模块105中的电压源具有以下输出电压，该输出电压可以被控制为使得输出电压可以根据需要被设定和改变。这个控制器可以通过包括，但不限于，模拟和/或数字控制输入端的器件实现。同样可以采用提供功能等效性的控制器的其他器件。例如，一些电压调节器(线性模式和开关模式两者)的电压输出可以经由编程电阻器控制，该编程电阻器用作将电压或者电流最终提供至设定调节器的输出电压的调节器的电路的部分(即，编程电阻器提供模拟控制信号)。
[0015]电压源/电流测量模块105中的电流测量装置可包括任何合适的电流测量装置，包括但不限于:放置在电流通路中的感测电阻器，其中感测电阻器两端的电压被用于确定电流通路中流动的电流量；具有放大率的感测电阻器，其中感测电阻器两端的压降被放大以允许感测电阻器两端小的电压损耗下降，但是更大振幅的信号与电流成正比；或者提供与目标电流的测量有关系的电压输出的霍耳效应的电流换能器、磁通门或者其他系列的电流换能器。在一些实施方式中，电压源/电流测量模块105中的电流测量装置可包括一个或多个；磁通门磁力仪；根据图5A至图5B在以下更详细地论述。电压源/电流测量模块105中的电流测量装置可以是任何合适电流测量装置，包括但不限于霍耳效应换能器、电流感测电阻器、感应传感器、电流分流器、或者具有放大率的电流感测电阻器。具有放大率的电流感测电阻器包括电流感测电阻器和放大硬件，使得电流感测电阻器两端的压降可以保持相对小(即，使得从感测电阻器产生的插入损耗相对小)，同时放大硬件输出与通过电流感测电阻器的电流有关系的相对大的量的输出电压信号以便于分析。
[0016]图2示出电池组中的多个电池的测量电流的示例性曲线图200。将电压源应用于五个电池的电池组中的每个电池并且在每个电池的测试开始时调整为约零电流。监测电流达30分钟的时段。放置在电池组的电池4两端的100欧姆的负载被用于模拟电池4中的100欧姆的内部短路。如在曲线图200中看出的，流到电池4中的电流在具有100欧姆模拟短路在电池中随着时间的