用于提高锂离子（Li离子）电池组的安全性和可靠性的系统的制作方法

下文总体上涉及电池单体技术，并且更具体地涉及电池单体监测技术、电池单体安全性技术、电池单体补救技术以及相关技术。

背景技术：

许多ii类和iii类医学设备(例如，患者监测器、机械通气机和心脏除颤器)在运行时且未连接到交流电源时依赖于电池供电。这些设备中的电池组通常由可充电锂离子(li离子)光伏电池制成，并且由车载电池管理系统(bms)进行监测，该车载bms与主机设备就在操作期间的电池状态进行持续通信。

虽然li离子电池在电容量、高能量密度和长寿命周期方面表现出色，但它们容易受到电、热和/或机械滥用造成的损坏。偏离推荐的充电/放电指南或电池处理不当可能会导致单体损坏，并且最终导致被称为“热失控”(tra)的现象。一般而言，tra是单体内部的响应于电、机械或热滥用的化学事件和电学事件的组合，并且会导致单体温度升高、过热并最终以释放有毒气体、火灾或爆炸而告终。

这样的医学设备通常被部署在诊所和医院之外，例如被部署在救护车、直升机或其他医学运输工具中，并且在这样的环境中在操作期间特别容易受到振动和机械冲击。另外，电池在运输过程中可能会遇到温度和机械极端情况。

电池组在不使用时也可能被连接到非原始仪器制造商(oem)外部充电器(例如在主机医学设备之外)，其操作不完全符合电池制造商的充电指南。

商用li离子电池有时包括安全性特征，如内部压力、温度和电流(ptc)开关、可撕标签、关闭分离器、绝缘体、接头和电池组上的排气口，并且制造商会发布关于充电/放电条件的指南，电池组的医学仪器设计者和用户必须遵守该指南。bms控制器通过管理单体的充电/放电、监测单体的关键电操作参数以及在违反电操作条件时关闭电池来增加另一层安全性。

下文公开了新的和改进的系统和方法。

技术实现要素：

在一个公开的方面中，一种电池组包括：一个或多个电池单体；电池管理系统，其包括至少一个电子处理器，所述至少一个电子处理器被配置为监测所述电池组的参数；至少一个故障检测传感器，其包括至少一个气体传感器以及冲击传感器中的至少一项，所述至少一个气体传感器被配置为测量从所述多个电池单体逸出的气体，所述冲击传感器被配置为测量对所述电池组的撞击；以及壳体，其包围所述多个电池单体、所述电池管理系统和所述至少一个故障检测传感器。所述电池管理系统被配置为响应于所述至少一个故障检测传感器检测到故障而执行补救动作。

在另一公开的方面中，一种电池组包括：多个电池单体；电池管理系统，其包括至少一个电子处理器，所述至少一个电子处理器被配置为监测所述多个电池单体的参数；冲击传感器，其被配置为检测包括对所述电池组的撞击的故障；以及壳体，其包围所述多个电池单体、所述电池管理系统和所述冲击传感器。所述电池管理系统被配置为响应于所述冲击传感器检测到故障而执行补救动作。

在另一公开的方面中，一种电池组包括：多个电池单体；电池管理系统，其包括至少一个电子处理器，所述至少一个电子处理器被配置为监测所述多个电池单体的参数；至少一个气体传感器，其被配置为检测包括从所述多个电池单体逸出的气体的故障；壳体，其包围所述多个电池单体、所述电池管理系统和所述至少一个气体传感器。所述电池管理系统被配置为响应于所述至少一个气体传感器检测到故障而执行补救动作。

一个优点在于提供了用于检测由电池单体生成的气体的电池管理系统。

另一个优点在于提供了用于检测对电池组的撞击的电池管理系统。

另一个优点在于提供了用于在检测到气体和/或对电池组的撞击时生成补救动作的电池管理系统。

给定的实施例可以提供前述优点中的零个、一个、两个、更多个或所有优点，并且/或者可以提供其他优点，本领域普通技术人员在阅读和理解了本公开内容后，这将变得显而易见。

附图说明

本公开内容可以采取各种部件和部件的布置以及各个步骤和步骤的安排的形式。附图仅用于说明优选实施例的目的并且不应被解释为限制本公开内容。

图1示意性地图示了根据一个方面的电池组；并且

图2示出了图1的电池组的示例性流程图操作。

具体实施方式

在用于为医学设备供电的电池组中使用的现有的li离子单体具有安全性特征，包括内部压力、温度和电流(ptc)开关、可撕标签、关闭分离器、排气口等。然而，尽管采取了这些措施，但是与由li离子电池供电的医学设备有关的火灾和爆炸事故仍时有发生。在一些情况下，导致此类事件的故障序列可能非常快，以至于现有的安全性设备无法足够快地做出反应以防止灾难性故障。

下文公开了添加冲击传感器和/或气体传感器以结合被编程为采取补救措施的车载电池管理系统(bms)在灾难性事件发生之前检测故障的根本原因(例如分别为冲击撞击或初期气体释放)。在紧急事件(例如检测到的气体泄漏很可能会迅速导致火灾或爆炸)的情况下，bms会直接响应，例如：通过操作保险丝来禁用电池组并防止故障。传感器数据还可以被存储在车载存储器中，并且在电池接下来与能够读取和处理所存储的传感器数据的医学设备连接时被读取。在检测到低能量撞击事件的情况(在这种情况下造成迫在眉睫的灾难性破坏的可能性很小)下，这可以是适当的补救措施。如果电池当前被安装在这样的医学设备中，则传感器数据传输和处理能够立即进行。在另一个(不一定是相互排斥的)变型中，li离子电池组包括无线收发器(例如，蓝牙和/或wi-fi)，li离子电池经由无线收发器将传感器数据与电池组序列号或其他独特标识符一起发射到医院的电池管理中心。

在一些实施例中，冲击传感器是完全被动式的，因此除非检测到撞击事件，否则不从电池汲取电力。一些预期的冲击传感器包括具有弹簧触点的开路元件，该弹簧触点在经受足够的撞击时振动以形成电接触。在一个实施例中，几个这样的被动式冲击传感器被提供有不同的弹簧刚度水平，并且冲击的量值由这些冲击传感器中的哪个或哪些冲击传感器被触发来确定。在另一实施例中，单个基于弹簧的冲击传感器与主动式加速度计的“唤醒”引脚操作性连接，使得冲击传感器操作以唤醒加速度计，加速度计快速测量冲击的量值。同样，由于主动式加速度计处于睡眠状态或其他低功率状态，除非/直到被基于弹簧的冲击传感器激活，因此电功率消耗被最小化。

气体传感器被设计用于测量通常从受损的li离子电池单体逸出的气体。合适的检测气体包括氢气、苯、甲烷或一些其他易燃气体。为了节省电力并增强灵敏度，选择放置(一个或多个)气体传感器以提供有效的气体检测。每个li离子电池通常在正端子附近都有一个排气口，因此可以放置气体传感器来嗅探每个电池单体的排气口，从而全面检测这些单体中的任何单体的气体泄漏。为了减少气体传感器的数量，可以将单个气体传感器放置在电池组壳体的排气口处。

根据传感器数据的性质和量值以及医学设备的类型，补救措施能够采取多种形式。对于能够安全关闭的ii类医学设备，如果检测到的冲击和/或气体泄漏量值高于阈值，则电池组的车载电池管理系统能够关闭电池。另一方面，如果冲击值较低，则可以简单地记录该冲击值，并且可以在医学设备显示器上显示指示应当更换电池的建议。如果检测到足够数量的小冲击，则电池可能会关闭，或者替代地可能会显示指示应当更换电池的建议。在为ii类医学设备供电的电池中检测到气体泄漏的情况下，关闭电池可能是适当的补救措施。

对于执行生命攸关功能的iii类医学设备，可能不能选择突然关闭电池，因为设备必须持续操作。在这种情况下，会合适地呈现关键警报(视觉警报和可能的听觉警报)，从而通知医学人员即将发生电池故障，以便立即采取行动(例如更换医学设备)。

通常，电池组包括多个电池单体，例如，串联电互连以提供更高电压的多个电池单体，或并联电互连以提供更高的电流/电容的多个电池单体。然而，还预期具有少至单个电池单体的电池组。虽然采用li离子电池单体的li离子电池组是医学领域的当前标准，但预期将所公开的构思与其他类型的电池一起使用，例如，锂聚合物(lipo)电池单体或镍-金属氢化物(nimh)电池单体。应当选择(一个或多个)气体传感器来检测在使用中的(一个或多个)特定类型的电池单体发生故障期间逸出的气体。

参考图1，装置10示出了例如通过插入到医学设备14的电池插座15中而与医学设备14连接以为医学设备供电的电池组12。电池组12包括包围电池组的各种部件的壳体16。多个电池单体18被连接到电池管理系统20。电池管理系统20包括至少一个电子处理器24，该至少一个电子处理器24被配置为监测电池单体18的参数。该至少一个电子处理器(例如，图1中未示出的微处理器或微控制器和辅助电路)实施一组可编程电压、电流、电容和温度寄存器，它们的值是根据单体制造商的推荐进行编程的，以确保安全可靠的电池组的充电/放电循环。在使用时，将电池组12插入到医学设备14的电池插座15中。在典型的布置中，电池组12的壳体16的形状和大小被设计为紧贴适配到电池插座15中，其中，电池组12的触点23与电池插座15的配合触点23'接触以导通来自电池组12(并且更具体地来自电池单体18)的电力(例如，在设计电流下的电压)来为医学设备14供电。通常，成对触点23、23'用于将电力从电池组12传送到医学设备14，并且任选地还包括用于(例如使用工业标准系统管理总线(smbus)协议)传送数据的成对触点。虽然在图1中未示出，但是应当理解，电池单体18以电串联、电并联或某种并联-串联互连配置的方式电互连以递送电力。(在限制情况下，可能有单个电池单体18，在这种情况下，不采用多个单体的这种互连)。电池插座15可以任选地被设计有铰链盖、滑盖等以限制与已安装的电池组的意外接触；替代地，电池组12的壳体16的部分可以与医学设备14的壳体平齐，或者电池组12的壳体16的部分可以延伸到电池仓15之外。

至少一个电子处理器24被配置为当电池组12被安装在电池仓15中时通过一组触点23、23'的成对数据触点与医学设备14的微处理器26通信，该成对数据触点经由smbus协议在两个处理器24、26之间传送信息。如果检测到与电子处理器24的寄存器中存储的参数存在严重偏差并且电池组12未被连接到医学设备14，则电子处理器24向保险丝28发送信号以禁用电池组12并阻止故障。

电池组12还包括至少一个故障检测传感器。在一个实施例中，至少一个故障检测传感器包括冲击传感器30，该冲击传感器30被配置为测量或检测包括对电池组12的撞击的故障。冲击传感器30能够是任何合适的传感器(例如，可从新罕布什尔州黎巴嫩的signalquest获得的sq-asx传感器)。冲击传感器可以被设计为检测在一个方向或多个方向上的撞击。在单向冲击传感器的情况下，可以预想到提供两个或三个单向冲击传感器，它们被布置为检测在不同方向上的冲击，从而使得电子处理器24能够基于哪个(哪些)冲击传感器被触发来确定冲击的取向。如图1所示，(说明性的单个)冲击传感器30是被动式常开冲击传感器，其包括至少一个弹簧触点32，该至少一个弹簧触点32被配置为振动以使电触点在电池组12受到撞击(因此在电池组12中包含的多个电池单体18受到间接撞击)时生成一个或多个电流脉冲。更具体地，冲击传感器30包括多个弹簧触点32，其中每个弹簧触点具有不同的刚度水平。每个弹簧触点32是常开的，也就是说，在没有撞击的情况下不会接触并传导电流。弹簧触点32被撞击激活，该撞击足够大以使弹簧振动而产生接触，从而传导电流。任选地，常开冲击传感器30包括去抖动(例如使用频率滤波、施密特触发器、sr触发器等)以防止响应于撞击振动而产生的快速电流振荡。电子处理器24被编程为根据哪个(哪些)弹簧触点30被触发来确定撞击的量值。刚度水平能够根据任何合适的标准(例如，un/dot38.3、iec62133-2和/或mil-std-810e)来选择。除非检测到超过弹簧触点32的刚度的冲击，否则常开冲击传感器30不传导电流(因此不消耗任何电力)。因此，使用常开冲击传感器能够防止在运输和储存期间从电池单体18汲取额外的电流。

在一些实施例中，冲击传感器30与加速度计34操作性连接，加速度计34被配置为测量电池组12的移动。在这种布置中，(一个或多个)常开弹簧触点32与加速度计34的“唤醒”引脚(或中断引脚或其他类似命名的输入部)连接以激活加速度计34来测量对多个电池单体16的撞击的量值。加速度计34处于睡眠模式或其他一些低功耗模式，除非/直到(一个或多个)弹簧触点32触发唤醒引脚(或中断引脚等)以激活加速度计测量，从而再次确保了(一个或多个)电池单体18在运输和储存期间产生的功耗最小。加速度计34能够是任何合适的加速度计(例如，可从马塞诸塞州norwood的analogdevices获得的3轴adxl345加速度计)。

在其他实施例中，至少一个故障检测传感器能够额外地或替代地包括至少一个气体传感器36，该至少一个气体传感器36被配置为测量或检测包括从多个电池单体18逸出的气体的故障。如图1所示，至少一个气体传感器36被设置在壳体16的至少一个排气口38附近。在一些示例中，至少一个气体传感器36包括第一气体传感器36′和第二气体传感器36″，第一气体传感器36′被配置为测量氢气，第二气体传感器36″被配置为测量苯、甲烷和(例如从降解的聚丙烯逸出的)丙烯中的至少一项。在其他示例中，单个气体传感器36能够被实施为测量这些气体中的每种气体。第一气体传感器36′能够是例如可从新泽西州morrisplains的honeywell获得的sr-h04-sc设备，而第二气体传感器36″能够是例如可从英国highwycombe的sgxsensortech获得的mp7217设备。

电池管理系统20任选地包括各种其他部件和/或替代部件。例如，电池管理系统20可以包括至少一个无线发射器或收发器44(除了或替代一组触点23、23'的数据触点)以允许电池管理系统无线发射由至少一个气体传感器36和/或冲击传感器30测量的数据以及电池组的标识(例如，序列号)。在其他示例中，电池管理系统20还包括温度传感器46，温度传感器46与至少一个电子处理器24操作性连接并且被配置为测量多个电池单体18的温度。存储器48被配置为存储由温度传感器46、至少一个气体传感器36和/或冲击传感器30测量的数据。存储器48可以与至少一个电子处理器24集成在一起，或者可以是辅助部件(例如，经由印刷电路与处理器24连接的单独的非易失性存储器芯片)。医学设备14被配置为在电池组12与医学设备连接时读取在存储器48中存储的数据。壳体16包围电池单体18以及电池管理系统20的部件(例如，至少一个电子处理器24、冲击传感器30、加速度计34和(一个或多个)气体传感器36)。电池组12还能够包括用于显示视觉消息的显示器50和用于输出与电池组的操作有关的音频消息的扬声器52。

电池管理系统20被配置为响应于冲击传感器30和/或(一个或多个)气体传感器36检测到故障而执行补救动作。在一些实施例中，当故障检测传感器包括冲击传感器30时，电池管理系统20响应于冲击传感器30检测到撞击而执行的补救动作能够例如包括：(i)当对多个电池单体18的撞击超过预定撞击阈值(例如经由触发保险丝28)时关闭多个电池单体18；(ii)当对多个电池单体的撞击低于预定撞击阈值时将撞击的发生存储在存储器48中；和/或(iii)生成指示多个电池单体需要被更换的视觉或音频消息；并且(经由显示器50或扬声器52中的对应的一个)生成指示医学设备14应被更换为新的医学设备的视觉或音频消息等。在其他实施例中，当故障检测传感器包括(一个或多个)气体传感器36时，电池管理系统20响应于(一个或多个)气体传感器36检测到从多个电池单体16逸出的气体而执行的补救动作包括当检测到氢气或其他气体时触发保险丝28或以其他方式立即关闭电池组。在这种情况下，通常最好立即关闭，因为检测到气体可能指示初期tra，这是一种紧急情况，最好通过电池关闭来补救这种情况。在为患者提供生命攸关的服务的iii类医学设备的情况下，对检测到气体的响应还可以包括在(例如由紧急存储电容器等供电的)医学设备上生成指示需要立即更换电池组的视觉或音频消息。

在实验室中根据经验适当校准了针对给定的故障量值或故障检测序列的适当补救措施。例如，能够使各种测试电池组经受各种量级的撞击，然后将加速老化应用于由这样的撞击导致的电池组故障模式。同样，能够使各种测试电池组经受各种撞击序列以评估由此产生的故障模式。

为了校准(一个或多个)气体传感器36，适当地测量壳体16内部的环境中的背景传感器信号，以确定足够高的故障检测阈值以避免错误的故障检测；并且同样，通过使测试电池组经受各种故障模式来凭经验确定当由于电池单体的初期故障而逸出气体时的气体传感器信号。在一些预期的实施例中，(一个或多个)气体传感器36结合由微处理器24执行的合适的信号处理来基于气体传感器信号的变化率来检测故障，因为预计初期电池单体故障可能会产生浓度快速增加的逸出气体。

参考图2，以流程图来图解性地示出故障检测和补救方法100的说明性实施例。在102，处检测故障。在104处，确定补救动作。在106处，执行补救动作。补救动作能够包括以下各项中的至少一项：当对多个电池单体(18)的撞击超过预定撞击阈值时关闭多个电池单体；当对多个电池单体的撞击低于预定撞击阈值时将撞击的发生存储在存储器(48)中；生成指示多个电池单体需要被更换的视觉或声音消息；并且生成指示由电池组供电的医学设备(14)应被更换为新的医学设备的视觉或音频消息。

已经参考优选实施例描述了本公开内容。他人在阅读和理解前面的具体描述的情况下可以想到修改和替代。本文旨在将本公开内容解释为包括所有这样的修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围内即可。