自適應(yīng)電流-收集器電化學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電池，并且更具體地涉及電池控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電池需要集中能量以便發(fā)揮其作用，不可控的釋放集中的能量會(huì)造成內(nèi)在的安全風(fēng)險(xiǎn)。例如，在電動(dòng)汽車(EV)中，電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受從較低能量的電池化學(xué)選擇到嵌入式單元安全元件，到降低的封裝密度，到電池管理系統(tǒng)(BMS)監(jiān)控和安全電路，再到車輛結(jié)構(gòu)保護(hù)的螺旋式曲線緩解此風(fēng)險(xiǎn)的驅(qū)使。這些緩解層面對(duì)防護(hù)災(zāi)難性電池事件只是部分成功的，是以增加的成本和重量為代價(jià)的，這會(huì)直接限制EV的商業(yè)可行性。盡管更加高效的緩解方法是可能的，以打破這種螺旋變化之勢，發(fā)揮EV的全部潛力，電池單元必須被制成自給自足的，能本質(zhì)上緩解其內(nèi)在的風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明涉及一種電池組件，所述電池組件包括電池和自適應(yīng)電流-收集器電化學(xué)(ACE)系統(tǒng)，所述自適應(yīng)電流-收集器電化學(xué)(ACE)系統(tǒng)通過控制電池的分立區(qū)中局部電流的流動(dòng)的產(chǎn)生從而控制電池的操作(即在電池和負(fù)載電路之間的電流流動(dòng))。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，ACE系統(tǒng)利用間隔開的接觸墊，所述接觸墊以將每個(gè)接觸墊耦連到關(guān)聯(lián)的電池區(qū)的方式(即，使得在特定的分立電池區(qū)中產(chǎn)生的基本上所有的局部電池電流流過一個(gè)關(guān)聯(lián)的接觸墊)附連到電池的電極之一(即或者陽極或者陰極)。通過以此方式提供間隔開的接觸墊，本發(fā)明便于分別控制每個(gè)電池區(qū)中的局部電流流動(dòng)。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，ACE系統(tǒng)包括晶體管的陣列和關(guān)聯(lián)的控制電路，所述關(guān)聯(lián)的控制電路分別控制接觸墊和電流收集板(襯底)之間的電流流動(dòng)。每個(gè)晶體管具有:連接到關(guān)聯(lián)的接觸墊的第一(例如漏極或發(fā)射極)端；連接到電流收集襯底的第二(例如源極或集電極)端；以及控制(例如門極或基極)端，所述控制端接收從控制電路發(fā)送的關(guān)聯(lián)的控制電壓。通過調(diào)節(jié)(例如增大或降低)施加到每個(gè)晶體管上的控制電壓，ACE系統(tǒng)控制從每個(gè)接觸墊流向電流收集襯底的局部電流部分。因?yàn)榱鬟^每個(gè)接觸墊的電流只源于一個(gè)分立電池區(qū)，所以此布置便于局部控制電池操作。具體地，通過控制經(jīng)過關(guān)聯(lián)的接觸墊耦連到特定的分立電池區(qū)的晶體管的操作狀態(tài)，在特定的分立電池區(qū)中生成的局部電池電流的量被增大、減小或關(guān)斷。本發(fā)明因此提供自給自足的電池管理，既優(yōu)化了電池操作，又通過允許局部故障的電池區(qū)被關(guān)斷，防止在一個(gè)電池區(qū)中的局部故障產(chǎn)生災(zāi)難性的總電池故障。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，ACE系統(tǒng)利用傳感器的陣列來測量在每個(gè)分立電池區(qū)中的局部電池操作參數(shù)，控制電路處理傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)測量的操作參數(shù)控制晶體管，使得電池操作被優(yōu)化。在一個(gè)實(shí)施例中，電流傳感器和溫度傳感器被用來測量每個(gè)分立電池區(qū)中的局部操作參數(shù)(例如，流過特定的分立電池區(qū)的電流的量，和特定的分立電池區(qū)的溫度)，并用來生成具有根據(jù)這些測量的局部操作參數(shù)確定的值的關(guān)聯(lián)的傳感器信號(hào)。在“獨(dú)立(stand-alone) ”控制電路實(shí)施例中，使用多個(gè)“局部”控制電路，使得每個(gè)控制電路接收只為一個(gè)關(guān)聯(lián)的分立電池區(qū)生成的傳感器信號(hào)，將傳感器信號(hào)與存儲(chǔ)的目標(biāo)值進(jìn)行比較，生成控制關(guān)聯(lián)的電流控制晶體管的關(guān)聯(lián)的晶體管控制電壓。此“獨(dú)立”控制邏輯方案的好處是此方法便于實(shí)現(xiàn)成本有效的可擴(kuò)展的電池控制系統(tǒng)，其在不使用附加的互連布線或電子元件情況下可以用于許多尺寸的電池。在“中央控制(central control) ”實(shí)施例中，中央控制器接收并處理來自所有傳感器的數(shù)據(jù)，向每個(gè)電流控制晶體管發(fā)送關(guān)聯(lián)的晶體管控制電壓。盡管“中央控制器”的實(shí)施例需要限制可擴(kuò)展性的附加開銷(例如總線)，但此方法便于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的電池控制策略，這是使用獨(dú)立方法不能實(shí)現(xiàn)的，諸如提高健康的電池區(qū)中的電流生成，同時(shí)降低在故障或有問題的電池區(qū)中的電流生成以維持最佳的電池輸出。
【附圖說明】
[0007]關(guān)于以下描述、所附權(quán)利要求書和附圖，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中:
[0008]圖1是示出包括根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的電池組件的簡化圖；
[0009]圖2㈧和2(B)是示出包括根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的電池組件的局部視圖；
[0010]圖3㈧和3(B)是示出包括根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的電池組件的局部視圖；
[0011]圖4㈧和4(B)是示出包括根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的電池組件的局部視圖；
[0012]圖5㈧和5(B)是示出包括根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的電池組件的局部視圖；
[0013]圖6(A)是示出包括根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的電池組件的分解透視圖；
[0014]圖6⑶是示出圖6 (A)的ACE系統(tǒng)的一部分的放大局部分解透視圖；
[0015]圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的ACE系統(tǒng)的簡化框圖；
[0016]圖8是示出包括圖7的ACE系統(tǒng)的電池組件在第一操作周期的透視圖；
[0017]圖9是示出包括圖7的ACE系統(tǒng)的電池組件在第二操作周期的透視圖；以及
[0018]圖10是示出包括圖7的ACE系統(tǒng)的電池組件在第三操作周期的透視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明涉及電池控制系統(tǒng)的改進(jìn)。呈現(xiàn)以下描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用如在具體應(yīng)用和其需求背景下的本發(fā)明。如本文中使用的方向性詞語諸如“上”和“在…之上”想要為了描述目的提供相對(duì)位置，不想要指定絕對(duì)的參考框架。在本文中使用的詞語“耦連”和“連接到”根據(jù)下文定義。詞語“連接到”用來描述兩個(gè)電路元件之間的直接連接，例如通過根據(jù)常規(guī)集成電路制造技術(shù)形成的金屬線。相反，詞語“耦連”用來描述兩個(gè)電路元件之間的直接連接或間接連接。例如，兩個(gè)耦連元件可以通過金屬線直接連接或者通過中間電路元件(例如電容器、電阻器、電感器或通過晶體管的源極/漏極端)間接連接。對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的各種變型對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的，本文中定義的總原則可以適用其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明不想要局限于圖示和描述的具體實(shí)施例，而想給予本發(fā)明與本文中公開的原理和新特征一致的最寬泛范圍。
[0020]圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的一般實(shí)施例用于向外部負(fù)載(未顯示)供應(yīng)負(fù)載電流Cload的電池組件100，這里，電池組件100大致包括電池101和自適應(yīng)電流-收集器電化學(xué)(ACE)系統(tǒng) 110。
[0021]參照圖1的上面部分，電池101按照一般形式(不是成比例)描繪為陽極102、陰極103、電解區(qū)105和上電流收集板106，上電流收集板106用來在陽極102和陰性103之間產(chǎn)生局部電流Cll至C32，其中，每個(gè)局部電流在電池101的關(guān)聯(lián)區(qū)中的陽極102和陰極103之間產(chǎn)生。電池101不局限于具體的電池類型，優(yōu)選是可充電的(例如鋰離子和子類型，例如L1-NMC L1-NCA, L1-FePO4、鎳-金屬氫化物或溴化鋅)。此外，電池101的特征在于具有相對(duì)大的電極接觸區(qū)配置(即使得陽極102和陰極103的寬度W基本大于電池101的厚度T，這里陽極102和陰極103包括在整個(gè)電極接觸區(qū)上連續(xù)(沒有物理分離)的結(jié)構(gòu))。如下文解釋的，大的接觸區(qū)配置便于控制大致由虛線描繪的分立電池區(qū)101-1、101-2和101-3。在操作中，電流(由兩個(gè)虛線箭頭描繪)產(chǎn)生，或者另外的根據(jù)已知的電池技術(shù)在陽極102和陰極103之間流動(dòng)。出于描述性目的，每個(gè)電池區(qū)101-1至101-3中的局部電流由通過關(guān)聯(lián)的虛線橢圓的兩個(gè)虛線箭頭標(biāo)識(shí)(例如，局部電流Cll和C12在關(guān)聯(lián)的電池區(qū)101-1中產(chǎn)生，局部電流C21和C22在關(guān)聯(lián)的電池區(qū)101-2中產(chǎn)生，局部電流C31和C32在關(guān)聯(lián)的電池區(qū)101-3中產(chǎn)生)。在每個(gè)電池區(qū)中使用兩個(gè)虛線箭頭描繪局部電流只想要指示電流在每個(gè)電池區(qū)的基本所有部分中產(chǎn)生。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，ACE系統(tǒng)110包括間隔開的接觸墊(電流收集器)115_1、115-2和115-3，他們以將每個(gè)接觸墊115-1至115-3耦連到關(guān)聯(lián)的電池區(qū)101-1至101-3的方式附連到電池101的電極。在圖1所示的實(shí)施例中，接觸墊115-1至115-3是導(dǎo)電(例如鋁或其它金屬)結(jié)構(gòu)，設(shè)置在(即可操作地連接到)陰極103上，并排列成間隔開的配置，使得在電池區(qū)101-1至101-3中產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)的局部電流相應(yīng)地流過接觸墊115-1至115-3。具體地，接觸墊115-1設(shè)置于分立的電池區(qū)101-1下方陰極103的一部分上，使得局部電流部分Cll和C12由接觸墊115-1接收(即流過)。類似地，接觸墊115-2設(shè)置于分立的電池區(qū)101-2下，使得接觸墊115-2接收局部電流部分C21和C22，接觸墊115-3設(shè)置于分立電池區(qū)101-3下方，使得接觸墊115-3接收局部電流C31和C32。注意，電池101被配置成使得通常包括相比電流收集器襯墊不太導(dǎo)電的材料的陰極103抵制或防止電流在間隔開的接觸墊(例如在接觸墊115-1和115-2之間，以及在接觸墊115-2和115-3)之間流動(dòng)。因此，在每個(gè)電池區(qū)101-1至101-3中產(chǎn)生的局部電池電流分別基本上完全只流過一個(gè)關(guān)聯(lián)的接觸墊115-1至115-3。如本文中使用的“基本上完全”意味著在電池區(qū)的周圍邊界區(qū)產(chǎn)生的電流部分可以流向兩個(gè)相鄰的接觸墊中的任何一個(gè)，但在每個(gè)電池區(qū)的內(nèi)部區(qū)域中產(chǎn)生的所有電流部分只流向一個(gè)接觸墊)。還要注意，盡管接觸墊115-1至115-3被描述為連接到陰極103 ( S卩，使得電流從電池