用于检测及应对膨胀现象的车辆用电池系统及方法

摘要

本发明提供一种用于检测及应对膨胀现象的车辆用电池系统及方法，本发明包括：多个电池单体；聚氨酯泡沫，配置在多个上述电池单体之间；应变计，配置在上述电池单体的侧面；电池管理控制器，转换从上述应变计接收的信号并向电池管理系统发送；以及电池管理系统，通过从上述电池管理控制器接收的信号判断上述电池单体的状态，上述电池管理系统通过在上述应变计中转换的电阻值，向上述电池管理控制器输入的信号传输到上述电池管理系统，从而在大于设定阈值的时间持续设定时间以上的情况下，上述电池管理系统判断为膨胀形状并体现自动应对工作，在传输到上述电池管理系统的信号大于设定阈值的时间不超过设定时间的情况下，上述电池管理系统正常工作。

说明书

技术领域

本发明涉及检测适用于汽车的电池的膨胀现象的系统及方法。

背景技术

随着化石燃料使用的急剧增加，对代替能源或清洁能源的使用的需求逐渐增加，其中，最积极研究领域是利用电化学的发电、蓄电领域。

当前，作为利用这种电化学能源的电化学器件的代表例可以为电池，且其使用领域逐渐扩大。

最近，随着对于便携式计算机、便携式电话、摄像头等的便携式设备的技术开发和需求的增加，作为能源的电池的需求急剧增加，循环寿命长、自放电率低的锂电池已经商业化并得到广泛应用，并执行对其的许多研究。

尤其，袋形电池可按客户的需求变成多种形态的结构，从而产品应用例卓越，与金属罐形态的电池壳相比，有利于多品种少量生产。

另一方面，在现有的电池单体发生如长时间高温储存或因充电器或放电控制电路等的故障的过充电、过放电或内部短路的异常情况下，因电解质的分解或副反应所引起的膨胀现象而膨胀。

当前，由于没有驾驶人员可以预先进行认知的装置，因此上述电池单体膨胀现象将导致因电池爆炸所引起的火灾，从而导致财产及生命的危险。

为了解决上述问题，通过多种方式检测膨胀现象并防止事故的发生。作为一例，在公开专利10-2019-0084775号中公开了变成有效地进行冷却的结构的填充部的电池模块。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：韩国专利公开第10-2019-0084775号(2019年07月17日)

发明内容

本发明实施例提供可检测现有方式的电池的膨胀现象并预防事故的电池系统。

根据本发明的一实施方式，本发明可提供电池系统及方法，上述电池系统包括：电池单体，呈方形或袋形，8个位置以捆绑形态形成；聚氨酯(PU)泡沫，以在上述电池单体之间形成规定间隔的配置在3个位置；应变计，结合在上述电池单体的一侧；电池管理控制器(CMC)，形成对应于上述电池单体的数量，上述电池单体以单体单位受到控制的方式发送信号；以及电池管理系统(BMS)，传输从上述应变计发送并被上述电池管理控制器接收的信号，通过电池管理系统软件算法判断单体状态并发送上述电池单体的工作信号。

本实施例的电池单体膨胀现象检测系统可通过交替配置应变计来检测当电动车用电池充放电时因电池单体内部的结构发生变化而导致的电池单体膨胀现象，并通过算法形成自动应对工作，从而可以预防事故的发生。

附图说明

图1为简要示出本发明的电池单体系统及一侧的分解立体图。

图2为示出本实施例的电池单体系统的信号传输过程的图。

图3为示出传输到电池管理控制器的信号的监控画面的图。

图4的(a)部分为示出图1的系统中用于适用算法的数据的图表。图4的(b)部分为示出作为修改(a)部分的数据的数学式的独立変数的温度的图表。

图5为示出电池管理系统软件算法的流程图。

图6的(a)部分为通过本发明一实施例的膨胀现象检测的采样的数字信号，(b)部分为示出通过膨胀现象未检测到的数字信号的图表。

附图标记的说明

100：电池单体           200：聚氨酯泡沫

300：应变计             400：电池管理控制器

410：DC-DC转换器        420：模数转换器

430：主微控制单元       500：电池管理系统

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施例。以下的实施例为了向本发明所属技术领域的普通技术人员完整地说明本发明而提供。只是，以下的实施例用于帮助理解本发明，本发明的技术思想并不局限于以下的实施例。并且，将省略对本发明的技术要旨不明确或公知结构的详细说明。

图1为简要示出本发明的电池单体系统及一侧的分解立体图。

参照图1，本实施例的车辆用电池系统(以下，系统)可包括多个电池单体100。

电池单体100可呈方形或袋形。本实施例的系统大体可以在方形或袋形的电池单体100中起到有效功能。但并不局限于此。根据情况，电池单体100除方形或袋形之外，也可以包括需要检测膨胀(swelling)的另一类型的电池单体。

电池单体100可具有多个。多个电池单体100可通过粘结剂110以捆绑形态提供。通常，如上组装的多个电池单体100可被称为电池模块。各个电池单体100可根据需要的性能等组合成串联和/或并联来使用。在本实施例中例示每4个电池单体100配置成2列来组合8个电池单体100的情况。只是，电池单体100的数量或配置可根据需要适当变更，但并不局限于此。

电池单体100可具有聚氨酯泡沫粘结面101(以下，称之为聚氨酯泡沫粘结面)。聚氨酯泡沫粘结面101可形成在电池单体100的左侧面和/或右侧面。聚氨酯泡沫粘结面101的表面可通过精加工被光滑地加工。并且，聚氨酯泡沫粘结面101可大体呈没有弯曲的平坦面。

在聚氨酯泡沫粘结面101可附着聚氨酯泡沫200(以下，称之为聚氨酯泡沫)。

聚氨酯泡沫200可位于相邻电池单体100的侧面之间，以可以隔开各个电池单体100。在本实施例中示出在每个列，在4个电池单体100之间配置3个聚氨酯泡沫200的情况。电池单体100和聚氨酯泡沫200可排列多个，聚氨酯泡沫200的数量可根据电池单体200的数量或配置改变，但并不局限于此。

聚氨酯泡沫200可呈具有规定厚度的片形态。各个聚氨酯泡沫200可具有规定厚度，以等间隔配置电池单体100。上述聚氨酯泡沫200可以部分吸收作用于电池单体100的外部冲击。优选地，聚氨酯泡沫200可具有能够防止因在车辆运行过程中发生的振动而导致电池单体100相互接触的充分厚度。作为一具体例，聚氨酯泡沫200的厚度可以为3～5t(mm)。只是，聚氨酯泡沫200的厚度可根据内外环境要素以多种方式改变，但并不局限于此。

聚氨酯泡沫200的一部分或全部可由阻燃性材料形成，或者一部分或全部包括阻燃性材料。并且，聚氨酯泡沫200可通过粘合剂、胶带等结合在电池单体100的侧面。

另一方面，电池单体100或聚氨酯泡沫200可通过粘结剂110结合成一个捆绑形态。粘结剂110的一部分或全部可以由绝缘材料形成，或者一部分或全部可以包括绝缘材料。

粘结剂110可以与包围电池单体100的外侧的电池包外壳120结合。2个电池包外壳120可接触在电池单体100未结合聚氨酯泡沫200的外侧的左侧及右侧并定位。粘结剂110的末端可结合在形成于上述2个电池包外壳120的外侧的粘结剂槽110a并被支撑。并且，一对粘结剂110可设置在电池单体100的上侧及下侧并以与上部面及下部面接触的状态与其结合。

另一方面，本实施例的系统可包括应变计300。

应变计300可结合在电池单体100的侧面。应变计300可包括膜型应变计300。应变计300可包括可变电阻型，形成规定面积，在检测到相位变化的情况下，向一侧延伸突出的销的电阻值发生改变。上述应变计300能够以直接接触在电池单体100外部面的形态配置。只是，应变计300的种类或设置形态并不局限于此。

作为一例，应变计300能够以含浸在聚氨酯泡沫200的形态配置。在此情况下，应变计300均可检测与左右两侧接触的电池单体100的变化。只是，在应变计300和电池单体100外部面之间的间隔过大的情况下，检测的灵敏度有可能降低，因此，在上述情况下，需要注意应变计300与电池单体100的间隔过大。

另一方面，本实施例的系统可包括从应变计300接收信号的电池管理控制器400(Cell Management Controller：CMC)(以下，电池管理控制器)。

图2为简要示出图1的系统中的信号传输过程的图。

参照图2，若电池单体100发生膨胀，则通过电池单体100的相位变化，应变计300的电阻值有可能改变。应变计300的电阻值变化可向电池管理控制器400传输信号。电池管理控制器400可以单独监控所接收的信号。

并且，电池管理控制器400可向电池管理系统500(Battery Management System：BMS)提供通过控制器局域网(Controller Area Network：CAN)(以下，控制器局域网)接收的信号，与此对应地，电池管理系统500可通过车内驾驶员辅助装置显示视觉、听觉信息。

图3为示出图1的系统中向电池管理控制器传输的信号的监控画面的例示图。

参照图2及图3，在电池管理控制器400中可以监控通过应变计300检测的信号。其中，如图3的左侧图表所示，监控的信号可以为从应变计300发送的模拟信号经过模数转换器420(Analog to Digital Converter：ADC)(以下，模数转换器)转换的数字信号。另一方面，电池管理控制器400的电源可通过DC-DC转换器410转换成用于电池管理控制器400的适当电压来供给。并且，电池管理控制器400可包括经过模数转换器420接收数字化的信号并进行处理的主微控制器430(main MicroController Unit：main MCU)(以下，主微控制单元)。

在主微控制单元430中，可以执行采样从模数转换器420传输的信号来转换成适用于图3的右侧图表的算法的数据的过程。其中，算法可包括判断电池的膨胀与否的一系列处理。通过算法导出的数据可传输到电池管理系统500，电池管理系统500可通过电池管理系统软件算法判断电池单体的状态。

图4的(a)部分为示出图1的系统中用于算法的数据的图表，图4的(b)部分为作为修改示出(a)部分的数据的数学式的独立変数的温度的图表。图4的(a)部分中，x轴为时间s，y轴为位移。另一方面，图4的(b)部分中，x轴为时间s，y轴为温度。

参照图4的(a)部分及(b)部分，在电池管理控制器400检测的信号的监控结果，在温度上升时，可以修改数据。

观察图4的(a)部分图表，L1可以在4000～5000秒钟区间呈现出y轴峰值。其中，图4的(a)部分的L2线可以为在图4的(b)部分图表中呈现的温度适用算法逻辑来修改L1线的图表。换句话说，L2为示出针对L1，通过软件算法逻辑计算的值修改图4的(b)部分图表中呈现的温度的图表。如上所述，本发明的电池管理控制器400检测的信号的监控结果可以为根据温度修改的结果值。

如图4所示，当在应变计的测定部分发生温度变化时，在基于应变计的测定值发生热变形，从而需要进行修改。由此，主微控制单元430可适用根据温粘度改变的修改值，通过软件算法逻辑，L1线可编程如L2线的图表。换句话说，在图4的(a)部分中，L2线可以为在L1线的值带入在图4的(b)部分中测定的温度值来适用的修改值。在此情况下，在所适用的软件算法逻辑中所适用的修改值可以为通过将温度值作为变数的式导出的值。

在电池单体充电及放电的过程中，电池系统可发生温度变化。对于上述温度变化，一同具有温度传感器和应变计300的电池系统可执行对在温度传感器中检测的温度值适用将在电池管理控制器300中的温度值作为变数的式并通过上述软件算法逻辑修改逻辑值的运算。通过上述修改，电池系统可以防止应变计根据温度变化而进行错误工作的现象。

图5为示出图1的系统中用于判断电池单体状态的算法的流程图。

参照图5，本实施例的系统可适用电池管理系统软件算法。首先，在系统中的电池单体100膨胀或收缩的情况下，应变计300的电阻值有可能改变。其中，在应变计300中改变的电阻值传输到模数转换器420并转换成数字信号。其中，在模数转换器420中转换成数字信号的电阻值可传输到电池管理控制器400。并且，电池管理控制器400可以采样所接收的电阻值的数字信号。在此情况下，在电池管理控制器400中采样的信号可进行电池管理系统软件算法。其中，采样的信号可以为在应变计中测定的电阻值，可以为电池单体的位移值。电池管理系统软件算法可以为比较以信号收发的采样的信号值与设定阈值的过程。

作为一例，在信号值大于设定阈值的情况下，可以确认检测到膨胀现象。由此，电池管理系统500可以发送信号，以可体现对于膨胀现象的应对工作。并且，在信号值为设定值以上的情况下，可判断成膨胀现象发生的初始步骤并进行下一步骤。

图6的(a)部分为检测成本发明一实施例的膨胀现象的采样的数字信号，(b)部分为示出未检测成膨胀现象的数字信号的图表。

参照图5及图6的(a)部分，当作为信号值的位移值大于对应于设定阈值的图6中标记的膨胀警告阈值(Warning Limit)时，电池管理系统软件算法可以为确认信号值的超过状态是否维持设定时间的过程。其中，当信号值大于设定阈值的状态持续设定时间以上时，电池管理系统500可判断成膨胀状态并体现自动应对工作。在此情况下，设定时间可以由使用人员根据电池的状态改变。具体地，设定时间可以被设定为发生问题的可能性高的时间。

参照图5及图6的(b)部分，当作为信号值的位移值大于对应于设定阈值的图6中标记的膨胀警告阈值，但大于警告阈值的时间未超过设定时间时，电池管理系统500可判断成正常状态并进行电阻变化检测步骤。在上述过程中，在电池急速充电及放电的情况下，电池单体面积可发生约为10％的膨胀。其中，对应于电池单体面积的10％的膨胀为暂时性现象，不会影响电池的正常工作。由此，本发明的电池管理系统软件算法可以比较设定时间与限制超过时间来进行工作，从而可以区分膨胀现象和充放电时发生的暂时性膨胀现象来进行工作。其中，在发生膨胀现象的情况下，本发明的系统可以在电池管理系统500中形成自动应对工作。

作为一例，在电池管理系统500形成的自动应对工作可以为电池的电源管理。在判断到膨胀的情况下，通过自动应对工作体现的电池的电源管理可以限制充电量或断开电池包的电源。

作为另一例，在电池管理系统500形成的自动应对工作可以为向仪表板输出的工作。在检测到电池膨胀现象的情况下，电池管理系统500可以传输工作信号，以点亮汽车仪表板的特定形态的记号。其中，从电池管理系统500接收工作信号并点亮的记号可位于仪表板的测速表或仪表板的中心部并亮灯。通过上述亮灯信号，驾驶人员可以用肉眼确认车辆的异常与否，使得使用人员可以直观性掌握问题。

如上所述，本实施例的电池单体膨胀现象检测系统可通过交替配置应变计和电池单体来检测当电动车用电池充放电时因电池单体内部的结构发生变化而导致的电池单体膨胀现象，并通过算法形成自动应对工作，从而可以预防事故的发生。

以上，说明了本发明的实施例，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员就可以在不超出发明要求保护范围中记载的本发明的技术思想的范围内，通过结构要素的附加、变更、删除或追加等以多种方式修改或变更本发明，且这也包括在本发明的发明要求保护范围内。