一种蓄电池内部状态测量装置及软包锂离子电池

1.本发明涉及车载电池管理领域，尤其是涉及一种蓄电池内部状态测量装置及软包锂离子电池。


背景技术：

2.目前，锂离子电池凭借其高能量密度、清洁环保、长循环寿命等优点广泛应用于汽车、手机、笔记本电脑等领域。相对来说，锂离子电池的包装分为两大类，一类是金属外壳电芯，一类是软包电芯，即软包锂离子电池。软包锂离子电池具有安全性能好、重量轻、设计灵活等优点，具有很好的发展前景。
3.目前的电池管理系统都是基于电池外部状态量如表面温度、端电压、电流等来对电池进行状态估计或故障诊断，而没有对电池内部的温度、应变、气体压力及成分等关键参数进行测量。这样很难准确、及时地获取电池的真实信息，从而为更好地管理电池增加了难度。通过把一系列传感器集成到软包锂离子电池中，可以直接对电池的内部参数进行监控，对于电池状态的准确估计和热失控的有效预防具有重大意义。软包锂离子电池不同于金属外壳锂离子电池，其紧凑的结构给传感器及通信模块等组件的布置提出了很大的挑战，如何把传感器及通信模块等组件有效、无损地集成到软包锂离子电池中成为智能柔性电池技术发展的重点问题之一。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蓄电池内部状态测量装置及软包锂离子电池。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种蓄电池内部状态测量装置，该装置完全封装在电池内部，仅通过穿过铝塑膜的光纤与外部进行通信，具体包括：
7.通信模块：其输入端与cpu的输出端连接，用以将传感器模块采集到的电池内部状态信息通过光纤通信的方式传到电池外部控制器；
8.cpu：其输入端与电源模块的输出端和传感器模块的输出端连接，用以接收传感器模块采集到的电池内部状态信息并控制通信模块向外传输信息；
9.电源模块：其输入端与电池的正负极耳连接获取时变的电压，通过内部dc/dc变换器和稳压器输出平稳电压；
10.传感器模块：用以实时采集电池内部状态信息并发送给cpu。
11.所述的传感器模块包括温度传感器、应变传感器、气体压力传感器和/或气体成分传感器，用以实时测量电池内部的温度、应变、气体压力及所含气体成分信息。
12.所述的温度传感器具体为低功耗、小尺寸的片上温度传感器，用以实现在有限空间内对温度的高精度大幅度测量，具体包括相互连接的ptat电流发生器和源耦合振荡器，所述的ptat电流发生器将环境温度转换为ptat电流，将该电流作为源耦合振荡器的偏置电
流，最后以频率的形式输出环境温度。
13.所述的应变传感器为基于金纳米颗粒制备的柔性应变传感器，其检测范围为-0.9％～0.9％。
14.所述的电池外部控制器根据采集到的电池内部状态信息对电池进行状态估计、故障诊断以及热失控和过充过放现象的预防，所述的状态估计包括soc估计和soh估计。
15.所述的蓄电池具体为软包锂离子电池。
16.所述的通信模块、cpu、电源模块和传感器模块分别通过焊接堆嵌在一块柔性电路板/fpc上。
17.所述的柔性电路板/fpc由防水透气材料膨体聚四氟乙烯膜密封后在软包锂离子电池生产时安装进其内部进行封装，使得该测量装置实现对电池内部气体的检测，并且有效防止电解液导致电路板短路。
18.在软包锂离子电池生产时，所述的柔性电路板/fpc紧贴电池的电极片安装，采用铝塑膜将电极片、隔膜和柔性电路板/fpc一起封装制作成一个带有内部状态测量装置的软包锂离子电池。
19.一种带有蓄电池内部状态测量装置的软包锂离子电池，该软包锂离子电池在生产时采用铝塑膜将电极片、隔膜以及内部状态测量装置一起封装制作成型。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.一、本发明提出的蓄电池内部状态测量装置将一系列传感器放置在软包锂离子电池内部，能够实时地对电池内部的温度、应变、气体压力、气体成分等关键因素进行监控，cpu能够向通信模块发出传输信息的指令从而将传感器收集到的信息传输到电池外部，与目前广泛使用的利用电池外部端电压、表面温度等对电池进行管理的方式相比具有更高的准确性和时效性。
22.二、该装置所采用的温度传感器为片上温度传感器，具有低功耗、小尺寸、测量范围大且测量误差小的优点，将其运用于软包锂离子电池内部测量可以有效减少对电池性能的影响并能对电池工作时的各种工况进行行之有效的监控。
23.三、该装置所采用的应变传感器为基于纳米颗粒制备的应变传感器，与现有的应变传感器相比，具有更高的灵敏度、更宽的检测范围、更高的检测分辨率与更低的响应时间，能够充分满足工作的需要，除此之外，新型的应变传感器普遍都具有柔性特征，能够在电池遭受如碰撞、挤压后仍保持良好的工作性能。
24.四、本发明的电源模块在电池内部与电池正负极片连接从而为蓄电池内部状态测量装置供电，没有与外界进行电连接，电池不需要打孔或是增加其余装置来为其供电，从而减少了对软包锂离子电池的影响并降低了生产成本。
25.五、本发明采取光纤通信的方式向电池外部传输信息，光纤通信具有通信容量大、速率高、抗电磁干扰性好的特点，能够在铝塑膜内把大量的电池内部状态信息完整、迅速地传输到电池外部控制器中，从而对电池进行准确、及时的管理策略。
26.六、该装置所含组件均通过焊接等方式堆嵌在一块柔性电路板/fpc上，然后在软包锂离子电池生产过程中安装在软包锂离子电池内部，由于柔性电路板/fpc具有可弯曲、体积小等优点，所以该电路板在电池内的安装不会对电池的性能产生影响，并且在电池产生内部形变或受到碰撞或挤压时该电路板由于其柔性而不会遭到破坏，可靠性得到充分的
保障，同时，由于电路板被防水透气材料膨体聚四氟乙烯膜密封，所以电解液的存在不会导致电路板短路，而且电池产生的气体还能顺利地进入到膜内被传感器检测到。
附图说明
27.图1为实施例1中蓄电池内部状态测量装置的组成示意图。
28.图2为实施例1中片上温度传感器的原理框图。
29.图3为实施例2中柔性电路板/fpc上各种模块的布置示意图。
30.图4为实施例2中软包锂离子电池生产时测量装置的安装布置示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
32.实施例1
33.如图1所示，本实施例提供一种铝塑膜封装的蓄电池内部状态测量装置，该装置封装在电池内部，仅依靠穿过铝塑膜的光纤和外部进行通信，包括通信模块、cpu、电源模块和一系列传感器，各个模块的连接方式和功能如下：
34.通信模块的输入端与cpu的输出端相连接，当cpu发出传输信号的命令时，通信模块将传感器采集到的电信号调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后得到电池内部状态信息。从而电池外部控制器能通过这些信息对电池的状态进行准确的估计，为预防电池过充过放和热失控现象的出现提供有效的指导。
35.cpu的输入端与供电模块的输出端和一系列传感器的输出端相连接。当一系列传感器对电池内部信息进行实时采集时，cpu接收传感器采集到的信息并进行初步的计算处理，之后对通信模块发出信号传输的命令，从而开始对电池内部状态信息进行向外传输。同时，cpu在接受电源模块对其供电时还会通过一系列的电气连接为通信模块和众多传感器供电。
36.电源模块的输入端与电池的正负极耳相连接，电源模块具有高低压变换和稳压的功能，其从电池的正负极耳获得时变的电压，之后通过内部dc/dc变换器和稳压器输出适合内部状态测量装置工作的平稳的电压。
37.该蓄电池内部状态测量装置可以安装的传感器种类很多，本实施例中只举出其中的几个例子，如：温度传感器、应变传感器、气体压力传感器和气体成分传感器。其中温度传感器采用一种低功耗、小尺寸片上温度传感器，该传感器的原理框图如图2所示，通过ptat电流发生器，将环境温度转换为ptat电流，然后将该电流用作源耦合振荡器的偏置电流，最后以频率的形式输出环境温度；所用的应变传感器为基于纳米颗粒制备的应变传感器，在本实施例中采用基于金纳米颗粒制备的柔性应变传感器，它对于-0.9％～0.9％之间的应变具有一定的灵敏度并且具有良好的稳定性。这些传感器可以实时对电池内部的温度、应变、气体压力和气体成分信息进行监控，并通过cpu和通信模块把它们传输到电池外部控制
器中，用以对电池进行状态估计(如soc、soh估计)、故障诊断和热失控、过充过放现象的预防。
38.实施例2
39.如图3所示，本实施例提供一种蓄电池内部状态测量装置，该装置所包含的通信模块、cpu、电源模块和一系列传感器组件通过焊接或其他方式堆嵌在一块可自由弯曲的柔性电路板/fpc上，当柔性电路板/fpc发生小幅度弯曲时该测量装置仍可保持完整，发挥出正常的功能。
40.如图4所示，该柔性电路板/fpc由防水透气材料膨体聚四氟乙烯膜(eptfe)密封，该种材料可以防止电解液与电路板接触从而导致短路，并且电池内部产生的气体仍然可以透过膜从而被传感器检测到。
41.在软包锂离子电池生产时，该柔性电路板/fpc紧贴着电极片安装，然后用铝塑膜把电极片、隔膜和柔性电路板/fpc一起封装起来制作成一个带有内部状态测量装置的软包锂离子电池。
42.实施例3
43.本发明实施例提供一种带有蓄电池内部状态测量装置的软包锂离子电池，该电池包括如实施例1和2中的蓄电池内部状态测量装置。
44.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，该装置完全封装在电池内部，仅通过穿过铝塑膜的光纤与外部进行通信，具体包括：通信模块：其输入端与cpu的输出端连接，用以将传感器模块采集到的电池内部状态信息通过光纤通信的方式传到电池外部控制器；cpu：其输入端与电源模块的输出端和传感器模块的输出端连接，用以接收传感器模块采集到的电池内部状态信息并控制通信模块向外传输信息；电源模块：其输入端与电池的正负极耳连接获取时变的电压，通过内部dc/dc变换器降压后由稳压器输出平稳电压；传感器模块：用以实时采集电池内部状态信息并发送给cpu。2.根据权利要求1所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的传感器模块包括温度传感器、应变传感器、气体压力传感器和/或气体成分传感器，用以实时测量电池内部的温度、应变、气体压力及所含气体成分信息。3.根据权利要求2所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的温度传感器具体为低功耗、小尺寸的片上温度传感器，用以实现在有限空间内对温度的高精度大幅度测量，具体包括相互连接的ptat电流发生器和源耦合振荡器，所述的ptat电流发生器将环境温度转换为ptat电流，将该电流作为源耦合振荡器的偏置电流，最后以频率的形式输出环境温度。4.根据权利要求2所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的应变传感器为基于金纳米颗粒制备的柔性应变传感器，其检测范围为-0.9％～0.9％。5.根据权利要求1所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的电池外部控制器根据采集到的电池内部状态信息对电池进行状态估计、故障诊断以及热失控和过充过放现象的预防，所述的状态估计包括soc估计和soh估计。6.根据权利要求1所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的蓄电池具体为软包锂离子电池。7.根据权利要求6所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的通信模块、cpu、电源模块和传感器模块分别通过焊接堆嵌在一块柔性电路板/fpc上。8.根据权利要求7所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，所述的柔性电路板/fpc由防水透气材料膨体聚四氟乙烯膜密封后在软包锂离子电池生产时安装进其内部进行封装，使得该测量装置实现对电池内部气体的检测，并且有效防止电解液导致电路板短路。9.根据权利要求8所述的一种蓄电池内部状态测量装置，其特征在于，在软包锂离子电池生产时，所述的柔性电路板/fpc紧贴电池的电极片安装，采用铝塑膜将电极片、隔膜和柔性电路板/fpc一起封装制作成一个带有内部状态测量装置的软包锂离子电池。10.一种带有蓄电池内部状态测量装置的软包锂离子电池，其特征在于，该软包锂离子电池在生产时采用铝塑膜将电极片、隔膜以及如权利要求1-10任一项所述的内部状态测量装置一起封装制作成型。

技术总结
本发明涉及一种蓄电池内部状态测量装置及软包锂离子电池，该装置完全封装在电池内部，仅通过穿过铝塑膜的光纤与外部进行通信，具体包括：通信模块：其输入端与CPU的输出端连接，用以将传感器模块采集到的电池内部状态信息通过光纤通信的方式传到电池外部控制器；CPU：其输入端与电源模块的输出端和传感器模块的输出端连接，用以接收传感器模块采集到的电池内部状态信息并控制通信模块向外传输信息；电源模块：其输入端与电池的正负极耳连接获取时变的电压，通过内部DC/DC变换器降压后由稳压器输出平稳电压；传感器模块：用以实时采集电池内部状态信息并发送给CPU。与现有技术相比，本发明具有准确性和时效性高、减少电池性能影响、具有柔性特征等优点。具有柔性特征等优点。具有柔性特征等优点。


技术研发人员：魏学哲 蔡吉祥 王学远 戴海峰
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8