統一的能量存儲和感應蓄電池的制作方法

統一的能量存儲和感應蓄電池的制作方法
【專利摘要】一種蓄電池裝置，具有電化學電池，該電池包括電絕緣空心心軸、卷繞在心軸上的一對活性材料以及位于心軸內并且通過一對觸點聯接到所述對活性材料的感應單元。活性材料由電解質連接及分開。感應單元配置成監控電池的狀態并且產生指示感應到的狀態的信號以傳達到蓄電池管理單元。
【專利說明】統一的能量存儲和感應蓄電池

【背景技術】
[0001] 除非本文另有指示，否則此部分中所描述的材料并非是此申請中的權利要求書的 現有技術，并且不能憑借包括在此部分中而被承認是現有技術。
[0002] 已知各種配置的蓄電池組用于容納多個儲能電池。通常，電池被內部地裝配到諸 如圖1的電池罐102的容器中。除了電池罐102之外，典型的蓄電池組包括模塊容器104、 模塊組件106、冷卻通道108、電池監督控制器（CSC) 110以及軌跡板112。因此，常規的蓄電 池組含有大量對于能量容量沒有貢獻的材料。
[0003] -些多電池密封的可充電蓄電池包括開口容器和在其口部附接到容器上的封閉 部件。除了口部之外，用來形成容器的材料通常允許外部濕氣滲入容器。外部濕氣的這種 滲入可能損害電池的性能。
[0004] 因此，存在對一種最小化非活性部件的數量并且可以監控和傳達個體電池的狀態 的蓄電池裝置的需要。


【發明內容】

[0005] 本文披露一種改進的能量存儲和感應蓄電池。
[0006] 在一個方面中，蓄電池裝置的一個實施例具有電化學電池，該電池包括電絕緣空 心心軸、卷繞在心軸上的一對活性材料以及位于心軸內并且通過一對觸點聯接到該對活性 材料的感應單元。活性材料由電解質連接和分開。感應單元配置成監控電池的狀態并且產 生指示所感應到的狀態的信號以傳達到蓄電池管理單元。
[0007] 在另一個方面中，蓄電池裝置包括電化學電池，該電池包括電絕緣空心心軸、卷繞 在心軸上的一對活性材料以及配置成將指示電池狀態的信號無線地傳輸到蓄電池管理單 元的通信單元。該對活性材料由電解質連接和分開。
[0008] 在另一個方面中，蓄電池裝置包括電化學電池，該電池包括電絕緣空心心軸、卷繞 在心軸上的一對活性材料，該活性材料由電解質連接和分開、位于心軸內并且通過一對觸 點聯接到該對活性材料的感應單元。感應單元配置成監控電池的狀態并且產生指示所感應 到的狀態的信號以傳達到蓄電池管理單元。蓄電池裝置進一步包括位于蓄電池裝置內并且 聯接到感應單元的通信單元。通信單元配置成將指示信號無線地傳輸到蓄電池管理單元。
[0009] 在又一個方面中，蓄電池裝置包括配置成容納多個儲能電化學電池的殼體，該多 個電池中的每一個包括電絕緣空心心軸和用于密封殼體并且實現蓄電池裝置的密封性的 蓋子。蓄電池裝置進一步包括位于每個心軸內的感應單元。感應單元配置成監控對應電池 內出現的狀態并且產生指示感應到的對應電池的狀態的信號以傳達到蓄電池管理單元。蓄 電池裝置進一步包括位于密封的蓄電池裝置內并且聯接到感應單元的通信單元。通信單元 配置成將指示信號無線地傳輸到蓄電池管理單元。
[0010] 這些以及其他方面、優點和替代將通過在適當的情況下參照附圖閱讀以下詳細描 述而對于本領域普通技術人員變得顯而易見。另外，應理解，此
【發明內容】
部分中以及本文的 其他地方提供的披露內容意欲僅通過實例而非通過限制來論述實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】 圖中：
[0011] 圖1示出常規蓄電池組的一個實施例；
[0012] 圖2示出統一能量存儲器的一個示例性實施例；
[0013] 圖3是示出圖1的統一能量存儲器內的多個電池的示例性布置的示意圖；
[0014] 圖4A是電化學電池中的原位溫度傳感器布置的一個示例性實施例的高視側視 圖；
[0015] 圖4B是圖4A的原位溫度傳感器布置的示例性實施例的俯視圖；
[0016] 圖5A是原位溫度傳感器的一個示例性實施例的示意圖；
[0017] 圖5B是示出溫度感應材料對溫度改變的線性響應的圖表；
[0018] 圖6是示出原位傳感器的部件和其到蓄電池管理系統的通信鏈路的方框圖；
[0019] 圖7是示出用于監控容納在圖1的統一能量存儲器中的電化學電池的一個或多個 狀態的方法的流程圖；以及
[0020] 圖8是示出示例性計算機程序產品的概念上的部分視圖的示意圖。

【具體實施方式】
[0021] 在以下詳細描述中，通過參照附圖而形成該描述的一部分。圖中，除非文中另有指 示，否則類似的符號通常標識類似部件。詳細描述、附圖以及權利要求中描述的說明性實施 例并非旨在限制。在不脫離本文呈現的主題的精神或范圍的情況下，可以利用其他實施例， 并且可以進行其他改變。將容易理解，如本文通常描述和圖中所示，本披露的各方面可以被 布置、替換、組合、分開和設計成多種不同的配置，所有這些在本文中可明確地預期。 概述
[0022] 如上所述，常規的多電池能量存儲器系統（例如，蓄電池組）包括非活性部件，諸 如電池層面上的電池端子和外殼與模塊層面上的總線連接和托盤組件。此外，制造這些多 電池蓄電池通常涉及能源密集型過程，諸如深沖鋁罐和多個印刷電路板的制造過程。
[0023] 因此，新穎的電化學電池的一個示例性實施例包括電絕緣空心心軸、卷繞在心軸 上的一對活性材料以及位于心軸內并且被配置成監控電池的狀態以產生指示所感應到的 狀態的信號以傳達到蓄電池管理單元的感應單元。
[0024] 在另一個示例性實施例中，提供一種新穎的統一的能量存儲和感應（UESS)蓄電 池組。此UESS蓄電池組包括感應單元和將感應到的狀態傳達到蓄電池管理系統的通信單 元。監控到的狀態可以是熱量水平、電壓水平或應被監控以維持UESS蓄電池組所期望的操 作狀態的任何其他狀態。在一個實施例中，UESS蓄電池組包括由單個聚合物整體容器形成 的殼體或容器，并且具有導致減少非活性材料和部件數量的配置。UESS蓄電池組包括可充 電的電化學電池，所述電池可以具有基本上相同的容量并且串聯連接。當容納在單個整體 容器中時，由于節省材料并且由于減少個體的零件的數量，電化學電池易于操縱，可以較低 成本生產，并且具有較高的重量相關和體積相關的能量密度。
[0025] 現在參照圖2,示出UESS蓄電池組或裝置200的一個示例性實施例。UESS蓄電池 200包括聚合物外殼或殼體202和蓋子204。殼體202配置成容納多個電化學電池208,所 述電池之間沒有其他物理障礙。蓋子204可以由與殼體202的材料相同的聚合物材料或任 何其他適合的材料形成。UESS材料所期望的性質包括承受電池中的有機溶劑、在大范圍的 操作溫度下維持所期望的機械性質以及防止濕氣滲入（即，維持密封性）。
[0026] 如本領域普通技術人員已知，蓄電池中的工作單元是電化學電池，其由電解質所 分開并連接的陰極和陽極構成。電解質傳導離子但是對于電子來說是絕緣體。在放電狀 態期間，離子離開陽極并且通過電解質移動至陰極，同時其相關電子由電流收集器收集以 用于為所聯接的電氣設備供電。另外，已知電解質有很高的易吸濕性，從而導致性能顯著降 低。因此，為了保持蓄電池化學性質，UESS蓄電池200被配置成維持密封性，這可以通過用 蓋子204適當地密封殼體202并且通過選擇防潮材料用于殼體202和蓋子204來實現。
[0027] 關于UESS蓄電池200的適當密封，使用選擇聚合物接合技術。這些密封技術可 以包括激光焊接、熱板焊接、振動焊接以及超聲波焊接，它們因節能并且具有高通量而被周 知。替代地，可以使用任何其他適合的密封技術來適當地密封UESS蓄電池200。關于防潮， 選擇材料可以包括聚丙烯（PP)復合物和聚四氟乙烯（PTFE)。替代地，可以使用任何其他 適合的材料來保護和維持密封性。因此，將蓋子204接合到殼體202被配置成實現蓄電池 密封性和所需的機械強度。為了進一步保護密封性，可以將UESS蓄電池200的端子（未示 出）熱熔到蓋子204上。
[0028] 現在參照圖3,示出UESS蓄電池200內的多個電池302的示例性布置300。電池 302串聯對齊并且相鄰電池302的電池端子304由電池內連接器306連接，該連接器306如 所示為跨殼體電池分離器308橋接，該分離器308可以是整體容器的一部分。如圖所示，每 個電池302包括聯接電池端子304的原位傳感器303。在一個實施例中，在需要電連接個體 電池302時，電池內端子可以插入成型到殼體202和蓋子204中以連接到電池302。在密封 殼體202之后，可以通過電阻焊接或者通過任何其它合適的連接技術來實現電池內電連接 304。另外，在一個實施例中，在密封殼體202之后，電池內連接和蓋子204的端子可以形成 DC電力總線或電源線310。替代地，電源線310可以附著到蓋子204上并且配置成在蓋子 204密封殼體202時連接到電池302的端子。
[0029] 現在參照圖4A，示出電池302內的原位傳感器布置的一個示例性實施例400。原 位傳感器可以是溫度傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器或配置成感應應被監控的電池狀態 的任何其他傳感器。如圖4A中所示，溫度傳感器404被原位包含在電池302中，S卩，集成在 電絕緣心軸406內，以監控在電池302深處發生的狀態。在一個實施例中，UESS蓄電池200 的每個電池302包括一個傳感器404。
[0030] 現在參照圖4A-B，微傳感器集成電路（1C)芯片可以用作傳感器，并且包括支持電 子功能。在一個實施例中，在溫度傳感器的情況下，1C芯片包括溫度傳感器頭。對于此溫 度實施例而言，將傳導涂層涂覆到心軸406以形成電極引線，并且在焊接過程之前將溫度 傳感器404連接至這些引線。另外，涂覆保護性涂層408,并且將從溫度傳感器404開始的 觸點410焊接到電源線通信（PLC)芯片412上。此外，每個電池302繞有一對活性材料從 而形成由電解質418分開和連接的電極414和416。如圖4B中所示，在一個實施例中，電 極414和416以基本上平坦的布置外部地卷繞在心軸406上，并且每個電極414和416連 接到PLC芯片412的引線418a和418b中的一個上。如上所述，微傳感器1C芯片也可以用 作電壓傳感器、壓力傳感器或監控電池302的選擇狀態的任何其他所期望的傳感器。
[0031] 在一個示例性實施例中，電池302可以進一步包括陽極、陰極和聚合物電解質的 組合，它們都卷繞在心軸406上。這三個部件的卷繞布置可以是凝膠卷或者是圍繞心軸406 卷繞的陽極、電解質和陰極的垂直堆疊的形式。替代地，陽極、電解質和陰極可以布置為圍 繞心軸406圓周地對齊的垂直帶。因此，心軸406被提供為空心塑料管以便在部件布置過 程開始時為電池302提供形狀。
[0032] 在另一個實施例中，可以將陽極、陰極和聚合物電解質都內部地布置在心軸406 內。其內部布置可以是凝膠卷或者是都在心軸406的內表面中排成行的陽極、電解質和陰 極的垂直堆疊的形式。替代地，陽極、電解質和陰極可以布置在心軸406的內表面上圓周地 對齊的垂直帶。
[0033] 溫度傳感器可以由提供對溫度改變的所需快速響應和在UESS蓄電池200的電池 302內預期的溫度范圍內的穩健、線性電子信號響應的任何溫度敏感材料形成，如圖5B中 所示。溫度敏感材料使得溫度傳感器能夠產生如期望地與溫度線性的可重復響應。另外，溫 度敏感材料可以直接噴射或滴投到傳感器電極上。一種此類材料是石墨烯，已知其對溫度 改變非常快速地起反應，由此為誤用容限提供更多反應時間并且確保最佳的蓄電池性能。
[0034] 如圖5A中所示，其示出溫度傳感器頭502的一個示例性實施例500,溫度傳感器 404的一個工作原理是基于形成在漏極部件504與源極部件506之間的通道503,從而在溫 度材料片508通過熱處理而部分地減少時變得打開，這導致溫度傳感器404的電阻隨著變 化的溫度而改變。用于溫度傳感器404的此材料可以選擇成具有以下優點特征： ?大小--傳感器的厚度如期望地小以易于封裝，例如，約幾納米。 ?響應時間--傳感器如期望地提供少于1微秒的傳感器響應。實際上，響應時間由傳 感器主體的熱質量和環境中的熱改變的時間尺度限制。因此，確保了實時溫度響應。 ?連接性--傳感器可以通過噴射或浸涂直接涂覆到集成電極上，從而消除對諸如絲 焊的笨重或易碎連接的需要。將傳感器材料直接涂覆到電子器件上的能力對于此石墨烯應 用來說是關鍵的獨特之處。 ?集成一一傳感器可以更容易地集成在包括有限的空間和化學腐蝕性環境的挑戰性應 用中。
[0035] 如上所述，溫度傳感器404聯接到PLC芯片412。如圖6中所示，數據通信鏈路602 可以建立在PLC芯片412與蓄電池管理設備或系統604之間。包括電源線310的通信鏈路 602可以包括UESS蓄電池200與系統604之間的有線連接或無線連接。如上所述，嵌入在 心軸406中的1C芯片連接到電池302的正端子和負端子。電池端子也連接到電源線310， 該電源線310為傳感器404提供電力并且實現與系統604的通信。如圖6中所示，1C芯片 601包括聯接到傳感器404和電源線310的控制器606,并且配置成數字化傳感器信號并且 通過PLC芯片412將其傳達到系統604。1C芯片601進一步包括用于執行和存儲監控和控 制指令的微處理單元610和存儲器單元612。因此，在一個實施例中，1C芯片601配置成集 成傳感器404、監控器和控制器606以及通信協議608。因此，PLC芯片412用來將來自1C 芯片606的數字化傳感器信號傳送到系統604。
[0036] PLC芯片412配置成經由電源線310通過模塊化的數字信號提供電池管理數據。 此外，可以使用具有高達6級的誤差校正和保護的先進的誤差消除算法，由此最小化發送 錯誤數據的任何風險。系統604被配置成將模塊化的信號解碼成原始數據并且對其相應地 進行處理。此故障容限方法可以校正對PLC芯片412的大范圍的妨礙，包括脈沖噪聲、連續 音調噪聲、相位失真以及電源線310上的多個收發器。PLC芯片412配置成為該推薦的的原 位配置提供穩健且可靠的操作，包括同時使用串聯接線的高達200個電池302。
[0037] 如上所述，通信鏈路602可以包括UESS蓄電池200與系統604之間的無線通信。 此無線通信可以通過將無線通信單元（未示出）連接到PLC芯片412以將模塊化的數字信 號無線傳輸到系統604來實現。無線通信單元可以是藍牙通信單元或任何其他適合的數字 通信單元。在一個實施例中，無線通信單元在密封地且永久性密封的UESS蓄電池200內部。
[0038] 如果UESS蓄電池200包括鋰離子電池，如本領域普通技術人員已知，鋰離子蓄電 池的操作要求穩健的熱管理策略。初步實驗結果建議使用集成到UESS蓄電池200中的熱 傳導材料來增加熱傳導性。具有高熱傳導性的三種材料[氮化硼（BN)、石墨板和銅]已經 如以下所附的表1中所示考慮。發現BN材料由于其組合了高熱傳導性、低密度以及易于處 理的特性并且因為其可以作為填充物而容易地包含在UESS蓄電池202的聚合物基質中而 優選。如表1中所示，關于熱傳導性性質，發現氮化硼基本上可與銅相比但是較輕，并且石 墨在石墨片的平面中更具傳導性但是整體傳導性又受限于片之間的熱傳遞。 TABLE 1 表1

【權利要求】
1. 一種蓄電池裝置，其具有電化學電池，所述電池包括： 電絕緣空心心軸； 一對活性材料，其卷繞在所述心軸上，其中所述一對活性材料對應于由電解質連接和 分開的陽極和陰極；以及 感應單元，其位于所述心軸內并且通過一對觸點連接到所述一對活性材料，其中所述 感應單元配置成監控所述電池的狀態并且產生指示所感應到的狀態的信號以傳達到蓄電 池管理單元。
2. 如權利要求1所述的蓄電池裝置，其中所述感應單元包括傳感器頭和微處理器單 元，所述微處理器單元執行支持電子功能。
3. 如權利要求1所述的蓄電池裝置，其中被監控的狀態包括溫度水平和/或電壓水平。
4. 如權利要求1所述的蓄電池裝置，其中所述一對活性材料和所述電解質以凝膠卷布 置方式卷繞在所述心軸上。
5. 如權利要求1所述的蓄電池裝置，其進一步包括整體容器，所述整體容器配置成容 納多個電池，所述多個電池中的每一個基本上類似于所述電化學電池。
6. 如權利要求5所述的蓄電池裝置，其進一步包括用于密封所述整體容器的蓋子。
7. 如權利要求6所述的蓄電池裝置，其中所述容器和蓋子由可以承受與所述多個電化 學電池相關的有機溶劑的至少一種材料制成。
8. 如權利要求6所述的蓄電池裝置，其進一步包括附著至所述蓋子上的電源線，其中 所述電源線被配置成當所述蓋子密封所述殼體時連接到所述多個電池，并且其中所述電源 線向其各自的感應單元提供電力。
9. 如權利要求8所述的蓄電池裝置，其中所述電源線被配置成將所述指示信號提供給 通信單元，所述通信單元位于所述蓄電池裝置內，并且其中所述通信單元被配置成將所述 指示信號傳輸到所述蓄電池管理單元。
10. -種蓄電池裝置，其具有電化學電池，所述電池包括： 電絕緣空心心軸； 一對活性材料，其卷繞在所述心軸上，其中所述一對活性材料對應于由電解質連接和 分開的陽極和陰極；以及 通信單元，其配置成將指示所述電池的狀態的信號無線地傳輸到蓄電池管理單元。
11. 如權利要求10所述的蓄電池裝置，其進一步包括整體容器，所述整體容器配置成 容納多個電池，所述多個電池中的每一個基本上類似于所述電化學電池。
12. 如權利要求10所述的蓄電池裝置，其進一步包括用于密封所述整體容器的蓋子。
13. 如權利要求11所述的蓄電池裝置，其進一步包括附著至所述蓋子上的電源線，其 中所述電源線被配置成當所述蓋子密封所述容器時電連接到所述多個電化學電池，并且向 所述通信單元提供電力。
14. 一種蓄電池裝置，包括： 電化學電池，其包括： 電絕緣空心心軸； 卷繞在所述心軸上的一對活性材料，其中所述一對活性材料對應于由電解質連接和分 開的陽極和陰極； 感應單元,其位于所述心軸內并且通過一對觸點聯接到所述一對活性材料，其中，所述 感應單元配置成監控所述電池的狀態并且產生指示所感應到的狀態的信號以傳達到蓄電 池管理單元；以及 通信單元，其位于所述蓄電池裝置內并且連接到所述感應單元，其中所述通信單元配 置成將所述指示信號無線地傳輸到所述蓄電池管理單元。
15. 如權利要求14所述的蓄電池裝置，其進一步包括整體容器，所述整體容器配置成 容納多個電池，所述多個電池中的每一個基本上類似于所述電化學電池。
16. 如權利要求15所述的蓄電池裝置，其進一步包括用于密封所述整體容器的蓋子。
17. 如權利要求16所述的蓄電池裝置，其進一步包括附著至所述蓋子上的電源線，其 中所述電源線被配置成當所述蓋子密封所述容器時電連接到所述多個電化學電池，并且向 所述通信單元和所述感應單元提供電力。
18. 如權利要求16所述的蓄電池裝置，其中所述容器和蓋子由可以承受與所述多個電 化學電池相關的有機溶劑的至少一種材料制成。
19. 如權利要求14所述的蓄電池裝置，其中所述感應單元包括傳感器頭和微處理器單 元，所述微處理器單元執行支持電子功能。
20. 如權利要求14所述的蓄電池裝置，其中被監控的狀態包括溫度水平和/或電壓水 平。
【文檔編號】G01R31/36GK104126244SQ201280070402
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2012年12月19日 優先權日:2011年12月19日
【發明者】布萊恩·C.·西斯科, 杰森·L.·羅伯茨 申請人:約翰遜控制技術公司