檢測電子和電化學能源單元異常的制作方法
【專利說明】檢測電子和電化學能源單元異常
[0001]相關申請交叉引用
[0002]本申請要求于2013年3月14日提交的美國臨時申請號61/782558和于2013年3月14日提交的美國臨時申請號61/782657的優先權，這兩者在此通過引用并入本文。
[0003]背景
[0004]本發明是在用于儲存或利用能源的電子和電化學設備的領域。本發明一般地涉及這樣的設備的管理，以減少設備中發生或存在的異常后果的嚴重性。電池是本發明涉及的一種類型設備的突出的例子。
[0005]隨著電池技術的發展已取得進展，電池的使用，特別是可充電電池，作為電源已經大幅增加。電池被用作功率源，用于廣泛的設備陣列，包括相對低功率的設備，例如消費電子設備和電動車等更高功率的設備。鋰離子電池是可再充電電池的最廣泛的使用形式。鋰離子電池的致命弱點是鋰離子電池單元內部形成的電短路的危險和與其相關的后果。電短路可能導致電池單元的快速加熱。在幾秒鐘左右，短路位置的局部溫度位置可能上升到足夠放火焚燒電池的溫度。這在高容量鋰離子電池系統，例如在電動汽車中使用的那些系統的情況下，尤其令人擔憂。為了減少與電短路和鋰離子電池中的其他異常相關聯的危險，一些電池系統使用用于監測電荷狀態和/或電池系統的健康狀況的電池管理系統。監測典型地基于諸如電池系統的終端電壓和/或電池系統的溫度等屬性的測量。
【發明內容】
[0006]本發明提供了用于檢測諸如電化學電池、電容器、太陽能電池板和包括這樣的能源設備的陣列、單元和系統的能源設備中的異常的方法和系統，以確保能源設備具有足夠的安全狀況或健康狀況使得能源設備繼續操作不會導致危險的、災害的或另外的不安全狀況的形成。如果這樣的異常被檢測到，安全措施可以進行以將呈現異常的能源設備脫機或以其他方式將能源設備置于安全或惰性條件下，例如通過將能源設備暴露于冷卻劑。本發明的方法和系統可選地使用一種技術，其中例如電、磁或電磁信號的信號是由能源設備在有例如電短路或電流突然釋放的異常形成時生成并且信號由例如拾取線圈的傳感器檢測。本發明的方法和設備可選地使用一種技術，其中例如電、磁或電磁信號的信號直接或間接地施加到能源設備，并且能源單元的電子條件響應于該信號的變化被感測，以允許對能源設備中的異常的檢測，所述電子條件的變化例如為電壓、電流、電容、電感、電阻或阻抗的變化。
[0007]在一個實施例中，能源單元中異常檢測方法包括通過檢測由異常生成的電磁輻射來被動地檢測能源單元中的異常的方法，能源單元包括電能源單元和電化學能源單元中的至少一個。
[0008]在一個實施例中，用于檢測電或電化學能源單元中的異常的系統包括:用于響應于電磁輻射而生成傳感器信號的傳感器和用于處理該傳感器信號以分離指示異常的信號特征的處理模塊。
[0009]在一個實施例中，帶有異常檢測能力的能源儲存系統包括用于從儲存的能源生成電力的至少一個能源儲存設備和用于響應于由該能源儲存系統中的電異常生成的電磁輻射而生成傳感器信號的傳感器，其中，所儲存的能源是電能與化學能中的至少一個。
[0010]在一個實施例中，用于檢測能源單元中的異常的方法包括:(a)將信號施加到能源單元，(b)在能源單元內的相應的多個不同位置對該能源單元對信號的響應執行多個測量，以及(C)處理多個測量來識別異常。
[0011]在一個實施例中，用于檢測能源單元中的異常的系統包括用于將信號施加到能源單元的發射器單元，用于對能源單元的屬性執行相應的多個測量的多個感測單元，以及用于處理多個測量來識別異常的處理模塊。
[0012]在一個實施例中，帶有異常檢測能力的能源儲存系統包括(a)用于從儲存的能源生成電力的多個能源儲存設備，所儲存的能源為電能和化學能中的至少一種，(b)用于接收電信號的接口，以及(C)設置在能源儲存系統內的相應的多個不同位置，用于對能源儲存系統的屬性執行測量的多個電感測單元，電測量指示對電信號的響應。
[0013]在第一個方面，提供了用于能源單元中異常檢測的方法。這方面的一種方法包括通過檢測由異常生成的電磁輻射來被動地檢測能源單元中的異常的步驟，能源單元包括電能源單元和電化學能源單元中的至少一個。在一個實施例中，檢測電磁福射的步驟包括響應于電磁輻射而生成傳感器信號；以及處理傳感器信號以分離表示能源單元中的異常的信號特征。在一個實施例中，電磁輻射在異常發生時由異常生成。可選地，這方面的方法還包括測量能源單元的屬性，例如溫度、電壓、電阻、電流、電容、阻抗、磁化率、壓力和能源單元對于所施加的電信號的響應中的一個或多個，以檢測異常。在一個實施例中，例如，這方面的方法包括在發生異常之后在少于10毫秒內被動地檢測該異常。
[0014]本文中所描述的方法、設備和系統可以用于各種系統中異常的檢測。例如，在一個實施例中，電能源單元和電化學能源單元中的每一個包括能源儲存系統和能源利用系統中的至少一個。可選地，能源單元包括電化學電池、電容器單元、超級電容器單元、液流電池以及燃料電池中的至少一個。可選地，能源單元包括多個電連接的能源儲存設備。可選地，多個電連接的能源儲存設備中的每一個是電化學電池、電容器單元、超級電容器單元、液流電池以及燃料電池中的至少一個。可選地，能源單元包括車輛中的電池系統的至少一部分。
[0015]本文中所描述的方法、設備和系統可以用于各種異常的檢測。例如，在一個實施例中，被動地檢測異常的步驟包括被動地檢測能源單元中的能源儲存設備中的短路。在具體的實施例中，被動地檢測異常的步驟包括被動地檢測能源單元中的電連接中的短路。在具體的實施例中，被動地檢測異常的步驟包括被動地檢測能源單元的健康狀況的變化。
[0016]本文中所描述的方法、設備和系統可選地包括對指示異常的信號特征的檢測。在具體的實施例中，信號特征是單脈沖。在另一個實施例中，信號特征包括一個或多個脈沖，每個具有小于100微秒的持續時間。在具體的實施例中，信號特征包括一個或多個脈沖，每個具有小于10毫秒的持續時間。可選地，該信號特征包括一種非重復信號。
[0017]本發明的各種實施例的方法、設備和系統有利地提供在空間上定位異常的能力。這樣的技術提供了能夠選擇性地確定能源單元或系統中多個能源設備中的哪一個正在經歷例如短路或健康狀況的變化的異常的好處。在某些實施例中，本發明的方法還包括在空間上定位異常。例如，在一個實施例中，被動地檢測異常的步驟包括在多個不同的位置感測電磁輻射，以生成對應的多個測量結果；以及在空間上定位的步驟包括比較多個測量結果。可選地，在空間上定位的步驟還包括利用關于能源單元的構造的信息。對于各種實施方式，感測步驟包括測量多個不同位置處電磁輻射的幅值。在示例性實施例中，感測步驟包括在多個不同的位置測量電磁輻射的幅值；以及推斷關于生成該電磁輻射的電流的方向的
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[0018]在具體實施例中，包括被動地檢測異常的步驟的本發明方法包括只在一個位置感測電磁輻射。例如，在一個實施例中，感測步驟包括只在一個位置使用對從任意方向的電流生成的電磁輻射敏感的傳感器感測電磁輻射。
[0019]本文所述的方法、設備和系統可選地包括用于響應于由異常生成的電磁輻射而生成傳感器信號的組件和技術。在一個實施例中，這樣的生成步驟包括生成由電磁輻射感應的電信號。例如，在一個實施例中，電信號是由電磁輻射在至少一個拾取線圈中感應的。可選地，電信號是由電磁輻射在至少一個磁敏感檢測器中感應的。
[0020]有利的是，本發明的方法、設備和系統允許異常操作設備被定位，隔離且/或呈遞到安全構造，例如其中異常操作設備內生成的熱量不會造成火災風險的構造。例如，在具體實施例中，這方面的方法包括以下步驟:將異常的檢測通信到能源單元的控制單元；以及對與異常相關聯的能源單元的至少一部分調用控制措施，例如冷卻能源單元的控制措施，使能源單元脫機的控制措施或排出能源單元的控制措施。
[0021]可選地，這方面的方法還包括響應于異常，使用與能源單元電連接的至少一個傳感器來生成第二傳感器信號的步驟。可選地，處理傳感器信號以分離指示該異常的信號特征的步驟包括處理該傳感器信號和該第二傳感器信號以分離出信號特征。
[0022]在另一個方面，本發明提供了用于檢測能源單元中的異常的系統。這方面的一個【具體實施方式】包括用于響應于電磁輻射而生成傳感器信號的傳感器；以及用于處理傳感器信號以分離指示異常的信號特征的處理模塊。可用于系統、設備和方法的傳感器包括磁敏感傳感器，使得傳感器信號被由異常生成的電磁輻射磁感應。在具體的實施例中，傳感器包括至少一個拾取線圈。可選地，拾取線圈包括平面拾取線圈。可選地，拾取線圈包括非平面拾取線圈。在一個實施例中，非平面拾取線圈對于響應于從任意方向的電流所生成的電磁輻射生成傳感器信號是有用的，使得這樣的非平面拾取線圈可以用于能源單元中任何地方的異常檢測。可選地，可用于本發明的系統、設備和方法的傳感器包含至少一個環形電感器。
[0023]對于本發明的各種系統、設備和方法，多個感測單元被一起使用，以檢測表示能源單元中的異常的信號。在一個實施例中，傳感器包括定位在相應的多個不同位置的多個感測單元，用于傳感器信號的相應的多個分量的生成。例如，在具體的實施例中，處理模塊包括處理器和用于當由處理器執行時分析多個分量以確定電異常位置的指令。可選地，指令包括有關能源單元和傳感器的構造的信息，例如能源單元的組件的空間排列和(多個)傳感器相對于能源單元的組件的空間排列。可選地，多個感測單元中的一個或多個包括拾取線圈。可選地，多個感測單元中的一個或多個包括平面拾取線圈。可選地，多個感測單元中的一個或多個包括環形電感器。
[0024]對于本發明的各種系統、設備和方法，電傳感器用來檢測能源單元中的異常。例如，在一個實施例中，這方面的一個系統還包括電傳感器，其與能源單元電連接，用于檢測由異常生成的電信號并響應于電信號的檢測而生成第二傳感器信號；以及，其中，處理模塊包括用于處理該傳感器信號和該第二傳感器信號以識別該異常的指令。可選地，傳感器包括定位在相應的多個不同位置的多個感測單元，電傳感器包括定位在相應的多個不同位置的多個電感測單元，處理模塊包括用于處理該傳感器信號和該第二傳感器信號以定位該異常的指令。
[0025]在一些方法、系統和設備實施例中，發射器單元被用來將例如電磁輻射、電場或磁場的信號施加到能源單元以導致信號特征的形成，放大異常或以其他方式允許異常被檢測至IJ。例如，一個系統實施例還包括用于將信號施加到能源單元以導致信號特征的形成的發射器單元。可選地，發射器單元被與能源單元電連接且信號包括電信號。可選地，發射器單元包括電磁輻射的發射器且信號包括電磁輻射。在具體的實施例中，傳感器包括用于感測電磁福射的至少一個感測單元且發射器單元包括一個或多個諸如拾取線圈的感測單元。
[0026]可選地，本發明的設備、系統和方法利用傳感器信號和處理模塊之間的數據的無線傳輸，以允許處理模塊被定位成遠離能源單元和/或傳感器。例如，一個特定的系統實施例還包括用于將傳感器信號無線地發送到處理模塊的電路。
[0027]在另一個方面，本發明提供一種帶有異常檢測能力的能源儲存系統。這種系統的一個實施例包括用于從儲存的能源生成電力的至少一個能源儲存設備，所儲存的能源為電能和化學能中的至少一個；以及用于響應于由能源儲存系統中的電異常所生成的電磁輻射而生成傳感器信號的傳感器。在具體的實施例中，能源儲存系統包括用于車輛的電池。例如，在一個實施例中，能源儲存系統包括鋰離子電池。可選地，這樣的能源儲存系統的能源儲存設備包括電解電池單元。可選地，能源儲存系統包括多個能源儲存設備，其中多個能源儲存設備中的每個能源儲存設備包括一個或多個電池單元。可選地，能源儲存設備包括一個或多個電容器單元和/或一個或多個超級電容器單元。在具體實施例中，每一個能源儲存設備獨立地包括多個能源儲存設備，多個能源儲存設備中的每一個包括電容器單元或超級電容器單元。
[0028]對于本發明的各種系統和設備，用于檢測能源設備或能源儲存系統中的異常的傳感器包括那些能夠檢測電和/或磁信號的傳感器。例如，在一個能源儲存系統實施例中，傳感器包括至少一個磁敏感感測單元，以使得傳感器信號由電磁輻射磁感應。例如，在一個實施例中，每一個磁敏感感測單元獨立地包括拾取線圈，例如平面拾取線圈或非平面拾取線圈。在一個實施例中，拾取線圈是非平面的，并且對響應于從任意方向的電流所生成的電磁輻射生成傳感器信號是有用的。可選地，拾取線圈包括平面拾取線圈。可選地，磁敏感單元定位在能源儲存設備上。可選地，磁敏感感測單元包括環形電感器。
[0029]可選地，多個磁敏感感測單元與本發明的設備、系統和方法一起被利用。在一個實施例中，多個磁敏感感測單元被定位在相應的多個不同位置，所述傳感器信號包括關于電異常的空間位置信息。
[0030]可選地，本發明的能源儲存系統還包括一個外殼，一個或多個磁敏感感測單元的至少一部分在該外殼中實施。可選地，至少一個磁敏感感測單元被定位在能源儲存設備或系統處，例如在能源儲存設備或系統的表面上或能源儲存設備或系統的外殼的表面上。可選地，磁敏感感測單元被定位在到能源儲存設備的電連接處或定位成與所述能源儲存設備電連通。可選地，多個磁敏感感測單元包括第一組磁敏感感測單元和第二組磁敏感感測單元，第一組磁敏感感測單元與第二組磁敏感感測單元相比具有不同的空間分離，例如較大或較小的空間分離。這樣的構造有利地允許在本發明的系統和設備的制造中的靈活性。
[0031]可選地，本發明的設備、系統和方法利用傳感器信號和遠程系統之間的數據的無線傳輸，以允許處理模塊定位成遠離系統和/或傳感器。例如，一個特定的系統實施例還包括用于將傳感器信號無線地發送到遠程系統的電路。可選地，遠程系統包括用于處理傳感器信號以識別異常的處理模塊。
[0032]本發明的系統、方法和設備的各種實施例利用與能源儲存設備電連接的電傳感器，用于檢測由異常生成的電信號。例如，一種能源儲存系統實施例還包括電傳感器，其與至少一個能源儲存設備電連接，用于檢測由異常生成的電信號。可選地，傳感器包括定位在相應的多個不同位置的多個感測單元且電傳感器包括定位在相應的多個不同位置的多個電感測單元。
[0033]在一個實施例中，能源儲存系統還包括發射器單元，例如用于生成信號以感應傳感器信號的形成的發射器單元。在一個實施例中，發射器單元電連接到能源儲存設備，并且信號是電信號。可選地，發射器單元包括電磁輻射的發射器且信號包括電磁輻射。可選地，傳感器包括用于感測電磁輻射的至少一個感測單元且發射器單元包括一個或多個感測單元。例如，在一個實施例中，能源儲存系統還包括至少一個電感測單元，其與至少一個能源儲存設備電連接，用于測量能源儲存系統的電屬性。
[0034]在另一個方面，提供了另外的方法，用于檢測異常，例如在能源單元中的異常。這方面的一個具體的方法實施例包括步驟:將信號施加到能源單元；在能源單元內的相應的多個不同位置執行能源單元對信號的響應的多個測量；以及處理多個測量來識別異常。可選地，施加的步驟包括將電信號施加到能源單元。可選地，施加的步驟包括將電磁輻射施加到能源單元。在實施例中，執行多個測量的步驟是通過多個傳感器進行的且施加的步驟是通過多個傳感器中的至少一個執行的。
[0035]這方面的具體方法還包括對與異常相關聯的能源單元的至少一部分調用控制措施。可用于本發明的設備、系統和方法的控制措施包括，但不限于，使一個或多個能源單元脫機的措施，冷卻一個或多個能源單元的措施，排出一個或多個能源單元的措施以及對能源單元的一個或多個組件的控制措施。
[0036]可選地，對于這方面的某些方法實施例，執行多個測量的步驟包括:使用不同于多個傳感器、與能源單元的部分電連接的相應的多個傳感器對電屬性進行多個電測量。例如，在一個實施例中，執行多個測量的步驟還包括執行選自溫度、磁化率和壓力的組中的至少一個測量。
[0037]可選地，異常在異常發生之后在少于10毫秒內被識別出。
[0038]在各種實施例中，單元包括電能儲存系統、電化學能源儲存系統、電能利用系統、電化學能源利用系統、這些的任何多個或這些的任何組合。在具體的實施例中，能源單元包括電化學電池、電容器單元、超級電容器單元、液流電池、燃料電池、這些的任何多個或這些的任何組合中的一個或多個。在一個實施例中，能源單元包括多個電連接的能源儲存設備，多個電連接的能源儲存設備中的每一個包括電化學電池、電容器單元、超級電容器單元、液流電池和燃料電池中的至少一個。在示例性實施例中，能源單元包括車輛中的電池系統的至少一部分。
[0039]可選地，異常包括能源單元中的能源儲存設備的短路。可選地，異常包括能源單元中電連接的短路。可選地，異常包括能源單元的健康狀況的變化。
[0040]這方面的方法可選地包括在空間上定位異常。例如，在一個實施例中，處理的步驟包括在空間上定位異常。可選地，空間上定位的步驟包括利用有關能源單元的構造的信息，例如能源單元的組件的空間排列或能源單元的組件的配線構造。
[0041]在另一個實施例中，本發明提供了用于檢測能源單元中的異常的系統。這種系統的具體實施例包括用于將信號施加到能源單元的發射器單元；多個感測單元，用于對能源單元的電屬性執行相應的多個測量；以及用于處理多個測量以識別異常的處理模塊。可選地，多個感測單元包括多個電感測單元，電感測單元與能源單元電連接，用于測量能源單元的電屬性。例如，在一個實施例中，多個感測單元還包括用于感測電磁輻射的至少一個電磁感測單元。在一個實施例中，例如，多個感測單元包括用于感測電磁福射的至少一個電磁感測單元。在各種不同的實施例中，發射器單元是多個感測單元中的一個。
[0042]在一些實施例中，處理模塊包括處理器和指令，該指令當由處理器執行時用于分析多個測量來確定異常的位置。可選地，指令包括關于多個感測單元的構造和能源單元的構造中的至少一個的信息。
[0043]—個具體的系統實施方式還包括用于對能源單元的屬性執行第二測量的至少一個傳感器，所述屬性選自溫度、磁化率以及壓力的組，處理模塊包括用于處理所選第二測量和多個測量來識別異常的指令。
[0044]可選地，系統實施例還包括通信地耦合處理模塊的控制單元，用于至少部分地根據由處理模塊的異常識別來控制能源系統。在一個實施例中，例如，控制單元通信地耦合發射器單元，用于控制信號到能源單元的發送。
[0045]可選地，本發明的設備、系統和方法利用感測單元和處理模塊之間的數據的無線傳輸。例如，一個系統實施例還包括用于以無線方式從多個電感測單元中的至少一部分發射信號到處理模塊的電路。
[0046]在另一個實施例中，具有異常檢測能力的能源儲存系統包括用于從儲存的能源生成電力的多個能源儲存設備，所儲存的能源包括電能和化學能中的至少一個；用于接收電信號的接口 ；以及多個感測單元，其設置在能源儲存系統內的相應的多個不同位置，用于對能源儲存系統的屬性執行測量，所述測量指示對電信號的響應。在一個實施例中，例如，多個感測單元包括與多個能源儲存設備的至少一部分電連接的多個電感測單元，測量包括電測量，且能源儲存系統的屬性包括電屬性。可選地，多個電感測單元各自能夠獨立地測量電流、電壓和電阻中的至少一個。可選地，多個感測單元還包括用于感測電磁輻射的至少一個電磁感測單元。可選地，多個感測單元包括用于感測電磁輻射的多個電磁感測單元。
[0047]在一個實施例中，能源儲存系統包括用于車輛的電池。在一個實施例中，能源儲存設備包括一個或多個鋰離子電池。在一個實施例中，能源儲存設備包括一個或多個電解電池。在一個實施例中，能源儲存設備包括一個或多個電容器單元。在一個實施例中，能源儲存設備包括一個或多個超級電容器單元。
[0048]本發明還提供了另外的用于檢測在能源單元或能源系統或能源設備中的異常的方法。這方面的一種具體方法包括如下步驟:將能源單元、能源系統或能源設備暴露到電磁信號；以及測量由電磁信號在能源單元、能源系統或能源設備中感應出的電信號，從而檢測異