自適應電流-收集器電化學系統的制作方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電池，并且更具體地涉及電池控制系統。
【背景技術】
[0002]電池需要集中能量以便發揮其作用，不可控的釋放集中的能量會造成內在的安全風險。例如，在電動汽車(EV)中，電池系統的設計受從較低能量的電池化學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(BMS)監控和安全電路，再到車輛結構保護的螺旋式曲線緩解此風險的驅使。這些緩解層面對防護災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的，這會直接限制EV的商業可行性。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，發揮EV的全部潛力，電池單元必須被制成自給自足的，能本質上緩解其內在的風險。
【發明內容】
[0003]本發明涉及一種電池組件，所述電池組件包括電池和自適應電流-收集器電化學(ACE)系統，所述自適應電流-收集器電化學(ACE)系統通過控制電池的分立區中局部電流的流動的產生從而控制電池的操作(即在電池和負載電路之間的電流流動)。
[0004]根據本發明的第一方面，ACE系統利用間隔開的接觸墊，所述接觸墊以將每個接觸墊耦連到關聯的電池區的方式(即，使得在特定的分立電池區中產生的基本上所有的局部電池電流流過一個關聯的接觸墊)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，本發明便于分別控制每個電池區中的局部電流流動。
[0005]根據本發明的第二方面，ACE系統包括晶體管的陣列和關聯的控制電路，所述關聯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。每個晶體管具有:連接到關聯的接觸墊的第一(例如漏極或發射極)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送的關聯的控制電壓。通過調節(例如增大或降低)施加到每個晶體管上的控制電壓，ACE系統控制從每個接觸墊流向電流收集襯底的局部電流部分。因為流過每個接觸墊的電流只源于一個分立電池區，所以此布置便于局部控制電池操作。具體地，通過控制經過關聯的接觸墊耦連到特定的分立電池區的晶體管的操作狀態，在特定的分立電池區中生成的局部電池電流的量被增大、減小或關斷。本發明因此提供自給自足的電池管理，既優化了電池操作，又通過允許局部故障的電池區被關斷，防止在一個電池區中的局部故障產生災難性的總電池故障。
[0006]根據本發明的第三方面，ACE系統利用傳感器的陣列來測量在每個分立電池區中的局部電池操作參數，控制電路處理傳感器數據，并根據測量的操作參數控制晶體管，使得電池操作被優化。在一個實施例中，電流傳感器和溫度傳感器被用來測量每個分立電池區中的局部操作參數(例如，流過特定的分立電池區的電流的量，和特定的分立電池區的溫度)，并用來生成具有根據這些測量的局部操作參數確定的值的關聯的傳感器信號。在“獨立(stand-alone) ”控制電路實施例中，使用多個“局部”控制電路，使得每個控制電路接收只為一個關聯的分立電池區生成的傳感器信號，將傳感器信號與存儲的目標值進行比較，生成控制關聯的電流控制晶體管的關聯的晶體管控制電壓。此“獨立”控制邏輯方案的好處是此方法便于實現成本有效的可擴展的電池控制系統，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) ”實施例中，中央控制器接收并處理來自所有傳感器的數據，向每個電流控制晶體管發送關聯的晶體管控制電壓。盡管“中央控制器”的實施例需要限制可擴展性的附加開銷(例如總線)，但此方法便于實現協調的電池控制策略，這是使用獨立方法不能實現的，諸如提高健康的電池區中的電流生成，同時降低在故障或有問題的電池區中的電流生成以維持最佳的電池輸出。
【附圖說明】
[0007]關于以下描述、所附權利要求書和附圖，本發明的這些和其它特征、方面和優點將變得更好理解，在附圖中:
[0008]圖1是示出包括根據本發明的一個實施例的ACE系統的電池組件的簡化圖；
[0009]圖2㈧和2(B)是示出包括根據本發明的另一實施例的ACE系統的電池組件的局部視圖；
[0010]圖3㈧和3(B)是示出包括根據本發明的另一實施例的ACE系統的電池組件的局部視圖；
[0011]圖4㈧和4(B)是示出包括根據本發明的另一實施例的ACE系統的電池組件的局部視圖；
[0012]圖5㈧和5(B)是示出包括根據本發明的另一實施例的ACE系統的電池組件的局部視圖；
[0013]圖6(A)是示出包括根據本發明的另一實施例的ACE系統的電池組件的分解透視圖；
[0014]圖6⑶是示出圖6 (A)的ACE系統的一部分的放大局部分解透視圖；
[0015]圖7是示出根據本發明的另一實施例的ACE系統的簡化框圖；
[0016]圖8是示出包括圖7的ACE系統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系統的電池組件在第三操作周期的透視圖。
【具體實施方式】
[0019]本發明涉及電池控制系統的改進。呈現以下描述以使得本領域技術人員能夠制造和使用如在具體應用和其需求背景下的本發明。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位置，不想要指定絕對的參考框架。在本文中使用的詞語“耦連”和“連接到”根據下文定義。詞語“連接到”用來描述兩個電路元件之間的直接連接，例如通過根據常規集成電路制造技術形成的金屬線。相反，詞語“耦連”用來描述兩個電路元件之間的直接連接或間接連接。例如，兩個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。對優選實施例的各種變型對本領域技術人員是顯然的，本文中定義的總原則可以適用其它實施例。因此，本發明不想要局限于圖示和描述的具體實施例，而想給予本發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描繪了根據本發明的一般實施例用于向外部負載(未顯示)供應負載電流Cload的電池組件100，這里，電池組件100大致包括電池101和自適應電流-收集器電化學(ACE)系統 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之間產生局部電流Cll至C32，其中，每個局部電流在電池101的關聯區中的陽極102和陰極103之間產生。電池101不局限于具體的電池類型，優選是可充電的(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大的電極接觸區配置(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包括在整個電極接觸區上連續(沒有物理分離)的結構)。如下文解釋的，大的接觸區配置便于控制大致由虛線描繪的分立電池區101-1、101-2和101-3。在操作中，電流(由兩個虛線箭頭描繪)產生，或者另外的根據已知的電池技術在陽極102和陰極103之間流動。出于描述性目的，每個電池區101-1至101-3中的局部電流由通過關聯的虛線橢圓的兩個虛線箭頭標識(例如，局部電流Cll和C12在關聯的電池區101-1中產生，局部電流C21和C22在關聯的電池區101-2中產生，局部電流C31和C32在關聯的電池區101-3中產生)。在每個電池區中使用兩個虛線箭頭描繪局部電流只想要指示電流在每個電池區的基本所有部分中產生。
[0022]根據本發明的第一方面，ACE系統110包括間隔開的接觸墊(電流收集器)115_1、115-2和115-3，他們以將每個接觸墊115-1至115-3耦連到關聯的電池區101-1至101-3的方式附連到電池101的電極。在圖1所示的實施例中，接觸墊115-1至115-3是導電(例如鋁或其它金屬)結構，設置在(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101-1至101-3中產生的關聯的局部電流相應地流過接觸墊115-1至115-3。具體地，接觸墊115-1設置于分立的電池區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設置于分立的電池區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設置于分立電池區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。因此，在每個電池區101-1至101-3中產生的局部電池電流分別基本上完全只流過一個關聯的接觸墊115-1至115-3。如本文中使用的“基本上完全”意味著在電池區的周圍邊界區產生的電流部分可以流向兩個相鄰的接觸墊中的任何一個，但在每個電池區的內部區域中產生的所有電流部分只流向一個接觸墊)。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