电池安全检测装置、电池安全管理系统及器件的制作方法

1.本公开提供了一种电池安全检测装置、电池安全管理系统及器件。


背景技术：

2.诸如锂电池等的可充电电池已经广泛地应用到各个领域，例如电动汽车、便携工具、通信工具等等。可充电电池在使用过程中将会随着老化而发生形变，如果形变严重，则会造成可充电电池的爆炸。
3.因此，电池的形变检测变得尤为重要，目前的电池形变检测方式有压电检测、电容检测等各种方式，因此，提供一种简便且有效地检测方式并且对检测信号进行处理尤为重要。在检测过程中，尤其在电容检测方式中，由于在电容检测电极之间将会不可避免地出现干扰，将会影响检测精度，因此在本公开中提供了一种消除干扰的高精度检测方式。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种电池安全检测装置、电池安全管理系统及器件。
5.根据一个方面，一种电池安全检测装置，包括：
6.电容极板部，所述电容极板部设置在电池/电池包的内表面或者外表面或者外侧，当所述电池/电池包发生形状变化时，所述电容极板部也发生相应的形状变化，从而导致所述电容极板部的感应电容发生变化，所述感应电容为电容极板部的自电容或互电容；
7.激励电路，所述激励电路用于向所述电容极板部施加激励电压，并且所述电容极板部的感应电容形成相应的感应电压；
8.检测电路，所述检测电路包括检测电容，并且所述检测电容能够接收所述感应电容所形成的感应电压；以及
9.控制开关，所述控制开关被控制为在第一检测阶段，通过激励电路向所述感应电容施加电压，以便对所述感应电容进行充电，在第二检测阶段，通过所述检测电容接收所述感应电容所形成的感应电压。
10.根据本公开的至少一个实施方式，所述控制开关包括第一开关和第二开关，所述第一开关连接在所述激励电压与所述感应电容之间，所述第二开关连接所述检测电容和所述感应电容之间。
11.根据本公开的至少一个实施方式，在第一检测阶段，所述第一开关导通而第二开关断开，在第二检测阶段，所述第一开关断开而所述第二开关导通。
12.根据本公开的至少一个实施方式，所述检测电路还包括运算放大器/比较器，所述运算放大器/比较器用于输出与所述检测电容的电压值相关的输出值。
13.根据本公开的至少一个实施方式，所述检测电容连接在所述运算放大器/比较器的第一输入端和输出端之间；或者
14.所述检测电容连接在所述第二开关和接地电压之间。
15.根据本公开的至少一个实施方式，所述检测电容的两端并联有重置开关以便对检测电容进行放电，并且在第一检测阶段，所述重置开关导通，在第二检测阶段，所述重置开关断开。
16.根据本公开的至少一个实施方式，所述电池安全检测装置还包括屏蔽极板部，以便消除电容极板部所受到的干扰。
17.根据本公开的至少一个实施方式，所述屏蔽极板部通过第一屏蔽开关连接至所述激励电压，并且通过第二屏蔽开关连接至重置电压，在第一检测阶段，所述第一屏蔽开关导通而第二屏蔽开关断开，在第二检测阶段，所述第一屏蔽开关断开而第二屏蔽开关导通。
18.根据本公开的至少一个实施方式，在所述检测电容连接在所述运算放大器/比较器的第一输入端和输出端之间的情况下，所述运算放大器/比较器的第二输入端连接重置电压。
19.根据本公开的至少一个实施方式，在所述检测电容连接在所述第二开关和接地电压之间的情况下，所述控制开关还包括第三开关，并且所述第三开关连接在所述运算放大器/比较器的第一输入端和所述检测电容之间，并且在第三检测阶段，所述第三开关导通，并且将所述检测电容的电压值输入至所述运算放大器/比较器的第一输入端。
20.根据本公开的至少一个实施方式，所述运算放大器/比较器的第二输入端连接阈值电压，并且所述运算放大器/比较器用于比较所述检测电容的电压值与阈值电压。
21.根据本公开的至少一个实施方式，所述运算放大器/比较器的数量为多个，并且每个运算放大器/比较器的第二输入端连接不同的阈值电压，将检测电容的电压值与不同的阈值电压进行比较，从而确定运算放大器/比较器的阈值电压范围。
22.根据本公开的至少一个实施方式，所述电容极板部的形状分别为圆形、椭圆形、正方形、长方形、菱形、和/或三角形。
23.根据另一方面，所述电池安全管理器件集成有如上任一项所述的电池安全检测装置的激励电路、检测电路和控制开关。
24.根据另一方面，一种电池安全管理系统，包括：
25.如上任一项所述的电池安全检测装置；以及
26.所述电容极板部，所述电容极板部设置在所述电池/电池包的外表面或者所述电池/电池包的内表面或者与所述电池/电池包间隔开一定距离设置，
27.其中，所述电池安全检测装置通过测量所述电容极板部的感应电压来得到所述电池/电池包的形状变化量。
28.根据本公开的至少一个实施方式，所述电容极板部包括第一电容极板部和第二电容极板部，所述第一电容极板部和第二电容极板部间隔预定距离进行设置，当所述电池/电池包发生形状变化时，所述第一电容极板部和所述第二电容极板部之间的互电容发生变化。
29.根据本公开的至少一个实施方式，所述电池安全检测装置通过测量所述电容极板部的自电容的感应电压来得到所述电池/电池包的形状变化量。
30.根据本公开的至少一个实施方式，还包括过压保护单元，所述过压保护单元根据所述电池/电池包的形状变化量来调整过压阈值。
31.根据本公开的至少一个实施方式，还包括过流保护单元，所述过流保护单元根据
所述电池/电池包的形状变化量来调整过流阈值。
32.根据本公开的至少一个实施方式，还包括电量计算单元，所述电量计算单元根据所述电池/电池包的形状变化量来计算所述电池/电池包的电量。
33.根据本公开的至少一个实施方式，还包括更新单元，所述更新单元根据所述电池/电池包的形状变化量来更新电池模型的参数。
附图说明
34.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
35.图1示出了根据本公开的一个实施例的电容极板部的示意图。
36.图2示出了根据本公开的一个实施例的电容极板部的示意图。
37.图3示出了根据本公开的一个实施例的电容极板部的示意图。
38.图4示出了根据本公开的一个实施例的电容极板部的示意图。
39.图5示出了根据本公开的一个实施例的电容极板部的示意图。
40.图6示出了根据本公开的一个实施例的电池安全检测装置的示意图。
41.图7示出了根据本公开的一个实施例的电池安全检测装置的示意图。
42.图8示出了根据本公开的一个实施例的电池安全检测装置的示意图。
43.图9示出了根据本公开的一个实施例的电池安全管理器件/系统的示意图。
具体实施方式
44.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
45.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
46.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
47.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
48.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以
存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
49.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，如在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
50.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
51.本公开提供了一种电池安全检测装置，其中该电池安全检测装置至少可以用于检测电池单元的形变，其中该形变可以是由于电池鼓包型形变，也可以是电池收到外部挤压后所形成的形变。外部挤压的原因例如可以包括碰撞、或者因为加速度等。
52.在电动汽车、电动工具、便携设备等中使用的可充电电池通常包括多个电池，该多个电池被连接来提供供电电压。
53.在下面的实施例中，将以设置在两个相邻电池之间的电池安全检测装置为例进行说明。
54.图1示出了根据本公开的一个实施例的电池安全检测装置的示意图。电池安全检测装置设置在两个电池111、112之间，电池安全检测装置可以包括第一极板部121和第二极板部122、第三极板部131和第四极板部132、以及屏蔽极板部140。
55.在屏蔽极板部140的两侧设置第一极板部121和第二极板部122、第三极板部131和第四极板部132。其中第一极板部121和第二极板部122可以用于检测第一电池111的形变，而第三极板部131和第四极板部132可以用于检测第二电池112的形变，屏蔽极板部140设置在中间，可以用于屏蔽第一极板部121和第二极板部122、和第三极板部131和第四极板部132之间的干扰，从而可以减小两组极板部之间干扰所带来的测量误差，从而有效地降低杂散电容等。
56.第一至第四极板部可以包括一个或多个电极。在图1的实施例中，各极板部分别包括一个电极。
57.第一至第四极板部与屏蔽极板部的形状基本一致，并且沿着电池表面延伸。第二极板部和第四极板部与电池表面之间还可以包括绝缘层，并且可以通过该绝缘层设置在电
池表面上。
58.第一极板部可以作为激励信号的电极，第二极板部可以作为检测电荷变化的电极；第三极板部可以作为激励信号的电极，第四极板部可以作为检测电荷变化的电极。或者第二极板部可以作为激励信号的电极，第一极板部可以作为检测电荷变化的电极；第四极板部可以作为激励信号的电极，第三极板部可以作为检测电荷变化的电极。
59.由于第二极板部和第四极板部贴附在电池的表面(可以是内表面也可以是外表面)，当电池发生形变时，第二极板部和第四极板部将会相应地变形，这样第一极板部和第二极板部之间形成的感应电容将会发生变化，第三极板部和第四极板部之间形成的感应电容也将会发生变化。
60.在图1中，第一至第四极板部示出了均为一个电极的情况。但是根据本公开的思路，第一至第四极板部可以为任意合适的形状，例如图2所示的条状、图3所示的条状 平板状的组合、图4所示的块状 平板状的组合等等。电极(第一至第四极板部)的形状可以为正方形，但是其形状也可以是长方形、菱形、三角形、梯形、t形、圆形、椭圆形等。
61.在图1中示出了，对于第一电池111，通过第一极板部121和第二极板部122之间的形状变化导致的感应电容的变化来检测第一电池的形变，通过第三极板部131和第四极板部132之间的形状变化导致的感应电容的变化来检测第一电池的形变。这样，对于每个电池，相当于检测两个极板部之间的互电容来检测电池的形变。
62.在图2中示出了，第一屏蔽极板部241设置在第一电池211的表面，第二屏蔽极板部242设置在第二电池212的表面。这样通过第一屏蔽极板部241来屏蔽第一电池211表面的导电材料所引起的干扰，通过第二屏蔽极板部242来屏蔽第二电池212表面的导电材料所引起的干扰。例如，电池表面可能通过铝箔等金属材料进行包装，对于铝箔等导电材料将会对感应电容的测量产生干扰作用。
63.在图1中，分别通过两个极板部来测量两个电池的形变，在图2中，通过两个极板部220和230来测量两个电池的形变(也就是两个电池的相对的形状变化)。
64.虽然在图中所示的实施方式中，均是采用互电容的方式来检测形变，但是也可以采用自电容的方式来进行检测，例如可以通过单个电极自身电容变化传输电荷，该单个电极的一端可以接激励或者采样电路，而另一端可以接地。这样可以通过电池的形状变化导致电极自电容的变化来实现形变的检测。此外，也可以采用自电容和互电容组合的方式来进行测量。
65.此外，如图5所示，也可以在两个极板部的各个电极之间设置屏蔽极板部，从而防止各个相邻电极之间的相互干扰，这样可以更准确地对形变进行相应的测量。
66.在图1至图5中，屏蔽极板部示出了为连续的形状，但是根据本公开，其可以设置为分离的形状，也就是都相应的电极采用相应的屏蔽极板部。
67.图6示出了根据本公开的一个实施例的检测电路的示意图。在图6的实施例中示出了包括一个屏蔽极板部的情况。
68.当施加激励之后，因为极板的自电容(一个极板，进行激励，然后根据该极板的自电容所产生的电压，之后采集该电压)或者互电容(例如第一极板部和第二极板部之间的互电容，一个极板部施加激励，而另一个极板部作为检测电极，通过两个极板部之间的互电容所产生的电压来对形变进行检测)。
69.在本公开中，在不采用屏蔽极板部的情况下，同样可以实现对感应电容c的电压的采集。在设置屏蔽极板部的情况下，可以有效地提高检测精度。
70.首先说明在不采用屏蔽极板部的情况。如图6所示，检测电路可以包括第一开关s61、第二开关s62、检测电容c1和运算放大器/比较器cp61。
71.在第一检测阶段，第一开关s61闭合，第二开关s62断开，这样激励电压v1(高电压)将会施加至感应电容c(互电容或自电容)。当激励电压v1施加完毕之后，实施第二检测阶段，断开第一开关s61并且闭合第二开关s62，这样感应电容c的电压将会被转移到检测电容c1上。转移完毕之后，运算放大器/比较器cp61可以对检测电容c1的电压与重置电压v2进行比较，这样将会完成感应电容c的电压的检测，从而根据该检测可以得到感应电容c的电容值。并且如果在电池发生变形后，由于极板也发生变形，并且极板之间的距离与感应电容值成反比，也就是距离越小，感应电容值越大。这样，可以通过运算放大器/比较器cp61的输出来得到极板之间的距离，从而得到电池的形变量。
72.此外，在检测电容的两端可以连接放电开关s63，该放电开关在第一检测阶段可以进行闭合，从而对检测电容c1进行放电，并且在第二检测阶段可以断开。
73.在图6中示出了，检测电容c1连接在运算放大器/比较器cp61的第一输入端和输出端之间，并且重置电压v2连接运算放大器/比较器cp61的第二输入端。但是检测电容c1的连接方式也可以如图8所示的方式，例如检测电容c81可以通过开关s82连接至感应电容c，并且通过开关s83连接到运算放大器/比较器cp81的第一输入端，并且运算放大器/比较器cp81的第二输入端连接重置电压v2。
74.对于图8的连接方式，在第一检测阶段可以闭合开关s81且断开开关s82和s83，并且在第二检测阶段，可以断开开关s81且闭合开关s82，在第三检测阶段，可以断开开关s81和s82并且闭合开关s83。
75.在包括屏蔽极板部的情况下，根据图6的实施例，可以采用以下连接方式及控制方式。
76.在第一检测阶段，闭合第一开关s61和第五开关s65且断开开关s62(也可以闭合开关s64)，这样将会通过激励电压v1向感应电容c和屏蔽极板部j61进行充电。通过同时对感应电容c和屏蔽极板部j61进行充电，因此感应电容c可以有效地避免来自其他导电体的干扰，从而避免对感应电容c的电容值产生影响。
77.当充电完成之后，则进行第二检测阶段，在第二检测阶段，断开第一开关s61且闭合第二开关s62(第三开关s63断开)，这样感应电容c的电压将会转移至检测电容c1，当转移完成之后，运算放大器/比较器cp61比较重置电压v2和检测电容c1的电压值。此外，重置电压v2可以为接地电压，在接地电压的情况下，运算放大器/比较器cp61的输出将会直接反映检测电容c1的电压值。尤其需要注意的是，在第二检测阶段，还断开第五开关s65并且闭合第四开关s64，这样可以对屏蔽极板部j61进行放电，这样在电压从感应电容c转移到检测电容c2的过程中，将会有效地比较其他导电体的干扰。其中第四开关s64可以连接到重置电压v2，重置电压v2可以为接地电压。
78.在图7中示出了两个屏蔽极板部控制的情况。其中第一屏蔽极板部j71通过开关s75连接到重置电压v2，第二屏蔽极板部j72通过开关s74连接到重置电压v2，第一屏蔽极板部j71通过开关s76连接到激励电压v1，第二屏蔽极板部j72通过开关s77连接到激励电压
v1。
79.感应电容c通过开关s71连接到激励电压v1，并且感应电容c通过开关s72连接到运算放大器/比较器cp71的第一输入端，运算放大器/比较器cp71的第二输入端连接重置电压v2，并且运算放大器/比较器cp71的第一输入端和输出端之间连接检测电容c71,检测电容c71的两端可以并联开关s73。
80.在第一检测阶段，闭合开关s71、s76、s77，断开开关s72、s75、s74(也可以同时闭合开关s73)，这样可以对第一和第二屏蔽极板部进行充电，同时可以对感应电容c进行充电，在充电完成后，感应电容c的电压将会等于电压v1。在充电完成后则进行第二检测阶段，在第二检测阶段，断开开关s71、s76、s77，闭合开关s72、s75、s74(也可以同时断开开关s73)。在第二检测阶段，感应电容c的电压将会转移到检测电容c71上。并且通过运算放大器/比较器cp71的输出来检测电容c71的电压。
81.在图7的实施例中，重置电压v2可以是接地电压，此外，cp71连接的重置电压也可以与屏蔽极板部连接的重置电压不同，例如cp71连接的重置电压可以是其他电压值的阈值电压。
82.根据图7所实现的技术效果与图6的实施例相同，不再赘述。
83.在图8中示出了两个屏蔽极板部控制的情况。其中第一屏蔽极板部j81通过开关s86连接到重置电压v2，第二屏蔽极板部j82通过开关s85连接到重置电压v2，第一屏蔽极板部j81通过开关s87连接到激励电压v1，第二屏蔽极板部j82通过开关s88连接到激励电压v1。
84.感应电容c通过开关s81连接到激励电压v1，并且感应电容c通过开关s82和开关s83连接到运算放大器/比较器cp81的第一输入端，运算放大器/比较器cp81的第二输入端连接重置电压v2，检测电容c81的一端可以连接至开关s82和开关s83的连接点，另一端可以连接至重置电压v2。检测电容c81的两端可以并联开关s84。
85.在第一检测阶段，闭合开关s81、s87、s88，断开开关s86、s85、s82(也可以同时闭合开关s84，也可以断开开关s83)，这样可以对第一和第二屏蔽极板部进行充电，同时可以对感应电容c进行充电，在充电完成后，感应电容c的电压将会等于电压v1。在充电完成后则进行第二检测阶段，在第二检测阶段，断开开关s81、s87、s88，闭合开关s86、s85、s82(也可以同时断开开关s84，也可以断开开关s83)。在第二检测阶段，感应电容c的电压将会转移到检测电容c81上。在第三检测阶段，可以闭合开关s83，而其他开关断开，这样通过运算放大器/比较器cp81比较检测电容c81的电压和阈值电压v3来进行输出。其中在图8实施的实施例中，可以包括多个运算放大器/比较器，并且对应多个阈值电压，通过依次比较检测电容c81的电压和不同的阈值电压来得到检测电容c81的电压值。
86.在图8的实施例中，重置电压v2可以是接地电压。根据图8所实现的技术效果与图6的实施例相同，不再赘述。
87.另外，在本公开中，还可以包括反馈电路，该反馈电路可以接收运算放大器/比较器的输出信号，并且根据输出信号来调整检测电容的电压。
88.例如，在检测电容的电压与阈值阈值电压进行比较的情况下，如果小于阈值电压，运算放大器/比较器输出低电压信号，这时可以通过反馈电路提高检测电容的电压，直至运算放大器/比较器的输出翻转为高电压信号。其中提高检测电容电压的过程可以通过多次
来实现，每次提高预设电压，这样可以根据翻转时刻和施加预设电压的次数以及预设电压值，可以准确地得到检测电容的电压值。例如，在检测电容电压为8v的情况下，阈值电压为10v，这样通过向检测电容施加两次1v的预设电压，使得检测电容电压为10v，这样运算放大器/比较器的输出将翻转为高电压信号1。根据次数及预设电压1v，则可以准确地得到检测电容电压为8v。基于同样的道理，如果大于等于阈值电压，运算放大器/比较器输出高电压信号，可以采用降低检测电容电压的方式来得到准确的检测电容电压。
89.图9示出了根据本公开提供的电池安全管理系统/器件，其中电池安全管理系统/器件可以包括检测电路(如上所述)，并且还可以包括模数转换电路用于将检测电路的输出转换为数字信号，还可以包括滤波器(低通或非线性滤波器)，滤波器的输出可以连接处理器，其中处理器可以包括过压保护单元、过流保护单元、电量计算单元、更新单元。
90.过压保护单元可以根据电池的形变量来计算电池的过压阈值。过流保护单元可以根据电池的形变量来计算电池的过流阈值。电量计算单元可以根据电池的形变量来计算电池的电量。更新单元可以根据电池的形变量来计算电池模型的相关更新参数，并且进行更新。
91.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
92.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
93.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。