采用力感测电阻器（FSR）压力传感器的汽车牵引电池的热失控检测的制作方法

采用力感测电阻器(fsr)压力传感器的汽车牵引电池的热失控检测
技术领域
1.本发明涉及一种用于检测可再充电汽车牵引电池(battery)中的热失控状况的检测装置和包括这种检测装置的封闭式汽车牵引电池外壳。


背景技术：

2.在机动车辆技术领域中，已知机动车辆包括驱动器，该驱动器包括具有电动机的电传动系，该电动机可以通过由电能源产生的电流来操作。电能源可以设计为电化学能量存储装置，例如设计为至少一个可再充电电池，通常有些不准确地称为牵引电池。
3.这种汽车车辆可以设计为专门采用电动机进行推进的电池电动车辆(bev)、包括内燃机和电推进系统的混合动力电动车辆(hev)、或包括内燃机和可通过将插头连接到电网进行再充电的牵引电池的插电式混合动力车辆(phev)。这些汽车车辆的共同特征是具有允许车辆的可接受范围的(安培小时)容量的可再充电牵引电池。
4.由于可再充电电池中可以存储的能量的量，存在增加的安全要求以防止存储的能量的量突然释放。因此，在任何烟雾或火到达车厢内部之前，能够检测到电池组内部是否开始热失控是至关重要的。
5.已知热失控是可再充电牵引电池的最严重的故障模式之一。例如，细节在koch、sascha等人的“fast thermal runaway detection for lithium-ion cells in large scale traction batteries.”(batteries 2018,4(2),16；doi:10.3390/batteries 4020016)中进行了描述。大尺度锂离子电池内的单电池芯(cell)热失控是众所周知的风险，如果在当今用于电池电动车辆(bev)、插电式混合动力电动车辆(phev)和混合动力电动车辆(hev)的锂离子牵引电池中不采取应对措施，该风险可能会导致危急情况。联合国已发布了关于电动车辆安全(gtr evs)的全球技术法规草案，该草案描述了在热失控情况下警告乘客的安全特征。因此，快速且可靠地检测锂离子电池内发生热失控的故障电池芯是实现全面乘客安全的电池设计的关键因素。
6.基于所确定的电池芯热失控影响选择了一组各种可能的传感器。这些传感器已经在不同尺寸的电池装置中进行了测试，并就他们的快速且可靠的热失控检测能力以及它们用于牵引电池的可行性进行了比较。选择的传感器是：电压传感器、气体传感器、烟雾探测器、蠕变距离传感器(其对布置在其表面上的焊盘的污染敏感)、温度传感器、压力传感器(放置在电池的电池芯上，并测量2kpa≤p
sens
≤304kpa的范围内的绝对压力以确定由于单电池芯产生气体引起的电池内部压力的升高)；以及具有0n≤f
sens
≤445n的范围的单点薄膜压阻力传感器，其用于测量因电池芯膨胀引起的热失控电池芯与相邻部件/电池芯之间的力。


技术实现要素：

7.本发明的目的
8.因此，本发明的目的是提供一种低复杂度的检测装置，其能够优选地在早期阶段，例如在车辆内部有明显的火或烟雾爆发之前，检测汽车车辆的可再充电牵引电池中的热失控状况。
9.本发明的总体描述
10.在本发明的一个方面，该目的通过一种用于检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的检测装置来实现。该汽车牵引电池包括用于容纳至少多个可再充电电化学能量电池芯的封闭式牵引电池外壳。该检测装置包括力感测电阻器，该力感测电阻器包括：被间隔体构件隔开并限定力敏感区域的至少两个柔性基板；以及连接力感测电阻器的排气出口和两个基板之间的空间的排气管。如果力感测电阻器位于牵引电池外壳内部，则排气出口能够流体连接到牵引电池外壳的外部。如果力感测电阻器位于牵引电池外壳外部，则至少一个柔性基板能够可操作地连接到牵引电池外壳的内部空间。
11.本专利申请中使用的术语“汽车”应特别理解为适用于包括客车、卡车、半挂卡车和公共汽车的车辆。本专利申请中使用的术语“封闭式牵引电池外壳”应特别理解为如下外壳：其向外壳的外部空间的流体泄漏足够低，以对于在热失控状况下预期的气体产生率，允许外壳的内部空间中的压力增大。本专利申请中使用的术语“可操作地连接”应特别理解为表示可操作地连接的物体以力可以在物体之间传递的方式彼此连接。力的传递既可以通过直接接触进行，也可以通过至少一个中间元件间接进行。
12.在典型的fsr中，如本技术中所预期的，糊状感测膜可以夹在被聚合物膜覆盖的两个导电电极之间。当对感测膜施加预定力时，电极之间的电阻会急剧下降。可以由可操作地耦合到fsr传感器的控制电路或电阻检测电路来检测和/或测量电阻的这种变化或下降。可操作地耦合到fsr传感器的控制电路或电阻检测电路可以优选地布置在电池外壳的外部并且通过适当的连接线耦合到fsr传感器。
13.由于对精度和信号漂移的要求低，所以在所提出的检测装置中采用fsr允许提供一种低复杂度的检测装置，用于在早期阶段检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况。此外，可以使用相对简单的电子设备来评估来自fsr的信号，这可以将硬件工作量保持在较低水平。
14.在优选实施例中，检测装置还包括具有两个端部的流体连接构件。如果力感测电阻器位于牵引电池外壳内部，则端部中的一个端部流体连接到排气出口，并且端部中的另一端部被配置为将排气出口流体连接到牵引电池外壳的外部空间。如果力感测电阻器位于牵引电池外壳的外部，则流体连接构件的端部中的一个端部与牵引电池外壳的内部空间流体连接，而端部中的另一个端部与柔性基板之一或具有与柔性基板之一相邻布置的柔性壁的腔室流体连接。本技术中使用的短语“被配置为”，应特别理解为被特定布局、设置或布置。通过使用流体连接构件，fsr可以根据特定应用定位并在各种位置适当地实现其预期功能。
15.优选地，通风管由间隔体构件限定。通过使用具有双重功能的间隔体构件，fsr的设计可以保持简单。
16.在检测装置的优选实施例中，力感测电阻器的柔性基板之一被配置为能够布置成与牵引电池外壳的内壁的部分接触。以此方式，牵引电池外壳的内壁可用作支撑fsr的支座，并在发生热失控状况时，在fsr上产生牵引电池外壳内部的压力增大的限定和定向效
果。
17.优选地，检测装置还包括均压排气口，该均压排气口布置在通风管和牵引电池外壳的外部空间之间的流体路径内。均压排气口可将fsr的两个基板之间的空间保持在当前大气体压力下，并可防止误报(false positive)，误报否则可能由大气压力的变化产生，诸如在上升到高海拔期间或通过温度的快速变化可能发生的。
18.在本发明的另一方面，提供了一种封闭式汽车牵引电池外壳，其限定内部空间，该内部空间被配置为容纳至少多个可再充电的电化学能量电池芯。牵引电池外壳包括于此公开的检测装置的实施例。如果力感测电阻器位于牵引电池外壳内部，则排气出口流体连接到牵引电池外壳的外部。如果力感测电阻器位于牵引电池外壳的外部，则至少一个柔性基板可操作地连接到牵引电池外壳的内部空间。
19.结合根据本发明的检测装置描述的益处完全适用于所提出的汽车牵引电池外壳。
20.在汽车牵引电池外壳的优选实施例中，流体连接构件包括管道，该管道以密封方式固定连接到牵引电池外壳。以此方式，根据具体应用，fsr可以安置在牵引电池外壳内部或外部，这可以提供大的设计自由度。
21.优选地，汽车牵引电池外壳还包括通孔和插塞构件，插塞构件与通孔相适配，并且被配置为附接至牵引电池外壳以以密封方式覆盖通孔。插塞构件限定腔，该腔包括在安装状态下面向牵引电池外壳的内部空间的开口，并且该腔还包括在腔的顶侧处的平坦表面。力感测电阻器的柔性基板之一与平坦表面机械接触。插塞构件从牵引电池外壳突出到外部空间，以便允许设计为插塞构件的横向表面中的通孔的流体连接构件在排气出口和牵引电池外壳的外部空间之间建立流体连接。
22.检测装置的该实施例使得能够实现特别紧凑、鲁棒且易于维护的设计。
23.优选地，牵引电池外壳通孔设有螺纹，并且插塞构件为圆柱形的，其具有与通孔的螺纹相对应的外螺纹。通过这种方式，可以提供对fsr的轻松访问，以容许提高制造商可能需要的可维护性。
24.在如前所述的包括通孔和插塞构件的汽车牵引电池外壳的优选实施例中，力感测电阻器的敏感区域具有适配于插塞构件的平坦表面的尺寸的圆形形状。以此方式，可以对于满足现有空间限制的插塞构件的给定尺寸，实现用于检测热失控状况的最佳灵敏度。
25.参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并被阐明。
26.应当指出，在前面的描述中单独详述的特征和措施可以以任何技术上有意义的方式彼此组合并且示出本发明的进一步的实施例。说明书特别结合附图来特征化和详细说明本发明。
附图说明
27.本发明的进一步细节和优点将从参考附图的非限制性实施例的以下详细描述变得明显，其中：
28.图1示意性地示出了封闭式汽车牵引电池外壳，该外壳具有根据本发明的检测装置的实施例，该检测装置在截面正视图中处于安装状态；
29.图2示出了根据图1的检测装置的示意性详细截面侧视图；
30.图3是根据图2的检测装置的示意性详细视图；
31.图4示意性地示出了根据图1的封闭式汽车牵引电池外壳，该外壳具有根据本发明的检测装置的替代实施例，该检测装置在截面正视图中处于安装状态；
32.图5示出了根据图4的检测装置的示意性详细截面侧视图；
33.图6是根据图5的检测装置的示意性详细视图；
34.图7示意性地示出了封闭式汽车牵引电池外壳的替代实施例，该外壳具有根据本发明的检测装置的另一替代实施例，该检测装置在截面正视图中处于安装状态；以及
35.图8是根据图7的检测装置的示意性详细视图。
36.在不同的图中，相同的部分总是分别提供有相同的参考符号或数字。因此，它们通常只被描述一次。
具体实施方式
37.图1示意性地示出了封闭式汽车牵引电池外壳10，该外壳具有根据本发明的检测装置的可能的实施例，该检测装置在截面正视图中处于安装状态。
38.牵引电池外壳10限定内部空间18，该内部空间18被配置用于容纳未在图1中示出的多个可再充电电化学能量电池芯。电化学能量电池芯可以形成锂离子电池(蓄电池(accumulator))。牵引电池外壳10在如下意义上是封闭式的：在至少一个电化学能量电池芯的热失控状况下预期的气体产生速率下，牵引电池外壳10到外部空间20的流体泄漏足够低，以容许牵引电池外壳10的内部空间18中的压力增大。
39.牵引电池外壳10可以至少主要部分由金属片制成(例如注射铝的侧壁)、由纤维增强塑料(例如玻璃纤维增强塑料)制成、或者由那些材料的组合制成。牵引电池外壳10包括侧壁12、盖板14和底板16。
40.牵引电池外壳10设有用于检测可再充电汽车牵引电池中的热失控状况的检测装置100。检测装置100包括位于牵引电池外壳10外部的力感测电阻器(fsr)22。fsr 22可包括两个柔性基板24，两个柔性基板24由间隔体构件26隔开并限定力敏感区域(图3)。该组件可以封装导电墨层。fsr22可以包括两组导电线，该两组导电线彼此电绝缘并且附接至两个柔性基板24中的至少一个。当力施加到fsr 22时，导电墨层在两组导电线之间建立导电路径，导致电阻减小。可以由可操作地耦合到fsr传感器的控制电路或电阻检测电路来检测和/或测量电阻的这种变化或减小。
41.fsr 22还包括由间隔体构件26限定的通风管。通风管连接fsr 22的排气出口28和两个柔性基板24之间的空间。
42.柔性基板24可以由选自塑料材料的组的塑料材料制成，该塑料材料的组包括但不限于以下材料：聚酯(pe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate，pen)、以及这些塑料材料中至少两种的组合。
43.合适的fsr商业上可以以多种变化形式获得，覆盖大范围的应用。
44.图2示出了根据图1的检测装置100的示意性详细截面侧视图。检测装置100还包括流体连接构件102。流体连接构件102包括具有两个端部的直管道。流体连接构件102以密封方式固定连接到牵引电池外壳10的盖板14，例如通过焊接连接或通过压配合，并且在图2中所示的安装状态下在向上的方向上凸出。端部中的布置在下部的端部流体连接到牵引电池
外壳10的内部空间18。端部中的布置在上部的端部流体连接到流体连接构件102的平坦圆形腔室104(图3)，该腔室104的直径适配于fsr 22的力敏感区域。腔室104具有后壁106和面向fsr 22的前壁108。前壁108的中心部分可以设计为圆形通孔。通孔可以是敞开的，如图3中所示，或者它可以被以密封方式附接至前壁108的柔性膜覆盖。柔性膜可以由类似于fsr 22的柔性基板24的塑料材料的塑料材料制成。fsr 22以密封方式固定附接至前壁108的环形形状的外缘部分110，例如通过施加粘合剂。如果通孔设计为敞开的，则柔性基板24之一以直接方式流体连接到牵引电池外壳10的内部空间18。如果通孔被柔性膜覆盖，则柔性膜与fsr 22的柔性基板24之一相邻地布置。在任何情况下，fsr 22的柔性基板24之一可操作地连接到牵引电池外壳10的内部空间18。
45.在汽车牵引电池中发生热失控状况的情况下，牵引电池外壳10的内部空间18中的气体压力升高。该压力升高通过流体连接构件102和腔室104直接或通过柔性膜的偏转传递到fsr 22，并且可以通过借助于可操作地耦合到fsr传感器的控制电路或电阻检测电路监测fsr 22的电阻的状态来评估该压力升高。
46.检测装置100还包括均压排气口30，该均压排气口30布置在通风管和牵引电池外壳10的外部空间20之间的流体路径内。均压排气口30对于大气压力的长期变化在通风管和牵引电池外壳10的外部空间20之间提供了相等的压力状况，以防止误报(false positive)，但是，无法补偿由热失控状况产生的压力的快速增大。
47.于此指出，本技术中的附图不能被视为按比例绘制。特别是，纵向与横向尺寸的比率是出于说明的原因而选择的，不必与实际状况相对应。
48.在图4至8中，示意性地示出了根据本发明的检测装置的替代可能实施例。为了避免不必要的重复，下面仅对各个实施例之间的差异进行描述。对于这些图中的任何图中未描述的特征，参见第一实施例的描述。
49.图4示意性地示出了根据图1的封闭式汽车牵引电池外壳10，该外壳具有根据本发明的检测装置200的替代实施例，该检测装置200在截面正视图中处于安装状态。
50.检测装置200包括位于牵引电池外壳10内部的fsr 22。fsr 22的设计类似于检测装置100的第一实施例的fsr 22。
51.图5示出了根据图4的检测装置200的示意性详细截面侧视图。检测装置200还包括流体连接构件202。流体连接构件202被设计为具有两个端部的直管道。流体连接构件202以密封方式固定连接到牵引电池外壳10的盖板14，例如通过焊接连接或通过压配合，并且在图5中所示的安装状态下，在向下的方向上凸出。端部中的布置在下部的端部流体连接到fsr 22的排气出口28(图6)。端部中的布置在上部的端部将排气出口28流体连接到牵引电池外壳10的外部空间20。
52.在汽车牵引电池中出现热失控状况的情况下，牵引电池外壳10的内部空间18中的气体压力升高。这种压力增大直接施加在fsr 22的力敏感区域上抵抗存在于外部空间20中并且通过流体连接构件202提供给fsr 22的两个柔性基板24之间的空间的大气压力。可以通过监测fsr 22电阻的状态来评估压力的增大。
53.图7示意性地示出了封闭式汽车牵引电池外壳40的替代实施例，该外壳40包括根据本发明的检测装置300的另一替代实施例，该检测装置300在截面正视图中处于安装状态。
54.与之前的实施例相比，根据图7的汽车牵引电池外壳40还包括盖板14中的另一通孔304和插塞构件308。通孔304具有圆形形状并且设有螺纹306(图8)。插塞构件308为圆柱形状，并设置有与通孔304的螺纹306相对应的外螺纹310。插塞构件308与通孔304相适配，并被配置为附接至牵引电池外壳40以以密封方式覆盖通孔304，这例如可以通过使用螺纹密封物或密封带来实现。
55.插塞构件308限定腔312，该腔312包括开口，该开口在图7和8中所示的安装状态下面向牵引电池外壳40的内部空间18，并且该腔312还包括在腔312的顶侧处的平坦表面314。
56.检测装置300包括fsr 22，fsr 22具有优选为圆形形状的敏感区域。插塞构件308的平坦表面314的尺寸，并且更具体地，平坦表面314的直径，与fsr 22的敏感区域彼此适配。
57.在图8中所示的安装状态下(图8是根据图7的检测装置300的示意性详细视图)，fsr 22的柔性基板24之一与平坦表面314机械接触，平坦表面314用作fsr 22的支座和支撑部。
58.由于腔312形成内部空间18的部分，所以插塞构件308的平坦表面314可以被视为是牵引电池外壳40的内壁的部分。在这个意义上，fsr 22的柔性基板24之一布置为与牵引电池外壳40的内壁的部分接触。
59.检测装置300还包括流体连接构件302，流体连接构件302具有两个端部并设计为插塞构件308的横向表面中的通孔。在安装状态下，插塞构件308从牵引电池外壳突出40突出到外部空间20中以允许横向表面中的通孔在fsr 22的排气出口28和牵引电池外壳40的外部空间20之间建立流体连接。
60.在汽车牵引电池中发生热失控状况的情况下，牵引电池外壳40的内部空间18中的气体压力升高。这种压力增大抵抗大气体压力直接施加在fsr22的不与平坦表面314机械接触的柔性基板24上，该大气压力存在于外部空间20中并通过插塞构件308的横向表面中的通孔提供给两个柔性基板24之间的空间。可以通过监测fsr 22的电阻的状态来评估压力的增大。
61.虽然已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是这样的说明和描述被视为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
62.本领域技术人员在实践要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现将要公开的实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数，复数意在表达至少两个的数量。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施这一事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
63.参考符号列表
64.10 牵引电池外壳
65.12 侧壁
66.14 盖板
67.16 底板
68.18 内部空间
69.20 外部空间
70.22 力感测电阻器
71.24 柔性基板
72.26 间隔体构件
73.28 排气出口
74.30 均压排气口
75.40 牵引电池外壳
76.100 检测装置
77.102 流体连接构件
78.104 平坦圆形腔室
79.106 后壁
80.108 前臂
81.110 外缘部分
82.200 检测装置
83.202 流体连接构件
84.300 检测装置
85.302 流体连接构件
86.304 通孔
87.306 螺纹
88.308 插塞构件
89.310 外螺纹
90.312 腔
91.314 平坦表面