电池应力释放系统的制作方法

电池应力释放系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年4月27日提交的美国临时专利申请no.63/016,084的优先权和申请日权益，其全部公开通过引用其全部内容而并入本文。


背景技术：

3.快速充电(charge)和放电事件不利地影响电池的运行情况，特别是当在以高功率负载使用电池期间发生快速充电和放电事件时。这种浪涌(inrush)事件例如可以由于来自负载的突然需求(举例来说，如在电池与负载之间初始建立电接触时)或者由于在再充电期间电流突然流向电池而发生。
4.在给定运行期间主电池的高功率需求以及电池频繁接触浪涌事件(例如，ev的加速、再生制动等)的情况下，电池应力对于电动车辆(ev)可能是特别关注的。降低的电池性能和容量可以导致降低的车辆性能，最终导致早期和潜在的昂贵电池更换。


技术实现要素：

5.根据本公开的一个实施方式，一种用于车辆的充电系统包括电池充电路径、电流限制元件和电容器充电路径。电池充电路径包括用于电连接至电池的第一端和用于电连接至负载的第二端。电流限制元件沿着电池充电路径串联布置。电容器充电路径包括第一端和第二端，该第一端包括用于电连接至电容器的输入端子，该第二端在电流限制元件与电池充电路径的第二端之间的位置处电联接至电池充电路径。在第一操作阶段期间，电流限制元件被配置为向电池充电路径的第一端与电池充电路径的第二端之间的电流流动提供第一程度的电阻。在第二操作阶段期间，电流限制元件被配置为向电池充电路径的第一端与电池充电路径的第二端之间的电流流动提供小于第一程度的电阻的第二程度的电阻。
6.电阻的变化可选地在不将外部控制输入信号施加到电流限制元件的情况下实现。例如，电流限制元件包括热敏元件，例如负温度系数热敏电阻。
7.根据本公开的另一实施方式，一种用于车辆的电池熔断器端子包括可相对于电池外部固定的壳体。电池附接元件和电流限制元件由壳体支承。第一导电元件在电池附接元件与电流限制元件之间延伸并且将电池附接元件电联接至电流限制元件。电池熔断器端子还包括第一电连接器，该第一电连接器被配置成接合外部装置的电源端子。第二导电元件在电流限制元件与第一电连接器之间延伸并且电联接电流限制元件和第一电连接器。被配置成接合联接至电容器的端子的第二电连接器电联接至第二导电连接器元件，使得第二电连接器与第一电连接器并联布置。
8.在第一操作阶段期间，电流限制元件向电池的端子与第一电连接器之间的电流流动提供第一程度的电阻。在第二操作阶段期间，电流限制元件向电池的端子与第一电连接器之间的电流流动提供第二程度的电阻。由电流限制元件提供的电阻的变化可选地在不将外部控制输入信号施加到电流限制元件的情况下实现。电流限制元件可选地包括负温度系数电阻器。第一导电元件和电池附接元件可选地是经由熔线连接的。
9.根据本公开的另一实施方式，一种用于对负载进行充电的方法包括：使来自电池的电流流过位于负载处的电流限制元件，并且使电流从电容器流向负载，所述电容器与电流限制元件并联地定位。在第一阶段期间，电流限制元件由第一电阻限定。在第二阶段期间，电流限制元件由小于第一电阻的第二电阻限定。电流限制元件的电阻的变化可选地是在不将外部控制输入信号施加到所述电流限制元件的情况下实现的。例如，电流限制元件可以包括热敏元件。
10.来自电池的电流流动可选地用于在第二阶段期间对电容器充电。在第一阶段期间，从电容器到负载的电流流动的量大于从电池到负载的电流流动的量。从电池到负载的电流流动的速率随时间增加。根据各种实施方式，在第一阶段期间，电流限制元件基本上防止电池与负载之间的电流流动。在第二阶段期间，电流限制元件可选地基本上不限制电池与负载之间的电流流动。
11.电流限制元件响应于电流限制元件的核心温度的变化而可选地从由第一电阻限定转变为由第二电阻限定。例如，电流限制的电阻的变化是响应于电流限制元件的核心温度超过阈值温度范围的。电流限制元件可以包括负温度系数热敏电阻。
12.本发明内容仅仅是例示性的，而非以任何方式进行限制。结合附图，在本文所阐述的详细描述中，本文所描述的装置或过程的其它方面、发明特征以及优点将变得显而易见，其中，相同的标号指的是相同的要素。
附图说明
13.通过参照结合附图的详细描述，本公开的各种目的、方面、特征以及优点将变得更加显而易见且更好理解，其中，贯穿全文，相同的标号标识对应的要素。在附图中，相同的标号通常指示相同的、功能上类似的和/或结构上类似的要素。
14.图1是根据一个实施方式的充电系统的图。
15.图2是例示根据一个实施方式的热敏元件的电阻值相对于温度的示例曲线图。
16.图3是根据一个实施方式的比较来自正充电系统(charging system)和充电系统(charge system)的组件的电流流动的示例曲线图。
17.图4是根据一个实施方式的利用充电系统的高功率车辆系统的电路图。
18.图5例示了根据一个实施方式的并入充电系统的电池熔断器端子。
19.图6例示了根据一个实施方式的并入充电系统的电力组系统。
具体实施方式
20.总体上参考附图，示出并描述了根据各种实施方式的用于减轻电池应力的混合充电系统100。如图1所示，充电系统100包括并联布置的电池102和电容器106。电池充电路径103将电池连接到负载108，并且电容器充电路径105将电容器106连接到负载108以及电池102。
21.电容器的内阻通常相对较低，这允许电容器快速响应浪涌事件。因此，充电系统100的电容器106与电池102的串联布置允许电容器106在浪涌事件期间(例如，当在充电系统100与负载108之间初始建立电接触时)提供电流，从而允许电池102随着负载108达到稳态充电水平而逐渐增加电流。一旦达到稳态充电水平，电池102接管为负载108的主要电流
源。
22.由电池102和电容器106单独(individually)提供的电流流向负载108的速率取决于电池充电路径103的有效电阻与电容器106的有效电阻之间的差。在仅由电容器和电池组成的电路中，电池充电路径的有效电阻将对应于电池的内阻，并且电容器的有效电阻将对应于电容器的内阻。因此，如果电池的内阻与电容器的内阻之间的差较小，电池仍可以在浪涌事件期间向负载提供电流的显著部分(例如，约一半)。取决于负载的功率需要，在浪涌事件期间对来自电池的电流流动的这种减小可能不足以保护电池免受损坏。
23.与电池形成对比，电容器在经受浪涌电流时出现最小的磨损和降级。因此，如图1所示，充电系统100另外包括电流限制元件104，其相对于电容器106的有效电阻而增加电池充电路径103的有效电阻。如下面参照图3所述，在浪涌事件期间，电流限制元件104因此增加了电容器106用于满足负载108的电流需求的速率和量，并由此限制了从电池102汲取的电流的速率和量。通过延长电容器106在浪涌事件期间用作负载108的主要电流源的时间，电流限制元件104有利地允许电池102以不危及其运行状况的方式逐渐增加其到负载108的电流供应。一旦达到稳态充电水平，电池102就能够安全地接管为负载108的主要电流源。
24.电流限制元件104可以由多种不同的电阻元件来限定。例如，根据一些实施方式，电流限制元件104包括具有固定电阻值的电阻器(例如，厚膜、薄膜、线绕布置、碳复合材料等)。由于电阻器不需要将任何额外组件或外部控制输入信号用于其操作，因此，电阻器允许电流限制装置104容易地且经济地并入充电系统100中。
25.尽管由包括电阻器的电流限制元件104提供的电阻在浪涌事件期间是有利的，但是在稳态充电条件期间，对电池102与负载108之间的电流流动的持续限制通常是不期望的。因此，在其它实施方式中，电流限制元件104另选地包括这样的有源元件，即，该有源元件具有响应于外部控制输入信号(经由例如控制器、手动调节等接收的)而可变的电阻。这种有源元件的示例包括变阻器、电位计、数字电阻器、以线性模式运行的场效应晶体管等。
26.通过允许电池充电路径103的有效电阻在浪涌事件之后减小，包括有源元件的电流限制元件104有利地增加了电池102在稳态充电条件下可以向负载108供应电流的效率和速度。然而，与并入操作有源元件所需的外部输入源相关联的组件数、复杂性以及成本的增加可能限制在各种情形下将有源元件用作电流限制元件104的适用性。
27.根据各种实施方式，电流限制元件104有利地包括热敏元件(例如，负温度系数热敏电阻)，该热敏元件响应于温度变化而以可预测的方式变化。如图2的曲线图有代表性地描绘的，包括热敏元件的电流限制元件104在初始低温下具有大电阻。当热敏元件的核心温度增加到阈值温度范围时，该热敏元件的电阻值非线性地(例如，指数地)减小。一旦核心温度已经超过阈值温度范围，热敏元件就在稳态流动状态下运行，其中，热敏元件对从电池102向负载108流动的电流仅提供最小(例如，无)电阻。
28.包括热敏元件的电流限制元件104的核心温度的增加可以是由于在电流流动期间通过热敏元件耗散的热而发生的。热敏元件的核心温度的增加也可以是由于环境温度的变化而发生的。例如，热敏元件的核心温度可以由于负载108或充电系统100的其它组件在运行期间产生的热而增加。根据一些实施方式，热敏元件可选地经由散热器连接至负载108，以便增加热敏元件对环境温度变化的响应性。
29.热敏元件的初始电阻以及热敏元件达到稳态流动状态的阈值温度范围是基于该
热敏元件的构造而改变的。因此，通过选择适合于与充电系统100一起使用的负载108的运行参数和条件的热敏元件，包括热敏元件的电流限制元件104能够提供固定电阻电阻器和有源元件两者的益处，同时避免这些选项中的各个选项的限制。
30.即，类似于包括有源元件的电流限制元件104，包括热敏元件的电流限制元件104能够向电流流动提供不同程度的电阻，从而允许电池充电路径103的有效电阻在浪涌事件之后减小。然而，与有源元件相反，热敏元件不需要接收外部控制输入信号，而是响应于温度变化来被动地改变其电阻。类似于包括电阻器的电流限制元件104，这种不存在对附加组件或外部控制组件的任何需要因此允许包括热敏元件的电流限制元件104容易地且经济地并入充电系统100中。
31.图3示出了在浪涌事件期间来自不包括电流限制元件104的正充电系统以及包括具有热敏元件的电流限制元件104的充电系统100的电池和电容器的电流流动的曲线图。第一曲线310例示了来自正充电系统的电池的电流流动的时间响应曲线。第二曲线320例示了去往和来自正充电系统的电容器的电流流动的时间响应曲线。第三曲线330例示了来自充电系统100的电池102的电流流动的时间响应曲线。第四曲线340例示了去往和来自充电系统100的电容器106的电流流动的时间响应曲线。
32.如图3的曲线图所例示的，在正充电系统(其不包括电流限制元件104)和充电系统100(其包括具有热敏元件的电流限制元件104)两者中，电容器是浪涌事件开始时的主要电流源。随着电容器变得逐渐耗尽而电池增加其电流放电，达到平衡点301、302。平衡点301、302对应于电容器提供的电流量等于电池提供的电流量的时间。在平衡点301、302出现之后，由电池供应的电流量开始超过由电容器提供的电流量。电容器继续向负载供应电流，直到其到达转变点303、304。在转变点303、304出现之后，电容器停止向负载供应电流，而改为开始从电池接收电流(由电容器的电流流动的正电流值来证明)。电池继续向电池和电容器供应电流，直到达到再充电点305、306为止，该再充电点对应于电容器已经由电池进行了再充电的时间。在再充电点305、306之后，由电池放电的电流实现到负载的稳态流动。
33.如图3的曲线图所示，正充电系统(其不包括电流限制元件104)和充电系统100(其包括具有热敏元件的电流限制元件104)在相似的时间各自实现相应的转变点303、304以及再充电点305、306。因此，在充电系统100中并入电流限制元件104不会不利地影响在浪涌事件之后由电池102对电容器106进行再充电所需的时间。
34.然而，如由第一曲线310与第三曲线330的比较所示，在不存在用于增加电池102与负载108之间流动的有效电阻的电流限制元件104的情况下，来自不包括电流限制元件104的正充电系统的电池的电流的速率显著大于来自充电系统100的电池102的电流的速率。因此，如由第二曲线320与第四曲线340的比较所示，由正充电系统的电容器供应的电流量比由充电系统100的电容器106供应的电流量低得多。由于正充电系统和充电系统100各自的电容器与电池组件之间供应电流的速率的这些变化，因此，正充电系统达到其平衡点301比充电系统100达到其平衡点302快得多。
35.因此，如图3的插图(call-out)所例示的，当比较由正充电系统和充电系统100各自的电容器和电池单独供应的能量的量时(该能量的量是由浪涌事件开始与转变点303、304出现之间的各个曲线下方的面积来表示的)，由正充电系统的电容器供应的能量的量(参见插图a)基本上小于由正充电系统的电池供应的能量的量(参见插图b)。与此相反，由
充电系统100的电容器106供应的能量的量(参见插图c)基本上大于由充电系统100的电池102供应的能量的量(参见插图d)。因此，如由第一曲线310的插图b与第三曲线330的插图d的比较所例示的，对充电系统100(其包括电流限制元件104)的电池102的能量需求显著小于对不包括电流限制元件104的正充电系统的电池的能量需求。
36.给定电动车辆(“ev”)的高功率需求，根据各种实施方式，将混合充电系统100有利地并入ev配电系统中。参照图4，根据一个示例实施方式，示出了高压功率电路400，该高压功率电路利用根据以上任一实施方式所述的充电系统100来向一个或更多个高压负载412(例如，48v负载)(举例来说，如ev的机电反角色控制(earc)、电化涡轮(e-涡轮)、皮带起动机-发电机(bsg)等)供应电流。
37.将接触器404和/或电流传感器406可选地与ev的主电池402串联设置。接触器404可以包括将电池402与电路400的其余部分断开连接的任何电子或机电装置。例如，接触器404是继电器、接触器、或者可手动或自动配置以允许或防止来自/去往电池402的电流流动的其它开关。接触器404可选地由控制电路(未示出)进行控制，以向电路400提供热保护、过压保护、欠压保护或其它保护。接触器404可以可选地用熔断器或其它保护装置来替换(或补充)。
38.可选的电流传感器406测量来自/去往电池402的电流流动。电流传感器406可以监测充电速率和放电速率，以及可能影响电池402的运行情况或状况的其它参数。在一些实施方式中，可以将电流传感器406连接至可选的控制电路，该可选的控制电路被用于基于所测得的来自和去往电池402的电流流动来操作接触器404。
39.可选的dc-dc转换器414逐步降低由电池402和/或超级电容器410提供的电力。可以将逐步降低的电力用于ev的低需求组件616(例如，前灯、电动车窗、收音机、或ev的其它组件)和/或对低电力电池418(例如，12v电池)进行再充电。
40.根据本文的任何实施方式描述的充电系统100可以根据任何数量的不同布置、配置等来电连接至高压电力电路400的电池402和超级电容器410。例如，在一些实施方式中，如图5代表性地所示的，将充电系统100经由电池熔断器端子(“bft”)500集成到高压电力电路中。
41.如图5代表性地示出的，电池熔断器端子500通常包括相对于车辆的电池402可固定的壳体501。壳体501的具体结构和设计可以根据需要而改变。配电装置510由壳体501支承。配电装置510包括各种元件，经由该元件，来自电池402的电流被引导到一个或多个电连接器520(例如，螺柱、盒状连接器等)，电连接器被配置为接合车辆的一个或更多个组件(例如，超级电容器410、负载412、dc-dc转换器414等)的端子。
42.例如，如图5所示，配电装置510可选地包括第一导电元件511(例如，汇流条结构或引线框架)，第一导电元件电联接至电池附接元件512，电池附接元件512被机械地和电气地配置为接合电池402的正端子，壳体501被附接到电池402的该正端子。电流限制元件组件514(例如，热敏元件)的第一腿513机械地和电气地连接(例如，焊接)到第一导电元件511。电流限制元件组件514的第二腿515机械地和电气地连接(例如，焊接)到第二导电元件517(例如，汇流条结构或引线框架)。被配置为接合负载412的电源端子的第一电连接器520a和被配置为接合超级电容器410的端子的第二电连接器520b被电联接至第二导电元件517。
43.熔线(fusible links)530可选地用于将配电装置510的各种元件彼此电联接和机
械联接。例如，如图5中所示，熔线530在第一导电元件511与电池附接元件512之间延伸并且将第一导电元件511机械地和电气地联接至电池附接元件512。
44.如将了解的，任何其它数量的不同组件、配置和装置可用于使用bft 500电联接充电系统100的组件。此外，尽管bft 500被示出为包括单个电流限制元件组件514，但是bft 500可以可选地包括任何数量的附加电流限制元件组件514。
45.参考图6，根据一些实施方式，电池402和超级电容器410可选地限定混合电力组系统600。形成电池402的电池单元601和形成超级电容器410的电容组件603被支承在电力组壳体610内。在这样的实施方式中，电流限制元件组件605(例如，热敏元件)连接电池单元601和电容组件603，并且还由电力组壳体610支承。在这样的实施方式中，可以将混合电力组系统600直接联接至负载(例如，高压负载412)，而不需要向其连接或布线任何附加组件。在一些这样的实施方式中，电力组系统600还可选地包括也被支承在电力组壳体610内的附加组件(例如，接触器、熔断器等)。
46.如本文所使用的，术语“大约”和“近似”将为本领域普通技术人员所理解，并且将根据使用它们的上下文而改变至某一程度。如果这些术语的使用对于本领域普通技术人员而言是不清楚的，则在给定其使用的上下文的情况下，“大约”和“近似”将意指最高达特定术语的正或负10％。
47.除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾，否则在描述要素的上下文中(尤其是在所附权利要求的上下文中)，术语“一”和“该”以及类似指示物的使用应被解释成涵盖单数和复数两者。除非本文另外指明，否则本文中数值范围的列举仅旨在用作单独提及落在该范围内的各个单独值的便捷方法，并且各个单独值皆被并入本说明书中，就像其在本文中单独列举一样。除非本文另外指明或者与上下文明显矛盾，否则本文所描述的所有方法可以以任何合适的顺序来执行。除非另外说明，否则本文所提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明实施方式，而不对权利要求的范围造成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为指示任何未要求保护的要素是必要的。
48.虽然已经例示和描述了某些实施方式，但是应理解，在不脱离如所附权利要求书中限定的在其较宽方面的技术的情况下，本领域普通技术人员可以在其中进行改变和修改。
49.本文例示性地描述的实施方式可以在不存在本文未具体公开的任一个或多个要素、一个或多个限制的情况下适当地进行实践。因此，例如，术语“包含”、“包括”、“含有”等应被扩展地理解并且不受限制。另外，本文所采用的术语和表达已经被用作描述而非限制的术语，并且使用这样的术语和表达无意排除所示和所述特征或其部分的任何等同物，而认识到各种修改例可以处于所要求保护的技术的范围内。另外，短语“基本上由
……
组成”应被理解成包括具体列举的那些要素，以及不实质上影响所要求保护的技术的基本和新颖特征的那些附加要素。短语“由
……
组成”排除未指定的任何要素。
50.本公开不限于在本技术中描述的特定实施方式方面。如对本领域技术人员显而易见的，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以进行许多修改和变型。根据前述说明，除了在此列举的那些方法和设备之外，本公开范围内的功能上等同的方法和设备对于本领域技术人员而言是显而易见的。这种修改和变型落入所附权利要求的范围内。本公开仅由所附权利要求连同被这种权利要求授权的全部范围等同物来限制。要理解，本公开不限于特
定的方法、反应物、化合物组成、或生物系统，其当然可以发生改变。还要理解，本文所使用的术语仅是用来描述特定的实施方式，并非旨在进行限制。
51.另外，在本公开的特征或方面按照马库什组进行描述的情况下，本领域技术人员应当认识到，本公开由此也按照马库什组的任何单个成员或成员小组来描述。
52.如本领域技术人员将理解的，出于任何和所有目的，特别是就提供书面描述而言，本文所公开的所有范围还涵盖任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围均可以容易地被认为是充分地描述并使得相同的范围能够被分解成至少相等的二分之一、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作为非限制性示例，本文所讨论的各个范围皆可以被容易地被分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一等等。本领域技术人员还将理解，诸如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”等的所有语言均包括所列举的数字并且是指可以随后被分解成如上所讨论的子范围的范围。最后，本领域技术人员将理解，范围包括各个单独的元素。
53.在所附权利要求中阐述了其它实施方式。