热失控检测设备、电池系统及电池系统的热失控检测方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月23日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2019-0173307号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及一种热失控检测设备、一种电池系统及一种电池系统的热失控检测方法。

背景技术

可充电电池不同于用于提供化学材料到电能的不可逆转换的一次电池，因为可充电电池可重复充电和放电。具有低容量的可充电电池用作诸如移动电话、膝上型计算机和摄像机的小型电子设备的电源设备，而具有高容量的可充电电池用作混合动力汽车的电源设备。

通常，可充电电池包括：包括正电极、负电极和提供在正电极和负电极之间的隔板的电极组件、用于容纳电极组件的外壳以及电连接到电极组件的电极端子。电解质溶液被注入到外壳中，以允许电池通过正电极、负电极和电解质溶液的电化学反应被充电和被放电。外壳的形状(诸如圆柱形或矩形)是取决于电池的使用而可改变的。

作为代表性的可充电电池的锂离子电池可因为诸如内部短路、过度充电、高温条件或外部冲击的异常操作状态而产生热失控现象。在热失控现象中，大量的热量在电池中积累以产生连锁反应，这可导致电池的着火和爆炸。因此，从电池安全的角度考虑，预测电池的热失控是非常重要的。

为了感测电池的热失控现象，主要使用用于直接测量电池的内部温度、感测所测量的温度的急剧增加以及预测热失控的方法。然而，当电池的内部温度超过测量范围或热失控算法因为通信错误而未正常操作时，用于基于电池的内部温度而预测热失控的该方法无法检测到热失控现象。

在该背景技术部分公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景技术的理解，并且因此，它可能包含不构成在该国对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明致力于提供一种当难以预测热失控时用于基于电池的内部温度而检测电池热失控现象的热失控检测设备、一种电池系统及一种电池系统的热失控检测方法。

本发明的实施例提供了一种包括多个电池单元的电池系统的热失控检测设备，包括：第一测量模块，该第一测量模块用于经由至少一个温度传感器测量多个电池单元的温度值；第二测量模块，该第二测量模块用于测量电池系统的输出电压值；以及控制器，该控制器用于通过监控从第一测量模块接收的数据而确定基于温度值的热失控检测的有效性，并且通过根据基于温度值的热失控检测的有效性确定结果选择性地监控温度值或输出电压值而检测电池系统的热失控。

控制器可以根据第一测量模块和控制器之间的通信状态、在第一测量模块或至少一个温度传感器中是否产生问题以及从第一测量模块接收的数据的有效性中的至少一个，确定基于温度值的热失控检测的有效性。

当第一测量模块和控制器之间的通信状态为故障状态时，控制器可以监控输出电压值以检测电池系统的热失控。

当在第一测量模块或至少一个温度传感器中产生问题时，控制器可以监控输出电压值以检测电池系统的热失控。

第一测量模块可以进一步执行诊断功能以用于诊断第一测量模块和至少一个温度传感器的性能是否产生问题，并且可以将诊断功能的执行的诊断结果数据传输到控制器。

第一测量模块可以测量多个电池单元和被配置有多个电池单元的电池模块的电压值，并且可以将通过测量在电池模块的各个端部处的电压而获取的电压值与通过测量多个电池单元的电压而获取的各个电压值进行比较，以诊断在第一测量模块中是否产生问题。

第一测量模块可以通过监控从至少一个温度传感器获取的温度值而诊断在至少一个温度传感器中是否产生问题。

第一测量模块可以通过监控传输到控制器的数据或从控制器接收的数据而诊断是否产生与控制器的通信问题。

控制器可以诊断从第一测量模块接收的数据的有效性，并且当从第一测量模块接收的数据由于有效性的诊断的结果而被确定为不能使用时，控制器可以监控输出电压值以检测电池系统的热失控。

当基于温度值的热失控检测被确定为有效时，控制器可以监控温度值以检测电池系统的热失控。

第一测量模块和第二测量模块可以通过分离的通信线与控制器通信。

本发明的另一实施例提供了一种电池系统，包括：多个电池单元和上述热失控检测设备。

本发明的另一实施例提供了一种包括多个电池单元的电池系统的热失控检测方法，包括：通过监控从第一测量模块接收的用于通过至少一个温度传感器测量多个电池单元的温度值的数据，确定基于温度值的热失控检测的有效性；以及通过根据基于温度值的热失控检测的有效性确定结果选择性地监控由第一测量模块测量的温度值或电池系统的由第二测量模块测量的输出电压值，检测电池系统的热失控。

检测可以包括：当基于温度值的热失控检测被确定为无效时，通过监控输出电压值而检测电池系统的热失控。

确定可以包括：当第一测量模块和控制器之间的通信状态为故障状态时，确定基于温度值的热失控检测无效。

确定可以包括：通过第一测量模块诊断第一测量模块和至少一个温度传感器，以及当在第一测量模块或至少一个温度传感器中产生问题时，确定基于温度值的热失控检测无效。

诊断可以包括：通过将通过测量在被配置有多个电池单元的电池模块的各个端部处的电压而获取的电压值与通过测量多个电池单元的各个电压而获取的电压值进行比较，诊断在第一测量模块中是否产生问题。

诊断可以包括：通过监控从至少一个温度传感器获取的温度值而诊断在至少一个温度传感器中是否产生问题。

确定可以包括：诊断从第一测量模块接收的数据的有效性，以及当根据有效性的诊断的结果确定从第一测量模块接收的数据不能使用时，确定基于温度值的热失控检测无效。

检测可以包括：当基于温度值的热失控检测被确定为有效时，通过监控温度值而检测电池系统的热失控。

根据本发明的实施例，当难以预测热失控时，可以基于电池的内部温度而检测电池的热失控现象。

附图说明

图1示出根据实施例的电池系统。

图2示出根据实施例的电池系统的热失控检测方法。

图3示出图2的步骤S10中的诊断方法。

图4示出图2的步骤S12中的诊断方法。

图5示出图2的步骤S14中的诊断方法。

具体实施方式

现在，将结合附图详细描述本发明的实施例。现在，将结合附图详细描述实施例的效果和特性及其实现方法。在附图中，相同的附图标记指示相同的构成元件，并且将不提供其重复描述。如本领域技术人员将意识到的，所描述的实施例可以以多种不同的方式被修改而都不脱离本发明的精神或范围。实施例作为示例被提供，以使本公开可以是彻底的和全面的，并且将向本领域技术人员充分提供本发明的方面和特性。

因此，为了全面理解本发明的方面和特性的目的，可不描述对本领域普通技术人员可能不需要的过程、因素和技术。在附图中，为了清楚起见，可能夸大了元件、层和区域的相对尺寸。

在本说明书中，术语“和/或”包括相关的且被设置的多个项的全部或随机组合。当描述本发明的实施例时，“可以”的使用表示“本发明的至少一个实施例”。关于对本发明的实施例的描述，单数术语可包括复数形式，除非以另一种方式陈述。

包括诸如第一、第二等的序数的术语将仅用于描述各种组件，而不被解释为限制这些组件。术语仅用于区分一个组件与其他组件。例如，第一构成元件可被称为第二构成元件，并且类似地，第二构成元件可被称为第一构成元件而不脱离本发明的范围。

现在，将参考附图详细描述根据本发明的实施例的热失控检测设备、电池系统及电池系统的热失控检测方法。

图1示出根据实施例的电池系统1。

参考图1，电池系统1可以包括电池模块10和热失控检测设备20。

电池模块10可以包括彼此串联和/或并联连接的至少一个可充电电池单元(下文中被称为电池单元)11。电池模块10可以通过系统端子(T+和T-)连接到外部充电设备(未示出)或负载(未示出)，并且可以由充电设备充电或由负载放电。图1例示了包括一个电池模块10的电池系统1，但是本发明不限于此，并且电池系统1可以被配置有彼此串联和/或并联连接的多个电池模块10。

热失控检测设备20检测电池系统1的热失控，并且为了该目的，它可以包括至少一个温度传感器21、第一测量模块22、第二测量模块23和控制器24。

温度传感器21被布置为接触或围绕至少一个电池单元11，并且它可以测量构成电池模块10的多个电池单元11的温度。

第一测量模块22可以通过周期性地测量电池模块10的电压、电流和温度而获得电池模块10的电压值、电流值和温度值。例如，第一测量模块22可以电连接到至少一个温度传感器21，以通过至少一个温度传感器21而检测构成电池模块10的电池单元11的温度值。例如，第一测量模块22可以电连接到电池模块10的各个端部，以检测电池模块10的电压值。进一步，第一测量模块22可以电连接到构成电池模块10的电池单元11的各个端部，以检测电池单元11的电池单元电压值。

第一测量模块22具有自诊断功能，并且它可以根据诊断功能诊断第一测量模块22和/或连接到第一测量模块22的传感器(例如，温度传感器21)的性能错误(也就是说，是否产生问题)。例如，第一测量模块22可以将通过测量在电池模块10的各个端部处的电压而获取的电压值与通过测量多个电池单元11的电池单元电压而获取的电压值进行比较，以确认电压值的有效性，并且由此诊断第一测量模块22的电压测量功能是否产生问题。进一步，第一测量模块22将从温度传感器21获取的温度值彼此进行比较，以确认温度值的有效性，并且由此诊断第一测量模块22的温度测量功能或在温度传感器21中是否产生问题。例如，第一测量模块22可以监控传输到控制器24的数据/从控制器24接收的数据，以诊断与控制器24的通信功能是否产生问题。

第一测量模块22可以由模拟前端(AFE)模块或电池单元监督电路(CSC)实现。

第二测量模块23可以连续测量电池系统1的输出电流和输出电压，以检测电池系统1的输出电流值和输出电压值。

如图1中所示，当电池系统1包括一个电池模块10时，第二测量模块23可以测量在电池模块10的各个端部处的电压，以获取电池系统1的输出电压值。当电池系统1被配置为包括彼此串联和/或并联连接的多个电池模块10时，第二测量模块23可以电连接在多个电池模块10和系统端子(T+和T-)之间(即，多个电池模块之中最高电池模块的正极端和最低电池模块的负极端之间)，以测量电池系统1的输出电压。

进一步，第二测量模块23可以通过测量电池模块10和系统端子(T+和T-)之间的电流而获取电池系统1的输出电流值。例如，第二测量模块23可以电连接到连接在电池模块10和系统端子(T+和T-)之间的分流电阻器(未示出)的各个端部，以通过测量在分流电阻器的各个端部处的电压而检测电池系统1的输出电流值。

第二测量模块23可以由电池断开单元(BDU)或基于系统的芯片(SBC)而实现。

控制器24可以与第一测量模块22通信，以从第一测量模块22接收从电池模块10获取的电压值、电流值和温度值。控制器24可以与第二测量模块23通信，以接收电池系统1的输出电压值和输出电流值。这里，用于控制器24与第一测量模块22通信的通信线可以与用于控制器24与第二测量模块23通信的通信线分离。因此，当第一测量模块22和控制器24之间的通信线被热失控损坏时，控制器24可以与第二测量模块23正常通信。

控制器24可以基于从第一测量模块22接收的测量值(例如，温度值)和从第二测量模块23接收的测量值(例如，电池系统1的输出电压值)而检测电池系统1中热失控的产生。在该情况下，控制器24可以监控从第一测量模块22接收的数据，以诊断第一测量模块22和控制器24之间的通信状态、在第一测量模块22或温度传感器21中是否产生问题或者从第一测量模块22接收的数据的有效性，并且可以基于诊断结果而确定基于从第一测量模块22接收的测量值的热失控检测是否有效。控制器24可以基于有效性确定结果而通过选择性地使用从第一测量模块22接收的测量值或从第二测量模块23接收的测量值而检测电池系统1的热失控的产生。

例如，当基于从第一测量模块22接收的测量值的热失控检测被确定为有效时，控制器24可以通过监控从第一测量模块22接收的温度值而检测热失控的产生。当在至少一个电池单元11处检测到温度急剧变化时，也就是说，当由至少一个温度传感器21测量的温度值的每单位时间的变化超过阈值时，控制器24可以确定热失控现象产生。

相反，当基于从第一测量模块22接收的测量值的热失控检测被确定为无效时，控制器24可以通过监控电池系统1的从第二测量模块23接收的输出电压值而检测热失控的产生。在该情况下，当电池模块10和外部设备之间的电连接被连接在电池模块10和外部设备之间的电源开关(未示出)阻断时，也就是说，当电池系统1的输出电流不流动时，第二测量模块23可以连续测量电池系统1的输出电压值，并且可以将它传输到控制器24。控制器24监控电池系统1的从第二测量模块23接收的输出电压值，并且当电池系统1的输出电压值的每单位时间的变化超过阈值时，控制器24可以确定热失控现象产生。

当电池系统1中的至少一个电池单元11中产生热失控时，电池单元11的温度可能由于热失控而突然改变，在受损的电池单元11处的电压可能下降，并且电池系统1的输出电压也可能突然下降。因此，当热失控可以基于通过第一测量模块22获取的温度值而检测时通过基于从第一测量模块22接收的温度值而检测热失控，或否则通过从第二测量模块23接收电池系统1的输出电压值而检测热失控，电池系统1可以获取对热失控检测的冗余。

控制器24可以是电池管理单元(BMU)、电池系统管理器(BSM)或电池管理系统(BMS)。

图1中所示的电池系统1的配置不是必需的，因此电池系统1可以被配置为包括比参考图1描述的构成元件更多或更少数量的构成元件。例如，电池系统1可以进一步包括至少一个电源开关(未示出)，至少一个电源开关连接在电池模块10和系统端子(T+和T-)中的至少一个之间，并且阻断/允许电池模块10和外部负载/充电设备之间的电连接。

图2示出根据实施例的电池系统1的热失控检测方法。参考图2描述的热失控检测方法可以由参考图1描述的电池系统1的热失控检测设备20执行。

参考图2，根据实施例的热失控检测设备20的控制器24诊断第一测量模块22和控制器24之间的通信状态(步骤S10)。当作为诊断结果被确定为通信故障状态(步骤S11)时，控制器24监控电池系统1的不由第一测量模块22而由第二测量模块23测量的输出电压值并且检测电池系统1的热失控(步骤S16)。

图3示出图2的步骤S10中的诊断方法。

参考图3，根据实施例的热失控检测设备20的控制器24等待从第一测量模块22接收数据(步骤S20)，并且当超过预定时间未从第一测量模块22接收到数据时(步骤S21)，控制器24确定它为通信故障状态，并且复位(即，执行上电复位(POR))第一测量模块22(步骤S24)。

第一测量模块22周期性地将由第一测量模块22获取的测量值传输到控制器24。因此，当超过预定时间未从第一测量模块22接收到数据时，控制器24可以确定控制器24和第一测量模块22之间的通信功能可能为故障状态。

当控制器24和第一测量模块22之间的通信功能因为暂时的错误而进入故障状态时，可以通过第一测量模块22的上电复位将它恢复到正常状态中。

因此，当未从第一测量模块22接收到数据直到第一测量模块22的上电复位次数等于或大于第一设定值时(步骤S23)，控制器24最终确定控制器24和第一测量模块22之间的通信状态为故障状态(步骤S25)。例如，当在第一测量模块22上电复位一次之后超过预定时间未从第一测量模块22接收到数据时，控制器24可以确定控制器24和第一测量模块22之间的通信状态为故障状态。

另一方面，当在第一测量模块22上电复位之前或之后从第一测量模块22接收到数据时，控制器24确定控制器24和第一测量模块22之间的通信状态为允许的(步骤S22)。

在步骤S21中的用于等待接收数据的时间或在步骤S23中的第一设定值取决于电池系统1的需求或时间条件是可调整的。

参考图2，控制器24基于第一测量模块22的诊断结果而诊断在第一测量模块22和连接到第一测量模块22的温度传感器21中问题的产生(步骤S12)。当确定在第一测量模块22和/或温度传感器21中产生问题时(步骤S13)，控制器24监控电池系统1的不由第一测量模块22而由第二测量模块23测量的输出电压值，以检测电池系统1的热失控(步骤S16)。

图4示出图2的步骤S12中的诊断方法。

参考图4，根据实施例的热失控检测设备20的第一测量模块22周期性地执行诊断功能，以确认多个性能项是否产生问题，并且将诊断结果传输到控制器24。例如，第一测量模块22将通过测量在电池模块10的各个端部处的电压而获取的电压值与通过测量多个电池单元11的电池单元电压而获取的电压值进行比较，并且确认电压值的有效性，由此诊断第一测量模块22的电压测量性能是否产生问题。进一步，第一测量模块22可以通过将从温度传感器21获取的温度值进行比较并且确认温度值的有效性而诊断第一测量模块22的温度测量功能或在温度传感器21中是否产生问题。第一测量模块22还可以监控由控制器24传输/接收的数据，以诊断与控制器24的通信功能是否产生问题。

当从第一测量模块22接收到诊断结果时(步骤S30)，控制器24确认诊断结果，以因此确认在第一测量模块22和温度传感器21中是否检测到问题(步骤S31)。当未检测到问题时，控制器24确定第一测量模块22和温度传感器21正常操作(步骤S32)。

当根据诊断功能未检测到问题时，第一测量模块22可以不将诊断结果传输到控制器24。在该情况下，控制器24可以在未从第一测量模块22接收到诊断结果的过程中，确定第一测量模块22和温度传感器21正常操作。

当根据步骤S31确认检测到问题时，控制器24复位(即，上电复位)第一测量模块22(步骤S34)。

当第一测量模块22或温度传感器21的性能错误是暂时的时，或当由第一测量模块22产生暂时的诊断错误时，第一测量模块22的诊断结果可以通过第一测量模块22的上电复位恢复到正常状态。

因此，当根据第一测量模块22的自诊断的问题检测连续产生直到第一测量模块22的上电复位次数等于或大于第二设定值(例如，3次)(步骤S33)时，控制器24最终确定在第一测量模块22和/或温度传感器中产生问题(步骤S35)。

在步骤S33中的第二设定值根据电池系统1的需求或时间条件是可调整的。

参考图2，控制器24诊断从第一测量模块22接收的数据的有效性(步骤S14)，并且基于诊断结果确认从第一测量模块22接收的数据是否可用(步骤S15)。当从第一测量模块22接收的数据被确定为不可用时，控制器24监控电池系统1的不由第一测量模块22而由第二测量模块23测量的输出电压值，以检测电池系统1的热失控(步骤S16)。

图5示出图2的步骤S14中的诊断方法。

参考图5，根据实施例的热失控检测设备20的控制器24从第一测量模块22接收数据(步骤S40)，并且验证所接收的数据的有效性以确认是否产生数据错误(步骤S41)。也就是说，当从第一测量模块22接收到数据时，控制器24根据有效性的验证而确认数据在从第一测量模块22传输时是否丢失或是否由第一测量模块22传输错误的数据。

当未从所接收的数据中检测到错误时，控制器24确定从第一测量模块22接收的数据可用(步骤S42)。

相反，当从所接收的数据中检测到错误时，控制器24确认是否针对同一诊断项连续产生预定次数的错误(例如，2次)(步骤S43)，以便确认它们是否是暂时的错误，并且当针对同一诊断项连续产生预定次数的错误时，控制器24上电复位第一测量模块22(步骤S44)。在上电复位之后，控制器24确认是否针对同一诊断项连续产生错误(步骤S45)，并且当连续产生错误时，控制器24确定错误不是暂时的，并且最终确定从第一测量模块22接收的数据无效且不可用(步骤S46)。

参考图2，当在步骤S10、步骤S12和步骤S14中确定情况正常时，也就是说，当通信状态通过步骤S10被确定为正常、第一测量模块22和温度传感器21通过步骤S12被确定为正常操作并且数据的有效性通过步骤S14被验证时，控制器24基于从第一测量模块22接收的测量值确定热失控检测有效。因此，控制器24监控从第一测量模块22接收的温度值，以检测电池系统1的热失控(步骤S17)。

图2示出用于确定基于温度值的热失控检测是否有效的诊断过程，该诊断过程依次例示了包括用于诊断第一测量模块22和控制器24之间的通信状态的过程(步骤S10)、用于诊断在第一测量模块22和温度传感器21中是否产生问题的过程(步骤S12)以及用于诊断从第一测量模块22接收的数据的有效性的过程(步骤S14)的情况，但是本发明不限于此。在另一实施例中，用于诊断第一测量模块22和控制器24之间的通信状态的过程(步骤S10)、用于诊断在第一测量模块22和温度传感器21中是否产生问题的过程(步骤S12)以及用于诊断从第一测量模块22接收的数据的有效性的过程(步骤S14)可以被实现为分离的任务，并且可以由独立的调度而执行。在另一实施例中，用于诊断第一测量模块22和控制器24之间的通信状态的过程(步骤S10)、用于诊断在第一测量模块22和温度传感器21中是否产生问题的过程(步骤S12)以及用于诊断从第一测量模块22接收的数据的有效性的过程(步骤S14)中的至少一个可以被省略。

根据上述实施例，电池系统1可以在无法通过测量电池系统1内部温度而检测热失控的情况下检测电池系统1的热失控，诸如当BMS和AFE模块之间的通信线被损坏时、当因为AFE模块或温度传感器的错误而无法获得有效温度值时或当电池系统1的内部温度偏离可测量的范围时。因此，改进了用于检测电池系统1的热失控的性能，所以可以提高电池系统1的安全性。

根据本发明的实施例的电子设备或电气设备和/或其他相关设备或构成元件可以通过使用适当的硬件、固件(例如，专用集成电路)、软件、或软件、固件和硬件的组合而实现。例如，上述设备的各种配置可以位于一个集成电路(IC)芯片或独立的IC芯片上。此外，上述设备的各种配置可以在柔性印刷电路膜、带载封装(TCP)、印刷电路板(PCB)或一个基板上实现。本说明书中描述的电连接或互连例如可以通过PCB、不同类型的电路载体上的导线或导电元件实现。导电元件例如可以包括金属化(诸如表面金属化和/或销)，并且可以包括导电聚合物或陶瓷。进一步，电能可以通过电磁辐射或使用光的无线接入而传输。

此外，设备的各种配置可以由至少一个处理器执行，以便执行上述各种功能，它们可以在至少一个计算设备中执行，并且它们可以是用于执行计算机程序指令和与其他系统构成元件交互的进程或线程。计算机程序指令存储在使用标准存储器设备(诸如随机存取存储器(RAM))的计算设备可实现的存储器中。计算机程序指令也可以存储在非瞬态计算机可读介质(诸如CD-ROM或闪存驱动器)中。

进一步，本领域普通技术人员必须理解，计算设备的各种功能可以组合或联合到单个计算设备，或特定计算设备的功能可以分散到至少另一计算设备上，而不偏离本发明的实施例的范围。

<符号的描述>

1：电池系统

10：电池模块

11：电池单元

20：热失控检测设备

21：温度传感器

22：第一测量模块

23：第二测量模块

24：控制器