电池单元监测系统和设备的制作方法

电池单元监测系统和设备


背景技术：

1.根据系统的需要，锂离子电池组可包括并联或串联电连接的一个或多个锂离子电池单元（battery cell）。每个电池单元包括一个或多个锂离子电极对，这些电极对被封闭在密封的袋状封套内。在一些实施例中，每个电极对包括负电极（阳极）和正电极（阴极），其间布置有分隔件。该分隔件起到物理分离和电隔离负电极和正电极的作用，同时允许锂离子转移。
2.每个电池单元被构造成以电化学方式存储和释放电功率。每个阳极具有铜箔形式的集流器（或集电器，current collector），该铜箔被耦接到负极端子接片（tab），并且每个正电极具有带有铝箔的集流器，该铝箔被耦接到正极端子接片。锂离子电池单元能够在多个循环期间放电和再充电。
3.锂离子电池可表现出不均匀的电流分布，这可能引起反应速率的变化和空间不均匀的热分布。这种不均匀分布随着单元的尺寸、充电速率和sei（固体电解质膜，solid electrolyte interphase）层的生长而增加，这可能导致局部锂镀层和枝晶生长，并且可能减少电池的使用寿命。目前理解局部电流分布的方法包括建模、用于测量分布的热通量的非均匀量热法或者使用红外摄像机来测量表面热生成。这些方法依赖于外部传感器或建模单元特性，它们可能没有捕捉到故障的开始时间，并且也可能无法用于获取故障的根本原因。
4.需要一种更直接的方法来确定局部电流、热、压力和阻抗参数，以改进电池单元设计、减少设计迭代，并且还为开发使得能够实现更有效的充电和热管理的控制算法提供附加的信息。


技术实现要素：

5.本文的构思提供了一种电池单元监测系统，其使用与电池的电极直接接触的分段元件来提供对电池单元中的电、压力和热分布的直接测量。该电池单元监测系统提供分布式的局部贯穿平面（through-plane）的电流和温度的测量，其中通过电池接片来供应用于电池的操作的电力。
6.一种用于电池单元的电池单元监测系统包括二维集流器阵列、二维温度传感器阵列、多个压力传感器以及散布在该集流器阵列内的多个参比电极。该集流器阵列、温度传感器阵列和该多个参比电极被布置在印刷电路板上。该集流器阵列被构造成与电池单元的电极具有直接物理接触。该电池单元监测系统被设置在电池单元内。
7.本公开的一个方面包括：所述集流器阵列被构成为具有多个一致尺寸的集流器的分段集流器，所述集流器以均匀的密度布置在所述印刷电路板上。
8.本公开的另一方面包括：所述集流器阵列被构成为具有一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。
9.本公开的另一方面包括：所述集流器阵列被构成为具有非一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。
10.本公开的另一方面包括：所述非一致尺寸的集流器的二维阵列具有：第一区域，其具有第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器；以及第二区域，其具有第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器，其中，所述第一面积尺寸大于所述第二面积尺寸。
11.本公开的另一方面包括：为第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器的所述第一区域被布置成靠近电连接到所述电池单元的所述电极的接片。
12.本公开的另一方面包括：为第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器的所述第二区域被布置成远离电连接到所述电池单元的所述电极的接片。
13.本公开的另一方面包括：所述二维温度传感器阵列包括多个温度传感器，并且所述二维集流器阵列包括多个集流器，其中，所述多个温度传感器和所述多个压力传感器与所述多个集流器并置（collocate）。
14.本公开的另一方面包括：所述电池单元监测系统具有压力传感器。
15.本公开的另一方面包括：与所述集流器阵列、所述温度传感器阵列和所述多个参比电极通信的数据总线，以及与所述数据总线通信的控制器。所述数据总线与电池的电极隔离，并且所述控制器被构造成从所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极捕获数据信号。
16.本公开的另一方面包括电池单元监测系统，其包括：集流器阵列；温度传感器阵列；散布在集流器阵列内的多个参比电极；与所述集流器阵列、所述温度传感器阵列和所述多个参比电极通信的数据总线；以及与所述数据总线通信的控制器。所述集流器阵列和所述多个参比电极被布置在印刷电路板上。该集流器阵列被构造成与电池单元的电极具有直接物理接触。该集流器阵列被设置在电池单元的容器内。所述数据总线与电池的相应电极隔离。所述控制器被构造成从所述集流器阵列、所述温度传感器阵列和所述多个参比电极捕获数据信号。
17.本公开的另一方面包括：电池单元具有阳极、分隔件、阴极、第一集流器、第二集流器和电池单元监测系统。所述电池单元监测系统构成为具有二维集流器阵列、二维温度传感器阵列以及散布在集流器阵列内的多个参比电极。所述集流器阵列和所述多个参比电极被布置在印刷电路板上。所述集流器阵列被构造成与所述阳极或所述阴极中的一者具有直接物理接触。该集流器阵列被设置在电池单元的容器内。
18.本发明还包括以下技术方案。
19.方案1. 一种用于电池单元的电池单元监测系统，包括：二维集流器阵列；二维温度传感器阵列；多个压力传感器；以及散布在所述集流器阵列内的多个参比电极；其中，所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极被布置在印刷电路板上；其中，所述集流器阵列被构造成与所述电池单元的电极具有直接物理接触；以及其中，所述集流器阵列被设置在所述电池单元的容器内。
20.方案2. 根据方案1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构成为具有多个一致尺寸的集流器的分段集流器，所述集流器以均匀的密度布置在所述印刷电路板
上。
21.方案3. 根据方案1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构成为具有一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。
22.方案4. 根据方案1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构成为具有非一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。
23.方案5. 根据方案4所述的电池单元监测系统，其中，所述非一致尺寸的集流器的二维阵列包括：第一区域，其包括第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器；以及第二区域，其包括第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器，其中，所述第一面积尺寸大于所述第二面积尺寸。
24.方案6. 根据方案5所述的电池单元监测系统，其中，包括第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器的所述第一区域被布置成靠近电连接到所述电池单元的所述电极的接片。
25.方案7. 根据方案5所述的电池单元监测系统，其中，包括第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器的所述第二区域被布置成远离电连接到所述电池单元的所述电极的接片。
26.方案8. 根据方案1所述的电池单元监测系统，其中，所述二维温度传感器阵列包括多个温度传感器；其中，所述二维集流器阵列包括多个集流器；其中，所述多个温度传感器与所述多个集流器并置；以及其中，所述多个压力传感器与所述多个集流器并置。
27.方案9. 根据方案1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构造成与所述电池单元的阳极或阴极中的一者具有直接物理接触。
28.方案10. 根据方案1所述的电池单元监测系统，还包括：数据总线，所述数据总线与所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极通信；以及控制器，所述控制器与所述数据总线通信；其中，所述数据总线与所述电池的所述电极隔离；以及其中，所述控制器被构造成从所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极捕获数据信号。
29.方案11. 一种电池单元监测系统，包括：集流器阵列；温度传感器阵列；散布在所述集流器阵列内的多个参比电极；数据总线，所述数据总线与所述集流器阵列、所述温度传感器阵列和所述多个参比电极通信；多个压力传感器；以及控制器，所述控制器与所述数据总线通信；其中，所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极被布置在印刷电路板上；
其中，所述集流器阵列被构造成与所述电池单元的电极具有直接物理接触；其中，所述集流器阵列被设置在所述电池单元的容器内；其中，所述数据总线与所述电池的所述电极隔离；以及其中，所述控制器被构造成从所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极捕获数据信号。
30.方案12. 一种电池单元，包括：阳极、分隔件、阴极、第一集流器、第二集流器和电池单元监测系统；其中，所述电池单元监测系统包括：二维集流器阵列；二维温度传感器阵列；散布在所述集流器阵列内的多个参比电极；其中，所述集流器阵列和所述多个参比电极被布置在印刷电路板上；其中，所述集流器阵列被构造成与所述阳极或所述阴极中的一者具有直接物理接触；以及其中，所述集流器阵列被设置在所述电池单元的容器内。
31.方案13. 根据方案12所述的电池单元，还包括：数据总线，所述数据总线与所述集流器阵列、所述温度传感器阵列和所述多个参比电极通信；以及控制器，所述控制器与所述数据总线通信；其中，所述数据总线与所述阳极、所述阴极、所述第一集流器和所述第二集流器隔离；以及其中，所述控制器被构造成从所述集流器阵列、所述温度传感器阵列和所述多个参比电极捕获数据信号。
32.方案14. 根据方案12所述的电池单元，其中，所述集流器阵列被构成为具有多个一致尺寸的集流器的分段集流器，所述集流器以均匀的密度布置在所述印刷电路板上。
33.方案15. 根据方案12所述的电池单元，其中，所述集流器阵列被构成为具有一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。
34.方案16. 根据方案12所述的电池单元，其中，所述集流器阵列被构成为具有非一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。
35.方案17. 根据方案16所述的电池单元，其中，集流器的二维非均匀阵列包括：第一区域，其包括第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器；以及第二区域，其包括第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器，其中，所述第一面积尺寸大于所述第二面积尺寸。
36.方案18. 根据方案17所述的电池单元，其中，包括第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器的所述第一区域被布置成靠近电连接到所述电池单元的所述电极的接片。
37.方案19. 根据方案17所述的电池单元，其中，包括第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器的所述第二区域被布置成远离电连接到所述电池单元的所述电极的接片。
38.方案20. 根据方案12所述的电池单元，其中，所述二维温度传感器阵列包括多个温度传感器；其中，所述二维集流器阵列包括多个集流器；以及
其中，所述多个温度传感器与所述多个集流器并置。
39.当结合附图时，根据以下对如所附权利要求中限定的用于实施本教导的最佳模式和其他实施例中的一些的详细描述，本教导的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
40.现在将参考附图通过示例的方式来描述一个或多个实施例，附图中：图1示意性地图示了根据本公开的包括阳极、分隔件、阴极和电池单元监测系统的袋式棱柱形电池单元的分解等距视图。
41.图2示意性地图示了根据本公开的包括阳极、分隔件、阴极和电池单元监测系统的盒式（case-type）棱柱形电池单元的分解等距视图。
42.图3示意性地图示了根据本公开的电池单元监测系统的一个实施例的等距视图。
43.图4示意性地图示了根据本公开的电池单元监测系统的另一个实施例的等距视图。
44.图5示意性地图示了根据本公开的电池单元监测系统的细节。
45.附图不一定按比例绘制，并且呈现了如本文所公开的本公开的各种优选特征的稍微简化的表示，例如包括特定尺寸、定向、位置和形状。与此类特征相关联的细节将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。
具体实施方式
46.如本文所描述和图示的，所公开的实施例的部件可按照多种不同的构造来布置和设计。因此，下面的详细描述并不意在限制如要求保护的本公开的范围，而是仅表示其可能的实施例。另外，虽然在下面的描述中阐述了许多具体细节以提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是某些实施例可在没有这些细节中的一些的情况下实践。此外，为清楚起见，相关技术领域中所理解的某些技术材料并未被详细描述，以避免不必要地模糊本公开。此外，附图呈简化形式，并且不是精确的比例。诸如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“之上”、“上方”、“下方”、“之下”、“后”、“前”之类的方向性术语可用于帮助描述附图。这些和类似的方向性术语是说明性的，并且不应被解释为限制本公开的范围。此外，如本文图示和描述的，本公开可在不存在本文中未具体公开的元件的情况下实践。
47.参考附图，其中贯穿若干附图相同的附图标记对应于相同或相似的部件，图1示意性地图示了布置在柔性袋15中的棱柱形锂离子电池单元10的实施例，该柔性袋15包括阳极集流器12、阳极14、分隔件16、阴极18和阴极集流器20，该阴极集流器20布置有电池单元监测系统100的实施例。前述元件成堆叠布置并密封在包含电解材料的柔性袋15中。在该电池单元的一个实施例中，参比电极可被布置在阳极和阴极之间。第一、负极电池单元接片（未示出）和第二、正极电池单元接片21从柔性袋15突出。术语“阳极”和“负电极”可互换使用。术语“阴极”和“正电极”可互换使用。图示了包括阳极14、分隔件16和阴极18的布置结构的单个电极对。
48.图2示意性地图示了布置在刚性壳13中的棱柱形锂离子电池单元11的另一实施例，该刚性壳13包括阳极集流器12、阳极14、分隔件16、阴极18和阴极集流器20，该阴极集流
器20布置有电池单元监测系统100的实施例。前述元件成堆叠布置并密封在包含电解材料的刚性壳13中。在该电池单元的一个实施例中，参比电极可被布置在阳极和阴极之间。第一、负极电池单元接片和第二、正极电池单元接片从柔性袋15突出。
49.阳极14包括布置在阳极集流器12上的第一活性材料。阳极集流器12是具有箔部分的金属基板，该箔部分从该第一活性材料延伸，以形成第一电池单元接片。
50.阴极18包括布置在阴极集流器20上的第二活性材料，其中阴极集流器20具有从该第二活性材料延伸以形成第二电池单元接片21的箔部分。
51.阳极和阴极集流器12、20为薄金属板形元件，它们在可感知的界面表面区域上接触其相应的第一和第二活性材料。阳极和阴极集流器12、20的目的在于在放电和充电期间与其相应的第一和第二活性材料交换自由电子。
52.在一个实施例中，阳极集流器12是呈矩形平面片材形式的平坦的板形金属基板，但在某些实施例中，其可被布置为具有非矩形形状、盘绕构造、圆柱形构造或者容纳袋式电池、棱柱形电池、圆柱形罐状电池或其他电池构造的另一种构造的平面片材。阳极集流器12由铜、铜合金、不锈钢、镍等中的一种或者不与锂形成合金的另一种材料制成。
53.阴极集流器20是由铝或铝合金制成的平面片材形式的金属基板。分隔件16被布置在阳极14和阴极18之间，以将阳极14与阴极18物理分离和电隔离。
54.传导锂离子的电解材料包含在分隔件16内并且被暴露于阳极14和阴极18中的每一者，以允许锂离子在阳极14和阴极18之间移动。锂离子在放电期间从阳极14剥离，或者在充电期间从阴极18剥离，从而放弃电子，这些电子流过阳极和阴极集流器12、20，相应地通过连接到负载或充电器的外部电路，并且随后到达相对的集流器20、12和相应的电极（18和14），在那里在它们被嵌入时它们还原锂离子。
55.阳极14和阴极18各自被制造为能够沉积和剥离锂离子的电极材料。阳极14和阴极18的电极材料被配制成相对于共同的参比电极，例如锂，以不同的电化学电势存储嵌入的锂。在电极对的构造中，阳极14以比阴极18更低的电化学电势（即，更高的能态）存储嵌入的锂，使得当阳极14被锂化时，在阳极14和阴极18之间存在电化学电势差。在一个实施例中，每个电池单元10的电化学电势差导致在3v至5v的范围内的充电电压以及在2.9v至4.2v的范围内的标称开路电压。其他电压范围也是可实现的，这取决于电池的组成。阳极14和阴极18的这些属性允许在操作循环期间锂离子在阳极14和阴极18之间自发地（放电阶段）或者通过施加外部电压（充电阶段）而可逆地转移。
56.图3示意性地图示了电池单元监测系统100的一个实施例的等距视图，其包括印刷电路板140，该印刷电路板140布置有二维（2d）集流器阵列110、2d温度传感器阵列120、散布在该2d集流器阵列110内的多个参比电极130以及在一个实施例中的一个或多个压力传感器150。
57.2d集流器阵列110包括分段集流器，其被布置成与电池单元的电极中的一个具有直接物理接触，以实现电流、温度和压力的局部测量。在一个实施例中，并且如所示，2d集流器阵列110包括分段集流器，其被布置成与阴极18具有直接物理接触，以实现电流、温度和压力的局部测量。可替代地，2d集流器阵列110包括分段集流器，其被布置成与阳极14具有直接物理接触，以实现电流、温度和压力的局部测量。
58.再次参考图3，二维集流器阵列110被构成为2d均匀线性阵列，其具有多个一致尺
寸的特定于区域的集流器112，这些集流器112在印刷电路板140上以均匀的间距成行和列布置，从而实现集流器112的均匀密度。这些行对应于印刷电路板140的宽度轴线，并且这些列对应于印刷电路板140的长度轴线。在一个实施例中，并且如所示，这些特定于区域的集流器112是矩形平面装置。可替代地，集流器112可为方形平面装置、圆形平面装置、椭圆形平面装置、梯形平面装置或者具有另一形状的平面装置，而没有限制。
59.在该实施例中，2d集流器阵列110中的特定于区域的集流器112被布置成与阴极18的对应的区域位置具有直接物理接触，以实现对那里的电流、温度和压力的局部测量。
60.特定于区域的集流器112的尺寸、形状和布置结构被设计成对应于被监测的电极的布置结构，例如阴极18，并且是特定于应用的。
61.印刷电路板140由不导电且不与电池的电解质反应的聚合物材料制成，并且容易密封在参考图1描述的电池单元10的袋15或者参考图2描述的电池单元11的盒（case）13内。
62.在一个实施例中，印刷电路板140可通过3d打印来生产。
63.印刷电路板140包括印刷电路142的布置结构，其为2d集流器阵列110的每个集流器112、2d温度传感器阵列120的每个温度传感器122、该多个参比电极130中的每个参比电极132以及在采用压力传感器150的实施例上的该多个压力传感器150中的每一个提供分立的电连接。
64.印刷电路142被嵌入到印刷电路板140中，以避免与单元10的电解质接触。
65.印刷电路142包括连接到绝缘总线元件144的电气元件。总线元件144可采用电池袋或盒而与单元10的活性元件、即集流器20、12、阴极18和阳极14电学和化学隔离。
66.印刷电路142为2d集流器阵列110的每个集流器112、2d温度传感器阵列120的每个温度传感器122、该多个参比电极130的每个参比电极132以及在采用压力传感器150的实施例上的该多个压力传感器150中的每一个提供壳体和绝缘屏障。
67.2d集流器阵列110的每个集流器112与例如阴极18的电极的对应部分具有直接物理接触，以便于直接测量其相应区域的局部电流。2d集流器阵列110可采用光刻法和其他微制造工艺来制造。
68.2d温度传感器阵列120的每个温度传感器122与例如阴极18的电极的对应部分具有直接物理接触，以便于直接测量其相应区域的局部温度。2d温度传感器阵列120可采用光刻法和其他微制造工艺来制造。这些温度传感器可以是电阻温度检测器（rtd）或热电偶。
69.该多个参比电极130中的各个参比电极132与2d集流器阵列110的集流器112中的相应集流器相邻定位，并且被嵌入到印刷电路板140的聚合物基体中，并为测量局部电压提供参考点。每个参比电极132可由lifepo4、li-sn、li或另一种材料制成。
70.每个压力传感器150是布置在2d集流器阵列110的集流器112中的一个或多个集流器上的陶瓷或压电装置。图示了单个压力传感器150。要领会的是，在特定位置中可存在与集流器112中的多个集流器并置并布置在其上的多个压力传感器150，以捕获单元10内的绝对压力和压力梯度。
71.总线元件144与控制器160通信，该控制器160包括指令集，该指令集可执行以监测各种输入并执行数据分析，以为2d集流器阵列110的每个集流器112、2d温度传感器阵列120的每个温度传感器122以及在采用压力传感器150的实施例上的该多个压力传感器150中的每一个确定参数。
72.图4示意性地图示了电池单元监测系统400的另一个实施例的等距视图，其包括印刷电路板440，该印刷电路板440布置有二维（2d）集流器阵列410、2d温度传感器阵列420、散布在该2d集流器阵列410内的多个参比电极430以及在一个实施例中的一个或多个压力传感器450。2d集流器阵列410被布置成与电池单元的电极具有直接物理接触，以实现对那里的电流、温度和压力的局部测量。在一个实施例中，电池单元的电极是参考图1描述的阴极18。可替代地，电池单元的电极是参考图1描述的阳极14。
73.在该实施例中，二维集流器阵列410为2d非均匀阵列，其具有多个非一致尺寸的集流器，这些集流器在印刷电路板140上以均匀的间距成行布置。在一个实施例中，并且如所示，这些集流器是具有不同尺寸的矩形平面装置。在一个实施例中，并且如所示，这些集流器的尺寸根据位置而变化，并且对应于在电极上的位置。在一个实施例中，具有小面积尺寸的第一集流器411可靠近2d集流器阵列410的端部部分417布置在阴极集流器20的单元接片21附近。这种布置结构具有高密度的第一集流器411，这为靠近阴极集流器20的单元接片21的区域电流监测（areal current monitoring）提供了高分辨率。
74.具有中等面积尺寸的第二集流器412可被布置在2d集流器阵列410的端部部分417和2d集流器阵列410的中心部分416之间的中途。这种布置结构具有中等密度的第二集流器412，这为阴极集流器20的相应部分中的区域电流监测提供了中等分辨率。
75.具有大面积尺寸的第三集流器413可被布置在2d集流器阵列410的中心部分416附近。这种布置结构具有低密度的第三集流器413，这为阴极集流器20的相应部分中的区域电流监测提供了低分辨率。如本文所用的，术语“低”、“中”和“高”提供了相应元件的尺寸的相对指示，并且是特定于应用的，以提供与电池单元10的测试方案的要求和需求一致的测量分辨率。此外，针对二维集流器阵列410描述了三种尺寸的集流器411、412和413，该二维集流器阵列410是二维集流器阵列410的非限制性示例。图4图示了在第一和第二集流器411、412之间的中间尺寸的第四集流器414，以及在第二和第三集流器412、413之间的中间尺寸的第五集流器415，以为阴极集流器20的相应部分中的区域电流监测提供中间的密度和分辨率。要领会的是，可存在多种尺寸的集流器，以提供与电池单元10的测试方案的要求和需求一致的特定于位置的测量分辨率。
76.作为另一个非限制性实施例，集流器的二维非均匀线性阵列可包括：第一区域，其具有第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器；以及第二区域，其具有第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器，其中，该第一面积尺寸大于第二面积尺寸。在该实施例中，具有第一密度的第一集流器的第一区域被布置成靠近电连接到电极、即电池单元10的阳极14或阴极18的单元接片21，并且具有第二密度的第二集流器的第二区域被布置成远离电连接到参考图1描述的电池单元10的阳极14或阴极18的单元接片21。
77.印刷电路板440包括印刷电路442的布置结构，其为2d集流器阵列410的每个集流器411、412、413、414、415、2d温度传感器阵列420的每个温度传感器、该多个参比电极130中的每个参比电极以及在采用压力传感器150的实施例上的该多个压力传感器150中的每一个提供分立的电连接。
78.印刷电路442被嵌入到印刷电路板440中，以避免与单元10的电解质接触。
79.印刷电路442包括连接到绝缘总线元件444的电气元件。总线元件444可采用电池袋或盒而与单元10的活性元件、即阳极12和阴极20电学和化学隔离。
80.印刷电路442为2d集流器阵列410的每个集流器、2d温度传感器阵列420的每个温度传感器、该多个参比电极430中的每个参比电极以及在采用压力传感器450的实施例上的该多个压力传感器450中的每一个提供壳体和绝缘屏障。
81.总线元件444与控制器460通信，该控制器160包括指令集，该指令集可执行以监测各种输入并执行数据分析，以为2d集流器阵列410的每个集流器、2d温度传感器阵列420的每个温度传感器以及在采用压力传感器450的实施例上的该多个压力传感器450中的每一个确定参数。
82.图5示意性地图示了电池单元监测系统500的布置结构，其包括棱柱形锂离子电池单元510的端视图，该电池单元510包括阳极集流器512、阳极514、分隔件516、阴极518以及布置有分段集流器525的实施例的阴极集流器520。该分段集流器525为参比电极522、温度传感器523、压力传感器524和多个区域集流器（areal current collector）521提供容纳。电源530被布置在阳极集流器512和阴极集流器520之间，其中电压以参比电极522为参考。控制器540与分段集流器525通信，并且包括指令集，该指令集可执行以监测各种输入并执行数据分析，以为2d集流器阵列521的每个集流器、2d温度传感器阵列的每个温度传感器523以及在采用压力传感器524的实施例上的该多个压力传感器524中的每一个确定参数。
83.本文所述的电池单元监测系统100被描绘为置于阴极和阴极集流器之间。替代地或附加地，电池单元监测系统100的实施例可置于阳极和阳极集流器之间。
84.术语“控制器”和相关术语，例如微控制器、控件、控制单元、处理器等，是指以下各项中的一种或多种组合，即：专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）、电子电路、中央处理单元，例如微处理器以及呈存储器和存储装置（只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等）形式的相关非暂时性存储器部件。该非暂时性存储器部件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节，缓冲电路以及可由一个或多个处理器存取和执行以提供所述功能的其他部件的形式来存储机器可读指令。输入/输出电路和装置包括监测来自传感器的输入的模拟/数字转换器和相关装置，其中这样的输入以预设采样频率或响应于触发事件来监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语意指包括校准和查找表的控制器可执行指令集。每个控制器执行控制例程以提供期望的功能。例程可按照规则的间隔执行，例如在正在进行的操作期间每100微秒执行。可替代地，例程可响应于触发事件的发生而执行。控制器、致动器和/或传感器之间的通信可使用直接的有线点对点链路、联网的通信总线链路、无线链路或另一种通信链路来实现。通信包括交换数据信号，例如包括经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可包括表示来自传感器的输入、致动器命令以及控制器之间的通信的离散、模拟和/或数字化模拟信号。
85.术语“信号”是指传达信息的可物理辨别的指示，并且可以是能够通过介质传播的合适的波形（例如，电、光、磁、机械或电磁），例如dc、ac、正弦波、三角波、方波、振动等。
86.术语“校准”、“校准的”和相关术语是指使期望的参数与针对装置或系统的一个或多个感知或观察到的参数相关联的结果或过程。如本文所述的校准可被归纳为可存储的参数表、多个可执行方程式或者可用作测量或控制例程的一部分的另一种合适的形式。
87.参数被定义为表示可使用一个或多个传感器和/或物理模型辨别的装置或其他元件的物理特性的可测量量。参数可具有离散值，例如“1”或“0”，或者在值上可无限变化。
88.如本文所使用的，术语“系统”可指机械和电气致动器、传感器、控制器、专用集成电路（asic）、组合逻辑电路、软件、固件和/或布置成提供所描述的功能的其他部件中的一种或组合。
89.本文所述的电池单元监测系统使得能够直接测量跨单个电池单元的电极的2d区域的电和热分布。如此，该电池单元监测系统提供了一种工具和方法，以同时测量电极的不同位置的电流密度、阻抗和温度，并且由此获得在电池单元操作期间电流和热的分布的全貌。这种布置结构可在早期阶段有效地定位和捕获可能导致热失控事件的局部电短路或热点，特别是对于快速充电，通过在电池设计和循环计划方面提供清楚的指导，这可缩短单元设计时间和迭代。
90.详细描述和绘图或附图是对本教导的支持和描述，但是本教导的范围仅由权利要求限定。虽然已详细描述了用于执行本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在各种替代设计和实施例以用于实践在所附权利要求中限定的本教导。

技术特征：
1.一种用于电池单元的电池单元监测系统，包括：二维集流器阵列；二维温度传感器阵列；多个压力传感器；以及散布在所述集流器阵列内的多个参比电极；其中，所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极被布置在印刷电路板上；其中，所述集流器阵列被构造成与所述电池单元的电极具有直接物理接触；以及其中，所述集流器阵列被设置在所述电池单元的容器内。2.根据权利要求1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构成为具有多个一致尺寸的集流器的分段集流器，所述集流器以均匀的密度布置在所述印刷电路板上。3.根据权利要求1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构成为具有一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。4.根据权利要求1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构成为具有非一致尺寸的集流器的二维阵列的分段集流器。5.根据权利要求4所述的电池单元监测系统，其中，所述非一致尺寸的集流器的二维阵列包括：第一区域，其包括第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器；以及第二区域，其包括第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器，其中，所述第一面积尺寸大于所述第二面积尺寸。6.根据权利要求5所述的电池单元监测系统，其中，包括第一密度的具有第一面积尺寸的第一集流器的所述第一区域被布置成靠近电连接到所述电池单元的所述电极的接片。7.根据权利要求5所述的电池单元监测系统，其中，包括第二密度的具有第二面积尺寸的第二集流器的所述第二区域被布置成远离电连接到所述电池单元的所述电极的接片。8.根据权利要求1所述的电池单元监测系统，其中，所述二维温度传感器阵列包括多个温度传感器；其中，所述二维集流器阵列包括多个集流器；其中，所述多个温度传感器与所述多个集流器并置；以及其中，所述多个压力传感器与所述多个集流器并置。9.根据权利要求1所述的电池单元监测系统，其中，所述集流器阵列被构造成与所述电池单元的阳极或阴极中的一者具有直接物理接触。10. 根据权利要求1所述的电池单元监测系统，还包括：数据总线，所述数据总线与所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极通信；以及控制器，所述控制器与所述数据总线通信；其中，所述数据总线与所述电池的所述电极隔离；以及其中，所述控制器被构造成从所述集流器阵列、所述温度传感器阵列、所述多个压力传感器和所述多个参比电极捕获数据信号。

技术总结
本发明涉及电池单元监测系统和设备。一种电池单元监测系统使用与电池的电极直接接触的分段元件来提供对电池单元中的电和热分布的直接测量。该电池单元监测系统提供分布式的局部贯穿平面的电流、温度和压力测量，其中通过电池接片来供应用于电池的操作的电力。电池单元监测系统的实施例包括二维集流器阵列、二维温度传感器阵列、多个压力传感器以及散布在集流器阵列内的多个参比电极。该集流器阵列、温度传感器阵列、压力传感器和参比电极被布置在印刷电路板上。该集流器阵列被构造成与电池单元的电极具有直接物理接触。该集流器阵列被设置在电池单元的容器内。设置在电池单元的容器内。设置在电池单元的容器内。


技术研发人员：Y
受保护的技术使用者：通用汽车环球科技运作有限责任公司
技术研发日：2022.10.20
技术公布日：2023/9/20