温度传感器

背景技术

可再充电电池被用于车辆、电动工具、固定电力系统、个人电子装置和其他装置，并作为便携式电能存储装置操作。与能量充电、放电和生命周期性能相关的特性受到包括电池温度在内的操作参数的影响。因此，准确且精确地监测可再充电电池的温度是有益的。

发明内容

本文描述的概念包括设置在可再充电电池的电池单元中的温度传感器，该温度传感器包括电阻感测元件、第一电极和第二电极，所有这些都贴附到插在可再充电电池的阳极和阴极之间的多孔分隔件。电阻感测元件串联电连接在第一电极和第二电极之间，所有这些都作为膜层贴附到分隔件上。电阻感测元件、第一电极和第二电极是多孔的，并且具有与分隔件的渗透性相同数量级的渗透性。

本公开的一个方面包括用于可再充电电池的电池单元的温度传感器，该温度传感器包括电阻感测元件、第一电极和第二电极，其中，电阻感测元件、第一电极和第二电极贴附到多孔分隔件。多孔分隔件插在电池单元的阳极和阴极之间。电阻感测元件串联电连接在第一电极和第二电极之间，并且电阻感测元件、第一电极和第二电极作为膜层贴附到分隔件上，并且是多孔的。

本公开的另一方面包括电阻感测元件、第一电极和第二电极由金、镍或导电炭黑材料中的一种制成。

本公开的另一方面包括电阻感测元件、第一电极和第二电极具有与多孔分隔件的渗透性相同数量级的渗透性。

本公开的另一方面包括集成到电阻感测元件中的参考电极，其中，参考电极贴附到多孔分隔件。参考电极贴附到分隔件上，并且是多孔的。

本公开的另一方面包括被集成到电阻感测元件中的参考电极，包括电阻感测元件包括第一电阻路径和第二电阻路径。第一电阻路径与第二电阻路径并联电连接，其中第一电阻路径与第二电阻路径电阻对称。参考电极在第一结处连接到第一电阻路径和第二电阻路径。第一电阻路径在第二结处电连接到第二电阻路径。参考电极包括设置在第一和第二电阻路径之间的末端部分。

本公开的另一方面包括通过第一电阻路径是第二电阻路径的镜像而使第一电阻路径与第二电阻路径电阻对称。

本公开的另一方面包括第一电阻路径具有与第二电阻路径相同的几何形状、横截面积和路径长度。

本公开的另一方面包括参考电极是多孔的，包括参考电极具有与多孔分隔件的渗透性相同数量级的渗透性。

本公开的另一方面包括温度传感器，该温度传感器包括电阻感测元件、第一电极、第二电极和多孔膜，其中，电阻感测元件、第一电极和第二电极贴附到多孔膜，其中，电阻感测元件串联电连接在第一电极和第二电极之间，并且电阻感测元件、第一电极和第二电极各自具有与多孔膜的渗透性相同数量级的渗透性。

本公开的另一方面包括电阻感测元件、第一电极和第二电极作为膜层贴附到分隔件上。

本公开的另一方面包括电阻感测元件、第一电极和第二电极由金、镍或导电炭黑材料中的一种制成。

本公开的另一方面包括可再充电电池单元，其包括阳极、阴极、分隔件、温度传感器、参考电极和传感器屏蔽件。分隔件设置在阳极和阴极之间，并且温度传感器贴附到分隔件。传感器屏蔽件设置在温度传感器和阳极或阴极中的邻近一者之间。

本公开的另一个方面包括温度传感器面向阳极贴附到分隔件，其中，传感器屏蔽件设置在温度传感器和阳极之间。

本公开的另一个方面包括温度传感器面向阴极贴附到分隔件，其中，传感器屏蔽件设置在温度传感器和阴极之间。

本公开的另一方面包括温度传感器是串联电连接在第一电极和第二电极之间的电阻感测元件。

本发明提供了以下技术方案：

1. 一种用于可再充电电池的电池单元的温度传感器，包括：

电阻感测元件、第一电极和第二电极；

其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极贴附到多孔分隔件；

其中，所述多孔分隔件插在所述电池单元的阳极和阴极之间；

其中，所述电阻感测元件串联电连接在所述第一电极和所述第二电极之间；

其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极通过物理气相沉积贴附到所述分隔件上；并且

其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极是多孔的。

2. 根据技术方案1所述的温度传感器，其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极由金、镍或导电炭黑材料中的一种制成。

3. 根据技术方案1所述的温度传感器，其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极是多孔的包括所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极具有与所述多孔分隔件的渗透性相同数量级的渗透性。

4. 根据技术方案1所述的温度传感器，还包括集成到所述电阻感测元件中的参考电极；

其中，所述参考电极贴附到所述多孔分隔件；

其中，所述参考电极通过物理气相沉积贴附到所述分隔件上；和

其中，所述参考电极是多孔的。

5. 根据技术方案4所述的温度传感器，其中，被集成到所述电阻感测元件中的所述参考电极包括：

所述电阻感测元件包括第一电阻路径和第二电阻路径；

其中，所述第一电阻路径与所述第二电阻路径并联电连接；

其中，所述第一电阻路径与第二电阻路径电阻对称；

其中，所述参考电极在第一结处连接到所述第一电阻路径和所述第二电阻路径；

其中，所述第一电阻路径在第二结处电连接到所述第二电阻路径；并且

其中，所述参考电极包括设置在所述第一和第二电阻路径之间的末端部分。

6. 根据技术方案5所述的温度传感器，其中，所述第一电阻路径与所述第二电阻路径电阻对称包括所述第一电阻路径是所述第二电阻路径的镜像。

7. 根据技术方案6所述的温度传感器，其中，所述第一电阻路径是所述第二电阻路径的镜像包括所述第一电阻路径具有与所述第二电阻路径相同的几何形状、横截面积和路径长度。

8. 根据技术方案4所述的温度传感器，其中，所述参考电极是多孔的包括所述参考电极具有与所述多孔分隔件的渗透性相同数量级的渗透性。

9． 一种温度传感器，包括：

电阻感测元件、第一电极、第二电极和多孔膜；

其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极贴附到所述多孔膜；

其中，所述电阻感测元件串联电连接在所述第一电极和所述第二电极之间；并且

其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极各自具有与所述多孔膜的渗透性相同数量级的渗透性。

10． 根据技术方案9所述的温度传感器，其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极贴附到所述多孔膜包括所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极溅射涂覆到所述分隔件上。

11. 根据技术方案9所述的温度传感器，还包括所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极由金、镍或导电炭黑材料中的一者制成。

12. 一种可再充电电池单元，包括：

阳极、阴极、分隔件、温度传感器、参考电极和传感器屏蔽件；

其中，所述分隔件设置在所述阳极和所述阴极之间；

其中，所述温度传感器贴附到所述分隔件；

其中，所述参考电极电连接到所述温度传感器；和

其中，所述传感器屏蔽件设置在所述温度传感器和阳极或阴极中的邻近一者之间。

13. 根据技术方案12所述的可再充电电池单元，其中，所述温度传感器面向阳极被贴附到所述分隔件；并且

其中，所述传感器屏蔽件设置在所述温度传感器和所述阳极之间。

14. 根据技术方案12所述的可再充电电池单元，其中，所述温度传感器面向阴极被贴附到所述分隔件；并且

其中，所述传感器屏蔽件设置在所述温度传感器和所述阴极之间。

15. 根据技术方案12所述的可再充电电池单元，其中，所述温度传感器包括串联电连接在第一电极和第二电极之间的电阻感测元件。

16. 根据技术方案15所述的可再充电电池单元，其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极由金制成。

17. 根据技术方案15所述的可再充电电池单元，其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极作为膜层贴附到所述分隔件上。

18. 根据技术方案15所述的可再充电电池单元，其中，所述电阻感测元件、所述第一电极和所述第二电极是多孔的。

19. 根据技术方案15所述的可再充电电池单元，其中，所述参考电极电连接到所述温度传感器包括所述参考电极电集成到所述电阻感测元件中。

20. 根据技术方案15所述的可再充电电池单元，其中，所述电阻感测元件包括参考电极，所述参考电极在第一结处电连接到第一电阻路径和第二电阻路径；

其中，所述第一电阻路径在第二结处电连接到所述第二电阻路径；

其中，所述第一电阻路径与所述第二电阻路径并联电连接；

其中，所述参考电极包括设置在所述第一和第二电阻路径之间的末端部分；并且

其中，所述第一电阻路径与所述第二电阻路径电阻对称。

以上概述并非旨在代表本公开的每个可能的实施例或每个方面。相反，前述概述旨在举例说明本文公开的一些新颖方面和特征。当结合附图和权利要求时，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将从以下对用于实施本公开的代表性实施例和模式的详细描述中变得显而易见。

附图说明

现在将参考附图，通过示例来描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本公开的电池单元的分解立体图。

图2示意性地示出了根据本公开的包括温度传感器的分隔件的平面图。

图3示意性地示出了根据本公开的温度传感器和参考电极的平面图。

图4以图形方式图示了根据本公开的温度传感器的实施例的校准图。

附图不一定按比例绘制，并且可以呈现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，包括例如特定的尺寸、取向、位置和形状。与这些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决定。

具体实施方式

如本文所描述和图示的，所公开的实施例的部件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，下面的详细描述并不旨在限制所要求保护的本公开的范围，而是仅仅代表其可能的实施例。另外，尽管在以下描述中阐述了许多具体细节，以便提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是一些实施例可以在没有这些细节的情况下实施。此外，为了清楚起见，没有详细描述相关领域中理解的某些技术材料，以避免不必要地模糊本公开。仅为了方便和清楚起见，方向性术语，诸如顶部、底部、左侧、右侧、上、之上、上方、下、下方、后方和前方可参照附图使用。这些和类似的方向性术语不应被解释为限制本公开的范围。此外，如本文所示和所述，本公开可以在没有本文未具体公开的元件的情况下实施。此外，不打算受前面的技术领域、背景、简要概述或下面的详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的约束。此外，应当理解，在所有附图中，对应的附图标记表示相似或对应的部分和特征。术语“第一”、“第二”等用于区分相似的元素，并且不表示顺序、数量、优先级或重要性。术语“一”和“一个”等用于表示至少一个所引用项目的存在，并且不表示对数量的限制。

参考附图，与本文公开的实施例一致，图1示意性地示出了可再充电电池单元10，其可以是电池组或电池系统的元件。电池组或电池系统可以包括多个电池单元10，并且可以用作车辆、便携式电动工具、个人电子装置、计算机系统、固定装置等的电源。在一个实施例中，每个电池单元10被配置为锂离子电化学电池，该锂离子电化学电池被布置成提供特定的电压和/或电流，该电压和/或电流有益于为诸如电机或致动器的机电装置供电。每个电池单元10包括电化学材料，其可以呈包含负责其中电活性的电解质和/或电极活性材料的锂离子水溶液的形式。

电池单元10包括阳极12、阴极14、分隔件20、传感器屏蔽件30和温度传感器40，它们封装在包含电化学材料的外壳16内。如图所示，且在一个实施例中，电池单元10被布置为大尺寸软包电池。在一个实施例中，温度传感器40电连接到参考电极48。分隔件20设置在阳极12和阴极14之间，并在物理上分隔阳极12和阴极14。温度传感器40贴附到分隔件20。传感器屏蔽件30设置在温度传感器40和阳极12或阴极14中的邻近一者之间。在一个实施例中，并且如图所示，温度传感器40面向阳极12贴附到分隔件20，并且传感器屏蔽件30设置在温度传感器40和阳极12之间。替代地，温度传感器40面向阴极14贴附到分隔件20，并且传感器屏蔽件30设置在温度传感器40和阴极14之间。在一个实施例中，并且如图所示，阳极12、阴极14、分隔件20和传感器屏蔽件30被配置为并联布置的平面装置。

分隔件20是多孔的、可渗透的或半渗透的复合膜，其包括微孔基底和涂层。涂层可以由无机和/或有机颗粒和水性或水基聚合物粘合剂的混合物形成。涂层也可以由实现或导致各向异性导电和/或导热的填料材料形成。例如，涂层可以包括纳米材料，诸如金属、半金属或碳基纳米颗粒、纳米管、纳米纤维、石墨烯片或层等。此外，某些填料可用于提供增强的结构特性。除了导电填料之外或代替导电填料，可以使用结构填料，诸如陶瓷材料的纤维、珠、粒子等，诸如硅酸盐或硼硅酸盐玻璃，或另一种合适的材料。涂层还可以包括多孔材料，诸如聚烯烃（例如，聚乙烯、聚丙烯）、聚芳族（例如，聚苯乙烯、聚苯硫醚）或允许锂离子穿过涂层的类似物。

温度传感器40贴附到分隔件20，并包括电阻感测元件46、第一电极42和第二电极44。

在一个实施例中，电阻感测元件46、第一电极42和第二电极44由金制成。替代地，电阻感测元件46、第一电极42和第二电极44由镍、导电碳黑材料或在锂离子化学中无活性的另一种低反应性铂族金属制成。电阻感测元件46、第一电极42和第二电极44可以由任何导电材料制成，该导电材料在通过溅射或其他沉积工艺贴附到分隔件20上时可以变成多孔的，并且在电池化学中保持无活性。

电阻感测元件46串联电连接在第一电极42和第二电极44之间。第一和第二导线43、45分别电连接到第一和第二电极42、44，并分别提供到监测控制器25的电连接。温度传感器40通过溅射涂覆或采用另一种形式的物理气相沉积作为膜层贴附到分隔件20。温度传感器40作为膜层的贴附使得它是多孔的并且可渗透离子流，因此避免了中断包括液相离子流通过分隔件20的锂迁移。温度传感器40是导电的，并且可以用于测量电池单元10内的温度。电池单元10内的测量温度可以外推或以其他方式用于估计电池组或电池单元10位于其中的电池系统的温度。

现在参考图2和3，描述了与贴附到分隔件20的温度传感器40相关的细节。温度传感器40是电阻温度传感器，意味着温度是相对于测量的电阻来确定的。图4以图形方式示出了校准图的示例，该校准图指示水平轴410上的温度和竖直轴420上的电阻，示出了温度/电阻关系430。可以确定线性回归，并将其简化成实践为校准，该校准可以被实施为查找表、可执行等式或参考图1描述的监测控制器25中的另一种形式。监测控制器25可执行控制例程以测量温度传感器40中的电阻，并基于此确定电池单元10中的温度。

再次参考图2和3，温度传感器40包括电阻感测元件46、第一电极42和第二电极44。对元件（例如，温度传感器40的电阻感测元件46、第一电极42和第二电极44）中电荷流动的阻力可以根据以下关系关于元件的总长度、横截面积和材料来确定：

R=ρ（L/A） [1]

其中：

R是总电阻，

ρ是材料的电阻率值，

L是元素的长度，并且

A是元素的横截面积。

参考等式1描述的关系可用于设计温度传感器40，使得第一和第二电极42、44的电阻贡献对温度传感器40的总电阻的贡献最小，其中电阻感测元件46被设计成控制温度传感器40的基于温度的电阻变化。该信息可用于校准温度传感器40，包括选择期望的路径来调节对温度变化的灵敏度。

第一电极42和第二电极44可以布置在具有相对宽的表面积的薄层中，以最小化电阻并增强渗透性。第一和第二电极42、44的渗透性与分隔件20的渗透性在同一数量级，因此不会干扰分隔件20的锂迁移功能。在一个实施例中，温度传感器40的元件比电池单元10的其他层薄一个数量级。在一个实施例中，温度传感器40被制造为50 nm厚的薄膜温度传感器。该薄膜具有低热容量，从而允许其快速响应于温度变化，包括由电化学活动引起的温度变化。溅射涂层的使用允许温度传感器40像分隔件20一样多孔和可渗透，从而对干扰离子电流产生不利影响，并为参考电极48提供导体。温度传感器作为热敏电阻器工作，电阻与温度的升高相关联地增加。总电阻被测量为温度传感器40的溅射沉积的温度和几何形状的函数。具有长路径长度的小横截面积支配电阻，因此整个系统的电阻大约等于有意设计的薄区域的电阻，其与电阻感测元件46相关联。因此，在温度传感器40的薄区域处（即，在电阻感测元件46处）测量温度。电阻感测元件46可以在期望的位置处贴附到分隔件20，用于监测电池单元10中该期望的位置处的温度。在一个实施例中，期望的位置可以靠近与分隔件20相关联的平面区域的几何中心。在一个实施例中，期望的位置可以靠近与分隔件20相关联的平面区域的底部部分。在一个实施例中，期望的位置可以靠近与分隔件20相关联的平面区域的顶部部分。

诸如电池组相对于采用电池组的系统的位置以及相关联的热传递的设计因素可影响温度传感器40的位置。此外，温度传感器40可以设置在电池组中的一个或一部分电池单元中，并且与电池组中的热传递相关联的因素可以影响包含温度传感器40的电池单元10的位置。

现在参考图3，描述了与包括第一和第二电极42、44以及参考电极48的温度传感器40相关的附加细节。参考电极48被集成到温度传感器40的电阻感测元件46中。电阻感测元件46包括第一电阻路径53和第二电阻路径54，其中第一电阻路径53与第二电阻路径54并联电连接，其中，从其通过的电流由箭头描绘。参考电极48在第一结51处连接到第一电阻路径53和第二电阻路径54。此外，第一电阻路径53在第二结52处电连接到第二电阻路径54。参考电极48在第一和第二电阻路径53、54之间突出，并且包括设置在第一和第二电阻路径53、54之间的末端部分50。

第一和第二电阻路径53、54被设计成具有电阻对称性，这意味着第一和第二电阻路径53、54的电阻是相等的。在一个实施例中，通过将第一电阻路径53布置为第二电阻路径54的镜像，第一电阻路径53与第二电阻路径54具有电阻对称性。这包括第一电阻路径53具有与第二电阻路径54相同的几何形状、包括面积和厚度的横截面形状以及路径长度，并且第一电阻路径53由与第二电阻路径54相同的材料制成。当控制器45在操作以测量电阻并因此确定温度时，利用第一和第二电阻路径53、54的电阻对称性和相关联的对称布置来最小化通过参考电极48的电流。

本文所述的薄膜温度传感器和参考电极可用于大尺寸商用电池或小尺寸实验室装置中的电池堆叠内。温度传感器40用作提供参考电极和热敏电阻器的双重目的，其中分隔件用作支撑基底。多孔热敏电阻器的厚度、路径长度和路径宽度可以在不同的应用中变化，以改变分隔件不同区域中对温度变化的电阻灵敏度。当发生温度测量时，对称性使参考电极附近电流的变化最小化。

术语“控制器”和相关术语（诸如微控制器、控制模块、模块、控件、控制单元、处理器和类似术语）指的是专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、电子电路、中央处理单元的一种或多种组合，例如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）形式的微处理器和相关联的非暂时性存储器部件。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、缓冲电路和其他部件的形式存储机器可读指令，这些指令可以由一个或多个处理器访问和执行以提供所描述的功能。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监测来自传感器的输入的相关装置，这些输入以预设的采样频率或响应于触发事件被监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语意味着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。例程可以以规则的间隔执行，例如在正在进行的操作期间每100微秒执行一次。替代地，可以响应于触发事件的发生来执行例程。控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路或其他合适的通信链路来实现。通信包括以合适的形式交换数据信号，包括例如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。数据信号可以包括代表来自传感器的输入、致动器命令和控制器之间的通信的离散的、模拟的或数字化的模拟信号。

术语“信号”指的是传达信息的物理上可辨别的指示器，并且可以是合适的波形（例如，电的、光的、磁的、机械的或电磁的），诸如DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等，其能够穿过介质。

术语“校准”、“已校准”和相关术语指的是使装置或系统的期望参数和一个或多个感知或观察到的参数相关的结果或过程。如本文所述的校准可被简化为可存储的参数表、多个可执行等式或可用作测量或控制例程的一部分的另一合适形式。

参数被定义为可测量的量，其表示使用一个或多个传感器和/或物理模型可辨别的装置或其他元件的物理性质。参数可以具有离散值，例如，“1”抑或“0”，或者可以是无限可变的值。

详细描述和附图或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。虽然已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。