CN101635372A - 锂离子动力电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子动力电池，它包括电池保护板(15)，电池保护板(15)的检测电路芯片(31)负极输出端口B－与负极接线端子(21－1)电连接，正极输出端口B+与正极接线端子(22－1)电连接，功率管(32)三端分别与负极接线端子(21－1)、检测电路芯片(31)输出端口M和均衡电阻(15－3)一端电连接，均衡电阻(15－3)另一端与正极接线端子(22－1)电连接，温度继电器(15－1)有两个输出端口D，而光耦继电器(15－2)输入端两个脚分别与检测电路芯片(31)两个输出端口电连接，光耦继电器(15－2)另一端A和B为两个输出端口。本发明保护功能强、成本低、结构简单、故障率低。

Description

锂离子动力电池

技术领域

本发明涉及一种充电电池，特别涉及一种锂离子动力电池，属于动力电池领域，主要用于以锂离子动力电池为动力源的各种混合式动力汽车和纯电动汽车等。

背景技术

目前锂离子动力电池的主要结构有两种，一种是将卷制好的电芯封装在圆形或方形外壳中的卷制式锂离子动力电池，但这种电池工作过程中电芯的散热仅靠内部空间的气体对流交换及极小部分的介质导热，因此这种结构的始终不能有效地解决散热问题，这就导致这种结构不能做到大容量(只能在10Ah左右)锂离子动力电池。即使有些厂家能将容量做大，也会由于温升得不到解决而使电池容量很快衰减，大大缩短了电池的寿命，甚至发生炸裂，得不偿失。因此经过改进目前的第二种锂离子动力电池结构是将叠制好的叠层电芯封装在圆形或方形外壳中的叠层式锂离子动力电池，它具有导热散热效果好、可做大容量电池、安全性好，循环寿命长等优点，特别是它的内阻低、功率密度高、比能量高更使它优异性突出。这种叠层式锂离子动力电池的叠层电芯包括有负极片、正极片和绝缘隔膜，负极片和正极片依次相间排列，负极片和正极片之间由绝缘隔膜隔开，最外层负极片的外侧设置有绝缘隔膜，这些负极片、正极片和绝缘隔膜按照上述所述排列次序一个个扁放而层层叠置在一起，而后一般用胶带将它们象整包打印纸一样包起来，但要露出上面的负极耳和正极耳，因此电芯也叫叠层电芯。目前的这种叠层式锂离子动力电池存在着如下缺陷：(1)、电池自身保护功能差。由于目前的锂离子动力电池无保护性结构，锂离子动力电池发热会造成容量损失，甚至导致容量早期衰减，从而使其循环寿命大大缩短，甚至带来对电池的损坏，严重时还有爆炸的可能。而锂离子动力电池过充电或过放电带来的直接损害是锂离子动力电池循环寿命的迅速下降和充放电效率的下降，甚至会造成电池的短路或损坏。这些都给锂离子动力电池带来不安全隐患，给使用也带来极大的不便；(2)、成本高。在实际使用过程中经常将多个锂离子动力电池单体组合成电池组使用，有时组合成电池组的电池单体达上百个，用以提高锂离子动力电池的功率。由于锂离子动力电池并无保护性结构，因此在单体锂离子动力电池组成电池组时，单体锂离子动力电池的损坏会使串联组合的各单体电池容量不一致，从而使已选配好的成组电池由于单体电池容量的严重离散而失衡，使成组电池因单体电池的提早损坏而缩短成组电池的使用寿命，造成能源的极大浪费和成本的增加，为了弥补这一缺陷目前采用的方法是：当组成电池组的电池电超过两节时，电池组增加一个与外部控制电路相接的外部电池管理系统，用以保证在既使单体电池出现过热、过充等情况下整个电池组的安全。但增加外部电池管理系统带来非常严重的问题：一是外部电池管理系统中的控制芯片价格就达五千多元，整个外部电池管理系统价格达到一万五千元以上，成本非常高，如果电池组中电池单体个数达百个，增加一个外部电池管理系统，平均在每一个单体电池上的成本达五十多元，而对于电池组中电池单体个数只有几个，增加一个外部电池管理系统，平均在每一个单体电池上的成本达上千元之多，折算在单体电池上的使用成本非常昂贵，外部电池管理系统成本居高不下造成许多用户无法使用，这也大大降低了使用的安全性和广泛性；二是连接复杂，连接点过多，以n个单体电池串联组成的电池组来计算，其引出连接至外部电池管理系统中的引出连接线为n+1根，如100个单体电池串联组成的电池组，其引出连接线就达101根，可想而知其接线的繁锁和难度之大以及成本之高，而连接点多会造成故障频频发生，给维修使用带来不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、安全性高、对电池具有保护作用的锂离子动力电池。

实现上述目的的技术方案是：一种锂离子动力电池，包括外壳和叠层电芯，外壳封装在叠层电芯的外面，外壳上设置有缺口，缺口包括有安装口和注液口，负极极耳接头和正极极耳接头固定在外壳上，负极极耳接头上部为负极接线端子，正极极耳接头上部为正极接线端子，负极接线端子和正极接线端子通过缺口上的安装口伸出外壳外部，叠层电芯包括有负极片、正极片和绝缘隔膜，负极片和正极片依次相间排列，负极片和正极片之间由绝缘隔膜隔开，最外层极片的外侧也设置有绝缘隔膜，左右两端均以负极片做为最外层极片，所有的负极片均通过固定件与负极极耳接头相连接，所有的正极片均通过固定件与正极极耳接头相连接，伸出外壳外部的负极接线端子和正极接线端子上套装有电池保护板，电池保护板包括有温度继电器、光耦继电器、均衡电阻、检测电路芯片和功率管，电池保护板的检测电路芯片负极输出端口B-与负极接线端子电连接，电池保护板的检测电路芯片正极输出端口B+与正极接线端子电连接，功率管一端与负极接线端子电连接，另一端与检测电路芯片的输出端口M电连接，还有一端与均衡电阻的一端电连接，均衡电阻的另一端与正极接线端子电连接，温度继电器有两个输出端口D，温度继电器的检测头与外壳相接触，而光耦继电器输入端的两个脚分别与检测电路芯片的两个输出端口E和F电连接，光耦继电器的另一端A和B为两个输出端口。

进一步，所述的均衡电阻由两个均衡电阻并联而成。

进一步，所述的负极片由两片石墨材料制作的膜和一片铜箔组成，铜箔夹持在两片石墨材料制作的膜之间，铜箔上端作为负极耳，并在该负极耳上开有让固定件穿过的孔。

进一步，所述的正极片由两片磷酸铁锂材料制作的膜和一片铝箔组成，铝箔夹持在两片磷酸铁锂材料制作的膜之间，铝箔上端作为正极耳，并在该正极耳上开有让固定件穿过的孔。

进一步，所述的绝缘隔膜由两片PP材料制作的膜和一片PE材料制作的膜组成，PE材料制作的膜夹持在两片PP材料制作的膜之间。

进一步，所述的外壳为不锈钢材料制作。

进一步，所述外壳的上下两端卡装有电池壳绝缘套。

进一步，所述外壳包括有箱体和盖板，缺口开在盖板上，缺口还包括有防爆口，防爆口上贴有安全防爆膜，盖板下面装有电子安装板，电子安装板上与缺口相对应的位置上开有下缺口，下缺口包括有定位安装口、注液通口和防爆通孔。

进一步，所述温度继电器的检测头放在盖板上的安全防爆膜上。

进一步，所述的安全防爆膜为铜膜。

采用上述技术方案后，本发明具有很多好处：(1)、保护功能强。本发明带有电池保护板，因此可以对电池进行保护，当测量电池温度低于设定安全温度时，温度继电器导通，当测得温度高于设定安全温度时，温度继电器断开，由外部控制电路使电池输出断电，实现对电池的温度保护。当电池过充时，通过均衡电阻工作，泄放电流，实现对电池的过充保护，实现均衡充电。当电池过放时，光耦继电器开始动作，实现对电池的过放保护。本发明通过电池保护板，避免了由于电池过热、过充对电池造成的损害，保护功能强，大大地延长了本发明的循环使用寿命，充放电效率提高，大大提高了本发明的安全性；(2)、结构简单、成本低、性价比高。本发明增加的电池保护板结构简单，本发明单体组合成电池组使用时，组成电池组的本发明单体每个只需装一块电池保护板，通过电池保护板上的输出端口把整体电池组连接好，使用时只需直接与外部控制电路相接即可，不需要增加外部电池管理系统。本发明成本低，一个电池保护板成本只有几角钱，即使是上百个单体电池组成的电池组成本也只有几十元，与现有技术中的外部电池管理系统相比价格直线下降，用户都能承担这样的成本，这也大大增强了使用的安全性和广泛性；(3)、连接容易，连接点少，故障率低。以n个单体电池串联组成的电池组来计算，其引出连接线只有四根，连接点少，即使是100个单体电池串联组成的电池组，其引出连接线也只有四根，因此接线容易，连接点少，不易出现故障，维修使用十分方便；(4)、零功耗。本发明的电池保护板在锂离子动力电池正常工作状态下，没有功耗，真正实现了零功耗，大大地节约了成本和电力资源。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为图1的A-A剖面图；

图5为图1的B-B剖面图；

图6为图2的F-F剖视图；

图7为去掉件1外壳和件4电子安装板等的内部结构示意图；

图8为件9负极片结构示意图；

图9为件10正极片结构示意图；

图10为件7绝缘隔膜结构示意图；

图11为图8的J-J剖视图；

图12为图9的K-K剖视图；

图13为图10的L-L剖面图；

图14为件21负极极耳接头和件22正极极耳接头的结构示意图；

图15为件26电池壳绝缘套的结构示意图；

图16为件1外壳上面部分件3盖板的结构示意图；

图17为件4电子安装板的结构示意图；

图18为件1外壳下面部分件2箱体的结构示意图。

图19为本发明的电路原理示意图；

图20为单体本发明组成电池组时件15电池保护板的接线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图20所示，一种锂离子动力电池，包括外壳1、电子安装板4和叠层电芯16，还包括有电池保护板15，还包括有铜材制作的负极极耳接头21和铝材制作的正极极耳接头22，外壳1由不锈钢材料制作，使用不锈钢材料的外壳1更有利于散热，而且耐腐蚀效果更好。电池保护板15上面开有两个孔15-4，伸出外壳1外部的负极接线端子21-1和正极接线端子22-1上套装有电池保护板15，电池保护板15包括有温度继电器15-1、光耦继电器15-2、均衡电阻15-3、检测电路芯片31和功率管32，电池保护板15的检测电路芯片31负极输出端口B-与负极接线端子21-1电连接，电池保护板15的检测电路芯片31正极输出端口B+与正极接线端子22-1电连接，功率管32一端与负极接线端子21-1电连接，另一端与检测电路芯片31的输出端口M电连接，还有一端与均衡电阻15-3的一端电连接，均衡电阻15-3的另一端与正极接线端子22-1电连接，所述的均衡电阻15-3由两个均衡电阻15-3并联而成。温度继电器15-1有两个输出端口D，温度继电器15-1的检测头15-1-1与外壳1相接触，而光耦继电器15-2输入端的两个脚分别与检测电路芯片31的两个输出端口E和F电连接，光耦继电器15-2的另一端A和B为两个输出端口。电池保护板15上设置有两个A端口、两个B端口、两个D端口，光耦继电器15-2的A和B两个输出端口即为电池保护板15上的一个A端口和一个B端口，温度继电器15-1两个输出端口D即为电池保护板15上的两个D端口。当本发明组成电池组使用时，光耦继电器15-2的A和B两个输出端口与外部控制电路相接，各个单体本发明上每块电池保护板15上的两个A输出端口之间相连，两个B输出端口之间相连，温度继电器的两个输出端口D之间不连接。温度继电器15-1为触点式温度开关，由温度继电器15-1头部里面的两个触点来控制温度继电器的开关，使用时正常状态下两个触点吸合导通，当温度高于设定安全温度时，两个触点断开。本发明的检测电路芯片31为control IC，即控制模块。因检测电路芯片31电流小，功率管32为mosfet，即摩斯管，起放大作用，带动均衡电阻15-3动作。均衡电阻15-3根据均衡电流的大小来选择，而均衡电流的大小与电路电流有关，如当电路中电流为10Ah以下时，均衡电流为100mA；当电路中电流为10Ah至100Ah时，均衡电流为1000mA。外壳1封装在电子安装板4和叠层电芯16的外面，外壳1包括有箱体2和盖板3，盖板3下面装有电子安装板4，电子安装板4由绝缘材料制作。外壳1上设置有缺口17，缺口17开在盖板3上，缺口17包括有两个安装口17-1和一个注液口17-2以及一个防爆口17-3，防爆口17-3上贴有铜膜制作的安全防爆膜19，温度继电器15-1的检测头15-1-1放在盖板3上的安全防爆膜19上，由于铜膜制作的安全防爆膜19处显示电池内部温度比较真实准确，因此将温度继电器15-1的检测头15-1-1对准安全防爆膜19感知测定温度会更加准确灵敏。电子安装板4上与缺口17相对应的位置上开有下缺口18，下缺口18包括有两个定位安装口18-1和一个注液通口18-2以及一个防爆通孔18-3。注液口17-2开在盖板3的一侧，防爆口17-3开在盖板3中央，注液口17-2开在防爆口17-3两侧，注液口17-2与注液通口18-2位置正好相对应，外壳1内充好电解液后，将铆钉23铆入注液通口18-2上面的注液口17-2内密封。两个定位安装口18-1上面均具有凸台4-1，盖板3上的缺口17的两个安装口17-1套在凸台4-1外面。负极极耳接头21上部为负极接线端子21-1，正极极耳接头22上部为正极接线端子22-1，负极接线端子21-1和正极接线端子22-1上均具有外螺纹，负极极耳接头21下部开有连接负极耳9-1-1的连接孔21-2，正极极耳接头22下部开有连接正极耳10-1-1的连接孔22-2，负极接线端子21-1和正极接线端子22-1通过电子安装板4上的定位安装口18-1伸出外壳1的安装口17-1外部，在负极接线端子21-1和正极接线端子22-1上分别套上绝缘垫圈24，绝缘垫圈24上面套上一字螺帽28，再通过两个孔15-4将电池保护板15套装在负极接线端子21-1和正极接线端子22-1的一字螺帽28上面，然后再在上面旋上固定螺母25进行固定。负极极耳接头21和正极极耳接头22固定在电子安装板4上。叠层电芯16包括有负极片9、正极片10和绝缘隔膜7。负极片9和正极片10依次相间排列，负极片9和正极片10之间由绝缘隔膜7隔开，最外层极片的外侧也设置有绝缘隔膜7，左右两端均以负极片9做为最外层极片，即按照绝缘隔膜7、负极片9、绝缘隔膜7、正极片10、绝缘隔膜7、负极片9、绝缘隔膜7、正极片10、绝缘隔膜7......绝缘隔膜7、负极片9、绝缘隔膜7排列，将绝缘隔膜7、负极片9和正极片10按上述顺序层层叠置好后，外面包上胶带5，包时要露出负极片9上面的负极耳9-1-1和正极片10上面的正极耳10-1-1。所有的负极片9均通过固定件20与负极极耳接头21相固接，所有的正极片10均通过固定件20与正极极耳接头22相固接，所述的固定件20为固定螺栓。

如图4和图11所示，所述的负极片9由两片石墨材料制作的膜9-2和一片铜箔9-1组成，铜箔9-1夹持在两片石墨材料制作的膜9-2之间，铜箔9-1上端作为负极耳9-1-1，并在该负极耳9-1-1上开有让固定件20穿过的孔9-3。多个负极耳9-1-1叠在一起形成负极耳群，固定件20通过孔9-3和连接孔21-2将负极耳群与负极极耳接头21固接在一起。负极片9上的热量和电流通过负极耳群和固定件20固定螺栓直接传递给负极极耳接头21，热量通过负极极耳接头21及时地散发出去。

如图5和图12所示，所述的正极片10由两片磷酸铁锂材料制作的膜10-2和一片铝箔10-1组成，铝箔10-1夹持在两片磷酸铁锂材料制作的膜10-2之间，铝箔10-1上端作为正极耳10-1-1，并在该正极耳10-1-1上开有让固定件20穿过的孔10-3。多个正极耳10-1-1叠在一起形成正极耳群，固定件20通过孔10-3和连接孔22-2将正极耳群与正极极耳接头22固接在一起。正极片10上的热量和电流通过正极耳群和固定件20固定螺栓直接传递给正极极耳接头22，热量通过正极极耳接头22及时地散发出去。

如图13所示，所述的绝缘隔膜7由两片PP材料制作的膜7-2和一片PE材料制作的膜7-1组成，PE材料制作的膜7-1夹持在两片PP材料制作的膜7-2之间。

如图1、图2和图15所示，外壳1的上下两端卡装有电池壳绝缘套26，电池壳绝缘套26由绝缘材料制作。电池壳绝缘套26为可拆卸式。

当多个本发明组合成锂离子动力电池组使用时，电池壳绝缘套26既能起到绝缘的作用，又可使多个本发明的外壳1之间始终保持有间隙，有利于散热，提高本发明的循环使用寿命。单个本发明使用时，电池壳绝缘套26可拆去或不装。

本发明设定安全温度为55℃，过放保护电压为2.5V，过充保护电压为3.65V。

多个本发明组合成锂离子动力电池组使用时，多个单体本发明的电池保护板15级联接线图见图20所示，各个单体本发明单元端口串联，正常状态下导通，保护状态下断开；A和B为过放保护检测输出端口，各个单元之间连接时A端口连接B端口(当然也可以A端口连接A端口，B端口连接B端口)，D端口连接D端口，正常状态下A端口和B端口之间高阻，过放保护状态下低阻，其工作原理为：(1)、每个单体本发明装有一块电池保护板15，电池组中每块电池保护板15能分别检测电池组中每只电池的电压，控制电池组的充放电过程，电池组中每只电池的电压均在过充检测电压和过放检测电压之间，正常状态下，A和B输出端口呈高阻状态，D输出端口之间导通，允许放电操作；(2)、串联电池组中的任意一只电池的电压下降至过放检测电压并且达到过放延时时间时，过放保护功能起动，A和B输出端口呈低阻，禁止电池组对外输出电流，保护电池组安全，电池电压超过过放恢复电压后才能恢复。超过保护温度后，D端口之间断开，实现电池组温度保护功能，保证电池安全；(3)、对电池组充电过程中，当任何一节电池电压上升到电池过充检测电压，并且超过过充延时时间时，过充保护启动，启动大功率放电电阻回路，抵消过量的充电电流，保护电池组过充并为其它串联电池提供均衡充电电流，当电池组电池电压下降到过充恢复电压以下时，过充状态被恢复。

本发明不限于上述实施例，凡采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1、一种锂离子动力电池，包括外壳(1)和叠层电芯(16)，外壳(1)封装在叠层电芯(16)的外面，外壳(1)上设置有缺口(17)，缺口(17)包括有安装口(17-1)和注液口(17-2)，负极极耳接头(21)和正极极耳接头(22)固定在外壳(1)上，负极极耳接头(21)上部为负极接线端子(21-1)，正极极耳接头(22)上部为正极接线端子(22-1)，负极接线端子(21-1)和正极接线端子(22-1)通过缺口(17)上的安装口(17-1)伸出外壳(1)外部，叠层电芯(16)包括有负极片(9)、正极片(10)和绝缘隔膜(7)，负极片(9)和正极片(10)依次相间排列，负极片(9)和正极片(10)之间由绝缘隔膜(7)隔开，最外层极片的外侧也设置有绝缘隔膜(7)，左右两端均以负极片(9)做为最外层极片，所有的负极片(9)均通过固定件(20)与负极极耳接头(21)相连接，所有的正极片(10)均通过固定件(20)与正极极耳接头(22)相连接，其特征在于：伸出外壳(1)外部的负极接线端子(21-1)和正极接线端子(22-1)上套装有电池保护板(15)，电池保护板(15)包括有温度继电器(15-1)、光耦继电器(15-2)、均衡电阻(15-3)、检测电路芯片(31)和功率管(32)，电池保护板(15)的检测电路芯片(31)负极输出端口B-与负极接线端子(21-1)电连接，电池保护板(15)的检测电路芯片(31)正极输出端口B+与正极接线端子(22-1)电连接，功率管(32)一端与负极接线端子(21-1)电连接，另一端与检测电路芯片(31)的输出端口M电连接，还有一端与均衡电阻(15-3)的一端电连接，均衡电阻(15-3)的另一端与正极接线端子(22-1)电连接，温度继电器(15-1)有两个输出端口D，温度继电器(15-1)的检测头(15-1-1)与外壳(1)相接触，而光耦继电器(15-2)输入端的两个脚分别与检测电路芯片(31)的两个输出端口E和F电连接，光耦继电器(15-2)的另一端A和B为两个输出端口。

2、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述的均衡电阻(15-3)由两个均衡电阻(15-3)并联而成。

3、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述的负极片(9)由两片石墨材料制作的膜(9-2)和一片铜箔(9-1)组成，铜箔(9-1)夹持在两片石墨材料制作的膜(9-2)之间，铜箔(9-1)上端作为负极耳(9-1-1)，并在该负极耳(9-1-1)上开有让固定件(20)穿过的孔(9-3)。

4、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述的正极片(10)由两片磷酸铁锂材料制作的膜(10-2)和一片铝箔(10-1)组成，铝箔(10-1)夹持在两片磷酸铁锂材料制作的膜(10-2)之间，铝箔(10-1)上端作为正极耳(10-1-1)，并在该正极耳(10-1-1)上开有让固定件(20)穿过的孔(10-3)。

5、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述的绝缘隔膜(7)由两片PP材料制作的膜(7-2)和一片PE材料制作的膜(7-1)组成，PE材料制作的膜(7-1)夹持在两片PP材料制作的膜(7-2)之间。

6、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述的外壳(1)为不锈钢材料制作。

7、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述外壳(1)的上下两端卡装有电池壳绝缘套(26)。

8、根据权利要求1所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述外壳(1)包括有箱体(2)和盖板(3)，缺口(17)开在盖板(3)上，缺口(17)还包括有防爆口(17-3)，防爆口(17-3)上贴有安全防爆膜(19)，盖板(3)下面装有电子安装板(4)，电子安装板(4)上与缺口(17)相对应的位置上开有下缺口(18)，下缺口(18)包括有定位安装口(18-1)、注液通口(18-2)和防爆通孔(18-3)。

9、根据权利要求8所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述温度继电器(15-1)的检测头(15-1-1)放在盖板(3)上的安全防爆膜(19)上。

10、根据权利要求8所述的锂离子动力电池，其特征在于：所述的安全防爆膜(19)为铜膜。

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