CN101826643B

CN101826643B - 可充电动力电池

Info

Publication number: CN101826643B
Application number: CN201010161330A
Authority: CN
Inventors: 刘新保; 贾晓林; 周永刚; 蔡俊明; 李恩惠
Original assignee: 郑州德朗能电池有限公司
Current assignee: Zhengzhou De Lang Can Microwave Technology Co Ltd
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2010-05-04
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2030-05-04
Also published as: CN101826643A

Abstract

本发明涉及一种可充电动力电池；可充电动力电池含有壳体以及安装在壳体内部的N个可充电的电池芯，壳体内或壳体外壁上设有M个充放电控制继电器，壳体外壁上还设有充电端子、放电端子、负极端子、继电器驱动电源输入端口，继电器驱动电源输入端口的两根引出线分别与充放电控制继电器的驱动线圈两端连接，充放电控制继电器的触点为双向触点，充放电控制继电器的触点中含有1个充电触点、N-1个正极触点、N-1个负极触点，N个可充电的电池芯通过这些触点的动作实现串联和并联的转换，壳体外壁上还设有N-1个充电指示灯；本发明提供了一种容量大、充电可靠、方便的可充电动力电池。

Description

可充电动力电池

(一)、技术领域：本发明涉及一种电池，特别是涉及一种可充电动力电池。

(二)、背景技术：在电动自行车、混合动力汽车、电动汽车等动力电池应用技术领域，对于动力电池的高倍率放电性能、高倍率充电性能、高输出电压、高荷电容量等技术需求方面，单体电池技术是无法满足的。因而，需要将单体动力电池通过串联、并联或混合连接构成动力电池模组，满足高功率电伺服应用技术领域对动力电池的高容量、高电压和大电流输出等技术需求。

锂离子动力电池组具有能量密度高、比功率大、循环寿命长、容量大、内阻小等诸多优点，因此在电动汽车中得到了日益广泛的应用。

在现有锂离子电池技术条件下，因其技术机理的制约，锂离子电池对过充的过载承受能力较低，且在高温下的工作特性较差。若充电不当，不但会造成单体锂离子电池的不可逆损伤，甚至会产生爆炸等恶性后果。实践证明，仅仅把单体锂离子电池荷电容量简单做大，不但具有较大的工艺难度，且单体锂离子电池的输出电压，不能满足几乎所有大功率动力电池应用技术领域对高输出电压的需求。因而，高输出电压、大荷电容量的锂离子动力电池，只能通过串联型或混联型锂离子电池模组方式来实现。

在现有锂离子电池制工程技术条件下，量产单体锂离子电池的荷电容量必然存在一定的一致性差异。由存在一致性差异的单体铿离子电池串联构成电池组时，若充放电均衡控制管理处置不当，则会在串联回路的充放电过程，造成部分单体电池过充电或过放电。且随着电池组的老化进程，过充或过放现象均会促使部分单体电池的材料瑕疵、制工程工艺差异所致一致性差异放大显性，加速部分单体电池的老化和循环工作寿命条件分化，最终会因部分单体电池产生不可逆损伤而导致电池组快速失效。

电池过充电时，由于锂离子从活性物质中迁出，会导致正极材料结构的变化或破坏，从而产生热量，可能还会释出氧气；当过充电压大于电解质溶液的窗口电压时，电解质溶液将被氧化还原分解，反应放出的热使电池温度上升到电解液的分解温度时，放出大量的热，电池将会爆炸起火。

例如，在动力电池组充电过程中，其中的某一个或某几个具有较高电压的电池单体会比其他电池单体更早地进入过充状态，此时，如果继续为动力电池组充电，发生过充的电池单体就可能极化作用加强、升温加剧，以致发生燃烧甚至爆炸。如果在具有较高电压的电池单体过充后即停止对整个电池组充电，虽然能够避免发生安全事故，但却无法保证其他电池单体满充，从而造成部分电池容量的浪费。

因此电池过充电是造成事故的主要原因，应尽量预防和避免。现有的解决办法是：

①加保护电路，实时监测电池的充电电压，当电压大于规定值时，采用各种方法平衡电池单体的电压，目前主要应用的有两种：一种为能量消耗法，另一种为能量转移法。

能量消耗法是将单体电池与一个限压负载并联，每个限压负载均包括一个电阻和一个开关。充电开始时，开关都处于断开状态。充电过程中，检测电路对每个电池单体的充电状态进行检测，若发现某个电池单体的电压值超过设定电压，则其限压负载的开关接通，使单体电池对所连电阻放电，消耗掉部分能量而使电压重新回到设定值，然后再断开限压负载的开关，直至每个电池单体的电压都达到设定值，从而实现电池组的平衡充电。显然能量消耗法会在限压负载的电阻上消耗很多能量，同时，电阻产生的热量也会为动力电池组的散热带来负担。

在采用能量转移法充电的动力电池组中，所有电池单体都分别通过切换阵列和检测电路与隔离型DC/DC(直-直电压变换器)并联。隔离型DC/DC一般为一个容量较大的可充电电池。开始充电时，隔离型DC/DC的可充电电池处于放电状态，并与每个单体电池断路。充电过程中，发现某个电池单体的电压值超过设定电压，则通过切换阵列将该电池单体与隔离型DC/DC相连接，电池单体即开始为隔离型DC/DC的电池充电。当该电池单体的电压下降到设定值时，切断电池单体和隔离型DC/DC之间的并联回路，直至使每个电池单体的电压都达到设定值，从而实现电池组平衡充电。但是，上述充电系统内部结构复杂，可靠性低。

②在电解液中加入防过充添加剂，当充电电压超出规定电压时，添加剂开始进行反复无损耗的氧化还原，以消耗多余的充电能量。

显然，上述方法会增加电池的生产成本，并且对电池的性能带来不良的影响。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种容量大、充电可靠、方便的可充电动力电池。

本发明的技术方案：

一种可充电动力电池，含有壳体以及安装在壳体内部的N个可充电的电池芯，壳体内或壳体外壁上设有M个充放电控制继电器，壳体外壁上还设有充电端子、放电端子、负极端子、继电器驱动电源输入端口，继电器驱动电源输入端口的两根引出线分别与充放电控制继电器的驱动线圈两端连接，充放电控制继电器的触点为双向触点，充放电控制继电器的触点中含有1个充电触点、N-1个正极触点、N-1个负极触点，充电端子与充电触点的中间端连接，充电触点的常开端与第1个电池芯的正极连接，第1个电池芯的负极与负极端子连接，第2～N个电池芯的正极分别与第1～N-1个正极触点的中间端连接，N-1个正极触点的常开端与第1个电池芯的正极连接，第2～N个电池芯的负极分别与第1～N-1个负极触点的中间端连接，N-1个负极触点的常开端与负极端子连接，第1个负极触点的常闭端与第1个电池芯的正极连接，任一个正极触点的常闭端与序号在其后一位的负极触点的常闭端连接，第N-1正极触点的常闭端与放电端子连接，N为大于1的自然数，M为非0自然数。

壳体外壁上还设有N-1个充电指示灯，N-1个充电指示灯分别与N-1个电阻串联后组成N-1个串联电路，N-1个串联电路分别并接在第1个电池芯的正极与第2～N个电池芯的负极之间。

充电指示灯为LED发光管，充电指示灯安装在壳体的上表面。

电池芯为1个单体电池，或为H个单体电池并联后的电池组；H为大于1的自然数。

单体电池为可充电锂离子电池，或为镍氢电池，或为铅酸电池；充放电控制继电器为电磁继电器，或为固态继电器；H为2～500中的任意数。

充电端子、放电端子、负极端子、继电器驱动电源输入端口、充放电控制继电器安装在壳体的上表面。

继电器驱动电源输入端口为圆形电源插口。

壳体为塑料壳或金属壳。

N为2～10中的任意数；M为1～20中的任意数。

实际使用该可充电动力电池时，直接将负载接在放电端子和负极端子之间，这时，充放电控制继电器触点的中间端均与常闭端接通，N个电池芯处于串联状态。当放电终了需要充电时，先向继电器驱动电源输入端口通电，使充放电控制继电器吸合，此时，充放电控制继电器触点的中间端均与常开端接通时，N个电池芯处于并联状态，它们都并接在充电端子和负极端子之间，这时，就可以对N个电池芯进行充电，同时，N-1个充电指示灯变亮。

为了提高动力电池的输出电压和容量，可以采用串联或并联的方式将多个可充电动力电池组合在一起形成动力电池组，这样更加方便使用。

本发明的有益效果：

1.本发明在充电时将原来串联的电池芯转换成并联状态，使充电的过程简单快捷、充电效率高，避免了多节电池芯串联充电带来的诸多问题，能够防止过充电的情况下对电池造成的损害，从而有效保护电池，提高电池使用寿命，防止意外危险。本发明结构简单、设计巧妙、使用方便。

2.本发明在充电/放电方式转换时无需作任何其它的操作，充电时直接连接充电端子、负极端子、继电器驱动电源输入端口，放电时直接连接放电端子、负极端子，充电与放电过程即可自动转换，极大地方便了使用，可以直接应用到插电式电动汽车、电动观光旅游车、电动摩托车等领域中。

3.本发明的电池芯采用可充电锂离子电池或镍氢电池，保证了本发明具有较高的容量和较低的成本。

4.本发明由于采用多节电池芯并联充电的方式，因此，无需专门设计充电器，用普通的单节电池充电器就可以充电，可以使充电过程更加优化，使用方便、安全可靠。

5.本发明可以方便地任意组合成各种电压、容量的电池组，以满足各种用户的需要。

(四)、附图说明：

图1为可充电动力电池的结构示意图；

图2为可充电动力电池的上表面结构示意图之一；

图3为可充电动力电池的上表面结构示意图之二；

图4为可充电动力电池的内部电路原理示意图之一；

图5为可充电动力电池的内部电路原理示意图之二；

图6为可充电动力电池的内部电路原理示意图之三。

(五)、具体实施方式：

实施例一：参见图1、图2、图4，图中，可充电动力电池含有壳体1以及安装在壳体1内部的3个可充电的电池芯BT1、BT2、BT3，壳体1外壁上设有2个充放电控制继电器K1、K2，壳体1外壁上还设有充电端子2、放电端子3、负极端子4、继电器驱动电源输入端口5，继电器驱动电源输入端口5的两根引出线分别与充放电控制继电器K1、K2的驱动线圈K1-L、K2-L两端连接，充放电控制继电器K1、K2的触点为双向触点，充放电控制继电器K1含有3个双向触点K1-1、K1-3、K1-4，充放电控制继电器K2含有2个双向触点K2-1、K2-2，其中，双向触点K1-1为充电触点，2个双向触点K1-4、K2-2为正极触点，2个双向触点K1-3、K2-1为负极触点，充电端子2与充电触点K1-1的中间端连接，充电触点K1-1的常开端与第1个电池芯BT1的正极连接，第1个电池芯BT1的负极与负极端子4连接，第2～3个电池芯BT2、BT3的正极分别与第1～2个正极触点K1-4、K2-2的中间端连接，2个正极触点K1-4、K2-2的常开端与第1个电池芯BT1的正极连接，第2～3个电池芯BT2、BT3的负极分别与第1～ 2个负极触点K1-3、K2-1的中间端连接，2个负极触点K1-3、K2-1的常开端与负极端子4连接，第1个负极触点K1-3的常闭端与第1个电池芯BT1的正极连接，第1个正极触点K1-4的常闭端与第2个负极触点K2-1的常闭端连接，第2个正极触点K2-2的常闭端与放电端子3连接。

壳体1外壁上还设有2个充电指示灯D1、D2，2个充电指示灯D1、D2分别与2个电阻R1、R2串联后组成2个串联电路，这2个串联电路分别并接在第1个电池芯BT1的正极与第2～3个电池芯BT2、BT3的负极之间。

充电指示灯D1、D2为LED发光管，充电指示灯D1、D2安装在壳体1的上表面。

电池芯BT1、BT2、BT3分别为1个单体电池；单体电池为铅酸电池；充放电控制继电器K1、K2为电磁继电器。

充电端子2、放电端子3、负极端子4、继电器驱动电源输入端口5、充放电控制继电器K1、K2安装在壳体1的上表面。

继电器驱动电源输入端5口为圆形电源插口。

壳体1为塑料壳。

实际使用该可充电动力电池时，直接将负载接在放电端子3和负极端子4之间，这时，充放电控制继电器K1、K2触点的中间端均与常闭端接通，3个电池芯BT1、BT2、BT3处于串联状态，可充电动力电池向外输出电压。当放电终了需要充电时，先向继电器驱动电源输入端口5通电，使充放电控制继电器K1、K2吸合，此时，充放电控制继电器K1、K2触点的中间端均与常开端接通时，3个电池芯BT1、BT2、BT3处于并联状态，它们都并接在充电端子2和负极端子3之间，这时，就可以对3个电池芯BT1、BT2、BT3进行充电，同时，2个充电指示灯D1、D2变亮。

实施例二：参见图1、图2、图5，图中，可充电动力电池含有壳体1以及安装在壳体1内部的4个可充电的电池芯BT1、BT2、BT3、BT4，壳体1外壁上设有2个充放电控制继电器K1、K2，壳体1外壁上还设有充电端子2、放电端子3、负极端子4、继电器驱动电源输入端口5，继电器驱动电源输入端口5 的两根引出线分别与充放电控制继电器K1、K2的驱动线圈K1-L、K2-L两端连接，充放电控制继电器K1、K2的触点为双向触点，充放电控制继电器K1含有3个双向触点K1-1、K1-3、K1-4，充放电控制继电器K2含有4个双向触点K2-1、K2-2、K2-3、K2-4，其中，双向触点K1-1为充电触点，3个双向触点K1-4、K2-2、K2-4为正极触点，3个双向触点K1-3、K2-1、K2-3为负极触点，充电端子2与充电触点K1-1的中间端连接，充电触点K1-1的常开端与第1个电池芯BT1的正极连接，第1个电池芯BT1的负极与负极端子4连接，第2～4个电池芯BT2、BT3、BT4的正极分别与第1～3个正极触点K1-4、K2-2、K2-4的中间端连接，3个正极触点K1-4、K2-2、K2-4的常开端与第1个电池芯BT1的正极连接，第2～4个电池芯BT2、BT3、BT4的负极分别与第1～3个负极触点K1-3、K2-1、K2-3的中间端连接，3个负极触点K1-3、K2-1、K2-3的常开端与负极端子4连接，第1个负极触点K1-3的常闭端与第1个电池芯BT1的正极连接，第1个正极触点K1-4的常闭端与第2个负极触点K2-1的常闭端连接，第2个正极触点K2-2的常闭端与第3个负极触点K2-3的常闭端连接，第3正极触点K2-4的常闭端与放电端子3连接。

壳体1外壁上还设有3个充电指示灯D1、D2、D3，3个充电指示灯D1、D2、D3分别与3个电阻R1、R2、R3串联后组成3个串联电路，这3个串联电路分别并接在第1个电池芯BT1的正极与第2～4个电池芯BT2、BT3、BT4的负极之间。

充电指示灯D1、D2、D3为LED发光管，充电指示灯D1、D2、D3安装在壳体1的上表面。

电池芯BT1、BT2、BT3、BT4分别为18个单体电池并联后的电池组；单体电池为可充电锂离子电池；充放电控制继电器K1、K2为电磁继电器。

继电器驱动电源输入端5口为圆形电源插口。

壳体1为塑料壳。

实际使用该可充电动力电池时，直接将负载接在放电端子3和负极端子4之间，这时，充放电控制继电器K1、K2触点的中间端均与常闭端接通，4个电池芯BT1、BT2、BT3、BT4处于串联状态，可充电动力电池具有容量27Ah，向外输出12.8V(1500mAh的18650磷酸铁锂锂离子电池)的电压，或者具有容量32.4Ah，输出14.4V的电压(1800mAh的18650钴酸锂锂离子电池)。当放电终了需要充电时，先向继电器驱动电源输入端口5通电，使充放电控制继电器K1、K2吸合，此时，充放电控制继电器K1、K2触点的中间端均与常开端接通时，4个电池芯BT1、BT2、BT3、BT4处于并联状态，它们都并接在充电端子2和负极端子3之间，这时，就可以对4个电池芯BT1、BT2、BT3、BT4进行充电，同时，3个充电指示灯D1、D2、D3变亮。

为了提高动力电池的输出电压和容量，采用串联的方式将4个可充电动力电池组合在一起形成动力电池组，电池组具有容量27Ah，向外输出51.2V(1500mAh的18650磷酸铁锂锂离子电池)的电压，或具有容量32.4Ah，输出57.6V(1800mAh的18650钴酸锂锂离子电池)的电压。采用串联的方式将8个可充电动力电池组合在一起形成动力电池组，电池组具有容量27Ah，向外输出104V(1500mAh的18650磷酸铁锂锂离子电池)的电压，或具有容量32.4Ah，输出115.2V(1800mAh的18650钴酸锂锂离子电池)的电压，这样更加方便使用。

实施例三：参见图1、图3、图6，可充电动力电池含有壳体1以及安装在壳体1内部的5个可充电的电池芯BT1、BT2、BT3、BT4、BT5，壳体1外壁上设有3个充放电控制继电器K1、K2、K3，壳体1外壁上还设有充电端子2、放电端子3、负极端子4、继电器驱动电源输入端口5，继电器驱动电源输入端口5的两根引出线分别与充放电控制继电器K1、K2、K3的驱动线圈K1-L、K2-L、K3-L两端连接，充放电控制继电器K1、K2、K3的触点为双向触点，充放电控制继电器K1含有3个双向触点K1-1、K1-3、K1-4，充放电控制继电器K2含有4个双向触点K2-1、K2-2、K2-3、K2-4，充放电控制继电器K3含有2个双向触点K3-1、K3-2，其中，双向触点K1-1为充电触点，4个双向触点K1-4、K2-2、K2-4、K3-2为正极触点，4个双向触点K1-3、K2-1、K2-3、K3-1为负极触点，充电端子2与充电触点K1-1的中间端连接，充电触点K1-1的常开端与第1个电池芯BT1的正极连接，第1个电池芯BT1的负极与负极端子4连接，第2～5个电池芯BT2、BT3、BT4、BT5的正极分别与第1～4个正极触点K1-4、K2-2、K2-4、K3-2的中间端连接，4个正极触点K1-4、K2-2、K2-4、K3-2的常开端与第1个电池芯BT1的正极连接，第2～5个电池芯BT2、BT3、BT4、BT5的负极分别与第1～4个负极触点K1-3、K2-1、K2-3、K3-1的中间端连接，4个负极触点K1-3、K2-1、K2-3、K3-1的常开端与负极端子4连接，第1个负极触点K1-3的常闭端与第1个电池芯BT1的正极连接，第1个正极触点K1-4的常闭端与第2个负极触点K2-1的常闭端连接，第2个正极触点K2-2的常闭端与第3个负极触点K2-3的常闭端连接，第3个正极触点K2-4的常闭端与第4个负极触点K3-1的常闭端连接，第4正极触点K3-2的常闭端与放电端子3连接。

壳体1外壁上还设有4个充电指示灯D1、D2、D3、D4，4个充电指示灯D1、D2、D3、D4分别与4个电阻R1、R2、R3、R4串联后组成4个串联电路，这4个串联电路分别并接在第1个电池芯BT1的正极与第2～5个电池芯BT2、BT3、BT4、BT5的负极之间。

充电指示灯D1、D2、D3、D4为LED发光管，充电指示灯D1、D2、D3、D4安装在壳体1的上表面。

电池芯BT1、BT2、BT3、BT4、BT5分别为8个单体电池并联后的电池组；单体电池为D型(容量11Ah)镍氢电池；充放电控制继电器K1、K2、K3为电磁继电器。

充电端子2、放电端子3、负极端子4、继电器驱动电源输入端口5、充放电控制继电器K1、K2、K3安装在壳体1的上表面。

继电器驱动电源输入端5口为圆形电源插口。

壳体1为塑料壳。

实际使用该可充电动力电池时，直接将负载接在放电端子3和负极端子4之间，这时，充放电控制继电器K1、K2、K3触点的中间端均与常闭端接通，5个电池芯BT1、BT2、BT3、BT4、BT5处于串联状态，可充电动力电池具有88Ah的容量，可向外输出6V的电压。当放电终了需要充电时，先向继电器驱动电源输入端口5通电，使充放电控制继电器K1、K2、K3吸合，此时，充放电控制继电器K1、K2、K3触点的中间端均与常开端接通时，5个电池芯BT1、BT2、BT3、BT4、BT5处于并联状态，它们都并接在充电端子2和负极端子3之间，这时，就可以对5个电池芯BT1、BT2、BT3、BT4、BT5进行充电，同时，4个充电指示灯D1、D2、D3、D4变亮。

为了提高动力电池的输出电压和容量，采用串联的方式将4个可充电动力电池组合在一起形成动力电池组，电池组具有88Ah的容量，可向外输出24V的电压，采用串联的方式将8个可充电动力电池组合在一起形成动力电池组，电池组具有88Ah的容量，可向外输出48V的电压，这样更加方便使用。

以上实施例只是本发明较优选的具体实施方式中的两种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换(如改变组成电池芯的单体电池型号、电池芯和充放电控制继电器的个数，以及改变某一个充放电控制继电器的触点的个数)都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种可充电动力电池，含有壳体以及安装在壳体内部的N个可充电的电池芯，其特征是：壳体内或壳体外壁上设有M个充放电控制继电器，壳体外壁上还设有充电端子、放电端子、负极端子、继电器驱动电源输入端口，继电器驱动电源输入端口的两根引出线分别与充放电控制继电器的驱动线圈两端连接，充放电控制继电器的触点为双向触点，充放电控制继电器的触点中含有1个充电触点、N-1个正极触点、N-1个负极触点，充电端子与充电触点的中间端连接，充电触点的常开端与第1个电池芯的正极连接，第1个电池芯的负极与负极端子连接，第2～N个电池芯的正极分别与第1～N-1个正极触点的中间端连接，N-1个正极触点的常开端与第1个电池芯的正极连接，第2～N个电池芯的负极分别与第1～N-1个负极触点的中间端连接，N-1个负极触点的常开端与负极端子连接，第1个负极触点的常闭端与第1个电池芯的正极连接，任一个正极触点的常闭端与序号在其后一位的负极触点的常闭端连接，第N-1正极触点的常闭端与放电端子连接，N为大于1的自然数，M为非0自然数；壳体外壁上还设有N-1个充电指示灯，N-1个充电指示灯分别与N-1个电阻串联后组成N-1个串联电路，N-1个串联电路分别并接在第1个电池芯的正极与第2～N个电池芯的负极之间。

2.根据权利要求1所述的可充电动力电池，其特征是：所述充电指示灯为LED发光管，充电指示灯安装在壳体的上表面。

3.根据权利要求1或2所述的可充电动力电池，其特征是：所述电池芯为1个单体电池，或为H个单体电池并联后的电池组；H为大于1的自然数。

4.根据权利要求3所述的可充电动力电池，其特征是：所述单体电池为可充电锂离子电池，或为镍氢电池，或为铅酸电池；所述充放电控制继电器为电磁继电器，或为固态继电器；所述H为2～500中的任意数。

5.根据权利要求1或2所述的可充电动力电池，其特征是：所述充电端子、放电端子、负极端子、继电器驱动电源输入端口、充放电控制继电器安装在壳体的上表面。

6.根据权利要求1或2所述的可充电动力电池，其特征是：所述继电器驱动电源输入端口为圆形电源插口。

7.根据权利要求1或2所述的可充电动力电池，其特征是：所述壳体为塑料壳或金属壳。

8.根据权利要求1或2所述的可充电动力电池，其特征是：所述N为2～10中的任意数；所述M为1～20中的任意数。