CN101834311A - 锂二次电池组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂二次电池组。本发明锂二次电池组包括多个相互并联的电池组单元，其中，每个电池组单元又由至少2个锂二次电池串联组成。本发明使电池电流密度分布的一致性得到改善，从而改善了电池发热、电池循环性能差等问题，提高了电池组性能。

Description

锂二次电池组

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其是一种锂二次电池组。

背景技术

锂二次电池因其工作电压高、体积小、质量轻、循环寿命长，是一种理想电源。

随着电动自行车、电动摩托车、微型电动汽车、电动轿车、电动大巴、备用电源、储能电站的发展，对总能量较高的电池组的需求也越来越大。由于使用单体大容量电池或低电压的大容量电池组电流大、导线粗、能量效率低，因此电池组的电压不能做得太低；但从绝缘、安全性和电子元器件耐压、电池一致性等角度考虑，电池组的电压不能做得太高，因此电池组的容量也不可能太低，综合考虑因此需要较高电压、较大容量的电池组。而较高电压、较大容量的锂二次电池组的获得一般采用如下两种组合形式。

组合形式一：若干个小容量的单体电池并联成大容量的电池；若干个大容量的电池串联成较高电压的大容量的电池组；

组合形式二：直接采用若干个大容量的单体电池串联成较高电压的大容量的电池组。

对于组合形式一的锂二次电池组来说，组成锂二次电池组的每个单体电池由于制造条件和温度、充放电倍率、荷电态、使用历程等不同，电池的容量、内阻、充放电电压和自放电率等性能彼此存在差异，随着使用时间和充放电次数的增加，单体电池之间的一致性逐渐变差；对于组合形式二的锂二次电池组来说，由于大容量的单体电池内部不管是由多个正、负极极片并联构成的，还是由单个正、负极极片构成，实际上最终还是相当于组合形式一中的若干个小容量的单体电池并联，因此随着使用时间和充放电次数的增加，电池内部极片和材料之间的一致性也在逐步变差。

另外电池在充放电过程中是存在极化的，极化分为欧姆极化、电化学极化、浓差极化三类。影响极化程度的因素很多，但一般情况下充放电电流密度越大，极化也就越大。因此放电电流越大时，电池的放电电压越低；充电电流越大时，电池的充电电压越高。

图1为两只单体电池并联示意图。对于新的电池组来说，单体电池的容量在组合之前要经过严格的筛选，每个单体电池的电压也基本上相同，而电池的内阻、连接电阻、不同倍率下的充放电平台等相对是不易控制的。因此为了分析的方便，图1中做如下假设：两只单体电池初始端电压一样，荷电态都为100％；两只单体电池并联后以总电流为恒定100A(100％)的电流放电；两只单体电池各以50A(50％)的放电电流，相同的放电终止电压下放电容量相同；由于内阻、连接电阻等一致性方面原因，导致两只电池的放电平台(放电时的动态电压)相差较大，假设电池A的放电平台比电池B的放电平台高0.3V。则两只单体电池并联放电时放电电流百分比与放电时间进度的曲线一般如图2所示。

如图2所示，在放电初期，放电平台高的电池A的放电电流会大于放电平台低的电池B的放电电流，即放电初期，电池A的放电电流会大于50A(50％)的平均放电电流，或称为与容量成正比的电流，而电池B的放电电流会小于50A(50％)的平均放电电流；在放电末期，放电平台高的电池A的放电电流会小于放电平台低的电池B的放电电流，即放电末期，电池A的放电电流会小于平均放电电流，电池B的放电电流会大于平均放电电流。

其原因在于，单体电池并联充放电过程中，正常情况下根据电工学原理，每只单体电池的端电压是一样的，因此在放电初期，由于同样电流下电池A的放电平台比电池B的放电平台高，只有电池A的放电电流相对大时，电池A的极化才能相对较大，电池A的放电电压才能降低0.3V左右，这样才能保证放电初期电池A和电池B的端电压一致。因此放电初期，放电平台高的电池A的放电电流必然会大于平均电流，理论上分析，极端情况下电池A的放电电流都有可能接近100％。随着放电的进行，由于开始时电池A的放电电流大，其放出的容量比电池B的多得越来越多，电池A的荷电态也就越来越低，荷电态对应的电压也就越来越低，为了保证电池A的端电压和电池B的端电压一致，电池A的放电电流和极化也就越来越小，而电池B的放电电流也就越来越大，理论上分析，极端情况下放电末期电池B的放电电流也有可能接近100％。

同理，对初始端电压一样，荷电态都为0％，在平均充电电流和同样的充电截止电压等相同充电条件下充电容量相同，但是由于内阻、连接电阻等一致性方面原因，导致电池的充电平台(充电时的动态电压)相差较大的两只单体电池并联充电时会出现充电平台高的电池充电电流开始会小于平均电流，但随后其充电电流会越来越大，甚至会出现大于平均电流的现象。

因此不管是组合形式一还是组合形式二，均会由于并联电池或并联极片之间充放电平台、内阻、容量、使用次数等的不一致导致电流密度分布的不一致，这又将进一步导致电池或极片之间使用条件的不一致，从而更加导致电池或极片有时电流密度大、发热、放电平台变低、充电平台变高、循环性能变差等情况出现。由于循环末期电池或极片之间的一致性在变差，电流密度分布也就越不一致，因此在循环末期，电池性能的衰减是加剧的，易产生锂的析出甚至还易产生安全问题。

可见并联电池之间电流密度分布的不一致性主要是由并联电池的数量、并联电池之间充放电平台差和电池不同电流下充放电特性等决定。因此并联电池数量越多或并联极片数量越多也就是单体电池容量越大，充放电时并联单体电池之间或电池内部电流密度差异就可能越大。这是大容量单体电池或小容量电池并联成大容量电池的性能远不如类似工艺条件制得的小容量电池的性能，特别是在循环的末期差距更加明显的一个重要原因；也是大容量单体电池或大容量电池有时在小倍率电流下循环性能好，但相对于类似工艺条件制得的小容量电池，大倍率电流循环性能不好的一个重要原因。因此对于大容量电池不建议采用快速大电流充电和大电流放电。另外可知，高功率大容量电池组对电池的一致性要求更高，对设备、材料等的要求也更高。

由于锂二次电池一旦被过充电或过放电，电池就可能会被损坏，出现电池容量降低、循环寿命减少等情况，严重时还会发生爆炸和燃烧的现象。因此锂二次电池组在使用时一般采用电池管理系统对锂二次电池组中每一只单体电池进行过充电和过放电保护。对于组合形式一，电池管理系统从成本和可靠性考虑不可能对每只单体电池的电流进行监控，另外即使能做到监控，也不是从根本上改善上述问题。

对于组合形式二中的大容量单体电池，类似于并联单体电池之间的电流密度分布不均的现象可能会更为严重，因为大容量单体电池极片的状态，如面密度、厚度等，及常用的焊接方式，如超声波焊接、电阻点焊、激光焊、铆接、螺接等，与小容量电池相比都更难保证所有极片的一致性，从而导致极片之间的差异会更大，最终导致大容量单体电池内部电流密度分布可能更为不均。而在制造大容量单体电池过程中，由于粉尘、毛刺、铁屑、水份等杂质，隔膜亮点、极片亮点、负极极片露箔等缺陷，以及设备的精度和稳定性等的影响都会使电池制造过程中的不良率与电池容量的大小成正相关的关系，甚至是指数的关系，因此大容量单体电池的制造合格率远低于小容量电池。另外，大容量单体电池由于内部短路和滥用等易导致热量聚集甚至热失控而产生安全性问题；大电流充放电时的散热性能；自放电的可检测性；控制电池的一致性从统计学的角度是控制电池的离散性，由于大容量电池的数量少筛选时可供选择的余地相对就少，以及大容量电池尺寸的通用性等多方面因素都限制了大容量单体电池即组合形式二的应用。

解决上述问题虽然提高单体电池的性能是相当关键的，但根据上述分析可以看出，即使电池组中每一只单体电池在正常的工作条件下性能很好，在使用过程中由于电池管理系统的保护也没有过充电、过放电等情况发生，但如果设计方案选择不科学，即使有很好的单体电池，电池组还会很容易损坏，电池组的性能甚至可能会远不如性能最差的单体电池的。因此认为提高单体电池整体循环性能就必然会提高电池组循环性能的观点是片面的，还应该在提高电池倍率性能和一致性上下功夫，这样取得的效果可能会比花费大量的力量来提高单体电池整体循环性能所能取得的效果要好的多。另外正确地设计和采用合乎科学理念而又实用有效的设计方案，将会极大的改善电池组的性能。

上述问题正是锂二次电池组在电动汽车、储能电站等需要高能量、大电流充放电、长循环寿命的电池组方面应用的一个重要瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新的锂二次电池组，以改善锂二次电池组的组合形式一和组合形式二中易出现的单体电池之间或电池内部电流密度分布不均、电池发热、循环性能差、循环末期电池容量快速衰减等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种锂二次电池组，包括多个相互并联的电池组单元，所述每个电池组单元由至少2个锂二次电池串联组成。

采用上述锂二次电池组的有益效果是：由于至少2个锂二次电池串联，使得单个电池的放电平台、内阻、连接电阻等对串联回路的影响较小，从而使电池电流密度分布的一致性得到改善，从而改善了电池发热、电池循环性能差、循环末期电池容量快速衰减等问题，提高了电池性能，且大电流连接点的数量少，电池安全性能好。

在上述技术方案的基础上，本发明锂二次电池组还可以做如下改进。

进一步，至少2个电池组单元之间相互并联并组成一个电池组模块，多个电池组模块之间相互串联。

采用上述进一步方案的有益效果是可降低单个电池对串联电路的影响，模块化设计，且能达到用电设备对电池组能量的要求。

进一步，所述锂二次电池由电池容量比其更小的单体锂二次电池并联构成，并联电池数最多为35个。

采用上述进一步方案的有益效果是并联电池数小于等于35时，在单体电池设计合理、单体电池大电流充放电性能较好、单体电池容量较小、使用时的平均充放电电流倍率较小的情况下，由于并联电池数量相对较少，并联电池之间的电流密度分布不均还不至于产生很坏影响，但电池组的组合形式可以简化，成本可以降低，实现电池成本和性能的有效结合。

进一步，所述单体锂二次电池的容量为3-30Ah。

采用上述进一步方案的有益效果是，在现有技术水平上，可以满足电池组在安全性、可靠性、可制造性、成本等方面的综合要求。

附图说明

图1为两只单体电池并联示意图；

图2为两只单体电池并联放电时放电电流百分比与放电时间进度的曲线图；

图3为本发明锂二次电池组合原理示意图；

图4为本发明锂二次电池组实施例一的电池组合示意图；

图5为本发明锂二次电池组实施例二的电池组合示意图；

图6为本发明锂二次电池组实施例三中的电池组单元示意图；

图7为本发明锂二次电池组实施例三的电池组合示意图；

图8为本发明锂二次电池组实施例四中的电池组单元示意图；

图9为本发明锂二次电池组实施例四的电池组合示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

101、3.2V、10Ah磷酸亚铁锂单体电池，102、345.6V、10Ah磷酸亚铁锂电池组单元，103、345.6V、40Ah磷酸亚铁锂电池组，201、3.6V、10Ah的镍钴锰三元材料的单体电池，202、3.6V、150Ah镍钴锰三元材料锂二次电池，203、48V、150Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池单元，204、48V、300Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池组，301、3.7V、12.5Ah的锰酸锂单体电池，302、3.7V、25Ah锰酸锂电池，303、48V、25Ah的锰酸锂电池组单元，304、48V、100Ah的锰酸锂电池组模块，305、288V、100Ah锰酸锂电池组，401、2.4V、3Ah钛酸锂单体电池，402、2.4V、100Ah钛酸锂电池，403、768V、100Ah的钛酸锂电池组单元，404、768V、2600Ah的钛酸锂电池组

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

针对用电设备的高能量要求，如果单体电池容量控制在一定的合理范围内，容量尽可能高一些的话，电池数量用得少，组装方便，能量密度高，电池所用的材料用量及成本也会较低，因此单体电池容量也不能太小。结合目前的技术水平，并从安全性、可靠性、可制造性、成本等多方面考虑，锂动力电池组的单体电池的容量在3-30Ah之间是比较合理的。但由于电动汽车、储能电站等用电设备需要较高电压的大容量锂二次电池组，其电池组容量甚至要达到1000Ah以上，有些公司采用组合形式一时，并联的电池数量达到数百个，而前述分析表明不管是组合形式一还是组合形式二，都存在并联单体电池之间或电池内部电流密度分布不均、电池发热、电池循环性能差，循环末期电池容量快速衰减等问题，并且当出现内部短路和外部短路时还易出现安全问题，因此有必要用相对小容量的单体电池并采用本发明来达到用电设备的要求。

现以四只单体电池先串联再并联然后进行放电为例，对本发明的锂二次电池组的原理进行说明。

如图3所示，电池A与电池C串联组成第一串联支路，电池B与电池D串联组成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路并联组成锂二次电池组。假设电池A的放电平台比电池B的放电平台高0.3V，并假设电池C与电池D的一致性好，放电平台等相等，即第一串联支路的放电平台比第二串联支路的放电平台高0.3V；两条串联支路初始端电压一样，荷电态都为100％；两条串联支路并联后以总电流为恒定100A(100％)的电流放电；两条串联支路各以50A(50％)的放电电流，相同的放电终止电压下放电容量相同。

因为电池A的放电平台比电池B的放电平台高0.3V，电池C与电池D的放电平台相等，所以根据图1以及前述分析可知，在放电初期，放电平台高的第一串联支路的放电电流还是会大于放电平台低的第二串联支路，放电末期，放电平台高的第一串联支路的放电电流还是会小于放电平台低的第二串联支路，但是，与图1相比，其电流密度分布的不均匀性降低了。其原因在于，在放电初期，第一串联支路不需要图1中所示的电池A那么大的电流才能使第一串联支路的放电电压降低0.3V，因为在串联回路中，放电电流一样，当电池C的放电电流大于电池D时，电池C的极化就会导致其放电电压低于电池D的放电电压，所以电池A的放电电压就不需要降低0.3V了。因此，在放电电流密度的一致性上，图3所示的锂二次电池的组合形式要好于图1所示的锂二次电池的组合形式。其充电过程同理分析也是如此。

因此，当需要用相对小容量的单体电池组合成高电压、大容量锂二次电池组，特别当使用时充放电倍率较大时，采用本发明的组合形式，即多个小容量锂二次电池串联组成电池组单元，再由多个电池组单元并联组成锂二次电池组，在并联之前，串联组成电池组单元所串联的电池数量越多，单个电池的放电平台、内阻、连接电阻等对串联回路的影响就越小，串联回路和单个电池的电流密度分布的一致性就越好。

另外考虑到单个锂二次电池串联组成电池组单元的串联回路中，如果由于一致性不一样，串联回路中的落后电池可能会出现过充电或过放电的情况，即使锂二次电池组有电池管理系统进行过充电和过放电保护，也会出现落后电池所在的串联回路容量降低的情况，当串联数量越多，落后电池对电池组总能量造成的损失也就越大。因此针对较高电压的大容量的电池组的要求，综合考虑电池电流密度分布的一致性、电池管理系统的可靠性和成本，比较好的组合形式为先采用小容量的电池串联成48V左右的小容量的电池组单元，再由48V左右的小容量的电池组单元并联成48V左右的大容量的电池组模块，再用48V左右的大容量的电池组模块串联组合成较高电压的大容量锂二次电池组。该方案尤其适用于电动大巴、储能电站等需要高能量和长循环寿命电池组的领域。

如果单体电池设计合理、单体电池大电流充放电性能较好、单体电池容量较小、使用时的平均充放电电流倍率较小，小容量锂二次电池可以由更小容量的单体锂二次电池并联构成。可并联的电池数量与使用时的平均充放电倍率成反比关系，与单体电池大电流充放电性能成正比关系，即使用时的平均充放电倍率越小，单体电池能承受的充放电倍率越大，可并联的电池数量越多。这样由于使用电流倍率较小，单体电池能承受的电流较大，并联电池数量相对较少，电池之间的电流密度分布不均还不至于产生很坏影响，但电池组的组合形式可以简化，成本可以降低，实现电池成本和性能的有效结合。

本发明的思想对卷绕和叠片工艺选择等单体电池设计、电池组合前的筛选、不同放电平台的材料的物理混合使用、新旧电池混合使用、不同容量电池的并联使用、电池管理系统的开发等都有一定的指导作用。

现以混合动力汽车用345.6V、40Ah磷酸亚铁锂电池组，通信备用电源用充放电电流为100A的48V、300Ah镍钴锰三元材料锂二次电池组，纯电动汽车用288V、100Ah锰酸锂电池组以及充放电额定功率为500kW的调峰调谷储能电站用768V、2600Ah的钛酸锂电池组为例，对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图4所示，混合动力汽车用345.6V、40Ah磷酸亚铁锂电池组中，由108个3.2V、10Ah磷酸亚铁锂单体电池101串联成345.6V、10Ah磷酸亚铁锂电池组单元102，再由4个345.6V、10Ah磷酸亚铁锂电池组单元102并联成345.6V、40Ah磷酸亚铁锂电池组103。

由于混合动力汽车用电池组充放电时的倍率相当大，本实施例与常规的组合形式一，即由4个3.2V、10Ah磷酸亚铁锂单体电池并联成3.2V、40Ah磷酸亚铁锂电池，再由108个3.2V、40Ah磷酸亚铁锂电池串联成345.6V、40Ah磷酸亚铁锂电池组，相比，单体电池之间电流密度分布不均的现象会得到有效的改善；本实施例与常规的组合形式二，即由108个3.2V、40Ah磷酸亚铁锂单体电池串联成345.6V、40Ah磷酸亚铁锂电池组，相比，可以降低电池内部电流密度分布不均的现象，制造合格率高，可靠性高；同时也改善了电池发热、电池循环性能差、循环末期电池容量快速衰减等问题，且大电流的连接点的数量少，电池安全性能好。

实施例二

如图5所示，通信备用电源用充放电电流为100A的48V、300Ah镍钴锰三元材料锂二次电池组中，由15个最大充放电电流能达到5倍率的3.6V、10Ah的镍钴锰三元材料的单体电池201并联成3.6V、150Ah镍钴锰三元材料锂二次电池202，再由13个3.6V、150Ah镍钴锰三元材料锂二次电池202串联成48V、150Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池单元203、再由2个48V、150Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池单元203并联成48V、300Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池组204。

本实施例与常规的组合形式一，即由30个3.6V、10Ah的镍钴锰三元材料的单体电池并联成3.6V、300Ah镍钴锰三元材料锂二次电池(正常工作电流为100A)，再由13个3.6V、300Ah镍钴锰三元材料锂二次电池串联成48V、300Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池组，相比，单体电池之间电流密度分布不均的现象会得到有效的改善；本实施例与常规的组合形式二，即由13个3.6V、300Ah镍钴锰三元材料单体电池串联成48V、300Ah的镍钴锰三元材料锂二次电池组，相比，可以降低电池内部电流密度分布不均的现象，制造合格率高，可靠性高；同时也改善了电池发热、电池循环性能差、循环末期电池容量快速衰减等问题，且大电流的连接点的数量少，电池安全性能好。

在本实施例中，通信备用电源正常工作时，即使单一串联支路的所有电流50A(总电流为100A，共2个串联回路并联，电池组的正常充放电倍率较小，只有三分之一倍率)都承担在15个单体电池中的其中一个时，由于单体电池能承受较大的充放电电流倍率(5倍率)，即50A，单体电池之间的电流密度分布不均还不至于产生很坏影响(组合形式一电路中的电流为100A，易产生较坏影响)，但采用本实施例电池组的组合形式可以适当的简化，成本可以降低，实现电池成本和性能的有效结合。

实施例三

如图6、图7所示，纯电动汽车用288V、100Ah锰酸锂电池组中，由2个3.7V、12.5Ah的锰酸锂单体电池301并联成3.7V、25Ah锰酸锂电池302，再由13个3.7V、25Ah锰酸锂电池302串联成48V、25Ah的锰酸锂电池组单元303，再由4个48V、25Ah的锰酸锂电池组单元303并联成48V、100Ah的锰酸锂电池组模块304，再由6个48V、100Ah的锰酸锂电池组模块304串联成288V、100Ah锰酸锂电池组305。

本实施例与常规的组合形式一，即由8个3.7V、12.5Ah的锰酸锂单体电池并联成3.7V、100Ah的锰酸锂电池，再由78个3.7V、100Ah的锰酸锂电池串联成288V、100Ah锰酸锂电池组，相比，单体电池之间电流密度分布不均的现象会得到有效的改善；本实施例与常规的组合形式二，即由78个3.7V、100Ah的锰酸锂单体电池串联成288V、100Ah锰酸锂电池组，相比，可以降低电池内部电流密度分布不均的现象，制造合格率高，可靠性高；同时也改善了电池发热、电池循环性能差、循环末期电池容量快速衰减等问题，且大电流的连接点的数量少，电池安全性能好。

实施例四

如图8、图9所示，充放电额定功率为500kW的调峰调谷储能电站用768V、2600Ah的钛酸锂电池组中，由34个最大充放电电流能达到9倍率的2.4V、3Ah钛酸锂单体电池401并联成2.4V、100Ah钛酸锂电池402，再由320个2.4V、100Ah钛酸锂电池402串联成768V、100Ah的钛酸锂电池组单元403，再由26个768V、100Ah的钛酸锂电池组单元403并联成768V、2600Ah的钛酸锂电池组404。

本实施例与常规的组合形式一，即由884个2.4V、3Ah钛酸锂单体电池并联成2.4V、2600Ah钛酸锂电池，再由320个2.4V、2600Ah钛酸锂电池串联成768V、2600Ah的钛酸锂电池组，相比，单体电池之间电流密度分布不均的现象将会得到极大的改善；本实施例与常规的组合形式二，即由320个2.4V、2600Ah钛酸锂单体电池串联成768V、2600Ah的钛酸锂电池组，相比，可以降低电池内部电流密度分布不均的现象，制造合格率高，可靠性高；同时也改善了电池发热、电池循环性能差、循环末期电池容量快速衰减等问题，且大电流的连接点的数量少，电池安全性能好。

在本实施例中，储能电站额定功率工作时，即使单一串联支路的所有电流25A(总电流为651A，共26个串联回路并联，电池组的额定充放电倍率较小，只有四分之一倍率)都承担在34个单体电池中的其中一个时，由于单体电池能承受较大的充放电电流倍率(9倍率)，即27A，单体电池之间的电流密度分布不均还不至于产生很坏影响(组合形式一电路中的电流为651A，易产生极坏影响)，但采用本实施例电池组的组合形式可以适当的简化，成本可以降低，实现电池成本和性能的有效结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种锂二次电池组，其特征在于：包括多个相互并联的电池组单元，所述每个电池组单元由至少2个锂二次电池串联组成。

2.根据权利要求1所述的锂二次电池组，其特征在于：至少2个电池组单元之间相互并联并组成一个电池组模块，多个电池组模块之间相互串联。

3.根据权利要求1或2所述的锂二次电池组，其特征在于：所述锂二次电池由电池容量比其更小的单体锂二次电池并联构成，并联电池数最多为35个。

4.根据权利要求3所述的锂二次电池组，其特征在于：所述单体锂二次电池的容量为3-30Ah。

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