CN102157718B

CN102157718B - 一种大容量电池系统安全断路保护控制系统

Info

Publication number: CN102157718B
Application number: CN2011100692511A
Authority: CN
Inventors: 马军玲
Original assignee: 马军玲
Current assignee: Xiamen Taihe Power Power Supply Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: CN102157718A

Abstract

本发明主要公开了一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，包括电池芯输出极片并联而成的电池组、PTC隔膜温变断路层、电池组合式熔断器总成。所述的PTC隔膜温变断路层连接电池芯输出极片，所述的电池组合式熔断器总成连接电池组和电池组之间。本发明采用两种断路保护方式解决电池内部和电池组外部串并联系统在发生由于电芯和电池组产生短路或其他因素带来安全隐患。

Description

一种大容量电池系统安全断路保护控制系统

技术领域

本发明涉及大容量锂离子电池技术领域，特别与一种大容量电池系统安全断路保护控制系统有关。

背景技术

我国能源产业大发展的形势下，无论是电动车能源和特种行业及通讯产业对高能量大功率的化学电源在开始广泛使用，特别是对大容量锂离子电池组电源行业使用也提出了更高的要求目前。国内外的产业化高能特大容量聚合物锂离子电池电源方案的设计中，其电池组的安全保护系统工艺大多数是以检测信号到控制为主，而电池的温度信号和电池的电压信号往往是不同步的，电流复杂的开关信号是不能随电池组的工作寿命循环次数的变化而改变，传统的信号控制都难以实现从化学电源事发的源头控制，在目前如何在各行业安全使用大容量串并联组合电池就成为需要解决重点的难题之一。

聚合物锂离子电池在形成装入壳体的电池组的串并联过程中，发生失效和电池内部的热失控而引发的安全事故，从电池内部源头来说一般有过充、电池内部锂枝晶和析氧反应和滥用使用等方式造成。从电池外部源头来说一般有短路、过放、电源管理系统失效、滥用使用等方式造成。该电池系统安全断开工艺的设置是根据电源结构和使用环境不同选择不同的安全保护断路模式来实现的。从电池内部来看应该从通过电芯的温度变化建立温变安全隔离系统解决化学电源安全属性本源的问题。从电池外部来看，应该从通过电池模块和电池组的电流变化建立因电流负载过大熔断的安全隔离系统，解决短路、过放、电源管理系统失效、滥用使用等故事发生，形成电池模块最小单元及电源总输出和分输出外部电路中的安全控制节点，排除电池外部损坏带来安全属性的问题。

采用大容量电池系统的内部安全断路保护自动控制工艺，就必须结合电池内部的变化来解决根本性问题，所以考虑使用PTC隔膜隔离片。PTC隔膜隔离片是采用一种电阻随温度的升高而增加的材料制成，也就是说PTC隔膜隔离片具有正温度系数PTC效应(Positive Temperature Coefficient)，由此利用PTC隔膜隔离片实现对大容量电池内部安全管理和控制。另外，电池外部各种因素引发的安全失效而对电源系统的破坏十分严重，也是大电池存在的安全系统问题之一。

因此，在聚合物锂离子大容量电池组组合连接复杂结构的设计过程中，在使用过程上受到诸多限制条件下，使用大容量电池的系统安全断路保护自动控制系统对于目前解决“高能量、高功率、大电流”聚合物锂离子动力电池安全系统优化设计是十分有意义的。

发明内容

本发明的目的和要解决的技术问题是：针对现有高容量、高功率、大电流工作负载的聚合物锂离子电池组在内外系统连接安全保护技术上存在的问题，提出一种适合于在各种大电流、高容量动力和储能聚合物锂离子大容量电池组工作条件下，采用两种断路保护方式解决电池内部和电池组外部串并联系统在发生由于电芯和电池组产生短路或其他因素带来安全隐患。

为了实现上述目的解决问题，本发明采用的技术方案是：

一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，包括电池芯输出极片并联组合而成的单电池、PTC隔膜温变断路层、电池组合式熔断器总成；所述的PTC隔膜温变断路层平叠连接电池芯输出极片，所述的电池组合式熔断器总成连接单电池和单电池之间。

所述的PTC隔膜温变断路层包括极片平板连接器、PTC隔膜隔离片、温度传感器；极片平板连接器把PTC隔膜隔离片和电池芯输出极片相间叠合夹紧合成，温度传感器位于电池芯输出极片与PTC隔膜隔离片之间夹紧后点焊连接。

所述的极片平板连接器包括平板连接器上固定板、平板连接器下固定板和非金属紧固件，PTC隔膜隔离片、电池芯输出极片叠合在平板连接器上固定板和平板连接器下固定板之间，平板连接器上固定板和平板连接器下固定板采用非金属紧固件夹紧。

所述的电池组合式熔断器总成包括熔断瓷芯、固定支架、温度传感器，固定支架外接电池组，熔断瓷芯固定与之间，温度传感器通过固定支架与熔断瓷芯夹紧点焊连接为一体。

所述电池组合式熔断器总成上并联连接有电源管理器。

所述电池组内外两部分断路保护均可通过各自温度传感器和电池正负极间电压信号向总控制机发出启动和停止信号。

采用上述方案后，本发明满足于各种大电流、高容量、高倍率动力和储能电池组保护工作条件。本系统通过PTC隔膜温变断路层和组合式熔断器总成两种不同的断路方式，组合完成整体电路的安全保护。

使用PTC隔膜隔离片能主动的解决电池内部各种因素引发的安全失控问题，当电池芯输出极片温度上升到控制线，通过PTC隔膜温变片电阻成10³-10⁴倍上升，从而实现电池内部极片因PTC隔膜隔离片电阻无穷大而实现断路与负载隔离。

使用组合式熔断器能主动的解决电池外部各种因素引发的安全失效而对电源系统的破坏问题，实现电池模块外部因极间短路或电池短路时因电流过大而熔断器工作断开电路，起到安全保护作用。

本发明有效解决了系统庞大的电池组集合存在的安全系统成本高昂，组合工艺复杂，电防泄漏（形成电池短路）安全性能可靠要求高的难题。人机环境同在时，特别是在特大功率电池组（10000-20000Ah）使用其安全性保障控制优势体现的特别明显。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中电池芯输出极片连接关系结构示意图；

图2是本发明较佳实施例中平板连接器结构示意图；

图3是本发明较佳实施例中PTC隔膜隔离片的零件示意图；

图4是本发明较佳实施例中电池组合式熔断器总成示意图；

图5是本发明较佳实施例中组合式熔断器总成结构示意图一；

图6是本发明较佳实施例中组合式熔断器总成结构示意图二。

具体实施方式

结合图1～图6，对本发明做进一步详细说明。

本发明是一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，满足于各种高容量、高功率、大电流工作负载的聚合物锂离子电池组的内外安全断路保护工作条件，主要包括控制电池组内部极片的PTC隔膜温变断路层10，以及控制电池组外部电流的电池组合式熔断器总成20。

如图1所示，本发明中PTC隔膜温变断路层10主要包括电池输出极片1、平板连接器下固定板2、PTC隔膜隔离片3、平板连接器上固定板4、非金属紧固件5、温度传感器6。并联的电池芯输出极片7连接引出线、PTC隔膜隔离片3依次叠合，通过非金属紧固件5夹紧平板连接器下固定板2和平板连接器上固定板4，实现夹紧定位。同时，为了检测电池芯输出极片6之间的温度信号，温度传感器6焊接固定在电池芯输出极片7与PTC隔膜隔离片3之间夹紧点焊连接。其温度信号通过温度信号输出线传出。

另外，为了多个电池芯输出极片7的连接，平板连接器下固定板2和平板连接器上固定板4可以是在一整块板材上开设多个固定孔位。PTC隔膜隔离片3是采用具有PTC效应的材料制成隔离片（如图3），中间开始有多个供非金属紧固件5穿固的小孔。

温度传感器6可选用北京世纪华翔工控科技中心型号为PT100与四川成都宏明电子四厂（四川成都国营715厂）生产型号为MF501-4100±1%-5000欧±1℃的温度传感器配合使用，安装位于电池芯输出极片7与PTC隔膜隔离片间，采用焊接方式固定。

PTC隔膜隔离片3和温度传感器6构成自控电池内部电池芯输出极片间最小单元短路保护控制层。当温度上升到控制线，PTC隔膜隔离片3电阻成10³-10⁴倍幂指数上升，从而实现电池内部极片的因PTC隔膜隔离片3电阻无穷大而实现断路与负载隔离，这样可以主动解决单体电池内部并联电池芯片各种因素引发的安全失控问题，防止电池芯输出极片温度过高造成的电池内部问题。

一个单电池30是由多个电池芯输出极片7并联而成，而动力电池组是由多个单电池30串联组成（参见图4）。单电池30之间的控制是通过电池组合式熔断器总成20实现。

电池组合式熔断器总成20是用于保护单体电池串联外部电路的控制装置，是成组串联动力电池组和电池外部电路的保护器件。电池组合式熔断器总成20包括熔断瓷芯8、固定支架9、温度传感器11。

熔断瓷芯8是一个柱状的瓷芯，固定支架9为一对对称的L形支撑板，熔断瓷芯8的两头支撑在固定支架9的竖起部分，而固定支架9水平部分打孔，用螺钉外接电池组。在同一固定支架9可以设置多个固定位。温度传感器11与上述温度传感器6相同，夹紧点焊在熔断瓷芯8和固定支架9之间，信号从温度信号输出线传出。

熔断瓷芯8和温度传感器11构成电池组最小单体电池短路保护控制节点，实现电池模块外部因极间短路或电池短路时因电流过大而熔断器工作断开电路，起到安全保护作用，有效解决电池外部各种因素引发的安全失效而对电源系统的破坏问题。

由单电池串联形成的电池组的总输出电路上连接电池组总熔断器，是与电池组合式熔断器总成20同一原理类型的熔断器，区别在于根据电池外电路的功率不同而选定，连接方式及部位相同。同时在电池组总熔断器两端并联电源管理器，电源管理器可选用山东烟台东方电子玉麟电气有限公司研制产品，具体有电池工作状态显示屏，温度、容量、电压、信号数字转换器（向总控制台输出信号），过充电控制和放电控制及温度控制，声光报警功能。

另外，在电池组内外两部分断路保护装置中，均可通过温度传感器6和11，及各自的电压信号向总控制机发出启动和停止信号。总控制机是指对整个电源负载系统的总控制开关操作台，完成对电源系统控制指令。

本发明大容量电池的内外安全断路保护自动控制系统由内外两部分不同形式的断路控制完成，实现了电池组中微观（电池的最小单元）到整个电池组（系统部分）的人机功能控制。本发明适合于高容量、高功率、大电流工作负载条件的聚合物锂离子电池组和电动汽车大容量锂离子电池组安全保护系统使用，实现对大容量电池的内外安全断路保护自动控制。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，其特征在于：包括电池芯输出极片并联组合而成的单电池、PTC隔膜温变断路层、电池组合式熔断器总成；所述的PTC隔膜温变断路层平叠连接电池芯输出极片，所述的电池组合式熔断器总成连接单电池和单电池之间；所述的PTC隔膜温变断路层包括极片平板连接器、PTC隔膜隔离片、温度传感器；极片平板连接器把PTC隔膜隔离片和电池芯输出极片相间叠合夹紧合成，温度传感器位于电池芯输出极片与PTC隔膜隔离片之间夹紧后点焊连接。

2.如权利要求1所述的一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，其特征在于：所述的极片平板连接器包括平板连接器上固定板、平板连接器下固定板和非金属紧固件，PTC隔膜隔离片、电池芯输出极片叠合在平板连接器上固定板和平板连接器下固定板之间，平板连接器上固定板和平板连接器下固定板采用非金属紧固件夹紧。

3.如权利要求1所述的一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，其特征在于：所述的电池组合式熔断器总成包括熔断瓷芯、固定支架、温度传感器，固定支架外接电池组，温度传感器通过固定支架与熔断瓷芯夹紧点焊连接为一体。

4.如权利要求1所述的一种大容量电池系统安全断路保护控制系统，其特征在于：所述电池组合式熔断器总成上并联连接有电源管理器。