CN103094938B - 电池串并联自均衡装置 - Google Patents
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Abstract
一种电池串并联自均衡装置，包括多个单独电池模块、多个继电器及控制所述继电器开闭的外控电路，两个相邻的所述电池模块用一个所述继电器连接，两个相邻的所述电池模块中的一个所述电池模块的负极端与所述继电器第一开关连接、正极端与所述继电器第一常闭触点连接；两个相邻的所述电池模块中的另一个电池模块的正极端与所述继电器第二开关连接、负极端与所述继电器第二常闭触点连接。当第一开关、第二开关分别与第二常闭触点、第一常闭触点抵接，电池模块间为并联电路，实现电池包内各电池组件的自均衡，所述继电器设有一常开触块，当第一开关和第二开关可通过所述常开触块电相连时电池模块间串联可实现高压充放电。
Description
【技术领域】
本发明涉及电池能源领域，特别是涉及一种电池串并联自均衡装置。
【背景技术】
消费电子和能源革命的兴起，促进了锂离子电池的发展。而电动汽车的发展，给锂离子电池开启了一片更为广阔的空间。在消费电子时期，锂离子电池都多数是作为单一能量载体使用，但大型设备如电动汽车需要高能量载体，这就需要锂离子电池进行多个的串联和并联。
由于电池材料纯度和制程的能力有限，锂离子电池存在着能量和自放电一致性不良的现象。锂离子电池的有个安全使用电压区间，在常规的串联电路里，都会对每个并联组进行电压检测，当某个并联组出现电压超出安全范围时，就切断电池的串联电路。但长期的循环会加剧电池一致性不良问题，导致某个并联组及早的达到安全电压而致使整个串联电路断开。
在大型的设备上用的锂离子电池模块都会有复杂的均衡电路，使用方法都是在电池主串联电路外做一个或多个复杂的电路来实现串联电路均衡。但常规均衡电路设计复杂，实际效果差。
【发明内容】
基于此，有必要针对常规均衡电路设计复杂、实际效果差的问题提供一种电路设计简单、效果良好的电池串并联自均衡装置。
一种电池串并联自均衡装置，包括多个单独电池模块、多个继电器及控制所述继电器开闭的外控电路，两个相邻的所述电池模块用一个所述继电器连接，两个相邻的所述电池模块中的一个所述电池模块的负极端与所述继电器第一开关连接、正极端与所述继电器第一常闭触点连接；两个相邻的所述电池模块中的另一个电池模块的正极端与所述继电器第二开关连接、负极端与所述继电器第二常闭触点连接；
所述继电器设有一常开触块，所述第一开关在所述第二常闭触点和常开触块之间切换，所述第二开关在所述第一常闭触点和常开触块之间切换。
在优选的实施例中，所述电池模块的额定电压一致，为若干个单体电池串联。
在优选的实施例中，所述电池模块的额定电压一致，为若干个单体电池并联。
在优选的实施例中，所述电池模块的额定电压一致，为单体电池。
在优选的实施例中，其特征在于，所述电池模块比继电器数量多一个。
在优选的实施例中，所述外控电路发送电信号到所述继电器控制所述常开触块吸合所述第一开关和第二开关与所述常开触块接触形成电相连。
在优选的实施例中，所述继电器有大电流导通、大电流断开和电阻值小的特性。
在优选的实施例中，所述外控电路还包括用于所述电池串并联自均衡装置充电和放电的电路，当电池模块充电或放电时，所述外控电路控制继电器使常开触块吸合第一开关和第二开关，从而多个电池模块形成串联连接。
上述电池串并联自均衡装置中两个相邻的电池模块中的一个所述电池模块的负极端与继电器第一开关连接、正极端与所述继电器第一常闭触点连接；两个相邻的所述电池模块中的另一个电池模块的正极端与所述继电器第二开关连接、负极端与所述继电器第二常闭触点连接；且继电器的第一开关和第二开关可通过常开触块电相连。当电池组处于闲置状态时，外控制电路不工作，继电器处于常闭状态，两相邻的电池端极通过第一开关、第二开关分别与第二常闭触点、第一常闭触点抵接并联连通，此时电池模块间为并联电路，实现电池包内各电池组件的自均衡，或实现高工作电电流输出及补充电。当电池处于充放电工作状态下，外控电路控制继电器，第一开关和第二开关同时被电磁控制吸附在常开触块形成电相连，实现第一开关和第二开关的直接连通，电池组切换成串联电路，实现高工作电压输出及高充电效率。
【附图说明】
图1为双触头继电器原理图；
图2为电路切换原理图；
图3为本发明继电器吸附时的串联电路；
图4本发明继电器未吸附时的并联电路；
图5本发明继电器未吸附时的并联电路等效电路。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，一种电池串并联自均衡装置，包括多个单独电池模块100、多个继电器200及控制述继电器200开闭的外控电路(图未示)，两个相邻的电池模块100间用一个所述继电器200连接。电池模块100为可充放电电池串并联组成，电池模块100的额定电压一致，可以为若干个单体电池串联，可以为若干个单体电池并联，可以为单体电池，可以为若干个单体电池串并联组成。需要说明的是，可充放电电池模块100并非单指一般意义上的电池块，还可以是蓄电池等具有可充放电的存储能元件。
在优选的实施中，电池模块100比继电器200数量多一个。
如图3所示，两个相邻的电池模块100中的一个电池模块100的负极端与继电器第一开关A连接、正极端与继电器第一常闭触点D连接；两个相邻的所述电池模块100中的另一个电池模块100的正极端与继电器200第二开关B连接、负极端与继电器200第二常闭触点C连接。
如图4所示，继电器200还包括一常开触块E，第一开关A在第二常闭触点C和常开触块E之间切换，第二开关B在第一常闭触点D和常开触块E之间切换。由外控电路发送电信号至继电器200使第一开关A、第二开关B实现切换动作。
在优选的实施例中，继电器200有大电流导通、大电流断开和电阻值小的特性。大电流导通、大电流断开使继电器200不易误动作，有利于提高电池串并联自均衡装置安全系数。而电阻值小则能减少电池串并联自均衡装置的自损耗。
在优选的实施例中，外控电路除包括控制继电器200导通、断开外的电路外，还包括电池串并联自均衡装置充电和放电的电路。当电池模块100充电或放电时，外控电路控制继电器200使常开触块E吸合第一开关A和第二开关B，从而多个电池模块100形成串联连接。
如图1所示，在一实施例中，电池串并联自均衡装置处在闲置的状态下，第一开关A与第二常闭触点C相抵接，第二开关B与第一常闭触点D相抵接。此时多个电池模块100为并联电路，实现电池串并联自均衡装置内的多个电池模块100自均衡，或可以大电流(相对多个电池模块100串联)输出，参考图5，为多个电池模块100并联时的等效电路；当外控电路发送电信号到继电器200控制常开触块E吸合第一开关A和第二开关B与常开触块E接触形成电相连，即第一开关A与第二开关B直接连通。参考图2，此时多个电池模块100由并联电路切换为串联电路，实现各电池串并联自均衡装置高电压输出(相对多个电池模块100并联)及高电压高效充电。
如图2所示，在另一实施例中，电池串并联自均衡装置处在闲置的状态下，第一开关A、第二开关B抵接在常开触块E的表面，即第一开关A与第二开关B直接连通。此时多个电池模块100由并联电路切换为串联电路，实现各电池串并联自均衡装置高电压输出(相对多个电池模块100并联)及高电压高效充电；当外控电路给继电器200一个控制信号，第一开关A与第二开关B同时分别被电磁控制吸附在第二常闭触点C和第一常闭触点D表面。参考图1，此时多个电池模块100为并联电路，实现电池串并联自均衡装置内的各电池模块100自均衡，或可以大电流(相对多个电池模块100串联)输出，参考图5，为多个电池模块100并联时的等效电路。
上述电池串并联自均衡装置通过改变传统的电池组采用的串联方案联通的方式，取而代之的采用双触头的电磁继电器200连通的并联电路，在电池工作需要时方便地在串并联间切换，从而获得放电态的高电压输出及充电态的高充电效率，更重要的是在电池组(电池模块100串联或并联组成的电池模块组)在闲置时可自动切换回并联状态，从而完成电池内部的自均衡。通过此方法制备的电池组循环寿命可接近单体电池的循环次数，而不会产生因组合导致的电池容量衰减及循环寿命衰减的问题，从而大大节省了电池的维护及更换费用。同时省去了传统的电源管理系统中的自均衡电路设计，节省了大量的设计成本。且此方案通用性强，无需针对不同的串并联数量不同加以调整。此技术方案为锂离子电池在大型用电器上的应用提供了一种行之有效的设计方案。
以下为以本技术方案进行具体实验及以传统的方式进行实验的数据参对。
1.1、以本技术方案进行实验。
采用单体3Ah，电压3.2V的圆柱形磷酸铁锂电池1000件，随机将电池每10件分成一组，利用传统的组合方式组成100件并联模块，采用99个用9V直流电控制的双触头电磁继电器200将这100件模块并联成一个大的并联电路包，电池包容量30Ah，工作状态切换成串联方式输出电压平台320V。
结合电动汽车的实用情况(充电及放电间隔大部分时间处于闲置状态)，本实验电池组采用串联方式1倍率充电电流恒流恒压充饱，单串充电截止保护电压3.6V，电池切换成并联方式进行自均衡6h，电池采用串联方式1倍率放电电流恒流放空，单串截止保护电压2.4V，电池切换成并联方式进行自均衡6h。如此设置循环，循环截止设置条件电池组剩余容量80％或循环完成2000次，以上循环测试均在常温下完成。
按照如上方案进行循环测试，结果列于表1。
表1自均衡组合方式电池循环数据表：
| 循环次数 | 1周 | 100周 | 200周 | 500周 | 1000周 | 2000周 |
| 容量百分率 | 100％ | 99％ | 98％ | 95％ | 90％ | 85％ |
1.2、对比例1，以传统的方式单串联电池进行实验。
采用单体3Ah，电压3.2V的圆柱形磷酸铁锂电池1000件，随机将电池每10件分成一组，利用传统的组合方式组成100件并联模块，将这100件模块采用传统的组合方式组成串联模组。电池包容量30Ah，工作输出电压平台320V。
结合电动汽车的实用情况(充电及放电间隔大部分时间处于闲置状态)，本对比例电池组采用1倍率充电电流恒流恒压充饱，单串充电截止保护电压3.6V，电池组闲置6h，电池采用1倍率放电电流恒流放空，单串截止保护电压2.4V，电池组搁置6h。如此设置循环，循环截止设置条件电池组剩余容量80％或循环完成2000次，以上循环测试均在常温下完成。
按照如上方案进行循环测试，结果列于表2。
表2传统组合方式电池循环数据表：
以表1与表2的数据对比表明，采用本技术方案实现电池组串并联充放电及自均衡比采用传统的单串联组合方式的能使电池的容量及循环寿命的衰减少得多。
2.1、以本技术方案进行实验
采用单体3Ah，电压3.2V的圆柱形磷酸铁锂电池1000件，随机将电池每10件分成一组，利用传统的组合方式组成100件并联模块，采用99个用9V直流电控制的双触头电磁继电器200将这100件模块并联成一个大的并联电路包，电池包容量30Ah，工作状态切换成串联方式输出电压平台320V。
结合电动汽车的实用情况(充电及放电间隔大部分时间处于闲置状态)，电池组采用串联方式1倍率充电电流恒流恒压充饱，单串充电截止保护电压3.6V，电池切换成并联方式进行自均衡6h，每间隔50个循环增加一次在1倍率充电饱和后电池切换成并联方式，采用单体电池恒流恒压充电方式控制电压3.6V进行补电，然后再进行并联方式的电池组搁置自均衡6h，电池采用串联方式1倍率放电电流恒流放空，单串截止保护电压2.4V，电池切换成并联方式进行自均衡6h。如此设置循环，循环截止设置条件电池组剩余容量80％或循环完成2000次，以上循环测试均在常温下完成。
按照如上方案进行循环测试，结果列于表3。
表3自均衡组合方式电池循环数据表：
| 循环次数 | 1周 | 100周 | 200周 | 500周 | 1000周 | 2000周 |
| 容量百分率 | 100％ | 99％ | 98％ | 97％ | 94％ | 88％ |
2.2、对比例2，单体电池实验。
采用单体3Ah，电压3.2V的圆柱形磷酸铁锂电池作为对比。
结合电动汽车的实用情况(充电及放电间隔大部分时间处于闲置状态)，本对比例电池组采用1倍率充电电流恒流恒压充饱，充电截止保护电压3.6V，电池搁置6h，电池采用1倍率放电电流恒流放空，截止保护电压2.4V，电池搁置6h。如此设置循环，循环截止设置条件电池组剩余容量80％或循环完成2000次，以上循环测试均在常温下完成。
按照如上方案进行循环测试，结果列于表4。
表4单体电池循环数据表：
| 循环次数 | 1周 | 100周 | 200周 | 500周 | 1000周 | 2000周 |
| 容量百分率 | 100％ | 99％ | 98％ | 96％ | 95％ | 90％ |
以表3与表4的数据对比表明，采用本技术方案实现电池组串并联充放电及自均衡的电池组循环寿命可接近单体电池的循环次数。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种电池串并联自均衡装置，包括多个单独电池模块、多个继电器及控制所述继电器开闭的外控电路，两个相邻的所述电池模块用一个所述继电器连接，其特征在于，两个相邻的所述电池模块中的一个所述电池模块的负极端与所述继电器第一开关连接、正极端与所述继电器第一常闭触点连接；两个相邻的所述电池模块中的另一个电池模块的正极端与所述继电器第二开关连接、负极端与所述继电器第二常闭触点连接；
所述继电器设有一常开触块，所述第一开关在所述第二常闭触点和常开触块之间切换，所述第二开关在所述第一常闭触点和常开触块之间切换；
所述多个电池模块在串联连接时充电或放电，在并联连接时自均衡。
2.根据权利要求1所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述电池模块的额定电压一致，为若干个单体电池串联。
3.根据权利要求1所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述电池模块的额定电压一致，为若干个单体电池并联。
4.根据权利要求1所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述电池模块的额定电压一致，为单体电池。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述电池模块比继电器数量多一个。
6.根据权利要求5所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述外控电路发送电信号到所述继电器控制所述常开触块吸合所述第一开关和第二开关与所述常开触块接触形成电相连。
7.根据权利要求5所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述继电器有大电流导通、大电流断开和电阻值小的特性。
8.根据权利要求1所述的电池串并联自均衡装置，其特征在于，所述外控电路还包括用于所述电池串并联自均衡装置充电和放电的电路，当电池模块充电或放电时，所述外控电路控制继电器使常开触块吸合第一开关和第二开关，从而多个电池模块形成串联连接。
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| CN108144875A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-06-12 | 上海理工大学 | 一种电池串并联电路快速切换装置及切换方法 |
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| CN103094938A (zh) | 2013-05-08 |
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