CN103682483B

CN103682483B - 一种锂电池

Info

Publication number: CN103682483B
Application number: CN201310635756.9A
Authority: CN
Inventors: 俞国宏
Original assignee: YIWU YUNTUO OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Chongqing wireless oasis Communication Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN103682483A; CN105244552A; CN105206884A

Abstract

本发明涉及一种锂电池，包括多个锂电池组，每个锂电池组由多块锂电池单体（11）相互紧贴而成，相邻两个锂电池组的外壁之间设置有金属保护板（12），其特征在于：每个锂电池组通过非耗散型均衡装置进行各个锂电池单体之间的直接电压均衡。本发明锂电池改变了传统由锂离子电池组整体向单体电池进行补充电量的模式，使电池能量直接由电压高的电池单体流向电压低的电池单体，因而具有高效率充电和控制简单的优点。

Description

一种锂电池

技术领域

本发明涉及一种锂电池，尤其是涉及一种非耗损均衡电路的锂电池。

背景技术

日前，由于环境、能源等问题，电动汽车产业发展迅速。通常情况下，电动汽车使用串联的锂离子电池组作为其动力源，或动力源的一部分，电池组在工作过程中的不一致性制约了其最大能量的释放，影响了电动车的动力性，缩短电池寿命，并有可能发生变热、爆炸等安全事故，威胁了电动车乘员和驾驶员的人身安全。因此，对锂离子电池组均衡系统的研究是很有必要的。

电动汽车所需的动力电源电压在300V左右，这就需要上百块锂离子电池串联使用，有时为了增大电池所能提供的能量，电池组串联后再并联。由于生产加工技术水平的限制，每块电池单体在出厂时的各项特性不可能完全一致，而且在使用过程中，电池特性也会随外界环境等多种因素变化，因此，电池组在工作时必然存在不一致的问题。

电池组的不一致性体现在电压、内阻、剩余电量等方面，由于电池的剩余电量估计技术(即SOC估计)日前尚未成熟，我们在进行电池组均衡时所参照的标准一般是各电池电压。由于电池组串联使用，其在放电时电流相同，电压不同。如果我们不进行电池组均衡，而仅仅对电压进行监控，则在某块电池电压达到下限时电池组便停止工作，此时，其他电池仍可继续放电，这样造成了能量的浪费。同样，充电时某一块电池电压到达上限便停止充电，此时其他电池尚未充满，相当于减少了电池容量。若进行电池组均衡，则各电池电压同步变化，

充放电时电池同时充满、同时放空，使其容量得到最大化利用，增长了电动车的续驶里程，减少电池充放电次数，延长了电池使用寿命。

均衡系统分类

电池均衡控制的方法多种多样，且新方法层出不穷，采用不同的分类标准将产生不同的结果。若按均衡电路的拓扑结构分类，则分为集中式均衡和分布式均衡；若按均衡的作用过程分类，则有充电均衡、放电均衡和双向均衡；按电池均衡标准，可分为电压均衡和SOC均衡；若按是否对电池所带的电荷进行保护的角度来分，则有耗散型均衡和非耗散型均衡。

1、耗散型均衡。

耗散型均衡方式是指利利用并联电阻等方式将电池组中电量较多的电池的能量消耗掉，直到其荷电状态到达平均值。

2、非耗散型均衡。

非耗散型均衡是指利用电容、电感等储能元件在电池之间进行能量转移，使电池组电压保持一致的均衡系统。可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。

2.1、能量转换式均衡。

能量转换式均衡是通过反激式变换器由锂离子电池组整体向单体电池进行补充电量，或者由单体电池向电池组进行补充的均衡方式。能量转换均衡方式可分为两种：上限均衡和下限均衡。所谓上限均衡就是当电池组中某个电池的电压高于平均电压时，通过变压器把这个电池多余的能量反馈到整个电池组上去。而下限均衡是当某个电池的电压低于平均电压时，通过变压器把能量从电池组转换到指定的电池上去。通常，上限均衡用于充电过程中，下限均衡用于放电均衡中。

2.2、能量转移式均衡。

能量转移式均衡是通过使用储能元件把能量从电压高的电池转移到电压低的电池。这种方式可以使用开关电容来实现，由电容传递相邻电池的能量，将电荷从电压高的电池传到电压低的电池以达到均衡。

由此可见，现有技术中存在以下技术缺陷：

（1）耗散型均衡方式将电能转化成了热量，这种均衡方式造成能量的大量流失，且产生的热量使系统温度升高，可能造成安全问题并缩短电池寿命。

（2）能量转换式均衡粉方式需要单个电池给整个电池模块进行充电，效率和均衡效果普遍不高，并且控制模块结构复杂。

（3）能量转移式均衡方式采用电容或电感的方法进行能量转移，这种方式只能只能均衡相邻电池电量，能量传递的快慢取决于相邻电池的电压差的大小，在均衡后期速度很慢。

发明内容

本发明设计了一种锂电池，其解决的技术问题是（1）耗散型均衡方式将电能转化成了热量，这种均衡方式造成能量的大量流失，且产生的热量使系统温度升高，可能造成安全问题并缩短电池寿命。（2）能量转换式均衡粉方式需要单个电池给整个电池模块进行充电，效率和均衡效果普遍不高，并且控制模块结构复杂。（3）能量转移式均衡方式采用电容或电感的方法进行能量转移，这种方式只能只能均衡相邻电池电量，能量传递的快慢取决于相邻电池的电压差的大小，在均衡后期速度很慢。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种锂电池，包括多个锂电池组，每个锂电池组由多块锂电池单体（11）相互紧贴而成，相邻两个锂电池组的外壁之间设置有金属保护板（12），其特征在于：每个锂电池组通过非耗散型均衡装置进行各个锂电池单体之间的直接电压均衡。

进一步，所述非耗散型均衡装置包括多绕组充电变压器、多绕组放电变压器、充电均衡控制开关、放电均衡控制开关、均衡开关控制模块以及铁芯，每块锂电池单体（11）正负极之间并联连接两支电路，其中一支电路上串联连接有多绕组充电变压器和充电均衡控制开关，另外一支电路上串联连接有多绕组放电变压器和放电均衡控制开关；多绕组充电变压器和多绕组放电变压器的均衡绕组线圈绕线方向相反，并且绕匝在同一个铁芯上；均衡开关控制模块用于控制各个充电均衡控制开关和各个放电均衡控制开关的断开和导通。

进一步，充电均衡控制开关和放电均衡控制开关由N沟道MOS场效应管和场效应管保护电路组成，N沟道MOS场效应管通过低边驱动。

进一步，均衡开关控制模块由微处理器、电压检测电路和开关驱动回路组成，均衡开关控制模块产生低边驱动脉冲信号，用于控制充电均衡控制开关和放电均衡控制开关的N沟道MOS场效应管；均衡开关控制模块控制逻辑集成在微处理器中。

该锂电池与传统的锂电池相比，具有以下有益效果：

本发明锂电池改变了传统由锂离子电池组整体向单体电池进行补充电量的模式，使电池能量直接由电压高的电池单体流向电压低的电池单体，因而具有高效率充电和控制简单的优点。

附图说明

图1：本发明锂电池第一种结构示意图；

图2：本发明锂电池第二种结构示意图；

图3：本发明锂电池第三种结构示意图；

图4：本发明锂电池的非耗散型均衡装置结构示意图；

图5：本发明锂电池的电池单体放电示意图；

图6：本发明锂电池的电池单体充电示意图。

附图标记说明：

11—锂电池单体；12—金属保护板；13—固定装置；

21—壳体；22—锂电池单体；23—金属导管；24—导热套管；

31—保护电路板；32—锂电池正极；33—负极镍带；34—电芯负极极片镍带；35—正极铝带；36—塑胶电芯盖板；37—电芯正极极片镍带；38—塑胶壳体；39—电池极片卷芯；310—负极镍带引线；311—电池负极。

具体实施方式

下面结合图1至图6，对本发明做进一步说明：

实施例１：如图１所示，一种锂电池，包括两个锂电池组，两个锂电池组均是由两块锂电池单体11相互紧贴而成，每个锂电池组的外壁设置有金属保护板12。每组锂电池组中的锂电池单体11可以根据实际情况增加，而锂电池组也可以根据实际情况增加。金属保护板12是由两块铝板通过设置在铝板边缘的固定装置13相固定构成。固定装置13可以是铆钉。

本发明锂电池在利用金属保护板12特别是高散热的铝板来固定锂电池单体11，不仅可以实现多块锂电池单体11同时使用，为用电设备提供持久的续航能力和强劲的电能，而且其散热效率也非常高，即使多块锂电池单体11同时使用也不会出现温度过高导致锂电池1被烧坏的现象。

此外，如图4所示，本发明还包括非耗散型均衡装置，每个锂电池组通过非耗散型均衡装置进行各个锂电池单体之间的直接电压均衡。

非耗散型均衡装置包括多绕组充电变压器、多绕组放电变压器、充电均衡控制开关、放电均衡控制开关、均衡开关控制模块以及铁芯，每块锂电池单体11正负极之间并联连接两支电路，其中一支电路上串联连接有多绕组充电变压器和充电均衡控制开关，另外一支电路上串联连接有多绕组放电变压器和放电均衡控制开关；多绕组充电变压器和多绕组放电变压器的均衡绕组线圈绕线方向相反，并且绕匝在同一个铁芯上；均衡开关控制模块用于控制各个充电均衡控制开关和各个放电均衡控制开关的断开和导通。

充电均衡控制开关和放电均衡控制开关由N沟道MOS场效应管和场效应管保护电路组成，N沟道MOS场效应管通过低边驱动。

均衡开关控制模块由微处理器和开关驱动回路组成，均衡开关控制模块产生低边驱动脉冲信号，用于控制充电均衡控制开关和放电均衡控制开关的N沟道MOS场效应管；均衡开关控制模块控制逻辑集成在微处理器中。

如图4所示，锂电池单体C4为电压最高，锂电池单体C2为电压最低，且电压差范围满足电池不均衡条件限值，均衡过程被启动。

如图5所示，放电均衡控制开关S8闭合，电流从锂电池单体C4流出，并将电能储存在多绕组放电变压器L8中。

多绕组放电变压器L8放电过程结束后，放电均衡控制开关S8断开。放电均衡控制开关S8断开瞬间，多绕组放电变压器L8线圈电流降为零，与多绕组放电变压器L8绕线方向相反的线圈中产生反向电动势。

如图6所示，断开放电均衡控制开关S8的同时，将电压最低锂电池单体C2的充电均衡控制开关S3闭合，放电均衡控制开关S8断开瞬间产生的反向电动势将多绕组充电变压器L3线圈中的能量送至C4中。

本发明非耗散型均衡装置的工作原理如下：

均衡开关控制模块的微处理器和电压检测电路实时采集锂电池组中各单体的电压，并计算电池组中的最高单体电压和最低单体电压。

均衡开关控制模块的微处理器控制电压最高锂电池单体的放电均衡控制开关导通，将电能转移到多绕组放电变压器绕组中；然后该最高电压锂电池单体的放电均衡控制开关断开，电压最低锂电池单体的充电控制开关导通，最高电压锂电池单体的多绕组放电变压器通过铁芯将能量转移到电压最低锂电池单体的多绕组充电变压器上，最后多绕组充电变压器中的能量被补充到该最低电压锂电池单体中，完成一个充放电过程。

均衡开关控制模块的微处理器继续检测单体电压，如满足均衡条件，重新开启一次均衡过程；如不满足均衡条件，不再进行均衡过程。

实施例2：如图2所示，本发明提供一种内设有金属导管的锂电池，由壳体21、锂电池单体22与金属导管23构成，锂电池单体22设置在壳体21的内腔中。金属导管23的数量为两个，两个金属导管23贯穿于导热套管24中，该导热套管24也贯穿于锂电池单体22与壳体21的内部。将多个金属导管23套设在一个导热套管24中，也便于对多个金属导管23进行管理，使金属导管23不会在锂电池单体22与壳体21中发生位移。多个锂电池单体22组合成锂电池组。

另外，由在金属导管23的管壁表面还分布有多个通孔，锂电池单体22与壳体21内腔中所产生的热量会通过金属导管23表面分布的多个通孔导入金属导管，然后通过金属导管被导出至壳体的外部。本发明利用锂电池单体22中的金属导管23进行导热、导电以及通气的特点，从而起到导出锂电池单体22中心热量的作用，有利于散热、缩短集电极、减小内阻、降低热耗、均衡电池内部压力等作用。

本发明非耗散型均衡装置的工作原理如下：

实施例3：如图3所示，本实施例公开了一种锂电池，包括锂电池单体和封装锂电池单体的外壳，在外壳内还设有一保护电路板31，保护电路板31与锂电池单体的正极与负极电连接以保护锂电池。多个锂电池单体组合成锂电池组。

外壳包括桶状塑胶壳体38和塑胶盖板36，塑胶壳体38与塑胶盖板36相互扣合将锂电池单体封装在其中。

锂电池单体包括电池极片卷芯39、电芯负极极片镍带34、电芯正极极片镍带37、负极镍带33、正极铝带35、电池正极32、电池负极311以及负极镍带引线310。电池极片卷芯39与电芯负极极片镍带34、负极镍带33、负极镍带引线310、以及电池负极311串联在一起引出该锂电池的负极输出;所述电池极片卷芯39与电芯正极极片镍带37、正极铝带35、电池正极32串联在一起引出该锂电池的正极输出。

本发明锂电池其制造方法，包括如下步骤:

（1）利用注塑机生产出桶状塑胶壳体38与塑胶电芯盖板36;

（2）将电芯极片卷芯39置入塑胶壳体38的桶体内;

（3）通过超声焊接或电阻焊接方式，将电芯极片卷芯39的电芯负极极片镍带34与塑胶电芯盖板36中镶嵌的电芯负极极片镍带33焊接，并将电芯极片卷芯39的电芯正极极片镍带37与塑胶电芯盖板36中镶嵌的正极铝带35焊接;

（4）将塑胶电芯盖板36镶入塑胶壳体38中;

（5）将塑胶电芯盖板36与塑胶壳体38通过激光焊接在一起;

（6）对该锂电池进行注液、封口、充电;

（3）连接并固定保护电路板31。

本发明将保护电路板与锂电池封装在一起，使得本发明同时具有了电池保护电路的功能，进而使得本发明使用更加方便。

本发明非耗散型均衡装置的工作原理如下：

Claims

1.一种锂电池，包括多个锂电池组，每个锂电池组由多块锂电池单体（11）相互紧贴而成，相邻两个锂电池组的外壁之间设置有金属保护板（12），其特征在于：每个锂电池组通过非耗散型均衡装置进行各个锂电池单体之间的直接电压均衡；所述非耗散型均衡装置包括多绕组充电变压器、多绕组放电变压器、充电均衡控制开关、放电均衡控制开关、均衡开关控制模块以及铁芯，每块锂电池单体（11）正负极之间并联连接两支电路，其中一支电路上串联连接有多绕组充电变压器和充电均衡控制开关，另外一支电路上串联连接有多绕组放电变压器和放电均衡控制开关；多绕组充电变压器和多绕组放电变压器的均衡绕组线圈绕线方向相反，并且绕匝在同一个铁芯上；均衡开关控制模块用于控制各个充电均衡控制开关和各个放电均衡控制开关的断开和导通；均衡开关控制模块的微处理器和电压检测电路实时采集锂电池组中各单体的电压，并计算电池组中的最高单体电压和最低单体电压；均衡开关控制模块的微处理器控制电压最高锂电池单体的放电均衡控制开关导通，将电能转移到多绕组放电变压器绕组中；然后该最高电压锂电池单体的放电均衡控制开关断开，电压最低锂电池单体的充电均衡控制开关导通，最高电压锂电池单体的多绕组放电变压器通过铁芯将能量转移到电压最低锂电池单体的多绕组充电变压器上，最后多绕组充电变压器中的能量被补充到该最低电压锂电池单体中，完成一个充放电过程。

2.根据权利要求1所述锂电池，其特征在于：充电均衡控制开关和放电均衡控制开关由N沟道MOS场效应管和场效应管保护电路组成，N沟道MOS场效应管通过低边驱动。