CN103985834A - 基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，包括设有正、负极极柱的模组外壳，模组外壳分为左、右腔室，左腔室内设有由4个锂电池电芯串联而成的电池组，并填充隔温层，右腔室内设有金属膨胀式记忆开关保护器，电池组的负极与负极极柱连接，电池组的正极通过金属膨胀式记忆开关保护器与正极极柱连接，金属膨胀式记忆开关保护器包括5个电芯监测信号接收端，并依次连接在4个锂电池电芯的正负极上，模组外壳上设有紧急手动恢复按钮。本发明利用金属膨胀式记忆开关保护器对锂电池进行模块化处理，除了可以直接应用，也可以进行一定范围的串并联应用，不但安全可靠而且简单耐用，彻底颠覆了锂电池组传统复杂的使用方式。

Description

基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组

技术领域

本发明涉及一种锂电池，尤其涉及一种基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组。

背景技术

如今，动力锂离子电池越来越广泛的应用到各种设备当中，包括汽车、UPS、电力储能、野外用电。其具有容量大，体积小的优点，正在逐步替代传统的铅酸电池，是目前电池市场的主流。但是，锂离子电池在遇到短路、过充电等异常情况时，容易引起电池剧烈升温，此时如果没有保护措施，就会发生爆炸、燃烧等恶性事故，这也是目前锂离子电池主要的技术难点之一。所以，锂离子电池必须强制安装过压、过温、过电流保护装置，以保证电池的安全运行。

在手机、电动工具等应用领域是采用专用电路检测电池的电压、充放电电流等相关参数。当这些参数超过限定值时，断开继电器、MOSFETs、IGBT等开关器件从而切断电池的充放电回路，电池停止充放电，以被保证电池的安全运行。断开继电器、MOSFETs等开关器件虽然应用灵活，动作迅速，但由于外围控制和驱动电路复杂，导致系统的整体可靠性较低，且MOSFETs、IGBT等半导体器件存在抗干扰能力差、耐电流冲击能力差等问题；而继电器则有动作迟缓、驱动电流大、器件体积庞大等缺陷。

现有锂离子电池组在成组过程中，控制点非常多，动力锂离子电池在需要串并联使用中，管理非常复杂，往往一套电池组系统，保护系统的成本占到总成本一半以上。另一方面，在电动工具、电动自行车、小型储能等应用领域由于必须使用一定数量的电芯进行串并联才能达到应用所要求的电压与容量，但上述继电器、MOSFETs、IGBT等开关器件寿命短、稳定性差、抗干扰能力弱、耐高压能力弱等缺陷，如12V电瓶用的传统汽车点火的瞬间，峰值电流达到400A，一般情况下，很难有传统保护器能够承受这种浪涌电流，如MOSFET经常被这类浪涌电流冲击，容易损坏。

综上所述，由于现有锂离子电池的过压、过温、过电流保护装置存在的缺陷，已经严重限制了锂离子电池在汽车、UPS、电力储能、野外用电等领域的应用和发展。目前将电池的物理保护器取代传统保护器已成为一个新的研究方向，本发明中提及金属膨胀式记忆开关保护器采用形状记忆合金中的双金片作为断路保护开关。根据物体热涨冷缩原理，热涨冷缩是物体的共性，但不同物体其热涨冷缩的程度不一样。双金片的两面是不同物质的导体，在变化的温度下由于两面导体涨缩程度不一样从而使双金片弯曲，碰到设定的触点或开关，使设定的电路（保护）开始工作。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种安全、可靠、耐用的标准化锂电池模组，可应用于更广泛的领域。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

    一种基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，包括一模组外壳，所述模组外壳内部分为左腔室和右腔室，所述左腔室内设置有由4个12V的锂电池电芯串联而成的电池组，所述电池组与所述左腔室之间填充有隔温层，所述右腔室内设有一个金属膨胀式记忆开关保护器，位于所述左腔室上方的所述模组外壳上设置有负极极柱，位于右腔室上方的所述模组外壳上设置有正极极柱，所述电池组的负极与所述负极极柱连接，所述电池组的正极与所述金属膨胀式记忆开关保护器的输入端连接，所述金属膨胀式记忆开关保护器的输出端与所述正极极柱连接，所述金属膨胀式记忆开关保护器包括5个电芯监测信号接收端，所述的5个电芯监测信号接收端依次连接在所述的4个锂电池电芯的正负极上，进行实时监测，所述模组外壳上设置有一个紧急手动恢复按钮，所述紧急手动恢复按钮与所述金属膨胀式记忆开关保护器连接。

进一步的，所述金属膨胀式记忆开关保护器由开关组件、2个陶瓷加热器以及电芯监测与电热控制模块组成；所述开关组件包括一开关外壳，所述开关外壳内部设置有一铝导热板及一记忆合金开关，所述记忆合金开关由动触端和静触端构成，所述动触端由双金片制成，所述动触端与所述静触端的开闭由所述开关外壳内的温度决定；所述的两个陶瓷加热器的加热端与所述铝导热板紧密接触，所述电芯监测与电热控制模块上包括5个电芯监测信号接收端和2个加热信号输出端，所述的2个加热信号输出端分别与所述的两个陶瓷加热器电连接，所述的5个电芯监测信号接收端依次与所述的4个锂电池电芯的正负极电连接；所述记忆合金开关的一端与所述正极极柱连接，另一端与所述电池组的正极连接，应用中所述正、负极极柱直接接负载形成回路；所述金属膨胀式记忆开关保护器为最后屏障，在极端条件下关断电池进行彻底保护。

    进一步的，所述模组外壳采用阻燃材料。

进一步的，所述的2个陶瓷加热器中，一个为主加热器，另一个为辅助加热器。

进一步的，电芯监测与电热控制模块还可以通过采集所述锂电池电芯或所述锂电池模组的均衡电流进行过充抑制，充电时，抑制电流产生，对电池进行均衡修复；极端的异常充电会最终触发记忆开关进行彻底保护，自恢复后视电池修复情况，直到修复完成，记忆开关会恢复让电池进入正常工作。

进一步的，所述电芯监测与电热控制模块上包括2个通信接口，所述通信接口可以为光电耦合器信号接口、RS232接口或485接口等，均可以实现所述锂电池模组在串并联中和其他模组通信，同时也可以和充电器、控制器进行联动通信，甚至可以和智能负载进行通信，传输信号，显示电池状态，电芯状态，用于大型串并联的智能监控，提升精确控制能力。

进一步的，所述动触端和所述静触端表层镀银。

进一步的，所述的锂电池模组为12V的标准化模块，可实现多个所述的锂电池模组的串并联使用，彻底摈弃传统复杂电子BMS。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

1、本发明的锂电池模组采用了金属膨胀式记忆开关保护器，当锂离子电池在遇到短路会迅速切断锂电池模组的充放电路，当过充电等异常情况时，电池先抑制过充并修复电池,当电池抑制已经无作用或电池根本性过充损坏,将直接切断锂电池充放电路,从而避免了因锂电池电芯剧烈升温，而引起的爆炸、燃烧等恶性事故，以保证电池的安全运行。

2、本发明的锂电池模组采用传统铅酸电池的设计应用构思，实际装入锂电池电芯，并增加了智能监控，采用的是先抑制后触发的原理。当锂电池模组发生过充或过放时，金属膨胀式记忆开关保护器中的电芯监测和电热控制模块首先使用电池组中电压较高的电芯驱动陶瓷加热器工作，加热开关组件，均衡电池组的电流，直接抑制过充或过放的发生；当陶瓷加热器持续给开关组件加热，温度达到设定温度值时，直接出发记忆合金开关，断开电路，保护锂电池的安全，这一点也是完全区别于传统锂电池直接触发保护的方式。

3、本发明的电芯监测与电热控制模块还可以通过采集锂电池电芯或锂电池模组的均衡电流进行过充抑制；充电时，抑制电流产生，对电池进行均衡修复，其均衡电流范围大效果好，可以达到1-60A，比传统被动均衡30mA的电流高出很多，效果提升100多倍；极端的异常充电会最终触发记忆开关进行彻底保护，自恢复后视电池修复情况，直到修复完成，记忆开关会恢复让电池进入正常工作。

4、本发明的锂电池模组将金属膨胀式记忆开关保护器与串联的电芯分开空间安装，抑制电流作用在另外空间的金属膨胀式记忆开关保护器。使锂电池模组的使用性能大幅提高，克服传统电池组热管理非常复杂的难题。

5、本发明采用的金属膨胀式记忆开关保护器利用形状记忆合金作为断路保护开关，简化传统锂离子电池复杂的保护系统，形状记忆合金具有抗干扰、抗高压能力、被动过流能力强的特性，克服了电子半导体开关（如MOSFET）存在的寿命短、稳定性差、抗干扰能力弱、耐高压能力弱，耐过流能力差等缺陷，提高了短路保护开关的可靠性，有效解决锂离子电池的安全性问题。

6、本发明将锂电池模块化处理，制成12V的标准电池模块，除了可以直接应用，也可以进行一定范围的任意串并联应用，并且无需外加总成电池管理系统。如两个12V 40Ah的电池模块可直接串联成24V 40Ah的电池组，也可以并联成为12V 80Ah的电池组，其应用变得非常简单，彻底颠覆了锂电池组传统复杂的使用方式。

7、本发明摒弃了传统的锂电池应用模式，将电池保护直接做在每个独立的电池模块中，利用金属结构的弱阻抗性，直接作用在限定电压的锂离子电池模块上，将能量限定在有限封闭的空间，全面提高安全性和可靠性，真正意义上实现锂离子电池模块化下的任意串并联使用，将安全性和使用简单性合为一体。

8、目前动力锂电池在需要串并联使用中，管理非常复杂，往往一套动力锂电池组系统成本占到总成本50%以上，采用本发明的技术可以直接将动力锂离子电池系统现有成本减少超过40%。

9、现有锂电池组在成组过程中，控制触点非常多，而本发明的锂电池模组原则上只控制单一模块的8个可控点，分别独立在模块中，这样可靠性非常高，锂电池模组可以做到像传统电池一样使用，实测记忆合金的开合寿命达到12万次。通过本发明锂电池模组的加入，未来锂离子电池可以做到像传统电池一样使用，简化用户的使用所带来的经济效应非常巨大，减少大量的社会成本，对于动力锂离子电池在汽车、UPS、电力储能、野外用电等方面带来实际意义的全面推广效应。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的电路原理示意图；

图3为常温下记忆合金开关的结构示意图；

图4为记忆温度下记忆合金开关的结构示意图。

图中标号说明：1、模组外壳；2、锂电池电芯；3、隔温层；4、金属膨胀式记忆开关保护器；5、负极极柱；6、正极极柱；7、紧急手动恢复按钮；41、开关组件；42、陶瓷加热器；43、电芯监测与电热控制模块；411、开关外壳；412、铝导热板；413、记忆合金开关；4131、动触端；4132、静触端；431、电芯监测信号接收端；432、加热信号输出端；433、通信接口。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参见图1所示，一种基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，包括一采用阻燃材料的模组外壳1，所述模组外壳1内部分为左腔室和右腔室，所述左腔室内设置有由4个12V的锂电池电芯2串联而成的电池组，所述电池组与所述左腔室之间填充有隔温层3，所述右腔室内设有一个金属膨胀式记忆开关保护器4，位于所述左腔室上方的所述模组外壳1上设置有负极极柱5，位于右腔室上方的所述模组外壳1上设置有正极极柱6，所述电池组的负极与所述负极极柱5连接，所述电池组的正极与所述金属膨胀式记忆开关保护器4的输入端连接，所述金属膨胀式记忆开关保护器4的输出端与所述正极极柱6连接，所述金属膨胀式记忆开关保护器4包括5个电芯监测信号接收端431，所述的5个电芯监测信号接收端431依次连接在所述的4个锂电池电芯2的正负极上，进行实时监测，所述模组外壳1上设置有一个紧急手动恢复按钮7，所述紧急手动恢复按钮7与所述金属膨胀式记忆开关保护器4连接，应用中所述正、负极极柱6,5直接接负载形成回路；所述金属膨胀式记忆开关保护器4为最后屏障，在极端条件下关断电池进行彻底保护。

进一步的，参见图2所示，所述金属膨胀式记忆开关保护器4由开关组件41、2个陶瓷加热器42以及电芯监测与电热控制模块43组成。

所述开关组件41包括一开关外壳411，所述开关外壳411内部设置有一铝导热板412及一记忆合金开关413；所述记忆合金开关413由动触端4131和静触端4132构成，所述动触端4131由双金片制成，所述动触端4131与所述静触端4132的开闭由所述开关外壳4101内的温度决定，并且分别在所述动触端4131和所述静触端4132表层镀银，实现灭弧，保证形变过程中的有效断路。参见图3所示，常温下，所述动触端4131与所述静触端4132相接触，参见图4所示，达到记忆温度时，所述动触端4131的双金片由于其物理特性，恢复记忆形状，与所述静触端4132分离。

进一步的，所述的锂电池模组为12V的标准化模块，除了可以直接应用，也可以进行一定范围的任意串并联应用，并且无需外加总成电池管理系统，彻底摈弃传统复杂电子BMS。如两个12V 40Ah的电池模块可直接串联成24V 40Ah的电池组，也可以并联成为12V 80Ah的电池组，其应用变得非常简单，彻底颠覆了锂电池组传统复杂的使用方式。

所述的2个陶瓷加热器42的加热端与所述铝导热板412紧密接触，所述电芯监测与电热控制模块43上包括5个电芯监测信号接收端431、2个加热信号输出端432和2个通信接口433，所述的2个加热信号输出端432分别与所述的2个陶瓷加热器42电连接，所述的5个电芯监测信号接收端431依次与所述的4个锂电池电芯2的正负极电连接；所述记忆合金开关413的一端与所述正极极柱6连接，另一端与所述电池组的正极连接。

进一步的，所述电芯监测与电热控制模块43上的2个通信接口433可以为光电耦合器信号接口、RS232接口或485接口等，均可以实现所述锂电池模组在串并联中和其他模组通信，同时也可以和充电器、控制器进行联动通信，甚至可以和智能负载进行通信，传输信号，显示电池状态，电芯状态，用于大型串并联的智能监控，提升精确控制能力。

所述的2个陶瓷加热器，其中一个为主加热器PTC，另一个为辅助加热器NTC。主陶瓷加热器PTC其特点为当温度不断升高，其内阻增加。与NTC配合可以保持一个相对恒定的安培级负载。其采集整组模块12v左右的电压进行工作，过程中可以有效抑制整组电池充电时电压因过充而快速升高。当多组模块串联工作时，抑制动作可以将高电压模块处于等待中，低电压模块电压升到与高电压模块接近是总电压到达。这是模块随意串并联的基础，模块化后的电池组可以简化大量的监控成本，并提高应用的可靠性和安全性。

辅助陶瓷加热器为NTC、其特点为当温度不断升高，其内阻不断减少，该器件除了为记忆合金开关提供辅助热量外，过程中实际上采集4串模块电池中电压最高的电芯进行放电，工作中可以平衡成电池组模的一致性（目前国内电芯的水平来看，一般在电池使用1年后由于自放电的微小差异会引起群组中电芯一致性下降，性能下降），保持电池状态稳定。

本发明采用传统铅酸电池的设计应用构思，实际装入锂电池电芯，并增加了智能监控。铅酸电池的安全除了来源于本身材料外重点是在快充满电的时候，其内阻会大幅增加，直接限制了电池过充电的发生，实现模组间逐渐均衡。而本发明的锂电池模组采用的是先抑制后触发的原理，当锂电池充电进入过充的环节，电芯监测和热电控制模块产生一个安培级的触发电流促使陶瓷加热器工作，为开关组件封闭加热，直接抑制过充的发生，这是第一个动作。随后因陶瓷加热器的逐渐升温达到设计值，直接触发记忆合金开关保护，停止充电而保护锂电池的安全，这一点也完全区别于传统的锂电池直接触发保护的方式。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：包括一模组外壳（1），所述模组外壳（1）内部分为左腔室和右腔室，所述左腔室内设置有由4个12V的锂电池电芯（2）串联而成的电池组，所述电池组与所述左腔室之间填充有隔温层（3），所述右腔室内设有一个金属膨胀式记忆开关保护器（4），位于所述左腔室上方的所述模组外壳（1）上设置有负极极柱（5），位于右腔室上方的所述模组外壳（1）上设置有正极极柱（6），所述电池组的负极与所述负极极柱（5）连接，所述电池组的正极与所述金属膨胀式记忆开关保护器（4）的输入端连接，所述金属膨胀式记忆开关保护器（4）的输出端与所述正极极柱（6）连接，所述金属膨胀式记忆开关保护器（4）包括5个电芯监测信号接收端（431），所述的5个电芯监测信号接收端（431）依次连接在所述的4个锂电池电芯（2）的正负极上，进行实时监测，所述模组外壳（1）上设置有一个紧急手动恢复按钮（7），所述紧急手动恢复按钮（7）与所述金属膨胀式记忆开关保护器（4）连接。

2.根据权利要求1所述的基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：所述金属膨胀式记忆开关保护器（4）由开关组件（41）、2个陶瓷加热器（42）以及电芯监测与电热控制模块（43）组成；所述开关组件（41）包括一开关外壳（411），所述开关外壳（411）内部设置有一铝导热板（412）及一记忆合金开关（413），所述记忆合金开关（413）由动触端（4131）和静触端（4132）构成，所述动触端（4131）由双金片制成，所述动触端（4131）与所述静触端（4132）的开闭由所述开关外壳（411）内的温度决定；所述的两个陶瓷加热器（42）的加热端与所述铝导热板（4102）紧密接触，所述电芯监测与电热控制模块（43）上包括5个电芯监测信号接收端（431）和2个加热信号输出端（432），所述的2个加热信号输出端（432）分别与所述的两个陶瓷加热器（42）电连接，所述的5个电芯监测信号接收端（431）依次与所述的4个锂电池电芯（2）的正负极电连接；所述记忆合金开关（413）的一端与所述正极极柱（6）连接，另一端与所述电池组的正极连接。

3.    根据权利要求1所述的基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：所述模组外壳（1）采用阻燃材料。

4.    根据权利要求2所述的基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：所述的2个陶瓷加热器（42）中，一个为主加热器，另一个为辅助加热器。

5.根据权利要求2所述的基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：所述电芯监测与电热控制模块（43）上包括2个通信接口（433），所述通信接口（433）为光电耦合器信号接口、RS232接口或485接口光电耦合器信号接口中的任意一种。

6.根据权利要求2所述的基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：所述动触端（4131）和所述静触端（4132）表层镀银。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于金属膨胀式记忆开关保护器的锂电池模组，其特征在于：所述的锂电池模组为12V的标准化模块，可实现多个所述的锂电池模组的串并联使用。