CN105406015B - 一种串联成组型动力电池组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低电压动力电池组连接成组，N个相互并联的电池块组成电池组；每一个电池块由M个单体电池芯和一根保险丝串联而成；分以下两种情况：Ⅰ)N和M均为大于等于2的整数；Ⅱ)N和M为整数，且本发明提供的动力电池组连接成组方式，具有较高的安全性，方便电动车进入充电站后，采用换电方式实现电力补充，且用户能根据需求自行配备电池组的容量。

Description

一种串联成组型动力电池组

技术领域

本发明涉及动力电池技术领域，特别涉及一种低电压动力电池组连接方式。

背景技术

随着电动汽车的推广，锂离子电池在国民经济中的应用越来越广泛，单体电池需通过多串联多并联的方式来满足电池组的电压和容量要求；常用电池连接方式很多，包括先并联后串联(以下简称先并后串)、先串联后并联(以下简称先串后并)、混合串并联结构等。

现在大量在用的是先并后串结构，如特斯拉的model S、Leaf纯电动车、Volt增程式电动车。这种电池组连接成组方式的优点是对并联支路电池芯的不一致性有一定的抑制作用，同一并联支路中的电池芯可共用一个BMS，减少了电池管理系统的成本。

目前电动汽车的充电方式有换电和不换电两种，为了缩短充电时间，不换电的电动汽车，往往采用快充方式，这样会对电池寿命和电网造成双重影响。而换电方式(电动车需要充电时，直接到换电站更换全部或部分电池)可以最大限度缩短车辆补给能源的等待时间，还能在线下充电时对电池进行检测与维护，延长电池的使用寿命，另外在不影响用户出行需求的情况下，也能集中利用谷电来实现慢充。

但现有技术的电池组先并后串却不是对应换电的最好连接方式。首先先并后串的连接方式存在自己的弊端，电池内部短路是最常见而且最难以完全杜绝的现象，一旦某一节电池短路，与之并联的其他电池就会向其放电，造成很大的安全隐患，即使像特斯拉那样在每节电池上焊接保险丝，短路电池被切断以后，安全性有所提高，但由于串联电路的短板效应，电池的容量将会降低，对于国内许多相对小容量的电动汽车，这种容量减小的影响更大。

其次，用户对换电方式的期望也不仅限于缩短等待时间，也希望能根据短途还是长途出行，自行配备相应容量电池。而一旦先并后串的电池组做成模块化以后，由于并联电池数量已经确定，即电池容量已是定值，无法再做更改，所以无法满足用户的需求。

发明内容

本发明的目的是解决电动车的电池组中，单个电池短路会造成安全隐患或容量衰减、以及不适应于“换电方式”来充电，以及用户不能够根据出行里程需求改变电池总容量。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种串联成组型动力电池组：

N个相互并联的电池块组成电池组；每一个电池块由M个单体电池芯串联而成；这种先串联后并联的连接方式，将每条串联支路做成模块化，便于串联支路中每个电池芯线下的均衡与检修，而且车辆需要多少容量电池就装几个电池块，便于满足用户续航里程需求。

分以下两种情况：

I)N和M均为大于等于2的整数，每一个电池块所在的支路上串联保险丝；

II)N和M为整数，且在使用了该电池组的电动车到充电站换电时，只置换其中一个或几个电池块(低电量电池块)，或者某节电池芯短路时，其所在电池块能自动与其他电池块均衡，仍可输出能量。

这两组范围仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

进一步，电动汽车行驶的能量为E，单体电池芯的能量为e，则所述电池组的能量则可记为E＝N*e。

进一步，保险丝的额定电流为单电池芯允许的最大充电或放电电流(选较小的一个)。

进一步，用户根据行驶里程增加或减少并联的电池块数。

进一步，每一个电池块所在的支路上安装有开关，通过所述开关的通断来控制该支路上的电池块是否接入电路。

进一步，所述单体电池芯为三元材料电池，它的放电电压曲线如图1所示，对应的图2是另一种常见材料磷酸铁锂电池的放电电压曲线，可以看出，三元材料电池的放电电压曲线较磷酸铁锂电池的放电电压曲线陡峭得多，这样的特性决定了三元材料的单电池芯按本发明的连接方式连接以后，当一条串联支路模块因内部某节单电池芯短路出现其端电压与其他支路模块不一致，或荷电状态(State Of Charge，以下简称SOC)不同导致其端电压与其他支路模块不一致时，整个电池组可自动均衡。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，首先，该换电方式可以最大限度缩短车辆补给能源的等待时间，还能在线下充电时对电池进行检测与维护，延长电池的使用寿命，另外在不影响用户出行需求的情况下，也能集中利用谷电来实现慢充。

另外，由于具有自适应功能，本发明避免了现有电池组的安全隐患，不用像现有技术那样在每节电池上焊接保险丝，短路电池被切断以后，电池的容量不会显著降低，这对于国内许多相对小容量的电动汽车的意义是重大的。

其次，用户可以根据短途还是长途出行，自行配备相应容量电池。而不像现有的电池组做成模块化以后，电池容量已是定值，无法再做更改。

附图说明

图1本发明的示意图；

图2是三元材料单电池芯放电电压曲线图

图3是磷酸铁锂电池的放电电压曲线；

图4是图1中电池芯的参数。

图5是三元材料锂离子电池的充放电曲线。

图6是现有技术的先并后串的连接方式。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本发明的示例性实施中，基于三元材料电池芯参数给出了a.充电站换电方式时，只置换其中一个或几个电池块时车上载有的低电量电池块与置换高电量电池块的电压差允许范围b.某节电池芯短路时，其所在电池块能自动与其他电池块均衡，仍可输出能量，电池组的串联电池芯数M、并联电池块数N需满足的范围。特别地，这两组范围仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1显示本发明实施例提供的串联成组型动力电池组，电池芯的参数如图4所示，保险丝的额定电流根据电池芯的参数选为3C，将如上所述的一个保险丝与20个电池芯依次串联形成一个电池块，经实验得到一个电池块的实际内阻约为r＝80mΩ，再由8个电池块并联形成整个电池组。

为验证不同SOC的电池块可相互并联并且自动均衡，此处假设采用换电方式时，我们保留n个电池块置换其余8-n个电池块。将保留的n个低电量电池块等效为1个电池块，其开路电压设为OCV₁，大电流充电时极化电压设为V_p1，端电压设为V_o1，内阻设为r₁＝r/n；置换的高电量电池块开路电压设为OCV₂，大电流放电时的极化电压设为V_p2，端电压设为V_o2，内阻设为r₂＝80mΩ，，当将一个置换电池块与其余n个电池块并联时，流出置换电池块中电流为

要使上述不等式恒成立，需满足

因1≤n≤7，3C大电流放电时V_p2≥20×0.1＝2V，V_p1≥0这里忽略不计，所以有

由实验所得的充放电曲线如图5所示，由图可知，上述电压范围可大致覆盖中间段[0.3，0.8]SOC，符合实际充电站换电要求。

当某个电池块中单节电池芯短路时，短路支路上的其余电池电压将会升高v为单节电池芯的电压，由电池芯的参数得知电池芯能承受的最高电压为4.4V，为保证电池安全使用，使用时单电池芯最高充电到4V左右，因此只有当满足才不会给短路支路其余电池芯造成安全隐患，得到M≥11；若要短路支路仍能正常放电，则单电池芯短路瞬间，它所在的短路支路充电电流不能大于保险丝的额定电流3C，即

带入电池芯的具体参数后得到M≤34，结合M和N必须为大于等于2的整数以及M必须大于等于11，得到：

18≤M≤34；

当单节电池芯短路但M、N不满足上述范围或同一电池块中多节电池芯短路时，保险丝熔断以切断安全隐患，该电池块停止放电。与电池块中出现电池芯断路时类似，整个电池组容量减小1/N。

图6显示同等电压和容量要求下先并后串的连接方式，为了防止电池短路造成安全隐患，每节电池芯上都必须要焊接保险丝。

这种连接方式下，单节电池短路或断路的影响是一样的，都会令整个电池组的容量减小1/N。

由于锂离子电池芯短路的概率远远大于断路的概率，因此从整体经济性来看，短路或断路故障下，本发明提供的电池组结构更优。

Claims (5)

1.一种串联成组型动力电池组，其特征在于：

N个相互并联的电池块组成电池组；每一个电池块由M个单体电池芯和一根保险丝串联而成；

N和M为整数，且18≤M≤34且电池芯的电池型号为HTG65133200N41；

在该电池组换电时，只置换其中低电量电池块；

在某节电池芯短路时，其所在电池块能自动与其他电池块均衡。

2.根据权利要求1所述的一种串联成组型动力电池组，其特征在于：电动汽车行驶的能量为E，单体电池芯的能量为e，则所述电池组的能量则可记为E＝N*e。

3.根据权利要求1所述的一种串联成组型动力电池组，其特征在于：保险丝的额定电流为单电池芯允许的最大充电或放电电流。

4.根据权利要求2所述的一种串联成组型动力电池组，其特征在于：用户根据行驶里程增加或减少并联的电池块数。

5.根据权利要求1所述的一种串联成组型动力电池组，其特征在于：所述单体电池芯为三元材料电池。