CN105895843A - 一种智能锂离子电池模组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能锂离子电池模组，包括电池模组外壳，加热膜，形变导热垫，导热结构件，均衡电阻膜片，散热片，均衡和温度控制电路板，电子开关、电池管理系统电路板，电源输出端及多个锂离子软包单体电芯；该多个锂离子软包单体电芯依次叠置，呈队列式摆放压紧并置于电池模组外壳的电芯安装位处，两两电芯之间夹垫有导热结构件；形变导热垫布置于锂离子软包单体电芯队列四周；加热膜布置于长方体电池模组两个较宽的面中的其中一个面，散热片布置于另一个面；均衡和温度控制电路板与电池管理系统电路板相连，电子开关连接于电源输出端，并与电池管理系统电路板相连。本发明可实现电池组充、放电保护，温度控制，安全控制和均衡控制等功能。

Description

一种智能锂离子电池模组
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池的技术领域，尤其是指一种智能锂离子电池模组。
背景技术
近年来，环境污染问题和能源枯竭方面的问题日益受到人们关注，随着新型高能二次电池技术尤其是锂离子动力电池技术的不断进步，以电动自行车、电动汽车为代表的电动车辆技术开发和推广应用日益受到重视。
电动汽车整车企业所需的电池系统日渐趋向于集成化、小型化、轻型化，即在有限的空间中尽可能多的布置电池。锂离子新型高能二次电池相对于铅酸、镍氢电池，具有比能量高、无环境污染、单体电压高等特点，得到越来越多的应用。一定数量的软包单体锂离子电池通过串并联组成电池模组，可以解决应用中大容量、高电压等级的应用问题。锂离子电池在使用过程中会发热，当电池的热不能及时的释放，存在热失控安全风险；锂离子电池在低温使用时不能完全释放其容量且有损坏电池的风险；本发明中的热平衡系统可有效解决上述高低温对电池的影响。目前电池的串并联接通常是采取焊接的方式，这种连接方式导致锂离子电池的内阻高且维护不便，并且在长期随车震动过程中易松动、断裂、不安全；本发明采用螺丝与铝极板紧固的方式有效的解决上述困难。为解决锂离子电池过充、过放、均衡控制、安全保护等问题，在电池模组中加入电池管理系统进行统一管理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种智能锂离子电池模组，可实现电池组充、放电保护，温度控制，安全控制和均衡控制等功能，结构上轻型、紧凑且满足车辆行驶过程中防水、防尘、防震的要求。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种智能锂离子电池模组，包括电池模组外壳，阻燃气囊，塑料紧固件，加热膜，形变导热垫，导热结构件，静电隔离垫，均衡电阻膜片，散热片，温度传感器，电流传感器，均衡和温度控制电路板，电子开关、电池管理系统电路板，电源输出端及多个锂离子软包单体电芯；该多个锂离子软包单体电芯依次叠置，呈队列式摆放压紧并置于电池模组外壳的电芯安装位处，且两两电芯之间夹垫有导热结构件；所述形变导热垫布置于锂离子软包单体电芯队列四周，与每个锂离子软包单体电芯和导热结构件贴紧；所述加热膜布置于长方体电池模组两个较宽的面中的其中一个面，与形变导热垫紧密相连，使加热时电池受热更加均匀；所述散热片布置于长方体电池模组两个较宽的面中的另一个面，与形变导热垫紧密相连，使散热时加速热量的发散，也使电池间的温差更加均匀；所述均衡和温度控制电路板置于电池模组外壳内，其通过内部通信总线与电池管理系统电路板相连，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯相连，用于均衡电流通过；所述电池管理系统电路板安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连，控制安全保护电路动作在极端情况下实施保护，其通过内部通信总线与电池模组的均衡电路相连，控制均衡电路开启和关闭，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯正负极相连，读取锂离子软包单体电芯的电压数据，其通过信号采集线与温度传感器相连，读取电池模组的温度状态信息，其通过信号采集线与电流传感器相连，读取电池模组的充放电电流信息；所述电子开关连接于电源输出端，并通过内部通信总线与电池管理系统电路板相连，通过开关切换动作实现电池管理系统电路板的通断；所述塑料紧固件布置于锂离子软包单体电芯与电池模组外壳之间，与锂离子软包单体电芯和电池模组外壳紧密相连；所述阻燃气囊布置于塑料紧固件与电池模组外壳之间，与塑料紧固件和电池模组外壳紧密相连；将所有锂离子软包单体电芯分成个数一致的多组，所述静电隔离垫布置于每两组锂离子软包单体电芯之间，与两边的锂离子软包单体电芯紧密相连；所述均衡电阻膜片通过信号线与均衡和温度控制电路板相连，受均衡和温度控制电路板控制，并与散热片紧密相连，确保均衡控制开启时产生的热量能够快速通过散热片导出；所述电池模组外壳与散热片紧密相连，通过电池模组外壳与外界空气的接触热交换将电池模组内部热量迅速散出。
所述均衡和温度控制电路板包括均衡充电信号控制和驱动电路、硅胶加热膜开关信号控制和驱动电路、硅胶加热膜工作指示灯控制和驱动电路，电池模组中每并联的多节软包单体电芯对应一个均衡充电信号控制和驱动电路；硅胶加热膜开关信号控制和驱动电路用于控制硅胶加热膜开始或停止工作；硅胶加热膜工作指示灯控制和驱动电路用于控制硅胶加热膜工作指示灯正确指示硅胶加热膜工作状态。
所述电池管理系统电路板通过其电池状态采集芯片获取每个锂离子软包单体电芯的状态参数信息，经过其单片机运算后通过电池模组内部的通信总线输出均衡、温度这些控制信号至电池模组的均衡和温度控制电路板，之后再通过电池模组外部的通信总线输出电池模组的电压、SOC、温度这些状态信息至其他与之通信的控制系统，当发生过流、过压或过温故障时，所述电池管理系统电路板会发出指令控制保护电路动作，实施保护。
所述电池模组采用3并20串共60个锂离子软包单体电芯组成；所述锂离子软包单体电芯的电极通过极耳支架和压板紧固。
所述散热片和电池模组外壳由铝材制造，在电池模组外壳的一面拉出众多筋条，散热片将均衡电阻膜片产生的热量导向外壳，再由外壳向空间散发。
所述导热结构件与锂离子软包单体电芯贴紧，用于当加热启动时热量快速导入每个锂离子软包单体电芯；当散热启动时热量快速导出每个锂离子软包单体电芯，且保证电池模组中各个锂离子软包单体电芯的温度一致。
所述形变导热垫在电芯成组布置好后贴紧于电池组表面用于增强热传导；所述加热膜与形变导热垫贴紧，用于当电池模组内部温度低于设定最低温度时给电池模组加热。
所述塑料紧固件采用弹片式结构设计，用于填充锂离子软包单体电芯与电池模组外壳之间的空隙，除加强紧固效果外，当电芯因长期使用或发生故障膨胀时，该塑料紧固件也为电池模组预留有压缩空间。
所述静电隔离垫采用具有绝缘、阻燃和可压缩的材料制作，用于隔离电芯之间的物理接触，从而阻断锂离子软包单体电芯之间的静电传输，消除因静电电压过高对电芯造成的损害和对BMS的干扰，同时也为电芯因长期使用而膨胀时预留有压缩空间。
所述阻燃气囊用于填充塑料紧固件与电池模组外壳之间的空隙，当电芯发生起火燃烧时，该阻燃气囊会因穿刺、受热而爆裂并释放阻燃气体，能够减少有限空间中的氧气含量，起到阻燃的效果。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明实现了锂离子软包单体电芯快速成组安装便于大规模工业化生产，电芯极耳之间实现了柔性化连接，确保电池模组在电动车辆等应用中电芯连接的可靠性。
2、本发明实现了电池组充、放电保护，温度控制，安全控制和均衡控制等功能。
3、本发明实现了静电防护，消除了因静电电压过高可能对电芯造成的损害和对BMS的干扰。
4、本发明实现了在电池模组运输安装过程中，其正负极接线柱不带电；电池管理系统休眠时，电池模组零功耗。
5、本发明结构上轻型、紧凑，为电芯因长期使用或发生故障而膨胀时预留一定的压缩空间，且满足车辆行驶过程中防水、防尘、防震的要求，便于实际应用。
附图说明
图1为本发明的智能锂离子电池模组结构示意图。
图2为本发明的锂离子软包单体电芯与导热结构件的组装示意图。
图3为本发明的锂离子软包单体电芯极耳连接示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的智能锂离子电池模组，包括：电池模组外壳1，阻燃气囊2，塑料紧固件3，加热膜4，形变导热垫5，导热结构件6，静电隔离垫8，形变导热垫9，均衡电阻膜片10，散热片11，温度传感器12，电流传感器13，均衡和温度控制电路板14，电子开关15、电池管理系统电路板16，电源输出端17，极耳支架18，压板19，螺丝钉20，防松垫圈21及多个锂离子软包单体电芯7。该多个锂离子软包单体电芯7依次叠置，呈队列式摆放压紧并置于电池模组外壳1的电芯安装位处，且两两电芯之间夹垫有导热结构件6；所述形变导热垫5、9布置于锂离子软包单体电芯队列四周，与每个锂离子软包单体电芯7和导热结构件6贴紧；所述加热膜4布置于长方体电池模组两个较宽的面中的其中一个面，与形变导热垫5、9紧密相连，使加热时电池受热更加均匀；所述散热片11布置于长方体电池模组两个较宽的面中的另一个面，与形变导热垫5、9紧密相连，使散热时加速热量的发散，也使电池间的温差更加均匀；所述均衡和温度控制电路板14置于电池模组外壳1内，其通过内部通信总线与电池管理系统电路板16相连，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯7相连，用于均衡电流通过；所述电池管理系统电路板16安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连，控制安全保护电路动作在极端情况下实施保护，其通过内部通信总线与电池模组的均衡电路相连，控制均衡电路开启和关闭，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯正负极相连，读取锂离子软包单体电芯的电压数据，其通过信号采集线与温度传感器12相连，读取电池模组的温度状态信息，其通过信号采集线与电流传感器13相连，读取电池模组的充放电电流信息；所述电子开关15连接于电源输出端17，并通过内部通信总线与电池管理系统电路板16相连，通过开关切换动作实现电池管理系统电路板16的通断；所述塑料紧固件3布置于锂离子软包单体电芯7与电池模组外壳1之间，与锂离子软包单体电芯7和电池模组外壳1紧密相连；所述阻燃气囊2布置于塑料紧固件3与电池模组外壳1之间，与塑料紧固件3和电池模组外壳1紧密相连；将所有锂离子软包单体电芯分成个数一致的多组，所述静电隔离垫8布置于每两组锂离子软包单体电芯之间，与两边的锂离子软包单体电芯紧密相连；所述均衡电阻膜片10通过信号线与均衡和温度控制电路板14相连，受均衡和温度控制电路板14控制，并与散热片11紧密相连，确保均衡控制开启时产生的热量能够快速通过散热片11导出；所述电池模组外壳1与散热片11紧密相连，通过电池模组外壳1与外界空气的接触热交换将电池模组内部热量迅速散出。
所述均衡和温度控制电路板14包括均衡充电信号控制和驱动电路、硅胶加热膜开关信号控制和驱动电路、硅胶加热膜工作指示灯控制和驱动电路，电池模组中每并联的3节软包单体电芯对应一个均衡充电信号控制和驱动电路；硅胶加热膜开关信号控制和驱动电路用于控制硅胶加热膜开始或停止工作；硅胶加热膜工作指示灯控制和驱动电路用于控制硅胶加热膜工作指示灯正确指示硅胶加热膜工作状态。
所述电池管理系统电路板16通过其电池状态采集芯片获取每个锂离子软包单体电芯7的状态参数信息，经过其单片机运算后通过电池模组内部的通信总线输出均衡、温度这些控制信号至电池模组的均衡和温度控制电路板，之后再通过电池模组外部的通信总线输出电池模组的电压、SOC、温度这些状态信息至其他与之通信的控制系统，当发生过流、过压或过温故障时，所述电池管理系统电路板16会发出指令控制保护电路动作，实施保护。
所述散热片11和电池模组外壳1由铝材或导热性能优异的材料制造，在电池模组外壳1的一面拉出众多筋条，散热片11将均衡电阻膜片10产生的热量导向外壳，再由外壳向空间散发。
所述导热结构件6与锂离子软包单体电芯7贴紧，用于当加热启动时热量快速导入每个锂离子软包单体电芯；当散热启动时热量快速导出每个锂离子软包单体电芯，且保证电池模组中各个锂离子软包单体电芯的温度一致。
所述形变导热垫5、9在电芯成组布置好后贴紧于电池组表面用于增强热传导。
所述加热膜4与形变导热垫5、9贴紧，用于当电池模组内部温度低于设定最低温度时给电池模组加热。
所述塑料紧固件3采用弹片式结构设计，用于填充锂离子软包单体电芯7与电池模组外壳1之间的空隙，除加强紧固效果外，当电芯因长期使用或发生故障膨胀时，该塑料紧固件3也为电池模组预留有一定比例的压缩空间。
所述静电隔离垫8采用具有绝缘、阻燃和可压缩的材料制作，用于隔离电芯之间的物理接触，从而阻断锂离子软包单体电芯之间的静电传输，消除因静电电压过高对电芯造成的损害和对BMS的干扰，同时也为电芯因长期使用而膨胀时预留有一定的压缩空间。
所述阻燃气囊2用于填充塑料紧固件3与电池模组外壳1之间的空隙，当电芯发生起火燃烧时，该阻燃气囊2会因穿刺、受热而爆裂并释放阻燃气体，能够减少有限空间中的氧气含量，起到阻燃的效果。
所述锂离子软包单体电芯7可以为聚合物锂离子电芯，或铝塑膜包装的液体锂离子电芯，或铝塑膜包装的固态锂离子电芯，或铝塑膜包装的凝胶态锂离子电芯。如图2所示，每一个锂离子软包单体电芯7都与一个导热结构件6贴紧且呈队列式摆放，该电池模组采用3并20串共60个锂离子软包单体电芯组成，所述锂离子软包单体电芯的电极通过极耳支架18和压板19紧固。
在对本实施例上述智能锂离子电池模组进行组装时，首先将每一个锂离子软包单体电芯7与导热结构件6贴紧，然后呈队列式摆放压紧；如图3所示，电芯极耳利用极耳支架18和压板19进行定位，再用螺丝钉20将电芯极耳紧固在极耳支架18上，并用上防松垫圈21；锂离子软包单体电芯7成组固定安装摆放好后，在电池组的四周贴上形变导热垫5、9，用以增强热传导；随后在电池组的一侧依此安装加热膜4、塑料紧固件3、阻燃气囊2，在电池组的另一侧依此安装均衡电阻膜片10、散热片11；随后在另一侧面和端头安装均衡和温度控制电路板14和电池管理系统电路板16；最后安装电池模组外壳1。
本实施例所采用的技术方案，电芯极耳由于采用极耳支架和压板及标准螺丝钉连接，可以免于焊接，实现电芯极耳互连的柔性化，克服了电芯极耳焊接或其它硬性连接因长时间扭曲、颠颇震动等因素可能造成的接触不良，且可以使锂离子软包单体电芯成组方便快捷，便于大规模工业化生产，便于拆装维护，有效的提高安全性和降低了制造和使用的成本；由于采用了形变导热垫、加热膜、导热结构件、散热片，可以增加热传导的效率，使得智能锂离子电池模组无论是在低温时进行加热，还是在高温和均衡模式下进行散热，热量的传输都能比无此设计的情况下要快，有效的降低了热失控安全风险；由于采用塑料紧固件、阻燃气囊，当锂离子软包单体电芯发生膨胀和燃烧时能有效的延缓事故发生的时间和降低事故发生的严重程度；由于采用均衡和温度控制和电池管理系统，当电池模组发生高温、过流、过充、过放时，控制系统能够及时检测到故障并采取控制措施避免电池模组发生事故以及避免电池发生损坏。总之，本发明的智能锂离子电池模组具有重量轻，比能量、比功率高等优点，锂离子软包单体电芯通过电池极耳支架和压板进行定位压紧，电池极耳与导电带之间接触面积大，接触内阻低，抗震性能稳定，安全可靠；且上述电池模组外壳具有防水、防尘、防震、易于散热和阻燃的特性。
在实际应用中，本实施例提供的智能锂离子电池模组还可以作为基本模组再与其他的智能锂离子电池模组进行串联或并联，以组成更大容量的电池模组。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种智能锂离子电池模组，其特征在于：包括电池模组外壳，阻燃气囊，塑料紧固件，加热膜，形变导热垫，导热结构件，静电隔离垫，均衡电阻膜片，散热片，温度传感器，电流传感器，均衡和温度控制电路板，电子开关、电池管理系统电路板，电源输出端及多个锂离子软包单体电芯；该多个锂离子软包单体电芯依次叠置，呈队列式摆放压紧并置于电池模组外壳的电芯安装位处，且两两电芯之间夹垫有导热结构件；所述形变导热垫布置于锂离子软包单体电芯队列四周，与每个锂离子软包单体电芯和导热结构件贴紧；所述加热膜布置于长方体电池模组两个较宽的面中的其中一个面，与形变导热垫紧密相连，使加热时电池受热更加均匀；所述散热片布置于长方体电池模组两个较宽的面中的另一个面，与形变导热垫紧密相连，使散热时加速热量的发散，也使电池间的温差更加均匀；所述均衡和温度控制电路板置于电池模组外壳内，其通过内部通信总线与电池管理系统电路板相连，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯相连，用于均衡电流通过；所述电池管理系统电路板安装在电池模组的端头，其通过接插件与外部系统进行数据通信，其通过内部通信总线与电池模组的安全保护电路相连，控制安全保护电路动作在极端情况下实施保护，其通过内部通信总线与电池模组的均衡电路相连，控制均衡电路开启和关闭，其通过信号采集线与每个锂离子软包单体电芯正负极相连，读取锂离子软包单体电芯的电压数据，其通过信号采集线与温度传感器相连，读取电池模组的温度状态信息，其通过信号采集线与电流传感器相连，读取电池模组的充放电电流信息；所述电子开关连接于电源输出端，并通过内部通信总线与电池管理系统电路板相连，通过开关切换动作实现电池管理系统电路板的通断；所述塑料紧固件布置于锂离子软包单体电芯与电池模组外壳之间，与锂离子软包单体电芯和电池模组外壳紧密相连；所述阻燃气囊布置于塑料紧固件与电池模组外壳之间，与塑料紧固件和电池模组外壳紧密相连；将所有锂离子软包单体电芯分成个数一致的多组，所述静电隔离垫布置于每两组锂离子软包单体电芯之间，与两边的锂离子软包单体电芯紧密相连；所述均衡电阻膜片通过信号线与均衡和温度控制电路板相连，受均衡和温度控制电路板控制，并与散热片紧密相连，确保均衡控制开启时产生的热量能够快速通过散热片导出；所述电池模组外壳与散热片紧密相连，通过电池模组外壳与外界空气的接触热交换将电池模组内部热量迅速散出。
2.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述均衡和温度控制电路板包括均衡充电信号控制和驱动电路、硅胶加热膜开关信号控制和驱动电路、硅胶加热膜工作指示灯控制和驱动电路，电池模组中每并联的多节软包单体电芯对应一个均衡充电信号控制和驱动电路；硅胶加热膜开关信号控制和驱动电路用于控制硅胶加热膜开始或停止工作；硅胶加热膜工作指示灯控制和驱动电路用于控制硅胶加热膜工作指示灯正确指示硅胶加热膜工作状态。
3.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述电池管理系统电路板通过其电池状态采集芯片获取每个锂离子软包单体电芯的状态参数信息，经过其单片机运算后通过电池模组内部的通信总线输出均衡、温度这些控制信号至电池模组的均衡和温度控制电路板，之后再通过电池模组外部的通信总线输出电池模组的电压、SOC、温度这些状态信息至其他与之通信的控制系统，当发生过流、过压或过温故障时，所述电池管理系统电路板会发出指令控制保护电路动作，实施保护。
4.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述电池模组采用3并20串共60个锂离子软包单体电芯组成；所述锂离子软包单体电芯的电极通过极耳支架和压板紧固。
5.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述散热片和电池模组外壳由铝材制造，在电池模组外壳的一面拉出众多筋条，散热片将均衡电阻膜片产生的热量导向外壳，再由外壳向空间散发。
6.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述导热结构件与锂离子软包单体电芯贴紧，用于当加热启动时热量快速导入每个锂离子软包单体电芯；当散热启动时热量快速导出每个锂离子软包单体电芯，且保证电池模组中各个锂离子软包单体电芯的温度一致。
7.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述形变导热垫在电芯成组布置好后贴紧于电池组表面用于增强热传导；所述加热膜与形变导热垫贴紧，用于当电池模组内部温度低于设定最低温度时给电池模组加热。
8.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述塑料紧固件采用弹片式结构设计，用于填充锂离子软包单体电芯与电池模组外壳之间的空隙，除加强紧固效果外，当电芯因长期使用或发生故障膨胀时，该塑料紧固件也为电池模组预留有压缩空间。
9.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述静电隔离垫采用具有绝缘、阻燃和可压缩的材料制作，用于隔离电芯之间的物理接触，从而阻断锂离子软包单体电芯之间的静电传输，消除因静电电压过高对电芯造成的损害和对BMS的干扰，同时也为电芯因长期使用而膨胀时预留有压缩空间。
10.根据权利要求1所述的一种智能锂离子电池模组，其特征在于：所述阻燃气囊用于填充塑料紧固件与电池模组外壳之间的空隙，当电芯发生起火燃烧时，该阻燃气囊会因穿刺、受热而爆裂并释放阻燃气体，能够减少有限空间中的氧气含量，起到阻燃的效果。
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