CN107275714B - 一种锂离子电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池管理系统，包括电池箱体和单体电池，在所述电池箱体内设置有N个电池内腔，所述单体电池组成N个电池组，每个所述电池组对应地设置在一所述电池内腔内在所述电池内腔的顶部或底部设置温度调节管，所述温度调节管将N个所述电池内腔相互连通，所述电池内腔的热量通过所述温度调节管从温度较高的电池内腔向温度较低的电池内腔传递，其中，N为大于或等于2的整数。该锂离子电池管理系统加快电池箱体内热量的扩散，提高温度的均匀性，单体电池保持一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。

Description

一种锂离子电池管理系统
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池管理系统。
背景技术
锂离子电池能量密度大，其容量是同重量镍氢电池的2～3倍，而且具有自放电率低，无记忆效应，以及不含有毒物质等优点，被广泛地应用于电动汽车、电动自行车、电动飞机等电动设备。
为了达到电动设备所需的额定电压，需要将单体电池串并联以电池组的形式使用。然而单体电池在串并联工作条件下，其内阻、电容、电压、温度、自放电等参数存在一致性差异，极大地影响了电池组的工作效率，特别在大电流、超低温、超高温等极端充放电条件下，相对较差的单体电池会加速劣化，影响电池组的整体寿命，最终容易导致劣化电池反极，出现安全问题。
例如，在电池组充电时，当最差的单体电池充满电而其他单体电池还未充满电时，电源管理系统会默认电池组已经充满；同样，在电池组放电时，当最差的单体电池放完电而其他单体电池还未放完电时，电源管理系统默认电池组已经放完电，这将大大降低电池组的循环寿命。而且，在充放电时，最差的单体电池极有可能出现过充；在放电时，最差的电池极有可能出现过放，过充和过放均会引起电池的安全性问题。
再如，虽然锂离子电池的工作温度通常在-20～60℃，但其综合性能跟实际环境温度仍存在较大关系，如果环境温度过高，不仅会影响锂离子电池的性能和使用寿命，还会产生热扰动，导致电池组成材料的热稳定性被破坏，引发热副反应，最终导致安全问题。如果环境温度过低，由于材料本身固有因素的限制，如分子运动能力降低、内阻变大等，电池的充放电性能大大降低，导致锂离子电池无法正常发挥作用。
由于锂离子电池在充放电过程中均会产生化学反应热和电阻热，特别是大单体容量、高能量比的锂离子电池，在大电流放电时产生较多的热量，严重影响锂离子电池的性能。因此，目前针对锂离子电池的研究主要集中在散热管理。但电池组在低温下使用时，尤其在单体电池的温度不均匀时，同样会导致较差的单体电池加速劣化，降低单体电池的一致性，影响电池组的寿命和安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池管理系统，用以解决现有低温使用时锂离子单体电池性能下降的问题。
为实现上述目的，本发明锂离子电池管理系统包括电池箱体和单体电池，在所述电池箱体内设置有N个电池内腔，所述单体电池组成N个电池组，每个所述电池组对应地设置在一所述电池内腔内，在所述电池内腔的顶部或底部设置温度调节管，所述温度调节管将N个所述电池内腔相互连通，所述电池内腔的热量通过所述温度调节管从温度较高的电池内腔向温度较低的电池内腔传递，其中，N为大于或等于2的整数。
优选地，所述温度调节管的管口朝向所述电池内腔方向设置。
优选地，所述温度调节管为拉瓦尔管。
其中，在所述温度调节管的每个管口各设置一风扇，用以加快该风扇对应的所述电池内腔热量的传递。
优选地，所述锂离子电池管理系统还包括风扇控制单元和温度监测单元，在所述电池内腔各设置一个所述温度监测单元，所述温度控制单元用于监测所述电池内腔的温度，并将温度监测值发送至所述风扇控制单元，所述风扇控制单元根据所述温度检测值控制该温度监测单元对应的所述风扇的转速。
优选地，所述锂离子电池管理系统还包括电压监测单元、电流监测单元和充放电控制单元，其中，
所述电压监测单元用于监测所述电池组的放电电压，并将电压监测值发送至所述充放电控制单元；
所述电流监测单元用于监测所述电池组的放电电流，并将电流监测值发送至所述充放电控制单元；
所述充放电控制单元根据所述电压监测值和所述电流监测值控制所述电池组的放电速度。
优选地，所述锂离子电池管理系统还包括设置在所述电池内腔之间的风道、风机和风机控制单元，所述风机用于推动气流在所述风道内流动，所述风机控制单元用于控制所述风机的转速。
其中，N个所述电池组串联或并联，而且每个所述电池组内的所述单体电池串联或并联。
本发明系统具有如下优点：
本发明提供的锂离子电池管理系统，在电池组处于低温时，如车辆启动时，由于单体电池存在差异性，释放的热量不同，导致电池内腔之间升温速度不同，温度调节管可以加快温度较高的电池内腔的热量向温度较低的电池内腔扩散，使电池内腔在较短时间均匀升温至适合的温度范围，从而可减缓较差单体电池的劣化，使单体电池尽可能地保持一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。当电池组处于高温时，如车辆已经运行一段时间，温度调节管仍可加速电池内腔之间的热交换，加快温度较高的电池内腔热量的扩散，使各电池内腔均匀降温，单体电池在温度均匀的环境中可保持其一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的锂离子电池管理系统的结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的锂离子电池管理系统中电池箱体的结构示意图。
图3为本发明实施例一提供的锂离子电池管理系统中电池箱体的截面图。
图4为本发明实施例二提供的锂离子电池管理系统中电池箱体的截面图。
图5为本发明实施例二提供的锂离子电池管理系统中温度控制单元和风扇控制单元的原理框图。
图6为本发明实施例三提供的锂离子电池管理系统的结构示意图。
图7为本发明实施例四提供的锂离子电池管理系统的原理框图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示，锂离子电池管理系统包括电池箱体11和单体电池12，在电池箱体11内设置有N个电池内腔，单体电池12组成N个电池组13，每个电池组13对应地设置在一电池内腔内，在电池内腔的顶部或底部设置温度调节管，温度调节管将N个电池内腔相互连通，电池内腔的热量通过温度调节管从温度较高的电池内腔向温度较低的电池内腔传递，其中，N为大于或等于2的整数。
本实施例中，单体电池12被分成但不限于六个电池组13a-13f，每个电池组13a-13f包括但不限于两个单体电池12，同一电池组13a-13f内的两个单体电池12串联或并联，而且N个电池组串联或并联。
如图2所示，在电池箱体11内设置有六个电池内腔11a-11f，在电池内腔11a-11f的侧面设置隔板21，从而将电池内腔11a-11f相互隔离，但电池内腔11a-11f的顶部和/或底部连通。每个电池内腔11a-11f对应地放置一个电池组13a-13f。
如图3所示，在电池内腔11a-11f的底部和/或顶部设有温度调节管31，温度调节管31的管口32可以设置在其侧面或端面，优选将温度调节管31的管口32设置在朝向电池组12方向，以便于电池内腔11a-11f内气体的流动，从而使热量的扩散更容易。各电池内腔11a-11f之间通过温度调节管31相互连通，电池内腔11a-11f内的热量通过温度调节管的管口32进入或排出该电池内腔11a-11f。
在本实施例中，气流在温度调节管31内的动力来自于不同电池内腔11a-11f之间的气压差，换言之，电池内腔11a-11f之间热量传递的动力来自于不同电池内腔11a-11f之间的气压差。由于单体电池12之间存在差异，在放电过程中发热量不同，导致不同电池内腔11a-11f的温度不同，因此，在电池内腔11a-11f之间将产生气压差，热量借助温度调节管31在电池内腔11a-11f之间进行传导，从而在较短时间内使电池箱体11温度趋于均匀。
需要说明的是，由于电池内腔11a-11f的气体压力与温度直接相关，而且温度越高，气体压力越大。对于温度差较小的电池内腔11a-11f，由于气体压力差较小，热量交换较小；对于温度差较大的电池内腔11a-11f，由于气体压力差较大，热量交换较大。因此，温度较低的电池内腔11a-11f通过温度调节管31能够率先获得热量，而且，温度居中的电池内腔11a-11f热量基本不会损失。相对于未设置温度调节管31的电池箱体，本实施例的电池箱体11更容易在较短的时间内使其内部温度均匀，从而使单体电池保持一致性，从而提高电池组13的使用寿命。
需要说明的是，温度调节管31相对于电池组13之间的间隙以及通风道而言，更有利于气体的流动，从而提高热量的传递速率，而且可使气体的流动更有方向性，从而缩短热量传递的时间，使各电池内腔11a-11f的温度在较短时间内趋于均匀。
优选地，温度调节管31为拉瓦尔管，即将温度调节管31设置成拉瓦尔管形状，具体为扁平状拉瓦尔管形状，用以提高气流的流速，可以进一步加快电池内腔11a-11f之间的热交换，使电池内腔11a-11f的温度在较短的时间内趋于一致，减缓了单体电池的劣化，从而使单体电池保持一致性，进而提高电池组的寿命和安全性。
本实施例锂离子电池管理系统，在电池组处于低温时，如车辆启动时，由于单体电池存在差异性，释放的热量不同，导致电池内腔11a-11f之间升温速度不同，温度调节管可以加快温度较高的电池内腔11a-11f的热量向温度较低的电池内腔11a-11f扩散，使电池内腔11a-11f在较短时间均匀升温至合理的温度范围，从而减缓单体电池的劣化，使单体电池尽可能地保持一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。当电池组处于高温时，如车辆已经运行一段时间，温度调节管仍可加速电池内腔11a-11f之间的热交换，加快电池内腔11a-11f热量的扩散，使各电池内腔11a-11f均匀降温，单体电池在温度均匀的环境中可减缓劣化，可保持其一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。
实施例2
实施例2是实施例1的一个变型实施例，主要区别在于电池内腔11a-11f热量的调节方式。
具体地，如图1所示，锂离子电池管理系统包括电池箱体11和单体电池12，在电池箱体11内设置有六个电池内腔11a-11f，单体电池12组成六个电池组13a-13f，每个电池组13a-13f对应地设置在一电池内腔11a-11f内。每个电池组13a-13f包括但不限于两个单体电池12，同一电池组13a-13f内的两个单体电池12串联或并联，而且N个电池组串联或并联。
如图4所示，在电池内腔11a-11f的底部和/或顶部设有温度调节管31，温度调节管将六个电池内腔11a-11f相互连通，电池内腔11a-11f的热量通过温度调节管从温度较高的电池内腔向温度较低的电池内腔传递。
温度调节管31的管口32可以设置在其侧面或端面，优选将温度调节管31的管口32设置在朝向电池组12方向，以便于电池内腔11a-11f内气体的流动，从而使热量的扩散更容易。
在本实施例中，气体在温度调节管31内的动力来自于风扇34，风扇34设置在温度调节管31的管口32，控制风扇34的转速可调节气体的流速，从而加快电池内腔11a-11f之间的热交换，进而使电池内腔11a-11f之间温度快速趋于均匀。
参阅图4和图5，为了配合风扇的使用，锂离子电池管理系统包括温度监测单元51和风扇控制单元52，其中，温度监测单元51的数量与电池内腔11a-11f的数量相同，其设置在电池内腔11a-11f，用于分别监测对应的电池内腔11a-11f内的温度。风扇控制单元52用于根据温度监测单元51的监测结果控制对应的风扇34的转速，其可以设置在电池箱体22内或外。
锂离子电池管理系统通过风扇34可加快气体在温度调节管内流动，从而加快电池内腔11a-11f之间的热交换，当环境温度较低时，可缩短升温时间，同时使各电池内腔11a-11f均匀升温；当温度较高时，可加快温度较高区域热量的扩散，使各电池内腔11a-11f的温度均匀，单体电池12在温度均匀的环境中减缓了劣化，保持其一致性，从而提高电池组13的使用寿命。采用温度监测单元51和风扇控制单元52可以更准确地控制电池内腔11a-11f之间热交换的速度，进一步缩短调节温度的时间。
实施例3
如图6所示，实施例3提供的锂离子电池管理系统包含实施例1和实施例2中所有的技术特征，除此之外，锂离子电池管理系统还包括冷风系统，该冷风系统包括设置在电池内腔11a-11f之间的风道61、风机62和风机控制单元63，当电池组温度较高时，风机控制单元63启动风机52运行，风机62将推动气流在风道61内加速流动，从而达到降温的目的。不难理解，冷风系统通常是在环境温度较高时才启动，以降低电池组13的温度，避免因温度过高导致热副反应，从而避免引起安全问题。
需要说明的是，在实施例1、实施例2和实施例3中，温度调节管达到了虹吸的作用，在较短时间内可使各电池内腔11a-11f的温度达到均匀，这对于刚启动运行的电池组尤为重要。由于刚启动的电池组需要快速均匀地升温至适当的工作温度，温度调节管的热传导能力更强，同时不会导致电池箱体整体热量丧失，是比较优选的温度调节方式。另外，当电池箱体11的整体温度较高时，由于温度调节管利用其优良的热传导能力，将温度较高的电池内腔11a-11f的热量传导至温度相对较低的电池内腔11a-11f，相当于增加了散热面积，结合冷风系统可加快热量的扩散，降低了电池组整体的温度，同时使各电池内腔11a-11f的温度均匀，单体电池在温度均匀的环境中可保持其一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。
实施例4
如图7所示，锂离子电池管理系统包括电压监测单元71、电流监测单元72、充放电控制单元73和温度监测单元74，其中，电压监测单元71和电流监测单元72的数量与电池组13a-13f的数量相同，电压监测单元71用于监测对应的电池组13a-13f的电压，电流监测单元72用于监测对应的电池组13a-13f的电流。电压监测单元71、电流监测单元72和温度监测单元74将各自监测的监测结果发送至充放电控制单元73，充放电控制单元73根据监测到的电池组13a-13f的电压、电流、温度，并根据预先确定的参考值控制对应的电池组13a-13f的放电速度，当某个电池组13a-13f的电流较大、温度较高、电压较低时，充放电控制单元73降低该电池组13a-13f的放电速度，反之，当某个电池组13a-13f的电流较小、温度较低、电压较高时，充放电控制单元73提高该电池组13a-13f的放电速度。
本实施例提供的锂离子电池管理系统将电池箱体设置成多个电池内腔，电池组对应地放置在电池内腔，在电池内腔的顶部或底部设置温度调节管，温度调节管可以将温度较高的电池内腔的热量快速地传导至温度较低的电池内腔内，使温度相对较低的电池内腔快速升温，同时使温度较高的电池内腔快速降温，使各电池内腔的温度保持均匀，单体电池在温度均匀的环境中可保持其一致性，从而提高电池组的寿命和安全性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种锂离子电池管理系统，包括电池箱体和单体电池，在所述电池箱体内设置有N个电池内腔，所述单体电池组成N个电池组，每个所述电池组对应地设置在一所述电池内腔内，其特征在于，在所述电池内腔的顶部或底部设置温度调节管，所述温度调节管将N个所述电池内腔相互连通，所述电池内腔的热量通过所述温度调节管从温度较高的电池内腔向温度较低的电池内腔传递，其中，N为大于或等于2的整数，所述温度调节管为拉瓦尔管。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，所述温度调节管的管口朝向所述电池内腔方向设置。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，在所述温度调节管的每个管口各设置一风扇，用以加快该风扇对应的所述电池内腔热量的传递。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，所述锂离子电池管理系统还包括风扇控制单元和温度监测单元，在所述电池内腔各设置一个所述温度监测单元，所述温度控制单元用于监测所述电池内腔的温度，并将温度监测值发送至所述风扇控制单元，所述风扇控制单元根据所述温度检测值控制该温度监测单元对应的所述风扇的转速。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，所述锂离子电池管理系统还包括电压监测单元、电流监测单元和充放电控制单元，其中，
所述电压监测单元用于监测所述电池组的放电电压，并将电压监测值发送至所述充放电控制单元；
所述电流监测单元用于监测所述电池组的放电电流，并将电流监测值发送至所述充放电控制单元；
所述充放电控制单元根据所述电压监测值和所述电流监测值控制与之对应的所述电池组的放电速度。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，所述锂离子电池管理系统还包括设置在所述电池内腔之间的风道、风机和风机控制单元，所述风机用于推动气流在所述风道内流动，所述风机控制单元用于控制所述风机的转速。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，N个所述电池组串联或并联，而且每个所述电池组内的所述单体电池串联或并联。
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