CN110323380A - 一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法，该浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统包括电池箱及配置在所述电池箱内的磷酸铁锂电池组模块和与所述磷酸铁锂电池组模块电连接的电池管理系统；所述磷酸铁锂电池组模块由多个磷酸铁锂单体电池连接组成；所述磷酸铁锂单体电池的电解液中添加有氧化还原飞梭添加剂；所述氧化还原飞梭添加剂能在持续的恒流充电下将多余的电能转化为热能；所述磷酸铁锂单体电池并联有用于起到均衡作用的电池保护装置。通过使用本发明设计的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法，系统基本不存在过充的情况，且系统的一致性和安全性得到了最大提升，真正起到防过充、防火的功效。

Description

一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法。
背景技术
随着科技的发展，锂离子电池及其系统成为了研究的热点，但在轨道交通、电力工程直流电源系统等领域，能够长期挂在母线上以浮充方式运行的电池仍旧以铅酸电池和镉镍电池为主。随着工业的发展和环保意识的提高，人们开始寻找环保、无污染、稳定性好、能量密度高的新型绿色电源。磷酸铁锂电池以其能量密度高、循环寿命长、稳定性好、绿色无污染等特点成为研究的重点。
但磷酸铁锂单体电池耐过充能力差，存在安全隐患，一旦发生热失控，可能会引起起火，爆炸等事故，会造成严重后果。目前，可在电解液中加入防过充电添加剂或阻燃添加剂，来提高电池的安全性能，进而提升系统的安全度，但这些添加剂的加入会对电池性能产生负面影响，且不能完全防止电池起火燃烧。
在系统结构设计方面，可在结构外或电池间加入防火层来抑制火势蔓延，添加阻燃材料层来提高安全性能，另外，也可隔绝氧气来避免起火。但这些方式只能减免电池失效后造成的后果，不能在源头上避免因电池失效而带来的一系列后果。
发明内容
本发明目的在于提供一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法，通过结合自均衡锂电池的电池特性，对电池的充电过程进行控制和电池组系统中电池管理系统被动均衡的使用，以及对电池单体、模块、系统结构的设计进一步优化来最大限度地降低电池失效概率，实现最大程度降低锂离子电池失效的可能性及失效后造成的后果，对电池组系统的使用和安全起到重要的作用。
为达到上述目的，本发明提供了一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其包括电池箱及配置在所述电池箱内的磷酸铁锂电池组模块和与所述磷酸铁锂电池组模块电连接的电池管理系统；所述磷酸铁锂电池组模块由多个磷酸铁锂单体电池连接组成；所述磷酸铁锂单体电池的电解液中添加有氧化还原飞梭添加剂；所述氧化还原飞梭添加剂能在持续的恒流充电下将多余的电能转化为热能；所述磷酸铁锂单体电池并联有用于起到均衡作用的电池保护装置；所述磷酸铁锂单体电池的外壳包括一端开口的电池壳体及设置在所述电池壳体的开口端上方的电池上盖板；所述电池上盖板上设置有防爆安全阀；所述磷酸铁锂电池组模块四周采用钢带进行收紧固定。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述氧化还原飞梭添加剂选自萘、蒽、2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯、噻嗯、4-叔丁基-茴香醚、1-硝基-3-叔丁基-2-甲氧基苯、1-氰基-3-叔丁基-2-甲氧基苯、1,4-二叔丁基-2-甲氧基苯中的任意一种。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述电池上盖板上设置有用于将安全阀内释放的可燃气体从所述磷酸铁锂电池组模块中排放到所述电池箱内的排烟通道。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述电池箱上设置有用于压力释放的单向透气阀装置。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述电池箱使用金属材料制成并采用密闭式设计。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述电池箱表面喷涂有绝缘阻燃材料。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述电池上盖板与所述电池壳体采用激光焊接连接。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，所述电池壳体为一体拉伸成型。
上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其中，多个磷酸铁锂单体电池通过串联、并联或串并联混合方式连接。
本发明还提供了一种上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统的充电方法，其包括充电控制步骤和均衡控制步骤；
所述充电控制步骤包括以下步骤：
步骤A1、实时采集电池组系统中最大单体电压；
步骤A2、以某一充电电流进行充电控制以及充电模式判断；
步骤A3、若充电模式为浮充，则进入浮充阶段，反之执行步骤A1；
所述均衡控制步骤包括以下步骤：
步骤B1、实时采集电池组系统中最大单体电压并计算平均电压；
步骤B2、若符合均衡条件，则进行均衡，直至均衡结束，反之执行步骤B1。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所提供的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，从电池成分、结构，充电方式，系统结构多方面来保证单体电池及电池组系统的安全性，起到防过充、防火的功效。
本发明中的磷酸铁锂单体电池可有效防止过充后电池电压的上升。每个单体电池并联电池保护装置，可有效均衡各个电池单体的电压。电池壳体采用一体拉伸工艺成型，可保证电池壳体的气密性。电池上盖板与电池壳体采用激光焊接技术，可提升结构强度。单体电池顶部的盖板设计有防爆安全阀，可避免单体电池在失效模式下发生鼓胀、爆炸等危害。
单体电池组成模块后采用钢带进行收紧固定，当模块中的一颗或多颗单体电池发生失效鼓胀后在钢带的约束下单体电池内的膨胀气体将沿着垂直向上的方向触发安全阀中的泄压口并释放出去。电池组模块内部设计有排烟通道，从安全阀内释放的高压可燃气体按模块内部设计的排烟通道路径排放到电池箱内，避免高压可燃气体聚集在电池极柱附件引起燃烧。
电池箱壳体使用金属材料制成并采用密闭式设计，具有极高的气密性，可有效隔绝外部含有氧气成分的自然界气体进入，电池箱表面喷涂有特殊的环氧树脂粉末，保证电池箱绝缘的同时极高的提升了电池模块的阻燃性能。
电池箱外部设计有用于压力释放的单向透气阀装置，当电池箱内的电池组模块单体电池产生失效模式时，电池箱内会产生一部分高压可燃气体，在电池箱内部的压力达到设定的阈值后，电池箱上用于泄压的单向透气阀装置会自动打开阀门，在压力的作用下机箱内部原先有限的氧气会连同高压可燃气体一同被排放出去，待电池箱内部的压力与外界气压平衡后，在透气阀单向导通的作用下，外部气体无法进入到电池箱内部，使电池箱内部在处于缺氧的状态下达到防火阻燃的目的。
本发明提供的浮充式磷酸铁锂电池组系统充电均衡控制方法，可有效地解决磷酸铁锂电池组系统长期浮充运行过程中的一致性和安全难题。本发明所提供的充电均衡控制方法能够有效的均衡各电池的充电差异，提高电池和储能系统的容量可用率，有效延长电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明中磷酸铁锂单体电池的结构示意图；
图2为本发明中磷酸铁锂电池组模块的结构示意图；
图3为磷酸铁锂电池组模块的钢带作用示意图；
图4为具有排烟通道的磷酸铁锂单体电池结构示意图；
图5为由具有排烟通道的磷酸铁锂单体电池连接组成的磷酸铁锂电池组模块的内部结构示意图；
图6为本发明中电池箱的前视图；
图7为本发明中电池箱的后视图；
图8为实施例1和对比例1的充电对比曲线；
图9为对比例2浮充运行状态端电压曲线；
图10为实施例2浮充运行状态端电压曲线。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其包括电池箱30及配置在所述电池箱30内的磷酸铁锂电池组模块20和与所述磷酸铁锂电池组模块20电连接的电池管理系统。
如图1所示，所述磷酸铁锂单体电池的外壳包括一端开口的电池壳体11及设置在所述电池壳体11的开口端上方的电池上盖板12；所述电池上盖板12上设置有防爆安全阀13，当电池内部压力过大时，压力将通过安全阀中的泄压口冲破防爆膜快速排出，以避免单体电池在失效模式下发生鼓胀、爆炸等危害。所述电池上盖板12与所述电池壳体11采用激光焊接连接，提升结构强度。所述电池壳体11为一体拉伸成型，用于保证电池壳体11的气密性。
所述磷酸铁锂单体电池并联有电池保护装置，持续浮充中，电压较高的单体电池端电压逐渐下降，电压较低的单体电池端电压逐渐上升，单体电池端电压偏差会减小，电池保护装置起到均衡作用。
所述磷酸铁锂单体电池为自均衡电池，以含铁的锂基化合物为正极材料，能够在3.80V～3.95V的电压下耐受持续的恒流充电。在一实施例中，所述磷酸铁锂单体电池的正极材料是磷酸铁锂正极材料或磷酸铁锂与三元材料、锰酸锂、钴酸锂的混合正极材料。
所述磷酸铁锂单体电池的电解液中添加有氧化还原飞梭添加剂；所述氧化还原飞梭添加剂能在持续的恒流充电下将多余的电能转化为热能；所述氧化还原飞梭添加剂选自萘、蒽、2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯、噻嗯、4-叔丁基-茴香醚、1-硝基-3-叔丁基-2-甲氧基苯、1-氰基-3-叔丁基-2-甲氧基苯、1,4-二叔丁基-2-甲氧基苯中的任意一种。
如图2所示，所述磷酸铁锂电池组模块20由多个磷酸铁锂单体电池连接组成；多个磷酸铁锂单体电池通过串联、并联或串并联混合方式连接。如图3所示，所述磷酸铁锂电池组模块20四周采用钢带21进行收紧固定，当模块中的一颗或多颗单体电池发生失效鼓胀后在钢带21的约束下单体电池内的膨胀气体将沿着垂直向上的方向触发安全阀中的泄压口并释放出去。如图4和图5所示，所述电池上盖板12上设置有用于将安全阀内释放的可燃气体从所述磷酸铁锂电池组模块20中排放到所述电池箱30内的排烟通道14。钢带21设计和排烟通道14设计，使从安全阀内释放的高压可燃气体排放到电池箱30内，避免高压可燃气体聚集在电池极柱附件引起燃烧。
如图6和图7所示，所述电池箱30使用金属材料制成并采用密闭式设计，具有极高的气密性，可有效隔绝外部含有氧气成分的自然界气体进入。所述电池箱30上设置有用于压力释放的单向透气阀装置31，单向透气阀装置31的设计使电池箱30内高压气体可以排出，而外部气体无法进入，电池机箱内部在处于缺氧的状态下达到防火阻燃的目的。当电池箱30内的单体电池产生失效模式时，机箱内会产生一部分高压可燃气体，在电池箱30内部的压力达到设定的阈值后，电池箱30上用于泄压的单向透气阀装置31会自动打开阀门，在压力的作用下电池箱30内部原先有限的氧气会连同高压可燃气体一同被排放出去，待电池箱30内部的压力与外界气压平衡后，在透气阀单向导通的作用下，外部气体无法进入到电池箱30内部，使电池箱30内部在处于缺氧的状态下达到防火阻燃的目的。所述电池箱30表面喷涂有绝缘阻燃材料，例如喷涂有特殊的环氧树脂粉末，保证电池机箱绝缘的同时极高的提升了电池模块的阻燃性能。
实施例1
电解液采用五组分的溶剂，溶剂的体积比EC(碳酸乙烯酯)：EMC(碳酸甲乙酯)：DMC(碳酸二甲酯)：DEC(碳酸二乙酯)：PC(碳酸丙烯酯)为60:5:15:15:5，添加氧化还原飞梭添加剂，其含量为0.9％。将上述的电解液与正极、负极以及隔膜一起按照电池制作方法制作成新鲜的磷酸铁锂单体电池。
对比例1
电解液采用五组分的溶剂，溶剂的体积比EC(碳酸乙烯酯)：EMC(碳酸甲乙酯)：DMC(碳酸二甲酯)：DEC(碳酸二乙酯)：PC(碳酸丙烯酯)为60:5:15:15:5，不添加氧化还原飞梭添加剂，其余材料与实施例1相同，按实施例1制作成新鲜的电池。
将采用以上实施例1及对比例1制作的电池进行均衡能力测试：电池充满电后，以0.1C电流继续对电池进行恒流持续充电，若电压达到4.0V则停止测试。
对比例1与实施例1的试验结果如图8所示。实施例1制作的磷酸铁锂单体电池当电压达到3.83V时，电压也不再上升，电池靠自身均衡就能实现防过充。而图8中对比例1制作的电池无法实现防过充。
实施例2
按实施例1制作的电池组装成一个1并12串的磷酸铁锂电池组模块，在每个单体电池上并联电池保护装置。
对比例2
按对比例1制作的电池组装成一个1并12串的磷酸铁锂电池组模块，无电池保护装置。
将采用以上实施例2及对比例2制作的磷酸铁锂电池组模块进行均衡能力测试：将每个电池组模块中的单体电池依次分成四组，每组3只电池，第一组电池SOC调整至40％、第二组电池SOC调整至60％、第三组电池SOC调整至80％、第四组电池SOC调整至100％。电池组模块以0.1C电流充电至12×3.40V＝40.8V后，继续以40.8V定电压浮充充电11周。
对比例2与实施例2的试验结果如图9、图10所示。从图9可以看出，常规磷酸铁锂电池组模块在浮充运行过程中，单体电池电压基本不变，电池组模块的不一致性和过充安全性无法通过长期浮充得到改善；从图10可以看出，浮充运行约23天后，电压较高的单体电池端电压逐渐下降，电压较低的单体电池端电压逐渐上升，持续浮充电状态单体电池端电压偏差开始明显减小，说明电池保护装置起到了一定的均衡作用。
本发明还提供了一种上述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统的充电方法，其包括充电控制步骤和均衡控制步骤；
所述充电控制步骤包括以下步骤：
步骤A1、实时采集电池组系统中最大单体电压；
步骤A2、以某一充电电流进行充电控制以及充电模式判断；
步骤A3、若充电模式为浮充，则进入浮充阶段，反之执行步骤A1；
所述均衡控制步骤包括以下步骤：
步骤B1、实时采集电池组系统中最大单体电压并计算平均电压；
步骤B2、若符合均衡条件，则进行均衡，直至均衡结束，反之执行步骤B1。
本发明所提供的上述充电方法能够有效地均衡电池组系统中各单体电池的充电差异，可有效防止单体电池过充，增强电池组系统安全性能，防止过充引起火灾。
综上所述，通过使用本发明设计浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统及其充电方法，系统基本不存在过充的情况，且系统的一致性有了很大的提高，系统在使用过程中的安全性得到了最大提升，真正起到防过充、防火的功效。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，包括电池箱及配置在所述电池箱内的磷酸铁锂电池组模块和与所述磷酸铁锂电池组模块电连接的电池管理系统；所述磷酸铁锂电池组模块由多个磷酸铁锂单体电池连接组成；所述磷酸铁锂单体电池的电解液中添加有氧化还原飞梭添加剂；所述氧化还原飞梭添加剂能在持续的恒流充电下将多余的电能转化为热能；所述磷酸铁锂单体电池并联有用于起到均衡作用的电池保护装置；所述磷酸铁锂单体电池的外壳包括一端开口的电池壳体及设置在所述电池壳体的开口端上方的电池上盖板；所述电池上盖板上设置有防爆安全阀；所述磷酸铁锂电池组模块四周采用钢带进行收紧固定。
2.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述氧化还原飞梭添加剂选自萘、蒽、2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯、噻嗯、4-叔丁基-茴香醚、1-硝基-3-叔丁基-2-甲氧基苯、1-氰基-3-叔丁基-2-甲氧基苯、1,4-二叔丁基-2-甲氧基苯中的任意一种。
3.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述电池上盖板上设置有用于将安全阀内释放的可燃气体从所述磷酸铁锂电池组模块中排放到所述电池箱内的排烟通道。
4.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述电池箱上设置有用于压力释放的单向透气阀装置。
5.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述电池箱使用金属材料制成并采用密闭式设计。
6.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述电池箱表面喷涂有绝缘阻燃材料。
7.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述电池上盖板与所述电池壳体采用激光焊接连接。
8.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，所述电池壳体为一体拉伸成型。
9.如权利要求1所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统，其特征在于，多个磷酸铁锂单体电池通过串联、并联或串并联混合方式连接。
10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的浮充式防火型磷酸铁锂电池组系统的充电方法，其特征在于，包括充电控制步骤和均衡控制步骤；
所述充电控制步骤包括以下步骤：
步骤A1、实时采集电池组系统中最大单体电压；
步骤A2、以某一充电电流进行充电控制以及充电模式判断；
步骤A3、若充电模式为浮充，则进入浮充阶段，反之执行步骤A1；
所述均衡控制步骤包括以下步骤：
步骤B1、实时采集电池组系统中最大单体电压并计算平均电压；
步骤B2、若符合均衡条件，则进行均衡，直至均衡结束，反之执行步骤B1。
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