CN110767925B - 一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法，该双极性电池堆包括多个电池单元组、检测装置、控制装置和安全保护系统。当检测装置检测到双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将发生故障的电池单元组中的废液排出并注入安全剂，并且控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经发生故障的电池单元组。避免了因某个电池单元组发生故障而造成整个电池堆无法正常运行，既提高了双极性电池堆的安全性，又提高了双极性电池堆的经济性和可靠性。

Description

一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法
技术领域
本发明涉及双极性电池领域，具体地涉及一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法。
背景技术
双极性电池的双极性电池堆由两个单极性电极片、若干个双极性电极片、隔离层和电解液组成。双极性电极片是指在双极板两侧分别涂覆正极材料层和负极材料层后具有两个极性的电极片，单极性单极片是指在单极板一侧涂覆正极材料层或负极材料层后具有单极性的电极片。由于双极性电池堆的由双极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一双极板构成的每个电池单元都具有独立的电化学结构，因而可以通过增加双极性电极片的数量来增加电池单元的个数，进而提高电池的总体电压，并且，双极性电池堆的电池单元之间电阻能耗小、电极表面电流和电位分布均匀、电池充放电速度快等优势，适用于电动汽车、电力储能等领域。
在实际使用过程中，由大量电池单元组成上百伏、甚至上千伏电压的高电压电池堆，组成高电压电池堆的大量电池单元整体封装使用，不易拆解成单个电池单元。如果某个电池单元发生短路或者开路等情况，则会影响到整个电池堆的使用，甚至会引发安全故障。若电池系统需要继续工作，则只能更换整个双极性电池堆，这样既增加了成本、造成浪费，又会导致电池系统因更换电池堆而停止运行。
发明内容
针对以上存在的问题，本发明提供一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，双极性电池堆中的多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组设有旁路电路、注入端口和排出端口。当某个电池单元组发生短路或开路等故障时，经由排出端口将该电池单元组内的废液废气排出并经由注入端口将安全剂注入该电池单元组内，通过旁路电路将该发生故障的电池单元组进行旁路并同时将该发生故障的电池单元组两侧的两个电池单元组直接串联，从而使得双极性电池堆能够继续工作，避免了因某个电池单元组发生故障而造成整个电池堆无法正常运行，既提高了双极性电池堆的安全性，又提高了双极性电池堆的经济性和可靠性。
本发明提供的技术方案如下：
根据本发明提供一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，该双极性电池堆包括：多个电池单元，每个电池单元包括按顺序设置的电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板，多个电池单元串联层叠并且将多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组包括至少一个电池单元，每个电池单元组设有用于注入安全剂的注入端口以及用于排出废液废气的排出端口；检测装置，该检测装置用于检测和反馈电池单元组的故障情况；控制装置，该控制装置用于接收检测装置反馈的数据并控制双极性电池堆的运行；以及，安全保护系统，该安全保护系统包括与每个电池单元组相对应的旁路电路，每个旁路电路的两端与每个电池单元组的位于最外两侧的两个电极板分别电连接，旁路电路包括控制开关、屏蔽单元和连接线路，当检测装置检测到双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂，并且控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经发生故障的电池单元组。也就是说，为了避免由于某个电池单元发生故障而导致整个双极性电池堆无法正常操作、甚至引发安全事故，将双极性电池堆中的全部电池单元分成若干个电池单元组，每个电池单元组中至少由一个电池单元组成，利用检测装置对每个电池单元组进行实时检测，当检测装置检测到某个电池单元组发生故障时，检测装置将数据发送给控制装置，控制装置启动安全保护系统对发生故障的电池单元组进行屏蔽(旁路)，直接将该发生故障的电池单元组相邻两侧的两个电池单元组进行串联，从而通过将发生故障的电池单元组进行屏蔽而保证了整个双极性电池堆的继续安全运行。检测装置可以包括电压采集器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、气氛测试仪、内阻测试仪和烟雾传感器等中的一种或几种。
其中，废液的产生主要是由于：电池堆在充放电过程中，电解液与电极材料层发生副反应而产生废液，该废液会导致电解液不能有效地传导锂离子；或者，电极材料层内的电极活性导电颗粒进入到隔离层内的电解液中，造成电解液污染而产生废液，该废液甚至会导致电池堆内部的电池单元组发生短路。废气是由于电池堆发生副反应而产生，电池堆的副反应包括电解液分解、SEI膜分解以及电极材料层发生的副反应等，特别是如下的几类废气容易造成电池堆燃烧爆炸，如O2、CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6等。
双极性电池堆的安全保护系统中的旁路电路与电池单元组相对应，换句话说，每个电池单元组均设有相应的旁路电路。旁路电路中的控制开关可以控制旁路电路的闭合或断开。旁路电路中的屏蔽单元是可以用于调整旁路电路的电流大小、电流方向和/或发出报警信号等的由电子元器件组成的电路，根据调整电流大小、电流方向和/或发出报警信号等具体需要，屏蔽单元可包括由电阻、二极管、三极管、晶闸管、晶体管、电感和电导线等中的一种或者多种组成的电路。例如屏蔽单元可以是由第一电阻、第二电阻以及两个并联的二极管组成的电路，两个并联的二极管的导流方向相反，其中，两个并联的二极管与第一电阻串联形成串联电路，该串联电路又与第二电阻并联形成并联电路，该并联电路与控制开关串联组成自带报警的旁路电路，第一电阻的阻值≥第二电阻的阻值。通过将二极管选择为发光二极管或者在屏蔽单元中加入蜂鸣器等可以实现旁路电路的报警功能，也就是说，当控制开关闭合致使旁路电路连通后，通过旁路电路上电子元器件的发光或发声等方式可以及时发出警报。
优选地，旁路电路中的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流≥1.2倍的双极性电池的最大承载电流。换句话说，旁路电路中的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流分别大于等于双极性电池的最大承载电流的1.2倍，使得旁路电路能够承受较大的电流。
旁路电路中的连接线路用于将屏蔽单元与电池单元组进行电连接。双极性电池堆内的每个电池单元组可以分别独立使用一个屏蔽单元，优选地，通过利用不同的布线方式，使得双极性电池堆内的至少两个电池单元组可以共用一个屏蔽单元，从而可以简化系统结构、大大节省成本。当电池单元组中仅包括一个电池单元时，旁路电路的两端分别与该电池单元中的两个电极板耦连(电连接)；当电池单元中包括多个电池单元时，旁路电路的两端分别与该电池单元组中位于最外两侧的两个电极板耦连(电连接)，从而保证通过旁路电路可以对相应的电池单元组进行屏蔽。
除了利用旁路电路对发生故障的电池单元组进行屏蔽之外，通过将发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂可以阻止该电池单元组因进一步发生反应而造成电池单元组发热、甚至燃烧爆炸等安全问题，从而更加确保整个系统的安全性。当每个电池单元组仅包括一个电池单元时，在各个电池单元上均应设置注入端口和排出端口。当每个电池单元组包括多个电池单元时，每个电池单元组可仅设置一个注入端口和一个排出端口，电池单元组内的各个电池单元通过内部流道连通，内部流道的长度应设计成足够长，从而阻止一个电池单元内参与电化学反应的电解液迁移到相邻电池单元内参与电化学反应的电解液中；或者，可以在每个电池单元组上设置至少两个注入端口和至少两个排出端口，然后利用支管和总管对每个电池单元组统一进行注液和排液。关于废液废气的排放和安全剂的注入，可以利用外接的回收装置和安全剂存储装置来实现双极性电池堆中电池单元组的废液废气排放和安全剂注入。此外，安全保护系统自身可设有回收装置，回收装置经由回收管路与排出端口连通，在回收管路中可设有用于控制流体流出电池单元组的第一控制阀。当某个电池单元组发生故障时，与该电池单元组相对应的回收管路上的第一控制阀开启，使得发生故障的电池单元组内的废液废气经由回收管路、第一控制阀流入回收装置中。在回收管路中还可设有用于排出流体的驱动装置，用以快速地将废液废气排出。安全保护系统还可包括安全剂存储装置，安全剂存储装置经由注入管路与注入端口连通，在注入管路中可设有用于控制流体流入电池单元组的第二控制阀。当某个电池单元组发生故障时，与该电池单元组相对应的注入管路上的第二控制阀开启，使得安全剂存储装置中的安全剂经由注入管路、第二控制阀进入发生故障的电池单元组中。安全保护系统还可包括用于注入流体的驱动装置，该驱动装置用于将安全剂快速地注入发生故障的电池单元组中。根据实际需要，上述控制阀可以为机械式阀门、电磁阀门或其他特殊阀门，阀门的阀芯应当为耐电解液腐蚀的材质，优选为陶瓷阀芯或不锈钢阀芯。当控制阀为电磁阀门时，可在控制装置中编写控制程序，当检测装置检测出电池内部发生故障时，检测装置将故障情况反馈给控制装置，控制装置及时有效地将电磁阀门自动开启或关闭；当控制阀为机械式阀门时，可根据检测装置反馈的有效信息手动开启或关闭阀门，或者在不同工位及工况的要求下，将手动及自动阀门进行组合使用。上述回收装置及安全剂存储装置可以分别为设置有单个/多个开口的存储罐，单个开口可以经由总管路和支管路与各个排出端口/注入端口连通；多个开口可以经由多个管路分别与各个排出端口/注入端口连通。其中存储罐可以为任意形式的存储结构，存储罐的材质为可以耐腐蚀的材料。上述的驱动装置可以为气压驱动装置、液压驱动装置或电机驱动装置等，或者可以为两种驱动装置的组合等。例如气压驱动装置可以为气压泵或真空泵等，液压驱动装置可以为陶瓷柱塞泵或气动隔膜泵等。上述管路的材质可为聚四氟乙烯软管、不锈钢钢管或其他耐腐蚀材质管路。双极性电池堆内至少两个电池单元组可以共用一个安全剂存储装置和一个驱动装置；或者，双极性电池堆内的每个电池单元组可以分别独立使用一个安全剂存储装置和一个驱动装置。另外，多个双极性电池堆可以共用一个安全剂存储装置和一个驱动装置。
安全剂可以为：二氧化碳、氮气、氩气、氦气、二氧化硫、七氟丙烷、十二氟-2-甲基-3-戊酮等中的一种或几种；或者，烷基磷酸酯类、芳香磷酸酯类、亚磷酸酯类、磷腈类、磷-卤有机化合物、磷酸三甲苯酯、甲基磷酸二甲酯、六甲基磷酰胺、四溴双酚、磷杂菲衍生物、氮磷烯添加剂和磷腈类化合物等中的一种或几种；或者，水、硅油、干粉灭火剂、泡沫灭火剂或气溶胶灭火剂等。
双极性电池堆还可设有聚合物热敏电阻层(PTC层)。以包括电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板的一个电池单元为例，聚合物热敏电阻层可设置于电极板与正极材料层之间或者设置于电极板与负极材料层之间，当电极板具有多层结构时聚合物热敏电阻层也可设置于双极板的多层结构之间——即设置于电极板内。当双极性电池堆的某个电池单元组发生过充、短路等情况而导致温度升高时，聚合物热敏电阻层因温度升高而阻抗增大，从而致使该电池单元组断路，同时将与断路的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得流经发生故障的电池单元组的电流部分地或者全部地从旁路电路中分流。这样可以减小发生故障的电池单元组内的电流、降低发热量、降低安全事故的危险性，同时可以避免双极性电池堆因某个电池单元组短路而导致整个电池堆无法正常工作的情况。
下面，将说明具有安全保护系统的双极性电池堆的安全运行方法，该安全运行方法包括如下步骤：(一)当检测装置检测到其中一个或多个电池单元组发生故障时，检测装置将检测数据反馈给控制装置；(二)将发生故障的电池单元组的废液废气排出并将安全剂注入发生故障的电池单元组；(三)将与发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经发生故障的电池单元组。
在上述步骤(一)中，可以利用电压采集器检测电池单元组电压的方式来判定电池单元组是否发生故障，其方式如下：(a)电池堆充电时，利用与电池堆内各电池单元组相对应的电压采集器来检测电池堆内各电池单元组的工作电压，比较最高的电池单元组电压与电池堆内电池单元组平均电压，若绝对差值大于第一限定值，则对该电池单元组进行标定，例如，第一限定值≥0.2V；(b)电池堆放电时，利用与电池堆内各电池单元组相对应的电压采集器来检测电池堆内各电池单元组的工作电压，比较最低电池单元组电压与电池堆内电池单元组平均电压，若绝对差值大于第二限定值，则对该电池单元组进行标定，例如，第二限定值≥0.2V；(c)判断同一电池单元组是否在电池堆充电和放电过程中同时被标定，如果同时被标定，则判定该电池单元组发生故障。
另外，在上述步骤(一)中，还可以通过如下方式中的一种或几种结合来判定电池单元组的故障情况：
(1)温度判定法：采用温度传感器作为检测装置，利用温度传感器实时检测电池单元组内的温度，当检测到的温度超过设定温度值时，判定该电池单元组发生故障，例如，设定温度值≥75℃，该设定温度可以根据具体情况进行设定；
(2)气氛检测判定法：采用气氛检测仪作为检测装置，利用气氛检测仪实时检测电池单元组的气氛，当检测到电池单元组内存在O2、CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6中的一种或者多种时，判定该电池单元组发生故障；
(3)压力判定法：采用压力传感器作为检测装置，利用压力传感器实时检测电池单元组内的气体压力，例如，若电池单元组内的气体压力≥0.5MPa时，判定该电池单元组发生故障；
(4)内阻判定法：采用内阻测试仪作为检测装置，利用内阻测试仪实时检测电池单元组的内阻，当检测到内阻为零(短路)或者内阻大于设定内阻值(断路)时，判定该电池单元组发生故障，例如，设定内阻值≥1.2倍电池单元组的额定内阻值；
(5)容量判定法：采用电流传感器和电压采集器作为检测装置，通过电流传感器检测到的电流I和电压采集器检测到的电压U来计算电池单元组的实际容量I×U，例如，当实际容量≤0.9倍电池单元组标定的额定容量时，判定该电池单元组发生故障；
(6)烟雾判定法：采用烟雾传感器作为检测装置，利用过烟雾传感器实时检测电池单元组内是否产生烟雾，若产生烟雾则判定该电池单元组发生故障。
本发明的优势在于：
1)当电池单元组发生故障时，通过排出废液废气并注入安全剂使得该电池单元组失效，避免故障进一步恶化，同时开启旁路保护电路，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经发生故障的电池单元组，这样使得双极性电池堆能够继续工作，避免双极性电池堆因某个电池单元组发生故障而造成整个电池堆无法正常工作的情况发生，即提高了双极性电池堆的安全性，又提高了双极性电池堆的经济性和可靠性。
2)多个电池单元组可以共用一个屏蔽单元，多个电池单元组还可以共用一个安全剂存储装置和一个驱动装置，使得整个安全保护系统的结构设计简单、成本低廉。
附图说明
图1为根据本发明的具有安全保护系统的双极性电池堆的整体示意图；
图2为根据本发明第一实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图；
图3为根据本发明第二实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图；
图4为根据本发明第三实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图；
图5为根据本发明第四实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图；
图6为根据本发明第一实施方式的电池单元组以及安全保护系统的注排装置的结构示意图；
图7为根据本发明第二实施方式的电池单元组以及安全保护系统的注排装置的结构示意图。
附图标记列表
1——双极性电池堆
2——控制装置
3——检测装置
4——安全保护系统
5——旁路电路
501——控制开关
502a——电阻
502b——发光二极管
502c——第一电阻
502d——第二电阻
503——连接线路
6——注排装置
601——安全剂存储装置
602——回收装置
603——气压驱动装置
604——抽吸装置
605——液泵
7——电池单元组
8——电池单元
801、801’——电极板
802——正极材料层
803——隔离层
804——负极材料层
9——内部流道
10a——注入端口
10b——排出端口
11——电池/负载
具体实施方式
下面将结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
图1为根据本发明的具有安全保护系统的双极性电池堆的整体示意图。双极性电池堆1可与电源/负载11相连进行充电/进行放电。该双极性电池堆1包括控制装置2、检测装置3和安全保护系统4。安全保护系统4包括旁路电路5以及注排装置6，旁路电路5可将相对应的电池单元组7进行屏蔽/旁路，注排装置6可对相对应的电池单元组7排液或注液。每个电池单元组7包括至少一个电池单元8。检测装置3将检测到的数据传送给控制装置2，控制装置2根据检测装置3检测到的数据启动安全保护系统4中的旁路电路5和注排装置6，从而对双极性电池堆进行安全保护。
图2为根据本发明第一实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图。如图2所示，该安全保护系统包括旁路电路5，旁路电路5由控制开关501、屏蔽单元和连接线路503组成。在该实施方式中，每个电池单元组内包括一个电池单元8，每个电池单元组——即每个电池单元——均具有相应的旁路电路5，也就是说，通过控制相应的旁路电路5可以对发生故障的单个电池单元8进行屏蔽。屏蔽单元由电阻502a构成，通过选择不同阻值的电阻可以调节旁路电路上的电流大小，从而避免过大的电流流经旁路电路。其中，旁路电路中的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流是双极性电池的最大承载电流的1.2倍。
该双极性电池堆的安全运行方法如下：例如，当第m个电池单元组(第m个电池单元)发生故障时，控制装置控制与第m个电池单元组相对应的旁路电路上的控制开关闭合，从而使得电流不再流经第m个电池单元组，而是从第m-1个电池单元组经由旁路电路流向第m+1个电池单元组。在对第m个电池单元组进行屏蔽的同时，不影响整个双极性电池堆的继续运行。
图3为根据本发明第二实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图。如图3所示，该安全保护系统包括旁路电路5，旁路电路5由控制开关501、屏蔽单元和连接线路503组成。在该实施方式中，每个电池单元组7内包括多个电池单元8，每个电池单元组7均具有相应的旁路电路5。也就是说，当某个电池单元8发生故障时，通过控制相应的旁路电路5可以对包括该发生故障的电池单元8的整个电池单元组7进行屏蔽。屏蔽单元由电阻502a构成，通过设计连接线路503的布设方式，使得全部电池单元组共用一个屏蔽单元，从而减少了电子元器件的使用、简化了系统结构、降低了成本。
该双极性电池堆的安全运行方法如下：例如，当第m个电池单元组存在发生故障的电池单元时，控制装置控制与第m个电池单元组相对应的旁路电路上的控制开关闭合，从而使得电流不再流经第m个电池单元组，而是从第m-1个电池单元组经由旁路电路流向第m+1个电池单元组。在对第m个电池单元组进行屏蔽的同时，不影响整个双极性电池堆的继续运行。
图4为根据本发明第三实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图。如图4所示，该安全保护系统包括旁路电路5和回收装置602。旁路电路5由控制开关501、屏蔽单元和连接线路503组成。回收装置602经由回收管路与各个电池单元组(每个电池单元组包括一个电池单元8)连通，在每个回收管路上设有用于控制流量和流向的第一控制阀，当第一控制阀开启时可使得电池单元组内的电解液经由回收管路排到回收装置602中。在该实施方式中，屏蔽单元由导流方向相反的两个发光二极管502b并联构成，在双极性电池堆充电和放电过程中的不同方向的电流可以流经其中一个发光二极管并使得该发光二极管发光。
该双极性电池堆的安全运行方法如下：例如，当第m个电池单元组(即，第m个电池单元)发生故障时，控制装置控制与第m个电池单元组相对应的回收管路上的第一控制阀开启，使得第m个电池单元组内的废液废气排放至回收装置中。另外，控制装置控制与第m个电池单元组相对应的旁路电路上的控制开关闭合，从而使得电流流经与第m个电池单元组相对应的旁路电路，使得该旁路电路上的其中一个发光二极管发光，起到发出警报的作用。
图5为根据本发明第四实施方式的具有安全保护系统的双极性电池堆的示意图。如图5所示，该安全保护系统包括旁路电路5。旁路电路5由控制开关501、屏蔽单元和连接线路503组成。在该实施方式中，每个电池单元组7内包括多个电池单元8，每个电池单元组7均具有相应的旁路电路5。也就是说，当检测装置3检测到某个电池单元发生故障时，通过控制装置控制相应的旁路电路5可以对包括该发生故障的电池单元8的整个电池单元组7进行屏蔽。屏蔽单元由两个并联发光二极管502b、第一电阻502c和第二电阻502d构成，两个并联发光二极管502b的导流方向相反，两个并联发光二极管502b与第一电阻502c串联形成串联电路，该串联电路与第二电阻502d并联形成并联电路。优选地，第一电阻502c的阻值大于第二电阻502d的阻值，使得较小的电流流经发光二极管502b，避免发光二极管被损坏。
该双极性电池堆的安全运行方法如下：检测装置为电压采集器，用于检测各个电池单元组的电压。例如，当电压采集器检测到第m个电池单元组的充电时工作电压与充电时电池堆内电池单元组平均电压的绝对值大于0.2V时对该第m个电池单元组进行标定，并且当电压采集器检测到第m个电池单元组的放电时工作电压与放电时电池堆内电池单元组平均电压的绝对值大于0.2V时对该第m个电池单元组进行标定，由于在充电过程和放电过程中同时对第m个电池单元组进行了标定，因此可判定该第m个电池单元组发生故障。控制装置控制与第m个电池单元组相对应的旁路电路上的控制开关闭合，从而使得电流流经与第m个电池单元组相对应的旁路电路，电流经由第一电阻和第二电阻分流，使得较小的电流流经与其中一个发光二极管并使得该发光二极管发光，从而起到发出警报的作用。
图6为根据本发明第一实施方式的电池单元组以及安全保护系统的注排装置的结构示意图。双极性电池堆包括多个串联层叠的电池单元8，每个电池单元8包括按顺序设置的电极板801、正极材料层802、隔离层803、负极材料层804和另一电极板801’，在每个电池单元8上还设有注入端口10a和排出端口10b。安全保护系统包括安全剂存储装置601、回收装置602、气压驱动装置603和液泵605。每个电池单元组包括一个电池单元8，每个电池单元8的排出端口10b经由回收管路与回收装置602连通，在回收管路上设有液泵605和第一控制阀。在第一控制阀开启的情况下，通过液泵605的驱动使得电池单元组中的废液废气经由排出端口10b、回收管路排到回收装置602中。各个电池单元组的注入端口10a经由注入管路与安全剂存储装置601连通，在注入管路上设有第二控制阀，在气压驱动装置603中存储有高压气体。在第二控制阀开启的情况下，通过将高压气体充入安全剂存储装置601中，可以使得安全剂存储装置601中的安全剂经由注入管路和注入端口10a注入到电池单元组中。安全保护系统还包括多个旁路电路(图中未示出)，每个旁路电路的两端分别与相对应的电池单元8的电极板801和另一电极板801’电连接。
图7为根据本发明第二实施方式的电池单元组以及安全保护系统的注排装置的结构示意图。双极性电池堆包括多个串联层叠的电池单元8，每个电池单元8由电极板801、正极材料层802、隔离层803、负极材料层804和另一电极板801’构成。将多个(该实施方式中为9个)电池单元分为若干个(该实施方式中为3个)电池单元组7，每个电池单元组7中相邻的电池单元8之间通过内部流道9连通，在每个电池单元组7上设有注入端口10a和排出端口10b。安全保护系统包括安全剂存储装置601、回收装置602、抽吸装置604和液泵605。各个电池单元组7的排出端口10b经由回收管路与回收装置602连通，在回收管路上设有抽吸装置604和第一控制阀。在第一控制阀开启的情况下，通过抽吸装置604的驱动使得电池单元组7中的废液废气经由排出端口10b、回收管路排到回收装置602中。各个电池单元组的注入端口10a经由注入管路与安全剂存储装置601连通，在注入管路上设有液泵605和第二控制阀。在第二控制阀开启的情况下，通过液泵605装置的驱动使得安全剂存储装置601中的安全剂经由注入管路、注入端口10a注入到电池单元组中。安全保护系统还包括多个旁路电路(图中未示出)，每个旁路电路的两端分别与相对应的电池单元组7的位于最外两侧的电极板801和另一电极板801’电连接。
本发明具体实施例并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (15)

1.一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其特征在于，所述双极性电池堆包括：
多个电池单元，每个所述电池单元包括按顺序设置的电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板，所述多个电池单元串联层叠并且将所述多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组包括至少一个所述电池单元，所述每个电池单元组设有用于注入安全剂的注入端口以及用于排出废液废气的排出端口；
检测装置，所述检测装置用于检测和反馈所述电池单元组的故障情况；
控制装置，所述控制装置用于接收所述检测装置反馈的数据并控制所述双极性电池堆的运行；以及，
安全保护系统，所述安全保护系统包括与所述每个电池单元组相对应的旁路电路，每个所述旁路电路的两端与所述每个电池单元组的位于最外两侧的两个电极板分别电连接，所述旁路电路包括控制开关、屏蔽单元和连接线路，当所述检测装置检测到所述双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，所述控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将所述发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂，并且所述控制装置控制与所述发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经所述发生故障的电池单元组。
2.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述屏蔽单元包括由电阻、晶闸管、晶体管、电感和电导线中的一种或者多种组成的电路。
3.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述双极性电池堆内至少两个所述电池单元组共用一个所述屏蔽单元；或者，所述双极性电池堆内的每个所述电池单元组分别独立使用一个屏蔽单元。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述旁路电路的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流分别≥1.2倍的双极性电池的最大承载电流。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述屏蔽单元是由第一电阻、第二电阻以及两个并联二极管组成的电路，所述两个并联二极管的导流方向相反，所述两个并联二极管与所述第一电阻串联形成串联电路，所述串联电路与所述第二电阻并联形成并联电路，所述并联电路与所述控制开关串联组成自带报警的旁路电路，所述第一电阻的阻值≥所述第二电阻的阻值。
6.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全保护系统还包括回收装置，所述回收装置经由回收管路与所述排出端口连通，在所述回收管路中设有第一控制阀。
7.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全保护系统还包括安全剂存储装置，所述安全剂存储装置经由注入管路与所述注入端口连通，在所述注入管路中设有第二控制阀。
8.根据权利要求6或7所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全保护系统还包括用于驱动流体的驱动装置，所述驱动装置为气压驱动装置、液压驱动装置、泵驱动装置或者电机驱动装置。
9.根据权利要求8所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，所述双极性电池堆内至少两个所述电池单元组共用一个所述安全剂存储装置和一个用于驱动安全剂的所述驱动装置；或者，所述双极性电池堆内的每个所述电池单元组分别独立使用一个所述安全剂存储装置和一个用于驱动安全剂的所述驱动装置。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全剂为：二氧化碳、氮气、氩气、氦气、二氧化硫、七氟丙烷、十二氟-2-甲基-3-戊酮中的一种或几种；或者，烷基磷酸酯类、芳香磷酸酯类、亚磷酸酯类、磷腈类、磷-卤有机化合物、磷酸三甲苯酯、甲基磷酸二甲酯、六甲基磷酰胺、四溴双酚、磷杂菲衍生物、氮磷烯添加剂和磷腈类化合物中的一种或几种；或者，水、硅油、干粉灭火剂、泡沫灭火剂或气溶胶灭火剂。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述检测装置包括电压采集器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、气氛测试仪、内阻测试仪和烟雾传感器中的一种或几种。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述双极性电池堆还设有纳米级厚度的聚合物热敏电阻层，所述聚合物热敏电阻层设置于所述电极板与所述正极材料层之间、所述电极板与所述负极材料层之间、或者所述电极板内。
13.一种如权利要求1至12中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆的安全运行方法，其特征在于，所述安全运行方法包括如下步骤：
(一)当检测装置检测到其中一个或多个电池单元组发生故障时，所述检测装置将检测数据反馈给控制装置；
(二)将发生故障的电池单元组的废液废气排出并将安全剂注入发生故障的电池单元组；
(三)将与发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经所述发生故障的电池单元组。
14.根据权利要求13所述的安全运行方法，其中，在所述步骤(一)中，判定电池单元组发生故障的方式如下：
(a)电池堆充电时，检测电池堆内各电池单元组的工作电压，比较最高的电池单元组电压与电池堆内电池单元组平均电压，若绝对差值大于第一限定值，则对该电池单元组进行标定，所述第一限定值≥0.2V；
(b)电池堆放电时，检测电池堆内各电池单元组的工作电压，比较最低电池单元组电压与电池堆内电池单元组平均电压，若绝对差值大于第二限定值，则对该电池单元组进行标定，所述第二限定值≥0.2V；
(c)判断同一电池单元组是否在电池堆充电和电池堆放电过程中同时被标定，如果同时被标定，则判定该电池单元组发生故障。
15.根据权利要求13所述的安全运行方法，其中，在所述步骤(一)中，通过如下方式中的一种或几种来判定电池单元组的故障情况：
(1)温度判定法：通过温度传感器检测电池单元组内的温度，当检测到的温度超过设定温度值时，判定所述电池单元组发生故障，所述设定温度值≥75℃；
(2)气氛检测判定法：采用气氛检测仪检测电池单元组的气氛，当检测到O2、CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6中的一种或者多种时，判定所述电池单元组发生故障；
(3)压力判定法：通过压力传感器检测电池单元组内的气体压力，若电池单元组内的气体压力≥0.5MPa时，判定所述电池单元组发生故障；
(4)内阻判定法：通过内阻测试仪检测电池单元组的内阻，当检测到内阻为零、或者内阻大于设定内阻值时，判定所述电池单元组发生故障，所述设定内阻值≥1.2倍电池单元组的额定内阻值；
(5)容量判定法：通过电流表和电压表的检测数据计算电池单元组的实际容量，当实际容量≤0.9倍电池单元组标定的额定容量时，判定所述电池单元组发生故障；
(6)烟雾判定法：通过烟雾传感器检测电池单元组内是否产生烟雾，若产生烟雾则判定所述电池单元组发生故障。
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