CN211321238U - 一种动力电池包的温差发电均衡充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，包括集热板、散热板、温差发电单元、温差发电检测单元和开关矩阵单元，集热板设置在动力电池包内且各单体电池设置在集热板的一侧，散热板设置在动力电池包外侧且温差发电单元设置在集热板和散热板之间，开关矩阵单元包括若干个开关，各开关的一端分别与对应的单体电池连接且各开关的另一端均与温差发电检测单元输出端口连接，温差发电检测单元输入端口与温差发电单元输出端口连接，温差发电检测单元的输入端和输出端之间设置有检测电路和隔离开关S。将电池包内部的低品位热能转换成电能，并选择性实现落后单体电池的均衡充电，提高了能源利用率，无需额外提供均衡充电电源。

Description

一种动力电池包的温差发电均衡充电装置

技术领域

本实用新型涉及一种动力电池包的温差发电均衡充电装置。

背景技术

电动汽车、电动船舶或混合动力汽车采用大量锂电池串联供电，各单体电池之间因生产一致性把控、个体自放电差异、使用环境温度差异等因素影响，必然存在个体上的一致性偏差。串联数量越多，系统规模越大，这种偏差就越明显，在实际应用中差异性会随着充放电循环进一步放大，导致整组电池可用容量缩短、可靠性降低、寿命缩短等性能衰退现象。

常规的电池组一致性控制措施为被动均衡，即通过给电池组并联放电电阻，当检测到电池组中部分电池电压明显高于平均电压，对此部分电压较高的电池进行单独的放电控制，使其电压逐渐接近平均电压，抑制电池内部的不一致性。一般而言，电动汽车、电动船舶或混合动力汽车的电池包，设计成全密封结构，导致内部热量不易散发，为避免电阻放电产热引起的高温异常事故，被动均衡的放电电流一般设计在几十毫安范围内，均衡效果不明显。而且，电池包在大倍率充放电时内部产生较大的热量，此热量通过冷却系统导出或自然逸散到周围环境中，热能被浪费。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，将电池包内部的低品位热能转换成电能，并选择性实现落后单体电池的均衡充电，提高了能源利用率，无需额外提供均衡充电电源，简化了均衡系统组成。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，包括集热板、散热板、温差发电单元、温差发电检测单元和开关矩阵单元，所述集热板设置在动力电池包内且各单体电池设置在集热板的一侧，所述散热板设置在动力电池包外侧且温差发电单元设置在集热板和散热板之间，所述开关矩阵单元包括若干个开关，各开关的一端分别与对应的单体电池连接且各开关的另一端均与温差发电检测单元输出端口连接，所述温差发电检测单元输入端口与温差发电单元输出端口连接，所述温差发电检测单元的输入端和输出端之间设置有检测电路和隔离开关S。

优选，所述开关矩阵单元包括n个继电器，n为单体电池的数量。

优选，所述开关矩阵单元包括n个光耦固态继电器，n为单体电池的数量。

优选，集热板的一侧等间距设置有若干个并排的集热翅片，各单体电池设置在相邻两个集热翅片之间。

优选，所述检测电路包括设置在隔离开关S和温差发电单元之间的电压检测电路VOLT1，以及设置在隔离开关S和开关矩阵单元之间的电压检测电路VOLT2。

优选，所述检测电路还包括设置在温差发电检测单元的输入端和输出端之间的电流检测电路。

优选，所述集热板和散热板紧贴在温差发电单元的两侧。

优选，所述温差发电单元为半导体温差发电片SP1848-27145。

优选，所述光耦固态继电器型号为AQW210。

本实用新型的有益效果是：

1. 本实用新型将动力电池包内部的低品位热能转换成电能，并实现落后单体电池的均衡充电，提高了能源利用率。

2. 本实用新型无需额外提供均衡充电电源，简化了均衡系统组成。

3. 温差发电均衡充电装置电路结构简单、无高频电力变换器件，具有使用寿命长、可靠性高、电磁噪音小的优点，特别适用于电磁兼容敏感的储能供电场合。

附图说明

图1是基于塞贝克效应的温差发电原理示意图；

图2是本实用新型一种动力电池包的温差发电均衡充电装置的结构示意图；

图3是本实用新型动力电池包的集热板与电池装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，包括集热板、散热板、温差发电单元、温差发电检测单元和开关矩阵单元，其中，温差发电单元利用温差发电材料的塞贝克效应可将热能直接转换为电能，其主要组成包括p-n结热电元件、电极以及陶瓷基板，结构如图1所示，其一侧为cool side（冷端），另一侧为heat source（热源），因其具有结构简单、无运动噪音小、使用寿命长和可靠性高的优点而广泛用于吸收中低品位余热，下面对各部件进行详细介绍。

如图2所示，所述集热板设置在动力电池包内且各单体电池设置在集热板的一侧，优选，如图3所示，集热板的一侧（图3中的左侧）等间距设置有若干个并排的集热翅片，各单体电池设置在相邻两个集热翅片之间，当单体电池的数量为n个时，即编号为B[1]至B[n]，则集热翅片的数量为（n+1）个。电池包的集热板安装在电池包内部，紧贴单体电池，集热板可以采用石墨或铝合金等高导热材料，用于将电池的热量导出，为温差发电单元提供热端热源。

电池包集热板被加工成集热平板和集热翅片的结合体，集热翅片紧贴在所有动力单体电池B[1]、B[2]……B[n-1]、B[n]的两侧表面以最大面积吸收热量，集热翅片的根部连接到集热平板，集热板与电池装配示意图如图3所示。

所述散热板设置在动力电池包外侧且温差发电单元设置在集热板和散热板之间，电池包散热板安装在电池包外部，散热板可以采用高导热材料，通过对流和辐射将电池包热量发散到周围环境中，散热板温度低于集热板，为温差发电单元提供冷端热源。优选，所述集热板和散热板紧贴在温差发电单元的两侧。

电池包散热板的一个安装面位于动力电池包外部，另一个安装面紧贴温差发电单元，当电池单体温度较高时，热量通过传导方式由电池组、集热板、温差发电单元、电池包散热板等传导路径逐次传递到电池包外部；电池包散热板在动力电池包外部的另一面暴露在空气中，当有冷却气流流过该散热面，将带走热量，在集热板和电池包散热板之间会形成温差。

图2中，优选，温差发电单元为方形贴片，一面为热端，紧贴电池包集热板，另一面为冷端，紧贴电池包散热板，当热端温度高于冷端温度，在温差发电单元输出端口有直流电压输出，其工作原理如图1所示。温差发电单元可选用半导体温差发电片SP1848-27145，其特点为方形贴片，一面为热端，紧贴电池包集热板，另一面为冷端，紧贴电池包散热板，当热端温度高于冷端温度时，在温差发电单元输出端口有直流电压输出，如需为4.2V以下的锂电池单体进行主动均衡充电，可以将半导体温差发电片SP1848-27145采用多并多串的方式组合应用。

所述开关矩阵单元包括若干个开关，n个单体电池对应n个开关，编号分别为K[1]至K[n]，各开关的一端分别与对应的单体电池连接且各开关的另一端均与温差发电检测单元输出端口连接，n个开关组成开关矩阵，图2中，开关矩阵单元的左端为电源端，右端为电池端，各开关为双刀双掷开关K[1]、K[2] ……K[n-1]、K[n]，开关矩阵可以由继电器或光耦固态继电器构成，即开关矩阵单元包括n个继电器或n个光耦固态继电器，电池端连接所有的单体电池，电源端连接到温差发电检测单元。

图2中，开关矩阵由n个双刀固态继电器K[1]、K[2] ……K[n-1]、K[n]构成，固态继电器可选为AQW210，其内部具有两对独立的触点。双刀继电器K[1]、K[2] ……K[n-1]、K[n]的上面触点的左侧并联连接到开关矩阵的电源端正极，双刀继电器K[1]、K[2]……K[n-1]、K [n]的下面触点的左侧并联连接到开关矩阵的电源端负极；双刀继电器K[1]的输出端口分别与电池单体B[1]的正负端相连，用于控制电池单体B[1]均衡回路的开通与关断；双刀继电器K[2]的输出端口分别与电池单体B[2]的正负端相连，用于控制电池单体B[2]均衡回路的开通与关断，以此类推，双刀继电器B[n]的输出端口分别与电池单体B[n]的正负端相连，用于控制电池单体B[n]均衡回路的开通与关断。

所述温差发电检测单元输入端口与温差发电单元输出端口连接，所述温差发电检测单元的输入端和输出端之间设置有检测电路和隔离开关S。

以图2为例，优选，检测电路包括设置在隔离开关S和温差发电单元之间的电压检测电路VOLT1，以及设置在隔离开关S和开关矩阵单元之间的电压检测电路VOLT2。还可以在温差发电检测单元的输入端和输出端之间设置一个电流检测电路。需说明的是，电压检测电路VOLT1、电压检测电路VOLT2和电流检测电路均可以采用现有技术，在此不再赘述。其中，温差发电检测单元输入端口连接到温差发电单元的电源输出端口，温差发电检测单元的电压检测电路VOLT1实时检测温差发电单元的输出端口电压；温差发电检测单元输出端口连接到开关矩阵的电源端口，温差发电检测单元的电压检测电路VOLT2实时检测开关矩阵的电源端口电压；开关S用于联通或隔离开关矩阵电源端口和温差发电单元输出端口；温差发电检测单元的电流检测电路实时检测温差发电充电电流。

动力电池包采用密封结构设计，内部包含温差发电均衡装置和电池组，当电池包在大倍率充放电时内部产生较大的热量，温差发电均衡装置能将电池包内部的低品位热能导出电池包，并伴随转换成电能，选择性实现落后单体电池的均衡充电。

当需要进行动力电池包的温差发电主动均衡控制时，开关矩阵中双刀双掷开关K[1]、K[2] ……K[n-1]、K[n]依次闭合，温差发电检测单元输出端口的电压检测电路VOLT2顺序测量单体电池的端电压U1、U2、…、Un，取最低电压为Umin=MIN{U1、U2、…、Un}，开关矩阵固定选通最低电压的单体电池，开关矩阵的电源端口输出电压为Umin，其中1≤min≤n。

当开关矩阵固定选通最低电压的单体电池后，温差发电检测单元的电压检测电路VOLT1实时检测温差发电单元的输出端口电压，温差发电检测单元的电压检测电路VOLT2实时检测开关矩阵的电源端口输出电压；当VOLT1电压大于VOLT2电压，则隔离开关S闭合，温差发电单元将低品位热能转换为电能给落后单体电池充电；隔离开关S闭合后，温差发电检测单元实时检测温差发电单元的输出电流，当电流由温差发电单元流向落后单体电池，隔离开关S维持闭合状态，当电流由落后单体流向电池温差发电单元，隔离开关S分断。

上述控制方法的基本原理是：当开关矩阵将最低电压的单体电池选通，若检测到该单体电池的电压低于温差发电模块的输出电压，闭合隔离开关，温差发电单元将向最低电压的单体电池补充电，弥补电池包内部的不一致性；隔离开关闭合后，实时检测补充电电流，当电流从温差发电模块流向单体电池，表明低品位热能不断转化成电能为落后电池充电，维持隔离开关闭合状态，若检测到电流从单体电池流向温差发电模块，表明低品位热能无法维持充电，反而消耗落后电池能量，此时应将隔离开关断开，切断充电回路。

本实用新型将电池包内部的低品位热能转换成电能，并选择性实现落后单体电池的均衡充电，提高了能源利用率；无需额外提供均衡充电电源，简化了均衡系统组成；温差发电均衡充电装置电路结构简单、无高频电力变换器件，具有使用寿命长、可靠性高、电磁噪音小的优点，特别适用于电磁兼容敏感的储能供电场合，利用低品位热能弥补电池组内部的一致性难题。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，包括集热板、散热板、温差发电单元、温差发电检测单元和开关矩阵单元，所述集热板设置在动力电池包内且各单体电池设置在集热板的一侧，所述散热板设置在动力电池包外侧且温差发电单元设置在集热板和散热板之间，所述开关矩阵单元包括若干个开关，各开关的一端分别与对应的单体电池连接且各开关的另一端均与温差发电检测单元输出端口连接，所述温差发电检测单元输入端口与温差发电单元输出端口连接，所述温差发电检测单元的输入端和输出端之间设置有检测电路和隔离开关S。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述开关矩阵单元包括n个继电器，n为单体电池的数量。

3.根据权利要求1所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述开关矩阵单元包括n个光耦固态继电器，n为单体电池的数量。

4.根据权利要求1所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，集热板的一侧等间距设置有若干个并排的集热翅片，各单体电池设置在相邻两个集热翅片之间。

5.根据权利要求1所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述检测电路包括设置在隔离开关S和温差发电单元之间的电压检测电路VOLT1，以及设置在隔离开关S和开关矩阵单元之间的电压检测电路VOLT2。

6.根据权利要求5所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述检测电路还包括设置在温差发电检测单元的输入端和输出端之间的电流检测电路。

7.根据权利要求1所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述集热板和散热板紧贴在温差发电单元的两侧。

8.根据权利要求1所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述温差发电单元为半导体温差发电片SP1848-27145。

9.根据权利要求3所述的一种动力电池包的温差发电均衡充电装置，其特征在于，所述光耦固态继电器型号为AQW210。

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