CN220895598U - 一种自均衡锂离子电池系统及电池包 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自均衡锂离子电池系统及电池包，其包括：至少两个基层电池组，至少两个基层电池组相互串联形成一级电池组，每个基层电池组包括至少两颗电池，每个基层电池组内的所有电池相互并联，且一级电池组中的至少一颗电池内添加有氧化还原添加剂形成特制电池；基层电池组中任意一颗电池的正极连接正极电压采集线，基层电池组中任意一颗电池的负极连接负极电压采集线。由于每个一级电池组中设置至少一颗特制电池，特制电池内添加氧化还原添加剂使得其在达到特定电压时内部发生氧化还原反应，使其电压不再增加，且可扩展到其他电池上，改善电池的个体差异，且在整个电池系统中设置一对电压采集线可实现所有电池的电压采集。

Description

一种自均衡锂离子电池系统及电池包

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种自均衡锂离子电池系统及电池包。

背景技术

目前消费电子和能源革命的兴起，促进了锂离子电池的发展。锂离子电池自商业化以来，广泛应用于数码、储能、动力、军用航天和通讯设备等领域。随着消费者对锂离子电池安全性能需求的不断提升，这就要求锂离子电池能够兼顾电性能及安全。

相关技术中，电池储能系统一般包括有多个锂离子电池形成电池组，并且在采集电压值时对电池储能系统的所有锂离子电池进行采集电压值，增加了电压采集线的使用数量；同时，由于目前技术水平及制造工艺的制约，电池组在多次充放电后会存在个体差异，导致系统不安全。

因此，有必要设计一种新的自均衡锂离子电池系统及电池包，以克服上述问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种自均衡锂离子电池系统及电池包，以解决相关技术中需要对所有锂离子电池进行采集电压值，且电池组存在个体差异的问题。

第一方面，提供了一种自均衡锂离子电池系统，其包括：至少两个基层电池组，至少两个所述基层电池组相互串联形成一级电池组，每个所述基层电池组包括至少两颗电池，每个所述基层电池组内的所有所述电池相互并联，且所述一级电池组中的至少一颗电池内添加有氧化还原添加剂形成特制电池；所述基层电池组中任意一颗电池的正极连接正极电压采集线，所述基层电池组中任意一颗电池的负极连接负极电压采集线。

一些实施例中，所述一级电池组内所设置的非特制电池的数量不超过特制电池数量的三倍。

一些实施例中，至少两个所述一级电池组相互串联形成二级电池组。

一些实施例中，至少两个所述二级电池组相互串联形成三级电池组。

一些实施例中，至少一个所述一级电池组中的全部电池均为特制电池。

一些实施例中，所述氧化还原添加剂为噻蒽类物质。

一些实施例中，所述噻蒽类物质包括噻蒽或者是取代了部分基团的噻蒽衍生物。

一些实施例中，至少一个所述基层电池组中的全部电池均为特制电池。

一些实施例中，所述基层电池组内所设置的非特制电池与所述特制电池具有相同的安时规格。

第二方面，提供了一种电池包，其包括上述的自均衡锂离子电池系统。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果包括：

本实用新型实施例提供了一种自均衡锂离子电池系统及电池包，由于每个一级电池组中设置有至少一颗特制电池，特制电池内部添加的氧化还原添加剂可以使得其在达到特定电压时内部发生氧化还原反应，使其电压不再增加，该特性可以通过基层电池组内电池的并联以及基层电池组间的串联扩展到其他电池上，进而可以改善电池的个体差异，延长系统的使用寿命，并且，由于各电池之间存在串、并联关系，可以在整个电池系统中设置一对电压采集线即可实现所有电池的电压采集，因此，不需要对所有电池进行电压采集，且能够减少电池的个体差异。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种自均衡锂离子电池系统的结构示意图。

图中：

1、特制电池；2、普通电池。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种自均衡锂离子电池系统及电池包，其能解决相关技术中需要对所有锂离子电池进行采集电压值，且电池组存在个体差异的问题。

参见图1所示，为本实用新型实施例提供的一种自均衡锂离子电池系统，其可以包括：至少两个基层电池组，至少两个所述基层电池组相互串联形成一级电池组，每个所述基层电池组均可以包括至少两颗电池，应理解，每个基层电池组内的电池数量至少是两颗，也可以是三颗、四颗或者五颗以上等，每个所述基层电池组内的所有所述电池相互并联；且每个所述一级电池组中的至少一颗电池内添加有氧化还原添加剂形成特制电池1，也就是说，添加了氧化还原添加剂的电池是特制电池1，没有添加氧化还原添加剂的电池为非特制电池或者是普通电池2，此处可以称其为普通电池2，以与特制电池1进行区分，每个基层电池组中除了特制电池1之外的其他电池均可以为普通电池2，其中，普通电池2与特制电池1具有相同安时规格，当然，在一些实施例中，每个基层电池组中的至少两颗电池也可以全部都是特制电池1，此时全部的特制电池1内的氧化还原添加剂是同一种添加剂。本实施例中的电池优选锂离子电池。

其中，每个所述基层电池组内的所有所述电池相互并联，可以理解的是在每个基层电池组内各特制电池1以及各普通电池2之间均相互并联，且至少两个所述基层电池组相互串联形成一级电池组，也就是说，本实施例提供的自均衡锂离子电池系统中最少是由两个基层电池组形成的，自均衡锂离子电池系统的最小单元是两个基层电池组，每个基层电池组内有两颗电池，其中两个基层电池组的四颗电池中可以是一颗为特制电池1，其余三颗为普通电池2，也可以是两颗特制电池1和两颗普通电池2；当然，也可以增加每个基层电池组中电池的数量来扩大每个基层电池组的规模。

在基层电池组中并联的电池电压相同，同时通过设置特制电池，在充放电过程中特制电池与普通电池之间的自均衡，使与之相互串联的基层电池组中电池的电压也相同，因此，在对电池进行电压采集时，可以将其中一个所述基层电池组中任意一颗电池的正极连接正极电压采集线，另一个所述基层电池组中任意一颗电池的负极连接负极电压采集线，通过电压采集线所采集的电压值/基层电池组的数量，得到每个电池的电压值。或者，也可以将其中一个所述基层电池组中任意一颗电池的正极连接正极电压采集线，该集成电池组中其他任意一颗电池的负极连接负极电压采集线，直接检测出电池的电压值。也就是说，整个自均衡锂离子电池系统设置一对电池电压采集线即可，其中，正极电压采集线可以与任一电池的正极相连，负极电压采集线可以与任一电池的负极相连。

可以理解的是，本实施例中，由于每个一级电池组中设置有至少一颗特制电池1，特制电池1内部添加的氧化还原添加剂可以使得其在达到特定电压时内部发生氧化还原反应，使其电压不再增加，也就是说特制电池1在充电充到一定值后可以通过氧化还原对反应将电能转化为热能，使特制电池1的电压保持在特定电压值不再增加，可以防止其过充；而由于在基层电池组内，特制电池1与其他普通电池2是相互并联的，并联的普通电池2的电压与特制电池1的电压相同，使得该特制电池1的特性在基层电池组内部通过并联扩展至其他普通电池2上，使得其他普通电池2的电压值也不再增加，且若某个电池的电压高于其他电池的电压，该电压高的电池可以自发的对其他电池放电；同时，由于各个基层电池组间是串联的，串联的电路电流相同，特制电池1的电压不增加后，其相应的电流也不再增加(电阻是一定的)，流经每个基层电池组的电流均不增加，每个基层电池组的电压值不再增加，使特制电池1的特性扩展到各个基层电池组，进而可以改善电池的个体差异，实现自均衡，延长电池系统的使用寿命，且可以形成更大规模的电池组，并且，由于各电池之间存在串、并联关系，可以在整个电池系统中设置一对电压采集线即可实现所有电池的电压采集，因此，不需要对所有电池进行电压采集，且能够减少电池的个体差异。

应理解，若普通电池2的电压高于特制电池1的电压，向特制电池1充电，特制电池1可以将该电能转化为热能。

优选的，本实施例可以在每个基层电池组中既设置特制电池1也设置普通电池2，普通电池2的成本更低一些，能够在降低成本的情况下也可实现减小各电池的个体差异。

在一些实施例中，所述一级电池组内所设置的非特制电池的数量不超过特制电池1数量的三倍。应理解，当所述一级电池组内设置一颗所述特制电池1时，所述一级电池组内其他非特制电池的数量不超过三颗，也即普通电池2的数量可以是三颗，最好不设置四颗，因为普通电池2的数量越多之后，自均衡效果会变差，且特制电池1内部的氧化还原添加剂是化学物质，放不了太多的电流；当所述一级电池组内设置两颗所述特制电池1时，所述一级电池组内其他非特制电池的数量不超过六颗。以此类推，当所述一级电池组内设置三颗所述特制电池1时，所述一级电池组内其他非特制电池的数量不超过九颗。或者，也可以设置更多数量的特制电池1，为了保障电池系统运行的可靠性，一般一颗特制电池1不能对应超过三颗普通电池2。其中，此处的自均衡效果取决于特制电池1中的氧化还原添加剂，虽然每次发生氧化还原反应时氧化还原添加剂的损耗较少，但是也会存在消耗问题，一颗特制电池1对应过多的普通电池2会加速其失效，本实施例中的对应值(也即三颗)是通过之前研究数据得出的经验值。

当然，也可以将至少一个基层电池组中的全部电池均为特制电池1，比如在两个基层电池组串联形成一级电池组的情况下，可以将其中一个基层电池组中的全部电池都设置为特制电池1，而另一个基层电池组中可以有特制电池1，也可以没有特制电池1。或者，可以将至少一个一级电池组中的全部电池均为特制电池1，比如在两个一级电池组相互串联的情况下，可以将其中一个一级电池组中的全部电池都设置为特制电池1，而另一个一级电池组中至少要有一个特制电池1。

进一步，在一些可选的实施例中，至少两个所述一级电池组相互串联，可以形成二级电池组，以形成更大规模的电池组，满足更大的需求，其中，每个二级电池组中可以包括两个一级电池组，也可以是包括三个一级电池组或者三个以上。当然，还可以将至少两个二级电池组串联再形成三级电池组，以此类推进一步形成更大规模的电池组。

优选的，所述氧化还原添加剂可以为噻蒽类物质，其中，噻蒽类物质可以包括噻蒽(化学式为C12H8S2)或是取代了部分基团的噻蒽衍生物，噻蒽类物质用于铁锂体系是比较合适的，当然也可以选择其他类的氧化还原添加剂，比如4-溴-1，2-二甲氧基笨，蒽等等。而本实施例选用的噻蒽类物质，其氧化还原电位(材料特性)更适合用于磷酸铁锂体系的锂电池，并且其对锂离子电池容量，充放电效率，电池寿命影响较小，且根据其自身氧化还原电势及扩散系数其氧化还原作用速度较快。

其中，关于每个特制电池1中氧化还原添加剂的添加量，存在一个最优的添加量为0.05mol/L，添加的氧化还原添加剂会对特制电池1的充放电次数、放电倍率、高温储存能力、安全性存在影响。

本实用新型实施例还提供了一种电池包，所述电池包可以包括上述任一实施例中提供的自均衡锂离子电池系统，在此不再赘述。

本实用新型实施例提供的上述自均衡锂离子电池系统的自均衡方法可以包括以下步骤：

S1：在自均衡锂离子电池系统的充电电量大于预设比例后开始定期检测任意两个基层电池组的电量百分比(也即SOC)之差是否超过第一预设值。其中，可以通过BMS(也即电池管理系统)来检测这个电量百分比的差值，并且可以在BMS控制对自均衡锂离子电池系统充电的过程中实时检测电量百分比的差值。为了电池系统的安全，在具体实施中，可以在BMS中设定电池的充放电速率上限为1C，推荐常规情况下以0.5C进行充放电，并设定为自均衡锂离子电池系统充电的目标电压为3.85V。也就是说，本实施例中，在电池系统的电量未达到预设比例以前，可以先不进行检测，在大于预设比例的时候开始定期检测各基层电池组之间的电量百分比之差，可以每间隔一定的时间检测一次，比如每5s检测一次，其中，预设比例的取值范围为大于或等于90％，比如预设比例可以设定为90％或者91％等数值。

S2：若是，则可以执行电池组间均衡策略，也即继续向所述自均衡锂离子电池系统中按照第一电流值恒流充电，并利用特制电池1的特性以及特制电池1与其他各电池之间的串、并联关系，减小所有电池之间电量百分比的差异。若检测出来任意两个基层电池组的电量百分比之差没有超过第一预设值，则不需要执行上述电池组间均衡策略，正常充放电即可。

本实施例中，由于添加氧化还原添加剂的特制电池1在特定电压时内部可以发生氧化还原反应，属于被动过程，解决了电池均衡的可靠性问题，其自均衡效果可以通过串、并联扩展到电池组，实际上改善了电池的个体差异，延长了系统的使用寿命；通过在电池内添加氧化还原添加剂，并通过电池组之间的串并联解决了使用大量电压采集模块采集电压的问题(并能够减小因电压采集组件较多而产生较高的失效风险)、电池之间存在个体差异的问题，且实现了电池组之间的自均衡，主动部件较少，可靠性大幅增加。

进一步，在一些实施例中，所述利用特制电池1的特性以及特制电池1与其他各电池之间的串、并联关系，减小所有电池之间电量百分比的差异，可以包括：当其中一颗电池的电压高于另一颗电池的电压时，该电压相对较高的电池自发的对另一颗电压相对较低的电池放电。其中，电压相对较高的电池可以是特制电池1，也可以是普通电池2，并且电压相对较低的电池可以是特制电池1，也可以是普通电池2，只要电压相对较高的电池与电压相对较低的电池之间有电线连接，即可对电压相对较低的电池进行放电，从而改善电池间的个体差异。相关技术中的电池系统依赖于BMS主动放电或者电阻丝被动放电，本实施例可以通过电池之间相互放电，可不需要BMS主动对个体电池进行均衡放电或者电阻丝被动放电，本实施例的主动部件较少，可靠性大幅增加。

由于电池自身的特性，即使在相同的条件下制造，也会因为各种微观因素，导致电池会存在个体差异，本实施例通过各电池间的串并联关系，能够改善电池间的个体差异。

在一些可选的实施例中，在自均衡锂离子电池系统的充电电量大于预设比例后开始定期检测，在检测任意两个基层电池组的电量百分比之差是否超过第一预设值之后，还可以包括：检测任意两个基层电池组的电量百分比之差是否小于第二预设值，其中，第二预设值小于所述第一预设值；若是，则继续向所述自均衡锂离子电池系统中按照第二电流值恒流充电预设时间后断电，其中，所述第二电流值小于所述第一电流值。其中，预设时间可以是半小时左右，当然也可以根据实际需要进行设置。本实施例中，在充电一段时间并且经过自均衡调整后，组间的电量百分比差值会减小，当减小到小于第二预设值时，可以减小充电电流，并继续充电一段时间，进而进一步减小组间差异。

进一步，若检测到任意两个基层电池组的电量百分比之差大于或等于第二预设值且小于或等于第一预设值，则继续向所述自均衡锂离子电池系统中按照第一电流值恒流充电，并利用特制电池1的特性以及特制电池1与其他各电池之间的串、并联关系，减小所有电池之间电量百分比的差异。本实施例中，在基层电池组间的电量百分比之差大于或者等于第二预设值且小于或者等于第一预设值时，执行策略上可以优先按照电量百分比之差超过第一预设值时的电池组间均衡策略进行充电，并实时检测，充电一段时间后会达到第二预设值，此时可以执行第二预设值对应的策略。

优选的，所述第一预设值可以小于或者等于3％；所述第二预设值可以小于或者等于1％。所述第一电流值可以小于或者等于0.1C，所述第二电流值可以小于或者等于0.05C。当然，在其他实施例中，也可以根据实际需求设置这些数值，在此不做限制。其中，本实施例中，BMS设定的为自均衡锂离子电池系统充电的目标电压可以为3.85V。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

需要说明的是，在本实用新型中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自均衡锂离子电池系统，其特征在于，其包括：

至少两个基层电池组，至少两个所述基层电池组相互串联形成一级电池组，每个所述基层电池组包括至少两颗电池，每个所述基层电池组内的所有所述电池相互并联，且所述一级电池组中的至少一颗电池内添加有氧化还原添加剂形成特制电池(1)；

所述基层电池组中任意一颗电池的正极连接正极电压采集线，所述基层电池组中任意一颗电池的负极连接负极电压采集线。

2.如权利要求1所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：

所述一级电池组内所设置的非特制电池的数量不超过特制电池(1)数量的三倍。

3.如权利要求1所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：

至少两个所述一级电池组相互串联形成二级电池组。

4.如权利要求3所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：

至少两个所述二级电池组相互串联形成三级电池组。

5.如权利要求3所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：

至少一个所述一级电池组中的全部电池均为特制电池(1)。

6.如权利要求1所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：

所述氧化还原添加剂为噻蒽类物质。

7.如权利要求6所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：

所述噻蒽类物质包括噻蒽。

8.如权利要求1所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：至少一个所述基层电池组中的全部电池均为特制电池(1)。

9.如权利要求1所述的自均衡锂离子电池系统，其特征在于：所述基层电池组内所设置的非特制电池与所述特制电池(1)具有相同的安时规格。

10.一种电池包，其特征在于，其包括如权利要求1-9任一项所述的自均衡锂离子电池系统。