專利名稱：基本單元鋰電池組模塊及多級鋰電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及鋰電池領(lǐng)域，特別是涉及一種基本單元鋰電池組模塊及由其組成的多級鋰電池組。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴大，特別是由多個鋰電池構(gòu)成大容量鋰電池組的應(yīng)用具有廣泛的市場，在純電動汽車行業(yè)，在能量儲存領(lǐng)域里，鋰電池的應(yīng)用前景更是不可限量。但是由于鋰電池在生產(chǎn)過程中、在充放電過程中及使用環(huán)境不同情況下，即使是相同規(guī)格的鋰電池(單級)，它們之間的容量也具有絕對的不一致性，表現(xiàn)出各個鋰電池的電壓、電流、充放電時間不同，在多級鋰電池成組使用的情況下，這種鋰電池容量的不一致性將縮短鋰電池組的充電時間和放電時間，從而導(dǎo)致電池組中部分鋰電池?zé)o法充滿電或部分鋰電池中的電量無法輸出，使得鋰電池組效率低及使用壽命縮短，比如，單個鋰電池的壽命可以達到2000次，但是12個鋰電池串聯(lián)成組，則這個鋰電池組的壽命可能只有400次。 這也是無法通過增加基本鋰電池數(shù)量，而達到增加鋰電池組容量及不降低電池組使用壽命的根本原因。為解決上述問題，鋰電池充電均衡技術(shù)應(yīng)運而生，現(xiàn)有技術(shù)存在兩類均衡方式能耗式均衡充電方式在充電過程中，通過并聯(lián)的分流電阻消耗電壓過高的鋰電池的電量，實現(xiàn)放電均衡。這種方式只能在充電過程中實現(xiàn)均衡充電，缺點是只能實現(xiàn)單向的、在充電過程中的均衡，無法實現(xiàn)在放電過程中的均衡，而且浪費能源，同時會產(chǎn)生大量的熱量，如果散熱不暢， 造成鋰電池溫度升高，內(nèi)阻增加，將會導(dǎo)致鋰電池爆炸。由于無法實現(xiàn)大電流分流，比如為了避免電阻熱量對鋰電池的影響，分流通常選擇100毫安，均衡效果不明顯，而且分流控制復(fù)雜，也無法組成多級鋰電池組，能耗式充電均衡僅在無安全性要求的領(lǐng)域應(yīng)用，如飛行航模電池組有應(yīng)用，容量一般僅限于三級串聯(lián)電池組。非能耗均衡充電方式將鋰電池兩端連接到對應(yīng)的電感(或電容)的兩端，以電感(或電容)作為能量轉(zhuǎn)移的載體，當(dāng)某個鋰電池上有多余的能量時，啟動開關(guān)接通電感(或電容)，將多余的能量轉(zhuǎn)移到電感(或電容)上，再將電感(或電容)上的能量向低電能的鋰電池對應(yīng)的電感 (或電容)上轉(zhuǎn)移，再由電感(或電容)儲存的能量轉(zhuǎn)移到低電量的鋰電池上，實現(xiàn)鋰電池組均衡充電。其缺點同樣是只能實現(xiàn)單向的、在充電過程中的均衡，無法實現(xiàn)在放電過程中的均衡，而且控制系統(tǒng)復(fù)雜，能量因為多次轉(zhuǎn)移而損耗，大體積的電感或電容元器件占用大量空間，因此無法實現(xiàn)大電流分流方式均衡，所以無法組成大容量、高輸出電流/電壓的多級鋰電池組。在實際應(yīng)用中，目前不帶均衡裝置的鋰電池組主要用于民用電動助力車，電工工具方面，成組后的多級鋰電池組的電壓為M-36V為主；如果作為電動汽車的動力電池，必須提供40-60KW(相當(dāng)于1. 3-1. 6升排氣量)的電池容量(如:480V, 150A)，在這個容量規(guī)模下，假如單個鋰電池的過充電壓極限值為4. 2V，過放電壓極限值為3. 0V，鋰電池組成組使用后，經(jīng)過一定次數(shù)的充放電循環(huán)后，電化學(xué)性能最好的鋰電池和電化學(xué)性能最差的鋰電池的電壓差可能在3. 3V 3. 8V之間(即0. 5V)，充電時，最好的鋰電池很快達到過充電壓限值，結(jié)束充電過程，而放電時，最差的鋰電池很快達到過放電壓限值，結(jié)束放電過程，所以鋰電池組的充放電效率非常低，而且電池組串聯(lián)越多，容量越大，充放電次數(shù)越多，電池組的整體效率越低，而且由于過充和過放的管理，鋰電池組的整體壽命越低，所以，鋰電池的不一致性是成組困難的原因。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種基本單元鋰電池組模塊、由基本單元鋰電池組模塊組成的多級鋰電池組。一種基本單元鋰電池組模塊，包括至少兩個串聯(lián)連接的基本鋰電池、至少一個平衡鋰電池、與所述基本鋰電池數(shù)量相等的可控制開關(guān)、及可控制開關(guān)的驅(qū)動模塊、檢測各個所述基本鋰電池兩端電壓值的電壓檢測模塊、以及單元控制器；所述平衡鋰電池分別與各個所述基本鋰電池并聯(lián)連接，所述多個可控制開關(guān)分別用于獨立控制所述平衡鋰電池與各個所述基本單元鋰電池模塊并聯(lián)連接的通斷，所述可控制開關(guān)的驅(qū)動模塊、所述電壓檢測模塊分別與所述單元控制器連接。優(yōu)選地，所述可控制開關(guān)為無觸點矩陣開關(guān)。優(yōu)選地，所述無觸點矩陣開關(guān)包括連接在所述基本鋰電池正極與平衡鋰電池正極之間的前級矩陣開關(guān)、以及連接在所述基本鋰電池負極與平衡鋰電池負極之間的后級矩陣開關(guān)。進一步地，所述前級矩陣開關(guān)和所述后級矩陣開關(guān)均為雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)，所述雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)包括第一 MOSFET管和第二 MOSFET管，所述第一 MOSFET 管的源極與所述第二 MOSFET管的源極相連，所述第一 MOSFET管的柵極和第二 MOSFET管的柵極相連后作為控制端與所述驅(qū)動模塊連接，所述第一 MOSFET管的漏極和第二 MOSFET管的漏極分別作為雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)的輸入端和輸出端。所述基本鋰電池組模塊還可以包括與所述基本鋰電池串聯(lián)連接的過充過放保護開關(guān)，所述過充過放保護開關(guān)的控制端與所述驅(qū)動模塊連接。所述基本鋰電池組模塊還可以包括二次保護自恢復(fù)保險絲，所述二次保護自恢復(fù)保險絲與所述基本鋰電池串聯(lián)連接。一種多級鋰電池組，包括多個所述的基本單元鋰電池組模塊，所述多個基本單元鋰電池組模塊串聯(lián)連接或并聯(lián)連接或串并聯(lián)混合連接。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)對比，具有以下有益效果1)以電池作為能量載體進行均衡，無能量損耗，不會產(chǎn)生大量的熱量，安全、穩(wěn)定；幻在充電、放電過程中進行動態(tài)均衡， 以一定的時間為周期不斷地平衡各個鋰電池之間的充/放電量，相比于現(xiàn)有技術(shù)的靜態(tài)均衡，有更好的均衡效果，能夠有效地擴展鋰電池的有效能量使用區(qū)間，提高電池的充放電效率；3)控制系統(tǒng)簡單。[0020]優(yōu)選方案中，采用雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)作為控制開關(guān)，雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)一方面具有普通MOSFET開關(guān)速度快(IOns級)、高輸入阻抗、低電平驅(qū)動、抗擊穿、導(dǎo)通電阻極小等特點；同時又克服了 MOSFET由于寄生二極管存在，在組成鋰電池組(串聯(lián))建立開關(guān)矩陣時，容易產(chǎn)生不可確定的回路，極易損壞電路的元器件和MOSFET本身的問題。 相比于與現(xiàn)有的開關(guān)，不易損壞，具有更高的穩(wěn)定性。

圖1是本實用新型具體實施方式
的多級鋰電池組的 電路結(jié)構(gòu)圖；圖2是圖1中基本單元鋰電池組模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖2中的無觸點矩陣開關(guān)(雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān))的電路結(jié)構(gòu)；圖4是圖3的雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)的工作原理圖；圖5是圖2的基本單元鋰電池組模塊的充電均衡流程圖；圖6是圖2的基本單元鋰電池組模塊的充電均衡的特性對比圖；圖7是圖2的基本單元鋰電池組模塊的放電均衡流程圖；圖8是圖2的基本單元鋰電池組模塊的放電均衡的特性對比圖。
具體實施方式
下面對照附圖并結(jié)合優(yōu)選具體實施方式
對本實用新型進行詳細的闡述。名詞解釋1)基本鋰電池是基本單元鋰電池組模塊的儲能電池；幻平衡鋰電池 是基本單元鋰電池組模塊充放電均衡的能力載體，他可以是與基本鋰電池完全相同的電池。如圖1所示，本實施例的多級鋰電池組由多個基本單元鋰電池組模塊串聯(lián)而成， 各個基本單元鋰電池組模塊的額定輸出電壓V = 11. 8伏、輸出電流I = 2安培。本實施例的基本單元鋰電池組模塊包括三個依次串聯(lián)連接的基本鋰電池Bi、B2、 B3、一個平衡鋰電池B4、六個無觸點矩陣開關(guān)、一個二次保護自恢復(fù)保險絲、一個過充過放保護開關(guān)、以及電壓檢測模塊(本實施例采用一個精密采樣電阻R作為電壓檢測模塊)、所示六個無觸點矩陣開關(guān)的驅(qū)動模塊和單元控制器。如圖2所示，每一個基本鋰電池的正極與平衡鋰電池B4的正極用導(dǎo)線連接，并在每一個基本鋰電池的正極與平衡鋰電池B4的正極之間連接一個前級矩陣開關(guān)，通過前級矩陣開關(guān)控制其通斷；每一個基本鋰電池的負極與平衡鋰電池B4的負極用導(dǎo)線連接，并在每一個基本鋰電池的負極與平衡鋰電池B4的負極之間連接一個后級矩陣開關(guān)，通過后級矩陣開關(guān)控制其通斷，與同一個基本鋰電池連接的前級矩陣開關(guān)和后級矩陣開關(guān)的控制端相連后與驅(qū)動模塊連接，即與同一個基本鋰電池連接的前級矩陣開關(guān)和后級矩陣開關(guān)同時開或關(guān)。精密采樣電阻R與平衡鋰電池B4并聯(lián)，其控制端與單元控制器連接，精密采樣電阻R用于采集各個基本鋰電池兩端的電壓信號，并傳送給單元控制器。過充過放保護開關(guān)與二次保護自恢復(fù)保險絲串聯(lián)后，與基本鋰電池B3的負極連接，過充過放保護開關(guān)的控制端與驅(qū)動模塊連接。驅(qū)動模塊也與單元控制器連接。本實施例的前級矩陣開關(guān)、后級矩陣開關(guān)和過充過放保護開關(guān)均采用雙MOSFET雙向?qū)ㄩ_關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)包括性能參數(shù)相同的第一 MOSFET管和第二 MOSFET管，第一 MOSFET管的源極Sl與第二 MOSFET管的源極S2相連，第一 MOSFET管的柵極Gl和MOSFET管的柵極G2相連后作為雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)的控制端，第一 MOSFET管的漏極Dl和第二 MOSFET管的漏極D2分別作為雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)的輸入端和輸出端。如圖4所示，雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)的工作原理是，當(dāng)在控制端施加一個驅(qū)動電壓時，兩個MOSFET同時導(dǎo)通，電流流向可隨雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)輸入端和輸出端(即D1、D2端)電壓的高低而改變，實現(xiàn)雙向?qū)ā卩閉合K1、K2后，如果電池Β6的輸出電壓大于Β7的輸出電壓，則電流由Dl端流向D2端；反之，則電流流向也相反。本實施例的單元控制器還設(shè)有通信接口，方便可視化地監(jiān)控多級鋰電池組的工作狀態(tài)。下面對上述基本單元鋰電池組模塊的充電均衡流程和放電均衡流程進行詳細描述充電均衡流程圖如圖5所示，包括以下步驟1)上電后電壓檢測模塊檢測基本鋰電池Β1、Β2、Β3兩端的電壓值￥1、￥2、￥3，并傳送給單元控制器；幻單元控制器讀取VI、V2、 V3的值后，比較V1、V2、V3的大??；幻對兩端電壓值最大的基本鋰電池進行分流，具體步驟如下假設(shè)V3最大，則單元控制器發(fā)送控制信號給驅(qū)動模塊，由驅(qū)動模塊驅(qū)動連接在基本鋰電池B3和平衡鋰電池B4之間的前級矩陣開關(guān)和后級矩陣開關(guān)，使其在預(yù)定的時間t內(nèi)雙向?qū)?，?dǎo)通后平衡鋰電池B4與基本鋰電池B3形成并聯(lián)，即平衡鋰電池B4對基本鋰電池B3進行分流，此時，由于平衡鋰電池B4的分流作用，基本鋰電池B3的充電速度將慢于基本鋰電池bl、B2的充電速度，從而能夠防止基本鋰電池B3迅速達到過充保護電壓閾值導(dǎo)致充電停止；在所述預(yù)定的時間t結(jié)束后，單元控制器再次發(fā)送控制信號給驅(qū)動模塊，斷開前級矩陣開關(guān)和后級矩陣開關(guān)，停止對基本鋰電池B3的分流；并重復(fù)前述的所有步驟。為了避免鋰電池過充，本實施例的充電均衡控制方法還包括下述步驟判斷兩端電壓值最高的基本鋰電池的電壓值是否大于預(yù)設(shè)的過充保護電壓閾值，若是，則斷開過充過放保護開關(guān)。 該步驟可以在每次檢測出V1、V2、V3后均執(zhí)行，也可設(shè)置獨立的執(zhí)行周期。如圖6所示，為本實施例的基本單元鋰電池組模塊在有充電均衡時和無充電均衡時的充電特性對比圖(為更好的闡述均衡原理和均衡效果，圖中僅僅示出平衡鋰電池B4、 基本鋰電池B2和基本鋰電池B3的電壓)。在無均衡控制時，基本鋰電池B3在tl時刻達到過充保護電壓，過充過放保護開關(guān)斷開，充電終止，而此時基本鋰電池B2仍然沒有達到飽和，充電不完全；在有均衡控制時，上電后，由于基本鋰電池B2的初始電壓高于基本鋰電池 B3的初始電壓，平衡鋰電池B4對基本鋰電池B2進行均衡，均衡后基本鋰電池B2兩端的電 SV= (VB4+VB2)/2,由于平衡鋰電池B4的分流作用，基本鋰電池B2的充電速度下降，經(jīng)過一段時間后，基本鋰電池B3兩端的電壓會高于基本鋰電池B2兩端的電壓，此時停止對基本鋰電池B2的分流，重新開始新的均衡；在這種動態(tài)均衡的作用下，各個基本鋰電池電壓達到過充保護電壓閾值的時間趨于一致，在其中一個基本鋰電池的電壓達到過充保護電壓閾值時，其他基本鋰電池也接近飽和狀態(tài)。放電均衡流程如圖7所示，包括以下步驟1)接入負載后電壓檢測模塊檢測基本鋰電池Bi、B2、B3兩端的電壓值VI、V2、V3,并傳送給單元控制器；2)單元控制器讀取VI、V2.V3的值后，比較V1、V2、V3的大小；幻對兩端電壓值最小的的基本鋰電池進行分流，具體步驟如下假設(shè)V3最小，則單元控制器發(fā)送控制信號給驅(qū)動模塊，由驅(qū)動模塊驅(qū)動連接在基本鋰電池B3和平衡鋰電池B4之間的前級矩陣開關(guān)和后級矩陣開關(guān)，使其在預(yù)定的時間t內(nèi)雙向?qū)ǎ瑢?dǎo)通后平衡鋰電池B4與基本鋰電池B3形成并聯(lián)，即平衡鋰電池B4對基本鋰電池B3進行分流，此時，由于平衡鋰電池B4的分流作用，基本鋰電池B3的放電速度將慢于基本鋰電池B1、B2的放電速度，從而能夠防止基本鋰電池B3迅速達到過放保護電壓閾值導(dǎo)致放電停止；在所述預(yù)定的時間t結(jié)束后，單元控制器再次發(fā)送控制信號給驅(qū)動模塊， 斷開前級矩陣開關(guān)和后級矩陣開關(guān)，停止對基本鋰電池B3的分流；重復(fù)步驟1)、2)和3)。 為了避免鋰電池過放，本實施例的放電均衡控制方法還包括下述步驟判斷兩端電壓值最低的基本鋰電池的電壓值是否小于預(yù)設(shè)的過充保護電壓閾值，若是，則斷開過充過放保護開關(guān)。該步驟可以在每次檢測出VI、V2、V3后均執(zhí)行，也可設(shè)置獨立的執(zhí)行周期。如圖8所示，為本實施例的基本單元鋰電池組模塊在有放電均衡時和無放電均衡時的放電特性對比圖(為更好的闡述均衡原理和均衡效果，圖中僅僅示出平衡鋰電池B4、 基本鋰電池B2和基本鋰電池B3的電壓)。在無均衡控制時，基本鋰電池B3達到過放保護電壓時，過充過放保護開關(guān)斷開，放電終止，而此時基本鋰電池B2仍然有大量的電能沒有充分釋放，放電不完全；在有均衡控制時，上電后，由于基本鋰電池B2的初始電壓高于基本鋰電池B3的初始電壓，平衡鋰電池B4對基本鋰電池B3進行均衡，均衡后基本鋰電池B3兩端的電壓V = (VB4+VB3) /2，由于平衡鋰電池B4的分流作用，基本鋰電池B3的放電速度下降， 經(jīng)過一段時間后，基本鋰電池B2兩端的電壓會低于基本鋰電池B3兩端的電壓，此時停止對基本鋰電池B3的分流，重新開始新的均衡；在這種動態(tài)均衡的作用下，各個基本鋰電池電壓達到過放保護電壓閾值的時間趨于一致，在其中一個基本鋰電池的電壓達到過放保護電壓閾值時，其他基本鋰電池也基本放電完全。經(jīng)測試，在基本鋰電池的過充電壓極限值為4. 2V，過放電壓極限值為3. OV的情況下，本實施例的基本鋰電池的電壓使用區(qū)間可達到3. 1 4. 15V。在具體的實踐中，基本單元鋰電池組模塊中的基本鋰電池串聯(lián)數(shù)量可以是兩個或多個，但基本鋰電池串聯(lián)數(shù)量過少會使成本過高，平衡鋰電池得不到充分的利用，而如果數(shù)量過多則會導(dǎo)致平衡能力下降，經(jīng)測試基本鋰電池的數(shù)量優(yōu)選3個、4個、或5個，相應(yīng)的均衡能力分別為基本鋰電池容量的33 %、25 %、20 %。對于平衡鋰電池，最優(yōu)采用與基本鋰電池規(guī)格參數(shù)完全相同的鋰電池。一個基本單元鋰電池組模塊中也可以根據(jù)基本鋰電池的數(shù)量或其他實際需求配置兩個或多個平衡鋰電池，其連接關(guān)系原理與本實施例是相同。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能認定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種基本單元鋰電池組模塊，其特征在于包括至少兩個串聯(lián)連接的基本鋰電池、 至少一個平衡鋰電池、與所述基本鋰電池數(shù)量相等的可控制開關(guān)、及可控制開關(guān)的驅(qū)動模塊、檢測各個所述基本鋰電池兩端電壓值的電壓檢測模塊、以及單元控制器；所述平衡鋰電池分別與各個所述基本鋰電池并聯(lián)連接，所述多個可控制開關(guān)分別用于獨立控制所述平衡鋰電池與各個所述基本單元鋰電池模塊并聯(lián)連接的通斷，所述可控制開關(guān)的驅(qū)動模塊、所述電壓檢測模塊分別與所述單元控制器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基本單元鋰電池組模塊，其特征在于所述可控制開關(guān)為無觸點矩陣開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基本單元鋰電池組模塊，其特征在于所述無觸點矩陣開關(guān)包括連接在所述基本鋰電池正極與平衡鋰電池正極之間的前級矩陣開關(guān)、以及連接在所述基本鋰電池負極與平衡鋰電池負極之間的后級矩陣開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基本單元鋰電池組模塊，其特征在于所述前級矩陣開關(guān)和所述后級矩陣開關(guān)均為雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)，所述雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)包括第一 MOSFET管和第二 MOSFET管，所述第一 MOSFET管的源極與所述第二 MOSFET管的源極相連，所述第一 MOSFET管的柵極和第二 MOSFET管的柵極相連后作為控制端與所述驅(qū)動模塊連接，所述第一 MOSFET管的漏極和第二 MOSFET管的漏極分別作為雙MOSFET管雙向?qū)ㄩ_關(guān)的輸入端和輸出端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基本單元鋰電池組模塊，其特征在于所述基本鋰電池的數(shù)量為3個、4個或者5個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的基本單元鋰電池組模塊，其特征在于還包括與所述基本鋰電池串聯(lián)連接的過充過放保護開關(guān)，所述過充過放保護開關(guān)的控制端與所述驅(qū)動模塊連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項所述的基本單元鋰電池組模塊，其特征在于還包括二次保護自恢復(fù)保險絲，所述二次保護自恢復(fù)保險絲與所述基本鋰電池串聯(lián)連接。
8.一種多級鋰電池組，其特征在于包括多個如權(quán)利要求1 7任意一項所述的基本單元鋰電池組模塊，所述多個基本單元鋰電池組模塊串聯(lián)連接或并聯(lián)連接或串并聯(lián)混合連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基本單元鋰電池組模塊及多級鋰電池組。該基本單元鋰電池組模塊，包括至少兩個串聯(lián)連接的基本鋰電池、至少一個平衡鋰電池、與所述基本鋰電池數(shù)量相等的可控制開關(guān)、及可控制開關(guān)的驅(qū)動模塊、檢測各個所述基本鋰電池兩端電壓值的電壓檢測模塊、以及單元控制器；所述平衡鋰電池分別與各個所述基本鋰電池并聯(lián)連接，所述多個可控制開關(guān)分別用于獨立控制所述平衡鋰電池與各個所述基本單元鋰電池模塊并聯(lián)連接的通斷，所述可控制開關(guān)的驅(qū)動模塊、所述電壓檢測模塊分別與所述單元控制器連接。所述多級鋰電池組由所述基本單元鋰電池模塊組成。本實用新型能提高鋰電池充放電效率。
文檔編號H01M10/42GK202142620SQ20112011553
公開日2012年2月8日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者吳粵濱 申請人:吳粵濱