一種堆垛式鋰電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種堆垛式鋰電池系統(tǒng)，包括若干個(gè)并聯(lián)在一起的鋰電池單元，每個(gè)所述鋰電池單元由數(shù)個(gè)具有電流均衡、回流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)以及信號傳輸功能的鋰電池模塊串聯(lián)而成，每個(gè)所述鋰電池單元分別通過一對應(yīng)的磁保持繼電器與控制器連接。本發(fā)明不但體積小巧，外圍控制電路簡單，而且工作穩(wěn)定可靠，耐過流能力強(qiáng)，可以直接將現(xiàn)有成本減少超過40%。本發(fā)明可以在一定范圍內(nèi)通過將所需數(shù)量的鋰電池模塊進(jìn)行串并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)不同電壓和容量的鋰電池系統(tǒng)，這樣就使得鋰電池的應(yīng)用變得非常簡單，徹底顛覆了鋰電池組傳統(tǒng)復(fù)雜的使用方式，對于電動工具、電動自行車、電動汽車、小型儲能等應(yīng)用領(lǐng)域極為重要。
【專利說明】—種堆垛式鋰電池系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鋰電池系統(tǒng)，尤其涉及一種堆垛式鋰電池系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]如今，鋰離子電池越來越廣泛的應(yīng)用到各種設(shè)備當(dāng)中，其具有容量大，體積小的優(yōu)點(diǎn)，正在逐步替代傳統(tǒng)的鉛酸電池，是目前電池市場的主流。
[0003]用鋰離子電池替代傳統(tǒng)的鉛酸電池的主要技術(shù)難點(diǎn)之一是需要為鋰離子電池加裝過流、過充和過放等保護(hù)電路以保證電池的安全運(yùn)行。在手機(jī)、電動工具等應(yīng)用領(lǐng)域是采用專用電路檢測電池的電壓、充放電電流等相關(guān)參數(shù)。當(dāng)這些參數(shù)超過限定值時(shí)，繼電器、MOSFETs, IGBT等開關(guān)器件從而切斷電池的充放電回路，電池停止充放電，以被保證電池的安全運(yùn)行。斷開繼電器、MOSFETs等開關(guān)器件雖然應(yīng)用靈活，動作迅速，但由于外圍控制和驅(qū)動電路復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體可靠性較低，且MOSFETs、IGBT等半導(dǎo)體器件存在抗干擾能力差、防靜電能力差、對工藝實(shí)現(xiàn)的組裝環(huán)境要求高、耐電流沖擊能力差等問題，而繼電器則有動作遲緩、驅(qū)動電流大、器件體積龐大等缺陷。另一方面，目前的電子半導(dǎo)體開關(guān)(如MOSFET )存在內(nèi)阻大、易過熱失效、穩(wěn)定性差、抗干擾能力弱、不能解決瞬態(tài)電壓尖峰沖擊導(dǎo)致的失效等缺陷。
[0004]在現(xiàn)有鋰離子電池組的應(yīng)用中，大電流均衡保護(hù)是另一個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。目前業(yè)界的均衡設(shè)計(jì)基本采用旁路電阻模式，該方式無法解決旁路電阻的熱管理，容易導(dǎo)致電池過熱出現(xiàn)安全事故，因此一般只能設(shè)計(jì)在30-100毫安，對大電池沒有實(shí)際的均衡效果。另一種傳統(tǒng)模式是能量轉(zhuǎn)換模式，將高電壓電芯釋放到低電壓電芯，該方式雖然有一定效果，但問題是在動力鋰離子電池組在成組(串并聯(lián))過程中，控制點(diǎn)非常多，管理非常復(fù)雜，往往一套電池組系統(tǒng),保護(hù)系統(tǒng)的成本占到總成本一半以上,不但成本高,沒有可推廣性,還設(shè)計(jì)復(fù)雜，可靠性低。
[0005]在電動工具、電動自行車、小型儲能等應(yīng)用領(lǐng)域由于必須使用一定數(shù)量的電芯進(jìn)行串并聯(lián)才能達(dá)到應(yīng)用所要求的電壓與容量，但上述繼電器、M0SFET、IGBT等開關(guān)器件的缺陷，以及現(xiàn)有昂貴、復(fù)雜而又不可靠動力鋰離子電池系統(tǒng)極大地限制了它們在這類領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0006]因此設(shè)計(jì)制造一種體積小巧、外圍控制電路簡單、工作穩(wěn)定可靠、具有大電流均衡能力，耐過流能力強(qiáng)，可以在一定范圍串并聯(lián)的鋰離子電池系統(tǒng)，對于電動工具、電動自行車、電動汽車、小型儲能等應(yīng)用領(lǐng)域就變得極為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種體積小巧，外圍控制電路簡單，工作穩(wěn)定可靠，耐過流能力強(qiáng)的堆垛式鋰電池系統(tǒng)，使得鋰電池的應(yīng)用變得極其簡單。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn): 一種堆垛式鋰電池系統(tǒng)，包括若干個(gè)并聯(lián)在一起的鋰電池單元，每個(gè)所述鋰電池單元由若干個(gè)具有電流均衡、回流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)以及信號傳輸功能的鋰電池模塊串聯(lián)而成，每個(gè)所述鋰電池單元分別通過一對應(yīng)的磁保持繼電器與控制器連接。
[0009]進(jìn)一步的，所述鋰電池模塊為一種基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組，或?yàn)槠渌c之具有相同功能特性的帶有記憶合金開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模塊。
[0010]優(yōu)選的，所述鋰電池模塊為一種基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組，所述基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組包括一模組外殼，所述模組外殼內(nèi)部分為左腔室和右腔室，所述左腔室內(nèi)設(shè)置有由多個(gè)鋰電池電芯串聯(lián)而成的電池組，所述電池組與所述左腔室之間填充有隔溫層，所述右腔室內(nèi)設(shè)有一個(gè)金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器，位于所述左腔室上方的所述模組外殼上設(shè)置有負(fù)極極柱，位于右腔室上方的所述模組外殼上設(shè)置有正極極柱，所述電池組的負(fù)極與所述負(fù)極極柱連接，所述電池組的正極與所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的輸入端連接，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的輸出端與所述正極極柱連接，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器包括4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端，所述的4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端依次連接在所述的4個(gè)鋰電池電芯的正負(fù)極上，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，所述模組外殼上設(shè)置有一個(gè)緊急手動恢復(fù)按鈕，所述緊急手動恢復(fù)按鈕與所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器連接。
[0011]進(jìn)一步的,所述鋰電池電芯的電壓為12v、24v、36v或48v。
[0012]進(jìn)一步的，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器由開關(guān)組件、2個(gè)加熱裝置以及電芯監(jiān)測與電熱控制模塊組成；所述開關(guān)組件包括一開關(guān)外殼，所述開關(guān)外殼內(nèi)部設(shè)置有一鋁導(dǎo)熱板及一記憶合金開關(guān)，所述記憶合金開關(guān)由動觸端和靜觸端構(gòu)成，所述動觸端由雙金片制成，所述動觸端與所述靜觸端的開閉由所述開關(guān)外殼內(nèi)的溫度決定；所述的2個(gè)加熱裝置的加熱端與所述鋁導(dǎo)熱板緊密接觸，所述電芯監(jiān)測與電熱控制模塊上包括4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端和2個(gè)加熱信號輸出端，所述的2個(gè)加熱信號輸出端分別與所述的2個(gè)加熱裝置電連接，所述的4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端依次與所述的4個(gè)鋰電池電芯的正負(fù)極電連接；所述記憶合金開關(guān)的一端與所述正極極柱連接，另一端與所述電池組的正極連接，應(yīng)用中所述正、負(fù)極極柱直接接負(fù)載形成回路；所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器為最后屏障，在極端條件下關(guān)斷電池進(jìn)行徹底保護(hù)。
[0013]本發(fā)明的核心是具有電流均衡、回流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)以及信號傳輸功能的鋰電池模塊，例如基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組，相比于現(xiàn)有電子保護(hù)器，所述基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組采用了金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器中采用了記憶形狀合金作為斷路保護(hù)開關(guān)，簡化主動電子電路的觸發(fā)，提高了保護(hù)開關(guān)的可靠性，抗干擾性、耐壓能力和耐過流能力。
[0014]因此，采用例如基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組串并聯(lián)而成的本發(fā)明具有以下功能:
1、大電流均衡
電池新出廠經(jīng)過配組，是一致的，但由于電化學(xué)特性、內(nèi)阻、自放電等的微小偏差，在使用一段時(shí)間后會出現(xiàn)不一致。個(gè)別電芯電壓偏高，個(gè)別偏低，累積到一定時(shí)候，在總電壓不變的情況下，充電會導(dǎo)致高電壓電芯更高，超過過充點(diǎn)，引發(fā)電池安全問題，這就是為什么鋰電池經(jīng)常發(fā)生充電時(shí)的燃燒爆炸事件。
[0015]手機(jī)電池安全問題少是因?yàn)殡姵厥菃喂?jié)應(yīng)用，沒有串聯(lián)，很好管理。由多組鋰電池模塊串并聯(lián)而成的大型鋰電池系統(tǒng)就需要電流均衡設(shè)計(jì)，通過把高電壓電芯的能量釋放來平衡鋰電池模塊一致性偏差。如果這個(gè)電流太小就沒有效果，大電流均衡有效果，但能量沒有釋放方向。本發(fā)明就把這個(gè)能量巧妙用于抑制過充和觸發(fā)斷路保護(hù)兩個(gè)應(yīng)用，將傳統(tǒng)的電池開關(guān)保護(hù)和均衡電路合二為一，互補(bǔ)的功能利用，在整個(gè)鋰電池系統(tǒng)運(yùn)行中可以減少鋰電池的工作溫升，安全可靠。
[0016]本發(fā)明的堆垛式鋰電池系統(tǒng)采用了模塊均衡模式，電池保護(hù)器可以將電壓最高的鋰電池模塊率先輸出，主動解決電池的一致性偏差問題。因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù)器中的記憶合金開關(guān)靠熱量觸發(fā)，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值(如80度、90度)記憶合金開關(guān)突發(fā)形變斷路。加熱就需要能量，電池保護(hù)器將危險(xiǎn)能量(如過充電的外部能量)或與鋰電池模塊自身不一致均衡的能量釋放，用于對加熱裝置進(jìn)行加熱，主動觸發(fā)開關(guān)保護(hù)。
[0017]上述電池模塊均衡模式采用的是先抑制后觸發(fā)的原理，當(dāng)鋰電池充電進(jìn)入過充的環(huán)節(jié)，電池保護(hù)器產(chǎn)生一個(gè)安培級的觸發(fā)電流，通過電池保護(hù)器內(nèi)部的加熱裝置來為記憶合金開關(guān)封閉加熱，抑制過充的發(fā)生；隨后當(dāng)加熱裝置的逐漸升溫達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，直接觸發(fā)記憶合金開關(guān)斷開，停止充電，從而保護(hù)鋰電池的安全，這一點(diǎn)也完全區(qū)別于傳統(tǒng)的鋰電池直接觸發(fā)保護(hù)的方式。
[0018]抑制過充原理很簡單，均衡電流超過充電電流就是抑制。如50A抑制，市面上基本沒有50A充電器，充電過程中高電壓電池沒有過充的可能，而高電壓電池恢復(fù)到正常電壓，抑制均衡電流消除，電池正常并且恢復(fù)一致性，這個(gè)過程很快，有時(shí)候就幾秒鐘。用很短的時(shí)間對長期使用中產(chǎn)生的一致性偏差進(jìn)行有效修復(fù)，增加電池壽命。
[0019]本發(fā)明中的每個(gè)電池保護(hù)器可以通過采集自己對應(yīng)的鋰電池模塊的均衡電流進(jìn)行過充抑制，充電時(shí)，抑制電流產(chǎn)生，對電池進(jìn)行均衡修復(fù)；極端的異常充電會最終觸發(fā)記憶開關(guān)進(jìn)行徹底保護(hù)，自恢復(fù)后視電池修復(fù)情況，直到修復(fù)完成，記憶開關(guān)會恢復(fù)讓電池進(jìn)入正常工作。
[0020]記憶合金開關(guān)為充電抑制電流的第二道防線，當(dāng)電芯極端不一致的情況下，溫度的提高會觸發(fā)記憶合金開關(guān)斷開，直接停止充電，對電池進(jìn)行斷路保護(hù)。并且記憶合金開關(guān)兼顧自恢復(fù)特性，當(dāng)熱量散出，溫度下降，記憶特性會恢復(fù)導(dǎo)通主電路，繼續(xù)進(jìn)行充電，這種間斷熱管理對于電池的保護(hù)是周密的。
[0021]2、短路保護(hù)
鋰電池模塊中電池保護(hù)器的記憶合金開關(guān)由于其自身特性，當(dāng)出現(xiàn)大電流時(shí)，記憶合金開關(guān)會自動斷開，所以本發(fā)明還自帶短路保護(hù)功能，當(dāng)異常短路發(fā)生時(shí)，記憶合金開關(guān)充當(dāng)保險(xiǎn)絲，其短路反應(yīng)時(shí)間為1-2毫秒。
[0022]3、溫度保護(hù)(過熱管理保護(hù))
本發(fā)明中，鋰電池模塊將電池保護(hù)器和串聯(lián)電芯分開空間安裝，將有限的電池能量封閉在有限的空間，抑制電流作用在另外的空間(保護(hù)器所處的空間)，電池的使用性能大幅提高，克服傳統(tǒng)電池組熱管理非常復(fù)雜的難題，安全性全面提高，可有效控制因異常而導(dǎo)致的電池安全事故。
[0023]4、回流保護(hù)
回流現(xiàn)象是電池串并聯(lián)中一種很麻煩的故障現(xiàn)象，其特點(diǎn)實(shí)際上也是電池不均衡引起的。如兩組電池模塊并聯(lián)條件下，若電壓不一樣，就會出現(xiàn)大回流，高電壓向低電壓電池模塊中灌電。因?yàn)殡姵啬K內(nèi)阻很低，所以這個(gè)電流很大，經(jīng)常把電池模塊沖擊損壞。
[0024]本發(fā)明采用了記憶合金開關(guān)，具有短路保護(hù)功能，所以當(dāng)大電流出現(xiàn)時(shí)會立即關(guān)斷保護(hù)，自恢復(fù)后再承受一次再關(guān)斷，對電池模塊進(jìn)行回流保護(hù)。
[0025]5、信號傳輸
本發(fā)明中，在鋰電池模塊的開關(guān)保護(hù)器中的電芯監(jiān)測與電熱控制模塊上設(shè)有多個(gè)通信接口，這些通信接口可以為光電耦合器信號接口、RS232接口或485、CAN總線接口等，均可以實(shí)現(xiàn)鋰電池模塊在串并聯(lián)中和其他模塊通信，同時(shí)也可以和充電器、控制器進(jìn)行聯(lián)動通信，甚至可以和智能負(fù)載進(jìn)行通信，傳輸信號，顯示電池狀態(tài)，電芯狀態(tài)，用于大型串并聯(lián)的智能監(jiān)控，提升精確控制能力。
[0026]采用本發(fā)明所述的鋰電池模塊可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉛酸電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的功能，也就是先將鋰電池模塊制成12v、24v、36v或48v等各種需要的標(biāo)準(zhǔn)模塊，不但可以直接應(yīng)用，也可以在一定范圍內(nèi)將多個(gè)鋰電池模塊進(jìn)行任意串并聯(lián)應(yīng)用，采用控制器代替(兼顧)總成電池管理器，簡化設(shè)計(jì)，降低成本，形成簡單的堆垛式應(yīng)用系統(tǒng)，在多個(gè)行業(yè)有直接替代性。如:2個(gè)12v 40Ah模塊可直接串聯(lián)成為24v 40Ah電池組，也可以并聯(lián)成為12v 80Ah電池組，其應(yīng)用變得非常簡單，徹底顛覆了鋰電池組傳統(tǒng)復(fù)雜的使用方式，摒棄傳統(tǒng)的應(yīng)用模式，將電池保護(hù)直接做在每個(gè)獨(dú)立的模塊中，將能量限定在有限封閉的空間，全面提高安全性和可靠性。
[0027]本發(fā)明利用記憶形狀合金的記憶性，抗干擾、抗高壓能力、被動過流能力，簡化鋰電池復(fù)雜的保護(hù)系統(tǒng)，將電池模塊化處理，克服了電子半導(dǎo)體開關(guān)(如mosfet)目前的存在的壽命短、穩(wěn)定性差、抗干擾能力弱、耐高壓能力弱等缺陷，提高了斷路保護(hù)開關(guān)的可靠性，有效解決鋰電池的安全性問題。
[0028]本發(fā)明利用金屬結(jié)構(gòu)弱阻抗性，直接作用在限定電壓的鋰電池模組上，真正意義上實(shí)現(xiàn)鋰電池模組化下的任意串并聯(lián)使用，將安全性和使用簡單性合為一體。
[0029]本發(fā)明的鋰電池模塊因受到記憶合金開關(guān)保護(hù)，具備了浪涌電流的耐受力，如12v電瓶用的傳統(tǒng)汽車點(diǎn)火的瞬間，峰值電流達(dá)到400A，一般情況下，MOS管要采用6?10只串并聯(lián)才可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，采用這種方式只需要一個(gè)開關(guān)即可完成，極大的優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
[0030]本發(fā)明中的鋰電池模塊在串并聯(lián)中采用物理隔離并聯(lián)模式，S卩，用磁保持繼電器作為隔離器件，其優(yōu)點(diǎn)為共同充放電工作。在該物理隔離并聯(lián)模式中，一旦某串聯(lián)電路的某個(gè)鋰電池模塊發(fā)生故障，可以直接通過磁保持繼電器進(jìn)行開路管理，確保其他串聯(lián)電路正常工作。例如電動汽車，目前傳統(tǒng)的鋰電池管理系統(tǒng)90%為單路總管理，個(gè)別電池的意外會導(dǎo)致整組進(jìn)入保護(hù)無法工作，給用戶造成極大的不便，至今沒有好的解決方案。而磁保持繼電器的采用，可以把局部串聯(lián)電池開路保護(hù)并停止供電，這并不影響其他并聯(lián)電路電池正常工作，對于用戶體驗(yàn)來說非常重要。當(dāng)電池故障，用戶至少可以依靠剩余電池將車低速開回4S店進(jìn)行維修。
[0031 ] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明的堆垛式鋰電池系統(tǒng)不但體積小巧，外圍控制電路簡單，而且工作穩(wěn)定可靠，耐過流能力強(qiáng)，在一定范圍內(nèi)通過將所需數(shù)量的鋰電池模塊進(jìn)行串并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)不同電壓和容量的鋰電池系統(tǒng)，對于電動工具、電動自行車、電動汽車、小型儲能等應(yīng)用領(lǐng)域極為重要。其最大特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)客戶使用的簡潔化；維護(hù)的方便性；因物理保護(hù)的應(yīng)用才形成這種簡單的系統(tǒng)架構(gòu)；甚至簡化到客戶直接搭建該架構(gòu)系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。有益于鋰電池應(yīng)用的全面推廣。
[0032]2、動力鋰電池在需要串并聯(lián)使用時(shí)，管理非常復(fù)雜，往往一套電池組系統(tǒng)，保護(hù)系統(tǒng)的成本占到總成本一半以上，而使用本發(fā)明的堆垛式鋰電池系統(tǒng)可以直接將現(xiàn)有成本減少超過40%。因?yàn)楝F(xiàn)有鋰電池組在成組過程中，控制點(diǎn)非常多，而本發(fā)明中的鋰電池模塊原則上只控制單一模塊的8個(gè)可控點(diǎn)，分別獨(dú)立在模塊中，這樣可靠性非常高，可以做到像傳統(tǒng)電池一樣使用，簡化用戶的使用所帶來的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)非常大，減少大量的社會成本，對于動力鋰電池在汽車、UPS、電力儲能、野外用電等方面帶來實(shí)際意義的全面推廣效應(yīng)。
[0033]3、本發(fā)明的堆垛式鋰電池系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)鋰電池的應(yīng)用模式，將電池保護(hù)直接做在每個(gè)獨(dú)立的模塊中，將能量限定在有限封閉的空間，全面提高安全性和可靠性。同時(shí)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鋰電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)的功能，也就是本發(fā)明內(nèi)的鋰電池模塊不僅可以直接應(yīng)用，也可以進(jìn)行一定范圍的任意串并聯(lián)應(yīng)用，并且無需外加總成電池管理系統(tǒng)。如:2個(gè)12v40Ah模塊可直接串聯(lián)成為24v 40Ah電池組，也可以并聯(lián)成為12v SOAh電池組，這樣就使得鋰電池的應(yīng)用變得非常簡單，徹底顛覆了鋰電池組傳統(tǒng)復(fù)雜的使用方式。可直接替代傳統(tǒng)鉛酸電池的堆垛應(yīng)用；具備真正意義的覆蓋使用和通配能力。
[0034]4、本發(fā)明中的鋰電池模塊在串并聯(lián)中采用磁保持繼電器作為隔離器件，當(dāng)某串聯(lián)電路的某個(gè)鋰電池模塊發(fā)生故障時(shí)，可以直接通過磁保持繼電器進(jìn)行開路管理，把局部串聯(lián)電池開路保護(hù)并停止供電，確保其他串聯(lián)電路正常工作。
[0035]5、本發(fā)明的對堆垛式鋰電池系統(tǒng)采用電池模組均衡模式，由于觸發(fā)記憶合金開關(guān)需要從電池輸出電流，電池保護(hù)器可以將電壓最高的鋰電池模塊率先輸出，采用安培級均衡電流觸發(fā)記憶合金開關(guān)，主動解決電池的一致性偏差問題，并且有效的實(shí)現(xiàn)了電池充電修復(fù)，使電池組系統(tǒng)壽命翻倍，充分發(fā)揮鋰電池的循環(huán)壽命優(yōu)勢，終其一生都處于均衡工作狀態(tài)。
[0036]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明中基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明中基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組的電路原理示意圖；
圖4為常溫下記憶合金開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為記憶溫度下記憶合金開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038]圖中標(biāo)號說明:1、鋰電池模塊；2、磁保持繼電器；3、控制器；4、金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器；5、負(fù)極極柱；6、正極極柱；7、緊急手動恢復(fù)按鈕；8、模組外殼；9、鋰電池電芯；10、隔溫層；41、開關(guān)組件；42、加熱裝置；43、電芯監(jiān)測與電熱控制模塊；411、開關(guān)外殼；412、鋁導(dǎo)熱板；413、記憶合金開關(guān)；4131、動觸端；4132、靜觸端；431、電芯監(jiān)測信號接收端；432、加熱信號輸出端；433、通信接口。

【具體實(shí)施方式】
[0039]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0040]參見圖1所示，一種堆垛式鋰電池系統(tǒng)，包括若干個(gè)并聯(lián)在一起的鋰電池單元，每個(gè)所述鋰電池單元由若干個(gè)具有電流均衡、回流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)以及信號傳輸功能的鋰電池模塊I串聯(lián)而成，每個(gè)所述鋰電池單元分別通過一對應(yīng)的磁保持繼電器2與控制器3連接。
[0041]進(jìn)一步的，所述鋰電池模塊I為一種基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組，或?yàn)槠渌c之具有相同功能特性的帶有記憶合金開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模塊。
[0042]優(yōu)選的，參見圖2所示，所述鋰電池模塊I為一種基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組，所述基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組包括一采用阻燃材料的模組外殼8，所述模組外殼8內(nèi)部分為左腔室和右腔室，所述左腔室內(nèi)設(shè)置有由4個(gè)12V的鋰電池電芯9串聯(lián)而成的電池組，所述電池組與所述左腔室之間填充有隔溫層10，所述右腔室內(nèi)設(shè)有一個(gè)金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4，位于所述左腔室上方的所述模組外殼8上設(shè)置有負(fù)極極柱5，位于右腔室上方的所述模組外殼8上設(shè)置有正極極柱6，所述電池組的負(fù)極與所述負(fù)極極柱5連接，所述電池組的正極與所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4的輸入端連接，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4的輸出端與所述正極極柱6連接，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4包括4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端431，所述的4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端431依次連接在所述的4個(gè)鋰電池電芯9的正負(fù)極上，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，所述模組外殼8上設(shè)置有一個(gè)緊急手動恢復(fù)按鈕7，所述緊急手動恢復(fù)按鈕7與所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4連接，應(yīng)用中所述正、負(fù)極極柱6，5直接接負(fù)載形成回路；所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4為最后屏障，在極端條件下關(guān)斷電池進(jìn)行徹底保護(hù)。
[0043]進(jìn)一步的，所述鋰電池電芯9的電壓為12v、24v、36v或48v。
[0044]進(jìn)一步的，參見圖3所示，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器4由開關(guān)組件41、2個(gè)加熱裝置42以及電芯監(jiān)測與電熱控制模塊43組成。
[0045]所述開關(guān)組件41包括一開關(guān)外殼411,所述開關(guān)外殼411內(nèi)部設(shè)置有一招導(dǎo)熱板412及一記憶合金開關(guān)413 ;所述記憶合金開關(guān)413由動觸端4131和靜觸端4132構(gòu)成，所述動觸端4131由雙金片制成，所述動觸端4131與所述靜觸端4132的開閉由所述開關(guān)外殼4101內(nèi)的溫度決定，并且分別在所述動觸端4131和所述靜觸端4132表層鍍銀，實(shí)現(xiàn)滅弧，保證形變過程中的有效斷路。參見圖4所示，常溫下，所述動觸端4131與所述靜觸端4132相接觸，參見圖5所示，達(dá)到記憶溫度時(shí)，所述動觸端4131的雙金片由于其物理特性，恢復(fù)記憶形狀，與所述靜觸端4132分離。所述記憶合金開關(guān)413自帶短路保護(hù)功能，當(dāng)異常短路發(fā)生，其短路反應(yīng)時(shí)間為1-2毫秒。
[0046]進(jìn)一步的，所述的鋰電池模組為標(biāo)準(zhǔn)化模塊，除了可以直接應(yīng)用，也可以進(jìn)行一定范圍的任意串并聯(lián)應(yīng)用，并且無需外加總成電池管理系統(tǒng)，徹底擯棄傳統(tǒng)復(fù)雜電子BMS。如2個(gè)12V 40Ah的電池模塊可直接串聯(lián)成24V 40Ah的電池組，也可以并聯(lián)成為12V 80Ah的電池組，其應(yīng)用變得非常簡單，徹底顛覆了鋰電池組傳統(tǒng)復(fù)雜的使用方式。
[0047]所述的2個(gè)加熱裝置42的加熱端與所述鋁導(dǎo)熱板412緊密接觸，所述電芯監(jiān)測與電熱控制模塊43上包括4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端431、2個(gè)加熱信號輸出端432和2個(gè)通信接口 433，所述的2個(gè)加熱信號輸出端432分別與所述的2個(gè)加熱裝置42電連接，所述的4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端431依次與所述的4個(gè)鋰電池電芯9的正負(fù)極電連接；所述記憶合金開關(guān)413的一端與所述正極極柱6連接，另一端與所述電池組的正極連接。
[0048]進(jìn)一步的，所述電芯監(jiān)測與電熱控制模塊43上的多個(gè)通信接口 433可以為光電耦合器信號接口、RS232接口或485接口等，均可以實(shí)現(xiàn)所述鋰電池模組在串并聯(lián)中和其他模組通信，同時(shí)也可以和充電器、控制器進(jìn)行聯(lián)動通信，甚至可以和智能負(fù)載進(jìn)行通信，傳輸信號，顯示電池狀態(tài)，電芯狀態(tài)，用于大型串并聯(lián)的智能監(jiān)控，提升精確控制能力。
[0049]當(dāng)加熱裝置過熱時(shí)，會促使記憶合金模塊過熱，可以有效抑制整組電池充電時(shí)電壓因過充而快速升高。多組模塊串聯(lián)工作時(shí)，抑制動作可以將高電壓模塊處于等待中，低電壓模塊電壓升到與高電壓模塊接近是總電壓到達(dá)。這是模塊隨意串并聯(lián)的基礎(chǔ)，模塊化后的電池組可以簡化大量的監(jiān)控成本，并提高應(yīng)用的可靠性和安全性。
[0050]金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器作為本發(fā)明的堆垛式電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)要點(diǎn):
電壓抑制的過程為金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的第一動作，這個(gè)過程實(shí)測結(jié)果，所述基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組有能力抑制30-40A充電電流約I分鐘時(shí)間，這個(gè)過程中，未被抑制的鋰電池模組會繼續(xù)充電并提升電壓，簡單的說，所述基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組在串聯(lián)之初，對于電壓一致的要求不會很高，即使用1v和8v不同電壓的鋰電池模組串聯(lián)，在充電過程中，經(jīng)過電壓抑制后，兩模塊電壓會趨于一致，這就是可預(yù)期隨意串并聯(lián)的理論依據(jù)。金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的理念就是釋放的能量聚集在金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器中用于觸發(fā)記憶開關(guān)。
[0051]恢復(fù)記憶合金開關(guān)為電池保護(hù)的第二個(gè)動作，金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的設(shè)計(jì)是獨(dú)立接線關(guān)系，可以分隔電芯組件，不影響電芯組件的環(huán)境。當(dāng)有電芯電壓超過4.25v后，金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器聚熱到70度左右，記憶合金開關(guān)產(chǎn)生變形斷開開關(guān)組件，該組件自設(shè)散熱，當(dāng)溫度恢復(fù)到56度左右會自行形狀恢復(fù)。電芯電壓會被動放電到4.1v繼續(xù)充電，反復(fù)過程中實(shí)現(xiàn)電池模組均衡。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種堆垛式鋰電池系統(tǒng)，其特征在于:包括若干個(gè)并聯(lián)在一起的鋰電池單元，每個(gè)所述鋰電池單元由若干個(gè)具有電流均衡、回流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)以及信號傳輸功能的鋰電池模塊(I)串聯(lián)而成，每個(gè)所述鋰電池單元分別通過一對應(yīng)的磁保持繼電器(2)與控制器(3)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堆垛式鋰電池系統(tǒng)，其特征在于:所述鋰電池模塊(I)為一種基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組，或?yàn)槠渌c之具有相同功能特性的帶有記憶合金開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的堆垛式鋰電池系統(tǒng)，其特征在于:所述基于金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器的鋰電池模組包括一模組外殼(8)，所述模組外殼(8)內(nèi)部分為左腔室和右腔室，所述左腔室內(nèi)設(shè)置有由若干個(gè)鋰電池電芯(9)串聯(lián)而成的電池組，所述電池組與所述左腔室之間填充有隔溫層(10)，所述右腔室內(nèi)設(shè)有一個(gè)金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器(4)，位于所述左腔室上方的所述模組外殼(8)上設(shè)置有負(fù)極極柱(5)，位于右腔室上方的所述模組外殼(8)上設(shè)置有正極極柱(6)，所述電池組的負(fù)極與所述負(fù)極極柱(5)連接，所述電池組的正極與所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器(4)的輸入端連接，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器(4)的輸出端與所述正極極柱(6)連接，所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器(4)包括4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端(431)，所述的4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端(431)依次連接在所述的4個(gè)鋰電池電芯(9)的正負(fù)極上，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，所述模組外殼(8)上設(shè)置有一個(gè)緊急手動恢復(fù)按鈕(7)，所述緊急手動恢復(fù)按鈕(7)與所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器(4)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的堆垛式鋰電池系統(tǒng)，其特征在于:所述鋰電池電芯(9)的電壓為 12v、24v、36v 或 48v。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的堆垛式鋰電池系統(tǒng)，其特征在于:所述金屬膨脹式記憶開關(guān)保護(hù)器(4)由開關(guān)組件(41)、2個(gè)加熱裝置(42)以及電芯監(jiān)測與電熱控制模塊(43)組成；所述開關(guān)組件(41)包括一開關(guān)外殼(411),所述開關(guān)外殼(411)內(nèi)部設(shè)置有一招導(dǎo)熱板(412)及一記憶合金開關(guān)(413)，所述記憶合金開關(guān)(413)由動觸端(4131)和靜觸端(4132)構(gòu)成，所述動觸端(4131)由雙金片制成，所述動觸端(4131)與所述靜觸端(4132)的開閉由所述開關(guān)外殼(411)內(nèi)的溫度決定；所述的2個(gè)加熱裝置(42)的加熱端與所述鋁導(dǎo)熱板(4102)緊密接觸，所述電芯監(jiān)測與電熱控制模塊(43)上包括4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端(431)和2個(gè)加熱信號輸出端(432)，所述的2個(gè)加熱信號輸出端(432)分別與所述的2個(gè)加熱裝置(42 )電連接，所述的4個(gè)電芯監(jiān)測信號接收端(431)依次與所述的4個(gè)鋰電池電芯(9)的正負(fù)極電連接；所述記憶合金開關(guān)(413)的一端與所述正極極柱(6)連接，另一端與所述電池組的正極連接。
【文檔編號】H01M10/42GK104051700SQ201410319026
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】樊朝暉, 佟來生, 吳江波 申請人:中投仙能科技（蘇州）有限公司