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交錯成組型動力電池組.pdf

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交錯 成組 動力 電池組
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摘要
申請專利號:

CN201210135405.7

申請日:

2012.05.02

公開號:

CN102723522B

公開日:

2015.01.14

當前法律狀態:

有效性:

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01M 10/04申請日:20120502|||公開
IPC分類號: H01M10/04; H01M10/42 主分類號: H01M10/04
申請人: 清華大學
發明人: 盧蘭光; 韓雪冰; 李建秋; 歐陽明高
地址: 100084 北京市海淀區100084-82信箱
優先權:
專利代理機構: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201 代理人: 宋合成
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210135405.7

授權公告號:

102723522B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.14|||2012.11.28|||2012.10.10

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提出一種交錯成組型動力電池組,包括:單體電池,分為N組,每一組單體電池具有M個單體電池,相鄰兩組單體電池中的單體電池一一對應,每一組的M個單體電池依次串聯,其中N和M均為大于等于2的整數,且N和M不同時等于2;以及并聯元件,分為e組,第e組并聯元件中的任一個并聯元件的第一端連接在所述N組中的第e組單體電池中的相鄰兩個單體電池之間,且第e組并聯元件中的所述任一個并聯元件的第二端連接在第e+1組單體電池中的兩個相鄰單體電池之間,以通過所述多個并聯元件將所述N組單體電池并聯。該交錯成組型動力電池組安全性好,可靠性高,且能夠對每一節電池單體進行精確管理,本身還具有自均衡功能。

權利要求書

權利要求書
1.  一種交錯成組型動力電池組,其特征在于,包括:
單體電池,所述單體電池分為N組,每一組單體電池具有M個單體電池,相鄰兩組單體電池中的單體電池一一對應,每一組的M個單體電池依次串聯,其中N和M均為大于等于2的整數,且N和M不同時等于2;以及
并聯元件,所述并聯元件分為e組,第e組并聯元件中的任一個并聯元件的第一端連接在所述N組中的第e組單體電池中的相鄰兩個單體電池之間,且第e組并聯元件中的所述任一個并聯元件的第二端連接在第e+1組單體電池中的兩個相鄰單體電池之間,以通過所述多個并聯元件將所述N組單體電池并聯,其中第e+1組單體電池中的所述兩個相鄰單體電池與第e組單體電池中的所述兩個相鄰單體電池一一對應,所述e組并聯元件中的至少一組并聯元件中的并聯元件的數量至少小于M-1,且當M等于2時相鄰兩組并聯元件中的并聯元件數量不同時為零,其中e為大于等于1且小于N的整數。

2.  如權利要求1所述的交錯成組型動力電池組,其特征在于,所述并聯元件為導線、可控開關、電阻、保險絲、二極管、穩壓二極管和電感中的至少一種。

3.  如權利要求2所述的交錯成組型動力電池組,其特征在于,所述可控開關為電磁開關、金屬-氧化層-半導體-場效晶體管Mosfet、三極管、絕緣柵雙極型晶體管IGBT和繼電器之一。

4.  如權利要求1所述的交錯成組型動力電池組,其特征在于,每一組內的M個單體電池通過導線依次串聯。

5.  如權利要求1所述的交錯成組型動力電池組,其特征在于,所述N組單體電池內的第1個單體電池的正極均通過導線與第一總線相連,且所述N組單體電池內的第M個電池的負極均通過導線與第二總線相連。

6.  如權利要求1-5中任一項所述的交錯成組型動力電池組,其特征在于,任一組并聯元件中的并聯元件與相鄰一組并聯元件中的并聯元件交替設置且間隔開至少一個單體電池。

說明書

說明書交錯成組型動力電池組
技術領域
[0001]本發明涉及動力電池技術領域,特別涉及一種交錯成組型動力電池組。
背景技術
[0002]隨著科技不斷發展,汽車逐漸走入普通家庭生活當中,近年來全球的汽車產銷量一直都在穩步提升。與此同時,全球石油資源日益枯竭、溫室效應等形勢越來越嚴峻,能源與環境這兩大問題成為各個國家以及世界各大汽車制造廠商的重大挑戰,因此,開發節能環保的新能源汽車勢在必行。在諸多種類的新能源汽車中,電動汽車(包括純電動汽車和混合動力汽車)逐漸脫穎而出,而動力電池是電動汽車最關鍵的部件之一,但是電池單體的電壓、容量都比較有限。為了滿足車輛的需求,汽車上使用的動力電池組是由諸多的電池單體串并聯而成,與單一的電池單體相比,電池成組后面臨著安全性、不一致性和耐久性等諸多問題。為了解決這些難題,除了需要有合理的電池管理系統及其算法外,還需要采用合理的動力電池成組構型。
[0003]目前,電池成組的構型有先并聯后串聯和先串聯后并聯兩種。采用先并后串的方案時,如果某一節單體電池出現短路故障,與之并聯的所有電池單體將被其短路,短路電流非常大,從而導致非常嚴重的安全問題,而且由于并聯的各節單體電池的端電壓在任何情況下都完全一樣,電池管理系統不能分別得到每一節電池單體的端電壓,更不能對每一節電池單體進行準確的狀態估計和故障診斷,從而有安全隱患。采用先串后并的方案,如果某節單體電池出現斷路故障,與之串聯的所有單體電池無法繼續工作,電池組可靠性較低,而且電池組缺乏自均衡功能。
[0004]由上可知,傳統動力電池成組技術存在可靠性低、安全性差以及缺乏自均衡功能等缺點。
發明內容
[0005]本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一。
[0006]為此,本發明的目的在于提出一種交錯成組型動力電池組,該交錯成組型動力電池組安全性好,可靠性高,且能夠對每一節電池單體進行精確管理,本身還具有自均衡功能。
[0007]為達到上述目的,本發明實施例公開了一種交錯成組型動力電池組,包括:單體電池,所述單體電池分為N組,每一組單體電池具有M個單體電池,相鄰兩組單體電池中的單體電池一一對應,每一組的M個單體電池依次串聯,其中N和M均為大于等于2的整數,且N和M不同時等于2;以及并聯元件,所述并聯元件分為e組,第e組并聯元件中的任一個并聯元件的第一端連接在所述N組中的第e組單體電池中的相鄰兩個單體電池之間,且第e組并聯元件中的所述任一個并聯元件的第二端連接在第e+1組單體電池中的兩個相鄰單體電池之間,以通過所述多個并聯元件將所述N組單體電池并聯,其中第e+1組單體電池中的所述兩個相鄰單體電池與第e組單體電池中的所述兩個相鄰單體電池一一對應,所述e
組并聯元件中的至少一組并聯元件中的并聯元件的數量至少小于M-1,且當M等于2時相鄰兩組并聯元件中的并聯元件數量不同時為零,其中e為大于等于1且小于N的整數。[0008] 根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組,通過交錯成組的構型,能夠克服先并后串和先串后并這兩組現有電池成組構型的缺點,具有安全性能好,可靠性高,自均衡功能強以及能夠對每一節單體電池進行精確的狀態估計、故障診斷和管理等優點。
[0009]在本發明的一個實施例中,所述并聯元件為導線、可控開關、電阻、保險絲、二極管、穩壓二極管和電感中的至少一種。
[0010]采用保險絲為并聯元件的交錯成組型動力電池組,可以大大地改善電池單體失效對電池組造成的不利影響,電池組的安全性得到了進一步的提高。
[0011]在本發明的一個實施例中,所述交錯成組型動力電池組中的可控開關為電磁開關、金屬-氧化層-半導體-場效晶體管Mosfet、三極管、絕緣柵雙極型晶體管IGBT和繼電器之一。
[0012]采用可控開關為并聯元件的交錯成組型動力電池組,根據不同的工況和目的,電池管理系統可以合理的控制開關的打開和關斷,達到最優的管理和控制。
[0013]在本發明的一個實施例中,所述的交錯成組型動力電池組中每一組內的M個單體電池通過導線依次串聯。
[0014]在本發明的一個實施例中,所述交錯成組型動力電池組中的所述N組單體電池內的第1個單體電池的正極均通過導線與第一總線相連,且所述N組單體電池內的第M個電池的負極均通過導線與第二總線相連。
[0015]在本發明的一個實施例中,所述交錯成組型動力電池組的任一組并聯元件中的并聯元件與相鄰一組并聯元件中的并聯元件交替設置且間隔開至少一個單體電池。
[0016]本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出,部分將從下面的描述中變得明顯,或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
[0017]本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解,其中:
[0018]圖1為根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組的結構示意圖;
[0019]圖2為根據本發明實施例中并聯元件為電阻的交錯成組型動力電池組的結構示意圖;
[0020]圖3為根據本發明實施例中并聯元件為導線的交錯成組型動力電池組的結構示意圖;和
[0021]圖4為根據本發明實施例中并聯元件為保險絲的交錯成組型動力電池組的結構示意圖。
具體實施方式
[0022]下面詳細描述本發明的實施例,所述實施例的示例在附圖中示出,其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的,僅用于解釋本發明,而不能解釋為對本發明的限制。
[0023]下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開,下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然,它們僅僅為示例,并且目的不在于限制本發明。此外,本發明可以在不同例子中重復參考數字和/或字母。這種重復是為了簡化和清楚的目的,其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關系。此外,本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子,但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用于性和/或其他材料的使用。另外,以下描述的第一特征在第二特征之“上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例,也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例,這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
[0024] 在本發明的描述中,需要說明的是,除非另有規定和限定,術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解,例如,可以是機械連接或電連接,也可以是兩個元件內部的連通,可以是直接相連,也可以通過中間媒介間接相連,對于本領域的普通技術人員而言,可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
[0025] 參照下面的描述和附圖,將清楚本發明的實施例的這些和其他方面。在這些描述和附圖中,具體公開了本發明的實施例中的一些特定實施方式,來表示實施本發明的實施例的原理的一些方式,但是應當理解,本發明的實施例的范圍不受此限制。相反,本發明的實施例包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變化、修改和等同物。[0026] 下面參考圖1至圖4描述根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組。
[0027]如圖1所示,本發明實施例提供的交錯成組型動力電池組包括:多組單體電池101
和多組并聯元件105。其中,單體電池101分為N組,每一組單體電池具有M個單體電池
101,相鄰兩組單體電池中的單體電池一一對應,每一組的M個單體電池101依次串聯,其中N和M均為大于等于2的整數,且N和M不同時等于2;并聯元件105分為e組,第e組并聯元件中的任一個并聯元件105的第一端連接在N組中的第e組單體電池中的相鄰兩個單體電池101之間,且第e組并聯元件中的任一個并聯元件105的第二端連接在第e+1組單體電池中的兩個相鄰單體電池101之間,以通過多個并聯元件105將N組單體電池并聯,其中第e+1組單體電池中的兩個相鄰單體電池與第e組單體電池中的兩個相鄰單體電池一一對應,e組并聯元件中的至少一組并聯元件中的并聯元件105的數量至少小于M-1,且當M等于2時相鄰兩組并聯元件中的并聯元件數量不同時為零,其中e為大于等于1且小于N的整數。
[0028]在本發明的一個實施例中,如圖1所示,上述交錯成組型動力電池組中每一組內的M個單體電池101通過導線102依次串聯,導線102的電阻可以忽略不計。
[0029]在本發明的一個實施例中,如圖1所示,上述交錯成組型動力電池組的正極通過導線102與第一總線103相連,負極通過導線102與第二總線104相連。
[0030]具體而言,在本發明的一個實施例中,如圖1所示,上述交錯成組型動力電池組中的M=8,N=4,e=3。
[0031]根據本發明實施例提供的交錯成組型動力電池組,通過交錯成組的構型,能夠克服先并后串和先串后并這兩組現有電池成組構型的缺點,合理地將電池單體集成成組。因此,該交錯成組型動力電池組能夠防止由于其中一節電池單體出現短路故障而造成與之并聯電池被短路,大大提高了安全性能;同時還能防止由于一節電池單體出現斷路故障而造成其他與之串聯的電池無法繼續正常工作,因此可靠性較高。此外,電池管理系統能夠精確
的監測每一節單體電池的端電壓,進而對每一節單體電池進行精確的狀態估計、故障診斷和管理,且該交錯成組型動力電池組還具有合理的自均衡功能。
[0032]在本發明的一個實施例中,上述交錯成組型動力電池組中的并聯元件105為導線、可控開關、電阻、保險絲、二極管、穩壓二極管和電感中的至少一種。
[0033]在本發明的一個實施例中,上述交錯成組型動力電池組中的可控開關為電磁開關、Mosfet(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,金屬-氧化層-半導體-場效晶體管)、三極管、IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor,絕緣柵雙極型晶體管)和繼電器之一。
[0034]采用可控開關為并聯元件的交錯成組型動力電池組,根據不同的工況和目的,電池管理系統可以合理的控制開關的打開和關斷,達到最優的管理和控制。
[0035]在本發明的一個實施例中,上述交錯成組型動力電池組的任一組并聯元件中的并聯元件與相鄰一組并聯元件中的并聯元件交替設置且間隔開至少一個單體電池。當然,本發明的實施例并不限于此,如圖3所示,交錯成組型動力電池組的任一組并聯元件中的并聯元件與相鄰一組并聯元件中的并聯元件交替設置且間隔開兩個單體電池。另外,如圖4所示,在本發明的其它示例中,交錯成組型動力電池可以理解為從布滿整個電池組的并聯元件的基礎上,適當的剔除若干個并聯元件,以達到更好的效果,即只需保證e組并聯元件中的至少一組并聯元件中的并聯元件的數量至少小于M-1即可。如e組中的e-1組并聯元件中的每一組數量都為M-1,只要保證剩下一組并聯元件的數量少于M-1即可。
[0036]其中,這里布滿整個電池組的并聯元件的定義如下:假設e組中每一組并聯元件的數量均為M-1,則第e組并聯元件中的第i個并聯元件的第一端連接在N組中的第e組單體電池中的第i個和第i+1個單體電池之間,且第e組并聯元件中的第i個并聯元件的第二端連接在第e+1組單體電池中的第i個和第i+1個單體電池之間,以通過多個并聯元件將N組單體電池并聯,i為大于等于1且小于M的整數。
[0037]下面參考圖2以電阻為并聯元件為例對交錯成組型動力電池組進行描述。
[0038]如圖2所示,根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組包括:32節單體電池
101、10個電阻201和若干導線102。其中,32節單體電池101分為4組,每一組具有8個單體電池101,每一組的8個單體電池101通過導線102依次串聯;10個電阻201分為3組,第一組和第三組都包括3個電阻201,第二組包括4個電阻201,每一個電阻201均位于相鄰的兩組單體電池之間。具體地說,第一組中的第1個電阻201的兩端分別連接在第一組單體電池和第二組單體電池中第2、3個單體電池101之間,依次間隔連接;第二組中的第1個電阻201的兩端分別連接在第二組單體電池和第三組單體電池中第1、2個單體電池101之間,依次間隔連接;第三組中的第1個電阻201的兩端分別連接在第三組單體電池和第四組單體電池中第2、3個單體電池101之間,依次間隔連接。此外,該交錯成組型動力電池組的正極通過導線102與第一總線103相連,負極通過導線102與第二總線104相連,其中導線102的電阻可以忽略不計。
[0039] 本發明實施例提供的交錯成組型動力電池組,采用恰當阻值的電阻作為并聯元件,并且并聯元件不布滿整個電池組,而是有規律地交錯布置,其突出優點是:首先,如果某一節電池單體出現短路失效,電阻可以有效的限制短路電流的大小,提高了系統的安全性,并防止由于過流造成電池爆炸燃燒;其次,如果某一節電池單體出現斷路失效,電阻也可以
保證其它電池單體仍然能夠正常工作,對動力電池組輸出能力影響不大,可靠性得到顯著提高;第三,電池管理系統能夠獨立地監測每一節電池單體的電壓,從而可以對動力電池組進行精確的管理;最后,通過并聯元件的交錯布置,動力電池組還具有很好的自均衡功能,可以有效地改善電池單體之間的不一致性。
[0040]下面參考圖3以導線301為并聯元件為例對交錯成組型動力電池組進行描述。
[0041]如圖3所示,根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組包括:32節單體電池
101、4根導線301和若干導線102。其中,32節單體電池101分為4組,每一組具有8個單體電池101,每一組的8個單體電池101通過導線102依次串聯;4根導線301分為3組,第一組和第三組都包括1根導線301,第二組包括2根導線301,每一根導線301均位于相鄰的兩組單體電池之間。具體地說,第一組中的導線301的兩端分別連接在第一組單體電池和第二組單體電池中第4、5個單體電池101之間;第二組中的第1根導線301的兩端分別連接在第二組單體電池和第三組單體電池中第2、3個單體電池101之間,另一根與第1根對稱連接;第三組中的導線301的兩端分別連接在第三組單體電池和第四組單體電池中第
4、5個單體電池101之間。此外,該交錯成組型動力電池組的正極通過導線102與第一總線
103相連,負極通過導線102與第二總線104相連,其中導線301和導線102的電阻可以忽略不計。
[0042]根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組,以導線作為并聯元件,與以電阻作為并聯元件相比,自均衡和抵抗電池單體斷路失效的能力都得到了加強,但抵抗電池單體短路失效的能力減弱了。然而,該交錯成組型動力電池組中并聯元件采用如圖3所示的布置方式,交錯分布,可以彌補采用導線作為并聯元件導致的電池單體短路失效對動力電池組造成的不利影響。
[0043]下面參考圖4以并聯元件為保險絲為例對交錯成組型動力電池組進行描述。
[0044]如圖4所示,根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組包括:32節單體電池
101、17個保險絲401和若干導線102。其中,32節單體電池101分為4組,每一組具有8個單體電池101,每一組的8個單體電池101通過導線102依次串聯;17個保險絲401分為3組,第一組和第三組都包括6個保險絲401,第二組包括5個保險絲401,每一個保險絲401均位于相鄰的兩組單體電池之間并且兩端分別連接在相對應的兩組電池單體中的兩個電池單體之間。具體地說,例如,第一組6個保險絲401又分成兩個單元,每3個保險絲401構成一個單元,兩個單元之間以一個電池單體間隔開,依此類推,通過17個保險絲401將4組電池單體有規律地交錯集成成組。此外,該交錯成組型動力電池組的正極通過導線102與第一總線103相連,負極通過導線102與第二總線104相連,其中導線102的電阻可以忽略不計。
[0045]根據本發明實施例的交錯成組型動力電池組,采用保險絲作為并聯元件,并且并聯元件不布滿整個電池組,而是有規律地交錯布置。電池成組后的其他性能與采用電阻作為并聯元件類似,但是在某節電池單體發生短路失效的情況下,相關的若干個保險絲可以及時地熔斷,從而保護整個動力電池組,可以大大地改善電池單體短路失效對動力電池組造成的不利影響,動力電池組的安全性得到了進一步地提高。
[0046]因此,上述交錯成組型動力電池組中的并聯元件不管是采用電磁開關、繼電器、三極管、金屬-氧化層-半導體-場效晶體管Mosfet、絕緣柵雙極型晶體管IGBT等可控電子
器件之一,還是采用電阻、保險絲、二極管、穩壓二極管、電感等不可控電子器件之一,都具備各自的優點。例如,電感作為并聯元件,可以吸收電流沖擊,并將其再緩慢釋放出來,具有一定的限流效果,且能量不會變成熱能散發出去。一些可控電子元器件如金屬-氧化層-半導體-場效晶體管Mosfet、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、三級管、繼電器等,根據電池管理系統采集到的數據,通過一定的分析和計算,在恰當或者必要的時候,改變動力電池組的構型或者控制均衡電流大小,達到理想的效果。實際中,應當結合實際電池單體特性和實際需求,選取不同的并聯元件,進行將電池單體成組,才可以達到最佳動力電池成組效果。[0047] 此外,在動力電池成組時,也可以根據實際情況,雖然構型不變,但是先利用并聯元件并聯若干節電池單體至所需容量組成一個并聯支路/模塊,然后將若干個這樣的并聯支路/模塊相串聯至所需電壓完成成組。具體而言,將多個電池單體通過多個并聯元件進
行并聯連接以形成一個電池組并聯支路,其中,相鄰的電池單體通過一個并聯元件相并聯,每個電池組并聯支路的容量為預設容量;構建多個電池組并聯支路;以及將多個電池組并聯支路進行串聯以形成動力電池,其中,動力電池提供的電壓滿足預設電壓。也可以參照此構型設計其它復雜的成組順序或邏輯。
[0048]在本說明書的描述中,參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中,對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且,描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0049]盡管已經示出和描述了本發明的實施例,對于本領域的普通技術人員而言,可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型,本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。

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