鋰離子電池均衡模塊的製作方法

2023-05-10 12:17:41

本發明涉及鋰離子電池領域，尤其涉及一種鋰離子電池均衡模塊。

背景技術：

目前，大多數電動汽車企業和研究機構均採用鋰離子電池組作為其動力電池，而大功率的電動汽車所使用的鋰離子電池組是由多節單體鋰離子電池串並聯組成，以獲得較高的輸出電壓。但是，鋰離子電池組和單體鋰離子電池這二者在使用上是有很大區別的，在電池組中，各單體鋰離子電池在生產製造中必然存在個體差異，在使用中老化程度也不同，隨著充放電次數的增加以及時間的積累，這種差異將被累積甚至擴大，導致整個電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴重縮短。

現有的充電方式一般採用對鋰離子電池組整體充電，這種充電方式結構簡單，同時能簡化電流採樣電路，便於鋰離子電池組soc估算，但缺點同樣較為明顯。此充電方式不能保證所有單體電池均完全充滿電，這就造成了鋰離子電池組單體電池容量上的差異，從而導致整個電池組的性能大打折扣。

為解決上述問題，鋰電池充電均衡技術應運而生，現有技術存在兩類均衡方式：

能耗式均衡充電方式：

在充電過程中，通過並聯的分流電阻消耗電壓過高的鋰電池的電量，實現放電均衡。這種方式只能在充電過程中實現均衡充電，缺點是只能實現單向的、在充電過程中的均衡，無法實現在放電過程中的均衡，而且浪費能源，同時會產生大量的熱量，如果散熱不暢，造成鋰電池溫度升高，內阻增加，將會導致鋰電池爆炸。由於無法實現大電流分流，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，而且分流控制複雜，也無法組成多級鋰離子電池組，能耗式充電均衡僅在無安全性要求的領域應用，如：飛行航模電池組有應用，容量一般僅限於三級串聯電池組。

非能耗均衡充電方式：

將鋰電池兩端連接到對應的電感(或電容)的兩端，以電感(或電容)作為能量轉移的載體，當某個鋰電池上有多餘的能量時，啟動開關接通電感(或電容)，將多餘的能量轉移到電感(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的電感(或電容)上轉移，再由電感(或電容)儲存的能量轉移到低電量的鋰電池上，實現鋰離子電池組均衡充電。其缺點同樣是只能實現單向的、在充電過程中的均衡，無法實現在放電過程中的均衡，而且控制系統複雜，能量因為多次轉移而損耗，大體積的電感或電容元器件佔用大量空間，因此無法實現大電流分流方式均衡，所以無法組成大容量、高輸出電流/電壓的多級鋰離子電池組。

對於不帶均衡功能的鋰電池組進行充電時，鋰離子電池組的充放電效率非常低，而且電池組串聯越多，容量越大，充放電次數越多，電池組的整體效率越低，而且由於過充和過放的管理，鋰離子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。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種鋰離子電池均衡模塊，通過以均衡蓄電池作為能量載體與鋰離子電池並聯，無需關聯soc估算系統，即可達到充放電過程中各基本電池單元之間電壓均衡的目的，不僅提高有效容量，而且增加鋰離子電池的使用壽命，降低成本。

本發明提供一種鋰離子電池均衡模塊，包括至少兩個基本電池單元；

各個所述基本電池單元串聯使用；

所述基本電池單元包括至少兩個串聯的鋰離子電池和與所述鋰離子電池並聯的均衡蓄電池；

充電時，對各個所述基本電池單元同時進行充電，在接近預設最高電壓值時，通過所述均衡蓄電池充電末期電壓恆定特性，消耗掉多餘電量，抑制所述鋰離子電池在充電末期電壓快速上降，均衡各個所述基本電池單元之間的電壓；

放電時，對所述鋰離子電池和所述均衡蓄電池同時進行放電，在接近預設最低電壓值時，利用所述均衡蓄電池對所述鋰離子電池進行分流，抑制所述鋰離子電池在放電末期電壓快速下降，均衡各個所述基本電池單元之間的電壓。

作為一種可實施方式，所述均衡蓄電池為水性蓄電池。

作為一種可實施方式，所述水性蓄電池為鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋅鎳蓄電池中的一種。

作為一種可實施方式，所述基本電池單元中所述鋰離子電池的數量為2個、3個或者4個。

作為一種可實施方式，所述均衡蓄電池與所述鋰離子電池的容量比為1:5～1:20。

與現有技術相比，本技術方案具有以下優點：

本發明通過以水性蓄電池作為能量載體與鋰離子電池並聯，無需關聯soc估算系統，即可達到充放電過程中各基本電池單元之間電壓均衡的目的；在充放電末期，鋰離子電池中電流分擔電流逐漸減小，通過水性蓄電池副反應(析氧和氧複合反應)消耗掉多餘電量，從而使得各鋰離子電池都能夠達到要求充電電壓，提高系統的安全性能。在充放電過程中進行各個基本電池單元之間的電壓均衡，不斷地均衡各個基本電池單元之間的充放電量，不僅提高有效容量，而且增加鋰離子電池的使用壽命，降低成本。

附圖說明

圖1是本發明實施例一提供的鋰離子電池均衡模塊的電路結構示意圖。

圖中：1、基本電池單元；11、鋰離子電池；12、均衡蓄電池。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特徵和優點進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的部分實施例，而不是全部實施例。

請參閱圖1，本發明實施例一提供的鋰離子電池均衡模塊的電路結構示意圖，包括至少兩個基本電池單元1，各個基本電池單元1串聯使用；基本電池單元1包括至少兩個串聯的鋰離子電池11和與鋰離子電池11並聯的均衡蓄電池12；

在這裡需要說明的是均衡蓄電池12為水性蓄電池。可以是鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鋅鎳蓄電池等水性蓄電池中的任意一種。利用水性蓄電池在充放電末端電壓恆定的特性，把水性蓄電池並聯於鋰離子電池11兩端。

充電時，對各個基本電池單元1同時進行充電，在接近預設最高電壓值時，通過均衡蓄電池12充電末期電壓恆定特性，消耗掉多餘電量，抑制鋰離子電池11在充電末期電壓快速上降，均衡各個基本電池單元1之間的電壓；

放電時，對鋰離子電池11和均衡蓄電池12同時進行放電，在接近預設最低電壓值時，利用均衡蓄電池12對鋰離子電池11進行分流，抑制鋰離子電池11在放電末期電壓快速下降，均衡各個基本電池單元1之間的電壓。

下面來詳細說明均衡蓄電池12在充放電中的均衡作用：

由於鋰離子電池11在充放電末期，電池電壓急劇升高或降低，如果在基本電池單元1中的各鋰離子電池11的一致性差，容易導致單個鋰離子電池11達到保護電壓值即達到預設電壓值，引起整個模塊停止工作；在鋰離子電池11兩端並聯均衡蓄電池12後，由於水性蓄電池充放電末期電壓恆定，並聯後會使鋰離子電池11的充放電末期電壓趨於恆定，不會存在單個鋰離子電池11電壓驟升或降低的問題。在充電末期，鋰離子電池11的電流分擔電流逐漸減小，通過水性蓄電池副反應(析氧和氧複合反應)消耗掉多餘電量。在放電末期，鋰離子電池11的電流分擔電流逐漸減小，利用均衡蓄電池12對鋰離子電池11進行分流，抑制鋰離子電池11在放電末期電壓快速下降，均衡各個基本電池單元1之間的電壓。

綜上所述，通過以水性蓄電池作為能量載體與鋰離子電池11並聯，無需關聯soc估算系統，即可達到充放電過程中各基本電池單元1之間電壓均衡的目的，提高系統的安全性能。在充放電過程中進行各個基本電池單元1之間的電壓均衡，不斷地均衡各個基本電池單元1之間的充放電量，有更好的均衡效果，而且增加鋰離子電池11的使用壽命，降低成本。

基本電池單元中鋰離子電池11的數量為2個、3個或者4個組成最小的鋰離子電池11；均衡蓄電池12與鋰離子電池11的容量比為1:5～1:20。例如，鋰離子電池11是容量為160ah均衡蓄電池12的選擇範圍就為8ah和32ah之間。這樣的比例選擇，能有效簡化鋰離子電池11均衡模塊的。

下面舉兩個具體實施例用以說明本發明的實際應用效果：

實施例二：

本實施例二由8個基本電池單元1串聯構成的一個48v鋰離子電池11均衡模塊，每個基本電池單元1包括鋰離子電池11和與鋰離子電池11並聯的均衡蓄電池12；鋰離子電池11為兩隻額定容量為80ah磷酸鐵鋰電芯串聯而成，均衡蓄電池12為3隻2v10ah閥控式鉛酸蓄電池串聯而成。

以0.25c電流對鋰離子電池11均衡模塊進行充電至58.4v(預設最高電壓值)，恆壓58.4v至電流小於0.05c截止(各鋰離子電池11電壓大於3.75v截止充電)，以1c電流放電至40v((預設最低電壓值，各鋰離子電池11電壓小於2.4v截止放電)，進行充放電循環10次，循環結果如下表所示。下表中還包含本實施例二中去除均衡蓄電池12後進行充放電循環的結果。

從上表可以看到，實施例二在充放電末期各基本電池單元1之間的最大電壓差分別為10mv和5mv，較於去除均衡蓄電池12的電池組模塊減小了50％和72％；同時，充入容量也從82.4ah提高到了84.5ah；

實施例三：

本實施例三由2個基本電池單元1串聯構成的一個12v鋰離子電池11均衡模塊，每個基本電池單元1包括鋰離子電池11和與鋰離子電池11並聯的均衡蓄電池12；鋰離子電池11為兩隻額定容量為80ah磷酸鐵鋰電芯串聯而成，均衡蓄電池12為5隻1.2v10ah鎳氫蓄電池串聯而成。

以0.25c電流對鋰離子電池11均衡模塊進行充電至14.6v(預設最高電壓值)，恆壓14.6v至電流小於0.05c截止，以1c電流放電至10v(預設最低電壓值)，進行充放電循環10次，循環結果如下表所示。下表中還包含本實施例三中去除均衡蓄電池12後進行充放電循環的結果。

從上表可以看到，實施例三在充放電末期各基本電池單元1之間的最大電壓差分別為8mv和7mv，較於純鐵鋰電池組減小了57％和70％；同時，充入容量也從83.3ah提高到了85.7ah。

綜上所述，本發明在充放電過程中進行各個基本電池單元1之間的電壓均衡，不斷地均衡各個基本電池單元1之間的充放電量，不僅提高有效容量，而且增加鋰離子電池11的使用壽命，降低成本。

本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。