一種鋰電池的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種鋰電池，包括多個鋰電池組，每個鋰電池組由多塊鋰電池單體（11）相互緊貼而成，相鄰兩個鋰電池組的外壁之間設置有金屬保護板（12），其特征在于：每個鋰電池組通過非耗散型均衡裝置進行各個鋰電池單體之間的直接電壓均衡。本發明鋰電池改變了傳統由鋰離子電池組整體向單體電池進行補充電量的模式，使電池能量直接由電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體，因而具有高效率充電和控制簡單的優點。
【專利說明】一種鋰電池
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鋰電池，尤其是涉及一種非耗損均衡電路的鋰電池。
【背景技術】
[0002]日前，由于環境、能源等問題，電動汽車產業發展迅速。通常情況下，電動汽車使用串聯的鋰離子電池組作為其動力源，或動力源的一部分，電池組在工作過程中的不一致性制約了其最大能量的釋放，影響了電動車的動力性，縮短電池壽命，并有可能發生變熱、爆炸等安全事故，威脅了電動車乘員和駕駛員的人身安全。因此，對鋰離子電池組均衡系統的研究是很有必要的。
[0003]電動汽車所需的動力電源電壓在300 V左右，這就需要上百塊鋰離子電池串聯使用，有時為了增大電池所能提供的能量，電池組串聯后再并聯。由于生產加工技術水平的限制，每塊電池單體在出廠時的各項特性不可能完全一致，而且在使用過程中，電池特性也會隨外界環境等多種因素變化，因此，電池組在工作時必然存在不一致的問題。
[0004]電池組的不一致性體現在電壓、內阻、剩余電量等方面，由于電池的剩余電量估計技術(即SOC估計)日前尚未成熟，我們在進行電池組均衡時所參照的標準一般是各電池電壓。由于電池組串聯使用，其在放電時電流相同，電壓不同。如果我們不進行電池組均衡，而僅僅對電壓進行監控，則在某塊電池電壓達到下限時電池組便停止工作，此時，其他電池仍可繼續放電，這樣造成了能量的浪費。同樣，充電時某一塊電池電壓到達上限便停止充電，此時其他電池尚未充滿，相當于減少了電池容量。若進行電池組均衡，則各電池電壓同步變化，
充放電時電池同時充滿、同時放空，使其容量得到最大化利用，增長了電動車的續駛里程，減少電池充放電次數，延長了電池使用壽命。
[0005]均衡系統分類
電池均衡控制的方法多種多樣，且新方法層出不窮，采用不同的分類標準將產生不同的結果。若按均衡電路的拓撲結構分類，則分為集中式均衡和分布式均衡；若按均衡的作用過程分類，則有充電均衡、放電均衡和雙向均衡；按電池均衡標準，可分為電壓均衡和SOC均衡；若按是否對電池所帶的電荷進行保護的角度來分，則有耗散型均衡和非耗散型均衡。
[0006]1、耗散型均衡。
[0007]耗散型均衡方式是指利利用并聯電阻等方式將電池組中電量較多的電池的能量消耗掉，直到其荷電狀態到達平均值。
[0008]2、非耗散型均衡。
[0009]非耗散型均衡是指利用電容、電感等儲能元件在電池之間進行能量轉移，使電池組電壓保持一致的均衡系統。可分為能量轉換式均衡和能量轉移式均衡兩種。
[0010]2.1、能量轉換式均衡。
[0011]能量轉換式均衡是通過反激式變換器由鋰離子電池組整體向單體電池進行補充電量，或者由單體電池向電池組進行補充的均衡方式。能量轉換均衡方式可分為兩種:上限均衡和下限均衡。所謂上限均衡就是當電池組中某個電池的電壓高于平均電壓時，通過變壓器把這個電池多余的能量反饋到整個電池組上去。而下限均衡是當某個電池的電壓低于平均電壓時，通過變壓器把能量從電池組轉換到指定的電池上去。通常，上限均衡用于充電過程中，下限均衡用于放電均衡中。
[0012]2.2、能量轉移式均衡。
[0013]能量轉移式均衡是通過使用儲能元件把能量從電壓高的電池轉移到電壓低的電池。這種方式可以使用開關電容來實現，由電容傳遞相鄰電池的能量，將電荷從電壓高的電池傳到電壓低的電池以達到均衡。
[0014]由此可見，現有技術中存在以下技術缺陷:
(I)耗散型均衡方式將電能轉化成了熱量，這種均衡方式造成能量的大量流失，且產生的熱量使系統溫度升高，可能造成安全問題并縮短電池壽命。
[0015](2)能量轉換式均衡粉方式需要單個電池給整個電池模塊進行充電，效率和均衡效果普遍不高，并且控制模塊結構復雜。
[0016](3)能量轉移式均衡方式采用電容或電感的方法進行能量轉移，這種方式只能只能均衡相鄰電池電量，能量傳遞的快慢取決于相鄰電池的電壓差的大小，在均衡后期速度很慢。
【發明內容】
[0017]本發明設計了一種鋰電池，其解決的技術問題是(I)耗散型均衡方式將電能轉化成了熱量，這種均衡方式造成能量的大量流失，且產生的熱量使系統溫度升高，可能造成安全問題并縮短電池壽命。(2)能量轉換式均衡粉方式需要單個電池給整個電池模塊進行充電，效率和均衡效果普遍不高，并且控制模塊結構復雜。(3)能量轉移式均衡方式采用電容或電感的方法進行能量轉移，這種方式只能只能均衡相鄰電池電量，能量傳遞的快慢取決于相鄰電池的電壓差的大小，在均衡后期速度很慢。
[0018]為了解決上述存在的技術問題，本發明采用了以下方案:
一種鋰電池，包括多個鋰電池組，每個鋰電池組由多塊鋰電池單體(11)相互緊貼而成，相鄰兩個鋰電池組的外壁之間設置有金屬保護板(12)，其特征在于:每個鋰電池組通過非耗散型均衡裝置進行各個鋰電池單體之間的直接電壓均衡。
[0019]進一步，所述非耗散型均衡裝置包括多繞組充電變壓器、多繞組放電變壓器、充電均衡控制開關、放電均衡控制開關、均衡開關控制模塊以及鐵芯，每塊鋰電池單體(11)正負極之間并聯連接兩支電路，其中一支電路上串聯連接有多繞組充電變壓器和充電均衡控制開關，另外一支電路上串聯連接有多繞組放電變壓器和放電均衡控制開關；多繞組充電變壓器和多繞組放電變壓器的均衡繞組線圈繞線方向相反，并且繞匝在同一個鐵芯上；均衡開關控制模塊用于控制各個充電均衡控制開關和各個放電均衡控制開關的斷開和導通。
[0020]進一步，充電均衡控制開關和放電均衡控制開關由N溝道MOS場效應管和場效應管保護電路組成，N溝道MOS場效應管通過低邊驅動。
[0021]進一步，均衡開關控制模塊由微處理器、電壓檢測電路和開關驅動回路組成，均衡開關控制模塊產生低邊驅動脈沖信號，用于控制充電均衡控制開關和放電均衡控制開關的N溝道MOS場效應管；均衡開關控制模塊控制邏輯集成在微處理器中。[0022]該鋰電池與傳統的鋰電池相比，具有以下有益效果:
本發明鋰電池改變了傳統由鋰離子電池組整體向單體電池進行補充電量的模式，使電池能量直接由電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體，因而具有高效率充電和控制簡單的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1:本發明鋰電池第一種結構示意圖；
圖2:本發明鋰電池第二種結構示意圖；
圖3:本發明鋰電池第三種結構示意圖；
圖4:本發明鋰電池的非耗散型均衡裝置結構示意圖；
圖5:本發明鋰電池的電池單體放電示意圖；
圖6:本發明鋰電池的電池單體充電示意圖。
[0024]附圖標記說明:
11 一鋰電池單體；12—金屬保護板；13—固定裝置；
21—殼體；22—鋰電池單體；23—金屬導管；24—導熱套管；
31—保護電路板；32—鋰電池正極；33—負極鎮帶；34—電芯負極極片鎮帶；35—正極招帶；36—塑I父電芯蓋板；37 —電芯正極極片鎮帶；38—塑I父殼體；39 —電池極片卷芯；310—負極鎳帶引線；311—電池負極。
【具體實施方式】
[0025]下面結合圖1至圖6，對本發明做進一步說明:
實施例1:如圖1所示，一種鋰電池，包括兩個鋰電池組，兩個鋰電池組均是由兩塊鋰電池單體11相互緊貼而成，每個鋰電池組的外壁設置有金屬保護板12。每組鋰電池組中的鋰電池單體11可以根據實際情況增加，而鋰電池組也可以根據實際情況增加。金屬保護板12是由兩塊鋁板通過設置在鋁板邊緣的固定裝置13相固定構成。固定裝置13可以是鉚釘。
[0026]本發明鋰電池在利用金屬保護板12特別是高散熱的鋁板來固定鋰電池單體11，不僅可以實現多塊鋰電池單體11同時使用，為用電設備提供持久的續航能力和強勁的電能，而且其散熱效率也非常高，即使多塊鋰電池單體11同時使用也不會出現溫度過高導致鋰電池I被燒壞的現象。
[0027]此外，如圖4所示，本發明還包括非耗散型均衡裝置，每個鋰電池組通過非耗散型均衡裝置進行各個鋰電池單體之間的直接電壓均衡。
[0028]非耗散型均衡裝置包括多繞組充電變壓器、多繞組放電變壓器、充電均衡控制開關、放電均衡控制開關、均衡開關控制模塊以及鐵芯，每塊鋰電池單體11正負極之間并聯連接兩支電路，其中一支電路上串聯連接有多繞組充電變壓器和充電均衡控制開關，另外一支電路上串聯連接有多繞組放電變壓器和放電均衡控制開關；多繞組充電變壓器和多繞組放電變壓器的均衡繞組線圈繞線方向相反，并且繞匝在同一個鐵芯上；均衡開關控制模塊用于控制各個充電均衡控制開關和各個放電均衡控制開關的斷開和導通。
[0029]充電均衡控制開關和放電均衡控制開關由N溝道MOS場效應管和場效應管保護電路組成，N溝道MOS場效應管通過低邊驅動。
[0030]均衡開關控制模塊由微處理器和開關驅動回路組成，均衡開關控制模塊產生低邊驅動脈沖信號，用于控制充電均衡控制開關和放電均衡控制開關的N溝道MOS場效應管；均衡開關控制模塊控制邏輯集成在微處理器中。
[0031 ] 如圖4所示，鋰電池單體C4為電壓最高，鋰電池單體C2為電壓最低，且電壓差范圍滿足電池不均衡條件限值，均衡過程被啟動。
[0032]如圖5所示，放電均衡控制開關S8閉合，電流從鋰電池單體C4流出，并將電能儲存在多繞組放電變壓器L8中。
[0033]多繞組放電變壓器L8放電過程結束后，放電均衡控制開關S8斷開。放電均衡控制開關S8斷開瞬間，多繞組放電變壓器L8線圈電流降為零，與多繞組放電變壓器L8繞線方向相反的線圈中產生反向電動勢。
[0034]如圖6所示，斷開放電均衡控制開關S8的同時，將電壓最低鋰電池單體C2的充電均衡控制開關S3閉合，放電均衡控制開關S8斷開瞬間產生的反向電動勢將多繞組充電變壓器L3線圈中的能量送至C4中。
[0035]本發明非耗散型均衡裝置的工作原理如下:
均衡開關控制模塊的微處理器和電壓檢測電路實時采集鋰電池組中各單體的電壓，并計算電池組中的最高單體電壓和最低單體電壓。
[0036]均衡開關控制模塊的微處理器控制電壓最高鋰電池單體的放電均衡控制開關導通，將電能轉移到多繞組放電變壓器繞組中；然后該最高電壓鋰電池單體的放電均衡控制開關斷開，電壓最低鋰電池單體的充電控制開關導通，最高電壓鋰電池單體的多繞組放電變壓器通過鐵芯將能量轉移到電壓最低鋰電池單體的多繞組充電變壓器上，最后多繞組充電變壓器中的能量被補充到該最低電壓鋰電池單體中，完成一個充放電過程。
[0037]均衡開關控制模塊的微處理器繼續檢測單體電壓，如滿足均衡條件，重新開啟一次均衡過程；如不滿足均衡條件，不再進行均衡過程。
[0038]實施例2:如圖2所示，本發明提供一種內設有金屬導管的鋰電池，由殼體21、鋰電池單體22與金屬導管23構成，鋰電池單體22設置在殼體21的內腔中。金屬導管23的數量為兩個，兩個金屬導管23貫穿于導熱套管24中，該導熱套管24也貫穿于鋰電池單體22與殼體21的內部。將多個金屬導管23套設在一個導熱套管24中，也便于對多個金屬導管23進行管理，使金屬導管23不會在鋰電池單體22與殼體21中發生位移。多個鋰電池單體22組合成鋰電池組。
[0039]另外，由在金屬導管23的管壁表面還分布有多個通孔，鋰電池單體22與殼體21內腔中所產生的熱量會通過金屬導管23表面分布的多個通孔導入金屬導管，然后通過金屬導管被導出至殼體的外部。本發明利用鋰電池單體22中的金屬導管23進行導熱、導電以及通氣的特點，從而起到導出鋰電池單體22中心熱量的作用，有利于散熱、縮短集電極、減小內阻、降低熱耗、均衡電池內部壓力等作用。
[0040]此外，如圖4所示，本發明還包括非耗散型均衡裝置，每個鋰電池組通過非耗散型均衡裝置進行各個鋰電池單體之間的直接電壓均衡。
[0041]非耗散型均衡裝置包括多繞組充電變壓器、多繞組放電變壓器、充電均衡控制開關、放電均衡控制開關、均衡開關控制模塊以及鐵芯，每塊鋰電池單體11正負極之間并聯連接兩支電路，其中一支電路上串聯連接有多繞組充電變壓器和充電均衡控制開關，另外一支電路上串聯連接有多繞組放電變壓器和放電均衡控制開關；多繞組充電變壓器和多繞組放電變壓器的均衡繞組線圈繞線方向相反，并且繞匝在同一個鐵芯上；均衡開關控制模塊用于控制各個充電均衡控制開關和各個放電均衡控制開關的斷開和導通。
[0042]充電均衡控制開關和放電均衡控制開關由N溝道MOS場效應管和場效應管保護電路組成，N溝道MOS場效應管通過低邊驅動。
[0043]均衡開關控制模塊由微處理器和開關驅動回路組成，均衡開關控制模塊產生低邊驅動脈沖信號，用于控制充電均衡控制開關和放電均衡控制開關的N溝道MOS場效應管；均衡開關控制模塊控制邏輯集成在微處理器中。
[0044]如圖4所示，鋰電池單體C4為電壓最高，鋰電池單體C2為電壓最低，且電壓差范圍滿足電池不均衡條件限值，均衡過程被啟動。
[0045]如圖5所示，放電均衡控制開關S8閉合，電流從鋰電池單體C4流出，并將電能儲存在多繞組放電變壓器L8中。
[0046]多繞組放電變壓器L8放電過程結束后，放電均衡控制開關S8斷開。放電均衡控制開關S8斷開瞬間，多繞組放電變壓器L8線圈電流降為零，與多繞組放電變壓器L8繞線方向相反的線圈中產生反向電動勢。
[0047]如圖6所示，斷開放電均衡控制開關S8的同時，將電壓最低鋰電池單體C2的充電均衡控制開關S3閉合，放電均衡控制開關S8斷開瞬間產生的反向電動勢將多繞組充電變壓器L3線圈中的能量送至C4中。
[0048]本發明非耗散型均衡裝置的工作原理如下:
均衡開關控制模塊的微處理器和電壓檢測電路實時采集鋰電池組中各單體的電壓，并計算電池組中的最高單體電壓和最低單體電壓。
[0049]均衡開關控制模塊的微處理器控制電壓最高鋰電池單體的放電均衡控制開關導通，將電能轉移到多繞組放電變壓器繞組中；然后該最高電壓鋰電池單體的放電均衡控制開關斷開，電壓最低鋰電池單體的充電控制開關導通，最高電壓鋰電池單體的多繞組放電變壓器通過鐵芯將能量轉移到電壓最低鋰電池單體的多繞組充電變壓器上，最后多繞組充電變壓器中的能量被補充到該最低電壓鋰電池單體中，完成一個充放電過程。
[0050]均衡開關控制模塊的微處理器繼續檢測單體電壓，如滿足均衡條件，重新開啟一次均衡過程；如不滿足均衡條件，不再進行均衡過程。
[0051]實施例3:如圖3所示，本實施例公開了一種鋰電池，包括鋰電池單體和封裝鋰電池單體的外殼，在外殼內還設有一保護電路板31，保護電路板31與鋰電池單體的正極與負極電連接以保護鋰電池。多個鋰電池單體組合成鋰電池組。
[0052]外殼包括桶狀塑膠殼體38和塑膠蓋板36,塑膠殼體38與塑膠蓋板36相互扣合將鋰電池單體封裝在其中。
[0053]鋰電池單體包括電池極片卷芯39、電芯負極極片鎳帶34、電芯正極極片鎳帶37、負極鎳帶33、正極鋁帶35、電池正極32、電池負極311以及負極鎳帶引線310。電池極片卷芯39與電芯負極極片鎳帶34、負極鎳帶33、負極鎳帶引線310、以及電池負極311串聯在一起引出該鋰電池的負極輸出；所述電池極片卷芯39與電芯正極極片鎳帶37、正極鋁帶35、電池正極32串聯在一起引出該鋰電池的正極輸出。[0054]本發明鋰電池其制造方法，包括如下步驟:
(1)利用注塑機生產出桶狀塑膠殼體38與塑膠電芯蓋板36;
(2)將電芯極片卷芯39置入塑膠殼體38的桶體內；
(3)通過超聲焊接或電阻焊接方式，將電芯極片卷芯39的電芯負極極片鎳帶34與塑膠電芯蓋板36中鑲嵌的電芯負極極片鎳帶33焊接，并將電芯極片卷芯39的電芯正極極片鎳帶37與塑膠電芯蓋板36中鑲嵌的正極鋁帶35焊接；
(4)將塑膠電芯蓋板36鑲入塑膠殼體38中；
(5)將塑膠電芯蓋板36與塑膠殼體38通過激光焊接在一起；
(6)對該鋰電池進行注液、封口、充電；
(3)連接并固定保護電路板31。
[0055]本發明將保護電路板與鋰電池封裝在一起，使得本發明同時具有了電池保護電路的功能，進而使得本發明使用更加方便。
[0056]此外，如圖4所示，本發明還包括非耗散型均衡裝置，每個鋰電池組通過非耗散型均衡裝置進行各個鋰電池單體之間的直接電壓均衡。
[0057]非耗散型均衡裝置包括多繞組充電變壓器、多繞組放電變壓器、充電均衡控制開關、放電均衡控制開關、均衡開關控制模塊以及鐵芯，每塊鋰電池單體11正負極之間并聯連接兩支電路，其中一支電路上串聯連接有多繞組充電變壓器和充電均衡控制開關，另外一支電路上串聯連接有多繞組放電變壓器和放電均衡控制開關；多繞組充電變壓器和多繞組放電變壓器的均衡繞組線圈繞線方向相反，并且繞匝在同一個鐵芯上；均衡開關控制模塊用于控制各個充電均衡控制開關和各個放電均衡控制開關的斷開和導通。
[0058]充電均衡控制開關和放電均衡控制開關由N溝道MOS場效應管和場效應管保護電路組成，N溝道MOS場效應管通過低邊驅動。
[0059]均衡開關控制模塊由微處理器和開關驅動回路組成，均衡開關控制模塊產生低邊驅動脈沖信號，用于控制充電均衡控制開關和放電均衡控制開關的N溝道MOS場效應管；均衡開關控制模塊控制邏輯集成在微處理器中。
[0060]如圖4所示，鋰電池單體C4為電壓最高，鋰電池單體C2為電壓最低，且電壓差范圍滿足電池不均衡條件限值，均衡過程被啟動。
[0061]如圖5所示，放電均衡控制開關S8閉合，電流從鋰電池單體C4流出，并將電能儲存在多繞組放電變壓器L8中。
[0062]多繞組放電變壓器L8放電過程結束后，放電均衡控制開關S8斷開。放電均衡控制開關S8斷開瞬間，多繞組放電變壓器L8線圈電流降為零，與多繞組放電變壓器L8繞線方向相反的線圈中產生反向電動勢。
[0063]如圖6所示，斷開放電均衡控制開關S8的同時，將電壓最低鋰電池單體C2的充電均衡控制開關S3閉合，放電均衡控制開關S8斷開瞬間產生的反向電動勢將多繞組充電變壓器L3線圈中的能量送至C4中。
[0064]本發明非耗散型均衡裝置的工作原理如下:
均衡開關控制模塊的微處理器和電壓檢測電路實時采集鋰電池組中各單體的電壓，并計算電池組中的最高單體電壓和最低單體電壓。
[0065]均衡開關控制模塊的微處理器控制電壓最高鋰電池單體的放電均衡控制開關導通，將電能轉移到多繞組放電變壓器繞組中；然后該最高電壓鋰電池單體的放電均衡控制開關斷開，電壓最低鋰電池單體的充電控制開關導通，最高電壓鋰電池單體的多繞組放電變壓器通過鐵芯將能量轉移到電壓最低鋰電池單體的多繞組充電變壓器上，最后多繞組充電變壓器中的能量被補充到該最低電壓鋰電池單體中，完成一個充放電過程。
[0066]均衡開關控制模塊的微處理器繼續檢測單體電壓，如滿足均衡條件，重新開啟一次均衡過程；如不滿足均衡條件，不再進行均衡過程。
【權利要求】
1.一種鋰電池，包括多個鋰電池組，每個鋰電池組由多塊鋰電池單體(11)相互緊貼而成，相鄰兩個鋰電池組的外壁之間設置有金屬保護板(12)，其特征在于:每個鋰電池組通過非耗散型均衡裝置進行各個鋰電池單體之間的直接電壓均衡。
2.根據權利要求1所述鋰電池，其特征在于:所述非耗散型均衡裝置包括多繞組充電變壓器、多繞組放電變壓器、充電均衡控制開關、放電均衡控制開關、均衡開關控制模塊以及鐵芯，每塊鋰電池單體(11)正負極之間并聯連接兩支電路，其中一支電路上串聯連接有多繞組充電變壓器和充電均衡控制開關，另外一支電路上串聯連接有多繞組放電變壓器和放電均衡控制開關；多繞組充電變壓器和多繞組放電變壓器的均衡繞組線圈繞線方向相反，并且繞匝在同一個鐵芯上；均衡開關控制模塊用于控制各個充電均衡控制開關和各個放電均衡控制開關的斷開和導通。
3.根據權利要求1至2所述鋰電池，其特征在于:充電均衡控制開關和放電均衡控制開關由N溝道MOS場效應管和場效應管保護電路組成，N溝道MOS場效應管通過低邊驅動。
4.根據權利要求1至3中任何一項所述鋰電池，其特征在于:均衡開關控制模塊由微處理器、電壓檢測電路和開關驅動回路組成；均衡開關控制模塊產生低邊驅動脈沖信號，用于控制充電均衡控制開關和放電均衡控制開關的N溝道MOS場效應管；均衡開關控制模塊控制邏輯集成在微處理器中。
【文檔編號】H01M10/42GK103682483SQ201310635756
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】俞國宏 申請人:義烏市運拓光電科技有限公司