CN102473888A - 低损耗蓄电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄电池(4)，包括至少第一分支和第二分支(Br₁，Br₂)，每个分支具有串联连接的至少第一存储电池(E_1，1，E_1，2)和第二存储电池(E_2，1，E_2，2)，所述蓄电池还包括开关(D_2，1)，通过所述开关(D_2，1)所述第一存储电池并联连接，以及通过所述开关(D_2，1)所述第二存储电池并联连接，当所述存储电池中的一个形成开路时，所述开关的截止阈值被设计为引导电流。

Description

低损耗蓄电池

本发明涉及一种电气化学蓄电池。例如，这些蓄电池可以用于电气及混合运输车辆或车载***的领域。

电气化学电池通常具有下列数量级的标定电压：

-用于镍氢(Ni-MH)型电池的1.2V；

-用于磷酸铁锂离子(LiFePO4)技术的3.3V；

-用于氧化钴基的锂离子技术的4.2V。

这些标定电压与大多数需要充电的***相比来说过低。为了获得合适的电压电平，将多个电池串联放置。为了获得高功率及容量水平，将多个电池并联放置。每阶的数量(串联电池的数量)以及每阶并联电池的数量根据期望的电压、期望的电流以及期望的电池容量而改变。多个电池的组合称为蓄电池。

当设计蓄电池时，目的是为了提供预定操作电压下的某个功率电平。为了最大化该功率，通过尽可能地降低电池的寄生内部电阻，而最大化所传输的电流。

锂离子电池非常适合于交通运输***的应用，这是因为它们具有能以以较小体积存储大量能源的能量。在锂离子电池技术中，基于磷酸铁的电池相比基于氧化钴的锂离子电池而言，能够提供给每单位体积的稍低能量损坏更高水平的固有安全。此外，锂离子电池还具有最小电压，低于最小电压电池可能遭受损坏。

图1显示了现有技术的锂离子蓄电池1。锂离子蓄电池1由串联连接的四阶Et1、Et2、Et3及Et4组成。每阶包括四个并联连接的相似电池。给定阶电池的端子通过大截面电连接器连接到一起。每阶还通过大截面电连接器连接到相邻阶，由此对应一阶电池的电流总和，允许大电流流动。一个或更多负载将连接到锂离子蓄电池1的N端子和P端子。

四阶端子处的电压分别由U1、U2、U3和U4表示。在此附图中，锂离子蓄电池1的端子U和P之间的总电压U为电压U1、U2、U3和U4的总和。流过第四阶Et4的每个电池的电流分别由I1、I2、I3和I4表示。在锂离子蓄电池1的端子P处产生的电流I为电流I1、I2、I3和I4的总和。

为了保护锂离子蓄电池1在电池中出现短路的后果，每个电池具有串联连接到其上的保险丝。当电池形成短路时，流经此电池的电流实际增加，并且使得其保险丝熔化，从而保护锂离子蓄电池1的其他电池。在没有保险丝的情况下，当存在短路时该电池中分布的电能将导致其过热以及其他正在放电的电池过热。这样的分布可以是火灾开始的原因。当每阶包含大量并联的、用于存储大量电能的电池时，基于氧化钴的锂离子技术与基于磷酸铁的锂离子技术尤其危险。因此，使用保险丝证明是特别适合于该技术。

锂离子电池的各个电池不能自然地削波(clip)其端子的电压。因此需要每阶增加辅助充电控制/平衡电路2，以用于每阶Et1到Et4能够正确地充电。通过串联设置四个电池的四阶，需要每阶关联有充电控制/平衡功能。因此，辅助充电控制/平衡电路2控制锂离子蓄电池1每阶的充电及平衡。

电池的充电对应于其端子处电压的增加。当电池达到由其电气化学工艺定义的标定电压电平时，该电池被认为是充电。如果在该电压到达之前，充电被中断，则该电池不能够完全充电。

在蓄电池的整个寿命过程中，某些缺陷会出现在组成蓄电池的某些电池中。在一个电池中的缺陷通常由短路或开路的电池显示，或者由电池中的高泄露电流显示。重要的是了解电池故障对蓄电池的影响。开路或短路可以导致整个蓄电池的全部故障。

如果大泄露电流出现在一阶的一个电池中，蓄电池作为电阻，这将导致存在问题的阶的电池放电为零。由于电能相对较低地分布，因此火灾出现的危险被降低。在锂离子技术中，每阶的电池放电为零电压损坏了这些电池，这意味着不仅初始缺陷的电池并且其他电池都不得不需要替换。当一个电池形成短路时，由于它们之间的大截面电连接器，该阶的其他三个电池初始放电到该电池中。当存在短路时，与电池串联连接的保险丝中断了其他三个电池的不期望的放电。

这样的蓄电池具有大量的缺点。保险丝被设计通过大电流并因而导致成本超限的出现，由此降低了其功率性能。

文献US 6 051 955中揭露了一种蓄电池，其包括并联连接的两个分支。每个分支包括三个串联的电池。这些电池通过两个输出端子充电和放电。保护电阻***在输出端子其中一个与电池的每个分支之间。监控电路检测这些元件的任意过充电或过放电。如果出现这种情况，监控电路则打开该输出端子与电池的分支之间保护电阻。

一个分支的每个电池并联连接到其他分支的一个电池。串联的两个保险丝由此连接两个各自的电池。监控电路连接到串联的两个保险丝之间的每个节点。

蓄电池还包括串联连接在分支和保护电阻之间的保险丝。

上述蓄电池具有以下大量缺点：

-在蓄电池操作过程中由串联保险丝和保护电阻导致的大焦耳损耗；

-电池的任意故障立刻中断监控电路对蓄电池的操作；

-蓄电池的容量不是最优的：在充电期间，大多数高充电电池中断了蓄电池的充电，而其他电池还未到达其最佳充电。在放电期间，大多数放电电池中断了放电，而其他电池还未达到其放电阈值。

文献WO 2009/021762公开了一种蓄电池，其包括两个并联分支。在一个实施例中，每个分支包括串联连接的四个电池。两个分支的电池属于不同类型：第一分支包括高功率电池，相比第二分支包括高容量电池。每个高容量电池通过电阻并联连接到高功率电池上。该蓄电池可以由此同时响应峰值电流需求并具有高容量。

实际上，上述蓄电池具有缺点。高功率电池不能适当地改善蓄电池的容量。此外，该蓄电池实际上不能够放置某些故障。因此，在一个电池中的短路可能导致通过电阻与其并联的电池中出现过电流。由于两个分支的电池还属于不同类型，因此如果一个电池出现故障，补偿是不可能想象的。

本发明的目的在于在不损害蓄电池所提供的安全级别的情况下，解决上述缺陷中的一个或多个。因此，本发明涉及一种蓄电池，包括至少第一分支和第二分支，每个分支具有串联连接的至少第一电池和第二电池，所述蓄电池还包括开关，通过所述开关所述第一电池并联连接，以及通过所述开关所述第二电池并联连接，当所述第一电池和所述第二电池中的一个形成开路时，所述开关的截止阈值被设计为引导电流。

在一个实施例中，蓄电池包括具有串联连接的第一电池和第二电池的第三分支，所述蓄电池还包括另一个开关，通过所述开关所述第一电池并联连接，以及通过所述开关所述第二电池并联连接。

根据另一个实施例，所述第一电池形成所述蓄电池的第一阶，并且所述第二电池形成所述蓄电池的第二阶，所述蓄电池还包括平衡电路，用于平衡所述第一电池和所述第二电池的电荷，所述平衡电路连接到每阶的端子。

根据再一个实施例，并联连接的所述第一电池和所述第二电池之间的每个联结点连接到所述平衡电路。

根据又一个实施例，所述第一分支和所述第三分支的电池不相邻，并且所述平衡电路连接到所述第一分支和所述第三分支的电池的端子。

根据一个实施例，并联连接的所述第一电池和所述第二电池之间的联结点的横截面小于串联连接的所述第一电池和所述第二电池之间的联结点的横截面。

根据另一个实施例，所述开关包括可熔电连接器。

根据另一个实施例，所述开关的截止阈值被设计为当所述第一电池和所述第二电池的其中一个短路时打开。

根据一个实施例，所述第一电池和所述第二电池为以下类型的电池，即在其端子处使用高于其标定电压15％的电压不会对所述第一电池和所述第二电池造成损坏。

根据再一个实施例，所述第一电池和所述第二电池为锂离子类型。

根据另一个实施例，所述分支未提供与所述第一电池和所述第二电池串联而设置的保护开关。

根据再一个实施例，所述第一电池和所述第二电池的内部电阻小于所述开关的内部电阻。

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的蓄电池的示意图；

图2为本发明一个实施例的蓄电池的示意图；

图3显示了在正常工作状态下流经蓄电池的各个电池的电流示意图；

图4显示了当开关释放出现短路时蓄电池中的电流示意图；

图5为短路之后流经蓄电池的各个电池的电流示意图；

图6为显示蓄电池放电的曲线图；

图7为电池处于开路时电流的示意图；

图8和图9为本发明其他实施例的蓄电池示意图；

图10为本发明又一个实施例的蓄电池中电池设置示例的分解视图；

图11为本发明再一个实施例的蓄电池的示意图。

本发明提出了一种蓄电池，该蓄电池包括至少第一分支和第二分支，每个分支具有串联连接的至少第一电池和第二电池，该蓄电池还包括开关，通过该开关第一电池并联连接，以及通过该开关第二电池并联连接。当所述第一电池和所述第二电池中的一个形成开路时，开关的截止阈值被设计为引导电流。

在正常工作时开关可以以降低的成本且具有较少焦耳分布，在故障期间为蓄电池的电池提供有效的过电流保护。此外，通过使得所有正常工作的电池补偿短路电池的失效而允许蓄电池继续可用。

图2显示了本发明第一实施例的蓄电池4，蓄电池4具有正极端子P和负极端子N。一个或更多的负载可以连接在正极端子P和负极端子N之间。蓄电池4包括数个分支Br₁到Br₅。在图示例子中，蓄电池4包括五个分支。下文中索引j对应于分支Br_j。每个分支Br_j包括多个串联连接的电池E_i，j，属于氧化钴基的锂离子类型。分支Br₁包括电池E_1，1、E_2，1、E_3，1、E_4，1和E_5，1。在图示例子中，每个分支Br_j包括五个电池E_i，j。索引i在下文中对应于阶Et_j，阶Et_j包括分别属于每个分支的五个电池。

预定阶的电池通过开关并联连接。通常，术语“开关”表示用于防止电流流动和在过负载时用于切换的开关，从而保护与其连接的部件。

第一阶Et₁的电池E_1，j为并联连接。电池E_1，j通过它们的正极端子连接到蓄电池4的正极端子P。有利地，这些正极端子通过大截面连接器连接到正极端子P，因为该连接具有连接各种分支的并联电流的功能。第一阶Et₁的电池E_1，j的负极端子通过开关连接在一起。因此，开关D_2，1将电池E_1，1的负极端子连接到电池E_1，2的负极端子。

第二阶Et₂的电池E_2，j也是并联连接。一方面第三阶Et₃的电池E_3，j，另一方面第四阶Et₄的电池E_4，j也均为并联连接。对于这些中间阶的每个，预定阶的电池的正极端子通过开关连接一起，并且它们的负极端子也通过开关连接一起。

如图所示，每个开关用于两个相连阶的并联连接(两个阶共享连接节点)。因此，开关D_2，1用于将电池E_1，1和电池E_1，2并联连接，但是还用于将电池E_2，1和电池E_2，2并联连接。

第五阶Et₅的电池E_5，j为并联连接。第五阶Et₅的电池E_5，j通过开关连接一起。因此，开关D_5，1将电池E_5，1的正极端子连接到电池E_5，2的正极端子。电池E_5，j通过它们的负极端子连接到蓄电池4的负极端子N。有利地，这些负极端子通过大截面连接器连接到负极端子N，因为该连接具有注入并联电流到各种分支中的功能。

充电/平衡电路5连接到每个阶的端子。本领域普通技术人员将确定合适的充电/平衡电路5，以平衡每阶的电池电压以及控制每个电池的充电。

流经电池E_i，j的电流由I_i，j表示。流经开关D_i，j的电流由It_i，j表示。阶i端子处的电压由U_i表示。通过阶i的正极端子与充电/平衡电路5进行交换的电流由Ieq_(i)表示。

开关被限定为这样一种电保护装置，其具有在电路过负载的情况下中断或者很大程度地限制(例如变化了100系数)流经其的电流。图示例子的开关设计稍后将给出详细解释。

图3显示了在蓄电池4的正极端子P和负极端子N之间连接的负载3存在的情况下，正常工作状态下的蓄电池4的理论示例。负载3比作0.2欧姆的电阻。每个电池比作与0.01欧姆电阻(表示其内部电阻)串联的3.3V电压源。开关比作0.015欧姆电阻，并且开关的截至电流为6A。预定阶的电池之间的串联连接适于设计为经受住分支的标定电流。

在该示例中，电池位于其最大蓄能，并且所有的电池具有相同的蓄能。因此，没有电流流经开关。在正常工作时，因此可以看到开关未导致焦耳损失，因为流经开关的电流为零。这里，蓄电池4内部的焦耳损失仅仅由电池的内部电阻所导致。蓄电池的功率效率因而最佳化。15.7A的电流流经每个分支，从而导致78.5A(大概数值)的电流通过负载3。

开关被设置为与电池之间的连接器并联。在正常工作时，仅少量电流必须流经这些连接器，同时各种电池被充电或平衡(尤其是蓄电池4的充电端)。在正常工作时流经开关的电流总是保持在截至阈值下方。因此，所使用的开关可以设计为正好位于那些对于串联放置的开关来说必须的开关下方。还应当注意到，所使用的开关的数量小于那些对于串联开关来说必须的开关的数量。蓄电池4的成本因而显著地降低。

为了提供最优化的电池保护，开关具有低于电池可承受的最大充电电流或放电电流的截至阈值。在该例子中，截至阈值为6A，并且大体上低于流经图3所示的每个电池的15.7A的电流。

图4显示了在电池E_3，3形成短路以及不村子开关截至的情况下的理论电流值。假设电池的最大充电或放电电流为30A，可以看到第三阶的所有电池将易于损坏。可以看到相对较大的电流流经电池之间的并联连接器。流经开关D_2，2、D_2，3、D_3，2、D_3，3、D_4，2、D_4，3、D_5，2及D_5，3的电流将高于其截至阈值。

如图5所示，由于电池E_3，3导致的过电流，开关D_2，2、D_2，3、D_3，2、D_3，3、D_4，2、D_4，3、D_5，2及D_5，3被打开。过电流因此随着时间推移而被限制，由此消除了因电池过热而导致火灾开始的任何危险。

在过渡相期间，由于分支3的低电阻，最后的分支由其他分支再充电，直至各个分支的电压电平平衡。为了补偿短路电池E_3，3的故障，负电流使得电池E_1，3、E_2，3、E_4，3及E_5，3充电到3.88V的电压。该过电压未导致磷酸铁基电池的恶化，对于磷酸铁基电池电解质衰退通常出现在4.5V以上。可承受两端子之间的电压高于其标定电压的其他类型的电池也可以使用。尤其是，可以这样类型的电池，即其端子处使用高于其标定电压15％的电压不会对其造成损坏。蓄电池中阶的数量越大，一旦短路时相对其标定电压而提供到电池上的过电压越受到限制。在分支Br₃的电池已由其他分支的电池充电后，流经该分支的电流为零。这种情况下，低于电池的标定30A电流的19.4A的电流流经分支Br₁、Br₂、Br₃及Br₄。各种分支的电池因此很好地保护防止在其中一个电池中短路导致的过电流出现。横向电流It_i，j为零。流经负载3的电流为77.6A，即接近于蓄电池4正常工作时的电流的值。一旦分支Br₃的电池被再充电，该分支也可以传输低量级电流以提供给负载3。

图6分别显示了在正常工作状态下蓄电池4放电(粗体曲线)以及在短路电池存在情况下蓄电池4放电(中断曲线)的放电曲线图。可以看出，当完全充电时，蓄电池4的负极端子N和正极端子P之间的电压维持在相同的电平。如果其中一个电池出现故障，蓄电池4的放电阈值仅在时间T1处达到。当故障出现时，蓄电池4的性能因此降低。通过注意放电时间中低于预定阈值的下降，电路3能够检测电池的故障。该故障可以信号形式发给使用蓄电池4的人员，以提醒他需要维修该电池。然而，在必须维修之前蓄电池4在经过数个充电/放电循环中仍维持有效。由于开关放置其他电池损坏，因此维修可以仅仅是改变有缺陷的电池。

图7显示了一旦出现形成开路或短路的电池故障(假如是电池E_3，3)时的蓄电池4。形成并联连接器的开关使得其他电池补偿电池E_3，3的故障。0.5A的电流流经开关D_2，1、D_2，4、D_5，1及D_5，4，0.9A的电流流经开关D_3，1、D_3，4、D_4，1及D_4，4。1.4A的电流流经开关D_2，2、D_2，3、D_5，2及D_5，3，5.3A的电流流经开关D_3，2、D_3，3、D_4，2及D_4，3。因此，流经开关的每个电流未超出这些开关的截止阈值。这样，所有正常运行的电池放电，蓄电池4的容量因而稍微减少。蓄电池4从而可以维持一定数量的充电/放电循环的正常运行。16.6A、15.7A、13.6A、15.7A以及16.6A的电流流经第一阶Et₁的各个电池E_1，j，这些电流低于这些电池中每个的标定限制。

充电/平衡电路5能够识别电池E_3，3的故障，尤其是因为第三阶Et₃的更快速的放电。该故障可以信号形式发送给使用蓄电池4的人员，以提醒他有维修的需要。

有利地，以这样的方式设计开关：即通过至少一个开关短路电池导致截止，以及开路电池引导未导致截止的各个开关中的电流。

在图3到图7所示的例子中，充电/平衡电路5通过分支Br₅的节点连接到分支Br₁到分支Br₄。在截止开关以隔离包括有缺陷电池的分支之后，处于更远位置的分支不再连接到充电/平衡电路5上，并且可以不再被平衡。在图4到图7所示的故障示例中，分支Br₁和分支Br₂不再被充电/平衡电路5所平衡。

图8显示了克服上述缺陷的蓄电池的一个实施例。该实施例的原理是将对置分支中的其中一个相同阶的节点连接到一起。因此，分支Br₁和分支Br₅的节点分别通过开关D₂到D₅连接一起。充电/平衡电路5因而可以继续对未存在缺陷的所有分支进行充电和平衡，即使在缺陷分支存在的情况下。另外，也可以将预定阶的非相邻的两个电池连接到充电/平衡电路5。

图9显示了本发明另一个实施例，其中预定阶的电池端子均连接到充电/平衡电路5的其中一个相同的端子。这样的连接使得能够有利于充电/平衡电路5执行充电平衡。此外，如图10所示在由放射状分布的数个电池形成每个阶，从而形成大体上圆柱状的蓄电池时，这样的连接尤其有利。点划线相当于蓄电池4各个阶之间的串联电连接器。

图11为本发明另外一个实施例的蓄电池的示意图。在图8所示实施例中，分支Br₁和分支Br₅的节点分别通过开关D₂到D₅连接一起，因此充电并平衡所有的未存在缺陷的分支，即使在缺陷分支存在的情况下。充电/平衡电路5通过连接器L1到L6连接到每阶电池的端子。此外，充电/平衡电路5与分支Br₁到分支Br₅中的每个为直接连接(未穿过两个电池之间的连接节点的连接)，例如在节点N2到N5处。直接连接到充电/平衡电路5的节点N2到N5，串联连接预定阶的两个电池。由此，对于任何分支，能够确定这样的节点与正极端子P之间的电压，以及确定这样的节点与负极端子N之间的电压。以此方式，能够识别在哪个分支中电池存在短路或开路。短路电池将特别地修改该节点与负极端子N之间的电压，以及修改该节点与正极端子P之间的电压。在图示示例中，充电/平衡电路5与节点N2到N5的每个连接由此使得能够确定有缺陷的分支以及继续执行蓄电池4各阶的充电。

这些电池的并联连接器的电阻(例如开关的内部电阻)有利地高于电池的内部电阻。这样，在开关导致截止之前，电池中电流的量级被限制。电池故障对远距离分支的影响也被限制。当电池5通过单个分支的节点连接时，开关的电阻受到限制，从而防止用于远离充电/平衡电路5的分支的充电时间过多地增加。

图示开关例如是保险丝。当高于其标定阈值的电流流经保险丝时，保险丝的传导截面熔化。其他类型的开关当然也可以使用。尤其是，能够使用可重调的开关。也可以使用正温度系数(PTC)型开关，其中电阻随着温度突然地显著增加。这种开关的电阻的增加使得能够将流经它的电流限制到非常低的数值，从而在没有任何熔化的情况下导致焦耳效应所产生的能量的扩散。如果导致开关中电流的故障消失，则开关继续返回其初始导电电平。尤其是，PTC型开关为商业可获得的。

Claims (13)

1.一种蓄电池(4)，其特征在于，包括至少第一分支和第二分支(Br₁，Br₂)，每个分支具有串联连接的至少第一电池(E_1，1，E_1，2)和第二电池(E_2，1，E_2，2)，所述蓄电池还包括开关(D_2，1)，通过所述开关(D_2，1)所述第一电池并联连接，以及通过所述开关(D_2，1)所述第二电池并联连接，当所述第一电池和所述第二电池中的一个形成开路时，所述开关的截止阈值被设计为引导电流。

2.如权利要求1所述的蓄电池，包括具有串联连接的第一电池(E_1，3)和第二电池(E_2，3)的第三分支(Br₃)，所述蓄电池(4)还包括另一个开关(D_2，2)，通过所述开关(D_2，2)所述第一电池并联连接，以及通过所述开关(D_2，2)所述第二电池并联连接。

3.如权利要求1或2所述的蓄电池，其中所述第一电池形成所述蓄电池的第一阶，并且其中所述第二电池形成所述蓄电池的第二阶，所述蓄电池还包括平衡电路(5)，用于平衡所述第一电池和所述第二电池的电荷，所述平衡电路连接到每阶的端子。

4.如权利要求3所述的蓄电池，其中并联连接的所述第一电池和所述第二电池之间的每个联结点连接到所述平衡电路(5)。

5.如权利要求2和3所述的蓄电池，其中所述第一分支和所述第三分支(Br₁，Br₃)的所述第一电池和所述第二电池不相邻，并且其中所述平衡电路(5)连接到所述第一分支和所述第三分支的所述第一电池和所述第二电池的端子。

6.如权利要求3所述的蓄电池，其中所述平衡电路(5)通过串联连接所述分支的每个分支的两个电池的节点，连接到所述分支的每个分支上。

7.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中并联连接的所述第一电池和所述第二电池之间的联结点的横截面小于串联连接的所述第一电池和所述第二电池之间的联结点的横截面。

8.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中所述开关包括可熔电连接器。

9.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中所述开关的截止阈值被设计为当所述第一电池和所述第二电池的其中一个短路时打开。

10.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中所述第一电池和所述第二电池为以下类型的电池，即在所述第一电池和所述第二电池的端子处使用高于其标定电压15％的电压不会对所述第一电池和所述第二电池造成损坏。

11.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中所述第一电池和所述第二电池为锂离子类型。

12.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中所述分支未提供与所述第一电池和所述第二电池串联而设置的保护开关。

13.如以上权利要求其中任一项所述的蓄电池，其中所述第一电池和所述第二电池的内部电阻小于所述开关的内部电阻。

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