锂离子动力电池及电池管理系统

摘要

本发明公开了一种锂离子动力电池，电池芯包括正极片和负极片，所述正极片与所述负极片之间设有隔膜，在所述正极片上分别设有功率输出正极耳和状态检测正极耳，在所述负极片上分别设有功率输出负极耳和状态检测负极耳。本发明还公开了一种电池管理系统，包括：由若干节上述锂离子动力电池构成的电池组，所述若干节锂离子动力电池通过功率输出正极和功率输出负极依次串接；数据采样模块，每节锂离子动力电池的状态检测正极和状态检测负极分别与所述数据采样模块的输入端连接。本发明可以实现电池状态的同步检测，可以对电池状态进行同步、准确地判断，实现对电池使用过程的良好管理，使电池性能可以充分发挥，延长了电池使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于电动汽车的锂离子动力电池，及其在电动汽车上做储能应用时的电池管理系统。

背景技术

当前，各国争相发展的电动汽车、混合动力汽车都需要电池来提供动力，作为纯电动汽车的配套电源，锂离子电池以其突出的性能正在成为纯电动车的首选电源。电动汽车的主要好处是它既节能，又能达到高度的环保效应。锂电池是电动汽车使用的各类电池中性能最好的一种。与镍氢电池、铅酸电池相比，新一代锂电池重量将减轻三分之二,体积减小一半，一次充电后行驶里程将达到180公里以上。

随着锂电池在电动汽车上应用的不断增多，锂电池在电动汽车应用方面也暴露出一些问题。由于电动汽车需要的运行功率较大，其储能量也较大，这就使得电池组的组电压高，车辆运行过程中电流大。电池组电压高需要串联单体数量变多，复杂的运行工况，使得电流变化很大。

如图2所示，现有技术中的锂电池，在正极片1上设置一个公用正极耳51，在负极片2上设置一个公用负极耳52，所有的正极片1的公用正极耳51和电池壳6上的公用正极B+相连接，所有的负极片2的公用负极耳52和电池壳6上的公用负极B-相连接，正极片、负极片间用隔膜隔离，组成单体电池。如图4和图6所示，若干个电池单体通过电池的公用正极B+和公用负极B-串联成电池组，针对该电池组的电池管理系统中，电池单体又通过公用正、负极与数据采样模块的输入端连接，因为，公用正、负极既做功率输出使用又做状态检测使用，因此，数据采样模块是测量电池两端（包含电池内阻r1和电池间连接阻抗等效电阻r2）的电压信号。当电池输出电流变化较大时，它两端的电压信号也变化很大，在处理这种信号时，必须同步采样电路上的电流信号，然后在测得电压信号基础上，通过电流信号和估算电阻去修正电池的实测电压信号，用修正过的电压信号再去估算电池的荷电状态等信息。

因此，对于现有技术中的电池管理系统来讲，同步检测电压信号和电流信号是十分困难的，要实现每个电池状态的分析判断的准确性、同步及时性，是相当困难的。为了准确判断，取样分析判断系统复杂庞大，这就容易造成系统不稳定，判断电池状态不准确、不及时同步等情况的发生。基于这种情况就容易造成电池使用过程的不当管理，或容易造成电池寿命的缩短，或造成电池性能也不能充分的发挥，甚至会影响电动汽车的安全使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种锂离子动力电池及电池管理系统，解决了现有锂离子动力电池在生产、应用方面，尤其是在电动汽车车载储能管理方面，存在的电池状态判断不准确、不同步、判断状态延后等问题，实现对电池使用过程的良好管理，使电池性能可以充分发挥，延长了电池使用寿命。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：锂离子动力电池，包括电池壳和安装于所述电池壳内的电池芯，所述电池芯包括涂敷有正极活性物质的正极片和涂敷有负极活性物质的负极片，所述正极片与所述负极片之间设有隔膜，其中，在所述正极片上分别设有功率输出正极耳和状态检测正极耳，在所述负极片上分别设有功率输出负极耳和状态检测负极耳；

    所述电池壳上分别设有两个功率输出极和两个状态检测极，所述两个功率输出极包括功率输出正极和功率输出负极，所述两个状态检测极包括状态检测正极和状态检测负极，所述功率输出正极耳、功率输出负极耳、状态检测正极耳和状态检测负极耳分别与所述功率输出正极、功率输出负极、状态检测正极和状态检测负极一一对应焊接在一起。

作为一种优选的技术方案，所述状态检测正极的截面积小于所述功率输出正极的截面积，所述状态检测负极的截面积小于所述功率输出负极的截面积。

作为一种优选的技术方案，所述功率输出正极、功率输出负极、状态检测正极和状态检测负极设于所述电池壳的同侧；相对应的所述功率输出正极耳、功率输出负极耳、状态检测正极耳和状态检测负极耳设于所述电池芯的同侧。

电池管理系统，包括：

       由若干节上述锂离子动力电池构成的电池组，所述若干节锂离子动力电池通过所述功率输出正极和所述功率输出负极依次串接；

       与所述电池组串接的电流传感器；

       数据采样模块，每节锂离子动力电池的状态检测正极和状态检测负极分别与所述数据采样模块的输入端连接，所述电流传感器的信号输出端也与所述数据采样模块的输入端连接；

       数据处理模块，所述数据采样模块的输出端与所述数据处理模块的输入端连接。

作为一种优选的技术方案，所述数据采样模块包括：

       用于采集每节锂离子动力电池两个状态检测极之间的电压信号并将其转换为数字信号的单体电池电压采集模块；

       用于采集相邻两节锂离子动力电池的相邻两个状态检测极之间的电压信号并将其转换为数字信号的单体电池间电压采集模块；

       用于采集电流信号并将其转换为数字信号的电流采集模块；

   所述数据处理模块包括：

       控制中心；

       分别与控制中心的输入端连接的：

       根据单体电池电压采集模块采集到的信号进行电池荷电状态判断并向控制中心发出信息的单体电池荷电状态判断模块；

       根据单体电池间电压采集模块采集到的信号的波动判断相邻两节锂离子动力电池连接状况并向控制中心发出信息的单体电池间连接状态判断模块；

       根据电流采集模块采集到的信号的变化判断电流正常或异常并向控制中心发出信息的电流状态判断模块；

       分别与控制中心的输出端连接的：

       根据控制中心接收到的单体电池荷电状态判断模块发出的信息对荷电量低的锂离子动力电池进行充电和对荷电量高的锂离子动力电池进行放电的均衡电路模块；

        根据控制中心接收到的单体电池间连接状态判断模块发出的信息发出电池组故障报警信号的电池组故障报警模块；

        根据控制中心接收到的电流状态判断模块发出的信息发出电流报警信号的电流报警模块。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本发明锂离子动力电池,在正极片上分别设有功率输出正极耳和状态检测正极耳，在负极片上分别设有功率输出负极耳和状态检测负极耳，且在电池壳上分别设有两个功率输出极（功率输出正极和功率输出负极）和两个状态检测极（状态检测正极和状态检测负极），功率输出正极耳、功率输出负极耳、状态检测正极耳和状态检测负极耳分别与功率输出正极、功率输出负极、状态检测正极和状态检测负极一一对应焊接在一起。采用上述的结构，锂离子动力电池将功率输出极和状态检测极分开设置。本发明电池管理系统中，若干节上述锂离子动力电池通过功率输出正、负极依次串接成电池组，而将锂离子动力电池的状态检测正、负极分别与数据采样模块的输入端连接，因此，两个状态检测极仅作状态检测使用不参与功率输出，数据采样模块测量的是电池两端（不包含电池内阻和电池间连接阻抗的等效电阻）的电压信号，电池输出的功率的变化不会影响到状态检测极状态的变化，状态检测极输出的信号同步且较稳定的体现了电池的荷电状态，从状态检测极检测到的信号，是一个稳定变化信号，体现了电池荷电状态的变化。

综上所述，本发明可以实现电池状态的同步检测，可以对电池状态进行同步、准确地判断，实现对电池使用过程的良好管理，使电池性能可以充分发挥，延长了电池使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例中锂离子动力电池的结构示意图。

图2是现有技术中锂离子动力电池的结构示意图。

图3是本发明实施例中锂离子动力电池的等效电路。

图4是现有技术中锂离子动力电池的等效电路。

图5是本发明实施例中电池管理系统的电路原理图。

图6是现有技术中电池管理系统的电路原理图。

图7是本发明实施例中电池管理系统的数据采样模块和数据处理模块的原理框图。

图中：1.正极片，2.负极片，31.功率输出正极耳，32.功率输出负极耳，41.状态检测正极耳，42.状态检测负极耳，P+.功率输出正极，P-.功率输出负极，S+.状态检测正极，S-.状态检测负极，51.共用正极耳，52.共用负极耳，B+.共用正极，B-.共用负极，6.外壳，7.电流传感器，r1.电池内阻，r2.电池间连接阻抗等效电阻，EB+.电池组正极，EB-.电池组负极。

具体实施方式

如图1所示，一种锂离子动力电池，包括电池壳6和安装于电池壳6内的电池芯。

电池芯包括涂敷有正极活性物质的正极片1和涂敷有负极活性物质的负极片2，且电池芯由n片正极片1和n+1片负极片2相间隔叠放，中间用隔膜隔开，最外层是负极片2。其中，在正极片1上分别设有功率输出正极耳31和状态检测正极耳41，状态检测正极耳41的截面积小于功率输出正极耳31的截面积；在负极片2上分别设有功率输出负极耳32和状态检测负极耳42，状态检测负极耳42的截面积小于功率输出负极耳32的截面积。

在电池壳6上分别设有两个功率输出极：功率输出正极P+和功率输出负极P-，以及两个状态检测极：状态检测正极S+和状态检测负极S-。电池芯上的功率输出正极耳31、功率输出负极耳32、状态检测正极耳41和状态检测负极耳42分别与电池壳6上的功率输出正极P+、功率输出负极P-、状态检测正极S+和状态检测负极S-一一对应焊接在一起。且状态检测正极S+的截面积小于功率输出正极P+的截面积，状态检测负极S-的截面积小于功率输出负极P-的截面积。

本实施过程中，功率输出正极P+、功率输出负极P-、状态检测正极S+和状态检测负极S-设于电池壳6的同侧；相对应的功率输出正极耳31、功率输出负极耳32、状态检测正极耳41和状态检测负极耳42设于电池芯的同侧。也可以根据电池组结构的需要将功率输出正极P+和功率输出负极P-与状态检测正极S+和状态检测负极S-分别设于电池壳6的相对侧；相对应的将功率输出正极耳31和功率输出负极耳32与状态检测正极耳41和状态检测负极耳42也分别设于电池芯的相对侧。

上述结构的电池芯密封在电池壳6内，电池壳6可以采用钢壳、铝壳、塑壳或者是铝塑复合膜软壳等，通过注液通道注入电解液，充电后完成电池的制作。

本发明锂离子动力电池的等效电路如图3所示，因为功率输出极与状态检测极分开设置，状态检测正、负极S+、S-测量锂离子动力电池的电压信号时，不包含电池内阻r1及电池间连接阻抗的等效电阻r2上的电压值，因此，电池输出功率的剧烈变化不会引起状态检测极状态的剧烈变化，状态检测极输出的信号同步且较稳定的体现了电池的荷电状态，从状态检测极检测到的信号，是一个稳定变化信号，体现了电池荷电状态的变化。本发明的锂离子动力电池与现有技术中的锂离子动力电池相比，它同步及时且精确地检测出电池的荷电量等状态信号提供给电池管理系统进行判断管理，防止电池的过充、过放等现象的发生。

如图5所示，一种电池管理系统。其包括由若干节上述结构的锂离子动力电池构成的电池组、与电池组串接的电流传感器7、对锂离子动力电池的电压值和电流传感器7的输出信号进行采集的数据采样模块，以及对数据采样模块采集的信息进行处理的数据处理模块。

其中，电池组中的若干节锂离子动力电池通过功率输出正极P+和功率输出负极P-依次串接在一起，每节锂离子动力电池的状态检测正极S+和状态检测负极S-分别与数据采样模块的输入端连接，电流传感器的信号输出端也与数据采样模块的输入端连接，数据采样模块的输出端与数据处理模块的输入端连接。

如图7所示，具体的，所述数据采样模块包括单体电池电压采集模块、单体电池间电压采集模块和电流采集模块。所述数据处理模块包括控制中心、分别与控制中心的输入端连接的单体电池荷电状态判断模块、单体电池间连接状态判断模块和电流状态判断模块，以及分别与控制中心的输出端连接的均衡电路模块、电池组故障报警模块和电流报警模块。

电池组在充电或者放电（电动汽车运行时）时，数据采样模块中的单体电池电压采集模块采集每节锂离子动力电池两个状态检测极S+、S-之间的电压信号并将其转换为数字信号；单体电池间电压采集模块采集相邻两节锂离子动力电池的相邻两个状态检测极之间的电压信号并将其转换为数字信号；电流采集模块采集整个电池组的电流信号并将其转换为数字信号。然后，数据采样模块将采集到的信号传送给数据处理模块进行处理。

数据处理模块中，单体电池荷电状态判断模块根据单体电池电压采集模块采集到的信号进行电池荷电状态判断并向控制中心发出信息，具体是根据预先植入的电池状态检测极电压和电池荷电量对应关系表(此数据表为电池的特性数据关系对应数据表)进行电池SOC状态的判断，根据查表估算出的每个电池的荷电量，然后传送至控制中心。然后均衡电路模块根据控制中心接收到的单体电池荷电状态判断模块发出的信息对荷电量低的锂离子动力电池进行充电和对荷电量高的锂离子动力电池进行放电，并由控制中心控制充电启停或放电功率的大小调整，并给驾驶人提供电量信息。

单体电池间连接状态判断模块根据单体电池间电压采集模块采集到的信号的波动判断相邻两节锂离子动力电池连接状况并向控制中心发出信息，当电池间（两个电池的状态检测极间）的电压信号出现异常变大，说明电池组单体电池间的连接出现故障，能及时向控制中心发出信息。电池组故障报警模块根据控制中心接收到的单体电池间连接状态判断模块发出的信息发出电池组故障报警信号，且控制中心根据状态信息作出相关应急处理，并显示相关故障通知驾驶人。

电流状态判断模块根据电流采集模块采集到的信号的变化判断电流正常或异常并向控制中心发出信息，当电流信号超过报警值，向控制中心发出信息，电流报警模块根据控制中心接收到的电流状态判断模块发出的信息发出电流报警信号，防止电池组不安全事故的发生。

综上所述，本发明的电池管理系统中，锂离子动力电池将功率输出极和状态检测极分开设置，若干节上述锂离子动力电池通过功率输出正、负极P+、P-依次串接成电池组，而将锂离子动力电池的状态检测正、负极S+、S-分别与数据采样模块的输入端连接。数据采样模块测量的是电池两端（不包含电池内阻r1和电池间连接阻抗的等效电阻r2）的电压信号，电池输出的功率的剧烈变化不会引起状态检测极状态的剧烈变化，状态检测极输出的信号较稳定的体现了电池的荷电状态，从状态检测极检测到的信号，是一个稳定变化信号，体现了电池荷电状态的变化。综上所述，本发明的电池管理系统可以实现电池状态的同步检测，可以对电池状态进行同步、准确地判断，实现对电池使用过程的良好管理，使电池性能可以充分发挥，延长了电池使用寿命。