轻型电动车用的高空间利用率的多功能锂离子电池储能系统

摘要

本发明涉及轻型电动车用的高空间利用率的多功能锂离子电池储能系统，包括具有安装腔的箱体、装置于箱体安装腔内的电池模组、与电池模组电路连接的充放电插装口，电池模组由四个或八个电池单元串联成组形成，电池单元为容量100Ah到300Ah之间的大容量方形铝壳电芯做成的锂离子电池单体，且电池模组与充放电插装口电路连接的输出电路中设有升压模块，箱体内壁与电池模组之间设有减震结构。本发明采用大容量方形铝壳电芯和升压模块结构，使本发明在达到现有电动自行车新国标电机驱动电压不低于48V标准的同时，又大大减少了串联电芯的个数和提高了使用的安全性，具有高体积能量密度、高安全性、长寿命、低成本、应用范围广等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源锂离子电池领域,特别是一种轻型电动车用的高空间利用率的多功能锂离子电池储能系统。

背景技术

对于电动车而言（包含电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、电动四轮车等），一般情况下，电机驱动电压不低于48V，锂离子单体电芯的额定电压一般为3.0 V到4.4 V之间。为了达到48V的输出电压，需要将十多个单体电芯进行串联（如磷酸铁锂电芯需要16个电芯串联，三元锂芯需要15个电芯串联），对于要求更高输出电压的电动摩托车，电机则需要更多的电芯串联个数。而单体大容量100Ah到300Ah之间的方形铝壳电池体积比较大, 直接通过十几个电芯串联成组后的电池组体积远远超过了电动自行车或者电动摩托车车架所能容纳的空间，导致电池组和车架的尺寸匹配出现问题。

申请号为201110297192.3的专利和申请号为201180069814.5的专利申请公开了一种电动自行车用电池组。这两项发明技术均使用了扁形覆膜软包电芯单体进行电池成组，通过多个电芯的串联来实现驱动电动自行车的功能。然而这两项发明专利技术存在的问题如下：

（1）单体电池容量小，铝塑膜软包单体电芯由于铝塑膜冲坑深度的限制导致单体容量无法做大。一般而言,软包单体电芯的容量为20到30Ah。

（2）串联电芯个数多，为了实现驱动电动自行车的功能，电池组电压需要达到不低于48V的电压，由于单体额定电压一般在3V到4V之间，成组的单体电芯个数必须达到15或16个，导致电池组体积大。

（3）续航较短，由于单体电芯容量比较小，多个单体串联后的电池组能够达到48V30Ah,电动自行车续航约为100km到80km，无法实现大于200km的长续航能力，比如及时配送行业要求新国标电动自行车电池充满电后续航可以达到200km。

（4）成组后由于电池单体数量比较多，在电池组整个生命周期内的老化过程中，单体电芯之间的不一致性给整个电池组的使用寿命带来极大挑战，以致电池寿命只有1至2年，较短的电池寿命使得电池的使用成本较高。

（5）为了追求比较高的能量密度，软包电芯通常选择使用镍钴锰酸锂正极三元材料体系，三元锂离子电池的热稳定性比较差，牺牲了一定的安全性，给广大使用锂离子电池的消费者安全带来一定的隐患。

（6）电池单体数量多，导致电池系统空间利用率较低，体积能量密度较低。

电动自行车新国标：是指2019年4月15日，中国正式实施的GB 17761-2018 《电动自行车安全技术规范》,该新国家标准要求整车质量（含电池）小于等于55kg，电机功率小于等于400W,蓄电池标称电压小于等于48V,必须具有脚踏骑行功能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种在达到现有电动自行车新国标电机驱动电压不低于48V标准的同时，又大大减少了串联电芯的个数，并且具有高空间利用率、高体积能量密度、高安全性、长寿命、长续航、低成本、应用范围广等特点的多功能锂离子电池储能系统。该锂离子电池储能系统具有多功能用途，除了用于轻型电动车领域外，还可以用于普通家用电器和户外电源等。

本发明的技术方案是：

本发明所述高空间利用率的多功能锂离子电池储能系统，其特点是：包括具有安装腔的箱体、装置于箱体安装腔内的电池模组、与电池模组电路连接的充放电插装口，所述电池模组由四个或八个电池单元串联成组形成，所述电池单元为容量100Ah到300Ah之间的大容量方形铝壳电芯做成的锂离子电池单体，且所述电池模组与充放电插装口电路连接的输出电路中设有升压模块，所述箱体内与电池模组之间设有减震结构，四个或八个电池单元串联成组后电压输出为10V-34V，通过升压模块直流升压电路将输出电压提升至48V-60V或通过升压模块交流升压电路将输出电压提升至220V。所述升压模块也叫升压器或电压升压转化器。所述电池单元优选为容量100Ah到300Ah之间，并可通过针、过充、挤压、炉温安全测试的汽车级锂离子电池单体。

进一步是：该锂离子电池储能系统还包括有BMS硬件保护电路板，该BMS硬件保护电路板串联在所述电池模组的连接电路中，且所述电池模组与升压模块、BMS硬件保护电路板通过绝缘件隔离。通过绝缘件将电池模组与升压模块、BMS硬件保护电路板隔离的目的是避免出现短路的情况。为使本发明在安装方便的同时又结构更紧凑，所述绝缘件安装于电池模组的上方，该绝缘件的上表面设有供所述升压模块和BMS硬件保护电路板容置的凹位结构及方便电路隐藏连接的过线槽。所述箱体上还安装有盖置于绝缘件上方的上盖及提手。

优选是：四个或八个电池单元通过贴置于相邻两电池单元之间的阻燃型泡沫双面胶可靠粘合在一起。阻燃型泡沫双面胶位于电池单元的侧面靠近外周位置。进一步是：八个电池单元直立安装并呈两列排布粘合在一起。

本发明中的减震结构的具体组成及安装方式可根据使用者需要来定，如所述减震结构的第一种方案是包括装置于箱体内的水平缓冲板及多个位于缓冲板与箱体内底面之间的弹性缓冲柱，所述电池模组承载于缓冲板上。所述减震结构还可以是包括多个至少一端带吸盘的弹性胶柱，所述弹性胶柱的一端通过吸盘吸附在箱体的内壁上，另一端顶置于电池模组上，这种结构不仅结构简单、减震缓冲效果好，而且电池模组还可利用弹性胶柱所撑开的空间进行散热，以达到电池的最佳性能。所述减震结构的第二方案是包括密封型耐磨软胶外壳体、填充于所述耐磨软胶外壳体内部的减震散热介质，所述减震散热介质为液体，耐磨软胶外壳体上设有带密封塞的换液口。这种独特减震件结构，能多层次的进行减震（耐磨软胶减震和液压减震），进一步的减少了震动，保护电池不被振动损坏，而且液体介质还具有吸热和传热作用，能使电池模组在使用过程中产生的热量通过液体介质进行散热。进一步方案是耐磨软胶外壳体内部还安装有位于液体介质中的纵向伸缩弹簧。所述减震结构的第三种方案是包括装置于箱体内壁上的至少两弹性夹持装置，各弹性夹持装置包括呈立式安装在箱体内的导向夹持片、位于导向夹持片和箱体内侧壁之间的弹簧，各导向夹持片的上端部做成向其外倾斜的斜边结构，电池模组轴向插置于至少两弹性夹持装置之间的空间处，并通过至少两导向夹持片对电池模组插入导引和弹性夹置。由于导向夹持片和箱体内侧壁之间装有弹簧，不仅具有减震作用好和散热效果好的特点，而且又可与多种尺寸的电池模组相吻合夹持，通用性强，也不会夹伤产品，又操作方便。本发明中的这几种减震结构都可使电池模组在受到震动时有足够的缓冲和安全变形空间，具有减震和散热效果好的特点。因为对于锂离子电池储能系统来说，除了防止震动损坏外，还有一个重要的要求是需保持适宜的温度。只有保持适宜的温度，电池单元才能达到其最佳性能和达到最佳的使用寿命。

为使本发明能有效防止被盗，以进一步的提高本发明使用的安全性，还可在多功能锂离子电池储能系统上设置安全报警装置。至于安全报警装置的具体结构可根据需要设置，如可以是：所述箱体上安装有盖置于绝缘件上方的上盖、提手，所述提手通过转轴可上下翻转地连接于上盖上，上盖上相应的设有供提手下转容置收藏的容置槽，所述安全报警装置包括与BMS硬件保护电路板连接的微型报警器和报警开关、位于容置槽内的能将微型报警器和报警开关的电路连通的动触开关，在报警开关开启的情况下，提手收藏于容置槽内时其提手或与转轴连接的拨动块下顶动触开关而使微型报警器和报警开关的连接电路断开，并在提手从容置槽中转出时松开对动触开关的顶置，使得微型报警器和报警开关的连接电路连通实现报警。为防止别人关闭报警开关进行盗窃，所述报警开关优选为智能密码开关或智能指纹识别开关。至于智能密码开关或智能指纹识别开关在现有的智能锁上均有应用，在此不再详述。

本发明由于采用将四个或八个电动汽车的大容量（100Ah到300Ah之间）方形铝壳电芯作为储能系统中的锂离子电池单体，并增设升压模块和减震结构，使本发明在使用时，不仅电池单体的电流容量大，续航时间长，而且因汽车级大容量（100Ah到300Ah之间）方形铝壳电芯可通过针、过充、挤压、炉温等安全测试，杜绝了电池模组及电池系统着火爆炸的风险，使得消费者的人身和财产安全得到了保障，安全性能高。并且可通过升压模块的直流升压将电池模组的低输出电压提升至48V-60V输出，在达到电动自行车新国标48V 电压输出的同时，又大大减少了串联电池单体的数量（从现有的需15个单体串联数量减少到了8个），有效利用了整体空间，增加了电池活性材料，具有高空间利用率、高体积能量密度、高安全性的特点，使本发明使用范围更广和实用性更强。再者，通过升压模块的交流升压电路将电池模组的低输出电压提升至220V输出，可以为普通家用电器如冰箱、微波炉、风扇提供电能，也可以为馈电的新能源汽车提供应急补充电能，具有多功能用途。而减震结构又可减少震动，保护电池单体不被振动损坏。又由于相邻电池单体是通过阻燃型泡沫双面胶可靠粘合在一起，因双面胶具有一定厚度，一方面可以为电芯大面膨胀预留空间，以增加电芯寿命，另一方面可将电池单体之间相互隔开，使得电池单体之间互不接触，不仅能够实现很好的散热过程，并且能够防止电池单体之间相互干扰，单一的电池单体泄漏不会影响其他电池的正常使用，具体很强的实用性。

本发明的优点：

（1）具有高空间利用率、高体积能量密度、长续航的特点，一次充电可以达到200km续航。一般而言，对于外卖物流电动自行车来说，11000Wh的能量续航可以做到80公里，本发明技术方案的电池系统以采用8个170Ah额定电压为3.2V的单体为例，该电池系统所具有的能量为8*3.2V*170Ah=4352 Wh,升压模块升压转化效率约为90%，即4352*90%÷11000*80=208.9km。

（2）长寿命，10年60万km累计续航使用寿命。

（3）高安全，能轻松通过针刺、过充、挤压、炉温安全测试。

（4）箱体内增设了减震结构，当电动轻型车受到震动时，通过减震作用能够降低电池受到的震动，保护电池不被震动损坏。

（4）整体体积小，功能多，能广泛应用于电动自行车、电动摩托车、电动三轮车、电动四轮车等电动车中。该技术方案具备输出48V和60V直流电压的能力以及输出220V交流电压的能力，通过调节电压输出，该储能系统不仅可以用于新国标电动车，还可以为普通家用电器提供应急电能，具有广泛的应用前景。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明中电池模组的结构示意图；

图2为图1中四个电池单体的装配结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为图3打开上盖后的结构示意图；

图5为图3的一实施例的装配结构示意图；

图6为本发明中另一实施例的结构示意图；

图7为本发明中的减震结构实施例二的结构示意图；

图8为本发明用于两轮电动车上的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图8所示，本发明所述轻型电动车用的高空间利用率的多功能锂离子电池储能系统（储能系统也叫储能装置或储能机构），包括具有安装腔的箱体4、装置于箱体4安装腔内的电池模组、与电池模组电路连接的充放电插装口，所述电池模组由四个或八个电池单元1串联成组形成，所述电池单元1为容量100AH到300Ah之间的大容量方形铝壳电芯做成的锂离子电池单体，且所述电池模组与充放电插装口电路连接的输出电路中设有升压模块5，所述箱体4内与电池模组之间设有减震结构，四个或八个电池单元1串联成组后电压输出为10V-34V，通过升压模块5直流升压电路将输出电压提升至48V-60V或通过升压模块5交流升压电路将输出电压提升至220V。这种电池模组与升压模块5结合的结构，使本发明在同等箱体空间体积下，单体电芯的体积得以增大，整体空间利用率提升了20%，可以容纳更多的电池活性材料，从而使得锂离子电池储能系统的体积能量密度提升了10%。，具有高空间利用率和高体积能量密度的特点。优选是四个或八个电池单元1通过贴置于相邻两电池单元之间的阻燃型泡沫双面胶2可靠粘合在一起。进一步是阻燃型泡沫双面胶2位于电池单元1的侧面靠近外周位置。

为使锂离子电池储能系统的结构更可靠，锂离子电池储能系统还包括有BMS硬件保护电路板6，该BMS硬件保护电路板6串联在所述电池模组的连接电路中，且所述电池模组与升压模块5、BMS硬件保护电路板6通过绝缘件7隔开。BMS，是Battery Management System的简称, 电池管理系统。为使本发明的结构更紧凑，所述绝缘件安装于电池模组的上方，该绝缘件7的上表面设有供所述升压模块和BMS硬件保护电路板容置的凹位结构及方便电路隐藏连接的过线槽。所述箱体4上还安装有盖置于绝缘件7上方的上盖8及提手9。所述充放电插装口包括安装在上盖的充电插装口10和放电插装口11。

电池系统的优选方案是：如果是四个，则四个电池单元1呈一列直立安装粘合在一起。如果是八个，则是呈两列排布粘合在一起（优选是呈两列排列且各列的相邻大面粘合，两列的相邻侧面粘合）。为使电池模组安装更方便，所述电池单元1上设有能拆装的螺栓3，四个或八个电池单元1通过所述螺栓3及连接螺栓的电缆线而串联成组。

本发明中的减震结构的具体组成及安装方式可根据使用者需要来定，如所述减震结构可以是包括多个至少一端带吸盘的弹性胶柱，所述弹性胶柱的一端通过吸盘吸附在箱体的内壁上，另一端顶置于电池模组上；所述减震结构还可以是包括装置于箱体内的水平缓冲板及多个位于缓冲板与箱体内底面之间的弹性缓冲柱，所述电池模组承载于缓冲板上。所述减震结构也可以是包括密封型耐磨软胶外壳体12、填充于所述耐磨软胶外壳体12内部的减震散热介质13，所述减震散热介质为液体，耐磨软胶外壳体上设有带密封塞的换液口。当液体的热量较高时，还可通过换液口来更换温度较低的液体。进一步方案是耐磨软胶外壳体内部还安装有位于液体介质中的纵向伸缩弹簧14。如图6所示，所述减震结构还可以是包括装置于箱体内壁上的至少两弹性夹持装置，各弹性夹持装置包括呈立式安装在箱体内的导向夹持片15、位于导向夹持片15和箱体4内侧壁之间的弹簧16，各导向夹持片15的上端部做成向其外倾斜的斜边结构，电池模组轴向插置于至少两弹性夹持装置之间的空间处，并通过至少两导向夹持片15对电池模组插入导引和弹性夹置。本方案还可在箱体的内腔底部再附加设有下端带吸盘的弹性胶柱或带液体减震散热介质和弹簧的耐磨软胶外壳体结构。这样就可做到前后和上下都可有效减震。

为进一步的提高本发明使用的安全性，还可在多功能锂离子电池储能系统设置安全报警装置。安全报警装置可多种多样，如可以是所述箱体4上安装有盖置于绝缘件7上方的上盖8、提手9，所述提手9通过位于两端的转轴可上下翻转地连接于上盖8上，上盖8上相应的设有供提手9下转容置收藏的容置槽，所述安全报警装置包括与BMS硬件保护电路板6连接的微型报警器和报警开关、位于容置槽内的动触开关，在报警开关开启的情况下，提手9收藏于容置槽内时，其提手或与转轴连接的拨动块下顶动触开关而使微型报警器和报警开关的连接电路断开，并在提手9从容置槽中转出时松开对动触开关的顶置，使得微型报警器和报警开关的连接电路连通实现报警。微型报警器为现有技术。也就是说，本发明所述锂离子电池储能系统在安装于轻型电动车上使用时，只要不启动报警开关，就算使用者上转提手，微型报警器和动触开关的连接电路也是断开的，微型报警器是不会报警的。当使用者需离开轻型电动车时，可先启动报警开关，这样其它人只要上转提手进行提取时，微型报警器就会及时报警，所以有效地防止了被盗。为防止别人关闭报警开关进行盗窃，所述报警开关优选为智能密码开关或智能指纹识别开关。当然安全报警装置还可以是其它结构，不此不再一一列出。

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。