专利名称：一种新型的成组电池连接方式的制作方法
技术领域：
本发明适用于电力电子行业，电池在汽车电池组、风能电站、光伏电站、企业能源 管理、兆瓦级电力系统等工程中成组时的连接方法。
背景技术：
在电池日夜发展的今天，大容量单体电池的工艺与技术已达到了世界领先水平，
电池在新能源系统中的应用越来越广泛。在风能电站、太阳能电站，大型电力储能系统中，
电池成组连接频繁发生，其“连接方式”是储能工程中最核心的技术问题。首先，电池成组的
连接方法，无论是先并后串还是先串后并，到最后结果都与单体电池的实验结果大相径庭。
能循环3000次的单体电池，成组后循环300次，电池的一致性就出现很大的差异。引起这
种差异的直接原因是由于成组后的电池的工况差异太大。影响电池的工况包括电池组的工
作环境、电路中的阻抗等，其中阻抗即电池的连接方式起主要作用。电池是一个被动的能量
包，电池容量是电池的关键指标。在工程应用中衡量电池容量的大小，是计算该电池能吸收
t
或释放多少能量，在闭合电路中能做多少功，最简单的数学模型是『=f^/JV/J"力。对于
0
锂电池来说，其中U基本是一个常数，在某一段时间内，接近平行于X轴，所以不能以U的变 化来确定锂电池的容量，可见电池的容量与IT成线性关系。而电流I是被动的，时间T是 人为的可控值，所以将电池的充放电电流控制好了(电流值I = υ/R)，是解决电池成组的关 键因素。在将某电压点对应容量相同的单体电池成组时，只要保障充放电回路的电阻相 同，就解决了随着循环次数增加而电池不一致性加剧的问题。其次，电池单体本身电压低， 电流有限，要组成高压大电流储能电源就必须多个单体串并联，其中又因为电路中连接点 的接触电阻很大，而损耗与电流的平方成正比，所以我们要分散连接的接点。减小连接阻抗 且使连接链路阻值相等，才能减少连接处的焦耳热，提高连接线路的传输效率，使电池长期 有效的工作，才能适应化学电源的要求，组建巨大的储能系统，使电池功能得以充分发挥。其次，电池单体并联条件的理论条件从电池模块的等效电路图看，电池本身是一 个电压源，电压源本身是不适合并联的，但是由于电池内阻的存在，电池极耳的引出线存在 电阻、连接元件处存在电阻、连接点有接触电阻与电池这个电压源串联，因此就可以把并联 在电池模块中的电池单体看成一个电流源，这为电池并联创造了理论条件。第三、电池模块串联的理论条件与必要性从第二点看出电池单体是一个电流源 (电流源本身是不适合串联的)，但是把单体电池按照附图2并联，从与之对应的等效电路 图3可以看出，并联后的电池模块又成了一个电压源，这又形成了电池组串联的理论条件。 因为在实际工程中要求成组电池总体电压很高，大量的工程要求的电压是单体电池电压的 几十倍乃至于几百倍，所以在实际工程应用中，电池模块是必须串联的。注电流源与电压源是可以相互转换的，一个电压源与电阻串联之后就等效一个 电流源，一个电流源与电阻并联之后就等效一个电压源。
发明内容
本发明的目的解决电池传统成组连接方法存在的不足，使成组后电池系统功能 得到充分的发挥。采用一种长方体的导电体作为电池组的导电总线；用一个导电总线把单体电池并 联成一个电池组，然后与另一个电池组串联，并联单体电池与串联这两个电池组用的是同 一个导电总线。每相邻两个电池组与它们之间串联的导电总线成轴对称。第一、在传统的电池并联成组连接中，都是采用一个正极接头，一个负极接头，不 论是电池包还是电池模块，都是把模块内所有电池的正极并联后集中于一点引出，电池负 极的引出方法也是一样，做成了电池单体的样式即将所有电池正极极耳、负极极耳都各自 集中于一个点，这样在模块工作时就产生了电流线收缩效应，也叫电阻集中效应，这个集中 的电阻主要表现为导通电阻与接触电阻，由于电池单体是并联的，所引出极电流是并联单 体电池额定电流的整数倍nl，若要要成组一个1200V/2000A或者更大的电源系统，就必须 将这些模块串联，那么接触电阻也就等效地串联在电路中，同时总电流是单体电流的n倍， 那么根据串联在电路中电阻损耗与电流的平方成正比，所以总输出点的损耗是，单体电池 连接点损耗的η2倍，从而在电路中产生很大的焦耳热，增加了电路的损耗，降低了电源系统 的工作效率，同时也降低了电路的安全性。本发明的第一目的就是将输出接点均勻并列分 开，保持单体接点的损耗，使连接损耗降低到最基本的最小损耗，提高电源的安全性。第二、在传统的电池并联成组连接中，不论是在电池模块的同一侧，引出电极，还 是对角引出电极，还是在并联电池组的中间电极，都存在单体电池到该模块输出口的远近 距离不同，导通电阻不同。也就是说对于某电池单体来说充放电回路的阻抗始终存在一定 的梯度，导致电池单体充放电电流的不一致。若按照传统的电池成组方式成组，即使电池的 一致性很好，电池经过多次循环后，电池容量也会严重不一致。本发明是将输出接点均勻并 列分开，且保证各单体电池在串联过程中电阻相等，链路等长，使并联在模块中的各单体电 池不受连接铜排电阻梯度的影响。从而保障模块中各电池单体电池工作电流一致，容量一 致。第三、若采用先串后并的方法成组，控制成本将成倍增长，且系统庞大复杂，故障 率也随着增加，电路连接元件与连接点的接触电阻的差别也会增加，这样做不仅因为链路 中的电阻不一致造成工作电流不一致，而且造成电池单体电压差异数量增加，经过多次循 环后，电池容量与电压严重不一致。本发明根据基尔霍夫的KCL(对于任意一个集中参数电 路中的任意一个结点或闭合面，在任何时刻，通过该结点或闭合面的所有支路电流代数和 等于零)与KVL(对于任意一个集中参数电路中的任意一个回路，在任何时刻，沿该回路的 所有支路电压代数和等于零)与欧姆定律(在直流情况下，一闭合电路中的电流与电动势 成正比，或当一电路元件中没有电动势时，其中的电流与两端的电位差成正比)保障模块 中各电池单体并联时电压相等，各串联支路的电阻相等，从而工作电流相等，经过多次循环 后，电池单体还能保持很好的一致性。第四、在实际工程中，一般不会从头到尾都采用硬连接，有时根据实际空间，会将 整个系统分成几组，为了保证符合第三条要求，本发明从上一组的总输出端采用同型号等 长度的多股软导线并行连接至下一组的总输入端；在电池组的总正或总负连接至控制器、
4用电器或开关时，也要采用同样的连接方法。(软导线的根数与单体模块中单体电池的个数 相等，软导线在汇流排上安装的位置与单体电池的电极一一对应；软导线的导电总截面积 与汇流排导电截面积相等) 第五、在先串后并的成组连接方法中，大多采用电池焊装的方式将单体电池串联 组成支路。对于现在的软包动力电池而言，极耳薄且柔韧性差，装配与接连不方便，电池成 组组成庞大的电源系统后，对于个别电池的维护与系统重组来说困难很大。本发明主要采 用螺栓焊接的方法，便于安装维护，同时也便于在必要时对单体电池重组。但也可以采用铆 接、焊接等方法组装系统。根据上述情况，本发明的主要优势是如果采用分散连接点与连 接链路阻值相等的方式，把电池按照成组原则组装，就可以减少连接处的接触电阻，提高整 个系统的工作效率，保持单体电池的一致性，使成组后电池系统长期安全稳定的工作，同时 采用该方法，电路流畅、结构简单，可操作性强、可生产性强。
附图1 电池单体符号
附图2 电池单体等效电路图
附图3 电池单体并联时的等效电路图
附图4 传统电池单体俯视图
附图5 传统成组时电池并联俯视图
附图6 传统电池组串联原理图(a) (b) (c)
附图7 传统电池组串联等效图
附图8 传统电池组串联俯视图
附图9 本发明电池单体主视图
附图10本发明电池单体电极连接零件
附图11本发明单体电池与电极连接零件组合的俯视图
附图12本发明连接的导电总线
附图13本发明两组电池串联俯视图
附图14本发明电池组成组连接方法原理图、等效图、俯视图
附图15实验1电池单体等容量时初始电压分布图。
附图16试验1电池模块串联循环300次后，两种连接方式的结果对比图
统连接方式电池等容量的电压分布图，b本发明连接方式电池等容量的电压分布图)附图17 试验1电路中损耗对比图。(a传统连接方式电路损耗图，b本发明连接 方式电路损耗图)附图18 试验2电池单体等容量时初始电压分布图附图19:试验2电池模块串联循环300次后，两种连接方式的结果对比图。(a传 统连接方式电池等容量的电压分布图，b本发明连接方式电池等容量的电压分布图)附图20 试验2电路中损耗对比图，(a传统连接方式电路损耗图，b本发明连接方 式电路损耗图)附图21 试验3电池单体等容量时初始电压分布图附图22:试验3电池模块串联循环300次后，两种连接方式的结果对比图。(a传统连接方式电池等容量的电压分布图，b本发明连接方式电池等容量的电压分布图)附图23:试验3电路中损耗对比图，(a传统连接方式电路损耗图，b本发明连接方 式电路损耗图)发明实例试验1 本试验使用单体电池为3. 2V200Ah的磷酸亚铁锂电池，500只，组成5并100串 320V(320V/1000Ah)电池组，用于单相逆变器或UPSBTn 电池单体 3. 2V/200Ah (η = 1 500)BMn 电池模块(η = 1 100)Ri:电池内阻 250u ΩRn 为单体引出铜排的电阻2. 334ιιΩRn 为模块连接母排的梯度电阻0. 175ιιΩRc 为系统连接母排的梯度电阻0. 42ιιΩRl 为模块连接的负载电阻320mΩ·连接点的接触电阻(150ιιΩ)Io 电池模块的总电流1000Α (900Α 1100Α)Vo 电池模块的额定输出电压3. 2V (3. 0 3. 6V)Ion 电池单体的输出电流100Α (η = 1 1000)其中根据单体电池连接等效电路图得Rn*2+ · * 4+Ri 为常数，艮P :2· 334u Ω X 2+150u Ω X 4+250u Ω = 854. 66u Ω ^ 0. 9m Ω输出负载为常数1000Α时为320πιΩ模块输出的接触总电阻150u Ω系统连接母排的梯度电阻0. 42ιιΩ电池的初始电压分布图见附图15负载为320πιΩ，纯阻性负载，分别按照附图8与 附图14连接方式试验，实验结果见附图16于附图17。试验方法，按实验要求容量连接好电池组(两种连接方式)，连接好BMS系统，随时 监测链路中模块的电压、充放电电流、模块的当前温度与电池组的S0C。试验时最大充电电 流0. 5C，最大放电电流1C，全充全放300次。试验2 本试验使用单体电池为3. 2V200Ah的磷酸亚铁锂电池，1272只，组成6并212串 (680V/1200Ah)的电池组。BTn 电池单体 3. 2V/200Ah (η = 1 1272)BMn 电池模块(η = 1 212)Ri:电池内阻 250ιιΩRn 为单体引出铜排的电阻2. 334ιιΩRn 为模块连接母排的梯度电阻0. 175ιιΩRc 为系统连接母排的梯度电阻0. 42ιιΩRl 为模块连接的负载电阻565mΩ
·连接点的接触电阻(150ιιΩ)Io 电池模块的总电流1200Α( 1100Α 1300Α)Vo 电池模块的额定输出电压3. 2V (3. O 3. 6V)Ion 电池单体的输出电流200Α其中根据单体电池连接等效电路图得Rn*2+ · * 4+Ri 为常数，艮P :2· 334u Ω X 2+150u Ω X 4+250u Ω = 854. 66u Ω ^ 0. 9m Ω输出负载为常数1200Α时为565πιΩ模块输出的接触总电阻150u Ω系统连接母排的梯度电阻0. 42ιιΩ电池的初始电压分布图见附图18负载为565πιΩ，纯阻性负载，分别按照附图8与 附图14连接方式试验，实验结果见附图19于附图20。试验方法，按实验要求容量连接好电池组(两种连接方式)，连接好BMS系统，随时 监测链路中模块的电压、充放电电流、模块的当前温度及电池组的S0C。试验时最大充电电 流0. 5C，最大放电电流1C，全充全放300次。试验3 本试验使用单体电池为3. 2V200Ah的磷酸亚铁锂电池，3440只，组成10并344串 (1100V/2000Ah)的电池组。BTn 电池单体 3. 2V/200Ah (η = 1 3440)BMn 电池模块(η = 1 344)Ri:电池内阻 250ιιΩRn 为单体引出铜排的电阻2. 334ιιΩRn 为模块连接母排的梯度电阻0. 175ιιΩRc 为系统连接母排的梯度电阻0. 42ιιΩRl 为模块连接的负载电阻550mΩ·连接点的接触电阻(150ιιΩ)Io 电池模块的总电流1200Α (1850Α 2200Α)Vo 电池模块的额定输出电压3. 2V(3. 0 3. 6V)Ion 电池单体的输出电流200A其中根据单体电池连接等效电路图得Rn*2+ · * 4+Ri 为常数，即2· 334u Ω X 2+150u Ω X 4+250u Ω = 854. 66u Ω ^ 0. 9m Ω输出负载为常数1200Α时为550πιΩ模块输出的接触总电阻150u Ω系统连接母排的梯度电阻0. 42ιιΩ电池的初始电压分布图见附图21负载为550πιΩ，纯阻性负载，分别按照附图8与 附图14连接方式试验，实验结果见附图22于附图23。试验方法，按实验要求容量连接好电池组(两种连接方式)，连接好BMS系统，随时 监测链路中模块的电压、充放电电流、模块的当前温度及电池组的S0C。试验时最大充电电流0. 5C，最大放电电流1C，满充满放300次。试验结果分析通过采用本发明的连接方式来组装电池后，连接阻抗减小，连接铜排阻抗一致性 得到了很好的控制，阻抗极差减小到纳欧数量级，在铜排与接触点上的损耗减小到传统连 接方式的四分之一。电池的一致性也得到了明显改善，从电压的分布图上看出采用传统连接方式时， 电压极差大于200mV，而采用本发明的连接方式后，电压极差压缩到80mV。本发明是电池组先并后串的方式，对于2000Ah的储能系统来说，只要一套采样与 控制系统，从而降低了系统的复杂程度，降低了系统成本，减小了系统的故障率。由于本发明的连接方式主张采用螺栓连接，便于电池的重组、维护与更换，从而延 长整个电池组的使用寿命。
权利要求
一种新型的成组电池连接方式，其特征在于采用一种长方体的导电体作为电池组的导电总线；用一个导电总线把单体电池并联成一个电池组，然后与另一个电池组串联，并联单体电池与串联这两个电池组用的是同一个导电总线。每相邻两个电池组与它们之间串联的导电总线成轴对称。
全文摘要
一种新型的成组电池连接方式，适用于电力电子行业，电池在汽车电池组、风能电站、光伏电站、企业能源管理、兆瓦级电力系统等工程中成组时的连接方法。采用一种长方体的导电体作为电池组的导电总线；用一个导电总线把单体电池并联成一个电池组，然后与另一个电池组串联，并联单体电池与串联这两个电池组用的是同一个导电总线。每相邻两个电池组与它们之间串联的导电总线成轴对称。本发明优势是如果采用分散连接点与连接链路阻值相等的方式，把电池按照成组原则组装，就可以减少连接处的接触电阻，提高整个系统的工作效率，保持单体电池的一致性，使成组后电池系统长期安全稳定的工作，同时电路流畅、结构简单，可操作性强、可生产性强。
文档编号H01M2/20GK101944582SQ201010279320
公开日2011年1月12日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者卢祥军, 范承 申请人:鸥瑞智诺能源科技(北京)有限公司