一种耐浮充锂离子电池模块及其浮充方法
【专利摘要】本发明公开了一种耐浮充锂离子电池模块及其浮充方法，该锂离子电池模块在不具备保护板以及电子控制装置下，能够在恒定电压下进行持续充电。该锂离子电池模块包含若干电池、温度开关、局部电控单元板、外壳、功率线、输出端口以及跨接片。温度开关与电池串联，设置在电池与输出端口之间；温度开关能够探测温度，当温度过高时断开。温度开关断开的温度区间为60℃~65℃。电池为自均衡电池，以含铁的锂基化合物为正极。本发明还提供了该耐浮充锂离子电池模块的浮充方法。本发明提供的耐浮充锂离子电池模块及其浮充方法，在电性能及安全性能方面均能满足储能等领域的应用要求，并在环境保护方面优于铅酸电池。
【专利说明】一种耐浮充裡罔子电池模块及其浮充方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种锂离子电池模块及技术，具体地，涉及一种耐浮充锂离子电池模块及其浮充方法。
【背景技术】
[0002]大规模储能系统是未来新能源系统和智能电网的重要组成部分，而储能电池是大规模储能系统的关键。锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等优点，已能取代铅酸电池成为储能电池主流解决方案。
[0003]作为储能用电池，需要长期挂在母线上进行浮充以保障其作为后备电源的使用功效，而由于锂离子单体电池之间自放电的差异性，导致锂离子电池组模块在不断充放电过程或长期储存后会出现锂离子单体电池荷电态差距越来越大的现象，从而严重影响电池组模块的使用寿命。然而相比于铅酸电池和镍氢电池，现有的锂离子电池及模块没有自均衡能力(电池自我调节能力，在过充时将多余的电能转化为其他形式的能量，而不引发安全隐患)，一般需外接保护板，避免锂离子电池模块中的个别单体电池出现过充或过放等安全隐患，同时在保护板上通过6(T80mA小电流对模块中的单体电池实现均衡调节功能，这无法满足大容量锂离子电池模块的均衡要求，同时也由于保护板的加入，使得电池组出现不可控的异常，从而使得电池模块可靠性降低，并存在一定的安全隐患，同时由于电路板上的半导体元器件均需在室温或防潮湿的环境中使用，从而降低了电池模块的环境适应性。
[0004]目前，锂离子电池的浮充应用技术尚未成熟，在储能、轨道交通及通信等领域，能够长期挂在母线进行浮充的仍旧是铅酸电池作为主导。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种用于储能等领域的锂离子电池模块及其浮充方法，在电性能及安全性能方面均能满足要求，并在环境保护方面优于铅酸电池，能有效的取代铅酸蓄电池在储能领域的应用。`
[0006]为了达到上述目的，本发明提供了一种耐浮充锂离子电池模块，其中，该锂离子电池模块在不具备保护板以及电子控制装置下，能够在恒定电压下进行持续充电；所述的锂离子电池模块包含若干单体电池、温度开关、局部电控单元(Local Electrical ControlUnit, LECU)板、外壳、功率线、输出端口以及跨接片；所述的单体电池之间串联或并联；所述的跨接片将单体电池相连接；所述的功率线将连接后的单体电池与输出端口相连；所述的局部电控单元板与连接后的单体电池相连；所述的外壳设置在串联或并联后的单体电池之外；所述的温度开关与连接后的单体电池串联，设置在连接后的单体电池与输出端口之间；所述的温度开关能够探测温度，当温度过高时断开。
[0007]上述的耐浮充锂离子电池模块，其中，所述的单体电池为自均衡电池，以含铁的锂基化合物为正极材料，能够在3.8V^3.95V的电压下耐受持续的恒流充电；所述的正极材料是磷酸铁锂正极材料，或磷酸铁锂与三元材料、锰酸锂、钴酸锂的混合正极材料。单体电池的负极材料是人造石墨、天然石墨、中间相碳微球或钛酸锂的任意一种或多种。
[0008]上述的耐浮充锂离子电池模块，其中，所述的单体电池在其电解液中具有包含氧化还原添加剂的自均衡载体。该自均衡载体主要是防止电池进行过充的添加剂，如氧化还原添加剂，该添加剂是萘，蒽，2，5- 二叔丁基-1，4- 二甲氧基苯,噻嗯,4-叔丁基-茴香醚，1-硝基_3_叔丁基-2-甲氧基苯，1-氛基_3_叔丁基_2_甲氧基苯，I, 4- 二叔丁基-2-甲氧基苯等物质中的任意一种。该自均衡电池能在特定电压下进行长时间的小电流恒流充电，通过内部自均衡载体的作用，将多余的电能转化为热能，使得电池不被过充，解决了过充电对电池带来的安全隐患。
[0009]上述的耐浮充锂离子电池模块，其中，所述的温度开关断开的温度区间为60°C飞5°C。由于耐浮充的电池模块在使用过程中会产生大量的热，若在电池模块在充放电的过程中温度高于60°C~65°C，温度开关就会断开，从而起到保护电池模块的作用，避免安全隐患。 [0010]上述的耐浮充锂离子电池模块，其中，所述的局部电控单元板与电池相连，只具备数据采集功能，不具有防止过充过放电的保护功能，从而避免过多的线路与电池组连接而对电池组造成其他影响。
[0011 ] 上述的耐浮充锂离子电池模块，其中，所述的电池模块能够在恒定的电压下进行持续充电，充电时间为3个月至2年，在此充电期间电池模块中各单体电池的电压均能维持稳定。
[0012]上述的耐浮充锂离子电池模块，其中，所述的电池模块工作时的环境温度为-1(T55°C，在该条件下能保证可持续的充电过程。
[0013]本发明还提供了一种上述的耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，其中，所述的方法为:首先对所述的电池模块进行恒流充电，电流优选0.5CT1C (C表示电池的充电速率，即充电电池的额定容量)，并测量电池模块两端的电压，当该电压等于或大于第一设置电压时，转用恒压方法对所述的电池模块进行充电，持续测量电池模块两端的电压，当所测电压等于或大于第二设置电压时，即能够保持持续不间断充电，至电流减小到0.05C截止。
[0014]上述的耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，其中，所述的第二设置电压大于或等于所述电池模块中电池的数量X3.4V，优选为电池数量X (3.4~3.45) V，同时该第二设置电压小于所述的第一设置电压。
[0015]上述的耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，其中，所述的第一设置电压是在恒流-恒压充电方法中从恒流部分被转变为恒压部分时的充电电压，其小于或等于所述电池模块中电池的数量X3.6V，优选为电池数量X (3.45^3.55) V0
[0016]本发明提供的耐浮充锂离子电池模块及其浮充方法具有以下优点:
(I)本发明制作的电池组在其他性能不受影响的同时，能够耐受长时间的浮充，大幅度提升电池组的浮充性能，更好的应用于储能及通信领域。
[0017](2)本发明制作的电池组在管理系统方面仅采用LECU板进行数据采集，大大简化了 LE⑶的设计，优化了成组技术。
[0018](3)本发明提供的浮充方法适用于任何后备式储能系统，也能够更积极的发挥出电池组的耐浮充效果。【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明的耐浮充锂离子电池模块的组成示意图。
[0020]图2为本发明的耐浮充锂离子电池模块的温度开关示意图。
[0021]图3为本发明的耐浮充锂离子电池模块的实施例1的长时间浮充测试结果示意图。
[0022]图4为本发明的耐浮充锂离子电池模块的实施例2的浮充测试结果示意图。
[0023]图5为本发明的耐浮充锂离子电池模块的对照组的浮充测试结果示意图。
【具体实施方式】
[0024]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步地说明。
[0025]本发明提供的耐浮充锂离子电池模块，在不具备保护板以及电子控制装置下，能够在恒定电压下进行持续充电。如图1所示，该锂离子电池模块包含若干单体电池1、温度开关2、局部电控单元板3、外壳4、功率线5、输出端口 6以及跨接片7。
[0026]单体电池I之间串联或并联；单体电池I为自均衡电池，以含铁的锂基化合物为正极，人造石墨为负极，能够在3.8V^3.95V的电压下耐受持续的恒流充电。单体电池I在其电解液中具有包含氧化还原添加剂的自均衡载体。该自均衡载体主要是防止电池进行过充的添加剂，如氧化还原添加剂。该自均衡电池能在特定电压下进行长时间的小电流恒流充电，通过内部自均衡载体的作用，将多余的电能转化为热能，使得电池不被过充，解决了过充电对电池带来的安全隐患。
[0027]跨接片7将单体电池I相连接。功率线5将连接后的单体电池I与输出端口 6相连。外壳4设置在串联或并联后的单体电池I外。
[0028]温度开关2与连接后的单体电池I串联，设置在连接后的单体电池I与输出端口6之间，参见图2所示；温度开关2能够探测温度，当温度过高时断开。温度开关2断开的温度区间为60°C~65°C。由于耐浮充的电池模块在使用过程中会产生大量的热，若在电池模块在充放电的过程中温度高于60°C~65°C，温度开关就会断开，从而起到保护电池模块的作用，避免安全隐患。
[0029]局部电控单元板3与电池相连，能够进行数据采集，该LE⑶板3只具备数据采集功能，不具有防止过充过放电的保护功能，从而避免过多的线路与电池组连接而对电池组造成其他影响。
[0030]该电池模块能够在恒定的电压下进行持续充电，充电时间为3个月至2年，在此充电期间电池模块中各单体电池I的电压均能维持稳定。电池模块工作时的环境温度为-1(T55°C，在该条件下能保证可持续的充电过程。
[0031]本发明还提供该耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，该方法为:
首先对电池模块进行恒流充电，电流优选0.5CT1C (C表示电池的充电速率，即充电电池的额定容量)，并测量电池模块两端的电压，当该电压等于或大于第一设置电压时，转用恒压方法对电池模块进行充电，持续测量电池模块两端的电压，当所测电压等于或大于第二设置电压时，即能够保持持续不间断充电，至电流减小到0.05C截止。
[0032]第二设置电压大于或等于电池模块中电池的数量X3.4V，优选为电池数量X(3.4^3.45) V,同时该第二设置电压小于第一设置电压。[0033]第一设置电压是在恒流-恒压充电方法中从恒流部分被转变为恒压部分时的充电电压，其小于或等于电池模块中电池的数量X3.6V,优选为电池数量X (3.45?3.55) V。
[0034]实施例1
制作磷酸铁锂基的自均衡电池:
1、正极片制作
将NMP (N-甲基吡咯烷酮)加入搅拌罐中，然后加入重量百分比为3%的粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)，搅拌至白色的粘结剂完全溶解，再加入3%的导电剂，搅拌后得导电胶体，将94%的正极活性材料混合物加入到导电胶体中，正极活性材料为磷酸铁锂，经搅拌混合后制备出正极浆料，然后均匀地涂敷在厚度为ISMffl的铝箔上，再经辊压、切片后制得正极片。
[0035]2、负极片制作
将NMP加入搅拌罐中，然后加入重量百分比为4%的粘结剂PVDF，搅拌至白色的粘结剂完全溶解，再加入1%的导电剂，搅拌后得导电胶体，将95%的人造石墨或人造石墨与钛酸锂的混合负极材料加入到导电胶体中，经搅拌混合后制备出负极浆料，然后均匀地涂敷在厚度为12ΜΠ1的铜箔上，再经辊压、切片后制得负极片。
[0036]3、电解液的制备
在五组分的溶剂中添加氧化还原电对DDB (2，5- 二叔丁基-1，4- 二甲氧基苯)，其含量为0.8%ο该溶剂按体积比计包含为EC:EMC:DMC:DEC:PC=60:5:15:15:5 (即，碳酸乙烯酯:碳酸甲乙酯:碳酸二甲酯:碳酸二乙酯:碳酸丙烯酯=60:5:15:15:5)。
[0037]4、电池的制作
将正极片、隔膜、负极片依次叠放并采用叠片式结构制成电芯，分别焊接正、负极极耳后，再经入壳、激光焊接、注液、化成和分容工序后，制作成钢壳锂离子电池，即单体电池I。
[0038]制作耐浮充锂离子电池模块:
从制备的单体电池I中取12只，通过跨接片7串联连接组成电池组，温度开关2在电池组的功率输出口，即输出端口 6与电池组进行串联连接，LECU板3采集电池组中各单体电池I电压。本模块可直接接入UPS (Uninterruptible Power Supply,不间断电源)使用，无须再添加任何电子线路板。
[0039]实施例2
按照实施例1中的制备方法制备耐浮充锂离子电池模块，将实施例1中的12只单体电池I更换为6只单体电池1，其余各项配置不变。
[0040]对照组:按照实施例1中的连接方式及除电池外的所有零部件提供一组锂离子电池模块，将实施例1中的12只单体电池I更换为6只常规电池，其余各项配置不变。
[0041]实施例1的12只电池组成的模块，在组装成模块前先对各单体电池I进行电量状态(state of charge, SOC)的调节，使得SOC最大差异为10% (每两只电池SOC—致，分别为50%、52%、54%、56%、58%和60%)，然后进行简单的串并联连接，在40.8V进行长时间的浮充测试，测试结果如图3所示。
[0042]由于12只电池的SOC不同，故在浮充过程中单体电池I的电压存在些许差异，在经过三个多月的浮充后，模块中各单体电池I电压分布稳定，无明显异常。
[0043]对于实施例2和对照组，由于串联电池数量均为6只，故在对电池模块充满电后，再用20.6V对电池模块进行浮充，即对电池模块进行20.6V的恒压充电。对实施例2和对照组的每块电池分别进行数据采集，得到的电压与时间关系曲线如图4和图5所示。
[0044]可以看出，对照组的电池组中有一只电池电压迅速上升到3.93V左右，并一直居高不下，而实施例2中虽有单体电池I在充电开始的瞬间电压上升明显，但马上在自均衡载体的作用下，单体电池I的电压有了非常明显的下降。
[0045]本发明提供的耐浮充锂离子电池模块及其浮充方法，在单体电池I由于自放电或其他原因导致SOC产生差异时，可以通过长时间的浮充对单体电池I的SOC进行调节，防止单体电池I过充的发生。因此该模块还可耐过充，在长时间的循环性能上也能表现良好。
[0046]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【权利要求】
1.一种耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，该锂离子电池模块在不具备保护板以及电子控制装置下，能够在恒定电压下进行持续充电； 所述的锂离子电池模块包含若干单体电池(I)、温度开关(2)、局部电控单元板(3)、外壳(4)、功率线(5)、输出端口(6)以及跨接片(7)； 所述的单体电池(I)之间串联或并联；所述的跨接片(7)将单体电池(I)相连接；所述的功率线(5)将连接后的单体电池(I)与输出端口(6)相连；所述的局部电控单元板(3)与连接后的单体电池(I)相连，所述的外壳(4)设置在串联或并联后的单体电池(I)外； 所述的温度开关(2)与连接后的单体电池(I)串联，设置在连接后的单体电池(I)与输出端口(6)之间；所述的温度开关(2)能够探测温度，当温度过高时断开。
2.如权利要求1所述的耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，所述的单体电池(I)为自均衡电池，以含铁的锂基化合物为正极材料，能够在3.8V^3.95V的电压下耐受持续的恒流充电；所述的正极材料是磷酸铁锂正极材料，或磷酸铁锂与三元材料、锰酸锂、钴酸锂的混合正极材料。
3.如权利要求2所述的耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，所述的单体电池(I)在其电解液中具有包含氧化还原添加剂的自均衡载体，所述的氧化还原添加剂是萘，蒽，2，5- 二叔丁基-1，4- 二甲氧 基苯，噻嗯，4-叔丁基-茴香醚，1-硝基-3-叔丁基-2-甲氧基苯，1-氰基_3_叔丁基-2-甲氧基苯，I, 4- 二叔丁基-2-甲氧基苯中的任意一种，该添加剂能在持续的恒流充电下将多余的电能转化为热能。
4.如权利要求1所述的所述的耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，所述的温度开关(2)断开的温度区间为60°C~65°C。
5.如权利要求1所述的所述的耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，所述的局部电控单元板(3)能够进行数据采集，不具有防止过充或过放电的保护功能。
6.如权利要求1所述的耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，所述的电池模块能够在恒定的电压下进行持续充电，充电时间为3个月至2年。
7.如权利要求6所述的耐浮充锂离子电池模块，其特征在于，所述的电池模块工作时的环境温度为_1(T55°C。
8.—种如权利要求f 7任意一项所述的耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，其特征在于，所述的方法为: 首先对所述的电池模块进行恒流充电，并测量电池模块两端的电压，当该电压等于或大于第一设置电压时，转用恒压方法对所述的电池模块进行充电，持续测量电池模块两端的电压，当所测电压等于或大于第二设置电压时，即能够保持持续不间断充电。
9.如权利要求8所述的耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，其特征在于，所述的第二设置电压大于或等于所述电池模块中电池的数量X3.4V，同时该第二设置电压小于所述的第一设置电压。
10.如权利要求9所述的耐浮充锂离子电池模块的浮充方法，其特征在于，所述的第一设置电压小于或等于所述电池模块中电池的数量X3.6V。
【文档编号】H01M10/46GK103594750SQ201310594341
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】刘扬, 侯敏, 曹辉 申请人:上海航天电源技术有限责任公司