电池系统的制作方法

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池系统。

背景技术：

近几年，锂电池开始慢慢进入电动自行车市场，使电动自行车的出行更加方便环保，一般来说，电动自行车的锂电池由以下几部分组成：电池(电芯按照封装分很多种，主要有软包、硬壳、18650钢壳)、BMS电路控制系统、内部连接导线、电池组外壳,电池组具备短路保护,过流保护,过压保护、欠压保护、低温保护、温度超限保护,对比铅酸电池具备多重保护更加安全,因为锂电芯本身能量密度非常高的先天优势,相对铅酸电池具备体积小、重量轻的优点、寿命有一定的提升。

但是，现在电动自行车的锂电池乃至市场上普及率最高的铅酸电池都有非常明显的缺陷，目前的锂电池主要是以下几个方面的问题：

1、因为电池组内部设计问题，很容易造成热失控而引发安全事故，所以目前的电动自行车锂电池因为安全方面的考虑只能降低性能，造成锂电池在性能上对比铅酸电池没有优势；

2、针对低温和高温环境对电池的影响没有得到改善，甚至相对铅酸电池还有非常明显的劣势，主要问题就是锂电池在温度低于0℃不能充电，要是强制充电会造成安全隐患，在高温天气充电和使用还有爆炸起火的危险；

3、因为设计问题造成电池组内部一致性得不到保证，使锂电池的使用寿命大幅下降，现有技术中锂电池电动自行车的锂电池寿命是铅酸电池的1.5～2倍，而价格却是3～4倍，目前的铅酸电池的正常寿命在1年半～2年，目前的锂电池的正常寿命在3年半～5年左右，实际使用下来，作为消费者，锂电池使用成本较高。

4、电动自行车的智能化程度太低，用户使用不够方便和不够安全，比如电池在离开车体以后电路连接插座依然带电，有安全隐患，小孩利用剪刀、螺丝刀、硬币插入插座会引起短路，造成安全事故。

综上所述，市场上急需一种能够克服上述缺点，全面提升电动自行车电源性能的电池系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电池系统，以解决现有技术中电动自行车用电池存在的散热性能差，在高温下充电容易出现危险；在低温下，又无法实现充电，不能满足部分地域的使用需求；而且，使用成本较高的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供一种电池系统，包括外壳、多节电芯、温度采集探头、BMS、加热制冷组件、液体流动管路、导热介质以及水泵；

所述多节电芯排列固定在外壳的内部，电芯之间通过极板实现电连接；所述液体流动管路盘绕在外壳内部，液体流动管路穿过多节电芯之间的缝隙；所述导热介质容置在液体流动管路中，所述水泵与液体流动管路连接；所述BMS通过第一驱动模块与水泵连接，以通过水泵驱动导热介质在液体流动管路中流动；

所述温度采集探头安装在外壳的内部，所述温度采集探头与BMS的信号输入端电连接，所述BMS的信号输出端通过第二驱动模块与加热制冷组件电连接，使BMS能够根据温度采集探头测得的温度信息控制加热制冷组件工作；所述加热制冷组件与液体流动管路热接触，以实现对液体流动管路内的导热介质加热或者制冷；

所述BMS设有电源模块，所述电源模块分别与温度采集探头、BMS、加热制冷组件以及水泵电连接，电源模块将电芯或者充电器提供的电压转化成不同电压，以分别为温度采集探头、BMS、加热制冷组件以及水泵供电。

进一步的，所述液体流动管路包括第一流动管路和第二流动管路，所述第一流动管路和第二流动管路并排设置，所述第一流动管路中导热介质的流动方向与第一流动管路中导热介质的流动方向相反。

进一步的，所述第一流动管路和第二流动管路的形状相同，且呈上下排列；

所述第一流动管路包括首尾相接、一体成型的两段；第一段管路构成一“门”字形，第一段管路作为边框形成一总安装区域；第二段管呈“S”形盘绕在该总安装区域内，将总安装区域分成面积相同、形状相同的若干子安装区域，多节电芯呈多组、均匀整齐的排列在子安装区域内。

进一步的，所述外壳包括保温层外墙、保温层以及保温层内墙，所述保温层内墙安装在保温层外墙内部，所述保温层外墙和保温层内墙围成一间隙，所述保温层填充在所述间隙内；

该电池系统还包括电芯固定支架，所述电芯固定支架安装在保温层内墙内部，多节电芯安装在电芯固定支架上；所述液体流动管路、多节电芯以及电芯固定支架之间通过灌封胶灌封。

进一步的，多节电芯分为多组，每组内的电芯通过极板实现电连接，不同组的极板之间通过长度相同的导线实现电连接，使不同电芯的连接电阻相同。

进一步的，该电池系统还包括电源及信号插座，所述BMS设有MOS管，所述电芯的总输出端通过该MOS管与电源及信号插座电连接；所述BMS通过通讯模块与电源及信号插座电连接，以实现与车载仪表的通讯连接。

进一步的，所述BMS通过均衡线连接电池组内部每一组电芯，通过均衡线检测和调节每一组电芯的电压；所述BMS自带与电芯串数相同的多个均衡放电电路，每个均衡放电电路通过均衡线连接一组电芯，当BMS检测到部分电芯完成充电时，BMS通过与之相连接的放电电路为电芯放电，等待未充满电芯完全充满。

进一步的，所述BMS设有用于计量电池电量的霍尔元件电流传感器；以及用于定位和通讯的GPS模块。

进一步的，每节电芯均通过保险丝与极板电连接。

进一步的，所述加热制冷组件包括水冷头、制冷片和热管散热器；所述制冷片为一面制冷，一面制热的半导体元件；所述第二驱动模块分别与制冷片和热管散热器电连接，第二驱动模块能够实现制冷片供电线路的正负极切换；所述水冷头和热管散热器分别固定在制冷片的两侧，所述水冷头与液体流动管路连通。

相较于现有技术，本发明提供的电池系统，设有温度采集探头和BMS，温度采集探头采集外壳内的温度信息，该温度即电芯的环境温度，BMS根据温度采集探头采集的温度信息控制加热制冷组件：当电芯的环境温度较高，则加热制冷组件制冷，对导热介质进行冷却，并通过液体流动管路降低电芯的环境温度；当电芯的环境温度较低，则加热制冷组件制热，对导热介质加温，通过液体流动管路提高电芯的环境温度；使电芯一直处在设定范围内的温度内。

而且，通过加热制冷组件的加热功能，能够在室外环境较低的情况下，首先提高外壳内的温度，达到安全值时，在对电芯充电，保证了电芯的充电安全，使该电池系统能够在低温环境中使用，满足了低温地区的使用需求。

此外，本发明提供的电池系统，采用了液态介质循环降温或升温的方式：不仅散热更快，而且各个位置的电芯其散热或者受热的效果较均匀，电池整体的一致性较好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供电池系统的内部结构俯视图；

图2为本发明提供电池系统的内部结构后视图；

图3为本发明提供电池系统的爆炸图；

图4为本发明提供电池系统的液体流动管路的立体结构图；

图5为本发明提供电池系统的电气结构连接图；

图6为本发明提供电池系统的BMS的电气结构方框图。

附图标记：

11-外壳； 12-电芯； 13-极板；

14-温度采集探头； 15-BMS； 16-电源模块；

17-加热制冷组件； 18-液体流动管路； 19-水泵；

20-电芯固定支架； 21-电源及信号插座； 22-保险丝；

111-保温层外墙； 112-保温层； 113-保温层内墙；

114-进气口； 115-出气口； 151-中央处理器；

152-第一驱动模块； 153-第二驱动模块； 154-均衡线；

155-MOS管； 156-放电电阻； 157-三极管；

158-GPS模块； 171-水冷头； 172-制冷片；

173-热管散热器； 181-第一流动管路； 182-第二流动管路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明提供电池系统的内部结构俯视图；图2为本发明提供电池系统的内部结构后视图；图3为本发明提供电池系统的爆炸图；图4为本发明提供电池系统的液体流动管路的立体结构图；图5为本发明提供电池系统的电气结构连接图；图6为本发明提供电池系统的BMS的电气结构方框图。

如图1-6所示，本发明提供一种电池系统，包括外壳11、多节电芯12、温度采集探头14、BMS15(即BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，电池系统)、加热制冷组件17、液体流动管路18、导热介质以及水泵19；

所述多节电芯12排列固定在外壳11的内部，电芯12之间通过极板13实现电连接；所述液体流动管路18盘绕在外壳11内部，液体流动管路18穿过多节电芯12之间的缝隙；所述导热介质容置在液体流动管路18中，所述水泵19与液体流动管路18连接；所述BMS15通过第一驱动模块152与水泵19连接，以通过水泵19驱动导热介质在液体流动管路18中流动；

所述温度采集探头14安装在外壳11的内部，所述温度采集探头14与BMS15的信号输入端电连接，所述BMS15的信号输出端通过第二驱动模块153与加热制冷组件17电连接，使BMS15能够根据温度采集探头14测得的温度信息控制加热制冷组件17工作；所述加热制冷组件17与液体流动管路18热接触，以实现对液体流动管路18内的导热介质加热或者制冷；

所述电源模块16分别与温度采集探头14、BMS15、加热制冷组件17以及水泵19电连接，电源模块16将电芯12或者充电器提供的电压转化成不同电压，以分别为温度采集探头14、BMS15、加热制冷组件17以及水泵19供电。

相较于现有技术，本发明提供一种电池系统，设有温度采集探头14和BMS15，温度采集探头14采集外壳11内的温度信息，该温度即电芯12的环境温度，BMS15根据温度采集探头14采集的温度信息控制加热制冷组件17：当电芯12的环境温度较高，则加热制冷组件17制冷，对导热介质进行冷却，并通过液体流动管路18降低电芯12的环境温度；当电芯12的环境温度较低，则加热制冷组件17制热，对导热介质加温，通过液体流动管路18提高电芯12的环境温度；使电芯12在需要时一直处在设定范围内的温度内。

需要注意的是，上述由温度采集探头14和BMS15构成的恒温系统，仅在需要时才工作。在车辆没有充电，也没有骑行的情况下，是不会启动的，恒温系统只会在充电和骑行启动，在骑行时，也可根据实际情况也可以设定为不启动，恒温系统主要是针对充电而工作的，除非车辆的使用环境温度低于-5℃系统才会强制启动，也可以用户自己根据需要而设定。

普通锂电池的充电温度是0℃～45℃，放电温度是-20℃～60℃，低于极限温度充电会造成电芯12内部结构损坏，引起电芯12内部短路，而引发安全事故；高于极限温度充电使用，会对电芯12寿命造成不可逆转的损坏，严重的甚至直接损坏。

因此，通过本发明的上述温控功能，能够保证电芯12在工作时，一直处在安全的温度范围内，有利于保持电芯12安全、稳定的工作。

尤其最重要的是，通过加热制冷组件17的加热功能，能够在室外环境较低的情况下，首先提高外壳11内的温度，达到安全值时，在对电芯12充电，保证了电芯12的充电安全，使该电池系统能够在低温环境中使用，满足了低温地区的使用需求。

例如，采用本发明提供的电池系统的电动自行车，能够在我国东北地区，-25℃的环境中使用，极大提高了电动自行车的适用范围。

而且，温度采集探头14的数量并不唯一，可以设置多个，分别安装在外壳11内部的不同位置，来反应外壳11内部温度均衡状况。

本发明提供的电池系统，采用了液态介质循环降温或升温的方式：加热制冷组件17对导热介质加热或者降温，水泵19驱动导热介质在液体流动管路18中流动，将电芯12产生的热量通过导热介质的流动带出外壳11，或者将导热介质的热量传递至外壳11内各个位置的电芯12。液态介质采用防冻液，防止在极冷环境下冻坏循环系统而造成整个电池系统的损坏。

相较于于现有技术中普遍采用的风冷降温方式，该液态介质循环降温或升温的方式，不仅散热更快，而且各个位置的电芯12其散热或者受热的效果较均匀，电池整体的一致性较好。

参阅图4，在本实施例中，所述液体流动管路18包括第一流动管路181和第二流动管路182，所述第一流动管路181和第二流动管路182并排设置，所述第一流动管路181中导热介质的流动方向与第一流动管路181中导热介质的流动方向相反。

具体来说，所述第一流动管路181和第二流动管路182的形状相同，且呈上下排列；

所述第一流动管路181包括首尾相接、一体成型的两段；第一段管路构成一“门”字形，第一段管路作为边框形成一总安装区域；第二段管呈“S”形盘绕在该总安装区域内，将总安装区域分成面积相同、形状相同的若干子安装区域，多节电芯12呈多组、均匀整齐的排列在子安装区域内。

由于导热介质在流动管路中流动时，温度是逐渐变化的，因此，导热管的不同位置的散热性能是不同的，会造成局部。因此，本发明的液体流动管路18采用双向流动设计，利用双向流动的导热介质保证外壳11内各个位置的每一节电芯12的温差不超过2℃，因此，具备高度一致性。

锂电池的内部构造的原理跟链条的工作原理是一样的，中间只要有一节损坏就会造成整体的损坏，其实锂电池的寿命就是电池组内部最差的那颗电芯12的寿命，所以整个系统的一致性对电池系统的寿命影响非常大。

现在市场上的锂电池系统的寿命很低80％～90％都是电池组内部一致性的问题引起部分电芯12寿命提前终止，造成整个电池组寿命提前终止。本发明提供的电池系统，通过上述双向流动设计，保证高度一致性，能有效提高电池的使用寿命。

实际上，本发明提供的电池系统，经寿命循环测试证实，电池实际寿命可以达到1200次循环容量剩余80％，1500次循环容量剩余70％，1700次循环容量剩余60％，电池的寿命可以达到10年以上，而且是长期使用快充的使用寿命。

在本实施例中，所述外壳11包括保温层外墙111、保温层112以及保温层内墙113，所述保温层内墙113安装在保温层外墙111内部，所述保温层外墙111和保温层内墙113围成一间隙，所述保温层112填充在所述间隙内。

外壳11的上述保温结构，可以阻止热量在环境温度极低的情况下流失，也可以阻止环境温度极高情况下的热量进入，降低外部环境温度对外壳11的内环境的温度的干扰，有利于恒温系统精确控制外壳11内的温度。

BMS15和加热制冷组件17为主动调温，而外壳11的保温结构起到被动调温，两者调温方式结合，能够高效且节能的调整温度，达到良好的温控效果。可以让电动自行车在-30℃和50℃的极端环境下正常工作，电池的性能和寿命不受到影响。

本发明提供的电池系统，能够让电芯12保持在最佳状态工作，把电池的性能和寿命都发挥到极限，凭借其良好的散热性能，能够完全实现快充功能；而且具有升温功能，解决中国东北、华北和西北冬天电池续航不足的问题，解决低温环境下不能充电的问题。

此外，上述外壳11的保温结构也可以增强整个电池组的抗震效果。

在本实施例中，该电池系统还包括电芯固定支架20，所述电芯固定支架20安装在保温层内墙113内部，多节电芯12安装在电芯固定支架20上；所述液体流动管路18、多节电芯12以及电芯固定支架20之间通过灌封胶灌封。

电芯12、电芯固定支架20以及液体流动管路18通过灌封胶灌封形成一个整体，凝固后的灌封胶非常坚固，具备很高的导热性，利于热量在电芯12与液体流动管路18之间流动。此外，灌封形成的一体结构也提高整个电池系统的抗震性。

概括来说，本发明提供的BMS15除了具备普通电源保护模块所具备的欠压、过压、过流、短路、高温、低温六重保护之外，还具备七大功能：1、电池组内部每一节电芯12电压检测；2、电池组内部电芯12电压均衡调节；3、温控调节；4、GPS定位通讯；5、车辆中控和充电器通讯连接；6、电池电量精确计量；7、电池与车辆电路连接断开后，自动关闭电量输出。

具体来说，参阅图5和图6，所述BMS15设有MOS管155，所述电芯12的总输出端通过该MOS管155与电池系统的电源及信号插座21电连接；所述BMS15通过通过通讯模块与电源及信号插座21电连接，以实现与车载仪表的通讯连接。BMS15可以通过车内通讯总线连接车辆中控、仪表、充电器，使车辆各部件可以协同工作，最后BMS15通过内置的GPS模块进行联网，现实手机APP查看车辆状况和根据需要进行远程控制。

BMS15通过MOS管155控制主电路的开关，其作用有两个：

一，在充电时，如果温度采集探头14测得外壳11内部的温度过高或者过低，BMS15通过MOS管155断开主电路，实现高低温保护；在系统正常工作时BMS的过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护都是通过控制MOS电子开关管切断电路实现的；

总结来说，BMS15和温度采集探头14构成温控系统，可实现三项功能：1、通过MOS管155切断主电路，实现高低温保护；2、通过控制加热制冷组件17，加热或者降温水冷头171内部的导热介质，最后通过水泵19把流动的导热介质带入电池组内部，实现电池组内部温度控制；3、通过对比多个温度采集探头14反馈的温度信号，车辆使用者可以通过车载仪表查看外壳11内部温度均衡状况。

二，BMS15在检测不到车辆和充电器连接时，会通过MOS管155关闭电量输出到电池的电源插座，可以有效防止电池离开车体后，儿童利用剪刀、螺丝刀、硬币等导体插入电源插座而引起的短路触电事故。

所述BMS15通过均衡线154连接电池组内部每一组电芯12，通过均衡线154检测和调节每一组电芯12的电压；保证每一组电芯12电压高度一致，电池组内部每一节电芯12电压和所有电芯12电压均衡状况可以通过车载仪表查看。

同时BMS15具备自检测功能，如果均衡线154断掉，造成BMS15失去对故障均衡线154连接电芯12的检测和控制；或者温控探头信号线断掉，使BMS15失去对电池组内部温度检测能力，造成电池组内部温度保护和温度调节能力不正常；BMS15会发送故障报警信号到车载仪表，提醒驾车人员进行维修。

所述BMS15还包括多个放电电路(BMS均衡功能)，每条放电电路与一个电芯12电连接。具体来说，放电电路包括放电电阻156和三极管157，所述放电电阻156与三极管157连接，所述三极管157与电芯12连接，BMS15的中央处理器151与三极管157连接，以控制放电电路的开关。

当BMS15通过均衡线154监测到一个电芯12的电压达到预设值，即充电完成，而其他电芯12尚未完成充电时，BMS15通过控制电子开关，接通放电电路，使已经充电完成的电芯12通过放电电阻156放电，等待其他电芯充电到预设值，避免部分电芯充电不满和过充现象。

所述BMS15设有霍尔元件电流传感器；通过主电路上的高精度电流测量元件即霍尔元件电流传感器，测量的数据进行电量精确计算，精度可以达到0.2％F·S，最后通过车载仪表显示给车辆使用人员查看。

BMS15还内置有GPS模块158，通过GPS模块158可以实现两大功能：

一、定位，GPS模块158时刻通过手机信号(通信基站)和GPS卫星定位信号进行精确定位，通过手机卡把定位数据发送到服务器以提供用户查看，GPS定位模块的电池内置进一步加强了车辆的安全性能，让车辆的安全防盗更有保障；

二、通过GPS定位模块携带的手机卡可以把电动车的电池电量、电池和电动自行车内部的健康状态、充电或者行驶状态和数据发送到服务器，以供手机app查看，手机app也可以发送断电、恢复、充电器启动和关闭、充电速度调节、恒温系统启动和调节等指令通过服务器传输到GPS模块158实现控制，使用更加安全和更加方便；

最后通过GPS模块158内置手机卡进行联网，实现车辆智能化控制；BMS15的通讯数据线通过专用电源插座与车辆和充电器连接，充电器可以通过车辆然后连接电池也可以直接连接电池。

在本实施例中，除了BMS15之外，还设置了一套安全系统，保证电芯12在极端情况下，不燃烧不爆炸。即在每节电芯12与主电路的极板13之间分别连接一保险丝22，电芯12电量的输出和输入要经过保险丝22，如果电池组内部有一节电芯12因为质量问题或者电池组生产时操作不规范，引起电池组内部短路，而BMS15不能起到保护作用时，保险丝22融断，切断电芯12与主电路的连接，能够在其他各保护系统都失效的极端情况下，保障电池的绝对安全。

多节电芯12分为多组，每组内的电芯12通过极板13实现电连接，不同组的极板13之间通过长度相同的导线实现电连接，使不同电芯12的连接电阻相同。在大电流的情况下，每节电芯12的接触电阻相同，每一节电芯12通过的电流均匀，不会因为电路连接问题破坏系统的唯一性。

在本实施例中，所述加热制冷组件17包括水冷头171、制冷片172和热管散热器173；所述制冷片172为一面制冷，一面制热的半导体元件；所述第二驱动模块153分别与制冷片172和热管散热器173电连接，第二驱动模块153能够实现制冷片172供电线路的正负极切换；所述水冷头171和热管散热器173分别固定在制冷片172的两侧，所述水冷头171与液体流动管路18连通。

中央处理器151直接控制第二驱动模块153对制冷片172输出正反电流，切换流过制冷片172的电流方向可以实现制冷片172冷热面的切换，实现制冷片172的加热和制冷功能；液体介质通过管路把热量带入和带出电池组内部，同时实现内部温度均衡。

热管散热器173包括散热风扇，外壳11上设有散热器空气进气口114和散热器空气出气口115。

加热制冷组件17的工作原理如下：

温度采集探头14采集外壳11内的温度信息，该温度即电芯12的环境温度，BMS15根据温度采集探头14采集的温度信息控制加热制冷组件17：

当温度采集探头14采集到电芯12的环境温度较高，BMS15的的中央处理器151发出降温控制信号，第二驱动模块153控制正向接通制冷片172，此时制冷片172的内侧制冷，外侧制热，液体流动管路18中的热量通过水冷头171传递给制冷片172，制冷片172的热量，包含制冷片172外侧制热产生的热量，随热管散热器173散发出外壳11；致使电芯12的环境温度降低；

当温度采集探头14采集到电芯12的环境温度较低，BMS15的中央处理器151发出升温控制信号，第二驱动模块153反向接通制冷片172，此时制冷片172的内侧制热，外侧制冷，制冷片172内侧制热产生的热量，传递给水冷头171，传递给对液体流动管路18中导热介质；致使电芯12的环境温度升高。

通过上述调节过程，使电芯12一直处在设定范围内工作。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。