一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法技术方案

本发明专利技术提供了一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法，该双极性电池堆包括多个电池单元组、检测装置、控制装置和安全保护系统。当检测装置检测到双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将发生故障的电池单元组中的废液排出并注入安全剂，并且控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经发生故障的电池单元组。避免了因某个电池单元组发生故障而造成整个电池堆无法正常运行，既提高了双极性电池堆的安全性，又提高了双极性电池堆的经济性和可靠性。

A bipolar battery stack with safety protection system and its safe operation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法
本专利技术涉及双极性电池领域，具体地涉及一种具有安全保护系统的双极性电池堆及其安全运行方法。
技术介绍
双极性电池的双极性电池堆由两个单极性电极片、若干个双极性电极片、隔离层和电解液组成。双极性电极片是指在双极板两侧分别涂覆正极材料层和负极材料层后具有两个极性的电极片，单极性单极片是指在单极板一侧涂覆正极材料层或负极材料层后具有单极性的电极片。由于双极性电池堆的由双极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一双极板构成的每个电池单元都具有独立的电化学结构，因而可以通过增加双极性电极片的数量来增加电池单元的个数，进而提高电池的总体电压，并且，双极性电池堆的电池单元之间电阻能耗小、电极表面电流和电位分布均匀、电池充放电速度快等优势，适用于电动汽车、电力储能等领域。在实际使用过程中，由大量电池单元组成上百伏、甚至上千伏电压的高电压电池堆，组成高电压电池堆的大量电池单元整体封装使用，不易拆解成单个电池单元。如果某个电池单元发生短路或者开路等情况，则会影响到整个电池堆的使用，甚至会引发安全故障。若电池系统需要继续工作，则只能更换整个双极性电池堆，这样既增加了成本、造成浪费，又会导致电池系统因更换电池堆而停止运行。
技术实现思路
针对以上存在的问题，本专利技术提供一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，双极性电池堆中的多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组设有旁路电路、注入端口和排出端口。当某个电池单元组发生短路或开路等故障时，经由排出端口将该电池单元组内的废液废气排出并经由注入端口将安全剂注入该电池单元组内，通过旁路电路将该发生故障的电池单元组进行旁路并同时将该发生故障的电池单元组两侧的两个电池单元组直接串联，从而使得双极性电池堆能够继续工作，避免了因某个电池单元组发生故障而造成整个电池堆无法正常运行，既提高了双极性电池堆的安全性，又提高了双极性电池堆的经济性和可靠性。本专利技术提供的技术方案如下：根据本专利技术提供一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，该双极性电池堆包括：多个电池单元，每个电池单元包括按顺序设置的电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板，多个电池单元串联层叠并且将多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组包括至少一个电池单元，每个电池单元组设有用于注入安全剂的注入端口以及用于排出废液废气的排出端口；检测装置，该检测装置用于检测和反馈电池单元组的故障情况；控制装置，该控制装置用于接收检测装置反馈的数据并控制双极性电池堆的运行；以及，安全保护系统，该安全保护系统包括与每个电池单元组相对应的旁路电路，每个旁路电路的两端与每个电池单元组的位于最外两侧的两个电极板分别电连接，旁路电路包括控制开关、屏蔽单元和连接线路，当检测装置检测到双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂，并且控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经发生故障的电池单元组。也就是说，为了避免由于某个电池单元发生故障而导致整个双极性电池堆无法正常操作、甚至引发安全事故，将双极性电池堆中的全部电池单元分成若干个电池单元组，每个电池单元组中至少由一个电池单元组成，利用检测装置对每个电池单元组进行实时检测，当检测装置检测到某个电池单元组发生故障时，检测装置将数据发送给控制装置，控制装置启动安全保护系统对发生故障的电池单元组进行屏蔽(旁路)，直接将该发生故障的电池单元组相邻两侧的两个电池单元组进行串联，从而通过将发生故障的电池单元组进行屏蔽而保证了整个双极性电池堆的继续安全运行。检测装置可以包括电压采集器、电流传感器、温度传感器、压力传感器、气氛测试仪、内阻测试仪和烟雾传感器等中的一种或几种。其中，废液的产生主要是由于：电池堆在充放电过程中，电解液与电极材料层发生副反应而产生废液，该废液会导致电解液不能有效地传导锂离子；或者，电极材料层内的电极活性导电颗粒进入到隔离层内的电解液中，造成电解液污染而产生废液，该废液甚至会导致电池堆内部的电池单元组发生短路。废气是由于电池堆发生副反应而产生，电池堆的副反应包括电解液分解、SEI膜分解以及电极材料层发生的副反应等，特别是如下的几类废气容易造成电池堆燃烧爆炸，如O2、CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6等。双极性电池堆的安全保护系统中的旁路电路与电池单元组相对应，换句话说，每个电池单元组均设有相应的旁路电路。旁路电路中的控制开关可以控制旁路电路的闭合或断开。旁路电路中的屏蔽单元是可以用于调整旁路电路的电流大小、电流方向和/或发出报警信号等的由电子元器件组成的电路，根据调整电流大小、电流方向和/或发出报警信号等具体需要，屏蔽单元可包括由电阻、二极管、三极管、晶闸管、晶体管、电感和电导线等中的一种或者多种组成的电路。例如屏蔽单元可以是由第一电阻、第二电阻以及两个并联的二极管组成的电路，两个并联的二极管的导流方向相反，其中，两个并联的二极管与第一电阻串联形成串联电路，该串联电路又与第二电阻并联形成并联电路，该并联电路与控制开关串联组成自带报警的旁路电路，第一电阻的阻值≥第二电阻的阻值。通过将二极管选择为发光二极管或者在屏蔽单元中加入蜂鸣器等可以实现旁路电路的报警功能，也就是说，当控制开关闭合致使旁路电路连通后，通过旁路电路上电子元器件的发光或发声等方式可以及时发出警报。优选地，旁路电路中的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流≥1.2倍的双极性电池的最大承载电流。换句话说，旁路电路中的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流分别大于等于双极性电池的最大承载电流的1.2倍，使得旁路电路能够承受较大的电流。旁路电路中的连接线路用于将屏蔽单元与电池单元组进行电连接。双极性电池堆内的每个电池单元组可以分别独立使用一个屏蔽单元，优选地，通过利用不同的布线方式，使得双极性电池堆内的至少两个电池单元组可以共用一个屏蔽单元，从而可以简化系统结构、大大节省成本。当电池单元组中仅包括一个电池单元时，旁路电路的两端分别与该电池单元中的两个电极板耦连(电连接)；当电池单元中包括多个电池单元时，旁路电路的两端分别与该电池单元组中位于最外两侧的两个电极板耦连(电连接)，从而保证通过旁路电路可以对相应的电池单元组进行屏蔽。除了利用旁路电路对发生故障的电池单元组进行屏蔽之外，通过将发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂可以阻止该电池单元组因进一步发生反应而造成电池单元组发热、甚至燃烧爆炸等安全问题，从而更加确保整个系统的安全性。当每个电池单元组仅包括一个电池单元时，在各个电池单元上均应设置注入端口和排出端口。当每个电池单元组包括多个电池单元时，每个电池单元组可仅设置一个注入端口和一个排出端口，电池单元组内的各个电池单元通过内部流道连通，内部流道的长度应设计成足够长，从而阻止一个电池单元内参与电化学反应的电解液迁移到相邻电池单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其特征在于，所述双极性电池堆包括：/n多个电池单元，每个所述电池单元包括按顺序设置的电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板，所述多个电池单元串联层叠并且将所述多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组包括至少一个所述电池单元，所述每个电池单元组设有用于注入安全剂的注入端口以及用于排出废液废气的排出端口；/n检测装置，所述检测装置用于检测和反馈所述电池单元组的故障情况；/n控制装置，所述控制装置用于接收所述检测装置反馈的数据并控制所述双极性电池堆的运行；以及，/n安全保护系统，所述安全保护系统包括与所述每个电池单元组相对应的旁路电路，每个所述旁路电路的两端与所述每个电池单元组的位于最外两侧的两个电极板分别电连接，所述旁路电路包括控制开关、屏蔽单元和连接线路，当所述检测装置检测到所述双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，所述控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将所述发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂，并且所述控制装置控制与所述发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经所述发生故障的电池单元组。/n...

【技术特征摘要】
1.一种具有安全保护系统的双极性电池堆，其特征在于，所述双极性电池堆包括：
多个电池单元，每个所述电池单元包括按顺序设置的电极板、正极材料层、隔离层、负极材料层和另一电极板，所述多个电池单元串联层叠并且将所述多个电池单元分为若干个电池单元组，每个电池单元组包括至少一个所述电池单元，所述每个电池单元组设有用于注入安全剂的注入端口以及用于排出废液废气的排出端口；
检测装置，所述检测装置用于检测和反馈所述电池单元组的故障情况；
控制装置，所述控制装置用于接收所述检测装置反馈的数据并控制所述双极性电池堆的运行；以及，
安全保护系统，所述安全保护系统包括与所述每个电池单元组相对应的旁路电路，每个所述旁路电路的两端与所述每个电池单元组的位于最外两侧的两个电极板分别电连接，所述旁路电路包括控制开关、屏蔽单元和连接线路，当所述检测装置检测到所述双极性电池堆中的某个电池单元组发生故障时，所述控制装置控制与发生故障的电池单元组相对应的注入端口和排出端口开启用以将所述发生故障的电池单元组中的废液废气排出并注入安全剂，并且所述控制装置控制与所述发生故障的电池单元组相对应的旁路电路的控制开关闭合，使得电流从该旁路电路流过从而避免电流流经所述发生故障的电池单元组。


2.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述屏蔽单元包括由电阻、二极管、三极管、晶闸管、晶体管、电感和电导线中的一种或者多种组成的电路。


3.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述双极性电池堆内至少两个所述电池单元组共用一个所述屏蔽单元；或者，所述双极性电池堆内的每个所述电池单元组分别独立使用一个屏蔽单元。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述旁路电路的控制开关、屏蔽单元和连接线路的最大承载电流分别≥1.2倍的双极性电池的最大承载电流。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述屏蔽单元是由第一电阻、第二电阻以及两个并联二极管组成的电路，所述两个并联二极管的导流方向相反，所述两个并联二极管与所述第一电阻串联形成串联电路，所述串联电路与所述第二电阻并联形成并联电路，所述并联电路与所述控制开关串联组成自带报警的旁路电路，所述第一电阻的阻值≥所述第二电阻的阻值。


6.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全保护系统还包括回收装置，所述回收装置经由回收管路与所述排出端口连通，在所述回收管路中设有第一控制阀。


7.根据权利要求1所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全保护系统还包括安全剂存储装置，所述安全剂存储装置经由注入管路与所述注入端口连通，在所述注入管路中设有第二控制阀。


8.根据权利要求6或7所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，其中，所述安全保护系统还包括用于驱动流体的驱动装置，所述驱动装置为气压驱动装置、液压驱动装置、泵驱动装置或者电机驱动装置。


9.根据权利要求8所述的具有安全保护系统的双极性电池堆，所述双极性电池堆内至少两个所述电池单元组共用一个所述安全剂存储装置和一个用于驱动安全剂的所述驱动装置；或者，所述双极性电池堆内的每个所述电池单元组分别独立使用一个所述安全剂存储装置和一个用于驱动安全剂的所述驱动装置。


10.根据权利要求1至3中任一项所述的具有安...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓虎，陈永翀，张彬，王玉伟，谢晨，张艳萍，
申请(专利权)人：北京好风光储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11