一种可调式电池模组及其调节方法技术

本发明专利技术提供一种由电池单体(1)、气囊(2)、管道(3)、压缩机(4)、控制器(5)和绑带(6)构成的可调式电池模组，来解决锂离子电池模组工作过程的膨胀吸纳和缓冲问题。本发明专利技术还提供应用于可调式电池模组的调节方法：在控制器(5)中存储基准压力值P

【技术实现步骤摘要】
一种可调式电池模组及其调节方法


[0001]本专利技术涉及电池领域，特别涉及一种可调式电池模组及其调节方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因高能量密度、高功率密度和绿色环保等优点而广泛应用于交通和工业领域。为了提供足够的电压和电流，通常将多个锂离子电池串并联形成模组使用。对广泛应用的方形电池而言，一般是将多个电池单体排成一列置于框架中或通过绑带约束。
[0003]锂离子电池充放电循环过程，会因电极材料自身因素、副反应因素和工艺缺陷因素等而发生膨胀和收缩现象。譬如，锂离子电池经过高温存储和循环，容易发生膨胀，厚度增长率大概率处于6
‑
20％之间，其中正极膨胀率约4％，石墨负极膨胀率超过20％。对锂离子电池模组而言，为了给予电池单体膨胀和收缩空间并尽量维持结构框架的约束力基本恒定，避免电池自身和约束结构因应力过大而失效，当前公知的做法是在相邻的两个电池单体之间设置缓冲垫，这样电池膨胀过程就会挤压缓冲垫，收缩过程则释放空间给缓冲垫。如中国专利CN208507758U就公开了一种电池模组及其缓冲垫的技术方案。
[0004]但是，缓冲垫尚存在以下四个方面的不足：第一，缓冲垫自身需要占据一定的空间，造成死区体积(即这部分空间对电池的充放电能力本身没有任何贡献)，这会降低模组体积能量密度和体积功率密度。第二，电池每充放电循环一次，缓冲垫就经历一次挤压和释放过程，电池长期工作会使得缓冲垫多次经历交替的挤压和释放，后期使缓冲垫材料因疲劳寿命有限而降低其性能。第三，缓冲垫是被动的工作原理，不能根据模组结构特点和服役场合需要而调节其缓冲能力特征。第四，由于单个缓冲垫缓冲能力有限，一般需要在相应的两个电池单体中设置1个缓冲垫，故一个模组中有很多个缓冲垫，装配和维修更换麻烦。
[0005]此外，人们当前正在大力研究使用硅基或硅碳负极材料的锂离子电池，这种电池具有很高的能量密度，被认为是下一代锂离子电池中十分有力的候选者。但是，与当前的石墨负极相比，锂离子电池使用硅基或硅碳负极材料后，其充放电过程负极膨胀率大幅度上升，硅负极膨胀率甚至可达300％以上。这种情况下，在不过于增加死区体积的情况下，传统的缓冲垫必将难以满足其膨胀吸纳需求。
[0006]因此，亟待开发新的技术，更好地解决锂离子电池模组工作过程的膨胀吸纳和缓冲问题。

技术实现思路

[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种结构简单、维护方便、适配性好、吸纳缓冲能力强的可调式电池模组及其调节方法。
[0008]根据本专利技术的一个方面，提供一种可调式电池模组，其特征在于，所述模组中由n个单元排列形成一列，且n大于5；上述n个单元中包括a个A单元和b个B单元，且a≥b；其中：
[0009]所述A单元为长方体形状的电池单体；
[0010]所述B单元为长方体形状的气囊，所述气囊包括囊体、排气阀、进气阀和压力传感
器；所述进气阀通过管道和压缩机连通，所述压力传感器用于测量囊体内气压；
[0011]所述模组中还设有控制器，所述控制器与所有气囊的排气阀、进气阀、压力传感器以及压缩机电性连接，用于采集气囊内气压值并控制排气阀、进气阀以及压缩机的工作状态。
[0012]上述可调式电池模组，所述模组还设有环绕所有单元的绑带以提供整体的强制约束力。
[0013]上述可调式电池模组，若B单元的数目大于1时，则任意两个B单元之间均设有至少1个A单元。
[0014]上述可调式电池模组，所述排气阀、进气阀和压缩机的缺省工作状态为关闭状态。
[0015]上述可调式电池模组，所述电池单体为锂离子电池单体。
[0016]根据本专利技术的另一个方面，提供一种应用于可调式电池模组的调节方法，控制器事先存储有基准压力值P
c
、第一压力偏差值ΔP1和第二压力偏差值ΔP2，其中，基准压力值P
c
处于50至500kPa之间，第一压力偏差值ΔP1处于0.01P
c
至0.1P
c
之间，第二压力偏差值ΔP2处于0.02P
c
至0.2P
c
之间，且有ΔP1<ΔP2；模组工作过程，控制器每隔一定时间间隔，通过压力传感器实时采集所有气囊内气压值并执行控制；对任一气囊，令其某采样时刻压力值为P
i
：
[0017](i)、若P
i
<P
c
，则打开该气囊的进气阀，打开压缩机，对该气囊充气直至该气囊压力值升至P
c
+ΔP1后停止充气并关闭该气囊的进气阀，关闭压缩机；
[0018](ii)、若P
i
>P
c
+ΔP2，则打开该气囊的排气阀，对该气囊排气直至该气囊压力值降至P
c
+ΔP1后停止排气并关闭该气囊的排气阀。
[0019]上述可调式电池模组的调节方法，所述控制器采样和执行的时间间隔处于10s至200s之间。
[0020]本专利技术的原理是，不论模组内电池各单体如何膨胀或收缩，通过对气囊进行充气和排气操作，使气囊跟随电池单体的体积变化进行主动的空间补偿，工作过程气囊的压力始终稳定在基准压力值P
c
附近，在调节气囊体积起到吸纳缓冲作用的同时维持模组装配压力的基本恒定，减少各部分结构应力变化幅度，使其具有较长的疲劳寿命。
[0021]根据以上原理还不难发现本专利技术的如下其他有益效果：
[0022]1、本专利技术的气囊具有很大的体积变化能力，能够依靠一个或有限的几个气囊，为模组中的所有电池单体提供吸纳和缓冲，相对而言占据的死区体积较小，空间利用率较高，且整体结构简单，能适用多种结构的模组。
[0023]2、本专利技术可根据模组结构特点和服役场合需要，通过改变基准压力值的取值而调节气囊的缓冲能力特征，故适用性广，可灵活调节其缓冲能力。
[0024]3、本专利技术的模组装配和更换维修方便。装配时，先对所有气囊充少量气体使其具有较低的压力，如使其压力值仅充至基准压力值P
c
的30％～50％，在此基础上完成所有单元和绑带等结构件的装配，此时装配压力较小，装配过程较为容易；然后再将所有气囊继续充气，将其压力充至基准压力值以完成装配，这时即可达到设计所需的装配压力。类似地，更换某个单元时，先对所有气囊放气体使其压力降低至基准压力值P
c
的30％～50％，在此基础上完成更换，此时装配压力较小，单元更换过程较为容易；更换完成后再将所有气囊继续充气，将其压力充至基准压力值以完成更换，这时即可达到设计所需的装配压力。
[0025]4、本专利技术的调节方法中，在基准压力值P
c
的基础上还设置第一压力偏差值ΔP1和第二压力偏差值ΔP2且有ΔP1<ΔP2，这使得气囊内压力精准地维持在P
c
至P
c
+ΔP2之间，同时在基准压力值P...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可调式电池模组，其特征在于，所述模组中由n个单元排列形成一列，且n大于5；上述n个单元中包括a个A单元和b个B单元，且a≥b；其中：所述A单元为长方体形状的电池单体(1)；所述B单元为长方体形状的气囊(2)，所述气囊(2)包括囊体(21)、排气阀(22)、进气阀(23)和压力传感器(24)；所述进气阀(23)通过管道(3)和压缩机(4)连通，所述压力传感器(24)用于测量囊体(21)内气压；所述模组中还设有控制器(5)，所述控制器(5)与所有气囊(2)的排气阀(22)、进气阀(23)、压力传感器(24)以及压缩机(4)电性连接，用于采集气囊(2)内气压值并控制排气阀(22)、进气阀(23)以及压缩机(4)的工作状态。2.权利要求1所述的可调式电池模组，其特征在于，所述模组还设有环绕所有单元的绑带(6)以提供整体的强制约束力。3.权利要求1所述的可调式电池模组，其特征在于，若B单元的数目大于1时，则任意两个B单元之间均设有至少1个A单元。4.权利要求1所述的可调式电池模组，其特征在于，所述排气阀(22)、进气阀(23)和压缩机(4)的缺省工作状态为关闭状态。5.权利要求1所述的可调式电池模组，其特征在于，所述电池单体(1)为锂离子电池单体。6.应用于权利要求1
‑
5任意一项所述可调式电池模组的调节方法，其特征在于，控制器(5)事先存储有基准压力值P
c
、第一压力偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翮辉，宗禹彤，李康，左青松，尹德友，沈伟，国海鹏，蒋良兴，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：