CN201766129U

CN201766129U - 多电池组电动汽车动力电池系统

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Publication number: CN201766129U
Application number: CN2010202472752U
Authority: CN
Inventors: 刘新保; 贾晓林; 吴铁雷; 蔡俊明; 周永刚; 李恩惠
Original assignee: HENAN UNION NEW ENERGY CO Ltd
Current assignee: HENAN UNION NEW ENERGY CO Ltd
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2020-07-05

Abstract

本实用新型涉及一种电动汽车动力电池。一种多电池组电动汽车动力电池系统，含有放电主体电池组和辅助放电电池组，放电主体电池组和辅助放电电池组的标称电压相匹配，辅助放电电池组采用磷酸铁锂锂离子电池，辅助放电电池组通过大功率二极管和放电主体电池组并联。本实用新型多电池组电动汽车动力电池系统，采用铅酸电池、镉镍或镍氢电池作为放电主体电池组，磷酸铁锂锂离子电池组作为辅助放电电池组，扬长避短，能够满足电动汽车动力电池的高倍率放电性能、高输出电压、高荷电容量等技术要求。并联联接电子元件采用大功率二极管，转换时无需作任何其它的操作，具有较高的性能和较低的成本，使用方便、安全可靠。

Description

多电池组电动汽车动力电池系统

一、技术领域：本实用新型涉及一种电动汽车动力电池，特别是涉及一种多电池组电动汽车动力电池系统。

二、背景技术：电动汽车由于其环保、节能、效率高等特点受到日益广泛的关注。但是作为电动汽车关键部件之一的动力电池，目前还没有一种理想的能够满足电动汽车动力电池的高倍率放电性能、高倍率充电性能、高输出电压、高荷电容量等技术要求的动力电池系统。目前，电动汽车动力电池已成为制约电动汽车普及和发展的一大瓶颈。

在电动汽车等应用技术领域，可以作为车载动力的电池类型很多，主要有铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池、锌-空气电池和超级电容器等。镉镍电池的高功率输出特性很好，早已使用于电动汽车动力。镉镍电池当其荷电态SOC＝100％时，在15秒内输出功率密度可达到500W/kg；即使SOC＝50％时也可以达到250W/kg。此外，它的低温放电特性和循环寿命都很好，均可以满足实验设计(DOE)的要求。它在荷电态为30-70％范围内的充电接受能力也是非常好的。但是镉镍电池的比能量不是很高，限制了它在电动汽车上的应用。

铅酸电池至今已有100多年的历史，是价格最便宜、技术最成熟的电池。最早的电动汽车就是采用铅酸电池作为能源的。它的比能量只有40-50W.h/kg；比功率有400-450W/kg。但是它们之间的平衡关系却是位居各种蓄电池之上。例如它的荷电态从100％降到50％时，其输出比功率仍然可以达到350W/kg。远优于镉镍电池盒镍氢电池。因此，从比能量与比功率关系的角度来看，这种电池满足了DOE的下线要求。同时，铅酸电池的高温(52℃)和低温(-20℃)状态下的输出功率、比能量、充电接受能力、循环寿命、自放电等特性均满足DOC的要求。

日本本田公司把6.25Ah圆柱形D镍氢电池用于Prinus混合型电动汽车。这是在混合型电动汽车上实验过最多的一种电池，也是比较成熟的一种电池。镍氢电池之所以受到电动汽车行业的青睐，首先在于它具有600-900W/kg的高功率密度，甚至在SOC＝50％时也具有很好的充电接受能力。然而镍氢电池在高功率输出时其比能量却下降得很快，即使在允许的SOC变化范围内也难于满足DOE提出的300-400V的要求。

新开发的磷酸铁锂电池是用磷酸铁锂(LiFePO4，简称LFP)材料作电池正极的锂离子电池，它是锂离子电池家族的新成员。磷酸铁锂电池的主要优势体现在：1)使用安全，磷酸根化学键的结合力比传统的过渡金属氧化物结构化学键强，所以结构更加稳定，并且不易释放氧气，完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，磷酸铁锂电池是目前全球唯一绝对安全的锂离子电池，在高温下的稳定性可达400-500℃，保证了电池内在的安全性；不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧；2)电池寿命超长，循环使用次数高，在室温下1C充放电循环2000次，容量保持率80％以上；是当前锂离子电池的2倍以上；3)该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属)，无毒(SGS认证通过)，无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池；4)该电池重量很轻，是铅酸电池的1/3，镍氢电池的63％；5)放电平台稳定，可满足大电流高功率充放电高倍率放电特性：10C充放电效率达到96％以上，容量保持率90％以上，可实现10C放电；6)电池自放电小，无记忆效应；可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆效应，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电；7)该电池快速充电特性优，2C快充半小时充足95％；8)工作温度范围宽广(-20℃-+75℃)，有耐高温特性，磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃，而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

由于磷酸铁锂电池先天性的结构稳定特性，特别是在安全性和循环性能方面具有无可比拟的优势，所以采用磷酸铁锂正极材料的电池主要应用于大型电动车辆(火车、公交车、叉车、景点游览车、混合动力车和纯电动车等)和军事、航天领域(轮船、潜艇、装甲车、火箭、太空车等)。但是，磷酸铁锂导电性差、锂离子扩散速度慢。高倍率充放电时，实际比容量低，这个问题是制约磷酸铁锂锂离子电池产业发展的一个难点。

三、实用新型内容：

本实用新型针对现有技术不足，提出一种多电池组电动汽车动力电池系统，混合使用铅酸电池、镉镍或镍氢电池和磷酸铁锂锂离子电池，扬长避短，能够满足电动汽车动力电池的高倍率放电性能、高荷电容量等技术要求。

本实用新型所采用的技术方案：

一种多电池组电动汽车动力电池系统，含有放电主体电池组(1)，辅助放电电池组(2)，所述放电主体电池组(1)和辅助放电电池组(2)的标称电压相匹配，所述辅助放电电池组(2)采用磷酸铁锂锂离子电池，辅助放电电池组(2)通过大功率二极管和放电主体电池组(1)并联，所述大功率二极管的正极和辅助放电电池组(2)的正极相连，大功率二极管的负极和放电主体电池组(1)的正极相连，所述放电主体电池组(1)和辅助放电电池组(2)的负极相连接。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，辅助放电电池组(2)由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，放电主体电池组(1)采用铅酸电池，放电主体电池组(1)由M个铅酸电池单元串联组成，辅助放电电池组(2)由L个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(L×3.33-M×2.08)＜M×0.2，其中M、L为自然数。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，放电主体电池组(1)为镉镍或镍氢电池，放电主体电池组由H个镉镍或镍氢电池单体串联组成；辅助放电电池组由P个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足：-0.5＜(P×3.33-H×1.30)＜H×0.1，其中H、P为自然数。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，大功率二极管的功率大于100A。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，辅助放电电池组(2)由N个磷酸铁锂锂离子电池单元并联组成，每个磷酸铁锂锂离子电池单元由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，所述N为自然数。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，放电主体电池组(1)采用铅酸电池，放电主体电池组(1)由M个铅酸电池单元串联组成，组成辅助放电电池组(2)的每个并联的磷酸铁锂锂离子电池单元由L个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(L×3.33-M×2.08)＜M×0.2，其中M、L为自然数。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，所述放电主体电池组(1)为镉镍或镍氢电池，放电主体电池组(1)由H个镉镍或镍氢电池单体串联组成；组成辅助放电电池组(2)的每个并联的磷酸铁锂锂离子电池单元由P个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(P×3.33-H×1.30)＜H×0.1，其中H、P为自然数。

所述的多电池组电动汽车动力电池系统，每个磷酸铁锂锂离子电池单元各通过一个正接的大功率二极管与放电主体电池组(1)的正极连接。

本实用新型的有益积极效果：

1、本实用新型克服现有技术各种电动机车动力电池的缺陷，将铅酸电池、镉镍或镍氢电池和磷酸铁锂锂离子电池有机地组合起来，充分发挥各自的优势，避免其不足，组合出一种集上述几种类型蓄电池优点的动力电池系统，能够满足电动汽车动力电池的高倍率放电性能、高倍率充电性能、高输出电压、高荷电容量等技术要求。本发明以铅酸电池、镉镍或镍氢电池作为放电主体电池组，将N组磷酸铁锂锂离子电池通过电子元器件并联到放电主体上，以这N组磷酸铁锂锂离子电池作为后备能源，在当汽车需要大功率放电时，例如在起步和上坡时，由放电主体电池组提供主要的输出功率，由磷酸铁锂锂离子电池组提供辅助输出功率，大大地提高了电动汽车的加速性能；当汽车正常平稳的行驶时，磷酸铁锂锂离子电池组提供主要输出功率，由于磷酸铁锂锂离子电池组的大容量，可以加大电动汽车的续航里程。

2、本实用新型多电池组电动汽车动力电池系统，性能优良，使用寿命长。当汽车正常平稳的行驶时，磷酸铁锂锂离子电池组在提供主要输出功率的同时，可以对由于在大功率放电时放电主体电池组(铅酸电池、镉镍或镍氢电池)的荷电量SOC下降进行补充充电，可以避免放电主体电池组深度放电或过放电，可以有效地保护放电主体电池组，增加了其使用寿命。

3、本实用新型多电池组电动汽车动力电池系统，结构简单、设计巧妙、使用方便。采用铅酸电池、镉镍或镍氢电池作为放电主体电池组，磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组，并联联接电子元器件采用大功率二极管，转换时无需作任何其它的操作，各个过程即可自动转换，保证了本发明具有较高的性能和较低的成本，极大地方便了使用，安全可靠。

4、本实用新型多电池组电动汽车动力电池系统，经过在实验电动汽车上实际应用，采用5只12V/60Ah的铅酸电池串联作为放电主体电池组，3组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池532只，28并19串；每只单体电池3Ah)，电动汽车从0加速到50km/h共用时11.8秒；50km/h续航里程280km，整体性能指标优良。实验电动汽车主要技术参数见下表：

实验电动汽车主要技术参数：

序号	项目	指标
			1	车型名称	纯电动汽车
2	长宽高(mm)	3855×1680×1500
			3	轴距(mm)	2425
4	轮距(前/后)(mm)	1440/1420
			5	整车整备质量(kg)	1115
6	最小离地间隙(mm)	155
			7	乘坐人数	5
8	最小转弯半径(m)	9.8
			9	最高车速(km/h)	80
10	最大爬坡(°)	25
			11	系统结构驱动方式	后驱动
12	转向系统	齿轮齿条式转向
			13	驻车制动形式	前制动系统通风盘式刹车ABS+EBD(刹车防抱死及防侧滑)
14	刹车系统	前盘后鼓
			15	变速	前机械式3档手动变速
16	传动系统	前悬架麦弗逊式及行车传动系统
			17	电机功率(kW)	4

四、附图说明：

图1：多电池组电动汽车动力电池系统的结构示意图之一；

图2：多电池组电动汽车动力电池系统的结构示意图之二；

图3：多电池组电动汽车动力电池系统的结构示意图之三。

五、具体实施方式：

实施例一：参见图1，本实用新型多电池组电动汽车动力电池系统，含有放电主体电池组1，辅助放电电池组2，放电主体电池组1和辅助放电电池组2的标称电压相匹配，辅助放电电池组2采用磷酸铁锂锂离子电池，辅助放电电池组2通过大功率二极管和放电主体电池组1并联，所述大功率二极管的正极和辅助放电电池组2的正极相连，大功率二极管的负极和放电主体电池组1的正极相连，放电主体电池组1和辅助放电电池组2的负极相连接。

实施例二：参见图2或图3，本实用新型多电池组电动汽车动力电池系统，其结构形式与实施例一稍有不同：辅助放电电池组可由N个磷酸铁锂锂离子电池单元并联组成，每个磷酸铁锂锂离子电池单元各通过一个正接的大功率二极管与放电主体电池组的正极连接，N为自然数。

图2中，辅助放电电池组由2个磷酸铁锂锂离子电池单元并联组成；图3中，辅助放电电池组由3个磷酸铁锂锂离子电池单元并联组成；图中标号同实施例一相同的，代表意义相同。

实施例三：本实施例多电池组电动汽车动力电池系统，放电主体电池组采用铅酸电池，放电主体电池组由M个铅酸电池单元串联组成；组成辅助放电电池组的每个并联的磷酸铁锂锂离子电池单元由L个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组的标称电压与放电主体电池组的标称电压满足：L×3.33-M×2.08)＜M×0.2，其中M、L为自然数。

实施例四：本实施例多电池组电动汽车动力电池系统，放电主体电池组为镉镍或镍氢电池，放电主体电池组由H个镉镍或镍氢电池单体串联组成；组成辅助放电电池组的每个并联的磷酸铁锂锂离子电池单元由P个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组的标称电压与放电主体电池组的标称电压满足公式：(P×3.33-H×1.30)＜H×0.1，其中H、P为自然数。

实施例五：参见图1。本实施例采用4只12V/60Ah(24个铅酸电池单体)的铅酸电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为49.92V。1组磷酸铁锂锂离子电池组作为辅助放电电池组，用26650磷酸铁锂锂离子单体电池420只，28并15串(每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为49.95V。并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供48V/144Ah的能量。

由于并联的电子元件采用了大功率二极管，二极管的单向导电性决定了并联后N组磷酸铁锂锂离子电池将对放电主体电池组(铅酸电池、镉镍或镍氢电池)进行浮充电。所以必须经过周密的计算，使得并联后的N组磷酸铁锂锂离子电池的电压不能高于放电主体电池组的电压过高，否则放电主体电池组将因为过充电而遭到损坏。也不能过低，过低则并联后的N组磷酸铁锂锂离子电池起不到输出电能的作用。

实施例六：参见图2，采用5只12V/60Ah(30个铅酸电池单体)的铅酸电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为62.4V；采用2组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池532只，28并19串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为63.27V。并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供60V/228Ah的能量。

实施例七：参见图3，本实施例采用10只12V/60Ah(60个铅酸电池单体)的铅酸电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为124.8V。3组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池1064只，28并38串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为126.54V。38×3.33-60×2.08≈1.34V；并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供120V/312Ah的能量。

实施例八：参见图3，本实施例采用25只12V/60Ah(150个铅酸电池单体)的铅酸电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为312.0V。3组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池2632只，28并94串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为313.02V。60×3.33-94×2.08≈1.02V；并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供300V/312Ah的能量。

实施例九：参见图1，采用38只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为49.40V。1组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池420只，28并15串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为49.95V。并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供48V/134Ah的能量。

实施例十：参见图2，采用49只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为63.70V。2组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池532只，28并19串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为63.27V。L×3.33-P×1.30≈-0.43V；并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供60V/218Ah的能量。

实施例十一：参见图3，采用97只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为126.1V。3组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池1064只，28并38串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为126.54V。L×3.33-P×1.30≈0.44；并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供120V/302Ah的能量。

实施例十二：参见图3，采用240只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组，充满电后的开路电压约为312.0V。3组磷酸铁锂锂离子电池组作为并联电池组(每组用26650磷酸铁锂锂离子电池单体电池2632只，28并94串；每只单体电池3Ah)；充满电后的开路电压约为313.02V。L×3.33-P×1.30≈1.02；并联电子元件采用100A二极管。本实施例多电池组电动汽车动力电池系统可提供288V/302Ah的能量。

实施例十三：本实施例同实施例九基本相同，不同之处在于采用190只1.2V/10AhF型镍氢电池，5并38串代替38只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组。

实施例十四：本实施例同实施例十基本相同，不同之处在于采用245只1.2V/10AhF型镍氢电池，5并49串代替49只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组。

实施例十五：本实施例同实施例十一基本相同，不同之处在于采用485只1.2V/10AhF型镍氢电池，5并97串代替97只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组。

实施例十六：本实施例同实施例十二基本相同，不同之处在于采用1200只1.2V/10AhF型镍氢电池，5并240串代替240只1.2V/50Ah的镉镍电池串联作为放电主体电池组。

Claims

1.一种多电池组电动汽车动力电池系统，含有放电主体电池组(1)，辅助放电电池组(2)，所述放电主体电池组(1)和辅助放电电池组(2)的标称电压相匹配，其特征是：所述辅助放电电池组(2)采用磷酸铁锂锂离子电池，辅助放电电池组(2)通过大功率二极管和放电主体电池组(1)并联，所述大功率二极管的正极和辅助放电电池组(2)的正极相连，大功率二极管的负极和放电主体电池组(1)的正极相连，所述放电主体电池组(1)和辅助放电电池组(2)的负极相连接。

2.根据权利要求1所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：所述辅助放电电池组(2)由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成。

3.根据权利要求2所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：放电主体电池组(1)采用铅酸电池，放电主体电池组(1)由M个铅酸电池单元串联组成，辅助放电电池组(2)由L个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(L×3.33-M×2.08)＜M×0.2，其中M、L为自然数。

4.根据权利要求2所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：所述放电主体电池组(1)为镉镍或镍氢电池，放电主体电池组(1)由H个镉镍或镍氢电池单体串联组成；辅助放电电池组由P个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(P×3.33-H×1.30)＜H×0.1，其中H、P为自然数。

5.根据权利要求1～4任一项所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：所述大功率二极管的功率大于100A。

6.根据权利要求1所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：所述辅助放电电池组(2)由N个磷酸铁锂锂离子电池单元并联组成，每个磷酸铁锂锂离子电池单元由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，所述N为自然数。

7.根据权利要求6所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：放电主体电池组(1)采用铅酸电池，放电主体电池组(1)由M个铅酸电池单元串联组成，组成辅助放电电池组(2)的每个并联的磷酸铁锂锂离子电池单元由L个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(L×3.33-M×2.08)＜M×0.2，其中M、L为自然数。

8.根据权利要求6所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：所述放电主体电池组(1)为镉镍或镍氢电池，放电主体电池组(1)由H个镉镍或镍氢电池单体串联组成；组成辅助放电电池组(2)的每个并联的磷酸铁锂锂离子电池单元由P个磷酸铁锂锂离子电池单体或由一定数量的磷酸铁锂锂离子电池单体并联后组成的容量单元串联组成，辅助放电电池组(2)的标称电压与放电主体电池组(1)的标称电压满足公式：-0.5＜(P×3.33-H×1.30)＜H×0.1，其中H、P为自然数。

9.根据权利要求6、7或8所述的多电池组电动汽车动力电池系统，其特征是：每个磷酸铁锂锂离子电池单元各通过一个正接的大功率二极管与放电主体电池组(1)的正极连接。