CN1290405A - 具有复合互连的电池网络 - Google Patents

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Abstract

一种电池工作系统含有由多个单独电池单元构成的阵列,这些电池单元以复合串并联连接的形式构成了一个网络。这个由单独电池单元构成的阵列被设置成提供一个具有X列和Y行的二维电池网络。此网络的各列中都含有Y个串联电连接的电池以形成一个电池串。然后X个列或串中的每一个都进一步被并联电连接在一起,从而产生一个由X个列并联在一起的电池所组成的网络,X个列中的每一列都含有串联在一起的Y个电池。最后,各单独电池单元被进一步配置成复合互连,从而使各单独电池单元都与同一行中的所有相邻单独电池单元并联在一起。

Description

具有复合互连的电池网络
发明领域
本发明一般涉及能量贮存系统，更具体地涉及具有复合互连的电池网络。
发明背景
当使用电力而不是汽油来向汽车提供动力已为公众所知数年后，电动汽车(EV)已经开始在近几年越来越普及。例如1996年标志着通用汽车(General Motor)的EV1电动汽车的问世。
对于EV的整体性能最为关键的是贮能系统，其向汽车提供所需的动力。典型的EV中的贮能系统包括一电池组，其包括一个或多个按某种结构电连接在一起的电池，以提供所需的性能。大多数现有技术的EV贮能系统集中于高压、大电流的方案来向EV提供所需的电能。在这些现有技术背后的一个基础设想是，为了提供动力以使EV按照所需的速度来运动，需要相当大的电流。例如EV1包括一含有26块串联在一起的Valve-Regulated Lead Acid(阀调节的铅酸(VRLA))组件，可获得312伏特的电压和储存大约16．3kW的电能。
如图1所示，其它类似的现有技术方法包括将多个单片电池元件2串联成一列4，并将一对这样的列4在其各端并联，以达到所需的总的包电压。
但是，这些现有技术都有相当严重的缺陷。例如，构成为单串的的电池组本身的故障率就很高，这是因为电池组中任何一节电池出现故障都会导致整个电池组的故障(或整个电池列的故障)，即在电池组的充电或放电过程中发生无电流流过的开路现象。
另外，在充电或放电过程中，包含连成一串的电池元件的电池组的性能受到在该串中最差电池的影响。在放电过程中，整个电池组的电流输送能力被该串中容量最低的个别电池所限制。类似地，在电池组充电期间，容量最低的个别电池首先达到完全充电的状态，并限制了整个电池组的再充电。
此外，在这种电池组中容量最低的单独电池元件在每次充电周期中都会被过度充电，而在每次放电周期中则会被过度放电。这两种情况都会严重地损害电池的容量和寿命。这样，构成为单串的电池组的正常周期就具有内在的不稳定状况，在这种不稳定状况中，质量最差的电池元件将变得更差，并逐渐使这些元件都出现故障，最终使整个电池组出现故障。
此外，EV1电池在串联的电池单元中流过大电流。结果是，需要在操作中有较高程度的放电深度(DOD)，这也对个别电池单元以及整个电池组的寿命产生不利的影响。
现有技术除了这些工作上的缺陷之外，它们还有一些显著的结构缺陷。例如，EV1电池组重达1175磅，因此也占据了EV整个重量的相当一部分，对于在汽车需要再充电之前的电势范围也有不利影响。
总之，需要改进贮能系统，更具体地说需要改进用于EV的电池工作系统。
发明综述
因此，本发明的目的是提供一种用于EV的改进的电池工作系统，其设计克服了上述缺陷。个别电池元件组成的阵列连接成串联和并联复合的形式，从而形成了电池网络。根据本发明，电池网络由二维或三维的电池元件阵列构成。这样形成的电池网络包括足够数量的串联的单独电池，以便单独电池节点的串联电压之和达到所需的整个电池组电压。此外，这样形成的电池网络包括足够数量的并联连接的单独电池，从而使并联连接的单独节点的电池总的电流输送能力达到所需的整个电池组的电流输送能力。
在一个实施例中，X乘Y的二维阵列的电池元件通过将阵列中的每个节点电池与其最近的相邻节点连接，串联和并联连接都使用导电材料。单独电池元件的阵列构成为提供具有X列和Y行的二维电池网络。电池网络中的每列电池组括Y个串联的电池以形成一电池串。然后再将X个的列或串并联连接，以产生并联连接在一起的X个电池列的网，X个列中的每列均有Y个电池串联在一起。最后，每个单独电池单元还配置成复合互连，以便每一个单独电池元件与所有在同一行中相邻的单独电池元件并联连接。
本发明的这些特征和优点通过参考结合附图所作的详细说明可以得到更好地理解。
附图简述
图1是根据现有技术的电池网络的示意说明；
图2是根据本发明的电池网络的示意说明，其中在该网中构成了X列Y行的单独电池单元阵列；
图3A是图2所示的电池网络中一个串的示意说明，其中多个单独的电池元件是串联连接的；
图3B是图3A所示的电池网络的示意说明，其还配置有并联连接，其中多个串并联在一起，多个串中的每个串由多个串联的单独电池元件构成；
图3C是图3B所示的电池网络的示意说明，还配置有复合互连，其中单独电池单元的每一个与网中所有相邻的单独电池元件串联和并联连接；
图4是图2所示的电池网络的示意说明，其中九个单独的电池元件构成的阵列配置成具有三行和三列的网；
图5是图2所示的电池网络的示意说明，其中四十个单独电池元件构成的阵列配置成具有四行和四列的电池网络；
图6是图5所示的电池网络的另一个实施例；
图7是图2所示的电池网络对于不同的X和Y值的电池组故障率的曲线图。
详细说明
图2示意性地说明了根据本发明的电池工作系统10。在如图所示的实施例中，电池工作系统10包括单独的电池元件12，其配备有串并联连接的单独电池元件12，形成了一个网。具体地说，单独电池元件12的阵列配置成可提供具有X列和Y行的二维电池网络。网中的每个列包括Y个串联连接以形成一电池串14的电池(图3A)。然后X个列或串14再并联连接在一起，以形成X个并联连接在一起的电池列构成的网，X个列中的每一列均有串联连接在一起的Y个电池12(图3B)。最后，每个单独电池元件还配置成复合的的互连16，以便各单独的电池元件12与所有的在相同行中的单独电池元件并联(图3C)。电池网络中串并联和复合连接可以按任何适合的方式来形成，而在一个实施例中的机械连接用具有足够导电能力的电导体来形成。
电池网络中的单独电池元件的数目是整个网所需特性和单独电池元件特性的函数。在一列中串联连接的电池数目是所需总电压和单独电池元件电池电压的函数。电池网络的各列包括串联连接在一起的Y个单独电池元件，其产生的输出电压等于在该列中各单独电池元件的输出电压总和。例如，要用12V、12A的电池产生24V的电池组，就将这样的两个电池串联形成24V、12A的电池组。
类似地，并联的列数是所需总电流与单独电池元件电流输送能力的函数。电池网络中的X个列并联连接以产生与流经各串的电流之和相等的输出电流。例如，为了为了用12V、12A的电池产生24A的电池组，就将这样的两个电池并联形成12V、24A的电池组。
现在参考图4，其描绘了根据本发明的电池网络，其中列或串的数目X是3，而行数或每串电池元件的数目是3。换言之，电池网络由九个电池安排成三列每列三个电池的形式来构成。为了便于理解，从左至右将列标为列A-C，从上至下将行标为行1-3。利用这些标志，各单独的电池元件可以用一组确定电池元件在网中的行和列位置的坐标来表示。例如，电池18可以表示为(A，1)，表示其位置在网中的第A列和第1行。类似地，电池20可以表示为(A，3)，表示其位置在网中的第A列和第3行，而电池22可以表示为(C，2)，表示其位置在网中的第C列和第2行。
参考图4，下面将详细地说明电池网络的电连接。在第A列中，电池(A，1)的正极22与电池(A，2)的负极24串联，而电池(A，2)的正极28与电池(A，3)的负极30串联。在第B列中，电池(B，1)的正极32与电池(B，2)的负极34串联，而电池(B，2)的正极36与电池(B，3)的负极38串联。在第C列中，电池(C，1)的正极40与电池(C，2)的负极42串联，而电池(C，2)的正极44与电池(C，3)的负极46串联。另外，第1行中的负极48、50、52并联在一起以提供整个电池网络的负极端子，而第3行中的所有电池的正极56、58、60并联连接在一起，以提供整个电池网络的正极端子。
该网络还含有多个复合互连16。在第1行中，电池(A，1)的正极22与电池(B，1)的正极32并联电连接，并且电池(B，1)的正极32与电池(C，1)的正极40并联电连接。在第2行中，电池(A，2)的负极24与电池(B，2)的负极34并联电连接，并且电池(B，2)的负极34与电池(C，2)的负极42并联电连接。另外，电池(A，2)的正极28与电池(B，2)的正极36并联电连接，并且电池(B，2)的正极36与电池(C，2)的正极44并联电连接。在第3行中，电池(A，3)的负极30与电池(B，3)的负极38并联电连接，并且电池(B，3)的负极38与电池(C，3)的负极46并联电连接。
图5显示出了根据本发明所述电池网络的一个实施例，其中，作为列或串数目的X为4，作为行或各串中单独电池单元的数目的Y为10。更具体地说，一个含有40个单独电池单元12的阵列被设置成一个由4个串、每串10个电池构成的网络，其中每个电池都有复合串并联连接。
图3和图4所示电池网络之间的唯一不同之处在于单独电池单元的数目以及网络中的行数和列数。在其它所有方面上，这两个网络的功能、结构和工作都完全相同。如上所述，图5中的电池网络是通过将阵列中的各个单独电池单元与阵列中所有相邻的单独电池单元进行串并混联而构成的。阵列中的各列是通过将一列中各单独电池单元的正极与该列中相邻单独电池单元的负极相连构成。而阵列中的各行则是通过将一行中各单独电池单元的正极与该行中相邻单独电池单元的正极相连、并将该行中各单独电池单元的负极与该行中相邻单独电池单元的负极相连而构成。
在图5所示的电池网络的实施例中采用了铅酸电池以作为该网络中的各单独电池单元。更具体地说，本实施例采用了不间断电源(UPS)电池，如可从[MFG，SUPPLER，LOCATION，PART NUMBER]中得到的电池。这些UPS电池都是12V电池，其容量为12Ah(安时)，因此能够产生(12V×12A)144W的功率。当由40个这种电池通过复合串并混联而构成一个阵列时，如图5所示，其结果将产生一个具有120V(10个串联连接的12V电池)、48A(4个并联连接的12A电池串)的电池组。因此该电池组就能够产生(120V×48A)5．76kW的功率。尽管在上述实施例中的电池工作系统是一个120V、48A的电池组，但应该明白，在本发明的范围内，该电池组也可被进行不同的设置，以使其具有不同的额定功率和／或容量。例如，为了节省重量和尺寸并提高能量，可采用具有不同额定功率的锂电池或锂离子固态聚合物电池。
本领域技术人员还应认识到，用于构成具有上述复合串并联连接的电池网络的方法并不会影响最终电池组的性能。图6显示了根据本发明的原理而形成的电池网络的一个另选实施例，在该实施例中，电池网络含有40个被设置成复合串并联连接的单独电池单元。尽管该网络实际上含有4串10个相互串联的电池，但其各串都被物理地对半分割且具有相反的方向，这样就使整个电池组的正极端64和负极端68都位于电池组的同侧。
另外，图6所示电池网络中的复合互连66是从各单独电池单元12的正极到相邻行和相邻列中的相邻单独电池单元的负极。例如，一个复合互连被连接在电池70(A，2)的正极68与电池74(B，3)的负极72之间。类似地，另一个复合互连被连接在电池80(B，7)的正极78与电池84(C，8)的负极82之间。
尽管在图6所示的电池网络中出现了这些结构差异，但由此得到的电池网络与图5所示的网络在功能和工作上完全相同。更具体地说，该网络中各单独电池单元的负极都与网络内相邻行中的单独电池单元的相邻正极串联连接，并且都与网络内同一行中的单独电池单元的相邻负极并联连接。各单独电池单元的正极都与网络内相邻行中的单独电池单元的相邻负极串联连接，并且都与网络内同一行中的单独电池单元的相邻正极并联连接。
由单独电池的复合连接产生的电池网络与电池的类型无关，它具有自平衡能力，因而更加稳定且容错性更强。
上述电池网络的一个主要优点在于，它与电池的类型无关。换句话说，无论用作网络中的单独电池单元的电池的具体类型是什么，都可有相同的通用的优点。例如，在上述说明中是将铅酸电池用作单独电池单元。但是，随着电池技术的持续发展，其它类型的电池也可替代用作网络中的单独电池单元，如锂离子电池、镍一铁电池、镍一镉电池、镍一氢电池、镍一锌电池、氯化锌电池、溴化锌电池、锌一空气电池或锂离子固态聚合物电池，等等。
用(例如)锂离子电池取代铅酸电池的另一个优点在于，锂离子电池的单位电能有极大的提高。单位电能代表了每千克质量的电池在特定放电速率下所能够保存的电能总量(以瓦-时(Wh)为单位)的量度。在确定电池的工作范围或电池组可向一个EV提供的距离时，它是一个重要的因素。传统铅酸电池的单位电能，其范围约为24Wh／kg至50Wh／kg。与之相比，锂离子电池的单位电能则约为500Wh／kg。所以，利用锂离子电池作为单独电池单元的电池网络，其范围约比使用传统铅酸电池的电池网络的范围大十倍。
另外，根据本发明所述的电池网络致力于解决大部分用来组成高电压电池组的普通方法(即，将多个大容量电池串联连接起来以产生所需的总组电压)所具有的上述固有和内在弱点。相对于单独电池单元的故障以及单独电池单元容量的差异来说，根据本发明所述的具有复合串并联连接结构的电池网络从根本上可以更加地稳定。
由于有图3C中的复合互连16，如果网络中有一个或更多的单独电池出现故障，则出故障电池所在列中的电流将通过其它不同的列而绕过出故障的电池。实际上，出故障的电池将变成冗余的，它不会影响电池网络的总输出电流或输出电压。作为结果，该电池网络就成为一个容错网络，其整个网络出现故障的可能性很低。整个电池网络的故障率可根据单独电池单元的故障率以及该电池网络的几何结构而被计算出来。
图7中的数据被计算用于X乘Y的电池阵列，其中X代表并联维数(即，列数)而Y则代表串联维数(即，行数)。单独电池单元的故障率被假设为1／Y。为了便于分析，此处的故障代表着电池出现了开路情况的严重故障。给定这样一些假设，由于故障率为1／Y，所以电池阵列的各串联组或列将平均含有一个出现故障的电池单元。当在电池阵列的一个并联组或行中的所有电池单元都出现故障时，整个电池组将发生故障。在这种情况下，无论是在电池网络的放电还是充电期间都不会有电流产生。
对X乘Y的电池阵列来说，电池单元的全部故障数将是XY(1／Y)=X。该阵列中的电池故障的组合总数为(XY！)／(XY-X)！。造成整个电池组失效的电池故障的组合总数与在电池阵列的一个并联组或行中所出现的故障的组合数相等，即，X！Y。因此，出现整个电池组失效的概率就为(X！Y)／(XY！)／(XY-X)！。
对图7中数据的分析显示出了本发明所述电池网络的几何结构的优点。对所有的Y值来说，当X=1时，整个电池组的故障率为100％。由于在这些计算中假设的故障率为1／Y，所以一串电池将总含有一个出故障的电池并且整个电池组都将失效。但是，对大于1的Y值来说，随着X值的增加，整个电池组的故障率将迅速降低。将并联组数(X)增加为3或更多，对大于1的Y值来说，就可使整个电池组出现故障的概率降低至10％或更低。
例如，在假设电池故障率为1／Y的情况下，对一串按顺序连接的10个电池来说，其网络故障率为100％。将网络中的串数增加为以本发明所述的复合串并联连接而成的两串，就可使网络故障率降低至约为5％。如果将串数进一步增加为以复合串联并连接而成的三串和四串，则由此而得的网络故障率将分别下降至约为0．2％和0．01％。
通过在固定容量的电池组内增加并行度，就可使电池组的可靠性得到极大的提高。当然，通过减少单独电池单元的故障，电池组的总体容量也将得到较大的提高，但因为有单个线性串联串(X=1)的情况存在，所以单独电池单元的故障不会被减少至0。构成电池组的并行度的成本会随着电池组内复合串联／并联互连的增加而增大。这些连接利用了具有充足电流载运容量的简单机械连接。这些机械连接比多个单独的电池单元可靠得多，而且这种复合互连的故障率也远远低于固有的电池故障率。本领域技术人员将会认识到，图7中所做的分析也可被用于单独电池单元故障率不为1／Y的情况。
另外，具有上述复合串并联连接结构的电池网络可进行自平衡。一般来说，当两个或更多电池被并联起来时，它们可根据其有效输出电压而对自身进行自动平衡。因此，当多个电压相互不匹配的单独电池单元被按上述复合串并联连接结构连接起来时，利用图3C所示的复合互连，就可使不匹配的单独电池单元对其自身进行自动平衡。
由于实际上单个电池的电压之间经常是不匹配的，所以本发明的自平衡优点具有很大的实用重要性。例如，当从供应商处获得多个12V的UPS电池时，其电压之间的不匹配最多可达到300-400mV。结果，任何一个单独电池单元所提供出的电压都可能在12．8至13．2V之间。但是，一旦这些单独电池单元被按本发明所述的复合串并联连接结构连接在一起，则它们会自动将其自身相互平衡至约为2．5毫伏。网络中单独电池单元的这种自平衡特征可消除任何一个电池出现随机劣化的危险，因此会大大提高整个电池组的循环寿命。
由复合互连和自平衡特征而得出的另一个重要优点在于，它可使电池组能够作为一个低电流源而有效地工作。与先前的高电压、高电流电池组相比，复合串并联连接电池网络的一个实施例为一120V、48A的系统，它可工作在约20A的情况下。结果，在一个四串的网络中，平均只有5A的电流被从各串中抽出。对电池网络的低电流要求可减少电池所经受的放电深度，因此就可增加网络中单独电池单元的循环寿命以及电池组整体的循环寿命。本发明所述电池组的实施例具有超过1000次循环的循环寿命，远远大于现有技术的系统。
另外，这种电池网络的模式结构可使其能够根据一个应用的特定需求而有选择性地优化网络的电能供应量。根据特定的应用，可给各串增加额外的单独电池单元，或者也可给网络增加额外的电池串。例如，如果该电池工作系统被用作电动全地形越野车(ATV)的能源，则它只需要两串配置以复合串并联连接的电池。另一方面，如果它被用作有更大需求的应用场合(如电动高尔夫球运载车)的能源时，则该电池网络可能需要含有四串电池，在用于电动小轿车时，可能需要八串电池。
上述电池工作系统还有一个优点，即，它可大大减少系统的重量。例如，如图5所示，一个含有按本发明所述结构配置的40个单独电池单元的电池组，其重量仅在576磅左右，它比EV1电池组的重量小一半。
尽管对本发明的说明是以具体实施例的形式来进行的，但熟练人员应该明白，在不脱离本发明概念的情况下，可对其进行多种修改。例如，尽管对本发明的说明和图解只涉及到二维电池网络。但熟练人员应该懂得，具有X列和Y行的二维网络是由具有X列、Y行和Z级的单独电池单元所构成的三维网络的一个子集，其中Z=1。因此，熟练人员应该立刻明白，还可将多个具有复合串并联互连结构的二维电池网络配置成使各网络被相对于其它网络而叠加或分层以形成一个三维电池网络。因此可以知道，本发明可在无需特定说明的情况下得到实现。

Claims (14)

1．一种电池互连网络，具有多个按照串联和并联复合的连接方式配置的单独电池单元，包括：
多个单独电池元件行，每行具有多个并联连接的单独电池元件；
多个单独电池元件列，其与多个单独电池元件行互连，每个列具有多个串联连接的单独电池元件，其中在网中的多个单独电池元件与在同一列中的相邻的单独电池元件以串联方式电连接，并与在同一行中的相邻的单独电池元件以并联方式电连接。
2．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中多个单独电池元件的每一个均包括正极和负极，并且其中多个列的每一列中的多个单独电池元件的正极与在同一列中的相邻单独电池元件的负极串联。
3．根据权利要求2所述的电池互连网络，其中多个行的每一行中的多个单独电池元件的正极与在相同列中的相邻单独电池元件的正极并联，而该行中的多个单独电池元件每一个的负极与在同一行中的相邻单独电池元件的负极并联。
4．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中网络故障率低于约10％。
5．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中网络故障率低于约5％。
6．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中网络故障率低于约1％。
7．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中在按照串联和并联复合的方式配置之后，在电池网络中的任何一个单独电池元件的电压与在该网络中的任何其它单独电池元件在电压上的匹配相差在10毫伏的范围内。
8．根据权利要求7所述的电池互连网络，其中在按照串联和并联复合的方式配置之后，在电池网络中的任何一个单独电池元件的电压与在该网络中的任何其它单独电池元件在电压上的匹配相差在4毫伏的范围内。
9．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中将电池网络配置成可提供大约110伏特到大约200伏特范围的电压。
10．根据权利要求9所述的电池互连网络，其中网络被配置成可提供大约120伏特的电压。
11．根据权利要求1所述的电池互连网络，其中多个单独电池元件中的至少一些是锂离子电池。
12．根据权利要求1所述的电池互连网络，还包括多个彼此电连接在一起的电池互连网络，以提供三维的电池网络。
13．一种用于电动汽车的可容错的电池组，该电池组包括：
一单独电池单元，各单独电池单元具有正极和负极；
其中单独电池单元阵列以串联、并联复合的方式配置成为具有多行和多列的电池网络；
其中多个列的每一列包括串联在一起的单独电池单元，从而使一列中的各单独电池单元的正极与同一列中相邻单独电池单元的负极串联；
其中多个列的每一列与其它列并联，和
其中，在多个行的每一行中，各单独电池单元与同一行中任何相邻单独电池单元并联连接，使该行中各单独电池单元的正极与同一行中相邻单独电池单元的正极并联连接，而该行中各单独电池单元的负极与同一行中相邻单独电池单元的负极并联连接。
14．一种将多个单独电池单元互连以用于电动汽车的方法，包括如下步骤：
将多个单独电池单元构成的小组串联，以形成多个电池列，各电池列具有多个串联连接的单独电池单元构成的小组；
将多个电池列并联连接以形成由电池行和电池列组成的电池网络；和
将电池网络中的各单独电池单元配置成复合互连的形式，其中各单独电池单元与同一行电池中所有相邻的单独电池单元并联。
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