CN101071884B - 蓄电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可以并联运行的蓄电池的蓄电池装置，还涉及根据本发明的蓄电池装置的运行方法。本发明基于提高蓄电池和蓄电池装置的容量的利用问题。作为解决方案，本发明提出该蓄电池装置的配置为至少一个具有大内电阻的铅-酸蓄电池和至少一个具有小内电阻的具有碱性电解质的蓄电池例如密封的铅蓄电池并联运行。

Description

蓄电池装置

技术领域

本发明涉及具有可以并联运行的蓄电池的蓄电池装置，并涉及根据本发明的蓄电池装置的运行方法。

背景技术

电池和尤其是蓄电池用于许多技术领域并且具体希望用于用电设备的就地能量供应。此外，电池或蓄电池用于无法获得公共能量供应的地方或用于仅获得不够可靠的公共能量供应的地方。尤其是将蓄电池用于移动应用，其中通过充电而成为可能的多次使用还允许在高能量消耗下长期使用。因此，蓄电池经常用于牵引操作和不间断的电力供应领域，例如叉式升降机、升降设备、高尔夫球车等。蓄电池还被广泛地用于汽车领域和安全设施领域。

极为常用的蓄电池的类型是例如通过硫化氢运行的铅-酸蓄电池。鉴于成本，这种类型的蓄电池与其它类型的蓄电池相比在能量储存上具有大容量。但是这些蓄电池中存在由于受充电状态控制的相对高的内电阻所导致的缺点，在供应连接到蓄电池的电系统时，蓄电池的容量不能被完全利用，尤其是在低于大约20％的额定容量的放电条件下发生大电流负载的时候。

实际上，这一缺点导致如果使用廉价的蓄电池，则为了保证所连接的电系统如预期一般运行，对于电系统预期的运行必须使用超尺寸的蓄电池，这是因为该运行通常需要与特性负载无关的合适恒定电压，并且该恒定电压仅允许在极窄的电压范围内变化。

在多数应用中，标准蓄电池彼此连接并联和/或串联运行作为蓄电池装置，该蓄电池装置被提供用于电系统的能量供应。在这些蓄电池装置中，可能也会出现问题，因为各个蓄电池经常具有不同的特性参数。例如老化状态、内电阻、容量等。而且，恰恰是廉价蓄电池除了开始就存在高内电阻之外，还在运行期间表现出内电阻的增加，该内电阻的增加相当高并且对蓄电池装置的质量特征有明显不利的影响。此外，它们的特征值经常分布在不希望的宽范围内。

缓解上述涉及内电阻的问题的一种方法如现有技术所示，包括选择蓄电池电压或蓄电池的端电压，使其明显高于电系统运行所需的电压，并且通过串联调节器将蓄电池电压降到所需的水平。该方法的缺点在于需要额外的和部分昂贵的电子元件并且由于变压损失了能量。

发明内容

因此本发明的目的是针对上述问题来改善这种类型的蓄电池及其装置。

作为解决方案，本发明提出根据权利要求1的蓄电池装置。

因此，首先可以仅仅通过两个蓄电池的互连而极大地改善蓄电池或蓄电池装置的容量的完全利用。彼此完全不同的内电阻是指具有大内电阻的蓄电池的内电阻是具有较小内电阻的蓄电池的内电阻的至少3倍，优选大约至少5倍，且最优选在大约5～25倍的范围内。廉价的铅-酸蓄电池具有大约7～12mΩ的内电阻，这对于容量约50Ah的蓄电池来说是大内电阻。另一方面，具有碱性电解质的蓄电池例如镍-镉蓄电池具有0.5mΩ或更小范围内的内电阻，该值被认为是小内电阻。但是，蓄电池本身的结构也影响内电阻，因此根据本发明，非常重要的是具有大内电阻的蓄电池与具有小内电阻的蓄电池可以并联运行。在昂贵的具有小内电阻的铅蓄电池中，存在具有棱柱形的或绕组的单元电池结构的密封吸附式玻璃纤维板阀控铅蓄电池(VRLA-AGM)。

内电阻限定了蓄电池电压在负载下即在电流消耗期间的下降程度。因此，在大电流消耗下，蓄电池的端电压与无负载电压相比明显下降。由于在蓄电池放电期间，它的端电压总是会随着放电逐渐增加而缓慢地下降，看起来具有大内电阻的蓄电池比具有小内电阻的蓄电池放电更快，即使它们的标称容量是相等的。仅通过本发明就可以克服这个问题，即通过将具有小内电阻的蓄电池与已经存在的具有大内电阻的蓄电池并联连接。依靠这种配置，可以直接实现该并联连接或者可以提供额外的控制手段，通过该控制手段可以控制该并联运行。例如可以在大电流放电状态期间优选从具有小内电阻的蓄电池进行能量供应，而在小电流消耗状态期间通过具有大内电阻的蓄电池连续地给该具有小内电阻的蓄电池再充电。因此，必须根据电系统的能量供应需要来选择两个蓄电池或蓄电池装置的容量。

优选地，所有的蓄电池具有相等的端电压，以便它们可以直接并联运行。可以获得能量供应的高可利用率，尤其是因为通过根据本发明的蓄电池可以更好地利用全部的储存容量。

可以用于大范围应用的蓄电池是铅-酸蓄电池。例如具有包含非固体电解质的常规结构的密封铅-酸蓄电池因其产品廉价以及易获得高容量而尤其突出。廉价的铅-酸蓄电池通常具有高内电阻。但是，当然也可以获得具有小内电阻的铅-酸蓄电池，但是它们比具有大内电阻的铅-酸蓄电池更昂贵。因此，通过此类蓄电池的适当组合，可以提高能量供应的可利用率。

也可以使用包含碱性电解质的蓄电池。具有碱性电解质的蓄电池通常具有小内电阻，但是它们与具有相同容量的铅-酸蓄电池相比更昂贵。现在本发明提出可以将这种蓄电池与具有大内电阻的铅-酸蓄电池并联运行。通过适当地选择端电压和蓄电池容量，可以获得能量供应的利用率的改善。因此，可以提供通过包含碱性电解质的蓄电池控制大电流能量供应期，并且在低能量消耗期间通过铅-酸蓄电池给包含碱性电解质的蓄电池再充电。例如，所述的碱性电解质可以是基于碱例如K-OH的电解质。

在另一实施方案中，提供的具有小内电阻的蓄电池是包含碱性电解质的蓄电池，尤其是镍-金属-杂化或镍-镉蓄电池。这种蓄电池可商业获得。与铅-酸蓄电池相比，它们具有小内电阻和高循环使用。因此，可以使用廉价的和可靠的批量生产的具有小内电阻的蓄电池。当然，镍-镉蓄电池由于在它们的运行期间如同预期的高度可靠性和参数稳定性而突出。此外，这种蓄电池适合大电流充电，该事实还为本发明所利用。在一个实施方案中，其中例如具有高容量的铅-酸蓄电池与具有低容量的镍-镉蓄电池并联连接，铅-酸蓄电池的小放电电流对应于镍-镉蓄电池的大充电电流。因此可以获得相对于铅-酸蓄电池为小放电电流，同时该放电电流是可以以预期方式给镍-镉蓄电池充电的镍-镉蓄电池的充电电流。本文中，证明优点在于也可以用大充电电流给镍-镉蓄电池充电。

进一步提出由纤维结构电极形成蓄电池的至少一个电极。纤维结构电极的电阻可以小于蓄电池的内电阻，并且由于活性物质和具有电导性的电流导体尤其是镀镍纤维之间的较短的距离，因而尤其可以通过降低电极的电阻来降低蓄电池的内电阻。以这种方式不仅可以降低蓄电池内的能量损失而且在负载下可以获得更稳定的端电压。

在另一实施方案中，提出蓄电池是锂-离子蓄电池。通常，锂-离子蓄电池在大内电阻时具有高额定功率。因此，在如预期的操作期间，它的参数几乎是恒定的，并且与常规的蓄电池相比，它的能量密度明显较高。为了更好地利用锂-离子蓄电池提供的这些优点，锂-离子蓄电池可以例如与镍-镉蓄电池并联操作，以便消除大内电阻的缺点。

还提出包含碱性电解质的蓄电池的单元电池数量小于或等于铅-酸蓄电池的单元电池数量的两倍。通过适当选择单元电池可以获得直接连接并联运行的蓄电池。可以忽略分隔各个蓄电池的开关装置和控制装置。

在另一实施方案中，提出具有小内电阻的蓄电池的容量占具有大内电阻的蓄电池容量的大约5％～70％，优选10％～50％，并且还更优选15％～35％。这可以降低蓄电池装置的成本，特别是因为通常具有小内电阻和相当容量的蓄电池比具有大内电阻的蓄电池更昂贵。

此外，提出蓄电池装置包含控制单元。通过例如以能量管理和/或运行监测单元形式提供的控制单元可以使蓄电池装置的最优运行成为可能，并且同样也可使每个单个的蓄电池可以最优运行。因此可以提供对于蓄电池装置的单个蓄电池分别预先确定充电和放电周期。

还提出蓄电池包括计算机单元。计算机单元可以配置运算和数据存储单元并且还可以由微处理器控制。通过计算机单元可以实现如预期的蓄电池运行流程的自动化。可以例如以基于在计算机单元中具有电池组特定数据的算法的计算机程序的形式提供运行流程。因此，对于所希望的运行的简易调整可以仅仅通过相应地调整计算机程序和/或通过对充电设备加载相应的充电特性而获得。

还提出蓄电池装置包括可控制的开关单元。该开关单元可以提供用于各个蓄电池或整体蓄电池装置与所连接的电系统的开关连接。因此可以提供的是，可以根据电系统所需的能量连接或断开单个蓄电池。可以获得对于每个蓄电池装置和对于每个单个的蓄电池的运行的优化。

根据其它的情况，开关单元可连接到充电单元。通过这种方式，蓄电池装置的蓄电池可以根据需要充电。可以例如在断开期间，将单个断开的蓄电池连接到用于充电的充电设备。

此外，提出充电单元包括可调节的充电特性。这可以使每个蓄电池根据其蓄电池特性而分别充电。因此，对于铅-酸蓄电池可以提供与镍-镉蓄电池的充电特性不同的充电特性。

根据本发明的其它情况，提出蓄电池装置包括框架。该框架可以使蓄电池装置的蓄电池与一个如预期电连接的组件组合。此外，在框架中的该装置易于操作，特别是在车辆中，并易于替换。

还提供的是，所述框架包括柄。通过所述柄使手动操作框架更容易。

此外，提出蓄电池装置包括快速连接接触器。由此，获得例如在牵引车辆中可以将蓄电池装置与充电的蓄电池装置快速交换，由此可以改善该车辆的实用性。

根据其它情况，提出蓄电池装置包括运行状态指示器。因此，可以提供例如指示蓄电池装置的或单个蓄电池的充电状态。但是也可以提供指示端电压或放电和/或充电电流。

本发明还提出一种运行根据本发明蓄电池装置的方法，其中并联运行具有彼此完全不同的内电阻的至少两个蓄电池，用于对可以连接到该蓄电池装置的电系统提供能量。可以得到廉价的蓄电池装置，该廉价的蓄电池装置可以获得对蓄电池电容量的良好利用。

还提出电系统的能量供应基本上通过具有较小内电阻的蓄电池实现。因此可以实现电系统的电压供应具有恒定电压。可以降低由于负载变化而造成的电压波动。

还提出检测蓄电池的状态变量。作为状态变量可以检测例如蓄电池的特性参数例如容量、温度、电解质填充程度、电压或蓄电池的充电状态。因此可以为蓄电池装置提供合适的传感器，通过该传感器检测状态变量。

此外，提出存储状态变量。通过这种方式可以保存状态变量以便查询。这种实施方案在移动应用中是极其有利的，因为在其如预期的运行期间蓄电池装置是不易接近的。

还提出将状态变量传输到中央终端。该传输可以例如通过无线电等进行。通过这种方式该中央终端可以保存蓄电池装置的状态变量并且在达到预定的阈值时开始测量。因此，可以提供，如果充电状态下降到低于车辆蓄电池装置的预定的充电状态时，该蓄电池装置必须被已充电的蓄电池装置替换或者尽快再充电。

根据其它情况，提供通过具有大内电阻的蓄电池给具有小内电阻的蓄电池充电。因此可以实现具有小内电阻的蓄电池的容量可以保持小于具有大内电阻的蓄电池的容量。这可以节约成本。

在另一实施方案中，提供通过控制单元控制蓄电池的放电和/或充电。在牵引车辆中，将具有大内电阻的蓄电池用于基本负载运行而将具有小内电阻的高功率蓄电池用于峰值负载。因此该控制单元包括电流测量单元并且提供保存到达下一个充电站的最小充电量。因此，不仅可以实现蓄电池装置的最佳的利用率而且还可以根据每个蓄电池装置的特性而对其最优充电。该蓄电池可以在其整个预定使用寿命期间达到高可靠性。

此外，提供根据状态变量控制蓄电池的放电和/或充电。可以提供例如在值降到低于电压阈值或蓄电池或蓄电池装置的充电阈值的情况下使蓄电池或蓄电池装置开始充电。可以进一步提高蓄电池装置的利用率。

附图说明

根据以下一个实施方案的描述，其它优点和特征将变得显而易见。用相同的附图标记来标识相似的部件。附图是示意图并且仅仅用来解释下面的实施方案。

单一附图表示根据本发明的包含并联运行的两个蓄电池的蓄电池装置。

具体实施方式

该单一附图表示使用硫酸作为酸的铅-酸蓄电池。铅-酸蓄电池1由六个串联连接的蓄电池8组成，通过电导桥5连接相应的电极建立该串联连接。蓄电池1包括两个终端6，一个正极一个负极。该附图还表示由九个单元电池7形成的镍-镉蓄电池2。单元电池7通过桥9相互串联电连接。蓄电池2具有两个终端10，一个正极一个负极。蓄电池1、2的正极6、10通过线12、13连接到蓄电池装置14的正连接极4。相应地，蓄电池1、2的负极6、10连接到蓄电池装置14的负连接极。因此，两个蓄电池1、2是并联运行的。

通常，如果铅-酸蓄电池的单元电池电压达到1.83V的值就认为铅-酸蓄电池放电完毕。就蓄电池1而言，这意味着在终端6之间的端电压为10.98V。

在运行期间，蓄电池2具有1.2V的单元电池电压，对应于终端10之间的10.8V的电压。因此，在本实施方案中，两个蓄电池具有基本相等的电压。

在本实施方案中，蓄电池1具有48Ah的容量。与其相比，蓄电池2具有11Ah的容量。

蓄电池1还具有9mΩ的内电阻。另一方面，蓄电池2具有0.1mΩ的内电阻。

在本实施方案中，依照欧姆定律，如果电系统11消耗100A电流，那么就会在蓄电池1的内电阻上引起大约0.9V的电压降，如果能量只由蓄电池1供应的话。这相当于蓄电池1的终端6之间的端电压的约10％。由于端电压为10.98V时已经认为蓄电池1放电完毕，因此该电压降会导致一旦电压达到大约11.88V，则蓄电池1中剩余的容量就将不再被利用。

另一方面，如果由蓄电池2提供电流，这将会导致大约0.1V的电压降，根据以上数字计算。这大约相当于1％的电压损失。这个计算已经清楚地表明对于电系统11的电压供应，蓄电池2产生基本更高的稳定性。

根据附图的互连导致电流被分配给蓄电池1和蓄电池2二者。考虑内电阻，该分配结果为约1:9，意味着约10A的放电电流来自蓄电池1，而约90A的放电电流来自蓄电池2。这导致在蓄电池1的内电阻上产生约0.1V的电压降和在蓄电池2的内电阻上也产生约0.1V的电压降。因此，在目前的互连中，在预期的放电电流期间引起大约0.1V的电压损失。这相当于供应电压的大约1％。因此，结果是蓄电池1的容量可以使用至几乎高达10.98V的最大电压。

如果电系统11所需的电流被降低或调整，则蓄电池2将通过蓄电池1发生充电。这是非常重要的，因为由于较高能量消耗导致蓄电池2比蓄电池1放电程度明显更高。此外，蓄电池2明显比蓄电池1具有更小的容量。

在10A充电电流从蓄电池1进入蓄电池2的情况下，这相当于蓄电池2的优选的快速充电，现在电压损失基本上通过蓄电池1的较大内电阻发生。在本实施方案中，通过蓄电池2的内电阻的电压降小到可以忽略。因此，必须再次估计约0.1V的电压降。然而，相对端电压，该电压降是在大约1％的范围内，因此蓄电池2以根据本发明的方法通过蓄电池1充电。因此，与在蓄电池装置14中未将蓄电池1连接到蓄电池2的情况相比，可以更好地利用蓄电池1的容量。蓄电池2在相对短的时间后再次被充电并且蓄电池2可用于下一次的高电流需要中。

虽然上述实施例被提供用于蓄电池装置的放电，但是其可以双重方式提供用于接收电荷或充电操作。

为了使蓄电池的内电阻特别小，提供蓄电池2的电极由纤维结构电极形成。

选择蓄电池2的单元电池的数量，使得其标称电压低于蓄电池1的标称电压。

可以将各个蓄电池的容量的额定值调整到各自的技术要求。

在附图中所示的实施例仅仅用来解释本发明并且不以任何方式限制本发明。特别是所用的蓄电池的数量、所用的蓄电池的类型、单元电池的数量等可以变化，而不偏离本发明的精神和范围。

附图标记列表

1  蓄电池

2  蓄电池

3  负端电极

4  正端电极

5  桥

6  终端

7  单元电池

8  单元电池

9  桥

10 终端

11 电系统

12 线

13 线

14 蓄电池装置

Claims (24)

1.一种蓄电池装置，包括：

具有大内电阻的第一蓄电池；

具有小内电阻的第二蓄电池；

其中第一蓄电池的大内电阻是第二蓄电池的小内电阻的至少3倍；和

其中第一蓄电池和第二蓄电池各自具有适当选定数量的单元电池以使第一蓄电池和第二蓄电池可以直接连接并联运行，并且单元电池的数量选择成使得第二蓄电池的标称电压低于第一蓄电池的标称电压。

2.权利要求1的蓄电池装置，其特征在于第二蓄电池是具有碱性电解质的蓄电池。

3.权利要求2的蓄电池装置，其特征在于具有碱性电解质的第二蓄电池是镍-金属氢化物或镍-镉蓄电池。

4.权利要求1的蓄电池装置，其特征在于第二蓄电池是具有棱柱形的或绕组的单元电池结构的免维护的玻璃纤维板铅蓄电池。

5.权利要求1的蓄电池装置，其特征在于至少蓄电池的一个电极是由纤维结构电极形成的。

6.权利要求1的蓄电池装置，其特征在于一个蓄电池是锂离子蓄电池。

7.权利要求2的蓄电池装置，其特征在于具有碱性电解质的第二蓄电池的单元电池的数量小于或等于第一蓄电池的单元电池数量的2倍。

8.权利要求1的蓄电池装置，其特征在于具有较小内电阻的第二蓄电池的容量占具有较大内电阻的第一蓄电池的容量的5～70％。

9.权利要求1的蓄电池装置，其包括控制单元。

10.权利要求1的蓄电池装置，其包括计算机单元。

11.权利要求1的蓄电池装置，其包括可控制的开关单元。

12.权利要求11的蓄电池装置，其特征在于所述开关单元可连接至充电单元。

13.权利要求12的蓄电池装置，其特征在于所述充电单元具有可调节的充电特性。

14.权利要求1的蓄电池装置，其包括框架。

15.权利要求14的蓄电池装置，其特征在于所述框架包括柄。

16.权利要求1的蓄电池装置，其包括快速连接接触器。

17.权利要求1的蓄电池装置，其包括运行状态指示器。

18.一种蓄电池装置的运行方法，所述蓄电池装置具有第一蓄电池和第二蓄电池，其中第一蓄电池具有大的内电阻，第二蓄电池具有小的内电阻，并且第一蓄电池的大内电阻是第二蓄电池的小内电阻的至少3倍，所述方法包括如下步骤：

通过给第一蓄电池和第二蓄电池各自提供适当选定数量的单元电池，使第一蓄电池和第二蓄电池彼此直接连接并联运行，其中单元电池的数量选择成使得第二蓄电池的标称电压低于第一蓄电池的标称电压。

19.权利要求18的方法，其特征在于连接至所述蓄电池装置的电系统的能量供应通过第二蓄电池进行。

20.权利要求18的方法，其特征在于检测所述蓄电池的状态变量。

21.权利要求20的方法，其特征在于存储所述状态变量。

22.权利要求18的方法，其特征在于利用具有大内电阻的第一蓄电池给具有小内电阻的第二蓄电池充电。

23.权利要求18的方法，其特征在于通过控制单元控制所述蓄电池的放电和/或充电。

24.权利要求21的方法，其特征在于根据状态变量来控制所述蓄电池的放电和/或充电。

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