CN101504977A - 多电池电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电池电源系统，其包括两个并联的电池组，两个电池组分别为高功率电池组和高能量电池组，高功率电池组由若干个阳极活性材料为Li4Ti5O12的锂离子单体电芯串联而成，高能量电池组由若干个阴极活性材料为含锂复合金属氧化物、阳极活性材料为石墨的锂离子单体电芯串联而成，在机动设备启动和/或运行时，两个电池组同时为机动设备供电。相对于现有技术，本发明多电池电源系统通过高功率电池组和高能量电池组的并联使用，使机动设备既能瞬间启动，又能长时间行驶，且有效避免了启动电源能量过早用完而导致机动设备无法启动。

Description

多电池电源系统
技术领域
本发明涉及一种多电池电源系统，尤其是一种能够满足机动设备多次瞬间启动和长时间平稳运行需求的多电池电源系统。
背景技术
目前，很多机动设备都是使用电池组作为供电电源。由于机动设备开始行驶时需要瞬间启动和加速，之后则大多需要进行长时间的运行，因此要求其电源系统既能够提供足够大的功率支持启动，又要存储有足够多的能量维持其长时间运行，即机动设备的电源系统要同时具有高功率和高能量。
但是，受到空间大小和本身特性的限制，单个电池组往往很难同时具有高功率和高能量两种特性，因此无法满足机动设备对电源的需求。
为了解决这一问题，现有技术采用两个电池组分别作为机动设备的启动电源和能量电源，其中，启动电源采用高功率的镍氢电池组，能量电源则采用高能量的镍氢电池组或锂离子电池组。上述两个电池组分别与机动设备的电动机连接，并设置电路控制模块和适当的转换开关。当机动设备启动时，电路控制模块将转换开关切换到启动电源；当机动设备平稳运行时，电路控制模块再将转换开关切换到能量电源。
上述现有技术的双电池组电源系统确实能同时满足机动设备瞬间启动和长时间运行的要求，但是，这样的电源系统需要设置专门的电路控制模块和转换开关，结构复杂。此外，作为启动电源的高功率镍氢电池组的容量有限，且放电功率高，在机动设备多次启动的情况下，启动电源很容易出现电量不足导致机动设备无法启动的现象。
有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的多电池电源系统。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种能够满足机动设备多次瞬间启动和长时间平稳运行需求的多电池电源系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多电池电源系统，其包括两个并联的电池组，两个电池组分别为高功率电池组和高能量电池组，高功率电池组由若干个阳极活性材料为Li4Ti5O12的锂离子单体电芯串联而成，高能量电池组由若干个阴极活性材料为含锂复合金属氧化物、阳极活性材料为石墨的锂离子单体电芯串联而成，在机动设备启动和/或运行时，两个电池组同时为机动设备供电。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，所述两个电池组具有相同的平台电压。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，多电池电源系统的工作电压与高能量电池组的工作电压相同，高能量电池组的工作电压在高功率电池组的工作电压范围内。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，所述高功率电池组的阴极活性材料为含锂复合金属氧化物。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，所述高功率电池组的阴极活性材料选自以下含锂复合金属氧化物的一种或多种：LiMn2O4、LiNixMnyO2和LiNiaCobMncO2，其中，x和y满足以下条件：0<x<1，0<y<1，且x+y＝1；a、b和c满足以下条件：0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c＝1。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，所述高能量电池组的阴极活性材料可选自以下含锂复合金属氧化物的一种或多种：LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2和LiNiaCobMncO2，其中，a、b和c满足以下条件：0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c＝1。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，所述高功率电池组的阴极活性材料LiMn2O4，所述高能量电池组的阴极活性材为LiFePO4。
作为本发明多电池电源系统的一种改进，所述两个电池组的平台电压差小于0.1V。
相对于现有技术，本发明多电池电源系统通过对高功率电池组和高能量电池组的并联使用，使机动设备既能瞬间启动，又能长时间行驶，且有效避免了启动电源能量过早用完而导致机动设备无法启动的现象。
附图说明
下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明多电池电源系统及其有益技术效果进行详细说明，其中：
图1为本发明多电池电源系统及相关元件的电路示意图。
图2为本发明多电池电源系统一个具体实施方式的内部结构示意图。
图3为对图2中所示的多电池电源系统进行测试的电流曲线图。
图4为对图2中所示的多电池电源系统进行测试的电压曲线图。
具体实施方式
请参阅图1和图2，本发明多电池电源系统20用于为机动设备，如机动车或机动船的电动机40供电，其包括两个并联的电池组22和24，电池组22和电池组24是输出电压相近、内阻不同的两个电池组。其中，电池组22由四个单体电芯串联而成，电压约为10.0V；电池组24由三个单体电芯串联而成，电压约为9.9V。在本实施方式中，为了方便电池组22、24的组装并使两个电池组22、24能更快地实现电压平衡，电池组22和电池组24都是在处于50％充电状态时被并联而组装在一起的。此时，两个电池组22、24的电压几乎相同，均为10V左右，成为一个混合多电池电源系统20。当然，根据本发明多电池电源系统的其他实施方式，两个电池组22、24的平台电压差也可以小于0.1V。
电池组22的四个单体电芯都是内阻较小的高功率电芯，四者具有较好的一致性。其中，每个单体电芯的容量都为4.1Ah，内阻约为1.0mO，平台电压为2.5V，工作电压的范围是1.5～2.9V，即四个单体电芯串联后的整个电池组22的工作电压范围为6.0～11.6V。每个单体电芯都采用微米级的Li4Ti5O12作为阳极活性材料，采用微米级的LiMn2O4作为阴极活性材料，因此具有优异的大功率充放电特性、循环特性和安全特性：上述单体电芯在20C倍率充电的情况下，其恒流充电容量可以达到90％，20C倍率放电容量可以达到95％以上；在100％充电状态下循环1000周后，容量保持率在80％以上；在安全性能实验中，钉刺没有明显温升、1C/10V的过充最高温度才73度、200degC的热箱实验没有出现爆炸、冒烟和起火现象。以上的实验结果说明，上述单体电芯不仅具有优越的电化学性能，使电池组22能够满足外部设备对高功率输出的要求，而且具有相当优异的安全性能。
电池组24的三个单体电芯都是内阻较大的高能量电芯，三者具有较好的一致性。其中，每个单体电芯的容量都为10.0Ah，内阻约10.8mO，平台电压为3.3V，工作电压的范围是2.5～3.65V，即三个单体电芯串联后的整个电池组24的工作电压范围为7.5～10.95V。每个单体电芯都采用微米级的LiFePO4作为阴极活性材料，采用石墨作为阳极活性材料，因此具有良好的安全性能和电化学性能，能够顺利通过钉刺、热箱、1C/12V过充、振动和280度的热板等安全测试，而且倍率特性和放电平台均能满足机动设备对电池的能量要求，循环性能稳定。
请参阅图3和图4，为了证实本发明多电池电源系统20的性能，组装完成后对其进行了充放电测试。首先是充电，设定电源系统20的工作电压范围为7.5～10.95V，从而既保证电池组24能够在其标准的工作电压范围内安全工作，又保证电池组22可以在此工作电压范围内进行大功率充放电。以40A的恒定电流对电源系统20进行充电，当电源系统20的电压达到10.95V的设定电压时，充电过程即为完成。在引入连接电阻后，电池组24的内阻约为电池组22内阻的7倍，因此，在整个充电过程中，电池组22分担了电源系统20约87.5％的充电电流，能够在很短的时间里实现自身容量的快速充电。
当电源系统20充电结束后，电池组24已经达到了其截止工作电压10.95V，而电池组22的电压也是10.95V，并未到达其截止工作电压11.6V。由于电池组22具有较小的欧姆极化，电压会比电池组2稍高，所以电池组22会以微弱的电流放电(放电电流小于等于0.2A)，直至电池组22和电池组24实现电压平衡。
当电源系统20以40A的大电流向外界放电的时候，高功率电池组22能在一定的时间内向外界提供35A的大电流，约是电池组24电流的7倍，从而实现电源系统20向外部设备的大功率输出。在电源系统20瞬间对外界提供大功率(如电动设备的瞬间启动)过程中，电池组24仅放出很少的容量，因此当电源系统20不再对外界提供大功率时，电池组24仍然具有较高的电压，就会为电池组22充电，最大充电电流可达20A，从而使电池组22能够为下次的大功率放电蓄积能量。如此反复使用多次后，电池组24所蓄积的容量将逐渐耗尽，可为电池组22提供的充电能量也逐渐减少，因此电池组22的大功率放电时间逐渐缩短，当电源系统20放电到其电压低于电池组24的截止放电电压7.5V时，电源系统20的能量也就几乎用完，需要进行充电了。
通过以上的描述可知，使用本发明多电池电源系统20作为机动设备的电动机40电源时，只要电路接通，两个电池组22、24就会同时为电动机40供电。因此，当机动设备启动时，高功率电池组22能够为电动机40提供足够大的启动电流，从而保证机动设备正常启动，实现其瞬间启动和加速；当启动或加速完成后，外界机动设备平稳运行时，高能量电池组24能够保证电源供电的持续性，避免电池组22过早用完而导致外界机动设备无法继续运行；而且，当高功率电池组22储存的能量用完以至电压减小到特定值时，两个电池组22和24之间的电压差会使高能量电池组24自动为高功率电池组22充电，从而有效避免高功率电池组22的能量用完后，电源系统20无法再次向外界输出大功率，以至外界机动设备无法启动的现象发生。
上述两种单体电芯对电解液和阴阳极片间的隔离膜都没有特殊的要求，采用常规选择即可，例如电解液都可以采用含有EC、PC环状酯和EMC、DEC、DMC链状酯组成的溶剂体系，主体锂盐可以是LiPF6；隔离膜可以采用的由PP、PE和PP制成的三层聚合物隔离膜等。
在其他实施方式中，电池组22中单体电芯的阴极活性材料还可以采用其他含锂复合金属氧化物，如LiNixMnyO2(其中，0<x<1，0<y<1，且x+y＝1)、LiNiaCobMncO2(其中，0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c＝1)等，或是上述物质和LiMn2O4中任意两种或多种的混合物；电池组24中单体电芯的阴极活性材料还可以采用其它含锂的复合金属氧化物，如LiMn2O4、LiCoO2、LiNiaCobMncO2(其中，0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c＝1)等，或是上述物质和LiFePO4中任意两种或多种的混合物。当然，根据机动设备的实际需要，电池组22和24的电压和其他参数都可能有所变化，其中包括的单体电芯数量也会与上述实施方式有所不同，只要二者分别是高功率和高能量电池组，且具有基本相同的平台电压，并联后能够根据外部设备的需要为其提供不同的输出功率即可。
综上所述，本发明通过对高功率电池组22和高能量电池组24的并联使用，使电源系统既能为外部设备提供瞬间启动的大功率，又能长时间正常运行，在高功率电池组22能量用完后还能实现高能量电池组24为高功率电池组22自动充电，有效避免了启动电源能量过早用完而导致机动设备无法启动的现象。而且，该电源系统20具有设计简单，实际应用范围广和安全性高的特点。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1、一种用于机动设备的多电池电源系统，其包括两个并联的电池组，其特征在于：所述两个电池组分别为高功率电池组和高能量电池组，高功率电池组由若干个阳极活性材料为Li4Ti5O12的锂离子单体电芯串联而成，高能量电池组由若干个阴极活性材料为含锂复合金属氧化物、阳极活性材料为石墨的锂离子单体电芯串联而成，在机动设备启动和/或运行时，两个电池组同时为机动设备供电。
2、根据权利要求1所述的多电池电源系统，其特征在于：所述两个电池组具有相同的平台电压。
3、根据权利要求1或2所述的多电池电源系统，其特征在于：多电池电源系统的工作电压与高能量电池组的工作电压相同，高能量电池组的工作电压在高功率电池组的工作电压范围内。
4、根据权利要求3所述的多电池电源系统，其特征在于：所述高功率电池组的阴极活性材料为含锂复合金属氧化物。
5、根据权利要求4所述的多电池电源系统，其特征在于：所述高功率电池组的阴极活性材料选自以下含锂复合金属氧化物的一种或多种：LiMn2O4、LiNixMnyO2和LiNiaCobMncO2，其中，x和y满足以下条件：0<x<1，0<y<1，且x+y＝1；a、b和c满足以下条件：0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c＝1。
6、根据权利要求3所述的多电池电源系统，其特征在于：所述高能量电池组的阴极活性材料可选自以下含锂复合金属氧化物的一种或多种：LiFePO4、LiMn2O4、LiCoO2和LiNiaCobMncO2，其中，a、b和c满足以下条件：0<a<1，0<b<1，0<c<1，且a+b+c＝1。
7、根据权利要求1或2所述的多电池电源系统，其特征在于：所述高功率电池组的阴极活性材料LiMn2O4，所述高能量电池组的阴极活性材为LiFePO4。
8、根据权利要求1所述的多电池电源系统，其特征在于：所述两个电池组的平台电压差小于0.1V。
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