CN101740803B

CN101740803B - 具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池

Info

Publication number: CN101740803B
Application number: CN2009102587349A
Authority: CN
Inventors: 衣守忠; 胡金丰; 夏鹏
Original assignee: Shenzhen Center Power Tech Co Ltd
Current assignee: Xiamen Mate Hi Tech New Energy Co ltd
Priority date: 2009-02-13
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: CN101740803A

Abstract

一种具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，该混合电池包括至少一组铅酸蓄电池和至少一组磷酸铁锂电池，所述铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池并联连接，所并联的两种电池的开路电压大致相同，并联后的混合电池可自动调节两种电池支路的放电电流，使两个支路电池电压始终相同，且磷酸铁锂电池回路优先提供高功率放电；并联后的混合电池可自动调节两种电池支路的充电电流，使两个支路电池电压始终相同，且优先对铅酸电池充电。本发明在不附加任何机械或电子控制电路的情况下，通过混合电池自身对电流大小的自动调节，实现了在同一电压下对并联的铅酸电池和磷酸铁锂电池进行充放电，以及对铅酸电池的使用保护，并降低成本，延长两种电池的使用寿命。

Description

具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池

【技术领域】

本发明涉及二次电池，特别是涉及一种使铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池的优势互补，无须任何电子电路对混合电池支路进行控制，且混合电池自身可以自动调节电流大小，使各支路电压一致的具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池。

【背景技术】

众所周知，铅酸电池和磷酸铁锂电池是属于不同化学体系的二次电池，且各有其独自的特点。铅酸电池和磷酸铁锂电池的简单比较见表1：

表1

	铅酸电池	磷酸铁锂电池
			额定电压(V)	12V	12V
开路电压(V)	13.1～13.3V	13.3～13.6
			循环使用充电电压(V)	14.5	14.4～14.8
浮充使用充电电压(V)	13.68～13.8	13.8～14.8
			循环寿命(Cycle Life)	400	＞1500
能量密度(WH/KG)	30	120
			最大持续放电电流	10C～20C	1C～5C
充电时间(小时)	10～20	1～2
			价格(元/V·Ah)	0.8	2.67

铅酸蓄电池具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池，其主要用于电信、银行等后备电源、太阳能和风能储能、汽车、摩托车以及电动车辆。但是，铅酸电池在应用过程中也暴露出了很多缺陷：

1、重量比能量太低，仅为30WH/KG。表2示出了两种不同用途的铅酸电池装置的重量。

表2

2、循环寿命短，作为电动车辆用电池，使用约一年时间就需要进行更换。

3、欠充电使用时容易造成极板硫酸盐化，使电池寿命严重缩短。如电动车辆、风能和太阳能用铅酸电池，因经常不能及时对电池进行满荷电充电，使得电池处于部分荷电状态下循环使用，从而引起极板硫酸盐化，导致容量衰减及寿命缩短。

4、不适合大电流放电。图1显示不同倍率放电时，电池容量相当于1C₁倍率放电电池容量的比值。可以看出，随着放电倍率增加(放电电流增加)，电池所能放出的容量急剧下降。当所用电器以较高功率工作时，电池实际工作时间明显缩短，导致达不到标称的容量。

上述缺陷严重制约了铅酸电池在电动车辆、风能及太阳能储能、汽车及摩托车启动等方面的应用。

为解决上述问题，人们相继开发了新的二次电池，并应用于所述领域，磷酸铁锂电池即为其中的代表，其具有以下显著特点：

1、具有较高的重量比能量，约120WH/KG。表3示出了两种不同用途的磷酸铁锂电池装置的重量。

表3

2、循环寿命长，可达1500次以上，实际使用寿命可达5年。图2示出了常温条件下磷酸铁锂电池循环寿命曲线。

3、磷酸铁锂电池可在任意荷电状态下使用，不会因不饱和荷电循环使用而影响电池寿命，且常适合用于市电和充电状态不稳定的环境下使用。

4、大电流放电性能优异，不同倍率下放电电池容量差异很小，可以10C₁A～20C₁A电流持续放电，这是铅酸电池所无法实现的。磷酸铁锂电池在不同倍率(C_XA)放电时容量与1C₁倍率(C₁A)放电的容量对比如图3所示。

然而，磷酸铁锂电池也有其局限性，主要是价格较高，其价格约为铅酸电池的3～5倍，这在一定程度上限制了磷酸铁锂电池的推广应用。

为了充分利用两种能量体系的优点，人们寻求将不同能量体系进行并联使用。如中国专利申请CN 101227096A公开了具有高电流通路的二次电池，其通过控制元器件将柱状电池和袋状电池并联起来，用袋状电池填充柱状电池中间的空隙，以达到充分利用电池盒内空间的目的。这种混合电池仅仅是通过并联实现形状互补，其并未导致并联电池性能的互补，如并联后能同时满足输出高功率和高容量的要求。此外，其两组电池的充电/放电是互相独立的。在两组电池上分别附加了用于侦测电池充电/放电状态的保护线路，以分别适时获得并联的两路电池的电流、电压状态。当任何一个支路的电流、电压到了设定的控制值时，保护线路给出信号，开关动作，导通或者关闭其中一路的开关。中国专利申请CN101174712A是对CN101227096A的补充，其提出了准确计算混合电池剩余容量的方法：感应当前放电电池的放电电压、计算至少两个放电电压电平下的满充电容量，并将当前放电电池的满充电容量和当前非放电电池的满充电容量加在一起来计算混合电池的总满充电容量。

美国专利US 7463009公开了将性能不同的两种二次电池并联使用，以充分利用两种电池特性的系统。其第一并联支路二次电池包括充电/放电开关、电池过充/过放保护；第二并联支路二次电池包括充电/放电开关、电池过充/过放保护、用于与第一并联支路二次电池系统保持电压均衡的充电均衡管理模块。其可实现两套并联的二次电池系统同时进行充电/放电，但各自进行充电/放电管理的功能。欧洲专利EP 1892812A2提出用不同形状、化学特性的燃料电池、锂离子电池或锂聚合物电池等组成并联的混合电池，每个支路都有电流和电压传感器，将电流电压数值传输给控制器，由控制器给出信号进行关断，以防止两个支路的电池过充/过放。该混合电池的充电方式是采用恒流进行。美国专利US 7399554提出将高功率型锂离子电池和高容量型锂离子电池并联，每个支路里都串联有用于控制充电/放电的元件，当某一支路中电池达到充电/放电终止条件时，该支路即停止充电/放电。美国专利申请US 00593983A公开了在个人便携电源中由容量型铅酸电池和箔片铅酸型电池并联使用，且箔片铅酸电池可以为功率型电池进行充电，在需要大电流或瞬间峰值放电时，功率型电池提供能量，且此时箔片铅酸电池电压下降较容量型铅酸电池快。当用电器大功率启动完成后，箔片型铅酸电池电压低于容量型铅酸电池，此时容量型铅酸电池为箔片型铅酸电池充电。

然而，上述几种不同类型的二次电池的并联使用均是通过复杂的控制电路实现的，其存在如下问题：

1、在它们的两个支路中都有用于监控电池电压和电流的元件，当支路电池达到过充/过放条件时，这些检测元件给出信号，开关元件工作，这一支路停止充电/放电。

2、它们的两个支路均有精确的电流、电压和电量监控，实际上是通过对各个支路的单独控制实现输出和接受电能，其两个并联的支路对对方并不能造成任何影响。

3、以上文献中并未涉及如何选择合适的、不同类型的二次电池，来根据各自的特性组成较为合理、不用电池管理元件进行充电/放电管理的混合电池。它们属于较为机械、生硬的电池并联组合。

美国专利申请US 00593983A虽然涉及了根据容量型铅酸电池和功率型铅酸电池特点进行合理性能补充，但这种并联方式的缺陷在于，两种并联的电池电压一样，在高功率放电时，功率型电池电压下降较快，而容量型电池此时对功率型电池的容量补充滞后，只能在功率型电池放电完成后，电压低于容量型电池时，对其充电。

【发明内容】

本发明旨在解决上述问题，而提供一种具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，以实现在不附加任何机械或电子控制电路的情况下，通过混合电池自身对电流大小的自动调节，使得各支路电压一致，并在同一电压下对并联的铅酸电池和磷酸铁锂电池进行充放电，同时利用磷酸铁锂电池的优点，充分实现对铅酸电池的使用保护，降低成本，延长两种电池的使用寿命的目的。

为实现上述目的，本发明提供一种具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，该混合电池包括至少一组铅酸蓄电池和至少一组磷酸铁锂电池，所述铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池并联连接，所并联的两种电池的开路电压大致相同，并联后的混合电池可自动调节两种电池支路的放电电流，使两个支路电池电压始终相同，且磷酸铁锂电池回路优先提供高功率放电；并联后的混合电池可自动调节两种电池支路的充电电流，使两个支路电池电压始终相同，且优先对铅酸电池充电。

通过调整铅酸电池电解液密度使所述铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池的开路电压大致相同。

该混合电池对两种电池支路的放电电流的自动调节是当高功率放电时，以磷酸铁锂电池输出能量为主，铅酸电池输出能量为辅，并同时从两个支路对外输出能量，且两个支路输出电压一致；在以较小功率放电时，前期以磷酸铁锂电池输出能量为主，铅酸电池输出能量为辅，后期则随着放电电压的降低，逐渐进入以铅酸电池输出能量为主、磷酸铁锂电池输出能量为辅。

该混合电池对两种电池支路的充电电流的自动调节是在初始充电时，以铅酸电池充电为主，随着铅酸电池电压的升高，逐渐转为以为磷酸铁锂电池充电为主。

该混合电池的充电电流限制在混合电池容量的0.3倍以下，充电截至方式根据末期电流确定，当末期充电电流处于混合电池容量的0.05～0.2倍时停止充电。

铅酸电池单体的开路电压符合如下公式：

V＝(0.85+d)伏，其中，V为铅酸电池的开路电压，0.85为经验系数，d为铅酸电池的酸浓度，d的取值范围为1.30～1.33g/mL，对应的电压V为2.15～2.18伏。

所并联的铅酸电池和磷酸铁锂电池的容量比可在0∶100～100∶0的范围内选择。

本发明的贡献在于，它有效解决了现有技术中通过复杂的控制电路监控电池的电压和电流的问题。本发明充分利用铅酸电池和磷酸铁锂电池各自的特点，使得在不需要任何附加电子电路的情况下，通过该混合电池的自身自动调节各支路放电电流，使两个支路电池电压始终相同，且磷酸铁锂电池回路优先提供高功率放电能力，避免了铅酸电池大电流放电对其的损伤，延长了其寿命。本发明还可自动调节各支路充电电流，使两个支路电池电压始终相同，并优先保证了易于损伤的铅酸电池始终处于满荷电循环状态，延长了其寿命。本发明使得两种电池的优势互补，实现了对其中一支路电池的优点的充分利用，同时避免了另一支路电池的缺陷。本发明还具有结构简单，易于实施，成本低等特点。

【附图说明】

图1是铅酸电池不同倍率(C_XA)放电时容量与1C₁倍率(C₁A)放电的容量对比图。

图2是常温条件下磷酸铁锂电池循环寿命曲线图。

图3是磷酸铁锂电池不同倍率(C_XA)放电时容量与1C₁倍率(C₁A)放电的容量对比图。

图4是本发明的铅酸电池与磷酸铁锂电池并联示意图。

图5是容量相同的铅酸电池与混合电池以相同功率放电时电池电压变化示意图。

图6是铅酸电池容量∶磷酸铁锂电池容量＝5∶5，混合电池放电，两个并联支路的电流分配情况示意图。

图7是本发明的铅酸电池与磷酸铁锂电池的支路电流随时间变化示意图。

【具体实施方式】

参阅图4，本发明的具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池100由一组铅酸蓄电池10和一组磷酸铁锂电池20并联而成，每组铅酸蓄电池10和磷酸铁锂电池20可分别由多个单体电池连接而成。在混合电池100上设有类似于普通混合电池的输出接口和充电接口(图中未示出)。

本发明的要点在于，铅酸蓄电池10与磷酸铁锂电池20的并联结构中，首先要使所并联的两种电池的开路电压大致相同。由于磷酸铁锂电池是锂离子二次电池的一种，其电解液浓度对开路电压的影响较小，调整电解液浓度意义不大。磷酸铁锂电池单体开路电压在3.34伏左右。而铅酸电池电解液密度对开路电压影响显著，因此可通过调整铅酸电池电解液密度来改变铅酸电池的电压，使其与磷酸铁锂电池20的开路电压相一致。更具体地，铅酸电池单体的开路电压可根据如下公式来计算调整：

由上式可见，改变其中的铅酸电池的酸浓度d即可改变铅酸电池的开路电压V。

具有不同单体数的铅酸电池与磷酸铁锂电池组合后的开路电压值的实施例如表4。

表4

实际上，当铅酸蓄电池10与磷酸铁锂电池20并联时，两个支路的初始电压是不同的，因而在并联回路内会产生一个电流，该电流与并联支路的各个支路的电阻有关。通常情况下，磷酸铁锂单体电池内阻在10mΩ数量级，铅酸电池内阻在0～10mΩ数量级。按表4的实例，并联后回路的内阻和初始瞬间电流如表5。

表5

电压体系	6	12	18	24
					回路的内阻数量级(mΩ)	30	60	90	120
回路初始瞬间电流(A)	5～8	5～8	5～8	5～8

由表4、表5可见，通过调整铅酸电池10的酸浓度来调节铅酸电池的开路电压，可调整两个支路电池并联后初始的瞬间电流大小，以便能选择合适的初始瞬间电流，保护并联的电路不至于被较大的初始瞬间电流损伤。在两个支路电池并联后，相当于磷酸铁锂电池对铅酸电池进行充电，当铅酸电池电压上升、磷酸铁锂电池电压下降到同一值时，既停止。这个时间持续不到1秒种时间，事实上不会造成铅酸电池过充电。

本发明的另一要点在于，将价格较为低廉的容量型的铅酸电池10与价格较为昂贵的功率型磷酸铁锂电池20并联成混合电池，并联后的混合电池可自动调节两种电池支路的放电电流，使两个支路电池电压始终相同，且磷酸铁锂电池回路优先提供高功率放电。

参见图5，由于磷酸铁锂电池20的放电平台电压较铅酸电池高，在同样的放电电流条件下，其能提供的功率比铅酸电池10多。因此，并联后的铅酸电池与磷酸铁锂电池组成的混合电池较同样容量的铅酸电池能提供更多的能量，而所多出的能量与混合电池中磷酸铁锂所占比例有关，混合电池中磷酸铁锂电池容量所占比例越高，则混合电池所能提供的能量也就越高。为此，本发明的混合电池100可以选择容量比不同的铅酸电池和磷酸铁锂电池进行并联，具体地说，铅酸电池与磷酸铁锂电池的混合比例可在0∶100～100∶0较大范围内选择，优选的混合比例为30∶70～70∶30。在一个优选实施例中，当铅酸电池容量∶磷酸铁锂电池容量＝5∶5时，混合电池的两个并联支路放电时的电流分配情况如图6所示。

因磷酸铁锂电池放电平台电压较铅酸电池高，且其大电流放电能力也较铅酸电池高。因此，如图6所示，本发明的混合电池在放电时，在放电前期以磷酸铁锂电池20放电为主，即磷酸铁锂电池回路优先提供高功率放电。在放电后期则以铅酸电池10放电为主。放电过程中的电流分配是自动调节的，不需要任何电子电路进行控制。特别是以较大功率放电时，在放电前期，磷酸铁锂电池支路B提供的电流较铅酸电池支路A更多，因而避免了铅酸电池进行大电流放电，保护了铅酸电池，延长了其寿命。该混合电池在整个放电过程中，铅酸电池支路和磷酸铁锂电池支路两个支路的电流是根据各自支路所提供能量的能力自动调节的，两个支路的电压始终是相同的，对外输出的电压也是相同的。

本发明的要点还在于，并联后的混合电池可自动调节两种电池支路的充电电流，使两个支路电池电压始终相同，且优先对铅酸电池充电。

具有不同单体数的铅酸电池与磷酸铁锂电池组合后的充电电压实施例如表6。

表6

由表6可见，铅酸电池10和磷酸铁锂电池20充电电压基本一样，可以使用相同的充电电压进行充电。该混合电池以恒压充电，但限制充电电流的方式进行。其充电电压可以采用表6中的充电电压，充电电流则限制在混合电池容量的0.3倍以下，充电截至方式可根据末期电流确定，当末期充电电流处于混合电池容量的0.05～0.2倍时可以终止充电。如铅酸电池以不饱和荷电进行循环使用时，易于形成硫酸盐化，电池容量和寿命衰减会加快，因此在使用时应尽量保证铅酸电池每次放完电后再充足电。而磷酸铁锂电池对于荷电状态不敏感，以不饱和荷电进行循环使用并不会影响其寿命。所以本发明的混合电池在使用中，始终优先保证铅酸电池充足电，因而保护了铅酸电池，并将明显延长铅酸支路电池的使用寿命。

如图7所示，充电时，因为铅酸电池10的内阻较小，且充电平台电压较磷酸铁锂电池20低，开始充电时，充电电流主要集中在铅酸电池支路A。随着铅酸电池电压的提高，铅酸电池电压逐渐靠近磷酸铁锂电池充电电压平台，这个过程中磷酸铁锂电池支路B充电电流逐渐增加，铅酸电池支路充电电流逐渐减小。整个过程是根据两个支路电池充电接受能力自动调节充电电流，始终使两个支路的充电电压和电池电压保持一致。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的范围并不局限于此，在本发明权利要求范围内做出的修改、变换及变形均应落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，其特征在于：

包括至少一组铅酸蓄电池(10)和至少一组磷酸铁锂电池(20)，所述铅酸蓄电池(10)和磷酸铁锂电池(20)并联连接，所并联的两种电池的开路电压大致相同，并联后的混合电池能够自动调节两种电池支路放电状态和充电状态；

所述并联后的混合电池能够自动调节两种电池支路放电状态和充电状态是指，当所述混合电池高功率放电时，以所述磷酸铁锂电池输出能量为主，所述铅酸蓄电池输出能量为辅，并同时从两个支路对外输出能量，且两个支路输出电压一致；当所述混合电池以较小功率放电时，前期以磷酸铁锂电池输出能量为主，铅酸蓄电池输出能量为辅，后期则随着放电电压的降低，逐渐进入以铅酸蓄电池输出能量为主，磷酸铁锂电池输出能量为辅；当对所述混合电池充电时，在初始充电时，以对铅酸蓄电池充电为主，随着该铅酸蓄电池电压的升高，逐渐转为以对所述磷酸铁锂电池充电为主。

2.如权利要求1所述的具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，其特征在于：

通过调整铅酸蓄电池电解液密度使所述铅酸蓄电池(10)和磷酸铁锂电池(20)的开路电压大致相同。

3.如权利要求1所述的具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，其特征在于：

该混合电池的充电电流限制在混合电池容量的0.3倍以下，充电截止方式根据末期电流确定，当末期充电电流处于混合电池容量的0.05～0.2倍时停止充电。

4.如权利要求2所述的具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，其特征在于：

所述铅酸蓄电池单体的开路电压符合如下公式：

5.如权利要求1所述的具有自调节功能的铅酸蓄电池与磷酸铁锂电池的混合电池，其特征在于：

所并联的铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池的容量比可在30∶70～70∶30的范围内选择。