CN103085677B - 车用电能动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车用电能动力系统，它包括至少一个铅酸电池组，至少一个锂离子电池组，铅酸电池组和锂离子电池组之间为并联连接，车用电能动力系统还包括有用于控制铅酸电池组和锂离子电池组联通或者断开的控制模块。本发明提供的车用电能动力系统寿命长，经济性高。

Description

车用电能动力系统

技术领域

本发明涉及一种车用电能动力系统，特别是特种车辆用电能动力系统。

背景技术

随着石油资源的日益减少和环境的污染日渐严重，保护环境，节能减排成了目前世界上的潮流和趋势。在这个背景下，近年来，以电池为主要动力源或者部分动力源的电动车辆(主要包括混合动力车，插电式混合动力车，纯电动车)逐渐出现并日益增多，电动车辆的碳排放量要小于传统内燃机汽车，纯电动车的碳排放甚至为零，并且具有能量转换效率高的特点，这使得人们将电动车视为未来替代内燃机车的一个重要选择。但是目前而言，电动车，尤其是家用纯电动车辆的普及受到电池性能不足，价格高昂以及缺乏充电站等一系列条件的制约，所以，虽然世界上各汽车公司均推出了一些电动车辆，比如日产汽车公司(Nissan)的纯电动车“Leaf″，通用汽车公司(General Motors)的插电式混合动力车“Volt″，但是它们受制于上述种种条件，目前距离普及还相距甚远。

基于普通电动汽车的推广困难，在特种车辆领域进行车辆的电动化成了一个可行和明智的选择，这些特种车辆包括叉车，堆高车，平台车，行李车以及其它一些具有固定工作领域或者工作路线的车辆，这些车辆一般在一个固定的场地或者区域内工作，这个场地或者区域一般而言并不会很大，所以这些车辆对于续航里程要求不高；并且由于是固定场地或者区域，所以往往也是在固定的地方充电或者更换电池，这些有利条件使得推广电动特种车辆较为易于进行。所以，目前，电动叉车，堆高车等特种车辆的发展非常迅速。

众所周知铅酸电池具有技术成熟，价格低廉，安全可靠，适用范围广等特点，也是目前应用最为广泛的电池体系，我国基本所有的电动两轮车都采用铅酸电池作为动力源。但是铅酸电池的缺点也很明显：能量密度低(一般仅有30～40Wh/kg)；循环寿命短(一般不超过400次，一般家用电动两轮车一年即需要更换铅酸电池包)；高倍率放电性能差，特别当铅酸电池的荷电状态SOC(这里所述的荷电态SOC是State of Charge的缩写，指的是电池组目前的容量/额定容量值，例如当一个电池组处于满电状态下，其SOC为1，当一个电池组处于完全放完电的状态下，其SOC＝0。)下降到低于30％之后，若再进行大倍率放电，铅酸电池组的发热剧增，内阻增大，此时铅酸电池的实际容量会急剧衰减，以至于根本达不到标称容量，且长期这样使用会严重降低铅酸电池的实际寿命。

锂离子电池(全名为锂离子二次电池)自1991年由日本索尼公司发明以来，已经广泛地应用于3C产品(手机，电脑，数码相机)的电源。锂离子电池的正极材料一般为锂和过渡金属的氧化物，负极材料为石墨。经过20年的发展，锂离子电池的正极材料已经发展为多个体系，包括：锰酸锂，钴酸锂，磷酸铁锂，镍酸锂，三元(锰酸锂中掺杂钴以及镍)等。锂离子电池的负极材料目前主要采用石墨，近几年，开始有采用钛酸锂作为负极的锂离子电池出现。与传统的铅酸电池，镍氢电池相比，锂离子电池具有能量密度高(一般可达或超过100Wh/kg)，循环寿命长(一般超过2000次，具有3～5年的使用寿命)，高倍率充放电性能好(尤其是钛酸锂作为负极的锂离子电池，高倍率下容量衰减小)容量受温度变化影响小等优点。这些优点使得人们将锂离子电池视为电动车动力源的最佳选择之一，但是，锂离子电池的价格高昂(一般是相同容量铅酸电池价格的3～8倍)，这限制了锂离子电池在车辆上的应用。

目前，市场上可见的上述特种车辆的动力源主要为铅酸电池，比如，某叉车公司所生产的CME型电动堆垛车，采用电压为24V，容量为100Ah的铅酸电池组作为动力源。由于铅酸电池的循环寿命较低，所以这些电动特种车辆一般在一年左右就需要更换铅酸电池包，这样就使得车辆的维护费用增加，另外，由于特种车辆(以堆高车，叉车为例)的特殊工作工况，往往在频繁提升货物时需要大功率输出，这会使得电池包频繁处于高倍率放电的状态，这样进一步使得铅酸电池的性能降低甚至迅速劣化，从而使得整个车辆的经济性降低。

发明内容

本发明的目的即是为车辆特别是特种车辆提供一种使用寿命长，经济性高的电能动力系统。

为实现上述目的，本发明提供一种车用电能动力系统，它包括至少一个铅酸电池组，至少一个锂离子电池组，铅酸电池组和锂离子电池组之间为并联连接，车用电能动力系统还包括有用于控制铅酸电池组和锂离子电池组联通或者断开的控制模块。

在铅酸电池组和锂离子电池组均为充满电的状态下，铅酸电池组的电压大于锂离子电池组的电压，这样当锂离子电池需要充电时，铅酸电池可以较快地对其进行充电。

锂离子电池组的放电倍率范围可以为0C～12C，甚至更高，高倍率放电的性能有利于电能动力系统为满足大功率的负载要求，这里所述的的放电倍率C值指的是电池包以多少倍于自身电荷容量值的电流强度充放电的能力，比如一个电池包的容量为1Ah，若该电池包以2A大小放电，则此时的放电倍率为2C；若该电池包以0.5A大小放电，则此时的放电倍率为0.5C。

所述的铅酸电池组和锂离子电池组所储存的能量比可以为15∶1～5∶1，也可以为其它的一些依据锂离子电池放电倍率性能所做出的能量配比。这里所说的电池组所储存的能量E(单位：瓦时或焦耳)为电池组在满电状态下的开路电压值×额定容量(单位：安时)。例如，一个电池包的开路电压为10V，额定容量为10Ah，则该电池包储存的能力为10V×10Ah＝100Wh＝360000焦耳。

控制模块包括电池管理单元，电池均衡单元和继电器，所述的电池管理单元用于监测所述铅酸电池组和锂离子电池组以及平衡所述的锂离子电池组内的各单体电芯；所述的继电器用于控制所述的铅酸电池组和所述的锂离子电池组之间的联通或断开，当铅酸电池组的荷电态(SOC)大于30％时，锂离子电池组并不与铅酸电池组相连接，此时仅由铅酸电池组向负载提供能量，而当所述电池管理单元测得所述铅酸电池组的荷电态(SOC)小于30％时，所述的继电器联通锂离子电池组和铅酸电池组，此时主要由锂离子电池组向负载提供能量，铅酸电池只提供低倍率电流输出，并且当高功率负载消失的时间范围内(比如叉车叉完一次货物到下一次叉货物的时间间隔内)，铅酸电池组自动对锂离子电池组进行充电，以满足后续高功率负载输出所需的能量。

锂离子电池组由多个正极材料为锂金属氧化物的单体锂离子电芯组成。单体锂离子电芯锂金属氧化物选自锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂或在他们的基础上进行掺杂而得到的锂金属氧化物材料。

锂离子电池组由多个负极材料为碳材料或钛酸盐的单体锂离子组成。这里的碳材料可以选自中间相碳微球(MCMB)、天然石墨(NGR)、人造石墨或硬碳(HC)。

这里的钛酸盐优选钛酸锂，包括尖晶石型以及其他晶型。与传统的采用碳材料为负极材料的锂离子电池相比，负极材料为钛酸锂的锂离子电池具有优良大倍率(C率)放电性能。

电池管理单元还包括用于和上位机相连接的通讯接口，可以与上位机相连接，进行远程控制。

由于采用了在铅酸电池组与锂离子电池组协同使用，并使用控制系统控制锂离子电池组的接入和断开，使得整个电能动力系统在大功率负载的情况下主要由锂离子电池包提供能量输出，避免了大电流对铅酸电池组的直接冲击，这样使得铅酸电池组的工作时的放电倍率降低，放电曲线变得平缓，发热减少，从而使得铅酸电池组的寿命得到了提高，从而也提高了整个动力系统和车辆的经济性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为实施例中铅酸电池组的SOC＜30％后，锂离子电池组和铅酸电池组的放电倍率对SOC图；

图3为实施例中单独铅酸电池组在不同倍率下放电的温度对SOC图；

图4为实施例中单独铅酸电池组在0.5C和3C倍率下，SOC小于30％时的电压对SOC图；

图5为实施例中并入锂离子电池组后的铅酸电池组在0.5C和3C倍率下，SOC小于30％时的电压对SOC图；

其中：1.铅酸电池组；2.锂离子电池组；3.控制模块；4.开关；5.负载；6.上位机；31.电池管理单元；32.继电器；LAB.Lead-Acid Battery(铅酸电池)；LIB.(Lithium Ion Battery(锂离子电池)。

[具体实施方式]

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

图1给出了发明的结构示意图，包括至少一个铅酸电池组1，至少一个锂离子电池组2，铅酸电池组和锂离子电池组之间为并联连接，车用电能动力系统还包括有用于控制铅酸电池组和锂离子电池组联通或者断开的控制模块3。

铅酸电池组1在满电状态下的电压大于满电状态下锂离子电池组2的电压，本实施例中，铅酸电池组电压为24V，容量为100Ah；锂离子电池组电压为20V，容量为10Ah.

控制模块3包括电池管理系统31和继电器32，电池管理系统31对系统电流、铅酸电池组1和锂离子电池组2的电压、电流、SOC以及锂离子电池组2内部各个单体的电压，温度进行监测。当铅酸电池组1的SOC≥30％的时候，开关4为断开态，也即此时锂离子电池组2并未接入到电路中并承担负载；而当铅酸电池组1的SOC＜30％的时候，电池管理系统31控制继电器32闭合，锂离子电池组2接入到电路中承担负载。本实施例中的BMS系统。主要参数包括：

单体电池电压采集精度：-5～5mV；

电压电流更新速率：10mS；

工作温度范围：-45～85℃；

SOC测量精度：≤5％；

均衡电流：50～100mA。

在本实施例中，电池管理系统31还包括用于和上位机6相连接的通讯接口(图中未示出)，可以通过上位机6来远程控制整个系统。

在本实施例中，采用三元材料作为正极，钛酸锂作为负极的锂离子电池单体组成锂离子电池组2.

图2为在铅酸电池组1的SOC＜30％后，锂离子电池组2和铅酸电池组1的放电倍率对SOC图；可以看出，当铅酸电池组1的SOC为30％时，放电倍率约为3C，此时锂离子电池组2刚刚接入电路，而随着锂离子电池组2的接入并承担了绝大多数负载5的所需功率，锂离子电池组2的放电倍率逐渐增加至10C以上，而铅酸电池组1的放电倍率逐渐下降至2C。

图3为铅酸电池组1在1C，2C，3C放电下的温度对SOC对比图，图中3条曲线从上至下分别对应于3C，2C，1C放电态，可以看出，随着铅酸电池组1的放电倍率增加，在相同SOC态时的温度较高(比如同在30％SOC态时，3C放电曲线对应的电池组温度高于2C放电曲线对应的电池组温度)，所以可以很明显的得出，在锂离子电池组2接入电路后，铅酸电池组1的放电倍率会下降，铅酸电池组1的温度也会得到降低。

图4为在未接入锂离子电池组2的情况下，当铅酸电池组1的SOC低于30％时，在0.5C和3C放电情况下的电压对SOC图，设定铅酸电池组1的放电截止电压为20V，图中两条曲线从上至下分别对应于0.5C放电和3C放电，可以看出，在SOC低于20％后，铅酸电池组1的电压急剧下降，在SOC刚刚低于20％即达到截止电压20V，实际实测值为SOC为18％时，铅酸电池组1的电压为20.046V，SOC为17％时，铅酸电池组1的电压为19.934。可以看出，仅有铅酸电池组1在3C放电的情况下，其仅能释放出约83％的理论容量。也就是说，有17％的容量是无法利用的。

图5为在接入锂离子电池组2的情况下，当铅酸电池组1的SOC低于30％时，在0.5C和3C放电情况下的电压对SOC图，图中两条曲线从上至下分别对应于0.5C放电和3C放电，可以看出，与图4相比，由于接入了锂离子电池组2，图5中的铅酸电池组1的放电曲线变得更加平缓，在SOC低于6％的之后，电压才下降到20V以下，实际实测值为SOC为5％时，铅酸电池组的电压为20.18V，SOC为4％时，铅酸电池组1的电压为20V，可以看出，在并入了锂离子电池组2的情况下，铅酸电池组1可以释放出约96％的理论容量，仅有4％的容量是无法利用的，与单独放电的情况相比，铅酸电池组1可以释放的理论容量多出了13％。

综合以上可以看出，当采用本发明技术方案后，铅酸电池组1的工作温度得到了降低，可以释放的理论容量也得到了提升，从而使得整个动力系统体系的寿命和经济性都得到了提升。

本发明的保护范围并不仅限于此实施例，凡在本发明精神下所做的变化和改动，均应落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种车用电能动力系统，包括至少一个铅酸电池组，至少一个锂离子电池组，所述的铅酸电池组和锂离子电池组之间为并联连接，其特征在于：所述的车用电能动力系统还包括有用于控制所述铅酸电池组和锂离子电池组联通或者断开的控制模块；

在所述的铅酸电池组和锂离子电池组均为充满电的状态下，所述的铅酸电池组的电压大于所述锂离子电池组的电压；

所述的控制模块包括电池管理单元和继电器，所述的电池管理单元用于监测所述铅酸电池组和锂离子电池组，以及平衡所述的锂离子电池组内的各单体电芯；所述的继电器用于控制所述的铅酸电池组和所述的锂离子电池组之间的联通或断开，当所述电池管理单元测得所述铅酸电池组的荷电态(SOC)小于30％时，所述的继电器联通锂离子电池组和铅酸电池组，所述锂离子电池组向负载提供能量。

2.如权利要求1所述的车用电能动力系统，其特征在于：所述锂离子电池组由多个正极材料为锂金属氧化物的单体锂离子电芯组成。

3.如权利要求2所述的车用电能动力系统，其特征在于：所述锂金属氧化物选自锰酸锂、钴酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂或在他们的基础上进行掺杂而得到的锂金属氧化物材料。

4.如权利要求1所述的车用电能动力系统，其特征在于：所述锂离子电池组由多个负极材料为碳材料或钛酸盐的单体锂离子组成。

5.如权利要求4所述的车用电能动力系统，其特征在于：所述碳材料选自中间相碳微球(MCMB)、天然石墨(NGR)、人造石墨、硬碳(HC)。

6.如权利要求4所述的车用电能动力系统，其特征在于：所述钛酸盐为钛酸锂。

7.如权利要求1所述的车用电能动力系统，其特征在于：所述的电池管理单元还包括用于和上位机相连接的通讯接口。