CN104242401A - 一种低能耗电池组并联装置 - Google Patents

Abstract

一种可实现单向充电、单向放电并阻止各组电池相互产生无功损耗电流的低能耗电池组并联装置：由导线、按照一定顺序排列的多个二极管、电池组并联装置充电器接头、电池组并联装置用电器接头和电池组并联装置电池组接头组成。该装置在连接各电池组正极端或负极端有两个二极管，一个顺电池组电流方向，一个逆电池组电流方向；顺电池组电流方向二极管所在的电路为放电电路，逆电池组电流方向二极管所在的电路为充电电路。所用的二极管为支持大电流的肖特基二极管和整流二极管。该装置可用于多组标称电压相等的同性质电池组，方便实现充电和放电，能增强电池组并联后的性能和安全性，特别适用于移动机械，如电单车和电动汽车。

Description

一种低能耗电池组并联装置

技术领域

本发明涉及一种低能耗电池组并联装置，利用多个二极管阻止多个电压可能不绝对相等的并联电池组在充电、放电以及静置过程中产生局部回路放电，从而增强电池组并联后的性能。

背景技术

电能是一种高级的清洁能源，能量的转化率高，几乎无污染。随着储电技术如铅酸电池组和磷酸铁锂电池组的发展，许多耗电较大的移动机械也逐渐使用电能作为能源。交通工具电动单车和电动汽车已不再是新生事物，已成为社会生活的一部分。这些移动机械均采用蓄电池作为能源。

蓄电池是储存电能的装置，目前市场上使用的蓄电池主要是铅酸电池和锂电池。由于磷酸铁锂电池的能量密度高，在大功率能量输出方面更有优势。蓄电池充电时将电能转化成化学能，放电时将化学能转化为电能。

不管是铅酸电池还是锂电池，单个电池的标称电压都在3伏或3伏以下。由于大多机械的直流用电多为12伏的整数倍（12伏、36伏、48伏、64伏和72伏等），因此各电池单体必须进行串联以获得合适的电压。电池组串联在实践中使用率高、技术成熟，无重大问题。由于电池单体的容量不可能做到无限大，如果要增加电池组的容量，将电池单体或电池组并联就不可避免。

对电单车来说，目前使用的直流电压多在72伏以下，电机的额定功率在350-1000瓦之间。以48伏的电单车为例，要加大电单车的续航里程，可能的方法主要有三个，1）增加串联电池单体数，额定电流不变但升高电压；2）电压不变，使用大容量单体进行串联以增加电流输出；3）电压不变，将多组一定容量的串联电池组再进行并联增加电流输出。另外还有一种就是独立使用几组电池，用开关进行控制，但这种方法使用极为不方便，也不利于发挥电池组的最大效应。

对于第1）种方法是不可行的。因为电压过高会导致整车的用电安全性下降，一般认为安全电压为36伏特，目前的电单车标准也多采用48伏的标准。如果电压过高发生电流泄漏很容易引发安全问题。而且，串联的电池组越多，虽然电压高，但电池内阻增加，不利于放电；最为头疼的是，如果其中一个电池单体落后会导致整个串联电池组性能快速下降，不利于维护。对已有电单车来说，增加电压意味着要有降压装置或者要使用高压电机，这需要对已有车辆进行较大程度的改造，因此这种方法成本过高，几乎不可行。

对于第2）种方法而言，电压不变，使用大容量单体进行串联能够增加车辆的续航能力。然而，大单体的制作成本相对较高，技术难度较大；而且大容量单体的容量也是有限的，如铅酸电池单体的较大标称容量也就28Ah，磷酸铁锂电池也就20Ah。因此，要获得更大的容量不进行并联就很难做到。而且不利于整合利用现有的小容量电池组，组装条件较为苛刻。

直观地看，第3）种方法是不改变电压增加电池容量的好方法，目前也在某些情况下进行试用。对于该情形来说，将几组理想等电压的电池组并联能增加电池组容量，有望在不改变电压的情况下增加电池组的电流输出。然而，尽管在选配电池组时会尽可能把均一性一致的等电压电池组进行并联，可以做到短时间内的一致性；但随着使用时间的增加，各电池组的特性会变得不一致，也就是说，各个参与并联的电池组电压不会严格相等，容量的损耗程度也不一样。现在的问题是，电压不严格相等就会产生局部回路，因为电池的内阻往往都较小，产生的局部无功损耗电流不容忽视。以标称48伏20Ah的两个电池组简单并联为例，这意味着每个电池组是16个磷酸铁锂电池串联而成，20Ah的磷酸铁锂电池单体（标称3伏特）内阻按1.3毫欧算，那么每个电池组的内阻是（1.3*16=）20.8毫欧；假定两个电池组产生的电压差为0.1伏特，则可产生局部电流（0.1/（0.0208*2）=）240mA。如果该两个电池组充好电并联暂时不用，放置一天的电池损耗可达240 mA*24h=5.8 Ah。这意味着两个48伏20Ah的电池组并联后，当时的容量是40Ah，放置1天后，可能就下降到34Ah左右，再放置几天甚至容量还会低于20Ah。如果两个电池组的不一致性加大，电池组的无功损耗还会加大。也正因为该情况的出现会导致电池组无功损耗过快，目前实践中很少采用这种简单并联方式。

经以上分析，对第3）中情况来说，一方面要用并联增加电池组容量（这样也相对经济），一方面电池组简单并联会导致无功损耗较大；如何来解决这对矛盾呢？本发明就是采用一个电池组并联装置，将电池组并联后的无功损耗降低到最小程度。

发明内容

一种电池组并联装置，通过多个二极管将各电池组放电电路的电流方向进行限定且不串扰，或同时也将各电池组充电电路的电流方向限定且也不串扰。即在各电池组正极端引出两根导线，分别接入两个方向不同的二极管，接出二极管后，然后将顺电池组电流方向的电流通过导线合并接入用电器，通过共同的回路回到电池组的负极；另将逆电池组电流方向的二极管通过导线合并接充电器正极，电池组的共同回路导线接充电器的负极。以上是在电池组正极端使用多个二极管来实现电池组低能耗并联，同样也可以将这些二极管置于负极端，其效果完全相同。在电池组的正极和负极同时使用二极管也是可以的，但因增加二极管的使用数量会产生二极管的二次功耗，不是最佳选择。

二极管的主要功能是实现电流单向通导。目前使用的大电流二极管主要有整流二极管和肖特基二极管。整流二极管的反向击穿电压高，漏电电流小，甚至在纳安级水平，不足的是电压降稍大；肖特基二极管的反向击穿电压多在100伏以下，漏电电流稍大，但多在微安级水平，优点是电压降较小，静态电压降几乎为零。

本发明使用的二极管数目不限，二极管的类型为支持大电流定向输送的整流二极管和肖特基二极管。本发明的实现最好使用电压降较小的支持大电流输出的肖特基二极管。实践表明，标称为48伏的电池组串联一个肖特基二极管后几乎无静态电压降，而串联一个整流二极管后静态电压降约有0.6伏因而不利于放电和充电；考虑到大电流输出，还可以将二极管同向并联后再接入电池组的放电电路；而接入充电电路的二极管则不必考虑再并联。

本发明的实施效果：以48伏350瓦电机的电单车为例，单组20Ah的国产磷酸铁锂电池组充满电后续航里程约为40km；将三组标称20Ah的电池组简单并联充满电后1天，在同等路况和负载下的续航里程约70km；充满电放置4天后的续航里程约为50km。采用本发明将电池组并联后，同样的3组电池充电后1天的续航里程可达120km，即使放置4天，续航里程也在100 km以上。

特别说明的是，只要标称电压相等，不同容量的同类电池组都可以用本发明并联而实现容量叠加并可进行很方便地充电。考虑到充电要求不同，不同类型的电池组，如磷酸铁锂电池组和铅酸电池组不建议用本发明并联；因为虽然放电容量的可以叠加，但充电要求不同而不能实现统一充电，反而不方便使用。

最后从安全上讲，实现电流定向流动后，暴露的充电端口不会放电，提高了用电的安全性；同时充电端口如果与充电器接口不匹配如正负极接错也不会发生短路而烧坏充电器或烧毁电池，只会无法充电，因而也杜绝了安全隐患。

附图说明

图1是将两组电池简单并联后发生无功损耗的电路图。

图2是本发明引入两个二极管限制两组一次性电池放电电流方向而不发生无功损耗的电路图。

图3是本发明在充电电路和放电电路分别引入两个二极管限制两组电池充电和放电电流方向而不发生无功损耗的电路图。

图4是本发明在充电电路和放电电路分别引入多个二极管限制N组电池充电电流和放电电流方向而不发生无功损耗的电路图。

图5是本发明的构造示意图。

图6是本发明在充电电路和放电电路分别引入多个二极管限制N组电池充电电流和放电电流方向而不发生无功损耗的接线示意图（二极管置于电池组正极端）。

图7是本发明在充电电路和放电电路分别引入多个二极管限制N组电池充电电流和放电电流方向而不发生无功损耗的接线示意图（二极管置于电池组负极端）。

图8是本发明在充电电路和放电电路分别引入多个二极管限制N组电池充电电流和放电电流方向而不发生无功损耗的接线示意图（放电电路的二极管置于电池组正极端并进行并联）。

 

以上图中：1. 第1组电池，2. 第2组电池，3. 用电器，4. 放电电路二极管，5. 充电电路二极管，6. 电池组并联装置充电器接头，7. 电池组并联装置用电器接头，8. 电池组并联装置电池组接头，9. 充电器，10. 电池组接线头，11. 开关，A. 做功电流，B. 无功电流，N. 第N组电池组及并联装置接线

具体实施方式

1、低能耗电池组并联装置降低两组一次性电池组的并联功耗。

以两个一次性电池组为例，将标称电压相同的第1组电池组（1）和第2组电池（2）通过导线进行简单并联后将用电器（3）串联在电路中。合上开关（11）接通电路后，一方面整个并联电池组会放出做功电流（A）让用电器（3）做功；另一方面由于这两个电池组电压不绝对相等，假定第1组电池（1）的电压略高于第2组电池（2），那么就会产生局部无功电流（B）。即使断开开关（11），无功电流（B）始终存在。以上说明参见图1。因此无功电流（B）的存在会缓慢消耗这两个电池组的电量，从而降低电池组的容量。

如果如图2所示，分别在以上两个电池组正极顺电流方向接入两个放电电路二极管（4），合上开关（11）后，整个电路中将只存在通过用电器（3）的做功电流（A），而不会产生无功电流（B）。原因是：假定第1组电池（1）的实际电压略高于第2组电池（2），第1组电池的电流有流向第2组电池（2）的趋势，由于二极管具有单向导电性，连接在第2组电池（2）正极端的放电电路二极管（4）会阻止可能的无功电流（B），因而该无功电流（B）无法通过第2组电池（2）形成局部回路而损耗电池组容量。类似地，假定第2组电池（2）的电压略高于第1组电池（1），因为第1组电池（1）正极前的放电电路二极管也会进行阻止。

因此，在一次性电池组中引入该装置可以防止电池组间产生无功电流，从而阻止电池组无功电流损耗而增强电池组的性能。需要注意的是，为了便于说明，图2中的放电电路二极管（4）置于电池组的正极端，若将放电电路二极管（4）放置在电池组的负极端也能取得同样的效果。

2、低能耗电池组并联装置降低两组可充电电池组的并联功耗。

如图3所示，将第1组电池（1）的正极引出两根导线，一根连接顺电池组电流方向的放电电路二极管（4），另一根连接逆电池组电流方向的充电电路二极管（5）；标称电压与第1组电池（1）相等的第2组电池（2）的正极也引出两根导线，一根连接放电电路二极管（4），另一根连接充电电路二极管（5）。将两个放电电路二极管（4）的另一极用导线合并与用电器（3）接成回路，闭合开关（11）后即可将电池组并联后的电流通过用电器（3）做功，电流经负极的导线回流。另充电电流可经两个充电电路二极管（5）分别流进第1组电池（1）和第2组电池（2），对两组电池组进行充电。

同样地如图3所示，放电时，由于放电电路中放电电路二极管（4）的存在，各电池组只能单向进行放电，因而只能产生做功电流而不会产生无功电流。充电时，一般放电电路的开关（11）是切断的，充电电流只能经充电电路二极管（5）对电池组进行充电；即使充电时放电电路开关（11）是闭合的，因为充电电压要高于电池组的电压，充电电路在给电池组充电的同时还会给用电器（3）提供做功电流。

需要指出的是，放电电路二极管（4）置于正极或负极都是可以的，充电电路二极管（5）都置于正极或负极也是可以的。为了便于电路设计，将放电电路二极管（4）和充电电路二极管（5）都置于正极可以优先考虑。

3、低能耗电池组并联装置降低多组可充电电池组的并联功耗。

该示例参见图4。增加多组电池组（N）后，在充电和放电过程中产生与图3相似的效果。图4只是把图3的情形扩充到多个电池组，以表明该装置的可扩充性。

4、低能耗电池组并联装置降低多组可充电电池组的并联功耗的接线实用设计。

低能耗电池组并联装置示意图参见图5；该装置降低多组可充电电池组的并联功耗的接线实用设计参见图6。

为了在实践中方便接线，将从第1组电池（1）正极引出的两根导线接到三孔的电池组接线头（10）上，从负极引出的导线接到电池组接线头（10）的另一孔。为了防止接线出错，电池组接线头的布局以类似三孔插座的方式进行，即两个对等孔接正极，另一个孔（相当于三孔插座的接地线孔）接电池组负极。其他电池组也按照类似的方式进行接线。

充电和放电电路中的多个充电电路二极管（5）和多个放电电路二极管（4）按照充电和放电方向分别进行排布，连接电池组并联装置充电器接头（6）和电池组并联装置电池组接头（8）；放电电路分出电池组并联装置用电器接头（7）以对用电器（3）供电。

将电池组接线头（10）和电池组并联装置电池组接头（8）接通，同时将电池组并联装置充电器接头（6）和充电器（9）接通后即可实现充电。

将用电器（3）通过电池组并联装置用电器接头（7）接通后，电池组即可向用电器供电。

在以上接线中，一般电池组接线头（10）和电池组并联装置电池组接头（8）处于接通状态；用电器（3）和电池组并联装置用电器接头（7）也处于接通状态；电池组并联装置充电器接头（6）和充电器（9）只在充电时处于接通状态。

图6的示例是将二极管置于电池组的正极端，相似地，充电电路二极管（5）和放电电路二极管（5）也可以置于电池组的负极端，如图7。为了减少放电电路二极管的放电压力，也可以考虑将放电电路中的二极管进行同向并联，如图8所示。

5、低能耗电池组并联装置降可防止裸露的充电端口放电，也可防止充电器极性接反损害充电器或烧毁电池组。

常规电单车上的充电器接头与用电器接头处于并联状态，即充电器接头也具有放电功能。由于充电器接头处于裸露状态（或仅有简单遮拦），有可能发生意外操作而短路放电；最为危险的是，如果充电时不小心用错充电器正负极接反发生短路会导致充电器烧毁损坏和/或电池组烧毁损坏。采用本发明后，充电和放电的电流都是单向流动的，如图3、图4、图6、图7和图8所示；充电接口无法放电，因此不会发生裸露的充电接口短路漏电现象，也不会因充电器正负极接错而导致充电器和/或电池组发生损坏。

Claims (3)

1.一种可实现单向充电、单向放电并阻止各组电池相互产生无功损耗电流的低能耗电池组并联装置：由导线、按照一定顺序排列的多个二极管、电池组并联装置充电器接头、电池组并联装置用电器接头和电池组并联装置电池组接头组成。

2.根据权利要求1所述的低能耗电池组并联装置，其特征是：该装置在连接各电池组正极端或负极端有两个二极管，一个顺电池组电流方向，一个逆电池组电流方向；顺电池组电流方向二极管所在的电路为放电电路，逆电池组电流方向二极管所在的电路为充电电路。

3.根据权利要求2所述的二极管，其特征是：所用的二极管为支持大电流的肖特基二极管和整流二极管，支持的电流在1安以上。