CN105762885A - 组合式超级电池及其供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式超级电池及其供电方法，本发明的组合式超级电池包括功率单元、能量单元和隔离充电单元。本发明将用电设备分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元仅由组合式超级电池中的功率单元供电，非功率型用电单元由组合式超级电池中的能量单元供电，以实现能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡，本发明通过仅采用功率单元为功率型用电单元供电，解决了目前采用能量单元为功率型用电单元供电导致能量单元“超量配置”，并且对能量单元电流冲击大，造成能量单元寿命降低等问题，同时利用功率单元承担瞬态大功率作业任务，能够提高功率型用电单元的工作性能，并提高供电系统的电压稳定性。

Description

组合式超级电池及其供电方法

技术领域

本发明涉及一种组合式超级电池及其供电方法，属于电路系统应用技术领域。

背景技术

对于功率型用电单元而言，目前采用容量较大的铅酸蓄电池作为能量单元为其供电，而功率型用电单元启动时需要瞬态大电流，为满足功率型用电单元启动所需的瞬态大功率，不得不“超量配置”铅酸电池，使电池又大又笨重，既浪费资源又不经济。同时由于功率型用电单元启动电流较大，对铅酸蓄电池的电流冲击较大，造成正极板活性物质脱落，使得铅酸电池组容量下降较快，使用寿命较短(一般为2～3年)，更换较为频繁，增加用户设备维护工作量和使用成本。并且铅酸蓄电池主要含硫酸和重金属铅，对生态环境污染很大，又带来极高的废旧电池回收、处置等社会成本和环境污染的风险。

以内燃机车辆为例，蓄电池作为能量单元是内燃机车辆必不可少的电源之一，在车辆内燃发动机启动时向启动电机供电；发动机不工作或发动机在不高的转速下工作时，蓄电池向耗电装置供电；耗电装置功率超过发电装置功率时，蓄电池同发电机联合向耗电装置供电。如图1所示，内燃机车辆的供电系统包括启动电机1、启动开关2、蓄电池9、车载耗电装置4、车载发电机5和电压调节器6，蓄电池9通过启动开关2与启动电机1连接，蓄电池9与车载耗电装置4和车载发电机5并联，当内燃机启动时，启动开关2闭合，由蓄电池9为启动电机供电，在内燃机启动后，启动开关2断开，蓄电池向车载耗电装置供电。蓄电池既要承担启动电机的启动任务，又要为耗电装置供电，两类用电负载的不同用电特性对蓄电池性能要求差异很大：启动电机作为功率型用电单元要求蓄电池放电倍率性能优异，而其它负载作为非功率型用电单元则要求蓄电池具备一定容量即可、倍率性能要求不高。这种情况导致蓄电池为满足发动机冷启动所需的瞬态大功率，不得不“超量配置”，使电池又大又笨重，不仅浪费资源，而且也不经济。当蓄电池承担启动电机功率型用电单元任务时，需要经受启动电机大电流的冲击，对蓄电池造成损害，影响蓄电池的使用寿命，且蓄电池使用过程中，由于使用人员或维护人员无法准确确认蓄电池使用状态，通常以车辆隔夜后启动是否顺畅的状况作为判定蓄电池寿命是否终结的标准，而不是以蓄电池无法蓄电或无法正常供应非功率型用电单元用电作为蓄电池报废标准，造成蓄电池被“过早判废”。

为此，有人提出在蓄电池两端并联超级电容的方式来共同为启动电机供电，虽然这种方案在一定程度上延长了蓄电池的使用寿命，但是蓄电池还是要承担功率型用电单元的启动任务，并没有从根本上解决蓄电池为功率型用电单元供电导致对蓄电池电流冲击大，造成蓄电池寿命降低的问题；而且由于蓄电池与功率型用电单元电压“箝位”问题，这种改进对内燃机启动问题的改善也很有限。

发明内容

本发明的目的是一种组合式超级电池及其供电方法，以解决目前采用能量单元为功率型用电单元供电导致能量单元“超量配置”，并且对能量单元电流冲击大，造成能量单元寿命降低等问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种组合式超级电池，该组合式超级电池包括瞬态动力功率补偿器以及与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元，所述瞬态动力功率补偿器包括由功率单元和隔离充电单元串接而成主补偿电路，该主补偿电路的两端并接能量单元，所述功率单元用于为功率型用电单元供电，所述隔离充电单元用于在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前为功率单元充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件，所述的能量单元为储能器件。

所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。

所述的AC-DC-AC-DC开关电路包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，所述输入整流滤波电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元。

所述的AC-DC开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，该开关电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。

所述的DC-AC-DC开关电路包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，高频变压器的一侧用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。

所述的DC-DC开关电路包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，电压变换电路输入端用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。

所述的功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列；所述的能量单元为铅酸电池、镍氢电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元电池或钛酸锂电池。

本发明还提供了一种组合式超级电池的供电方法，该方法将用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元由功率单元供电，非功率型用电单元由能量单元供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元进行电气隔离，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下由能量单元或者外接电源充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。

所述隔离充电单元具备防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电。

所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。

本发明的有益效果是:本发明组合式超级电池包括并联的瞬态动力功率补偿器和能量单元，瞬态动力功率补偿器包括串接的功率单元和隔离充电单元，其中功率单元用于连接功率型用电单元，隔离充电单元用于在能量单元不给功率单元充电时，断开功率单元与能量单元的电流通路，并用于在功率型用电单元工作前或功率单元电量不足时，为功率单元充电，能量单元为储能器件，功率单元为能够高倍率放电的储能器件。本发明通过仅采用功率单元为功率型用电单元供电，解决了目前采用能量单元为功率型用电单元供电导致能量单元“超量配置”，并且对能量单元电流冲击大，造成能量单元寿命降低的问题，防止因能量单元过度放电导致功率型用电单元不能启动的情况，同时利用功率单元承担瞬态大功率作业任务，能够提高功率型用电单元的工作性能。

本发明将用电设备分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元仅由组合式超级电池中的功率单元供电，非功率型用电单元由组合式超级电池中的能量单元供电，以实现能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡。由于能量单元不再承担功率型用电单元的功率特性任务，能量单元容量可显著减小，且倍率性能要求不高，所选用的能量单元可以减小体积和重量，在选型配置上实现瘦身，从而节约资源，并减少环境污染及后期处置成本。

本发明的组合式超级电池的隔离充电单元还具备防反充功能，任何时候功率单元都不能向能量单元放电。

附图说明

图1是目前内燃机车辆电气系统的结构示意图；

图2-a是组合式超级电池的结构示意图；

图2-b是组合式超级电池的结构示意图；

图3-a是本发明实施例中采用AC-DC-AC-DC开关电路的结构示意图；

图3-b是本发明实施例中采用AC-DC开关电路的结构示意图；

图4-a是本发明实施例中采用DC-AC-DC开关电路的结构示意图；

图4-b是本发明实施例中采用DC-DC开关电路的结构示意图；

图5是应用本发明组合式超级电池的内燃机车辆电气系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明将用电设备分为功率型用电单元和非功率型用电单元，在同一电气系统中，功率型用电单元与非功率型用电单元是相对的概念，功率型用电单元具备持续用电时间短(小于10秒)、大功率(额定电流一般在几十安培以上)的用电特征，如内燃机启动电机等；非功率型用电单元具备持续用电时间可长可短、小功率(额定电流一般在几十安培以下)的用电特征，如车载各种灯类、点烟器、空调、喇叭、雨刮、车窗升降、电子仪表盘等。功率型用电单元仅由瞬态动力功率补偿器中的功率单元供电，非功率型用电单元由与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元供电，以实现能量供给侧和能量需求侧的匹配和平衡，使电气系统得到优化，延长供电单元寿命，提高系统性能，减少资源浪费和系统维护工作量，并通过轻量化和更高效率的功率单元的采用，实现节能减排。

本发明的组合式超级电池的实施例

本发明组合式超级电池包括由功率单元8和隔离充电单元7串接而成主补偿电路，主补偿电路的两端并接有能量单元9，如图2-a所示，功率单元8功率单元8用于为功率型用电单元供电，能量单元9用于为非功率型用电单元供电，隔离充电单元9用于在功率单元电量达不到设定值时或功率型用电单元工作前为功率单元充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，主补偿电路中功率单元的负极用于与能量单元的负极共地连接。

功率单元为高倍率放电的储能器件，这里的高倍率放电的储能器件是相对于能量单元而言的，能量单元为高能量密度、低功率密度的能量型储能器件，如铅酸电池、镍氢电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元电池或钛酸锂电池等，能够持续放电；而功率单元是针对功率型用电单元，能够提供瞬态大电流。因此功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列，如图2-a所示。也可以是具备高倍率放电特性的蓄电池，比如锂离子电池(磷酸铁锂系、三元系、锰酸锂系、钛酸锂系等)、卷绕式高倍率铅酸电池，如图2-b所示。

隔离充电单元具备隔离和充电的作用，能够将功率单元8和能量单元9在电气上隔离开来，也能对功率单元8进行充电，该隔离充电单元可以通过能量单元或发电机对功率单元充电，也可以通过外接交流或直流电源对功率单元充电，根据充电输入类型的不同，隔离充电单元的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。

当采用交流输入时，例如市电网，隔离充电单元采用AC-DC-AC-DC开关电路，具体结构如图3-a所示，包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，该开关电路有相应控制电路，交流输入经该开关电路接入功率单元。处理过程如下：交流输入通过整流滤波电路进行整流滤波处理后变换为直流，然后进入到高频变压器进行逆变和高频变换处理，输出频率变换后的交流电，最后进入到输出整流滤波电路，由输出整流滤波电路对变换后的交流电进行整流、滤波处理，得到与功率单元相适配的直流电，为功率单元充电。该开关电路的充电过程由控制电路根据电压环路和电流环路采集到开关电路的信号通过驱动电路进行控制。同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。

当隔离充电单元采用AC-DC开关电路时，其具体电路如图3-b所示，该开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，交流电源经该开关电路接入功率单元。该开关电路的处理过程如下：交流电源通过变压器变压后，进入到整流滤波电路对变压后的交流电进行整流和滤波，通过稳压及限流电路输入到功率单元，实现对功率单元的充电。该开关电路的控制可通过在充电回路上设置开关来实现，同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。

当隔离充电单元采用DC-AC-DC开关电路时，其具体电路结构如图4-a所示，包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，以及相应的控制电路，直流输入经该开关电路接入功率单元。该开关电路的处理过程如下：高频变压器将直流输入进行逆变和频率变换，并将得到变频后的交流电输入到输出整流滤波电路，经输出整流滤波电路对变频后的交流电进行整流和滤波，得到与功率单元相适配的直流电，为功率单元充电。整个开关电路由控制电路控制，控制电路根据电压环路和电流环路采集到开关电路的信号通过驱动电路进行控制。同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。

当隔离充电单元采用DC-DC开关电路时，其具体电路结构如图4-b所示，包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，直流输入经该开关电路接入功率单元进行充电。该开关电路的处理过程如下：直流输入通过电压变换电路变压后，进入稳压及限流电路，经稳压及限流电路得到与功率单元相适配的直流电，输入到功率单元，从而实现对功率单元的充电。该开关电路的控制可通过在开关电路上设置开关来实现，同时为了实现对开关电路的保护，该隔离充电单元还设置有保护电路。

隔离充电单元可根据充电输入类型的不同选择不同的充电结构，当充电输入类型既有交流输入又有直流输入时，可将直流输入对应的开关电路和交流输入对应的开关电路进行组合。

此外，根据需要，本发明的组合式超级电池还包括外围电路，该外围电路包括与功率单元连接的检测电路、保护及均衡电路和管理及显示模块，通过检测电路实时检测功率单元的电量，通过保护及均衡电路实现功率单元的均衡保护、充电保护、放电保护、过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护和短路保护功能等，通过管理及显示模块实现对功率单元的管理和参数显示。检测电路、保护及均衡电路和管理及显示模块可根据需要实现的功能进行设计，各功能电路的实现对本领域的技术人员而言属于常规技术手段，这里不再给出具体的电路说明。

本发明的组合式超级电池根据所应用到的电气系统不同，可采用一体式设计，也可采用分体式设计。采用一体式设计时，隔离充电单元、功率单元和能量单元集成到一起，采用分体式设计时，将能量单元与隔离充电单元和功率单元分开设置。

本发明组合式超级电池的供电方法的实施例

本发明的组合式超级电池的供电方法将用电设备分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元仅由组合式超级电池中的功率单元供电，非功率型用电单元由组合式超级电池中的能量单元供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元进行电气隔离，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下由能量单元或者外接电源充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，隔离充电单元还具备防反充功能，禁止功率单元都不能向能量单元放电。该方法的具体实现手段及工作过程已在瞬态动力功率补偿器的实施例中进行了详述，这里不再赘述。

本发明的组合式超级电池可应用到内燃机搭载装置(比如车辆、舰船、飞机、机车、内燃机发电机等)的供电系统中，使用时，将组合式超级电池功率单元连接到内燃机的启动电机上，能量单元并联到车辆发电机和耗电装置两端。

下面将本发明的组合式超级电池应用到内燃机车辆电气系统中，如图4所示，该内燃机车辆供电系统包括启动电机1、启动开关2、组合式超级电池3、车载耗电装置4、车载发电机5和电压调节器6，组合式超级电池3通过启动开关2与启动电机1连接，用于为启动电机1提供电能，蓄电池9与车载耗电装置4和车载发电机5并联，电压调节器6用于对发电机的输出电压进行调节，实现发电机电压的稳定输出。隔离充电单元7用于保证启动时功率单元8与蓄电池9断开，功率单元8只能够向启动电机1供电，而不能向车载耗电装置4以及蓄电池9供电；隔离充电单元7保证功率单元8电量不足时或启动电机1启动前将功率单元8和蓄电池9导通；隔离充电单元7保证车辆熄火后功率单元8和蓄电池9断开；从而使功率单元8、蓄电池9根据其特性各司其职，分别满足不同的负载特性需求，充分发挥其优势。

该电气系统的工作过程如下：当内燃机启动前，蓄电池9或外接电源首先给功率单元8充电；当内燃机启动时，功率单元8与蓄电池9之间的电流通路已经通过隔离充电单元7断开，闭合启动开关2，仅由功率单元8为启动电机1供电，由启动电机1启动车辆内燃机；当内燃机启动完成后，断开启动开关2，隔离充电单元7判断功率单元8电量是否充足，若不足，则车载发电机5通过隔离充电单元7为功率单元8充电，若电量充足，则不充电；启动完成后，车载发电机5开始向车载用电装置4供电，并且给蓄电池9充电以及在功率单元8电量不足时给其充电，在车载发电机5无法满足车载用电装置4时，由蓄电池9与车载发电机5一起为车载用电装置4供电；当车载发电机5停止工作时，控制隔离充电单元7断开功率单元8与蓄电池9之间的电气连接，若车载用电装置4继续工作，则此时所需电能完全由蓄电池8提供；隔离充电单元具备防反充功能，任何时候功率单元8都不能向蓄电池9放电从而保证功率单元8能够进行后续的启动。

从上述的应用实例中可以看出，本发明的组合式超级电池利用其功率单元为功率型用电单元提供启动电能，使能量单元不再承担瞬态大功率作业任务，能量单元只负责小功率负载的持续供能，避免了能量单元受大电流冲击，提高了能量单元的使用寿命，同时，在选型配置上可以“瘦身”，实现小型化、轻量化。此外，功率单元仅用于为启动电机供电，隔离充电单元具备防反充功能，任何时候功率单元都不能向能量单元放电，对功率单元有一定的保护作用。同时依靠本发明组合式超级电池的瞬态动力功率补偿器进行启动，发动机启动性更好，尤其是低温启动性更好，能量单元不会出现瞬时较大电压降的情况，保证供电系统能够稳定输出，减少用电负载因电能质量不稳造成的损坏。

Claims (10)

1.一种组合式超级电池，其特征在于，该组合式超级电池包括瞬态动力功率补偿器以及与瞬态动力功率补偿器并联的能量单元，所述瞬态动力功率补偿器包括由功率单元和隔离充电单元串接而成主补偿电路，该主补偿电路的两端并接能量单元，所述功率单元用于为功率型用电单元供电，所述隔离充电单元用于在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前为功率单元充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件，所述的能量单元为储能器件。

2.根据权利要求1所述的组合式超级电池，其特征在于，所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。

3.根据权利要求2所述的组合式超级电池，其特征在于，所述的AC-DC-AC-DC开关电路包括依次连接的输入整流滤波电路、高频变压器和输出整流滤波电路，所述输入整流滤波电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元。

4.根据权利要求2所述的组合式超级电池，其特征在于，所述的AC-DC开关电路包括依次连接的变压器、整流滤波电路和稳压及限流电路，该开关电路的输入端用于连接交流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。

5.根据权利要求2所述的组合式超级电池，其特征在于，所述的DC-AC-DC开关电路包括依次连接的高频变压器和输出整流滤波电路，高频变压器的一侧用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。

6.根据权利要求2所述的组合式超级电池，其特征在于，所述的DC-DC开关电路包括依次连接的电压变换电路和稳压及限流电路，电压变换电路输入端用于连接直流输入，经该开关电路处理后转换为与功率单元相适配的直流电输入到功率单元，为功率单元充电。

7.根据权利要求1所述的组合式超级电池，其特征在于，所述的功率单元为超级电容器单体、通过超级电容器单体串并联组成的模块或者电容器阵列；所述的能量单元为铅酸电池、镍氢电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元电池或钛酸锂电池。

8.一种组合式超级电池的供电方法，其特征在于，该方法将用电设备根据功率特性进行区分，分为功率型用电单元和非功率型用电单元，功率型用电单元由功率单元供电，非功率型用电单元由能量单元供电，功率单元和能量单元之间通过隔离充电单元进行电气隔离，在功率单元电量低于设定值时或功率型用电单元工作前，功率单元在隔离充电单元的控制下由能量单元或者外接电源充电，在其它时候断开功率单元与能量单元的电流通路，所述的功率单元为高倍率放电的储能器件。

9.根据权利要求8所述的组合式超级电池的供电方法，其特征在于，所述隔离充电单元具备防反充功能，禁止功率单元向能量单元放电。

10.根据权利要求8或9所述的组合式超级电池的供电方法，其特征在于，所述的隔离充电单元包括充电电路，所述的充电电路为AC-DC-AC-DC开关电路、AC-DC开关电路、DC-AC-DC开关电路或DC-DC开关电路。