CN109346786A - 三极柱复合电池系统 - Google Patents

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陈辉
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Abstract

本发明为一种三极柱复合电池系统，所述电池的负极、电容的负极以及控制电路的控制电路负极连接在一起，形成一个公用负极柱。控制电路的一个接头与电池正极柱相连，另外一个接头与电容正极柱相连。电池的正极柱以及公用负极柱分别与车载电器和发电机连接，发电机用来给电池充电以及给车载电器供电，电池用来给电容充电以及给车载电器供电。电容的正极柱以及公用负极柱与启动电机连接，在启动工况下，电容给启动电机供电带动启动电机转动从而让车子启动；在行驶时，电容和电池一起给车载电器供电，发电机一起给电容和电池充电；在停车时，电池给电容和车载电器供电。能够延长电池寿命，提高车子供电系统稳定性，提供更好启动体验。

Description

三极柱复合电池系统
技术领域
本发明总体涉及电池的设计、控制和使用的技术领域。
本发明特别涉及一种能够长时间使用，能够适应各种工况的电池系统。更确切地说，三极柱复合电池系统通过将电池、控制电路以及电容的相互组合和设计，使得复合电池能够适用各种工况。
背景技术
传统铅酸蓄电池在用作车子电源方面会遇到一些挑战，比如车子一整夜的电子设备包括GPS、电子防盗系统、行车记录仪等的使用过程会消耗电池电量导致电池电压偏低，早上起来车子无法启动。这个时候只能采用应急启动的方式，使用备用电源来完成启动。备用电源需要额外购买并且长期携带，存放一定的时间还需要再充满电，这样显得非常费事、麻烦。另外在冬天，传统铅酸蓄电池也很难启动车子，这个时候只能给电池重新充满电才有可能启动车子。
除了启动过程，在夏天和冬天车子行驶过程中还需要开空调，空调功率很大，行驶中有发电机提供大部分电能，但是在车子熄火仍需空调工作的时候，就得启动电池来提供持续的电流。启动电池具备短时提供大电流的能力，不具备持续提供较大电流的能力，而动力电池具备持续提供电流输出但不具备提供短时大电流的能力，此时如果再增加动力电池给空调供电将会大大增加整车质量和占用空间，费用也会增加。
发明内容
根据上述问题，可以明显的看出，需要一种更好的电池系统能够适应上述条件，并且提供可靠、稳定性的使用，特提出三极柱复合电池系统。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：三极柱复合电池系统，将电池27、电容13以及控制电路15组成复合电池系统，其中在不同的工况下电容13和电池27之间通过控制电路来完成不同的工作， 包括电池27、电容13部分和控制电路15部分，其特征在于：电池27的负极和控制电路负极接头16以及电容负极柱14连接在一起构成公用负极柱3；电池27的正极柱2与控制电路接头一17连接，电容正极柱4与控制电路接头二18连接；
所述控制电路15至少包含两个电压传感器一、二22，23分别用来检测电池27和电容13端的电压U1和U4，两个电压传感器上分别给定电压区间U2和U3；电压传感器一22根据电池27电压U1与给定电压U2的差值ΔU1的大小来控制开关；电压传感器二23根据电容13电压U4与给定电压U3的差值ΔU2的大小来控制另外一个开关；
所述控制电路15至少包含三个开关，其中两个双控开关一、二19，20和一个单控开关21，其中双控开关一19受电压传感器一22控制；双控开关二20受电压传感器二23控制；
所述控制电路15包含一个延时控制器26对单控开关21进行控制，其中延时控制器26具有激活后延时控制功能；
所述控制电路15包含一个DC-DC转换器24，以及至少一个二极管25，其中DC-DC转换器24为直流升压转换器，而二极管25只允许电流从DC-DC转换器24单向流向电容13。
进一步的改进在于：当电压传感器一22的ΔU1大于0 V时，双控开关一19接通S1触点，反之则接通S2触点；当电压传感器二23的ΔU2大于等于0 V时，双控开关二20接通S22触点，反之则接通S21触点。
进一步的改进在于：当双控开关一19接通S2触点，并且双控开关二20接通S21触点时，延时控制器26被激活，激活后在给定的时间T内，单控开关21仍然处于断开状态；在给定的时间T之后，单控开关21接通S23触点即处于闭合状态。
进一步的改进在于：在熄火停车工况下以及限定时间T内，电压传感器一22控制双控开关一19接通S2触点，电压传感器二23控制双控开关二20接通S21触点，延时控制器26被激活，此时单控开关21处于断开状态。
进一步的改进在于：在熄火停车工况下以及限定时间T后，延时控制器26控制单控开关21接触S23触点，DC-DC转换器24将电池27电压升高后流过二极管25给电容13充电。
进一步的改进在于：在熄火停车工况下并且电容13充满电后，电压传感器二23控制双控开关二20接触S22触点，同时延时控制器26失活，导致单控开关21自然处于断开状态。
进一步的改进在于：在启动工况下，电容13通过启动电机正极线11和公用负极线10给启动电机12提供电能从而让车子启动。
进一步的改进在于：在车子启动工况下，电容13在持续给启动电机12提供电能的过程中，其电压U4会下降，当下降到ΔU2小于0 V时，电压传感器二23控制双控开关二20接触S21触点，此时延时控制器26被激活，但在给定的时间T内，单控开关21处于断开状态，整个启动时间不超过时间T，保证启动过程中只有电容13给启动电机12提供电能。
进一步的改进在于：在车子启动后工况下，内燃机带动发电机6转动给电池提供电能，电池端电压U1逐渐升高，当升高到ΔU1大于0 V时，电压传感器一22控制双控开关一19接触S1触点，此时延时控制器26失活，导致单控开关21自然处于断开状态，发电机6同时给电池27和电容13充电，电容13端电压U4逐渐升高，当升高到ΔU2大于等于0 V时，电压传感器二23控制双控开关二20接触S22触点。
进一步的改进在于：在车子行驶工况下，电容13和电池27一起通过正极连接线5和公用负极线10给车载电器7提供电能。
有益效果：
1)由于控制电路内部是升压电路，因此电容在充电后的端电压较高，这样在启动的时候能够释放更多的电量，所以即使低温环境下，电容也能够带动启动电机正常启动。
2)控制电路内的DC-DC转换器能够将较低电压输入转换成较高电压输出，所以即使蓄电池部分欠压，也能够将电容充电至较高电压，从而满足正常启动。
3) 控制电路内的延时控制器保证电容在启动过中电容端电压下降后蓄电池也不会给电容充电，促使电容单独完成整个启动过程，这样做的好处是启动一瞬间电流巨大，如果电池给电容充电，充电电流也是较大电流，可能会击穿控制电路，选择让电容独立完成启动过程既可以保证蓄电池不大电流放电，也可以保证控制电路的稳定性。
4) 由于启动部分是由电容独立完成的，而电池给电容充电是持续小电流，所以电池部分的选择就比较多，如果有车载空调使用的情况，则可以选择容量较大的动力电池；如果想减重则选择容量较小的铅酸蓄电池、锂电池等。总之电容部分用于启动后，电池部分可以根据使用情况选择，并且不需要再携带备用电源。
5) 为了最大化利用电容效率，启动完成后电容会和电池一起为车载电器提供电能，这又进一步的降低电池负担，提高三极柱复合电池系统使用寿命。
附图说明
图1：是三极柱复合电池系统安装使用布线图。
图2：是三极柱复合电池系统电池与电容连接部分透视图。
图3：是控制电路模式图。
图4：是熄火工况下以及限定时间T内，控制电路模式以及内部电流走向图。
图5：是熄火工况下以及限定时间T后，控制电路模式以及内部电流走向图。
图6：是熄火工况下以及限定时间T后，电池、控制电路以及电容之间电流走向图。
图7：是熄火工况下以及限定时间T后并且电容充满电后，控制电路模式以及内部电流走向图。
图8：是熄火工况下以及限定时间T后并且电容充满电后，电池、控制电路以及电容之间电流走向图。
图9：是启动时电池、控制电路以及电容之间电流走向图。
图10：是车子启动后工况下，控制电路模式以及内部电流走向图。
图11：是车子启动后工况下，电池、控制电路以及电容之间电流走向图。
图12：是车子行驶工况下，控制电路模式以及内部电流走向图。
图13：是车子行驶工况下，电池、控制电路以及电容之间电流走向图。
图中标记说明：1-三极柱复合电池系统；2-电池正极柱；3-公用负极柱；4-电容正极柱；5-正极连接线；6-发电机；7-车载电器；8-发电机和车载电器公用负极线；9-启动电机负极线；10-公用负极线；11-启动电机正极线；12-启动电机；13-电容；14-电容负极柱；15-控制电路；16-控制电路负极接头；17-控制电路接头一；18-控制电路接头二；19-双控开关一；20-双控开关二；21-单控开关；22-电压传感器一；23-电压传感器二；24-DC-DC转换器；25-二极管；26-延时控制器，27-电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1：三极柱复合电池系统的安装
从图1中可以看出，三极柱复合电池系统1要求启动电机的连接线9、11要和车载电器7以及发电机6分开，除此之外其接线安装和传统电池没有差别。另外对于大型发电机、船舶等的仅仅用于内燃机启动的地方，由于没有用电器设备，所以其发电机接线5、8和启动电机接线9、11要分开。总体而言，三极柱复合电池系统1由电池27、电容13和控制电路 15三部分组成，其中控制电路15具有通用性，而电池27和电容13部分的容量配比、类型配比等可以将三极柱复合电池系统1用于更加广泛的场所和环境中。
实施例2：三极柱复合电池系统的电路控制
从图2中可以看出，控制电路15位于电池27和电容13的中间，其中三者负极相连接电容负极柱14、控制电路负极接头16和公用负极柱3，控制电路15还有另外两个接头控制电路接头一17、控制电路接头二18分别和电池正极柱2以及电容正极柱4 连接。
从图3中进一步可以看出，电池正极柱2和电容正极柱4之间有直接连接和间接连接两种方式，其中直接连接通过电压传感器一22控制双控开关一19接通S1触点即可，其中电压传感器 一、二22、23灵敏度在0.01V，S1触点允许通过最大电流50A，S2触点允许通过最大电流20A。在间接连接中，电池27给电容13升压充电，相应的S21和S23触点允许通过最大电流20A，DC-DC转换器24升压后给电容充电最大电流也为20A。延时控制器26控制单控开关21的闭合，而延时控制器26的延时控制时间为可调设计，一般在30s以内。上述电压传感器一、二 22、23和延时控制器26自身作为用电设备，应具有较低功率，同时三者也要能够在宽电压条件下正常使用。
实施例3：电池和电容之间的间接连接
从图4中可以看出，车子熄火后，发电机6停止给三极柱复合电池系统1以及车载电器7供电。一般情况下发电机6提供的电压均高于三极柱复合电池系统1的额定电压，以保证电池27处于浮充状态。发电机6停止供电后，浮充状态结束，在短时间内，电池27系统会自然释放电能，导致电压逐渐下降到额定电压附近，此时电压传感器一22判定ΔU1≤0 V，则控制双控开关一19接触S2触点；另外一方面，电容13端电压U4和电池27端电压U1在熄火后的电压逐渐下降过程中始终是一致的，直到S1触点断开的一瞬间，此时电压传感器二 23也会判定到ΔU2＜0 V，则控制双控开关二20接触S21触点。双判定之后，则延时控制器 26被激活，在延时控制的时间30s内，单控开关21仍然处于断开状态。
在延时30s之后，延时控制器26控制单控开关21接触S23触点，即处于闭合状态，此时DC-DC转换器24被激活，如图5所示。此时电池27通过DC-DC转换器24升压给电容13充电。电池27提供最大电流不超过20A，而电池27部分最低电压可到10V，即能满足电压传感器22、23和延时控制器26的最低工作电压即可。传统启动电池，其中24V最低启动电压为23.7V，而12V最低启动电压11.5V，由此可知，即使电池部分已经亏电欠压，无法单独启动内燃机，当和电容13、控制电路15组合三极柱复合电池系统之后，依然能够保证车子可靠、稳定启动。从整体上看如图6所示，则是电流从电池正极柱2通过控制电路 15流向电容正极柱4。
由于车子处于熄火状态，所以电池27部分电压只会逐渐下降的更多，电压传感器一 22在车子熄火时始终会判定ΔU1≤0 V，在电池27持续给电容13升压充电的过程中，电容端电压U4是逐渐升高的，如图7所示。当U4升高到比电压传感器二23的给定电压U3还高的时候，此时电压传感器二23判定ΔU2≥0 V，则控制双控开关二20接触S22触点，充电过程结束。从整体上看如图8所示，则是电池27和电容13分别给各自并联的电压传感器 22、23提供小电流。
在点火之前，电容13部分已经通过升压充满了电，做好了启动的准备工作。在启动的过程中，电容13持续放电，通过启动电机正极线11将电能提供给启动电机12。电容 13的端电压U4在这个过程中是持续下降的，此时电压传感器二23判定ΔU2＜0 V，则控制双控开关二20接触S21触点，双判定之后，则延时控制器26被激活，在延时控制的时间30s内，单控开关21仍然处于断开状态。而30s内启动过程已经完成，所以在整个启动过程中，只有电容13参与。从整体上来看如图9所示，只有电容13在放电，控制电路15 与两者之间没有电流流过。
实施例4：电池和电容之间的直接连接
从图10可以看出来，车子启动后发电机6开始工作给电池27和车载电器7提供电能，电池 27电压逐渐升高，此时电压传感器一22判定ΔU1＞0 V，则控制双控开关一19接触S1触点，此时电池27和发电机6直接给电容13充电，电容13端电压U4和电池27端电压U1逐渐一致。从整体上看如图11所示，发电机6电流通过正极连接线5流入电池27，再进一步通过控制电路15继续流向电容正极柱4。
当电容13端电压U4和电池27端电压U1一致的时候，则表明电容13已经充满电，在行驶中如有车载电器7使用，则电容13和电池27一起给车载电器7提供电能，并且两者端电压U1和U4始终保持一致，如图12所示。
从整体上看如图13所示，电容13电流通过电容正极柱4流向电池正极柱2并进一步通过正极连接线5流入车载电器7。
本发明通过控制电路将电池和电容组合到一起，整体上延长了三极柱复合电池系统使用寿命以及扩展了电池使用场所。
以上具体实施例仅为本发明的部分实施方式，其对本发明而言是说明性的，而非限制性的。本领域的技术人员在不超出本发明精神和范围的情况下，对之进行变换、修改甚至等效等，这些变动均会落入本发明的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.三极柱复合电池系统，包括电池（27）、电容（13）部分和控制电路（15）部分，其特征在于：电池（27）的负极和控制电路负极接头（16）以及电容负极柱（14）连接在一起构成公用负极柱（3）；电池（27）的正极柱（2）与控制电路接头一（17）连接，电容正极柱（4）与控制电路接头二（18）连接；
所述控制电路（15）至少包含两个电压传感器一、二（22，23）分别用来检测电池（27）和电容（13）端的电压U1和U4，两个电压传感器上分别给定电压区间U2和U3；电压传感器一（22）根据电池（27）电压U1与给定电压U2的差值ΔU1的大小来控制开关；电压传感器二（23）根据电容（13）电压U4与给定电压U3的差值ΔU2的大小来控制另外一个开关；
所述控制电路（15）至少包含三个开关，其中两个双控开关一、二（19，20）和一个单控开关（21），其中双控开关一（19）受电压传感器一（22）控制；双控开关二（20）受电压传感器二（23）控制；
所述控制电路（15）包含一个延时控制器（26）对单控开关（21）进行控制，其中延时控制器（26）具有激活后延时控制功能；
所述控制电路（15）包含一个DC-DC转换器（24），以及至少一个二极管（25），其中DC-DC转换器（24）为直流升压转换器，而二极管（25）只允许电流从DC-DC转换器（24）单向流向电容（13）。
2.根据权利1所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：当电压传感器一（22）的ΔU1大于0 V时，双控开关一（19）接通S1触点，反之则接通S2触点；当电压传感器二（23）的ΔU2大于等于0 V时，双控开关二（20）接通S22触点，反之则接通S21触点。
3.根据权利1或2所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：当双控开关一（19）接通S2触点，并且双控开关二（20）接通S21触点时，延时控制器（26）被激活，激活后在给定的时间T内，单控开关（21）仍然处于断开状态；在给定的时间T之后，单控开关（21）接通S23触点即处于闭合状态。
4.根据权利2所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：在熄火停车工况下以及限定时间T内，电压传感器一（22）控制双控开关一（19）接通S2触点，电压传感器二（23）控制双控开关二（20）接通S21触点，延时控制器（26）被激活，此时单控开关（21）处于断开状态。
5.根据权利1所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：在熄火停车工况下以及限定时间T后，延时控制器（26）控制单控开关（21）接触S23触点，DC-DC转换器（24）将电池（27）电压升高后流过二极管（25）给电容（13）充电。
6.根据权利1、4或5所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：在熄火停车工况下并且电容（13）充满电后，电压传感器二（23）控制双控开关二（20）接触S22触点，同时延时控制器（26）失活，导致单控开关（21）自然处于断开状态。
7.根据权利1所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：在启动工况下，电容（13）通过启动电机正极线（11）和公用负极线（10）给启动电机（12）提供电能从而让车子启动。
8.根据权利1或7所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：在车子启动工况下，电容（13）在持续给启动电机（12）提供电能的过程中，其电压U4会下降，当下降到ΔU2小于0 V时，电压传感器二（23）控制双控开关二（20）接触S21触点，此时延时控制器（26）被激活，但在给定的时间T内，单控开关（21）处于断开状态，整个启动时间不超过时间T，保证启动过程中只有电容（13）给启动电机（12）提供电能。
9.根据权利8所述的三极柱复合电池系统，其特征在于：在车子启动后工况下，内燃机带动发电机（6）转动给电池提供电能，电池端电压U1逐渐升高，当升高到ΔU1大于0 V时，电压传感器一（22）控制双控开关一（19）接触S1触点，此时延时控制器（26）失活，导致单控开关（21）自然处于断开状态，发电机（6）同时给电池（27）和电容（13）充电，电容（13）端电压U4逐渐升高，当升高到ΔU2大于等于0 V时，电压传感器二（23）控制双控开关二（20）接触S22触点。
10.根据权利1或9所述的三极柱复合电池系统，其特征在于，在车子行驶工况下，电容（13）和电池（27）一起通过正极连接线（5）和公用负极线（10）给车载电器（7）提供电能。
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