CN110768369B - 一种超大功率热电池稳压电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超大功率热电池稳压电源系统，由大功率热电池、高比能量电池、主超级电容器组合、备超级电容器组合、电源转换模块、电源管理模块、输出端、开关、反馈信号线和控制信号线组成，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合前端分别与高比能量电池并联，后端与电源转换模块连接，电源转换模块和大功率热电池并联后通过输出端输出；主超级电容器组合、备超级电容器组合与高比能量电池和电源转换模块之间均设有开关。将大功率热电池、高比能量电池、超大比功率超级电容器电源的优势利用，将高比能量锂离子电池转换为超大比功率电能，从而满足设备大功率输出和短时间持续超高比功率放电的用电需求，且具有设备简单，成本低。

Description

一种超大功率热电池稳压电源系统
技术领域
本发明属于电压输出系统技术领域，尤其涉及一种超大功率热电池稳压电源系统。
背景技术
热电池是一种热激活贮备电池，在常温下贮存时电解质为不导电的固体，使用时用电发火头或撞针机构引燃其内部的加热药剂，使电解质熔融成为离子导体而被激活的一种储备电池，贮存时间理论上是无限的，实际可测值达17年以上。由于它输出功率大，内阻小、使用温度范围宽、贮存时间长、激活迅速可靠、不需要维护，故而其已发展成为现代化武器的理想电源。
随着国防工业的快速发展，对储能设备提出了越来越高的用电要求，除了长时间大功率输出外，还要求热电池能够间隙性提供短时间的超大比功率(20KW/kg以上)放电。而目前应用的热电池，锌银电池等大功率输出电池只能达到10KW/kg的高比功率放电能力。当进一步超大比功率放电时，由于电池内部极化内阻增大，工作电压急剧下降，无法满足用电设备的使用要求。而相对大功率热电池而言，超级电容器具有超大比功率的放电特性，目前国外已实现200KW/kg以上的高比功率放电，国内超级电容器技术相对缓慢，但也具有30KW/kg的高比功率放电能力，已可以满足当前设备迫切的超高比功率使用要求。但超级电容器放电后需要充电才能继续放电，且无法承受热电池高电压反灌，因此限制了超级电容器在频繁高比功率放电设备的使用。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种超大功率热电池稳压电源系统。
为了能够达到上述所述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超大功率热电池稳压电源系统，所述超大功率稳压电源系统由大功率热电池、高比能量电池、主超级电容器组合、备超级电容器组合、电源转换模块、电源管理模块、输出端、开关、反馈信号线和控制信号线组成，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合前端分别与高比能量电池并联，后端与电源转换模块连接，电源转换模块和大功率热电池并联后通过输出端输出；
主超级电容器组合、备超级电容器组合与高比能量电池和电源转换模块之间均设有开关；
所述电源管理模块一端通过控制信号线与开关连接，另一端通过反馈信号线和输出端连接。
进一步地，所述超大功率稳压电源系统有一对或一对以上主超级电容器组合、备超级电容器组合。
进一步地，所述主超级电容器组合或备超级电容器组合均含有两个或两个以上并联连接的超高比功率超级电容器。
进一步地，所述高比能量电池为高比能量锂离子电池、氟化碳电池、锂硫酰氯电池中的一种或一种以上。
进一步地，所述电源转换模块前端设置有通断开关。
进一步地，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合的前端设置有通断开关。
进一步地，所述电源管理模块为DC-DC二次电源转换模块，电源转换模块设有汇流排，各个超高比功率超级电容器分别与DC-DC二次电源转换模块汇流排串联。
进一步地，所述开关为电磁继电器开关或固体继电器开关。
进一步地，所述电源管理模块内部设置有行程开关，行程开关通过控制信号线分别与开关连接；行程开关切换时间为1s～30min。
进一步地，所述反馈信号线和控制信号线设置有光耦隔离继电器。
本申请工作原理：
在本申请稳压电源系统中，根据用电设备大功率和间歇性超大比功率的用电要求，确定大功率热电池为主供电输出，超级电容器为短时间超大比功率稳压辅助输出。为实现超级电容器多次间歇性供电，设置超级电容器组合为放电和充电两种工作状态，该状态通过行程开关和切换开关共同控制。充电状态时，高比能量电池为其充电，超级电容器组合停止输出；超级电容器组合向电源转换模块输出，高比能量电池停止位超级电容器充电。行程开关通过控制切换开关切换充放电工作状态，使超级电容器组合充放电交替进行。超级电容器放电数量受末端反馈信号线控制，信号线传递中设置有光耦隔离，末端电压高电平转低电平为切换指令，具有好的防干扰效果。由于超级电容器不具有高压负载和反灌能力，超级电容器通过电源转换模块进行能量输出，电源转换模块内设置有汇流排，可将多个超级电容器电能集中转换，升压后和大功率热电池一同输出，这使得输出端和输入端隔离开来，避免了大功率热电池的电压反灌。通过该系统设计，可以实现混合电源具有长时间大功率输出和持续超高比功率稳压输出。
由于本发明采用了以上技术方案，具有以下有益效果：
(1)本申请稳压电源系统中，将大功率热电池、高比能量电池、超大比功率超级电容器电源的优势利用，从而满足设备大功率输出和短时间持续超高比功率放电的用电需求。
(2)本申请稳压电源系统将高比能量锂离子电池转换为超大比功率电能，符合轻质化设备用电需求。
(3)本申请稳压电源系统能够同时满足设备苛刻超大功率的用电和工作电压的要求，且具有设备简单，成本低，适合推广使用。
(4)本申请首先是采用了大功率热电池、高比能量电池、超高比功率超级电容器三种优势互补的电源，进行了集成，优势互补；其次是采用的超级电容器为充放电交替工作状态，可以不停歇超大比功率输出；再次是所用超级电容器通过二次电源模块转换后与大功率热电池并联输出，大功率热电池高压不会再反灌超级电容器，使得超级电容器能够发挥其超大功率输出特性，因为超级相对电容器具有自身不具有抗高压和反灌能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本申请超大功率热电池稳压电源系统的结构示意图；
图2为本申请超大功率热电池稳压电源系统的电源转换模块的原理示意图；
图3为本申请实施例2超级电容器组合的结构示意图；
图4为本申请实施例3超级电容器组合的结构示意图；
图5为应用实例1制得的超大功率热电池稳压电源系统的放电曲线；
图6为对比例1制得的大功率热电池的放电曲线。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
如图1、图2所示，一种超大功率热电池稳压电源系统，所述超大功率稳压电源系统由大功率热电池、高比能量电池、主超级电容器组合、备超级电容器组合、电源转换模块、电源管理模块、输出端、开关、反馈信号线和控制信号线组成，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合前端分别与高比能量电池并联，后端与电源转换模块连接，电源转换模块和大功率热电池并联后通过输出端输出；
主超级电容器组合、备超级电容器组合与高比能量电池和电源转换模块之间均设有开关；
所述电源管理模块一端通过控制信号线与开关连接，另一端通过反馈信号线和输出端连接。
进一步地，所述超大功率稳压电源系统有一对主超级电容器组合、备超级电容器组合。
进一步地，所述主超级电容器组合或备超级电容器组合均含有两个并联连接的超高比功率超级电容器。
进一步地，所述高比能量电池为氟化碳电池。
进一步地，所述电源转换模块前端设置有通断开关。
进一步地，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合的前端设置有通断开关。
进一步地，所述电源管理模块为DC-DC二次电源转换模块，电源转换模块设有汇流排，各个超高比功率超级电容器分别与DC-DC二次电源转换模块汇流排串联。
进一步地，所述开关为电磁继电器开关或固体继电器开关。
进一步地，所述电源管理模块内部设置有行程开关，行程开关通过控制信号线分别与开关连接；行程开关切换时间为1s～30min。
进一步地，所述反馈信号线和控制信号线设置有光耦隔离继电器。
实施例2
如图1、图2、图3所示，一种超大功率热电池稳压电源系统，所述超大功率稳压电源系统由大功率热电池、高比能量电池、主超级电容器组合、备超级电容器组合、电源转换模块、电源管理模块、输出端、开关、反馈信号线和控制信号线组成，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合前端分别与高比能量电池并联，后端与电源转换模块连接，电源转换模块和大功率热电池并联后通过输出端输出；
主超级电容器组合、备超级电容器组合与高比能量电池和电源转换模块之间均设有开关；
所述电源管理模块一端通过控制信号线与开关连接，另一端通过反馈信号线和输出端连接。
进一步地，所述超大功率稳压电源系统有两对主超级电容器组合、备超级电容器组合。
进一步地，所述主超级电容器组合或备超级电容器组合均含有三个并联连接的超高比功率超级电容器。
进一步地，所述高比能量电池为高比能量锂离子电池。
进一步地，所述电源转换模块前端设置有通断开关。
进一步地，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合的前端设置有通断开关。
进一步地，所述电源管理模块为DC-DC二次电源转换模块，电源转换模块设有汇流排，各个超高比功率超级电容器分别与DC-DC二次电源转换模块汇流排串联。
进一步地，所述开关为电磁继电器开关或固体继电器开关。
进一步地，所述电源管理模块内部设置有行程开关，行程开关通过控制信号线分别与开关连接；行程开关切换时间为1s～30min。
进一步地，所述反馈信号线和控制信号线设置有光耦隔离继电器。
实施例3
如图1、图2、图4所示，一种超大功率热电池稳压电源系统，所述超大功率稳压电源系统由大功率热电池、高比能量电池、主超级电容器组合、备超级电容器组合、电源转换模块、电源管理模块、输出端、开关、反馈信号线和控制信号线组成，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合前端分别与高比能量电池并联，后端与电源转换模块连接，电源转换模块和大功率热电池并联后通过输出端输出；
主超级电容器组合、备超级电容器组合与高比能量电池和电源转换模块之间均设有开关；
所述电源管理模块一端通过控制信号线与开关连接，另一端通过反馈信号线和输出端连接。
进一步地，所述超大功率稳压电源系统有三对主超级电容器组合、备超级电容器组合。
进一步地，所述主超级电容器组合或备超级电容器组合均含有两个并联连接的超高比功率超级电容器。
进一步地，所述高比能量电池为高比能量锂离子电池、锂硫酰氯电池。
进一步地，所述电源转换模块前端设置有通断开关。
进一步地，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合的前端设置有通断开关。
进一步地，所述电源管理模块为DC-DC二次电源转换模块，电源转换模块设有汇流排，各个超高比功率超级电容器分别与DC-DC二次电源转换模块汇流排串联。
进一步地，所述开关为电磁继电器开关或固体继电器开关。
进一步地，所述电源管理模块内部设置有行程开关，行程开关通过控制信号线分别与开关连接；行程开关切换时间为1s～30min。
进一步地，所述反馈信号线和控制信号线设置有光耦隔离继电器。
为了进一步说明本发明能够达到所述技术效果，做以下实验：
应用实例1
采用实施例1方法制备超大功率热电池稳压电源，以大功率热电池为主供电输出，比功率为10KW/kg，电池工作电压为30V；以氟化碳电池为高比能量电池，容量为450mAh/g，可以1～5C恒流充放电，为能量供应电源；以1对主备石墨烯超级电容器组合为辅助稳压电源系统，每个组合由6个比功率为30KW/kg，工作电压为10V的高比功率超级电容器组成；电源转换模块转换效率为85％，行程开关切换时间为15min。按照图1装配成稳压电源系统，整个电源系统重量为21kg。采用综合放电测试系统进行放电，常值工作电流50A，脉冲电流300A，放电试验结果见图5。从图中可以看出，加载300A大电流脉冲时，电池输出系统工作电压从29.93V下降为27.31V，电压下降2.62V，整个工作周期，脉冲电压下降差距较小；在50min后，系统电压开始快速下降，但在58min后电压维持在27V左右，持续时间5min左右，这主要是系统内超级电容器放电所致。
对比例1
采用于应用实例1同等重量的普通热电池，按照应用实例1同等条件进行放电，放电条件见图6。从试验结果可以看出，前面两次加载300A脉冲时，热电池电压下降较大，从30.18V下降到25.13V，电压下降了5.05V；随着继续放电，脉冲电压下降更加明显，最后一次脉冲电压为17.45V，电池已不具备大脉冲承载能力，也难以满足用电设备的工作电压需求，电压从53min后，电压平台开始急剧下降。
通过应用实例1和对比例1结果对比可知，采用本申请超大功率热电池稳压电源系统，加载大脉冲时，脉冲电压下降较小，且在整个放电生命周期内，电压平台稳定。在系统工作后期，超级电容器等辅助稳压设备可以支撑一定的放电电压平台，延长系统的工作时间。
综上所述，本申请稳压电源系统中，将大功率热电池、高比能量电池、超大比功率超级电容器电源的优势利用，从而满足设备大功率输出和短时间持续超高比功率放电的用电需求；稳压电源系统将高比能量锂离子电池转换为超大比功率电能，符合轻质化设备用电需求；稳压电源系统能够同时满足设备苛刻超大功率的用电和工作电压的要求，且具有设备简单，成本低，适合推广使用。本申请首先是采用了大功率热电池、高比能量电池、超高比功率超级电容器三种优势互补的电源，进行了集成，优势互补；其次是采用的超级电容器为充放电交替工作状态，可以不停歇超大比功率输出；再次是所用超级电容器通过二次电源模块转换后与大功率热电池并联输出，大功率热电池高压不会再反灌超级电容器，使得超级电容器能够发挥其超大功率输出特性，因为超级相对电容器具有自身不具有抗高压和反灌能力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在没有背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同含义和范围内的所有变化囊括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述超大功率稳压电源系统由大功率热电池、高比能量电池、主超级电容器组合、备超级电容器组合、电源转换模块、电源管理模块、输出端、开关、反馈信号线和控制信号线组成，所述主超级电容器组合、备超级电容器组合前端分别与高比能量电池并联，后端与电源转换模块连接，电源转换模块和大功率热电池并联后通过输出端输出；
主超级电容器组合、备超级电容器组合与高比能量电池和电源转换模块之间均设有开关；
所述电源管理模块一端通过控制信号线与开关连接，另一端通过反馈信号线和输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述超大功率稳压电源系统有一对或一对以上主超级电容器组合、备超级电容器组合。
3.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述主超级电容器组合或备超级电容器组合均含有两个或两个以上并联连接的超高比功率超级电容器。
4.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述高比能量电池为高比能量锂离子电池、氟化碳电池、锂硫酰氯电池中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述电源转换模块前端设置有通断开关。
6.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述主超级电容器组合、备超级电容器组合的前端设置有通断开关。
7.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述电源管理模块为DC-DC二次电源转换模块，电源转换模块设有汇流排，各个超高比功率超级电容器分别与DC-DC二次电源转换模块汇流排串联。
8.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述开关为电磁继电器开关或固体继电器开关。
9.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述电源管理模块内部设置有行程开关，行程开关通过控制信号线分别与开关连接；行程开关切换时间为1s～30min。
10.根据权利要求1所述的一种超大功率热电池稳压电源系统，其特征在于：所述反馈信号线和控制信号线设置有光耦隔离继电器。
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