CN111555378A - 一种组合启动电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合启动电源，包括铅酸电池、锂电池和锂电池保护电路，所述锂电池保护电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述锂电池的负极与第一输入端相接，所述锂电池的正极与第二输入端相接，所述铅酸电池的负极与第一输出端相接，所述铅酸电池的正极与第二输出端相接。本发明的组合启动电源，通过采用锂电池的增加其安全性；充放电过程中通过锂电池保护电路使锂离子电池始终处于安全工作状态。本发明的目的是弥补铅酸蓄电池比能量比功率较低的缺陷，为各种交通工具提供体积小重量轻能提供超大功率输出的起动电源，以达到车辆等交通工具可瞬间起动的工作要求，同时延长了电池的使用寿命。

Description

一种组合启动电源
技术领域
本发明涉及一种化学电源领域，尤其涉及一种组合启动电源。
背景技术
目前，众所周知，铅酸蓄电池具有价格低廉/工作电压平稳/起动放电电流大和金属资源可重复循环利用等优点，长期以来一直是是车辆船舶飞机火车等交通工具最主要的起动用电源。但因铅酸蓄电池比能量比功率较低，且通常比较适宜用10倍率以下电流起动放电，而现代各类交通工具给内置电池留下的空间越来越狭窄，为此必须找到一种新型的电源系统来满足超大功率起动放电的需求。
进入21世纪后发展最快的化学电源当属锂离子电池，体积小重量轻，是现今比能量最高的化学电源。
但是，现有的当前的电源还存在以下缺陷：
安全性问题还没有从根本上得到解决，目前还暂无使用大容量锂离子电池作为大型交通工具起动用电源的先例。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目在于提供一种组合启动电源，其能为车辆提供大功率启动电源。
本发明采用如下技术方案实现：
一种组合启动电源，包括铅酸电池、锂电池和锂电池保护电路，所述锂电池保护电路包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，所述锂电池的负极与第一输入端相接，所述锂电池的正极与第二输入端相接，所述铅酸电池的负极与第一输出端相接，所述铅酸电池的正极与第二输出端相接。
进一步地，所述锂电池采用磷酸铁锂电池。
进一步地，所述锂电池保护电路包括锂电保护芯片U1、MOS管Q1、MOS管Q2、电阻R1、电阻R2、电容C1、二极管D1和二极管D2；所述锂电池E1的正极与电阻R1的一端相接，且锂电池E1的正极与第一输入端相接，所述第一输入端与第一输出端相接，电阻R1的另一端和电容C1的一端与锂电保护芯片U1的电源端相接，所述锂电池E1的负极、第二输入端、电容C1的另一端、二极管D1的负极和MOS管Q1的栅极均与锂电保护芯片U1的接地端相接，所述锂电保护芯片U1的放电控制端与MOS管Q1的栅极相接，锂电保护芯片U1的充电控制端与MOS管Q2的栅极相接，二极管D1的负极、MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极均与二极管D2的负极相接，MOS管Q2的漏极和二极管的正极均与电阻R2的一端相接，且电阻R2的一端与第二输出端相接，电阻R2的另一端与锂电保护芯片U1的充电检测端相接。
进一步地，所述锂电保护芯片U1的型号为DW01+。
进一步地，所述铅酸电池的额定容量是锂电池的额定容量的6-10倍。
进一步地，所述铅酸电池的额定容量是锂电池的额定容量的6.67倍。
进一步地，所述铅酸电池采用的是12V 30Ah的铅酸电池。
进一步地，还包括电池壳体和电池盖，所述电池壳体内设置有第一容置槽和第二容置槽，所述第一容置槽用于放置铅酸电池，所述第二容置槽用于放置锂电池。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的组合启动电源，通过采用锂电池的安全性能比较可靠；充放电过程中通过锂电池保护电路使锂离子电池始终处于安全工作状态。
附图说明
图1为本发明的组合启动电源的电路结构图；
图2为本发明的锂电池保护电路的电路结构图。
附图标记：1、电源负极端；2、电源正极端；3、铅酸电池；4、锂电池；5、锂电池保护电路。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1和图2所示，本发明提供了一种组合启动电源，包括铅酸电池3、锂电池4和锂电池保护电路5，所述锂电池4的负极与锂电池保护电路5的一端相接，所述锂电池4的正极与锂电池保护电路5的另一端相接，所述铅酸电池3的负极与锂电池4的负极相接作为电源负极端1，所述铅酸电池3的正极与锂电池4的正极相接作为电源正极端2。所述锂电池4采用磷酸铁锂电池；所述铅酸电池3的额定容量是锂电池的额定容量的6-10倍，最为优选地，所述铅酸电池3的额定容量是锂电池4的额定容量的6.67倍，且所述铅酸电池3采用的是12V30Ah的铅酸电池。所述锂电池保护电路5包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。所述锂电池4的负极与第一输入端相接，所述锂电池4的正极与第二输入端相接，所述铅酸电池3的负极与第一输出端相接，所述铅酸电池3的正极与第二输出端相接。图2中的E2表示的铅酸电池；其中第一输入端和第一输出端连接在同一个端位即是电源正极端，第二输入端接地，第二输出端连接电源负极端。
组合电池的电路是铅酸蓄电池与磷酸铁锂聚合物电池两个支路并联充电和放电，其中锂离子电池支路还增设有防锂电池过充和过放的锂电保护电路，以避免过充过放引起安全事故或使电池失效。其中所述锂电池保护电路5包括锂电保护芯片U1、MOS管Q1、MOS管Q2、电阻R1、电阻R2、电容C1、二极管D1和二极管D2；所述锂电保护芯片U1的型号为DW01+。所述锂电池E1的正极与电阻R1的一端相接，且锂电池E1的正极与电源正极端相接，电阻R1的另一端和电容C1的一端与锂电保护芯片U1的电源端相接，所述锂电池E1的负极、电容C1的另一端、二极管D1的负极和MOS管Q1的栅极均与锂电保护芯片U1的接地端相接，所述锂电保护芯片U1的放电控制端与MOS管Q1的栅极相接，锂电保护芯片U1的充电控制端与MOS管Q2的栅极相接，二极管D1的负极、MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极均与二极管D2的负极相接，MOS管Q2的漏极和二极管的正极均与电阻R2的一端相接，且电阻R2的一端与电源负极端相接，电阻R2的另一端与锂电保护芯片U1的充电检测端相接。其中锂电保护芯片U1的VCC为电源端，GND为接地端，OD为放电控制端，OC为充电控制端，CS为充电检测端。
该电路主要由锂电池保护芯片DW01+，充放电控制N够到MOSFET等元件组成。且该锂电池与锂电保护电路连接后，电池包从电源负极端和电源正极端输出电压。充电时，充电器输出电压接在电源负极端1和电源正极端2之间，电流从电源正极端2到锂电池4的正极和负极，再经过充放电控制MOS管道电源负极端，在充电过程中，当锂电池4的电压超过阈值时，锂电保护芯片U1的OC脚输出信号使得充电控制MOS管Q2关断，锂电池4立即停止充电，从而防止锂电池4因为充电而损坏，在放电过程中，锂电池4电压降到一定阈值的时候，锂电保护芯片OD脚输出信号使得放电控制MOS管Q1关断，锂电池4立即停止放电，从而防止锂电池4因为过放而损坏，而锂电保护芯片U1的CS脚为电流检测脚，输出短路时，充放电控制MOS管的导通压降剧增CS脚电压迅速升高，锂电保护芯片输出信号使得充放电控制MOS管迅速关断，从而实现过流或短路保护。
本发明的组合启动电源设置与电池壳体内，所述电池壳体内设置有第一容置槽和第二容置槽，所述第一容置槽用于放置铅酸电池3，所述第二容置槽用于放置锂电池4。所述第一容置槽内设置有六个铅酸电池3的单体放置位，以使得所述铅酸电池3可以串联放置在电池壳体内，所述第二容置槽用于放置磷酸铁锂电池及其保护电路。该电池的具体制造安装方式如下：
新型组合电池的制造过程第一步：将6节铅酸蓄电池单体串联放入到第一容置槽中，然后胶封上相应的容置槽的盖片，其铅酸电池组的外接端柱分别与电池盖上的电源正负端子焊接，然后进行加酸、充电、放安全阀的操作工序，进行大盖片的密封，来先完成铅酸电池部分的组装。第二步：将软包装的4节磷酸铁锂电池及其电路保护板放置的该电池壳体的第二电池槽内，其中电路保护板放置在软包装的4节磷酸铁锂电池上方，采用固定胶对锂电软包装和电路保护板进行固定在的电池壳体内，将电路保护板的2个正负引出端线分别焊接或固定连接到电源正负端子的连接孔，完成铅酸电池组与锂电的并联。第三步：封上电池盖，进行新型混合电池的补充电，完成本组合结构电池的制造。
选用磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池组合的原因是：磷酸铁锂电池的安全性能比较可靠；磷酸铁锂电池的单节电压较低，其4节串联的电压与12伏铅酸蓄电池的电压基本一致。充足电后组合电池端电压在13伏左右，在组合电池库存搁置期间，开路电压下降速率非常缓慢，充放电过程中通过电路保护板使锂离子电池始终处于安全工作状态。
考虑到目前锂电的价格比铅酸蓄电池还高出4倍以上，根据车辆起动放电的实际需求，配置的锂电一般以小容量为宜，与之匹配的铅碳电池额定容量是锂电的6-10倍。这样，锂电池在储存期间的容量损失可以被铅酸蓄电池随时补偿，确保了电池组搁置3-6个月也可立即投入正常使用。所以本发明的电池壳体的外形尺寸大小是根据实际使用车辆的安装尺寸所需，其外形尺寸是常规12V30Ah铅酸电池的尺寸。其6个大小一致的单格是安装12V20Ah铅酸蓄电池的空间，另一个横向的单格是安装12V3Ah磷酸铁锂电池及其电路保护板的空间。这样，该组合电源的铅酸电池与锂电之间的额定容量比为6.67:1，其组合电池的性能达到并超过常规12V30Ah铅酸电池的性能。
锂电中的电路保护板，是进一步保护锂电各单体性能的一致性和安全性。这里所采用的电路保护板为目前市场上成熟的技术产品，直接引用使用。
铅碳电池和锂离子电池并联电路的设计，详见图1，2个支路上的电池在充满电时的端电压均在13.0V左右，可有效防止电池组内部因电压不均衡而产生的自放电；同时由于磷酸铁锂电池本身的自放电率要比铅酸蓄电池的自放电率高，但是由于本电池组设计时其磷酸铁锂电池的容量只有铅酸电池容量的1/10—1/6，因此铅酸蓄电池能瞬间给磷酸铁锂电池补充电，电路迅速趋于平衡状态，而且电池组的容量损失极小，确保了电池组在搁置8个月内也能正常启动使用。该新型组合电池的搁置时间同常规铅酸蓄电池的搁置时间基本一致在6个月—1年，远远高于锂电的3—6个月的搁置时间。
该电源在起动放电时铅酸蓄电池和锂电两个支路的大电流叠加在一起，产生超大功率输出，保证了车辆等可以瞬间起动。
在相同体积条件下，跟常规起动用铅酸蓄电池相比较，组合电源起动放电重量比功率可提高40％以上，循环使用寿命可延长30％以上。
组合电池大电流放电后的充电，采用恒压15.5V，限流6A充电6h；充电15分钟左右，锂电池的充电电流从4A降到0A；铅酸电池从开始的2A升到6A(15分钟内)，然后电流在45分钟左右时间内下降到接近0A。另组合电池，常温150A放电10秒时，锂电池的贡献电流为58A；常温200A放电10秒时，锂电池的贡献电流为74A；常温400A放电10秒时，锂电池的贡献电流为124A。
该组合启动电源的试验结果分析如下：新型组合电池的外形尺寸一致，重量是常规铅酸电池的73％；新型组合电池的额定容量只有常规铅酸电池的75％，但其常温400A的启动功率及能量与常规铅酸电池的相当，接近一致。通过计算，本发明的组合电池的重量比功率及能量达到常规铅酸电池的近150％，循环寿命为常规铅酸电池的近130％。从本次试验的充放电的电流、电压、时间来分析，本发明的组合电池的充电、放电的安全性能可靠。从本试验中可看出，本发明的组合电池的低温启动性能略差，但随着启动次数的增加，其启动性能越来越好。其前期的低温启动性能也能满足启动要求。
根据试验获得20安时铅酸+3Ah锂电的组合电池和30安时常规铅酸蓄电池的试验数据比对，如下表一所示：
Figure BDA0002446554430000071
Figure BDA0002446554430000081
表一
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种启动电源，包括了两种不同类型的电池，其中的一种电池为铅酸电池，另一种为锂电池，所述锂电池的正、负极连接有锂电池保护电路，所述锂电池保护电路的一个输出端与铅酸电池的正极相连接并且所述启动电源的正极端位于所述锂电池保护电路的这个输出端与铅酸电池的正极之间，所述所述锂电池保护电路的另一个输出端与铅酸电池的负极相连接并且所述启动电源的负极端位于所述锂电池保护电路的这个输出端与铅酸电池的负极之间，其特征在于，所述铅酸电池的额定容量是锂电池的额定容量的6-10倍。
2.根据权利要求1所述的一种启动电源，其特征在于，所述铅酸电池的额定容量是锂电池的额定容量的6.67倍。
3.根据权利要求2所述的一种启动电源，其特征在于，所述锂电池为磷酸铁锂电池。
4.根据权利要求3所述的一种启动电源，其特征在于，所述启动电源设置在电池壳体内，所述电池壳体内设置有第一容置槽和第二容置槽，所述第一容置槽用于放置铅酸电池，所述第二容置槽用于放置锂电池和锂电池保护电路板。
5.根据权利要求4所述的一种启动电源，其特征在于，所述铅酸电池放在第一容置槽内，所述第二容置槽用于放置磷酸铁锂电池及其保护电路板。
6.根据权利要求5所述的一种启动电源，其特征在于，所述铅酸电池为六个并且串联连接，所述磷酸铁锂电池为4节。
7.根据权利要求6所述的一种启动电源，其特征在于，所述磷酸铁锂电池为12V30Ah的铅酸电池。
8.根据权利要求7所述的一种启动电源，其特征在于，所述锂电池保护电路板包括第一输入端、第二输出端、各单体电压检测输入端口，所述锂电池的负极与第一输入端相接，所述铅酸电池的负极与第二输出端相接,所述锂电池各单体电压检测输出端口与锂电池保护电路板的各单体电压检测输入端口相接。
9.根据权利要求1至8任何一条权利要求所述的一种启动电源，其特征在于，所述启动电源为车辆用启动电源。
10.一种制造权利要求9所述的一种启动电源的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，铅酸电池部分的组装。将6节铅酸蓄电池单体串联放入到第一容置槽中，然后胶封上相应的容置槽的盖片，其铅酸电池组的外接端柱分别与电池盖上的电源正负端子焊接，然后进行加酸、充电、放安全阀的操作工序，进行大盖片的密封，以此完成铅酸电池部分的组装。
第二步，铅酸电池组与锂电池的并联。将软包装的4节磷酸铁锂电池及其电路保护电路板放置的该电池壳体的第二电池槽内，其中电路保护电路板放置在软包装的4节磷酸铁锂电池上方或旁边，采用固定胶对锂电软包装和保护电路保护板进行固定在的电池壳体内，将电路保护电路板的2个输入正负引出端线分别焊接或固定连接到锂电池电源正负端子的连接孔极引出线上，将保护电路板的输出引出端线焊接或固定连接到铅酸电池电源负极引出线上，将锂电池的各单体电压检测端口与保护电路板的各单体电压检测端口连接，以完成铅酸电池组与锂电池的并联。
第三步，封上电池盖，进行新型混合电池的补充电，完成本组合结构电池的制造。
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