CN113454830A - 二次电芯系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在不使用铅蓄电池的情况下对电源进行多路复用的可靠性高的二次电芯系统。该二次电芯系统10具有由串联连接的多个电芯21组成的两个或更多个电池组，每个电池组11,12,13并联连接。在每个电池组11,12,13中设置将电池组与二次电芯系统10的电路断开连接的断开/闭合开关31a,31b,32a,32b,33a,33b。该二次电芯系统10可包括与电池组11,12,13并联连接的主动平衡器14。

Description

二次电芯系统

技术领域

本发明涉及一种能够重复充放电的二次电芯系统。特别地，本发明涉及一种安装在车辆等中用于提供高压电力的二次电芯系统。

背景技术

安装在车辆中的二次电芯系统需要具有高可靠性和耐用性。当以12V的电压向，例如，车辆供电时，通过安装两个电芯模块(一个能够以24V或更高电压供电的二次电芯和一个能够提供12V的电力的二次电芯)来提高传统的二次电芯系统的可靠性。换句话说，能够以24V或更高电压供电的二次电芯用作一次侧电芯，以提供正常运行所需的电力，并且在一次侧上的二次电芯或发电机中出现问题时，由二次电芯作为应急电源来供电，以恢复对车辆的控制。目前，在这种类型的二次电芯系统中，通常使用铅蓄电池作为二次电芯。

专利文献1公开了一种使用铅蓄电池来提供高度可靠的车辆电源系统的技术。专利文献1中的车辆电源系统公开了其中混合电源和铅蓄电池并联连接的配置。混合电源由并联连接的二次电池和电容器配置而成，且电源控制部控制混合电源和铅蓄电池的电力供应。

相关技术文献

专利文献

专利文献1：第WO2015/015743号国际专利公开

发明内容

本发明要解决的问题

铅蓄电池可以用廉价的材料生产，并且是可以承受大电流放电的具有高度稳定性的二次电芯。另一方面，由于在电极中使用了铅，所以二次电芯系统整体上趋于变重。此外，由于使用硫酸作为电解液，因此指出了在电芯受损情况下存在的危险。因此，需要在不使用铅蓄电池的情况下提供高度可靠的二次电芯系统。

本发明是针对上述问题而做出的，其目的在于提供一种在不使用铅蓄电池的情况下对电源进行多路复用的可靠性高的二次电芯系统。

用于解决问题的手段

根据权利要求1所述的本发明涉及一种二次电芯系统，所述二次电芯系统具有由串联连接的多个电芯组成的两个或更多个电池组，其中每个电池组并联连接。根据本发明的二次电芯系统的特征在于设置了被配置为将每个电池组与二次电芯系统的电路断开连接的断开/闭合开关。

根据本发明的二次电芯系统优选地包括与电池组并联连接的主动平衡器。

根据本发明的二次电芯系统优选地具有断开/闭合开关，被配置为将每个电池组与二次电芯系统的电路断开连接的断开/闭合开关设置在每个电池组和主动平衡器之间的连接部分处。

本发明的效果

根据本发明的二次电芯系统具有由串联连接的多个电芯组成的两个或更多个电池组，其中每个电池组并联连接。并联连接的电池组可以对电源进行多路复用，从而提高了二次电芯系统的可靠性。

在根据本发明的二次电芯系统中，即使并联连接的多个电池组之一出现问题，断开/闭合开关的操作也仅断开其中出现问题的电池组，允许在减少状态下继续充电和放电。

由于根据本发明的二次电芯系统能够实现电源的多路复用，因此不需要二次侧电池。这意味着不需要传统地用作二次侧电池的铅蓄电池。由于不需要铅蓄电池，因此二次电芯系统整体上变得更轻，并且可以以更低的成本来配置系统。

附图说明

图1是示意性地示出根据本发明实施方式的二次电芯系统的概要的框图；

图2示意性地示出根据本发明实施方式的二次电芯系统的电池组和主动平衡器之间的连接状态；

图3示意性地示出当其中一个电池组出现问题时断开/闭合开关的断开状态；

图4示意性地示出根据实施例1的二次电芯系统；

图5示意性地示出根据实施例2的二次电芯系统；

图6示意性地示出根据对比例1的二次电芯系统；

图7示意性地示出根据对比例2的二次电芯系统；以及

图8示出优选地用于本发明的主动平衡器的配置的实施例。

具体实施方式

下面将描述根据本发明的二次电芯系统的优选实施方式。

在本发明中，“电芯”是构成电池的最小单元。电芯具有阳极、阴极，以及填充在电极之间的电解质，也称为单元电芯。在本实施方式中被称为“电芯”的电池是能够充电和放电的二次电芯。视结构而定，已知的电芯包括锂离子电芯、镍氢电芯、ELDC电芯等。在根据本发明的二次电芯系统中，特别优选使用锂离子电芯。

在本发明中，电池组是两个或更多个电芯的串联连接体。在这些电池组中，特别地，调整为具有特定电压和容量的电芯的集成组合也被称为电池模块或电池组。

在本发明中，主动平衡器是连接到多个电芯并调整每个电芯的充放电状态以平衡控制电压和容量以防止过度充电或过度放电的装置。主动平衡器执行控制以，例如，将具有高充电状态的电芯的电力临时存储在电容器中，并将电力重新分配给具有低充电状态的电芯。图8示出优选地用于本发明的主动平衡器的配置示例。图8的主动平衡器包括电容器Cr和执行开关操作的半桥电路。电容器经由半桥电路连接到两个相邻的电芯。电容器Cr也可以经由半桥电路连接到包括在电池组中的相邻的电芯组。在图8所示的连接方式中，电容器Cr以交替切换的方式连接到一个电芯和另一个电芯。如果此时所连接的电芯和电容器之间存在电势差，则电荷从电芯移动到电容器，或从电容器移动到电芯，电荷由此达到自动平衡，从而消除电芯和电容器之间的电势差。

下面参照图1至图3描述根据本发明的二次电芯系统10的优选实施方式。在本实施方式中，能够输出48V的二次电芯系统10构成用于以12V电压向车辆供电的二次电芯系统。

图1示意性地示出连接到发电机2和负载3的二次电芯系统10的轮廓。二次电芯系统10包括多个电池组11、12、13和与电池组并联连接的主动平衡器14。电池组11、12、13彼此并联连接。电池组11、12、13包括多个电芯21，其中每个电芯具有相同的容量和电压。多个电芯21在每个电池组11、12、13内串联连接。作为示例，图1示出在电池组11、12、13中的每个电池组内串联连接的包括16个电芯的配置。在电池组11、12、13中，电芯21组合成四个电芯的相应单元，且由四个电芯21组成的每个电芯组的端部设有输出端子。

例如，如果在图1所示的二次电芯系统10中将3V电芯用作电芯21，则电池组11、12、13中的每一个电池组将具有48V的输出电压。当选择包括4个电芯21的一个电芯组且由其输出端子输出电力时，输出电压将为12V。在图1中，由电池组11、12、13中的每一个电池组中的一个电芯组并行供电，从而向负载3提供12V的电力。然而，应当注意的是，组合在电池组内的电芯的数量和在电池组内串联布置的电芯的数量仅构成一个示例，组合的电芯的数量和串联布置的总数量不限于图1所示的实施例。

图2示意性地示出二次电芯系统10中的电池组11、12、13和与电池组并联连接的主动平衡器14的电气连接方式。断开/闭合开关31a、31b布置在电池组11和主动平衡器14之间，以便在电池组11出现问题时将电池组11与二次电芯系统断开连接。类似地，断开/闭合开关32a、32b布置在电池组12和主动平衡器14之间。断开/闭合开关33a、33b布置在电池组12和主动平衡器14之间。

在各个电池组11、12、13和主动平衡器14的电气连接位置中，优选地，断开/闭合开关特别布置在电池组11、12的高压侧13，和负载3的输出位置。另外，还提供了断开/闭合开关，用于将主动平衡器14与二次电芯系统断开连接，这也使得处理主动平衡器14中的问题变得容易。

图3示意性地示出当电池组11出现问题时电池组11被断开/闭合开关31a、31b断开的状态。通过断开断开/闭合开关31a、31b，电池组11断开连接，而电池组12、13可以继续放电进行供电，并允许负载3运行。在这种情况下，由于电池组并联连接，即使在电池组11已经断开连接之后也可以向负载3提供12V的电源。通过以这种方式对电源进行多路复用，二次电芯系统10提供了高度可靠的系统，而无需二次侧电池。

(实施例1)

图4示出体现本发明的二次电芯系统40的电路图。图4的二次电芯系统40由发电机2充电。二次电芯系统40充电后向负载3、5放电。以12V的电压向负载3供电，并且以48V的电压向负载5供电。

二次电芯系统40包括彼此并联布置的多个电池组41、42、43和与电池组并联连接的主动平衡器44。电池组41、42、43中的每一个电池组包括16个电芯21，其中每个电芯具有相同的容量和电压。电芯21组合成四个电芯的相应单元，并且由四个电芯21组成的四个电芯组中的每一个电芯组的端部设置有输出端子。

主动平衡器44由特别地调整电池组41、42、43内的两个相邻电芯组的平衡的第一平衡器44a和调整电池组41、42、43整体的平衡的第二平衡器44b组成。

为了在电池组41出现问题时将电池组41与二次电芯系统40断开连接，在电池组41和主动平衡器44a之间布置断开/闭合开关51a、51b。此外，在电池组41和主动平衡器44b之间布置断开/闭合开关51c。通过断开所有的断开/闭合开关51a、51b、51c，电池组41与二次电芯系统40断开连接。

类似地，提供断开/闭合开关52a、52b、52c，以便在电池组42出现问题时将电池组42与二次电芯系统40断开连接。另外，提供断开/闭合开关53a、53b、53c，以便在电池组43出现问题时将电池组43与二次电芯系统40断开连接。

因此，如果电池组41、42、43中的任何一个出现问题，则可以仅断开此电池组，而允许正常运行的其他电池组放电，从而分别向负载3、5供电。

(实施例2)

图5示出作为第二实施例的二次电芯系统60的电路图。本实施例与实施例1的不同之处在于，与电池组41、42、43并联布置的是DC-DC转换器64，而不是主动平衡器。DC-DC转换器64是斩波式DC-DC转换器，或采用变压器的隔离式DC-DC转换器，且用作从电池组的所有电芯接收电力并向与断开/闭合开关52a、52b、52c连接的电池组和负载3供电的电路。

DC-DC转换器64分别连接到电池组41、42、43的三个端子，即连接到电池组41、42、43的高压侧端子和电池组41、42、43的低压侧端子，以及在将电池组41、42、43内的四个电芯组分成一个和三个电芯的位置处的端子。在连接到高压侧的路径和连接到划分电芯组的端子的路径上分别布置有断开/闭合开关。由于这种连接方式，DC-DC转换器64的电压调整功能相当于将电池组41、42、43内连接的高压侧和低压侧的电压平衡到3:1的比例的主动平衡器。

如果电池组41、42、43中的任何一个电池组出现问题，则根据本实施例的二次电芯系统60也能够仅断开出现问题的电池组，而允许正常运行的其他电池组放电，从而向负载供电。

(对比例1)

作为本发明的对比例，图6示出传统的二次电芯系统100的配置。图6的二次电芯系统100具有一个电池组101，电池组101包含串联连接的多个电芯，以及并联连接的DC-DC转换器102，且在调整电压后向负载供电。由于二次电芯系统100未对电源进行多路复用，因此在电池组101出现问题时很可能停止向负载供电。

(对比例2)

作为本发明的对比例，图7示出常规的二次电芯系统110的配置。图7的二次电芯系统110具有一个电池组111，电池组111包含串联连接的多个电芯，以及并联连接的主动平衡器112，还包括铅蓄电池113作为二次侧电池。二次电芯系统110的配置需要铅蓄电池113来提高可靠性。

如上所述，根据本发明的二次电芯系统具有由串联连接的多个电芯组成的两个或更多个电池组，并且电池组彼此并联连接，这使得可以对电源进行多路复用，且提高二次电芯系统的可靠性。

在必要时可以修改本实施例中描述的二次电芯系统的配置。例如，在必要时可以根据所需的输出电压修改待连接的电芯的数量和待组合的电芯的数量。此外，为了提高可靠性，可以增加并联连接的电池组的数量。在必要时也可以修改主动平衡器或DC-DC转换器的配置。

工业实用性

除了车辆之外，根据本发明的二次电芯系统还可以优选地安装在任何工业机器中。

附图标记说明

2发电机

3,5负载

10,40,60,100,110二次电芯系统

11,12,13,41,42,43电池组

21电芯

31a,31b,32a,32b,33a,33b断开/闭合开关

51a,51b,51c,52a,52b,52c,53a,53b,53c断开/闭合开关

14,44,112主动平衡器

64,102DC-DC转换器

Cr电容器。

Claims (3)

1.一种二次电芯系统，具有由串联连接的多个电芯组成的两个或更多个电池组，每个所述电池组并联连接，其中，设置被配置为将每个所述电池组与所述二次电芯系统的电路断开连接的断开/闭合开关。

2.根据权利要求1所述的二次电芯系统，还包括与所述电池组并联连接的主动平衡器。

3.根据权利要求2所述的二次电芯系统，其中，被配置为将每个所述电池组与所述二次电芯系统的所述电路断开连接的所述断开/闭合开关设置在每个所述电池组和所述主动平衡器之间的连接部分处。

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