CN117200382A - 提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法及系统，包括混合型电池组，及系统控制电路；S1：建立由放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组构成的混合型电池组；S2：系统控制电路对所述混合型电池组进行差异化控制，利用物理控制技术干预和优化离子电池组内部的电化学反应过程，将电池组分解成放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组，系统控制电路依据离子电池电化学基本机理，对放电串联电池组分阶段实施不同方式的续能控制，在不改变电池内部电极材料和结构的前提下，提升电池组的能量传输效率和释放电量的能力，并在续能控制的同时，同步完成对放电串联电池组中各单元电池荷电状态的平衡控制，实现控制系统的简约化设计。

Description

提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法及系统

技术领域

本发明属于电池组能量控制技术领域，具体涉及提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法及系统。

背景技术

离子电池做为基础化学储能元件，在多个领域具有广泛的应用，但现有电池在能量传输效率和所能释放出的能量由于受到电极材料和内部电化学过程的限制，已接近极限，对于已定型的的各类离子电池，无法通过后期手段提升其能量密度，现有各种电池组的管理系统，其设计目的是保持电池组在充放电过程中的安全性以及电压均衡性等，并不具备直接提升电池组传输效率和能量的能力，在目前鲜见的少数与提升能量有关的控制技术中，能量提升效果也十分有限，如何突破现有电池中因电极材料比容量的限制而形成的固有能量瓶颈，尚无有效的技术手段和途径。

为此本发明设计了一种提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不改变离子电池电极材料和内部结构的条件下，使用外部在线控制技术改变电池内部的电化学反应过程来抑制电池在放电过程中产生的各种负面效应，激励电池增强能量的释放能力，打破制约现有离子电池能量提升的瓶颈，使现有离子电池的传输效率和能量密度水平得到大幅度的提升。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制系统，该系统由混合型电池组以及系统控制电路组成；

所述混合型电池组由放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组构成；

所述混合型电池组中的放电串联电池组由n个单元电池串接而成，其输出端直接与负载连接；

所述混合型电池组中组态可切换的辅助电池组内各单元电池的类别、规格和数量与放电串联电池组中的单元电池完全相同，每个单元电池相互独立，其正负极分别与电池组态切换控制器中各自对应的切换开关连接；由电池组态切换控制器中的切换开关来控制各单元电池之间的连接方式，在系统控制电路的控制下，构成并联组态的动态续能电压源和串联组态的静态串联电池组，在不同的时段以不同的的电池组态向放电串联电池组提供续能能量；

所述放电串联电池组中每一个单元电池的正负极上各连接一个嵌入式能量控制开关，各嵌入式能量控制开关另一侧的正负极同名端分别汇接在一起，构成动态续能能量的输入端，与并联组态续能电压源的正、负极连接；

所述放电串联电池组端电压鉴别器实时检测所述放电串联电池组的端电压，并与系统设定的基准电压值进行比较和鉴别；

当所述放电串联电池组的端电压＞系统设定值时，工作模式转换器被置为动态续能模式，电池组态切换控制器将组态可切换的辅助电池组内的各单元电池连接成并联组态，构成共用的续能电压源，利用并联组态电池组与放电串联电池组中各电池单元电池之间在放电过程中因工作条件的不同所形成的电位差来为放电串联电池组中的各单元电池提供动态扫描续能能量；

所述放电串联电池组的端电压≤系统设定值时，工作模式转换器被置为静态续能模式，电池组态切换控制器将组态可切换的辅助电池组内各单元电池连接成串联组态，与放电串联电池组整体合并，增强放电串联电池组的放电能量；

当组态可切换的辅助电池组由并联组态切换成串联组态时，串联组态的电池组经工作模式转换器内的电压平滑处理环节实现与放电串联电池组的缓冲并联，保持放电串联电池组端电压的平稳过渡；

所述外电补偿器由将外部电能转换成适用电压，并在混合型电池组处于动态扫描续能阶段将外电连接到并联续能电压源上；

所述并联续能电压源在向放电串联电池组中各单体单元电池动态扫描续能的同时，兼有同步实现各单元电池间主动式荷电状态平衡的功能。

优选的，系统控制电路中所述的放电串联电池组端电压鉴别器与系统设定的基准电压值比较和判断的结果做为续能模式转换的依据：当所述放电串联电池组的端电压＞系统控制电路设定的基准电压值时，放电电池组端电压鉴别器向工作模式转换器发送动态续能模式置位信号，同时向电池组态切换控制器发送电池并联信号，将组态可切换的辅助电池组内各单元电池连接成并联连接状态，各单元电池构成一组共用的低电压大电流容量的续能电压源，此续能电压源经由工作模式转换器上的并联电池组输出端口，在循环移位扫描信号发生器的扫描信号控制下，为放电串联电池组各单元电池依次动态循环扫描续能；

优选的，当所述放电串联电池组的端电压≤系统控制电路设定的基准电压值时，放电电池组端电压鉴别器向工作模式转换器发送静态续能模式置位信号，同时向电池组态切换控制器发送电池串联切换信号，将组态可切换的辅助电池组内各单元电池连接成串联组态，各单元电池构成一组高电压小电流容量的串联电池组，此电池组的电压经由工作模式转换器上的串联电池组输出端口，与放电串联电池组并联在一起，联合为负载供电，直至整个放电过程结束。

优选的，所述工作模式转换器内含有由阻容元件R、C和晶体管T构成的积分型电压平滑环节，以消除放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组在能量控制过程中形成的电压差异在模式切换时所产生的电压阶跃响应，使混合型电池组在模式转换时保持放电串联电池组输出电压的平稳性。

优选的，所述外电补偿器所提供的输出电压和功率根据系统的具体需要来设定，外电补偿器接受放电串联电池组端电压鉴别器的控制，仅在组态可切换的辅助电池组处于并联组态期间启动。

提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法，采用所述的控制系统；具体步骤为：

S1：建立由放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组构成混合型电池组；

S2：系统控制电路对所述混合型电池组进行差异化控制，在对负载不间断平稳放电状态下，所述系统控制电路根据所述放电串联电池组端电压的状况，将所述组态可切换的辅助电池组内部的各单体电池被连接成并联组态或串联组态两种形式；

S3：当放电串联电池组端电压＞系统设定电压值时，所述组态可切换的辅助电池组中各单元电池被连接成并联组态，并联电池组做为共用续能电压源向放电串联电池组中的各个单元电池按串联顺序进行循环扫描续能，实现逐一的碎片化充电，同时完成对各个串联单体单元电池的荷电状态进行均衡控制；

S4：当放电串联电池组端电压≤系统设置电压值时，所述组态可切换的辅助电池组被切换成串联组态，该串联电池组与放电串联电池组实现进行并联连接，联合为负载供电，以强化放电串联电池组在能量弱化时段的放电能力。

S5：积分型电压平滑环节消除混合型电池组在组态切换时出现的电压阶跃现象，以保持两个电池组续能模式转换时输出电压的平稳性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明对混合电池组进行不同的续能控制，利用外部控制技术对电池组内部的电化学反应过程实施动态控制，扭转了离子电池的能量单一依赖电极材料比容量的现状，在不改变现有电池内部电极材料和结构的前提下，与同样数量的按传统常规方法使用的电池组相比，在传输效率和能量方面得到明显的提升，其所释放出的能量大幅度高于在常规状态下两套电池组能量再加上控制过程中所消耗的外部能量的总和；在续能控制时同步完成放电串联电池组中各单元电池的荷电状态的平衡控制，大大简化了平衡控制的电路；，本发明使现有各类离子电池在能量传输效率和增强离子电池能量释放能力等核心性能指标上得到突破性的提升；本发明是一项通用型技术，适用于各种类型的离子类电池，可广泛应用于各种场合。

附图说明

附图1为本发明的电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，本发明提供一种技术方案：构建具有单元电池数量相同但连接方式不同的两个电池组A和B，A组是由A1～An单元电池串联连接的放电电池组，充电后的A组电池承担对外电路负载供电的功能；B组是由相互独立的单元电池B1～Bn构成的可切换组态的辅助电池组，当放电串联电池组端电压＞系统设置的基准电压值时，放电串联电池组端电压鉴别器上的DCV1端和DCV2端输出高电位，此高电位使电池组态切换控制器内的各转换型继电器绕组JQH1.1及JQH1.2……JQHn.1及JQHn.2通电，各转换型继电器中的常开触点闭合，常闭触点断开，将辅助电池组中各单元电池连接成并联组态的电池组，放电串联电池组端电压鉴别器上的SK端发送循环移位扫描启动信号，J1端输出高电位，而J2端输出低电位，令固态继电器1和固态继电器2同时导通而令固态继电器3和固态继电器4同时截止，使并联组态的续能电压源电压经工作模式转换器上的Vp+和Vp-端输出；放电串联电池组中每个单元电池的正、负极各配置一套电磁继电器J1+～n+和J1-～n-，与其对应的能量控制开关K1+～Kn+和K1-～Kn-与对应单元电池A1～An的正、负极分别连接，而每个电磁能量控制开关中的另一端按同名极性汇总连接在一起，分别与工作模式转换器上的Vp+和Vp-连接，n个单元电池和其正、负极上的嵌入式能量控制开关所构成n个独立的受控单元，接受扫描控制器发送的循环扫描信号SM1～SMn的控制而依次动作；将所对应位的放电单元电池与续能电压源周期性的接通续能；

当放电串联电池组端电压＜系统设置的基准电压值时，放电串联电池组端电压鉴别器上的DCV1端和DCV2端输出低电位，此低电位使电池组态切换控制器内的各转换型继电器绕组JQH1.1及JQH1.2……JQHn.1及JQHn.2断电，各转换型继电器中的常开触点断开，常闭触点闭合，将辅助电池组中各单元电池连接成串联组状态，放电串联电池组端电压鉴别器上的SK端发送循环移位扫描停止的信号，J1端输出低电位而J2端输出高电位，令固态继电器1和固态继电器2同时截止而固态继电器3和固态继电器4同导通，使辅助电池组中被连接成串联组态电池组的端电压经工作模式转换器上的Vs+和Vs-与放电串联电池组的总正负极端并联连接，增大放电串联电池组的能量，联合向负载供电，直至放电结束；

当电池组态切换控制器进行电池组态切换时，切换成串联组态串联电池组的电压经过工作模式转换器中由阻容元件R-C和晶体管T组成的积分环节做电压平衡处理，以实现两个电池组间的平滑过渡过程。

外电补偿器在系统控制电路处于动态续能阶段时从外部获取适量电能，采用电压变换器将外部电能转换成恒压源的形式并联连接到电池组态切换控制器的续能电压源的输出端上，以弱化辅助电池组处于并联组态时的电压衰减；外电补偿器的输出电压和供电功率根据需要设定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制系统，其特征在于：该系统由混合型电池组以及系统控制电路组成；

所述混合型电池组由放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组构成；

所述混合型电池组中的放电串联电池组由n个单元电池串接而成，其输出端直接与负载连接；

所述混合型电池组中的组态可切换的辅助电池组内含n个单元电池，每个电池相互独立，由电池组态切换控制器控制各电池之间的连接形式，以不同的组态模式向放电串联电池组提供续能能量；

所述系统控制电路包括工作模式转换器、与放电串联电池组中各单元电池连接的嵌入式能量控制开关组、循环移位扫描信号发生器、放电串联电池组端电压鉴别器、电池组态切换控制器和外电补偿器；

所述放电串联电池组端电压鉴别器在线检测所述放电串联电池组的端电压，并与系统设置的基准电压进行比较和判断，根据判断情况驱动电池组态切换控制器来确定辅助电池组内各单元电池间的连接关系，同时决定对混合电池组的控制模式，对所述混合型电池组进行分阶段的差异性控制：

当所述放电串联电池组的端电压高于系统设定值时，系统控制电路将对所述混合型电池组实施动态续能控制，而当所述放电串联电池组的端电压等于或低于系统设定值时，系统控制电路将对混合型实施静态续能控制；

所述工作模式转换器内含有模式转换电压平滑处理环节，用以保持工作模式转换时放电串联电池组输出电压的平稳性；

所述外电补偿器将外部电能转换成适用电压，在混合型电池组处于动态续能模式时将外电连接到并联续能电压源上；

所述并联续能电压源在向放电串联电池组中各单元电池动态扫描续能的同时，兼有同步向各单元电池进行主动式荷电状态平衡的功能。

2.根据权利要求1所述的提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制系统，其特征在于：所述组态可切换的辅助电池组内各单元电池在电池类别、规格和数量上与放电串联电池组中的单元电池完全相同，组内各单元电池之间相互独立，各单元电池的正负极分别与电池组态切换控制器中各对应的组态切换开关连接，根据放电串联电池组在放电过程中放电深度的变化情况，在放电串联电池组端电压鉴别器和电池组态切换控制器的控制下，将组态可切换的辅助电池组中各单元电池连接成并联组态的动态续能电池组或串联组态的静态续能串联电池组，在不同的放电阶段，根据离子电池在放电过程中不同的能量特性，采取不同的组态连接形式为放电串联电池组提供续能能量。

3.根据权利要求1所述的提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制系统，其特征在于：所述系统控制电路以所述放电串联电池组端电压鉴别器与系统设定的基准电压值比较和判断的结果做为过程控制中续能模式转换的依据，所述系统控制电路中的工作模式转换器、电池组态切换控制器、循环移位扫描信号发生器、嵌入式能量控制开关组和外电补偿器等各功能电路据此产生相应的动作，进入不同的续能控制模式；当所述放电串联电池组的端电压＞系统设定的基准电压值时，所述系统控制电路中的各功能电路进入动态续能模式；当所述放电串联电池组的端电压≤系统设定的基准电压值时，所述系统控制电路中的各功能电路进入静态续能控制模式；

所述放电串联电池组端电压鉴别器中系统设置的基准电压值根据系统所采用的离子电池的能量特性来确定。

4.根据权利要求1所的提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制系统，其特征在于：所述工作模式转换器内含有由阻容元件R、C和晶体管T构成的多单元积分型电压平滑环节，以消除放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组在能量控制过程中形成的电压差异在模式切换时所产生的电压阶跃响应，使混合型电池组在模式转换时保持输出电压的平稳性。

5.根据权利要求1所述的提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制系统，其特征在于：所述外电补偿器所提供的输出电压和功率根据系统的具体需要来设定，外电补偿器接受放电串联电池组端电压鉴别器的控制，仅在组态可切换的辅助电池组处于并联组态期间启动。

6.提升离子电池传输效率和释放能量的在线控制方法，其特征在于：采用权利要求1-5任意一项所述的控制系统；具体步骤为：

S1：建立由放电串联电池组和组态可切换的辅助电池组构成的混合型电池组；

S2：系统控制电路对所述混合电池组进行差异化控制，在对负载不间断平稳放电状态下，所述系统控制电路根据所述放电串联电池组端电压的状况，将所述组态可切换的辅助电池组内的各单元电池被连接成并联组态或串联组态两种形式；

S3：当放电串联电池组端电压＞系统设定值时，所述组态可切换的辅助电池组中各单体单元电池被连接成并联组态电池组，做为系统共用的续能电压源，利用并联组态续能电压源与放电电池组中各单元电池之间的电压差，向放电串联电池组中各个单体单元电池按串联顺序进行循环扫描续能，实现逐一的碎片化充电，同时完成对各个串联单元电池的荷电状态进行均衡控制；

S4：当放电串联电池组端电压≤系统设定值时，所述组态可切换的辅助电池组中各单元电池被切换成串联电池组，该电池组与放电串联电池组实现整体并联连接，联合为负载供电，以强化放电串联电池组在能量弱化时段的放电能力。

S5：积分型电压平滑环节消除混合型电池组在组态切换时出现的电压阶跃现象，以保持两种续能模式转换时放电串电池组输出电压的平稳性。