CN202423480U - 具备自调节能力的混合电池电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出具备自调节能力的混合电池电源系统，包括至少一个铅酸电池单体，以及至少一个锰酸锂电池单体；所述铅酸电池单体串联而成铅酸电池组支路，所述锰酸锂电池单体串联而成锰酸锂电池组支路，所述铅酸电池组支路的开路电压V_P小于锰酸锂电池组支路的开路电压V_M，并且满足0.10≤（V_M－V_P）/V_M≤0.2；所述铅酸电池组支路与锰酸锂电池组支路并联电连接。本实用新型利用锰酸锂电池组高功率放电性能优异使电源系统的放电模式实际上保护了铅酸电池组，延长了其使用寿命；本实用新型实现在充电过程中电流的调节是由两种并联电池自身特点决定的，而不需要任何电子电路进行干涉。

Description

具备自调节能力的混合电池电源系统

技术领域

    本实用新型涉及混合电池电源系统，特别是涉及具备自调节能力的混合电池电源。

背景技术

众所周知，铅酸电池和锰酸锂电池属于不同化学体系的二次电池，且各有独自的特点。图6是24V铅酸电池组和锰酸锂电池组的简单比较。其中铅酸电池具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池，其主要用于电信、银行等后备电源、太阳能和风能储能、汽车、摩托车以及电动车辆。但是，铅酸电池在应用过程中也暴露出很多缺陷：

1. 重量比能量太低，仅为30瓦时/千克Wh/Kg。表7示出了两种不同用途的铅酸电池装置的重量；

2. 循环寿命短，作为电动车辆用电池，使用约一年时间就需要进行更换；

3. 欠充电使用时容易造成极板硫酸盐化，使电池寿命严重缩短。如电动车辆、风能和太阳能用铅酸电池，因经常不能及时对电池进行满荷电充电，使得电池处于部分荷电状态下循环使用，从而引起极板硫酸盐化，导致容量衰减及寿命缩短；

4. 不适合大电流放电。图8显示不同倍率放电时，电池容量相当于1C1倍率放电电池容量的比值。可以看出，随着放电倍率增加（放电电流增加），电池所能放出的容量急剧下降。当所用电器以较高功率工作时，电池实际工作时间明显缩短，导致达不到标称的容量；

5、对环境的污染较为严重，并且属于高资源消耗型产品，国家现在与将来都不会大力支持的两高一资产业。

上述缺陷严重制约了铅酸电池在电动车辆、风能及太阳能储能、汽车及摩托车启动等方面的应用。

为解决上述问题，人们相继开发出新的二次电池，并应用于所述领域，锰酸锂电池即为其中的代表，尤其是改性锰酸锂电池，其具有以下显著特点：

1、具有较高的重量比能量，约125瓦时/千克Wh/Kg。图9示出了两种不同用途的锰酸锂电池装置的重量。

2、循环寿命长，可达1200次以上，实际使用寿命可达4年。图10示出了常温条件下锰酸锂电池循环寿命曲线。

3、锰酸锂电池可在任意荷电状态下使用，不会因不饱和荷电循环使用而影响电池寿命，且常适合用于市电和充电状态不稳定的环境下使用。

4、大电流放电性能优异，不同倍率下放电电池容量差异很小，可以10C₁A～25C₁A电流持续放电，这是铅酸电池所无法实现的。锰酸锂电池在不同倍率（C_XA）放电时容量与1C₁倍率（C₁A）放电的容量对比如图11所示。

然而，锰酸锂电池也有其局限性，主要是价格较高，其价格约为铅酸电池的2～3倍，这在一定程度上限制了锰酸锂电池的推广应用。

现有技术虽然提出了一些混合电池的方案，但是它们都需要为各电池支路配置专用控制电路，分别控制各支路的通断，即充放电，造成电源系统复杂，成本高，故障率高。

综上，需要一种具备自动调节能力的电源系统能够融合所述铅酸电池和锰酸锂电池的优点，摒除它们缺陷的电源系统。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种包括铅酸电池与锰酸锂电池的混合电池电源系统及其制造方法，充分发挥各类型电池的特性，在不外加机械或电子控制电路的情况下，实现铅酸电池组和锰酸锂电池组的并联，并实现：

1. 通过调整铅酸电池组与锰酸锂电池组各自单体电池的串联只数，达到两种不同种类电池组的开路电压基本一致，并实现同一电压下并联对两电池组进行充电，从而保证铅酸电池组和锰酸锂电池组达到需要的充电状态；

2. 通过改变铅酸电池的电解液密度， 及在锰酸锂电池正极材料中掺杂其它合适的锂电正极材料的方法，成本更低地、效率更高地解决了两种不同种类电池组间的相互干扰的问题；

3. 通过铅酸电池组和锰酸锂电池组并联使用，利用锰酸锂电池组平台较高的优点，放电时锰酸锂电池组优先放电，实现对铅酸电池组的使用保护，延长铅酸电池组循环寿命1～3倍；

4. 利用价格较为低廉的铅酸电池组与价格较昂贵的锰酸锂电池组进行并联使用，使其组合而成的混合电池系统不但拥有结构简单，易于实施，比能量高的优点，而且具有较低的年使用成本与优异的高功率放电性能等特点。

本实用新型提出一种具有自调节功能的铅酸蓄电池组与锰酸锂电池组的混合电池系统，以实现在不附加其它机械或电子控制电路的情况下，通过混合电池系统自身对电流大小的自动调节，使得各支路电压一致，并在同一电压下对并联的铅酸电池组和锰酸锂电池组进行充放电，同时利用锰酸锂电池组的优点，充分实现对铅酸电池组的使用保护，降低成本，延长两种电池的使用寿命的目的。

为实现上述目的，本实用新型提供一种具有自调节功能的铅酸蓄电池组与锰酸锂电池组的混合电池系统，该混合电池系统包括至少一组铅酸蓄电池和至少一组锰酸锂电池，所述铅酸蓄电池组和锰酸锂电池组并联连接，使混合电池电源系统能够实现：

1. 通过选择增加或减少电池组中的各电池单体串联只数， 达到两种不同种类电池的开路电压基本一致，实现同一电压下并联对铅酸电池组和锰酸锂电池组进行充电，保证铅酸电池组和锰酸锂电池组达到需要的充电状态。

2．通过调整铅酸电池电解液密度，使铅酸电池组和锰酸锂电池组两种并联电池的开路电压相差不大，达到不利用其它电池管理元件实现简单并联，确保不会因两支路电压差过大而影响甚至损坏混合电池系统。

3．利用锰酸锂电池组高功率放电性能优异，且放电平台略高于铅酸电池组的特性，实现高功率放电时，以锰酸锂电池组输出能量为主，铅酸电池组放电为辅，同时从两个支路对外输出能量，且两个支路输出电压一致。实现不用电压调节元件，达到并联两个支路均能同时输出能量的能力。而且高功率放电对铅酸电池组损伤较大，这种放电模式实际上保护了铅酸电池组，延长了其使用寿命。

4. 因锰酸锂电池组开路电压及放电平台皆略高于铅酸电池组，在以较小功率/倍率放电时，前期以锰酸锂电池组输出能量，铅酸电池组基本上不输出能量；随着放电电压的降低，逐渐进入以铅酸电池组输出能量为主的后期，此时锰酸锂电池组输出能量为辅。这种放电方式使锰酸锂电池组每次都进行较为完全的放电，而铅酸电池组放电深度较浅。众所周知，铅酸电池组的循环寿命很大程度上取决于其放电深度，当铅酸电池组放电深度选择合适的时候（例如50%），可以配合锰酸锂电池组达到一个良好的寿命预期。

5. 因为铅酸电池组的充电平台电压稍低于锰酸锂电池组，在初始充电时，以为铅酸电池组充电为主，随着铅酸电池组电压的升高，逐渐转为以为锰酸锂电池组充电为主。铅酸电池组在欠充电循环使用时易形成硫酸盐化，电池容量衰减严重，而锰酸锂电池组在不饱和荷电状态下循环使用，对寿命没有任何影响。这样优先为对荷电程度较为敏感的铅酸电池组充电，最大程度上避免了铅酸电池组在不饱和荷电状态下循环工作，延长了电池寿命。这种充电过程中电流的调节是两种并联电池自身特点决定的，是自动进行的，不需要任何电子电路进行干涉。

6. 因为锰酸锂电池组与铅酸电池组所需的充电时间不同，在混合电池系统在恒压充电约1h之后，锰酸锂电池组基本上已充满电，而铅酸电池组还需继续恒压充电3h左右才能充满电，因此，可以在锰酸锂电池制作过程中，更具体地说是在其正极材料混料过程中掺入一种或两种混合且占总质量5%～70%质量分数的耐过充/过放及浮充能力较好的磷酸铁锂材料和倍率型镍钴锰三元材料（下文简称三元材料）来提高锰酸锂电池组的综合性能，并且还可以通过调整掺入磷酸铁锂或三元材料的量来调控锰酸锂电池组的放电平台，尽量实现锰酸锂电池组优先放电，铅酸电池组后期再放电，保护铅酸电池组，延长铅酸电池组的循环寿命。另外，锰酸锂电池组的保护板应还具有防止浮充的功能，充满电后就能自动断开不再充电，这样就能防止锰酸锂电池组长时间浮充而影响其性能，尽量保证锰酸锂电池组循环寿命不受其充电方式不同而急剧缩短的现象产生。

7. 所并联的铅酸电池组和锰酸锂电池组的容量比可在1：99～99：1的范围内选择（优选的混合比例为30：70～70：30），且该混合电池系统的充电电流限制在混合电池系统容量的0.3倍以下，充电截止方式根据末期电流确定，当末期充电电流处于混合电池系统容量的0.01～0.2倍范围内时可以停止充电。

8. 混合电池系统在搁置（不充电，不对用电器供电）时，尤其是当放电至铅酸电池组的理论截止电压附近时，铅酸电池组对锰酸锂电池组充电较为严重，其充电容量可达到铅酸电池组容量的3%，甚至更多，这就会对混合电池系统中的铅酸电池组循环寿命造成较大的影响，故可采用一种由一些常见电子元器件或常见电子元器件与简单芯片组成的全自动开关使混合电池系统在搁置状态下，能不连接在一起从而避免形成内回路，从而保证铅酸电池组不会过放电。

本实用新型解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：

设计、制造一种具备自调节能力的混合电池电源系统，包括至少一个铅酸电池单体，以及至少一个锰酸锂电池单体；所述铅酸电池单体串联而成铅酸电池组支路，所述锰酸锂电池单体串联而成锰酸锂电池组支路，所述铅酸电池组支路的开路电压V_P小于锰酸锂电池组支路的开路电压V_M，并且满足0.10≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.2；所述铅酸电池组支路与锰酸锂电池组支路并联电连接。

具体地，所述铅酸电池组支路的开路电压V_P和锰酸锂电池组支路的开路电压V_M，满足0.104≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.117。

所有铅酸电池单体的电容量总和与所有锰酸锂电池单体的电容量总和的比例关系在1：99～99：1的范围内；优选所有铅酸电池单体的电容量总和与所有锰酸锂电池单体的电容量总和的比例关系在30：70～70：30的范围内。

所述混合电池电源系统还包括受控的支路开关器件；所述铅酸电池组支路与支路开关器件串联后再与所述锰酸锂电池组支路并联电连接；当所述混合电池电源系统处于不充电或不放电状态时，所述支路开关器件断开，从而使铅酸电池组支路与锰酸锂电池组支路不能并联；当所述当所述混合电池电源系统处于充电或放电状态时，所述支路开关器件闭合，从而使铅酸电池组支路与锰酸锂电池组支路不能并联电连接。

所述混合电池电源系统还包括其控制端口与所述支路开关器件电连接的控制芯片，以及电流信号采集单元；所述控制芯片的借助电源输入端口并联电连接所述锰酸锂电池组支路；所述电流信号采集单元串联在所述混合电池电源系统的输出支路上；所述电流信号采集单元采集混合电池电源系统输入输出支路的电流信号信息并发送给控制芯片，当控制芯片判断混合电池电源系统输入输出支路没有电流，就控制支路开关器件断开；当控制芯片判断混合电池电源系统输入输出支路有电流，就控制支路开关器件闭合。

所述支路开关器件是金属－氧化层－半导体－场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。

所述混合电池电源系统还包括与锰酸锂电池组串联电连接的锂电池支路保护板，用于防止锰酸锂电池组过充电。

同现有技术相比较，本实用新型“具备自调节能力的混合电池电源系统”的技术效果在于：

1. 利用锰酸锂电池组高功率放电性能优异，且放电平台略高于铅酸电池组的特性，实现高功率放电时，以锰酸锂电池组输出能量为主，铅酸电池组放电为辅，同时从两个支路对外输出能量，且两个支路输出电压一致。实现不用电压调节元件，达到并联两个支路均能同时输出能量的能力。而且高功率放电对铅酸电池组损伤较大，这种放电模式实际上保护了铅酸电池组，延长了其使用寿命；

2. 因锰酸锂电池组开路电压及放电平台皆略高于铅酸电池组，在以较小功率/倍率放电时，前期以锰酸锂电池组输出能量，铅酸电池组基本上不输出能量；随着放电电压的降低，逐渐进入以铅酸电池组输出能量为主的后期，此时锰酸锂电池组输出能量为辅。这种放电方式使锰酸锂电池组每次都进行较为完全的放电，而铅酸电池组放电深度较浅。众所周知，铅酸电池组的循环寿命很大程度上取决于其放电深度，当铅酸电池组放电深度选择合适的时候（例如50%），可以配合锰酸锂电池组达到一个良好的寿命预期。

3. 因为铅酸电池组的充电平台电压稍低于锰酸锂电池组，在初始充电时，以为铅酸电池组充电为主，随着铅酸电池组电压的升高，逐渐转为以为锰酸锂电池组充电为主。铅酸电池组在欠充电循环使用时易形成硫酸盐化，电池容量衰减严重，而锰酸锂电池组在不饱和荷电状态下循环使用，对寿命没有任何影响。这样优先为对荷电程度较为敏感的铅酸电池组充电，最大程度上避免了铅酸电池组在不饱和荷电状态下循环工作，延长了电池寿命。这种充电过程中电流的调节是两种并联电池自身特点决定的，是自动进行的，不需要任何电子电路进行干涉；

4. 混合电池系统在搁置（不充电，不对用电器供电）时，尤其是当放电至铅酸电池组的理论截止电压附近时，铅酸电池组对锰酸锂电池组充电较为严重，其充电容量可达到铅酸电池组容量的3%，甚至更多，这就会对混合电池系统中的铅酸电池组循环寿命造成较大的影响，故本实用新型用可控的支路开关器件实现全自动开关使混合电池系统在搁置状态下，能不连接在一起从而避免形成内回路，从而保证铅酸电池组不会过放电。

附图说明

图1是本实用新型“具备自调节能力的混合电池电源系统”第一实施例的电连接示意图；

图2是本实用新型第二实施例的电连接示意图；

图3是容量相同的铅酸电池组与锰酸锂电池组以0.7C1放电时电池组电压变化示意图；

图4是铅酸电池组容量：锰酸锂电池组容量=1:1，混合电池系统5A放电，两个并联支路的电流分配示意图；

图5是本实用新型铅酸电池组与锰酸锂电池组两支路电流随时间变化示意图；

图6是铅酸电池组和锰酸锂电池组对比示意图；

图7是不同用途的铅酸电池装置的重量对比示意图；

图8是铅酸电池不同倍率（C_XA）放电时容量与1C₁倍率（C₁A）放电的容量对比图；

图9示出了两种不同用途的锰酸锂电池装置的重量对比示意图；

图10是常温条件下锰酸锂电池循环寿命曲线图；

图11是锰酸锂电池不同倍率（C_XA）放电时容量与1C₁倍率（C₁A）放电的容量对比图；

图12是具有不同单体数的铅酸电池组1与锰酸锂电池组2组合后的开路电压值的实例示意图；

图13是图12所示两电池组并联后回路的内阻和初始瞬间电流；

图14是具有不同单体数的铅酸电池组1与锰酸锂电池组2组合后的充电电压实施示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例作进一步详述。

本实用新型设计、制造一种具备自调节能力的混合电池电源系统，包括至少一个铅酸电池单体11，以及至少一个锰酸锂电池单体21；所述铅酸电池单体串联而成铅酸电池组支路1，所述锰酸锂电池单体串联而成锰酸锂电池组支路2，所述铅酸电池组支路1的开路电压V_P小于锰酸锂电池组支路2的开路电压V_M，并且满足0.10≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.2；所述铅酸电池组支路1与锰酸锂电池组支路2并联电连接。

具体地，所述铅酸电池组支路1的开路电压V_P和锰酸锂电池组支路2的开路电压V_M，满足0.104≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.117。

所有铅酸电池单体11的电容量总和与所有锰酸锂电池单体21的电容量总和的比例关系在1：99～99：1的范围内；优选所有铅酸电池单体11的电容量总和与所有锰酸锂电池单体21的电容量总和的比例关系在30：70～70：30的范围内。

本实用新型第一实施例，如图1所示，所述混合电池电源系统还包括受控的支路开关器件3；所述铅酸电池组支路1与支路开关器件3串联后再与所述锰酸锂电池组支路2并联电连接；当所述混合电池电源系统处于不充电或不放电状态时，所述支路开关器件3断开，从而使铅酸电池组支路1与锰酸锂电池组支路2不能并联；当所述当所述混合电池电源系统处于充电或放电状态时，所述支路开关器件3闭合，从而使铅酸电池组支路1与锰酸锂电池组支路2不能并联电连接。

本实用新型第二实施例，如图2所示，所述混合电池电源系统还包括其控制端口与所述支路开关器件3电连接的控制芯片41，以及电流信号采集单元42；所述控制芯片41的借助电源输入端口并联电连接所述锰酸锂电池组支路2；所述电流信号采集单元42串联在所述混合电池电源系统的输出支路上；所述电流信号采集单元42采集混合电池电源系统输入输出支路的电流信号信息并发送给控制芯片41，当控制芯片41判断混合电池电源系统输入输出支路没有电流，就控制支路开关器件3断开；当控制芯片41判断混合电池电源系统输入输出支路有电流，就控制支路开关器件3闭合。

所述支路开关器件3是金属－氧化层－半导体－场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。

所述混合电池电源系统还包括与锰酸锂电池组2串联电连接的锂电池支路保护板5，用于防止锰酸锂电池组2过充电。

本实用新型还涉及一种制造所述具备自调节能力的混合电池电源系统的方法，包括如下步骤：

A. 分别制造铅酸电池单体和锰酸锂电池单体；

B. 选取至少一个铅酸电池单体和至少一个锰酸锂电池单体；将铅酸电池单体串联成铅酸电池组支路，将锰酸锂电池单体串联成锰酸锂电池组支路；调整各铅酸电池单体的电解液浓度，使得所述铅酸电池组支路的开路电压V_P小于锰酸锂电池组支路的开路电压V_M，并且满足0.10≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.2；

C. 将所述铅酸电池组支路与锰酸锂电池组支路并联电连接。

步骤A中在制造所述锰酸锂电池单体时，在锰酸锂电池单体正极混料时，在正极活性成分中掺杂入其总质量占所述正极混料总质量5%至70%的磷酸锂材料和倍率型镍钴锰三元材料。

为了防止不使用混合电池电源系统时，铅酸电池组支路与锰酸锂电池组支路之间互相影响，步骤C包括如下分步骤

C1. 在所述铅酸电池组支路上串联受控的支路开关器件；

C2. 将分步骤C1所述串联了支路开关器件的铅酸电池组支路与所述锰酸锂电池组支路并联电连接。

以下详细说明本实用新型方案及其原理：

混合电池系统的简单并联方式如图1所示，中间有一金属－氧化层－半导体－场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简写为MOSFET，后文简称MOS管。在铅酸电池组1支路上，当混合电池系统在充电或给用电器供电时，MOS管就接通，否则就断开，而且为该控制电路供电的是锰酸锂电池组2，其最主要优点是能减少两种不同种类二次电池之间的相互影响，保证了混合电池系统拥有较长的循环寿命。

本实用新型的要点在于，铅酸电池组1与锰酸锂电池组2的并联结构中，首先可以通过改变两支路串联单体电池的只数来使混合电池系统两支路开路电压基本上相同，具体地还要看混合电池系统充放电电压情况，其原则是要使最高充电电压及放电终止电压都要大致相同。由于锰酸锂电池是锂离子二次电池的一种，其电解液密度对开路电压的影响较小，调整电解液密度意义不大。其中，锰酸锂电池单体开路电压在4.17V左右。而铅酸电池电解液密度对开路电压影响显著，因此可通过调整铅酸电池电解液密度来改变铅酸电池组01的电压，使其与锰酸锂电池组02的开路电压相差不大。更具体地讲，铅酸电池单体的开路电压可根据如下公式来计算调整：

V＝（0.85＋d）V，其中，V为铅酸电池的开路电压，0.85为经验系数，d为铅酸电池的酸密度，d的取值范围为1.30～1.33g/mL（特殊情况下，可以加/注入密度更高的硫酸），对应的电压V为2.15～2.18V。

由上式可见，改变其中的铅酸电池的酸密度d即可改变铅酸电池的开路电压V。

具有不同单体数的铅酸电池组1与锰酸锂电池组2组合后的开路电压值的实例如图12所示。

实际上，当铅酸电池组1与锰酸锂电池组2并联时，两个支路的初始电压是不同的，因而在并联回路内会产生一个电流，该电流与并联支路的各个支路的电阻有关。通常情况下，锰酸锂单体电池内阻在10mΩ数量级，铅酸单体电池内阻在0～10mΩ数量级，另外加上线路保护板的内阻，按图12的实例，并联后回路的内阻和初始瞬间电流如图13所示。

由图12和图13可见，通过调整铅酸电池的酸密度来调节铅酸电池组1的开路电压，可调整两个支路电池组并联后初始的瞬间电流大小，以便能选择合适的初始瞬间电流，保护并联的电路不至于被较大的初始瞬间电流损伤。在两个支路电池组并联后，相当于锰酸锂电池组2对铅酸电池组1进行充电，当铅酸电池组1电压上升、锰酸锂电池组2电压下降到同一值时，既停止。这个时间持续不到1秒种时间，事实上不会造成铅酸电池组1过充电。

本实用新型的另一要点在于，将价格较为低廉的容量型的铅酸电池组1与价格较为昂贵的功率型锰酸锂电池组2并联成混合电池系统，并联后的混合电池系统可自动调节两种电池支路的放电电流，使两个支路电池电压始终相同，且锰酸锂电池组2回路优先提供高功率放电。

参见图3，由于锰酸锂电池组2的放电平台电压较铅酸电池组1高，在同样的放电电流条件下，其能提供的功率比铅酸电池组1多，尤其是高功率放电。因此，高功率放电时，由铅酸电池组1与锰酸锂电池组2并联组成的混合电池系统较同样容量的铅酸电池组能提供更多的能量，而所多出的能量与混合电池系统中锰酸锂电池组2所占容量比例有关，混合电池系统中锰酸锂电池组2容量所占比例越高，则混合电池系统所能提供的高功率放电能量也就越高。为此，本实用新型的混合电池系统可以选择容量比不同的铅酸电池组1和锰酸锂电池组2进行并联，具体地说，铅酸电池组1与锰酸锂电池组2的混合比例可在1：99～99：1较大范围内选择，优选的混合比例为30：70～70：30（比如用于电动自行车上的混合电池系统最佳容量比为1：1）。

在一个优选实施例中，当铅酸电池组1容量：锰酸锂电池组2容量＝1：1时，混合电池系统的两个并联支路放电时的电流分配情况如图4所示。从图4可知，因锰酸锂电池组2放电平台及电压较铅酸电池组1高，本实用新型的混合电池系统在较低倍率放电时，在放电前期以锰酸锂电池组2输入能量，即锰酸锂电池组回路优先提供能量。在放电后期则以铅酸电池组1放电为主。放电过程中的电流分配是自动调节的，不需要任何电子电路进行控制。尤其是以较大功率放电时，在放电前期，锰酸锂电池组支路A提供的电流较铅酸电池组支路B更多，因而避免了铅酸电池组1进行大电流放电，保护了铅酸电池组1，延长了其寿命。该混合电池系统在整个放电过程中，铅酸电池组1和锰酸锂电池组2两个支路的电流是根据各自支路所提供能量的能力自动调节的，两个支路的电压始终是相同的，对外输出的电压也是相同的。

本实用新型的又一要点在于：因锰酸锂电池的高温性能(尤其是高温搁置性能)及耐过充/过放能力相对其它高性能动力锂离子电池会差些，在本实用新型中，通过掺入一种或两种混合的磷酸铁锂材料和三元材料来提高锰酸锂电池的上述性能，其电池的主要制作方法不同点是在锰酸锂电池正极混料时，在正极活性成分中掺杂入一种或两种混合的且占总质量5%-70%质量分数的磷酸铁锂材料和三元材料，由于磷酸铁锂正极材料具有特殊且非常稳定的橄榄石结构而具有其它传统锂离子电池没有的高安全性及比三元材料略胜一筹的耐过充/过放能力，因此，在锰酸锂电池中混入一定量的磷酸铁锂或三元材料，是弥补现有锰酸锂电池缺陷，大大提高现有锰酸锂电池总体性能的一类好方法。同时还可以通过掺入磷酸铁锂材料或三元材料的量来调控锰酸锂电池组2的放电平台，尽量实现锰酸锂电池组2优先放电，铅酸电池组1后期再放电，保护铅酸电池组1，延长铅酸电池组1的循环寿命。另外，锰酸锂电池组2的保护板应还具有防止浮充的功能，充满电后就能自动断开不再充电，这样就能防止锰酸锂电池组2长时间浮充而影响其性能，尽量保证锰酸锂电池组2循环寿命不受其充电方式不同而急剧缩短的现象产生。

本实用新型的要点还在于，并联后的混合电池系统可自动调节两种电池组支路的充电电流，使两个支路电池组电压始终相同，且优先主要对铅酸电池组1充电。

具有不同单体数的铅酸电池组1与锰酸锂电池组2组合后的充电电压实施例如图14。由表6图14可见，铅酸电池组1和锰酸锂电池组2充电电压基本一样，可以使用相同的充电电压进行充电。该混合电池系统以恒压充电，但限制充电电流的方式进行。其充电电压可以采用图14中的充电电压，充电电流则限制在混合电池系统容量的0.3倍以下，充电截止方式可根据末期电流确定，当末期充电电流处于混合电池系统容量的0.05～0.2倍时可以终止充电。如铅酸电池组1以不饱和荷电进行循环使用时，易于形成硫酸盐化，电池容量和寿命衰减会加快，因此在使用时应尽量保证铅酸电池组1每次放完电后再充足电。而锰酸锂电池组2对于荷电状态不敏感，以不饱和荷电进行循环使用并不会影响其寿命。所以本实用新型的混合电池系统在使用中，始终优先保证铅酸电池组1充足电，因而保护了铅酸电池组1，并将明显延长铅酸电池组1的使用寿命。

如图5所示，充电时，因为铅酸电池组1的内阻较小，且充电平台电压较锰酸锂电池组2低，开始充电时，充电电流主要集中在铅酸电池组支路B。随着铅酸电池组1电压的提高，铅酸电池组1电压逐渐靠近锰酸锂电池组2充电电压平台，这个过程中锰酸锂电池组支路A充电电流逐渐增加，铅酸电池组支路B充电电流逐渐减小。整个过程是根据两个支路电池组充电接受能力自动调节充电电流，始终使两个支路的充电电压和电池电压保持一致。

至于完成了铅酸电池组1和锰酸锂电池组2的并联，形成了混合电池系统。这两支路电池在搁置时，为了防止其长时间相互充电所应用到的电子控制电路基本原理较为简单。其控制原理就是把总电路上有无电流通过转换成能让继电器识别的信号，使MOS管根据上述信号的变化成为全自动开关，不过，电子控制电路所需的相应电子元件精度及灵敏要非常高，其电子控制电路简单示意图如图2所示。值得说明的是具有此功能的电子控制电路与具有防过充功能的锂电保护板都可以集中在一块电路板上完成，而且此种具有额外功能的混合电池系统保护板比单独的锂电保护板只略微增加了一点成本。

本实用新型的重要贡献在于，它有效解决了现有技术中通过控制电路监控电池的电压和电流的问题。本实用新型充分利用铅酸电池组1和锰酸锂电池组2各自的特点，使得在不需要附加其它电子电路的情况下，通过该混合电池系统的自身自动调节各支路放电电流，使两个支路电池电压始终相同，且锰酸锂电池组2回路优先提供高功率放电能力，避免了铅酸电池组01大电流放电对其的损伤，延长了其寿命。本实用新型还可自动调节各支路充电电流，使两个支路电池电压始终相同，并优先保证了易于损伤的铅酸电池组1始终处于满荷电循环状态，延长了其寿命。本实用新型使得两种电池组的优势互补，实现了对其中一支路电池组的优点的充分利用，同时避免了另一支路电池组的缺陷。本实用新型还具有结构简单，易于实施，成本低等特点。

Claims (7)

1.一种具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

包括至少一个铅酸电池单体（11），以及至少一个锰酸锂电池单体（21）；所述铅酸电池单体串联而成铅酸电池组支路（1），所述锰酸锂电池单体串联而成锰酸锂电池组支路（2），所述铅酸电池组支路（1）的开路电压V_P小于锰酸锂电池组支路（2）的开路电压V_M，并且满足0.10≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.2；所述铅酸电池组支路（1）与锰酸锂电池组支路（2）并联电连接。

2.根据权利要求1所述的具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

所述铅酸电池组支路（1）的开路电压V_P和锰酸锂电池组支路（2）的开路电压V_M，满足0.104≤（V_M－V_P）/ V_M≤0.117。

3.根据1权利要求所述的具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

所有铅酸电池单体（11）的电容量总和与所有锰酸锂电池单体（21）的电容量总和的比例关系在1：99～99：1的范围内；

优选所有铅酸电池单体（11）的电容量总和与所有锰酸锂电池单体（21）的电容量总和的比例关系在30：70～70：30的范围内。

4.根据权利要求1所述的具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

还包括受控的支路开关器件（3）；所述铅酸电池组支路（1）与支路开关器件（3）串联后再与所述锰酸锂电池组支路（2）并联电连接；

当所述混合电池电源系统处于不充电或不放电状态时，所述支路开关器件（3）断开，从而使铅酸电池组支路（1）与锰酸锂电池组支路（2）不能并联；当所述当所述混合电池电源系统处于充电或放电状态时，所述支路开关器件（3）闭合，从而使铅酸电池组支路（1）与锰酸锂电池组支路（2）不能并联电连接。

5.根据权利要求4所述的具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

还包括其控制端口与所述支路开关器件（3）电连接的控制芯片（41），以及电流信号采集单元（42）；所述控制芯片（41）的借助电源输入端口并联电连接所述锰酸锂电池组支路（2）；所述电流信号采集单元（42）串联在所述混合电池电源系统的输出支路上；

所述电流信号采集单元（42）采集混合电池电源系统输入输出支路的电流信号信息并发送给控制芯片（41），当控制芯片（41）判断混合电池电源系统输入输出支路没有电流，就控制支路开关器件（3）断开；当控制芯片（41）判断混合电池电源系统输入输出支路有电流，就控制支路开关器件（3）闭合。

6.根据权利要求4或者5所述的具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

所述支路开关器件（3）是金属－氧化层－半导体－场效应管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。

7.根据权利要求1所述的具备自调节能力的混合电池电源系统，其特征在于：

还包括与锰酸锂电池组（2）串联电连接的锂电池支路保护板（5），用于防止锰酸锂电池组（2）过充电。

Images