一種組合式超級電池及其供電方法
【專利摘要】本發明涉及一種組合式超級電池及其供電方法，本發明將用電設備分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元僅由組合式超級電池中的功率單元供電，非功率型用電單元由組合式超級電池中的能量單元供電，實現能量供給側和能量需求側的匹配和平衡。本發明通過僅采用功率單元為功率型用電單元供電，解決了目前采用能量單元為功率型用電單元供電導致能量單元“超量配置”，并且對能量單元電流沖擊大，造成能量單元壽命降低等問題，防止因能量單元過度放電導致功率型用電單元不能啟動的情況，同時利用功率單元擔瞬態大功率作業任務，能夠提高功率型用電單元的工作性能，并提高供電系統的電壓穩定性。
【專利說明】
一種組合式超級電池及其供電方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種組合式超級電池及其供電方法，屬于電路系統應用技術領域。
【背景技術】
[0002]對于功率型用電單元而言，目前采用容量較大的鉛酸蓄電池作為能量單元為其供電，而功率型用電單元啟動時需要瞬態大電流，為滿足功率型用電單元啟動所需的瞬態大功率，不得不“超量配置”鉛酸電池，使電池又大又笨重，既浪費資源又不經濟。同時由于功率型用電單元啟動電流較大，對鉛酸蓄電池的電流沖擊較大，造成正極板活性物質脫落，使得鉛酸電池組容量下降較快，使用壽命較短(一般為2?3年)，更換較為頻繁，增加用戶設備維護工作量和使用成本。并且鉛酸蓄電池主要含硫酸和重金屬鉛，對生態環境污染很大，又帶來極高的廢舊電池回收、處置等社會成本和環境污染的風險。
[0003]以內燃機車輛為例，蓄電池作為能量單元是內燃機車輛必不可少的電源之一，在車輛內燃發動機啟動時向啟動電機供電；發動機不工作或發動機在不高的轉速下工作時，蓄電池向非功率型用電單元供電；在非功率型用電單元功率超過發電裝置功率時，蓄電池同發電機聯合向非功率型用電單元供電。如圖1所示，內燃機車輛的供電系統包括啟動電機
1、啟動開關2、蓄電池9、車載耗電裝置4、車載發電機5和電壓調節器6，蓄電池9通過啟動開關2與啟動電機I連接，蓄電池9與車載耗電裝置4和車載發電機5并聯，當內燃機啟動時，啟動開關2閉合，由蓄電池9為啟動電機供電，在內燃機啟動后，啟動開關2斷開，蓄電池向車載耗電裝置供電。蓄電池既要承擔啟動電機的啟動任務，又要為耗電裝置供電，兩類用電負載的不同用電特性對蓄電池性能要求差異很大:啟動電機作為功率型用電單元要求蓄電池放電倍率性能優異，而其它負載作為非功率型用電單元則要求蓄電池具備一定容量即可、倍率性能要求不高。這種情況導致蓄電池為滿足發動機冷啟動所需的瞬態大功率，不得不“超量配置”，使電池又大又笨重，不僅浪費資源，而且也不經濟。當蓄電池承擔啟動電機功率型用電單元任務時，需要經受啟動電機大電流的沖擊，對蓄電池造成損害，影響蓄電池的使用壽命，且蓄電池使用過程中，由于使用人員或維護人員無法準確確認蓄電池使用狀態，通常以車輛隔夜后啟動是否順暢的狀況作為判定蓄電池壽命是否終結的標準，而不是以蓄電池無法蓄電或無法正常供應非功率型用電單元用電作為蓄電池報廢標準，造成蓄電池被“過早判廢”。
[0004]為此，有人提出在蓄電池兩端并聯超級電容的方式來共同為啟動電機供電，雖然這種方案在一定程度上延長了蓄電池的使用壽命，但是蓄電池還是要承擔功率型用電單元的啟動任務，并沒有從根本上解決蓄電池為功率型用電單元供電導致對蓄電池電流沖擊大，造成蓄電池壽命降低等問題;而且由于蓄電池與功率型用電單元電壓“箝位”問題，這種改進對內燃機啟動問題的改善也很有限。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種組合式超級電池及其供電方法，以解決目前采用能量單元為功率型用電單元供電導致能量單元“超量配置”，并且對能量單元電流沖擊大，造成能量單元壽命降低等問題。
[0006]本發明為解決上述技術問題而提供一種組合式超級電池，該組合式超級電池包括瞬態動力功率補償器以及與瞬態動力功率補償器并聯的能量單元，所述瞬態動力功率補償器包括由功率單元和隔離單元串接而成的主補償電路，該主補償電路的兩端并接能量單元，所述功率單元用于為功率型用電單元供電，所述隔離單元用于在功率單元為功率型用電單元供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件，所述的能量單元為儲能器件。
[0007]所述功率單元的負極用于與能量單元的負極共地連接。
[0008]所述的功率單元為超級電容器單體、由超級電容器單體串并聯組成的模塊或者電容器陣列。
[0009]所述的隔離單元包括控制電路，所述的控制電路包括控制接口和第一檢測接口，所述第一檢測接口用于檢測功率型用電單元是否啟動，所述控制接口用于在第一檢測接口檢測到功率型用電單元啟動時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接。
[0010]所述的控制電路還包括用于檢測能量模塊是否放電的第二檢測接口，所述隔離單元用于在檢測到能量單元放電時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接。
[0011 ] 所述的能量單元為鉛酸電池、鎳氫電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池或鈦酸鋰電池。
[0012]本發明還提供了一種組合式超級電池的供電方法，該方法將用電設備根據功率特性進行區分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元由功率單元供電，非功率型用電單元由能量單元供電，功率單元和能量單元之間通過隔離單元進行電氣隔離，在功率單元為功率型用電單元供電時，由隔離單元斷開功率單元與能量單元的連接，由功率單元單獨為功率型用電單元供電，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件，所述的能量單元為儲能器件。
[0013]所述的功率單元和隔離單元串接構成主補償電路，該主補償電路的兩端與能量單元并接。
[0014]所述非功率型用電單元僅由能量單元供電，當能量單元放電時，隔離單元斷開功率單元與能量單元的電氣連接，防止功率單元向能量單元放電。
[0015]所述的功率單元為超級電容器單體、由超級電容器單體通過串并聯組成的模塊或者電容器陣列。
[0016]本發明的有益效果是:本發明組合式超級電池包括并聯的瞬態動力功率補償器和能量單元，瞬態動力功率補償器包括串接的功率單元和隔離單元，其中功率單元用于連接功率型用電單元，隔離單元用于在功率單元為功率型用電單元供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，能量單元為高能量密度、低功率密度的儲能器件，功率單元為能夠高倍率放電的儲能器件。本發明通過僅采用功率單元為功率型用電單元供電，解決了目前采用能量單元為功率型用電單元供電導致能量單元“超量配置”，并且對能量單元電流沖擊大，造成能量單元壽命降低的問題，防止因能量單元過度放電導致功率型用電單元不能啟動的情況，同時利用功率單元承擔瞬態大功率作業任務，能夠提高功率型用電單元的工作性能。
[0017]本發明將用電設備分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元僅由組合式超級電池中的功率單元供電，非功率型用電單元由組合式超級電池中的能量單元供電，以實現能量供給側和能量需求側的匹配和平衡。由于能量單元不再承擔功率型用電單元的啟動任務，能量單元容量可顯著減小，且倍率性能要求不高，所選用的能量單元可以減小體積和重量，在選型配置上實現瘦身，從而節約資源，并減少環境污染及后期處置成本。
[0018]本發明組合式超級電池的隔離單元控制電路還包括用于檢測能量模塊是否放電的第二檢測接口，隔離單元用于在檢測到能量單元放電時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接，防止功率單元向能量單元放電，對功率單元有一定的保護作用。
【附圖說明】
[0019]圖1是現有內燃機車輛電氣系統的結構示意圖；
[0020]圖2-a是組合式超級電池的結構示意圖；
[0021]圖2-b是組合式超級電池的結構示意圖；
[0022]圖3是本發明實施例中組合式超級電池中隔離單元的結構示意圖；
[0023]圖4是應用本發明組合式超級電池的內燃機車輛電氣統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步的說明。
[0025]本發明將用電設備分為功率型用電單元和非功率型用電單元，在同一電氣系統中，功率型用電單元與非功率型用電單元是相對的概念，功率型用電單元具備持續用電時間短(小于10秒)、大功率(額定電流一般在幾十安培以上)的用電特征，如內燃機啟動電機等；非功率型用電單元具備持續用電時間可長可短、小功率(額定電流一般在幾十安培以下)的用電特征，如車載各種燈類、點煙器、空調、喇叭、雨刮、車窗升降、電子儀表盤等。功率型用電單元僅由功率單元供電，非功率型用電單元由能量單元供電，以實現能量供給側和能量需求側的匹配和平衡，電氣系統得到優化，延長供電單元壽命，提高系統性能，減少資源浪費和系統維護工作量，并通過輕量化和更高效率的功率單元的采用，實現節能減排。
[0026]本發明的組合式超級電池的實施例
[0027]本發明組合式超級電池包括由功率單元8和隔離單元7串接而成主補償電路，主補償電路的兩端并接有能量單元9，如圖2-a所示，功率單元8用于為功率型用電單元供電，隔離單元7用于在功率單元為功率型用電單元供電時，斷開功率單元8與能量單元9的電流通路，主補償電路中功率單元的負極與能量單元的負極共地連接。
[0028]功率單元為高倍率放電的儲能器件，這里高倍率放電的儲能器件是相對于能量單元而言的，能量單元為高能量密度、低功率密度的能量型儲能器件，如鉛酸電池、鎳氫電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池或鈦酸鋰電池等，能夠持續放電；而功率單元是針對功率型用電單元，能夠提供瞬態大電流。因此功率單元可以是超級電容器單體、由超級電容器單體串并聯組成的模塊或者電容器陣列，如圖2-a所示。也可以是具備高倍率放電特性的蓄電池，比如鋰離子電池(磷酸鐵鋰系、三元系、錳酸鋰系、鈦酸鋰系等)、卷繞式高倍率鉛酸電池，如圖2-b所示。
[0029]隔離單元具有控制功能，能夠根據功率型用電單元是否啟動實現能量單元與功率單元的隔離。本發明的隔離單元為開關管、接觸器或繼電器，包括有控制電路，控制電路上設置有控制接口和第一檢測接口，第一檢測接口用于檢測功率型用電單元是否啟動，控制接口用于控制隔離單元是否斷開功率單元與能量單元之間的電流通路，當第一檢測接口檢測到功率型用電單元啟動時，隔離功率單元與能量單元的電氣連接。為了防止在能量單元放電時，功率單元和能量單元一起放電，對功率單元造成不利的影響，本發明的控制電路還設置有用于檢測能量單元是否放電的第二檢測接口，當第二檢測接口檢測到能量單元放電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，避免功率單元與能量單元一起放電。本發明所采用的隔離單元還可采用手動開關的實現方式，通過手動開關實現功率單元和能量單元的隔離。
[0030]此外，根據需要，該組合是超級電池還包括外圍電路，該外圍電路包括與功率單元連接的檢測電路、保護及均衡電路和管理及顯示模塊，如圖3所示，通過檢測電路實時檢測功率單元的電量，通過保護及均衡電路實現功率單元的均衡保護、充電保護、放電保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、過溫保護和短路保護功能等，通過管理及顯示模塊實現對功率單元的管理和參數顯示。檢測電路、保護及均衡電路和管理及顯示模塊可根據需要實現的功能進行設計，各功能電路的實現對本領域的技術人員而言屬于常規技術手段，這里不再給出具體的電路說明。
[0031]本發明的組合式超級電池根據所應用到的電氣系統不同，可采用一體式設計，也可采用分體式設計。采用一體式設計時，隔離單元、功率單元和能量單元集成到一起，采用分體式設計時，將能量單元與隔離單元和功率單元分開設置。
[0032]本發明組合式超級電池的使用方法的實施例
[0033]本發明的組合式超級電池的使用方法將用電設備分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元僅由組合式超級電池中的功率單元供電，非功率型用電單元由組合式超級電池中的能量單元供電，當功率型用電單元需要供電時，隔離單元斷開功率單元與能量單元的電氣連接，只采用功率單元為功率型用電單元供電；非功率型用電單元僅由組合式超級電池中的能量單元供電，當能量單元放電時，隔離單元斷開功率單元與能量單元的電氣連接，防止功率單元向能量單元放電，從而實現能量供給側和能量需求側的匹配和平衡。
[0034]本發明的組合式超級電池用應用到內燃機搭載裝置(比如車輛、艦船、飛機、機車、內燃機發電機等)的電氣系統中，使用時，將組合式超級電池中的功率單元連接到內燃機的啟動電機上，能量單元并聯到車輛發電機和耗電裝置兩端，隔離單元中控制電路的第一檢測接口連接到啟動電機的啟動回路中，控制電路的第二檢測接口連接到能量單元的放電回路中。
[0035]下面將本發明的組合式超級電池應用到內燃機車輛電氣系統中，如圖4所示，該內燃機車輛電氣系統包括啟動電機1、啟動開關2、組合式超級電池3、車載耗電裝置4、車載發電機5和電壓調節器6，該電氣系統中，啟動電機I為功率型用電單元，車載耗電裝置4為非功率型用電單元，組合式超級電池3的功率單元通過啟動開關2與啟動電機I連接，用于為啟動電機I提供電能，組合式超級電池3的能量單元與車載耗電裝置4和車載發電機5并聯，電壓調節器6用于對發電機的輸出電壓進行調節，實現發電機電壓的穩定輸出。隔離單元7用于保證電機啟動時組合式超級電池3的功率單元與蓄電池9斷開，組合式超級電池3的功率單元只能夠向啟動電機I供電，而不能向車載耗電裝置4以及組合式超級電池3的能量單元供電；隔離單元7保證電機啟動完成后組合式超級電池3的功率單元和能量單元導通;隔離單元7保證車輛熄火后組合式超級電池3的功率單元和能量單元斷開;從而使功率單元、能量單元根據其特性各司其職，分別滿足不同的負載特性需求，充分發揮其優勢。
[0036]該內燃機車輛電氣系統的工作過程如下:內燃機啟動時，閉合啟動開關2，隔離單元7斷開，使功率單元8與蓄電池9斷開，由功率單元8向啟動電機I放電；啟動完成后，啟動開關2斷開，隔離單元7導通，功率單元8與蓄電池9連接，車載發電機5開始向車載用電裝置4供電，并且通過隔離單元給蓄電池9和功率單元8充電。當車載發電機5停止工作時，隔離單元7斷開，使功率單元8與蓄電池9斷開，若車載用電裝置4繼續工作，則此時所需電能完全由蓄電池9提供，隔離單元7阻止功率單元8放電，從而保證了功率單元8能夠進行后續的啟動。
[0037]從上述的應用實例中可以看出，本發明的組合式超級電池利用其功率單元為功率型用電單元提供啟動電能，使能量單元不再承擔瞬態大功率作業任務，能量單元只負責小功率負載的持續供能，避免了能量單元受大電流沖擊，提高了能量單元的使用壽命，同時，在選型配置上可以“瘦身”，實現小型化、輕量化。此外，功率單元僅用于為啟動電機供電，當能量單元為耗電裝置供電時，隔離單元斷開功率單元與能量單元之間的電流的通路，避免功率單元向能量單元放電，對功率單元有一定的保護作用。同時依靠本發明組合式超級電池的瞬態動力功率補償器進行啟動，發動機啟動性更好，尤其是低溫啟動性更好，能量單元不會出現瞬時較大電壓降的情況，保證供電系統能夠穩定輸出，減少用電負載因電能質量不穩造成的損壞。
【主權項】
1.一種組合式超級電池，其特征在于，該組合式超級電池包括瞬態動力功率補償器以及與瞬態動力功率補償器并聯的能量單元，所述瞬態動力功率補償器包括由功率單元和隔離單元串接而成的主補償電路，該主補償電路的兩端并接能量單元，所述功率單元用于為功率型用電單元供電，所述隔離單元用于在功率單元為功率型用電單元供電時，斷開功率單元與能量單元的電流通路，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件，所述的能量單元為儲能器件。2.根據權利要求1所述的組合式超級電池，其特征在于，所述功率單元的負極用于與能量單元的負極共地連接。3.根據權利要求1或2所述的組合式超級電池，其特征在于，所述的功率單元為超級電容器單體、由超級電容器單體串并聯組成的模塊或者電容器陣列。4.根據權利要求1所述的組合式超級電池，其特征在于，所述的隔離單元包括控制電路，所述的控制電路包括控制接口和第一檢測接口，所述第一檢測接口用于檢測功率型用電單元是否啟動，所述控制接口用于在第一檢測接口檢測到功率型用電單元啟動時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接。5.根據權利要求4所述的組合式超級電池，其特征在于，所述的控制電路還包括用于檢測能量模塊是否放電的第二檢測接口，所述隔離單元用于在檢測到能量單元放電時，斷開功率單元與能量單元的電氣連接。6.根據權利要求1所述的組合式超級電池，其特征在于，所述的能量單元為鉛酸電池、鎳氫電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元電池或鈦酸鋰電池。7.—種組合式超級電池的供電方法，其特征在于，該方法將用電設備根據功率特性進行區分，分為功率型用電單元和非功率型用電單元，功率型用電單元由功率單元供電，非功率型用電單元由能量單元供電，功率單元和能量單元之間通過隔離單元進行電氣隔離，在功率單元為功率型用電單元供電時，由隔離單元斷開功率單元與能量單元的連接，由功率單元單獨為功率型用電單元供電，所述的功率單元為高倍率放電的儲能器件，所述的能量單元為儲能器件。8.根據權利要求7所述的組合式超級電池的供電方法，其特征在于，所述的功率單元和隔離單元串接構成主補償電路，該主補償電路的兩端與能量單元并接。9.根據權利要求7所述的組合式超級電池的供電方法，其特征在于，所述非功率型用電單元僅由能量單元供電，當能量單元放電時，隔離單元斷開功率單元與能量單元的電氣連接，防止功率單元向能量單元放電。10.根據權利要求7所述的組合式超級電池的供電方法，其特征在于，所述的功率單元為超級電容器單體、由超級電容器單體通過串并聯組成的模塊或者電容器陣列。
【文檔編號】H02J7/34GK105914860SQ201610240485
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】莊淑君, 梁亞麗, 路永廣, 孫藝嘉, 楊勝杰
【申請人】洛陽尹太科智能科技有限公司