CN109066852B - 高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***及方法，***包括蓄电池组。蓄电池组包括若干蓄电池单元。每个蓄电池单元配设一双向转换开关。***控制器通过控制双向转换开关的充放电切换状态来实现蓄电池单元充放电状态的改变。***控制器借由向各双向转换开关发出循环移位充电信号来实现对蓄电池单元逐次轮流充电，每次对至少一蓄电池单元进行充电而不充电的各蓄电池单元向负载放电以及向电位提升器供电并与电位提升器串联连接来向蓄电池组输出高于蓄电池单元端电压的充电电压。本发明在不增加电池容量的条件下，明显提升了蓄电池的放电能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***及基于该***实现的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，属于动力蓄电池性能提升技术领域。
背景技术
在许多需要电池提供高倍率放电输出的领域，如无人机和电动汽车等，现有的锂电池，即便应用了具有较高能量密度的聚合物电池，其放电能力(容量) 和比能量密度水平还是无法达到实际使用的要求，甚至是相差甚远，这导致了电池放电时间过短，极大局限了在要求较高的领域中的应用。由此可见，动力电池放电性能差这一缺陷已成为许多产业技术发展中的严重障碍，亟待进一步地优化与提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***及基于该***实现的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，其在不影响蓄电池组持续对外放电的基础上，针对蓄电池在大电流连续放电过程中存在的弱点和弊端，利用放电能量同时对蓄电池组中的蓄电池单元逐次轮流充电，在不增加电池容量的条件下，明显提升了蓄电池的放电能力。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***，其特征在于：它包括蓄电池组、***控制器、电位提升器和双向转换开关，其中：蓄电池组包括若干蓄电池单元；每个蓄电池单元配设一双向转换开关；***控制器通过控制双向转换开关的充放电切换状态来实现蓄电池单元充放电状态的改变；***控制器借由向各双向转换开关发出循环移位充电信号来实现对蓄电池单元逐次轮流充电，每次对至少一蓄电池单元进行充电而不充电的各蓄电池单元向负载放电以及向电位提升器供电并与电位提升器串联连接来向蓄电池组输出高于蓄电池单元端电压的充电电压，其中，充电的各蓄电池单元通过双向转换开关并联后接收充电电压进行充电，放电的各蓄电池单元通过双向转换开关并联后从放电输出接口向负载放电的同时，向电位提升器供电。
一种基于所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***实现的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，其特征在于，它包括步骤：
所述***控制器对各所述双向转换开关的充放电切换状态进行控制，使处于放电状态的各所述蓄电池单元与所述电位提升器串接输出充电电压来对所述蓄电池组中的蓄电池单元逐次轮流充电，在每次充电时：
所述***控制器向至少一所述双向转换开关发出充电指令以及向其它所述双向转换开关发出放电指令，接收到充电指令的所述双向转换开关切换至充电模式，来使切换至充电模式的所述双向转换开关所连接的所述蓄电池单元接收所述电位提升器输出的充电电压进行充电，同时接收到放电指令的所述双向转换开关切换至放电模式，来使切换至放电模式的所述双向转换开关所连接的所述蓄电池单元向负载放电的同时，向所述电位提升器供电并与所述电位提升器串联连接来输出充电电压。
本发明的优点是：
本发明彻底改变了有史以来蓄电池一直沿用的充、放电和放、充电的使用模式，在不影响蓄电池组持续对外放电的基础上，对蓄电池组中的蓄电池单元逐次轮流充电，实现了提升蓄电池放电能力的功效，用较小的充电功率有效抑制了蓄电池在持续大电流放电时其内部产生的不良效应，大大改善了蓄电池在充放电过程中电化学反应的环境和工作条件，做到了对蓄电池放电潜能的深度挖掘，使蓄电池在放电的同时其电能得到了在线的恢复和补充，实现了延长并不间断地向外部负载放电的效果，明显提升了蓄电池的放电能力、等效容量和比能量密度。
附图说明
图1是本发明高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***的一较佳实施例示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***包括蓄电池组10、***控制器40、电位提升器20和双向转换开关50，其中：蓄电池组 10包括若干蓄电池单元，如图1示出了蓄电池单元B1至Bn(n为大于等于1 的正整数)，每个蓄电池单元配设一双向转换开关50；***控制器40通过控制双向转换开关50的充放电切换状态来实现蓄电池单元充放电状态的改变；***控制器40借由向各双向转换开关50发出循环移位充电信号来实现对蓄电池单元逐次轮流充电，每次对至少一蓄电池单元进行充电而不充电的各蓄电池单元向外部负载(图中未示出)放电以及向电位提升器20供电并与电位提升器20串联连接来向蓄电池组10输出高于蓄电池单元端电压的充电电压(可视为电位提升器20对蓄电池组10进行了电位提升处理)，即处于充电状态的蓄电池单元所接收的充电电压为处于放电状态的蓄电池单元的端电压与电位提升器20自身内部变换后得到的电压之和，其中，充电的各蓄电池单元通过双向转换开关50并联后接收充电电压进行充电，放电的各蓄电池单元通过双向转换开关50并联后从放电输出接口70向负载放电的同时，向电位提升器20 供电。
在本发明中，蓄电池组10的各蓄电池单元的电池容量相等。蓄电池单元由一个蓄电池构成或由多个容量相同的蓄电池串联构成。
如图，各蓄电池单元的负极接地，各蓄电池单元的正极互相独立而分别与相应一双向转换开关50的电池连接端连接。各双向转换开关50的放电端分三路，第一路直接与放电输出接口70连接，放电输出接口70用于连接负载，第二路与电位提升器20的输入侧正极连接，电位提升器20的输入侧负极接地，第三路与电位提升器20的输出侧负极连接，电位提升器20的输出侧正极与各双向转换开关50的充电端连接，各双向转换开关50的充放电控制端分别与***控制器40的相应充放电控制信号输出端(***控制器40的充放电控制信号输出端如图1示出的端口P1至Pn)连接。
在本发明中，***控制器40包括微处理器41或等同于微处理器功能、由数字化电路构成的控制单元，不受局限。
在本发明中，电位提升器20为隔离式电压可调DC-DC转换器、隔离式电压可调电源变换器或电池组等已有成熟电子部件。隔离式电压可调DC-DC转换器为本领域的熟知器件，其为一种输入侧与输出侧相隔离、采用脉宽调制方式调节输出电压大小的DC-DC变换器，优选降压式DC-DC变换器。
在实际设计中，如要求双向转换开关50的电压降很低，甚至为零时，如图1，双向转换开关50可包括继电器，继电器包括转换触点J-1和线圈J，其中：转换触点J-1的常开触点(脚1、2构成)作为充电开关而常闭触点(脚1、 3构成)作为放电开关，线圈J一端接电源(放电的蓄电池单元可为线圈J提供电能)而另一端通过驱动电路与***控制器40的相应充放电控制信号输出端连接。如图1，驱动电路包括三极管Q和阻容元件。
在实际实施时，当允许双向转换开关50上存有一定电压降，并要求双向转换开关50具有较高的可靠性和较长的寿命时，则可采用有源开关器件，如双极晶体管、场效应管或IGBT管等。
参考图1来理解，双向转换开关50也可包括充电开关和放电开关，其中：充电开关的一端连接电位提升器20的输出侧正极；充电开关的另一端分两路，一路与相应一蓄电池单元的正极连接，另一路与放电开关的一端连接；放电开关的另一端分两路，一路与放电输出接口70连接，另一路与电位提升器20的输入侧正极连接；充电开关、放电开关的开关控制端分别经由充电驱动电路、放电驱动电路与***控制器40的相应同一充放电控制信号输出端连接，充电驱动电路与放电驱动电路之间仅相差一反相器，反相器用于使充电开关与放电开关之间以反相状态交替导通、关断，即当充电开关导通时，同一路中的放电开关在同一时刻关断，而当放电开关导通时，同一路中的充电开关在同一时刻关断。
进一步来说，充电开关可包括充电开关晶体管，放电开关可包括放电开关晶体管，其中：充电开关晶体管与放电开关晶体管之间以半桥形式连接，当采用场效应晶体管时，充电开关晶体管的漏极作为双向转换开关50的充电端而源极与放电开关晶体管的漏极连接，放电开关晶体管的源极作为双向转换开关 50的放电端，充电开关晶体管与放电开关晶体管的公共连接端与相应一蓄电池单元的正极连接，充电开关晶体管、放电开关晶体管的栅极分别经由充电驱动电路、放电驱动电路与***控制器40连接，充电驱动电路、放电驱动电路包括三极管和阻容元件。
进一步来说，充电开关晶体管、放电开关晶体管可为双极性晶体管、场效应晶体管或IGBT晶体管(即绝缘栅双极型晶体管)等有源开关器件，不受局限。
当然，双向转换开关50还可设计为其它构成形式，不受局限。
如图1，本发明高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***还包括过程参数检测电路30，其中：过程参数检测电路30包括连接在电位提升器20的输出侧正极与各双向转换开关50的充电端之间、用来检测充电电流的充电电流传感器31，以及连接在各双向转换开关50的放电端与放电输出接口70之间、用来检测放电电流的放电电流传感器32，充电电流传感器31的检测信号输出端经由第一放大电路33与***控制器40的相应A/D转换信号端连接，放电电流传感器32的检测信号输出端经由第二放大电路34与***控制器40的相应A/D转换信号端连接。
蓄电池组10的正极，实际实施时可设计为各双向转换开关50的放电端与***控制器40的相应A/D转换信号端连接，电位提升器20的启停控制端、充电电压调节控制端、电压时序控制端分别与***控制器40的相应控制信号输出端连接。
在实际设计中，第一放大电路33包括运放器U1，第二放大电路34包括运放器U2。充电电流传感器31、放电电流传感器32为电流传感器，第一放大电路33、第二放大电路34为普通的运放电路，它们为本领域的熟知器件或电路，故不在这里详述。
在实际实施中，当本发明***对充电参数控制要求不高时，也可省去放电电流传感器32以及第二放大电路34。
在本发明中，各双向转换开关50的放电端还与稳压器60连接，来实现处于放电状态的各蓄电池单元经由稳压器60向***控制器40、过程参数检测电路30供电，如图1，供电电压为Ve。
基于本发明高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***，本发明还提出了一种高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，它包括步骤：
***控制器40对各双向转换开关50的充放电切换状态进行控制，使处于放电状态的各蓄电池单元与电位提升器20串接输出充电电压来对蓄电池组10 中的蓄电池单元逐次轮流充电，在每次充电时：
***控制器40向至少一双向转换开关50发出充电指令以及向其它双向转换开关50发出放电指令，接收到充电指令的双向转换开关50切换至充电模式，来使切换至充电模式的双向转换开关50所连接的蓄电池单元接收电位提升器 20的输出侧正极输出的充电电压进行充电，同时接收到放电指令的双向转换开关50切换至放电模式，来使切换至放电模式的双向转换开关50所连接的蓄电池单元向负载放电的同时，向电位提升器20供电并与电位提升器20串联连接来输出充电电压。
在本发明中，充电电压为蓄电池组10的端电压与电位提升器20自身内部变换后电压之和，例如，蓄电池组10的端电压为12V，电位提升器20对接收的蓄电池组10的12V电压进行变换后得到电压2V，于是，电位提升器20的输出侧正极最终对外输出的充电电压为12V+2V，即14V。
在实际实施时，如图1，以对蓄电池单元B1进行充电为例进行说明。***控制器40向对应一双向转换开关50发出充电指令，即发出高电位，于是，三极管Q导通，使得线圈J通电，于是转换触点J-1动作，常开触点闭合，此时电位提升器20的输出侧正极与蓄电池单元B1的正极接通，蓄电池单元B1 接收充电电压进行充电。与此同时，***控制器40向其它双向转换开关50发出放电指令，即发出低电位，三极管Q截止，线圈J不通电，转换触点J-1不动作，常闭触点保持闭合，于是，蓄电池单元B2至Bn与放电输出接口70导通而对外部负载放电，此时它们处于禁止充电状态，同时蓄电池单元B2至Bn 向电位提升器20供电。如图，电位提升器20基于接收的蓄电池组10端电压与自身转换的电压相结合，将最终提升后得到的充电电压向蓄电池单元B1输送，从而实现对蓄电池单元B1的充电。
针对设计有过程参数检测电路30的本发明高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***而言，本发明方法还包括步骤：
***控制器40基于蓄电池组10的端电压及其放电电流值，以及电位提升器20输出侧的充电电流值，对电位提升器20的启停进行控制，以及对电位提升器20自身变换得到的电压值进行调节来实现电位提升器20的输出侧正极所输出充电电压值的调节，以使蓄电池单元始终处于最佳的充电状态。
进一步来说：
当放电电流传感器32检测到蓄电池组10对外放电时，***控制器40向电位提升器20发出启动指令，于是电位提升器20开始运行。
当放电电流传感器32检测到蓄电池组10对外停止放电时，***控制器40 向电位提升器20发出停止指令，于是电位提升器20停止运行。
当检测到蓄电池组10的端电压降低时，***控制器40向电位提升器20 发出升高变换电压指令，此指令是指将电位提升器20自身变换得到的电压值升高，以使电位提升器20保持原始输出的充电电压，以满足充电需求。
当检测到电位提升器20输出的充电电压提高时，***控制器40向电位提升器12发出降低变换电压指令，此指令是指将电位提升器12自身变换得到的电压值降低，以避免被充电的蓄电池单元发生过充问题。
当检测到蓄电池组10的端电压低于设定的下限阈值时，***控制器40停止循环移位的逐次轮流充电，并向所有双向转换开关50发出放电指令，以使整个***以常规方式向负载放电。
如控制目标设定为充电电流值等于放电电流值/n，则：
当充电电流值大于放电电流值/n时，基于检测到的蓄电池组10的端电压，***控制器40向电位提升器20发出降低变换电压指令，电位提升器20自身变换得到的电压值视需要降低，使得电位提升器20的输出侧正极输出的充电电压降低，来达到充电电流值等于放电电流值/n的目标；
当充电电流值小于放电电流值/n时，基于检测到的蓄电池组10的端电压，***控制器40向电位提升器20发出升高变换电压指令，电位提升器20自身变换得到的电压值视需要升高，使得电位提升器20的输出侧正极输出的充电电压升高，来达到充电电流值等于放电电流值/n的目标。
在实际设计中，控制目标还可设定为充电电流值大于放电电流值/n，或者是充电电流值小于放电电流值/n，此可根据实际需求灵活设定，不受局限。
在实际设计中，***控制器40还可对电位提升器20的输出侧正极输出的电压进行时序控制，以在对蓄电池单元开始充电之前，保持设定时间的无电压输入状态，即保持设定时间的不充电且不放电状态，来使待充电的蓄电池单元自身进行电容量的恢复。
换句话说，***控制器40根据蓄电池电化学反应的特性对充电电压进行时序控制，从而实现对放电能力提升效果的最佳化。时序控制的控制参量依据各自不同类型的电池特性而设定。
在本发明中，每次被充电的蓄电池单元个数可为一个或多个，不受局限，可根据需要对适量的蓄电池单元进行同时充电。
本发明充分利用已有蓄电池，改造成本低，运行稳定性好，易于操作与控制，使用寿命长，整个装置重量轻，适于推广普及。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***，其特征在于：它包括蓄电池组、***控制器、电位提升器和双向转换开关，其中：蓄电池组包括蓄电池单元，蓄电池单元的数量大于2，蓄电池组的各蓄电池单元的电池容量相等；每个蓄电池单元配设一双向转换开关；***控制器通过控制双向转换开关的充放电切换状态来实现蓄电池单元充放电状态的改变；***控制器借由向各双向转换开关发出循环移位充电信号来实现对蓄电池单元逐次轮流充电，每次对一蓄电池单元进行充电而不充电的各蓄电池单元向负载放电以及向电位提升器供电并与电位提升器串联连接来向蓄电池组输出高于蓄电池单元端电压的充电电压，其中，充电的各蓄电池单元通过双向转换开关并联后接收充电电压进行充电，放电的各蓄电池单元通过双向转换开关并联后从放电输出接口向负载放电的同时，向电位提升器供电；各蓄电池单元的负极接地，各蓄电池单元的正极互相独立而分别与相应一双向转换开关的电池连接端连接；各双向转换开关的放电端分三路，第一路与放电输出接口连接，第二路与电位提升器的输入侧正极连接，第三路与电位提升器的输出侧负极连接，电位提升器的输出侧正极与各双向转换开关的充电端连接，各双向转换开关的充放电控制端分别与***控制器的相应充放电控制信号输出端连接；电位提升器为隔离式电压可调DC/DC转换器。
2.如权利要求1所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***，其特征在于：
所述双向转换开关包括充电开关和放电开关，其中：充电开关的一端连接所述电位提升器的输出侧正极；充电开关的另一端分两路，一路与相应一所述蓄电池单元的正极连接，另一路与放电开关的一端连接；放电开关的另一端分两路，一路与所述放电输出接口连接，另一路与所述电位提升器的输入侧正极连接；充电开关、放电开关的开关控制端分别经由充电驱动电路、放电驱动电路与所述***控制器的相应同一充放电控制信号输出端连接，充电驱动电路与放电驱动电路之间相差一反相器，反相器使充电开关与放电开关之间以反相状态交替导通、关断。
3.如权利要求2所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***，其特征在于：
所述双向转换开关包括继电器，其中：继电器包括转换触点和线圈；转换触点的常开触点作为所述充电开关而常闭触点作为所述放电开关，线圈一端接电源而另一端通过驱动电路与所述***控制器的相应充放电控制信号输出端连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***，其特征在于：
所述高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***包括过程参数检测电路，其中：过程参数检测电路包括连接在所述电位提升器与各所述双向转换开关之间、用来检测充电电流的充电电流传感器，以及连接在各所述双向转换开关与所述放电输出接口之间、用来检测放电电流的放电电流传感器，充电电流传感器的检测信号输出端经由第一放大电路与所述***控制器的相应A/D转换信号端连接，放电电流传感器的检测信号输出端经由第二放大电路与所述***控制器的相应A/D转换信号端连接；
所述蓄电池组的正极与所述***控制器的相应A/D转换信号端连接，所述电位提升器的启停控制端、充电电压调节控制端、电压时序控制端分别与所述***控制器的相应控制信号输出端连接。
5.一种基于权利要求1至4中任一项所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升***实现的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，其特征在于，它包括步骤：
所述***控制器对各所述双向转换开关的充放电切换状态进行控制，使处于放电状态的各所述蓄电池单元与所述电位提升器串接输出充电电压来对所述蓄电池组中的蓄电池单元逐次轮流充电，在每次充电时：
所述***控制器向一所述双向转换开关发出充电指令以及向其它所述双向转换开关发出放电指令，接收到充电指令的所述双向转换开关切换至充电模式，来使切换至充电模式的所述双向转换开关所连接的所述蓄电池单元接收充电电压进行充电，同时接收到放电指令的所述双向转换开关切换至放电模式，来使切换至放电模式的所述双向转换开关所连接的所述蓄电池单元向负载放电的同时，向所述电位提升器供电并与所述电位提升器串联连接来输出充电电压；
当检测到所述蓄电池组的端电压低于设定的下限阈值时，所述***控制器停止循环移位的逐次轮流充电，并向所有所述双向转换开关发出放电指令，以使整个***以常规方式向负载放电。
6.如权利要求5所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，其特征在于：
所述高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法还包括步骤：
所述***控制器基于所述蓄电池组的端电压值及其放电电流值，以及所述电位提升器输出的充电电流值，对所述电位提升器的启停进行控制，以及对所述电位提升器自身变换得到的电压值进行调节来实现充电电压值的调节。
7.如权利要求5所述的高倍率放电动力蓄电池放电能力提升方法，其特征在于：
所述***控制器对所述电位提升器输出的电压进行时序控制，以在对所述蓄电池单元开始充电之前，保持设定时间的无电压输入状态，来使待充电的所述蓄电池单元自身进行电容量的恢复。
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| CN105584376B (zh) * | 2015-09-25 | 2017-11-28 | 刘森磊 | 电动车辆车载在途交替自动充供电***及方法 |
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2018
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