CN110797963A - 一种电容器与热电池的复合电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容器与热电池的复合电源，包括：对接板、第一热电池组、第二热电池组、电容器和支撑板；第一热电池组和第二热电池组分别设置在对接板的左右两侧；支撑板安装在对接板上、设置有第二热电池组的一侧，第二热电池组位于支撑板下方、与支撑板之间留有5mm以上间隙；电容器安装在支撑板上方。本发明将电容器与热电池集成于一体，以保证既能满足大功率放电时的电压精度要求，又能保证稳态恒功率放电时的容量需求。

Description

一种电容器与热电池的复合电源
技术领域
本发明属于热电池技术领域，尤其涉及一种电容器与热电池的复合电源。
背景技术
热电池是用电池本身的加热***把不导电的固体状态盐类电解质加热熔融呈离子型导体而进入工作状态的一种热激活储备电池。热电池具有贮存时间长、激活时间短、比能量较高、使用温度范围广、在贮存期间无需维护和保养等特点，广泛应用于导弹、鱼雷、炸弹等武器***。
随着武器***性能的不断提高，各部件对热电池电化学性能的要求也越来越高，尤其是在瞬时超大功率脉冲情况下热电池仍然要保持在额定电压范围内。目前为止，针对瞬时超大功率脉冲所造成热电池压降过大的情况，其主要的解决方式是通过多组热电池并联降低热电池的内阻。这种方法虽在一定程度上解决了上述问题，但其最大缺点就是极大增加了热电池的体积和重量，严重影响了武器***整体的机动性能。随着现代武器***的迅猛发展，要求电源应尽量简单化、小型化，高比功率、高比能量是电源未来的主要发展方向。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种电容器与热电池的复合电源，将电容器与热电池集成于一体，以保证既能满足大功率放电时的电压精度要求，又能保证稳态恒功率放电时的容量需求。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种电容器与热电池的复合电源，包括：对接板、第一热电池组、第二热电池组、电容器和支撑板；
第一热电池组和第二热电池组分别设置在对接板的左右两侧；
支撑板安装在对接板上、设置有第二热电池组的一侧，第二热电池组位于支撑板下方、与支撑板之间留有5mm以上间隙；
电容器安装在支撑板上方。
本发明具有以下优点：
(1)本发明公开了一种电容器与热电池的复合电源，将电容器和热电池集成设计，电容器电路设计采用双路冗余结构，以避免电容器发生短路和断路故障。
(2)复合电源在大功率脉冲时主要由电容器供电，提供120A，10μs的瞬时大电流脉冲，在稳态电流恒功率放电时由热电池供电，同时给电容器充电，实现了复合电源小型化、轻量化的目标。
(3)电容器外壳采用铝合金材料制成，保证电子元器件的抗射频性。
(4)电容器和支撑板之间装有隔热板，以减缓热电池组工作时发热对电容器的热冲击。
附图说明
图1是本发明实施例中一种电容器与热电池的复合电源的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种对接板的接口设置示意图；
图3是本发明实施例中一种电容器的外形示意图；
图4是本发明实施例中一种电容器与热电池的复合电源的等效电路图；
图5是本发明实施例中一种放电过程中电压仿真曲线对比示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
实施例1
如图1，在本实施例中，该电容器与热电池的复合电源，包括：对接板2、第一热电池组3、第二热电池组5、电容器6和支撑板10。其中，第一热电池组3和第二热电池组5分别设置在对接板2的左右两侧；支撑板10安装在对接板2上、设置有第二热电池组5的一侧，第二热电池组5位于支撑板10下方、与支撑板10之间留有5mm以上间隙；电容器6安装在支撑板10上方。
在本实施例中，总体提供激活信号，热电池组被激活，外部负载进入工作状态时，负载电流分为两部分，分别由热电池组和电容器提供。进一步的，通过并联电容器，降低了热电池在脉动负载时的输出电流峰值，抑制了热电池的电压跌落，其效果相当于热电池等效电阻的降低。而等效电阻的降低，提高了热电池的动态响应能力，使热电池在脉动负载时内部损耗降低，放电效率提高，放电时间延长。
实施例2
在本发明的一优选实施例中，如图1，该电容器与热电池的复合电源，还可以包括：八个固定脚4。其中，第一热电池组3和第二热电池组5通过八个固定脚4固定在对接板2上。优选的，第一热电池组3和第二热电池组5分别包括：串联的三个相同的热电池。
在本发明的一优选实施例中，该电容器与热电池的复合电源，还可以包括：隔热板7。其中，隔热板7设置在支撑板10与电容器6之间，可减缓热电池组工作时发热对电容器的热冲击。
在本发明的一优选实施例中，该电容器与热电池的复合电源，还可以包括：上支架1和下支架9。其中，上支架1和下支架9分别用于固定第一热电池组3和第二热电池组5的电气接口。
在本发明的一优选实施例中，如图2，用于连接第一热电池组3的接口Ⅰ11，用于连接第二热电池组5的接口Ⅱ12，用于连接支撑板10的接口Ⅲ13，用于连接上支架1的接口Ⅳ14，用于连接下支架9的接口Ⅴ15，以及对外接口16。例如，上支架1通过对接板2上设置的接口Ⅳ与对接板2对接；下支架9通过对接板2上设置的接口Ⅴ与对接板2对接。
在本实施例中，热电池在工作过程中表面温度较高，复合电源中电容器与热电池表面可留有一定的间隙，热量无法直接以传导的方式传递给电容器，同时对接板和支架板具有较大的质量和热容，减缓了热量的传递过程。进一步的，在电容器和支架板之间设置一隔热板，进一步降低了热电池工作过程中发热对电容器的影响。
优选的，在本实施例中，结合实际应用场景，给出了一组优选的参数选择：
对接板2采用铝合金板或钛合金板。其中，铝合金板厚度不小于12mm，钛合金板厚度不小于5mm。支撑板10采用U形铝合金板，通过M4螺钉与对接板2和电容器6连接。其中，支撑板10的厚度不小于3mm。各热电池的金属外壳均采用不锈钢或钛合金材料制作。固定脚4采用不锈钢或钛合金制作。隔热板7采用环氧玻璃布层压板或聚酰亚胺板，厚度不小于1mm。上支架1和下支架9采用铝合金制作，厚度不小于2mm。
实施例3
在本实施例中，电容器6是核心部件之一，由电子元器件和结构件组成，具体参数选择方式可以如下：
(1)电容器种类的选用
按选用电解质材料分类，电容器可大致分为如下几大类：电化学电容器、瓷介电容器、云母电容器、电解电容器、薄膜电容器。电化学电容器的工作电压为1.9V～2.5V，要满足额定电压要求需要多只串联，并且充电时间需0.3s-30s，相对于电源***给电容器充电的时间40-90μs来说太长。瓷介电容器和云母电容器的容量较低，一般在pF级，无法满足120A、10μs的脉冲对应的μF级容量需求。钽电解电容器也需要多只串联才能满足额定电压要求，并且体积较大。铝电解电容器可靠性较差。薄膜电容器额定电压高、内阻小、充电速度快，容量可以达到μF级，并且具有自愈特性，可靠性高，因此是比较理想的选择。即，本发明实施例中，电容器6可采用薄膜电容器，外形如图3所示，包括：阻燃环氧塑料外壳和四个电容器芯子，灌封环氧树脂，径向引出。
(2)电容器容量的设计
按照120A、10μs的大脉冲电流全部由电容器提供，电容器充电后最高电压375V，放电后最低电压260V，可以计算出相应的薄膜电容器的最小容量为20μF。
(3)电容器电路的设计
如图4所示，为了提高电源***的可靠性，电容器电路采用双路冗余结构，内部由4个芯子组成，为两串两并结构，电容器6输出端直接并联在热电池输出端两侧，热电池可以由三个单元电池串联组成。其中，图4中：Rc表示电容器的等效串联电阻、Rb表示热电池内阻、IC表示电容器支路的电流、Ib表示热电池支路的电流、I0表示负载电流。
当电路中某一个电容器发生断路故障时，此时电容器支路变成两只电容器串联，电容器的总容量为20μF，仍然满足要求。当电路中某一个电容器发生短路故障时，此时电容器支路变成两只电容器串联再和另一只电容器并联结构，此时电容器的总容量大于40μF。电容器容量越大，放电后的电压越高，电源***的功率输出能力越强，因此可以满足技术要求。
4)电容器的降额设计
电容器降额的主要参数是工作电压和环境温度。电源***的最高工作电压为375V，I级降额参数为0.5，因此电容器额定工作电压要达到375/0.5＝750V。
经计算得流经电容器的有效电流为24A，电容器在工作时间内产生的热量约为121焦耳，此能量可产生约10度左右的温升，复合电源高温工作环境温度为60，工作过程中由自身发热导致温度最高可达70，低于电容器的最高工作温度105。
用电设备对复合电源提出的用电需求是需要输出120A、10μs的大电流脉冲，并且输出电压要满足下限电压要求。在120A大电流脉冲情况下，若想满足电压精度要求，根据全电路欧姆定律，必须尽量减小复合电源的内阻。多组热电池并联可以减小复合电源的内阻，但会极大的增加复合电源的体积和重量。电容器的瞬态输出能力强，热电池的容量大，采用电容器和热电池并联可以充分结合二者的优势，是一种在额定体积、重量要求下同时满足功率需求和容量需求的有效手段。
实施例4
在本实施例中，结合前述实施例，对该电容器与热电池的复合电源的工作原理进行简单说明。
1)热电池激活前电解质处于高阻钝态，电阻达兆欧级，电池开路电压很小。当热电池激活时，内阻逐渐下降，电压逐渐升高。热电池激活后，一方面给负载输出电流，另一方面对电容器充电。由于相对于热电池的激活过程，电容器的充电过程较快，因此不会产生大电流脉冲。
2)进行大电流放电时，电容器和热电池同时提供电流。由于电容器的内阻远小于热电池，放电初期电流值主要由电容器承担。随着电容器容量的释放，电压随之下降，承担的电流值也逐渐下降，使更大的电流由热电池提供。
3)当大电流脉冲去除，负载转入恒流放电时，热电池两端的电压快速恢复，高于电容器电压，电池给电容器充电。对于电容器来说，可认为是一个一阶电路全响应过程。电容器两端的电压同样以指数形式趋近于恒定值。到达该值后，电压和电流不再变化，电容相当于开路，电流为零，然后开始下一次循环。电池在给电容器充电的同时，向负载输出电流。
在本实施例中，对电容器与热电池的复合电源进行仿真，仿真结果如图5所示。其中，图5中下半部分为纯热电池供电时的电压时间曲线，上半部分为复合电源供电时的电压时间曲线。从图5中可以看到，在瞬时超大功率脉冲情况下，相对于纯热电池，复合电源的电压曲线更加平滑，脉冲下限电压显著提高。将电容器并联在热电池两端，起到了类似滤波的效果，使输出电压纹波系数降低，波形变的比较平滑。
在和本实施例同样的负载情况下，如果采用纯热电池供电方案，需要两块和实施例中相同的热电池并联供电。两种方案在相同的负载情况下放电结果如表1所示。由表1可知，在相同的放电时刻，复合电源的电压始终高于纯热电池。
纯热电池供电 复合电源供电
时刻(s) 电压(V) 电压(V)
0 353.4 361.6
3 324.0 333.4
13 318.2 326.4
23 325.5 335.5
25 324.4 331.2
30 323.3 328.9
35 321.0 324.6
40 318.0 320.2
表1
可见，在相同的负载情况下，复合电源方案有更加优异的电性能。并且，热电池的体积重量远大于电容器，并且还需要额外的机械接口、电气接口和总体对接。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种电容器与热电池的复合电源，其特征在于，包括：对接板(2)、第一热电池组(3)、第二热电池组(5)、电容器(6)和支撑板(10)；
第一热电池组(3)和第二热电池组(5)分别设置在对接板(2)的左右两侧；
支撑板(10)安装在对接板(2)上、设置有第二热电池组(5)的一侧，第二热电池组(5)位于支撑板(10)下方、与支撑板(10)之间留有5mm以上间隙；
电容器(6)安装在支撑板(10)上方。
2.根据权利要求1所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，还包括：八个固定脚(4)；
第一热电池组(3)和第二热电池组(5)通过八个固定脚(4)固定在对接板(2)上；其中，第一热电池组(3)和第二热电池组(5)分别包括：串联的三个相同的热电池。
3.根据权利要求1所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，还包括：隔热板(7)；隔热板(7)设置在支撑板(10)与电容器(6)之间。
4.根据权利要求1所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，对接板(2)上设置有：用于连接第一热电池组(3)的接口Ⅰ(11)，用于连接第二热电池组(5)的接口Ⅱ(12)，用于连接支撑板(10)的接口Ⅲ(13)，用于连接上支架(1)的接口Ⅳ(14)，用于连接下支架(9)的接口Ⅴ(15)，以及对外接口(16)。
5.根据权利要求4所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，还包括：上支架(1)和下支架(9)；其中，上支架(1)和下支架(9)分别用于固定第一热电池组(3)和第二热电池组(5)的电气接口；
上支架(1)通过对接板(2)上设置的接口Ⅳ与对接板(2)对接；
下支架(9)通过对接板(2)上设置的接口Ⅴ与对接板(2)对接。
6.根据权利要求1所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，
电容器(6)采用薄膜电容器，电路采用双路冗余结构，内部由4个芯子组成，4个芯子采用两串两并结构。
7.根据权利要求1所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，
对接板(2)采用铝合金板或钛合金板；其中，铝合金板厚度不小于12mm，钛合金板厚度不小于5mm；
支撑板(10)采用U形铝合金板，通过M4螺钉与对接板(2)和电容器(6)连接；其中，支撑板(10)的厚度不小于3mm。
8.根据权利要求2所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，
各热电池的金属外壳均采用不锈钢或钛合金材料制作；
固定脚(4)采用不锈钢或钛合金制作。
9.根据权利要求3所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，
隔热板(7)采用环氧玻璃布层压板或聚酰亚胺板，厚度不小于1mm。
10.根据权利要求5所述的电容器与热电池的复合电源，其特征在于，
上支架(1)和下支架(9)采用铝合金制作，厚度不小于2mm。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101222078A (zh) * 2007-12-12 2008-07-16 常州华日升凯晟能源科技有限公司 电动车用充电电池包
CN101310410A (zh) * 2006-02-24 2008-11-19 韩国飞世龙电池有限公司 混合电池
CN202103466U (zh) * 2011-06-09 2012-01-04 梅岭化工厂 一种锂亚硫酰氯电池与超级电容器组成的复合电源
CN102696144A (zh) * 2010-01-28 2012-09-26 三菱电机株式会社 电力储存设备单元及其制造方法以及蓄电设备
US8481203B2 (en) * 2010-02-03 2013-07-09 Bren-Tronies Batteries International, L.L.C. Integrated energy storage unit
CN103534133A (zh) * 2011-03-16 2014-01-22 约翰逊控制技术公司 具有电池和超级电容器的能源装置和***
CN104285336A (zh) * 2012-03-13 2015-01-14 麦斯韦尔技术股份有限公司 电容器与电池组合
CN205753461U (zh) * 2016-01-13 2016-11-30 智慧城市***服务（中国）有限公司 一种混合储能供电箱

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101310410A (zh) * 2006-02-24 2008-11-19 韩国飞世龙电池有限公司 混合电池
CN101222078A (zh) * 2007-12-12 2008-07-16 常州华日升凯晟能源科技有限公司 电动车用充电电池包
CN102696144A (zh) * 2010-01-28 2012-09-26 三菱电机株式会社 电力储存设备单元及其制造方法以及蓄电设备
US8481203B2 (en) * 2010-02-03 2013-07-09 Bren-Tronies Batteries International, L.L.C. Integrated energy storage unit
CN103534133A (zh) * 2011-03-16 2014-01-22 约翰逊控制技术公司 具有电池和超级电容器的能源装置和***
CN202103466U (zh) * 2011-06-09 2012-01-04 梅岭化工厂 一种锂亚硫酰氯电池与超级电容器组成的复合电源
CN104285336A (zh) * 2012-03-13 2015-01-14 麦斯韦尔技术股份有限公司 电容器与电池组合
CN205753461U (zh) * 2016-01-13 2016-11-30 智慧城市***服务（中国）有限公司 一种混合储能供电箱

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