專利名稱：具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合電池電源系統(tǒng)，特別是涉及具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源。
背景技術(shù)：
眾所周知，鉛酸電池和錳酸鋰電池屬于不同化學(xué)體系的二次電池，且各有獨自的特點。圖6是24V鉛酸電池組和錳酸鋰電池組的簡單比較。其中鉛酸電池具有電壓平穩(wěn)、安全可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富和回收再生利用率高等優(yōu)點，是世界上各類電池中產(chǎn)量最大、用途最廣的一種電池，其主要用于電信、銀行等后備電源、太陽能和風(fēng)能儲能、汽車、摩托車以及電動車輛。但是，鉛酸電池在應(yīng)用過程中也暴露出很多缺陷:
1.重量比能量太低，僅為30瓦時/千克Wh/Kg。表7示出了兩種不同用途的鉛酸電池裝置的重量；
2.循環(huán)壽命短，作為電動車輛用電池，使用約一年時間就需要進(jìn)行更換；
3.欠充電使用時容易造成極板硫酸鹽化，使電池壽命嚴(yán)重縮短。如電動車輛、風(fēng)能和太陽能用鉛酸電池，因經(jīng)常不能及時對電池進(jìn)行滿荷電充電，使得電池處于部分荷電狀態(tài)下循環(huán)使用，從而引起極板硫酸鹽化，導(dǎo)致容量衰減及壽命縮短；
4.不適合大電流放電。圖8顯示不同倍率放電時，電池容量相當(dāng)于ICl倍率放電電池容量的比值?？梢钥闯?，隨著放電倍率增加(放電電流增加)，電池所能放出的容量急劇下降。當(dāng)所用電器以較高功率工作時，電池實際工作時間明顯縮短，導(dǎo)致達(dá)不到標(biāo)稱的容量；
5.對環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，并且屬于高資源消耗型產(chǎn)品，國家現(xiàn)在與將來都不會大力支持的兩高一資產(chǎn)業(yè)。上述缺陷嚴(yán)重制約了鉛酸電池在電動車輛、風(fēng)能及太陽能儲能、汽車及摩托車啟動等方面的應(yīng)用。為解決上述問題，人們相繼開發(fā)出新的二次電池，并應(yīng)用于所述領(lǐng)域，錳酸鋰電池即為其中的代表，尤其是改性錳酸鋰電池，其具有以下顯著特點:
1、具有較高的重量比能量，約125瓦時/千克Wh/Kg。圖9示出了兩種不同用途的錳酸鋰電池裝置的重量。2、循環(huán)壽命長，可達(dá)1200次以上，實際使用壽命可達(dá)4年。圖10示出了常溫條件下錳酸鋰電池循環(huán)壽命曲線。3、錳酸鋰電池可在任意荷電狀態(tài)下使用，不會因不飽和荷電循環(huán)使用而影響電池壽命，且常適合用于市電和充電狀態(tài)不穩(wěn)定的環(huán)境下使用。4、大電流放電性能優(yōu)異，不同倍率下放電電池容量差異很小，可以IOC1A 25QA電流持續(xù)放電，這是鉛酸電池所無法實現(xiàn)的。錳酸鋰電池在不同倍率(CxA)放電時容量與IC1倍率(C1A)放電的容量對比如圖11所示。然而，錳酸鋰電池也有其局限性，主要是價格較高，其價格約為鉛酸電池的2 3倍，這在一定程度上限制了錳酸鋰電池的推廣應(yīng)用?，F(xiàn)有技術(shù)雖然提出了一些混合電池的方案，但是它們都需要為各電池支路配置專用控制電路，分別控制各支路的通斷，即充放電，造成電源系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，故障率高。綜上，需要一種具備自動調(diào)節(jié)能力的電源系統(tǒng)能夠融合所述鉛酸電池和錳酸鋰電池的優(yōu)點，摒除它們?nèi)毕莸碾娫聪到y(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提出一種包括鉛酸電池與錳酸鋰電池的混合電池電源系統(tǒng)及其制造方法，充分發(fā)揮各類型電池的特性，在不外加機械或電子控制電路的情況下，實現(xiàn)鉛酸電池組和錳酸鋰電池組的并聯(lián)，并實現(xiàn):
1.通過調(diào)整鉛酸電池組與錳酸鋰電池組各自單體電池的串聯(lián)只數(shù)，達(dá)到兩種不同種類電池組的開路電壓基本一致，并實現(xiàn)同一電壓下并聯(lián)對兩電池組進(jìn)行充電，從而保證鉛酸電池組和錳酸鋰電池組達(dá)到需要的充電狀態(tài)；
2.通過改變鉛酸電池的電解液密度，及在錳酸鋰電池正極材料中摻雜其它合適的鋰電正極材料的方法，成本更低地、效率更高地解決了兩種不同種類電池組間的相互干擾的問題；
3.通過鉛酸電池組和錳酸鋰電池組并聯(lián)使用，利用錳酸鋰電池組平臺較高的優(yōu)點，放電時錳酸鋰電池組優(yōu)先放電，實現(xiàn)對鉛酸電池組的使用保護(hù)，延長鉛酸電池組循環(huán)壽命I 3倍；
4.利用價格較為低廉的鉛酸電池組與價格較昂貴的錳酸鋰電池組進(jìn)行并聯(lián)使用，使其組合而成的混合電池系統(tǒng)不但擁有結(jié)構(gòu)簡單，易于實施，比能量高的優(yōu)點，而且具有較低的年使用成本與優(yōu)異的高功率放電性能等特點。本發(fā)明提出一種具有自調(diào)節(jié)功能的鉛酸蓄電池組與錳酸鋰電池組的混合電池系統(tǒng)，以實現(xiàn)在不附加其它機械或電子控制電路的情況下，通過混合電池系統(tǒng)自身對電流大小的自動調(diào)節(jié)，使得各支路電壓一致，并在同一電壓下對并聯(lián)的鉛酸電池組和錳酸鋰電池組進(jìn)行充放電，同時利用錳酸鋰電池組的優(yōu)點，充分實現(xiàn)對鉛酸電池組的使用保護(hù)，降低成本，延長兩種電池的使用壽命的目的。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種具有自調(diào)節(jié)功能的鉛酸蓄電池組與錳酸鋰電池組的混合電池系統(tǒng)，該混合電池系統(tǒng)包括至少一組鉛酸蓄電池和至少一組錳酸鋰電池，所述鉛酸蓄電池組和錳酸鋰電池組并聯(lián)連接，使混合電池電源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn):
1.通過選擇增加或減少電池組中的各電池單體串聯(lián)只數(shù)，達(dá)到兩種不同種類電池的開路電壓基本一致，實現(xiàn)同一電壓下并聯(lián)對鉛酸電池組和錳酸鋰電池組進(jìn)行充電，保證鉛酸電池組和錳酸鋰電池組達(dá)到需要的充電狀態(tài)。2.通過調(diào)整鉛酸電池電解液密度，使鉛酸電池組和錳酸鋰電池組兩種并聯(lián)電池的開路電壓相差不大，達(dá)到不利用其它電池管理元件實現(xiàn)簡單并聯(lián)，確保不會因兩支路電壓差過大而影響甚至損壞混合電池系統(tǒng)。3.利用錳酸鋰電池組高功率放電性能優(yōu)異，且放電平臺略高于鉛酸電池組的特性，實現(xiàn)高功率放電時，以錳酸鋰電池組輸出能量為主，鉛酸電池組放電為輔，同時從兩個支路對外輸出能量，且兩個支路輸出電壓一致。實現(xiàn)不用電壓調(diào)節(jié)元件，達(dá)到并聯(lián)兩個支路均能同時輸出能量的能力。而且高功率放電對鉛酸電池組損傷較大，這種放電模式實際上保護(hù)了鉛酸電池組，延長了其使用壽命。
4.因錳酸鋰電池組開路電壓及放電平臺皆略高于鉛酸電池組，在以較小功率/倍率放電時，前期以錳酸鋰電池組輸出能量，鉛酸電池組基本上不輸出能量；隨著放電電壓的降低，逐漸進(jìn)入以鉛酸電池組輸出能量為主的后期，此時錳酸鋰電池組輸出能量為輔。這種放電方式使錳酸鋰電池組每次都進(jìn)行較為完全的放電，而鉛酸電池組放電深度較淺。眾所周知，鉛酸電池組的循環(huán)壽命很大程度上取決于其放電深度，當(dāng)鉛酸電池組放電深度選擇合適的時候(例如50%)，可以配合錳酸鋰電池組達(dá)到一個良好的壽命預(yù)期。5.因為鉛酸電池組的充電平臺電壓稍低于錳酸鋰電池組，在初始充電時，以為鉛酸電池組充電為主，隨著鉛酸電池組電壓的升高，逐漸轉(zhuǎn)為以為錳酸鋰電池組充電為主。鉛酸電池組在欠充電循環(huán)使用時易形成硫酸鹽化，電池容量衰減嚴(yán)重，而錳酸鋰電池組在不飽和荷電狀態(tài)下循環(huán)使用，對壽命沒有任何影響。這樣優(yōu)先為對荷電程度較為敏感的鉛酸電池組充電，最大程度上避免了鉛酸電池組在不飽和荷電狀態(tài)下循環(huán)工作，延長了電池壽命。這種充電過程中電流的調(diào)節(jié)是兩種并聯(lián)電池自身特點決定的，是自動進(jìn)行的，不需要任何電子電路進(jìn)行干涉。6.因為錳酸鋰電池組與鉛酸電池組所需的充電時間不同，在混合電池系統(tǒng)在恒壓充電約Ih之后，錳酸鋰電池組基本上已充滿電，而鉛酸電池組還需繼續(xù)恒壓充電3h左右才能充滿電，因此，可以在錳酸鋰電池制作過程中，更具體地說是在其正極材料混料過程中摻入一種或兩種混合且占總質(zhì)量5% 70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的耐過充/過放及浮充能力較好的磷酸鐵鋰材料和倍率型鎳鈷錳三元材料(下文簡稱三元材料)來提高錳酸鋰電池組的綜合性能，并且還可以通過調(diào)整摻入磷酸鐵鋰或三元材料的量來調(diào)控錳酸鋰電池組的放電平臺，盡量實現(xiàn)錳酸鋰電池組優(yōu)先放電，鉛酸電池組后期再放電，保護(hù)鉛酸電池組，延長鉛酸電池組的循環(huán)壽命。另外，錳酸鋰電池組的保護(hù)板應(yīng)還具有防止浮充的功能，充滿電后就能自動斷開不再充電，這樣就能防止錳酸鋰電池組長時間浮充而影響其性能，盡量保證錳酸鋰電池組循環(huán)壽命不受其充電方式不同而急劇縮短的現(xiàn)象產(chǎn)生。7.所并聯(lián)的鉛酸電池組和錳酸鋰電池組的容量比可在1:99 99:1的范圍內(nèi)選擇(優(yōu)選的混合比例為30:70 70:30)，且該混合電池系統(tǒng)的充電電流限制在混合電池系統(tǒng)容量的0.3倍以下，充電截止方式根據(jù)末期電流確定，當(dāng)末期充電電流處于混合電池系統(tǒng)容量的0.01 0.2倍范圍內(nèi)時可以停止充電。
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8.混合電池系統(tǒng)在擱置(不充電，不對用電器供電)時，尤其是當(dāng)放電至鉛酸電池組的理論截止電壓附近時，鉛酸電池組對錳酸鋰電池組充電較為嚴(yán)重，其充電容量可達(dá)到鉛酸電池組容量的3%，甚至更多，這就會對混合電池系統(tǒng)中的鉛酸電池組循環(huán)壽命造成較大的影響，故可采用一種由一些常見電子元器件或常見電子元器件與簡單芯片組成的全自動開關(guān)使混合電池系統(tǒng)在擱置狀態(tài)下，能不連接在一起從而避免形成內(nèi)回路，從而保證鉛酸電池組不會過放電。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題可以通過采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
設(shè)計、制造一種具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，包括至少一個鉛酸電池單體，以及至少一個錳酸鋰電池單體；所述鉛酸電池單體串聯(lián)而成鉛酸電池組支路，所述錳酸鋰電池單體串聯(lián)而成錳酸鋰電池組支路，所述鉛酸電池組支路的開路電壓Vp小于錳酸鋰電池組支路的開路電壓\，并且滿足0.10 ( (VM - Vp)/ Vm ^ 0.2 ;所述鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。
具體地，所述鉛酸電池組支路的開路電壓Vp和錳酸鋰電池組支路的開路電壓VM，滿足
0.104 ^ (VM-Vp)/ VmS 0.117。所有鉛酸電池單體的電容量總和與所有錳酸鋰電池單體的電容量總和的比例關(guān)系在1:99 99:1的范圍內(nèi)；優(yōu)選所有鉛酸電池單體的電容量總和與所有錳酸鋰電池單體的電容量總和的比例關(guān)系在30:70 70:30的范圍內(nèi)。所述混合電池電源系統(tǒng)還包括受控的支路開關(guān)器件；所述鉛酸電池組支路與支路開關(guān)器件串聯(lián)后再與所述錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接；當(dāng)所述混合電池電源系統(tǒng)處于不充電或不放電狀態(tài)時，所述支路開關(guān)器件斷開，從而使鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路不能并聯(lián)；當(dāng)所述當(dāng)所述混合電池電源系統(tǒng)處于充電或放電狀態(tài)時，所述支路開關(guān)器件閉合，從而使鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路不能并聯(lián)電連接。所述混合電池電源系統(tǒng)還包括其控制端口與所述支路開關(guān)器件電連接的控制芯片，以及電流信號采集單元；所述控制芯片的借助電源輸入端口并聯(lián)電連接所述錳酸鋰電池組支路；所述電流信號采集單元串聯(lián)在所述混合電池電源系統(tǒng)的輸出支路上；所述電流信號采集單元采集混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路的電流信號信息并發(fā)送給控制芯片，當(dāng)控制芯片判斷混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路沒有電流，就控制支路開關(guān)器件斷開；當(dāng)控制芯片判斷混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路有電流，就控制支路開關(guān)器件閉合。所述支路開關(guān)器件是金屬一氧化層一半導(dǎo)體一場效應(yīng)管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。所述混合電池電源系統(tǒng)還包括與錳酸鋰電池組串聯(lián)電連接的鋰電池支路保護(hù)板，用于防止錳酸鋰電池組過充電 。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題還可以通過采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
實施一種具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)的制造方法，包括如下步驟:
A.分別制造鉛酸電池單體和錳酸鋰電池單體；
B.選取至少一個鉛酸電池單體和至少一個錳酸鋰電池單體；將鉛酸電池單體串聯(lián)成鉛酸電池組支路，將錳酸鋰電池單體串聯(lián)成錳酸鋰電池組支路；調(diào)整各鉛酸電池單體的電解液濃度，使得所述鉛酸電池組支路的開路電壓Vp小于錳酸鋰電池組支路的開路電壓VM，并且滿足 0.10 ( (VM - Vp) / Vm ^ 0.2 ；
C.將所述鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。步驟A中在制造所述錳酸鋰電池單體時，在錳酸鋰電池單體正極混料時，在正極活性成分中摻雜入其總質(zhì)量占所述正極混料總質(zhì)量5%至70%的磷酸鋰材料和倍率型鎳鈷錳三元材料。為了防止不使用混合電池電源系統(tǒng)時，鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路之間互相影響，步驟C包括如下分步驟
Cl.在所述鉛酸電池組支路上串聯(lián)受控的支路開關(guān)器件；
C2.將分步驟Cl所述串聯(lián)了支路開關(guān)器件的鉛酸電池組支路與所述錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。同現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明“具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)及其制造方法”的技術(shù)效果在于: 1.利用錳酸鋰電池組高功率放電性能優(yōu)異，且放電平臺略高于鉛酸電池組的特性，實現(xiàn)高功率放電時，以錳酸鋰電池組輸出能量為主，鉛酸電池組放電為輔，同時從兩個支路對外輸出能量，且兩個支路輸出電壓一致。實現(xiàn)不用電壓調(diào)節(jié)元件，達(dá)到并聯(lián)兩個支路均能同時輸出能量的能力。而且高功率放電對鉛酸電池組損傷較大，這種放電模式實際上保護(hù)了鉛酸電池組，延長了其使用壽命；
2.因錳酸鋰電池組開路電壓及放電平臺皆略高于鉛酸電池組，在以較小功率/倍率放電時，前期以錳酸鋰電池組輸出能量，鉛酸電池組基本上不輸出能量；隨著放電電壓的降低，逐漸進(jìn)入以鉛酸電池組輸出能量為主的后期，此時錳酸鋰電池組輸出能量為輔。這種放電方式使錳酸鋰電池組每次都進(jìn)行較為完全的放電，而鉛酸電池組放電深度較淺。眾所周知，鉛酸電池組的循環(huán)壽命很大程度上取決于其放電深度，當(dāng)鉛酸電池組放電深度選擇合適的時候(例如50%)，可以配合錳酸鋰電池組達(dá)到一個良好的壽命預(yù)期。3.因為鉛酸電池組的充電平臺電壓稍低于錳酸鋰電池組，在初始充電時，以為鉛酸電池組充電為主，隨著鉛酸電池組電壓的升高，逐漸轉(zhuǎn)為以為錳酸鋰電池組充電為主。鉛酸電池組在欠充電循環(huán)使用時易形成硫酸鹽化，電池容量衰減嚴(yán)重，而錳酸鋰電池組在不飽和荷電狀態(tài)下循環(huán)使用，對壽命沒有任何影響。這樣優(yōu)先為對荷電程度較為敏感的鉛酸電池組充電，最大程度上避免了鉛酸電池組在不飽和荷電狀態(tài)下循環(huán)工作，延長了電池壽命。這種充電過程中電流的調(diào)節(jié)是兩種并聯(lián)電池自身特點決定的，是自動進(jìn)行的，不需要任何電子電路進(jìn)行干涉；
4.混合電池系統(tǒng)在擱置(不充電，不對用電器供電)時，尤其是當(dāng)放電至鉛酸電池組的理論截止電壓附近時，鉛酸電池組對錳酸鋰電池組充電較為嚴(yán)重，其充電容量可達(dá)到鉛酸電池組容量的3%，甚至更多，這就會對混合電池系統(tǒng)中的鉛酸電池組循環(huán)壽命造成較大的影響，故本發(fā)明用可控的支路開關(guān)器件實現(xiàn)全自動開關(guān)使混合電池系統(tǒng)在擱置狀態(tài)下，能不連接在一起從而避免形成內(nèi)回路，從而保證鉛酸電池組不會過放電。


圖1是本發(fā)明“具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)及其制造方法”第一實施例的電連接示意 圖2是本發(fā)明第二實施例的電連接示意 圖3是容量相同的鉛酸電池組與錳酸鋰電池組以0.7C1放電時電池組電壓變化示意
圖4是鉛酸電池組容量:猛酸鋰電池組容量=1:1,混合電池系統(tǒng)5A放電,兩個并聯(lián)支路的電流分配示意 圖5是本發(fā)明鉛酸電池組與錳酸鋰電池組兩支路電流隨時間變化示意 圖6是鉛酸電池組和錳酸鋰電池組對比示意 圖7是不同用途的鉛酸電池裝置的重量對比示意 圖8是鉛酸電池不同倍率(CxA)放電時容量與IC1倍率(C1A)放電的容量對比 圖9示出了兩種不同用途的錳酸鋰電池裝置的重量對比示意 圖10是常溫條件下錳酸鋰電池循環(huán)壽命曲線 圖11是錳酸鋰電池不同倍率(CxA)放電時容量與IC1倍率(C1A)放電的容量對比圖；圖12是具有不同單體數(shù)的鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2組合后的開路電壓值的實例示意 圖13是圖12所不兩電池組并聯(lián)后回路的內(nèi)阻和初始瞬間電流；
圖14是具有不同單體數(shù)的鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2組合后的充電電壓實施示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖所示實施例作進(jìn)一步詳述。本發(fā)明設(shè)計、制造一種具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，包括至少一個鉛酸電池單體11，以及至少一個錳酸鋰電池單體21 ;所述鉛酸電池單體串聯(lián)而成鉛酸電池組支路I，所述錳酸鋰電池單體串聯(lián)而成錳酸鋰電池組支路2，所述鉛酸電池組支路I的開路電壓Vp小于錳酸鋰電池組支路2的開路電壓\，并且滿足0.10 ( (Vm — Vp)/ Vm彡0.2 ;所述鉛酸電池組支路I與錳酸鋰電池組支路2并聯(lián)電連接。具體地，所述鉛酸電池組支路I的開路電壓Vp和錳酸鋰電池組支路2的開路電壓VM，滿足 0.104 ≤ (VM-Vp)/ VmS 0.117。所有鉛酸電池單體11的電容量總和與所有錳酸鋰電池單體21的電容量總和的比例關(guān)系在1:99 99:1的范圍內(nèi)；優(yōu)選所有鉛酸電池單體11的電容量總和與所有錳酸鋰電池單體21的電容量總和的比例關(guān)系在30:70 70:30的范圍內(nèi)。

本發(fā)明第一實施例，如圖1所示，所述混合電池電源系統(tǒng)還包括受控的支路開關(guān)器件3 ;所述鉛酸電池組支路I與支路開關(guān)器件3串聯(lián)后再與所述錳酸鋰電池組支路2并聯(lián)電連接；當(dāng)所述混合電池電源系統(tǒng)處于不充電或不放電狀態(tài)時，所述支路開關(guān)器件3斷開，從而使鉛酸電池組支路I與錳酸鋰電池組支路2不能并聯(lián)；當(dāng)所述當(dāng)所述混合電池電源系統(tǒng)處于充電或放電狀態(tài)時，所述支路開關(guān)器件3閉合，從而使鉛酸電池組支路I與錳酸鋰電池組支路2不能并聯(lián)電連接。本發(fā)明第二實施例，如圖2所示，所述混合電池電源系統(tǒng)還包括其控制端口與所述支路開關(guān)器件3電連接的控制芯片41，以及電流信號采集單元42 ;所述控制芯片41的借助電源輸入端口并聯(lián)電連接所述錳酸鋰電池組支路2 ;所述電流信號采集單元42串聯(lián)在所述混合電池電源系統(tǒng)的輸出支路上；所述電流信號采集單元42采集混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路的電流信號信息并發(fā)送給控制芯片41，當(dāng)控制芯片41判斷混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路沒有電流，就控制支路開關(guān)器件3斷開；當(dāng)控制芯片41判斷混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路有電流，就控制支路開關(guān)器件3閉合。所述支路開關(guān)器件3是金屬一氧化層一半導(dǎo)體一場效應(yīng)管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。 所述混合電池電源系統(tǒng)還包括與錳酸鋰電池組2串聯(lián)電連接的鋰電池支路保護(hù)板5，用于防止錳酸鋰電池組2過充電。本發(fā)明還提出一種制造所述具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)的方法，包括如下步驟:
A.分別制造鉛酸電池單體和錳酸鋰電池單體；
B.選取至少一個鉛酸電池單體和至少一個錳酸鋰電池單體；將鉛酸電池單體串聯(lián)成鉛酸電池組支路，將錳酸鋰電池單體串聯(lián)成錳酸鋰電池組支路；調(diào)整各鉛酸電池單體的電解液濃度，使得所述鉛酸電池組支路的開路電壓Vp小于錳酸鋰電池組支路的開路電壓VM，并且滿足 0.10 ( (VM - Vp) / Vm ^ 0.2 ；
C.將所述鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。步驟A中在制造所述錳酸鋰電池單體時，在錳酸鋰電池單體正極混料時，在正極活性成分中摻雜入其總質(zhì)量占所述正極混料總質(zhì)量5%至70%的磷酸鋰材料和倍率型鎳鈷錳三元材料。為了防止不使用混合電池電源系統(tǒng)時，鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路之間互相影響，步驟C包括如下分步驟
Cl.在所述鉛酸電池組支路上串聯(lián)受控的支路開關(guān)器件；
C2.將分步驟Cl所述串聯(lián)了支路開關(guān)器件的鉛酸電池組支路與所述錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。以下詳細(xì)說明本發(fā)明方案及其原理:
混合電池系統(tǒng)的簡單并聯(lián)方式如圖1所示，中間有一金屬一氧化層一半導(dǎo)體一場效應(yīng)管 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,簡寫為 M0SFET,后文簡稱 MOS管。在鉛酸電池組I支路上，當(dāng)混合電池系統(tǒng)在充電或給用電器供電時，MOS管就接通，否則就斷開，而且為該控制電路供電的是錳酸鋰電池組2，其最主要優(yōu)點是能減少兩種不同種類二次電池之間的相互影響，保證了混合電池系統(tǒng)擁有較長的循環(huán)壽命。本發(fā)明的要點在于，鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2的并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，首先可以通過改變兩支路串聯(lián)單體電池的只數(shù)來使混合電池系統(tǒng)兩支路開路電壓基本上相同，具體地還要看混合電池系統(tǒng)充放電電壓情況，其原則是要使最高充電電壓及放電終止電壓都要大致相同。由于錳酸鋰電池是鋰離子二次電池的一種，其電解液密度對開路電壓的影響較小，調(diào)整電解液密度意義不大。其中，錳酸鋰電池單體開路電壓在4.17V左右。而鉛酸電池電解液密度對開路電壓影響顯著，因此可通過調(diào)整鉛酸電池電解液密度來改變鉛酸電池組01的電壓，使其與錳酸鋰電池組02的開路電壓相差不大。更具體地講，鉛酸電池單體的開路電壓可根據(jù)如下公式來計算調(diào)整:
V = (0.85 + d) V，其中，V為鉛酸電池的開路電壓，0.85為經(jīng)驗系數(shù)，d為鉛酸電池的酸密度，d的取值范圍為1.30 1.33g/mL (特殊情況下，可以加/注入密度更高的硫酸)，對應(yīng)的電壓V為2.15 2.18V。由上式可見，改變其中的鉛酸電池的酸密度d即可改變鉛酸電池的開路電壓V。具有不同單體數(shù)的鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2組合后的開路電壓值的實例如圖12所示。實際上，當(dāng)鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2并聯(lián)時，兩個支路的初始電壓是不同的，因而在并聯(lián)回路內(nèi)會產(chǎn)生一個電流，該電流與并聯(lián)支路的各個支路的電阻有關(guān)。通常情況下,錳酸鋰單體電池內(nèi)阻在IOm Ω數(shù)量級，鉛酸單體電池內(nèi)阻在O IOm Ω數(shù)量級，另外加上線路保護(hù)板的內(nèi)阻，按圖12的實例，并聯(lián)后回路的內(nèi)阻和初始瞬間電流如圖13所示。由圖12和圖13可見，通過調(diào)整鉛酸電池的酸密度來調(diào)節(jié)鉛酸電池組I的開路電壓，可調(diào)整兩個支路電池組并聯(lián)后初始的瞬間電 流大小，以便能選擇合適的初始瞬間電流，保護(hù)并聯(lián)的電路不至于被較大的初始瞬間電流損傷。在兩個支路電池組并聯(lián)后，相當(dāng)于錳酸鋰電池組2對鉛酸電池組I進(jìn)行充電，當(dāng)鉛酸電池組I電壓上升、錳酸鋰電池組2電壓下降到同一值時，既停止。這個時間持續(xù)不到I秒種時間，事實上不會造成鉛酸電池組I過充電。本發(fā)明的另一要點在于，將價格較為低廉的容量型的鉛酸電池組I與價格較為昂貴的功率型錳酸鋰電池組2并聯(lián)成混合電池系統(tǒng)，并聯(lián)后的混合電池系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)兩種電池支路的放電電流，使兩個支路電池電壓始終相同，且錳酸鋰電池組2回路優(yōu)先提供高功率放電。參見圖3，由于錳酸鋰電池組2的放電平臺電壓較鉛酸電池組I高，在同樣的放電電流條件下，其能提供的功率比鉛酸電池組I多，尤其是高功率放電。因此，高功率放電時，由鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2并聯(lián)組成的混合電池系統(tǒng)較同樣容量的鉛酸電池組能提供更多的能量，而所多出的能量與混合電池系統(tǒng)中錳酸鋰電池組2所占容量比例有關(guān)，混合電池系統(tǒng)中錳酸鋰電池組2容量所占比例越高，則混合電池系統(tǒng)所能提供的高功率放電能量也就越高。為此，本發(fā)明的混合電池系統(tǒng)可以選擇容量比不同的鉛酸電池組I和錳酸鋰電池組2進(jìn)行并聯(lián)，具體地說，鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2的混合比例可在1:99 99:1較大范圍內(nèi)選擇，優(yōu)選的混合比例為30:70 70:30 (比如用于電動自行車上的混合電池系統(tǒng)最佳容量比為1:1)。在一個優(yōu)選實施例中，當(dāng)鉛酸電池組I容量:猛酸鋰電池組2容量=I:1時,混合電池系統(tǒng)的兩個并聯(lián)支路放電時的電流分配情況如圖4所示。從圖4可知，因錳酸鋰電池組2放電平臺及電壓較鉛酸電池組I高，本發(fā)明的混合電池系統(tǒng)在較低倍率放電時，在放電前期以錳酸鋰電池組2輸入能量，即錳酸鋰電池組回路優(yōu)先提供能量。在放電后期則以鉛酸電池組I放電為主。放電過程中的電流分配是自動調(diào)節(jié)的，不需要任何電子電路進(jìn)行控制。尤其是以較大功率放電時，在放電前期，錳酸鋰電池組支路A提供的電流較鉛酸電池組支路B更多，因而避免了鉛酸電池組I進(jìn)行大電流放電，保護(hù)了鉛酸電池組1，延長了其壽命。該混合電池系統(tǒng)在整個放電過程中，鉛酸電池組I和錳酸鋰電池組2兩個支路的電流是根據(jù)各自支路所提供能量的能力自動調(diào)節(jié)的，兩個支路的電壓始終是相同的，對外輸出的電壓也是相同的。本發(fā)明的又一要點在于:因錳酸鋰電池的高溫性能(尤其是高溫擱置性能)及耐過充/過放能力相對其它高性能動力鋰離子電池會差些，在本發(fā)明中，通過摻入一種或兩種混合的磷酸鐵鋰材料和三元材料來提高錳酸鋰電池的上述性能，其電池的主要制作方法不同點是在錳酸鋰電池正極混料時，在正極活性成分中摻雜入一種或兩種混合的且占總質(zhì)量5%-70%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸鐵鋰材料和三元材料，由于磷酸鐵鋰正極材料具有特殊且非常穩(wěn)定的橄欖石結(jié)構(gòu)而具有其它傳統(tǒng)鋰離子電池沒有的高安全性及比三元材料略勝一籌的耐過充/過放能力，因此，在錳酸鋰電池中混入一定量的磷酸鐵鋰或三元材料，是彌補現(xiàn)有錳酸鋰電池缺陷，大大提高現(xiàn)有錳酸鋰電池總體性能的一類好方法。同時還可以通過摻入磷酸鐵鋰材料或三元材料的量來調(diào)控錳酸鋰電池組2的放電平臺，盡量實現(xiàn)錳酸鋰電池組2優(yōu)先放電，鉛酸電池組I后期再放電,保護(hù)鉛酸電池組I,延長鉛酸電池組I的循環(huán)壽命。另外，錳酸鋰電池組2的保護(hù)板應(yīng)還具有防止浮充的功能，充滿電后就能自動斷開不再充電，這樣就能防止錳酸鋰電池組2長時間浮充而影響其性能，盡量保證錳酸鋰電池組2循環(huán)壽命不受其充電方式不同而急劇縮短的現(xiàn)象產(chǎn)生。
本發(fā)明的要點還在于，并聯(lián)后的混合電池系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)兩種電池組支路的充電電流，使兩個支路電池組電壓始終相同，且優(yōu)先主要對鉛酸電池組I充電。具有不同單體數(shù)的鉛酸電池組I與錳酸鋰電池組2組合后的充電電壓實施例如圖14。由表6圖14可見，鉛酸電池組I和錳酸鋰電池組2充電電壓基本一樣，可以使用相同的充電電壓進(jìn)行充電。該混合電池系統(tǒng)以恒壓充電，但限制充電電流的方式進(jìn)行。其充電電壓可以采用圖14中的充電電壓，充電電流則限制在混合電池系統(tǒng)容量的0.3倍以下，充電截止方式可根據(jù)末期電流確定，當(dāng)末期充電電流處于混合電池系統(tǒng)容量的0.05 0.2倍時可以終止充電。如鉛酸電池組I以不飽和荷電進(jìn)行循環(huán)使用時，易于形成硫酸鹽化，電池容量和壽命衰減會加快，因此在使用時應(yīng)盡量保證鉛酸電池組I每次放完電后再充足電。而錳酸鋰電池組2對于荷電狀態(tài)不敏感，以不飽和荷電進(jìn)行循環(huán)使用并不會影響其壽命。所以本發(fā)明的混合電池系統(tǒng)在使用中，始終優(yōu)先保證鉛酸電池組I充足電，因而保護(hù)了鉛酸電池組1，并將明顯延長鉛酸電池組I的使用壽命。如圖5所示，充電時，因為鉛酸電池組I的內(nèi)阻較小，且充電平臺電壓較錳酸鋰電池組2低，開始充電時，充電電流主要集中在鉛酸電池組支路B。隨著鉛酸電池組I電壓的提高，鉛酸電池組I電壓逐漸靠近錳酸鋰電池組2充電電壓平臺，這個過程中錳酸鋰電池組支路A充電電流逐漸增加，鉛酸電池組支路B充電電流逐漸減小。整個過程是根據(jù)兩個支路電池組充電接受能力自動調(diào)節(jié)充電電流，始終使兩個支路的充電電壓和電池電壓保持一致。至于完成了鉛酸電池組I和錳酸鋰電池組2的并聯(lián)，形成了混合電池系統(tǒng)。這兩支路電池在擱置時，為了防止其長時間相互充電所應(yīng)用到的電子控制電路基本原理較為簡單。其控制原理就是把總電路上有無電流通過轉(zhuǎn)換成能讓繼電器識別的信號，使MOS管根據(jù)上述信號的變化成為全自動開關(guān)，不過，電子控制電路所需的相應(yīng)電子元件精度及靈敏要非常高，其電子控制電路簡單示意圖如圖2所示。值得說明的是具有此功能的電子控制電路與具有防過充功能的鋰電保護(hù)板都可以集中在一塊電路板上完成，而且此種具有額外功能的混合電池系統(tǒng)保護(hù)板比單獨的鋰電保護(hù)板只略微增加了一點成本。本發(fā)明的重要貢獻(xiàn)在于，它有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中通過控制電路監(jiān)控電池的電壓和電流的問題。本發(fā)明充分利用鉛酸電池組I和錳酸鋰電池組2各自的特點，使得在不需要附加其它電子電路的情況下，通過該混合電池系統(tǒng)的自身自動調(diào)節(jié)各支路放電電流，使兩個支路電池電壓始終相同，且錳酸鋰電池組2回路優(yōu)先提供高功率放電能力，避免了鉛酸電池組01大電流放電對其的損傷，延長了其壽命。本發(fā)明還可自動調(diào)節(jié)各支路充電電流，使兩個支路電池電壓始終相同，并優(yōu)先保證了易于損傷的鉛酸電池組I始終處于滿荷電循環(huán)狀態(tài)，延長了其壽命。本發(fā)明使得兩種電池組的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了對其中一支路電池組的優(yōu)點的充分利用，同時避免了另一支路電池組的缺陷。本發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實施，成本低等特點。
權(quán)利要求
1.一種具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 包括至少一個鉛酸電池單體(11)，以及至少一個錳酸鋰電池單體(21);所述鉛酸電池單體串聯(lián)而成鉛酸電池組支路(I )，所述錳酸鋰電池單體串聯(lián)而成錳酸鋰電池組支路(2)，所述鉛酸電池組支路(I)的開路電壓Vp小于錳酸鋰電池組支路(2)的開路電壓VM，并且滿足0.10彡(Vm — Vp)/ Vm ^ 0.2 ;所述鉛酸電池組支路(I)與錳酸鋰電池組支路(2)并聯(lián)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 所述鉛酸電池組支路(I)的開路電壓Vp和錳酸鋰電池組支路(2)的開路電壓VM，滿足0.104 ^ (VM-Vp)/ VmS 0.117。
3.根據(jù)I權(quán)利要求所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 所有鉛酸電池單體(11)的電容量總和與所有錳酸鋰電池單體(21)的電容量總和的比例關(guān)系在1:99 99:1的范圍內(nèi)； 優(yōu)選所有鉛酸電 池單體(11)的電容量總和與所有錳酸鋰電池單體(21)的電容量總和的比例關(guān)系在30:70 70:30的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 還包括受控的支路開關(guān)器件(3);所述鉛酸電池組支路(I)與支路開關(guān)器件(3)串聯(lián)后再與所述錳酸鋰電池組支路(2)并聯(lián)電連接； 當(dāng)所述混合電池電源系統(tǒng)處于不充電或不放電狀態(tài)時，所述支路開關(guān)器件(3 )斷開，從而使鉛酸電池組支路(I)與錳酸鋰電池組支路(2)不能并聯(lián)；當(dāng)所述當(dāng)所述混合電池電源系統(tǒng)處于充電或放電狀態(tài)時，所述支路開關(guān)器件(3)閉合，從而使鉛酸電池組支路(I)與錳酸鋰電池組支路(2)不能并聯(lián)電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 還包括其控制端口與所述支路開關(guān)器件(3)電連接的控制芯片(41)，以及電流信號采集單元(42);所述控制芯片(41)的借助電源輸入端口并聯(lián)電連接所述錳酸鋰電池組支路(2);所述電流信號采集單元(42)串聯(lián)在所述混合電池電源系統(tǒng)的輸出支路上； 所述電流信號采集單元(42)采集混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路的電流信號信息并發(fā)送給控制芯片(41)，當(dāng)控制芯片(41)判斷混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路沒有電流，就控制支路開關(guān)器件(3)斷開；當(dāng)控制芯片(41)判斷混合電池電源系統(tǒng)輸入輸出支路有電流，就控制支路開關(guān)器件(3)閉合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或者5所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 所述支路開關(guān)器件(3)是金屬一氧化層一半導(dǎo)體一場效應(yīng)管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)，其特征在于: 還包括與錳酸鋰電池組(2)串聯(lián)電連接的鋰電池支路保護(hù)板(5)，用于防止錳酸鋰電池組(2)過充電。
8.一種具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)的制造方法，其特征在于包括如下步驟: A.分別制造鉛酸電池單體和錳酸鋰電池單體； B.選取至少一個鉛酸電池單體和至少一個錳酸鋰電池單體；將鉛酸電池單體串聯(lián)成鉛酸電池組支路，將錳酸鋰電池單體串聯(lián)成錳酸鋰電池組支路；調(diào)整各鉛酸電池單體的電解液濃度，使得所述鉛酸電池組支路的開路電壓Vp小于錳酸鋰電池組支路的開路電壓\，并且滿足 0.10 ( (VM - Vp) / Vm ^ 0.2 ； C.將所述鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)的制造方法，其特征在于: 步驟A中在制造所述錳酸鋰電池單體時，在錳酸鋰電池單體正極混料時，在正極活性成分中摻雜入其總質(zhì)量占所述正極混料總質(zhì)量5%至70%的磷酸鋰材料和倍率型鎳鈷錳三元材料。
10.根據(jù)權(quán)利 要求8所述的具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)的制造方法，其特征在于: 步驟C包括如下分步驟 Cl.在所述鉛酸電池組支路上串聯(lián)受控的支路開關(guān)器件； C2.將分步驟Cl所述串聯(lián)了支路開關(guān)器件的鉛酸電池組支路與所述錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。
全文摘要
本發(fā)明提出具備自調(diào)節(jié)能力的混合電池電源系統(tǒng)及其制造方法。所述混合電池電源系統(tǒng)包括至少一個鉛酸電池單體，以及至少一個錳酸鋰電池單體；所述鉛酸電池單體串聯(lián)而成鉛酸電池組支路，所述錳酸鋰電池單體串聯(lián)而成錳酸鋰電池組支路，所述鉛酸電池組支路的開路電壓VP小于錳酸鋰電池組支路的開路電壓VM，并且滿足0.10≤(VM－VP)/VM≤0.2；所述鉛酸電池組支路與錳酸鋰電池組支路并聯(lián)電連接。本發(fā)明利用錳酸鋰電池組高功率放電性能優(yōu)異使電源系統(tǒng)的放電模式實際上保護(hù)了鉛酸電池組，延長了其使用壽命；本發(fā)明實現(xiàn)在充電過程中電流的調(diào)節(jié)是由兩種并聯(lián)電池自身特點決定的，而不需要任何電子電路進(jìn)行干涉。
文檔編號H01M10/04GK103187583SQ201110458898
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者陳宏 , 張華農(nóng), 衣守忠, 裴祖奎 申請人:深圳市雄韜電源科技股份有限公司