電池充放電均衡與制動能量回收的機電裝置的製作方法

2023-05-21 22:13:21 1

專利名稱：電池充放電均衡與制動能量回收的機電裝置的製作方法
技術領域：
本發明是電池充放電均衡與制動能量回收的機電一體裝置。適用於各種二次電池應用領域中的充放電電壓整組均衡與分段均衡，適用於電機制動能量回收，適用於風光儲能系統低壓儲能，適用於直流電動機降壓啟動控制與倍流控制。適用於有源二端元件或無源二端元件的電路連接轉換。
背景技術：
I.電池電壓均衡的必要性二次電池單體與單體之間就存在容量上的差異、內阻的差異、組裝的差異、工程應用環境的差異等，所有的差異集中表現在某一時刻的電壓上。
目前鋰離子電池單體100%D0D循環次數可突破2000次，若每天做一次100%D0D，經過5年零6個月後，電池容量是初始容量的80%。即電池單體在這段時間應該是無故障的，實際上12個單體電池串聯成組使用時600次後電池容量不足初始容量的70%左右。並聯成組使用時900次後電池容量是初始容量的85%左右。在所有的工程應用中電池總是要將單體串聯起來使用，電池串聯成組使用時，不論是充電還是放電，都是以該組電池中的極高與極低單體電壓為準，充電時單體電壓高於某個閾值，系統停止充電，電池組總的儲能量Σ E與單體儲存能量的關係是Σ Echarge=EwminX單體個數，放電時單體電壓低於某個閾值，系統停止放電電，電池組總的釋放能量Σ E與單體儲存能量的關係是Σ Edischarge=Ei^frfflinX單體個數。為了讓電池組能儘可能儲存與釋放更多的能量，為了讓電池得到更好的利用，我們必須對電池組進行容量均衡。因為所有的差異集中表現在靜態電壓上。所以我們只要對電池組電壓均衡就可以了。2.傳統的電池均衡分析2. I.簡單分流式電池均衡處理技術在電池均衡處理技術上，方式多種多樣，最常見的一種電池電壓均衡是分流式，在電池上並聯一個半導體開關與一個限流電阻網絡，對電池充電時，當電池電壓升高達到某一個閾值，半導體開關被觸發導通，讓充電電流旁路到電壓低的電池上，最後是電壓低的電池與電壓高的電池，電壓基本相等。這種均衡方式的優點是，電路拓撲簡單，充電均衡功能容易實現。該均衡技術缺點之一充電均衡是基本實現了，但是放電均衡根本就沒有考慮到，所以是單邊的均衡，對電池成組使用來說幫助不大，該均衡技術缺點之二 半導體開關的導通內阻最小也是毫歐(πιΩ )數量級，限流電阻的選配各製造商不一樣，最小的也有選用到3ohm，就簡單的電損耗也是Q=I2R，所以方案的均衡電流不能做大，如果均衡電流越大，電能損耗就越嚴重，控制系統環境溫度升高，系統工作紊亂。如果均衡電流越小，
f = j I/ Jrfl 』電池要均衡相等的電量，所需要的時間就會很長。該均衡技術缺點之
O
三對體育電池單體容量越來越大的情況，這種均衡是無法達到用戶的目的，更保障不了電池的一致性。該均衡技術缺點之四半導體開關在使用的過程中優點是很多，無觸點接觸，噪聲小，無電弧等，但是一旦失效，短路的情況總是遠遠多於開路的情況，如果半導體開關一旦發生短路電池單體就與旁路均衡電阻構成自放電網絡，電池本身是被動體，所以它就會把儲存的電量無保留的放掉。這就是均衡裝置的「自放電」。2.2.改進的分流式電池均衡處理技術這種簡單均衡處理技術的基礎上添加了 2個半導體開關，其中一個半導體電子開關串聯在電池迴路中，另一個旁路在均衡電路上，這兩個半導體在電路中來完成放電均衡功能，這是該方案的優點。最主要的缺點就是這2個半導體開關在工作時電流為主幹路電流，損耗是非常大的，根本起不到節能的作用，所以目前，在小電流電池組中基本使用，但是對於大容量電池組來說無任何實用價值，這種均衡技術同時存在簡單分流均衡技術所有缺點，並且旁路在均衡電路上的半導體開關如果失效，將對電池單體直接短路，對於整個電池管理系統來說，由於短路極其容易發生火災，爆炸等災難性事故。所以這種技術就更理想化了。 2.3.開關電源充電均衡技術開關電源充電均衡技術，利用低壓大電流開關電源對電池單體充電與修復，工作原理是利用輸出與電池滿充電壓相等的開關電源給單體電池一對一充電。這種均衡技術的優點是開關電源的可控性高，智能化程度高，但缺點主要表現有2點其一，開關電源的靈活性高，但是一致性就差，單體開關電源的電壓極差小於IOmV的一個批次，比電池還難做至IJ，所以開關電源的不一致性，在這一對一的充電時，就會直接傳給單體電池，單體電池經過幾次循環以後電池的一致性也是無法保證了 ；其二，低壓大電流開關電源總是存在損耗的，如果鋰離子電池單體充電模塊效率為85%，400W的模塊損耗為60W，如果有100各單體工作I小時，那麼總損耗就是60X100=6000W，這樣失去了節能的效果。(比電池組共用一個充電機的效率低的多。如果共用充電機的效率為95% (實際可以達到96%)，對於40kW的充電機，損耗為2000W，相比於6000W來說節能為4000W。)所以該方案也不能用來對電池均衡處理。2. 4.電池重組技術該技術就是將電池中的電池重新修復校正後，重新組合的均衡技術，當電池組工作一段時間後，電池單體的差異就逐漸表現出來，為了避免極差越來越大，這時對其中差異較大的單體進行充放電，將所有的電池調成一致，然後再成組。該技術的優點是直接重組與修復。該技術缺點之一是工程量大，修復時容量與電壓無法準確測定；該技術缺點之二是修的可持續性差，對於新電池來說，可以在200次循環後，重組一次，對於電池後期，重組的次數會更加頻繁，所以該均衡技術已不能真正實現電池組的充放電均衡。從以上幾種電池組均衡方案來看，都存在相應的缺點，都沒有真正實現電池組中單體電壓均衡，無法解決電池製造與應用中的瓶頸。

發明內容
I.本發明方案的建立I. I本發明裝置均衡後的電池組，電壓極差為0V。I. 2本發明必須適用於大電流電池組的均衡I. 3本發明必須具備充放電雙向均衡功能
I. 4本發明必須不論在均衡還是在工作過程中必須保障導通電阻小損耗小I. 5本發明在應用時必須能讓電池組的三個狀態(工作狀態、擱置狀態、均衡狀態)相互轉換。且在任意時刻，電池組只能保持在上述三個狀態中的ー個狀態，I. 6若電池組中，出現「0V」電池，本發明能將電池組轉為擱置狀態。I. 7本發明具備制動能量回收功能I. 8本發明必須操作簡單，可重複操作。 I. 9本發明能用於其他ニ端元件的電路連接轉換，改變電路的電壓、電流、電阻。I. 10本發明可以通過機械軸傳動開關轉換也可以通過電磁力傳動開關轉換。2.本發明採用模塊化組裝2. I本發明是ー種通過開關轉換來實現電池電壓均衡與制動能量回收的機電裝置，本發明分為機械軸傳動與電磁鐵傳動兩種開關驅動方式。2. 2方案一機械軸傳動開關驅動方式每個機械軸傳動開關的単元模塊中都有I個殼體、I個軸體，每個單元模塊的殼體上有ー對串聯總線觸片，一對並聯總線觸片，2組自恢復熔斷器，2個限位裝置。每個單元模塊的軸體上有ー對串聯動觸片、一對並聯動觸片，2個限位裝置。在機械軸傳動的單元模塊中，殼體內腔是圓筒形，軸體是圓柱形。且殼體內腔與軸體存在間隙，殼體與軸體同軸同心；每對觸片的大小形狀相同，且中心對稱分布；ー組自恢復熔斷器將I個串聯總線觸片與I並聯個總線觸片連接起來，然後澆鑄在殼體中，串聯總線觸片與並聯總線觸片均為柱體，且距離軸體最近的面為弧柱面，弧柱面凸出殼體內腔，串聯總線觸片與並聯總線觸片的弧柱面在軸向上的投影均為等距螺旋線；在殼體內腔串聯總線觸片與並聯總線觸片之間設置I個限位裝置。兩個串聯動觸片為柱體，距離殼體最近的面為外表面，其外表面為弧柱面，串聯動觸片的弧柱面凸出軸體的圓柱面，且該弧柱面在軸向上的投影為等距螺旋線；串聯動觸片的柱體高度小於殼體高度；兩個串聯動觸片先短路連接，然後固定在軸體中。兩個並聯動觸片為柱體，距離殼體最近的面為外表面，其外表面為弧柱面，且該弧柱面在軸向上的投影為等距螺旋線；兩個並聯動觸片的柱體高度等於軸體高度；在軸體的圓柱面上平行於軸線方向開2個槽，這2個槽中心對稱，然後將並聯動觸片固定在軸體的槽上，並聯動觸片的外表面凸出軸體的圓柱面。在軸體圓柱面上I個串聯動觸片與I個並聯動觸片之間設置I個限位裝置，且2個限位裝置中心對稱分布。軸體與殼體的高度相等；每對觸片在軸向上投影的等距螺旋線的準線是極點相同、旋轉方向相同、極徑相等、弧度相等的等距螺旋弧線。串、並聯總線觸片的準線旋轉方向相反，串、並聯動觸片的準線旋轉方向相反。每對觸片的高度相等，每對觸片的準線都是成中心対稱的兩段等距螺旋弧線。2. 3方案ニ 電磁力傳動開關驅動方式每個電磁力傳動開關驅動方式的單元模塊中有2個電磁鐵，2個公共觸點，2個常開觸點，I個常閉觸點，每個公共觸點與ニ端元件或單體電池的一端相連，每個単元的常開觸點與並聯總線之間連接ー個自恢復熔斷器。
以上兩種開關方式必須是3個以上的單元模塊組合使用，控制2個以上的被控ニ端元件。電磁鐵傳動開關方式的単元模塊組合時，並聯總線由外部導線將各単元模塊相同位置上的常開點並聯；機械軸傳動開關方式的単元模塊組合時，各組內單元模塊對應位置上的並聯動觸片共用一個並聯動觸片，共用並聯動觸片的高度為組內所有単元模塊軸體高度的代數和。3.本發明機械軸傳動的工作原理3.1在殼體內壁的50° 105°位置上安裝I串聯個總線觸片，在115° 130°位置上安裝I並聯個總線觸片，在殼體內壁65° 70°與245° 250°兩處各安裝ー個有限位裝置，在殼體內壁的230° 285°位置上安裝另ー個串聯總線觸片；在295° 310°位置上安裝另ー組並聯總線觸片，2個串聯動觸片成中心對稱，一個串聯觸片安裝在軸體柱面上50° 130°位置上，另ー個安裝在軸體柱面上230° 310°位置上，在軸體柱面上65° 70°與245° 250°兩處各安裝ー個有限位裝置，在軸體柱面的135° 150°位置上安裝I個並聯觸片，在軸體柱面的315° 330°位置上安裝另ー個並聯觸片。
3. 2擱置狀態軸體轉動帶動動觸片離開總線觸片後，這時電池組都處於擱置狀態,此時每個電池是ー個獨立的單體,系統不能對電池充電,也不能對電池放電。3. 3工作狀態是指電池組跟其他設備進行能量交換的狀態，軸體轉動帶動串聯動觸片接近串聯總線觸片，直到軸體上或殼體上的限位裝置阻止軸體轉動時，串聯動觸片與串聯總線觸片充分接觸，電池組進入工作狀態，此時串聯觸片將電池組中所有電池串聯，電池組進入工作狀態。3. 4均衡狀態是指電池組內，電池與電池之間的能量交換狀態，軸體轉到帶動串聯動觸片離開串聯總線觸片，帶動並聯動觸片接近並聯總線觸片，直到軸體上或殼體上的限位裝置阻止軸體轉動時，並聯動觸片與總線觸片的並聯段充分接觸，將電池組內所有電池並聯，電池組進入均衡狀態。3. 5為了克服電路中二端元件的電氣性能過分懸殊，在並聯支路上串聯了自恢復熔斷器，若均衡時電流過大，自恢復熔斷器會自適應增減阻杭，保障電路與電器安全。3. 6在機械軸傳動方式中，機械軸轉動可以使用步進電機與BMS(電池管理系統)配合完成，機械軸傳動方式主要利用的是等距螺旋的旋轉特性，在觸片結合時，結合方向接近垂直結合，接觸壓カ接近為正壓力，當相互結合的觸片有摩擦力發生時，相互結合的觸片已經充分接觸，限位裝置已經限位。當兩個觸片的分離時，兩個觸片的運動方向也是垂直方向的，從觸片的結合與斷開的角度上講是符合電氣連接規則的。在觸片的結合與斷開的過程中，很少克服摩擦力做功，所以摩擦損耗，能輕鬆地將龐大電池組電路轉換成為了現實。因為械軸傳動的開關為面接觸，接觸電阻壓縮到最小，損耗降到最低。這種方式適用於電氣參數較大的エ況。，在觸片的表面塗有石墨或導電膏，起到潤滑、導電、防腐等作用。3. 7在單個模塊中，各組觸片之間的綜合摩擦係數小於0. 01，最大轉矩小於0. 005牛*米，若16個模塊為一組，則每組最大轉矩小於0. 08牛*米。4.本發明電磁鐵傳動的工作原理4. I擱置狀態電磁鐵I與電磁鐵2為斷電狀態，公共觸點在自身彈カ的作用下保持靜平衡，將電池組中的電池斷開,這時電池組中的所有電池處於擱置狀態。4. 2工作狀態電磁鐵I通電，電磁鐵2斷電，電磁鐵I通電後將2個公共觸點同時吸引到③常閉點，常閉點③將電池組中的所有電池串聯。這時電池組就進入工作狀態。4. 3均衡狀態電磁鐵I斷電，電磁鐵2通電，電磁鐵2通電後將2個公共觸點同時吸引到⑥、⑦兩個常開點上。常開點通過外部導線將電池組內的所有単體並聯，此時電池組就進入電壓均衡狀態。4. 4本發明中的電磁鐵傳動方式的電氣工作原理與械軸傳動的開關相同，主要適用於電流在100A以下的電氣迴路。本發明從穩定性、實用性、安全性、經濟性上講是目前半導體元件無法實現的。5.本發明的應用5. I本發明適用於任何二次電池的串聯工程，在其中起到電池連接，電壓、能量均衡與延長電池使用壽命的功能；用於再生能源變流儲能系統時，能降低電池組總體電壓，便 於任何等級電壓的儲能。5. 2在儲存制動能量中本發明能起到降低電池組電壓，增強回收能力的功能。5. 3本發明主要通過單元模塊中開關變換，從而改變電路中二端元件的連接方式。可應用於除電池以外的其他有源或無源電路連接轉換。使整個電路的電氣參數成倍變化，從而達到需要的電氣性能。5. 4本發明必須是3個以上的單元模塊組合使用，控制2個以上的被控ニ端元件，其穩定性、實用性、安全性、經濟性上講是目前半導體元件無法實現的。


圖I.電磁鐵傳動開關內部元件說明①電磁鐵a②電磁鐵b③常閉觸點④公共觸點a⑤公共觸點b⑥常開觸點a⑦常開觸點b圖2.機械軸傳動開關內部元件說明⑧殼體⑨軸體⑩串聯總線觸片a0串聯總線觸片b 自恢復熔斷器a 自恢復熔斷器b @並聯總線觸片a 井聯總線觸片b 接線端a安裝孔 接線端b安裝孔@殼體內限位裝置a 殼體旋轉限位裝置b @串聯動觸片a @串聯動觸片b @並聯動觸片a 井聯動觸片b @軸體上旋轉限位裝置a @軸體上旋轉限位裝置b 単元模塊組合定位安裝孔圖3.電磁鐵傳動開關ニ種狀態電路原通(a)工作狀態(b)均衡狀態(C)擱置狀態圖4.電磁鐵傳動開關三種狀態截面(a)工作狀態(b)均衡狀態(C)擱置狀態圖5.機械軸傳動開關三種狀態電路原理(a)工作狀態(b)均衡狀態(C)擱置狀態圖6.機械軸傳動開關三種狀態截面(a)工作狀態(b)均衡狀態(C)擱置狀態圖7.機械軸傳動開關軸體上串、並聯動觸片準線示意圖(a)串聯動觸片準線示意圖(b)並聯動觸片準線示意圖
圖8.機械軸傳動開關殼體內串、並聯總線觸片準線示意圖(a)串聯總線觸片準線示意圖(b)並聯總線觸片準線示意9.機械軸傳動開關軸體正截面圖與殼體正截面圖a)軸體正截面圖(b)殼體正截面10.機械軸傳動開關串聯動觸片正截面與立體圖(a)串聯動觸片正截面圖(b)串聯動觸立體11.機械軸傳動開關並聯動觸片正截面與立體圖(a)並聯動觸片正截面圖(b)並聯動觸片立體12.機械軸傳動開關串聯總線觸片正截面與立體圖(a)串聯總線觸片正截面 圖(b)串聯總線觸片立體13.機械軸傳動開關並聯總線觸片正截面與立體圖(a)並聯總線觸片正截面圖(b)並聯總線觸片立體14.機械軸傳動開關軸體組裝立體與殼體組裝立體圖(a)軸體組裝立體圖(b)殼體組裝立體15.機械軸傳動開關單元模塊立體16.機械軸傳動開關構成的電池電壓充放電均衡設備圖17.機械軸傳動開關成組時共用並聯動觸片長度變化示意18.電磁鐵傳動開關方式成組工作狀態應用原理圖19.電磁鐵傳動開關方式成組均衡狀態應用原理圖20.電磁鐵傳動開關方式成組擱置狀態應用原理圖21.機械軸傳動開關方式成組工作狀態應用原理圖22.機械軸傳動開關方式成組均衡狀態應用原理圖23.機械軸傳動開關方式成組擱置狀態應用原理圖24.電磁鐵傳動開關方式第I階段能量回收開關閉合情況圖25.電磁鐵傳動開關方式第2階段能量回收開關閉合情況圖26.電磁鐵傳動開關方式第3階段能量回收開關閉合情況圖27.電磁鐵傳動開關方式第4階段能量回收開關閉合情況圖28.機械軸傳動開關方式第I階段能量回收開關旋轉情況圖29.機械軸傳動開關方式第2階段能量回收開關旋轉情況圖30.機械軸傳動開關方式第3階段能量回收開關旋轉情況圖31.機械軸傳動開關方式第4階段能量回收開關旋轉情況
具體實施例方式本發明以機械軸傳動方式裝置做試驗。5. 5機械軸傳動方式裝置，總線觸片固定在殼體內壁上，總線觸片由順時針等距螺旋觸片與反時針等距螺旋觸片兩部分組成；分別作為串聯動觸片、並聯動觸片，在順時針等距螺旋觸片與反時針等距螺旋觸片之間，有一個限位裝置，軸體轉動帶動串聯動觸片接近串聯總線觸片，直到軸體上或殼體上的限位裝置阻止軸體轉動時，串聯動觸片與總線觸片充分接觸，電池組進入工作狀態，此時串聯觸片將電池組串聯。當軸體轉到帶動串聯動觸片離開串聯總線觸片，帶動並聯動觸片接近並聯總線觸片，直到軸體上的限位裝置或殼體上的限位裝置阻止軸體轉動時，並聯動觸片與並聯總線觸片充分接觸，將電池組內所有電池並聯，電池組進入均衡狀態。本發明配合BMS與直流步進電機共同完成轉軸的的轉動過程。充電均衡試驗電池組總額定容量為51. 2V100Ah (IOOAh磷酸亞鐵鋰電池16串，共16個單體)，處於試驗目的，電池經過化成分容後，I倍率串聯放電至該組電池中出現2. 5V電壓的電池，然後I倍率充電至該組電池中出現3. 65V電壓的電池，測得各単體的電壓與容量。


權利要求
1.電池充放電均衡與制動能量回收的機電裝置，其特徵在於，分為機械軸傳動與電磁鐵傳動兩種開關驅動方式； 方案一機械軸傳動開關驅動方式 每個機械軸傳動開關的單元模塊中都有I個殼體、I個軸體，每個單元模塊的殼體上有一對串聯總線觸片，一對並聯總線觸片，2組自恢復熔斷器，2個限位裝置；每個單元模塊的軸體上有一對串聯動觸片、一對並聯動觸片，2個限位裝置； 在機械軸傳動的單元模塊中，殼體內腔是圓筒形，軸體是圓柱形；且殼體內腔與軸體存在間隙，殼體與軸體同軸同心； 每對觸片的大小形狀相同，且中心對稱分布； 一組自恢復熔斷器將I個串聯總線觸片與I並聯個總線觸片連接起來，然後澆鑄在殼體中，串聯總線觸片與並聯總線觸片均為柱體，且距離軸體最近的面為弧柱面，弧柱面凸出殼體內腔，串聯總線觸片與並聯總線觸片的弧柱面在軸向上的投影均為等距螺旋線；在殼體內腔串聯總線觸片與並聯總線觸片之間設置I個限位裝置； 兩個串聯動觸片為柱體，距離殼體最近的面為外表面，其外表面為弧柱面，串聯動觸片的弧柱面凸出軸體的圓柱面，且該弧柱面在軸向上的投影為等距螺旋線；串聯動觸片的柱體高度小於殼體高度；兩個串聯動觸片先短路連接，然後固定在軸體中； 兩個並聯動觸片為柱體，距離殼體最近的面為外表面，其外表面為弧柱面，且該弧柱面在軸向上的投影為等距螺旋線；兩個並聯動觸片的柱體高度等於軸體高度；在軸體的圓柱面上平行於軸線方向開2個槽，這2個槽中心對稱，然後將並聯動觸片固定在軸體的槽上，並聯動觸片的外表面凸出軸體的圓柱面； 在軸體圓柱面上I個串聯動觸片與I個並聯動觸片之間設置I個限位裝置，且2個限位裝置中心對稱分布； 軸體與殼體的高度相等；每對觸片在軸向上投影的等距螺旋線的準線是極點相同、旋轉方向相同、極徑相等、弧度相等的等距螺旋弧線；串、並聯總線觸片的準線旋轉方向相反，串、並聯動觸片的準線旋轉方向相反；每對觸片的高度相等，每對觸片的準線都是成中心對稱的兩段等距螺旋弧線； 方案二 電磁力傳動開關驅動方式 每個電磁力傳動開關驅動方式的單元模塊中有2個電磁鐵，2個公共觸點，2個常開觸點，I個常閉觸點，每個公共觸點與二端元件或單體電池的一端相連，每個單元的常開觸點與並聯總線之間連接一個自恢復熔斷器； 以上兩種開關方式必須是3個以上的單元模塊組合使用，控制2個以上的被控二端元件；電磁鐵傳動開關方式的單元模塊組合時，並聯總線由外部導線將各單元模塊相同位置上的常開點並聯；機械軸傳動開關方式的單元模塊組合時，各組內單元模塊對應位置上的並聯動觸片共用一個並聯動觸片，共用並聯動觸片的高度為組內所有單元模塊軸體高度的代數和。
全文摘要
本發明是電池充放電均衡與制動能量回收的機電裝置。適用於各種二次電池應用領域中的充放電電壓整組均衡與分段均衡，適用於電機制動能量回收，用於再生能源變流儲能系統時，能降低電池組總體電壓，便於任何等級電壓的儲能，適用於直流電動機降壓啟動控制與倍流控制。適用於有源二端元件或無源二端元件的電路連接轉換。本發明分為機械軸傳動與電磁鐵傳動兩種開關驅動方式。這兩種電氣工作原理相同，都是對對大規模成組的功率元件連接電路成組轉換。本發明從穩定性、實用性、安全性、經濟性上講是目前半導體元件無法實現的。本發明能在其使用的領域內提高80％的經濟價值。
文檔編號H02J7/00GK102780243SQ20121020067
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者宋佳齡, 宋慶, 李小健, 胡晨, 範承, 趙海雷 申請人:範承