CN203674347U - 一种锂离子电池与铅酸电池混合系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，它包括由多个锂电池通过串联、并联或者混联形成的离子电池组以及由多个铅酸电池通过串联形成的铅酸电池组；所述锂离子电池组与所述铅酸电池组并联形成混合系统模块；所述混合电池系统含有一个或多个上述混合系统模块。对比纯铅酸电池系统，本实用新型混合系统在恒功率放电、大功率脉冲放电以及循环寿命等电性能特征有显著的提升。
Description
技术领域
本实用新型涉及不同电化学体系电池混合系统，特别涉及到锂离子电池与铅酸电池混合系统在低速电动汽车、电动汽车领域的应用。
背景技术
近年来，我国汽车工业迅猛发展，其中轿车中家庭用车的比例占60%以上，每天的行驶里程大多在50公里范围内，活动场所也主要在城区道路，平均行驶速度为50-60公里/小时。按每辆家庭用车年运行12000公里计算，燃油汽车最低消耗燃油800升，若有20%的家庭用车改为电动乘用车，每年节省的燃油消耗量是巨大的。由于现有电池技术的限制，即便有高额的政府补贴，目前的电动汽车性价比依旧非常有限，发展“低速电动汽车”作为走向“电动汽车”的过渡——比较可行而且社会成本比较小，这是更适合中国的电动汽车实现路径。
电动车蓄电池主要有：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等，考虑到同等容量镍氢电池价格是铅酸电池的两倍以上，锂离子电池的成本更高，在低速电动汽车配套上以铅酸电池为主。
铅酸电池的优点：
安全可靠，电压平台较好，生产工艺成熟，价格低廉，原材料丰富以及能够回收再生利用。
铅酸电池的缺点：
1、质量比能量和体积比能量都比较低(通常为35Wh/kg和70Wh/L)；
2、自放电率较高(每天降低1%在环境温度25℃的条件下)；
3、循环寿命相对较低(深充深放循环次数≈300次)；
4、由于硫酸腐蚀电极不便于长期储存，不适合大电流放电，特别在大功率和大电流放电的工作状态下，电池实际平均工作时间显著减少，达不到用户标准。
锂离子电池的具有以下优点：
1、具有更高的质量比能量120Wh/Kg、体积比能量300Wh/L；
2、电压高，自放电小，可长时间存放；
3、超长寿命，特别是磷酸铁锂电池，在25℃环境下，1C充放电循环寿命达到1500次以上。
锂离子电池的具有以下缺点：
1、锂离子电池安全性能较差，特别是在大电流放电或充电的情况下；
2、充电压过高容易使锂离子电池鼓胀甚至安全事故，造成无法使用，使用中需要保护板。
总之，目前的电池技术并非完美，在目前电动汽车领域，无法同时在最高时速、充电次数和电池成本之间达到令人满意的水平。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服铅酸电池与锂离子电池现有技术的不足，提供一种锂离子电池与铅酸电池组合的混合系统，对比纯铅酸电池系统，混合系统在恒功率放电、大功率脉冲放电以及循环寿命等电性能特征有显著的提升。为此，本实用新型采用以下技术方案：
一种由锂离子电池与铅酸电池组合的混合系统，其特征在于：它包括
锂离子电池组，由多个锂电池通过串联、并联或者混联形成；
铅酸电池组，由多个铅酸电池通过串联形成；
所述锂离子电池组与所述铅酸电池组并联形成混合系统模块；
所述混合电池系统含有一个或多个上述混合系统模块。
由于采用本实用新型的技术方案，根据锂离子电池与铅酸电池两种不同电化学体系的电池在不同SOC（State Of Charge，充电状态）状态下直流内阻、OCV（Open Circuit Voltage）、其他电性能的差异，混合系统模块中锂离子电池组与铅酸电池组回路的电流在不同的SOC状态下会自动调节，防止锂离子电池出现过充、过放等滥用现象；并且在搁置过程中，锂离子电池组会和铅酸电池组进行相互间的自动均衡，有利于减缓单体电池间的失效模式及失效速度，从而改善单体电池的一致性；同时混合系统模块在大电流放电、循环寿命等性能要明显优于纯铅酸电池模块。
其中，多个混合系统模块的组合方式包括“先串联后并联”组合方式或者“先并联后串联”组合方式。这样，该混合系统都是由混合系统模块混联组合，便于整个混合系统内部的电压、电流、温度等参数的监测；混合系统内部的混合系统模块的安装与更换更加方便；通过混联组合可以适当的降低单体电池的容量、外形尺寸等参数，有利于单体电池的品质控制以及电池间一致性的提升；对于先串联后并联的混合系统或者先并联后串联混合系统，混合系统的电性能参数要明显优于纯铅酸电池系统。
进一步地，混合系统模块中，锂离子电池的容量占铅酸电池容量的5%—40%，最佳值为10%-20%。
进一步地，混合系统模块中，锂离子电池的充放电倍率要求满足：
C’=[(1+x)Clead×N×n]÷（Clead×x）
Clead：铅酸电池标称容量；
x：锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量比例，5%≤x≤40%；
Clead×（1+x）：混合系统模块的标称容量；
N：混合电池系统在实际工况运用中的充放电倍率，0＜N≤3；
n：混合系统模块在充放电过程中通过锂离子电池支路的电流占总电流的比例，0＜n＜0.6；
Ili：通过锂离子支路的电流，Ili=(1+x)×Clead×N×n；
C’：锂离子电池的充放电倍率。
在上述技术方案中，该混合系统模块在相同的恒功率放电测试中，当锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的5%时，该混合系统模块的恒功率放电时间比纯铅酸电池模块的恒功率放电时间高出5%以上；当锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的40%时，该混合系统模块的恒功率放电时间比纯铅酸电池模块的恒功率放电时间高出50%以上；在大电流脉冲放电测试中，当锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的5%时，该混合系统模块的大电流脉冲放电的平均功率比纯铅酸电池模块的大电流脉冲放电的平均功率高出5%以上；当锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的40%时，该混合系统模块的大电流脉冲放电的平均功率比纯铅酸电池模块的大电流脉冲放电的平均功率高出40%以上；在100%DOD（DOD:Depth Of Discharge）深度循环测试中，其混合系统模块的循环次数比纯铅酸电池模块的循环次数要高出40%—60%。
在上述技术方案中，当锂离子电池的标称容量占铅酸电池标称容量的10%的时候，混合系统与纯铅酸电池系统相比，前者在恒功率测试的放电时间提升了约15.0%；在大电流脉冲放电的平均功率提升了约13.0%；在100%DOD深度循环测试中，循环寿命提升了约50.0%
附图说明
图1为本实用新型混合系统模块的结构示意图；
图2为本实用新型所提供的实施例2的锂离子电池在不同SOC状态下充/放电态直流内阻变化图；
图3为本实用新型所提供的实施例2的铅酸电池在不同SOC状态下充/放电态直流内阻变化图；
图4为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块在充电过程中锂离子电池支路与铅酸电池支路充电容量变化对应关系示意图；
图5为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块在放电过程中锂离子电池支路与铅酸电池支路放电容量变化对应关系示意图；
图6为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块在充电过程中，铅酸电池与锂离子电池各个支路中的电流分布图；
图7为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块在放电过程中，铅酸电池与锂离子电池各个支路中的电流分布图；
图8为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块与纯铅酸电池模块在相同电流的充放电曲线对比图；
图9为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块与纯铅酸电池模块的恒功率放电曲线对比图；
图10为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块与纯铅酸电池模块的大电流脉冲放电曲线对比图；
图11为本实用新型所提供的实施例2的混合系统模块与纯铅酸电池模块的100%DOD循环寿命测试对比图；
图12为本实用新型混合系统模块的串联组合成混合电池系统的示意图；
图13为本实用新型混合系统模块先串联后并联组合成混合电池系统的示意图；
图14为本实用新型混合系统模块先并联后串联组合成混合电池系统的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。可以理解，本实用新型也可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开的具体实施例的限制。
实施例1：锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的5%。
如图1所示，本实用新型提供了一种混合电池装置，包括：锂离子电池组1，4个磷酸铁锂方形电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为10Ah）通过串联形成锂离子电池组1；铅酸电池组2，2个铅酸电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为200Ah）通过串联形成铅酸电池组2，所述磷酸铁锂电池组1与所述铅酸电池组2并联组成混合系统模块3。
在上述技术方案中，在相同的测试方案、测试设备、测试环境条件下，本次实用新型混合系统模块恒功率放电时间比纯铅酸电池模块恒功率放电时间多出5.3%；在600A持续放电3分钟结果分析，其混合系统模块的放电平均功率比纯铅酸电池模块增加6.3%；在100%DOD状态的循环测试中，混合系统模块的循环次数比纯铅酸电池模块的循环次数高出38.8%，测试数据见表1。
实施例2：锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的10%。
如图1所示，本实用新型提供了一种混合电池装置，包括：锂电池组1，4个磷酸铁锂方形电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为20Ah）通过串联形成锂电池组1；铅酸电池组2，2个铅酸电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为200Ah）通过串联形成铅酸电池组2，所述磷酸铁锂电池组1与所述铅酸电池组2并联组成混合系统模块3。
在上述技术方案中，在混合系统模块的恒流充电阶段，充电电流自动分配在锂离子电池组与铅酸电池组之间，在铅酸电池充电至5%SOC—35%SOC的时候，锂离子电池组的充电完成5%-95%SOC，在混合系统的恒流充电后期与恒压充电阶段，充电电流主要对铅酸电池组2进行充电，从而起到防止锂离子电池过充的作用,如图4和图6所示，其中图4中，实施例2中混合系统模块的充电测试中各个电池组支路中充电容量分布变化情况，4-01表示4串LFP电池组支路在不同时间内充电容量，4-02表示2串铅酸电池组支路在不同时间内充电容量，4-03表示4串LFP电池组的充电容量变化曲线，4-04表示2串铅酸电池组的充电变化曲线。图6中，实施例2中混合系统模块的充电测试中各个电池组支路中的电流分布变化情况，6-01表示在恒流73.3A充电过程中通过2串铅酸电池组支路的电流变化曲线，6-02表示在恒流73.3A充电过程中通过4串LFP电池组支路的电流变化曲线，6-03表示在恒流150A充电过程中通过2串铅酸电池组支路的电流变化曲线，6-04表示在恒流150A充电过程中通过4串LFP电池组支路的电流变化曲线。而在混合系统的恒流或恒功率放电阶段，电流自动分配在锂离子电池组与铅酸电池组之间，锂离子电池分流占总电流的30%—60%，并且逐步减少，当锂离子电池完成放电时，铅酸电池放电容量占其标称容量的5%SOC—40%SOC，在放电中后期，放电电流通过铅酸电池支路，如图5和图7所示，其中图5中，实施例2中混合系统模块的放电测试中各个电池组支路中放电容量分布变化情况，5-01表示2串铅酸电池组支路在不同时间内放电容量，5-02表示4串LFP电池组支路在不同时间内放电容量，5-03表示4串LFP电池组的放电容量变化曲线，5-04表示2串铅酸电池组的放电变化曲线。图7中，实施例2中混合系统模块的放电测试中各个电池组支路中的电流分布变化情况，7-01表示在恒流73.3A放电过程中通过4串LFP电池组支路的电流变化曲线，7-02表示在恒流73.3A放电过程中通过2串铅酸电池组支路的电流变化曲线，7-03表示在恒流150A放电过程中通过4串LFP电池组支路的电流变化曲线，7-04表示在恒流150A放电过程中通过2串铅酸电池组支路的电流变化曲线。
在上述技术方案中，挑选单体铅酸电池与单体锂离子电池主要技术参数为直流内阻、OCV。锂离子电池在不同SOC状态下的直流内阻包括充电态直流内阻和放电态直流内阻，锂离子电池10%SOC-90%SOC充电态直流内阻大于铅酸电池10%SOC-70%SOC充电态内阻，锂离子电池10%SOC-90%SOC放电态直流内阻大于铅酸电池10%SOC-90%SOC放电态直流内阻，如图2和图3所示。图2表示4串LFP电池组的直流内阻对应不同SOC状态下的变化曲线，2-01表示充电态直流内阻对应不同SOC状态下的变化曲线，2-02表示放电态直流内阻对应不同SOC状态下的变化曲线；图3表示2串铅酸电池组的直流内阻对应不同SOC状态下的变化曲线，3-01表示充电态直流内阻对应不同SOC状态下的变化曲线，3-02表示放电态直流内阻对应不同SOC状态下的变化曲线。
在上述技术方案中，在相同的测试方案、测试设备、测试环境条件下，本次实用新型混合系统模块恒功率放电时间比纯铅酸电池模块恒功率放电时间多出12.6%。如图9所示，图9表示实施例2中混合系统模块与铅酸电池组在恒功率放电曲线的对比，9-01表示混合系统模块的恒功率放电曲线，9-02表示铅酸电池组的恒功率放电曲线；在600A持续放电3分钟结果分析，其混合系统模块的放电平均功率比纯铅酸电池模块增加10.0%。如图10所示，图10表示实施例2中混合系统模块与铅酸电池组在大电流脉冲放电测试曲线对比，10-01表示混合系统模块的大电流脉冲放电曲线，10-02表示铅酸电池组的大电流脉冲放电曲线；在100%DOD状态的循环测试中，混合系统模块的循环次数比纯铅酸电池模块的循环次数高出45.2%，测试数据见表1。如图11所示，图11表示实施例2中混合系统模块与铅酸电池在100%DOD状态下循环寿命测试曲线对比，11-01表示混合系统模块循环寿命测试曲线，11-02表示铅酸电池循环寿命测试曲线。
在上述技术方案中，本次实用新型混合系统模块的实施例在容量测试、不同电池的放电测试中可以得出在充电后期与放电初期，电压平台出现明显的变化，如图8所示。图8表示实施例2中混合系统模块与铅酸电池组在相同的充放电电流测试下的充放电曲线对比。8-01表示铅酸电池组的充电曲线，8-02表示铅酸电池组的放电曲线，8-03表示混合系统模块的充电曲线，8-04表示混合系统模块的放电曲线。
实施例3：锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的40%。
如图1所示，本实用新型提供了一种混合电池装置，包括：锂电池组1，4个磷酸铁锂方形电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为80Ah）通过串联形成锂电池组1；铅酸电池组2，2个铅酸电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为200Ah）通过串联形成铅酸电池组2，所述磷酸铁锂电池组1与所述铅酸电池组2并联组成混合系统模块3。
在上述技术方案中，在相同的测试方案、测试设备、测试环境条件下，本次实用新型混合系统模块恒功率放电时间比纯铅酸电池模块恒功率放电时间多出50.9%；在600A持续放电3分钟结果分析，其混合系统模块的放电平均功率比纯铅酸电池模块增加44.7%；在100%DOD状态的循环测试中，混合系统模块的循环次数比纯铅酸电池模块的循环次数高出59.0%，测试数据见表1。
实施例4：混合系统模块串联组合成混合系统。
如图12所示，本实用新型提供了一种混合系统，包括：锂电池组1，4个磷酸铁锂方形电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为20Ah）通过串联形成锂电池组1；铅酸电池组2，2个铅酸电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为200Ah）通过串联形成铅酸电池组2，所述磷酸铁锂电池组1与所述铅酸电池组2并联组成混合系统模块3，再由3个混合系统模块3串联组合成混合系统4。
在上述技术方案中，在相同的测试方案、测试设备、测试环境条件下，本混合系统4恒功率放电时间比纯铅酸电池系统恒功率放电时间多出15.6%；在600A持续放电3分钟结果分析，本混合系统4的放电平均功率比纯铅酸电池系统增加12.3%；在100%DOD状态的循环测试中，本混合系统4的循环次数比纯铅酸电池系统的循环次数高出48.0%，测试数据见表1。
实施例5：混合系统模块先串联后并联组合混合系统。
如图13所示，本实用新型提供了一种混合系统，包括：锂电池组1，4个磷酸铁锂方形电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为5Ah）通过串联形成锂电池组1；铅酸电池组2，2个铅酸电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为50Ah）通过串联形成铅酸电池组2，所述磷酸铁锂电池组1与所述铅酸电池组2并联组成混合系统模块3，由3个混合系统模块3串联组合成混合系统5，再由4个混合系统5并联组合成混合系统6。
在上述技术方案中，在相同的测试方案、测试设备、测试环境条件下，本混合系统6恒功率放电时间比纯铅酸电池恒功率放电时间多出16.1%；在600A持续放电3分钟结果分析，本混合系统6的放电平均功率比纯铅酸电池增加13.2%；在100%DOD状态的循环测试中，本混合系统6的循环次数比纯铅酸电池的循环次数高出50.1%，测试数据见表1。
实施例6：混合系统模块先并联后串联组合成混合系统。
如图14所示，本实用新型提供了一种混合系统，包括：锂电池组1，4个磷酸铁锂方形电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为5Ah）通过串联形成锂电池组1；铅酸电池组2，2个铅酸电池（生产厂商：浙江南都电源动力股份有限公司，标称容量为50Ah）通过串联形成铅酸电池组2，所述磷酸铁锂电池组1与所述铅酸电池组2并联组成混合系统模块3，由4个混合系统模块3并联组合成混合系统7，再由3个混合系统7串联组合成混合系统8。
在上述技术方案中，在相同的测试方案、测试设备、测试环境条件下，本混合系统8恒功率放电时间比纯铅酸电池恒功率放电时间多出15.9%；在600A持续放电3分钟结果分析，本混合系统8的放电平均功率比纯铅酸电池增加12.7%；在100%DOD状态的循环测试中，本混合系统8的循环次数比纯铅酸电池的循环次数高出50.3%，测试数据见表1。
表1：实施例评价对比测试项目数据对比
Claims (7)
1.一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：所述混合系统包括：
锂离子电池组，由多个锂电池通过串联、并联或者混联形成；
铅酸电池组，由多个铅酸电池通过串联形成；
所述锂离子电池组与所述铅酸电池组并联形成混合系统模块；
所述混合电池系统含有一个或多个所述混合系统模块。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的5%—40%。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：混合系统模块中锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量的最佳值为10%—20%。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：混合系统模块中，锂离子电池的充放电倍率要求满足：C’=[(1+x)Clead×N×n]÷（Clead×x）
Clead：铅酸电池标称容量；
x：锂离子电池标称容量占铅酸电池标称容量比例，5%≤x≤40%；
Clead×（1+x）：混合系统模块的标称容量；
N：混合电池系统在实际工况运用中的充放电倍率，0＜N≤3；
n：混合系统模块在充放电过程中通过锂离子电池支路的电流占总电流的比例，0＜n＜0.6；
Ili：通过锂离子支路的电流，Ili=(1+x)×Clead×N×n；
C’：锂离子电池的充放电倍率。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：混合系统模块中，铅酸电池与锂离子电池的充放电参数满足，在混合电池系统的恒流充电阶段，在铅酸电池充电至5%SOC—35%SOC的时候，锂离子电池的充电完成5%SOC-95%SOC，而在混合电池系统的恒流或恒功率放电阶段，锂离子电池分流占总电流的30%—60%，并且逐步减少，当锂离子电池完成放电时，铅酸电池放电容量占其标称容量的5%SOC—40%SOC。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：混合系统模块中，锂离子电池在不同SOC状态下的直流内阻包括充电态直流内阻和放电态直流内阻，铅酸电池与锂离子电池的充放电直流内阻满足：锂离子电池10%SOC-90%SOC充电态直流内阻大于铅酸电池10%SOC-70%SOC充电态内阻，锂离子电池10%SOC-90%SOC放电态直流内阻大于铅酸电池10%SOC-90%SOC放电态直流内阻。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种锂离子电池与铅酸电池混合系统，其特征在于：所述混合电池系统含有多个所述混合系统模块，多个混合系统模块的组合方式采用“先串联后并联”组合方式或者“先并联后串联”组合方式。
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- 2013-11-08 CN CN201320703561.9U patent/CN203674347U/zh not_active Expired - Lifetime
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