专利名称：电池充放电均衡与制动能量回收的机电装置的制作方法
技术领域：
本发明是电池充放电均衡与制动能量回收的机电一体装置。适用于各种二次电池应用领域中的充放电电压整组均衡与分段均衡，适用于电机制动能量回收，适用于风光储能系统低压储能，适用于直流电动机降压启动控制与倍流控制。适用于有源二端元件或无源二端元件的电路连接转换。
背景技术：
I.电池电压均衡的必要性二次电池单体与单体之间就存在容量上的差异、内阻的差异、组装的差异、工程应用环境的差异等，所有的差异集中表现在某一时刻的电压上。
目前锂离子电池单体100%D0D循环次数可突破2000次，若每天做一次100%D0D，经过5年零6个月后，电池容量是初始容量的80%。即电池单体在这段时间应该是无故障的，实际上12个单体电池串联成组使用时600次后电池容量不足初始容量的70%左右。并联成组使用时900次后电池容量是初始容量的85%左右。在所有的工程应用中电池总是要将单体串联起来使用，电池串联成组使用时，不论是充电还是放电，都是以该组电池中的极高与极低单体电压为准，充电时单体电压高于某个阈值，系统停止充电，电池组总的储能量Σ E与单体储存能量的关系是Σ Echarge=EwminX单体个数，放电时单体电压低于某个阈值，系统停止放电电，电池组总的释放能量Σ E与单体储存能量的关系是Σ Edischarge=Ei^frfflinX单体个数。为了让电池组能尽可能储存与释放更多的能量，为了让电池得到更好的利用，我们必须对电池组进行容量均衡。因为所有的差异集中表现在静态电压上。所以我们只要对电池组电压均衡就可以了。2.传统的电池均衡分析2. I.简单分流式电池均衡处理技术在电池均衡处理技术上，方式多种多样，最常见的一种电池电压均衡是分流式，在电池上并联一个半导体开关与一个限流电阻网络，对电池充电时，当电池电压升高达到某一个阈值，半导体开关被触发导通，让充电电流旁路到电压低的电池上，最后是电压低的电池与电压高的电池，电压基本相等。这种均衡方式的优点是，电路拓扑简单，充电均衡功能容易实现。该均衡技术缺点之一充电均衡是基本实现了，但是放电均衡根本就没有考虑到，所以是单边的均衡，对电池成组使用来说帮助不大，该均衡技术缺点之二 半导体开关的导通内阻最小也是毫欧(πιΩ )数量级，限流电阻的选配各制造商不一样，最小的也有选用到3ohm，就简单的电损耗也是Q=I2R，所以方案的均衡电流不能做大，如果均衡电流越大，电能损耗就越严重，控制系统环境温度升高，系统工作紊乱。如果均衡电流越小，
f = j I/ Jrfl ’电池要均衡相等的电量，所需要的时间就会很长。该均衡技术缺点之
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三对体育电池单体容量越来越大的情况，这种均衡是无法达到用户的目的，更保障不了电池的一致性。该均衡技术缺点之四半导体开关在使用的过程中优点是很多，无触点接触，噪声小，无电弧等，但是一旦失效，短路的情况总是远远多于开路的情况，如果半导体开关一旦发生短路电池单体就与旁路均衡电阻构成自放电网络，电池本身是被动体，所以它就会把储存的电量无保留的放掉。这就是均衡装置的“自放电”。2.2.改进的分流式电池均衡处理技术这种简单均衡处理技术的基础上添加了 2个半导体开关，其中一个半导体电子开关串联在电池回路中，另一个旁路在均衡电路上，这两个半导体在电路中来完成放电均衡功能，这是该方案的优点。最主要的缺点就是这2个半导体开关在工作时电流为主干路电流，损耗是非常大的，根本起不到节能的作用，所以目前，在小电流电池组中基本使用，但是对于大容量电池组来说无任何实用价值，这种均衡技术同时存在简单分流均衡技术所有缺点，并且旁路在均衡电路上的半导体开关如果失效，将对电池单体直接短路，对于整个电池管理系统来说，由于短路极其容易发生火灾，爆炸等灾难性事故。所以这种技术就更理想化了。 2.3.开关电源充电均衡技术开关电源充电均衡技术，利用低压大电流开关电源对电池单体充电与修复，工作原理是利用输出与电池满充电压相等的开关电源给单体电池一对一充电。这种均衡技术的优点是开关电源的可控性高，智能化程度高，但缺点主要表现有2点其一，开关电源的灵活性高，但是一致性就差，单体开关电源的电压极差小于IOmV的一个批次，比电池还难做至IJ，所以开关电源的不一致性，在这一对一的充电时，就会直接传给单体电池，单体电池经过几次循环以后电池的一致性也是无法保证了 ；其二，低压大电流开关电源总是存在损耗的，如果锂离子电池单体充电模块效率为85%，400W的模块损耗为60W，如果有100各单体工作I小时，那么总损耗就是60X100=6000W，这样失去了节能的效果。(比电池组共用一个充电机的效率低的多。如果共用充电机的效率为95% (实际可以达到96%)，对于40kW的充电机，损耗为2000W，相比于6000W来说节能为4000W。)所以该方案也不能用来对电池均衡处理。2. 4.电池重组技术该技术就是将电池中的电池重新修复校正后，重新组合的均衡技术，当电池组工作一段时间后，电池单体的差异就逐渐表现出来，为了避免极差越来越大，这时对其中差异较大的单体进行充放电，将所有的电池调成一致，然后再成组。该技术的优点是直接重组与修复。该技术缺点之一是工程量大，修复时容量与电压无法准确测定；该技术缺点之二是修的可持续性差，对于新电池来说，可以在200次循环后，重组一次，对于电池后期，重组的次数会更加频繁，所以该均衡技术已不能真正实现电池组的充放电均衡。从以上几种电池组均衡方案来看，都存在相应的缺点，都没有真正实现电池组中单体电压均衡，无法解决电池制造与应用中的瓶颈。
发明内容
I.本发明方案的建立I. I本发明装置均衡后的电池组，电压极差为0V。I. 2本发明必须适用于大电流电池组的均衡I. 3本发明必须具备充放电双向均衡功能
I. 4本发明必须不论在均衡还是在工作过程中必须保障导通电阻小损耗小I. 5本发明在应用时必须能让电池组的三个状态(工作状态、搁置状态、均衡状态)相互转换。且在任意时刻，电池组只能保持在上述三个状态中的ー个状态，I. 6若电池组中，出现“0V”电池，本发明能将电池组转为搁置状态。I. 7本发明具备制动能量回收功能I. 8本发明必须操作简单，可重复操作。 I. 9本发明能用于其他ニ端元件的电路连接转换，改变电路的电压、电流、电阻。I. 10本发明可以通过机械轴传动开关转换也可以通过电磁力传动开关转换。2.本发明采用模块化组装2. I本发明是ー种通过开关转换来实现电池电压均衡与制动能量回收的机电装置，本发明分为机械轴传动与电磁铁传动两种开关驱动方式。2. 2方案一机械轴传动开关驱动方式每个机械轴传动开关的単元模块中都有I个壳体、I个轴体，每个单元模块的壳体上有ー对串联总线触片，一对并联总线触片，2组自恢复熔断器，2个限位装置。每个单元模块的轴体上有ー对串联动触片、一对并联动触片，2个限位装置。在机械轴传动的单元模块中，壳体内腔是圆筒形，轴体是圆柱形。且壳体内腔与轴体存在间隙，壳体与轴体同轴同心；每对触片的大小形状相同，且中心对称分布；ー组自恢复熔断器将I个串联总线触片与I并联个总线触片连接起来，然后浇铸在壳体中，串联总线触片与并联总线触片均为柱体，且距离轴体最近的面为弧柱面，弧柱面凸出壳体内腔，串联总线触片与并联总线触片的弧柱面在轴向上的投影均为等距螺旋线；在壳体内腔串联总线触片与并联总线触片之间设置I个限位装置。两个串联动触片为柱体，距离壳体最近的面为外表面，其外表面为弧柱面，串联动触片的弧柱面凸出轴体的圆柱面，且该弧柱面在轴向上的投影为等距螺旋线；串联动触片的柱体高度小于壳体高度；两个串联动触片先短路连接，然后固定在轴体中。两个并联动触片为柱体，距离壳体最近的面为外表面，其外表面为弧柱面，且该弧柱面在轴向上的投影为等距螺旋线；两个并联动触片的柱体高度等于轴体高度；在轴体的圆柱面上平行于轴线方向开2个槽，这2个槽中心对称，然后将并联动触片固定在轴体的槽上，并联动触片的外表面凸出轴体的圆柱面。在轴体圆柱面上I个串联动触片与I个并联动触片之间设置I个限位装置，且2个限位装置中心对称分布。轴体与壳体的高度相等；每对触片在轴向上投影的等距螺旋线的准线是极点相同、旋转方向相同、极径相等、弧度相等的等距螺旋弧线。串、并联总线触片的准线旋转方向相反，串、并联动触片的准线旋转方向相反。每对触片的高度相等，每对触片的准线都是成中心対称的两段等距螺旋弧线。2. 3方案ニ 电磁力传动开关驱动方式每个电磁力传动开关驱动方式的单元模块中有2个电磁铁，2个公共触点，2个常开触点，I个常闭触点，每个公共触点与ニ端元件或单体电池的一端相连，每个単元的常开触点与并联总线之间连接ー个自恢复熔断器。
以上两种开关方式必须是3个以上的单元模块组合使用，控制2个以上的被控ニ端元件。电磁铁传动开关方式的単元模块组合时，并联总线由外部导线将各単元模块相同位置上的常开点并联；机械轴传动开关方式的単元模块组合时，各组内单元模块对应位置上的并联动触片共用一个并联动触片，共用并联动触片的高度为组内所有単元模块轴体高度的代数和。3.本发明机械轴传动的工作原理3.1在壳体内壁的50° 105°位置上安装I串联个总线触片，在115° 130°位置上安装I并联个总线触片，在壳体内壁65° 70°与245° 250°两处各安装ー个有限位装置，在壳体内壁的230° 285°位置上安装另ー个串联总线触片；在295° 310°位置上安装另ー组并联总线触片，2个串联动触片成中心对称，一个串联触片安装在轴体柱面上50° 130°位置上，另ー个安装在轴体柱面上230° 310°位置上，在轴体柱面上65° 70°与245° 250°两处各安装ー个有限位装置，在轴体柱面的135° 150°位置上安装I个并联触片，在轴体柱面的315° 330°位置上安装另ー个并联触片。
3. 2搁置状态轴体转动带动动触片离开总线触片后，这时电池组都处于搁置状态,此时每个电池是ー个独立的单体,系统不能对电池充电,也不能对电池放电。3. 3工作状态是指电池组跟其他设备进行能量交換的状态，轴体转动带动串联动触片接近串联总线触片，直到轴体上或壳体上的限位装置阻止轴体转动时，串联动触片与串联总线触片充分接触，电池组进入工作状态，此时串联触片将电池组中所有电池串联，电池组进入工作状态。3. 4均衡状态是指电池组内，电池与电池之间的能量交换状态，轴体转到带动串联动触片离开串联总线触片，带动并联动触片接近并联总线触片，直到轴体上或壳体上的限位装置阻止轴体转动时，并联动触片与总线触片的并联段充分接触，将电池组内所有电池并联，电池组进入均衡状态。3. 5为了克服电路中二端元件的电气性能过分悬殊，在并联支路上串联了自恢复熔断器，若均衡时电流过大，自恢复熔断器会自适应增减阻杭，保障电路与电器安全。3. 6在机械轴传动方式中，机械轴转动可以使用步进电机与BMS(电池管理系统)配合完成，机械轴传动方式主要利用的是等距螺旋的旋转特性，在触片结合时，结合方向接近垂直结合，接触压カ接近为正压力，当相互结合的触片有摩擦力发生时，相互结合的触片已经充分接触，限位装置已经限位。当两个触片的分离时，两个触片的运动方向也是垂直方向的，从触片的结合与断开的角度上讲是符合电气连接规则的。在触片的结合与断开的过程中，很少克服摩擦力做功，所以摩擦损耗，能轻松地将庞大电池组电路转换成为了现实。因为械轴传动的开关为面接触，接触电阻压缩到最小，损耗降到最低。这种方式适用于电气參数较大的エ况。，在触片的表面涂有石墨或导电膏，起到润滑、导电、防腐等作用。3. 7在单个模块中，各组触片之间的综合摩擦系数小于0. 01，最大转矩小于0. 005牛*米，若16个模块为一組，则每组最大转矩小于0. 08牛*米。4.本发明电磁铁传动的工作原理4. I搁置状态电磁铁I与电磁铁2为断电状态，公共触点在自身弹カ的作用下保持静平衡，将电池组中的电池断开,这时电池组中的所有电池处于搁置状态。4. 2工作状态电磁铁I通电，电磁铁2断电，电磁铁I通电后将2个公共触点同时吸引到③常闭点，常闭点③将电池组中的所有电池串联。这时电池组就进入工作状态。4. 3均衡状态电磁铁I断电，电磁铁2通电，电磁铁2通电后将2个公共触点同时吸引到⑥、⑦两个常开点上。常开点通过外部导线将电池组内的所有単体并联，此时电池组就进入电压均衡状态。4. 4本发明中的电磁铁传动方式的电气工作原理与械轴传动的开关相同，主要适用于电流在100A以下的电气回路。本发明从稳定性、实用性、安全性、经济性上讲是目前半导体元件无法实现的。5.本发明的应用5. I本发明适用于任何二次电池的串联工程，在其中起到电池连接，电压、能量均衡与延长电池使用寿命的功能；用于再生能源变流储能系统时，能降低电池组总体电压，便 于任何等级电压的储能。5. 2在储存制动能量中本发明能起到降低电池组电压，增强回收能力的功能。5. 3本发明主要通过单元模块中开关变换，从而改变电路中二端元件的连接方式。可应用于除电池以外的其他有源或无源电路连接转换。使整个电路的电气參数成倍变化，从而达到需要的电气性能。5. 4本发明必须是3个以上的单元模块组合使用，控制2个以上的被控ニ端元件，其稳定性、实用性、安全性、经济性上讲是目前半导体元件无法实现的。
图I.电磁铁传动开关内部元件说明①电磁铁a②电磁铁b③常闭触点④公共触点a⑤公共触点b⑥常开触点a⑦常开触点b图2.机械轴传动开关内部元件说明⑧壳体⑨轴体⑩串联总线触片a0串联总线触片b 自恢复熔断器a 自恢复熔断器b @并联总线触片a 井联总线触片b 接线端a安装孔 接线端b安装孔@壳体内限位装置a 壳体旋转限位装置b @串联动触片a @串联动触片b @并联动触片a 井联动触片b @轴体上旋转限位装置a @轴体上旋转限位装置b 単元模块组合定位安装孔图3.电磁铁传动开关ニ种状态电路原通(a)工作状态(b)均衡状态(C)搁置状态图4.电磁铁传动开关三种状态截面(a)工作状态(b)均衡状态(C)搁置状态图5.机械轴传动开关三种状态电路原理(a)工作状态(b)均衡状态(C)搁置状态图6.机械轴传动开关三种状态截面(a)工作状态(b)均衡状态(C)搁置状态图7.机械轴传动开关轴体上串、并联动触片准线示意图(a)串联动触片准线示意图(b)并联动触片准线示意图
图8.机械轴传动开关壳体内串、并联总线触片准线示意图(a)串联总线触片准线示意图(b)并联总线触片准线示意9.机械轴传动开关轴体正截面图与壳体正截面图a)轴体正截面图(b)壳体正截面10.机械轴传动开关串联动触片正截面与立体图(a)串联动触片正截面图(b)串联动触立体11.机械轴传动开关并联动触片正截面与立体图(a)并联动触片正截面图(b)并联动触片立体12.机械轴传动开关串联总线触片正截面与立体图(a)串联总线触片正截面 图(b)串联总线触片立体13.机械轴传动开关并联总线触片正截面与立体图(a)并联总线触片正截面图(b)并联总线触片立体14.机械轴传动开关轴体组装立体与壳体组装立体图(a)轴体组装立体图(b)壳体组装立体15.机械轴传动开关单元模块立体16.机械轴传动开关构成的电池电压充放电均衡设备图17.机械轴传动开关成组时共用并联动触片长度变化示意18.电磁铁传动开关方式成组工作状态应用原理图19.电磁铁传动开关方式成组均衡状态应用原理图20.电磁铁传动开关方式成组搁置状态应用原理图21.机械轴传动开关方式成组工作状态应用原理图22.机械轴传动开关方式成组均衡状态应用原理图23.机械轴传动开关方式成组搁置状态应用原理图24.电磁铁传动开关方式第I阶段能量回收开关闭合情况图25.电磁铁传动开关方式第2阶段能量回收开关闭合情况图26.电磁铁传动开关方式第3阶段能量回收开关闭合情况图27.电磁铁传动开关方式第4阶段能量回收开关闭合情况图28.机械轴传动开关方式第I阶段能量回收开关旋转情况图29.机械轴传动开关方式第2阶段能量回收开关旋转情况图30.机械轴传动开关方式第3阶段能量回收开关旋转情况图31.机械轴传动开关方式第4阶段能量回收开关旋转情况
具体实施例方式本发明以机械轴传动方式装置做试验。5. 5机械轴传动方式装置，总线触片固定在壳体内壁上，总线触片由顺时针等距螺旋触片与反时针等距螺旋触片两部分组成；分别作为串联动触片、并联动触片，在顺时针等距螺旋触片与反时针等距螺旋触片之间，有一个限位装置，轴体转动带动串联动触片接近串联总线触片，直到轴体上或壳体上的限位装置阻止轴体转动时，串联动触片与总线触片充分接触，电池组进入工作状态，此时串联触片将电池组串联。当轴体转到带动串联动触片离开串联总线触片，带动并联动触片接近并联总线触片，直到轴体上的限位装置或壳体上的限位装置阻止轴体转动时，并联动触片与并联总线触片充分接触，将电池组内所有电池并联，电池组进入均衡状态。本发明配合BMS与直流步进电机共同完成转轴的的转动过程。充电均衡试验电池组总额定容量为51. 2V100Ah (IOOAh磷酸亚铁锂电池16串，共16个单体)，处于试验目的，电池经过化成分容后，I倍率串联放电至该组电池中出现2. 5V电压的电池，然后I倍率充电至该组电池中出现3. 65V电压的电池，测得各単体的电压与容量。
权利要求
1.电池充放电均衡与制动能量回收的机电装置，其特征在于，分为机械轴传动与电磁铁传动两种开关驱动方式； 方案一机械轴传动开关驱动方式 每个机械轴传动开关的单元模块中都有I个壳体、I个轴体，每个单元模块的壳体上有一对串联总线触片，一对并联总线触片，2组自恢复熔断器，2个限位装置；每个单元模块的轴体上有一对串联动触片、一对并联动触片，2个限位装置； 在机械轴传动的单元模块中，壳体内腔是圆筒形，轴体是圆柱形；且壳体内腔与轴体存在间隙，壳体与轴体同轴同心； 每对触片的大小形状相同，且中心对称分布； 一组自恢复熔断器将I个串联总线触片与I并联个总线触片连接起来，然后浇铸在壳体中，串联总线触片与并联总线触片均为柱体，且距离轴体最近的面为弧柱面，弧柱面凸出壳体内腔，串联总线触片与并联总线触片的弧柱面在轴向上的投影均为等距螺旋线；在壳体内腔串联总线触片与并联总线触片之间设置I个限位装置； 两个串联动触片为柱体，距离壳体最近的面为外表面，其外表面为弧柱面，串联动触片的弧柱面凸出轴体的圆柱面，且该弧柱面在轴向上的投影为等距螺旋线；串联动触片的柱体高度小于壳体高度；两个串联动触片先短路连接，然后固定在轴体中； 两个并联动触片为柱体，距离壳体最近的面为外表面，其外表面为弧柱面，且该弧柱面在轴向上的投影为等距螺旋线；两个并联动触片的柱体高度等于轴体高度；在轴体的圆柱面上平行于轴线方向开2个槽，这2个槽中心对称，然后将并联动触片固定在轴体的槽上，并联动触片的外表面凸出轴体的圆柱面； 在轴体圆柱面上I个串联动触片与I个并联动触片之间设置I个限位装置，且2个限位装置中心对称分布； 轴体与壳体的高度相等；每对触片在轴向上投影的等距螺旋线的准线是极点相同、旋转方向相同、极径相等、弧度相等的等距螺旋弧线；串、并联总线触片的准线旋转方向相反，串、并联动触片的准线旋转方向相反；每对触片的高度相等，每对触片的准线都是成中心对称的两段等距螺旋弧线； 方案二 电磁力传动开关驱动方式 每个电磁力传动开关驱动方式的单元模块中有2个电磁铁，2个公共触点，2个常开触点，I个常闭触点，每个公共触点与二端元件或单体电池的一端相连，每个单元的常开触点与并联总线之间连接一个自恢复熔断器； 以上两种开关方式必须是3个以上的单元模块组合使用，控制2个以上的被控二端元件；电磁铁传动开关方式的单元模块组合时，并联总线由外部导线将各单元模块相同位置上的常开点并联；机械轴传动开关方式的单元模块组合时，各组内单元模块对应位置上的并联动触片共用一个并联动触片，共用并联动触片的高度为组内所有单元模块轴体高度的代数和。
全文摘要
本发明是电池充放电均衡与制动能量回收的机电装置。适用于各种二次电池应用领域中的充放电电压整组均衡与分段均衡，适用于电机制动能量回收，用于再生能源变流储能系统时，能降低电池组总体电压，便于任何等级电压的储能，适用于直流电动机降压启动控制与倍流控制。适用于有源二端元件或无源二端元件的电路连接转换。本发明分为机械轴传动与电磁铁传动两种开关驱动方式。这两种电气工作原理相同，都是对对大规模成组的功率元件连接电路成组转换。本发明从稳定性、实用性、安全性、经济性上讲是目前半导体元件无法实现的。本发明能在其使用的领域内提高80％的经济价值。
文档编号H02J7/00GK102780243SQ20121020067
公开日2012年11月14日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者宋佳龄, 宋庆, 李小健, 胡晨, 范承, 赵海雷 申请人:范承