一种复合蓄电池及配备该复合蓄电池的车辆的制作方法

本公开涉及一种蓄电池，特别是一种车载复合型蓄电池。

背景技术：

目前包括叉车在内的各种工程车辆、装载车辆，大部分都配备由铅酸蓄电池和直流电动机组成的发动机起动装置。大功率发动机所配备的蓄电池组高达几十千瓦时，十分笨重且维护不便。在发动机起动过程中，虽然铅酸蓄电池可以大电流放电，满足瞬间大功率输出要求，但是大电流放电会使得铅酸蓄电池性能变差，铅酸蓄电池寿命将受到影响。不仅如此，铅酸蓄电池在较低温度下容量会发生严重衰减，放电能力明显下降，会造成发动机起动困难，尤其是高寒地域使用装备性能的提高，对于起动电源的要求也越来越高。传统铅酸蓄电池起动中固有的一些弱点，如常出现的转矩不足引起的起动无力、易受温度变化影响等，这些缺陷都会直接影响其应用。

发动机起动装置常用的蓄电池除了上述的铅酸蓄电池，还包括磷酸铁锂电池和钛酸锂电池。

目前，磷酸铁锂电池本身技术制作工艺成熟，成本仅为铅酸蓄电池的不到两倍，使用寿命接近4千次；可以实现100％充放电；充电较快，不到两小时可充满电，用在叉车上，完全可以中午休息时间充满电，下午继续进行搬运作业。但磷酸铁锂电池不适用于低温环境。只要低于零度以下，磷酸铁锂电池就无法实现有效的充电。低温环境下磷酸铁锂电池会产生锂枝晶，锂枝晶很容易刺透隔膜，造成微短路，带来容量衰减，进而发生短路，造成安全事故。在低温环境下放电，仅可以放出不到60％电量，能量利用率低。并且，磷酸铁锂电池由于无法满足高倍率放电，尤其爬坡，加速，多次循环下来后，电池电压降低明显，直接导致电池性能衰减严重。

近年来出现了钛酸锂电池。钛酸锂电池具备高达两万次以上的循环寿命，超长寿命为车辆带来无穷动力，即使一天三次全充全放，使用也要十年之久。钛酸锂电池比铅酸蓄电池高近十倍的脉冲功率输出，可满足爬坡，加速、大负载输出。钛酸锂电池本身耐低温，温度范围可以跨-40℃～60℃，非常适合低温冷库，高海拔地域，极寒地区，零度以下的充放电。钛酸锂电池具备铅酸蓄电池无法比拟的超低温工作特性等诸多优势，能够提高车辆特别是车辆和特种车辆在恶劣环境中起动的可靠性。但钛酸锂本身能量密度低，仅为磷酸铁锂的一半，成本却是磷酸铁锂的3倍左右，导致钛酸锂电池价格偏高。钛酸锂本身能量有限，同等体积下只能做到磷酸铁锂的一半电量，几次启动就面临无法再用，需要及时去补电处进行充电，给运输作业带来不必要麻烦，特别不适合野外作业。

技术实现要素：

本公开的目的之一是提供一种优势互补的复合蓄电池。

本公开是通过如下技术方案实现的：

一种复合蓄电池，包括充电开关、放电开关、执行器、第一电池和第二电池；所述复合蓄电池具有第一端子、第二端子，所述第一电池具有第三端子和第四端子；所述第二电池具有第五端子和第六端子；所述充电开关连接在所述第一端子和所述第三端子之间；所述放电开关连接在所述第一端子和所述第五端子之间；所述执行器连接在所述第三端子和所述第五端子之间；所述第二端子与所述第四端子、第六端子短接。

作为一个实施方式，所述第二电池包括钛酸锂电池。

作为一个实施方式，所述第一电池包括磷酸铁锂电池、铅酸锂电池、镍钴锰电池或镍钴铝电池中的一种或任意种类的串联。

作为一个实施方式，复合蓄电池还包括功率分配模块，所述功率分配模块包括：功率检测单元，用于检测负载功率；处理单元，用于将检测到的负载功率与设定阈值进行比较；以及执行单元，用于控制所述执行器。

作为一个实施方式，复合蓄电池还包括电池管理模块，与所述功率分配模块连接，所述电池管理模块包括：电池检测单元，与所述第一电池、所述第二电池连接，用于检测钛酸锂电池和磷酸铁锂电池的电压、温度、绝缘阻值；比较单元，用于将检测值与设定阈值进行比较；控制单元，与所述充电开关、所述放电开关连接，用于控制所述充电开关、所述放电开关的开合。

作为一个实施方式，执行器为可调电阻。

作为一个实施方，所述第一电池和所述第二电池的能量配比为5:5-9:1。

或者，在更优的实施方式中，所述第一电池和所述第二电池的能量配比为8:2。

作为一个实施方，复合蓄电池还包括电容电量显示屏，与所述电池管理模块连接，用于显示所述第一电池和所述第二电池的剩余电量。

本公开的另一目的是公开一种工程车辆，包括上述的复合蓄电池。

本公开对不同类型的电池集中管控，实现优势互补，能够构成完善的车辆发动机起动电源。本公开充分利用了钛酸锂电池类的瞬间高功率放电特性，以及可在一般低温条件下正常工作且充放电寿命可达两万次等优势，缩短起动时间，提高起动性能。在发动机起动瞬间，钛酸锂电池类的第二电池能够提供三分之二还多的大电流，降低起动时磷酸铁锂一类的第二电池的最大电流负荷，有效保护第二电池，延长其寿命，减小第二电池配备容量，降低运营成本，提高经济效益，确保发动机迅速可靠的起动运转。因此，本公开复合蓄电池具有价格低、耐寒冷、大功率放电、续航时间长、寿命长的优点。

附图说明

图1为本公开复合蓄电池的电路原理图；

图2为本公开复合蓄电池一个实施例的功能模块简图。

图中：

充电开关k1；

执行器r；

第一电池u1；

第二电池u2；

放电开关k2。

第一端子1；

第二端子2；

第三端子3；

第四端子4；

第五端子5；

第六端子6。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本公开的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本公开的方案及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本公开的限制。

本公开中所述的“连接”，除非另有明确的规定或限定，应作广义理解，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连。在本公开的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶端”、“底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

本公开涉及一种复合蓄电池，图1为本公开复合蓄电池的电路原理图，如图1所示，复合蓄电池包括第一电池u1，第二电池u2，充电开关k1，放电开关k2，执行器r。复合蓄电池具有第一端子1和第二端子2，第一电池u1具有第三端子3和第四端子4，第二电池u2具有第五端子5和第六端子6。

充电开关k1连接在第一端子1和第三端子3之间。放电开关k2连接在第一端子1和第五端子5之间。执行器r连接在第三端子3和第五端子5之间。第二端子2与第四端子4以及第六端子6短接。

其中，第一电池u1可以是磷酸铁锂电池、铅酸锂电池、镍钴锰电池或镍钴铝电池中的任意一种，或者，也可以是这些种类中任意组合的串联。

第二电池u2可以是钛酸锂电池。执行器r可以为可调电阻。

当充电时，充电开关k1闭合，放电开关k2打开，执行器r调整为第一电池u1和第二电池u2充电。第一电池u1的充电时间大于第二电池u2充电，第二电池u2充电快，可在几分钟内充满，而第一电池u1需要几个小时，因此可以在第二电池u2充满后，控制可调电阻，将第二电池u2从充电回路中隔离开，第一端子和第二端子只给第一电池u1充电。

当放电时，也就是复合蓄电池工作时，充电开关k1打开，放电开关k2闭合，第二电池u2输出功率。当负载较大，超过第二电池u2的能力时，可以调整执行器r，由第一电池u1输出差值功率。

第二电池u2耗电快，当第二电池u2释放一定能量需要充电时，第一电池u1还不需要充电，这时，充电开关k1打开(复合蓄电池为非充电状态)，调整执行器r，使其为通路，第一电池u1作为电源给第二电池u2充电。

如此，可实现主要使用第二电池u2为负载做功，避免第一电池u1在一些如低温环境不能放电做功的弊端；而当第二电池u2需要充电时，由第一电源u1为第二电源u2充电，延长了复合蓄电池的续航时间。

本公开复合蓄电池的上述电子元器件可以用手动控制。也可以用软件电路控制。

图2为本公开复合蓄电池一个实施例的功能模块简图，如图2所示，复合蓄电池还包括功率分配模块和电池管理模块。功率检测单元的主要作用是控制执行器r，来实现复合蓄电池电路的各种状态的转化。电池管理模块主要的作用是检测第一电池和第二电池自身的情况，通过第一电池和第二电池自身参数，可判断第一电池和第二电池是否处于安全工作范畴，确保第一电池和第二电池自身不过充，不过放等。

功率分配模块包括功率检测单元、处理单元和执行单元。功率检测单元与外界负载相连，用于检测负载功率。处理单元与功率检测单元相连，用于将检测到的负载功率与设定阈值进行比较。执行单元接收处理单元的指令，控制执行器，在图1的第三端子3和第五端子5之间形成通路、短路，或一定的阻值。

电池管理模块包括电池检测单元比较单元和控制单元。

电池检测单元与第一电池、第二电池连接，用于检测第一电池、第二电池的电压、温度、绝缘阻值等参数，并将测得值发送给比较单元。

比较单元其内存储预先设置的各参数的阈值，将接收到的检测值与对应设定的阈值分别进行比较，并将比较的值发送给控制单元。

控制单元接收比较结果，当检测结果表明电池处于不安全状态，则将控制充电开关、放电开关打开或闭合，或控制执行器r的状态。

功能电路之间的连接，可以是电信号连接，也不排除如电磁波等其他信号连接方式。

通过设置第一电池和第二电池的能量配比，来实现提高放电功率、延长续航时间、降低价格低以及合理的使用寿命的平衡。本公开的发明人发现，当第一电池和第二电池的能量配比处于5:5-9:1范围内时，复合蓄电池的上述性质超出了所包含的任一种电池。当磷酸铁锂电池和钛酸锂电池的能量配比为8:2时，达到最优：钛酸锂电池的放电倍率高达10c；整体造价最低；单次充满电，标准作业下续航时间可长达5-6h，寿命可达5年(在剩余电量soc80％的情况下)。

为了适应可视化管理的要求，本复合蓄电池还包括电容电量显示屏，安装在方便操作者观察的位置，如工程车的驾驶室仪表台上。电容电量显示屏与电池管理模块连接，可以用于显示第一电池和第二电池的剩余电量，或者还可以显示复合电池的工作状态。

实施例

本实施例以第一电池为磷酸铁锂电池，第二电池为钛酸锂电池，二者能量配比为8:2配置，执行器r为可调电阻，按照图1所示电路连接，配备图2所示的控制电路为例来说明本公开复合蓄电池的充电、放电以及第一电池给第二电池充电。

本实施例的复合蓄电池依照下列方法管理控制第一电池和第二电池：

结合图1和图2，当电池管理模块检测到磷酸铁锂电池和钛酸锂电池的电压过低，表示此时两个电池储电量低，需要对复合蓄电池充电。

控制单元控制充电开关k1闭合，此时能够接通外界电源，通过第一端子1和第二端子2为复合蓄电池充电。

当电池管理模块检测到钛酸锂电池的电压达到设定阈值，表明钛酸锂电池已经充满电能，此时，电池管理模块发送信息给功率分配模块，功率分配模块的执行单元，将可调电阻的阻值调大，将第三端子3和第五端子5之间的电路断开，使得钛酸锂电池从充电回路中被分离，第一端子1和第二端子2继续为磷酸铁锂电池充电。

当电池管理模块检测到磷酸铁锂电池的电压达到所设定的表示充满电量的阈值之后，控制单元控制充电开关k1断开，结束为复合蓄电池充电过程。

充电结束后，控制单元控制放电开关k2闭合，复合蓄电池处于工作状态。功率检测单元时刻检测负载情况，处理单元将检测值与设定阈值进行比较，当检测值不大于阈值时，表明当负载处于稳定状态，此阶段可调电阻调至最大，控制第三端子3和第五端子5之间为断路状态，由钛酸锂电池单独放电为负载输出功率。

当功率检测单元检测检测的负载大于阈值，表明钛酸锂电池单独放电不足以供负载要求，此时需要磷酸铁锂电池参与放电。执行单元接收到控制单元的信息，调节可调电阻，使得第三端子3和第五端子5之间为通路，此时，钛酸锂电池和磷酸铁锂电池共同放电。

本实施例还在处理单元中增加计算子单元，计算负载与设定阈值(可以是酸锂电池单独放电提供的功率)的差，并将该差值换算为可调电阻应该提供的电阻大小，将该信息发送给执行单元，执行单元根据该确切的信息调整可调电阻到合适的阻值，使得磷酸铁锂电池提供的功率，恰好弥补钛酸锂电池的不足，也使得复合蓄电池提供的功率，恰好与负载需求相匹配。

在非充电状态下，当电池管理模块检测到钛酸锂电池的电压低于设定阈值(通过电池检测单元检测钛酸锂电池的电压，并将检测值与设定阈值进行比较实现)，表明钛酸锂电池需要充电。此时，电池管理模块将信息传递给功率分配模块，执行单元控制可调电阻处于最小值，使得第三端子3和第五端子5之间为通路，磷酸铁锂电池的电压高，此时充当电源，为钛酸锂电池充电。

本实施例将磷酸铁锂电池和钛酸锂电池的能量比设定为8:2，钛酸锂电池部分实现高倍率充电，最高可达15c充电，不到4分钟即可实现充满电。

放电时，功率分配模块全程监控负载实际工况，全程平稳工况下，钛酸锂电池作为主要的做工能量装置，当复合电池所应用的车辆处于上坡、负重、加速等工况，导致负载功率达到设定的阈值后，功率分配模块瞬时切换为磷酸铁锂电池作为主要做功对象，功率降为转换点以下后，钛酸锂电池驱动车辆。必要时，磷酸铁锂电池以0.1-0.2c给钛酸锂电池充电。由于钛酸锂电池占比能量较低，很快钛酸锂电池充满电。加之急刹、减速过程中，钛酸锂电池也可以接收回馈电流，提高能量回收率。

本公开还对电池本身的参数进行监控，防止电池出现危险：

电池管理模块检测对磷酸铁锂电池和钛酸锂电池的温度、绝缘阻值进行检测，将检测值与设定安全值比较。

如设定电池的安全温度为50摄氏度，当检测到钛酸锂电池的温度高于该设定温度，表明电池过热，控制单元控制放电开关或充电开关，暂停此时电池的工作。或者执行单元控制可调电阻，调整复合蓄电池输出功率配比，减少钛酸锂电池的功率，以此降低钛酸锂电池的温度。

当检测到电池的绝缘阻值小于设定阈值，说明电池带电，已经处于危险范畴，则控制单元控制放电开关或充电开关，紧急停止电池当前工作。或者，此时可以与外界匹配设备进行信号交互，紧急停止复合电池的工作，防止威胁到操作者的安全。

本实施例解决了目前行业中纯钛酸锂本身能量有限，使用时间无法和磷酸铁锂电池对比，需要及时去补电处进行充电的弊端，给搬运作业带来不必要麻烦以及应用场合的限制。本公开在较低的成本下解决高倍率放电性能，提高车用感觉和舒适度。

同时，本实施例还解决了目前的磷酸铁锂电池的低温环境下低倍率充电、放电带来的难题。可以满足在超低温下(-40℃以上)的车辆和装备正常运输作业。

再有，复合蓄电池有效提高磷酸铁锂的使用寿命，使其寿命至少提高两倍。复合蓄电池将磷酸铁锂作为能量储存装置，将钛酸锂作为直接动力装置，实现磷酸铁锂电池和钛酸锂电池的优势互补。

可调电阻使得磷酸铁锂电池的输出无级调控，且控制的反应速度比更高。

换句话说，本实施例因采用的钛酸锂电池和磷酸铁锂电池组成复合电源，实现优势互补，能够构成比较完善的车辆发动机起动电源。复合电源的优势主要在于充分利用了钛酸锂电池瞬间高功率放电特性以及可在一般低温条件下正常工作且充放电寿命可达两万次等优势，缩短起动时间，提高起动性能。并且在发动机起动瞬间，钛酸锂电池能够提供三分之二还多的大电流，降低起动时磷酸铁锂电池的最大电流负荷，有效保护磷酸铁锂，延长其寿命，减小磷酸铁锂电池配备容量，降低运营成本，提高经济效益，确保发动机迅速可靠的起动运转。

本公开在制造过程中，还可包括高效能宽范围继电器，以及高耐压强电流等级航空插头，防水等级ip68，如充电开关和放电开关可选择高效能宽范围继电器，本领域技术人员可根据需要进行增添元器件，替换元器件的种类，已达到更优性能的占领市场，这些通常改进，皆应包含在本公开的保护范围之内。

本公开还提供一种车辆，配备上述复合蓄电池。如工程车辆，再具体可为叉车等。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本公开而非限制本公开的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的前提下对本公开进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本公开的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。