CN102544630A - 循环式锌空电池及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种循环式锌空电池及其控制系统。该电池系统包括由若干电池单元(11)组成的电池组，给电池组提供锌粒的供料系统、提供氧气的变压吸附制氧系统、提供电解液的电解液容器以及对电解液进行过滤，使之得以循环使用的过滤系统。该控制系统包括供料系统的控制模块(2)、电解液循环使用的控制模块(3)、自动过滤废物控制模块(4)、电解液浓度控制模块(5)和变压吸附制氧的控制模块(6)，各个模块通过CAN总线(7)连接到整个总控平台(1)。本发明中对变压吸附制氧的控制，电解液浓度控制采用了模糊控制技术，设计了相应的模糊控制算法，达到了实时控制的目的，具应用前景。

Description

循环式锌空电池及其控制系统

技术领域

本发明涉及锌空电池系统领域，尤其涉及一种循环式锌空电池及其控制系统。

背景技术

电动汽车(Electric Vehicle，简称EV)是至少有一种动力源为车载电源，全部或部分由电机驱动的汽车，包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三种型。面临石油能源紧缺和环境保护的压力，世界发达国家相继投入巨资进行研究开发并制定相关的政策法规来推动电动汽车的发展。

目前，无论在国内还是在美、日、欧等发达的国家中，电动汽车都未能大量普及应用，最大的问题出在储能动力电池上。在国外一些发达国家中，电动汽车上使用最多的电池是动力铅酸电池和镍氢电池(Ni-MH电池)，而且主要以Ni-MH电池为主，如日本本田的“insight”与丰田的“Prius”，还有美国通用汽车公司的“chevnolet Triax”，福特汽车公司的“Prodigy”等纯电动或混合动力车采用的都是Ni-MH电池，而在国内由于镍氢电池成本高，一般大都使用动力锌空电池，所以国内对于锌空气电池的管理系统的研究还处于起步阶段。

燃料电池发电技术，就是一种很有前途的高效能源技术，它能将燃料的化学能直接转变成电能，能量转换效率高达83％，远远高于普通的内燃机和蒸汽机的效率。因此，从本世纪中叶第一台燃料电池诞生以来，这一技术就受到世界各国科学家和工程师的高度重视，希望广泛采用燃料电池发电来代替燃烧发电，以节约十分紧张的能源物资，缓解能源危机的严重压力。

锌空气燃料电池是一种高容量、可长时间使用、可机械性补给燃料的电池。它以活性物质锌作为阳极，以空气中的氧作为阴极，以KOH作为电解液。电化学反应中阳极的锌被氧化为可回收再生的氧化锌。

无论是从我国自身的能源结构和可持续发展战略，还是从改善自然环境出发都要求中国必须在电动汽车的研究、开发、生产和商品化方面取得突出进展，形成产业发展的制高点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术不足而提供一种循环式锌空电池及其控制系统，通过对变压吸附制氧的控制，电解液浓度控制采用了模糊控制技术，设计了相应的模糊控制算法，达到了实时控制的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现，

本发明涉及一种循环式锌空电池系统，该循环式锌空电池系统包括由若干电池单元11组成的电池组，给电池组提供锌粒的供料系统、提供氧气的变压吸附制氧系统、提供电解液的电解液容器以及对电解液进行过滤，使之得以循环使用的过滤系统。

优选的，

所述供料系统包括锌粒进料槽17、电机8和供锌管路28，锌粒进料槽17中的锌粒在电机8的控制下通过供锌管路28分别注入各电池单元11对应的锌极腔室内；

所述变压吸附制氧系统包括内设碳分子筛的变压吸附装置9和供氧管路19，空气18通过变压吸附装置9分离出氧气通过供氧管路19进入各电池单元11对应的氧气腔室内；

所述电解液容器包括存储KOH溶液的容器20、存储H₂O的容器21、电解液箱16、下管路22以及泵一12，KOH溶液和H₂O按一定比例分别由容器20、21进入电解液箱16进行混合均匀后通过泵一12抽送到下管路22后进入各电池单元11内。

所述过滤系统包括上管路10、泵二29、废料箱13、过滤装置14以及废料槽15，电池单元11中的电解液进入上管路10后在泵二29的作用进入过滤装置14，过滤出的电解液进入电解液箱16再次进入电池单元11进行使用，过滤出的滤渣排至废料箱13，当废料箱13满时则向废料槽15排出废料。

本发明还涉及一种用于对前述的循环式锌空电池系统进行控制的系统，其特征在于，所述控制系统包括供料系统的控制模块2、电解液循环使用的控制模块3、自动过滤废物控制模块4、电解液浓度控制模块5和变压吸附制氧的控制模块6，各个模块通过CAN总线7连接到整个总控平台1。

优选的，所述的各个控制模块均包含一个带有CAN总线功能的独立运行的单片机。

优选的，所述供料系统的控制模块2包括在供料系统的供锌管路28的终端以及电池单元11组装而成的电池组上分别设置的物料传感器。

优选的，所述变压吸附制氧的控制模块6包括在变压吸附制氧系统中的空气18、供氧通道19与变压吸附制氧装置9相通的管道上分别设置的两个电磁阀门，以及在变压吸附制氧装置9内设置的第二压力传感器30。

优选的，所述电解液浓度控制模块5包括在电解液容器的电解液箱16上设置的浓度传感器25和液位传感器26。

优选的，所述电解液循环的控制模块3包括在过滤系统中的过滤装置14与泵二29、电解液箱16相连通的管路上分别设置的2个电磁阀门。

优选的，所述自动过滤废物控制模块4包括在过滤系统中的过滤装置14的过滤网上设置的第一压力传感器23，以及在废料箱13进口处设置的光电传感器24。

本发明具有的有益效果为：本发明通过对变压吸附制氧的控制，以及对电解液浓度控制采用了模糊控制技术，设计了相应的模糊控制算法，达到了实时控制的目的，具应用前景。

附图说明

图1总控单元结构图；

图2系统工作原理图；

图3过滤装置的控制原理图；

图4电解液容器的控制原理图；

图5供料系统的控制原理图；

图6变压吸附制氧的控制原理图；

其中，1总控平台，2供料系统的控制模块，3电解液循环的控制模块，4自动过滤废物控制模块，5电解液浓度控制模块，6变压吸附制氧的控制模块，7CAN总线，8电机，9变压吸附装置，10上管路，11电池单元，12泵一，13废料箱，14过滤装置，15废料槽，16电解液箱，17Zn粉，18空气，19供氧通道，20存储KOH溶液的容器，21存储H₂O的容器，22下管路，23第一压力传感器，24光电传感器，25浓度传感器，26液位传感器，27物料传感器，28供锌管道，29泵二，30第二压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本发明采用的循环式锌空电池系统包括由若干电池单元组成的电池组、给各电池单元提供锌粉的供料系统、提供氧气的变压吸附制氧系统、提供电解液的电解液容器以及对电解液进行过滤，使之得以循环使用的过滤系统。本发明的循环式锌空电池系统工作原理图如图2所示：供料系统包括锌粒进料槽17、电机8和供锌管路28，锌粒进料槽17中的锌粒在电机8的控制下通过供锌管路28分别注入各电池单元11对应的锌极腔室内。变压吸附制氧系统包括变压吸附装置9和供氧管路19，空气18通过变压吸附装置9(内设碳分子筛)分离出氧气通过供氧管路19进入各电池单元11对应的氧气腔室内。电解液容器包括存储KOH溶液的容器20、存储H₂O的容器21、电解液箱16、下管路22以及泵一12，KOH溶液和H₂O按一定比例分别由容器20、21进入电解液箱16进行混合均匀后通过泵一12抽送到下管路22后进入各电池单元内；过滤系统包括上管路10、泵二29、废料箱13、过滤装置14以及废料槽15，电池单元中的电解液进入上管路10后在泵二29的作用进入过滤装置14，过滤出的电解液进入电解液箱16再次进入电池单元进行使用，过滤出的滤渣排至废料箱13，当废料箱13满时则向废料槽15排出废料。

本发明的循环式锌空电池的控制系统包括供料系统的控制模块2、电解液循环的控制模块3、自动过滤废物控制模块4、电解液浓度控制模块5和变压吸附制氧的控制模块6。

供料系统的控制模块

供料系统及其控制模块的具体原理图如图3所示，锌粒17以循环推进式进入供锌管路28，供锌管路28的终端设置了一个物料传感器，当供锌管路28满则停止加锌；电池单元11组装而成的电池组块上设置了一个物料传感器，当电池单元11内没有反应物，则通过电机8控制供锌管路28的机械旋转，把供锌管路28的锌粒输送至电池单元11，发生化学反应。

变压吸附制氧的控制模块

变压吸附制氧系统的基本工作原理是用碳分子筛制氧。主要是基于氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同，在0.7-1.0MPa压力下，即氧在碳分子筛表面的扩散速度大于氮的扩散速度，使碳分子筛优先吸附氧，而氮大部分富集于不吸附相中。碳分子筛本身具有加压时对氧的吸附容量增加，减压时对氧的吸附量减少的特性；利用这种特性采用变压吸附法进行氧、氮分离；分离出来的氧气用于参与与锌粒的化学反应。变压吸附制氧系统及其控制模块的具体原理图如图4所示，变压吸附制氧系统中空气18、供氧通道19与变压吸附制氧装置9相通的管道上分别设置两个电磁阀门，通过对电磁阀门的关闭的控制，改变氧的流动方向，使进入参加化学反应的氧气量处于一个平衡状态下；氧气量的平衡状态由变压吸附制氧装置9内设置的第二压力传感器30来进行测量。

电解液浓度控制模块

在整个电池的化学反应中，随着水分的流失电解液的浓度会越来越大，这样就会影响到输出的功率。提供电解液的电解液容器及其电解液浓度控制模块的具体原理图如图5所示，电解液箱16上设置了浓度传感器25和液位传感器26，通过浓度传感器25反映出浓度的变化，而后调节H₂O的加入量来控制浓度处于一个平衡的值；通过液位传感器，反映出液位的高低变化，而后通过调节KOH溶液的加入量来保持液位的平衡。

电解液循环的控制模块以及自动过滤废物控制模块

经过滤系统过滤后电解液可以重新回到管路中继续参与化学反应。过滤系统及其电解液循环的控制模块、自动过滤废物控制模块的具体原理图如图6所示，过滤装置14与泵二29、电解液箱16相连通的管路上分别设置了2个电磁阀门，它们的作用是改变过滤器的过滤方向；当管路中的KOH电解液由泵二29进入滤系统时，如果正流动，则进行过滤操作，过滤后的电解液流回电解液箱16；反向流动则是滤出废物清洗过滤器操作。由于ZnO分子特别小，内只有0.2～0.7μm，因此过滤装置14选用硅藻土陶瓷这种特殊的物质作为过滤网，在过滤网上设置了第一压力传感器23，当过滤出的固体在过滤网上积累过多第一压力传感器23采集到这一信息，则进行相应的控制操作，将废渣送入废料箱13中；废料箱13进口处设置了光电传感器24，当检测到废料箱13满则向废料槽15排出废料。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施例只局限于这些说明。对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下所做出若干等同替代变型都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种循环式锌空电池系统，其特征在于，该循环式锌空电池系统包括由若干电池单元(11)组成的电池组，给电池组提供锌粒的供料系统、提供氧气的变压吸附制氧系统、提供电解液的电解液容器以及对电解液进行过滤，使之得以循环使用的过滤系统。

2.如权利要求1所述的循环式锌空电池系统，其特征在于，

所述供料系统包括锌粒进料槽(17)、电机(8)和供锌管路(28)，锌粒进料槽(17)中的锌粒在电机(8)的控制下通过供锌管路(28)分别注入各电池单元(11)对应的锌极腔室内；

所述变压吸附制氧系统包括内设碳分子筛的变压吸附装置(9)和供氧管路(19)，空气(18)通过变压吸附装置(9)分离出氧气通过供氧管路(19)进入各电池单元(11)对应的氧气腔室内；

所述电解液容器包括存储KOH溶液的容器(20)、存储H₂O的容器(21)、电解液箱(16)、下管路(22)以及泵一(12)，KOH溶液和H₂O按一定比例分别由容器(20、21)进入电解液箱(16)进行混合均匀后通过泵一(12)抽送到下管路(22)后进入各电池单元(11)内；

所述过滤系统包括上管路(10)、泵二(29)、废料箱(13)、过滤装置(14)以及废料槽(15)，电池单元(11)中的电解液进入上管路(10)后在泵二(29)的作用进入过滤装置(14)，过滤出的电解液进入电解液箱(16)再次进入电池单元(11)进行使用，过滤出的滤渣排至废料箱(13)，当废料箱(13)满时则向废料槽(15)排出废料。

3.用于对如权利要求1或2所述的循环式锌空电池系统进行控制的系统，其特征在于，所述控制系统包括供料系统的控制模块(2)、电解液循环使用的控制模块(3)、自动过滤废物控制模块(4)、电解液浓度控制模块(5)和变压吸附制氧的控制模块(6)，各个模块通过CAN总线(7)连接到整个总控平台(1)。

4.如权利要求3所述的循环式锌空电池控制系统，其特征在于，所述的各个控制模块均包含一个带有CAN总线功能的独立运行的单片机。

5.如权利要求4所述的循环式锌空电池控制系统，其特征在于，所述供料系统的控制模块(2)包括在供料系统的供锌管路(28)的终端以及电池单元(11)组装而成的电池组上分别设置的物料传感器。

6.如权利要求4所述的循环式锌空电池控制系统，其特征在于，所述变压吸附制氧的控制模块(6)包括在变压吸附制氧系统中的空气(18)、供氧通道(19)与变压吸附制氧装置(9)相通的管道上分别设置有两个电磁阀门，以及在变压吸附制氧装置(9)内设置的第二压力传感器(30)。

7.如权利要求4所述的循环式锌空电池控制系统，其特征在于，所述电解液浓度控制模块(5)包括在电解液容器的电解液箱(16)上设置的浓度传感器(25)和液位传感器(26)。

8.如权利要求4所述的循环式锌空电池控制系统，其特征在于，所述电解液循环的控制模块(3)包括在过滤系统中的过滤装置(14)与泵二(29)、电解液箱(16)相连通的管路上分别设置有两个电磁阀门。

9.如权利要求4所述的循环式锌空电池控制系统，其特征在于，所述自动过滤废物控制模块(4)包括在过滤系统中的过滤装置(14)的过滤网上设置的第一压力传感器(23)，以及在废料箱(13)进口处设置的光电传感器(24)。

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