CN104659880B - 一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备 - Google Patents
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- H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
Abstract
本发明公开一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，包括铝空气电池电源管理系统以及多个铝空气电池，多个铝空气电池串联后与铝空气电池电源管理系统电连接，铝空气电池电源管理系统将多个铝空气电池所产生的电量经转换后，输送到外接目标充电电池，外接目标充电电池进入充电状态；设备还包括多个电压检测模块，多个电压检测模块将检测到的各个铝空气电池信息输入铝空气电池电源管理系统中的主控制器，通过铝空气电池控制模块对各个铝空气电池运行状况进行调整，以达到对外接目标充电电池的充电服务。该发明无需外接电网，不受地域限制，不需要任何电网容量，能量供应是易得的铝和空气，充电电流大，可移动，投资成本低，易于大量布点组网。
Description
技术领域
本发明涉及化学电池供电的充电设备技术领域，尤其涉及一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备。
背景技术
由化石能源枯竭及大量使用化石能源汽车尾气排放问题严重影响人类的生活环境，因此拉开了无污染尾气排放的电动汽车的能源使用革命，同时各种充电电池组也在航空航天、国防军工、科研单位、公共交通、港口运输等众多行业及领域得到了广泛的应用，目前充电方式主要是通过充电设备把电网的电能转换后冲入到目标电池组中。
现有的交(直)充电设备的工作原理通常是采用外接大众公共电网的交流电源通过内部智能电源系统转变成可给目标电池组充电的智能可控电源，由于电动汽车的大量使用，对于充电时间有特殊要求，必需在很少时间内给目标电池充满电能，这就要求充电设备工作时从外接公共电网吸收非常大的电力容量，这就造成充电设备实际使用受限于外接公共电网电力容量。而外界电网电力容量受限于该处公共电力网络电力变压器容量、高低压电缆电流容量地域限制，因此目前基于公共电网充电站的设备投入成本极高，商业运用无法运行，造成电动车容易造，但是推广很难的局面。
目前充电设备以输出电源分类有直流和交流两种方式，都必须依赖外接公共电网，该连接处的公共电网的电力容量决定了给目标电池组充电的时间。另外由于该处公共电网还有其他电力电器设备也在使用，因此充电设备的电力谐波含量THD值必须小于3％，俗称充电设备对外无干扰，也就意味着充电设备拥有该项功能需添加额外成本。对于离网太阳能充电站，由于充电设备工作时需要大量电力容量，因此必须配备足够的储能电池组给充电设备供电，而大量的太阳能板只能对储能电池组涓流充电，而太阳板的转换电能效率有限并且受地域天气限制严重，而且晚上不能产生电能给储能电池组充电，储能电池组的容量和太阳能板的容量和面积决定充电设备的充电效率，同样也让建电动汽车太阳能充电站成本高昂。对于另外一种离网充电站用法采用汽柴油发电机组充当能量来源接给充电设备用，虽然可以做成车厢式移动，但是体积大，维护性差，成本高，有排放污染废气，燃油存储和使用有消防安全使用隐患，目前只有小型柴汽油发电机当随车充电机使用，离网涓流充电的模式，用户难以接受太长的充电时间，效率低于原柴汽油车辆。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，包括铝空气电池电源管理系统以及多个铝空气电池，多个铝空气电池串联后与铝空气电池电源管理系统电连接，所述铝空气电池电源管理系统将多个铝空气电池所产生的电量经转换后，输送到外接目标充电电池，外接目标充电电池进入充电状态；
所述设备还包括多个电压检测模块，每个铝空气电池分别与相对应的电压检测模块电连接，多个电压检测模块将检测到的电压信息输入铝空气电池电源管理系统中的主控制器，主控制器对电压信息进行分析后，通过铝空气电池控制模块分别对各个铝空气电池运行状况进行调整。
其中，多个铝空气电池包括第一铝空气电池、第二铝空气电池以及第N铝空气电池，N≥3；第一铝空气电池与第二铝空气电池串联，第二铝空气电池与第N铝空气电池串联；多个电压检测模块包括第一电压检测模块、第二电压检测模块以及第N电压检测模块，所述第一电压检测模块与第一铝空气电池电连接，所述第二电压检测模块与第二铝空气电池电连接，所述第N电压检测模块与第N铝空气电池电连接。
其中，所述铝空气电池电源管理系统还包括外接目标电池信息处理模块，所述外接目标电池信息处理模块接收并处理外接目标充电电池管理系统发送的外接目标充电电池实时信息，外接目标电池信息处理模块将处理后的信息发送到主控制器上，主控制器调整充电服务输出状态。
其中，所述铝空气电池电源管理系统还包括DC-DC模块与电气管控执行模块，所述主控制器接收外接目标电池信息处理模块的处理的信息后，主控制器向DC-DC模块输入电压变化的上下限值，所述电气管控执行模块接收主控制器发出的均充、浮充或智能开启的指令后，所述电气管控执行模块将从DC-DC模块接收到的电能输入外接目标充电电池中。
其中，所述铝空气电池包括反应池、石墨碳负极、铝板正极、防水透气膜以及风机；所述石墨碳负极与铝板正极均竖直浸没在反应池的电解液中，所述石墨碳负极露出电解液一端引出负极导线，所述铝板正极露出电解液一端引出正极导线，所述防水透气膜设置在反应池靠近石墨碳负极的侧壁上，所述风机通过防水透气膜向反应池中通入空气；
所述反应池中的化学反应为：
4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3
在碱性介质中，电化学反应产物Al(OH)3是可溶的，反应如下：
4Al+3O2+6H2O+4NaOH→4Al(OH)4 -+4Na+
然后在溶液中逐步达到饱和状态，重新析出Al(OH)3固体
4Al(OH)4 -+4Na+→4Al(OH)3(固体)+4NaOH。
其中，所述石墨碳负极由附着金属氧化物的石墨板构成，所述铝板正极包括多条长条形铝片以及连接板，所述连接板固定在反应池外表面，所述多条长条形铝片可拆卸固定在连接板上。
其中，所述防水透气膜为聚四氟乙烯薄膜，防水透气膜膜片为均匀分布的多孔结构，所述防水透气膜通过粘合方式固定在反应池的侧壁上，空气通过风机产生的风压透过防水透气膜进入反应池。
其中，所述铝空气电池还包括动力泵、膜过滤器以及沉淀池，所述动力泵通过反应池出液口将反应池中的电解液抽出，并输送到膜过滤器中，所述膜过滤器将结晶所得的Al(OH)3颗粒过滤，膜过滤器将电解液滤液通过反应池进液口输送回反应池中，动力泵停止后，膜过滤器过滤的滤渣进入沉淀池沉淀。
其中，所述反应池出液口设置在靠近铝板正极的反应池底端，所述反应池进液口设置在靠近石墨碳负极的反应池顶端。
其中，该设备还包括网络连接模块，所述网络连接模块一端连接铝空气电池电源管理系统，网络连接模块另一端与外界网络进行无线连接，所述网络连接模块进行本设备的查找、预约、支付、分享。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过以金属空气化学反应产生能量供应整套专用大功率充电设备即可给目标电池组提供充电服务，整个装置由于能量密度高可以做成一体化可移动型的专用离网充电设备。本发明无需外接电网，不受地域限制，不需要任何电网容量，能量供应是大自然易得的金属和空气，充电电流大，稳定持续，体积小，易于移动，总投资成本低，易于大量布网，易管理，易维护，本发明的能量获得方便，低成本，而且本发明析出氢气极少，并得到管控，具有很高的安全性。
附图说明
图1为本发明铝空气电池电源控制方框图；
图2为本发明的铝空气电池单体电化学反应的结构图；
图3为本发明系统管理方框图。
主要元件符号说明如下：
11、第一铝空气电池 12、第二铝空气电池
1N、第N铝空气电池 21、第一电压检测模块
22、第二电压检测模块 2N、第N电压检测模块
30、铝空气电池电源管理系统 31、铝空气电池控制模块
32、外接目标电池信息处理模块 33、DC-DC模块
34、电气管控执行模块 35、主控制器
40、外接目标充电电池 50、外接目标充电电池管理系统
101、反应池 102、风机
103、石墨碳负极 104、铝板正极
105、防水透气膜 106、动力泵
107、膜过滤器 108、沉淀池
1011、反应池出液口 1012、反应池进液口
1041、连接板 1042、长条形铝片
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
参阅图1-3，本发明一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，包括铝空气电池电源管理系统30、第一铝空气电池11、第二铝空气电池12以及第N铝空气电池1N，N≥3；第一铝空气电池11与第二铝空气电池12串联，第二铝空气电池12与第N铝空气电池1N串联，N个铝空气电池串联后与铝空气电池电源管理系统30电连接，铝空气电池电源管理系统30将N个铝空气电池所产生的电量输送到外接目标充电电池40，外接目标充电电池40进入充电状态；
设备还包括第一电压检测模块21、第二电压检测模块22以及第N电压检测模块2N，第一电压检测模块21与第一铝空气电池11电连接，第二电压检测模块22与第二铝空气电池12电连接，第N电压检测模块2N与第N铝空气电池1N电连接，N个电压检测模块将检测电压输入铝空气电池电源管理系统30中的铝空气电池控制模块31，铝空气电池控制模块31将电压信息输入主控制器35，主控制器35对电池运行状况进行调整。
相较于现有技术，本发明通过以金属空气化学反应产生能量供应整套专用大功率充电设备即可给目标电池组提供充电服务，整个装置由于能量密度高可以做成一体化可移动型的专用离网充电设备。本发明无需外接电网，不受地域限制，不需要任何电网容量，能量供应是大自然易得的金属和空气，充电电流大，稳定持续，体积小，易于移动，总投资成本低，易于大量布网，易管理，易维护，本发明的能量获得方便，低成本，而且安全可靠。
在本实施例中，铝空气电池电源管理系统30还包括外接目标电池信息处理模块32，外接目标电池信息处理模块32接收并处理外接目标充电电池管理系统50发送的外接目标充电电池40实时信息，外接目标电池信息处理模块32将处理后的信息发送到主控制器35上，主控制器35调整充电服务输出状态。本发明中的外接目标充电电池40信息处理模块32从外接目标充电电池管理系统50中获取外接目标充电电池40的BMS信息以及充电过程中外接目标充电电池40的实时信息，并将信息进行处理，及时发给主控制器35，这样就便于主控制器35进行外接目标充电电池40的整理和充电控制，避免在充电过程中损坏外接目标充电电池40。
在本实施例中，铝空气电池电源管理系统30还包括DC-DC模块33，主控制器35接收外接目标充电电池40信息处理模块32的处理的信息后，主控制器35向DC-DC模块33输入电压变化的上下限值，DC-DC模块33向外接目标充电电池40中输出电压。本发明的DC-DC模块33接收主控制器35的指令并将电压值控制在外接目标充电电池40可接受的范围内。
在本实施例中，铝空气电池电源管理系统30还包括电气管控执行模块34，电气管控执行模块34接收主控制器35发出的均充、浮充或智能开启的指令后，电气管控执行模块34将从DC-DC模块33接收到的电能输入外接目标充电电池40中。本发明中的电气管控执行模块34在主控制器35的控制下，将电压值按照一定的规律发送到外接目标充电电池40中。
在本实施例中，铝空气电池包括反应池101、石墨碳负极103、铝板正极104、防水透气膜105以及风机102；石墨碳负极103与铝板正极104均竖直浸没在反应池101的电解液中，石墨碳负极103露出电解液一端引出负极导线，铝板正极104露出电解液一端引出正极导线，防水透气膜105设置在反应池101靠近石墨碳负极103的侧壁上，风机102通过防水透气膜105向反应池101中通入空气；
反应池101中的化学反应为：
4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3
在碱性介质中，电化学反应产物Al(OH)3是可溶的，反应如下：
4Al+3O2+6H2O+4NaOH→4Al(OH)4 -+4Na+
然后在溶液中逐步达到饱和状态，重新析出Al(OH)3固体。
4Al(OH)4 -+4Na+→4Al(OH)3(固体)+4NaOH
本发明中的氧气附着在石墨碳负极103上得到电子变成负价氧离子，铝板正极失去电子变成正价铝离子。反应过程中，铝片与氧气消耗变成Al2O3，电源正负极获得一定的电压值。
在本实施例中，石墨碳负极103由附着金属氧化物的石墨板构成，铝板正极104包括多条长条形铝片1042以及连接板1041，连接板1041固定在反应池101外表面，多条长条形铝片1042可拆卸固定在连接板1041上。由于铝片产生的电压值较小，故负极采用多块长条形铝片1042，同时连接板1041与长条形铝片1042可拆卸连接，这样就便于铝空气电池的铝元素的补充，金属氧化物的附着促进了氧气在水溶液中得电子成为负价的氧离子状态。
在本实施例中，防水透气膜105为聚四氟乙烯薄膜，防水透气膜105膜片为均匀分布的多孔结构，防水透气膜105通过粘合方式固定在反应池101的侧壁上，空气通过风机102的发送透过防水透气膜105进入反应池101。本发明的防水透气膜105膜片表面光滑、孔径分布均匀，防水、疏油性能佳，透气量高，能够很好地向反应池101中补充氧气。
在本实施例中，反应池101中的电解液为弱碱性电解液，石墨碳负极103与铝板正极104在电解液中吸收空气中的氧气发生化学反应，在电解液中悬浮有化学反应的反应产物Al2O3。本发明并不局限于何种电解液进行化学反应的营造，只要是能够到达本发明的电化学反应正常进行的电解液均属于本方案的简单变形和变换，应当落入本发明的保护范围。
在本实施例中，铝空气电池还包括动力泵106、膜过滤器107以及沉淀池108，动力泵106通过反应池出液口1011将反应池101中的电解液抽出，并输送到膜过滤器107中，膜过滤器107将结晶所得的Al(OH)3颗粒过滤，膜过滤器107将电解液滤液通过反应池进液口1012输送回反应池中膜过滤器107过滤的滤渣进入沉淀池108沉淀。本发明动力泵106、膜过滤器107以及沉淀池108的设置便于反应生成物Al2O3的清除，这样就能使得本发明的铝空气电池循环利用。本发明增加在膜过滤器107前增加动力泵，增大了溶液压力，使得溶液可以通过膜过滤器107过滤掉残渣，使得Al2O3不会附着在铝板正极104上，避免了钝化反应的产生，使得铝板可以持续发生电化学反应。
在本实施例中，反应池出液口1011设置在靠近铝板正极104的反应池101底端，反应池进液口1012设置在靠近石墨碳负极103的反应池101顶端。反应池出液口1011靠近铝板正极104，此处的Al2O3含量高，而反应池进液口1012设置在靠近石墨碳负极103的位置，这样就有利于电解液循环，这样就能集中Al2O3，提高了Al2O3的清理效率。
在本实施例中，该设备还包括网络连接模块(图未示)，网络连接模块一端连接铝空气电池电源管理系统，网络连接模块另一端与外界网络进行无线连接，所述网络连接模块进行本设备的查找、预约、支付、分享。系统通过″充电APP+城市智能充电网络+运营系统″的模式，解决移动设备充电问题，完善除固定充电设备外的其他应急和长距离充电需求。
本发明铝空气电池与其他电池产品的特性比较，如下表1：
通过表1中的对比，可以很明显看出本发明的安全系数高，能量密度与能量效率相较于一般的电化学电池也具有明显的优势，充电电流大，稳定持续，体积小，易于移动。本发明的铝空气电池相较于现有电化学电池，通过消耗金属铝与空气获得电能，无需外界电网充电，总投资成本低。·
本发明与其他充电设备比较，如下表2：
通过表2中的对比，相较于电网充电设备、太阳能、柴汽油发电机及蓄电池模组，本发明无需外接电网，不受地域限制，不需要任何电网容量，体积小，易于移动，总投资成本低，易于大量布网，易管理，易维护，本发明的能量获得方便，低成本，而且安全可靠。
本发明的优势在于：
1、本发明真正的做到了不依靠电网给目标电池充电；
2、本发明做到不受地域限制，能够方便移动、运输，提供充电服务；
3、本发明的电能来源为自然界中大量存在的空气和铝金属，且其成本极低；
4、本发明根据不同电力容量需求的设备，提供相应的电力容量定制；
5、本发明独立运行，不会影响周边其他任何电网内的设备正常运行；
6、该系统通过″充电APP+城市智能充电网络+运营系统″的模式，进行充电设备的查找、预约、支付、分享，解决移动设备充电问题，完善除固定充电设备外的其他应急和长距离充电需求。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，包括铝空气电池电源管理系统以及多个铝空气电池，多个铝空气电池串联后与铝空气电池电源管理系统电连接，所述铝空气电池电源管理系统将多个铝空气电池所产生的电能经转换后，输送到外接目标充电电池，外接目标充电电池进入充电状态；
所述设备还包括多个电压检测模块，每个铝空气电池分别与相对应的电压检测模块电连接，多个电压检测模块将检测到的电池信息输入铝空气电池电源管理系统中的主控制器，主控制器对电池信息进行分析后，通过铝空气电池控制模块分别对各个铝空气电池运行状况进行调整；
所述铝空气电池包括反应池、石墨碳负极、铝板正极、防水透气膜以及风机；所述石墨碳负极与铝板正极均竖直浸没在反应池的电解液中，所述石墨碳负极露出电解液一端引出负极导线，所述铝板正极露出电解液一端引出正极导线，所述防水透气膜设置在反应池靠近石墨碳负极的侧壁上，所述风机通过防水透气膜向反应池中通入空气；
所述反应池中的化学反应为：
4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)3
在碱性介质中，电化学反应产物Al(OH)3是可溶的，反应如下：
4Al+3O2+6H2O+4NaOH→4Al(OH)4 -+4Na+
然后在溶液中逐步达到饱和状态，重新析出Al(OH)3固体
4Al(OH)4 -+4Na+→4Al(OH)3(固体)+4NaOH；
所述铝空气电池还包括动力泵、膜过滤器以及沉淀池，所述动力泵通过反应池出液口将反应池中的电解液抽出，并输送到膜过滤器中，所述膜过滤器将结晶所得的Al(OH)3颗粒过滤，膜过滤器将电解液滤液通过反应池进液口输送回反应池中，动力泵停止后，膜过滤器过滤的滤渣进入沉淀池沉淀；
所述反应池出液口设置在靠近铝板正极的反应池底端，所述反应池进液口设置在靠近石墨碳负极的反应池顶端。
2.根据权利要求1所述的一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，多个铝空气电池包括第一铝空气电池、第二铝空气电池以及第N铝空气电池，N≥3；第一铝空气电池与第二铝空气电池串联，第二铝空气电池与第N铝空气电池串联；多个电压检测模块包括第一电压检测模块、第二电压检测模块以及第N电压检测模块，所述第一电压检测模块与第一铝空气电池电连接，所述第二电压检测模块与第二铝空气电池电连接，所述第N电压检测模块与第N铝空气电池电连接。
3.根据权利要求1所述的一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，所述铝空气电池电源管理系统还包括外接目标电池信息处理模块，所述外接目标电池信息处理模块接收并处理外接目标充电电池管理系统发送的外接目标充电电池实时信息，外接目标电池信息处理模块将处理后的信息发送到主控制器上，主控制器调整充电服务输出状态。
4.根据权利要求3所述的一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，所述铝空气电池电源管理系统还包括DC-DC模块与电气管控执行模块，所述主控制器接收外接目标电池信息处理模块的处理的信息后，主控制器向DC-DC模块输入电压变化的上下限值，所述电气管控执行模块接收主控制器发出的均充、浮充或智能开启的指令后，所述电气管控执行模块将从DC-DC模块接收到的电能输入外接目标充电电池中。
5.根据权利要求1所述的一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，所述石墨碳负极由附着金属氧化物的石墨板构成，所述铝板正极包括多条长条形铝片以及连接板，所述连接板固定在反应池外表面，所述多条长条形铝片可拆卸固定在连接板上。
6.根据权利要求1所述的一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，所述防水透气膜为聚四氟乙烯薄膜，防水透气膜膜片为均匀分布的多孔结构，所述防水透气膜通过粘合方式固定在反应池的侧壁上，空气通过风机产生的风压透过防水透气膜进入反应池。
7.根据权利要求1所述的一种依靠铝空气电池供电的专用大功率充电设备，其特征在于，该设备还包括网络连接模块，所述网络连接模块一端连接铝空气电池电源管理系统，网络连接模块另一端与外界网络进行无线连接，所述网络连接模块进行本设备的查找、预约、支付、分享。
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