CN109616708A - 一种混合电源系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合电源系统及其应用，包括有第一电池和第二电池，所述第一电池和第二电池通过耦合模组连接，所述耦合模组包括换热体和电池切换模块，其中：所述换热体，包括有控制阀、供传热液流动的换热管和设置在换热管外周的相变组件；所述电池切换模块，包括：第一控制单元，用于控制所述控制阀启闭；第二控制单元，用于控制第一电池和第二电池的工作状态。

Description

一种混合电源系统及其应用

技术领域

本发明涉及电池系统技术领域，尤其涉及一种混合电源系统及其应用。

背景技术

人类社会经济的发展和生活水平的提高带来了严重的能源危机，同时不合理的能源利用方式也导致环境严重污染。当前，电动机逐渐取代柴油机已经广泛服务于人类社会生活。锂离子电池因其具有工作电压高等优点而成为了首选电源。

但是锂离子电池能量密度有限所带来的能量利用效率能源不足问题尚需解决。更重要的是，锂离子电池工作温度为-20℃-60℃，但在温度较低或较高的情况下电池会出现容量衰减、寿命缩短等问题，这在一定程度上阻碍了锂离子电池的进一步推广。尤其在低温高寒环境下，锂离子电池容量衰减、性能下降的现象更加严重。

发明内容

本发明实施例提供一种混合电源系统及其应用，使电池在恶劣环境下也能够稳定运行。

本发明实施例一方面提供一种混合电源系统，包括有第一电池和第二电池，所述第一电池和第二电池通过耦合模组连接，所述耦合模组包括换热体和电池切换模块，其中：所述换热体，包括有控制阀、供传热液流动的换热管和设置在换热管外周的相变组件；所述电池切换模块，包括：第一控制单元，用于控制所述控制阀启闭；第二控制单元，用于控制第一电池和第二电池的工作状态。

在一种可实施方式中，所述换热体还包括有包裹在相变组件外部的保温层。

在一种可实施方式中，所述第一电池为锂离子电池模组，所述第二电池为金属空气电池模组。

在一种可实施方式中，所述锂离子电池模组包括锂离子电池箱和换热板，所述换热板与所述换热管之间形成有热传递腔。

在一种可实施方式中，所述金属空气电池模组包括金属阳极、空气阴极和电解液，所述传热液包括循环液和所述电解液，所述换热管包括有供所述电解液流动的第一循环管道和供所述循环液流动的第二循环管道。

在一种可实施方式中，所述电解液选为氢氧化钾、氢氧化钠或氯化钠的其中一种或一种以上的混合物。

在一种可实施方式中，所述相变组件为石墨烯复合相变微胶囊，所述石墨烯复合相变微胶囊包括相变材料和包裹相变材料的壳体，所述相变材料为相变温度在30℃-80℃之间的中低温相变储热材料，所述壳体为三维多孔石墨烯。

在一种可实施方式中，所述三维多孔石墨烯选为石墨烯骨架或石墨烯凝胶的其中一种或者两种复合形成的复合材料。

在一种可实施方式中，所述系统还包括：温度检测模块，用于检测所述第一电池和第二电池的温度；所述电池切换模块，进一步包括：判断单元，用于判断所述第一电池或第二电池的温度是否位于设定温度内；指令发送单元，用于在判断单元判断到所述第一电池或第二电池的温度满足预设条件时，向第一控制单元发送第一指令，并向第二控制单元发送第二指令，所述第一指令用于指示所述控制阀进入不同的工作状态，所述第二指令用于所述第一电池和第二电池进入不同的工作状态。

本发明实施例另一方面提供一种混合电源系统的应用，所述系统应用于电动车或混合动力车。

本发明实施例提供一种混合电源系统，通过两种电池结合使用，利用换热体储存第二电池余热，并供第一电池预热使用，电池之间热量互补，提高能量利用效率，使混合电源系统在恶劣天气环境下也能够稳定运行。

附图说明

图1示出了本发明实施例一种混合电源系统的整体示意图；

图2示出了本发明实施例混合电源系统的结构示意图。

其中，101、第一电池；1011、锂离子电池箱；1012、换热板；10121、传热层；10122、防腐材料层；102、第二电池；103、耦合模组；1031、换热体；10311、第一循环管道；10312、第二循环管道；10313、第一控制阀；10314、第二控制阀；10315、第一泵体；10316、第二泵体；1032、电池切换模块；10321、第一控制单元；10322、第二控制单元；10323、判断单元；10324、指令发送单元；1033、相变组件；104、温度检测模块；201、外壳；202、正极电线；203、负极电线。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例一种混合电源系统的整体示意图。

参见图1，本发明实施例提供一种混合电源系统，该系统包括第一电池101、第二电池102和耦合模组103。第一电池101和第二电池102通过耦合模组103连接。耦合模组103包括换热体1031和电池切换模块1032，其中：换热体1031，包括有控制阀、供传热液流动的换热管和设置在换热管外周的相变组件1033。电池切换模块1032，包括：第一控制单元10321，用于控制控制阀启闭；第二控制单元10322，用于控制第一电池101和第二电池102的工作状态。

该混合电源系统使用时，首先可以根据实际使用情况启动任一电池，本发明实施例选为第二电池102，第一电池102在长时间运行过程中，温度逐渐升高。在第二电池102温度升高至满足预设条件时，传热液进入传热管并循环流动，传热管中的传热液在循环流动过程中会吸收第二电池102的热量并将热量传递至相变组件1033进行储存。需注意的是，由于第二电池102内部化学反应发生导致的持续产热，传热液只能延缓第二电池102的升温速度，却不能完全阻止第二电池102升温。当换热体1031无法继续吸收第二电池102的热量，或者当第二电池102由于过热无法稳定运行时，或者当第一电池101工作需要时，启动电池切换模块1032，通过第一控制单元10321关闭第二电池102与换热体1031之间的控制阀，使第二电池102与传热液之间不再进行热传递，并打开第一电池101与换热体1031之间的控制阀，使储存在相变组件1033中的热量通过换热液传递给第一电池101，使第一电池101脱离低温环境，能够稳定运行。同理，在第一电池101温度升高至满足预设条件时，也可通过传热液将热量储存在相变组件1033中备用，同时还可缓解第一电池101温度过高造成的电池运行不稳定的问题。

本发明实施例提供的混合电源系统由于其可对混合电源系统中的电池温度进行调节，可应用于低温天气，避免电池供电过慢，也可应用于高温天气，避免电池供电不稳定，本发明实施例所采用的电池类型和相变组件1033类型可根据设备的实际供电需求和所处地区的实际情况进行选择调节，以满足混合电池系统的供电和温度调节的区间。

本发明实施例提供的第一电池101为锂离子电池模组，第二电池102为金属空气电池模组。锂离子电池电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好，被广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等，是市面上的常见电池。但是随着科技的发展，电动设备对供电的要求越来越高，而锂离子电池能量密度有限。更重要的是，锂离子电池工作温度为-20℃-60℃，但在温度较低或较高的情况下电池会出现容量衰减、寿命缩短等问题，这在一定程度上阻碍了锂离子电池的进一步推广。尤其在低温高寒环境下，锂离子电池容量衰减、性能下降的现象更加严重。

金属空气电池实质上是一种新型燃料电池储能装置，其阳极和阴极分别发生金属氧化和氧气还原反应，且能量密度要高于锂离子电池，但是金属空气电池内部阳极活泼金属直接与碱性电解液接触，电池工作时自发热现象明显，反应产热导致温度升高。因此，电池系统会出现热量不能有效处理及温度无法有效控制等问题，尤其在大电流工作时电池散热问题将会致使其性能下降。

众所周知，锂离子电池在高温或低温状态工作时性能均有所下降，而金属空气电池运行受环境温度的影响并不明显。通过耦合模组103的设计，在设备运行中，能够使锂离子电池和金属空气电池交替使用。尤其是在低温环境下，可先采用金属空气电池供电，并将余热储存于相变组件1033，后利用换热体1031使锂离子电池升温，避免锂离子电池在低温下性能较差的问题，使该混合电源系统在低温下也能够稳定提供电能。本发明实施例同样可选择其他种类的电池进行交替供电。

由于锂离子电池通常呈箱体，为了方便加热锂离子电池，本发明实施例提供的锂离子电池模组包括锂离子电池箱1011和换热板1012，换热板1012与换热管之间形成有热传递腔，换热板1012包裹在锂离子电池箱1011的外周。换热板1012可以直接固定在锂离子电池箱1011上，也可以与锂离子电池箱1011之间留有间隙。热传递腔只需满足换热板1012与锂离子电池箱1011之间有能够传热的介质即可，该介质可以是空气或者其他传热材料。同样的，换热板1012可以与换热管直接固定，也可以与换热管之间留有间隙，只需满足换热板1012与换热管之间有能够传热的介质即可，该介质可以是空气或者其他传热材料。

本发明实施例提供的金属空气电池模组包括金属阳极、空气阴极和电解液。电解液选为氢氧化钾、氢氧化钠或氯化钠的其中一种或一种以上的混合物。传热液包括循环液和电解液。换热管包括有供电解液流动的第一循环管道10311和供循环液流动的第二循环管道10312。本发明实施例将第二电池102选为金属空气电池模组，由于金属空气电池模组的电解液循环使用，金属空气电池模组的电解液可直接送入第一循环管道10311作为传热液使用，并在经过第一循环管道10311传热后，重新送回金属空气电池模组作为电解液进行循环利用。如此设置，一是可以使电解液始终处于流动状态，避免金属阳极处的电解液温度高于其他位置的电解液温度，使电解液本身能够具有较为均匀的温度；二是可以减少热能的损失，电解液直接加热相变组件1033相较于电解液与相变组件1033之间通中间介质传热能够减少在两者在传热过程中由于中间介质导致的热损失。

进一步的，本发明实施例提供的换热体1031还包括有包裹在相变组件1033外部的保温层。通过保温层将相变组件1033包裹，可以减少相变组件1033的热散失，提高热传递的效率。

本发明实施例的相变组件1033为石墨烯复合相变微胶囊，石墨烯复合相变微胶囊包括相变材料和包裹相变材料的壳体。相变材料为相变温度在30℃-80℃之间的中低温相变储热材料，如石蜡。壳体为三维多孔石墨烯。进一步的，三维多孔石墨烯选为石墨烯骨架或石墨烯凝胶的其中一种或者两种复合形成的复合材料。

石墨烯具有二维平面结构及优异的热传导性能，石墨烯不仅可以提高相变材料的导热性能，还可以防止相变材料泄露，更为重要的是，石墨烯具有良好的导热性，能够提高相变材料吸收或释放热量效率，提高热量利用效率。

本发明实施例的系统还包括：温度检测模块104，用于检测第一电池101和第二电池102的温度。电池切换模块1032，进一步包括：判断单元10323，用于判断第一电池101或第二电池102的温度是否位于设定温度范围内；指令发送单元10324，用于在判断单元10323判断到第一电池101或第二电池102的温度满足预设条件时，向第一控制单元10321发送第一指令，并向第二控制单元10322发送第二指令，第一指令用于指示所述控制阀进入不同的工作状态，第二指令用于所述第一电池和第二电池进入不同的工作状态。其中，预设条件可以有多种，相应的第一指令和第二指令也可以是各种控制阀门和电池进入不同工作状态的控制指令，关于预设条件以及指令的具体内容将在后续说明内容中详细阐述。

图2示出了本发明实施例混合电源系统的结构示意图。

为方便进一步理解，结合图2对混合电源系统进行具体结构的说明。该系统可整体安装在一外壳201内部，其中，第一电池101和第二电池102分别通过螺栓固定在外壳201内部的两侧，耦合模组103位于第一电池101和第二电池102之间，并与第一电池101和第二电池102连接。第一电池101和第二电池102的正极分别连接至同一条正极电线202，第一电池101和第二电池102的负极分别连接至同一条负极电线203。当需要使用该电源对设备供电时，将正极电线202和负极电线203与设备连接，进行供电。

其中，第一电池101选为锂离子电池模组。锂离子电池模组包括锂离子电池箱1011和换热板1012，换热板1012包裹在锂离子电池箱1011的外部并通过螺栓与锂离子电池箱1011固定。换热板1012外部包括防腐材料层10122和传热层10121，防腐材料层10122可以选择聚四氟类等材料，传热层10121可以选为导热金属板，如铝板。

第二电池102选为金属空气电池模组，金属空气电池模组包括电池盒、金属阳极、空气阴极和电解液。

耦合模组103包括有控制器和换热体1031，其中控制器为电池切换模块1032。换热体1031包括有换热管、连接在换热管上的控制阀和包裹在换热管外周的相变组件1033。

换热管包括有供电解液流动的第一循环管道10311和与换热板1012连接的第二循环管道10312。第一循环管道10311的两端均与电池盒连接，且管道口插入电解液中。控制阀包括第一控制阀10313和第二控制阀10314。第一控制阀10313可设置在第一循环管道10311的任意位置，只需能够控制第一循环管道10311内的电解液流动即可，本发明实施例控制阀安装在第一循环管道10311与电池盒的连接处。同时，需要理解的是，为了使电解液能够定向流动，第一循环管道10311上还需要安装第一泵体10315。

第二循环管道10312为闭合型管道，用于供循环液流动，其部分插接在传热层10121中，为了方便第二循环管道10312的插接，传热层10121可设置成两层，其中部开设供第二循环管道10312嵌设的安装腔，进一步的，为了充分传热，安装腔可设置为波浪形。同样的，第二循环管道10312上需要安装第二控制阀10314和第二泵体10316以使控制循环液的流动。循环液可选择比热容较大的液体，如水、油。进一步的，为了避免循环液和电解液消耗对系统的影响，可在电池盒和第二循环管道10312上分别安装加液口，随时补充电解液或循环液。

相变组件1033为石墨烯复合相变微胶囊，包括相变材料和包裹相变材料的壳体。其中，相变材料包裹在传热管的外周，此处即为包裹在第一循环管道10311和第二循环管道10312之间，为了方便传热，本发明实施例中换热体1031设置有保温壳，第一循环管道10311和第二循环管道10312部分插接在保温壳内部，且互相靠近或者互相缠绕但不接触。相变组件1033填充在第一循环管道10311和第二循环管道10312之间，用于储热和传热。

控制器安装在保温壳外部，且与第一控制阀10313、第二控制阀10314、第一泵体10315、第二泵体10316、第一电池101、第二电池102控制连接。此处控制连接可通过无线通信连接传递控制信号，也可通过有线连接传递控制信号。

控制器还控制连接有温度检测模块104，温度检测模块104包括安装在锂离子电池箱1011体上的第一温度传感器和安装在电池盒上的第二温度传感器。

当该混合电池系统在低温下工作时，首先，温度检测模块104检测第一电池101和第二电池102的温度，当温度低于低温设定值时，由第二控制单元10322控制第二电池102供电，此处低温设定值可设置在-20～10℃之间的任一值。随着第二电池102供电时间变长，电解液温度升高至超过设定温度，此时，指令发送单元10324基于判断单元10323根据温度与预设条件的判断结果向第一控制单元10321发送第一控制指令，并向第二控制单元10322发送第二控制指令。此处的设定温度可以为40-60℃之间的任一值。

然后，第一控制单元10321控制第一泵体10315工作、第一控制阀10313打开，此时电解液在第一循环管道10311和电池盒内进行循环流动，当电解液经过第一循环管道10311时，相变材料吸热并进行热量储存，随着第二电池102供电时间变长，电解液温度逐渐升高超过50℃，此时，指令发送单元10324基于判断单元10323根据温度与预设条件的判断结果向第一控制单元10321发送第三控制指令。

同时，第一控制单元10321控制第二泵体10316和第二控制阀10314运行，循环液在第二循环管道10312内流动，当循环液经过传热体时，相变组件1033加热循环液，经加热的循环液经过传热板时，传热板将热量传送至锂离子电池模组，随着锂离子电池模组加热超过设定温度，此处设定温度可为20-25℃之间的任一值，此时，指令发送单元10324基于判断单元10323根据温度与预设条件的判断结果向第一控制单元10321发送第四控制指令，并向第二控制单元10322发送第五控制指令。

再后，第一控制单元10321控制第一泵体10315和第一控制阀10313关闭，第二控制单元10322控制第二电池102停止供电，并控制第一电池101供电；同时，第一控制单元10321控制第二泵体10316和第二控制阀10314关闭，避免循环液进一步加热第一电池101。此时，第一电池101可持续运行进行供电。

当该混合电池系统在正常情况下工作时，温度检测模块104检测第一电池101和第二电池102的温度，通过第二控制单元10322控制第一电池101供电。当第一电池101温度高于高温设定值时，第一控制单元10321控制第二泵体10316工作、第二控制阀10314打开，循环液在第二循环管道10312内流动，当循环液经过换热板1012时，循环液吸收第一电池101的热量，当循环液经过换热体1031时，相变组件1033吸收循环液的热量并进行储存，从而达到给第一电池101降温的目的。此处高温设定值可位于45-50℃之间的任一值。

当温度位于低温设定值和高温设定值之间的时候，可采用金属空气电池或者锂离子电池的任一种进行供电，本实施例选为锂离子电池，此时换热体不进行换热。

本发明实施例所提供的系统可作为电动车或混合动力车的供电电源，在电动车或混合动力车上安装本发明实施例所提供的混合电源系统，能够使电动车或混合动力车在如室外温度在-20℃-60℃下，均能够稳定使用其供电，且对供电系统的损伤较小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种混合电源系统，其特征在于，包括有第一电池和第二电池，所述第一电池和第二电池通过耦合模组连接，所述耦合模组包括换热体和电池切换模块，其中：

所述换热体，包括有控制阀、供传热液流动的换热管和设置在换热管外周的相变组件；

所述电池切换模块，包括：

第一控制单元，用于控制所述控制阀启闭；

第二控制单元，用于控制第一电池和第二电池的工作状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换热体还包括有包裹在相变组件外部的保温层。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电池为锂离子电池模组，所述第二电池为金属空气电池模组。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述锂离子电池模组包括锂离子电池箱和换热板，所述换热板与所述换热管之间形成有热传递腔。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述金属空气电池模组包括金属阳极、空气阴极和电解液，所述传热液包括循环液和所述电解液，所述换热管包括有供所述电解液流动的第一循环管道和供所述循环液流动的第二循环管道。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电解液选为氢氧化钾、氢氧化钠或氯化钠的其中一种或一种以上的混合物。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相变组件为石墨烯复合相变微胶囊，所述石墨烯复合相变微胶囊包括相变材料和包裹相变材料的壳体，所述相变材料为相变温度在30℃-80℃之间的中低温相变储热材料，所述壳体为三维多孔石墨烯。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述三维多孔石墨烯选为石墨烯骨架或石墨烯凝胶的其中一种或者两种复合形成的复合材料。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

温度检测模块，用于检测所述第一电池和第二电池的温度；

所述电池切换模块，进一步包括：

判断单元，用于判断所述第一电池或第二电池的温度是否位于设定温度内；

指令发送单元，用于在所判断单元判断到所述第一电池或第二电池的温度满足预设条件时，向第一控制单元发送第一指令，并向第二控制单元发送第二指令，所述第一指令用于指示所述控制阀进入不同的工作状态，所述第二指令用于所述第一电池和第二电池进入不同的工作状态。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述混合电源系统的应用，其特征在于，所述系统应用于电动车或混合动力车。