CN1165094C - 铝-空气电池的升压及控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种铝-空气电池的升压及控制方法及其装置，是将由N个单元升压电路(简称单元，下同)并联，N个单元的输入电压正极并联连接在一起接铝-空电池的正极，N个单元的输入电压负极并联连接在一起接铝-空电池的负极，N个升压电路的输出电压正极并连连接在一起作为电源输出的正极，N个升压电路的输出电压负极并连连接在一起作为电源输出的负极，所述N是整数；本发明可提供电源的大功率输出；同时解决电解混浊、温升等问题。

Description

铝—空气电池的升压及控制方法及其装置

                        技术领域

本发明涉及燃料电池，更详细地是铝—空气电池的升压及控制方法及其装置。

                        背景技术

化学电源在国民经济和国防建设中占有很重要的地位，目前普通应用的化学电源有干电池、铅酸蓄电池、碱性电池及特种用途的电池等，这些电池在应用中均有一定的局限性，不能满足科研、生产、国防建设和人民生活的需要，中性铝—空气电池，是一种新型燃料电池，在使用上有许多以上电源所不具备的优良性能。其基本原理是：多元铝合金作为阴极(在铝电极中加入某些金属原素增加其作为电池阴极的活性)，空气中的氧作为阳极(由疏水性很好的薄膜及加入催化剂的特种金属组成的空气电极作为阳极)，食盐水作为电解液，将铝电极放入充满电解液的由空气电极等组成电池壳体中，铝电极在电解液中发生氧化反应，并施放出电子，这样，铝电极与空气电极就组成了单体电池。该电池原料广泛、价廉、使用方便、安全、不怕风吹雨淋，对皮肤衣物无腐蚀、无烟、无味、无污染。经实验室试验、测试及部队、海上试用表明：该电池的使用时间、对环境的适应性、存储性等各项指标都优于干电池。该电池消耗铝生成的反应物—氧化铝又是一良好的高纯度制药原料，药厂回收价与用户购买铝电极的成本价基本相同，也就是说：用户在一次性购买—电池后，以后的铝电极近乎是免费使用。这是一种可用于多种场合(电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事及野外作业的特种电源等)极有应用前景的特种环保型电池。

现有铝—空气电池的单体电池开路电压仅为1.5V左右，电流密度与电极板的面积成正比，该电池在带载时其电池的端电压将降至0.5V-1.0V。在陆地使用时，虽然可将电池串联组成一电压较高的电池组，由于单体电池的体积较大，若要将单体电池串联成可实用的电池组(12V，24V，48V等)，在许多应用场合其体积就显得太大了，从实用、方便及电池的体积上考虑，电池组的串联级数都不能太多。特别是在海上使用时，由与海水的导电性，根本无法将单节电池串联组成电压较高的电池组。这样该电池及电池组在使用时常常有时是必需加一升压器，将较低的电压升为可供实用的高电压，单纯的将低电压升为高电压，其技术上是成熟的，有许多的现成产品，但在升压的同时要提供较大的功率，就显的极为困难，不仅没有产品，就连相关的技术资料都很少。而且，由于铝极板在消耗过程中产生的氧化铝使电解液变的混浊、串联电池组在运行中的温度升高，这些都对该电池的正常运行造成一定的影响，也使其在许多场合的应用变的极为困难。

                        发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种铝—空气电池的升压及控制方法及其装置，提供电源的大功率输出，并且使铝—空气电池组的体积减小许多，此外还解决电解混浊、温升及大多供电系统所需的蓄电池充电及充电控制的问题。

本发明的目的还在于提供一种用于实现上述方法的空气—电池的升压及控制装置。

本发明铝—空气电池的升压及控制方法是将N个单元升压电路并联连接，N个单元升压电路的输入电压正极并联连接在一起接铝—空电池的正极，N个单元升压电路的输入电压负极并联连接在一起接铝—空电池的负极，N个单元升压电路的输出电压正极并联连接在一起作为电源输出的正极，N个单元升压电路的输出电压负极并联连接在一起作为电源输出的负极，所述N是整数。

所述单元升压电路可以为隔离或非隔离方式的任何一种升压电路。

为了使每个单元均担负荷，可以采用均流控制模块分别与每个单元升压电路相连。

所述均流控制模块可以采用电压反馈方式对升压模块中的单元电路进行控制。

由于电池的长时间、大功率运行，合金铝的氧化反应产生的某些反应物造成电解液混浊，这种混浊的电解液会使电池的工作效率降低。为解决这一问题，可以采用电解液混浊度监视及水泵控制电路从升压模块的输出端获取工作电压。

由于电池的长时间、大功率运行，合金铝的氧化反应也会造成整个电池组的温度升高，这种温升会使电池的工作效率降低，严重时会使整个系统无法正常工作。为解决这一问题，可以采用温升监视及鼓风控制电路从升压模块的输出端获取工作电压。

由于铝—空气电池组在使用时常作为后备电源，在整个供电电源系统中常常是作为给蓄电池充电的角色。因而，可以将充电及充电控制模块连接到升压模块上。当该电池组在作为用电负荷的直接供电电源时，该部分电路也可不要。

本发明铝—空气电池的升压及控制装置由N个单元升压电路并联连接构成，N个单元升压电路的输入电压正极并联连接在一起接铝—空电池的正极，N个单元升压电路的输入电压负极并联连接在一起接铝—空电池的负极，N个单元升压电路的输出电压正极并连连接在一起作为电源输出的正极，N个单元升压电路的输出电压负极并连连接在一起作为电源输出的负极，构成升压模块，所述N是整数。

均流控制模块分别与每个单元升压电路相连；

电解液混浊度监视及水泵控制电路从由N个单元升压电路构成的升压模块的输出端获取工作电压；

温升监视及鼓风控制电路从由N个单元升压电路构成的升压模块的输出端获取工作电压；

充电及充电控制模块连接到由N个单元升压电路构成的升压模块。

由此可见，由升压电路模块、均流控制模块、电解液混浊度监视及水泵控制电路、电池组温升监视及鼓风控制电路、蓄电池充电控制及充电电路构成的铝—空气电池升压及控制装置是本发明的最佳实施方案。

本发明的升压及控制方法及其装置不仅可应用于铝—空气电池，也可以在太阳能电池及燃料电池中使用。

本发明与现有技术相比具有如下特点和优点：

(1)本发明可构成N+M式的冗余模块结构，M表示冗余份数，M值越大，系统的可靠性越高。特别是作为海上的特种供电系统，该优越性就显得尤为凸出，可以确保海上及某些特别场合的近似严酷的可靠性要求。

(2)可完成较大功率的输出。目前该电池的海上最大输出功率仅3W左右，一个几百瓦的电源就被称为“海上电站”，现有的电路无法满足这种特殊要求。该专利技术对铝—空气电池在海上更大规模的使用提供了许多的便利。

(3)使用本发明装置，在蓄电池放电时，铝—空气电池及蓄电池可同时向系统的用电器供电；一但系统的用电器停止这种供电需求，蓄电池停止放电时，铝—空气电池的升压及控制装置将使铝—空气电池的电量向蓄电池充电，确保在系统需要时有足够电力。该种组合，延长了蓄电池的供电时间和使用寿命，在电动汽车、电动自行车等使用系统中具有很高的使用价值。

(4)在铝—空气电池中使用电解液循环过滤及鼓风冷却系统。该系统对许多陆地设施及军事装备有很强的使用价值。如野外及野战大功率电源，电动汽车、电动自行车等使用项目上是必需的系统设备。

                       附图说明

图1是本发明装置最佳方案结构方框图；

图2是图1中构成升压模块的单元电路原理图；

图3是图1中升压模块与均流模块连接实现均流控制的电路原理图；

图4是图1中均流控制模块的电路原理图；

图5是图1中电解液混浊度监视及水泵控制电路图；

图6是图1中电池组温升监视及鼓风控制电路图。

下面通过实施例说明本发明的最佳实施方案。

                        具体实施方案

实施例

如图1所示，本发明装置的最佳方案是由升压电路模块、均流控制模块、电解液混浊度监视及水泵控制电路、电池组温升监视及鼓风控制电路、蓄电池充电控制及充电电路构成，其中点划线内是升压模块，是本发明的基本组成部分，由N个单元升压电路(简称单元，下同)并联连接构成，N个单元的输入电压正极并联连接在一起接铝—空电池的正极，N个单元的输入电压负极并联连接在一起接铝—空电池的负极，N个升压电路的输出电压正极并连连接在一起作为电源输出的正极，N个升压电路的输出电压负极并连连接在一起作为电源输出的负极，所述N是整数；

均流控制模块分别与每个单元的控制部分相连；

电解液混浊度监视及水泵控制电路从升压模块的输出端获取工作电压；

温升监视及鼓风控制电路从升压模块的输出端获取工作电压；

充电及充电控制模块连接到升压模块。

如图2所示，单元电路采用普通的非隔离LC拓扑升压电路结构，采用PWM(脉冲宽度调节)并结合PFM(脉冲频繁调节)的独特控制方案，使单极电池Vin(0.5v~1.0v)的电压升至5v。该单元电路的IC01控制模块，通过V+端向IC01提供电源，通过外接电阻R1接REF端，获取的1.5V的参考电压，通过R2将电感电流的瞬间值送入CS端，使IC01采用改进的PFM(脉冲频繁调节)控制方式，限制电感电流，使其不超过某一峰值电流。通过R3、R4将输出电压Vout分压输入FB，使IC01能根据Vout的变化而调整内部工作状态，从而向负载提供一个高效、较宽的电压调节范围，保持其输出电压Vout的稳定。

该单元升压电路虽然能提供稳定的5v输出电压，但由与其电路结构及输入电压的限制，其输出功率及为有限，仅为3W左右。为了实现大功率输出，特别是针对铝—空气电池在海上的应用，无论怎样改进单元升压电路的拓扑结构、选择何种原器件及优化印刷电路板的设计，最多也只是再降低些单元电路的损耗、提高些转换效率，根本无法得到所需的输出功率。可见，为了实现大功率输出的需要，必需采用单元并联结构。

如图3所示，一块控制IC检测一个单元电路的输出电压及输出电流。IC01、IC02、IC03等为单元升压控制IC，IC11、IC12、IC13等为均流控制IC，RS01、RS02、RS03等为单元升压电路的电流传感器(电阻)，将单元电路的电流值转换为电压值，并输入到IC11、IC12、IC13等均流控制IC中的电流检测放大电路，将该反映单元升压电路电流大小的控制信号输出均流控制IC的均流控制母线SHARE+、SHARE-上。

图4所示，I01为单元模块功率级GL1的输出电流，电流放大器DL1将反应输出电流I01大小的信号放大为电压U1，N个单元采用N个这种结构。当输出电流达到均流时，电流放大器DL1输出电流I1为零，这时I01处于均流工作状态。反之，在二极管DN1的A、B两端，U1(UA)若高过均流母线SHARE(+或-)上的电压，二极管DN1导通，这个变化的电压将通过A2控制A1，再由A1控制单元功率级输出电流，最终达到均流。

这样N个单元中只有输出电流最大的一个电流放大器的输出电压才能使二极管导通，从而影响均流母线电压。在这种均流方式下，参于调节的单元由N个单元中的最大输出电流单元决定，一次只有这个最大输出电流单元工作，这个最大输出电流是随机的，它一旦工作既处于主控状态，别的单元就处于被控状态。均流控制IC将控制信号电压输出至各升压单元控制IC的FB输入端，从而调节各升压单元的输出电流值，取得良好的均流效果。

图5所示，SM1为光源，RSG为光敏电阻，SF01为信号放大器，SJ1为继电器，SB为水泵。将光源SM1放入需要检测的电解液(盐水)中，光敏电阻RSG放在距光源SM1一段固定距离的电解液中，这样液体混浊度的变化就变成光敏电阻RSG的感光量变化。当液体的混浊度增加时，RSG的电压值随着变大，这种电压变化通过电桥，经放大器放大输出，调整相关元器件参数及光源SM1和光敏电阻RSG的间距，使FS1在某个规定的混浊度阀值导通，从而使继电器SJ1的触头闭合，也就启动水泵SB工作，经过过滤系统达到过滤电解液的目的。

图6所示，NP1为温度传感器，FF01为信号放大器，FJ1为继电器，FS为风扇。图中NP1为正偏置状态，当温度变化时，NP1的结电压会随温度升高而下降，这种电压变化通过电桥，经放大器放大输出，调整相关元器件参数，使FG1在某个规定的温度阀值导通，从而使继电器FJ1的触头闭合，也就启动风扇FS工作，达到给电池组降温的目的。

针对不同的电池配备不同的充电控制电路。如对铅酸电池的充电及充电控制电路的研制可以选用UNITRODE公司生产的型号为UC2906、UC3906、UC3907、UC2909的IC块；对锂离子电池可以选用UCC3956、UCC3911、UCC3957的IC块；有关电路设计的详细资料可以查阅UNITRODE公司的产品手册。也可选用型号为LM3621等同类型的控制IC块。还可以根据用户的具体要求，购买相应的充电器。

Claims (5)

1、一种由多元铝合金作为阴极、空气中的氧作为阳极的铝—空气电池的升压及控制方法，其特征在于是将N个单元升压电路并联连接，N个单元升压电路的输入电压正极并联连接在一起接铝—空气电池的正极，N个单元升压电路的输入电压负极并联连接在一起接铝—空气电池的负极，N个单元升压电路的输出电压正极并联连接在一起作为电源输出的正极，N个单元升压电路的输出电压负极并联连接在一起作为电源输出的负极，所述N是整数。

2、根据权利要求1所述的铝—空气电池的升压及控制方法，其特征在于均流控制模块分别与每个单元升压电路相连。

3、根据权利要求1或2所述的铝—空气电池的升压及控制方法，其特征在于电解液混浊度监视及水泵控制电路从由N个单元升压电路构成的升压模块的输出端获取工作电压。

4、根据权利要求1或2或3所述的铝—空气电池的升压及控制方法，其特征在于温升监视及鼓风控制电路从由N个单元升压电路构成的升压模块的输出端获取工作电压。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的铝—空气电池的升压及控制方法，其特征在于充电及充电控制模块连接到由N个单元升压电路构成的升压模块。

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