CN214411323U - 金属空气电池供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种金属空气电池供电系统，包括电压监测器和串联形成闭合电路的金属空气电池、负载、第一电感和总开关；金属空气电池包括控制器、电解液箱、接触器、第一电堆和至少一个第二电堆，第一、第二电堆在电解液管路上并联，电解液箱的出液管上连接有泵，泵分别与第一、第二电堆的进液管相连，第一、第二电堆的出液管与电解液箱相连，第二电堆的进液管上设有电磁阀，电磁阀、电压监测器和接触器分别与控制器连接；第一、第二电堆在电路上串联，第一、第二电堆均包括至少两个电池单体，电池单体在电解液管路上并联、在电路上串联，接触器与需切换的电池单体并联。本实用新型能实现精准、迅速调压，满足负载供电要求。

Description

金属空气电池供电系统

技术领域

本实用新型涉及金属空气电池技术领域，更加具体来说，本实用新型涉及一种金属空气电池供电系统。

背景技术

金属空气电池比能量高、安全性高、可长期贮存，应用范围日益广泛，在宽范围电压负载场合(如给储能电池充电、通信基站负载等)，金属空气电池应用时，通常会在电池后端串联一个DCDC变换器。此种方法可以实现精准稳压，但会造成系统复杂，拉高成本且存在效率问题。

针对宽范围电压负载场合，如负载电压范围为40V～60VDC，在满足功率要求前提下，需控制金属空气电池输出电压范围在40V～60VDC范围内，以满足负载供电要求。专利文献CN108092359A-“金属空气电池及其电压控制系统、电压控制方法”提供了一种金属空气电池控压方法，即利用控制器实时监测电池电压，通过短路开关调节参与反应的单体数量，实现电池输出电压。单个单体电压至少大于1V，因此此方法稳压精度大于1V。同时，在此专利文献中，金属空气电池供电时需要电解液，电解液到达反应腔体后，电池需要活化才能放出电能，因此此种方法存在响应速度慢的问题。

因此，需要一种能精准迅速调压的金属空气电池供电系统。

实用新型内容

为解决现有金属空气电池调压过程响应速度慢等问题，本实用新型创新地提供了一种金属空气电池供电系统，该金属空气电池供电系统通过调节参与反应的电池单体的数量来调节输出单压，使得金属空气电池的输出电压满足负载供电要求，省去金属空气电池后端的DCDC变换器，提升系统可靠性；将金属空气电池、电感和负载串联，利用电感储能和无间隙放能特性，实现精准、迅速调压，满足负载供电要求。

为实现上述的技术目的，本实用新型公开了一种金属空气电池供电系统，包括金属空气电池、负载、第一电感、总开关和用于监测金属空气电池的电压监测器，所述金属空气电池、负载、第一电感和总开关串联形成闭合电路；

所述金属空气电池包括控制器、电解液箱、接触器、第一电堆和至少一个第二电堆，所述第一电堆和所述第二电堆在电解液管路上并联，所述电解液箱的出液管上连接有泵，所述泵分别与第一电堆的进液管和第二电堆的进液管相连，所述第一电堆的出液管和第二电堆的出液管与电解液箱相连，所述第二电堆的进液管上设有电磁阀，所述电磁阀、电压监测器和接触器分别与所述控制器连接；所述第一电堆和所述第二电堆在电路上串联，所述第一电堆和所述第二电堆均包括至少两个电池单体，每个电堆的电池单体在电解液管路上并联，每个电堆的电池单体在电路上串联，在金属空气电池所有串联的电池单体中，所述接触器与需切换的电池单体并联。

进一步地，还包括至少一个第二电感，每个所述第二电感均与所述第一电感并联，所述第二电感所在的支路上设有支路开关。

进一步地，所述第二电感的数量为一个。

进一步地，所述第二电堆的数量为一个。

进一步地，所述电压监测器为电压监测线，所述电压监测线的两端分别与所述金属空气电池的正极和负极电连接。

进一步地，所述金属空气电池还包括用于调节电解液温度的散热器。

进一步地，所述散热器与所述控制器相连。

进一步地，所述散热器包括一个或多个电风扇。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型的金属空气电池供电系统能通过调节参与反应的单体数量来调节输出电压，省去金属空气电池后端的DCDC变换器，提升系统可靠性；将金属空气电池、电感和负载串联，利用电感储能和无间隙放能特性，实现精准、迅速调压，满足负载供电要求。

附图说明

图1是本实用新型实施例的金属空气电池供电系统的闭合电路示意图；

图2是本实用新型实施例的金属空气电池供电系统的电解液管路示意图；

图3是本实用新型实施例的金属空气电池供电系统的切换电池单体调压示意图；

图4是本实用新型另一实施例的金属空气电池供电系统的闭合电路示意图。

图中，

1、金属空气电池；11、控制器；12、电解液箱；13、接触器；14、第一电堆；15、第二电堆；16、泵；17、电磁阀；18、电池单体；

2、负载；3、第一电感；4、总开关；5、电压监测器；6、第二电感；7、支路开关。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型提供的金属空气电池供电系统进行详细的解释和说明。

如图1所示，本实施例具体公开了一种金属空气电池供电系统，包括金属空气电池1、负载2、第一电感3、总开关4和用于监测金属空气电池1的电压监测器5，金属空气电池1、负载2、第一电感3和总开关4串联形成闭合电路；在电路中加入电感，流过电感的电流不能突变，因此当金属空气电池1输出电压变小时，电感内储存的能量就会释放，阻止电流变小；当金属空气电池1输出电压变大时，电感就会进一步吸收能量，阻止电流变大。通过电感的自适应调能，实现金属空气电池供电系统小步长电压调节。

金属空气电池1包括控制器11、电解液箱12、接触器13、第一电堆14和至少一个第二电堆15，第一电堆14和第二电堆15在电解液管路上并联，电解液箱12的出液管上连接有泵16，泵16分别与第一电堆14的进液管和第二电堆15的进液管相连，第一电堆14的出液管和第二电堆15的出液管与电解液箱12相连，第二电堆15的进液管上设有电磁阀17，电磁阀17、电压监测器5和接触器13分别与控制器11连接；金属空气电池1工作时，由泵16将电解液从电解液箱12内带入到电堆，电堆内部集成金属阳极和空气阴极，在电解液作用下发生化学反应放出电能，反应后电解液再回流至电解液箱12内。在本实施例中，第一电堆14长期工作，第二电堆15可通过电磁阀17控制切换供电情况。泵16同时为第一电堆14和第二电堆15的电池单体18供应电解液，第一电堆14的电池单体18由泵16长期、不间断供应电解液，而第二电堆15在工作时电磁阀17打开进行反应供电，不工作时断开电磁阀17，切断液路供应。第一电堆14和第二电堆15在电路上串联，第一电堆14和第二电堆15均包括至少两个电池单体18，每个电堆的电池单体18在电解液管路上并联，每个电堆的电池单体18在电路上串联，在金属空气电池1所有串联的电池单体18中，接触器13与需切换的电池单体18并联。通过调节切换的电池单体18数量来调节参与放电反应的电池单体18数量，实现金属空气电池1大步长电压调节。而闭合电路中的电感在金属空气电池1输出电压变小时，电感内储存的能量就会释放，阻止电流变小；当金属空气电池1输出电压变大时，电感就会进一步吸收能量，阻止电流变大；通过电感的自适应调能，实现系统小步长电压调节，实现系统的快速、准确调压。

本实施例中，接触器13的一端与需切换的电池单体18的前一电池单体和后一电池单体其中之一的正极相连，接触器13的另一端与需切换的电池单体18的前一电池单体和后一电池单体中的另一个的负极相连。金属空气电池1的输出电压为闭合电路中串联的各个电池单体电压总和。接触器13闭合，使与接触器13并联的需切换的电池单体18短路，实现电池单体18切出功能，输出电压降低；接触器13断开，需切换的电池单体18与其他电池单体18串联，实现单体切入功能，串联的电池单体18共同发电。

本实施例的电压调节可只通过电磁阀17的控制通过控制第二电堆15的供液情况，即通过控制参与反应发电的电池单体18数量来调节输出电压；也可以只通过接触器13的控制，控制电路中串联的电池单体18的数量来调节电压；也可以同时通过电磁阀17和接触器13控制进行调压。

在一些实施例中，如图4所示，还包括至少一个第二电感6，每个第二电感6均与第一电感3并联，第二电感6所在的支路上设有支路开关7。可根据实际调压情况，选择第二电感6的数量，通过支路开关7的开闭来控制是否接入第二电感6。优选地，第二电感6的数量为一个。第二电感6的设置使得调压更加快速和准确。金属空气电池1和负载2间连接第一电感3和第二电感6，总开关4在电池放电期间处于常闭状态，第一电感3长期处于电路中，第二电感6通过支路开关7闭合选择性接入电路中。

第二电堆15的数量根据实际发电供电需要设置。在本实施例中，第二电堆15的数量为一个。第二电堆15作为切换电堆，通过电磁阀17控制电解液的供给来控制反应发电输出的电压。第二电堆15数量为多个时，多个第二电堆15在电解液管路上并联，在闭合电路上串联。

在本实施例中，电压监测器5为电压监测线，电压监测线的两端分别与金属空气电池1的正极和负极电连接。电压监测线与控制器11相连，控制器11根据电压监测线实时监测的输出电压值与负载2所需的电压范围进行对比后，调整金属空气电池1的输出电压，将输出电压控制在负载2所需的电压范围内。

金属空气电池1还包括用于调节电解液温度的散热器。在供电过程中对电解液进行降温，将化学反应产生的热量及时散出，保证金属空气电池1的正常工作。

散热器与控制器11相连。电解液的温度也与输出电压有关，在电解液温度20-100℃范围内，电解液温度越高，金属空气电池1的输出电压越高。可通过散热器调节电解液的温度，来辅助电磁阀17和接触器13调节金属空气电池1的输出电压。

散热器包括一个或多个电风扇，散热器的调节温度过程可通过调节散热器的散热功率来调节电解液的温度。如果包括一个电风扇时，可加大或减小电风扇的转速来调节散热效率；如果包括多个电风扇，可通过控制贡多的电风扇的数量和转速来调节散热功率。

本实施例的控制器的控制方法为现有的控制方法。控制器11将电压监测器5实时监测的金属空气电池1输出电压与负载2所需电压进行对比，然后通过控制电磁阀17的通断和/或接触器13的通断来调节电压。还可以进一步通过控制散热器的散热功率辅助调压。

金属空气电池1在放电前期，性能较好，电压较高，由控制器11断开电磁阀17，停止对切换单体第二电堆15供应电解液，同时闭合接触器13，将切换单体切出电路，不进行电路连接。在金属空气电池1放电后期，性能下降，电压较低(当电压弱高于截止电压时)，由控制器11闭合电磁阀17，保持对第二电堆15供应电解液，同时断开接触器13，将切换单体切入电路，进行电路连接。

本实施例的单体数量确定步骤如下：

1)明确负载2电压范围和选择的单体电芯电压范围；

2)负载2最高电压除以单体最低工作电压X₁，得到单体总数量为n₁；

3)负载2最低电压除以单体最高工作电压X₂，得到维持系统工作最少单体数量；

4)将单体总数量n₁减去维持系统工作最少单体数量n₂得到切换单体数量n₃。

如负载2电压范围为40V～60VDC，单体工作电压范围为1.0V～

1.8VDC。按负载2最低电压和单体最低工作电压设计单体数量，即X₁为40，取n₁为40。按负载2最高电压除以单体最高工作电压得到维持系统工作最少单体数量，即X₂为33.3，取n₂为33，则切换单体数量为7。

控制器11实时检测金属空气电池1输出总电压，并对输出总电压和设定负载2电压进行实时比较。设ΔV为输出总电压与设定负载2电压差值，ΔV符号为正，说明输出总电压高于设定电压值；ΔV符号为负，说明输出总电压低于设定电压值。

下面以ΔV为正举例说明：

当ΔV≤单体当前电压的0.5倍时，控制器11不进行减单体操作，此时电压波动由电感吸能调节。当ΔV>单体当前电压的0.5倍时，控制器11进行减除1个单体操作，因减除1个单体，导致输出电压略低于设定电压部分，由电感放能调节。

本实施例还提供另一种监测调压方法：设负载2额定电压为U₀，电压允许波动上限电压为+ΔU，允许波动下限电压为-ΔU。电感接近金属空气电池1端节点为A，接近负载2端节点为B，U_AB为电感感应电动势。测量感应电动势可在电感两端放置金属片，测量金属片电压即可。当U_AB大于0时，说明电感在充电，当U_AB小于0时，说明电感在放电，当U_AB等于0时，说明电感处于平衡状态。控制器11实时监测负载2处和电感两端U_AB电压，并控制金属空气电池1的接触器13的通断。

(一)负载2电压波动值大于+ΔU/2

1.当控制器11监测到负载2电压波动值大于+ΔU/2时，且U_AB小于0时，此时控制器11闭合支路开关7和接触器13，切断n个单体，n≤ΔU/当前电堆单体电压，且n为整数；

2.当控制器11监测到负载2电压波动值大于+ΔU/2时，且U_AB等于0时，此时控制器11闭合接触器13切断n个单体，n≤ΔU/当前电堆单体电压，且n为整数；

3.当控制器11监测到负载2电压波动值大于+ΔU/2时，且U_AB大于0时，此时控制器11闭合支路开关7，第一电感3和第二电感6共同吸收能量；

(二)负载2电压波动值小于+ΔU/2

1.当控制器11检测到负载2电压波动值小于+ΔU/2时，且U_AB小于0时，此时控制器11闭合支路开关7和接触器13，并切断n干个单体，n≤ΔU/2×当前电堆单体电压，且n为整数；

2.当控制器11检测到负载2电压波动值小于+ΔU/2时，且U_AB等于0时，此时控制器11切断n个单体，n≤ΔU/当前电堆单体电压，且n为整数；

3.当控制器11检测到负载2电压波动值小于+ΔU/2时，且U_AB大于0时，此时控制器11闭合支路开关7，第一电感3和第二电感6共同吸收能量；

负载2电压波动值在下限范围波动时，控制策略与上限范围相同。

本实用新型的金属空气电池1供电系统通过调节参与反应的电池单体18的数量来调节输出单压，使得金属空气电池1的输出电压满足负载2供电要求，省去金属空气电池1后端的DCDC变换器，提升系统可靠性；将金属空气电池1、电感和负载2串联，利用电感储能和无间隙放能特性，实现精准、迅速调压，满足负载2供电要求。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“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实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任至少一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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属空气电池供电系统，其特征在于，包括金属空气电池(1)、负载(2)、第一电感(3)、总开关(4)和用于监测金属空气电池(1)的电压监测器(5)，所述金属空气电池(1)、负载(2)、第一电感(3)和总开关(4)串联形成闭合电路；

所述金属空气电池(1)包括控制器(11)、电解液箱(12)、接触器(13)、第一电堆(14)和至少一个第二电堆(15)，所述第一电堆(14)和所述第二电堆(15)在电解液管路上并联，所述电解液箱(12)的出液管上连接有泵(16)，所述泵(16)分别与第一电堆(14)的进液管和第二电堆(15)的进液管相连，所述第一电堆(14)的出液管和第二电堆(15)的出液管与电解液箱(12)相连，所述第二电堆(15)的进液管上设有电磁阀(17)，所述电磁阀(17)、电压监测器(5)和接触器(13)分别与所述控制器(11)连接；所述第一电堆(14)和所述第二电堆(15)在电路上串联，所述第一电堆(14)和所述第二电堆(15)均包括至少两个电池单体(18)，每个电堆的电池单体(18)在电解液管路上并联，每个电堆的电池单体(18)在电路上串联，在金属空气电池(1)所有串联的电池单体(18)中，所述接触器(13)与需切换的电池单体(18)并联。

2.根据权利要求1所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，还包括至少一个第二电感(6)，每个所述第二电感(6)均与所述第一电感(3)并联，所述第二电感(6)所在的支路上设有支路开关(7)。

3.根据权利要求2所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，所述第二电感(6)的数量为一个。

4.根据权利要求1所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，所述第二电堆(15)的数量为一个。

5.根据权利要求1所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，所述电压监测器(5)为电压监测线，所述电压监测线的两端分别与所述金属空气电池(1)的正极和负极电连接。

6.根据权利要求1所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，所述金属空气电池(1)还包括用于调节电解液温度的散热器。

7.根据权利要求6所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，所述散热器与所述控制器(11)相连。

8.根据权利要求6或7所述的金属空气电池供电系统，其特征在于，所述散热器包括一个或多个电风扇。

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