CN216354444U - 一种铝空气铝离子复合电池及供电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铝空气铝离子复合电池及供电系统。所述铝空气铝离子复合电池及供电系统，包括：电池本体、铝离子电池阳极、铝离子电池阴极、铝空气电池阴极和离子导体隔膜；电池本体内部开设腔体；腔体的侧壁上开设互不连通的第一凹槽和第二凹槽；离子导体隔膜位于第一凹槽与腔体之间，离子导体隔膜将第一凹槽与腔体隔开；铝离子电池阳极和铝离子电池阴极均设置在第一凹槽内，第一凹槽内填充铝离子电池电解质；腔体内填充碱性电解液；铝空气电池阴极位于第二凹槽与腔体之间，铝空气电池阴极将第二凹槽与腔体隔开；第二凹槽内通入空气。本实用新型能降低电池及供电系统的复杂度和成本。

Description

一种铝空气铝离子复合电池及供电系统

技术领域

本实用新型涉及电源供电领域，特别是涉及一种铝空气铝离子复合电池及供电系统。

背景技术

目前，典型的负载系统通常由动力系统、机身系统、数据传输设备和遥控器组成。负载有直流驱动和交流驱动两类，直流驱动负载，如电动无人机，机器人等；交流驱动系统，如电动汽车、电动轮船等。无论哪种负载，都要经历复杂环境，需求不同功率输入才能完成工作目的。比如电动汽车不仅在平坦路上行驶还有加速、爬坡等情形，需要加速前行和大功率输入，才能达到目的；电动无人机，不仅匀速飞行，还有起飞爬坡飞行，加速飞行，都需要大功率输入。纵观目前这些负载，使用的动力电源大多是锂离子电池、氢氧燃料电池，或是锂离子电池与燃料电池组合，或是超级电容与锂离子电池组合。由于锂离子电池储能有限，续航里程短，而目前氢氧燃料电池也由于氢气难以储存，需要带一只储氢罐，占用空间，因此储能也有限，所以，目前这些组合都存在续航里程短的缺点。

针对上述缺点，提出了铝空气电池和铝离子电池的组合供电系统，将铝空气电池和铝离子电池分别与负载连接，由于铝空气电池能量密度大，续航里程长，不用储气罐，占用空间小，铝离子电池功率密度大，爬坡及加速能力强，这样既可以保持长距离行驶，又能适应复杂环境，但该方式供电系统将单独的铝空气电池和单独的铝离子电池分别连接负载，这种组合方式结构复杂，成本高。

发明内容

基于此，本实用新型实施例提供一种铝空气铝离子复合电池及供电系统，以降低复杂度和成本。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种铝空气铝离子复合电池，包括：电池本体、铝离子电池阳极、铝离子电池阴极、铝空气电池阴极和离子导体隔膜；

所述电池本体内部开设腔体；所述腔体的侧壁上开设互不连通的第一凹槽和第二凹槽；所述离子导体隔膜位于所述第一凹槽与所述腔体之间，所述离子导体隔膜将所述第一凹槽与所述腔体隔开；所述铝离子电池阳极和所述铝离子电池阴极均设置在所述第一凹槽内，所述第一凹槽内填充铝离子电池电解质；所述腔体内填充碱性电解液；所述铝空气电池阴极位于所述第二凹槽与所述腔体之间，所述铝空气电池阴极将所述第二凹槽与所述腔体隔开；所述第二凹槽内通入空气。

可选的，所述的铝空气铝离子复合电池，还包括：阳极隔膜；

所述阳极隔膜围绕在所述铝离子电池阳极的周围；所述阳极隔膜将所述铝离子电池阳极和所述铝离子电池阴极隔开。

可选的，所述铝空气电池阴极靠近所述第二凹槽的一侧设置透氧膜；所述铝空气电池阴极靠近所述腔体的一侧设置催化剂层。

可选的，所述的铝空气铝离子复合电池，还包括：碱性电解质容器；

所述腔体的内壁上设置所述碱性电解质容器；所述碱性电解质容器、所述离子导体隔膜和所述铝空气电池阴极围成容纳所述碱性电解液的容纳空间。

可选的，所述离子导体隔膜为改性蒙脱石。

可选的，所述铝离子电池电解质为1mol/L的AlCl₃水溶液。

可选的，所述催化剂层上的催化剂为纳米α-MnO₂。

可选的，所述电池本体上开设加液孔、进气孔和出气孔；

所述加液孔与所述腔体连通；所述进气孔和所述出气孔均与所述第二凹槽连通。

可选的，所述铝空气铝离子复合电池，还包括：胶垫；

所述碱性电解质容器通过所述胶垫贴合在所述腔体的内壁上。

本实用新型还提供了一种供电系统，包括：上述所述的铝空气铝离子复合电池；所述铝空气铝离子复合电池中的铝离子电池阳极和铝离子电池阴极均连接负载；所述铝空气铝离子复合电池中铝空气电池阴极与所述铝离子电池阴极电连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型实施例提出了一种铝空气铝离子复合电池及供电系统，该系统，包括：电池本体、铝离子电池阳极、铝离子电池阴极、铝空气电池阴极和离子导体隔膜；铝离子电池阳极提供阳离子，一方面与铝离子电池电解质中的铝离子电池阴极组成铝离子电池，向外放电；另一方面，铝离子透过离子导体隔膜，进入碱性电解液，使铝离子电池阳极与铝空气电池阴极组成铝空气电池，向外放电。本实用新型利用离子导体隔膜，将铝离子电池和铝空气电池有机结合形成一体化电池，铝离子电池与铝空气电池共用铝离子电池阳极，复杂度低、成本低，可以批量化生产，广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1提供的铝空气铝离子复合电池的结构图；

图2为本实用新型实施例2提供的供电系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例2提供的供电系统的工作过程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通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，都属于本实用新型保护的范围。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

图1为本实用新型实施例1提供的铝空气铝离子复合电池的结构图。

参见图1，所述铝空气铝离子复合电池，包括：电池本体、铝离子电池阳极3、铝离子电池阴极1、铝空气电池阴极13和离子导体隔膜6。

所述电池本体内部开设腔体；所述腔体的侧壁上开设互不连通的第一凹槽和第二凹槽；所述离子导体隔膜6位于所述第一凹槽与所述腔体之间，所述离子导体隔膜6将所述第一凹槽与所述腔体隔开；所述铝离子电池阳极3和所述铝离子电池阴极1均设置在所述第一凹槽内，所述第一凹槽内填充铝离子电池电解质4；所述腔体内填充碱性电解液11；所述铝空气电池阴极13位于所述第二凹槽与所述腔体之间，所述铝空气电池阴极13将所述第二凹槽与所述腔体隔开；所述第二凹槽内通入空气。

在实际应用中，铝离子电池阳极3提供阳离子，一方面与铝离子电池电解质4中的铝离子电池阴极1组成铝离子电池5，向外放电；另一方面，铝离子透过离子导体隔膜6，进入碱性电解液11，使铝离子电池阳极3与铝空气电池阴极13组成铝空气电池12，向外放电。

在一个示例中，所述的铝空气铝离子复合电池，还包括：阳极隔膜2；所述阳极隔膜2围绕在所述铝离子电池阳极3的周围；所述阳极隔膜2将所述铝离子电池阳极3和所述铝离子电池阴极1隔开。所述阳极隔膜2使得铝离子电池阳极3与铝离子电池阴极1在铝离子电池电解质中隔开，防止在铝离子电池阳极3上铝晶枝生长与铝离子电池阴极1发生短路。

在一个示例中，所述铝空气电池阴极13靠近所述第二凹槽的一侧设置透氧膜；所述铝空气电池阴极13靠近所述腔体的一侧设置催化剂层。所述催化剂层上的催化剂可以为纳米α-MnO₂。透氧膜不仅只透过通入第二凹槽内的空气中的O₂，还能实现防水；铝离子电池阳极3的铝离子透过离子导体隔膜6，到达催化剂层，O₂通过透氧膜到达催化剂层，在催化剂的作用下，O₂与铝离子发生反应，向外放电。

在一个示例中，所述的铝空气铝离子复合电池，还包括：碱性电解质容器10；所述腔体的内壁上设置所述碱性电解质容器10；所述碱性电解质容器10、所述离子导体隔膜6和所述铝空气电池阴极13围成容纳所述碱性电解液11的容纳空间。

在一个示例中，所述离子导体隔膜6仅能使铝离子通过，所述离子导体隔膜6可以为改性蒙脱石。其中，改性蒙脱石制备方法如下：

将100mL的0.4mol/L的氢氧化钠水溶液边搅拌边滴加到230mL的0.4mol/L的三氯化铝水溶液中，其后，在室温下保温12h，再在60℃下真空浓缩至100mL，得到聚合无机铝离子水溶液。

将30mL的聚合无机铝离子水溶液加入到3g钠基蒙脱石中超声30min，随后室温搅拌1天后，蒙脱石的层间和表面吸附铝离子，离心分离沉淀与上清液，将此操作重复4次。

用布氏漏斗抽滤分离产物(即将铝基蒙脱石从浑浊液中分离出来，脱除水溶液)，将蒙脱石从溶液中分离出来后，颗粒表面仍附有很多氯离子，需将蒙脱石清洗干净，因此用蒸馏水反复冲洗抽滤后的蒙脱石至不含氯离子，在100℃的温度下干燥后研磨，再将之置于马弗炉中以5℃/min的升温速率至350℃煅烧2h，随后在30Hz下球磨4h，并置于80℃下烘干，得到初步的改性蒙脱石(改性的无机铝离子)。

将初步的改性蒙脱石压实成板，其厚度为1～3mm，即为最终的改性蒙脱石，该改性蒙脱石作为铝离子固体导体，只允许铝离子通过，其他成分不能通过。

在一个示例中，所述铝离子电池电解质4为1mol/L的AlCl₃水溶液。所述碱性电解液11可以为KOH电解液。

在一个示例中，在一个示例中，所述电池本体上开设加液孔9、进气孔14和出气孔15；所述加液孔9与所述腔体连通；所述进气孔14和所述出气孔15均与所述第二凹槽连通。

在一个示例中，所述铝空气铝离子复合电池，还包括：胶垫7；所述碱性电解质容器10通过所述胶垫7贴合在所述腔体的内壁上。

在一个示例中，所述铝离子电池阴极1和所述铝空气电池阴极13均采用通常使用的材料制成，例如碳。所述铝离子电池阳极3可以为4N高纯铝板，厚度为3～6mm。

在一个示例中，所述腔体内设置液位传感器与报警器；所述液位传感器与所述报警器均与外界的控制器连接；所述液位传感器用于检测所述腔体内碱性电解液11的高度，当所述高度小于设定高度时，向所述控制器发送加液信号；所述控制器根据所述加液信号控制所述报警器发出报警信号，以提醒操作人员向所述腔体内补加碱性电解液11，以保证持续放电。

在一个示例中，所述电池本体上开设第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述第一通孔用于所述铝离子电池阳极3向外部引线，所述第二通孔用于所述铝离子电池阴极1向外部引线，所述第三通孔用于所述铝空气电池阴极13向外部引线，所述铝空气电池阴极13通过所述第三通孔与所述铝离子电池阴极1电连接。如图1所示，所述铝离子电池阳极3和所述铝离子电池阴极1均通过导线8与负载连接，所述铝空气电池阴极13通过导线与所述铝离子电池阴极1连接，这样相当于铝空气电池与铝离子电池并联。该铝空气铝离子复合电池既有铝空气电池特性，又具有铝离子电池的特性，其可以随着各种应用需求的变化而变化运行条件。

本实施例的铝空气铝离子复合电池，通过离子导体隔膜6隔离离子电解液与碱性电解液11，将铝离子电池与铝空气电池进行了有机结合，形成了铝空气铝离子电池一体化的新型铝电池。该复合电池在应用中具有如下优势：

(1)正常电流平稳放电：在正常工作状态下，由阳极铝提供阳离子，一方面与铝离子电池电解液中阴极组成铝离子电池，向外放电；另一方面，铝离子透过离子导体隔膜6，进入水性溶液(碱性电解液11)，使铝离子电池阳极3与铝空气阴极组成铝空气电池，向外放电。

(2)大电流高功率放电：当工作需要大功率时，主要由铝离子电池(铝离子电池阳极3和铝离子电池阴极1组成)向外供电，满足大功率工作需求。

(3)内部自充电：高功率放电后，在正常放电过程中或停止放电状态下，可由铝离子电池阴极1与铝空气阴极组成放电对(铝空气电池)，完成自充电过程。

(4)制备简单，成本低。利用离子导体隔膜6，将铝离子电池和铝空气电池有机结合形成一体化电池，成本低，可以批量化生产，广泛应用。

(5)具有高能量密度和高功率密度，克服了铝空气电池功率密度低的缺点。

实施例2

本实用新型还提供了一种供电系统，包括：上述实施例所述的铝空气铝离子复合电池；如图1所示，所述铝空气铝离子复合电池中的铝离子电池阳极3和铝离子电池阴极1均连接包括组合电源控制器、连接部件在内的负载系统16；所述铝空气铝离子复合电池中铝空气电池阴极13与所述铝离子电池阴极1电连接。

下面以电动汽车为例，对本实施例的供电系统进行详细说明。

大功率和高能量是衡量电动汽车驱动电源性能最重要的指标。大功率要求电源具备大电流充放电能力，即电源的功率密度大；而高能量要求驱动电源的能量密度大，在较小的质量下可以释放出更多的能量。电动汽车驱动电源的特点应该包括以下几个方面的内容：

(1)比能量高：比能量是电动汽车驱动电源选择的首要因素。比能量高会带来更长的电动汽车续驶里程。续驶里程的延长不仅会使得电动汽车充电的次数明显减少，为车主省去了为电动汽车充电的时间，同时对于很多一次性行程要求比较高的情况，必须要求续驶里程的保障。本铝空气铝离子复合电池的铝空气电池部分，比能量高，是该复合电池的第一大特点。

(2)比功率高：比功率也是电动汽车驱动电源选择需要考虑的重要因素，直接影响到电动汽车的动力性能，电动汽车启动、爬坡以及加速等情况下均需要能量源提供较大的功率，如果驱动电源的比功率不高，会直接导致电动汽车的扭矩不足，直接影响行驶过程中的动力性能，同时要考虑到长时间高频率的高功率、大电流充放电会对电源有极大损伤。本铝空气铝离子复合电池的铝离子电池部分，比功率高，是该复合电池的第二大特点。

(3)经济成本低：电动汽车需要不断地供给电能保证动力性和续驶里程，所以在电池材料选择、制作方法等方面都必须在保证质量的基础上控制经济成本，经济成本的控制也是电动汽车发展中必须考虑的重要因素。本铝空气铝离子复合电池均用金属铝提供能源，金属铝来源广泛、价格低廉；电池所用电解质也价格低廉；同时该复合电池共用一个金属阳极，省去导线连接，经济成本低是该复合电池的第三大特点。

(4)循环寿命长：循环寿命也是一个关乎整车性能以及经济成本的命题。循环寿命短的电源会使得电动汽车在行驶过程中的故障率变大，从而影响到车辆行驶的动力性，同时循环寿命短意味着更换电源的频率更大，带来更多的额外开销，无形中增加了电动汽车维护成本。该复合电源铝空气电池和铝离子电池两部分交替使用，相互配合，循环利用寿命长，这是该复合电池的第四大特点。

(5)安全性能好：电动汽车的能量供应源是车载电源。锂离子电池在充放电过程中可能会因为发热导致电源短路起火，甚至有爆炸的风险；如果电源跌落或者多组电源之间发生挤碰等都有可能导致内部短路，从而引起安全隐患。但该复合电源电解质都是水性电解质，阳极为金属铝，安全性能好是该复合电电池的第五大特点。

(6)可回收性好：按照锂离子动力电池的寿命标准定义，动力电池的容量减小到其额定容量的五分之四时，意味着电池寿命的终结。电动汽车的发展必然导致有越来越多的电池废弃，从环境保护的角度考虑，需要保证废弃的电池尽量不会造成环境污染。从回收利用的角度讲，可以回收利用容量已经下降到额定容量的五分之四的电池，将他们继续使用在低功率和低能量要求的场合。但该复合电池使用金属铝作为阳极，在消耗完后更换新的阳极，其他部分利用时间长，并且金属铝消耗完后，副产氢氧化铝，进一步处理得到氧化铝，并且在铝电解槽中电解得到金属铝，继续作为金属阳极循环利用。这也是该复合电池的第六大特点。

典型的负载系统通常由动力系统、机身系统、数据传输设备和遥控器组成。负载有直流驱动和交流驱动两类。用于电动汽车的供电系统如图2所示。

参见图2，该供电系统包括：铝空气铝离子复合电池、并流器、第一DC/DC变换器和组合电源控制器。并流器包括DC/AC变换器、第二DC/DC变换器及信号通讯端口组成。如负载直流驱动，负载与并流器中第二DC/DC变换器的电流输出端口相接；如负载是交流驱动，则负载与并流器中DC/AC变换器中电流输出端口相接。铝空气铝离子复合电池中的铝离子电池阳极3作为电源的阳极，铝离子电池阴极1与铝空气电池阴极13相连接后作为电源的阴极，电源的阳极和电源的阴极构成电源的电极，电源的电极分别与第一DC/DC变换器、并流器中的DC/AC变换器以及并流器中的第二DC/DC变换器的进出端相连接。组合电源控制器分别与第一DC/DC变换器的信号端和并流器的信号通讯端口相连。铝空气铝离子复合电池的总功率为5000W，电压为30～50V，电流为50A。铝空气铝离子复合电池的具体结构参见实施例1即可，在此不再赘述。

以电动汽车的运行为例来说明供电系统的各种需求，并简要分析铝空气铝离子复合电池的工作原理。

对于不同工作条件下的铝空气铝离子复合电池，一般来说，电动汽车的运行大致可以分为分为三个阶段：

1)匀速运转。在这在此过程中，电动汽车的供电系统应提供低电流且长期稳定的电力；2)加速操作过程。在在这个过程中，电动汽车的供电系统应该提供高短时间内达到峰值功率；3)减速运行过程和加速过程后的恒速运行过程。在这个过程中，电动汽车的供电系统可能会减少或停止功率输出。

根据上面不同阶段不同的运行条件，铝空气铝离子复合电池以不同形式提供电力，满足汽车的需求。1)以稳定的低电流放电。在这个过程中，复合电池主要表现为铝空气电池放电和铝离子电池放电的组合特性。在铝空气电池的空气催化电极(铝空气电池阴极13)上，首先O₂从外电路获得电子，由空气极进入碱溶液(碱性电解质)，在催化剂的作用下，与通过离子导体隔膜6到碱性电解质中的铝离子发生反应，在外电路上在阳极端放出电子，在空气极获得电子，形成回路，电路导通；同时，铝离子电池阴极1从电路外获得电子，并且吸附铝离子，也形成回路。这时，铝空气铝离子复合电池表现为：铝空气电池和铝离子电池共同小电流放电，汽车匀速行驶。

2)放电大电流提供高峰值功率。对于这个过程，铝空气铝离子复合电池主要是呈现铝离子电池的特性。就是说，在外电路，电子流主要是从铝阳极流向铝离子电池阴极1。与铝离子电池相比，空气极获得的电子几乎可以忽略不计。铝离子主要从铝阳极扩散到铝离子电池阴极1。即，在高放电过程中，铝离子发挥作用大功率输出的主要作用。

3)低电流高功率输出后放电。在很短的时间内大电流放电(或大功率输出)，空气催化电极的电位立即恢复到初始状态，而铝离子电池阴极1还保持大电流端的电位。换句话说，在高位之后的很短的时间内电流放电，空气极与铝离子电池阴极1之间存在电位差。在这种情况下，铝空气电池给铝离子电池充电。此时，外电路周围的电子流可以是可以忽略不计，例如处于休息状态。电路中电子从铝离子电池阴极1到空气催化电极。空气中的O₂与电子，并被催化剂还原为OH；同时，解吸铝离子发生在铝离子阴极电极的表面。然后，形成的铝离子从铝离子电池电解质4到碱性电解质。铝阳极片与外电路连接中断，原铝离子电池阴极1此时放出电子，原铝空气电池阴极13吸收电子，形成对铝离子电池充电。

下面对本实施例的供电系统的工作过程进行介绍。

参见图3，供电系统的工作过程为：

系统工作时首先进行初始化操作，主程序进入一个大循环体：

对铝空气铝离子复合电池的电压、电流、温度等信号进行采集，判断系统是否正常工作，若系统工作不正常则关闭程序，若各项指标正常则进行以下操作：

(1)荷电状态(SOC)估算：采用开路电压法和安时积分法相结合的方式对铝空气铝离子复合电池的SOC进行估算。

(2)通过与负载的通信获取负载需求功率。

(3)能量管理：采用模糊控制能量管理算法对铝空气铝离子电池的输出功率进行分配。

(4)最后判断系统是否接收到停止工作的信号，若是系统关闭程序，否则继续循环操作。

电动汽车远程控制方案如下：

通过网络客户端发送控制指令进行运行控制。

本实施例中采用的铝空气铝离子复合电池的参数如表1所示。

表1铝空气铝离子复合电池参数

能量控制方案如下：

1.铝空气铝离子复合电池的铝空气电池部分与铝离子电池两部分共同驱动电机。铝空气电池作为系统的主要能量源，它提供整个电动负载运行阶段的大部分能量，铝离子电池部分提供小部分能量，在一般情况下上保持匀速飞行，电动负载电机需求功率不大。

2.铝空气铝离子电池的铝离子电池部分单独驱动负载电机。电动汽车在爬坡或者加速行驶时，驱动电机需求功率较高。由铝离子电池单独大电流大功率输出供能。在加速爬坡阶段由铝离子电池部分单独提供能量，能够很好保证电动无人机汽车运行的动力性能。

3.在铝离子电池部分大功率放电后，铝空气电池对铝离子电池充电。在大电流大功率输出后，铝离子电池部分的原阴极，其电位高于铝空气电池的阴极，形成铝空气电池给铝离子电池充电。

4.铝空气铝离子电池回收制动能量。电动汽车处于制动状态时，制动产生的能量流向双能量源系统，由于铝空气电池部分是一种不可充电电池，所以制动能量通过并联器中DC/AC变换器充电到铝离子电池部分中，当铝离子电池存储的能量已满时，不再回收电动汽车制动能量。

系统工作时首先启动组合电源控制器，进行初始化操作：

首先组合电源控制器对铝空气铝离子复合电池的电压、电流信号进行采集，判断系统是否正常工作，若系统工作不正常则关闭程序，若各项指标正常则进行以下操作：

(1)SOC估算：采用开路电压法和安时积分法相结合的方式对铝空气电池和铝离子电池SOC进行估算。

(2)采集负载需求功率。

(3)能量管理：采用模糊控制能量管理算法对铝空气铝离子电池的输出功率进行分配。

(4)通过组合电源控制器控制铝空气电池部分工作状态。

(5)依据组合电源控制器变换器信号控制铝离子电池部分工作状态。

(6)最后判断系统是否接收到停止工作的信号，若是系统关闭程序，否则继续工作。

控制方式为模糊控制，模糊控制规则：

1)组合电源控制器实时跟踪负载需求功率。

2)铝空气电池部分作为主要能量来源，在工作过程中一直处于供电状态，当负载需求功率大于铝空气电池部分额定功率时，铝空气电池部分以额定功率输出。

3)当铝空气电池部分荷电状态(SOC)不小于20％，铝空气电池部分正常输出功率，当铝空气电池部分剩余SOC小于20％定值时，铝空气电池部分停止工作。

4)充分利用铝离子电池部分瞬间输出大功率的特性，当负载需求功率小于铝空气电池部分额定功率时，铝空气电池部分对铝离子电池进行小电流充电，使铝离子电池部分SOC维持在较高水平80％以上。

5)当负载处于轻载或制动状态时，负载的需求功率为很小或负，此时电动负载的电机发挥发电作用，可以将能量回收到复合驱动电源系统。由于复合驱动电源中的铝空气电池部分不能回收能量，铝离子电池部分剩余电量未满就回收能量，如果铝离子电池部分剩余电量已满，不再回收能量。

6)当电动汽车处于非制动运行状态时，负载的需求功率为正，此时需要分析需求功率正值的大小。如果需求功率较小，说明负载处于平稳运行或者低速运行状态，在铝空气电池的荷电状态SOC不小于20％的情况下，铝空气电池部分供给相对稳定持续的小功率，如果铝空气电池部分功率在组合电池中占比较大(60％)，此时即使铝空气电池部分的荷电状态SOC小于20％，可能无法保证持续输出能量的状态，同时铝离子电池部分的荷电状态SOC_Ion不是较小(大于20％)，那么铝离子电池部分将会和铝空气电池部分在此种小功率需求下共同提供能量。如果负载的需求功率较大，此时负载处于启动、加速、或者爬坡阶段，正常情况下由铝空气电池部分提供均值功率，铝离子电池部分提供峰值功率，铝离子电池部分提供的功率远大于铝空气电池部分提供的功率。但是如果铝离子电池部分或者铝空气电池部分的剩余电量出现了较低的情况，负载制动。如果铝离子电池部分的荷电状态SOC小于20％，那么由铝空气电池部分主要提供功率。

铝空气电池部分在负载功率小于其额定输出功率时，对铝离子电池进行充电；在负载需求功率较大时，停止对铝离子电池部分进行充电，铝空气电池部分和铝离子电池部分通过并流器输出功率到负载。并流器具备多端输入和电流分配的功能，能够按照能量管理策略实时对铝空气电池铝离子电池的输出功率进行控制，以满足负载的功率需求。并流模型能够通过并流器分别对铝空气电池部分和铝离子电池部分的输出功率进行实时控制，并通过电池变换器实现铝空气电池部分对铝离子电池部分的安全电流充电，对铝离子电池部分有较好的保护作用。

将铝空气铝离子复合电池用于供电系统，具有如下优点：

铝空气铝离子复合电池的能量密度为1000wh/kg～1200wh/kg，比功率密度500w/kg～1500w/kg。

铝离子电池部分是以金属铝为负极的离子电池。铝离子电池部分可以提供比铝空气电池部分更高的功率密度，同时又可以提供与锂离子电池相类似的能量密度，相比目前所用的锂离子电池，能提供较大的功率密度，充电速度快。

铝空气电池部分虽能提供较高的比能量，对于延长负载的工作时间可以起到极大的作用，但是铝空气电池因其功率密度较低而不能提供较大的峰值功率，铝空气电池作为电动负载的唯一能量源不能满足电动负载在启动、加速、爬坡等工况下的峰值功率。同时，由于铝空气电池产能方式的特殊性，它不具备充电功能，所以出于制动能量回收的要求也需要一种电源作为铝空气电池的辅助。铝离子电池具有瞬时放电电流大、循环寿命长、充电时间短、比功率高等特点能够有效弥补铝空气动力电池能量密度低以及不可充电的缺点，铝空气铝离子复合电池，既可以延长电动负载的续航时间，又可以满足整个负载的动力性能，还可以提高能量回收的效率，并且生产成本低。

高能量密度和高功率的铝空气铝离子复合电池，可使得电动负载的能量和功率得到双重满足。对于复合驱动电源能量分配，基本的分配原则是：高比能量的铝空气电池部分在大部分平缓稳定且功率不高的工况下提供能量，而高比功率的铝离子电池在相对较少的起伏工况以及速度变化频繁的阶段提供峰值功率。所以铝空气铝离子复合电池既可保证工作时间，又可保证全程的峰值功率。

本实施例的供电系统，针对直流负载(机器人、电动无人机等)和交流负载(电动汽车、电动轮船等)对电能源的功率密度和能量密度均提出的更高的技术需求，解决了单一电源不能很好同时满足能量和功率要求的问题，以高理论能量密度的铝空气电池与高功率密度的铝离子电池为背景，用铝空气铝离子复合电池作为驱动电源，比能量不低于500Wh/kg和脉冲比功率不低于500W/kg。该供电系统既可提供高能量又能提供大功率，并且价格低廉。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，包括：电池本体、铝离子电池阳极、铝离子电池阴极、铝空气电池阴极和离子导体隔膜；

所述电池本体内部开设腔体；所述腔体的侧壁上开设互不连通的第一凹槽和第二凹槽；所述离子导体隔膜位于所述第一凹槽与所述腔体之间，所述离子导体隔膜将所述第一凹槽与所述腔体隔开；所述铝离子电池阳极和所述铝离子电池阴极均设置在所述第一凹槽内，所述第一凹槽内填充铝离子电池电解质；所述腔体内填充碱性电解液；所述铝空气电池阴极位于所述第二凹槽与所述腔体之间，所述铝空气电池阴极将所述第二凹槽与所述腔体隔开；所述第二凹槽内通入空气。

2.根据权利要求1所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，还包括：阳极隔膜；

所述阳极隔膜围绕在所述铝离子电池阳极的周围；所述阳极隔膜将所述铝离子电池阳极和所述铝离子电池阴极隔开。

3.根据权利要求1所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，所述铝空气电池阴极靠近所述第二凹槽的一侧设置透氧膜；所述铝空气电池阴极靠近所述腔体的一侧设置催化剂层。

4.根据权利要求1所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，还包括：碱性电解质容器；

所述腔体的内壁上设置所述碱性电解质容器；所述碱性电解质容器、所述离子导体隔膜和所述铝空气电池阴极围成容纳所述碱性电解液的容纳空间。

5.根据权利要求1所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，所述离子导体隔膜为改性蒙脱石。

6.根据权利要求1所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，所述铝离子电池电解质为1mol/L的AlCl₃水溶液。

7.根据权利要求3所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，所述催化剂层上的催化剂为纳米α-MnO₂。

8.根据权利要求1所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，所述电池本体上开设加液孔、进气孔和出气孔；

所述加液孔与所述腔体连通；所述进气孔和所述出气孔均与所述第二凹槽连通。

9.根据权利要求4所述的一种铝空气铝离子复合电池，其特征在于，还包括：胶垫；

所述碱性电解质容器通过所述胶垫贴合在所述腔体的内壁上。

10.一种供电系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9中任意一项所述的铝空气铝离子复合电池；所述铝空气铝离子复合电池中的铝离子电池阳极和铝离子电池阴极均连接负载；所述铝空气铝离子复合电池中铝空气电池阴极与所述铝离子电池阴极电连接。

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