复合式电源系统及其控制方法与流程

本发明涉及复合式电池技术领域，更确切地说涉及一种复合式电源系统及其控制方法。

背景技术：

人类对新能源的广泛应用，导致了二次电池市场的急速扩大。当前新能源体系中对二次电池的要求无处不在。无论是电动汽车、风能、太阳能并网还是电网调峰，都急需一种廉价、可靠、安全和寿命长的二次电池。目前所发展的二次电池主要集中在锂离子电池，高温钠硫电池、钠镍氯电池和钒液流电池。这些电池都具有各自的优点，比如锂离子电池和高温钠硫电池寿命长以及能量密度高，钒液流电池更是理论上具备无限的寿命等。但无论哪种电池，都无法同时满足廉价、可靠、安全和寿命长的要求。

目前市场上一般采用蓄电池或者超级电容作为辅助储能装置，与燃料电池共同构成多能源混合驱动系统，但是蓄电池和燃料电池都是独立的个体，使得体积较大，占用面积较大。此外，目前的复合式电源系统一般都是锂电池启动燃料电池发电，由燃料电池直接向负载供电。但由于燃料电池输出响应惯性较大，频繁地输出电流波动将缩短燃料电池的寿命，此外温度对燃料电池性能的影响很大，最佳温度在60-80°，需要加热恒温设计；因此现在的市面上的燃料电池系统都需要额外附加一个锂电池或者超级电容器模块，以应对功率波动和燃料电池开机（加热、恒温、燃料供应、流量计等附加配件的启动）。而锂电池存在一定的自放电现象，它在存放的过程中电量逐渐减少，闲置时间长了可能会出现无法启动燃料电池的现象，从而影响电源系统的使用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供一种复合式电源系统，该电源系统结构紧凑、占用面积较小。

本发明的技术解决方案是，提供一种复合式电源系统，包括相互固定在一起的至少一个锂电池模块、至少一个低温燃料电池模块及至少一个燃料模块，所述的锂电池模块、低温燃料电池模块及燃料模块均与电池管理单元电连接；所述的燃料模块与所述的低温燃料电池模块电连接；所述的低温燃料电池模块与所述的锂电池模块电连接；所述的锂电池模块与所述的燃料模块电连接；所述的燃料模块为所述的低温燃料电池模块提供燃料，所述的低温燃料电池模块为所述的锂电池模块供电。

采用以上结构后，本发明的复合式电源系统，与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明的复合式电源系统的锂电池模块、低温燃料电池模块及燃料模块固定在一起形成一个整体，结构较紧凑，占用面积较小。

作为改进，所述的锂电池模块设有多个，多个锂电池模块拼装在一起且相邻的两个锂电池模块相互串联或者并联。采用此种结构后，设计较合理。

作为改进，所述的锂电池模块包括锂电池框架及锂电池，所述的锂电池设于所述的锂电池框架内，所述的锂电池的外侧设有第一散热片。采用此种结构后，所述的锂电池模块结构简单且紧凑，组装方便，第一散热片对锂电池散热。

作为改进，所述的第一散热片为石墨烯散热片。采用此种结构后，所述的石墨烯散热片具有弹性，对锂电池模块具有减振作用。

作为改进，相邻的两个锂电池模块的锂电池框架之间通过凸起和凹槽的结构相互配合拼装在一起。采用此种结构后，锂电池框架之间组装结构简单，组装较方便。

作为改进，所述的低温燃料电池模块与所述的锂电池模块拼装在一起。采用此种结构后，低温燃料电池模块与锂电池模块之间组装较紧凑。

作为改进，所述的低温燃料电池模块包括中空的低温燃料电池框架、正极板和负极板，所述的正极板和负极板分别密封固定在所述的低温燃料电池框架的两侧，所述的低温燃料电池框架内设有膜电极，所述的膜电极将所述的正极板和负极板隔在两个空间内，所述的低温燃料电池框架上设有进料孔。采用此种结构后，低温燃料电池模块结构简单。

作为改进，所述的低温燃料电池框架与锂电池模块的锂电池框架之间通过凸起和凹槽的结构相互配合拼装在一起。采用此种结构后，低温燃料电池框架与锂电池框架之间组装结构简单且组装较方便。

作为改进，所述的正极板的外侧和负极板的外侧均设有第二散热片。采用此种结构后，所述的第二散热片使得正极板和负极板散热效果较好。

作为改进，所述的第二散热片为石墨烯散热片。采用此种结构后，所述的石墨烯散热片具有弹性，对低温燃料电池模块具有减振作用。

作为改进，所述的燃料模块与所述的低温燃料电池模块拼装在一起。采用此种结构后，燃料模块与低温燃料电池模块之间组装较紧凑。

作为改进，所述的燃料模块包括燃料框架，所述的燃料框架内设有密闭的用于盛放燃料的腔体，所述的燃料框架上设有泵及出料管道，所述的出料管道伸入在所述的腔体内且该出料管道与泵相连接，所述的出料管道还与低温燃料电池框架上的进料孔相连接。采用此种结构后，燃料模块结构简单。

作为改进，所述的锂电池框架的下侧和低温燃料电池框架的下侧设有第三散热片，所述的第一散热片和第二散热片均与所述的第三散热片相连接。采用此种结构后，所述的第三散热片可将第一散热片和第二散热片上的热量传导过来，使得电源模块散热效果更佳。

作为改进，所述的第三散热片为石墨烯散热片。采用此种结构后，所述的石墨烯散热片具有弹性，对电源模块具有减振作用。

作为改进，所述的锂电池框架的上端设有第一吊装钩，所述的低温燃料电池框架的上端设有第二吊装钩，所述的燃料框架的上端设有第三吊装钩，所述的第一吊装钩、第二吊装钩和第三吊装钩拼接形成吊装部件。采用此种结构后，电源系统组装时，通过吊装部件可以吊装电源模块，组装较方便，可有效降低劳动力。

本发明要解决的技术问题是，提供一种复合式电源系统的控制方法，通过该控制方法使得复合式电源系统安全性能较高、供电较稳定，从而可提高电源系统的性能。

本发明的技术解决方案是，提供一种复合式电源系统的控制方法，包括以下步骤：当电池管理单元监测到锂电池模块电压低于设置下限时，锂电池模块向燃料模块供电，燃料模块向低温燃料电池模块供应燃料；燃料模块启动时间t后，锂电池模块停止向燃料模块供电，低温燃料电池模块向燃料模块供电；低温燃料电池向锂电池模块充电。

采用以上结构后，本发明的复合式电源系统的控制方法，与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明的复合式电源系统的控制方法低温燃料电池模块用于向锂电池模块充电，由锂电池模块直接向负载供电，由于锂电池供电较稳定，且安全性能较高，因此可大大提高电源系统的性能。锂电池模块向燃料模块供电以启动燃料模块工作，等燃料模块启动时间t后便可达到启动温度，随后锂电池模块停止向燃料模块供电，低温燃料电池模块向燃料模块供电，受电池管理单元监测，锂电池模块用于启动燃料模块的电量会一直存在，可有效避免出现无法启动燃料电池的现象，以及避免锂电池长期存放过程中的自放电导致的电池过度放电问题。

作为改进，在充电过程中，电池管理单元控制充电电流大小，同时电池管理单元实时监测锂电池模块电压，直至达到锂电池设定电压上限为止。采用此种结构后，充电过程较安全且可靠。

作为改进，在充电过程中，电池管理单元监测燃料模块的燃料存量；在燃料存量足够时，充电完成后关闭低温燃料电池模块；若燃料存量不足时，则关闭低温燃料电池模块，并发送警告。采用此种结构后，电池管理单元实时监控燃料模块的燃料的存量，在燃料不足的情况下，可智能提醒增加燃料以使电源系统可正常运行。

附图说明

图1为本发明的复合式电源系统的立体结构示意图。

图2为本发明的复合式电源系统去掉外壳后的立体结构示意图。

图3为本发明的复合式电源系统内部安装结构示意图。

图4为本发明的复合式电源系统的锂电池模块的立体结构示意图。

图5为本发明的复合式电源系统的低温燃料电池框架立体结构示意图。

图6为本发明的复合式电源系统的低温燃料电池模块安装结构示意图。

图7为本发明的复合式电源系统的燃料模块的立体结构示意图。

图8为本发明的复合式电源系统的连杆的立体结构示意图。

图9为图6中a部分的放大结构示意图。

图10为本发明的复合式电源系统的碟形弹簧的立体结构示意图。

图11为本发明的复合式电源系统的碟形弹簧组的立体结构示意图。

图12为本发明的复合式电源系统的挂载连接板的立体结构示意图。

图13为本发明的复合式电源系统的电路框图。

图中所示：1、锂电池模块，101、锂电池框架，102、锂电池，103、第一散热片，104、凹槽，105、凸起，106、第一凹槽，107、第一吊装钩，2、低温燃料电池模块，201、低温燃料电池框架，202、正极板，203、负极板，204、膜电极，205、进料孔，206、第二散热片，207、第二凹槽，208、第二吊装钩，3、燃料模块，301、燃料框架，302、腔体，303、出料管道，304、第三凹槽，305、第三吊装钩，306、安装腔，4、第三散热片，5、第一连杆，6、第二连杆，7、碟形弹簧，8、碟形弹簧组，9、外壳，901、台阶，10、挂载连接板，1001、挂载部件。

具体实施方式

为了更好得理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

应注意的，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的指导的情况下，下文中讨论的第一散热片也可被称作第二散热片。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。

还应理解的是，用语“包含”“包括”、“具有”、“包含”、“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整体、步骤、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“…至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修改列表中的单独元件。

图1为本发明的复合式电源系统的立体结构示意图。图2为本发明的复合式电源系统去掉外壳后的立体结构示意图。图3为本发明的复合式电源系统内部安装结构示意图。本发明的复合式电源系统包括电源模块及外壳9。所述的电源模块包括相互固定在一起的至少一个锂电池模块1、至少一个低温燃料电池模块2及至少一个燃料模块3，所述的低温燃料电池模块2与所述的锂电池模块1电连接，所述的燃料模块3为所述的低温燃料电池模块2提供燃料。所述的外壳9用于安装电源模块，对电源模块起保护作用。

图4为本发明的复合式电源系统的锂电池模块的立体结构示意图。所述的锂电池模块设有多个，多个锂电池模块拼装在一起且相邻的两个锂电池模块相互串联。每个锂电池模块1均包括锂电池框架101及锂电池102，所述的锂电池102设于所述的锂电池框架101内，所述的锂电池102的外侧设有第一散热片103，所述的第一散热片103为石墨烯散热片。每个所述的锂电池框架101内还可以设置多个锂电池102，即锂电池框架101内设有多个安装位，每个安装位内均安装有一块锂电池，多个锂电池通过导线首尾串联在一起。

相邻的两个锂电池模块1的锂电池框架101之间通过凸起105和凹槽104的结构相互配合拼装在一起。即锂电池框架101的一侧设有凹槽104，锂电池框架101的另一个设有凸起105，两个锂电池框架101叠放在一起之后，其中一个锂电池框架101的凸起105嵌入在另一个锂电池框架101的凹槽104内。

图5为本发明的复合式电源系统的低温燃料电池模块立体结构示意图。所述的低温燃料电池模块2能够与所述的锂电池模块1拼装在一起。

图6为本发明的复合式电源系统的低温燃料电池模块安装结构示意图。所述的低温燃料电池模块2包括中空的低温燃料电池框架201（即低温燃料电池框架201的两端均设有开口）。所述的低温燃料电池框架201上设有进料孔205。所述的进料孔205与低温燃料电池模块内腔连通。低温燃料电池框架201上可安装低温燃料电池，比如氢-氧质子交换膜燃料电池或甲醇燃料电池。

所述的氢-氧质子交换膜燃料电池和甲醇燃料电池，两者结构相似，主要有正极板202、负极板203和燃料电池膜电极204构成，所述的正极板202和负极板203分别密封固定在所述的低温燃料电池框架201的两侧，所述的低温燃料电池框架201内设有膜电极204，所述的膜电极204将所述的正极板202和负极板203隔在两个空间内。燃料（氢气、氧气、甲醇等）分别通过进料孔205进入正负极板上预留的流道空间内。

所述的低温燃料电池模块也可以为金属空气电池。金属空气电池结构包括阴极、阳极及电解液。电池阴极、阳极安装在电池框架两侧，两者之间具有一定的空间。电池工作时，电解液通过进料孔205进入阴、阳极之间，停止工作时通过泵抽回燃料箱内。

所述的低温燃料电池框架201与锂电池模块1的锂电池框架101之间通过凸起和凹槽的结构相互配合拼装在一起。此结构与锂电池框架之间凸起和凹槽结构相同，在此不再赘述。

所述的正极板202的外侧和负极板203的外侧均设有第二散热片206。所述的第二散热片206为石墨烯散热片。

图7为本发明的复合式电源系统的燃料模块的立体结构示意图。所述的燃料模块3与所述的低温燃料电池模块2拼装在一起。所述的燃料模块3包括燃料框架301，所述的燃料框架301内设有密闭的用于盛放燃料的腔体302，所述的燃料框架301上设有泵（未示出）及出料管道。所述的燃料框架301上设有安装腔306，所述的泵安装在所述的安装腔306内。所述的出料管道303伸入在所述的腔体302内且该出料管道303与泵相连接，所述的出料管道303还与低温燃料电池框架201上的进料孔205相连接。控制系统启动泵工作就可将燃料框架301内的燃料抽出来输入低温燃料电池框架201内。燃料框架内的燃料的种类与低温燃料电池的种类相匹配，比如低温燃料电池为氢氧燃料电池，燃料框架内的燃料就为氢气和氧气；比如低温燃料电池为甲醇燃料电池，燃料框架内的燃料就为甲醇等。

所述的电源模块的下侧设有第三散热片4，即第三散热片4位于锂电池框架101、低温燃料电池框架201和燃料框架301的下侧。所述的第一散热片103的下端和第二散热片205的下端均与所述的第三散热片4连接。所述的第三散热片4也为石墨烯散热片。

图8为本发明的复合式电源系统的连杆的立体结构示意图。图9为图8中a部分的放大结构示意图。图10为本发明的复合式电源系统的减振垫片的立体结构示意图。图11为本发明的复合式电源系统的碟形弹簧组的立体结构示意图。所述的电源模块的两侧与所述的外壳之间均设有挂载连接板10，所述的电源模块通过连杆连接在所述的挂载连接板10上；所述的挂载连接板10悬挂在所述的外壳9上；所述的减震组件设于所述的电源模块与所述的挂载连接板10之间。所述的外壳9的两侧均设有用于悬挂所述的挂载连接板10的台阶901，所述的挂载连接板10设有与所述的台阶901匹配的挂载部件1001，所述的挂载部件1001为三角形稳固结构。所述的挂载部件1001搭在所述的台阶901上且所述的挂载部件1001与所述的台阶901固定连接，从而将所述的电源模块悬挂在外壳9内。所述挂载连接板10与所述的电源模块之间设有减振组件。实现电源模块和外壳9的稳固连接。

所述的连杆包括第一连杆5和第二连杆6。所述的第一连杆5与锂电池框架101的前侧、低温燃料电池框架201的前侧和燃料框架301的前侧连接，即所述的锂电池框架101的前侧设有第一凹槽106，所述的低温燃料电池框架2的前侧设有第二凹槽207，燃料框架301的前侧设有第三凹槽304，所述的第一凹槽106、第二凹槽207和第三凹槽304拼接形成第一嵌入槽，所述的第一连杆5嵌入在所述的第一嵌入槽内且第一连杆5的两端分别连接在电源模块两侧的挂载连接板10上，即所述的第一连杆5的两端分别贯穿所述的挂载连接板10并且通过螺母锁紧。所述的第一连杆与所述的第一嵌入槽之间设有第一减震垫，本具体实施例中，所述的第一减震垫为横截面为“u”字形的软胶垫，所述的软胶垫套在所述的第一连杆外。所述的第一减震垫还可以为管状的软胶垫。

所述的第二连杆6与锂电池框架101的后侧、低温燃料电池框架201的后侧和燃料框架301的后侧连接。所述的锂电池框架101的后侧设有第四凹槽，所述的低温燃料电池框架201的后侧设有第五凹槽，燃料框架301的后侧设有第六凹槽，所述的第四凹槽、第五凹槽和第六凹槽拼接形成第二嵌入槽，所述的第二连杆6嵌入在所述的第二嵌入槽内且第二连杆6的两端分别连接在电源模块两侧的挂载连接板10上，即所述的第二连杆6的两端分别贯穿所述的挂载连接板10并且通过螺母锁紧。所述的第二连杆与所述的第二嵌入槽之间设有第二减震垫，本具体实施例中，所述的第二减震垫为管状的软胶垫，所述的软胶垫套在所述的第二连杆外。

所述的减振组件包括多片减振垫片，多片所述的减振垫片套于所述的连杆的端部且抵在所述的电源模块与所述的挂载连接板10之间。所述的减振垫片为碟形弹簧7，两片碟形弹簧7的小端（即碟形弹簧中间与连杆相配合的通孔的边缘）靠在一起形成碟形弹簧组8，多组碟形弹簧组8叠放在一起形成所述的减振组件，即相邻的两组碟形弹簧组8的外边缘靠在一起。

所述的锂电池框架101的上端设有第一吊装钩107，所述的低温燃料电池框架2的上端设有第二吊装钩208，所述的燃料框架301的上端设有第三吊装钩305，所述的第一吊装钩107、第二吊装钩208和第三吊装钩305拼接形成吊装部件。

图13为本发明的复合式电源系统的电路框图。本发明的复合式电源系统的电路部分包括电池管理单元。所述的燃料模块的燃料框架内还设有用于监测燃料存量的传感器，若低温燃料电池为氢氧燃料电池，则所述的传感器为压力检测传感器，该压力检测传感器用于监测燃料框架内氢气的压力；若低温燃料电池为甲醇燃料电池，则所述的传感器为液位检测传感器，该液位检测传感器用于监测燃料框架内的甲醇。

所述的锂电池模块的电路部分、低温燃料电池模块的电路部分、燃料模块的电路部分均与所述的电池管理单元电连接；所述的锂电池模块的电路部分还与低温燃料电池模块的电路部分和燃料模块的电路部分电连接；所述的低温燃料电池模块的电路部分与所述的燃料模块的电路部分电连接。

本发明的复合式电源系统的控制方法包括以下步骤：

s1、当电池管理单元监测到锂电池模块电压低于设置下限时，锂电池模块向燃料模块供电，燃料模块向低温燃料电池模块供应燃料；

s2、燃料模块启动时间t后，锂电池模块停止向燃料模块供电，低温燃料电池模块向燃料模块供电；所述的t根据实际燃料电池启动所需时间设定，通常情况下为60s。

s3、低温燃料电池向锂电池模块充电。

s4、在充电过程中，电池管理单元控制充电电流大小，同时电池管理单元实时监测锂电池模块电压，直至达到锂电池设定电压上限为止。

s5、在充电过程中，电池管理单元监测燃料模块的燃料存量；在燃料存量足够时，充电完成后关闭低温燃料电池模块；若燃料存量不足时，则关闭低温燃料电池模块，并发送警告。所述的燃料存量由传感器来检测。