一种复合铝空气电池的制作方法

本实用新型涉及电池技术领域，特别涉及一种复合铝空气电池。

背景技术：

随着环保问题日益严峻，现阶段世界各国都在发展新能源电动汽车，而制约新能源电动汽车发展的是现阶段的电池性能还不能满足汽车的使用需求，具体表现为电动汽车的续航里程短，充电桩难以在道路和居民区普及，车载锂电池管理系统复杂成本高，纯电动车汽车锂电池事故频发等

现在主流的电池系统有锂离子电池、氢燃料电池、铝空气电池等。锂电池的比能量仅为200-280wh/kg，高倍率放电条件下锂电池中的能量利用率低。锂电池安全性差也是制约电动汽车发展的瓶颈，容易过充过放，需要复杂的BMS系统对锂电池单体进行管理，锂电池在碰撞和刺穿时会在短时间内将能量全部释放出来，造成起火和爆炸事故。车用锂电池循环寿命短，一般动力电池的容量低于额定容量的80％时就当报废处理，不能再用在电动汽车上，实际上报废时仍有较大的利用价值，使锂电池的利用率低。报废后的回收利用不完善，处理不当时废旧锂离子电池中的物质进入环境中可造成重金属镍、钴污染，氟污染，有机物污染等环境污染。

氢燃料电池是最环保的电池，功率密度能满足车用要求，但氢燃料电池使用的质子交换膜价格高昂，大功率氢燃料电池目前成本较高。且由于氢气的分子小，易泄漏，难以储存和运输，加氢站少不普及，目前难以作为汽车动力源推广。

铝空气电池是一种安全环保的金属燃料电池，能量存储在金属铝片中，只要将电解液排出，反应就会停止，能量停止输出，相比锂电池安全性好，且比能量、能量密度高。但铝空气电池的比功率较低，不能直接用于驱动汽车爬坡和高速行驶等大功率需求场合，若需要大功率输出，需要大量的铝空气电池串并联，会导致铝空气电池的体积非常大，不符合汽车的轻量化要求。由于铝空气电池自腐蚀析氢，在汽车上存在安全隐患。铝空气电池在反应时产生氧化铝、氢氧化铝等需要进行过滤分离处理，否则会造成液道堵塞，影响铝空气燃料电池的正常工作。

技术实现要素：

针对以上问题，本实用新型专利目的在于设计了一种复合铝空气电池，具有输出功率大、工作安全可靠、环保性能好的优点。

本实用新型具体的技术方案如下：

本实用新型提供一种复合铝空气电池，包括用以运行发电并产生氢气的铝空气电池堆、用以利用所述铝空气电池堆产生的氢气进行发电的氢燃料电池堆、用以进行功率转换的超级电容组、用以进行储能的锂电池堆，以及一控制系统；所述控制系统分别与所述铝空气电池堆、氢燃料电池堆、超级电容组和锂电池堆连接，所述控制系统包括用以进行电解液控制的电解液控制模块，用以收集所述铝空气电池堆产生的氢气并送入所述氢燃料电池堆的氢气提取模块，用以检测所述复合铝空气电池相关信息的电池管理模块，以及用以进行散热的冷却模块。

具体的，本实用新型所述冷却模块包括温度传感器和散热风扇，用于对所述复合铝空气电池进行散热。

具体的，本实用新型所述电解液控制模块包括液位传感器、加速度传感器、进液泵、排液泵、循环泵和流量计。

具体的，本实用新型所述氢气提取模块包括气液分离室、液位传感器、溢流阀、氢气泵和洗气室。

具体的，本实用新型所述电池管理模块包括电压检测模块、电流检测模块、开关模块和功率输出控制模块。

本实用新型提供的复合铝空气电池能够控制铝空气电池堆与氢燃料电池堆的平稳发电，并控制铝空气电池堆与氢燃料电池堆能向各储能系统转移存储。利用铝空气电池、氢燃料电池、锂电池与超级电容优势互补，避开各自的缺点，形成一种新型的电池系统。使铝空气复合电池能够应用于需要大功率和长时间运行的应用场合。铝空气电池堆与氢燃料电池堆为能量源，通过控制系统控制对超级电容组和锂电池堆中每个锂电池单体分别充电，能彻底有效地解决锂电池在使用中过充过放问题。锂电池堆和超级电容组也可以使用充电桩、汽车上的制动回收电能等充电。

附图说明

以下参照附图对本实用新型实施例作进一步说明，其中：

图1是本实用新型一种复合铝空气电池的结构图；

图2是本实用新型一种复合铝空气电池的电解液控制模块的系统图；

图3是本实用新型一种复合铝空气电池的氢气提取模块的系统图；

图4是本实用新型一种复合铝空气电池的冷却模块的系统图；

图5是本实用新型一种复合铝空气电池的电池管理模块电能转移模块图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型提出了本实用新型提供一种复合铝空气电池，请参阅图1，包括用以运行发电并产生氢气的铝空气电池堆、用以利用所述铝空气电池堆产生的氢气进行发电的氢燃料电池堆、用以进行功率转换的超级电容组、用以进行储能的锂电池堆，以及一控制系统；所述控制系统分别与所述铝空气电池堆、氢燃料电池堆、超级电容组和锂电池堆连接，所述控制系统包括用以进行电解液控制的电解液控制模块，用以收集所述铝空气电池堆产生的氢气并送入所述氢燃料电池堆的氢气提取模块，用以检测所述复合铝空气电池相关信息的电池管理模块，以及用以进行散热的冷却模块。

控制系统上集成CAN总线控制器，复合铝空气电池串联或并联时，每个电堆都为单独运行模式，可以通过外部CAN模块发送相应的指令控制电堆执行相关的操作，并率输出控制模块对外输送电能。

具体的，所述电解液控制模块包括液位传感器、加速度传感器、进液泵、排液泵、循环泵和流量计。根据液位传感器与加速度传感器读数信息，利用控制泵和电池阀自动控制进液和排液，控制循环泵将各电池堆内产生的固体杂质排出。流量计用于检测进液排液与循环情况。电解液控制模块使用电控系统管理，使用加速度传感器，使电堆能在运动状态多变的汽车上使用。进排液均使用泵，铝空气电池堆可进行快速进液工作与退液停止工作。

请参阅图2为电解液控制模块系统图，控制过程如下：

进液过程：电解液控制模块接收到通信总线开始运行的指令后，控制进液泵将电解液由电解液箱经流量计注入过滤池中，电解液经过滤后由进液孔进入铝空气电池堆，铝空气电池堆开始运行发电。液位检测传感器检测液体到达指定位置后进液泵停止加液；

监控过程：铝空气电池堆使用一段时间后，液位检测传感器检测到液面下降后按照上述注液过程自动添加电解液到指定位置。电池在运动、倾斜液面发生变化时，根据加速度传感器信号修正液面位置，防止错误地加注和排出电解液；

排液过程：电解液控制模块接收到停止运行命令后，控制排液泵将电解液由过滤池经流量计电池阀排入过电解液箱中，电解液排出干净后液位传感器给出相应的信号，排液泵停止工作。电解液箱与电解液箱通过管子连通，浑浊的电解液存储在电解液箱中；

循环过滤工作过程：控制系统以固定周期驱动循环泵将经过过滤的电解液压入电堆内，流动的液体将反应产生的颗粒物带到过滤池，电解液经系统滤池过滤掉大颗粒杂质再经流量计、循环泵返回至电堆中。控制系统定时控制排液泵将过滤池中的杂质经流量计、电池阀送至电解液箱，当循环泵工作时，若流量计每秒流过的液体小于指定值，则认为流道可能存在堵塞，系统会对电堆进行清洗操作并更换电解液。

具体的，所述氢气提取模块回收利用氢气，产生额外的电能，包括气液分离室、液位传感器、溢流阀、氢气泵和洗气室。所述氢气提取模块根据铝空气电池堆、氢燃料电池堆的反应情况控制氢气泵将氢气抽出提纯，送入氢燃料电池堆反应产生电能。

请参阅图3为氢气提取模块系统图，具体控制过程如下：

氢气提取模块由气液分离室、非接触液位传感器、溢流阀、氢气泵与洗气室组成。铝空气电池堆在注入电解液后开始反应放出氢气，控制系统在铝空气电池开始注液时驱动氢气泵运行，铝空气电池堆反应产生的气体通过排气孔进入气液分离室进行气液分离。氢气经氢气泵进入洗气室进行提纯处理，提纯后送入氢燃料电池堆产生电能；液位传感器检测气液分离室内的液体高度，控制溢流阀将分离室内的液体排放回电解液箱。气泵的作用为在铝空气电池内部产生负压，防止氢气泄漏，并强制氢气流入洗气室。洗气室的作用为清除氢气中的碱性汽雾，保护氢燃料电池。当铝空气电池的运行状态为停止时，氢气泵停止运行。

具体的，所述冷却模块包括温度传感器和散热风扇，用于对所述复合铝空气电池进行散热，冷却模块除了基本的风冷方式外，可根据电解液温度更换电解液进行散热，在温度过高时根据温度设定减少功率输出与进行退液操作，铝空气电池运行过程更安全。冷却模块根据温度传感器读数，控制散热风扇和交换电解液对各电堆进行散热。当温度过高时执行过热保护程序，保护电堆、电池和超级电容的安全。

请参阅图4为冷却模块系统图。冷却模块获取安装在铝空气电池堆、氢燃料电池堆、超级电容组和锂电池堆中温度传感器的温度，根据设定的温度保护值控制相应的冷却风扇对温度过高的模块进行散热。当环境温度过高或电池在超高负荷运行时，若冷却风扇散热能力不足，铝空气电池堆采用更换电解液的方式进行散热，将电堆内部温度较高的电解液排出，将外部温度较低的电解液注入电堆。当系统检测到铝空气电池堆温度超出正常值，根据相关的温度设定值对电池减小功率或切断电流输出，进行退液操作，以保证安全。控制系统检测到氢燃料电池堆、锂电池堆与超级电容组温度超出正常值时，根据设定的温度保护值减小功率输出和切断充放电电路，并将低温或过热保护信息通过CAN总线发给用户设备进行报警，直至温度达到安全范围才自动恢复使用，并停止发送低温或过热信号到CAN网络。

具体的，所述电池管理模块包括电压检测模块、电流检测模块、开关模块和功率输出控制模块。所述电池管理模块由电压检测模块获取铝空气电池单体电压、锂电池单体电压与超级电容电压，控制锂电池与超级电容的充放电，并根据各电池与超级电容的电量控制功率输出控制模块对外输送电能。

电压检测是电池管理模块的基础，控制系统内部电压检测使用带通信功能的隔离式ADC模块，能够测取铝空气电池单体电压，锂电池单体电压，氢燃料电池电压及超级电容电压。

请参阅图5，电池管理系统获取铝空气电池单体电压，锂电池单体电压，氢燃料电池电压及超级电容电压。控制系统根据复合电堆的能量管理算法控制MOS管开关模块对锂电池与超级电容充放电完成能量的转移，并通过功率输出控制模块控制功率输出，功率输出控制模块内部有电流传感器，控制系统根据系统内部电池的储能情况控制功率总线上的输出功率，保证内部电池系统的安全。锂电池与超级电容的能量可来自铝空气电池、氢燃料电池与外部充电，外部充电包括充电桩充电与汽车运行过程的制动能量回收等。

电池管理模块能够根据电池管理算法控制锂电池与超级电容充电，每个电堆根据自己的情况单独管理，多电堆串并联相互之间不影响，方便增加电堆数量增加功率，每个电堆通过通信总线控制运行与停止，电堆通过通信总线向用户系统发送电池各项实时参数。具有易于扩展与方便检测维护。

本实用新型提供的复合铝空气电池能够控制铝电堆与氢电堆平稳发电，并控制铝电堆与氢电堆电能向各储能系统转移存储。利用铝空气电池、氢燃料电池、锂电池与超级电容优势互补，避开各自的缺点，形成一种新型的电池系统。使铝空气复合电池能够应用于需要大功率和长时间运行的应用场合。铝空气电堆与氢电堆为能量源，通过控制系统控制对超级电容组和锂电堆中每个锂电池单体分别充电，能彻底有效地解决锂电池在使用中过充过放问题。锂电池堆和超级电容组也可以使用充电桩、汽车上的制动回收电能等充电。

铝空气电池的比能量是锂电池的3～5倍。将该复合电堆应用于纯电动汽车上时，能同时解决续航里程短的问题和汽车锂电池过充过放问题，本实用新型利用铝空气电池对锂电池单体分别进行充电，对电压低的电池采用大电流充电，对电压高的电池使用小电流充电，不需要复杂的锂电池均衡系统，同时延长锂电池的使用寿命。在锂电池容量下降至额定容量的80％仍然可以继续使用，减少锂电池的报废率。通过电池控制系统将铝电堆与氢电堆产生的电能、制动回收的电能存储至锂电堆与超级电容组中，平衡与满足汽车多变的功率需求。

本实用新型提供的复合铝空气电池实施例中，以在汽车上应用为例，汽车在运行时，系统在保证满足汽车功率需求的前提下，将铝空气电池与氢燃料电池多余的能量存储至锂电池中，当锂电池电量低于60％时，系统优先保证锂电池的电量在60％～95％范围内，系统检测各锂电池的单体电压，控制系统控制场效应管开关对电量低的锂电池进行充电，将系统多余的电能转移至锂离子电池，保证汽车在加速和爬坡时的大功率需求得到满足。当锂电池的电量在60％～95％时，系统优先协调能量存储在超级电容中，控制系统根据功率总线上的电压与超级电容电压控制超级电容的断开和接通进行充放电，平衡功率总线上的功率需求变化，减少对锂电池的充放电次数，延长锂电池使用寿命。

其中铝空气电池的最高电压为22V，大功率放电平台在14.4～12V，超级电容的最高电压为16.2V。磷酸铁锂电池最高电压为14.6V,大功率放电平台在12.8～12V。故在铝空气电池运行时，锂电池只有在系统需要极大的功率输出时才参与放电，系统检测到铝空气电池总电压低于锂电池电压时接通锂电池与主供电电路的开关。当铝空气电池发电量充裕时将多余的电量转移到锂电池中，当锂电池与超级电容电量到达95％且整车功率消耗小于铝空气电池最大功率的80％时铝空气电堆与氢燃料电池停止运行。

以上所述本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。