金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统的制作方法

金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统
1.技术领域：本发明属于电源领域，特别涉及一种能够实现超高功率脉冲瞬态输出的高功率电源系统。
技术背景
2.金属燃料电池（亦称金属-空气电池）以金属或者金属合金为负极，空气电极为正极。金属燃料电池包括铝燃料电池、锌燃料电池、镁燃料电池，等。目前，各类金属燃料电池的放电模式均采用直流供电模式，不能输出超高功率脉冲瞬态电能，也限制了金属燃料电池的高功率放电。
3.本发明提出了一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统。该系统采用了一种全新的金属燃料电池放电模式，即脉冲瞬态放电模式。本发明提出的采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统不仅可以对外输出超高功率脉冲瞬态电能，还可以输出高功率的直流电和交流电。


技术实现要素：

4.针对现有技术的金属燃料电池不能输出超高功率脉冲瞬态电能等不足，本发明提出了一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统，包括监测及控制系统cms、金属燃料电池体系mfc、n个储能模块m、输出匹配供电模块px和程序控制开关k；所述n个储能模块之间电并联连接,且相邻的两个储能模块之间电串联程序控制开关k；金属燃料电池体系和程序控制开关k电串联后再与n个相互电并联在一起的储能模块之间电并联;输出匹配供电模块px和程序控制开关k电串联后再与n个相互电并联在一起的储能模块之间电并联；所述监测及控制系统cms通过测控线分别与金属燃料电池体系mfc、各程序控制开关k、各储能模块m、输出匹配供电模块px相连；输出匹配供电模块px向与其并联的负载供电；n为大于等于1的整数。
5.更进一步的是：所述高功率电源系统向负载提供的电能输出模式包括按照预先设定的电流、电压和频率的高功率脉冲瞬态电能输出模式，或者是高功率直流电输出模式，或者是高功率交流电输出模式。
6.金属燃料电池体系mfc输出的电量被储存在储能模块m中；所述储能模块m包括电容组c
xn
(x为整数或者零)和与之电联接的程序控制开关组k
zn
(z为整数或者零)、或者包括电感组l
yn
(y为整数或者零)和与之电联接的程序控制开关组k
zn
、或者包括电容组c
xn
、电感组l
yn
和与之电联接的程序控制开关组k
zn
；不同储能模块中的电容组的数量是相同或者不同，电容组的电容值是相同或者不同;不同储能模块中的电感组的数量是相同或者不同，电感组的电感值是相同或者不同;不同储能模块中的程序控制开关的数量是相同或者不同。
7.所述输出匹配供电模块px将储能模块m放出的电量按照监测及控制系统cms发布的指令进行转换为超高功率脉冲瞬态电能、或者高功率直流电或者高功率交流电，为负载供电。
8.所述监测及控制系统cms监测金属燃料电池体系mfc、程序控制开关k、储能模块m和输出匹配供电模块px的运行，并按照设置的电能输出模式控制金属燃料电池体系、程序控制开关、储能模块和输出匹配供电模块的运行；当监测及控制系统监测到金属燃料电池体系或者程序控制开关或者储能模块或者输出匹配供电模块运行故障时，启动报警装置报警。
9.所述程序控制开关k按照监测及控制系统cms发布的指令进行断开和接通；程序控制开关的接通时间和断开时间在1飞秒至1分钟的范围。
10.为了解决现有技术的问题，本发明还提出基于前述金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统的运行方式：启动该高功率电源系统，设置该系统的电能输出模式；监测及控制系统cms、金属燃料电池体系mfc、程序控制开关k、储能模块m、输出匹配供电模块px和报警装置wd随之启动；监测及控制系统cms开始监测并控制金属燃料电池体系mfc、程序控制开关k、储能模块m和输出匹配供电模块px的运行；程序控制开关k按照监测及控制系统cms发布的指令进行断开和接通操作; 监测及控制系统cms控制串联在金属燃料电池体系和储能模块之间的程序控制开关k的断开和接通操作，实现金属燃料电池体系的脉冲瞬态放电；金属燃料电池体系mfc输出的电量被储存在储能模块m中，储能模块m放出的电量被输出给输出匹配供电模块px，输出匹配供电模块px将储能模块m放出的电量按照监测及控制系统cms发布的指令进行转换输出给负载l；当监测及控制系统监测到金属燃料电池体系或者程序控制开关或者储能模块或者输出匹配供电模块运行故障时，启动报警装置报警。
11.更进一步的是，所述高功率电源系统的电能输出模式包括按照预先设定的电流、电压和频率的高功率脉冲瞬态电能输出模式，或者是高功率直流电输出模式，或者是高功率交流电输出模式。
12.所述程序控制开关k按照监测及控制系统发布的指令进行断开和接通；程序控制开关的接通时间和断开时间在1飞秒至1分钟的范围。
13.所述储能模块包括电容组和与之电联接的程序控制开关组、或者包括电感组和之电联接的程序控制开关组、或者包括电容组、电感组和之电联接的程序控制开关组；不同储能模块中的电容组的数量是相同或者不同，电容组的电容值是相同或者不同;不同储能模块中的电感组的数量是相同或者不同，电感组的电感值是相同或者不同;不同储能模块中的程序控制开关组的数量是相同或者不同；监测及控制系统cms控制各程序控制开关k的断开和接通操作以及断开和接通操作的先后循序，将金属燃料电池体系mfc输出的电能在n个储能模块之间以及每个储能模块内部进行分配组合式储存或者逐级式储存或者分配组合式与逐级式的混合式储存，或者将储存在n个储能模块内的电能进行分配组合式放电或者逐级式放电或者分配组合式与逐级式的混合式放电。
14.本发明提出的金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统，不仅可以对外输出超高功率脉冲瞬态电能，还可以输出高功率的直流电和高功率的交流电。本发明解决了目前各类金属燃料电池只有直流供电模式，不能输出超高功率脉冲瞬态电能，也限制了金属燃料电池高功率放电的难题。
附图说明
15.图1是本发明优选实施例一中一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统的结构示意图，其中有一个储能模块m1，储能模块由电容组c
x1
和程序控制开关组k
z1
构成。
16.图2是本发明优选实施例二中一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统的结构示意图，其中有二个储能模块m1和m2。储能模块m1由电容组c
x1
和程序控制开关组k
z1
构成，储能模块m2由电容组c
x2
、电感组l
y2
和程序控制开关组k
z2
共同构成。
17.图3是本发明优选实施例三中一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统的结构示意图，其中有n个（n为整数）储能模块。
18.附图标注说明：1、金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统2、监测及控制系统cms3、金属燃料电池体系mfc4、储能模块m5、输出匹配供电模块px6、程序控制开关k7、报警装置wd8、测控线9、导电连接线/板10、负载。
具体实施方式
19.下面，结合各附图所示之优选实施例进一步阐述本发明。
20.实施例一、一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统及其运行方式，其中有一个储能模块，该储能模块由电容组和程序控制开关电联接构成。
21.如图1所示的金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1，包括监测及控制系统（cms）2、金属燃料电池体系(mfc)3、程序控制开关（k）6、储能模块（m）4、输出匹配供电模块(px)5、报警装置(wd)7。其中，金属燃料电池体系3与储能模块4关联，两者之间串联程序控制开关k1。储能模块4与输出匹配供电模块5并联，两者之间串联程序控制开关k2。输出匹配供电模块5通过导电连接线9与负载10相连。监测及控制系统2通过测控线8分别与金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4、输出匹配供电模块5和报警装置7相连。
22.所述金属燃料电池体系3包括金属燃料电池电堆、电解液补加系统和电池管理系统。
23.所述各程序控制开关k1、k2和k
z1
按照监测及控制系统2的指令进行断开和接通操作。各程序控制开关的接通时间在1飞秒至1分钟的范围。程序控制开关的断开时间也在1飞秒至1分钟的范围。
24.所述储能模块4由电容组c
x1
和程序控制开关组k
z1
电联接构成。储能模块4的作用，是对金属燃料电池体系3输出的电量进行储存以及将储存在储能模块4中的电能放电输出给输出匹配供电模块5。
25.所述输出匹配供电模块5的作用包括：1）按照预先设定的电流、电压和频率转换输
出超高功率脉冲瞬态电能；2）按照预先设定的直流输出模式输出高功率直流电；3）按照预先设定的交流输出模式输出高功率交流电。
26.所述监测及控制系统2的功能，是监测金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4、输出匹配供电模块5的运行，并按照设置的电能输出模式控制金属燃料电池体系3、各程序控制开关6、储能模块4、输出匹配供电模块5的运行。当监测及控制系统2监测到金属燃料电池体系3或者程序控制开关6或者储能模块4或者输出匹配供电模块5运行故障时，启动报警装置7报警。
27.报警装置7的功能，是在接收到监测及控制系统2发出的报警信号后立刻发出警报。
28.所述金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1的运行方式：启动金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1，设置该高功率电源系统的电能输出模式，电能输出模式可选择：1）按照设定的电流、电压和频率输出超高功率脉冲瞬态电能；2）输出高功率直流电能；3）输出高功率交流电能。监测及控制系统2、金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4、输出匹配供电模块5和报警装置7随之启动。监测及控制系统2开始监测并控制金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4和输出匹配供电模块5的运行。程序控制开关k1、k2、k
z1
按照监测及控制系统cms发布的指令进行断开和接通操作。程序控制开关k1按照监测及控制系统2发布的指令进行断开和接通操作，实现金属燃料电池体系3的脉冲瞬态放电模式。监测及控制系统2控制程序控制开关k1接通、k2断开时，金属燃料电池体系3脉冲放电输出的电量被储存在储能模块m1的电容组c
x1
中。监测及控制系统2控制程序控制开关k2接通、k1断开时，储存在储能模块m1电容组中的电量瞬间放电给输出匹配供电模块5。监测及控制系统2通过控制程序控制开关组k
z1
中各程序控制开关的断开和接通以及断开和接通的顺序，控制金属燃料电池体系3脉冲放电输出的电量在储能模块m1的电容组内各电容器中的储存方式及储存电量。储能模块4放电时，监测及控制系统2通过控制程序控制开关组k
z1
中各程序控制开关的断开和接通以及断开和接通的顺序，控制储存在储能模块m1的电容组内各电容器中的电量的放出方式。输出匹配供电模块5按照监测及控制系统发布的指令，将储能模块m1放出的电量进行转换输出给负载10。
29.所述金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1可根据设置的电能输出模式，输出如下三种形式的电能：1）输出超高功率脉冲瞬态电能；3）输出高功率直流电；2）输出高功率交流电。
30.本实施例中的高功率电源系统1，其中的金属燃料电池体系3采用脉冲瞬态放电模式，实现了金属燃料电池体系的高功率放电。金属燃料电池体系输出的电量被储存在由电容器组和程序控制开关组组成的储能模块4中。储能模块4将其中储存的大量电量瞬间放电给输出匹配供电模块5，实现了输出匹配供电模块5输出高功率电能，包括输出超高功率脉冲瞬态电能、或者输出高功率直流电、或者输出高功率交流电。
31.实施例二、一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统及其运行方式，其中有二个储能模块，其中一个储能模块由电容组和程序控制开关组构成，另一个储能模块由电容组、电感组和程序控制开关组构成。
32.如图2所示的金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1，与实施例一的不同之处，在于有2个储能模块4。其中，储能模块m1由电容组c
x1
和程序控制开关组k
z1
电
联接构成，储能模块m2由电容组c
x2
、电感组l
y2
和程序控制开关组k
z2
电联接构成。这2个储能模块4之间通过导电连接板9相并联。在这两个相互并联的储能模块4之间串联着程序控制开关k2。这2个相互并联的储能模块通过导电连接板9分别和程序控制开关k1和k3串联后，再分别与金属燃料电池体系3和输出匹配供电模块5相并联。每个储能模块4又通过测控线8分别与监测及控制系统相连。
33.本实施例中设置了二个储能模块m1和m2。程序控制开关k1、k2、k3、k
z1
、k
z2
按照监测及控制系统cms发布的指令进行断开和接通操作，将金属燃料电池体系mfc输出的电量储存在这二个储能模块m1和m2中，或者将储存在这二个储能模块m1和m2中的电量放出给输出匹配供电模块5。
34.如图2所示的金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1的运行方式：启动金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1，设置该高功率电源系统的电能输出模式，电能输出模式可选择：1）按照设定的电流、电压和频率输出超高功率脉冲瞬态电能；3）输出高功率直流电能；2）输出高功率交流电能。监测及控制系统2、金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4、输出匹配供电模块5和报警装置7随之启动。监测及控制系统2开始监测并控制金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4和输出匹配供电模块5的运行。程序控制开关k1、k2、k3、k
z1
、k
z2
按照监测及控制系统cms发布的指令进行断开和接通操作。监测及控制系统2通过控制k1的断开和接通，控制金属燃料电池体系3的脉冲放电方式及金属燃料电池体系3给储能模块4的供电方式。监测及控制系统2通过控制程序控制开关k1、k2、k3、k
z1
、k
z2
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，控制储能模块4的储电方式和放电方式。在此，以其中一种逐级式储电方式和逐级式放电方式为例加以说明：监测及控制系统2控制k1闭合k
2 断开时，金属燃料电池体系3输出的电量储存在储能模块m1中，在随后监测及控制系统2控制k2闭合k3、k1断开时，储存在储能模块m1中的电量放出并被储存在m2中。重复上述操作，实现了金属燃料电池体系3输出的电量先储存在储能模块m1中，之后储存在储能模块m1中的电量再放出给储能模块m2并被储存在储能模块m2中，亦即实现了金属燃料电池体系3输出的电量由储能模块m1到储能模块m2的逐级式储存。监测及控制系统2控制k2断开k3闭合时，储存在储能模块m2中的电量放出给输出匹配供电模块5，实现了金属燃料电池体系3输出的电量先由储能模块m1放出给储能模块m2，之后再由储能模块m2放出给输出匹配供电模块5，实现了先由储能模块m1放电再到储能模块m2放电的逐级式放电方式。同理，监测及控制系统2通过控制k
z1
、k
z2
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，控制储能模块m1和储能模块m2内部的逐级式储电方式以及逐级式放电方式。在此，再以其中一种分配组合式储电方式和分配组合式放电方式为例加以说明：监测及控制系统2控制k1接通k3断开时，监测及控制系统2通过控制k2、k
z1
、k
z2
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，控制金属燃料电池体系3放出的电量分别储存在储能模块m1和储能模块m2中以及储能模块m1和储能模块m2中的储电量，实现了金属燃料电池体系3输出的电量在储能模块m1和储能模块m2中的分配组合式储存；监测及控制系统2控制k1断开k3接通时，监测及控制系统2通过控制k2、k
z1
、k
z2
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，控制储存在储能模块m1和储能模块m2中的电量放出给输出匹配供电模块5，实现了储能模块m1和储能模块m2的分配式放电方式。不仅如此，监测及控制系统2通过控制程序控制开关k1、k2、k3、k
z1
、k
z2
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，储能模块4的储电方式还可以是逐级式储电方式和分配组合式储
电方式的混合方式。同样，监测及控制系统2通过控制程序控制开关k1、k2、k3、k
z1
、k
z2
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，储能模块4的放电方式还可以是逐级式放电方式和分配组合式放电方式的混合方式。输出匹配供电模块5按照监测及控制系统2发布的指令将储能模块4放出的电量进行转换输出给负载10。
35.以本实施例的逐级式储电方式和逐级式放电方式为例，金属燃料电池体系3放出的电量先储存在储能模块m1中，随后储存在储能模块m1中的电量放出并被储存在m2中。重复上述操作的结果是，储存在储能模块m1中的电量被不断累积储存在储能模块m2中。大量储存在储能模块m2中的电量瞬间放出给输出匹配供电模块5，以此实现金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的电源系统能够输出高功率的电能。
36.实施例三、一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统及其运行方式，其中有n个储能模块。
37.如图3所示的一种金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1，与实施例一的不同之处，在于有n个(n为整数)储能模块4，n个储能模块4之间通过导电连接线9相并联，且连接相邻的2个储能模块4之间的导电连接线9上设置有程序控制开关6。n个储能模块4中的第一个储能模块用m1表示，第二个储能模块用m2表示，
……
，第n个储能模块用m
n
表示。储能模块m1中的电容组用c
x1
表示(x是整数或者0)，m2中的电容组用c
x2
表示，m
n
中的电容组用c
xn
表示。储能模块m1中的电感组用l
y1
表示(y是整数或者0)，m2中的电感组用l
y2
表示，m
n
中的电感组用l
yn
表示。储能模块m1中的程序控制开关组用k
z1
表示(z是整数或者0)，m2中的程序控制开关组用k
z2
表示，m
n
中的程序控制开关组用k
zn
表示。c
x1
、c
x2
……
c
xn
中电容器的数量及其电容值可以相同也可以不同，l
y1
、l
y2
……
l
yn
中电感器的数量及其电感值可以相同也可以不同，k
z1
、k
z2
……ꢀ
k
zn
中程序控制开关的数量可以相同也可以不同。如图3所示的金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1的运行方式：启动该金属燃料电池采用脉冲瞬态放电模式的高功率电源系统1，设置该高功率电源系统的电能输出模式，包括以下三种： 1）输出超高功率脉冲瞬态电能；3）输出高功率直流电能；2）输出高功率交流电能。监测及控制系统2、金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4、输出匹配供电模块5和报警装置7随之启动。监测及控制系统2开始监测并控制金属燃料电池体系3、程序控制开关6、储能模块4和输出匹配供电模块5的运行。监测及控制系统2通过控制k1的断开和接通，控制金属燃料电池体系3的脉冲放电方式及金属燃料电池体系3给储能模块4的电量输出方式。监测及控制系统2通过控制程序控制开关k1、k2……ꢀ
k
n
以及k
z1
、k
z2
……ꢀ
k
zn
的断开和接通以及断开和接通的先后循序，控制金属燃料电池体系3输出的电量在储能模块m1、m2……
m
n
中的储电方式以及储存在储能模块m1、m2……
m
n
中的电量的放电方式。所述储电方式包括逐级式储电方式、分配组合式储电方式和同时具有上述两种储电方式的混合储电方式。所述放电方式包括逐级式放电方式、分配组合式放电方式和同时具有上述两种放电方式的混合放电方式。输出匹配供电模块5将储能模块4放出的电能按照监测及控制系统2发布的指令进行转换输出给负载10。
38.本实施例中，储能模块m1、m2……
m
n
的数量越多，每个储能模块中的电容组c
x1
、c
x2
……
c
xn
中的电容器的数量越多、电容值越大，每个储能模块中的电感组l
y1
、l
y2
……
l
yn
中的电感器的数量越多、电感值越大，则能够储存的电量越大，电源系统输出电能的功率也越高。