一种微小型复合能源装置的制作方法

1.本发明涉及复合能源技术领域，尤其涉及一种微小型复合能源装置及其集成方法。


背景技术：

2.随着信息技术及mems(微机电系统)的飞速发展，以无线传感网络为代表的无人值守小型化设备在军事、救灾、环境等方面广泛应用。这些无人值守设备大多放置在野外环境，部分设备对隐蔽性具有较高要求，因此设备需要尽可能地提高集成密度，降低体积重量，并且做到在数月的工作周期内持续、稳定、高可靠的自主供能。对于这类无人值守的小型化设备，通常供能单元在整个系统中的体积占比最大，因此提升供能单元的集成密度及供能的稳定性与寿命具有重要意义。
3.现有关于微小型能源装置的研究大多集中在复合能源架构及能源管理策略与方法。专利cn 107895997公开了一种由燃料电池、锂电池、超级电容器、振动能量收集器及太阳能电池组成的能源系统及电源管理系统；专利cn 109617210公开了一种由环境能量收集模块，能量管理模块和能量存储模块组成的适用于小型负载的复合微能源系统及其能量管理方法，但均未涉及装置微小型集成的具体方法与实现手段，目前该方向的专利论文也比较少见。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高密度集成的微小型复合能源装置，旨在提供一种新型的微小型复合能源系统装置的物理集成方法及具体实现手段，提升装置的空间利用率、等效能量密度及可靠性，降低装置的体积重量，以满足无人值守小型化设备的供能需求，做到在数月的工作周期内持续、稳定、高可靠的自主供能，无需人员对能源装置进行燃料补充或更换等。
5.本发明采用的技术方案如下：一种微小型复合能源装置，包括光伏电池、燃料电池、储能模块以及能源管理模块，光伏电池与燃料电池分别连接至储能模块和能源管理模块；储能模块储存光伏电池与燃料电池输出的电能；能源管理模块，包括控制电路板及控制电路板上的对外供电连接器，用于控制燃料电池反应回路的通断、管理储能模块的充放电规则以及对外供电；储能模块与能源管理模块一体化集成在一个结构盒体内，燃料电池与光伏电池均设置于结构盒体上方，光伏电池嵌套在燃料电池外侧，燃料电池与光伏电池之间具有一定间隙。
6.进一步的，所述光伏电池包括结构壳体、光伏电池板、第一三维共形电路以及第一弹性连接器，光伏电池板以最大面积铺在结构壳体外表面，三维共性电路布置在结构壳体表面，实现各光伏电池板之间电连接，并通过第一三维共形电路将光伏电池正负极接至第一弹性连接器。
7.进一步的，所述燃料电池包括燃料罐、反应膜、分离式反应电极、第二三维共形电
路以及第二弹性连接器，反应膜与分离式反应电极由内至外依次布置在燃料罐表面，所述燃料罐表面与分离式反应电极开设有小孔,且一一对应，用于输送燃料与空气至反应膜；第二三维共形电路设置于燃料罐表面与分离式反应电极构成燃料电池的正负电极，并分别接至第二弹性连接器。
8.进一步的，所述储能模块由锂电池或超级电容器中一种或两者相结合组成。
9.进一步的，所述第一三维共形电路与第二三维共形电路均为共形布置于结构表面的电路，用于传输电荷以及充当燃料电池中的反应电极，通过激光微熔覆工艺在非金属结构上制备，或者通过介质固化与激光微熔覆工艺在金属结构上制备。
10.进一步的，所述结构壳体外形为半球形、棱柱形或棱台形，在结构壳体外形为半球形时，光伏电池板为柔性光伏电池板；当结构壳体外形为棱柱形或棱台形时，光伏电池板为刚性光伏电池板。
11.进一步的，能源控制模块中的控制电路板正面布置有焊盘，光伏电池与燃料电池的第一弹性连接器与第二弹性连接器分别通过压接的方式与焊盘互连；储能模块通过焊接的方式与焊盘互联。
12.进一步的，所述结构盒体底部设有散热凸台，用于控制电路板背面的发热器件散热。
13.进一步的，所述结构盒体四周设有凹陷结构，用于空气流通至光伏电池与燃料电池之间的间隙。
14.进一步的，所述光伏电池与燃料电池底部均安装有密封垫。
15.与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：本发明创造性地采用结构功能一体化思路，使用基于三维共形电路和弹性连接器的新型工艺方法与器件形式，改变了微小型复合能源装置的三维构型和电气连接方式。
16.其中，依据燃料电池和光伏电池在空间占用上的不同特点，将两者内外嵌套，实现了光伏电池中光伏电池板面积的最大化和燃料电池中燃料罐容积的最大化，提升了有限空间下关键供能单元的发电能力，两者嵌套留下的间隙则正好充当了燃料电池的反应区；储能模块和能源管理模块在结构上做一体化集成。在该集成架构下，装置外包络面内的全部空间都被有效利用，极大地提升了装置的等效能量密度；系统架构极为精简，提升了系统的可靠性。
17.另外，三维共形电路可在几乎不占用额外空间的情况下将装置中原有的纯结构件变为结构功能一体化构件，实现替代传统线缆和充当反应电极等电气功能；弹性连接器可在空间占用更小的情况下替代传统能源装置中的插合式电连接器实现模块间的电气互连。两者配合使用进一步提升了装置的集成密度与可靠性。
附图说明
18.图1为本发明提出微小型复合能源装置示意图。
19.图2为本发明提出微小型复合能源装置剖视图。
20.图3为本发明提出微小型复合能源装置爆炸图。
21.图4为本发明提出微小型复合能源装置中的光伏电池爆炸图。
22.图5为本发明提出微小型复合能源装置中的燃料电池爆炸图。
23.图6为本发明提出微小型复合能源装置中的储能模块及能源管理模块爆炸图。
24.附图标记：1-光伏电池，2-燃料电池，3-储能模块，4-能源管理模块，
25.11-结构壳体，12-光伏电池板-，13-第一三维共形电路，14-第一弹性连接器，15-第一密封垫，21-燃料罐，22-燃料，23-反应膜，24-分离式反应电极，25-第二三维共形电路，26-第二弹性连接器，27-第二密封垫，31-锂电池，32-超级电容器，41-控制电路板，42-对外供电连接器，43-结构盒体，
26.111-结构壳体梯形外侧面，112-结构壳体顶面，113-结构壳体底部，114-第一金属化互连孔，121-梯形光伏电池板，122-六边形光伏电池板，123-第一互连条，131-第一焊盘，211-燃料罐梯形外侧面，212-燃料罐顶面，213-燃料罐底部，214-第二金属化互连孔，215-注液孔，216-第一穿透式小孔，231-梯形反应膜，232-六边形反应膜，241-梯形分离式反应电极，242-六边形分离式反应电极，243-第二穿透式小孔，244-第二互连条，251-大面积三维共形电路，252-第二焊盘，311-锂电池管脚，321-超级电容器管脚，411控制电路板正面，412-控制电路板背面，413-第三焊盘，431-散热凸台，432-内凹结构。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步描述。
28.为了提升装置的空间利用率、等效能量密度及可靠性，降低装置的体积重量，以满足无人值守小型化设备的供能需求，做到在数月的工作周期内持续、稳定、高可靠的自主供能，无需人员对能源装置进行燃料补充或更换等。本发明提出了一种微小型复合能源装置，包括光伏电池、燃料电池、储能模块以及能源管理模块，光伏电池与燃料电池分别连接至储能模块和能源管理模块；储能模块储存光伏电池与燃料电池输出的电能；能源管理模块，包括控制电路板及控制电路板上的对外供电连接器，用于控制燃料电池反应回路的通断、管理储能模块的充放电规则并根据负载的用电情况调整供电方案等，保障装置供能的稳定性及经济性以及对外供电；储能模块与能源管理模块一体化集成在一个结构盒体内，燃料电池与光伏电池均设置于结构盒体上方，光伏电池嵌套在燃料电池外侧，燃料电池与光伏电池之间具有一定间隙。
29.其中，光伏电池和燃料电池是整个复合能源装置的供能部分，分别将太阳能和化学能转换为电能，光伏电池可在较长的寿命周期内持续工作，但受环境光照的影响，供能具有周期性和不稳定性的特点；燃料电池作为光伏电池的重要补充，可在光伏电池供能受限的情况下持续稳定地进行电能输出，两者配合可提升能源装置的寿命，达到在数月的工作周期内无需人员干预的要求。
30.光伏电池与燃料电池通过弹性连接器与储能模块和能源管理模块连接，弹性连接器是一种接触式互连的电连接器，在适宜的压缩量与接触压力下，可实现电荷导通，相较于传统的插合式电连接器，这种弹性连接器结构简单、使用灵活，占用空间更小，可在狭小空间内实现模块间电连通。
31.具体的，复合能源装置外形可以为半球形、棱柱形或棱台形，装置主要分为上下两个部分，上面部分为供能部分，其中光伏电池位于外侧，燃料电池位于内侧；下面部分为储能模块和能源管理模块，如图1、图2所示的复合能源装置外形为棱台形。当装置外形为半球形时，光伏电池采用柔性光伏电池板；当装置外形为棱柱形或棱台形时，光伏电池采用刚性
光伏电池板。
32.在本实施例中，以外形为正六棱台形的复合能源装置为例进行说明，该复合能源装置外形尺寸为：85mm
×
100mm
×
70mm(长
×
宽
×
高)左右。
33.如图1、图2、图3、图4所示，光伏电池1位于装置的供能部分外侧，由结构壳体11、光伏电池板12、第一三维共形电路13、第一弹性连接器14以及第一密封垫15组成；正六棱台形的结构壳体11通过聚酰亚胺机加工成型，其内部为中空，仅在底部开口；光伏电池板12以最大面积铺满结构壳体11外表面，以便随着日照方向和角度的变化，均能实现有效的照射与供能；在本实施例中，六片梯形光伏电池板121布置在结构壳体11的六个梯形外侧面，一片六边形光伏电池板122布置于结构壳体11的顶面。第一三维共形电路13通过激光微熔覆工艺加工而成，布置于结构壳体11上，第一弹性连接器14和第一密封垫15分别焊接和粘接在结构壳体底部113相应位置。光伏电池板12上的第一互连条123焊接在三维共形电路13相应的第一焊盘131上；第一三维共形电路13将七片光伏电池板12并联连接，并最终通过穿过结构壳体11的第一金属化互连孔114与第一弹性连接器14连通。
34.如图2、图3、图4所示，燃料电池2位于装置的功能部分内侧，其外表面与光伏电池1内表面之间存在2mm的间隙，由燃料罐21、反应膜23、分离式反应电极24、第二三维共形电路、第二弹性连接器以及第二密封垫组成。燃料罐21采用聚酰亚胺3d打印成型，其外形与光伏电池1的结构壳体11相同为正六棱台，且尺寸略小于结构壳体11，使其能嵌套在结构壳体11内；燃料罐21上设有注液孔215，燃料22通过燃料罐上的注液孔215灌注于燃料罐21内。反应膜23和分离式反应电极24通过层压工艺由内至外一次性层压在燃料罐21外表面上，其中六片梯形反应膜231和梯形分离式反应电极241对应布置于燃料罐梯形外侧面211，一片六边形的反应膜232和分离式反应电极242布置于燃料罐的顶面212。
35.反应膜231是化学能转换为电能的发生位置，主要进行空气与燃料之间的化学反应放电，为实现上述反应物的接触，分离式反应电极24上开设多个第一穿透式小孔243，燃料罐21相应位置也设有多个穿透式小孔216，分离式反应电极24与燃料罐21上的孔一一对应，这些小孔穿透分离式反应电极24和燃料罐21壳体，以便外部空气和燃料罐内部燃料能够通过这些小孔抵达反应膜，发生反应。在本实施例中，燃料罐21和分离式反应电极24上的穿透式小孔直径为2mm间距为3mm。
36.反应膜231是一种透气但不透液的材料，不会造成燃料从反应膜外泄。布置有反应膜和分离式反应电极的面称为反应面，根据负载的用电需求，反应面的数量及面积可做相应调整。
37.第二三维共形电路25通过激光微熔覆工艺加工而成，布置于燃料罐21壳体上，在七个反应面区域布置有大面积三维共形电路251充当反应电极；第二弹性连接器26和第二密封垫27分别焊接和粘接在燃料罐底部213相应位置分离式反应电极24上的第二互连条244焊接在第二三维共形电路25的第二焊盘252上，第二三维共形电路25将七处反应面串联连接，并最终通过穿过燃料罐壳体21的第二金属化互连孔214与第二弹性连接器26连通。
38.在本实施例中，三维共形电路是一种共形布置于结构表面的电路形式，具体可通过激光微熔覆工艺在非金属结构上制备，或者通过“介质固化+激光微熔覆工艺”在金属结构上制备，它具有传输电荷的功能，可替代传统线缆实现光伏电池内各个光伏电池板以及燃料电池内各个反应面之间的电连通。燃料电池中的三维共形电路还充当了反应电极，与
反应膜和分离式反应电极一起构成了燃料电池的发电结构。三维共形电路的应用，将原有电子设备中的纯结构件变成了结构功能一体化的构件，改变了系统的集成架构，提升了空间利用率，可在几乎不占用额外空间的情况下实现相应的电气功能。
39.如图2、图3、图6所示，储能模块3与能源管理模块4位于装置的储能部分，这两个模块共用一个结构盒体43，其中储能模块包括锂电池31和超级电容器32，这两者根据安装空间做适应性的外形设计。能源管理模块4主要由控制电路板41和对外供电连接器42组成，控制电路板正面411布置有第三焊盘413，其中光伏电池1的第一弹性连接器14和燃料电池2的第二弹性连接器26与第三焊盘413通过压接方式互连，锂电池31的管脚311和超级电容器32的管脚321通过焊接方式与第三焊盘413进行互连。控制电路板背面412布置有发热器件，发热器件可通过结构盒体43底部的散热凸台431进行散热。控制电路板41上的对外供电连接器42位于电路板边缘，用于连接用电负载，实现电能输出。在一个优选实施例中，结构盒体43的六个边均有内凹结构432，用于空气流通，使空气能够进入燃料电池2与光伏电池1之间的间隙28，抵达燃料电池2的各个反应面。
40.在一个优选实施例中，光伏电池1与燃料电池2上的第一三维共形电路13和第二三维共形电路25表面需刷绝缘防护漆，以保障其在潮湿或淋雨环境中正常工作。同时光伏电池与燃料电池底部均安装有密封垫，以保障储能模块及电源管理模块的密封性，提升装置的环境适应性。
41.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
42.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
43.本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。