碳纤维复合材料结构电池及管理方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纤维复合材料结构电池以及管理方法；该碳纤维复合材料结构电池包括多个电池单元，每个电池单元均包括正极、负极和固态电解质树脂基体，相邻电池单元之间通过绝缘阻隔膜分隔；该碳纤维复合材料结构电池的管理方法通过可编程电池控制器设置碳纤维复合材料结构电池中各个电池单元的串、并联电气连接关系，检测电池单元的电压，充电过程对电池单元进行电压均衡控制，当并联的单元组发生失效，可通过旁路开关切断该单元组，将其从串联电气关系中移除，并降低电池整体的充电电压，实现电池重构，减少不必要的损失。减少不必要的损失。减少不必要的损失。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维复合材料结构电池及管理方法


[0001]本专利技术涉及电池与电池管理
，尤其涉及一种碳纤维复合材料结构电池及管理方法。

技术介绍

[0002]碳纤维具有高强度、高模量、质量轻等优点，碳纤维増强树脂基复合材料广泛用于航空航天等领域。碳纤维不仅具有优异的力学性能，还具有优良的导电性及碳材料固有的特性，同时具备结构承载和储电两种功能，可进一步促进复合材料结构轻量化的发展。
[0003]采用碳纤维树脂基复合材料制成的电池，也称为复合材料结构电池，主要依靠金属离子（例如锂离子）在电池的正极和负极之间移动来工作。充、放电工作机理为：金属离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时金属离子从正极脱嵌，经过固态电解质嵌入负极，负极处于富金属离子状态，放电时则相反。
[0004]现有技术中，碳纤维复合材料结构电池往往做为一节整体电池应用，例如一整块碳纤维层合板结构或特殊加筋壁板结构构成一节电池单元。工作机理决定此类电池单元的电压较低、电流较小，大多数只能作为辅助电能部件应用，例如提供LED照明等；并且整体复合材料结构作为一节电池单元，若结构本体局部损伤或失效，会影响整体电池单元性能；此外，不同的电池单元之间不能灵活地串并联应用，在充电过程中，不同电池单元之间存在压差，若控制不均衡会引起电池单元过冲等危险情况；若某个电池单元失效，例如电压过低或过高，会影响整个串并联单元组的应用。
[0005]目前，针对碳纤维复合材料结构电池的研究主要集中在碳纤维材料表面活化改性和固态电解质导电率提升，以及整体结构力学性能的平衡最优设计等方面，针对结构电池的充放电管理、灵活电气配置、失效检测与重构设计等方面研究较少。在电池应用过程中，特别是在航空航天等不便于拆装、维修的应用领域，自主充电、放电及失效管理能力也是非常必要的自动化手段。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种复合材料结构电池及其管理方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种碳纤维复合材料结构电池，包括：多个电池单元；其中，每个所述电池单元均包括正极、负极和固态电解质树脂基体；所述正极包括金属层，所述负极包括第一石墨烯包覆碳纤维织物层、第二石墨烯包覆碳纤维织物层，分别设置在所述金属层的两侧，且与所述金属层之间设有用于分隔的玻璃纤维布层，所述正极、所述负极以及两层所述玻璃纤维布层均设于所述固态电解质树脂基体中；相邻所述电池单元之间通过绝缘阻隔膜分隔。
[0008]优选地，采用树脂传递模塑或真空辅助树脂传递模塑成型工艺加工制成。
[0009]优选地，所述第一石墨烯包覆碳纤维织物层、所述第二石墨烯包覆碳纤维织物层均由多层石墨烯包覆碳纤维织物构成；所述金属层采用金属网或金属板。
[0010]优选地，每个所述电池单元中，所述第一石墨烯包覆碳纤维织物层、第二石墨烯包覆碳纤维织物层之间通过引线连接。
[0011]本专利技术还提供了一种碳纤维复合材料结构电池的管理方法，该方法采用如上述任一项所述的碳纤维复合材料结构电池，包括如下步骤：S101、将所述碳纤维复合材料结构电池中，各电池单元的正极、负极分别通过独立的引线连接至可编程电池控制器的接线端，通过所述可编程电池控制器中的电子开关和连线，设置各所述电池单元之间的电气连接关系，令多个并联单元组串联输出，其中每个并联单元组均包括多个并联的所述电池单元，确定各并联单元组的最低工作阈值、最高工作阈值，以及所述碳纤维复合材料结构电池的放电阈值、充电阈值；S102、通过所述可编程电池控制器监测各并联单元组的实际电压，若存在任一并联单元组的实际电压高于相应的最高工作阈值或者低于相应的最低工作阈值，则通过调整电气连接关系，将该并联单元组从串联电气关系中移除；S103、若各并联单元组的实际电压之和低于放电阈值，则利用外部输入电压为所述碳纤维复合材料结构电池充电，至各并联单元组的实际电压之和达到充电阈值后，结束充电。
[0012]优选地，所述步骤S101中，设置各所述电池单元之间的电气连接关系，令多个并联单元组串联输出时，每个并联单元组均包括相同数量的所述电池单元，各并联单元组具有相同的最低工作阈值、最高工作阈值。
[0013]优选地，所述步骤S102中，通过调整电气连接关系，将并联单元组从串联电气关系中移除时，利用所述可编程电池控制器中的旁路开关，使相邻的并联单元组绕过该并联单元组串联输出。
[0014]优选地，所述步骤S103中，利用外部输入电压为所述碳纤维复合材料结构电池充电时，所述可编程电池控制器计算各并联单元组的实际电压的平均值V0；若任一并联单元组的实际电压到达（V0+Th1 mV），则通过所述可编程电池控制器中的分流通道对该并联单元组进行分流，直至该并联单元组的实际电压降至（V0+Th2 mV）后，断开分流通道，停止分流；其中，第一均衡阈值Th1的取值范围为40~60，第二均衡阈值Th2的取值范围为5~15。
[0015]优选地，所述可编程电池控制器包括直流电源变换模块、充电均衡控制模块、中心控制模块、旁路开关控制模块、串并联控制矩阵模块；其中，所述直流电源变换模块用于将外部输入电压变换为可调节充电电压，为各所述电池单元供电，以及将外部输入电压变换为内部电压，为所述充电均衡控制模块、所述中心控制模块、所述旁路开关控制模块、所述串并联控制矩阵模块供电；所述充电均衡控制模块用于采集各并联单元组的实际电压，汇总为电压信号，并发送至所述中心控制模块；所述中心控制模块用于计算各并联单元组的实际电压的平均值V0，并将各并联单元组的实际电压与平均值V0比较，若任一并联单元组的实际电压到达（V0+Th1 mV），则所述
中心控制模块发出分流控制信号至所述充电均衡控制模块，由所述充电均衡控制模块中的分流功率电阻并联至该并联单元组，构成分流通道进行分流，直至该并联单元组的实际电压降至（V0+Th2 mV）；所述中心控制模块还用于将各并联单元组的实际电压与最低工作阈值、最高工作阈值进行比较，若存在任一并联单元组的实际电压高于最高工作阈值或者低于最低工作阈值，则所述中心控制模块输出旁路分离控制信号至所述旁路开关控制模块，并输出电压调整控制信号至所述直流电源变换模块，以调整所述直流电源变换模块提供的可调节充电电压；所述旁路开关控制模块用于响应旁路分离控制信号，通过改变相应的旁路开关调整各并联单元组的串联关系；所述串并联控制矩阵模块用于设置各所述电池单元的串、并联关系，并输出串并联控制信号至所述旁路开关控制模块，以设置所述旁路开关控制模块中各旁路开关与各所述电池单元的电气连接关系。
[0016]优选地，旁路开关包括第一接头J1、第二接头J2、第三接头J3，每个并联单元组对应一个旁路开关，并联单元组的一端连接第二接头J2，另一端连接第三接头J3并接入主电路，第一接头J1连接主电路；当旁路开关连接第一接头J1与第二接头J2，该并联单元组串联接入主电路，当旁路开关连接第一接头J1与第三接头J3，该并联单元组从主电路的串联电气关系中移除。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料结构电池，其特征在于，包括：多个电池单元；其中，每个所述电池单元均包括正极、负极和固态电解质树脂基体；所述正极包括金属层，所述负极包括第一石墨烯包覆碳纤维织物层、第二石墨烯包覆碳纤维织物层，分别设置在所述金属层的两侧，且与所述金属层之间设有用于分隔的玻璃纤维布层，所述正极、所述负极以及两层所述玻璃纤维布层均设于所述固态电解质树脂基体中；相邻所述电池单元之间通过绝缘阻隔膜分隔。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构电池，其特征在于：采用树脂传递模塑或真空辅助树脂传递模塑成型工艺加工制成。3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构电池，其特征在于：所述第一石墨烯包覆碳纤维织物层、所述第二石墨烯包覆碳纤维织物层均由多层石墨烯包覆碳纤维织物构成；所述金属层采用金属网或金属板。4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料结构电池，其特征在于：每个所述电池单元中，所述第一石墨烯包覆碳纤维织物层、第二石墨烯包覆碳纤维织物层之间通过引线连接。5.一种碳纤维复合材料结构电池的管理方法，其特征在于，采用如权利要求1
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4任一项所述的碳纤维复合材料结构电池，包括如下步骤：S101、将所述碳纤维复合材料结构电池中，各电池单元的正极、负极分别通过独立的引线连接至可编程电池控制器的接线端，通过所述可编程电池控制器中的电子开关和连线，设置各所述电池单元之间的电气连接关系，令多个并联单元组串联输出，其中每个并联单元组均包括多个并联的所述电池单元，确定各并联单元组的最低工作阈值、最高工作阈值，以及所述碳纤维复合材料结构电池的放电阈值、充电阈值；S102、通过所述可编程电池控制器监测各并联单元组的实际电压，若存在任一并联单元组的实际电压高于相应的最高工作阈值或者低于相应的最低工作阈值，则通过调整电气连接关系，将该并联单元组从串联电气关系中移除；S103、若各并联单元组的实际电压之和低于放电阈值，则利用外部输入电压为所述碳纤维复合材料结构电池充电，至各并联单元组的实际电压之和达到充电阈值后，结束充电。6.根据权利要求5所述的管理方法，其特征在于：所述步骤S101中，设置各所述电池单元之间的电气连接关系，令多个并联单元组串联输出时，每个并联单元组均包括相同数量的所述电池单元，各并联单元组具有相同的最低工作阈值、最高工作阈值。7.根据权利要求5所述的管理方法，其特征在于：所述步骤S102中，通过调整电气连接关系，将并联单元组从串联电气关系中移除时，利用所述可编程电池控制器中的旁路开关，使相邻的并联单元组绕过该并联单元组串联输出。8.根据权利要求6所述的管理方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶金蕊，李世超，孙涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：