一种组件嵌合形成的储电库的制作方法

1.本实用新型涉及大型电池组设计领域，具体涉及一种组件嵌合形成的储电库。


背景技术：

2.市场常规电池由于设计受限或方便转运，通常制造为低电压模块产品；储能市场应用的是特高电压、巨大容量的电池组，已有技术把成千上万个模块电池运到储能现场进行外部电连接的串联、并联，或设计大型物流箱集装。
3.已有技术中，即使采用比能量较高的锂电池把物流箱设计为标准集装箱集装，储电量也仅为兆瓦时级别，而储能市场通常需要数十甚至百兆瓦时级别的电池组；由于锂资源有限，且充放电管理系统复杂，业界把视线反复审视水系电池，例如锌镍电池和正极加强型的铅炭电池，虽然循环寿命方面并不是在储能应用的主要问题，但毕竟比能量低，在物流箱集装电池的技术方向处于劣势。
4.外部电串联的电池组普遍存在一个致命隐患，任一个电池的断路、极群短路或容量下降都会引致整组电池发生故障，本实用新型基于储能市场应用的特点，提出一种组件嵌合的技术方案，可解决特高电压、巨大容量的电池组需求。


技术实现要素：

5.本实用新型的技术目的，是基于储能市场对特高电压、巨大容量的电池组需求，用建筑工程方法构造电池槽体和大型集流架，构造大容量的极群，并运用双极性电池组的免跨桥技术构想设计一种储电库，满足储能应用的市场需要。
6.为实现上述技术目标，本实用新型提供了一种组件嵌合形成的储电库，该储电库包括座架、若干集流架和若干极板；所述的座架为凹型三面体，由防酸、碱腐蚀固体材料制成或凹型内面有防酸、碱腐蚀的涂层；所述的集流架为导体材料或由导体材料栅网与常规电池槽体材料合成的板状结构；(n+1)片集流架与所述座架的三个内面密封嵌合成n个串联槽格，n为≥2的槽格数；所述极板包括正极板、负极板，由集电体电固连活性物质而成，外形不限；若干同极性的极板通过集电体在槽格内电固连集流架的板面，形成任一槽格内部间隔相对且极性相反的正极群、负极群；槽格的内部灌注水系电解质并选择性填充吸附材料；槽格的上部设置上盖板并选择性设置安全排气阀；n个槽格串联两端的集流架作为所述储电库的两个电极。
7.所述座架的固体材料包括水泥钢筋、钢混结构；所述极群结构与常规技术不同，常规极群是若干正极板、负极板与隔板交叉层叠或卷绕形成极群，而本实用新型所述的极群是通过若干正极板、负极板分别电连接集流架的板面一侧或两侧形成，同一侧板面的极板极性相同，即在集流架的板面两侧可构成极性不同的大容量极群；所述的正极板、负极板不限于板状结构，包括管状、卷绕状或其他形状；极板电连接集流架的排布结构包括沿集流架的板面纵向或/和沿集流架的板面横向排布方式；所述的常规电池槽体材料例如abs、硬质橡胶；安全排气阀是常用的一种防爆装置；所述的集流架除了组合形成大容量极群，兼有隔
离槽格和免跨桥串联成电池组的多重功能；所述电解质的吸附材料通常使用agm隔膜，具有吸附电解质的功能，使槽格内的上、下部保持电解质均匀分布，同时可防止极群中的正、负极板机械接触；所述吸附材料的选择性，包括可以不填充电解质吸附材料。
8.上述技术方案中，所述的座架包括两端的封端壁，其在n个槽格串联两端的外部与两端集流架固连。上述技术方案的n个槽格串联的两端是集流架，是储电库的两个电极，设置封端壁可保护电极，同时有助于座架更稳固。
9.上述技术方案中，所述集流架与极板集电体电固连的板面一侧设置有若干包括突出筋条、凹型的电接口，若干电接口与所述若干极板的集电体电固连。所述的电固连，包括金属焊接、电连接机械紧固以及机械紧固后金属焊接。
10.上述技术方案中，所述极板的活性物质以及正极活性物质、负极活性物质的组合类型不限。常见适用水系电解质的正极活性物质例如铅基、锌基、铝基等；负极活性物质根据正极活性物质的类型组合，例如铅基、镍基、锰基等。
11.上述技术方案中，所述槽格的内部设置有氢气和氧气化合的催化装置。槽格内部的电解质是水系，在极板活性物质的电化学反应过程必然产生大量的氢气和氧气，催化装置有助于氢气和氧气快速还原为水，优选设置在上盖板部位。
12.上述技术方案中，包括设置导热式散热装置；所述的导热式散热装置包括吸热板、散热板和导热管；吸热板设置在槽格内；散热板设置在槽格的外部；导热管穿过座架专设的孔，两端分别与吸热板和散热板热固连。在储电库设置导热式散热装置是为了散热，所述吸热板设置在槽格内，包括与槽格内的座架内面、集流架热固连；所述散热板设置在槽格的外部，包括空旷散风环境、水槽或循环水流和地面水平线下的相对恒温土层；导热管在散热领域应用广泛，本技术优选可把储电库的内部温度与散热板所处的槽格外部环境温度热固连为等温体系。
13.上述技术方案中，所述的n个串联槽格包括m
×
n个槽格结构，其中，m为并联方向≥2的槽格数，n为串联方向≥2的槽格数；并联方向相邻槽格的集流架电固连或一体化设计。集流架电固连若干极板形成的是大型极群，需求大型槽格，m
×
n槽格结构是分体组合的设计优选，是组合安装方便的一种技术变形设计。
14.上述储电库的技术方案中，包括所述的储电库固定安装在标准集装箱内，或固定安装在地面；所述固定安装在地面，包括储电库的座架部分甚至全部设置在地面水平线以下。所述的储电库更适合制造大型电池组，当需求上万度储电量时，可选择固定安装在地面；当所述储电库固定安装在地面甚至地面水平线下，优选散热板设置在地面水平线下的相对恒温土层，使储电库的内部温度与散热板所处的相对恒温土层热固连为等温体系，从而使储电库的工作更可靠。
15.本实用新型的组件嵌合形成的储电库，实质性特点是可以通过建筑工程构造大型座架，与大型集流架合成若干大型槽格串联结构，相当于大型电池组的槽体；在集流架电固连若干正极板、负极板可形成大容量极群，极群的容量不受单片极板限制；由于任一槽格内部的极群间隔相对且极性相反，可自然形成无跨桥电连接方式的串联电池组，不受跨桥电串联方式的限制；由于该储电库的容量、电压均不受常规技术限制，容易制造超高电压、巨大容量，与常规结构完全不同；所述储电库固定在地面甚至地面水平线下的优点是方便设计与地下等温层导热的散热装置，可有效地把储电库内部的积热散发，使储电库的工作环
境更安全、可靠。
16.本实用新型的优点在于：包括大型集流架的多槽格串联结构不受常规工艺限制，大容量极群是基于工艺成熟的正极板、负极板，任一极板发生故障不会对储电库的容量发生明显影响，尤其不会导致储电库的电压发生改变，运行安全；导热式散热装置可有效地散发储电库内部的积热，使储电库工作环境稳定可靠。
附图说明
17.图1是所述储电库的一种正视剖面结构示意图；
18.图2是图1所述储电库的俯视剖面结构示意图；
19.图3是所述集流架导体栅网的一种结构示意图；
20.图4是若干正极板沿集流架的板面横向电并联成极群的一种结构示意图；
21.图5是所述储电库在地面设置的一种正视剖面结构示意图；
22.图6是所述储电库在地面水平线下设置的一种正视剖面结构示意图；
23.图7是所述储电库设置导热式散热装置的一种剖面结构示意图；
24.图8是一种2
×
n个槽格的储电库的俯视剖面结构示意图。
25.附图标识：
26.1、座架
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1a、孔
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1b、封端壁
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2、集流架
27.3、槽格
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4、极板集电体
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4a、正极群
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4b、负极群
28.5、上盖板
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5a、安全排气阀
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6、地面水平线
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7a、吸热板
29.7b、散热板
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7c、导热管
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+、正极
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、负极
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例进一步对本实用新型的技术方案进行详细说明。
31.已有技术中，储能用电池组通常是在现场把成千上万个模块电池电串联、并联，或设计物流箱甚至采用标准集装箱集成电池组；实际使用中，储能选址确定后的储能电池组原则不再移动，换言之是固定地点使用，固定地点使用的电池比能量并不属于重要指标，运行安全性才是客户端最关心的性能，为此业界把视线反复审视水系电池，水系电池的技术相对更成熟，循环寿命也可满足应用。
32.水系电池是一个大家族，可选的极板类型众多，单片极板的容量也远远大于常规锂电池，最重要的技术优势是没有因气系电解质引致的燃爆风险。
33.图1所示的是储电库的一种正视剖面结构示意图，座架1为防酸、碱腐蚀材料制成的凹型三面体，材料例如abs；集流架2为矩形板状结构，可选用导体材料制成；(n+1)片集流架2与座架1的三个内面密封嵌合成n个串联槽格3，n为≥2的槽格数；若干同极性极板通过集电体在槽格3内电固连集流架2的板面，形成任一槽格3内部间隔相对且极性相反的正极群4a、负极群4b；槽格的上部设置有带安全排气阀5a的上盖板5；槽格串联两端的集流架2作为所述储电库的两个电极。
34.图1所示储电库的俯视剖面结构示意如图2所示，在槽格3内灌注电解质即可运行，容量取决于极板在集流架2电固连的正、负极群容量，在储电库的两个电极获得的电压取决于正、负极群的单体电压乘以槽格的格数n。
35.所述若干同极性的极板，若干的技术含义是对正极板、负极板电固连组合成极群的片数不作限定；已有技术中，极板的主流产品是小容量的片状、管状和卷绕状结构；所述的若干极板，也可以变形为集电体4并联电连接的更大容量的同极性极板，未来技术发展还可能出现一体化结构的超大容量极板，只要正极板、负极板电固连集流架2的板面，均属于所述极群的结构特征。
36.所述的极群是基于制造工艺成熟的正极板、负极板，例如板状极板，常规是把极板集电体4设计成栅网状，活性物质在板栅的两面固连，栅格起到了稳固活性物质结合力的作用，与活性物质的结合力强。
37.所述选择性设置安全排气阀5a隐含了本领域技术人员公知的排气装置，包括多种设计形式；安全排气阀通常是在上盖板设置连体嵌合部位，也可以和上盖板一体化设计。所述的电解质需要和正、负极板的电化学反应原理相配套，例如常规的铅基极板是采用酸性电解质，锌基极板是采用碱性电解质；所述的电解质，物理形状包括液态、胶态和固态，以及在充放电过程可转态的电解质。
38.所述的集流架2可以采用良导体材料制成，也可以由导体材料栅网与常规电池槽体材料合成，导体材料栅网的一种常规结构如图3所示，通过与常规电池槽体材料例如abs、橡胶可合成防渗隔离板，降低制造成本，导体栅网材料是与极板集电体4电固连；若干正极板、负极板的集电体4与集流架2电固连，空间结构可以沿集流架2的板面法向或板面横向排布，规律性排布可使空间结构更紧凑，图4是若干正极板沿集流架2的板面横向电并联成正极群的一种结构示意。
39.常见水系电池的正极板活性物质包括铅基、锌基、铝基等；负极板的活性物质是根据正极活性物质的类型选配，例如锌镍电池的负极板选配镍基活性物质，铅酸电池的负极板同样是选配铅基活性物质；极板的外形可以是板栅固连活性物质的常规板状结构，也可以是管状结构、卷绕形式或其他任意结构。
40.所述在槽格内设置氢气和氧气化合催化装置的作用为本领域的技术人员公知，早在1840年，工业界已清楚pt能够催化氢氧化合反应，后来又相继发现pd、rh、ru、ir和ni等对氢氧化合反应的催化作用，近代进一步发展出能形成气-液-固三相界面的疏水催化剂，可促使氢气和氧气快速还原为水，防止失水过速。
41.图1所示储电库的n个串联槽格3，可以用(n+1)片集流架2与凹型的三面体座架1嵌合而成，也可与分立多个制件的座架1嵌合而成；集流架2在储电库中的结构角色，除了与座架1嵌合成槽格3，而且要承担在槽格内把众多正极板、负极板分别电固连、电串联板状跨桥的多重功能；集流架2对于槽格3是防渗隔离板，与座架1嵌合的部位要用防渗材料密封，例如环氧树脂材料。
42.所述的储电库由于体积相对大，重量也可观，更适合固定安装在标准集装箱内，或如图5所示固定安装在地面上，即地面的水平线6之上；所述储电库也可以部分甚至全部固定安装在地面水平线6之下，图6是一种全部固定安装在地面水平线6之下的储电库示意图。图6示意的储电库中，座架1的两端设置有封端壁1b，在槽格3串联两端的外部与两端集流架2固连；槽格串联两端的集流架2是储电库的两个电极，设置封端壁1b可保护电极，同时有助于座架1更稳固。
43.储能应用的电池组需要特高电压和巨大容量，把成千上万个模块电池进行电串
联、并联的技术隐患不仅来源于模块电池的个体差异和电串联、并联接口，任一电串联电池的失效、虚接都会对串联电池组产生影响。本实用新型的储电库的技术方案中，电池组的串联方式是由板状的集流架2承担，任一极板的失效、虚接都不会对串联电池组产生明显影响，电气性能可靠，运行安全性高。
44.常规储能电池组的一个重大安全隐患是发热，成千上万个模块电池必然存在个体差异，性能欠佳的个别电池以及虚接都会形成非正常发热源，在密封环境的热积累不可忽略。所述的导热式散热装置可有效地把储电库的内部积热导出外部，在所述外部可增设水槽或循环水流冷却源，循环水流可附设虹吸管形成，尤其可以利用储电库固定安装在地面或部分甚至全部固定安装在地面的水平线6下的特有结构，把导热式散热装置的散热板7b设置在地下恒温土层。
45.图7是储电库固定安装在地面的水平线6下并设置导热式散热装置的一种剖面结构示意图，吸热板7a设置在所有槽格3的内部，散热板7b设置在地面水平线6以下的土地环境；导热管7c穿过座架1在各个槽格3下部专设的孔1a，两端分别与吸热板和散热板热固连。导热管简称热管，是本领域技术人员公知的一种运用真空分子动力学原理的热传导器件，导热效率高于任何已知金属；吸热板和散热板材料通常采用铝合金制造，板状设计不限，其比表面积越大，吸热、散热效果越好；具体实施时，导热管7c穿孔1a之间的间隙宜用绝热材料密封。
46.所述储电库的槽体3结构除了n个槽格串联，也包括一种变形的m
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n个槽格结构，m为并联方向的槽格数，n为串联方向的槽格数；图8是一种2
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n个槽格的结构示意；该变形结构的m
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n个槽格，在并联方向槽格相邻的集流架电固连，或一体化设计，是n个槽格串联结构的一种变形设计，可带来组合安装方便。
47.以下优选例仅为推荐，若干技术方案可组合并用，也可加入其他成熟技术。
48.实施例1、
49.设计一种组件嵌合形成的储电库，座架1由若干水泥钢筋的预制件组合而成，在地面水平线6的以上地面组合安装为一个凹型三面体，凹型三面体的内面铺设特种橡胶涂层，三面座壁中心的截面积为宽度30.6m、高度为20m。
50.集流架2为若干导体材料制成的预制件，组合形成矩形的板状结构，宽度30.6m、高度20m、厚度3mm，板面一侧或两侧设置有若干突出筋条的电接口，用于电固连若干锌基正极板、镍基负极板；锌基正极板由集电体电固连锌基活性物质而成，镍基负极板由集电体电固连镍基活性物质而成；众多的锌基正极板或镍基负极板沿集流架2的板面一侧横向排布，其中锌基正极群结构示意如图4所示。
51.本实施例总装前，首先把集流架2以不同方式电固连众多的锌基正极板、镍基负极板，制作三类电固连结构不同的极群：
52.1)若干锌基正极板、镍基负极板的集电体分别电固连集流架2板面两侧的突出筋条，采用金属焊接，形成板面两侧不同极性的正极群2a、负极群2b，共132片；若干极板电固连集流架2的板面在四侧留有空隙，其中，在板面的左、右两侧部位各留出50mm，板面底部留出100mm，板面的上部留出500mm。
53.2)若干锌基正极板的集电体电固连集流架2板面一侧的突出筋条，形成板面一侧的正极群2a，作为储电库的正极使用；若干锌基正极板电固连集流架2在板面四侧所留的空
隙，与上述的第1)类的极群相同。
54.3)若干镍基负极板的集电体电固连集流架2板面一侧的突出筋条，形成板面一侧的负极群2b，作为储电库的负极使用；若干镍基负极板电固连集流架2在板面四侧所留的空隙，与上述的第1)类的极群相同。
55.本实施例进行工程安装时，首先把上述第2)类大型正极群吊装到座架1的一个端口，与凹型三面体的嵌合成四面体，正极群2a面对座架内，与座架的嵌合部位用环氧树脂密封；然后，继续把上述第1)类板面两侧极性不同的大容量双极性锌镍极板吊装到与首片大型正极群的平行位置，与座架1嵌合形成第1个槽格3，槽格内的极群间隔相对且极性相反，与座架的嵌合部位同样用环氧树脂密封。
56.完成第一个槽格3嵌合后，继续把第2片上述第1)类的大容量双极性锌镍极板吊装到与上一片大容量双极性锌镍极板(同属第1)类极群)的平行位置，与座架1嵌合形成第2个槽格3，槽格3内的极群间隔相对且极性相反，嵌合部位同样用环氧树脂密封；然后继续，把第3、4、5
……
132片上述第1)类的大容量双极性锌镍极板吊装，与座架1嵌合形成第3、4、5
……
132个槽格3，每个槽格3内的极群间隔相对且极性相反，嵌合部位同样用环氧树脂密封。
57.最后，把所述作为负极使用的第3)类大型负极群吊装到第132片大容量双极性锌镍极板平行位置，与座架1嵌合形成第133个槽格3，槽格3内的极群间隔相对且极性相反，嵌合部位同样用环氧树脂密封；所述第3)类大型负极群的集流架2，设计位于凹型三面体的座架1的另一个端口。
58.本实施例储电库的正视剖面结构示意如图5所示，槽格3的上部设置有带安全排气阀5a的上盖板5；俯视剖面结构示意如图2所示；133个槽格3串联两端的集流架2作为两个电极；该储电库在133个槽格3内灌注碱性胶体电解质即可运行，每个槽格3标称1.65伏单体电压，133个槽格串联在两端集流架2获得标称220伏电压，容量取决于极板在集流架2电固连的正、负极群容量。
59.本实施例的极群基于工艺成熟的常规锌基正极板、镍基负极板，优点是结构容易实现，安全性高，容易组合大容量极群，串联电压几乎不受限制。
60.实施例2、
61.实施例1的储电库是在地面水平线6的以上地面固定，本实施例改为在地面水平线6的以下地面安装，结构组件进行以下所述的若干改进。
62.在地面水平线6以下构建座架1的地形类似游泳池的盒状，凹型三面体的座架1改为若干水泥钢筋预制件与不锈钢板的交叉用料混合结构；集流架2改为采用图3所示的导体栅网与常规abs材料合成防渗隔离板，可降低集流架2的工业制造成本；极群设计方案以及座架1与集流架2的槽格3嵌合、安装固定等，与实施例1大同小异；此外，在槽格3内填充吸附碱性胶体电解质的agm材料。
63.本实施例的储电库结构示意如图6所示，与实施例1的另一不同结构是座架1的两端、即第1个槽格3和第133个槽格3的外部，分别设置有两个封端壁1b，在槽格3串联两端的外部与两端集流架2固连，该两端集流架2是储电库的两个电极，设置封端壁1b可保护电极，同时有助于座架1更稳固。
64.在地面水平线6以下安装储电库，可以使储电库上部空间利用多样化，并且座架1
改为若干水泥钢筋预制件与不锈钢板的交叉用料混合结构，有助于整体固定安装在地面水平线6以下的储电库与土层热交换，储电库散热效果好。
65.本实施例和前述例所述的锌镍电池的极板，也可置换为铅酸电池极板。
66.实施例3、
67.在实施例2的储电库基础上增加导热式散热装置，其正视剖面结构示意如图7所示；吸热板7a设置在所有槽格3的内部，散热板7b设置在地面水平线6以下的恒温土层环境；不同的导热管7c穿过座架1在各个槽格3下部专设的孔1a，两端分别与吸热板7a和散热板7b热固连。吸热板和散热板材料采用铝合金制造，具体实施时，导热管7c穿孔1a之间的间隙用环氧树脂材料密封。
68.本实施例中，所述设置在所有槽格3内部的吸热板7a，可以设置在槽格3内不产生电接触的任意部位，包括与集流架2热固连。