1.本发明属于锂电池设计技术领域，具体涉及一种集锂二次电池、锂热电池、控制模块为一体的可自主充电的无人值守电源系统。
背景技术：2.锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，分成不可充电和可充电两大类。不可充电的锂电池称为一次性锂电池，它只能将化学能一次性转化为电能，不能将电能还原回化学能，如本发明中所涉及的锂热电池；可充电的锂电池称为锂二次电池，它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时再将化学能转换成电能，如本发明中涉及的可反复充电的锂离子电池。
3.锂热电池为最具代表性的一次性锂电池，它是用电池本身的加热系统把不导电的固体状态盐类电解质加热熔融呈离子导体而进入工作状态的一种热激活一次性锂电池，为全密封结构。锂热电池工作时温度高，内部温度通常在550℃以上，经过热传导使热电池表面温度高达200℃～400℃，其具有可靠性高、贮存时间长、激活快、工作温度范围宽(-55℃～+75℃)等特点，但锂热电池为一次性电池，其不具备待机功能，且不能长时间供电。
4.锂离子电池利用化学反应的可逆性，可反复使用，具有结构稳定、自放电率低、可长时间存放、可快速充电、循环寿命长等优点。但在野外边远山区或低温条件下电池关键材料正极、电解液等电导率会降低，导致锂离子电池无法正常工作，因此其输出能力大幅降低，工作温度受限，一般为0℃～45℃，使用时需频繁单独对锂离子电池专门充电，影响其使用寿命。目前采用外加加热膜、加热丝或其他加热的形式对锂离子电池加热，满足低温使用环境，但其结构设计相对复杂，对加热量的设计精度和发热量的管控要求较高，在使用过程由于贴近锂离子电池组单体电池，加热过程中对单体电池的外包装要求较高，且长时间工作可能会加速锂离子电池的老化，影响锂离子电池的容量和使用寿命。
技术实现要素：5.(一)要解决的技术问题
6.本发明提出一种可自主充电的无人值守电源系统，引入电源控制模块，并将锂热电池与锂离子电池集成，以解决单独作为电源供电存在不足的技术问题，实现长时间、无人值守、耐低温工作。
7.(二)技术方案
8.为了解决上述技术问题，本发明提出一种可自主充电的无人值守电源系统，该无人值守电源系统包括结构模块、锂热电池模块、锂离子电池模块和控制模块；其中，
9.结构模块包括下盖板、蒙皮和上盖板；其中，四块蒙皮围成长方形腔体，上盖板、下盖板和蒙皮固定连接后组成结构腔体，并在腔体内部固定与集成有锂热电池模块、锂离子电池模块和控制模块；
10.锂热电池模块由多发锂热电池组成；每发锂热电池包括组合电池盖、组合电池壳
和组合电堆；其中，组合电堆安装在组合电池壳中，组合电池盖安装在组合电池壳顶部；组合电池盖包括垫圈、激活回路的两个s接线柱、正极输出接线柱、负极输出接线柱和电池盖；电池盖与各接线柱为一结构体，各接线柱均匀分布在电池盖上，垫圈固装并覆盖于电池盖与各接线柱的上部；组合电堆包括挡板、引燃组件、单体电池模块、保温元件、极引出线和紧固元件；其中，挡板位于组合电堆上下两端的最外侧，起到保护电堆的作用；引燃组件位于组合电堆两侧，引燃组件的上下部分别与组合电堆的端面平齐，起到传火的作用；单体电池模块包括多个单体电池，位于组合电堆的中部；保温元件位于组合电堆的上下部，对称固装于挡板和单体电池模块之间；极引出线分别与正极输出接线、负极输出接线柱对应的引线连接，形成放电通路；通过紧固元件将组合电堆的各零部件上下缠绕而固定为一个整体；
11.锂离子电池模块包括锂离子电池组外壳、锂离子电池组、锂离子电池充电线缆和锂离子电池放电线缆；其中，锂离子电池组外壳的底部两端各加工有两个通孔，便于与结构模块连接；锂离子电池组由多个单体电池通过串、并联组成；锂离子电池充电线缆、锂离子电池放电线缆分别位于锂离子电池组顶部的两端，作为锂离子电池组的输入接口和输出接口，实现锂离子电池组的充电和放电，两者独立不共线；
12.控制模块安装在锂离子电池组的上部，控制模块的输入线缆与锂离子电池模块的锂离子电池放电线缆相连，控制模块的输出线缆与锂热电池模块中由两个s接线柱形成的激活回路以及其他用电负载相连；锂热电池模块的正极输出接线柱、负极输出接线柱通过控制模块与锂离子电池充电线缆相连；控制模块通过内部监测程序监测锂离子电池的电性能，并实时反馈给单片机，当监测程序监测到锂离子电池组的电量低于一定电量值时，单片机发出充电指令，控制模块内部的激活程序在收到充电指令后激活锂热电池模块，由锂热电池模块中的一发锂热电池输出电能，经过控制模块内部的dc/dc直流稳压变换器、充电器，以一定的电流值对锂离子电池组进行充电；当单发锂热电池的能量不足或其电压低于一定值时，激活下一发锂热电池，依次类推锂离子电池组进行充电；当监测程序监测到的锂离子电池组的电量达到或接近满电量时，单片机发出小电流涓流充电或停止充电的指令，切断充电，锂热电池空载输出电能，通过锂热电池的表面温度对锂离子电池组持续进行加热。
13.进一步地，下盖板、蒙皮和上盖板由钛、铝及其合金材料，或不锈钢材料加工而成。
14.进一步地，电源开关和状态监测显示器均固定安装于蒙皮的外侧，电源开关作为整个电源系统的启动/关停按键，状态监测显示器用于显示内部锂离子电池的容量或电压，以及锂热电池的点火头电阻和电极之间的绝缘电阻。
15.进一步地，蒙皮上还设置有作为输出口的电连接器插头或插座，电源系统通过输出口对外输出，实现电源系统内部零部件与外界的气、热及结构隔离。
16.进一步地，电池盖与各接线柱通过玻璃粉高温熔化-凝固烧结而成为一体。
17.进一步地，垫圈与各接线柱之间填充有硅橡胶。
18.进一步地，组合电池壳由电池壳和两个支耳一体加工组成；两个支耳相对设置在电池壳的两端，两个支耳的下端面分别与电池壳的底部平齐，支耳内部加工有用于与其他部件安装连接的圆形通孔。
19.进一步地，组合电堆包括两组单体电池模块，并通过极引出线并联连接。
20.进一步地，紧固元件选用耐高温胶带。
21.进一步地，单体电池从下到上依次为加热剂层、正极层、电解质层、负极层一体的四合一结构。
22.(三)有益效果
23.本发明提出一种可自主充电的无人值守电源系统，包括结构模块、锂热电池模块、锂离子电池模块和控制模块，控制模块通过内部监测程序监测锂离子电池的电性能，并由单片机控制锂热电池模块对离子电池组进行充电的启停。在本发明的电源系统中，锂离子电池为主供电单元，锂热电池为其辅电源，两者通过控制模块及结构模块集成一体，可实现电源系统长时间工作的特性；锂热电池工作时可持续散发一定热量，该热量可为锂离子电池低温工作提供一定保温功能，从而拓宽电源系统工作温度范围，也可进一步提升电源系统工作性能；该电源系统自带充电功能，可无人值守，可用于边远地区无充电条件，作为应急电源使用。
附图说明
24.图1为本发明实施例的电源系统正三轴测三维结构立体示意图；
25.图2为本发明实施例的电源系统正三轴测三维结构立体示意图(不含上盖板)；
26.图3为本发明实施例的电源系统右视三维结构立体示意图；
27.图4为本发明实施例的电源系统俯视三维结构立体示意图(不含上盖板)；
28.图5为本发明实施例中锂热电池俯视三维结构立体示意图；
29.图6为本发明实施例中锂热电池正三轴测三维结构立体示意图；
30.图7为本发明实施例中锂热电池组合电堆正三轴测三维结构立体示意图；
31.图8为本发明实施例中锂二次电池及控制模块正三轴测三维结构立体示意图。
32.图中，1-下盖板；2-蒙皮；3-上盖板；4-锂热电池模块；5-控制模块；6-锂离子电池模块；7-输出口；8-状态监测显示器；9-电源开关；10-输入线缆；11-输出线缆；201-螺孔；202-螺钉；401-垫圈；402-s接线柱(激活)；403-正极输出接线柱；404-负极输出接线柱；405-支耳；406-电池壳；407-电池盖；408-挡板；409-引燃组件；410-单体电池；411-保温元件；412-极引出线；413-紧固元件；601-锂离子电池组外壳；602-锂离子电池组；603-锂离子电池输入线缆；604-锂离子电池输出线缆。(注：蒙皮前后两侧、左右两侧的尺寸完全一致，未特别附图及标注)
具体实施方式
33.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
34.本实施例提出一种可自主充电的无人值守电源系统，其组成结构如图1-4所示，主要包括结构模块、锂热电池模块4、锂离子电池模块6和控制模块5。
35.结构模块主要包括下盖板1、蒙皮2和上盖板3。其中，四块蒙皮2围成长方形腔体，其长度
×
宽度
×
高度为250mm
×
150mm
×
120mm。蒙皮2上加工有多个螺孔201，上盖板3、下盖板1和蒙皮2通过不锈钢螺钉202固定连接后组成结构腔体，并在腔体内部通过螺钉202对锂热电池模块4、锂离子电池模块6和控制模块5进行固定与集成。
36.下盖板1、蒙皮2和上盖板3可由钛、铝及其合金材料，或不锈钢材料等加工而成。在
本实施例中，下盖板1、蒙皮2和上盖板3均为硬铝合金板加工而成，表面经阳极氧化处理为黑色。下盖板1和上盖板3的长度
×
宽度
×
高度均为250mm
×
150mm
×
20mm。
37.电源开关9和状态监测显示器8均固定安装于蒙皮2的外侧，电源开关9作为整个电源系统的启动/关停按键，状态监测显示器8用于显示内部锂离子电池的容量或电压，以及锂热电池的点火头电阻和电极之间的绝缘电阻。此外，蒙皮2上还设置有作为输出口7的电连接器插头或插座，电源系统通过输出口7对外输出，实现电源系统内部零部件与外界的气、热及结构隔离。
38.锂热电池模块4由四发锂热电池组成，其可通过电点火头电激活，或通过内部机械机构撞击或针刺火帽激活。如图5-7所示，锂热电池主要包括组合电池盖、组合电池壳和组合电堆。
39.组合电池盖包括一个垫圈401、激活回路的两个s接线柱402、正极输出接线柱403、负极输出接线柱404和电池盖407。本实施例中，电池盖407的尺寸为φ48mm
×
3mm。电池盖407与各接线柱通过专用玻璃粉高温熔化-凝固烧结而成为一体，各接线柱均匀分布在电池盖407内侧φ20mm的圆周上，垫圈401固装并覆盖于电池盖407与各接线柱的上部，垫圈401与各接线柱之间填充有704硅橡胶，用于固定连接线，并起到绝缘和防护作用。
40.组合电池壳由电池壳406和两个支耳405一体加工组成。本实施例中，电池壳406的壳体尺寸为φ50mm
×
80mm
×
1mm。两个支耳405相对设置在电池壳406的两端，两个支耳405的下端面分别与电池壳406的底部平齐，其尺寸为10mm
×
8mm
×
2mm，内部加工有φ5mm的圆形通孔，便于与其他部件安装连接。
41.组合电堆包括两个挡板408、两个引燃组件409、两组单体电池模块、保温元件411、两个极引出线412和紧固元件413。其中，两个挡板408位于组合电堆的上、下两端的最外侧，起到保护电堆的作用。两个引燃组件409分别位于组合电堆两侧，两者夹角约90度，引燃组件409的上、下部分别与组合电堆的端面平齐，起到传火的作用。两组单体电池模块分别包括16个单体电池410，叠放于组合电堆的中部，并通过极引出线412并联连接。保温元件411位于组合电堆的上下部，对称固装于挡板408和单体电池模块之间，起到保温的作用。极引出线412根据正、负极性的不同，分别与正极输出接线柱403、负极输出接线柱404对应的引线连接，从而形成放电通路。最后通过紧固元件413将组合电堆的各零部件上下缠绕而固定为一个整体。本实施例中的紧固元件413选用宽度为5mm或10mm的耐高温胶带。
42.组合电堆中各零部件的具体尺寸、数量可根据需要进行设计、调整，可参考以锂热电池输出电压值比锂离子电池标称电压高10v左右，电流输出值满足对锂离子电池1c倍率为准则。本实施例中，挡板408的尺寸为φ44mm
×
1mm，引燃组件409的尺寸为5mm
×
100mm，单体电池410从下到上依次为加热剂层、正极层、电解质层、负极层一体的四合一结构，尺寸为φ44mm
×
2mm，空载电压为32v左右，可带载稳定输出10a的电流，用于对锂离子电池模块中的锂离子电池6充电。
43.锂离子电池模块6主要包括锂离子电池组外壳601、锂离子电池组602、锂离子电池充电线缆603和锂离子电池放电线缆604，如图8所示。其中，锂离子电池组外壳601采用铝合金材料，厚度为1mm，底部两端各加工有两个φ5mm的通孔，便于与结构模块连接；锂离子电池组602由至少两个6s1p单体电池通过串、并联组成，电池组内部含有保护板，保护板具有过流、过压、过放、过充、过温、短路等保护功能。锂离子电池充电线缆603、锂离子电池放电
线缆604分别位于锂离子电池组602顶部的两端，作为锂离子电池组602的输入接口和输出接口，实现锂离子电池组602的充电和放电，两者独立不共线，采用16#的红、黑硅胶线。本实施例中选用grp9564159-25c-22.2v10000mah。
44.锂离子电池模块6的锂离子电池组602通过螺钉固装于结构模块的下盖板1上，控制模块5则安装在锂离子电池组602的上部。
45.控制模块5的核心为单片机，本实施例中型号为stc15w408as。控制模块5的输入线缆与锂离子电池模块6的锂离子电池放电线缆604相连，控制模块5的输出线缆与锂热电池模块4中由两个s接线柱402形成的激活回路以及其他用电负载相连。锂热电池模块4的正极输出接线柱403、负极输出接线柱404通过控制模块5与锂离子电池充电线缆603相连。
46.控制模块5通过内部监测程序监测锂离子电池的电性能(容量或电压)，并实时反馈给单片机，具体值在状态监测显示器8的面板上显示。其中，当监测程序监测到锂离子电池组602的电量低于一定电量值时(如50％或70％)，单片机发出充电指令，控制模块5内部的激活程序在收到充电指令后激活锂热电池模块4，由锂热电池模块4中的一发锂热电池输出电能，经过控制模块5内部的dc/dc直流稳压变换器、充电器，以一定的电流值(充电倍率不大于1c，可调整)对锂离子电池组602进行充电；当单发锂热电池的能量不足或其电压低于一定值(如设定电压下限为21v或容量为30％)时，激活下一发锂热电池，依次类推锂离子电池组602进行充电。
47.当监测程序监测到的锂离子电池组602的电量达到或接近满电量(95％或100％)时，单片机发出小电流涓流充电或停止充电的指令，切断充电，锂热电池空载输出电能，此时锂热电池的表面温度为100℃～400℃，可对锂离子电池组602持续进行加热。
48.控制模块5通过监测锂热电池的电点火头的电阻值或锂热电池电极之间的绝缘电阻值(工作前后差异明显)，作为更换锂热电池的依据。上述具体值可在状态监测显示器8的面板上进行显示。
49.本实施例提出的无人值守电源系统在工作时，控制模块5的监测程序监测锂离子电池模块6的电性能参数(容量)，当锂离子电池模块6因环境因素或工作性能降低至一定值时(如容量降至约50％)，控制模块5内部的激活程序运行，利用锂离子电池模块6的电能激活锂热电池，锂热电池向锂离子电池模块6进行充电，并可提供一定的加热、保温功能；锂离子电池模块6可继续发外输出电能，如此循环用电，可达到低温下的长时间工作。工作过程中，同时监测锂热电池的电点火头的电阻值或其电极之间的绝缘电阻值，以此作为更换锂热电池的依据。其中，作用前，锂热电池电点火头电阻为0～20ω的欧姆级，作用后为1kω～20mω；作用前，锂热电池电极之间的绝缘电阻值大于20mω，作用后为1kω～10mω。待使用完的锂热电池表面温度冷却至室温时，可通过对接的电连接器插头/插座进行更换。
50.经过试验对比，本发明提出的电源系统，常温25℃条件下比单一的锂离子电池工作时间延长40％，工作温度可适应-30℃甚至-40℃(放电容量可达到额定容量的70％以上)。
51.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种可自主充电的无人值守电源系统，其特征在于，所述无人值守电源系统包括结构模块、锂热电池模块、锂离子电池模块和控制模块；其中，结构模块包括下盖板、蒙皮和上盖板；其中，四块蒙皮围成长方形腔体，上盖板、下盖板和蒙皮固定连接后组成结构腔体，并在腔体内部固定与集成有锂热电池模块、锂离子电池模块和控制模块；锂热电池模块由多发锂热电池组成；每发锂热电池包括组合电池盖、组合电池壳和组合电堆；其中，组合电堆安装在组合电池壳中，组合电池盖安装在组合电池壳顶部；组合电池盖包括垫圈、激活回路的两个s接线柱、正极输出接线柱、负极输出接线柱和电池盖；电池盖与各接线柱为一结构体，各接线柱均匀分布在电池盖上，垫圈固装并覆盖于电池盖与各接线柱的上部；组合电堆包括挡板、引燃组件、单体电池模块、保温元件、极引出线和紧固元件；其中，挡板位于组合电堆上下两端的最外侧，起到保护电堆的作用；引燃组件位于组合电堆两侧，引燃组件的上下部分别与组合电堆的端面平齐，起到传火的作用；单体电池模块包括多个单体电池，位于组合电堆的中部；保温元件位于组合电堆的上下部，对称固装于挡板和单体电池模块之间；极引出线分别与正极输出接线、负极输出接线柱对应的引线连接，形成放电通路；通过紧固元件将组合电堆的各零部件上下缠绕而固定为一个整体；锂离子电池模块包括锂离子电池组外壳、锂离子电池组、锂离子电池充电线缆和锂离子电池放电线缆；其中，锂离子电池组外壳的底部两端各加工有两个通孔，便于与结构模块连接；锂离子电池组由多个单体电池通过串、并联组成；锂离子电池充电线缆、锂离子电池放电线缆分别位于锂离子电池组顶部的两端，作为锂离子电池组的输入接口和输出接口，实现锂离子电池组的充电和放电，两者独立不共线；控制模块安装在锂离子电池组的上部，控制模块的输入线缆与锂离子电池模块的锂离子电池放电线缆相连，控制模块的输出线缆与锂热电池模块中由两个s接线柱形成的激活回路以及其他用电负载相连；锂热电池模块的正极输出接线柱、负极输出接线柱通过控制模块与锂离子电池充电线缆相连；控制模块通过内部监测程序监测锂离子电池的电性能，并实时反馈给单片机，当监测程序监测到锂离子电池组的电量低于一定电量值时，单片机发出充电指令，控制模块内部的激活程序在收到充电指令后激活锂热电池模块，由锂热电池模块中的一发锂热电池输出电能，经过控制模块内部的dc/dc直流稳压变换器、充电器，以一定的电流值对锂离子电池组进行充电；当单发锂热电池的能量不足或其电压低于一定值时，激活下一发锂热电池，依次类推锂离子电池组进行充电；当监测程序监测到的锂离子电池组的电量达到或接近满电量时，单片机发出小电流涓流充电或停止充电的指令，切断充电，锂热电池空载输出电能，通过锂热电池的表面温度对锂离子电池组持续进行加热。2.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述下盖板、蒙皮和上盖板由钛、铝及其合金材料，或不锈钢材料加工而成。3.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，电源开关和状态监测显示器均固定安装于蒙皮的外侧，电源开关作为整个电源系统的启动/关停按键，状态监测显示器用于显示内部锂离子电池的容量或电压，以及锂热电池的点火头电阻和电极之间的绝缘电阻。4.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述蒙皮上还设置有作为输出口的电连接器插头或插座，电源系统通过输出口对外输出，实现电源系统内部零部件与外
界的气、热及结构隔离。5.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述电池盖与各接线柱通过玻璃粉高温熔化-凝固烧结而成为一体。6.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述垫圈与各接线柱之间填充有硅橡胶。7.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述组合电池壳由电池壳和两个支耳一体加工组成；两个支耳相对设置在电池壳的两端，两个支耳的下端面分别与电池壳的底部平齐，支耳内部加工有用于与其他部件安装连接的圆形通孔。8.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述组合电堆包括两组单体电池模块，并通过极引出线并联连接。9.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述紧固元件选用耐高温胶带。10.如权利要求1所述的无人值守电源系统，其特征在于，所述单体电池从下到上依次为加热剂层、正极层、电解质层、负极层一体的四合一结构。
技术总结本发明提出一种可自主充电的无人值守电源系统，包括结构模块、锂热电池模块、锂离子电池模块和控制模块，控制模块通过内部监测程序监测锂离子电池的电性能，并由单片机控制锂热电池模块对离子电池组进行充电的启停。在本发明的电源系统中，锂离子电池为主供电单元，锂热电池为其辅电源，两者通过控制模块及结构模块集成一体，可实现电源系统长时间工作的特性；锂热电池工作时可持续散发一定热量，该热量可为锂离子电池低温工作提供一定保温功能，从而拓宽电源系统工作温度范围，也可进一步提升电源系统工作性能；该电源系统自带充电功能，可无人值守，可用于边远地区无充电条件，作为应急电源使用。为应急电源使用。为应急电源使用。
技术研发人员：上官小红 康二维 孙现忠 白银祥 赵胜楠 张继智 张毅 王军平 骆静
受保护的技术使用者：西安北方庆华机电有限公司
技术研发日：2022.07.12
技术公布日：2022/11/1
