一种电池组结构、电池组装置及其应用

本发明涉及新能源电池领域，具体涉及一种电池组结构、电池组装置及其应用。

背景技术：

1、新能源电池在电动汽车、混动汽车以及供电系统等领域扮演着至关重要的角色，为人们提供更加环保、可靠的能源解决方案，但目对该类电池充电时，需要将电池连接至由城市电网供电的充电设备，该类充电设备数量有限且位置固定，导致充电非常不方便，且传统的新能源电池完全依赖充电设备进行充电，依然需要耗费大量电能等其他能源，并不环保。

技术实现思路

1、本发明提供一种电池组结构、电池组装置及其应用，以解决现有的新能源电池依赖充电设备进行充电，使用不放便，耗费能源且不环保的问题。

2、本发明的一种电池组结构采用如下技术方案：该结构包括：电池组和套设在电池组外部的顶部开口的外壳；外壳的底部开设有排水孔；

3、电池组包括沿厚度方向交替堆叠的压电体组件和隔板，电池组的两端均为隔板；

4、压电体组件包括黄土压电体、紧密套设在黄土压电体外的保护套、分别紧密贴合在黄土压电体两端的正电极和负电极以及分别与正电极和负电极连接的导线，多个压电体组件通过导线串联连接；保护套的两端均有超出黄土压电体的延伸长度；

5、隔板与保护套间隙配合，隔板上开设有用于穿过导线的通孔；隔板包括第一隔板和厚度大于第一隔板的第二隔板，位于电池组顶端的为第二隔板，位于电池组底端的为第一隔板，位于压电体组件之间的为第一隔板；第一隔板的厚度大于延伸长度的两倍；第二隔板有超出外壳顶端的延伸厚度；

6、外壳上开设有用于将电池组底端的导线引出至顶端的穿线槽。

7、优选地，黄土压电体由黄土制成；

8、黄土压电体的含水率高于10％，低于其塑限；

9、的黄土压电体的干密度为1.20g/cm3～1.40g/cm3。

10、优选地，外壳的硬度和强度大于黄土压电体的硬度和强度；

11、外壳和保护套均由绝缘材料制成。

12、优选地，正电极和负电极的外缘与保护套的内壁相接触；

13、正电极和负电极均呈网格状。

14、优选地，两个相邻的压电体组件之间的正电极与负电极相邻，两个相邻的压电体组件由穿过通孔的导线串联连接。

15、本发明的一种电池组装置采用如下技术方案：该装置包括多个电池组结构、用于容纳多个电池组结构的电池箱、设置在电池箱内的加湿器、与加湿器连通的引水器、设置在电池箱内的湿度传感器、与湿度传感器连接的控制模块；

16、控制模块与加湿器连接；

17、电池箱的顶部滑动连接有盖板；

18、多个电池组结构串联或并联连接。

19、优选地，盖板与电池箱密封连接。

20、优选地，加湿器通过供水管与引水器连通，供水管穿设在电池箱上。

21、本发明的一种电池组结构在地面以下的应用采用如下技术方案：多个电池组结构串联或并联连接后埋设于地面以下0.2m～2m，并与城市电网连接。

22、本发明的一种电池组装置在地面以上的应用采用如下技术方案：电池组装置设置于混动汽车的底盘上。

23、本发明采用黄土作为压电体，试验研究结果显示黄土具有压电效应，分析机理原因如下：

24、(1)黄土中的最主要的矿物为石英，石英矿物的含量可达42％～56％，黄土中石英矿物呈碎屑颗粒(微米或纳米级)的形式存在，排列较为随机，从概率上讲，总有一部分石英颗粒，光轴与受力方向不一致，从而在外部力学作用下产生压电效应；

25、(2)黄土为三相体(固体、气体、液体)，黄土中含有一定量的水分，水分存在于黄土的孔隙中，土中的水有三种类型，结合水、毛细水及重力水。其中，结合水不能自由流动，其密度较大，结合水又分为强结合水和弱结合水，强结合水的比重达到2.0以上，弱结合水的密度也较大，结合水属固体颗粒的一部分，当黄土受到外部作用时，一部分应力由颗粒承担，而另一部分应力则由孔隙中的水分承担，不能自由流动的结合水受压后可产生变形，从而产生压电效应，毛细水及重力水受压后会流动，不能被压缩，不能产生压电效应，但水的流动，尤其是毛细水，会产生流动电势，使压电体的两端电压增高；毛细水及重力水即使不发生流动时，其内部分子也一直处于运动(如布郎运动)状态，运动就会产生能量和作用力，也就是说，没有外部应力作用时，水体内部的力学作用也一直在持续发生，这会为压电效应的产生提供能量；

26、(3)黄土中的结合水膜与颗粒间作用力较大，可将不同颗粒吸附在一起，强结合水的作用力非常大，可达mpa级，如前所述，可使水的比重达到2.0以上(水在常温、常压下的比重为1.0)，弱结合水吸附力也可达100kpa以上，有力的作用，就会有变形的发生，就会产生压电效应；

27、(4)根据《土力学》原理，由于颗粒表面分子解离、同晶替代等原因，土颗粒本身就带有电荷(详见“陈国兴,等.土质学与土力学.北京:中国水利水电出版社,2006”)；水分子为极性分子，所以在颗粒的周围形成双电层，压电效应使地颗粒表面电荷量显著增大，则双电层厚度会进一步增大，颗粒表面的电势自然会增强；

28、(5)压电电荷只在压电体表面产生；黄土中的矿物颗粒粒径非常小，因此，黄土的比表面积比同体积石英的比表面积大得多，因此压电效应更强；

29、(6)黄土在上部荷载(如车辆自重、土壤重量等)作用下会发生固结变形，黄土为(弹)塑性体，故这一固结过程持续时间非常漫长，即黄土在静力作用下其颗粒之间的错动、土体的变形是持续发生的，也可产生并持续压电效应；也就是说，在静力作用下，也可以采用黄土为压电体制做电池或发电系统，如挖坑埋设电池组或在地面通过上部堆载施加应力，均可建设发电系统；

30、评定压电材料压电性能的指标为压电系数，黄土的压电系数是石英晶体的4～10倍，在一定的条件下，甚至可达石英晶体压电系数的13倍以上，可见其压电性能非常优良，利用价值很高，同时这也说明，黄土中水分对黄土压电性的影响超过了石英，而自然界黄土中均含有一定量的水分，由于黄土在静力作用下即可产生压电效应，故在车辆未启动、振动作用未产生时，通过人体、车身的压力作用下，即可完成车辆打火启动，也可供照明，当然车辆启动后，振动起主要作用，黄土在振动作用下压电效应会显著增强，压电电压会增加数倍。

31、综上所述，黄土的压电系数较高，其成本比石英、pzt、pvdf低得多，且可直接采用，无需进行极化等处理，有较高的应用价值，可采用黄土为压电体制做压电式电池组结构。

32、本发明相比现有技术的有益效果是：

33、1、本发明中，黄土压电体中的黄土的最主要的矿物为石英，石英矿物的含量可达42％～56％。黄土中石英矿物不是以晶体形式存在的，而呈碎屑颗粒，排列较为随机，因此，总有一部分石英颗粒，光轴与受力方向不一致，从而当黄土压电体承受外部作用力时，即可产生电，不需要利用充电桩等充电设备对电池组结构进行充电，使用方便，节能环保。

34、2、本发明中，黄土压电体由黄土制成，不会燃烧、不会爆炸，安全性好。

35、3、本发明中，保护套的两端均有超出黄土压电体的延伸长度，确保保护套能够对黄土压电体起到良好固型效果，同时第一隔板的厚度大于延伸长度的两倍，能保证堆叠放置的上下两个保护套之间具有间隙，不会影响黄土压电体承受压力时的变形，即压电效应的效果。

36、4、本发明中，电池组的顶端为第二隔板，第二隔板有超出外壳顶端的延伸厚度，当第二隔板受到压力，黄土压电体变形下沉时，第二隔板也一直高于外壳边缘，从而外壳不会影响黄土压电体被施加压力。

37、5、本发明中，电池组底端的导线经穿线槽引出至顶端，防止导线受压而受损。

38、6、本发明中，黄土压电体所采用的黄土经隧道开挖产生，即固体废弃物，其处置占用土地，而采用这类黄土制作电池，变废为宝。

39、7、本发明中，黄土压电体两端设置有正电极和负电极，可以将压电效应产生的束缚电荷转换为可移动电荷。

40、8、本发明中，电池组装置中包括设置有加湿器，加湿器能够保证黄土压电体始终保持在一定湿度范围内，一定湿度的黄土中存在结合水，结合水分强结合水与弱结合水，结合水膜与颗粒间作用力较大，可将不同颗粒吸附在一起，强结合水的作用力非常大，可达mpa级，可使水的比重达到2.0以上(水在常温、常压下的比重为1.0)，弱结合水吸附力也可达100kpa以上，有力的作用，就会有变形的发生，有助于产生压电效应。

41、9、本发明中，电池组装置中的湿度传感器可以监测电池箱中湿度，并将湿度数据传递给控制模块，控制模块根据湿度传感器提供的湿度数据灵活控制加湿器的启停，从而确保黄土压电体的湿度。

42、10、本发明中，电池箱顶部与盖板滑动连接，便于将盖板承受的载荷传递至多个电池组结构。

43、11、本发明中，当电池组装置安装在混动汽车的底盘上时，可进一步安装在发动机的底部，混动汽车行驶过程中，会产生明显的颠簸，发动机振动的同时向盖板施加动载荷，进而将压力传递至多个电池组结构上，压电效应产生电能，同时混动汽车在行驶过程中，发动机发热，压电效应随着振动的增强及温度的提高(温度的提高促进水分子的运动)而更加显著，当电池组装置的电量达到可驱动汽车的动力需求时，燃油发动机停止工作，由电池组装置提供动力的电动机单独工作，驱动混动汽车行驶，当电池组装置的动力不足以单独驱动混动汽车行驶，则燃油发动机启动，由电池组装置支持的电动机及燃油发动机同时为汽车提供动力，这种情形下虽然燃油发动机也工作，但只是辅助的，消耗能量非常小，因此当电池组结构应用于混动汽车领域，可明显节约汽油、减少废气排放，不需要依赖充电桩等充电设备。

44、12、本发明中，当电池组结构埋设在路面以下时，可以将电池组结构埋设于路基范围内，一方面利用车辆行驶时的振动作用激发黄土压电体的压电效应进行发电，另一方面利用车辆重量及上覆土的重量对电池组结构施加静载荷，同样能够激发黄土压电体的压电效应进行发电，这种发电方式绿色、环保，不单独占用土地。