專利名稱：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的制作方法
發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域發(fā)明涉及能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，更具體地說，涉及用來改善電池性能的電池管理系統(tǒng)。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)電池產(chǎn)業(yè)面臨對(duì)電池管理技術(shù)日益增長的需求，這主要是由于消費(fèi)者對(duì)電池供電的便攜式設(shè)備(如移動(dòng)電話和手提電腦)的輕便性的要求越來越高。此外，由于迅速增加的政府規(guī)章，以及消費(fèi)者對(duì)空氣和噪聲污染的憂慮，當(dāng)前日漸強(qiáng)調(diào)電動(dòng)工具和零排放車輛(用于這些新一代車輛的主要?jiǎng)恿υ词请姵?的發(fā)展。另一個(gè)需要高效電池的領(lǐng)域是能量儲(chǔ)存應(yīng)用，例如用于敏感的電子元器件的負(fù)載平衡、應(yīng)急或備用電力和電力質(zhì)量系統(tǒng)。
由于對(duì)電池供電設(shè)備需求日增，電池產(chǎn)業(yè)面臨的競爭壓力是生產(chǎn)理想的電池。理想的電池是那種幾乎沒有重量、不占據(jù)空間、提供以循環(huán)次數(shù)表示的超長的壽命，具有理想的充放電性能，并且失效后不破壞環(huán)境。電池產(chǎn)業(yè)最常應(yīng)用的是鉛-酸電池技術(shù)，這種電池正面臨著挑戰(zhàn)，即要達(dá)到更高的能量密度、更小的尺寸、更好的性能水平、更長的循環(huán)次數(shù)壽命和保證可回收利用。
一些制造商正在研究包括鎳氫電池、鋰-離子電池等在內(nèi)的特種電池，但是此類電池價(jià)格昂貴，現(xiàn)階段不具經(jīng)濟(jì)可行性，尤其不適用成長最迅速的市場(chǎng)之一--兩輪/三輪載人車輛。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，電池的性能，即便現(xiàn)有的鉛-酸電池的性能，可以通過對(duì)電池工作條件的適當(dāng)管理得到改進(jìn)。
在現(xiàn)階段的電池管理中有幾個(gè)方面定位是不適當(dāng)?shù)?，這些方面包括(Ⅰ)防止在再次充電或再生操作期間過度充電；(Ⅱ)防止在大功率放電或長時(shí)間操作期間過度放電；(Ⅲ)使電池的內(nèi)電阻的負(fù)面效應(yīng)最小化；以及(Ⅳ)監(jiān)視、控制和保護(hù)電池系統(tǒng)中單個(gè)電池單元的能力。
鉛-酸電池的充電器通常有兩項(xiàng)任務(wù)要完成。第一項(xiàng)任務(wù)是盡可能迅速地恢復(fù)容量，第二項(xiàng)任務(wù)是通過補(bǔ)償自動(dòng)放電保持容量。在這兩種情況下，最佳操作都要求準(zhǔn)確地檢測(cè)電池的電壓和溫度。典型的鉛-酸電池單元在充電時(shí)，硫酸鉛在電池的負(fù)極和正極極板上分別被轉(zhuǎn)化為鉛和二氧化鉛。待絕大部分硫酸鉛完成轉(zhuǎn)化時(shí)，開始過度充電反應(yīng)，由于分解電解液產(chǎn)生氫氣和氧氣，這通常被稱為“放氣”。在帶排氣口或有閥門調(diào)節(jié)的電池中，這導(dǎo)致電解質(zhì)耗損和電解質(zhì)脫水，因此影響電池的循環(huán)次數(shù)壽命。
通過監(jiān)測(cè)電池電壓可以檢測(cè)到開始過度充電。電池電壓的急劇上升，表明開始過度充電反應(yīng)。開始過度充電反應(yīng)的那個(gè)點(diǎn)取決于充電速率，并且隨著充電速率提高，開始過度充電的復(fù)始容量的百分比減少，也就是說，在過度充電過程中使用的能量不能由電池恢復(fù)。通常采用有所控制的過度充電，以盡快地恢復(fù)全容量和恢復(fù)電池平衡，但這是以減少循環(huán)次數(shù)壽命為代價(jià)的。
雖有多種方法可用來給電池充電，但是這些方法都把一組電池單元看成一個(gè)整體，而且實(shí)際上不監(jiān)視電池中的單個(gè)電池單元，而后者對(duì)于在這組電池單元范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的平衡是必不可少的。典型的12伏特電池是由6個(gè)2伏特電池單元在一個(gè)殼體內(nèi)串聯(lián)而成的，而且有用于主要連接的主終端。通常，電池中的各個(gè)電池單元并非步調(diào)一致，在充放電期間這些電池單元逐漸退化到“不平衡”狀態(tài)。
影響電池壽命的兩個(gè)關(guān)鍵因素是電壓水平上下限。如果鉛-酸電池中的2伏特電池單元在充電或再生期間超過大約2.6伏特，將出現(xiàn)放氣，造成電解液脫水和影響電池壽命。在放電期間，如果電池單元的電壓下降到大約1.6伏特以下，那么將造成對(duì)極板表面的永久性損壞。最常見的充電系統(tǒng)，充電器僅僅與電池單元組的第一個(gè)終端和最后一個(gè)終端連接，所以不能精確地監(jiān)視和防止單個(gè)電池單元受損。通常，充電器只監(jiān)測(cè)累計(jì)電壓，并且只對(duì)該累計(jì)電壓作出反應(yīng)，其結(jié)果是，為滿足充電器預(yù)定的要求，好電池單元被過度充電，以彌補(bǔ)弱電池單元的電壓不足。這種過度充電使電解液脫水，使好電池單元遭受損耗，不僅嚴(yán)重地影響該電池單元的循環(huán)次數(shù)壽命，而且嚴(yán)重地影響整個(gè)電池的循環(huán)次數(shù)壽命。
電池的內(nèi)電阻是另一個(gè)大幅度影響電池系統(tǒng)充放電能力的因素。電池存在許多導(dǎo)致性能下降的問題，但是主要限制之一是克服內(nèi)電阻。每個(gè)電池系統(tǒng)都有一個(gè)內(nèi)電阻，但是目標(biāo)是要使內(nèi)電阻最小，同時(shí)使每單位重量的能量存儲(chǔ)最大。在把負(fù)載與電池連接時(shí)，所需電流流出，并且由于電池內(nèi)阻導(dǎo)致電池電壓下降。內(nèi)電阻越低，電池的壓降就越低。這是由于電池內(nèi)總電阻造成的，該總內(nèi)電阻是由各個(gè)組成部分的物理電阻，以及諸如活性極化和濃差極化之類的極化作用造成的電阻組成的。
在任何電池系統(tǒng)中，總內(nèi)電阻有很大一部分是由極化作用產(chǎn)生。簡單地說，濃差極化涉及在電極表面反應(yīng)物或產(chǎn)物的聚集，即限制反應(yīng)物朝電極擴(kuò)散和產(chǎn)物離開電極。電流越大，電池系統(tǒng)極化損耗就越大。因此，可能從電池系統(tǒng)中獲得的最大電流，要受該電池系統(tǒng)內(nèi)極化作用程度的限制。但是，如果能夠控制極化損耗，就可以從大多數(shù)電池系統(tǒng)中，以最小的電壓損失獲得更多的電流。
因此，本發(fā)明的目的之一是提供一種電力控制裝置，由電池提供預(yù)定的電力輸出，該裝置將大大減少大多數(shù)類型電池的內(nèi)電阻損失。
發(fā)明概要本發(fā)明的內(nèi)容之一，是提供一種電力控制裝置，由電池提供預(yù)定的電力輸出，該裝置包括(Ⅰ)輸出裝置，將該系統(tǒng)的電力傳送給負(fù)載；(Ⅱ)控制裝置，它適合與電池系統(tǒng)連接，以便檢測(cè)該電池系統(tǒng)預(yù)先選定的操作參數(shù)，并且在控制裝置處于第一操作模式時(shí)，把來自該電池系統(tǒng)的電力提供給輸出裝置；(Ⅲ)第一電容器裝置，該裝置適于連接在控制裝置與電池系統(tǒng)之間，適合儲(chǔ)備預(yù)定數(shù)量的電力，并且在控制裝置處于第二操作模式時(shí)，依據(jù)來自控制裝置的指令信號(hào)，把儲(chǔ)備的電力供應(yīng)給電池系統(tǒng)；(Ⅳ)第二電容器裝置，該裝置連接在控制裝置與輸出裝置之間，它適合儲(chǔ)備預(yù)定數(shù)量的電力，并且在控制裝置處于其第二操作模式時(shí)，依據(jù)來自控制裝置的指令信號(hào)，把它儲(chǔ)備的電力供應(yīng)給輸出裝置。
優(yōu)選的是，第一和第二電容器裝置，適合儲(chǔ)備從電池轉(zhuǎn)移出去的少量電力。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，控制裝置在開始由該電力控制系統(tǒng)供電之后，按照預(yù)定的時(shí)間間隔，把指令信號(hào)提供給第一電容器裝置和第二電容器裝置。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，控制裝置適合檢測(cè)電池中的極化水平，并且在電池極化水平超過預(yù)定的極限時(shí)，發(fā)出對(duì)第一電容器裝置和第二電容器裝置的控制信號(hào)。
在第一電容器裝置中儲(chǔ)備的電力，引發(fā)反向充電或脈沖，以激勵(lì)電池系統(tǒng)內(nèi)的電極，其放電率與控制裝置檢測(cè)到的該電池系統(tǒng)的內(nèi)電阻成正比。對(duì)電極表面的這種激勵(lì)，允許更大電流流入和流出該電池，因此就電池系統(tǒng)而言，允許更大電流消耗、更快的再次充電，獲得更長的循環(huán)使用壽命。
所述的控制系統(tǒng)，能夠適用把電池系統(tǒng)作為一個(gè)整體，或者作為由各個(gè)電池單元組成的電池系統(tǒng)，檢測(cè)其預(yù)先選定的操作參數(shù)。
所述的電力控制裝置適用自動(dòng)監(jiān)測(cè)電池的電流、溫度、內(nèi)電阻和操作性能，還可適用在充電和放電循環(huán)期間，監(jiān)測(cè)電池系統(tǒng)中每一個(gè)電池單元。
另一方面，所述的電力控制系統(tǒng)，可以用于由充電器將預(yù)定的電力輸入電池系統(tǒng)。
再有，本發(fā)明提供了一種電池管理系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)是為至少具有一個(gè)電池單元，具有至少一對(duì)電極，并且易受極化作用影響的電池準(zhǔn)備的，所述的電池管理系統(tǒng)包括
(Ⅰ)監(jiān)測(cè)裝置，用于指示電池或每個(gè)電池單元的極化水平的預(yù)定參數(shù)；(Ⅱ)儲(chǔ)備裝置，儲(chǔ)存將被轉(zhuǎn)移到電池中或從電池中轉(zhuǎn)移出去的預(yù)定數(shù)量的電力；以及(Ⅲ)把相反的電荷或脈沖引入電極以便減少極化作用的裝置。
附圖簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)特定電力控制裝置，由電池系統(tǒng)提供預(yù)定的電力輸出的方框圖。
圖2是基于本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例，通用的電力控制裝置的的方框圖。
圖3是圖1所示的電力控制系統(tǒng)應(yīng)用于鉛-酸電池系統(tǒng)的的方框圖。
圖4是配有/未配有本發(fā)明的電力控制裝置的鉛-酸電池，其循環(huán)使用次數(shù)對(duì)應(yīng)電池容量圖。
圖5是圖1所示的電力控制系統(tǒng)應(yīng)用于氧化還原-凝膠(Redox-Gel)電池系統(tǒng)的方框圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1所示的電力控制系統(tǒng)10，適合把來自電池系統(tǒng)11的預(yù)定的電力輸出，通過終端或輸出裝置12提供給負(fù)載，如所連接的電動(dòng)車輛。在輸出端12和電池系統(tǒng)11的端子13之間，有一個(gè)控制裝置14，該裝置檢測(cè)電池系統(tǒng)11的預(yù)定操作參數(shù)?？刂蒲b置14在第一操作模式期間，把來自電池系統(tǒng)11的電力提供給輸出端12。
連接在電池系統(tǒng)11和控制裝置14之間的第一電容器裝置15，在控制裝置14的第一操作模式期間，儲(chǔ)存來自電池系統(tǒng)11的預(yù)定數(shù)量的電力，并且在該控制裝置處于第二操作模式時(shí)，依據(jù)來自控制裝置14的指令信號(hào)，把它儲(chǔ)存的電力提供給電池系統(tǒng)11。
連接在輸出端12和控制裝置14之間的第二電容器裝置16，在控制裝置14處于第一操作模式時(shí)儲(chǔ)存來自蓄電池系統(tǒng)11的預(yù)定數(shù)量的電力，并且在該控制裝置處于第二操作模式時(shí)，依據(jù)來自控制裝置14的指令信號(hào)，把它儲(chǔ)存的電力提供給輸出端12。
這樣，該電力控制系統(tǒng)包含兩個(gè)電容器網(wǎng)絡(luò)，在所述控制裝置14檢測(cè)到電池系統(tǒng)11極化水平過高，或者電力從首先提供給負(fù)載起超過預(yù)定的時(shí)間間隔，它開始給電池系統(tǒng)11施加反向電荷。在這個(gè)放電過程中，控制裝置14允許第一電容器網(wǎng)絡(luò)15，把存儲(chǔ)的能量用于向電池系統(tǒng)11充電，與此同時(shí)，第二電容器裝置16把電力提供給輸出端12，從而不間斷供電。由于此逆向過程或放電過程非常短暫，并且非常有效，可以按規(guī)定的時(shí)間間隔設(shè)定。
這種逆向充電可以在電池系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生破壞極化作用的效果，并且使極化作用的影響和相關(guān)的損失降低到最小。
這種電力控制系統(tǒng)還可以與一個(gè)充電器一起工作，以在其整個(gè)運(yùn)作過程中提供最佳性能和電池維護(hù)。這種電力控制系統(tǒng)可能適合防止將未經(jīng)授權(quán)的充電器連接到電池系統(tǒng)上，借此防止?jié)撛诘臑E用，保證車主不試圖在家里使用不適當(dāng)?shù)某潆娖鹘o電池系統(tǒng)充電。
這種電力控制系統(tǒng)、充電器和車輛可以與個(gè)人的電子簽名合并，使整個(gè)系統(tǒng)受到很準(zhǔn)確的跟蹤和監(jiān)測(cè)。每次電池系統(tǒng)被安裝到一個(gè)充電器上，電力控制系統(tǒng)都作自我識(shí)別，確認(rèn)其從哪輛車拆下，以及車主身份。
所述的控制系統(tǒng)，不僅可用于識(shí)別電池能量水平，亦可根據(jù)電量使用情況，估算剩余行駛里程。由此，車輛駕駛員可獲知在現(xiàn)有電能情況下，還可行駛多少公里。
每個(gè)充電器單元都可以借助遙測(cè)系統(tǒng)連接到一個(gè)操作中心，該中心可以持續(xù)監(jiān)視充電站網(wǎng)絡(luò)中所有的充電站。
這種電力控制系統(tǒng)可以包括速度控制模塊的功能和特征，這意味著車輛管理者可以省略車輛上的速度控制裝置，只需借助該電力控制系統(tǒng)控制輸出。這將降低車輛的成本、減少制造商的擔(dān)保風(fēng)險(xiǎn)，并且能夠借助遙感通信系統(tǒng)提供連續(xù)的性能監(jiān)測(cè)。
這種電力控制系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種電池系統(tǒng)，例如帶調(diào)節(jié)閥的鉛酸電池、鎳氫電池和氧化還原-凝膠(redox-gel)電池，針對(duì)每種系統(tǒng)都有其優(yōu)勢(shì)和特定目標(biāo)的應(yīng)用。
另外，這種電力控制系統(tǒng)還可以用于改善邊遠(yuǎn)地區(qū)備用電力系統(tǒng)性能，負(fù)載平衡和應(yīng)急后備電池系統(tǒng)的性能。邊遠(yuǎn)地區(qū)使用和應(yīng)急情況備用的固定的電池系統(tǒng)，可以任由它長期被充分地充電。由于各個(gè)電池單元以不同的速率自動(dòng)放電，可通過編程由電力控制系統(tǒng)定期檢查每個(gè)電池單元的狀況，并利用電池平衡技術(shù)對(duì)各個(gè)電池單元進(jìn)行內(nèi)部平衡。另外，充電系統(tǒng)可以保持在待機(jī)狀態(tài)，按所需由電力控制系統(tǒng)控制。
在圖2中用方框圖形式表示的，是所述電力控制系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，包括微處理器40和附帶的軟件57，管理下述的全部功能。在這個(gè)實(shí)施例中，微處理器是以8MHz的速度運(yùn)行的8位微處理器，但是4位、16位、32位或64位的微處理器也都可以使用。微處理器速度可以從4MHz到166MHz。另外，數(shù)字信號(hào)處理芯片可以根據(jù)各個(gè)電池的需要予以選用。微處理器有EEPROM(電可擦除只讀存儲(chǔ)器)、ROM(只讀存儲(chǔ)器)和RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)。另外，ASIC(特定應(yīng)用專用集成電路)也可使用。
各個(gè)電池單元的電壓測(cè)量模塊41，與各電池單元分別連線，此導(dǎo)線僅用于測(cè)量電壓。對(duì)不超過24伏特的電池，每個(gè)電池單元的電壓都是以接地點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，也可以視需要和精度要求的規(guī)定直接測(cè)量每個(gè)電池單元的電壓。
模塊42可以用來調(diào)整各個(gè)電池單元的電壓測(cè)試，該模塊包括一個(gè)用電阻器網(wǎng)絡(luò)分配電池單元電壓，并且借助分壓器中跨接接地電阻器的濾波電容器進(jìn)行平滑處理的電路。可使用利用運(yùn)算放大器的有源濾波或其它濾波裝置。用分壓器和濾波器把電壓按比例縮放成適合模數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓。這里，4.95伏代表每條電池引線的期望最高電壓。12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器被用于測(cè)量每個(gè)電池單元的電壓。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器是受微處理器連續(xù)控制的，它通過按比例縮放每個(gè)電壓，用每個(gè)電池單元正極一側(cè)的電壓減去其負(fù)極一側(cè)的電壓，把各個(gè)實(shí)測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成電池單元電壓。這是針對(duì)每個(gè)電池單元進(jìn)行的，這種方法可應(yīng)用于電池單元電壓不超過24伏或30伏的情況。
對(duì)于超過24伏或30伏的情況，可采用上述方法，應(yīng)用多級(jí)數(shù)據(jù)處理，借助光學(xué)耦合串行通信，通過傳送系列數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，確定電池單元電壓。也可采用跨接每個(gè)電池單元的電壓-頻率轉(zhuǎn)換器，用于直接測(cè)量電池單元電壓，作為頻率信息發(fā)送給微處理器。這些電壓-頻率轉(zhuǎn)換器可以與微處理器是電耦合的或光學(xué)耦合的，微處理器將頻率信息轉(zhuǎn)換成電壓信息。
電流測(cè)量模塊43測(cè)量分路電阻器的兩端電壓，使用帶有源濾波器的電流傳感放大器獲得電流值。另一種方法是，采用霍爾效應(yīng)裝置測(cè)量電流，然后對(duì)所獲信號(hào)做適當(dāng)調(diào)整。
電流測(cè)試調(diào)整是由電路模塊44完成的，在該模塊中分路兩端的實(shí)測(cè)電壓被轉(zhuǎn)換成與電流方向無關(guān)的0-5伏的電壓，然后將該電壓輸入12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與前述用來測(cè)電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相同。此調(diào)整電路系統(tǒng)還向微處理器輸入數(shù)字信號(hào)，提供電流方向信息。這是借助外部元器件最少的集成電路完成的。解決分離元件問題也將降低這方面的成本。
溫度是電路模塊45測(cè)定的，電路板上裝有溫度傳感器。此裝置可在不同區(qū)域任意設(shè)置，例如，電池、各個(gè)電池單元和外部，以獲知周邊溫度。
溫度測(cè)試調(diào)整是由電路模塊46完成的，在該模塊中溫度值是一個(gè)電壓輸出值，使用低偏壓運(yùn)算放大器，把這個(gè)數(shù)值調(diào)制成0-5伏電壓，以便適合輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，此模數(shù)轉(zhuǎn)換器與前述測(cè)量電壓和電流所用相同。
液晶顯示器(LCD)47被用于顯示信息，例如所余電量、所余里程數(shù)及其他信息。
顯示器驅(qū)動(dòng)器48直接受微處理器40驅(qū)動(dòng)，其方法是根據(jù)儲(chǔ)存在微處理器40內(nèi)部的檢索表，把適當(dāng)?shù)臄?shù)值寫入存儲(chǔ)單元。根據(jù)微處理器的要求和LCD的復(fù)雜程度，可能需要獨(dú)立的集成電路驅(qū)動(dòng)器。也可使用發(fā)光二極管(LED)或氣體等離子體顯示器。另外，也可采用液晶顯示模塊。
聲信號(hào)指示器模塊49，包括向用戶提供聲信號(hào)的壓電蜂鳴器。此裝置最好直接由微處理器驅(qū)動(dòng)，如有必要也可以用晶體管驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
倘若電池被用來提供車輛動(dòng)力，距離傳感器50可安裝在車輪上。這個(gè)傳感器50可以是電磁傳感器，將磁體安裝在車輪上，霍爾效應(yīng)傳感器安裝在車輛的固定部分。另外，也可以采用光學(xué)傳感器。
距離傳感器的調(diào)整，是借助電路模塊51完成的。在該模塊中，距離傳感器50的輸出是頻率信號(hào)，該頻率信號(hào)按比例縮放后用微處理器40進(jìn)行測(cè)量，然后再將這個(gè)測(cè)量值轉(zhuǎn)換成速度或距離值。
壓力傳感器模塊52，包括位于電池中的低電壓(大約為0-100毫伏)輸出的壓力傳感器。
壓力傳感器調(diào)整模塊53，借助精密運(yùn)算放大器把該輸出按比例放大到0-5伏，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
通信模塊54，保證來自電池充電器的全部控制和通信信號(hào)借助直接來自微處理器40的串行總線進(jìn)行通信。此串行總線還可連接PC進(jìn)行標(biāo)定。
為了保證電池使用壽命，最佳方案中所有元器件的選用，都要考慮降低電流消耗。微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和所有的其它電路系統(tǒng)，都可以通過把來自微處理器的信號(hào)傳送給低電流模式模塊55，被置于低電流消耗模式。
為了獲得必要的精確度水平，傳送給微處理器的模擬輸入，經(jīng)校準(zhǔn)模塊56校準(zhǔn)，而校準(zhǔn)因子和殘留誤差被儲(chǔ)存在EEPROM存儲(chǔ)器中。
軟件57優(yōu)選輪詢確定的地址，以及因臨界時(shí)間事件(例如當(dāng)前對(duì)累積能耗的監(jiān)控)中斷的驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選的是，該軟件能夠確定各個(gè)電池單元是否出了故障，并且通知電池充電器。
該軟件可以包括多項(xiàng)式電壓電流算法，可以通過斷開開關(guān)防止電池過度放電。該軟件適合于(a)計(jì)算電池的自動(dòng)放電和能夠啟動(dòng)電池單元的平衡處理；(b)記錄循環(huán)次數(shù)并且把這個(gè)信息發(fā)送給電池充電器；(c)監(jiān)視、通訊和啟動(dòng)保護(hù)性措施，以防止電壓過高或電壓過低；(d)按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行電流取樣，計(jì)算電流對(duì)時(shí)間的積分，以便提供已使用的安培小時(shí)數(shù)據(jù)和所剩安培小時(shí)數(shù)據(jù)；以及(e)根據(jù)當(dāng)前周期的負(fù)載，校正已使用的安培小時(shí)數(shù)和剩余的安培小時(shí)數(shù)。
微處理器40還可以驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETS)或IGBT，以便控制提供給電機(jī)58的電流。這可以為換向型電機(jī)提供調(diào)制單脈沖寬度的控制，或者為多種類型的無電刷電機(jī)(例如磁阻電機(jī)或無電刷的直流電機(jī))提供準(zhǔn)正弦曲線控制。
FET或IGBT開關(guān)59，被用于電池的安全和保護(hù)。低電阻的FET開關(guān)(FETS)被采用。
開關(guān)59受開關(guān)控制模塊60的控制，該控制模塊是受微處理器40驅(qū)動(dòng)的，而FETS或IGBT的驅(qū)動(dòng)裝置利用被切換的電源提升電壓，以使高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)成為可能。
在電阻控制模塊61中，微處理器控制FET，該FET的功能是定期向一個(gè)電容器充電，使之電壓高于電池電壓，在電容器向電池放電時(shí)，同時(shí)切換到另一個(gè)電容器，由該電容器持續(xù)提供負(fù)載電流。
能量計(jì)量表62的輸出顯示在LCD顯示器上，顯示所剩能量。這個(gè)數(shù)值是通過求電流對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算出來的。按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行電流取樣，從總量中減去計(jì)算值，計(jì)算百分比，給出所余電量。
內(nèi)電阻/阻抗模塊63，借助測(cè)定電流步進(jìn)變化前后的電壓變化計(jì)算內(nèi)電阻。這可以發(fā)生在充電期間和放電期間。AC電流或電壓被注入電池，測(cè)量最終的電壓或電流，也可以計(jì)算內(nèi)電阻或阻抗。
電池單元平衡模塊64是這樣操作的，在發(fā)現(xiàn)一個(gè)電池單元比電池組中的其它電池單元自動(dòng)放電多時(shí)，將從整組電池中提取電力，利用開關(guān)式大功率轉(zhuǎn)換器，把該電力轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷?，并且分配給最弱的電池單元，從而使諸電池單元達(dá)到平衡。
傳統(tǒng)的鉛-酸電池存在下述缺點(diǎn)，即可利用的容量有限、放電深度低、循環(huán)次數(shù)壽命短、能量密度低、溫度管理問題，以及為了保持電池良好狀態(tài)需經(jīng)常充電。鉛-酸電池還要求較長的充電時(shí)間，而大充電電流僅能在非常低的充電狀態(tài)下使用幾分鐘。如果使用大電流，通常導(dǎo)致高于允許的電壓，引起電解質(zhì)損耗和降低電池的容量。在補(bǔ)充充電的情況下，如果遵循適當(dāng)?shù)某潆娗€，鉛-酸電池補(bǔ)充充電的時(shí)間最多能達(dá)到4小時(shí)。
鉛-酸電池的循環(huán)次數(shù)壽命變化很大，取決于在循環(huán)期間放電的深度。就電動(dòng)車輛應(yīng)用而言，90-100％的DOD(放電深度)并不少見，并且在這樣的DOD水平，常見的深度放電循環(huán)鉛-酸電池的循環(huán)次數(shù)壽命大約為300個(gè)循環(huán)周期。
圖3所示電力控制系統(tǒng)20，應(yīng)用于鉛-酸電池，采用經(jīng)過證明的鉛-酸格式，采用了先進(jìn)的螺旋纏繞技術(shù)用于它的電池單元結(jié)構(gòu)。12個(gè)獨(dú)立的電池單元21，是由電阻非常低的螺旋式，有很大表面積的電極構(gòu)成的。已研制出先進(jìn)的電解液，有助于允許從該電池系統(tǒng)提取非常大的電流。該電池系統(tǒng)，結(jié)合了電力控制系統(tǒng)20、螺旋纏繞電池單元技術(shù)和改進(jìn)的電解液。各個(gè)電池單元21通過總線22串聯(lián)起來，該總線還被連接到第一電容器裝置23、控制裝置24、第二電容器裝置25和輸出端26上。虛線27表示指令信號(hào)從控制裝置24傳送到第一電容器裝置23。帶閥門調(diào)節(jié)的鉛-酸格式的運(yùn)用，以比較低的成本和成熟的技術(shù)，作為“租賃能量”系統(tǒng)的起點(diǎn)。
通過利用電力控制系統(tǒng)20，重新組合優(yōu)化電池設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，提供了一種有重大改進(jìn)的電池，該電池可提供更大的電流、更大容量、延長了循環(huán)次數(shù)壽命和縮短了充電時(shí)間，并且僅具有較高的邊際制造成本。
這在圖4中得到證明，該圖是配有/未配有本發(fā)明的電力控制裝置的鉛-酸電池，其循環(huán)使用次數(shù)對(duì)應(yīng)電池容量曲線。一個(gè)循環(huán)是從充電到放電然后回到充電。
增大的電流意味著電力和容量的利用得到改進(jìn)，從而可獲得的更高的安培-小時(shí)值和更遠(yuǎn)的行車距離。延長的循環(huán)次數(shù)壽命，意味著該電池在被更換前可以被再次充電更多次數(shù)，因此降低了年度運(yùn)行成本。減少充電時(shí)間，意味著該電池能更迅速地周轉(zhuǎn)，因此減少了能量租賃系統(tǒng)中需要備用的電池?cái)?shù)量。
該電力控制系統(tǒng)還可以應(yīng)用于常見的鎳-金屬-氫化物(NiMH)電池，該電池系統(tǒng)采用先進(jìn)的工藝，高純度材料，致使成本很高。為了得到高性能的電池，用膨脹的鎳泡沫、高純度氫氧化鎳化合物和經(jīng)過處理的金屬合金材料，都需要非常嚴(yán)格的質(zhì)量控制。
NiMH氫化物電池還可能存在一些自動(dòng)放電問題，而且還可能受溫度的影響。就某些系統(tǒng)而言，提取大電流可能引起電池單元的損壞，而且必須避免給電池過度充電。在這方面，為了保證適當(dāng)充電，需要先進(jìn)的電池充電器。
這個(gè)實(shí)施例的NiMH電池系統(tǒng)，采用了先進(jìn)的NiMH技術(shù)，該設(shè)計(jì)利用了電池電力控制系統(tǒng)提供的全部優(yōu)勢(shì)。電池單元結(jié)構(gòu)利用螺旋纏繞電池單元技術(shù)，電池單元電力輸出能力大大提高。電力控制系統(tǒng)被并入電池體。該電力控制系統(tǒng)可以大幅度降低極化作用的影響，從而允許該電池系統(tǒng)提供更大的電流，而不損害循環(huán)次數(shù)壽命。
由于這個(gè)集成單元的全部功能都受電力控制系統(tǒng)的監(jiān)視，所以它實(shí)際上是一個(gè)獨(dú)立的智能型能量儲(chǔ)存系統(tǒng)。該電力控制系統(tǒng)可以采取積極步驟來維持最佳的電池性能，同時(shí)延長循環(huán)次數(shù)壽命。
這種NiMH系統(tǒng)非常適合“能量租賃”系統(tǒng)，因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)包括能量密度高、電能高、循環(huán)次數(shù)壽命長和充電時(shí)間短。與帶閥門調(diào)節(jié)的電池系統(tǒng)相比，這個(gè)系統(tǒng)將允許電動(dòng)車輛行駛更長的距離，只是成本稍高。但是，這個(gè)實(shí)施例所采用系統(tǒng)的生產(chǎn)成本大大低于現(xiàn)有的產(chǎn)品，按市價(jià)評(píng)估結(jié)果表明，就NiMH系統(tǒng)而言，總價(jià)格幾乎是目前所用的產(chǎn)品價(jià)格的1/10。
NiMH系統(tǒng)尤其適合電動(dòng)自行車，為長距離旅行準(zhǔn)備的小型電池系統(tǒng)是符合要求的。
所述的電力控制系統(tǒng)還可應(yīng)用于已經(jīng)研制多年的氧化還原(Redox)電池。這些電池主要是以氧化還原流電池的形式出現(xiàn)的，它把能量儲(chǔ)存在與電池疊片分開保存的液體電解質(zhì)中。在操作期間，電解質(zhì)通過該系統(tǒng)循環(huán)，而能量在電解質(zhì)中來回轉(zhuǎn)移。氧化還原流電池通常存在下述缺點(diǎn)，即能量密度低和泵送損失，后者與電解質(zhì)通過該系統(tǒng)再循環(huán)相關(guān)聯(lián)。在某些情況下，存在高自動(dòng)放電率，這取決于隔膜或是否存在內(nèi)部分路電流。
氧化還原凝膠(redox-gel)電池不同于氧化還原流電池，主要是其電解質(zhì)不需要再循環(huán)，因?yàn)槠潆娊赓|(zhì)是高度濃縮的凝膠。
常規(guī)的電池系統(tǒng)采用某種形式的固體金屬電極，涉及相轉(zhuǎn)移反應(yīng)。這通常致使重量增加和效率降低。氧化還原凝膠電池使用高度濃縮的凝膠，它把帶正電荷和帶負(fù)電荷的活性離子高度濃縮在各自的凝膠中。所有的活性組分都被包含在凝膠中，而且不發(fā)生相轉(zhuǎn)移反應(yīng)，所以將由于損失最小而獲得高效率。
本發(fā)明的電力控制系統(tǒng)可以被集成在氧化還原凝膠電池組中，以降低極化作用的影響。由于凝膠是高度濃縮的，在把大負(fù)載施加給電池系統(tǒng)時(shí)，極化作用可能更強(qiáng)。專門為氧化還原凝膠電池設(shè)計(jì)的電力控制系統(tǒng)，能夠克服在氧化還原凝膠電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的許多限制。
圖5所示的電力控制系統(tǒng)30，包括在內(nèi)部連接各個(gè)電池單元32的總線系統(tǒng)31、控制裝置33、第一電容器裝置34、第二電容器裝置35和輸出端36。線37代表指令信號(hào)。
專門為氧化還原凝膠電池設(shè)計(jì)的控制裝置33還有許多監(jiān)控功能，例如監(jiān)測(cè)各個(gè)電池單元的電壓和溫度。它還可以監(jiān)測(cè)密封的電池組內(nèi)部的壓力，以及確定該系統(tǒng)在任何給定條件下容許的負(fù)載限度。控制裝置33，能夠在充電的任何階段采取積極步驟，維持最佳的電池性能。在系統(tǒng)受到這種高水平的控制時(shí)，該系統(tǒng)能夠在非常長的循環(huán)次數(shù)壽命中，反復(fù)利用它的全部容量。
這個(gè)系統(tǒng)有極具競爭力的價(jià)格，對(duì)于當(dāng)前可利用的能量儲(chǔ)存系統(tǒng)來說，它提供了優(yōu)越的性能。氧化還原凝膠電池所用的電極只具有簡單的功能，即把電能轉(zhuǎn)移到凝膠電解質(zhì)中和從凝膠電解質(zhì)中轉(zhuǎn)移出去。這些電極是惰性的，并且可以用專門研制的導(dǎo)電塑料等材料來生產(chǎn)。
這個(gè)系統(tǒng)把氧化還原凝膠電池與電力控制系統(tǒng)合并，生產(chǎn)一種能量儲(chǔ)存系統(tǒng)，其能量密度幾乎是NiMH系統(tǒng)的兩倍。由于凝膠電解質(zhì)的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)還具有非常長的循環(huán)次數(shù)壽命。這個(gè)系統(tǒng)從整體上說是非常經(jīng)濟(jì)的。由于它重量輕而且堅(jiān)固耐用，它非常適用對(duì)“租賃能量的”車輛更換電池。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，涉及電池的充電和調(diào)整模塊，該模塊與電力控制系統(tǒng)結(jié)合成一體，被集成在電池系統(tǒng)中。
電池系統(tǒng)會(huì)有許多問題，其中主要限制之一是被不當(dāng)充電或統(tǒng)調(diào)充電(gang charging)，電池的總體情況被記錄下來，并且實(shí)施定量的充電。但是，這個(gè)概念不考慮各個(gè)電池單元的情況，所以充電最多的電池單元通常被過度充電，而充電最少的電池單元往往充電不足。結(jié)果導(dǎo)致電池的整體壽命被大大減少。
另一個(gè)問題是，由于在各個(gè)組成部分上內(nèi)電阻所產(chǎn)生的內(nèi)部效應(yīng)，致使電池不能接受大的充電電流?？焖俪潆娡ǔＲ鸱艢猓a(chǎn)生氫氣，這不僅是很危險(xiǎn)的，而且由于分解電解液，而縮短限制了電池的壽命。這個(gè)充電器與電力控制系統(tǒng)結(jié)合起來運(yùn)行，可限制內(nèi)電阻，因此允許較快的充電速率，而且不影響電池的循環(huán)次數(shù)壽命。
本發(fā)明提供一種獨(dú)特的電池充電和調(diào)節(jié)模塊，該模塊被集成在電力控制系統(tǒng)中，與電池系統(tǒng)結(jié)合成一體。這個(gè)電力控制系統(tǒng)的主要功能是減少由于電池內(nèi)電阻而產(chǎn)生的極化效應(yīng)。重要的是，它已經(jīng)允許控制多重機(jī)載功能，例如監(jiān)控各個(gè)電池單元、提供電力輸出控制功能、與專用電池充電器結(jié)合在一起運(yùn)行、提供保護(hù)和調(diào)整功能。
專用電池充電器能夠識(shí)別該電力控制系統(tǒng)，并因此能夠識(shí)別借助遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給操作中心的電池模塊編號(hào)。一旦電池已被登記而且顧客帳戶已得到確認(rèn)，電力控制系統(tǒng)允許電池充電器開始充電。
實(shí)際的充電功能是與電力控制系統(tǒng)結(jié)合起來完成的，以便保證每個(gè)電池單元都受到監(jiān)控，并且對(duì)其特殊的要求進(jìn)行處理或調(diào)整。這種能力防止由于充電不足或過度充電損壞電池單元，并因此大大提高了電池的總循環(huán)次數(shù)壽命。
所述的電池充電器能夠識(shí)別電池的類型，并且能夠自動(dòng)選擇正確的方式。如果未經(jīng)授權(quán)的電池被安裝到該充電器上，將不允許連接。該充電器還能夠通過來自電力控制系統(tǒng)的反饋，檢查電池是否已用任何其它裝置充過電，或者檢查所述的優(yōu)化模塊或電池是否已經(jīng)任何途徑被篡改，并且把這種信息及時(shí)地傳送給操作中心。
每個(gè)充電器單元，都經(jīng)由遙測(cè)系統(tǒng)被連接到操作中心，該中心持續(xù)不斷地監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)，附帶監(jiān)控每個(gè)電池的位置、每個(gè)帳戶的狀況。
工業(yè)實(shí)用性所述的電池管理系統(tǒng)可以用于租賃能量概念，可在許多服務(wù)設(shè)施中安裝，例如，可裝在自動(dòng)售貨機(jī)、手動(dòng)安裝充電組件、自動(dòng)拆卸和更換電池的傳送裝置、機(jī)器人電池更換設(shè)施和停車/充電站。
權(quán)利要求
1．一種電力控制系統(tǒng)，用來從電池系統(tǒng)提供預(yù)定的電力輸出，該系統(tǒng)包括(Ⅰ)輸出裝置，將該系統(tǒng)的電力傳送給負(fù)載；(Ⅱ)控制裝置，它適合與電池系統(tǒng)連接，以便檢測(cè)該電池系統(tǒng)預(yù)先選定的操作參數(shù)，并且在控制裝置處于第一操作模式時(shí)，把來自該電池系統(tǒng)的電力提供給輸出裝置；(Ⅲ)第一電容器裝置，該裝置適于連接在控制裝置與電池系統(tǒng)之間，適合儲(chǔ)備預(yù)定數(shù)量的電力，并且在控制裝置處于第二操作模式時(shí)，依據(jù)來自控制裝置的指令信號(hào)，把儲(chǔ)備的電力供應(yīng)給電池系統(tǒng)；(Ⅳ)第二電容器裝置，該裝置連接在控制裝置與輸出裝置之間，它適合儲(chǔ)備預(yù)定數(shù)量的電力，并且在控制裝置處于其第二操作模式時(shí)，依據(jù)來自控制裝置的指令信號(hào)，把它儲(chǔ)備的電力供應(yīng)給輸出裝置。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力控制系統(tǒng)，其中，第一和第二電容器裝置，適合儲(chǔ)存從電池轉(zhuǎn)移出來的小百分比的電力。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力控制系統(tǒng)，在開始由該電力控制系統(tǒng)供電后，其中的控制裝置按照預(yù)定的時(shí)間間隔把指令信號(hào)提供給第一電容器裝置和第二電容器裝置。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力控制系統(tǒng)，所述控制裝置適合檢測(cè)電池里的極化水平，并且在電池里的極化水平超過預(yù)定的極限時(shí)，把控制信號(hào)傳送給第一電容器裝置和第二電容器裝置。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力控制系統(tǒng)，其中儲(chǔ)備在第一電容器里的電力，引發(fā)反向充電或脈沖，以與控制裝置檢測(cè)到的電池系統(tǒng)內(nèi)電阻成正比的速率，激活電池系統(tǒng)內(nèi)的電極。
6．一種電池管理系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)是為至少具有一個(gè)電池單元，具有至少一對(duì)電極，并且易受極化作用影響的電池準(zhǔn)備的，所述的電池管理系統(tǒng)包括(Ⅰ)監(jiān)測(cè)裝置，用于指示電池或每個(gè)電池單元的極化水平的預(yù)定參數(shù)；(Ⅱ)儲(chǔ)備裝置，儲(chǔ)存將被轉(zhuǎn)移到電池中或從電池中轉(zhuǎn)移出去的預(yù)定數(shù)量的電力；以及(Ⅲ)把相反的電荷或脈沖引入電極以便減少極化作用的裝置。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，其中預(yù)定的參數(shù)是電池或每個(gè)電池單元的內(nèi)電阻。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，其中反向充電或脈沖，是以與電池或每個(gè)電池單元的內(nèi)電阻和/或能量流水平成正比被誘發(fā)的。
9．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，其中所述電池具有多個(gè)電池單元，所述監(jiān)視裝置將監(jiān)視每個(gè)電池單元的預(yù)定參數(shù)，而反向充電或脈沖被引入每個(gè)電池單元。
10．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，包括識(shí)別與電池連接的電池充電器的裝置，及用來識(shí)別電池的裝置，充電器將不給不能識(shí)別的電池充電。
11．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其中，所述的電池是鉛-酸電池。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的電池管理系統(tǒng)，其中鉛-酸電池結(jié)合使用具有螺旋形纏繞電極和具高能量轉(zhuǎn)換容量的電解質(zhì)介質(zhì)。
13．根據(jù)權(quán)利要求11所述的電池管理系統(tǒng)，其中鉛-酸電池結(jié)合使用壓制成平板的電極、能量轉(zhuǎn)換能力高的電解質(zhì)介質(zhì)。
14．根據(jù)權(quán)利要求11所述的電池管理系統(tǒng)，其中鉛-酸電池包括一種雙極電池形式。
15．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，其中所述電池是鎳-金屬-氫化物電池。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的電池管理系統(tǒng)，其中鎳-金屬-氫化物電池結(jié)合使用具有螺旋形纏繞電極和具高能量轉(zhuǎn)換容量的電解質(zhì)介質(zhì)。
17．根據(jù)權(quán)利要求15所述的電池管理系統(tǒng)，其中鎳-金屬-氫化物電池結(jié)合使用結(jié)合使用壓制成平板的電極、能量轉(zhuǎn)換能力高的電解質(zhì)介質(zhì)。
18．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，其中所述電池是氧化還原(Redox-Gel)電池。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的電池管理系統(tǒng)，其中氧化還原(Redox-Gel)電池結(jié)合使用具有螺旋形纏繞電極和具高能量轉(zhuǎn)換容量的電解質(zhì)介質(zhì)。
20．根據(jù)權(quán)利要求18所述的電池管理系統(tǒng)，其中氧化還原(Redox-Gel)電池結(jié)合使用壓制成平板的電極、能量轉(zhuǎn)換能力高的電解質(zhì)介質(zhì)。
21．根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)，其中所述的預(yù)定參數(shù)選自每個(gè)電池單元的電壓、電流、溫度、壓力、內(nèi)電阻或內(nèi)電阻抗。
22．一種電池，包括權(quán)利要求6所述的電池管理系統(tǒng)。
全文摘要
電力控制系統(tǒng)(10),用來管理電池(11)的電力輸出,其組成如下:輸出終端(12),把來自電池(11)的電力傳送給負(fù)載;控制裝置(14),與電池(11)連接,檢測(cè)預(yù)先選定的電池(11)的操作參數(shù),并且在第一操作模式中把來自電池(11)的電力提供給輸出終端(12);第一電容器(15),用來儲(chǔ)備預(yù)定數(shù)量的電力,被連接在控制裝置(14)和電池系統(tǒng)(11)之間,當(dāng)控制裝置(14)處于第二操作模式時(shí),該電容器對(duì)來自控制裝置(14)的指令信號(hào)作出反應(yīng),把儲(chǔ)備的電力提供給電池(11);第二電容器(16),用來儲(chǔ)備預(yù)定數(shù)量的電力,被連接在控制裝置(14)和輸出終端(12)之間,并且在控制裝置(14)處于第二操作模式時(shí),該電容器對(duì)來自控制裝置(14)的指令信號(hào)作出反應(yīng),把儲(chǔ)備的電力供應(yīng)給輸出終端(12)。
文檔編號(hào)H01M8/20GK1305655SQ99807210
公開日2001年7月25日 申請(qǐng)日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月9日
發(fā)明者史蒂芬·韋思·霍爾頓, 郭苒·亞伯拉罕森, 安娜·諾林 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)公司