專利名稱：能量測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來(lái)顯示電池剩余可用能量值的能量測(cè)量系統(tǒng)。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)在電池工業(yè)中，由于消費(fèi)者對(duì)由電池供電的便攜式設(shè)備例如手機(jī)和筆記本電腦其方便性能有著一再增長(zhǎng)的需求，從而對(duì)電池調(diào)節(jié)技術(shù)的需求也在不斷地增長(zhǎng)。另外，電池工業(yè)正重點(diǎn)朝著由電池作為基本動(dòng)力源、用于新型車輛的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工具和零排放車輛這一趨勢(shì)發(fā)展。這一趨勢(shì)的產(chǎn)生主要是由于政府管理規(guī)章的快速發(fā)展以及消費(fèi)者對(duì)空氣和噪音污染問(wèn)題的日益關(guān)心。另一個(gè)對(duì)高性能電池產(chǎn)生需求的領(lǐng)域是儲(chǔ)能的應(yīng)用，例如負(fù)載調(diào)配，應(yīng)急/備用電源以及靈敏電子部件的高性能電源系統(tǒng)。
因此，隨著對(duì)電池供電設(shè)備的一再需求，隨之也對(duì)電池工業(yè)產(chǎn)生了壓力迫使其制造出一種理想的電池。所謂理想的電池就是一種幾乎沒有重量、不占有任何空間、并且具有極好的循環(huán)壽命以及具有完美充電/放電性能和在其將要用盡時(shí)對(duì)環(huán)境并不產(chǎn)生危害的這樣一種電池。目前電池工業(yè)用得最普遍的技術(shù)就是鉛殼硫酸蓄電池，但這種蓄電池正面臨著諸如高能量密度、小體積、更高性能、更長(zhǎng)循環(huán)壽命以及保證可回收利用性能這類因素的挑戰(zhàn)。
一些制造商正在開展對(duì)一些具有特殊性能的電池的研究，包括鎳氫金屬、鋰離子和類似的電池，但通常這類電池都太昂貴以至于目前來(lái)說(shuō)對(duì)它們的使用在經(jīng)濟(jì)上還是不可行的，尤其是對(duì)作為目前世界上增長(zhǎng)最快之一的兩輪/三輪載客車輛的這一市場(chǎng)。然而，人們已經(jīng)很好地意識(shí)到，通過(guò)對(duì)電池操作條件適當(dāng)?shù)目刂瓶筛纳齐姵亍⒓词故悄壳按嬖诘你U-酸電池的性能。
因此，就需要一種具有一定智能的精確測(cè)量裝置，用于監(jiān)測(cè)和確定電池中剩余能量的多少，并能給操作員提供及時(shí)的信息。
發(fā)明簡(jiǎn)述根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于對(duì)電池中剩余可利用能量數(shù)值作出顯示的能量測(cè)量系統(tǒng)，包括(I)用來(lái)存儲(chǔ)可表示電池滿容量的預(yù)定能量參數(shù)值的裝置；(II) 用來(lái)確定由該參數(shù)指示的瞬時(shí)能量消耗值的裝置；(III)用來(lái)求由開始使用電池起、由該參數(shù)指示的能量消耗值積分的裝置；(IV) 用來(lái)從存儲(chǔ)的電池滿容量的值中減去積分的消耗值，以提供一個(gè)剩余能量值的裝置；以及(V)以及用來(lái)表示能量剩余值的讀出裝置。
圖2是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的一個(gè)通用型電池管理系統(tǒng)的方框圖；圖3是

圖1所示能量控制系統(tǒng)在一個(gè)鉛-酸蓄電池系統(tǒng)中的應(yīng)用方框圖；圖4是用于帶和不帶有本發(fā)明的能量控制系統(tǒng)的鉛-酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)和電池容量的一個(gè)圖表；以及圖5是圖1所示能量控制裝置在一個(gè)氧化還原-凝膠蓄電池系統(tǒng)中的應(yīng)用方框圖。
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處于它的第一操作模式時(shí)，存儲(chǔ)來(lái)自電池系統(tǒng)11的一預(yù)定能量，并在控制裝置處于第二操作模式時(shí)，根據(jù)控制裝置14的需求信息向電池系統(tǒng)11提供存儲(chǔ)的能量。
連接在輸出終端12和控制裝置14之間的第二電容器裝置16在控制裝置14處于它的第一操作模式時(shí)，存儲(chǔ)來(lái)自電池系統(tǒng)11的一預(yù)定能量，并在控制裝置14處于他的第二操作模式時(shí)，根據(jù)從控制裝置14而來(lái)的需求信號(hào)向輸出終端12提供存儲(chǔ)的能量。
因此，電力控制系統(tǒng)和兩個(gè)電容器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，當(dāng)控制裝置感測(cè)到，例如，電池系統(tǒng)11中的極化程度太高時(shí)或由于能量首先供應(yīng)于負(fù)載而使一預(yù)先設(shè)定的時(shí)間期限已過(guò)時(shí)，便開始向電池系統(tǒng)11反向充電。在這個(gè)放電循環(huán)中，控制裝置14允許將在第一電容器網(wǎng)絡(luò)15中存儲(chǔ)的能量向電池系統(tǒng)11充電，同時(shí)第二電容器裝置16向輸出終端12補(bǔ)充未中斷的能量。這一反向循環(huán)或放電循環(huán)的時(shí)間間隔是很小的，而且由于它是非常有效的，所以這可以用規(guī)則的間隔進(jìn)行。
反向充電能將電池系統(tǒng)中的極化損失和影響消除或降低到最小。
電力控制系統(tǒng)同樣可以與一個(gè)充電器相連來(lái)進(jìn)行工作，以在操作過(guò)程中始終提供最佳的性能和電池維護(hù)。電力控制系統(tǒng)可適宜于防止一類未經(jīng)授權(quán)的充電器連接在電池系統(tǒng)上，從而便防止了可能的濫用并且也保證了車主在家中不會(huì)用不正確的充電器給電池系統(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。
充電器單位可對(duì)電池的能量情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將該信息傳遞給使用者，以及示出交換費(fèi)用的增加，電能和電池的月租金。一旦收到這類用現(xiàn)金或信用卡支付的費(fèi)用收據(jù)，該單位就會(huì)將一種新的電池安裝在車輛上。如果客戶對(duì)電池濫用或改裝，將會(huì)被充電器識(shí)別出來(lái)。
控制系統(tǒng)不僅可適宜于識(shí)別電池組的能量情況，也可適宜于在當(dāng)前能量使用水平的基礎(chǔ)上來(lái)估測(cè)可再行駛的距離。從而，車輛的駕駛者就能知道使用剩余的能量還可行駛多少公里的路程。
每一個(gè)充電裝置可通過(guò)一遙測(cè)系統(tǒng)與一個(gè)操作中心相連，該操作中心能夠不斷地對(duì)充電網(wǎng)絡(luò)中所有位置的情形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
電力控制系統(tǒng)可以具有速度控制模塊的功能和特征，即意味著車輛的管理人員在車輛上并不需要速度控制裝置，而僅通過(guò)電力控制系統(tǒng)便可控制輸出量。這不但降低了車輛的費(fèi)用，也縮減了制造商的擔(dān)保量，并且只需通過(guò)遙測(cè)傳達(dá)系統(tǒng)就可提供連續(xù)的性能監(jiān)測(cè)。
該電力控制系統(tǒng)可用于各種各樣的電池系統(tǒng)，例如控制閥狀鉛-酸電池、鎳氫金屬電池和氧化還原-凝膠電池，每一種系統(tǒng)都有其優(yōu)點(diǎn)和專門的應(yīng)用對(duì)象。
該電力控制系統(tǒng)同樣可用于改進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)電源系統(tǒng)、負(fù)載均衡和應(yīng)急備用電池系統(tǒng)的備用性能。用于偏遠(yuǎn)地區(qū)電源系統(tǒng)和應(yīng)急備用的固定電池系統(tǒng)可被充分的充電以用于延長(zhǎng)的時(shí)段。由于電池在不同的速率時(shí)存在著自動(dòng)放電，因此，就可將電力控制系統(tǒng)設(shè)定為周期性的對(duì)單個(gè)電池的狀態(tài)進(jìn)行掃描并且采用電池平衡的技術(shù)來(lái)保持電池內(nèi)部處于平衡。同時(shí)也可使充電系統(tǒng)作為備用并通過(guò)所需的電力控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制。
如圖2的方框圖所示、可作為一個(gè)首選實(shí)施例的電力控制系統(tǒng)包括了一個(gè)微型處理器40和與其相連的、操縱下述所有功能的軟件57。在該例中，微型處理器是8兆赫、8位字節(jié)，當(dāng)然4位、16位、32位或64位字節(jié)的處理器同樣可用。該處理器的運(yùn)算速度可以是4兆赫到166兆赫之間。另外，根據(jù)單個(gè)電池的需要也可使用一數(shù)字信號(hào)處理芯片。該微型處理器帶有電可擦除只讀存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器。同樣也可使用一ASIC(特定用途集成電路)。
單個(gè)電池電壓測(cè)量模塊41利用一單根電線與每一個(gè)電池的連接端相連。這條電線專門用于測(cè)量電壓。以地面電壓為參考，每一個(gè)電池的測(cè)量電壓達(dá)到24伏。這同樣也可在對(duì)每一個(gè)電池根據(jù)需要和指定的精確度要求直接進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上完成。
通過(guò)使用包括一線路的模塊42便可得到各個(gè)電池的電壓測(cè)量情況，其中在該線路中通過(guò)一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)和在分離處與橫跨地面的電阻器相連的濾波電容器來(lái)對(duì)電池進(jìn)行分壓。使用運(yùn)算放大器的有源濾波器或其它的濾波器可被使用。由分配器和濾波器標(biāo)定的電壓是一個(gè)適合由模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換的電壓。在該例中，4.95伏就代表了電池的預(yù)定最大連接電壓。一個(gè)12位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器用在每一個(gè)所要測(cè)量的電池電壓上。該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器由微處理器連續(xù)控制，它通過(guò)將每一測(cè)量電壓定標(biāo)和用每一個(gè)電池負(fù)極的電壓減去電池正極的電壓來(lái)將每一個(gè)測(cè)量電壓轉(zhuǎn)化為電池電壓。這可在每一個(gè)電池上進(jìn)行，并且這種方法適用于電池電壓達(dá)到24伏或30伏的情況。
通過(guò)光學(xué)耦合串行通信器的串行數(shù)據(jù)的傳輸，可以使用上述方法的高于24伏或30伏的處理方法將電池電壓分離出來(lái)。該電壓也可用橫穿并連接在每一個(gè)電池的變頻器直接測(cè)量電池電壓得到并將此信息按一定頻率發(fā)送給微處理器。這些傳輸給變頻器的的電壓可被電流或光學(xué)耦合于測(cè)量頻率并將其轉(zhuǎn)換為電壓的微處理器上。
電流測(cè)量模塊43測(cè)量一并聯(lián)電阻間的電壓，并用一帶有源濾波器的電流讀出放大器來(lái)對(duì)電壓進(jìn)行定標(biāo)。可以選擇的是，也可使用一霍爾效應(yīng)裝置用適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)方法來(lái)測(cè)量。
通過(guò)使用電路模塊44可得到電流的測(cè)量情形，在電路模塊44中，分流器兩端的電壓被轉(zhuǎn)化為一個(gè)0-5伏的、不分電流方向的信號(hào)，該信號(hào)接著被輸入一個(gè)用于測(cè)量上述電壓的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器的輸入端。該調(diào)節(jié)線路也提供了用來(lái)輸入微處理器的、指示電流方向的數(shù)字信號(hào)。通過(guò)將最小的外部部件與電路的相連可實(shí)現(xiàn)上述這一點(diǎn)。不連續(xù)的部件在這一點(diǎn)上解決方法同樣也是有效的。
通過(guò)使用一安裝在線路板上的完整線路溫度傳感器，溫度可由線路模塊45測(cè)量出。在不同的環(huán)境下可以使用任何不同數(shù)量的線路模塊45，例如在電池組中、單個(gè)的電池或外部，以測(cè)量周邊溫度。
溫度測(cè)試調(diào)整是由電路模塊46完成的，在該模塊中，溫度值就是一個(gè)輸出電壓值和一個(gè)低的補(bǔ)償電壓值之和，運(yùn)算放大器被用來(lái)將這一值縮小為0-5伏范圍內(nèi)的值，從而適合輸入一用于電壓和電流測(cè)量的同一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。
一個(gè)液晶顯示器47用來(lái)顯示一些信息，例如殘余容量、剩余行程的公里數(shù)和其他的信息。
顯示驅(qū)動(dòng)器48直接由微處理器40來(lái)驅(qū)動(dòng)，將合適的數(shù)值寫入微處理器40中基于查表位置的存儲(chǔ)器中。依賴于微處理器的需要和液晶顯示器的復(fù)雜程度，可使用一個(gè)分開結(jié)合的電路驅(qū)動(dòng)器。也可使用一發(fā)光二極管或氣體等離子顯示器。同樣，液晶顯示模塊也可用。
音響指示器49包括了一壓電蜂鳴器用來(lái)向使用者提供聲頻信號(hào)。它可直接由微處理器驅(qū)動(dòng)，必要的話也可使用一晶體管驅(qū)動(dòng)器。
倘若電池被用來(lái)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可以是磁傳感器，將磁體安裝在車輪上，安裝在車輛的固定部分的霍爾效應(yīng)傳感器。另外，也可以采用光學(xué)傳感器。
對(duì)距離傳感器的調(diào)節(jié)可通過(guò)一線路模塊51來(lái)完成，其中距離傳感器50的輸出信號(hào)按一定頻率由微處理器40定標(biāo)與測(cè)量，并反過(guò)來(lái)由微處理器40將其轉(zhuǎn)化為一速度值或距離值。
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)節(jié)模塊53通過(guò)一精確的運(yùn)算放大器將輸出值控制在0-5伏的范圍內(nèi)并將其輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。
通信模塊54確保所有來(lái)自充電器的控制和通信信號(hào)能通過(guò)微處理器40的一串行總線進(jìn)行通信。該串行總線也可通過(guò)一個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。
為了確保長(zhǎng)的使用壽命，所有的組建都應(yīng)是弱電流消耗。通過(guò)一由微處理器到低電流模式模塊55的信號(hào)，可以調(diào)節(jié)微處理器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和所有其它的電路使其置于弱電流消耗模式。
為了取得所需的精確度，輸入微處理器的模擬信號(hào)應(yīng)由校準(zhǔn)模塊56進(jìn)行校準(zhǔn)，并將校準(zhǔn)參數(shù)和偏移量存儲(chǔ)在電可擦除只讀存儲(chǔ)器中。
軟件57優(yōu)選輪詢確定的地址，并能在危及情形下如指示能量使用情況的當(dāng)前時(shí)間、距離和車輪傳感器的情形下將其中斷。
該程序按一定的時(shí)間間隔對(duì)電流進(jìn)行取樣，并計(jì)算電流對(duì)時(shí)間的積分，提供所用的安培小時(shí)數(shù)和剩余的安培小時(shí)數(shù)。使用電流循環(huán)過(guò)程中的負(fù)載可對(duì)使用的安培小時(shí)數(shù)和剩余的安培小時(shí)數(shù)進(jìn)行校正。該程序適宜于(I)計(jì)算消耗了的能量和安培小時(shí)數(shù)；
(II) 計(jì)算消耗了的平均能量和平均安培小時(shí)數(shù)；(III)計(jì)算可用的能量和安培小時(shí)容量；(IV) 在當(dāng)前消耗的安培小時(shí)數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算可用時(shí)間；(V) 在當(dāng)前消耗了安培小時(shí)數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算可用距離；(VI) 在一個(gè)確定的安培小時(shí)消耗量的基礎(chǔ)上計(jì)算還可行駛的時(shí)間和距離；(VII)當(dāng)可用電容量接近臨界點(diǎn)水平時(shí)，開始啟動(dòng)低電池功率和/或進(jìn)行安培小時(shí)警報(bào)；以及(VIII)顯示上述所有特征的狀態(tài)。
微處理器40也可驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管或IGBT來(lái)控制流向電動(dòng)機(jī)58的電流。它可對(duì)電刷式電動(dòng)機(jī)、或帶有用于多種無(wú)電刷發(fā)動(dòng)機(jī)如磁阻電動(dòng)機(jī)或無(wú)電刷直流電動(dòng)機(jī)的準(zhǔn)正弦曲線電動(dòng)機(jī)提供一調(diào)制的單脈沖線寬的控制信號(hào)。
一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管或IGBT開關(guān)59用來(lái)保護(hù)對(duì)電池提供保護(hù)，所使用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有低的內(nèi)阻。
開關(guān)59被由微處理器40驅(qū)動(dòng)的開關(guān)控制模塊60控制，場(chǎng)效應(yīng)晶體管或IGBT的驅(qū)動(dòng)是采用一轉(zhuǎn)換電源來(lái)促使電壓向高邊驅(qū)動(dòng)。
在內(nèi)阻控制模塊61中，微處理器控制一場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管所起的作用就是周期性地以一個(gè)高于電池電壓的電壓向電容器充電，并在更換另一個(gè)具有能保持當(dāng)前負(fù)載電流的電荷量的同時(shí)將上述電容器的電量輸入到電池中。
能量計(jì)量表62的輸出顯示在液晶顯示器上，顯示所剩能量。這個(gè)數(shù)值是通過(guò)求電流對(duì)時(shí)間的積分計(jì)算出來(lái)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)阻/阻抗模塊63通過(guò)測(cè)量在電流變化前后電壓值的變化量來(lái)計(jì)算內(nèi)阻和阻抗的值。這在充電和放電過(guò)程中都可進(jìn)行。交流電或交流電壓也可被輸入電池中，合成的電壓或電流可被測(cè)定以用來(lái)確定內(nèi)阻和阻抗。
電池平衡模塊64所起的作用就是當(dāng)一個(gè)電池被認(rèn)為在電池組中和其它的相比自動(dòng)放電更厲害時(shí)，利用一轉(zhuǎn)換模式整流器將來(lái)自整個(gè)電池組的能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷褐?，并將其分配給最弱的電池，從而達(dá)到電池的平衡。
通常的鉛-酸電池都存在著有限的容量利用率、放電深度低、循環(huán)壽命短、低能量密度、熱能處理問(wèn)題方面的缺陷，以及需要不斷地補(bǔ)充充電來(lái)維持電池電量的不變。鉛-酸電池也需要長(zhǎng)時(shí)間的充電并且在非常低的充電狀態(tài)下高充電電流只能用數(shù)分鐘的時(shí)間。如果使用高的電流，通常就會(huì)使其達(dá)到的電壓值高于允許的電壓值，從而會(huì)引起電解液的損失以及電池容量的降低。在使用合適的充電器的情況下，用補(bǔ)充充電的方式對(duì)鉛-酸電池進(jìn)行充電至少需要4個(gè)小時(shí)的時(shí)間。
一個(gè)鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命很大程度上依賴于在循環(huán)過(guò)程中所能達(dá)到的放電深度。拿電動(dòng)車的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一個(gè)90-100％的DOD(放電深度)也許很平常，并且在這種水平上，通常的深度放電鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命可達(dá)到大約300個(gè)周期。
圖3示出了電力控制系統(tǒng)20應(yīng)用于在一個(gè)鉛-酸電池中的情形，不過(guò)，它的電池結(jié)構(gòu)采用了先進(jìn)的螺旋纏繞的技術(shù)。該十二節(jié)單個(gè)電池21的電極連在一起形成一個(gè)大的表面，其中是以螺旋環(huán)繞的方式將各個(gè)具有很低阻抗的單個(gè)電池連接起來(lái)。使用高級(jí)的電解液來(lái)促使可從鉛-酸電池中獲取非常高的電流。該電池系統(tǒng)和以螺旋環(huán)繞技術(shù)和改進(jìn)的電解液與電力控制系統(tǒng)20相結(jié)合成為一體。電池以一定順序連接在總線22上，同樣。第一電容其裝置23、控制裝置24、第二電容器裝置25以及輸出終端26也連在總線22上。虛線27代表了從控制裝置24到第一電容器裝置23的命令信號(hào)。這種閥門限制的鉛酸方式的使用以相對(duì)低的費(fèi)用提供了一種證實(shí)了的技術(shù)，可作為“租賃能量”系統(tǒng)的一個(gè)起點(diǎn)。
通過(guò)使用該電力控制系統(tǒng)20和將電池組設(shè)計(jì)為能夠表現(xiàn)上述特征最佳特性的式樣，就可只需稍微提高點(diǎn)制造成本便可獲得一種表現(xiàn)在提高了的電流值、容量、增長(zhǎng)了的循環(huán)周期以及縮短了的充電時(shí)間等方面的、具有重大改進(jìn)性能的電池。
這也在圖4中得到了驗(yàn)證，其中示出了帶和不帶本發(fā)明的電力控制系統(tǒng)的鉛-酸電池循環(huán)數(shù)和電池容量的曲線圖。一個(gè)循環(huán)是指從充電開始到放電再回到充電這樣一個(gè)過(guò)程。
該提高了的電流容量就意味著能量和容量的利用都得到了提高，從而也得到了一個(gè)更高的可獲安培小時(shí)率和擴(kuò)大了的車輛行駛范圍。該提高了的循環(huán)壽命意味著電池與被替換前相比具有更多的放電次數(shù)，從而降低了年操作費(fèi)用?？s短了的充電時(shí)間意味著電池的回轉(zhuǎn)周期會(huì)更快，從而降低了能量租賃系統(tǒng)中所需的空閑電池?cái)?shù)。
該電力控制系統(tǒng)可被用于通常的鎳-金屬-氫化物(NiMH)電池，該電池使用一般會(huì)使電池系統(tǒng)價(jià)格昂貴的經(jīng)先進(jìn)程序加工過(guò)的高純度材料。為了獲得高性能的電池，膨脹了的鎳泡沫與高純度的氫氧化鎳混合物和加工過(guò)的金屬合金材料的質(zhì)量控制都需要具有非常高的程度。
NiMH氫化物電池也面臨著自動(dòng)放電的問(wèn)題，而且它也同樣受溫度的影響。高電流的獲得可能會(huì)引起電池組電池的損傷，并且必須注意使電池組避免過(guò)量放電。在這一點(diǎn)上，就需要高級(jí)的電池充電器來(lái)保證正確地進(jìn)行充電。
本實(shí)施例中的鎳-金屬-氫化物電池系統(tǒng)就利用了用于設(shè)計(jì)來(lái)完全利用提供的電池電力控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)的高級(jí)鎳-金屬-氫化物技術(shù)。該電池構(gòu)造利用了電池纏繞技術(shù)以允許電池具有一更高功率輸出性能的輸出量。該電力控制系統(tǒng)結(jié)合在電池組電池上成為一體。該電力控制系統(tǒng)能明顯地減小極化的影響，從而能使電池系統(tǒng)在不危及循環(huán)壽命的前提下可提供一更高的電流。
由于電力控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)著所有模塊的性能，所以該整體模塊是一個(gè)智能化很高的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。該電力控制系統(tǒng)能采取主動(dòng)行動(dòng)來(lái)使電池保持最佳的工作性能，同時(shí)提高了循環(huán)壽命。
理想情況下，由于其具有高能量密度、大功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命和充電時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，該鎳-金屬-氫化物系統(tǒng)很適合用于一“能量租賃”系統(tǒng)。該系統(tǒng)與閥門限制電池組系統(tǒng)相比，其用在電動(dòng)車上具有更大的行駛距離，但只是費(fèi)用稍微高了點(diǎn)。然而，本實(shí)施例中該系統(tǒng)的制造成本明顯低于現(xiàn)有的產(chǎn)品，以目前的費(fèi)用來(lái)估計(jì)，該鎳-金屬-氫化物系統(tǒng)的總費(fèi)用大約是當(dāng)前可用的小體積的產(chǎn)品的1/10。
該鎳-金屬-氫化物系統(tǒng)尤其適合電動(dòng)自行車，為長(zhǎng)距離旅行準(zhǔn)備的小型電池系統(tǒng)是符合要求的。
該電力控制系統(tǒng)同樣也可用于多年來(lái)一直被研究的氧化還原電池中。這些電池一般是一些氧化還原電池，其中能量存儲(chǔ)在電池組各部分的液態(tài)電解液中。在操作過(guò)程中，電解液通過(guò)該系統(tǒng)不斷的再循環(huán)，從而能量在電解液中交替被轉(zhuǎn)換。該氧化還原電池通常面臨著低能量密度和電解液由于在該系統(tǒng)中反復(fù)抽送而引起的損失這樣一些問(wèn)題。在一些例子中，由于膜片的存在或內(nèi)部分流的存在，高的自動(dòng)放電率是可能存在的。
氧化還原-凝膠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。
通常的電池系統(tǒng)使用一些固體金屬電極的形式包括了相位轉(zhuǎn)換反應(yīng)。這通常會(huì)導(dǎo)致重量的增加和性能的降低。該氧化還原-凝膠電池使用了包括一種高濃度凝膠，其中在各自的凝膠中包含有高濃度的正極和負(fù)極反應(yīng)離子。所有的反應(yīng)類型都包括在凝膠中，并且由于最小損失而導(dǎo)致的高性能非相位轉(zhuǎn)換反應(yīng)也包含在其中。
本發(fā)明的電力控制系統(tǒng)可用于結(jié)合在氧化還原-凝膠電池組中來(lái)減少極化的影響。由于凝膠是高濃度的，當(dāng)高的負(fù)載用于電池系統(tǒng)時(shí)，極化程度會(huì)更高。一專門用在氧化還原-凝膠電池組中的電力控制系統(tǒng)可緩解在氧化還原-凝膠電池組設(shè)計(jì)時(shí)的許多限制條件。
圖5所示的電力控制系統(tǒng)包括了一中間連接在電池32上的總線系統(tǒng)31，控制裝置33、第一電容器裝置34、第二電容器裝置35和輸出終端36。線路37代表了命令信號(hào)。
為氧化還原-凝膠電池組特定設(shè)計(jì)的控制裝置33同時(shí)也執(zhí)行了一些監(jiān)測(cè)的功能，例如監(jiān)測(cè)單個(gè)電池的電壓和溫度。它也同樣可監(jiān)測(cè)密封電池組的內(nèi)壓并在任何給出條件下確定能允許的系統(tǒng)負(fù)載限制?？刂蒲b置33具有增加了的重要的性能，能采取主動(dòng)的措施以在任何狀態(tài)的充電器下都能使電池保持最佳的性能。在這種系統(tǒng)高度的控制下，該系統(tǒng)可反復(fù)利用它全部的容量并保持一非常長(zhǎng)的循環(huán)壽命。
該系統(tǒng)在費(fèi)用上是極具競(jìng)爭(zhēng)力的，并能比當(dāng)前可用的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)提供出更高優(yōu)良的性能。氧化還原-凝膠電池組使用的電極其作用僅僅在于使電能進(jìn)入和從電解液中出來(lái)。該電極是內(nèi)插的，而且能用專門的、發(fā)展很成熟了的塑料材料制成。該系統(tǒng)與氧化還原-凝膠電池組和能量控制系統(tǒng)結(jié)合為一體以形成一個(gè)能量密度幾乎是鎳-金屬-氫化物系統(tǒng)兩倍的能量存貯系統(tǒng)。由于凝膠電解液的穩(wěn)定，該系統(tǒng)同樣具有非常長(zhǎng)的循環(huán)周期。該系統(tǒng)作為一個(gè)整體是非常具有效能成本合算的。由于它的輕重量和堅(jiān)固耐用，該系統(tǒng)非常適宜用于“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)節(jié)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)面臨著諸多問(wèn)題，其中主要的一個(gè)問(wèn)題就是不正確的充電或整批的充電，其中電池的總體狀態(tài)被記錄下來(lái)并且實(shí)施定量的充電。然而它并不適于單個(gè)電池的情形，也因此最高的充電電池通常過(guò)度充電，而最低的充電電池卻充電不足。其結(jié)果就是整個(gè)電池組的壽命顯著縮短。
另一個(gè)問(wèn)題是由于內(nèi)部效應(yīng)的存在，如果內(nèi)阻作用在各個(gè)部件上，電池就不能適應(yīng)高的充電電流?？焖俪潆娡ǔ?huì)產(chǎn)生電液泡效應(yīng)，其中產(chǎn)生出氫氣，不僅危險(xiǎn)、而且由于電解液的減少縮短了電池的壽命。充電器與電力控制系統(tǒng)相連，而且限制了內(nèi)阻，由此允許更快的充電率而不影響電池的循環(huán)壽命。
本發(fā)明提供了一種獨(dú)特的電池充電和調(diào)節(jié)模塊，它和結(jié)合于電池系統(tǒng)的電力控制系統(tǒng)相結(jié)合在一起成為一體。該電力控制系統(tǒng)的主要功能在于減小由于電池內(nèi)阻的存在而帶來(lái)的極化效應(yīng)。更重要的是，它允許對(duì)多項(xiàng)功能進(jìn)行控制，如監(jiān)測(cè)單個(gè)電池、提供功率輸出控制功能、操作并與專門的充電器相連接、提供保護(hù)和調(diào)節(jié)功能。
專門的電池充電器可以識(shí)別電力控制系統(tǒng)并因此識(shí)別出電池模塊的序列號(hào)，其中通過(guò)一遙感通信系統(tǒng)將其中繼給操作中心。一旦電池被記錄下來(lái)而且客戶通過(guò)驗(yàn)證，電力控制系統(tǒng)便控制電池充電器開始充電。
實(shí)際的充電功能是由一相連的電力控制系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行以確保每一個(gè)電池都被監(jiān)測(cè)和根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一功能防止了通過(guò)充電不足或過(guò)量充電給電池帶來(lái)的損害，而且因此顯著的提高了整個(gè)電池組的循環(huán)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(guò)來(lái)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(guò)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
1.一種用于對(duì)電池中剩余可利用能量做出顯示的能量測(cè)量系統(tǒng)，包括(I)用來(lái)存儲(chǔ)可表示電池滿容量的預(yù)定能量參數(shù)值的裝置；(II)用來(lái)確定由該參數(shù)指示的瞬時(shí)能量消耗值的裝置；(III)用來(lái)求由開始使用電池起、由該參數(shù)指示的能量消耗值積分的裝置；(IV)用來(lái)從存儲(chǔ)的電池滿容量的值中減去積分的消耗值，以提供一個(gè)剩余能量值的裝置；以及(V)以及用來(lái)表示能量剩余值的讀出裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述能量參數(shù)是安培小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的能量測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述電流是按照一定的時(shí)間間隔進(jìn)行取樣的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量測(cè)量系統(tǒng)，其中，所述讀出裝置以占滿容量的百分比來(lái)顯示剩余的能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量測(cè)量系統(tǒng)，還包括在當(dāng)能量剩余值少于一滿容量的預(yù)定百分比時(shí)，能提供一聲音警報(bào)的警報(bào)裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)電池中剩余可利用能量做出顯示的能量測(cè)量系統(tǒng),包括用來(lái)存儲(chǔ)可表示電池滿容量的預(yù)定能量參數(shù)值的裝置,用來(lái)確定由該參數(shù)指示的瞬時(shí)能量消耗值的裝置,用來(lái)求由開始使用電池起、由該參數(shù)指示的能量消耗值積分的裝置,用來(lái)從存儲(chǔ)的電池滿容量的值中減去積分的消耗值,以提供一個(gè)剩余能量值的裝置,以及用來(lái)表示能量剩余值的讀出裝置。
文檔編號(hào)H01T13/60GK1333939SQ99815676
公開日2002年1月30日 申請(qǐng)日期1999年6月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月18日
發(fā)明者史蒂芬·韋恩·霍爾頓, 杰里米·約瑟夫·托馬斯 申請(qǐng)人:法羅技術(shù)公司