專利名稱：電池組儲能模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種儲能(energy storage)模塊和電池組(battery)系統(tǒng)，其采用了這樣的能量模塊在電池組放電的整個過程中使輸出電壓保持基本恒定，而與組成電池組的電化電池(electrochemicalcell，又稱蓄電池)的實際電壓無關(guān)。在另一實施例中，根據(jù)本發(fā)明的儲能模塊可以允許調(diào)節(jié)電池組系統(tǒng)的輸出電壓，以適配于從該電池組系統(tǒng)中獲取功率的裝置的電力負載。
背景技術(shù)：
電池組的電壓通常由用于構(gòu)成該電池組的電化電池系統(tǒng)確定。例如，鉛酸電池通常具有大約2.0伏的電化電壓，并且由串聯(lián)連接的6個電池構(gòu)成的鉛酸電池組具有大約12伏的電壓。電池組的電壓通常是形成電池組的串聯(lián)連接的每個電池的電化電勢的和。其他的電化電池具有其他的電池電勢，例如鎳鎘電化電池每電池1.2伏，以及碳鋅(干)電池每電池1.5伏。
用于制造具有多個電池的電池組的方法存在由于每個電池中發(fā)生的極化而產(chǎn)生的缺點。為了得到期望的電池組電壓，可以將適當(dāng)數(shù)量的電化電池串聯(lián)，以使電池組系統(tǒng)達到期望電化電勢。例如，為了使用鉛酸電池提供額定12伏電池組，需要將6個鉛酸電池串聯(lián)連接(6個電池×2.0伏每電池＝12伏)。相同的12伏電池組可以使用10個鎳鎘電池串聯(lián)連接構(gòu)成(10個電池×1.2伏每電池＝12伏)。因為電化電池顯示出極化(即，隨著電流流過電池以放電或者充電，其電化電勢中的漂移)，所以在放電期間電池組的電壓將低于它的額定電壓，在充電期間將高于它的額定電壓。這導(dǎo)致了電池組實際工作在一定電壓范圍內(nèi)。
由極化導(dǎo)致的電壓的不連貫可導(dǎo)致由該電池組供電的電力負載和電路產(chǎn)生問題。電阻負載(例如電燈)隨電池組放電而變暗以及隨電池組充電而將變亮。隨著電池組電壓改變，電機將改變速度。如果向其供電的電壓變化太大，某些具有敏感電壓要求的電子設(shè)備可能操作失敗或者非正常操作。因為許多電氣設(shè)備作為固定功率負載運行，所以隨著電池組電壓減小(因為電池組隨著其放電而電壓減小)，設(shè)備所需的放電電流增大。這種效應(yīng)要求按照電池組放電時所預(yù)計的最大電流來設(shè)置電線或者其他電氣元件的尺寸，并且要解決在電氣設(shè)備中的元件上由于最大電流所可能產(chǎn)生的熱量。
電力負載通常在輸入電壓的限定和有限的范圍內(nèi)運行，電池組被設(shè)計和構(gòu)造為提供一定范圍的電壓，以與被供電的電力負載的輸入要求相匹配。因為電池組通常由不止一個電池組成，所以如果電池組中多個電化電池中的一個無論什么原因而故障，電池組的輸出電壓通常都要減去那個電池的電化電勢。例如，如果由多個2伏電池組成的12伏鉛酸電池，其中的一個電池發(fā)生故障，則電池組的輸出電壓通常會降到10伏。這可能低于通常的12伏電氣系統(tǒng)的運行范圍。電池故障的結(jié)果是該電氣系統(tǒng)也將由于電池組中缺少一個鉛酸電池而不能運行。實質(zhì)上，該實例中的電力負載的可靠性和有效性僅相當(dāng)于向其供電的電池組中一個電化電池的可靠性。
另一種典型類型的電池組結(jié)構(gòu)是所謂的“整體(monoblock)”結(jié)構(gòu)。在這種類型的結(jié)構(gòu)中，多個給定類型的電化電池容納于公共容器和蓋組件中，并且以串聯(lián)、并聯(lián)、或者串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部連接或外部連接。整體類型的電池組通常具有6或12伏的額定電壓，但是它們可以是構(gòu)成該電池組的電化電池的電勢的任意倍數(shù)。
整體電池組通常包括一組串聯(lián)連接的電化電池以提供一定的總體端電壓(overall terminal voltage)。電池通常容納在具有公共蓋的公共容器中，并且不可能接觸整體中的各個電池。此外，使電池串聯(lián)的該電池間連接通常在容器內(nèi)部，使得其實際上不能可修理或更換該整體內(nèi)的無論任何原因不能工作的單個電池。通過所用電化電池的電勢和串聯(lián)連接的電池的數(shù)量確定整體的端電壓。例如，12伏鉛酸整體電池組可以包括6個串聯(lián)連接的鉛酸電池，每一個具有2伏的額定電池電壓。因此該整體的端電壓只可以以其結(jié)構(gòu)中所用電化電池的額定電壓的倍數(shù)變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種“儲能模塊”以及相應(yīng)的電池組系統(tǒng)，其中，即使一個或多個構(gòu)成電池組的電化電池發(fā)生故障，輸出電壓也基本保持恒定。
本發(fā)明的目的在于提供一種包括儲能模塊的整體型電池組，其端電壓可以調(diào)節(jié)，以適用于于使用該整體型電池組的電力負載。


圖1示出了具有多個儲能電池、dc-dc轉(zhuǎn)換器、以及基準(zhǔn)電壓電路的電池組系統(tǒng)的實施例。
具體實施例方式
在一個實施例中，本發(fā)明涉及一種恒定輸出電壓電池組儲能模塊。所提出的該儲能模塊包括多個電化電池，這些電化電池連接到具有降壓/升壓(buck-boost)功能(即，升/降調(diào)節(jié))的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。電化電池優(yōu)選地為鋰離子聚合物型，但是也可以使用其他類型的電化電池(例如，鉛酸或者鎳鎘)。
某些dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑵漭敵鲭妷禾岣吆徒档蜑轭~定施加電壓的多倍。例如，如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器具有兩倍的降壓/升壓系數(shù)，則如果對dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓是12伏，它的降壓輸出可以低至6伏，它的升壓輸出可以高至24伏，即，電壓可以向上調(diào)節(jié)到24伏或者向下調(diào)節(jié)到6伏。在本發(fā)明中，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出被設(shè)置成獨立于dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器輸入電壓的固定電壓。因此，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以從電化電池獲取功率，并且以恒定電壓將其輸出至電力負載。
隨著電池組放電并且其內(nèi)部電化電勢降低，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器將獲取額外的功率用于維持其恒定的電壓輸出?？梢杂苫鶞?zhǔn)電壓、可選擇撥碼開關(guān)(dip switch)或其他電化裝置、或者由軟件數(shù)字命令來確定dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
如上所述，可以通過適當(dāng)?shù)碾娮与娐穼⒁粋€或者多個電化電池連接到dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以具有降壓/升壓功能，并且附加的電化電池的單獨或者整體電壓不必與期望輸出電壓相匹配。由此，可以通過基準(zhǔn)電壓、可選擇撥碼開關(guān)或其他電化設(shè)備的影響、或者通過軟件數(shù)字命令設(shè)置dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出。在運行過程中，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以從電化電池獲取功率，并且使用降壓/升壓功能將其輸出電壓調(diào)節(jié)到所選擇的輸出電壓。dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以通過從電化電池獲取或多或少的功率來將其輸出電壓保持在恒定值，以對被供電的負載的改變或者對電化電池(其向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入提供功率)的電勢的改變進行調(diào)節(jié)。
本發(fā)明將允許儲能模塊和/或電池組提供精確電壓的dc功率，這是應(yīng)用要實現(xiàn)最優(yōu)操作性能所要求的。只使用電池組，提供給負載的電壓將根據(jù)放電率和電池組的充電狀態(tài)而改變。結(jié)果，負載設(shè)備或者從電池獲取額外的電流或者改變其操作性能，以對應(yīng)于電池的電壓改變。這可能導(dǎo)致設(shè)備不正常運行、過熱和潛在故障。根據(jù)本發(fā)明，提供給電力負載設(shè)備的電壓可以保持恒定，消除了上述所有缺點。
可以改變向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓的電化電池的數(shù)量。可以使用與它的輸入電壓相比具有更大或者更小的輸出電壓范圍的各種類型的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器?？梢允褂闷渌愋偷碾娀姵?鋰離子聚合物、鉛酸、鎳鎘等)?？梢酝ㄟ^撥碼開關(guān)、其他模擬電壓信號、或者數(shù)字軟件命令限定輸出電壓。
本發(fā)明的另一實施例涉及一種能夠提供高可用性特性的結(jié)構(gòu)的電池儲能模塊。例如，使用本發(fā)明的儲能模塊可以包括4個鋰離子聚合物電池，它們每一個都具有4伏額定電池電勢，通過適當(dāng)?shù)碾娐愤B接到輸出設(shè)置為13.5伏的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。當(dāng)全部電池均工作時，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以使用降壓功能，以將電化電池的電壓從16伏的額定值減小到期望的13.5伏輸出。如果電化電池中的一個故障，則dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以使用升壓功能，以將電化電池的電壓從12伏的額定值提升到期望的13.5伏輸出。為了實現(xiàn)所述功能，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器將從剩余的電化電池中獲取額外功率，以保持其輸出電壓。盡管總能量(電壓乘以安培)將與故障電池相對于電池組中電池總數(shù)的百分比損失成比例地減小，但是可以保持電池組輸出電壓，以允許被供電的電力負載持續(xù)運行。這可以防止被供電的裝置的可用性下降到零。
即使在構(gòu)成電池組的一個或者多個電化電池發(fā)生故障之后，本發(fā)明也允許儲能模塊和/或電池組持續(xù)提供精確電壓的dc功率，這是應(yīng)用要實現(xiàn)最優(yōu)操作性能所要求的。這將增加被供電裝置的可用性。
可以改變向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓的電化電池的數(shù)量?？梢允褂门c它的輸入電壓相比具有更大或者更小的輸出電壓范圍的各種類型的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器?？梢允褂闷渌愋偷碾娀姵?鋰離子聚合物、鉛酸、鎳鎘等)?？梢酝ㄟ^撥碼開關(guān)、其他模擬電壓信號、或者數(shù)字軟件命令限定輸出電壓，使得即使構(gòu)成設(shè)備的一個或者多個電化電池發(fā)生故障，使用電化電池的dc儲能設(shè)備也可以提供恒定輸出電壓。
本發(fā)明的另一實施例涉及一種由儲能模塊組成的整體電池組結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的整體電池的實施例可以包括一個或者多個儲能模塊，其中的每一個包括多個電化電池，這些電化電池連接到具有降壓/升壓功能的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。這些電池可以容納在由容器和蓋構(gòu)成的公共封裝內(nèi)，并連接到公共外部終端。這里將描述其他類型的電池，電化電池優(yōu)選是鋰離子聚合物型，但是也可以使用其他類型的電化電池(例如，鉛酸或者鎳鎘)。某些dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑵漭敵鲭妷禾岣吆徒档偷筋~定施加電壓的多倍。例如，如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器具有兩倍的降壓/升壓系數(shù)，則如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓是12伏，則它的降壓輸出可以低至6伏，它的升壓輸出可以高至24伏。在本發(fā)明中，每個儲能模塊的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出被設(shè)置成對該整體電池組中所有儲能模塊都相同的一固定電壓，但是其獨立于dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓。然后，將所有儲能模塊的輸出連接起來，以對整體電池組單元提供期望總端電壓。可以通過基準(zhǔn)電壓、可選擇撥碼開關(guān)或其他電化設(shè)備、或者由軟件數(shù)字命令確定每個dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
如上所述，整體電池組可以包括容納在公共封裝中的一個或多個儲能單元，該封裝包括裝配有提供整體電池組的總電壓的連接點的終端的容器和蓋。每個儲能單元可以包括多個通過適當(dāng)?shù)碾娐愤B接到dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的電化電池。電化電池優(yōu)選地是鋰離子聚合物型，但是也可以使用其他類型的電化電池(例如，鉛酸或者鎳鎘)。dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑵漭敵鲭妷禾岣吆徒档偷筋~定施加電壓的多倍。每個儲能單元中的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出將被設(shè)置成相同值，并與整體電池組的期望總端電壓一致。每個儲能單元的輸出可以并聯(lián)連接到整體電池組的端連接。因此，可以通過并聯(lián)安裝額外的儲能單元并且將其連接到整體電池組的端連接，來增加整體電池組的總?cè)萘?。每個儲能單元通過dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器以恒定輸出電壓輸出功率。每個儲能單元的內(nèi)部邏輯電路將終止對各個儲能單元的充電和放電。每個儲能單元將基本上獨立于整體電池組中的其他任意儲能單元工作。
可以通過附加邏輯電路更改整體電池組，以與各個儲能單元和其他外部設(shè)備聯(lián)系?？梢酝ㄟ^應(yīng)用基準(zhǔn)電壓、開關(guān)或其他電信號、或者數(shù)字軟件命令，確定儲能單元的輸出電壓。例如，由具有6個鋰離子聚合物電池的儲能單元和具有降壓/升壓系數(shù)為2的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的整體電池組可以提供12伏到48伏范圍的總端電壓。從而，每個均計劃輸出48伏的4個整體電池組可以并聯(lián)連接，以對典型的電話交換機供電。可以將相同整體電池組的輸出電壓設(shè)置為12伏，4個整體電池組可以串聯(lián)連接，以對相同的電話交換機提供48伏電源。如果該設(shè)備在42伏時工作更有效，則可以將每個整體電池組的輸出電壓調(diào)整為42伏，并且整體電池組可以單獨工作或者與其他整體電池組并聯(lián)工作。
本發(fā)明將提供具有可以在一些限定范圍內(nèi)調(diào)整的輸出電壓的整體電池組結(jié)構(gòu)。例如，由采用包括6個鋰離子聚合物電化電池的儲能單元和降壓/升壓系數(shù)為2的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的整體電池組可以用于提供具有12伏到48伏范圍內(nèi)的端電壓的電池組整體?；旧峡梢允窃摲秶鷥?nèi)的任意輸出電壓。因此，整體電池組可以單獨使用或者并聯(lián)或串聯(lián)地向電力負載供電。因為每個儲能單元中的輸出電壓可以單獨控制，所以該整體容器中的儲能單元的并聯(lián)設(shè)置將提供真正的冗余。整個系統(tǒng)中單個電化電池的故障將不影響整體電池組的輸出電壓，并且僅對整體電池組總能量生產(chǎn)額(overall energydelivery capacity)產(chǎn)生不重要影響?？梢酝ㄟ^增加在整體容器中容納儲能單元的數(shù)量來增加整體電池組的容量。通過非常少的整體容器，電池組將可以適應(yīng)大范圍的電池電壓和容量需求?？梢钥焖俳㈦姵亟M整體，用于基于個性化的容量和電壓的訂購，以允許更大靈活性來滿足客戶的制造和庫存要更加簡單的應(yīng)用需求。
可以在儲能單元層次上改變向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓的電化電池的數(shù)量。可以使用與其輸入電壓相比具有更大或者更小的輸出范圍的各種類型的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。總的整體端電壓可以比在此描述的端電壓更大或者更小?？梢允褂闷渌愋偷碾娀姵?鋰離子聚合物、鉛酸、鎳鎘等)?？梢酝ㄟ^撥碼開關(guān)、其他模擬電壓信號、或者數(shù)字軟件命令來限定輸出電壓。整體外殼還可以是安裝和容納儲能單元(例如，繼電器機架面板(relay rack panel)，插件箱等)的其他結(jié)構(gòu)。
因此，根據(jù)本發(fā)明的該實施例，可以提供這樣的整體電池組結(jié)構(gòu)，其電壓范圍比由所使用的電化電池的電勢和串聯(lián)連接電池的數(shù)量所限定的電壓范圍更寬。本發(fā)明允許有這樣的整體電池組結(jié)構(gòu)，其中，輸出被調(diào)整到在電池放電期間基本保持恒定的固定值。此外，該整體電池組結(jié)構(gòu)的容量可以通過增加儲能模塊而改變。
本發(fā)明的另一實施例涉及一種自構(gòu)造電池組儲能模塊。本發(fā)明的目的在于提供一種儲能模塊及相應(yīng)的電池系統(tǒng)，其中，將輸出電壓寫入電池組，并且該輸出電壓由外部源所限定，該外部源使儲能模塊或電池組“學(xué)習(xí)”到其輸出電壓被期望設(shè)置為多大。
所提出的該儲能模塊包括多個電化電池，這些電化電池連接到具有降壓/升壓功能的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。電化電池優(yōu)選是鋰離子聚合物型，但是也可以使用其他類型的電化電池(例如，鉛酸或者鎳鎘)。某些dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑵漭敵鲭妷禾岣吆徒档偷筋~定施加電壓的多倍。例如如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器具有兩倍的降壓/升壓系數(shù)，則如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓是12伏，它的降壓輸出可以低至6伏并且它的升壓輸出可以高至24伏，本發(fā)明所述dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的降壓/升壓系數(shù)為2，然而該降壓/升壓系數(shù)可以為任意值。例如，本發(fā)明實施例可以通過適當(dāng)?shù)目刂齐娐反?lián)三個每個具有4伏的額定電化電池電勢的鋰離子聚合物電池，以向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供12伏額度輸入電壓。因此，具有降壓/升壓系數(shù)為2的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出可以為低至6伏到高至24伏的范圍。本發(fā)明所述實施例允許通過將等于儲能模塊的期望輸出電壓的參考電壓施加到dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器，來限定dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。這樣做使得電池組進行“學(xué)習(xí)”，以使其隨后的輸出與施加的參考電壓適配，從而向負載提供負載最優(yōu)條件或者是期望電壓。因此，例如，如果施加的電壓(負載電壓)是13.5伏，則儲能模塊的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以將由三個鋰離子聚合物電池提供的額定12伏電壓上調(diào)至13.5伏的恒定輸出電壓。除了施加的參考電壓之外，可以使用開關(guān)或其他電信號、或者軟件命令，以“教授”dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器輸出多大電壓。
如上所述，各個儲能模塊和由多個儲能模塊構(gòu)成的電池組可以“學(xué)習(xí)”到提供與被供電的裝置的電壓要求相一致的精確輸出電壓。儲能模塊和/或電池組可以在運送給用戶之前被“教授”它們的期望輸出電壓，或者儲能模塊和/或電池組可以通過將電池組連接到正確負載電壓的電源，并允許儲能模塊“學(xué)習(xí)”其期望輸出電壓，以在現(xiàn)場被教授它們的期望輸出電壓。某些裝置可以具有可以連接到電池組的參考電壓輸出，以有助于將最優(yōu)負載記錄在電池組的存儲器或者其他存儲裝置中。相似地，儲能模塊或電池組的輸出電壓可以通過軟件命令選擇性地切換或者確定。
本發(fā)明還允許儲能模塊和/或電池組提供精確電壓的dc功率，這是應(yīng)用要實現(xiàn)最優(yōu)操作性能所要求的。允許單個儲能模塊提供寬范圍的輸出電壓，該輸出電壓沒有被裝置中電化電池的數(shù)量及其電勢嚴格地限定。其使單個制造的模塊可用于寬范圍電壓應(yīng)用，并且因為可以在就要運送給用戶之前教授該儲能模塊其輸出電壓期望為多大，所以使得滿足寬范圍應(yīng)用所需的庫存最小化。本文的實例中描述的這種向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供12伏輸入的具有三個鋰離子聚合物電池的儲能模塊，可以用于低壓計算機電子應(yīng)用(5-9伏)、汽車電子應(yīng)用(12-14伏)、以及遠程通信電子應(yīng)用(20-24伏)。
可以改變向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓的電化電池的數(shù)量。例如，通過適當(dāng)?shù)碾娮涌刂齐娐愤B接的6個鋰離子聚合物電池可以向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供額定24伏的輸入，導(dǎo)致輸出能力范圍為12伏至48伏。其他類型的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以具有比其輸入電壓更大或者更小的輸出范圍。可以使用其他類型的電化電池(不同于鋰離子聚合物電池)?？梢酝ㄟ^撥碼開關(guān)、其他模擬電壓信號、或者數(shù)字軟件命令來限定輸出電壓。
本發(fā)明的另一實施例涉及具有自檢測和診斷功能的電池組儲能模塊。作為電化儲能設(shè)備，電池組經(jīng)常用于向各種電力負載提供dc電源。電池組關(guān)于電力負載的一個重要特征是電池組的電壓。電池組狀態(tài)的另一重要參數(shù)是它的容量，其按照傳遞給負載的總能量的安時或者瓦時來測量。隨著由于電池組的活性物質(zhì)惡化和/或影響電池組電阻或者傳輸其存儲能量的其他內(nèi)部變化導(dǎo)致電池組的老化，電池組逐漸失去其維持容量和電壓的能力。在過去，判斷電池組支持其所供電的電力負載的能力的最可靠方法是在電池組上執(zhí)行負載檢測。
當(dāng)在應(yīng)用裝置中的電池上執(zhí)行負載檢測時，可以要求將電池組從其供電的電力負載中移出，將電池組連接到外部負載組以將電池組放電，并且在檢測放電期間，甚至可能為電力負載提供可選的備份系統(tǒng)。這樣產(chǎn)生了許多后勤問題，并需要額外的人力和設(shè)備資源用于完成該檢測。此外，正在檢測的電池組所供電的電力負載的可用性會受到損害。
本發(fā)明通過提供儲能模塊和/或使用該儲能模塊的電池組系統(tǒng)克服了這些問題，其在保持對其供電的電力負荷的可用性的同時，可以完成內(nèi)部自診斷檢測放電。
在本發(fā)明的實施例中示例性描述的儲能模塊包括一個或者多個電化電池，這些電化電池連接到具有“降壓/升壓”功能的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。電化電池優(yōu)選地是鋰離子聚合物型，但是也可以使用其他類型的電化電池(例如，鉛酸或者鎳鎘)。某些dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⑵漭敵鲭妷禾岣吆徒档偷筋~定施加電壓的多倍。例如，如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器具有兩倍的降壓/升壓系數(shù)，則如果dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓是12伏，它的降壓輸出可以低至6伏，它的升壓輸出可以高至24伏。在本發(fā)明中，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出被設(shè)置成獨立于dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓的固定電壓。此外，裝置可以包括某些電子邏輯電路，這些電子邏輯電路可以將構(gòu)成儲能模塊或者電池組的電化電池中的一個放電，使用從放電的電池中獲取的能量為剩余的電化電池充電或者向連接到dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出的電力負載提供能量。dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以將其輸出保持在恒定電壓，即使在該結(jié)構(gòu)中的電化電池中的一個放電時。也可以通過基準(zhǔn)電壓、可選擇撥碼開關(guān)或其他電化設(shè)備、或者由軟件數(shù)字命令來確定dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
如上所述，多個電化電池可以通過適當(dāng)?shù)碾娮与娐放cdc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器連接。dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器可以具有降壓/升壓功能，并且附加的電化電池的單個或者全部電壓不需要與期望輸出電壓匹配。然后，可以通過寫入(imprint)基準(zhǔn)電壓、可選擇撥碼開關(guān)或其他電化裝置、或者通過軟件數(shù)字命令設(shè)置dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器的輸出。此外，電子電路可能包括適當(dāng)?shù)倪壿?，以允許構(gòu)成電池組儲能模塊的電化電池之一放電，使用從該電化電池移出的能量給模塊中的其余電池充電和/或向連接到dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器輸出的電力負載供電。例如，使用本發(fā)明的儲能模塊可以包括4個鋰離子聚合物電池，每個均具有4伏的額定電勢，并通過適當(dāng)?shù)碾娐方拥皆O(shè)置為13.5伏輸出的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器。當(dāng)全部電池都工作時，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器使用其“降壓”功能，將電化電池的電壓從額定值16伏降至期望值13.5伏輸出。根據(jù)來自于內(nèi)部邏輯的命令或者來自于外部源的信號，電池中的一個將放電，其能量將用于為其余電池充電或者向外部電力負載供電。當(dāng)放電的電池電壓降低時，dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器將增加從電池組模塊中的其它電池獲取的能量的數(shù)量，并使用其升壓功能保持恒定輸出。然后，模塊的邏輯電路將確定被放電電池的可用容量，并且判斷其是否在可接受范圍內(nèi)。如果電池的容量少于可接受范圍，內(nèi)部邏輯電路將發(fā)出表示其可用容量減小的信號。即使模塊中一個電池進行容量放電檢測，本發(fā)明也將允許儲能模塊和/或電池組持續(xù)提供精確電壓的dc功率，這是應(yīng)用要實現(xiàn)最優(yōu)操作性能所需要的。將比較被測試電池的放電容量，并提供電池和模塊容量的指示。這不需要將模塊從其供電的電力負載中移出，就可以實現(xiàn)。
可以改變向dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器提供輸入電壓的電化電池的數(shù)量。可以使用與它的輸入電壓相比具有更大或者更小的輸出范圍的各種類型的dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器?？梢允褂闷渌愋偷碾娀姵?鋰離子聚合物、鉛酸、鎳鎘等)?？梢酝ㄟ^撥碼開關(guān)、其他模擬電壓信號、或者數(shù)字軟件命令來限定輸出電壓。用于在模塊內(nèi)中電池放電的邏輯電路可以來自于模塊內(nèi)部或者由外部源提供。
如圖1所示，本發(fā)明的電池組系統(tǒng)100可以包括多個儲能電池110。圖1示出6個串聯(lián)連接的儲能電池，通過設(shè)置電池使得每個電池的負電流集電片(collector tab)120與另一電池的正集電片115接觸來串聯(lián)連接，除了通過正集電電路150和負集電電路140從電池獲取功率至dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器160外。因為電池不是設(shè)置成“直線”結(jié)構(gòu)，所以可以使用電池組，并通過例如連接器130的集電器電路連接。
dc轉(zhuǎn)dc轉(zhuǎn)換器160可以包括降壓/升壓功能，允許其從儲能電池110中獲取電流，并通過端200輸出期望電壓?？梢酝ㄟ^控制電路170提供基準(zhǔn)電壓，該控制電路可以包括存儲器，用于存儲由外部源190、開關(guān)180、或者其他裝置提供的基準(zhǔn)電壓。
權(quán)利要求
1.一種電池組系統(tǒng)，包括至少一個儲能單元；dc-dc轉(zhuǎn)換器單元，能夠調(diào)大和/或調(diào)?。换鶞?zhǔn)電壓電路；以及多個輸出端，其中所述dc-dc轉(zhuǎn)換器在所述多個輸出端之間提供電壓，所述電壓對應(yīng)于從所述基準(zhǔn)電壓電路發(fā)送至所述dc-dc轉(zhuǎn)換器的信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)電壓電路包括開關(guān)、基準(zhǔn)電壓信號、軟件指令、或外部負載。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組系統(tǒng)，其中所述儲能單元選自鋰離子蓄電池、鎘電池、堿電池、鉛酸電池、和鎳金屬氫化物電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組系統(tǒng)，包括多于一個的儲能電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池組系統(tǒng)，其中多個儲能電池設(shè)置成串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池組系統(tǒng)，其中多個儲能電池設(shè)置成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池組系統(tǒng)，其中多個儲能電池設(shè)置成串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池組系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)電壓電路包括用于存儲基準(zhǔn)電壓的存儲單元。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池組系統(tǒng)，其中所述基準(zhǔn)電壓由外部源提供。
10.一種用于向負載提供電壓的方法，包括設(shè)置基準(zhǔn)電壓；從一個或者多個儲能電池中獲取功率；將從所述儲能電池中獲取的所述功率的電壓調(diào)大或調(diào)小，以對應(yīng)于所述基準(zhǔn)電壓；通過多個輸出端向所述負載提供所述電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述儲能電池包括鋰離子電池、鎳鎘電池、鉛酸電池、鎳金屬氫化物電池、堿電池、及其組合。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括從外部源接收外部基準(zhǔn)電壓，并設(shè)置所述基準(zhǔn)電壓以與所述外部基準(zhǔn)電壓匹配。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括通過軟件命令設(shè)置所述基準(zhǔn)電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括使用開關(guān)設(shè)置所述基準(zhǔn)電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括將所述外部基準(zhǔn)電壓寫入存儲單元中，并且將所述基準(zhǔn)電壓設(shè)置成對應(yīng)于寫入所述存儲單元中的所述外部基準(zhǔn)電壓。
16.一種用于向負載提供電壓的方法，包括設(shè)置基準(zhǔn)電壓；從多于一個的儲能電池中獲取功率；將從所述儲能電池中獲取的所述功率的電壓調(diào)大或調(diào)小，以對應(yīng)于所述基準(zhǔn)電壓；通過多個輸出端向負載提供所述電壓；以及在提供所述電壓的同時，放電檢測至少一個所述儲能電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種儲能電池和由其制成的電池組系統(tǒng)，其可以向負載提供調(diào)節(jié)的、恒定的電壓，而與電池的充電狀態(tài)和其他因素(例如，電池極化)無關(guān)；其可以使電池的輸出電壓改變。在一個示例性實施例中，電池組系統(tǒng)包括dc－dc轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電壓電路。轉(zhuǎn)換器從一個或者多個儲能電池獲取功率，并且將其調(diào)大或者調(diào)小，以提供與基準(zhǔn)電壓匹配的輸出電壓。
文檔編號H01M10/44GK1898846SQ200480038101
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月17日
發(fā)明者蒂莫西·科爾特斯, 基思·施密德, 約瑟夫·申博爾斯基 申請人:艾克賽德科技公司