專利名稱：能量監(jiān)測和充電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于改進(jìn)電池性能的能量監(jiān)測和電荷存儲系統(tǒng)。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)在電池工業(yè)中，由于消費者對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的需求，從而對電池調(diào)節(jié)技術(shù)的需求也在不斷地增長。另外，電池工業(yè)正重點朝著由電池作為基本動力源、用于新型車輛的電動機(jī)驅(qū)動工具和零排放車輛這一趨勢發(fā)展。這一趨勢的產(chǎn)生主要是由于政府管理規(guī)章的快速發(fā)展以及消費者對空氣和噪音污染問題的日益關(guān)心。另一個對高性能電池產(chǎn)生需求的領(lǐng)域是儲能的應(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，隨著對電池供電設(shè)備的一再需求，隨之也對電池工業(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對環(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說對它們的使用在經(jīng)濟(jì)上還是不可行的，尤其是對作為目前世界上增長最快之一的兩輪/三輪載客車輛的這一市場。然而，人們已經(jīng)很好地意識到，通過對電池操作條件適當(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。
在現(xiàn)階段的電池管理中有幾個方面定位是不適當(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)中單個電池單元的能力。
鉛-酸電池的充電器通常有兩項任務(wù)要完成。第一項任務(wù)是盡可能迅速地恢復(fù)容量，第二項任務(wù)是通過補(bǔ)償自動放電保持容量。在這兩種情況下，最佳操作都要求準(zhǔn)確地檢測電池的電壓和溫度。典型的鉛-酸電池單元在充電時，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，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“電池氣泡”。因此，在帶孔或閥門限制電池組中就會出現(xiàn)電池體內(nèi)電解液的損失以及電解液的脫水現(xiàn)象，從而會對電池的循環(huán)壽命產(chǎn)生影響。
通過監(jiān)測電池的電壓可以覺察過量充電的開始點。電池電壓突然上升往往就是過量充電反應(yīng)開始的一個指示訊號。過量充電反應(yīng)的開始點依賴于充電速率，并且隨著充電速率的增大，開始于充電起點的過量充電其返還能量百分比就越小。而用在過量充電上的電能并不能從電池中重新獲得。為了重新獲得全部的能量一般就要盡可能地對過量充電進(jìn)行控制，并應(yīng)盡量使處于不平衡態(tài)的電池回到平衡態(tài)，然而這是以犧牲電池循環(huán)壽命為代價的。
雖然有幾種方法可用于可充電電池，然而所有的這些方法都需考慮到由單個電池組成的電池組應(yīng)作為一個整體，通常并不能對一電池組的每一個單個的電池進(jìn)行監(jiān)測，而這種監(jiān)測往往是在電池組中保持真正平衡所必需的。通常一個12伏的蓄電池是由6個單個的2伏電池串聯(lián)在一外殼內(nèi)組成的，其中用一條主線作為基本的連接線。一般的，蓄電池組電池各自的性能并不是完全相同的，而且在處于充電和放電功能中，電池最終會處于“非平衡”狀態(tài)。
和電池壽命相關(guān)的最重要的兩個方面是電壓的上限和下限。如果一個鉛-酸蓄電池組的一個2伏電池在充電或再生過程中電壓超過大約2.6伏，就會產(chǎn)生氣體，從而引起電解液脫水影響電池的壽命。如果在放電過程中電池的電壓下降到大約1.6伏以下，就會對極板表面產(chǎn)生永久性的損害。在通常大多數(shù)的充電系統(tǒng)中，充電器僅僅是和串聯(lián)電池的第一根和最后一個線相連的，因此就不可能對每一個單個電池做出精確的監(jiān)測以防止其受到損害。一般情況下，一個充電器僅僅是保證并加一定的集聚電壓，其結(jié)果就會是性能好的電池實際上在過量充電而同時性能差的電池上卻加了一過高的電壓，而兩者的總和卻符合充電器預(yù)先需要的電壓值。這種過量充電會使電解液脫水并且會使性能好的電池得不到充分的充電，其結(jié)果不僅僅會影響單個電池的循環(huán)壽命，還會影響整個電池組的壽命。
電池組的內(nèi)阻是另一個對電池組系統(tǒng)充電和放電性能產(chǎn)生重要影響的因素。電池組面臨著一些可使其性能降低的問題，其中一個主要的方面就是需克服電池組的內(nèi)阻。每一個電池系統(tǒng)都有一個內(nèi)阻，其目標(biāo)就是盡量地降低內(nèi)阻，同時在每一重量單位處存儲最大限度的能量。當(dāng)在一電池系統(tǒng)中加一負(fù)載時，由于電池組內(nèi)阻的存在，就會導(dǎo)致所需電流和電池組電壓的下降。內(nèi)阻越低，電池組電壓的下降值也就會越低。這是由于電池組的總內(nèi)阻存在的原因，其中包括了各部分自然的阻力和由于例如激活和濃度極化而產(chǎn)生的極化阻力。
對于任何電池系統(tǒng)的總內(nèi)阻的產(chǎn)生，其中一個重要的原因就是極化的產(chǎn)生。以一個簡單化的例子來看，濃度極化包括了在一個電極表面反應(yīng)物或生成物的逐步形成，其限制了反應(yīng)物向電極處的擴(kuò)散和生成物遠(yuǎn)離電極處。電流越高，電池系統(tǒng)的極化損失就會越大。因此，電池系統(tǒng)中極化的程度會限制電池系統(tǒng)所能經(jīng)受的最大電流值。然而，如果極化損失可以控制的話，便可從多數(shù)電池系統(tǒng)中能以最小的電壓損失得到更高的電流值。
在充電過程中，唯一可以有效地對電池組進(jìn)行保護(hù)的方法就是對每一個電池進(jìn)行監(jiān)測，以防止單個電池的過量充電和保持單個電池的“充電平衡”。在放電過程中，唯一可以有效的對電池組進(jìn)行保護(hù)的方法就是再次對單個電池進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)任何一個電池下降到一危險水平時，就可以通過隔斷電池組或控制輸出量等方法來防止再放電。在諸如由鎳氫金屬和鋰離子這類比鉛不穩(wěn)定的材料制成的、具有“特殊”性能的電池中，單個電池的監(jiān)測與保護(hù)就顯得越發(fā)必要。
因此，就需要一種用以監(jiān)測并能控制電池系統(tǒng)單個電池的裝置，在當(dāng)考慮電池的循環(huán)時它能高精確度的來確定電池中剩余的能量值。由于過量充電、充電不足或過量放電會導(dǎo)致電池的損壞，因此就需要對單個電池的充電進(jìn)行限制或隔斷電池內(nèi)部的終端線以防止過量放電。這種能隔離各個電池內(nèi)部終端線的能力允許電池與可靠措施相結(jié)合以防止未授權(quán)的使用。
同樣，也需要一種安裝在每一個單個電池之間的、具有一定智能化的精確測量裝置，以用來監(jiān)測并保護(hù)電池，從而能明顯的延長其工作壽命，且在需要時可給操作員提供迅速的反饋信息。
發(fā)明簡述根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種用于帶有多個電池的電池組的電池管理系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括了用以監(jiān)測每一電池一預(yù)先設(shè)定參數(shù)的裝置。
更好的是，該參數(shù)是每一個電池在電池充電時的電壓值，其中該電池監(jiān)測系統(tǒng)還包括了用以在電池接近一預(yù)定電壓時、用來終止對各個電池充電的裝置。
在本發(fā)明的一個首選實施例中，該參數(shù)是每一個電池在電池充電時的電壓值，其中該電池管理系統(tǒng)還包括了用以指示某個電池的電壓已經(jīng)跌落在一預(yù)定電壓之下的裝置。
圖5是

圖1所示能量控制裝置在一個氧化還原-凝膠蓄電池系統(tǒng)中的應(yīng)用方框圖；以及圖6是表示一由六節(jié)電池組成的電池組和圖2所示電池管理系統(tǒng)之間連接的示意圖。
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，存儲來自電池系統(tǒng)11的一預(yù)定能量，并在控制裝置處于第二操作模式時，根據(jù)控制裝置14的需求信息向電池系統(tǒng)11提供存儲的能量。
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，存儲來自電池系統(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，根據(jù)從控制裝置14而來的需求信號向輸出終端12提供存儲的能量。
因此，電力控制系統(tǒng)和兩個電容器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，當(dāng)控制裝置感測到，例如，電池系統(tǒng)11中的極化程度太高時或由于能量首先供應(yīng)于負(fù)載而使一預(yù)先設(shè)定的時間期限已過時，便開始向電池系統(tǒng)11反向充電。在這個放電循環(huán)中，控制裝置14允許將在第一電容器網(wǎng)絡(luò)15中存儲的能量向電池系統(tǒng)11充電，同時第二電容器裝置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)同樣可以與一個充電器相連來進(jìn)行工作，以在操作過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人的電子簽名合并，使整個系統(tǒng)受到很準(zhǔn)確的跟蹤和監(jiān)測。每次電池系統(tǒng)被安裝到一個充電器上，電力控制系統(tǒng)都作自我識別，確認(rèn)其從哪輛車拆下，以及車主身份。
充電器單位可對電池的能量情況進(jìn)行監(jiān)測并將該信息傳遞給使用者，以及示出交換費用的增加，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用收據(jù)，該單位就會將一種新的電池安裝在車輛上。如果客戶對電池濫用或改裝，將會被充電器識別出來。
控制系統(tǒng)不僅可適宜于識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)上來估測可再行駛的距離。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。
每一個充電裝置可通過一遙測系統(tǒng)與一個操作中心相連，該操作中心能夠不斷地對充電網(wǎng)絡(luò)中所有位置的情形進(jìn)行監(jiān)測。
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，而僅通過電力控制系統(tǒng)便可控制輸出量。這不但降低了車輛的費用，也縮減了制造商的擔(dān)保量，并且只需通過遙測傳達(dá)系統(tǒng)就可提供連續(xù)的性能監(jiān)測。
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)點和專門的應(yīng)用對象。
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的時段。由于電池在不同的速率時存在著自動放電，因此，就可將電力控制系統(tǒng)設(shè)定為周期性的對單個電池的狀態(tài)進(jìn)行掃描并且采用電池平衡的技術(shù)來保持電池內(nèi)部處于平衡。同時也可使充電系統(tǒng)作為備用并通過所需的電力控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制。
如圖2的方框圖所示、可作為一個首選實施例的電力控制系統(tǒng)包括了一個微型處理器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。該處理器的運算速度可以是4兆赫到166兆赫之間。另外，根據(jù)單個電池的需要也可使用一數(shù)字信號處理芯片。該微型處理器帶有電可擦除只讀存儲器、只讀存儲器和隨機(jī)存儲器。同樣也可使用一ASIC(特定用途集成電路)。
單個電池電壓測量模塊41利用一單根電線與每一個電池的連接端相連。這條電線專門用于測量電壓。以地面電壓為參考，每一個電池的測量電壓達(dá)到24伏。這同樣也可在對每一個電池根據(jù)需要和指定的精確度要求直接進(jìn)行測量的基礎(chǔ)上完成。
通過使用包括一線路的模塊42便可得到各個電池的電壓測量情況，其中在該線路中通過一個電阻網(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對電池進(jìn)行分壓。使用運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12位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器用在每一個所要測量的電池電壓上。該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器由微處理器連續(xù)控制，它通過將每一測量電壓定標(biāo)和用每一個電池負(fù)極的電壓減去電池正極的電壓來將每一個測量電壓轉(zhuǎn)化為電池電壓。這可在每一個電池上進(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。該電壓也可用橫穿并連接在每一個電池的變頻器直接測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)耦合于測量頻率并將其轉(zhuǎn)換為電壓的微處理器上。
電流測量模塊43測量一并聯(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對電壓進(jìn)行定標(biāo)?？梢赃x擇的是，也可使用一霍爾效應(yīng)裝置用適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)方法來測量。
通過使用電路模塊44可得到電流的測量情形，在電路模塊44中，分流器兩端的電壓被轉(zhuǎn)化為一個0-5伏的、不分電流方向的信號，該信號接著被輸入一個用于測量上述電壓的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化器的輸入端。該調(diào)節(jié)線路也提供了用來輸入微處理器的、指示電流方向的數(shù)字信號。通過將最小的外部部件與電路的相連可實現(xiàn)上述這一點。不連續(xù)的部件在這一點上解決方法同樣也是有效的。
通過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、單個的電池或外部，以測量周邊溫度。
溫度測試調(diào)整是由電路模塊46完成的，在該模塊中溫度值就是一個輸出電壓值和一個低的補(bǔ)償電壓值之和，運算放大器被用來將這一值縮小為0-5伏范圍內(nèi)的值，從而適合輸入一用于電壓和電流測量的同一個模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中。
一個液晶顯示器47用來顯示一些信息，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)動器48直接由微處理器40來驅(qū)動，將合適的數(shù)值寫入微處理器40中基于查表位置的存儲器中。依賴于微處理器的需要和液晶顯示器的復(fù)雜程度，可使用一個分開結(jié)合的電路驅(qū)動器。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向使用者提供聲頻信號。它可直接由微處理器驅(qū)動，必要的話也可使用一晶體管驅(qū)動器。
倘若電池被用來提供車輛動力，距離傳感器50可安裝在車輪上。這個傳感器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。
對距離傳感器的調(diào)節(jié)可通過一線路模塊51來完成，其中距離傳感器50的輸出信號按一定頻率由微處理器40定標(biāo)與測量，并反過來由微處理器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通過一精確的運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確保所有來自充電器的控制和通信信號能通過微處理器40的一串行總線進(jìn)行通信。該串行總線也可通過一個人計算機(jī)來進(jìn)行校準(zhǔn)。
為了確保長的使用壽命，所有的組建都應(yīng)是弱電流消耗。通過一由微處理器到低電流模式模塊55的信號，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)和偏移量存儲在電可擦除只讀存儲器中。
軟件57優(yōu)選輪詢確定的地址，以及因臨界時間事件(例如當(dāng)前對累積能耗的監(jiān)控)中斷的驅(qū)動。優(yōu)選的是，該軟件能夠確定各個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式電壓電流算法，可以通過斷開開關(guān)防止電池組過度放電。該軟件適合于(I) 計算電池的自動放電和能夠啟動電池單元的平衡程序；(II) 記下循環(huán)次數(shù)并將這一信息傳遞給電池充電器；(III)監(jiān)測、通信和啟動保護(hù)措施以防止電壓過高或電壓過低；
(IV)按照一定的時間間隔進(jìn)行電流取樣，計算電流對時間的積分，以便提供已使用的安培小時數(shù)據(jù)和所剩安培小時數(shù)據(jù)；以及(V) 在當(dāng)前循環(huán)下用負(fù)載將使用的安培小時和剩余安培小時進(jìn)行校正。
微處理器40也可驅(qū)動場效應(yīng)晶體管或IGBT來控制流向電動機(jī)58的電流。它可對電刷式電動機(jī)、或帶有用于多種無電刷發(fā)動機(jī)如磁阻電動機(jī)或無電刷直流電動機(jī)的準(zhǔn)正弦曲線電動機(jī)提供一調(diào)制的單脈沖線寬的控制信號。
一個場效應(yīng)晶體管或IGBT開關(guān)59用來保護(hù)對電池提供保護(hù)，所使用的場效應(yīng)晶體管具有低的內(nèi)阻。
開關(guān)59被由微處理器40驅(qū)動的開關(guān)控制模塊60控制，場效應(yīng)晶體管或IGBT的驅(qū)動是采用一轉(zhuǎn)換電源來促使電壓向高邊驅(qū)動。
在內(nèi)阻控制模塊61中，微處理器控制一場效應(yīng)晶體管，該場效應(yīng)晶體管所起的作用就是周期性地以一個高于電池電壓的電壓向電容器充電，并在更換另一個具有能保持當(dāng)前負(fù)載電流的電荷量的同時將上述電容器的電量輸入到電池中。
能量計量表62的輸出顯示在液晶顯示器上，顯示所剩能量。這個數(shù)值是通過求電流對時間的積分計算出來的。按照一定的時間間隔進(jìn)行電流取樣，從總量中減去計算值，計算百分比，給出所余電量。
內(nèi)阻/阻抗模塊63通過測量在電流變化前后電壓值的變化量來計算內(nèi)阻和阻抗的值。這在充電和放電過程中都可進(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定以用來確定內(nèi)阻和阻抗。
電池平衡模塊64所起的作用就是當(dāng)一個電池被認(rèn)為在電池組中和其它的相比自動放電更厲害時，利用一轉(zhuǎn)換模式整流器將來自整個電池組的能量轉(zhuǎn)化為一個適當(dāng)?shù)碾妷褐担⑵浞峙浣o最弱的電池，從而達(dá)到電池的平衡。
圖6示出了將電池管理系統(tǒng)40通過兩種電線的連接方式和一帶有六個電池81至85的電池組80相連的情形。
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、熱能處理問題方面的缺陷，以及需要不斷地補(bǔ)充充電來維持電池電量的不變。鉛-酸電池也需要長時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)分鐘的時間。如果使用高的電流，通常就會使其達(dá)到的電壓值高于允許的電壓值，從而會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)充充電的方式對鉛-酸電池進(jìn)行充電至少需要4個小時的時間。
一個鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命很大程度上依賴于在循環(huán)過程中所能達(dá)到的放電深度。拿電動車的應(yīng)用來說，一個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個周期。
圖3示出了電力控制系統(tǒng)20應(yīng)用于在一個鉛-酸電池中的情形，不過，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)單個電池21的電極連在一起形成一個大的表面，其中是以螺旋環(huán)繞的方式將各個具有很低阻抗的單個電池連接起來。使用高級的電解液來促使可從鉛-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。這種閥門限制的鉛酸方式的使用以相對低的費用提供了一種證實了的技術(shù)，可作為“租賃能量”系統(tǒng)的一個起點。
通過使用該電力控制系統(tǒng)20和將電池組設(shè)計為能夠表現(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、增長了的循環(huán)周期以及縮短了的充電時間等方面的、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。一個循環(huán)是指從充電開始到放電再回到充電這樣一個過程。
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，從而也得到了一個更高的可獲安培小時率和擴(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用?？s短了的充電時間意味著電池的回轉(zhuǎn)周期會更快，從而降低了能量租賃系統(tǒng)中所需的空閑電池數(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，該電池使用一般會使電池系統(tǒng)價格昂貴的經(jīng)先進(jìn)程序加工過的高純度材料。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放電的問題，而且它也同樣受溫度的影響。高電流的獲得可能會引起電池組電池的損傷，并且必須注意使電池組避免過量放電。在這一點上，就需要高級的電池充電器來保證正確地進(jìn)行充電。
本實施例中的鎳-金屬-氫化物電池系統(tǒng)就利用了用于設(shè)計來完全利用提供的電池電力控制系統(tǒng)的優(yōu)點的高級鎳-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)測著所有模塊的性能，所以該整體模塊是一個智能化很高的能量存儲系統(tǒng)。該電力控制系統(tǒng)能采取主動行動來使電池保持最佳的工作性能，同時提高了循環(huán)壽命。
理想情況下，由于其具有高能量密度、大功率、長循環(huán)壽命和充電時間短的優(yōu)點，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，其用在電動車上具有更大的行駛距離，但只是費用稍微高了點。然而，本實施例中該系統(tǒng)的制造成本明顯低于現(xiàn)有的產(chǎn)品，以目前的費用來估計，該鎳-金屬-氫化物系統(tǒng)的總費用大約是當(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。
該電力控制系統(tǒng)同樣也可用于多年來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，其中能量存儲在電池組各部分的液態(tài)電解液中。在操作過程中，電解液通過該系統(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)，因為其電解質(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，極化程度會更高。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)計時的許多限制條件。
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。
為氧化還原-凝膠電池組特定設(shè)計的控制裝置33同時也執(zhí)行了一些監(jiān)測的功能，例如監(jiān)測單個電池的電壓和溫度。它也同樣可監(jiān)測密封電池組的內(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。控制裝置33具有增加了的重要的性能，能采取主動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的循環(huán)壽命。
該系統(tǒng)在費用上是極具競爭力的，并能比當(dāng)前可用的能量存儲系統(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。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)同樣具有非常長的循環(huán)周期。該系統(tǒng)作為一個整體是非常具有效能成本合算的。由于它的輕重量和堅固耐用，該系統(tǒng)非常適宜用于“租賃能量的”車輛更換電池。
本發(fā)明的另一個實施例，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)面臨著諸多問題，其中主要的一個問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)被記錄下來并且實施定量的充電。然而它并不適于單個電池的情形，也因此最高的充電電池通常過度充電，而最低的充電電池卻充電不足。其結(jié)果就是整個電池組的壽命顯著縮短。
另一個問題是由于內(nèi)部效應(yīng)的存在，如果內(nèi)阻作用在各個部件上，電池就不能適應(yīng)高的充電電流?？焖俪潆娡ǔa(chǎn)生電液泡效應(yīng)，其中產(chǎn)生出氫氣，不僅危險、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)阻的存在而帶來的極化效應(yīng)。更重要的是，它允許對多項功能進(jìn)行控制，如監(jiān)測單個電池、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別電力控制系統(tǒng)并因此識別出電池模塊的序列號，其中通過一遙感通信系統(tǒng)將其中繼給操作中心。一旦電池被記錄下來而且客戶通過驗證，電力控制系統(tǒng)便控制電池充電器開始充電。
實際的充電功能是由一相連的電力控制系統(tǒng)來執(zhí)行以確保每一個電池都被監(jiān)測和根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一功能防止了通過充電不足或過量充電給電池帶來的損害，而且因此顯著的提高了整個電池組的循環(huán)壽命。
所述的電池充電器能夠識別電池的類型，并且能夠自動選擇正確的方式。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地傳送給操作中心。
每個充電器單元，都經(jīng)由遙測系統(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，附帶監(jiān)控每個電池的位置、每個帳戶的狀況。
工業(yè)實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，可裝在自動售貨機(jī)、手動安裝充電組件、自動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
1.一種用于帶有多個電池的電池組的電池管理系統(tǒng)，所述管理系統(tǒng)包括了用以監(jiān)測每一電池的一預(yù)先設(shè)定參數(shù)的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)是每一個電池在充電時的電壓值，其中，所述電池監(jiān)測系統(tǒng)還包括了用以在電池接近一預(yù)定電壓時，用來終止對各個電池充電的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池管理系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)是每一個電池在充電時的電壓值，其中，所述電池管理系統(tǒng)還包括了用以指示某個電池的電壓已經(jīng)跌落在一預(yù)定電壓之下的裝置。
全文摘要
一種用于帶有多個電池(81至86)的電池組(80)的電池管理系統(tǒng)(40),包括了用以監(jiān)測每一電池(81至86)的一預(yù)先設(shè)定參數(shù)的裝置,其中每一個電池都是直接有線連接在該電池管理系統(tǒng)(40)上。
文檔編號H01T13/60GK1333940SQ99815677
公開日2002年1月30日 申請日期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, 克里斯·梅尼克特茲 申請人:法羅技術(shù)公司