專利名稱：能量存儲系統的制作方法
發明所屬技術領域發明涉及能量儲存系統，更具體地說，涉及用來改善電池性能的電池管理系統。
與本發明相關的背景技術電池產業面臨對電池管理技術日益增長的需求，這主要是由于消費者對電池供電的便攜式設備(如移動電話和手提電腦)的輕便性的要求越來越高。此外，由于迅速增加的政府規章，以及消費者對空氣和噪聲污染的憂慮，當前日漸強調電動工具和零排放車輛(用于這些新一代車輛的主要動力源是電池)的發展。另一個需要高效電池的領域是能量儲存應用，例如用于敏感的電子元器件的負載平衡、應急或備用電力和電力質量系統。
由于對電池供電設備需求日增，電池產業面臨的競爭壓力是生產理想的電池。理想的電池是那種幾乎沒有重量、不占據空間、提供以循環次數表示的超長的壽命，具有理想的充放電性能，并且失效后不破壞環境。電池產業最常應用的是鉛-酸電池技術，這種電池正面臨著挑戰，即要達到更高的能量密度、更小的尺寸、更好的性能水平、更長的循環次數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-離子電池等在內的特種電池，但是此類電池價格昂貴，現階段不具經濟可行性，尤其不適用成長最迅速的市場之一--兩輪/三輪載人車輛。應當認識到，電池的性能，即便現有的鉛-酸電池的性能，可以通過對電池工作條件的適當管理得到改進。
在現階段的電池管理中有幾個方面定位是不適當的，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)使電池的內電阻的負面效應最小化；以及(Ⅳ)監視、控制和保護電池系統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要完成。第一項任務是盡可能迅速地恢復容量，第二項任務是通過補償自動放電保持容量。在這兩種情況下，最佳操作都要求準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，硫酸鉛在電池的負極和正極極板上分別被轉化為鉛和二氧化鉛。待絕大部分硫酸鉛完成轉化時，開始過度充電反應，由于分解電解液產生氫氣和氧氣，這通常被稱為“放氣”。在帶排氣口或有閥門調節的電池中，這導致電解質耗損和電解質脫水，因此影響電池的循環次數壽命。
通過監測電池電壓可以檢測到開始過度充電。電池電壓的急劇上升，表明開始過度充電反應。開始過度充電反應的那個點取決于充電速率，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。通常采用有所控制的過度充電，以盡快地恢復全容量和恢復電池平衡，但這是以減少循環次數壽命為代價的。
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整體，而且實際上不監視電池中的單個電池單元，而后者對于在這組電池單元范圍內實現真正的平衡是必不可少的。典型的12伏特電池是由6個2伏特電池單元在一個殼體內串聯而成的，而且有用于主要連接的主終端。通常，電池中的各個電池單元并非步調一致，在充放電期間這些電池單元逐漸退化到“不平衡”狀態。
影響電池壽命的兩個關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，那么將造成對極板表面的永久性損壞。最常見的充電系統，充電器僅僅與電池單元組的第一個終端和最后一個終端連接，所以不能精確地監視和防止單個電池單元受損。通常，充電器只監測累計電壓，并且只對該累計電壓作出反應，其結果是，為滿足充電器預定的要求，好電池單元被過度充電，以彌補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，不僅嚴重地影響該電池單元的循環次數壽命，而且嚴重地影響整個電池的循環次數壽命。
電池的內電阻是另一個大幅度影響電池系統充放電能力的因素。電池存在許多導致性能下降的問題，但是主要限制之一是克服內電阻。每個電池系統都有一個內電阻，但是目標是要使內電阻最小，同時使每單位重量的能量存儲最大。在把負載與電池連接時，所需電流流出，并且由于電池內阻導致電池電壓下降。內電阻越低，電池的壓降就越低。這是由于電池內總電阻造成的，該總內電阻是由各個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。
在任何電池系統中，總內電阻有很大一部分是由極化作用產生。簡單地說，濃差極化涉及在電極表面反應物或產物的聚集，即限制反應物朝電極擴散和產物離開電極。電流越大，電池系統極化損耗就越大。因此，可能從電池系統中獲得的最大電流，要受該電池系統內極化作用程度的限制。但是，如果能夠控制極化損耗，就可以從大多數電池系統中，以最小的電壓損失獲得更多的電流。
因此，本發明的目的之一是提供一種電力控制裝置，由電池提供預定的電力輸出，該裝置將大大減少大多數類型電池的內電阻損失。
發明概要本發明的內容之一，是提供一種電力控制裝置，由電池提供預定的電力輸出，該裝置包括(Ⅰ)輸出裝置，將該系統的電力傳送給負載；(Ⅱ)控制裝置，它適合與電池系統連接，以便檢測該電池系統預先選定的操作參數，并且在控制裝置處于第一操作模式時，把來自該電池系統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之間，適合儲備預定數量的電力，并且在控制裝置處于第二操作模式時，依據來自控制裝置的指令信號，把儲備的電力供應給電池系統；(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，它適合儲備預定數量的電力，并且在控制裝置處于其第二操作模式時，依據來自控制裝置的指令信號，把它儲備的電力供應給輸出裝置。
優選的是，第一和第二電容器裝置，適合儲備從電池轉移出去的少量電力。
在本發明的一個實施例中，控制裝置在開始由該電力控制系統供電之后，按照預定的時間間隔，把指令信號提供給第一電容器裝置和第二電容器裝置。
在本發明的另一個實施例中，控制裝置適合檢測電池中的極化水平，并且在電池極化水平超過預定的極限時，發出對第一電容器裝置和第二電容器裝置的控制信號。
在第一電容器裝置中儲備的電力，引發反向充電或脈沖，以激勵電池系統內的電極，其放電率與控制裝置檢測到的該電池系統的內電阻成正比。對電極表面的這種激勵，允許更大電流流入和流出該電池，因此就電池系統而言，允許更大電流消耗、更快的再次充電，獲得更長的循環使用壽命。
所述的控制系統，能夠適用把電池系統作為一個整體，或者作為由各個電池單元組成的電池系統，檢測其預先選定的操作參數。
所述的電力控制裝置適用自動監測電池的電流、溫度、內電阻和操作性能，還可適用在充電和放電循環期間，監測電池系統中每一個電池單元。
另一方面，所述的電力控制系統，可以用于由充電器將預定的電力輸入電池系統。
再有，本發明提供了一種電池管理系統，該管理系統是為至少具有一個電池單元，具有至少一對電極，并且易受極化作用影響的電池準備的，所述的電池管理系統包括
(Ⅰ)監測裝置，用于指示電池或每個電池單元的極化水平的預定參數；(Ⅱ)儲備裝置，儲存將被轉移到電池中或從電池中轉移出去的預定數量的電力；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是根據本發明的一個實施例，一個特定電力控制裝置，由電池系統提供預定的電力輸出的方框圖。
圖2是基于本發明的第二個實施例，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應用于鉛-酸電池系統的的方框圖。
圖4是配有/未配有本發明的電力控制裝置的鉛-酸電池，其循環使用次數對應電池容量圖。
圖5是圖1所示的電力控制系統應用于氧化還原-凝膠(Redox-Gel)電池系統的方框圖。
優選實施例的詳細描述圖1所示的電力控制系統10，適合把來自電池系統11的預定的電力輸出，通過終端或輸出裝置12提供給負載，如所連接的電動車輛。在輸出端12和電池系統11的端子13之間，有一個控制裝置14，該裝置檢測電池系統11的預定操作參數。控制裝置14在第一操作模式期間，把來自電池系統11的電力提供給輸出端12。
連接在電池系統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，儲存來自電池系統11的預定數量的電力，并且在該控制裝置處于第二操作模式時，依據來自控制裝置14的指令信號，把它儲存的電力提供給電池系統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儲存來自蓄電池系統11的預定數量的電力，并且在該控制裝置處于第二操作模式時，依據來自控制裝置14的指令信號，把它儲存的電力提供給輸出端12。
這樣，該電力控制系統包含兩個電容器網絡，在所述控制裝置14檢測到電池系統11極化水平過高，或者電力從首先提供給負載起超過預定的時間間隔，它開始給電池系統11施加反向電荷。在這個放電過程中，控制裝置14允許第一電容器網絡15，把存儲的能量用于向電池系統11充電，與此同時，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，可以按規定的時間間隔設定。
這種逆向充電可以在電池系統內產生破壞極化作用的效果，并且使極化作用的影響和相關的損失降低到最小。
這種電力控制系統還可以與一個充電器一起工作，以在其整個運作過程中提供最佳性能和電池維護。這種電力控制系統可能適合防止將未經授權的充電器連接到電池系統上，借此防止潛在的濫用，保證車主不試圖在家里使用不適當的充電器給電池系統充電。
這種電力控制系統、充電器和車輛可以與個人的電子簽名合并，使整個系統受到很準確的跟蹤和監測。每次電池系統被安裝到一個充電器上，電力控制系統都作自我識別，確認其從哪輛車拆下，以及車主身份。
所述的控制系統，不僅可用于識別電池能量水平，亦可根據電量使用情況，估算剩余行駛里程。由此，車輛駕駛員可獲知在現有電能情況下，還可行駛多少公里。
每個充電器單元都可以借助遙測系統連接到一個操作中心，該中心可以持續監視充電站網絡中所有的充電站。
這種電力控制系統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控制輸出。這將降低車輛的成本、減少制造商的擔保風險，并且能夠借助遙感通信系統提供連續的性能監測。
這種電力控制系統可以應用于各種電池系統，例如帶調節閥的鉛酸電池、鎳氫電池和氧化還原-凝膠(redox-gel)電池，針對每種系統都有其優勢和特定目標的應用。
另外，這種電力控制系統還可以用于改善邊遠地區備用電力系統性能，負載平衡和應急后備電池系統的性能。邊遠地區使用和應急情況備用的固定的電池系統，可以任由它長期被充分地充電。由于各個電池單元以不同的速率自動放電，可通過編程由電力控制系統定期檢查每個電池單元的狀況，并利用電池平衡技術對各個電池單元進行內部平衡。另外，充電系統可以保持在待機狀態，按所需由電力控制系統控制。
在圖2中用方框圖形式表示的，是所述電力控制系統的一個優選實施例，包括微處理器40和附帶的軟件57，管理下述的全部功能。在這個實施例中，微處理器是以8MHz的速度運行的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，數字信號處理芯片可以根據各個電池的需要予以選用。微處理器有EEPROM(電可擦除只讀存儲器)、ROM(只讀存儲器)和RAM(隨機存儲器)。另外，ASIC(特定應用專用集成電路)也可使用。
各個電池單元的電壓測量模塊41，與各電池單元分別連線，此導線僅用于測量電壓。對不超過24伏特的電池，每個電池單元的電壓都是以接地點為基準進行測量，也可以視需要和精度要求的規定直接測量每個電池單元的電壓。
模塊42可以用來調整各個電池單元的電壓測試，該模塊包括一個用電阻器網絡分配電池單元電壓，并且借助分壓器中跨接接地電阻器的濾波電容器進行平滑處理的電路。可使用利用運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轉換的電壓。這里，4.95伏代表每條電池引線的期望最高電壓。12位的模數轉換器被用于測量每個電池單元的電壓。該模數轉換器是受微處理器連續控制的，它通過按比例縮放每個電壓，用每個電池單元正極一側的電壓減去其負極一側的電壓，把各個實測電壓轉換成電池單元電壓。這是針對每個電池單元進行的，這種方法可應用于電池單元電壓不超過24伏或30伏的情況。
對于超過24伏或30伏的情況，可采用上述方法，應用多級數據處理，借助光學耦合串行通信，通過傳送系列數字數據，確定電池單元電壓。也可采用跨接每個電池單元的電壓-頻率轉換器，用于直接測量電池單元電壓，作為頻率信息發送給微處理器。這些電壓-頻率轉換器可以與微處理器是電耦合的或光學耦合的，微處理器將頻率信息轉換成電壓信息。
電流測量模塊43測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，采用霍爾效應裝置測量電流，然后對所獲信號做適當調整。
電流測試調整是由電路模塊44完成的，在該模塊中分路兩端的實測電壓被轉換成與電流方向無關的0-5伏的電壓，然后將該電壓輸入12位模數轉換器，與前述用來測電壓的模數轉換器相同。此調整電路系統還向微處理器輸入數字信號，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測定的，電路板上裝有溫度傳感器。此裝置可在不同區域任意設置，例如，電池、各個電池單元和外部，以獲知周邊溫度。
溫度測試調整是由電路模塊46完成的，在該模塊中溫度值是一個電壓輸出值，使用低偏壓運算放大器，把這個數值調制成0-5伏電壓，以便適合輸入模數轉換器，此模數轉換器與前述測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、所余里程數及其他信息。
顯示器驅動器48直接受微處理器40驅動，其方法是根據儲存在微處理器40內部的檢索表，把適當的數值寫入存儲單元。根據微處理器的要求和LCD的復雜程度，可能需要獨立的集成電路驅動器。也可使用發光二極管(LED)或氣體等離子體顯示器。另外，也可采用液晶顯示模塊。
聲信號指示器模塊49，包括向用戶提供聲信號的壓電蜂鳴器。此裝置最好直接由微處理器驅動，如有必要也可以用晶體管驅動器驅動。
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可以是電磁傳感器，將磁體安裝在車輪上，霍爾效應傳感器安裝在車輛的固定部分。另外，也可以采用光學傳感器。
距離傳感器的調整，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，該頻率信號按比例縮放后用微處理器40進行測量，然后再將這個測量值轉換成速度或距離值。
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。
壓力傳感器調整模塊53，借助精密運算放大器把該輸出按比例放大到0-5伏，然后送入模數轉換器。
通信模塊54，保證來自電池充電器的全部控制和通信信號借助直接來自微處理器40的串行總線進行通信。此串行總線還可連接PC進行標定。
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、模數轉換器和所有的其它電路系統，都可以通過把來自微處理器的信號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，經校準模塊56校準，而校準因子和殘留誤差被儲存在EEPROM存儲器中。
軟件57優選輪詢確定的地址，以及因臨界時間事件(例如當前對累積能耗的監控)中斷的驅動。優選的是，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，可以通過斷開開關防止電池過度放電。該軟件適合于(a)計算電池的自動放電和能夠啟動電池單元的平衡處理；(b)記錄循環次數并且把這個信息發送給電池充電器；(c)監視、通訊和啟動保護性措施，以防止電壓過高或電壓過低；(d)按照一定的時間間隔進行電流取樣，計算電流對時間的積分，以便提供已使用的安培小時數據和所剩安培小時數據；以及(e)根據當前周期的負載，校正已使用的安培小時數和剩余的安培小時數。
微處理器40還可以驅動場效應晶體管(FETS)或IGBT，以便控制提供給電機58的電流。這可以為換向型電機提供調制單脈沖寬度的控制，或者為多種類型的無電刷電機(例如磁阻電機或無電刷的直流電機)提供準正弦曲線控制。
FET或IGBT開關59，被用于電池的安全和保護。低電阻的FET開關(FETS)被采用。
開關59受開關控制模塊60的控制，該控制模塊是受微處理器40驅動的，而FETS或IGBT的驅動裝置利用被切換的電源提升電壓，以使高壓側驅動成為可能。
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，同時切換到另一個電容器，由該電容器持續提供負載電流。
能量計量表62的輸出顯示在LCD顯示器上，顯示所剩能量。這個數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。
內電阻/阻抗模塊63，借助測定電流步進變化前后的電壓變化計算內電阻。這可以發生在充電期間和放電期間。AC電流或電壓被注入電池，測量最終的電壓或電流，也可以計算內電阻或阻抗。
電池單元平衡模塊64是這樣操作的，在發現一個電池單元比電池組中的其它電池單元自動放電多時，將從整組電池中提取電力，利用開關式大功率轉換器，把該電力轉換成適當的電壓，并且分配給最弱的電池單元，從而使諸電池單元達到平衡。
傳統的鉛-酸電池存在下述缺點，即可利用的容量有限、放電深度低、循環次數壽命短、能量密度低、溫度管理問題，以及為了保持電池良好狀態需經常充電。鉛-酸電池還要求較長的充電時間，而大充電電流僅能在非常低的充電狀態下使用幾分鐘。如果使用大電流，通常導致高于允許的電壓，引起電解質損耗和降低電池的容量。在補充充電的情況下，如果遵循適當的充電曲線，鉛-酸電池補充充電的時間最多能達到4小時。
鉛-酸電池的循環次數壽命變化很大，取決于在循環期間放電的深度。就電動車輛應用而言，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鉛-酸電池的循環次數壽命大約為300個循環周期。
圖3所示電力控制系統20，應用于鉛-酸電池，采用經過證明的鉛-酸格式，采用了先進的螺旋纏繞技術用于它的電池單元結構。12個獨立的電池單元21，是由電阻非常低的螺旋式，有很大表面積的電極構成的。已研制出先進的電解液，有助于允許從該電池系統提取非常大的電流。該電池系統，結合了電力控制系統20、螺旋纏繞電池單元技術和改進的電解液。各個電池單元21通過總線22串聯起來，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表示指令信號從控制裝置24傳送到第一電容器裝置23。帶閥門調節的鉛-酸格式的運用，以比較低的成本和成熟的技術，作為“租賃能量”系統的起點。
通過利用電力控制系統20，重新組合優化電池設計的優點，提供了一種有重大改進的電池，該電池可提供更大的電流、更大容量、延長了循環次數壽命和縮短了充電時間，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/未配有本發明的電力控制裝置的鉛-酸電池，其循環使用次數對應電池容量曲線。一個循環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，從而可獲得的更高的安培-小時值和更遠的行車距離。延長的循環次數壽命，意味著該電池在被更換前可以被再次充電更多次數，因此降低了年度運行成本。減少充電時間，意味著該電池能更迅速地周轉，因此減少了能量租賃系統中需要備用的電池數量。
該電力控制系統還可以應用于常見的鎳-金屬-氫化物(NiMH)電池，該電池系統采用先進的工藝，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過處理的金屬合金材料，都需要非常嚴格的質量控制。
NiMH氫化物電池還可能存在一些自動放電問題，而且還可能受溫度的影響。就某些系統而言，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，為了保證適當充電，需要先進的電池充電器。
這個實施例的NiMH電池系統，采用了先進的NiMH技術，該設計利用了電池電力控制系統提供的全部優勢。電池單元結構利用螺旋纏繞電池單元技術，電池單元電力輸出能力大大提高。電力控制系統被并入電池體。該電力控制系統可以大幅度降低極化作用的影響，從而允許該電池系統提供更大的電流，而不損害循環次數壽命。
由于這個集成單元的全部功能都受電力控制系統的監視，所以它實際上是一個獨立的智能型能量儲存系統。該電力控制系統可以采取積極步驟來維持最佳的電池性能，同時延長循環次數壽命。
這種NiMH系統非常適合“能量租賃”系統，因為它的優勢包括能量密度高、電能高、循環次數壽命長和充電時間短。與帶閥門調節的電池系統相比，這個系統將允許電動車輛行駛更長的距離，只是成本稍高。但是，這個實施例所采用系統的生產成本大大低于現有的產品，按市價評估結果表明，就NiMH系統而言，總價格幾乎是目前所用的產品價格的1/10。
NiMH系統尤其適合電動自行車，為長距離旅行準備的小型電池系統是符合要求的。
所述的電力控制系統還可應用于已經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的，它把能量儲存在與電池疊片分開保存的液體電解質中。在操作期間，電解質通過該系統循環，而能量在電解質中來回轉移。氧化還原流電池通常存在下述缺點，即能量密度低和泵送損失，后者與電解質通過該系統再循環相關聯。在某些情況下，存在高自動放電率，這取決于隔膜或是否存在內部分路電流。
氧化還原凝膠(redox-gel)電池不同于氧化還原流電池，主要是其電解質不需要再循環，因為其電解質是高度濃縮的凝膠。
常規的電池系統采用某種形式的固體金屬電極，涉及相轉移反應。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，而且不發生相轉移反應，所以將由于損失最小而獲得高效率。
本發明的電力控制系統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，在把大負載施加給電池系統時，極化作用可能更強。專門為氧化還原凝膠電池設計的電力控制系統，能夠克服在氧化還原凝膠電池系統設計中存在的許多限制。
圖5所示的電力控制系統30，包括在內部連接各個電池單元32的總線系統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。
專門為氧化還原凝膠電池設計的控制裝置33還有許多監控功能，例如監測各個電池單元的電壓和溫度。它還可以監測密封的電池組內部的壓力，以及確定該系統在任何給定條件下容許的負載限度。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。在系統受到這種高水平的控制時，該系統能夠在非常長的循環次數壽命中，反復利用它的全部容量。
這個系統有極具競爭力的價格，對于當前可利用的能量儲存系統來說，它提供了優越的性能。氧化還原凝膠電池所用的電極只具有簡單的功能，即把電能轉移到凝膠電解質中和從凝膠電解質中轉移出去。這些電極是惰性的，并且可以用專門研制的導電塑料等材料來生產。
這個系統把氧化還原凝膠電池與電力控制系統合并，生產一種能量儲存系統，其能量密度幾乎是NiMH系統的兩倍。由于凝膠電解質的穩定性，該系統還具有非常長的循環次數壽命。這個系統從整體上說是非常經濟的。由于它重量輕而且堅固耐用，它非常適用對“租賃能量的”車輛更換電池。
本發明的另一個實施例，涉及電池的充電和調整模塊，該模塊與電力控制系統結合成一體，被集成在電池系統中。
電池系統會有許多問題，其中主要限制之一是被不當充電或統調充電(gang charging)，電池的總體情況被記錄下來，并且實施定量的充電。但是，這個概念不考慮各個電池單元的情況，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。結果導致電池的整體壽命被大大減少。
另一個問題是，由于在各個組成部分上內電阻所產生的內部效應，致使電池不能接受大的充電電流。快速充電通常引起放氣，產生氫氣，這不僅是很危險的，而且由于分解電解液，而縮短限制了電池的壽命。這個充電器與電力控制系統結合起來運行，可限制內電阻，因此允許較快的充電速率，而且不影響電池的循環次數壽命。
本發明提供一種獨特的電池充電和調節模塊，該模塊被集成在電力控制系統中，與電池系統結合成一體。這個電力控制系統的主要功能是減少由于電池內電阻而產生的極化效應。重要的是，它已經允許控制多重機載功能，例如監控各個電池單元、提供電力輸出控制功能、與專用電池充電器結合在一起運行、提供保護和調整功能。
專用電池充電器能夠識別該電力控制系統，并因此能夠識別借助遠程通信系統轉發給操作中心的電池模塊編號。一旦電池已被登記而且顧客帳戶已得到確認，電力控制系統允許電池充電器開始充電。
實際的充電功能是與電力控制系統結合起來完成的，以便保證每個電池單元都受到監控，并且對其特殊的要求進行處理或調整。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次數壽命。
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。如果未經授權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，或者檢查所述的優化模塊或電池是否已經任何途徑被篡改，并且把這種信息及時地傳送給操作中心。
每個充電器單元，都經由遙測系統被連接到操作中心，該中心持續不斷地監視網絡中所有站點，附帶監控每個電池的位置、每個帳戶的狀況。
工業實用性所述的電池管理系統可以用于租賃能量概念，可在許多服務設施中安裝，例如，可裝在自動售貨機、手動安裝充電組件、自動拆卸和更換電池的傳送裝置、機器人電池更換設施和停車/充電站。
權利要求
1．一種電力控制系統，用來從電池系統提供預定的電力輸出，該系統包括(Ⅰ)輸出裝置，將該系統的電力傳送給負載；(Ⅱ)控制裝置，它適合與電池系統連接，以便檢測該電池系統預先選定的操作參數，并且在控制裝置處于第一操作模式時，把來自該電池系統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之間，適合儲備預定數量的電力，并且在控制裝置處于第二操作模式時，依據來自控制裝置的指令信號，把儲備的電力供應給電池系統；(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，它適合儲備預定數量的電力，并且在控制裝置處于其第二操作模式時，依據來自控制裝置的指令信號，把它儲備的電力供應給輸出裝置。
2．根據權利要求1所述的電力控制系統，其中，第一和第二電容器裝置，適合儲存從電池轉移出來的小百分比的電力。
3．根據權利要求1所述的電力控制系統，在開始由該電力控制系統供電后，其中的控制裝置按照預定的時間間隔把指令信號提供給第一電容器裝置和第二電容器裝置。
4．根據權利要求1所述的電力控制系統，所述控制裝置適合檢測電池里的極化水平，并且在電池里的極化水平超過預定的極限時，把控制信號傳送給第一電容器裝置和第二電容器裝置。
5．根據權利要求1所述的電力控制系統，其中儲備在第一電容器里的電力，引發反向充電或脈沖，以與控制裝置檢測到的電池系統內電阻成正比的速率，激活電池系統內的電極。
6．一種電池管理系統，該管理系統是為至少具有一個電池單元，具有至少一對電極，并且易受極化作用影響的電池準備的，所述的電池管理系統包括(Ⅰ)監測裝置，用于指示電池或每個電池單元的極化水平的預定參數；(Ⅱ)儲備裝置，儲存將被轉移到電池中或從電池中轉移出去的預定數量的電力；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．根據權利要求6所述的電池管理系統，其中預定的參數是電池或每個電池單元的內電阻。
8．根據權利要求6所述的電池管理系統，其中反向充電或脈沖，是以與電池或每個電池單元的內電阻和/或能量流水平成正比被誘發的。
9．根據權利要求6所述的電池管理系統，其中所述電池具有多個電池單元，所述監視裝置將監視每個電池單元的預定參數，而反向充電或脈沖被引入每個電池單元。
10．根據權利要求6所述的電池管理系統，包括識別與電池連接的電池充電器的裝置，及用來識別電池的裝置，充電器將不給不能識別的電池充電。
11．根據權利要求1所述的電池管理系統，其中，所述的電池是鉛-酸電池。
12．根據權利要求11所述的電池管理系統，其中鉛-酸電池結合使用具有螺旋形纏繞電極和具高能量轉換容量的電解質介質。
13．根據權利要求11所述的電池管理系統，其中鉛-酸電池結合使用壓制成平板的電極、能量轉換能力高的電解質介質。
14．根據權利要求11所述的電池管理系統，其中鉛-酸電池包括一種雙極電池形式。
15．根據權利要求6所述的電池管理系統，其中所述電池是鎳-金屬-氫化物電池。
16．根據權利要求15的電池管理系統，其中鎳-金屬-氫化物電池結合使用具有螺旋形纏繞電極和具高能量轉換容量的電解質介質。
17．根據權利要求15所述的電池管理系統，其中鎳-金屬-氫化物電池結合使用結合使用壓制成平板的電極、能量轉換能力高的電解質介質。
18．根據權利要求6所述的電池管理系統，其中所述電池是氧化還原(Redox-Gel)電池。
19．根據權利要求18所述的電池管理系統，其中氧化還原(Redox-Gel)電池結合使用具有螺旋形纏繞電極和具高能量轉換容量的電解質介質。
20．根據權利要求18所述的電池管理系統，其中氧化還原(Redox-Gel)電池結合使用壓制成平板的電極、能量轉換能力高的電解質介質。
21．根據權利要求6所述的電池管理系統，其中所述的預定參數選自每個電池單元的電壓、電流、溫度、壓力、內電阻或內電阻抗。
22．一種電池，包括權利要求6所述的電池管理系統。
全文摘要
電力控制系統(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)的電力傳送給負載;控制裝置(14),與電池(11)連接,檢測預先選定的電池(11)的操作參數,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),用來儲備預定數量的電力,被連接在控制裝置(14)和電池系統(11)之間,當控制裝置(14)處于第二操作模式時,該電容器對來自控制裝置(14)的指令信號作出反應,把儲備的電力提供給電池(11);第二電容器(16),用來儲備預定數量的電力,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,該電容器對來自控制裝置(14)的指令信號作出反應,把儲備的電力供應給輸出終端(12)。
文檔編號H01M8/20GK1305655SQ99807210
公開日2001年7月25日 申請日期1999年6月9日 優先權日1998年6月9日
發明者史蒂芬·韋思·霍爾頓, 郭苒·亞伯拉罕森, 安娜·諾林 申請人:法羅技術公司