用于存儲電能的電池和電池系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于存儲電能的電池和電池系統(tǒng)，以及涉及電能的存儲和使用。具體地，但不是必要的，本發(fā)明涉及一種電池單元，其包括電能貯存器和用于將能量傳遞進(jìn)入和/或流出電能貯存器的電接觸板。本發(fā)明還涉及能夠容納多個電池單元的電能箱和配置電池單元以便提供電能的方法。
[0002]本發(fā)明具體可與適于電動車輛的智能電源(或功率供應(yīng))系統(tǒng)結(jié)合使用，而且也可在移動電器、能源管理、能源交易、路由和通信領(lǐng)域內(nèi)使用，僅僅提及一些實(shí)例。
【背景技術(shù)】
[0003]電動車輛(EV)出于下述原因得以普及，諸如不同的駕駛經(jīng)驗(yàn)、更高的性能、更好的可靠性和更少的維護(hù)、更低的操作成本以及減少運(yùn)輸環(huán)境影響的可能性。電力專門用于推進(jìn)車輛，或可用來協(xié)助其它方法，諸如內(nèi)燃機(jī)(ICE)。
[0004]電動車輛的主要類型是電池供電的電動車輛(或純電動車輛)(BEV)，插電式混合動力電動車輛(PHEV)和混合動力電動車輛(HEV)。電動車輛使用用于推進(jìn)的電動馬達(dá)。電能例如使用鋰離子技術(shù)或任何其它形式的電池化學(xué)存儲于電池中。其它形式的能量貯存器也是適用的，諸如超級電容器或燃料電池。所述混合動力電動車輛(HEV)和插電式混合動力電動車輛(PHEV)將常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)與電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合。所述混合動力電動車輛(HEV)使用通常的再生制動以便給電池充電。PHEV包含可通過將插頭連接到外部電功率源而充滿電的可再充電電池。BEV是沒有內(nèi)燃機(jī)的所有電動車輛。BEV和PHEV還使得用戶能夠通過選擇例如使用太陽能或風(fēng)能來產(chǎn)生電力的外部功率源來選擇用于給電池充電的替代能源。
[0005]使用可再充電電池的當(dāng)前PHEV和BEV的一個常見問題是充電時間長。在通常情況下充電需要若干小時，也有很多城市中心的公寓住宅沒有適于車輛的任何插電功能。存在一些快速充電站，但是在這些快速充電站，與使用可在加油站快速“充油”的內(nèi)燃機(jī)的汽車相比充電時間要長得多?？焖俪潆娨惨馕吨姵赝鶕p耗得更快。此外能量密度不那么高，這意味著電池更大和更重。功率損耗也通過快速充電而更高。例如在30分鐘內(nèi)給80千瓦時的電池充電也設(shè)定通常在住宅房屋不可能的這樣的功率要求。
[0006]另一個問題是，快速充電設(shè)置對于電力基礎(chǔ)設(shè)施提出額外要求，而電力基礎(chǔ)設(shè)施在許多國家中已經(jīng)到達(dá)極限。在許多工業(yè)化國家中，為50%或更多量級的備用容量是可用的和可預(yù)測到的。然而，這些都是人類和經(jīng)濟(jì)活動的最低時期，同時也是快速充電沒有用的時期。雖然通常用戶將在夜間在家充電，但是用戶仍然會偏好可能與住宅用戶可用的相比提供更低價格的商業(yè)充電站來充電。其它選項(xiàng)包括可再生能源的積極區(qū)別待遇。對于這些情況而言，當(dāng)前的充電時間不是用戶期待的。
[0007]存在用于改變適于BEV的電池以克服上述問題的幾種不同的建議。典型地，可再充電電池單元被分組為模塊，并且每個模塊由多個電池單元構(gòu)成。這些模塊作為一個實(shí)體進(jìn)行監(jiān)測和控制。如果需要的話，模塊可在服務(wù)站中被改變成包含充電的電池單元的另一模塊以便給BEV快速供應(yīng)能量。一個問題是，電池的可用尺寸取決于使用情況而顯著變化，并且它可能不是矩形的:一個模塊不能良好地適配于所有的使用情況。可能的是取決于使用情況模塊具有不同的尺寸和形式，這意味著服務(wù)站將必須儲備不同的模塊，而這對于成本方面沒有任何意義。
[0008]上述類型的模塊化能量存儲系統(tǒng)的實(shí)例在US 7948207和US 2012/094162中公開。還存在可用的許多多電池單元的電池設(shè)計(jì)，其具有開啟和關(guān)閉電池的各個電池單元連接的可能性。這些類型的設(shè)計(jì)的實(shí)例在CN 202535104,CN 102832646,US 8330420和US 7075194中公開。
[0009]還存在關(guān)于如何監(jiān)測單個電池單元和基于單個電池單元的特性動態(tài)地配置系統(tǒng)的幾種建議。例如US 2010/0261043提出了一種適于大型電池系統(tǒng)的動態(tài)可重新配置的電池框架的系統(tǒng)。這解決了可如何監(jiān)測和控制單個電池單元的問題，但是如果要求在服務(wù)站快速地替換數(shù)百個耗盡的電池以便給BEV供應(yīng)電能，則該系統(tǒng)是不適合的，因?yàn)殡姵貑卧蕴囟ǖ姆绞轿挥陔姵亟M內(nèi)。例如在US 2005/242776,US 2006/192529，EP2582009和US8084994中公開了適于電池的其它控制、故障檢測、重新配置、旁路和生命周期管理系統(tǒng)。這些系統(tǒng)至少部分地具有相同的缺陷。
[0010]因此，對于用于將電能快速供應(yīng)給電動車輛和其它動力密集型電池操作設(shè)備的改進(jìn)的解決方案存在需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是解決至少一些上述問題，并提供一種新穎的解決方案，其將電能提供給電動車輛以及其它電氣設(shè)備和系統(tǒng)。一個特別的目的是提供允許智能和快速供應(yīng)電能的一種新穎的電池單元。另一個目的是提供一種電箱，其電能容量一旦被消耗掉就可被快速恢復(fù)。還有一個目的是提供用于配置電池單元一種新穎的方法。
[0012]在此通過實(shí)例的方式提出的解決方案是基于提供小電池單元的理念，所述小電池單元可被放置成與彼此接觸且之后配置成形成更大的功率源。每個電池單元包括至少一個雙電極電能貯存器，其通常是電化學(xué)電池單元，具有對應(yīng)于其電極的電終端。在電池單元的表面上存在接觸區(qū)域，接觸區(qū)域的數(shù)量大于能量貯存器的電極數(shù)量。此外，存在用于以不同的配置將接觸區(qū)域連接到終端的可重新編程的裝置，使得所述能量貯存器的電能可取決于電池單元的編程以多種方式引出電池單元。
[0013]多個電池單元被放置在特殊裝備的容器內(nèi)以形成更大的功率源，在此所述容器因?yàn)轭愃朴谌剂舷涠环Q為“箱”。箱是一種容器結(jié)構(gòu)，其能夠容納多個電池單元且包括用于與容納于其中的至少一些電池單元的接觸區(qū)域形成電接觸的裝置。在箱中，電池單元接近彼此，使得它們的至少一些接觸區(qū)域與箱的其它電池單元和/或接觸裝置的接觸區(qū)域相接觸。一旦電池單元被放置在位，它們就被編程來改變它們的內(nèi)部連接配置，使得功率傳輸路徑通過多個電池單元形成，并進(jìn)一步從箱中引出。編程可以各種方式來實(shí)現(xiàn)，這在后面更詳細(xì)地描述。在一個典型的實(shí)施例中，編程是通過功能性地連接到箱的控制單元來控制的多步驟過程。
[0014]在內(nèi)部重新配置每個電池單元的功能允許降低對電池單元的定位要求。在本發(fā)明的一個主要實(shí)施例中，電池單元以任意的順序和取向放置在箱內(nèi)。這是由電池單元和箱的合適設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。更具體地，這要求在電池單元表面上的接觸區(qū)域模式是如此的以至于當(dāng)電池單元在箱中當(dāng)時的物理?xiàng)l件(例如重力，壓力)下處于箱內(nèi)時使得每個電池單元或至少大部分的電池單元經(jīng)由在其表面上的兩個不同的接觸區(qū)域與至少兩個其它的電池單元或至少一個另外的電池單元和箱的接觸表面相接觸。因此，電池單元可以各種方式快速地導(dǎo)通到箱，而無需將各個電池單元定位在箱內(nèi)，例如通過傾倒或通過氣流。此外，獲得可操作的功率源。
[0015]在優(yōu)選的情況下，一個電池單元包括至少一個電化學(xué)電池或類似于高容量電容器的任何其它能量貯存器，殼體(外殼框架)，在其外表面上的至少三個接觸區(qū)域和用于配置電池單元以及任選監(jiān)測電池單元的一個或多個電或物理參數(shù)的必要電子器件。通過合適的配置，電池單元可經(jīng)由電池單元的任何兩個接觸區(qū)域進(jìn)行充電和放電。
[0016]這里提出的實(shí)施例可提供相當(dāng)大的優(yōu)勢。本文所述的電池單元可用于形成適于電動車輛或使用電功率的其它系統(tǒng)的能量源(或能源)。雖然單個電池單元諸如可用作電源，但在典型的情況下，多個電池單元在電箱內(nèi)一起工作以便提供更大的功率源，如以上簡要描述的那樣。這些電池單元可以部分地或完全地在維修店或者在服務(wù)站從箱中取出，在車輛外部再充電，并在充電之后將電池組放到同一個或另一個EV內(nèi)。在取出電池單元之后，用戶可立即在裝填站用充好電的電池單元裝填箱。因而，本發(fā)明允許以給與使用液體或氣體形式的氣體燃料的車輛加油的相對類似方式用充好電的電池單元給電動車輛的箱進(jìn)行裝箱。這樣做的最顯著的益處的是速度。當(dāng)然，還可提供給在EV內(nèi)部諸如在常規(guī)的插電式EV(BEV和PHEV)中的電池單元充電的可能性。
[0017]本發(fā)明的實(shí)施例還可提供其它技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)勢。以不太可控的方式更快速充電或者更深入地耗盡的電池在實(shí)際應(yīng)用中往往會比只小心使用和認(rèn)真管理的那些更快地出現(xiàn)故障和損耗。由于本發(fā)明的電池單元可從EV中取出并用充好電的電池單元所取代，因此它們可在EV外部小心地再充電，通常在受控環(huán)境中無需倉促地充電，而是在參數(shù)的嚴(yán)格管理下進(jìn)行充電，這使得性能最大化，最大限度地提高其使用壽命，或優(yōu)化如由業(yè)務(wù)情況所要求的任何其它參數(shù)。在大的中心服務(wù)站充電是有效的，因?yàn)楣β蕚鬏敁p耗與當(dāng)充電功率傳輸?shù)絺€人住宅時相比可保持更小，例如由于更短的傳輸距離，更高的傳輸電壓和更高質(zhì)量的電網(wǎng)。
[0018]本發(fā)明在本質(zhì)上是通用的。它還可顯著有益于需要或得益于電功率源的其它設(shè)備和系統(tǒng)。實(shí)例包括電動工具，移動醫(yī)療站，軍事部署單元，飛機(jī)，工程機(jī)械，倉儲物流機(jī)器人等。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種電池單元，其包括具有正和負(fù)電壓供應(yīng)終端的電能貯存器，在電池單元外表面上的三個或多個電接觸板，和用于將所述正和負(fù)電壓供應(yīng)終端的每一個電連接到任何一個或多個所述電接觸板的可動態(tài)配置連接單元，其中電能可經(jīng)由電接觸板的選擇性地不同組合從電能貯存器汲取。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種電能存儲和供應(yīng)系統(tǒng)，其包括:能夠容納根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多個電池單元的箱;設(shè)置在所述箱的內(nèi)部上以便接觸相鄰電池單元的電接觸板以及用于將電能從所述系統(tǒng)向外部負(fù)載傳輸?shù)闹辽賰蓚€面向內(nèi)的箱接觸焊盤，和控制器，所述控制器用于識別經(jīng)由電池單元的在所述或至少兩個箱接觸焊盤之間的一個或多個可用的和/或最優(yōu)的電能供應(yīng)路徑和用于對各個電池單元進(jìn)行編程以便經(jīng)由這些路徑供應(yīng)電能。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供配置本發(fā)明上述第二方面所述的電能存儲和供應(yīng)系統(tǒng)的配置方法，所述方法包括操作每個單個電池單元的可動態(tài)配置的連接單元以便根據(jù)第一配置耦聯(lián)電接觸板，操作所述電能存儲和供應(yīng)系統(tǒng)的所述控制器以便識別經(jīng)由電池單元的在所述或至少兩個箱接觸焊盤之間的最優(yōu)電能供應(yīng)路徑，以及以便對各個電池單元進(jìn)行編程，并且響應(yīng)于該編程進(jìn)一步操作每個單個電池單元的所述可動態(tài)配置的連接單元以便根據(jù)第二配置將電接觸板耦聯(lián)以便經(jīng)由所識別的路徑供應(yīng)電能。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種將電能供應(yīng)到負(fù)載的方法，并且所述方法包括將多個電池單元裝載到電池箱內(nèi)，使得相鄰電池單元的電接觸板相接觸或具有接觸的高度可能性，并且各個電池單元在箱內(nèi)的取向和位置是在先未知的，識別經(jīng)由接觸電接觸板通過所裝載的電池單元的一個或多個最優(yōu)電能供應(yīng)路徑，對電池單元進(jìn)行編程以便導(dǎo)致正和負(fù)電池單元電壓供應(yīng)給合適的電池單元接觸焊盤，從而建立所述最優(yōu)能量供應(yīng)路徑，并從所建立的能量供應(yīng)路徑汲取功率以供應(yīng)所述負(fù)載。
[0023]進(jìn)一步考慮到示例性的電池單元，接觸區(qū)域的數(shù)量為至少三個，允許不僅沿著不同的方向而且沿著不同的路由從電池單元汲取電流。這顯著增加對裝填有電池單元的箱進(jìn)行編程的可能性。
[0024]可動態(tài)配置的連接單元可以是可編程的，以便在任意給定的時間下將正和負(fù)供應(yīng)終端的每一個連接到相應(yīng)的電接觸板。
[0025]對接觸區(qū)域的數(shù)量沒有限制，但在典型的實(shí)施例中，4至50個、特別是6至14個可能是實(shí)用的。當(dāng)希望將電池單元隨機(jī)地裝填到箱內(nèi)以允許足夠的配置可能性時，這種電池單元是特別有益的。
[0026]根據(jù)一個實(shí)施例，接觸區(qū)域覆蓋超過60%、具體超過70 %、通常75%至95 %的殼體外表面。接觸區(qū)域的面積由各個觸點(diǎn)之間的所需間隙和漏電而限制。接觸區(qū)域覆蓋率應(yīng)最大化以確保每個電池單元與另一電池單元或箱的接觸表面的電接觸的高的可能性。
[0027]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元如此成形以及接觸區(qū)域的數(shù)量和位置是如此的以至于當(dāng)電池單元隨機(jī)裝填時，大多數(shù)接觸區(qū)域可只與同樣設(shè)計(jì)的電池單元的一個另外的接觸區(qū)域接觸。該實(shí)施例使得箱的編程更穩(wěn)健，并避免不希望的連接，這取決于所選擇的路由，其可以是三路接觸或短路。雖然算法可將這樣的條件考慮在內(nèi)，但是它們可能會降低效率、負(fù)載系數(shù)或其它參數(shù)。在一個實(shí)施例中，設(shè)計(jì)是如此的以至于所有的接觸區(qū)域可只與另一個電池單元的的一個另外的接觸區(qū)域接觸。這通過使用足夠高數(shù)量的足夠小的接觸區(qū)域?qū)τ诟鞣N電池單元形狀而言是可能的。
[0028]根據(jù)一個實(shí)施例，連接裝置是可編程的，以便通過電阻器(優(yōu)選基本上相等的電阻器)將接觸區(qū)域以星型模式連接到公共星點(diǎn)。該實(shí)施例允許通過箱控制系統(tǒng)方便地發(fā)現(xiàn)電池單元，如將在后面更詳細(xì)地描述的那樣。相同的電阻器可通過測量相應(yīng)電阻器兩端的電壓來協(xié)助測量流動通過每個接觸區(qū)域的電流。這種電池單元能夠在電箱內(nèi)形成電阻器網(wǎng)絡(luò)，從而電池單元的存在和之間的接點(diǎn)可使用通過網(wǎng)絡(luò)的電流饋入確定，并與電池單元進(jìn)行通信以基于電阻器兩端的電壓測量收集關(guān)于其接觸狀態(tài)的信息。
[0029]根據(jù)一個實(shí)施例，連接裝置配置成將至少兩個接觸區(qū)域電連接到一起以形成電流旁路路由，即從至少一個接觸區(qū)域到至少一個其它接觸區(qū)域的低電阻連接。這顯著增加了對箱編程的可能性，并且例如允許不使用特定的電池單元來進(jìn)行能量傳輸。這在電池單元的低充電水平的情況下或?yàn)榱颂岣咝适强扇〉摹?br>[0030]根據(jù)一個實(shí)施例，其中在電池單元上至少有4個電接觸板，所述可動態(tài)配置的連接單元可配置成在任何給定時間下將正和負(fù)供應(yīng)終端連接到相應(yīng)的電接觸板，并同時經(jīng)由低電阻路徑將兩個其它的電接觸板連接到一起或經(jīng)由電阻將其它兩個電觸墊連接到公共星點(diǎn)。
[0031]根據(jù)一個實(shí)施例，可動態(tài)配置的連接單元能夠?qū)⒄拓?fù)電壓供應(yīng)終端從所有電接觸板斷開連接。
[0032]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元包括用于測量通過其任何接觸區(qū)域流動的電流的裝置。該特征可在發(fā)現(xiàn)過程中使用，并且還允許在操作過程中監(jiān)測電池單元。
[0033]根據(jù)一個實(shí)施例，連接裝置適于將任何接觸區(qū)域從其它接觸區(qū)域斷開連接和/或?qū)⑷魏谓佑|區(qū)域連接到電池單元的內(nèi)部接地電勢。本實(shí)施例提供例如額外的安全性。
[0034]根據(jù)一個實(shí)施例，連接裝置可由通過所述接觸區(qū)域發(fā)送和接收的電編程信號進(jìn)行編程。通常情況下，編程信號經(jīng)由箱的接觸表面以及可能經(jīng)由一個或多個其它電池單元由箱控制單元提供。
[0035]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元包括用于發(fā)送和接收無線編程信號的裝置，所述信號優(yōu)選為電磁射頻信號，用于對連接裝置進(jìn)行編程。在這種情況下，箱控制單元可連接到無線收發(fā)器。
[0036]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元包括用于發(fā)送和接收無線編程信號的裝置，其中光學(xué)方法用于電池單元之間以及電池單元和箱控制系統(tǒng)之間進(jìn)行通信。光學(xué)方法包括單色光，或各種波長光的混合，包括紅外光;和激光。
[0037]除了一個或多個上述流電或無線信號接收裝置之外，電池單元可包括流電或無線信號發(fā)送裝置，用于通信回到所述控制單元，例如用于發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測的目的。
[0038]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元包括存儲單元，可能構(gòu)建在其中央微控制器內(nèi)，包括獨(dú)特的識別碼，以及所述連接裝置配置成使用所述識別碼來確定編程信號是否旨在對電池單元進(jìn)行編程。識別碼或其衍生物在發(fā)現(xiàn)過程中通常被發(fā)送到箱控制單元或其它外部接收器以識別電池單元。
[0039]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元包括用于感測哪些接觸區(qū)域與相同類型的相鄰電池單元的接觸區(qū)域處于流電電接觸。然而這是沒有必要的，因?yàn)榭刂茊卧赏ㄟ^其它方法基于電流流動測量來推斷接觸信息，例如如將在后面更詳細(xì)地描述的那樣。
[0040]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元具有一定的形狀和尺寸，這有利于隨機(jī)裝填。優(yōu)選的是電池單元也提供在鄰近的任意形狀和尺寸的容器內(nèi)的高度隨機(jī)填充比。
[0041]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元具有橢球的形狀。在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，所述形狀由橢球殼體限定，所述殼體設(shè)有在其外表面上的接觸區(qū)域和通過殼體到達(dá)包含于殼體內(nèi)的電子器件的接觸路徑。在涉及電池單元隨機(jī)裝填的本發(fā)明實(shí)施例中橢球形狀是有益的，因?yàn)樗峁╇姵貑卧谒鼈兊娜萜髦械母叩碾S機(jī)填充比以及良好的固定性。根據(jù)一個實(shí)施例，橢球的主軸線具有1.0至1.4:1:0.7至1.0，優(yōu)選1.2至1.3:1:0.75至0.85，例如約1.25:1:0.8的相互比率。
[0042]根據(jù)一個實(shí)施例，電池單元的形狀允許多個類似的電池單元被裝填成具有至少50%、優(yōu)選至少60%、最優(yōu)選至少70%的填充比的體積。
[0043]在典型的實(shí)施例中，電池單元的最大尺寸為小于10厘米，例如I至10厘米，特別是小于5厘米，例如I至5厘米。這樣的單元小到足以便于處理以及大到足以包含顯著量的能量。然而，此外更小和更大的單元可在特殊應(yīng)用中使用。
[0044]電能貯存器可以是電化學(xué)電池單元或電池單元陣列或超級電容器或超級電容器陣列。此外，燃料電池單元或任何其它DC電源是可能的。電能貯存器可具有IuWh至IkWh的容量。
[0045]除了通過電池單元的接觸區(qū)域從能量貯存器汲取電流之外，電能貯存器可通常經(jīng)由相同的接觸區(qū)域再充電。
[0046]根據(jù)一個實(shí)施例，連接裝置包括切換單元，其能夠