电能存储和供应系统的制作方法_2

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.0,优选1.2至1.3:1:0.75至0.85,例如约1.25:1:0.8的相互比率。
[0048]根据一个实施例,电池单元的形状允许多个类似的电池单元被装填成具有至少50%、优选至少60%、最优选至少70%的填充比的体积。
[0049]在典型的实施例中,电池单元的最大尺寸为小于10厘米,例如I至10厘米,特别是小于5厘米,例如I至5厘米。这样的单元小到足以便于处理以及大到足以包含显著量的能量。然而,此外更小和更大的单元可在特殊应用中使用。
[0050]电能贮存器可以是电化学电池单元或电池单元阵列或超级电容器或超级电容器阵列。此外,燃料电池单元或任何其它DC电源是可能的。
[0051 ]除了通过电池单元的接触区域从能量贮存器汲取电流之外,电能贮存器可通常经由相同的接触区域再充电。
[0052]根据一个实施例,连接装置包括切换单元,其能够将能量贮存器的每个终端连接到电池单元的接触区域中的至少一个并且进行以下连接中的一个,两个或三个:i)至少两个其它接触区域与彼此的互连以限定电流旁路路由;ii)通过以星型配置的电阻器将所有或所有剩余的接触区域连接到公共星点(即将接触区域连接到所述电池单元的内部接地);以及i i i)将任何其它接触区域从终端和从其它接触区域断开连接。进行附加连接i)和i i)的可能性是特别有利的。该单元还包括微控制器或能够从外部电力设备接收编程信号并基于所述编程信号控制所述切换单元以便进行所述连接的类似单元。
[0053]根据一个实施例,连接装置是可编程的,以便针对第一时间段通过接触区域从能量贮存器周期性地传输功率,以及以便针对通常短于第一时间段的第二时间段通过所述接触区域与外部电气设备通信(例如,为了编程或监测目的)。作为对通信或作为对附加阶段的替代,电池单元可在每个周期中休息一定的时间段,这意味着在该阶段期间它不传输功率或进行通信。因此,电池单元可在合适的占空比操作以满足不同的需要。例如,对于功率传输而言可保留80至99%的时间以及时间保留I至20%的时间为了与箱的控制单元进行双向通信。箱可包括任选的能量贮存器,其在通信期间提供功率或不同串的通信阶段可交叉使得功率可在任何时候可用。
[0054]在一个实施例中,电池单元能够同时传输功率并进行通信。这可通过使用无线(非接触)通信或通过接触区域以预定的频率进行通信来实现。
[0055]根据一个实施例,壳体由电绝缘材料诸如塑料制成,并且包括贯通孔,即通孔,其内布置导电物质诸如金属以便将在壳体外表面上的接触区域电连接到壳体内的连接装置。导电物质可布置成通孔同时镀覆壳体表面上的接触区域以形成均匀的导体结构。
[0056]根据所述能量存储系统的一个实施例,电池单元以随机或基本随机的顺序和取向处于电池单元空腔内,即随机装填。在具有模块化设计的传统电池中,存在可处于可能变化有限或没有变化的顺序的多个电池可变元件。
[0057]根据一个实施例,电池单元被设计成使得它们能够与至少5个其它类似的电池单元接触,优选地在箱中的大多数电池单元实际上与至少5个其它类似的电池单元接触。因此,在箱中存在大量的能源路径配置的可能性。
[0058]根据一个实施例,在箱的装填过程中和紧接之后通常实施并且之后以一定的间隔或根据需要周期性地重复,每个电池单元的其能量贮存器的端终端从其所有接触区域断开连接以避免箱内的不期望的或不受控的连接,短路,打火花等。此外,在其它条件下,诸如过多的局部或区域热量积聚,可引起这种情况。
[0059]根据一个实施例,在箱的操作期间实施,即当功率从其传输时,对于电池单元的至少一部分而言,它们的能量贮存器的终端连接到其接触区域中的两个,使得至少一个电能量路径通过电池单元在电能箱的所述至少两个接触表面之间形成,以便能够从箱外的能量贮存器输送电流。
[0060]根据一个实施例,箱包括控制单元,其能够在电池单元处于电池单元空腔内的状态下接收信息并将编程信号传输到电池单元以便通过多个电池单元在电能箱的至少两个接触表面之间形成能量路径。
[0061]根据一个实施例,每个电池单元包括独特的机器可读识别码,这有助于电池单元的发现和配置。
[0062]电池单元的状态可包括例如配置信息,电流测量信息,电压信息,充电水平信息,接触信息,充电/放电循环数量等。根据一个实施例,智能电池单元的状态包括至少关于通过电池单元的接触区域电连接到其它智能电池单元的信息。该信息可为通过一个或多个接触区域流动的电流水平的形式。非零电流意味着从接触区域到另一接触区域或箱的接触表面的接点。在关于发现步骤的状态确定过程中,电池单元的接触区域可以星型模式连接,如将在后面更详细地描述的那样。
【附图说明】
[0063]图1A以示意图示出包括本发明组件的系统的整体视图。
[0064]图1B以框图示出根据本发明一个实施例的电池单元。
[0065]图2A至图2D示出处于一般水平和在三个示例性配置下的电池单元的示意性视图。
[0066]图2E和图2F分别以三维透视图和顶视图示出根据一个实施例的椭球电池单元。
[0067]图2G和图2H分别以三维透视图和顶视图示出根据另一实施例的椭球电池单元。
[0068]图21和图2J示出根据备选实施例的另一椭球电池单元的接触表面积模式。
[0069]图3示出根据本发明一个实施例的电池单元的壳体的分解视图。
[0070]图4以示意性透视图示出根据本发明一个实施例的电箱的接触表面配置。
[0071]图5A和图5B以二维横截面视图示出非随机装填的电箱的框图。
[0072]图6A至图6D以二维横截面视图示出随机装填的电箱以便示出电池单元的发现过程。
[0073]图7示出为框图的电池单元的示例性电路。
[0074]图8至图1O示出根据本发明实施例的电箱的框图。
[0075]图1IA和图1IB包括根据本发明实施例的电箱操作的流程图。
【具体实施方式】
[0076]下面的定义可有助于理解下面的描述,所述定义如下:
[0077]“电池单元”是一种电力设备,其包括电能贮存器和用于将电能从电能贮存器传输出到电池单元外部的装置。
[0078]电池单元的“壳体”是一个外壳,其包封电池单元的其它组件和/或给电池单元的其它组件提供安装点。通常情况下,所述壳体限定电池单元的一般外形。所述壳体可以是单独的物理部分,但可至少部分地由所述电池单元的其它组件形成。
[0079]“(电力)能量贮存器”意味着能够通过其终端存储电能并传输电功率的任何实体。
[0080]电池单元的“接触区域”或“电接触焊盘”意味着导电区域,其可从电池单元的外部接近以便与电池单元进行电流接触。具体地,当电池单元放在彼此旁边时,接触区域可由另一个类似的电池单元的接触区域所接触。
[0081]电池单元的“配置”主要意味着在在电池单元的多个接触区域和所述电池单元的能量贮存器的终端之间连接的组合。为了给出一些实例,如果能量贮存器的终端用N和P标记,在具有三个接触区域A,B和C的电池单元的情况下,连接A-N/B-P,A-N/C-P,A-P/B-N和A-P/C-N形成不同组合的连接,即不同的配置。在具有断开接触区域、将接触区域连接到所述电池单元的内部接地和/或互连接触区域的附加功能的实施例的情况下,在这些连接或断开连接的变化形成连接的不同组合,即不同配置。例如,在具有五个接触区域A,B,C,D和E的电池单元的情况下,连接A-N/B-P/C-D,A-N/B-P/C-E,A-P/C-N/B-D等形成不同组合的连接。
[0082]“旁路连接”意味着在电池单元的不涉及能量贮存器的至少两个接触区域之间的电连接,即仅仅所述接触区域之间的低电阻路径。
[0083]电池单元的“连接装置”是指用于改变和维持电池单元配置的必要装置。所述连接装置是“可编程的”意味着它可在电池单元的内部或外部给出指示以便改变配置。连接装置能够选择性地将能量贮存器的终端以不同的组合连接到接触区域意味着待连接的配置可从多个潜在的配置中选择一组。
[0084]电池单元的“状态”意味着电池单元的当前配置,并且还可包括一个或多个其它参数,诸如能量贮存器的电压,通过电池单元的电流,能量贮存器的能量水平,能量贮存器的温度,条件等。
[0085]“(电能)箱”是一种结构(任何种类的容器),其能够容纳多个电池单元以及用于将能量从电池单元传输到箱的外部(功率传输模式)和/或将能量从箱的外部传输到箱内部的电池单元(充电模式)。存在两种主要类型的箱,取决于它们的预期用途:功率传输箱和充电箱,但单个箱可涉及这两项功能,像电动车辆的箱通常会运作以便允许直接充电。箱还可包括用于对电池单元进行编程的控制单元,但控制单元无需是其一体式部分,而是可与箱连接的部分或完全独立的单元。在广义上,“箱”是指包括也作为功能部件的控制单元的箱系统。术语“电池组”也可用于描述装填有电池单元的功率传输箱。
[0086]箱的“接触表面”或箱接触焊盘是导电区域,其可从容纳在箱中的电池单元的方向接近以便在电池单元的接触区域之间形成电流接触,以便通过所述区域传输电力。
[0087]“填充比”意味着当箱被装填满电池单元时由电池单元在箱中所占的体积与箱中的自由空间的体积比。因为填充比在实践上取决于箱(特别是具有小的箱尺寸)的体积和形状,本文提及的填充比假设一个理论箱,其在每个方向上具有不受限的总体积,以无限数量的电池单元装填,除非另有所指。术语“填充”和“填充密度”还分别用于描述箱的装填和填充比。
[0088]“随机填充比”是通过在当时的物理条件(例如重力)下以随机顺序将多个电池单元提供到箱的填充比,而无需使用智力来定位每个单元。例如可通过倾倒或喷出电池单元到箱以及可能通过另外摇动或搅动箱和/或电池单元来增加填充比而进行这样的随机装填。在现实生活中,箱壁和边界可能取决于壁的形状和电池单元的形状而略微将最近的电池单元引导到非随机的顺序和取向内。本文的术语“随机装填”也基本上涵盖(几乎)随机装填,即由限制真正随机性的箱壁导致的任何边界效应不考虑在内。
[0089]电池单元(或箱)的“编程”意味着改变箱内部的电池单元的配置。在随机装填的箱的情况下,编程通常由发现和路由程序居先,以便找出箱内可用的连接和潜在的能量路径。
[0090]箱的“控制单元”意味着用于与箱内的电池单元进行通信以及用于对电池单元进行编程的必要通信和计算装置。
[0091]电池单元的“发现”是指一个程序,其中一个箱确定哪些电池单元存在于箱内,以及它们如何通过它们的接触区域与彼此和箱的接触表面相连接。
[0092]“(电)能量路径”是指通过一个或多个电池单元的接触表面和/或能量贮存器在其接触表面之间的在箱内的潜在功率传输路径。当电池单元被适当地配置时,电功率可沿着该路径传输,从电池单元到箱外部的负载(功率传输模式)或从外部能量源到电池单元(充电模式)。在箱内有可能存在一个或多个同步的电能路径。在典型的情况下,在该路径中存在至少两个,例如,2至50个串联布置的不同电池单元的能量贮存器。在每个路径中还有可能存在平行布置的能量贮存器。能量路径在本文也被称为“串”。
[0093]“路由”是指其中一个或多个电能路径被确定为能够相应地对电池单元进行编程的程序。在路由程序中,例如需要决定电能贮存器的终端应如何在内部连接到电池单元的接触区域以及是否需要任选的旁路连接,这样电能贮存器串联连接以形成一个或多个串。路由可基于由使用合适路由算法的发现程序所获得的信息以各种方式来进行。例如在该文献中所述的发现程序已经给出可用于形成串的路由信息。
[0094]“监测”意味着其中由外部电子设备诸如箱控制单元收集的关于电池单元状态的
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[0095]系统概述
[0096]如上所述,在此提出的是适于便携式能源的一种新颖的使用方案,便携式能源诸如二次电池,通过提供借助于也在本文中描述的电箱能够形成较大的电池组的电池单元(BU)0
[0097]图1A示出电气设备10,诸如电动车辆(EV),它包括电箱12。箱12连接到电负载15,诸如电动马达。箱12装填有电池单元14,其将功率提供到电箱12的输出和进一步的电负载
15。系统还可包括外部电池单元容器16,其具有传输装置18,所述传输装置18用于从箱12接收电池单元14和/或将它们传输回到箱12。箱12、外部容器16或它们两者可具有使用来自电力网络或者来自其它源诸如再生制动、太阳能电池板、燃料电池、飞轮或甚至烃燃料发生器的电力给电池单元15充电的能力。
[0098]如将在后面更详细地描述的那样,电池单元14配备有能量贮存器和接触区域,用于将电功率从所述电贮存器传导出来以及用于给电贮存器再充电。此外,还有连接装置,其包括切换逻辑电路,用于在能量贮存器和接触区域之间形成期望的连接。所述连接装置是可编程的以便根据改变的需求和情况来改变配置,最重要的是负载15所需的输出电压和功率要求和电池单元14的条件、物理定位和与彼此和其它类似的电池单元14的接触。具体地,接触区域可自由地配置成用作正或负接点。接点的配置优选可通过切换逻辑电路自动和动态地完成,优选借助于由电池单元从箱系统所接收到的编程信号。因而,为了便于编程,可在电池单元14内存在内置通信能力。通信包括从所述电池单元14外部接收编程指令,并且还可包括将关于电池单元14状态的信息发送到箱系统的外部编程或监测单元或发送到其它电池单元。
[0099]根据一个实施例,电池单元14具有平滑的自包含外形,使得它们能够通过非智能的成本有效的方法诸如栗送或倾倒从一个容器(例如电箱12)转移到另一个(例如,外部充电容器16,或者反之亦然)。
[0100]随机装填的电池单元14的运动自由度受到它们的形状和摩擦的限制,任选另外受到固定装置的限制,诸如用于将物理压力施加到箱12内的电池单元14上的装置。
[0101]在使用时,电池单元被容纳在电箱12内。箱12包括具有空腔的物理容器,所述空腔能够容纳处于一维、二维或最优选三维配置的多个电池单元14。在一个典型的实施例中,箱12能够容纳至少10个、优选至少50个电池单元14。对于电池单元而言没有上限,但在典型的实施例中,每一个箱的单元数量少于10000、通常少于5000。
[0102]为了能够给负载15供电,除了容纳电池单元14之外,箱12包括在其内表面上的电接触表面,以便能够与两个或多个电池单元14电接触以及用于将电功率从电池单元14传导到箱12外部。接触表面可布置在箱12的一个或多个壁上,例如布置在箱12的两个相对的内壁上。
[0103]根据一个实施例,其中电池单元14是外部可编程类型的,箱12还包括编程装置,最显著的是控制单元,其包括计算单元和用于与电池单元14进行通信的通信单元。通信包括至少控制即传输编程信号到电池单元14以便改变它们的配置。通信还可包括监测,即从电池单元14接收信息,例如为了获得关于其它电池单元中的每个电池单元14的相对位置和接点的数据。计算单元能够对电池单元14进行必要的编程以便通过通信单元传输到电池单
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[0104]应当指出的是,编程装置不需要知晓在箱12内的每个电池单元14或它们中的大多数的物理位置。编程装置仅需要具有形成至少一个电路径使得箱12可传输电力的知识即可。
[0105]本发明的系统也可包括一个或多个充电站,其包括用于使用来自另一容器的充好电的电池单元替换带至充电站的设备的使用过的电池单元的装置。该容器例如可以是充电筒仓,包括用于给多个电池单元充电的装置和用于将期望量的充好电的电池单元从筒仓提供到设备的电箱的装置。电池单元可随机地装填在充电筒仓内,类似于在设备的箱中。
[0106]所述电池单元和箱系统的示例性结构和功能部件以及对所述电池单元编程的方法在下面更详细地描述。除非特别提出或有技术上的相反明显原因,否则上面和此后还描述的实施例可自由地组合以便形成各种不同类型的操作电池单元。
[0107]电池单元<
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