电能存储和供应系统的制作方法_4

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增加系统成本并降低每单位体积的系统容量。只要仅涉及该参数,球体就是最优化的形状。优选的椭球形状也比较好。
[0155]最后,一个重要的形状确定的参数还有在不同取向上在横截面面积上的偏差:较小的偏差意味着在通过软管或导管栗送时速度更均匀和堵塞的概率更小。具有零偏差的球体将是用于栗送的最优形状,但椭球也可以很好地栗送。在栗送应用中应避免将堆叠到彼此的形状。也应避免因栗送导致过度磨损和问题而形成尖角的形状。
[0156]电子器件(电池单元)
[0157]电池单元包括优选在壳体中的必要的电子元件和连接,用于控制其接触区域的连接配置,用于对能量贮存器放电和充电,以及任选用于监测电池单元的状态,以及用于与监测的外部控制单元和连接编程信息通信。
[0158]最重要的是,电子器件包括限定接触区域的必要切换逻辑,所述接触区域连接到能量贮存器件的终端,以及任选地这些接触区域用作旁路由。
[0159]根据一个实施例,电池单元包括微处理器,诸如微控制器,时钟振荡器,存储器,通信电路,监测电路,电源(或功率供应)电路,切换电路。此外,取决于其功能,它可包括以下的一个或多个:充电电路,过电流保护电路,和适于旁路总线的电路。所述存储器可包括闪存,EEPROM和/SRAM。
[0160]电池单元的内部功能和通信功能优选由能量贮存器供电。然而,还可设置独立的功率源,诸如硬币型电池或类似的小功率源,用于给这些功能提供必要的电力。此外仅当所述电池单元的主能量贮存器被完全耗尽时候才可设置成使用单独的源。
[0161]为了在容器的随机装填期间避免不必要的路径和连接、过电流等问题,能量贮存器的终端优选从接触区域断开。只有当装填已经完成时,电池单元才基于朝向负载的可行路由连接能量贮存器的终端,可行路由通过与对等的电池单元、中央控制单元或者两者通信而建立。
[0162]通信电路的传输部分用于将消息从电池单元发送出来,发送到其它电池单元或中央管理单元。通信电路的接收部分用于接收消息。
[0163]监测电路优选用于测量能量贮存器的电压、电流和温度、电流和温度。此外,它可以虚拟接地为参考测量电池单元的每个接触区域的电压。这些电压与通过电池单元的接触区域浮动的电流直接相关。监测电路还可跟踪电池的健康状态,循环数量,以及对于有问题的特定能量贮存器而言其针对预期磨损曲线的行为。所述电池单元的内部存储器可用于存储临时或永久监测数据。
[0164]通信电路通常用于将消息发送到箱的外部中央控制单元以及从箱的外部中央控制单元接收消息。这通常通过在箱的内壁上的导电接触表面和电池单元的接触区域实现,但诸如在红外或可见光谱中的光脉冲,或诱导的射频,或无线通信的其它方法是可能的。
[0165]各个电池单元可在其特定配置中具有以星型模式通过电阻器彼此连接的接触区域,如果使用流电通信方法则这可获得优势。为了便于传递通过数据,如果大量的电池单元存在于容器中,则大部分的电池接触区域通过相对高的阻抗电阻器连接到其它接触区域以形成电阻网络。当一个电池单元将电压施加到其一个或多个接触区域上时,同时将一个或所有剩余的接触区域接地到其内部接地,则它会通过一些或许多的其它电池单元和连接到箱内侧上的接触表面的电阻器诱发电流。该感应电流可类似地由部分或全部其它电池单元并且由控制单元进行测量。通过使用调制技术,例如接通-切断键控,或任何其它数据可由其它电池单元和控制单元传输并接收。
[0166]为了将用于通信的感应电流足够大的概率最大化,以便用足够大的信噪比进行测量,则升高的电压水平可能是可取的。电池单元和外部控制单元可利用在不需要通信周期期间能够被切断的电源来产生更高的电压。
[0167]大多数的所有上述功能可实施成特定应用到集成电路或ASIC,除了占位面积是最优的之外,得到在体积上的尽可能低的元件成本。所选择的半导体技术取决于在某些领域上的所需性能:功耗,切换损耗,任何所需的RF电路,模拟性能,以及其它。
[0168]电子器件的实例(电池单元)
[0169]接着,描述电池单元的电子器件的特定非限制性实例以便说明本发明如何可在实践中执行。
[0170]图7示出电池单元的框图,其包含四个接触区域701。电池单元由诸如微控制器的CPU 721进行管理。时钟振荡器(多个)(未示出)连接到CPU并用于计时。例如也有可能存在两个时钟振荡器:用于高速操作和定时的较高频率的晶体,以及用于在低功率休眠模式下计时的较低频率的晶体。每个接触区域701经由连接总线731单独连接到如下所述的其它单
J L ο
[0171]电池单元具有任选的旁路模式,其中任何触点可连接到任何其它触点并传递信号和功率。CPU控制旁路连接器705。可通过将连接器705切换成接通/断开来将任何触点连接到旁路总线723。电池单元还可包括多于一个的旁路总线,总线是彼此独立的。旁路切换可使用例如MOSFET技术。
[0172]数据由电池单元通过测量和数据接收单元717接收。测量和数据接收单元717包括按每个接点一个比较器。该比较器接收在一个终端上的基准阈值电压,其由CPU产生。在另一终端上是(分的)接点电压。在低噪声环境下,可以将阈值设置得非常低,并且电池单元可接收非常小的信号。在高干扰环境中,可将阈值设定成如所需的那样高。噪声抗扰度提高,但以灵敏度为成本。来自比较器的输出723被反馈到CPU,并根据需要进行解码。
[0173]测量和数据接收单元717例如也可包括温度系数电阻器或任何其它类型的温度传感器,以便使得能够测量电池单元的温度。该单元还包括能量贮存器的电流测量电路,其任选地放大在分流电阻器725上的电压降,其然后由测量和数据接收单元717采样。单元还测量各种电压并跟踪能量贮存器的充电状态。
[0174]每个接点701可经由电阻器719连接到电池单元的虚拟接地点711(“星点”)。这允许所有电池单元可通过电池单元内部的星型网络进行通信。除非采用允许电阻器断开的电路,否则一定的功率将在一定条件下被耗散。这样的条件可能是当能量贮存器连接到某些接触区域时,以及当电池单元传递数据时。但是如果这种电阻值适当选择的话,功率水平是可以忽略的。电阻器719两端测量的电压是通过接点流动的电流的函数,并且该信息用于路由和其它目的。电压由测量和数据接收单元717测得。
[0175]为了从电池单元传递数据,上行电压从CPU经由线路729反馈到最合适的接触区域701内。任选地,数据可使用多个接触区域701传递。电阻器715限制电流。数据格式和编码可以是许多中的一个,例如标准的串行数据,PBi或PPM方法。通常情况下,许多或所有其它接触区域可使用切换器707来连接到电池单元的虚拟接地点711以及在接收器侧使信号强度受惠。
[0176]能量贮存器713的负终端经由分流电阻器725连接到接触区域中之一。CPU控制切换器707以确定负终端连接到哪一接触区域。能量贮存器713的正终端可通过将切换器709切换成接通/断开而连接到接触区域中之一。
[0177]电池单元可包括若干电源(未示出),例如用于提供参考电源,标准低压差稳压器和升压电源,其可用于充分激活M0SFETS并提供更高的电压以便使得能够更强地传递信号。
[0178]应当指出的是,上述实例意旨说明电池单元的实施原理以及存在实施电池单元功能的各种其它方式。在实践中,所述的大多数或所有组件和串可集成到单一定制芯片内,从而与单独组件相比允许在成本和尺寸上显著降低。
[0179]电池单元可在每个循环的时间段中静止,这意味着它在该阶段期间内不提供功率或不进行通信。当箱装填所述电池单元时,所述控制单元启动同步程序。控制单元将第一唤醒信号发送到电池单元,从而电池单元可准备用于通信。之后,该控制单元发送同步信号:基于所述同步信号,电池单元可将内部时钟同步。这例如使得在某些串中的所有电池单元在同时传输功率,例如90%的时间和10%的其余时间保留用于通信。在操作时同步程序可被周期性地重复。根据一个实施例,电池单元能够被驱动到几个独立的功率状态下,例如低功率消耗状态(静止状态)和高功率消耗状态。有可能在正常操作中使用在这两种状态之间的几个功率状态(睡眠状态),以最小化功率消耗,例如当在控制单元和所述电池单元之间没有通信时没有必要对CPU上或内的一切供电。在高功率消耗状态下,电池单元将功率提供到电池单元的外部。在睡眠状态下,电池单元能够通信并且改变其配置。在静止状态下,该单元的内部功能处于最低限度下,在典型地通过接触区域接收到唤醒信号时电池单元仍能够被唤醒。例如如果电池单元的电压低于周期性地监测到的电压时,电池单元进入静止状态,以防止损坏能量贮存器。
[0180]环境方面(电池单元)
[0181]本发明的电池单元可从开始设计成将对环境影响最小考虑在内;最大的可回收性(或再循环性)是主要目标。原材料,诸如壳体塑料,锂电池单元,硅,金属布线等可选择成允许尽可能地接近100%的回收性。此外,回收方法选择成允许低保养和低阈值的回收方法,诸如切碎。材料分离、回收和再利用或再循环可达到非常高的水平,并可使用简单的方法来执行,在这之后几乎所有的材料可用于生产新的电池单元或其它产品。此外,由于对于每个电池单元而言它的历史、所有权、使用模式等也可在其整个生命周期中被独特标识,因此只有在其经济寿命实际结束的电池单元被回收。此外,如果电池单元没有被回收以及最终在一个垃圾填埋场或在环境中的其它地方,则它们几乎完全是无毒的并且对活的生物体没有影响。
[0182]在电池单元中的能量贮存器可以是可更换的,以及电池单元的标识和/或历史数据至少部分地可重写或可擦除,使得一旦前一个已劣化太多则同一壳体和电子器件可再次与新的能量贮存器一起使用。如果磨损,则接触区域也可被重新电镀。
[0183]其它方面(电池单元)
[0184]如果需要的话,通过允许空气或其它气体在单元之间流动,提供小于100%、特别是小于80%的随机填充比的电池单元可被冷却。因此,对于耗散功率或不然温度敏感的组件而言可容易地提供一定量的冷却。电池单元可在环境中针对某些条件中而被充分使用,由此可以在单元之间采用空气、或任何其它气体或冷却剂的受控循环。
[0185]本文所述的电池单元经受典型的工作环境,包括通过装填和清空电池单元容器而诱导的物理应力,或者通过移动使用其所供电的设备。典型的环境压力包括静态和动态应力,振动,冲击,磨损,温度循环,湿度,灰尘和腐蚀。
[0186]电箱
[0187]本文所述的电箱使得一个电池能够从在公共空间内的箱内可随机地装填的多个电池单元形成,其中对于电池单元而言没有确切位置或隔间。该空间可具有规则形状,诸如矩形的形状,但也可能具有非矩形或不规则的形状。
[0188]箱可被部分或完全被排空,并且可使用成本效益的方法用来自另一容器的部分或完全充电的电池单元快速地重新装填。因此,用户可以与使用内燃机的汽车大约相同的时间对BEV“加油”,并且装填类似于用马达燃料装填车辆的程序。箱可通过插入到车辆内被充电,而不除去电池单元。
[0189]本文所述的箱可用作适于电动车辆的功率源。它可在PHEV或BEV中使用。在EV中,箱可同时容纳数百、数千或甚至数万个单元,但它同样适用于仅使用几个电池单元的小型电动设备,诸如电动工具。事实上,除了电动车辆之外,本发明还具有许多其它潜在的应用,在设备主要是移动的以及使用电源线是不方便或不可能的通常情况下,其中电能或电能存储单元的快速和容易地更换是可取的。
[0190]本文所述的箱不局限于用作适于负载的能源,诸如在电动车辆的情况下,但还可用作为再充电箱。这样再充电箱可以使用,例如在用于存储从电动车辆箱中清空的用过的电池单元并对其再充电的服务站使用。箱也可具有两种功能,即供电和再充电功能,类似于电动车辆的箱优选做的那样。
[0191]概述(箱)
[0192]示例性箱的操作和配置可能性在下文通过实例的方式来说明。
[0193]首先,图4示出具有容器406的示意性箱400(前壁,后壁和顶壁未示出)。该容器具有适于放置在容器406内部的电池单元(未示出)的用作接触板401,402的两个相对的壁。每个接触板401,402包括多个(在这种情况下,是16个)接触表面411,412,其能够单独地接触电池单元的接触区域。在通常情况下,接触表面在板中的数量可以是任何数量,但更大容量的箱通常具有更多的接点。接触表面411,412不一定布置成两组,如本文所示,但该布置是有利的,因为单独的切换逻辑单元可为每个板提供,如将在后面更详细地描述的那样。另一方面,可存在两个以上的板(和切换逻辑单元)。板的数量可以是I至8个,优选2至4个。将板放置在容器的相对壁上也是没有必要的。然而,在容器的相对侧壁上的所示对称放置确保在电池单元与板401,402之间的相等的平均接触力。板不一定需要是矩形或平坦的表面,但如果箱具有特定的非均匀形状则板可以任何形状成形。
[0194]接触表面的尺寸、形状和放置设计成使得随机装填到箱中的电池单元的接触区域与接触表面进行电接触的概率是高的。当然,这也取决于电池单元的设计。例如下述是期望的,即与箱壁进入物理接触的至少1 %的电池单元也可与接触表面电接触,或与接触板进入物理接触的50 %的电池单元与该板的接触表面进行电接触。
[0195]图5A以二维示意图示出包括上述种类的几个电池单元的电动箱。箱从出口512( + )和(_)提供电力。在箱的电池单元空腔518内存在13个电池单元A,B,C,...Μ。虽然为简明起见本文以良好排序的配置示出,但是电池单元在实践中通常随机地或基本上随机地装填到箱内。每个电池单元具有接触区域a,b,c和d(以顺时针方向从图5Α中的左上角开始)。箱具有两组接触表面504A-F,505A-F。接触表面505A-F连接到箱的切换逻辑508以及接触表面504A-F连接到箱切换逻辑506。箱切换逻辑508和506连接到主切换逻辑510。切换逻辑506,508和/或510可将指令发送到电池单元以改变接触区域a,b,c或d的极性或以任意的方式将那些接触区域断开或短路,如上面结合电池单元所述的那样。
[0196]为了能够对电池单元进行编程,所述箱的控制单元需要发现哪些电池单元中存在于箱内以及它们如何与其它电池单元和所述箱的接触表面相连接。在简化的示例性过程中,发现可通过配置所有的接触表面以在它们之间具有电阻率R来启动。然后电流I会从例如接触表面组505A-F的最左侧接触表面505A反馈到接触表面504A-F。因此,电池单元K的接触表面d与接触表面505A相接触。基于欧姆定律,接触区域b和d之间的在电池单元K中的电流将在系统中是所有可能接触对中最大的。然后使用通信协议,则控制单元可从各个电池单元A-M请求电流信息。具有最大电流以及具有特定方向的电流(如果通过b和d则作为相同的电流)的电池单元/单元的特定区域将被确定为与接触表面505A接触:通过将电流I从接触表面505B反馈到接触表面504A-F,同样的程序可用来确定哪个电池单元/接触区域连接到接触表面50 5B。通过将接触区域d连接到电池单元K的接触区域b以及通过将电流I从接触表面505A反馈到接触表面504A-F,最大的电流经由电池单元I的接触区域d流动,并且该信息可用于确定哪个电池单元/接触区域连接到接点K/b等......,直到每个电池单元的相对位置将被发现,虽然它不需要知晓用于形成串的所有位置。
[0197]根据不同的需求,在被发现之后电池单元可以各种不同的方式连接以对应不同的需求,例如取决于优选的输出电压或输出功率是多少。在一个实例中,图5A的每个电池单元具有能量贮存器,其具有X伏的电压。用于形成串的一个方法是能量贮存器配置成使得正终端连接到适于电池单元K,F和A的接触区域b;正终端连接到适于电池单元I和D的接触区域a;负终端连接到适于电池单元K,F和A的接触区域c;负终端连接到适于电池单元I和D的接触区域d ο这样,电池单元K,I,F,D和A形成在接触表面505B和504B之间的一个串,具有串联连接的五个能量贮存器。串的输出电压是5*X伏。此串于图5B中以虚线曲线示出。<
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