用于存储电能的电池和电池系统的制作方法

用于存储电能的电池和电池系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于存储电能的电池和电池系统，以及涉及电能的存储和使用。具体地，但不是必要的，本发明涉及一种电池单元，其包括电能贮存器和用于将能量传递进入和/或流出电能贮存器的电接触板。本发明还涉及能够容纳多个电池单元的电能箱和配置电池单元以便提供电能的方法。
[0002]本发明具体可与适于电动车辆的智能电源(或功率供应)系统结合使用，而且也可在移动电器、能源管理、能源交易、路由和通信领域内使用，仅仅提及一些实例。
【背景技术】
[0003]电动车辆(EV)出于下述原因得以普及，诸如不同的驾驶经验、更高的性能、更好的可靠性和更少的维护、更低的操作成本以及减少运输环境影响的可能性。电力专门用于推进车辆，或可用来协助其它方法，诸如内燃机(ICE)。
[0004]电动车辆的主要类型是电池供电的电动车辆(或纯电动车辆)(BEV)，插电式混合动力电动车辆(PHEV)和混合动力电动车辆(HEV)。电动车辆使用用于推进的电动马达。电能例如使用锂离子技术或任何其它形式的电池化学存储于电池中。其它形式的能量贮存器也是适用的，诸如超级电容器或燃料电池。所述混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)将常规的内燃机与电驱动系统结合。所述混合动力电动车辆(HEV)使用通常的再生制动以便给电池充电。PHEV包含可通过将插头连接到外部电功率源而充满电的可再充电电池。BEV是没有内燃机的所有电动车辆。BEV和PHEV还使得用户能够通过选择例如使用太阳能或风能来产生电力的外部功率源来选择用于给电池充电的替代能源。
[0005]使用可再充电电池的当前PHEV和BEV的一个常见问题是充电时间长。在通常情况下充电需要若干小时，也有很多城市中心的公寓住宅没有适于车辆的任何插电功能。存在一些快速充电站，但是在这些快速充电站，与使用可在加油站快速“充油”的内燃机的汽车相比充电时间要长得多。快速充电也意味着电池往往损耗得更快。此外能量密度不那么高，这意味着电池更大和更重。功率损耗也通过快速充电而更高。例如在30分钟内给80千瓦时的电池充电也设定通常在住宅房屋不可能的这样的功率要求。
[0006]另一个问题是，快速充电设置对于电力基础设施提出额外要求，而电力基础设施在许多国家中已经到达极限。在许多工业化国家中，为50%或更多量级的备用容量是可用的和可预测到的。然而，这些都是人类和经济活动的最低时期，同时也是快速充电没有用的时期。虽然通常用户将在夜间在家充电，但是用户仍然会偏好可能与住宅用户可用的相比提供更低价格的商业充电站来充电。其它选项包括可再生能源的积极区别待遇。对于这些情况而言，当前的充电时间不是用户期待的。
[0007]存在用于改变适于BEV的电池以克服上述问题的几种不同的建议。典型地，可再充电电池单元被分组为模块，并且每个模块由多个电池单元构成。这些模块作为一个实体进行监测和控制。如果需要的话，模块可在服务站中被改变成包含充电的电池单元的另一模块以便给BEV快速供应能量。一个问题是，电池的可用尺寸取决于使用情况而显著变化，并且它可能不是矩形的:一个模块不能良好地适配于所有的使用情况。可能的是取决于使用情况模块具有不同的尺寸和形式，这意味着服务站将必须储备不同的模块，而这对于成本方面没有任何意义。
[0008]上述类型的模块化能量存储系统的实例在US 7948207和US 2012/094162中公开。还存在可用的许多多电池单元的电池设计，其具有开启和关闭电池的各个电池单元连接的可能性。这些类型的设计的实例在CN 202535104,CN 102832646,US 8330420和US 7075194中公开。
[0009]还存在关于如何监测单个电池单元和基于单个电池单元的特性动态地配置系统的几种建议。例如US 2010/0261043提出了一种适于大型电池系统的动态可重新配置的电池框架的系统。这解决了可如何监测和控制单个电池单元的问题，但是如果要求在服务站快速地替换数百个耗尽的电池以便给BEV供应电能，则该系统是不适合的，因为电池单元以特定的方式位于电池组内。例如在US 2005/242776,US 2006/192529，EP2582009和US8084994中公开了适于电池的其它控制、故障检测、重新配置、旁路和生命周期管理系统。这些系统至少部分地具有相同的缺陷。
[0010]因此，对于用于将电能快速供应给电动车辆和其它动力密集型电池操作设备的改进的解决方案存在需求。

【发明内容】

[0011]本发明的目的是解决至少一些上述问题，并提供一种新颖的解决方案，其将电能提供给电动车辆以及其它电气设备和系统。一个特别的目的是提供允许智能和快速供应电能的一种新颖的电池单元。另一个目的是提供一种电箱，其电能容量一旦被消耗掉就可被快速恢复。还有一个目的是提供用于配置电池单元一种新颖的方法。
[0012]在此通过实例的方式提出的解决方案是基于提供小电池单元的理念，所述小电池单元可被放置成与彼此接触且之后配置成形成更大的功率源。每个电池单元包括至少一个双电极电能贮存器，其通常是电化学电池单元，具有对应于其电极的电终端。在电池单元的表面上存在接触区域，接触区域的数量大于能量贮存器的电极数量。此外，存在用于以不同的配置将接触区域连接到终端的可重新编程的装置，使得所述能量贮存器的电能可取决于电池单元的编程以多种方式引出电池单元。
[0013]多个电池单元被放置在特殊装备的容器内以形成更大的功率源，在此所述容器因为类似于燃料箱而被称为“箱”。箱是一种容器结构，其能够容纳多个电池单元且包括用于与容纳于其中的至少一些电池单元的接触区域形成电接触的装置。在箱中，电池单元接近彼此，使得它们的至少一些接触区域与箱的其它电池单元和/或接触装置的接触区域相接触。一旦电池单元被放置在位，它们就被编程来改变它们的内部连接配置，使得功率传输路径通过多个电池单元形成，并进一步从箱中引出。编程可以各种方式来实现，这在后面更详细地描述。在一个典型的实施例中，编程是通过功能性地连接到箱的控制单元来控制的多步骤过程。
[0014]在内部重新配置每个电池单元的功能允许降低对电池单元的定位要求。在本发明的一个主要实施例中，电池单元以任意的顺序和取向放置在箱内。这是由电池单元和箱的合适设计来实现的。更具体地，这要求在电池单元表面上的接触区域模式是如此的以至于当电池单元在箱中当时的物理条件(例如重力，压力)下处于箱内时使得每个电池单元或至少大部分的电池单元经由在其表面上的两个不同的接触区域与至少两个其它的电池单元或至少一个另外的电池单元和箱的接触表面相接触。因此，电池单元可以各种方式快速地导通到箱，而无需将各个电池单元定位在箱内，例如通过倾倒或通过气流。此外，获得可操作的功率源。
[0015]在优选的情况下，一个电池单元包括至少一个电化学电池或类似于高容量电容器的任何其它能量贮存器，壳体(外壳框架)，在其外表面上的至少三个接触区域和用于配置电池单元以及任选监测电池单元的一个或多个电或物理参数的必要电子器件。通过合适的配置，电池单元可经由电池单元的任何两个接触区域进行充电和放电。
[0016]这里提出的实施例可提供相当大的优势。本文所述的电池单元可用于形成适于电动车辆或使用电功率的其它系统的能量源(或能源)。虽然单个电池单元诸如可用作电源，但在典型的情况下，多个电池单元在电箱内一起工作以便提供更大的功率源，如以上简要描述的那样。这些电池单元可以部分地或完全地在维修店或者在服务站从箱中取出，在车辆外部再充电，并在充电之后将电池组放到同一个或另一个EV内。在取出电池单元之后，用户可立即在装填站用充好电的电池单元装填箱。因而，本发明允许以给与使用液体或气体形式的气体燃料的车辆加油的相对类似方式用充好电的电池单元给电动车辆的箱进行装箱。这样做的最显著的益处的是速度。当然，还可提供给在EV内部诸如在常规的插电式EV(BEV和PHEV)中的电池单元充电的可能性。
[0017]本发明的实施例还可提供其它技术、经济和环境优势。以不太可控的方式更快速充电或者更深入地耗尽的电池在实际应用中往往会比只小心使用和认真管理的那些更快地出现故障和损耗。由于本发明的电池单元可从EV中取出并用充好电的电池单元所取代，因此它们可在EV外部小心地再充电，通常在受控环境中无需仓促地充电，而是在参数的严格管理下进行充电，这使得性能最大化，最大限度地提高其使用寿命，或优化如由业务情况所要求的任何其它参数。在大的中心服务站充电是有效的，因为功率传输损耗与当充电功率传输到个人住宅时相比可保持更小，例如由于更短的传输距离，更高的传输电压和更高质量的电网。
[0018]本发明在本质上是通用的。它还可显著有益于需要或得益于电功率源的其它设备和系统。实例包括电动工具，移动医疗站，军事部署单元，飞机，工程机械，仓储物流机器人等。
[0019]根据本发明的一方面，提供一种电池单元，其包括具有正和负电压供应终端的电能贮存器，在电池单元外表面上的三个或多个电接触板，和用于将所述正和负电压供应终端的每一个电连接到任何一个或多个所述电接触板的可动态配置连接单元，其中电能可经由电接触板的选择性地不同组合从电能贮存器汲取。
[0020]根据本发明的第二方面，提供一种电能存储和供应系统，其包括:能够容纳根据前述权利要求中任一项所述的多个电池单元的箱;设置在所述箱的内部上以便接触相邻电池单元的电接触板以及用于将电能从所述系统向外部负载传输的至少两个面向内的箱接触焊盘，和控制器，所述控制器用于识别经由电池单元的在所述或至少两个箱接触焊盘之间的一个或多个可用的和/或最优的电能供应路径和用于对各个电池单元进行编程以便经由这些路径供应电能。
[0021]根据本发明的第三方面，提供配置本发明上述第二方面所述的电能存储和供应系统的配置方法，所述方法包括操作每个单个电池单元的可动态配置的连接单元以便根据第一配置耦联电接触板，操作所述电能存储和供应系统的所述控制器以便识别经由电池单元的在所述或至少两个箱接触焊盘之间的最优电能供应路径，以及以便对各个电池单元进行编程，并且响应于该编程进一步操作每个单个电池单元的所述可动态配置的连接单元以便根据第二配置将电接触板耦联以便经由所识别的路径供应电能。
[0022]根据本发明的第四方面，提供一种将电能供应到负载的方法，并且所述方法包括将多个电池单元装载到电池箱内，使得相邻电池单元的电接触板相接触或具有接触的高度可能性，并且各个电池单元在箱内的取向和位置是在先未知的，识别经由接触电接触板通过所装载的电池单元的一个或多个最优电能供应路径，对电池单元进行编程以便导致正和负电池单元电压供应给合适的电池单元接触焊盘，从而建立所述最优能量供应路径，并从所建立的能量供应路径汲取功率以供应所述负载。
[0023]进一步考虑到示例性的电池单元，接触区域的数量为至少三个，允许不仅沿着不同的方向而且沿着不同的路由从电池单元汲取电流。这显著增加对装填有电池单元的箱进行编程的可能性。
[0024]可动态配置的连接单元可以是可编程的，以便在任意给定的时间下将正和负供应终端的每一个连接到相应的电接触板。
[0025]对接触区域的数量没有限制，但在典型的实施例中，4至50个、特别是6至14个可能是实用的。当希望将电池单元随机地装填到箱内以允许足够的配置可能性时，这种电池单元是特别有益的。
[0026]根据一个实施例，接触区域覆盖超过60%、具体超过70 %、通常75%至95 %的壳体外表面。接触区域的面积由各个触点之间的所需间隙和漏电而限制。接触区域覆盖率应最大化以确保每个电池单元与另一电池单元或箱的接触表面的电接触的高的可能性。
[0027]根据一个实施例，电池单元如此成形以及接触区域的数量和位置是如此的以至于当电池单元随机装填时，大多数接触区域可只与同样设计的电池单元的一个另外的接触区域接触。该实施例使得箱的编程更稳健，并避免不希望的连接，这取决于所选择的路由，其可以是三路接触或短路。虽然算法可将这样的条件考虑在内，但是它们可能会降低效率、负载系数或其它参数。在一个实施例中，设计是如此的以至于所有的接触区域可只与另一个电池单元的的一个另外的接触区域接触。这通过使用足够高数量的足够小的接触区域对于各种电池单元形状而言是可能的。
[0028]根据一个实施例，连接装置是可编程的，以便通过电阻器(优选基本上相等的电阻器)将接触区域以星型模式连接到公共星点。该实施例允许通过箱控制系统方便地发现电池单元，如将在后面更详细地描述的那样。相同的电阻器可通过测量相应电阻器两端的电压来协助测量流动通过每个接触区域的电流。这种电池单元能够在电箱内形成电阻器网络，从而电池单元的存在和之间的接点可使用通过网络的电流馈入确定，并与电池单元进行通信以基于电阻器两端的电压测量收集关于其接触状态的信息。
[0029]根据一个实施例，连接装置配置成将至少两个接触区域电连接到一起以形成电流旁路路由，即从至少一个接触区域到至少一个其它接触区域的低电阻连接。这显著增加了对箱编程的可能性，并且例如允许不使用特定的电池单元来进行能量传输。这在电池单元的低充电水平的情况下或为了提高效率是可取的。
[0030]根据一个实施例，其中在电池单元上至少有4个电接触板，所述可动态配置的连接单元可配置成在任何给定时间下将正和负供应终端连接到相应的电接触板，并同时经由低电阻路径将两个其它的电接触板连接到一起或经由电阻将其它两个电触垫连接到公共星点。
[0031]根据一个实施例，可动态配置的连接单元能够将正和负电压供应终端从所有电接触板断开连接。
[0032]根据一个实施例，电池单元包括用于测量通过其任何接触区域流动的电流的装置。该特征可在发现过程中使用，并且还允许在操作过程中监测电池单元。
[0033]根据一个实施例，连接装置适于将任何接触区域从其它接触区域断开连接和/或将任何接触区域连接到电池单元的内部接地电势。本实施例提供例如额外的安全性。
[0034]根据一个实施例，连接装置可由通过所述接触区域发送和接收的电编程信号进行编程。通常情况下，编程信号经由箱的接触表面以及可能经由一个或多个其它电池单元由箱控制单元提供。
[0035]根据一个实施例，电池单元包括用于发送和接收无线编程信号的装置，所述信号优选为电磁射频信号，用于对连接装置进行编程。在这种情况下，箱控制单元可连接到无线收发器。
[0036]根据一个实施例，电池单元包括用于发送和接收无线编程信号的装置，其中光学方法用于电池单元之间以及电池单元和箱控制系统之间进行通信。光学方法包括单色光，或各种波长光的混合，包括红外光;和激光。
[0037]除了一个或多个上述流电或无线信号接收装置之外，电池单元可包括流电或无线信号发送装置，用于通信回到所述控制单元，例如用于发现和监测的目的。
[0038]根据一个实施例，电池单元包括存储单元，可能构建在其中央微控制器内，包括独特的识别码，以及所述连接装置配置成使用所述识别码来确定编程信号是否旨在对电池单元进行编程。识别码或其衍生物在发现过程中通常被发送到箱控制单元或其它外部接收器以识别电池单元。
[0039]根据一个实施例，电池单元包括用于感测哪些接触区域与相同类型的相邻电池单元的接触区域处于流电电接触。然而这是没有必要的，因为控制单元可通过其它方法基于电流流动测量来推断接触信息，例如如将在后面更详细地描述的那样。
[0040]根据一个实施例，电池单元具有一定的形状和尺寸，这有利于随机装填。优选的是电池单元也提供在邻近的任意形状和尺寸的容器内的高度随机填充比。
[0041]根据一个实施例，电池单元具有椭球的形状。在一个优选的实施例中，所述形状由椭球壳体限定，所述壳体设有在其外表面上的接触区域和通过壳体到达包含于壳体内的电子器件的接触路径。在涉及电池单元随机装填的本发明实施例中椭球形状是有益的，因为它提供电池单元在它们的容器中的高的随机填充比以及良好的固定性。根据一个实施例，椭球的主轴线具有1.0至1.4:1:0.7至1.0，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。
[0042]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。
[0043]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。
[0044]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。电能贮存器可具有IuWh至IkWh的容量。
[0045]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。
[0046]根据一个实施例，连接装置包括切换单元，其能够