蓄电池及氢燃料电池充电调节器的制作方法

文档序号:7330441阅读:229来源:国知局
专利名称:蓄电池及氢燃料电池充电调节器的制作方法
技术领域
本发明一般性而言涉及一种用于控制蓄电池或氢燃料电池的温度的调节器、以及用该调节器控制蓄电池或氢燃料电池的温度的方法。
背景技术
包括但不局限于蓄电池和氢燃料电池的储能装置包括在充电期间和/或在使用期间可能过热的一个或多个电池单元。无论在充电期间还是在使用期间,使储能装置的一个或多个电池单元过热都可能损坏电池单元、可能降低储能装置的性能、和/或缩短储能装置的预期寿命。

发明内容
公开了一种用于控制储能装置的充电过程的调节器组件。调节器组件包括构造成用于控制到储能装置的充电流的电源总线。调节器组件还包括接触件。接触件可在连接位置与断开位置之间运动。当处于连接位置中时,接触件联接至电源总线,以允许到储能装置的充电流。当处于断开位置中时,接触件与电源总线分离,以阻止到储能装置的充电流。调节器组件还包括偏置装置。偏置装置联接至接触件,并构造成将接触件偏置到连接位置中。 调节器组件还包括致动器。致动器联接至接触件,并构造成用于使接触件从连接位置和断开位置中的一个位置运动到连接位置和断开位置中的另一位置中。当来自储能装置的反馈信号等于或大于预定值时,致动器使接触件运动。在本发明的另一方面中,公开了一种储能装置。储能装置包括限定电池单元的壳体。储能装置还包括调节器组件,其联接至壳体,并构造成用于控制电池单元的充电过程。 调节器组件包括电源总线。电源总线构造成用于控制到电池单元的充电流。调节器组件还包括可在连接位置与断开位置之间运动的接触件。当处于连接位置中时,接触件联接至电源总线,以允许到电池单元的充电流。当处于断开位置中时,接触件与电源总线分离,以防止到电池单元的充电流。调节器组件还包括联接至接触件的偏置装置。偏置装置构造成用于将接触件偏置到连接位置中。调节器组件还包括联接至接触件的致动器。致动器构造成用于使接触件从连接位置运动到断开位置中。当来自电池单元的反馈信号等于或大于预定值时,致动器使接触件运动。致动器构造成当来自电池单元的反馈信号小于预定值时,允许偏置装置使接触件从断开位置运动到连接位置中。在本发明的另一方面中,公开了一种控制储能装置的充电过程的方法。该储能装置包括调节器组件,调节器组件具有电源总线、用于接合电源总线的接触件、和构造成用于使接触件运动到与电源总线接合以及与电源总线脱开接合的活性材料致动器。该方法包括用活性材料致动器感测来自储能装置的反馈信号;以及响应于来自储能装置的、上升至等于或大于预定值的水平的感测的反馈信号来接合活性材料致动器,以使接触件从连接位置运动到断开位置。该连接位置允许进入到储能装置中的充电流。该断开位置则阻止进入到储能装置中的充电流。
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因此,活性材料致动器感测来自储能装置的电池单元的反馈信号,诸如电池单元和/或储能装置的温度。响应于储能装置的电池单元的温度在充电、放电或使用期间的升高,当例如活性材料致动器的温度之类的反馈信号上升至预定值或高于预定值时,活性材料致动器使接触件从连接位置运动到断开位置中。使接触件运动到断开位置中阻止了例如电流之类的充电流流向电池单元和/或储能装置或从电池单元和/或储能装置流出,从而防止电池单元的温度进一步升高。活性材料致动器的转变的滞后行为允许在致动器使接触件运动回到连接位置中以恢复充电流之前,电池单元和/或储能装置的温度冷却至低于预定触发水平的值,从而保护了电池单元和储能装置免受损害。本发明还包括以下方案
方案1. 一种用于控制储能装置的充电过程的调节器组件,所述调节器组件包括 电源总线,所述电源总线构造成用于控制到所述储能装置的充电流; 接触件,所述接触件能够在连接位置与断开位置之间运动,其中所述接触件当处于所述连接位置中时联接至所述电源总线,以允许到所述储能装置的充电流,并且所述接触件当处于所述断开位置中时与所述电源总线分离,以防止到所述储能装置的充电流;
偏置装置,所述偏置装置联接至所述接触件,并构造成将所述接触件偏置到所述连接位置与所述断开位置中的一个位置中;以及
致动器,所述致动器联接至所述接触件,并构造成用于当来自所述储能装置的反馈信号等于或大于预定值时,使所述接触件从所述连接位置与所述断开位置中的一个位置运动到所述连接位置与所述断开位置中的另一位置中。方案2.根据方案1所述的调节器组件,其中,所述反馈信号包括所述储能装置的温度、所述储能装置的PH值水平、和所述储能装置的电阻中的一种。方案3.根据方案1所述的调节器组件,其中,所述致动器包括构造成用于当加热或冷却至所述预定值时使所述接触件运动的活性材料。方案4.根据方案2所述的调节器组件,其中,所述活性材料包括形状记忆合金、 热调节磁性元件、电活性聚合物、热致液晶弹性体和形变聚合物中的一种。方案5.根据方案1所述的调节器组件,还包括使所述致动器与所述接触件互连的连接器。方案6.根据方案5所述的调节器组件,其中,所述连接器包括构造成用于当所述接触件处于所述断开位置中时接合所述电源总线的替换开关,以便将来自所述电源总线的充电流传至另一装置。方案7.根据方案6所述的调节器组件,其中,所述替换开关包括非传导的绝缘材料。方案8.根据方案1所述的调节器组件,还包括基部,所述基部相对于所述接触件设置,其中所述偏置装置设置在所述接触件和所述基部之间。方案9.根据方案8所述的调节器组件,还包括探针,所述探针附连至所述基部并从所述基部延伸,以便通过设置在所述探针内的所述致动器来感测所述储能装置的刺激。方案10. —种储能装置,包括 壳体,所述壳体限定电池单元;以及
调节器组件,所述调节器组件联接至所述壳体,并构造成用于控制所述电池单元的充电过程,所述调节器组件包括
电源总线,所述电源总线用于控制到所述电池单元或来自所述电池单元的充电流; 接触件,所述接触件可在连接位置与断开位置之间运动,其中所述接触件当处于所述连接位置中时联接至所述电源总线,以允许到所述电池单元或来自所述电池单元的充电流,并且所述接触件当处于所述断开位置中时与所述电源总线分离,以阻止到所述电池单元或来自所述电池单元的充电流;
偏置装置,所述偏置装置联接至所述接触件,并构造成将所述接触件偏置到所述连接位置中;以及
致动器,所述致动器联接至所述接触件,并构造成用于当来自所述电池单元的反馈信号等于或大于预定值时,使所述接触件从所述连接位置运动到所述断开位置中,并构造成用于当来自所述电池单元的反馈信号小于所述预定值时,允许所述偏置装置将所述接触件从所述断开位置运动到所述连接位置中。方案11.根据方案10所述的储能装置,其中,所述反馈信号包括所述储能装置的温度、所述储能装置的PH值水平和所述储能装置的电阻中的一种。方案12.根据方案10所述的储能装置,其中,所述致动器包括构造成用于当加热或冷却至所述预定值时运动的活性材料,其中所述活性材料包括形状记忆合金、热调节磁性元件、电活性聚合物、热致液晶弹性体和形变聚合物中的一种。方案13.根据方案12所述的储能装置,还包括使所述致动器与所述接触件互连的连接器。方案14.根据方案13所述的储能装置,其中,所述连接器包括替换接触件,所述替换接触件构造成用于当所述接触件处于所述断开位置中时接合所述电源总线,以便使充电流绕所述电池单元旁路通过,并且将来自所述电源总线的充电流传至另一装置。方案15.根据方案12所述的储能装置,还包括基部,所述基部相对于所述接触件设置,其中所述偏置装置设置在所述接触件和所述基部之间。方案16. —种利用调节器组件控制储能装置的充电过程的方法,所述调节器组件具有电源总线、用于接合所述电源总线的接触件、和构造成用于使所述接触件运动到与所述电源总线接合以及运动到与所述电源总线脱离接合的活性材料致动器,所述方法包括
用所述活性材料致动器感测来自所述储能装置的反馈信号;
响应于所感测的来自所述储能装置的上升至等于或大于预定值的水平的反馈信号而接合所述活性材料致动器,以使所述接触件从允许充电流进入到所述储能装置的连接位置运动到阻止所述充电流进入到所述储能装置的断开位置中。方案17.根据方案16所述的方法,其中,所述活性材料致动器包括形状记忆合金、热调节磁性元件、电活性聚合物、热致液晶弹性体和形变聚合物中的一种,并且接合所述活性材料致动器进一步被限定为响应于所述活性材料的温度上升到等于或大于所述预定值的水平而使所述活性材料致动器收缩。方案18.根据方案16所述的方法,还包括当所感测的反馈信号上升到预定值的范围内时、在接合所述活性材料致动器之前先通知车辆控制器。方案19.根据方案18所述的方法,其中,所述活性材料致动器包括两级活性材料。
方案20.根据方案18所述的方法,其中,所述反馈信号包括所述储能装置的温度、所述储能装置的PH值水平和所述储能装置的电阻中的一种。当结合附图考虑时,本发明以上的特征和优点、及其他的特征和优点将通过以下对用于实施本发明的最佳模式的详细描述而清楚地显现。


图1是在其中结合有充电调节器的储能装置的示意性剖视图。图2是具有用于对储能装置充电的充电调节器的充电装置的示意性剖视图。图3是处于连接位置中的充电调节器的替代性实施例的示意性剖视图。图4是处于断开位置中的充电调节器的替代性实施例的示意性剖视图。图5是处于连接位置中的充电调节器的第二替代性实施例的示意性剖视图。图6是处于断开位置中的充电调节器的第二替代性实施例的示意性剖视图。
具体实施例方式参考附图,其中相同的附图标记在遍及全部的若干视图中都指示相同的部件,总体上以20示出储能装置。储能装置20可包括但不局限于以下各项中的一种储氢装置;诸如锂离子蓄电池、铅酸蓄电池或能够储存电的某种其他装置之类的储电装置;或者能够储存一种形式的能量的某种其他装置。储能装置20包括壳体22。壳体22限定至少一个电池单元对。通常,壳体22限定多个电池单元对,其中电池单元M中的每一个均用于储存电。储能装置20可包括适于储能装置20的预期使用的任何合适的形状、尺寸和/或构造。用于蓄电池、尤其是用于锂离子蓄电池的充电过程是固有吸热的(即该蓄电池从环境吸收热),然而蓄电池的放电过程则是放热的(即该蓄电池向环境排出热)。然而,在充电期间在系统中的其他地方释放的到电池单元M中的热流(例如在接触件处发生的焦耳加热)同样在充电期间使电池单元M的温度稍微上升。大部分的锂离子蓄电池使用一个或多个安全特征,例如通过电阻的增加来响应温度的上升的正温度系数材料,所述正温度系数材料在电池单元M过热时防止电池单元M放电。—种储存氢的有前途的方法是采用合金中的氢化物形式。氢储存合金(例如 LaNi5, FeTi, Mg2Ni等)通过形成氢化物在不危及它们自身的结构的情况下吸收并保持大量的氢。由这样的合金吸收氢的过程(即充电)伴随有热的释放,而释放储存的氢的过程(即放电)伴随有热的吸收。因此,用于燃料电池的储氢单元在充电期间主要释放热。如图1所示,储能装置20包括调节器组件26。调节器组件沈控制储能装置20的充电过程。应意识到的是,充电过程包括对储能装置20的充电和储能装置20的放电。调节器组件沈联接至壳体22和/或与壳体22 —体地形成。调节器组件沈构造成用于控制电池单元M的温度。更具体地,调节器组件沈基于诸如电池单元M的温度之类的反馈信号来控制到电池单元M或来自电池单元M的充电流。通过控制到电池单元M的充电流, 从而同样可控制电池单元M的温度。调节器组件26可包括多个子组件观,其中每个子组件观均构造成用于调节储能装置20的电池单元M中的一个电池单元。例如,如果储能装置20包括储电装置,则调节器组件沈控制进入储能装置20和从储能装置20离开的电流
7的流动。相似地,如果储能装置20包括储氢装置,则调节器组件沈控制进入储能装置20 的氢流。因此,控制进入储能装置20或从储能装置20离开的电流流动,或控制进入储能装置20的氢流动,从而来控制储能装置20的温度。因此,如果储能装置20的电池单元M中的一个电池单元过热,则调节器组件沈可中断进入过热的电池单元M或从过热的电池单元M离开的电流流动,或者中断进入过热的电池单元M的氢流动,以允许该电池单元M 冷却,从而防止对电池单元M和储能装置20的损害。调节器组件沈包括电源总线30。电源总线30与壳体22电绝缘。电源总线30构造成用于控制到储能装置20和/或来自储能装置20的充电流。更具体地,如果储能装置 20包括储电装置,则电源总线30构造成用于将电流传导进入储能装置20的每个电池单元 24,或从每个电池单元M将电流传导出来。应意识到的是,调节器组件沈可包括正总线(示出)和负总线(未示出)。替代性地,如果储能装置20包括储氢装置,则电源总线30构造成用于传导(即提供)到储能装置20的每个电池单元M的氢流。调节器组件沈还包括接触件32。接触件32可在连接位置与断开位置之间运动。 当处于连接位置中时,接触件32电联接至电源总线30,以允许到储能装置20或从储能装置 20离开的充电流,例如在电源总线30与接触件32之间的电流。当处于断开位置中时,接触件32与电源总线30分离,以防止到储能装置或从储能装置离开的充电流。因此,接触件 32从连接位置进入断开位置中的运动中断了电源总线30与接触件32之间的接触32,从而防止进入电池单元M或从电池单元24出来的充电流。相似地,接触件32从断开位置进入连接位置中的运动则重新建立了电源总线30与接触件32之间的接触,从而允许进入电池单元M中或从电池单元M出来的充电流。调节器组件沈还包括偏置装置34。偏置装置34联接至接触件32,并构造成用于将接触件32偏置到连接位置中。如所示,偏置装置34包括螺旋弹簧。然而,应意识到的是, 偏置装置34可包括能够将接触件32偏置到抵靠着电源总线30的连接位置中的某种其他装置。偏置装置34可包括构造成用于将电从接触件32传导到电池单元M中的导电材料。 导电材料可包括能够传导电流并适于与储能装置20的电池单元M设置在一起的任何合适的材料。对于储氢装置而言,偏置装置34可以不直接实施到电池单元M或来自电池单元 24的氢流,而是,偏置装置34可控制调节氢流的流量元件,例如止回阀。调节器组件沈还包括基部(或底部)36。基部36与接触件32相对设置,其中偏置装置34设置在接触件32与基部36之间。基部36阻挡偏置装置34的运动,并提供止动件,偏置装置3反作用于该止动件,从而将接触件32推入连接位置中。调节器组件沈还包括致动器38。致动器38联接至接触件32。更具体地,连接器 40在致动器38与接触件32之间延伸并使致动器38与接触件32互连。连接器40包括非传导的材料,以确保没有电流从接触件32进入电池单元M并传递至致动器38。接触件32、偏置装置34、基部36、致动器38和连接器40可一起制成单元,以限定子组件观,其中每个子组件28调节储能装置20的电池单元M中的一个电池单元的温度。致动器38构造成用于当来自储能装置20的反馈信号等于或大于预定值时,使接触件32从连接位置运动到断开位置中。反馈信号可包括电池单元M和/或储能装置20 的温度、电池单元M和/或储能装置20的pH值水平、电池单元M和/或储能装置20的电阻、或表示电池单元M和/或储能装置20的性能的某一其他信号。因此,致动器38直接将反馈信号转变成导致接触件32从连接位置运动到断开位置的机械功。致动器38还构造成当来自储能装置20的反馈信号小于预定值时,允许偏置装置34使接触件32从断开位置运动到连接位置中。因此,如果来自电池单元M的反馈信号上升到预定值之上,则致动器38接合接触件32并使接触件32运动到断开位置中,以防止进入到电池单元M中的电流传递,这防止了电池单元M由于过高的温度导致的可能损害。随着反馈信号下降到预定水平之下,致动器38脱离,并允许偏置装置34使接触件32运动回到与电源总线30的接合中,以恢复进入到电池单元M中的电流传递,从而重新建立对电池单元M的操作。致动器38包括活性材料。以下更详细地描述的活性材料可包括但不局限于形状记忆合金、热调节磁性元件、电活性聚合物、热致液晶弹性体和形变(shape changing)聚合物。优选地,活性材料构造成用于当加热或冷却至预定值时使接触件运动。预定值可设定成任何合适的温度,以避免对电池单元M和/或储能装置20的损害。预定值取决于储能装置20和在储能装置20中所使用的材料的特定类型。同样地,可基于预期的预定值和反馈信号来选择用于致动器38的特定活性材料。如所示,活性材料当太热或在预定值之上时收缩,并且在偏置装置34的作用下当冷却到预定值之下时展开(或膨胀),即恢复到初始长度。然而,应意识到的是,致动器38、以及致动器38的活性材料可以能够使接触件32从连接位置运动到断开位置中的任何合适的方式构成。参考图2,其示出了用于对储能装置20充电的充电站42。图2中所示的与参考图 1所描述的元件相似的元件包括有和图1中所使用的相同的附图标记。充电站42包括充电调节器组件沈。因此,在图2所示的实施例中,调节器组件沈不与储能装置20 —体地形成。而是,调节器组件沈构造成在对储能装置20充电的同时可释放地联接至储能装置20,然后一旦储能装置20充满电,就从储能装置20移除调节器组件 26。为了便于调节器组件沈到储能装置20可释放的联接,调节器组件沈的每个子组件28均包括探针44。探针44附连至基部36并从基部36延伸。连接器40的至少一部分和致动器38设置在探针44内。探针44构造成用于插入到储能装置20的电池单元M中。 对于热致动活性材料,探针44感测电池单元M的温度,并将该温度传导至致动器38。更具体地,当电池单元M的温度上升时,探针44变热,从而加热致动器38。一旦将致动器38加热至预定的温度值,则致动器38接合接触件32并使接触件32运动到如上所述的断开位置中。当电池单元M冷却,并因此使探针44冷却时,致动器38冷却,以允许偏置装置34使接触件32运动回到如上所述的连接位置中。对于pH值或离子浓度致动的活性材料而言, 探针44由允许这些刺激穿过探针44的壁传导的材料制成。在本发明的另一方面中,公开了一种控制储能装置20的充电过程的方法。如上所述,充电过程可包括储能装置20的充电和/或储能装置20的放电。储能装置20可包括储能装置20的单独的电池单元对、或替代性地可包括储能装置20所有的电池单元24。利用上述调节器组件26控制储能装置20的充电过程。该方法包括将活性材料致动器38设置在储能装置20内或储能装置20附近,以感测来自储能装置20的反馈信号。如上所述,活性材料致动器38可与储能装置20 —体地形成,或者可以是充电站42的一部分,而在这样情况下,将活性材料致动器38设置在储能装置20内包括将活性材料致动器38插入储能装置20的电池单元M中。
该方法还包括感测来自储能装置20的反馈信号。如上所述,活性材料致动器38 用于感测来自储能装置20的反馈信号,更具体地,感测将活性材料致动器38设置在其内的电池单元M的温度。当电池单元M和/或储能装置20的温度上升时,活性材料致动器38 的温度也上升。当电池单元M和/或储能装置20的温度变冷时,活性材料致动器38的温度也变冷。该方法还包括响应于所感测到的上升到等于或大于预定值水平的反馈信号(例如储能装置20的感测温度)来接合活性材料致动器38。如果储能装置包括诸如附图所示那样的储电装置,则接合活性材料致动器38,以使接触件32从连接位置运动到断开位置中, 该连接位置允许电源总线30与接触件32之间的电流传递,而该断开位置阻止电源总线30 与接触件32之间的电流传递。因此,一旦活性材料致动器38的温度上升到等于或大于预定温度值的值,那么致动器38就中断电源总线30与接触件32之间的电连接,以防止电流传递到电池单元M和/或储能装置20中,从而防止电池单元M和/或储能装置20的温度进一步上升并且可能损坏电池单元M和/或储能装置20。如上所述,活性材料致动器38可包括但不局限于形状记忆合金材料。接合活性材料致动器38可包括但不局限于响应于形状记忆合金材料的温度上升到等于或大于预定值的水平来使活性材料致动器38收缩。应意识到的是,活性材料致动器38当被加热到预定的温度值时,以不同于收缩的方式运动,并且活性材料致动器38可构造成响应于活性材料的不同于收缩的某种其他运动来使接触件32运动。该方法还包括响应于所感测的来自储能装置20的下降到预定值之下的反馈信号 (例如感测温度),通过偏置装置34将接触件32从断开位置偏置到连接位置中。因此,一旦活性材料致动器38的温度像通过形状记忆合金的滞后曲线所控制那样地冷却至低于预定温度值的值,那么形状记忆合金就恢复到初始形状,从而允许偏置装置34将接触件32偏置回到连接位置中,以重新建立进入电池单元M和/或储能装置20中的充电流。该方法还可包括当感测的反馈信号上升到预定值的范围内时,在接合活性材料致动器38之前,通知车辆或流量控制器。车辆或流量控制器可包括计算机,计算机具有为控制车辆的各种系统和与车辆的各种系统通信所需的处理器、存储器、软件和任何其他部件。调节器组件26可构造成与车辆或流量控制器通信,以向车辆或流量控制器提供信息。 车辆或流量控制器可构造成控制储能装置20。例如,车辆或流量控制器可构造成控制从储能装置20汲取或向储能装置20供应的充电流(例如电流或氢流)的速率。通过控制充电流的速率,车辆或流量控制器可控制储能装置20的温度。因此,向车辆控制器发送的信息可指示储能装置20即将达到预定值,在该预定值的点处,致动器38起作用以断开电池单元M 和/或储能装置20。同样地,车辆控制器可在致动器38使接触件32运动到断开位置(即中断充电流)之前操作,以控制储能装置20,从而降低储能装置20的温度。例如,到车辆控制器的反馈信号可包括致动器38中的活性材料的电阻。当活性材料的电阻增大到预定值的例如预设百分比之类的范围内时,车辆控制器可起作用,以减小流向储能装置20的电流。替代性地,致动器38的活性材料可包括两级活性材料,其中活性材料包括两级。在第一温度或电阻时触发第一级,以使车辆控制器获悉储能装置20正在接近预定值。在与预定值对应的第二温度或电阻时触发第二级。参考图3和图4,以50处示出了调节器组件的替代性实施例。调节器组件50的替代性实施例尤其适于控制相对于彼此串联或并联设置的多个储能装置52的温度。调节器组件50的替代性实施例包括电源总线。电源总线包括正端子M和负端子56。正端子M 和负端子56构造成用于将电流传导(即提供)至储能装置52的每个电池单元。如果储能装置52包括储氢装置,则正端子M和负端子56对应于氢的流入和流出导管。调节器组件50还包括接触件58。接触件58可在图3所示的连接位置与图4所示的断开位置之间运动。当处于连接位置中时,接触件58使充电总线电联接至电池单元的端子,以使得电流能够在充电总线与电池单元端子之间流动。当处于断开位置中时,接触件 58由将电池单元与电源总线30断开的替换接触件66 (以下描述)代替,从而防止电流流入到储能装置52中或从储能装置52流出。相似地,接触件58从断开位置到连接位置中的运动则采用接触件58来代替替换接触件(alternate contact) 66,接触件58在充电总线与电池单元之间重新建立起电流,从而允许电流流入电池单元或从电池单元流出。在储氢装置的情况下,接触件58和替换接触件66是用于氢的替代性的流动导管。调节器组件50还包括偏置装置60。偏置装置60联接至承载接触件58和替换接触件66的电绝缘的连接器64。偏置装置60构造成用于将接触件58偏置到连接位置中。 调节器组件50还包括活性材料致动器62。活性材料致动器62联接至连接器64。更具体地,连接器64在活性材料致动器62与偏置装置60之间延伸并使活性材料致动器62和偏置装置60互连,其中接触件58附连到连接器64。活性材料致动器62与电池单元M热接触,并构造成用于当储能装置52的温度等于或大于预定值时,使接触件58从连接位置运动到断开位置中。活性材料致动器62还构造成当储能装置52的温度小于预定值时,允许偏置装置60使接触件58从断开位置运动到连接位置中。因此,如果电池单元的温度上升到预定值之上,则活性材料致动器62接合接触件58并且使接触件58运动到断开位置中,以防止进入储能装置52和从储能装置52离开的电流传递,这防止了由过高的温度所导致的对储能装置52的可能损害。当储能装置52 冷却时,活性材料致动器62脱离并允许偏置装置60使接触件58运动回到与正端子M和负端子56的接合中,以恢复进入储能装置52和从储能装置52离开的电流传递,从而重新建立储能装置52的操作。如上所述,如果通过替代性的刺激(即除了温度之外的刺激(例如电池单元对的PH值水平或离子浓度))来激活活性材料,则提供合适的输送器,以将该刺激传递至活性材料。例如,如果致动器62包括响应于特定种类的离子的浓度而收缩的形变聚合物,则形变聚合物元件被放置成与电池单元的包含离子的部分处于紧密物理接触,其中所述离子是充电/放电过程的一部分。连接器64还包括替换接触件66。替换接触件66构造成用于当接触件58处于断开位置时接合正总线M和负总线56两者。由替换接触件66向充电总线的正端子M与负端子56之间的电流流动提供的电阻可选择成与电池单元和充电电路的构造一致的值。具体地,如果通过恒压充电电源对电池单元充电,其中该电池单元与相邻电池单元处于串联, 则替换接触件66选择成几乎不或根本不向电流提供电阻,以实际上使过热的电池单元“短路”。另一方面,如果通过恒压电源对电池单元充电,其中该电池单元与相邻电池单元处于并联,则替换接触件66选择成电绝缘,以实际上使过热的电池单元“开路”。如果未先验已知电池单元与其相邻电池单元是电串联地还是并联地充电,则由替换接触件66提供的电阻可选择成具有电池单元的理想(即在充电期间的新的、未过热的电池单元)的电阻值。基于充电电路的确切构造和过热电池单元相对于其他电池单元的位置,可建立替换接触件66 的其他电阻值。因此,在将储电装置52与充电总线隔离的同时,替换接触件66在接触件58 处于断开位置中时调整从正端子M到负端子56的电流流动。在用于储氢装置相似的脉管中,替换接触件66可允许完全旁通绕过过特定的电池单元、或封闭特定的电池单元、或者对作为新电池单元的特点的氢流提供调整的阻抗。连接器64包括围绕并使替换接触件66绝缘的非导电的绝缘层68。非导电的绝缘层68可包括用于特定应用的、防止接触件58与替换接触件66之间的电流传递的任何合适的材料。对于储氢装置而言,接触件58和替换接触件66表示没有互连的替代性流动导管。参考图5和图6,以70示意性地示出充电调节器的第二替代性实施例。图5示出了处于连接位置中的充电调节器70,而图6示出了处于断开位置中的充电调节器70。充电调节器70结合到储能装置的电池单元72中。充电调节器70包括与下接触件78相邻并相对设置的上接触件76。上接触件76可构造成用于与充电/放电总线(未示出)电接触,以便传送电流到电池单元72和/或将电流从电池单元72传出。下接触件78与电解质80电接触和热接触。连接位置允许上接触件76与下接触件78之间的电流流动。断开位置防止上接触件76与下接触件78之间的电流流动。在储氢装置的情况下,图5表示电池单元72 (连接至下接触件78)和电源总线(连接至上接触件76)的通流(open flow)连接;然而,图 6表示当流连接关闭时的情形。充电调节器70还包括至少一个,但优选地一对偏置弹簧82。偏置弹簧82间置于上接触件76与下接触件78之间,并倾向于将上接触件76与下接触件78彼此偏置分开。 充电调节器70还包括上磁性元件84和下磁性元件86。下磁性元件86包括热调节磁性元件。热调节磁性元件包括居里点,低于该居里点,则热调节磁性元件处于铁磁状态,而高于该居里点,则热调节磁性元件处于顺磁状态。应意识到的是,当热调节磁性元件处于铁磁状态时,该热调节磁性元件被吸引到另一磁体,而当热调节磁性元件处于顺磁状态时,该热调节磁性元件不被吸引到另一磁体。上磁性元件84附连于上接触件76,而下磁性元件86附连于下接触件78。当下磁性元件86处于铁磁状态时,上磁性元件84与下磁性元件86在它们之间产生将上接触件76 和下接触件78吸到一起的磁力,这种情形在电池单元72的温度低于下磁性元件86的居里点时发生。上磁性元件84可包括具有比电池单元72的正常操作状况高得多的居里点的磁体,以确保上磁性元件84持续操作在铁磁状态下。然而,下磁性元件86的居里点设定成大致等于电池单元72的过热温度。因此,如图5所示,当电池单元72的温度低于过热温度时, 下磁性元件86保持处于铁磁状态,并且在上磁性元件84与下磁性元件86之间产生的磁力克服了由偏置弹簧82产生的偏置力,以使上接触件76与下接触件78运动到连接位置中。 然而,当电池单元72的温度上升到过热温度或升到高于过热温度时,下磁性元件86的温度上升至下磁性元件的居里点或升到高于该居里点,从而使下磁性元件86转变成顺磁状态。 一旦下磁性元件86处于顺磁状态,就减小或消除了上磁性接触件84与下磁性接触件86之间的磁力,从而允许偏置弹簧82的偏置力使上接触件76和下接触件运动到图6所示的断开位置中。当电池单元72的温度降到过热温度之下时,下磁性元件86变换回铁磁状态,从而恢复上磁性元件84与下磁性元件86之间的磁力,这种情形使上接触件76和下接触件78 运动回连接位置中。对于储氢装置而言,下磁性元件86与上磁性元件84之间的吸引力克服了偏置弹簧82的偏置力,以便只要电池单元72 (并因此下磁性元件86)的温度低于下磁性元件86的居里点,就保持电池单元72和电源总线之间的流动通道畅通。当电池单元72 的温度升到高于其居里点时,下磁性元件86变成顺磁的,并且偏置弹簧82的偏置力将下接触件78从上接触件76推开,从而关闭电池单元72与电源总线之间的流动通道。优选地,活性材料致动器62的活性材料包括形状记忆合金。然而,活性材料可包括某种其他活性材料。合适的活性材料包括但不局限于形状记忆合金(SMA)、电活性聚合物、形变聚合物、热调节磁性元件。合适的形状记忆合金取决于合金成分和加工过程可具有单向形状记忆效应、本征 (intrinsic)双向效应、或非本征(extrinsic)双向形状记忆效应。在形状记忆合金中出现的两个相常常被称为马氏体相和奥氏体相。马氏体相是形状记忆合金的相对软并且容易变形的相,其一般存在于较低的温度。形状记忆合金的更坚固的相,奥氏体相,出现在较高的温度。由具有单向形状记忆效应的形状记忆合金成分形成的形状记忆材料不会自动重整, 并且取决于形状记忆材料的设计,可能需要外部机械力,以重整先前具有的形状取向。由具有本征形状记忆效应的形状记忆材料由本身将自动地重整的形状记忆合金成分制成。能够通过合金成分中稍微的变化和通过热处理来调整形状记忆合金在受热时记得其高温形态时所处的温度。例如,在镍钛形状记忆合金中,所述温度能从大约100°c之上变化至大约-100°c之下。形状恢复过程仅在几度的范围上发生,并且取决于期望的应用和合金成分,能将转变的开始或结束控制在一度或两度的范围内。形状记忆合金的机械特性在跨越它们转变的温度范围上改变很大,通常提供了具有形状记忆效应以及高阻尼容量的形状记忆材料。形状记忆合金的固有的高阻尼容量可用于进一步增强能量吸收特性。合适的形状记忆合金材料包括但不限于镍钛基合金、铟钛基合金、镍铝基合金、 镍镓基合金、铜基合金(例如铜锌合金、铜铝合金、铜-金、和铜锡合金)、金镉基合金、银镉基合金、铟镉基合金、锰铜基合金、铁钼基合金、铁钼基合金、铁钯基合金,等等。合金可以是二元的、三元的、或任何高阶的,只要合金成分具有形状记忆效应(例如具有形状取向、阻尼容量中的改变,等等)即可。例如,在市场上可从Siape Memory Applications, Inc.商业获得商标为NITIN0L的镍钛基合金。热致液晶弹性体(LCE)包括向列液晶弹性体,该向列液晶弹性体包括已知为液晶元(mesogens)的刚性杆状分子结构组分,所述刚性杆状分子结构组分具有结合到弹性体的侧链和/或主链的取向有序性,导致了侧链和/或主链LCE的形成。单晶(或单域)向列LCE 使全部的液晶元都相对于已知为导向器的公共轴线以(平均起来)固定的偏角取向。热致 LCE经历热驱动相变。热致单晶主链LCE的长、细、窄的样品在低于已知为T_n,i (向列到各向同性的相变温度)的特性温度的温度时具有沿导向器测量的基线长度。液晶元的向列有序影响了样品中的聚合物链的构象、并因此影响该聚合物链的基线长度。将样品加热至高于T_n,i的温度将产生向列相到各向同性相的相变。在各向同性相中,液晶元使它们的介质中的全部或大部分都失去长程有序,因此包括了具有随机分布取向的液晶元。有序的失去反映在聚合物链构象的改变中,所述改变继而导致样品宏观尺寸的改变。通常,各向同性相中样品的长度小于其基线长度。因此,热致向列LCE可用作热驱动(可收缩)致动器。该行为可被看作产生支架的液晶元序,该支架“拉伸”钉到支架上的聚合物链。当排序被破坏时,支架(几乎完全)坍塌,从而使聚合物样品收缩。在各向同性相中,LCE作用就像诸如橡胶的普通弹性体一样。电致动聚合物包括响应于电场或机械场而具有压电、热电、或电致伸缩特性的聚合物材料。这些材料通常采用顺从性电极(compliant electrodes)的使用,所述顺从性电极响应于施加的电场或机械应力使聚合物膜能够沿平面方向展开或收缩。一个示例为具有压电的聚(偏二氟乙烯-三氟醚-乙烯)共聚物的电致伸缩接枝弹性体。该组合具有产生铁电电致伸缩分子复合系统的变化量的能力。这些可操作为压电传感器乃至电致伸缩致动器。EAP基衬垫的激活优选地利用电信号,以提供形状取向中的改变,该形状取向中的改变足以提供移位。使施加至EAP的电压的极性翻转,能提供可逆的锁定机构。适于用作电活性聚合物的材料可包括任何基本绝缘的聚合物或橡胶(或它们的组合),其响应于静电力变形,或者其变形导致电场内的改变。适于用作预应变聚合物的示例性材料包括硅树脂弹性体;丙烯酸弹性体;聚氨酯;热塑性弹性体;包括PVDF、压敏粘合剂、氟橡胶的共聚物;包括硅树脂和丙烯酸部分(acrylic moieties)的聚合物,等等。例如, 包括硅树脂和丙烯酸部分的聚合物可包括包含了硅树脂和丙烯酸部分的共聚物;包含硅树脂弹性体和丙烯酸弹性体的聚合物混合物。用作电活性聚合物的材料可基于如下所述的一种或多种材料特性选择高的电击穿强度、低的弹性模量(用于大的或小的变形)、高的介电常数,等等。在一个实施例中,聚合物选择成使得其具有至多大约100 MPa的弹性模量。在另一实施例中,聚合物选择成使得其具有在大约0. 05 MPa与大约10 MPa之间、优选地在大约0. 3 MPa与大约3 MPa之间的最大致动压力。在另一实施例中,聚合物选择成使得其具有在大约2与大约20之间、且优选地在大约2. 5与大约12之间的介电常数。本发明不意在被局限于这些范围。理想地,如果材料具有高的介电常数和高的介电强度,则具有比以上给定范围高的介电常数的材料是令人期望的。在许多情况下,可将电活性聚合物制作并实现为薄膜。适于这些薄膜的厚度可低于50微米。因为电活性聚合物在高应变时可能偏转,所以附连于聚合物的电极也应在不损害机械或电气性能的情况下偏转。通常,适于使用的电极可以为任何形状和材料,只要它们能够向电活性聚合物提供合适的电压或从电活性聚合物接收合适的电压即可。电压可是恒定的,或者可以随时间改变。在一个实施例中,电极粘附于聚合物的表面。粘附于聚合物的电极优选地顺从并顺应聚合物改变的形状。对应地,本发明可包括顺从性电极,其顺应它们所附连至的电活性聚合物的形状。电极可仅应用于电活性聚合物的一部分,并根据它们的几何形状限定有效面积。适于与本发明一起使用的各种电极包括包含金属迹线和电荷分布层的结构化电极、包含在平面维度外的变化的织构电极、诸如碳油脂或银油脂之类的导电润滑脂、胶状悬浮体、诸如碳纤维和碳纳米管之类的高纵横比导电材料、以及离子导电材料。合适的磁性材料包括但不意在局限于软磁体或硬磁体;赤铁矿;磁铁矿;基于铁、镍、和钴、上述合金、包含上述至少一种的组合的磁性材料,等等。铁、镍和/或钴的合金可包含铝、硅、钴、镍、钒、钼、铬、钨、锰和/或铜。合适的热调节磁性元件包括关于铁磁材料的居里点,该居里点是这样的温度,即 当高于该温度时,材料变成顺磁的。只要材料低于其居里点,则该材料的样品被吸引到磁体。如果该材料的温度上升到居里点之上,则该材料变成顺磁的,并且不再被吸引到磁体。
14当该材料冷却到其居里点之下时,该材料将恢复到其铁磁状态,并且再次被吸引到磁体。该 “热调节”行为可用于设计蓄电池接触件和流动通道,所述蓄电池接触件和流动通道响应于电池单元温度中的升高通过采取行动以抵消温升的。在选择热调节铁磁材料中有两件事情是重要的。第一,居里点应与蓄电池应用所需的临界温度一致,或者材料的居里点应可通过改变其成分而调整。第二,材料应响应于仅在电池单元内产生的热(即应没有诸如涡流加热之类的其他寄生加热机构)。已知可通过锌置换来调整铁磁类材料(镍锌铁氧体[Ni (1_x)ZnxFe204])的居里点(以镍为代价来提高锌含量 (即上述通用公式中的χ)来降低居里点)。这些材料还表现出自我热调节,具有使涡流加热最小的高电阻率并在环境中稳定。这使它们成为本发明可能的候选。尽管已详细描述了用于实施本发明的最佳模式,但熟悉本发明所涉及的领域的技术人员应认识到在所附权利要求的范围内用于实践本发明的各种替代性的设计和实施例。
权利要求
1.一种用于控制储能装置的充电过程的调节器组件,所述调节器组件包括电源总线,所述电源总线构造成用于控制到所述储能装置的充电流;接触件,所述接触件能够在连接位置与断开位置之间运动,其中所述接触件当处于所述连接位置中时联接至所述电源总线,以允许到所述储能装置的充电流,并且所述接触件当处于所述断开位置中时与所述电源总线分离,以防止到所述储能装置的充电流;偏置装置,所述偏置装置联接至所述接触件,并构造成将所述接触件偏置到所述连接位置与所述断开位置中的一个位置中;以及致动器,所述致动器联接至所述接触件,并构造成用于当来自所述储能装置的反馈信号等于或大于预定值时,使所述接触件从所述连接位置与所述断开位置中的一个位置运动到所述连接位置与所述断开位置中的另一位置中。
2.根据权利要求1所述的调节器组件,其中,所述反馈信号包括所述储能装置的温度、 所述储能装置的PH值水平、和所述储能装置的电阻中的一种。
3.根据权利要求1所述的调节器组件,其中,所述致动器包括构造成用于当加热或冷却至所述预定值时使所述接触件运动的活性材料。
4.根据权利要求2所述的调节器组件,其中,所述活性材料包括形状记忆合金、热调节磁性元件、电活性聚合物、热致液晶弹性体和形变聚合物中的一种。
5.根据权利要求1所述的调节器组件,还包括使所述致动器与所述接触件互连的连接器。
6.根据权利要求5所述的调节器组件,其中,所述连接器包括构造成用于当所述接触件处于所述断开位置中时接合所述电源总线的替换开关,以便将来自所述电源总线的充电流传至另一装置。
7.根据权利要求6所述的调节器组件,其中,所述替换开关包括非传导的绝缘材料。
8.根据权利要求1所述的调节器组件,还包括基部,所述基部相对于所述接触件设置, 其中所述偏置装置设置在所述接触件和所述基部之间。
9.一种储能装置,包括壳体,所述壳体限定电池单元;以及调节器组件,所述调节器组件联接至所述壳体,并构造成用于控制所述电池单元的充电过程,所述调节器组件包括电源总线,所述电源总线用于控制到所述电池单元或来自所述电池单元的充电流;接触件,所述接触件可在连接位置与断开位置之间运动,其中所述接触件当处于所述连接位置中时联接至所述电源总线,以允许到所述电池单元或来自所述电池单元的充电流,并且所述接触件当处于所述断开位置中时与所述电源总线分离,以阻止到所述电池单元或来自所述电池单元的充电流;偏置装置,所述偏置装置联接至所述接触件,并构造成将所述接触件偏置到所述连接位置中;以及致动器,所述致动器联接至所述接触件,并构造成用于当来自所述电池单元的反馈信号等于或大于预定值时,使所述接触件从所述连接位置运动到所述断开位置中,并构造成用于当来自所述电池单元的反馈信号小于所述预定值时,允许所述偏置装置将所述接触件从所述断开位置运动到所述连接位置中。
10. 一种利用调节器组件控制储能装置的充电过程的方法,所述调节器组件具有电源总线、用于接合所述电源总线的接触件、和构造成用于使所述接触件运动到与所述电源总线接合以及运动到与所述电源总线脱离接合的活性材料致动器,所述方法包括 用所述活性材料致动器感测来自所述储能装置的反馈信号;响应于所感测的来自所述储能装置的上升至等于或大于预定值的水平的反馈信号而接合所述活性材料致动器,以使所述接触件从允许充电流进入到所述储能装置的连接位置运动到阻止所述充电流进入到所述储能装置的断开位置中。
全文摘要
本发明涉及蓄电池及氢燃料电池充电调节器。具体地,提供了一种用于储能装置的充电调节器组件,其包括活性材料致动器,该活性材料致动器构造成使接触件从允许接触件与电源总线之间的电流传递的连接位置运动到阻止接触件与电源总线之间的电流传递的断开位置中。活性材料致动器响应于活性材料致动器的温度上升到预定值之上而被接合。使接触件运动到断开位置中防止了进入储能装置或从储能装置出来的进一步的电流传递,从而防止了进一步加热储能装置,并且防止了由于过热对储能装置的可能损害。
文档编号H02J7/00GK102195311SQ20111003618
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月11日 优先权日2010年2月12日
发明者D. 曼凯姆 N., L. 约翰逊 N., W. 平托四世 N., W. 亚历山大 P., W. 约尔根森 S. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司
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