起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关的制作方法

起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种在电池组结构中通过使用一个或多个锂电池提高内燃机的起动器电机的起动器电池的效率的装置。本发明包括用于大功率电池系统的固态开关装置，用于防止电池，尤其是用于内燃机的起动器电池过度充电、过度放电和短路。
【专利说明】起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关
【技术领域】
[0001]本发明涉及起动内燃(IC)发动机的方法和装置。更特别地，本发明为用于起动这种发动机的锂基电池。本发明包括用于大功率电池系统的固态开关装置，用于防止电池，尤其是用于内燃机(ICE)的起动器电池的过度充电、过度放电和短路。
【背景技术】
[0002]当前，内燃机使用包含铅酸的起动器电池带动电机转动，以起动内燃机。铅酸电池笨重，循环寿命短，使用寿命短，并且周转(turn around)效率低。铅酸电池还具高内阻抗(电阻)，并且在寒冷天气下内阻抗更高，因而难以在寒冷天气中以小的可用电流起动内燃机。为了克服这些变化，铅酸起动器电池配有超大的电池容量，以产生供电动起动器起动内燃机所需的电流。这种超大的铅酸电池增加了重量，所占的空间，以及起动内燃机所需的成本。
[0003]为了在当前已知的起动器电池中关闭电源端子，需要昂贵的电子/电气元件来处理起动器电机旋转内燃机所需的高电流载荷。这需要电子保护电路来进行高压切断(过度充电)，低压切断(过度放电)和温度测量。这些电路还会导致可能较大的热损失和电损失，以及需要占用额外的空间。(噪声)尖峰可触发能够终止电池系统工作的错误的电压、温度或电流读数，而实际上电池仍在规定的安全范围内工作。有些保护电路是性能不稳定的，一旦它们被触发之后便难以再次启动。例如，如果出现了欠压状况并且由于继电器的原因电池仍处于欠压状态，则不能向电池提供电流，因为其通路已被切断，因而需要按下另一个按钮以启动所述系统一段较短的时间，以便所述电池充电。同样，在某些情况下，例如在军事应用或竞赛应用中，需要吸取每一滴能量，即使它损坏所述电池。
[0004]无论使用哪种可充电电池(二次电池)，电池都无法在低充电状态(SOC)(绝大部分情况为低电池电压状态)下良好地工作。无论何时电池处于低电压电平，电池都会遭受永久地内部损坏或者严重地缩短电池寿命。当电池为锂电池时，电池的过度充电可能会是更加危险的，其可能导致放热反应，这会导致起火。当将固态开关设置成与电池输出电源端子串联时，可电控制该固态电池，以打开或关闭离开或进入所述电池的电流路径。这样可以防止由于电池电压过低或过高导致的电池损坏。这一措施可在任意电压时应用于任意电池类型。一个例子是将固态开关应用于起动车辆的12V车用电池。车辆可具有保持接通的电压泄漏源(voltage drain source),在该情况中，所述固态开关在电池被损坏之前自动地切断从所述电池释放的电流。
[0005]也可以使用继电器或接触器，但它们具有如下缺点:
[0006]I)继电器或接触器持续地需要电流，以保持接触器打开或闭合。这需要消耗能量。
[0007]2)具有闭合的通路的继电器或接触器允许电流在两个方向上流动，但不能被控制为单向流动。
[0008]3)继电器和接触器只能接通或断开。在大电流的切换过程中，可能在继电器或接触器内部产生强烈的电弧放电，并且这可能导致继电器或接触器“熔接”断开。一旦继电器或接触器被熔接断开，则在那一时刻无法进行切换操作，这可能导致安全问题，即在需要切换的时候无法进行切换。
[0009]4)对于较大的电流应用而言，继电器和接触器体积大并且笨重。
[0010]一种更好的方式是使用具有独特构造的固态开关，或者FET，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，或者IGBT (绝缘栅双极型晶体管)型，但并不仅限于这些。这种独特的构造包括将两个带有“源极(Sources) ”或“漏极(Drains) ”的固态装置，例如MOSFET或IGBT电连接在一起。这些固态装置可以是N型或P型。包括过剩空穴(excess hole)的掺杂半导体被称为“P型”，当它包含过剩的自由电子时，它也就是所谓的“n型”，其中p (空穴为正)或n(电子为负)为多数移动电荷载流子的电荷的符号。这种结构简化了所需的控制电子元件并且还允许通过使用内部二极管使电流在一个方向上流动而不是另一方向。FET (场效应晶体管)是多数电荷载流子，其具有一有源沟道，所述多数电荷载流子、电子或空穴通过有源沟道从源极流向漏极。源极和漏极端导体通过欧姆接触连接到半导体。所述多数电荷载流子通过源极进入构造并通过漏极离开沟道。图15示出了每一端被连接起来的“漏极”，图16示出了每一端被连接起来的“源极”。
[0011]固态开关的优点在于:
[0012]I)固态开关只需要很少的能量即可启动允许的通路打开或闭合。
[0013]2)固态器件可逐步增加电流，控制在切换到大功率应用时所产生的突入电流，或者在所述电流过高时提供即时的短路保护。
[0014]3)对于大功率应用而言，固态开关可非常紧凑并且重量轻。
[0015]现有技术的描述
[0016] 申请人:注意到下面的美国专利涉及用于起动发动机的电池组:
[0017]美国专利号:7，525，287
[0018]授权日:2009年4月28日
[0019]发明人:Miyashi
[0020]名称:BATTERYPACK FOR DRIVING ELECTRIC MOTOR OF COMPACT ENGINE STARTINGDEVICE, ENGINE STARTING DEVICE DRIVEN BY THE BATTERY PACK, AND MANUAL WORKINGMACHINE HAVING THE ENGINE STARTING DEVICE(用于驱动紧凑型发动机起动装置的电动机的电池组，由该电池组驱动的发动机起动装置，和具有该发动机起动装置的手动机)

【发明内容】

[0021]本发明提供了用于提高内燃机的起动器电机的起动器电池的效率的方案。通过用锂基或磷酸铁锂(LiFePO4或LiFePO)或LiFeMgPO4或LiFeYPO4电池替代铅酸起动器电池，起动器电池所需的容量、重量和尺寸被显著地降低，同时增加了循环寿命，使用寿命和周转效率。磷酸铁锂(LiFePO4)电池是一种可充电电池，尤其是使用LiFePO4作为阴极材料的锂离子电池。还可在锂铁化合物中包括镁或钇。通过串联四个圆柱形电池，其中每个电池都具有符合18650 (小于3Ah)或26650 (小于4Ah)的标准工业电池规格的尺寸，或者棱柱型扁平电池或其他类型的电池，可获得足够的电流进入额定用于12V系统的起动电机，以启动使用1，2，3，4，5，6，8，或12个汽缸的大型内燃机。本发明可采用更大的电池，从IAh至5000Ah,常见大小为 5Ah，10Ah, 20Ah, 50Ah, IOOAh, 400Ah 和 500Ah。[0022]与使用更多电池的更大的系统需要保护电路板以进行安全保护不同，对于四个电池串联的结构而言，不需要使用保护电流板防止单个电池过压或欠压。对于这种较小的起动器电池而言，也无需进行单独的电池平衡，但也可以采用电池平衡以增加产品寿命。更小的并且更轻的起动器电池提高使用起动器电池的汽车系统的性能。循环寿命和使用寿命的增加降低了用户的成本。
[0023]对于本发明的系统而言，无需单独的或特殊的充电系统。
[0024]本发明还包括锂基电池的外壳，其具有上下相配合的壳体，位于下壳体内用于接收至少一个锂基电池的轮廓相符的衬垫，和从所述至少一个锂基电池至外壳的外部的电接头。可选择地，可在上壳体内设置上电池衬垫，并且如果需要，可在上壳体内设置保护电路板，例如平衡板或切断电路，用于安全保护。
[0025]本发明的固态开关装置允许电流在一个方向而非另一方向上流动。最少两个固态开关被布置成独特的结构，其在需要时可允许电流以受控的方式双向流动。这对于防止整个电池组过度充电或过度放电是特别有用的。单独的电池平衡电路用来平衡单个的电池。如果需要，可在每个电池上使用所述固态开关，以防止单个电池过度充电或过度放电。它可以用在需要进行充电和放电的任意电池应用中，并且对于锂基电池而言是尤其有用的。它也可以用于铅酸电池、镍镉(NiCd)电池和低自放电镍金属氢化物(NiMH)电池。电池可以连接到其上的更复杂的设备零件具有可编程的断路设定，但不复杂的设备不具有现场断路参数。在起动器应用(例如，用于起动内燃机)中使用电池将防止电池过度充电，以及在即使所有部件都断开的情况下在系统中仍存在漏电流(泄漏)时，防止该电池被过度放电至太低的水平。
[0026]通过使用最少两个固态器件将“源极”或“漏极”连接起来，能够自动并且简单地实现电池电源端子在接通与断开之间的完全或部分切换。所述两个固态器件可以是N型或P型，并且可以被连接到电池端子的正侧或负侧，并且通过简单的电子电路即可控制所述固态器件的驱动器。
[0027]本发明的开关结构还能够实现横跨电池端子的短路保护，同时实现充电时的最大电流控制。
[0028]本发明的首要目的是提供一种用于提高内燃机的起动电机的起动器电池的性能的装置。
[0029]本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池，其比铅酸电池更轻，更可靠，体积小，循环寿命更长，受用寿命更长，并且具有更高的周转效率。
[0030]本发明的再一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池系统，其易于组装，防水并且免维护。
[0031]本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池系统，其可用在现有的车辆中。
[0032]本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池系统，其具有较宽的工作温度范围，和优异的寒冷天气起动性能。
[0033]本发明的另一目的是提供一种用于保护单个电池或电池组以防过度充电或过度放电的改进的装置。
[0034]本发明的另一目的是提供一种用于对具有非常低电荷量的电池进行充电的装置。[0035]本发明的另一目的是提供一种对一个或多个电池或电池组进行短路保护的装置。
[0036]本发明的另一目的是提供一种对具有过高电荷的电池进行放电的装置。
[0037]本发明的另一目的是提供一种用于短路保护的装置，以防止金属物体横跨端子而导致的短路。
【专利附图】

【附图说明】
[0038]通过参照下面的详细说明及附图，本发明的前述和其他目的将变得更加明显，其中:
[0039]图1是本发明一个实施例的分解等距视图，其中起动器电池组中布置有四个电池。
[0040]图2是本发明另一实施例的分解等距视图，其中起动器电池组中布置有八个电池。
[0041]图3是本发明另一实施例的分解等距视图，其中起动器电池组中布置有棱柱型电池。
[0042]图4是图3中的电池组组装后的前视图，后视图与之相同。
[0043]图5是图3中的电池组组装后的俯视图。
[0044]图6是图3中的电池组组装后的右视图，左视图与之成镜像。
[0045]图7是将四个棱柱型锂电池串联起来连接到平衡电路板的方块示意图。
[0046]图8是将四个棱柱型锂电池串联起来连接到平衡和切断电路板的方块示意图。
[0047]图9是外壳的替换实施例的等距视图，其示出了开关的触点。
[0048]图10是图9的外壳的俯视图，示出了触点位置。
[0049]图11是图9的外壳的前视图，后视图与之相同。
[0050]图12是图9的外壳的端视图，相对端的视图与之相同。
[0051]图13是图3的替换实施例的分解等距视图，其中两块棱柱型电池和断路开关的控制板被布置到图9所述的外壳中。
[0052]图14是具有“漏极”接头的固态开关的示意图。
[0053]图15是具有“源极”接头的固态开关的示意图。
[0054]图16是本发明优选实施例的示意图，其中，每个逻辑门的“漏极”通过N型MOSFET或IGBT连接起来，同时电池位于所述固态开关上方。
[0055]图17是使用N型FET，MOSFET,或IGBT将每个逻辑门的“漏极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
[0056]图18是图示使用N型FET，M0SFET，或IGBT将每个逻辑门的“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的上方。
[0057]图19是图示使用N型FET，M0SFET，或IGBT将每个逻辑门的“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
[0058]图20是图示使用P型FET，M0SFET，或IGBT将每个逻辑门的“漏极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的上方。
[0059]图21是图示使用P型FET，M0SFET，或IGBT将“漏极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。[0060]图22是图示使用P型FET，MOSFET,或IGBT将“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的上方。
[0061]图23是图示使用P型FET，M0SFET，或IGBT将“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
[0062]图24是图示在用在发动机重新启动中的本发明的示意图。
[0063]图25是图示电池的短路保护的示意图。
【具体实施方式】
[0064]包含LiFePO，LiFePO4, LiFeMgPO4,和LiFeYPO4的锂电池具有与现有12V铅酸电池等同系统直接相适配的低标称电池电压(3.2V-3.3V)。串联的四个LiFePO电池具有13.2V的标称电压。因此，它们可以直接替换现有的12V铅酸等同系统，而无需任何与电有关的修改。
[0065]其他锂化学品具有更高的标称电压，例如锂-钴(3.6V)，锂-锰(3.7-3.8V)，锂-镍-钴-锰(3.7V)。当四个电池串联使用时，其每一个都具有更高的系统电压。在更高电池电压的情况下，大多数现有的12V直接替换系统将无法将其他锂电池化学品充电至其60%容量以上。本发明可采用的其他锂电池为氧化钴锂(LiCo02)，氧化锰锂(LiMn2O4)15氧化锰钴镍锂(LiNiCoAlO2),氧化钴锰镍锂(LiNiMnCoO2)，和钛酸锂(Li4Ti5O12)。
[0066]LiFePO, LiFePO4, LiFeMgPO4,和LiFeYPO4电池还具有比铅酸电池更高的热崩溃(thermal runaway)条件。要发生热崩溃，电池温度必须非常高(超过200°C)。当电池达到特定温度(通常由过度充电导致)，接下来电池将通过向它自身提供燃料的内部反应开始产生更多的热，通常会导致起火，这种现象也就是所谓的“热崩溃”。所有其他锂电池化学物质都具有较低的热崩溃温度，导致那些电池更易于起火。
[0067]散热帽(thermal venting cap)通常被设置在每个圆柱形电池壳体内部，以使爆炸的可能最小化。该散热帽可以在发生内部起火之前，使电池的电解质漏出。
[0068]尽管有利的是使用保护电路，但能够在不使用保护电路的情况下运行本发明，这样能够使系统简化，以允许充电或放电。省略掉用于高压切断(过度充电)、低压切断(过度放电)和温度测量的所有电子保护电路可以降低起动器电池的总制造成本。这样还可以简化系统，使其在所有条件下都可以充电和放电，并且不会受到任何建议的或规定的工作范围的限制。
[0069]通过使用锂电池，电池外壳的结果与铅酸电池相比更小且更轻。任何时候，只要内部质量减少，外壳结构的尺寸就可以被减小，这同样可降低成本。
[0070]图1和2的实施例的外壳结构可改变深度以适应用于提供不同容量的不同数目的电池。如图所示，圆柱形电池的外壳(或壳体)的盖结构与大多数电池组相同。这种电池可以被平行地堆叠以为待组装的不同的电池组提供更大的容量。外壳的盖还具有由铝制成的螺纹衬套，以使重量最小化，但它具有与铝，铜或黄铜类似的电性能，或者所述盖具有内螺纹孔，以接收电连接螺钉。
[0071]现在参见附图，特别是图1，本发明的电池组10包括外壳12，外壳12具有下容器14和相配合的顶部16，并且通过适当的电连接将至少一个可充电的锂电池18设置在外壳内。电池组中的每个锂电池的总放电量为一(I)Ah至5000Ah，并且每个电池的充电电压为3.0V 至 4.2V0
[0072]外壳16的下部可设有底部衬垫20，底部衬垫20在其内部装配、接收一个或多个电池，并与下容器14相配合。如果需要，可将顶部衬垫22设置在外壳的顶部16中。
[0073]如图所示，在电池之间提供电连接器24，由正极到负极，使用螺钉26穿过外壳底部的孔28将电池连接到未示出的电导线，但所述电导线连接到底部螺钉30。可替换地，可使用焊接连接替代螺钉。
[0074]可选择的，保护电路板32可被放置在上壳体或顶部14内以提供安全保护。这种保护电路板可以是切断电路板或电池平衡电路板。电池平衡电路板可包括切断功能。具有串联的两个或更多个电池的铁锂电池具有等于单独的电池电压总和的电池电压。在整个电池寿命期间，它可以被充电和放电成百上千次。每个电池的寿命可能不同。一些电池可能会变得与其他电池不匹配。这一现象可通过平衡加以校正。平衡是强迫所有电池具有相同电压的过程。这是通过平衡电路实现的。
[0075]起动器电池系统可根据需要使用大量的锂电池，以获得更大的容量。
[0076]锂电池相比铅酸电池具有明显更轻的重量，并且要轻80%。锂电池的100%完全放电循环次数约为铅酸电池的3倍。锂电池无需维护，而铅酸电池需要重新注入纯净水，以维持极板上方的酸度水平。锂电池不会冻结。它们的放电功率为铅酸电池的8倍。它们的充电时间小于2小时。
[0077]锂电池的自放电率小于每月2%，而铅酸电池的自放电率为每月10%。
[0078]锂电池可在非常高的温度下工作，高达70°C，而不会出现大的性能退化。它们还可以在非常低的温度下工作，低达_30°C，并且在该温度下只有轻微的容量下降，但功率依然是符合要求的。
[0079]锂电池具有98%的能量效率(进入和放出电池的能量)，而铅酸电池只有90%的
能量效率。
[0080]对于每12伏特的增量，需要将四个LiFePO4电池串联，并且在某些情况下使用其他锂电池可需要更少的电池数。下面的表I对比了铅酸电池电压与LiFePO4电池以及其他锂电池的需求量:
[0081]表I
[0082]
【权利要求】
1.一种用于驱动电子装置的电池组，所述电池组包括: 外壳；和 位于所述外壳内的至少一个可充电的锂基电池； 其中，电池组中的每个锂基电池的总放电量为一(I)Ah至5000Ah，并且每个电池的充电电压为3.0V至4.2V。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中所述锂基电池为磷酸铁锂电池。
3.根据权利要求2所述的电池组，其中所述磷酸铁锂电池是从由LiFePO、LiFePO4,LiFeMgPO4和LiFeYPO4电池构成的组中选出的。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中所述锂基电池是从由LiCo02、LiMn2O4,LiNiCoAlO2, LiNiMnCoO2和Li4Ti5O12电池构成的组中选出的。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中所述电池组包括在所述外壳中串联的四个可充电的锂基电池。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中所述电池组包括在所述外壳中的偶数个可充电的锂基电池。
7.根据权利要求1所述的电池组，其中所述电子装置为连接到内燃机的内燃机起动装置。
8.根据权利要求1所述 的电池组，还包括位于所述外壳内的保护电路板。
9.根据权利要求8所述的电池组，其中所述保护电路板为切断电路板或电池平衡电路板。
10.根据权利要求9所述的电池组，其中所述保护电路板是包括控制器的切断电路板，所述控制器具有用于周期性地测量负载以检测负载阻抗的变化关联装置，切断电路板还包括位于所述电池组和所述电子装置之间的开关和用于接通所述开关以向所述电子装置提供功率以重新启动所述电子装置的装置。
11.根据权利要求9所述的电池组，其中所述保护电路板为包括控制器的切断电路板，所述电池组被连接到电流监控器，所述电流监控器被连接到电流比较器和设定-复位锁存器，从而在发生短路时，所述设定-复位锁存器将断开相应的开关。
12.一种用于电池组中的一个或多个电池的固态开关装置，其中所述电池组具有正端子和负端子，每个所述电池具有正极和负极，所述固态开关装置包括: 至少一对固态开关，每个固态开关具有源极和漏极，并且漏极被连接起来； 所述固态开关被串联连接到所述一个或电池的正极并连接到所述正端子，所述一个或多个电池的负极被连接到所述负端子。
13.根据权利要求12所述的固态开关装置，其中所述固态开关为MOSFET或IGBT。
14.根据权利要求13所述的固态开关装置，其中所述固态开关为晶体管、FET、JFET、BJT、CMOS、VMOS、TMOS、垂直 DMOS 或 HEXFET。
15.根据权利要求12所述的固态开关装置，其中所述固态开关为n型或者为p型。
16.根据权利要求12所述的固态开关装置，其中所述一个或多个电池是从由LiFePO、LiFePO4' LiFeMgPO4, LiFeYPO4, LiCoO2' LiMn2O4, LiNiCoAlO2, LiNiMnCoO2' Li4Ti5O12'铅酸、NiCd和镍金属氢化物(NiMH)电池构成的组中选出的。
17.根据权利要求12所述的固态开关装置，还包括用于所述一个或多个电池的外壳，其中所述固态开关位于所述外壳内。
18.一种用于电池组中的一个或多个电池的固态开关装置，其中所述电池组具有正端子和负端子，每个所述电池具有正极和负极，所述固态开关装置包括: 至少一对固态开关，每个固态开关具有源极和漏极，并且源极被连接起来； 所述固态开关被串联连接到所述一个或多个电池的负极并连接到所述负端子，所述一个或多个电池的正极被连接到所述正端子。
19.根据权利要求18所述的固态开关装置，其中所述固态开关为晶体管、FET、MOSFET、IGBT、JFET、BJT、CMOS、VMOS、TMOS、垂直 DMOS 或 HEXFET。
20.根据权利要求18所述的固态开关装置，其中所述一个或多个电池是从由LiFePO、LiFePO4' LiFeMgPO4, LiFeYPO4, LiCoO2' LiMn2O4' LiNiCoAlO2, LiNiMnCoO2' Li4Ti5O12'铅酸、NiCd和镍金属氢化物 (NiMH)电池构成的组中选出的。
【文档编号】H02J7/00GK103477528SQ201180057159
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2011年11月28日 优先权日:2010年11月29日
【发明者】马丁·克布勒 申请人:马丁·克布勒