起動器鋰電池和用于該鋰電池的固態開關的制作方法

起動器鋰電池和用于該鋰電池的固態開關的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種在電池組結構中通過使用一個或多個鋰電池提高內燃機的起動器電機的起動器電池的效率的裝置。本發明包括用于大功率電池系統的固態開關裝置，用于防止電池，尤其是用于內燃機的起動器電池過度充電、過度放電和短路。
【專利說明】起動器鋰電池和用于該鋰電池的固態開關
【技術領域】
[0001]本發明涉及起動內燃(IC)發動機的方法和裝置。更特別地，本發明為用于起動這種發動機的鋰基電池。本發明包括用于大功率電池系統的固態開關裝置，用于防止電池，尤其是用于內燃機(ICE)的起動器電池的過度充電、過度放電和短路。
【背景技術】
[0002]當前，內燃機使用包含鉛酸的起動器電池帶動電機轉動，以起動內燃機。鉛酸電池笨重，循環壽命短，使用壽命短，并且周轉(turn around)效率低。鉛酸電池還具高內阻抗(電阻)，并且在寒冷天氣下內阻抗更高，因而難以在寒冷天氣中以小的可用電流起動內燃機。為了克服這些變化，鉛酸起動器電池配有超大的電池容量，以產生供電動起動器起動內燃機所需的電流。這種超大的鉛酸電池增加了重量，所占的空間，以及起動內燃機所需的成本。
[0003]為了在當前已知的起動器電池中關閉電源端子，需要昂貴的電子/電氣元件來處理起動器電機旋轉內燃機所需的高電流載荷。這需要電子保護電路來進行高壓切斷(過度充電)，低壓切斷(過度放電)和溫度測量。這些電路還會導致可能較大的熱損失和電損失，以及需要占用額外的空間。(噪聲)尖峰可觸發能夠終止電池系統工作的錯誤的電壓、溫度或電流讀數，而實際上電池仍在規定的安全范圍內工作。有些保護電路是性能不穩定的，一旦它們被觸發之后便難以再次啟動。例如，如果出現了欠壓狀況并且由于繼電器的原因電池仍處于欠壓狀態，則不能向電池提供電流，因為其通路已被切斷，因而需要按下另一個按鈕以啟動所述系統一段較短的時間，以便所述電池充電。同樣，在某些情況下，例如在軍事應用或競賽應用中，需要吸取每一滴能量，即使它損壞所述電池。
[0004]無論使用哪種可充電電池(二次電池)，電池都無法在低充電狀態(SOC)(絕大部分情況為低電池電壓狀態)下良好地工作。無論何時電池處于低電壓電平，電池都會遭受永久地內部損壞或者嚴重地縮短電池壽命。當電池為鋰電池時，電池的過度充電可能會是更加危險的，其可能導致放熱反應，這會導致起火。當將固態開關設置成與電池輸出電源端子串聯時，可電控制該固態電池，以打開或關閉離開或進入所述電池的電流路徑。這樣可以防止由于電池電壓過低或過高導致的電池損壞。這一措施可在任意電壓時應用于任意電池類型。一個例子是將固態開關應用于起動車輛的12V車用電池。車輛可具有保持接通的電壓泄漏源(voltage drain source),在該情況中，所述固態開關在電池被損壞之前自動地切斷從所述電池釋放的電流。
[0005]也可以使用繼電器或接觸器，但它們具有如下缺點:
[0006]I)繼電器或接觸器持續地需要電流，以保持接觸器打開或閉合。這需要消耗能量。
[0007]2)具有閉合的通路的繼電器或接觸器允許電流在兩個方向上流動，但不能被控制為單向流動。
[0008]3)繼電器和接觸器只能接通或斷開。在大電流的切換過程中，可能在繼電器或接觸器內部產生強烈的電弧放電，并且這可能導致繼電器或接觸器“熔接”斷開。一旦繼電器或接觸器被熔接斷開，則在那一時刻無法進行切換操作，這可能導致安全問題，即在需要切換的時候無法進行切換。
[0009]4)對于較大的電流應用而言，繼電器和接觸器體積大并且笨重。
[0010]一種更好的方式是使用具有獨特構造的固態開關，或者FET，MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，或者IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)型，但并不僅限于這些。這種獨特的構造包括將兩個帶有“源極(Sources) ”或“漏極(Drains) ”的固態裝置，例如MOSFET或IGBT電連接在一起。這些固態裝置可以是N型或P型。包括過剩空穴(excess hole)的摻雜半導體被稱為“P型”，當它包含過剩的自由電子時，它也就是所謂的“n型”，其中p (空穴為正)或n(電子為負)為多數移動電荷載流子的電荷的符號。這種結構簡化了所需的控制電子元件并且還允許通過使用內部二極管使電流在一個方向上流動而不是另一方向。FET (場效應晶體管)是多數電荷載流子，其具有一有源溝道，所述多數電荷載流子、電子或空穴通過有源溝道從源極流向漏極。源極和漏極端導體通過歐姆接觸連接到半導體。所述多數電荷載流子通過源極進入構造并通過漏極離開溝道。圖15示出了每一端被連接起來的“漏極”，圖16示出了每一端被連接起來的“源極”。
[0011]固態開關的優點在于:
[0012]I)固態開關只需要很少的能量即可啟動允許的通路打開或閉合。
[0013]2)固態器件可逐步增加電流，控制在切換到大功率應用時所產生的突入電流，或者在所述電流過高時提供即時的短路保護。
[0014]3)對于大功率應用而言，固態開關可非常緊湊并且重量輕。
[0015]現有技術的描述
[0016] 申請人:注意到下面的美國專利涉及用于起動發動機的電池組:
[0017]美國專利號:7，525，287
[0018]授權日:2009年4月28日
[0019]發明人:Miyashi
[0020]名稱: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(用于驅動緊湊型發動機起動裝置的電動機的電池組，由該電池組驅動的發動機起動裝置，和具有該發動機起動裝置的手動機)

【發明內容】

[0021]本發明提供了用于提高內燃機的起動器電機的起動器電池的效率的方案。通過用鋰基或磷酸鐵鋰(LiFePO4或LiFePO)或LiFeMgPO4或LiFeYPO4電池替代鉛酸起動器電池，起動器電池所需的容量、重量和尺寸被顯著地降低，同時增加了循環壽命，使用壽命和周轉效率。磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池是一種可充電電池，尤其是使用LiFePO4作為陰極材料的鋰離子電池。還可在鋰鐵化合物中包括鎂或釔。通過串聯四個圓柱形電池，其中每個電池都具有符合18650 (小于3Ah)或26650 (小于4Ah)的標準工業電池規格的尺寸，或者棱柱型扁平電池或其他類型的電池，可獲得足夠的電流進入額定用于12V系統的起動電機，以啟動使用1，2，3，4，5，6，8，或12個汽缸的大型內燃機。本發明可采用更大的電池，從IAh至5000Ah,常見大小為 5Ah，10Ah, 20Ah, 50Ah, IOOAh, 400Ah 和 500Ah。[0022]與使用更多電池的更大的系統需要保護電路板以進行安全保護不同，對于四個電池串聯的結構而言，不需要使用保護電流板防止單個電池過壓或欠壓。對于這種較小的起動器電池而言，也無需進行單獨的電池平衡，但也可以采用電池平衡以增加產品壽命。更小的并且更輕的起動器電池提高使用起動器電池的汽車系統的性能。循環壽命和使用壽命的增加降低了用戶的成本。
[0023]對于本發明的系統而言，無需單獨的或特殊的充電系統。
[0024]本發明還包括鋰基電池的外殼，其具有上下相配合的殼體，位于下殼體內用于接收至少一個鋰基電池的輪廓相符的襯墊，和從所述至少一個鋰基電池至外殼的外部的電接頭。可選擇地，可在上殼體內設置上電池襯墊，并且如果需要，可在上殼體內設置保護電路板，例如平衡板或切斷電路，用于安全保護。
[0025]本發明的固態開關裝置允許電流在一個方向而非另一方向上流動。最少兩個固態開關被布置成獨特的結構，其在需要時可允許電流以受控的方式雙向流動。這對于防止整個電池組過度充電或過度放電是特別有用的。單獨的電池平衡電路用來平衡單個的電池。如果需要，可在每個電池上使用所述固態開關，以防止單個電池過度充電或過度放電。它可以用在需要進行充電和放電的任意電池應用中，并且對于鋰基電池而言是尤其有用的。它也可以用于鉛酸電池、鎳鎘(NiCd)電池和低自放電鎳金屬氫化物(NiMH)電池。電池可以連接到其上的更復雜的設備零件具有可編程的斷路設定，但不復雜的設備不具有現場斷路參數。在起動器應用(例如，用于起動內燃機)中使用電池將防止電池過度充電，以及在即使所有部件都斷開的情況下在系統中仍存在漏電流(泄漏)時，防止該電池被過度放電至太低的水平。
[0026]通過使用最少兩個固態器件將“源極”或“漏極”連接起來，能夠自動并且簡單地實現電池電源端子在接通與斷開之間的完全或部分切換。所述兩個固態器件可以是N型或P型，并且可以被連接到電池端子的正側或負側，并且通過簡單的電子電路即可控制所述固態器件的驅動器。
[0027]本發明的開關結構還能夠實現橫跨電池端子的短路保護，同時實現充電時的最大電流控制。
[0028]本發明的首要目的是提供一種用于提高內燃機的起動電機的起動器電池的性能的裝置。
[0029]本發明的另一目的是提供一種用于內燃機的起動器電池，其比鉛酸電池更輕，更可靠，體積小，循環壽命更長，受用壽命更長，并且具有更高的周轉效率。
[0030]本發明的再一目的是提供一種用于內燃機的起動器電池系統，其易于組裝，防水并且免維護。
[0031]本發明的另一目的是提供一種用于內燃機的起動器電池系統，其可用在現有的車輛中。
[0032]本發明的另一目的是提供一種用于內燃機的起動器電池系統，其具有較寬的工作溫度范圍，和優異的寒冷天氣起動性能。
[0033]本發明的另一目的是提供一種用于保護單個電池或電池組以防過度充電或過度放電的改進的裝置。
[0034]本發明的另一目的是提供一種用于對具有非常低電荷量的電池進行充電的裝置。[0035]本發明的另一目的是提供一種對一個或多個電池或電池組進行短路保護的裝置。
[0036]本發明的另一目的是提供一種對具有過高電荷的電池進行放電的裝置。
[0037]本發明的另一目的是提供一種用于短路保護的裝置，以防止金屬物體橫跨端子而導致的短路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]通過參照下面的詳細說明及附圖，本發明的前述和其他目的將變得更加明顯，其中:
[0039]圖1是本發明一個實施例的分解等距視圖，其中起動器電池組中布置有四個電池。
[0040]圖2是本發明另一實施例的分解等距視圖，其中起動器電池組中布置有八個電池。
[0041]圖3是本發明另一實施例的分解等距視圖，其中起動器電池組中布置有棱柱型電池。
[0042]圖4是圖3中的電池組組裝后的前視圖，后視圖與之相同。
[0043]圖5是圖3中的電池組組裝后的俯視圖。
[0044]圖6是圖3中的電池組組裝后的右視圖，左視圖與之成鏡像。
[0045]圖7是將四個棱柱型鋰電池串聯起來連接到平衡電路板的方塊示意圖。
[0046]圖8是將四個棱柱型鋰電池串聯起來連接到平衡和切斷電路板的方塊示意圖。
[0047]圖9是外殼的替換實施例的等距視圖，其示出了開關的觸點。
[0048]圖10是圖9的外殼的俯視圖，示出了觸點位置。
[0049]圖11是圖9的外殼的前視圖，后視圖與之相同。
[0050]圖12是圖9的外殼的端視圖，相對端的視圖與之相同。
[0051]圖13是圖3的替換實施例的分解等距視圖，其中兩塊棱柱型電池和斷路開關的控制板被布置到圖9所述的外殼中。
[0052]圖14是具有“漏極”接頭的固態開關的示意圖。
[0053]圖15是具有“源極”接頭的固態開關的示意圖。
[0054]圖16是本發明優選實施例的示意圖，其中，每個邏輯門的“漏極”通過N型MOSFET或IGBT連接起來，同時電池位于所述固態開關上方。
[0055]圖17是使用N型FET，MOSFET,或IGBT將每個邏輯門的“漏極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的下方。
[0056]圖18是圖示使用N型FET，M0SFET，或IGBT將每個邏輯門的“源極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的上方。
[0057]圖19是圖示使用N型FET，M0SFET，或IGBT將每個邏輯門的“源極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的下方。
[0058]圖20是圖示使用P型FET，M0SFET，或IGBT將每個邏輯門的“漏極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的上方。
[0059]圖21是圖示使用P型FET，M0SFET，或IGBT將“漏極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的下方。[0060]圖22是圖示使用P型FET，MOSFET,或IGBT將“源極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的上方。
[0061]圖23是圖示使用P型FET，M0SFET，或IGBT將“源極”連接起來的示意圖，其中電池位于固態開關的下方。
[0062]圖24是圖示在用在發動機重新啟動中的本發明的示意圖。
[0063]圖25是圖示電池的短路保護的示意圖。
【具體實施方式】
[0064]包含LiFePO，LiFePO4, LiFeMgPO4,和LiFeYPO4的鋰電池具有與現有12V鉛酸電池等同系統直接相適配的低標稱電池電壓(3.2V-3.3V)。串聯的四個LiFePO電池具有13.2V的標稱電壓。因此，它們可以直接替換現有的12V鉛酸等同系統，而無需任何與電有關的修改。
[0065]其他鋰化學品具有更高的標稱電壓，例如鋰-鈷(3.6V)，鋰-錳(3.7-3.8V)，鋰-鎳-鈷-錳(3.7V)。當四個電池串聯使用時，其每一個都具有更高的系統電壓。在更高電池電壓的情況下，大多數現有的12V直接替換系統將無法將其他鋰電池化學品充電至其60%容量以上。本發明可采用的其他鋰電池為氧化鈷鋰(LiCo02)，氧化錳鋰(LiMn2O4)15氧化錳鈷鎳鋰(LiNiCoAlO2),氧化鈷錳鎳鋰(LiNiMnCoO2)，和鈦酸鋰(Li4Ti5O12)。
[0066]LiFePO, LiFePO4, LiFeMgPO4,和LiFeYPO4電池還具有比鉛酸電池更高的熱崩潰(thermal runaway)條件。要發生熱崩潰，電池溫度必須非常高(超過200°C)。當電池達到特定溫度(通常由過度充電導致)，接下來電池將通過向它自身提供燃料的內部反應開始產生更多的熱，通常會導致起火，這種現象也就是所謂的“熱崩潰”。所有其他鋰電池化學物質都具有較低的熱崩潰溫度，導致那些電池更易于起火。
[0067]散熱帽(thermal venting cap)通常被設置在每個圓柱形電池殼體內部，以使爆炸的可能最小化。該散熱帽可以在發生內部起火之前，使電池的電解質漏出。
[0068]盡管有利的是使用保護電路，但能夠在不使用保護電路的情況下運行本發明，這樣能夠使系統簡化，以允許充電或放電。省略掉用于高壓切斷(過度充電)、低壓切斷(過度放電)和溫度測量的所有電子保護電路可以降低起動器電池的總制造成本。這樣還可以簡化系統，使其在所有條件下都可以充電和放電，并且不會受到任何建議的或規定的工作范圍的限制。
[0069]通過使用鋰電池，電池外殼的結果與鉛酸電池相比更小且更輕。任何時候，只要內部質量減少，外殼結構的尺寸就可以被減小，這同樣可降低成本。
[0070]圖1和2的實施例的外殼結構可改變深度以適應用于提供不同容量的不同數目的電池。如圖所示，圓柱形電池的外殼(或殼體)的蓋結構與大多數電池組相同。這種電池可以被平行地堆疊以為待組裝的不同的電池組提供更大的容量。外殼的蓋還具有由鋁制成的螺紋襯套，以使重量最小化，但它具有與鋁，銅或黃銅類似的電性能，或者所述蓋具有內螺紋孔，以接收電連接螺釘。
[0071]現在參見附圖，特別是圖1，本發明的電池組10包括外殼12，外殼12具有下容器14和相配合的頂部16，并且通過適當的電連接將至少一個可充電的鋰電池18設置在外殼內。電池組中的每個鋰電池的總放電量為一(I)Ah至5000Ah，并且每個電池的充電電壓為3.0V 至 4.2V0
[0072]外殼16的下部可設有底部襯墊20，底部襯墊20在其內部裝配、接收一個或多個電池，并與下容器14相配合。如果需要，可將頂部襯墊22設置在外殼的頂部16中。
[0073]如圖所示，在電池之間提供電連接器24，由正極到負極，使用螺釘26穿過外殼底部的孔28將電池連接到未示出的電導線，但所述電導線連接到底部螺釘30。可替換地，可使用焊接連接替代螺釘。
[0074]可選擇的，保護電路板32可被放置在上殼體或頂部14內以提供安全保護。這種保護電路板可以是切斷電路板或電池平衡電路板。電池平衡電路板可包括切斷功能。具有串聯的兩個或更多個電池的鐵鋰電池具有等于單獨的電池電壓總和的電池電壓。在整個電池壽命期間，它可以被充電和放電成百上千次。每個電池的壽命可能不同。一些電池可能會變得與其他電池不匹配。這一現象可通過平衡加以校正。平衡是強迫所有電池具有相同電壓的過程。這是通過平衡電路實現的。
[0075]起動器電池系統可根據需要使用大量的鋰電池，以獲得更大的容量。
[0076]鋰電池相比鉛酸電池具有明顯更輕的重量，并且要輕80%。鋰電池的100%完全放電循環次數約為鉛酸電池的3倍。鋰電池無需維護，而鉛酸電池需要重新注入純凈水，以維持極板上方的酸度水平。鋰電池不會凍結。它們的放電功率為鉛酸電池的8倍。它們的充電時間小于2小時。
[0077]鋰電池的自放電率小于每月2%，而鉛酸電池的自放電率為每月10%。
[0078]鋰電池可在非常高的溫度下工作，高達70°C，而不會出現大的性能退化。它們還可以在非常低的溫度下工作，低達_30°C，并且在該溫度下只有輕微的容量下降，但功率依然是符合要求的。
[0079]鋰電池具有98%的能量效率(進入和放出電池的能量)，而鉛酸電池只有90%的
能量效率。
[0080]對于每12伏特的增量，需要將四個LiFePO4電池串聯，并且在某些情況下使用其他鋰電池可需要更少的電池數。下面的表I對比了鉛酸電池電壓與LiFePO4電池以及其他鋰電池的需求量:
[0081]表I
[0082]
【權利要求】
1.一種用于驅動電子裝置的電池組，所述電池組包括: 外殼；和 位于所述外殼內的至少一個可充電的鋰基電池； 其中，電池組中的每個鋰基電池的總放電量為一(I)Ah至5000Ah，并且每個電池的充電電壓為3.0V至4.2V。
2.根據權利要求1所述的電池組，其中所述鋰基電池為磷酸鐵鋰電池。
3.根據權利要求2所述的電池組，其中所述磷酸鐵鋰電池是從由LiFePO、LiFePO4,LiFeMgPO4和LiFeYPO4電池構成的組中選出的。
4.根據權利要求1所述的電池組，其中所述鋰基電池是從由LiCo02、LiMn2O4,LiNiCoAlO2, LiNiMnCoO2和Li4Ti5O12電池構成的組中選出的。
5.根據權利要求1所述的電池組，其中所述電池組包括在所述外殼中串聯的四個可充電的鋰基電池。
6.根據權利要求1所述的電池組，其中所述電池組包括在所述外殼中的偶數個可充電的鋰基電池。
7.根據權利要求1所述的電池組，其中所述電子裝置為連接到內燃機的內燃機起動裝置。
8.根據權利要求1所述 的電池組，還包括位于所述外殼內的保護電路板。
9.根據權利要求8所述的電池組，其中所述保護電路板為切斷電路板或電池平衡電路板。
10.根據權利要求9所述的電池組，其中所述保護電路板是包括控制器的切斷電路板，所述控制器具有用于周期性地測量負載以檢測負載阻抗的變化關聯裝置，切斷電路板還包括位于所述電池組和所述電子裝置之間的開關和用于接通所述開關以向所述電子裝置提供功率以重新啟動所述電子裝置的裝置。
11.根據權利要求9所述的電池組，其中所述保護電路板為包括控制器的切斷電路板，所述電池組被連接到電流監控器，所述電流監控器被連接到電流比較器和設定-復位鎖存器，從而在發生短路時，所述設定-復位鎖存器將斷開相應的開關。
12.一種用于電池組中的一個或多個電池的固態開關裝置，其中所述電池組具有正端子和負端子，每個所述電池具有正極和負極，所述固態開關裝置包括: 至少一對固態開關，每個固態開關具有源極和漏極，并且漏極被連接起來； 所述固態開關被串聯連接到所述一個或電池的正極并連接到所述正端子，所述一個或多個電池的負極被連接到所述負端子。
13.根據權利要求12所述的固態開關裝置，其中所述固態開關為MOSFET或IGBT。
14.根據權利要求13所述的固態開關裝置，其中所述固態開關為晶體管、FET、JFET、BJT、CMOS、VMOS、TMOS、垂直 DMOS 或 HEXFET。
15.根據權利要求12所述的固態開關裝置，其中所述固態開關為n型或者為p型。
16.根據權利要求12所述的固態開關裝置，其中所述一個或多個電池是從由LiFePO、LiFePO4' LiFeMgPO4, LiFeYPO4, LiCoO2' LiMn2O4, LiNiCoAlO2, LiNiMnCoO2' Li4Ti5O12'鉛酸、NiCd和鎳金屬氫化物(NiMH)電池構成的組中選出的。
17.根據權利要求12所述的固態開關裝置，還包括用于所述一個或多個電池的外殼，其中所述固態開關位于所述外殼內。
18.一種用于電池組中的一個或多個電池的固態開關裝置，其中所述電池組具有正端子和負端子，每個所述電池具有正極和負極，所述固態開關裝置包括: 至少一對固態開關，每個固態開關具有源極和漏極，并且源極被連接起來； 所述固態開關被串聯連接到所述一個或多個電池的負極并連接到所述負端子，所述一個或多個電池的正極被連接到所述正端子。
19.根據權利要求18所述的固態開關裝置，其中所述固態開關為晶體管、FET、MOSFET、IGBT、JFET、BJT、CMOS、VMOS、TMOS、垂直 DMOS 或 HEXFET。
20.根據權利要求18所述的固態開關裝置，其中所述一個或多個電池是從由LiFePO、LiFePO4' LiFeMgPO4, LiFeYPO4, LiCoO2' LiMn2O4' LiNiCoAlO2, LiNiMnCoO2' Li4Ti5O12'鉛酸、NiCd和鎳金屬氫化物 (NiMH)電池構成的組中選出的。
【文檔編號】H02J7/00GK103477528SQ201180057159
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2011年11月28日 優先權日:2010年11月29日
【發明者】馬丁·克布勒 申請人:馬丁·克布勒