控制金属-空气电池组的操作的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池组(battery)。特别而言，本发明涉及控制金属-空气电池组的操作。
[0002]发明背景
[0003]如本领域已知的，电池组是存储化学能并使得能量以电形式提供的组件。金属-空气电池组使用金属与空气中的氧气的氧化以产生电力。由电池组产生的电能由各种系统和组件(例如，消费产品、工业系统等)使用。然而，在需要时，已知的系统和方法从电池组引出能量。相应地，存储在电池组中的能量利用可能不是最佳的。
【发明内容】
[0004]一种方法可包括控制从金属-空气电池组引出的电流；和控制电池组的温度。方法可包括使电池组根据特性(profile)操作，特性限定以下中的至少一个:能量利用率、电力、电解质利用值和腐蚀速率。在一个实施方式中，特性由控制器自动选择。
[0005]方法可包括重复设置从电池组引出的电流并设置电池组的温度，直到实现所期望的能量利用率。方法可包括确定包括在电池组中的电解质的年龄(age)并基于电解质的年龄控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压。方法可包括控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，使得维持电化学反应中消耗的金属量和电池组中的总金属量之间的预定比率。
[0006]方法可包括控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，使得维持包括在电池组中的金属的预定腐蚀速率。方法可包括控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，以最大化每体积单位的包括在电池组中的电解质从电池组引出的能量的量。方法可包括控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，以最小化金属溶解在包括在电池组中的电解质中的速率。
[0007]方法可包括通过控制包括在电池组中的电解质的温度和循环来控制电池组的温度。方法可包括在激活电池组之前，确定包括在电池组的电解质的年龄；和根据特性设置电解质的温度。
[0008]系统可包括金属-空气电池组；和控制器，控制器被配置为:控制从电池组引出的电流，和控制电池组的温度。系统可包括可充电(rechargeable，可再充电)装置，且系统被配置为:从金属-空气电池组中引出预定电力，预定电力根据平均电力需求限定；和当电动汽车需要的电力大于预定电力时，从可充电装置引出(draw)电力。
[0009]包括在系统中的控制器可被配置为使电池组根据特性操作，特性限定以下中的至少一个:能量利用率、电力(power，功率)、电解质利用值和腐蚀速率。包括在系统中的控制器可被配置为自动选择特性并使电池组根据所选特性操作。包括在系统中的控制器可被配置为重复设置从电池组引出的电流和电池组的温度，直到实现所期望的能量利用率。
[0010]包括在系统中的控制器可被配置为确定包括在电池组中的电解质的年龄并基于电解质的年龄控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压。包括在系统中的控制器可被配置为控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，使得维持电化学反应中消耗的金属量和电池组中的总金属量之间的预定比率。包括在系统中的控制器可被配置为控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，使得维持包括在电池组中的金属的预定腐蚀速率。
[0011]包括在系统中的控制器可被配置为控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，以最大化每体积单位的包括在电池组中的电解质从电池组引出的能量的量。包括在系统中的控制器可被配置为控制以下中的至少一个:由电池组提供的电流、电池组的温度、电解质的温度和由电池组提供的电压，以最小化金属溶解在包括在电池组中的电解质中的速率。系统可包括电池组，其包括由铝、锌和铁中的一种制成的金属阳极。
[0012]系统可通过控制包括在电池组中的电解质的温度和循环来控制电池组的温度。包括在系统中的控制器可被配置为:在激活电池组之前，确定包括在电池组的电解质的年龄；和根据特性设置电解质的温度。根据一个实施方式的电动车辆可包括金属-空气电池组；可充电装置；和控制器，控制器被配置为根据特性设置供应到电动车辆的电力，特性限定以下中的至少一个:能量利用率、电力比率(power rate)、电解质利用值和腐蚀速率。
[0013]根据一个实施方式的电动车辆可被配置为消耗来自金属-空气电池组的预配置电力；和当电动车辆需要的电力大于预配置电力时，消耗来自可充电装置的电力。根据一个实施方式，当电动车辆所需的电力小于预配置电力时，电动车辆被配置为使用由金属-空气电池组提供的电力对可充电装置充电。根据一个实施方式，可充电装置的容量可被设计为供应电动车辆的平均每天能量消耗，并且金属-空气电池组可被设计为供应超过所述平均每天能量的能量。
【附图说明】
[0014]在说明的结论部分视为本发明的主题被具体地指出并被清楚地要求保护。然而，通过时参考以下【具体实施方式】并结合附图阅读可更好地理解本发明(关于组织和操作方法，以及其目的、特征和优点)，其中:
[0015]图1示出影响金属-空气电池(metal-air cell)的操作的参数；
[0016]图2示出根据本发明的实施方式的示例系统；
[0017]图3示出根据本发明的实施方式的示例系统；
[0018]图4示出根据本发明的实施方式的示例系统配置；
[0019]图5示出根据本发明的实施方式的示例流程；和
[0020]图6A和图6B示出根据本发明的实施方式的温度控制的金属-空气电池组的表现(behav1r)。
[0021]应理解，为了说明的简单和清楚起见，图中所示的元件不一定是按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可相对于其它元件被放大。此外，在认为适当时，附图标记可在各图之间重复以指示相应的或类似的元件。
【具体实施方式】
[0022]在下面的【具体实施方式】中，许多具体细节被阐述以便提供对本发明的彻底理解。然而，本领域的普通技术人员应理解，可在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其它情况下，公知的方法、过程、组件、模块、单元和/或电路未详细描述以免混淆本发明。
[0023]虽然本发明的实施方式不限于这方面，但是如本文所使用的术语“多个”可包括例如“多个”或“两个或更多个”。术语“多个”可在整个说明中用来描述两个或更多个组件、装置、元件、单元、参数等。
[0024]除非另有明确规定，否则本文中描述的方法实施方式不限于特定的顺序或序列。此外，一些所描述的方法实施方式或其要素可在相同的时间点或重叠的时间点发生或进行。如本领域已知的，可执行代码片段的执行(诸如功能、任务、子任务或程序)可被称为功能、程序或其它组件的执行。
[0025]虽然本发明的实施方式不限于这方面，但是使用术语的讨论，诸如，例如“处理”、“计算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等可指计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算装置的操作和/或处理，所述计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算装置将在计算机的寄存器和/或存储器内表示为物理(例如电子)量的数据操纵和/或变换为在计算机的寄存器和/或存储器或可存储指令的其它信息存储介质内类似地表示为物理量的其它数据以进行操作和/或处理。
[0026]本发明的实施方式可实现控制金属-空气电池或电池组(例如铝-空气电池组)的操作，以便提高其利用率。虽然为简单起见，在本文中主要涉及铝-空气电池或电池组，但是应理解，其它金属-空气电池或电池组也可适用。例如，根据本发明的实施方式的系统和方法可使用锌-空气或任何其它合适的金属-空气电池或电池组。
[0027]铝-空气电池组消耗铝来产生电能。在铝-空气电池中发生的电化学反应如下由式⑴所示:
[0028](I) 4Α1+6Η20+302 — 4A1 (OH) 3+2.71ν
[0029]实际上，铝-空气电池可在低于如式(I)所示的2.7ν的电压(通常为0.7至1.5伏)下操作。其余能量作为热量被释放。除了该反应(导致产生电能)，腐蚀反应可如下由式⑵所示发生:
[0030](2) 2Α1+6Η20 — 2Α1 (OH) 3+3Η2
[0031]式(2)所示的反应消耗铝，但不释放电能。因此，它被认为是不希望反应或寄生反应。由式(2)所示的反应的另一副作用是氢的释放。
[0032]如本文所指，术语金属-空气电池或金属-空气电池组的“库仑效率”是在电化学反应(I)中消耗的金属量和消耗的总金属量(即根据这两个式(I)和(2)所消耗的金属量)之间的比率。
[0033]铝的比能在本领域中已知为8.lkWh/kg。如本文所指，术语铝的“能量利用”是从一 (“I”)千克(Kg)铝提取的电能量和包括在一(“l”)Kg铝中的总能量之间的比率。
[0034]一般而言，如本文所指，术语金属的“能量利用”由两个因素确定:
[0035]1.腐蚀速率-其确定或影响库仑效率。即，在不产生电能的情况下有多少金属损失，和
[0036]2.实际电池电压-这涉及所开发的电能的部分(例如没有作为热量而释放)。
[0037]本文涉及的且在本领域中已知的，电解质(或电解质溶液)可以是包含离子并且可通过电解分解的任何液体。电解质可包括任何当溶解在合适的离子化液体或溶剂(例如水)中时离子化的物质(matter)、材质(substance)或化合物。在招-空气电池或电池组中，其中使用碱性电解质(诸如KOH或NaOH)，附加反应如由式(3)所示地发生:
[0038](3) Al (OH) 3+K0H — KAl (OH) 4
[0039]在电池组的整个操作中，由式(3)所示的反应的产物溶解在电解质中并且通常会引起电池的电压逐渐降低，下降到一定的低电压阈值(通常为0.7-0.9伏)。
[0040]本文涉及的术语“电解质利用”(electrolyte utilizat1n)是在其达到低电压阈值(例如，0.7-0.9伏特的范围内)之前可从金属-空气电池中引出的能量的量。
[0041]电解