用于对铅酸蓄电池进行充电的方法与装置的制作方法

专利名称：用于对铅酸蓄电池进行充电的方法与装置的制作方法
用于对铅酸蓄电池进行充电的方法与装置本发明涉及操作铅酸蓄电池和对铅酸蓄电池充电的方法，涉及对铅酸蓄电池充电的装置，以及涉及包括铅酸蓄电池和充电装置的能量存储系统。近年来，为了提高铅酸蓄电池的效率和可靠性，已经作出了很多改迸。在铅酸蓄电池的寿命中，通常进行多次充电和放电。这在动カ应用中是非常现实的，该动カ应用例如是铲车、高尔夫球车和其它电池供电的车辆，还包括电池供电的清洁和抛光机，其中电池有规律地在诸如日间的一段时期内放电和在诸如夜间的另一段时期内充电。甚至在一些备用功率应用例如用于远程通信系统的备用电源中，在部分或完全的放电状态与完全充电状态之间存在很大程度的循环，例如在主电源频繁中断的地方。在电池循环的放电和充电期间，出 现了电池副反应，这浪费了为电池充电所提供的ー些能量，并且逐渐使电池的电化学和材料发生变化并导致电池最終故障。电池充电系统可以分为主要的三組。在称作“恒定电压系统”的第一组中，充电系统为每个单元(cell)施加恒定电压。开始充电时，电流将会很高，通常处于峰值(假定电池处于有效放电状态)，并且经常通过充电系统进行有意的限制，以免损坏电池。当电池接近完全完全充电状态时，电池的均衡/静止电压增加，并且“静止”电压与充电系统所施加的电压之间的差减小，因此使流入电池中的电流也降低。在称为“恒定电流”系统的第二类系统中，充电系统的控制算法不断地调整施加给电池的每单元的电压，以将流入电池的电流保持在设定的水平处。第三类型的系统实质上是前面二者的混合，可以称为“混合系統”。在这种混合系统中，充电算法通常首先使用恒定电压机制，直到电池几乎充满电，然后切換到恒定电流机制并保持设定时间段。某些混合系统具有更加复杂的算法，该算法根据预先的程序施加多个阶段的恒定电流和恒定电压。其它充电系统也是已知的，例如脉冲充电。通常通过根据算法操作的微处理器来控制充电系统。所有类型的充电系统经常还包括用于测量电池温度的传感器，算法可以被设计为根据测量的温度调整充电电压/电流。充电系统通常专用于特定类型的电池，并且可以与电池一起由电池制造商成套出售。ー些充电系统具有接近充电循环的后期或当进行单独充电时、以预定时间间隔施加被称为均衡电量(equalisation charge)的额外电量的算法。通常以恒定电流基准施加均衡电量。例如，为了均衡一连串的単元的充电状态，可以每周一次地将I小时2安培的均衡电量施加到电池上。最近，在市场上出现的系统中，每个电池都设有安装到电池的主DC线缆的设备，以监测和记录电流、电压(电势差)、温度和可选的电解液液位的数据。当电池被送到充电站进行充电时，这些数据可以被无线下载到充电站中，因此将与电池使用有关的有用信息提供给系统操作人员，并且将任何故障都告知用户。这种系统是可以从EnerSys公司得到的WI-IQ无线电池监测设备。但是，仍然需要改进铅酸蓄电池的寿命循环能力和可靠性。为了满足这个需要，本发明在第一方面中提供了ー种操作铅酸蓄电池的方法，其中电池经历电池放电的放电阶段和电池充电的充电阶段，所述方法包括在放电阶段中，监测流出及流入电池的电流，并且记录与电流有关的信息；
在随后的充电阶段中，基于记录的信息，计算将提供给电池的期望电量并向电池提供此期望电量。充电期间提供给电池的电量可以计算为所提供的电流和时间的乘积。该乘积可以是例如所提供的电流相对于时间的积分。在本发明的第二方面中，提供了ー种用于对铅酸蓄电池充电的充电装置，包括a)通信装置，被设置成获取与在电池使用期间流出和流入电池的电流有关的信息；b)控制装置，被设置成根据记录的与电池使用期间流出和流入电池的电流有关的信息，计算将提供给电池的期望电量；以及c)供电装置，被设置成向电池供应所计算的期望电量。
在本发明的第三方面中，提供了ー种能量储存和供应装置，包括ー个或多个铅酸蓄电池；用于监测该电池或每个电池使用期间流出和流入该电池或每个电池的电流的装置；用于记录与该电池或每个电池使用期间流出和流入该电池或每个电池的电流有关的信息的装置；以及用于对该电池或每个电池充电的充电装置，包括控制装置，控制装置被设置成根据记录的与该电池或每个电池使用期间流出和流入每个电池的电流有关的信息，计算将供应给该电池或每个电池的期望电量。发明人已经发现，如果基于自电池最后一次处于完全充电状态以来已经从电池移除的净电量来控制充电阶段中供应给电池的电量，可以延长铅酸蓄电池的工作寿命。发明人已经发现，如果相对于从电池移除的净电量控制再次充电期间供应的电量，可以提高电池的循环寿命。电池失去的净电量可以从与在之前放电阶段中流出电池的电流和流入电池的任何电流有关的信息得到。(该信息通常包括电流等级和电流的持续时间，根据该信息可以计算电量)。从电池流出的电流将通常出现在使用电池为外部机构例如电动机供电期间。例如，当电池被用在具有产生回馈给电池的电流的制动系统的铲车时，或者在诸如午休时间的工作休息时间中的短期充电期间(这种短期充电不可能将电池充到完全充电状态，不应视为“充电阶段”，在本文中相对于本发明第一方面的方法使用该术语)，可能出现放电阶段中流入电池的电流。通过以这种方式控制充电阶段中提供的电量，可以减少电池充电期间出现的副反应，因此延长了电池的工作寿命。在一些应用中，当电池在午休期间和其它方便的短时间段进行部分充电以将电池保持在合理的电量等级并且只有在较长时间可用的时候例如周末根据本发明的第一方面的方法将电池充电到完全充电状态时，放电阶段可以较长，例如持续一周左右。如本文使用的术语“放电阶段”是指在电池充满电到完全充电状态之后电池被使用且处于部分或完全放电的状态但还未开始再次完全充电的时间段。为了本发明的目的，根据本发明第一方面的方法，当电池接收期望的电量时，电池被视为处于完全充电状态。当然，重要的是，当电池为新时且在根据第一方面方法的第一放电阶段发生之前，电池处于完全充电状态。本领域的技术人员将了解如何将电池充电到完全充电状态，通过将电池充电一定长度的时间或者直到充电电流降到某一级别。
在动カ应用中的铅酸蓄电池的放电阶段中，例如铲车电池，在铲车操作期间电池至少部分地放电。当电池中的电量降至某一水平时，比方说约20%的电池容量(对应于80%的放电深度或D0D)，电池将需要充电，因此操作人员将电池送到充电站,在充电站中，电池可以连接到充电装置进行充电。一旦充电后，电池就适于再次使用。在电池的寿命中，将多次发生这种放电状态与充电状态之间的循环。例如，制造商可以规定电池具有100安培小时的总电量，以在80%的放电深度的水平处提供600次放电/充电循环。在电池充电期间，施加到电池的电压必须明显大于静止/均衡中与负载放电或放电后有关的电压，以逆转放电阶段在电池中发生的化学反应。例如，对于比方说以每単元
2.0伏的标称电压操作的铅酸蓄电池，充电装置可以施加比方说每单元2. 35伏的基本恒定充电电压。这种系统称为“恒定电压”充电系统。在已经进行相当程度放电的电池中，典型的充电阶段可以包括将提供给单元的电流保持在某一预设限值之下的初始时间段。例如，可将提供给电池的电流限制到50安培。 但是，在充电过程中的某一点处，流入电池的电流掉到预设限值之下。施加到电池的电压将通常保持在每单元2. 35伏的标称电压处或附近。在一些类型的已知充电系统中，代替电压，将提供给电池的电流保持恒定。这种系统称为“恒定电流”充电系统。本发明适用于这种系统和混合系统，以及适用于更加常见的将电压保持基本恒定的系统。在某些系统中，连续监测电池的温度，充电装置控制施加到电池的电压，以将该温度考虑在内，使得所施加的充电电压对于特定类型的电池在该温度处是最佳的。在恒定电压充电系统中，当电池充电时，即使所施加的电压基本保持恒定，流入电池的电流通常逐渐降低，直到当电池接近完全充电状态，电流趋于平稳至最終值。在电池基本完全充满电时，流入电池的电流称为充电电流的最后部分。发明人已经发现，通过基于记录的与之前放电阶段流出和流入电池的电流有关的信息而控制充电期间提供的电量，可以使充电电流最后部分的増加缓慢并且可以延长电池的工作寿命。在本发明的范围中，可以周期地向电池提供进ー步的电量例如均衡电量，其为根据本发明的第一个方面的方法计算和提供给电池的电量的补充。例如，在根据本发明已经将计算的期望电量提供给电池之后，充电系统可以每周一次提供均衡电量。在一个实施方式中，充电阶段中的电池充电包括计算在之前放电阶段从电池移除的净电量。如本文中使用的，术语“从电池移除的净电量”为在考虑在那时已经提供给电池的任何电量的情况下自电池最后一次处于完全充电状态以来从电池消耗的净电量。在放电阶段，可以通过各种方式将电量提供给电池，例如，如上所述，通过铲车制动系统和通过短时段部分充电。那么，在一个实施方式中，将提供给电池的期望电量等于电池失去的净电量加上预定量的总和。预定量将随电池的类型而变化，并且将被选择以对于具体类型的电池给出过充电的最佳程度。任选地，本发明的第一方面的方法包括，通过将计算的电池失去的净电量乘以预定的充电因数来计算将在充电阶段提供给电池的期望电量。充电因数为等于I或者优选大于I的数值，其表示期望的过充电程度，也就是说，充电因数是返还给电池的期望电量与电池失去的电量的比值。充电因数将取决于相关的电池类型。任选地，充电因数的范围是1.01-1.40。例如，当电池是薄板纯铅(TPPL)电池时，充电因数的范围优选是I. 01-1. 12，更优选的是I. 01-1. 08。如果电池是富液式铅酸蓄电池，期望的充电因数的范围是I. 05-1. 30。如果电池是胶态铅酸蓄电池，充电因数的范围优选是I. 05-1. 20，更优选的是I. 08-1. 10。对于处于相对低放电深度例如10-30%的电池，可采用较低的充电因数。以具有100安培小时总电量的上述电池为例，80%的DOD等于电池失去的净电量为80安培小吋。电池的DOD不能容易地直接测得。但是，监测放电阶段从电池流出的电流和记录该信息能够计算电池失去的净电量。乘以例如1.03的充电因数得到将在充电阶段提供给电池的期望电量，I. 03x80 = 82. 4安培小时。任选地，所使用的充电因数是恒定值，即不随电池的寿命而变化。换句话说，所使用的充电因数在整个电池寿命不改变。在该实施方式中，可以使用在电池寿命的相关点处最适合电池的特定充电因数。在电池寿命期间充电因数任选地増大，例如，当电池所经历的放电/充电循环次数、或从电池释放或提供给电池的总电量达到某些预定级别时充电因数可阶梯式地増大。例如，充电因数在每ー阶梯的增加量的范围是0. 001-0. 05，或者优选的是0. 005-0. 02。当电池所经历的放电/充电循环次数达到10-300中数值的倍数时充电因数可任选地増大。作为ー个示例，在一个实施方式中，可以使用以下方式对TPPL进行充电，在最初的300次循环中使用I. 03的充电因数，在接下来100次循环中使用I. 04的充电因数， 在接下来的100次循环中使用1.05的充电因数等等，直到达到I. 12的充电因数，之后充电因数不再増大。在另ー个变型中，在电池寿命的早期比方说对于最初的100-500次循环充电因数可以逐渐降低，然后在电池寿命的后期充电因数増加。为了确保向电池提供期望的电量，必须监测充电期间电量的供应情況。可以使用监测电池充电阶段供应的电量的任何适当方法。在优选实施方式中，监测充电阶段流入电池的电流，从而计算提供给电池的电量。一旦供应的电量达到计算的提供给电池的期望电量，则停止充电。某些已知的铅酸蓄电池系统包括电流监测器，能够测量流入和流出电池的电流。例如，EnerSys的WI-IQ系统包括安装在电池上的电流传感器，其使用霍尔效应来监测流过主电池线缆的电流。可以使用任何适当的装置来測量流入和流出电池的电流。在一个实施方式中，使用霍尔效应传感器測量流入和流出电池的电流。但是，优选地，可以使用分流器(shunt)(电流分流监测器)来监测流入和流出电池的电流。在许多情况下，分流器比霍尔效应传感器更能够精确地测量电流。优选地，电流传感器的精度至少是98%，优选地至少是99%，更优选地至少是99.5%，以用于測量在放电阶段或充电阶段流入和流出电池的电流。流入大型铅酸蓄电池(例如为铲车供电的电池类型)的电流可以在电池充电期间在较宽的范围中变化。例如，峰值电流可以高达250安培，然后在充电的过程中缓慢降低，在充电末期可以达到例如I安培左右的值。某些充电系统包括限制电流的装置，以使其不会超过预定值，例如50安培。即使使用这种电流限制，电流仍然将在电池充电期间从放电有效深度到完全充电状态的宽范围内变化。在优选实施方式中，可以通过两个分流器监测流入和流出电池的电流，第一分流器用于监测较低电流的范围，第二分流器用于监测较高电流的范围。优选地，较高电流范围和较低电流范围的界限处于1-20安培的范围，更优选地处于2-10安培的范围，还更优选处于3-7安培的范围。例如，可以通过用于监测不大于5安培的较低电流范围的第一分流器和用于监测大于5安培的较高电流范围的第二分流器来监测电流。使用多个分流器可以增加监测精度，并且使用两个以上的分流器(如果希望)是在本发明的范围内的。根据本发明第一方面的方法还可以包括，测量电池充电期间电池的温度和基于此温度调整施加到电池的电压。根据电池的温度调整充电电压对本领域的技术人员而言是公知的。电池可以是任何铅酸蓄电池。本发明第一方面的方法尤其适用于在低电量状态和高电量状态之间进行有效循环的电池，但不限于这种电池。动カ应用中的电池通常经历高电平循环，但是某些备用功率应用也包括高电平循环。任选地，电池是动カ应用中所使用的电池。电池例如可以是富液式铅酸蓄电池或阀控式铅酸蓄(VRLA)电池。VRLA电池可以是吸附式玻璃消光或胶态电池。在一个实施方式中，电池是薄板式纯铅(TPPL)铅酸蓄电池。该TPPL电池对于本领域的技术人员而言是公知的并且具有铅含量很高的特定合金的板，相对于由传统的合金制成的板，该特定合金的板具有显著的耐腐蚀性、更高的功率与能量密度以及更低的内阻等优点。TPPL电池通常具有厚度为I. 50毫米或更小的柵。
直到最近，TPPL电池主要用于备用功率应用，但是近年来，设计上的改进已经提高了循环性能，使得它们现在可以用于动カ应用。例如，EnerSys的XFC电池是用于动カ应用(例如码垛车等)的TPPL电池。TPPL电池具有下列优点a)不需要注满电解液；b)与富液式蓄电池相比，充电更快，例如2-5小时，而非8小时；c)提供高功率与高能量密度；d)有效地充电；e)具有较低的内阻。TPPL电池设计还在高度抗振的情况下使用，当然这也是用于动カ应用的一个优点。本发明第一方面的方法中使用的充电装置将包括通信装置，通信装置被设置为获取与放电阶段流入和流出电池的电流有关的信息。优选地，通过位于电池上的电流传感器产生该信息，通过也位于电池上或充电器上或独立的主体上的信息存储装置(例如EPR0M)记录该信息，以及在随后的充电阶段通过通信装置将该信息传送到充电装置。充电装置还将包括控制装置(例如微处理器)，该控制装置被设置为基干与放电阶段流入和流出电池的电流有关的信息，计算将提供给电池的期望电量。例如，用于充电的装置还可以包括识别每个特定电池、測量与记录电池的每个充电阶段中提供给电池的电量(即电流与时间的积)和记录供应的总电量的装置。优选地，电池包括至少ー个传感器和存储器，该至少一个传感器能够产生与流入和流出电池的电流有关的信息，该存储器用于记录该信息。通信装置可以是有线通信装置。通信装置可以有利地是无线通信装置，无线通信装置被设置为与电池上的监测和记录单元进行无线通信，监测和记录单元监测和记录与流入和流出电池的电流有关的信息。具有用于检测和记录參数的这种单元的电池可以从EnerSys公司根据商品名WI-IQ获得，该參数例如是提供给电池的电流和/或从电池释放的电流、电池的温度、以及电池的电解液液位。当该电池被送到充电装置时，可以使用无线通信协议将该信息无线传输到充电装置。充电装置的控制装置优选地包括微处理器和存储用于该微处理器的指令的存储器，该微处理器使用该指令根据与电池之前的放电阶段中流入和流出电池的电流有关的信息，计算将提供给电池的期望电量。本发明的第三方面的能量存储和供应装置包括如上所述的ー个或多个铅酸蓄电池和充电装置。例如，能量存储和供应装置可以是如上所述的多个动カ电池和ー个或多个充电装置。当然，如本领域中所公知的，每个电池都可以包括ー个或多个单元。本发明在第四方面中提供了ー种操作铅酸蓄电池的方法，其中电池被至少部分地放电然后被充电，该方法包括a)监测电池放电期间流出电池的电流与任何流入电池的电流；b)根据记录的电流值，计算自电池最后一次处于完全充电状态以来从电流移除的净电量；c)然后通过将移除的净电量乘以充电因数，计算将在充电期间提供给电池的电量；以及d)将计算后的期望电量提供给电池以为其充电。在具体的实施方式中，本发明还在第五方面中提供了ー种能量存储和供应装置，包括多个铅酸蓄电池，每个电池设置有測量流入和流出电流的传感器和记录与该电流有关的信息的装置，以及 用于为电池充电的充电装置，包括从正被充电的电池获取记录的信息的通信系统、被设置成基于该记录的信息和基于预定的充电因数计算将提供给电池的期望电量的微处理器、与将该期望电量提供给电池从而为其充电的装置。本发明在第六方面中提供了一种为铅酸蓄电池充电的充电装置，包括被设置从电池获取与自电池最后一次处于完全充电状态以来从电池移除的净电量有关的信息的通信系统、被设置为基于该信息和预定的充电因数计算将提供给电池的期望电量的微处理器、以及被设置为将计算的期望电量提供给电池而为电池充电的供电装置。本发明第二和第六方面的充电装置以及本发明第三和第五方面的能量存储和供应装置被期望地设置为根据本发明的第一方面的方法进行操作，并且如上所述的本发明第一方面的方法的优选特征也可以应用到这些其它方面以作为本发明的这些其它方面的优选特征。本发明第一方面的方法的那些优选特性也可以是本发明的第四方面的方法的优选特征。在一个实施方式中，本发明第一方面的方法在整个电池寿命中应用到电池上。在单独的实施方式中，仅在一部分的电池寿命中，根据本发明第一方面的方法操作电池。在剩余部分的电池寿命中，可以根据另ー机制例如常规的充电和放电机制操作电池。任选地，在电池寿命的至少ー个时间段内，根据以下方法操作电池在电池寿命的这个时间段中以预定的方式改变充电期间施加的电压。在与本申请同一天提交的题为“AMethod andApparatus for Charging a Battery(用于对电池进行充电的方法和装置)”的待审的专利申请中描述了这种方法。在该实施方式中，在电池寿命的一个时间段中根据本发明的第一方面的方法操作电池，并且在电池寿命的另ー时间段中根据第二方法操作电池，其中电池经历电池被放电的放电阶段以及电池被充电的充电阶段，该方法包括a)监测和记录与电池放电和/或充电历史有关的信息；b)在充电阶段中，将电池连接到充电装置且将电压施加到电池上，其中根据记录的与电池放电和/或充电历史有关的信息来调整该电压。实质上，在根据本发明的第一方面的方法进行操作期间，基于提供比自电池最后一次处于基本充满电状态以来从电池移除的净电量超出预定程度的电量进行充电，但是在根据第二方法进行的操作期间，基于施加相对于电池已经使用的量进行优化的充电电压而进行充电，其中电池已经使用的量通常由所经历的放电/充电次数、或从电池释放或充入电池的总电量表示。
优选地，在最初的第一时间段中根据第二方法操作电池，在随后的第二时间段中根据本发明的第一方面的方法操作电池。根据这个实施方式，如果在一部分的电池寿命中，至少部分地基于电池的历史、尤其是基于电池寿命中电池放电和/或充电历史，控制充电期间施加的电压，可以延长铅酸蓄电池的工作寿命。电压的控制通常包括选择将在充电期间施加到电池的电压。因此，通过根据电池处于其工作寿命中的 情况而改变充电期间施加到电池的电压，可以减少电池充电期间发生的副反应，因此延长电池的工作寿命。本发明的这个实施方式适用于在整个或部分充电阶段中施加设定电压的任何充电系统。第二方法尤其适用于恒定电压系统和混合系统。在混合系统中，可根据第二方法控制在充电阶段的恒定电压部分期间施加的电压。在电池的寿命中，将多次发生放电状态与充电状态之间的循环。例如，制造商可以规定电池具有100安培小时的总充电容量，以在80 %的放电深度的水平处提供600次放电/充电循环。电池在其工作寿命中的预期总能量容量可以被计算为100安培小时X0. 80X600，总共等于48，000安培小时。与电池放电和/或充电历史有关的信息例如可以与电池寿命中电池放电历史有关、或者可以与电池寿命中电池充电历史有关、或者可以与电池寿命中电池放电与充电历史有夫。该信息例如可以与在电池寿命中已从电池释放的总电量有夫。可替代地，该信息例如可以与其寿命阶段提供给电池的总电量有夫。任选地，该信息与电池已经经历的放电阶段的数量有夫。任选地，信息与电池已经经历的充电阶段的数量有夫。在优选实施方式中，基于记录的与电池的放电和/或充电历史有关的信息，调整充电期间根据第二方法施加到电池的电压，以在电池的寿命中逐渐降低充电阶段施加到电池的电压。根据第二方法施加到电池的电压不能降低到将电量输入到电池中所需要的最小电压即通常约每单元2. 21伏以下。在新电池经历的首次充电阶段中所施加的初始电压通常基本上高于该最小电压，以在合理时间期限内对电池进行充电。例如，当根据第二方法操作时，基于有关的特定铅酸化学性质，最初充电阶段施加到电池的电压可以是每単元
2.25-2. 60伏，例如是每单元2. 35-2. 50伏，并且尤其优选地是每单元2. 35-2. 45伏。电压的选择还可能受到电池环境温度的影响。在根据第二方法操作电池的电池寿命期间，任选地不断降低充电阶段施加到电池的电压。任选地，在根据第二方法操作电池的电池寿命期间，阶梯式降低充电阶段施加到电池的电压。任选地，当根据第二方法操作时，与电池放电和/或充电历史有关的信息涉及与电池放电和/或充电历史有关的至少ー个參数，调整施加到电池的电压以使该电压在该參数的预定值处阶梯式减小。例如，该參数可以是在之前充电阶段中施加到电池的总电量。作为ー个示例，上述在其计划的寿命中具有48，000安培小时的预期总能量容量的电池可能已经历了在每个充电阶段接收平均80安培小时的150次充电阶段，使得提供给电池的总电量是80安培小时X 150 = 12，000安培小时。因此，电池经历其预期寿命的25%。在电池根据第二方法操作的期间，电压的每次阶梯式降低的程度与阶梯式降低的次数可在宽泛的范围内变化，永远记住，需要将施加到电池的每单元电压保持在ー个水平处，该水平将在可行的时间实现电池的充电。在实践中，通过可由系统检测的最小电压变化来确定可能施加的最小阶梯式降低。电压的该阶梯变化或每个阶梯变化例如可以在每単元1-50毫伏范围内，可选地在每单元1-30毫伏范围内，优选地在每单元2-20毫伏范围内，更优选地在每单元2-10毫伏范围内。在电池根据第二方法操作的期间施加的阶梯变化数量优选地至少是两个，并且例如可以是2-20个，更优选地是5-15个。阶梯可以位于规律的间隔或不規律的间隔处。优选地，它们位于规律的间隔处。例如，第二方法可以包括，以计划的电池寿命中为电池计划的预期总能量的2-20%范围内的规律间隔使施加到电池的充电电压降低每单元1-50毫伏更优选为2-30毫伏的范围中的水平。对于另ー种方法，在ー个实施方式中，当提供给电池或从电池释放的总能量达到电池预期总能量容量的2-20%范围中的百分数时，或者达到该百分数的倍数时，充电期间所施加的电压可减小每単元1-50毫伏的范围优选姆单元2-30毫伏的范围中的量。例如,对于在其寿命中具有48，000安培小时的总计划能量容量的电池，第二方法可以包括每当充电期间提供给电池的总电量达到4800安培小时(电池预期寿命的10% )或其倍数时使充电期间所施加的电压降低每单元10毫伏。
本文中提及的电池放电不应视为电池完全放电，除非上下文中清楚地表明这种含义。实际上，通常将电池放电至小于100%的放电深度，例如小于80%，以免损坏电池。应当理解，在本文中，当电池根据第二方法操作时，根据与电池的放电和/或充电历史有关的信息来调整或控制充电期间施加到电池的电压，不应视为仅根据该信息控制电压。在很多情况下，将根据几个不同标准来控制根据第二方法在充电期间施加到电池的实际电压，与电池的放电和/或充电历史有关的信息仅是这些标准中的ー个。这种其它标准通常包括电流极限值与电池温度。此外，当在充电阶段早期充电系统应用电流极限值时，流入那个电池的电流通常处于该极限值(假定电池处于有效放电深度)，因此在充电阶段早期，基于与电池放电和/或充电历史有关的信息的电压调整通常对电流没有影响。当电池接近完全充电状态时，提供给电池的电流将通常适当地降低到电流极限值以下。因此，基于与电池放电和/或充电历史有关的信息的电压调整将在充电循环的后期具有最大的影响。第二方法还可以包括，在电池充电期间测量电池的温度，基于该温度调整施加到电池的电压。因此，当根据第二方法操作电池时，通常根据ー个或多个因素控制充电循环中任何时刻施加到电池的实际电压，与电池放电和/或充电历史有关的信息仅是这些因素中的ー个。非常重要的是，如果所有的其它因素都是相同的(例如，假定不应用任何电流极限值，并且假定是同样的温度)，施加到电池的电压将根据该信息而变化，例如，随着电池经历的根据第二方法操作电池的工作寿命的期间，降低充电期间施加的电压。操作电池的第二方法可以包括i)提供预定的初始基本充电电压；ii)基于电池放电和/或充电历史，降低预定的初始基本充电电压，以给出调整后的充电电压；iii)任选地基于电流极限值和/或电池的温度，进ー步调整该调整后的基本充电电压；以及iv)将调整后的充电电压或者如果合适的话将进一步调整后的充电电压施加至电池，由此为电池充电。在第二方法中所使用的充电装置包括获取与电池放电和/或充电历史有关的信息的装置；以及控制装置，该控制装置被设置成根据电池放电和/或充电历史有关的信息，控制在电池充电期间施加到电池的电压。例如，用于充电的装置可以包括识别每个特定电池、測量与记录电池每个充电阶段中提供给电池的电量(即电流与时间的积)和记录供应的总电量的装置。优选地，充电装置能够根据本发明第一方面的方法和根据第二方法操作。优选地，充电装置的控制装置包括微处理器和存储用于微处理器指令的存储器，微处理器通过根据该指令至少部分地基于与电池放电和/或充电历史有关的信息来选择充电期间施加至电池的电压而根据第二方法进行操作。这些指令优选地是算法的形式。例如，指令可以是至少基于以下各方面选择施加至电池的电压的算法形式I)与电池放电和/或充电历史有关的信息；以及2)电池的温度。现在将參照附图
，仅为了示例目的描述本发明的实施方式，其中图I示出了放电结束时的电压(Volts)相对于铅酸蓄电池经历的放电/充电循环次数的示图；
图2示出了根据操作电池的第二方法在一部分的电池寿命期间充电电压与提供给电池的总电量之间图表的实施例；图3示出本发明第一和第四方面的方法实施方式；以及图4示出本发明的能量储存和供应装置的实施方式。SBS Eon铅酸蓄电池(可从EnerSys得到)经历重复的放电/充电循环。在每个放电阶段中，通过在预定长度的时间内以恒定电流放电，将电池放电至10小时额定容量的标称的60%放电深度(DOD)。在每个放电阶段之后，以每单元2. 40伏的恒定电压将电池充电到I. 03的充电因数，即提供给电池的电量为释放电量的I. 03倍。通过监测流入电池的电流和时间，计算每个充电阶段提供给电池的电量。当达到期望的供应电量时，停止充电。图I示出了相对于电池经历的循环次数而绘制的每个放电阶段结束时的电压。如图所示，在最初的350次循环中，放电结束时的电压稍微下落，但是然后几乎保持恒定直到1000次循环。这表明，被认为损坏电池的副反应在循环范围没有増加。在常规的充电方案中，不根据电池失去的电量限制所提供的电量，则将预料到在放电结束时的电压明显降低，甚至在1000次循环时将看到电池完全故障。图2示出了根据第二操作方法在电池寿命的初始部分期间施加到电池上的充电电压的曲线的实施例。对于6单元电池，充电期间施加到电池的电压(忽略考虑电池温度和其它因素而作出的任何调整)起始于14. I伏的初始预定值，对应于每单元2. 35伏。制造商将电池设计成具有200安培小时的充电容量和在80%放电深度的情况下具有1200次循环的规定寿命。因此，规定的电池的总能量容量是96，000安培小吋。在图2中，X轴上示出了充电期间提供给电池的总电量C。如图2所示，充电期间施加的电压在电池的前半部分寿命中以4，800安培小时的规律间隔阶梯式降低，并且最终在充电期间提供的48，000安培小时总电量处达到14. 0伏，48，000安培小时与50%的电池规定寿命相对应。随后，根据本发明的第一方面的方法，使用充电因数I. 03进行充电。图3示意地示出了本发明方法的实施方式。铅酸蓄电池(例如铲车上的电池)在放电阶段I (例如在操作铲车的日班期间)放电。在放电阶段I结束时，电池被部分地放电，然后操作人员将电池连接到充电装置上，因此可以在充电阶段2 (例如夜间充电期间)对其进行充电。在充电阶段2之后，将电池与充电装置断开，并且在另ー放电阶段I中使用，例如在另一日班再次为铲车供电。在电池的寿命中，电池将经历许多次放电和充电循环。在放电阶段I中，监测随时间从电池流出的电流，例如计算和记录在放电阶段I中电池失去的总电量。在接下来的充电阶段2中，充电装置从电池获取记录的信息，并且基于这些记录的信息计算将提供给电池的期望电量。例如，可以通过将在放电阶段I中从电池释放的电量乘以预定的充电因数来计算该期望电量。然后，装置监测在充电阶段2中随时间提供给电池的电流，并且当阶段2中提供的电量到达该期望电量时，停止充电。在该实施方式中，仅在电池寿命的一部分中应用本发明第一和第四方面的方法，在电池寿命的另一部分中使用可替换的第二方法，在第二方法中，基于记录的与电池寿命中电池放电和/或充电历史有关的信息选择充电阶段2中施加的电压，记录的信息例如可以是电池在其寿命中已经历的放电阶段I的数量、或者在电池寿命中在放电阶段I从电池消耗的总电量、或者在电池寿命中在充电阶段2提供给电池的总电量。施加的电压也可能受到其他因素的影响，例如电池的温度。图4示意地示出根据本发明的能量供应和存储装置的实施方式。装置包括铅酸蓄电池3，铅酸蓄电池3具有用于对流入和流出电池的电流进行监测的传感器4和用于对与监测的流入和流出电池的电流有关的信息进行记录和存储的存储器5。
电池3在放电阶段使用期间，例如在轮班期间为铲车供电，传感器4监测随时间流出电池的电流，与电流有关的信息(例如在放电阶段I中从电池释放的总电量)记录和存储在存储器5中。在放电阶段之后，电池连接到包括控制器7的充电装置6上。控制器7可以是例如根据算法操作的微处理器。控制器7例如通过无线通信系统从存储器5中获得存储的与放电阶段I中的电流有关的信息，并且使用这些信息计算将在充电阶段提供给电池3的期望电量。然后，充电装置6将电压施加到电池3上，并且通过传感器4监测充电阶段流入电池的电流并将其传送至控制器2中，因此允许控制器2计算在充电阶段所供应的电量。当达到期望电量时，充电装置6停止向电池3提供电流。在上述的本发明的实施方式中，对于一部分的电池寿命，电池根据第二方法操作，控制器7被设置成从电池3获取存储在存储器5中的信息，该信息涉及电池3的充电和/或放电历史。例如，控制器7可以被设置成获取在电池3的寿命期间提供给电池3和/或从电池3释放的总电量有关的信息、或者电池3已经放电和/或充电的次数。例如可为被设置成根据算法操作的微处理器的控制器7在该第二方法中被设置成根据该信息选择施加到电池3上的电压，由此对电池3进行充电。电池3还可以包括温度传感器，控制器7可以被设置成当选择施加电池3上的电压时考虑温度。虽然上文中描述了本发明的实施方式，但是不脱离本发明的基本范围，可以得到本发明的其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围通过权利要求进行限定。
权利要求
1.ー种操作铅酸蓄电池的方法，其中所述电池经历所述电池放电的放电阶段和所述电池充电的充电阶段，所述方法包括 在放电阶段中，监测流入和流出所述电池的电流，记录与所述电流有关的信息； 在随后的充电阶段中，基于记录的信息计算将提供给所述电池的期望电量，并将所述期望电量提供给所述电池。
2.如权利要求I所述的方法，其中，在充电阶段中对所述电池充电包括计算从所述电池移除的净电量。
3.如权利要求2所述的方法，其中，通过将计算的从所述电池移除的所述净电量乘以预定的充电因数，计算将提供给所述电池的所述期望电量。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述充电因数在所述电池的寿命期间变化。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述充电因数在所述电池的寿命期间増大。
6.如权利要求4所述的方法，其中，在所述电池的寿命的第一部分中，所述充电因数减小，在所述电池的寿命的随后的第二部分中，所述充电因数増大。
7.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其中，所述电池是薄板纯铅(TPPL)电池，并且所述预定的充电因数处于I. 01-1. 12的范围中。
8.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其中，所述电池是富液式电池，并且所述预定的充电因数的范围是I. 05-1. 30。
9.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其中，所述电池是胶态电池，并且所述预定的充电因数的范围是I. 05-1. 20。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中，在所述充电阶段中监测流入所述电池的电流，由此允许计算将提供给所述电池的所述电量。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法，其中，使用分流器监测流入和流出所述电池的所述电流。
12.如权利要求11所述的方法，其中，通过两个分流器监测流入和流出所述电池的电流，第一分流器用于监测较低电流范围，第二分流器用于监测较高电流范围。
13.ー种操作铅酸蓄电池的方法，其中，仅在一部分的所述电池寿命中根据权利要求1-12中任一项所述的方法操作所述电池。
14.如权利要求13所述的操作铅酸蓄电池的方法，其中，在所述电池寿命的一个时间段中根据权利要求1-12中任一项所述的方法操作所述电池，并且在所述电池寿命的另ー个时间段中根据第二方法操作所述电池，在所述第二方法中 所述电池经历所述电池放电的放电阶段和所述电池充电的充电阶段，并且所述第二方法包括 a)监测和记录与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息； b)在充电阶段中，将所述电池连接到充电装置且将电压施加到所述电池上，其中根据记录的与所述电池放电和/或充电历史有关的信息来调整所述电压。
15.如权利要求14所述的操作铅酸蓄电池的方法，其中，在最初的第一时间段中根据所述第二方法操作所述电池，在随后的第二时间段中根据权利要求1-12中任一项所述的方法操作所述电池。
16.如权利要求14或15所述的操作铅酸蓄电池的方法，其中，在所述第二方法中，基于记录的与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息调整所述电压，使得在所述电池根据所述第二方法操作的时间段中，逐渐降低在充电阶段中施加到所述电池的所述电压。
17.如权利要求14-16中任一项所述的操作铅酸蓄电池的方法，其中，在所述第二方法中，所述信息涉及与所述电池的放电和/或充电历史有关的至少ー个參数，并且调整施加到所述电池的所述电压以使所述电压在所述參数的预定值处阶梯式地减小。
18.如权利要求14-17中任一项所述的操作铅酸蓄电池的方法，其中，在所述第二方法中，与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息是从所述电池释放的总电量或在充电期间提供给所述电池的总电量。
19.如权利要求14-18中任一项所述的操作铅酸蓄电池所述方法，其中，在所述第二方法中，与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息是充电期间提供给所述电池的总电量。
20.如权利要求14-19中任一项所述的操作铅酸蓄电池的方法，其中，所述第二方法还包括在所述电池的充电期间测量所述电池的温度，以及基于所述温度调整施加到所述电池的所述电压。
21.ー种能量存储和供应装置，包括 一个或多个铅酸蓄电池； 用于监测所述电池或每个电池使用期间流出和流入所述电池或每个电池的电流的装置； 用于记录与所述电池或每个电池使用期间流出和流入所述电池或每个电池的所述电流有关的信息的装置；以及 用于对所述电池或多个电池充电的充电装置，包括控制装置，所述控制装置被设置成根据记录的与所述电池或每个电池使用期间流出和流入所述电池或每个电池的电流有关的信息，计算将施加到所述电池或每个电池的期望电量。
22.如权利要求21所述的能量存储和供应装置，其中，每个电池包括ー个或多个分流器，所述分流器用于监测流出和流入所述电池的电流。
23.如权利要求21所述的能量存储和供应装置，其中，每个电池包括信息存储装置，以存储记录的与所述电池使用期间流入和流出所述电池的电流有关的信息。
24.如权利要求21-23中任一项所述的能量存储和供应装置，包括无线通信装置，所述无线通信装置用于将记录的与所述电池使用期间流入和流出所述电池的电流有关的信息从每个电池传送到所述充电装置。
25.如权利要求21-23中任一项所述的能量存储和供应装置，其中，所述控制装置还被设置成基于记录的与所述电池或每个电池的放电和/或充电历史有关的信息，控制所述电池充电期间施加到所述电池的电压。
26.用于为铅酸蓄电池充电的充电装置，包括 a)通信装置，被设置成获取与所述电池使用期间流出和流入所述电池的电流有关的信息； b)控制装置，被设置成根据与所述电池使用期间流出和流入所述电池的电流有关的信息，计算将提供给所述电池的期望电量；以及 c)供电装置，被设置为将计算的期望电量提供给所述电池。
27.如权利要求24所述的能量存储和供应装置，其中，所述充电装置还被设置为获取与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息，所述控制装置被设置为基于记录的与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息控制所述电池充电期间施加到所述电池的电压。
28.如权利要求24或25所述的充电装置，其中，所述通信装置是无线通信装置，所述无线通信装置被设置为与所述电池上的监测和记录单元进行无线通信，所述监测和记录单元监测和记录与所述电池的放电和/或充电历史有关的信息。
全文摘要
本发明涉及一种以循环方式操作经历放电阶段和充电阶段的铅酸蓄电池的方法。所述方法包括监测放电阶段从电池释放的电流和记录与该电流有关的信息，例如电池失去的电量。在随后的充电阶段中，基于记录的信息计算将提供给电池的期望电量，然后将该期望电流提供给电池。
文档编号H02J7/04GK102742111SQ201080041129
公开日2012年10月17日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年8月6日
发明者罗德瑞·埃文斯, 韦恩·科德里克 申请人:Eh欧洲股份有限公司