用于具有可变功率的负载的能量储存装置的制作方法

专利名称：用于具有可变功率的负载的能量储存装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置、元件和方法，用于储存电能，并依不同功率将该电能供应至一电负载。更特别的是，本发明涉及一种装置、元件和方法，采用一复式电池将可变功率供应至一电负载(例如驱动车辆时所使用的电动马达或引擎)。
背景技术：
过去已提出各种储存和提供电能的方法，以驱动一电负载(例如一电动马达)。例如，过去曾使用不同类型电池以驱动电动车，包括铅酸、镍镉(Ni-Cd)和镍金属合成(Ni-MH)电池。然而，每种类型的电池皆具有独特的优缺点。
例如，铅酸电池的优点为能于需要时提供大的电力的突发。此外，铅酸电池能提供足以加速和驱动电负载(例如车辆内的电动马达和引擎)的大电流。然而，铅酸电池也有能量密度低的缺点，该能量密度有时以每升瓦特小时(W-h/l)的方式来表示或测量，意即每单位体积所供应的能量很低。类似地，铅酸电池具有相当低的特定能量，该特定能量以每公斤瓦特小时(W-h/kg)来表示，意即需要一相当大的质量才能储存相当数量的能量。
相反，锂基电池(例如具有锂金属或合金制的阳极或负极的锂电池，以及非液态可充电式的锂离子电池)，例如授予Das Gupta等人的美国专利第6,159,635号中所披露的锂基电池，其能量密度和特定能量特征则较铅或镍基电化学电池高。应注意，某些类型的非液态可充电式锂离子电池，因封装于数个聚合物层内，并具有锂离子导电聚合物电解质(electrolyte)，而被视为聚合物锂电池。另一方面，由于这种锂基电池固有的高阻抗，而可能无法提供大功率突发、特别是高电流密度。此外，为避免衰竭，锂基电池需要有热管理技术，以将电池温度维持在可接受的范围，例如-20℃到最大70℃。锂离子电池内的功率突发通常会产生较大的热量，若不妥善管理该热量，将使电池衰竭。
在电动车中，希望具有高能量密度的能量储存元件，以使该能量储存装置的体积最小；并具有较高的特定能量，以便与该车辆一起被运载的重量最小。然而，也希望具有能量储存装置，它能提供较大的功率突发。特别是，通常需要电力突发以克服静止摩擦和静止电动车的惯性以及加速车辆。已注意到，已经试图过重新设计可充电式锂电池以便提供较大的电流，但却导致此电池元件的特定能量和能量密度变得较低。
过去曾提出数种不同类型的能量储存装置，以提供能供应大电力突发的高能量储存元件。例如，美国专利第5,780,980号和第5,808,448号，皆授予给Naito，此二专利披露一种具有直流电源的电动车驱动系统，该直流电压包括连接至铅酸电池的燃料电池。该燃料电池工作时能产生稳定输出，并在用于该电负载的功率很低时将电力供应至该车辆。该用于电负载的功率增加时，则由该铅酸电池与该燃料电池供应电力。Naito也披露，该铅酸电池电量低于一特定值时，该燃料电池会为该铅酸电池充电。然而，Naito的缺点为，需在该车辆的容器内装载该流体反应器，才能操作该燃料电池。这大大地降低了该元件的特定容量。同时，Naito也披露一种能从该燃料电池和该铅酸电池供应能量的精密电路。
对较小的负载来说，曾提出锂/亚硫醯氯和铅酸复式电池，例如在微电子范畴内所使用的电致变色眼镜(eye wear)。例如，授予Kallman的美国专利第5,900,720和5,455,637号披露了使用一复式电池以供电给微电子电路，该电池包括一个非可充电式的锂/亚硫醯氯电池的主电池和一个辅助的密封的铅酸电池。该主要电池和辅助电池供电给一负载，在Kallman的案例中该负载为用于电致变色眼镜的低功率微电子电路。该主要电池也供电给一控制器，该控制器又能定期为该第二电池充电。然而，Kallman并未披露该主要锂//亚硫醯氯电池为可重复充电的。同时，Kallman的元件设计成体积小且总能量输出相当低，因而无法用于较大的负载。
因此，现有技术中需要一种有效的能量储存元件，该元件的能量密度和特定能量皆相当高，以用于有可变动功率需求的大负载。此外，能量密度是重要考虑因素的同时，也必需考虑如何将该电池放置于该车辆内。换句话说，也必需考虑该元件包括该电池的有效体积，这就是说需要考虑容放所有电池的总体积而不是单个电池的体积。而另一考虑则是，在输出降至预定位准以下后，需将该系统充电。
发明概要因此，本发明的目标为至少克服现有技术的部分缺点。此外，本发明的另一目标为，提供一有效能量储存装置，以用于负载相当大的情况，例如电动车；并且最好是其特定能量及能量密度虽较高，但其温度仍在可管理范围内，以供应较大的功率突发。
因此，本发明的一方面提供一种电源，用于将电力供应至一驱动马达，该驱动马达以不同功率吸取电力，该电源包括第一可充电式能量电池，具有第一能量密度，以储存电能；第二可充电式动力电池，具有第二能量密度，第二能量密度小于该第一能量密度，用于储存电能，并且以不同功率将电力供应至该电动马达；一电池控制器，用于控制用能量电池的电能为动力电池连续地再充电；并且其中储存在该能量电池内的电能经该动力电池并以不同功率供应至该电动马达。
本发明的另一方面提供一能量储存元件，用以储存电能以传输至一电负载，该能量储存元件包括第一可再充电式电池，具有一第一能量密度并电连接至一外部电源；第二可再充电式电池，具有第二能量密度，第二能量密度小于该第一能量密度，所述第二电池电连接至该第一电池，并电连接至该负载；其中，在运作期间，该第二电池连接至该负载，并在第一电池持续充电第二电池的同时，供应电能至该负载；并且其中该第一电池定期地连接至该外部来源，以便于需要时再充电。
本发明的又一方面，提供一能量储存元件，以储存要被传输至一电负载的电能，该能量储存元件包括一可再充电式电池，具有第一能量密度且电连接至一外部电源；一可充电的电器元件，具有第二能量密度，第二能量密度小于第一能量密度，所述第二电池电连接至该第一电池，并电连接至该负载；其中，在运行期间，该可充电的电器元件连接至该负载，并在该电池基本上连续再充电该可充电式电器元件的同时，供应电能至该负载；并且其中该电池定期地连接至该外部来源，以便于需要时充电。
本发明的再一方面，提供一方法，以储存电能，用于一个以不同功率吸取电力的电负载，该方法包括将具有第一能量密度的第一可充电式能量电池充电；将具有第二能量密度的第二可充电式动力电池充电，第二能量密度小于第一能量密度；将电能从该第二动力电池以不同功率供应至该电负载；并且从该第一能量电池再充电该第二动力电池。
本发明的优点之一为该能量电池可为普遍用于车辆内的传统铅酸电池。以这种方式，该铅酸电池能提供足够的电力突发，并且在电流足够的情况下，驱动一有可变功率需求的电负载，例如车辆内的电动马达。然而，该能量电池最好为锂基电池，或是能量密度及特定能量较高的电池。因此，通过由该能量电池连续充电该动力电池，该动力电池可维持接近其最佳充电水平，将改善该动力电池的寿命。此外，通过该动力电池接近其最佳充电阶层(水准)，可保持该动力电池的能量产生能力，并以可变功率将能量供应至该负载，因而更能随时满足该负载的电力需求。然而，由于本发明的能量供应系统的主要能量储存部分，常驻于能量密度和特定能量较高的能量电池内，因此该车辆所增加的额外体积和重量皆很少。
在另一具体实施例中，该锂电池为一聚合物锂电池，包括以塑料外壳包装和密封的一非液态可再充电式锂离子电池，具有固体聚合物和有机液体的锂离子导电电解质(electrolyte)。这种聚合物锂离子电池能够制造成特定的外形或形式，并铸模成适当的外形，否则会在车辆内留下空隙。以这种方式，通过确保该能量电池四周只浪费很少的空间，能减少该能量储存元件的有效体积。
本发明的另一优点为该能量储存元件内的这二种电池皆可充电。如上所述，该能量电池实际上是连续地充电该动力电池。然而，在需要时，该能量电池也可连接至一外部来源以便充电。以这种方式，该能量储存元件易于再制，供持续使用，且不需外加流体反应物或更换该电池。此外，在一优选实施例中，当该能量电池充电时，该动力电池也可从该外部来源充电，以改善充电效率。
本发明的又一优点为由于采用一铅酸电池，因此可使用现有的能量回收技术。特别是，可利用停止该车辆的刹车期间所产生的能量，以补充该铅酸电池的能量水平。该操作通常被称为“再生式刹车”。
如同某些负载需要偶尔或定期的能量突发，某些充电源时常能利用的能量突发。车辆的再生式刹车即为“突发型”充电源的例子。若该能量储存元件能接受高速充电，即能有效接受这些能量突发。本发明优点之一为可使用偶尔或定期的电力突发，以某一功率迅速将该动力电池重新充电，而该充电功率可能无法有效率地为该能量电池所接受，或者，可能会损坏该能量电池。后续的重负载可能直接从该动力电池使用此突发型充电源。交替地，该动力电池也可能于长时间内以低功率将该能量电池重新充电。对任一特定用途而言，哪一种能量常式是最有效的，系随着该电负载的能量需求(与时间相关)及该能量储存元件的特定应用而改变。
阅读以下本发明的详细说明和说明本发明和优选实施例的附图后，本发明的其它方面将很明显。


在示出本发明实施例的附图中图1为本发明一实施例的电子系统，包括一电源储存元件；图2A为该铅酸动力电池相对于时间的放电曲线图；及图2B为该非液态可再充电式锂能量电池组相对于时间的放电曲线图。
具体实施例方式
如上所述，在本发明的一优选实施例中，提供一能量储存元件，包括连接至动力电池的能量电池。该能量电池具有高能量密度和高特定能量，以便能方便有效地储存大量能量。该能量电池也可从外部电源再充电。该能量电池能提供相当稳定的能量输出，但具有较低的电流水平。换句话说，该能量电池能执行有效储存大量能量的主要功能，而质量不会很大或占据许多空间，但可能无法提供较高或可变的电流水平，或可变动功率输出。
相反地，该动力电池则被设计成具有可变的功率输出，并能提供短且高的电流脉冲。例如，该动力电池能以该电负载所需的短且高的电流脉冲提供较高的电力突发，例如驱动车辆时所用电动马达或引擎的动力需要。然而，该动力电池可能并不具有高能量密度或高特定能量。特别是，该动力电池是可再充电式的，并且能由该能量电池再充电，或选择地由外部电源充电。
在运行中，当该动力电池持续被能量电池充电时，该动力电池满足电动负载的可变电流和功力的需求。以这种方式，由于该能量电池的关系，该电储存元件提供具有高能量密度和高特定能量的复式电池；并且由于该动力电池的关系，该电储存元件同时提供电负载所需要的可变功率和高电流突发。
该电储存装置也包括控制器，用于协调该能量电池和动力电池的充电和运行。该控制器也协调该能量电池及动力电池的充电及运行，以维持此二者的寿命，如避免过度充电该动力电池和避免使该能量电池过热。选择地，该控制器可包括一仪表板，以显示从该能量电池流至动力电池的电压和电流，以及从该动力电池流至该电负载的电压和电流。该控制器也可选择地，例如经由警告或报警元件显示出已接近该能量电池的最低可容许电压水平，以便该能量电池能开始充电。可从一外部来源将该能量电池，以及选择地该动力电池，重新充电。该控制器也能协调该能量电池及动力电池从外部电源充电的过程。
图1示出了根据本发明一实施例的电力系统，用附图标号10表示，该系统采用一能量储存装置15。如图1所示，该系统10包括该能量储存元件15，该装置连接至一负载，如图1的马达100。
图1还图示了该能量储存装置15包括二可再充电式电池20和30。第一电池为能量电池20，而第二电池为动力电池30。
也如图1所示，该能量电池20经由第一连接器21连接至该动力电池30。该动力电池30又经由第二连接器22连接至一电负载，该电负载在此实施例中为一电动马达100。在运行期间，该动力电池30经由该第二连接器22供应电能，以驱动马达100，而该能量电池20则经由该第一连接器21供应电能，基本上以连续式方式将该动力电池30重新充电。
该动力电池30经由该第二连接器22以第二电压V-2和第二电流I-2将电力供应给该马达100。应当明白，该第二电压V-2和该第二电流I-2会变动，以允许该动力电池30能根据该马达100的需求而以不同功率提供电流突发和电力。据因此，需选择该动力电池30，并将其设计成能满足该电负载的功率以及电流I-2和电压V-2的条件。
在该电负载为一马达100的具体实施例中，该马达100可为，例如一96伏特的马达，在75和500安培之间运转。在此实施例中，较方便也较好该动力电池30能具有至少5千瓦小时或者更高的容量。优选为铅酸电池30，以便以短且高的电流脉冲提供该马达100较高的电力突发。然而，也可采用其它的高动力电池来取代铅酸电池，例如镍金属或带有镍合金的复式电池或镍镉电池。
在某些具体实施例中，该装置15可包括除了电池以外的数个可充电式电储存装置，或电池的替代品，例如超级电容。
相反地，该能量电池200则被设计成能储存较大量的电能。如此一来，该能量电池20最好具有相当高的能量密度，优选高于该动力电池30的能量密度。以这种方式，该能量电池20可有效储存大量电能。此外，由于该动力电池30选择成满足该马达100的可变功率需求，因此该能量电池20可选择成不需考虑该马达100的功率要求。该能量电池20的基本考虑是该能量电池20能有效储存电能，并以所需的水平提供电能，且以适当的电压和电流基本上以连续的方式充电该动力电池30，以便维持该动力电池30的电力产生能力。
在该优选具体实施例中，该能量电池20虽为一锂电池，但也可使用任一具有此功能的其它电池。更优选采用一非液态可再充电式锂离子电池做为该能量电池20。
在另一优选实施例中，该非液态可再充电式锂离子电池也可为一可模制成各种外形的聚合物锂离子电池。以这种方式，将该聚合物锂电池模制成与任何被分配空间相当的形状，能减少该能量储存元件15的有效体积。此外，该聚合物锂离子电池可能被模制成占据其它未使用空间的形状，例如车辆内其它元件或车身零件之间的空间。在又一优选实施例中，聚合物锂离子电池作为一整体可模制为该装置15的外壳，进而减少该能量储存元件15的有效体积。
该第一连接器21的第一电流I-1和第一电压V-1选择成使该能量电池20和动力电池30的寿命达到最佳。例如，优选该电流I-1选择成对该能量电池20的有害的影响(例如该能量电池20所产生的热)达到最小。该电流I-1，优选选择成根据想要的水平提供持续的高能量，以连续充电该动力电池30，并从而维持该动力电池30的电力生产能力以及满足能量电池20和动力电池30的长期需求。因此，为了使电池寿命较长，优选选择该第一电压V-1和该第一电流I-1，使从该能量电池20传送至该动力电池30的电力足以满足该马达100对动力电池30的能量需求，但同时也低到能降低该能量电池20的温度效应。
此外，在该动力电池30为一铅酸电池30的情况下，通过使该铅酸电池30保持在接近其最高充电水平，而使铅酸电池30的寿命较长。上述所说的能在一优选实施例中实现，通过使该第一电流I-1基本上连续流至该动力电池30，而使得该能量电池20基本上连续地充电该动力电池30。通过使该第一电流I-1比较低，该能量传送速率相应地也较低，但是这仅是说明以来自该能量电池20的电能基本上连续充电该动力电池30的原因。
为了控制电池20及30之间电流和电能的流动，该电能储存装置15也包括一控制器60。该控制器60连接至该电池20和30，及该第一连接器21，以整流从该能量电池20流至动力电池30的电力。
也如图1所示，再生式刹车系统90系经由第五连接器25连接至该动力电池30。如现有技术中已知，该车辆刹车时，该再生式刹车系统90将运动车辆的动能量转换成电力能量。该再生式刹车系统90经由第五连接器25以第五电流I-5和第五电压V-5将此收回的电能优选传输至该动力电池30。
该控制器60通过控制第一电流I-1和第一电压V-1例如经由开关26，来控制在第一连接器21上的电能流量。例如，通过开启和关闭该开关26的控制器，该控制器20能控制从一个电池流至另一个电池的能量。现有技术中已知此类型开关26可快速的运作，并可能包含电容器、电感器及其它元件，因而可在相当高效率的情况下完成电力流量的控制。例如，该电能从较高的电压源流至较低的电压接受器时，该开关26说成在“推给(buck)”的模式下运行。若该电压源的电压比接受器的电压低，该开关26说成在“提升(boost)”的模式下运行。运行在这些模式的一个或另一个(或其中之一)下中的开关设计在现有技术中是公知的，因此未在本文内详加讨论。
在该优选实施例中，将该能量电池20建造成使其电压通常稍高于该动力电池30的电压，即使该能量电池20位于可用容量最低的情况。以这种方式，由于成本和效率的考虑最好将该开关26设计成总是在推给模式下操作，但这却限制了能量流以单一方向从该能量电池20流至该动力电池30。有了此项限制，在预期再生式刹车电力的突增会被传送至该动力电池30的任何时间内，该动力电池30的容量状态最好低到足以接受此能量而不会变得过充电，并且该负载特征最好能维持此情况，而不需以该动力电池30充电该能量电池20。当电动车使用该能量储存元件15时，由该再生式刹车系统90所返回的能量几乎总是低于为了加速预先所供应的能量。因而，该动力电池30中通常能保持在充电容量的状态，以容纳来自该再生式刹车系统大部分的电力突发。
在另一具体实施例中，该开关26能在推给和提升模式下运行，例如，若该动力电池30已被该再生式刹车系统90过度充电，该动力电池30仍能充电该能量电池20。
图1也示出一充电器50，用于从数个外部电源8将该储存元件15充电。该充电器50可经由连接器16，17和18连接至能量储存元件15。
在一优选实施例中，使用该能量储存元件15以供应电力给一车辆(未显示)的电动马达100。该装置15将容纳在该车辆内。即使当该车辆正在移动，该能量电池20也能基本上持续地充电动力电池。
由于这些外部电源8通常为固定的，该元件15的再生一般系发生于车辆静止时。在此实施例中，该充电器50可定位于固定位置，并且从外部电源8，例如水力发电的干线(hydro mains)，提供电力用于该能量储存元件15再生。
连接器16和18从该充电器50分别供应能量给能量电池20和动力电池30。如图1所示，经由连接器16所形成的第三连接器23，该充电器50将电力供应给能量电池20，在此实施例中能量电池为一非液态的锂离子电池20。该第三连接器23将以第三电压V-3和第三电流I-3提供电力，第三电压和第三电流选择成能满足该能量电池20的充电特征。类似地，经由该连接器18所形成的第四连接器24，该充电器50将电力输送至动力电池30。该第四连接器24以第四电压V-4和第四电流I-4提供电力，第四电压和第四电流选择成能满足该动力电池30的充电特征。以这种方式，该充电器50可同时充电能量电池20和动力电池30。
该控制器60经由连接17连接至充电器50，以便使该控制器60能控制电压V-3和V-4以及电流I-3和I-4。该控制器60控制电压V-3和V-4和电流I-3和I-4，以确保电池20和30能有效再充电并且不被损坏。
由于该能量电池20具有较大的能量储存和操作容量，可能需要较多时间来充电，因而该控制器60首先通常会停止充电动力电池30。应当明白，也可以不必让该充电器50充电动力电池30，至少因为该能量电池20能为动力电池30充电。换句话说，在一实施例中，只有该能量电池20是经由充电器50从该外部电源8充电，然后该能量电池20再充电动力电池30。在此实施例中，不需要该连接器18和第四连接器24，也不需要用于该电压V-4和电流I-4及第四连接器24的相关控制电路，因而减少总成本。然而，通常优选使该连接器18和第四连接器24直接从充电器50连接到动力电池30，因为此种做法可让电池20和30二者同时充电，因而减少该装置15的总充电时间。
图2A为该动力电池30随时间经过的放电曲线图。如图2所示，该动力电池30，(在此优选实施例中为一铅酸电池30)的容量将以对应于马达100所需要的突然电力突发210分阶段减少。例如，当该车辆静止并需加速时，为了克服惯性和静止摩擦，需要该突然的电力突发210。然而，一旦发生这些起始突发210，即使该动力电池30正供电给马达100，该动力电池的容量也会开始增加，这是因为该锂电池20正持续充电铅酸电池30。换句话说，发生起始突发210后，并且该马达100正于稳定状态运转，以相当稳定的速度移动该车辆，该非液态锂电池20以比该动力电池30供应给马达100的能量还高的水平来充电动力电池30。以这种方式，即使该动力电池30在稳定状态供应能量给马达100，也可增加其容量。
图2A中以字母R所标示的点，表示将从一固定外部来源8通过该充电器50将元件15(包括该铅酸电池30)充电。充电期间(在图2A中以附图标记250表示)，该铅酸电池30将通过充电器50从固定的外部电源8被充电，以增加其容量。
在从固定外部来源8充电的期间中，该非液态锂离子能量电池20也能以基本上连续的方式为动力电池30充电。此持续再充电将该铅酸电池30的容量增至平稳停滞段(在图2A中以附图标记220表示)。这些停滞期220代表该铅酸压电池30在被该锂离子电池20持续充电的同时，以低电力水平供电给该马达100。换句话说，这些停滞段220代表一稳定状态水平，其中“能量”基本上从该能量电池20经由动力电池30流入马达100。虽未示出，这些停滞期220也可向上朝该铅酸电池30整个或100％容量水平的方向倾斜。这说明该能量电池20所供应的电力多于该马达100所需要的，并且也在特定的时刻以大于该马达100所需的电功率为动力电池30充电。
图2B示出随时间变化的该锂离子能量电池20的容量。如图2B所示，该能量电池20的容量随时间相当稳定地减少。虽然该能量电池20的容量可能具有下降212(对应于该动力电池30的突然电力突发210)这些下降的程度不会像该动力电池30的容量所具有的下降那么激烈，至少因为该能量电池20不是被设计成用于以高速传能量。类似地，如图2B所示，该能量电池20对应于该动力电池30的平稳停滞段220所产生电力锐减的程度较不陡峭。这代表该动力电池30以较低的电力水平供应电能给该马达100。
很显然的，如图2A所示，该铅酸电池30的容量将随时间经过而减少。图2A以字母R所标示的点，表示包括该能量电池20的该元件15将被充电。图2B以附图标记251表示能量电池20在充电。如图2A所示，在充电期间，该能量电池20的容量将逐渐增加至接近或达到满电量。
该能量电池20的容量低于一临界值时，该元件15通常会被充电，该临界值在图2B中通常以标示为字母L的较低的虚线表示。虽然可在该指示面板上和/或以激发一警示的方式显示动力电池30的容量，该能量电池20的容量仍为决定何时需将该装置15充电的主要因素。该装置15可包括一警示和/或仪表板(未显示)，以指示何时该能量电池20的容量正接近或是已达到此临界值。例如，在图2B以标示为字母R的点来表示。图2A和2B示出该动力电池30和能量电池20的容量在大约相同的时间内达到较低临界值。应当明白，情况不一定会这样，但该能量电池的容量将是决定何时应充电该装置15的主要因素。也应当明白电池20和30二者的较低临界值，选择成以避免损坏或使该能量电池20和/或该动力电池30衰竭。
因此，使用如上所述的该能量储存装置15，可从能量密度较高的能量电池20将能量供应至能量密度较低的动力电池30，然后至一电负载(即该马达100)。以这种方式，该能量密度较低的动力电池30主要暂时储存在来自该能量电池20的能量，以根据该负载100所需的功率来供应能量。该较高的能量电池30可有效地储存该车辆的电能。
现在将提供一具有传统铅酸能量储存元件的车辆和一具有本发明的能量储存元件15的车辆的比较范例，以进一步叙述和解释本发明。
一开始，将一传统转换式且具有96伏特直流马达的电动车辆(Suzuki Motors(铃木电动机)/REV Consulting)装上一组16个高品质6伏特的铅电池(Trojan-Trade Mark(Trojan-商标标志))串联组，总重量为523公斤，体积为225公升，其20小时功率的名义容量为23.4千瓦小时。该电池本身的重量和体积并不包括用于安装、容纳和冷却该电池的支撑结构和外壳的重量和体积。虽然性能可以接受，但该车辆范围限制在大约在每次充电70公里。按照该车辆每小时60公里恒定速度的马达的平均电流约为40安培。因而，远低于此电池可利用的名义容量一半以下。加速期间的马达的尖峰电流为440安培。
然后以本发明实施例的动力电池20和能量电池30重新构建该车辆的电力系统，如图1所示。该动力电池20包括8个12伏特的汽车用铅电池(Interstate Trade Mark(Interstate-商标标志))，与名义电压96伏特串联连接。这些电池无额定的容量，但其额定起动电流为525安培而额定冷起动电流为420安培。此电池在充满电时的最大电压约为110伏特。该能量电池包括一锂离子聚合物电池串联/并联装置480，每一个具有11.4安装小时的容量，最大额定电流容量为4安培而名义电压为3.65伏特(由加拿大多伦多市的Electrovaya所制造)。一组内有12个并联电池，共有40组电池串联，该电池的最大充电电压约为160伏特而放电后的最小电压约为120伏特。
该铅动力电池30和锂能量电池20以一推给模式的开关连接，在115千赫兹下运行并提供约90％的效率。该开关控制器60被设定成在该动力电池20降至75％容量时，允许40A电流从该能量电池20(充电该动力电池30)流出，并在动力电池30到达80％充电容量时，停止电流流动。可从一外部来源8使用220伏特单相60Hz供应(其最大额定电流为20安培)，将该能量电池30充电，并使用现有技术中已周知的自耦变压器、整流器和滤波器加以控制。在该能量电池20充电期间，电压被控制，以便该充电电流保持在低于18安培，并且在接近充电结束时仔细监视该电池组电压，以便每一个电池组的电压都不会超过4.20伏特。
运行中，在快速加速期间流至该马达的电流达到385安培的最大值。在再生式刹车期间回流至该动力电池的电流达到112安培的最大值，但仅在一突然的停止期间内持续几秒。在正常开车期间的平均马达电流约低于40安培。该动力电池轻易便能供应较高的电流脉冲，并且接受该再生式刹车脉冲时所产生的过电压也很小。完全充电时，该车辆可以开到约180公里，超过此距离后就必需将该能量电池充电。即使在重覆充电和使用后，该车辆的效能并未呈现降低。
该能量电池20的重量为103公斤，而该动力电池则为105公斤，总重约210公斤。该能量电池所占的体积为50公升，而该动力电池所占的体积为60公升，总体积为110公升。这些重量和体积还不包括在该改良系统中的安装、包装容器和冷却系统，由于该电池系统较轻也较小的关系，这些安装、包装容器和冷却系统的重量和体积本身也会变得较轻和较小。
因而，本发明的该组合或复式电池储存元件15比被取代的传统单排电池轻巧很多，也较有效率。在此范例中，该能量电池20的额定电流为48安培(每组12个并联电池，每个电池4安培)并且不可能传递该动力电池30所传送的并为该马达100所需要的385安培加速脉冲。然而，以该传统单排电池所说的动力电池30重量较重，体积也较大。因而，本发明的储存元件15与传统单排电池相比具有多个优点。
本发明该电池储存元件15的另一优点可从该二电池20和30摆放位置的灵活性看出。供应较高电流脉冲的该动力电池30最好设置在接近该马达处，以便使昂贵、笨重和电阻式的绕线长度达到最小。因为电池尺寸和重量的关系，故在传统车辆中无法将该整个电池设置在接近马达处，因而需花费额外的成本并增加总重量来取得所需要的额外的电缆线。在重新构建的车辆中，该动力电池30被设置在接近该马达100处，减少了沿着该第二连接器22那些笨重且昂贵的电缆线的相关成本和重量。然而，电流相当低的该能量电池20可使用较轻且便宜的电缆线，供该第一连接器21连至动力电池30，并且因而可设置在离该马达100和动力电池30较远处，而不需笨重且昂贵的电缆线。
应了解，已用优选实施例来叙述本发明，其中该能量电池20虽为非液态锂离子电池，但并不限于此类型电池。只要该能量电池的能量密度大于该动力电池的能量密度，皆可使用任一类型的电池，例如钠硫电池、锂气电池或化学相等物。在数个优选实施例中之一，该能量电池20包括一聚合物锂离子电池，可模制成各种外形，从而减少该能量储存元件15的有效体积。类似地，虽然以包括铅酸电池30的动力电池30来叙述本发明，但本发明并不限于此。只要是能以能量电池20(例如一锂电池)充电，并能根据该负载100所要求的不同功率提供该电能的任何类型动力电池30都可采用，例如，高功率锂或锂离子电池和高功率镍液体电池。此外，在某些实施例中，还可使用除了电池以外的其它类型能量储存元件(例如超级电容)，或以该元件来取代电池。
应当明白，在此交互使用术语“电池(cell)”和“电池(battery)”，即使一般来说电池(battery)的意义较电池(cell)广。这表示该能量电池20和动力电池30二者皆可为电池。
也应当明白，如图1所示，本发明可包括其它装置和元件，包括如现有技术中已知能操作该元件15的滤波器、电容、电感和感应器，为了清晰的关系而在此省略。
应当了解，虽然已针对本发明数个实施例中的一个或另一个来叙述本发明的各种特征，本发明的各种特征和实施例仍可如在此所说明和图示的与本发明其它特征和实施例加以结合或使用。
虽然本发明已叙述和图示本发明的某些优选实施例，应了解，本发明不限于这些具体实施例。本发明包括所有在功能方面、电器方面或机械方面均与已在此说明和图示过的该特定实施例和特征等同的具体实施例。
权利要求
1.一种将电力供应至驱动马达的电源，所述驱动马达以不同功率吸取电力，该电源包括第一可再充电式能量电池，该电池具有第一能量密度，以储存电能；第二可充电式动力电池，该电池具有第二能量密度，第二能量密度小于第一能量密度，用于储存电能并以不同功率将电力供应给该电动马达；电池控制器，能控制该动力电池的再充电，该充电方式基本上为连续性的，用来自该能量电池的电能充电该动力电池；及其中储存在该能量电池内的电能经由该动力电池并以不同的功率供应给该电动马达。
2.如权利要求1所述的电源，其中该电池控制器通过控制从该能量电池流经第一连接器而流至该动力电池的电能，来控制该动力电池的基本上为连续的再充电。
3.如权利要求2所述的电源，还包括沿着该第一连接器的开关；及其中该控制器通过控制沿着该第一连接器的开关，来控制该动力电池的基本上为连续性的再充电。
4.如权利要求1所述的电源，其中该能量电池为锂基电池，由下列各物组成的群中选出非液态锂离子电池、锂气电池和聚合物锂离子电池；而该动力电池为铅酸电池。
5.如权利要求1所述的电源，其中该能量电池为非液态聚合物锂电池组。
6.如权利要求5所述的电源，其中该电源具有外壳，并且部分外壳为该非液态聚合物锂电池组所占据。
7.一种用于储存电能的能量储存装置，该电能被输送至电负载，该能量储存装置包括可再充电式电池，该电池具有第一能量密度，并电连接至外部电源；可再充电式电器元件，该元件具有第二能量密度，第二能量密度小于该第一能量密度，该第二电池电连接至该第一电池和该负载；其中，在运行期间，该可充电式电器元件连接至该负载，并在该电池基本上连续再充电该可再充电式电器元件时，将电能供应至该负载；及其中该电池定期地连接至该外部来源，以便于需要时将该电池再充电。
8.如权利要求7所述的能量储存装置，其中该可再充电式电池系由下列各物组成的群中选出非液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和钠硫电池。
9.如权利要求7所述的能量储存装置，其中该可再充电式电器元件由下列各物组成的群中选出超级电容器、高功率锂电池、锂离子电池、高功率镍液电池、铅酸电池、镍合金复式电池、镍金属电池和镍镉电池。
10.如权利要求7所述的能量储存装置，其中该可再充电式电池括能量可再充电式电池；而该可再充电式电器元件也包括动力可再充式电池，以基本上连续再充电该能量可再充电式电池。
11.如权利要求10所述的能量储存装置，还包括电池控制器，用于控制该动力电池的再充电，该充电方式基本上为连续性的，将来自该能量电池的电能充电至该动力电池。
12.如权利要求11所述的电能储存装置，还包括开关，至少有部分的该电能经由该开关而从该能量电池流至该动力电池流；及其中该电池控制器控制该能量电池实质上连续地再充电该动力电池的过程。
13.如权利要求10所述的电能储存装置，其中该能量电池为锂基电池，且该动力电池为铅酸电池。
14.如权利要求13所述的电能储存装置，其中该能量电池为非液态聚合物锂电池组；并且其中该元件具有外壳，并且外壳为该非液态聚合物锂电池组所占据。
15.如权利要求10所述的电能储存装置，其中储存在该能量电池内的电能经由该动力电池供应至该电负载；并选择该动力电池，使其以该电负载所需的功率、电流和电压将电能供应至该电负载。
16.如权利要求10所述的电能储存装置，其中该动力电池可电连接至外部来源，以用于再充电；及其中当该能量电池需要再充电时，该动力电池可电连接至该外部电源，以用于再充电。
17.如权利要求16所述的电能储存装置，其中该能量电池和该动力电池都通过充电器连接至该外部来源。
18.如权利要求16所述的电能储存装置，其中该电负载为车辆内的驱动马达，该能量储存装置系包括于该车辆内；及其中该能量电池基本上连续再充电该动力电池，包括该车辆正在移动时。
19.如权利要求18所述的电能储存装置，其中该外部电源为静止的；及其中该能量电池在该车辆静止时充电。
20.一种储存用于电负载的电能的方法，该电负载以不同功率吸取电力，该方法包括充电，具有第一能量密度的可充电式能量电池；充电具有第二能量密度的可充电式动力电池，第二能量密度小于该第一能量密度；以不同功率将电能从该动力电池供应至该电负载；从该能量电池充电该动力电池。
21.如权利要求20所述的方法，其中从该能量电池再充电该动力电池的方式包括，通过电池控制器所控制的开关，从该第一能量电池以基本上连续性的方式充电该动力电池。
22.如权利要求20所述的方法，其中该电负载为车辆内的驱动马达，并且该可再充电式能量电池和该可再充电式动力电池均包括在该车辆内。
23.如权利要求22所述的方法，尚包括该第一可再充电式能量电池的能量容量降至临界值以下时，从外部固定电源定期再充电该第一可充电式能量电池。
24.如权利要求20所述的方法，其中该可再充电式能量电池由下列各物组成的群中选出非液态锂离子电池、锂气电池、聚合物锂离子电池和钠硫电池；及其中该可再充电式动力电池由下列各物组成的群中选出铅酸电池、高功率锂电池、锂离子电池、高功率镍液电池、镍金属电池、镍合金复合式电池和镍镉电池。
全文摘要
本发明所披露的是一种用于储存电能的电能储存装置，并且将该电能以不同的电力水平供应给一驱动马达。该电源储存装置具有能量电池，其连接至动力电池。该能量电池的能量密度较该动力电池大。然而，该动力电池能以不同功率将电源供应给该电动马达，从而确保在需要时，该马达具有足够的功率和电流。该能量储存电池能持续地为该动力电池再充电。以这种方式，该动力电池将暂时储存从该能量电池所接收到的电能，并且根据该马达所需的不同功率供应电能。为了将此二电池再充电，该能量储存装置是以可分开的方式连接至一外部电源。可分别将此二电池充电，使此二电池的再充电和寿命特征达到最佳。
文档编号B60L1/00GK1527772SQ02807719
公开日2004年9月8日 申请日期2002年4月3日 优先权日2001年4月5日
发明者山卡·达斯古普塔, 山卡 达斯古普塔, K 杰卡伯斯, 詹姆斯·K·杰卡伯斯, 玻拉, 雷凯许·玻拉 申请人:电子万亚国际公司