电池模块、电池组和包括电池模块的系统的制作方法

电池模块、电池组和包括电池模块的系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电池供电的照明系统的电池组，包括：·由热绝缘材料制成的围绕电池模块的外壁，·布置在外壁内的电池座，其包括电池配合在其中的多个电池插座并且由热传导材料制成，以及·无线功率交换器，其包括耦合到电池座并且布置在中心开口中的无线功率管，该无线功率管被设置用于与可以插入到无线管中的无线功率棒无线交换能量。
【专利说明】
电池模块、电池组和包括电池模块的系统
技术领域
[0001] 本发明设及电池组并且更具体地设及用于电池供电的照明系统的电池。本发明例 如相关于用于包括电池组的太阳能供电系统(例如诸如太阳能供电的离网街道照明）的电 池组。
【背景技术】
[0002] 当今，越来越多的并网街道照明被太阳能供电的离网街道照明所取代，后者还称 为太阳能供电的0SL。目前的太阳能供电的街道杆使用电池来存储在白天期间所收获的能 量W用于在夜晚中使用。用于该目的的最频繁使用的电池类型是铅电池（即Pb电池），因为 其成本相对较低。目前的Pb电池具有2至3年的相对短寿命。运主要由太阳能应用所造成：当 Pb电池在放电之后将被立即再充电时，并且在正确的充电属性(profile)的情况下，它可W 享受高达5年的寿命。但是太阳能应用并不总是产生足够的电流W用于完全再充电，尤其是 在冬天，其中Pb电池在部分带电的条件下运行（即部分充电状态）。结果是Pb典型地短暂存 续2至3年，运被被认为是不够的。电池寿命被视为主要的区分因素。
[0003] 可替换地，可W使用裡电池，其具有长得多的寿命，在最优条件之下声称有20年。 但是同样地对于Li离子，室外太阳能充电条件限制寿命，该时间由操作之下的溫度造成。寒 冷条件之下的电池性能是典型地25Γ的较溫暖的测试条件下的性能的部分。运是由阿列纽 斯因子造成的，其描述较低溫度处的有限化学动力学。此外，当使用铅酸电池时，在略低于 零的溫度处电解液将冻结。在两种情况下，缓解方法是将电池的尺寸设计得过大，因此其可 W仍旧释放足够的功率。
[0004] -些电池技术在W零下的溫度充电时将退化。一个示例是W上提到的Li离子技 术，其在W高电流充电时在运样的条件下将遭受裡锻，导致寿命非常强烈的降低。针对裡锻 的缓解方法可W是将电池埋在霜层W下的地面之下，例如在Im处。但是，运将再次增加用于 地面工作的成本，并且当在热舒适区W下操作电池时溫度可能仍旧低到足W限制寿命，尽 管没有如裡锻的情况下那么剧烈。另一缓解方法是当电池寒冷时限制充电电流，但是由于 充电持续时间限于白天并且由于云和阴影的缘故计划充电中断几乎是不可能的，因此电池 可能并未完全充电。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的是提出一种减轻W上提到的问题的电池模块。
[0006] 本发明的另一目的是提出一种具有更高寿命的电池模块。
[0007] 本发明的另一目的是提出一种可W高效操作而不管困难条件如何的电池模块。 [000引本发明的又一目的是提出一种制造起来简单且廉价的电池模块。
[0009]为此目的，本发明设及一种电池模块，包括： 由热绝缘材料制成的围绕电池模块的外壁， 布置在外壁内的电池座，其包括电池配合在其中的多个电池插座并且由热传导材料制 成。
[0010] 通过内部热传导材料和外壁上的热绝缘材料的组合，电池溫度可w更容易地维持 在舒适范围中。因此，可W防止溫度对电池寿命和性能的负面影响。特别地，在室外操作的 情况下，比如例如在太阳能功率室外照明器(比如离网街道照明）中，电池的内部溫度不容 易下降至零下的溫度，它也不会过热到非常高的溫度。
[0011] 依照本发明的实施例，电池模块可W包括中屯、开口，并且热源可W安装在电池模 块的中屯、开口中。因此，热源可W将溫度维持在舒适范围之内。热传导材料确保热量容易在 电池模块内扩散，使得模块的所有电池大约处于相同溫度。外壁维持电池模块内部所产生 的热量。热源可W是电流穿过的电阻或线缆。
[0012] 在该实施例的一个特定示例中，热源由无线功率交换器形成，包括禪合到电池座 并且布置在中屯、开口中的无线功率管，该无线功率管被设置用于与可W插入到无线管中的 无线功率棒无线交换能量。在无线交换器处的功率输送期间的损失用于加热电池模块。因 此，在电池模块的充电或放电期间，产生热量，其通过热传导电池座扩散。使用无线功率交 换器的另一优点在于不需要布线或连接。因此，安装更安全且更容易并且不具有明显连接 端子的电池模块不太易于被盗窃或毁坏。
[0013] 在该变型中，无线功率管可W包括用于从无线功率棒接收功率的第一绕组和用于 向无线功率棒发射功率的第二绕组。因此，禪合可W被调适，W使得用于电池的充电和放电 的电压和电流适应于每一种情形。然而，也可能的是，无线功率管可W包括用于从无线功率 棒接收功率且用于向无线功率棒发射功率的单个绕组。电压和电流的调适可W在电池模块 中或在外部单元处完成。电池模块的该版本因而制造起来更简单且不太昂贵。
[0014] 在本发明的可W与之前的实施例组合的另一实施例中，电池模块包括用于感测电 池座中的电池的溫度的溫度传感器。由于该传感器的缘故，可W监视电池模块的内部溫度， 使得可W采取行动W避免电池寿命受到危及，比如例如停止使用电池直到溫度回到舒适 区。
[0015] 特别地，在该实施例的变型中，电池模块还包括设置用于监视由溫度传感器感测 的溫度并且用于基于所感测的溫度使热源被激活的控制器。因此，当溫度降低得太多时，电 池的控制器可W独立地或借助于外部单元触发通过热源对电池模块的加热。例如，在热源 是无线功率交换器的情况下，控制器可W触发通过无线功率交换器从电池的功率输送。由 该放电造成的热量损失对电池模块再加热，因而运避免离开电池的舒适区。
[0016] 在本发明的该变型的另外的示例中，控制器还被设置成向外部单元发信号通知至 少一个参数值，该参数值是包括下述的组中的一个:所感测的溫度、电池的充电状态、至少 一个电池的故障。所感测的溫度的信令可W是W上提到的通过无线功率交换器的功率输送 的触发。事实上，电池模块的充电和放电可W由外部单元控制，该外部单元基于发信号通知 的所感测的溫度值和/或基于电池的充电状态来决定对电池模块放电。至少一个电池的故 障可W触发技术人员的介入W用于更换出故障的电池。
[0017] 例如，控制器可W设置成经由无线功率交换器向外部单元发信号通知参数值。可 能的是，例如将信号调制到无线功率输送的频率中或者经由其它手段嵌入信号信息，使得 信号可W从外部单元获得。因此，不需要布线或连接来将电池模块连接到系统的其余部分。 运使得电池模块能够更容易地安装到系统中。
[0018] 在第一实施例的特定变型中，电池模块具有绕转轴定屯、的柱体形状或具有棱柱形 状，其中中屯、开口绕转轴定屯、。该特定形状和布置确保电池座中的热量的均匀且高效的扩 散。而且，该形状特别良好地适应于安装在杆（比如照明杆）中。可W预想到其它形状，比如 可W安装在杆的顶部上的例如铁饼形状(即平坦柱体）。
[0019] 在本专利申请的意义下，棱柱是具有η条边的多边形基底、平移的副本(与第一个 基底不再同一平面中）W及接合两个基底的对应边的η个其它面（必然全部是平行四边形） 的多面体。而且，术语"柱体"应当理解为由通过接合表面链接的两个曲线段(例如圆形、楠 圆形)形成的任何体积。棒形状柱体是在曲线段是两个相同圆形时的特定情况。
[0020] 为了使电池保持尽可能地紧凑，在W上变型的示例中提出，电池模块的电池控制 器从在中屯、开口与外壁之间的转轴径向延伸，占据电池座的基底部段的弧段，多个电池插 座散布在电池座的基底部段的其余弧段中W使得电池座中的热梯度被优化。
[0021] 在可W与之前的实施例组合的本发明的另一实施例中，电池模块成形为使得多个 电池模块可W绕无线功率棒堆叠在彼此顶部上。因此，电池模块可W单独用在系统中或者 用在紧凑的电池组中。运提供取决于安装者针对每一种情形的需要的使用灵活性，同时保 持尽可能紧凑的解决方案。为此目的，形状可W包括对应于另一侧上的肩部的一侧上的凹 槽。
[0022] 依照本发明的另一方面，提出一种包括依照本发明的第一方面的一个或多个电池 模块的电池组。
[0023] 在本发明的该方面的实施例中，电池组包括功率通道控制器，其适于基于W下参 数中的至少一个控制电池模块的能量输送:相应电池模块的内部溫度、来自能量收获器的 输入电压、来自能量收获器的输入电流、相应电池模块在电池组中的位置、相应电池模块的 充电状态。
[0024] 因此，功率通道控制器能够取决于需要而决定如何单独地为电池组中的模块充 电。在本发明的示例中，电池模块堆叠起来，令人感兴趣的是，优先为底部电池模块充电，使 得电池模块的整个堆叠可W受益于其最底部部分处的无线功率交换器中所造成的热量。
[0025] 在该实施例的另外的变型中，功率通道控制器适于通过调节W下参数中的至少一 个来控制能量输送W维持能量输送的最优效率:电压、电流、频率。因此，不管由于改变的光 照条件引起的在例如太阳能面板处收获的功率水平的波动，功率通道控制器都能够通过调 节绕组中的电流的频率、电压和/或电流来在电池模块的充电或放电期间维持效率水平。例 如在充电期间，优选的是将电压维持在标称充电电压处，因此功率通道控制器将调节电流 和频率W将禪合和功率输送维持在最优或接近最优点。
[0026] 在另一实施例中，功率通道控制器适于基于要在电池模块中注入的热量的量来控 制到具有所选效率的操作点的能量输送。事实上，取决于对于进入电池中的热量的需要，例 如在寒冷条件下，可W选择略低于最优的操作点，W确保无线功率交换器处的功率输送产 生足够的电损失。运些电损失通过焦耳效应转换成热量，该热量确保电池维持在热学适区 中。
[0027] 在本发明的该方面的实施例中，多个电池模块中的每一个包括中屯、开口，电池模 块还包括：由多个无线功率管和无线功率棒形成的无线功率交换器，每一个无线功率管相 应地禪合到多个电池模块中的每一个电池模块的电池座并且布置在其相应中屯、开口中，无 线功率棒插入到电池模块的无线功率管中并且设置用于与多个无线功率管无线交换能量 的无线功率棒。
[0028] 依照本发明的又一方面，提出一种照明系统，包括， 光照单元， 依照本发明的第一方面的电池模块或者本发明的第二方面的电池组，W用于在功率方 面供给光照单元， 用于在功率方面供给电池模块或电池组的能量源。
[0029] 依照本发明的该方面，能量源可W是能量收获器，比如太阳能面板或风车收获器。 还可能的是电源是电网，在功率短缺的情况下电池用作备用。运样的功率短缺在一些发展 中国家可能每天都发生。由于电池模块的益处，运样的光照系统可W甚至在困难室外条件 下(比如在寒冷的冬季)使用，而对电池可靠性影响较小。
【附图说明】
[0030] 本发明的运些和其它方面将从在W下描述中通过示例方式并参照附图描述的实 施例显现并且进一步参照该实施例进行阐述，在附图中 -图1示出作为太阳能供电的杆的电池供电的照明系统的示例； -图2A，2B和2C示意性地示出电池模块的实施例； -图3示意性地示出电池模块的实施例的横截面视图； -图4A是依照本发明的示例的底部和顶部部分上的布线的表示，并且图4B是第一实施 例中的电池模块所形成的对应电路的表示。 -图5A是依照本发明的示例的底部和顶部部分上的布线的表示，并且图5B是第二实施 例中的电池模块所形成的对应电路的表示。 -图6示意性地示出安装有无线功率棒的电池模块的另一实施例的顶部横截面视图； -图7示意性地示出安装有无线功率棒的电池组的侧部横截面视图。 -图8是表示依照本发明的实施例的照明杆的框图。 -图9是依照本发明的实施例的电池模块的侧部横截面。 -图10是表示依照本发明的实施例的照明杆的框图。 -图11是依照本发明的实施例的安装在屋顶中的照明器的表示。 -图12A和图12B表示依照本发明的实施例的变型的照明器安装步骤。 -图13是依照本发明的另一实施例的安装在屋顶中的照明器的表示。 -图14表示依照本发明的另一实施例的照明器安装步骤。
【具体实施方式】
[0031] 图1示出作为太阳能供电的灯杆10的电池供电的照明系统的示例。灯杆包括由具 有靠近地面(未示出）的扩宽部13的杆12支撑的光照单元11。该示例中的系统还包括设置成 使用太阳光生成电功率的光伏(PV)面板14。在杆12的扩宽部13内部，电池组(在图1中未示 出）可W设置成存储从PV面板14接收的电气能量。在其它示例中，可W借助于不同的收获器 来收获其它类型的能量，比如例如风车。如果电池组被充电，它可W向光照单元11提供电功 率。光照单元11可W包括LED或使用电力的任何其它照明元件。应当清楚的是，电池组存储 在杆12内部，但是它可W存储在杆12中的任何地方，优选地在地面水平W上W避免不想要 的溫度梯度。
[0032 ] 杆12内部的电池组可W包括一个或多个电池模块。图2A，2B和2C示意性地示出运 样的电池模块的实施例。在该实施例中，如图2A上所示，电池模块20包括大体柱形的外壳， 其包括外壁21和底部(未示出）W及盖子22。在模块20的中屯、部分处，开口 23设置成被向上 延伸的管形管线24围绕。图2B示出图2A的电池模块20,但是其中移除盖子22,并且图2C示出 图2A的电池模块20,但是其中移除盖子22和壁21。如可W从图2C看到的，模块20包括具有多 个孔或插座27W用于支持电池单元（即电池）的柱形内体26(充当电池座）。在该实施例中， 电池单元并行设置并且与中屯、管线23同轴。所示出的模块20尤其适合用于为具有柱形杆的 照明系统供电。应当理解的是，用于模块的其它形状是可能的，并且运可W取决于应用。
[0033] 图3示意性地示出放置在杆12内部的电池模块20的实施例的横截面。如可W看到 的，内体26包括用于放置电池的多个孔27。
[0034] 在模块的内部处设置电子模块31，其可W包括第一溫度传感器32。第一溫度传感 器32设置成测量电池的溫度。电子模块31操作为电池模块20的控制器W测量由第一传感器 32感测的溫度并且还可W测量电池的充电状态。该电子模块还可W检测电池单元何时出故 障。该电子模块在该示例中从中屯、径向延伸W用于非常紧凑的模块(在电池单元的顶部上 不需要另外的厚度）。由于内体26中的该不均匀性，电池插座27已经被非对称地放置W用于 热量在内体中的最优扩散，运例如通过模拟获得。可W看到的是，为此原因，电池插座27在 电子模块的附近间隔较小。
[0035] 内体26优选地由热传导材料制成，诸如例如聚酷胺（stanyl)或其它高热传导材 料，使得跨模块的电池溫度将不偏离得太多，并且由传感器32测量的溫度将反映所有电池 的溫度。
[0036] 模块的外壁21优选地由热绝缘材料制成，诸如例如气凝胶或聚苯乙締，使得电池 与其周围事物隔离，并且较少的热量将从内部丢失。在孔23周围，可W存在附加的隔离管33 W朝向中屯、轴隔离电池。要指出的是，外壁，特别地其厚度，可W依照电池模块在操作期间 将面对的气候条件来进行尺寸设计。因此，尽管内体或电池座26可W具有标准形状和大小， 但是电池模块可W仍旧通过调节例如外壁21的尺寸来针对条件进行定制。
[0037] 电池模块20还包括用于杆12内部的线缆引导的凹槽34。在图3的示例中，第二溫度 传感器35设置在杆12的外部。第二传感器将测量也被称为周围溫度的外部溫度。
[0038] 要指出的是，电池模块还可W包括未示出的外壳，例如水密外壳或刚性外壳，W用 于保护电池模块免受来自环境的冲击、水、灰尘损害。该外壳可W例如由成型塑料材料制 成，其提供足够的冲击吸收W及对于电池模块的保护。它还可W设计成取决于电池的使用 条件而通过某种一致性、安全性或认可测试。
[0039] 在示例性电池模块20,24中，可W配合电池单元。再次，取决于所选择的连接而提 供关于操作电压和电流的某种灵活性。依照该示例，电池模块20包括具有上表面的基底部 段，该上表面具有用于将电池模块彼此连接的传导引线；W及具有下表面的顶部部段，该下 表面具有用于将电池模块彼此连接的传导引线。在图4A的示例中，示出用于互连电池单元 41的传导带或布线的示例。在该图上，平常的连接42表示在一侧上(例如在顶部盖子的下表 面上)使用W连接电池单元41的上端的传导带。虚线连接43表示在另一侧上(例如在电池模 块的底部部分的上表面上)使用W连接电池单元41的下端的传导带。传导带可W例如由粘 贴在底部部分上和电池模块的盖子上的儀锻层制成。电池单元41然后适当地布置在电池座 中W遵守其极性。
[0040] 等同的电子方案由图4B表示，图4B示出该模块设有2个并行分支，包括串联的12个 电池单元。
[0041] 本发明的W上示例的变型在图5A和5B上表示。在此情况下，提供模块W使得24个 电池单元与3个并行分支连接，包括每8个串联的电池单元。显然，运些布线方案是说明性的 并且可W选择许多可替换的解决方案W连接电池单元。
[0042] 依照本发明的实施例，中屯、开口设计成模块化的，并且例如热源可W放置在中屯、 开口23中，使得在电池单元处维持可接受的溫度。在电池模块用在非常寒冷的条件中的情 况下，该热源特别合适。
[0043] 依照该实施例的变型，热源可W是无线功率交换器，如图6上所表示的。在该图上 所表示的是具有与图3的实施例类似的结构的电池模块。然而，除了之前解释的电池模块之 夕h无线功率交换器位于中屯、开口 23中。该无线功率交换器由包括内部绕组610和屏蔽物 612的无线功率管61和插入到无线功率管61中的无线功率棒63形成。无线功率棒63包括内 部绕组631，其对应于内部绕组610。无线功率棒63也可W包括屏蔽物(未示出），其布置在无 线功率棒内部W防止例如与内部布线的任何不想要的禪合。无线功率管61和无线功率棒63 的相应直径使得可W在之间形成最小气隙62。
[0044] 无线功率管61的屏蔽物612防止由于与电池单元的金属罐的不想要的相互作用所 致的在无线功率交换器处的任何禪合退化。在图6的电池模块中，无线功率交换器包括仅一 对绕组610和631，因此仅一个可能的禪合用于向电池中输送功率并且从电池提取功率。可 能的是例如通过实现无线功率通道控制器利用一对线圈来实现无线功率充电和放电，该无 线功率通道控制器具有优化控制器和算法W使功率输送效率适应于由太阳功率中的变化 或放电负载中的变化造成(例如由寒冷溫度或由调暗的光水平造成）的电流和电压中的波 动。
[0045] 可替换地，一些实现方式可能要求两对绕组，一对用于在电池模块处接收功率，另 一对用于从电池模块发射功率。还可能的是，具有与每个电池模块的运两对绕组组合的如 W上简要介绍的无线功率通道控制器，例如W应对从太阳能面板或风车收获的能量的波动 或放电负载中的波动。在该示例中，每一个电池模块使用用于发射/Τχ的一个线圈和用于接 收/Rx的另一个线圈。因此，W上的系统使用用于充电的单独线圈对和用于放电的另一单独 对，导致两个单独的无线功率通道。运是较早公开的系统的优化，因为在示例性太阳能供电 的照明应用中，充电模式要求不同于放电模式的其它电流。运样的系统可W产生更好的禪 合和更高的效率。
[0046] 参照图7,其表示包括堆叠在另一个的顶部上并且分别包括电池单元271和27η的 集合的两个电池模块20-1和20-η的电池组的横截面。电池组包括由电池模块20-1和20-η的 无线功率管和单个无线功率棒63形成的无线功率交换器。每一个无线功率管611-61η包括 线圈（或绕组)731-7化和741至74η的对。在每一个电池模块中，当为电池单元充电时使用一 个绕组731-73Π ，另一个741-74η用于电池单元的放电。类似地，无线功率棒63向具有面向无 线棒的每一个对应绕组731-73η的绕组711-71η的相应无线管发射功率用于电池单元的 充电）并且在面向每一个对应绕组741-74n的绕组721-7化处接收功率(在电池单元的放电 期间）。
[0047] 功率通道控制器75借助于导线76的集合而连接到每一个无线功率管绕组711- 71n，721-72n，并且控制去到或来自电池模块的功率输送。功率通道控制器还可W调节例如 电压、频率或电流W确保在每一个绕组禪合(管-棒)处的形成每一个对应禪合的效率在效 率方面总是最优的。然而，它还可W在内部溫度快速下降或者外部溫度非常低W使禪合中 的一个或多个的效率退化的情况中是有用的，因而生成更多的热量。
[0048] 图8示意性地表示包括参照图7描述的实施例的电池组的太阳能供电的照明器。如 可W在图8上示出的，在充电阶段期间，当光照充足时，太阳能面板14生成一些功率。该功率 是直流的(DC)，其被带到功率通道控制器75,功率通道控制器75然后可W调节通过布线76 输送的功率W确保无线管63处的禪合是最优的。选择性地在绕组711和/或71η上应用交变 电流W经由其相应绕组731-73η向电池模块20-1和/或20-η输送功率。在无线管611-61η的 绕组处接收的交变电流然后被转换成DC电流W用于为电池单元271-27η充电。如果例如要 求电压的调节，电子模块311-31η调适所接收的功率。而且，电子模块311-31η监视参数，比 如电池单元271-2化的充电状态或者由溫度传感器测量的其内部溫度。
[0049] 然后，在放电阶段期间，电子模块311-31η从电池单元向无线功率管611-61η的绕 组741-74η输出电流。该电流之前已经转变成具有用于无线功率交换器的适当频率的交流 电。由于无线功率交换器的禪合，在无线棒绕组721-7化处接收功率。无线功率通道控制器 75通过调适无线棒63处的负载来控制和调节所输送的无线功率。输出功率然后应用于负 载，在此为照明器。无线功率通道控制器可W选择W任何顺序使用电池模块611至61η的任 何组合W如所要求的那样最大化电气效率和热效率。
[0050] 要指出的是，在W上示例中，为了清楚起见，仅示出2个电池模块。然而，依照运些 实施例可W堆叠起来的电池模块的数目可W大于2。
[0051] 如W上所指示的，电池模块可W堆叠在彼此的顶部上。图9图示了可堆叠电池模块 的示例。在该电池模块中，形成外壁21的底部部分包括形成管状突起91的肩部。该肩部91的 尺寸设计成对应于肩部92,使得两个管状突起91和92可W穿透彼此。类似地，无线功率管61 包括在其上部上的突起94,其对应于其下部的凹陷93。运准许W精确的方式对准无线管，使 得无线功率棒可WW非常小的气隙插入到管中。
[0052] 事实上，无线功率场禪合在X和Υ和Ζ轴中受影响并且在线圈良好对准时是最优的。 X和Υ轴应当通过在棒和管之间的最小空气间隔来优化。（图7上示出的）Ζ轴应当通过将确保 发射器线圈和接收器线圈完美对准的凹口 93和94来优化。
[0053] 之前的实施例中所示的电池模块的优点之一在于电池组的尺寸设计非常简单。单 独的工具估计给定的安装所要求的能量（电荷）的量(取决于负载、电源、充电机会的频率、 错过充电机会的风险）W确定电池组的大小和将要求的电池环的数目。正确大小的电池棒 被选择并且被插入到每一个电池模块的孔中，直到所有电池环堆叠在无线功率棒上。将不 会要求布线并且该步骤完成物理安装。
[0054] 可替换地，如较早指示的，还可能的是通过实现具有优化控制器和算法W使功率 输送效率适应于由电源(例如太阳能）中的变化造成的电流和电压中的波动或可能由例如 调光造成的负载中的波动的无线功率通道控制器来实现利用一对线圈的无线功率充电和 放电。
[0055] 基于特定示例架构针对场效率进行保守计算W论证可W实现高场效率。应当领会 的是，所阐述的机制还将为具有其它所得电压和电流的其它架构工作。
[0056] 在W下的表格中列出运些选项的所得电压和电流。
[0057] 假定无线功率总线具有15%的损失。运些损失是基于并且附加于来自表格的值并 且将作为热量经由无线功率核注入到电池环中。重要的是使电池组电压与在无线功率系统 中使用的电压匹配W实现高场效率。针对在如W下的表格中列出的X单元串联和Y单元并联 的所有可能电池架构之下的典型电压和电流来分析应用。在该情况下，用于如图4A和5A中 所示的电池单元的24种位置可W支持例如8S3P电池架构或12S2P架构。
[005引在该照明应用中，电压将不保持稳定，电流也不保持稳定。 ?在充电期间，电压可能由于光伏器件的溫度中的波动而改变并且电流可能由于现存 的福照度的波动而改变。 ?在电池的放电期间，电压将减小并且电流增加。溫度可W影响电压水平和维持功率 的能力。此外，调光也将在放电期间影响功率水平。
[0059] 所得无线功率核需要被优化W支持电压和电流中的灵活性。作为无线功率通道的 预期性能的示例，现在将分析充电使用情况#3。
[0060] 在该示例中所选线圈到线圈禪合保守地在50%处。
[0061 ] 1.系统将把26,2胖(33,6￥0料0,784)充电到电池中。无线功率核的电池侧是接收 线圈或次级负载。功率通道控制器基于所存储的关于操作点上的禪合效率的数据将因而基 于例如要在初级侧处应用的电流和/或电压和/或频率而捜索最优操作点。
[0062] 2.基于所存储的协助者图，功率通道控制器将发现要求作为初级功率的30,5W; 即系统必须生成使得在电池中接收所期望的26,2W的功率。在该点处，无线功率棒中的无线 功率发射器需要在9,68V和3,15A处操作。在该示例中，使用所存储的协助者图，然而，可替 换方案是可能的。例如，功率接收器（即电池模块)可W将自身控制到所期望的操作点(在该 示例中在33,6V/0,78AW上），例如通过向功率发射器(即功率通道控制器)发送"控制错误" 信息(针对更少/更多功率的请求）。功率发射器将通过调适其频率或电压来做出反应(其中 电压还可W通过改变功率信号的占空比来调适）。
[0063] 在另一实现方式中，控制器基于针对效率的当前需要从预配置的操作点的集合选 择操作点，例如如果存在对热量的大需要，可w选择低效率点。相反，当仅要求功率转换时， 例如在更溫暖的条件下，可W选择高效率点。一种折衷被视为高效功率输送与注入到电池 模块中的热量的量之间的平衡。运意味着，如W上看到的，在某些情境中，系统将不试图实 现最优功率输送效率，而是将选择略微不太高效的工作点，因为系统需要一些额外的热量， W便将电池保持在热舒适区中。
[0064] 输入与输出之间的差异是电损失，其作为热量被注入到电池模块中。
[0065] 注释：如在系统概览中解释的，无线功率通道控制器应当能够恒定地适应于如由 太阳功率中的波动造成的电流和电压中的变化。无线功率通道控制器应当试图实现最优的 功率输送效率，但是可W从最优点偏离W通过电损失生成足够的热量，如系统所要求的和 可能的那样。
[0066] 要指出的是，通过例如通过线圈的放置和格式的谨慎优化来改进线圈到线圈禪 合，功率输送效率可能比之前的示例高得多。具有70%的较高场禪合和优于95%的所得功率 输送效率的另一示例也是可能的。作为结果，运样的系统几乎不具有任何电损失而且还具 有非常最小化的热量注入。系统可W在工作点上设计，其中它可Wa)生成足够的热量但是 b)还避免大的附加能量要求。
[0067] 应当领会的是，放电使用情况应当W类似的方式工作，其作为具有用于充电和放 电的单独线圈对的系统中或其中存在用于充电和放电的一个线圈对的系统中的单独线圈 对。
[0068] 依照本发明的实施例的电池的优点之一在于运样的电池可W容易地进行大规模 生产。
[0069] 事实上，可W例如利用拾取和放置机器人设计全自动化制造过程。 ?将无线功率核组件插入到热导体环组件中。由于无线功率核是具有相同物理外尺寸 的核组件的另一实现方式，因此放置与从无线功率线圈到电池管理电子器件的布线等同作 为附加的额外布线。在放置之前将运些导线焊接就位。 ?电池孔的圆角将促进电池单元的容易放置。 ?在将电池单元放置在热导体中之后，机器人可W将如图4A或5A上所示的包含互连件 引线的连接器盘放在电池的顶部上并且焊接单元之间的连接器。 ?在焊接顶部电池单元连接之后，机器人可W转动组并且将另一连接器盘放在顶部上 (其实际上是热导体环的底部）。单元之间的底部连接同样焊接就位。 ?电池正极和负极将从单元互连到电池电子器件。 ?在完成电气测试之后，为了结构刚性和安全性，具有电池单元、电池管理电子器件和 无线功率核的电池导体将被放置到盒中，所述盒通过例如超声焊接而完全密封。 ?隔离外壁将放置在安全盒之上(或者可W是安全盒的部分）。
[0070] 经组装的电池环现在完成W用于利用连接到将运行所模拟的测试的无线功率通 道控制器的无线功率棒的最终测试。测试结果将经由在无线功率场之上调制的命令通道读 取并且被存储W供分析。
[0071] 在之前的实施例的电池模块中，可能的是使用标准电池单元，例如Li离子单元 18650。
[0072] 尽管电池单元是标准的，但是可能的是调节电池模块的一些特性W适应于安装条 件。在示例中，可能的是取决于溫度可w有多低而改变绝缘外壁的厚度。条件越寒冷，绝缘 壁越厚。而且，可能的是将无线功率交换器的尺寸设计成不太高效，例如通过增加无线功率 管与无线功率核之间的气隙。如果无线功率交换器的效率较低，那么它在操作期间创建较 多热量，因而运使得能够更容易地维持电池单元的内部溫度。如果条件寒冷，太高效的无线 功率交换器可能不生成用于该目的的足够热量。
[0073] 为了针对安装条件调节无线功率交换器的效率，可能的是设计用于无线功率管的 单个直径并且从用于无线功率棒的若干直径中选择一个。相反情况也是可能的，即用于无 线功率棒的单个直径和用于无线功率管的不同直径。
[0074] 最终，如较早指示的，可能的是取决于实现方式中的功率需要而在单个电池组中 堆叠多个电池模块。
[0075] 图10上描绘的可替换系统架构可W通过利用AC线缆取代从杆的顶部到下方的电 池的DC线缆来优化总体系统效率。事实上，在一些情况下，光照柱可W相当高，比如例如在 高速公路上，或者在机场的出租车区上。与DC线缆相比，超过许多米的AC线缆可能更薄且更 便宜，具有更少的电阻损失。附加的AC/DC转换由DC/AC转换器1001和AC/DC转换器1002操 作。因此，功率可W在AC功率线缆之上从功率源14传输到功率通道控制器75和在功率通道 75与光照单元之间传输。运样的转换可非常高效的方式实现。
[0076] 在另一实施例中，提出使用本发明的电池组W用于屋顶安装而不是杆。
[0077] 事实上，当安装照明时，有经验的电工通常需要安装高电压AC功率网络W向其附 接灯。典型地，230VAC(欧洲)或IIOAC(US)安装在建筑物中。在其它国家中，可能应用其它电 压。可替换地，功率可W从光伏安装汲取，其将功率转换到AC并且然后将其注入到建筑物的 (较)高电压功率电网中，但是仍旧需要其中灯连接到此的较高电压网络。
[0078] 同样常见的是通过线缆夹或管线(其例如被切开并且放置在墙壁中或者灌入混凝 ±地板中，或者安装在木制地板中或者通过完全不同的手段)将功率线缆和包括(较)高电 压网络的导线安装到天花板。在不同国家存在如何将(较)高电压网络安装到建筑物中的许 多可能性和规则，但是运对于本发明而言不重要。
[0079] 该实施例的目的是避免高电压网络的安装。本实施例利用使用在建筑物外部收获 并且在没有任何线缆连接的情况下通过屋顶递送的能量源。该能量源包括例如包含光伏单 元的光伏模块，或者风车，或者可W从环境收获能量的任何其它能量收获器。
[0080] 因此，避免用于高电压网络的整个成本。还避免了用于高电压网络的相关联的安 装成本。运些成本可能是大的，因为运可W包括用于建造高电压网络的劳动力的大部分:可 能的行动例如用于劈砍和打入墙壁或者在诱注混凝±或钻穿地板之前的预安装。通过该实 施例的安装，不要求一些昂贵的支持装备，诸如例如接触高天花板的脚手架、辟斗车的租赁 等。运降低总体成本(即资本支出）。
[0081] 而且，较高电压需要谨慎处置并且不再被要求。通常，高电压安装要求有经验的电 工。由于不存在对于高电压网络的要求，因此不要求针对有经验的电工的其相关联的要求 且因而不要求更昂贵的劳动力。
[0082] 照此，本实施例还非常适合用在缺少有经验的劳动力的国家中，因为其安装简单 且安全。
[0083] 依照该实施例，限定一种设备及其安装方法。在该实施例中，提出利用诸如例如灯 和/或风扇之类的电气负载扩展包括无线充电器棒和至少一个无线电池的电池组，例如如 在之前的实施例中描述的。包括充电器部分和照明部分的整个棒安装穿过屋顶。在建筑外 的外部上，运意味着在屋顶的顶部上，棒包括能量收获器，诸如例如光伏单元或面板或风 车。
[0084] 因此，依照该实施例，一种无线棒包括： -功率交换线圈，其设置用于一旦插入到无线管中就与无线功率管无线交换能量； -能量收获器，其适于从环境收获能量； -通过由收获器收获的能量和/或由功率交换线圈交换的能量供电的负载。
[0085] 事实上，无线棒包括优选地在一端(例如顶端)处的能量收获器和到另一端（例如 底端）的电气负载。因此，一旦安装穿过屋顶或墙壁，收获器可W从环境收获能量并且负载 可W用在建筑物内部(例如用于照射建筑物的灯）。
[0086] 为了安装无线棒，可W使用头顶保护结构（例如屋顶）中的开口，使得能量收获器 在所述头顶保护结构的顶部上W从外部环境收获能量。棒的底部位于其中要求操作电气负 载的头顶保护结构之下。比如例如如在之前的实施例中描述的无线电池的能量存储装置可 W围绕棒安装并且不要求任何布线或线缆，因为能量收获器或能量源、能量存储装置和电 气负载(例如灯)之间的接触可W全部是无线的。在另一变型中，仅与能量存储装置的连接 是无线的，其它（到负载和到能量收获器的）连接可W通过集成在无线功率棒中的导线完 成。运提供了简化安装和操作的设备和方法。
[0087] 用于安装包括在该实施例中的负载的方法包括W下步骤 -通过建筑物的开口安装无线功率棒，使得第一端朝向建筑物的外部突起并且第二端 朝向建筑物的内部突起， -将无线电池附接到无线棒使得无线功率棒可W与无线电池交换功率， -将能量收获器连接到无线功率棒的第一端， -将负载连接到无线功率棒的第二端。
[0088] 无线棒可W例如利用用于能量存储的环中成形的无线电池来从内部紧固。重要 地，不存在对于关联到连接导线和连接器的行动或布线的需要。所述棒可W在屋顶的顶部 上收获光伏能量并且在屋顶W下提供照明。
[0089] 设备可W开始和停止照亮建筑物的内部，如果运是所期望的和/或所要求的话，并 且运优选地通过传感器而自动化。一个示例是亮度传感器，其在周围光水平落到指定的某 个阔值W下时开始照明并且在周围光水平升至另一指定的某个阔值W上时停止照明。传感 器开始和停止光的工作被提及W解释系统将在没有例如安装在例如墙壁上的照明开关(其 典型地用于(较)高电压230VAC安装）的情况下工作。
[0090] 在图11中解释本实施例。
[0091] 详细说明图11，设备包括若干部分。本发明将提供充电器棒110,其可W通过连接 器101扩展W便为电气负载102供电。该电气负载可W是多个灯103。棒100可W与用于从外 部朝向建筑物的内部引导光的光导104组合。因此，在白天期间，一些自然光可W被朝向建 筑物的内部引导，例如当关断灯103时。充电器棒110包含包括发射器和接收器对124的无线 充电器通道。对于所述无线充电器通道，进一步地，无线功率发射器位于充电器棒100中并 且接收器在无线功率核122中。无线功率核122在无线功率棒100之上滑动并且发射功率而 不需要在其间安装任何连接导线。无线功率核122连接到能量存储装置120W存储功率W供 直接和/或稍后使用。能量存储装置120可W利用电池单元121实现，该电池单元将被管理W 得到最优性能。为了使用来自能量存储装置120的功率，本发明实现包括发射器和接收器对 123的无线功率放电通道。无线功率充电器通道124和无线功率放电通道123由电子器件106 管理，该电子器件可W安装在充电器棒的顶部上并且与附加电子器件组合W控制能量收获 器，该能量收获器可W实现为可W包括一个或多个光伏单元141的光伏面板140。水密组件 142可W至少将任意大小和类型的能量收获器连接到所述棒100中的控制电子器件106。在 光伏能量收获器或风车生成器的情况下，组件142可W包含定向设备W将能量收获器对准 到能量源，例如W朝向太阳定向光伏单元。我们现在转向对于本实施例的安装而言典型的 组件。可W例如是屋顶的保护头顶结构包括一个或多个层，诸如例如但不限于光学涂层112 和结构射束或绝缘113,该保护头顶结构将提供具有大到足W接收引导接口 130的直径的开 口。在所述屋顶上，安装水密密封剂111W在开口周围对准并且引导接口 130安装在开口中， 从而在开口与保护顶部盖子112之间提供水密密封。引导接口可W与密封剂111集成。此外， 保护构造105可W防止水进入棒100与引导接口 130之间的狭窄空气空间。为了将棒紧固在 正确定位中，环131可W安装在棒100周围。运将确保无线功率通道的发射器和接收器线圈 的同轴度W及在安装之后提供针对屋顶上的恶意人员的盗窃防护。
[0092] 棒通过保护头顶结构的安装在图12A中示出。本实施例需要屋顶中的开口（其可W 被钻穿屋顶，或者可W通过使用诸如例如具有充足且合适的孔的板或其它构件之类的预制 作的屋顶组件而存在）。为了安装本发明，提出W下方法： 1. 在开口周围放置水密密封剂111(运可W是环或浆糊或安装在屋顶顶部上的其它材 料)。 2. 通过屋顶中的开口安装引导接口 130(其优选地从屋顶的顶部安装，但是可W可替 换地从屋顶下侧安装）。 3. 将能量收获器(例如光伏单元或面板)组装到充电器棒。 4. 将电气负载(例如灯)组装到充电器棒。 5. 通过所述引导接口放置经组装的棒(优选地从屋顶顶部）。 6. 能量收获器可W与周围能量源最优地对准。 7. 可选地，在棒之上安装电池环。运使得能够甚至在由所述收获器收获的能量源不可 用时操作负载。该步骤可W通过在棒之上移动电池环直到其滑动就位来执行，电池环具有 开口，诸如例如在中屯、的圆形开口或别样的几何开口。作为最后的步骤，棒从内部固定 防范人在屋顶上行走并且从开口收回棒的盗窃。
[0093] 应当理解的是： ?之前描述的步骤的另一序列是可能的并且不被排除。 ?取代于屋顶，船的甲板可W是所意图的或另一表面，平坦或弯曲，其将空间外部与空 间内部分离，例如墙壁。 ?取代于建筑物，没有侧壁的过道可W是所意图的，或者其它建筑物结构，其全部共享 保护头顶结构之下的空间可能在某些时刻需要附加光的要求。 ?棒100、能量存储装置120中的中屯、开口和引导接口 111中的中屯、开口或具有顶部盖 子133的盒132中的孔将完美地对准，并且运些开口可W像棱柱或柱体那样成形，绕转轴定 屯、，其中中屯、开口绕转轴定屯、。 ?电气负载可W是灯或其它电气负载，诸如例如经由例如线缆连接的无线电或移动电 话。 ?如果实现光导，设备将在白天期间和在夜晚期间提供光，但是在夜晚期间光将来自 从能量存储装置供电的灯，而在白天期间光导可W提供全部或部分的照明。
[0094]应当理解的是，图12A中描述的步骤的另一序列是可能的并且不被排除。在图12B 中示出安装步骤的不同序列。在该序列中，首先安装无线棒(步骤1-3)。
[00M] -旦安装了无线棒，可W在步骤4处固定电池环，并且可W在步骤5处将照明器附 接到棒的底端。最后，在步骤6处将能量收获器附接在无线棒的顶部上。
[0096] 在许多情况下，当它安装在保护头顶结构(例如屋顶）的下侧上时它将增加电池的 寿命，因为电池倾向于在它们不在外部操作的情况下增加寿命。示例是Li离子电池，其在负 溫度之下不会良好地操作，并且使电池处于周围溫度内可W提供附加益处。例如，在该情况 下，围绕如在之前的实施例中描述的电池组的外部绝缘层可W取决于安装条件而省略。
[0097] 然而，在电池安装在外部的情况下，绝缘层可W是有用的W保证电池的内部溫度 停留在舒适区内并且特别地在预定的临界溫度W上。
[0098] 在一些情况下，可W可能的是使用可替换的实施例，其从来自天花板的顶部安装 电池:该可替换的实施例在图13中示出。现在将鉴于与图11中描述的另一实施例的差异来 描述该变型。
[0099] 将盒132放置在头顶保护结构中的开口中。盒132可W支持能量存储模块120。保护 顶部盖子133配合到盒132上并且提供水密密封。一些突起和其它引导构件将能量存储模块 120中的中屯、开口与顶部盖子133和盒132中的孔对准。棒将能够完全滑动穿过所述孔，因此 安装可W从头顶保护结构的顶部完全完成。通过保护头顶结构安装棒的方法和来自图13的 可替换的实施例在图14中示出。
[0100] 如可W在图14上看到的，该方法包括W下步骤 1) 围绕开口安装密封剂 2) 将盒132放置在开口中 3) 插入电池环120并且利用顶部盖子133封闭盒132。顶部盖子133可W包括无线棒可W 插入其中的开口。
[0101] 在步骤4和5处，无线棒可W组装成包括负载和收获器。
[0102] 在步骤6处，将无线棒插入穿过顶部盖子、电池环和盒132的底部壁。
[0103] 在步骤7处，将无线棒固定就位。
[0104] 如所描述的，该实施例可W穿过屋顶照明系统应用于远离主要建筑物定位的小空 间(诸如例如但不限于车库或简易车库、菜园、乡村宅邸等）的照明安装。该实施例还可W用 于针对诸如例如库房等之类的单个存货建筑物的照明安装。
[0105] 虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是运样的图示和描述 要被视为说明性或示例性而非限制性的。本发明不限于具有作为负载设备的灯或照明器的 所公开的实施例。其可W结合任何类型的负载和任何类型的能量收获器来实现。类似地，尽 管本发明的示例适用于基于裡离子的电池，但是其可W应用于可再充电电池的其它技术， 比如Ni-Cd电池、Ni-MH电池。
[0106] 本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权 利要求，可W理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语"包括"不排除 其它元素或步骤，并且不定冠词"一"不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些 措施的仅有事实不指示运些措施的组合不能用于获益。
[0107] 前述描述详述了本发明的某些实施例。然而，将领会的是，无论前文在文本上看起 来多么详细，本发明都可许多方式实践，并且因而不限于所公开的实施例。应当指出的 是，当描述本发明的某些特征或方面时，特定术语的使用不应当被视为暗示该术语在本文 中重限定为限于包括该术语与其相关联的本发明的特征或方面的任何特定特性。
【主权项】
1. 一种电池模块，包括 围绕电池模块的外壁，其由热绝缘材料制成， 布置在外壁内的电池座，其包括电池配合在其中的多个电池插座并且由热传导材料中 心开口制成，以及布置在电池模块的中心开口中的热源，其中热源是无线功率交换器，包括 耦合到电池座并且布置在中心开口中的无线功率管，该无线功率管被设置用于与可以插入 到无线管中的无线功率棒无线交换能量。2. 权利要求1的电池模块，其中无线功率管包括用于从无线功率棒接收功率并且用于 向无线功率棒发射功率的绕组。3. 权利要求1的电池模块，其中无线功率管包括用于从无线功率棒接收功率的第一绕 组和用于向无线功率棒发射功率的第二绕组。4. 前述权利要求中任一项的电池模块，包括用于感测电池座中的电池的温度的温度传 感器。5. 权利要求4的电池模块，还包括设置用于监视由温度传感器感测的温度并且用于基 于所感测的温度使热源被激活的控制器。6. 前述权利要求中任一项的电池模块，其中电池模块像棱柱或柱体那样成形，绕转轴 定心，其中中心开口绕转轴定心。7. 权利要求6的电池模块，还包括电池控制器，所述电池控制器从在中心开口与外壁之 间的转轴径向延伸，占据电池座的基底部段的弧段，所述多个电池插座散布在电池座的基 底部段的其余弧段中。8. 前述权利要求中任一项的电池模块，其成形为使得多个电池模块可以绕无线功率棒 堆叠。9. 一种包括前述权利要求中任一项的电池模块和用于与负载交换功率的无线功率交 换器的电池组。10. -种包括权利要求1至8中任一项的多个电池模块的电池组，其中所述多个电池模 块中的每一个包括中心开口，电池组还包括由多个无线功率管和无线功率棒形成的无线功 率交换器，每一个无线功率管相应地耦合到所述多个电池模块中的每一个电池模块的电池 座并且布置在其相应中心开口中，而无限功率棒插入到电池模块的无线功率管中并且设置 用于与所述多个无线功率管无线交换能量。11. 权利要求9或10的电池组，还包括功率通道控制器，其适于基于以下参数中的至少 一个控制与电池模块的能量输送:相应电池模块的内部温度、来自能量收获器的输入电压、 来自能量收获器的输入电流、相应电池模块在电池组中的位置、相应电池模块的充电状态。12. 权利要求11的电池组，其中功率通道控制器适于基于要在电池模块中注入的热量 的量来控制到具有所选效率的操作点的能量输送。13. 照明系统，包括， 光照单元， 依照权利要求1-8的电池模块或者权利要求9-12的电池组，以用于在功率方面供给光 照单元， 用于在功率方面供给电池模块或电池组的能量源。
【文档编号】H02J5/00GK105874628SQ201480061129
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月5日
【发明人】B.C.W.卡亚格, A.A.M.斯塔林
【申请人】飞利浦灯具控股公司