控制金屬-空氣電池組的操作的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池組(battery)。特別而言，本發(fā)明涉及控制金屬-空氣電池組的操作。
[0002]發(fā)明背景
[0003]如本領(lǐng)域已知的，電池組是存儲化學(xué)能并使得能量以電形式提供的組件。金屬-空氣電池組使用金屬與空氣中的氧氣的氧化以產(chǎn)生電力。由電池組產(chǎn)生的電能由各種系統(tǒng)和組件(例如，消費產(chǎn)品、工業(yè)系統(tǒng)等)使用。然而，在需要時，已知的系統(tǒng)和方法從電池組引出能量。相應(yīng)地，存儲在電池組中的能量利用可能不是最佳的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種方法可包括控制從金屬-空氣電池組引出的電流；和控制電池組的溫度。方法可包括使電池組根據(jù)特性(profile)操作，特性限定以下中的至少一個:能量利用率、電力、電解質(zhì)利用值和腐蝕速率。在一個實施方式中，特性由控制器自動選擇。
[0005]方法可包括重復(fù)設(shè)置從電池組引出的電流并設(shè)置電池組的溫度，直到實現(xiàn)所期望的能量利用率。方法可包括確定包括在電池組中的電解質(zhì)的年齡(age)并基于電解質(zhì)的年齡控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓。方法可包括控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，使得維持電化學(xué)反應(yīng)中消耗的金屬量和電池組中的總金屬量之間的預(yù)定比率。
[0006]方法可包括控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，使得維持包括在電池組中的金屬的預(yù)定腐蝕速率。方法可包括控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，以最大化每體積單位的包括在電池組中的電解質(zhì)從電池組引出的能量的量。方法可包括控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，以最小化金屬溶解在包括在電池組中的電解質(zhì)中的速率。
[0007]方法可包括通過控制包括在電池組中的電解質(zhì)的溫度和循環(huán)來控制電池組的溫度。方法可包括在激活電池組之前，確定包括在電池組的電解質(zhì)的年齡；和根據(jù)特性設(shè)置電解質(zhì)的溫度。
[0008]系統(tǒng)可包括金屬-空氣電池組；和控制器，控制器被配置為:控制從電池組引出的電流，和控制電池組的溫度。系統(tǒng)可包括可充電(rechargeable，可再充電)裝置，且系統(tǒng)被配置為:從金屬-空氣電池組中引出預(yù)定電力，預(yù)定電力根據(jù)平均電力需求限定；和當(dāng)電動汽車需要的電力大于預(yù)定電力時，從可充電裝置引出(draw)電力。
[0009]包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為使電池組根據(jù)特性操作，特性限定以下中的至少一個:能量利用率、電力(power，功率)、電解質(zhì)利用值和腐蝕速率。包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為自動選擇特性并使電池組根據(jù)所選特性操作。包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為重復(fù)設(shè)置從電池組引出的電流和電池組的溫度，直到實現(xiàn)所期望的能量利用率。
[0010]包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為確定包括在電池組中的電解質(zhì)的年齡并基于電解質(zhì)的年齡控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓。包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，使得維持電化學(xué)反應(yīng)中消耗的金屬量和電池組中的總金屬量之間的預(yù)定比率。包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，使得維持包括在電池組中的金屬的預(yù)定腐蝕速率。
[0011]包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，以最大化每體積單位的包括在電池組中的電解質(zhì)從電池組引出的能量的量。包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為控制以下中的至少一個:由電池組提供的電流、電池組的溫度、電解質(zhì)的溫度和由電池組提供的電壓，以最小化金屬溶解在包括在電池組中的電解質(zhì)中的速率。系統(tǒng)可包括電池組，其包括由鋁、鋅和鐵中的一種制成的金屬陽極。
[0012]系統(tǒng)可通過控制包括在電池組中的電解質(zhì)的溫度和循環(huán)來控制電池組的溫度。包括在系統(tǒng)中的控制器可被配置為:在激活電池組之前，確定包括在電池組的電解質(zhì)的年齡；和根據(jù)特性設(shè)置電解質(zhì)的溫度。根據(jù)一個實施方式的電動車輛可包括金屬-空氣電池組；可充電裝置；和控制器，控制器被配置為根據(jù)特性設(shè)置供應(yīng)到電動車輛的電力，特性限定以下中的至少一個:能量利用率、電力比率(power rate)、電解質(zhì)利用值和腐蝕速率。
[0013]根據(jù)一個實施方式的電動車輛可被配置為消耗來自金屬-空氣電池組的預(yù)配置電力；和當(dāng)電動車輛需要的電力大于預(yù)配置電力時，消耗來自可充電裝置的電力。根據(jù)一個實施方式，當(dāng)電動車輛所需的電力小于預(yù)配置電力時，電動車輛被配置為使用由金屬-空氣電池組提供的電力對可充電裝置充電。根據(jù)一個實施方式，可充電裝置的容量可被設(shè)計為供應(yīng)電動車輛的平均每天能量消耗，并且金屬-空氣電池組可被設(shè)計為供應(yīng)超過所述平均每天能量的能量。
【附圖說明】
[0014]在說明的結(jié)論部分視為本發(fā)明的主題被具體地指出并被清楚地要求保護。然而，通過時參考以下【具體實施方式】并結(jié)合附圖閱讀可更好地理解本發(fā)明(關(guān)于組織和操作方法，以及其目的、特征和優(yōu)點)，其中:
[0015]圖1示出影響金屬-空氣電池(metal-air cell)的操作的參數(shù)；
[0016]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例系統(tǒng)；
[0017]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例系統(tǒng)；
[0018]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例系統(tǒng)配置；
[0019]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的示例流程；和
[0020]圖6A和圖6B示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的溫度控制的金屬-空氣電池組的表現(xiàn)(behav1r)。
[0021]應(yīng)理解，為了說明的簡單和清楚起見，圖中所示的元件不一定是按比例繪制。例如，為了清楚起見，一些元件的尺寸可相對于其它元件被放大。此外，在認(rèn)為適當(dāng)時，附圖標(biāo)記可在各圖之間重復(fù)以指示相應(yīng)的或類似的元件。
【具體實施方式】
[0022]在下面的【具體實施方式】中，許多具體細節(jié)被闡述以便提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施本發(fā)明。在其它情況下，公知的方法、過程、組件、模塊、單元和/或電路未詳細描述以免混淆本發(fā)明。
[0023]雖然本發(fā)明的實施方式不限于這方面，但是如本文所使用的術(shù)語“多個”可包括例如“多個”或“兩個或更多個”。術(shù)語“多個”可在整個說明中用來描述兩個或更多個組件、裝置、元件、單元、參數(shù)等。
[0024]除非另有明確規(guī)定，否則本文中描述的方法實施方式不限于特定的順序或序列。此外，一些所描述的方法實施方式或其要素可在相同的時間點或重疊的時間點發(fā)生或進行。如本領(lǐng)域已知的，可執(zhí)行代碼片段的執(zhí)行(諸如功能、任務(wù)、子任務(wù)或程序)可被稱為功能、程序或其它組件的執(zhí)行。
[0025]雖然本發(fā)明的實施方式不限于這方面，但是使用術(shù)語的討論，諸如，例如“處理”、“計算”、“確定”、“建立”、“分析”、“檢查”等可指計算機、計算平臺、計算系統(tǒng)或其它電子計算裝置的操作和/或處理，所述計算機、計算平臺、計算系統(tǒng)或其它電子計算裝置將在計算機的寄存器和/或存儲器內(nèi)表示為物理(例如電子)量的數(shù)據(jù)操縱和/或變換為在計算機的寄存器和/或存儲器或可存儲指令的其它信息存儲介質(zhì)內(nèi)類似地表示為物理量的其它數(shù)據(jù)以進行操作和/或處理。
[0026]本發(fā)明的實施方式可實現(xiàn)控制金屬-空氣電池或電池組(例如鋁-空氣電池組)的操作，以便提高其利用率。雖然為簡單起見，在本文中主要涉及鋁-空氣電池或電池組，但是應(yīng)理解，其它金屬-空氣電池或電池組也可適用。例如，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的系統(tǒng)和方法可使用鋅-空氣或任何其它合適的金屬-空氣電池或電池組。
[0027]鋁-空氣電池組消耗鋁來產(chǎn)生電能。在鋁-空氣電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下由式⑴所示:
[0028](I) 4Α1+6Η20+302 — 4A1 (OH) 3+2.71ν
[0029]實際上，鋁-空氣電池可在低于如式(I)所示的2.7ν的電壓(通常為0.7至1.5伏)下操作。其余能量作為熱量被釋放。除了該反應(yīng)(導(dǎo)致產(chǎn)生電能)，腐蝕反應(yīng)可如下由式⑵所示發(fā)生:
[0030](2) 2Α1+6Η20 — 2Α1 (OH) 3+3Η2
[0031]式(2)所示的反應(yīng)消耗鋁，但不釋放電能。因此，它被認(rèn)為是不希望反應(yīng)或寄生反應(yīng)。由式(2)所示的反應(yīng)的另一副作用是氫的釋放。
[0032]如本文所指，術(shù)語金屬-空氣電池或金屬-空氣電池組的“庫侖效率”是在電化學(xué)反應(yīng)(I)中消耗的金屬量和消耗的總金屬量(即根據(jù)這兩個式(I)和(2)所消耗的金屬量)之間的比率。
[0033]鋁的比能在本領(lǐng)域中已知為8.lkWh/kg。如本文所指，術(shù)語鋁的“能量利用”是從一 (“I”)千克(Kg)鋁提取的電能量和包括在一(“l(fā)”)Kg鋁中的總能量之間的比率。
[0034]一般而言，如本文所指，術(shù)語金屬的“能量利用”由兩個因素確定:
[0035]1.腐蝕速率-其確定或影響庫侖效率。即，在不產(chǎn)生電能的情況下有多少金屬損失，和
[0036]2.實際電池電壓-這涉及所開發(fā)的電能的部分(例如沒有作為熱量而釋放)。
[0037]本文涉及的且在本領(lǐng)域中已知的，電解質(zhì)(或電解質(zhì)溶液)可以是包含離子并且可通過電解分解的任何液體。電解質(zhì)可包括任何當(dāng)溶解在合適的離子化液體或溶劑(例如水)中時離子化的物質(zhì)(matter)、材質(zhì)(substance)或化合物。在招-空氣電池或電池組中，其中使用堿性電解質(zhì)(諸如KOH或NaOH)，附加反應(yīng)如由式(3)所示地發(fā)生:
[0038](3) Al (OH) 3+K0H — KAl (OH) 4
[0039]在電池組的整個操作中，由式(3)所示的反應(yīng)的產(chǎn)物溶解在電解質(zhì)中并且通常會引起電池的電壓逐漸降低，下降到一定的低電壓閾值(通常為0.7-0.9伏)。
[0040]本文涉及的術(shù)語“電解質(zhì)利用”(electrolyte utilizat1n)是在其達到低電壓閾值(例如，0.7-0.9伏特的范圍內(nèi))之前可從金屬-空氣電池中引出的能量的量。
[0041]電解