起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关制造技术

本发明专利技术公开一种在电池组结构中通过使用一个或多个锂电池提高内燃机的起动器电机的起动器电池的效率的装置。本发明专利技术包括用于大功率电池系统的固态开关装置，用于防止电池，尤其是用于内燃机的起动器电池过度充电、过度放电和短路。

【技术实现步骤摘要】
起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关本申请是申请人为“马丁·克布勒”的进入中国国家阶段日期为2013年5月28日的申请号为201180057159.1的专利技术名称为“起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关”的专利申请(国际申请日为2011-11-28，国际申请号为PCT/US2011/001937)的分案申请。
本专利技术涉及起动内燃(IC)发动机的方法和装置。更特别地，本专利技术为用于起动这种发动机的锂基电池。本专利技术包括用于大功率电池系统的固态开关装置，用于防止电池，尤其是用于内燃机(ICE)的起动器电池的过度充电、过度放电和短路。
技术介绍
当前，内燃机使用包含铅酸的起动器电池带动电机转动，以起动内燃机。铅酸电池笨重，循环寿命短，使用寿命短，并且周转(turnaround)效率低。铅酸电池还具高内阻抗(电阻)，并且在寒冷天气下内阻抗更高，因而难以在寒冷天气中以小的可用电流起动内燃机。为了克服这些变化，铅酸起动器电池配有超大的电池容量，以产生供电动起动器起动内燃机所需的电流。这种超大的铅酸电池增加了重量，所占的空间，以及起动内燃机所需的成本。为了在当前已知的起动器电池中关闭电源端子，需要昂贵的电子/电气元件来处理起动器电机旋转内燃机所需的高电流载荷。这需要电子保护电路来进行高压切断(过度充电)，低压切断(过度放电)和温度测量。这些电路还会导致可能较大的热损失和电损失，以及需要占用额外的空间。(噪声)尖峰可触发能够终止电池系统工作的错误的电压、温度或电流读数，而实际上电池仍在规定的安全范围内工作。有些保护电路是性能不稳定的，一旦它们被触发之后便难以再次启动。例如，如果出现了欠压状况并且由于继电器的原因电池仍处于欠压状态，则不能向电池提供电流，因为其通路已被切断，因而需要按下另一个按钮以启动所述系统一段较短的时间，以便所述电池充电。同样，在某些情况下，例如在军事应用或竞赛应用中，需要吸取每一滴能量，即使它损坏所述电池。无论使用哪种可充电电池(二次电池)，电池都无法在低充电状态(SOC)(绝大部分情况为低电池电压状态)下良好地工作。无论何时电池处于低电压电平，电池都会遭受永久地内部损坏或者严重地缩短电池寿命。当电池为锂电池时，电池的过度充电可能会是更加危险的，其可能导致放热反应，这会导致起火。当将固态开关设置成与电池输出电源端子串联时，可电控制该固态电池，以打开或关闭离开或进入所述电池的电流路径。这样可以防止由于电池电压过低或过高导致的电池损坏。这一措施可在任意电压时应用于任意电池类型。一个例子是将固态开关应用于起动车辆的12V车用电池。车辆可具有保持接通的电压泄漏源(voltagedrainsource)，在该情况中，所述固态开关在电池被损坏之前自动地切断从所述电池释放的电流。也可以使用继电器或接触器，但它们具有如下缺点：1)继电器或接触器持续地需要电流，以保持接触器打开或闭合。这需要消耗能量。2)具有闭合的通路的继电器或接触器允许电流在两个方向上流动，但不能被控制为单向流动。3)继电器和接触器只能接通或断开。在大电流的切换过程中，可能在继电器或接触器内部产生强烈的电弧放电，并且这可能导致继电器或接触器“熔接”断开。一旦继电器或接触器被熔接断开，则在那一时刻无法进行切换操作，这可能导致安全问题，即在需要切换的时候无法进行切换。4)对于较大的电流应用而言，继电器和接触器体积大并且笨重。一种更好的方式是使用具有独特构造的固态开关，或者FET，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，或者IGBT(绝缘栅双极型晶体管)型，但并不仅限于这些。这种独特的构造包括将两个带有“源极(Sources)”或“漏极(Drains)”的固态装置，例如MOSFET或IGBT电连接在一起。这些固态装置可以是N型或P型。包括过剩空穴(excesshole)的掺杂半导体被称为“p型”，当它包含过剩的自由电子时，它也就是所谓的“n型”，其中p(空穴为正)或n(电子为负)为多数移动电荷载流子的电荷的符号。这种结构简化了所需的控制电子元件并且还允许通过使用内部二极管使电流在一个方向上流动而不是另一方向。FET(场效应晶体管)是多数电荷载流子，其具有一有源沟道，所述多数电荷载流子、电子或空穴通过有源沟道从源极流向漏极。源极和漏极端导体通过欧姆接触连接到半导体。所述多数电荷载流子通过源极进入构造并通过漏极离开沟道。图15示出了每一端被连接起来的“漏极”，图16示出了每一端被连接起来的“源极”。固态开关的优点在于：1)固态开关只需要很少的能量即可启动允许的通路打开或闭合。2)固态器件可逐步增加电流，控制在切换到大功率应用时所产生的突入电流，或者在所述电流过高时提供即时的短路保护。3)对于大功率应用而言，固态开关可非常紧凑并且重量轻。现有技术的描述申请人注意到下面的美国专利涉及用于起动发动机的电池组：美国专利号：7,525,287授权日：2009年4月28日专利技术人：Miyashi名称：BATTERYPACKFORDRIVINGELECTRICMOTOROFCOMPACTENGINESTARTINGDEVICE，ENGINESTARTINGDEVICEDRIVENBYTHEBATTERYPACK，ANDMANUALWORKINGMACHINEHAVINGTHEENGINESTARTINGDEVICE(用于驱动紧凑型发动机起动装置的电动机的电池组，由该电池组驱动的发动机起动装置，和具有该发动机起动装置的手动机)
技术实现思路
本专利技术提供了用于提高内燃机的起动器电机的起动器电池的效率的方案。通过用锂基或磷酸铁锂(LiFePO4或LiFePO)或LiFeMgPO4或LiFeYPO4电池替代铅酸起动器电池，起动器电池所需的容量、重量和尺寸被显著地降低，同时增加了循环寿命，使用寿命和周转效率。磷酸铁锂(LiFePO4)电池是一种可充电电池，尤其是使用LiFePO4作为阴极材料的锂离子电池。还可在锂铁化合物中包括镁或钇。通过串联四个圆柱形电池，其中每个电池都具有符合18650(小于3Ah)或26650(小于4Ah)的标准工业电池规格的尺寸，或者棱柱型扁平电池或其他类型的电池，可获得足够的电流进入额定用于12V系统的起动电机，以启动使用1，2，3，4，5，6，8，或12个汽缸的大型内燃机。本专利技术可采用更大的电池，从1Ah至5000Ah，常见大小为5Ah，10Ah，20Ah，50Ah，100Ah，400Ah和500Ah。与使用更多电池的更大的系统需要保护电路板以进行安全保护不同，对于四个电池串联的结构而言，不需要使用保护电流板防止单个电池过压或欠压。对于这种较小的起动器电池而言，也无需进行单独的电池平衡，但也可以采用电池平衡以增加产品寿命。更小的并且更轻的起动器电池提高使用起动器电池的汽车系统的性能。循环寿命和使用寿命的增加降低了用户的成本。对于本专利技术的系统而言，无需单独的或特殊的充电系统。本专利技术还包括锂基电池的外壳，其具有上下相配合的外壳，位于下外壳内用于接收至少一个锂基电池的轮廓相符的衬垫，和从所述至少一个锂基电池至外壳的外部的电接头。可选择地，可在上外壳内设置上电池衬垫，并且如果需要，可在上外壳内设置保护电路板，例如平衡板或切断电路，用于安全保护。在一个示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动12伏至120伏的操作系统中的电子装置的电池组，所述电池组具有正端子和负端子，所述电池组包括：电池组外壳，所述电池组外壳至少具有第一部分和配合的第二部分；位于所述外壳内的至少一个可充电的锂基电池，每个这样的电池具有正极和负极；位于所述外壳内的电路板，所述电路板被构造为平衡所述外壳内的每个单独的电池，并且具有结合在其中的切断功能，所述电路板包括多对固态开关，每对固态开关以并联构造连接到另一对固态开关，每个开关具有源极和漏极，一对固态开关的开关被构造为使得开关的漏极被连接或者开关的源极被连接；并且所述多个固态开关的所述并联构造与所述电池组的所述正端子和负端子之间的所述一个或多个电池串联连接。

【技术特征摘要】
2010.11.29 US 61/458,657;2011.02.22 US 61/463,7361.一种用于驱动12伏至120伏的操作系统中的电子装置的电池组，所述电池组具有正端子和负端子，所述电池组包括：电池组外壳，所述电池组外壳至少具有第一部分和配合的第二部分；位于所述外壳内的至少一个可充电的锂基电池，每个这样的电池具有正极和负极；位于所述外壳内的电路板，所述电路板被构造为平衡所述外壳内的每个单独的电池，并且具有结合在其中的切断功能，所述电路板包括多对固态开关，每对固态开关以并联构造连接到另一对固态开关，每个开关具有源极和漏极，一对固态开关的开关被构造为使得开关的漏极被连接或者开关的源极被连接；并且所述多个固态开关的所述并联构造与所述电池组的所述正端子和负端子之间的所述一个或多个电池串联连接。2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述电路板在所述外壳内具有相关联的控制器，以及在所述外壳内的位于所述电池组和所述电子装置之间的开关和用于接通所述开关以向电子装置提供电力以重新启动所述电子装置的机构，所述控制器具有用于周期性地测量负载以检测负载阻抗变化的相关机构。3.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述电路板在所述外壳内具有相关联的控制器，所述电池组连接到电流监控器，所述电流监控器连接到电流比较器和设定-复位锁存器，从而在发生短路时，所述设定-复位锁存器将断开相关联的开关。4.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述固态开关是MOSFET、或IGBT。5.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述固态开关是晶体管、FET、JFET、BJT、CMOS、VMOS、TMOS、垂直DMOS或HEXFET。6.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述固态开关是n型或p型固态开关。7.根据权利要求1所述的电池组，其中，其中所述一个或多个电池是从由LiFePO、LiFePO4、LiFeMgPO4、LiFeYPO4、LiCoO2、LiMn2O4，LiNiCoAlO2、LiNiMnCoO2、Li4Ti5O12、铅酸、NiCd和镍金属氢化物(NiMH)电池构成的组中选出的。8.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述锂基电池是磷酸铁锂电池。9.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述磷酸铁锂电池是从由LiFePO、LiFePO4、LiFeMgPO4和LiFeYPO4电池构成的组中选出的。10.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述锂基电池是从由LiCoO2、LiMn2...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·克布勒，
申请(专利权)人：马丁·克布勒，
类型：发明
国别省市：美国,US