ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к батареям. В частности, настоящее изобретение относится к регулированию работы металло-воздушной батареи.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Как известно в данной области техники, батарея представляет собой элемент, аккумулирующий химическую энергию и делающий ее доступной в форме электрической энергии. В металло-воздушных батареях для выработки электроэнергии используется окисление металла кислородом воздуха. Электрическая энергия, вырабатываемая батареями, используется различными системами и элементами, например бытовыми устройствами, промышленными системами и т.д. Однако известные системы и способы используют энергию батареи только по мере необходимости. Соответственно, использование энергии, аккумулированной в батарее, может быть не оптимальным.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] Способ может включать в себя регулирование тока, отбираемого от металло-воздушной батареи; а также регулирование температуры батареи. Способ может включать в себя запуск батареи в соответствии с профилем, определяющим по меньшей мере один из следующих параметров: коэффициент использования энергии, мощность, величину использования электролита и скорость коррозии. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения профиль выбирается контроллером автоматически.
[0004] Способ может включать в себя многократную регулировку тока, отбираемого от батареи, и температуры батареи до достижения требуемого коэффициента использования энергии. Способ может включать в себя определение возраста электролита, содержащегося в батарее, и регулирование, на основании данных о возрасте электролита, по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей. Способ может включать в себя регулирование по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью поддержания заданного отношения между количеством металла, потребляемым в процессе электрохимической реакции, и общим количеством металла в батарее.
[0005] Способ может включать в себя регулирование по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью поддержания заданной скорости коррозии металла, содержащегося в батарее. Способ может включать в себя регулирование по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью обеспечения максимальной величины энергии, отбираемой от батареи, на единицу объема электролита, содержащегося в батарее. Способ может включать в себя регулирование по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью обеспечения минимальной скорости растворения металла в электролите, содержащемся в батарее.
[0006] Способ может включать в себя регулирование температуры батареи путем регулирования температуры и циркуляции электролита, содержащегося в батарее. Способ может включать в себя определение возраста электролита, содержащегося в батарее, до активации батареи; а также регулирование температуры электролита в соответствии с профилем.
[0007] Система может содержать металло-воздушную батарею, а также контроллер, выполненный с возможностью регулирования тока, отбираемого от батареи, и регулирования температуры батареи. Система может содержать перезаряжаемое устройство и может быть выполнена с возможностью отбора от металло-воздушной батареи предварительно заданной мощности, определенной в соответствии со средней потребностью в мощности; а также отбора мощности от перезаряжаемого устройства, когда мощность, требуемая электромобилю превышает предварительно заданную мощность.
[0008] Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью запуска батареи в работу в соответствии с профилем, определяющим по меньшей мере один из следующих параметров: коэффициент использования энергии, мощность, показатель использования электролита и скорость коррозии. Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью автоматического выбора профиля и запуска батареи в работу в соответствии с выбранным профилем. Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью многократной регулировки тока, отбираемого от батареи, и температуры батареи, до достижения требуемого коэффициента использования энергии батареи.
[0009] Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью определения возраста электролита, содержащегося в батарее, и регулирования, на основании данных о возрасте электролита, по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей. Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, для поддержания заданного отношения между количеством металла, потребляемым в процессе электрохимической реакции, и общим количеством металла в батарее. Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью поддержания заданной скорости коррозии металла, содержащегося в батарее.
[0010] Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью обеспечения максимальной величины энергии, отбираемой от батареи, на единицу объема электролита, содержащегося в батарее. Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, с целью минимизации скорости растворения металла в электролите, содержащемся в батарее. Система может включать в себя батарею, содержащую металлические аноды, изготовленные из одного из следующих материалов: алюминий, цинк, железо.
[0011] Система может регулировать температуру батареи путем регулирования температуры и циркуляции электролита, содержащегося в батарее. Контроллер, входящий в состав системы, может быть выполнен с возможностью определения возраста электролита, содержащегося в батарее, до активации батареи; а также с возможностью регулирования температуры электролита в соответствии с профилем. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, электромобиль может содержать металло-воздушную батарею; перезаряжаемое устройство; а также контроллер, выполненный с возможностью регулирования мощности, потребляемой электромобилем, в соответствии с профилем, определяющим по меньшей мере один из следующих параметров: коэффициент использования энергии, уровень мощности, показатель использования электролита и скорость коррозии.
[0012] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, электромобиль может быть выполнен с возможностью потребления предварительно заданной мощности, получаемой от металло-воздушной батареи, и потребления мощности от перезаряжаемого устройства, когда мощность, требуемая электромобилю, превышает предварительно заданную мощность. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, электромобиль может быть выполнен с возможностью использования мощности, вырабатываемой металло-воздушной батареей, для зарядки перезаряжаемого устройства, когда мощность, требуемая электромобилю, меньше предварительно заданной мощности. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, емкость перезаряжаемого устройства может быть задана таким образом, чтобы обеспечить среднюю дневную потребность электромобиля в электроэнергии, а металло-воздушная батарея может быть предназначена для обеспечения потребности в электроэнергии, превышающей среднюю дневную потребность.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Объект изобретения детально раскрыт и четко заявлен в прилагаемой формуле изобретения. Тем не менее, изобретение, с точки зрения его организации и способа работы, а также его объектов, признаков и преимуществ, лучше всего может быть понято из следующего подробного описания в совокупности с приведенными ниже чертежами, где:
[0014] На фиг. 1 представлены параметры, влияющие на работу металло-воздушного элемента;
[0015] На фиг. 2 представлен пример системы в соответствии с примером осуществления изобретения;
[0016] На фиг. 3 представлен пример системы в соответствии с примером осуществления изобретения;
[0017] На фиг. 4 представлен пример конфигурации системы в соответствии с примером осуществления изобретения;
[0018] На фиг. 5 представлен пример алгоритма в соответствии с примером осуществления изобретения;
[0019] Фиг. 6А и 6В иллюстрируют режим работы терморегулируемой металло-воздушной батареи в соответствии с примером осуществления изобретения.
[0020] Следует понимать, что для простоты и наглядности элементы на рисунках не всегда представлены с соблюдением масштаба. Например, для наглядности размеры некоторых элементов могут быть увеличены относительно других элементов. Кроме того, там, где это целесообразно, для обозначения сходных элементов могут использоваться одинаковые номера позиций.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Приведенное ниже подробное описание содержит ряд конкретных особенностей для более глубокого понимания изобретения. Однако для специалистов в данной области техники очевидно, что изобретение может использоваться без этих конкретных особенностей. В других случаях было опущено подробное описание хорошо известных способов, технологий, элементов, модулей, узлов и/или цепей, чтобы не затруднять понимание изобретения.
[0022] Хотя варианты осуществления изобретения не ограничены в этом отношении, употребляющиеся в настоящем описании термины «множество» и «некоторое множество» могут обозначать, например, «многочисленный» или «два или более». Термины «множество» или «некоторое множество» могут использоваться в настоящем описании изобретения для описания двух или более деталей, устройств, элементов, узлов, параметров и т.п.
[0023] Если иное не указано явным образом, раскрытые здесь варианты осуществления метода не ограничены определенным порядком или последовательностью. Кроме того, некоторые из раскрытых вариантов осуществления метода или элементы могут быть реализованы или использоваться в один и тот же момент времени или в пересекающиеся периоды времени. Как известно в данной области техники, выполнение части исполняемого кода, например функции, задачи, подзадачи или программы, может рассматриваться как выполнение функции, программы или иного элемента.
[0024] Хотя варианты осуществления изобретения не ограничены в этом отношении, использование таких терминов, как, например, «обработка», «вычисление», «расчет», «определение», «установление», «анализ», «проверка» и т.д., может относиться к операции(-ям) и/или процессу(-ам), имеющим отношение к компьютеру, вычислительной платформе, компьютерной системе или другому электронному вычислительному устройству, которые управляют данными и/или преобразуют данные, представленные в форме физических (например, электронных) величин в регистрах компьютера и/или памяти или на ином носителе информации, на котором могут храниться инструкции по выполнению тех или иных операций и/или процессов.
[0025] Варианты осуществления изобретения могут обеспечивать возможность регулирования работы металло-воздушного элемента или батареи (например, алюминий-воздушной батареи) с целью повышения эффективности ее использования. Хотя для упрощения в данном описании в основном говорится об алюминий-воздушном элементе или батарее, следует понимать, что возможно также применение других металло-воздушных элементов или батарей. Например, системы и способы согласно примерам осуществления изобретения могут применяться к цинк-воздушным и любым другим подходящим батареям или элементам.
[0026] Алюминий-воздушная батарея потребляет алюминий для выработки электроэнергии. Электрохимическая реакция, которая происходит в алюминий-воздушной батарее, выражается уравнением (1), приведенным ниже:
[0027] На практике алюминий-воздушные элементы могут работать при более низком напряжении, чем напряжение 2,7 В, использующееся в уравнении (1) - как правило, при напряжении от 0,7 до 1,5 вольт. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Наряду с данной реакцией, результатом которой является выработка электрической энергии, может происходить реакция коррозии, которая выражается уравнением (2), приведенным ниже:
[0028] В ходе реакции, выраженной уравнением (2), расходуется алюминий, но не вырабатывается электроэнергия. Поэтому такая реакция считается нежелательной или паразитной. Дополнительным побочным эффектом реакции, выраженной уравнением (2), является выделение водорода.
[0029] Используемый в данном описании термин «коэффициент использования тока» металло-воздушного элемента или металловозвоздушного элемента или батареи обозначает отношение количества металла, расходуемого в электрохимической реакции (1), к общему количеству расходуемого металла, то есть количеству металла, расходуемому в соответствии с обоими уравнениями (1) и (2).
[0030] Удельная энергия алюминия, как известно, равна 8,1 кВт⋅ч/кг. Используемый в настоящем описании термин «коэффициент использования энергии» алюминия обозначает отношение количества электрической энергии, получаемой из 1 (одного) кг (килограмма) алюминия, к общему количеству энергии, содержащемуся в 1 (одном) кг алюминия.
[0031] В общем случае, «коэффициент использования энергии» металла в значении, используемом в настоящем описании, определяется двумя факторами:
1. Скорость коррозии, определяющая коэффициент использования тока или влияющая на него; то есть количество металла, расходуемое без производства электрической энергии, и
2. Фактическое напряжение элемента, связанное с частью или порцией электрической энергии, которая используется (например, не выделяется в виде тепла).
[0032] Электролит (или раствор электролита), в значении, используемом в данном описании и в целом в данной области техники, может представлять собой любую жидкость, которая содержит ионы и может быть разложена путем электролиза. Электролитом может являться любое вещество или смесь, которое или которая ионизируется при растворении в подходящей ионизирующей жидкости или растворителе, например в воде. В алюминий-воздушном элементе или батарее, где используется щелочной электролит, например KОН или NaOH, происходит дополнительная реакция, выраженная уравнением (3):
[0033] Продукт реакции, выраженной уравнением (3), растворяется в электролите во время работы батареи и обычно приводит к постепенному снижению напряжения элементов, вплоть до некоторого порога низкого напряжения (обычно 0,7-0,9 вольт).
[0034]Используемый в настоящем описании термин «коэффициент использования электролита» обозначает количество энергии, которое может быть получено от металло-воздушной батареи до того, как будет достигнут порог низкого напряжения (например, в диапазоне 0,7-0,9 вольт).
[0035] На показатель использования электролита может оказывать влияние скорость коррозии и напряжение элементов. Термин «скорость коррозии», используемый в настоящем описании, обозначает меру или степень, с которой металл растворяется в электролите без выработки электроэнергии. Термин «напряжение элемента», используемый в настоящем описании, обычно относится к разнице электрических потенциалов между анодом и катодом элемента батареи. Таким образом, напряжение элемента батареи может указывать на количество энергии, которое может быть получено при расходовании металла, содержащегося в металло-воздушном элементе.
[0036] Используемый в настоящем описании термин «удельная энергия металло-воздушной батареи» обозначает количество энергии, которое может быть получено от батареи, поделенное на общий вес батареи. Как описано в настоящей заявке, воплощение изобретения может увеличить удельную энергию металло-воздушной батареи за счет увеличения коэффициента использования расходуемого металла и/или увеличения коэффициента использования электролита. Следует отметить, что варианты осуществления изобретения дают возможность увеличить показатель использования электролита в батарее, хотя сам электролит не выделяет энергию, а скорее создает условия для выделения энергии металлом (например, алюминием), содержащимся в металло-воздушной батарее, как описано в настоящей заявке.
[0037] В одном из вариантов осуществления изобретения увеличение энергоэффективности металло-воздушной батареи достигается путем регулирования эксплуатационных параметров элементов батареи, в частности тока разряда и температуры батареи. В одном из вариантов осуществления изобретения увеличение энергоэффективности металло-воздушной батареи достигается путем регулирования скорости циркуляции электролита в батарее. Например, как описано в настоящей заявке, насос, управляемый контроллером, может обеспечивать циркуляцию электролита через отсеки или элементы батареи с регулируемой скоростью или с регулируемыми интервалами. Контроллер может управлять насосом и клапанами таким образом, что электролит будет протекать через определенные участки или отсеки батареи. В одном из вариантов осуществления изобретения система регулирует температуру батареи путем регулирования температуры электролита. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, система регулирует температуру батареи и тем самым напряжение батареи путем регулирования скорости потока электролита в батарее и/или управления работой теплообменника.
[0038] Как правило, эксплуатационные характеристики металло-воздушного элемента или металло-воздушной батареи определяются различными параметрами, в частности химическим составом и конструкцией катода, химическим составом и конструкцией анода, химическим составом электролита, рабочей температурой, скоростью потока электролита, скоростью потока воздуха, профилем разряда батареи и т.д. В то время как некоторые из параметров, такие как физическая структура и химический состав элементов батареи, например структура батареи и химический состав катода, определяются конструкцией элемента или батареи и/или производителем, а другие параметры, такие как рабочая температура, отбираемый ток, напряжение и профиль разряда, могут быть измерены и заданы с помощью одного из вариантов осуществления изобретения. Очевидно, что различные варианты осуществления изобретения могут использоваться для различных конструкций и типов батарей и что различные варианты осуществления изобретения могут быть применимы для любой батареи, отвечающей соответствующим требованиям. Например, в пределах объема изобретения могут использоваться батареи разных размеров, с разным количеством элементов и т.п.
[0039] Один из вариантов осуществления настоящего изобретения может компенсировать или учитывать параметры конструкции и/или эволюцию конструкции или химического состава батареи. Например, расстояние между анодом и катодом в ходе эксплуатации металло-воздушного элемента или батареи изменяется. По мере того как расходуется металл, образующий анод, расстояние между поверхностью анода и катодом увеличивается. Эти и другие изменяющиеся параметры определяют эффективное напряжение элемента или батареи и влияют на скорость коррозии во время эксплуатации батареи, а также на коэффициент использования электролита. Эти параметры, в свою очередь, определяют коэффициент использования энергии элемента или батареи. Один из вариантов осуществления настоящего изобретения может включать в себя регулировку эксплуатационных параметров (например, температуры батареи или потребления электроэнергии, вырабатываемой батареей) на основании изменения или развития параметров. Например, система компенсирует снижение напряжения, вырабатываемого металло-воздушной батареей (например, вследствие коррозии) путем увеличения температуры батареи.
[0040] Рабочая точка элемента или батареи может определяться электрическим током, который отбирается от элемента или батареи, а также температурой элемента или батареи. Как правило, слабым токам соответствует более высокое напряжение элемента или батареи, но также повышенная скорость коррозии и, как следствие, снижение коэффициента использования тока. Более низким температурам соответствует более низкое напряжение, но также снижение скорости коррозии и, как следствие, повышение коэффициента использования тока. Таким образом, оптимальное соотношение между более высоким напряжением и более высоким коэффициентом использования тока в значительной степени определяет общую энергоэффективность элемента или батареи.
[0041] В конкретный момент, для конкретной мощности разряда, оптимальная рабочая точка элемента или батареи могут определяться свойствами элемента или батареи, а также возрастом электролита. Под «возрастом» электролита в настоящем описании имеется в виду количество металла (например, алюминия, цинка и т.д.), который растворяется в электролите. В некоторых случаях возраст электролита рассчитывается на основе процентного содержания растворенного металла в электролите.
[0042] Один из вариантов осуществления настоящего изобретения может предусматривать определение текущей или мгновенной скорости растворения металла. Например, в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения количество водорода, выделяющегося из электролита, непрерывно измеряется датчиком. Полученная скорость выделения водорода используется контроллером для определения скорости растворения в электролите металла, из которого состоит анод. Например, контроллер может использовать скорость выделения водорода для расчета скорости растворения металла в электролите, используя приведенное выше уравнение (2). Соответственно, контроллер может рассчитать скорость старения электролита. Постоянно контролируя процесс старения электролита, контроллер легко может определить возраст электролита в любой данный момент времени. Как более подробно описано ниже, система может запускать батарею в работу таким образом, что скорость выделения водорода, скорость растворения металла анода и/или скорость старения электролита, содержащегося в батарее, будут поддерживаться на минимальном уровне или на требуемом уровне.
[0043] Работа в оптимальной точке (например, определяемой отбираемым током и температурой) может быть отражена в напряжении элемента или батареи. Например, один из вариантов осуществления изобретения позволяет поддерживать требуемое напряжение в диапазоне от 1 В до 1,25 В путем регулирования рабочих параметров описанным в настоящей заявке способом. Очевидно, что в соответствующих случаях любое рассмотрение элемента относится также к батарее, включающей в себя один или несколько элементов. Например, рассмотрение использования энергии элемента относится также к некоторому количеству элементов, составляющих батарею, и, таким образом, должно пониматься как рассмотрение использования энергии батареи. Аналогичным образом, рассмотрение нагрева или охлаждения электролита или элемента следует понимать как рассмотрение нагрева и/или охлаждения некоторого количества элементов, составляющих батарею. Соответственно, для простоты и ясности, в настоящем описании могут рассматриваться элементы батареи, когда речь идет о батарее, и наоборот.
[0044] На фиг. 1 графически представлены параметры, влияющие на коэффициент использования энергии металло-воздушного элемента или батареи, а также взаимозависимость этих параметров. Как уже говорилось, такие параметры, как химический состав анода, химический состав катода, структура катода, геометрическая форма и т.п. (в совокупности именуемые в дальнейшем «конструктивными параметрами»), обычно оказывают влияние на коэффициент использования энергии элемента или батареи. На фиг. 1 такие параметры опущены. Один из вариантов осуществления изобретения, описанный в настоящей заявке, может предусматривать измерение, оценку и компенсацию изменений конструктивных параметров батареи.
[0045] Для более подробной характеристики взаимосвязей, показанных на фиг. 1, поясним, что большому возрасту электролита (например, в диапазоне от 0 до 200 грамм алюминия на литр электролита) соответствует меньшее напряжение, но также более низкая скорость коррозии, поэтому этот параметр может как увеличивать, так и уменьшать коэффициент использования энергии, в зависимости от конкретных условий работы. Повышенный ток (обычно 0-400 мА (миллиампер) на см2 (квадратный сантиметр) катода) соответствует меньшему напряжению, но также более низкой скорости коррозии, поэтому этот параметр также может как увеличивать, так и уменьшать коэффициент использования энергии. Повышенная температура (обычно 0-90°C (градусов Цельсия)) соответствует более высокому напряжению, но также более высокой скорости коррозии, поэтому этот параметр также может как увеличивать, так и уменьшать общий коэффициент использования энергии.
[0046] На фиг. 1 показаны взаимосвязи между рабочими параметрами. Изменяя некоторые параметры, показанные на фиг. 1 (например, потребляемый ток, напряжение, температуру, скорость коррозии, скорость циркуляции и возраст электролита), можно регулировать параметры, изменение которых позволит достичь требуемого результата. Например, для регулирования скорости коррозии система регулирует рабочую температуру батареи. В частности, скорость коррозии может быть уменьшена путем снижения температуры батареи описанным в настоящей заявке способом. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, система регулирует один или более из следующих параметров: потребляемый ток, температура, скорость коррозии и возраст электролита, содержащегося в батарее, для достижения и поддержания, по меньшей мере, одного из следующих результатов для металло-воздушной батареи: требуемый коэффициент использования энергии, мгновенная потребляемая мощность, конкретное напряжение или профиль использования батареи.
[0047] Например, в стандартной батарее, когда требуется поддержание постоянной потребляемой мощности (представляющей собой произведение напряжения и тока, Р=VI), максимальный коэффициент использования может быть получен путем поддержания напряжения элементов в диапазоне от 1 до 1,25 вольт и выбора такого значения тока I, которое необходимо для получения требуемой мощности Р при данном напряжении. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, в процессе работы и по мере старения электролита контроллер, входящий в состав системы, управляет теплообменником для контролируемого увеличения температуры электролита или батареи (например, путем нагрева электролита и/или изменения скорости циркуляции электролита) таким образом, что напряжение и скорость коррозии поддерживаются на предварительно заданном или требуемом уровне. Скорость коррозии также может определяться скоростью выделения водорода из батареи. Следовательно, мгновенное значение коэффициента использования батареи может быть определено путем расчета величины коэффициента использования: Коэффициент использования = (1 - скорость коррозии)× напряжение элемента / теоретическое напряжение элемента (например, для алюминия теоретическое напряжение составляет 2,71 В, как показано в уравнении (1), для цинка теоретическое напряжение составляет 1,65 В). В любой конкретный момент контроллер может изменить температуру батареи (например, путем включения теплообменника или управления его работой) и мощность, отбираемую от батареи (например, путем управления регулятором тока), для получения максимального коэффициента использования.
[0048] Соответственно, настоящее изобретение дает возможность увеличить коэффициент использования энергии металла анода и электролита, содержащегося в металло-воздушной батарее, путем регулирования эксплуатационных параметров. Например, один из вариантов осуществления изобретения дает возможность регулировать такие параметры, как рабочая температура батареи, величина тока, отбираемого от батареи, напряжение батареи, возраст электролита в батарее и т.д.
[0049] Система может регулировать рабочую точку металло-воздушной батареи путем регулирования рабочей температуры. Система может регулировать рабочую точку металло-воздушной батареи путем регулирования тока, отбираемого от батареи. Следовательно, система также регулирует напряжение батареи. Система может состоять из контроллера, теплообменника, регулятора тока и различных датчиков, таких как датчики напряжения, датчик уровня pH, датчик электропроводности, датчик плотности, датчик мутности, водородный датчик и т.д. Система может быть адаптирована для регулирования температуры элемента или батареи с помощью теплообменника и может регулировать ток, отбираемый от элемента или батареи, с помощью регулятора тока.
[0050] Система может определять возраст электролита, используя один или несколько из следующих способов: мониторинг и суммирование потребления металла анода, расчет потребления металла анода, измерение или расчет скорости коррозии на основе выделения водорода, измерение электропроводности электролита, измерение уровня pH электролита, измерение плотности электролита, измерение мутности электролита, измерение вязкости электролита и т.д.
[0051] Используемый в настоящем описании термин «профиль разряда» характеризуется или определяется током разряда и напряжением как функцией количества металла (например, алюминия, цинка или любого другого металла, используемого в металло-воздушных батареях), растворенного в электролите. Для определения емкости элемента или батареи или режима их работы при различных нагрузках и в различных условиях могут быть проведены испытания элемента или батареи в различных условиях. Например, производитель батареи может предоставить параметры, величины или графики, характеризующие ожидаемые эксплуатационные характеристики батареи. Один из вариантов осуществления изобретения может определять профиль разряда батареи, соответствующий требуемой производительности. Например, в определенных условиях может потребоваться профиль разряда, при котором коэффициент использования энергии является максимальным, а в других условиях предпочтительным является режим разряда, дающий более низкий коэффициент использования энергии, но более высокую мощность.
[0052] Данные, характеризующие батарею, могут передаваться в контроллер и использоваться контроллером для регулирования работы металло-воздушной батареи. Например, если производитель предоставляет данные о том, какая температура для батареи является оптимальной, контроллер может регулировать температуру таким образом, чтобы она была оптимальной для работы батареи. Например, в одном случае контроллер непрерывно отслеживает и корректирует рабочие параметры батареи для выполнения выбранного профиля разряда. В другом варианте осуществления изобретения контроллер непрерывно отслеживает и корректирует рабочие параметры батареи для поддержания требуемого коэффициента использования батареи. Еще в одном примере система непрерывно отслеживает и корректирует рабочие параметры батареи для подачи требуемой мощности и поддержания требуемого коэффициента использования батареи.
[0053] На фиг. 2 представлена высокоуровневая блок-схема иллюстративной системы 200, являющейся примером осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 2, система может содержать металло-воздушную батарею 201, которая подает электроэнергию на нагрузку 203. В частности, нагрузка может представлять собой электродвигатель транспортного средства, электрические лампочки или любое другое устройство, потребляющее электроэнергию. Следует понимать, что варианты осуществления изобретения не ограничиваются конкретной нагрузкой, на которую подается электроэнергия; в пределах объема изобретения в качестве нагрузки могут быть использованы любые устройства, потребляющие электроэнергию. Например, транспортным средством, упоминаемым в настоящем описании, может быть электромобиль, игрушка, лодка или самолет любого размера. Транспортное средство, являющееся потребителем электроэнергии, может быть беспилотным или управляться человеком.
[0054] Как показано на рисунке, батарея 201 может содержать металло-воздушные элементы 202 (например, алюминий-воздушные элементы). Для простоты и наглядности показан только один металло-воздушный элемент 202, входящий в состав батареи 201, однако следует понимать, что в различных вариантах осуществления изобретения может использоваться любое требуемое количество элементов 202. Например, количество элементов может быть выбрано на основе требуемого напряжения батареи 201. Следует понимать, что когда речь идет об элементе 202, может иметься в виду любое количество элементов 202, входящих в состав батареи 201. Например, параметры, измеренные для элемента 202, могут быть измерены также для множества элементов, параметры, заданные или регулируемые для элемента 202 (например, напряжение, потребляемый ток, температура, циркуляция и т.д.), могут быть заданы для множества элементов 202, входящих в состав батареи 201.
[0055] Как показано на рисунке, система может содержать теплообменник 205, который может обеспечивать охлаждение или нагрев батареи, элемента или электролита, содержащегося в батарее 201. Для наглядности на рисунке не показан электролит, содержащийся в батарее 201, однако следует понимать, что любое свободное пространство батареи 201 или элемента 202 может быть заполнено электролитом. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, теплообменник 205 размещается в камере, через которую протекает электролит. Соответственно, система может нагревать или охлаждать электролит, содержащийся в батарее, и таким образом нагревать или охлаждать батарею. Электролит может протекать через элемент 202, охлаждая или нагревая элемент 202. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 управляет работой теплообменника. Например, контроллер 219 получает данные измерения температуры с датчика 208 температуры и управляет работой теплообменника 205 для достижения и/или поддержания требуемой температуры электролита в батарее 201 (и, следовательно, температуры батареи 201).
[0056] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 путем управления переключателями, клапанами и т.п.(не показаны), может регулировать работу теплообменника 205 для нагрева или охлаждения элемента 202 за счет протекания охлажденного или нагретого электролита через элемент 202. В других вариантах осуществления изобретения для нагрева или охлаждения может использоваться вентилятор, электронагревательный элемент, радиатор, вентилятор, расположенный вне батареи 201, и т.д. Контроллер 219 может управлять любыми устройствами, системами или элементами, используемыми для нагрева или охлаждения, расположенными внутри или вне батареи 201. Например, вентилятор и нагревательный элемент могут быть размещены вне батареи 201 и могут управляться контроллером 219 для нагрева или охлаждения батареи 201 или элемента 202. Согласно другому варианту осуществления изобретения, электронагревательный элемент, управляемый контроллером 219, может быть размещен внутри батареи 201 для нагрева электролита в батарее 201.
[0057] Для наглядности на рисунке не показан электролит, содержащийся в системе 200. Однако следует понимать, что электролит может присутствовать внутри батареи 201, внутри элемента 202 и в емкости 206 для электролита и может достигать любой части системы 200 или протекать через любую ее часть, например через трубки, отверстия и т.п.
[0058] Как показано на рисунке, система 200 может содержать емкость 206 для электролита и насос 207. Насос 207 может обеспечивать циркуляцию электролита через систему 200. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 управляет работой насоса 207. Например, контроллер 219 может управлять работой насоса 207 для перемещения электролита из емкости 206 для электролита к элементам батареи 201 или управлять работой насоса 207 для перемещения электролита из батареи 201 в емкость 206 для электролита. Контроллер 219 может регулировать мощность насоса 207, например может регулировать насос 207 таким образом, чтобы обеспечить циркуляцию между емкостью 206 для электролита и батареей 201 первого объема электролита в секунду в течение первого периода времени и обеспечить циркуляцию второго объема электролита в секунду в течение второго периода времени. Соответственно, контроллер 219 регулирует скорость циркуляции электролита через систему 200.
[0059] Согласно другому варианту осуществления изобретения, для удаления осадка с катода или анода в элементе 202 контроллер 219 регулирует насос 207 и теплообменник 205 с целью достижения требуемой комбинации циркуляции и температуры. Например, чтобы удалить осадок с алюминиевого анода в элементе 202, контроллер 219 может вначале воздействовать на теплообменник 205 для нагрева электролита в емкости 206 для электролита или электролита в батарее 201, после чего, при достижении требуемой или желаемой температуры электролита, контроллер 219 запускает насос 207, который обеспечивает циркуляцию теплого или горячего электролита через элемент 202 для эффективного удаления осадка с анода в элементе 202. Следует отметить, что теплообменник 205 может размещаться в батарее 201, как показано на рисунке, либо в емкости 206 для электролита; также могут использоваться два теплообменника, один из которых устанавливается в батарее 201, другой - в емкости 206 для электролита.
[0060] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, перед запуском или перезапуском батареи контроллер 219 определяет возраст электролита (например, путем закачивания электролита в элементы) и нагревает или охлаждает электролит до предварительно заданной температуры. Например, на основе выбранного профиля или спецификации, контроллер 219 регулирует температуру батареи для достижения оптимального коэффициента использования электролита. Например, контроллер 219 нагревает электролит в емкости 206 для электролита, и только после того, как электролит нагреется до предварительно заданной температуры (например, определенной в соответствии с выбранным профилем и/или на основании возраста электролита), контроллер 219 воздействует на насос 207 для обеспечения циркуляции электролита в батарее 201 и/или элементе 202.
[0061] Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для того чтобы перезапустить батарею, работа которой была прекращена до полного использования электролита, контроллер 219 воздействует на насос 207 и теплообменник 205 для достижения требуемой комбинации циркуляции и температуры.
[0062] Например, чтобы перезапустить батарею, работа которая была прекращена (например, в случае отключения от нагрузки) в момент, когда температура электролита составляла 60°C (60 градусов Цельсия), контроллер 219 сначала воздействует на теплообменник 205 для нагрева электролита, находящегося в емкости 206 для электролита, и/или электролита в батарее 201, и, после того, как температура электролита достигнет 55-65°C (55-65 градусов Цельсия), контроллер 219 запускает насос 207, обеспечивающий циркуляцию теплого или горячего электролита в элементе 202, для перезапуска батареи при требуемой температуре, соответствующей возрасту электролита.
[0063] Как показано на рисунке, система 200 может содержать датчик 208 температуры, датчик 209 напряжения, датчик 210 тока, датчик 211 скорости потока, датчик 212 давления, датчик 213 электропроводности, датчик 214 уровня pH, датчик 215 плотности, датчик 216 мутности и водородный датчик 217. Следует понимать, что некоторые из представленных на рисунке датчиков, содержащихся в системе 200, являются дополнительными. Например, в некоторых вариантах осуществления изобретения могут использоваться не все показанные датчики. Аналогичным образом, некоторые варианты осуществления изобретения могут содержать датчики, не показанные на фиг. 2, которые могут быть использованы для контроля отдельных параметров батареи 201. Для наглядности на рисунке показан один датчик каждого вида, но следует понимать, что система 200 может содержать несколько датчиков одного вида. Например, несколько датчиков 209 напряжения могут быть подключены к нескольким элементам 202 в батарее 201.
[0064] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, датчик 208 температуры, датчик 209 напряжения, датчик 210 тока, датчик 211 скорости потока, датчик 212 давления, датчик 213 электропроводности, датчик 214 уровня pH, датчик 215 плотности, датчик 216 мутности и водородный датчик 217 функционально связаны с контроллером 219 таким образом, что сигналы, генерируемые этими датчиками, передаются на контроллер 219. Используя параметры, измеряемые, регистрируемые или контролируемые датчиками, контроллер 219 может определять состояние батареи 201 и управлять работой элементов системы 200 для достижения и/или поддержания требуемого рабочего или иного состояния батареи.
[0065] Вышеупомянутые датчики могут быть любыми применимыми датчиками, известными в данной области техники. Следует понимать, что варианты осуществления изобретения не ограничиваются типом, сущностью или способом работы какого-либо из описанных датчиков. При необходимости система может содержать различные датчики других типов. Например, для определения возраста электролита, содержащегося в батарее, может быть добавлен датчик вязкости, и контроллер 219 может использовать данные, относящиеся к вязкости электролита, с целью определения его возраста или качества.
[0066] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 регулирует температуру батареи 201 путем включения теплообменника 205 и контроля температуры батареи 201 на основе данных, полученных от датчика 208 температуры; после достижения требуемой температуры контроллер 219 выключает теплообменник 205. Согласно другому варианту осуществления изобретения, контроллер 219, используя данные термометра, измеряющего температуру окружающей среды (например, установленного в автомобиле), может управлять работой теплообменника 205 для обеспечения постоянного нагрева, такого, что температура батареи 201 поддерживается в заранее заданном или требуемом диапазоне.
[0067] К контроллеру 219 могут быть подключены любые датчики или устройства, в частности устройства, внешние по отношению к системе 200. Например, при установке на транспортном средстве, к контроллеру 219 могут быть подключены датчики или устройства, предоставляющие данные о скорости, с которой передвигается автомобиль, высоте над уровнем моря, температуре снаружи транспортного средства, температуре двигателя и т.д. Любые данные, полученные контроллером 219 от любого применимого устройства, элемента или подсистемы транспортного средства, могут использоваться контроллером, в случае необходимости, для регулирования работы батареи описанным в настоящей заявке способом. Например, на основе вышеупомянутых данных контроллер 219 может определить ожидаемую потребность транспортного средства в мощности и отрегулировать рабочие параметры металло-воздушной батареи для обеспечения требуемой мощности при сохранении эффективности.
[0068] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 регулирует количество энергии, получаемое от батареи 201, путем управления регулятором 204 тока. Например, если контроллер 219 на основе выбранного профиля, ограничения, условия или параметра конфигурации определяет, что ток, отбираемый от батареи 201, должен быть ограничен, то контроллер 219 использует регулятор 204 тока для ограничения электрического тока, отбираемого от батареи 201. Регулятор 204 тока может, например, представлять собой переменный и регулируемый резистор или преобразователь постоянного тока, который управляется контроллером 219 таким образом, чтобы поддерживать требуемый уровень или величину тока, протекающего от батареи 201 к нагрузке 203.
[0069] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, могут быть использованы данные, относящиеся к характеристикам и/или свойствам батареи 201, предоставленные производителем батареи 201. Например, данные о емкости, мощности и напряжении батареи 201 (и взаимозависимости между этими параметрами) могут быть получены от производителя, и на основе этих характеристик может быть разработан профиль, оптимально подходящий для конкретной батареи 201.
[0070] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, батарея или элемент могут быть испытаны до начала эксплуатации батареи описанным в настоящей заявке способом. Например, каждый элемент батареи 201 может быть испытан в различных рабочих условиях (например, при различных значениях силы тока, напряжения или температуры) для определения кривых разряда батареи. Для определения характеристик, которые могут быть реализованы, может быть проведено тестирование и анализ различных кривых разряда. Для анализа может быть выбрано несколько кривых заряда/разряда. Например, первая из выбранных кривых может быть энергетически оптимальной, а вторая соответствовать оптимальной мощности. В контроллер 219 могут быть заложены выбранные кривые или профили разряда для батареи, а контроллер 219 может использовать заложенные кривые для регулирования работы батареи 201. Например, контроллер 219 регулирует температуру батареи 201 и/или ток, отбираемый от батареи 201, описанным в настоящей заявке способом, для сохранения выбранной кривой или профиля.
[0071] Система 200 может регулировать работу батареи с целью реализации или поддержания предварительно заданного операционного профиля. Например, может быть реализован профиль разряда, характеризующийся заданными величинами тока разряда и напряжения, определенными с учетом количества металла, растворенного в электролите. Например, контроллер 219, используя данные, полученные от одного или нескольких датчиков, определяет возраст электролита, содержащегося в батарее 201. Например, путем измерения плотности, уровня pH, количества выделяемого водорода и/или мутности электролита с учетом времени и условий использования (например, в лаборатории), определяются основные характеристики электролита, что позволяет определить возраст электролита при известных уровнях плотности, уровня pH, количества выделяемого водорода и/или мутности. Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 определяет возраст электролита на основе характеристик электролита и данных, получаемых от подключенных датчиков.
[0072] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, профиль разряда определяет ток разряда и напряжение. Чтобы батарея 201 работала в соответствии с определенным профилем разряда, контроллер 219 использует регулятор 204 тока, чтобы задать силу тока, отбираемого от батареи 201, равную значению, определенному данным профилем разряда. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, чтобы батарея 201 работала при уровне напряжения, определенном профилем разряда, контроллер использует теплообменник 205. Как описано в настоящей заявке, напряжение, вырабатываемое батареей 201, может быть повышено путем повышения температуры батареи 201, при этом охлаждение батареи 201 приводит к уменьшению вырабатываемого напряжения. Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 воздействует на теплообменник 205 для нагрева или охлаждения батареи 201 с целью получения напряжения, определенного профилем разряда.
[0073] Контроллер 219 может контролировать все аспекты, связанные с выбранным режимом, и одновременно управлять несколькими устройствами для поддержания каждой из множества характеристик. Например, контролируя напряжение батареи 201 и воздействуя на теплообменник 205 для нагрева батареи 201 с целью повышения напряжения, контроллер 219 может контролировать величину отбираемого тока (используя датчик 210 тока), и, если при повышении температуры величина отбираемого тока превышает величину, определенную профилем разряда, контроллер 219 может воздействовать на регулятор 204 тока для ограничения тока, отбираемого от батареи 201. Соответственно, контроллер 219 может одновременно контролировать некоторое множество эксплуатационных характеристик батареи 201. Согласно другому варианту осуществления изобретения, контроллер 219 может выполнять итерацию некоторого множества параметров или характеристик, поочередно задавая значение каждой из них, и повторять этот процесс до тех пор, пока не будет реализован выбранный профиль разряда или иной профиль, который будет поддерживаться в течение определенного периода времени или до изменения состояния системы.
[0074] Например, вначале контроллер определяет возраст электролита. Затем, управляя регулятором 204 тока, контроллер 219 задает величину тока, отбираемого от батареи 201. После этого контроллер 219 использует теплообменник 205 для увеличения или уменьшения подаваемого напряжения, а затем повторяет шаги определения возраста электролита, установки величины тока и установки напряжения. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 повторяет шаги определения возраста электролита, установки величины тока и установки напряжения до достижения заранее заданного профиля разряда. Согласно другому варианту осуществления изобретения, контроллер 219 повторяет шаги определения возраста электролита, установки величины тока и установки напряжения для поддержания постоянного заданного профиля разряда (или иного режима).
[0075] В другом примере поддерживается заданное отношение между количеством электрической энергии, вырабатываемой из одного килограмма металла, и общим количеством энергии в каждом килограмме металла, содержащегося в батарее 201. Данное отношение в настоящей заявке называется «коэффициентом использования». Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 контролирует напряжение и ток, вырабатываемые батареей 201, или, по меньшей мере, один из этих параметров (например, описанным в настоящей заявке способом) для определения текущего или мгновенного коэффициента использования энергии. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для достижения требуемого коэффициента использования контроллер 219 определяет возраст электролита в батарее 201, например, описанным в настоящей заявке способом. Управляя теплообменником 205, контроллер 219 затем устанавливает напряжение, вырабатываемое батареей 201, например, описанным в настоящей заявке способом.
[0076] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 анализирует данные, полученные от водородного датчика 217 и, используя теплообменник 205, увеличивает или уменьшает температуру батареи 201 для достижения уровня выделения водорода, соответствующего требуемому уровню, например, определенному выбранным профилем. Как описано выше, уровень водорода в электролите может указывать на количество металла, которое потребляется без выработки электроэнергии. Соответственно, для поддержания заданного отношения между электроэнергией и потребляемым металлом система может контролировать уровень водорода в электролите и настраивать рабочие параметры таким образом, чтобы это отношение оставалось постоянным. Операции, выполняемые для достижения заранее заданного отношения электроэнергии к потреблению металла, могут выполняться последовательно либо параллельно. Операции, выполняемые для достижения заранее заданного отношения электроэнергии к потреблению металла, могут повторяться последовательно (например, циклически) для постоянного поддержания указанного отношения.
[0077] Система 200 может запускать батарею в работу 201 в соответствии с сочетанием профилей или в соответствии с комбинацией ограничений или характеристик. В одном из примеров осуществления изобретения система 200 запускает батареи в работу 201 при обеспечении конкретного, требуемого или предварительно заданного уровня мощности и поддержании конкретного или предварительно заданного коэффициента использования. Например, контроллер 219 устанавливает отбираемый ток на первый уровень (например, используя регулятор 204 тока). Затем контроллер 219 устанавливает рабочее напряжение для достижения требуемой мощности. Как известно в данной области техники, для достижения предварительно заданной мощности могут использоваться различные сочетания значений или уровней тока и напряжения. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для достижения предварительно заданной мощности и конкретного коэффициента использования контроллер 219 контролирует скорость выделения водорода и увеличивает или уменьшает температуру батареи 201 таким образом, чтобы скорость выделения водорода соответствовала скорости, определяемой коэффициентом использования. Соответственно, для достижения предварительно заданной мощности и заданного коэффициента использования контроллер может регулировать любой из следующих параметров: ток, отбираемый от батареи, напряжение, вырабатываемое батареей, и температуру батареи. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 непрерывно контролирует возраст электролита в батарее 201, мощность, отбираемую от батареи 201, и температуру батареи 201, и с учетом возраста электролита непрерывно регулирует отбираемую мощность и температуру для поддержания заданных рабочих характеристик.
[0078] Контроллер 219 может быть подключен к любому применимому устройству или элементу системы и может регулировать рабочие параметры батареи 201 в соответствии с любыми применимыми условиями. Например, если система 200 установлена на транспортном средстве, могут учитываться скорость движения транспортного средства, данные приборов, расположенных на приборной панели, рабочее состояние двигателя, дополнительные источники питания и т.д. Например, контроллер 219 может получать сигналы от датчиков, установленных внутри автомобиля, линии связи внутри автомобиля, датчиков, установленных на двигателе автомобиля, и датчиков, подключенных к дополнительному источнику питания.
[0079] Контроллер 219 может использовать данные, полученные от приборов, расположенных на приборной панели автомобиля, в котором установлена система 200, данные, полученные от двигателя и других узлов автомобиля, а также данные, полученные от дополнительного аккумулятора, для определения рабочих характеристик или режимов работы батареи 201. Контроллер 219 может динамически регулировать работу батареи 201 в соответствии с текущими условиями или требованиями.
[0080] Например, когда водитель нажимает на педаль газа электромобиля, контроллер 219 может изменить профиль оптимального использования на профиль пиковой мощности, который может не являться оптимальным с точки зрения коэффициента использования энергии батареи 201, но может быть оптимальным с точки зрения мощности. В другом случае, определив, что вспомогательная батарея (например, источник 320 питания, описанный ниже, см. фиг. 3) полностью заряжена, контроллер 219 для поддержания коэффициента использования энергии, заданного выбранным профилем, может уменьшить мощность, отбираемую от батареи 201, и увеличить мощность, отбираемую от вспомогательной батареи.
[0081] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 автоматически регулирует рабочие параметры батареи 201 для достижения оптимального использования батареи 201. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219, получая сигналы от тахометра и/или спидометра электромобиля, может определить, что автомобиль неподвижен и потребность в мощности является низкой. В этом случае контроллер 219 может выбрать профиль, который обеспечивает максимальную продолжительность работы батареи 201, например может регулировать работу батареи 201 для достижения профиля, характеризующегося низкой мощностью и высокой эффективностью использования, как описано выше.
[0082] На фиг. 3 представлен пример системы 300, являющейся примером осуществления настоящего изобретения. Как показано на рисунке, система 300 может содержать систему 200, раскрытую в настоящей заявке, включая металло-воздушную батарею 201. Для простоты и наглядности другие элементы системы 200 на фиг. 3 не показаны. Как показано на рисунке, система 300 может содержать контроллер 310, который может быть аналогичен контроллеру 219. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 может быть заменен на контроллер 310. Контроллер 310, в случае, когда он заменяет контроллер 219, может быть подключен к любому из датчиков, подключаемых к контроллеру 219, как описано выше. Согласно другим вариантам осуществления изобретения, например, когда система 300 содержит два контроллера 219 и 310, контроллер 310 может обмениваться данными с контроллером 219 и получать любые данные, полученные контроллером 219. Соответственно, очевидно, что любые операции, выполняемые, как описано выше, контроллером 219, могут выполняться контроллером 310.
[0083] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллеры 219 и 310 содержат процессор и память. В энергонезависимой памяти, подключенной к контроллеру 310, может храниться набор инструкций, которые при их выполнении контроллером 310 приводят к выполнению контроллером 310 описанных в настоящей заявке операций и способов. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, в энергонезависимой памяти, подключенной к контроллеру 310, хранятся параметры профилей разряда или других профилей, описанных в настоящей заявке.
[0084] Как будет показано ниже, система 300 может содержать несколько источников питания: источник 320 питания и источник 321 питания. Например, источник 320 питания может представлять собой перезаряжаемую аккумуляторную батарею или суперконденсатор, известные в данной области техники, а источник 321 питания может представлять собой источник солнечной энергии. Для простоты, помимо металло-воздушной батареи 201, показаны только два источника питания: источник 320 питания и источник 321 питания. Однако следует понимать, что система 300 может содержать любое количество источников питания, которые могут быть подключены к блоку 325 регулирования тока и коммутации и могут управляться контроллером 310. Как показано на рисунке, система 310 может содержать блок 325 регулирования тока и коммутации (БРТК). Как показано на рисунке, БРТК 325 может содержать регулятор 326 тока и коммутатор 327.
[0085] Например, регулятор 326 тока может быть аналогичен регулятору 204 тока, но может быть настроен для регулирования протекания тока от/к любых источников электроэнергии или нагрузки, подключенных к БРТК 325. Регулятор 326 тока может содержать несколько регуляторов тока и может, соответственно, регулировать ток в нескольких цепях. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, регулятор 326 тока может быть настроен таким образом, чтобы задавать различные значения предельного тока для различных токовых цепей. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, регулятор 326 тока, управляемый контроллером 310, задает первое значение предельного тока для тока, протекающего от системы 200 к нагрузке 330, задает второе значение предельного тока для тока, протекающего от источника 320 питания к нагрузке 330, и дополнительно задает третье значение предельного тока для тока, протекающего от источника 321 питания к источнику 320 питания.
[0086] Коммутатор 327 может представлять собой устройство, настроенное таким образом, чтобы выполнять электрическое подключение или отключение любого устройства или узла, подключенного к БРТК 325. Например, коммутатор 327 может установить первое электрическое соединение между источником 320 питания и нагрузкой 330 и затем установить второе электрическое соединение между системой 200 и источником 320 питания. Соответственно, БРТК 325 может направлять электрический ток от любого подключенного устройства или узла или к нему и может регулировать ток, протекающий от любого подключенного устройства или узла или к нему.
[0087] Например, БРТК 325 может подключить источник 321 питания к нагрузке 330 и одновременно подключить систему 200 к источнику 320 питания. Коммутатор 327 может содержать несколько выключателей с электроприводом, и с помощью таких выключателей коммутатор 327 может подключать любой подсоединенный источник питания (включая систему 200) к любому другому источнику питания. Аналогичным образом, коммутатор 327 может подключать любой подсоединенный источник питания к нагрузке 330 и отключать его от нагрузки 330. Соответственно, используя регулятор 326 тока, БРТК 325 может регулировать ток, отбираемый от одного из подключенных к нему источников питания, и, кроме того, используя коммутатор 327, БРТК 325 может направлять электрический ток от любого подключенного источника питания к любому подключенному источнику питания или к нагрузке 330. Следует понимать, что к БРТК 325 может быть подключено несколько нагрузок.
[0088] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, БРТК 325 на основе управляющего сигнала от контроллера 310 может регулировать работу системы 200 для обеспечения подачи предварительно заданной мощности на нагрузку 330 и, кроме того, может регулировать работу источников 320 и 321 питания для обеспечения подачи дополнительной мощности. В другом случае, если мощность, требующаяся для питания нагрузки 330, меньше мощности, которая может быть обеспечена системой 200, то БРТК 325 на основе управляющего сигнала от контроллера 310 может регулировать работу системы 200 для обеспечения подачи электроэнергии к одному из источников питания или к обоим источникам 320 и 321 питания. Например, если источником 320 питания является перезаряжаемая аккумуляторная батарея, то если мощность или ток, которые могут вырабатываться системой 200, превышают потребности нагрузки 330, то БРТК 325 на основе управляющего сигнала от контроллера 310 может регулировать работу системы 200 для обеспечения подачи электроэнергии к источнику 320 питания, так чтобы электроэнергия, подаваемая системой 200, использовалась для зарядки источника 320 питания.
[0089] Хотя это и не показано на рисунке, на каждом из источников 320 и 321 питания и на нагрузке 330 могут быть установлены любые необходимые датчики, которые могут быть подключены к контроллеру 310. Например, на источники 320 и 321 питания могут быть установлены датчики, аналогичные показанным на фиг.2, например вольтметр. Соответственно, контроллер 310 может получать данные о состоянии элементов системы 300 и может управлять БРТК 325 на основе данных о состоянии любой системы или устройства: системы 200, нагрузки 330 и источников 320 и 321 питания. Например, если источником 321 питания является источник солнечной энергии, а источником 320 питания является перезаряжаемая аккумуляторная батарея, то БРТК 325 на основе управляющего сигнала от контроллера 310 может регулировать работу источника 321 питания для зарядки источника 320 питания или подачи мощности на нагрузку 330. В другом случае, БРТК 325 на основе управляющего сигнала от контроллера 310 может регулировать работу источника 321 питания для одновременного осуществления зарядки источника 320 питания и подачи мощности на нагрузку 330.
[0090] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 периодически или непрерывно контролирует, определяет и/или вычисляет рабочие условия батареи 201. Например, контроллер 310 контролирует, на основе данных, получаемых от датчиков, описанных в настоящей заявке, температуру батареи 201, ток, получаемый от батареи 201, и напряжение батареи 201. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 периодически или непрерывно контролирует, определяет и/или вычисляет возраст электролита, содержащегося в батарее 201, описанным в настоящей заявке способом. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 201 периодически или непрерывно контролирует, определяет и/или вычисляет коэффициент использования энергии батареи 201.
[0091] Например, контроллер 310, используя данные, получаемые от водородного датчика 217, определяет скорость коррозии описанным в настоящей заявке способом. Согласно другому варианту осуществления изобретения, контроллер 310 использует значение плотности тока. Плотность тока, как известно в данной области техники, - это отношение силы тока к объему или площади поперечного сечения. Например, контроллер 310 может получать данные о плотности тока в металле, содержащемся в металло-воздушной батарее 201, которые могут, в частности, храниться в памяти, доступной для контроллера 310. С учетом плотности тока, температуры батареи 201 и возраста электролита, содержащегося в батарее 201, контроллер 310 определяет коэффициент использования энергии батареи 201. В частности, контроллер 310 может использовать таблицу соответствия (например, предоставленную производителем батареи 201) для определения коэффициента использования энергии на основе данных о возрасте электролита, плотности тока и/или температуре батареи 201.
[0092] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для достижения требуемого или оптимального коэффициента использования энергии контроллер 310 измеряет напряжение батареи 201 (с помощью датчика 209 напряжения) и регулирует напряжение системы для обеспечения требуемой или оптимальной эффективности с точки зрения использования электроэнергии. Например, используя регулятор 326 тока, контроллер задает постоянный уровень тока, отбираемого от батареи 201, и затем использует теплообменник 205 для установки температуры батареи 201, требующейся для получения необходимого напряжения, вырабатываемого батареей 201. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, как описано выше, напряжение, вырабатываемое батареей 201, регулируется путем регулирования температуры батареи 201. Соответственно, контроллер 310 регулирует ток, отбираемый от батареи 201, и напряжение батареи 201 для достижения и поддержания требуемого коэффициента использования энергии.
[0093] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 регулирует работу батареи 201 для достижения оптимального коэффициента использования энергии. Например, после определения условий работы батареи 201, в частности температуры, потребляемого тока и напряжения, и последующего расчета мгновенного коэффициента использования энергии батареи 201, контроллер 310 регулирует параметры условий работы батареи 201 описанным выше способом. Например, контроллер 310 увеличивает или уменьшает ток, отбираемый от батареи 201, увеличивает или уменьшает напряжение или температуру батареи 201 описанным в настоящей заявке способом, с целью достижения требуемой рабочей точки.
[0094] Например, рассмотрим алюминий-воздушный элемент с новым электролитом, температура которого составляет 50°С, работающий при плотности тока 200 мА/см2, напряжении 1,1 В и скорости коррозии, составляющей 10%. Коэффициент использования напряжения рассчитывается путем деления текущего напряжения элемента на теоретическое напряжение, которое может вырабатываться элементом, например, 1,1/2,7 для алюминия.
[0095] Мгновенный коэффициент использования энергии рассчитывается контроллером 310 путем умножения «коэффициента использования тока» на «коэффициент использования напряжения». В данном примере мгновенный коэффициент использования энергии составляет 0,366: 0,9×(1,1 В/2,7 В)=0,366. Для повышения коэффициента использования энергии контроллер 310 увеличивает плотность тока до 250 мА/см2 (управляя регулятором 326 тока), вследствие чего скорость коррозии снижается до 1%, а напряжение снижается до 1,05 В. Соответственно, коэффициент использования энергии увеличивается с 0,366 до 0,99×(1,05 В/2,7 В)=0,385.
[0096] Фиг. 6А и 6В иллюстрируют профиль терморегулируемой металло-воздушной батареи. Фиг. 6А и 6В иллюстрируют повышение коэффициента использования энергии металло-воздушной батареи в соответствии с вариантами осуществления изобретения. На обоих графиках, представленных на фиг. 6А и 6В, ток, отбираемый от батареи, остается постоянным на протяжении всего периода разряда. Как показано на фиг. 6А, при постоянной температуре напряжение батареи (выраженное в ватт-часах на литр электролита (Вт⋅ч/л)) постоянно падает по мере старения электролита, и, как показано, при 310 Вт⋅ч/л ресурс электролита оказывается исчерпан. Как показано на фиг. 6В, при постепенном увеличении температуры электролита и поддержании напряжения 1,2 В на протяжении всего периода разряда нагретый электролит вырабатывает свой ресурс только при 500 Вт⋅ч/л. Соответственно, регулируя температуру батареи, система, являющаяся воплощением настоящего изобретения, значительно увеличивает показатель использования электролита в металло-воздушной батарее.
[0097] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, нагрузка 330 представляет собой электромобиль (ЭМ), а источник 320 питания представляет собой перезаряжаемую аккумуляторную батарею. На фиг. 4 представлен пример конфигурации, допустимой для системы 300. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, конфигурация, показанная на фиг. 4, достигается путем настройки БРТК 325. Например, контроллер 310 регулирует работу БРТК 325 для подключения системы 200 к перезаряжаемому устройству 410 (которое может являться источником 320 питания) через регулятор 326 тока и затем настраивает конфигурацию БРТК 325 для подключения перезаряжаемого устройства 410 к ЭМ 415, как показано на рисунке. Согласно другому варианту осуществления изобретения, для конфигурации системы могут использоваться постоянные или фиксированные соединения, как показано на фиг. 4.
[0098] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, при использовании в ЭМ 415, металло-воздушная батарея 201 подключается к перезаряжаемому устройству 410, которое, в свою очередь, подключается к системе привода автомобиля. В этом случае контроллер 310 поддерживает постоянный уровень мощности, отбираемой от батареи 201. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, постоянный уровень напряжения определяется путем вычисления среднего уровня электроэнергии, потребляемой ЭМ 415. Например, контроллер 310 периодически или непрерывно измеряет ток, потребляемый ЭМ 415, вырабатываемый батареей 201 и перезаряжаемым устройством 410, и периодически или непрерывно вычисляет среднюю энергию, требующуюся для работы ЭМ 415. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 регулирует работу батареи 201 для подачи рассчитанного среднего тока или электроэнергии и использует перезаряжаемое устройство 410 как промежуточный накопитель, обеспечивающий дополнительную мощность, когда потребность ЭМ 415 в мощности превышает среднюю, и поглощающий мощность, когда потребность ЭМ 415 в мощности меньше средней. Например, батарея 201 обеспечивает мощность, необходимую для равномерной езды, но при ускорении, когда требуемая мощность превышает среднее значение, дополнительная мощность обеспечивается перезаряжаемым устройством 410. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, когда ЭМ 415 вырабатывает больше энергии, чем потребляет, например, при рекуперативном торможении, известном в данной области техники, электрическая энергия, вырабатываемая ЭМ 415, используется для зарядки перезаряжаемого устройства 410.
[0099] Как показано на фиг. 4, в иллюстративной конфигурации система 200 подключена к перезаряжаемой аккумуляторной батарее или устройству 410 через регулятор тока (например, регулятор 326 тока). Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, перезаряжаемое устройство 410 подключено к ЭМ 415 и, таким образом, обеспечивает электроэнергией электродвигатель ЭМ 415, а также другие нагрузки или цепи ЭМ 415. Как показано на рисунке, ЭМ 415 может содержать контроллер 420. Например, контроллер 420 может представлять собой бортовой компьютер, установленный на транспортном средстве, известный в данной области техники. Контроллер 410 может быть функционально связан с контроллером 310 (не показан на фиг.4 в целях наглядности). Соответственно, любые данные, получаемые или передаваемые контроллером 420, могут предоставляться или использоваться контроллером 310.
[00100] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, емкость перезаряжаемого устройства 410 является достаточной, чтобы обеспечить пиковую мощность, которая может потребоваться, например, для ускорения ЭМ 415, при езде в гору или в любых других условиях, в которых требуется кратковременный скачок мощности. Перезаряжаемое устройство 410 может заряжаться от электросети, например, в помещении. Учитывая особенности металло-воздушной батареи, ожидается, что емкость металло-воздушной батареи 210 значительно превышает емкость перезаряжаемого устройства 410, хотя это не является обязательным требованием. Металло-воздушная батарея 210, соответственно, может выполнять функцию увеличения запаса хода для ЭМ 415, и, соответственно, батарея 201 или система 200 может называться средством увеличения запаса хода.
[00101] Для увеличения запаса хода ЭМ 415 средство увеличения запаса хода (например, система 200 или металло-воздушная батарея 201) не обязательно должен обеспечивать кратковременную потребность в мощности ЭМ 415, скорее, он должен обеспечивать среднюю потребность в мощности ЭМ 415. Соответственно, система 200 или батарея 201 (именуемые здесь средством увеличения запаса хода) должны использоваться различным образом в зависимости от требований конкретной поездки. Такие требования могут включать в себя требования максимального коэффициента использования энергии, потребность в мощности, изменение профиля мощности или любую комбинацию вышеуказанных требований. Контроллер 310 может настроить средство увеличения запаса хода (например, систему 200) с учетом любых условий или требований.
[00102] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 может контролировать уровень заряда перезаряжаемого устройства 410, а также другие параметры поездки, такие как место назначения, дорожные условия, статистика потребления мощности, стиль вождения и т.д. Например, контроллер 310 может быть подключен к контроллеру 420, установленному в ЭМ 415, и таким образом получать любую необходимую информацию. Как описано в настоящей заявке, контроллер 310 на основе данных, получаемых от датчиков, может определять состояние средства увеличения запаса хода (системы 200 или металло-воздушной батареи 201) и состояние перезаряжаемого устройства 410. Например, контроллер 310 может определять емкость батареи 201 и емкость перезаряжаемого устройства 410 (например, системы 200 и источника 320 питания). Соответственно, контроллер 310 может выбрать и задать любое положение рабочей точки, уровень заряда, потребляемую мощность и/или другие параметры системы 200 (при ее использовании в качестве средства увеличения запаса хода) и перезаряжаемого устройства 410.
[00103] Например, контроллер 310 может поддерживать минимальный заряд перезаряжаемого устройства 410, регулируя ток, отбираемый от системы 200. Например, если контроллер 310 определяет, что емкость перезаряжаемого устройства 410 находится ниже порогового значения, контроллер 310 может воздействовать на систему 200 для зарядки перезаряжаемого устройства 410 (например, путем подключения системы 200 к перезаряжаемому устройству 410 через БРТК 325).
[00104] Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, может возникнуть необходимость в том, чтобы контролировать использование перезаряжаемой аккумуляторной батареи или устройства. Например, чтобы увеличить время работы перезаряжаемого устройства 410, может возникнуть необходимость в ограничении его использования. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, для того чтобы ограничить использование перезаряжаемого устройства 410, контроллер 310 отбирает мощность только от металло-воздушной батареи 201, и, таким образом, ЭМ 415 отбирает мощность от перезаряжаемой аккумуляторной батареи (например, перезаряжаемого устройства 410) только в случае, если мощность, отбираемая от металло-воздушной батареи 201, не обеспечивает его потребность в мощности. В других вариантах осуществления изобретения, например, если металло-воздушная батарея 201 является более дорогим ресурсом, а перезаряжаемое устройство 410 - более дешевым, контроллер 310 может регулировать работу перезаряжаемого устройства 410 таким образом, что она будет обеспечивать максимально возможную мощность, при этом использование металло-воздушной батареи будет минимальным. Используя возможности БРТК 325, контроллер 310 может отдельно задавать значения мощности или тока, отбираемых от каждого источника питания, подсоединенного к БРТК 325.
[00105] Соответственно, система 300 позволяет отдельно задавать количество электроэнергии, подаваемой на нагрузку 330 или ЭМ 415 каждым источником питания в системе. В другом варианте осуществления изобретения, например, если из-за отключения энергоснабжения зарядка перезаряжаемого устройства 410 невозможна, контроллер 310 отключает перезаряжаемое устройство 410 от ЭМ 415 и подключает перезаряжаемое устройство 410 к ЭМ 415 только тогда, когда металло-воздушная батарея 210 не способна обеспечить требуемую мощность. Следует понимать, что, используя БРТК 325, контроллер 310 может настроить систему таким образом, чтобы и металло-воздушная батарея 210, и перезаряжаемое устройство 410 обеспечивали часть потребности в мощности ЭМ 415, определяемой контроллером 310. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 поддерживает емкость перезаряжаемого устройства 410 на таком уровне, чтобы она была достаточна для обеспечения пиковой мощности, требуемой для ЭМ 415. Контроллер 310 может поддерживать максимальный заряд перезаряжаемого устройства 410 для осуществления эффективного рекуперативного торможения или рекуперации энергии на спуске, минимального использования средства увеличения запаса хода при отсутствии возможности зарядки от сети и т.д.
[00106] Для поддержания заданных пороговых значений контроллер 310 может включать или отключать средство увеличения запаса хода в любой момент. При включении средства увеличения запаса хода (например, путем подключения системы 200 к нагрузке 330 с помощью БРТК 325) контроллер 310 может регулировать работу средства увеличения запаса хода (системы 200) для обеспечения номинальной мощности, требуемой для максимального коэффициента использования энергии, или для обеспечения максимальной мощности, или для обеспечения любой другой предварительно заданной мощности.
[00107] Перезаряжаемый промежуточный накопитель может использоваться как промежуточный накопитель более чем одним способом. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, перезаряжаемое устройство имеет емкость, необходимую для обеспечения средней ежедневной потребности ЭМ в электроэнергии. Ежедневно, если используется среднее количество электроэнергии, электроэнергия может обеспечиваться только перезаряжаемого устройства, которое, в свою очередь, может заряжаться от сети (электрической розетки в помещении). Если дневное потребление электроэнергии превышает среднее значение, контроллер 310 может регулировать работу металло-воздушной батареи 201 таким образом, что она обеспечивает потребность в дополнительной энергии, которая не может быть обеспечена перезаряжаемым устройством.
[00108] Соответственно, в обычных условиях эксплуатации ЭМ может осуществляться регулярная зарядка промежуточного накопителя (например, перезаряжаемой аккумуляторной батареи), и перезаряжаемая аккумуляторная батарея может использоваться для ежедневных поездок на обычные расстояния, но в случаях, когда необходимо совершить поездку, превышающую среднее расстояние, используется металло-воздушная батарея, например, когда ресурс перезаряжаемой аккумуляторной батареи исчерпан или уровень заряда перезаряжаемой аккумуляторной батареи снизился до предварительно заданного уровня. Например, когда уровень заряда перезаряжаемой аккумуляторной батареи снижается до предварительно заданного уровня, контроллер 310 подключает металло-воздушную батарею. Соответственно, система или электромобиль, в соответствии с вариантами осуществления изобретения, выполнены таким образом, что емкость перезаряжаемого устройства электромобиля предназначена для обеспечения средней ежедневной потребности электромобиля в электроэнергии, а металло-воздушная батарея, установленная в электромобиле, предназначена для обеспечения потребности в электроэнергии, превышающей среднюю дневную потребность.
[00109] На фиг. 5 представлен пример алгоритма, в соответствии с примерами осуществления изобретения. Как показывает блок 510, способ или алгоритм может включать выбор профиля, характеризующего работу батареи. Например, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 или контроллер 310 выбирает профиль, который характеризует или определяет работу батареи 201. Как описано выше, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 или контроллер 310 выбирает такой профиль, который обеспечивает максимальный коэффициент использования тока для батареи 201. Например, выбранный профиль может определять температуру батареи 201 и скорость циркуляции электролита в батарее 201 таким образом, что реакция коррозии, выраженная приведенным выше уравнением (2), сводится к минимуму. В другом случае контроллер 219 или контроллер 310 выбирает такой профиль, который обеспечивает максимальный коэффициент использования энергии металла, содержащегося в батарее 201. Согласно другому варианту осуществления изобретения, контроллер 219 или контроллер 310 выбирает такой профиль, который обеспечивает максимальный коэффициент использования электролита, содержащегося в батарее 201. Профиль может представлять собой набор значений, хранящихся в памяти, доступной для контроллера 219 и/или контроллера 310. Некоторое количество профилей может предоставляться, например, производителем батареи 201 и храниться в памяти, доступной для контроллера 219 и/или контроллера 310. Соответственно, контроллер 219 или контроллер 310 может выбрать один из множества профилей.
[00110] При выборе профиля или при настройке батареи для работы в соответствии с определенным профилем могут учитываться различные параметры. Например, как описано в настоящей заявке, скорость выделения водорода может указывать на скорость коррозии. Соответственно, согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 219 использует данные, полученные от водородного датчика 217, для определения уровня водорода, выделяемого батареей 201, и регулирует эксплуатационные параметры батареи 201 для поддержания уровня выделения водорода в заданном диапазоне. Например, профиль может предусматривать определенный уровень выделения водорода, и контроллер 219 увеличивает или уменьшает потребление мощности, отбираемой от батареи 201, или регулирует температуру батареи 201 для поддержания уровня выделения водорода в заданных пределах.
[00111] Как показывает блок 515, способ или алгоритм может включать в себя регулирование тока, отбираемого от батареи, в соответствии с выбранным профилем. Например, контроллер 310, используя регулятор 326 тока, регулирует ток, отбираемый от батареи 201. Как показывает блок 520, способ или алгоритм может включать в себя регулирование напряжения, вырабатываемого батареей, в соответствии с выбранным профилем. Например, контроллер 219 регулирует температуру батареи 201, и таким образом, описанным в настоящей заявке способом увеличивает или уменьшает напряжение, вырабатываемое батареей 201. Как показывает блок 525, способ или алгоритм может включать в себя регулирование температуры батареи. Например, контроллер 219, управляя теплообменником 205, уменьшает или увеличивает температуру электролита, содержащегося в батарее 201, и, таким образом, уменьшает или увеличивает температуру батареи 201.
[00112] Как показывает блок 530, способ или алгоритм может включать в себя регулирование циркуляции электролита в батарее. Например, контроллер 219 управляет насосом 207 для регулирования циркуляции электролита в элементах батареи 201. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, регулирование эксплуатационных параметров, показанных в блоках 515, 520, 525 и 530, может осуществляться в соответствии с выбранным профилем или на основе выбранного профиля.
[00113] Как показывает блок 535, способ или алгоритм может включать в себя определение мощности, требуемой для обеспечения питания нагрузки. Например, контроллер 310 определяет нагрузку на основе данных, полученных от контроллера 420, установленного в ЭМ 415. Определение нагрузки может включать в себя прогнозирование нагрузки. Например, контроллер 310 использует данные спутниковой системы навигации (GPS) для прогнозирования нагрузки. В другом случае контроллер 310 использует данные о маршруте, полученные от контроллера 410, для прогнозирования нагрузки. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, контроллер 310 выбирает профиль на основе прогнозируемой нагрузки. Например, если на основе пройденного маршрута контроллер 310 определяет, что ожидается движение в гору, то контроллер 310 выбирает профиль, при котором мощность, обеспечиваемая батареей 201, является максимальной. Если контроллер 310 определяет, что потребность в мощности является низкой, например, на основе числа оборотов в минуту (об/мин) электродвигателя ЭМ 415, контроллер 310 выбирает профиль, при котором скорость коррозии в батарее 201 является минимальной. Любые данные, полученные контроллером 420, установленным в ЭМ 415, могут быть использованы для выбора профиля или определения эксплуатационных параметров батареи 201 или системы 200 иным способом.
[00114] Как показывает стрелка, соединяющая блоки 535 и 510, выбор профиля может быть автоматическим и динамическим. Например, контроллер 219 или контроллер 310, определив на основе данных, полученных от контроллера 420, что ЭМ 415 неподвижен, выбирает профиль, при котором выработка электроэнергии и скорость коррозии являются минимальными. После этого, определив, что ЭМ 415 находится в движении, контроллер 219 или контроллер 310 выбирает профиль, при котором батарея 201 вырабатывает максимальную мощность.
[00115] Как показывает блок 540, способ или алгоритм может включать в себя регулирование работы батареи для обеспечения первой части требуемой мощности и регулирование работы вспомогательного источника питания для обеспечения второй части требуемой мощности. Например, используя БРТК 325, контроллер 310 регулирует работу батареи 201 для подачи заданного тока на нагрузку 330 (которая может представлять собой ЭМ 415) и регулирует работу источника 320 питания для подачи дополнительного тока для удовлетворения потребности в мощности нагрузки 330. Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, при наличии потребности в мощности регулятор мощности ограничивает мощность, вырабатываемую батареей 201, и остальная потребность в мощности обеспечивается перезаряжаемой аккумуляторной батареей, которая выполняет роль промежуточного накопителя. Соответственно, промежуточный накопитель используется для удовлетворения потребности в пиковой мощности.
[00116] Если иное не указано явным образом, раскрытые здесь варианты осуществления изобретения не ограничены определенным порядком или последовательностью. Кроме того, некоторые из раскрытых вариантов осуществления изобретения или элементов изобретения могут быть реализованы или использоваться в один и тот же момент времени.
[00117] Хотя некоторые признаки изобретения были показаны и раскрыты настоящей заявке, специалисты в данной области техники могут предложить множество модификаций, замен, изменений и эквивалентов. Следует понимать, что прилагаемые пункты формулы изобретения, как предполагается, охватывают все такие модификации и изменения без отступления от существа изобретения.
[00118] Были предложены различные варианты осуществления изобретения. Каждый из этих вариантов, разумеется, может включать в себя признаки других представленных вариантов, а варианты осуществления изобретения, не раскрытые в настоящей заявке, могут включать различные признаки раскрытых вариантов.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ МЕТАЛЛО-ВОЗДУШНЫХ БАТАРЕЙ И СПОСОБЫ | 2011 |
|
RU2574165C2 |
| ПЕРЕЗАРЯЖАЕМАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫМ ТОПЛИВНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ДАННОЙ СИСТЕМЫ (ВАРИАНТЫ) | 2006 |
|
RU2361330C2 |
| ЭЛЕКТРОННАЯ СИГАРЕТА И ПЕРЕЗАРЯЖАЕМАЯ УПАКОВКА СИГАРЕТ | 2015 |
|
RU2682333C2 |
| МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В НИКЕЛЬМЕТАЛЛГИДРИДНЫХ БАТАРЕЯХ, МОДУЛЯХ БАТАРЕЙ И ПАКЕТАХ БАТАРЕЙ | 1997 |
|
RU2187865C2 |
| БАТАРЕЙНАЯ УСТАНОВКА ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ БАТАРЕЙНОЙ УСТАНОВКОЙ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ | 2011 |
|
RU2563576C2 |
| ЭЛЕКТРОННАЯ СИГАРЕТА И ПЕРЕЗАРЯЖАЕМАЯ УПАКОВКА СИГАРЕТ | 2015 |
|
RU2796391C2 |
| Система стабильной высокотемпературной вторичной батареи и способ, относящийся к ней | 2018 |
|
RU2740794C1 |
| СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕЗЕРВНОЙ ЁМКОСТИ БАТАРЕЙ | 2016 |
|
RU2690507C2 |
| УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ КОНСТРУКЦИЯ БАТАРЕИ | 1996 |
|
RU2172541C2 |
| Устройство и способ защиты батареи | 2020 |
|
RU2802196C1 |
Группа изобретений относится к аккумуляторам для транспортных средств с питанием от собственных источников. Способ регулирования работы металло-воздушной батареи заключается в том, что регулируют по меньшей мере один из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей. Регулируют параметры таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданную скорость коррозии металла, содержащегося в батарее. Система для регулирования работы металло-воздушной батареи содержит металло-воздушную батарею и контроллер. Электромобиль содержит метало-воздушную батарею, перезаряжаемое устройство и контроллер. Технический результат заключается в более оптимальном использовании энергии, аккумулированной в метало-воздушной батареи. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.
1. Способ регулирования работы металло-воздушной батареи, содержащий этап регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданную скорость коррозии металла, содержащегося в батарее.
2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап приведения работы батареи в соответствие с профилем, определяющим по меньшей мере один из следующих параметров: коэффициент использования энергии, мощность, показатель использования электролита и скорость коррозии.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что контроллер автоматически выбирает предварительно заданный операционный профиль.
4. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап многократной регулировки тока, отбираемого от батареи, и температуры батареи до достижения требуемого коэффициента использования энергии.
5. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап определения возраста электролита, содержащегося в батарее, и регулирование, на основании данных о возрасте электролита, по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей.
6. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданное отношение между количеством металла, потребляемым в процессе электрохимической реакции, и общим количеством металла в батарее.
7. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, для обеспечения максимальной величины энергии, отбираемой от батареи, на единицу объема электролита, содержащегося в батарее.
8. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, для обеспечения минимальной скорости растворения металла в электролите, содержащемся в батарее.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что батарея содержит металлические аноды, изготовленные из одного из следующих материалов: алюминий, цинк, железо.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирование температуры батареи включает в себя регулирование циркуляции электролита, содержащегося в батарее.
11. Способ по п. 1, дополнительно содержащий: определение возраста электролита, содержащегося в батарее, до активации батареи; и установка температуры электролита в соответствии с предварительно заданным операционным профилем.
12. Система для регулирования работы металло-воздушной батареи, содержащая: металло-воздушную батарею; и
контроллер, выполненный с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданную скорость коррозии металла, содержащегося в батарее.
13. Система по п. 12, содержащая перезаряжаемое устройство, выполненная с возможностью: отбора от металло-воздушной батареи предварительно заданной мощности, определенной в соответствии со средней потребляемой мощностью; и отбора мощности от перезаряжаемого устройства, когда мощность, требуемая электромобилю, превышает указанную предварительно заданную мощность.
14. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью приведения работы батареи в соответствие с профилем, определяющим по меньшей мере один из следующих параметров: коэффициент использования энергии, мощность, показатель использования электролита и скорость коррозии.
15. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью автоматического выбора предварительно заданного операционного профиля.
16. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью многократной регулировки тока, отбираемого от батареи, и температуры батареи, до достижения требуемого коэффициента использования энергии.
17. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью определения возраста электролита, содержащегося в батарее, и регулирования, на основании данных о возрасте электролита, по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей.
18. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданное отношение между количеством металла, потребляемым в процессе электрохимической реакции, и общим количеством металла в батарее.
19. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, для обеспечения максимальной величины энергии, отбираемой от батареи, на единицу объема электролита, содержащегося в батарее.
20. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, для обеспечения минимальной скорости растворения металла в электролите, содержащемся в батарее.
21. Система по п. 12, отличающаяся тем, что батарея содержит металлические аноды, изготовленные из одного из следующих материалов: алюминий, цинк, железо.
22. Система по п. 12, отличающаяся тем, что регулирование температуры батареи включает в себя регулирование циркуляции электролита, содержащегося в батарее.
23. Система по п. 12, отличающаяся тем, что контроллер выполнен с возможностью:
определения возраста электролита, содержащегося в батарее, до активации батареи; и
установки температуры электролита в соответствии с предварительно заданным операционным профилем.
24. Электромобиль, содержащий:
металло-воздушную батарею;
перезаряжаемое устройство; а также
контроллер, выполненный с возможностью регулирования по меньшей мере одного из следующих параметров: электрический ток, вырабатываемый батареей, температура батареи, температура электролита и напряжение, вырабатываемое батареей, таким образом, чтобы поддерживать предварительно заданную скорость коррозии металла, содержащегося в батарее, а также с возможностью установки мощности, потребляемой электромобилем, в соответствии с профилем, определяющим по меньшей мере один из следующих параметров: коэффициент использования энергии, уровень мощности, показатель использования электролита и скорость коррозии.
25. Электромобиль по п. 24, отличающийся тем, что выполнен с возможностью: потребления предварительно заданной мощности от металло-воздушной батареи; и
потребления мощности от перезаряжаемого устройства, когда мощность, требуемая электромобилю, превышает указанную предварительно заданную мощность.
26. Электромобиль по п. 24, отличающийся тем, что выполнен с возможностью использования мощности, вырабатываемой металло-воздушной батареей, для зарядки перезаряжаемого устройства, когда мощность, требуемая электромобилю меньше указанной предварительно заданной мощности.
27. Электромобиль по п. 24, отличающийся тем, что емкость перезаряжаемого устройства рассчитана таким образом, чтобы обеспечить среднее дневное потребление энергии электромобилем, причем металло-воздушная батарея предназначена для обеспечения энергии сверх средней дневной энергии.
| US 2012041628 A1, 16.02.2012 | |||
| US 20120038314 A1, 16.02.2012 | |||
| US 2003143446 A1, 31.07.2003 | |||
| US 5543243 A, 06.08.1996 | |||
| US 6372371 B1, 16.04.2002. |
