CN102349183A

CN102349183A - 电源

Info

Publication number: CN102349183A
Application number: CN2009801579485A
Authority: CN
Inventors: F.塔塔尔; F.维特德
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: US20110316484A1; CN102349183B; US9214681B2; EP2406842A1; WO2010102646A8; WO2010102646A1; EP2406842B1

Abstract

本发明涉及一种电源(10)，包括适于提供原电池电流的原电池(11)。原电池(11)包括阳极、阴极集流器和电解质，借此作为阳极和电解质之间的化学反应的结果而在阳极的表面上形成钝化层。为了保证钝化层在原电池的寿命内基本上保持完整，电源(10)还包括限流器(12)，其被配置为防止原电池电流的幅值超过将损坏钝化层的值。

Description

电源

技术领域

本发明涉及包括原电池(primary cell)的电源，其被配置为在极长的持续时间中输送连续的原电池电流。本发明进一步旨在提供具有发明的电源的自主(autonomous)设备。

背景技术

需要连续且很低电平的电功率的自主设备通常提供有诸如电池的内部电功率源，以供应需要的功率。有时选择电池的存储和放电属性以适于该设备，这样的电池在变耗尽之前并不会总是提供期望的电流或功率量。这使得难以保证功率源的可靠持续时间。有时可能超额地指定(over-specified)电池以尝试缓解这种情况，这样的解决方案不够理想，并且不能总是解决该问题。

本发明的一个目标是改进可靠性和/或增加这类电源的持续时间，以减少以此来供电的自主设备所需要的干预。

发明内容

根据各方面中的一个，本发明提供了一种电源，其包括适于提供原电池电流的原电池。该原电池包括与电解质接触的活性金属阳极和阴极集流器，由此，作为阳极和电解质之间的化学反应的结果，在阳极的表面上形成钝化层。为了保证钝化层在原电池的寿命内基本上保持不受影响，所述电源还包括限流器，该限流器被配置为防止原电池电流的幅值超过原电流阈值。该阈值对应于最大原电流密度，其低于钝化层开始分解(break down)的电流密度。如这里所使用，术语“原电流密度”将被理解为在阳极的每单位表面积上的原电池电流。

在根据本发明的电源的一个例子中，原电池是液体阴极锂电池，例如具有锂阳极、碳阴极集流器和电解质的锂亚硫酰氯电池，该电解质包括亚硫酰氯中的四氯铝酸锂的溶液。典型地，电池还将包括多孔隔离器，例如，无纺玻璃纤维材料层，其将锂阳极从碳阴极物理和电隔离开，但它允许离子经电解质迁移。在制造过程中，所述电池被充满电解质溶液，并且在接触时，锂阳极与电解质发生反应，并且在阳极上形成氯化铝的钝化层。没有该钝化层，这类锂电池不能用作能量存储设备，因为锂将自放电、并很快降级(degrade)。因此，钝化层允许电池具有很低的自放电率和很长的搁置寿命(shelf life)。

当电池被置于电路中并汲取电流时，电池放电。在非常低的放电率下，例如，在电流密度为5-10μA/cm²时，钝化层保持基本上不受影响，由此通过锂离子经钝化层向阴极的迁移来使能电池操作。随着放电率的增加，钝化层的孔隙率(porosity)也增加，允许更大的离子流和更高的功率输出。汲取的电流越高，电流密度也变得越高，直到原子力变得如此大以致于钝化层的部分被撕裂。这被认为发生在电流密度大于100μA/cm²的时候。如果电流密度然后降低到较低的电平，钝化层开始重建，但钝化层的重建需要能量，并且发生时会损失电池容量。发明人相信，即使是超过原电流阈值的电流尖峰(spike)也能将钝化层损坏到如下程度，即在损害被修复时引起电池容量损失的程度。

此外，如所提到，钝化层使自放电最小化。已经发现，在钝化层缺失或部分缺失时自放电率增加，即使是在从电池汲取连续的低电流的时候。

因此，根据本发明的电源中的限流器被配置为将原电池电流保持在原电流阈值以下，该原电流阈值对应于使钝化层保持不被损害的最大电流密度。术语“不被损害”将被理解为在如下含义，即在发明的电源的使用期间不发生钝化层的去钝化。

优选地，原电池电流被限制为对应的10μA/cm²或更小的原电流密度。更为优选地，限流器将电流密度限制为5μA/cm²或更小，以防止钝化层的孔隙率的增加，并在电池一旦置于电流中时防止电池的任何显著的泄露电流。因此，本发明的效果是最小化这样的泄露电流，并防止由受损钝化层的“自修复”带来的电池容量损失。根据本发明的电源因此可以连续为设备供电至少20年，优选地，至少25或30年。

限流器被合适地选择，以保证原电池电流决不(即使在第一操作时也不)超过将引起阳极的去钝化的电平。这与已知的操作例如锂电池的方法相反，在这些方法中，一般在电池进入服务之前实行去钝化过程。这样的过程涉及在一段时间中使电池经受去钝化负载(例如500Ω的电阻)。执行电池去钝化，以抵消电压延迟的问题，该问题是在对应的负载电流密度太高以致不破坏钝化层就无法经过它时、发生在负载的应用与电压响应之间的时间滞后。换句话说，钝化层减慢了电池响应，这在例如需要立即的备用电流的自动防故障设备的情况下可能成为问题。

电压延迟在根据本发明的电源中不是问题，因为原电池电流被限制到电池中的金属离子可以无阻碍地经过钝化层的值。因此，根据本发明的电源中的电池以非常低的速率放电，这还有一个好处，即在电池具有碳阴极时防止碳孔阻塞。在电池以分解阳极钝化层的速率来放电时，该层脱落的碎片和其它放电产物被沉积或沉淀在碳电极孔中，由此阻塞对未使用的反应位置的访问并降低电池容量。这种机制还已知为阴极钝化，并且是过早耗尽的通常原因，特别是在锂电池中。将原电池电流限制为不会损害钝化层的值因此具有几个益处。

在根据本发明的电源中，实际的原电流阈值取决于电池设计。在一个例子中，原电池是具有14cm²的阳极表面积的商用3.6V锂亚硫酰氯电池。合适地，限流器可以是68kΩ的电阻器，其将原电池电流限制为大约53μA的阈值，这对应于大约3.8μA/cm²的最大电流密度。阳极上的钝化层由此将在电池的寿命内保持完整。

除了锂亚硫酰氯电池之外，锂二氧化硫电池也可以用于本发明。这些类型的锂电池在其寿命中显示出极为稳定的电压放电特性，因此适于在本发明中设想的在较长持续时间中提供稳定的电源。但是，原则上，包含钝化层的任意类型原电池的服务寿命都可以借助于本发明来延长。

可以由根据本发明的电源供电的设备例子是包括微处理器和/或数据存储的设备。可以配置该设备，使得从原电池汲取的电流特别是稳态电流小于或等于：50μA；30μA；或20μA。电流可以大于或等于5μA或10μA。优选地，从原电池汲取的电流足以连续地为设备的处理器和/或数据存储供电。

在一些应用中，电源的原电流阈值可能不足以使设备周期性地汲取需要的负载电流。在数据收集器或机器状况监视器的情形下，可能需要这样的负载电流，以便例如使用传感器来收集测量值，和/或通过无线接口来通信。

因此，在本发明的进一步发展中，电源额外地包括能量存储设备，该能量存储设备被配置为使用原电池电流来充电、并周期性地以大于原电流阈值的幅值来提供负载电流。负载电流可以部分地或全部地由能量存储设备来供应。

能量存储设备可以存储从原电池汲取的过剩能量，即设备的稳态运行(例如为数据收集器的处理器和/或数据存储供电)所不需要的电流。能量存储设备可以包括电容器，优选地为超级电容器；这样的电容器将优选地具有比电池连续放电率的1％少的很低放电率。

所述设备可以包括易失性和/或非易失性存储器。在一种安排中，来自原电池的电流被恒定地供应给存储器；这可以允许使用低功率的易失性存储器，而不是，例如，需要更高能量供应用于存储的非易失性存储器。

使用本发明的无线设备可以使用现有的无线网络来通信。使用本发明的数据收集可以被用来收集加速度、速率、振动、温度、压力和/或状态数据。该设备可以被配置为自动上载这样的数据，例如，用于在集中的监视系统中进行查看和分析。使用本发明的数据收集或监视可以是连续的或周期性的。

本发明允许设备在特定模式下使用原电池来运行，以确保设备可以运行延长的时间段，而不需要电池更换。这减少了对设备进行维护和/或干预的必要性。

本发明可以与诸如机器状况监视器的数据收集器关联地使用，特别是用于监视机器运转期间的轴承(bearing)状况。这样的监视可以被用来检测异常、计划预防维护、以及避免轴承故障。更具体地，本发明可以与内联(inline)机器状况监视相关联地使用，其在内联机器状况监视中机器状况监视器被附加到机器并留在适当的位置，以提供连续的或周期性的监视。来自这样的内联监视器的数据可以通过无线接口来传送，例如用于存储和/或处理；数据可以例如使用便携式数据收集器从监视器收集，该数据收集器可以例如使用有线或无线连接器来连接到监视器。本发明与包括独立监视器网络的监视系统相关时可能特别有用，这些监视器中的每个监视多台机器中的一台，并例如使用无线接口而连续地或周期性地向中心处理器提供数据。

内联机器状况监视可以被用来缓解维护人员使用诸如手持振动分析仪的便携式数据收集器来收集数据的需求。经常对关键厂房设备或维护人员访问困难和/或存在安全风险的设备来采用内联状态监视。在一些情形下，硬线机器状况监视器不方便，特别是在访问困难、和/或不方便提供电线以防备电力和/或数据传输的地方。无线监视可以被用来缓解对硬布线的需求，并且可以特别适于例如：

·位于无法访问、接触有困难或危险的区域中的机器；

·无法硬布线的移动机器组件；

·频繁地在设施内移动的机器；

·在不同地点运输和使用的仪器；

·安装线缆很贵或危险的区域。

但是，无线状况监视有其自身的问题，特别是在状况监视器的自主性方面。维护人员对状况监视器的频繁验证和/或干预是不利的；这创建额外的工作(除了维护机器之外的维护监视系统)，并且在安装的状况监视器不容易访问的情况中更糟。类似的考虑也可用于其它类型的自主设备。

优选地，根据本发明的数据收集器或状况监视器被配置来运行，而至少在要监视的机器寿命之内不需要原电池的验证和/或替换。这样，状况监视器的电池在其监视的机器的寿命期间可能从不需要更换。尽管特别地与数据收集器和状况监视器相关地研制本发明的电源，但它可以被用于其它的应用。例如，本发明可以与植入物(例如医学或生物植入物)相关联地使用。这样的植入物可以具有基本操作功能，例如起搏器。这样的植入物也可以具有监视功能。根据本发明的电源可以提高这样的植入物的持续期间的可靠性；这可以减少对用以替换或维护设备的外科手术的需求。此外，报警系统或遥测系统可以有利地由根据本发明的电源来供电。

本发明的更多的优势将从详细的描述和附图而变得明显。

附图说明

现在将仅通过实例的方式，参考下列附图来描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的电源；

图2示出了根据本发明的另一研制的电源。

具体实施方式

图1图示了根据本发明的电源的例子。电源10包括原电池11，其是具有阳极、阴极集流器和电解质的传统类型电池。原电池11进一步是在阳极表面包含钝化层的类型，该钝化层作为阳极和电解质之间的化学反应的结果而形成。在示出的例子中，原电池是3.6V锂亚硫酰氯电池。这样的电池特别适于在长持续时间内为设备稳定地提供电力，优选为连续的电力(特别是以较低的电流电平)。这样的电池还由于钝化层而具有较长的搁置寿命，该钝化层较大地防止了电池的自放电。

尽管锂电池通常被指定为长寿命电池，发明人发现，在连接到例如机器状况监视器这样的设备的时候，电池(多个电池)并不总是持续如所期望的一样长，即使以较低的连续电流。减少的电池持续时间可以是因为泄露电流，尤其是在电池操作期间连续发生的自放电。

如所提及的，钝化层较大地防止了自放电，并且认为在钝化层分解时自放电率增加。已经发现，在低于10μA/cm²的放电电流密度上，钝化层基本上保持不受影响。随着放电率的增加，钝化层的孔隙率也增加，直到达到钝化层的一部分被撕裂的水平。这被认为在电流密度大约100μA/cm²或更大时发生。如果该电池然后经受低得多的放电率(或者如果没有汲取电流)，则在阳极和电解质之间将再次发生化学反应，且钝化层将被重建。钝化层的这个重建需要能量，并因此在发生时损失电池容量。

本发明人相信，即使是从原电池11汲取的、导致放电电流密度明显大于10μA/cm²的电流尖峰，也会引起钝化层的恶化，由此导致：

i.原电池的自放电率的增加，和/或

ii.在钝化层已被修复后的电池容量的损失

因此，在根据本发明的电源中，电源10还包括限流器12，其防止从原电池11汲取的电流超过预定的原电流阈值，并由此防止电流密度超过钝化层开始分解的值。限流器12可以是有源的即能够被调节的，或者可以是无源的，例如电阻器。优选地，原电流阈值对应于10μA/cm²或更小的电流密度。更为优选地，该阈值对应于大约5μA/cm²或更小的电流密度。

原电流阈值取决于电池设计。一些锂原电池具有在14cm²的区域中有相对高表面积的螺旋形阳极。对于锂电池的这种设计，原电流阈值可以被设置为～70μA，这将放电电流密度限制为～5μA/cm²。使用给出例子中的3.6V锂亚硫酰氯电池，限流器12可以是合适的50kΩ的电阻器。其它商用的锂电池具有大约6cm²的阳极表面积。假设相同的电池电压，限流器12然后可以例如是100kΩ的电阻器，其将原电池阈值电流设置为36μA，并将放电电流密度限制为～6μA/cm²。上述计算基于最大的短路电流。

取决于所讨论的应用的功率需要，原电流阈值还可以被设置为低于上面计算的值。

因为钝化层保持不被分解，原电池11具有非常低的自放电率，与传统电源相比，这延长了根据本发明的电源的寿命。根据本发明的电源因此适于期望尽可能长地延迟电池替换的长寿命应用；例如，在用于起搏器或用于安装在不可访问位置的自主传感器的电池的情形下。设想根据本发明的电源可以达到30年的服务寿命。

例如，具有～2.6Ah额定容量的商用的AA-尺寸锂亚硫酰氯电池可以在本发明中使用。假设以每年1％的平均自放电损失运行30年，包含该类型电池的根据本发明的电源的期望容量是额定容量的70％：1.82Ah。30年中大约有263000小时，这意味着电池可以在其30年寿命期间供应～6.9μA的连续电流。6.9μA的原电池电流足以为例如微处理器连续供电。

根据本发明的电源因此可以在极长持续时间中向设备供应连续的低电流。在某些应用中，由电源供电的设备可能需要连续的低电平电流，并且对高于原电池电流的电流具有间歇需要。具有这类功率需求的设备的一个例子是包括微处理器、传感器和数据存储的机器状况监视器。例如10μA的原电池电流足以为微处理器和数据存储连续供电，但间歇地需要例如20mA的更高的负载电流来执行测量。

图2图示了适于如上所述的设备的根据本发明的电源的另一研制的例子。

在该例子中，电源20包括参考图1所描述的类型的原电池21，即具有6cm²的阳极表面积和2.6Ah额定容量的3.6V锂亚硫酰氯电池。示出的例子中的限流器22是120kΩ电阻器，这意味着原电流阈值为30μA，对应于5μA/cm²的最大原电流密度。根据本发明的所述另一研制，电源20附加地包括能量存储设备23，合适地为电容器。电容器23被配置为使用从原电池21汲取的电流(原电池电流)来充电，并以大于原电流阈值的幅值周期性地提供负载电流。这样安排使得原电池电流永远不会超过原电流阈值，无论是在原电池第一次进入操作时还是在设备的操作期间，由此保证电源20的长且可靠的服务寿命。

当电源20被用于为包含微处理器、数据存储和传感器的机器状况监视器供电时，需要大约10μA的连续电流来为处理器和数据存储供电。因此，剩余大约20μAh/h可用于为电容器充电。当原电池电流为电容器23充电时，跨越电容器的电压将以RC类型曲线上升。

例如通过在限流器中使用半导体，可以提高电源电路的效率。但是，结合图2以及结合图1所描述的电路具有简单的好处。

当电容器23充电后，它可以以短期脉冲(in short burst)提供大于原阈值电流的负载电流。例如，如果机器状况监视器中的传感器是应变传感器，可以通过在10毫秒中汲取例如20mA的负载电流来执行测量。在给出的例子中，这允许每小时几次测量。此外，如果状况监视器被提供了数据无线传输的装置，则可以通过在100毫秒中汲取例如25mA的负载电流来传送数据包。

即使是在基本空的电池状况下，原电池电流优选地足以提供小的充电富余来为电容器23充电，例如，如果汲取部分原电池电流的处理器处于睡眠状态中。为电容器23提供期望数量电荷所需的时间将取决于原电池21的能量水平。如果该时间超过了预设的限制，该设备可以例如通过传送电池寿命终止指示来指示原电池即将耗竭。

所述设备的处理器(例如微控制器)可以例如使用欠压(brown out)电路来确定它合适首次变活动。处理器可以使用睡眠模式来保存电力；它可以被配置为在下列情况下唤醒：

·执行管家任务；和/或

·在能量存储设备23有足够可用的电力时执行感测和/或传送任务。

所图示的实施例的一个好处是某些电池电力总是可用，例如，在至少大约10μA的电流上。电池电流的连续可用性可以被用来保证处理器状态和/或存储器内容在任何时候都是安全的。这可以避免对非易失性存储器的需求，非易失性存储器通常需要大量能量来将数据写入到它。处理器可以被配置为最优化对可用电力的使用；它可以被配置为控制需要负载电流的组件处于运转中的频率或时间点。负载电流的周期性供应可以例如通过处理器来控制和编程；相对于简单地在电力消耗设备需要时汲取载荷电流，这可以被用来控制负载电流可用的时间和/或状况。

已描述本发明的多个方面/实施例。需要理解每个方面/实施例可以与任意其它方面/实施例组合，除非相反地指示。此外，本发明不限于所描述的实施例，而可以在所附专利权利要求书的范围内变化。

Claims

1.一种电源(10，20)，包括适于提供原电池电流的原电池(11，21)，该原电池包括：活性金属阳极；阴极集流器；与活性金属阳极和阴极集流器接触的电解质；以及通过阳极和电解质之间的化学反应而在阳极表面上形成的钝化层，

其特征在于

电源(10，20)还包括限流器(12，22)，该限流器被配置为使原电池电流的幅值限于使钝化层保持基本上不受影响的对应原电流密度的最大值。

2.根据权利要求1的电源，其中，所述电源(20)还包括能量存储设备(23)，其被配置为使用原电池电流来充电，并周期性地提供幅值大于原电池电流的负载电流。

3.根据权利要求1或2的电源，其中，所述原电池(11，21)包括液体阴极锂电池，特别是锂/亚硫酰氯电池。

4.根据前述任一权利要求的电源，其中，所述限流器(12，22)将原电流密度限制为10μA/cm²或更小，其中，所述原电流密度是阳极的每单位表面积上的原电池电流。

5.根据前述任一权利要求的电源，其中，所述限流器(12，22)将原电流密度限制为5μA/cm²或更小。

6.根据权利要求2到5中任一个的电源，其中，所述能量存储设备(23)包括电容器。

7.一种设备，包括根据任一前述权利要求的电源。

8.根据权利要求7的设备，其中，所述设备包括由原电池电流永久供电的处理器。

9.根据权利要求7或8的设备，其中，所述设备包括数据收集器。

10.根据权利要求7到9中的任一个的设备，其中，所述设备包括机器状况监视器。

11.一种机器状况监视系统，包括多个根据权利要求10的机器状况监视器。

12.一种操作电源的方法，该电源包括提供原电池电流的原电池，该原电池包括：活性金属阳极；阴极集流器；与活性金属阳极和阴极集流器接触的电解质；以及通过阳极和电解质之间的化学反应而在阳极表面上形成的钝化层，所述方法包括下列步骤：

-将原电池电流的幅值限于使钝化层保持基本上不受影响的对应原电流密度的最大值。

13.根据权利要求12的方法，其中，所述方法还包括下列步骤：

-使用原电池电流的至少一部分来对能量存储设备充电；以及

-周期性地使用该能量存储设备来提供幅值大于所限制的原电池电流的负载电流。

14.根据权利要求12或13的方法，其中，所述方法被用来为数据收集器供电。