CN105390757A - 起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关 - Google Patents

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Abstract

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

Description

起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关
本申请是申请号为201180057159.1的中国发明专利申请(申请日：2011年11月28日；发明名称：起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关)的分案申请。
技术领域
本发明涉及起动内燃(IC)发动机的方法和装置。更特别地，本发明为用于起动这种发动机的锂基电池。本发明包括用于大功率电池系统的固态开关装置，用于防止电池，尤其是用于内燃机(ICE)的起动器电池的过度充电、过度放电和短路。
背景技术
当前，内燃机使用包含铅酸的起动器电池带动电机转动，以起动内燃机。铅酸电池笨重，循环寿命短，使用寿命短，并且周转(turnaround)效率低。铅酸电池还具高内阻抗(电阻)，并且在寒冷天气下内阻抗更高，因而难以在寒冷天气中以小的可用电流起动内燃机。为了克服这些变化，铅酸起动器电池配有超大的电池容量，以产生供电动起动器起动内燃机所需的电流。这种超大的铅酸电池增加了重量，所占的空间，以及起动内燃机所需的成本。
为了在当前已知的起动器电池中关闭电源端子，需要昂贵的电子/电气元件来处理起动器电机旋转内燃机所需的高电流载荷。这需要电子保护电路来进行高压切断(过度充电)，低压切断(过度放电)和温度测量。这些电路还会导致可能较大的热损失和电损失，以及需要占用额外的空间。(噪声)尖峰可触发能够终止电池系统工作的错误的电压、温度或电流读数，而实际上电池仍在规定的安全范围内工作。有些保护电路是性能不稳定的，一旦它们被触发之后便难以再次启动。例如，如果出现了欠压状况并且由于继电器的原因电池仍处于欠压状态，则不能向电池提供电流，因为其通路已被切断，因而需要按下另一个按钮以启动所述系统一段较短的时间，以便所述电池充电。同样，在某些情况下，例如在军事应用或竞赛应用中，需要吸取每一滴能量，即使它损坏所述电池。
无论使用哪种可充电电池(二次电池)，电池都无法在低充电状态(SOC)(绝大部分情况为低电池电压状态)下良好地工作。无论何时电池处于低电压电平，电池都会遭受永久地内部损坏或者严重地缩短电池寿命。当电池为锂电池时，电池的过度充电可能会是更加危险的，其可能导致放热反应，这会导致起火。当将固态开关设置成与电池输出电源端子串联时，可电控制该固态电池，以打开或关闭离开或进入所述电池的电流路径。这样可以防止由于电池电压过低或过高导致的电池损坏。这一措施可在任意电压时应用于任意电池类型。一个例子是将固态开关应用于起动车辆的12V车用电池。车辆可具有保持接通的电压泄漏源(voltagedrainsource)，在该情况中，所述固态开关在电池被损坏之前自动地切断从所述电池释放的电流。
也可以使用继电器或接触器，但它们具有如下缺点：
1)继电器或接触器持续地需要电流，以保持接触器打开或闭合。这需要消耗能量。
2)具有闭合的通路的继电器或接触器允许电流在两个方向上流动，但不能被控制为单向流动。
3)继电器和接触器只能接通或断开。在大电流的切换过程中，可能在继电器或接触器内部产生强烈的电弧放电，并且这可能导致继电器或接触器“熔接”断开。一旦继电器或接触器被熔接断开，则在那一时刻无法进行切换操作，这可能导致安全问题，即在需要切换的时候无法进行切换。
4)对于较大的电流应用而言，继电器和接触器体积大并且笨重。
一种更好的方式是使用具有独特构造的固态开关，或者FET，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，或者IGBT(绝缘栅双极型晶体管)型，但并不仅限于这些。这种独特的构造包括将两个带有“源极(Sources)”或“漏极(Drains)”的固态装置，例如MOSFET或IGBT电连接在一起。这些固态装置可以是N型或P型。包括过剩空穴(excesshole)的掺杂半导体被称为“p型”，当它包含过剩的自由电子时，它也就是所谓的“n型”，其中p(空穴为正)或n(电子为负)为多数移动电荷载流子的电荷的符号。这种结构简化了所需的控制电子元件并且还允许通过使用内部二极管使电流在一个方向上流动而不是另一方向。FET(场效应晶体管)是多数电荷载流子，其具有一有源沟道，所述多数电荷载流子、电子或空穴通过有源沟道从源极流向漏极。源极和漏极端导体通过欧姆接触连接到半导体。所述多数电荷载流子通过源极进入构造并通过漏极离开沟道。图15示出了每一端被连接起来的“漏极”，图16示出了每一端被连接起来的“源极”。
固态开关的优点在于：
1)固态开关只需要很少的能量即可启动允许的通路打开或闭合。
2)固态器件可逐步增加电流，控制在切换到大功率应用时所产生的突入电流，或者在所述电流过高时提供即时的短路保护。
3)对于大功率应用而言，固态开关可非常紧凑并且重量轻。
现有技术的描述
申请人注意到下面的美国专利涉及用于起动发动机的电池组：
美国专利号：7,525,287
授权日：2009年4月28日
发明人：Miyashi
名称：BATTERYPACKFORDRIVINGELECTRICMOTOROFCOMPACTENGINESTARTINGDEVICE，ENGINESTARTINGDEVICEDRIVENBYTHEBATTERYPACK，ANDMANUALWORKINGMACHINEHAVINGTHEENGINESTARTINGDEVICE(用于驱动紧凑型发动机起动装置的电动机的电池组，由该电池组驱动的发动机起动装置，和具有该发动机起动装置的手动机)
发明内容
本发明提供了用于提高内燃机的起动器电机的起动器电池的效率的方案。通过用锂基或磷酸铁锂(LiFePO4或LiFePO)或LiFeMgPO4或LiFeYPO4电池替代铅酸起动器电池，起动器电池所需的容量、重量和尺寸被显著地降低，同时增加了循环寿命，使用寿命和周转效率。磷酸铁锂(LiFePO4)电池是一种可充电电池，尤其是使用LiFePO4作为阴极材料的锂离子电池。还可在锂铁化合物中包括镁或钇。通过串联四个圆柱形电池，其中每个电池都具有符合18650(小于3Ah)或26650(小于4Ah)的标准工业电池规格的尺寸，或者棱柱型扁平电池或其他类型的电池，可获得足够的电流进入额定用于12V系统的起动电机，以启动使用1，2，3，4，5，6，8，或12个汽缸的大型内燃机。本发明可采用更大的电池，从1Ah至5000Ah，常见大小为5Ah，10Ah，20Ah，50Ah，100Ah，400Ah和500Ah。
与使用更多电池的更大的系统需要保护电路板以进行安全保护不同，对于四个电池串联的结构而言，不需要使用保护电流板防止单个电池过压或欠压。对于这种较小的起动器电池而言，也无需进行单独的电池平衡，但也可以采用电池平衡以增加产品寿命。更小的并且更轻的起动器电池提高使用起动器电池的汽车系统的性能。循环寿命和使用寿命的增加降低了用户的成本。
对于本发明的系统而言，无需单独的或特殊的充电系统。
本发明还包括锂基电池的外壳，其具有上下相配合的壳体，位于下壳体内用于接收至少一个锂基电池的轮廓相符的衬垫，和从所述至少一个锂基电池至外壳的外部的电接头。可选择地，可在上壳体内设置上电池衬垫，并且如果需要，可在上壳体内设置保护电路板，例如平衡板或切断电路，用于安全保护。
本发明的固态开关装置允许电流在一个方向而非另一方向上流动。最少两个固态开关被布置成独特的结构，其在需要时可允许电流以受控的方式双向流动。这对于防止整个电池组过度充电或过度放电是特别有用的。单独的电池平衡电路用来平衡单个的电池。如果需要，可在每个电池上使用所述固态开关，以防止单个电池过度充电或过度放电。它可以用在需要进行充电和放电的任意电池应用中，并且对于锂基电池而言是尤其有用的。它也可以用于铅酸电池、镍镉(NiCd)电池和低自放电镍金属氢化物(NiMH)电池。电池可以连接到其上的更复杂的设备零件具有可编程的断路设定，但不复杂的设备不具有现场断路参数。在起动器应用(例如，用于起动内燃机)中使用电池将防止电池过度充电，以及在即使所有部件都断开的情况下在系统中仍存在漏电流(泄漏)时，防止该电池被过度放电至太低的水平。
通过使用最少两个固态器件将“源极”或“漏极”连接起来，能够自动并且简单地实现电池电源端子在接通与断开之间的完全或部分切换。所述两个固态器件可以是N型或P型，并且可以被连接到电池端子的正侧或负侧，并且通过简单的电子电路即可控制所述固态器件的驱动器。
本发明的开关结构还能够实现横跨电池端子的短路保护，同时实现充电时的最大电流控制。
本发明的首要目的是提供一种用于提高内燃机的起动电机的起动器电池的性能的装置。
本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池，其比铅酸电池更轻，更可靠，体积小，循环寿命更长，受用寿命更长，并且具有更高的周转效率。
本发明的再一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池系统，其易于组装，防水并且免维护。
本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池系统，其可用在现有的车辆中。
本发明的另一目的是提供一种用于内燃机的起动器电池系统，其具有较宽的工作温度范围，和优异的寒冷天气起动性能。
本发明的另一目的是提供一种用于保护单个电池或电池组以防过度充电或过度放电的改进的装置。
本发明的另一目的是提供一种用于对具有非常低电荷量的电池进行充电的装置。
本发明的另一目的是提供一种对一个或多个电池或电池组进行短路保护的装置。
本发明的另一目的是提供一种对具有过高电荷的电池进行放电的装置。
本发明的另一目的是提供一种用于短路保护的装置，以防止金属物体横跨端子而导致的短路。
附图说明
通过参照下面的详细说明及附图，本发明的前述和其他目的将变得更加明显，其中：
图1是本发明一个实施例的分解等距视图，其中起动器电池组中布置有四个电池。
图2是本发明另一实施例的分解等距视图，其中起动器电池组中布置有八个电池。
图3是本发明另一实施例的分解等距视图，其中起动器电池组中布置有棱柱型电池。
图4是图3中的电池组组装后的前视图，后视图与之相同。
图5是图3中的电池组组装后的俯视图。
图6是图3中的电池组组装后的右视图，左视图与之成镜像。
图7是将四个棱柱型锂电池串联起来连接到平衡电路板的方块示意图。
图8是将四个棱柱型锂电池串联起来连接到平衡和切断电路板的方块示意图。
图9是外壳的替换实施例的等距视图，其示出了开关的触点。
图10是图9的外壳的俯视图，示出了触点位置。
图11是图9的外壳的前视图，后视图与之相同。
图12是图9的外壳的端视图，相对端的视图与之相同。
图13是图3的替换实施例的分解等距视图，其中两块棱柱型电池和断路开关的控制板被布置到图9所述的外壳中。
图14是具有“漏极”接头的固态开关的示意图。
图15是具有“源极”接头的固态开关的示意图。
图16是本发明优选实施例的示意图，其中，每个逻辑门的“漏极”通过N型MOSFET或IGBT连接起来，同时电池位于所述固态开关上方。
图17是使用N型FET，MOSFET，或IGBT将每个逻辑门的“漏极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
图18是图示使用N型FET，MOSFET，或IGBT将每个逻辑门的“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的上方。
图19是图示使用N型FET，MOSFET，或IGBT将每个逻辑门的“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
图20是图示使用P型FET，MOSFET，或IGBT将每个逻辑门的“漏极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的上方。
图21是图示使用P型FET，MOSFET，或IGBT将“漏极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
图22是图示使用P型FET，MOSFET，或IGBT将“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的上方。
图23是图示使用P型FET，MOSFET，或IGBT将“源极”连接起来的示意图，其中电池位于固态开关的下方。
图24是图示在用在发动机重新启动中的本发明的示意图。
图25是图示电池的短路保护的示意图。
具体实施方式
包含LiFePO，LiFePO4，LiFeMgPO4，和LiFeYPO4的锂电池具有与现有12V铅酸电池等同系统直接相适配的低标称电池电压(3.2V-3.3V)。串联的四个LiFePO电池具有13.2V的标称电压。因此，它们可以直接替换现有的12V铅酸等同系统，而无需任何与电有关的修改。
其他锂化学品具有更高的标称电压，例如锂-钴(3.6V)，锂-锰(3.7-3.8V)，锂-镍-钴-锰(3.7V)。当四个电池串联使用时，其每一个都具有更高的系统电压。在更高电池电压的情况下，大多数现有的12V直接替换系统将无法将其他锂电池化学品充电至其60％容量以上。本发明可采用的其他锂电池为氧化钴锂(LiCoO2)，氧化锰锂(LiMn2O4)。氧化锰钴镍锂(LiNiCoAlO2)，氧化钴锰镍锂(LiNiMnCoO2)，和钛酸锂(Li4Ti5O12)。
LiFePO，LiFePO4，LiFeMgPO4，和LiFeYPO4电池还具有比铅酸电池更高的热崩溃(thermalrunaway)条件。要发生热崩溃，电池温度必须非常高(超过200℃)。当电池达到特定温度(通常由过度充电导致)，接下来电池将通过向它自身提供燃料的内部反应开始产生更多的热，通常会导致起火，这种现象也就是所谓的“热崩溃”。所有其他锂电池化学物质都具有较低的热崩溃温度，导致那些电池更易于起火。
散热帽(thermalventingcap)通常被设置在每个圆柱形电池壳体内部，以使爆炸的可能最小化。该散热帽可以在发生内部起火之前，使电池的电解质漏出。
尽管有利的是使用保护电路，但能够在不使用保护电路的情况下运行本发明，这样能够使系统简化，以允许充电或放电。省略掉用于高压切断(过度充电)、低压切断(过度放电)和温度测量的所有电子保护电路可以降低起动器电池的总制造成本。这样还可以简化系统，使其在所有条件下都可以充电和放电，并且不会受到任何建议的或规定的工作范围的限制。
通过使用锂电池，电池外壳的结果与铅酸电池相比更小且更轻。任何时候，只要内部质量减少，外壳结构的尺寸就可以被减小，这同样可降低成本。
图1和2的实施例的外壳结构可改变深度以适应用于提供不同容量的不同数目的电池。如图所示，圆柱形电池的外壳(或壳体)的盖结构与大多数电池组相同。这种电池可以被平行地堆叠以为待组装的不同的电池组提供更大的容量。外壳的盖还具有由铝制成的螺纹衬套，以使重量最小化，但它具有与铝，铜或黄铜类似的电性能，或者所述盖具有内螺纹孔，以接收电连接螺钉。
现在参见附图，特别是图1，本发明的电池组10包括外壳12，外壳12具有下容器14和相配合的顶部16，并且通过适当的电连接将至少一个可充电的锂电池18设置在外壳内。电池组中的每个锂电池的总放电量为一(1)Ah至5000Ah，并且每个电池的充电电压为3.0V至4.2V。
外壳16的下部可设有底部衬垫20，底部衬垫20在其内部装配、接收一个或多个电池，并与下容器14相配合。如果需要，可将顶部衬垫22设置在外壳的顶部16中。
如图所示，在电池之间提供电连接器24，由正极到负极，使用螺钉26穿过外壳底部的孔28将电池连接到未示出的电导线，但所述电导线连接到底部螺钉30。可替换地，可使用焊接连接替代螺钉。
可选择的，保护电路板32可被放置在上壳体或顶部14内以提供安全保护。这种保护电路板可以是切断电路板或电池平衡电路板。电池平衡电路板可包括切断功能。具有串联的两个或更多个电池的铁锂电池具有等于单独的电池电压总和的电池电压。在整个电池寿命期间，它可以被充电和放电成百上千次。每个电池的寿命可能不同。一些电池可能会变得与其他电池不匹配。这一现象可通过平衡加以校正。平衡是强迫所有电池具有相同电压的过程。这是通过平衡电路实现的。
起动器电池系统可根据需要使用大量的锂电池，以获得更大的容量。
锂电池相比铅酸电池具有明显更轻的重量，并且要轻80％。锂电池的100％完全放电循环次数约为铅酸电池的3倍。锂电池无需维护，而铅酸电池需要重新注入纯净水，以维持极板上方的酸度水平。锂电池不会冻结。它们的放电功率为铅酸电池的8倍。它们的充电时间小于2小时。
锂电池的自放电率小于每月2％，而铅酸电池的自放电率为每月10％。
锂电池可在非常高的温度下工作，高达70℃，而不会出现大的性能退化。它们还可以在非常低的温度下工作，低达-30℃，并且在该温度下只有轻微的容量下降，但功率依然是符合要求的。
锂电池具有98％的能量效率(进入和放出电池的能量)，而铅酸电池只有90％的能量效率。
对于每12伏特的增量，需要将四个LiFePO4电池串联，并且在某些情况下使用其他锂电池可需要更少的电池数。下面的表1对比了铅酸电池电压与LiFePO4电池以及其他锂电池的需求量：
表1
如图3至6所示，由一个或多个串联的扁平棱柱型电池构成的块40被装配到外壳12中，每个电池块具有共用的一套电接头42A和42B。保护电路板30被设置在外壳内，并且与所述块电连接。图4至6示出了组装后的外壳，其中电接头24A和24B在其顶部。
图7示出了由四个扁平的棱柱型锂电池构成的块被连接到平衡电路板46，其中平衡电路板46具有平衡控制器或微处理器60。图8示出了由四个扁平的棱柱型锂电池构成的块连接到平衡和切断电路板48，其中所述电路板48包括控制器60和诸如FET之类的固态切断开关62。图9至12示出了用于电池组10的带有正端子34和负端子36的外壳12。
图13示出了多个扁平电池块40，以及底衬，衬垫，或垫片50，扁平的衬垫52，和大垫块54，所有这些衬垫都是可选的。如图所示，外壳的上部或顶部部分有利地在其每个端部设有三个接点。
对于摩托车而言，自动检测重启特征是尤其有用的：“IQ重启技术”通过检测电池电压电平并在完全放电之前切断电池功率，以保护电池免于深度循环放电，例如保持车头灯或电力部件继续工作一段延长的时间，同时发动机被关闭。在电池中留有足够的备用功率，以(通过测量电阻率的变化)自动地检测起动效果并允许用户再次起动发动机。这样避免了骑车人搁浅或苦于无法更换电池。自动检测装置具有至少一个锂基电池，电压检测器，相关联的开关，例如切断电路板，或连接到诸如FET之类的固态开关平衡电路中的微控制器。一个功能是当电压下降至预先设定的水平则断开FET，留下充足的备用能力以启动发动机。第二个功能是在试图启动发动机时检测“键控周期”或电阻变化，这接通FET。该电阻变化是对钥匙转动、按下按钮或远程开关的反应。
为了控制固态开关，需要为电池工作状况下的具有规定参数的不同电压、电流和/或温度提供电子控制，以防止损坏。在电池系统中使用的控制电子器件通常指的是电池管理系统(BMS)或电池管理单元(BMU)。BMS或BMU可独立地监控所有的电池或电池组电压，和/或温度。为了保护单个电池或电池组以防其被过度充电导致热逸散反应(exothermalrunawayreaction)而起火，和/或防止电池因为被放电至太低而导致损坏，固态开关将关闭或打开电流通路以防止出现电池损坏。
图15和16中所示的装置布局是关于如何构造固态开关以将“漏极”或“源极”连接起来的例子，这是非传统的方式。并联的固态开关是提高电流能力的例子。
特别地参见图17，在正常工作状态下，T1和T2都处于接通状态，允许功率通路从两个方向进入：放电和充电。如果电池处于其规定的工作状况(电压)之外，则D1和D2都断开，但电流仍可以流经内部二极管，以供额外的功能。
在通过电池的漏极使电池电压降至太低，低于规定电压时，T1将断开，阻止进一步放电。然而，替代T1和T2的内部二极管仍然是接通的，因此电路将能够充电。
如果电池电压过高，高于规定电压，T2将断开，阻止进一步充电。然而，替代T2和T1的内部二极管仍然是接通的，因此电路将能够放电。
在图17所示的构造中使用固态开关，可允许用户友好地重启电路，而无需任何按钮或复位按钮。充电和放电电流可穿过内部MOSFET或IGBT二极管，以使电池回归到规定的工作电压。
在图18至23中提出可替换的开关和逻辑门结构。这些结构中的每一个的工作方式都与图17的工作方式类似。
本发明的重启功能如图24所示。控制器60被连接到具有电池块64的电池组以及被连接到MOSFETQ1和Q2。在低电压切断之后，控制器周期性地测试负载，以检测负载阻抗中的变化。当检测到负载阻抗的突然变化时，例如连接或断开诸如车头灯、点火开关或起动器开关之类的负载，控制器60打开功率MOSFETQ1和Q2，这将使电池重新连接到车辆并允许车辆重新启动。
当控制器通过R1驱动Q3为高时，Q3和Q4接通。当Q4接哦那个时，它通过R4和D1将电池连接到负载。R4和负载阻抗形成分压器，并且在节点A处形成的电压降将取决于负载阻抗。D2控制节点A的电压至R5/R6分压器，其中R5/R6分压器将节点B处的电压成比例地降低至控制器使用模数转换器(ADC)可读取的水平。ADC可以是通常作为微处理器中的内置式外部装置或数字信号处理器的那种类型；可替换地，ADC可以是独立的器件。在接通Q4之后，控制器可在一个或多个固定或可变延迟周期之后形成一个或多个ADC读数。通过在接通之后在不同的时间读取ADC，控制器不仅可推断负载阻抗的电阻分量，还可推断其电感和/或电容分量。通过追踪周期性的ADC读数并且应用适当的数字滤波技术，可以检测到负载阻抗中的突然变化。例如可能由温度变化或电池电荷耗尽导致的ADC读数中的逐渐变化被忽略(即被过滤掉)。在形成所需的ADC读数之后，控制器立即断开Q3和Q4，以使电池耗尽的可能最小化。应当注意，虽然这里示出的Q3和Q4为双极结晶体管，但也可使用其他多种类型的电子器件以完成Q4的开关功能，这些电子器件包括但不限于一个或多个MOSFET或继电器。
为了在低压切断模式下尽可能长时间的保存电池电荷，控制器只在必要的时候检测负载阻抗。测试周期可根据应用来确定，并且可大约为1至5秒。在车辆应用中，该周期代表用户必须将起动器开关保持在起动位置的最大时间，以在低压切断之后实现重启。如果电池保持在低压关闭模式下很长时间，或者(一个或多个电池的)电池电压持续下降，为了进一步降低电池的耗尽，测试周期可以被延长。
本发明对于短路保护而言是有用的，如图25所示。交叉连接的与非门(NANDgate)E和F形成控制功率MOSFETQ2的栅极驱动(gatedrive)的设定-复位(SR)锁存器(latch)。当控制器60将Q2启动端(ENABLE)驱动为低时，锁存器被设定。当Q2启动端被再次驱动为高时，则与非门G的输出为低并且与非门H接通Q3，这接通Q4，Q4提供提高的栅极驱动电压以接通Q2。C3和C4帮助确保Q2的快速接通，同时R4，R5和R8需要数值相对较高的电阻器，以满足应用的低功率要求。
电流监控器A监控功率MOSFETQ1的漏极-源极ON电阻(RDS(on))上的压降，并提供与MOSFETQ1电流成比例的电流输送至节点B。R1将该电流转化为电压，并在比较器D1将该电压与VREF作比较。在发生短路时，节点B处的电压将(至少瞬时地)超出VREF并导致D的输出变低，复位所述S-R锁存器。当S-R锁存器被复位时，D的输出将变高，并且C2将差分进入Q5基极的正向脉冲，导致Q5打开几微秒并且快速地对Q2的栅极进行放电。Q2的快速断开对于限制与短路状况有关的能量而言是必要的。通过监控S-R锁存器的状态，控制器60可判断何时发生了短路切断事件。C1低通滤波节点B处的信号，从而如果需要的话，可以承受极短持续时间的电流过载状态。控制器60可调节VREF，以便在需要的情况下补偿随温度变化的Q2的RDS(on)，或者调节过载电流的跳闸阈值(tripthreshold)。
固态开关可以是晶体管，FET(场效应晶体管)，JFET或JUGFET(结栅场效应晶体管)，BJT双极结晶体管，CMOS(互补金属氧化物半导体)，VMOS(垂直金属氧化物硅)，TMOS晶体管，垂直DMOS(双扩散MOS)，或HEXFET(六角形MOSFET)。
应当注意，本发明的固态开关装置也可用在需要充电和放电的任意电池系统中，以延长电池寿命和提高安全性。它对于起动器电池而言是非常有用的并且也是第一个用于起动器电池的固态开关装置。
如图所示，用在同一电路中的固态开关必须是相同的(N)或(P)型。
本发明的目标的实现的总结
如前所述，容易明白的是本人发明了一种用于提高内燃机的起动电机的起动器电池的性能的改进的方案，一种比铅酸电池更轻、更可靠、体积更小、循环寿命更长、使用寿命更长、翻转效率更高的用于内燃机的起动器电池。内燃机的起动器电池系统易于组装，防水，并且免维护，可用在现有的车辆中，并且具有宽的工作温度范围以及优良的低温起动性能。本发明还提供了一种用于保护单个电池或电池组过度充电的装置，以及提供了一种能够比迄今为止已有装置更有效、更经济地为电荷水平非常低的电池充电的装置。
应当理解，前面的描述和特定的实施例仅是对于本发明的最佳实施方式及其原理的说明，本领域技术人员可在不背离本发明的精神和范围的情况下对该装置做出各种修改和添加，因此，本发明应当仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (67)

1.一种用于电池组中的一个或多个电池的固态开关装置，包括电池组、固定开关、外壳，电池位于所述外壳内，其中所述电池组具有正端子和负端子，每个所述电池具有正极和负极，所述固态开关装置包括：至少一对固态开关，每个固态开关具有源极和漏极，并且漏极被连接起来；所述固态开关被串联连接到所述一个或多个电池的负极并连接到所述负端子，所述一个或多个电池的正极被连接到所述正端子；所述固态开关位于所述外壳内。
2.一种用于电池组中的一个或多个电池的固态开关装置，包括电池组、固定开关、外壳，电池位于所述外壳内，其中所述电池组具有正端子和负端子，每个所述电池具有正极和负极，所述固态开关装置包括：至少一对固态开关，每个固态开关具有源极和漏极，并且源极被连接起来；所述固态开关被串联连接到所述一个或多个电池的正极并连接到所述正端子，所述一个或多个电池的负极被连接到所述负端子；所述固态开关位于所述外壳内。
3.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中至少一对固态开关串联成组。
4.根据权利要求3所述的固态开关装置，其中多组固态开关串联成组后并联。
5.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述每个电池上使用所述固态开关。
6.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述的固态开关装置允许电流在一个方向而非另一方向上流动。
7.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，所述的最少两个固态开关被布置成独特的结构，其在需要时可允许其电流以受控的方式双向流动。
8.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为MOSFET。
9.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为IGBT。
10.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为晶体管。
11.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为FET。
12.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为JFET。
13.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为BJT。
14.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为CMOS。
15.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为VMOS。
16.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为TMOS。
17.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为垂直DMOS。
18.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为HEXFET。
19.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述固态开关为n型或者为p型。
20.根据权利要求1或者2所述的固态开关装置，其中所述电池组连接有平衡电路板，平衡电路板具有平衡控制器或微处理器。
21.根据权利要求20所述的固态开关装置，所述控制器或微处理器被连接到具有电池块的电池组以及被连接到MOSFETQ1和Q2。
22.一种起动器用电池组，包括：固态开关，外壳；和位于所述外壳内的至少一个可充电的锂基电池；其中，电池组中的每个锂基电池的总放电量为1Ah至5000Ah，并且每个电池的充电电压为3.0V至4.2V，所述的外壳具有上下配合的壳体，所述的电池外壳的上壳体或下容器内设置有保护电路板；其中所述电池组具有正端子和负端子，每个所述电池具有正极和负极，所述固态开关装置包括：至少一对固态开关，每个固态开关具有源极和漏极，并且漏极被连接起来；所述固态开关被串联连接到所述一个或多个电池的负极并连接到所述负端子，所述一个或多个电池的正极被连接到所述正端子；所述的外壳具有上下相配合的壳体，所述的外壳带有正端子和负端子。
23.一种起动器用电池组，包括：固态开关，外壳；和位于所述外壳内的至少一个可充电的锂基电池；其中，电池组中的每个锂基电池的总放电量为1Ah至5000Ah，并且每个电池的充电电压为3.0V至4.2V，所述的外壳具有上下配合的壳体，所述的电池外壳的上壳体或下容器内设置有保护电路板；其中所述电池组具有正端子和负端子，每个所述电池具有正极和负极，所述固态开关装置包括：至少一对固态开关，每个固态开关具有源极和漏极，并且源极被连接起来；所述固态开关被串联连接到所述一个或多个电池的正极并连接到所述正端子，所述一个或多个电池的负极被连接到所述负端子；所述的外壳具有上下相配合的壳体，所述的外壳带有正端子和负端子。
24.根据权利要求22所述的启动器用电池组，其中所述的电池外壳的上壳体或下容器内设置有保护电路板。
25.根据权利要求24所述的启动器用电池组，其中所述的保护电路板为切断电路板。
26.根据权利要求24所述的启动器用电池组，其中所述的保护电路板为电池平衡电路板。
27.根据权利要求23所述的启动器用电池组，其中所述的电池外壳的上壳体或下容器内设置有保护电路板。
28.根据权利要求27所述的启动器用电池组，其中所述的保护电路板为切断电路板。
29.根据权利要求27所述的启动器用电池组，其中所述的保护电路板为电池平衡电路板。
30.根据权利要求25所述的启动器用电池组，其中所述的外壳内有固态开关。
31.根据权利要求26所述的启动器用电池组，其中所述的外壳内有固态开关。
32.根据权利要求28所述的启动器用电池组，其中所述的外壳内有固态开关。
33.根据权利要求29所述的启动器用电池组，其中所述的外壳内有固态开关。
34.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述的锂基电池为圆柱型电池。
35.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述的锂基电池为扁平棱柱型电池。
36.根据权利要求35所述的启动器用电池组，其中所述的一个或多个串联的扁平棱柱型电池构成电池块。
37.根据权利要求35所述的启动器用电池组，其中所述的电池块被装配到外壳内。
38.根据权利要求36所述的启动器用电池组，其中所述的每个电池块共用一套电接头。
39.根据权利要求24所述的启动器用电池组，其中所述电池块与保护电路板电连接。
40.根据权利要求25、26、28或29所述的启动器用电池组，其中四个棱柱型锂电池串联起来连接到平衡电路板。
41.根据权利要求25、26、27或29所述的启动器用电池组，其中四个棱柱型锂电池串联起来连接到平衡和切断电路板。
42.根据权利要求25、26、27或29所述的启动器用电池组，其中两块棱柱型电池和断路开关的控制板被布置到外壳中。
43.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述的电池通过适当的电连接将至少一个可充电的锂电池设置在外壳内。
44.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述的外壳的下部可设有底部衬垫，底部衬垫在其内部装配、接收一个或多个电池，并与下容器相配合。
45.根据权利要求44所述的启动器用电池组，其中所述外壳的顶部中设置有顶部衬垫。
46.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池为磷酸铁锂电池。
47.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池由LiFePO电池构成。
48.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池由LiFePO4电池构成。
49.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池由LiFeMgPO4电池构成。
50.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池由LiFeYPO4电池构成。
51.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池是从由LiFePO、LiFePO4、LiFeMgPO4和LiFeYPO4电池中的二种组成的。
52.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池是从由LiFePO、LiFePO4、LiFeMgPO4和LiFeYPO4电池中的三种组成的。
53.根据权利要求46所述的启动器用电池组，其中所述磷酸铁锂电池是从由LiFePO、LiFePO4、LiFeMgPO4和LiFeYPO4电池构成的。
54.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是由LiCoO2电池构成的。
55.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是由LiMn2O4电池构成的。
56.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是由LiNiCoAlO2电池构成的。
57.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是由LiNiMnCoO2电池构成的。
58.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是由Li4Ti5O12电池构成的。
59.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是从由LiCoO2、LiMn2O4、LiNiCoAlO2、LiNiMnCoO2和Li4Ti5O12电池中的二种组成的。
60.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是从由LiCoO2、LiMn2O4、LiNiCoAlO2、LiNiMnCoO2和Li4Ti5O12电池中的三种组成的。
61.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是从由LiCoO2、LiMn2O4、LiNiCOAlO2、LiNiMnCoO2和Li4Ti5O12电池中的四种组成的。
62.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述锂基电池是从由LiCoO2、LiMn2O4、LiNiCOAlO2、LiNiMnCoO2和Li4Ti5O12电池构成的。
63.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述电池组包括在所述外壳中串联的四个可充电的锂基电池。
64.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述电池组包括在所述外壳中的偶数个可充电的锂基电池。
65.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述电子装置为连接到内燃机的内燃机起动装置。
66.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述保护电路板是包括控制器的切断电路板，所述控制器具有用于周期性地测量负载以检测负载阻抗的变化关联装置，切断电路板还包括位于所述电池组和所述电子装置之间的开关和用于接通所述开关以向所述电子装置提供功率以重新启动所述电子装置的装置。
67.根据权利要求22至33中任一权利要求所述的启动器用电池组，其中所述保护电路板为包括控制器的切断电路板，所述电池组被连接到电流监控器，所述电流监控器被连接到电流比较器和设定复位锁存器，从而在发生短路时，所述设定复位锁存器将断开相应的开关。
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