CN111033827B - 用于管理传递通过金属空气电池组电池的电功率的方法和相关联的电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管理传递通过金属空气电池组(400)的电池(100)的电功率的方法，且涉及相关联的电池。所述电池包括连接到所述电池组的正极端子(101)的负电极(10)、两个正电极(20；30)以及开关构件(70)。此外，开关构件在传递通过所述电池组的电功率对应于第一功率范围时维持在将所述正极端子连接到第一正电极的配置中，且在传递通过所述电池组的电功率对应于第二功率范围时维持在将所述正极端子连接到第二正电极的配置中，所述第二功率范围与比所述第一功率范围的电功率更高的电功率相关联。

Description

用于管理传递通过金属空气电池组电池的电功率的方法和相 关联的电池

技术领域

本发明涉及金属空气电池组的领域，且更具体地说，涉及用于在充电和放电阶段期间管理传递通过这些电池组的电功率的方法。本发明同样涉及单一金属空气电池或形成电池组的一组电池。

背景技术

金属空气电池组电池通常由耦合到空气电极的基于例如锌、铁或锂的金属的负电极组成。这两个电极通常与水性碱性电解质接触。

在这种电池组放电期间，氧气在正电极还原，且金属在负电极氧化：

负电极处的放电：M→Mⁿ⁺+n e^-

正电极处的放电：O₂+2H₂O+4e^-→4OH^-

金属空气系统的优点在于使用无限容量的正电极，因为在正电极处消耗的氧气不需要存储在电极中，而是可从环境空气中获得。金属空气类电化学产生器因其高比能而闻名，可达数百瓦时/千克。

空气电极例如用于碱性燃料电池中，与其它系统相比，这是特别有利的，因为电极处的高反应动力学，且因为不存在例如铂的贵金属。

空气电极是与液体电解质接触的多孔固体结构，通常是碳粉。空气电极与液体电解质之间的界面是所谓的“三接触”界面，其中电极的活性固体材料(这种电极通常还包括催化剂)、气体氧化剂(意指空气)以及液体电解质同时存在。空气电极通常由具有高表面积的碳粉构成，从而提供大的反应表面积和因此相对于电极的几何表面积的高电流密度。大的反应表面积有利于补偿气体氧气密度与液体密度之间的差异。举例来说，与密度为55摩尔/升的水相比，空气中氧气的摩尔密度是约0.03摩尔/升。碳的大的表面积使得空气电极中的反应位点倍增成为可能。

锌空气电池组的不同类型的空气电极的描述例如在由V.Neburchilov等人撰写的标题为“锌空气燃料电池的空气阴极综述(A review on air cathodes for zinc-airfuel cells)”的文献，《电源杂志(Journal of Power Sources)》195(2010)第1271-1291页中加以描述。

当金属空气电池组需要再充电时，电流的方向是反向的。氧气在正电极处产生，且金属通过在负电极处还原来再沉积：

负电极处的再充电：Mⁿ⁺+n e^-→M

正电极处的再充电：4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-

空气电极未设计成在反向方向使用，且往往会通过在氧气产生期间形成的液压受到机械破坏。这种液压通常造成在构成空气电极的碳粉粒之间的接合断裂。这种劣化会缩减电池组的寿命。

另外，当对电池组充电时，添加到空气电极以改良氧气还原反应的能效的催化剂在反向氧化反应所需的电位下降解。在氧气存在下，通过碳的氧化，碳的腐蚀也在更高的电位下加速。

为了补救这些稳定性问题，特别是在充电期间，已提出使用仅用于对电池组充电的第二正电极。然后，开关允许在充电期间将电路的正极端子连接到第二电极，且在电池组放电期间将这种正极端子连接到空气电极。申请WO 2014/083267描述使用这种系统来保护空气电极在充电阶段不劣化的电池组的实例。

在电池组充电期间所使用的这种第二正电极通常由镍或金属合金的金属网格构成。这种电极也可由能够存储有限量的电能而没有氧气析出的材料制成。这种正电极的实例是由氢氧化氧镍(NiO(OH))构成的电极。

尽管通过在充电期间提供用于氧气析出的第二正电极，金属空气电池组的寿命显著改良，但金属空气电池组的电气性能随时间推移而降低。

另外，空气电极的功率受到电极的多孔结构内的空气扩散速率的限制。尽管高能量密度允许金属空气电池组长期供应存储在其一或多个电池中的电能，但与空气电极中的这一扩散速率相关的物理约束限制这些电池组能够提供的电功率。

因为这种约束，需要比区域电极能够提供的功率更多的功率的应用依赖于整合金属空气电池组和分离的附加电源的复杂系统。举例来说，用于低功率消耗的金属空气电池组可与超级电容器或能够短时间内提供更大电功率的电容器结合使用。然而，这些系统使金属空气电池组的使用变得复杂。

文件WO2013/110097公开用于金属空气电池组的电池，所述电池使用第一可逆金属电极、空气电极以及第二可逆电极在放电阶段充当阴极和在充电阶段充当阳极。本文件描述二阶段放电以及第二阶段，在所述二阶段放电中仅使用且仅在放电开始时使用第二正电极，在所述第二阶段中当电池组两端的电压已经下降到足以达到阈值时使用空气电极。在所述文件中，两个放电阶段是连续的且电压受到控制从第一阶段切换到第二阶段。然而，在电池组中，电压测量不是电池组功率的良好指标，且仅用于确定电荷状态。事实上，在电池组中(不同于在电阻器中)，电压不会随着功率变化而变化很大，且是非线性变化的，但其取决于其它参数，例如电极的热力学电位、电解质中离子的质量传输、界面处的电荷累积现象以及与氧化还原反应或电极的电荷状态相关的激活阻挡层。因此，在文件WO2013/110097中对电池组进行的电压测量不能令人满意地管理传递通过电池组的电功率。

文件US2011/0250512描述一种金属空气电池，所述金属空气电池包括负电极、正空气电极、氧气析出电极以及高效率电极，使得能够经由空气电极实现标准充电和放电阶段，且在一个实施例中，经由高效率电极实现更高的效率。

因此，寻求一种方法用于提高金属空气电池组的电气性能，特别是通过改良其提供电功率的能力且更好地管理在充电和放电期间传递通过电池组的电功率。

发明内容

响应于上文所描述的问题，本发明提出一种用于管理传递通过金属空气电池组的电池的电功率的方法，电池包括：

-负电极，电连接到电池组的负极端子；

-第一正电极，形成电池的空气电极；

-第二正电极，形成电池的功率电极；

-开关构件，用于将第一正电极和第二正电极当中的电极电连接到电池组的正极端子。

方法更包括：

-当传递通过电池组的电功率对应于第一功率范围时，将开关构件维持在将正极端子连接到第一正电极的配置中；

-当传递通过电池组的电功率对应于第二功率范围时，将开关构件维持在将正极端子连接到第二正电极的配置中，第二功率范围与比第一范围的电功率更高的电功率相关联。

本发明通过最佳地利用各种正电极的的电容量(以毫安时/平方厘米表示)，使得优化传递通过金属空气电池组电池的电功率成为可能。

实际上，空气电极(第一正电极)具有比第二正电极更高的能量密度，但尤其由于空气在其结构内的扩散速率而无法提供显著电功率。因此，空气电极在放电期间需要极少功率的情况下(或在充电期间向电池组供应极少功率的情况下)是有效的，但可比第二正电极传递或存储电功率更长的时间。

对于第二正电极，其未受空气的扩散速率限制，且因此可在放电期间需要电池组提供更大电功率时使用，且在充电期间偶尔可获得更大电功率供应时使用。

对传递通过金属空气电池组电池的功率的这种管理可通过优先在第二正电极上进行高功率充电来更快地对电池组充电，而第一正电极可例如在低电功率下的缓慢充电期间使用。然而，可优选避免使用第一正电极对电池组充电，以避免很可能损坏其多孔结构的氧气析出。

另外，在放电期间，本发明可有利地使用两个正电极的不同的电容量，从而互补电力系统(例如对超级电容器或电容器的接入)不再需要超过空气电极能够存储的功率的功率需求。由此，金属空气电池组本身可满足这些不同的功率需求，这使得设计出不太复杂的系统成为可能，所述系统在充电和放电期间更易于构建且控制。

根据一个实施例，方法可更包括：

-获得表示传递通过电池组的电功率的参数值；

-将估计值与表示第一功率范围与第二功率范围之间的转变的阈值进行比较；以及

当估计值高于阈值时：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第二正电极的配置中，以便满足第二功率范围的功率标准；

当估计值低于阈值时：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第一正电极的配置中，以便满足第一功率范围的功率标准。

表示传递通过电池组的电功率的参数可优选地是传递通过电池组的电流。

根据一个实施例，表示传递通过电池组的电功率的参数可以是在负电极上测得的电流。

特定来说，当电池放电时和当所测得的电流的幅值高于阈值时，方法可包括：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第二正电极的位置中；

当所测得的电流的幅值低于阈值时：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第一正电极的位置中。

在负电极上测得的电流增加是电池组接收或供应的电功率上升的标志。通过限定这一所测得的电流的阈值，可使电池组的功率范围适应其外部环境。

根据一个实施例，对于包括氧气析出第三正电极的电池，方法可更包括，当电池充电时和当所测得的电流的幅值高于阈值时：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第二正电极的位置中；

当所测得的电流的幅值低于阈值时：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第三正电极的位置中。

当根据本发明的方法在需要高功率的充电阶段执行时，利用第三正电极的这种实施例是特别优选的。

通过在电池组中使用第三正电极，可保护第一正电极(空气电极)免受充电期间氧气析出的负面影响，但同样可保护第二正电极，因为其也可通过释放氧气而逐渐劣化。因此，当以低功率进行缓慢充电时，可使用第三正电极，且当电池组接收更高的电功率时，可使用第二正电极，这也允许更快地给电池组充电。

特定来说，阈值可在20毫安每平方厘米负电极与40毫安每平方厘米负电极之间。

这种阈值可特别地适用于具有锌负电极和由氢氧化氧镍制成的第二正电极的金属空气电池组。当其它材料用于电池组的各种组成电极时，可估计其它值。

根据一个实施例，方法可更包括：

-基于对将传递通过电池组的功率的预测来选择开关构件的配置。

如果与电池组连接的电路的操作将具有可预先预测的功率需求，或如果电路能够在可预测的时间处和可预测的持续时间内提供增加或减少的功率，那么可在考虑这些功率峰值的同时，安排正电极(空气电极和第二正电极)之间的切换，以优化电池组的充电和放电期间的效率。举例来说，当电路包含光伏面板时，日光预测允许预先估计电池组可经历的功率变化。当电池组用于例如电动车辆，特别是自动电动车辆时，可基于例如行进的地形和交通来预先预测移动所述车辆所需的能量，且因此预测所涉及的电功率。

根据一个实施例，方法可更包括，在对电池组充电开始时：

-将开关构件维持在将正极端子连接到第二正电极的位置中。

在充电开始时，优选避免过早或过显著的氧气析出。通过优选地在充电期间连接第二正电极而不是空气电极，这避免了氧气析出，所述氧气析出可导致过早地破坏空气电极，且可通过干扰电解质中的离子流动且特别是通过减缓金属离子在负电极上沉积的动力学来减缓电池组的充电。

本发明还涉及用于金属空气电池组的电池，包括：

-负电极，适用于电连接到电池组的负极端子；

-第一正电极，形成电池的空气电极；

-第二正电极，形成电池的功率电极；

-开关构件，用于将第一正电极与第二正电极之间的电极电连接到所述电池组的正极端子。

根据一个具体实施例，电池的特征在于第二正电极定位于负电极与第一正电极之间。

开关构件可进一步配置用于：

-当传递通过电池组的电功率对应于第一功率范围时，将正极端子连接到第一正电极；

-当传递通过电池组的电功率对应于第二功率范围时，将正极端子连接到第二正电极，第二功率范围与比第一范围的电功率更高的电功率相关联。

这种电池特别适用于实施上文所描述的功率管理方法。特别有利的是，提供包括例如氢氧化氧镍的金属氧化物的电极作为第二正电极。这些材料通常是用于形成功率电极的良好候选材料，功率电极的能量密度低于空气电极，但可比空气电极传递更大的电功率。

特定来说，电池可包括用于测量表示传递通过电池组的电功率的参数的装置。

举例来说，可提供这种装置以测量电池组中的电流或与所述电池组串联连接的电阻器两端的电压，以便确定电池组中和连接到电池组的电路中的电功率需求和输入。

特定来说，测量装置可选自：用于测量电流的霍耳效应传感器、电阻器、分流器。

根据一个实施例，开关构件可选自：机械式继电器、机电继电器。

根据一个实施例，电池可更包括：

-第三正电极，形成电池的氧气析出电极。

通过提供第三正电极，本发明可用以通过减少第二正电极的使用频率且将其与第三正电极交替使用来减少第二正电极上的磨损，从而提高电池组的寿命。当充电期间电池组中有显著的氧气析出时，可特别选择第三正电极，以保护第二正电极免受与这种氧气析出相关的可能有害影响。

根据优选实施例，第三正电极也定位于负电极与第一正电极之间。

本发明还涉及一种用于包括如上文所描述的两组正电极的金属空气电池组的电池，在负电极的每一侧对称地布置一组。在此实施例中，本发明涉及一种用于包括如上文所描述的两组正电极的金属空气电池组的对称电池，在两组正电极之间共用负电极。

根据一个实施例，电池可布置在选自光伏面板、电动车辆的装置中。

随时间推移，这类装置消耗或产生的电功率具有显著变化。光伏面板取决于日光量而产生或多或少的功率，且电动车辆取决于其使用条件且尤其取决于加速度而消耗或多或少的功率。电动车辆也可偶尔提供有吸引力的充电机会，特别是在制动阶段，由于根据本发明的电池中的第二正电极(功率电极)，可更有效地回收和存储瞬态电功率。

本发明还涉及一种包括如上文所阐述和描述的至少一个电池的金属空气电池组。

附图说明

通过阅读以下出于说明性目的而非限制性目的呈现的一些示例性实施例的描述，且通过观察以下图式，将更好地理解作为本发明目的的方法，在图式中：

-图1是根据本发明的包括管理传递通过电池组的电功率的开关的金属空气电池组电池的示意性图示；

-图2是根据本发明的表示用于对金属空气电池组充电的方法的流程图；

-图3是根据本发明的表示用于对金属空气电池组放电的方法的流程图；

-图4是根据本发明的更包括第三正电极以减少在充电期间电池组中氧气析出的负面影响的金属空气电池组的示意性图，；

-图5是示出在电动车辆中使用电池组时在负电极处所测量的传递通过电池组的电流随时间变化的曲线图；

-图6是可用以实施本发明方法的计算机系统的示意性图。

-出于清晰性起见，在这些图中示出的各种元件的尺寸不必与其实际尺寸成比例。在图式中，相同附图标记对应于相同元件。

具体实施方式

本发明提供一种用于管理传递通过金属空气电池组的电池的电功率的方法，所述方法在充电和放电期间优化电池组的操作。方法和能够实施所述方法的电池减少对超级电容器或电容器的需要以补充金属空气电池组，从而满足间歇性功率消耗。本发明也使得通过经由能够存储和传递比空气电极更高的功率的正电极对电池组充电来优化充电时间成为可能。当电池组在短时间内接收高电功率时，这种功率电极可更好地利用再充电机会。对于较低功率下的缓慢充电，可切换到空气电极或另一电极上的充电。

图1示意性地表示金属空气电池组的电池100，其包括负电极10、强碱性pH的电解质50(通常pH为至少14)、形成电池组的空气电极的第一正电极20以及形成电池组的功率电极的第二正电极30。空气电极具有多孔结构且由碳粉21构成。如上文所解释，在放电期间，空气在空气电极的结构中与电解质反应以产生氢氧根离子，且负电极的金属M转化为在电解质中循环的离子。

来自空气电极的操作的功率受到电极的多孔结构中空气扩散速率的限制，这阻止了此电极传递大量电功率。金属空气电池组的第二正电极30不受这种现象的限制，且理论上可传递比空气电极更高的电功率。

金属空气电池组中的第二正电极30的使用通常受限于电池组的充电，以便防止在第一正电极20的结构中出现氧气析出。

本发明者已注意，第二正电极也可有利地在放电期间使用，以提供比单独使用空气电极可获得的功率更大的电功率。

特定来说，第二正电极通常可以是例如镍、银或不锈钢的金属。

已观测到，在第二正电极中使用金属氧化物对于进一步提高金属空气电池组的电气性能可以是有意义的。

通常由例如镍的金属制成的这种第二正电极30有时由例如使用Ni(II)/Ni(III)对的氢氧化氧镍(NiOOH)的氧化物构成。

已发现，第二正电极30的材料中的使用Ni(II)/Ni(III)对的氢氧化氧镍(NiOOH)的使用从电学角度来看具有优势。实际上，氢氧化氧镍提供比空气电极更多的功率。氢氧化氧镍的第二正电极30的使用提供将金属空气电池组的放电周期持续时间(由于空气电极的高能量密度而可获得)的优点与金属镍电池组的功率性能相结合的可能性。使用例如氢氧化氧镍的金属氧化物作为第二正电极的金属空气电池组电池形成“金属镍空气”混合电池。

在放电阶段，在第二正电极30上观测到以下反应：

NiO(OH)+H₂O+e^-→Ni(OH)₂+OH^-(反应a)

这种电池组可允许对传递通过电池组的功率和电能进行更精细的管理。当电池组在放电阶段达到标准功率需求时，第一正电极20可连接到正极端子。对于较大功率消耗，可连接氢氧化氧镍的第二正电极。

第二正电极的组成材料的选择不限于上文所列的材料。为了实现这种功率电极功能，可提供能够提供比空气电极更大的电功率的任一合金或材料。举例来说，除了氢氧化氧镍，还可使用例如氧化银或氧化锰的材料。第二正电极通常由比构成负电极的材料(通常是锌、铁或锂)具有更多正氧化还原电位的材料制成。

图1示出连接到包括电池100(负电极10)的电池组的负极端子101和包括电池100的电池组的正极端子102的电路60。电路60的正极端子连接到开关构件70，所述开关构件70包括三个连接点71、72、73和用于连接这些点中的两个的连接构件74。开关构件70尤其可以是例如开关、机械式继电器或机电继电器。开关构件可由管理来自电池组的功率消耗的系统来控制，例如适用于实施本发明方法的电池组管理系统(battery management system；BMS)。

优选连接到负电极10的测量装置61使得测量电池100的电参数成为可能，所述电参数给出了由电池组接收或待由电池组供应的功率的指示。举例来说，这种电流测量装置可以是允许直接测量电流的电流表或霍耳效应传感器，或是测量电阻器两端电压的电阻器或分流器，电阻器两端的这种电压(不同于电池组)与电流成正比。

本发明使得在充电以及放电期间，基于由电池组接收或待由电池组供应的电功率来区分两个不同的功率范围成为可能。在第一功率范围内，开关构件70将电池组的正极端子102连接到第一正电极20。在对应于比第一功率范围更高的功率的第二功率范围中，开关构件70将正极端子102连接到第二正电极。

尽管图1中示出的测量装置61是测量传递通过电池组的电流的电流表，但也可设想监测由电池组接收或待由电池组供应的电功率的其它构件。测量装置可以是测量表示传递通过电池组的电功率的参数的任何装置，例如连接到电池组的电阻器两端的电压或电流。测量电流的电压表可例如置放在电池组的正极端子上的开关构件的上游。

图2和图3示意性地说明表示根据本发明方法的金属空气电池组的充电和放电周期的两个流程图。

在充电期间的第一步骤S201期间，电路60的正极端子连接到电池组的第二正电极30。优选地通过连接第二正电极30开始充电，即使功率需求随后不能证明这一点，因为第一正电极20在长时间内的氧气析出可损坏它。另一方面，氧气气泡从空气电极过度释放到电解质中不仅会过度损坏空气电极，还可在盐还原成金属期间有助于干扰金属离子在负电极上的沉积。充电电流越高，产生的氧气气泡越大，这增加了负电极上金属沉积的不均匀性。因此，优选使用第二正电极30来促进更好地存储接收到的高功率的快速充电的充电阶段的适当管理有助于减少这些气泡的形成和其对电池组的破坏性影响。

在整个充电期间和在图2中的步骤S202期间，测量表示传递通过电池组的功率的参数，且将其与表示第一功率范围与第二功率范围之间的转换的阈值Ath 200进行比较。对于与锌负电极10耦合的氢氧化氧镍第二正电极30，且当测量的参数是传递通过电池组的电流时，阈值可例如在20毫安/平方厘米与40毫安/平方厘米之间(这种电流以毫安每平方厘米负电极为单位表示)，且有利地等于30毫安/平方厘米。

当所测得的电流的幅值小于阈值200时，这是表示输入的低功率。然后，合适在第一正电极20上提供缓慢充电且将空气电极连接到电池组的正极端子102，第二正电极30是电惰性的。

当所测得的电流的幅值变得大于阈值时，这表示输入的更高功率，且然后变得合适利用这一点来通过将第二正电极30连接到电池组的正极端子102(在图2中由步骤S203表示)来执行更快的充电而不损坏空气电极。

由图3的流程图表示的电池组的充电以相同方式进行。与图2的流程图相反，在步骤S301中，初始放电阶段提出将第一正电极20连接到电池组的正极端子102。如由步骤S302所指示，也可在放电期间重新评估阈值200，特别是考虑到第二正电极在电池组的整个放电周期中不供应相同的功率，最大可用功率通常随时间推移而逐渐减小。阈值200和其在放电周期期间的演变可根据经验或基于金属空气电池组的第一充电/放电周期来估计，在第一充电/放电周期期间，随时间推移连续测量放电期间可获得的电功率。

在步骤S303中，所测得的电流与阈值200进行比较。如果这种电流大于阈值200，那么如在步骤S304中所指示，连接功率电极且断开空气电极。

可设想用于管理传递通过或将要传递通过金属空气电池组的电功率的不同操作模式。

基于预编程的操作周期，开关构件70的控制单元可以编程为将第一正电极或第二正电极顺序连接到电池组的正极端子102。这种预编程周期可基于电池组使用的预测而预先确定。

这种操作可与考虑(例如在操作期间通过测量装置61所确定的)电池组中的功率需求和功率输入的操作相结合。

本发明的用于管理电能的方法尤其可在受功率波动影响的系统中实施，例如光伏面板或电动车辆。

取决于日光的量，光伏面板产生或多或少电流以及更高或更低电功率。可基于天气预报来预测这些波动，或当供应给金属空气电池组的功率高(强日光)时，通过连接第二正电极30来调整所述波动，且当阳光较少时，切换到正电极。

在电动车辆中，制动阶段可表示在第二正电极30上快速充电的机会。举例来说，其它充电阶段(弱制动或栅格充电)可发生在空气电极上。

已发现，由于氧气的产生，第二正电极30在充电周期期间也经历一些劣化。然而，也已注意到，在这种第二正电极30上的氧气析出不如针对空气电极上的相同充电所观察到的氧气析出显著。

第二正电极30的电容量(以毫安时/平方厘米为单位表示)结果是低于负电极10的电容量。这在氢氧化氧镍第二正电极30和锌负电极10的情况下尤其观测到。这种容量差异的一个后果是对电池再充电需要在第二正电极30处进行两次氧化反应。在第一氧化反应中，根据以下反应，氧化态(II)的镍转化成氧化态(III)的镍:

Ni(OH)₂+OH^-→NiO(OH)+H₂O+e^-(反应b)

当镍已改变其氧化状态时，第二氧化反应开始继续给负电极10充电(这种负电极通常是锌、铁或锂)，直到电池组完全充电。这种第二反应根据常规的氧气析出反应将电解质50的氢氧根离子转化为氧气：

4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-

为了最好地限制与氧气析出相关的负面影响，在金属空气电池组的电池100中提供第三正电极可能是有利的，这种电极当有氧气产生的第二氧化反应发生时在充电期间被连接。

图4示意性地表示除了负电极10、第一正电极20以及第二正电极30之外还包括第三正电极40的金属空气电池组400的实例。电路60具有连接到电池组400的负极端子101的负极端子62。电路60也包括连接到电池组400的正极端子102的正极端子63。

电池组400由图4中的单个电池构成，但其还可包括串联或并联的多个电池。电池组400包括如上文所描述的第一开关构件70和能够将电路60的正极端子63连接到第二正电极30或第三正电极40的第二开关构件80。因此，第二开关构件包括三个连接点81、82、83和用于将连接点81连接到连接点82或83中的一个的构件。

根据本发明的这种改进，充电阶段可分成两个阶段：没有氧气析出的第一阶段，在所述第一阶段中优选将第二正电极30连接到电路60的正极端子63；和第二阶段，在所述第二阶段中优选将第三正电极40连接到电路60的正极端子63。

然而，这种充电模式与上文所描述的充电/放电逻辑互补，所述充电/放电逻辑包括当从电池组400接收或请求的功率高于空气电极能够处理的功率时，在充电或放电期间有利于使用第二正电极30。当接收的电功率高于阈值时，特别有可能支持使用第二正电极30对电池组充电，而当接收的电功率低于阈值时，可使用第一正电极20或第三正电极40。在充电期间，第三正电极40较第一正电极20优选，以便避免损坏空气电极的多孔结构。

开关构件70、80可由一或多个测量装置基于测量流过电池组的电流或连接到电池组的电阻器两端的电压来控制。当电池组400中存在第三正电极40时，充电时可能根本不使用空气电极。然后，第三正电极40是氧气析出电极，优选由例如镍、钛或钢的纯金属制成。

此外，当金属空气电池组包括锌负电极10、氢氧化氧镍第二正电极30以及镍第三正电极40时，可提供用于将第二正电极30连接到电池组的正极端子102的电压阈值。这种电压阈值可例如对应于端子101、102之间的1.9V的电压幅值。对于大于1.9V的电压幅值，连接第三正电极40且断开第二正电极30。对于低于1.9V的电压幅值，断开第三正电极40且连接第二正电极30。第二电压阈值允许优选在放电期间确定是连接空气电极还是第二正电极或第三正电极。这种第二电压阈值可以是例如1.2V。对于高于1.2V的电压幅值，连接第二正电极30。对于低于1.2V的电压幅值，连接第一正电极20。

图5示意性地说明当这种电池组安装在电动车辆中时流过如上所述的金属空气电池组的电流的分布图。随时间推移，电流不会遵循明确界定的充电和放电周期：电池组根据驾驶的变化而依次充电和放电。

图5的横轴501表示以秒为单位的时间，而图5的竖轴502表示以毫安为单位在负电极10上测得的电流。

由X表示的阶段520到525对应于第二正电极的使用。阶段523对应于突然加速度(例如超车)，这需要在短时间内向电池组提供大量电功率。

在图5中，负电流对应于电池组的充电阶段(520到522，524到525)，正电流对应于电池组的放电阶段。

阶段510到516对应于空气电极(第一正电极20)的使用。这些阶段包含具有低功率贡献的正常加速度(50-512)，和与阶段520到525的功率相比对来自电池组的功率需求较低的阶段。

本发明还涉及一种计算机程序产品，所述产品包括存储在存储介质上用于由计算机或专用装置执行的一系列指令，所述程序配置成执行上述方法。

图6示出允许运行包括实施本发明方法的指令的计算机程序产品的计算机系统的实例。

在这一实施例中，装置包括计算机600，所述计算机600包括用于存储用于实施方法的指令、接收到的测量数据以及用于执行如上文所描述的方法的各种步骤的临时数据的存储器605。

计算机更包括电路604。这一电路可以是例如：

-处理器，能够以计算机程序形式解释指令，或

-电路板，其中在硅中界定本发明方法的步骤，或

-可编程电子芯片，例如现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array；FPGA)。

这一计算机具有用于接收测量数据的输入接口603和用于提供控制排气装置607的命令的输出接口606。最后，计算机可包括显示屏601和键盘602，以能够容易地与用户交互。当然，键盘是可选的，特别是在例如触摸屏平板电脑形式的计算机背景下。

本发明在可再充电金属空气电池组中找到应用，且允许延长其使用寿命和其电气性能。根据本发明，在充电和放电期间对传递通过金属空气电池组的电功率的改进管理使得其可用于许多系统中，例如受与日光相关的电流变化影响的光伏装置，或消耗和存储与车辆的使用以及制动或加速度条件相关的可变电功率的电动车辆。

Claims (15)

1.一种用于管理传递通过金属空气电池组(400)的电池(100)的电功率的方法，所述电池包括：

负电极(10)，其电连接到所述电池组的负极端子(101)；

第一正电极(20)，其形成所述电池的空气电极；

第二正电极(30)，其形成所述电池的功率电极；

开关构件(70)，其用于将所述第一正电极和所述第二正电极当中的电极电连接到所述电池组的正极端子(102)；

其特征在于，所述方法包括：

当传递通过所述电池组的电功率对应于第一功率范围时，将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第一正电极的配置中；

当传递通过所述电池组的电功率对应于第二功率范围时，将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第二正电极的配置中，所述第二功率范围与比所述第一功率范围的电功率更高的电功率相关联。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

获得表示传递通过所述电池组的电功率的参数值；

将估计值与表示所述第一功率范围与所述第二功率范围之间转变的阈值(200)进行比较；以及

当所述估计值高于所述阈值时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第二正电极的配置中，以便满足所述第二功率范围的功率标准；

当所述估计值低于所述阈值时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第一正电极的配置中，以便满足所述第一功率范围的功率标准。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，表示传递通过所述电池组的电功率的参数是在所述负电极上所测得的电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当所述电池放电且当所述所测得的电流的幅值高于所述阈值时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第二正电极的位置中；

当所述所测得的电流的幅值低于所述阈值时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第一正电极的位置中。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电池进一步包括氧气析出第三正电极(40)，所述方法进一步包括，当所述电池正充电且当所述所测得的电流的幅值高于所述阈值时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第二正电极的位置中；

当所述所测得的电流的幅值低于所述阈值时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第三正电极的位置中。

6.根据权利要求4或5中任一项所述的方法，其特征在于，所述阈值在20毫安每平方厘米负电极与40毫安每平方厘米负电极之间。

7.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：

基于对将传递通过所述电池组的功率的预测来选择所述开关构件的配置。

8.根据权利要求1至5和7中任一项所述的方法，进一步包括，在对所述电池组充电开始时：

将所述开关构件维持在将所述正极端子连接到所述第二正电极的位置中。

9.一种用于金属空气电池组(400)的电池(100)，其包括：

负电极(10)，适用于电连接到所述电池组的负极端子(101)；

第一正电极(20)，形成所述电池的空气电极；

第二正电极(30)，形成所述电池的功率电极；

开关构件(70)，其用于将所述第一正电极和所述第二正电极当中的电极电连接到所述电池组的正极端子(102)；

其特征在于，所述电池的所述开关构件配置成：

当传递通过所述电池组的电功率对应于第一功率范围时，将所述正极端子连接到所述第一正电极；

当传递通过所述电池组的电功率对应于第二功率范围时，将所述正极端子连接到所述第二正电极，所述第二功率范围与比所述第一功率范围的电功率更高的电功率相关联。

10.根据权利要求9所述的电池，其包括测量装置(61)，所述测量装置(61)用于测量表示传递通过所述电池组的电功率的参数。

11.根据权利要求10所述的电池，其特征在于，所述测量装置(61)选自：用于测量电流的霍耳(Hall)效应传感器、电阻器、分流器。

12.根据权利要求9所述的电池，其特征在于，所述开关构件选自：机械式继电器、机电继电器。

13.根据权利要求9到12中任一项所述的电池，进一步包括：

第三正电极(40)，形成所述电池的氧气析出电极。

14.根据权利要求9到12中任一项所述的电池，布置在选自光伏面板或电动车辆的装置中。

15.一种金属空气电池组(400)，其包括至少一个根据权利要求9到14中任一项所述的电池。

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