JP2015528986A - 金属−空気バッテリの動作を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

金属−空気バッテリの動作を制御するためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

金属−空気バッテリの動作を制御するシステムおよび方法が提供される。金属−空気バッテリの動作を制御するシステムおよび方法は、バッテリから引き出される電流を制御すること、およびバッテリの温度を制御することを含んでよい。システムおよび方法は、金属−空気バッテリから予め設定された電力量を引き出してよく、そして、必要とされる電力が予め設定された電力よりも大きいときに、充電式デバイスから電力を引き出してよい。【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリに関する。特に、本発明は、金属−空気バッテリの動作の制御に関する。
周知のように、バッテリは、化学エネルギーを蓄えて、電気の形で利用可能なエネルギーを作るコンポーネントである。金属−空気バッテリは、電気を発生するために、空気からの酸素を用いて金属の酸化を使用する。バッテリによって発生される電気エネルギーは、さまざまなシステムおよびコンポーネント（例えば、消費者の製品、産業的なシステムなど）によって使用される。しかしながら、公知のシステムおよび方法は、必要に応じて、必要なときに、バッテリからエネルギーを引き出す。したがって、バッテリに蓄えられるエネルギーの利用は、最適でなくてもよい。
方法は、金属−空気バッテリから引き出される電流を制御すること、および、バッテリの温度を制御すること、を含んでもよい。方法は、プロファイルにしたがってバッテリを動作させることを含んでよい。プロファイルは、エネルギー性の利用率、電力、電解液の利用値および腐食度のうちの少なくとも１つを定義する。実施形態において、プロファイルは、コントローラによって自動的に選択される。
方法は、所望のエネルギー性の利用率が達成されるまで、バッテリ引き出される電流を繰り返しセットすること、および、バッテリの温度を繰り返しセットすることを含んでもよい。方法は、バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定すること、ならびに、電解液のエージに基づいて、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。方法は、電気化学反応において消費される金属の量とバッテリ内の金属の総量との間の定義済み比率が維持されるように、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。
方法は、バッテリ内に含まれる金属の定義済み腐食度が維持されるように、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。方法は、バッテリ内に含まれる電解液のボリュームユニット当たりバッテリから引き出されるエネルギー量を最大化するために、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。方法は、バッテリ内に含まれる電解液に溶解した金属の率を最小化するために、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御することを含んでもよい。
方法は、バッテリ内に含まれる電解液の温度および循環を制御することによって、バッテリの温度を制御することを含んでもよい。方法は、バッテリを起動させる前に、バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定すること、および、プロファイルにしたがって電解液の温度をセットすることを含んでもよい。
システムは、金属−空気バッテリおよびコントローラを含んでもよい。コントローラは、バッテリから引き出される電流を制御するように、そして、バッテリの温度を制御するように構成される。システムは、充電式デバイスを含んでもよい。システムは、金属−空気バッテリから平均必要電力にしたがって定められる定義済み電力を引き出すように、そして、電気自動車によって必要とされる電力が前記定義済み電力よりも大きいときに、前記充電式デバイスから電力を引き出すように構成されてもよい。
システムに含まれるコントローラは、プロファイルにしたがってバッテリを動作させるように構成されてもよい。プロファイルは、エネルギー性の利用率、電力、電解液の利用値および腐食度のうちの少なくとも１つを定める。システムに含まれるコントローラは、プロファイルを自動的に選択するように、そして、選択されたプロファイルにしたがってバッテリを動作させるように構成されてもよい。システムに含まれるコントローラは、所望のエネルギー性の利用率が達成されるまで、バッテリから引き出される電流およびバッテリの温度を繰り返しセットするように構成されてもよい。
システムに含まれるコントローラは、バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定するように、そして、電解液のエージに基づいて、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成されてもよい。システムに含まれるコントローラは、電気化学反応において消費される金属の量とバッテリ内の金属の総量との間の定義済み比率が維持されるように、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成されてもよい。システムに含まれるコントローラは、バッテリ内に含まれる金属の定義済み腐食度が維持されるように、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成されてもよい。
システムに含まれるコントローラは、バッテリ内に含まれる電解液のボリュームユニット当たりバッテリから引き出されるエネルギー量を最大化するために、バッテリによって提供される電流、バッテリの温度、電解液の温度およびバッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成されてもよい。システムに含まれるコントローラは、バッテリ内に含まれる電解液に溶解した金属の率を最小化するために、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成されてもよい。システムは、アルミニウム、亜鉛および鉄のうちの１つから成る金属アノードを含むバッテリを含んでもよい。
システムは、バッテリ内に含まれる電解液の温度および循環を制御することによって、バッテリの温度を制御してもよい。システムに含まれるコントローラは、バッテリを起動させる前に、バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定するように、そして、プロファイルにしたがって電解液の温度をセットするように構成されてもよい。実施形態にしたがう電気自動車は、金属−空気バッテリ、充電式デバイス、およびコントローラを含んでもよい。コントローラは、プロファイルにしたがって電気自動車に供給される電力をセットするように構成され。プロファイルは、エネルギー性の利用率、電力率、電解液の利用値および腐食度のうちの少なくとも１つを定める。
実施形態にしたがう電気自動車は、金属−空気バッテリからの予め設定された電力を消費するように、そして、電気自動車によって必要とされる電力が予め設定された電力よりも大きいときに、充電式デバイスからの電力を消費するように構成されてもよい。実施形態によれば、電気自動車によって必要とされる電力が予め設定された電力よりも少ないときに、電気自動車は、充電式デバイスを充電するために金属−空気バッテリによって提供される電力を使用するように構成されてもよい。実施形態によれば、充電式デバイスの容量は、電気自動車の１日の平均エネルギー消費量を供給するように設計されてもよく、そして、金属−空気バッテリは、１日の平均エネルギーを上回るエネルギーを供給するように設計されてもよい。
本発明とみなされる内容は、本明細書の最後の部分において特に指摘されて、明確に請求される。しかしながら、構成および動作方法の両方に関して、その目的、特徴および利点と共に、本発明は、添付図面を用いて読まれるときに、以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されてもよい。
図１は、金属−空気セルの動作をもたらすパラメータを示す。 図２は、本発明の実施形態による例示的システムを示す。 図３は、本発明の実施形態による例示的システムを示す。 図４は、本発明の実施形態による例示的システム構成を示す。 図５は、本発明の実施形態による例示的フローを示す。 図６Ａは、本発明の実施形態による温度制御された金属−空気バッテリの反応を示す。 図６Ｂは、本発明の実施形態による温度制御された金属−空気バッテリの反応を示す。
説明の単純性および明確さのために、図示される要素が必ずしも一定の比率で描かれたわけではないと認識される。例えば、要素のいくつかの寸法は、明確さのために他の要素と関連して誇張されてもよい。さらに、適切であるとみなされる所で、参照番号は、対応するまたは類似した要素を示すために図の中で繰り返されてもよい。
以下の詳述では、本発明の完全な理解を提供するために多くの具体的な詳細が明らかにされる。しかしながら、本発明がこれらの具体的な詳細なしに実施されてもよいことは、当業者によって理解される。他の例では、周知の方法、手順、コンポーネント、モジュール、ユニットおよび／または回路は、本発明を不明瞭にしないように詳述しなかった。
本発明の実施形態がこの点に関して制限されないにもかかわらず、本明細書で用いられる用語「複数」および「多数」は、例えば、「多数」または「２つ以上」を含んでもよい。２つ以上のコンポーネント、デバイス、要素、ユニット、パラメータ、などを記載するために、用語「複数」または「多数」が明細書の全体にわたって使用されてもよい。
明示的に述べられない限り、本明細書において記載される方法の実施形態は、特定の命令またはシーケンスに拘束されない。加えて、記載される方法の実施形態またはその要素のいくつかは、同じ時または重なり合う時に発生することができて、または実行されることができる。周知のように、機能、タスク、サブタスクまたはプログラムのような実行コード・セグメントの実行は、機能、プログラムまたは他のコンポーネントの実行と呼ばれてもよい。
本発明の実施形態がこの点に関して制限されないにもかかわらず、例えば、「処理」、「演算」、「算出」、「決定」、「確立」、「分析」、「検査」、などのような用語を利用する考察は、コンピュータのレジスタおよび／またはメモリの範囲内の物理（例えば電子）量として表されるデータを、コンピュータのレジスタおよび／またはメモリの範囲内の物理量として同じように表される他のデータへと、あるいは動作および／またはプロセスを実行するために命令を格納してもよい他の情報記憶媒体へと、動作するかおよび／または変換するコンピュータ、演算プラットフォーム、演算システム、または他の電子演算デバイスの動作および／またはプロセスに関連してもよい。
本発明の実施形態は、その利用を改善するために、金属−空気セルまたはバッテリ（例えば、アルミニウム−空気バッテリ）の動作の制御を可能にしてもよい。単純性のために、アルミニウム−空気セルまたはバッテリが本明細書において主として参照されるにもかかわらず、他の金属−空気セルまたはバッテリが適用可能でもよいことが理解されるであろう。例えば、本発明の実施形態によるシステムおよび方法は、亜鉛−空気または他の任意の適切な金属−空気バッテリまたはセルを使用してもよい。
アルミニウム−空気バッテリは、電気エネルギーを発生させるためにアルミニウムを消費する。アルミニウム−空気セルにおいて起こる電気化学反応は、下記の式（１）によって示される。
（１）４Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ＋３Ｏ２→４Ａｌ（ＯＨ）３＋２．７１ｖ
実際に、アルミニウム−空気セルは、式（１）で示すように２．７ｖより低い電圧（概して０．７〜１．５ボルト）で動作してもよい。残りのエネルギーは、熱として解放される。（電気エネルギーに結果としてなる）この反応に加えて、腐食反応が式（２）で示すように起こってもよい。
（２）２Ａｌ＋６Ｈ２Ｏ→２Ａｌ（ＯＨ）３＋３Ｈ２
式（２）で示す反応は、アルミニウムを消費するが、電気エネルギーを解放しない。したがって、それは、不要であるかまたは寄生反応と考えられる。式（２）で示す反応のさらなる副作用は、水素の解放である。
本明細書において参照されるように、金属−空気セルまたは金属−空気バッテリの「コロンビウムの（ｃｏｌｕｍｂｉｃ）効率」という用語は、電気化学反応（１）において消費される金属の量と、消費される金属の総量（すなわち、式（１）および（２）の両方により消費される金属の量）との間の比率である。
アルミニウムの比エネルギーは、８．１キロワット時／ｋｇであることが従来技術において周知である。本明細書において参照されるように、アルミニウムの「エネルギー性の利用」という用語は、１キログラム（ｋｇ）のアルミニウムから抽出される電気エネルギーの量と、１ｋｇのアルミニウムに含まれる全エネルギーとの間の比率である。
通常、本明細書において参照されるように、金属の「エネルギー性の利用」という用語は、２つの要因によって測定される。
１．腐食度（それは、コロンビウムの効率を決定するか、またはもたらす）。すなわち、どのくらいの金属量が電気エネルギーを発生しないで失われるか。および、
２．実際のセル電圧（それは、利用される（例えば熱として解放されない）電気エネルギーの部分に関する）。
本明細書において参照されるように、そして従来技術において周知であるように、電解質（または電解質溶液）は、イオンを含む任意の液体であってもよく、そして電気分解によって分解されることができる。電解質は、適切な電離性液体または溶媒（例えば水）に溶解したときに、イオン化する任意の成分、物質または化合物を含んでもよい。アルミニウム−空気セルまたはバッテリでは、ＫＯＨまたはＮａＯＨのようなアルカリ電解質が使われる所で、さらなる反応が式（３）で示すように起こる。
（３）Ａｌ（ＯＨ）３＋ＫＯＨ→ＫＡｌ（ＯＨ）４
式（３）で示す反応の結果は、バッテリの動作の全体にわたって電解液に溶かされて、セルの電圧をいくらかの低電圧閾値（概して０．７〜０．９ボルト）まで概して漸減させる。
本明細書において参照されるように、「電解液利用」という用語は、それが低電圧閾値（例えば、０．７〜０．９ボルトの範囲）に達する前に金属−空気セルから引き出されることができるエネルギー量である。
電解液利用は、腐食度によって、およびセル電圧によって影響を受けてもよい。本明細書において参照される「腐食度」という用語は、電気エネルギーに寄与することなく電解液に溶解した金属の率または量である。本明細書において参照される「セル電圧」という用語は、一般に、バッテリのセルのアノードとカソードとの間の電位差に関する。したがって、セル電圧は、金属−空気セルの役立つ金属から抽出されることができるエネルギー量を示してもよい。
本明細書において参照されるように、金属−空気バッテリの比エネルギーは、バッテリから抽出されることができて、バッテリの総重量によって割られるエネルギー量である。本明細書において記載されるように、金属燃料の利用を改善することによっておよび／または電解液の利用を改善することによって、実施形態は、金属−空気バッテリの比エネルギーを改良してもよくまたは上昇させてもよい。電解液自体はエネルギーを解放しないで、記載されるようにむしろ金属−空気バッテリの金属（例えばアルミニウム）がエネルギーを解放することを可能にする場合であっても、バッテリの電解液の利用の改良が本発明の実施形態によって可能になる点に注意されよう。
本発明の実施形態は、バッテリのセルの動作パラメータ（例えば放電電流およびバッテリ温度）を制御することによって、金属−空気バッテリのエネルギー性の効率を上昇させる。本発明の実施形態は、電解液がバッテリを通って循環する率を制御することによって、金属−空気バッテリのエネルギー性の効率を上昇させる。例えば記載されるように、コントローラによって制御されるポンプは、制御率で、または制御間隔にしたがってバッテリのチャンバまたはセルを通って電解液を循環させてもよい。電解液がバッテリの特定の空間またはチャンバを通って流れるように、コントローラは、ポンプおよびバルブを制御してもよい。実施形態では、電解液温度を制御することによって、システムは、バッテリの温度を制御する。実施形態では、バッテリの電解液の流量を制御することによっておよび／または熱交換器を制御することによって、システムは、バッテリの温度を制御して、これによりバッテリの電圧を制御する。
一般に、金属−空気セルまたはバッテリの性能は、例えば、カソードの組成および構造、アノードの組成および構造、電解質の成分、作業温度、電解液の流量、空気流量、放電プロファイル、などのさまざまなパラメータによって決定される。要素の物理的構造および組成（例えば、セルまたはバッテリの構造およびカソードの組成）のようないくつかのパラメータがセルまたはバッテリの設計あるいは製造業者によって決定されるとしても、作業温度、引き出される電流、電圧および放電プロファイルのような他のパラメータは、本発明の実施形態によって測定されてもよく、そして設定されてもよい。さまざまな設計またはバッテリのタイプが本発明の実施形態にしたがって使用されてもよく、そして本発明の実施形態が任意の適切なバッテリに適用可能でもよいことが理解されよう。例えば、さまざまなサイズ、セル数などのバッテリが適用可能でもよく、そして本発明の範囲を逸脱しないで使用されてもよい。
本発明の実施形態は、バッテリの設計パラメータおよび／または構造または組成の進展を補償してもよく、またはそれを考慮してもよい。例えば、アノードとカソードとの間の距離は、金属−空気セルまたはバッテリの動作の全体にわたって変化している。アノードが消費されるにつれて、その表面とカソードとの間の距離は、増加する。この種のそして他の変化するパラメータは、セルのまたはバッテリの有効な電圧を決定して、電解液の利用をもたらすと同様に、動作中の腐食度をもたらす。これらのパラメータは、次に、セルまたはバッテリのエネルギー性の利用を決定する。実施形態は、変化するまたは進展するパラメータに基づいて、作業パラメータ（例えば、バッテリの温度、またはバッテリからの消費電力）を調整してもよい。例えば、バッテリの温度を上昇させることによって、システムは、金属−空気バッテリによって発生される電圧の減少（例えば、腐食から生じる減少）を補償する。
セルまたはバッテリの作業点は、セルまたはバッテリから引き出される電流、およびセルのまたはバッテリの温度によって定義されてもよい。概して、低い電流は、より高いセルまたはバッテリ電圧に結果としてなるが、腐食の増加にもなり、したがってコロンビウムの効率を低下させる。より低い温度は、より低い電圧に結果としてなるが、腐食の減少にもなり、したがってコロンビウムの効率を増加させる。したがって、より高い電圧とより高いコロンビウムの効率との間にトレードオフがある。そしてそれは、セルまたはバッテリの総エネルギー性の効率に本質的に至る。
所与の瞬間に、所与の電力放出のために、セルまたはバッテリの最適作業点は、セルのまたはバッテリの特性によって、そして電解液の「エージ」によって決定されてもよい。参照される電解液のエージは、電解液に溶けている金属（例えば、アルミニウム、亜鉛など）の量である。場合によっては、電解液のエージは、電解液の溶かされた金属のパーセンテージまたは比率に基づいて算出される。
実施形態は、金属が溶けている目下のまたは瞬間的な率を決定してもよい。例えば、実施形態では、電解液からの水素の解放は、センサによって連続的に測定される。そして、コントローラは、アノードからの金属が電解液に溶けている率を決定するために、水素の解放されるレベルまたは率を使用する。例えば、上記の式（２）に基づいて、コントローラは、金属が電解液に溶けている率を算出するために、水素がバッテリにおいて解放される率を使用する。したがって、電解液がエージングしている率は、コントローラによって算出される。電解液のエージングを連続的にモニタすることによって、コントローラは、いかなる所与の時点でも電解液のエージを直ちに決定することができる。本明細書においてさらに記載されるように、水素が解放される率、アノードが消費される率、および／またはバッテリの電解液がエージングされている率が、最低限に、または任意の所望の率またはレベルに保たれるように、システムは、バッテリを動作させてもよい。
（例えば、引き出された電流および温度によって定義される）最適点での作業は、セルのまたはバッテリの電圧において反映されてもよい。例えば、ｌｖ〜１．２５ｖの範囲の所望の電圧は、本明細書において記載されるように作業パラメータを制御することによって、実施形態によって維持されてもよい。該当する場合、セルに関するいかなる議論も、１つ以上のセルを含むバッテリに関連することが理解されよう。例えば、セルのエネルギー利用に関する議論は、バッテリにおける複数のセルに関連して、したがってバッテリのエネルギー利用に関する議論として理解されるべきである。同様に、電解液またはセルを加熱するかまたは冷却することに関する議論は、バッテリにおける複数のセルを加熱しておよび／または冷却することに関する議論として理解されるべきである。したがって、そして単純性および明確さのために、セルは、バッテリが関連するときに本明細書において参照されてもよく、そして逆もまた同じである。
図１が参照される。そしてそれは、金属−空気セルまたはバッテリのエネルギー性の利用に影響を及ぼすパラメータ、およびこの種のパラメータの間の相互依存を視覚的に表す。述べられるように、アノードの組成、カソードの組成、カソードの構造、幾何学的な設計など（本明細書において「設計パラメータ」として集合的に称される）のようなパラメータは、概してセルまたはバッテリのエネルギー性の利用をもたらすかまたは影響を及ぼす。この種のパラメータは、図１から省略される。本明細書において記載されるように、実施形態は、バッテリの設計パラメータの変化を測定してもよく、評価してもよく、補償してもよい。
図１に示す関係をさらに記載するために、増加した電解液のエージ（例えば、電解液のリットル当たり０〜２００グラムの範囲のアルミニウム）は、より低い電圧を生じさせるが、より低い腐食度も生じさせて、したがって、特定の作業条件に応じてエネルギー性の利用を増減させてもよい。増加した電流（概してカソードの平方センチメートル（ｃｍ２）当たり０〜４００ミリアンペア（ｍＡ））は、より低い電圧を生じさせるが、腐食を減少させもして、したがって、エネルギー性の利用を増減させてもよい。上昇した温度（概して摂氏０〜９０度（℃））は、電圧を増加させるが、腐食も増加させて、したがって、全体のエネルギー性の利用を増減させてもよい。
図１は、作業パラメータ間の相互関係を示す。図１に示すパラメータ（例えば、電流引き出し、電圧、温度、腐食度、循環率および電解液エージ）のいくつかを制御することによって、必要な結果が達成されるパラメータは、制御されてもよい。例えば、腐食度を制御するために、システムは、バッテリの作業温度を制御する。例えば、腐食度は、本明細書において記載されるようにバッテリの温度を低下させることによって減少されてもよい。一実施形態では、システムは、金属−空気バッテリに関して、所望のエネルギー性の利用、即時の電力引き出し、特定の電圧または利用プロファイル、のうちの少なくとも１つが達成されておよび／または維持されるように、バッテリの電流引き出し、温度、腐食度、および電解液エージのうちの１つ以上を制御する。
例えば、典型的なバッテリでは、（Ｐ＝ＶＩによって示される電圧および電流の積の形の）一定の電力引きが必要とされるときに、１〜１．２５ボルトの範囲のセルの電圧Ｖを保つことによって、そしてこの電圧による必要な電力Ｐを得る電流Ｉを設定することによって、最大限の利用は、達成されてもよい。一実施形態では、動作の間、そして電解液のエージが増加するにつれて、電圧および腐食度が定義済みまたは好適な範囲に維持されるように、システムに含まれるコントローラは、制御された仕方で、熱交換器に電解液またはバッテリの温度を（例えば、電解液を加熱することによっておよび／または電解液の循環率を変えることによって）上昇させる。腐食度は、バッテリからの水素の解放率にしたがって決定されてもよい。その結果、バッテリの瞬間的な利用率は、利用率＝（１−腐食度）×セル電圧／セルの反応の理論的電圧（例えば、アルミニウムにとって、理論的電圧は、式（１）に示すように２．７１ｖであり、亜鉛にとって、理論的電圧は１．６５ｖである）の値を算出することによって、決定されてもよい。いかなる所与の瞬間にも、利用率の値が最大であるように、コントローラは、（例えば、熱交換器を起動させるかまたは制御することによって）バッテリの温度を、そして（例えば、電流調整器を制御することによって）バッテリからの電力引きを変化させてもよい。
したがって、本発明は、動作パラメータを制御することによって、金属−空気バッテリの金属アノードおよび電解液のエネルギー性の利用を増加させることを可能にする。例えば、実施形態は、バッテリの作業温度、バッテリから引き出される電流の量または大きさ、バッテリによって供給される電圧、バッテリの電解液のエージなどのようなパラメータを制御する。
システムは、作業温度を制御することによって、金属−空気バッテリの作業点を制御してもよい。システムは、バッテリから引き出される電流を制御することによって、金属−空気バッテリの作業点を制御してもよい。その結果、バッテリの電圧も、決定されるかまたは制御される。システムは、コントローラ、熱交換器、電流調整器、および、電圧センサ、ＰＨセンサ、導電率センサ、密度センサ、混濁度センサ、水素センサなどの各種センサから構成されてもよい。システムは、熱交換器によってセルのまたはバッテリの温度を制御するのに適していてもよく、そして、電流調整器によってセルまたはバッテリから引き出される電流を制御してもよい。
システムは、以下のやり方（金属アノードの消費をモニタして、合計する。金属アノード消費量を算出する。水素の解放に基づいて腐食度を測定するかまたは算出する。電解液の導電性を測定する。電解液のＰＨレベルを測定する。電解液の密度を測定する。電解液の混濁度を測定する。電解液の粘度を測定する。など）の１つ以上において電解液のエージを決定してもよい。
本明細書において参照されるように、放電プロファイルは、放電電流および電圧、対、電解液に溶ける金属（例えば、アルミニウム、亜鉛、または金属−空気バッテリに適している他の任意の金属）の量によって特徴づけられるかまたは定義される。さまざまな負荷および条件の下でセルのまたはバッテリの容量または挙動を決定するために、セルまたはバッテリは、さまざまな条件の下でテストされてもよい。例えば、バッテリの製造業者は、バッテリおよびその予想される性能を特徴づけるパラメータ、値またはグラフを提供してもよい。放電プロファイルが所望の性能にマッチするように、一実施形態は、バッテリのための放電プロファイルを定義してもよい。例えば、一定の状況において、最大限のエネルギー性の利用につながる放電プロファイルは、必要とされてもよい。そして、他の状況において、より低いエネルギー性の利用につながるが、より高い電力を与えるプロファイルは、好ましくてもよい。
バッテリを特徴づけているデータは、コントローラに提供されてもよく、そして、金属−空気バッテリの動作を制御するときにコントローラによって使用されてもよい。例えば、製造業者によって提供されるデータがバッテリのための最適温度を示す場合、コントローラは、バッテリを最適温度において動作させてもよい。例えば、ある事例では、選択された放電プロファイルが実行されるように、コントローラは、バッテリの作業パラメータを連続的にモニタして、調整する。別の実施形態では、必要な利用率が維持されるように、システムは、バッテリの作業パラメータを連続的にモニタして、調整する。さらに別の例では、利用率が維持される一方で、必要な電力が供給されるように、システムは、バッテリの作業パラメータを連続的にモニタして、調整する。
図２が参照される。本発明の実施形態による例示的システム２００の高いレベルのブロック図である。図２に示すように、システムは、エネルギーを負荷２０３に供給している金属−空気バッテリ２０１を含んでよい。例えば、負荷は、乗り物の電気モータ、電球、または他の任意の電力を消費するエンティティでもよい。本発明の実施形態は、電気エネルギーが提供される特定の負荷に、そして本発明の範囲から逸脱しないで使用されてよいいかなる負荷にも制限されないことが理解されよう。例えば、本明細書において参照される乗り物は、いかなるサイズの電気自動車、玩具、ボートまたは飛行機であってもよい。乗り物は、有人または無人の乗り物でもよい。
示すように、バッテリ２０１は、金属−空気セル（例えば、アルミニウム−空気セル）２０２を含んでよい。単純性および明確さのために、バッテリ２０１において１つの金属−空気セル２０２だけを示す。しかしながら、任意の適切な数のセル２０２が本発明の実施形態にしたがって使用されてもよいことは、理解されよう。例えば、セルの数は、バッテリ２０１によって提供される所望の電圧に基づいて選択されてもよい。本明細書においてセル２０２に関する議論がバッテリ２０１のいかなる数のセル２０２にも適用可能であることが理解されよう。例えば、セル２０２のために測定されるパラメータは、複数のセルのために測定されてもよい。セル２０２のために設定されるかまたは制御されるパラメータ（例えば、電圧、電流引き出し、加熱、循環など）は、バッテリ２０１の複数のセル２０２のために設定されてもよい。
示すように、システムは、バッテリ２０１に含まれるバッテリ、セルまたは電解液を加熱してよいかまたは冷却してよい熱交換器２０５を含んでよい。明確にするため、バッテリ２０１に含まれる電解液は、示されない。しかしながら、バッテリ２０１またはセル２０２のいかなる空間も電解液で満たされてよいことは、理解されよう。例えば、実施形態では、熱交換器２０５は、電解液が通って流れるチャンバ内に置かれる。したがって、システムは、バッテリ内の電解液を加熱してよいかまたは冷却してよく、したがって、バッテリを加熱するかまたは冷却する。電解液は、セル２０２を通って流れてよく、したがって、セル２０２を冷却するかまたは加熱する。実施形態では、コントローラ２１９は、熱交換器の動作を制御する。例えば、バッテリ２０１内の電解液の所望の温度（そしてその結果、バッテリ２０１の温度）が達成されておよび／または維持されるように、コントローラ２１９は、温度センサ２０８から温度測定を受け取って、熱交換器２０５を制御する。
実施形態では、バルブの切り換えなど（図示せず）を制御することによって、コントローラ２１９は、冷却されたかまたは加熱された電解液をセル２０２を通して流すことによって、熱交換器２０５にセル２０２を加熱させてもよくまたは冷却させてもよい。他の実施態様では、加熱または冷却は、送風機、電気的要素、ラジエータ、バッテリ２０１への外部送風機などを用いてなされてもよい。コントローラ２１９は、バッテリ２０１に対して内部的でもよくまたは外部的でもよい任意の加熱または冷却デバイス、システムまたはコンポーネントを制御してもよい。例えば、それがバッテリ２０１またはセル２０２を冷却するかまたは加熱するように、送風機および加熱要素コンポーネントは、バッテリ２０１の外側に配置されてもよく、そしてコントローラ２１９によって制御されてもよい。他の実施形態では、それがバッテリ２０１内の電解液を加熱することができるように、コントローラ２１９によって制御される加熱要素は、バッテリ２０１内に置かれてもよい。
明確にするため、システム２００内に含まれる電解液は、示されない。しかしながら、電解液がバッテリ２０１の内側、セル２０２の内側、そして電解液タンク２０６内に存在してもよく、そして必要に応じて、例えばチューブ、オリフィスなどを用いて、システム２００の任意の部分に届いてもよく、またはそこまで通って流れてもよいことが理解されよう。
示すように、システム２００は、電解液タンク２０６およびポンプ２０７を含んでよい。ポンプ２０７は、システム２００を通って電解液を循環させてもよい。一実施形態では、コントローラ２１９は、ポンプ２０７の動作を制御する。例えば、コントローラ２１９は、ポンプ２０７に電解液タンク２０６からバッテリ２０１内のセルまで電解液を移動させるか、または、ポンプ２０７にバッテリ２０１から電解液タンク２０６まで電解液を移動させる。コントローラ２１９は、ポンプ２０７の容量を制御してもよい。例えば、電解液タンク２０６とバッテリ２０１との間で、第１の期間中、毎秒第１の量の電解液を循環させるようにポンプ２０７を構成し、そして第２の期間中、毎秒第２の量の電解液を循環させるようにポンプ２０７を構成する。したがって、コントローラ２１９は、システム２００を通る電解液の循環率を制御する。
別の実施形態では、セル２０２のカソードまたはアノードからの物質の沈着物を除去するために、コントローラ２１９は、循環および温度の所望の組み合わせが達成されるように、ポンプ２０７および熱交換器２０５を制御する。例えば、セル２０２内のアルミニウム・アノードからの物質の沈着物を除去するために、コントローラ２１９は、熱交換器２０５に、電解液タンク２０６内の電解液またはバッテリ２０１内の電解液を最初に加熱させてもよい。そして、電解液の適切なまたは所望の温度に達するときに、コントローラ２１９は、ポンプ２０７を起動させて、したがって、暖かいまたは熱い電解液をセル２０２を通して循環させて、セル２０２のアノードからの物質の沈着物を効率的に除去させる。熱交換器２０５が示すように電解液タンク２０６においてバッテリ２０１内に置かれてもよく、または、２つの熱交換器がバッテリ２０１および電解液タンク２０６の両方に取り付けられて使用されてもよい点に注意されよう。
一実施形態では、バッテリを起動させるかまたは再起動させる前に、コントローラ２１９は、（例えば、電解液をセルにポンプ圧送することによって）バッテリを起動させる前に電解液のエージを決定して、コントローラ２１９は、電解液の温度を定義済みの値にセットする。例えば、プロファイルまたは仕様に基づいて、コントローラ２１９は、電解液の最適利用が達成されるようにバッテリの温度をセットする。例えば、コントローラ２１９は、タンク２０６内の電解液を暖める。そして、電解液が（例えば、プロファイルにおいておよび／または電解液のエージに基づいて定義したように）定義済み温度に達したときだけ、コントローラ２１９は、バッテリ２０１および／またはセル２０２を通って電解液を循環させる。
例えば、一実施形態では、電解液が完全に利用される前にその動作が終了されたかまたは停止されたバッテリを再開するかまたは再起動させるために、コントローラ２１９は、循環および温度の所望の組み合わせが達成されるように、ポンプ２０７および熱交換器２０５を制御する。
例えば、電解液が摂氏６０度（６０℃）の温度であるときに停止された（例えば、負荷から切り離された）バッテリを再開するために、コントローラ２１９は、熱交換器２０５に、電解液タンク２０６内の電解液および／またはバッテリ２０１内の電解液を最初に加熱させる。そして、電解液の温度が摂氏５５〜６５度（５５〜６５℃）に達するときに、コントローラ２１９は、ポンプ２０７を起動させて、これにより、暖かいかまたは熱い電解液をセル２０２を通って循環させて、したがって、電解液のエージに対応する正しい温度を有するバッテリを再開する。
示すように、システム２００は、温度センサ２０８、電圧センサ２０９、電流センサ２１０、流量センサ２１１、圧力センサ２１２、導電率センサ２１３、ＰＨセンサ２１４、密度センサ２１５、混濁度センサ２１６、および水素センサ２１７を含んでもよい。システム２００に含まれて示されるセンサのいくつかは任意でもよいことが理解されよう。例えば、いくつかの実施形態は、示されるすべてのセンサを含まなくてもよい。同様に、本発明の実施形態は、バッテリ２０１の態様をモニタするために使用してもよい図２に示されないセンサを含んでもよい。明確にするため、各タイプの単一のセンサが示される。しかし、同じタイプの複数のセンサがシステム２００に含まれてもよいことが理解されよう。例えば、複数の電圧センサ２０９は、バッテリ２０１内の複数のセル２０２に接続していてもよい。
一実施形態では、温度センサ２０８、電圧センサ２０９、電流センサ２１０、流量センサ２１１、圧力センサ２１２、導電率センサ２１３、ＰＨセンサ２１４、密度センサ２１５、混濁度センサ２１６、および水素センサ２１７は、これらのセンサによって発生する信号または出力がコントローラ２１９に提供されるように、コントローラ２１９に有効に接続している。センサによって測定され、検出され、またはモニタされるパラメータを用いて、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の所望の動作上のまたは他の状態が到達しておよび／または維持されるように、バッテリ２０１の状態を決定してもよく、そしてシステム２００のコンポーネントに命令してもよい。
上述のセンサは、周知のようないかなる適切なセンサであってもよい。本発明の実施形態が記載されるセンサのいずれの動作のタイプ、本質、やり方によっても制限されないことが理解されよう。さまざまな他のセンサは、必要に応じてシステムに含まれてもよい。例えば、バッテリ内の電解液のエージを決定するために、粘性センサは、加えられてもよい。そして、コントローラ２１９は、そのエージまたは品質を決定するために、電解液の粘性または厚みに関連したデータを使用してもよい。
一実施形態では、コントローラ２１９は、熱交換器２０５を起動することによって、そして温度センサ２０８から受け取られる入力に基づいてバッテリ２０１の温度をモニタすることによって、バッテリ２０１の温度を制御する。そして、所望の温度が達成されるときに、コントローラ２１９は、熱交換器２０５の動作を停止する。別の例では、（例えば、車に取り付けられる１つの）周囲温度を測定する温度計からの入力を用いて、バッテリ２０１の温度が定義済みのまたは所望の温度範囲に維持されるように、コントローラ２１９は、熱交換器２０５に一定の熱を提供させるかまたは命令してもよい。
コントローラ２１９は、いかなるセンサまたはユニット（例えば、システム２００への外部ユニット）にも接続していてよい。例えば、乗り物に取り付けられるときに、コントローラ２１９は、乗り物が移動している速度、高度、乗り物の外側の温度、エンジン温度などに関連したデータを提供するセンサまたはユニットに接続していてよい。本明細書において記載されているバッテリの動作を制御するために、乗り物における任意の適用可能なユニット、コンポーネント、またはサブシステムからコントローラ２１９によって集められるかまたは得られるいかなる情報も、該当する場合、コントローラによって用いられてよい。例えば、上述の情報によって、コントローラ２１９は、乗り物がその電気エネルギー源から必要とする電力を予想して、その効率を維持する一方で必要な電力を供給するように金属−空気バッテリの作業パラメータを調整するには、どれくらいの電力であるかを決定することができる。
一実施形態では、コントローラ２１９は、電流調整器２０４を制御することによって、バッテリ２０１から引き出されるか、またはバッテリ２０１によって供給されるエネルギー量を制御する。例えば、プロファイル、制約、状態、または構成パラメータに基づいて、コントローラ２１９がバッテリ２０１から引き出される電流が制限されることを決定する場合、コントローラ２１９は、次いで、バッテリ２０１から引き出される電流を制限するために、電流調整器２０４を使用する。例えば、バッテリ２０１から負荷２０３に流れる電流が所望のレベルまたは大きさに保たれるように、電流調整器２０４は、可変かつ制御可能な抵抗器、または、コントローラ２１９によって制御されるＤＣ−ＤＣコンバータでもよい。
一実施形態では、バッテリ２０１の属性、特性および／または特質に関連したデータが、バッテリ２０１の製造業者によって提供されて、使用されてもよい。例えば、バッテリ２０１の容量、電力および電圧（そして、これらのパラメータ間の相互依存）は、製造業者から得られてもよい。そして、特定のバッテリ２０１で最も使用されるプロファイルは、この種の属性を用いて発生されてもよい。
一実施形態では、バッテリまたはセルは、本明細書において記載されているように、動作されるのに先立ってテストされてもよい。例えば、セルの放電カーブを決定するために、バッテリ２０１の各セルは、さまざまな作業条件において（例えば、さまざまな値で保持される電流、電圧および／または温度の各々を用いて）テストされてもよい。さまざまなカーブは、テストされてもよく、そして、実現されてよい性能特徴を決定するために分析されてもよい。多くの充電／放電曲線は、使用のために選択されてもよい。例えば、第１の選択された曲線は、エネルギー的に最適でもよい。そして、第２の選択された曲線は、最適電力でもよい。コントローラ２１９は、バッテリのための選択された曲線または放電プロファイルを提供されてもよく、そして、バッテリ２０１の動作を制御するために、提供された曲線を使用してもよい。例えば、選択された曲線またはプロファイルが維持されるように、コントローラ２０１は、本明細書において記載されているように、バッテリ２０１の温度および／またはバッテリ２０１から引き出される電流を制御する。
定義済みの動作上のプロファイルが実行されるかまたは維持されるように、システム２００は、バッテリの動作を制御してもよい。例えば、電解液中に溶解する金属の量に関する放電電流および電圧によって特徴づけられる放電プロファイルは、達成されてもよい。例えば、１つ以上のセンサから受け取られるデータを用いて、コントローラ２１９は、バッテリ２０１内の電解液のエージを決定する。例えば、（例えば、研究室における）時間および使用に関する電解液の密度、ＰＨ、水素および／または混濁度を測定することによって、密度、ＰＨ、水素および／または混濁度の、そして、電解液プロファイルに基づく特定のレベル間で、電解液のエージが決定されてもよいように、電解液は、プロファイルされる。一実施形態では、提供される電解液プロファイルおよび取り付けたセンサからのデータにしたがって、コントローラ２０１は、電解液のエージを決定する。
一実施形態において、放電プロファイルは、放電電流および電圧を定義する。バッテリ２０１を特定の放電プロファイルにしたがって動作させるために、コントローラ２１９は、バッテリ２０１から引き出される電流を放電プロファイルにおいて定義される値にセットするために電流調整器２０４を使用する。一実施形態では、バッテリ２０１を放電プロファイルによって定義される電圧レベルで動作させるために、コントローラは、熱交換器２０５を使用する。記載されているように、バッテリ２０１によって提供される電圧は、バッテリ２０１の温度上昇によって上がってもよい。そして、バッテリ２０１の冷却は、提供される電圧の減少を引き起こす。したがって、一実施形態では、放電プロファイルにおいて定義される電圧が達成されるように、コントローラ２１９は、熱交換器２０５にバッテリ２０１を加熱させるかまたは冷却させる。
複数の特性の各々が維持されてもよいように、コントローラ２１９は、プロファイルに関連したすべての態様をモニタしてもよく、そして、複数のユニットを並行してまたは同時に制御してもよい。例えば、電圧を上げるためにバッテリ２０１の電圧をモニタして、熱交換器２０５にバッテリ２０１を加熱させる一方で、コントローラ２１９は、引き出される電流を（電流センサ２１０を用いて）モニタしてもよい。そして、上昇する温度とともに、引き出される電流が放電プロファイルにおいて定義される電流より上に増加する場合、コントローラ２１９は、バッテリ２０１から引き出される電流を電流調整器２０４に制限させてもよい。したがって、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の複数の動作特性を同時にモニタしてもよく、そして制御してもよい。別の実施形態では、コントローラ２１９は、複数のパラメータまたは特性を繰り返してもよい。そして、放電または他のプロファイルが到達されてしばらくの間維持されるまで、またはシステム変更の状態まで、各１つを次々にセットして、プロセスを繰り返す。
例えば、最初に、コントローラは、電解液のエージを決定する。次に、電流調整器２０４を制御することによって、コントローラ２１９は、バッテリ２０１から引き出される電流をセットする。次いで、コントローラ２１９は、供給される電圧を上昇またはより下降させるために熱交換器２０５を使用する。次いで、コントローラ２１９は、電解液のエージを決定し、電流をセットし、電圧をセットするステップを繰り返す。一実施形態では、コントローラ２１９は、定義済みの放電プロファイルに達するまで、電解液のエージを決定し、電流をセットし、電圧をセットするステップを繰り返す。別の実施形態では、コントローラ２１９は、放電（または他の）プロファイルに対する執着が連続的に維持されるように、電解液のエージを決定し、電流をセットし、電圧をセットするステップを連続的に繰り返す。
別の例では、金属の各ｋｇから抽出される電気エネルギーの量と、バッテリ２０１内の金属の各ｋｇにおける全エネルギーとの間の特定の関係は、維持される。この関係は、本明細書において利用率として称される。一実施形態において、コントローラ２１９は、電流または瞬間的なエネルギー性の利用を決定するために、（例えば、本明細書において記載されているように）バッテリ２０１によって供給される電圧および電流のうちの少なくとも１つをモニタする。一実施形態では、所望の利用率を達成するために、コントローラ２１９は、例えば、本明細書において記載されているように、バッテリ２０１内の電解液のエージを決定する。熱交換器２０５を制御することによって、コントローラ２１９は、次いで、例えば、本明細書において記載されているように、バッテリ２０１によって供給される電圧をセットする。
一実施形態では、コントローラ２１９は、水素センサ２１７から受け取るデータを検討して、熱交換器２０５を用いて、水素の進展または解放が（例えば、プロファイルにおいて定義したような）所望の比率に対応するように、バッテリ２０１の温度の増加または減少を起こさせる。記載されているように、電解液中の水素の濃度は、電気を提供せずに金属が消費される率を表してもよい。したがって、エネルギーと消費される金属との間の特定の関係を維持するために、システムは、その関係が維持されるように、電解液中の水素濃度をモニタしてもよく、そして作業パラメータを調整してもよい。エネルギーと金属消費との定義済み比率を達成するために実行される動作は、順次にまたは並行して実行されてもよい。エネルギーと金属消費との定義済み比率を達成するために実行される動作は、比率が連続的に維持されるように、連続的に（例えば、ループにおいて）繰り返されてもよい。
システム２００は、プロファイルの混合にしたがって、または、制約または特性の任意の組み合わせしたがって、バッテリ２０１を動作させてもよい。例示的実施形態または場合において、特定の、必要なまたは定義済みの電力が供給されるように、そして特定のまたは定義済みの利用率が維持されるように、システム２００は、バッテリ２０１を動作させる。例えば、コントローラ２１９は、引き出される電流を（例えば、電流調整器２０４を用いて）第１のレベルにセットする。次に、必要な電力が達成されるように、コントローラ２１９は、動作電圧をセットする。周知のように、電流および電圧の値またはレベルの多くの組み合わせは、特定の電力を達成するために用いてもよい。一実施形態では、特定の電力および特定の利用率の両方を達成するために、水素の進展率が利用率によって定義される率に対応するように、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の水素の進展率および温度の増加または減少をモニタする。したがって、定義済み電力および特定の利用率の両方を達成するために、コントローラは、バッテリから引き出される電流、バッテリにより提供される電圧、およびバッテリの動作温度のうちのいずれか１つを調整してもよい。一実施形態では、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の電解液のエージ、バッテリ２０１から引き出される電力、およびバッテリ２０１の温度を連続的にモニタして、定義される動作特性が維持されるように、電解液のエージを考慮して、引き出される電力および温度を連続的に調整する。
コントローラ２１９は、任意の適用可能なユニットまたはコンポーネントに接続していてもよく、そして、任意の適用可能な条件にしたがってバッテリ２０１の作業パラメータを調整しもてよい。例えば、システム２００が乗り物に取り付けられるときに、乗り物の可動速度、ドライバからの制御、エンジンの作動状態、補助電力などは、全て考慮されてもよい。例えば、コントローラ２１９は、車の内部センサ、車の通信回線、車のエンジンまたは電気モータに載置されるセンサ、および補助ソースに付属するセンサからの入力を受け取ってもよい。
バッテリ２０１の作業特性またはプロファイルをセットするために、コントローラ２１９は、システム２００が取り付けられる車のドライバからの入力を使用してもよく、そして車のエンジンまたは他のコンポーネントからの入力を使用してもよく、そして補助バッテリからの入力を使用してもよい。コントローラ２１９は、目下のまたは瞬間的な状態または要求にしたがってバッテリ２０１を動的に動作させてもよい。
例えば、ドライバが電気的に作動される車の加速ペダルを踏むときに、コントローラ２１９は、利用プロファイルから電力サージ・プロファイルへ切り替えてもよい。電力サージ・プロファイルは、バッテリ２０１のエネルギー性の利用に関して最善でなくてもよいが、電力に関して最善でもよい。別の場合では、補助バッテリ（例えば、図３に関して後述する電力ソース３２０）が完全に充電されることを決定して、そして、プロファイルにおいて定義したようにエネルギー性の利用を維持するために、コントローラ２１９は、バッテリ２０１から引き出される電力を減少させてもよく、そして補助バッテリが電力を提供することを可能にしてもよい。
一実施形態では、バッテリ２０１の最適な使用が達成されるように、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の作業パラメータを自動的に調整する。例えば、一実施形態では、電気自動車の回転計および／または速度計から信号を受け取ることによって、コントローラ２１９は、車が静止しているかまたは低電力が必要であるかを推測してもよい。このような場合、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の寿命を最も維持する（例えば、記載されているように、低い電力および高い利用プロファイルにしたがってバッテリ２０１を動作させる）動作モードへ切り替えてもよい。
図３が参照される、本発明の実施形態による例示的システム３００である。示すように、システム３００は、本明細書において記載されているように金属−空気バッテリ２０１を含むシステム２００を含んでもよい。単純性および明確さのために、システム２００の他のコンポーネントは、図３に示されない。示すように、システム３００は、コントローラ２１９と類似していてよいコントローラ３１０を含んでもよい。一実施形態では、コントローラ２１９は、コントローラ３１０によって置き換えられてもよい。コントローラ２１９を交換するときに、コントローラ３１０は、本明細書において記載されているようにコントローラ２１９に接続しているいかなるセンサにも接続していてよい。他の実施態様では、例えば、コントローラ２１９および３１０がシステム３００に含まれるときに、コントローラ３１０は、コントローラ２１９と通信してもよく、そしてコントローラ２１９によって受け取られるかまたは得られるいかなるデータも受信してよい。したがって、コントローラ２１９に関して本明細書において記載されているいかなる動作も、コントローラ３１０によって実行されてもよいことが理解されよう。
一実施形態では、コントローラ２１９および３１０は、プロセッサおよびメモリを含む。コントローラ３１０に接続している非一時的メモリは、コントローラ３１０によって実行されるときに、本明細書において記載されている動作および方法をコントローラ３１０に実行させる命令セットを格納してもよい。一実施形態では、コントローラ３１０に接続している非一時的メモリユニットは、本明細書において記載されている放電または他のプロファイルを格納する。
さらに示すように、システム３００は、複数の電力ソース３２０および３２１を含んでよい。例えば、電力ソース３２０は、周知のように充電式バッテリまたはスーパー・コンデンサでもよい。そして、電力ソース３２１は、太陽電力ソースでもよい。単純性のために、金属−空気バッテリ２０１以外には、２つの電力ソース３２０および３２１だけが示される。しかしながら、任意の数の電力ソースがシステム３００に含まれてもよく、電流調整および切替ユニット３２５に接続していてもよく、そしてコントローラ３１０によって制御されてもよいことが理解されよう。示すように、システム３１０は、電流調整および切替ユニット（ＣＲＳＵ）３２５を含んでよい。示すように、ＣＲＳＵ３２５は、電流調整器３２６および切替コンポーネント３２７を含んでよい。
例えば、電流調整器３２６は、電流調整器２０４と類似していてもよいが、ＣＲＳＵ３２５に接続しているいかなる電力ソースまたは負荷からの／への電流の流れを調整するように構成されてもよい。電流調整器３２６は、複数の電流調整器を含んでよく、それに応じて、複数の経路において電流を調整してもよい。例えば、一実施形態では、電流調整器３２６は、異なる経路のための異なる電流制限を設定するのに適している。例えば、一実施形態では、コントローラ３１０からの制御に基づいて、電流調整器３２６は、システム２００から負荷３３０へ流れる電流上に第１の制限をセットして、システムの電力ソース３２０から負荷３３０へ流れる電流上に第２の制限をセットして、そしてさらに、電力ソース３２１から電力ソース３２０へ流れる電流上に第３の制限をセットする。
切替コンポーネント３２７は、ＣＲＳＵ３２５に接続しているいかなるコンポーネントまたはユニットにも電気的に接続するようにおよび／または切断するように構成されるコンポーネントでもよい。例えば、切替コンポーネント３２７は、電力ソース３２０と負荷３３０との間に第１の電気的接続を確立してもよく、さらに、システム２００と電力ソース３２０との間に第２の接続を確立してもよい。したがって、ＣＲＳＵ３２５は、いかなる接続しているコンポーネントまたはユニットから／へも電流を送ってよく、そしてさらに、いかなる接続しているコンポーネントまたはユニットへ／から流れる電流も調整してよい。
例えば、ＣＲＳＵ３２５は、電力ソース３２１を負荷３３０に接続してよく、同時に、システム２００を電力ソース３２０に接続してもよい。切替コンポーネント３２７は、複数の電気的に動作するスイッチを含んでよい。そして、この種のスイッチを用いて、切替コンポーネント３２７は、任意の取付けられた電力ソース（システム２００を含む）を他の任意の電力ソースに／から電気的に接続する／切断することを可能にしてもよい。同様に、切替コンポーネント３２７は、任意の取付けられた電力ソースを負荷３３０に／から電気的に接続して／切断してもよい。したがって、電力調整器３２６を用いて、ＣＲＳＵ３２５は、それに接続される電力ソースのいずれか１つから引き出される電流を制御することを可能にしてもよい。そして、切替コンポーネント３２７を用いて、ＣＲＳＵ３２５は、任意の接続された電力ソースからの電流を任意の接続された電力ソースまたは負荷３３０に導いてもよい。複数の負荷がＣＲＳＵ３２５に接続していてもよいことが理解されよう。
一実施形態において、コントローラ３１０からの制御信号に基づいて、ＣＲＳＵ３２５は、システム２００により、定義済みのまたは特定の電力を負荷３３０に提供させてもよく、そしてさらに、電力ソース３２０および３２１により、必要とされる任意の追加の電力を提供させてもよい。別の場合において、負荷３３０によって必要とされる電力がシステム２００によって提供されることができるよりも少ない場合、次いで、コントローラ３１０からの制御信号に基づいて、ＣＲＳＵ３２５は、システム２００により、電力ソース３２０および３２１の一方または両方へ電力を提供させてもよい。例えば、電力ソース３２０が充電式バッテリである場合、そして、システム２００によって提供されることができる電力または電流が負荷３３０によって必要とされるよりも大きい場合、コントローラ３１０からの制御信号に基づいて、ＣＲＳＵ３２５は、システム２００が電力ソース３２０を充電するように、システム２００により、電力ソース３２０へ電力を提供させてもよい。
図示してないが、任意の関連したセンサが電力ソース３２０および３２１のいずれか１つ上に取り付けられてもよい。そして、負荷３３０および取り付けられたセンサは、コントローラ３１０に接続していてもよい。例えば、図２に示されるそれら（例えば、電圧計）と類似のセンサが電力ソース３２０および３２１に取り付けられてもよい。したがって、コントローラ３１０は、システム３００のコンポーネントの状態または条件に気づいていてもよく、そして、システム２００、負荷３３０および電力ソース３２０および３２１のいずれか１つの状態に基づいて、ＣＲＳＵ３２５を制御してもよい。例えば、電力ソース３２１が太陽電力ソースであり、そして電力ソース３２０が充電式バッテリである場合、次いで、コントローラ３１０からの制御信号に基づいて、ＣＲＳＵ３２５は、電力ソース３２１により、電力ソース３２０を充電させるかまたは負荷３３０へ電力を提供させてもよい。別の時または場合において、コントローラ３１０からの制御信号に基づいて、ＣＲＳＵ３２５は、電力ソース３２１により、電力ソース３２０を充電させるとともに、負荷３３０へ電力を提供させてもよい。
一実施形態において、コントローラ３１０は、バッテリ２０１の作業条件を周期的にまたは連続的にモニタして、決定しておよび／または算出する。例えば、本明細書に記載されているセンサからの入力に基づいて、コントローラ３１０は、バッテリ２０１の温度、バッテリ２０１から引き出される電流、およびバッテリ２０１の電圧をモニタする。一実施形態において、コントローラ３１０は、本明細書に記載されているように、バッテリ２０１中の電解液のエージを周期的にまたは連続的にモニタして、決定しておよび／または算出する。一実施形態において、コントローラ３１０は、バッテリ２０１のエネルギー性の利用を周期的にまたは連続的にモニタして、決定しておよび／または算出する。
例えば、水素センサ２１７からのデータを用いて、コントローラ３１０は、記載されているように腐食度を決定する。別の実施形態では、コントローラ３１０は、電流密度値を用いる。電流密度は、周知のように、ボリューム当たりのまたは横断面積当たりの一定の電流である。例えば、金属−空気バッテリ２０１の金属の電流密度は、コントローラ３１０に提供（例えば、コントローラ３１０にアクセス可能なメモリに保存）されてもよい。バッテリ２０１の電流密度および温度ならびにバッテリ２０１中の電解液のエージを考慮することによって、コントローラ３１０は、バッテリ２０１のエネルギー性の利用を決定する。例えば、バッテリ２０１の電解液のエージ、電流密度および／または温度に基づいてエネルギー性の利用を決定するために、コントローラ３１０は、（例えば、バッテリ２０１の製造業者によって提供される）ルックアップテーブルを使用する。
一実施形態において、所望のまたは最適なエネルギー性の利用を達成するために、コントローラ３１０は、（電圧センサ２０９を用いて）バッテリ２０１の電圧を観察して、システムを、エネルギー性の利用に関して正しいかまたは最適な効率を生じる電圧に同調させる。例えば、電流調整器３２６を使用して、コントローラは、バッテリ２０１によって提供される所望の電圧が達成されるように、バッテリ２０１から引き出される電流を一定のレベルまたは割合にセットして、次いで、バッテリ２０１の温度をセットするために熱交換器２０５を使用する。本明細書に記載されているように、一実施形態において、バッテリ２０１によって提供される電圧は、バッテリ２０１の温度を制御することによって制御される。したがって、所望のエネルギー性の利用が達成されて維持されるように、コントローラ３１０は、バッテリ２０１から引き出される電流およびバッテリ２０１の電圧を制御する。
一実施形態において、コントローラ３１０は、最適な利用が達成されるようにバッテリ２０１を動作させる。例えば、バッテリ２０１の条件（例えば温度、引き出される電流および電圧）を決定して、さらにバッテリ２０１の瞬間的なエネルギー性の利用を算出した後に、コントローラ３１０は、記載されているように、バッテリ２０１の作業パラメータまたは条件を調整する。例えば、コントローラ３１０は、所望の作業点に達するように、本明細書に記載されているように、バッテリ２０１から引き出される電流を増加または減少させて、バッテリ２０１の電圧または温度を増加または減少させる。
例えば、２００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度、１．１Ｖの電圧、および１０％の腐食度で動作する、５０℃の温度の新しい電解液を有するアルミニウム−空気セルを考慮する。セルによって提供されることができる理論的電圧によってセルの現在の電圧を割ることによって（例えば、アルミニウムにとって１．１／２．７）、電圧効率パラメータは、算出される。
瞬間的なエネルギー性の利用率は、「コロンビウムの効率」および「電圧効率」の結果として、コントローラ３１０によって算出される。この例では、瞬間的なエネルギー性の利用は、０．９×（１．１Ｖ／２．７Ｖ）＝０．３６６にしたがって０．３６６である。エネルギー性の利用を増加させるために、コントローラ３１０は、（電流調整器３２６を制御することによって）電流密度を２５０ｍＡ／ｃｍ２に増やす。したがって、腐食度は１％に落ちて、電圧は１．０５Ｖに落ちる。したがって、エネルギー性の効率は、０．３６６から０．９９×（１．０５Ｖ／２．７Ｖ）＝０．３８５に増加する。
温度制御された金属−空気バッテリの反応を示す図６Ａおよび図６Ｂが参照される。図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態にしたがうエネルギー性の効率の増加を示す。図６Ａおよび図６Ｂによって示される両グラフにおいて、バッテリから引き出される電流は、放電を通じて一定である。図６Ａに示すように、温度が一定であるときに、バッテリの電圧は、電解液のエージ（電解液１リットル当たりのワット時（Ｗｈ／リットル）で表される）とともに連続的に低下する。そして、示すように、３１０Ｗｈ／リットルで、電解液は排出される。図６Ｂに示すように、電解液の温度が徐々に増加するときに、１．２Ｖの電圧は、放電を通して維持される。加熱された電解液は、５００Ｗｈ／リットルの電解液を引いた後に排出されるだけである。したがって、バッテリの温度を制御することによって、本発明の実施形態によるシステムは、金属−空気バッテリ中の電解液の利用を劇的に増加させる。
一実施形態において、負荷３３０は、電気自動車（ＥＶ）である。そして、電力ソース３２０は、充電式バッテリである。図４が加えて参照される。そしてそれは、システム３００によって前提とされてよいかまたは達成されてもよい例示的な構成を示す。一実施形態において、図４に示す構成は、ＣＲＳＵ３２５を構成することによって達成される。例えば、コントローラ３１０は、示すように、ＣＲＳＵ３２５により電流調整器３２６を通って充電式デバイス４１０（電力ソース３２０でもよい）にシステム２００を接続させて、さらに、充電式デバイス４１０をＥＶ４１５に接続するようにＣＲＳＵ３２５を構成する。別の実施形態では、図４に示すようにシステムを構成するために永久的なまたは固定した接続が使用されてもよい。
一実施形態では、電気自動車４１５において使用されるときに、金属−空気バッテリ２０１は、自動車駆動システムに接続している充電式デバイス４１０に接続される。この実施形態において、コントローラ３１０は、一定割合でバッテリ２０１からエネルギーを引き出させる。一実施形態において、ＥＶ４１５によって消費される平均エネルギーレベルまたは率を算出することによって、一定割合は、決定される。例えば、コントローラ３１０は、バッテリ２０１および充電式デバイス４１０の両方によってＥＶ４１５に提供される電流を周期的にまたは連続的に測定する。そして、ＥＶ４１５を作動するのに必要とされる平均エネルギーを周期的にまたは連続的に算出する。一実施形態において、コントローラ３１０は、バッテリ２０１により算出平均電流またはエネルギーを提供させて、ＥＶ４１５が平均電力よりも多く要求するときに、さらなる電力を供給するバッファとして充電式デバイス４１０を使用させて、ＥＶ４１５が平均電力よりも少なく要求するときに、電力を吸収させる。例えば、バッテリ２０１は、通常のドライブのための電力を提供する。しかし、ＥＶが加速して、平均電力よりも多くが必要なときに、充電式デバイス４１０は、さらなる必要電力を提供する。一実施形態において、例えば、周知のように再生ブレーキングによって、ＥＶ４１５によって電気エネルギーが消費されるよりはむしろ発生されるときに、ＥＶ４１５によって発生される電気エネルギーは、充電式デバイス４１０を充電するために使用される。
図４に示すように、例示的構成において、システム２００は、電流調整器（例えば、電流調整器３２６）を通して充電式デバイスまたはバッテリ４１０に接続している。一実施形態において、充電式デバイス４１０は、ＥＶ４１５に接続していて、したがって、ＥＶ４１５の他のいかなる電気的負荷または回路もと同様に、ＥＶ４１５の電気モータに電力を供給する。示すように、ＥＶ４１５は、コントローラ４２０を含んでよい。例えば、コントローラ４２０は、周知のように乗り物に取り付けられる搭載コンピューティングデバイスでもよい。コントローラ４１０は、（明確にするため図４に示されない）コントローラ３１０に動作可能に接続していてよい。したがって、コントローラ４２０によって得られるまたは発生されるいかなるデータも、コントローラ３１０に提供されてよく、そしてコントローラ３１０によって使用されてもよい。
一実施形態において、充電式デバイス４１０の容量は、それがＥＶ４１５によって必要とされてもよい（例えば、加速、丘陵クライミング、または高電力の短い爆発を必要とする他の任意のドライビング状態のための）電力サージを供給することができるようなものである。充電式デバイス４１０は、（例えば、家庭の）電力グリッドから再充電されてもよく、または再充電されなくてもよい。金属−空気バッテリの性質のせいで、金属−空気バッテリ２１０の容量は充電式デバイス４１０の容量よりも著しく大きいことが予想されるが、しかし必要なわけではない。金属−空気バッテリ２１０は、したがって、ＥＶ４１５のためのレンジエクステンダとして役立つことができる。したがって、バッテリ２０１またはシステム２００は、本明細書においてレンジエクステンダと称されてもよい。
レンジエクステンダがＥＶ４１５のドライビング距離を延長するために、レンジエクステンダ（例えば、システム２００または金属−空気バッテリ２０１）は、ＥＶ４１５の瞬間的な必要電力を供給するために必要でなくてもよく、むしろ、ＥＶ４１５の平均的消費電力を供給してもよい。したがって、（本明細書において、レンジエクステンダと称される）システム２００またはバッテリ２０１は、各トリップの要求に適応するために、異なる仕方において利用されなければならない。この種の要求は、最大限のエネルギー性の効率、特定の必要電力、電力プロファイルの変化、または上記の任意の組み合わせを含んでよい。コントローラ３１０は、いかなる状態または要求のためのレンジエクステンダ（例えば、システム２００）も構成してよい。
一実施形態において、コントローラ３１０は、他のドライビングパラメータ（例えば、ドライビング目的地、道路条件、乗り物の消費電力統計、運転の仕方、など）と同様に、充電式デバイス４１０の充電状態をモニタしてもよい。例えば、コントローラ３１０は、ＥＶ４１５に取り付けられるコントローラ４２０に接続していてよく、したがって、必要ないかなる情報も受信してよい。記載されるように、センサによって供給されるデータに基づいて、コントローラ３１０は、レンジエクステンダ（システム２００および／または金属−空気バッテリ２０１）の状態および充電式デバイス４１０の状態に気づいていてもよい。例えば、コントローラ３１０は、バッテリ２０１の容量および充電式デバイス４１０（例えば、システム２００および電力ソース３２０）の容量を決定してもよい。したがって、コントローラ３１０は、（レンジエクステンダとして使用するときの）システム２００および充電式デバイス４１０の両方のいかなる作業点、充電レベル、電力引き出しおよび／または他のパラメータも選択してよくて、セットしてよい。
例えば、システム２００から引き出されている電流を制御することによって、コントローラ３１０は、充電式デバイス４１０の最小の充電状態を維持してもよい。例えば、充電式デバイス４１０の容量が閾値以下にあることをコントローラ３１０が決定する場合、コントローラ３１０は、（例えば、ＣＲＳＵ３２５を通してシステム２００を充電式デバイス４１０に接続することによって）システム２００により充電式デバイス４１０を充電させてもよい。
一実施形態において、充電式バッテリまたはデバイスの使用を制御することは、望ましくてもよい。例えば、充電式デバイス４１０の寿命を延長するために、その使用を制限することは、望ましくてもよい。一実施形態において、充電式デバイス４１０の使用を制限するために、コントローラ３１０は、常に金属−空気バッテリ２０１から電力を引き出して、したがって、金属−空気バッテリ２０１からの電力がその必要電力に不十分な場合にだけ、ＥＶ４１５は、充電式バッテリ（例えば、充電式デバイス４１０）から電力を引き出す。他の実施態様において、例えば、金属−空気バッテリ２０１が高価な資源であり、そして、充電式デバイス４１０が安価なものである場合、コントローラ３１０は、金属−空気バッテリ２０１の使用を最低限に保ちながら、充電式デバイス４１０によりそれから引き出されることができるのと同程度に多くの電流を提供させてもよい。ＣＲＳＵ３２５の電流調整および切替能力を用いて、コントローラ３１０は、ＣＲＳＵ３２５に取り付けられる各電力ソースから引き出される電力または電流を個別にセットすることができる。
したがって、システム３００は、システム内の各電力ソースによって負荷３３０またはＥＶ４１５に提供される電力の量を個別にセットすることができる。さらに別の実施形態では、例えば、送電停止または電力停止のせいで充電式デバイス４１０が使用不可能である場合、コントローラ３１０は、充電式デバイス４１０をＥＶ４１５から切断して、金属−空気バッテリ２１０が必要電力を供給することができないときに充電式デバイス４１０をＥＶ４１５に再接続するだけである。ＣＲＳＵ３２５を用いて、金属−空気バッテリ２１０および充電式デバイス４１０がコントローラ３１０によって決定されるようにＥＶ４１５によって必要とされる電力の一部を各々寄与するように、コントローラ３１０は、システムを構成することができることが理解されよう。例えば、一実施形態において、コントローラ３１０は、それがＥＶ４１５によって必要とされる電力サージをサポートすることができるように充電式デバイス４１０の容量を維持する。コントローラ３１０は、効率のよい再生ブレーキングまたは下り坂のエネルギー再生、電力グリッドに到達する前のレンジエクステンダの最小限の使用などを可能にするために、充電式デバイス４１０の最大限の充電状態を観察してもよい。
構成されたまたは決定された閾値を維持するために、コントローラ３１０は、いつでもレンジエクステンダをオンまたはオフにしてもよい。（例えば、ＣＲＳＵ３２５を用いてシステム２００を負荷３３０に接続することによって）レンジエクステンダを起動させるときに、最大限のエネルギー性の効率のための名目電力を供給するか、最大限の電力を送給するか、または、他の任意の設定されたまたは定義済み電力を供給するために、コントローラ３１０は、レンジエクステンダ（システム２００）を制御してもよい。
充電式バッファが、複数のやり方のバッファとして使用されることができる。例えば、一実施形態において、充電式デバイスは、ＥＶの１日の平均エネルギー使用量のために必要とされるエネルギー容量を有するように設計される。各１日において、平均エネルギー量が使われる場合、それは単に充電式デバイスだけから取られてよい。そしてそれは、グリッド（家庭の電力ソケット）に接続されるときに再充電されることができる。１日のエネルギー消費量が平均を越える場合、コントローラ３１０は、それが充電式デバイスの利用可能エネルギーを越えて必要とされる付加的なエネルギーを送給するように金属−空気バッテリ２０１を動作させることができる。
したがって、ＥＶは、定期的に、そして１日の通常のトリップのための充電式バッテリの使用において、バッファ（例えば、充電式バッテリ）を充電することによって通常動作されることができる。しかし、平均よりも長いトリップがなされる場合には、例えば、充電式バッテリが使い尽くされるかまたは予め設定されたレベルまで放電されるときに、金属−空気バッテリは使用される。例えば、充電式バッテリが予め設定されたレベルまで放電されるときに、コントローラ３１０は、金属−空気バッテリを起動させる。したがって、電気自動車の充電式デバイスの容量が電気自動車の１日の平均エネルギー消費量を供給するように設計されるように、そして、電気自動車の金属−空気バッテリが１日の平均エネルギーを上回るエネルギーを供給するように設計されるように、本発明の実施形態によるシステムまたは電気自動車は、設計される。
本発明の実施形態による例示的フローを示す図５をここで参照する。ブロック５１０で示すように、方法またはフローは、バッテリの動作を特徴づけるプロファイルを選択することを含んでよい。例えば、一実施形態において、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、バッテリ２０１の動作を特徴づけるかまたは定義するプロファイルを選択する。前述のように、一実施形態において、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、バッテリ２０１のコロンビウムの効率が最大であるようにプロファイルを選択する。例えば、上記の式（２）で示すように腐食反応が最小化されるように、選択されるプロファイルは、バッテリ２０１の温度のセットおよびバッテリ２０１中の電解液の循環を含む。別の場合において、バッテリ２０１中の金属のエネルギー性の利用が最大化されるように、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、プロファイルを選択する。さらに別の実施形態または場合において、バッテリ２０１中の電解液の利用が最大化されるように、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、プロファイルを選択する。プロファイルは、コントローラ２１９および／またはコントローラ３１０にアクセス可能なメモリに保存される値のセットでもよい。複数のプロファイルは、例えば、バッテリ２０１の製造業者によって提供されてよく、そして、コントローラ２１９および／またはコントローラ３１０にアクセス可能なメモリに保存されてもよい。したがって、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、複数のプロファイルからプロファイルを選択してもよい。
プロファイルを選択するときに、または、バッテリをプロファイルに基づいて動作させるときに、さまざまなパラメータが考慮されてもよい。例えば、本明細書に記載されているように、水素の放出は、腐食度またはそのレベルを示してもよい。したがって、一実施形態において、コントローラ２１９は、バッテリ２０１によって放出される水素のレベルまたは率を決定するために水素センサ２１７から受信するデータを使用し、そして、放出される水素の率またはレベルが定義済みの範囲内に保たれるようにバッテリ２０１の動作パラメータを調整する。例えば、プロファイルは、水素放出の率および、コントローラ２１９がバッテリ２０１からの消費電力を増やすかまたは減らすかを示してもよく、または、水素放出の限度が観察されるようにバッテリ２０１の温度を調整してもよい。
ブロック５１５で示すように、方法またはフローは、プロファイルにしたがってバッテリから引き出される電流を制御することを含んでよい。例えば、電流調整器３２６を使用して、コントローラ３１０は、バッテリ２０１から引き出される電流を制御する。ブロック５２０で示すように、方法またはフローは、プロファイルにしたがってバッテリにより提供される電圧を制御することを含んでよい。例えば、コントローラ２１９は、バッテリ２０１の温度を制御して、したがって、記載されているように、バッテリ２０１により提供される電圧を増加または減少させる。ブロック５２５で示すように、方法またはフローは、バッテリの温度を制御することを含んでよい。例えば、熱交換器２０５を制御することによって、コントローラ２１９は、バッテリ２０１中の電解液の温度を下降させるかまたは上昇させ、したがって、バッテリ２０１の温度を下降させるかまたは上昇させる。
ブロック５３０で示すように、方法またはフローは、バッテリ中の電解液の循環を制御することを含んでよい。例えば、コントローラ２１９は、ポンプ２０７を制御して、したがって、バッテリ２０１内のセルを通る電解液の循環を制御する。一実施形態において、ブロック５１５、５２０、５２５および５３０で示すように、動作パラメータを制御することは、プロファイルにしたがって、またはそれに基づいてなされてよい。
ブロック５３５で示すように、方法またはフローは、負荷によって必要とされる電力を決定することを含んでよい。例えば、コントローラ３１０は、ＥＶ４１５のコントローラ４２０から受信する情報に基づいて負荷を決定する。負荷を決定することは、負荷を予測することを含んでよい。例えば、コントローラ３１０は、負荷を予測するために、グローバル位置決定システム（ＧＰＳ）データを使用する。別の場合において、コントローラ３１０は、負荷を予測するために、コントローラ４１０から受信するルート仕様を使用する。一実施形態において、コントローラ３１０は、予測された負荷に基づいてプロファイルを選択する。例えば、走行ルートに基づく場合、コントローラ３１０が上り坂走行の予想を識別すると、次いで、コントローラ３１０は、バッテリ２０１により提供される電力が最大化されることによってプロファイルを選択する。例えば、ＥＶ４１５の電気モータの毎分回転数（ＲＰＭ）に基づいて、必要とされる電力が低いと決定するときに、コントローラ３１０は、バッテリ２０１の腐食度が最小化されるプロファイルを選択する。バッテリ２０１またはシステム２００のプロファイルを選択するかさもなければ作業パラメータをセットするために、ＥＶ４１５のコントローラ４２０によって集められるいかなるデータも、使用されてよい。
ブロック５３５および５１０を接続する矢印で示すように、プロファイルを選択することは、自動でもよく、そして動的でもよい。例えば、コントローラ４２０から受信するデータに基づいて、ＥＶ４１５が静止していると決定して、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、低消費電力が発生して、腐食度が最小化されるように、プロファイルを選択する。次に、ＥＶ４１５が動いていると決定して、コントローラ２１９またはコントローラ３１０は、バッテリ２０１によって提供される電力が最大化されるように、プロファイルを選択する。
ブロック５４０で示すように、方法またはフローは、バッテリに必要電力の第１の部分を提供させて、２次電力ソースに必要電力の第２の部分を提供させることを含んでよい。例えば、ＣＲＳＵ３２５を制御することによって、コントローラ３１０は、バッテリ２０１により定義済み電流を負荷３３０（ＥＶ４１５でもよい）提供させて、そしてさらに、負荷３３０による電力要求が満たされるように、電力ソース３２０により付加的な電流を提供させる。一実施形態において、電力が必要とされるときに、電力調整器は、バッテリ２０１によって提供される電力を制限する。そして、残りの必要電力は、バッファとして役立つ充電式バッテリによって提供される。したがって、バッファは、電力要求がピークに達する場合に使用される。
明示的に述べられない限り、本明細書に記載されている方法の実施形態は、特定の命令またはシーケンスに拘束されない。加えて、記載されている方法の実施形態またはその要素のいくつかは、同じ時点に発生することができてまたは実行されることができる。
本発明の特定の特徴が本明細書において例示されて記載されたとはいえ、当業者は多くの修正、代替、変形および等価物を思いついてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の真の精神の範囲内に含まれるこれらの全ての修正および変形をカバーすることを意図することが理解される。
さまざまな実施形態が示された。これらの実施形態の各々は、示される他の実施形態からの特徴をもちろん含んでよい。そして、特に記載されていない実施形態は、本明細書に記載されているさまざまな特徴を含んでもよい。

Claims (29)

  1. 金属−空気バッテリの動作を制御する方法であって、前記方法は、
    前記バッテリから引き出される電流を制御する工程、および、
    前記バッテリの温度を制御する工程、
    を含む、方法。
  2. プロファイルにしたがって前記バッテリを動作させる工程をさらに含み、前記プロファイルは、エネルギー性の利用率、電力、電解液の利用値および腐食度のうちの少なくとも１つを定義する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記プロファイルは、コントローラによって自動的に選択される、請求項２に記載の方法。
  4. 所望のエネルギー性の利用率が達成されるまで、前記バッテリから引き出される前記電流および前記バッテリの前記温度を繰り返しセットする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定する工程、ならびに、前記電解液の前記エージに基づいて、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  6. 電気化学反応において消費される金属の量と前記バッテリ内の金属の総量との間の定義済み比率が維持されるように、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記バッテリ内に含まれる金属の定義済み腐食度が維持されるように、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記バッテリ内に含まれる電解液のボリュームユニット当たり前記バッテリから引き出されるエネルギー量を最大化するために、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記バッテリ内に含まれる電解液に溶解した金属の率を最小化するために、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記バッテリは、アルミニウム、亜鉛および鉄のうちの１つから成る金属アノードを含む、請求項１に記載の方法。
  11. 前記バッテリの温度を制御する工程は、前記バッテリ内に含まれる電解液の循環を制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
  12. 前記バッテリを起動させる前に、前記バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定する工程、および、
    プロファイルにしたがって前記電解液の温度をセットする工程、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  13. システムであって、
    金属−空気バッテリ、および、
    コントローラ、を含み、
    前記コントローラは、前記バッテリから引き出される電流を制御するように、そして、前記バッテリの温度を制御するように構成される、
    システム。
  14. 充電式デバイスを含み、
    前記システムは、
    前記金属−空気バッテリから平均必要電力にしたがって定められる定義済み電力を引き出すように、そして、
    電気自動車によって必要とされる電力が前記定義済み電力よりも大きいときに、前記充電式デバイスから電力を引き出すように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記コントローラは、プロファイルにしたがって前記バッテリを動作させるように構成され、前記プロファイルは、エネルギー性の利用率、電力、電解液の利用値および腐食度のうちの少なくとも１つを定める、請求項１３に記載のシステム。
  16. プロファイルは、コントローラによって自動的に選択される、請求項１３に記載のシステム。
  17. 前記コントローラは、所望のエネルギー性の利用率が達成されるまで、前記バッテリから引き出される電流および前記バッテリの温度を繰り返しセットするように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  18. 前記コントローラは、前記バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定するように、そして、前記電解液の前記エージに基づいて、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  19. 前記コントローラは、電気化学反応において消費される金属の量と前記バッテリ内の金属の総量との間の定義済み比率が維持されるように、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  20. 前記コントローラは、前記バッテリ内に含まれる金属の定義済み腐食度が維持されるように、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  21. 前記コントローラは、前記バッテリ内に含まれる電解液のボリュームユニット当たり前記バッテリから引き出されるエネルギー量を最大化するために、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  22. 前記コントローラは、前記バッテリ内に含まれる電解液に溶解した金属の率を最小化するために、前記バッテリによって提供される電流、前記バッテリの温度、前記電解液の温度および前記バッテリによって提供される電圧のうちの少なくとも１つを制御するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  23. 前記バッテリは、アルミニウム、亜鉛および鉄のうちの１つから成る金属アノードを含む、請求項１３に記載のシステム。
  24. 前記バッテリの温度を制御することは、前記バッテリ内に含まれる電解液の循環を制御することを含む、請求項１３に記載のシステム。
  25. 前記コントローラは、
    前記バッテリを起動させる前に、前記バッテリ内に含まれる電解液のエージを決定するように、そして、
    プロファイルにしたがって前記電解液の温度をセットするように構成される、請求項１３に記載のシステム。
  26. 電気自動車であって、
    金属−空気バッテリ、
    充電式デバイス、および、
    コントローラ、を含み、
    前記コントローラは、プロファイルにしたがって前記電気自動車に供給される電力をセットするように構成され、前記プロファイルは、エネルギー性の利用率、電力率、電解液の利用値および腐食度のうちの少なくとも１つを定める、
    電気自動車。
  27. 前記電気自動車は、
    前記金属−空気バッテリからの予め設定された電力を消費するように、そして、
    前記電気自動車によって必要とされる電力が前記予め設定された電力よりも大きいときに、前記充電式デバイスからの電力を消費するように構成される、請求項２６に記載の電気自動車。
  28. 前記電気自動車によって必要とされる電力が前記予め設定された電力よりも少ないときに、前記電気自動車は、前記充電式デバイスを充電するために前記金属−空気バッテリによって提供される電力を使用するように構成される、請求項２６に記載の電気自動車。
  29. 前記充電式デバイスの容量は、前記電気自動車の１日の平均エネルギー消費量を供給するように設計され、そして、前記金属−空気バッテリは、１日の平均エネルギーを上回るエネルギーを供給するように設計される、請求項２６に記載の電気自動車。
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