TW201407870A - 用於控制金屬空氣電池組之操作之系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供用於控制一金屬空氣電池組之操作之系統及方法。一種用於控制一金屬空氣電池組之操作之系統及方法可包含控制從該電池組汲取之一電流；及控制該電池組之一溫度。一種系統及方法可從一金屬空氣電池組汲取一預組態之功率數量及當所需功率大於該預組態功率時從一可充電裝置汲取功率。

Description

用於控制金屬空氣電池組之操作之系統及方法
本發明係關於電池組。特定言之，本發明係關於控制金屬空氣電池組之操作。
如本技術中已知，電池組係儲存化學能且使得能量可以電形式使用之組件。金屬空氣電池組使用用來自空氣之氧氣氧化金屬以產生電。電池組產生之電能供不同系統及組件(例如，消費產品、工業系統及類似物)使用。但是，已知系統及方法根據需要且在需要時從電池組汲取能量。因此，儲存在電池組中之能量之利用可能非最佳。
一種方法可包含控制從金屬空氣電池組汲取之電流；及控制電池組之溫度。一種方法可包含使電池組根據曲線圖操作，該曲線圖定義下列項目之至少一者：能量利用比、功率、電解質利用率值及腐蝕速率。在實施例中，藉由控制器自動選擇曲線圖。
一種方法可包含重複設定從電池組汲取之電流及設定電池組之溫度直至達成所要能量利用比。一種方法可包含判定包含在電池組中之電解質之老化並基於電解質之老化控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓。一種方法可包含控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池 組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓，使得維持電化學反應中消耗之金屬量與電池組中之金屬總量之間之預定義比率。
一種方法可包含控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓，使得維持包含在電池組中之金屬之預定義腐蝕速率。一種方法可包含控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓以使每體積單位包含在電池組中之電解質從電池組汲取之能量數量最大化。一種方法可包含控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓以使金屬溶解在包含在電池組中之電解質之速率最小化。
一種方法可包含藉由控制包含在電池組中之電解質之溫度及循環而控制電池組之溫度。一種方法可包含在活化電池組之前判定包含在電池組中之電解質之老化；及根據曲線圖設定電解質之溫度。
一種系統可包括：金屬空氣電池組；及控制器，該控制器經組態以：控制從電池組汲取之電流及控制電池組之溫度。一種系統可包括可充電裝置且系統可經組態以：從金屬空氣電池組汲取預定義功率，該預定義功率根據平均功率需求定義；及在電動汽車所需之功率大於預定義功率時從可充電裝置汲取功率。
一種包含在系統中之控制器可經組態以使電池組根據曲線圖操作，該曲線圖定義下列項目之至少一者：能量利用比、功率、電解質利用率值及腐蝕速率。一種包含在系統中之控制器可經組態以自動選擇曲線圖並使電池組根據所選曲線圖操作。一種包含在系統中之控制器可經組態以重複設定從電池組汲取之電流及電池組之溫度直至達成電池組之所要能量利用比。
一種包含在系統中之控制器可經組態以判定包含在電池組中之電解質之老化並基於電解質之老化控制下列項目之至少一者：電池組 提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓。一種包含在系統中之控制器可經組態以控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓使得維持電化學反應中消耗之金屬量與電池組中之金屬總量之間之預定義比率。一種包含在系統中之控制器可經組態以控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓使得維持包含在電池組中之金屬之預定義腐蝕速率。
一種包含在系統中之控制器可經組態以控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓以使每體積單位包含在電池組中之電解質從電池組汲取之能量數量最大化。一種包含在系統中之控制器可經組態以控制下列項目之至少一者：電池組提供之電流、電池組之溫度、電解質之溫度及電池組提供之電壓以使金屬溶解在包含在電池組中之電解質之速率最小化。一種系統可包含包括鋁、鋅及鐵之一者製成之金屬陽極之電池組。
一種系統可藉由控制包含在電池組中之電解質之溫度及循環而控制電池組之溫度。一種包含在系統中之控制器可經組態在活化電池組之前判定包含在電池組中之電解質之老化；及根據曲線圖設定電解質之溫度。一種根據實施例之電動運輸工具可包括：金屬空氣電池組；可充電裝置；及控制器，該控制器經組態以根據曲線圖設定供應至電動運輸工具之功率，該曲線圖定義下列項目之至少一者：能量利用比、功率比、電解質利用率值及腐蝕速率。
一種根據實施例之電動運輸工具可經組態以消耗來自金屬空氣電池組之預組態功率；及在電動運輸工具所需之功率大於預組態功率時消耗來自可充電裝置之功率。根據實施例，當電動運輸工具所需之功率小於預組態功率時，電動運輸工具可經組態以使用由金屬空氣電 池組提供之功率以給可充電裝置充電。根據實施例，可充電裝置之容量可經設計以供應電動運輸工具之平均日能量消耗且金屬空氣電池組可經設計以供應超過平均日能量之能量。
200‧‧‧系統
201‧‧‧金屬空氣電池組
202‧‧‧金屬空氣電池
203‧‧‧負載
204‧‧‧電流調節器
205‧‧‧熱交換器
206‧‧‧電解質槽
207‧‧‧泵
208‧‧‧溫度感測器
209‧‧‧電壓感測器
210‧‧‧電流感測器
211‧‧‧流速感測器
212‧‧‧壓力感測器
213‧‧‧電導感測器
214‧‧‧PH感測器
215‧‧‧密度感測器
216‧‧‧濁度感測器
217‧‧‧氫氣感測器
219‧‧‧控制器
300‧‧‧系統
310‧‧‧控制器
320‧‧‧電源
321‧‧‧電源
325‧‧‧電流調節及切換單元
326‧‧‧電流調節器
327‧‧‧切換組件
330‧‧‧負載
410‧‧‧可充電裝置
415‧‧‧電動運輸工具
420‧‧‧控制器
在說明書之結尾部分中特別指出且明確主張與本發明相關之標的。但是，可藉由在結合附圖閱讀時參考下文詳細描述而最佳地理解有關操作組織及方法兩者之本發明，連同其目的、特徵及優點，其中：圖1繪示影響金屬空氣電池之操作之參數；圖2繪示根據本發明之實施例之例示性系統；圖3繪示根據本發明之實施例之例示性系統；圖4繪示根據本發明之實施例之例示性系統組態；圖5繪示根據本發明之實施例之例示性流程；及圖6A及圖6B繪示根據本發明之實施例之溫度控制金屬空氣電池組之表現。
應瞭解為了闡釋之簡單及明瞭起見，附圖中所示之元件不一定按比例繪製。舉例而言，為明瞭起見，元件之一些之尺寸可相對於其他元件誇大。此外，在認為適當的情况下，元件符號可在附圖中重複以指示相應或類似元件。
在下文詳細描述中，敘述許多特定細節以提供本發明之透徹理解。但是，一般技術者應瞭解本發明可在無特定特定細節的情況下實踐。在其他實例中，未詳細描述眾所周知之方法、程序、組件、模組、單元及/或電路以避免混淆本發明。
雖然本發明之實施例不在此方面受限，但是如本文中所使用之術語「複數個(plurality)」及「複數個(a plurality)」可包含舉例而言 「多個」或「兩個或更多個」。說明書中，術語「複數個(plurality)」及「複數個(a plurality)」可用於描述兩個或更多個組件、裝置、元件、單元、參數或類似物。
除非另有明確說明，否則本文所述之方法實施例不限於特定順序或次序。此外，所述方法實施例或其元件之一些可在相同時點或在重複時點發生或執行。如本技術中已知，諸如函數、任務、子任務或程式之可執行代碼段之執行可被稱作函數、程式或其他組件之執行。
雖然本發明之實施例不在此方面受限，但是利用諸如舉例而言「處理」、「運算(computing)」、「計算(calculating)」、「判定」、「建立」、「分析」、「檢查」或類似術語之術語可指電腦、計算平台、計算系統或其他電子計算裝置之(諸)運算及/或(諸)處理，其將表示為電腦之暫存器及/或記憶體內之物理(例如，電子)數量之資料操縱及/或變換為類似地表示為電腦之暫存器及/或記憶體或儲存指令以執行運算及/或處理之其他資訊儲存媒體內之物理量之其他資料。
本發明之實施例可實現控制金屬空氣電池或電池組(例如，鋁空氣電池組)之操作以改良其利用率。雖然為簡單起見，本文中主要提及鋁空氣電池或電池組，但是應瞭解其他金屬空氣電池或電池組可適用。舉例而言，根據本發明之實施例之系統及方法可使用鋅空氣或任意其他適當金屬空氣電池組或電池。
鋁空氣電池組消耗鋁以產生電能。在鋁空氣電池中發生之電化學反應係如下文反應式(1)所示：(1)4Al+6H2O+3O2 → 4Al(OH)3+2.71v
在實務中，如反應式(1)所示，鋁空氣電池在低於2.7v(通常0.7伏至1.5伏)之電壓下操作。能量之其餘部分以熱形式釋放。除產生電能之此反應外，腐蝕反應可如下文反應式(2)所示發生：(2)2Al+6H2O → 2Al(OH)3+3H2
反應式(2)所示之反應消耗鋁但不釋放電能。因此，其被視作非所要或寄生反應。反應式(2)所示之反應之額外副作用係釋放氫氣。
如本文中提及，術語金屬空氣電池或金屬空氣電池組之「庫侖效率」係在電化學反應(1)中消耗之金屬量與消耗之金屬總量，即根據反應式(1)及(2)兩者消耗之金屬量之間之比率。
本技術中已知鋁之比能為8.1kWh/kg。如本文中提及，術語鋁之「能量利用率」係從一(「1」)千克(Kg)鋁中擷取之電能數量與包含在一(「1」)Kg鋁中之總能量之間之比率。
通常，如本文中提及，術語金屬之「能量利用率」由兩個因素判定：1.腐蝕速率-其決定或影響庫侖效率。即，多少金屬在不產生電能的情況下損失，及2.實際電池電壓-其係關於被利用之電能之部分(例如，未以熱形式釋放)。
如本文中提及及如本技術中已知，電解質(或電解質溶液)可為含有離子且可藉由電解分解之任意液體。電解質可包含在溶解在適當離子化液體或溶劑(例如，水)時離子化之任意物料(matter)、物質(substance)或化合物。在使用鹼性電解質(諸如KOH或NaOH)之鋁空氣電池或電池組中，額外反應如反應式(3)所示而發生：(3)Al(OH)3+KOH → KAl(OH)4
反應式(3)所示之反應之產物在電池組之整個操作中溶解在電解質中且通常導致電池電壓逐漸下降低至某些低電壓臨限(通常0.7伏至0.9伏)。
如本文中提及，術語「電解質利用率」係在金屬空氣電池達到低電壓臨限(例如，0.7伏至0.9伏之範圍)前可從該金屬空氣電池汲取之能量數量。
電解質利用率可能受腐蝕速率及電池電壓影響。如本文中提及之術語「腐蝕速率」係金屬在不貢獻電能的情況下溶解在電解質中之速率或量度。如本文中所提及之術語「電池電壓」通常涉及電池組中之電池之陽極與陰極之間之電位差。因此，電池電壓可指示可從金屬空氣電池中之有用金屬擷取之能量數量。
如本文中提及，金屬空氣電池組之比能係可從電池組中擷取之能量數量除以電池組之總重量。如本文中所述，實施例可藉由改良金屬燃料之利用率及/或藉由改良電解質之利用率而改良或提高金屬空氣電池組之比能。應注意，即使電解質本身不釋放能量而是如所述使金屬空氣電池組中之金屬(例如，鋁)能釋放能量，仍藉由本發明之實施例實現電池組中之電解質之利用率之改良。
本發明之實施例藉由控制電池組中之電池之操作參數(諸如放電電流及電池組溫度)而增大金屬空氣電池組之能量效率。本發明之實施例藉由控制電解質循環穿過電池組之速率而增大金屬空氣電池組之能量效率。舉例而言及如所述，由控制器控制之泵可使電解質按受控速率或根據受控間隔循環穿過電池組中之腔室或單元。控制器可控制泵及閥門使得電解質流動穿過電池組中之特定空間或腔室。在一實施例中，藉由控制電解質溫度，系統控制電池組之溫度。在一實施例中，藉由控制電池組中之電解質之速率及/或控制熱交換器，系統控制電池組之溫度且藉此控制電池組之電壓。
通常，藉由不同參數(諸如陰極組成及結構、陽極組成及結構、電解質組成、工作溫度、電解質流速、空氣流速、放電曲線圖等)判定金屬空氣電池或電池組之效能。雖然，由電池或電池組設計及/或製造商決定參數(諸如物理結構及元素組成，例如電池或電池組結構及陰極組成)之一些，但是可藉由本發明之實施例量測及設定其他參數(諸如工作溫度、汲取電流、電壓及放電曲線圖)。應瞭解，可根據 本發明之實施例使用不同設計或電池組類型，且本發明之實施例可適用於任意適當電池組。舉例而言，不同大小之電池組、電池數量及類似參數可適用及使用而不脫離本發明之範疇。
本發明之實施例可補償或考慮電池組之構造或組成之設計參數及/或演化。舉例而言，陽極與陰極之間之距離在金屬空氣電池或電池組之操作期間變化。當陽極被消耗時，其表面與陰極之間之距離增大。此等及其他變化參數決定電池或電池組之有效電壓並在操作期間影響腐蝕速率以及影響電解質利用率。此等參數接著決定電池或電池組之能量利用率。實施例可基於變化或演化參數調整工作參數(例如，電池組之溫度或功率消耗)。舉例而言，系統藉由增大電池組之溫度而補償由金屬空氣電池組產生之電壓之降低(例如，由腐蝕導致之降低)。
可由從電池或電池組汲取之電流及電池或電池組之溫度定義電池或電池組之工作點。通常，低電流導致較高電池或電池組電壓且亦導致增大之腐蝕，且因此導致減小之庫侖效率。較低溫度導致較低電壓，且亦導致減小之腐蝕，且因此導致增大之庫侖效率。因此，存在較高電壓與較高庫侖效率之間之權衡，其實質上導致電池或電池組之總能量效率。
在給定時刻下，針對給定放電功率，可藉由電池或電池組之性質及藉由電解質之「老化」判定電池或電池組之最佳工作點。如所提及之電解質之老化係溶解在電解質中之金屬(例如，鋁、鋅等)數量。在一些情況中，基於電解質中之溶解金屬之百分比或比率計算電解質之老化。
實施例可判定金屬溶解之當前或瞬時速率。舉例而言，在實施例中，藉由感測器連續量測來自電解質之氫氣釋放且控制器使用氫氣釋放位準或速率以判定來自陽極之金屬溶解至電解質中之速率。舉例 而言，基於上述反應式(2)，控制器使用電池組中氫氣釋放之速率以計算金屬在電解質中溶解之速率。因此，藉由控制器計算電解質老化之速率。藉由連續監測電解質之老化，控制器可容易地在任意給定時點下判定電解質之老化。如本文中進一步所述，系統可導致電池組操作使得氫氣釋放之速率、陽極消耗之速率及/或電池組中之電解質老化之速率保持為最小值或任意所要速率或位準。
最佳點上之工作(例如，如汲取電流及溫度所定義)可反映在電池或電池組之電壓中。舉例而言，可由實施例藉由控制如本文所述之工作參數而維持1v至1.25v之範圍中之所要電壓。應瞭解，如適用，電池之任意討論涉及包含一或多個電池之電池組。舉例而言，電池之能量利用率之討論涉及電池組中之複數個電池且因此應理解為電池組之能量利用率之討論。同樣地，加熱或冷卻電解質或電池之討論應理解為討論加熱及/或冷卻電池組中之複數個電池。因此，且為簡單及明瞭起見，本文中電池可在電池組相關時被提及且反之亦然。
參考圖1，其圖示描繪影響金屬空氣電池或電池組之能量利用率之參數及此等參數之間之相互依賴性。如所討論，諸如陽極組成、陰極組成、陰極結構、幾何設計及類似參數之參數(本文中統稱作「設計參數」)通常影響電池或電池組之能量利用率。圖1中省略此等參數。如本文中所述，實施例可量測、評估及補償電池組之設計參數之變化。
為了進一步描述圖1中所示之關係，取決於特定工作條件，增大之電解質老化(舉例而言，在每升電解質0至200克鋁之範圍中)導致較低電壓且亦導致較低腐蝕速率且因此可增大或減小能量利用率。增大之電流(通常每平方厘米(cm2)陰極0至400毫安(mA))導致較低電壓，且亦導致減小之腐蝕且因此亦可增大或減小能量利用率。增大之溫度(通常攝氏0至90度(C°))增大電壓且亦增大腐蝕且因此亦可增大或減小 總體能量利用率。
圖1繪示工作參數之間之相互關係。藉由控制圖1中所示之參數之一些(例如，電流汲取、電壓、溫度、腐蝕速率、循環速率及電解質老化)，可控制透過其達成所需結果之參數。舉例而言，為了控制腐蝕速率，系統控制電池組之工作溫度。舉例而言，如本文所述，可藉由降低電池組之溫度而減小腐蝕速率。在一實施例中，系統控制下列項目之一者或多者：電池組之電流汲取、溫度、腐蝕速率及電解質老化使得相對於金屬空氣電池組達成及/或維持下列項目之至少一者：所要能量利用率、即時功率汲取、比電壓或利用率曲線圖。
舉例而言，在典型電池組中，當需要恆定功率汲取(P=VI所指示之電壓及電流之乘積之形式)時，可藉由使電池之電壓V保持在1伏至1.25伏之範圍中及設定將根據此電壓產生所需功率P之電流I而達成最大利用率。在一實施例中，在操作期間及隨電解質之老化增大，包含在系統中之控制器使熱交換器以受控方式增大電解質或電池組之溫度(例如，藉由加熱電解質及/或改變電解質之循環速率)使得電壓及腐蝕速率維持在預定義或適當範圍。亦可根據從電池組釋放氫氣之速率判定腐蝕速率。因此，可藉由計算值利用比=(1-腐蝕速率)×電池之反應之電池電壓/理論電壓(舉例而言，對於鋁，理論電壓係2.71v，如反應式(1)所示，且對於鋅，理論電壓係1.65v)判定電池組之瞬間利用比。在任意給定時刻下，控制器可改變電池組之溫度(例如，藉由活化或控制熱交換器)且來自電池組之功率汲取(例如，藉由控制電流調節器)使得利用比之值最大化。
因此，本發明藉由控制操作參數而實現增大金屬空氣電池組中之金屬陽極及電解質之能量利用率。舉例而言，實施例控制諸如電池組之工作溫度、從電池組汲取之電流之數量或量值、電池組供應之電壓、電池組中之電解質之老化等之參數。
系統可藉由控制工作溫度而控制金屬空氣電池組之工作點。系統可藉由控制從電池組汲取之電流而控制金屬空氣電池組之工作點。因此，亦判定或控制電池組之電壓。系統可由控制器、熱交換器、電流調節器及不同感測器(諸如電壓感測器、PH感測器、電導率感測器、密度感測器、濁度感測器及氫氣感測器等)組成。系統亦可經調適以藉由熱交換器控制電池或電池組之溫度且可藉由電流調節器控制從電池或電池組汲取之電流。
系統可以下列方式之一者或多者判定電解質之老化：監測並合計金屬陽極消耗、計算金屬陽極消耗、基於氫氣釋放量測或計算腐蝕速率、量測電解質導電性、量測電解質PH位準、量測電解質密度、量測電解質濁度、量測電解質黏度等。
如本文中提及，放電曲線圖被特徵化或定義為放電電流及電壓對溶解至電解質中之金屬(例如，鋁、鋅、適用於金屬空氣電池組之任意其他金屬)數量。電池或電池組可在不同條件下測試以在不同負載及條件下判定電池或電池組之容量或表現。舉例而言，電池組之製造商可提供特徵化電池組之參數、值或曲線及其預期效能。實施例可定義電池組之放電曲線圖使得放電曲線圖匹配所要效能。舉例而言，在特定情况下，可能需要導致最大能量利用率之放電曲線圖且在其他情况下，導致較低能量利用率但賦予較高功率之曲線圖可能係較佳的。
特徵化電池組之資料可提供至控制器並由控制器在控制金屬空氣電池組之操作時使用。舉例而言，若製造商提供之資料指示電池組之最佳溫度，則控制器可導致電池組在最佳溫度下操作。舉例而言，在一情况中，控制器連續監測並調整電池組之工作參數使得執行所選放電曲線圖。在另一實施例中，系統連續監測並調整電池組之工作參數使得維持所需利用比。在另一實例中，系統連續監測並調整電池組 之工作參數使得在維持利用比的同時供應所需功率。
參考圖2，根據本發明之實施例之例示性系統200之高階方塊圖。如圖2中所示，系統可包含供應能量至負載203之金屬空氣電池組201。舉例而言，負載可為運輸工具中之電馬達、燈泡或任意其他電功率消耗實體。應瞭解，本發明之實施例不限於提供電能之特定負載且可使用任意負載而不脫離本發明之範疇。舉例而言，如本文中所提及之運輸工具可為任意大小之電動汽車、工具、船或飛機。運輸工具可為人駕駛或無人駕駛運輸工具。
如所示，電池組201可包含金屬空氣電池(舉例而言，鋁空氣電池)202。為簡單及明瞭起見，電池組201中僅繪示一個金屬空氣電池202，但是應瞭解，根據本發明之實施例可使用任意適當數量之電池202。舉例而言，可基於將由電池組201提供之所要電壓選擇電池數量。應瞭解，本文中電池202之討論適用於電池組201中之任意數量之電池202。舉例而言，可針對複數個電池量測針對電池202量測之參數，可針對電池組201中之複數個電池202設定針對電池202設定或控制之參數(例如，電壓、電流汲取、熱、循環等)。
如所示，系統可包含可冷卻或加熱電池組、包含在電池組201中之電池或電解質之熱交換器205。為明瞭起見，未繪示包含在電池組201中之電解質，但是應瞭解電池組201或電池202中之任意空間可填充電解質。舉例而言，在實施例中，熱交換器205被放置在電解質流動穿過之腔室中。因此，系統可加熱或冷卻電池組中之電解質，因此加熱或冷卻電池組。電解質可流動穿過電池202，因此冷卻或加熱電池202。在實施例中，控制器219控制熱交換器之操作。舉例而言，控制器219從溫度感測器208接收溫度量測值並控制熱交換器205使得達成及/或維持電池組201中之電解質之所要溫度(及因此，電池組201之溫度)。
在實施例中，藉由控制切換閥及類似物(未繪示)，控制器219可使熱交換器205藉由導致經冷卻或加熱電解質流動穿過電池202而加熱或冷卻電池202。在其他實施例中，可使用風扇、電元件、輻射器、電池組201外部之風扇及類似物完成加熱或冷卻。控制器219可控制可在電池組201內部或外部之任意加熱或冷卻裝置、系統或組件。舉例而言，風扇及加熱元件組件可被放置在電池組201外部並可由控制器219控制使得其冷卻或加熱電池組201或電池202。在另一實施例中，由控制器219控制之電加熱元件可被放置在電池組201中使得其可加熱電池組201中之電解質。
為明瞭起見，未繪示包含在系統200中之電解質。但是，應瞭解電解質可存在於電池組201內、電池202內及電解質槽206中並可例如使用管道、孔及類似物根據需要使其到達或流至或穿過系統200之任意部分。
如所示，系統200可包含電解質槽206及泵207。泵207可使電解質循環穿過系統200。在實施例中，控制器219控制泵207之操作。舉例而言，控制器219使泵207將電解質從電解質槽206轉移至電池組201中之電池或使泵207將電解質從電池組201轉移至電解質槽206。控制器219可控制泵207之容量，例如組態泵207以在第一時間週期期間使每秒第一體積之電解質在電解質槽206與電池組201之間循環及組態泵207以在第二時間週期期間使每秒第二體積之電解質循環。因此，控制器219控制電解質循環穿過系統200之速率。
在另一實施例中，為了將物質沈積從電池202中之陰極或陽極移除，控制器219控制泵207及熱交換器205使得達成循環及溫度之所要組合。舉例而言，為了將物質沈積從電池202中之鋁陽極移除，控制器219可首先使熱交換器205加熱電解質槽206中之電解質或電池組201中之電解質且當達到電解質之適當或所要溫度時，控制器219活化泵 207，因此使溫或熱電解質循環穿過電池202並高效地將物質沈積從電池202中之陽極移除。應注意，熱交換器205可被放置在電池組201(如所示電解質槽206)中或兩個熱交換器可使用、安裝在電池組201及電解質槽206兩者中。
在一實施例中，在活化或重新活化電池組之前，控制器219在活化電池組之前判定電解質之老化(例如，藉由將電解質泵入電池中)，控制器219將電解質之溫度設定為預定義值。舉例而言，基於曲線圖或規格，控制器219設定電池組之溫度使得達成電解質之最佳利用率。舉例而言，控制器219暖化槽206中之電解質且僅當電解質達到預定義溫度(例如，如曲線圖中所定義及/或基於電解質之老化)時，控制器219命令泵207使電解質循環穿過電池組201及/或電池202。
舉例而言，在一實施例中，為了重啟或重新活化電池組(其操作在電解質被完全利用之前終止或停止)，控制器219控制泵207及熱交換器205使得達成循環及溫度之所要組合。
舉例而言，為了重啟在電解質處於攝氏60度(60℃)之溫度下時停止(例如，從負載斷開)之電池組，控制器219首先使熱交換器205加熱電解質槽206中之電解質及/或電池組201中之電解質且當將電解質之溫度達到攝氏55度至65度(55℃至65℃)時，控制器219活化泵207，因此使暖或熱電解質循環穿過電池202，因此以對應於電解質之老化之正確溫度重啟電池組。
如所示，系統200可包含溫度感測器208、電壓感測器209、電流感測器210、流速感測器211、壓力感測器212、電導感測器213、PH感測器214、密度感測器215、濁度感測器216及氫氣感測器217。應瞭解繪示為包含在系統200中之感測器之一些可能係視需要的。舉例而言，一些實施例可能不包含所繪示之所有感測器。同樣地，本發明之實施例可包含圖2中未繪示之感測器，其可用於監測電池組201之方 面。為明瞭起見，繪示各類型之單個感測器，但是應瞭解相同類型之複數個感測器可包含在系統200中。舉例而言，複數個電壓感測器209可連接至電池組201中之複數個電池202。
在實施例中，溫度感測器208、電壓感測器209、電流感測器210、流速感測器211、壓力感測器212、電導感測器213、PH感測器214、密度感測器215、濁度感測器216及氫氣感測器217可操作地連接至控制器219使得由此等感測器產生之信號或輸出被提供至控制器219。使用感測器量測、感測或監測之參數，控制器219可判定電池組201之狀態且可命令系統200中之組件使得達成及/或維持電池組201之所要操作或其他狀態。
上述感測器可為如本技術中已知之任意適當感測器。應瞭解，本發明之實施例不限於所述感測器之任意者之類型、性質或操作方式。根據需要，不同的其他感測器可包含在系統中。舉例而言，為了判定電池組中之電解質之老化，可添加黏度感測器且控制器219可使用與電解質之黏度或厚度相關之資料以判定其老化或品質。
在實施例中，控制器219藉由基於接收自溫度感測器208之輸入活化熱交換器205及監測電池組201之溫度而控制電池組201之溫度且當達成所要溫度時，控制器219停止熱交換器205之操作。在另一實例中，使用來自量測環境溫度之溫度計(例如，安裝在汽車中之一者)之輸入，控制器219可使熱交換器205或命令熱交換器205提供恆定加熱使得電池組201之溫度維持在預定義或所要溫度範圍。
控制器219可連接至任意感測器或單元，例如系統200外部之單元。舉例而言，當安裝在運輸工具中時，控制器219可連接至提供與運輸工具行駛速度、海拔、運輸工具外之溫度、引擎溫度及類似參數相關之資料之感測器或單元。由控制器219從運輸工具中之任意適用單元、組件或子系統收集或獲得之任意資訊可在適當時由控制器用於 控制如本文所述之電池組之操作。舉例而言，上述資訊可允許控制器219判定運輸工具預計需要來自其電能源之多少功率及調整金屬空氣電池組之工作參數以輸送所需功率同時維持其效率。
在一實施例中，控制器219藉由控制電流調節器204而控制從電池組201汲取或由電池組201供應之能量數量。舉例而言，若基於曲線圖、限制、條件或組態參數，控制器219判定從電池組201汲取之電流有限，則控制器219使用電流調節器204以限制從電池組201汲取之電流。舉例而言，電流調節器204可為由控制器219控制之可變及可控制電阻器或DC至DC轉換器使得從電池組201流動至負載203之電流保持在所要位準或量值。
在一實施例中，與電池組201之屬性、特性及/或性質相關之資料可由電池組201之製造商提供並可被使用。舉例而言，電池組201之容量、功率及電壓(及此等參數之間之相互依賴性)可從製造商獲得且結合特定電池組201最佳使用之曲線圖可使用此等屬性產生。
在一實施例中，電池組或電池可在如本文所述操作之前測試。舉例而言，電池組201中之各電池可在不同工作條件(例如，電流、電壓及/或溫度之各者保持為不同值)下測試以判定電池之放電曲線。可測試及分析不同曲線以判定可實現之效能特徵。可選擇許多充電/放電曲線進行使用。舉例而言，第一所選曲線可能在能量上係最佳的且第二所選曲線可能係功率最佳的。控制器219可具有電池組之所選曲線或放電曲線圖並可使用所提供之曲線以控制電池組201之操作。舉例而言，控制器201如本文所述控制電池組201之溫度及/或從電池組201汲取之電流使得維持所選曲線或曲線圖。
系統200可控制電池組之操作使得執行或維持預定義操作曲線圖。舉例而言，可達成由相對於溶解至電解質中之金屬之數量之放電電流及電壓特徵化之放電曲線圖。舉例而言，使用接收自一或多個感 測器之資料，控制器219判定電池組201中之電解質之老化。舉例而言，藉由相對於時間及使用(例如，在實驗室中)量測電解質之密度、PH、氫氣及/或濁度，電解質被曲線化使得可針對特定位準之密度、PH、氫氣及/或濁度及基於電解質曲線圖，判定電解質之老化。因此，在一實施例中，被提供來自附接感測器之電解質曲線圖及資料，控制器201判定電解質之老化。
在一實施例中，放電曲線圖定義放電電流及電壓。為了使電池組201根據特定放電曲線圖操作，控制器219使用電流調節器204以將從電池組201汲取之電流設定為放電曲線圖中定義之值。在實施例中，為了使電池組201在由放電曲線圖定義之電壓位準下操作，控制器使用熱交換器205。如所述，可藉由升高電池組201之溫度而升高由電池組201提供之電壓且冷卻電池組201將導致所提供之電壓之降低。因此，在一實施例中，控制器219使熱交換器205加熱或冷卻電池組201使得達成放電曲線圖中定義之電壓。
控制器219可監測與曲線圖相關之所有方面且同時控制複數個單元使得可維持複數個特性之各者。舉例而言，雖然監測電池組201之電壓並使熱交換器205加熱電池組201以升高電壓控制器219可(使用電流感測器210)監測所汲取之電流且若溫度升高，所汲取之電流增大至高於放電曲線圖中定義之電流，則控制器219可使電流調節器204限制從電池組201汲取之電流。因此，控制器219可同時監測及控制電池組201之複數個操作特性。在另一實施例中，控制器219可在複數個參數或特性內重複，輪流設定各者且重複該過程直至達成並維持放電或其他曲線圖達一時間周期或直至系統狀態改變。
舉例而言，首先，控制器判定電解質之老化。接下來，藉由控制電流調節器204，控制器219設定從電池組201汲取之電流，隨後控制器219使用熱交換器205以升高或降低供應電壓，控制器219隨後重 複判定電解質老化、設定電流及設定電壓之步驟。在一實施例中，控制器219重複判定電解質老化、設定電流及設定電壓之步驟直至達成預定義放電曲線圖。在另一實施例中，控制器219連續重複判定電解質老化、設定電流及設定電壓之步驟使得連續維持對放電(或另一)曲線圖之依從。
在另一實例中，維持從每Kg金屬擷取之電能之數量與電池組201中之每Kg金屬中之總能量之間之特定關係，此關係在本文中被稱作利用比。在實施例中，控制器219監測由電池組201(例如，如本文所述)供應之電壓及電流之至少一者以判定當前或瞬間能量利用率。在實施例中，為了達成所要利用比，控制器219例如如本文所述判定電池組201中之電解質之老化。藉由控制熱交換器205，控制器219隨後例如如本文中所述設定由電池組201供應之電壓。
在一實施例中，控制器219檢驗接收自氫氣感測器217之資料且使用熱交換器205使電池組201之溫度增大或減小使得氫氣形成或釋放對應於所要速率，例如，如曲線圖中所定義。如所述，電解質中之氫氣位準可指示金屬在不提供電的情況下被消耗之速率。因此，為了維持能量與所消耗金屬之間之特定關係，系統可監測電解質中之氫氣位準並調整工作參數使得維持該關係。可依序或同時執行經執行以達成能量對金屬消耗之預定義比率之操作。可連續重複(即，循環)經執行以達成能量對金屬消耗之預定義比率之操作使得連續維持比率。
系統200可使電池組201根據曲線圖之混合或根據限制或特性之任意組合操作。在例示性實施例或情况中，系統200使電池組201操作使得供應特定、所需或預定義功率及維持特定或所定義利用比。舉例而言，控制器219將汲取電流設定為第一位準(例如，使用電流調節器204)。接下來，控制器219設定操作電壓使得達成所需功率。如本技術中已知，電流及電壓值或位準之許多組合可用於達成特定功率。在 一實施例中，為了達成特定功率及特定利用比兩者，控制器219監測氫氣形成速率且增大或減小電池組201之溫度使得氫氣形成速率對應於由利用比定義之速率。因此，為了達成預定義功率及特定利用比兩者，控制器可調整從電池組汲取之電流、由電池組提供之電壓及電池組之操作溫度之任一者。在一實施例中，控制器219連續監測電池組201中之電解質之老化、從電池組201汲取之功率及電池組201之溫度且考慮電解質之老化連續調整所汲取之功率及溫度使得維持如所定義之操作特性。
控制器219可連接至任意適用單元或組件且可根據任意適用條件調整電池組201之工作參數。舉例而言，當系統200被安裝在運輸工具中時，均可考慮運輸工具之移動速度、駕駛人之控制、引擎操作狀態、補充電源及類似參數。舉例而言，控制器219可接收來自汽車內之感測器、汽車中之通信線、安裝在運輸工具引擎或馬達上之感測器及附接至輔助源之感測器之輸入。
控制器219可使用來自其中安裝系統200之汽車之駕駛人之輸入及來自汽車中之引擎或其他組件之輸入及來自輔助電池組之輸入以設定電池組201之工作特性或曲線圖。控制器219可動態使電池組201根據當前或瞬時條件或需求操作。
舉例而言，當駕駛人踏上電操作汽車之加速踏板時，控制器219可從利用率曲線圖切換至功率驟增曲線圖，其中功率驟增曲線圖在電池組201之能量利用率方面可能非最佳但在功率方面可能係最佳的。在另一情况中，判定輔助電池組(例如，下文參考圖3所述之電源320)被完全充電且為了維持如曲線圖中所定義之能量利用率，控制器219可減小從電池組201汲取之功率且允許輔助電池組提供功率。
在實施例中，控制器219自動調整電池組201之工作參數使得達成電池組201之最佳使用。舉例而言，在一實施例中，藉由接收來自 電動汽車中之轉速計及/或速度計之信號，控制器219可推斷汽車係靜止的或需要低功率。在此情况中，控制器219可切換至最佳保護電池組201之壽命之操作模式，例如，使電池組201根據如所述之低功率及高利用率曲線圖操作。
參考圖3，根據本發明之實施例之例示性系統300。如所示，系統300可包含如本文所述之系統200，其包含金屬空氣電池組201。為簡單及明瞭起見，在圖3中未繪示系統200之其他組件。如所示，系統300可包含可能類似於控制器219之控制器310。在實施例中，控制器219可由控制器310替換。在替換控制器219時，控制器310可連接至如本文所述連接至控制器219之任意感測器。在其他實施例中，例如，當兩個控制器219及310包含在系統300中時，控制器310可與控制器219通信並接收由控制器219接收或獲得之任意資料。因此，應瞭解可由控制器310執行本文參考控制器219所述之任意操作。
在一實施例中，控制器219及310包含處理器及記憶體。連接至控制器310之非暫時性記憶體可儲存在被控制器310執行時使控制器310執行本文所述之操作及方法之一組指令。在實施例中，連接至控制器310之非暫時性記憶體單元儲存本文中所述之放電或其他曲線圖。
如進一步所示，系統300可包含複數個電源320及321。舉例而言，電源320可為如本技術中已知之可充電電池組或超級電容器且電源321可為太陽能電源。為簡單起見，除金屬空氣電池組201外，僅繪示兩個電源320及321。但是，應瞭解任意數量之電源可包含在系統300中，可連接至電流調節及切換單元325並可由控制器310控制。如所示，系統310可包含電流調節及切換單元(CRSU)325。如所示，CRSU 325可包含電流調節器326及切換組件327。
舉例而言，電流調節器326可類似於電流調節器204但可經組態 以調節來自/至連接至CRSU 325之任意電源或負載之電流。電流調節器326可包含複數個電流調節器且因此可調節多個路徑中之電流。舉例而言，在一實施例中，電流調節器326經調適以針對不同路徑設定不同電流限值。舉例而言，在一實施例中，基於來自控制器310之控制，電流調節器326對從系統200流動至負載330之電流設定第一限值、對從系統電源320流動至負載330之電流設定第二限值及對從電源321流動至電源320之電流進一步設定第三限值。
切換組件327可為經組態以將連接至CRSU 325之任意組件或單元電連接及/或斷開之組件。舉例而言，切換組件327可建立電源320與負載330之間之第一電連接並進一步建立系統200與電源320之間之第二連接。因此，CRSU 325可導引來自/至任意所連接組件或單元之電流並可進一步調節至/來自任意所連接組件或單元之電流。
舉例而言，CRSU 325可將電源321連接至負載330且同時將系統200連接至電源320。切換組件327可包含複數個電操作開關且使用此等開關，切換組件327可實現將任意所附接電源(包含系統200)電連接至任意其他電源/將任意所附接電源(包含系統200)從任意其他電源斷開。類似地，切換組件327可將任意所附接電源電連接至負載330/將任意所附接電源從負載330斷開。因此，使用功率調節器326，CRSU 325可實現控制從連接至其上之電源之任一者汲取之電流及此外使用切換組件327，CRSU 325可將電流從任意所連接電源引導至任意所連接電源或負載330。應瞭解可將複數個負載連接至CRSU 325。
在一實施例中，基於來自控制器310之控制信號，CRSU 325可使系統200提供預定義或特定功率至負載330並進一步使電源320及321提供所需之任意額外功率。在另一情況中，若負載330所需之功率小於系統200可提供之功率，則基於來自控制器310之控制信號，CRSU 325可使系統200提供電功率至電源320及321之一者或兩者。舉例面 言，若電源320係可充電電池組，則若可由系統200提供之電功率或電流大於負載330所需，則基於來自控制器310之控制信號，CRSU 325可使系統200提供電功率至電源320使得系統200給電源320充電。
雖然未繪示，但是可將任意相關感測器安裝在電源320及321及負載330之任一者上且所安裝感測器可連接至控制器310。舉例而言，可將類似於圖2中所示之感測器之感測器(例如，伏特計)安裝在電源320及321中。因此，控制器310可瞭解系統300中之組件之狀態或條件且可基於系統200、負載330及電源320及321之任一者之狀態控制CRSU 325。舉例而言，若電源321係太陽能電源且電源320係可充電電池組，則基於來自控制器310之控制信號，CRSU 325可使電源321給電源320充電或提供功率至負載330。在另一時間或情况中，基於來自控制器310之控制信號，CRSU 325可使電源321給電源320充電並提供功率至負載330。
在一實施例中，控制器310定期地或連續監測、判定及/或計算電池組201之工作條件。舉例而言，控制器310基於來自本文所述之感測器之輸入監測電池組201之溫度、從電池組201汲取之電流及電池組201之電壓。在一實施例中，控制器310定期地或連續監測、判定及/或計算如本文中所述之電池組201中之電解質之老化。在一實施例中，控制器310定期地或連續監測、判定及/或計算電池組201之能量利用率。
舉例而言，使用來自氫氣感測器217之資料，控制器310判定如所述之腐蝕速率。在另一實施例中，控制器310使用電流密度值。如本技術中已知之電流密度係每體積或每截面面積之電流之量度。舉例而言，可將金屬空氣電池組201中金屬之電流密度提供至控制器310，例如，儲存在可由控制器310存取之記憶體中。藉由考慮電池組201之電流密度及溫度及電池組201中電解質之老化，控制器310判定電池組 201之能量利用率。舉例而言，控制器310使用查找表(例如，由電池組201之製造商提供)以基於電池組201之電解質之老化、電流密度及/或溫度判定能量利用率。
在一實施例中，為了達成所要或最佳能量利用率，控制器310觀測電池組201之電壓(使用電壓感測器209)且將系統調節至在能量利用率方面產生正確或最佳效率之電壓。舉例而言，使用電流調節器326，控制器將從電池組201汲取之電流設定為恆定位準或速率且隨後使用熱交換器205以設定電池組201之溫度使得達成電池組201提供之所要電壓。如本文中所述，在一實施例中，藉由控制電池組201之溫度控制由電池組201提供之電壓。因此，控制器310控制從電池組201汲取之電流及電池組201之電壓使得達成並維持所要能量利用率。
在一實施例中，控制器310使電池組201操作使得達成最佳利用率。舉例而言，在判定電池組201之條件(諸如溫度、汲取之電流及電壓)及進一步計算電池組201之瞬間能量利用率後，控制器310調節如所述之電池組201之工作參數或條件。舉例而言，控制器310增大或減小從電池組201汲取之電流，增大或減小如本文中所述之電池組201之電壓或溫度使得達到所要工作點。
舉例而言，考慮在50℃之溫度下具有新電解質、在200ma/cm2之電流密度、1.1V之電壓及10%之腐蝕速率下運行之鋁空氣電池。藉由將電池之電流電壓除以可由電池提供之理論電壓(例如，針對鋁之1.1/2.7)而計算電壓效率參數。
藉由控制器310將瞬間能量利用率比率計算為「庫侖效率」與「電壓效率」之乘積。在此實例中，瞬間能量利用率係0.366，其係根據：0.9×(1.1V/2.7V)=0.366。為了增大能量利用率，控制器310將電流密度增大至250ma/cm2(藉由控制電流調節器326)且因此腐蝕速率降至1%且電壓降至1.05v。因此，能量效率從0.366增大至 0.99×(1.05V/2.7V)=0.385。
參考圖6A及圖6B，其等繪示溫度控制金屬空氣電池組之表現。圖6A及圖6B繪示根據本發明之實施例之能量效率之增大。在圖6A及圖6B所示之兩個曲線圖中，從電池組汲取之電流在整個放電過程中恒定。如圖6A所示，當溫度恆定時，電池組電壓隨電解質老化而連續下降(由瓦時/升電解質(Wh/升)表達)且如所示，在310Wh/升下，電解質耗盡。如圖6B所示，當電解質之溫度逐漸增大時，在整個放電過程中維持1.2v之電壓。經加熱之電解質僅在汲取500Wh/升電解質後耗盡。因此，藉由控制電池組之溫度，根據本發明之實施例之系統極大增大金屬空氣電池組中電解質之利用率。
在一實施例中，負載330係電動運輸工具(EV)且電源320係可充電電池組。此外，參考圖4，其繪示可由系統300呈現或達成之例示性組態。在一實施例中，藉由組態CRSU 325達成圖4中所示之組態。舉例而言，如所示，控制器310透過電流調節器326使CRSU 325將系統200連接至可充電裝置410(其可為電源320)且進一步組態CRSU 325以將可充電裝置410連接至EV 415。在另一實施例中，如圖4所示，永久式或固定式連接可用於組態系統。
在一實施例中，當用在電動運輸工具415中時，將金屬空氣電池組201連接至可充電裝置410，其接著連接至運輸工具駕駛系統。在此實施例中，控制器310使能量以恆定速率從電池組201被汲取。在實施例中，藉由計算EV 415所消耗之平均能量位準或速率而判定恆定速率。舉例而言，控制器310定期地或連續量測由電池組201及可充電裝置410兩者提供至EV 415之電流且定期地或連續計算操作EV 415所需之平均能量。在一實施例中，控制器310使電池組201提供計算得到之平均電流或能量且使用可充電裝置410作為當EV 415需要多於平均功率時供應額外功率且當EV 415需要小於平均功率時吸收功率之緩衝 器。舉例而言，電池組201提供正常駕駛之功率，但當EV加速且需要大於平均功率時，可充電裝置410提供額外所需功率。在一實施例中，當電能由EV 415產生而非例如，如本技術中所知藉由再生煞車耗用時，將由EV 415產生之電能用於給可充電裝置410充電。
如圖4所示，在例示性組態中，透過電流調節器(例如，電流調節器326)將系統200連接至可充電裝置或電池組410。在一實施例中，可充電裝置410連接至EV 415，因此提供功率至EV 415中之電馬達以及EV 415中之任意其他電負載或電路。如所示，EV 415可包含控制器420。舉例而言，控制器420可為如本技術中已知之安裝在運輸工具中之車載計算裝置。控制器410可可操作地連接至控制器310(為明瞭起見未在圖4中繪示)。因此，可將由控制器420獲得或產生之任意資料提供至控制器310且供控制器310使用。
在一實施例中，可充電裝置410之容量係如此使得其能夠供應EV 415例如，為加速、爬坡或需要瞬增高功率之任意其他駕駛條件所需之功率驟增。可充電裝置410可能從或可能非從例如家中之電網充電。歸因於金屬空氣電池組之本質，金屬空氣電池組210之容量可預計但無需顯著大於可充電裝置410之容量。金屬空氣電池組210因此可充當EV 415之距離擴展器且因此電池組201或系統200在本文中可被稱作距離擴展器。
為了使距離擴展器擴展EV 415之駕駛距離，距離擴展器(例如，系統200或金屬空氣電池組201)可能無需供應EV 415之瞬間功率需求，而是供應EV 415之平均功率消耗。因此，系統200或電池組201(本文中被稱作距離擴展器)需以不同方式利用以適應各行程之需求。此等需求可包含最大能量效率、特定功率需求、變化功率曲線圖或上述項目之任意組合。控制器310可針對任意條件或需求組態距離擴展器(例如，系統200)。
在一實施例中，控制器310可監測可充電裝置410之充電狀態以及其他駕駛參數，諸如駕駛目的地、道路條件、運輸工具功率消耗統計資料、駕駛形式等。舉例而言，控制器310可連接至安裝在EV 415中之控制器420且因此接收所需之任意資訊。如所述，基於感測器所供應之資料，控制器310可瞭解距離擴展器(系統200及/或金屬空氣電池組201)之狀態及可充電裝置410之狀態。舉例而言，控制器310可判定電池組201之容量及可充電裝置410(例如，系統200及電源320)之容量。因此，控制器310可選擇並設定系統200(當用作距離擴展器)及可充電裝置410兩者之任意工作點、充電位準、功率汲取及/或其他參數。
舉例而言，控制器310可藉由控制從系統200汲取之電流而維持可充電裝置410之最小充電狀態。舉例而言，若控制器310判定可充電裝置410之容量低於臨限，則控制器310可使系統200給可充電裝置410充電(例如，藉由透過CRSU 325將系統200連接至可充電裝置410)。
在一實施例中，可能需要控制可充電電池組或裝置之使用。舉例而言，為了延長可充電裝置410之壽命，可能需要限制其使用。在一實施例中，為了限制可充電裝置410之使用，控制器310始終從金屬空氣電池組201汲取功率且因此EV 415僅在來自金屬空氣電池組201之功率對於其功率需求而言不足的情況下從可充電電池組(例如，可充電裝置410)汲取功率。在其他實施例中，例如，若金屬空氣電池組201係昂貴資源且可充電裝置410係廉價資源，則控制器310可使可充電裝置410提供如可從其汲取之盡可能多之電流同時使金屬空氣電池組201之使用保持最小值。使用CRSU 325之電流調節及切換能力，控制器310可離散地設定從附接至CRSU 325之各電源汲取之功率或電流。
因此，系統300實現離散地設定由系統中之各電源提供至負載 330或EV 415之電功率之數量。在另一實施例中，例如若歸因於電力削減或停電，給可充電裝置410充電不可能，則控制器310將可充電裝置410從EV 415斷開且僅在金屬空氣電池組210無法供應所需功率時將可充電裝置410重新連接至EV 415。應瞭解，使用CRSU 325，控制器310可組態系統使得金屬空氣電池組210及可充電裝置410各貢獻如控制器310所判定之EV 415所需之功率之一部分。舉例而言，在一實施例中，控制器310維持可充電裝置410之容量使得其可支持EV 415所需之功率驟增。控制器310可觀測可充電裝置410之最大充電狀態以實現高效再生煞車或下坡能量再生、在獲得電網電力之前實現距離擴展器之最小使用等。
為了維持所組態或判定之臨限，控制器310可隨時將距離擴展器打開或關閉。在活化距離擴展器時(例如，藉由使用CRSU 325將系統200連接至負載330)，控制器310可控制距離擴展器(系統200)以供應最大能量效率之標稱功率，輸送最大功率或輸送任意其他設定或預定義功率。
可充電緩衝器可以超過一種方式用作緩衝器。舉例而言，在一實施例中，可充電裝置設計為具有EV之日平均能量使用所需之能量容量。每天，若使用平均數量之能量，則其可單獨取自可充電裝置，其接著可在連接至電網(家中之電源插座)時充電。若日能量消耗超過平均值，則控制器310可操作金屬空氣電池組201使得其輸送超過可充電裝置中之可用能量之所需額外能量。
因此，可藉由定期給緩衝器(例如，可充電電池組)充電及針對每日、正常行程使用可充電電池組而正常操作EV，但在進行長於平均值之行程之情況中，使用金屬空氣電池組，例如，當可充電電池組耗盡或放電至預組態位準時。舉例而言，當可充電電池組放電低至預組態位準時，控制器310活化金屬空氣電池組。因此，根據本發明之實 施例之系統或電動運輸工具經設計使得電動運輸工具中之可充電裝置之容量經設計以供應電動運輸工具之平均日能量消耗且電動運輸工具中之金屬空氣電池組經設計以供應超過平均日能量之能量。
現參考圖5，根據本發明之實施例之例示性流程。如方塊510所示，方法或流程可包含選擇特徵化電池組之操作之曲線圖。舉例而言，在一實施例中，控制器219或控制器310選擇特徵化或定義電池組201之操作之曲線圖。如所述，在一實施例中，控制器219或控制器310選擇曲線圖使得電池組201之庫侖效率最大化。舉例而言，所選曲線圖包含設定電池組201之溫度及電池組201中之電解質循環使得如上文反應式(2)所示之腐蝕反應最小化。在另一情况中，控制器219或控制器310選擇曲線圖使得電池組201中之金屬之能量利用率最大化。在另一實施例或情况中，控制器219或控制器310選擇曲線圖使得電池組201中之電解質利用率最大化。曲線圖可為儲存在可由控制器219及/或控制器310存取之記憶體中之一組值。複數個曲線圖可例如由電池組201之製造商提供並可儲存在可由控制器219及/或控制器310存取之記憶體中。因此，控制器219或控制器310可從複數個曲線圖中選擇一曲線圖。
在選擇曲線圖時或當使電池組基於曲線圖操作時，可考慮不同參數。舉例而言，如本文中所述，氫氣釋放可指示腐蝕速率或位準。因此，在一實施例中，控制器219使用接收自氫氣感測器217之資料以判定電池組201所釋放氫氣之位準或速率及調整電池組201之操作參數使得氫氣釋放之速率或位準保持在預定義範圍內。舉例而言，曲線圖可指示氫氣釋放之速率且控制器219增大或減小來自電池組201之功率消耗或調整電池組201之溫度，使得氫氣釋放限值可被估測。
如方塊515所示，方法或流程可包含根據曲線圖控制從電池組汲取之電流。舉例而言，使用電流調節器326，控制器310控制從電池組 201汲取之電流。如方塊520所示，方法或流程可包含根據曲線圖控制由電池組提供之電壓。舉例而言，控制器219控制電池組201之溫度且因此，如所述，增大或減小由電池組201提供之電壓。如方塊525所示，方法或流程可包含控制電池組之溫度。舉例而言，藉由控制熱交換器205，控制器219增大或減小電池組201中之電解質之溫度，因此減小或增大電池組201之溫度。
如方塊530所示，方法或流程可包含控制電池組中電解質之循環。舉例而言，控制器219控制泵207，因此控制穿過電池組201中之電池之電解質循環。在一實施例中，如方塊515、520、525及530所示之操作參數可根據或基於曲線圖。
如方塊535所示，方法或流程可包含判定負載所需之功率。舉例而言，控制器310基於接收自EV 415中之控制器420之資訊判定負載。判定負載可包含預測負載。舉例而言，控制器310使用全球定位系統(GPS)資料以預測負載。在另一情况中，控制器310使用接收自控制器410之路線規格以預測負載。在一實施例中，控制器310基於預測負載選擇曲線圖。舉例而言，若基於行駛路線，控制器310識別預期將進行上坡行駛，則控制器310選擇一曲線圖，藉此電池組201提供之功率最大化。在例如，基於EV 415中之電馬達之每分鐘轉數(RPM)判定所需功率低時，控制器310選擇曲線圖，藉此電池組201中之腐蝕速率最小化。由EV 415中之控制器420收集之任意資料可用於選擇曲線圖或另外設定電池組201或系統200之工作參數。
如連接方塊535及510之箭頭所示，選擇曲線圖可能係自動及動態的。舉例而言，基於接收自控制器420之資料判定EV 415係靜止的，控制器219或控制器310選擇曲線圖使得低功率產生且腐蝕速率最小化。接下來，判定EV 415在運動，控制器219或控制器310選擇曲線圖使得電池組201所提供之功率最大化。
如方塊540所示，方法或流程可包含使電池組提供所需功率之第一部分及使第二電源提供所需功率之第二部分。舉例而言，藉由控制CRSU 325，控制器310使電池組201提供預定義電流至負載330(其可為EV 415)且進一步使電源320提供額外電流使得負載330之功率需求被滿足。在一實施例中，當需要功率時，功率調節器限制由電池組201提供之功率且所需功率之剩餘部分由充當緩衝器之可充電電池組提供。因此，緩衝器用於當功率需求達到峰值時之情況。
除非另有明確說明，否則本文所述之方法實施例不限於特定順序或次序。此外，所述方法實施例或其等之元件之一些可在相同時點發生或執行。
雖然本文已繪示及描述本發明之特定特徵，但是熟習此項技術者可想到許多修改例、替代例、變化例及等效例。因此，應瞭解隨附申請專利範圍旨在覆蓋如落在本發明之真實精神內之所有此等修改例及變化例。
已提出不同實施例。此等實施例之各者當然可包含來自所提出之其他實施例之特徵且未具體描述之實施例可包含本文所述之不同特徵。
200‧‧‧系統
201‧‧‧金屬空氣電池組
300‧‧‧系統
310‧‧‧控制器
320‧‧‧電源
321‧‧‧電源
325‧‧‧電流調節及切換單元
326‧‧‧電流調節器
327‧‧‧切換組件
330‧‧‧負載

Claims (29)

  1. 一種控制一金屬空氣電池組之操作之方法，該方法包括：控制從該電池組汲取之一電流；及控制該電池組之一溫度。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括使該電池組根據一曲線圖操作，該曲線圖定義下列項目之至少一者：一能量利用比、功率、一電解質利用率值及一腐蝕速率。
  3. 如請求項2之方法，其中藉由一控制器自動選擇該曲線圖。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括重複設定從該電池組汲取之該電流及該電池組之該溫度直至達成一所要能量利用比。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包括判定包含在該電池組中之一電解質之一老化及基於該電解質之該老化控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之電壓。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包括控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，使得維持一電化學反應中消耗之一金屬量與該電池組中之一金屬總量之間之一預定義比率。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包括控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，使得維持包含在該電池組中之金屬之一預定義腐蝕速率。
  8. 如請求項1之方法，其進一步包括控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，以使每體積單位包含在該電池組中 之電解質從該電池組汲取之一能量數量最大化。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包括控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓以使金屬溶解在包含在該電池組中之電解質之一速率最小化。
  10. 如請求項1之方法，其中該電池組包括由鋁、鋅及鐵之一者製成之金屬陽極。
  11. 如請求項1之方法，其中控制該電池組之一溫度包含控制包含在該電池組中之電解質之一循環。
  12. 如請求項1之方法，其包括：在活化該電池組之前，判定包含在該電池組中之一電解質之一老化；及根據一曲線圖設定該電解質之該溫度。
  13. 一種系統，其包括：一金屬空氣電池組；及一控制器，該控制器經組態以：控制從該電池組汲取之一電流，及控制該電池組之一溫度。
  14. 如請求項13之系統，其包括一可充電裝置，該系統經組態以：從該金屬空氣電池組汲取一預定義功率，該預定義功率根據一平均功率需求定義；及在該電動汽車所需之功率大於該預定義功率時從該可充電裝置汲取功率。
  15. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以使該電池組根據一曲線圖操作，該曲線圖定義下列項目之至少一者：一能量利用比、功率、一電解質利用率值及一腐蝕速率。
  16. 如請求項13之系統，其中藉由一控制器自動選擇該曲線圖。
  17. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以重複設定從該電池組汲取之該電流及該電池組之該溫度直至達成一所要能量利用比。
  18. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以判定包含在該電池組中之一電解質之一老化並基於該電解質之該老化控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之電壓。
  19. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，使得維持一電化學反應中消耗之一金屬量與該電池組中之一金屬總量之間之一預定義比率。
  20. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，使得維持包含在該電池組中之金屬之一預定義腐蝕速率。
  21. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，以使每體積單位包含在該電池組中之電解質從該電池組汲取之一能量數量最大化。
  22. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以控制下列項目之至少一者：該電池組提供之一電流、該電池組之一溫度、該電解質之一溫度及該電池組提供之一電壓，以使金屬溶解在包含在該電池組中之電解質中之一速率最小化。
  23. 如請求項13之系統，其中該電池組包括由鋁、鋅及鐵之一者製 成之金屬陽極。
  24. 如請求項13之系統，其中控制該電池組之一溫度包含控制包含在該電池組中之電解質之一循環。
  25. 如請求項13之系統，其中該控制器經組態以：在活化該電池組之前判定包含在該電池組中之一電解質之一老化；及根據一曲線圖設定該電解質之該溫度。
  26. 一種電動運輸工具，其包括：一金屬空氣電池組；可充電裝置；及一控制器，該控制器經組態以根據一曲線圖設定供應至該電動運輸工具之該功率，該曲線圖定義下列項目之至少一者：一能量利用比、一功率比、一電解質利用率值及一腐蝕速率。
  27. 如請求項26之電動運輸工具，其中該電動運輸工具經組態以：消耗來自該金屬空氣電池組之一預組態功率；及在該電動運輸工具所需之功率大於該預組態功率時消耗來自該可充電裝置之功率。
  28. 如請求項26之電動運輸工具，其中當該電動運輸工具所需之功率小於一預組態功率時，該電動運輸工具經組態以使用由該金屬空氣電池組提供之功率以給該可充電裝置充電。
  29. 如請求項26之電動運輸工具，其中該可充電裝置之容量經設計以供應該電動運輸工具之一平均日能量消耗且其中該金屬空氣電池組經設計以供應超過該平均日能量之能量。
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