專利名稱：蓄電池及氫燃料電池充電調節(jié)器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般性而言涉及一種用于控制蓄電池或氫燃料電池的溫度的調節(jié)器、以及用該調節(jié)器控制蓄電池或氫燃料電池的溫度的方法。
背景技術：
包括但不局限于蓄電池和氫燃料電池的儲能裝置包括在充電期間和/或在使用期間可能過熱的一個或多個電池單元。無論在充電期間還是在使用期間，使儲能裝置的一個或多個電池單元過熱都可能損壞電池單元、可能降低儲能裝置的性能、和/或縮短儲能裝置的預期壽命。

發(fā)明內容
公開了一種用于控制儲能裝置的充電過程的調節(jié)器組件。調節(jié)器組件包括構造成用于控制到儲能裝置的充電流的電源總線。調節(jié)器組件還包括接觸件。接觸件可在連接位置與斷開位置之間運動。當處于連接位置中時，接觸件聯接至電源總線，以允許到儲能裝置的充電流。當處于斷開位置中時，接觸件與電源總線分離，以阻止到儲能裝置的充電流。調節(jié)器組件還包括偏置裝置。偏置裝置聯接至接觸件，并構造成將接觸件偏置到連接位置中。 調節(jié)器組件還包括致動器。致動器聯接至接觸件，并構造成用于使接觸件從連接位置和斷開位置中的一個位置運動到連接位置和斷開位置中的另一位置中。當來自儲能裝置的反饋信號等于或大于預定值時，致動器使接觸件運動。在本發(fā)明的另一方面中，公開了一種儲能裝置。儲能裝置包括限定電池單元的殼體。儲能裝置還包括調節(jié)器組件，其聯接至殼體，并構造成用于控制電池單元的充電過程。 調節(jié)器組件包括電源總線。電源總線構造成用于控制到電池單元的充電流。調節(jié)器組件還包括可在連接位置與斷開位置之間運動的接觸件。當處于連接位置中時，接觸件聯接至電源總線，以允許到電池單元的充電流。當處于斷開位置中時，接觸件與電源總線分離，以防止到電池單元的充電流。調節(jié)器組件還包括聯接至接觸件的偏置裝置。偏置裝置構造成用于將接觸件偏置到連接位置中。調節(jié)器組件還包括聯接至接觸件的致動器。致動器構造成用于使接觸件從連接位置運動到斷開位置中。當來自電池單元的反饋信號等于或大于預定值時，致動器使接觸件運動。致動器構造成當來自電池單元的反饋信號小于預定值時，允許偏置裝置使接觸件從斷開位置運動到連接位置中。在本發(fā)明的另一方面中，公開了一種控制儲能裝置的充電過程的方法。該儲能裝置包括調節(jié)器組件，調節(jié)器組件具有電源總線、用于接合電源總線的接觸件、和構造成用于使接觸件運動到與電源總線接合以及與電源總線脫開接合的活性材料致動器。該方法包括用活性材料致動器感測來自儲能裝置的反饋信號；以及響應于來自儲能裝置的、上升至等于或大于預定值的水平的感測的反饋信號來接合活性材料致動器，以使接觸件從連接位置運動到斷開位置。該連接位置允許進入到儲能裝置中的充電流。該斷開位置則阻止進入到儲能裝置中的充電流。
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因此，活性材料致動器感測來自儲能裝置的電池單元的反饋信號，諸如電池單元和/或儲能裝置的溫度。響應于儲能裝置的電池單元的溫度在充電、放電或使用期間的升高，當例如活性材料致動器的溫度之類的反饋信號上升至預定值或高于預定值時，活性材料致動器使接觸件從連接位置運動到斷開位置中。使接觸件運動到斷開位置中阻止了例如電流之類的充電流流向電池單元和/或儲能裝置或從電池單元和/或儲能裝置流出，從而防止電池單元的溫度進一步升高?；钚圆牧现聞悠鞯霓D變的滯后行為允許在致動器使接觸件運動回到連接位置中以恢復充電流之前，電池單元和/或儲能裝置的溫度冷卻至低于預定觸發(fā)水平的值，從而保護了電池單元和儲能裝置免受損害。本發(fā)明還包括以下方案
方案1. 一種用于控制儲能裝置的充電過程的調節(jié)器組件，所述調節(jié)器組件包括 電源總線，所述電源總線構造成用于控制到所述儲能裝置的充電流； 接觸件，所述接觸件能夠在連接位置與斷開位置之間運動，其中所述接觸件當處于所述連接位置中時聯接至所述電源總線，以允許到所述儲能裝置的充電流，并且所述接觸件當處于所述斷開位置中時與所述電源總線分離，以防止到所述儲能裝置的充電流；
偏置裝置，所述偏置裝置聯接至所述接觸件，并構造成將所述接觸件偏置到所述連接位置與所述斷開位置中的一個位置中；以及
致動器，所述致動器聯接至所述接觸件，并構造成用于當來自所述儲能裝置的反饋信號等于或大于預定值時，使所述接觸件從所述連接位置與所述斷開位置中的一個位置運動到所述連接位置與所述斷開位置中的另一位置中。方案2.根據方案1所述的調節(jié)器組件，其中，所述反饋信號包括所述儲能裝置的溫度、所述儲能裝置的PH值水平、和所述儲能裝置的電阻中的一種。方案3.根據方案1所述的調節(jié)器組件，其中，所述致動器包括構造成用于當加熱或冷卻至所述預定值時使所述接觸件運動的活性材料。方案4.根據方案2所述的調節(jié)器組件，其中，所述活性材料包括形狀記憶合金、 熱調節(jié)磁性元件、電活性聚合物、熱致液晶彈性體和形變聚合物中的一種。方案5.根據方案1所述的調節(jié)器組件，還包括使所述致動器與所述接觸件互連的連接器。方案6.根據方案5所述的調節(jié)器組件，其中，所述連接器包括構造成用于當所述接觸件處于所述斷開位置中時接合所述電源總線的替換開關，以便將來自所述電源總線的充電流傳至另一裝置。方案7.根據方案6所述的調節(jié)器組件，其中，所述替換開關包括非傳導的絕緣材料。方案8.根據方案1所述的調節(jié)器組件，還包括基部，所述基部相對于所述接觸件設置，其中所述偏置裝置設置在所述接觸件和所述基部之間。方案9.根據方案8所述的調節(jié)器組件，還包括探針，所述探針附連至所述基部并從所述基部延伸，以便通過設置在所述探針內的所述致動器來感測所述儲能裝置的刺激。方案10. —種儲能裝置，包括 殼體，所述殼體限定電池單元；以及
調節(jié)器組件，所述調節(jié)器組件聯接至所述殼體，并構造成用于控制所述電池單元的充電過程，所述調節(jié)器組件包括
電源總線，所述電源總線用于控制到所述電池單元或來自所述電池單元的充電流； 接觸件，所述接觸件可在連接位置與斷開位置之間運動，其中所述接觸件當處于所述連接位置中時聯接至所述電源總線，以允許到所述電池單元或來自所述電池單元的充電流，并且所述接觸件當處于所述斷開位置中時與所述電源總線分離，以阻止到所述電池單元或來自所述電池單元的充電流；
偏置裝置，所述偏置裝置聯接至所述接觸件，并構造成將所述接觸件偏置到所述連接位置中；以及
致動器，所述致動器聯接至所述接觸件，并構造成用于當來自所述電池單元的反饋信號等于或大于預定值時，使所述接觸件從所述連接位置運動到所述斷開位置中，并構造成用于當來自所述電池單元的反饋信號小于所述預定值時，允許所述偏置裝置將所述接觸件從所述斷開位置運動到所述連接位置中。方案11.根據方案10所述的儲能裝置，其中，所述反饋信號包括所述儲能裝置的溫度、所述儲能裝置的PH值水平和所述儲能裝置的電阻中的一種。方案12.根據方案10所述的儲能裝置，其中，所述致動器包括構造成用于當加熱或冷卻至所述預定值時運動的活性材料，其中所述活性材料包括形狀記憶合金、熱調節(jié)磁性元件、電活性聚合物、熱致液晶彈性體和形變聚合物中的一種。方案13.根據方案12所述的儲能裝置，還包括使所述致動器與所述接觸件互連的連接器。方案14.根據方案13所述的儲能裝置，其中，所述連接器包括替換接觸件，所述替換接觸件構造成用于當所述接觸件處于所述斷開位置中時接合所述電源總線，以便使充電流繞所述電池單元旁路通過，并且將來自所述電源總線的充電流傳至另一裝置。方案15.根據方案12所述的儲能裝置，還包括基部，所述基部相對于所述接觸件設置，其中所述偏置裝置設置在所述接觸件和所述基部之間。方案16. —種利用調節(jié)器組件控制儲能裝置的充電過程的方法，所述調節(jié)器組件具有電源總線、用于接合所述電源總線的接觸件、和構造成用于使所述接觸件運動到與所述電源總線接合以及運動到與所述電源總線脫離接合的活性材料致動器，所述方法包括
用所述活性材料致動器感測來自所述儲能裝置的反饋信號；
響應于所感測的來自所述儲能裝置的上升至等于或大于預定值的水平的反饋信號而接合所述活性材料致動器，以使所述接觸件從允許充電流進入到所述儲能裝置的連接位置運動到阻止所述充電流進入到所述儲能裝置的斷開位置中。方案17.根據方案16所述的方法，其中，所述活性材料致動器包括形狀記憶合金、熱調節(jié)磁性元件、電活性聚合物、熱致液晶彈性體和形變聚合物中的一種，并且接合所述活性材料致動器進一步被限定為響應于所述活性材料的溫度上升到等于或大于所述預定值的水平而使所述活性材料致動器收縮。方案18.根據方案16所述的方法，還包括當所感測的反饋信號上升到預定值的范圍內時、在接合所述活性材料致動器之前先通知車輛控制器。方案19.根據方案18所述的方法，其中，所述活性材料致動器包括兩級活性材料。
方案20.根據方案18所述的方法，其中，所述反饋信號包括所述儲能裝置的溫度、所述儲能裝置的PH值水平和所述儲能裝置的電阻中的一種。當結合附圖考慮時，本發(fā)明以上的特征和優(yōu)點、及其他的特征和優(yōu)點將通過以下對用于實施本發(fā)明的最佳模式的詳細描述而清楚地顯現。


圖1是在其中結合有充電調節(jié)器的儲能裝置的示意性剖視圖。圖2是具有用于對儲能裝置充電的充電調節(jié)器的充電裝置的示意性剖視圖。圖3是處于連接位置中的充電調節(jié)器的替代性實施例的示意性剖視圖。圖4是處于斷開位置中的充電調節(jié)器的替代性實施例的示意性剖視圖。圖5是處于連接位置中的充電調節(jié)器的第二替代性實施例的示意性剖視圖。圖6是處于斷開位置中的充電調節(jié)器的第二替代性實施例的示意性剖視圖。
具體實施例方式參考附圖，其中相同的附圖標記在遍及全部的若干視圖中都指示相同的部件，總體上以20示出儲能裝置。儲能裝置20可包括但不局限于以下各項中的一種儲氫裝置；諸如鋰離子蓄電池、鉛酸蓄電池或能夠儲存電的某種其他裝置之類的儲電裝置；或者能夠儲存一種形式的能量的某種其他裝置。儲能裝置20包括殼體22。殼體22限定至少一個電池單元對。通常，殼體22限定多個電池單元對，其中電池單元M中的每一個均用于儲存電。儲能裝置20可包括適于儲能裝置20的預期使用的任何合適的形狀、尺寸和/或構造。用于蓄電池、尤其是用于鋰離子蓄電池的充電過程是固有吸熱的(即該蓄電池從環(huán)境吸收熱)，然而蓄電池的放電過程則是放熱的(即該蓄電池向環(huán)境排出熱)。然而，在充電期間在系統中的其他地方釋放的到電池單元M中的熱流(例如在接觸件處發(fā)生的焦耳加熱)同樣在充電期間使電池單元M的溫度稍微上升。大部分的鋰離子蓄電池使用一個或多個安全特征，例如通過電阻的增加來響應溫度的上升的正溫度系數材料，所述正溫度系數材料在電池單元M過熱時防止電池單元M放電。—種儲存氫的有前途的方法是采用合金中的氫化物形式。氫儲存合金(例如 LaNi5, FeTi, Mg2Ni等)通過形成氫化物在不危及它們自身的結構的情況下吸收并保持大量的氫。由這樣的合金吸收氫的過程(即充電)伴隨有熱的釋放，而釋放儲存的氫的過程(即放電)伴隨有熱的吸收。因此，用于燃料電池的儲氫單元在充電期間主要釋放熱。如圖1所示，儲能裝置20包括調節(jié)器組件26。調節(jié)器組件沈控制儲能裝置20的充電過程。應意識到的是，充電過程包括對儲能裝置20的充電和儲能裝置20的放電。調節(jié)器組件沈聯接至殼體22和/或與殼體22 —體地形成。調節(jié)器組件沈構造成用于控制電池單元M的溫度。更具體地，調節(jié)器組件沈基于諸如電池單元M的溫度之類的反饋信號來控制到電池單元M或來自電池單元M的充電流。通過控制到電池單元M的充電流， 從而同樣可控制電池單元M的溫度。調節(jié)器組件26可包括多個子組件觀，其中每個子組件觀均構造成用于調節(jié)儲能裝置20的電池單元M中的一個電池單元。例如，如果儲能裝置20包括儲電裝置，則調節(jié)器組件沈控制進入儲能裝置20和從儲能裝置20離開的電流
7的流動。相似地，如果儲能裝置20包括儲氫裝置，則調節(jié)器組件沈控制進入儲能裝置20 的氫流。因此，控制進入儲能裝置20或從儲能裝置20離開的電流流動，或控制進入儲能裝置20的氫流動，從而來控制儲能裝置20的溫度。因此，如果儲能裝置20的電池單元M中的一個電池單元過熱，則調節(jié)器組件沈可中斷進入過熱的電池單元M或從過熱的電池單元M離開的電流流動，或者中斷進入過熱的電池單元M的氫流動，以允許該電池單元M 冷卻，從而防止對電池單元M和儲能裝置20的損害。調節(jié)器組件沈包括電源總線30。電源總線30與殼體22電絕緣。電源總線30構造成用于控制到儲能裝置20和/或來自儲能裝置20的充電流。更具體地，如果儲能裝置 20包括儲電裝置，則電源總線30構造成用于將電流傳導進入儲能裝置20的每個電池單元 24,或從每個電池單元M將電流傳導出來。應意識到的是，調節(jié)器組件沈可包括正總線(示出)和負總線(未示出)。替代性地，如果儲能裝置20包括儲氫裝置，則電源總線30構造成用于傳導(即提供)到儲能裝置20的每個電池單元M的氫流。調節(jié)器組件沈還包括接觸件32。接觸件32可在連接位置與斷開位置之間運動。 當處于連接位置中時，接觸件32電聯接至電源總線30，以允許到儲能裝置20或從儲能裝置 20離開的充電流，例如在電源總線30與接觸件32之間的電流。當處于斷開位置中時，接觸件32與電源總線30分離，以防止到儲能裝置或從儲能裝置離開的充電流。因此，接觸件 32從連接位置進入斷開位置中的運動中斷了電源總線30與接觸件32之間的接觸32，從而防止進入電池單元M或從電池單元24出來的充電流。相似地，接觸件32從斷開位置進入連接位置中的運動則重新建立了電源總線30與接觸件32之間的接觸，從而允許進入電池單元M中或從電池單元M出來的充電流。調節(jié)器組件沈還包括偏置裝置34。偏置裝置34聯接至接觸件32，并構造成用于將接觸件32偏置到連接位置中。如所示，偏置裝置34包括螺旋彈簧。然而，應意識到的是， 偏置裝置34可包括能夠將接觸件32偏置到抵靠著電源總線30的連接位置中的某種其他裝置。偏置裝置34可包括構造成用于將電從接觸件32傳導到電池單元M中的導電材料。 導電材料可包括能夠傳導電流并適于與儲能裝置20的電池單元M設置在一起的任何合適的材料。對于儲氫裝置而言，偏置裝置34可以不直接實施到電池單元M或來自電池單元 24的氫流，而是，偏置裝置34可控制調節(jié)氫流的流量元件，例如止回閥。調節(jié)器組件沈還包括基部(或底部)36?；?6與接觸件32相對設置，其中偏置裝置34設置在接觸件32與基部36之間。基部36阻擋偏置裝置34的運動，并提供止動件，偏置裝置3反作用于該止動件，從而將接觸件32推入連接位置中。調節(jié)器組件沈還包括致動器38。致動器38聯接至接觸件32。更具體地，連接器 40在致動器38與接觸件32之間延伸并使致動器38與接觸件32互連。連接器40包括非傳導的材料，以確保沒有電流從接觸件32進入電池單元M并傳遞至致動器38。接觸件32、偏置裝置34、基部36、致動器38和連接器40可一起制成單元，以限定子組件觀，其中每個子組件28調節(jié)儲能裝置20的電池單元M中的一個電池單元的溫度。致動器38構造成用于當來自儲能裝置20的反饋信號等于或大于預定值時，使接觸件32從連接位置運動到斷開位置中。反饋信號可包括電池單元M和/或儲能裝置20 的溫度、電池單元M和/或儲能裝置20的pH值水平、電池單元M和/或儲能裝置20的電阻、或表示電池單元M和/或儲能裝置20的性能的某一其他信號。因此，致動器38直接將反饋信號轉變成導致接觸件32從連接位置運動到斷開位置的機械功。致動器38還構造成當來自儲能裝置20的反饋信號小于預定值時，允許偏置裝置34使接觸件32從斷開位置運動到連接位置中。因此，如果來自電池單元M的反饋信號上升到預定值之上，則致動器38接合接觸件32并使接觸件32運動到斷開位置中，以防止進入到電池單元M中的電流傳遞，這防止了電池單元M由于過高的溫度導致的可能損害。隨著反饋信號下降到預定水平之下，致動器38脫離，并允許偏置裝置34使接觸件32運動回到與電源總線30的接合中，以恢復進入到電池單元M中的電流傳遞，從而重新建立對電池單元M的操作。致動器38包括活性材料。以下更詳細地描述的活性材料可包括但不局限于形狀記憶合金、熱調節(jié)磁性元件、電活性聚合物、熱致液晶彈性體和形變(shape changing)聚合物。優(yōu)選地，活性材料構造成用于當加熱或冷卻至預定值時使接觸件運動。預定值可設定成任何合適的溫度，以避免對電池單元M和/或儲能裝置20的損害。預定值取決于儲能裝置20和在儲能裝置20中所使用的材料的特定類型。同樣地，可基于預期的預定值和反饋信號來選擇用于致動器38的特定活性材料。如所示，活性材料當太熱或在預定值之上時收縮，并且在偏置裝置34的作用下當冷卻到預定值之下時展開(或膨脹)，即恢復到初始長度。然而，應意識到的是，致動器38、以及致動器38的活性材料可以能夠使接觸件32從連接位置運動到斷開位置中的任何合適的方式構成。參考圖2，其示出了用于對儲能裝置20充電的充電站42。圖2中所示的與參考圖 1所描述的元件相似的元件包括有和圖1中所使用的相同的附圖標記。充電站42包括充電調節(jié)器組件沈。因此，在圖2所示的實施例中，調節(jié)器組件沈不與儲能裝置20 —體地形成。而是，調節(jié)器組件沈構造成在對儲能裝置20充電的同時可釋放地聯接至儲能裝置20，然后一旦儲能裝置20充滿電，就從儲能裝置20移除調節(jié)器組件 26。為了便于調節(jié)器組件沈到儲能裝置20可釋放的聯接，調節(jié)器組件沈的每個子組件28均包括探針44。探針44附連至基部36并從基部36延伸。連接器40的至少一部分和致動器38設置在探針44內。探針44構造成用于插入到儲能裝置20的電池單元M中。 對于熱致動活性材料，探針44感測電池單元M的溫度，并將該溫度傳導至致動器38。更具體地，當電池單元M的溫度上升時，探針44變熱，從而加熱致動器38。一旦將致動器38加熱至預定的溫度值，則致動器38接合接觸件32并使接觸件32運動到如上所述的斷開位置中。當電池單元M冷卻，并因此使探針44冷卻時，致動器38冷卻，以允許偏置裝置34使接觸件32運動回到如上所述的連接位置中。對于pH值或離子濃度致動的活性材料而言， 探針44由允許這些刺激穿過探針44的壁傳導的材料制成。在本發(fā)明的另一方面中，公開了一種控制儲能裝置20的充電過程的方法。如上所述，充電過程可包括儲能裝置20的充電和/或儲能裝置20的放電。儲能裝置20可包括儲能裝置20的單獨的電池單元對、或替代性地可包括儲能裝置20所有的電池單元24。利用上述調節(jié)器組件26控制儲能裝置20的充電過程。該方法包括將活性材料致動器38設置在儲能裝置20內或儲能裝置20附近，以感測來自儲能裝置20的反饋信號。如上所述，活性材料致動器38可與儲能裝置20 —體地形成，或者可以是充電站42的一部分，而在這樣情況下，將活性材料致動器38設置在儲能裝置20內包括將活性材料致動器38插入儲能裝置20的電池單元M中。
該方法還包括感測來自儲能裝置20的反饋信號。如上所述，活性材料致動器38 用于感測來自儲能裝置20的反饋信號，更具體地，感測將活性材料致動器38設置在其內的電池單元M的溫度。當電池單元M和/或儲能裝置20的溫度上升時，活性材料致動器38 的溫度也上升。當電池單元M和/或儲能裝置20的溫度變冷時，活性材料致動器38的溫度也變冷。該方法還包括響應于所感測到的上升到等于或大于預定值水平的反饋信號(例如儲能裝置20的感測溫度)來接合活性材料致動器38。如果儲能裝置包括諸如附圖所示那樣的儲電裝置，則接合活性材料致動器38，以使接觸件32從連接位置運動到斷開位置中， 該連接位置允許電源總線30與接觸件32之間的電流傳遞，而該斷開位置阻止電源總線30 與接觸件32之間的電流傳遞。因此，一旦活性材料致動器38的溫度上升到等于或大于預定溫度值的值，那么致動器38就中斷電源總線30與接觸件32之間的電連接，以防止電流傳遞到電池單元M和/或儲能裝置20中，從而防止電池單元M和/或儲能裝置20的溫度進一步上升并且可能損壞電池單元M和/或儲能裝置20。如上所述，活性材料致動器38可包括但不局限于形狀記憶合金材料。接合活性材料致動器38可包括但不局限于響應于形狀記憶合金材料的溫度上升到等于或大于預定值的水平來使活性材料致動器38收縮。應意識到的是，活性材料致動器38當被加熱到預定的溫度值時，以不同于收縮的方式運動，并且活性材料致動器38可構造成響應于活性材料的不同于收縮的某種其他運動來使接觸件32運動。該方法還包括響應于所感測的來自儲能裝置20的下降到預定值之下的反饋信號 (例如感測溫度)，通過偏置裝置34將接觸件32從斷開位置偏置到連接位置中。因此，一旦活性材料致動器38的溫度像通過形狀記憶合金的滯后曲線所控制那樣地冷卻至低于預定溫度值的值，那么形狀記憶合金就恢復到初始形狀，從而允許偏置裝置34將接觸件32偏置回到連接位置中，以重新建立進入電池單元M和/或儲能裝置20中的充電流。該方法還可包括當感測的反饋信號上升到預定值的范圍內時，在接合活性材料致動器38之前，通知車輛或流量控制器。車輛或流量控制器可包括計算機，計算機具有為控制車輛的各種系統和與車輛的各種系統通信所需的處理器、存儲器、軟件和任何其他部件。調節(jié)器組件26可構造成與車輛或流量控制器通信，以向車輛或流量控制器提供信息。 車輛或流量控制器可構造成控制儲能裝置20。例如，車輛或流量控制器可構造成控制從儲能裝置20汲取或向儲能裝置20供應的充電流(例如電流或氫流)的速率。通過控制充電流的速率，車輛或流量控制器可控制儲能裝置20的溫度。因此，向車輛控制器發(fā)送的信息可指示儲能裝置20即將達到預定值，在該預定值的點處，致動器38起作用以斷開電池單元M 和/或儲能裝置20。同樣地，車輛控制器可在致動器38使接觸件32運動到斷開位置(即中斷充電流)之前操作，以控制儲能裝置20，從而降低儲能裝置20的溫度。例如，到車輛控制器的反饋信號可包括致動器38中的活性材料的電阻。當活性材料的電阻增大到預定值的例如預設百分比之類的范圍內時，車輛控制器可起作用，以減小流向儲能裝置20的電流。替代性地，致動器38的活性材料可包括兩級活性材料，其中活性材料包括兩級。在第一溫度或電阻時觸發(fā)第一級，以使車輛控制器獲悉儲能裝置20正在接近預定值。在與預定值對應的第二溫度或電阻時觸發(fā)第二級。參考圖3和圖4，以50處示出了調節(jié)器組件的替代性實施例。調節(jié)器組件50的替代性實施例尤其適于控制相對于彼此串聯或并聯設置的多個儲能裝置52的溫度。調節(jié)器組件50的替代性實施例包括電源總線。電源總線包括正端子M和負端子56。正端子M 和負端子56構造成用于將電流傳導(即提供)至儲能裝置52的每個電池單元。如果儲能裝置52包括儲氫裝置，則正端子M和負端子56對應于氫的流入和流出導管。調節(jié)器組件50還包括接觸件58。接觸件58可在圖3所示的連接位置與圖4所示的斷開位置之間運動。當處于連接位置中時，接觸件58使充電總線電聯接至電池單元的端子，以使得電流能夠在充電總線與電池單元端子之間流動。當處于斷開位置中時，接觸件 58由將電池單元與電源總線30斷開的替換接觸件66 (以下描述)代替，從而防止電流流入到儲能裝置52中或從儲能裝置52流出。相似地，接觸件58從斷開位置到連接位置中的運動則采用接觸件58來代替替換接觸件(alternate contact) 66，接觸件58在充電總線與電池單元之間重新建立起電流，從而允許電流流入電池單元或從電池單元流出。在儲氫裝置的情況下，接觸件58和替換接觸件66是用于氫的替代性的流動導管。調節(jié)器組件50還包括偏置裝置60。偏置裝置60聯接至承載接觸件58和替換接觸件66的電絕緣的連接器64。偏置裝置60構造成用于將接觸件58偏置到連接位置中。 調節(jié)器組件50還包括活性材料致動器62?；钚圆牧现聞悠?2聯接至連接器64。更具體地，連接器64在活性材料致動器62與偏置裝置60之間延伸并使活性材料致動器62和偏置裝置60互連，其中接觸件58附連到連接器64?；钚圆牧现聞悠?2與電池單元M熱接觸，并構造成用于當儲能裝置52的溫度等于或大于預定值時，使接觸件58從連接位置運動到斷開位置中?；钚圆牧现聞悠?2還構造成當儲能裝置52的溫度小于預定值時，允許偏置裝置60使接觸件58從斷開位置運動到連接位置中。因此，如果電池單元的溫度上升到預定值之上，則活性材料致動器62接合接觸件58并且使接觸件58運動到斷開位置中，以防止進入儲能裝置52和從儲能裝置52離開的電流傳遞，這防止了由過高的溫度所導致的對儲能裝置52的可能損害。當儲能裝置52 冷卻時，活性材料致動器62脫離并允許偏置裝置60使接觸件58運動回到與正端子M和負端子56的接合中，以恢復進入儲能裝置52和從儲能裝置52離開的電流傳遞，從而重新建立儲能裝置52的操作。如上所述，如果通過替代性的刺激(即除了溫度之外的刺激(例如電池單元對的PH值水平或離子濃度))來激活活性材料，則提供合適的輸送器，以將該刺激傳遞至活性材料。例如，如果致動器62包括響應于特定種類的離子的濃度而收縮的形變聚合物，則形變聚合物元件被放置成與電池單元的包含離子的部分處于緊密物理接觸，其中所述離子是充電/放電過程的一部分。連接器64還包括替換接觸件66。替換接觸件66構造成用于當接觸件58處于斷開位置時接合正總線M和負總線56兩者。由替換接觸件66向充電總線的正端子M與負端子56之間的電流流動提供的電阻可選擇成與電池單元和充電電路的構造一致的值。具體地，如果通過恒壓充電電源對電池單元充電，其中該電池單元與相鄰電池單元處于串聯， 則替換接觸件66選擇成幾乎不或根本不向電流提供電阻，以實際上使過熱的電池單元“短路”。另一方面，如果通過恒壓電源對電池單元充電，其中該電池單元與相鄰電池單元處于并聯，則替換接觸件66選擇成電絕緣，以實際上使過熱的電池單元“開路”。如果未先驗已知電池單元與其相鄰電池單元是電串聯地還是并聯地充電，則由替換接觸件66提供的電阻可選擇成具有電池單元的理想(即在充電期間的新的、未過熱的電池單元)的電阻值?；诔潆婋娐返拇_切構造和過熱電池單元相對于其他電池單元的位置，可建立替換接觸件66 的其他電阻值。因此，在將儲電裝置52與充電總線隔離的同時，替換接觸件66在接觸件58 處于斷開位置中時調整從正端子M到負端子56的電流流動。在用于儲氫裝置相似的脈管中，替換接觸件66可允許完全旁通繞過過特定的電池單元、或封閉特定的電池單元、或者對作為新電池單元的特點的氫流提供調整的阻抗。連接器64包括圍繞并使替換接觸件66絕緣的非導電的絕緣層68。非導電的絕緣層68可包括用于特定應用的、防止接觸件58與替換接觸件66之間的電流傳遞的任何合適的材料。對于儲氫裝置而言，接觸件58和替換接觸件66表示沒有互連的替代性流動導管。參考圖5和圖6，以70示意性地示出充電調節(jié)器的第二替代性實施例。圖5示出了處于連接位置中的充電調節(jié)器70，而圖6示出了處于斷開位置中的充電調節(jié)器70。充電調節(jié)器70結合到儲能裝置的電池單元72中。充電調節(jié)器70包括與下接觸件78相鄰并相對設置的上接觸件76。上接觸件76可構造成用于與充電/放電總線(未示出)電接觸，以便傳送電流到電池單元72和/或將電流從電池單元72傳出。下接觸件78與電解質80電接觸和熱接觸。連接位置允許上接觸件76與下接觸件78之間的電流流動。斷開位置防止上接觸件76與下接觸件78之間的電流流動。在儲氫裝置的情況下，圖5表示電池單元72 (連接至下接觸件78)和電源總線(連接至上接觸件76)的通流(open flow)連接；然而，圖 6表示當流連接關閉時的情形。充電調節(jié)器70還包括至少一個，但優(yōu)選地一對偏置彈簧82。偏置彈簧82間置于上接觸件76與下接觸件78之間，并傾向于將上接觸件76與下接觸件78彼此偏置分開。 充電調節(jié)器70還包括上磁性元件84和下磁性元件86。下磁性元件86包括熱調節(jié)磁性元件。熱調節(jié)磁性元件包括居里點，低于該居里點，則熱調節(jié)磁性元件處于鐵磁狀態(tài)，而高于該居里點，則熱調節(jié)磁性元件處于順磁狀態(tài)。應意識到的是，當熱調節(jié)磁性元件處于鐵磁狀態(tài)時，該熱調節(jié)磁性元件被吸引到另一磁體，而當熱調節(jié)磁性元件處于順磁狀態(tài)時，該熱調節(jié)磁性元件不被吸引到另一磁體。上磁性元件84附連于上接觸件76，而下磁性元件86附連于下接觸件78。當下磁性元件86處于鐵磁狀態(tài)時，上磁性元件84與下磁性元件86在它們之間產生將上接觸件76 和下接觸件78吸到一起的磁力，這種情形在電池單元72的溫度低于下磁性元件86的居里點時發(fā)生。上磁性元件84可包括具有比電池單元72的正常操作狀況高得多的居里點的磁體，以確保上磁性元件84持續(xù)操作在鐵磁狀態(tài)下。然而，下磁性元件86的居里點設定成大致等于電池單元72的過熱溫度。因此，如圖5所示，當電池單元72的溫度低于過熱溫度時， 下磁性元件86保持處于鐵磁狀態(tài)，并且在上磁性元件84與下磁性元件86之間產生的磁力克服了由偏置彈簧82產生的偏置力，以使上接觸件76與下接觸件78運動到連接位置中。 然而，當電池單元72的溫度上升到過熱溫度或升到高于過熱溫度時，下磁性元件86的溫度上升至下磁性元件的居里點或升到高于該居里點，從而使下磁性元件86轉變成順磁狀態(tài)。 一旦下磁性元件86處于順磁狀態(tài)，就減小或消除了上磁性接觸件84與下磁性接觸件86之間的磁力，從而允許偏置彈簧82的偏置力使上接觸件76和下接觸件運動到圖6所示的斷開位置中。當電池單元72的溫度降到過熱溫度之下時，下磁性元件86變換回鐵磁狀態(tài)，從而恢復上磁性元件84與下磁性元件86之間的磁力，這種情形使上接觸件76和下接觸件78 運動回連接位置中。對于儲氫裝置而言，下磁性元件86與上磁性元件84之間的吸引力克服了偏置彈簧82的偏置力，以便只要電池單元72 (并因此下磁性元件86)的溫度低于下磁性元件86的居里點，就保持電池單元72和電源總線之間的流動通道暢通。當電池單元72 的溫度升到高于其居里點時，下磁性元件86變成順磁的，并且偏置彈簧82的偏置力將下接觸件78從上接觸件76推開，從而關閉電池單元72與電源總線之間的流動通道。優(yōu)選地，活性材料致動器62的活性材料包括形狀記憶合金。然而，活性材料可包括某種其他活性材料。合適的活性材料包括但不局限于形狀記憶合金(SMA)、電活性聚合物、形變聚合物、熱調節(jié)磁性元件。合適的形狀記憶合金取決于合金成分和加工過程可具有單向形狀記憶效應、本征 (intrinsic)雙向效應、或非本征(extrinsic)雙向形狀記憶效應。在形狀記憶合金中出現的兩個相常常被稱為馬氏體相和奧氏體相。馬氏體相是形狀記憶合金的相對軟并且容易變形的相，其一般存在于較低的溫度。形狀記憶合金的更堅固的相，奧氏體相，出現在較高的溫度。由具有單向形狀記憶效應的形狀記憶合金成分形成的形狀記憶材料不會自動重整， 并且取決于形狀記憶材料的設計，可能需要外部機械力，以重整先前具有的形狀取向。由具有本征形狀記憶效應的形狀記憶材料由本身將自動地重整的形狀記憶合金成分制成。能夠通過合金成分中稍微的變化和通過熱處理來調整形狀記憶合金在受熱時記得其高溫形態(tài)時所處的溫度。例如，在鎳鈦形狀記憶合金中，所述溫度能從大約100°c之上變化至大約-100°c之下。形狀恢復過程僅在幾度的范圍上發(fā)生，并且取決于期望的應用和合金成分，能將轉變的開始或結束控制在一度或兩度的范圍內。形狀記憶合金的機械特性在跨越它們轉變的溫度范圍上改變很大，通常提供了具有形狀記憶效應以及高阻尼容量的形狀記憶材料。形狀記憶合金的固有的高阻尼容量可用于進一步增強能量吸收特性。合適的形狀記憶合金材料包括但不限于鎳鈦基合金、銦鈦基合金、鎳鋁基合金、 鎳鎵基合金、銅基合金(例如銅鋅合金、銅鋁合金、銅-金、和銅錫合金)、金鎘基合金、銀鎘基合金、銦鎘基合金、錳銅基合金、鐵鉬基合金、鐵鉬基合金、鐵鈀基合金，等等。合金可以是二元的、三元的、或任何高階的，只要合金成分具有形狀記憶效應(例如具有形狀取向、阻尼容量中的改變，等等)即可。例如，在市場上可從Siape Memory Applications, Inc.商業(yè)獲得商標為NITIN0L的鎳鈦基合金。熱致液晶彈性體(LCE)包括向列液晶彈性體，該向列液晶彈性體包括已知為液晶元(mesogens)的剛性桿狀分子結構組分，所述剛性桿狀分子結構組分具有結合到彈性體的側鏈和/或主鏈的取向有序性，導致了側鏈和/或主鏈LCE的形成。單晶(或單域)向列LCE 使全部的液晶元都相對于已知為導向器的公共軸線以(平均起來)固定的偏角取向。熱致 LCE經歷熱驅動相變。熱致單晶主鏈LCE的長、細、窄的樣品在低于已知為T_n，i (向列到各向同性的相變溫度)的特性溫度的溫度時具有沿導向器測量的基線長度。液晶元的向列有序影響了樣品中的聚合物鏈的構象、并因此影響該聚合物鏈的基線長度。將樣品加熱至高于T_n，i的溫度將產生向列相到各向同性相的相變。在各向同性相中，液晶元使它們的介質中的全部或大部分都失去長程有序，因此包括了具有隨機分布取向的液晶元。有序的失去反映在聚合物鏈構象的改變中，所述改變繼而導致樣品宏觀尺寸的改變。通常，各向同性相中樣品的長度小于其基線長度。因此，熱致向列LCE可用作熱驅動(可收縮)致動器。該行為可被看作產生支架的液晶元序，該支架“拉伸”釘到支架上的聚合物鏈。當排序被破壞時，支架(幾乎完全)坍塌，從而使聚合物樣品收縮。在各向同性相中，LCE作用就像諸如橡膠的普通彈性體一樣。電致動聚合物包括響應于電場或機械場而具有壓電、熱電、或電致伸縮特性的聚合物材料。這些材料通常采用順從性電極(compliant electrodes)的使用，所述順從性電極響應于施加的電場或機械應力使聚合物膜能夠沿平面方向展開或收縮。一個示例為具有壓電的聚(偏二氟乙烯-三氟醚-乙烯)共聚物的電致伸縮接枝彈性體。該組合具有產生鐵電電致伸縮分子復合系統的變化量的能力。這些可操作為壓電傳感器乃至電致伸縮致動器。EAP基襯墊的激活優(yōu)選地利用電信號，以提供形狀取向中的改變，該形狀取向中的改變足以提供移位。使施加至EAP的電壓的極性翻轉，能提供可逆的鎖定機構。適于用作電活性聚合物的材料可包括任何基本絕緣的聚合物或橡膠(或它們的組合)，其響應于靜電力變形，或者其變形導致電場內的改變。適于用作預應變聚合物的示例性材料包括硅樹脂彈性體；丙烯酸彈性體；聚氨酯；熱塑性彈性體；包括PVDF、壓敏粘合劑、氟橡膠的共聚物；包括硅樹脂和丙烯酸部分(acrylic moieties)的聚合物，等等。例如， 包括硅樹脂和丙烯酸部分的聚合物可包括包含了硅樹脂和丙烯酸部分的共聚物；包含硅樹脂彈性體和丙烯酸彈性體的聚合物混合物。用作電活性聚合物的材料可基于如下所述的一種或多種材料特性選擇高的電擊穿強度、低的彈性模量(用于大的或小的變形)、高的介電常數，等等。在一個實施例中，聚合物選擇成使得其具有至多大約100 MPa的彈性模量。在另一實施例中，聚合物選擇成使得其具有在大約0. 05 MPa與大約10 MPa之間、優(yōu)選地在大約0. 3 MPa與大約3 MPa之間的最大致動壓力。在另一實施例中，聚合物選擇成使得其具有在大約2與大約20之間、且優(yōu)選地在大約2. 5與大約12之間的介電常數。本發(fā)明不意在被局限于這些范圍。理想地，如果材料具有高的介電常數和高的介電強度，則具有比以上給定范圍高的介電常數的材料是令人期望的。在許多情況下，可將電活性聚合物制作并實現為薄膜。適于這些薄膜的厚度可低于50微米。因為電活性聚合物在高應變時可能偏轉，所以附連于聚合物的電極也應在不損害機械或電氣性能的情況下偏轉。通常，適于使用的電極可以為任何形狀和材料，只要它們能夠向電活性聚合物提供合適的電壓或從電活性聚合物接收合適的電壓即可。電壓可是恒定的，或者可以隨時間改變。在一個實施例中，電極粘附于聚合物的表面。粘附于聚合物的電極優(yōu)選地順從并順應聚合物改變的形狀。對應地，本發(fā)明可包括順從性電極，其順應它們所附連至的電活性聚合物的形狀。電極可僅應用于電活性聚合物的一部分，并根據它們的幾何形狀限定有效面積。適于與本發(fā)明一起使用的各種電極包括包含金屬跡線和電荷分布層的結構化電極、包含在平面維度外的變化的織構電極、諸如碳油脂或銀油脂之類的導電潤滑脂、膠狀懸浮體、諸如碳纖維和碳納米管之類的高縱橫比導電材料、以及離子導電材料。合適的磁性材料包括但不意在局限于軟磁體或硬磁體；赤鐵礦；磁鐵礦；基于鐵、鎳、和鈷、上述合金、包含上述至少一種的組合的磁性材料，等等。鐵、鎳和/或鈷的合金可包含鋁、硅、鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鎢、錳和/或銅。合適的熱調節(jié)磁性元件包括關于鐵磁材料的居里點，該居里點是這樣的溫度，即 當高于該溫度時，材料變成順磁的。只要材料低于其居里點，則該材料的樣品被吸引到磁體。如果該材料的溫度上升到居里點之上，則該材料變成順磁的，并且不再被吸引到磁體。
14當該材料冷卻到其居里點之下時，該材料將恢復到其鐵磁狀態(tài)，并且再次被吸引到磁體。該 “熱調節(jié)”行為可用于設計蓄電池接觸件和流動通道，所述蓄電池接觸件和流動通道響應于電池單元溫度中的升高通過采取行動以抵消溫升的。在選擇熱調節(jié)鐵磁材料中有兩件事情是重要的。第一，居里點應與蓄電池應用所需的臨界溫度一致，或者材料的居里點應可通過改變其成分而調整。第二，材料應響應于僅在電池單元內產生的熱(即應沒有諸如渦流加熱之類的其他寄生加熱機構)。已知可通過鋅置換來調整鐵磁類材料(鎳鋅鐵氧體[Ni (1_x)ZnxFe204])的居里點(以鎳為代價來提高鋅含量 (即上述通用公式中的χ)來降低居里點)。這些材料還表現出自我熱調節(jié)，具有使渦流加熱最小的高電阻率并在環(huán)境中穩(wěn)定。這使它們成為本發(fā)明可能的候選。盡管已詳細描述了用于實施本發(fā)明的最佳模式，但熟悉本發(fā)明所涉及的領域的技術人員應認識到在所附權利要求的范圍內用于實踐本發(fā)明的各種替代性的設計和實施例。
權利要求
1.一種用于控制儲能裝置的充電過程的調節(jié)器組件，所述調節(jié)器組件包括電源總線，所述電源總線構造成用于控制到所述儲能裝置的充電流；接觸件，所述接觸件能夠在連接位置與斷開位置之間運動，其中所述接觸件當處于所述連接位置中時聯接至所述電源總線，以允許到所述儲能裝置的充電流，并且所述接觸件當處于所述斷開位置中時與所述電源總線分離，以防止到所述儲能裝置的充電流；偏置裝置，所述偏置裝置聯接至所述接觸件，并構造成將所述接觸件偏置到所述連接位置與所述斷開位置中的一個位置中；以及致動器，所述致動器聯接至所述接觸件，并構造成用于當來自所述儲能裝置的反饋信號等于或大于預定值時，使所述接觸件從所述連接位置與所述斷開位置中的一個位置運動到所述連接位置與所述斷開位置中的另一位置中。
2.根據權利要求1所述的調節(jié)器組件，其中，所述反饋信號包括所述儲能裝置的溫度、 所述儲能裝置的PH值水平、和所述儲能裝置的電阻中的一種。
3.根據權利要求1所述的調節(jié)器組件，其中，所述致動器包括構造成用于當加熱或冷卻至所述預定值時使所述接觸件運動的活性材料。
4.根據權利要求2所述的調節(jié)器組件，其中，所述活性材料包括形狀記憶合金、熱調節(jié)磁性元件、電活性聚合物、熱致液晶彈性體和形變聚合物中的一種。
5.根據權利要求1所述的調節(jié)器組件，還包括使所述致動器與所述接觸件互連的連接器。
6.根據權利要求5所述的調節(jié)器組件，其中，所述連接器包括構造成用于當所述接觸件處于所述斷開位置中時接合所述電源總線的替換開關，以便將來自所述電源總線的充電流傳至另一裝置。
7.根據權利要求6所述的調節(jié)器組件，其中，所述替換開關包括非傳導的絕緣材料。
8.根據權利要求1所述的調節(jié)器組件，還包括基部，所述基部相對于所述接觸件設置， 其中所述偏置裝置設置在所述接觸件和所述基部之間。
9.一種儲能裝置，包括殼體，所述殼體限定電池單元；以及調節(jié)器組件，所述調節(jié)器組件聯接至所述殼體，并構造成用于控制所述電池單元的充電過程，所述調節(jié)器組件包括電源總線，所述電源總線用于控制到所述電池單元或來自所述電池單元的充電流；接觸件，所述接觸件可在連接位置與斷開位置之間運動，其中所述接觸件當處于所述連接位置中時聯接至所述電源總線，以允許到所述電池單元或來自所述電池單元的充電流，并且所述接觸件當處于所述斷開位置中時與所述電源總線分離，以阻止到所述電池單元或來自所述電池單元的充電流；偏置裝置，所述偏置裝置聯接至所述接觸件，并構造成將所述接觸件偏置到所述連接位置中；以及致動器，所述致動器聯接至所述接觸件，并構造成用于當來自所述電池單元的反饋信號等于或大于預定值時，使所述接觸件從所述連接位置運動到所述斷開位置中，并構造成用于當來自所述電池單元的反饋信號小于所述預定值時，允許所述偏置裝置將所述接觸件從所述斷開位置運動到所述連接位置中。
10. 一種利用調節(jié)器組件控制儲能裝置的充電過程的方法，所述調節(jié)器組件具有電源總線、用于接合所述電源總線的接觸件、和構造成用于使所述接觸件運動到與所述電源總線接合以及運動到與所述電源總線脫離接合的活性材料致動器，所述方法包括 用所述活性材料致動器感測來自所述儲能裝置的反饋信號；響應于所感測的來自所述儲能裝置的上升至等于或大于預定值的水平的反饋信號而接合所述活性材料致動器，以使所述接觸件從允許充電流進入到所述儲能裝置的連接位置運動到阻止所述充電流進入到所述儲能裝置的斷開位置中。
全文摘要
本發(fā)明涉及蓄電池及氫燃料電池充電調節(jié)器。具體地，提供了一種用于儲能裝置的充電調節(jié)器組件，其包括活性材料致動器，該活性材料致動器構造成使接觸件從允許接觸件與電源總線之間的電流傳遞的連接位置運動到阻止接觸件與電源總線之間的電流傳遞的斷開位置中。活性材料致動器響應于活性材料致動器的溫度上升到預定值之上而被接合。使接觸件運動到斷開位置中防止了進入儲能裝置或從儲能裝置出來的進一步的電流傳遞，從而防止了進一步加熱儲能裝置，并且防止了由于過熱對儲能裝置的可能損害。
文檔編號H02J7/00GK102195311SQ20111003618
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權日2010年2月12日
發(fā)明者D. 曼凱姆 N., L. 約翰遜 N., W. 平托四世 N., W. 亞歷山大 P., W. 約爾根森 S. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司