使用电解质搅拌器对铅酸电池进行脱硫

摘要

一种电池维护系统包括外壳，所述外壳包括多个壁。多个电池单元位于外壳中并且被电解质包围。诸如压电设备的电解质搅拌器被附接到外壳的壁中的至少一个壁，并且被配置成选择性地搅拌电解质。

说明书

介绍

本部分中提供的信息用于一般地呈现本公开的背景（context）的目的。在本部分中描述它的范围内，当前命名的发明人的工作，以及在提交时可能在其他方面不符合（qualify as）现有技术的描述的方面，既不明确也不隐含地被认为是针对本公开的现有技术。

本公开涉及电池系统，并且更特别地涉及用于搅拌电池外壳中的电解质的系统和方法。

铅酸（PbA）电池已经被用于包括在车辆中供电的多种应用中。电池通常包括被浸入电解质中的多个电池单元。当电池处于放电状态中时，电池的正极板和负极板变成硫酸铅（II）（PbSO

负极板反应为Pb（s）+HSO

正极板反应为PbO

当由于硫酸化（sulfation）而放电太长时间时，电池失去接受电荷的能力。硫酸化包括硫酸铅的结晶。电池的板上的活性材料铅和二氧化铅与电解质中的硫酸反应以形成硫酸铅。硫酸铅最初以细分的无定形状态形成，并且当电池再充电时，容易还原成铅、二氧化铅和硫酸。在多次充电/放电循环后，一些硫酸铅不会重新结合到电解质中，而是慢慢转化为稳定的晶体形式，其在再充电期间不会还原回来。结果，少于全部的铅返回到电池板，并且可用于产生发电的活性材料的量下降。

除了硫酸化，还可能发生分层（stratification）。分层指代从电解质的上部到电解质的下部的电解质的组成中的变化。诸如硫酸的电解质具有比水更高的密度。充电期间在板处形成的电池酸向下流动并聚集在电池外壳的底部处。随着时间的推移，电解质将通过扩散再次达到均匀的组成。然而，部分充电和放电的重复的循环将增加电解质的分层。分层降低电池的容量和性能，因为降低的酸浓度限制板活化。分层也促进了板的上部上的腐蚀和板的下部上的硫酸化。

发明内容

电池维护系统包括外壳，所述外壳包括多个壁。多个电池单元位于外壳中并被电解质包围。附接到外壳的壁中的至少一个壁的电解质搅拌器被配置成选择性地搅拌电解质。

在其他特征中，多个电池单元包括铅酸电池单元，并且电解质包括硫酸。电解质搅拌器位于外壳的多个壁中的至少一个壁的外表面上。电解质搅拌器位于外壳的多个壁中的至少一个壁的内表面上，并与电解质直接接触。电解质搅拌器包括压电设备。电解质搅拌器包括压电悬臂。

在其他特征中，电解质搅拌器位于外壳的多个壁中的至少一个壁的外表面上。能量分散材料位于电解质搅拌器和电解质之间。

在其他特征中，反馈设备被附接到外壳。控制器被配置成响应于来自反馈设备的反馈来控制电解质搅拌器。电解质搅拌器包括第一压电设备，并且反馈设备包括第二压电设备。

在其他特征中，电解质搅拌器被布置在位于多个电池单元的相邻电池单元之间的多个壁中的至少一个壁中。反激（flyback）电路选择性地向电解质搅拌器供电。

车辆电池系统包括电池维护系统。控制器被配置成确定车辆何时已经未操作达预定时段，并被配置成使电解质搅拌器在预定时段之后搅拌电解质。

在其他特征中，控制器被进一步配置成在车辆未正在操作时使电压脉冲被施加到电池。控制器被配置成如果电池充电的状态小于预定充电的状态则防止电解质搅拌器在预定时段之后搅拌电解质。控制器被配置成在启动车辆之前的预定时段内使电解质搅拌器搅拌电解质。

一种车辆电池系统，包括：外壳，其包括多个壁；以及多个电池单元，其位于外壳中并被电解质包围。附接到外壳的壁中的至少一个壁的电解质搅拌器被配置成选择性地搅拌电解质。驱动电路被配置成选择性地驱动电解质搅拌器。控制器被配置成确定车辆何时已经未操作达预定时段，并且被配置成在预定时段之后选择性地使驱动电路驱动电解质搅拌器。

在其他特征中，控制器被配置成如果电池充电的状态小于预定充电的状态则防止电解质搅拌器在预定的时段之后搅拌电解质。控制器被配置成在启动车辆之前的预定时段内使电解质搅拌器搅拌电解质。

一种电池维护系统，包括：外壳，其包括多个壁；以及多个电池单元，其位于外壳中并被电解质包围。附接到外壳的壁中的至少一个壁的压电设备被配置成选择性地搅拌电解质。反激电路被配置成选择性地驱动压电设备。控制器被配置成选择性地使反激电路向压电设备输出功率。

在其他特征中，多个电池单元包括铅酸电池单元。电解质包括硫酸。压电设备包括压电悬臂。

根据详细描述、权利要求和附图，本公开的另外的应用的领域将变得显而易见。详细描述和具体示例仅旨在说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

根据详细描述和附图，将变得更加全面地理解本公开，其中：

图1是图示包括多个电池单元的电池的平面图；

图2和图3分别图示了串联和并联的电池单元的连接；

图4A是根据本公开的包括附接到电池外壳壁的电解质搅拌器的电池的示例的功能框图；

图4B是根据本公开的用于搅拌电解质的方法的示例的流程图；

图5A是根据本公开的包括附接到电池外壳壁的外表面的多个电解质搅拌器的电池的示例的功能框图；

图5B是根据本公开的包括附接到电池外壳壁的外表面的电解质搅拌器和反馈设备的电池的示例的功能框图；

图6A是根据本公开的包括附接到电池外壳壁的外表面（跨越两个或更多个相邻电池单元）的电解质搅拌器的电池的示例的功能框图；

图6B是根据本公开的包括暴露于电解质并跨越两个或更多个相邻电池单元的电解质搅拌器的电池的示例的功能框图；

图7是根据本公开的包括布置在电池单元的电池外壳壁的内表面上的电解质搅拌器的电池的示例的功能框图；

图8是根据本公开的包括布置在两个相邻电池单元之间的电池单元的电池外壳壁中的电解质搅拌器的电池的示例的功能框图；

图9是根据本公开的布置了电解质搅拌器和电池的能量分散设备的示例的功能框图；

图10是根据本公开的驱动电路的示例的电气示意图；以及

图11是图示根据本公开的针对图10的驱动电路的电压和电流波形的示例的图。

在附图中，参考标号可以被重复使用以标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

虽然在用于车辆的电池系统的背景下说明本文中所描述的系统和方法，但是本文中所描述的系统和方法可以被用于许多其他车辆和/或非车辆应用中。例如，本文中描述的系统和方法可以被用于待机电源应用以及诸如此类中的电池系统。

通过创造增加硫酸盐在电解质溶液中的溶解度的条件，可以加速电池的脱硫。例如，可以通过跨电池的端子施加高电压来加速脱硫。仅依赖于电压脉冲（pulsing）的系统通常花费太长时间以致于在典型的驱动周期持续时间期间是无用的。电压脉冲系统还可能使用与其他车辆电气系统不兼容的电压和频率。电压脉冲系统还加速其他降级（degradation）机制，诸如析气（gassing）和腐蚀，这限制了它们的使用。

也可以通过提高电池的温度来加速脱硫。如上面所描述的，当车辆被停放达长持续时间时，发生电池的硫酸化。然而，通过加热电池来脱硫需要大量的功率，这将进一步消耗电池，除非辅助电源是可用的。另外，仅依赖于电池加热的系统是低效率的。

也可以通过混合或增加电解质的循环来执行脱硫。可以执行周期性的过充电，以在电池板处产生气态反应产物，并引起对流（convection currents），该对流混合电解质以减少分层。电解质的机械搅拌提供了类似的效果。当车辆加速、刹车和转弯时，移动的车辆中的电池还经受电池中的晃动和飞溅。然而，当车辆被停放达较长时段时，硫酸化最容易发生。

根据本公开的系统和方法使用电解质搅拌器产生电解质的针对性的（targeted）搅拌，以使电池脱硫并去除分层。在一些示例中，电解质搅拌器产生低频声波，以使新鲜电解质在电池板上循环，以去除硫酸盐生长。根据本公开的系统和方法可以在车辆正在操作时或在车辆被停放时执行。

在一些示例中，电解质的针对性的机械搅拌与对电池的高压脉冲和/或电池的加热相结合。根据本公开的系统和方法快速且有效地使电池脱硫并减少分层，而不会不利地影响燃料经济性或使电池寿命降级。

在一些示例中，本文中所描述的系统和方法在车辆已经被停放达预定时段后自动执行电解质搅拌。此后可以周期性地重复电解质搅拌，直到车辆被操作（或基于事件）。在一些示例中，当车辆在延长的持续时间内保持停放并且电池充电的状态（SOC）下降到低于预定的SOC时，电解质搅拌暂停（以防止电池放电过低）。

如果在启动事件之前的预定时段1内对电池执行，则电解质搅拌可以提高电池的冷起动电流（cold cranking amps）（CCA）。虽然前述描述涉及铅酸电池技术，但是该系统和方法还提高了未来碳增强铅酸技术的价值，由于易于硫酸化的高表面积板，该技术提供了显著更高的电荷接受性。该系统和方法也可以被用于锂（Li）离子、锂金属和/或锌基电池（诸如镍（Ni）、银（Ag）等）来减少树枝状（dendritic）生长。

现在参考图1，电池单元10包括具有壁13和盖（未示出）的外壳12。在一些示例中，外壳的壁13由聚碳酸酯或另一种合适的非导电材料制成。电池单元10进一步包括被连接在一起并布置在第二多个板16-1、16-2、…、和16-N（统称为第二多个板16）之间的第一多个板14-1、14-2、…、和14-N（统称为第一多个板14）（其中N是大于零的整数）。第一和第二多个板14和16被浸入电解质溶液20中。第一多个板14被连接到第一端子28，并且第二多个板16被连接到第二端子26。虽然示出了板和电池端子的特定布置，但是可以使用其他布置。

现在参考图2和3，电池40通常包括被连接在一起的多个电池单元10-1、10-2、…、和10-C（统称为电池单元10）（其中C是大于一的整数）。例如，12V汽车电池通常包括串联连接的6个电池单元，并且具有大约800瓦时（W-hr）的存储量（大约300-400可用W-hr）。电池单元10可以通过连接器42被并联（如图2中所示）、串联（如图3中所示）或其组合连接到主电池端子44和46。

现在参考图4A，根据本公开的脱硫系统110包括电池100和附接到外壳12的壁13中的一个或多个的电解质搅拌器112。在一些示例中，电解质搅拌器112被附接到壁13的外表面，并通过壁13在电解质中产生波。在一些示例中，电解质搅拌器112包括压电设备，诸如压电悬臂。在其他示例中，电解质搅拌器112包括在电解质中产生波的电磁设备、磁致伸缩设备和/或电动机。在一些示例中，电动机包括偏心轴以引起振动。

控制器116被连接到驱动器电路118。当车辆行驶或停放时，控制器116选择性地致动驱动器电路118，以使电解质搅拌器112以预定频率振动或共振。例如，在没有车辆的操作的情况下，控制器116在预定时段过去后选择性地致动电解质搅拌器112。在一些示例中，控制器116此后周期性地重复该过程。

在一些示例中，电源120包括为脱硫系统110供电的电池100。在其他示例中，分离的电源120，诸如与公用设施连接的另一个电池或插头，可以被用于为控制器116和驱动器电路118供电。替代地，可以在车辆正在行驶时使用电池执行加热。在一些示例中，控制器116由现有的车辆控制器实现。在一些示例中，组合控制器116和驱动器118。

现在参考图4B，示出了用于搅拌铅酸电池中的电解质以使电池脱硫的方法的示例。在122处，该方法确定车辆是否从打开转换到关闭。如果122为假，则该方法返回到122。如果122为真，则该方法在124处重置并启动第一和第二定时器。在126处，该方法确定车辆是否处于关闭状态中。在127处，该方法确定电池SOC是否大于SOC阈值（SOC

如果128为真，则该方法在130处驱动跨电池的端子的电压（大于电池电压）以可选地执行电压脉冲。在132处，该方法重置第一定时器。在134处，该方法确定第二定时器是否大于或等于第二预定时段。如果134为否，则方法返回到126。如果134为真，则该方法在136处驱动电解质搅拌器，并在138处重置第二定时器。

在一些示例中，不执行电压脉冲，并且以周期性间隔执行加热。在又一些其他示例中，除了电解质搅拌之外，还执行电压脉冲和加热。在其他示例中，电压脉冲和/或加热与电解质搅拌同时执行，并且因此简化了该方法。

现在参考图5A，脱硫系统140包括附接到外壳12的壁13的电解质搅拌器112和一个或多个附加的电解质搅拌器144。在一些示例中，电解质搅拌器112和144被附接到壁13的外表面，但是也考虑其他位置。在该示例中，驱动器118与控制器116组合。

现在参考图5B，脱硫系统150包括附接到外壳12的壁13的电解质搅拌器112中的一个或多个和一个或多个反馈检测器152。在一些示例中，（一个或多个）电解质搅拌器112被附接到壁13的外表面，但是也考虑其他位置。在一些示例中，一个或多个反馈检测器152包括被用于产生反馈信号的压电设备。控制器116接收来自一个或多个反馈检测器152的反馈信号，并基于此调节一个或多个电解质搅拌器112的操作。在一些示例中，控制器116调节驱动信号频率、定时和/或振幅，以变更一个或多个电解质搅拌器112的振动特性或共振频率。

如可以理解的那样，电解质搅拌器可以被布置在电池的其他位置中。现在参考图6A和6B，电解质搅拌器被示出为分别附接到相邻电池单元160-1和160-2的外壁，其在跨越相邻电池单元160-1和160-2的位置中。在图6A中，电解质搅拌器158被附接到外壳12的外部的壁13。在图6B中，电解质搅拌器210被完全或部分地附接到外壳12的内部的壁13。在一些示例中，电解质搅拌器210的外壳的至少一部分与电解质直接接触。

现在参考图7-9，示出了针对电解质搅拌器的布置位置的又一些其他示例。在图7中，电解质搅拌器250被布置在外壳12的内部的外壳12的壁13的内表面上。在一些示例中，电解质搅拌器250的外壳的至少一部分与电解质直接接触。

在图8中，电解质搅拌器280被嵌入在将相邻电池单元270-1和270-2分离的壁281中。在一些示例中，电解质搅拌器280通过绝缘导体282（通过壁281中的通道284）被连接到控制器116和/或驱动电路118。

在图9中，一个或多个电解质搅拌器320被布置在外壳12的壁13上。能量分散设备322被布置在壁13中或壁13上，以吸收来自一个或多个电解质搅拌器320的振动能量，并在壁13和/或电解质中均匀分散振动能量。

现在参考图10和11，驱动器电路400可以由反激电路实现，以提供高于电池电压的电压。例如，反激电路可以被用于从12V电池系统供应14V至16V（或更高）。驱动器电路400包括电源410，诸如电池。驱动电路400进一步包括电感器L和开关SW。二极管D的阳极被连接在电感器L和开关SW之间。二极管D的阴极被连接到电容器C并且分别经由开关SW2和SW3被连接到一个或多个电解质搅拌器414和电池418。加热器422可以被用于加热电池和电解质，并被选择性地连接到辅助电源424，诸如到公用设施或另一电池的电源线。

在车辆的操作期间，当闭合开关SW时，电感器L由电源410充电。在车辆已经被停放达预定时段之后，可以打开开关SW以允许电感器放电到电容器C和/或负载中。开关SW2和/或SW3可以被闭合和/或调节开/关，以向电解质搅拌器414和/或电池418供电。电感器L可以被充电一次或多次，并且可以重复放电过程。在将电解质搅拌达预定时段或循环的次数之后，车辆停止搅拌电解质，并在重复搅拌电解质的过程之前等待另一个预定的时段（没有车辆操作）。在图11中，示出了针对图10的驱动电路的电压和电流波形。

前述描述本质上仅仅是说明性的，并绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以多种形式实现。因此，尽管本公开包括特定的示例，但是本公开的真实范围不应如此限制，因为在研究附图、说明书和下面的权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，方法中的一个或多个步骤可以以不同的次序（或同时）执行，而不变更本公开的原理。此外，尽管实施例中的每个在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可以在其他实施例中的任何实施例中实现和/或与其他实施例中的任何实施例的特征组合，即使该组合没有被明确描述。换句话说，所描述的实施例不是相互排斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍在本公开的范围内。

使用各种术语来描述元件之间（例如，模块、电路元件、半导体层等之间）的空间和功能关系，所述术语包括“连接”、“接合（engage）”、“耦合”、“相邻”、“紧挨着”、“在……的上面”、“在……之上”、“在……下面”和“布置”。除非明确描述为“直接的”，否则当在上述公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是其中在第一和第二元件之间不存在其他中间元件的直接关系，但是也可以是其中在第一和第二元件之间存在（在空间上或功能上）一个或多个中间元件的间接关系。如本文中所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应该被解释为意指使用非排他性逻辑OR的逻辑（A OR B OR C），并且不应该被解释意指“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。

在图中，如由箭头所指示的箭头的方向通常展示对该图示而言感兴趣的信息流（诸如数据或指令）。例如，当元素A和元素B交换多种信息但是从元素A传输到元素B的信息与该图示相关时，箭头可以从元素A指向元素B。该单向箭头并不意味着没有其他信息从元素B被传输到元素A。此外，对于从元素A发送到元素B的信息，元素B可以向元素A发送对信息的请求或接收信息的确认。

在包括以下定义的本申请中，术语“模块”或术语“控制器”可以用术语“电路”来替换。术语“模块”可以指代、是其部分或包括：专用集成电路（ASIC）；数字、模拟或混合模拟/数字离散电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列（FPGA）；执行代码的处理器电路（共享、专用或组）；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路（共享、专用或组）；提供描述的功能的其他合适的硬件组件；或上述内容的一些或全部的组合，诸如在片上系统中。

模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括被连接到局域网（LAN）、互联网、广域网（WAN）或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以被分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可以允许负载平衡。在另外的示例中，服务器（也称为远程或云）模块可以代表客户端模块实现一些功能。

如上面使用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语“共享处理器电路”包括执行来自多个模块的一些或全部代码的单个处理器电路。术语“组处理器电路”包括与附加处理器电路组合执行来自一个或多个模块的一些或全部代码的处理器电路。对多个处理器电路的引用包括分立管芯上的多个处理器电路、单个管芯上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核、单个处理器电路的多个线程或上述内容的组合。术语“共享存储器电路”包括存储来自多个模块的一些或全部代码的单个存储器电路。术语“组存储器电路”包括与附加存储器组合存储来自一个或多个模块的一些或全部代码的存储器电路。

术语“存储器电路”是术语“计算机可读介质”的子集。如本文中使用的术语“计算机可读介质”不包括通过介质（诸如在载波上）传播的暂时性电信号或电磁信号；因此，术语“计算机可读介质”可以被认为是有形的和非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例是非易失性存储器电路（诸如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩模只读存储器电路（mask read-only memory circuit））、易失性存储器电路（诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路）、磁存储介质（诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动器）和光存储介质（诸如CD、DVD或蓝光盘）。

本申请中描述的装置和方法可以部分或完全地由通过配置通用计算机以执行以计算机程序实现的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来实现。上面描述的功能块、流程图组件和其他元素用作软件规范，其可以通过技术人员或程序员的日常工作被转换为计算机程序。

计算机程序包括被存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统（BIOS）、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动、一个或多个操作系统、用户应用、后台服务、后台应用等。

计算机程序可以包括：（i）要解析的描述性文本，诸如HTML（超文本标记语言）、XML（可扩展标记语言）或JSON（JavaScript对象表示法）（ii）汇编代码，（iii）由编译器从源代码生成的目标代码，（iv）用于由解释器执行的源代码，（v）用于由即时（just-in-time）编译器编译和执行的源代码等。仅作为示例，源代码可以使用来自包括以下各项的语言的语法来编写：C、C++、C#、Objective-C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Java®、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、Javascript®、HTML5（超文本标记语言第5版）、Ada、ASP（活动服务器页面）、PHP（PHP：超文本预处理器）、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、Flash®、Visual Basic®、Lua、MATLAB、SIMULINK和Python®。