[发明专利]起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关

说明书

本申请是申请号为201180057159.1的中国发明专利申请(申请日：2011年11月28日；发明名称：起动器锂电池和用于该锂电池的固态开关)的分案申请。

技术领域

本发明涉及起动内燃(IC)发动机的方法和装置。更特别地，本发明为用于起动这种发动机的锂基电池。本发明包括用于大功率电池系统的固态开关装置，用于防止电池，尤其是用于内燃机(ICE)的起动器电池的过度充电、过度放电和短路。

背景技术

当前，内燃机使用包含铅酸的起动器电池带动电机转动，以起动内燃机。铅酸电池笨重，循环寿命短，使用寿命短，并且周转(turnaround)效率低。铅酸电池还具高内阻抗(电阻)，并且在寒冷天气下内阻抗更高，因而难以在寒冷天气中以小的可用电流起动内燃机。为了克服这些变化，铅酸起动器电池配有超大的电池容量，以产生供电动起动器起动内燃机所需的电流。这种超大的铅酸电池增加了重量，所占的空间，以及起动内燃机所需的成本。

为了在当前已知的起动器电池中关闭电源端子，需要昂贵的电子/电气元件来处理起动器电机旋转内燃机所需的高电流载荷。这需要电子保护电路来进行高压切断(过度充电)，低压切断(过度放电)和温度测量。这些电路还会导致可能较大的热损失和电损失，以及需要占用额外的空间。(噪声)尖峰可触发能够终止电池系统工作的错误的电压、温度或电流读数，而实际上电池仍在规定的安全范围内工作。有些保护电路是性能不稳定的，一旦它们被触发之后便难以再次启动。例如，如果出现了欠压状况并且由于继电器的原因电池仍处于欠压状态，则不能向电池提供电流，因为其通路已被切断，因而需要按下另一个按钮以启动所述系统一段较短的时间，以便所述电池充电。同样，在某些情况下，例如在军事应用或竞赛应用中，需要吸取每一滴能量，即使它损坏所述电池。

无论使用哪种可充电电池(二次电池)，电池都无法在低充电状态(SOC)(绝大部分情况为低电池电压状态)下良好地工作。无论何时电池处于低电压电平，电池都会遭受永久地内部损坏或者严重地缩短电池寿命。当电池为锂电池时，电池的过度充电可能会是更加危险的，其可能导致放热反应，这会导致起火。当将固态开关设置成与电池输出电源端子串联时，可电控制该固态电池，以打开或关闭离开或进入所述电池的电流路径。这样可以防止由于电池电压过低或过高导致的电池损坏。这一措施可在任意电压时应用于任意电池类型。一个例子是将固态开关应用于起动车辆的12V车用电池。车辆可具有保持接通的电压泄漏源(voltagedrainsource)，在该情况中，所述固态开关在电池被损坏之前自动地切断从所述电池释放的电流。

也可以使用继电器或接触器，但它们具有如下缺点：

1)继电器或接触器持续地需要电流，以保持接触器打开或闭合。这需要消耗能量。

2)具有闭合的通路的继电器或接触器允许电流在两个方向上流动，但不能被控制为单向流动。

3)继电器和接触器只能接通或断开。在大电流的切换过程中，可能在继电器或接触器内部产生强烈的电弧放电，并且这可能导致继电器或接触器“熔接”断开。一旦继电器或接触器被熔接断开，则在那一时刻无法进行切换操作，这可能导致安全问题，即在需要切换的时候无法进行切换。

4)对于较大的电流应用而言，继电器和接触器体积大并且笨重。

一种更好的方式是使用具有独特构造的固态开关，或者FET，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，或者IGBT(绝缘栅双极型晶体管)型，但并不仅限于这些。这种独特的构造包括将两个带有“源极(Sources)”或“漏极(Drains)”的固态装置，例如MOSFET或IGBT电连接在一起。这些固态装置可以是N型或P型。包括过剩空穴(excesshole)的掺杂半导体被称为“p型”，当它包含过剩的自由电子时，它也就是所谓的“n型”，其中p(空穴为正)或n(电子为负)为多数移动电荷载流子的电荷的符号。这种结构简化了所需的控制电子元件并且还允许通过使用内部二极管使电流在一个方向上流动而不是另一方向。FET(场效应晶体管)是多数电荷载流子，其具有一有源沟道，所述多数电荷载流子、电子或空穴通过有源沟道从源极流向漏极。源极和漏极端导体通过欧姆接触连接到半导体。所述多数电荷载流子通过源极进入构造并通过漏极离开沟道。图15示出了每一端被连接起来的“漏极”，图16示出了每一端被连接起来的“源极”。

固态开关的优点在于：

1)固态开关只需要很少的能量即可启动允许的通路打开或闭合。