具有鋰離子和鉛酸電池單元的雙存儲系統和方法
【專利說明】具有鋰離子和鉛酸電池單元的雙存儲系統和方法
[0001]相關專利申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年8月16日提交的名稱為“用于微混合動力應用的無BMS的雙存儲系統設計”美國臨時專利申請號61/866，786的優先權和利益，所述申請的全部內容為了所有目的以引用的方式并入本文。
[0003]發明背景
[0004]本公開總體涉及電池和電池模塊領域。更具體來說，本公開涉及可以用于車輛背景(例如，xEV)以及其他能量存儲/消耗應用中的電池單元。
[0005]本部分意圖為讀者介紹可能與以下描述和/或要求保護的本公開的各個方面有關的技術的各個方面。相信此論述有助于為讀者提供背景信息以利于本公開的各個方面的更好理解。因此，應理解，這些陳述應從這個角度來閱讀，而非作為現有技術的認可。
[0006]使用為車輛提供所有或一部分原動力的一個或多個電池系統的車輛可以稱為xEV，其中術語“xEV”在本文被定義為包括將電功率用于其所有或一部分車輛原動力的以下所有車輛或者其任何變體或組合。如本領域技術人員將了解，混合電動車輛(HEV)將內燃發動機推進系統和電池供電的電力推進系統組合在一起，所述電池供電的電力推進系統諸如48伏或130伏系統。術語HEV可以包括混合電動車輛的任何變體。例如，全混合動力系統(FHEV)可以使用一個或多個電動機、使用僅一個內燃發動機或者使用二者來將原動力和其他電功率提供到車輛。相比之下，輕度混合動力系統(MHEV)在車輛怠速時禁用內燃發動機并且在需要推進時使用電池系統來繼續為空調單元、無線電或其他電子器件供電以及重新起動發動機。輕度混合動力系統還可以在例如加速期間施加某種水平的動力輔助，以補充內燃發動機。輕度混合動力通常是96V至130V，并且通過皮帶或曲柄集成的起動發電機來恢復制動能量。另外，微混合電動車輛(mHEV)也使用類似于輕度混合動力的“停止-起動”系統，但是mHEV的微混合動力系統可以對內燃發動機供應動力輔助或者可以不那樣，并且在低于60V的電壓下操作。為了本論述的目的，應注意，mHEV通常在技術上不將直接提供到曲軸或變速器的電功率用于車輛的原動力的任何部分，但是mHEV仍可以被認為是xEV，因為當車輛在內燃發動機被禁用的情況下怠速時其使用電功率來補充車輛的功率需要，并且通過集成的起動發電機來恢復制動能量。此外，插電式電動車輛(PEV)是可以從外部電力源(諸如壁式插座)充電的任何車輛，并且存儲在可再充電電池組中的能量驅動或者有助于驅動車輪。PEV是電動車輛的子類別，所述電動車輛包括全電動或電池電動車輛(BEV)、插電式混合電動車輛(PHEV)以及混合電動車輛與常規內燃發動機車輛的電動車輛改裝。
[0007]與僅使用內燃發動機和傳統的電氣系統(其通常是由鉛酸電池供電的12伏系統)的更傳統的汽油動力車輛相比，如以上所描述的xEV可以提供若干優點。例如，與傳統的內燃車輛相比，xEV可以產生較少的不合需排放產物并且可以呈現出更高的燃料效率，并且在一些狀況下，這些xEV可以完全省去汽油的使用，如在某些類型的PHEV的狀況下。
[0008]隨著xEV技術持續發展，需要提供用于這些車輛的改進的動力源(例如，電池系統或模塊)。例如，需要在無需對電池再充電的情況下增加這些車輛可以行進的距離。此外，還可能需要提高這些電池的性能并減少與電池系統相關的成本。
【發明內容】
[0009]以下概述與最初要求保護的主題的范圍相符的某些實施例。這些實施例并不意欲限制本公開的范圍，而是這些實施例僅意欲提供某些所公開的實施例的簡要概述。事實上，本公開可以涵蓋可以與以下闡述的實施例類似或不同的各種形式。
[0010]本公開涉及電池和電池模塊。更具體來說，本公開涉及結合鋰離子電池單元使用的鉛酸電池單元，用以形成雙存儲電池系統。雙存儲電池系統可以用于車輛背景(例如，xEV)以及其他能量存儲/消耗應用(例如，用于電網的能量存儲)中。
[0011]例如，在一個實施例中，電池系統包括電氣地串聯的多個電池單元組件。多個電池單元組件中的第一電池單元組件包括:第一鋰離子電池單元；以及第一鉛酸電池單元，所述第一鉛酸電池單元與第一鋰離子電池單元電氣地并聯從而使得第一鉛酸電池單元被配置成抵抗第一鋰離子電池單元的過度充電和過度放電。
[0012]又如，在一個實施例中，系統包括第一鋰離子電池單元和第一鉛酸電池單元。第一鋰離子電池單元與第一鉛酸電池單元電氣地并聯，并且第一鋰離子電池單元和第一鉛酸電池單元一起串聯到與第二鉛酸電池單元電氣地并聯的第二鋰離子電池單元。
[0013]再如，在另一個實施例中，電池包括多個鋰離子電池單元和多個鉛酸電池單元。多個鋰離子電池單元中的每個單獨鋰離子電池單元與多個鉛酸電池單元中的對應的單獨鉛酸電池單元電氣地并聯并且與其基本上電壓匹配，由此電池包括多個鋰離子/鉛酸電池單元對。
【附圖說明】
[0014]本公開的這些和其他特征、方面和優點將在參照附圖閱讀以下詳細描述時變得更好理解，其中在所有圖中相同的符號代表相同的部分，其中:
[0015]圖1是根據本方法的一個實施例的具有對所有或一部分用于車輛的功率作出貢獻的電池系統的車輛(xEV)的立體圖；
[0016]圖2是根據本方法的一個實施例的混合電動車輛(HEV)形式的圖1的xEV實施例的剖面示意圖；
[0017]圖3是根據本方法的一個實施例的具有多個電池單元組件的電池的簡化示意圖，每個組件具有與鋰離子電池單元電氣地并聯的鉛酸電池單元；
[0018]圖4是根據本方法的一個實施例的具有六個電池單元組件的圖3的電池的實施例；
[0019]圖5是根據本方法的一個實施例的具有22個電池單元組件的圖3的電池的實施例；
[0020]圖6是根據本方法的一個實施例的具有兩個或更多個殼體的圖3的電池的實施例，每個殼體封閉一個或多個電池單元組件；
[0021]圖7是根據本方法的一個實施例的其中與鋰離子電池單元電氣地并聯的鉛酸電池單元可以在放電期間聯接到負載的方式的示意圖；
[0022]圖8是根據本方法的一個實施例的其中與鋰離子電池單元電氣地并聯的鉛酸電池單元可以在充電期間聯接到充電源的方式的示意圖；
[0023]圖9是根據本方法的一個實施例的作為具有與鋰鈦氧化物(Li4Ti5012，“LT0”)陽極活性材料組合使用的不同陰極活性材料的各種鋰離子電池單元在25°C下在C/10的充電/放電充電速率下的百分比容量的函數的電壓與作為用于鉛酸電池單元的百分比容量的函數的電壓的組合圖表；
[0024]圖10是根據本方法的一個實施例的作為具有與作為陽極活性材料的石墨組合使用的不同陰極活性材料的各種鋰離子電池單元在25°C下在C/10的充電/放電充電速率下的充電狀態的函數的電壓的組合圖表；
[0025]圖11是根據本方法的一個實施例的作為具有鋰鎳錳鈷(LiNil/3Col/3Mnl/302, “NMC”)陰極活性材料和石墨陽極活性材料的鋰離子電池單元在25°C下獲得的充電狀態的函數的面積比阻抗(ASI)的圖表，其中阻抗計算是基于10秒內的5C放電速率和3.75C充電脈沖；
[0026]圖12是根據本方法的一個實施例的作為具有NMC(LiNil/3Col/3Mnl/302)陰極活性材料和LT0陽極活性材料的鋰離子電池單元在25°C下獲得的充電狀態的函數的ASI的圖表，其中阻抗計算是基于10秒內的5C放電速率和3.75C充電脈沖；
[0027]圖13是根據本方法的一個實施例的作為具有鋰錳氧化物(LiMn204，“LM0”)陰極活性材料和LT0陽極活性材料的鋰離子電池單元在25°C下獲得的充電狀態的函數的ASI的圖表，其中阻抗計算是基于10秒內的5C放電速率和3.75C充電脈沖；
[0028]圖14是根據本方法的一個實施例的并入簡化的電池管理系統的圖4的電池的實施例的示意圖；以及
[0029]圖15是描繪根據本方法的一個實施例的用于制造圖3-6和圖14的電池的方法的實施例的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0030]以下將描述一個或多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡明描述，在說明書中未描述實際實施方式的所有特征。應了解，在任何這種實際實施方式的研發中，如在任何工程或設計項目中，必須做出若干實施方式具體決策以達成研發者的特定目標，諸如符合系統相關和商業相關的約束，這些目標可能在各實施方式之間不同。此外，應了解，這些研發工作可能是復雜且耗時的，但是對于受益于本公開的普通技術人員而言將仍然是例行的設計、生產和制造任務。
[0031]在介紹本公開的各種實施例的要素時，冠詞“一”、“一個”和“所述”意欲表示存在一個或多個要素。術語“包括”、“包含”和“具有”意欲是包括的并且表示除了所列出的要素之外可以存在額外的要素。術語“由……構成”在用于材料的混合物的上下文中時意欲被定義為除了與所列出的材料通常相關的雜質以外，將所列出的成分限于那些具體列出的成分。術語“基本上由……構成”意欲被定義為限于不會實質地影響本文描述的基本和新穎方法的指定材料或步驟。此外，應理解，對本公開的“一個實施例”或“一實施例”的提及并不意欲解釋為排除也納入所列出的特征的額外實施例的存在。
[0032]如所提及，電池系統可以用來為很多不同類型的xEV以及其他能量存儲應用(例如，電網功率存儲系統)提供功率。這些電池系統可以包括若干電池模塊，每個電池模塊具有若干電池單元(例如，電化學電池單元)。電池模塊也可以稱為電池，因為如本領域技術人員所知那樣，電池可以包括一個電池單元或者許多電池單元的集合(例如，電氣地并聯、串聯或其組合)。
[0033]根據本公開，電池模塊(電池)中的一個或多個可以包括電氣地串聯的電池單元組件。電池單元組件中的至少一個(諸如電池單元組件中的一個或多個或者全部)可以包括與鉛酸電池電氣地并聯的鋰離子電池單元。更具體來說，鉛酸電池單元可以各自與若干鋰離子電池單元電氣地并聯，所述若干鋰離子電池單元一起具有與鉛酸電池單元基本上相同的總電壓。作為一個實例，具有2.2伏(V)電壓的鉛酸電池單元可以與具有約1.9V電壓的一個鋰離子電池單元電氣地并聯，或者可以與各自具有1.1V電壓的兩個鋰離子電池單元電氣地并聯。
[0034]事實上，以下描述了表示各種鋰離子單元的若干實施例，所述鋰離子單元被稱為與鉛酸電池單元“基本上電壓匹配”。這意欲指示將與鉛酸電池單元電氣地并聯的鋰離子電池單元的電壓(例如，開路電壓)落在使得鉛酸電池單元能夠執行其與鋰離子電池單元之間的充電平衡的鉛酸電池單元的電壓(例如，開路電壓)的范圍內，這將在下文進一步詳細論述。作為一個實例，在一個實施例中，“基本上電壓匹配”可以指示基于電壓與百分比容量的充電或放電曲線求平均，鋰離子單元的電壓落在其電氣地并聯到的鉛酸電池單元的電壓的約20%內。例如，在電壓與容量百分比的圖表中在鋰離子電池單元平均地具有落在鉛酸電池單元的電壓的約20%內的情況下(例如，在電壓與容量百分比的圖表中在鉛酸電池單元的約15%內、約10%內或者約5%內)，鋰離子電池單元可以與鉛酸電池單元基本上電壓匹配。圖表可以在任何溫度下并且在任何充電/放電速率下獲得，諸如在10C、5C、2C、1C、C/2、C/5、C/10或任何其他速率下。所選的具體速率和溫度可以基于若干因素來選擇，諸如電池單元可處于的典型操作條件(例如，典型的汽車充電/放電速率)或者其他用于特定應用的標準測量速率。在多于一個鋰離子電池單元與單個鉛酸電池單元電氣地并聯的情況下，兩個鋰離子電池單元的總電壓可以落在使得單個鉛酸電池單元能夠執行本文描述的充電平衡的范圍內。在兩個或更多個鉛酸電池單元與單個鋰離子電池單元電氣地并聯的其他情況下，兩個鉛酸電池單元的總電壓可以落在使得單個鋰離子電池單元能夠執行充電平衡的范圍內。
[0035]鋰離子電池單元與鉛酸電池單元之間的并聯產生這樣的配置:其中鉛酸電池單元使得能夠保護其電氣地并聯到的鋰離子電池單元免受由于過度充電和過度放電產生的影響。根據本公開，此保護可以使得能夠減少用來在充電期間和使用期間管理鋰離子電池單元的控制電路的復雜度，或者可以完全省去對這種控制電路的需要。如本文所論述，這種電路可以稱為“電池管理系統”(BMS)。因此，根據本本實施例，本文描述的電池可以被配置成在BMS的控制下或者在無BMS的控制下操作。例如，電池可以在不受BMS控制的情況下在操作期間經歷充電平衡。
[0036]將鋰離子電池完全放電可能是不希望的，并且此外，將鋰離子電池過度充電可能是不希望的。