专利名称：特别于内燃机和机动车辆的无铅起动蓄电池组、制造方法及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于压燃式和点火式内燃机的起动的新型蓄电池组(accumulator battery)以及用于所有类型的机动车辆的电池组(battery)。
背景技术：
用于内燃机和汽车的所有已知类型的起动电池组(下文称作“汽车电池组”)是基 于二次铅酸电池(下文称作“铅电池组”)的电化学反应。所有类型的铅汽车电池组包括作 为电极的铅和作为电解质的硫酸H2SO4溶液，并且在放电和充电过程中发生公知的化学过 程。这些不同类型的铅汽车电池组仅仅在电池结构(形状和制造电极的方法、电池形状、排 气通道和阀等)、降低制造过程中铅的消耗的铅膏材料、分隔件、电解质添加剂等有所不同。 现今已知的类型没有任何一种是完全气密性地封闭，在工作中一直发生包含在电池中的物 质向周围环境部分释放的情形。对于最现代化的类型，通称为AGM和胶体铅电池，这种效应 仅仅可能在电池组过充电时发生。根据手册2002/95/EC RoHs指出的内容，所有现今已知 的类型都含有有毒(铅Pb)和危险性(硫酸H2SO4溶液)的物质。现今已知类型的铅汽车 电池组已经将工作温度确保在_18°C至40°C的范围内。同期的NiMH、Li-Ion以及Li-Pol电池不能释放或接收足够高的电流，也不能在低 于-20°C的温度下有效地释放或接收能量。镍-镉蓄电池(NiCd)镍为正电极，镉为负电极，并且固定于分隔件和电极中的氢氧化钾为电解质。正是 由于其例如重量-容量比的良好特性，它们甚至便于用作高电流负载，具有较小的内阻，提 供较大的电流，能快速充电，并且更能抵抗非正常使用(过充电或深度放电)，甚至在极端 气候条件(达到-40°C)下工作。它们可在放电状态下存储，而实际上在任何时候都不会有 电气性能的损耗。缺点是，其含有镉，镉是能在机体中累积并能导致严重、致命疾病的有毒 重金属。它们具有较小的容量(最高到 IlOOmAh)和较大的自放电(内阻升高)。镍金属氢化物蓄电池(NiMH)它们是源自镍_镉蓄电池，但被设计成在具有相同的体积的同时具有较高的容 量，并且对环境的危害较小。正电极仍然为镍，而负电极为金属氢化物，例如镍氧化物 Ni (0H)2氢氧化物，并且电解质仍然为氢氧化钾。它们具有标定电压(1.2V-1.25V)和与 MCd相同的充电状况，容量高出40%，且它们具有平坦的放电特性，因此自放电较小，但它 们在极端条件下使用会产生问题，例如，低至-10°C (某些可以耐得住-20°C)以及高放电 电流被限制至容量的十分之一的可能性。它们可以在充电和放电状态下进行存储，但每年 至少一次对它们进行几次充电和放电是很重要的，否则由于化学反应，将发生蓄电池电极 损坏且容量不可逆地损失。锂离子蓄电池(Li-Ion)它们主要源于一次锂电池(cell)。正电极包括锂氧化物以及另一种金属(通常为锂钴(III)氧化物+Li20. CO203)构成的复合物，负电极为混合有其它化学物质的碳，而酯 的化合物为电解质(确切的组分被特定的制造商保护，通常使用的为四氟硼酸锂LiBF4)。 它们具有3. 6V的额定电压。这些蓄电池不能被过电流充电或放电，并且其缺点是在充电和 放电过程中单个电池需要功率保护。不能超过充电过程中的终止电压，并且必须禁止低于 特定限值的放电，这由每一个单电池的保护电路来实现。Li-Ion蓄电池的工作条件和NiMH 类似，而且，当存储时间较长时，需要对它们至少每一年充电一次以避免由于电池自放电引 起的低于特定限值的放电。能量密度在120Wh/kg至130Wh/kg或200Wh/dm3至250Wh/dm3 的范围内。锂聚合物蓄电池(Li-Pol)这些电池源于锂离子电池；它们具有类似的特性，包括标定电压、容量和电流。与 Li-Ion相比，它们的棱柱结构更加轻便，但机械耐用性低。与Li-Ion很相似，缺点是单个电 池在充电和放电时需要功率保护以及低的放电电流。超级电容器理论上，超级电容器是一种采用专用技术制造的电解电容器，目的是在保持电容 器特性、特别是快速充电和放电的能力的同时达到数千法拉的高容量。电容器的容量与电 极表面直接成比例而与电极(电荷)的距离间接成比例。超级电容器的电极包括沉积在铝 箔上的碳粉。碳粉的颗粒具有达到每1克粉末2000m2的表面积。两个电极被由聚丙烯制 成的分隔片隔开；电极之间的空间填充有液态电解质。电极的大的表面以及特定的碳颗粒 非常小的距离(10-10数量级)产生法拉数量级的容量。碳颗粒的距离还将电容器的工作 电压减小至约2. 5V的量。结果是，极化电容器具有高容量和非常低数量级的电阻，便于快 速供应和存储电能。超级电容的电参数可与电化学电源(电池组、蓄电池)的电参数相当。 存储于串联超级电容器内的能量比存储于普通电容器内的能量在数量级上高10倍。低的 内阻使得能够快速放电；超级电容器释放的超级电源达到每Ikg重量的超级电容器千瓦数 量级的值。超级电容器的电参数甚至在低至-40°C的低温下被保持。
发明内容
本发明涉及新型蓄电池组，其基于可有效使用电子控制单元的无铅型NiMH、 Li-IoruLi-Pol 二次电池以及超级电容器的串并联连接。根据本发明的蓄电池组也具有相 同的质量特性，而无需使用电子控制单元。本发明包含发现现有铅电池组的便利的替代或 改进方案。根据本发明的电池组是已知部件的一种新型连接，其比现有铅电池组达到更好 的数量和质量特性。新型蓄电池组的原理在于NiMH、Li-Ion、Li-Pol电池和超级电容器的串并联连 接，目的是淘汰现有的铅蓄电池。通过这些组件永久连接成一个固体复合体，保证了如下特 性在任何条件下的整个工作时间内，保持应有特性(特定连接分部、接头的内阻及其转换 电阻的大小、热导率以及从导体的热移除、连接导体和端子的电导率、电隔离和机械坚固性 以及各个组件的定位稳定性)；在其它恶劣环境(湿度过大、空气中的腐蚀成分、接头氧化 等)中的化学和机械耐受性；工作过程中相应的温度环境(在环氧容器中使用不同的填充 剂，根据实际需要提供热传导性或分别提供热隔离)；最后是最大限度地利用特定组件的 有利特性的新型汽车电池组的各种部件的组合，这些有利特性例如NiMH、Li-Ion或Li-Pol电池的高容量、快速充电能力、即使深度放电也能提供电流的可能性、它们相对小的内阻和 提供比它们的标定容量最少高三倍的大小的电流以及在整个工作时间内不会发生接头因 环境影响导致退化的能力；使用超级电容器是因为它们在一个短的时期内提供数千法拉数 量级的高电流而不会出现热损失导致的损坏，由于其具有小的内阻它们能提供高能输出， 可在一个非常短的时间内从使用过的电池或最终从连接的电源充电。同样能够消除普通连 接不可能有的缺点，即它们小的机械耐用性(尤其是Li-Pol电池)等。电池的数量由新型 蓄电池组需要的容量和最终的电压来确定。当需要高放电电流时，主要通过超级电容器来提供。由于内阻值和连接导体以及 各个分部端子，最终由于电子控制单元(如果其被使用)，NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池不会 过充电。特定的分部和接头具有根据电池的类型(主要是由于它们的最大放电电流)所指 定的选择电阻。对于NiMH分部，Li-Ion或Li-Pol电池，电阻比超级电容器的分部高3_10倍。这 些电阻的电阻率和绝对值大小取决于特定组件的类型和特性。这种新型的蓄电池组可以达到标定容量值20-30倍的电流短时放电。在将放电电流降低到NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的持久放电电流的水平以下 的过程中，超级电容器转换为用电器并继续进行充电。超级电容器被充电的电流取决于 NiMH (Li-Ion、Li-Pol)电池的电荷水平、周围的温度以及需要的能量的总量，并且按指数 级降低。这里描述的系统使得能将NiMH(Li-IorKLi-Pol)电池用于需要持久能量的设施 中，达到使用的蓄电池容量的十分之一(当使用NiMH电池时))或3倍(当使用Li-Ion或 Li-Pol电池时)，同时它们间歇地需要几秒达到使用的蓄电池的标定容量30倍大小的持续 电流，迄今为止这是不可能的。在低于_20°C的温度下，NMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的最大放 电电流降低至在20°C时达到的值的约30%，超级电容器能够释放足量的电流，因此在温度 降低至_40°C时能够确保蓄电池的功能。相对于NiMH(Li-IorKLi-Pol)电池平坦的放电特 性和蓄电池的结构，这种类型的蓄电池能释放达到标定容量值的20倍的电流，即使是在标 定容量的10%以下深度放电。本发明的主要优点新型蓄电池组不包含手册2002/95/EC RoHS中指出的铅、硫酸溶液或其它任何以 自由形式存在的危险性或有毒物质，从而对生态是无害的(在存储和工作过程中，以自由 形式存在的有毒或危险性物质被完全且气密性地隔离于周围环境)。新型蓄电池组能够在较宽范围(-40°C -60°C )的工作温度下使用。由于使用了超级电容器以及NiMH (Li-Ion、Li-Pol)电池的平坦放电特性，即使蓄 电池组以标定容量的90%放电，也能起动内燃机。与铅电池组的容量相比，具有最初提到的 容量的一半的蓄电池组就可以用于相应的装置中。所述类型的蓄电池组，由于NiMH (Li-Ion、Li-Pol)电池与超级电容器的组成和组 合，其比铅电池较轻且尺寸较小。根据结构模式和NiMH(Li-IorKLi-Pol)电池的选择，存储 的能量的密度至少为150Wh/dm3(铅蓄电池通常为50Wh/dm3)。由于使用的NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池、超级电容器的结构与蓄电池组本身的单 块构造，其更能抵抗损害和振动。由于本发明采用超级电容器的事实，可以在整个工作温度 范围内提供数量级较高的起动电流。
对于缺点方面以及与铅电池组的比较，我们可以考虑蓄电池组的极性反转的灵 敏度(如果方便的话，不使用补偿电子器件)以及在超过40°C的温度下NiMH (Li-Ion、 Li-Pol)电池通常较高的放电，另一方面，这可通过使用不同的NiMH(Li-IorKLi-Pol)电池 来消除，但只有将工作温度限制在范围为_25°C至-30°C之间的较低水平下才能实现。当选 择Li-Pol (Li-Ion)电池作为NiMH(Li-IoruLi-P0I)电池时，需要考虑使用用于控制充电电 流和放电电流的电子保护器。新型蓄电池组包括NiMH、Li_Pol、及至Li-Ion 二次电池或电池块(图上标为“B”) 和超级电容器(图上标为“C”)的串并联连接，放置到具有或不具有电子控制单元(图上标 为“E”))的块中。各个块需要的特性可通过不同类型NiMH(Li-IorKLi-Pol)电池、超级电 容器的适当组合以及电子控制单元设置进行调节。通过所述过程，可以利用NiMH (Li-Ion、 Li-Pol)的优点，即它们相对于体积与重量比的高容量，并且同时可克服较低的放电电流的 缺点。进一步，超级电容器的优点特别是高的放电电流(约1000A)和低的内阻(约ΙπιΩ)， 并且它们低容量的缺点可以被克服。这些块，根据需要的标定电压、需要的容量或最终其它 需要、分隔开或连接在一起并具有控制单元连接，随后与便于获得设有端子的单块产品的 材料相嵌，并且硬化后被制备以用作现有铅电池组和汽车电池组的直接替代品。根据本发明的电池组的制造方法，其特征在于实现NiMH、Li_Pol及至Li-Ion 二次 电池或电池块以及超级电容器的串并联连接形成块。从而，新型电池组获得较好的质量特 性，并且对于容量来说，也获得较好的定量特性。本发明的主要优点在于成块使用NiMH、Li-Pol最后是Li-Ion 二次电池或电池块 以及超级电容器的可能性，通过上述标示的组件的串并联连接，用于压燃式和点火式内燃 机以及所有类型的机动车辆的起动。通过利用串联或并联或串并联连接，根据本发明的电池组包括至少一个NiMH或 Li-Pol蓄电池、及至Li-Ion 二次电池、及至电池块和超级电容器。在以下给出的样品中是示出的装置的技术参数，这取决于使用的组件、材料以及 结构类型的选择。
方案1-由10个具有标定容量22Ah、标定电压1. 2V和最大放电电流2C的NiMH电 池B以及5个具有容量400F、标定电压2. 7V和最大电流500A的超级电容器￡的串并联连 接构成的电池组。图1-根据样品1的蓄电池组充放电的详细说明方案2-由110个具有标定容量4. 5Ah、标定电压1. 2V和最大放电电流IOC的NiMH 电池S以及10个具有容量400F、标定电压2. 7V和最大电流500A的超级电容器￡的串并联 连接构成的电池组。图2-根据样品2的蓄电池组放电的详细说明图3中示出的装置包括具有40mA标定电流的保险熔丝￡、具有15V工作电压的齐 纳二极管S、以及足够横截面积的连接导体。除了之前的配置，图4中示出的装置具有工作电压为8V的稳压器S和能够测量并 显示OV至20V之间的电压的伏特计M模块。
选择的电子控制单元￡的样品的功能的描述图3中示出的单元E包括串联连接的用于15V的齐纳二极管2和具有40mA标定 电流的保险熔丝￡。当反转电池的极性时，齐纳二极管S打开从而电流流过保险熔丝￡导致 其熔断。当连接至电压高于15V的电源时，齐纳二极管2反向导通从而电压被稳定。如果 电源电压上升至约17V，流过保险熔丝E的电流超过40mA，并且熔丝因此熔断。保险熔丝E 或最终齐纳二极管2的状态表示蓄电池组的极性是否发生变化，或者其是否连接至具有比 本文献中说明的电压高的电压的电源。图4中示出的单元E包括图3中示出的上述组，而通过稳压器S提供功率、设定成 20V的测量范围的伏特计M模块旁路至这一单元。除了过去是否发生极性改变或其是否连 接至具有比本文献中说明的电压高的电压的电源的信息，这一单元还示出电池组实际的电 压状态。在附图和方案中示出了本发明的特定样品的特性和电连接。附图标记的列表B-NiMH 电池C-超级电容器P-保险熔丝D-齐纳二极管S-稳压器E-电子控制单元工业实用性这种类型的蓄电池组主要设计为用于起动压燃式和点火式内燃机以及用于各种 类型的电池组；最重要的是其是现有的用于机动车辆中的铅电池组的生态型、现代化且不 需维护的替代品。而且，这种类型的蓄电池组可用作移动电话、电动车、轮椅等中的“驱动电池组”。 此外，可应用于备份电源系统等。
具体实施例方式样品1根据方案1，通过将10个具有标定容量22Ah、标定电压1. 2V和最大放电电流2C 的NiMH电池S以及5个具有容量400F、标定电压2. 7V和最大电流500A的超级电容器￡的 串并联连接构成电池组。连接完成后的电池和电池组的组合用环氧灌装成单块单元。这种 装置的技术特性示于表1中。充电、长期放电以及短期大电流起动放电的过程示于图1中。 这种电池组主要设计为用于高达IOOkW的点火引擎的起动并目可取代容量范围在36Ah至 45Ah之间的普通铅汽车电池组。这种电池组不包括任何电子控制或主单元。在所有内部接头处的导体的横截面分别具有IOmm2的表面积，导体由铜制成且特 定部件与SnAg3焊料连接。最后的机械具体设备、尺寸、环氧的类型、填充剂、形状、输出分布以及导体横截面 受限于期望的用途。对于机动车辆中的应用，选择的尺寸为207mmX175mmX175mm(LXWXH)，输出极为类型1而电池组极性为0。环氧包括基于铝的导热填充剂。样品2根据方案2，通过将110个具有标定容量4500mAh、标定电压1.2V和最大放电电 流40C的NiMH电池β以及10个具有容量400F、标定电压2. 7V和最大电流500Α的超级电 容器G的串并联连接构成电池组。连接完成后的电池组和电池的组合用环氧灌装成单块单 元。这种装置的技术特性示于表2中。充电、长期放电过程以及短期大电流起动放电的过 程示于图2中。电池主要设计为用于达到200kW的点火式和压燃式引擎的起动，并且可取 代容量达到IOOAh的普通铅汽车电池组。这种电池组包括电子控制单元￡(图3，参见以下 的描述)，该电子控制单元E指示过去蓄电池组的极性是否发生变化，或者其是否连接至具 有高于15V的电压的电源。串联连接电池S的导体的横截面分别具有IOmm2的表面积，串联连接超级电容器G 的导体的横截面具有20mm2的表面积并旁路所有分部的连接端子具有25mm2的表面积。所 有的导体和端子由铜制成且特定部件与SnAg3焊料连接。最后的机械具体设备，尺寸、环氧的类型、填充剂、形状、输出分布以 及导体横截面受限于期望的用途。对于机动车辆中的应用，选择的尺寸为 207mmX 175mmX 175mm(LXWXH)，输出极为类型1而电池组极性为0。环氧包括基于铝的导 热填充剂。表 权利要求
蓄电池组，其特征在于其包括串并联连接的至少一个或多个NiMH 镍金属氢化物电池以及超级电容器。
2.蓄电池组，其特征在于其包括串并联连接的至少一个或多个NiMH-镍金属氢化物电 池和/或Li-Ion-锂离子电池和/或Li-Pol —锂聚合物电池以及超级电容器。
3.根据权利要求1和2所述的蓄电池组，其特征在于NiMH、Li-Pol及至Li-Ion二次 电池及至电池块以及超级电容器的所述串并联连接被连接成块。
4.根据权利要求1至3所述的蓄电池组，其特征在于NiMH、Li-Pol、及至Li-Ion二次 电池及至电池块和超级电容器的所述串并联连接被连接成具有电子控制单元的块。
5.蓄电池组的连接方法，特征在于，其包括永久连接成单块单元的至少一个或多个 NiMH-镍金属氢化物电池和/或Li-Ion-锂离子电池和/或Li-Pol-锂聚合物电池以及超 级电容器的串并联连接。
6.包括串并联永久连接构成单块单元的至少一个或多个NiMH-镍金属氢化物电池和/ 或Li-Ion-锂离子电池和/或Li-Pol-锂聚合物电池和/或超级电容器的蓄电池的用于压 燃式和点火式内燃机的起动蓄电池组或作为用于所有类型的机动车辆的电池组设备的用 途。
全文摘要
本发明公开了蓄电池组、其制造方法及其用途，特别用于内燃机和机动车辆，包括串并联连接的至少一个或多个NiMH-镍金属氢化物电池和或Li-Ion锂离子电池和或Li-Pol锂聚合物电池以及超级电容器。
文档编号H01M10/42GK101971410SQ200980108992
公开日2011年2月9日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月14日
发明者弗拉迪米尔·比扎, 泽伦·文德尔 申请人:Ydun公司