具有锂离子和铅酸电池单元的双存储系统和方法
【专利说明】具有锂离子和铅酸电池单元的双存储系统和方法
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年8月16日提交的名称为“用于微混合动力应用的无BMS的双存储系统设计”美国临时专利申请号61/866，786的优先权和利益，所述申请的全部内容为了所有目的以引用的方式并入本文。
[0003]发明背景
[0004]本公开总体涉及电池和电池模块领域。更具体来说，本公开涉及可以用于车辆背景(例如，xEV)以及其他能量存储/消耗应用中的电池单元。
[0005]本部分意图为读者介绍可能与以下描述和/或要求保护的本公开的各个方面有关的技术的各个方面。相信此论述有助于为读者提供背景信息以利于本公开的各个方面的更好理解。因此，应理解，这些陈述应从这个角度来阅读，而非作为现有技术的认可。
[0006]使用为车辆提供所有或一部分原动力的一个或多个电池系统的车辆可以称为xEV，其中术语“xEV”在本文被定义为包括将电功率用于其所有或一部分车辆原动力的以下所有车辆或者其任何变体或组合。如本领域技术人员将了解，混合电动车辆(HEV)将内燃发动机推进系统和电池供电的电力推进系统组合在一起，所述电池供电的电力推进系统诸如48伏或130伏系统。术语HEV可以包括混合电动车辆的任何变体。例如，全混合动力系统(FHEV)可以使用一个或多个电动机、使用仅一个内燃发动机或者使用二者来将原动力和其他电功率提供到车辆。相比之下，轻度混合动力系统(MHEV)在车辆怠速时禁用内燃发动机并且在需要推进时使用电池系统来继续为空调单元、无线电或其他电子器件供电以及重新起动发动机。轻度混合动力系统还可以在例如加速期间施加某种水平的动力辅助，以补充内燃发动机。轻度混合动力通常是96V至130V，并且通过皮带或曲柄集成的起动发电机来恢复制动能量。另外，微混合电动车辆(mHEV)也使用类似于轻度混合动力的“停止-起动”系统，但是mHEV的微混合动力系统可以对内燃发动机供应动力辅助或者可以不那样，并且在低于60V的电压下操作。为了本论述的目的，应注意，mHEV通常在技术上不将直接提供到曲轴或变速器的电功率用于车辆的原动力的任何部分，但是mHEV仍可以被认为是xEV，因为当车辆在内燃发动机被禁用的情况下怠速时其使用电功率来补充车辆的功率需要，并且通过集成的起动发电机来恢复制动能量。此外，插电式电动车辆(PEV)是可以从外部电力源(诸如壁式插座)充电的任何车辆，并且存储在可再充电电池组中的能量驱动或者有助于驱动车轮。PEV是电动车辆的子类别，所述电动车辆包括全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合电动车辆(PHEV)以及混合电动车辆与常规内燃发动机车辆的电动车辆改装。
[0007]与仅使用内燃发动机和传统的电气系统(其通常是由铅酸电池供电的12伏系统)的更传统的汽油动力车辆相比，如以上所描述的xEV可以提供若干优点。例如，与传统的内燃车辆相比，xEV可以产生较少的不合需排放产物并且可以呈现出更高的燃料效率，并且在一些状况下，这些xEV可以完全省去汽油的使用，如在某些类型的PHEV的状况下。
[0008]随着xEV技术持续发展，需要提供用于这些车辆的改进的动力源(例如，电池系统或模块)。例如，需要在无需对电池再充电的情况下增加这些车辆可以行进的距离。此外，还可能需要提高这些电池的性能并减少与电池系统相关的成本。
【发明内容】
[0009]以下概述与最初要求保护的主题的范围相符的某些实施例。这些实施例并不意欲限制本公开的范围，而是这些实施例仅意欲提供某些所公开的实施例的简要概述。事实上，本公开可以涵盖可以与以下阐述的实施例类似或不同的各种形式。
[0010]本公开涉及电池和电池模块。更具体来说，本公开涉及结合锂离子电池单元使用的铅酸电池单元，用以形成双存储电池系统。双存储电池系统可以用于车辆背景(例如，xEV)以及其他能量存储/消耗应用(例如，用于电网的能量存储)中。
[0011]例如，在一个实施例中，电池系统包括电气地串联的多个电池单元组件。多个电池单元组件中的第一电池单元组件包括:第一锂离子电池单元；以及第一铅酸电池单元，所述第一铅酸电池单元与第一锂离子电池单元电气地并联从而使得第一铅酸电池单元被配置成抵抗第一锂离子电池单元的过度充电和过度放电。
[0012]又如，在一个实施例中，系统包括第一锂离子电池单元和第一铅酸电池单元。第一锂离子电池单元与第一铅酸电池单元电气地并联，并且第一锂离子电池单元和第一铅酸电池单元一起串联到与第二铅酸电池单元电气地并联的第二锂离子电池单元。
[0013]再如，在另一个实施例中，电池包括多个锂离子电池单元和多个铅酸电池单元。多个锂离子电池单元中的每个单独锂离子电池单元与多个铅酸电池单元中的对应的单独铅酸电池单元电气地并联并且与其基本上电压匹配，由此电池包括多个锂离子/铅酸电池单元对。
【附图说明】
[0014]本公开的这些和其他特征、方面和优点将在参照附图阅读以下详细描述时变得更好理解，其中在所有图中相同的符号代表相同的部分，其中:
[0015]图1是根据本方法的一个实施例的具有对所有或一部分用于车辆的功率作出贡献的电池系统的车辆(xEV)的立体图；
[0016]图2是根据本方法的一个实施例的混合电动车辆(HEV)形式的图1的xEV实施例的剖面示意图；
[0017]图3是根据本方法的一个实施例的具有多个电池单元组件的电池的简化示意图，每个组件具有与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元；
[0018]图4是根据本方法的一个实施例的具有六个电池单元组件的图3的电池的实施例；
[0019]图5是根据本方法的一个实施例的具有22个电池单元组件的图3的电池的实施例；
[0020]图6是根据本方法的一个实施例的具有两个或更多个壳体的图3的电池的实施例，每个壳体封闭一个或多个电池单元组件；
[0021]图7是根据本方法的一个实施例的其中与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元可以在放电期间联接到负载的方式的示意图；
[0022]图8是根据本方法的一个实施例的其中与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元可以在充电期间联接到充电源的方式的示意图；
[0023]图9是根据本方法的一个实施例的作为具有与锂钛氧化物(Li4Ti5012，“LT0”)阳极活性材料组合使用的不同阴极活性材料的各种锂离子电池单元在25°C下在C/10的充电/放电充电速率下的百分比容量的函数的电压与作为用于铅酸电池单元的百分比容量的函数的电压的组合图表；
[0024]图10是根据本方法的一个实施例的作为具有与作为阳极活性材料的石墨组合使用的不同阴极活性材料的各种锂离子电池单元在25°C下在C/10的充电/放电充电速率下的充电状态的函数的电压的组合图表；
[0025]图11是根据本方法的一个实施例的作为具有锂镍锰钴(LiNil/3Col/3Mnl/302, “NMC”)阴极活性材料和石墨阳极活性材料的锂离子电池单元在25°C下获得的充电状态的函数的面积比阻抗(ASI)的图表，其中阻抗计算是基于10秒内的5C放电速率和3.75C充电脉冲；
[0026]图12是根据本方法的一个实施例的作为具有NMC(LiNil/3Col/3Mnl/302)阴极活性材料和LT0阳极活性材料的锂离子电池单元在25°C下获得的充电状态的函数的ASI的图表，其中阻抗计算是基于10秒内的5C放电速率和3.75C充电脉冲；
[0027]图13是根据本方法的一个实施例的作为具有锂锰氧化物(LiMn204，“LM0”)阴极活性材料和LT0阳极活性材料的锂离子电池单元在25°C下获得的充电状态的函数的ASI的图表，其中阻抗计算是基于10秒内的5C放电速率和3.75C充电脉冲；
[0028]图14是根据本方法的一个实施例的并入简化的电池管理系统的图4的电池的实施例的示意图；以及
[0029]图15是描绘根据本方法的一个实施例的用于制造图3-6和图14的电池的方法的实施例的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0030]以下将描述一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中未描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何这种实际实施方式的研发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出若干实施方式具体决策以达成研发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这些目标可能在各实施方式之间不同。此外，应了解，这些研发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言将仍然是例行的设计、生产和制造任务。
[0031]在介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”和“所述”意欲表示存在一个或多个要素。术语“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额外的要素。术语“由……构成”在用于材料的混合物的上下文中时意欲被定义为除了与所列出的材料通常相关的杂质以外，将所列出的成分限于那些具体列出的成分。术语“基本上由……构成”意欲被定义为限于不会实质地影响本文描述的基本和新颖方法的指定材料或步骤。此外，应理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的提及并不意欲解释为排除也纳入所列出的特征的额外实施例的存在。
[0032]如所提及，电池系统可以用来为很多不同类型的xEV以及其他能量存储应用(例如，电网功率存储系统)提供功率。这些电池系统可以包括若干电池模块，每个电池模块具有若干电池单元(例如，电化学电池单元)。电池模块也可以称为电池，因为如本领域技术人员所知那样，电池可以包括一个电池单元或者许多电池单元的集合(例如，电气地并联、串联或其组合)。
[0033]根据本公开，电池模块(电池)中的一个或多个可以包括电气地串联的电池单元组件。电池单元组件中的至少一个(诸如电池单元组件中的一个或多个或者全部)可以包括与铅酸电池电气地并联的锂离子电池单元。更具体来说，铅酸电池单元可以各自与若干锂离子电池单元电气地并联，所述若干锂离子电池单元一起具有与铅酸电池单元基本上相同的总电压。作为一个实例，具有2.2伏(V)电压的铅酸电池单元可以与具有约1.9V电压的一个锂离子电池单元电气地并联，或者可以与各自具有1.1V电压的两个锂离子电池单元电气地并联。
[0034]事实上，以下描述了表示各种锂离子单元的若干实施例，所述锂离子单元被称为与铅酸电池单元“基本上电压匹配”。这意欲指示将与铅酸电池单元电气地并联的锂离子电池单元的电压(例如，开路电压)落在使得铅酸电池单元能够执行其与锂离子电池单元之间的充电平衡的铅酸电池单元的电压(例如，开路电压)的范围内，这将在下文进一步详细论述。作为一个实例，在一个实施例中，“基本上电压匹配”可以指示基于电压与百分比容量的充电或放电曲线求平均，锂离子单元的电压落在其电气地并联到的铅酸电池单元的电压的约20%内。例如，在电压与容量百分比的图表中在锂离子电池单元平均地具有落在铅酸电池单元的电压的约20%内的情况下(例如，在电压与容量百分比的图表中在铅酸电池单元的约15%内、约10%内或者约5%内)，锂离子电池单元可以与铅酸电池单元基本上电压匹配。图表可以在任何温度下并且在任何充电/放电速率下获得，诸如在10C、5C、2C、1C、C/2、C/5、C/10或任何其他速率下。所选的具体速率和温度可以基于若干因素来选择，诸如电池单元可处于的典型操作条件(例如，典型的汽车充电/放电速率)或者其他用于特定应用的标准测量速率。在多于一个锂离子电池单元与单个铅酸电池单元电气地并联的情况下，两个锂离子电池单元的总电压可以落在使得单个铅酸电池单元能够执行本文描述的充电平衡的范围内。在两个或更多个铅酸电池单元与单个锂离子电池单元电气地并联的其他情况下，两个铅酸电池单元的总电压可以落在使得单个锂离子电池单元能够执行充电平衡的范围内。
[0035]锂离子电池单元与铅酸电池单元之间的并联产生这样的配置:其中铅酸电池单元使得能够保护其电气地并联到的锂离子电池单元免受由于过度充电和过度放电产生的影响。根据本公开，此保护可以使得能够减少用来在充电期间和使用期间管理锂离子电池单元的控制电路的复杂度，或者可以完全省去对这种控制电路的需要。如本文所论述，这种电路可以称为“电池管理系统”(BMS)。因此，根据本本实施例，本文描述的电池可以被配置成在BMS的控制下或者在无BMS的控制下操作。例如，电池可以在不受BMS控制的情况下在操作期间经历充电平衡。
[0036]将锂离子电池完全放电可能是不希望的，并且此外，将锂离子电池过度充电可能是不希望的。