本发明涉及增加锂离子电池的电池容量。
背景技术：
混合动力和电动车辆依靠牵引电池来提供能量和/或动力以推进车辆和动力配件负载。牵引电池可以由各种化学配方制成。牵引电池可以由锂离子(li-ion)化合物制成。锂离子电池的容量倾向于随着电池老化并且经历反复的充电和放电循环随时间的推移而降低。随着电池荷电容量减少时，电池中存储了较少的能量，从而导致满荷电时的可行驶里程变小、燃油经济性降低以及车辆性能下降。
技术实现要素：
根据实施例，锂电子电池包括壳体、壳体内的电极总成以及大容量再生电极。大容量再生电极处于壳体内并且与电极总成电隔离。大容量再生电极与电极总成的单一面间隔开并且仅对应于电极总成的单一面。大容量再生电极被配置为选择性地电连接到电极总成以提供锂离子来增加电极总成的容量。
在一个或多个实施例中，电极总成可以是卷绕总成，并且单一面可以是卷绕总成的平坦的面。大容量再生电极可以包括包围集电器和大容量活性材料的分隔件。大容量活性材料可以是大容量阴极材料并且可以是富含ni的nmc、锂化硫或者xli2mno3·(1-x)lizo2，其中z是mn、co或者ni并且x是在0和1之间表示每个组分的百分比的值。大容量活性材料可以是大容量阳极材料并且可以是锂化金属氢化物；锂化sno2、锂化co3o4、锂化cusn或其合金；锂化si；锂化sn；或者锂化ge。
根据实施例，一种系统包括电池和控制器，该电池具有壳体、处于壳体内的电极总成以及处于壳体内的大容量再生电极。大容量再生电极与所述电极总成电隔离并且间隔开。大容量再生电极仅对应于电极总成的单一面，并且被配置为经由电路选择性地电连接到该总成以增加该总成的容量。控制器配置为基于来自电池管理系统的信号激活电路。
在一个或多个实施例中，电池管理系统可以被配置为监测电池容量和退化并且输出关于电池容量和退化的信号。电极总成可以是卷绕总成，并且单一面可以是卷绕总成的平坦的面。大容量再生电极包括包围集电器和大容量活性材料的分隔件。大容量活性材料可以是大容量阴极材料并且可以是富含ni的nmc、锂化硫或者xli2mno3·(1-x)lizo2，其中z是mn、co或者ni并且x是在0和1之间表示每个组分的百分比的值。大容量活性材料可以是大容量阳极材料并且可以是锂化金属氢化物；锂化sno2、锂化co3o4、锂化cusn或其合金；锂化si；锂化sn；或者锂化ge。控制器可以被配置为设定电池的初始容量和在电极总成的容量增加之后新的初始容量。
根据实施例，锂离子电池包括壳体、处于壳体内并且具有至少一个面的卷绕电极总成以及处于壳体内的大容量再生电极。大容量再生电极与电极总成电隔离并且间隔开。大容量再生电极仅对应于电极总成的单一面。大容量再生电极被配置为经由再生电路选择性地电连接到电极总成以提供锂离子来增加电极总成的容量。
在一个或多个实施例中，至少一个面可以是卷绕总成的平坦的面。大容量再生电极可以包括包围集电器和大容量活性材料的分隔件。再生电路可以被控制器响应于来自电池管理系统的信号而激活，该电池管理系统配置为监测电池容量和退化。
附图说明
图1是示出了典型的传动系和能量存储部件的混合动力电动车辆的示意图；
图2a是具有锂再生电极和电池管理系统的示例性电池的示意图；
图2b是具有锂再生电极和电池管理系统的示例性电池的示意图；
图2c是具有锂再生电极和电池管理系统的示例性电池的示意图；
图3是锂再生电极的示意图；
图4是锂离子电池中容量随时间的推移而退化的示例性曲线图；
图5是在电池寿命的各个阶段的电池电压对电池容量的示例性曲线图；
图6是示出了用于增加锂离子电池容量的方法的流程图。
具体实施方式
根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，可以理解的是，所公开的实施例仅仅是可以以各种和替代形式体现的本发明的示例。该附图不一定成比例，并且一些特征可能被夸大或最小化以显示特定部件细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为教导本领域技术人员各种应用本发明的代表性基础。
本发明的实施例通常提供多个电路或其它电子装置。对电路和其它电子装置的所有参考以及由每一个所提供的功能都不旨在被限制为仅涵盖本文示出和描述的内容。尽管特定的分类可以被分配给所公开的各种电路或其它电子装置，但是这种分类并不旨在限制用于电路和其它电子装置的操作范围。这种电路和其它电子装置可以基于所期望的特定类型的电子实施方式而彼此组合和/或以任何方式分离。可以认识到的是，本文公开的任何电路或其它电子装置可以包括任何数量的微处理器、集成电路，存储装置(例如闪存、随机存取存储器(ram、只读存储器(rom)、电可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)或其它合适的变型)以及彼此协作以执行本文公开的操作的软件。此外，电子装置中的任何一个或多个可被配置为执行体现在非暂时性计算机可读介质中的计算机程序，该非暂时性计算机可读介质被编程为执行所公开的任意数量的功能。
图1示出了示例性电动车辆的框图。为了说明的目的示出了混合动力电动车辆(hev)100。电动车辆可以是但不限于电池电动车辆(bev)、混合动力电动车辆或插电式混合动力电动车辆(phev)。hev可以包括机械地连接到混合动力变速器104的一个或多个电动马达102。混合动力变速器104被机械地连接到发动机106。混合动力变速器104还被机械地连接到驱动轴108，该驱动轴108机械地连接到车轮110。hev100可以具有机械地连接到全轮驱动(awd)车辆的全部四个车轮的第二驱动轴。在未示出的实施例中，混合动力变速器104可以是可包括至少一个电机的不可选齿轮变速器。当发动机106打开或关闭时，电动马达102提供推进和减速能力。电动马达102也可以充当发电机，该发电机用于通过回收通常在摩擦制动系统中作为热量损失的能量来提供燃料经济性的益处。电动马达102也可以因为hev(或phev)100可以在特定条件下以电动模式运行而减少污染物排放。
电池组112可以包括但不限于具有用于存储能量的一个或多个电池单元的牵引电池，该能量可以由电动马达102使用。电池组112通常提供高压直流电(dc)输出并且被电连接到一个或多个电力电子模块114。电力电子模块114可以与组成车辆计算系统116的一个或多个控制模块通信。一个或多个模块可以包括但不限于电池管理系统(bms)。车辆计算系统116可以控制若干车辆特征、系统和/或子系统。电力电子模块114也被电连接到电动马达102并且提供在电池组112和电动马达102之间双向传递能量的能力。例如，典型的电池组112可以提供直流电压而电动马达102可能需要三相交流(ac)电流来起作用。电力电子模块114可以如电动马达102所需要的将dc电压转换成三相ac电流。在再生模式中，电力电子模块114将来自用作发电机的电动马达102的三相ac电流转换为电池组112所需的dc电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力变速器104可以是连接到电机的齿轮箱，并且发动机106可以不存在。
除了提供用于推进的能量之外，电池组112还可以提供用于其它车辆电子系统的能量。典型的系统可以包括dc/dc转换器模块118，该dc/dc转换器模块118将电池组112的高压dc输出转换成与其它车辆负载匹配的低压dc电源(supply)。其它高压负载可以被直接连接而不使用dc/dc转换器模块118。在典型的车辆中，低压系统被电连接到12v电池120。
图2a、2b以及2c示出了根据一个或多个实施例的电池组112的示例性牵引电池200。电池组112可以由一个牵引电池、或者串联或并联连接的任何数量的单独电池、或者其一些组合构成。为了示例性目的，将描述单独的牵引电池200。电池200可以是棱柱形、圆柱形或袋式电池。为了说明的目的，附图中示出了棱柱形和圆柱形电池。
电池200包括壳体210。壳体包含电解质215。电解质215可以是锂离子电池中使用的任何常规电解质。例如，电解质可以基于有机溶剂。电池200还包括电极总成220，该电极总成220可以是卷绕式或凝胶卷式配置(如图所示)。可替选地，电极总成220可以是具有或不具有分隔件的电极堆叠(即，分层总成)。电极总成220可以是主电极总成。电极总成220包括阴极电极材料、阳极电极材料、分隔件以及集电器。将阴极电极材料和阳极电极材料堆积在集电器上、用分隔件分层、并且卷绕以形成电极总成220的凝胶卷式配置。阴极电极材料和阳极电极材料是指能够可逆插入并且提取在锂离子电池中用作电荷载体的化学物类(即，锂离子)的活性材料。活性材料可以是任何常规的电极材料。例如，阴极或阳极活性材料可以用聚合物粘合剂和导电剂堆积在集电器上。电极总成220被定位在壳体210中，使得在电极总成220周围存在空间，例如在电极总成220和壳体210之间在顶部、底部以及侧面空间上存在空间。侧面空间对应于电极总成220的平坦的卷绕面，即不是最外面的卷绕层。在实施例中，侧面空间对应于电极总成220的堆叠的分层侧面。电极总成220在常规使用和车辆运行期间通过经由电路260、265实施用于阴极270和阳极280的母线之间的电流流动来操作。电路通过电池管理系统(bms)240控制并且被连接到电池管理系统(bms)240。
电池200包括定位在壳体210中并且与电极总成220间隔开并且电隔离的锂再生电极(lre)230。如图2a-2b所示，lre230可以与电极总成220的平坦的卷绕面间隔开并且对应于电极总成220的平坦的卷绕面而垂直定位(图2a中)，以及与堆叠电极总成220的分层侧面间隔开并且对应于堆叠电极总成220的分层侧面而垂直定位(图2b中)。在图2c中，示出了圆柱形电池200，其中卷绕电极总成垂直取向。在图2c中，lre230与电极总成220的平坦的卷绕面间隔开并对应于电极总成220的平坦的卷绕面，并且被定位在电池200的底部处。在替代实施例中，在圆柱形电池中，lre可以处于邻近卷绕电极总成的侧面空间中。相对于电极总成的开口面的定位减少了与lre的副作用并且减少了堆积物积聚。隔离lre防止了电极的膨胀问题，因此改进了电池200的物理完整性。lre230可以被连接到电池外部的接线柱(terminalpost)以便于连接到用于再生的主电极。
如图3所示，lre230包括lre集电器310。阴极或阳极活性材料320被涂覆在集电器310上。集电器310和活性材料320被放置在分隔件膜330内以用于隔离，即活性材料和集电器与电解质215和电极总成220电隔离。分隔件330可以是但不限于聚乙烯、聚丙烯或聚烯烃。活性材料320是大容量材料。大容量材料是大容量活性材料，并且可以是大容量阴极材料或大容量阳极材料。材料的容量是以毫安时/克(mah/g)表示的值。能量密度表示为瓦特时/千克(wh/kg)或瓦特时/公升(wh/liter)，并且容量是指材料的li插入能力。通常，常规阴极具有在110-160mah/g范围内的容量。常规阳极(例如石墨)具有360mah/g的容量。大容量电极具有比常规电极更高的容量。大容量阴极材料可以包括但不限于富含镍(ni)的nmc(镍锰钴氧化物)、锂化硫或xli2mno3·(1-x)lizo2，其中z是mn、co或ni，并且x是在0和1之间表示复合物中组分的百分比的值。阴极材料可以是富含li的系统(system)。大容量阳极材料包括但不限于锂化金属氢化物(例如氢化镁(mgh2)、氢化钛(tih2)、氢化钛镍(tinih))、锂化二氧化锡(sno2)、锂化四氧化三钴(co3o4)、锂化磷青铜(cusn)、以及这些系统的合金、以及诸如锂化硅(si)、锂化锡(sn)以及锂化锗(ge)的材料。大容量材料提供具有较少活性材料(在重量和体积方面)的lre，以改进设计和能量密度考量。如下面进一步讨论的，当电池容量降低时，lre由bms240激活以将锂离子提供给电极总成220的主阴极或主阳极(基于大容量活性材料)。
在一个实施例中，lre230使用用于活性材料320的大容量阴极材料并且通过经由bms240在再生电路250中在lre230与阳极280之间流动电流而被激活。在另一实施例中，lre230使用用于活性材料320的大容量阳极材料并且通过经由bms240在再生电路250中在lre230和阴极270之间流动电流而被激活。所施加的电流可以是低的或中等的，以确保在再生之后li不被电镀到电极总成220的主电极上。例如，基于再生容量，低或中等电流可以是0.1c-0.5c速率或等同物。
电池管理系统(bms)240被连接到电池200以便在当前操作条件下估算描述电池组和/或电池单元的值。当前操作条件可以涉及在使用电池组或电池单元期间在开始之后的时间的那些条件。电池操作条件包括但不限于电池荷电状态(soc)、老化、容量变化以及瞬时可用功率。bms240可能够在电池使用期期间随着电池老化而改变电池单元特性期间估算值。一些参数的精确估算提高了性能和鲁棒性，并且延长了电池200的使用寿命。电池管理系统240可以具有一个或多个控制器(诸如电池能量控制模块(becm))，该一个或多个控制器监测和控制牵引电池200的性能。电池200可以包括测量各种水平的特征的传感器。电池200可以包括一个或多个电流测量传感器、电压测量传感器以及温度测量传感器。becm可以包括与电流传感器、电压传感器以及温度传感器连接的电路。becm可以具有非易失性存储器使得当becm处于关闭状态时(即，在“切断”期间)数据可以被保留并且可用。保留的数据也可以在下一个键入循环(keycycle)时(即在“接通”期间)可用。
诸如电池电力容量、电池容量以及电池荷电状态的量可用于控制电池200的操作以及接收来自电池200的电力的任何电负载。电池电力容量是电池200可以提供的最大电量或者电池200可以接收的最大电量的量度。已知电池电力容量允许电力负载被管理使得所要求的电力处于电池200可以处理的限度内。
电池容量是可被存储在电池200中的总电荷量的量度。电池容量可以以安培小时(ah)为单位来表示。与电池容量相关的值可以被称为安培小时值。电池200的电池容量可以在电池200的寿命期间降低。图4描绘了电池容量随时间推移的曲线图。电池容量显示为寿命开始(bol)的百分比，并且显示了寿命中期(mol)以及寿命终止(eol)的百分比水平。电池200的容量可以随着时间和车辆使用情况而减少。这可以被称为电池200的老化。电池衰减或老化被表征为电池容量和充电/放电电力容量降低。如果不更新控制策略来应对电池老化，则电池的衰减可能影响混合动力车辆的性能和燃料经济性。为了适当地控制车辆100，知道电池200老化时的容量是有用的。图5通过在电池寿命各个阶段电池单元电压相对于电池容量的曲线图描绘了老化过程。在使用期间并且由于老化，容量在mol和eol时降低。例如，电池容量在mol处将是bol的～90％，并且在eol处将是bol的～75％。
bms240将再生电路250电连接到电极总成220(经由bms并且基于用于lre230的大容量活性材料到相应的阴极或阳极)来激活锂再生以便补充电极总成220中的锂离子。bms240以预定义的电池容量百分比激活锂再生以对抗容量损失和老化。预定义的百分比可以处于mol处或mol之前、或者eol之前的水平。再生电路250可以在使用过程中当电池200的容量百分比过低(lost)并且车辆100被切断时被激活。
图6描绘了一种用于抑制(containing)电池中的容量损失的方法600。在框610处，设定了电池容量的初始值。对于新电池，电池容量是bol或全启动容量。对于再充电或补充电池，由于电池退化初始容量可能会低于全启动容量。在框620处，bms监测电池老化和容量以确定电池的当前容量。在框630处，bms将当前容量与初始容量进行比较。如果当前容量不小于初始容量的预定义百分比，则在框620处，bms继续监测电池老化和容量。如果当前容量小于初始容量的预定义百分比，则在框640处，通过激活lre再生电路补充li离子。在框650处，由bms确定新电池容量以用于在框610处设定初始值。再生步骤可在车辆切断(key-off)期间发生。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不旨在描述本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的词语是描述性的词语而非限制性词语，并且可以理解的是，可以进行各种改变而不脱离本发明的精神和范围。此外，各种实施的实施例的特征可以被组合以形成本发明的另外的实施例。