混合电池系统技术方案

再充电的混合电池系统并入了高功率电池组件和高能量密度电池组件。高能量密度电池的电压作为其充电状态的函数而变化，但是在电池系统的整个运行范围保持比高功率电池的电压更高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】再充电的混合电池系统并入了高功率电池组件和高能量密度电池组件。高能量密度电池的电压作为其充电状态的函数而变化，但是在电池系统的整个运行范围保持比高功率电池的电压更高。【专利说明】混合电池系统相关申请的交叉引用本申请要求于2011年12月15日提交的美国临时申请61/570，920的优先权，其公开内容通过引用并入本文。专利
本专利技术涉及再充电电池系统，以及更具体地涉及能够发出高峰值功率和持续功率的再充电电池系统。特别是，本专利技术涉及混合电池系统，其包含高功率电池和高能量密度电池，高功率电池被优化以发出高峰值功率水平，高能量密度电池被优化以发出大量持续功率。专利技术背景对具有高能量密度并因此能够储存和发出每单位体积和/或重量大量电能，同时也能够发出高水平峰值功率的再充电电池系统，存在需要。此类高能量高功率电池系统在许多应用——包括军事装置、通讯装置和机器人——中具有显著效用。然而，再充电电池的能量密度和功率密度彼此以相反的方式相关，并且这使得此类再充电电池系统的设计复杂。与高能量密度优化的电池相比，高功率密度电池总是具有较低的能量密度。功率与电池释放能量的能力相关。因此，在高功率电池中能量的释放比在高能量密度电池中快。此高功率负荷产生了显著的电阻加热，其能够引起安全问题和影响电池的循环寿命。因此，高功率电池的电池大小、电池的几何形状和化学必须被选择以允许热管理。因此，高功率电池不能够储存和发出与高能量密度电池同样多的每单位体积和/或大小的能量。另一方面，高能量密度电池被优化以发出每单位体积和/或重量的最大能量并因此不能以和高功率电池相当的速度安全地发出功率。因此，为了实现安全与可靠的操作，电池系统必须被最大化以低能量密度发出高水平功率，或者以便具有高能量密度和低峰值功率容量。然而，如上所述，实际应用常要求还能够提供高水平峰值功率的紧凑的高能量密度功率源。几种方法已经在现有技术中实施，试图满足这些相冲突的目标。在一种情况下，现有技术已经在电池系统中包括电容器或超电容器储存器件，以累积和快速发出高功率脉冲。此方法受到限制，因为电容器系统在长时间期间发出的功率总量相对较小，这大大限制了此类系统的利用。此外，当功率必须要维持长时间期间时，电容器系统的斜的电压分布是不期望的。典型地，储存在超电容器为基础的系统中的仅25%的功率实际上是可用的。在另一种方法中，再充电高能量密度电池系统合并了辅助性不可再充电原电池。虽然此类系统能满足特定的功率/能量分布图的需要，但它们对持续操作来说是不实际，这是因为原电池必须定期更换。在其它情况下，现有技术已经制备了混合的再充电电池系统，其包括优化以发出高功率的第一组电池连同优化以具有高能量密度的第二组电池。一些此类混合系统显示在美国专利7, 399，554和7，635，541，以及美国专利申请公开2007/0212596中。迄今为止，传统常识认为在此类型的混合电池系统中，高能量和高功率电池组的电压必须相同，以便保持系统的正常运转。因此，现有技术的混合电池系统是利用它们的高功率和高能量段大致相同的电池化学制备。这种化学和电压的匹配必要性限制了混合电池系统的设计选项，并且还需要包括充电/放电控制电路，所有这些都伤及这些混合系统的大小、重量和最终能量密度。在现有技术中，对功率和能量电极利用相似化学的约束限制了混合电池系统的选项，并且通过本专利技术克服。如下文解释，本专利技术突破了现有技术，因为它提供了合并具有不同电压、充电/放电特征和化学的高功率电池和高能量密度电池的再充电混合电池系统。本专利技术的不同电池也可设计具有匹配阻抗并且因此本专利技术的系统对于充电和放电固有地自我调节并且减少或消除了充电控制器、开关等的使用。本专利技术的这些和其它优点从下面的附图、讨论以及描述将显而易见。专利技术概述公开了包括以并联电关系连接的高功率电池和高能量密度电池的混合再充电电池系统。高能量密度电池的开路电压比高功率电池的开路电压高达至少8 O %的放电度(degree of discharge)。在具体情况下,高功率电池和高能量密度电池是锂电池,并且高功率电池和高能量密度电池的阴极材料组成、电解质组成和阳极材料组成的至少一种不同。在特定情况下,高功率电池的开路电压在O放电深度(depth of discharge)下在3.2-3.5的范围之内和在0.5放电深度下在3.1-3.5的范围之内。在某些实施方式中，高能量密度电池的能量密度至少为250WH/kg。在特定情况下，高能量密度电池的阴极包括锂混合的金属氧化物材料，其可包含至少镍和钴的氧化物。在某些情况下，高功率电池的阴极包含磷酸铁锂材料，其可包括纳米磷酸铁锂材料。高能量密度电池的阳极可包括硅和/或锡，并且高功率电池的阳极可包括石墨碳。在特定的实施中，电池系统的容量的至少90%由高能量密度电池提供。在一些情况下，高功率电池的阻抗在高能量密度电池的阻抗的80-120 %范围之内，并且在某些特定的情况下，高功率电池的阻抗在高能量密度电池的阻抗的90-110 %的范围之内。附图简述图1显示了本专利技术的电池系统的示意图；图2是在本专利技术中使用的类型的高能量密度电池和高功率电池的开路电压(OCV)与放电程度(DOD)绘制的图；以及图3是本专利技术的高能量密度电池以及混合电池系统的以小时计的自放电时间对充电/放电周期数绘制的图。优选实施方式详述本专利技术可在多个实施方式中实施。本文中描述一些具体的实施方式，并且鉴于本文提出的教导，其它对本领域技术人员是显而易见的。现在参考图1，显示了本专利技术的基本混合电池系统10。如从图中可见，该系统10包含与高能量密度电池14并联电关系布置的高功率电池12。如进一步显示，电池的并联线又连接到负载16。在电池系统正在再充电的那些情况下，负载16将由电源替换。在本公开的上下文中，该混合电池系统的两个组件被称为高功率电池和高能量密度电池。可以理解的是，这些组件的每个可包括单个电化学电池或以串联和/或并联电关系相连接的多个电学电池。在本公开的上下文中，用于这些组件的术语“电池”将被理解为包括单个电池和单独电池的聚集体二者。从图1将注意到，高能量密度电池14的开路电压是4.3伏并且因此比高功率电池12的开路电压3.4伏高。此电压关系是反传统常识的，传统常识认为电压在例如这里的电路中应该匹配。在此类型的典型系统中，由高能量密度电池14提供系统的能量容量的至少80%，其余的由高功率电池12提供。在特定的情况下，容量的至少90%。在具体的情况下，该系统被配置以使该电池系统的容量的大约95-96%由高能量密度电池14提供。在本专利技术的一些实施方式中，高能量密度电池14和高功率电池12的阻抗将匹配，使得高功率电池的阻抗在高能量密度电池的阻抗的80-120%的范围之内。在特定的情况下，匹配是这样的:高功率电池的阻抗在高能量密度电池的阻抗的90-110%的范围之内。高能量密度电池14能够储存相对大量的每单位重量的电能以及在特定的情况下具有至少250WH/Kg的能量密度。每单位体积该电池的能量密度范围将达到550WH/L。高能量密度电池的功率密度在从100%充电状态的2V5s下将典型地比1KW/Kg低。该电池的典型阴极材料包含金属氧化物，比如镍/钴氧化物，以及，如本领域已知的本文档来自技高网...

【技术保护点】
混合再充电电池系统，包括：以并联电关系相连接的高功率电池和高能量密度电池，其中所述高能量密度电池的开路电压比所述高功率电池的开路电压高达至少80％放电度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·乌，M·R·威克瑟姆，
申请(专利权)人：A一二三系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US