密封型鎳-金屬氫化物蓄電池以及具有這種蓄電池的混合電動車輛的製作方法
2023-10-11 03:46:19 1
專利名稱：密封型鎳-金屬氫化物蓄電池以及具有這種蓄電池的混合電動車輛的製作方法
技術領域：
本發明涉及密封型鎳-金屬氫化物蓄電池以及具有這種蓄電池的混合電動車輛。
背景技術：
JP特開平9-204931公開了一種密封型鎳-金屬氫化物蓄電池，該蓄電池的正極和負極分別含有鎳和吸氫合金作為活性材料。為了避免增加電池內部壓力、並使電池尺寸、重量和生產成本減少，把在充電完成後蓄電池中存儲的電量設置為小於正極的理論容量。
發明內容
然而，當使蓄電池的充電容量小於其額定值時，上述蓄電池的容量是不足的。因此，易於使這種蓄電池的成本效率和能量密度方面的改善受到影響。
鑑於上述原因，本發明的目的是提供一種能夠以比較低的成本獲得高能量密度的密封型鎳-金屬氫化物蓄電池。
本發明的另一目的是提供一種具有這種密封型鎳-金屬氫化物蓄電池的混合電動車輛。
根據本發明的第一種方案，提供一種密封型鎳-金屬氫化物蓄電池，包括含有鎳作為正極活性材料的正極；含有吸氫合金作為負極活性材料的負極，負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量，充電備用容量與放電備用容量之比在1∶0至1∶0.5的範圍內；插在正極和負極之間的隔板；以及正極和負極浸入其中的電解液。
根據本發明的第二種方案，提供一種包括多個密封型鎳-金屬氫化物蓄電池的混合電動車輛，各蓄電池具有含有鎳作為正極活性材料的正極；含有吸氫合金作為負極活性材料的負極，負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量，充電備用容量與放電備用容量之比在1∶0至1∶0.5的範圍內；插在正極和負極之間的隔板；以及正極和負極浸入其中的電解液。
根據本發明的第三種方案，提供一種混合電動車輛，包括內燃式發動機；具有多個鎳-金屬氫化物蓄電池的電池組件，各蓄電池具有分別含有鎳和吸氫合金作為電化學活性材料的正極和負極、插在正極和負極之間的隔板、以及正極和負極浸入其中的電解液，負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量，放電備用容量小於充電備用容量；由發動機驅動以對蓄電池再充電的發電機；用於檢測各蓄電池的充電狀態的裝置；以及用於控制發動機和發電機以使蓄電池充電狀態的平均值保持在給定值或更高的裝置。
本發明的其它目的和特點從下面的描述中更易理解。
圖1是表示在根據本發明的一個典型實施例的密封型鎳-金屬氫化物蓄電池的正、負極容量之間關係的示意圖。
圖2是設置有多個根據本發明一個典型實施例的密封型鎳-金屬氫化物蓄電池的混合電動車輛的示意圖。
具體實施例方式
參考圖1和2詳細描述本發明。
根據本發明的一個典型實施例，混合電動汽車(HEV)10具有電池組件17，此電池組件17設置有多個密封的鎳-金屬氫化物蓄電池1。
各蓄電池1包括至少一個正極、至少一個負極、至少一個隔板、電解液和電解容器。在本實施例中，設置有十個正極、十一個負極和二十個隔板。正極和負極交替設置在電解容器中，各隔板插在兩個相鄰的電極之間。將電解液密封在電解容器中，從而使正極和負極浸在電解液中。
對蓄電池1的正極沒有特別地限制，只要正極含有鎳作為正極活性材料即可。例如，可通過下述方法提供正極將75wt.％的氫氧化鎳與25wt.％的甲基纖維素水溶液(作為粘度改進劑)混合；將得到的膏狀物填充到泡沫鎳基片中(550g/m2)；以70-80℃烘乾填充有膏狀物的基片；輥壓烘乾後的基片；然後利用裁剪刀將輥壓後的基片裁成20mm×50mm的大小。
同樣，對蓄電池1的負極沒有特別地限制，只要負極含有吸氫合金作為負極活性材料即可。例如，可通過下述方法提供負極將吸氫合金(主要由混合稀土構成)粉末化為100目或更小的尺寸；將75wt.％的吸氫合金粉末與25wt.％的聚乙烯醇水溶液(作為粘度改進劑)混合；將得到的膏狀物塗覆到鍍鎳打孔金屬基片上，使得塗層具有0.5mm的厚度；以70-80℃烘乾塗覆後的基片；輥壓烘乾後的基片；然後利用裁剪刀將輥壓後的基片裁成19mm×49mm的大小。
蓄電池1的隔板可由磺化聚丙烯無紡織物製成。
蓄電池1的電解液可以是6-N的氫氧化鉀水溶液。
蓄電池1的電解容器可以由樹脂製成並形成為矩形形狀。
如圖1所示，使負極的理論容量大於正極的理論容量。在此將電極的理論容量定義為以電極中所含的活性材料的總量為基礎的容量。當正極處於完全充電狀態時，負極含有剩餘量的未充電活性材料，以便提供充電備用容量CR(即，能夠進一步儲存在負極中的過剩安培-小時數)。當正極處於完全放電狀態時，負極含有剩餘量的充電活性材料，以便提供放電備用容量DR(即，能夠進一步從負極中提取出的過剩安培-小時數)。
也就是說，將蓄電池1劃分為所謂的「正極調節型」，其中，負極容量大於正極容量。這種正極調節型蓄電池1的完全充電狀態一般由蓄電池1的電壓或溫升速率判斷出來。然而，在蓄電池1達到完全充電狀態之後，蓄電池1的電壓降低或保持不變。由於這種不穩定的電壓特性，導致了從電池電壓不能精確地檢測出蓄電池1的完全充電狀態，從而經常導致過充電。此外，在周圍溫度的影響下難以準確地確定出蓄電池1的溫升速率。蓄電池1的完全充電狀態不能從電池的溫升速率精確地檢測出來，因而也導致了過充電。另一方面，蓄電池1的完全放電狀態一般由蓄電池1的電壓判斷出來。由於蓄電池1電壓中的變化程度由放電容量唯一地確定，因此能夠比較精確地檢測出蓄電池1的完全放電狀態。不會如此經常地發生蓄電池1的過放電。基於上述因素，人們認為過放電的頻率遠遠低於過充電的頻率。通過將蓄電池1應用於HEV 10，這樣就可以進行充、放電控制，在這種控制下蓄電池1具有更大的充電可能性。
通過下述電化學反應(1)和(2)對上面構成的鎳-金屬氫化物蓄電池1進行充電正極(1)負極(2)這裡M代表吸氫合金，MH代表它的金屬氫化物。
在充電結束時，通過下面的反應(3)在正極中生成氧。生成的氧通過下面的反應(4)與負極中的氫再結合，這樣就防止了由於氧氣的產生引起的蓄電池1內壓的升高。
正極(3)負極(4)(5)此外，隨著充電電流的增加，負極吸氫合金吸收氫的趨勢降低。在充電結束時，氫通過上述反應(5)與充電備用容量CR的吸氫合金再結合，這樣就防止了由於氫氣的產生引起的蓄電池1內壓的升高。
通過這些反應(2)、(4)和(5)，蓄電池1保持平衡，從而保持蓄電池1的密封。
雖然蓄電池1的負極通常比蓄電池1的正極放電效率低、循環壽命短，但是放電備用容量DR彌補了這種不利的負極特性，從而在沒有增加正極容量的條件下保持了蓄電池1的性能。這裡，在反應(5)中吸收氫的充電備用容量CR的負極活性材料不再用於蓄電池1的充、放電循環，但有助於放電備用容量DR。
考慮到由於蓄電池1完全放電狀態檢測的簡便性使得過放電的頻率低於過充電的頻率，在本實施例中使放電備用容量DR小於充電備用容量CR。最好將充電備用容量CR與放電備用容量DR之比控制為(CR∶DR)＝(1.0∶0)至(1.0∶0.5)。通過如上所述將放電備用容量DR設定為小於充電備用容量CR，可以減少在負極中採用的高價吸氫合金的量，由此降低蓄電池1的尺寸、重量和生產成本。並且由於蓄電池1重量的降低還可以使它獲得高能量密度。
在蓄電池1過充電的情況下，放電備用容量DR可能變得不足。但在這種情況下，放電備用容量DR由對應於由上述反應(5)吸收氫的負極活性材料的一部分充電備用容量CR補充，由此避免了放電備用容量DR的短缺。因此，蓄電池1能夠保持其性能，增加其使用壽命。
可按下述方式在負極中形成充、放電備用容量CR和DR。在負極的製造中，加入過量的吸氫合金以形成充電備用容量CR。為了形成放電備用容量DR，加入其氧化還原電位低於鎳的金屬(例如，二價鈷)。在最初充電過程中，適當量的電能輸送給負極。於是，優先於正極中鎳的氧化，所加入的金屬氧化成作為放電備用容量DR的該金屬的氫化物。
作為示例，本實施例的鎳-金屬氫化物蓄電池1形成有7Ah的額定容量、1.3的理論容量比(理論負極容量[Ah]/理論正極容量[Ah])、以及10的備用容量比(充電備用容量CR[Ah]/放電備用容量DR[Ah])。
如圖2所示，HEV 10具有發動機11和馬達12，以通過行星齒輪系16驅動車輪19；電池組件17，以通過換流器13將電能提供給馬達12；發電機14，通過轉換器15連接到發動機1以產生用於對電池組件17進行再充電的電能；以及控制器18，控制發動機11、馬達12、換流器13、轉換器15和發電機14的工作。將HEV 10設計為所謂的「並行混合電動車輛(PHEV)」，這種車輛的發動機11和馬達12同時工作或者發動機11和馬達12各自單獨工作，從而產生驅動功率。
發動機11可以是內燃式發動機(例如汽油發動機或柴油發動機)。
馬達12可以是交流(AC)馬達、感應馬達、同步馬達或直流(DC)馬達。在馬達12是DC馬達的情況下，換流器13由DC-DC轉換器替代。
發電機14可以是產生三相交變電流的三相交流發電機，轉換器15將三相交變電流轉換為直流。作為選擇，發電機14可以是直流發電機。在這種情況下，不需要轉換器15。
電池組件17具有以串聯方式電連接的鎳-金屬氫化物蓄電池1。各蓄電池1的端子電壓(terminal voltage)由電壓傳感器20檢測並輸出到控制器18。
控制器18根據蓄電池1的輸出電壓確定蓄電池1的充電(SOC)狀態，計算蓄電池1充電狀態的平均值，並檢查算出的平均值是否為55％或更高。當算出的平均值低於55％時，控制器18按發動機11驅動發電機14以產生電能並由此對電池組件17再充電的方式對發動機11和發電機14進行操作。在控制器18的控制下，蓄電池1的充電狀態的平均值在任何時候都保持在55％或更高。各蓄電池1的充電狀態的計算方法不限於以上所述。例如，溫度傳感器或電流傳感器可選擇性地提供給各蓄電池1，以便根據蓄電池1的電流或溫度計算蓄電池1的充電狀態。當蓄電池1的充電狀態的平均值在任何時候都保持在55％或更高時，蓄電池1具有被充電的更大可能性。這樣成功地避免了蓄電池1的過放電。這使得在電池性能和使用壽命沒有惡化的情況下、在HEV 10的電池組件17中蓄電池1的有效利用成為可能，在所述蓄電池1中把放電備用容量DR設置為小於充電備用容量CR。
此外，控制器18檢查各蓄電池1的電壓是否高於或等於放電電壓限值。在本實施例中，放電電壓限值設為1.15V/電池。當任何蓄電池1的電壓低於放電電壓限值時，控制器18按發動機11驅動發電機14以產生電能並由此對電池組件17再充電的方式對發動機11和發電機14進行操作。在控制器18的控制下，蓄電池1的電壓在任何時候都保持在放電電壓限值或更高。由於放電電壓限值對於完全放電電壓提供了足夠的電壓餘量，因此能夠更可靠地避免蓄電池1的過放電。這使得在電池性能和使用壽命沒有惡化的情況下、對在HEV 10的電池組件17中的蓄電池1合理地有效利用成為可能。
最理想地，在最初充電過程中(例如，在工廠出貨或交貨過程中)蓄電池1基本上保持在過充電狀態。可以通過下述方式進行在最初充電過程中蓄電池1的充電狀態的等同化將蓄電池1過充電到基本上相同的狀態；然後，向蓄電池1施加涓流充電。控制器18可具有通過例如在最初充電過程中控制涓流充電的採用使蓄電池1的充電狀態大致等同的功能。通過這種蓄電池1的充電等同化，從而可以防止在從電池組件17的完成直到將HEV 10提供給用戶的這段時間內由於蓄電池1的自放電引起的最初充電容量的變化，由此可以從蓄電池1的使用開始時就正確地表現出蓄電池1的性能。此外，在最初充電時蓄電池1的過充電將一部分充電備用容量CR提前轉化為放電備用容量DR，從而防止了在過放電情況下放電備用容量DR的短缺，避免了電池性能和使用壽命的惡化。
申請號為2003-063056(2003年3月10日提交)的日本專利申請的全部內容在此引作參考。
雖然參考本發明的具體實施例描述了本發明，但本發明並不限於上述實施例。鑑於上述教導，本領域的技術人員可對上述實施例進行各種修改和變化。參考權利要求限定本發明的範圍。
權利要求
1.一種密封型鎳-金屬氫化物蓄電池(1)，包括含有鎳作為正極活性材料的正極；含有吸氫合金作為負極活性材料的負極，負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量(CR)、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量(DR)，充電備用容量(CR)與放電備用容量(DR)之比在1∶0至1∶0.5的範圍內；插在正極和負極之間的隔板；以及正極和負極浸入其中的電解液。
2.根據權利要求1的密封型鎳-金屬氫化物蓄電池(1)，其中在最初充電過程中蓄電池(1)過充電。
3.一種包括多個密封型鎳-金屬氫化物蓄電池(1)的混合電動車輛(10)，各蓄電池(1)具有含有鎳作為正極活性材料的正極；含有吸氫合金作為負極活性材料的負極，負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量(CR)、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量(DR)，充電備用容量(CR)與放電備用容量(DR)之比在1∶0至1∶0.5的範圍內；插在正極和負極之間的隔板；以及正極和負極浸入其中的電解液。
4.根據權利要求3的混合電動車輛(10)，還包括內燃式發動機(11)；由發動機(11)驅動以產生用於對蓄電池(1)充電的電能的發電機(14)；以及對發動機(11)和發電機(14)進行控制以對蓄電池(1)進行再充電的控制器(18)。
5.根據權利要求4的混合電動車輛(10)，還包括檢測各蓄電池(1)的充電狀態的充電狀態檢測單元(18，20)，其中控制器(18)按使蓄電池(1)的充電狀態平均值保持在55％或更高的方式控制發動機(11)和發電機(14)。
6.根據權利要求4或5的混合電動車輛(10)，還包括用於檢測各蓄電池(1)的端子電壓的電壓傳感器(20)，其中控制器(18)按使蓄電池(1)的端子電壓保持在1.15V或更高的方式控制發動機(11)和發電機(14)。
7.根據權利要求3的混合電動車輛(10)，其中在最初充電過程中將所述多個蓄電池(1)過充電成基本上相同的狀態。
8.一種混合電動車輛(10)，包括內燃式發動機(11)；具有多個鎳-金屬氫化物蓄電池(1)的電池組件(17)，各蓄電池(1)具有分別含有鎳和吸氫合金作為電化學活性材料的正極和負極、插在正極和負極之間的隔板、以及正極和負極浸入其中的電解液，負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量(CR)、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量(DR)，放電備用容量(DR)小於充電備用容量(CR)；由發動機(11)驅動以對蓄電池(1)再充電的發電機(14)；用於檢測各蓄電池(1)的充電狀態的裝置(18，20)；以及用於控制發動機(11)和發電機(14)以使蓄電池(1)充電狀態的平均值保持在給定值或更高的裝置。
9.根據權利要求8的混合電動車輛(10)，其中給定值是55％。
10.根據權利要求8的混合電動車輛(10)，還包括用於檢測各蓄電池(1)的電壓的裝置(20)，其中控制器(18)控制發動機(11)和發電機(14)以使各蓄電池(1)的電壓保持在放電電壓限值或更高。
11.根據權利要求10的混合電動車輛(10)，其中放電電壓限值為1.15V。
12.根據權利要求8或10的混合電動車輛(10)，其中在最初充電過程中蓄電池(1)過充電。
13.根據權利要求12的混合電動車輛(10)，還包括在最初充電過程中使所述多個蓄電池的充電狀態基本上相同的裝置(18)。
全文摘要
一種密封型鎳－金屬氫化物蓄電池，包括含有鎳作為正極活性材料的正極；含有吸氫合金作為負極活性材料的負極，插在正極和負極之間的隔板，以及將正極和負極浸入其中的電解液。負極具有比正極的理論容量更大的理論容量，從而當正極處於完全充電狀態時提供充電備用容量、當正極處於完全放電狀態時提供放電備用容量。充電備用容量與放電備用容量之比在1∶0至1∶0.5的範圍內。
文檔編號B60L11/14GK1531132SQ20041002826
公開日2004年9月22日 申請日期2004年3月10日 優先權日2003年3月10日
發明者池添通則 申請人:日產自動車株式會社