電池和超級電容器裝置以及使用方法
2023-08-01 00:32:41 2
專利名稱：電池和超級電容器裝置以及使用方法
技術領域：
本發明涉及單個電芯水平的電池和超級電容器裝置以及使用方法。
背景技術：
一些混合動力電動車輛(HEVs)結合有作為一級能量源的高壓電池裝置和用於提供短持續時間高電流脈衝的超級電容器。這種裝置設計提供卓越的動力和足夠的能量來為HEVs提供動力。使用至少兩個能量源來為HEVs提供動力需要多重控制裝置，這增加了重量和額外的成本。
發明內容
根據本文公開的至少一個實施例，用在車輛中的電池和超級電容器裝置減少了增加重量且佔據車輛空間的控制裝置的數量。該裝置包括電池和超級電容器電芯，該電池和超級電容器電芯具有正極、第一負極、第二負極、第一隔板和控制器。第一負極具有第一組合物並且與正極連通。第二負極具有第二組合物並且與第一負極相鄰。第二負極也與第二隔板相鄰。第二負極與正極和第一負極連通。第一隔板設置在正極與第一和第二負極之間。控制器與正極、第一負極和第二負極連通。第一負極包括二級電池負極，並且第二負極包括超級電容器負極。根據另一個實施例，電池和超級電容器裝置包括至少一個電池和超級電容器電芯，該電池和超級電容器電芯具有二級電池電芯、電化學雙層電容器和控制器。二級電池電芯包括正極和第一負極，該第一負極包括第一區段。電化學雙層電容器包括正極和第二負極，該第二負極包括第二區段。用於控制該裝置以實現至少一個電芯的充電或放電的控制器與二級電池電芯和電化學雙層電容器兩者均連通。在另一個實施例中，公開了用於為車輛中使用的電動馬達提供動力的方法。車輛具有利用電池和超級電容器裝置的充電系統。電池和超級電容器裝置包括至少一個電池和超級電容器電芯，該電池和超級電容器電芯具有羥基氧化鎳正極、組合負極，該組合負極具有金屬氫化物負極部分和活性炭負極部分。組合負極與正極連通。正極和活性炭負極部分包括電芯的超級電容器部分。正極和金屬氫化物負極部分包括電池部分電芯。設置在正極和組合負極之間的隔板將正極與組合負極電絕緣。該方法包括以下步驟當對該裝置放電時利用與電池和超級電容器裝置連通的單個控制器控制來自組合負極的電子流。利用該電子流為車輛的電動馬達提供動力。
圖1示出了具有根據至少一個實施例的電池和超級電容器裝置的混合動力電動車輛；圖2示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器裝置的電池和超級電容器電芯；圖3示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯構造；圖4示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯構造；圖5示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯構造；圖6示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯的稜柱構造；圖7示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯的圓柱形構造；和圖8圖解示出了使用根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯的過程的步
馬聚ο
具體實施例方式現在詳細參考本文所述的組合物、實施例和方法，其包括目前對於發明人而言已知的實施本發明的最佳模式。但是，應當理解，所公開的實施例僅僅只是本發明的示例，本發明可以以多種和可替代的形式實施。因此，本文所公開的特定細節並不被解釋為限制性， 而是僅僅作為本發明任何方面的代表性基礎和/或作為教導本領域技術人員以不同的方式實施本發明的代表性基礎。除了在操作實例中或者以另外的方式明確地指出之外，在描述發明最寬泛的範圍時，在本說明書中表示材料量、反應條件或用途的所有數字均應理解為由詞語「大約」進行修飾。通常優選的是在所述的數字限制之內進行實施。另外，除非明確地相反指示，否則(i)百分比和比值按重量計；所述適合於或優選用於與本發明相關的指定目的的材料組或類暗示這些材料中的任何兩種或更多種可以被混合且可以是同等地適合或優選的；(ii)化學術語中所述的組分指的是添加到說明書中記載的任何組合中時的組分， 並且不排除一旦混合之後混合物組分中的化學相互作用；(iii)只取首字母的第一定義或其它縮寫在這裡應用於同一縮寫以及對起始定義的縮寫的正常文法變化所作的必要修正的所有後續用途；並且(iv)除非明確地相反指示，否則，性能的量度由對於同一性能的之前或之後參考的相同技術確定。圖1示出了根據至少一個實施例的混合動力電動車輛(HEV) 10。HEVlO連接有電池和超級電容器裝置12，該電池和超級電容器裝置12包括控制器14並且與控制器14直接地或間接地電連通。控制器14與牽引馬達16電連通。牽引馬達16通過動力傳動裝置 154連接至車輛10的至少一個車輪156。根據至少一個實施例，電池和超級電容器裝置12與高壓總線150電連通並且向高壓總線150提供能量。高壓總線150與DC/DC轉換器152電連通並且向DC/DC轉換器152 提供能量。DC/DC轉換器152利用信號網絡與牽引馬達16電連通。雖然電池和超級電容器裝置12示出為向牽引馬達16提供動力，但是在不背離實施例的範圍或精神的情況下，電池和超級電容器裝置12可以用來向車輛10上的其它電負載提供動力，例如需要供電的附件。圖2示意性地示出了根據至少一個實施例的電池和超級電容器電芯28。電池和超級電容器裝置12可以包括多個電池和超級電容器電芯觀。電池和超級電容器電芯觀包括殼體沈，該殼體沈覆蓋正極30，正極30通過諸如電纜線或電線的第一電纜32與控制器14電連通。控制器14還通過第二電纜36與組合負極34電連通。應當理解，因為電池和超級電容器電芯觀能夠可逆地充電和放電，所以負極在充電期間可以是發生還原反應的陰極，並且正極可以是發生氧化反應的陽極。在放電期間，負極可以是陽極，而正極可以是陰極。組合負極34具有金屬氫化物電極40和設置在金屬氫化物電極40附近的雙層電極42。第一隔板44位於正極30和組合負極34之間，該第一隔板44抑制正極30和組合負極34之間的電子流動。電解質36位於正極30和組合負極34之間，該電解質36能夠方便正極30和組合負極34之間的電子的遷移。第二隔板46將雙層電極42與最接近的正極48電絕緣，該相鄰的正極48設置在可選擇地位於附近的另一個電池和超級電容器電芯50 (不完整地示出)中。在至少一個實施例中，金屬氫化物電極40具有的氫含量按重量計處於0. 的氫至3%的氫的範圍內。在另一個實施例中，金屬氫化物電極40具有的氫含量按重量計處於0. 5%的氫至2. 5%的氫的範圍內。在另一個實施方案中，金屬氫化物電極40包括混合稀土金屬鎳基氫化物合金組合物電極。正極30、雙層電極42、第一隔板44和第二隔板46包括超級電容器。正極30、金屬氫化物電極40和第一隔板44包括電池電芯。在至少一個實施例中，正極30包括羥基氧化鎳(NiOOH)組合物。在另一個實施例中，正極30具有羥基氧化鎳粒子，該羥基氧化鎳粒子具有塗覆層，該塗覆層覆蓋每個羥基氧化鎳粒子的表面的至少一部分。正極30主要由鎳化合物和添加劑構成，該鎳化合物的鎳平均化合價大於2，該添加劑含有分布在羥基氧化鎳粒子中的Nb和Y。在另一個實施例中，正極30可以包括多孔鎳組合物結構，該多孔鎳組合物結構包括正極30的具有羥基氧化鎳組合物的一部分。應當理解，正極30可以包括一個或多個羥基氧化鎳晶體結構，例如α、β或Y晶體結構。還應當理解，羥基氧化鎳組合物可以是非化學計量的組合物，可以包括在不同氧化狀態下的鎳原子的組合，並且可以通過延長暴露於電解質36而轉換為一個或多個不同組合物。還應當理解，除了羥基氧化鎳組合物，正極30可以包括額外的合金和/或添加劑。在至少一個實施例中，組合負極34包括儲氫合金和超級電容器負極。儲氫合金包括能夠可逆地形成金屬氫化物化合物的混合物的組合物。在至少一個實施例中，儲氫合金包括金屬間組合物，該金屬間組合物具有兩個或多個固相金屬元件。在另一個實施例中，金屬間組合物可任選地包括一個或多個非金屬元件，該非金屬元件的晶體結構與金屬組分的晶體結構不同。金屬間組合物的非限制性實例包括兩個類別組合物，其中A是鑭、鈰、釹、鐠的稀土混合物，B是鎳、鈷、錳和/或鋁；以及AB2組合物，其中A是鈦和/或鋯，B是利用鉻、鈷、鐵和/或錳改性的釩或鎳。在至少一個實施例中，超級電容器負極包括雙層負極。包括雙層負極的組合物的非限制性實例包括碳基負極、氣凝膠和/或鋇鈦酸鹽，該碳基負極具有活性炭、活性木炭、石墨烯和/或碳納米管。現在轉到圖3，以重疊的方式示意性地示出了電池和超級電容器電芯觀構造的至少一個實施例。組合負極34包括金屬氫化物電極40，該金屬氫化物電極40作為具有縱向軸線62和與縱向軸線62平行的表面64的層60。組合負極34還包括雙層電極42，該雙層電極42作為具有縱向軸線68和與縱向軸線68平行的表面70的層66。表面64和表面70 彼此相鄰，使得層60和層66是重疊的。現在轉到圖4，示意性地示出了電池和超級電容器電芯觀構造的至少一個實施例。組合負極34包括金屬氫化物電極40，該金屬氫化物電極40作為具有端部82的層80。 組合負極；34還包括雙層電極42，該雙層電極42作為具有端部88的層86。端部82和端部 88彼此相鄰，使得層80和層86端部對端部對準。現在轉到圖5，示意性地示出了電池和超級電容器電芯觀構造的另一個實施例。 組合負極34包括金屬氫化物電極40，該金屬氫化物電極40作為具有端部102的第一區段 100。組合負極34還包括雙層電極42，該雙層電極42作為具有端部108和110的第二區段 106。端部102和端部108彼此相鄰，使得區段100和區段106端部對端部對準。組合負極 34還包括金屬氫化物電極40的第二區段112。第二區段112具有端部114。端部114和端部110彼此相鄰，使得區段106和112端部對端部對準。應當理解，圖5的構造可以具有區段的變化。在至少一個實施例中，電解質36是能夠通過負極和正極極化的電活性固體和/或液體。陽離子和陰離子在電極處產生並且通過超級電容器中的靜電而排列在雙層中。在充電和放電過程期間，陽離子和陰離子在電解質中移動。通過沿相反的方向運動，陽離子和陰離子形成雙層，由此存儲能量。在水溶液中，電解質36的非限制性實例包括可分解的鹽中的至少一種，例如氫氧化鉀、氫氧化鈉和/或氫氧化鋰。鹽的濃度可以為0. 2-8摩爾的範圍內。在至少一個實施例中，隔板44和46是聚合物型組合物基底。聚合物型組合物基底的非限制性實例包括聚醯胺膜、丙烯酸接枝非織造網或磺化聚烯烴非織造網。在某些實施例中，隔板44和46具有的厚度處於從50微米至200微米的範圍內。現在轉到圖6和7，在至少一個實施例中，電池和超級電容器裝置12可以被構造為稜柱構造。在另一個實施例中，電池和超級電容器裝置12可以被構造為圓柱形構造。在圖6中，電池和超級電容器裝置12的至少一個實施例是稜柱構造，裝置12的稜柱構造是通過卷繞(wind)正極的束帶形式120和負極的束帶形式122同時插入的隔板IM 位於這兩者之間而獲得的。稜柱構造位於殼體126內，該殼體1 包括彼此電絕緣並且分別電連接至正極120和負極122的正端子1 和負端子130。在圖7中，以圓柱形構造示意性地示出了電池和超級電容器裝置12的至少一個實施例，該圓柱形構造是通過捲起(roll)正極的片層形式140和負極的片層形式142同時插入的隔板144位於這兩者之間而獲得的。圓柱形構造位於殼體146內，該殼體146包括彼此電絕緣並且分別電連接至正極140和負極142的正端子148和負端子140。現在轉到圖8，在至少一個實施例中，圖解示出了當向用於具有充電系統的車輛的電動馬達提供動力時使用電池和超級電容器裝置12的方法。電池和超級電容器電芯觀包括羥基氧化鎳正極30、組合負極34，該組合負極34包括金屬氫化物負極40部分和與正極 30連通的活性炭負極部分。正極30和活性炭負極部分包括電芯的超級電容器部分。正極 30和金屬氫化物負極40部分包括電芯的電池部分。電解質36和隔板44設置在正極和組合負極之間。在至少一個實施例中，電池和超級電容器電芯28的使用方法可以包括以下步驟(i)步驟160，當對電池和超級電容器電芯觀放電時，利用電池和超級電容器電芯28的單個控制器控制來自負極的電子流；以及(ii)步驟162，利用電子流向電動馬達提供動力。當對電池和超級電容器電芯觀充電時，額外的步驟164包括控制流向負極的電子流。當構造電池和超級電容器電芯12時，組合負極34可以包括步驟166 以重疊構造利用金屬氧化物和活性炭使得組合負極形成圖案。當對電池和超級電容器裝置12放電時，步驟160還可以包括步驟168 在脈衝時間段內控制基本上來自超級電容器的電子流，使得由於組合負極34的多個電池和超級電容器部分之間不同的內阻而在所述多個電池和超級電容器部分之間出現電流隔斷。在某些實施例中，步驟168可以防止組合負極34的電池部分受到在脈衝時間段內從超級電容器發射的高電流脈衝的傷害。在某些實施例中，電池和超級電容器裝置12將對多重控制裝置的需要從至少三個控制器(即對於電池、超級電容器和對電池和超級電容器控制器進行控制的主控制器中每一者都需要一個控制器)減少至單個控制器，從而降低了電池和超級電容器裝置12的成本。此外，電池和超級電容器裝置12具有期望的優點，即由於減少了控制器的數量，所以重量輕且空間需求小。電池和超級電容器裝置12還可以具有期望的優點，即提供25%或更高的較高速率、短脈衝時間段、電流脈衝。可以利用電池和超級電容器裝置12的超級電容器部分進行相對較多的HEV操作。至少30 %的HEV操作負載可以由裝置12的超級電容器部分提供。相對減少由金屬氫化物電池供應的負載，可以延長裝置12的金屬氫化物部分的使用壽命，延長金屬氫化物部分的使用壽命可以減少對金屬氫化物電池的額外量的需要，以減輕車輛整個壽命中負載的金屬氫化物供應的減少。超級電容器部分可以允許相對較高的動力能力，這又允許裝置12在提供相同動力的同時具有較小的尺寸和減小的重量。此外，因為在較低溫度下超級電容器比電池相對較為穩定，所以裝置中經濟性地包括具有電池的超級電容器在低溫動力性能期間可以具有期望的優點。之前的HEV動力裝置相對較大，這是因為動力裝置的尺寸形成為減輕金屬氫化物電池的相對較低低溫動力的效應。此外，在一些實施例中，負極中活性炭的存在降低了對電子流的內阻，在所有的溫度範圍內改進了動力傳遞。此外，降低的內阻可以增加裝置的效率，這是因為更多的能量可以用於做功，而較少的能量通過內部電芯加熱而作為熱量耗散掉。在細胞尺度中，當組合金屬氫化物負極和超級電容器負極時，將相對昂貴的金屬氫化物組合物替換為相對廉價的活性炭組合物可以降低整體裝置成本。雖然已經示出和描述了本發明的實施例，但是這些實施例並不意圖示出和描述本發明的所有可能的形式。相反，說明書中所用的詞語是說明性的詞語而非限制性的詞語。應當理解，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，可以進行各種改變。
權利要求
1.一種在車輛中使用的電池和超級電容器裝置，包括(a)二級電池電芯，所述二級電池電芯包括正極和第一負極，所述第一負極包括第一區段；和(b)電化學雙層電容器，所述電化學雙層電容器包括所述正極和第二負極，所述第二負極包括第二區段，所述第一負極與所述第二負極相鄰。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一區段和所述第二區段包括組合負極。
3.根據權利要求1所述的裝置，還包括用於控制所述裝置的單個控制器，所述控制器與所述二級電池電芯和所述電化學雙層電容器連通。
4.根據權利要求1所述的裝置，其中所述正極、所述第一負極和所述第二負極包括圓柱形裝置設計。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電化學雙層電容器包括雙層活性炭電極。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述二級電池是鎳金屬氫化物電池。
全文摘要
本發明涉及一種在車輛中使用的電池和超級電容器裝置，其包括正極、第一負極、第二負極、設置在正極與第一和第二負極之間的第一隔板以及與正極、第一負極和第二負極連通的控制器。第一負極具有第一組合物並且與第一正極連通。第二負極具有第二組合物並且與第一負極和第二隔板相鄰。第二負極與正極和第一負極連通。第一負極包括二級電池負極。第二負極包括超級電容器負極。
文檔編號H01M16/00GK102371910SQ20111022047
公開日2012年3月14日 申請日期2011年8月2日 優先權日2010年8月17日
發明者F·倫娜迪, R·C·艾爾德, 楊曉光 申請人:福特全球技術公司