电池和超级电容器装置以及使用方法 【技术领域】
本发明涉及单个电芯水平的电池和超级电容器装置以及使用方法。背景技术 一些混合动力电动车辆 (HEVs) 结合有作为一级能量源的高压电池装置和用于提 供短持续时间高电流脉冲的超级电容器。 这种装置设计提供卓越的动力和足够的能量来为 HEVs 提供动力。
使用至少两个能量源来为 HEVs 提供动力需要多重控制装置， 这增加了重量和额 外的成本。
发明内容 根据本文公开的至少一个实施例， 用在车辆中的电池和超级电容器装置减少了增 加重量且占据车辆空间的控制装置的数量。该装置包括电池和超级电容器电芯， 该电池和 超级电容器电芯具有正极、 第一负极、 第二负极、 第一隔板和控制器。第一负极具有第一组 合物并且与正极连通。第二负极具有第二组合物并且与第一负极相邻。第二负极也与第二 隔板相邻。 第二负极与正极和第一负极连通。 第一隔板设置在正极与第一和第二负极之间。 控制器与正极、 第一负极和第二负极连通。 第一负极包括二级电池负极， 并且第二负极包括 超级电容器负极。
根据另一个实施例， 电池和超级电容器装置包括至少一个电池和超级电容器电 芯， 该电池和超级电容器电芯具有二级电池电芯、 电化学双层电容器和控制器。 二级电池电 芯包括正极和第一负极， 该第一负极包括第一区段。电化学双层电容器包括正极和第二负 极， 该第二负极包括第二区段。用于控制该装置以实现至少一个电芯的充电或放电的控制 器与二级电池电芯和电化学双层电容器两者均连通。
在另一个实施例中， 公开了用于为车辆中使用的电动马达提供动力的方法。车辆 具有利用电池和超级电容器装置的充电系统。 电池和超级电容器装置包括至少一个电池和 超级电容器电芯， 该电池和超级电容器电芯具有羟基氧化镍正极、 组合负极， 该组合负极具 有金属氢化物负极部分和活性炭负极部分。组合负极与正极连通。正极和活性炭负极部分 包括电芯的超级电容器部分。正极和金属氢化物负极部分包括电池部分电芯。设置在正极 和组合负极之间的隔板将正极与组合负极电绝缘。该方法包括以下步骤 ： 当对该装置放电 时利用与电池和超级电容器装置连通的单个控制器控制来自组合负极的电子流。 利用该电 子流为车辆的电动马达提供动力。
附图说明
图 1 示出了具有根据至少一个实施例的电池和超级电容器装置的混合动力电动 图 2 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器装置的电池和超3车辆 ；
102371910 A CN 102371912说明书2/5 页级电容器电芯 ；
图 3 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯构造 ；
图 4 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯构造 ；
图 5 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯构造 ；
图 6 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯的棱柱构造 ；
图 7 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯的圆柱形构 造； 和
图 8 图解示出了使用根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯的过程的步 骤。 具体实施方式
现在详细参考本文所述的组合物、 实施例和方法， 其包括目前对于发明人而言已 知的实施本发明的最佳模式。但是， 应当理解， 所公开的实施例仅仅只是本发明的示例， 本 发明可以以多种和可替代的形式实施。 因此， 本文所公开的特定细节并不被解释为限制性， 而是仅仅作为本发明任何方面的代表性基础和 / 或作为教导本领域技术人员以不同的方 式实施本发明的代表性基础。 除了在操作实例中或者以另外的方式明确地指出之外， 在描述发明最宽泛的范围 时， 在本说明书中表示材料量、 反应条件或用途的所有数字均应理解为由词语 “大约” 进行 修饰。通常优选的是在所述的数字限制之内进行实施。另外， 除非明确地相反指示， 否则 ：
(i) 百分比和比值按重量计 ；
所述适合于或优选用于与本发明相关的指定目的的材料组或类暗示这些材料中 的任何两种或更多种可以被混合且可以是同等地适合或优选的 ；
(ii) 化学术语中所述的组分指的是添加到说明书中记载的任何组合中时的组分， 并且不排除一旦混合之后混合物组分中的化学相互作用 ；
(iii) 只取首字母的第一定义或其它缩写在这里应用于同一缩写以及对起始定义 的缩写的正常文法变化所作的必要修正的所有后续用途 ； 并且
(iv) 除非明确地相反指示， 否则， 性能的量度由对于同一性能的之前或之后参考 的相同技术确定。
图 1 示出了根据至少一个实施例的混合动力电动车辆 (HEV)10。HEV10 连接有电 池和超级电容器装置 12， 该电池和超级电容器装置 12 包括控制器 14 并且与控制器 14 直 接地或间接地电连通。控制器 14 与牵引马达 16 电连通。牵引马达 16 通过动力传动装置 154 连接至车辆 10 的至少一个车轮 156。
根据至少一个实施例， 电池和超级电容器装置 12 与高压总线 150 电连通并且向高 压总线 150 提供能量。高压总线 150 与 DC/DC 转换器 152 电连通并且向 DC/DC 转换器 152 提供能量。DC/DC 转换器 152 利用信号网络与牵引马达 16 电连通。
虽然电池和超级电容器装置 12 示出为向牵引马达 16 提供动力， 但是在不背离实 施例的范围或精神的情况下， 电池和超级电容器装置 12 可以用来向车辆 10 上的其它电负 载提供动力， 例如需要供电的附件。
图 2 示意性地示出了根据至少一个实施例的电池和超级电容器电芯 28。 电池和超
级电容器装置 12 可以包括多个电池和超级电容器电芯 28。电池和超级电容器电芯 28 包 括壳体 26， 该壳体 26 覆盖正极 30， 正极 30 通过诸如电缆线或电线的第一电缆 32 与控制器 14 电连通。控制器 14 还通过第二电缆 36 与组合负极 34 电连通。
应当理解， 因为电池和超级电容器电芯 28 能够可逆地充电和放电， 所以负极在充 电期间可以是发生还原反应的阴极， 并且正极可以是发生氧化反应的阳极。 在放电期间， 负 极可以是阳极， 而正极可以是阴极。
组合负极 34 具有金属氢化物电极 40 和设置在金属氢化物电极 40 附近的双层电 极 42。第一隔板 44 位于正极 30 和组合负极 34 之间， 该第一隔板 44 抑制正极 30 和组合负 极 34 之间的电子流动。电解质 36 位于正极 30 和组合负极 34 之间， 该电解质 36 能够方便 正极 30 和组合负极 34 之间的电子的迁移。第二隔板 46 将双层电极 42 与最接近的正极 48 电绝缘， 该相邻的正极 48 设置在可选择地位于附近的另一个电池和超级电容器电芯 50( 不 完整地示出 ) 中。
在至少一个实施例中， 金属氢化物电极 40 具有的氢含量按重量计处于 0.1％的氢 至 3％的氢的范围内。在另一个实施例中， 金属氢化物电极 40 具有的氢含量按重量计处于 0.5％的氢至 2.5％的氢的范围内。 在另一个实施方案中， 金属氢化物电极 40 包括混合稀土 金属镍基氢化物合金组合物电极。
正极 30、 双层电极 42、 第一隔板 44 和第二隔板 46 包括超级电容器。
正极 30、 金属氢化物电极 40 和第一隔板 44 包括电池电芯。
在至少一个实施例中， 正极 30 包括羟基氧化镍 (NiOOH) 组合物。在另一个实施例 中， 正极 30 具有羟基氧化镍粒子， 该羟基氧化镍粒子具有涂覆层， 该涂覆层覆盖每个羟基 氧化镍粒子的表面的至少一部分。正极 30 主要由镍化合物和添加剂构成， 该镍化合物的镍 平均化合价大于 2， 该添加剂含有分布在羟基氧化镍粒子中的 Nb 和 Y。在另一个实施例中， 正极 30 可以包括多孔镍组合物结构， 该多孔镍组合物结构包括正极 30 的具有羟基氧化镍 组合物的一部分。
应当理解， 正极 30 可以包括一个或多个羟基氧化镍晶体结构， 例如 α、 β或γ晶 体结构。 还应当理解， 羟基氧化镍组合物可以是非化学计量的组合物， 可以包括在不同氧化 状态下的镍原子的组合， 并且可以通过延长暴露于电解质 36 而转换为一个或多个不同组 合物。还应当理解， 除了羟基氧化镍组合物， 正极 30 可以包括额外的合金和 / 或添加剂。
在至少一个实施例中， 组合负极 34 包括储氢合金和超级电容器负极。储氢合金包 括能够可逆地形成金属氢化物化合物的混合物的组合物。在至少一个实施例中， 储氢合金 包括金属间组合物， 该金属间组合物具有两个或多个固相金属元件。 在另一个实施例中， 金 属间组合物可任选地包括一个或多个非金属元件， 该非金属元件的晶体结构与金属组分的 晶体结构不同。金属间组合物的非限制性实例包括两个类别 ： AB5 组合物， 其中 A 是镧、 铈、 钕、 镨的稀土混合物， B 是镍、 钴、 锰和 / 或铝 ； 以及 AB2 组合物， 其中 A 是钛和 / 或锆， B 是利 用铬、 钴、 铁和 / 或锰改性的钒或镍。
在至少一个实施例中， 超级电容器负极包括双层负极。包括双层负极的组合物的 非限制性实例包括碳基负极、 气凝胶和 / 或钡钛酸盐， 该碳基负极具有活性炭、 活性木炭、 石墨烯和 / 或碳纳米管。
现在转到图 3， 以重叠的方式示意性地示出了电池和超级电容器电芯 28 构造的至少一个实施例。组合负极 34 包括金属氢化物电极 40， 该金属氢化物电极 40 作为具有纵向 轴线 62 和与纵向轴线 62 平行的表面 64 的层 60。组合负极 34 还包括双层电极 42， 该双层 电极 42 作为具有纵向轴线 68 和与纵向轴线 68 平行的表面 70 的层 66。表面 64 和表面 70 彼此相邻， 使得层 60 和层 66 是重叠的。
现在转到图 4， 示意性地示出了电池和超级电容器电芯 28 构造的至少一个实施 例。组合负极 34 包括金属氢化物电极 40， 该金属氢化物电极 40 作为具有端部 82 的层 80。 组合负极 34 还包括双层电极 42， 该双层电极 42 作为具有端部 88 的层 86。端部 82 和端部 88 彼此相邻， 使得层 80 和层 86 端部对端部对准。
现在转到图 5， 示意性地示出了电池和超级电容器电芯 28 构造的另一个实施例。 组合负极 34 包括金属氢化物电极 40， 该金属氢化物电极 40 作为具有端部 102 的第一区段 100。组合负极 34 还包括双层电极 42， 该双层电极 42 作为具有端部 108 和 110 的第二区段 106。端部 102 和端部 108 彼此相邻， 使得区段 100 和区段 106 端部对端部对准。组合负极 34 还包括金属氢化物电极 40 的第二区段 112。第二区段 112 具有端部 114。端部 114 和端 部 110 彼此相邻， 使得区段 106 和 112 端部对端部对准。应当理解， 图 5 的构造可以具有区 段的变化。 在至少一个实施例中， 电解质 36 是能够通过负极和正极极化的电活性固体和 / 或 液体。阳离子和阴离子在电极处产生并且通过超级电容器中的静电而排列在双层中。在充 电和放电过程期间， 阳离子和阴离子在电解质中移动。 通过沿相反的方向运动， 阳离子和阴 离子形成双层， 由此存储能量。在水溶液中， 电解质 36 的非限制性实例包括可分解的盐中 的至少一种， 例如氢氧化钾、 氢氧化钠和 / 或氢氧化锂。盐的浓度可以为 0.2-8 摩尔的范围 内。
在至少一个实施例中， 隔板 44 和 46 是聚合物型组合物基底。聚合物型组合物基 底的非限制性实例包括聚酰胺膜、 丙烯酸接枝非织造网或磺化聚烯烃非织造网。在某些实 施例中， 隔板 44 和 46 具有的厚度处于从 50 微米至 200 微米的范围内。
现在转到图 6 和 7， 在至少一个实施例中， 电池和超级电容器装置 12 可以被构造为 棱柱构造。在另一个实施例中， 电池和超级电容器装置 12 可以被构造为圆柱形构造。
在图 6 中， 电池和超级电容器装置 12 的至少一个实施例是棱柱构造， 装置 12 的棱 柱构造是通过卷绕 (wind) 正极的束带形式 120 和负极的束带形式 122 同时插入的隔板 124 位于这两者之间而获得的。棱柱构造位于壳体 126 内， 该壳体 126 包括彼此电绝缘并且分 别电连接至正极 120 和负极 122 的正端子 128 和负端子 130。
在图 7 中， 以圆柱形构造示意性地示出了电池和超级电容器装置 12 的至少一个实 施例， 该圆柱形构造是通过卷起 (roll) 正极的片层形式 140 和负极的片层形式 142 同时插 入的隔板 144 位于这两者之间而获得的。圆柱形构造位于壳体 146 内， 该壳体 146 包括彼 此电绝缘并且分别电连接至正极 140 和负极 142 的正端子 148 和负端子 140。
现在转到图 8， 在至少一个实施例中， 图解示出了当向用于具有充电系统的车辆的 电动马达提供动力时使用电池和超级电容器装置 12 的方法。电池和超级电容器电芯 28 包 括羟基氧化镍正极 30、 组合负极 34， 该组合负极 34 包括金属氢化物负极 40 部分和与正极 30 连通的活性炭负极部分。正极 30 和活性炭负极部分包括电芯的超级电容器部分。正极 30 和金属氢化物负极 40 部分包括电芯的电池部分。电解质 36 和隔板 44 设置在正极和组
合负极之间。
在至少一个实施例中， 电池和超级电容器电芯 28 的使用方法可以包括以下步骤 ：
(i) 步骤 160， 当对电池和超级电容器电芯 28 放电时， 利用电池和超级电容器电芯 28 的单个控制器控制来自负极的电子流 ； 以及
(ii) 步骤 162， 利用电子流向电动马达提供动力。
当对电池和超级电容器电芯 28 充电时， 额外的步骤 164 包括控制流向负极的电子 流。
当构造电池和超级电容器电芯 12 时， 组合负极 34 可以包括步骤 166 ： 以重叠构造 利用金属氧化物和活性炭使得组合负极形成图案。
当对电池和超级电容器装置 12 放电时， 步骤 160 还可以包括步骤 168 ： 在脉冲时 间段内控制基本上来自超级电容器的电子流， 使得由于组合负极 34 的多个电池和超级电 容器部分之间不同的内阻而在所述多个电池和超级电容器部分之间出现电流隔断。
在某些实施例中， 步骤 168 可以防止组合负极 34 的电池部分受到在脉冲时间段内 从超级电容器发射的高电流脉冲的伤害。
在某些实施例中， 电池和超级电容器装置 12 将对多重控制装置的需要从至少三 个控制器 ( 即对于电池、 超级电容器和对电池和超级电容器控制器进行控制的主控制器中 每一者都需要一个控制器 ) 减少至单个控制器， 从而降低了电池和超级电容器装置 12 的成 本。此外， 电池和超级电容器装置 12 具有期望的优点， 即由于减少了控制器的数量， 所以重 量轻且空间需求小。 电池和超级电容器装置 12 还可以具有期望的优点， 即提供 25％或更高的较高速 率、 短脉冲时间段、 电流脉冲。可以利用电池和超级电容器装置 12 的超级电容器部分进行 相对较多的 HEV 操作。 至少 30％的 HEV 操作负载可以由装置 12 的超级电容器部分提供。 相 对减少由金属氢化物电池供应的负载， 可以延长装置 12 的金属氢化物部分的使用寿命， 延 长金属氢化物部分的使用寿命可以减少对金属氢化物电池的额外量的需要， 以减轻车辆整 个寿命中负载的金属氢化物供应的减少。超级电容器部分可以允许相对较高的动力能力， 这又允许装置 12 在提供相同动力的同时具有较小的尺寸和减小的重量。
此外， 因为在较低温度下超级电容器比电池相对较为稳定， 所以装置中经济性地 包括具有电池的超级电容器在低温动力性能期间可以具有期望的优点。之前的 HEV 动力装 置相对较大， 这是因为动力装置的尺寸形成为减轻金属氢化物电池的相对较低低温动力的 效应。此外， 在一些实施例中， 负极中活性炭的存在降低了对电子流的内阻， 在所有的温度 范围内改进了动力传递。 此外， 降低的内阻可以增加装置的效率， 这是因为更多的能量可以 用于做功， 而较少的能量通过内部电芯加热而作为热量耗散掉。
在细胞尺度中， 当组合金属氢化物负极和超级电容器负极时， 将相对昂贵的金属 氢化物组合物替换为相对廉价的活性炭组合物可以降低整体装置成本。
虽然已经示出和描述了本发明的实施例， 但是这些实施例并不意图示出和描述本 发明的所有可能的形式。 相反， 说明书中所用的词语是说明性的词语而非限制性的词语。 应 当理解， 在不脱离本发明的精神和范围的前提下， 可以进行各种改变。