CN101971410B - 特别于内燃机和机动车辆的无铅起动蓄电池组、制造方法及其用途 - Google Patents

特别于内燃机和机动车辆的无铅起动蓄电池组、制造方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了蓄电池组、其制造方法及其用途，特别用于内燃机和机动车辆，包括串并联连接的至少一个或多个NiMH-镍金属氢化物电池和或Li-Ion锂离子电池和或Li-Pol锂聚合物电池以及超级电容器。

Description

特别于内燃机和机动车辆的无铅起动蓄电池组、制造方法及其用途
技术领域
本发明涉及用于压燃式和点火式内燃机的起动的新型蓄电池组(accumulatorbattery)以及用于所有类型的机动车辆的电池组(battery)。
背景技术
用于内燃机和汽车的所有已知类型的起动电池组(下文称作“汽车电池组”)是基于二次铅酸电池(下文称作“铅电池组”)的电化学反应。所有类型的铅汽车电池组包括作为电极的铅和作为电解质的硫酸H2SO4溶液，并且在放电和充电过程中发生公知的化学过程。这些不同类型的铅汽车电池组仅仅在电池结构(形状和制造电极的方法、电池形状、排气通道和阀等)、降低制造过程中铅的消耗的铅膏材料、分隔件、电解质添加剂等有所不同。现今已知的类型没有任何一种是完全气密性地封闭，在工作中一直发生包含在电池中的物质向周围环境部分释放的情形。对于最现代化的类型，通称为AGM和胶体铅电池，这种效应仅仅可能在电池组过充电时发生。根据手册2002/95/ECRoHs指出的内容，所有现今已知的类型都含有有毒(铅Pb)和危险性(硫酸H2SO4溶液)的物质。现今已知类型的铅汽车电池组已经将工作温度确保在-18℃至40℃的范围内。
同期的NiMH、Li-Ion以及Li-Pol电池不能释放或接收足够高的电流，也不能在低于-20℃的温度下有效地释放或接收能量。
镍-镉蓄电池(NiCd)
镍为正电极，镉为负电极，并且固定于分隔件和电极中的氢氧化钾为电解质。正是由于其例如重量-容量比的良好特性，它们甚至便于用作高电流负载，具有较小的内阻，提供较大的电流，能快速充电，并且更能抵抗非正常使用(过充电或深度放电)，甚至在极端气候条件(达到-40℃)下工作。它们可在放电状态下存储，而实际上在任何时候都不会有电气性能的损耗。缺点是，其含有镉，镉是能在机体中累积并能导致严重、致命疾病的有毒重金属。它们具有较小的容量(最高到～1100mAh)和较大的自放电(内阻升高)。
镍金属氢化物蓄电池(NiMH)
它们是源自镍-镉蓄电池，但被设计成在具有相同的体积的同时具有较高的容量，并且对环境的危害较小。正电极仍然为镍，而负电极为金属氢化物，例如镍氧化物Ni(OH)2氢氧化物，并且电解质仍然为氢氧化钾。它们具有标定电压(1.2V-1.25V)和与NiCd相同的充电状况，容量高出40％，且它们具有平坦的放电特性，因此自放电较小，但它们在极端条件下使用会产生问题，例如，低至-10℃(某些可以耐得住-20℃)以及高放电电流被限制至容量的十分之一的可能性。它们可以在充电和放电状态下进行存储，但每年至少一次对它们进行几次充电和放电是很重要的，否则由于化学反应，将发生蓄电池电极损坏且容量不可逆地损失。
锂离子蓄电池(Li-Ion)
它们主要源于一次锂电池(cell)。正电极包括锂氧化物以及另一种金属(通常为锂钴(Ⅲ)氧化物+Li2O.Co2O3)构成的复合物，负电极为混合有其它化学物质的碳，而酯的化合物为电解质(确切的组分被特定的制造商保护，通常使用的为四氟硼酸锂LiBF4)。它们具有3.6V的额定电压。这些蓄电池不能被过电流充电或放电，并且其缺点是在充电和放电过程中单个电池需要功率保护。不能超过充电过程中的终止电压，并且必须禁止低于特定限值的放电，这由每一个单电池的保护电路来实现。Li-Ion蓄电池的工作条件和NiMH类似，而且，当存储时间较长时，需要对它们至少每一年充电一次以避免由于电池自放电引起的低于特定限值的放电。能量密度在120Wh/kg至130Wh/kg或200Wh/dm3至250Wh/dm3的范围内。
锂聚合物蓄电池(Li-Pol)
这些电池源于锂离子电池；它们具有类似的特性，包括标定电压、容量和电流。与Li–Ion相比，它们的棱柱结构更加轻便，但机械耐用性低。与Li-Ion很相似，缺点是单个电池在充电和放电时需要功率保护以及低的放电电流。
超级电容器
理论上，超级电容器是一种采用专用技术制造的电解电容器，目的是在保持电容器特性、特别是快速充电和放电的能力的同时达到数千法拉的高容量。电容器的容量与电极表面直接成比例而与电极(电荷)的距离间接成比例。超级电容器的电极包括沉积在铝箔上的碳粉。碳粉的颗粒具有达到每1克粉末2000m2的表面积。两个电极被由聚丙烯制成的分隔片隔开；电极之间的空间填充有液态电解质。电极的大的表面以及特定的碳颗粒非常小的距离(10-10数量级)产生法拉数量级的容量。碳颗粒的距离还将电容器的工作电压减小至约2.5V的量。结果是，极化电容器具有高容量和非常低数量级的电阻，便于快速供应和存储电能。超级电容的电参数可与电化学电源(电池组、蓄电池)的电参数相当。存储于串联超级电容器内的能量比存储于普通电容器内的能量在数量级上高10倍。低的内阻使得能够快速放电；超级电容器释放的超级电源达到每1kg重量的超级电容器千瓦数量级的值。超级电容器的电参数甚至在低至-40℃的低温下被保持。
发明内容
本发明涉及新型蓄电池组，其基于可有效使用电子控制单元的无铅型NiMH、Li-Ion、Li-Pol二次电池以及超级电容器的串并联连接。根据本发明的蓄电池组也具有相同的质量特性，而无需使用电子控制单元。本发明包含发现现有铅电池组的便利的替代或改进方案。根据本发明的电池组是已知部件的一种新型连接，其比现有铅电池组达到更好的数量和质量特性。
新型蓄电池组的原理在于NiMH、Li-Ion、Li-Pol电池和超级电容器的串并联连接，目的是淘汰现有的铅蓄电池。通过这些组件永久连接成一个固体复合体，保证了如下特性：在任何条件下的整个工作时间内，保持应有特性(特定连接分部、接头的内阻及其转换电阻的大小、热导率以及从导体的热移除、连接导体和端子的电导率、电隔离和机械坚固性以及各个组件的定位稳定性)；在其它恶劣环境(湿度过大、空气中的腐蚀成分、接头氧化等)中的化学和机械耐受性；工作过程中相应的温度环境(在环氧容器中使用不同的填充剂，根据实际需要提供热传导性或分别提供热隔离)；最后是最大限度地利用特定组件的有利特性的新型汽车电池组的各种部件的组合，这些有利特性例如NiMH、Li-Ion或Li-Pol电池的高容量、快速充电能力、即使深度放电也能提供电流的可能性、它们相对小的内阻和提供比它们的标定容量最少高三倍的大小的电流以及在整个工作时间内不会发生接头因环境影响导致退化的能力；使用超级电容器是因为它们在一个短的时期内提供数千法拉数量级的高电流而不会出现热损失导致的损坏，由于其具有小的内阻它们能提供高能输出，可在一个非常短的时间内从使用过的电池或最终从连接的电源充电。同样能够消除普通连接不可能有的缺点，即它们小的机械耐用性(尤其是Li-Pol电池)等。电池的数量由新型蓄电池组需要的容量和最终的电压来确定。
当需要高放电电流时，主要通过超级电容器来提供。由于内阻值和连接导体以及各个分部端子，最终由于电子控制单元(如果其被使用)，NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池不会过充电。特定的分部和接头具有根据电池的类型(主要是由于它们的最大放电电流)所指定的选择电阻。
对于NiMH分部，Li-Ion或Li-Pol电池，电阻比超级电容器的分部高3-10倍。这些电阻的电阻率和绝对值大小取决于特定组件的类型和特性。
这种新型的蓄电池组可以达到标定容量值20-30倍的电流短时放电。
在将放电电流降低到NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的持久放电电流的水平以下的过程中，超级电容器转换为用电器并继续进行充电。超级电容器被充电的电流取决于NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的电荷水平、周围的温度以及需要的能量的总量，并且按指数级降低。这里描述的系统使得能将NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池用于需要持久能量的设施中，达到使用的蓄电池容量的十分之一(当使用NiMH电池时))或3倍(当使用Li-Ion或Li-Pol电池时)，同时它们间歇地需要几秒达到使用的蓄电池的标定容量30倍大小的持续电流，迄今为止这是不可能的。在低于-20℃的温度下，NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的最大放电电流降低至在20℃时达到的值的约30％，超级电容器能够释放足量的电流，因此在温度降低至-40℃时能够确保蓄电池的功能。相对于NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池平坦的放电特性和蓄电池的结构，这种类型的蓄电池能释放达到标定容量值的20倍的电流，即使是在标定容量的10％以下深度放电。
本发明的主要优点：
新型蓄电池组不包含手册2002/95/ECRoHS中指出的铅、硫酸溶液或其它任何以自由形式存在的危险性或有毒物质，从而对生态是无害的(在存储和工作过程中，以自由形式存在的有毒或危险性物质被完全且气密性地隔离于周围环境)。
新型蓄电池组能够在较宽范围(-40℃-60℃)的工作温度下使用。
由于使用了超级电容器以及NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的平坦放电特性，即使蓄电池组以标定容量的90％放电，也能起动内燃机。与铅电池组的容量相比，具有最初提到的容量的一半的蓄电池组就可以用于相应的装置中。
所述类型的蓄电池组，由于NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池与超级电容器的组成和组合，其比铅电池较轻且尺寸较小。根据结构模式和NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池的选择，存储的能量的密度至少为150Wh/dm3(铅蓄电池通常为50Wh/dm3)。
由于使用的NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池、超级电容器的结构与蓄电池组本身的单块构造，其更能抵抗损害和振动。由于本发明采用超级电容器的事实，可以在整个工作温度范围内提供数量级较高的起动电流。
对于缺点方面以及与铅电池组的比较，我们可以考虑蓄电池组的极性反转的灵敏度(如果方便的话，不使用补偿电子器件)以及在超过40℃的温度下NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池通常较高的放电，另一方面，这可通过使用不同的NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池来消除，但只有将工作温度限制在范围为-25℃至-30℃之间的较低水平下才能实现。当选择Li-Pol(Li-Ion)电池作为NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池时，需要考虑使用用于控制充电电流和放电电流的电子保护器。
新型蓄电池组包括NiMH、Li-Pol、及至Li-Ion二次电池或电池块(图上标为“B”)和超级电容器(图上标为“C”)的串并联连接，放置到具有或不具有电子控制单元(图上标为“E”))的块中。各个块需要的特性可通过不同类型NiMH(Li-Ion、Li-Pol)电池、超级电容器的适当组合以及电子控制单元设置进行调节。通过所述过程，可以利用NiMH(Li-Ion、Li-Pol)的优点，即它们相对于体积与重量比的高容量，并且同时可克服较低的放电电流的缺点。进一步，超级电容器的优点特别是高的放电电流(约1000A)和低的内阻(约1mΩ)，并且它们低容量的缺点可以被克服。这些块，根据需要的标定电压、需要的容量或最终其它需要、分隔开或连接在一起并具有控制单元连接，随后与便于获得设有端子的单块产品的材料相嵌，并且硬化后被制备以用作现有铅电池组和汽车电池组的直接替代品。
根据本发明的电池组的制造方法，其特征在于实现NiMH、Li-Pol及至Li-Ion二次电池或电池块以及超级电容器的串并联连接形成块。从而，新型电池组获得较好的质量特性，并且对于容量来说，也获得较好的定量特性。
本发明的主要优点在于成块使用NiMH、Li-Pol最后是Li-Ion二次电池或电池块以及超级电容器的可能性，通过上述标示的组件的串并联连接，用于压燃式和点火式内燃机以及所有类型的机动车辆的起动。
通过利用串联或并联或串并联连接，根据本发明的电池组包括至少一个NiMH或Li-Pol蓄电池、及至Li-Ion二次电池、及至电池块和超级电容器。
在以下给出的样品中是示出的装置的技术参数，这取决于使用的组件、材料以及结构类型的选择。
附图说明
图1A–由10个具有标定容量22Ah、标定电压1.2V和最大放电电流2C的NiMH电池B以及5个具有容量400F、标定电压2.7V和最大电流500A的超级电容器C的串并联连接构成的电池组。
图1B–根据样品1的蓄电池组充放电的详细说明
图2A–由110个具有标定容量4.5Ah、标定电压1.2V和最大放电电流10C的NiMH电池B以及10个具有容量400F、标定电压2.7V和最大电流500A的超级电容器C的串并联连接构成的电池组。
图2B–根据样品2的蓄电池组放电的详细说明
图3中示出的装置包括具有40mA标定电流的保险熔丝P、具有15V工作电压的齐纳二极管D、以及足够横截面积的连接导体。
除了之前的配置，图4中示出的装置具有工作电压为8V的稳压器S和能够测量并显示0V至20V之间的电压的伏特计M模块。
选择的电子控制单元E的样品的功能的描述：
图3中示出的单元E包括串联连接的用于15V的齐纳二极管D和具有40mA标定电流的保险熔丝P。当反转电池的极性时，齐纳二极管D打开从而电流流过保险熔丝P导致其熔断。当连接至电压高于15V的电源时，齐纳二极管D反向导通从而电压被稳定。如果电源电压上升至约17V，流过保险熔丝P的电流超过40mA，并且熔丝因此熔断。保险熔丝P或最终齐纳二极管D的状态表示蓄电池组的极性是否发生变化，或者其是否连接至具有比本文献中说明的电压高的电压的电源。
图4中示出的单元E包括图3中示出的上述组，而通过稳压器S提供功率、设定成20V的测量范围的伏特计M模块旁路至这一单元。除了过去是否发生极性改变或其是否连接至具有比本文献中说明的电压高的电压的电源的信息，这一单元还示出电池组实际的电压状态。
在附图和方案中示出了本发明的特定样品的特性和电连接。
附图标记的列表
B–NiMH电池
C–超级电容器
P–保险熔丝
D–齐纳二极管
S–稳压器
E–电子控制单元
工业实用性
这种类型的蓄电池组主要设计为用于起动压燃式和点火式内燃机以及用于各种类型的电池组；最重要的是其是现有的用于机动车辆中的铅电池组的生态型、现代化且不需维护的替代品。
而且，这种类型的蓄电池组可用作移动电话、电动车、轮椅等中的“驱动电池组”。此外，可应用于备份电源系统等。
具体实施方式
样品1
根据图1A，通过将10个具有标定容量22Ah、标定电压1.2V和最大放电电流2C的NiMH电池B以及5个具有容量400F、标定电压2.7V和最大电流500A的超级电容器C的串并联连接构成电池组。连接完成后的电池和电池组的组合用环氧灌装成单块单元。这种装置的技术特性示于表1中。充电、长期放电以及短期大电流起动放电的过程示于图1B中。这种电池组主要设计为用于高达100kW的点火引擎的起动并且可取代容量范围在36Ah至45Ah之间的普通铅汽车电池组。这种电池组不包括任何电子控制或主单元。
在所有内部接头处的导体的横截面分别具有10mm2的表面积，导体由铜制成且特定部件与SnAg3焊料连接。
最后的机械具体设备、尺寸、环氧的类型、填充剂、形状、输出分布以及导体横截面受限于期望的用途。
对于机动车辆中的应用，选择的尺寸为207mm×175mm×175mm(L×W×H)，输出极为类型1而电池组极性为0。环氧包括基于铝的导热填充剂。
样品2
根据图2A，通过将110个具有标定容量4500mAh、标定电压1.2V和最大放电电流40C的NiMH电池B以及10个具有容量400F、标定电压2.7V和最大电流500A的超级电容器C的串并联连接构成电池组。连接完成后的电池组和电池的组合用环氧灌装成单块单元。这种装置的技术特性示于表2中。充电、长期放电过程以及短期大电流起动放电的过程示于图2B中。电池主要设计为用于达到200kW的点火式和压燃式引擎的起动，并且可取代容量达到100Ah的普通铅汽车电池组。这种电池组包括电子控制单元E(图3，参见以下的描述)，该电子控制单元E指示过去蓄电池组的极性是否发生变化，或者其是否连接至具有高于15V的电压的电源。
串联连接电池B的导体的横截面分别具有10mm2的表面积，串联连接超级电容器C的导体的横截面具有20mm2的表面积并旁路所有分部的连接端子具有25mm2的表面积。所有的导体和端子由铜制成且特定部件与SnAg3焊料连接。
最后的机械具体设备，尺寸、环氧的类型、填充剂、形状、输出分布以及导体横截面受限于期望的用途。对于机动车辆中的应用，选择的尺寸为207mm×175mm×175mm(L×W×H)，输出极为类型1而电池组极性为0。环氧包括基于铝的导热填充剂。
表1
在20℃时的标定容量 22Ah
标定电压 12V
等效至EN的起动电流 390A
熔断电流 600A
备用容量RC 40min
最大放电电流(最大1s) 500A
最大持久放电电流 25A
工作温度范围 -40℃至60℃
超级电容器容量 80F
能量密度 6Ah/kg
表2
在20℃时的标定容量 48Ah
标定电压 12V
等效至EN的起动电流 800A
熔断电流 2000A
备用容量RC 107min
最大放电电流(最大1s) 1800A
最大持久放电电流 500A
工作温度范围 -40℃至60℃
超级电容器容量 160F
能量密度 7Ah/kg

Claims (5)

1.汽车电池组，其特征在于其是无铅的且其包括串并联连接的至少一个或多个NiMH–镍金属氢化物电池和/或Li-Ion–锂离子电池和/或Li-Pol–锂聚合物电池以及超级电容器。
2.根据权利要求1所述的汽车电池组，其特征在于NiMH、Li-Pol和/或Li-Ion二次电池和/或电池块以及超级电容器的所述串并联连接被连接成块，
其中，电池块以及超级电容器被连接成具有电子控制单元的块，
其中，所述电子控制单元包括齐纳二极管和/或稳压器和/或伏特计模块。
3.根据权利要求1或2所述的汽车电池组，其特征在于，NiMH、Li-Pol、和/或Li-Ion二次电池和/或电池块以及超级电容器的所述串并联连接被连接成块，并且所有的电池组被制成固态单块的块，
其中，所述固态单块的块包括用环氧灌封的电池组和电池。
4.汽车电池组的连接方法，特征在于，其包括永久连接成单块单元的至少一个或多个NiMH–镍金属氢化物电池和/或Li-Ion–锂离子电池和/或Li-Pol–锂聚合物电池以及超级电容器的串并联连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的汽车电池组的用于压燃式和点火式内燃机的起动无铅汽车电池组或用于所有类型的机动车辆的电池组设备以及用于同期的铅酸汽车电池组的直接的无铅生态型替代品的用途。
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