CN104113102B - 锂电池系统、车辆电池系统及车辆电池系统的操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂电池系统、一种车辆电池系统及一种车辆电池系统的操作方法。所述锂电池系统包括第一电池组，第一电池组包括串联连接的多个第一电池单元。第一电池组被构造为与交流发电机和第二电池组彼此并联连接，并具有比第二电池组的容量低的容量。每个第一电池单元的负极包括负极活性物质。负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜（Cu）Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距。

Description

锂电池系统、车辆电池系统及车辆电池系统的操作方法

技术领域

本发明的实施例的多个方面涉及一种多电池组和一种操作所述多电池组的方法。

背景技术

包括双电池组的车辆可以在再生制动阶段中使用包括开关的功率转换装置向锂离子电池组供电。双电池组的一个电池组可以是锂离子电池组，另一个电池组可以是铅酸电池组。在再生制动阶段产生的电力以及由交流发电机产生的电力的一部分可以储存在双电池组的一个电池组中。在这种情况下，车辆可以使用包括开关的功率转换装置向锂离子电池组或铅酸电池组供电。当对锂离子电池组进行充电且锂离子电池组的荷电状态（SOC）高于设定的或预定的水平时，将功率转换装置的开关断开，并将锂离子电池组连接到电负载，以向电负载供电。

如所描述的，当开关用于供电时，会发生切换损失，并且车辆的燃料效率的改善会劣化。另外，锂离子电池组会具有有限的操作电压范围，有限的操作电压范围会阻碍再生充电。即，开关会被强制地断开。这会对开关造成损坏，因此，会发生功率损失和发热。此外，因为在车辆驻车的同时不能控制开关操作，所以不能利用储存在锂离子电池组中的能量。

在该背景技术部分公开的上述信息仅是为了加强对本发明的技术背景的理解，因此它可能包含不构成在本国对本领域普通技术人员来说已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的实施例的多个方面提供了一种具有多电池组的车辆电池系统和一种用于操作所述车辆电池系统的方法。本发明的实施例的其它方面提供了一种具有包括并联连接的至少两个电池组的多电池组而不具有包括开关的功率转换装置的车辆电池系统和一种所述车辆电池系统的操作方法。

根据本发明的实施例，提供了一种锂电池系统。所述锂电池系统包括：第一电池组，包括串联连接的多个第一电池单元。第一电池组被构造为与交流发电机和第二电池组彼此并联连接，并具有比第二电池组的容量低的容量。每个第一电池单元的负极包括负极活性物质。负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜（Cu）Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距。

碳基材料可以是非晶碳。

碳基材料可以是软碳、硬碳、中间相沥青基碳化物、煅烧焦炭或它们的组合。

碳基材料的平均直径可以为1μm至50μm。

每个第一电池单元可以包括正极。正极可以包括正极活性物质。正极活性物质可以包括锂镍基氧化物、锂钴基氧化物、锂镍锰基氧化物、锂镍钴锰基氧化物、锂镍钴铝基氧化物、锂磷酸盐基氧化物或它们的组合。

正极活性物质还可以包括表面积为500m²/g至2500m²/g的碳材料。

每个第一电池单元可以是锂离子电池单元。每个第一电池单元的正极可以包括镍基正极活性物质。

每个第一电池单元的操作电压范围可以包括：第一增强范围，大于等于1.5V且小于2.0V；第一正常范围，大于等于2.0V小于4.2V；以及第一过充电范围，大于等于4.2V且小于等于4.5V。

每个第一电池单元可以是锂离子电池单元。每个第一电池单元的正极可以包括锂铁磷酸盐基正极活性物质。

每个第一电池单元的操作电压范围可以包括：第二正常范围，大于等于1.75V且小于3.8V；以及第二过充电范围，大于等于3.8V且小于等于4.5V。

第一电池组和交流发电机之间的电流路径可以比第二电池组和交流发电机之间的电流路径短。

第一电池组的内阻可以低于第二电池组的内阻。

根据本发明的另一实施例，提供了一种车辆电池系统。所述车辆电池系统包括：交流发电机，被构造为产生供给到车辆电池系统的电力；第一电池组，与交流发电机并联连接，并包括串联连接的多个第一电池单元；以及第二电池组，与交流发电机和第一电池组并联连接，并具有比第一电池组的容量大的容量。每个第一电池单元的负极包括负极活性物质。负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜（Cu）Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距。

第二电池组可以是铅酸电池组。

第一电池组和交流发电机之间的电流路径可以比第二电池组和交流发电机之间的电流路径短。

第一电池组的内阻可以低于第二电池组的内阻。

根据本发明的又一实施例，提供了一种车辆电池系统的操作方法，车辆电池系统具有与车辆的交流发电机、起动机和负载并联结合的多电池组。所述方法包括：在车辆的发动操作期间由多电池组向起动机供电；当车辆正在被驱动时由交流发电机和多电池组中的一个向负载供电；以及当车辆驻车时由多电池组向车辆供电。多电池组包括第一电池组和第二电池组。第一电池组包括串联连接的多个第一电池单元。每个第一电池单元的负极包括负极活性物质。负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜（Cu）Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距。

当车辆正在被驱动时向负载供电的步骤可以包括：当交流发电机的输出功率高于基准功率时，将交流发电机的输出功率供给到负载；以及当交流发电机的输出功率低于基准功率时，将来自多电池组的电力供给到负载。

所述方法还可以包括：当交流发电机的输出功率高于基准功率时，利用来自交流发电机的多余电力对多电池组进行充电。

当利用来自交流发电机的多余电力对多电池组进行充电时，第一电池组的充电速度可以比第二电池组的充电速度快。

当在车辆驻车时多电池组正在向车辆供电时，第一电池组的放电速度可以比第二电池组的放电速度快。

在详细描述中包括本发明的实施例的其它细节。根据本发明实施例的多电池组可以由交流发电机充电并向负载供电而无需具有另外的功率转换构件或功率控制构件。根据本发明实施例的锂离子电池单元的操作电压范围可以覆盖从车辆产生的整个电压范围。

附图说明

图1是根据本发明实施例的设置有多电池组的车辆电池系统的框图。

图2示出了根据本发明实施例的在车辆中产生的电压范围和镍基正极锂离子电池单元的操作电压范围。

图3示出了根据本发明实施例的在车辆中产生的电压范围和锂铁磷酸盐（LFP）基正极锂离子电池单元的操作电压范围。

图4是根据本发明实施例的锂离子二次电池单元的剖视图。

图5是根据本发明实施例的锂离子电池组的框图。

图6是示出车辆的发动操作中的多电池组的电流流动的框图。

图7示出了在车辆的驱动期间交流发电机的输出功率的示例。

图8是示出根据本发明实施例的锂离子电池组和铅酸电池组的充电特性的曲线图。

图9是示出根据本发明实施例的锂离子电池组和铅酸电池组的放电特性的曲线图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，已经仅通过举例说明的方式仅示出并描述了本发明的特定实施例。如本领域技术人员将认识到的，在不脱离本发明的精神或范围的所有情况下，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改。因此，附图和描述将被视为本质上是说明性的，而不是限制性的。在整个说明书中，同样的附图标记指示同样的元件。

贯穿随后的本说明书和权利要求书，当描述为元件“结合”到另一元件时，该元件可以“直接结合”到另一元件，或者通过一个或更多个第三元件“电结合”到另一元件。另外，除非明确地做出相反描述，否则词语“包括”和诸如“包含”或“含有”的变型将被理解为意指包括所述元件，但不排除任何其它元件。

这里，当描述本发明的实施例时，术语“可以（可）”的使用是指“本发明的一个或更多个实施例”。另外，当描述本发明的实施例时，选择性语言诸如“或者（或）”的使用是指针对每个列出的相应项的“本发明的一个或更多个实施例”。在下文中，将参照附图描述根据本发明实施例的电池组。

图1是根据本发明实施例的设置有多电池组10的车辆电池系统的框图。

在图1中，多电池组10包括锂离子电池组100和铅酸电池组200。锂离子电池组100和铅酸电池组200与负载400和交流发电机300并联连接，锂离子电池组100、铅酸电池组200、负载400和交流发电机300彼此并联连接。图1示出了单个锂离子电池组100和单个铅酸电池组200，但本发明不限于此。在其它实施例中，多电池组10可以包括至少一个锂离子电池组和至少一个铅酸电池组。

交流发电机300产生电力，并向负载400供电或对多电池组10进行充电。负载400包括设置在车辆中的各种适当的负载。作为电负载，负载400从交流发电机300和多电池组10中的至少一个获取电力。

例如，铅酸电池组200可以具有60Ah-100Ah的容量，锂离子电池组100可以具有4Ah-20Ah的容量。因为与铅酸电池组200相比，锂离子电池组100的内阻明显较低，所以从锂离子电池组100供给负载400所需的最初电力。然而，当负载400连续地耗电时，可以由铅酸电池组200供电。

如图1所示，多电池组10、交流发电机300和负载400并联连接在输出结点OUTN和地之间。锂离子电池组100包括串联结合的多个锂离子电池单元，每个锂离子电池单元包括负极和正极，负极由非晶碳形成，优选地由低结晶度碳形成，正极由镍（Ni）基材料或锂铁磷酸盐（LFP）基材料形成。

图2示出了根据本发明实施例的在车辆中产生的电压范围和镍基正极锂离子电池单元的操作电压范围。

在图2中示出的操作电压范围是使用由非晶碳形成的负极和镍基正极的锂离子电池单元的操作电压范围。在下文中，在车辆中产生的电压范围被称作VA1，使用镍基正极的锂离子电池单元的操作电压范围被称作VA2。

更详细地讲，VA1包括5个条件，从7.2V（伏特）到18V的整个范围根据这5个条件而分类。首先，冷发动范围M0是从7.2V到8.5V，并且是当从冷温度起动发动机时产生的电压范围。发动范围M1是从8.5V到12V，并且是一旦发动机起动时产生的电压范围。

正常电压范围M2是从12V到14V，并且是当未正在发生额外充电时（例如，当交流发电机未正在对多电池组10进行充电时）在正常条件下产生的电压范围。相比之下，充电电压范围M3是从14V到15.2V，并且是在充电条件期间（例如，当交流发电机300正在对多电池组10进行充电时）产生的电压范围。另外，过电压范围M4是从15.2V到18V，并且是在异常条件下（例如，当交流发电机300或调节器发生故障时）产生的电压范围。

相比之下，VA2包括3个条件，从1.5V到4.5V（对于单个电池单元）或从6.0V到18V（对于四个电池单元的电池组）的整个范围根据这三个条件而分类。增强范围（enhancedrange）C0是从1.5V到2.0V，并且是这样的范围，即，对于车辆发动机从冷温度发动而言，该范围的使用局限于在若干秒和若干分钟之间。正常范围C1是从2.0V到4.2V，并且是从SOC0%到SOC100%的范围。过充电范围C2是从4.2V到4.5V，并且是超过SOC100%的范围。

在图2中，VA1的每个范围对应于VA2的一部分。在图2中，当锂离子电池组100由串联连接的四个锂离子电池单元形成时，VA1和VA2彼此对应。因此，当锂离子电池组100由串联连接的四个电池单元形成时，将VA1的每个电压除以4得到单个锂离子电池单元的相应电压。

这样，冷发动范围M0对应于增强范围C0以及正常范围C1的下部；发动范围M1、正常电压范围M2和充电电压范围M3对应于正常电压范围C1；过电压范围M4对应于正常范围C1的上部和过充电范围C2。即，从车辆产生的电压的整个范围M0至M4由镍基正极锂离子电池单元的操作电压范围C0至C2覆盖。

图3示出了根据本发明实施例的在车辆中产生的电压范围和LFP基锂离子电池单元的操作电压范围。

在图3中，操作电压范围是利用由非晶碳形成的负极和LFP基正极的锂离子电池单元的操作电压范围。在图3中示出的锂离子电池单元的操作电压范围也是当锂离子电池单元由串联连接的四个锂离子电池单元形成时的电压范围（通过将VA3中的相应电压乘以4，从而得到从7.0V到18V的范围）。因为VA1与图2中的相同，所以将描述使用LFP基正极的锂离子电池单元的操作电压范围VA3以及VA1和VA3之间的对应关系。

VA3包括2个条件，从1.75V到4.5V的整个范围根据这2个条件而分类。正常范围C10是从1.75V到3.8V，并且是从SOC0%到SOC100%的范围。过充电范围C11是从3.8V到4.5V，并且是超过SOC100%的范围。

在图3中，VA1的每个范围对应于VA3的一部分。当四个这样的锂离子电池单元串联连接时，在图3中示出的VA1和VA3彼此对应。因此，当锂离子电池组100由串联连接的四个电池单元形成时，将VA1的各个电压除以4得到一个锂离子电池单元的相应电压。

这样，冷发动范围M0、发动范围M1、正常电压范围M2和充电电压范围M3对应于正常范围C10，而过电压范围M4对应于过充电范围C11。即，从车辆产生的电压的整个范围M0至M4由LFP基正极锂离子电池单元的操作电压范围C10至C11覆盖。

参照图2和图3描述的从车辆产生的电压范围和锂离子电池单元的电压范围是为了描述本发明的实施例所提供的示例，但本发明不限于此。当使用非晶碳用于锂离子电池单元的负极时，增强范围可以减小到2.0V以下。因此，冷发动范围的电压由这样的锂离子电池单元供给。另一方面，难以将包括通过使用石墨形成的负极的电池单元的增强范围降低至低于2.0V。因此，包括使用石墨的负极的电池单元不能供给发动范围的电压。

如所描述的，根据本发明实施例的锂离子电池单元的操作电压范围可以覆盖从车辆产生的整个电压范围。通过使用非晶碳制造锂离子电池单元的负极，这样的锂离子电池单元的操作电压特性可以设定为参照图2和图3所描述的那样。

在下文中，将参照图4更详细地描述根据本发明实施例的锂离子电池单元的结构。

图4是锂离子电池单元的剖视图。出于举例说明的目的，锂离子电池单元以棱柱的形状形成，但本发明不限于此。本发明的实施例可以应用于各种适当形状的电池，例如锂聚合物电池、圆柱形电池等。

参照图4，锂离子电池可以包括通过螺旋卷绕正极1和负极2并使隔板3置于二者之间所形成的电极组件4以及电极组件4安装在其中的壳体5。正极1、负极2和隔板3可以浸渍在电解质溶液中。

负极2包括集流体和形成在集流体上的负极活性物质层。负极活性物质层包括负极活性物质。负极活性物质包括能够对锂离子可逆地执行嵌入/脱嵌的材料。更详细地讲，负极活性物质包括在利用Cu（铜）Kα线的X射线衍射测量时(002)面的层间距(d₀₀₂)为0.34nm至0.50nm的碳基材料。术语“002”是指本领域中已知的米勒指数。

层间距d₀₀₂可以是0.34nm至0.45nm、0.34nm至0.40nm、0.34nm至0.37nm或者0.34nm至0.36nm。在一个实施例中，当层间距满足这些范围中的一个时，锂离子能够容易地插入和分离，由此实现优异的高倍率充电/放电特性。相反，在层间距d₀₀₂小于大约0.34nm的石墨的情况下，锂离子不能容易地插入或分离，从而使高倍率充电/放电特性劣化。

碳基材料可以是非晶碳。与石墨不同，非晶碳对于锂离子不具有有限数量的插入和分离路径，并且不容易电极膨胀。因此，可以使用非晶碳实现高输出特性和长寿命。具体地说，非晶碳可以在低于800℃的热处理下具有高可逆容量。非晶碳的示例可以包括软碳、硬碳、中间相沥青基碳化物、煅烧焦炭或它们的组合。

例如，碳基材料可以是软碳。作为石墨化的碳，软碳可以经历自动排列并易于形成为层状结构，从而软碳可根据热处理温度的升高容易地改变为石墨结构。因为与石墨相比，软碳具有无序晶体，所以软碳包括有助于锂离子进入和离开的许多门，因为与硬碳相比，无序晶体更为众多，所以离子可以容易地分散。作为更详细的示例，碳基材料可以是具有低结晶度的软碳。

碳基材料的平均直径D50可以为1μm至50μm。更详细地讲，平均直径D50可以为1μm至40μm、1μm至30μm、1μm至20μm、5μm至50μm、10μm至50μm、5μm至15μm或者6μm至12μm。在这种情况下，适当量的孔存在于负极组成物中，因此，大量地产生用作锂离子的路径或存储且连接结晶部分的活化位，从而可以实现快速的存储特性和冷温度高输出特性，并可以减小接触电阻。这里，D50是指在累积尺寸分布曲线中处于50%的体积比的粒度（例如中值粒度）。

碳基材料可以以各种适当的形状（例如球、板、片、纤维等）形成。例如，碳可以以针的形状形成。

碳基材料的通过BET（Brunauer-Emmett-Teller）方法测量的比表面积可以为0.1m²/g至20m²/g，或者可以为0.1m²/g至10m²/g、1m²/g至20m²/g、1m²/g至10m²/g或者1m²/g至5m²/g。可以使用具有上述范围的比表面积的碳基材料作为负极活性物质。在这种情况下，可以获得具有低结晶度的碳基材料，因此，可以实现优异的高倍率特性和在高倍率下的寿命特性。

碳基材料的振实密度可以为0.30g/cm³至10.00g/cm³，更详细地讲，振实密度可以为0.60g/cm³至10.00g/cm³、0.30g/cm³至5.00g/cm³或者0.60g/cm³至5.00g/cm³。当碳基材料具有上述范围中之一的振实密度时，可以获得具有低结晶度的碳基材料，因此，可以实现优异的高倍率特性和高倍率循环寿命特性。

负极活性物质层还可以包括粘结剂。粘结剂将负极活性物质颗粒彼此附着并将负极活性物质颗粒附着到集流体。作为非限制性示例，粘结剂可以是聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂、尼龙等中的一种。

另外，负极活性物质层还可以包括导电材料。导电材料用于向电极提供导电性，可以使用在电池中不引起化学变化的任何适当的电子导电材料。例如，可以使用碳基材料（例如，天然石墨、人造石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等）、金属粉（例如，铜、镍、铝、银等）或金属基材料（例如，金属纤维等）、导电聚合物（例如，聚亚苯基导体等）或者包括它们的混合物或组合的导电材料。

集流体的示例包括铜膜、镍膜、不锈钢膜、钛膜、被覆有导电金属的聚合物材料或它们的组合。

正极1包括集流体和形成在集流体上的正极活性物质层。正极活性物质层包括正极活性物质。

关于正极活性物质，可以使用能够对锂执行可逆嵌入和脱嵌的任何适当的化合物（锂化插层化合物）。更详细地讲，正极活性物质可以包括锂镍基氧化物、锂钴基氧化物、锂镍锰基氧化物、锂镍钴锰基氧化物、锂镍钴铝基氧化物、锂磷酸盐基氧化物或者它们的组合。例如，正极活性物质可以是锂镍钴锰基氧化物或锂磷酸盐基氧化物。

正极活性物质的示例可以包括钴、锰、镍和它们的组合方法的复合氧化物中的一种或多种以及锂。更详细地讲，可以使用可由下面的化学式中的一个所表示的化合物。

Li_aA_1-bR_bD₂（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5）；Li_aE_1-bR_bO_2-cD_c（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05）；LiE_2-bR_bO_4-cD_c（这里，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05）；Li_aNi_{1-b- c}Co_bR_cD_α（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，0<α≤2）；Li_aNi_1-b-cCo_bR_cO_2-αZ_α（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，0<α<2）；Li_aNi_1-b-cCo_bR_cO_2-αZ₂（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，0<α<2）；Li_aNi_1-b-cMn_bR_cD_α（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，0<α≤2）；Li_aNi_1-b-cMn_bR_cO_2-αZ_α（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，0<α<2）；Li_aNi_1-b-cMn_bR_cO_2-αZ₂（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.5，0≤c≤0.05，0<α<2）；Li_aNi_bE_cG_dO₂（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，0.001≤d≤0.1）；Li_aNi_bCo_cMn_dG_eO₂（这里，0.90≤a≤1.8，0≤b≤0.9，0≤c≤0.5，0≤d≤0.5，0.001≤e≤0.1）；Li_aNiG_bO₂（这里，0.90≤a≤1.8，0.001≤b≤0.1）；Li_aCoG_bO₂（这里，0.90≤a≤1.8，0.001≤b≤0.1）；Li_aMnG_bO₂（这里，0.90≤a≤1.8，0.001≤b≤0.1）；Li_aMn₂G_bO₄（这里，0.90≤a≤1.8，0.001≤b≤0.1）；QO₂；QS₂；LiQS₂；V₂O₅；LiV₂O₅；LiTO₂；LiNiVO₄；Li_(3-f)J₂(PO₄)₃（0≤f≤2）；Li_(3-f)Fe₂(PO₄)₃（0≤f≤2）；LiFePO₄。

在上面的化学式中，A表示Ni、Co、Mn或它们的组合；R表示Al、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、稀土元素或它们的组合；D表示O、F、S、P或它们的组合；E表示Co、Mn或它们的组合；Z表示F、S、P或它们的组合；G表示Al、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr、V或它们的组合；Q表示Ti、Mo、Mn或它们的组合；T表示Cr、V、Fe、Sc、Y或它们的组合；J表示V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu或它们的组合。

可以使用在其表面上具有被覆层的化合物，或者可以将上述的化合物和具有被覆层材料的化合物混合。被覆层或被覆层材料可以是被覆元素化合物，并可以包括被覆元素的氧化物、被覆元素的氢氧化物、被覆元素的羟基氧化物、被覆元素的碳酸氧盐（oxycarbonate）或被覆元素的羟基碳酸盐（hydroxycarbonate）。

形成被覆层或被覆层材料的化合物可以是非晶的或结晶的。包括在被覆层或被覆层材料中的示例被覆元素可以包括Mg、Al、Co、K、Na、Ca、Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、B、As、Zr或它们的混合物。可以对化合物使用上述元素（例如，喷涂、浸渍等）利用对正极活性物质无不利影响的任何适当的涂覆方法（例如，喷涂）来形成被覆层。因为涂覆方法对于本领域技术人员是众所周知的，所以将不提供进一步的描述。

正极活性物质还可以包括碳材料。具体地，正极活性物质还可以包括比表面积为500m²/g至2500m²/g的碳材料。在这种情况下，可以容易地保持高容量锂二次电池的高输入输出特性。

碳材料的比表面积可以为1000m²/g至2500m²/g，更详细地，可以为1200m²/g至2000m²/g。当碳材料的比表面积包括在这样的范围内时，正极活性物质的活化位增加，因此，可以简单地实现高输入输出，因而可以获得锂二次电池的优异的高倍率循环寿命。作为示例，碳可以是活性炭。

相对于正极活性物质的总量，可以包括0.1wt%至20wt%的碳材料，更详细地，可以包括0.1wt%至10wt%、1wt%至12wt%、1wt%至10wt%、3wt%至12wt%或者3wt%至10wt%的碳材料。在这种情况下，可以进一步有效地保持高输入输出特性。

碳材料的苯吸附量可以为38wt%至85wt%，更详细地，可以为40wt%至75wt%。根据碳材料的内部孔结构和分布，吸附量可以显著地改变。当在正极活性物质中包括具有上述范围的苯吸附量的碳材料时，可用作锂离子的路径或储存的孔具有增大的体积。因此，可以获得高倍率循环寿命特性、优异的高倍率特性和储存保持特性。

正极活性物质层还可以包括粘结剂和/或导电材料。粘结剂将正极活性物质颗粒彼此附着并将正极活性物质颗粒附着到集流体。粘结剂的示例包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、二乙酰基纤维素、聚氯乙烯、羧化的聚氯乙烯、聚氟乙烯、含亚乙基氧的聚合物、聚乙烯吡咯烷酮、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、丁苯橡胶、丙烯酸(酯)化的丁苯橡胶、环氧树脂或尼龙等，但不限于此。

导电材料用于向电极提供导电性，可以使用在电池中不引起化学变化的任何适当的电子导电材料。例如，可以使用碳基材料（例如，天然石墨、人造石墨、炭黑、乙炔黑、科琴黑、碳纤维等）、金属粉（例如，铜、镍、铝、银等）或金属基材料（例如，金属纤维等）、或者诸如聚亚苯基导体等的一种导电材料、或者一种以上导电材料的混合物。

关于示例集流体，可以使用Al，但本发明不限于此。

对于制造正极1和负极2中的每个，在溶剂中混合活性物质、粘结剂和导电材料，以制造活性物质组成物，并在集流体上涂覆组成物，从而制造正极1和负极2。这样的制造方法对于本领域技术人员是众所周知的，因此，将不提供进一步的详细描述。关于示例溶剂，可以使用N-甲基吡咯烷酮，但本发明不限于此。

电解质包括非水有机溶剂和锂盐。非水有机溶剂用作参与电池的电化学反应的离子能够通过其迁移的媒介。

非水有机溶剂的示例可以包括碳酸酯类溶剂、酯类溶剂、醚类溶剂、酮类溶剂、醇类溶剂或非质子溶剂。碳酸酯类溶剂的示例可以包括碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二丙酯（DPC）、碳酸甲丙酯（MPC）、碳酸乙丙酯（EPC）、碳酸甲乙酯（MEC）、碳酸亚乙酯（EC）、碳酸亚丙酯（PC）、碳酸亚丁酯（BC）等。酯类溶剂的示例可以包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丙酯、乙酸1,1-二甲基乙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、γ-丁内酯、癸内酯、戊内酯、甲瓦龙酸内酯、己内酯等。醚类溶剂的示例可以包括二丁醚、四甘醇二甲醚、二甘醇二甲醚、二甲氧基乙烷、2-甲基四氢呋喃、四氢呋喃等，可以使用环己酮作为酮类溶剂。另外，醇类溶剂的示例可以包括乙醇、异丙醇等，可以使用腈例如R-CN（R表示C2至C20的直链烃基、支链烃基或环结构的烃基，并可以包括双键、芳香环或醚键）等、酰胺（例如二甲基甲酰胺等）、二氧戊环（例如1,3-二氧戊环等）和环丁砜作为非质子溶剂。

非水有机溶剂可以单独地使用，或者可以混合一种或更多种来使用。当混合一种或更多种时，为了期望的电池性能，可以适当地控制混合比，这能够容易地被本领域技术人员所理解。

另外，对于碳酸酯类溶剂，可以混合环型碳酸酯和链型碳酸酯。在这种情况下，如果环型碳酸酯和链型碳酸酯以大约1:1至大约1:9的体积比混合，则电解质溶液可以具有优异的性能。

除了碳酸酯类溶剂以外，非水有机溶剂还可以包括芳香烃类有机溶剂。在这种情况下，碳酸酯类溶剂和芳香烃类有机溶剂可以以大约1:1至大约30:1的体积比混合。

芳香烃类有机溶剂的示例可以包括苯、氟代苯、1,2-二氟代苯、1,3-二氟代苯、1,4-二氟代苯、1,2,3-三氟代苯、1,2,4-三氟代苯、氯代苯、1,2-二氯代苯、1,3-二氯代苯、1,4-二氯代苯、1,2,3-三氯代苯、1,2,4-三氯代苯、碘代苯、1,2-二碘代苯、1,3-二碘代苯、1,4-二碘代苯、1,2,3-三碘代苯、1,2,4-三碘代苯、甲苯、氟代甲苯、2,3-二氟代甲苯、2,4-二氟代甲苯、2,5-二氟代甲苯、2,3,4-三氟代甲苯、2,3,5-三氟代甲苯、氯代甲苯、2,3-二氯代甲苯、2,4-二氯代甲苯、2,5-二氯代甲苯、2,3,4-三氯代甲苯、2,3,5-三氯代甲苯、碘代甲苯、2,3-二碘代甲苯、2,4-二碘代甲苯、2,5-二碘代甲苯、2,3,4-三碘代甲苯、2,3,5-三碘代甲苯、二甲苯或它们的组合。

为了改善电池循环寿命，非水电解质还可以包括碳酸亚乙烯酯或碳酸亚乙酯类化合物。碳酸亚乙酯类化合物可以包括碳酸二氟代亚乙酯、碳酸氯代亚乙酯、碳酸二氯代亚乙酯、碳酸溴代亚乙酯、碳酸二溴代亚乙酯、碳酸硝基亚乙酯、碳酸氰基亚乙酯、碳酸氟代亚乙酯、碳酸乙烯撑亚乙酯（vinylene ethylene carbonate）等。当还使用碳酸亚乙烯酯或碳酸亚乙酯时，可通过适当地控制使用量来改善循环寿命。

锂盐溶于非水有机溶剂中。溶解的锂盐通过在电池中用作锂离子的供给源而能使锂离子可再充电电池的基本操作运行，并加速正极1和负极2之间的锂离子的迁移。锂盐可以包括LiPF₆、LiBF₄、LiSbF₆、LiAsF₆、LiC₄F₉SO₃、LiClO₄、LiAlO₂、LiAlCl₄、LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂)（这里，x和y是自然数）、LiCl、LiI、LiB(C₂O₄)₂（二草酸硼酸锂；LiBOB）或它们的组合，它们作为支持电解钠碱而被包括在内。可以包括范围为0.1M至2.0M的锂盐的浓度。当在所述范围内包括该浓度的锂盐时，电解质可以具有适当的导电率和粘度，从而可以实现优异的电解质性能，并且锂离子可以有效地迁移。

隔板3将负极2和正极1分开，并为锂离子提供迁移路径，可以使用在锂电池中使用的任何适当类型的已知隔板。例如，可以使用相对于电解质的离子迁移具有低阻力和优异的润湿能力的隔板。例如，隔板3可以选自于玻璃纤维、聚酯、特氟纶（Teflon）、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯（PTFE）或它们的组合，并可以是无纺织物或纺织物。例如，在锂离子电池中，可以主要使用聚烯烃类聚合物隔板（例如聚乙烯、聚丙烯等），可以使用包括陶瓷组分或聚合物材料（其被包括用来获取耐热性和机械强度）的被覆隔板，并可以选择性地使用单层或多层结构。

在下文中，将参照图5描述根据本发明实施例的锂离子电池组100的结构。

图5是根据本发明实施例的锂离子电池组100的框图。如图5所示，锂离子电池组100包括锂离子电池110、电池管理系统120、继电器130和电流传感器140。锂离子电池110包括串联连接的四个锂离子电池单元CELL1至CELL4。根据为车辆所产生的电压范围，可以适当地确定锂离子电池单元的数量。

电流传感器140测量从锂离子电池110供给的放电电流IDH1和流到锂离子电池110的充电电流ICH1。电流传感器140产生与测量的电流有关的电流信息，并将电流信息传输到电池管理系统120。

电池管理系统120连接到四个锂离子电池单元CELL1至CELL4中的每个锂离子电池单元的正极和负极，以测量相应的多个电池单元电压VC1至VC4以及电池组电压VPACK，接收电流信息IS，并测量相应的锂离子电池单元CELL1至CELL4的电池单元温度CT1至CT4。

电池管理系统120基于测量的电池单元电压VC1至VC4来控制电池单元平衡操作。电池管理系统120基于测量的电池组电压VPACK来确定是否发生过电压。另外，电池管理系统120可以使用电池组电压VPACK和电流信息IS来计算锂离子电池110的SOC。电池管理系统120可以使用多个电池单元温度CT1至CT4中的至少一个来进行SOC计算。

继电器130连接在输出结点OUTN和锂离子电池110之间。继电器130在正常状态下接通，当电池管理系统120感测到异常状态时，继电器130断开。例如，异常状态可以包括：当电池组电压VPACK为过电压时，电池单元中的特定电池单元电压VC1至VC4为过电压或欠电压，或者电池单元温度CT1至CT4中的至少一个超过设定的阈值（例如，预定的阈值）。当感测到异常状态时，电池管理系统120传输重设信号RS，以断开继电器130。

在下文中，将参照图6至图9描述用于向车辆供电的多电池组的操作。

图6是示出车辆的发动操作中的多电池组10的电流流动的框图。

如图6所示，从多电池组10供给用于发动操作的电流。详细地讲，放电电流IDH1和放电电流IDH2分别从锂离子电池组100和铅酸电池组200供给到起动机500。起动机500从锂离子电池组100和铅酸电池组200接收用于发动操作的电力。

图7示出了从移动车辆产生的交流发电机的输出功率的示例。

如图7所示，交流发电机300的输出波形根据设定的或预定的基准功率而波动。在图7中，用(+)标记的区域是交流发电机300的输出功率APW高于基准功率的区域，而用(-)标记的区域是交流发电机300的输出功率APW低于基准功率的区域。在(+)区域中，交流发电机300的输出功率APW供给到负载400。交流发电机300的除负载400所需的电力以外的输出功率APW（例如，交流发电机300的多余输出功率）供给到多电池组10，从而对多电池组10进行充电。

图8是示出根据本发明实施例的锂离子电池组100和铅酸电池组200的充电特性的曲线图。

图8示出了在相同的充电条件下随着充电时间的流逝锂离子电池组100的充电曲线SOC1和铅酸电池组200的充电曲线SOC2。在图8中，锂离子电池组100是LFP基锂离子电池组。

当与铅酸电池组200相比时，锂离子电池组100具有较低的容量，从而锂离子电池组100可以比铅酸电池组200被更快地充电。另外，锂离子电池组100和交流发电机300之间的布线长度比铅酸电池组200和交流发电机300之间的布线长度短。因此，由于布线电阻的差异，使得锂离子电池组100的充电速度比铅酸电池组200的充电速度快。如图8所示，充电曲线SOC1的上升斜坡比充电曲线SOC2的上升斜坡陡。

返回参照图7，当多电池组10由交流发电机300的输出功率APW充电时，锂离子电池组100首先被充电，随后铅酸电池组200被充电。当在锂离子电池组100完全充电之后由输出功率APW的充电继续时，铅酸电池组200的充电操作可以继续。

在(-)区域中，负载400所需的电力由多电池组10供给。电力首先由锂离子电池组100向负载400供电，然后由铅酸电池组200向负载400供电。

当车辆停止移动且驻车时，即使在交流发电机300中没有发生操作，仍发生功耗。例如，安装在车辆中的电子设备或寄生电流会消耗电力。这里，即使车辆驻车，电子设备仍被驱动。当车辆驻车时，多电池组10向车辆供电。

图9是示出根据本发明实施例的锂离子电池组和铅酸电池组的放电特性的曲线图。

在图9中，锂离子电池组100和铅酸电池组200在驻车开始时刻时是全充的。如图9所示，从驻车开始时刻开始，锂离子电池组100的放电曲线SOC3的下降斜坡比铅酸电池组200的放电曲线SOC4的下降斜坡陡。在从驻车开始时刻到放电曲线SOC3降低至SOC20%的时刻T1的时段期间，放电曲线SOC4只是逐渐地降低。在时刻T1之后，放电曲线SOC4的下降斜坡变得较陡。

即，车辆在从驻车开始时刻到时刻T1的时段期间所需的电力由锂离子电池组100供给，而车辆在时刻T1之后所需的电力由铅酸电池组200供给。

如描述的，多电池组10可以由交流发电机300充电，并向负载400供电而不必具有另外的功率转换构件或功率控制构件。这是因为锂离子电池组100的容量低于铅酸电池组200的容量，并且因为锂离子电池组100和交流发电机300之间的电流路径比铅酸电池组200和交流发电机300之间的电流路径短。

此外，锂离子电池单元的正极和负极的材料性质也可以提供上述效果。

虽然结合目前被视为实际的实施例的内容描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求及其等同物的精神和范围内的各种修改和等同布置。

一些标号的描述

1：正极

2：负极

3：隔板

4：电极组件

10：多电池组

100：锂离子电池组

200：铅酸电池组

300：交流发电机

400：负载

500：起动机

CELL1–CELL4：锂离子电池单元

110：锂离子电池

120：电池管理系统

130：继电器

140：电流传感器

Claims (20)

1.一种锂电池系统，其特征在于，所述锂电池系统包括：

第一电池组，包括串联连接的多个第一电池单元，第一电池组被构造为与交流发电机和第二电池组彼此并联连接，并具有比第二电池组的容量低的容量，

其中，每个第一电池单元的负极包括负极活性物质，负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距，

其中，每个第一电池单元的操作电压范围包括用于车辆在冷温度下发动的2.0V以下的增强范围。

2.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，碳基材料是软碳、硬碳、中间相沥青基碳化物、煅烧焦炭或它们的组合。

3.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，碳基材料的平均直径为1μm至50μm。

4.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，每个第一电池单元包括正极，正极包括正极活性物质，正极活性物质包括锂镍基氧化物、锂钴基氧化物、锂镍锰基氧化物、锂镍钴锰基氧化物、锂镍钴铝基氧化物、锂磷酸盐基氧化物或它们的组合。

5.根据权利要求4所述的锂电池系统，其中，正极活性物质还包括表面积为500m²/g至2500m²/g的碳材料。

6.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，每个第一电池单元是锂离子电池单元，每个第一电池单元的正极包括镍基正极活性物质。

7.根据权利要求6所述的锂电池系统，其中，每个第一电池单元的操作电压范围包括：

第一增强范围，大于等于1.5V且小于2.0V；

第一正常范围，大于等于2.0V且小于4.2V；以及

第一过充电范围，大于等于4.2V且小于等于4.5V。

8.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，每个第一电池单元是锂离子电池单元，每个第一电池单元的正极包括锂铁磷酸盐基正极活性物质。

9.根据权利要求8所述的锂电池系统，其中，每个第一电池单元的操作电压范围包括：

第二正常范围，大于等于1.75V且小于3.8V；以及

第二过充电范围，大于等于3.8V且小于等于4.5V。

10.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，第一电池组和交流发电机之间的电流路径比第二电池组和交流发电机之间的电流路径短。

11.根据权利要求1所述的锂电池系统，其中，第一电池组的内阻低于第二电池组的内阻。

12.一种车辆电池系统，其特征在于，所述车辆电池系统包括：

交流发电机，被构造为产生供给到车辆电池系统的电力；

第一电池组，与交流发电机并联连接，并包括串联连接的多个第一电池单元；以及

第二电池组，与交流发电机和第一电池组并联连接，并具有比第一电池组的容量大的容量，

其中，每个第一电池单元的负极包括负极活性物质，负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距，

其中，每个第一电池单元的操作电压范围包括用于车辆在冷温度下发动的2.0V以下的增强范围。

13.根据权利要求12所述的车辆电池系统，其中，第二电池组是铅酸电池组。

14.根据权利要求12所述的车辆电池系统，其中，第一电池组和交流发电机之间的电流路径比第二电池组和交流发电机之间的电流路径短。

15.根据权利要求12所述的车辆电池系统，其中，第一电池组的内阻低于第二电池组的内阻。

16.一种车辆电池系统的操作方法，车辆电池系统具有与车辆的交流发电机、起动机和负载并联结合的多电池组，其特征在于，所述操作方法包括：

在车辆的发动操作期间由多电池组向起动机供电；

当车辆正在被驱动时由交流发电机和多电池组中的一个向负载供电；以及

当车辆驻车时由多电池组向车辆供电，

其中，多电池组包括第一电池组和第二电池组，

其中，第一电池组包括串联连接的多个第一电池单元，每个第一电池单元的负极包括负极活性物质，负极活性物质包括碳基材料，碳基材料在利用铜Kα线的X射线衍射测量中具有0.34nm至0.50nm的(002)面的层间距，

其中，每个第一电池单元的操作电压范围包括用于车辆在冷温度下发动的2.0V以下的增强范围。

17.根据权利要求16所述的车辆电池系统的操作方法，其中，当车辆正在被驱动时向负载供电的步骤包括：

当交流发电机的输出功率高于基准功率时，将交流发电机的输出功率供给到负载；以及

当交流发电机的输出功率低于基准功率时，将来自多电池组的电力供给到负载。

18.根据权利要求16所述的车辆电池系统的操作方法，所述操作方法还包括：当交流发电机的输出功率高于基准功率时，利用来自交流发电机的多余电力对多电池组进行充电。

19.根据权利要求18所述的车辆电池系统的操作方法，其中，当利用来自交流发电机的多余电力对多电池组进行充电时，第一电池组的充电速度比第二电池组的充电速度快。

20.根据权利要求16所述的车辆电池系统的操作方法，其中，当在车辆驻车时多电池组正在向车辆供电时，第一电池组的放电速度比第二电池组的放电速度快。