CN105390649A - 用于停止/启动应用的锂离子单块电池 - Google Patents

用于停止/启动应用的锂离子单块电池 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于停止/启动车辆应用的锂离子电池模块。电池模块包括多个未密封的电池单元，多个未密封的电池单元串联互连并设置在包含由电池单元共享的电解质的公共壳体中。电解质可以在其中具有氧化还原穿梭剂。

Description

用于停止/启动应用的锂离子单块电池
技术领域
本公开涉及一种锂离子电池布置，更具体地，涉及一种用于成本有效的可靠的电池性能的公共电解质的锂离子单块设计。
背景技术
当被整合在其他的传统内燃发动机动力系中时，发动机停止-启动技术可以为成本的边际增长实现可观的燃料节约。传统上，吸收玻璃毡(AGM)铅酸蓄电池用于此功能，因为这项技术已经被证实并且对于制造而言相对便宜。然而，这样的电池展现出低的能量密度并且再充电缓慢，而且是环境不友好的。
在消费产业中已经将锂离子(Li离子)电池模块用作用于诸如便携计算机的消费品的可再充电电源。因为这些电池布置更轻，并且由比其他类型的电池(包括铅酸蓄电池)毒性更小的材料制成，所以锂离子电池可用于增强车辆性能和燃料经济性。
发明内容
用于停止/启动车辆应用的锂离子电池模块的第一构造包括串联互连并设置在公共壳体中的多个未密封的电池单元。壳体包含由电池单元共享的电解质。在一些情况下，共享的电解质可以在其中包括氧化还原穿梭剂。
用于停止/启动车辆应用的锂离子电池模块的另一构造包括第一未密封的电池单元、第二未密封的电池单元、第三未密封的电池单元和第四未密封的电池单元。每个电池单元包括正极接线片和负极接线片。第一电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第二电池单元的负极接线片。第二电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第三电池单元的负极接线片。第三电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第四电池单元的负极接线片。以这种方式，电池单元串联互连。第一未密封的电池单元、第二未密封的电池单元、第三未密封的电池单元和第四未密封的电池单元设置在包含电解质的公共壳体中，电解质在其中具有氧化还原穿梭剂。
壳体还可以包括穿过壳体的壁的通气口。壳体还可以包括用于将电解质引入到壳体中的填充口。壳体可以包括正极端子和负极端子，其中，正极端子电连接到一个电池单元的正极接线片，其中，负极端子电连接到另一个电池单元的负极接线片。氧化还原穿梭剂可以选自于由1,4-二(2-甲氧基乙氧基)-2,5-二叔丁基苯、2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯、4-叔丁基-1,2-二甲氧基苯、单甲氧基苯类化合物、六乙基苯、联吡啶碳酸酯(盐)或联苯碳酸酯(盐)、二氟甲苯醚、含S或N的杂环芳香族化合物和吩噻嗪类分子组成的组。
附图说明
图1是锂离子单块电池(mono-blockbattery)的第一示例性布置的示意图；
图2是锂离子单块电池的第二示例性布置的示意图；以及
图3是锂离子单块电池的第三示例性布置的示意图的俯视图。
具体实施方式
根据需求，在这里公开本发明的详细实施例；然而，将理解的是，所公开的实施例仅是可以以各种和可替代的形式实施的本发明的举例说明。附图不一定按比例绘出；一些特征可以被夸大或最小化以示出具体组件的细节。因此，在这里所公开的具体结构细节和功能细节不应被理解为是限制性的，而是仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式使用本发明的代表性基础。
在图1中示出用于与车辆的停止-启动功能有关的锂离子单块电池模块100的第一示例性布置。电池100可以用在混合动力车辆或电动车辆的可再充电电池中，例如，用作驱动车辆的电马达的电源。电池100包括设置在公共密封的壳体104中并且电互连的多个相应的LiFePO4电池102a、102b、102c、102d。虽然在图1至图3中绘出四个电池，但是理解的是，本公开不受限于具体数量的电池。在一些应用中，可以使用更多个电池或更少个电池。
在图1的布置中，电池102a、102b、102c和102d彼此邻近布置。在一个示例中，虽然锂离子电池可以是LiFePO4电池，但是理解的是，本公开不限于具有该具体化学成分的锂离子电池。LiFePO4电池能提供：(1)适当的操作电压(3V-3.8V/电池乘以4个电池)，其能够满足对于大多数车辆电气系统的典型的12V需求，以及(2)上限电压范围(低于其他锂离子化学成分)，其适于对氧化还原穿梭添加剂(将在下面讨论)进行过充电减轻的应用。然而，在本公开中具体地预想到具有其他锂离子电池化学成分的电池模块。
每个电池102a、102b、102c和102d包括正极接线片106和负极接线片108。被普通容置的电池102a、102b、102c和102d串联电连接以达到预定的模块电压。在一个具体实例中，对于LiFePO4电池，四个电池彼此电连接以达到至少12V的模块电压。在一个布置中，电池102a的正极接线片106a通过焊接接头111连接到邻近电池102b的负极接线片108b。然而，还能想到其他的接线片方位。与先前技术的电池模块不同，当被设置在壳体104中时，单个电池102a、102b、102c和102d是未密封的。电池102a、102b、102c和102d可以构造成任何合适的几何形状，诸如以棱柱形或圆柱形为例。此外，电极形式可以构造成堆叠或卷绕形式。
壳体104可以是金属性的复合材料或塑料，并且构造为保持由未密封的单元102a、102b、102c和102d共享的公共电解质110。壳体104可以构造成任何合适的形状以保持电池102a、102b、102c和102d。在一个示例性布置中，壳体104包括下壁105、相对的第一侧壁107、相对的第二侧壁109以及上壁113。壁105、107、109和113构造为适配在一起以提供密封的壳体104。在一个示例性构造中，虽然所有电池102a、102b、102c和102d被布置在壳体104中，使得每个电池具有延伸通过其的大体上中心轴，所述中心轴大体上垂直于由底壁105限定的平面，但是相应的电池沿水平方向彼此邻近设置。
在一个示例性布置中，可选的固定元件可以设置为将相应的电池定位在壳体104中。更具体地，固定元件可以具有固定地稳固到壁构件的内表面的一个端部和接合电池的固定构件。然而，固定构件可以具有任何适当的构造，在一个示例中，固定元件可以具有围绕每个电池的外围设置的圆形构造。
在一个示例性布置中，如果单个锂离子电池是充足的质量制造，即，制造成紧密度容限，则共享的电解质110足以防止热耗散并平衡各个电池的充电。然而，还预料到，对于容限是未知的或略微松弛的锂离子电池的情况，储存在具有各个电池的壳体104中的电解质110可以包括氧化还原穿梭添加剂，下面将更详细地对其进行讨论。
每个单独的电池不再需要在先前技术中通常被整合到每个密封的电池中的硬件特征，诸如端子、通风口和电解质填充口。相反，被密封的壳体104包括正极端子112和负极端子114。通风口116被整合到壳体104中。如果壳体104内的压力超过预定的阈值，则通风口116用来释放来自壳体104的压力。壳体104还包括用于将电解质110引入到壳体104中的填充口118。这种构造允许相对于传统的电池模块的部件减少以及相关联的成本节约。
在图2中示出了锂离子单块电池模块200的第二示例性布置。电池模块200包括设置在公共密封的壳体204中并且电互连的多个单独的LiFePO4电池202a、202b、202c和202d。
每个电池202a、202b、202c和202d包括正极接线片206和负极接线片208。共同地容置的电池202a、202b、202c和202d串联电连接以实现预定的模块电压。例如，在一个布置中，电池202a的正极接线片206通过焊接接头211与相邻的电池202b的负极接线片208b连接。然而，还预想到其他接线片方位。与先前技术的电池模块不同，当被设置在壳体204中时，单独的电池202a、202b、202c和202d是未密封的。电池202a、202b、202c和202d可以构造具有任何适当的几何形状，诸如，以棱柱形或圆柱形为例。
壳体204可以是金属性的复合材料或塑料，并构造为保持由未密封的电池202a、202b、202c和202d共享的公共电解质210。电解质210可以包括或可以不包括氧化还原穿梭添加剂下面更详细地对其进行讨论。壳体204可以构造为具有任何适当的形状以保持电池202a、202b、202c和202d。在一个示例性布置中，壳体104包括底壁205、相对的第一侧壁207、相对的第二侧壁209和上壁213。壁205、207、209和213被构造为适配在一起以提供密封的壳体204。在图2的布置中，电池202a、202b、202c和202d均具有中心轴，并且电池的轴在垂直方向上是共面的，使得电池在垂直方向上彼此邻近布置。
每个单独的电池不再需要在先前技术中通常被整合到每个密封的电池中的硬件特征，诸如端子、通风口和电解质填充口。相反，被密封的壳体204包括均与相应的电池202a、202b、202c和202d电连接的正极端子212和负极端子214。通风口216结合到壳体204的一个壁中。壳体204还包括用于将共享的电解质210引入到壳体204中的填充口218。这种构造还允许相对于传统电池模块的部件减少以及相关联的成本节约。
在图3中示出了锂离子单块电池模块300的第三示例性布置。电池模块300包括设置在公共密封的壳体304中并且电互连的多个相应的LiFePO4电池302a、302b、302c和302d。在图3的布置中，电池302a、302b、302c和302d沿两个行布置，在每行中具有两个电池。
每个电池302a、302b、302c和302d包括正极接线片306和负极接线片308，在图3中仅可看到一部分。共同地容置的电池302a、302b、302c和302d串联电连接以实现预定的模块电压。例如，在一个布置中，电池302b的正极接线片306b通过焊接接头311与邻近电池302c的负极接线片308c连接。然而，还预想到其他接线片方位。与先前技术的电池模块不同，当被设置在壳体304中时，相应的电池302a、302b、302c和302d是未密封的。电池302a、302b、302c和302d可以被构造成具有任何适当的几何形状，诸如以棱柱形或圆柱形为例。
壳体304可以是金属性的复合材料或塑料，并构造成保持由未密封的电池302a、302b、302c和302d共享的公共电解质310。电解质310包括下面将更详细地讨论的氧化还原穿梭添加剂。壳体304可以构造成具有任何适当的形状，以保持电池302a、302b、302c和302d。在一个示例性布置中，壳体包括下壁305、相对的第一侧壁307、相对的第二侧壁309以及上壁(为了说明的目的已经移除的。壁305、307和309被构造成适配在一起以提供密封的壳体304。
每个单独的电池不再需要在先前技术中通常被整合到每个密封的电池中的硬件特征，诸如端子、通风口和电解质填充口。相反，被密封的壳体304包括均与相应的电池302a、302b、302c和302d电连接的正极端子312和负极端子314。通风口(未示出)被整合到壳体304的一个壁(例如上壁)中。壳体304还包括用于将共享的电解质310引入到壳体304中的填充口318。这种构造还允许相对于传统电池模块的部件减少以及相关联的成本节约。
所有的电池模块100、200和300可以在用于相应的电池单元的公共电解质中包括氧化还原穿梭添加剂。氧化还原穿梭添加剂是电解质添加剂，其可以用作本质的过充电保护机制，以改进锂离子电池的安全特性。更具体地，对于具有特定的氧化还原穿梭添加剂的示例性LiFePO4锂离子电池，其可以在1C下被过充电1小时至4V(大于其正常的(100％荷电状态)最大电压3.6V)直到200％的荷电状态，而没有异常的性能损失和安全问题。即使在过充电几百次之后，电池继续表现正常。相反，未被制成具有紧密度容限并且不包括氧化还原穿梭添加剂的锂离子电池在单个过充电事件之后会经历不可逆的损坏。因此，所公开的模块100、200和300的单元不平衡和过充电问题可以通过引入氧化还原穿梭添加剂的穿梭反应作用来解决。
氧化还原穿梭添加剂能够将大量的过充电电流转换为热并且对电池的损坏可忽略。在没有“反应转向(reaction-diverting)”的氧化还原穿梭添加剂的情况下，电池将经历过充电(这可以导致热耗散)，但不存在昂贵的电压监测与控制系统。确实，出于安全原因，即，预防过充电、热耗散等，必须仔细地监测和调节传统的锂离子电池的特定性能(即，电压和温度)。然而，由于氧化还原穿梭添加剂的作用，电池模块100、200和300不需要用于监测和调节相应的电池电压的复杂电气系统。对于保持未密封电池的紧密度容限的那些布置，公共电解质也可以提供所需要的过充电保护，从而可以进一步简化电池控制算法和相关的硬件。此外，单块电池模块100、200和300的设计也具有改善热交换和热分配能力的潜能，从而展现出简化热管理系统的机会。系统组件的减少和复杂度的减小意味着成本节约，而未使性能折衷。
在操作车辆的停止-启动电气系统中，电池模块大多数时间维持接近“充电最高点”。这样，这里描述的所提议的电池模块100、200和300非常适合于停止-启动应用，在停止-启动应用中，大多数操作在上限电压范围内发生并且发生氧化还原穿梭反应。
已经发现许多氧化还原穿梭添加剂可用于示例性的LiFePO4电池模块100、200和300。示例包括1,4-二(2-甲氧基乙氧基)-2,5-二叔丁基苯、2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯、4-叔丁基-1,2-二甲氧基苯、单甲氧基苯类化合物、六乙基苯、联吡啶碳酸酯(盐)或联苯碳酸酯(盐)、二氟苯甲醚、含S或N的杂环芳香族化合物(例如，2,7-二乙酰噻蒽)、吩噻嗪类分子(例如，10-甲基吩噻嗪、10-乙基吩噻嗪)。理解的是，以上列表仅是示例性的，并且本公开预想到其他适当的氧化还原穿梭添加剂在共享的电解质中的使用。还预想到其他适当的氧化还原穿梭添加剂在本公开的范围内，所述氧化还原穿梭添加剂能够完成用于特定锂离子电池模块(包括具有不同化学组成的其他锂离子电池)的电荷平衡操作。
通过去除用于每个单独电池的硬件，本公开的示例性电池模块100、200和300用于降低电池成本。确实，端子、相应的密封封装件(诸如袋或罐构造)、安全器件(诸如电流中断器件)或相应的通风口无需再用于每个电池。相反，每个模块采用公共的通风口，从而能够实现通风/排气系统(用于导致热耗散的电池滥用情况)的简单的和便利的设计。从相应的电池去除这些组件还降低了与相应的电池相关联的制造成本。
由于现在相应的电池是未密封的并且在公共电解质中，因此示例性的电池模块100、200和300还通过降低质量/体积以及邻近电池之间的连接电阻而用来提高体积能量密度和比能量密度以及功率密度。确实，在用于多个电池的公共壳体中使用公共电解质在相应的电池之间产生更好的热均匀性和性能均匀性，从而在热管理系统设计方面提供附加的灵活性，同时消除昂贵的再平衡电路系统和控制硬件。
尽管上面描述了示例性实施例，但是这些实施例并非旨在描述本发明的所有可能形式。相反，在说明书中所使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，各种执行实施例的特征可以组合以形成本发明的其他实施例。

Claims (14)

1.一种用于停止/启动车辆应用的锂离子电池模块，包括：
多个未密封的电池单元，串联互连并设置在包含电解质的公共壳体中，电解质在未密封的电池单元之间共享。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，还包括在电解质中的氧化还原穿梭剂。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池模块，其中，氧化还原穿梭剂选自于由1,4-二(2-甲氧基乙氧基)-2,5-二叔丁基苯、2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯、4-叔丁基-1,2-二甲氧基苯、单甲氧基苯类化合物、六乙基苯、联吡啶碳酸酯(盐)或联苯碳酸酯(盐)、二氟甲苯醚、含S或N的杂环芳香族化合物和吩噻嗪类分子组成的组。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，每个电池单元是LiFePO4电池。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，每个电池单元具有3.3V-3.7V的额定电压。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，多个电池单元包括在水平方向上彼此邻近布置的第一电池单元、第二电池单元、第三电池单元和第四电池单元。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池模块，其中，每个电池单元具有正极接线片和负极接线片，其中，第一电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第二电池单元的负极接线片，其中，第二电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第三电池单元的负极接线片，其中，第三电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第四电池单元的负极接线片。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，多个电池单元包括在水平方向上彼此邻近布置的四个电池单元。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池模块，其中，每个电池单元具有正极接线片和负极接线片，其中，第一电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第二电池单元的负极接线片，其中，第二电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第三电池单元的负极接线片，其中，第三电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第四电池单元的负极接线片。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，多个电池单元包括沿两个行布置的四个电池单元。
11.根据权利要求10所述的锂离子电池模块，其中，每个电池单元具有正极接线片和负极接线片，其中，第一电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第二电池单元的负极接线片，其中，第二电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第三电池单元的负极接线片，其中，第三电池单元的正极接线片通过焊接接头连接到第四电池单元的负极接线片。
12.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，壳体还包括穿过壳体的壁的通风口。
13.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，壳体还包括用于将电解质引入到壳体中的填充口。
14.根据权利要求1所述的锂离子电池模块，其中，壳体包括正极端子和负极端子，其中，正极端子电连接到一个电池单元的正极接线片，其中，负极端子电连接到另一个电池单元的负极接线片。
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