CN105409052A - 具有锂离子和铅酸电池单元的双存储系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池系统可以包括电气地串联的多个电池单元组件。多个电池单元组件中的第一电池单元组件包括第一锂离子电池单元和第一铅酸电池单元，所述第一铅酸电池单元与第一锂离子电池单元电气地并联从而使得第一铅酸电池单元被配置成抵抗第一锂离子电池单元的过度充电和过度放电。

Description

具有锂离子和铅酸电池单元的双存储系统和方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2013年8月16日提交的名称为“用于微混合动力应用的无BMS的双存储系统设计”美国临时专利申请号61/866,786的优先权和利益，所述申请的全部内容为了所有目的以引用的方式并入本文。
发明背景
本公开总体涉及电池和电池模块领域。更具体来说，本公开涉及可以用于车辆背景(例如，xEV)以及其他能量存储/消耗应用中的电池单元。
本部分意图为读者介绍可能与以下描述和/或要求保护的本公开的各个方面有关的技术的各个方面。相信此论述有助于为读者提供背景信息以利于本公开的各个方面的更好理解。因此，应理解，这些陈述应从这个角度来阅读，而非作为现有技术的认可。
使用为车辆提供所有或一部分原动力的一个或多个电池系统的车辆可以称为xEV，其中术语“xEV”在本文被定义为包括将电功率用于其所有或一部分车辆原动力的以下所有车辆或者其任何变体或组合。如本领域技术人员将了解，混合电动车辆(HEV)将内燃发动机推进系统和电池供电的电力推进系统组合在一起，所述电池供电的电力推进系统诸如48伏或130伏系统。术语HEV可以包括混合电动车辆的任何变体。例如，全混合动力系统(FHEV)可以使用一个或多个电动机、使用仅一个内燃发动机或者使用二者来将原动力和其他电功率提供到车辆。相比之下，轻度混合动力系统(MHEV)在车辆怠速时禁用内燃发动机并且在需要推进时使用电池系统来继续为空调单元、无线电或其他电子器件供电以及重新起动发动机。轻度混合动力系统还可以在例如加速期间施加某种水平的动力辅助，以补充内燃发动机。轻度混合动力通常是96V至130V，并且通过皮带或曲柄集成的起动发电机来恢复制动能量。另外，微混合电动车辆(mHEV)也使用类似于轻度混合动力的“停止-起动”系统，但是mHEV的微混合动力系统可以对内燃发动机供应动力辅助或者可以不那样，并且在低于60V的电压下操作。为了本论述的目的，应注意，mHEV通常在技术上不将直接提供到曲轴或变速器的电功率用于车辆的原动力的任何部分，但是mHEV仍可以被认为是xEV，因为当车辆在内燃发动机被禁用的情况下怠速时其使用电功率来补充车辆的功率需要，并且通过集成的起动发电机来恢复制动能量。此外，插电式电动车辆(PEV)是可以从外部电力源(诸如壁式插座)充电的任何车辆，并且存储在可再充电电池组中的能量驱动或者有助于驱动车轮。PEV是电动车辆的子类别，所述电动车辆包括全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合电动车辆(PHEV)以及混合电动车辆与常规内燃发动机车辆的电动车辆改装。
与仅使用内燃发动机和传统的电气系统(其通常是由铅酸电池供电的12伏系统)的更传统的汽油动力车辆相比，如以上所描述的xEV可以提供若干优点。例如，与传统的内燃车辆相比，xEV可以产生较少的不合需排放产物并且可以呈现出更高的燃料效率，并且在一些状况下，这些xEV可以完全省去汽油的使用，如在某些类型的PHEV的状况下。
随着xEV技术持续发展，需要提供用于这些车辆的改进的动力源(例如，电池系统或模块)。例如，需要在无需对电池再充电的情况下增加这些车辆可以行进的距离。此外，还可能需要提高这些电池的性能并减少与电池系统相关的成本。
发明内容
以下概述与最初要求保护的主题的范围相符的某些实施例。这些实施例并不意欲限制本公开的范围，而是这些实施例仅意欲提供某些所公开的实施例的简要概述。事实上，本公开可以涵盖可以与以下阐述的实施例类似或不同的各种形式。
本公开涉及电池和电池模块。更具体来说，本公开涉及结合锂离子电池单元使用的铅酸电池单元，用以形成双存储电池系统。双存储电池系统可以用于车辆背景(例如，xEV)以及其他能量存储/消耗应用(例如，用于电网的能量存储)中。
例如，在一个实施例中，电池系统包括电气地串联的多个电池单元组件。多个电池单元组件中的第一电池单元组件包括：第一锂离子电池单元；以及第一铅酸电池单元，所述第一铅酸电池单元与第一锂离子电池单元电气地并联从而使得第一铅酸电池单元被配置成抵抗第一锂离子电池单元的过度充电和过度放电。
又如，在一个实施例中，系统包括第一锂离子电池单元和第一铅酸电池单元。第一锂离子电池单元与第一铅酸电池单元电气地并联，并且第一锂离子电池单元和第一铅酸电池单元一起串联到与第二铅酸电池单元电气地并联的第二锂离子电池单元。
再如，在另一个实施例中，电池包括多个锂离子电池单元和多个铅酸电池单元。多个锂离子电池单元中的每个单独锂离子电池单元与多个铅酸电池单元中的对应的单独铅酸电池单元电气地并联并且与其基本上电压匹配，由此电池包括多个锂离子/铅酸电池单元对。
附图说明
本公开的这些和其他特征、方面和优点将在参照附图阅读以下详细描述时变得更好理解，其中在所有图中相同的符号代表相同的部分，其中：
图1是根据本方法的一个实施例的具有对所有或一部分用于车辆的功率作出贡献的电池系统的车辆(xEV)的立体图；
图2是根据本方法的一个实施例的混合电动车辆(HEV)形式的图1的xEV实施例的剖面示意图；
图3是根据本方法的一个实施例的具有多个电池单元组件的电池的简化示意图，每个组件具有与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元；
图4是根据本方法的一个实施例的具有六个电池单元组件的图3的电池的实施例；
图5是根据本方法的一个实施例的具有22个电池单元组件的图3的电池的实施例；
图6是根据本方法的一个实施例的具有两个或更多个壳体的图3的电池的实施例，每个壳体封闭一个或多个电池单元组件；
图7是根据本方法的一个实施例的其中与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元可以在放电期间联接到负载的方式的示意图；
图8是根据本方法的一个实施例的其中与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元可以在充电期间联接到充电源的方式的示意图；
图9是根据本方法的一个实施例的作为具有与锂钛氧化物(Li4Ti5O12，“LTO”)阳极活性材料组合使用的不同阴极活性材料的各种锂离子电池单元在25℃下在C/10的充电/放电充电速率下的百分比容量的函数的电压与作为用于铅酸电池单元的百分比容量的函数的电压的组合图表；
图10是根据本方法的一个实施例的作为具有与作为阳极活性材料的石墨组合使用的不同阴极活性材料的各种锂离子电池单元在25℃下在C/10的充电/放电充电速率下的充电状态的函数的电压的组合图表；
图11是根据本方法的一个实施例的作为具有锂镍锰钴(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,“NMC”)阴极活性材料和石墨阳极活性材料的锂离子电池单元在25℃下获得的充电状态的函数的面积比阻抗(ASI)的图表，其中阻抗计算是基于10秒内的5C放电速率和3.75C充电脉冲；
图12是根据本方法的一个实施例的作为具有NMC(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)阴极活性材料和LTO阳极活性材料的锂离子电池单元在25℃下获得的充电状态的函数的ASI的图表，其中阻抗计算是基于10秒内的5C放电速率和3.75C充电脉冲；
图13是根据本方法的一个实施例的作为具有锂锰氧化物(LiMn2O4，“LMO”)阴极活性材料和LTO阳极活性材料的锂离子电池单元在25℃下获得的充电状态的函数的ASI的图表，其中阻抗计算是基于10秒内的5C放电速率和3.75C充电脉冲；
图14是根据本方法的一个实施例的并入简化的电池管理系统的图4的电池的实施例的示意图；以及
图15是描绘根据本方法的一个实施例的用于制造图3-6和图14的电池的方法的实施例的工艺流程图。
具体实施方式
以下将描述一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中未描述实际实施方式的所有特征。应了解，在任何这种实际实施方式的研发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出若干实施方式具体决策以达成研发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束，这些目标可能在各实施方式之间不同。此外，应了解，这些研发工作可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员而言将仍然是例行的设计、生产和制造任务。
在介绍本公开的各种实施例的要素时，冠词“一”、“一个”和“所述”意欲表示存在一个或多个要素。术语“包括”、“包含”和“具有”意欲是包括的并且表示除了所列出的要素之外可以存在额外的要素。术语“由……构成”在用于材料的混合物的上下文中时意欲被定义为除了与所列出的材料通常相关的杂质以外，将所列出的成分限于那些具体列出的成分。术语“基本上由……构成”意欲被定义为限于不会实质地影响本文描述的基本和新颖方法的指定材料或步骤。此外，应理解，对本公开的“一个实施例”或“一实施例”的提及并不意欲解释为排除也纳入所列出的特征的额外实施例的存在。
如所提及，电池系统可以用来为很多不同类型的xEV以及其他能量存储应用(例如，电网功率存储系统)提供功率。这些电池系统可以包括若干电池模块，每个电池模块具有若干电池单元(例如，电化学电池单元)。电池模块也可以称为电池，因为如本领域技术人员所知那样，电池可以包括一个电池单元或者许多电池单元的集合(例如，电气地并联、串联或其组合)。
根据本公开，电池模块(电池)中的一个或多个可以包括电气地串联的电池单元组件。电池单元组件中的至少一个(诸如电池单元组件中的一个或多个或者全部)可以包括与铅酸电池电气地并联的锂离子电池单元。更具体来说，铅酸电池单元可以各自与若干锂离子电池单元电气地并联，所述若干锂离子电池单元一起具有与铅酸电池单元基本上相同的总电压。作为一个实例，具有2.2伏(V)电压的铅酸电池单元可以与具有约1.9V电压的一个锂离子电池单元电气地并联，或者可以与各自具有1.1V电压的两个锂离子电池单元电气地并联。
事实上，以下描述了表示各种锂离子单元的若干实施例，所述锂离子单元被称为与铅酸电池单元“基本上电压匹配”。这意欲指示将与铅酸电池单元电气地并联的锂离子电池单元的电压(例如，开路电压)落在使得铅酸电池单元能够执行其与锂离子电池单元之间的充电平衡的铅酸电池单元的电压(例如，开路电压)的范围内，这将在下文进一步详细论述。作为一个实例，在一个实施例中，“基本上电压匹配”可以指示基于电压与百分比容量的充电或放电曲线求平均，锂离子单元的电压落在其电气地并联到的铅酸电池单元的电压的约20％内。例如，在电压与容量百分比的图表中在锂离子电池单元平均地具有落在铅酸电池单元的电压的约20％内的情况下(例如，在电压与容量百分比的图表中在铅酸电池单元的约15％内、约10％内或者约5％内)，锂离子电池单元可以与铅酸电池单元基本上电压匹配。图表可以在任何温度下并且在任何充电/放电速率下获得，诸如在10C、5C、2C、1C、C/2、C/5、C/10或任何其他速率下。所选的具体速率和温度可以基于若干因素来选择，诸如电池单元可处于的典型操作条件(例如，典型的汽车充电/放电速率)或者其他用于特定应用的标准测量速率。在多于一个锂离子电池单元与单个铅酸电池单元电气地并联的情况下，两个锂离子电池单元的总电压可以落在使得单个铅酸电池单元能够执行本文描述的充电平衡的范围内。在两个或更多个铅酸电池单元与单个锂离子电池单元电气地并联的其他情况下，两个铅酸电池单元的总电压可以落在使得单个锂离子电池单元能够执行充电平衡的范围内。
锂离子电池单元与铅酸电池单元之间的并联产生这样的配置：其中铅酸电池单元使得能够保护其电气地并联到的锂离子电池单元免受由于过度充电和过度放电产生的影响。根据本公开，此保护可以使得能够减少用来在充电期间和使用期间管理锂离子电池单元的控制电路的复杂度，或者可以完全省去对这种控制电路的需要。如本文所论述，这种电路可以称为“电池管理系统”(BMS)。因此，根据本本实施例，本文描述的电池可以被配置成在BMS的控制下或者在无BMS的控制下操作。例如，电池可以在不受BMS控制的情况下在操作期间经历充电平衡。
将锂离子电池完全放电可能是不希望的，并且此外，将锂离子电池过度充电可能是不希望的。例如，可能难以对过度放电的锂离子电池进行重新充电(例如，将它们恢复到原始的完全充电的状态)，而过度充电的锂离子电池可能变热，并且在一些情况下，可能不具有稳定操作。为了防止这类过度放电和过度充电，典型的锂离子电池包括在使用期间和充电期间控制各个和每个锂离子电池单元的BMS。
例如，BMS可以用于由锂离子电池供电的蜂窝电话中。在此实例中，当一个或多个锂离子电池单元接近特定的充电水平时(例如，电池在低充电水平下)，BMS可以使得蜂窝电话关闭。另一方面，当锂离子电池正在充电并且已经达到完全充电状态(或者某个其他预定充电水平)时，例如当蜂窝电话被留置在充电器上时，BMS可以断开充电源与一个或多个锂离子电池单元之间的电路，这样阻止锂离子电池变得过度充电。此外，在正常操作期间，BMS可以在逐个单元的基础上控制锂离子电池单元以实现充电平衡和稳定操作。在一些实施例中，本技术省去对于这种电路的需要或者可以简化这种电路。
作为另一个实例，在某些电动车辆中，一些电池模块可以包括将近300个锂离子电池单元，所述锂离子电池单元被个别地控制以防止过度充电和过度放电并将每个单元的温度维持在所需操作范围内。用来控制这些单元的电路可能为电池模块增加大量成本并且带来应对潜在故障的额外元件。因此，应了解，减少或完全去除单元管理特征，例如与控制个别单元相反，通过使用控制整个电池模块或单元组的一个BMS，可以显著地减少成本并且如果适当地实施则可以提高可靠性。
本方法可以用来制造可以用于各种背景下的电池。然而，以下将在使用铅酸电池和锂离子电池的车辆的背景下论述本文实施例。根据本公开，可以使用以下论述的多个电池单元组件取得任何电压。例如，约4V与150V之间的电压可以适用于某些背景，诸如用于纳入到xEV中。作为更具体的实施例，8V与60V之间的电压可以适用于xEV中。
根据本公开，纳入本公开的电池单元组件的电池可能不需要系统包括用于起动(例如，冷起动)和充电(例如，能量存储)的单独电池。相反，根据本公开制造的电池可以各自包括铅酸电池的特征(例如，适于起动的放电速率)以及锂离子电池的特征(例如，与铅酸电池相比更快的充电速率和更好的充电保持)。在以下论述的各种原因中，鉴于至少这个原因，在一个实施例中，根据本公开制造的电池可以具有与和全锂离子电池(例如，包括多个锂离子电池单元)电气地并联的全铅酸电池(例如，包括多个铅酸电池单元)不同的特征，并且可以具有与这些个别电池相比不同的特征。
如前面所提及的本公开的电池单元组件可以纳入到集成在xEV的框架中的电池中。鉴于以上所述，图1是根据本实施例的具有电池系统20的汽车(例如，轿车)形式的xEV10的立体图，该电池系统用于为车辆10提供所有或一部分动力(例如，电功率和/或原动力)，如以上所描述。尽管xEV10可以是以上描述的任何类型的xEV，但是具体举例而言，xEV10可以是mHEV，其包括配备有微混合动力系统的内燃发动机，所述微混合动力系统包括起动停止系统，所述起动停止系统可以在起动停止循环期间使用电池系统20来为至少一个或多个配件(例如，AC、灯、控制台等)以及内燃发动机的点火供电。此外，纳入具有铅酸电池单元和锂离子电池单元的电池单元组件的电池系统20也可以用于可能需要高放电速率的内燃发动机的冷起动。
另外，尽管xEV10在图1中被示出为轿车，但是车辆的类型在其他实施例中可以不同，所有类型意欲落在本公开的范围内。例如，xEV10可以是包括卡车、公共汽车、工业车辆、摩托车、休闲车、船的车辆或者可以从电功率的使用获益的任何其他类型的车辆的代表。另外，虽然电池系统20在图1中被示出为放置在车辆的行李箱中或后部，但是根据其他实施例，电池系统20的位置可以不同。例如，电池系统20的位置可以基于车辆内的可用空间、车辆的所需重量平衡、与电池系统20一起使用的其他部件(例如，电池管理系统、通风或冷却设备等)的位置以及各种其他考虑来选择。
图2示出以具有电池系统20的HEV形式提供的图1的xEV10的实施例的剖面示意图，所述电池系统包括一个或多个电池模块22。具体来说，图2中所示的电池系统20朝向车辆10的后部安置在燃料箱12的附近。在其他实施例中，电池系统20可以与燃料箱12紧密相邻设置、设置在车辆10的后部的单独隔室(例如，行李箱)中或者设置在xEV10中的另一个适合的位置。进一步，如图2中所示，当xEV10使用汽油功率来推进车辆10时，可以提供内燃发动机14。车辆10还包括作为驱动系统的一部分的电动机16、功率划分设备17以及发电机18。
图2中所示的xEV车辆10可以由电池系统20单独、由燃烧发动机14单独或者由电池系统20和发动机14两者来供电或驱动。应注意，在本方法的其他实施例中，可以使用其他类型的车辆和用于车辆驱动系统的配置，并且图2的示意性图示不应认为是限制本申请中描述的主题的范围。根据各种实施例，尤其是电池系统20的尺寸、形状和位置、车辆的类型、xEV技术的类型以及电池化学性质可以与所示或所述的那些不同。
电池系统20通常可以包括一个或多个电池模块22，每个模块22具有多个电池单元(例如，各自与对应的铅酸电池单元电气地并联的锂离子电池单元)，这在下文更详细地论述。电池系统20可以包括用于将多个电池模块22彼此连接和/或连接到车辆电气系统的其他部件的特征或部件。例如，电池系统20可以包括负责监测和控制一个或多个电池模块22的电气和热性能的特征。然而，如前面所提及的，在一些实施例中，电池系统20可以不包括控制电池模块22的电池管理系统(BMS)或热管理系统。在其他实施例中，电池系统20可以包括控制每个电池模块22而非控制模块22的个别单元的简化的BMS。类似地，在一些实施例中，可以不使用或几乎不使用温度控制特征来控制电池模块22的温度。例如，相比包括用于每个锂离子电池单元的温度传感器(例如，热电偶)和其他冷却特征，电池系统20可以包括监测电池模块22的所有电池单元或锂离子电池单元的集合(例如，两个或更多个电池单元组件)的温度传感器。另外，在一些实施例中，本电池模块22的提高的温度稳定性可以消除对于主动和/或被动冷却的需要，例如通过热交换/热排斥(例如，通过冷却流体和/或与强制空气冷却)的冷却、通过热绝缘材料的冷却或者这些和其他特征的任何组合。
根据本公开，以上提及的益处可以通过将锂离子电池单元与铅酸电池单元根据特定配置电气地联接并且还通过由选择在多种条件下具有稳定操作的材料构造锂离子电池单元来实现。以下参照图3-6详细论述可以使用的各种连接方法的示例性实施例，以下参照图7和8论述铅酸电池单元和锂离子电池单元并联操作的方式的论述，并且以下参照图9-13论述可以用来构造锂离子电池单元的示例性材料。
电池的电气配置
图3描绘电池30(例如，电池模块22中的一个或者电池模块22的集合)的实施例，该电池包括与铅酸电池单元34(P1-Pn)电气地并联的多个锂离子电池单元32(L1-Ln)。更具体来说，图3的电池30包括形成多个电池单元组件36的铅酸电池单元34和锂离子电池单元32的电气并联对，所述电池单元组件进而彼此电气地串联。因此，在所示实施例中，电池30的总电压是电池单元组件36的个别电压之和。
所示电池单元组件36各自包括与单个铅酸电池单元电气地并联的单个锂离子电池单元。因此，电池单元组件36中的每一个包括两种不同类型的电池单元(即，具有不同电化学性质的单元)，并且可以被称为双存储电池/电池系统。在所示实施例中，每个电池单元组件36包括仅一个锂离子电池单元和仅一个铅酸电池单元。例如，参照图3中的最左边的电池单元组件，第一锂离子电池单元L1与仅第一铅酸电池单元P1电气地并联。这两个单元一起依次电气地串联到电池单元组件36中的第二个，所述电池单元组件包括彼此电气地并联的第二铅酸电池单元P2和第二锂离子电池单元L2。对于所描绘的电池单元组件36的成对铅酸和锂离子电池单元的其余部分同样如此。
换言之，电池30包括彼此电气地串联的多个锂离子电池单元32，并且每个个别的锂离子电池单元32与铅酸电池单元34中的单独一个电气地并联。此配置从铅酸电池单元34的角度而言也是这样的。因此，电池30包括彼此电气地串联的多个铅酸电池单元34，并且铅酸电池单元34中的每个个别单元与锂离子电池单元32中的单独一个电气地并联。
根据本实施例，第一锂离子电池单元L1至少部分地受到第一铅酸电池单元P1的电化学性质的保护而免受过度放电和过度充电。此外，第一锂离子电池单元L1和第一铅酸电池单元P1在被置于此电气配置中时自然地平衡。就此而言，第二锂离子电池单元L2至少部分地受到第二铅酸电池单元P2的保护并且可以与第二铅酸电池单元P2形成充电平衡，电池30的第三锂离子电池单元L3至少部分地受到电池30的第三铅酸电池单元P3的保护并且可以与第三铅酸电池单元P3形成充电平衡，以此类推。
在图3中，电池30包括n个电池单元组件36，其中n代表1与例如70之间的整数。电池30的总电压是彼此电气地串联的电池单元组件36的电压之和。因此，在电池单元组件36中的每一个的电压基本上相同的实施例中，电池30的总电压将是电池单元组件36中的每一个的电压乘以n。在一个实施例中，电池单元组件36如果其平均电压彼此间在0.1V之内则可以被认为具有基本上相同的电压输出。在所示实施例中，例如，其中每个电池单元组件36具有约2.2V的电压，则横跨端子37(描绘为电池30的第一端子T1和第二端子T2)测量出的总电压可以是2.2V乘以n。
因此，在图4中所示的配置中，为了制造12V电池，n可以是6(总电压将是约13.2V)。为了制造48V电池，如图5中所描绘，n可以是22(总电压将是约48.4V)，并且为了制造60V电池，n可以是28(总电压将是约61.6V)。同样，可以根据本公开产生任何电压。通过另一个实例，电池30的总电压可以在约4V与约150V之间，例如小于60V(例如，在约8V与约48V之间)，其中针对所需电压输出选择n中的适当值。
返回到图3，如前面所提及，电池30包括第一端子T1和第二端子T2，所述端子可以分别是正和负或者分别是负和正。另外，虽然示出为仅具有两个端子，但是根据电池30的特定实施方式和为电池单元组件36选择的特定电气连接性，电池30可以在适当的情况下具有任何数量的端子。事实上，电池30的各种实施例可以具有2、3、4个或更多个端子。
可能需要电池单元组件36仅可通过第一端子T1和第二端子T2来通达，例如以防止组件36与其他电路之间的意外电气连接或者防止使得电池单元组件36暴露于可能使其性能劣化的条件(例如，物质)。因此，对于特定实施方式(例如，在车辆中)，可能需要作为一体化解决方案地提供电池30。图3-5中描绘的电池30的实施例包括用于所有电池单元组件36的单个壳体38。在一些实施例中，因为组件36全部封闭在壳体38内，所以可以通达或访问电池单元组件36的仅有点是经由第一端子T1和第二端子T2，并且因此可以与外部环境条件隔离开。
在其他实施例中，如图6中所描绘，电池30可以包括组件壳体，所述壳体可以作为主电池壳体38的附加或替代使用。具体来说，图6中描绘的电池30的实施例包括具有彼此电气地并联的第一锂离子电池单元L1和第一铅酸电池单元P1的第一电池单元组件40。第一电池单元组件40由第一组件壳体42封闭，并且与具有彼此电气地并联的第二锂离子电池单元L2和第二铅酸电池单元P2的第二电池单元组件44电气地串联。因此，第一电池单元组件40与第二电池单元组件44之间的电气连接与图3-5中所阐述的相同，但是第二电池单元组件44被封闭在单独的第二组件壳体46中。
第一组件壳体42和第二组件壳体46各自封闭单个电池单元组件，即分别封闭第一电池单元组件40与第二电池单元组件44。然而，也可以使用封闭多于一个(例如，两个、三个、四个或更多个)电池单元组件的其他壳体。此外，也可以使用仅封闭铅酸电池单元34的壳体和仅封闭锂离子电池单元32的壳体。
如图所示，电池30还包括封闭第三电池单元组件50和第四电池单元组件52(即，两个电池单元组件)的第三组件壳体48。第三电池单元组件50包括第三锂离子电池单元L3和第三铅酸电池单元P3，并且第四电池单元组件52包括第四锂离子电池单元L4和第四铅酸电池单元P4。类似地，电池30的第四组件壳体54封闭第五电池单元组件56和第六电池单元组件58(即，两个电池单元组件)。第五电池单元组件56包括第五锂离子电池单元L5和第五铅酸电池单元P5，并且第六电池单元组件58包括第六锂离子电池单元L6和第六铅酸电池单元P6。
电池30还包括包含在组件壳体内的组件之间的电气互连。这种连接方式可以实现用于电池30的额外模块化，这进而实现以多种不同的电压制造电池。例如，图6的电池30包括分别在第一组件壳体42和第二组件壳体46的电池单元组件40、44之间的第一电气互连60、分别在第二组件壳体46和第三组件壳体48的电池单元组件40、50和52之间的第二电气互连62以及分别在第三组件壳体48和第四组件壳体54的电池单元组件50和52、56和58之间的第三电气互连64。电气互连60、62、64可以通过将从组件壳体延伸的各自端子电气地串联来形成。因此，本公开涵盖其中各自封闭一个或多个电池单元组件的多种组件壳体(它们可以类似或不同)可以适当地连接以获得用于电池30的所需电压和电流输出的实施例。事实上，一些电池单元组件可以与其他电池单元组件电气地并联以增加电流流动，同时维持特定电压。因此，本公开涵盖其中多个电池单元组件(各自具有与锂离子电池单元电气地并联的铅酸电池单元)可以串联、并联或者串联与并联组合的实施例。
个别电池单元组件
如前面所提及，根据本实施例制造的电池单元组件36可以各自包括彼此电气地并联的铅酸电池单元(例如，第一铅酸电池单元P1)和锂离子电池单元(例如，第一锂离子电池单元L1)。图3-6中所示的电池单元组件36被描绘为具有与仅一个铅酸电池单元电气地并联的仅一个锂离子电池单元。然而，在一些实施例中——其中任一个实施例可以纳入到以上参照图3-6所描述的实施例中——在电池单元组件36的至少一个中可以存在多于一个锂离子电池单元，或者在电池单元组件36的至少一个中可以存在多于一个铅酸电池单元，或者其任何组合。
因此，锂离子电池单元32的数量相对于铅酸电池单元34的数量可以被表示为关于每个电池单元组件36的比率。通过非限制性实例，锂离子电池单元与铅酸电池单元的比率可以是1:1。换言之，对于每个铅酸电池单元而言可以存在一个锂离子电池单元，并且这些单元可以彼此电气地并联。
更一般而言，可以使用锂离子电池单元32与铅酸电池单元34的任何比率。然而，锂离子电池单元32与铅酸电池单元34之间的某些比率和某些类型的电气匹配可能是需要的，如本文所论述的那样。根据本公开的某些实施例，锂离子电池单元32与铅酸电池单元34的比率可以被选择成使得每个电池单元组件36中的锂离子电池单元32的总电压是基本上与铅酸电池单元32的总电压匹配的电压。然而，应注意，使用单个电池单元组件中串联的多个锂离子电池32可能不能足够地受到铅酸电池单元34的保护以免受过度充电和过度放电。因此，在这些实施例的某些实施例中，单个电池单元组件中的锂离子电池单元32的总电压可能基本上与单个铅酸电池单元的总电压匹配。在一些实施例中，这可能导致锂离子电池单元与铅酸电池单元的2:1的比率，例如在锂离子电池单元各自具有铅酸电池单元的大约一半电压的电压的配置中。另一方面，在锂离子电池单元32具有每个铅酸电池单元34的电压的约两倍的电压的配置中，可能存在锂离子电池单元与铅酸电池单元的1:2的比率。如以下所论述，此比率可以至少部分地由锂离子电池单元32中利用的特定材料来确定。
在特定电池单元组件中铅酸电池单元34与锂离子电池单元32的比率是1:2的实施例中，所有三个单元可以彼此电气地并联，或者两个锂离子电池单元32可以电气地串联，并且两个锂离子电池单元的串联连接可以与单个铅酸电池单元34电气地并联。在此比率是2:1的配置中，可以颠倒铅酸电池单元34和锂离子电池单元32的位置，其中两个铅酸电池单元34可以电气地并联或串联，并且两个铅酸电池单元34可以电气地并联到锂离子电池单元32。
虽然对于每个电池单元组件36而言可以使用锂离子电池单元32与铅酸电池单元34的任何比率，但是对于每个电池单元组件36而言可能需要具有1:1的比率以取得较好锂离子电池单元32与铅酸电池单元34之间的较好保护和充电平衡。事实上，第一铅酸电池单元P1的电化学性质以及锂离子电池单元L1与第一铅酸电池单元P1之间的电压匹配程度可以取得这种保护。由于此保护发生的方式，使得可能需要每个锂离子电池单元32受单个铅酸电池单元34保护，并且可能需要铅酸电池单元34保护仅一个锂离子电池单元32。以下参照图7和8更详细地论述铅酸电池单元34保护并且与锂离子电池单元32形成平衡的方式。另外，应了解，在锂离子电池单元32和铅酸电池单元34电压基本上不匹配的实施例中，锂离子电池单元32的附加控制可能是适当的(例如，通过简化的BMS)。本公开也涵盖这些实施例。
锂离子电池单元的铅酸电池单元保护
为了利于锂离子电池单元32的保护的论述，本文提供代表性的锂离子电池单元的简要论述。如本领域技术人员将了解的那样，电池单元通常包括正极电极(阴极)和负极电极(阳极)，并且在充电期间(例如，当对电池再充电时)和放电期间(例如，当电池正在提供功率时)在电池单元的正极和负极电极中的每一个处发生电化学半反应。例如，锂离子电池单元的阴极处的电化学半反应可以是其中一个或多个锂离子从阴极的活性材料(通常称为阴极活性材料)可逆地脱离(基于平衡)的反应，由此还释放一个或多个电子(数量与脱硫的锂离子的数量相等)。在锂离子电池单元的阳极处，发生的电化学半反应可以是其中一个或多个锂离子和(相等数量的)一个或多个电子与阳极的活性材料(通常称为阳极活性材料)可逆地结合的反应。锂离子电池单元的电解质包括锂离子源以促进此离子穿梭。
在电池的放电期间，电极处的平衡有利于电子从阳极活性材料的脱离(氧化)和电子与正极电极活性材料的结合(还原)。换言之，在放电期间，存在从负极到正极电极(例如，通过负载)的电子流动。
另一方面，在充电期间，反之亦然。因此，在充电期间，电极处的平衡有利于电子与阳极活性材料的结合(还原)以及电子从阴极活性材料的脱离(氧化)。这使得电子在与放电相比相反的方向上从阴极流动到阳极。
在过度放电和过度充电期间，在阴极活性材料处可能发生额外的化学反应。例如，如果锂离子电池单元被过度放电，则阴极活性材料可以变得锂离子和电子过度饱和，这使得额外的化学反应(例如，阴极活性材料中的过渡金属的额外电化学还原)发生。另一方面，如果锂离子电池单元被过度充电，则阴极活性材料可能经历电化学氧化到阴极活性材料中不再存在足够量的锂来促进锂结合/脱离(通常称为嵌锂和脱锂)的程度。
现在参照图7，给出其中电池30电气地联接到负载72的简化示意图70。为清晰起见，未示出电池30和负载72的各种特征。在放电期间，电子流动74(描绘为虚线箭头)示出为是在从第二端子T2到第一端子T1的方向上。这也对应于从电池单元的阳极76通过负载70到电池单元的阴极78的电子流动。根据本实施例，此流动适用于锂离子电池单元32和铅酸电池单元34两者。此外，在电池30放电时，横跨锂离子电池单元32和铅酸电池单元34的电压开始下降(量值减少)。
对于第一锂离子电池单元L1和第一铅酸电池单元P1，在放电期间，在第一锂离子电池单元L1的阴极78处可能存在电子(即，电荷)的累积，并且如果电池30被过度放电(由于不希望的低电压)，则这可能导致前面提及的附加的电化学还原。然而，因为第一锂离子电池单元L1与第一铅酸电池单元P1以图3-7中所示的方式电气地并联，所以第一铅酸电池单元P1可以至少部分地防止第一锂离子电池单元L1的阴极活性材料的附加电化学还原发生。具体来说，第一铅酸电池单元P1在达到导致过量的电荷累积和显著的阴极活性材料劣化的电压之前达到的电压下经历其其自身的附加电化学还原。这可能导致第一铅酸电池单元P1旁路第一锂离子电池单元L1的电压。
例如，在过度放电期间，在第一铅酸电池单元P1达到约1.3V与约1.5V之间的电压时，第一铅酸电池单元P1的电解质开始经历电化学还原，其用作电荷宿。这至少部分地防止第一锂离子电池单元L1猎户，因为其防止(或延迟)横跨第一锂离子电池单元L1的电压下降到阴极活性材料经历不良电化学还原的阈值电压之下。
在这些电压下，在第一锂离子电池单元L1的阴极78处开始发生过量电荷累积。然而，此电压也使得第一铅酸电池单元P1经历以下电化学反应(1)：
(I)2H++2e-→H2
其中由第一铅酸电池单元P1的酸电解质形成的氢离子经历电化学还原从而产生氢气。换言之，第一铅酸电池单元P1的电解质经历电化学还原反应，其用作额外电子/电荷的宿，由此至少部分地维持第一锂离子电池单元L1的电压并减少第一锂离子电池单元L1的阴极78处的电荷累积。以此方式，第一铅酸电池单元P1处的电化学还原除了保护第一锂离子电池单元L1的劣化之外，还用来平衡第一铅酸电池单元P1与第一锂离子电池单元L1之间的充电。
现在转向过度充电保护，图8是描绘联接到充电源92的电池30的示例性配置的简化示意图90。在充电期间，充电源92提供足够的电压和电流来使得电子流如箭头94描绘的那样在从电池单元的阴极78到阳极76的方向上流动。同样，锂离子电池单元32的阴极78处的这种电子损失使得阴极活性材料氧化。横跨锂离子电池单元32和铅酸电池单元34两者的电压随着电荷增加相应地增加。
在过度充电期间，如前面所提及，锂离子电池单元32的阴极78的阴极活性材料可能经历过量的电化学氧化，这可能耗尽阴极中的阴极活性材料，所述阴极活性材料能够进行充分的嵌锂/脱锂和对应的电子结合/脱离以维持锂离子电池单元32的操作性。换言之，在过度充电期间，在锂离子电池单元32的阴极78处可能存在电子的不理想缺乏，从而导致横跨锂离子电池单元32的不理想的高电压。在这些情况下，再次参照第一锂离子电池单元L1和第一铅酸电池单元P1，第一铅酸电池单元P1的电解质将经历其本身的额外电化学氧化从而产生额外的电子。具体来说，一旦第一铅酸电池单元P1达到约2.5V与约2.6V之间的电压，则第一铅酸电池单元P1的电解质的水开始经历额外的电化学氧化，这从效果上旁路第一锂离子电池单元L1。
换言之，通过第一铅酸电池单元P1的这种电子输出可以在某种程度上通过平衡其与第一锂离子电池单元L1的阴极78之间的电荷来抵消第一锂离子电池单元L1的阴极78处的电子的缺乏(和/或附加的电化学氧化)，由此防止阴极活性材料的劣化。在过度充电期间铅酸电池单元处的反应相信是根据方程(2)来进行的：
(2)2H2O→4H++O2+4e-
其中水由铅酸电池单元的酸电解质产生。以此方式，第一铅酸电池单元P1中的水被氧化，这输出可以通过阻止(或延迟)阴极活性材料开始过度氧化来用作第一锂离子电池单元L1的电压旁路的电子。
从以上论述应了解，第一锂离子电池单元L1和第一铅酸电池单元P1需要基本上电压匹配。例如，在一个实施例中，第一锂离子电池单元L1与第一铅酸电池单元P1之间的电压匹配可以确保在足以保护第一锂离子电池单元L1的电压下使第一铅酸电池单元P1经历电解质的电化学氧化还原反应，并且在太低而使得第一锂离子电池单元L1的性能降低的电压下不经历电解质的电化学氧化还原反应，并且在太高而使得保护直到阴极活性材料被过度劣化为止才发生的电压下不经历电解质的电化学氧化还原反应。在存在两个锂离子电池单元32和单个铅酸电池单元34并且两个锂离子电池单元32的电压之和基本上匹配单个铅酸电池单元34的电压的情况下，单个铅酸电池单元34可以用来平衡所有三个单元之间的充电。
因此，在一些实施例中，根据本公开制造的电池单元组件36可能不需要如前面所提及的过度充电/过度放电电子器件。在其他实施例中，这些过度充电/过度放电电子器件可以例如通过控制多组电池单元组件36而非控制个别锂离子电池单元32来被大大简化。然而，除了本文论述的并联方案之外，本公开还涵盖用于锂离子电池单元32中的每一个的这些电子器件(例如，一个或多个BMS)的使用。以下进一步详细论述铅酸电池单元34和锂离子电池单元32的构造的实例。
铅酸电池单元
一般而言，纳入到电池单元组件36中的铅酸电池单元34可以具有适用于可以使用电池30的特定背景中的任何铅酸电化学单元构造。例如，在电池30是汽车电池的实施例中，铅酸电池单元34可以具有适于纳入到汽车中的构造。
如本领域普通技术人员将很好理解的那样，每个铅酸电池单元包括含铅(例如，PbO2)的阴极、含铅(Pb(s))的阳极以及作为电解质的硫酸。与锂离子电池单元32电气地并联布置的本公开的铅酸电池单元34可以是吸附式玻璃纤维(AGM)铅酸电池单元、富液式铅酸电池单元或者凝胶电解质铅酸电池单元或者其任何组合。凝胶电解质和AGM铅酸电池单元也可以称为“密封”、“免维护”或“阀控”铅酸电池单元。
在AGM铅酸电池单元中，例如，每个单元通常包括用作阴极的至少一个正极板、用作阳极的至少一个负极板以及放置在每个正极与负极板之间的分隔物。正极板和负极板通常是铅或铅合金板栅，其支撑电化学活性材料并且具体来说是涂布到板栅上的基于铅的材料(例如，PbO、PbO2、Pb(s)或PbSO4)。这可以称为铅酸电池单元的阴极和阳极的活性材料。AGM电池单元也可以包括分隔物，所述分隔物可以是保持电解质同时使得少量电解质能够接触板的活性材料以发生电化学反应的多孔玻璃网或类似结构。
铅酸电池单元34也可以纳入用来将由于以上描述的氧化还原反应产生的氢气和氧气转化为水的某些特征。以此方式，铅酸电池单元34可以在以上描述的氧化还原反应中的任一个或两者之后再生电解质的至少一部分。例如，这些特征可以包括能够在特定条件下将气态的氢和氧转化为水的催化剂(例如，钯催化剂)。可以结合催化剂来使用附加的特征，诸如加热器、气体收集器等等。在一些实施例中，用于此反应(通常称为氧/氢复合)的这些特征可以跨不同的铅酸电池单元34共享、可以纳入作为每个单元的内部部件或者可以是用于每个单元的专用外部单元。在其他实施例中，可以排出氢、氧或二者。
铅酸电池单元34取决于其特定配置将通常具有约2.1V与约2.3V之间的电压(例如，开路电压)。通常，用于汽车应用中的大部分铅酸电池单元34具有约2.2V的电压。因为通过铅酸电池单元获得的电压通常局限于如前面所提及的这些电压，所以锂离子电池单元32在一些实施例中可以被设计成基本上匹配锂离子电池单元32的电压。然而，根据本文描述的技术，可以使用具有任何电压的铅酸电池单元。
锂离子电池单元
如前面大体阐述的那样，锂离子电池单元32通常将各自包括具有阴极活性材料的阴极、具有阳极活性材料的阳极以及电解质，所述电解质特别提供锂离子源并且是用于承载电荷的穿梭载体。锂离子电池单元32可以具有任何适合的形状和尺寸，该形状和尺寸能够与铅酸电池单元电气并联。例如，锂离子电池单元32可以是棱柱形、圆柱形、基于袋的或者任何其他适合的构造。
每个锂离子电池单元32的平均电压(例如，开路电压)通常由阴极活性材料的平均电压与阳极活性材料的平均电压之间的差定义，所述差则取决于用于阴极活性材料的材料和用于阳极活性材料的材料。因此，可以与锂离子电池单元32适当地电气并联的铅酸电池单元34的数量可以至少部分地由针对锂离子电池单元32选择(和可供使用)的材料来确定。例如，当需要每个锂离子电池单元与每个铅酸电池单元之间的基本电压匹配时，可以选择材料以使得阴极活性材料基本上等于铅酸电池单元的阳极活性材料的平均电压与铅酸电池单元的平均电压之和或者在其预定范围内。
根据本公开的某些实施例，可以选择阳极活性材料以使其具有认为高于基于碳的阳极活性材料的平均电压。阳极活性材料的这种高平均电压可以阻止阳极处的镀锂，这可以提高锂离子单元32的稳定性。例如，可能需要选择具有高于约0.5V、诸如高于约1.0V、例如在约1V与2V之间的平均电压的阳极活性材料。事实上，在阳极活性材料具有此范围内的平均电压的实施例中，可以在电池30的多种操作条件下阻止镀锂(在约0V下发生)。此外，这可以减少或省去锂离子电池单元32的热管理的需要。
阳极活性材料通常可以包括诸如碳(例如，石墨)以及锂钛合金的材料中的任一个或其组合。例如，在一个实施例中，阳极活性材料可以是与Li/Li+相比较具有小于200毫伏(mV)的平均电压的石墨。然而，为了实现对抗镀锂的提高的稳定性，阳极活性材料可以包括较高平均电压材料，诸如二氧化钛(TiOx或者以其他方式标记为TiO2)或者氧化锂钛(本文也称为LTO(Li4Ti5O12))。阳极活性材料可以包括这些和其他活性材料中的任一个或其组合。事实上，可以使用任何阳极活性材料，诸如具有小于约3V、诸如在约0.3V与约3V之间、在约1V与约2.5V之间或者在约1V与约2V之间的平均电压的阳极活性材料。LTO的使用可能是需要的，因为其具有约1.55V的平均电压，并且在通常发生镀锂的电压范围之外、甚至在较低温度下(例如，低至约-30C)良好地工作。此外，LTO可能甚至在较高温度下(例如，高达约170C)不经历与锂离子电池单元32的电解质的任何主要放热反应。
阴极活性材料在其最一般意义上可以包括能够经历前面针对阴极描述的可逆过程的任何活性材料。根据本实施例，阴极活性材料可以是具有在减去阳极活性材料的平均电压之后基本上匹配铅酸电池单元34的平均电压的平均电压的活性材料。通过非限制性实例，阴极活性材料(用来制造阴极的一个或多个材料)可以具有至少约3V、例如在约3V与约5V之间、例如在约3.0V与约4.9V之间、在约3.0V与约4.8V之间、在约3.0V与约4.7V之间、在约3.0V与约4.6V之间、在约3.1V与约4.5V之间、在约3.1V与约4.4V之间、在约3.2V与约4.3V之间、在约3.2V与约4.2V之间、在约3.2V与约4.1V之间或者在约3.2V与约4.0V之间的平均电压。
通过实例，阴极活性材料可以是锂金属氧化物组分。如本文所使用的，锂金属氧化物可以指代配方包括锂和氧以及一种或多种额外的金属种类(例如，镍、钴、锰、铝、铁或者另一种适合的金属)的任何类别的材料。示例性LMO的非限制性列表可以包括：包括锂、镍、锰和钴离子的混合金属组分，例如锂镍钴锰氧化物(NMC)(例如，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、锂镍钴铝氧化物(NCA)(例如，LiMi0.8Co0.15Al0.05O2)、锂钴氧化物(LCO)(例如，LiCoO2)和锂金属氧化物尖晶石(LMO尖晶石)(例如，LiMn2O4)。阴极可以仅包括单个活性材料(例如，NMC)或者可以包括诸如以下各项中的任一个或其组合的材料的混合物：NMC、NCA、LCO、LMO尖晶石等。
作为这些材料的附加或替代，可以使用其他阴极活性材料，诸如锂金属磷酸盐。这些活性材料的实例通常由配方LiMPO4来定义，其中M是Fe、Ni、Mn或Mg。作为以上描述所涵盖的锂金属氧化物材料中的任一个或其组合的附加或替代，这些磷酸盐中的任一个或其组合可以用作阴极活性材料。因此，阴极活性材料可以包括以下各项中的任一个或其组合：NMC(LixNiaMnbCocO2，x+a+b+c＝2)、LiMn2O4(LMO)尖晶石、NCA(LiNixCoyAlzO2，x+y+z＝l)、LiMn1.5Ni0.5O2、LiCoO2(LCO)或LiMPO4，其中M是Fe、Ni、Mn或Mg。
通过实例，在一个实施例中，阴极活性材料可以是NMC，其具有平均电压，该平均电压在与LTO阳极活性材料组合时产生大约匹配铅酸电池单元34的用于锂离子电池单元32的平均电压。例如，如果LTO的平均电压是约1.55V并且铅酸电池单元34的平均电压是约2.2V，则适当的阴极活性材料将具有约等于或者非常接近于3.75V(1.55V+2.2V)的平均电压。NMC可以是一种这样的阴极活性材料，其中LOM尖晶石和NCA也适当地接近于所需的平均电压。然而，应注意，同样地多种阴极活性材料可以组合地用在阴极处以便取得适当的平均电压。
图9和10各自描绘用于多种锂离子电池单元的充电和放电曲线的组合图表，并且图9还包括用于铅酸电池单元的充电和放电曲线。具体来说，图9是作为LMO/LTO锂离子电池单元(即，使用LMO作为阴极活性材料并使用LTO作为阳极活性材料的锂离子电池单元)在充电和放电期间、NMC/LTO锂离子电池单元在充电和放电期间以及铅酸单元在充电和放电期间在25℃下在C/10的充电/放电充电速率下的容量百分比的函数的电压的组合图表100。
如组合图表100中所描绘的那样，用于NMC/LTO锂离子电池单元的充电/放电电压窗口类似于用于铅酸电池单元的充电/放电电压窗口。事实上，如可从其各自的充电和放电曲线看出的那样，用于NMC/LTO锂离子电池单元的充电和放电曲线通常遵循铅酸电池单元的充电和放电曲线，其中NMC/LTO单元的电压通常保持在铅酸电池单元约0.15V和0.2V的电压内。用于NMC/LTO单元的充电/放电电压窗口可以被认为在约1.6V与约2.8V之间。同样如图9中所描绘的那样，LMO/LTO锂离子电池单元具有类似于NMC/LTO锂离子电池单元的充电/放电电压曲线，但是平均高于约0.15V。
图10是描绘用于NMC/石墨锂离子单元和NCA/石墨锂离子单元在25℃下在C/10的充电和放电速率下获得的充电/放电电压曲线的组合图表110，其中在单独的锂离子单元中，石墨用作阳极活性材料，并且NMC和NCA用作阴极活性材料。如曲线所展示的那样，当石墨用作阳极活性材料时，使用NMC或NCA作为阴极活性材料的所得到的锂离子电池单元可能不与铅酸电池单元基本上电压匹配。然而，应了解，与NMC/LTO锂离子电池单元相同，使用NCA作为阴极活性材料和使用LTO作为阳极活性材料的单元也可以与铅酸电池单元基本上电压匹配。因此，应了解，锂离子电池单元可以使用各种材料来定制电压，以取得锂离子单元32与铅酸电池单元34之间的基本上电压匹配。
除了前面提及的关于使用LTO作为阳极活性材料(或具有类似平均电压的类似材料)的益处之外，与基于碳的阳极活性材料相比，使用LTO还可以减少锂离子电池单元32的阻抗。图11-13描绘作为通过分别对于两个NMC/石墨锂离子电池单元、三个NMC/LTO锂离子电池单元以及三个LMO/LTO锂离子电池单元在25℃下进行的混合脉冲功率特征化(HPPC)试验获得的放电百分比的深度的函数的面积比阻抗(ASI)。来自HPPC的阻抗计算是基于持续10秒的5C放电和3.75充电脉冲的。根据本实施例，可以使用所有这三种不同类型的锂离子电池单元。然而，如前面所论述和下面进一步详细论述的那样，在某些实施例中，可能需要在锂离子电池单元32中使用基于LTO的阳极活性材料。
图11是ASI与NMC/石墨锂离子单元的放电百分比的深度的图表120，其展示了对于这些单元的放电范围的大深度而言，ASI值范围通常在约35欧姆-平方厘米(Ω*cm2)与约40Ω*cm2之间。图12是ASI与NMC/LTO锂离子单元的放电百分比的深度的图表130，其展示了在放电百分比的大范围的深度下，这些单元通常具有范围在约15Ω*cm2与约30Ω*cm2之间的ASI值。图13描绘ASI与三个LMO/LTO锂离子单元的放电百分比的深度的类似图表140，并且展示了在放电百分比的深度下，LMO/LTO锂离子单元通常具有范围通常在约15Ω*cm2与约30Ω*cm2之间的ASI值。例如，将50％充电状态(放电百分比的深度)下的ASI值进行比较，可以清楚地看出NMC/LTO锂离子电池单元通常具有比两个测试的NMC/石墨锂离子电池单元(其具有约35Ω*cm2和约38Ω*cm2的ASI值)低得多的阻抗(对于第一、第二和第三测试的NMC/LTO单元而言分别为约19Ω*cm2、约18Ω*cm2和约16.5Ω*cm2)，并且LMO/LTO锂离子电池单元通常也具有比NMC/石墨锂离子电池单元低得多的阻抗(对于第一、第二和第三测试的LMO/LTO单元而言分别为约23Ω*cm2、约23Ω*cm2和约17Ω*cm2)。因此，基于NMC/LTO和LMO/LTO的锂离子电池单元可以被认为与NMC/石墨锂离子电池单元相比而言具有优秀的放电能力。
锂离子电池单元32还可以包括除电极之外的组件，例如包括但不限于维持阴极78与阳极76之间的物理分离的分隔物以及作为电解质的一部分提供的各种添加剂。电解质也可以指包括溶剂(例如，非水溶剂)、添加剂和用作锂离子源的一种或多种锂盐的电解质混合物。示例性分隔物包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、PP/PE/PP三层、涂有陶瓷的PP或PE或三层、纯陶瓷层分隔物、基于纤维素的分隔物或者填充陶瓷的基于PP或PE的分隔物或者其任何组合。其他分隔物对于本领域技术人员来说是显而易见的并且落在本公开的范围内。
任何锂离子源可以用在电解质中，并且对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。源可以包括锂盐，并且可以包括以下各项中的任一个或其组合：六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、锂二(草酸)硼酸盐(LiB(C2O4)2或LiBOB)、锂二(全氟乙烯磺酰基)酰亚胺(LiN(SO2C2F5)2或LiBETI)或锂二(三氟甲磺酰基)酰亚胺(LiN(SO2CF3)2或LiTFSI)或者任何其他类似的盐。
此外，电解质混合物通常将还包括一种、两种、三种或更多种溶剂(例如，非水溶剂)和可选的添加剂以促进离子迁移和电极稳定性。通过实例，这些溶剂可以包括烷基酯、环烷基碳酸酯、非环烷基碳酸酯、乙烯基碳酸酯以及其混合物。特定溶剂可以包括但不限于直链烷基碳酸酯、环状碳酸酯、直链酯、环状酯或者其任何组合。通过实例，这些溶剂可以包括但不限于碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸甲乙酯(EMC)、丁内酯(GBL)、丁酸甲酯(MB)、丙酸乙酯(EP)和类似溶剂。
添加剂可以包括硼酸盐、碳酸酯等，诸如氟化碳酸酯、环状碳酸酯、氟化硼酸盐、磺内酯、砜、硫醇盐等。更特定实例可以包括但不限于氟代碳酸乙烯酯(FEC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、氟碳酸亚乙烯酯(VFC)、LiBOB、氟化LiBOB(例如，LiC2O4BF2)、丙磺酸内酯(PS)、丙烷磺酸内酯、联苯、二氧硫杂环戊烷2,2-二氧化物(DTD)、环己基吡咯烷酮(CHP)或其任何组合。
上述材料的任何组合可以用于锂离子电池单元32的一个或多个中。因此，通常，以上描述的阴极活性材料中的任一个或其组合可以与以上描述的阳极活性材料中的任一个或其组合相组合地使用，并且这些进而可以与以上描述的锂盐、添加剂、分隔物和溶剂中的任一个或组合相组合地使用。仅通过实例，本文提供锂离子电池单元材料的一些非限制性实例。
在一个一般的示例性实施例中，锂离子电池单元32中的至少一个可以包括一种或多种阳极活性材料，所述阳极活性材料产生具有至少约0.5V、诸如在约1.0V与约2.0V之间的平均电压的阳极。至少一个锂离子电池单元32可以进一步包括一种或多种阴极活性材料，所述阴极活性材料一起产生具有基本上与阳极活性材料的平均电压和铅酸电池单元的平均电压之和相同的平均电压的阴极。因此，阴极活性材料可以具有至少约2.7V(至少约0.5V加上用于铅酸电池单元的约2.2V)、例如在约3.2V与约4.2V之间(至少约1.0V与约2.0V之间加上用于铅酸电池单元的约2.2V)的平均电压。此至少一个锂离子电池单元还可以包括溶解在至少一种非水溶剂中的锂盐，例如至少有机酯与有机碳酸酯的液体混合物。此示例性锂离子电池单元可以进一步包括至少一种添加剂，诸如有机碳酸酯和附加的锂盐以及至少一个分隔物。
通过更特定的实例，在一个实施例中，锂离子电池单元可以包括：阴极活性材料，所述阴极活性材料包括NCA、NMC、锂金属磷酸盐或LMO或者其任何组合；以及阳极活性材料，所述阳极活性材料包括LTO、二氧化钛(TiOxorTiO2)或石墨或者其任何组合。此锂离子电池单元可以进一步包括LiPF6、LiBF4、LiB(C2O4)2(LiBOB)、LiN(SO2C2F5)2(LiBETI)、LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)或者其任何组合作为锂盐，并且包括FEC、VC、VFC、LiBOB、氟化LiBOB(包括LiC2O4BF2)、PS、ES、联苯、CHP、DTD或者其任何组合作为添加剂，并且包括PP、PE、PP/PE/PP三层、涂有陶瓷的PP或PE或三层、纯陶瓷层分隔物、基于纤维素的分隔物或者填充陶瓷的基于PP或PE的分隔物或者其任何组合作为分隔物。
在更特定但是非限制性实例中，锂离子电池单元可以包括NMC作为阴极活性材料并包括LTO作为阳极活性材料。这种更特定的锂离子电池单元可以包括LiPF6作为锂盐、LiBOB和VC作为添加剂以及碳酸丙烯酯(PC)和丁内酯(GBL)的混合物作为溶剂，并且使用基于纤维素的分隔物。在另一个实施例中，LiBOB和VC可以不存在。
同样，在一些实施例中，根据本公开制造的锂离子电池单元可以与它们电气地并联到的铅酸单元基本上电压匹配。通过非限制性实例，锂离子电池单元可以具有在约1.9V与约2.5V之间、例如在约2.0V与约2.4V之间或者在约2.1V与约2.3V之间的平均电压。如以上所论述的那样，这可以使得锂离子电池单元与铅酸电池单元之间实现充电平衡，并且还使得能够在过度充电和过度放电期间由铅酸电池单元来保护锂离子电池单元。
如以上所论述，这可以减少或者全部省去纳入电池管理系统(BMS)的需要。此外，与基于碳的阳极材料(诸如石墨)相比可以具有更高平均电压的某些阳极活性材料(例如，LTO)所提供的增强的热稳定性可以大大减少电池30对于外部热管理的依赖。然而，根据本公开制造的电池30可以与BMS和热管理特征组合使用，如以下所论述的那样。
电池管理和热管理
虽然本公开涵盖其中电池30不包括BMS并且几乎没有外部热管理监测和控制的实施例，但是在一些实施例中，电池30可以包括这些特征。例如，图14描绘在12V布置中(尽管电池30可以具有任何适合的电压)电池30的实施例的简化示意图，该电池包括配置成至少部分地管理电池30的工作的电池管理系统150。
具体来说，所示实施例的BMS150可以特别包括电压控制电路152、一个或多个电压传感器154(例如，电压计)、用作存储器156的一个或多个有形的、非临时的机器可读媒体、一个或多个处理设备158(诸如现场可编程门阵列(FPGA)或者具有分区存储器的标准可编程芯片集)、一个或多个温度传感器160(例如，电阻器、热电偶)和主动热控制系统162。存储器和处理设备156、158可以是车辆的CAN总线处理系统的一部分或者可以联接到所述CAN总线处理系统。
应注意，这些部件并非是穷举的，并且可以存在与BMS150相关联的额外设备或其他模块。另外，以上部件被描绘为通过虚线连接到BMS150。这意欲指示这些部件中的任一个或其组合可以纳入到BMS150中，或者可以在BMS150外部但是与BMS150通信(例如，有线或无线通信)。此外，尽管BMS150被图示为安置在电池30的壳体38内，但是在其他实施例中，BMS150可以在电池30的壳体38外部(例如，可以是车辆的一部分或者是使用电池30的其他系统)。
如以上所论述的那样，因为每个锂离子电池单元与铅酸电池单元之间的电气并联，所以锂离子电池单元可以在无需来自电子控制电路的外部控制的情况下实现充电平衡。因此，在本公开的一些实施例中，与到现有锂离子电池中的传统BMS不同，BMS150可以仅将电池30作为一个单元来管理，这与通过控制个别单元管理电池30相反。以此方式，BMS150可以将多个电池单元组件作为单个单元来控制，从而使得由BMS150作出的任何调整是对整个电池30(例如，所有电池单元组件)作出的。
例如，BMS150可以仅包括一个电压传感器154，该电压传感器154获得横跨电池单元组件36的整个串联连接的电压。作为附加或替代，BMS150可以包括多个(两个或更多个)电压传感器154，所述电压传感器154被各自配置成监测横跨一个电池单元组件36的电压或者横跨电池单元组件36的集合的电压(例如，如图6所示)。在某些实施例中，测量出的电压也可以例如使用一个或多个电阻器(例如，具有电阻与温度之间的已知关系的可变电阻器)确定个别单元组件36的温度和/或整个电池30的温度。
BMS150的电压控制电路152可以包括一个或多个开关，诸如晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFETS)，其用来使得在测量出的一个或多个电压下降到低于电池30或单元组件36的下限阈值时能够额外供应电荷或者在测量出的一个或多个电压上升到高于电池30或单元组件36的上限阈值时工作以排出电荷。电压控制电路152可以与电压传感器154通信，或者可以与温度传感器160通信，以获得使得电压电路能够供应或排出电压的反馈。
电压控制电路152所进行的控制可以是自动的(例如，没有来自外部处理设备的控制)，或者可以是处理设备158基于存储在存储器设备156上的指令运行的监测算法的结果。例如，存储器设备156可以存储与适当响应相关的查找表，并且处理设备158可以基于从电压传感器154和/或温度传感器160获得的反馈与存储的响应之间的匹配来执行适当响应(例如，排出或供应电压)。存储器设备156还可以存储将监测的参数(例如，电压、电阻、温度、电流)与另一个参数(例如，电压、电阻、温度、电流)相关的电压和温度相关性。同样，此监测和控制可以对于作为一个单元的整个电池30来执行，而非逐单元地执行，这样大大减少与本文描述的各种不同类型的传感器和电压控制电路相关的成本。
主动热控制系统162可以与BMS150通信，或者在其他实施例中，可以是与电池30相关的自立特征。主动热控制162可以包括加热器(例如，电阻加热器)和/或冷却设备(例如，承载热交换介质的热交换回路、排热风扇等)，它们通过一个或多个基于电压或电流的开关、通过存储器设备156和处理设备158基于可作为算法执行的存储的的一个或多个指令集或者其组合自动地启动。同样，主动热控制系统162可以基于从监测整个电池30的温度而非个别单元的温度的温度传感器160获得的反馈来监测和控制温度。
因此，锂离子电池单元32可以不各自直接联接到热传感器或电压传感器，从而使得不直接监测其个别的温度和电压。然而，尽管这种监测和控制可以不是必要的，但是为每个锂离子电池单元、每个铅酸电池单元和/或每个电池单元组件36提供全电池管理和热控制落在本公开的范围内。事实上、个别监测、个别控制、整体监测以及整体控制的任何组合落在本公开的范围内。此外，BMS150也可以运行使得电池30的锂离子部分和铅酸部分能够基本上实时诊断的监测算法。例如，BMS150可以监测由电池启用的发动机的起动以确定铅酸电池单元的状态，并且BMS150可以监测充电保持、阻抗、温度和类似性质以确定锂离子电池单元的状态。以此方式，BMS150能够在单元不再可行之前检测电池故障的开始。
电池制造
图15是描绘用于制造根据本公开的电池的方法170的实施例的过程流程图。取决于电池30的特定实施方式，方法170可以用来制造以上描述的电池30的任一个或其组合。方法170可以包括获得(方框172)一个或多个铅酸电池单元(例如，铅酸电池单元34)。方框172所表示的动作可以包括简单地购买铅酸电池单元或者使用以上针对铅酸电池单元的构造和材料所描述的材料或者具有类似或相同功能和能力(例如，类似或相同电化学性质)的类似材料来构造铅酸电池单元。应注意，在一个实施例中，根据方框172的动作还可以包括从现有的铅酸电池移除一个或多个铅酸电池单元、测试一个或多个铅酸电池单元以确定它们是否符合预定标准以及在本文描述的方法170中使用来自现有铅酸电池的任何适当的铅酸电池单元。以此方式，方法170还涵盖使用现有的铅酸电池单元来改装和/或再制造。
方法170还可以包括获得(方框174)一个或多个锂离子电池单元(例如，锂离子电池单元32)，所述锂离子电池单元与铅酸电池单元基本上电压匹配。根据方框174的动作可以包括购买各自具有的平均电压与每个铅酸电池单元的平均电压基本上匹配(例如，在约0.3V内)的适当的锂离子电池单元，或者可以包括使用如前面针对锂离子电池单元所描述的示例性材料来构建适当单元。作为一个实例，当根据方框174的动作包括构建适当的锂离子电池单元时，方法170可以包括选择制造具有与铅酸电池单元基本上电压匹配的平均电压的锂离子单元的阳极活性材料和阴极活性材料。这些材料的实例在前面描述过。
与铅酸电池单元一样，在一个实施例中，根据方框174的动作还可以包括从现有锂离子电池移除一个或多个锂离子电池单元、测试一个或多个锂离子电池单元以确定它们是否符合预定标准以及在本文描述的方法170中使用来自现有锂离子电池的任何适当的锂离子电池单元。以此方式，作为先前纳入到铅酸电池中的铅酸电池单元的添加或替代，方法170还涵盖使用现有的锂离子电池单元(即，先前纳入到锂离子电池中的锂离子电池单元)来改装和/或再制造。
如前面详细描述的那样，方法170还可以包括将锂离子电池单元和铅酸电池单元并联(方框176)以制造电池单元组件(例如，电池单元组件36)。如前面针对图3-6所描述的那样，锂离子与铅酸电池单元之间的并联可以使得电池单元组件中的每一个具有锂离子单元与铅酸电池单元的1:1、2:1或1:2的比率或者能够实现本文描述的充电平衡和锂离子保护的任何其他适当的比率，所述比率可以至少部分地基于锂离子电池单元与铅酸电池单元之间的电压匹配。
方法170可以进一步包括将电池单元组件电气的串联和/或并联(方框178)。如前面所描述的，电池电压可以由串联的电池单元组件的总电压确定，而电流输出可以通过将电池单元组件电气并联来增加。应注意，电池单元组件还可以在基本上相同的制造步骤来电气地联接和形成，例如通过将锂离子电池单元串联并且随后将每个锂离子电池单元与铅酸电池单元电气地并联。事实上，在一个此类实施例中，方法170可以包括将全铅酸电池的铅酸电池单元与全锂离子电池的锂离子电池单元电气地并联。
方法170可以进一步包括通过一个或多个壳体封闭(方框180)电池单元组件或个别单元，或者锂离子单元的集合和铅酸电池单元的集合。例如，电池30可以包括以下针对图6所描述的封闭方案中的任一个或其组合。
方法170还可以包括图15中未具体示出的其他细化步骤。这些细化步骤可以包括附接端子、加强电气连接等。
方法170还可以包括将电池管理系统(例如，BMS150)、热管理系统(例如，主动热控制系统162)或者其组合连接到电池30。虽然这些特征可以被包括为在图15所描述的制造过程期间附接到电池或纳入在电池内，但是应了解，这些特征可以在完全不同的阶段附接到电池30，诸如在将电池纳入到车辆中的时候。
所公开的实施例中的一个或多个可以单独或组合地提供有益于制造具有与生俱来的过度充电和过度放电保护的铅酸/锂离子双存储电池的一个或多个技术效果。例如，本方法的某些实施例可以使得能够减少与这些电池的制造相关的成本，例如通过减少或省去对于电池管理系统的需要。此外，本方法的某些实施例还使得能够制造可以在大温度范围下工作的铅酸/锂离子双存储电池，从而使得其能够在无需显著的热控制设备的情况下使用。本文描述的方法还可以为电池模块提供与锂离子电池相关的较高功率密度和充电速率，同时还提供与铅酸电池相关的高放电速率和与生俱来的过度充电和过度放电保护。说明书中的技术效果和技术问题是示例性而非限制性的。应注意，说明书中描述的实施例可以具有其他技术效果并且可以解决其他技术问题。
虽然已经示出和描述本公开的仅某些特征和实施例，但是本领域技术人员可以在不实质上脱离权利要求中列出的主题的新颖教示和优点的情况下做出许多修改和改变(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例的变化、参数(例如，温度、压力等)值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等)。任何过程和方法步骤的次序或顺序可以根据替代实施例来变化或重新排序。因此，应理解，随附权利要求意欲涵盖属于本公开的真实精神内的所有这些修改和改变。此外，为了提供示例性实施例的简洁描述，可能尚未描述实际实施的所有特征(即，与执行本公开的当前预期的最佳模式无关的那些特征或者与实现所要求的发明无关的那些特征)。应了解，在任何这些实际实施的开发中，如在任何工程和设计方案中，可以做出许多实施特定决定。这种开放尝试可能是复杂且耗时的，但是尽管如此对于受益于本公开的普通技术人员而言，将是无需过度实验的设计、制造和生产的常规任务。另外，尽管本文论述个别实施例，但是本公开意欲涵盖这些实施例的所有组合。

Claims (33)

1.一种电池系统，包括：
电气地串联的多个电池单元组件，其中所述多个电池单元组件中的第一电池单元组件包括：
第一锂离子电池单元；以及
第一铅酸电池单元，所述第一铅酸电池单元与所述第一锂离子电池单元电气地并联从而使得所述第一铅酸电池单元被配置成抵抗所述第一锂离子电池单元的过度充电和过度放电。
2.如权利要求1所述的电池系统，其中所述多个电池单元组件中的每个电池单元组件包括与各自的铅酸电池单元电气地并联的各自的锂离子电池单元。
3.如权利要求2所述的电池系统，其中所述各自的锂离子电池单元和所述各自的铅酸电池单元基本上电压匹配，并且每个电池单元组件中的锂电池单元与铅酸电池单元的比率是1:1。
4.如权利要求2所述的电池系统，其中所述多个电池单元组件包括电气地串联的总共6个单独的电池单元组件，并且所述电池系统是12伏(V)电池。
5.如权利要求2所述的电池系统，其中所述多个电池单元组件包括电气地串联的总共22个单独的电池单元组件，并且所述电池系统是48V电池。
6.如权利要求2所述的电池系统，其中所述多个电池单元组件包括电气地串联的总数在5个与68个之间的单独电池单元组件，并且所述电池系统具有10V与150V之间的电压。
7.如权利要求2所述的电池系统，其中所述多个电池单元组件包括电气地串联的总数在4与28个之间的单独电池单元组件，并且所述电池系统具有8V与60V之间的电压。
8.如权利要求1所述的电池系统，其包括封闭所述电池系统的所有所述电池单元组件的单个壳体，其中所述电池系统包括设置在电气地串联的所述多个电池单元组件的相对端上的电池连接端子。
9.如权利要求1所述的电池系统，其包括各自封闭所述多个电池单元组件中的一个或多个电池单元组件的至少两个壳体。
10.如权利要求1所述的电池系统，其中所述第一锂离子电池单元不通信地连接到电子电池管理系统，并且其中所述电池系统被配置成在操作期间在没有所述电子电池管理系统的情况下经历充电平衡。
11.如权利要求1所述的电池系统，其中多个电池单元组件包括多个锂离子电池单元，并且所述锂离子电池单元中的仅一部分通信地连接到电子电池管理系统。
12.如权利要求1所述的电池系统，其包括电池管理系统，所述电池管理系统包括一个或多个非临时的机器可读介质，所述介质共同地存储一个或多个指令集，所述指令集可由处理器执行以将所述多个电池单元组件作为单个单元来控制从而使得由所述电池管理系统作出的任何调整是对所述整个电池系统作出。
13.如权利要求1所述的电池系统，其中所述多个电池单元组件包括多个锂离子电池单元，并且少于全部的所述锂离子电池单元直接连接到热传感器。
14.如权利要求1所述的电池系统，其包括配置成测量所述整个电池系统的温度的热传感器。
15.如权利要求1所述的电池系统，其中所述第一锂离子电池单元包括：
包括阴极活性材料的阴极，其中所述阴极活性材料包括以下各项中的任一个或组合：NMC(LixNiaMnbCocO2，x+a+b+c＝2)、LiMn2O4(LMO)尖晶石、NCA(LiNixCoyAlzO2，x+y+z＝l)、LiMn1.5Ni0.5O2、LiCoO2(LCO)或LiMPO4，其中M是Fe、Ni、Mn、Mg；
包括阳极活性材料的阳极，其中所述阳极活性材料包括以下各项中的任一个或组合：Li4Ti5O12(LTO)、二氧化钛(TiOx或TiO2)或者石墨；以及
包括锂离子源和至少一种非水溶剂的电解质混合物。
16.如权利要求15所述的电池系统，其中所述阴极活性材料包括NMC并且所述阳极活性材料包括LTO，并且其中所述第一锂离子电池单元和所述第一铅酸电池单元基本上电压匹配。
17.如权利要求16所述的电池系统，其中所述锂离子源包括锂盐，并且所述锂盐是LiPF6、LiBF4、LiB(C2O4)2(LiBOB)、LiN(SO2C2F5)2(LiBETI)、LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)或者其任何组合。
18.如权利要求16所述的电池系统，其中所述锂离子源包括LiBF4，并且所述至少一种非水溶剂包括碳酸丙烯酯(PC)和丁内酯(GBL)。
19.如权利要求16所述的电池系统，其中所述第一铅酸电池单元是吸附式玻璃纤维(AGM)铅酸电池单元、富液式铅酸电池单元或者凝胶电解质铅酸电池单元。
20.一种系统，包括：
第一锂离子电池单元；以及
第一铅酸电池单元，其中所述第一锂离子电池单元与所述第一铅酸电池单元电气地并联；以及
其中所述第一锂离子电池单元和所述第一铅酸电池单元一起串联到与第二铅酸电池单元电气地并联的第二锂离子电池单元。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述第一锂离子电池单元与所述第一铅酸电池单元基本上电压匹配，并且所述第二锂离子电池单元与所述第二铅酸电池单元基本上电压匹配。
22.如权利要求21所述的系统，其中所述第一锂离子电池单元与所述第一铅酸电池单元组合以产生第一电压输出，并且所述第二锂离子电池单元与所述第二铅酸电池单元组合以产生第二电压输出，并且所述第一和第二电压输出基本上相同。
23.如权利要求20所述的系统，其中所述第一锂离子电池单元与第三锂离子电池单元电气地串联，并且其中所述第一铅酸电池单元电气地并联到所述第一与第三锂离子电池单元的所述串联结构上，并且其中所述第一锂离子电池单元与所述第三锂离子电池单元的所述串联与所述第一铅酸电池单元基本上电压匹配。
24.如权利要求20所述的系统，其包括多个电池单元组件，所述电池单元组件包括：
第一电池单元组件，所述第一电池单元组件包括所述第一锂离子电池单元和所述第一铅酸电池单元；以及
第二电池单元组件，所述第二电池单元组件与所述第一电池单元组件电气地串联并且包括所述第二锂离子电池单元和所述第二铅酸电池单元；以及
其中所述第一电池单元组件的锂电池单元与铅酸电池单元的第一比率是1:1或2:1，并且所述第二电池单元组件的锂电池单元与铅酸电池单元的第二比率是1:1或2:1。
25.一种电池，包括：
多个锂离子电池单元；以及
多个铅酸电池单元；以及
其中所述多个锂离子电池单元中的每个单独的锂离子电池单元与所述多个铅酸电池单元中的对应的单独的铅酸电池单元电气地并联并且基本上电压匹配，从而使得所述电池包括多个锂离子/铅酸电池单元对。
26.如权利要求25所述的电池，其中所述电池是汽车电池并且被集成到车辆的框架中，并且所述车辆是xEV。
27.如权利要求26所述的电池，其中所述电池被配置成在不受电池管理系统(BMS)控制的情况下在所述车辆内工作。
28.如权利要求26所述的电池，其中所述电池具有小于60V的电压。
29.如权利要求26所述的电池，其中所述电池被配置成在没有主动热控制的情况下在所述车辆内工作。
30.如权利要求25所述的电池，其中所述多个锂离子电池单元中的至少一个锂离子电池单元包括：
包括阴极活性材料的阴极，其中所述阴极活性材料包括以下各项中的任一个或组合：NMC(LixNiaMnbCocO2，x+a+b+c＝2)、LiMn2O4(LMO)尖晶石、NCA(LiNixCoyAlzO2，x+y+z＝l)、LiMn1.5Ni0.5O2、LiCoO2(LCO)或LiMPO4，其中M是Fe、Ni、Mn、Mg；
包括阳极活性材料的阳极，其中所述阳极活性材料包括以下各项中的任一个或组合：Li4Ti5O12(LTO)、二氧化钛(TiOx或TiO2)或者石墨；以及
包括锂离子源和至少一种非水溶剂的电解质混合物，其中所述至少一种非水溶剂包括直链烷基碳酸酯、环状碳酸酯、直链酯、环状酯或者其任何组合。
31.如权利要求30所述的电池，其中所述阴极活性材料包括NMC并且所述阳极活性材料包括LTO。
32.如权利要求25所述的电池，其中所述多个锂离子电池单元中的至少一个锂离子电池单元包括具有阴极活性材料的阴极和具有阳极活性材料的阳极，其中所述阴极活性材料的平均电压大致等于所述阳极活性材料的平均电压与所述至少一个锂离子电池单元电气地并联到的所述对应的单独铅酸电池单元的平均电压之和。
33.如权利要求32所述的电池，其中所述阳极活性材料的所述平均电压在约1V与约2V之间，并且所述阴极活性材料的所述平均电压在约3.2V与约4.2V之间。
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