CN106817916A - 电化学能量系统的设计和操作 - Google Patents

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Abstract

公开了电化学电芯和包括这种单体电芯的电池和电力系统，该电化学电芯包括可根据温度操作的电阻器开关组件。温控开关电连接到电池与电阻器并联连接。所述开关引导电流经过电阻器(高电阻状态)或引导电流绕开电阻器(低电阻状态)。

Description

电化学能量系统的设计和操作
对于相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年7月30日提交的美国申请No.14/447,005的权益，其全部发明内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及电化学能量系统的设计和操作，并且具体地涉及包括电阻器和开关的可充电电化学储能电池组的设计和操作。
背景技术
电动车辆是减少温室气体排放和对化石燃料的依赖的有希望的技术。插电式混合动力电动车(PHEV)和纯电动车(EV)的市场份额近年来显著增加。尽管提供了高能量效率和低环境影响的优点，但是EV的市场渗透受到限制，这是因为它们的行驶范围相对较短。与加一次油通常具有超过300英里的行驶范围的燃油车相比，当前一代EV在充一次电只能达到100至200英里。此外，在寒冷环境中，EV的续航里程大大降低。
温度在0℃以下时，由于电池的不良放电和再生功率，EV的续航里程进一步受到不利影响。例如，锂离子电池在EV中的性能劣化与这种电池的显著降低的能量和功率能力以及由于在充电时析锂而导致的容量衰减密切相关。参见G.Nagasubramanian,J ApplElectrochem,31(2001)99-104；S.S.Zhang,K.Xu,T.R.Jow,Electrochim Acta,49(2004)1057-1061；H.-P.Lin,D.Chua,M.Salomon,H.-C.Shiao,M.Hendrickson,E.Plichta,S.Slane,Electrochem Solid-State Lett,4(2001)A71-A73；J.Fan,S.Tan,J ElectrochemSoc,153(2006)A1081-A1092。
基本上，温度在0℃以下锂离子电池的性能劣化源于缓慢的电荷转移动力学、低的电解质电导率和低的固态Li扩散速率。参见C.K.Huang,J.S.Sakamoto,J.Wolfenstine,S.Surampudi,J Electrochem Soc,147(2000)2893-2896；S.S.Zhang,K.Xu,T.R.Jow,JPower Sources,115(2003)137-140；M.C.Smart,B.V.Ratnakumar,S.Surampudi,JElectrochem Soc,146(1999)486-492；M.C.Smart,B.V.Ratnakumar,S.Surampudi,JElectrochem Soc,149(2002)A361-A370；S.S.Zhang,K.Xu,T.R.Jow,Electrochim Acta,48(2002)241-246。虽然通过找到更合适的电解质和活性材料可以减轻这些限制，但是备选方法是设计一种在电池使用之前将其快速预热至正常操作温度的系统。由于动力学和运输过程是高度温度依赖性的，所以电池性能将在加热期间快速恢复。参见M.D.Zolot,et al.,Thermal Evaluation of The Honda Insight Battery Pack,in 36th IntersocietyEnergy Conversion Engineering Conference,Savannah,GA,2001,pp.923；A.Pesaran,etal.,Cooling and Preheating of Batteries in Hybrid Electric Vehicles,in The6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference,Hawaii Island,Hawaii,2003。
已经公开了在电动或混合动力电动车辆中加热电池的各种尝试。美国专利No.6,072,301公开了一种在使用前加热电池的谐振自加热电池电路。电路需要使用存储能量的存储电路。美国专利No.6,441,588涉及一种电池充电方法，其包括在对电池充电之前加热电池的脉冲充电和放电操作。通过在电池外部的充电器脉冲充电和放电操作作为整体被施加到电池。美国专利公布No.2009/0087723A1公开了使用内置在电池中的与电极完全隔开的加热器。
然而，需要改善因低温导致的可再充电电池的性能降低问题。
发明内容
本发明的优点包括电化学能量系统的设计和操作，特别是电池系统中可充电电化学储能电池的设计和操作。本发明中的电化学电池有利地被设计为基于一个或多个单体电池的温度在不同的电池内阻下工作。这样的系统可以包括在诸如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电动车辆中。
这些和其它的优点至少体现在用于操作电化学电池的电路，该电路包括：至少一个单体电池，其具有用于将电化学电池电连接到外部负载的正极柱和负极柱；电阻器，其串联连接到所述电化学电池的正极柱或负极柱；以及，温控开关，其电连接到所述电池并且与所述电阻器并联电连接，其中所述开关可以引导电流通过所述电阻器(高电阻状态)或者可以引导电流绕过所述电阻器(低电阻状态)。例如电化学电池可以是可充电电池的单体电池或单体燃料电池。电阻器可以被配置为增加电化学电池的温度。其优点是电路可以包括在可充电电池系统中，例如在电动车辆中。
本发明的另一方面包括可充电电池系统。这种系统包括：例如彼此相邻并彼此电连接的多个电池；彼此电连接的多个电阻片，其中所述多个电阻片夹在所述多个电池中的相邻电池之间和/或在所述多个电池的一个或多个电池内；以及，至少第一开关，其电连接到所述多个电池并电连接到所述多个电阻片；其中所述开关可通过电连接所述多个电池而形成某一个状态(低电阻状态)的电路，并且所述开关可电连接所述多个电阻片与所述多个电池而形成另一种状态(高电阻状态)的电路。
在发明的实施例中，所述多个电化学电池中的每一个具有正极柱和负极柱，并且所述多个电阻片串联电连接并且具有第一端和第二端，其中所述多个电阻片的第一端电连接到所述电池组中的一个电池的正极柱或负极柱，并且所述多个电阻片的第二端电连接到所述开关。
可充电电池系统的附加实施例单独或组合地包括多个电池以串联和/或并联或其组合的形式彼此电连接；其中所述多个电阻片的第二端进一步电连接到所述电池组中的另一电池的另一极柱。所述系统还可以单独或以任何组合包括一个或多个温度传感器，其用于确定电池组中的一个或多个单体电池的温度；一个或多个控制器，其电连接到一个或多个开关并且被编程为基于至少一个电池的温度来将开关操作在高电阻状态或低电阻状态；一个或多个电动机，其经由所述一个或多个开关电连接到所述电池组的；一个或多个逆变器，其用于将来自所述电池组的DC电力转换成用于所述一个或多个电动机的AC电力；一个或多个DC-DC转换器，其电连接到所述电池组以调整所述电池组的终端电压；一个或多个功率管理装置，其被编程为根据所述开关是处于高电阻状态还是处于低电阻状态而在辅助负载和主负载之间转移来自所述电池组的部分或全部功率输出；一个或多个附加能源，其电连接到所述辅助负载；一个或多个热管理装置，其具有气体或液体作为冷却剂，以维持多个电池的温度。其优点是本发明的电池系统可以用在电动车辆中。
本发明的另一方面包括用于操作可充电电池系统的方法。例如,这样的方法包括确定至少一个电池的温度(Tbat)；以及基于Tbat将开关操作在高电阻状态或低电阻状态。例如，如果在电池的放电期间Tbat为5℃或更低，则可以将开关操作在高电阻状态下；如果在电池的放电期间Tbat高于5℃，则将开关操作在低电阻状态下。该方法可以进一步包括如果在电池的充电期间Tbat为10℃或更低，则将开关操作在高电阻状态下，或者如果在电池的充电期间Tbat高于10℃，则将开关操作在低电阻状态下。
操作可充电电池系统的附加实施例单独或组合地包括：在确定Tbat之前确定电池的充电状态(SOC)；当所述开关处于高电阻状态时，对所述电池进行放电，并且保持每个单体电池电压在0V至大约1.5V的范围内；当所述开关处于所述高电阻状态时，以单体电池极柱电压在约5V至约10V的范围内对所述电池充电；例如,一部分电池组操作于高电阻状态或低电阻状态下的级联加热机制。
从下面的详细描述中，本发明的其它优点将对于本领域内的技术人员变得显而易见，通过图示来呈现和阐明本发明的主要内容，并示出和描述了本发明的优选实施例。如将认识到的，本发明能够具有其他和不同的实施例，并且在不脱离本发明的情况下能够在各种明显的方面修改其几个细节。因此，附图和描述被认为本质上是说明性的，而不是限制性的。
附图说明
参考附图，其中具有相同附图标记的元件在全文中表示类似的元件，并且其中：
图1是根据本发明实施例的电化学电池的电路示意图。
图2是用于加热电池的电路的示意图。
图3A和3B示意性地显示作为本发明的实施例之一的电池配置。
图4是根据本发明的实施例的多刀单掷开关的示意图。
图5是根据本发明实施例的电池系统设计的示意图，其包括电连接到高电阻极柱并且可以与低电阻极柱电连接或断开的开关。
图6是根据本发明实施例的电池系统设计的示意图，其包括可以与低电阻极柱或高电阻极柱电连接或断开的开关。
图7显示了本发明的电池系统在放电模式操作中的操作算法。
图8显示了本发明的电池系统在充电模式操作中的操作算法。
图9显示了用于本发明的电池系统的热管理算法。
图10显示了作为本发明的电池系统在级联激活中的电压和激活时间。
具体实施方式
本发明涉及包括多个内阻状态的电池，该电化学电池可以根据电池的温度和能量系统进行操作。本文所使用的电化学电池是指将化学能直接转化为电能的装置。电化学电池包括含有活性材料的储能电池，以及从外部供应活性材料的燃料电池。电化学电池的主要组分包括负极、正极、电解质和极柱。多个电池可以以适当的串联或并联布置电连接以向外部负载提供工作电压和电流。
电池，例如可充电电池，包括一个或多个电化学电池。例如，可充电锂离子电池、锂聚合物、锂硫、锂空气、镍金属氢化物电池、铅酸电池、中温钠电池、固态电池组,包括至少一种电化学电池的单元电池。本发明的电池配置可以应用于各种可充电电池。这种电池可用于运输、航空航天、军事和能量存储固定电站等应用。
燃料电池可以包括聚合物电解质氢燃料电池、直接甲醇燃料电池、中温燃料电池。燃料电池的部件包括负极、负极催化剂层、电解质、正极催化剂层、正极、双极板/互连体以及用于密封负极和正极之间的气体/防止负极和正极之间的气体泄漏的垫圈。
在本发明的一个方面，用于操作电化学电池组的电路可以包括至少一个电化学电池，其具有连接到外部负载的正极柱和负极柱。在其他实施例中，电路包括彼此并联或串联电连接的多个电池。电路中包括至少一个电阻器和至少一个温控开关。电阻器串联连接到电化学电池的正极或负极极柱，并且温控开关电连接到电池并且与电阻器并联连接。温控开关可以具有两种状态。在一种状态下，开关可以引导电流通过电阻器(高电阻状态)。通过引导电流通过电阻器，可以减少由电池提供的电量。在另一种状态下，开关可以引导电流绕过电阻(低电阻状态)。电路可以包括额外的电阻器和温控开关，例如在多个电池的情况下，电阻器和开关可以被布置成以相同的方式操作。
图1显示了根据本发明实施例的电池的电路示意图。如图所示，电路100包括电化学电池102，该电化学电池102具有将电池电连接到外部负载的极柱(104，106)。在该实施例中，电阻器108与极柱104串联电连接到电池102的负电极102a。电池102的正电极102b电连接到极柱106。热控开关110与电阻器108并联电连接。
可以根据电池的温度操作开关110。当电路包括多个电池时，可以根据一个电池或全部电池或分组中的某些电池的温度来操作开关。可以通过检测电池外部的温度来近似一个电池或多个电池的温度，或可以在电池内部更准确地检测温度。当开关110处于断开状态(高电阻状态或关断状态)时，电流可以在电池102之间通过电阻器108流到极柱104，以形成高电阻电路。当开关110处于闭合状态(低电阻状态或接通状态)时，电流绕过电阻器108并在电池102之间流动到极柱104以形成低电阻电路。
当开关110被启动时，电路终端处的电阻根据温度经历急剧的变化。因此，该设计可根据温度调整电路的总电阻。此外，从电阻器产生的热可以有效地用来自电池的最小能量加热电池。因此，本发明的电路设计在加热包括一个或多个电池和电阻器/开关组件的可充电电池方面提供优点。当将本发明的电路设计与可从某些常规电池加热电路导出的电路设计进行比较时，本发明的这些优点就显而易见了。
例如，图2显示了具有加热电池的比较电路200。该设计包括电池201，其具有将电池201与外部负载电连接的负极柱203和正极柱205。在该设计中，电阻器207并联连接到电池201，开关208与电阻器207串联连接。在本发明的图1的设计和图2之间存在两个容易识别的差异。在图2的电池加热电路中，每当开关处于闭合(接通)状态时，即使外部负载关断，电流也将流过电池。相反，在外部负载关断时，即在开路电路的状态下，在图1(本实施例)中在任何开关位置的状态下没有通过电池的电流。此外，图1的电路极柱处的电阻根据开关是处于闭合(接通)状态还是断开(关断)状态而跳变，但是在图2中在电路终端处的电阻不改变。
除了用于加热电池用途外，图1电路中的电阻器可用于提高电池的安全性。例如，当电池的温度超过预定的上限值时，热控开关可以被激活以引导电流通过电阻器，从而减小电流和电池温升速率并保护电池免受热失控。例如，当电池温度高于50℃的正常工作温度时，电池组的总内阻变为比电池在正常温度范围内工作时高几倍(也就是从大约40Ωcm2升至约200Ωcm2)。
可以在各种可充电电池系统中实施本发明的图1的系统，所述各种可充电电池系统包括具有可充电锂离子电池、锂聚合物电池、锂硫电池、锂空气电池、镍氢电池、铅酸电池、中温钠电池、全固态电池的系统。电池组可以并联或串联布置或其组合彼此电连接。这种系统可以包括：例如彼此相邻并彼此电连接的多个单体电池；彼此电连接的多个电阻器；以及电连接到多个电池并电连接到多个电阻器的至少第一开关。这种开关可以在一个状态(低电阻状态)中通过电连接电池而形成低电阻电路，并且开关可以在另一种状态(高电阻状态)中通过经由多个电阻器电连接电池而形成高电阻电路。在本发明的一个方面，可充电电池系统包括图1的电路。可充电电池系统可以包括实现该电路和附加可选部件的各种方式。
在本发明的某些实施例中，电池组可以以并联或串联布置或其组合彼此电连接，并且电阻器片可以在电池的内部或外部。
在本发明的一个方面中，电阻器片被用来增加电池的温度，例如，图1的电路中的电阻器是位于俩紧邻电池之间或单体电池内部并与电解质接触的电阻片，使得当电流流过电阻片时，其产生可加热电池的热量。对于本实施例，当电阻片位于电池外部时，它们很好地夹在电池组中的相邻电池之间。
如本文所使用的，电阻片的材料比电池中的集流箔具有相似或更低的电导率，但是当该电阻片由温控开关启动时导致电路终端处的电阻显著增加。电阻片的电阻值优选在0.1至5之间的数值除以电池容量，例如约0.5～2之间的数值除以电池容量(单位为安时，Ah)。电阻的单位为欧姆。例如，用于20Ah电池的电阻片优选在约0.005欧姆(0.1除以20)至约0.25欧姆(5除以20)之间，例如，在约0.025欧姆(0.5除以20)至约0.1欧姆(2除以20)之间。
本发明的电阻片可以是接触于电解质化学稳定的任何导电的材料，并且当电阻片暴露于这样的环境时该电阻片在电池的电化学电压窗口内是稳定的。这种电阻片可以由例如石墨、高度有序的热解石墨(HOPG)、不锈钢、镍、铬、镍铬合金、铜、铝、钛或其组合制成。为了进一步保护电池内使用的电阻片，可以将电阻片涂上例如Kapton薄膜，以保护电阻片免于接触电解质。这种保护涂层或膜应当足够薄以在电阻片和其周围的电池材料之间提供优良的热传递。
如果在电池的外部和模块中的两个相邻电池之间使用电阻片，则该电阻片不需要是抗腐蚀的，也不需要保护涂层；因此有更多的材料可用于本发明的电阻片。在某些实施例中，本发明的电阻器片优选是薄片状的，具有大的表面积，使得其可以与相邻的电池具有良好的接触。本发明的电阻片可以具有在约1微米和约150微米之间的厚度，优选的范围为约5微米至约100微米。具有大电阻、高热导率和小热容的电阻片可用于本发明的某些实施例。
本发明的开关可以包括由热敏感装置激活的开关，热敏感装置例如是：在冷冻时膨胀并且将开关打开的乙二醇-水液体胶囊；在不同的温度经历相变和明显的体积变化的相变材料；或双金属开关；或其体积在不同温度下明显膨胀的固体材料。开关还可以由具有温度传感器的控制器、机电继电器和温度控制器或固态继电器、具有温度传感器的功率MOSFET等来致动，或者开关可以包括具有温度传感器的高电流开关。当开关被致动时，电路终端处的电阻经历急剧变化。因此，该设计实现根据温度来调整电路的总电阻。
在本发明的一个实施例中，可充电电池系统包括多个电化学储能电池，每个电池具有正极和负极极柱。电池可以彼此相邻并且以并联或串联布置或其组合彼此电连接。在该实施例中，多个电阻片具有第一端和第二端，其中多个电阻片的第一端电连接到电池组中的一个电池的正极或负极，并且所述多个电阻片的第二端电连接到开关。开关可以在一个状态(低电阻状态)中通过电连接多个电池组而形成低电阻电路，或者可选地，开关可以在另一种状态(高电阻状态)中通过经由多个电阻片电连接电池组形成高电阻电路。在该实施例中的各个电阻片可以被布置成位于相邻电池之间，例如夹在相邻单体电池之间，或者布置在一个或多个电池内部，例如在电池内部并与电解质接触。当热控开关将电流引导通过电阻片时，这种布置将促使电池内部迅速自热。
可以通过检测电池外部的温度或通过检测在电池组中的任何一个单体电池或一组单体电池的温度来确定或近似本发明的电池的温度。除非另有说明，否则电池或任何一个或一组单体电池的总体温度被认为是用于本发明的目的电池温度。在本发明的某些实施例中，可充电电池系统包括一个或多个温度传感器，用于确定电池组中的一个或多个电池的温度，并且开关基于由温度传感器确定的温度实现低电阻状态或高电阻状态。
在图3A和3B中示意性地显示了根据本发明的电池组和电阻片的可充电电池的两个实施例。这些实施例显示了多个电池组，其中每个单体电池仅具有一个正极柱和一个负极柱。图3A显示了串联电连接的电池组，图3B显示了并联电连接的电池组。
例如，如图3A所示，可充电电池300A包括以串联布置电连接的单体电池302a至302e。每个电池具有正极和负极极柱(例如，303a和305a)。电阻片304a至304d彼此串联电连接并夹在相邻的单体电池之间。优选地，电阻片与每个相邻的单体电池直接接触，以促进电阻片和相邻单体电池之间的热传递。尽管用于本实施例的电阻片被夹在相邻的单体电池之间，但是每个电阻片可以可选地被布置在每个电池内部并且与电解质接触，或者电池可以包括两种布置的组合。如图3A所示，多个电阻片具有电连接到电池302a的负极柱305a的第一端。多个电阻片具有第二端，该第二端电连接到开关306并通过电连接器307连接到电池302b的正极柱303b(305a的相反极性)。开关306通过电连接到电池302a的负极柱305a而电连接到多个电池。开关306还通过到电阻片304a的电连接而电连接到多个电阻片。
在操作中，例如，开关306由控制器或热敏感装置启动。在操作中，当电池温度(Tbat)低于预定值时并且当电池系统处于放电模式时，开关306保持在断开(高电阻状态)，由此电流从在电池302a的正极柱303a处开始的外部负载流动到负极柱305a，然后通过电阻片304a到304d经由电连接器307到达电池302b的正极柱303b。电流继续通过电池302b到达负极柱305b，然后通过电池302c、302d和302e到达负极柱305e、到外部负载。由流过电阻片的电流产生的热以最小能量加热电池。
当电池温度(Tbat)高于预定值时，开关306闭合(低电阻状态)，并且电流绕过电阻片。例如，当开关闭合时并且当电池系统处于放电模式时，电流以标准方式在所有电池302a至302e之间流动，即电流通过下述电流路径从外部负载流到电池302a的正极柱303a和电池302e的负极柱305e：从电池302a的正极柱303a和负极柱305a，然后通过电池302b的正极柱303b和负极柱305b，然后通过电池302c、302d和302e的正极柱和负极柱。尽管在放电模式中描述了本实施例的操作，但是在电池的充电或放电期间，开关可以操作于打开或闭合状态下。
图3B示意性地示出了用于可充电电池系统的5节电池模块，其中单体电池并联电连接。如图所示，电池300B包括以并联布置电连接的单体电池302a至302e。每个电池具有正极和负极极柱(例如，303a和305a)。电阻片304a至304d彼此串联电连接并夹在相邻的单体电池之间。优选地，电阻片与每个相邻的单体电池直接接触，以促进电阻片和相邻单体电池之间的热传递。尽管用于本实施例的电阻片被示出为夹在相邻的单体电池之间，但是每个电阻片可以可选地被布置在电池内部并且与电解质接触，或者电池可以包括两种布置的组合。如图3B所示，多个电阻片具有电连接到电池302a的负极柱305a的第一端。多个电阻片具有电连接到电池302e的负极柱305e的第二端。多个电阻片具有通过电阻片304d电连接到开关308的第二端。
在操作中，开关308由控制器或热敏感装置启动。例如，当电池温度(Tbat)低于预定值时并且当电池系统处于放电模式时，开关308可以保持断开(高电阻状态)。以这种方式，电池302a的负极极柱305a经由电阻片304a至304d和电连接器309电连接到电池302b的负极极柱305b。由流过电阻片的电流产生的热有利地加热电池。
当电池温度(Tbat)高于预定值时，开关308闭合(低电阻状态)，并且电流绕过电阻片。例如，当开关闭合时和当电池系统处于放电模式时，电流以标准方式在所有单位电池302a至302e中流动，即电流从外部负载流到单位电池302a至302e的正极柱，然后到负极柱，然后到外部负载。尽管在放电模式中描述了本实施例的操作，但是在电池的充电或放电期间，开关可以操作于打开或闭合状态中。
尽管图3A和3B中例示的电池系统示出了一个模块，但是本发明的可充电电池系统不限于此，并且可以包括以模块或子组布置的多个电池组，其中每个子组的电池具有一个或更多个电阻片，并且每个子组的电池具有一个或多个开关，该一个或多个开关能够可以基于每个子组的电池的温度引导电流通过一个或多个电阻片，或者引导电流绕过每个子组中的一个或多个电阻片。
在本发明的一个方面中，在没有限制的情况下，开关可以是多刀单掷开关，例如具有温度控制器以将其接通或断开的多刀单掷继电器。这种开关可以电连接到电池组中的多个单体电池，并且可以同时为所有电池形成低电阻状态或同时为所有电池形成高电阻状态。例如，图4示意性地显示了用于可充电电池的五个单体电池模块的多刀单掷继电器开关。如图所示，具有电池极柱402a至402d的单体电池(未标示)电连接到开关404。开关由热控制器405基于由热电偶406确定的一个或多个电池的温度而启动。感应线圈407用于启动开关404。如图4所示，由多刀单掷继电器404控制的多个电池可并联连接。在这种情况下，为了避免并联连接的一些电池在低电阻模式下操作而另一些在高电阻模式下操作的情况，对于并联连接的所有电池同时被接通或关断的单个开关是优选的。否者，则可能存在通过并联连接的各个电池的电流不平衡。这可以通过使用控制并联连接的所有电池的单个开关来避免。
本发明的可充电电池系统可以用于给电动机供电。这种系统将包括可充电电池，其具有电连接到电动机的多个电池以及用于操作该系统的附加可选部件。在本发明的一个方面，可以使用例如图3A和3B所示的传统两极柱电池来配置可充电电池。在另一方面，可充电电池可以被配置为具有用于操作电阻片和开关组件的三个或更多个极柱。这种电池的极柱包括用于在低电阻状态期间操作电池的正极柱和负极柱以及用于在高电阻状态期间操作电池的至少一个高电阻极柱。例如，高电阻极柱将电连接在电池和一些或所有电池之中或之间的一个或多个电阻片。
在图5中示意性地显示的实施例中，可充电电池系统包括通过开关514电连接到控制器512的可充电电池502。系统还可以包括全部电连接到电池502并电连接到控制器512并且全都可以向控制器512提供输入的电压传感器550、电流传感器540和温度传感器510。
在该实施例中，电池502还经由逆变器519电连接到电动机520，并且电池502经由DC/DC转换器518电连接到辅助负载516。DC-DC转换器518可以基于来自控制器512的输入调节可充电电池520的DC极柱电压。DC/DC转换器518还可以电连接到另一个能量源501以及辅助负载516。能量源501可以是燃料电池、内燃机、铅酸电池、金属氢化物电池、电容器、另一个锂离子电池等。
可充电电池502包括一个正极柱504和两个负极柱(506，508)。负极柱之一是用于操作电池的高电阻极柱(HiR)506，并且一个负极柱是用于在电池的正常电阻水平下操作电池的低电阻极柱(LoR)508。尽管为了说明方便没有在图中示出，可充电电池502包括彼此电连接的多个电池。可充电电池502还可以包括电连接到至少一个电池并电连接到电池的高电阻极柱以在电池中形成高电阻电路的一个或多个电阻片。
流向电池和从电池流出到系统的其它部件的电流由开关514来控制。例如，在该实施例中，高电阻极柱总是连接到系统的电路，而电池经由低电阻极柱(LoR)508电连接到系统则要求开关514处于闭合状态。控制器512被编程以基于来自温度传感器的输入来确定是否通过开关通过低电阻极柱将电池电接合到系统。例如，如果电池温度(Tbat)低于预定值(T1)，则板载控制器512断开开关514(开关关断模式)，并且电流过电池502的高电阻极柱506。如果电池温度(Tbat)高于预定值(T1)，板载控制器512连接开关514(开关接通模式)，并且电流过电池的低电阻极柱508。
当高电阻极柱506在操作(开关514关断模式)中时，电能可以被引导到辅助负载516。板载控制器512和DC-DC转换器518可以根据辅助负载的需求来管理电压输出。可充电电池系统还可包括一个或多个电源管理装置(未显示)，其被编程为根据开关是接通还是断开而将电池的一部分或全部功率在辅助负载和主负载之间转移。在没有限制的情况下，辅助负载516可以是舱内加热、座椅加热、挡风玻璃加热器等，或者可以是其中暂时存储电能的单独的储能单元。一旦电池温度达到第二预定值(T2)以上，板载控制器512将开关514(开关处于接通模式)连接到低电阻极柱508，因此电流仅在两个较低电阻极柱(504，508)之间流动，因为这是最小阻力的路径。在该操作模式期间的负载通过逆变器519和电动机520被引导到主负载。
控制器512还可以被编程为从电压传感器550和电流传感器540接收输入并且确定电池502的充电状态(SOC)。控制器512还可以被编程为基于标准的机载测量确定电池502的健康状态(SOH)，但不限于电池容量和能量。控制器可以基于电池的SOC确定电池502是否可以被放电或者电池502是否需要被再充电，并且可以基于电池502的SOC和温度来操作开关514。
图5的可充电电池系统还包括电连接到电池502和温度传感器510的冷却剂流动控制器590。冷却剂流动控制器590还包括用于测量可用于循环到电池502的冷却剂(未显示)的温度的冷却剂温度传感器560和加热或冷却负载(未显示)。冷却剂流动控制器、冷却剂温度传感器和例如气体或液体的冷却剂可以形成主动热管理装置，以控制和维持电池502的温度。
在本发明的电池系统的另一实施例中，将可充电电池电连接到系统的开关可以是双触点开关。例如图6所示，可充电电池602包括一个正极柱604和两个负极柱(606，608)。开关614将可充电电池602的低电阻负极柱608或高电阻极柱606连接到系统600的电路。在该实施例中，开关614是双触点开关，并且可充电电池602不电连接到系统，除非开关614电连接到HiR 606或LoR 608。如果电池温度低于T1，则开关614将高电阻极柱606连接到系统600的电路，从而使低电阻极柱608断开。当电池温度升高到某一值以上时，开关614将低电阻负极柱608连接到系统600的电路。以与图5中描述的类似部件相同的方式操作和配置系统600的其它部件。例如，如针对图5中的相同部件所描述的那样电连接、操作并且配置控制器612、温度传感器610、电压传感器650、电流传感器640、电动机620、逆变器619、辅助负载616、DC/DC转换器618、附加能量源601、冷却剂流动控制器690和冷却剂温度传感器660。
本实施例的可充电电池可以被配置为当电池的内部温度低于最佳温度时在较高的电阻水平下操作。在高电阻状态下或低电阻状态下操作本发明的可充电电池可以取决于特定的预定电池温度以及操作电池的模式(即，充电或放电)。
在实践中可以通过确定电池的温度(Tbat)并基于Tbat将开关操作在高电阻状态或低电阻状态来操作本发明的可充电电池。除非另有说明，否则电池或任何一个或一组电池的总体温度被认为是用于本发明的目的电池温度。此外，开关被控制在高电阻状态下或低电阻状态下操作的温度不一定是单个固定值，而是可以针对电池的不同操作被设置为不同的值。
接下来，利用图7的流程图描述在放电模式期间本发明的可充电电池的操作。首先，检测可充电电池的充电状态(SOC)——701，以确定其是否在最小值(SOCmin)之上——702。如果不是，则指示器建议连接到充电源——708。如果SOC高于SOCmin，则检测电池的温度(Tbat)——703。确定Tbat是否低于预定值(T1discharge)——704。如果电池的温度或电池组的温度低于T1discharge，例如T1discharge为约5℃或更低，优选约0℃或更低，则将开关设置在高电阻状态(例如，关断状态)——705。然后，从电池汲取预定负载。通过与电路电连接的高电阻极柱的电流导致电池的内部加热。当开关断开时，周期性地确定电池温度——706。当高电阻极柱在操作(高电阻状态)中时，电池端电压优选地保持在每个电池胞的0和约1.5V之间的范围内。根据需要，通过DC-DC转换器来管理放电期间的电压。
如果电池温度被确定为高于T1discharge，则开关被设置在低电阻状态(例如，接通状态)中——707。因此，电流仅流过低电阻极柱。低电阻极柱将与标准可充电电池上见到的负极柱和正极柱相同。例如,根据图7的流程图的可充电电池的操作可以用图5和图6的系统来实现，用图3A或3B的电池配置来实现。在这种系统中，控制器被编程为确定SOC、Tbat、每个电池的最大电压以及SOC是高于还是低于SOCmin，以及Tbat是高于还是低于T1discharge，并且相应地操作开关和DC-DC转换器。
在图8的流程图中描述了可充电电池系统的充电模式期间的操作。首先，检测可充电电池SOC——801，并且确定它是否低于最大值SOCmax——802。如果不是，则禁用充电模式——808。如果SOC低于SOCmax，则通过确定电池的温度(Tbat)来进行充电操作——803。确定Tbat是否低于预定值(T1discharge)——804。如果Tbat低于T1discharge，例如，T1discharge约为10℃或更低，优选约5℃或更低，则将开关设置为高电阻状态(例如，关断状态)——805。然后，将预定的充电负载配置从充电器应用到电池。当高电阻极柱在操作中时(开关为关断模式)，以例如在约5V-10V，电池系统中每个电池的最大电压优选约5V-8V的范围内进行充电。在开关为关断模式期间的充电负载配置允许最大电池极柱电压显著高于在开关接通模式期间的最大电池极柱电压。根据需要，通过DC-DC转换器管理在连接高电阻极柱的充电期间的高电压。通过电连接到电路的高电阻极柱的电流导致电池的内部加热。如果需要，充电功率的一部分可以转移到辅助负载单元。
如果电池温度被确定为高于T1discharge，则将开关设置在低电阻状态(例如，接通状态)中——807。因此，电流仅流过低电阻极柱，并且充电操作继续，直到电池SOC达到期望的水平。在充电的开关接通模式期间，电池系统中的每个电池的最大电压被保持限制为由电池制造商指定的值，如在常规电池充电操作中的情况。
可以利用例如图5或图6的系统并且利用例如图3A或3B的电池配置来实现根据图8的流程图的可充电电池的操作。在这样的系统中，控制器被编程为确定SOC、Tbat、每个电池的最大电压、SOC是高于还是低于SOCmax、Tbat高于或低于T1discharge，并且相应地操作开关和DC-DC转换器。
本发明的可充电电池系统还可以包括使用热传递液体或惰性气体的主动热管理，以将电池的温度维持在预定操作范围内。图9示出了用于这种可充电电池系统的主动热管理的操作。
首先，确定电池的温度(Tbat)——901。确定Tbat是否高于预定值——902，例如，因为预定值通常低于T1discharge所以预定值可以与T1discharge相同，但可以使用一些其他值。对于该实施例，预定值将与T1discharge相同。如果电池的温度不高于T1discharge，则操作电池的高或低电阻水平的开关被设置在高电阻状态(例如，关断状态)中——903，并且关闭冷却剂流动，即将用于冷却剂流动的开关设置为关断。如果电池的温度高于T1discharge，则操作电池的高或低电阻水平的开关被设置在低电阻状态(例如，接通状态)中——904。当开关接通时周期性地确定电池温度——905。确定Tbat是否高于用于操作冷却剂的预定值(Tcoolant)——906，例如，Tcoolant是在从约15℃至30℃，优选从约25至30℃的范围内的值。如果Tbat不高于Tcoolant，则将不激活冷却剂流动——912，并且将周期性地检测Tbat。如果Tbat高于Tcoolant，则冷却剂流动将被激活——907。当激活冷却剂流动时，周期性地检测电池温度——908。在打开冷却剂流动时，确定Tbat是否低于另一个预定值，以维持电池的温度(Tshield)——909，例如，Tshield为约10℃或更低。如果Tbat高于Tshield，则控制冷却剂的流动以将电池温度保持在特定范围内——910，例如将电池保持在20℃至35℃的范围内，优选在25℃至30℃的范围内。
如果电池温度下降到低于特定值(Tshield)，则冷却剂流被关闭，并且系统将启动电池周围的绝热，以减少电池的热损失——911。
可充电电池的热屏蔽激活被设计成避免下述情况，其中，电池回复到在电池已经被激活之后将操作电池的高或低电阻水平的开关设置为高电阻状态的情况(例如，当电池在低温下操作时已经经历了高电阻状态时)。在没有限制的情况下，热屏蔽可包括将冷却剂流动重定向通过小加热器或热交换器以预加热冷却剂本身或在电池表面上施加预热的流体流动以形成保护薄边界层。前述技术以及减少或完全关闭冷却剂的组合可用于热屏蔽电池。
可以例如利用图5或图6的系统或例如利用图3A或3B的电池配置来实现根据图9的流程图的可充电电池的操作。在这种系统中，控制器被编程为确定SOC、Tbat以及SOC是高于还是低于SOCmax和Tbat高于或低于T1discharge，并且相应地操作开关；并且冷却剂流动控制器被编程为根据Tbat是高于还是低于Tcoolant和Tshield并且相应地操作冷却剂流。
在操作本发明的可充电电池系统的另一个实施例中，电池组可以被划分为子组，并且每个电池子组可以在不同时间配置在高或低电阻状态，即级联激活。例如，电池组可以分成多于一个的电池子组，其中每个电池子组具有一个或多个电阻片，并且每个电池子组具有一个或多个的开关，该一个或多个的开关可以引导电流通过一个或多个电阻片以形成高电阻状态，或者可以引导电流绕过一个或多个电阻片以形成低电阻状态。利用这种布置，可以为每个电池子组确定温度，并且每个电池子组中的一个或多个开关可以基于特定的电池子组的温度而操作在高电阻状态或低电阻状态中。可以在不同时间进行在高电阻状态或低电阻状态中操作每个电池子组，即级联激活，而不是同时操作所有电池子组。模块的级联激活可以与电池的放电或充电相组合而被使用。
例如，如果电池温度低于预定值，则对于电池中的预先选择的电池模块，将某些开关设置为高电阻状态。当这个电池模块达到预定温度时，开关被设置为低电阻状态，并且另一个电池模块经历相同的过程。该实施例与如图4所描述的对所有电池同时激活相反，在某个电池模块以较高电阻水平操作时(其中的电阻片通电流并使电池被内部加热)，整个电池组输出较高的总电压。
在通过级联激活的激活期间(放电模式)，较高的电池组电压对于一些应用可能是优选的，尽管这样的激活过程将经历较长时间。例如，在放电操作模式期间，当开关处于高电阻状态时，每单体电池的电压可以在0V和约1.5V之间，以便快速加热电池。在充电操作模式期间，当开关处于高电阻状态时，例如，每单体电池的极柱电压可以高达5V至10V。电池电压可以在被发送到辅助负载或主负载之前通过DC-DC转换器被进行管理。
图10显示了可充电电池系统的放电时在不同激活模式下的激活时间和电池组电压的模拟数据图。图10的电池组约为7kWh，并且包括96个串联的被分成8批的电池组，每个电池有20Ah的容量。环境温度为-25℃，直到电池(或模块)温度达到5℃，电池激活才完成。在激活期间使用60A的放电电流。在图10的用于经历同时激活的电池组比例的轴上，100％的值表示同时激活电池组中的所有电池，而12.5％的值表示在级联激活每次8个组中的1个组。
如图10所示，可以在30秒内实现电池组的同时激活，但是在该激活期间，电池组总电压小于40V。对于汽车应用，此输出电压范围适用于支持辅助负载。然而，当使用级联激活时，可以以更长的激活时间为代价来实现在激活期间显著更高的电池输出电压。基于应用需求，可以选择在最短激活时间实现电池输出电压最大的激活过程。
本发明的电池系统有利地不需要外部加热系统，因此本质上简化了系统的热管理。这减小系统尺寸、复杂性和成本，并且可以在各种使用环境和系统中实现。例如，具有本发明的电池系统的电动车辆使用图7-9中描述的操作算法，即使在寒冷的温度下在室外停车未接入充电桩的情况下，也能够轻易地提供大于约80％的电力。
与对流加热、电池组的直接放电的其它系统相比，本发明的电池系统可以显著减少加热时间，同时把加热电池所消耗的电池能量降低到最小。本发明的电池系统可以在环境温度低于最佳温度下，例如暴露于诸如低于约0℃或更低的温度的低温下，加热可充电电池。此外，本发明的电池系统具有其它益处，使得它们不需要额外的移动部件、涉及流体或循环回路、最小额外的重量/体积要求、不需用附加储能装置等。虽然不需要这些附加元件来内部加热本发明的可充电电池，但是它们可以包括在系统中。
电池系统及其操作方法的上述实施例是为了说明本发明并且本质上不是限制性的。本领域技术人员将仅使用常规实验来认识或能够确定本部分中描述的特定物质和程序的许多等同物。

Claims (42)

1.一种用于操作电化学电池的电路，包括：
至少一个电化学单体电池，其具有把所述电化学电池电连接到外部负载的正极柱和负极柱；
电阻器，其串联电连接到所述电化学电池的正极柱或负极柱；和
温控开关，其电连接到所述电池并且与所述电阻器并联，其中所述开关能够引导电流通过所述电阻器(高电阻状态)或者能够引导电流绕过所述电阻器(低电阻状态)。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电阻器被用来增加所述电化学电池的温度。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电阻器减小所述电流和电池升温的速率。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电阻器位于所述电化学电池的外部。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述电阻器位于所述电化学电池的内部。
6.根据权利要求1所述的电路，包括并联或串联电连接的多个电化学电池。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其中所述电化学电池是可充电电池。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其中所述电化学电池是可再充电锂离子电池。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其中所述电化学电池是镍氢电池、铅酸电池、中温钠电池或固态电池中的任一种的可再充电电池。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其中所述电化学电池是燃料电池。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的电路，其中所述电化学电池是聚合物电解质氢燃料电池、直接甲醇燃料电池或中温燃料电池中的任一种燃料电池。
12.一种可充电电池系统，包括电连接到可充电电池的如权利要求1至6中任一项所述的电路。
13.一种可充电电池系统，包括：
彼此相邻且彼此电连接的多个电化学储能电池；
彼此电连接的多个电阻片，其中所述多个电阻片夹在所述多个相邻电池之间和/或在所述多个电化学储能电池的一个或多个电池内；和
至少第一开关，其电连接到所述多个电化学储能电池并电连接到所述多个电阻片；
其中所述开关能够通过电连接所述多个电化学储能电池而形成在一种状态(低电阻状态)的低电阻电路，并且所述开关能够通过经由所述多个电阻片电连接所述多个电化学储能电池而形成在另一种状态(高电阻状态)的高电阻电路。
14.根据权利要求13所述的可充电电池系统，其中所述多个电化学储能电池各自具有正极柱和负极柱，并且所述多个电阻片被串联电连接并具有第一端和第二端，其中所述多个电阻片的第一端电连接到所述多个电化学储能电池的正极极柱或负极极柱，并且所述多个电阻片的第二端电连接到所述开关。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，其中所述多个电化学储能电池彼此串联电连接，并且所述多个电阻片的第二端进一步电连接到所述多个电化学电池的另一极柱。
16.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，其中所述多个电化学储能电池彼此并联电连接。
17.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，其中所述第一开关是电连接到所述多个电化学存能电池中的每个电池的多刀单掷开关，并且可以对所述的所有电池同时形成所述低电阻状态或对所有电池同时形成所述高电阻状态。
18.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，其中所述多个电阻片的材质包括石墨、高度有序的热解石墨(HOPG)、不锈钢、镍、铬、镍铬合金、铜、铝、钛或其组合。
19.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，其中所述多个电化学电池是锂离子电池。
20.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，其中所述多个电化学电池是镍氢电池、铅酸电池、中温钠电池或固态电池中的任一种。
21.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，还包括一个或多个温度传感器，用于确定所述多个单体电池组成的电池组中的一个或多个电池的温度，并且由所述温度传感器确定的温度控制所述开关以形成所述低电阻状态或所述高电阻状态。
22.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，还包括控制器，其电连接到所述开关并且被编程为基于至少一个电池的温度来使所述开关操作于所述高电阻状态或所述低电阻状态中。
23.根据权利要求22所述的可充电电池系统，其中所述控制器被编程为当所述电池组放电期间至少一个单体电池的温度为5℃或更低时，使所述开关操作于所述高电阻状态。
24.根据权利要求22所述的可充电电池系统，其中所述控制器被编程为当所述电池组充电期间至少一个单体电池的温度为10℃或更低时，使所述开关操作于所述高电阻状态。
25.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，还包括通过所述开关电连接到所述电池组的电动机。
26.根据权利要求25所述的可充电电池系统，还包括逆变器，用于把来自所述电池组的DC电力转换成用于所述电动机的AC电力。
27.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，还包括DC-DC转换器，其电连接到所述电池组，以调节所述多个单体电池的极柱电压。
28.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，还包括一个或多个电力管理装置，其被编程为根据所述开关是处于所述高电阻状态还是处于所述低电阻状态而把所述电池组的部分或全部负载在辅助负载和主负载之间转移。
29.根据权利要求28所述的可充电电池系统，还包括电连接到所述辅助负载的附加能量源。
30.根据权利要求13或14中任一项所述的可充电电池系统，还包括具有作为冷却剂的惰性气体或液体的主动热管理装置，以维持所述多个单体电池的温度。
31.根据权利要求12、13或14中任一项所述的可充电电池系统的一种操作方法，所述方法包括：
确定至少一个电池的温度(Tbat)；和
基于Tbat使所述开关操作于所述高电阻状态或所述低电阻状态中。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括在所述多个电池的放电期间，如果Tbat为5℃或更低，则使所述开关操作在所述高电阻状态中。
33.根据权利要求31所述的方法，还包括在所述多个电池的放电期间，如果Tbat高于5℃，则将所述电池操作在所述低电阻状态中。
34.根据权利要求31所述的方法，还包括在所述多个电池的充电期间，如果Tbat为10℃或更低，则使所述开关操作在所述高电阻状态。
35.根据权利要求31所述的方法，还包括：在所述多个电池的充电期间，如果Tbat高于10℃，则使所述开关操作在所述低电阻状态中。
36.根据权利要求31所述的方法，还包括在确定Tbat之前确定所述电池的充电状态(SOC)。
37.根据权利要求31所述的方法，还包括：当所述开关处于所述高电阻状态中时，对所述电池放电，并且维持每个单体电池的电压在0至约1.5V的范围内。
38.根据权利要求31所述的方法，还包括当所述开关处于所述高电阻状态中时，以单体电池的最高电压大约5V至大约10V的范围内对所述多个电化学电池充电。
39.根据权利要求31所述的方法，其中所述多个单体电池被布置在多个电池组中，其中每个电池组具有一个或多个电阻片，并且每个电池组具有一个或多个开关，所述一个或多个开关能够通过所述一个或多个电阻片引导电流以形成高电阻状态，或者能够引导电流绕过所述一个或多个电阻片以形成低电阻状态，并且其中所述方法还包括：确定每个电池组的温度并且基于每个电池组的温度把每个电池组中的所述一个或多个开关操作在所述高电阻状态或所述低电阻状态中。
40.根据权利要求39所述的方法，还包括通过级联激活来操作处于所述高电阻状态或所述低电阻状态的每个电池组。
41.根据权利要求40所述的方法，还包括通过级联激活对所述电池组进行充电或放电。
42.一种电动车辆，包括根据权利要求12、13或14中任一项所述的电池系统。
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