CN115548494A - 双能量存储系统和起动机电池模块 - Google Patents

双能量存储系统和起动机电池模块 Download PDF

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丹尼尔·B·勒
大卫·R·布恩
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Johnson Controls Technology Co
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Johnson Controls Technology Co
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Abstract

本公开涉及一种双能量存储系统(13)，包括：与铅酸电池(20)并联地电耦接的锂离子电池(22)，其中锂离子电池(22)和铅酸电池(20)电耦接到车辆总线(19)，其中锂离子电池开路电压(OCV)部分地匹配铅酸电池OCV，以使得在铅酸电池100％荷电状态(SOC)下铅酸电池OCV约等于在锂离子电池50％SOC下锂离子电池OCV。

Description

双能量存储系统和起动机电池模块
本申请为申请日为2017年5月16日、国际申请号为PCT/US2017/032878、国家申请号为201780029389.4、发明名称为“双能量存储系统和起动机电池模块”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请主张2016年5月16日申请的名为“12VOLT DUAL ENERGY STORAGE SYSTEMAND 12VOLT STARTER BATTERY”(12伏双能量存储系统和12伏起动机电池)的第62/337,128号美国临时申请的优先权和权益，所述美国临时申请援引加入本文中。
背景技术
本公开概括地涉及电池和电池模块的领域。更具体地，本公开涉及可用于双能量存储系统和起动机电池模块的锂离子电池单元。
本部分意在向读者介绍可能与下文所述的本公开的各方面相关的技术的各方面。此论述被认为有助于向读者提供背景信息以便于较好地理解本公开的各方面。因此，应理解，这些陈述应据此来阅读，而不是对现有技术的承认。
使用一个或更多个电池系统来为车辆提供全部或一部分动力的车辆可以被称为xEV，其中术语“xEV”在本文中被定义为包括使用电力来提供其全部或一部分车辆动力的以下全部车辆或其任何变型或组合。例如，xEV包括利用电力来提供全部动力的电动车辆(EV)。如本领域的技术人员应了解的，也被视为xEV的混合动力车辆(HEV)组合内燃机推进系统和电池供电电推进系统，例如，48伏(V)或130V系统。术语HEV可以包括混合动力车辆的任何变型。例如，全混合动力系统(FHEV)可以使用一个或更多个电动机、仅使用内燃机或使用两者而将动力和其它电力提供给车辆。相比之下，轻度混合动力系统(MHEV)在车辆怠速时停用内燃机，并利用电池系统来继续对空调单元、无线电或其它电子器件供电并在需要推进时重启发动机。轻度混合动力系统也可以例如在加速期间应用某一程度的动力辅助，以对内燃机进行补充。轻度混合动力系统通常是96V到130V，并且经由皮带或曲柄集成式起动机发电机而回收制动能量。此外，微混合动力车辆(mHEV)还使用类似于轻度混合动力系统的“启停”系统，但mHEV的微混合动力系统可以供应或可以不供应动力辅助给内燃机并在低于60V的电压下操作。出于本论述的目的，应注意，mHEV通常在技术上不将直接提供给曲柄轴或传动装置的电力用作车辆的动力的任何部分，但是mHEV仍然可以被视为xEV，因为当车辆怠速而内燃机停用时，mHEV的确使用电力来对车辆的动力需要进行补充，并且经由集成式起动机发电机来回收制动能量。此外，插电式电动车辆(PEV)是可从外部电源(例如，壁式插座)充电的任何车辆，并且可再充电电池包中存储的能量驱动或促成驱动车轮。PEV是EV的子类，包括全电动或电池电动车辆(BEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)以及混合动力电动车辆与常规内燃机车辆的电动车辆换型。
与仅使用内燃机以及通常由铅酸电池供电的12V系统的传统电气系统的较传统的燃油动力车辆相比，如上所述的xEV可以提供许多优点。例如，与传统内燃车辆相比，xEV可以产生较少的不良排放物并且可以展现较高燃料效率，并且在一些状况下，这些xEV可以完全消除汽油的使用，如同某些类型的EV或PEV的状况。
随着技术继续演进，需要对这些车辆提供改进的电源(具体而言，电池模块)。例如，包括具有相对高的标称电压的电池单元的电池模块可以减小电池模块的尺寸和成本，因为较少电池单元被包含在电池模块内。此外，电池模块还适宜地被配置成在xEV的现有电气网络内操作，而不破坏xEV电气网络的操作。
发明内容
下文阐述本文公开的某些实施例的概述。应理解，呈现这些方面仅是为了向读者提供某些实施例的简要概述，并且这些方面意在不限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖下文可能没有阐述的各方面。
本公开涉及一种双能量存储系统，该双能量存储系统包括：与铅酸电池并联地电耦接的锂离子电池，其中锂离子电池和铅酸电池电耦接到车辆总线，其中锂离子电池开路电压(OCV)部分地匹配铅酸电池OCV，以使得在100％的铅酸电池荷电状态(SOC)下铅酸电池OCV约等于在50％的锂离子电池SOC下锂离子电池OCV。
本公开还涉及一种系统，该系统包括：锂离子起动机电池；与锂离子起动机电池并联地电耦接的铅酸电池；以及具有车辆总线的车辆，该车辆总线被配置成在锂离子起动机电池、铅酸电池和车辆之间建立电气通路，并且其中锂离子起动机电池开路电压(OCV)部分地匹配铅酸电池OCV，以使得在100％的铅酸电池荷电状态(SOC)下铅酸起动机电池OCV约等于在50％的锂离子起动机电池SOC下锂离子起动机电池OCV。
本公开还涉及一种方法，该方法包括：使用电压传感器来测量锂离子电池单元的电压；基于锂离子电池单元的电压以及锂离子电池单元的电压曲线来估计锂离子电池单元的荷电状态(SOC)；以及基于锂离子电池单元的SOC、锂离子电池单元的电压或两者来确定锂离子电池单元的诊断参数。
附图说明
一经阅读以下具体实施方式并在参照附图，就可以更好地理解本公开的各方面，其中：
图1是根据本公开的方面车辆的透视图，所述车辆具有根据本发明的实施例而配置的电池系统以对车辆的各种部件提供电力；
图2是根据本公开的方面图1的车辆和电池系统的实施例的剖视示意图；
图3是根据本公开的方面图示铅酸电池模块和锂离子电池模块的电压曲线的图表的实施例；
图4是根据本公开的方面图表的实施例，图示当锂离子电池模块包括四个锂离子电池单元或五个锂离子电池单元时锂离子电池模块的各个锂离子电池单元的示例电压曲线；
图5是根据本公开的方面具有四个锂离子电池单元的锂离子电池模块的实施例的透视图；
图6是根据本公开的方面具有以2×2排列来布置的四个锂离子电池单元的锂离子电池模块的实施例的透视图；
图7是根据本公开的方面具有五个锂离子电池单元的锂离子电池模块的实施例的透视图；
图8是根据本公开的方面具有六个锂离子电池单元的锂离子电池模块的实施例的透视图；以及
图9是根据本公开的方面用于确定锂离子电池单元的诊断参数的过程的实施例的流程图。
具体实施方式
下文将描述一个或更多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简明描述，而在本说明书中没有描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如同在任何工程或设计项目中，必须做出众多特定于实施方案的决策来实现开发者的特定目标，例如，符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件可以因实施方案而有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂和费时的，但是对于受益于本公开的一般技术人员而言却是设计、生产和制造的例行工作。
本文所述的电池系统可以用于将电力提供给各种类型的电动车辆(xEV)以及其它高电压能量存储/消耗应用(例如，电网电力存储系统)。这些电池系统可以包括一个或更多个电池模块，每一电池模块具有被布置且电互连的多个电池单元(例如，锂离子(Li离子)电化学电池单元)以提供适用于对例如xEV的一个或更多个部件供电的特定电压和/电流。作为另一实例，根据本发明的实施例的电池模块可以与固定电力系统(例如，非车用系统)集成或将电力提供给所述固定电力系统。
xEv可以包括以并联配置相互耦接的铅酸电池模块(例如，在100％荷电状态下具有开路电压12V)和Li离子电池模块(例如，在100％荷电状态下具有介于12.5V与16V之间的开路电压)。在某些情形下，铅酸电池模块可以用于将xEV的内燃机起动和/或点火，而Li离子电池模块可以用于从再生制动系统捕获电力并在内燃机怠速时将电力提供给车辆部件。附加地或替代地，Li离子电池模块可以用作起动机电池，并提供电力以将xEV的内燃机起动和/或点火。因此，12V车辆架构中的Li离子电池可以应用到12V双能量存储系统(DESS)和12V起动机应用。遗憾地，为了供应充足量的电力，Li离子电池模块包括多个单独的Li离子电池单元，这可增大xEV的重量和/或降低燃料经济性。
本公开解决传统Li离子电池模块的这些和其它缺点。例如，本公开的实施例涉及可形成Li离子电池模块的高电压Li离子电池单元，所述Li离子电池模块被配置成用于xEV的现有电气网络中而不破坏xEV电气网络(例如，电池模块提供在预定范围内的电力)。高电压Li离子电池单元可以通过减少包括在电池模块中的Li离子电池单元的数量而减小整个电池模块的尺寸(例如，体积)。此外，由于Li离子电池单元数量减少，所以高电压Li离子电池单元可以降低电池模块的成本。
在一些实施例中，Li离子电池模块被配置成在50％荷电状态(SOC)下具有与在铅酸电池模块100％SOC下铅酸电池模块的OCV基本上(例如，在10％内、在5％内或在1％内)相等的开路电压(OCV)。因此，Li离子电池模块可以被配置成接收电荷(例如，经由再生制动系统)，而铅酸电池被配置成提供电力(例如，在快速放电条件下提供给xEV的点火系统或其它电气部件)。此外，Li离子电池模块的每一Li离子电池单元可以具有特定化学配置，以使Li离子电池单元的电压曲线能够具有增大的斜率(例如，电压曲线具有较陡的斜率)。增大电压曲线的斜率使得能够基于对各个Li离子电池单元测量的电压来准确地估计各个Li离子电池单元的SOC。所估计的SOC和/或所测量的电压使得各个Li离子电池单元(或在一些状况下，整个电池模块)的诊断参数和/或状态得以确定。
为了帮助说明可在系统中使用本发明的实施例的方式，图1是可利用再生制动系统的车辆10(例如，xEV)的实施例的透视图。虽然就具有再生制动系统的车辆而展开以下论述，但本文所述的技术可适用于通过电池捕获/存储电能的其它车辆，所述车辆可以包括电动车辆和燃料动力车辆。此外，所述实施例也可以用于固定电力系统中。
如上文所述，电池系统12可以适宜地在很大程度上与传统车辆设计兼容。因此，电池系统12可以被放置在车辆10中的原本容纳传统电池系统的位置中。例如，如图示，车辆10可以包括与典型内燃机车辆的铅酸电池类似(例如，在车辆10的发动机盖之下)而定位的电池系统12。
图2中描述电池系统12的较详细视图。如图所描绘，电池系统12包括能量存储部件13，该能量存储部件13耦接到点火系统14、交流发电机15、车辆操纵台16并任选地耦接到电动机17。通常，能量存储部件13可以捕获/存储车辆10中产生的电能，并输出电能以对车辆10中的电气装置供电。
换句话说，电池系统12可以将电力供应给车辆的电气系统的部件，所述部件可以包括散热冷却风扇、气候控制系统、电动助力转向系统、主动悬挂系统、自动泊车系统、电动油泵、电动增压器/涡轮增压器、电动水泵、加热挡风玻璃/除霜器、窗升降电动机、梳妆灯、轮胎压力监测系统、天窗电动机控制机构、电动座椅、警报系统、信息娱乐系统、导航特征、车道偏离警告系统、电动驻车制动器、外部灯或其任何组合。举例来说，在描绘的实施例中，能量存储部件13将电力供应给车辆操纵台16和点火系统14，这可用于启动(例如，曲柄启动)内燃机18。
此外，能量存储部件13可以捕获由交流发电机15和/或电动机17产生的电能。在一些实施例中，交流发电机15可以在内燃机18正运行时产生电能。更具体来说，交流发电机15可以将通过内燃机18的旋转而产生的机械能转换为电能。附加地或替代地，当车辆10包括电动机17时，电动机17可以通过将通过车辆10的移动(例如，车轮的旋转)而产生的机械能转换为电能而产生电能。因此，在一些实施例中，能量存储部件13可以在再生制动期间捕获由交流发电机15和/或电动机17产生的电能。因此，交流发电机15和/或电动机17在本文中概括地被称为再生制动系统。
为了便于捕获并供应电能，能量存储部件13可以经由总线19而电耦接到车辆的电气系统。例如，总线19可以使能量存储部件13能够接收由交流发电机15和/或电动机17产生的电能。此外，总线19可以使能量存储部件13能够将电能输出给点火系统14和/或车辆操纵台16。因此，当使用12伏电池系统12时，总线19可以携载通常介于8伏与18伏之间的电力。
此外，如图示，能量存储部件13可以包括多个电池模块。例如，在所示的实施例中，能量存储部件13包括根据本发明的实施例的Li离子(例如，第一)电池模块20和铅酸(例如，第二)电池模块22，其中每一电池模块20、22包括一个或更多个电池单元(例如，单独地密封的电池单元)。在其它实施例中，能量存储部件13可以包括任何数量的电池模块。此外，虽然Li离子电池模块20和铅酸电池模块22被描绘为相互邻近，但它们可以定位在车辆各处的不同区域中。例如，铅酸电池模块22可以定位在车辆的内部中或在车辆的内部各处，而Li离子电池模块20可以定位在车辆10的发动机盖之下。
在一些实施例中，能量存储部件13可以包括多个电池模块以利用多种不同的电池化学。例如，当使用Li离子电池模块20时，电池系统12的性能可以得到改进，因为与铅酸电池化学相比，Li离子电池化学通常具有较高库伦效率和/或较高充电接受速率(例如，较高最大充电电流或充电电压)。因此，电池系统12的捕获、存储和/或配电效率可以得到改进。
为了便于控制对电能的捕获和存储，电池系统12可以另外包括控制模块24。更具体地，控制模块24可以控制电池系统12中的部件(例如，能量存储部件13内的继电器(例如，开关)、交流发电机15和/或电动机17)的操作。例如，控制模块24可以调节由每一电池模块20或22捕获/供应的电能的量(例如，对电池系统12降低额定值和重新设定额定值)，执行电池模块20与22之间的负载平衡，确定每一电池模块20或22的荷电状态(SOC)，确定每一电池模块20或22的温度，控制由交流发电机15和/或电动机17输出的电压，以及诸如此类。
因此，控制模块24可以包括一个或更多个处理器26和一个或更多个存储器28。更具体来说，一个或更多个处理器26可以包括一个或更多个专用集成电路(ASIC)、一个或更多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或更多个通用处理器或其任何组合。此外，一个或更多个存储器28可以包括易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)、光学驱动器、硬盘驱动器或固态硬盘)。在一些实施例中，控制模块24可以包括车辆控制单元(VCU)的部分和/或独立电池控制模块。
如上文所述，12V车辆架构中的Li离子电池可以应用到12V双能量存储系统(DESS)和12V起动机应用。在12V DESS应用中，Li离子电池20(例如，具有若干Li离子电池单元的模块)可以并联连接到铅酸(PbA)电池22，并且两者可以连接到车辆的电气总线19。对于12VDESS来说，现认识到，Li离子电池开路电压(OCV)可以适宜地部分地匹配铅酸电池OCV，以使得在100％荷电状态(SOC)下铅酸电池的OCV约等于在50％SOC下锂离子电池的OCV。图3中阐述了此OCV关系的实例。
图3是图表94的实施例，图示OCV 96随着铅酸电池22(例如，由线100表示)和Li离子电池20(例如，由线102表示)的SOC 98而变化。如图3的图示实施例所示，12V Li离子电池系统20具有电压曲线，其中在50％SOC(在点104处示出)下，Li离子电池系统20具有(例如，在10％内、在5％内、在1％内)约13V的电压。在100％SOC下，铅酸电池22的电压(如点106处所示)约(例如，在10％内、在5％内、在1％内)等于在50％SOC(如点104处所示)下Li离子电池系统20的电压。就铅酸电池22和Li离子电池20的电压并非精确地匹配来说，当前认识到，在50％SOC下Li离子电池20的电压可以与在100％SOC下铅酸电池22的电压相差在约150毫伏(mV)内或介于1％与2％之间。
铅酸电池22与Li离子电池20之间的此OCV/SOC关系可以使DESS能够以实现顶端再生容量和底端放电容量的方式平衡。更具体来说，此关系在再生时间(例如，充电)期间使用Li离子电池20促进充电接受，并且在能量存储部件13经历快速放电的时间期间促进铅酸电池22放电。
顶端再生容量可以与Li离子电池20即使在铅酸电池22处于100％SOC下时也从再生系统(例如，再生制动系统)接受充电的能力大致对应。底端放电容量可以与铅酸电池22即使在Li离子电池20处于50％SOC下时也提供放电电流的能力大致对应。附加地或替代地，底端放电容量可以与Li离子电池20在铅酸电池22处于其最低期望操作SOC(例如，80％SOC)下时提供放电电流的能力对应。例如，Li离子电池20可以在铅酸电池22处于80％SOC下的电压下具有大于10％的SOC。在图3的所示实施例中，铅酸电池22在80％SOC(如点108处所示)下具有约12.6V的电压，并且Li离子电池20在12.6V(如点110处所示)下具有(例如，在10％内、在5％内或在1％内)约20％的SOC。
如上文所述，现在也认识到，Li离子电池20的电压曲线可以适宜地在其预期SOC操作范围内具有某一曲率。例如，可以基于电压测量以及相关联的SOC估计来执行与Li离子电池20相关的某些诊断测量，以确定诊断参数，例如，Li离子电池20的运转状况和/或Li离子电池20的剩余操作寿命。更具体来说，可以(例如，经由电压传感器)测量Li离子电池20的电压，并且可以基于Li离子电池电压测量来估计Li离子电池20的SOC。如果电压在整个SOC宽范围中保持相对平缓(即，曲线具有小曲率乃至不具有曲率，或具有极小斜率)，那么电压测量的小变化可以导致SOC估计的相对大的变化。因此，可以适宜地将Li离子电池20设计为具有斜率充分大于电压测量不确定性程度的电压曲线，这可实现稳健的SOC估计。
可以使用4个、5个或6个Li离子电池单元来开发此种Li离子电池20(例如，参见图5到图8)。然而，系统成本、系统占据面积、系统冷却要求以及与Li离子电池模块相关的类似考虑事项可以直接与系统中的电池单元的数量相关。为了单独降低总系统成本，或为了与减小系统占据面积和冷却要求结合而降低总系统成本，在提供上文所述的电压匹配的系统中可以适宜地具有最少数量的电池单元。对于4个电池单元的系统来说，具有约3.25V的标称电压的Li离子电池单元可以是适合的。对于5个电池单元的系统来说，具有约2.6V的标称电压的Li离子电池单元可以是适合的。此种Li离子电池单元也可以用于制造12V起动机电池。电池层级电压可以符合现有车辆电压架构，并且也可以有益于通过将总电池单元数减到最少而使总系统成本降低。根据本发明的实施例，Li离子电池单元中的每一个可以组合以产生介于12V与16V之间、介于12.5V与15.5V之间或介于13V与15V之间的标称电池模块电压。此外，在一些实施例中，Li离子电池模块20可以在50％SOC下具有介于12.5V与13.5V之间、介于12.8V与13.4V之间或介于13V与13.2V之间的电压。因此，Li离子电池模块20可以被配置成在车辆10的电气总线19内操作，而不破坏总线19(例如，总线19或与总线19相关联的部件在高于15.5V以及低于12.5V的电压下可能是敏感的)和/或控制模块24。例如，在一些状况下，以高于高电压阈值(例如，15.5V或16V)或低于低电压阈值(例如，11V或12.5V)的电压操作的电池模块可干扰控制模块24和/或与总线19相关联的其它电子部件。因此，本公开的Li离子电池模块20可以减少和/或消除对控制模块24和/或总线19的干扰。
图4是图表138的实施例，图示电池电压140(例如，OCV)随着4个电池单元的Li离子电池模块(由线144表示)和5个电池单元的Li离子电池模块(由线146表示)的每一Li离子电池单元的SOC 142变化而变化。对于4个电池单元架构来说，如线144所示，与5个电池单元架构相比，每一Li离子电池单元具有较高标称电压。此外，在50％SOC下，4个电池单元架构的每个Li离子电池单元具有约3.26V的OCV。对于5个电池单元架构来说，与4个电池单元架构相比，每一Li离子电池单元具有略微较低的标称电压，并且在50％SOC下具有约2.6V的OCV。
如上文所述，Li离子电池单元的电压曲线的增大的斜率可以有助于基于Li离子电池单元的电压测量来估计SOC。如图4的图示实施例所示，计算线性趋势线而对4个电池单元Li离子电池模块(如线148所示)和5个电池单元Li离子电池模块(如线150所示)的Li离子电池单元的实际电压曲线进行拟合。线性趋势线各自包括斜率，该斜率表征Li离子电池单元的电压随着Li离子电池单元的SOC变化而变化。图4的线性趋势线的斜率在本文中被称为Li离子电池单元的电压曲线的平均斜率。4个电池单元Li离子电池模块20的Li离子电池单元的线性趋势线包括(例如，在10％内、在5％内或在1％内)约0.0056伏/SOC(％)的平均斜率。5个电池单元Li离子电池模块20的Li离子电池单元的线性趋势线包括约0.0045伏/SOC(％)的平均斜率。因此，在一些实施例中，Li离子电池单元可以包括具有介于0.0010伏/SOC(％)与0.010伏/SOC(％)之间、介于0.0020伏/SOC(％)与0.0080伏/SOC(％)之间或介于0.0040伏/SOC(％)与0.0060伏/SOC(％)之间的平均斜率的电压曲线。虽然图4的图示实施例中的趋势线呈线性，但是应认识到，可以计算其他适当形状的趋势线以确定Li离子电池单元的电压曲线(电压随着SOC变化而改变)的斜率和/或估计Li离子电池单元的SOC。
图5是具有呈4×1布置的四个Li离子电池单元160的Li离子电池模块20的实施例的透视示意图。如图5的图示实施例所示，四个Li离子电池单元160中的每一个设置在电池模块外壳162中。此外，四个Li离子电池单元160可以经由设置在电池单元端子166上方的汇流条164而相互耦接。在一些实施例中，四个Li离子电池单元160中的每一个相互串联地耦接以形成具有12V的电压的Li离子电池模块20。因此，汇流条164可以将Li离子电池单元160的正极端子连接到邻近Li离子电池单元160的负极端子以将Li离子电池单元160串联地耦接。然而，在其它实施例中，Li离子电池单元160可以按另一适当配置相互耦接以形成具有12V的电压的Li离子电池模块20。
此外，具有模块端子170的盖168可以设置在外壳162的开口172上方。模块端子170可以在电池模块外壳160的相应端部174和176处耦接到电池单元端子166，以便在Li离子电池单元160与模块端子170之间建立电气连接。因此，模块端子170可以耦接到电气总线19和/或另一适当装置以将电力从Li离子电池单元160提供给负载。
图6是具有呈2×2布置的四个Li离子电池单元160的Li离子电池模块20的实施例的透视示意图。如图6的图示实施例所示，Li离子电池单元160仍相互串联地耦接，以使得汇流条164将Li离子电池单元160的正极端子耦接到邻近Li离子电池单元160(例如，直接邻近或对角邻近)的负极端子。虽然汇流条164被示出为在电池单元端子166之间呈对角配置，但应认识到，可以利用其它电池单元端子166和汇流条164配置。
图7和图8分别是具有五个Li离子电池单元160和六个Li离子电池单元160的Li离子电池模块20的实施例的透视示意图。另外，Li离子电池单元160可以按串联配置和/或另一适当配置相互耦接以形成具有12V的电压的Li离子电池模块20。
电池模块20中包括的Li离子电池单元160的量(例如，4个、5个、6个或另一适当量)可以取决于Li离子电池单元160的化学配置，所述化学配置产生预定的标称电压(例如，2.6V或3.26V)。通常，Li离子电池单元将包括阴极(正极)、阳极(阴极)和电解质。阴极和阳极各自包含电极活性材料，所述电极活性材料使电极能够在充电和放电循环期间存储和转移离子(例如，Li离子)。电极活性材料是否适合用于阴极或阳极通常由电极活性材料相对于Li+/Li0的参考电压来确定。可以考虑与正极活性材料相比，Li离子电池单元的负极活性材料包含具有相对于Li+/Li0较低的电压的电极活性材料。上文阐述的标称电压可以主要通过对阴极的活性材料化学组成的适当选择和组合以及适当阳极活性材料的使用来实现，但电解质化学组成也可以对电池单元操作具有影响。例如，Li离子电池单元的标称电压可以是正极活性材料相对于Li+/Li0的电压减去负极活性材料相对于Li+/Li0的电压。
电极活性材料通常可以是任何类型、配置或化学组成，只要阴极活性材料和阳极活性材料的组合提供上文阐述的标称电压和电压曲线。作为实例，阳极活性材料可以包括石墨，或可以包括基于钛酸盐的材料(例如，钛酸锂，LTO)。阴极活性材料可以包括不同的锂化金属氧化物、混合金属氧化物成分或锂金属磷酸盐中的任何一种或组合。
如本文中使用的，阴极活性材料的锂化金属氧化物和混合金属氧化物成分可以表示化学式包含锂和氧以及一种或更多种额外金属物质(例如，镍、钴、锰、铝、铁或另一适当金属)的任何类别的材料。锂化金属氧化物实例的非限制性列表可以包括：包含锂、镍、锰和钴离子的混合金属复合物(composition)，例如，锂镍钴锰氧化物(NMC，LiNixMnyCozO2，其中x+y+z＝1)、锂镍钴铝氧化物(NCA)(例如，LiNixCoyAlzO2，其中x+y+z＝1)、锂钴氧化物(LCO)(例如，LiCoO2)以及锂锰氧化物尖晶石(LMO尖晶石)(例如，LiMn2O4)。
叠层(layered-layered)材料和/或叠层尖晶石材料也可以用作阴极活性材料。叠层材料可以具有下式：xLi2M1O3·(1-x)LiM2O2，其中：M1是Mn、Ti、Zr和其组合；M2是Mn、Ni、Co、Cr和其组合，并且x大于0且小于1。作为又一实例，叠层材料可以包括xLi2MnO3·(1-x)LiMO2(M＝Mn、Ni)，并且可以具有相对高的参考电压(>4.4V相对于Li+/Li0)。叠层尖晶石材料具有类似结构，并且还包含嵌入的尖晶石成分。尖晶石结构可以表示具有立方密堆积晶格结构的化学物质。这种叠层尖晶石材料可以通过减少母体叠层材料的总锂含量同时将Mn:M比维持在恒定值来制造。叠层尖晶石的一个实例可以由化学式LixMn0.65Ni0.35Oy表示，其端元是：0.3Li2MnO3·0.7LiMn0.5Ni0.5O2(x＝1.3；y＝2.3)，其中平均锰和镍氧化状态分别是4+和2+；以及LiMn1.3Ni0.7O4(x＝0.5；y＝2)，其中对应平均氧化状态分别预期为，对于Mn而言处于4+与3.77+之间，并且对于Ni而言处于2.57+与3+之间。某些叠层尖晶石阴极材料可以具有相对于Li+/Li0高于4.4V的电压(例如，相对于Li+/Li0高达约5V)。
这种材料可以被视为高电压尖晶石(HVS)活性材料，并且可使用尖晶石标记法来表示。HVS材料可以具有化学式LiMxMn2-xO4(使用常规尖晶石标记法)，其中x可以介于0.35与0.65之间，并且M表示金属，例如，过渡金属。作为实例，金属(M)可以是镍、铬、铁或另一过渡金属。在某些实施例中，HVS可以例如具有化学式LiMn1.5Ni0.5O4或LiNi0.4Mn1.6O4或LiNiMnO4。此外，HVS的此类实施例可以是在镍侧上掺杂(例如，将Ni的一部分替换为另一金属)的金属或在锰侧上掺杂(例如，将Mn的一部分替换为另一金属)的金属。在某些实施例中，HVS具有相对于Li+/Li0约4.4V的标称电压，但是较高电压可以通过对构成层的适当选择(例如，在叠层材料中)来实现。
用于阴极活性材料的锂金属磷酸盐可以表示化学式包含锂和磷酸盐以及一种或更多种额外金属物质(例如，镍、钴、锰、铁或另一适当金属)的材料。例如，这种锂金属磷酸盐可以被表示为LiMPO4，其中M是Mn、Co、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V、Al及其混合物。锂金属磷酸盐实例的非限制性列表可以包括：磷酸镍锂(LiNiPO4)、磷酸钴锂(LiCoPO4)、磷酸锰镍锂(LiNiMnPO4)、磷酸铁锂(LiFePO4)和磷酸铁锰锂(LiMnFePO4)。
另外，阴极活性材料可以单独地或以适当组合使用以实现适当的标称电压和电压曲线。每一组合可以提供特定标称电压和特定电压曲线。作为实例，第一阴极活性材料可以与一种或更多种第二阴极活性材料组合(例如，物理上掺合)，并且所掺合的组合可以被涂布到适当集电体上以制造阴极。因此，每一Li离子电池单元可以包括具有一种、两种、三种或更多种活性材料的阴极。因此，本文所述的Li离子电池单元可以各自具有使用选自下组的活性材料中的任何一种或组合形成的阴极，所述组包括以下各项或者由以下各项组成：LiNixMnyCozO2，其中x+y+z＝1；LiNixCoyAlzO2，其中x+y+z＝1；LiCoO2；LiMn2O4；LiMxMn2-xO4，其中x可以介于0.35与0.65之间，并且M是镍、铬或铁；LiMPO4，其中M是Mn、Co、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V、Al及其混合物，例如，LiNiPO4、LiCoPO4、LiNiMnPO4、LiFePO4和LiMnFePO4。
根据本公开的某些实施例，负极活性材料可以包含某些钛酸盐物质(例如，LTO)、石墨或两者的组合。在其它实施例中，负极活性材料可以单独包含其它电极活性材料，或者包含其它电极活性材料与LTO和/或石墨组合。此外，在某些实施例中，LTO可以具有尖晶石结构。作为非限制性实例，LTO可以具有化学式Li4Ti5O12。LTO可以分别经由金属掺杂或电负性原子掺杂而阳离子掺杂和/或阴离子掺杂。一个实例是金属氟掺杂。掺杂可以将LTO的化学式改变为M-Li4Ti5O12，其中M表示金属，例如，过渡金属。作为实例，金属(M)可以是钡、锶、钼、钕、镍、锰、铬、钨、镧或另一过渡金属。附加地或替代地，LTO可以经碳涂布，以使得用于制造负极的LTO可以包含介于0.05重量％与1重量％之间的碳纳米管或碳纳米纤维。碳涂层可以提高LTO的导电率，并且可以使LTO钝化(例如，经由钝化层)以抑制因与电解质反应而产生气体。为了形成经碳涂布的LTO，可以使用机械混合工艺，例如，研磨。在某些实施例中，LTO可以具有相对于Li+/Li0约1.55V的电压。
鉴于前述内容，应了解，根据本文所述的标称电压和电压曲线考虑事项，可以利用多种不同的化学组成。当前预期到，可以使用对上文所述的锂金属氧化物、锂金属磷酸盐、高电压尖晶石或叠层阴极材料中的一种或组合的适当选择来制造具有本文所述的标称电压和电压曲线的电池单元。
对于具有期望电压曲线并且每一电池单元具有约3.26V的标称电压的4个电池单元系统来说，当前预期到，可以使用具体阴极和阳极活性材料来制造这种电池单元。例如并通过非限制性实例，可以单独利用较高电压阴极材料(例如，HVS)或与一种或更多种锂金属氧化物(例如，NMC、NCA)组合利用较高电压阴极材料。在这种实施例中，LTO可以用作阳极活性材料。当石墨用作阳极活性材料时，可能未必需要这种高电压阴极活性材料，但是可以在认为有益时，使用这种高电压阴极活性材料。对于每一电池单元具有约2.6V的标称电压的5个电池单元系统来说，可以选择广泛地各种阴极和阳极活性材料。
图9是过程200的实施例的流程图，用于确定Li离子电池单元160的诊断参数和/或状态(例如，Li离子电池单元160的运行状况、Li离子电池单元160的操作寿命、Li离子电池单元160的剩余电量以及其它)。例如，在框202处，使用设置在Li离子电池模块20的外壳162中的电压传感器来测量Li离子电池单元160的电压。在一些实施例中，可以将Li离子电池单元160的电压测量作为反馈引导到控制模块24。如在框204处所示，控制模块24可以将Li离子电池单元160的电压曲线存储在存储器28中，并且基于测量的电压而估计Li离子电池单元160的SOC。
此外，如在框206处所示，控制模块24可以利用Li离子电池单元160的SOC和/或电压测量以确定Li离子电池单元160的诊断参数和/或状态。例如，控制模块24可以利用Li离子电池单元160的SOC和/或电压以计算和/或估计Li离子电池单元160的运行状况、Li离子电池单元160的操作寿命、Li离子电池单元160的剩余电量、Li离子电池单元160的容量、Li离子电池单元160的电阻、Li离子电池单元160的电流、Li离子电池单元160的温度、Li离子电池单元160的阳极和/或阴极的劣化或其组合。
本公开的一个或更多个实施例可以单独地或组合地提供在电池模块以及电池模块的部分的制造中有用的一个或更多个技术效果。概括而言，本公开的实施例包括改进的Li离子电池模块，所述Li离子电池模块包括在50％SOC下的电压，该电压基本上(例如，在10％内、在5％内或在1％内)等于在100％SOC下铅酸电池模块的电压。因此，Li离子电池模块可以即使在铅酸电池处于满SOC下也进行再生(例如，接收电力)，并且铅酸电池可以在Li离子电池处于小于100％的SOC下时供应电力(例如，供应到xEV)。此外，Li离子电池模块的每一Li离子电池单元可以包括具有增大的斜率的电压曲线以有助于确定Li离子电池单元的诊断参数和/或状态。此外，Li离子电池单元可以包括使Li离子电池单元能够产生相对高电压的化学配置。因此，可以减少Li离子电池单元的数量，因此减小Li离子电池模块的尺寸和/或成本。本说明书中的技术效果和技术问题是示范性的，而不是限制性的。应注意，本说明书所述的实施例可以具有其它技术效果，并且可以解决其它技术问题。
已通过举例方式示出上文所述的具体实施例，并且应理解，这些实施例可以具有各种修改和替代形式。应进一步理解，权利要求书意在不限于本公开的具体形式，而是意在涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、等同方案和替代方案。

Claims (14)

1.一种方法，包括：
使用测量电子器件测量锂离子电池单元的电压，所述测量电子器件包括电压传感器；
基于所述锂离子电池单元的所述电压以及所述锂离子电池单元的电压曲线来估计所述锂离子电池单元的荷电状态(SOC)，所述电压曲线由所述锂离子电池单元的所述电压与所述锂离子电池单元的所述电荷状态之间的关系来限定，其中，所述锂离子电池单元的所述电压曲线包括大于与所述锂离子电池的所述电子器件相关联的电压测量不确定性程度的斜率；以及
基于所述锂离子电池单元的所述荷电状态、所述锂离子电池单元的所述电压或两者来确定所述锂离子电池单元的诊断参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述锂离子电池单元是车辆的双能量存储系统或锂离子起动机电池的单元。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述锂离子电池的所述电压曲线具有在0.0040V/SOC(％)至0.0056V/SOC(％)之间的平均斜率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述锂离子电池具有约2.6V的标称电压或约3.26V的标称电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述诊断参数包括所述锂离子电池单元的运行状况或所述锂离子电池单元的剩余操作寿命。
6.一种双能量存储系统，包括：
锂离子电池单元；
测量电子器件，所述测量电子器件测量所述锂离子电池单元的电压，所述测量电子器件包括电压传感器；以及
控制模块，所述控制模块包括存储器，其中由所述电压传感器测量的所述电压被存储在所述存储器上，所述控制模块以：
基于所述锂离子电池单元的所述电压以及所述锂离子电池单元的电压曲线来估计所述锂离子电池单元的荷电状态，所述电压曲线由所述锂离子电池单元的所述电压与所述锂离子电池单元的所述电荷状态之间的关系来限定，以及其中，所述锂离子电池单元的所述电压曲线包括大于与所述锂离子电池的所述电子器件相关联的电压测量不确定性程度的斜率；以及
基于所述锂离子电池单元的所述荷电状态、所述锂离子电池单元的所述电压或两者来确定所述锂离子电池单元的诊断参数。
7.根据权利要求6所述的双能量存储系统，其中所述锂离子电池的所述电压曲线具有在0.0040V/SOC(％)至0.0056V/SOC(％)之间的平均斜率。
8.根据权利要求7所述的双能量存储系统，其中所述平均斜率是0.0045V/SOC(％)。
9.根据权利要求7所述的双能量存储系统，其中所述平均斜率是0.0056V/SOC(％)。
10.根据权利要求6所述的双能量存储系统，其中所述锂离子电池单元具有约2.6V的标称电压或约3.26V的标称电压。
11.根据权利要求6所述的双能量存储系统，其中所述锂离子电池单元具有约3.26V的标称电压。
12.根据权利要求6所述的双能量存储系统，其中所述锂离子电池单元具有约2.6V的标称电压。
13.根据权利要求6所述的双能量存储系统，其中所述锂离子电池单元具有由选自由以下各项组成的组中的一种或更多种阴极活性材料形成的阴极：LiNixMnyCozO2，其中x+y+z＝1；LiNixCoyAlzO2，其中x+y+z＝1；LiCoO2；LiMn2O4；LiNiMnO4，LiMxMn2-xO4，其中x可以介于0.35与0.65之间，并且M是镍、铬或铁；LiMPO4，其中M是Mn、Co、Ni、Fe、Zn、Cu、Ti、Sn、Zr、V、Al及其混合物(例如，LiNiPO4、LiCoPO4、LiNiMnPO4、LiFePO4和LiMnFePO4)。
14.一种车辆，包括权利要求6所述的双能量存储系统。
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