CN1950967A - 车辆用双极电池单元和组合电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种其中配设有放电电路的双极电池单元，可以自动地平衡充电条件。此双极电池单元包括多个双极电极，每个双极电极包括集电器，所述集电器具有位于一个表面上的正电极层和位于另一表面上的负电极层。所述双极电池单元还包括在所述双极电极之间交换离子的多个电解质层；以及电气导通相邻双极电极的放电电路。所述放电电路与所述正电极层、所述负电极层或所述电解质层中的至少一层设置在同一表面上。多个双极电池单元进行组合以构成车辆用的组合电池。

Description

车辆用双极电池单元和组合电池
技术领域
本发明涉及电池，特别是用在车辆中的电池。
背景技术
双极电池是由多个双极电极构作而成的电池，并具有优良的特性，诸如轻、薄和较佳热辐射等。
当双极电池用作车辆的动力源时，要求可靠性和稳定性。如果双极电池的多个电池元(电池元形成在各双极电极之间)的充电能力不同，则不能给出所需的输出特性和容量特性。因此，每一电池元的充电条件在任何时候都需要予以均衡。
为此目的，每一电池元的充电和放电系统是通过连接相应于每一电池元的电压检测导线(用于检测电池元的电压)和旁路导线(用于旁路电池元)而各别进行控制的。旁路导线的连接是按照电压检测导线检测的电压进行控制的。
不过，电压检测导线和旁路导线是不希望有的，因为电压检测导线和旁路导线(bypass wire)必须从设置在双极电极之间的每一集电器引出，这往往需要很多的工时。此外，必须确保包罩材料的密封性。
发明内容
提供了一种用于车辆的双极电池单元，具有配设的放电电路，可以自动地平衡充电条件而不用电压检测导线和旁路导线。此外，用于车辆的双极组合电池是由多个双极电池单元构成的。
双极电池单元包括多个叠置的双极电极。在一集电器的一个表面上，形成正电极层。在另一表面上，形成负电极层。在相应双极电极之间交换离子的多个电解质层一个接一个地叠置。放电电路设置成使相邻双极电极导电。放电电路可以与正电极层或负电极层或电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
在一项实施例中，双极电池单元可以根据每一电池元的电压自动地平衡充电条件而无需引出电压检测导线和旁路导线，因为放电电路与正电极层或负电极层或电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
双极电池单元可以自动地平衡充电条件而无需引出电压检测导线和旁路导线，因为使相邻双极电极电气连通的放电电路设置与集电器的正电极层或负电极层或电解质层中的至少一层设置在同一表面上。结果，可以提高电池制造工作效率和可靠性。
在一项实施例中，所提供的双极电池单元具有配设的放电电路，可以自动地平衡充电条件。此双极电池单元包括多个双极电极，各双极电极包括集电器，集电器在一个表面上具有正电极层而在另一表面上具有负电极层。此双极电池单元还包括多个电解质层，在双极电极之间交换离子；以及放电电路，使相邻双极电极导电。放电电路与正电极层、负电极层或电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
在另一实施例中，组合电池包括多个双极电池单元。
在另一实施例中，车辆包括一或多个双极电池单元的组合电池和控制器。
在另一实施例中，形成双极电池单元的方法包括叠置多个双极电极，各双极电极包括集电器，集电器在一个表面上具有正电极层而在另一表面上具有负电极层。此方法还包括叠置在双极电极之间交换离子的多个电解质层，以及叠置使相邻双极电极导电的放电电路。
在另一实施例中，双极电池单元包括多个双极电极，各双极电极包括集电器，集电器在一个表面具有正电极层而在另一表面上具有负电极层。此双极电池单元还包括用于在双极电极之间交换离子的装置，以及用于通过使相邻双极电极导电而使双极电池单元放电的装置。
附图说明
本发明的一或多项实施例的细节阐述在附图和下面的说明中。本发明的其他一些特点、目的和优点根据说明书和附图以及各项权利要求将显而易见。
图1是本发明实施例的双极电池单元的透视图；
图2是双极电池单元内部的透视图；
图3是双极电池单元内部的透视图；
图4-9是配设在双极电池单元中的放电电路的范例图；
图10-12是图示配设在双极电池单元中的发光元件的范例图；
图13A-13C是组合电池内部的示意图；
图14图示配备在车辆中的组合电池。
具体实施方式
现在根据附图详细说明双极电池单元、组合电池和配备组合电池的车辆。在附图中，用以构造双极电池的每一层的厚度和形状都以放大方式画出。不过，这是为了更好地理解本发明的主题，而附图并不意味着符合于双极电池每一层的厚度和形状。
图1是双极电池单元100的示意简图。一双极电池单元实例100示于图1中，其具有扁平的矩形形状。从双极电池单元100的两端引出正电极接头120A和负电极接头120B以便受电(absorb electricity)。电产生元件160用双极电池单元100的包罩材料180(比如叠层膜)进行包封，而该元件的周边进行热密封。
图2和3图示双极电池单元100的内部，而图4-9图示配设在双极电池单元100中的双极电池的放电电路。正像从底部到顶部一路逐层地在每一层上涂画而用喷墨印制机印制图像那样，双极电池单元100可以通过从多个喷嘴排出形成每一层所需的材料进行制造。此外，双极电池单元100配有放电电路，也是利用印刷方法制成。
图2是说明双极电池单元100内部的分解透视图。在此图中，为了说明方便每一层予以分解；不过，各层实际上都是不能予以分解的，因为在实现本发明的模式中，每一层都是利用印刷方法从底部到顶部逐层进行喷涂。
用于双极电池单元100每一层的材料如下。
用以形成正电极活性材料(positive-eletrode active material)212的正极油墨(positive ink)的制备包括作为正电极活性材料的LiMn204(85％重量)、作为导电辅助剂的乙炔炭黑(5％重量)、以及作为粘合剂的PVdF(10％重量)。NMP用作浆液粘度调节剂以调节油墨粘度。
正电极层是由混合在一起的活性材料、导电辅助剂(如果需要的话)、粘合剂和电解质(electrolyte)所形成的一层。活性材料在实施例中不予以限制。正电极活性材料的实例包括诸如LiMn204等Li-Mn体系中的化合物、诸如LiNiO2等Li-Ni体系中的化合物、诸如CoO2等Li-Co体系中的化合物、以及诸如Li-FePO4等磷酸铁化合物。在这些材料中，Li-Mn体系中的化合物从导电性优良这方面来看是最优选的。在某些情况下，可以使用一种以上的正电极活性材料。这里，Li电池的材料取作实例，然而碳可用作电容器。另外，也可使用诸如氢氧化镍、二氧化铅(plumbic oxide)、以及硫酸铅等水电解电池的材料。高导电性和难以由电流分解的一些材料，诸如像碳黑以及粉状石墨这样的碳材料；金，以及铂，都可用作导电辅助剂。粘合剂的实例包括聚偏氟乙烯(PVdF)、丁苯橡胶(SBR)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚烯烃、聚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺以及聚胺酯。电解质是离子导电聚合物与支持电解质的混合物。离子导电聚合物在本实施例中不予限制。聚环氧乙烷(PEO)和聚环氧丙烷(PPO)的聚合物可以取作实例。包含在活性材料层中的离子导电聚合物可以与用作本发明电极应用其上的电池电解质的一样的或不同，但优选的是一样的。支持电解质的实例包括LiBETI(双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺)锂；Li(C2F5SO2)2N)、LiPF6、LiBF6、LiClO4、LiASF6、以及LiCF3SO3。
用以形成负电极活性材料202的负极油墨的制备包括作为负电极活性材料的硬碳(90％重量)，以及作为粘合剂的PVdF(10％重量)。NMP用作浆液粘度调节剂以调节油墨粘度。
负电极层是由混合在一起的活性材料、导电辅助剂(如果需要的话)、粘合剂和电解质所形成的一层。负电极活性材料的实例包括结晶和非结晶碳材料。更为具体地说，诸如天然石墨和人造石墨等碳-石墨材料(carbon-graphite material)、炭黑、活性木炭、碳纤维、焦炭、软碳和硬碳都可采用。在这些材料中，从电池控制的观点看来，硬碳是最为可取的。碳材料(carbon material)最为适用于电容器。储氢合金(hydrogenstoring a11oy)、氢氧化镉和硫酸铅可以用于水电解电池。
用以形成离子导电材料208的电解油墨的制备包括作为电解溶液的PC-EC 1MLiBETI(90％重量)，以及包含10％HFP共聚物的PVdF-HFP(10％重量)。碳酸二甲酯(DMC)用作浆液粘度调节剂以调节油墨粘度。
电解质层可以是液体层、凝胶层或固体层中的任何一种。考虑到在电池损坏情况下的安全性和防止液体接触而希望是凝胶聚合物电解质层或全固体电解质层。凝胶聚合物电解质层用作电解质降低了电解质的流动性，并防止电解质流入集电器使得各层之间的离子导电性可以被消除。凝胶电解质主体聚合物的实例包括PEO、PPO、PVdF、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、PAN、PMA和PMMA。希望包含支持电解质以确保离子导电性。如果电池是锂蓄电池，则LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2或这些化合物的混合物可以用作支持电解质。不过，并不限于这些。如上述，聚环氧烷聚合物，诸如PEO和PPO，可以很好地溶解锂盐，诸如LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2以及LiN(SO2C2F5)2。另外，交联结构将实现优良的机械强度。
用以形成导电体200、204、204A和214的导电体油墨的制备包括作为导电颗粒的石墨(平均颗粒直径0.8m；90％重量)即颗碳粒，以及作为粘合剂的PVdF(10％重量)。NMP用作粘度改进剂以便制备包含导电颗粒的用于集器的油墨。
导电体只须具有导电性，在本实施例中不受限制。导电体的实例包括铝颗粒、SUS颗粒、银颗粒、金颗粒、钛颗粒，但不予限制。可以使用合金颗粒。聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯腈(PAN)、聚丙烯酸甲酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMS)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVdF)或者这些化合物的混合物，可以用作粘合剂。应当仅采用电学上高导电高聚物材料(导电聚合物)，而并不需要必须包含导电颗粒。导电聚合物的实例包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚对亚苯、亚苯基1，2亚乙烯基(phenylene vinylene)、聚丙烯腈、聚二唑或者这些化合物的混合物。
用以形成绝缘材料206的绝缘材料油墨的制备包括作为主体聚合物的包含10％HFP共聚物的PVdF-HFP(10％重量)。碳酸二甲酯(DMC)用作浆液粘度调节剂以调节油墨粘度。
绝缘材料仅须具有导电性，并在本实施例中不受限制。比如，用以形成凝胶聚合物电解质层的高聚物材料可以优先采用。绝缘材料的实例包括PEO、PPO、PVdF、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVdF-HFP)、PAN、PMA和PMMA。
正电极接头120A和负电极接头120B由AL板制成。希望是低电阻材料以吸收电流(absorb electric current)，且厚度是大约100μm。
油墨采用按照以下过程的喷墨方法予以施用。为了防止出现装设在喷墨印制机喷射部分上的塑料另件熔化的问题，装设在喷射部分上的另件用金属另件代替，使得油墨可以从油墨盒直接提供给金属另件。另外，为了防止活性材料在油墨中的沉积，油墨沉积物用转子予以搅扰。喷墨印制机用市面上有售的计算机和软件进行控制。油墨按照计算机上形成的图案通过用喷墨印制机印刷图像来予以施加。
电产生元件160通过利用喷墨印制方法涂敷预定的附着图案(adhesionpattern)来制成。在本发明的实现模式中，如图2中所示，预定的附着图案，显示在第一层至第五层上，就像用喷墨印制机印刷彩色图像那样，从底层到顶层逐层地被涂敷在基材200上面，以便形成电池元(electriccell)150。另外，电产生元件160，如图3中所示，通过重复地层叠电池元150七次而制成。
换句话说，负电极活性材料202印制在作为基材的导电体200的中间部分上，如图2中所示。同时，导电体204印制在某一部分上，而绝缘材料(insulant)206印制在外部周边上。附着图案针对每一层预先确定，诸如负电极活性材料202、导电体204A和绝缘材料206印制在导电体200的哪一部分上。控制物料喷射的印制机选择性地按照附着图案将导电体和绝缘材料喷射在各自位置上。
在第一层的印制完成之后，开始第二层的印制。在第二层的中间部分上，印制离子导电材料208作为交换锂离子的电极层，以及同时印制导电体204B、204C。此外，绝缘材料206印制在外部周边上。放电电路210设置在第二层的同一表面上，以便夹置在导电体204B与204C之间。放电电路210按照电池元150的电压而被接通或关断。放电电路210结构的说明依据图4随后陆续作出。
在第二层的印制完成之后，开始第三层的印制。在第三层的中间部分，印制形成双极电极的正电极层的正电极活性材料212。同时，印制导电体204D，而绝缘材料206印制在外部周边上。
在第三层的印制完成之后，开始第四层的印制。在第四层的整个表面上是导电体214，将成为集电器。
在第四层的印制完成之后，开始第五层的印制。在第四层上方，印制第五层。第五层的印制与第一层的印制一样。事实上，形成双极电极的负电极层的负电极活性材料202被印制在第五层的中间部分上。同时，印制导电体204A，而绝缘材料206印制在外部周边上。
此外，导电体200、第四层中的导电件214和这两个导电体之间的层成为电池元150。第三层到第五层成为双极电极220。
通过总共重复上述印制七次，可以制成如图3中所示的电产生元件160。作为电产生元件160底层的基材的导电体200连接于负电极接头120B(图1)。作为顶层的基材的导电体200连接于正电极接头120A(图1)。在此实例中，电产生元件160串联起来以构成电产生元件160，7倍于电池元150电压的电压产生在正电极接头120A与负电极接头120B之间。
放电电路210设置于如上述构成的电产生元件160的每一电池元中。放电电路210具有在层叠方向上电气导通相邻双极电极220的功能。包罩材料180的密封性和可靠性可以通过将放电电路210配设于电产生元件160而予以提高，因为用于检测电池元150电压的电压检测导线和用于旁路电池元150的旁路导线将不需要从双极电池100的内部引出。当然，可以提高组装工作效率，可以实现成本降低，因为不必采用电压检测导线和旁路导线而可以减少另部件数量。其次，在形成电绝缘方面的可靠性可以提高，因为在双极电池单元100内部和外部将不需要针对每一电压检测导线和旁路导线的电绝缘，使得诸如内部短路这样的故障可能性将会减少。进而，双极电池单元100的装设面积可以减小，因为在双极电池单元100的外部不需要设置另一组放电电路(平衡充电条件的调整电路)。
在一项实施例中，放电电路210设置在离子导电材料208设置其上的所述层的同一表面上。不过，另外，放电电路可以位于其上印制有负电极活性材料202或正电极活性材料212的所述层的同一表面上。另外，放电电路可以形成在多层上面。
放电电路210可以具有设定放电电压的阈值的功能。在电池元150的电压已经达到阈值时，放电电路210积极放电，使得电池元150的正极端和负极端电气导通，而在电池元150的电压没有达到阈值时不会积极放电。此外，电池元150经由彼此电气导通的导电体204A至204D进行检测。
如图4中所示，放电电路210可以配有设定放电电压的阈值的齐纳二极管231、232。放电电压的阈值可以设定在3.6V-4.1V之间。在放电电路210中，在电气导通时，电流流动，该电流是不电气导通时的100倍以上。将放电电压阈值设定于这一范围的原因是，如果工作电压范围设定在3.0V-4.2V之间，则在充电和放电到最充分程度的电动车辆的情况下，在按照电压检测到处于其充分容量的电池元之后，可以通过使具有的电压高于4.1V的各电池元放电而使电压均衡。在只以电池元的一半容量操作的混合车辆的情况下，放电电路210可以通过使具有的电压高于3.6V的电池元放电而使电压均衡。
放电电路包括有机半导体层，其为acenic、噻吩、亚苯基、金属代换酞菁、PEDOT、TCNQ、PTCDA、NTCDA、PTCDI、NTCDI、C60和C70、Alq3、Ir(ppy)3BCP、TPD和NPD；诸如ITO等氧化物；以及包含诸如铝、镁、金和银等金属的二极管或晶体管。较薄和较小的放电电路可以通过为放电电路配置机半导体层而使之付诸实施。希望的是，放电电路210包含由有机半导体和金属制成的肖特基二极管(Schottky diode)以及有机发光二极管层。结构可以通过在肖特基二极管层中设置放电电路210而更为简单，以致成本降低可以实现。
肖特基二极管用作为半导体层设置在金上的并五苯(pentacene)，一种acenic材料，构作而成，并且，在此层的顶部上设置银或铝。如果此半导体层、铝和银接合在肖特基结(Schottky junction)之内，材料不限于这些。
比如，有机发光材料依次与诸如金上的TPD和NPD等空穴传输材料(hole transport material)、诸如Alq3和Ir(ppy)3等发光材料、诸如BCP等电子传导材料(electron conduction material)、以及诸如铝和银等金属层叠。可以在金与空穴传输材料之间进行空穴注入(hole injection)，而电子注入(electron injection)在铝和BCP之间进行。如果对发光材料层进行空穴注入和电子注入，光得以产生，而材料组合并不限于这些。
晶体管依次与作为源电极设置在金子上的并五苯-一种acenic材料、作为门电极的诸如银和铝网等材料、并五苯、漏极电极的金子(the gold ofthe drain electrode)层叠。施加晶体管电压以接合门电极和并五苯，这样通过改变并五苯中耗尽层的厚度范围来改变两个金电极之间的电阻，其通过实例举例说明SIT结构。如果SIT结构能使源和漏电极中形成欧姆结(ohmic junction)，并在门电极中形成肖特基结，则材料并不限于这些。另外，MOSFET结构、JFET结构、双极晶体管结构得以形成。
此外，放电电路210配有发光器件233、234，发光器件233、234利用使电池元150放电时流动的电流发光。对发光作出响应的光传感器503(图3)可以装设在发光器件233、234附近。恒定电流电路235、236可以设置在放电电路210中，因为，如果流经发光器件的电流太大，发光器件233、234可能损坏。在一些实施例中，诸如MOSFET、JFET和MSSFET等器件用作形成恒定电流电路的器件。
采用发光器件233和234情况下的理想实施例的说明如下。在此实施例中，尤其是，电极不采用喷墨方法形成；集流箔(current collectingfoil)260的两个表面上用通常方法涂敷制成正电极层269和负电极层261，在该电极的两个表面上围绕该电极形成每一定恒定电流电路(包含齐纳二极管231、232)235、236、发光器件233、234。相邻的恒定电流电路与发光器件233、234之间的电气连接利用导电粘合材料形成，这将在此后予以说明。
希望的是，发光器件以细长形状形成在电极260的表面上。发光器件在垂直于电池表面的方向上发出很多光，而光利用配置在发光装置与电池端部之间的导光装置在电池的侧端处引出。因此，远离此侧发出的光沿途被吸收，使得如果发光器件设置得远离电池的该侧端，则光难以被引出。希望的是，发光器件以细长形状形成在电池表面上。在此实施例中，最好是长度小于10mm，而区域的面积小于整个电池的1％。
发光器件233和234的外围详细说明如下。导电密封剂501是含有导电颗粒的高聚物材料，而优选的是含有金属导电颗粒的导电颗粒，以便形成反射层。密封剂502由透明的、非导电高聚物材料构成。参照图12，它是图11表面A的横截面。
图10、11和12中的各实施例表明，从发光器件233、234发出的光可以经由密封剂502引向电池表面，因为导电密封剂501和密封剂502接触发光器件233、234。其次，光线可以更加可取地通过将导电密封剂501布设得接近电极层而引向电池表面，因为导电密封剂501用作反光器。此外，连接发光器件233、234的导电密封剂层的电阻值被用作发光器件233、234的电阻。电池电压可以升至10V，所以电阻值优选地是高于10Ω/cm2，因为发光器件233、234可耐住高达1A/cm2。
双极电极220、离子导电材料208、放电电路210以及光传感器由作为包罩材料180的叠层薄膜(可反射光的)予以覆盖和严密密封。如图1中所示，叠层薄膜180的周边与正电极接头120A、负电极接头120B以及引出的电压检测导线140热密封。当设置在放电电路210中的发光器件233、234发光时，如果电池元的电压超过击穿电压以及在反向充电的情况下电压成为低于齐纳二极管的正向电压的负值，则光在叠层薄膜的内部被反射以便由光传感器检测到。各种不正常情况在外面检查出来，使得比如电池单元的充电和放电可以被停止。因此，光传感器的装设位置可以是叠层薄膜内部的任何地方，只要能够检测到从发光器件233、234发出的光线即可。此外，可以检测出造成电产生元件160产生光传感器信号的任一电池元150的过电压。
虽然，就具有光传感器和发光器件233、234的放电电路210进行了说明，但放电电路可以不装设光传感器，而且可以设置或不设置发光器件。
如图4中所示，放电电路210可以与其上印制有离子导电材料208的离子导电层设置在相同表面上。此外，放电电路210可以用印制技术形成。放电电路210的一种示例性层结构示于图5中。可以采用各种印制技术，包括喷墨印制方法在内。
如图5中所示，在导电件260上，负电极材料261、绝缘材料262、正空穴传导材料263以及电子传导材料264按照预定的附着图案予以喷注。在正空穴传导材料263和电子传导材料264的厚度确定之后，EL材料(电发光(electroluminescence))265将被喷注在正空穴传导材料263和电子传导材料上面。在EL材料265的厚度确定之后，电解质266、电子传导材料264以及正空穴传导材料263将按照预定的附着图案予以喷注。在电子传导材料264和正空穴传导材料263的厚度确定之后，导电材料267将喷注在正空穴传导材料263和电子传导材料264上面。在导电材料267的厚度已确定之后，P型半导体268将被喷注在导电材料267上面。在电解质266的厚度确定之后，在P型半导体268的厚度变为预定值之前，代替电解质266喷注正电极材料269。在P-型半导体268的厚度已变为预定值之后，N型半导体270和金属(图中各方框部分)按照预定的附着图案被喷注在P型半导体上面。最后，放电电路通过喷注导电体260予以设置。
在图5中，发光层，换句话说，发光装置(发光二极管)233或234，由正空穴传导材料263、EL材料以及电子传导材料264的成层产物构成。齐纳二极管层，换句话说，齐纳二极管231或232，由P型半导体268和N型半导体270形成。在N型半导体270内侧P型半导体268形成所在的那部分是恒流电路235或236。此外，P型半导体层或金属层形成在齐纳二极管231或232的N型半导体层上，形成条纹状的外表。金属层在外面连接于P型半导体层。
在一项实施例中，放电电路210与双极单元150之间的接触面积大于相应双极电池单元150每电池容量0.06mm2。因而，接触面积可以以每电池容量来予以确定。比如，通过自行放电放出其电力50％的电池将最终放电每安培小时(Ah)0.7mA。在此情况下，电池不能长达一个月不进行充电。因此，它将必须予以更换。为了以三倍于自行放电的速度来恢复电压平衡，在放电电路210中电压平衡功能的低放电电流将需要是2mA，这比自行放电电流高三倍。半导体PN结的允许热值一般是每1mm2120mw。如果电池电压是3.5V，放电电流所需的面积将是每1Ah电池0.06mm2。
因而，在实际应用条件下确保足够的放电电流，且放电电路中的热值进行优化，则放电电路210的面积可以减小。
构成放电电路210和电压平衡电路的异常电压检测电路连同它们的放电特性示于图6和7中。异常电压检测电路具有的特性是，在电池元150的电压超过预定的放电电压阈值(电池的异常电压)的场合下，电流将按照电压值增大。一方面，它还具有的特性是，在电压处在放电电压阈值以下的场合下，将几乎没有电流流动(允许的暗电流)。当电压超过阈值时，大电流流过发光器件233、234以便发光。流过发光器件233、234的电流由电组装置240的电阻值予以控制，并设置恒流电路236以便电流不超过发光器件233、234的允许电流(参照图3)。此外，光传感器装设在发光器件附近，而用于光隔绝的通信装置将与传感器一起设立以便通过电位转换将发光器件偏离放电电压阈值的信息传送到外部。
电压平衡电路具有的特性是，在电池元150的电压超过预定的放电电压阈值(电池的异常电压)的场合下，电流将流过齐纳二极管231以便不超过放电电压的阈值。掺杂浓度(doping concentration)可以设定在1017与1018之间而耗尽层(depletion layer)的厚度在0.1μm与1.0μm之间，以将放电电路PN结的击穿电压设定为与相应的阈值相同。如图8中所示，半导体PN结的击穿电压仅基于掺杂浓度和耗尽层的厚度进行确定。因此，所需掺杂浓度和厚度按照图形确定。如果齐纳二极管231、232的特性进行优化，则放电电路210的暗电流可以减小，且电池的过度放电可以避免同时可长时间不进行充电，使得可以提供可靠的电池。
在本发明的实现模式中，通过将PN结中具有低掺杂浓度的穿通区域(punch through region)设置在0.5μm或更小、和通过在导电材料267上叠置P型半导体并进而在P型半导体上叠置N型半导体270而将齐纳二极管231、232叠置在导电材料267上，可以利用穿通区域的厚度控制击穿电压。这样，可以尽可能多地利用初始电池容量，因为电池将缓慢地放电，直至达到二极管的击穿电压为止。击穿电压将以高精度予以均衡，而串联设置的各电池的电压也将予以均衡。同时，击穿电压可以通过调节P型和N型层的掺杂浓度而不设置低掺杂浓度区域来进行控制。
放电电路210的另一实施例示于图9中，但与图5的区别仅在于构成恒流电路的那部分的层结构。区别只在于，P型半导体层叠置在导电材料267上面，在P型半导体层上叠置N型半导体层或者形成显出条纹状外表(giving a streaked appearance)的金属层，以及在此层顶部上叠置P型半导体271，且进一步在P型半导体271上叠置N型半导体。
即使具有这类层结构的放电电路210也可以设置如上所述的异常电压检测电路和电压平衡电路等功能电路。
在一项实施例中，双极电池可以自动地平衡各种充电条件而不需要引出电压检测导线和旁路导线。制造效率和电池可靠性可以提高，因为放电电路设置得夹置在各电池元之间。
如上述，双极电池单元可以用以形成电池模块250(参照图13)，具有多个以串联或并联方式连接的双极电池单元。此外，双极电池单元可以用以构成组合电池300，具有多个以串联或并联方式连接的电池模块250。
图13表明组合电池300的顶视图(图13A)、立面图(图13B)和侧视图(图13C)。各个电池模块250用诸如汇流条等电气连接装置彼此连接起来，而组合电池模块250用连接夹具310用多个电池模块叠置而成。至于多少双极电池单元应当连接起来以便制成组合电池模块250，或者多少模块叠置起来以便制成组合电池300，将取决于配备双极组合电池的车辆的电池容量或功率输出。
因而，具有多个以串联或并联方式连接的电池模块250的组合电池300可以确保高的容量和功率输出，而作为组合电池300可以保持持久的可靠性，因为每一电池模块250是可靠的。此外，即使部分电池模块250损坏了，也可以通过只更换失效的部分而予以修理。
在组合电池300的情况下，如果自行放电由于双极电池单元100中的最小短路(minimum short circuit)而被加速，则充电条件将是不平衡的，因为多个双极电池单元100是串联连接的。当充电条件为0％的双极电池单元和充电条件为100％的双极电池单元串联连接时，如果双极电池单元之一过度充电和过度放电，则另一双极电池单元将过度充电，使得电流不能流动。在此所述的双极电池单元具有配设的放电电路，可以自动地平衡充电和工作容量；并可以提高作为组合电池的可靠性和耐久性。此外，组合电池可以缩减体积，因为外部不需要平衡充电条件的装置。
组合电池300可以装设在电动车辆400中心区域的座位底下，如图14中所示。如果组合电池装设在座位底下，则可以增大车内空间和行李间。此外，组合电池300不仅可以装设在座位底下，还可以装设在后行李间下面或车辆前部的发动机室之内。配备如上述的组合电池300的电动车辆400是极其耐久的，而且即使在使用长时间之后也可以产生足够的输出。此外，可以提供具有优越燃油效率和行驶性能的电动车辆和混合车辆。另外，组合电池控制器401当光传感器503(图3)在接收光时确定充电条件正在被平衡，使得可以通过限制输出延长组合电池的寿命。
此外，不只是组合电池300，而且电池模块250自身也可以按照所需予以装设。或是，组合电池300和电池模块250二者可以组合装设。此外，其中可以装设组合电池或电池模块的车辆实例包括如上所述的电动汽车和混合式车辆，但是电池模块和组合电池的使用不限于这些车辆。
这样，所述的双极电池单元可以比较容易地批量生产，且双极电池单元的可靠性可以提高，因为组合电池可以按照每一电池元的电压自动地平衡充电条件而不需要引出电压检测导线和旁路导线。
本发明的各种实施例已经予以说明。这些和其他实施例都处在所附各项权利要求的范畴之内。

Claims (17)

1.一种双极电池单元，包括：
多个双极电极，每个双极电极包括集电器，所述集电器具有位于一个表面上的正电极层和位于另一表面上的负电极层；
在所述双极电极之间交换离子的多个电解质层；以及
电气导通相邻双极电极的放电电路。
2.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，所述放电电路与所述正电极层、所述负电极层或所述电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
3.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，所述放电电路与所述双极电极之间的接触面积大于所述双极电池每1Ah电池容量0.06mm2。
4.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，所述放电电路中放电电压的阈值设定在3.6V-4.1V之间，以及
其中掺杂浓度设定在1017-1018的范围内，而耗尽层的厚度设定在0.1μm-1.0μm之间，以便将所述放电电路PN结的击穿电压设定为与所述阈值相同。
5.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，所述放电电路包括齐纳二极管层。
6.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，所述放电电路包括发光装置。
7.按照权利要求6所述的双极电池单元，其中，还包括设置在所述发光装置与所述电池单元端部之间的光导引装置。
8.按照权利要求6所述的双极电池单元，其中，还包括对发自相应发光装置的光作出响应的光传感器。
9.按照权利要求8所述的双极电池单元，其中，所述放电电路包括恒流电路。
10.按照权利要求9所述的双极电池单元，其中，还包括覆盖和密封所述双极电极、所述电解质层、所述放电电路以及所述光传感器的包罩材料。
11.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，还包括覆盖和密封所述双极电极、所述电解质层以及所述放电电路的包罩材料。
12.按照权利要求1所述的双极电池单元，其中，还包括导电密封材料。
13.一种组合电池，包括多个双极电池单元，其中每个双极电池单元包括：
多个叠置的双极电极，每个双极电极包括集电器，所述集电器具有位于一个表面上的正电极层和位于另一表面上的负电极层；
在所述双极电极之间交换离子的多个电解质层；以及
电气导通相邻双极电极的放电电路，其中该放电电路与所述正电极层、所述负电极层或所述电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
14.一种车辆，包括：
控制器；以及
双极组合电池，该双极组合电池包括多个双极电池单元，其中每一双极电池单元包括：
多个双极电极，每个双极电极包括集电器，所述集电器具有位于一个表面上的正电极层和位于另一表面上的负电极层；
在所述双极电极之间交换离子的多个电解质层；以及
电气导通相邻双极电极的放电电路，其中该放电电路与所述正电极层、所述负电极层或所述电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
15.一种制作双极电池单元的方法，包括：
叠置多个双极电极，每个双极电极包括集电器，所述集电器具有位于一个表面上的正电极层和位于另一表面上的负电极层；
叠置在所述双极电极之间交换离子的多个电解质层；以及
叠置电气导通相邻双极电极的放电电路。
16.按照权利15所述的方法，其中，所述放电电路与所述正电极层、所述负电极层或所述电解质层中的至少一层设置在同一表面上。
17.一种双极电池单元，包括：
多个双极电极，每个双极电极包括集电器，所述集电器具有位于一个表面上的正电极层和位于另一表面上的负电极层；
在所述双极电极之间交换离子的装置；以及
通过电气导通相邻双极电极来使所述双极电池单元放电的装置。
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