TW494072B - A hybrid electric vehicle incorporating an integrated propulsion system - Google Patents
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Description
經滅部中央標莩局貝工消费合作社印¾ 494072 A7 ______ B7 五、發明説明(1 ) " 接續資% 本發明係美國專利申請案08/792,358及08/792,3595之 部伤續案,兩者皆於1997年1月31日提出申請。 發明領% 廣義而言,本發明與具整合推進系統的混合式電動車 有關。更明確地說,此整合推進系統包括内燃引擎,電動 馬達,以及比功率高、能量密度高的氫化鎳金屬(NiMH) 電池,最好再包括再生式剎車系統。本發明的氫化鎳金屬 電池之負極基材的電流收集能力增強,正極的導電率增 強,其它的增進包括增強電池的功率輸送能力,並在充電 與放電周期期間給予最大的工作效率,同時保持能量密度 與功率密度的組合,它所提供的性能增強,超過習知技術 之氫化鎳金屬電池系統的能力。 發明背景 在過去,已有為推進車輛所發展的先進自動車電池, 主要是針對此類車輛的全電力推進系統的要求。為達此目 的,Energy Conversion Devices公司的 Standford Ovshinsky 電池發展小組以及Ovonic電池公司在供此方面應用的氫化 鎳金屬電池技術上已有相當大的進步。 一開始的努力焦點放在製造此類電池之負極的氫化金 屬合金。他們努力的結果,大幅增加了能經濟有效應用之 電池所需的可逆儲氫特性,以及使電池具有儲存的能量密 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Λ4規彳Μ 210X 297^"] ~ -- (¾先間讀背而之注意事項巧本Η ) 4 五 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 、發明説明(2) 效率的可逆性、高電氣效率、有效率的大儲氫量 雷蓉=* 構或具毒性、循環壽期長、以及重複深度放 “Ovonic,,人他們將其稱為“0V〇niC,,合金。這些高度無序的 調合ί的特性之所以增進,源自於局部化學次序的 "著在主矩陣中加入所選擇的改良成分, 因此而 產生局部結構次序。 無:的氫化金屬合金與單或多相混合均勻 的結晶材料 、古二:者的觸媒活性位置與儲存位置的密度實質增加。 =二夕來的位置增進了電化學充電/放電的效率,以及 口曰=電%的儲存容量。設計儲存位置的特性與數量,甚至 可二觸媒活性位置無關。更明確地說,這些合金可以被調 整成可以大I儲存分解的氫原子,它的結合強度在可逆性 的範圍内,適合應用於二次電池。 以上述的無序材料為基礎,現已配方出某些效率極高 的電化學儲氫材料。這些材料例如在授予Sapru, Hong, FetCenk〇等人的美國專利4,551,400(“,400專利,,)中所揭示 之欽·叙-錯-錄類型的活性材料也併入本文參考。,4〇〇專 利中使用的所有材料都是利用一般的鈦_飢_鎳混合物,其 中至少有鈦、飢與鎳,並再以鉻、凱及鋁改良。,400專利 的材料是多相材料,它可包含(但不限於)一或多相的Ci4 與C15類型的結晶結構。 也有其它類型的鈦-釩-锆-鎳合金用於可充電的儲氫 負電極。此系列的材料揭示於授予Venkatesan,Reichman, 與Fetcenko等人的美國專利4,728,586(“,586專利,,)也列入 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 丨7--------«装-- (請先閲讀背面之注意事項\4^、萬本頁) A7 I----^^ 五、發昉說明(3 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 2文參考。.586專利所描述的欽·叙·錯 錯、錄以及第五種成分絡。,586專利中轉^金心欽、叙、 鈒、錯、錄及絡以外的合金成分的;==飾以欽、 特殊添加物與改良成分、這::廣泛雜 以及預期可以從它們得_特定效^的讀交互作用、序”材t^=TOV()ni<^金’較老的合金通稱為“有 早期的有= 學性f、微結構及電化學特性。 :二的有序材料性能差,但到了 1980年代初期修改的程 改良成分之元素的種類與量均增加),它們的性 二增進。這較由於改良成分所促成的無序與 匕乂、電性與化性所致。合金的演進從“有序,,類的材料到 目則的夕成分、多相的“無序,,合金見於以下的專利⑴美國 專利3,874,928 ; (ii)美國專利4,2M,〇43 ;(出)美國專利 4,1〇7,395;(卜)美國專利4,1〇7,4〇5;0)美國專利4,112,199; (vi)美國專利 4,125,688 ; (vii)美國專利 4,214,043 ; (viii)美 國專利4,216,274 ; (ix)美國專利4,487,817 ; (X)美國專利 4,605,603 ; (Xi)美國專利 4,696,873 ; (xii)美國專利 4,699,856。(這些參考資料在美國專利5,096,667中有廣泛 的討論’這些討論也特別併入參考)。其它有關的討論見 於以下的美國專利,也併入參考:5,104,617 ; 5,238,756 ; 5,277,999 ; 5,407,761 ; 5,536,591 ; 5,506,069 ; 5,554,456。 Ovshinsky和他的研究小組再將注意力轉向電池的正 極。現今典型的正極是貼附(pasted)鎳的電極,它是由氫 氧化鎳顆粒附著於導電網絡或基材上所組成,最好具有很 (請先閲讀背面之注意事項/^驚本頁) m ϋ m艚 ••I裝· Aii 訂 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21〇X297公釐)
大的表面積。這些電極具有數種型式,包括所謂的塑_人 (plastic-bonded)鎳電極,它利用石墨做為微導電體,也二 括所謂的發泡-金屬(f__metal)電極,它利用極多孔的發 泡錄做為基材,填以圓球形的氫氧化鎳顆粒,以及加強導 電性的鈷添加物。發泡_金屬類型的貼附電極已開始入侵 消費性市場,理由是相較於燒結的鎳電極,其成本低且能 量密度高。 傳統上,鎳電極的反應可想成是一個電子的遷移過 程,包括在充電時二價的氫氧化鎳氧化成三價的氧化氫氧 化鎳,放電時從三價的氧化氫氧化鎳還原成二價的氫氧化 鎳。 事實上,超過理論的一個電子遷移的電極性能不常 見。理由之一是由於氧化材料隔離電子,致使活性材料無 法被完全利用。由於還原的氫氧化鎳具有很高的電阻,電 流收集器附近還原之氫氧化鎳所形成的表面導電性較差, 它妨礙到後續的氧化活性材料的還原。 經濟部中央標準局員工消費合作社印装
Ovshinsky和他的研究小組證實他們所發展的正極材 料能可靠地做到每個鎳原子能遷移一個以上的電子。此種 穩定、無序的正電極材料描述於美國專利5,344,728 ; 5,348,822 ; 5,523,182 ; 5,569,563 ; 5,567,599,它們的内 容也納入參考。 由於此項正與負電極活性材料的研究結果,Ovonic氫 化鎳金屬電池已到達電動車發展的進步階段。Ovonic電動 車電池已有能力推進電動車超過370英里(由於它的比能量 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21 〇Χ297公嫠) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 494072 A7 _ B7 五、發明説明(5 ) 大约為90瓦小時/公斤)’循環壽限長(8〇%d〇d超過1000 次),容忍濫用,以及快速充電的能力(15分鐘即可回復 60〇/。)。此外,在評估做為電動車的儲存能源時,〇v〇nk 電池也已證實它具有較高的功率密度。 實現電動車的另一途是現已流行的混合式電動車 (HEV),現有的技術能力已能在未來十年達到三重自動省 油的目標。混合式電動車結合内燃引擎與由電池驅動的電 動馬達,目前已有數種不同的架構提出。 混合系統分成兩大類,即串連系統與並連系統。在典 型的串連系統中,電力推進馬達是用來驅動車輛,而引擎 用來對電池充電。在並連系統中,内燃引擎與電動馬達都 用來驅動車輛,且可平行操伽動車輛。在此兩大類型中 還有進一步的衍生。例如,有一種系統使用串並連系統 在所謂的“雙模式”系射,推賴式可㈣料者或電腦 系統選擇是“全電動”或“全引擎,,的推進模式。在“増程,, 統中,主要是使用電動系統推進,當出現尖峰負&或/、 電池充電時使用引擎,在“動力辅助,,系統中,尖峰負3 ^ 由電池驅的動電動馬達操作。” '載是 可在各系統間做進一步劃分,一種情況是‘‘耗禽 荷”,另一種情況是“維持電荷,,。在耗盡電荷的系電 當系統使用期間電池的電荷逐漸耗盡,而且必須周期丨生’ 利用外部電源充電,例如連接到公共電源。在維持—地 系統中,電池在車輛使用期間充電,經由再生式剝車何的 引擎驅動的發電機對電池充電,因此,在操作期間从及 曰1電池的 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項 π頁)
、11 494072 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明(6) 電荷一直得以保持 目前有許多不同類型的系 電荷,,兩類之間,且在前述的例子中、〜耗盡電荷,,與“維持 不過,必須注意的是,如果要 ^已有若干衍生型。 :的里數),t接受 所需之電池的電荷容量(較高的比能 (即充電一次所能行走的里數),典=用,接受的驅動里 所需之電池的電荷容量(較冑的比、处型^“耗盡電荷,,型系 者高。關於各類型混合電動車此罝)要比“維持電荷,,型 包括‘1串連”、“並連’,、‘‘雙、,,的進—步與詳細討論, 、八等類刑 施例’都將在下文中說明。 及本發明的實 在本應用中,“内燃引擎,,這個 何已知燃料的引擎,如汽油、;名词指的是可以使用任 基的燃料,或由其任意組合成然氣等氫基或碳氫 使用混合驅動系統對節省煥' 重要的優點。當在内燃引擎鮭枓與極低的釋出物都提供 計點或附近時,它能發揮最的速度與負载條件都在設 物。小型電動騎可以提供_率與產生最少的釋出 此,使用小型内㈣丨的峰值扭力與功率。因 運轉的電動馬達麵合,有轉,與在最大效率下 油,且加速度最大的最佳組;^供最少釋出物,最節省燃 Μ電動車的關鍵技術是儲能系統要有能力提供非 =的脈衝功率以及高能量密度,同時能以非常高的效率 接受很高的刹車再生電流。此外,峰值功率工作周期的應 用需要在低冰度放電的特殊循環壽期,特別是在耗盡電荷 系統中。 8 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) (請先閱讀背面之注意事項\^寫本頁) 卜訂 I - I I- 494072 A7 B7 ---—--—-一 --- ' ------- 五、發明说明(7) 很重要的一點必須瞭解的是,對此儲能系統各項要求 的比較乃是針對純電動車的需求。里程是一部電動車是否 實用的關鍵因素,因此能量密度成為關鍵的評估參數。功 率與循環壽限當然也很重要,但對電動車而言,與能量密 度相較它們就變得次要。其它如重量輕、體積小、容量高 的電池是供純電動車使用所追求的目標。 反之,在混合式電動車的應甩中,有關於根據重量與 體積測定的功率密度成為最重要的考量。在電動車的應用 中’對電池在30-60% DOD具有絕佳循環壽期的要求也比 在80% DOD的循環壽期重要。同樣地,可以使用高效率 的再生式剎車快速充電也是基本要求,以及在沒有外部充 電的情況下,保持電池之電荷狀態的充電/放電效率也極 重要。此外,熱管理與絕佳的氣體再結合也是快速再充電 與多循環的第二重要的考量。 氫化鎳金屬電池在充電與放電期間所產生的熱,在小 型電池中通常不是問題,甚至只要使用的時間周期不長且 相隔開,即使是較大的電池也不是問題。另一方面,用於 混合式電動車的電池在工作期間將承受極多次的快速充電 與放電循環。如此快速的充電與放電循環將造成嚴重的熱 變動,致影響電池性能。在習知技術中有幾種解決此問題 的方法,如: 授予Van Ommering等人的美國專利4,115,63〇 ,其中所描述的金屬氧化-氫電池具有雙極性的電 極’安排在中央鑽孔的堆疊中。此專利所描述之 -9- ___ 本紙張认通用中國國家標準(CNS )八4胁(210X297公嫠)—〜 — (請先閲讀背面之注意事項 丨Η裝—丨 0 属IX本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製
經濟部中央標準局員工消費合作社印装 494072 A7 ------- B7 五、發明1C明(8 ) 堆疊電極中產生的熱經由電池的氫氣傳導。特別 疋,由於垂直於電極板的熱傳導比平行於電極板 的熱傳導小10-20倍,電池所使用的平板電極必須 做重大修改,會使得電池的重量無法接受。 J· Lee等人在 133(7) J么^〇^ 1286(1986年6月) 中所描述之鉛酸與鎳/鐵電池模組中的電阻加溫與 熵加溫。該文中描述這些電池的溫度是由於電池 工作期間電阻加溫與電化學反應的熵改變所造成 。他們注意到電池外殼所導致的熱阻扮演了極重 要的角色,使得電池的溫度愈來愈高。因此他們 建議電池必須增加一些額外的冷卻結構。 授予Richter的美國專利4,865,928描述一種從 高性能鉛酸電池内部移去熱量的方法,它在負極 柵上連接一U形管,且在管中有冷卻劑循環。 授予Levinson等人的美國專利5,〇35,964中描 述在電池上加裝翅狀散熱片,翅狀散熱片在煙自 構造内並與其結合。翅狀散熱片在煙函内產生空 氣對流以冷卻電池並延長它的壽命。 以上引用的所有參考資料所建議的排熱方法,都需要 在電池包上增加額外的輔助裝置。沒有一種建議可以不做 修改就達到目的,如美國專利4,115,630中所述,將會使 電池的總重量增加到無法接受的地步。 在所有密封式的電池中,鎳基正極的放電能力受限於 電解液的量、活性材料的量以及充電效率。氫化鎳金屬電 -10- ^紙張尺度適用中國國家標準(CNiTM規格(2丨〇X撕公^ 494072 A7 B7 五 、發明’説明(9 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 /也負極的電荷量受限於所使用的活性材料晋, — 至甶於它的雷 射效率非常咼’幾乎到達的完全充電狀態。為保 , 屬電極的最佳容量,必須採取一些預防措施加,避 達完全充電前的氧再結合或氫釋出。這個問題對於任何^ 合式電動車系統都是關鍵問題,因為它們都經歷重複的充 電與放電循環。排氣問題已不是新問題,任何製造商都可 解決。典型的解決方法包括使用耗氣電極(gas c〇nsumptiQn electrode,GCE)。典型的GCE有碳有碳、銅、銀或鉑, 製成多孔的發泡狀,以提供彳艮大的表面供氣體再結合,是 催化氧分解的處所。 美國專利5,122,426中所描述的(^^構造有三 層,包括第一層疏水性的不導電層、親水性的第 二層、以及疏水性的第三層。第三層電氣連接到 負極且是催化氧分解的處所。 同樣地,美國專利5,128,219中描述的耗氣電 極包括金屬成分’如姑、錄、或銅,以及活性碳 、碳黑以及膠合劑的膜。文中所討論使用GCE的 電池是钮扣電池。 < 雖然很多GCE都非常有效,但它們的出現減少了活性 電極的可用面積,並因此減少了電池基於容積所測定的整 體能量密度。混合式電動車系統的電池就像所有的密封氫 化鎳金屬電池,希望壓力能保持在可接受的限度内,且不 需要使用GCE。 刚述只是電動車與混合式電動車對所使用之電池不同 -11 - 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項 裝-- Λ…¼本I)
、1T 494072 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 I、發明巍明(ίο) 要求個例子。還有很多不同之處得視所使用之特 疋類,0人:口式電動車系統而定。這方面將在猶後連同特 疋的於a ^奄動車系統一起討論。電動車盥混人式雷動車 ,電池之要求的根本差異,在於如果;;= 度 電動車用的這些電池並不適合混合式電動 車4、、i0v0nic電動車電池的性能展示令人的ep象深刻, 但這婆電池的設計只適合用於純電動車,並不符合混合式 電動車的特定要求。 曼里募述 本發明的目的是混合式電動車的動力系統,包括具有 值力,並結合局能量密度與在淺度放電時具有絕佳循 環π限^氫化鎳金屬電池。特別是,本發明所提供之電池 結合了南峰值功率與高能量密度,是習知技術所無法做到 的,將在下文中解釋。 t發明的另_目的是混合式電動車的動力系統,包括 結a问綠值功率與高能量密度,在淺度放電時具有絕佳循 壞#限’有良好的熱管理與絕佳的氣體再結合的Ovonic氫 化鎳金屬電池。 一種、/昆合式電動車的驅動系統可以滿足本發明的這些 與其它方面’包括内燃引擎、電動馬達,以及至少一組氫 化錄金屬電池模組供應電動馬達所需的動力,該至少一組 氮化錄金屬電池模組所具有的峰值功率密度與能量密度間 的關係如下式所定義: -12- 本紙張尺度制巾0目家縣(CNS ) A4· ( 21Qx297公瘦 HI 1- n · - (請先閲讀背面之注意事項 1»(裝丨 ^本頁 訂 494072 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明(11)
P> 1375 — 15E 其中P疋峰值功率密度,單位是瓦/千克,E是能量密 度’早位是瓦-小時/千克。 可以滿足電池其它方面的混合式電動車整體的推進系 統,包括:由内燃引擎與電動馬達構成的動力系統,氫化 鎳金屬電池架構成能提供最大功率並耦合到動力系統,以 及動力控制裝置,管理内燃引擎與電動馬達串連或/及並 連運轉,以最大的效率提供混合式電動車所需的動力,以 及提供鎳金屬的充電與放電所需。 圖式概述 圖1以圖示描繪典型習知技術的氫化鎳金屬電池與本 毛月供各種混合式電動車應用的QVGnie氫化鎳金屬電池 比較峰值功率輸出與能量密度的關係; > ·圖2表示本發明之串連式混合電動車系統實施例的設 計;特別說明的是電池模組按矩陣方式放置在電池組内, 模組間的間隔構成冷卻劑的流動通道,冷卻劑流入口與流 出口、以及冷卻劑輸送裝置隔開; 圖3表示本發明之平行式混合電動車系統實施例的設 計; 圖4疋說明角柱形的氫化鎳金屬電池之電極與連接的 電極接片的平面圖; 圖5是本發明之混合式電動車所採用的流體冷卻氫化 鎳金屬電池組的實施例頂視圖。 _ -13- 本紙張尺度適用中國i_^^7CNS)A4規格(21g χ挪公楚)~--- 91. 1. 2,000 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) · · --線- 五、發明説明(12) 發明詳4 本發明的氫化鎳金屬電池適合提供 電速率,特別適合混合式電動車❹ 2比功率與充 内部電導更^ 本發”是經由使用 内邠電¥更阿的正與負極及其它事項來 風化金屬活性材料的粉末壓製成具.高導電性的: 合金而成。❹卜,基材也可社導電材鎳錄銅或: 基材(如錄)在電池環境中被腐姓。 可防止金 知枯ΐ請㈣圖1 ’时是設計供混合_動車使用的習 7^Wh/Vn 士 a卜 妁此篁讼度大約為 種πγλ提供大約25〇_的峰值功率密度。此 種月匕里拴度與峰值功率密度的組合見於圖1中的a點。可 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 以做些許的工程增進,此種能量密度的習知氫化辞金屬電 池的峰值功率密度可增加到大_GW/Kg,此時的能量密 度大約為70Wh/Kg,如圖1中的B點所示。為增加此種習 知技術電池的峰值功率密度以供渑合式電動車系統使用, 它需要犧牲能量密度以換取所需的高峰值功率密度。例 如’降低電池的能量密度以使峰值功率密度從250W/Kg增 加到大約650W/Kg,如圖1中的C點所示。再次,再做些 許工程增進,使45Wh/Kg時的峰值功率密度大約增加到 700W/Kg。如圖1中的d點所示。 A、B、C、D這些點定義了E帶,它代表習知技術的 14- 本紙張歧適用中陶家樣準(CNS )八4祕(21GX297公釐) 494072
Ί 鼠化錄金屬電池職混合式電動車彡統可得到的區域P的 上限(該11収義冑功率密度與高能量纽的組合)。本發 明提供的增進性能所得_功率密度與能量密度的組合高 於現有適合混合式電動車使用的電池模組。 圖1中陰影帶£的上限,對所選擇之密度E的習知 技術氫化齡屬電池模組驗混合式電動車所能得到的峰 值功率P密度的上限如下列方程式所示:
£^1375 — 15R 方程式(1) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 其中P是某指定能量密度E(單位是Wh/Kg)所能得到的 最大峰值功率紐(私是慨g)。本發縣騎有類型的 混合式電動車純都可在超越現有習知技術的限制下操作, 亦即在區域巾與能量密度有關的峰值功率密度位準高於 方程式所定義的位準。 ' 舉例來說,本發明實施例的電池模組具有大 7〇Wh/Kg的能量密度,典型上其__峰值功率密 少為6GGW/Kg(如圖1的F點所示),且峰值功率密度可言 l,OOOW/Kg(如圖1的G點所示)。這些點建立了適合混: 電動車的峰值功率與能量密度間關係的帶,且它實^超二; 習知技術之氫化鎳金屬電池的能力。 、° 本發明的實施例Ovonic 60Ah混合式電動車電池具 的能量密度大約70Wh/Kg,所提供的峰值功率大' 600W/Kg。此範例顯示於圖1中的f點。在另一例中、、 Ovonic 30Ah混合式電動車電池具有的能量密^約 55Wh/Kg,所提供的峰值功率大約55〇w/Kg。此範例2 圖1中的IL點。在第三例中,〇vonic 2〇Ah混合式電動^於 池具有的能量密度大約50Wh/Kg,所提供的峰值功率大^ -15- ' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 91· 1. 2,000 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)
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五、發明説明(14) 經濟部智慧財蓋局員工消費合作社印t 600W/Kg。此範例顯示於圖1中的l點。 適合本發明具代表性的混合式電動車系統見圖2與圖3 的設計。_ 2是串連式混合電動車系統,它的内燃引擎7(] 連接驅動發電機71。發電機71依次連接到電池72對其充 電,電池72供應驅動馬達73所需的電功率。此驅動馬達 73連接到車輛的驅動系統74,它供應車輪的驅動動力。 電池第-次充電可連接到其它的電源,如經由插頭連接 到公用電力系統。在減速期間,電池72 車充電到某種程度。 在圖3所示的平行式系統中,係連接到電池75以供應 電力至電動馬達76,且經由離合H 77可將電動馬達% ^ 接至驅動純78。_引擎79倾由電池75、電動馬達 76及離合H 77所形狀電驅祕卿行連接,且亦可連 至驅ίΐΊ藉由單獅合離合11 77關用電動馬達 76、或藉由單獨嚙合離合器8〇以利用内燃引擎79 離t1!77及80以同時利用電動馬達76及内二I 擎79,可驅動車輛。 在圖3所示的平行式系統中,内燃引擎79的體積可以 比其它提供給車輛可接受之加速度所使用的引擎大幅縮小, 因為電動馬達76可以與引擎79 4合提供所需的加速度。此 内燃引擎為主驅動模式,它可以在非常有效 夕平行式系統中所使用的電動馬達76與内燃引擎79有很 夕種、、、口 口方式。例如’某系統意欲於市區中使用,當車輛 =内行走時,車輛的推進只由電動馬達76負責。到了市 擎79也用來推進汽車。當使用如圖3所示的 千灯連接時,還可採用其它报多種組合。 如圖3所示的平行系統可在如前所述的維持電荷與耗
91. 1. 2,000 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Ψ ^1· L"^T· •-線-
胤電何模式下操作。如圖 的電力回授。Km + 二敎#1車期間,所產生 擎79搵徂☆ 種連接方法(圖中未顯示)也允許内拗引 C供充電的電力給電池75,以實施維持電荷 /例如,所謂的“串連-並連”或“複合,,式的混合式電動車 =’有時也稱為“雙模式,,线,仙動力分岐器從内姆 传部分動力驅動發電機提供電池充電所需的電力。 現將圖1劃分紐段區域’分職料難式的混合式電 動車系統的操作。例如,在區域m,典型上是耗盡電荷 型系統的操作區域。這是因為在操作期間電池不充電,並 強調高能量密度以得到最大行程。此區域也稱之為“增 程(range extender)區。 至於維持電荷系統的情況,電池在操作期間被充電, 較低的能量密度可被接受,強調較高的峰值功率以增進性 能,以可接受的較低能量密度換取功率密度增加。此區域 在圖1中定為α。此區域也稱為“動力輔助,,(power assist) 區。 複合或雙模式系統可在CD與CS區間的DS區操作, 如圖1所示。 峰值功率的參數是按照美國先進電池財團(United
States Advanced Battery Consortium,US ABC)所建立的標 準決定。根據這些標準,峰值功率是將電池模組放電到放 電深度的50%量測。在此條件下,使電池的電壓降到它開 -17- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I--I--—訂·- - ---I--線- % 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 91. 1. 2,000 、發明説明(16) =楚2/3時的電流與對應的功率輸出維持卿鐘即是電 件下^峰值功率。此項測定是在30到35°c的正常溫度條 *旦為混合式電動車所設狀電池模組量難量密度或比 =里E。此項測定也是在川到^七的正常溫度條件下進 電池模組是電池單元連接在一起的整體組合,並密封 2電池組中,具有外部的電氣連接頭供連接到外部電路戈 如前所述,對所有類型(即耗盡電荷模式、維持電荷 模式與雙模式)的混合式電動車系統而言,本發明都能^ 高於E帶的較高性能區域工作。供混合式電動車使用的習 知技術氫化鎳金屬電池系統,無法提供此高性能區域的性 本發明用來管理内燃引擎與電動馬達在最大效率下提 供混合式電動車所需的動力,並提供該氫化鎳金屬電池的 充電與放電的動力控制裝置,可以是任何熟知的控制裝 置。動力控制裝置最好是固態積體的微電子裝置,包括人 工智慧演算,並包括適合的感應器與自動管理及自動調整 的子常式。這些允許根據外來因素(如驅動類型、平均驅 動速度、5衣境溫度等)以及糸統因素(如引擎溫度、充電/ 放電次數與速率、電池溫度、燃料消耗等)不斷地調整控 制參數,以獲致最大效率。 電極的基材上也可包括電流收集線。此電流收集線的 -18 ^紙浪尺用中國國家榡準(CNS ) A4規格(210X297公嫠) (請先閲讀背面之注意事項
經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 494072 A7 ------ B7 五 '發明説明(17) ' ~' -- 導電性高於基材的其餘部分。此種結構可保證電極上遠離 電流收集片的點能有高導電率的路徑到達電流收集片。電 流收集線的實施例之一是加大部分多孔金屬基材的密度。 另-種實施例是用導線、導電帶、或燒結的粉末附著或欲 入多孔的金屬基材内。這些附著或嵌人的部分可以由錄、 銅、銅合金、鎳鍍鋼或銅合金,或銅材鍍鎳等。 本發月的主要考量是增進0vGnie氫化鎳金屬可充電電 池的功率輸出。(雖然以特定⑧VGnie氫化鎳金屬電池為 參考’但本文所描述的原理可適用於所有類型的氣化金屬 電池系統,不論它的品牌為何。一般來說,降低電池的 内電阻即可增加輸出功率。降低内電阻即可減少消耗在電 池内部的電力浪費,藉以增加可供驅動外部負載的電力。 可以藉增加電池組件以及各組件間之連接的導電率以降低 氫化鎳金屬電池的内電阻。更明確地說,可藉提高電池正 與負極的導電率以降低内電阻。 · 本發明電池的功率密度通常2 1500W/L,gl800W/L 更佳,$ 2700W/L最佳。本發明之電池的比功率一般 >600Wh/Kg,>700Wh/Kg更佳,>1000Wh/Kg最佳。在本 發明的電池中,通常需要犧牲能量密度以換取所需的功率 密度。關於此,本發明之電池的能量密度通常在130-250Wh/L,-150Wh/L更佳,gl60Wh/L最佳。 一般來說,氫化鎳金屬電池使用具有活性材料的負 極,它具有可逆的電化學儲氫能力。一旦應用跨於氫化鎳 金屬電池上的電位,活性負極材料因電化學反應吸收氫而 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐)
(請先閱讀背面之注意事項V 裝-- 本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ^V4U/2 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 A7 ------—B7___ 五、發明説明(18) 〜- 帶電荷,並因電化學反應產生氫氧離子。負極上的電 反應如下所示: M + H20 + e ^^ M-H + oh- 放電 負極的反應是可逆的。一旦放電,儲存的氮被釋放形 成水分子並釋出電子。 夕氫化鎳金屬電池的負極通常是將活性材料的粉末壓入 多孔金屬的基材。如前所討論,負極的活性材料粉末是儲 存氫氣的處所。儲氫材料可選擇自如美國專利4,551,4〇〇 (專利·400”)中所揭示的鈦_釩_錘_鎳活性材料 ,該項揭示 併入本文參考。如前所討論,如專利,4〇〇中所使用的材料 疋利用一般的鈦-飢-錄成分,其中至少有鈦、飢、鎳,以 及絡、錯、链其中至少一種。專利,400的材料是多相材料, 它可包括(但不限定)一或多相的cl4及ci5類型的結晶構 造。 還有其它的鈦-釩-錘-鎳合金材料可做為負極的儲氫 材料。其中之一是美國專利4,728,568(“專利,568,,)中所揭 一 〜 示的材料,該項揭示也併入本文參考。專利,568揭示一種 特殊的鈦-釩-锆-鎳亞綱合金,它是由鈦、釩、锆、鎳及 第五種成分鉻所構成。專利,568中提到合金之鈦、釩、锆、 錄及鉻以外之添加物及改良成分的可行性,以及廣泛地討 論特殊的添加物及改良成分、改良成分的量與交互作用、 以及預期能從它們得到的特殊益處。 -20 - ______ ,______一 本紙張从適用中國國家榡準(CNS ) A4祕(21〇><297公楚) (請先閲讀背面之注意事項^、^本頁) I m 一 裝. 、11 Α7 ^---- - Β7 五、發明説明(19 ) 除了刚述討論的材料外,氫化鎳金屬電池之負極的儲 氫材料也可選擇自無序的氫化金屬合金材料,這些材料的 細節描述於授予Qvshinsky與Fetcenk〇的美國專利 5,277,999(“專利’999,,),該專利所揭示的内容也納為參考 資料。 , 如前所述,活性儲氫材料是壓在多孔金屬基材上。一 般來說,多孔金屬基材包括(但不限於)網狀、柵狀、碴狀、 箔狀、發泡狀、與被覆。用於負極的多孔金屬基材以網狀 或柵狀為佳。本發明包括的氫化鎳金屬電池具有正極與負 極,它包括多孔金屬基材,是由選擇自銅、銅合金、鎳鍍 銅或銅合金,以及它們的混合物等其中一或多種材料所構 成。多孔金屬基材以由銅或銅合金構成為佳。 驗性電池代表極端惡劣的核作環境。為能在電池的孽 劣環境中保護電極,由前所述之材料所構成的多孔金屬基 材需要被覆一層材料,它能導電但能抵抗電池内部環境的 腐#。可用來被覆負極的材料包括(但不限於)錄與錄合 金。 使用銅或銅合金構成負極的多孔金屬基材具有數項重 要的優點。銅是絕佳的導體。因此,用它做為基材可以降 低負極的電阻。這也就降低了電池由於内部消耗所浪費的 電力,並因此使氫化鎳金屬電池能提供更高的輸出功率。 銅也是可延展的金屬。延展性非常重要,因為在氮化 錄金屬電池的充電與放電循壞期間’負極會膨脹與收縮。 基材的柔軟性提高有助於防止電極因膨脹與收縮而碎裂, -21 - ,〆 _ 本紙張;〇^^中國國家標f CNS)A4· ( 一297公釐厂 "
(請先閲讀背面之注意事項V 裝-- -C本頁) T訂 —線 0 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 /
經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 五、發明説明(20 ) 藉以,進電池的可靠度。此外,銅具有絕佳的導熱性。此 項事貫有助於本發明之電池的溫度管理。銅的導熱性可進 一步加強本發明的熱傳導,將在下文中說明。 基材的延展十生提高纟表示基材可以更可靠地保持住壓 ^的活性儲氫材料,藉以增進電池的可靠度。此也減低儲 虱材料壓入基材表面後燒結負極的需要,藉以降低製造負 極的成本與提T%製造速度。 另一種提高氫化鎳金屬電池功率輸出的方法是提高正 極的導電性。如同負極的情況,這也可經由適當改變某些 電極的材料成分達成。 一般來說,氫化鎳金屬電池的正極是將粉末狀的活性 正極材料壓入多孔金屬基材。氫化鎳金屬電池一般所使用 的正極是以氫氧化鎳做為活性材料。正極的化學反應如下 所不: Ni(〇H)2+〇H_ ---►NiOOH + H20 + e" 放電 在美國專利5,344,728與5,34〗,822(該文描述穩定的無 序正極材料)以及美國專利5,569,563及美國專利5,567,549 中都有揭示氫氧化鎳的正極,也都併入本文參考。 正極的多孔金屬基材包括(但不限於)網狀、柵狀、碴 狀、箔狀、發泡狀、與片狀。本文所揭示正極包括多孔金 屬基材,它是由選擇自銅、銅合金、鎳鍍銅或鎳鍍銅合金, 以及它們的混合物等其中一或多種材料所構成。以這些一 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項
本頁) 訂 rz A7 B7 五 、發明説明(21) 經濟部中央橾準局員工消費合作社印裝 或多種材料所構成的基材可提高電池正極的導電性。此將 降低了由於功率消耗在内部而浪費了電力,並藉以提高氫 化鎳金屬電池的功率輸出。 為保護處於電池惡劣環境中的正極,多孔金屬基材需 要被覆一層材料,它能導電同時也能抵抗電池内部環境的 腐餘。最好是在多孔金屬基材外被覆一層鎳以提供保護。 提高正極的導電性還有其它方.法。就是在多孔金屬基 材内加入高導電性的線以提高正極的導電性。形成這些‘‘電 流收集線”以便具有比基材其它部分高的導電性,並提供 正極中遠離電流收集片的點一條到達電流收集片的高導電 性路捏。 包括電流收集線的正極實施例如圖4所示。如圖4所 示’連接於正極1的是電流收集片2。一般來說,電流收集 片2接附於正極上至少某一點。電流收集片最好是沿著正 極的頂端連接,以使它們可以很容易地連接到氫化鎳士屬 電池的正接點。電流收集片2可以由任何導電材料製成, 它必須能抵抗電池環境的腐蝕。電流收集片2最好是以鎳、 錄錄的銅或錢鎳的銅合金製成。,電流收集片2以鍍鎳的銅 或鍵鎳的銅合金製成比以鎳製成為佳,它可降低收集片的 電阻並提高從電池輸出的功率。以錢鎳的銅或鍵鎳的銅合 金製成的收集片可利用雷射焊接連接到電池的輸出端點。 如所描述,電流收集線提供遠離電流收集片的各點一 條到達電流收集片的高導電性路徑。架構電流收集線的方 法有幾種。電流收集線的架構以使正極的電阻最小化且允 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 i 裝 訂 j·線 23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 494072
許電極内的電流能以損耗最少的方式到達電流收集片。由 於電流收集線提供了電流高導電性的路徑,因此正極整體 $導電性得以提高,藉以減少内部消耗功率的浪費,並提 南電池的功率輸出。電流收集線之結構的實施例之一如圖 4所示,它的電流收集線3橫過正極。 電流收集線成形於多孔金屬基材内,如前所討論,它 包括但不限於網狀、柵狀、碴狀、箔狀、發泡狀、與片狀。 多孔金屬基材以從發泡成形為佳。更明4地說,多孔金屬 基材以從發泡鎳或鍍鎳的發泡銅製成為佳。 實施電流收集線的方法很多。在一種實施例中,電流 收集線包括多孔金屬基材内密實的部分。密實部分之材料 的導電性高於其它部分的材料。當基材是由發泡構成,電 流收集線可藉由壓縮適當部分的發泡構成(即使材料密 實 還有另一種電流收集線的實施例,可使用導電的粉末 以適當的結構燒結於多孔基材内。粉末可以選擇自銅、銅 合金、銅鍍鎳或銅合金鍍鎳、鎳、鎳鍍銅、鎳鍍銅合金, 以及它們的混合物等其中一或多種材料。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 另一方面,在其它的電流收集線實施例中,可以先在 多孔基材上成形密實部分或通道,接著將導線、導電帶或 粉末整合入這些密實部分或通道。 在其它實施例中,電流收集線是由導線及導電帶所構 成,它們電氣連接到基材並適當地安置’以使電極電阻最 小化。導線及導電帶可以選擇自銅、銅合金、銅鍍鎳或銅 -24- ,__________!--------- '-------' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 五 '發明説明(23) A7 B7 合金鍵錄、錄、錄錄鋼、 等其中-或多種材料所^鍍銅合金,以及它們的混合物 '在本4月的3種貫施例中,可以在正極的氯氧 活性電極材料中增加導雷、天&仏 ^ … 物以進-步提升導電性。此 類v電添加物包_難;_維、石墨顆粒、石墨纖維、 石墨顆粒麟、_粒_、銅__、_片 片鍍鎳。 守 本發明的其匕方面是具有至少—種本文所揭示之正極 類型的氫化錄金屬電池4發明還有另—方面是具有至少 -種本文所揭示之負極類型的氫化鎳金屬電池。 在所有電池中,充電與放電期間都會產生熱。由於氫 化錄金屬電池的内阻低’所產生的熱也比很多習知技術的 電池低。最近的經驗數據㈣,過度充電期間,氧的再結 合所產生的熱’在小型電池中雖不嚴重,但對前所描述之 混合式電動車系統的電池卻是個問題。 在混合式電動車系統的應用中,熱會變成具有貼附式 電極(paste electrodes)與塑膠外殼的密封式氫化鎳金屬電 池的特有問題。近來使用貼附式電極與塑膠外殼所做的分 析顯示,過度充電期間所產生的熱會使溫度上升到8〇它。 在氫化鎳金屬電池中,過熱會降低性能並縮短電池壽命, 因為熱會造成隔離片與密封的劣化,且會使氫氧化鎳與氫 化金屬活性材料的性能加速衰退。 目前市售的氫化鎳金屬電池為能獲得足夠的氣體再結 合率,报多都是使用貼附式氫化金屬電極,並保護基材的 -25- 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項 1^¾II ^,、v本頁) -訂 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 五、發明説明(24 ) 合金不:人:與腐蝕。貼附式電極典型上是活性材料於東 與塑性膠合劑(如鐵弗龍)以及其它不導電的疏水= :τ=種處理所不欲見的結果是,與本發明二 相較,大幅降低了電極結構 、、。構 太卜I將10G%·,、 傳性本發明的電極基 本上疋將100/❶的導電活性材料壓入導電的基材内。 在t的氫化錄金屬電池實施例中,它 合式電動車系統的組件,利ffl道為认,儿 月之此 袓可癖^古“ 導熱的11化錄金屬電極材 枓,叮避免過充度電期間產生與累積的熱。此種導 化錄金屬電極㈣内包括相互緊密接觸的氫:二 粒。過度充電㈣_生的氧氣再結合成切及在這= 發明中’這些熱隨著負極材料到電i收 术益’接者再傳到電池外殼表面。如果此電極束與也里有 高導熱性的電池外殼熱接觸,導熱的氫化錄金屬電極材料 束的熱效率還可進一步增進。 在此種熱效率的電池巾,氫㈣金屬貞極材料最好 燒結的電極,如美國專利4,765,598、4 82M81、4915映 中所描述(其内容也併人本文參考),燒結可使氫化錄金 顆粒相互地緊密結合。 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 本發明還有ϋ面是流體冷卻式電池㈣統(本文 中所使用❾電池組”或“組,’指的是兩個或兩個以上電氣達 接在一起的電池模組)。再次必須瞭解的是,電池的循 期間’它們會產生大量的廢熱。電池的充電期間尤其如此; 電池的充電在混合式電動車中幾乎隨時隨地在發生。此超 量的熱對電池有害,甚至會破壞電池系統。如果電池組系 -26- I 72 術49 A7 _B7_ 五、發明説明(25) 統沒有熱管理或熱管理不當,就會遭遇某些負面影響,包 括:1)容量與功率實質降低;2)内部放電實質增加;3)電 池與模組間溫度不平衡導致電池的弊病;以及4)電池的循 環壽限減少。因此,可以很清楚地知道,要使電池組系統 發揮最佳效果,必須有適當的熱管理。 電池組系統的熱管理要考慮的幾項因素是:1)電池與 模組必須保持在65°C以下,以免對電池造成永久性的損 壞;2)所有電池與模組必須保持在55°C以下,以至少得到 電池額定性能的80% ; 3)所有電池與模組必須保持在45°C 以下,以獲得最長的循環壽命;以及4)各個電池與電池模 組的溫度差必須保持在8°C以下,以獲得最佳性能。必須 注意的是,在本發明的例子中,可將電池間的溫度差調節 到2°C以内。 電池組系統的熱管理必須提供適當的冷卻,以確保氫 化鎳金屬電池在各種不同的操作條件下能有最佳的性能與 耐久性。在美國本土49州的環境溫度範圍非常寬,在-30 °(:到43°〇。它必須使電池組在此種環境溫度範圍下能作 業,同時還要保持電池在-It到38°C的範圍内能具有最佳 的性能。 經證實,氫化鎳金屬電池在超過43°C的最高溫時充電· 效率衰退,問題出在鎳正極的氧釋出。要避免這些低效率, 在充電期間的電池溫度最理想是保持在43°C以下。也證實 氫化鎳金屬電池在溫度低於-1°C時的功率性能衰退,這是 因為負極的性能退化。要避免功率降低,放電期間電池的 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) 請 先 閲 讀 背 之 注 意 事 項』 |裝 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 494072 A7 B7 五、發明説明(2G) 溫度要保持在-1 °c以上。 如以上所提,除了高溫與低溫會使性能衰退外,充電 期間模組内之電池間的溫差也具有破壞的效果。溫差大會 導致電池的充電效率不平%,因而產纟充電狀態的不; 衡,造成容量性能降低,且有可能導致嚴重的過度充電與 過度放電的弊病。要避免這些問題,電池間的溫度差必須 控制在8°c以内,最好在以内。 、 曰設計流體冷卻式電池組系統的其它时還包括機械性 考$。例如,電池與模組的包裝密度必須儘量高以節省最 終產品的空間。此外,添加於電池組系統的任何熱管理裝 置最後都會降低電池系統的整體能量密度,因為它對電 池本身的電化學能力並無直接貢獻。為滿足這些與其它要 求,發明人汉叶了本發明的流體冷卻式電池組系統。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 流體冷卻式電池組系統39最基本的型式(見圖$的實施 例)包括· 1)具有至少一個冷卻劑入口41與至少一個冷 劑出口42的電池箱40 ; 2)電池箱仙内至少配置一個電池模 組32,在電池箱4〇内的電池模組32與電池箱壁間,以及各 電池模組32間都保留一空間,以沿著束集的電池的至少一 個表面形成冷卻劑流動的通道43,冷卻劑流動通勒的最 2寬度尺寸疋要能經由對流、傳導、與輻射等熱傳機制, 能發揮電池到冷卻劑的最大熱傳效果;以及3)至少一個冷 卻^輸送裝置44,它能使冷卻劑進入電池箱40的冷卻劑入 口裝置41,流過冷卻劑流動通道43,並從電池箱4〇的冷卻 劑出口裝置42離開。實際上,電池組系統39包括許多電池 -28- 本紙張从狼巾關家縣(CNS ) A4祕(210X297公釐) A7 五、發明説明(27) 拉組32,典型上從2個到1〇〇個模組,在電池箱中以2或3維 的矩陣結構排列。矩陣結構允許最大的包裝密度,同時還 允許冷卻劑流過每一個電池模組32的至少一個表面。 電池箱40隶好是以絕緣材料製成。電池箱4〇以重量 輕、耐用且絕緣的P〇lymer材料製成更佳。材料必須絕緣, 以免電池箱接觸到電池與模組時發產生短路。最後,材料 必需耐久且具有承受·電池組極端使用的能力。電池箱4〇包 括一或多個冷卻劑入口 41與出口 42,如有需要,它可以是 特殊的液體出入口,不過最好僅是電池箱4〇上的孔洞,^ 冷卻空氣進入與離開電池組。 、流體冷卻式電池組系統39的設計是使用電氣絕緣的冷 部劑,它可以是氣體或液體。冷卻劑最好是氣體,以空氣 最佳。當以空氣為冷卻劑時,冷卻劑輸送裝置44最好是鼓 風機,且最好是能提供電池組内每個電的氣流 率。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 鼓風機並不需要持續地將冷空氣迫入電池組,但必須 能控制,以使電池組的溫度保持在最適位準。風扇控制用 來開或關風扇,最好能控制風扇的速度,以便在電池充電、 驅動與待機期間能提供有效率的冷卻。典型上,最需要冷 卻的時間是在充電期間,在急速驅動期間也需要冷卻。^ 扇速率的控制是根據電池組與四周環境溫度的溫差,以及 根據絕對溫度,後者的目的是當電池已經冷時則不需再A 卻,或是當電池接近理想溫度範圍上限時加強冷卻。對氫 化鎳金屬電池而言,充電後的待機期間也需要風扇。在2 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21〇 X 297公釐) 494072 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 Α7 Β7 五、發明説明(28 ) 情況需要間歇的冷卻以提供有效率的冷卻,並藉保持内部 放電率低於風扇所消耗的功率以節省淨能量。典型的結果 顯示,在初始充電後風扇冷卻2.4小時。典型的正常風扇 控制程序(下文中描述)是按此構想。風扇控制允許使用強 力風扇提供有效率的冷卻;風扇不需要一直全功率消耗, 以保持最高的能量效率。從保持電池組最佳溫度的觀點來 看,使用較強力的風扇是有益的,·它有助於使電池組的性 能與壽命最佳化。 以下提供一種風扇控制程序的範例,如果電池的最高 溫度超過30°C,且四周環境溫度低於電池最高溫度(最好 是低5°C或更低),則風扇將開動並將冷空氣循環入冷卻劑 流動通道。 冷卻流體需要有足夠的流率與壓力以提供足夠的熱容 與熱傳以冷卻電池組。流體的流率需要提供足以移去預期 最大持續生熱率的穩定狀態,以得到可接受的升溫。在典 型的氫化錄金屬電池組中,在過度充電期間,每個電池單 元產生5到1〇瓦的熱(所產生的最大熱),簡單地根據空氣 的熱容與可接受的升溫,每個電池單元需要1—3CFM的空 氣提供適當的冷卻。徑向鼓風的風扇可最有效率地提供熱 管理所需的氣流。這是因為這類型風扇所產生的空氣壓力 比軸向送風的風扇高。一般來說,安裝在電池組内的風扇, 其工作點致少需要0.5吋水柱的壓力降。一般來說,要在 尚流速產生此種壓力降,風扇需要具有1·5对到3 α寸水检之 靜態壓力的能力。 -30- 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項r.;..l寫本頁) -裝- -Φ. 494072 A7 B7 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 五、發明説明(29) 此外,當電池組熱時使用風扇冷卻,當電池組太冷時 也可使用風扇加溫。亦即,如果電池組的溫度低於最低適 溫,且環境空氣較電池組暖時,風扇可以啟動將暖空氣吸 入電池組中。於是暖空氣將它的熱能轉移給電池組,至少 將其加溫到適用溫度範圍的最低點。 在冷卻劑入口 41處可以配置一或數個冷卻劑輸送裝置 44,以迫使新鮮的冷卻劑進入電池箱40,通過冷卻劑通道 43從冷卻劑出口 42離開。另者,也可在冷卻劑出口 42配置 一或數個冷卻劑輸送裝置44,以將電池箱40内被加溫的冷 卻劑吸出,並致使新鮮的冷卻劑從冷卻劑入口 41吸入電池 箱40内,並流過冷卻劑流動通道43。 冷卻劑可平行流過冷卻劑流動通道43的最長邊(即電 池模組的長方向),或者,它也可垂直流過冷卻劑流動通 道43的最長邊(即電池模組的高方向)。必須注意的是,由 於冷卻劑流過冷卻劑流動通道43時從電池吸取了廢熱而被 加溫。因此,冷卻劑以垂直於冷卻劑流動通道43的最長邊 流過為佳。這是因為當冷卻劑被加溫,冷卻劑與電池間的 溫度差減小,因此,冷卻率也跟著降低。總散熱效果因而 降低。為使此種負面效果降至最低,冷卻劑流過的路徑應 選兩者中較小者,即’沿者電池的局度方向。 雖然空氣是最佳的冷卻劑(由於它很容易取得,且很 容易送入與離開電池箱),也可以使用其它的氣體甚至液 體。特別是液態冷卻劑,如二氣二氟代曱烷(freon)或乙二 醇,以及其它商用的氟碳化物或非氟碳化物的材料也可以 -31 - 本紙張尺度適用中國國家榡隼(CNS ) A4規格(210x297公釐) (請先閲讀背面之注意事_'·寫本頁) 裝· ,ιτ 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 五、發明説明(30) 使用。當使用其它的氣體或液體做為㈣劑 裝置蝴料最好衫浦。纽肖 ^送 冷卻液輸送裝置最好包括冷卻劑回收管線接财yB、’ 42’ 1將被加熱的冷卻劑循環到冷卻劑儲槽(圖平㈣ 不)’"再從該處將冷卻劑送到冷卻劑熱交換器(圖中未顯示) 將熱從冷部劑中抽出’最後再由冷卻劑幫浦娜其送到 池組39重複使用。 劑出口 中未顯 電 最佳的冷卻劑流動通道寬度結合了很多不同因素 些因素包括電池數量,它們的能量密度與容量,它們的充 電與放電速率,冷卻劑流動的方向、速度與容積流率,冷 卻劑的熱容與其它因素。這些因素絕大部分都不相關,設 計冷卻劑流動通道43時很重要的一點是,當冷卻流體通過 兩权組間時,冷卻劑流動通道43要使冷卻劑流動的體積受 阻與減緩。理想狀況是流動的減緩主要是由於與電池冷卻 表面的摩擦所造成,所造成的流動減緩大約是流動體積的 5到30%。當冷卻流體處理系統中模組間的間隙是構成主 要流動的限制時,此將在所有模組間的間隙間產生一均勻 與大致相等的冷卻流體流動體積,致使冷卻均勻,旅減少 其它流動限制(如出入口)所產生的影響。此外,要使每一 個電池單元相同的區域曝露於相同流速與溫度的冷卻流 體。 為有效率地冷卻電池單元,電池模組的安排要使冷卻 流體的流速最大化,以獲得電池單元表面與冷卻流體間較 高的熱傳係數。達此目的的方法是將模組間的間隙縮小到 32 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21〇><297公釐) (請先聞讀背面之注意事寫本頁) -裝· 訂 線 2 7 40 49 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____B7五、發明説明(31) 冷卻OIL體的流動體積開始減小,但流體的流速增加。較窄 的間隙也有助於提高熱傳係數,當在冷卻流體中的熱傳距 離變短’電池單元與流體間的溫度梯度加大。 冷卻劑通道的最佳寬度視流動方向之流動路徑的長 度’以及冷卻劑通道與冷卻劑流動垂直的平面面積而定。 風扇的特性也與最佳間隙稍有相關。以空氣為例,冷卻劑 流動通道43的寬度在〇·3到12毫米之間,以1到9毫米較佳, 3到8毫米最佳。以空氣垂直流動通過高度7吋的模組為例, 可得到的模組間最佳平均間距(冷卻劑流動通道43的寬度) 大約為3到4耄米(中線間距105毫米)。以空氣水平流動通 過總長64吋的4個16吋模組為例,可得到的模組間最佳平 均間距(冷卻劑流動通道43的寬度)大約為7到8毫米(中線 間距109毫米)。在列的尾端,模組間的間距稍靠近將可提 高氣流的流率,以獲得較高的熱傳係數,以補償下游較高 的空氣溫度。也能沿著冷卻劑水平流動路徑的中途增加第 二或一連串的冷卻劑入口,以引進額外的冷卻劑,將可使 電池單元與冷卻劑間沿著整個流動路徑的熱傳更均勻。 必須注意的是,“中線間距,,這個名詞有時與冷卻劑流 動通道寬度是同義字。理由是所引用的冷卻劑流動通道寬 度是平均數字。使用平均數字的理由是構成冷卻劑流動通 道43的電池模組側邊並不是均勻平坦也不是同高,將模組 固定在一起的束帶以及電池本身的側邊,都會使沿著它長 邊的通道實際寬度產生變化。因此,為便於描述寬度, 時以各個模組中心到中心間的距離為準,也就是所謂的中 -33- ^紙張尺度適用中國國( CNS ) A4麟(21G X297公釐) ^ ---- (請先閱讀背面之注意事項^二冩本頁) -裝-
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經濟部中央榡準局員工消費合作社印製 心線寬度,它隨電池的大」、而綠 — 、的大小而變。因此,一般更有用的是 时論平均通道寬度,它可康爾 匕了應用到所有電池模組,盔論豆中 所使用的電池實際大小為何。 … #為有助於獲讀保持電池箱内模組的適當間距,並提 供权組間的電氣絕緣,每二個模組都包括冷卻劑流動通道 隔離物37匕保持各;^組32間及模組32與電池箱4❹間最佳 的距離,以形成冷卻劑通道43。如前所述,冷卻劑流動通 道隔離物37最好是置於電频組32的頂與底部,以提供模 組32的角、電池的樁頭7與8、以及電氣連接以。更重要的 是,隔離物38側邊上的片@定住模組使其隔開—適當距 離。隔離物37最好是以重量輕且不導電的材料製成,例如 耐久的polymer。還有一點對電池組整體能量密度很重要 的是隔離物只需剛好能執行所需的功能即可,所使用的材 料愈少愈好,且愈輕愈好。 如前所述,氫化鎳金屬電池最好是在指定的溫度範圍 内工作。雖然前述的冷卻系統能使本發明的電池組系統的 工作溫度保持在最佳溫度範圍的上限之下(以及如果四周 空氣溫度比電池暖且比最適溫度範圍的下限高時,有時也 具有保持系統的工作溫度在最佳溫度範圍的下限之上的功 能)’不過,仍有些時間電池系統會比最佳溫度範圍的下 限還冷。因此,還是有需要以某種方式提供電池組系統中 某些或所有電池或模組可變的保溫。 除了前述的冷卻系統外,還有其它方法可對本發明的 電池組系統實施熱控制,例如使用與溫度有關的充電控 -34- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事^^::''寫本頁) 裝· 訂 線 494072 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明(33) 制。與溫度有關的充電控制允許在各種環境溫度條件下都 能做到有效率的充電。其中一種方法包括對電池充電到與 溫度有關之連績更新的電壓管制,它維持充電一直到電流 降到某指定值,之後施加定電流輸入指定的電荷。另一種 方法包括一序列遞減的定電流與定功率的階段,一直遞減 到溫度補償的電壓限制,之後施加定電流或定功率輸入指 定的電荷。另外還有一種方法包括一序列遞減的定電流與 定功率的階段一直到量測到最大的溫度上升速率,之後施 加疋電>’IL或疋功率輸入指定的電荷。使用與溫度有關的電 壓管制可確保在很大的溫度範圍都有均勻的容量,以及確 保完成充電後所上升的溫度最小。例如,使用固定電壓充 電管制會使溫度上升8°C,相同情況使用溫度補償充電, 溫度只會上升3°C。此型電池需要絕對充電溫度限制(6〇。〇 以避免嚴重的過熱,當充電器與冷卻系統出現同時故障的 情況時,過熱就可能發生。偵測電池組或模組之充電電壓 與時間的速率(dV/dt),以dV/dt的負值做為充電的截止。 如此可避免極度的過度充電,並可增進電池的工作效率, 也可做為附加的安全限制。 如前所討論,本發明的電池除了工作溫度範圍有上限 外,還有所謂的下限。亦如前所討論,當環境溫度高於電 池溫度時,“冷卻系統,,可當成加熱系統使用。不過,很有 可能是電池組的溫度度低,環境溫度也低,且可能低於電 池組的溫度。因此,有時在使用電池組系統期間,電池與 壞境間需要隔熱。不過,所需的保溫並非固定,而且可能 -35- 本紙張Μ適用中國國家榡準(CNS)八4祕(210X297公羡) (請先閲讀背面之注意事寫本頁) -裝·
、1T 線 494072 經濟部中央標準局員工消費合作社印袋 A7 B7五、發明説明(34) 在很短的時間就有很大變化。因此,保溫也需要能隨狀況 改變。 為適應保溫變化的需求,本發明已設計一種裝置提供 可變的保溫。本發明的可變保溫裝置可用各個電池、電池 模組與電池組系統等。 ^ 以最基本的型式而言,該裝置至少提供可充電電池系 統中最直接暴露於環境中那一部分的可變保溫,以便使可 充電電池系統的溫度保持在所欲的工作範圍。 為提供此可變的保溫,發明人結合了溫度感應裝置, 可壓縮的保溫裝置,以及反應熱感應器所偵測到的溫度壓 縮可壓縮保溫裝置的裝置。當溫度感應器顯示環境較冷, 保溫裝置即會被置於需要的保溫的區域,以將電池、模組 或電池組系統受影響的區域與環境隔離。當環境較暖時, 溫度感應器將致使保溫裝置部分或全部被壓縮,如此,可. 壓縮保溫裝置提供給電池系統的隔離因素部分或全部被移 除。 熱感應器可以是電子式感應器,它將資訊饋入活塞裝 置,它可變地增加或減少施予可壓縮的保溫泡棉或纖維上 的壓力。另者(從電能的利用與機械可靠度的角度來看更 佳),感應器與壓縮裝置可以結合成一種機械裝置,它直 接反應環境的熱狀況致使可變壓縮的保溫。此種結合感應 器/壓縮的裝置可以由二種金屬材料製成,例如溫度計中 使用的感溫片。當環境溫度低時,雙金屬裝置使保溫裝置 伸展到能將電池系統與冷環境隔離的位置,但當電池或環 -36- (請先閱讀背面之注意事_^寫本頁) -裝_ 訂 -錄 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS ) A4規格(210X297公釐) B7 五、發明説明(35) 境溫度上⑽,雙金屬裝M縮保溫裝置,㈣溫效果 電池系統移開。 雖然可以用可變的保溫包住整個電池、模組或電池I 系統,似不—定非需要如此。可魏溫可以只隔離系統 中的問題點。例如,在本發明的電池模組與電池組系統中 使用的肋狀端板是唯_需要保溫的模組端點,它最直接受 低溫環境的鱗。這些環境狀況可能造成電池的各模組間 很大的飢度不平衡,結果使模組或電池組系統的性能退 化。藉提供可變保溫給模組受影響的端點,電池間的溫差 可減少或消除,且所有模組的整體溫度得以控制。最後, 必須注意的是’保溫並不需要接觸到電池或模組,可以與 模組間分開一段距離,其間靠近電池或模組之不會流動的 空氣可提供額外的保溫。 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 本發明之電池外殼的材料最好是金屬(如鋼)^在較佳 實施例中,金屬材料可以被壓花、浮凸、或整形成内含壓 力的表面’它可抵抗密封電池的内部壓力,並防止電池外 殼鼓脹。鼓脹會損害到各個電池,因為它會改變電極的分 布’以及電極與隔離片原來的空間關係。另者,也可以使 用圓柱形的金屬外殼。 在所有商用的密封式氫化金屬電池中,都設計成正極 是容量的極限。這表示正極會比負極先到達完全充電。當 此情況發生時’正極放出的氧氣正比於供應的電流。在過 度充電中,所有電流都被用來產生氧氣。為保持電池的密 封,必須要有使這些釋出的氧氣再結合的機制。 -37- 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS ) A4規格(210X297公釐) 、發明説明(36) 再結合的機制包括正極所產生的氧氣擴散經過隔離片 到達氣化金屬電極的表面在該處再結合。此機制的速率限 制是在氧氣擴散通過觸媒膜到達金屬電極的表面。一曰^ 氣到達電極的表面,氣體的再結合非常快速。不過,如果 氧氣必須擴散通過負極表面厚的觸媒膜,氣體再結合的速 率就減緩許多。因此,反應速率正比於電極表面的觸媒量。 此量稱為觸媒的膜厚。 本發明的另一方面是疏水性處理,它大幅減少了此膜 的厚度。前所描述的疏水性處理在氫化金屬負極表面產生 一層最有利的觸媒薄膜。 本發明承認,在氫化金屬電極外表面的疏水性處理極 為重要’且特別是在金屬-觸媒的介面。本發明包括在負 極表面以及隔離片與負極接觸的表面包括一小薄的塗層。 此提供了該處所需的疏水性程度。本發明的塗層與習知技 術相較具有極大的優點,因為雖然負極的表面成為疏水 性’但内部仍不受影響。這是因為氣體狀態的結合僅發生 於負極的外表面。因此,如習知技術的内部呈現疏水性痒 實有損於觸媒吸收率、整體的觸媒吸收、功率、循環壽期、 低溫、以及其它與負極有關的性能參數。 氫化鎳金屬電池的製造商最常以有機黏合劑(例如聚 四氟乙稀(polytetrafluoroethylene,PTFE)混合負極的風化 金屬粉末以防止裂痕及損失氫化金屬材料。此種配方造成 電極中大半為疏水性材料(因而使電極的電阻增加),且所 得到的疏水性也降低了開始餘去表面雜質的效率。此外’ 38- 本紙張尺度適用中國國家標隼(CNS ) Α4規格(210Χ297公釐) 請 先 閲 背 面 之 注 拳 Μ ί裝 頁 訂 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印装 494072 五、 A7 ________ B7___ 發明説明(这7) 佔了大部分的疏水性黏合劑也降低了觸媒的吸收,因而使 循環壽命縮短、導電性降低、且佔據較大空間。 相對於申請案的教導,JP A 4_277467教導以連同、酒 精喷霧形成電極表面的疏水性,以增進内部壓力。 本發明的發明人意外地發現,除了處理面對隔離片的 負極表面使其成為疏水性,還有一種方法可以得到相同於 果’即使用隔離片與未經處理的負.極,隔離片面對負極的 表面經過處理成為疏水性。不受理論約束,隔離片面對負 極之表面上的疏水性材料與縮減電極上觸媒膜厚的負極如 此緊密接觸,相信如同負極本身已被處理過。 雖然乍看處理負極表面與隔離片面對負極之表面使兩 者均呈疏水性呈現出它的優點,但發明人發現此並無效 果。當兩個表面都經過處理,所得到的疏水性材料的厚产 變的太厚,致使氧氣再結合變得非常慢。 又 在JP A 5-242908中描述在負極與隔離片(負極表面與 隔離片表面都經過有效的處理)間使用一層PTFE。雖然^ A 5_2429〇8中討論了氧氣在電極上再結合的優點,但jp a 5-242908所顯示的電池單元壓力僅降至81到1丨4psi的範圍 (並未顯示電池單元的溫度)。此壓力遠高於本發明之電池 單元的内部壓力,如下文中表丨所示。使用如本發明=所 描述的塗層電極或隔離片,即可避免額外層中固有的問 題。根據本發明的塗層電極簡化與降低了組裝成本,因為 塗層可在組裝前施加。在隔離片與電極間使用pTFE薄膜 層,組裝時會出現很多問題。例如,延展可能產生不均勺 -39- --------ΤΓ (請先閲讀背面之注意事項足'>€本頁} -裝· 經濟部中央標隼局員工消費合作社印裝 本紙張尺度適用巾關家榡準(CNS ) ( 2lQx297公楚) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 494072 A7 ___B7 五、發明説明(38) 的多孔性,致產生不均勻的氣體再結合與擴散率。塗層的 電極有效地允許使用非常薄的疏水性層,因此助長均勻且 快速的氧氣再結合,且不會妨礙擴散率。 本發明在過度充電期間會從正極釋出氧氣的所有類型 的電池系統中都有效果。本發明對於氫化鎳金屬的系統特 別有用(例如Ovonic系統、AB2系統、ab5系統、以及稀土 金屬系統)。特別是,本發明與.共同待審之美國專利 08/259793中所描述的合金效果最好,該專利是1994年6月 14 提}_ 請’名稱為 ELECTROCHEMICAL HYDROGEN STORAGE ALLOYS AND BATTERIES FABRICATED FROM MG CONTAINING BASE ALLOYS 〇 本發明在本發明之混合式電動車的電池中特別有用, 因為這類電池必須歷經極多次的快速充電/放電循環。這 疋因為快速充電會提早產生氧氣。在被快速充電的電池 中,過充電周期期間所產生的氧氣快速結合以防止洩氣與 損失容量非常重要。此外,本發明在高溫時特別有效,^ 電池被快速充電時更提高它的用處。很明顯,使用前述的 熱官理系統將可提南氣體再結合的效率。 雖然以下特別使用1%的PTFE懸浮物做驗證,不過, 任何適合的疏水性處理都可使用,都可減少氫化金屬負極 表面上觸媒的膜厚。本發明的電池單元不必在性能與循環 哥限、功率、電荷保持力或低溫性能間做取拾。 雖然可以使用任何種類的氫化金屬合金,但本發明的 電池單元最好是以低壓的負極材料製成為佳,如美國專利 -40- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ----- (請先閱讀背面之注意事項<:.';>r本頁) •裝· 訂
494072 A7 B7 五、發明說明() 5, 277:999.中所描述,其内容併人本文參考。此種儲氣合金 的組成為· (基本合金)aH叙d鐵 f翻g 其中基本合金代表無序的多成分合金,具有至少一種包 括非晶、微晶、複晶(缺少長範圍有次序的組織,具有三或 多相的複晶結構)結構,或是這些結構的組合;b是0到7.5 的原子百分比,以4到7的原子百分比為佳;4㈣8·5的 原子百分比,以6到8的原子百分比為佳;d是0到2.5的原 子百分比,以(U到2的原子百分比為佳;e是G到6的原子 百分比,以1到3或5.3到6的原子百分比為佳;f是〇到 4·5的原子百分比,以1至4的原子百分比為佳;g是〇到 6· 5的原子百分比,以0. 1至6的原子百分比為佳,以大約6 的原子百分比乘佳;b+c+d+e+f+g>〇;以及 a+b+c+d+e+f+g=l〇〇 的原子百分比。基本合金的較佳配方包括〇·丨到6〇原子百分 比的鈦,0· 1到25原子百分比的c錯,〇·丄到⑼原子百分比 的釩,0.1到57原子百分比的鎳,以及〇1到%原子百分 比的鉻,以及b是4到7的原子百分比;c是6到8的原子百 分比;d是0· 1到2的原子百分比;e是1到2的原子百分比;f 是0.1到4的原子百分比;g是〇·ΐ到6的原子百分 比;b+0+d+e+f+g>0;以及 a+b+c+d+e+f+g=100 的原子百分比。 雖然任何材料的正極都可以與氫化金屬負極相容(如氫 化鎳),但本發明的正極最好是美國專利5, 344, 728、 5, 348, 822、5, 523,182、5, 569, 562、5, 567, 549 中所描述類 型。這些電極是局部有序、無序、高容量、與長循環專限
-41 - 87474a/MEMU 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐^" — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 観 — — — — — — — · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
的正極 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 包括具有多相結構的固溶氫氧 種組合改良成分以增進多相的二 包括至少一種複晶γ_相’包括-個複晶γ-相單元: 毒成的_配置的極板,有極板的四周至少有一種離 ’極板具有穩定的片間距離,其範 以及3.5+或更大的氧化狀態。至少-種的組合改 2、金屬氧化物、金屬氧化物合金、氫化金二及= =、金屬合金。至少—種的組合改良成分最好是選擇自 H絡、銅、鐵、Ln、氫化鐦(LaH3)、鍾、舒、 銻、錫、氫化鈦(TiH2)、氧化鈦、鋅等其中之一。 隔離片與本材料的袋子(bags)是由美國專利5,33〇,861 中所描述的材料製成,其内容列入本文參考。此申請案中 所誶細描述的是可保持觸媒的尼龍以及可吸濕的聚丙烯材 料,它們不會與氫氣或鹼性觸媒反應。保持尼龍(rUentiM nylon)材料吸收與保持觸媒溶液的能力超過標準的尼龍隔 離片。可吸濕聚丙烯材料的隔離片是接枝的聚丙烯材料, 它可保持與吸收觸媒,因此不會產生顆粒、倒刺與殘餘物。 本發明之電池單元的隔離片與袋最好是使用接枝的聚丙 材料。 雖然本文所描述之增進的電池電極是指向正極與負極 兩者,但這並非對本發明的限制。因此,本發明之電池的 構造包括燒結的負極結合增強導電性的正極,或習知技術 的貼附式負極結合增強導電性的正極,或增強導電性的負 極結合習知技術的正極,或增強導電性的負極結合增強導 # -42- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) TT (請先閲讀背面之注意事項本頁) 裝·
、1T 線 494072 五、發明説明(遺1) 電性的正極等,都屬於本發明的範圍。(本文所使用的“增 強導電性”一詞特別是指本發明之電池的負極或正極)。 製造並測試實施本發明混合式電動車系統的電池單元 與習知技術的比對電池單元。這些電池單元的測試結果見 表1 〇 (請先閲讀背面之注意事項> 駑本頁) -裝' 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 表1 比對電 池單元 原型混合式電動 車 混合式電動車最 佳化原型 功率密度(W/L) 1300 1600 2700 比功率(W/kg) 600 600 1000 能量密度(Wh/L) 120 190 160 比能量(Wh/L) 55 70 60 負極結構 貼附式 銅基材 銅基材,薄電極 負電流收集器 鎳 銅 銅 負極合金比較 稀土混 合金屬 正極 貼附式 氫氧化鎳 (薄) 貼附式γ-相氫氧化鎳 (厚) 貼附式γ-相氫氧化鎳 與導電添加物 (薄) 隔離片 聚丙席 厚聚丙烯 薄聚丙烯 外殼 塑膠 不銹鋼 不錄鋼 縱長比 正方 正方 正方 頂 塑膠 不銹鋼 不錄鋼 接片 厚 厚 厚/雷射烊接 -43- 訂 -線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 4^4072 A7 ---- 扪 " --— -----— — 一一一 __ ^— 五、發明説明(42 ) 從表1中可看出,本發明的實施例(即滿合式電動車原 型電池單元與混合式電動車最佳化原型電池單元)較按習 知技術製造的比對電池單元增進許多。特別是最佳化原型 電池單元更是有極顯著的增進。 表1顯示本發明之銅基材提供增進的電流傳導,是降 低内部電阻之首要。同樣地,使用導電添加物,如鎳纖維、 鍍鎳石墨顆粒、鍍鎳銅顆粒、鍍鎳銅纖維,或在貼附式負 極材料内使用導電墊,都對正極的導電性有貢獻。此外, 使用雷射焊接的厚接片確保電極增進的導電性不會損失在 收集點。另者,負極也可使用鈦1〇錯28鎳36鉻5鈷5錳Μ的成 分。 範例2 本發明的熱傳導電極的衝擊可單獨評估。比對電池單 元與熱傳導電池單元如表2所示。 (請先閱讀背而之注意事項本頁) -裝 表2 經滴部中央標尊局员工消费合作社印奴
494072 A7 B7 循環後的溫度 80°C (在C/10過充電到 容量之120%的充電 /放電循環)
34〇C 五、發明説明(43) 範例3 表3中的電池單元1-7是使用美國專利5,330,861中所描 述的方法製造’使用高伸縮性聚丙烯隔離片以及具有下列 成分的負電極合金: 飢18欽15錯18錄29絡5链7猛8 在組裝成電池单元刖,並對隔離片面向負極的面上喷灑了 1%的PTFE水溶液。比對的電池單元C1-C7使用未經處理 的隔離片組裝。 這些電池單元在指定的溫度下充電與放電。證實隔離 片表面上塗裝有1%PTFE水溶液的電池單元,其内部壓力 一致下降。可以看出,在溫度升高時效果更加明顯,表示 比習知技術有重大增進。表1也顯示本發明的電池單元不 必在容量間做取捨。 *-------»丨裝— (計先閱讀背而之注意事項^^本頁)
、1T 經满部中央標枣局只工消費合作社印鉍 3 表 溫度(°C) 過充電壓力(psi) 容量(Ah) C1 0 ~32~ C2 10 39 4 〇 58 C3 20 89 4 ° 46 C4 30 113 C5 40 136 4 〇 53 45 用中國國家標皁(CNS ) Λ4現梏(210X297公释) A7 五 發明説明(44 ) ~C6 γλ nr 50 175 4 ° 53 C7 60 -— 138 3 〇 97 鐵弗龍 1 — 丄 0 —-— 46 4 〇 76 10 ---— 44 4 〇 56 XI A 20 ------- 42 4 〇 47~~ H c 30 47 4 ° 52 5 ——— ti 40 55 4 〇 54 6 50 75 4 〇 49 — 7 60 63 4 〇 02 經漪部中央標卑局負工消費合作社印狀 人很明顯可看出,以上所描述的各組成還可以有其它 合,都不會偏離本發明的精神與範圍。例如,在貼附式 極上添加大$導電成分,可預期的如金屬鎳或銅粉。本 明^的时論與描述僅是用來說明本發明的特定實施例, 非意味對本發明加以限制。隨後的巾請專利範圍,包括 有的同等物,定義本發明的範圍。 雖然已利用相關的較佳實施例與程序描述本發明, ^須瞭解的是,並非將本發明限制在這些較佳實施_ ,修改與同等物都包括在本發明的精神與範圍内,、 明由以下的申請專利範圍定義之。 -46- 本紙張尺度適用中囤國家標準(CNS ) Λ4規枱(210x297^^7 ,--------- (¾先閱讀背面之注意事寫本頁)
、1T Μ線 494072 A7B7
五、發明說明() 元件符號說明: 1 正極 2 電流收集片 3 電流收集線 32電池模組 37冷却劑流動通道隔離物 38隔離物 39電池組系統 40電池箱 41冷却劑入口 42冷却劑出口 43冷却劑通道 44冷却劑輸送裝置 70内燃引擎 71發電機 72電池 73電動馬達 ,7 4驅動糸統 75電池 76電動馬達 77離合器 78驅動系統 79内燃引擎 80離合器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ,裝------ 111111. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
-46-1 - 87474a/MEMU 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
Claims (1)
- 專利申請案第87119352號 , ROC Patent Appln. No.87119352 中文申請專利範圍修正本(共14項)一附件三 Amended Claims in Chinese - Enel. Ill 【民國9i年2月α曰送呈) (Submitted on February ^ 9 2002) L 一種混合式電動車驅動系統,包括·· 内燃引擎; 電動馬達;及 至少一個氫化鎳金屬電池模組,提供該電動馬達所需電 力,該電池模組具有一内部電阻可有效提供一峰值功率 密度與能量密度之關係的定義為: ^ P^L375-15E,且P大於700瓦/仟克, 其中P是峰值功率密度,單位是瓦/仟克,E是能量 度’早位是瓦-小時/仔克。 2.如申請專利範圍第i項之驅動系統,進—步包括供 =電動車之將該内燃引擎與電動馬達連結和分開之襄 3·如申請專利範圍第2項之驅動系統,更包含在耗 模式中操作該至少-個電池模組的控制裝置。^ 〇T 4·如申請專利範圍第2項之驅動系統, 模式中操作該至少-個電池模組的控制裝置。、、、持電何 物峨,㈣能量密度至 6·如申請專利範圍第丨項之驅 ,加〜. 騎錢’更包含供冷卻該至 少一個氣化鎳金屬電池模組之冷卻系統。 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(21〇 X 297八 87474b(90BC) 訂---------,Μ 1^9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 90. 11, !I7·如申請專利範圍第丨項之驅動系統,其中該峰值功率密 度至少為100瓦/仟克。 8·如申請專利範圍第1項之驅動系統,其中該至少一個氫 化鎳金屬電池模組包含負極,該負極包括實質由銅所構 成之多孔性金屬基材。 9· 一種具有整合式推進系統的混合式電動車,包括· 電力系統,包括内燃引擎,及 電動馬達, 以及 至少一個氫化鎳金屬電池模組,耦合到該動力系統並且 提供電力給電動馬達,該電池模組具有_内部電阻可有 效提供一峰值功率密度與能量密度之關係定義為: H375-15E,且P大於700瓦/仟克, 其中p是缘值功率密度,單位是瓦/仟克,E是能量密 度,單位是瓦-小時/仟克。 10·如申請專利範圍第9項之混合電動車,更包括· 再生式刹車系統’提供用於該至少_個氫化錄電池 模組之充電電流。 如申請專利範圍第9項之混合電動車,更包含供冷卻該 至少一個氫化鎳金屬電池模組之冷卻系統。 η.如=專利範圍第9項之混合電動+,'其;該能㈣度 至少為70瓦-時/什克。 μ申請專利範圍第9項之混合電動車,其中該峰值功率 密度至少為1000瓦/仟克。 90. 11. 2,000 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) %------丨丨tr---------f· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -48 - 494072 A8 B8 C8 D8% 六、申請專利範圍 14·如申請專利範圍第9項之混合電動車,其中該至少一個 電池模組包含負極,該負極包括實質由銅構成之多孔性 金屬基材。 % (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 49 - y訂---------線------- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 90. 11. 2,000
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