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用于电池系统的充电状态的标记物.pdf

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用于 电池 系统 充电 状态 标记
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摘要
申请专利号:

CN201010225608.6

申请日:

2010.05.13

公开号:

太阳城集团CN101924381B

公开日:

2014.09.17

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02J 7/00申请日:20100513|||公开
IPC分类号: H02J7/00 主分类号: H02J7/00
申请人: 通用汽车环球科技运作公司
发明人: M·W·费尔布鲁格; P·刘; E·谢尔曼
地址: 美国密执安州
优先权: 2009.05.13 US 12/465,102
专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 薛峰;曹若
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201010225608.6

授权太阳城集团号:

101924381B||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2014.09.17|||2011.02.02|||2010.12.22

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明涉及用于电池系统的充电状态的标记物。具体地,示例性实施例包括电池单元电极,该电池单元电极包括具有第一电势对充电状态(SOC)关系的第一材料;具有第二电势对充电状态(SOC)关系的第二材料;其中该第二材料在所选择的SOC水平上变得活性以迁移离子,导致了从该第一至第二电势对SOC关系的测量电势中易于观察的变化。

权利要求书

1: 一种电池单元电极, 包括 : 具有第一电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料 ; 具有第二电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料 ; 其中所述第二材料在所选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 导致了从所述第一至所 述第二电势对 SOC 关系的测量电势中易于观察的变化。
2: 如权利要求 1 所述的电极, 其中所述电极为阳极电极。
3: 如权利要求 1 所述的电极, 其中所述测量电势中易于观察的变化包括电势的阶梯变 化。
4: 如权利要求 1 所述的电极, 其中所述电池单元包括锂离子电池单元。
5: 如权利要求 4 所述的电极, 其中所述第一材料包括碳, 其形式为硬 ( 不可石墨化的 ) 碳、 软碳 ( 加热可石墨化的 ) 或石墨。
6: 如权利要求 4 所述的电极, 其中所述第二材料包括钛酸锂。
7: 如权利要求 4 所述的电极, 其中所述第二材料包括 Li4+3zTi5O12。
8: 如权利要求 4 所述的电极, 其中所述第二材料的含量使得所述选择的 SOC 水平在大 约 0.05SOC 至大约 0.95SOC 之间。
9: 一种电池单元, 包括 : 阳极电极和阴极电极 ; 所述阳极电极包括具有第一测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料 ; 并且 所述阳极电极包括具有第二测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料 ; 其中所述第二材料在所选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 导致了从所述第一至所 述第二电势对 SOC 关系的测量电势中易于观察的变化。
10: 一种确定电池单元的充电状态 (SOC) 的改善方法, 包括 : 提供包括阳极电极和阴极电极的电池单元 ; 提供包括具有第一测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料的所述阳极电极 ; 提供包括具有第二测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料的所述阳极电极 ; 其中选择所述第二材料使其在选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 导致了从所述第 一至所述第二电势对 SOC 关系的测量电势中易于观察的变化 ; 以及 使用从所述第一至所述第二电势对 SOC 关系的所述测量电势中易于观察的变化来调 节充电状态 (SOC) 的未来估计。

说明书


用于电池系统的充电状态的标记物

    技术领域 本发明涉及的技术领域包括用于确定包括锂离子电池系统的电池系统的充电状 态 (SOC) 的方法和电极。
     背景技术 锂离子电池是一种可重复充电的电池, 其中锂离子在负电极和正电极之间运动。 锂离子电池通常用于消费性电子器件。除用于消费性电子器件之外, 锂离子电池由于它们 的高能量密度而在国防、 汽车、 医药以及航天应用方面逐渐变得受欢迎。
     发明内容
     一个示例性实施例包括电池单元电极, 该电池单元电极包括具有第一电势对充电 状态 (SOC) 关系的第一材料 ; 具有第二电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料 ; 其中该第 二材料在所选择的 SOC 水平上变得活性以迁移离子, 使得从第一至第二电势对 SOC 关系的 测量电势可易于观察地变化。
     另一个实施例包括电池单元, 该电池单元包括阳极电极和阴极电极 ; 该阳极电极 包括具有第一测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料 ; 并且该阳极电极包括具有第二 测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料 ; 其中该第二材料在所选择的 SOC 水平变得活 性以迁移离子, 使得从第一至第二电势对 SOC 关系的测量电势可易于观察地变化。我们使 用的术语阳极指的是负电极 ( 在电池单元放电时的阳极 )。类似的, 阴极指的是正电极, 其 在放电时是阴极。
     另一个示例性实施例包括一种改善的确定包括阳极电极和阴极电极的电池单元 的充电状态 (SOC) 的方法 ; 提供包括具有第一测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料 的阳极电极 ; 提供包括具有第二测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料的阳极电极 ; 其中选择该第二材料使其在所选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 使得从第一至第二电 势对 SOC 关系的测量电势可易于观察地变化 ; 并且使用从所述第一至所述第二电势对 SOC 关系的可易于观察的变化来调节充电状态 (SOC) 的未来估计。
     其他示例性实施例将从下面提供的详细描述中将更为显而易见。应该理解的是, 虽然公开了示例性实施例, 但详细描述和具体例子, 只是为了阐述目的, 而不是用于限制本 发明的范围。
     本发明还提供如下方案 :
     11、 一种电池单元电极, 包括 :
     具有第一电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料 ;
     具有第二电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料 ;
     其中所述第二材料在所选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 导致了从所述第一 至所述第二电势对 SOC 关系的测量电势中易于观察的变化。
     12、 方案 1 中的电极, 其中所述电极为阳极电极。13、 方案 1 中的电极, 其中所述测量电势中易于观察的变化包括电势的阶梯变化。
     14、 方案 1 中的电极, 其中所述电池单元包括锂离子电池单元。
     15、 方案 4 中的电极, 其中所述第一材料包括碳, 其形式为硬 ( 不可石墨化的 ) 碳、 软碳 ( 加热可石墨化的 ) 或石墨。
     16、 方案 4 中的电极, 其中所述第二材料包括钛酸锂。
     17、 方案 4 中的电极, 其中所述第二材料包括 Li4+3zTi5O12。
     18、 方案 4 中的电极, 其中所述第二材料的含量使得所述选择的 SOC 水平在大约 0.05SOC 至大约 0.95SOC 之间。
     19、 方案 4 中的电极, 其中所述第二材料的含量使得所述选择的 SOC 水平在大约 0.05SOC 至大约 0.5SOC 之间。
     20、 方案 4 中的电极, 其中所述电极在电池单元中为阳极电极, 其与包括磷酸铁的 阴极电极互补。
     21、 一种电池单元, 包括 :
     阳极电极和阴极电极 ;
     所述阳极电极包括具有第一测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料 ; 并且 所述阳极电极包括具有第二测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料 ;
     其中所述第二材料在所选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 导致了从所述第一 至所述第二电势对 SOC 关系的测量电势中易于观察的变化。
     22、 方案 11 中的电池单元, 其中所述测量电势中易于观察的变化包括电势的阶梯 变化。
     23、 方案 11 中的电池单元, 其中所述电池单元包括锂离子电池单元。
     24、 方案 11 中的电池单元, 其中所述第一材料包括碳, 其形式为硬 ( 不可石墨化 的 ) 碳、 软碳 ( 加热可石墨化的 ) 或石墨。
     25、 方案 11 中的电池单元, 其中所述第二材料包括钛酸锂。
     26、 方案 11 中的电池单元, 其中所述第二材料包括 Li4+3zTi5O12。
     27、 方案 11 中的电池单元, 其中所述第二材料的含量使得所述选择的 SOC 水平在 大约 0.05SOC 至大约 0.5SOC 之间。
     28、 方案 11 中的电池单元, 其中所述阴极电极包括磷酸铁。
     29、 一种确定电池单元的充电状态 (SOC) 的改善方法, 包括 :
     提供包括阳极电极和阴极电极的电池单元 ;
     提供包括具有第一测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第一材料的所述阳极电极 ;
     提供包括具有第二测量电势对充电状态 (SOC) 关系的第二材料的所述阳极电极 ;
     其中选择所述第二材料使其在选择的 SOC 水平变得活性以迁移离子, 导致了从所 述第一至所述第二电势对 SOC 关系的测量电势中易于观察的变化 ; 以及
     使用从所述第一至所述第二电势对 SOC 关系的所述测量电势中易于观察的变化 来调节充电状态 (SOC) 的未来估计。
     30、 方案 19 中的方法, 其中所述第一阳极材料包括石墨, 所述第二阳极材料包括 钛酸锂, 以及所述阴极材料包括磷酸铁。
     附图说明 通过详细的描述和附图将会更全面的理解本发明的示例性实施例, 其中 :
     图 1A 为根据现有技术的示例性的锂离子电池单元的示意图。
     图 1B 为常规的电池单元阳极 / 阴极对与根据本发明的示例性实施例的电池单元 阳极 / 阴极对的示意图。
     图 2A 是示出了根据现有技术使用了石墨阳极和磷酸铁阴极的常用电池的电势对 充电状态 (SOC) 关系的曲线图。
     图 2B 是示出了根据示例性实施例使用了具有钛酸锂添加剂 SOC 标记物的石墨阳 极的常用电池的电势对充电状态 (SOC) 关系的曲线图。
     图 3A 和 3B 示出了示例性阳极的 SOC 标记物添加剂材料的示例性布置。
     图 4 示出了根据示例性实施例的示例性流程。
     具体实施方式
     下述实施例 ( 一个或多个 ) 的描述本质上仅仅是示例性的 ( 示意性的 ), 不作为本 发明及其应用或使用的限制。
     在一个实施例中, 可将材料添加剂添加至可产生电池单元电势 ( 电压 ) 测量值和 基于电池单元的充电和 / 或放电的电池充电状态 (SOC) 之间希望关系的电池单元 ( 系统 ) 的阳极中。
     在一些实施例中, 给阳极的材料添加剂 ( 在此也指的是 SOC 标记物 ) 可导致电势 测量值对 SOC 的相对明显变化 ( 例如, 电势变化的一阶导或变化率 ), 并可容易地观察, 例如 相比于没有材料添加剂的阳极中的电势测量值对 SOC 电池单元的相对平的电势测量值相 比, 测量电势的阶梯变化。
     在一些实施例中, 电池单元可以为锂离子电池单元。 在一些实施例中, 锂离子电池 单元可包括液体电解液和或凝胶电解液。在一些实施例中, 锂离子电池单元可为棱形锂离 子电池单元。
     在一些实施例中, 电池单元可为串联连接的电池单元堆中的多个电池单元中的一 个。在其他实施例中, 电池单元可为诸如用于在电动或混合动力车辆中提供功率的车辆电 池系统的一部分。
     例如, 参照图 1A, 它示出了具有固态阴极 10A 的示例性锂离子电池单元的示意图, 阴极 10A 被电解液 12A 所包围并与被电解液 12B( 液体或凝胶体 ) 包围的固态阳极 10B 用 隔板 14( 例如, 其可包括诸如聚乙烯或聚丙烯的聚合物 ) 分隔开, 并允许 Li 离子通过。阴 极和阳极电导线 ( 例如 11A 和 11B) 可延伸出容器 ( 例如 13), 且其可与其他电池单元串联 连接以形成电池组。可以认识到的是, 在一些实施例中, 容器 13 可包括硬的或柔性的聚合 物材料并可包括具有内部层叠金属箔的叠片。
     在一些实施例中, 电势测量值可表达为测量电势对锂 (Li)。 在其他实施例中, 附加 的或可替换的, 测量电势可以为电池单元的开路电势测量值。
     在一个实施例中, 锂离子电池单元可包括磷酸铁阴极 ( 例如, LixFePO4, 其中分别 在充电和放电状态之间 0 < x < 1), 并可包括石墨阳极 ( 例如 LiyC6, 其中分别在放电和充 电状态之间 0 < y < 1)。在一个实施例中, 阴极可包括锂金属氧化物, 例如但不限于, 包含钴、 镍、 锰和 / 或其他元素的氧化锂。
     在一个实施例中, 给阳极的材料添加剂可为钛酸锂。 在另一个实施例中, 钛酸锂可 为 Li4+3zTi5O12, 其中 0 < z < 1。
     对于薄膜电池的典型设计和电流分布及温度分布问题。因为电流在接线片 (tab) 附近最高, 因此 i^2R( 欧姆 ) 损失, 并且温度此时最高。因此, 在一个实施例中, 基本上只在 电池单元的顶部通过接线片可布置非常耐用的钛酸锂。
     例如, 参照图 1B, 其示出了没有将材料添加剂包含在石墨电极中的石墨阳极 12B 和磷酸锂阴极 12A 的电池单元与具有如 Li4+3zTi5O12 的材料添加剂 15 的电池单元石墨阳极 14B 和阴极 14A 相比较的能量容量 ( 充电状态 (SOC)) 的示意图。如图所示, 任一个电池单 元的阳极相对于阴极可包括大约 10%的过量能量容量 (SOC)( 例如 -0.05 至 1.05)。
     在一个实施例中, 在操作时, 基于阳极 14B 的放电, 石墨阳极中的 Li 可在选择的放 电水平耗尽, 此时, 该阳极材料添加剂 ( 例如, 钛酸锂 ) 可变得活性 ( 例如参与 Li 离子迁移 ) 从而导致与 SOC 值相关的电池单元系统的测量电势易于观察的变化 ( 例如, 阶梯变化 )。
     可以理解的是, 阳极放电水平或电池系统 ( 其中 SOC 标记物变得活性 ) 的测量电 势发生变化的 SOC 的水平可取决于添加剂材料的类型以及材料添加剂的相对量和 / 或包含 在 ( 复合 ) 阳极和材料添加剂中的锂的相对量。在一个实施例中, 添加剂量的范围为大约 2 至大约 30 的阳极组分重量百分比。阳极可包括添加材料, 例如但不限于, 碳, 例如以硬碳 ( 不可石墨化的 )、 软碳 ( 加热可石墨化的 ) 和 / 或石墨的形式。 在一些实施例中, 可将测量电势中的易于观察的变化选择为发生在大约 0.05 至 大约 0.95 之间的 SOC 水平, 在其他的实施例中, 在大约 0.05 至大约 0.5 之间的 SOC 水平, 在另一实施例中, 在大约 0.1 至大约 0.3 之间的 SOC 水平。
     在一个实施例中, 参照图 2A 和 2B, 其示出了在阳极中不具有 ( 图 2A) 电势变化材 料添加剂 (SOC 标记物 ) 和在阳极具有 ( 图 2B) 如 Li4+3zTi5O12 的电势变化材料添加剂的石 墨 / 磷酸铁 ( 阳极 / 阴极 ) 电池单元的测量电势对 SOC。
     在图 2A 中, 其示出了常规的充电 / 放电周期, 例如在 0.25mA 或 C/5( 例如, 全充电 或放电 5 小时 ), 用于在阳极中不具有电势变化材料添加剂 (SOC 标记物 ) 的石墨 / 磷酸铁 ( 阳极 / 阴极 ) 电池单元。可以看出, 测量电势对 SOC 的的变化率在 0.05SOC 至 0.95SOC 之 间相对平坦。将认识到的是, 这种平坦电势对 SOC 可使得 SOC 估计量操作 ( 状态估计量 ) 较不精确, 如本领域所已知的。
     参照图 2B, 作为对比, 根据实施例, 当把钛酸锂 ( 例如, Li4+3zTi5O12) 添加至石墨阳 极时, 测量电势对 SOC 的明显变化在所选择的 SOC 水平发生, 例如, 导致了测量电势对 SOC 的阶梯变化。如所示实施例中, 电势 (SOC 标记物的操作 ) 中的阶梯变化基于放电 ( 其中 LiyC6 中的 y = 0) 发生在大约 15% (0.15)SOC 处 (85% (0.85) 的放电深度 ) 以及基于充 电发生在大约 10% (0.1)SOC 处。因此, 根据实施例, 相对不平坦的电势对 SOC 关系 ( 例如, 包括阶梯变化 ) 可被选择性地建立以改善来自 SOC 估计量的未来 SOC 估计精度, 该 SOC 估 计量可基于电势测量值来估计 SOC, 如本领域已知的。
     在图 2B 所示实施例中, 钛酸锂具有大约 0.25mAh 的容量, 石墨具有大约 0.95mAh 的容量, 而磷酸铁具有大约 1.1mAh 的容量, 因此使得复合阳极的能量容量有大约 10%的过 量。
     参照图 3A, 在一个实施例中, 阳极电极 14B 的电势变化材料添加剂 15 可布置成为 分离层或与第一阳极材料一起的材料分离层。
     参照图 3B, 在其他的实施例中, 阳极电极 14B 的电势变化材料添加剂 15 可布置成 为第二相, 例如, 作为在第一阳极材料中的晶粒或离散粒子, 其中晶粒或粒子可以或可以不 互相连接。
     在其他实施例中, 可将阳极电极的电势变化材料添加剂布置成物理上接近根据对 应于阳极材料的任何几何图形。
     参照图 4, 其示出了根据实施例的工艺流程图。在步骤 401 中, 电池单元中的阳极 可具有第一电势 ( 电压 ) 对 SOC 关系的第一材料。在步骤 403 中, 阳极可具有第二不同的 电势 ( 电压 ) 对 SOC 关系的第二材料。在步骤 405 中, 该第一材料可被放电至所选择的 SOC 水平以激活第二材料从而迁移离子。在步骤 407 中, 阳极的电势 ( 电压 ) 可被测量从而描 绘第二电势 ( 电压 ) 对 SOC 关系的特征。在步骤 409 中, 可基于所述第二电势 ( 电压 ) 对 SOC 关系调节 SOC 的未来估计。
     本发明实施例的上述描述本质上仅仅是示例性的, 并且因此它们的变形也不被认 为是脱离了本发明的精神和范围的。

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