專利名稱：汽車電池系統(tǒng)和方法
汽車電池系統(tǒng)和方法關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究的聲明本發(fā)明根據(jù)美國聯(lián)邦交通管理局(FTA)的合同號—的國家燃料電池公共汽車 項目利用美國政府的支持而作出。
背景技術(shù)：
近年來，作為環(huán)保措施已經(jīng)提出了配備電池的混合動力和電動汽車，其中一些已 經(jīng)投入實際使用以有效地利用能源，特別是可再生能源。通常情況下，到目前為止已投 入實際使用并安裝在汽車上的二次電池包括，例如，鉛蓄電池、鎳氫電池(nickel metal hydride batteries)或高功率的鋰離子電池。這類電池的使用遇到許多挑戰(zhàn)，諸如熱降解、或由于低容量而需要相當(dāng)大的體積 或空間。這類電池可能是重的，這會導(dǎo)致汽車性能降低。此外，電極的活性材料在吸留和釋 放離子的速度方面較低，從而在快速充電過程中不能實現(xiàn)高效充電，也不能形成再生充電 (regenerative charging)的靜態(tài)充電器(stationary charger)。再生充電的速度對于可 能在短的時間段內(nèi)經(jīng)常充電的重載汽車諸如公共汽車是非常相關(guān)的。因此，存在著對于具有能夠快速充電的電池系統(tǒng)的重載汽車的需要。進(jìn)一步存在 對于可以有效地利用其電池系統(tǒng)的重載汽車的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及具有能夠快速充電的動力源的重載汽車如公共汽車。在本發(fā)明的一個 方面，動力源可以包括鈦酸鋰電池源。在某些情況下，可以提供另外的動力源。動力源可以 包括一個或多個電池組。動力源可以被安置于重載汽車的底板中。在某些情況下，多個電 池組可以單獨地安裝在汽車底板的空腔內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，汽車可以具有復(fù)合材料車身(composite body)。車身 可以基本上由至少一種復(fù)合材料諸如高強度玻璃纖維或碳纖維形成。在某些情況下，車身 的高應(yīng)力區(qū)域可以由復(fù)合材料形成?？蛇x擇地，車身可以由輕質(zhì)金屬或金屬合金形成。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以提供一個或多個電池串作為推進(jìn)動力源。各電池串 可以包括一個或多個電池組。電池組可以包括一個或多個模塊，各模塊可以包括一個或多 個電池單元諸如鈦酸鋰電池單元?？梢栽谕七M(jìn)動力源的任何層次上整合電池管理系統(tǒng)以提 供傳感器反饋或者任何警報或警示。推進(jìn)動力源的殼可以包括安全部件(feature)，其可以 對構(gòu)件進(jìn)行熱或電隔離。當(dāng)結(jié)合下面的說明和附圖考慮時，可以進(jìn)一步認(rèn)識和理解本發(fā)明的其他目標(biāo)和優(yōu) 勢。盡管下面的說明書可能包含描述本發(fā)明的特別實施方式的具體細(xì)節(jié)，但這不應(yīng)被解釋 為限制本發(fā)明的范圍，而是作為優(yōu)選的實施方式的例證。對于本發(fā)明的每一方面，本領(lǐng)域的 技術(shù)人員已知的許多變化是可能的，如本文中所提出的。可以在不背離其精神的情況下在 本發(fā)明的范圍內(nèi)做出各種改變和修改。參考引入本說明書中提到的所有公開出版物、專利和專利申請通過引用引入本文，如同各個單獨的出版物、專利或?qū)＠暾執(zhí)貏e且單獨地表明通過引用引入。


在所附的權(quán)利要求中詳細(xì)提出本發(fā)明的新特征。通過參考下面的闡明利用了本發(fā) 明原理的說明性實施方式的詳細(xì)說明和附圖可以獲得對于本發(fā)明的特征和優(yōu)勢的更好理 解，附圖中圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有各種不同特征的公共汽車的示意圖。圖2A顯示具有存儲在汽車底板中的電池的重載汽車如公共汽車的略圖。圖2B顯示其中電池可以安裝在重載汽車的底板中的例子。圖2C顯示電池排列的例子。圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式可以用作推進(jìn)動力源的電池排列的高度概 括的略圖。圖4顯示可以用于推進(jìn)重載汽車的電池組件(assembly)的示意圖。圖5顯示一串中的電池組的例子。圖6顯示電池模塊的高度概括的略圖。圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的模塊的例子。
具體實施例方式本發(fā)明提供用于汽車電池的系統(tǒng)和方法。用于重載汽車或大容量汽車(包括公共 汽車、有篷貨車(van)和5-8級卡車)的汽車電池系統(tǒng)可以包括鈦酸鋰電池，并可以具有各 種不同的排列和配置。本文所述的本發(fā)明的各個方面可以應(yīng)用于下文闡述的任何特定應(yīng) 用，或用于任何其他類型的汽車或動力源。本發(fā)明可以作為獨立的系統(tǒng)或方法應(yīng)用或作為 集成的汽車系統(tǒng)的一部分應(yīng)用?？梢岳斫猓景l(fā)明的不同方面可以單獨地、共同地或相互結(jié) 合地來理解。另外，所描述的本發(fā)明的各個不同方面可以相結(jié)合以提供重載混合動力電動汽 車，其中，電池推進(jìn)動力源可以提供全部汽車動力的12. 5%或更高。在各種不同的實施方式 中，電池推進(jìn)動力源可以提供全部汽車動力的15%或更高、20%或更高、25%或更高、30% 或更高、40%或更高、50%或更高、70%或更高、80%或更高、90%或更高、95%或更高、或基 本上100%。舉一個例子，可以組合如輕型復(fù)合材料車身、高效動力傳動系統(tǒng)和輕型電池的 部件以使得電池推進(jìn)動力源可以提供汽車動力需求的很大比例。圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的具有各種不同特征的公共汽車的示意圖。 該公共汽車的特征可以應(yīng)用到其他重載汽車或大容量汽車，其中，“重載汽車”可以包括客 運公共汽車、校車、箱式貨車、穿梭公共汽車、拖拉機(jī)拖車、5級卡車(重量16，001-19, 500 磅、兩軸、六輪單車)、6級卡車(重量19，501- ，000磅、三軸單車)、7級卡車(重量 26，001-33, 000磅、四軸或更多軸單車)、8級卡車(重量33，000磅或更高、四軸或更少軸單 拖車)、具有超過14，000磅的GVWR重量的汽車、貨物-機(jī)車質(zhì)量比為15 1或更高的汽 車、六輪或更多輪的汽車、三軸或更多軸的汽車、或任何其它類型的大容量或重載汽車。重載汽車可以具有包括電池的推進(jìn)動力源。在本發(fā)明的一些實施方式中，重載汽 車可以具有一個或多個另外的動力源，諸如內(nèi)燃機(jī)或燃料電池。重載汽車可以是電池動力汽車或混合動力電動汽車，并可能夠使用相同的基本電池配置、驅(qū)動發(fā)動機(jī)和控制器，不論 該汽車是全電池汽車還是混合動力汽車。在某些實施方式中，重載汽車可以運行預(yù)定的路線，并在預(yù)定的充電點停留。參 見，例如，美國專利第3，955，657號，本文通過引用完整引入。推講動力源在本發(fā)明的一個實施方式中，重載汽車的推進(jìn)動力源可以包括鈦酸鋰電池。在 一些實施方式中，推進(jìn)動力源可以包括只是鈦酸鋰電池的電池，而不需要任何其他類型 的電池。鈦酸鋰電池可以包括本領(lǐng)域已知的任何形式或組成。參見，例如，美國專利申 請公布第2007/(^84159號、美國專利申請公布第2005/0132562號、美國專利申請公布 第2005/0214466號、美國專利第6，890，510號、美國專利第6，974，566號、美國專利第 6，881，393號，本文通過引用完整引入文獻(xiàn)。鈦酸鋰電池的使用可以使汽車能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電，并使其具有長的電池使用壽 命。在本發(fā)明的一些實現(xiàn)方式中，電池推進(jìn)動力源可能夠在幾分鐘之內(nèi)充電到非常高的充 電狀態(tài)。例如，在優(yōu)選的實施方式中，動力源可能夠在10分鐘之內(nèi)充電達(dá)到超過95%的充 電狀態(tài)。在本發(fā)明的其他實施方式中，推進(jìn)動力源電池可能夠在10分鐘、或9分鐘、7分鐘、 5分鐘、3分鐘、或1分鐘之內(nèi)充電達(dá)到超過65%的充電狀態(tài)、超過70%的充電狀態(tài)、超過 75 %的充電狀態(tài)、超過80 %的充電狀態(tài)、超過85 %的充電狀態(tài)、超過90 %的充電狀態(tài)、或超 過95%的充電狀態(tài)。在一些實現(xiàn)方式中，可以使用周期性的非車載充電連接(off board charging connection)對電池推進(jìn)動力源充電。非車載充電系統(tǒng)可以是位于汽車外部的電池充電系 統(tǒng)。在替代的實現(xiàn)方式中，可以使用車載的(on board)發(fā)電設(shè)備對電池推進(jìn)動力源充電。 車載發(fā)電設(shè)備可以是可以攜帶到車上或整合到車中的任何發(fā)電設(shè)備，其可以結(jié)合各種不同 的手段以對電池充電。根據(jù)本發(fā)明的另一種實施方式，推進(jìn)動力源可以包括具有本領(lǐng)域已知的或以后開 發(fā)的任何電池化學(xué)作用的電池。這類電動或混合動力電動汽車的電池可以包括但不限于， 鉛-酸(“富液式(flooded) ”和VRLA)電池、NiCad電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰離子聚 合物電池、鋅-空氣電池或熔鹽電池。在一些實現(xiàn)方式中，電池的儲存容量可以在18至100 千瓦時的容量范圍內(nèi)。在某些替代的實施方式中，推進(jìn)動力源可以包括鈦酸鋰電池和其他類型的電池或 超級電容器的組合。充電/放電控制電路可以接收來自電池傳感器(諸如溫度傳感器、電壓計和電流 計)的測量信號。根據(jù)輸入信號，控制電路可以計算出目前的充電容量，并可以設(shè)置特定的 充電狀態(tài)(SOC)，從而控制動力源的電池的充電/放電。電池可以接收來自外部或內(nèi)部能量 源的能量。重載汽車的電池動力源可以包括具有由正電極、負(fù)電極和正負(fù)電極之間的隔板形 成的螺旋結(jié)構(gòu)的電極組。該電極組可以通過與隔板一起卷繞正電極和負(fù)電極，然后對產(chǎn)生 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱壓來形成?？蛇x擇地，正電極、負(fù)電極和隔板可以通過使用粘合聚合物形成。 正極端子可以電連接正電極。同樣，帶狀的負(fù)極端子可以電連接負(fù)電極。電極組可以包含 在具有制備成從容器突出的正和負(fù)極端子末端的容器中以形成電池單元。
電池可以包括包含負(fù)集電器、和設(shè)置在該集電器的一側(cè)或兩側(cè)上且包含負(fù)電極活 性材料、導(dǎo)電劑和粘合劑的負(fù)電極層的負(fù)電極。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，負(fù)電極可以包括具有金屬氧化物、金屬硫化物、金屬 氮化物或金屬合金的活性材料。在本發(fā)明的一些實施中，負(fù)電極可以包括用于本領(lǐng)域已知 的任何電池化學(xué)作用的活性材料。本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式可以包括含有鋰鈦復(fù)合氧化物的負(fù)電極材料。可以使用 鈦酸鋰氧化物，諸如(1)尖晶石型Li4+xTi5012，(χ :-1彡χ彡3，和優(yōu)選0 <χ< 1)或⑵斜 方錳礦(ramsdellite)型鈦酸鋰，諸如Li2+xTi307(x 彡χ彡3)。除了鋰鈦氧化物外，鋰 鈦復(fù)合氧化物可以包括不含鋰的鈦基氧化物。鋰鈦氧化物可以包括，例如，含有至少一種選自Ti02、Ti、P、V、Sn、Cu、Ni和!^e的 元素的金屬復(fù)合氧化物。TiO2可以是銳鈦礦型，并可以具有300至500°C的熱處理溫度下所 需的低結(jié)晶性質(zhì)。作為包含至少一種選自Ti、P、V、Sn、CU、Ni*i^e的元素的金屬復(fù)合氧化 物,可以以 Ti02—P205、TiO2--V2O5JiO2--P2O5--SnA 和 TiO2-P2O5-MeO(Me 為至少一種選自 Cu、Ni和!^e的金屬)等作為例子。在某些情況下，金屬復(fù)合氧化物可以具有低結(jié)晶性質(zhì)和 其中晶相和非晶相混合的微結(jié)構(gòu)，或者只有非晶相存在。通過這種微結(jié)構(gòu)，可以顯著提高循 環(huán)性能。特別地，優(yōu)選含有鋰鈦氧化物和至少一種選自Ti、P、V、Sn、Cu、Ni和!^e的元素的 金屬復(fù)合氧化物。在一些實現(xiàn)方式中，負(fù)電極材料的初級顆粒的平均粒度可以是Im或更小。更優(yōu)選 地，負(fù)電極材料的平均粒度可以是0. 3m或更小。車身重載汽車可以包括本領(lǐng)域已知的任何車體組成和結(jié)構(gòu)。在某些情況下，大容量或 重載汽車可以具有可將其劃分為，例如，客運公共汽車、校車、箱式貨車、穿梭公共汽車、拖 拉機(jī)拖車或5-8級卡車的車身結(jié)構(gòu)。例如，重載汽車可以具有由金屬(諸如鋁或鋼或如鎂合金的合金)構(gòu)成的車身。在 本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，汽車可以具有輕質(zhì)、堅固的車身。重載汽車還可以包括包含至少一種復(fù)合材料的車身。在本發(fā)明的一些實施方式 中，重載汽車的車身可以基本上由至少一種復(fù)合材料形成。復(fù)合材料優(yōu)選是輕質(zhì)的、非金屬 材料。例如，汽車的高應(yīng)力區(qū)域可以由復(fù)合材料(如碳纖維、輕木(balsa)和/或結(jié)構(gòu)發(fā)泡 芯材)形成。在一些例子中，車身主體可以由高強度玻璃纖維、輕木和/或發(fā)泡芯材形成。本發(fā)明的幾種替代的實施方式可以包括其中，車身包括第一外殼、第二外殼和外 殼之間的芯的車身。例如，芯可以包括蜂窩結(jié)構(gòu)，或可以由輕木或泡沫構(gòu)建，或可以包括與 第一或第二外殼材料相同或不同的復(fù)合材料?？梢孕纬绍嚿淼母鱾€不同部分的其他材料可 以包括鋁、不銹鋼、玻璃纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯、碳纖維、或其他已知結(jié)構(gòu)纖維、纖維 增強塑料或其組合。復(fù)合材料的其他組合可以用于重載汽車的各種不同構(gòu)件。復(fù)合材料可以包括可覆蓋寬強度范圍的材料從使用短纖維或無定向纖維與廉價 樹脂的低級非結(jié)構(gòu)材料到在高性能樹脂系統(tǒng)中利用織造布的高強度和剛度特性。車身面板 可以是具有高強度的結(jié)構(gòu)元件，且優(yōu)選的實施方式可以利用這種構(gòu)造類型。商業(yè)應(yīng)用中用 于結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的常見材料包括乙烯基酯或環(huán)氧樹脂基質(zhì)中的玻璃纖維、芳綸和碳纖維布 帶。這些材料在拉伸強度和剛度、抗壓強度和剛度、抗沖擊性等方面可以具有不同的機(jī)械性能。當(dāng)適當(dāng)構(gòu)建時，復(fù)合材料也可以抗腐蝕和抗潮濕。通過利用具有這些單項性質(zhì)的這些材料的所選擇的組合，車身可以實現(xiàn)以下需要 的性能特性在面板平面內(nèi)或在直角方向上的極高強度、高的剛度和良好的抗沖擊強度和 耐久性。在一些實施方式中，材料可以包括非復(fù)合材料、復(fù)合材料或其組合。這些結(jié)構(gòu)復(fù)合 面板的適當(dāng)設(shè)計和構(gòu)造可以提供所有必要的強度和剛度以用作汽車底盤的唯一自我支持 結(jié)構(gòu)，即使是對于高強度的城市應(yīng)用。在一些實施方式中，汽車結(jié)構(gòu)可以包括輕質(zhì)骨架框架，多個車身面板連接在骨架 框架上。在另一實施方式中，車身可以由幾塊或單塊形成。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，汽車的底板結(jié)構(gòu)可以基本上由至少一種復(fù)合材料形 成。例如，汽車的底板結(jié)構(gòu)可以基本上由碳纖維或玻璃纖維形成?？蛇x擇地，底板結(jié)構(gòu)可以 由非復(fù)合材料(諸如金屬，其可以包括鋁或鋼)形成。底板結(jié)構(gòu)可以由在暴露于電弧或相 對較高的熱量時不會燃燒的任何材料形成。電池的位置圖2A顯示具有存儲在汽車底板中的電池的重載汽車諸如公共汽車的略圖。根據(jù) 本發(fā)明的一些實施方式，鈦酸鋰電池可以安裝在汽車的底板空腔內(nèi)。電池可以被排列為可 從公共汽車底板結(jié)構(gòu)的下面或側(cè)面單獨安裝在底板空腔內(nèi)的組。在本發(fā)明的一些實施方式 中，在重載汽車下面可能存在多個空腔，其可以彼此分隔并可以包含一個或多個電池的編 組?？蛇x擇地，汽車下面可以存在一個空腔，它可以包含電池的編組。圖2B顯示其中電池可以安裝到重載汽車諸如公共汽車的底板上的例子。例如，各 個電池組可以安裝于公共汽車底板中的指定區(qū)域中。電池系統(tǒng)的高度可以被設(shè)計為6. 75 英寸或更小，這可以使得它能夠配合到低底板客運公共汽車的底板下。這可以允許完全的 低底板底盤而不影響內(nèi)部座位布局。公共汽車可以具有“真正的低底板”配置，從而公共汽 車可以在車軸之間的整個區(qū)域具有水平底板通道(level floor way)，使能量存儲器安裝 在下方。例如，如果公共汽車具有兩個軸，這兩個軸之間的底板在兩軸之間可以是水平和平 坦的。這也可以適用于具有兩個或更多個軸的重載汽車；任何軸之間的底板可以是水平和 平坦的。這可表明，公共汽車的底板可以沒有突起以容納下面的電池；電池可以平放于公共 汽車底板下方。這可能與在乘客座位下面具有用于儲能系統(tǒng)的箱子的傳統(tǒng)公共汽車相反， 這包括座位布局。電池系統(tǒng)可以具有8英寸或更小、7. 25英寸或更小、7英寸或更小、6. 875 英寸或更小、6. 75英寸或更小、6. 625英寸或更小、6. 5英寸或更小、6. 375英寸或更小、6. 25 英寸或更小、6英寸或更小、5英寸或更小、4英寸或更小、3英寸或更小的高度。在某些實施方式中，各個電池組可以在公共汽車底板內(nèi)具有自己的隔室。在某些 情況下，各個電池組可以與其他電池組物理隔離。一些電池組可以相互電連接成串，但也可 以彼此電隔離。在本發(fā)明的替代實施方式中，電池可以集成到重載汽車的其他部分中。例如，電池 可安裝在汽車的前部、尾部、頂部或側(cè)面。在一些實現(xiàn)方式中，電池可以分布在汽車上的不 同位置。例如，部分電池可以存儲在汽車的底板中，同時部分電池可以存儲在車的頂部。可 以使用電池存儲位置的任何組合。用于重載汽車的推進(jìn)動力源可以包括一個或多個電池組件。電池組件可以通過 使用變換器為汽車中的牽引發(fā)動機(jī)、高功率輔助設(shè)備和低電壓輔助設(shè)備提供高壓電力。在本發(fā)明的一個實現(xiàn)方式中，并聯(lián)的系列電池串中的大電容(例如，50Ah)電池單元在故 障的情況下可以比串聯(lián)的平行電池組運行更安全。由于鋰電池單元一般出現(xiàn)短路故障 (fail-short)，如果該電池單元與許多的其他電池單元并聯(lián)，則其他電池可以釋放可用于 受損電池單元中一樣多的能量。在某些情況下，電池單元可以首先并聯(lián)放置以減少電池管 理系統(tǒng)的成本，因為可測量各個電池單元的電壓。然而，在一些具有大電容電池單元的其他 實施方式中，在串聯(lián)放置之前并聯(lián)電池可能沒有必要。較大電容電池單元的使用可以提高 整個組件的安全性而不增加電池管理系統(tǒng)的成本。因此電池可以串聯(lián)或并聯(lián)或以其任何組 合排列。這種電池連接的靈活性也可允許具有電池布置的靈活性。無論電池分布在汽車上 何處，這種電池布置的靈活性都可能是有利的。此外，汽車使用復(fù)合材料或不燃燒的非復(fù)合材料可以允許靈活的電池組布置。在 重載汽車的低底板設(shè)計的情況下，電池的高度可能是制約因素。例如，在某些實施方式中， 諸如低底板客運公共汽車或校車，電池可能需要保持小于6. 75”的高度。將電池組結(jié)合到 汽車底板中可以保持汽車重心更低和平衡重量分布，從而提高駕駛性能和安全性。電池的排列圖2C顯示電池排列的例子。電池模塊可以裝配在電池組內(nèi)，電池組可以裝配在電 池組件內(nèi)，電池組件可以包括串聯(lián)連接的電池組的串。圖3顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式可以用作推進(jìn)動力源的電池排列的高度概 括的略圖。汽車中的電池組件可以被設(shè)計為具有任何數(shù)目的主電池串。例如，在實施方式 中，電池組件可以包括3個主電池串。各個電池串可以由許多電池組組成。例如，每串可以 具有兩個電池組。各個電池串可以具有或不具有相同數(shù)目的電池組。例如，各個電池串可 以具有兩個電池組。在另一個例子中，一個串可以具有兩個電池組，另一個串可以具有一個 電池組，而另一個串可以具有5個電池組?？梢耘帕须姵卮允沟盟鼈儾⒙?lián)連接?？蛇x擇 地，電池串可以允許電池組串聯(lián)連接。電池管理系統(tǒng)(BMS)可以被整合到電池組和/或模塊中以對電池串中較弱電池單 元的潛在問題提供早期預(yù)警。為了確保狀態(tài)良好的電池組，BMS可以提供模塊內(nèi)的單元電 壓和溫度的準(zhǔn)確反饋。如果特定的串存在任何問題，則那些模塊可以自動地停止工作，且如 果有必要，汽車可以以減低的容量運行直到當(dāng)天結(jié)束。如果檢測到故障，BMS可以斷開電池 串。即使整個電池串連接，汽車也能夠運行。圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式可以用于推進(jìn)重載汽車諸如公共汽車的電 池組件的示意圖。在某些情況下，電池組可以以交錯配置電排列以匹配電纜電阻和確保各 串的類似地運轉(zhuǎn)。交錯配置的一個例子是4個電池組(由近到遠(yuǎn)排成一行的組1、組2、組 3、組4)的組，其排列為兩串。第一串可以將組1和組4連接在一起，而第二串可以將組2 和組3連接在一起。各電池組可以具有連接兩個電池的相同量的導(dǎo)線，即使各電池組距接 頭區(qū)域的距離不同。各電池組可以從汽車下面單獨安裝到內(nèi)置在底板內(nèi)的一個、兩個或更 多個空腔中。電池組可以包括包封電池組的內(nèi)容物的箱子或容器。該容器可以具有可使它們?nèi)?納電池組的內(nèi)容物的任何形狀或配置。容器可以是水密的，且可以由暴露于電弧時不會氧 化或燃燒的材料形成。例如，用于容器的材料可以是3CR12不銹鋼以防止道路用鹽的腐蝕、 抑制接觸電弧時的氧化和補救材料疲勞?？梢允褂闷渌赡芫哂蓄愃铺卣鞯牟牧现T如復(fù)合材料。電池組的設(shè)計圖5顯示一串電池組的例子。電池組可以包括一個或多個模塊。例如，電池組可 以各包括8個模塊。電池組件的各個電池組可以包括或不包括相同數(shù)目的模塊。例如，一 個電池組可以包括6個模塊，而另一個電池組可以包括8個模塊，而另一個電池組也可以包 括8個模塊。電池組設(shè)計可以適應(yīng)安全和尺寸的需要。在電池組的設(shè)計中，可以考慮許多因 素，包括檢測、封閉(containment)、隔離和抑制(suppression)。這些領(lǐng)域各可以解決一 類可能發(fā)生的潛在問題，并可以有助于滿足所有適用的美國聯(lián)邦機(jī)動車安全標(biāo)準(zhǔn)(Federal Motor Vehicle Safety Standards)0BMS可以是特定的電池單元、模塊、組或串的問題的主要檢測方法。BMS可以在故 障發(fā)生時進(jìn)行檢測并可能能夠指導(dǎo)電池組件斷開其中可能已經(jīng)發(fā)生故障的電池組件的部 分(諸如單個的電池串)，以防止電池組件的其他部分受損并允許汽車?yán)^續(xù)運行。BMS可以 與各電池組并在各電池組內(nèi)通訊以達(dá)到理想的檢測和管理水平。電池組可以是水密的并可以提供封閉。電池組可以容納于可以保護(hù)電池組免受可 能損壞電池組內(nèi)容物的外部因素影響的容器或箱子中。電池組容器可以被設(shè)計為長期保護(hù) 電池組。除了保護(hù)電池組的內(nèi)容物免受外部威脅外，電池組的容器還可以遏制可能在電池 組中發(fā)生的任何故障以防止損害汽車的其他電池組或部件。模塊之間的分隔物(divider)可以保護(hù)模塊免受其他可能具有故障的模塊影響， 從而提供隔離。如果一個模塊發(fā)生故障，分隔物可以保護(hù)其他模塊免受故障模塊的影響。分 隔物可以被整合或不整合到電池組容器結(jié)構(gòu)中，并可由在暴露于電弧或高溫時不會氧化的 材料制成。圖2C顯示具有模塊分隔物的電池組容器的例子。由于外殼內(nèi)的非常有限的氣隙，抑制可能不是必要的。在某些情況下，可以增加抑 制配置，這可能需要提供用于抑制物質(zhì)的排出路徑。排出路徑可以由在電池組的一段中鉆 孔的開口構(gòu)成，帶有當(dāng)其不使用時密封該排出開口的彈簧復(fù)位的孔罩和襯墊材料。在某些實施方式中，電池組可以包括具有集成的散熱裝置(heat sink)、冷卻部件 (如冷卻板)、模塊固定器、將模塊連結(jié)在一起的匯流條(buss bar)以及一個或多個可以安 置BMS板、繼電器和熔斷器的小隔室的模塊。隔室可以是或不是與模塊基本上熱和/或物 理上隔離的?；ミB導(dǎo)線可以延伸至小的終端盒中的防水連接器，其可以斷開到繼電器的電 源，從而當(dāng)主電纜斷開時使得連接器的終端安全。除了模塊的冷卻部件外，電池組也可以包 括集成的冷卻部件。在一些實現(xiàn)方式中，集成的冷卻板可以由汽車的主要電冷卻系統(tǒng)提供 冷卻。在一些實施方式中，優(yōu)選冷卻板可以維持在低于43°C以用于電池的運轉(zhuǎn)。本領(lǐng)域已 知的其他冷卻部件，諸如各種散熱裝置的排列或?qū)α骼鋮s的使用，可以用于電池組。也可以 利用可利用風(fēng)扇、空氣、液體或其他流體的經(jīng)過的主動冷卻技術(shù)，例如流體冷卻。由在電池組的最低點上的噴涂陶瓷涂層構(gòu)成的熱屏蔽可以應(yīng)用于暴露在汽車下 面的電池組或其中可能關(guān)系到熱輻射的任何其他地方。這樣的電池組設(shè)計可以具有以下益處低成本集成，安全性的設(shè)計，便于組裝，可 以免于維護(hù)和可以具有簡單的加載。電池模塊設(shè)計
圖6顯示電池模塊的高度概括的略圖。電池模塊可以包括一個或多個電池單元。 在優(yōu)選的實施方式中，電池單元可以為鈦酸鋰電池單元。在其他實施方式中，電池單元可以 具有本領(lǐng)域已知的其他的電池化學(xué)作用。例如，各個模塊可以包括10個電池單元。各個模 塊可以包括或不包括相同數(shù)目的電池單元。例如，一個模塊可以包括8個電池單元，而另一 個模塊可以包括12個電池單元，且另一個模塊可以包括13個電池單元，而再另一個模塊可 以包括13個電池單元。電池單元在模塊內(nèi)可以具有任何排列或連接。例如，電池單元可以全部串聯(lián)連接。 可選擇地，電池單元可以并聯(lián)連接?；蛟谀承┣闆r下，電池單元可以在模塊內(nèi)以串聯(lián)或并聯(lián) 的組合方式連接。電池單元可以具有各種不同的規(guī)格諸如各種不同電壓。例如，鈦酸鋰電池的各個 電池單元可以為2. 3V_、50Ah，從而給出115Wh的標(biāo)稱能量。各個電池單元(諸如鋰離子 電池或其他類型的電池)其規(guī)格可以發(fā)生或不發(fā)生變化。在一些實施方式中，電池單元可 以是方形電池(prismatic cell)。各個方形電池可以被安置在專門的聚酯薄膜(Mylar)/ 鋁箔袋(foil pouch)中且可能是有些脆的。模塊外殼可以被設(shè)計為保護(hù)電池單元免受外 來破壞，從而使它們更容易操作并提供冷卻支持。模塊可以包括冷卻部件。例如，模塊可以具有置于各個電池單元之間的集成的鋁 冷卻翅片。在其他例子中，冷卻板全部可以連接到陽極化的鋁底板上，該鋁底板然后被冷卻 以支持整個模塊上的均勻冷卻?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的其他冷卻部件，諸如各種散熱裝置 排列、強制對流冷卻等。圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的模塊的例子。模塊的殼體可以由ABS材料 制成，其可以很容易加工和非常迅速地生產(chǎn)。在其他的實現(xiàn)方式中，模塊的殼體可以是其他 材料諸如復(fù)合材料、玻璃纖維或碳纖維。在一些例子中，殼體可以由可提供一定水平的隔離 的材料制成，諸如暴露于電弧時不燃燒的材料?？梢园ㄇ昂附影逡跃_定位和固定終端 至殼體上，從而減少電池單元極耳中的疲勞應(yīng)力裂紋。在某些情況下，電池單元極耳可以由 金屬諸如鋁制成。BMS連接器可以集成到模塊的前部中以快速連接非車載BMS(0ff-b0ard BMS)。端子可以是偏置(offset)和帶螺紋的(tapped)以用于連接螺栓的垂直安裝和方便 組裝。模塊必須相互隔離以防止?jié)撛诘亩搪?。這可以通過精心的材料選擇和散熱裝置的 后處理來實現(xiàn)。如果通過BMS檢測到短路，系統(tǒng)可以斷開串中的各個電池組，這可以隔離故 障。在隔離系統(tǒng)發(fā)生重大事故或故障的情況下也可以包括這種安全水平。從上述內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然已經(jīng)說明和描述了具體的實現(xiàn)方式，但本發(fā)明可 以作出和設(shè)想各種修改。本發(fā)明也不意圖受說明書中提供的具體實施例限制。盡管已參照 上述說明描述了本發(fā)明，本文中優(yōu)選實施方式的描述和圖解并不意圖解釋為限制意義。此 外，應(yīng)該理解，本發(fā)明的所有方面都不限于本文提出的取決于各種條件和變量的具體說明、 配置或相對比例。本發(fā)明的實施方式的形式和細(xì)節(jié)上的各種修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是 顯而易見的。因此，設(shè)想的是本發(fā)明還應(yīng)當(dāng)包括任何這樣的修改、變化和等同方案。
權(quán)利要求
1.一種重載汽車，包括鈦酸鋰電池動力源，其中，所述鈦酸鋰電池動力源包括多個電池組，且安置于所述重載 汽車的底板結(jié)構(gòu)之內(nèi)，以使得單個電池組單獨地安裝在底板結(jié)構(gòu)的空腔之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的汽車，其中，所述重載汽車的底板結(jié)構(gòu)基本上由至少一種復(fù)合材 料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的汽車，其中，所述鈦酸鋰電池動力源包括至少一個具有多個電池 串的電池組件，其中電池串包括多個電池組，其中電池組包括多個電池模塊，其中電池模塊 包括多個鈦酸鋰電池單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的汽車，其中，電池組包括由不銹鋼或暴露于電弧時不會氧化的復(fù) 合材料制成的水密箱。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的汽車，其中，電池組包括提供所述多個電池模塊之間的隔離的分 隔物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的汽車，其中，電池組和電池模塊具有集成的冷卻部件。
7.權(quán)利要求3所述的汽車，進(jìn)一步包括能夠在檢測到故障的情況下斷開電池串的電池管理系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的汽車，其中，所述重載汽車能夠在電池串?dāng)嚅_的情況下運行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的汽車，其中，所述重載汽車是下列之一客運公共汽車、校車、箱式 貨車、穿梭公共汽車、5-8級卡車或拖拉機(jī)拖車。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的汽車，其中，所述重載汽車的底板是汽車車軸之間的水平底板。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的汽車，其中，所述鈦酸鋰電池動力源具有6.75英寸或更小的高度。
12.—種重載汽車，包括 鈦酸鋰電池推進(jìn)動力源；和基本上由至少一種復(fù)合材料形成的車身，其安置有所述鈦酸鋰電池推進(jìn)動力源。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的重載汽車，其中，所述車身的高應(yīng)力區(qū)域由碳纖維形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的重載汽車，其中，所述重載汽車進(jìn)一步包括至少一個另外的推 進(jìn)動力源。
15.一種包括電池推進(jìn)動力源的重載汽車，其中，所述電池推進(jìn)動力源包括至少一個具 有多個電池串的電池組件，其中電池串包括多個電池組，其中電池組包括多個電池模塊，其 中電池模塊包括多個電池單元。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的重載混合動力電動汽車，其中，所述電池推進(jìn)動力源能夠提供 全部汽車動力的12. 5%或更大。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的重載混合動力電動汽車，其中，所述電池推進(jìn)動力源能夠使用 周期性非車載充電連接在10分鐘之內(nèi)充滿全部電池容量的90%或更多。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的重載混合動力電動汽車，其中，所述電池推進(jìn)動力源能夠使用 車載發(fā)電設(shè)備在10分鐘之內(nèi)充滿全部電池容量的90%或更多。
19.一種重載汽車，包括電池推進(jìn)動力源，該電池推進(jìn)動力源包括僅為鈦酸鋰電池的電池。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有電池推進(jìn)動力源的大容量汽車或重載汽車，所述電池推進(jìn)動力源可以包括鈦酸鋰電池。該汽車可以全電池的或可以是混合動力的，并可以具有復(fù)合材料車身。汽車電池系統(tǒng)可以安置于汽車的底板之內(nèi)，并可以具有不同的編組和排列。
文檔編號B60K6/28GK102105319SQ200980129003
公開日2011年6月22日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月27日
發(fā)明者D·希爾, D·莫里斯, J·溫克爾, M·瓦克爾, S·奧諾拉托, S·米森希克 申請人:普羅特拉公司