具有電池和超級電容器的能源裝置和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種電池系統(tǒng)，包括外殼，該外殼符合標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)，諸如國際電池委員會制定的類組。電池和至少一個超級電容器設(shè)置在外殼中并且相互連接以在電池端子出提供電能?？刂坪?或調(diào)節(jié)電路也可設(shè)置在外殼中并與電池和超級電容器相互連接。電池系統(tǒng)可設(shè)計成對諸如車輛和其他應(yīng)用中的現(xiàn)有電池進行改造。標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)的使用使得能夠幾乎不改變或者不改變用于安放電池系統(tǒng)的物理和電系統(tǒng)。
【專利說明】具有電池和超級電容器的能源裝置和系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請是2011年3月16日提交的題為“用于車輛應(yīng)用的結(jié)合電池和超級電容器的系統(tǒng)”的美國臨時專利申請N0.61 / 453，474、2011年7月16日提交的題為“具有集成的控制器的電荷和能量存儲系統(tǒng)”的美國臨時專利申請N0.61 / 508，621、2011年4月21日提交的題為“用于車輛應(yīng)用的多電池系統(tǒng)”的美國臨時專利申請N0.61 / 477, 730以及2011年7月16日提交的題為“提高充電能力的不同電荷狀態(tài)電池”的美國臨時專利申請N0.61 / 508,622的臨時申請，上述臨時申請通過引用結(jié)合于此。
[0003]本專利申請總體上涉及下面的共同未決的專利申請,這些專利申請于此結(jié)合到本申請中以供參考:于同一日期由Ou Mao等人提交的題為“具有帶不同電荷狀態(tài)的裝置的能源系統(tǒng)(Energy Source Systems Having Devices with Differential States of
Charge) ”的美國專利申請N0._,于同一日期由Brian C.Sick等人提交的題為“用
于控制多個存儲裝置的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Controlling Multiple
Storage Devices) ”的美國專利申請N0.__，于同一日期由Thomas Μ.Watson等人提
交的題為“具有多個能量存儲裝置的能源系統(tǒng)(Energy Source System Having Multiple
Energy Storage Devices) ”的美國專利申請N0._，以及于同一日期由Junwei Jiang
等人提交的題為“用于組合能源`系統(tǒng)中過充電保護和充電平衡的系統(tǒng)和方法(Systems andMethods for Overcharge Protection and Charge Balance in Combined Energy SourceSystems) ”的美國專利申請N0._。
【背景技術(shù)】
[0004]這部分是為了提供權(quán)利要求書中所詳述的本發(fā)明的背景或環(huán)境。這里的描述可包括可能被尋求的構(gòu)思，但不必是先前已被想到或?qū)で蟮臉?gòu)思。因此，除非這里另有說明，在這部分中所描述的內(nèi)容并不是本申請說明書和權(quán)利要求書的現(xiàn)有技術(shù)，并且并不承認(rèn)包括在這部分中的內(nèi)容為現(xiàn)有技術(shù)。
[0005]一般已知的是，提供典型的鉛酸電池來用于車輛中的啟動、照明和點火(SLI)應(yīng)用。這類鉛酸電池通常具有大約70Ah的容量和大約12V的電壓。這類鉛酸電池的重量通常為大約21kg，能量密度通常為大約40Wh / kg。用于SLI應(yīng)用的這類鉛酸電池的一個性能要求稱為“冷起動電流”，其在零下18°C時為大約700Ah。如此高的冷起動電流要求是為了車輛發(fā)動機啟動的目的，用于在幾秒鐘內(nèi)傳送，尤其是在冷天氣情況下。然而，為了滿足冷起動電流要求，這類已知的鉛酸電池的大小尺寸趨于占據(jù)相當(dāng)大的空間，并且顯著增加車輛平臺的重量。
[0006]傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)的另一缺陷是充電接受能力弱的問題。也就是說，在某些情況下，電池可能不能處理高充電電流，這會對車輛的能量再生能力產(chǎn)生不良影響。因此，期望提供一種或多種先進的能源系統(tǒng)，當(dāng)被封裝在較小且較輕的裝置中時，其能夠有效地滿足用于發(fā)動機啟動的冷起動電流要求。另外，還期望提供一種或多種先進的能源系統(tǒng)，其適合用于與車輛的啟停技術(shù)或部件相關(guān)的部件(例如，以允許在停車期間關(guān)閉車輛發(fā)動機并且在駕駛者需要時重新啟動)，或者適合用于與車輛的輕度混合技術(shù)或部件相關(guān)的部件(例如，以提供馬達驅(qū)動的增加或幫助，使車輛達到巡航速度)，以及適合于電車應(yīng)用，并且電壓在大約10-400V的范圍內(nèi)，尤其是，在大約10-100V的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個實施例中，一種電池系統(tǒng)包括:外殼；設(shè)置在外殼內(nèi)的電池；以及至少一個超級電容器，設(shè)置在外殼內(nèi)并且耦合到電池，以經(jīng)由電池端子提供電能。外殼符合包括一個或多個傳統(tǒng)的存儲電芯但沒有超級電容器的電池的標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)。
[0008]在另一個實施例中，一種電池系統(tǒng)包括外殼，該外殼的尺寸、裝配特征和端子位置與國際電池委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)類組相符。該電池系統(tǒng)還包括:電池，設(shè)置在外殼內(nèi)；至少一個超級電容器，設(shè)置在外殼內(nèi)并且耦合到電池，以經(jīng)由電池端子提供電能；以及控制或調(diào)節(jié)電路，設(shè)置在外殼內(nèi)并且耦合到電池和超級電容器。
[0009]在又一個實施例中，一種電池系統(tǒng)包括:外殼；電池，設(shè)置在外殼中；以及至少一個超級電容器，設(shè)置在外殼內(nèi)并且耦合到電池，以經(jīng)由電池端子提供電能。電池和超級電容器的輸出以及外殼的形狀系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值以及標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)，以允許對包括一個或多個傳統(tǒng)存儲電芯但沒有超級電容器的電池進行改造。
[0010]在再一個實施例中，一種用于制造電池系統(tǒng)的方法，包括:在符合標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)的外殼中設(shè)置電池和至少一個超級電容器，超級電容器耦合到電池，以經(jīng)由電池端子提供電倉泛。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]從下面結(jié)合附圖的詳細描述中，將更加全面地理解本發(fā)明，其中相似的參考標(biāo)記表示相似的元件，附圖中:
[0012]圖1示出了根據(jù)一個實施例的具有設(shè)置在殼體上的負(fù)端子和正端子的供電系統(tǒng)，殼體封裝能量存儲裝置和超級電容器；
[0013]圖2是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的一個實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0014]圖3示出了根據(jù)一個實施例的可用來在具有兩個端子的殼體內(nèi)電耦合能量存儲裝置和超級電容器的電路的實施例；
[0015]圖4示出了根據(jù)一個實施例的可用于利用至少一個可變電阻裝置來電耦合能量存儲裝置和超級電容器的電路的實施例；
[0016]圖5示出了根據(jù)一個實施例的方法的實施例，該方法可通過控制器實施成利用所感測的反饋來智能控制多裝置系統(tǒng)的操作；
[0017]圖6示出了根據(jù)一個實施例的可用于在具有兩個端子的殼體內(nèi)電耦合能量存儲裝置、超級電容器和DC / DC整流器的電路的實施例；
[0018]圖7示出了根據(jù)一個實施例的安全啟動方法的實施例，該方法可通過控制器實施成控制電池和超級電容器；
[0019]圖8是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第一實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；[0020]圖9是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第二實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0021]圖10是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第三實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0022]圖11是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第四實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0023]圖12是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第五實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0024]圖13是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第六實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0025]圖14是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第七實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0026]圖15是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第八實施例的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器設(shè)計的示意圖；
[0027]圖16示出了根據(jù)一個實施例的包括不同電荷狀態(tài)(SOC)能量存儲裝置的能源系統(tǒng)，該能量存儲裝置具有將低SOC能量存儲裝置和高SOC能量存儲裝置封裝在單個外殼中的殼體；
[0028]圖17示出了根據(jù)一個實施例的具有不同電荷狀態(tài)的能量存儲裝置的電壓相對電荷狀態(tài)(SOC)曲線的實施例；
[0029]圖18示出了根據(jù)一個實施例的具有不同電荷狀態(tài)的能量存儲裝置的電壓相對電荷狀態(tài)(SOC)曲線的實施例；
[0030]圖19示出了根據(jù)一個實施例的通過將低電荷狀態(tài)(SOC)裝置和高SOC裝置結(jié)合到單個封裝體中可以獲得的功率容量優(yōu)點；
[0031]圖20示出了根據(jù)一個實施例的通過將低電荷狀態(tài)(SOC)裝置和高SOC裝置結(jié)合到單個封裝體中可以獲得的功率容量優(yōu)點；
[0032]圖21示出了內(nèi)部構(gòu)造成容納一個或多個電池或電芯以及一個或多個超級電容器的標(biāo)準(zhǔn)電池外殼的實施例；
[0033]圖22示出了電池外殼的實施例，該電池外殼所具有的尺寸和獨特的形狀可以與新組件和電路意圖替代的所需的電池的尺寸和形狀相符合；
[0034]圖23是具有用于提供全部或一部分車輛驅(qū)動力的電池模塊或系統(tǒng)的車輛的實施例的透視圖；以及
[0035]圖24示出了以混合動力電車的形式提供的圖23中所示的車輛的實施例的示意性剖視圖。
【具體實施方式】
[0036]根據(jù)當(dāng)前所公開的實施例，這里提供的是具有過充電保護和充電平衡能力的高級電池和超級電容器系統(tǒng)。在一些實施例中，可利用超級電容器的高功率放電能力來滿足車輛發(fā)動機啟動的冷起動電流要求，并且可利用較小、較輕的電池來為其他的車輛電氣應(yīng)用提供能量。根據(jù)所闡述任何實施例，車輛應(yīng)用可包括內(nèi)燃發(fā)動機、混合動力、微混合動力、啟停和電子車輛應(yīng)用中的一種或多種，并且可包括大約IOV至大約400V范圍內(nèi)尤其是大約IOV至大約100V范圍內(nèi)的電壓應(yīng)用。雖然在所闡述的實施例中以示例的方式僅描述了一定數(shù)量的電池類型，但是任何其他各種電池類型和化學(xué)組成均可適于與超級電容器一起使用，以用于為各種車輛應(yīng)用提供較小和/或較輕的電源。因此，本公開的范圍意在包括所有這樣的變型。
[0037]適用于這里所描述的系統(tǒng)的一種類型的電池技術(shù)是鋰離子技術(shù)。鋰離子電池技術(shù)提供高至大約200Wh / kg的相當(dāng)高的能量密度，其一般是鉛酸電池的能量密度的大約五倍。因此，在一些實施例中，使用鋰離子電池技術(shù)來代替用于車輛中SLI應(yīng)用的傳統(tǒng)的鉛酸電池，具有以下優(yōu)點，諸如(舉例而言，并不限于)消除有毒的鉛化合物、較輕的重量以及較小的空間需求。然而，通常認(rèn)為鋰離子技術(shù)自身的冷起動性能限制了鋰離子技術(shù)在這樣的應(yīng)用中的使用。典型的鋰離子電池放電率在零下(_)18°C時通常為大約2C倍率，這里2C倍率表示對于70Ah電池而言大約140A的放電電流，這低于典型的鉛酸電池冷起動性能(約IOC倍率)。
[0038]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1示出了具有殼體12的電源系統(tǒng)10，殼體12帶有負(fù)端子14和正端子18，負(fù)端子14連接到地16，正端子18能夠耦合到具體實施的車輛接頭20，例如開關(guān)、啟動馬達等。如所示出的，能量存儲裝置22和超級電容器24設(shè)置在殼體12內(nèi)。也就是說，具有兩個端子14和18的單個殼體12封裝能量存儲裝置22和超級電容器24。前述特征可使得電源系統(tǒng)10能夠具有這樣的尺寸:該尺寸使得系統(tǒng)10能夠被用于代替具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的各種電池裝置，例如標(biāo)準(zhǔn)12V電池。如此來說，應(yīng)注意的是，殼體12以及端子14和18的構(gòu)造在大小、形狀和布置方面可容易地進行各種具體實施的變型，如下面所更詳細討論的那樣。例如，在某些實施例中，系統(tǒng)可被設(shè)計使得殼體或外殼被構(gòu)造成允許對現(xiàn)有電池系統(tǒng)例如傳統(tǒng)的車輛電池進行簡單且直接的替換。這樣，外殼可遵照標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和形狀系數(shù)，特別涉及外殼的長度、寬度和高度，端子的布置，端子的構(gòu)造，用于將電池系統(tǒng)保持入位的特征的布置和尺寸，諸如此類。如果希望，實際的外殼可以一定程度上小于這些傳統(tǒng)的形狀系數(shù)，并且可以使用適配器、墊片和類似結(jié)構(gòu)來允許這樣的替換。這樣的適配器和結(jié)構(gòu)還可允許使用不規(guī)則的或者非標(biāo)準(zhǔn)形狀的外殼。在任一情況下，車輛或者系統(tǒng)被置入的其他應(yīng)用的支撐結(jié)構(gòu)和接口結(jié)構(gòu)與當(dāng)前結(jié)構(gòu)相比幾乎不需要進行改變或者不需要進行改變。
[0039]應(yīng)注意的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，“電荷”和“能量”之間在物理上以及整體分析方面均存在區(qū)別。通常來說，電荷被存儲，而能量在使用期間轉(zhuǎn)換。然而，在本申請的文本中，這兩個詞經(jīng)常某種程度上可互換地使用。因此，有時提及“電荷存儲”或提及“電荷的流動”，或者提及對“能量”的相似處理。這種用法不應(yīng)被解釋為技術(shù)不準(zhǔn)或限定，因為電池、超級電容器及其他裝置和部件按照一般說法可以被說成用作能量存儲裝置或電荷存儲裝置，并且有時用作其一或者兩者。
[0040]而且，如在所闡述的實施例中所示，殼體12還封裝控制器26，控制器26耦合到能量存儲裝置22和超級電容器24，并且可控制多裝置系統(tǒng)的操作。應(yīng)注意的是，圖1中所示的控制器26可以是任何適合應(yīng)用于多裝置系統(tǒng)的控制器。然而，在一些當(dāng)前可想到的實施例中，能量存儲裝置22和超級電容器24可以通過多裝置控制器來控制，諸如在題為“用于控制多存儲裝置的系統(tǒng)和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING MULTIPLE STORAGEDEVICES) ”的共同未決的申請中描述的控制器。[0041]進一步地，應(yīng)指出的是，圖1中的能量存儲裝置22和超級電容器24僅僅是示意性的，在其他實施例中，每個裝置可包括一個或多個裝置。例如，大體參看圖2中所示的實施例，鋰離子技術(shù)與超級電容器組的結(jié)合可以提供改進的車輛電源系統(tǒng)，這是由于高功率超級電容器能夠以高功率快速放電來啟動車輛發(fā)動機(例如，在大約2或3秒內(nèi))。更具體地，圖2示出了設(shè)計成具有四個電芯30、32、34和36(每個容量大約為15Ah)的鋰離子電池28與由超級電容器40、42、44、46、48和50 (每個容量大約2000法拉、2.7VDC)構(gòu)成的組38相結(jié)合的一個實施例。在一個實施例中，每個鋰離子電池電芯(磷酸鐵鋰/石墨)的平均電壓為大約3.3V，因此，串聯(lián)的四個電芯組提供大約13.2V的電壓。串聯(lián)的六個超級電容器40、42、44、46、48和50提供大約12V的平均電壓。
[0042]另外，在需要冷起動電流時，超級電容器組38能夠在大約零下(_)18°C的低溫在2秒內(nèi)提供大約2000A的最大電流，這通常認(rèn)為足以啟動車輛發(fā)動機。此外，與用于車輛啟動、照明和點火(SLI)應(yīng)用的容量為大約70Ah的鉛酸電池的大約21kg的重量相比，這種四芯鋰離子電池和六超級電容器組的總重量為大約7kg。與鉛酸電池組(70Ah)在大約零下(-)18°C的低溫時最大功率大約5.6kff相比,這種鋰離子和超級電容器系統(tǒng)的最大功率達到大約46kW。
[0043]圖3和圖4示出了另外的封裝在具有兩個端子14和18的殼體12內(nèi)的可用來將能量存儲裝置22的實施例和超級電容器24的實施例電耦合的電路52和54的實施例。具體來說，在所不出的實施例中，電池56和電容器58被稱合到電流傳感器60,電容器58在某些實施例中可以是超級電容器。在圖3的實施例中，電池56經(jīng)由第一開關(guān)62電耦合到正端子18，電容器58經(jīng)由第二開關(guān)64電耦合到正端子18。然而，應(yīng)注意的是，圖3中示出的開關(guān)62和64在其他實施例中可以是可變電阻裝置，其能夠例如在控制器26的指示下接入或斷開相關(guān)聯(lián)的裝置。例如，在圖4的實施例中，第二開關(guān)64是場效應(yīng)晶體管(FET)66，該FET66能夠被控制成以可變的方式將電容器58連接或斷開到出現(xiàn)在正端子18處的負(fù)載。另外，應(yīng)該注意的是，在其他實施例中，第一開關(guān)62也可以是可變電阻裝置，諸如FET。
[0044]操作期間，電流傳感器60感測負(fù)載處出現(xiàn)的電流消耗，因此使得控制器26能夠基于感測到的電流水平來確定當(dāng)前負(fù)載的特性。例如，電流傳感器60可以感測到與附件消耗(accessory drain)相對應(yīng)的電流水平,或者電流傳感器60也可以感測到與動力消耗(power draw)相對應(yīng)的電流水平。從而，控制器26可利用感測到的電流水平來確定電池56和電容器58中的哪一個應(yīng)例如通過閉合開關(guān)62、64而被激活。例如，如果在負(fù)載處檢測到來自車輛的附件消耗，則可以閉合開關(guān)62，從而使得電池56來滿足附件需求。又例如，如果檢測到動力消耗，諸如與內(nèi)燃發(fā)動機的啟動相關(guān)的消耗，則可以閉合開關(guān)64，從而使得電容器58來滿足動力消耗。此外，在一些實施例中，控制器可以控制FET66和耦合到電池56的FET，使得通過從裝置56和58輸送的功率來滿足負(fù)載。因此，當(dāng)前公開的實施例可以提供對負(fù)載參數(shù)的感測以及對裝置56和58的智能控制，以滿足負(fù)載處出現(xiàn)的需求。
[0045]圖5示出了方法68的實施例，例如，該方法68可以通過例如控制器26實施成利用所感測到的反饋來智能控制多裝置系統(tǒng)的操作。一旦開始操作(框70)，控制器26就例如從電流傳感器60接收電流消耗水平的初始值(框72)，然后在之后的時間點接收電流消耗的當(dāng)前值(框74)。在這個實施例中，方法68繼續(xù)查詢電流消耗相對于時間的變化率是否大于或等于預(yù)設(shè)的閾值(框76)。如果感測到的電流變化率達到或超過給定的閾值，則控制器26激活電容器58以滿足需求(框78)。例如，控制器可以利用開關(guān)64將電容器58耦合到正端子18處出現(xiàn)的負(fù)載。然而，如果感測到的電流變化率低于預(yù)設(shè)的閾值，則電池56被激活以滿足負(fù)載處的需求(框80)。
[0046]這樣，感測到的電流相對于時間的變化率可被用來確定利用裝置56和58中的哪一個來滿足負(fù)載的需求。應(yīng)注意的是，雖然在示出的實施例中傳感器是電流傳感器，但是在其他實施例中，可以利用能夠感測負(fù)載參數(shù)的任何合適的傳感器或傳感器組合。另外，任何合適的指標(biāo)，不限于電流相對于時間的變化率，可以被用于確定激活哪個裝置來滿足負(fù)載處的需求。再者，在某些實施例中，可以利用各種閾值或查詢來確定應(yīng)由各個裝置來滿足哪部分負(fù)載。也就是說，在某些實施例中，控制器可利用其它邏輯來確定負(fù)載在裝置之間的適當(dāng)?shù)墓蚕矸峙洹?br> [0047]圖6示出了可用于將電池56和電容器58電耦合到正端子18處出現(xiàn)的負(fù)載的電路82的另一實施例。在這個實施例中，如前所述，開關(guān)62和64分別將電池56和電容器58耦合到正端子18。然而，如所示出的那樣，電路82包括電耦合電池56和電容器58的直流-直流(DC / DC)整流器。此外，感測系統(tǒng)85包括能夠在電路82的整個操作過程中分別測量電池電壓、電容器電壓和網(wǎng)絡(luò)電壓的電池電壓傳感器86、電容器電壓傳感器88和網(wǎng)絡(luò)電壓傳感器90。
[0048]在電路82的操作過程中，感測系統(tǒng)85可被用來測量電路82中各個位置的電壓電平，從而使得控制器26能夠獲得有關(guān)負(fù)載需求以及裝置56和58中的每個能夠提供的能量的量的信息。因此，基于從感測系統(tǒng)85接收到的信息，控制器26可以在任何給定的操作時間點根據(jù)裝置56和58中每個可用的能量來控制開關(guān)62和64以及DC / DC整流器84以滿足負(fù)載處的需求。此外，需指出的是，如前所述，開關(guān)62和64可以是可變裝置，諸如FET，使得控制器能夠根據(jù)需要接入和斷開裝置56和58中的每一個。
[0049]在一個實施例中，例如，圖6中的電路82可以與控制器62 —起被封裝在殼體12內(nèi)，并代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輛電池來使用。在這樣的實施例中，電路82在控制器26的控制下被操作，當(dāng)電池56的電壓下降到不足以啟動例如車輛內(nèi)燃發(fā)動的電平之下時，所述電路82可以被用來降低或消除放置有裝置10的車輛不能啟動的可能性。這里需再次指出的是，如下面更加詳細討論的那樣，可以針對欲使用裝置10的車輛來對端子14和18的結(jié)構(gòu)以及殼體12進行尺寸設(shè)計和構(gòu)造。
[0050]圖7示出了方法92的實施例，該方法92可以通過控制器26實施來確保根據(jù)裝置56和58中可用的能量盡可能地啟動結(jié)合有電路82的車輛。一旦開始操作(框94)，就檢測啟動車輛的操作員指令(框96)。例如，取決于具體的車輛類型，操作員可以在車輛控制臺中插入并轉(zhuǎn)動鑰匙、按壓按鈕來啟動車輛，諸如此類。在一些實施例中，電池56可以被指定作為主能量源，也就是說將被用作常規(guī)車輛啟動事件。在這樣的實施例中，在某些時候，電池電壓可能太低而不能支持發(fā)動機啟動事件，控制器26接收輸入，該輸入表示電池可用電壓不足以滿足操作員指令來啟動車輛(框98)。
[0051]在這樣的情況下，當(dāng)前公開的實施例提供降低或防止電池?fù)p耗進而阻礙車輛被啟動的可能性。更具體而言，方法92包括控制DC / DC整流器84以利用電池56中的可用電壓來對電容器58充電的步驟(框100)。也就是說，雖然電池56中的電壓可能不足以啟動車輛，但是可用電壓可足以對電容器58充電。一旦車輛在操作員第一次要求時未能啟動，則操作員可能再次試圖啟動車輛，并且控制器26檢測到這個指令(框102)。由于電容器58在第一次啟動嘗試與第二次啟動嘗試之間的時間間隔內(nèi)被充電,所以電容器58可被用來啟動車輛(框104)，從而滿足操作員要求。這樣，可以控制電路82來降低或防止當(dāng)電池電壓低時車輛不能啟動的可能性，因此相對于可能利用電池代替多裝置系統(tǒng)10的傳統(tǒng)系統(tǒng)而言提供了優(yōu)點。
[0052]圖8-15示出了另外的包括電池、超級電容器、過充電保護電路和充電平衡電路的各種組合的電路的實施例。具體而言，圖8示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的電池和超級電容器相結(jié)合的系統(tǒng)106的實施例。如圖8所示的系統(tǒng)106包括電池108，電池108具有串聯(lián)連接的并且連接到端子T3(110)和Τ4(112)的多個電芯(或電池單元)C1、C2、...CX，端子T3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯108充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組114如圖所示與電池108并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的各個超級電容器S1、S2、...SY，端子Tl (116)和T2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供較短且較高的電流來啟動車輛。選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器114的總電壓與電池108中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。系統(tǒng)106還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許電池108在超級電容器114放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。
[0053]根據(jù)所示出的實施例，管理控制系統(tǒng)120包括與超級電容器114相關(guān)聯(lián)的第一管理控制電路122和與電池108相關(guān)聯(lián)的第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作為了給超級電容器114提供過充電保護和充電平衡。這樣，應(yīng)該注意的是，第一控制電路122和第二控制電路124可例如經(jīng)由有線或無線連接彼此通信，以協(xié)調(diào)電池108和超級電容器114的操作。另外，在某些實施例中，管理控制系統(tǒng)120監(jiān)測、控制、平衡電池108和超級電容器114。這樣，在操作期間，管理控制系統(tǒng)120的功能可包括但不限于監(jiān)測電池和超級電容器的參數(shù)(例如電壓、溫度、充電/放電狀態(tài)、健康狀態(tài)、電流等)、計算期望的參數(shù)(例如最大充電/放電電流、總能量輸送、總操作時間等)、與系統(tǒng)部件進行通信(例如經(jīng)由CAN總線、無線通信等)、提供保護功能(例如過電流、過充電/放電電壓、過高/過低的溫度等)、以及平衡以使能量存儲系統(tǒng)起作用。
[0054]更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在電池108和超級電容器114之間的流動，以允許電流只在從電池108到超級電容器114的方向上流動。進一步地，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從電池108流向超級電容器114提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從電池108流到每個超級電容器(從SI至Sy),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達Sy。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自電池108的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組114中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0055]圖9示出了根據(jù)當(dāng)前公開的實施例的具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合12V鉛酸電池和超級電容器的系統(tǒng)128。如圖9所示的系統(tǒng)128包括電池130，電池130具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3 (110)和T4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為六個電芯C1、C2、C3、C4、C5和C6，端子T3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組132如圖所示與電池130并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的六個單個的超級電容器31、52、53、54、55和S6，端子Tl (116)和Τ2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供相對較短且較高的電流來啟動車輛。選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器132的總電壓與電池130中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖9的實施例，六個鉛酸電芯每個具有大約2V的電壓，從而電池的總電壓為大約12V。另外，六個超級電容器中的每個具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個超級電容器使得總電壓與鉛酸電池的電壓大致匹配。
[0056]圖9的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鉛酸電池130在六個超級電容器132放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。如前所述，在所示的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對超級電容器132提供過充電保護和充電平衡。更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鉛酸電池130和超級電容器132之間的流動，以允許電流只在從鉛酸電池130到超級電容器132的方向上流動。
[0057]此外，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從鉛酸電池130流向超級電容器132提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從鉛酸電池130流到每個超級電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達S6。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自鉛酸電池130的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組132中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0058]參照圖10，根據(jù)當(dāng)前公開的實施例，示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合13V鋰離子(磷酸鐵鋰陰極/碳陽極)電池和超級電容器的系統(tǒng)150。如圖10所示的系統(tǒng)150包括電池152，電池152具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3 (110)和Τ4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為四個電芯C1-C4，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組132如圖所示與電池152并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的六個單個的超級電容器31、52、53、54、55和36，端子11(116)和Τ2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供較短且較高的電流來啟動車輛。如前所述，選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖10的實施例，四個鋰離子電芯中的每個具有大約3.3V的電壓，從而電池的總電壓為大約13.2V。另外，六個超級電容器中的每個具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個超級電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0059]圖10的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池在六個超級電容器放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。在所示的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124，第一管理控制電路122和第二管理控制電路124協(xié)同操作以對超級電容器132提供過充電保護和充電平衡。更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池152和超級電容器132之間的流動，以允許電流只在從鋰離子電池152到超級電容器132的方向上流動。
[0060]此外，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從鋰離子電池152流向超級電容器132提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從鋰離子電池152流到每個超級電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達S6。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自鋰離子電池152的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組132中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0061]參照圖11，根據(jù)示例性實施例，示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合13V鋰離子(LiMn2O4陰極/ Li4Ti5O12陽極)電池和超級電容器的系統(tǒng)154。如圖11所示的系統(tǒng)包括電池156，電池156具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3 (110)和T4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為六個電芯C1-C6，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組132如圖所示與電池156并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的六個單個的超級電容器31、52、53、54、55和56，端子11(116)和Τ2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供較短且較高的電流來啟動車輛。選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖11的實施例，六個鋰離子電芯中的每個(具有LiMn2O4陰極和Li4Ti5O12陽極)具有大約2.2V的電壓，從而電池156的總電壓為大約13.2V。另外，六個超級電容器中的每個具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此， 選擇六個超級電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0062]圖11的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池156在六個超級電容器132放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。在所示的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124，第一管理控制電路122和第二管理控制電路124協(xié)同操作以對超級電容器132提供過充電保護和充電平衡。更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池156和超級電容器132之間的流動，以允許電流只在從鋰離子電池156到超級電容器132的方向上流動。
[0063]此外，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從鋰離子電池156流向超級電容器132提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從鋰離子電池156流到每個超級電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達S6。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自鋰離子電池156的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組132中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0064]參照圖12，根據(jù)當(dāng)前公開的實施例，示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合12V鋰離子(LiMn3 / ^i1 / 204陰極/ Li4Ti5O12陽極)電池和超級電容器的系統(tǒng)158。如圖12所示的系統(tǒng)158包括電池160，電池160具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3(110)和Τ4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為四個電芯C1-C4，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組132如圖所示與電池160并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和T2 (118)的六個單個的超級電容器S1、S2、S3、S4、S5和S6，端子Tl (116)和T2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供相對較短且較高的電流來啟動車輛。選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖12的實施例，四個鋰離子電芯中的每個(具有LiMn372Ni1 / 204陰極和Li4Ti5O12陽極)具有大約3V的電壓，從而電池156的總電壓為大約12V。另外，六個超級電容器中的每個具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個超級電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0065]圖12的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池160在六個超級電容器放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。在所示的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124，第一管理控制電路122和第二管理控制電路124協(xié)同操作以對超級電容器132提供過充電保護和充電平衡。更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池160和超級電容器132之間的流動，以允許電流只在從鋰離子電池160到超級電容器132的方向上流動。
[0066]此外，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從鋰離子電池160流向超級電容器132提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從鋰離子電池160流到每個超級電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達S6。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自鋰離子電池160的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組132中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0067]參照圖13，根據(jù)示例性實施例，示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合24V鉛酸電池和超級電容器的系統(tǒng)162。如圖13所示的系統(tǒng)包括電池164，電池164具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3 (110)和Τ4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為十二個電芯C1-C12，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組166如圖所示與電池并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的十二個單個的超級電容器51-512，端子11(116)和Τ2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供較短且較高的電流來啟動車輛。選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖13的實施例，十二個鉛酸電芯中的每個具有大約2V的電壓，從而電池的總電壓為大約24V。另外，十二個超級電容器中的每個具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇十二個超級電容器使得總電壓與鉛酸電池164的電壓大致匹配。
[0068]圖13的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鉛酸電池164在十二個超級電容器放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。如前所述，在所示的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對超級電容器132提供過充電保護和充電平衡。更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鉛酸電池164和超級電容器166之間的流動，以允許電流只在從鉛酸電池164到超級電容器166的方向上流動。
[0069]進一步地，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從鉛酸電池164流向超級電容器166提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從鉛酸電池164流到每個超級電容器(從SI至S12)，電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達S12。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自鉛酸電池164的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組166中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0070]參照圖14，根據(jù)當(dāng)前公開的實施例，示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合26V鋰離子(磷酸鐵鋰/石墨)電池和超級電容器的系統(tǒng)170。如圖14所示的系統(tǒng)170包括電池172，電池172具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3 (110)和T4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為八個電芯C1-C8，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組166如圖所示與電池172并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的十二個單個的超級電容器S1-S12，端子Tl (116)和Τ2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供較短且較高的電流來啟動車輛。選擇超級電容器的數(shù)量以及超級電容器的容量以使超級電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖14的實施例，八個鋰離子電芯中的每個具有大約3.2V的電壓，從而電池172的總電壓為大約26V。另外，十二個超級電容器中的每個具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇十二個超級電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0071]圖14的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池172在十二個超級電容器166放電(例如發(fā)動機啟動)之后對其快速再充電。如前所述，在所示的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對超級電容器166提供過充電保護和充電平衡。更具體來說，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池172和超級電容器166之間的流動，以允許電流只在從鋰離子電池172到超級電容器166的方向上流動。
[0072]進一步地，第一控制電路122耦合到每個超級電容器，以隨著電流從鋰離子電池172流向超級電容器166提供過充電保護以及超級電容器之間的充電平衡。例如，在一些實施例中，控制電路122可控制電流流動使得:隨著電流從鋰離子電池172流到每個超級電容器(從SI至S12)，電流首先流向S1、接著流向S2、依此類推直至電流到達S12。以這種方式，當(dāng)每個超級電容器達到其所需的電壓電平時，來自鋰離子電池172的電流將旁路掉達到所需電壓電平的超級電容器，以與組166中的其他超級電容器相平衡。根據(jù)其他實施例，可以使用其他部件或裝置來平衡超級電容器的充電；本公開的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0073]參照圖15，根據(jù)當(dāng)前公開的實施例，示出了具有再充電能力的用于車輛應(yīng)用的結(jié)合48V電池和超級電容器的系統(tǒng)174。如圖15所示的系統(tǒng)174包括電池176，電池176具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3 (110)和Τ4(112)的多個電芯(或電池單元)，示出為電芯C1-CY，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機，用于維持對電池電芯充電(以及為車輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級電容器組178如圖所示與電池176并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和T2(118)的十二個單個的超級電容器31-5乂，端子11(116)和Τ2(118)連接到車輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動機啟動部分，用于提供較短且較高的電流來啟動車輛。
[0074]在一個實施例中，電池176可以是包括電芯C1-C24的鉛酸電池，超級電容器組178可以包括大約十六個和大約三十個之間的超級電容器。在另一實施例中，電池176可以是包括電芯C1-C16且具有含錳酸鋰正極材料的鋰離子電池，超級電容器組178可以包括大約十六個和大約三十個之間的超級電容器。進一步地，在另一實施例中，電池176可以是包括電芯C1-C13且含有磷酸鐵鋰正極材料的鋰離子電池，超級電容器組178可以包括大約十六個和大約三十個之間的超級電容器。更進一步地，在又一實施例中，電池176可以是包括電芯C1-C16且具有含磷酸鐵鋰正極材料的鋰離子電池，超級電容器組178可以包括大約十二個和大約二十四個之間的超級電容器，而且超級電容器可以是混合電容器，具有嵌鋰電極且包括含石墨負(fù)電極。
[0075]圖15的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，以允許電流只在從電池176到超級電容器178的方向上流動。如前所述，在所描述的實施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對超級電容器178提供過充電保護和充電平衡，如上面針對圖8-14所詳細描述。
[0076]與結(jié)合電池和超級電容器的系統(tǒng)相關(guān)的管理控制系統(tǒng)的上述特征相對于現(xiàn)有系統(tǒng)可提供各種優(yōu)點。例如，在某些實施例中，高能量密度電池和電壓在大約24V至大約120V范圍內(nèi)的高功率超級電容器的組合可以為各種類型的車輛應(yīng)用例如微混合動力和輕度混合動力提供益處，以提高燃油效率并降低這類車輛的二氧化碳排放。如上面所指出的，提供在前述電壓范圍內(nèi)的結(jié)合電池和超級電容器的系統(tǒng)可帶來各種優(yōu)點。
[0077]更具體來說，在某些情況下，可通過低溫冷起動電流(與功率相關(guān)的要求)以及為與能量相關(guān)的要求的車輛電負(fù)載(例如燈光、電子器件、底盤電氣化等)來確定用于SLI的鉛酸電池的尺寸。一些當(dāng)前的鉛酸電池可具有大約40Wh / kg的能量密度、大約70Ah的容量以及大約12V的電壓。相應(yīng)地，這類電池在零下18°C通?？商峁┐蠹s700Ah的冷起動電流。在一些情況下，可能期望提高能源系統(tǒng)所能提供的能量和功率密度。例如，一些輕度混合動力車輛以并行的構(gòu)造方式配備有馬達/發(fā)電機，允許當(dāng)車輛滑行、制動或停車時關(guān)閉發(fā)動機，但能快速重新啟動。因此，這種需求可能要求在這類輕度混合動力車輛中的能量存儲裝置具有比非混合動力車輛或電子SLI車輛更高的功率和能量輸出。
[0078]此外，通過提供電壓在從大約24V到大約120V的范圍內(nèi)的電池和超級電容器組合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)各種益處。也就是說，通過將各種類型的電池和超級電容器結(jié)合到單個系統(tǒng)中，與每個技術(shù)類型相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點可以在單個裝置中得以實現(xiàn)。在某些實施例中，鋰離子電池技術(shù)可提供高至大約200Wh / kg的能量密度(其可以為傳統(tǒng)鉛酸電池的大約5倍)。然而，一些鋰離子電池在零下18°C可能具有大約2C的放電率，這低于鉛酸電池冷起動性能(例如，大約10C)。另外，超級電容器或混合超級電容器在室溫可展示大約IOkW / kg的高功率密度(或者在大約零下30°C具有高達大約IkW / kg的功率密度)。當(dāng)前公開的組合能源系統(tǒng)的實施例可將這些電池類型中的一種或多種的優(yōu)點與超級電容器的優(yōu)點結(jié)合到單個裝置中。更進一步地，通過提供在大約24V至大約120V范圍內(nèi)的系統(tǒng)，在高功率輸出時可降低電阻熱損失，從而相對于單裝置系統(tǒng)和設(shè)置在低電壓范圍內(nèi)的系統(tǒng)提供額外的優(yōu)點。
[0079]為了便于向后兼容、改裝、電池替換、物理支撐以及電連接，當(dāng)前能想到的是，本公開中討論的電池和超級電容器以及電池超級電容器控制電路組合可以被一起物理地封裝在外殼中，該外殼具有適于傳統(tǒng)電池封裝的形狀系數(shù)。也就是說，可以采用殼體或外殼來容納電池和超級電容器，在期望的地方，這里討論的控制電路的類型和傳統(tǒng)的鉛酸或其他電池類型相似或相同。外殼在某些方面可與傳統(tǒng)外殼有所區(qū)別，或者被不同地著色或做標(biāo)記以清楚地表示出替代品包括這些內(nèi)部部件，然而，可以想到的是，例如在車輛應(yīng)用中，諸如用于防止和固定裝置的物理尺寸以及端子的位置和尺寸等特征可以與它們所替代的傳統(tǒng)電池相同或者充分相似，以使得這樣的替代對現(xiàn)有的支撐或布線幾乎沒有或者沒有改變。
[0080]圖21示出了內(nèi)部構(gòu)造成容納一個或多個電池248或電芯以及一個或多個超級電容器250的不例性標(biāo)準(zhǔn)電池外殼246。也可選地,外殼可包括支撐在一個或多個電路板上的控制電路252和調(diào)節(jié)電路等。外殼的物理尺寸可符合現(xiàn)有的用于具體電池類型和新電池所欲替代的應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。特別地，如圖21所示，外殼具有與所選標(biāo)準(zhǔn)電池的尺寸大致相同的高度254、寬度256和深度258。在這個例子中，電池端子260位于頂部位置，并偏離電池中心線。圖22示出了另一示例性電池外殼262，該電池外殼262所具有的尺寸和獨特的形狀可以與新組件和電路意圖替代的所需的電池的尺寸和形狀相符合。在這個例子中，如參考標(biāo)記264所示，端子可以位于外殼的頂部，或者正面。而且，標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括裝配或固定特征，例如壓緊裝置等，大致如圖21和22中參考標(biāo)記N30所示。
[0081]本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，某些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已被制定，用于構(gòu)造多種應(yīng)用的電池的物理封裝。例如，國際電池委員會(BCI)是為車輛電池制定特定標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)協(xié)會。已由BCI規(guī)定多個電池類組和尺寸。下面的列表提供了其中的一些例子:
[0082]BCI典型的最大總體尺寸
[0083]
【權(quán)利要求】
1.一種電池系統(tǒng),包括: 外殼; 電池，設(shè)置在所述外殼內(nèi)；以及 至少一個超級電容器，設(shè)置在所述外殼內(nèi)并且耦合到所述電池，以經(jīng)由電池端子提供電能； 其中，所述外殼符合包括一個或多個傳統(tǒng)的存儲電芯而沒有超級電容器的電池的標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括國際電池委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)類組。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括從國際電池委員會類組 21、22F、22HF、22NF、22R、24、24F、24H、24R、24T、25、26、26R、27、27F、27H、29NF、31、31A、31T、33、34、34 / 78、34R、35、36R、40R、41、42、43、45、46、47、48、49、50、51、51R、52、53、54、55、56、57、58、58R、59、60、61、62、63、64、65、70、71、72、73、74、75、75/ 25、76、78、85、86、90、91、92、93、95R、96R、97R、98R、1、2、2E、2N、17HF、4D、6D、8D、28、29H、30H、31、GC2和 GC2H中選擇的至少一個類組。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中，所述電池和所述超級電容器被選擇成提供6V或12V的輸出，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合相應(yīng)的6V或12V電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合鉛酸電池標(biāo)準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，包括從所述外殼的頂部、前部和側(cè)部位置中的至少一個延伸的端子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池系統(tǒng)，包括設(shè)置在所述外殼中并且耦合到所述電池和所述超級電容器的控制或調(diào)節(jié)電路。
8.—種電池系統(tǒng),包括: 外殼，該外殼的尺寸、裝配特征和端子位置與國際電池委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)類組相符； 電池，設(shè)置在所述外殼內(nèi)； 至少一個超級電容器，設(shè)置在所述外殼內(nèi)并且耦合到所述電池，以經(jīng)由電池端子提供電能；以及 控制或調(diào)節(jié)電路，設(shè)置在所述外殼內(nèi)并且耦合到所述電池和所述超級電容器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)類組包括從國際電池委員會類組21、22F、22HF、22NF、22R、24、24F、24H、24R、24T、25、26、26R、27、27F、27H、29NF、31、31A、31T、33、34、34 / 78、34R、35、36R、40R、41、42、43、45、46、47、48、49、50、51、51R、52、53、54、55、56、57、58、58R、59、60、61、62、63、64、65、70、71、72、73、74、75、75/ 25、76、78、85、86、90、91、92、93、95R、96R、97R、98R、1、2、2E、2N、17HF、4D、6D、8D、28、29H、30H、31、GC2和 GC2H 中選擇的至少一個類組。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池系統(tǒng)，其中，所述電池和所述超級電容器被選擇成提供6V或12V的輸出，標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合相應(yīng)的6V或12V電池。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池系統(tǒng)，其中，標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合鉛酸電池標(biāo)準(zhǔn)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池系統(tǒng)，包括從所述外殼的頂部、前部和側(cè)部位置中的至少一個延伸的端子。
13.—種電池系統(tǒng),包括: 外殼; 電池，設(shè)置在所述外殼中；以及 至少一個超級電容器，設(shè)置在所述外殼內(nèi)并且耦合到所述電池，以經(jīng)由電池端子提供電能； 其中，所述電池和所述超級電容器的輸出以及所述外殼的形狀系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值以及標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)，以允許對包括一個或多個傳統(tǒng)存儲電芯但沒有超級電容器的電池進行改造。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括國際電池委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)類組。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括從國際電池委員會類組 21、22F、22HF、22NF、22R、24、24F、24H、24R、24T、25、26、26R、27、27F、27H、29NF、31、31A、31T、33、34、34 / 78、34R、35、36R、40R、41、42、43、45、46、47、48、49、50、51、51R、52、53、54、55、56、57、58、58R、59、60、61、62、63、64、65、70、71、72、73、74、75、75/ 25、76、78、85、86、90、91、92、93、95R、96R、97R、98R、1、2、2E、2N、17HF、4D、6D、8D、28、29H、30H、31、GC2 和GC2H中選擇的至少一個類組。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池系統(tǒng)，其中，所述電池和所述超級電容器被選擇成提供6V或12V的輸出，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合相應(yīng)的6V或12V電池。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述`的電池系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合鉛酸電池標(biāo)準(zhǔn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池系統(tǒng)，包括從所述外殼的頂部、前部和側(cè)部位置中的至少一個延伸的端子。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池系統(tǒng)，包括設(shè)置在所述外殼中并且耦合到所述電池和所述超級電容器的控制或調(diào)節(jié)電路。
20.一種用于制造電池系統(tǒng)的方法，包括: 在符合標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)的外殼中設(shè)置電池和至少一個超級電容器，所述超級電容器耦合到所述電池，以經(jīng)由電池端子提供電能。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括國際電池委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)類組。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括從國際電池委員會類組 21、22F、22HF、22NF、22R、24、24F、24H、24R、24T、25、26、26R、27、27F、27H、29NF、31、31A、31T、33、34、34 / 78、34R、35、36R、40R、41、42、43、45、46、47、48、49、50、51、51R、52、53、54、55、56、57、58、58R、59、60、61、62、63、64、65、70、71、72、73、74、75、75/ 25、76、78、85、86、90、91、92、93、95R、96R、97R、98R、1、2、2E、2N、17HF、4D、6D、8D、28、29H、30H、31、 GC2 和 GC2H中選擇的至少一個類組。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述電池和所述超級電容器被選擇成提供6V或12V的輸出，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合相應(yīng)的6V或12V電池。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)符合鉛酸電池標(biāo)準(zhǔn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括將所述電池和所述超級電容器耦合到從所述外殼的頂部、前部和側(cè)部位置中的至少一個延伸的端子。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，包括在所述外殼中設(shè)置控制或調(diào)節(jié)電路，并且將所述控制或調(diào)節(jié)電路耦合到所述電池和所述超級電容器。
27.一種電池套件系統(tǒng)，包括: 外殼、設(shè)置在所述外殼內(nèi)的電池以及設(shè)置在所述外殼內(nèi)的至少一個超級電容器的組件，其中所述至少一個超級電容器耦合到所述電池，以經(jīng)由電池端子提供電能；以及 至少一個適配器，使得所述外殼適合于代替包括一個或多個傳統(tǒng)存儲電芯但沒有超級電容器的電池的標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)來裝配。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的電池套件系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括國際電池委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)類組。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的電池套件系統(tǒng)，其中，所述標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括從國際電池委員會類組 21、22F、22HF、22NF、22R、24、24F、24H、24R、24T、25、26、26R、27、27F、27H、29NF、31、31A、31T、33、34、34 / 78、34R、35、36R、40R、41、42、43、45、46、47、48、49、50、51、51R、52、53、54、55、56、57、58、58R、59、60、61、62、63、64、65、70、71、72、73、74、75、75 / 25、76、78、85、86、90、91、92、93、95R、96R、97R、98R、1、2、2E、2N、17HF、4D、6D、8D、28、29H、30H、31、GC2 和GC2H中選擇的至少一個類組。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的電池套件系統(tǒng)，其中，所述外殼小于其將裝配到的位置中的電池的標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的電池套件系統(tǒng)，其中，所述外殼被與其將裝配到的位置中的電池的標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)不同地 成形。
32.根據(jù)權(quán)利要求2 7所述 的電池套件系統(tǒng)，包括設(shè)置在所述外殼中并且耦合到所述電池和所述超級電容器的控制或調(diào)節(jié)電路。
【文檔編號】H01M10/44GK103534133SQ201280023856
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月16日
【發(fā)明者】蔣軍偉, 托馬斯·M·沃森, 佩里·M·懷亞特 申請人:約翰遜控制技術(shù)公司