[发明专利]电化学超级电容器/铅酸电池混合电能储能装置

说明书

发明背景

本发明涉及既具有铅酸电池又具有电化学超级电容器元件的混 合电能储能装置。更具体地，本发明涉及这样的混合电能储能装置， 其中铅酸电池和电化学超级电容器元件位于同一壳体内并电连接。

目前许多先进技术的开发速度已对其中普遍使用的各种化学电 源的工作参数提出更多要求。为满足这些增加的要求，已对目前的化 学电源的工作参数进行持续改进。这些改进主要发生在设计和制造技 术领域。作为结果，已开发成功提供改进的技术和工作参数的新电源。

虽然如此，化学电源能力的进一步增强依然特别重要。为此，在 近年已日渐使用电化学超级电容器如双电层(EDL)超级电容器。这 种使用增长很大程度上归因于与许多现代超级电容器相关联的鲁棒 功率特征。遗憾的是，这些现代超级电容器中的大多数还受低比能参 数和高成本的拖累。尽管现代超级电容器的制造技术和总体性能特征 不断改进，但相比于使用现代电池储能的成本，即使使用最好的超级 电容器其储能成本仍相当高。因此，超级电容器的负面特征通常限制 了其应用于高放电功率极为重要情形的范围。

因此，按照目前的实践，当希望或必须提供具有高比能和高功率 特征的低成本电源时，通常使用电池/超级电容器混合系统。已知的 这种系统一般包括高比能电池和高充电及放电功率EDL电容器，电 池与EDL电容器并联连接。这样的混合电能储能系统通常展示高放 电功率和高能量，并可用于提供大放电功率，如与起动各种引擎的装 置协作、在混合动力汽车的电源中、及在各种电路中提供大放电功率。

“电池+电容器”系统提供多个有益参数。此外，超级电容器连 同电池一起使用大大提高了电池的服务和循环寿命。最为普遍的是， 为获得足够高的放电功率，使用“铅酸电池+EDL超级电容器”系统。 这样的系统配置最佳，因为除了功率参数之外，电源(超级电容器和 系统作为整体)的成本参数也极为重要。因为高放电铅酸电池目前以 最少成本提供能量，及它们的制造技术得到充分开发、简单及便宜， 很容易理解，混合铅酸电池/EDL电容器装置可被制造成具有卓越的 功率、能量和成本参数。

为产生具有高放电功率的电源，低阻抗和低内部电阻值合乎需 要。为此，现代电池的制造商通常在他们的储能电池设计中使用薄的 正和负电极及薄的隔板。薄电极的使用使可能增加电极的可见表面 积，这相应导致内部电阻降低及电池的功率参数增长。然而，随着电 极和隔板厚度降低，储能成本增加。另外，这样的电池的服务和循环 寿命一般都大大缩短。具有薄电极的电池还需要精密充电模式及相当 的运行维护。

尽管存在这些缺陷，但由于希望增加电池的功率参数，具有薄电 极的铅酸电池的开发和制造近些年已加速。例如，这样的电池普遍用 于起动高输出化油器式及柴油机引擎，及用作现代混合动力汽车中的 电源。

电池尤其是铅酸电池的内部电阻很大程度上还取决于它们的充 电状态及它们所处环境的温度。在低水平充电状态下，电池的内部电 阻相较于满充电池的内部电阻具有增大的值，且该特征限制部分放电 的电池的功率参数。铅酸电池中的这种性态主要与其负电极的性质有 关。更具体地，在铅酸电池以高放电电流进行放电期间，其电极的表 层被完全放电。这导致负电极近表面区域中的活性体的粒子之间的电 阻增大。具体地，电阻的最大增加发生在负电极为海绵铅时，及该电 阻增加还导致电池整体的内部电阻增加。当铅酸电池在低温环境中运 行时，这种性态最大程度地显现，因而大大限制了它们的应用范围。

由于电极自放电，铅酸电池的另一缺点是在满充状态下储存期间 其负电极的近表面层硫酸盐化，即使这样的电池仅储存相当短的时间 也可能发生前述情况。随着硫酸盐化，一薄层硫酸铅形成并大大增加 电池的内部电阻，从而导致其放电功率降低(及电池库仑容量的一些 可忽略的损失)。这种缺陷可导致运行故障，如电池不能起动引擎， 甚至在电池才服务了很短时间时也不能起动引擎。

为了增强引擎起动的可靠性或提供高放电功率，起动器(及类似 装置)必须经常采用具有额外容量的电池，或使用几个并联连接的电 池。这样的方法可部分解决可靠引擎起动的问题。然而，这种解决方 案导致所使用的电池的重量、体积和价格增加，及导致它们的运行成 本增加。