[发明专利]混合电池系统

说明书

再充电的混合电池系统并入了高功率电池组件和高能量密度电池组件。高能量密度电池的电压作为其充电状态的函数而变化，但是在电池系统的整个运行范围保持比高功率电池的电压更高。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年12月15日提交的美国临时申请61/570,920的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及再充电电池系统，以及更具体地涉及能够发出高峰值功率和持续功率的再充电电池系统。特别是，本发明涉及混合电池系统，其包含高功率电池和高能量密度电池，高功率电池被优化以发出高峰值功率水平，高能量密度电池被优化以发出大量持续功率。

发明背景

对具有高能量密度并因此能够储存和发出每单位体积和/或重量大量电能，同时也能够发出高水平峰值功率的再充电电池系统，存在需要。此类高能量高功率电池系统在许多应用——包括军事装置、通讯装置和机器人——中具有显著效用。然而，再充电电池的能量密度和功率密度彼此以相反的方式相关，并且这使得此类再充电电池系统的设计复杂。

与高能量密度优化的电池相比，高功率密度电池总是具有较低的能量密度。功率与电池释放能量的能力相关。因此，在高功率电池中能量的释放比在高能量密度电池中快。此高功率负荷产生了显著的电阻加热，其能够引起安全问题和影响电池的循环寿命。因此，高功率电池的电池大小、电池的几何形状和化学必须被选择以允许热管理。因此，高功率电池不能够储存和发出与高能量密度电池同样多的每单位体积和/或大小的能量。

另一方面，高能量密度电池被优化以发出每单位体积和/或重量的最大能量并因此不能以和高功率电池相当的速度安全地发出功率。因此，为了实现安全与可靠的操作，电池系统必须被最大化以低能量密度发出高水平功率，或者以便具有高能量密度和低峰值功率容量。

然而，如上所述，实际应用常要求还能够提供高水平峰值功率的紧凑的高能量密度功率源。几种方法已经在现有技术中实施，试图满足这些相冲突的目标。在一种情况下，现有技术已经在电池系统中包括电容器或超电容器储存器件，以累积和快速发出高功率脉冲。此方法受到限制，因为电容器系统在长时间期间发出的功率总量相对较小，这大大限制了此类系统的利用。此外，当功率必须要维持长时间期间时，电容器系统的斜的电压分布是不期望的。典型地，储存在超电容器为基础的系统中的仅25％的功率实际上是可用的。在另一种方法中，再充电高能量密度电池系统合并了辅助性不可再充电原电池。虽然此类系统能满足特定的功率/能量分布图的需要，但它们对持续操作来说是不实际，这是因为原电池必须定期更换。在其它情况下，现有技术已经制备了混合的再充电电池系统，其包括优化以发出高功率的第一组电池连同优化以具有高能量密度的第二组电池。一些此类混合系统显示在美国专利7,399,554和7,635,541，以及美国专利申请公开2007/0212596中。迄今为止，传统常识认为在此类型的混合电池系统中，高能量和高功率电池组的电压必须相同，以便保持系统的正常运转。因此，现有技术的混合电池系统是利用它们的高功率和高能量段大致相同的电池化学制备。这种化学和电压的匹配必要性限制了混合电池系统的设计选项，并且还需要包括充电/放电控制电路，所有这些都伤及这些混合系统的大小、重量和最终能量密度。在现有技术中，对功率和能量电极利用相似化学的约束限制了混合电池系统的选项，并且通过本发明克服。

如下文解释，本发明突破了现有技术，因为它提供了合并具有不同电压、充电/放电特征和化学的高功率电池和高能量密度电池的再充电混合电池系统。本发明的不同电池也可设计具有匹配阻抗并且因此本发明的系统对于充电和放电固有地自我调节并且减少或消除了充电控制器、开关等的使用。本发明的这些和其它优点从下面的附图、讨论以及描述将显而易见。

发明概述