[发明专利]电化学能量系统的设计和操作

说明书

公开了电化学电芯和包括这种单体电芯的电池和电力系统，该电化学电芯包括可根据温度操作的电阻器开关组件。温控开关电连接到电池与电阻器并联连接。所述开关引导电流经过电阻器(高电阻状态)或引导电流绕开电阻器(低电阻状态)。

对于相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年7月30日提交的美国申请No.14/447,005的权益，其全部发明内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及电化学能量系统的设计和操作，并且具体地涉及包括电阻器和开关的可充电电化学储能电池组的设计和操作。

背景技术

电动车辆是减少温室气体排放和对化石燃料的依赖的有希望的技术。插电式混合动力电动车(PHEV)和纯电动车(EV)的市场份额近年来显著增加。尽管提供了高能量效率和低环境影响的优点，但是EV的市场渗透受到限制，这是因为它们的行驶范围相对较短。与加一次油通常具有超过300英里的行驶范围的燃油车相比，当前一代EV在充一次电只能达到100至200英里。此外，在寒冷环境中，EV的续航里程大大降低。

温度在0℃以下时，由于电池的不良放电和再生功率，EV的续航里程进一步受到不利影响。例如，锂离子电池在EV中的性能劣化与这种电池的显著降低的能量和功率能力以及由于在充电时析锂而导致的容量衰减密切相关。参见G.Nagasubramanian,J ApplElectrochem,31(2001)99-104；S.S.Zhang,K.Xu,T.R.Jow,Electrochim Acta,49(2004)1057-1061；H.-P.Lin,D.Chua,M.Salomon,H.-C.Shiao,M.Hendrickson,E.Plichta,S.Slane,Electrochem Solid-State Lett,4(2001)A71-A73；J.Fan,S.Tan,J ElectrochemSoc,153(2006)A1081-A1092。

基本上，温度在0℃以下锂离子电池的性能劣化源于缓慢的电荷转移动力学、低的电解质电导率和低的固态Li扩散速率。参见C.K.Huang,J.S.Sakamoto,J.Wolfenstine,S.Surampudi,J Electrochem Soc,147(2000)2893-2896；S.S.Zhang,K.Xu,T.R.Jow,JPower Sources,115(2003)137-140；M.C.Smart,B.V.Ratnakumar,S.Surampudi,JElectrochem Soc,146(1999)486-492；M.C.Smart,B.V.Ratnakumar,S.Surampudi,JElectrochem Soc,149(2002)A361-A370；S.S.Zhang,K.Xu,T.R.Jow,Electrochim Acta,48(2002)241-246。虽然通过找到更合适的电解质和活性材料可以减轻这些限制，但是备选方法是设计一种在电池使用之前将其快速预热至正常操作温度的系统。由于动力学和运输过程是高度温度依赖性的，所以电池性能将在加热期间快速恢复。参见M.D.Zolot,et al.,Thermal Evaluation of The Honda Insight Battery Pack,in 36th IntersocietyEnergy Conversion Engineering Conference,Savannah,GA,2001,pp.923；A.Pesaran,etal.,Cooling and Preheating of Batteries in Hybrid Electric Vehicles,in The6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference,Hawaii Island,Hawaii,2003。