[發明專利]一種通過加熱輔助電池充電的系統和方法

在審

• 申請號: 201980019497.2
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN111971847A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 王朝陽
• 申請（專利權）人: 美國電化學動力公司
• 主分類號: H01M10/44
• 分類號: H01M10/44;H01M10/6571;H01M10/637;H01M10/654;H01M10/615;H02J7/04;H01M10/052;H01M4/38;H01M4/36
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司 12107
• 代理人: 閆俊芬

本發明公開了一種用于對可充電電池充電的快速預熱充電過程。這種過程可以通過一種集成的加熱和電池系統來實現，所述系統包括可充電電池，和與電池的至少一個電池單元熱接觸并與開關串聯電連接的加熱元件，其中所述加熱元件和開關形成開關?加熱器組件。開關?加熱器組件可與電池并聯電連接以形成電池?開關?加熱器電路。有利地，電池?開關?加熱器電路被配置成與充電器直接電接合，使得當加熱元件由充電器供電時，加熱元件主要由充電器供電并與電池電連接。該系統可應用于充電操作中，將電池預熱至預定充電溫度，該預定充電溫度能夠有利地改善電荷的動力學并減少電池的充電過電位，從而能夠實現快速充電及在各種溫度下充電。

相關專利申請的交叉引用

本申請要求于2018年4月16日提交的美國臨時申請No.62/658,176的權益，其全部內容通過引用并入本文。

技術領域

本發明總體涉及到可充電電化學儲能電池。具體而言，本發明旨在改進鋰離子電池等可充電電池的充電過程。

背景技術

可充電鋰離子電池廣泛應用于電動汽車、消費類電子產品和固定式儲能系統。使用可充電電池的一個重要部分是充電過程，根據電荷的運動狀態和充電速率，充電過程會產生高于平衡電位的過電位。因此，在充電過程中，電池電壓升高，并有可能達到由電池單元內部電池材料發生顯著衰減所定義的電壓上限。這限制了對過電位的允許上限，反過來又降低了充電速率(或等效地延長了充電時間)，并要求接近室溫才能進行充電操作。這兩個因素都給應用中的電池使用帶來了極大的不便。因此，改善電荷的動力學，從而降低充電電池的充電過電位是必要的。

一些公開文件披露了具有相對復雜配置的充電系統，其中包括在可充電電池和充電器之間電連接的設備，如DC-DC轉換器(例如，公開號為U.S.8779728，U.S.97999934的文件)。其他充電系統在加熱電池時會斷開與可充電電池的電連接(例如，美國專利申請2013-0288089)。然而，有必要進一步改進充電時間和充電溫度范圍。

發明內容

本發明的一個有益效果是為可充電電池充電的預熱充電過程。此過程可以通過一個集成的加熱和電池系統來實現，該系統能夠快速充電并在各種溫度下進行充電。此過程和系統對于消費類電子產品、運輸、航空航天、軍事和固定能源儲存應用中的電池充電極為有用。

這些和其他優點至少部分地通過一種用于對電池充電的充電方法得到了滿足，所述充電方法包括：步驟一：所述步驟一包括當所述電池單元低于預定充電溫度(T₂)時，加熱所述電池單元；步驟二：所述步驟二包括當所述電池單元處于或高于T₂時，通過外部充電器對所述電池單元充電。優選地，當電池單元低于T₂時，電池單元可以以至少5℃/min(例如，至少10℃/min，至少20、30、40和50℃/min)的速率被加熱，以快速的加熱電池單元。在某些低溫條件下，例如充電時對蓄電池單元產生不利影響的溫度下，在步驟一加熱蓄電池單元的操作過程中，蓄電池單元充極少的電或不充電。該方法還包括確定電池單元的溫度，如果溫度低于T₂，則啟動步驟一以加熱電池單元，如果溫度等于或高于T₂，則對電池單元進行充電。

另一方面本發明包括一個集成的加熱和電池系統，所述系統包括具有至少一個電池單元的可充電電池，和與至少一個加熱元件熱接觸，并與開關串聯以形成開關-加熱器組件的加熱元件。開關-加熱器組件與電池并聯電連接，以形成電池-開關-加熱器電路，并且電池-開關-加熱器電路被配置為直接與充電器電連接。優選的，加熱元件主要由充電器供電，并且當加熱元件主要由充電器供電時，與至少一個電池單元電連接。

本發明中涉及的電池配置可應用于多種電化學和形式，例如但不限于鋰離子、鋰聚合物、鉛酸、鎳金屬氫化物、鋰硫、鋰空氣、全固態電池等，所述至少一個電池單元可以包括陽極，所述陽極包括金屬鋰、硅或硅碳復合材料。