为电池快速充电的设备和方法技术

一种用于为包括例如锂离子电池的一个或多个电池进行超快速充电的设备和方法。充电电流是基于与电池相关联的一组内部状态变量的函数，以及表现电池的特征的一组模型参数或非参数性数据，通过对模型进行优化确定的。瞬时的内部状态变量被确定，优化的充电电流被施加到服从一组电池特定约束的电池。内部状态变量基于正被充电的电池的属性，以及被存储在数据库中的属性被递归更新，或通过同源电池的网络收集。

【技术实现步骤摘要】
本案是申请号为201180062016.X，申请日为2011年10月21日，题目为“为电池快速充电的设备和方法”的申请的分案。
本专利技术涉及为电化学单电池(cell)充电，并且更尤其涉及用于为锂离子电池(battery)充电的设备和方法。
技术介绍
定义：正如在本说明书以及所有随附的权利要求书中所使用的，除非上下文提出相反的要求，“电池”是指提供电势的一个或多个化学能量存储单电池(或，电化学单电池)。“二次电池(secondarybattery)”是指可通过施加电流而被充电或再充电的电池。为电池充电的过程包括迫使电流进入电池，使其积聚电荷，并因此积聚能量。该过程必须受到仔细的控制。一般地，过大的充电速率或充电电压将使得电池性能永久退化并最终导致完全报废，或甚至是灾难性的事故，例如外壳穿孔，以及高腐蚀性的化学物质爆炸或泄漏。为串联连接的电化学单电池充电的过程需要特别仔细。为这样的电池进行再充电可导致由于完全放电时的反向充电而造成单电池损坏。一些充电器被设计成对这样的电池进行再充电，并且它们一般涉及监控单个单电池两端的电压。对单个单电池进行一致的充电采用了特殊的充电技术。取决于电池的类型，正常的电池充电处理包括两个或四个不同的阶段，正如在例如MaximIntegratedProducts,Inc.的Applicationnote680(2002)(其可从http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/680处查到)中所教导的。第一可选阶段，大多由具有显著的记忆效果的镍-镉(NiCad)电池使用，包括电池完全放电。第二阶段，称为“批量(bulk)”阶段或“快速充电阶段和终止”，包括迫使恒定的电流进入直到满足某种标准，例如达到一个恒定的电压或电流下降。如果，“C”为电池容量，其以电荷单位(通常由Q表示)A·h表示，则电流，以安培表示，被选定为C的几分之一(或几倍)。例如，以2.4A或2*C的恒定电流对1.2A·hNi-MH电池进行快速充电，如果该充电没有损失地完成(通常情况不是这样)，则将在1/2小时内再充电该电池。对于锂离子单电池，充电器通常将电流和充电电压均限制在0.75％的精度下(对于单个4V的单电池为30mV)。终止则包括检测何时电流下降至一定值以下，或者基于在电压达到其最大值之后经过的固定时间。第三阶段，或“Top-Off充电”阶段，包括迫使较小电流进入以达到满的电池电荷。这个阶段在电压达到最大值的时候，或者在一定的Top-Off充电时间或电池温度之后终止。第四阶段，或“TrickleCharge(涓流充电)”阶段，一般用于除锂离子电池以外的所有电池(化学)类型。该“TrickleCharge”阶段的目的是补偿电池随着时间的正常内部泄露和电荷损失。在这个阶段中，施加的是低电流(普遍范围在C/16至C/50)，或者施加具有低占空比的脉冲，使得平均电流较小(例如，C/512)。现有的电池充电协议并不完善，因为它们速度比较慢，并且它们导致了电池寿命非必要地缩短。现有的协议没有考虑到电池之间的不同，即使是在相同的生产批次的电池当中也存在不同。
技术实现思路
依据本专利技术的实施例，提供了一种用于为电池充电的设备。该设备具有用于电耦合至电池的接口，以及用于同时地测量电池电压和电流的电路。此外，该设备具有用于积累来自多个电池的电池参数数据的数据库，以及处理器，该处理器基于共同测量的电池电压和电流以及从数据库接收的累积参数数据来递归地更新表现模型的特征的数据，该模型代表电池。最后，该设备具有电流源(如在本文中所定义的)，用于按照所述处理器的控制，供给为电池充电的电流。在本专利技术的其它实施例中，该处理器可适用于至少部分地基于系统识别，或基于非线性系统识别，更新电池的单电池动态的动态表达。在备选的实施例中，用于同时地测量电池电压和电流的电路可包括四端口配置，并且用于电耦合至电池的接口可适用于耦合至该电池的参考电极。处理器可具有从对电池特征敏感的传感器接收信号的输入。该设备还可具有温度控制器，用于控制电池的温度。依据本专利技术的另一组实施例，提供了用于为电池充电的方法。该方法包括以下步骤：a.提供电池的单电池动态的动态表达；b.基于该动态表达确定该电池的充电曲线(chargingprofile)；以及c.至少部分地基于该充电曲线并基于跟踪已经存储在该电池中的总电荷将优化的充电电流施加给电池。在进一步的实施例中，施加优化的电流的步骤可服从于一组电池特定的约束，其可在充电/放电循环的迭代序列的基础上继而得到。充电曲线更尤其地可以指充电电流的曲线。该方法可具有进一步的步骤，即，跟踪电池的温度，其中，将优化的充电电流施加到电池也是至少部分地基于跟踪的电池温度。施加优化的电流可至少部分地基于跟踪电池的瞬时状态变量。跟踪总电荷可包括确定在电池充电过程中的至少一个电池瞬时内部状态变量，或者确定在电池放电过程中的至少一个电池瞬时内部状态变量。依据本专利技术的其它实施例，电池的单电池动态的动态表达可通过非线性系统识别来得到。其还可包括一组内部状态变量和/或一组模型参数。而且，其可包括，至少部分地表现模型的特征的非参数数据。确定电池充电曲线的步骤可在电池放电和/或电池充电过程的期间执行。在一组模型参数被采用的情况下，其可包括从数据库，并且更特定地在电池充电的过程期间更新的数据库，得到的参数。电池的单电池动态的动态表达可包括专对于特定单个单电池的一组内部状态变量，或专对于一类单电池的一组模型参数。动态表达还可至少部分地基于多个联网充电系统的充电/放电循环。依据本专利技术的再另一组实施例，提供了用于获得经验电池模型数据的网络。该网络具有多个充电系统，其中每一个充电系统包括处理器和用于为单独电池供应电流的电源。该网络还具有服务器，用于从多个处理器中的每一个接收数据并返回关于单电池动态的动态表达的更新数据，以用于被多个充电系统中的每一个进行结合。在进一步的实施例中，该多个充电系统的至少一个中的处理器适用于，至少部分基于系统识别或非线性系统识别，更新电池的单电池动态的动态表达。附图说明参考附图，根据以下详细说明将更好地理解本专利技术的前述特征，其中：图1A是简单的电池模型的最小电路示意图，同时图1B是Thevenin模型的电池，这两者均为现有技术的模型；图2示出了国家能量实验室现有技术的锂离子电池模型；图3是示出依据本专利技术实施例的一种模型的电路图，依据该模型可使用四线配置得到电路参数；图4是基于被施加到图3中电路的简单试探的理想充电曲线的坐标图；图5A是示出了依据本专利技术的实施例，应用了针对充电问题的解决方案为电池充电的方法的流程图；图5B示出了依据本专利技术的实施例，用于探索(search)电池充电状态并实施快速电池充电的代表电路；图6将依据本专利技术的实施例与通过制造商指定规程所提供的电池充电效率进行比较；图7将依据本专利技术的实施例与通过制造商指定规程所提供的电池寿命进行比较；图8是示出了依据本专利技术的实施例，用于建立电池和与电池关联的模型参数的方法的流程图；图9示出了依据本专利技术实施例的多个充电器的集合，由此数据被汇集起来以有利于对充电参数进行优化；图10示出了由于模型参数的小变化引起电流不稳定性的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种为电池充电的方法，该方法包括：a.提供对所述电池的单电池动态的非线性动态表达，其中所述非线性动态表达是其中明确结合了独立的时间变量的表达；b.使用优化常规来至少部分基于所述非线性动态表达和基于跟踪电池的一个或多个系统状态变量，确定所述电池的优化的充电曲线；以及c.至少部分地基于所述优化的充电曲线，将充电电流施加到所述电池。

【技术特征摘要】
2010.10.22 US 61/405,8291.一种为电池充电的方法，该方法包括：a.提供对所述电池的单电池动态的非线性动态表达，其中所述非线性动态表达是其中明确结合了独立的时间变量的表达；b.使用优化常规来至少部分基于所述非线性动态表达和基于跟踪电池的一个或多个系统状态变量，确定所述电池的优化的充电曲线；以及c.至少部分地基于所述优化的充电曲线，将充电电流施加到所述电池。2.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述优化的充电曲线还服从于一组电池特定的约束。3.如权利要求2所述的方法，进一步包括，基于充电/放电循环的迭代序列，得到所述一组电池特定的约束。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述优化的充电曲线为充电电流曲线。5.如权利要求1所述的方法，进一步包括跟踪所述电池的温度，并且其中确定所述优化的充电曲线还至少部分地基于所述电池的被跟踪的温度。6.如权利要求1所述的方法，其中，确定所述优化的充电曲线至少部分地基于跟踪所述电池的瞬时状态变量。7.如权利要求1所述的方法，其中，跟踪所述总电荷包括，在所述电池充电期间，确定所述电池的至少一个瞬时内部状态变量。8.如权利要求1所述的方法，其中，跟踪所述总电荷包括，在为所述电池放电期间，确定所述电池的至少一个瞬时内部状态变量。9.如权利要求1所述的方法，其中，所述电池的单电池动态的所述非线性动态表达是通过非线性系统识别技术得到的。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述电池的单电池动态的所述非线性动态表达包括一组内部状态变量。11.如权利要求1所述的方法，其中，所述电池的单电池动态的所述非线性动态表达包括一组模型参数。12.如权利要求1所述的方法，其中，所述电池的单电池动态的所述非线性动态表达包括至少部分地表现模型的特征的非参数性数据。13.如权利要求1所述的方法，其中，基于所述非线性动态表达确定所述电池的优化的充电曲线是...

【专利技术属性】
技术研发人员：I亨特，SR拉方泰尼，
申请(专利权)人：核科学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US