用于检测电池或电容串联组中的电池单元充电状态和放电状态的散度的方法技术

技术编号:4938253 阅读:300 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
一种用于给电池充电的系统,包括具有至少两个锂离子电池的电池组。控制器基于将电池组作为整体表示的dV/dSOC计算值来检测电池组的电压相对于充电状态的变化率(dV/dSOC),无需基于逐个电池单元地单独计算dV/dSOC。在dV/dSOC达到预定值时终止充电。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
与本专利技术相一致的实施例涉及用于检测电池单元或电容电池的串联组或“包” 的充电状态(SOC)或放电状态(SOD)的散度的装置和方法,并且更具体地涉及用于检测 锂离子电池单元组的SOC和SOD的散度的装置和方法。
技术介绍
目前的便携式电子设备几乎都要专门依赖于可再充电的锂离子电池作为电源。 这就刺激了对于提高其能量存储能力、功率容量、循环寿命和安全特性以及降低其成本 的持续努力。锂离子电池或锂离子电池单元是指一种可再充电的电池,具有能够以高于 锂金属的锂化学电势存储大量锂的阳极。作为示例,考虑由串联连接在一起的多个锂电池单元构成的电池组。如果其中 一个电池单元两端的电压在放电期间下降到预定的阈值以下(例如1.5伏)或者在充电期 间上升到预定的阈值以上(例如3.9伏),那么锂电池组的寿命就会下降。为此,现有技 术中通常都要小心地监测电池单元的电压并采取措施将电池单元的电压保持在特定的范 围内。使事情进一步复杂化的是锂电池单元中的制造缺陷导致部分电池单元不能与其 他看上去相同的电池单元保持一样多的电荷。由此,在将多个锂电池单元串联连接在一 起时,有缺陷的电池单元就会比其他电池单元放电更快并且在放电期间更快地达到上述 的下限阈值。类似地,这样的有缺陷的电池单元在充电期间经常会最先触及上限阈值。 除非是在工作期间对电量进行再平衡,否则电池单元之间的这种不平衡就会限制电池组 的有效工作范围。在锂离子电池内部,有很多离子会随着电池单元充电状态的改变而在电池单元 中四处迁移。例如,如现有技术中已知的,离子在满SOC状态下会被存储在晶格结构的 特定位置内。随着SOC耗尽或者电池单元释放能量,电池单元内的离子会移动到电池 单元内不同位置处的不同晶格结构中。由负载造成的电子流能够使离子在电池单元内移 动。在锂离子电池单元的串联结构(例如在电池组)中,离子迁移在每一个个体电池单 元中都会发生。如果电池组内的个体电池单元即将耗尽,也就是没有更多的离子移动到 放电晶格结构,那么就会在该电池单元上建立电压,从而有可能对电池单元或电池组造 成不可修复的损伤。锂离子电池与镍金属氢化物电池或镍镉电池不同,其并不是自然平衡的。因 此,包括锂离子电池单元的电池组的SOC管理通常都需要考虑每一个体电池单元内的SOC0现有技术中的系统包括用于确保每一个电池单元都具有相似离子量的平衡机构。作为可选方案,已经尝试用相同的电池单元来小心谨慎地制造电池以使得每一个电池单 元同时达到SOC和SOD。但是,现有技术方法的缺点在于,生产商必须要承担额外成本 以确保精确的质量控制和监测每个个体电池单元。在为了获得比单个电池单元能够提供的更高的电压而将锂离子电池或电容或其 他的电化学发电设备(例如既包括容性蓄能元件也包括感性蓄能元件的混合设备或“非 对称”设备)连接为串联组时,该组的反复充电和放电就可能导致电池单元变得“失 衡”,从而使得电池单元的充电状态沿着该组有所不同。失衡状态可能是由于电池单元 工作循环中容量衰减速率的不同,或者是由于导致容量衰减速率不同的阻抗变化以及其 他原因引起的。所述组在开始时可能就由于串联组内的电池单元在组装该组时的容量或 充电状态的变化而没有完全平衡。这样的电池组有多种应用,包括但不限于电动工具、 仪表电池、电动车辆的电池以及用于后备电源的电池。失衡的串联组(例如在此介绍的)会由于若干理由而不受欢迎。在串联组充 电时,较低容量或较高SOC的电池单元在该组被充电至特定的电池组电压时会被过度充 电,导致电池组的过早故障或不安全状态(例如电池单元泄气或过热或爆炸)。同样的情 况在失衡的组放电时也会出现。在极端情况下,失衡电池组的放电可以将某些电池单元 变为“电压反向”,此时电池单元的极性与其正常使用时相反。在锂离子电池单元中, 这可能会导致负电流集电极的溶解,造成故障或者生成气体造成电池单元的机械破裂。 现有技术中用于避免失衡组相关问题的方法是监测并平衡个体电池单元,这需要额外的 控制电路并且增加了电池结构的成本和复杂性。
技术实现思路
电池单元组的非限制性示例包括锂离子电池,使用LiMPO4作为正极,其中M包 括Fe,Mn或Co中的一种或多种,或者使用LiMn2O4尖晶石作为正极,或者使用Li4Ti5O12 作为负极,作为锂存储材料的这些化合物类型在达到满SOC时表现出电池单元电压的快 速上升,或者在达到满SOD时表现出电池单元电压的快速下降。通常这是由于在大范围 的SOC上存在由两相反应(由于插入或去除锂)造成的恒定电压的结果。根据本专利技术的一方面,在达到充电和放电限制时对特定电池单元化学反应电压 中的特征变化进行利用,目的是为了检测一个或多个失衡电池单元的存在,以及在这些 输入的基础上调节充电或放电协议,以避免过度充电或者过度放电、避免不安全状态或 者延长电池组的寿命。根据另一方面,电压监测和控制被包括在电池组的设计中,或者 被包括在用于电池组的充电器中。充电器可以执行充电以及放电功能并因此可以用作用 于诊断电池组中电池单元串联组状态的装置。串联连接的电池单元数量可以是少至两 个,或者多至十个或二十个或者甚至是更大的数量,与任意单个电池单元响应的陡度相 比,电池单元数量的上限由测量串联电压的精度限定。根据一方面,以恒定的电流对电池单元的串联组进行充电,并且该组的电压和 时间响应V(t)或者电压的一阶时间导数dV/dt或者电压的二阶时间导数d2V/dt2被用于识 别一个或多个失衡电池单元的存在。在进一步的实施例中,dv/dSOC被用于检测失衡电 池单元的存在和终止充电。在某些情况下,电池单元在充电或放电期间可以表现出多个电压阶梯。在此情 况下即使是电池组充电或放电过程中出现了其他的中间电压阶梯也可以使用检测方案。 例如,在电池化学反应固有地具有这样的阶梯时,电池组电压将会在电压中表现出特征 阶梯。通过施加绝对电池组电压必须高于(低于)特定的充电(放电)值的附加条件, 就可以只在电池组接近于充电的顶部(底部)时施加限流操作。在示意性实施例中,提供了一种用于给电池充电的系统,其包括具有至少两个 锂离子电池单元的电池组。提供控制器以基于表示电池组整体的dV/dSOC的计算值来检 测电池组的电压相对于充电状态的变化率(dV/dSOC),从而在dV/dSOC达到预定值时终 止充电。根据一方面,电池组由串联连接的至少两个锂离子电池单元构成。在一方面中,电池组可以是包括η节串联CnS)的组中的一种,其中η至少为二并且不超过十。至 少两个锂离子电池单元可以包括LiFei_yMnyP04,其中y代表Mn的不同浓度。控制器可以包括终止充电的微处理器。在其他方面中,控制器包括模拟电路。在进一步的示意性方面中,微处理器被耦合至充电器内的指示灯,其中该灯给 用户指示电池组的充电状态。在一方面中,控制器被设置用于检测电池组内部组件的温度,并且如果温度超 过预定的阈值就终止充电。温度可以通过热敏电阻进行检测。在一个示意性实施例中,提供了一种电池充电器,其包括具有锂离子电池单元 的电池组。包括电路,基于电池组整体的一个dV/dSOC的监测来确定电池组的电压相对 于电池组充电状态的变化率(dV/dSOC)。提供感测电路以在已达到预定的dV/dSOC时 终止本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于给电池充电的系统,包括:  具有至少两个锂离子电池单元的电池组;  控制器,基于代表电池组整体的计算的dV/dSOC来检测电池组的电压相对于充电状态的变化率dV/dSOC,无需基于逐个电池单元地单独计算dV/dSOC;  其中在dV/dSOC达到预定值时终止充电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员:CM霍夫
申请(专利权)人:A一二三系统公司
类型:发明
国别省市:US[美国]

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