在低温下对电池快速充电的系统和方法技术方案

公开了用于在所有环境温度下对电池快速充电并且不造成电池老化的可充电电池、充电方法和系统。该系统包括被配置为监测所述电池温度的温度传感器、能经由电池的低电阻极柱或高电阻极柱把所述电池电接合到充电源的开关、以及连接到所述温度传感器和所述开关的控制器。所述控制器能接收来自所述温度传感器的输入并且被编程为根据来自所述温度传感器的输入，确定是经由所述低电阻极柱还是经由所述高电阻极柱而经所述开关把所述电池电接合到所述充电源。

System and method for rapid charging of batteries at low temperatures

A rechargeable battery, charging method and system are disclosed for rapidly charging a battery at all ambient temperatures without causing battery aging. The system includes a processor configured to low resistance temperature sensor, monitoring the battery temperature via the battery pole or high resistance pole the battery charging source bonded to the switch, and a controller coupled to the temperature sensor and the switch. The controller can receive from the temperature sensor input and is programmed according to the temperature sensor from the input is determined by the low resistance or high resistance column via the pole by the switch to the battery joined to the power supply.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在低温下对电池快速充电的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2014年7月28日提交的美国临时专利申请No.62/029,865的权益，通过参考将其全部内容合并于此。
本申请一般涉及在低温下对电池充电的系统和方法，尤其涉及在低于电池的最佳工作温度下对电池快速充电。
技术介绍
由于电池中发生的缓慢的电化学反应和传输过程，用于电子产品、交通运输和电网能量存储的可充电电池通常具有不良的充电接受能力，需要过长的充电时间，特别是在零度以下。在严寒天气中以合理的速率对电池充电是不可能进行的或使得电池寿命大大缩短。例如，在低温下对锂离子电池充电的最大问题是石墨负极中的析锂。沉积的锂与电解液快速反应，从而导致不可逆的容量损失。此外，金属锂以枝状形式生长，有可能穿透隔膜并使电池内部短路。为了避免析锂，在低温下以非常低的速率(C/10以下)对锂离子电池充电，这需要很长时间来完成充电。过长充电时间对能量存储解决方案，特别是电动车辆(EV)的应用带来很大不利。相比于任何情况下其燃料箱可在不到五分钟内装满的汽油驱动的常规动力车辆，EV在寒冷的天气中需要数小时才充分充电。快速充电对于实现公共充电站和电池供电的电动车辆是必要的。由于电池充电接受能力对温度非常敏感，可通过将可充电电池加热到适合于快速充电的室温范围来缩短充电时间。但是，常规的电池加热系统通过使用对流空气/液体加热或热护套在外部加热电池，热量从外部缓慢地传播到电池内部的电化学反应界面上。这种方法既需要长的加热时间又显著增加向周围的热损失。因此，对于减少电池充电时间而不影响电池寿命的需求是一直存在的。
技术实现思路
本专利技术的优点是用于对可变内阻的可充电电池充电的控制系统及其操作方法。这种系统可用在电力驱动的车辆，例如电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)、以及插电式混合动力电动车辆(PHEV)中。至少部分地通过用于对可变内阻的可充电电池的充电控制系统来满足这些和其他优点，充电控制系统包括：温度传感器，其被配置为监测电池的温度；开关，其能将电池的低电阻极柱或高电阻极柱将电池电接合到充电源；以及控制器，其电连接到温度传感器和开关，并且能接收来自温度传感器的输入以及被编程为基于来自温度传感器的输入来确定是经由低电阻极柱还是经由高电阻极柱而经开关把电池电接合到充电源。该系统可包括单独或组合的附加部件，例如电连接到电池并且能够测量流过电池的电流的一个或多个电流传感器和/或一个或多个电压传感器，一个或多个电压传感器，例如电连接到电池的低电阻极柱的电压传感器，以及电连接到电池的高电阻端电压的电压传感器。通过附加传感器，控制器可以从附加传感器接收输入，并且被编程为基于来自传感器的输入，确定是经由低电阻极柱还是经由高电阻极柱而经开关把电池电接合到充电源。该系统还可包括电连接到电池并且能够对电池充电的发电机。发电机可用于例如在车辆的再生制动中捕获动能，并且用这种能量对电池充电。本专利技术的另一个方案包括一种对可变内阻的可充电电池充电的方法，方法包括：当电池处于高内阻时，用低温充电程序(LTCP)对电池充电；以及当电池处于低内阻时，用第二程序对电池充电。LTCP的实施例包括在恒定电压下和/或以恒定电流(I)和/或以恒定充电功率(P)及其组合对电池充电。在本专利技术的一个实施例中，LTCP包括：(i)以恒定电压或恒定充电功率(P)对电池充电；以及(ii)随后以恒定电流对电池充电。当充电电流达到或超过预定的最大充电电流(Imax)时，可以以恒定电流对电池进行充电。此外，可以根据低电阻端电压VLoR和/或电池的电压确定恒定电压。LTCP还可包括在脉冲电压和/或脉冲功率和/或脉冲电流及其组合下对电池充电。LTCP可进一步包括当电池的温度低于预定水平TCG1时在高内阻下对电池充电，例如，TCG1是在5℃和25℃之间的值，并且当电池的温度等于或高于TCG1时，在低内阻下对电池充电。在第二程序下，即在低内阻下对电池充电的实施例包括在恒定电流、恒定电压程序下对电池充电，其中恒定电流约为1C或更高，恒定电压约为Vset，其中Vset是预定电压。有利地，程序可包括当电池的温度等于或高于预定水平TCG1时，在低内阻下对电池充电，例如，其中TCG1是在5℃和25℃之间的值。本专利技术的另一个方案包括用再生能量对可变内阻的可充电电池充电的方法，方法包括：例如当电池的温度低于预定充电值(TCG1)时，当电池处于高内阻时，在再生充电程序(RCP)下对电池充电；以及例如当电池的温度高于TCG1时，当电池处于低内阻时，在第二程序下对电池充电。有利地，在RCP或第二程序下用来对电池充电的电流由动能转换而来。RCP的实施例包括通过以受控电压形式或以受控功率P形式或以受控电流形式或其组合向电池施加充电电流来对电池充电。受控电压形式、受控功率P形式以及受控电流形式可以是恒定值或者是随时间而变。在本专利技术的一个实施例中，RCP包括(i)通过以受控电压形式或以受控功率P形式向电池施加充电电流来对电池充电，(ii)随后以恒定电流对电池充电；其中根据电池的低电阻端电压VLoR(t)或电池的电压V(t)确定受控电压形式。当电池处于低内阻时在第二程序下充电可包括例如恒定电流-恒定电压程序。RCP可进一步包括当电池的温度低于预定水平TCG1时，在高内阻下对电池充电。其中TCG1是在5℃和25℃之间的值，并且当电池的温度等于或高于TCG1时，在低内阻下对电池充电。通过下面的详细描述，仅仅通过对被构思为实现本专利技术的最佳实施方式的说明，对本领域技术人员而言本专利技术的其它优点将变得显而易见，其中仅示出和描述了本专利技术的优选实施例。如将认识到的，本专利技术能够是其他和不同的实施例，并且在均不脱离本专利技术的情况下，能够在多个明显方面中修改它的若干细节。因此，附图和描述应被认为本质上是说明性的而不是限制性的。附图说明参考附图，其中具有相同附图标记的元件在全文中表示类似的元件，并且其中：图1A是示出根据本专利技术的实施例的可变内阻电池的构造的示意图，电池包括嵌入电极-隔膜组件堆叠中的若干电阻片/箔、一个高电阻负极柱HiR(-)和一个低电阻负极柱LoR(-)、一个正极柱(+)以及连接HiR(-)和LoR(-)极柱的热激活开关。图1B是根据本专利技术的实施例的方形电池中的三极柱可变内阻电池的示意图。图1C是根据本专利技术的实施例的四极柱可变内阻电池的示意图，其中电阻片的两个接头独立于LoR(-)极柱形成两个HiR(-)极柱。图2是示出根据本专利技术的实施例的双胞电池模块的构造的示意图，该模块在两个单体电池之间，即在每个单体电池壳体的外部，具有一个没有与电池电解质直接接触的电阻片/箔。图3A是描绘根据本专利技术的实施例的电池充电控制系统的电路图。图3B是描绘根据本专利技术的另一个实施例的电池充电控制系统的另一个电路图。图4是示出根据本专利技术的实施例的使用电池充电控制系统对OMB充电的方法的流程图。图5是示出根据本专利技术的实施例的用于低温充电的方法(CVLoR-CC)的流程图。图6是示出根据本专利技术的实施例的用于低温充电的方法(CV-CC)的流程图。图7是示出根据本专利技术的实施例的用于低温充电的方法(CC)的流程图。图8是示出根据本专利技术的实施例的用于低温充电的方法(CP-CC)的流程图。图9是示出根据本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对可变内阻的可充电电池的充电控制系统，包括：温度传感器，该温度传感器被配置为监测所述电池的温度；开关，该开关能经由所述电池的低电阻极柱或经由所述电池的高电阻极柱把所述电池电接合到充电源；以及控制器，该控制器电连接到所述温度传感器和所述开关，以及所述控制器能接收来自所述温度传感器的输入，并且被编程为，基于来自所述温度传感器的输入，确定是经由所述低电阻极柱还是经由所述高电阻极柱而经所述开关把所述电池电接合到所述充电源。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.28 US 62/029,8651.一种用于对可变内阻的可充电电池的充电控制系统，包括：温度传感器，该温度传感器被配置为监测所述电池的温度；开关，该开关能经由所述电池的低电阻极柱或经由所述电池的高电阻极柱把所述电池电接合到充电源；以及控制器，该控制器电连接到所述温度传感器和所述开关，以及所述控制器能接收来自所述温度传感器的输入，并且被编程为，基于来自所述温度传感器的输入，确定是经由所述低电阻极柱还是经由所述高电阻极柱而经所述开关把所述电池电接合到所述充电源。2.根据权利要求1所述的充电控制系统，进一步包括：电连接到所述电池并且能够测量流过所述电池的电流传感器和/或电连接到所述电池的电压传感器；其中所述控制器能接收来自所述温度传感器以及所述电流传感器和/或电压传感器的输入，并且所述控制器被编程为基于来自这些传感器的输入，确定是经由所述低电阻极柱还是经由所述高电阻极柱而经所述开关把所述电池电接合到所述充电源。3.根据权利要求1所述的充电控制系统，其中所述开关能把所述高电阻极柱电接合到所述电池的正极柱。4.根据权利要求1、2或3所述的充电控制系统，进一步包括电连接到所述电池并且能够对所述电池充电的发电机。5.一种电动车辆，包括如权利要求4所述的充电控制系统。6.一种对可变内阻的可充电电池充电的方法，所述方法包括：当所述电池处于高内阻时，在低温充电程序(LTCP)下对所述电池充电；以及当电池处于低内阻时，在第二程序下对所述电池充电。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述LTCP包括：(i)以恒定电压或恒定充电功率(P)对电池充电；以及(ii)随后以恒定电流对该电池充电；其中根据所述电池的低电阻端电压VLoR或所述电池的电压确定所述恒定电压。8.根据权利要求7所述的方法，其中，当所述充电电流达到或超过预定的最大充电电流(Imax)时，发生以所述恒定电流对所述电池充电。9.根据权利要求7或8所述的方法，其中当根据所述电池的电压确定所述恒定电压时，对每个单体电池，所述恒定电压大于或等于约5V。10.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述恒定充电功率(P)大于约1C充电电流和约4V充电电压的乘积。11.根据权利要求6所述的方法，其中所述LTCP包括：在1C<I<Imax的范围中以恒定电流(I)对所述电池充电，其中Imax是预定的最大充电电流。12.根据权利要求6所述的方法，其中所述LTCP包括：通过交替地向所述电池施加充电和放电脉冲功率来对所述电池充电。13.根据权利要求12所述的方法，其中对每个单体电池，所述充电脉冲功率的电压范围在约5V与约8V之间，并且对每个单体电池，所述放电脉冲功率的电压范围在约0.2V与约1V之间。14.根据权利要求6所述的方法，其中所述LTCP包括：通过向...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝阳，纪岩，
申请(专利权)人：美国电化学动力公司，
类型：发明
国别省市：美国,US