用于电池充电的系统和方法技术方案

呈现了通过产生经谐波调谐的充电信号对一个或多个电池单元充电(再充电)的方法和系统，这可涉及充电信号的脉冲。所述经谐波调谐的充电信号包含或以其它方式对应于基于所述电池单元的能量传递的实值和/或虚值的与最佳能量传递相关联的一个或多个谐波频率。在一个实例中，所述一个或多个谐波频率有时大致上称为谐波，可与所述电池单元的最小实阻抗值相关联。各方面涉及优化对应于与电池单元的最小实阻抗值或电阻阻抗值和/或最小虚阻抗值或电抗阻抗值相关联的一个或多个谐波的充电信号。此类充电信号在对所述电池单元充电时可通过减少由所述电池单元的电极处的高阻抗导致的能量损失来提高效率。量损失来提高效率。量损失来提高效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电池充电的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请是专利合作条约(PCT)申请，与2020年4月17日提交的标题为“用于电池单元充电的系统和方法(Systems and Methods for Battery Cell Charging)”的第63/011,832号美国专利申请相关且要求所述申请的优先权，所述申请的全部内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。


[0003]本专利技术的实施例大体上涉及用于一个或多个电池单元充电的系统和方法，更具体地说，涉及用于产生高效率和/或高速率充电信号以对一个或多个电池单元充电的系统和方法。

技术介绍

[0004]许多电动装置，如电动工具、吸尘器、便携式电子装置(移动电话、平板电脑、无线扬声器等)和电动车辆，都使用可充电电池作为工作电源。可充电电池受到有限电池容量的限制，必须在耗尽时再充电。给电池再充电可能不方便，因为在给电池再充电时，供电装置必须经常固定并连接到墙壁插座或其它电源。就车辆而言，根据电池容量和可用充电功率及其它因素，为完全耗尽的电池再充电可能需要数小时。因此，已投入大量精力开发快速充电技术，以减少电池再充电所需的时间。然而，快速再充电系统通常效率低下，而较低速率的再充电系统延长了再充电操作，破坏了快速恢复服务的基本目标。
[0005]基于电池的充电和放电循环、放电深度和过度充电以及其它可能的因素，电池也会随着时间的推移而退化。因此，与充电速度一样，努力优化充电以最大限度地延长电池寿命，而不是在使用尽可能多的电池容量的同时对电池过度放电或对电池过度充电。通常，这些不同的目标是不一致的，充电系统可能会以牺牲其它属性为代价来优化某些属性。
[0006]如图1A所示，在可能最简单的水平上，传统的电池充电涉及向电池单元施加DC充电电流。电源102可以是直流(DC)电压源，以向电池单元104提供DC充电电流。也可以使用其它类型的电源，例如电流控制源。然而，各种类型的电池只能接受如此大的电流，否则会损坏电池单元。图1A示出了用于对单体单元电池(single cell battery)再充电的简单电路100的示意图。为了简单起见，未示出电路的其它组件，如电流表、电压表、控制器等。一般来说，电池单元104可以通过施加来自可控电源102的DC信号而再充电。向电池单元104的电极施加充电信号导致电子反向流动通过电池以补充在阳极处存储的电荷载流子(例如锂离子型电池单元中的锂离子)浓度。
[0007]还研究了脉冲充电。图1B示出了由电源102产生并施加到电池单元104以对电池再充电的传统直流电压信号122的代表图110。此图示出了充电信号122的输入电压112与时间114的关系。一般来说，可以控制电源102向电池单元104的电极提供重复脉冲122以对电池单元再充电。特别地，可以控制电源102向电池单元104提供重复方波(示出为脉冲116，之后是脉冲118)信号。方波脉冲116、118的峰值可以小于或等于对应于电压源102的操作约束的
电压阈值120。用于对电池单元104再充电的典型充电信号可以在充电期期间施加充电信号，在施加充电信号之间存在持续一定时间的休息期。电路100以这种方式进行的操作产生图1B所示的重复方波模式的电力再充电信号122。
[0008]但是，在一些情况下，施加方波充电信号122以对电池单元104再充电可能会降低正在进行再充电的电池单元的寿命，或者可能会导致电池的再充电效率低下。例如，已经发现向电池单元104的电极(通常为阳极)突然施加充电电流(即，方波脉冲116的陡峭前沿124)会导致电池端子两端的初始阻抗较大。在具有高频(陡峭)前沿的其它脉冲充电中也会出现同样的问题。图1C示出了根据一个实施例的电池单元104的经估计实阻抗值随施加到电池单元的再充电信号的对应频率而变的曲线图。特别地，曲线图150示出了实阻抗值(轴154)与电池单元104的输入信号频率的对数频率轴(轴152)的关系图。图150示出了在用于对电池再充电的再充电电力信号的各种频率下，电池单元104的电极两端的实阻抗值。图150的形状和测量值可以基于电池类型、电池的充电状态、电池的操作约束、电池的热量等而变化。尽管如此，可以从图158获得对充电中的电池的特性的一般理解。特别地，在电池单元104的电极处经历的实阻抗值可以基于提供给电池的电力充电信号的频率而变化，其中随着充电信号的频率跟随与最低阻抗相关联的频率增加，实阻抗值328增加。例如，与下限频率f
Min
的阻抗相比，频率f
Sq 162下的电池单元104的输入电力信号以及紧接在前和在后的频率下的阻抗可以在电池单元104电极处引入相对较高的实阻抗160。
[0009]回到图1B的方波充电信号122，信号的高频可能出现在方波脉冲116的拐角处。特别地，充电信号的陡峭前沿124由高频谐波限定，在使用常规反向脉冲方案期间，方波脉冲的后沿也是如此。如图1C的曲线图150所示，电池对高频谐波具有相对较高的阻抗。
[0010]与电池单元的电极处的高阻抗相关联的充电信号可能导致许多低效率，包含容量损耗、发热、整个电池单元的电动活动的不平衡、充电边界处的不期望的电化学响应以及电池单元104内的材料的劣化，其可能损坏电池并降低电池单元的寿命。此外，当电容充电和扩散过程开始时，用快速脉冲冷启动电池会引入有限的法拉第活动。在此期间，近侧锂将发生反应并迅速被消耗，留下一段不必要的副反应和扩散限制条件，对电池单元及其组件的健康产生负面影响。这些和其它低效率在电池单元104的快速再充电期间尤其有害，快速再充电通常涉及相对较高的电流。
[0011]正是考虑到这些观察结果，以及其它观察结果，构思和开发了本公开的各个方面。

技术实现思路

[0012]本公开的一个方面涉及一种用于对电化学装置充电的方法。所述方法可包含：访问描述至少一个谐波和电化学装置的阻抗之间的关系的谐波曲线，并控制所述电化学装置的电极处的能量通量，所述能量通量处于与所述电化学装置的最小阻抗值相关联的谐波。
[0013]在各种实施方案中，所述谐波可与所述电化学装置的最小实阻抗值相关联，与所述电化学装置的最小虚阻抗值相关联，与所述电化学装置的实阻抗值和虚阻抗值的组合相关联，与所述电化学装置的所述实阻抗值和所述虚阻抗值的模量组合相关联，和/或与经第一加权值调整的所述实阻抗值和经第二加权值调整的所述虚阻抗值的组合相关联。
[0014]在一些实施方案中，用于对电化学装置充电的所述方法可进一步包含：获得所述最小阻抗值的变化，并控制在与所述最小阻抗值的所述变化相关联的新谐波下所述电化学
装置的所述电极处的所述能量通量。所述方法还可包含：检测与所述电化学装置的寄生损耗相关联的频率，并且在获得所述最小阻抗值的所述变化时不包含与检测到的所述寄生损耗的频率相关联的谐波值。
[0015]在更多实施方案中，所述电化学装置可包括半单元电池(half cell battery)、单元电池(cell battery)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对电化学装置充电的方法，其包括：访问描述电化学装置的至少一个谐波和阻抗之间的关系的谐波曲线；以及控制所述电化学装置的电极处的能量通量，所述能量通量处于与所述电化学装置的最小阻抗值相关联的谐波。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述谐波与所述电化学装置的最小实阻抗值相关联。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述谐波与所述电化学装置的最小虚阻抗值相关联。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述谐波与所述电化学装置的实阻抗值和虚阻抗值的组合相关联。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述谐波与所述电化学装置的所述实阻抗值和所述虚阻抗值的模量组合相关联。6.根据权利要求4所述的方法，其中所述谐波与经第一加权值调整的所述实阻抗值和经第二加权值调整的所述虚阻抗值的组合相关联。7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：获得所述最小阻抗值的变化；以及控制与所述最小阻抗值的所述变化相关联的新谐波下所述电化学装置的所述电极处的所述能量通量。8.根据权利要求7所述的方法，其中获得所述最小阻抗值的所述变化包括：检测与所述电化学装置的寄生损耗相关联的频率；以及当获得所述最小阻抗值的所述变化时，排除与检测到的所述寄生损耗的所述频率相关联的谐波值。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述电化学装置包括半单元电池、单元电池、并联连接的多个电池或串联连接的多个电池中的一者。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量通量包括充电电流、放电电流、充电电压、放电电压、充电功率或放电功率中的一者。11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：控制与所述电化学装置的导纳的电导值或所述导纳的电纳值相关联的谐波下的所述能量通量的一部分。12.根据权利要求1所述的方法，其中与所述最小阻抗值相关联的所述谐波包括与所述最小阻抗值相关联的谐波范围的上限频率。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述能量通量包括对应于所述电化学装置的所述最小阻抗值的前沿部分。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述能量通量进一步包括在所述前沿部分之后且包括受控制幅度值的主体部分。15.根据权利要求14所述的方法，其中所述能量通量进一步包括后沿部分，所述后沿部分包括低于对应于所述电化学装置处的零电流的转变电压的电压值。16.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：测量在所述能量通量施加到所述电化学装置的所述电极期间所述电化学装置的实阻
抗值和虚阻抗值。17.一种用于对电化学装置充电的方法，其包括：访问描述电化学装置的至少一个谐波和能量传递之间的关系的谐波曲线；以及控制所述电化学装置的电极处的能量通量，所述能量通量处于基于所述电极处的所述能量传递的实值和虚值的与最佳...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔，
申请(专利权)人：英奥创公司，
类型：发明
国别省市：