用于电化学装置充电和放电的系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了基于具有频率或谐波分量的电池的阻抗，使用具有至少一个谐波调谐方面的信号对所述电池进行充电的系统和方法。所述系统可以进一步涉及功率转换器，所述功率转换器可以与充电协同作用来为负载供电。在一些情况下，生成与充电信号交错的输出信号。进一步地，所述输出信号可以基于对放电信号的输出阻抗进行调谐。进行调谐。进行调谐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学装置充电和放电的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利合作条约(PCT)申请与于2020年7月30日提交的题为“用于电化学装置充电和放电的系统和方法(Systems and Methods for Electrochemical Device Charging and Discharging)”的美国专利申请第63/059,044号有关并且要求所述美国专利申请的优先权，所述美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。本申请还与于2021年4月16日提交的题为“用于电池充电的系统和方法(Systems and Methods for Battery Charging)”的共同未决的美国专利申请第17/232,975号有关，所述美国专利申请出于所有目的通过引用并入本文。


[0003]本专利技术的实施例总体上涉及用于电池充电，并且更具体地用于生成高效和/或高速率充电信号以对电池进行充电的系统和方法。

技术介绍

[0004]许多电动装置，如电动工具、真空装置、任何数量的不同便携式电子装置和电动车辆使用可再充电电池作为操作电源。可再充电电池受到有限电池容量的限制且在耗尽后必须再充电。对电池进行再充电可能不方便，因为受电装置通常在对电池进行再充电所需的时间期间必须静止。在车辆的情况下，再充电可能花费数小时。因此，已经投入了大量的努力来开发快速充电技术，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，而低速率再充电系统延长再充电操作，从而破坏快速恢复服务的基本目标。/>[0005]也许在图1A所示的最简单的水平上，电池充电涉及向电池施加DC充电电流。然而，各种电池类型在损坏电池之前只能接受这么多电流。图1A展示了用于对单电池单元的电池进行再充电的简单电路100的示意图。未展示电路的其它组件，如电流计、电压计、控制器等。电池104可以通过施加来自可控制电源102的再充电功率信号进行再充电。本文讨论的涉及充电和放电的各种实施方案适用于如电池等电化学装置。在本领域中术语“电池”可以以各种方式使用，并且可以是指具有由电解质隔开的负极和正极的单个电池单元以及以各种布置连接的此类电池单元的集合。电池通常包括反电荷源的重复单元以及由离子导电屏障分离的第一电极层，所述离子导电屏障通常是充满电解质的液体或聚合物膜。这些层被制得很薄，因此多个单元可以占据电池的体积，从而增加具有每个堆叠单元的电池的可用功率。尽管本文讨论的许多实例适用于电池、电池单元(cell或battery cell)，但应当理解，所描述的系统和方法可以应用于许多不同类型的电池单元，以及涉及不同的可能互连的电池单元，如并联、串联以及并联和串联耦接的电池单元的电池。例如，本文讨论的系统和方法可以应用于电池组，所述电池组包括被布置成提供定义的组电压、输出电流和/或容量的许多电池单元。此外，本文讨论的实施方案可以应用于不同类型的电化学装置，如各种不同类型的锂电池，包含但不限于锂金属和锂离子电池、铅酸电池、各种类型的镍电池和固态电池，仅举几例。本文讨论的各种实施方案还可以应用于不同结构的电池布置，如纽扣或
“
硬币”型电池、圆柱形电池单元、软包电池单元和方形电池单元。将功率信号施加到电池104的电极上引起电子通过电池的反向流动，以补充负极处储存的电荷载流子(如锂离子)的浓度。在一个特定实例中，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，如电流控制电源。
[0006]在一些快速充电场景中，已经探索了脉冲充电。图1B展示了由电源102产生并施加到电池单元104以对电池进行再充电的现有技术直流电压信号122的图110。此图展示了充电信号122的输入电压112对时间114。通常，可以控制电源102以向电池单元104的电极提供重复脉冲122以对电池单元进行再充电。具体地，可以控制电源102以向电池单元104提供重复方波(展示为脉冲116然后脉冲118)信号。方波脉冲116、118的峰值可以小于或等于与电压源102的操作约束相对应的电压阈值120。用于对电池单元104进行再充电的典型的充电信号可以在充电周期期间施加充电信号，在施加充电信号之间存在一定持续时间的休止周期。以这种方式进行的电路100的操作生成重复方波模式的图1B所示的功率再充电信号122。
[0007]然而，在一些情况下，施加方波充电信号122以对电池单元104进行再充电可能降低电池单元再充电时的寿命，或者可能在电池再充电时引起效率低下。例如，将充电电流(即，方波脉冲116的锐前沿124)突然施加到电池单元104的电极(通常是负极)可能引起跨电池端子的大初始阻抗。具体地，图1C展示了根据一个实施例的电池单元104的所估计实际阻抗值与施加到电池单元的再充电信号的对应频率的图。具体地，图150展示了实际阻抗值(轴154)对向电池单元104的输入信号的频率的对数频率轴(轴152)的绘图。绘图150展示了在用于对电池进行再充电的再充电功率信号的各种频率下，跨电池单元104的电极的实际阻抗值。绘图150的形状和测量值可以基于电池类型、电池的荷电状态、电池的操作约束、电池的热量等而变化。然而，可以从绘图158获得对充电中电池的特性的大体了解。具体地，电池单元104的电极处所经历的实际阻抗值可以基于向电池提供的功率充电信号的频率而变化，其中在高频率下实际阻抗值328通常急剧增加。例如，以频率f
Sq 162向电池单元104输入功率信号可以在电池单元104电极处引入高实际阻抗160。
[0008]回到图1B的方波充电信号122，信号的大频率可以存在于方波脉冲116的拐角处。具体地，到电池单元104的充电信号(如脉冲116的前沿124)的快速变化可能如在方波脉冲的前沿、方波脉冲的后沿处以及在使用常规反向脉冲方案期间引入由高频率谐波构成的噪声。如图1C的图150所示，这种高次谐波导致电池电极处的大阻抗。这种高阻抗可能导致许多效率低下，包含容量损失、发热和整个电池单元的电动活动不平衡、电荷边界处的不良电化学响应以及电池单元104内材料的降解，这可能损坏电池并降低电池单元的寿命。进一步地，随着电容充电和扩散过程的开始，用快脉冲冷启动电池引入有限的感应电流活动。在此时间期间，近端锂将发生反应且被快速消耗，留下不想要的副反应和扩散受限条件的时段，这不利地影响了电池单元及其组件的健康。这些和其它效率低下在电池单元104的其中经常涉及相对较高的电流的快速再充电期间尤其不利。
[0009]其中，正是考虑到这些观察，还设想并开发了本公开的各个方面。

技术实现思路

[0010]本公开的各方面涉及一种充电系统，其包括充电信号整形电路。所述系统进一步
包含控制器，所述控制器与所述充电信号整形电路可操作地通信，以控制所述充电信号整形电路，以便基于与表示到电化学装置的电流流动的值相关联的谐波来定义用于所述电化学装置的充电信号。所述系统进一步包含与所述电化学装置可操作地耦接的功率转换器，所述功率转换器用于向负载提供功率。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种充电系统，其包括：充电信号整形电路；以及控制器，所述控制器与所述充电信号整形电路可操作地通信以控制所述充电信号整形电路，以基于与表示到电化学装置的电流流动的值相关联的谐波来定义所述电化学装置的充电信号；以及功率转换器，所述功率转换器与所述电化学装置可操作地耦接，所述功率转换器用于向负载提供功率。2.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述功率转换器与所述控制器可操作地通信，所述控制器用于控制所述功率转换器以基于与表示来自所述电化学装置的电流流动的值相关联的谐波来从所述电化学装置生成放电波形。3.根据权利要求2所述的充电系统，其中所述充电信号包括一系列调谐充电脉冲，并且所述放电信号包括一系列调谐放电脉冲，所述控制器用于控制所述充电信号整形电路，并且所述功率转换器用于使所述一系列调谐充电脉冲与所述一系列调谐放电脉冲交错。4.根据权利要求3所述的充电系统，其中调谐放电脉冲紧接在调谐充电脉冲之后。5.根据权利要求3所述的充电系统，其中调谐放电脉冲在调谐充电脉冲的主体部分期间被激活，所述主体部分在所述调谐充电脉冲的经整形的前沿之后。6.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述功率转换器包括第一降压转换器或第一升压转换器中的至少一个。7.根据权利要求5所述的充电系统，其中所述功率转换器进一步包括与所述第一降压转换器并联的第二降压转换器或与所述第一升压转换器并联的第二升压转换器中的至少一个。8.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述功率转换器包括用于控制所述功率转换器的开关，所述开关接收脉冲宽度从多半断开脉冲宽度改变到多半接通脉冲宽度的控制信号，以对来自所述负载的输出脉冲的边沿进行整形。9.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述充电信号整形电路包括：具有第一电感值的第一整形电感器，所述第一整形电感器与电源轨电气通信；以及第一开关装置，所述第一开关装置在所述第一整形电感器之间电气通信并且被配置成通过所述第一整形电感器将所述电化学装置连接到所述电源轨。10.根据权利要求9所述的充电系统，其中所述充电信号整形电路包括：具有第二电感值的第二整形电感器，所述第二整形电感器与所述电源轨电气通信；以及第二开关装置，所述第二开关装置在所述第二整形之间电气通信并且被配置成通过所述第一整形电感器将所述电化学装置连接到所述电源轨。11.根据...

【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：