用于基于谐波的电池充电的系统和方法技术方案

本公开的各方面涉及例如电池的电化学装置的充电或放电。所述系统产生波形，例如充电信号，以基于所述电池对所述波形的谐波的阻抗来调谐所述波形的谐波属性。所述系统可以增强(例如，添加或增加幅度)或抑制(例如，删除或减小幅度)所述波形的谐波。此类经谐波调谐的波形可以优化进出所述电池的能量传递，以实现各种可能目标，包含充电速度、电池充电容量增强和/或电池循环寿命延长。和/或电池循环寿命延长。和/或电池循环寿命延长。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于谐波的电池充电的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利合作条约(PCT)申请与2020年9月11日提交的标题为“用于基于谐波的电池单元充电的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR HARMONIC
‑
BASED BATTERY CELL CHARGING)”的第63/077,331号美国专利申请相关并要求其优先权，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电池充电或汲取能量(放电)的系统和方法，更具体地说，涉及用于通过信号的谐波分量的谐波调谐来产生进出电池的最佳信号的系统和方法。

技术介绍

[0004]许多电动装置，如电动工具、真空吸尘器、任何数目个不同的便携式电子装置和所有类型的电动车辆，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，在耗尽时必须进行再充电。给电池再充电可能是不方便的，因为在电池再充电所需的时间期间受电装置必须经常是静止的。对于车辆来说，再充电可能需要几个小时。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会延长再充电操作，破坏快速恢复服务的基本目标。
[0005]在可能最简单的层面上，如图1A所示，电池充电涉及向电池单元施加DC充电电流。然而，各种电池类型只能接受这么多电流，不然会损坏电池。图1A示出了用于对单体电池(single cell battery)进行再充电的简单电路100的示意图。其它电路组件均未示出，例如电流表电压计、控制器等。将电力信号施加到电池单元104的电极使得电子反向流动通过电池，以补充阳极处的电荷载流子(例如锂离子)的存储浓度。在一个特定实例中，电源102可以是直流(DC)电压源，用于向电池单元104提供DC充电电流。也可以使用其它类型的电源，例如电流控制的电源。
[0006]本文讨论的涉及充电和放电的各种实施方案适用于电化学装置，例如电池。本领域中的术语“电池”可以以各种方式使用并且可以指具有由电解质分隔开的阳极和阴极的单个单元以及以各种布置连接的此类单元的集合。电池通常包括反电荷(countercharge)源的重复单元和第一电极层，该电极层由离子导电屏障分隔开，离子导电屏障通常是充满电解质的液体或聚合物膜。这些层很薄，因此电池的体积内可以容纳多个单元，从而可以通过每个堆叠单元增加电池可用功率。尽管本文将许多实例讨论为适用于电池、单元或电池单元，但应理解，所描述的系统和方法可适用于许多不同类型的单元，以及涉及不同可能的电池互连的电池，例如并联耦合、串联耦合及并联和串联耦合的单元。例如，本文讨论的系统和方法可以应用于包括许多单元的电池组，这些单元布置成提供限定的电池组电压、输出电流和/或容量。此外，本文讨论的实施方案可应用于不同类型的电化学装置，例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也可以应用于不同结构的电池布置，例如纽扣或“硬币”型电池、圆柱电池、软包电池(pouch cell)和方形电池(prismatic cell)。
[0007]在探索充电和放电信号对电池的影响以及脉冲充电(有时用于所谓的快速充电情况)对电池的影响时，发现了各种问题。图1B示出了由电源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。此图示出了充电信号122的输入电压112与时间114的关系。通常，可以控制电源102向电池单元104的电极提供重复脉冲122以对电池单元进行再充电。特别地，可以控制电源102以向电池单元104提供重复方波(示出为脉冲116，后跟着脉冲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的工作约束的电压阈值120。用于对电池单元104进行再充电的典型充电信号可以在充电期期间施加充电信号，在充电信号的施加之间存在持续一定时间的休息期。电路100的这种工作方式产生重复方波模式的图1B所示的电力再充电信号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进行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导致电池再充电效率低下。例如，充电电流(即，方波脉冲116的尖锐前沿124)到电池单元104的电极(通常是阳极)的突然施加可能导致电池端子两端的初始阻抗较大。特别地，图1C示出了根据一个实施例的电池单元104的经估计实阻抗值相对于施加到电池单元的再充电信号的对应频率的图。特别地，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)的曲线图。曲线图150示出了在用于对电池进行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。曲线图150的形状和测得值可基于电池类型、电池的电量状态、电池的工作约束、电池的热量等等而变化。但是，可以从曲线图158获得对充电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，在高频下，实阻抗值328普遍急剧增加。例如，以频率f
Sq 162到电池单元104的输入电力信号可能会在电池单元104电极处引入高的实阻抗160，这可能会降低充电过程的效率和/或损坏正在充电的电池单元的部分。
[0009]返回到图1B的方波充电信号122，在方波脉冲116的拐角处可能存在信号的高频。特别地，到电池单元104的充电信号(例如脉冲116的前沿124)的快速变化可能会引入由高频谐波组成的噪声，例如在方波脉冲的前沿、方波脉冲的尾沿，以及在使用常规反向脉冲方案期间。如图1C的图150中所示，这样的高次谐波导致在电池电极处具有大阻抗。这种高阻抗可能导致许多低效率，包含容量损失、发热和整个电池单元的电动活动的不平衡、电荷边界处的不期望的电化学响应以及电池单元104内的材料的退化，这可能损坏电池并降低电池单元的寿命。此外，随着电容充电和扩散过程的开始，用快速脉冲冷启动电池会引入有限的法拉第活性。在此期间，近端锂会发生反应并迅速消耗，留下一段时间的不必要的副反应和扩散限制条件，对电池及其组件的健康产生负面影响。在经常涉及相对较高的电流的电池单元104的快速再充电期间，这些和其它低效率是特别不利的。
[0010]正是考虑到这些观察结果，以及其它因素，本公开的各个方面才得以构想。

技术实现思路

[0011]在一个方面中，一种管理电化学装置进行充电或放电的方法包括：使用处理器变换波形以识别所述波形的至少一个谐波分量。所述系统更改变换后的波形的谐波分量。所
述方法进一步涉及基于所述谐波分量的更改，逆变换所述波形以产生经谐波调谐的波形。
[0012]在另一方面中，一种电化学装置充电(放电)方法包括：向与电化学装置相关联的波形施加小波以识别所述波形的谐波分量。所述方法进一步涉及识别所识别谐波分量的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种管理电化学装置进行充电或放电的方法，包括：使用处理器变换波形，以识别所述波形的至少一个谐波分量；更改变换后的所述波形的谐波分量；以及基于所述谐波分量的所述更改，逆变换所述波形以产生经谐波调谐的波形。2.根据权利要求1所述的方法，其中变换所述波形包括将所述波形的时域表示变换成所述波形的频域表示，所述波形的所述频域表示进一步包括与所述谐波分量相关联的幅度。3.根据权利要求2所述的方法，其中更改所述谐波分量包括更改与所述谐波分量相关联的所述幅度。4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括识别所述谐波分量的阻抗，并且其中更改所述谐波分量是基于所述谐波分量的所识别的所述阻抗。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述经谐波调谐的波形能够用于以与所述波形相比为更少的所述阻抗来为电池充电。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述波形是所述波形的在时间边界内的部分。7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：建立所述时间边界的上部时间边界和下部时间边界，从而定义所述波形的第一部分；以及获得所述波形的所述部分的变换后的频域数据。8.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：建立所述波形的第二部分的第二上部时间边界和第二下部时间边界，所述波形的所述第二部分在所述波形的所述第一部分之后出现；以及获得所述波形的所述第二部分的变换后的频域数据。9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：在与所述波形相关联的时间线上组合所述波形的所述第一部分的数据和所述波形的所述第二部分的数据。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述波形的所述至少一个谐波对应于与所述电化学装置的高阻抗相关联的谐波，并且更改所述波形包括抑制所述谐波。11.根据权利要求1所述的方法...

【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：