專利名稱：鋰硫可再充電電池電量測量系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及鋰硫電池的充電，并且更為具體地涉及用于準(zhǔn)確地確 定鋰硫電池的荷電狀態(tài)和相對年齡的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
辨別在便攜式消費電子設(shè)備(如蜂窩電話或膝上型電腦)的可再充電 電池中儲存有多少能量的能力是設(shè)^f吏用者高度重視的特征。因此，普通 的設(shè)備系統(tǒng)，比如那些4吏用鋰離子、鎳金屬氫化物、或鎳鎘可再充電電池 的系統(tǒng)，引入了某些技術(shù)來計量當(dāng)前儲存在電池單元中的能量或電荷的 量。 一種普通的方法是使用查詢表，基于針對電池的測量開路電壓來確定該電池的荷電狀態(tài)。參見例如授予Barsoukov等人的美國專利號 6， 789， 026，以及授予Guiheen等人的美國專利號6, 774， 636，其全部內(nèi)容 通過引用結(jié)合于此。電池的荷電狀態(tài)("S0C")是當(dāng)前儲存的電荷，其^L^示為電池中所 能儲存的最大電荷的一部分。電池的SOC是非常有用的信息，原因在于其 使用者可以知道在其當(dāng)前充/放電周期期間，相對于電池的最大電荷或容 量該電池的充電狀況如何。然而，電池的最大容量隨著電池的"年齡，，(即 電池所經(jīng)受的充放電周期數(shù)，并非電池已存在的實際時間量)而降級。上 述傳統(tǒng)的基于開路電壓的算法沒有使用隨著電池變老而充分表達(dá)其特性 的存儲查詢表來確定其荷電狀態(tài)。近些年來，鋰硫電池由于其重量輕和高能量密度而得到關(guān)切。鋰陽極 (例如，純鋰或者鋰與錫或鋁的合金的鋰箔或真空沉積的鋰，其具有或不 具有整體集電器或各種嵌鋰化合物，如石墨、焦炭以及錫氧化物等)的使 用提供了機會以構(gòu)造比諸如鋰離子、鎳金屬氫化物或鎳鎘電池單元之類的 電池單元重量更輕并且具有更高能量密度的鋰^l電池單元。這些特征對于 便攜式電子設(shè)備中的電池是高度希望的。鋰硫電池設(shè)計特別適于便攜式電子設(shè)備，因為它們的重量輕并JL^面 積大，這允許充電時的高速率能力以及減小的電流密度。用于制造鋰電池
的幾種陰極材料是已知的，包括具有硫-硫鍵的陰極材料，其中高能量容 量以及再充電能力通過硫-硫鍵的電化學(xué)裂解(通過還原)以及重新形成 (通過氧化)來實現(xiàn)。含硫的陰極材料，其具有硫-硫鍵，供具有鋰陽極 的電化學(xué)電池單元使用，如上所述，可以包括元素石危、有機琉化合物、各 種多硫化合物或碳硫合成物。因此，期望提供用于準(zhǔn)確地確定鋰硫電池單元的荷電狀態(tài)以及用于準(zhǔn) 確地確定電池單元年齡的系統(tǒng)和方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供用于準(zhǔn)確地確定鋰硫電池單元的荷電狀態(tài)的系 統(tǒng)和方法。本發(fā)明的另 一 目的是提供用于準(zhǔn)確地確定電池單元年齡的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了 一種用于創(chuàng)建針對具有已知容量的 具體類型的鋰硫電池的電池單元電阻對比于荷電狀態(tài)的查詢表的方法。該方法包括對電池進(jìn)行充電，直到電池上的電壓增加到預(yù)定的最大電壓； 繼續(xù)對處于預(yù)定最大電池電壓的電池充電，直到輸入到該電池的電流減小 到預(yù)定最小電流；為該電池測量電池單元電阻，其中該電池單元電阻被定 義為針對所述具體類型的鋰>^危電池的處于100%荷電狀態(tài)的電池單元電 阻；以及記錄處于100%荷電狀態(tài)的該電池單元電阻。接下來，該方法教 導(dǎo)將該電池放電其容量的預(yù)定百分比，使得當(dāng)前的電池荷電狀態(tài)小于先 前的電池荷電狀態(tài)；為該電池測量電池單元電阻，其中該電池單元電阻被阻；記錄處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的電池單元電阻；以及重復(fù)這些放電、測量和 記錄步驟，直到該電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)等于預(yù)定的較低截止電壓。最后， 該方法教導(dǎo)，針對從0%至100°/。的荷電狀態(tài)值，創(chuàng)建電池單元電阻對比于 荷電狀態(tài)的查詢表。


在考慮以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述后，本發(fā)明的上述以及其它優(yōu)點將更 為明顯，在全部附圖中同樣的參考標(biāo)記指示同樣的部分，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明性電池測量系統(tǒng)的簡化示意框圖；圖2示出了針對典型的鋰硫電池的電池單元電阻對比于荷電狀態(tài)的 樣圖；圖3示出了針對典型的鋰硫電池的放電容量和漸減輸入充電容量每 個對比于年齡的樣圖比較；以及圖4示出了針對典型的鋰硫電池的漸減充電輸入對比于被測量為其 原始容量百分比的當(dāng)前容量的樣圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供了用于準(zhǔn)確地確定鋰硫電池單元的荷電狀態(tài)的系統(tǒng)和方 法。按照本發(fā)明的一方面，用于每種鋰硫電池的查詢表或算法準(zhǔn)備并存儲 在計算機芯片或數(shù)據(jù)庫中。在本發(fā)明的各種實施例中，這種芯片或數(shù)據(jù)庫 可優(yōu)選地嵌入鋰硫電池/充電器系統(tǒng)本身或負(fù)栽繪圖設(shè)備內(nèi)。這些查詢表 針對各種類型的鋰硫電池，將處于各種周圍環(huán)境溫度下的電池單元電阻 ("CR")和電池的年齡例如對比于荷電狀態(tài)("S0C")相關(guān)聯(lián)。與其它普通的電池系統(tǒng)不同，鋰硫電池包括陰極，該陰極的活性化學(xué) 材料在放電期間經(jīng)歷一系列氧化還原反應(yīng)。這些反應(yīng)涉及從較高多硫化合 物(例如，Li2S8)到中間多硝/(匕合物、然后再到較^f氐多硫^f匕合物(例如， Li2S)的多硫化合物的還原。鋰石克電池單元的這種電化學(xué)特性導(dǎo)致放電期 間的電解液中的遂二漸電阻變化，其不在其它普通的電池系統(tǒng)中發(fā)生。電池 單元電阻("CR")的這種變化可以用來準(zhǔn)確地確定鋰硫電池的荷電狀態(tài)， 如下所述。參考圖1，已知類型的鋰硫電池10與測量系統(tǒng)100—起示出，測量 系統(tǒng)100包括電壓表6、電^^5以及熱電偶7。當(dāng)電池充電繼電器4被 激活時，電源3能夠用于給電池10充電。阻塞二極管8用于限制電流流 動的方向，使得在充電期間電流僅從電源3向電池10流動。當(dāng)電池放電 繼電器11被激活時，電池10可通過設(shè)備或負(fù)載12和阻塞二極管13放電。 圖1中的電路既能夠用來創(chuàng)建本發(fā)明的用于電池的查詢表，又能夠4吏用這 些表來確定電池的荷電狀態(tài)和年齡。計算機1通過信號接口 2接收來自電壓表6的電壓測量值。計算機1 還通過該信號接口 2接收來自熱電偶7的電池溫度測量值以及來自電流表 5的電流測量值。計算機1還通過信號接口 2來控制電池放電繼電器4和
電池放電繼電器11的開關(guān)狀態(tài)。計算機1可以優(yōu)選地為專用集成芯片(ASIC芯片)，其可以是并入到電池10中的獨立芯片或者可以并入到負(fù) 載12中(例如需要從電池10供電的膝上型計算機)。信號接口2可以優(yōu) 選地為系統(tǒng)管理總線(SM總線)，其為控制接口。電源3可以優(yōu)選地為充 電器系統(tǒng)，而電流表5和電壓表6優(yōu)選地不是獨立設(shè)備，而優(yōu)選地是電子 電路。圖1所示的測量系統(tǒng)100能夠用來創(chuàng)建針對如下具體類型的鋰石克電池 的電池單元電阻("CR")對比于荷電狀態(tài)("S0C")的查詢表。首先，電 池充電繼電器4被激活而電池放電繼電器11則被失活。接下來，在使用 電壓表6來監(jiān)視iiA電池10的充電電壓的同時，通過增加電源3的輸出 電流，電池10以初始恒定電流("1。")例如500毫安被充電。電池10以 該恒定電流充電，直到電壓表6所測得的電池上的電壓到達(dá)最大允許電壓 ("VMax")。例如，電池制造商基于安全考慮來確定VMax。針對鋰硫電池的 V吣的典型值是每電池單元2.5伏特。對于由多個串聯(lián)連接的電池單元構(gòu) 成的電池10而言，VMax(Battery)-VMax(Cell)* N，其中N為串聯(lián)連接的電池單元 數(shù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)V^時，充電繼續(xù)并鉗位于這個恒定電壓VMax,并且充電電流 因此減小。該步驟通常被稱為漸減充電。當(dāng)輸入電流減小到某點時，例如 減小到初始恒定電流("I。")的20%以下時，正纟皮充電的電池單元可以被: 認(rèn)為進(jìn)行了充分充電且處于100% SOC。因此，當(dāng)輸入電流已減小到電池 單元或電池的C-率的1/50以下時(亦即在一小時內(nèi)對該電池單元充電所 需的充電電流的1/50以下),該電池可以被認(rèn)為是充分4皮充電并處于100% S0C。應(yīng)理解，電池10可以用與1。相反的變化電流來充電而不背離本發(fā) 明的精神和范圍。電池充電繼電器4然后被失活，且優(yōu)選地允許電池10穩(wěn)定，其中電 池穩(wěn)定性由電壓表6所測得的電池10的開路電壓("0CV")的變化來確定。 當(dāng)OCV的變化率小于閾值例如0. 001至0. 01伏特/分鐘時，電池10可以 被i人為^l穩(wěn)定的。針對鋰硫電池的穩(wěn)定時間可以是大約2-30分鐘。應(yīng)注 意到，穩(wěn)定性在本發(fā)明的每個步驟中并非都是必要的或所需要的?？梢詢?yōu) 選地施加雙脈沖，且電池電阻的變化可以被測量為脈沖之間的所測得的電 壓變化除以所測得的電流變化(例如，如果以C-率充電，則施加兩倍于 C-率的第一脈沖，然后施加一半或四倍于C-率的第二脈沖)。處于100% SOC (CR卦腦)的電池10的電池單元電阻于是可以通過以 下測量對電池施加雙脈沖，并對電壓變化除以電流變化進(jìn)行計算。這可 通過首先激活電池充電繼電器4并使電池放電繼電器11失活來進(jìn)行。接 下來，在使用電流表5監(jiān)視電流變化并且使用電壓表6來監(jiān)視電壓變化的 同時，通過增加電源3的輸出電壓，可以對電池IO施加第一脈沖繼之以 第二脈沖。處于100% S0C (CR,簡)的電池10的電池單元電阻于是^:記 錄為監(jiān)視到的電壓變化除以監(jiān)視到的電流變化。可替選地，基準(zhǔn)恒定充電 或放電電流可被施加到該電池，且可施加單個脈沖，以允^午電池的電'池單 元電阻的極化測量被取為關(guān)于基準(zhǔn)信息的監(jiān)視到的電壓變化除以監(jiān)視到 的電流變化。在優(yōu)選實施例中，針對具有2.5安培-小時("Ah")容量的 鋰硫電池，所施加的脈沖可以是約0. 1-1. 0秒和2-4安培的施加電流。該 脈沖的持續(xù)時間通常取決于該電池正在放電的電流，使得這種診斷不會不 必要地使電池耗盡。該脈沖優(yōu)選地比電池單元充電或放電的速率高或低約 2-10倍，以便更提供如上所述的所需診斷。其次，通過激活電池放電繼電器11并使電池充電繼電器4失活，電 池10可以以預(yù)定的放電速率通過負(fù)載12放電至較低的截止電壓("VMin，，)。 預(yù)定放電速率可以選擇為例如使電池在2-10小時的時間范圍內(nèi)從100% S0C到0% SOC完全^^改電的值。電池制造商可以例如基于安全考慮來確 定Vm』在正常條件下(即，在正常溫度下以及在正常放電速率時)，針對 鋰硫電池的V脂的典型值為每電池單元1. 7伏特。^鋰硫電池的典型放 電持續(xù)時間是l至5小時(亦即從C-率至C-率的1/5倍)。然而，存在諸 如航空應(yīng)用之類的應(yīng)用，其中在10至12個小時的黑暗中，電池可能典型 地需要周期性地釋放其能量。相反，存在諸如膝上型計算機和平板個人計 算機之類的其它應(yīng)用，其至少要求電池傳遞高電流脈沖。因此，電池10 可以以可變放電速率來放電而不背離本發(fā)明的精神和范圍。對于由多個串 聯(lián)連接的電池單元構(gòu)成的電池10來說，VMin(Battery)- VMin(Cell) * N，其中N為 串聯(lián)連接的電池單元數(shù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)V^時，電池單元可以被認(rèn)為是充分^^故電且處于0°/。SOC。然 后，電池放電繼電器ll被失活，且可優(yōu)選地允許電池IO穩(wěn)定。如關(guān)于100% SOC在上面描述的那樣，處于0% SOC (CR卦。0的電池 10的電池單元電阻于是通過以下記錄對電池施加脈沖，并且對電壓變 化除以電流變化進(jìn)行計算。電池10的容量能夠通過以下計算通itii電 時間(小時)來對放電速率(安培)進(jìn)行積分。注意，電池容量典型地以 安培-小時(Ah)來規(guī)定，其中1Ah等于3600庫侖。
第三，通過激活電池充電繼電器4,并使電池放電繼電器11失活， 預(yù)定的庫侖量(例如10%的電池容量)可以從電源3以預(yù)定或可變的充電 速率被充入(輸入)到電池10中。然后，電池充電繼電器4被失活，且 優(yōu)選可以允許電池IO穩(wěn)定。如上所述，處于10%SOC (CR咖,)的電池IO的電池單元電阻于是通 過以下記錄對電池施加脈沖，并且對電壓變化除以電流變化進(jìn)行計算。 重復(fù)這個過程，并且記錄處于各種荷電狀態(tài)(例如，20%、 30%、 40%、 50%、 60°/。、 70%、 80%、 90%)的電池10的一組電池單元電阻。在本發(fā)明的另一 實施例中，如上所述，處于各種荷電狀態(tài)的電池單元電阻("CR")浮皮測量 并記錄，不過是在電池被充分充電之后的電池放電時(例如，90%、 80%、 70%、 60%、 50%、 40%、 30%、 20%、 10% SOC )。有利的是，通過執(zhí)行前述的同樣的過程，針對各種溫度準(zhǔn)備電池單元 電阻("CR，，)對比于荷電狀態(tài)("SOC")的附加表(例如，在攝氏"0。、 攝氏-30。、攝氏-20°、攝氏-10°、攝氏O。、攝氏+10°、攝氏+20°、攝氏+30。、 攝氏+40°、攝氏+50°以及攝氏+60°)。通常應(yīng)理解，針對相同類型的各種電池，可以創(chuàng)建各種溫度時的電池 單元電阻("CR")對比于荷電狀態(tài)("SOC")的附加表。這些表的值的平 均可以用于創(chuàng)建針對該類電池的主表，以避免過分依賴于來自被研究的具 體類型的一個具體電池的任何數(shù)據(jù)。再次參考圖1,類型已知、但荷電狀態(tài)("SOC")未知的鋰硫電池IO 可以被置于測量系統(tǒng)100中，或優(yōu)選整體地裝備有測量系統(tǒng)100，該測量 系統(tǒng)由電源3、電流表5以及電壓表6構(gòu)成，其中電池充電繼電器4被激 活而電池放電繼電器11被失活。電源3、電流表5以及電壓表6通過信 號接口 2連接到計算機1。操作系統(tǒng)100的技術(shù)人員可以將電池10的電 池類型輸入到計算機l中。然后，計算機l可以執(zhí)行已知的相關(guān)算法，例 如表查詢繼之以線性內(nèi)插，以便針對正在測試的電池10的類型，將所測 的電池單元電阻("CR")與荷電狀態(tài)("SOC")相關(guān)聯(lián)。圖2示出了針對 典型的鋰石危電池的電池單元電阻(以歐姆測量)對比于荷電狀態(tài)的才羊圖。按照本發(fā)明的另一方面，熱電偶7耦合到電池10，以便通過信號接 口 2向計算機1提供電池溫度作為輸入，如圖1所示。因此，CR相關(guān)算 法現(xiàn)在將使用三個輸入(亦即鋰硫電池類型、電池單元電阻以及電池溫 度)。例如，針對溫度居間于與存儲的表相關(guān)聯(lián)的溫度值的電池IO，線性 內(nèi)插或類似計算可以計算荷電狀態(tài)("SOC")。如上所述，接口 2、計算機
1以及熱電偶7可優(yōu)選地與電池10 —起作為整體設(shè)備來提供，其上有預(yù) 先存儲的適當(dāng)?shù)牟樵儽砗碗姵仡愋托畔?。按照本發(fā)明的另一實施例，提供了基于用于鋰硫電池的漸減輸入電荷 的當(dāng)前容量來確定該電池年齡的系統(tǒng)和方法。圖3示出了典型的鋰石克電池 單元的放電容量和漸減輸入電荷容量每個對比于電池單元年齡(循環(huán)壽 命)的比較，清楚地圖示了它們之間的顯著關(guān)系。圖1所示的測量系統(tǒng)IOO還能夠用于針對年齡已知的(亦即該電池先 前經(jīng)受的充/放電周期數(shù))具體類型的電池10來創(chuàng)建漸減輸入電荷 ("TIC")對比于年齡的查詢表如下。首先，如關(guān)于在創(chuàng)建電池單元電阻 對比于荷電狀態(tài)的查詢表時初始對電池充電在上面描述的那樣，電池充電 繼電器4被激活，且電池放電繼電器ll被失活。接下來，在使用電壓表 6來監(jiān)視ii^電池10的充電電壓時，通過增加電源3的輸出電流，電池 10可以例如以初始恒定電流("1。")(如500毫安)來充電。電池10 ,皮充 電，直到電壓表6所測得的電池上的電壓到達(dá)最大允許電壓("VMax，，)。當(dāng)?shù)竭_(dá)V^時，充電繼續(xù)并鉗位于該恒定電壓VM ,且充電電流因此 而減小。在該漸減充電步驟期間，當(dāng)輸入電流減小到某個最小閣值點例如 初始恒定電流的20%以下時，可以認(rèn)為正被充電的電池單元被充分充電。 電池10的漸減輸入電荷("TIC")優(yōu)選地通過以下計算通過在到達(dá)VMax 和將輸入電流減小到其最小閾值(例如，初始恒定電流的10%)之間所花 費的持續(xù)時間(小時)，對漸減充電速率(安培)進(jìn)行積分。換言之，漸 減輸入電荷4支計算為在漸減充電步驟期間輸入到電池中的總電荷。一旦電池10的漸減輸入電荷被計算，已知年齡"X"的電池10的TIC (TIC) 1^r就被記錄。重復(fù)這個過程，并且記錄處于電池10的壽命 中各種年齡的漸減輸入電荷(例如，在電池10經(jīng)歷1、 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 100、 200、 300、 400、 500、 600、 700、 800、 900 和1000個充/放電周期之后)。沒有必要對完全耗盡的電池進(jìn)行充分充電 以4更測量其TIC。先前已經(jīng)被充電到其全部容量任意百分比的電池然后可 以被充分充電，并使其TIC被測量。有利的是，通過執(zhí)行先前所描述的充分充電過程，為各種溫度準(zhǔn)備漸 減輸入電荷("TIC")對比于年齡的附加表(例如在攝氏-40°、攝氏-30°、 攝氏-20°、攝氏-10。、攝氏0°、攝氏+10°、攝氏+2 00、攝氏+300、攝氏+40°、 攝氏+50°以及攝氏+60°)。此外，例如針對正在使用的各種充/放電速率、 針對不同的占空周期、以及針對規(guī)定條件之外的濫用(例如濫用溫度的情
形，其中電池暴露于極高的溫度下很長一段時間)，可以優(yōu)選地準(zhǔn)備漸減輸入電荷("TIC")對比于年齡、以及電池單元電阻("CR，，)對比于荷電 狀態(tài)("S0C")的附加表。進(jìn)而，如關(guān)于電池單元電阻("CR，，)在上面描 述的那樣，可以針對相同類型的各種電池來創(chuàng)建處于各種溫度時的漸減輸 入電荷("TIC")對比于年齡的附加表。這些表的值的平均可以用于創(chuàng)建針對該類型電池的主表，以避免過分依賴于可能由于正在研究的具體類型 的一個具體電池而不一致的任何數(shù)振。再次參考圖1,類型已知而荷電狀態(tài)("S0C")和年齡未知的鋰硫電 池可以置于測量系統(tǒng)100中，或優(yōu)選整體地裝備有測量系統(tǒng)IOO，所述測 量系統(tǒng)100由電源3、電流表5、以及電壓表6構(gòu)成，其中，電池充電繼 電器4被激活，而電池放電繼電器11被失活。電源3、電流表5以及電 壓表6通過信號接口 2連接到計算機1。操作計算機1的技術(shù)人員可以將 電池10的電池類型輸入到計算機1中。計算機1然后將執(zhí)行相關(guān)算法， 例如表查詢繼之以線性內(nèi)插，以l更針對正在測試的電池10的類型，將測 量系統(tǒng)測量的漸減輸入電荷("TIC")與年齡相關(guān)聯(lián)。圖4示出了針對典 型的鋰石克電池的漸減充電輸入(以mAh測量)對比于電池單元的當(dāng)前容量 (被測量為僅經(jīng)受了 5個充/放電周期之后的電池單元容量的百分比)的 樣圖。按照本發(fā)明的又一方面，熱電偶7耦合到電池10,以便通過信號接 口 2向計算機1提供電池溫度作為輸入，如圖1所示。與CR相關(guān)算法相 似，TIC相關(guān)算法現(xiàn)在可以使用三個輸入(亦即電池類型、漸減輸入電荷 和電池溫度)來確定電池的年齡。例如，線性內(nèi)插或類似的計算可以計算 溫度居間于與所存儲的表相關(guān)聯(lián)的溫度值的電池10的年齡。如上所述， 接口 2、計算機1以及熱電偶7可以優(yōu)選地與電池10 —起作為整體i殳備 來提供，其上事先存儲了適當(dāng)?shù)牟樵儽砗碗姵仡愋托畔?。如上所述，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，當(dāng)確定電池的荷電狀態(tài)時，可 以考慮電池的年齡。因此，優(yōu)選地針對處在電池10的壽命中各種已知年 齡的電池(例如，在電池10經(jīng)歷1、 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 100、 200、 300、 400、 500、 600、 700、 800、 900和1000個充/放電 周期之后)，準(zhǔn)備并記錄電池單元電阻("CR")對比于荷電狀態(tài)("SOC")的 附加表。優(yōu)選地，每次電池IO被充分充電，就記錄其當(dāng)前的TIC (例如 通過計算機1 )，使得當(dāng)下次希望確定電池的荷電狀態(tài)時，這個當(dāng)前的TIC 信息將會是可用的，且上述的CR相關(guān)算法現(xiàn)在優(yōu)選地使用至少四個輸入(亦即電池類型、當(dāng)前TIC (亦即經(jīng)由TIC相關(guān)算法的年齡)、電池單元 電阻以及電池溫度)。根據(jù)本發(fā)明，可以使用各種類型的電路和設(shè)備來實現(xiàn)如上所述的測量 系統(tǒng)。因此，應(yīng)理解前述內(nèi)容僅是本發(fā)明原理的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下能夠進(jìn)行各種修改，且本發(fā)明僅 僅受限于附隨的權(quán)利要求書。
權(quán)利要求
1.一種用于創(chuàng)建針對具體類型的鋰硫電池的電池單元電阻對比于荷電狀態(tài)的查詢表并確定該電池容量的方法，所述方法包括以下步驟a)對所述電池進(jìn)行充電，直到所述電池上的電壓增加到預(yù)定的最大電壓；b)繼續(xù)對處于所述預(yù)定最大電壓的所述電池充電，直到對所述電池的輸入電流減小到預(yù)定最小電流；c)針對所述電池測量電池單元電阻，所述電池單元電阻被定義為針對所述具體類型的鋰硫電池的處于100％荷電狀態(tài)的電池單元電阻；d)記錄處于100％荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻；e)以放電速率將所述電池放電至預(yù)定的較低截止電壓并記錄放電時段；f)用所述放電速率積分所述放電時段并存儲結(jié)果，所述積分結(jié)果被定義為針對所述具體類型的鋰硫電池的電池容量；g)針對所述電池測量電池單元電阻，所述電池單元電阻被定義為針對所述具體類型的鋰硫電池的處于0％荷電狀態(tài)的電池單元電阻；h)記錄處于0％荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻；i)以所述電池容量的預(yù)定百分比對所述電池充電，使得當(dāng)前的電池荷電狀態(tài)超過先前的電池荷電狀態(tài)；j)針對所述電池測量電池單元電阻，所述電池單元電阻被定義為針對所述具體類型的鋰硫電池的處于所述當(dāng)前荷電狀態(tài)的電池單元電阻；k)記錄處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻；1)重復(fù)所述步驟(i)、(j)和(k)，直到所述電池的當(dāng)前荷電狀態(tài)等于針對所述具體類型的鋰硫電池的所述電池容量；以及m)針對從0％到100％的荷電狀態(tài)值，創(chuàng)建電池單元電阻對比于荷電狀態(tài)的所述查詢表。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，還包括以下步驟n)允許所述電池穩(wěn)定一段時間，其中所述一段時間是所述電池的開 路電壓的變化速率減小到預(yù)定閾值以下所需要的時間。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中針對開路電壓的變化速率的所述 預(yù)定閾值在0. 001到0. 01伏特/分鐘的范圍以內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電池容量的所述預(yù)定百分比 是10%。
5. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，以一組預(yù)定的溫度重復(fù)權(quán)利要 求1的所有步驟。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述預(yù)定溫度組包括才聶氏-40° 、 攝氏_30° 、攝氏-20° 、攝氏-10。、攝氏0° 、攝氏+ 10° 、攝氏+ 20 ° 、攝氏+30° 、攝氏+ 40° 、攝氏+50。和攝氏+ 60° 。
7. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中以所述電池的壽命中的一組預(yù)定 的年齡重復(fù)權(quán)利要求1的所有步驟。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其中所述預(yù)定年齡組包括已經(jīng)受1、 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 100、 200、 300、 400、 500、 600、 700、 800、 900和1000個充/放電周期后的所述電池。
9. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中所ii^L電速率是可變的。
10. —種用于創(chuàng)建針對具有已知容量的具體類型的鋰硫電池的電池單 元電阻對比于荷電狀態(tài)的查詢表的方法，所述方法包括以下步驟a) 對所述電池充電，直到所述電池上的電壓增加到預(yù)定最大電壓；b) 繼續(xù)對處于所述預(yù)定最大電壓的所述電池充電，直到對所述電池 的輸入電流減小到預(yù)定最小電流；c) 針對所述電池測量電池單元電阻，所述電池單元電阻;故定義為針 對所述具體類型的鋰^ll電池的處于100%荷電狀態(tài)的電池單元電阻；d) 記錄處于100%荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻；e) 以所述電池的容量的預(yù)定百分比對所述電池放電，4吏得當(dāng)前的電 池荷電狀態(tài)小于先前的電池荷電狀態(tài)；f )針對所述電池測量電池單元電阻，所述電池單元電阻,皮定義為針 對所述具體類型的鋰^il電池的處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的電池單元電阻；g) 記錄處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻；h) 重復(fù)所述步驟(e)、 (f )和(g)，直到所述電池的當(dāng)前荷電狀態(tài) 等于預(yù)定的較低截止電壓；以及i)針對從100%至0°/。的荷電狀態(tài)值，創(chuàng)建電池單元電阻對比于荷電狀 態(tài)的所述查詢表。
11. 一種使用針對具體類型的鋰疏電池的電池單元電阻對比于荷電狀 態(tài)的查詢表來確定所述具體類型的鋰硫電池的荷電狀態(tài)的方法，所述方法 包括以下步驟a) 將電池類型輸入到計算機；b) 針對所述電池測量電池單元電阻，所述電池單元電阻,皮輸入到所 述計算機；c) 基于包括以下的輸入來執(zhí)行電池單元電阻相關(guān)算法i) 輸入到所述計算機的所述電池的類型；以及ii) 針對所述電池的所測量的電池單元電阻；以及d) 基于所述電池單元電阻相關(guān)算法，確定所述鋰>^克電池的荷電狀態(tài)。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述電池單元電阻相關(guān)算法包 括表查詢繼之以線性內(nèi)插。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其中到所述電池單元電阻相關(guān)算法 的所述輸入還包括所測量的電池溫度。
14. 如權(quán)利要求ll所述的方法，還包括以下步驟e) 將所述電池的年齡輸入到所述計算機。
15. 如權(quán)利要求14所述的方法，其中到所述電池單元電阻相關(guān)算法 的所述輸入還包括輸入到所述計算機的所述電池的年齡。
16. —種用于創(chuàng)建針對具體類型的鋰>5危電池的漸減輸入電荷對比于年 齡的查詢表的方法，所述方法包括以下步驟a) 使所述電池經(jīng)受第一已知數(shù)目的充分充電和放電周期；b) 對所述電池充電，直到所述電池上的電壓增加到預(yù)定的最大電壓；c) 對處于所述預(yù)定最大電壓的所述電池進(jìn)行漸減充電，直到對所述 電池的輸入電流減小到預(yù)定最小電流并記錄漸減充電時段；d) 在所述漸減充電時段期間，通過所述輸入電流對所述漸減充電時 段積分并存儲結(jié)果，所述積分結(jié)果被定義為針對處于所述具體數(shù)目的年齡 的所述具體類型的鋰硫電池的漸減輸入電荷；e) 記錄處于所述具體數(shù)目的年齡的所述漸減輸入電荷；f) 針對所述電池的另外已知數(shù)目的充分充電和放電周期，重復(fù)所述 步驟(a )、 ( b )、 ( c )、 ( d)和(e )，所述記錄步驟(e)針對所述電池的 所述另外已知數(shù)目的充分充電和放電周期記錄所述漸減輸入電荷；以及g) 使用針對所述電池的所述第一 已知和所述另外已知數(shù)目的充分充 電和放電周期，針對所述具體類型的鋰硫電池，創(chuàng)建漸減輸入電荷對比于 年齡的查詢表。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中針對所述電池的所述最初已知 和所述另外已知數(shù)目的充分充電和放電周期是l、 10、 20、 30、 40、 50、 60、 70、 80、 90、 100、 200、 300、 400、 500、 600、 700、 800、 900和1000。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其中以一組預(yù)定的溫度重復(fù)權(quán)利要 求16的所有步驟。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述預(yù)定溫度組包括攝氏-40 。、攝氏_30° 、攝氏-20° 、攝氏-10° 、攝氏0° 、攝氏+10。、攝氏 + 20° 、攝氏+30。、攝氏+ 40° 、攝氏+ 50°和攝氏+ 60。。
20. —種使用針對具體類型的鋰硫電池的漸減輸入電荷對比于年齡的 查詢表來確定所述具體類型的鋰硫電池的年齡的方法，所述方法包括以下 步驟a) 將電池類型輸入到計算機；b) 針對所述電池測量漸減輸入電荷，所述漸減輸入電荷被輸入到所 述計算機；c) 基于包括以下的輸入來執(zhí)行漸減輸入電荷相關(guān)算法i) 輸入到所述計算機的所述電池的類型；以及ii) 針對所述電池的所測量的漸減輸入電荷；以及d) 基于所述漸減輸入電荷相關(guān)算法，確定所述鋰硫電池的年齡。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，其中到所述漸減輸入電荷相關(guān)算法 的所述輸入還包括所測量的電池溫度。
22. —種用于創(chuàng)建針對具體類型的鋰硫電池的電池單元電阻對比于荷 電狀態(tài)的查詢表并確定該電池容量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a)用于對所述電池充電直到所述電池上的電壓增加到預(yù)定最大電壓的裝置；b) 用于繼續(xù)對處于所述預(yù)定最大電壓的所述電池充電直到對所述電 池的輸入電流減小到預(yù)定最小電流的裝置；c) 用于針對所述電池測量電池單元電阻的裝置，所述電池單元電阻 被定義為針對所述具體類型的鋰石危電池的處于10 0%荷電狀態(tài)的電池單元 電阻；d) 用于記錄處于100%荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻的裝置；e) 用于以放電速率對所述電池放電至預(yù)定的較低截止電壓的裝置和 用于記錄放電時段的裝置；f )用于用所M電速率積分所述放電時段的裝置和用于存儲結(jié)果的 裝置，所述積分結(jié)果被定義為針對所述具體類型的鋰硫電池的電池容量；g) 用于針對所述電池測量電池單元電阻的裝置，所述電池單元電阻 被定義為針對所述具體類型的鋰石克電池的處于0%荷電狀態(tài)的電池單元電阻；h) 用于記錄處于0%荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻的裝置；i) 用于以所述電池容量的預(yù)定百分比對所述電池充電以便當(dāng)前的電 池荷電狀態(tài)超過先前的電池荷電狀態(tài)的裝置；j)用于針對所述電池測量電池單元電阻的裝置，所述電池單元電阻 被定義為針對所述具體類型的鋰硫電池的處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的電池單元 電阻；10用于記錄處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻的裝置；以及1 )用于針對從0%到100%的荷電狀態(tài)值來創(chuàng)建電池單元電阻對比于荷 電狀態(tài)的所述查詢表的裝置。
23. —種用于創(chuàng)建針對具有已知容量的具體類型的鋰石克電池的電池單 元電阻對比于荷電狀態(tài)的查詢表的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a) 用于對所述電池充電直到所述電池上的電壓增加到預(yù)定最大電壓 的裝置；b) 用于繼續(xù)對處于所述預(yù)定最大電壓的所述電池充電直到對所述電 池的輸入電流減小到預(yù)定最小電流的裝置；c) 用于針對所述電池測量電池單元電阻的裝置，所述電池單元電阻被定義為針對所述具體類型的鋰石克電池的處于100%荷電狀態(tài)的電池單元 電阻；d) 用于記錄處于100%荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻的裝置；e) 用于以所述電池容量的預(yù)定百分比對所述電池進(jìn)行放電以便當(dāng)前 的電池荷電狀態(tài)小于先前的電池荷電狀態(tài)的裝置；f) 用于針對所述電池測量電池單元電阻的裝置，所述電池單元電阻電阻；g) 用于記錄處于當(dāng)前荷電狀態(tài)的所述電池單元電阻的裝置；以及h) 用于針對從100°/。至0%的荷電狀悉值來創(chuàng)建電池單元電阻對比于荷 電狀態(tài)的所述查詢表的裝置。
24. —種使用針對具體類型的鋰硫電池的電池單元電阻對比于荷電狀 態(tài)的查詢表來確定所述具體類型的鋰硫電池的荷電狀態(tài)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 包括a) 用于將電池類型輸入到計算機的裝置；b) 用于針對所述電池測量電池單元電阻的裝置，所述電池單元電阻 被輸入到所迷計算機；c) 用于基于包括以下的輸入來執(zhí)行電池單元電阻相關(guān)算法的裝置i) 輸入到所述計算機的所述電池的類型；以及 ii)針對所述電池的所測量的電池單元電阻；以及d) 用于基于所述電池單元電阻相關(guān)算法來確定所述鋰硫電池的荷電 狀態(tài)的裝置。
25. —種用于創(chuàng)建針對具體類型的鋰硫電池的漸減輸入電荷對比于年 齡的查詢表的系統(tǒng)，所迷系統(tǒng)包括a) 用于使所述電池經(jīng)受第一已知數(shù)目的充分充電和放電周期的裝置；b) 用于對所述電池充電直到所述電池上的電壓增加到預(yù)定最大電壓 的裝置；c) 用于對處于所述預(yù)定最大電壓的所述電池進(jìn)行漸減充電直到對所 述電池的輸入電流減小到預(yù)定最小電流的裝置，以及用于記錄漸減充電時 段的裝置；d) 用于在所述漸減充電時段期間用所述輸入電流對所述漸減充電時 段積分并存儲結(jié)果的裝置，所述積分結(jié)果被定義為針對處于所述具體數(shù)目 的年齡的所述具體類型的鋰;p克電池的漸減輸入電荷；e) 用于記錄處于所述具體數(shù)目的所述年齡的所述漸減輸入電荷的裝 置；以及f ) <吏用針對所述電池的所述第 一 已知和所述另外已知數(shù)目的完全充 電和放電周期來創(chuàng)建針對所述具體類型的鋰硫電池的漸減輸入電荷對比 于年齡的所述查詢表的裝置。
26. —種使用針對具體類型的鋰硫電池的漸減輸入電荷對比于年齡的 查詢表來確定所述具體類型的鋰^P克電池的年齡的系統(tǒng)，所述方法包括以下 步驟a) 用于將電池類型輸入到計算機的裝置；b) 用于針對所述電池測量漸減輸入電荷的裝置；c) 用于將所述漸減輸入電荷輸入到所述計算機的裝置；d) 用于基于包括以下的輸入來執(zhí)行漸減輸入電荷相關(guān)算法的裝置i) 輸入到所述計算機的所述電池的類型；以及ii) 針對所述電池的所測量的漸減輸入電荷；以及d)用于基于所述漸減輸入電荷相關(guān)算法來確定所述鋰硫電池年齡的 裝置。
全文摘要
提供了用于準(zhǔn)確地確定鋰硫電池的荷電狀態(tài)和相對年齡的系統(tǒng)和方法。分別測量具體類型的鋰硫電池的電池單元電阻和漸減輸入電荷，以便確定電池的荷電狀態(tài)和年齡。
文檔編號G01R31/36GK101163980SQ200680013296
公開日2008年4月16日 申請日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月20日
發(fā)明者文森特·J·普利西, 查里克萊亞·斯科爾迪利斯-凱利, 特蕾西·E·凱萊 申請人:賽昂能源有限公司