專利名稱：用于檢測電池或電容串聯(lián)組中的電池單元充電狀態(tài)和放電狀態(tài)的散度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
與本發(fā)明相一致的實施例涉及用于檢測電池單元或電容電池的串聯(lián)組或“包” 的充電狀態(tài)(SOC)或放電狀態(tài)(SOD)的散度的裝置和方法，并且更具體地涉及用于檢測 鋰離子電池單元組的SOC和SOD的散度的裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前的便攜式電子設(shè)備幾乎都要專門依賴于可再充電的鋰離子電池作為電源。 這就刺激了對于提高其能量存儲能力、功率容量、循環(huán)壽命和安全特性以及降低其成本 的持續(xù)努力。鋰離子電池或鋰離子電池單元是指一種可再充電的電池，具有能夠以高于 鋰金屬的鋰化學(xué)電勢存儲大量鋰的陽極。作為示例，考慮由串聯(lián)連接在一起的多個鋰電池單元構(gòu)成的電池組。如果其中 一個電池單元兩端的電壓在放電期間下降到預(yù)定的閾值以下(例如1.5伏)或者在充電期 間上升到預(yù)定的閾值以上(例如3.9伏)，那么鋰電池組的壽命就會下降。為此，現(xiàn)有技 術(shù)中通常都要小心地監(jiān)測電池單元的電壓并采取措施將電池單元的電壓保持在特定的范 圍內(nèi)。使事情進(jìn)一步復(fù)雜化的是鋰電池單元中的制造缺陷導(dǎo)致部分電池單元不能與其 他看上去相同的電池單元保持一樣多的電荷。由此，在將多個鋰電池單元串聯(lián)連接在一 起時，有缺陷的電池單元就會比其他電池單元放電更快并且在放電期間更快地達(dá)到上述 的下限閾值。類似地，這樣的有缺陷的電池單元在充電期間經(jīng)常會最先觸及上限閾值。 除非是在工作期間對電量進(jìn)行再平衡，否則電池單元之間的這種不平衡就會限制電池組 的有效工作范圍。在鋰離子電池內(nèi)部，有很多離子會隨著電池單元充電狀態(tài)的改變而在電池單元 中四處遷移。例如，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，離子在滿SOC狀態(tài)下會被存儲在晶格結(jié)構(gòu)的 特定位置內(nèi)。隨著SOC耗盡或者電池單元釋放能量，電池單元內(nèi)的離子會移動到電池 單元內(nèi)不同位置處的不同晶格結(jié)構(gòu)中。由負(fù)載造成的電子流能夠使離子在電池單元內(nèi)移 動。在鋰離子電池單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)(例如在電池組)中，離子遷移在每一個個體電池單 元中都會發(fā)生。如果電池組內(nèi)的個體電池單元即將耗盡，也就是沒有更多的離子移動到 放電晶格結(jié)構(gòu)，那么就會在該電池單元上建立電壓，從而有可能對電池單元或電池組造 成不可修復(fù)的損傷。鋰離子電池與鎳金屬氫化物電池或鎳鎘電池不同，其并不是自然平衡的。因 此，包括鋰離子電池單元的電池組的SOC管理通常都需要考慮每一個體電池單元內(nèi)的SOC0現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)包括用于確保每一個電池單元都具有相似離子量的平衡機(jī)構(gòu)。作為可選方案，已經(jīng)嘗試用相同的電池單元來小心謹(jǐn)慎地制造電池以使得每一個電池單 元同時達(dá)到SOC和SOD。但是，現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點在于，生產(chǎn)商必須要承擔(dān)額外成本 以確保精確的質(zhì)量控制和監(jiān)測每個個體電池單元。在為了獲得比單個電池單元能夠提供的更高的電壓而將鋰離子電池或電容或其 他的電化學(xué)發(fā)電設(shè)備(例如既包括容性蓄能元件也包括感性蓄能元件的混合設(shè)備或“非 對稱”設(shè)備)連接為串聯(lián)組時，該組的反復(fù)充電和放電就可能導(dǎo)致電池單元變得“失 衡”，從而使得電池單元的充電狀態(tài)沿著該組有所不同。失衡狀態(tài)可能是由于電池單元 工作循環(huán)中容量衰減速率的不同，或者是由于導(dǎo)致容量衰減速率不同的阻抗變化以及其 他原因引起的。所述組在開始時可能就由于串聯(lián)組內(nèi)的電池單元在組裝該組時的容量或 充電狀態(tài)的變化而沒有完全平衡。這樣的電池組有多種應(yīng)用，包括但不限于電動工具、 儀表電池、電動車輛的電池以及用于后備電源的電池。失衡的串聯(lián)組(例如在此介紹的)會由于若干理由而不受歡迎。在串聯(lián)組充 電時，較低容量或較高SOC的電池單元在該組被充電至特定的電池組電壓時會被過度充 電，導(dǎo)致電池組的過早故障或不安全狀態(tài)(例如電池單元泄氣或過熱或爆炸)。同樣的情 況在失衡的組放電時也會出現(xiàn)。在極端情況下，失衡電池組的放電可以將某些電池單元 變?yōu)椤半妷悍聪颉?，此時電池單元的極性與其正常使用時相反。在鋰離子電池單元中， 這可能會導(dǎo)致負(fù)電流集電極的溶解，造成故障或者生成氣體造成電池單元的機(jī)械破裂。 現(xiàn)有技術(shù)中用于避免失衡組相關(guān)問題的方法是監(jiān)測并平衡個體電池單元，這需要額外的 控制電路并且增加了電池結(jié)構(gòu)的成本和復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
電池單元組的非限制性示例包括鋰離子電池，使用LiMPO4作為正極，其中M包 括Fe，Mn或Co中的一種或多種，或者使用LiMn2O4尖晶石作為正極，或者使用Li4Ti5O12 作為負(fù)極，作為鋰存儲材料的這些化合物類型在達(dá)到滿SOC時表現(xiàn)出電池單元電壓的快 速上升，或者在達(dá)到滿SOD時表現(xiàn)出電池單元電壓的快速下降。通常這是由于在大范圍 的SOC上存在由兩相反應(yīng)(由于插入或去除鋰)造成的恒定電壓的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的一方面，在達(dá)到充電和放電限制時對特定電池單元化學(xué)反應(yīng)電壓 中的特征變化進(jìn)行利用，目的是為了檢測一個或多個失衡電池單元的存在，以及在這些 輸入的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)充電或放電協(xié)議，以避免過度充電或者過度放電、避免不安全狀態(tài)或 者延長電池組的壽命。根據(jù)另一方面，電壓監(jiān)測和控制被包括在電池組的設(shè)計中，或者 被包括在用于電池組的充電器中。充電器可以執(zhí)行充電以及放電功能并因此可以用作用 于診斷電池組中電池單元串聯(lián)組狀態(tài)的裝置。串聯(lián)連接的電池單元數(shù)量可以是少至兩 個，或者多至十個或二十個或者甚至是更大的數(shù)量，與任意單個電池單元響應(yīng)的陡度相 比，電池單元數(shù)量的上限由測量串聯(lián)電壓的精度限定。根據(jù)一方面，以恒定的電流對電池單元的串聯(lián)組進(jìn)行充電，并且該組的電壓和 時間響應(yīng)V(t)或者電壓的一階時間導(dǎo)數(shù)dV/dt或者電壓的二階時間導(dǎo)數(shù)d2V/dt2被用于識 別一個或多個失衡電池單元的存在。在進(jìn)一步的實施例中，dv/dSOC被用于檢測失衡電 池單元的存在和終止充電。
在某些情況下，電池單元在充電或放電期間可以表現(xiàn)出多個電壓階梯。在此情 況下即使是電池組充電或放電過程中出現(xiàn)了其他的中間電壓階梯也可以使用檢測方案。 例如，在電池化學(xué)反應(yīng)固有地具有這樣的階梯時，電池組電壓將會在電壓中表現(xiàn)出特征 階梯。通過施加絕對電池組電壓必須高于(低于)特定的充電(放電)值的附加條件， 就可以只在電池組接近于充電的頂部(底部)時施加限流操作。在示意性實施例中，提供了一種用于給電池充電的系統(tǒng)，其包括具有至少兩個 鋰離子電池單元的電池組。提供控制器以基于表示電池組整體的dV/dSOC的計算值來檢 測電池組的電壓相對于充電狀態(tài)的變化率(dV/dSOC)，從而在dV/dSOC達(dá)到預(yù)定值時終 止充電。根據(jù)一方面，電池組由串聯(lián)連接的至少兩個鋰離子電池單元構(gòu)成。在一方面中，電池組可以是包括η節(jié)串聯(lián)CnS)的組中的一種，其中η至少為二并且不超過十。至 少兩個鋰離子電池單元可以包括LiFei_yMnyP04，其中y代表Mn的不同濃度?？刂破骺梢园ńK止充電的微處理器。在其他方面中，控制器包括模擬電路。在進(jìn)一步的示意性方面中，微處理器被耦合至充電器內(nèi)的指示燈，其中該燈給 用戶指示電池組的充電狀態(tài)。在一方面中，控制器被設(shè)置用于檢測電池組內(nèi)部組件的溫度，并且如果溫度超 過預(yù)定的閾值就終止充電。溫度可以通過熱敏電阻進(jìn)行檢測。在一個示意性實施例中，提供了一種電池充電器，其包括具有鋰離子電池單元 的電池組。包括電路，基于電池組整體的一個dV/dSOC的監(jiān)測來確定電池組的電壓相對 于電池組充電狀態(tài)的變化率(dV/dSOC)。提供感測電路以在已達(dá)到預(yù)定的dV/dSOC時 終止電池組的充電。在一方面中，充電器包括能夠從AC或DC電源接受輸入電壓的穩(wěn)壓開關(guān)電源。在另一方面中，電源由微處理器控制。微處理器可以根據(jù)電池組的電壓和電流 的讀數(shù)來終止充電。在另一方面中，提供溫度感測電路以監(jiān)測電池組和充電器中的至少一個的溫 度。在另一方面中，電壓感測電路包括數(shù)字或模擬轉(zhuǎn)換電路中的至少一種。在另一方 面中，微處理器被耦合至電壓感測電路以確定電池組內(nèi)至少一個鋰離子電池單元的dV/ dSOC。在一方面中，電池組的充電在至少一個鋰離子電池單元的dV/dSOC超過預(yù)定速 率的條件下由微處理器終止。在另一示意性方面中，提供了一種方法以“平滑”電壓-容量曲線，在此情 況下電池化學(xué)反應(yīng)固有地具有多個電壓階梯，但是在出現(xiàn)電壓階梯時的容量可以有所改 變。作為非限制性示例，橄欖石型正極LiMPO4或其摻有雜質(zhì)或改性的組分經(jīng)常就是充 電和放電曲線表現(xiàn)出不同的電壓階梯的情況，此時M包括多種過渡金屬例如Fe，Mn, Ni 或Co中的一種或多種。在特定組分被用于電池或電池組中時，隨著放電，放電電壓可能 會經(jīng)歷階梯式的表現(xiàn)，其中電壓會隨著電池或電池組經(jīng)過特定的充電狀態(tài)而相對快速地 下降。這可能是不利的，因為電池功率在該充電狀態(tài)下也會相應(yīng)地下降；例如，電動工 具使用者可能會在該電池組容量處在放電期間注意到功率的下降。進(jìn)一步的示意性實施例提供了一種方法，給至少兩個或多個鋰離子電池單元的電池組充電；并基于表示電池組整體的dV/dSOC的計算來檢測電壓相對于充電狀態(tài)的變 化率(dV/dSOC)。該方法進(jìn)一步包括將檢測到的dV/dSOC和與電池組相關(guān)聯(lián)的預(yù)定dV/ dSOC相比較；并基于該比較終止電池組的充電。在一方面 中，執(zhí)行dV/dSOC的檢測，而無需基于逐個電池單元地單獨檢測dV/ dSOC。在另一方面中，如果檢測到的dV/dSOC等于或者超過預(yù)定的dV/dSOC，那么終 止電池組的充電。在另一方面中，該方法包括檢測電池組的溫度并基于溫度讀數(shù)終止充電。根據(jù)另一方面，提供了一種用于緩和突發(fā)的電壓階梯并獲得更為連續(xù)的放電電 壓的方法。以LiFei_yMnyP04組分為例，隨著Mn(y)的量的增加，更大比例的電池單元 容量位于較高的電壓平臺上， 4.0V，而較小比例的電池單元容量位于較低的電壓平臺 上， 3.45V(相對于Li/Li+測量的電壓)。單組分y因此可以在由y值確定的容量下具 有相對陡的階梯下降。為了 “平滑”放電期間的電壓，在制造電極和電池單元時將y方 面變化的粉末混合在一起。可以通過有意地引入“不均勻性”以使得正極材料的顆粒在 y方面有所不同而在一次燒成的粉末中產(chǎn)生不同的y?；蛘?，可以將其中每一種粉末都具 有單一y值的均勻粉末混合在一起并隨后在電極中使用。例如，可以分別合成并混合y =0.6，0.5和0.4的粉末。最后，即可制得多個電池單元，每一個都具有不同的y值，并 一起用于電池組中以提供更加平滑的電壓響應(yīng)。電壓響應(yīng)的平滑在高放電倍率期間特別 有效。


根據(jù)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的說明，本發(fā)明非限制性實施例的其他應(yīng)用將變得顯而 易見。圖1 (a)是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了從 85% SOC充電到滿SOC的 平衡電池組的曲線圖。圖1(b)是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了從 85% SOC充電到滿SOC的 平衡電池組的曲線圖。圖2(a)是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面，示出了具有處于90% SOC的一個電池 單元、處于85% SOC的一個電池單元和處于80% SOC的三個電池單元的不平衡電池組 的曲線圖，示出了總體的電池組電壓和個體的電池單元電壓。圖2 (b)是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了具有處于90 % SOC的一個電池單 元、處于85% SOC的一個電池單元和處于80% SOC的三個電池單元的不平衡電池組的 曲線圖，說明了個體的電池單元電壓。圖3 (a)是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了具有處于90 % SOC的一個電池單 元和處于80% SOC的四個電池單元的不平衡電池組的曲線圖，說明了總體的電池組電壓 和個體的電池單元電壓。圖3 (b)是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了具有處于90 % SOC的一個電池單 元和處于80% SOC的四個電池單元的不平衡電池組的曲線圖，說明了個體的電池單元電壓。圖4是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了電池組和電池充電器的示意圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面示出了電池組以及包含的個體電池單元的 充電電壓和電流相對于時間的曲線圖。
具體實施方式
本發(fā)明的說明性、非限制性實施例克服了上述的缺點和其他缺點。而且，本發(fā) 明并不是必須要克服上述的缺點和其他缺點，并且本發(fā)明的說明性、非限制性實施例可 能并未克服其中的任意缺點。
與本發(fā)明相一致的示意性實施例提供了用于監(jiān)測鋰離子電池的SOC和SOD的裝 置和方法。在一個實施例中，用于電池組內(nèi)每一個電池單元的分離的硬線連接不必為了 檢測SOC和SOD而監(jiān)測個體電池單元的電壓。以這樣的方式監(jiān)測電池組電壓沒有個 體電池單元被過度充電，同時提供充分充電的電池。因此，與現(xiàn)有技術(shù)中的鋰離子電池 充電器不同，充電器不需要為每一個電池單元提供單獨的監(jiān)測硬件用于確定接近了過度 充電或過度放電的狀態(tài)。充電器可以基于電池組內(nèi)根據(jù)對于整個電池組的dV/dt或dV/ dSOC監(jiān)測至少有一個電池單元已經(jīng)達(dá)到閾值而終止充電。例如，監(jiān)測代表整個電池組的 一個dV/dt或dV/dSOC以提供整體的電池組的變化率。
圖1 (a)示出了包括五個APRNifflophosphate電池單元(5slp結(jié)構(gòu))串聯(lián)組的平衡 良好的電池組的充電電壓V(t)、5個個體電池單元的電壓響應(yīng)以及電池組電壓的導(dǎo)數(shù)dV/ dt。在首先將每一個電池單元充電4.2V之后，以恒定的1.5A電流對電池組進(jìn)行充電， 然后，在將各電池單元加入串聯(lián)之前將每個電池單元放電至85% SOC0圖1(b)以擴(kuò)展 的比例示出了個體電池單元電壓，其中可以看出電池單元非常接近地在其電壓-時間響 應(yīng)方面匹配，并且還可以看出該特定的電池化學(xué)反應(yīng)直到接近完全充電之前都表現(xiàn)出相 對恒定的電壓?？梢杂^察到電池組電壓、個體電池單元電壓以及電壓相對于時間全都在 將要到達(dá)滿SOC狀態(tài)時急速上升。這種讀數(shù)上升的出現(xiàn)是由于需要更多的能量將個體電 池單元內(nèi)的離子移動到其初始的滿充電狀態(tài)并且能夠被用于確定充分的S0C。盡管附圖 表示的是S0C，但是應(yīng)該理解公開的實施例也可以類似地應(yīng)用于監(jiān)測SOD。圖1 (a)和 1 (b)還示出了相對于SOC百分比的dV/dSOC。
在圖2(a)和2(b)中，示出了用于不平衡電池組的對應(yīng)數(shù)據(jù)，其中一個電池單 元處于90%SC)C、一個電池單元處于85% SOC還有三個電池單元處于80% S0C。在 圖3(a)和3(b)中，示出了用于不平衡電池組的對應(yīng)數(shù)據(jù)，其中相對于其他四個電池失衡 的一個電池單元處于90% SOC而另外四個電池單元處于80% S0C。 圖2 (a)-3(b)還示 出了相對于SOC百分比的dV/dSOC。圖2(a)-3(b)表示串聯(lián)組，其中兩個電池單元相 對于其他三個失衡，并且將會更快地到達(dá)其滿充電狀態(tài)。這可能是由于這兩個電池單元 的SOC相對于另外三個的漂移。容量損失或漂移可能會在鋰離子電池單元的壽命內(nèi)自 然地發(fā)生。例如，鋰離子電池可能會由于電池單元中溫度條件的變化而損失離子。圖 1(a)-3(b)表示的是用于說明性目的的個體電壓。如下所述，本發(fā)明的示意性實施例并不 單獨計算用于個體電池單元的電壓。
根據(jù)本發(fā)明的示意性的一方面，可以用高精度和準(zhǔn)確度測量電池組電壓相對于 充電狀態(tài)的變化率dV/dSOC，并且能夠被用于確定在何時會有任意一個電池單元接近滿 S0C。而且，電池組dV/dSOC的限制值可以被用于確定電池組在何時被完全充電。例如，可以利用大于約0.008V/sec的dV/dt結(jié)束充電的切斷對Mlp的APR電池單元組進(jìn)行 充電。使用該切斷值既能完全充電電池組，又可以防止任意電池單元在其失衡時進(jìn)入過 度充電狀態(tài)。類似地，在監(jiān)測dV/dSOC時可以提供預(yù)定的切斷。
在另一示意性的方面中，高于某一限制值的dV/dSOC表明至少有一個電池單元 正在達(dá)到其充電限制。一種示意性的檢測方法可以包括檢測dV/dSOC何時大于特定值 X，表明至少有一個電池單元正在達(dá)到其充電限制。特定值χ可以包括一個數(shù)值范圍，該 范圍足以檢測到何時由一個電池單元導(dǎo)致的dV/dSOC已經(jīng)達(dá)到閾值量，同時還包括了多 個電池單元同時獲得增加的dV/dSOC的情況。作為示例，dV/dSOC閾值可以基于90% 或更大的S0C。如果多于一個電池單元具有dV/dSOC的足夠的增量，那么電池組的SOC 就會更加快速地達(dá)到峰值。如果只有一個電池單元具有dV/dSOC的增加，那么電池組 的SOC會達(dá)到峰值，但是不會太快。示意性實施例設(shè)置的閾值檢測dV/dSOC中表明即 使只有一個電池單元到達(dá)閾值時的增量，以使充電停止，或者如果檢測到SOD就停止放 電。這就可以防止一個電池單元被過度充電或過度放電并損壞。
為了更加充分地給電池組充電，可以期望使用更加復(fù)雜的V、dV/dt和d2V/dt2 的函數(shù)來檢測何時結(jié)束充電。而且，由于在恒定電流條件下dV/dt類似于dV/dSOC， 因此在使用狀態(tài)下使電流波動也是可行的?？梢酝ㄟ^測量以及將電流對時間積分以確定 dV/dSOC，目的是為了準(zhǔn)確地確定SOC和dV/dSOC。對于恒定電流，dv/dt與dV/dSOC 成比例。在電流變化時，dv/dt = di/dt*R+dv/dSOC。在一個示意性實施例中，dV/dt 可以在已知di/dt為零時使用。dV/dSOC和dv/dt之間的關(guān)系式是dv/dt = i*dv/dS0C。 在高SOC時，dV/dSOC沿正向快速變化，而在低SOC時，dV/dSOC沿負(fù)向快速變化。
根據(jù)本發(fā)明的一個示意性實施例，一種電池充電器產(chǎn)品包括穩(wěn)壓開關(guān)電源， 其能夠從電源(例如AC或DC電源)接受輸入電壓，并給一個或多個電池(例如 Nanophosphate電池單元的串聯(lián)組)充電。電源由微處理器控制，該微處理器監(jiān)測充電器 (和/或電池組)內(nèi)的電氣和溫度狀態(tài)，檢測故障狀態(tài)并顯示充電器狀態(tài)和充電進(jìn)程。微 處理器僅監(jiān)測電池組的串聯(lián)電壓和電流以確定在再充電階段期間何時終止充電。
充電器被設(shè)計為以盡可能少的人工干預(yù)即可輕易操作，但是對于給nS(串聯(lián))的 電池組充電來說也是足夠通用的，其中η大于1并且例如在1到100之間，并且可以在1 到20之間，或者可以在1到10之間。例如，很多電動工具包使用&，5s, 6s或IOs的 電池組。充電器首先在主輸出端上感測電池電壓。為電池施加小電力負(fù)載以1)如有 必要則降低電池組上的峰值電荷和2)確定電池的阻抗。然后驅(qū)動電池組達(dá)到略高的電壓 以將充電電流保持在穩(wěn)定速率。在檢測到結(jié)束充電的條件(例如速率dV/dt或dv/dSOC 迅速上升)時，即可終止再充電循環(huán)。
指示燈可以在充電過程期間點亮以指示正在充電、充電完成和錯誤模式。另 外，充電器監(jiān)測溫度和電壓并采取措施以防止損壞自身和電池組。輸入可以連接至標(biāo)準(zhǔn) 電源插口例如AC通用插座。電池可以通過與用于給電池組放電相同的連接(也就是設(shè) 備專門設(shè)計的供電連接)被連接至輸出。在本發(fā)明的示意性的一方面中，也可以使用溫 度傳感器來監(jiān)測電池組內(nèi)電池單元的大致溫度。
圖4示出了電池的充電連接和可選的溫度感測。充電器400被連接至AC或DC 電源430。這使充電器400能夠?qū)Πǘ鄠€電池單元的電池組410充電。充電器400可以包括溫度傳感器420。溫度傳感器420具有感測電池組410或充電器400溫度的能力。 傳感器420在達(dá)到預(yù)定的最大溫度時指示充電器400終止充電。充電器400內(nèi)還包括微 處理器450，其基于整體地表示電池組的dV/dSOC的測量值、基于來自測量電壓的傳感 器470以及來自提供電流讀數(shù)的傳感器490的輸入來檢測電池組的電壓相對于充電狀態(tài)的 變化率(dV/dSOC)。測量值表示的是整個電池組而不是個體電池單元。例如，在示意 性實施例中，并未提供硬件或其他裝置用于每一個個體電池單元以單獨監(jiān)測每一個電池 單元的dV/dSOC。相反，計算代表作為整體的電池組410內(nèi)的全部電池單元的一個dV/ dSOC值。傳感器490將進(jìn)入電池內(nèi)的電流值轉(zhuǎn)化為能夠由微處理器450讀取的信號。 傳感器490可以是但并不局限于霍爾效應(yīng)傳感器或設(shè)置用于讀取進(jìn)入電池的電流的分流 電阻。該電流值被用于確定dV/dSOC的計算值。
在一個示意性實施例中，包括微處理器的電池管理器負(fù)責(zé)計算dV/dSOC。在達(dá) 到預(yù)定的dV/dSOC時，電池管理器指示輔助設(shè)備停止電池組的充電或放電。
在一個示意性實施例中，充電器的微處理器450每毫秒采樣一次充電器的輸出 電壓和電流。充電器和電池組內(nèi)的溫度也可以例如每200毫秒采樣一次。充電器通常輸 出的充電電壓都略高于測量到的電池組電壓，但是要高到足以驅(qū)動電池組電流達(dá)到固定 的變化率(例如1C)。但是，如果感測到電池組內(nèi)的其中一個電池單元處于或者高于預(yù) 定的SOC閾值范圍、100% SOC或者其他的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，那么就停止給電池組提供電壓和 電流。
由于電池組內(nèi)任意一個串聯(lián)電池單元的dV/dSOC在接近充電循環(huán)終點時都會 上升，因此整個電池組的dV/dSOC也會上升。因此可以通過測量串聯(lián)電池組電壓的 dV/dSOC來檢測充電狀態(tài)的終點，而無需個別地和單獨地測量每一個電池單元的dV/ dSOC。參照圖5，在有單個電池單元接近其最大SOC時，dV/dSOC的變化率就會迅速上升。
可以通過以固定的時間間隔獲取電壓樣本并進(jìn)行減法和除法運(yùn)算來測量dV/dt 的變化率。在初始時刻tl采樣第一電壓VI，并在第二時刻t2采樣第二電壓V2。dV/dt 就等于(v2-vl)/(t2-tl)。為了計算dV/dSOC，在初始時刻tl采樣第一電壓vl和第一 電流il，并在第二時刻t2采樣第二電壓V2和第二電流i2。dV/dSOC就等于dv/dt再除 以(il+i2)/2。電壓樣本可以由與內(nèi)部(自身)或外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相耦合的微處理器 450獲取。微處理器450根據(jù)采樣電壓的數(shù)字表示來計算dV/dSOC。在計算出的變化率 dV/dSOC高于預(yù)定的閾值時，微處理器即可終止充電動作。根據(jù)示意性的另一方面，這 也可以通過使用電容或電感、電阻的組合的模擬電路以及用于進(jìn)行微分的模擬調(diào)節(jié)電路 實現(xiàn)。模擬電路輸出與電池組電壓的dV/dSOC成比例的信號。該信號與固定的參考電 壓相比較并在其超過該參考電壓時觸發(fā)充電終止條件。充電器的微處理器根據(jù)其是否正 在給電池充電來點亮“正在充電”和“已充電”指示燈。
在一個示意性實施例中，充電器每秒鐘監(jiān)測其內(nèi)部最熱功率組件附近的位置五 次。在該溫度超過預(yù)設(shè)限制時，充電器停止輸出電流，直到溫度下降至低于限制為止。 充電器監(jiān)測輸入電壓并且如果輸入電壓超出范圍將會切斷充電電流。充電器監(jiān)測用于終 止充電的拐點dV/dSOC，并且如果檢測到狀況就終止充電。但是，如果出于某種原因， 輸出電壓失控上升到高于安全工作點(最大額定電池電壓)，那么充電器會切斷輸出電流。
在一個可選實施例中，充電器可選地利用熱敏電阻或類似裝置測量電池組內(nèi)的 溫度以檢測電池組內(nèi)的高溫。該高溫條件也可以促使充電器切斷其充電電流。
提供示意性實施例的上述說明是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本發(fā) 明。而且，對這些實施例的各種修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，并且本文中 定義的通用原理和具體示例無需使用創(chuàng)造性的勞動即可應(yīng)用于其他的實施例。因此，本 發(fā)明不應(yīng)理解為受限于本文中介紹的實施例，而應(yīng)符合由權(quán)利要求及其等價形式的限定 所定義的最寬泛的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于給電池充電的系統(tǒng)，包括具有至少兩個鋰離子電池單元的電池組；控制器，基于代表電池組整體的計算的dV/dSOC來檢測電池組的電壓相對于充電狀 態(tài)的變化率dV/dSOC，無需基于逐個電池單元地單獨計算dV/dSOC ；其中在dV/dSOC達(dá)到預(yù)定值時終止充電。
2.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述電池組由串聯(lián)連接的至少兩個鋰離子電池單元 構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電池組是包括η節(jié)串聯(lián)nS的組中的一個，其 中η至少為二并且不超過十。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括終止充電的微處理器。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括模擬電路。
6.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述微處理器是電池管理器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中dV/dSOC表示至少一個電池單元在電池單元中的 另一個之前達(dá)到預(yù)定值。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被設(shè)置用于檢測電池組內(nèi)部組件的溫 度，并且如果該溫度超過預(yù)定的閾值就終止充電。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中通過熱敏電阻檢測溫度。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中至少兩個鋰離子電池單元包括LiFei_yMnyP04，其 中y代表Mn的各種濃度。
11.一種電池充電器，包括包括鋰離子電池單元的電池組；電路，所述電路基于表示電池組整體的dV/dSOC的計算來確定電池組的電壓相對于 電池組充電狀態(tài)的變化率dV/dSOC，無需基于逐個電池單元地單獨計算dV/dSOC;以及其中在已達(dá)到預(yù)定的dV/dSOC時終止電池組的充電。
12.如權(quán)利要求11所述的電池充電器，其中所述充電器包括能夠從AC或DC電源接 受輸入電壓的穩(wěn)壓開關(guān)電源。
13.如權(quán)利要求12所述的電池充電器，其中所述電源由微處理器控制。
14.如權(quán)利要求13所述的電池充電器，其中所述微處理器根據(jù)電池組的電壓和電流的 讀數(shù)來終止充電。
15.如權(quán)利要求11所述的電池充電器，進(jìn)一步包括溫度感測電路以監(jiān)測電池組和充電 器中至少一個的溫度。
16.如權(quán)利要求13所述的電池充電器，其中所述電壓感測電路包括數(shù)字或模擬轉(zhuǎn)換電 路中的至少一種。
17.如權(quán)利要求13所述的電池充電器，其中所述微處理器被耦合至電壓感測電路以確 定電池組整體的串聯(lián)電壓。
18.如權(quán)利要求17所述的電池充電器，其中所述電池組的充電在至少一個鋰離子電池 單元的dV/dSOC超過預(yù)定速率的條件下由所述微處理器終止。
19.如權(quán)利要求17所述的電池充電器，進(jìn)一步包括溫度感測電路以在確定所述電池組 的溫度超過預(yù)定值時終止所述電池組的充電。
20.—種給電池組充電的方法，包括提供至少兩個或更多個鋰離子電池單元的電池組；基于表示電池組整體的計算的dV/dSOC來檢測電壓相對于充電狀態(tài)的變化率dV/ dSOC，無需基于逐個電池單元地單獨檢測dV/dSOC ；將檢測到的dV/dSOC和與所述電池組相關(guān)聯(lián)的預(yù)定dV/dSOC相比較；以及 基于該比較終止所述電池組的充電。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中如果檢測到的dV/dSOC等于或者超過預(yù)定的 dV/dSOC，則終止所述電池組的充電。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，進(jìn)一步包括檢測所述電池組的溫度。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中基于溫度讀數(shù)終止充電。
全文摘要
一種用于給電池充電的系統(tǒng)，包括具有至少兩個鋰離子電池的電池組?？刂破骰趯㈦姵亟M作為整體表示的dV/dSOC計算值來檢測電池組的電壓相對于充電狀態(tài)的變化率(dV/dSOC)，無需基于逐個電池單元地單獨計算dV/dSOC。在dV/dSOC達(dá)到預(yù)定值時終止充電。
文檔編號H02J7/04GK102027655SQ200980116991
公開日2011年4月20日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者C·M·霍夫 申請人:A123系統(tǒng)公司