CN101523689B

CN101523689B - 控制可再充电电池的放电的结束的方法

Info

Publication number: CN101523689B
Application number: CN2007800381961A
Authority: CN
Inventors: 阿诺·德莱尔; 马里恩·佩林
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA; US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-10-05
Also published as: US8159190B2; JP5421111B2; WO2008046980A2; WO2008046980A3; JP2010506556A; EP2076953A2; CN101523689A; FR2907272A1; FR2907272B1; US20090278502A1

Abstract

本发明涉及一种用于控制可再充电电池的放电结束的方法，包括确定(F1)电池的跃迁频率(F_HF)和根据所述跃迁频率(F_HF)确定(F2，F3)电池的放电结束标准。所述放电结束标准代表例如跃迁频率(F_HF)的斜率的预定最大值(Pmax)。可以在电池的使用期间周期性地确定(F1)跃迁频率(F_HF)，由调节装置根据所述跃迁频率(F_HF)来中断(F4)放电。

Description

控制可再充电电池的放电的结束的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制可再充电电池的放电的结束的方法。

背景技术

在便携电子式、热、电或混合车辆等中的很多移动应用中，或在电信中继类型或来自诸如风能或光电能等之类的间歇能量源的电的产生的许多静态应用中，使用电化学存储电池、或可再充电电池，在所有情况下像易碎一样重要地确保该元件。

为了在这些不同应用中优化它们的寿命，通常必须保护可再充电电池不要进行任何深度放电(in-depth discharge)，这大多数时间都同时伴随着过早老化，或甚至在某些情况下不能够再充电。因此，在其中可再充电电池容易到达深度放电状态的所有应用中，使用低电压断开(Low Voltage Disconnect，LVD)阈值来停止放电。

例如，如在图示了对于在三个不同的电流制式，即0.5A(三角形曲线绘图)、5A(正方形曲线绘图)和10A(圆点状曲线绘图)中进行的三个放电的电压对电池的放电量的图1的图中所示，电压以传统方式减少达到对应于上述LVD阈值的10.8V的值，该值是必须停止放电的值。

一旦到达了该电压阈值，因此断开电池。但是，应该注意，被断开的电池的电压随后由于消除了被电流施加的电涌而立即升高。如果不采取警惕，可能因此在立即中断之前再次许可放电，放电的恢复意味着再次达到了LVD阈值。为了避免在低充电状态下的这类微放电——这对于电池是有害的，同样它们对于进行电池的断开和重连的电子装置是有害的——则使用新的低电压重连(Low Voltage Reconnect，LVR)阈值。但是，在该新的电压标准上的放电的恢复并不保证电池已经被再充电了这时允许新的放电，以至于实际上该方法仅降低了微放电的有害影响，而没有完全将其杜绝。

另外，这些电压阈值的最佳调节是非常微妙的(delicate)。虽然这些电压阈值考虑电池的技术或系统的尺寸，不过它们在电池的整个操作过程中保持恒定。但是，电池的电压既取决于其技术，还取决于其操作情况，即放电电流的充电、弛豫周期(relaxation period)、温度以及最后其健康状态、或损耗状态。

在能够包括元件(element)的串联的电池的情况下，在元件之间的不均质性(inhomogeneity)可能本身对在整个电池的端处测量的电压有影响。换句话说，在电池电压和其充电状态之间不存在直接的关系，或至少仅大致的关系。因此，目前使用的电压标准不能充分理解集合所有上述因素的可再充电电池的放电深度。因此，取决于操作情况或老化情况，这些电压阈值趋于不理想，且可能甚至在某些情况下导致电池的过早老化。另外，当开发新系列的电池时，通过实验性的、无数次的、长期、且因此昂贵的测量来确定用于不同放电制式的切断(cut-off)阈值的值。

在图2中示意地示出了电池1的传统控制结构。在传统方式中，电池1经由例如电源3来给负载2供电。由被连接到电池1的端(terminal)的调节器(regulator)并通过测量例如在电池1的端处的电压来控制电池1的充电和放电循环。调节器4经由特别设计用于在放电之后断开电池的第一开关5，根据S1来控制电池1的充电，且经由第二开关6根据S2来控制电源3。为了避免诸如上述的损害，在上述这种调节器中非常过度地评估(over-evaluate)用于停止放电的电压阈值，以便确保永远不会降低到真正的充电阈值的临界状态以下。

例如，在光电系统中使用铅酸电池的情况下，这些电池的低电压阈值通常接近于1.9V/节(即，6节(cell)电池是11.4V)，而不论电池的损耗或操作情况如何。但是，铅酸电池大多数时间可以被用到接近于1.8V/节(即，6节电池是10.8V)的阈值，而对它们的使用没有任何有害的后果。这导致可能达到电池容量的10％左右的存储能量的缺少。因此，对这种可再充电电池的放电的结束的控制不是最佳的。

发明内容

本发明的目的在于提供用于控制可再充电电池的放电的结束的方法，该方法高效、通过使用特定于复数(complex)阻抗测量的数据易于实现，且该方法使能要进行的电池的状态的诊断，而同时考虑电池的使用的过去和现在情况和健康状态的影响，且该方法使能避免完全放电的电池的任何不合时宜的重连。

根据本发明的方法特征在于，它包括确定电池的跃迁频率和根据所述跃迁频率确定电池的放电结束标准。

根据本发明的具体实施例，在电池的使用期间周期性地确定跃迁频率，由调节装置根据所述跃迁频率来中断放电。

根据本发明的替换实施例，从在校准阶段期间进行的跃迁频率的测量来确定所述放电结束标准。

根据本发明的另一替换实施例，从在维护阶段期间进行的跃迁频率的测量来重新调节所述放电结束标准。

根据本发明的进展，所述放电结束标准代表在放电过程中的跃迁频率的斜率的突然改变、跃迁频率的预定最大值、或跃迁频率的斜率的预定最大值。

附图说明

从仅出于非限制性的例子的目的给出且在附图中展示的本发明的具体实施例的以下描述，其他优点和特征将变得更清楚，在附图中：

图1是示出根据现有技术、分别在三个不同的电流制式(0.5A、5A和10A)中的电池的放电量对电压的图。

图2示意地示出了根据现有技术的用于控制可再充电电池的传统结构。

图3以流程图形式示出了根据本发明的用于控制可再充电电池的放电结束的方法的具体实施例。

图4图示了根据现有技术的在奈奎斯特(Nyquist)图中的跃迁(transition)频率F_HF的标识。

图5是示出了根据图1的分别在三个不同的电流制式中的电池的充电状态SOC对跃迁频率F_HF的图。

图6是图示了根据本发明的分别在不同的电流制式(0.5A和5A)中的/根据电压的跃迁频率的斜率的图。

具体实施方式

参考图3，可以通过图2所示的、具有使能控制电池的充电和放电——例如通过对开关的控制——的调节器的传统控制结构，来实现根据本发明的用于控制可再充电电池的放电结束的方法。

在图3所示的具体实施例中，用于控制可再充电电池的放电结束的方法包括第一步骤F1，确定电池的跃迁频率F_HF。

例如，可以通过二分法(dichotomy)来完成确定跃迁频率F_HF。考虑例如具有在从3300HZ到100HZ的频率范围中的跃迁频率F_HF的铅酸电池，且考虑在频率f处测量的阻抗的虚数部分，标为Im(Z(f))，且考虑s作为该量的符号，则我们可以写：如果s＜0，则F_HF＞f，且如果s≥0，则F_HF≤f。

然后，二分法的原理包括进行例如在对应于上述频率范围的中点的f1＝1700Hz处的第一测量。根据Im(Z(f1))的符号和上述关系，然后将处进行新的测量，例如如果s小于0在f2＝2500Hz处，或如果s大于0则在f2’＝900Hz处。根据Im(Z(f2))或Im(Z(f2’))的符号，将进行新的测量，例如如果s小于0则在f3＝2900Hz处进行该新测量，或如果s大于0则在f3’＝2100Hz处，或分别如果s小于0则在f3＝1300Hz处，或如果s大于0则在f3’＝500Hz处，等等。

以通常方式，实际上每个新的测量由以下关系来定义：如果s＜0则fn+1＝fn+x，且如果s＞0则fn+1＝fn-x，且x＝|f_n-f_n-1|/2。从3300Hz-100Hz范围，则七个测量足够获得在25Hz处的F_HF，这呈现出很合理且足够的精度。

另外，可以通过考虑进行所有都在大于100Hz的频率处进行的这七个连续的测量，来获得通过该方法的跃迁频率F_HF的确定时间的估计。考虑对于所研究的每个频率在五个周期上另外进行测量，则仅必须进行35个测量，且如果所有测量都在100Hz处进行，则这花费了比半秒还少得多的时间，即0.35s。通过二分法的该方法从而使能在每秒或更长的时间步长上进行跃迁频率F_HF的监视。

在阻抗测量领域中，已知确定跃迁频率F_HF。如在图示了在奈奎斯特图中的跃迁频率F_HF的标识的图4中所示的，跃迁频率F_HF传统地对应于如下频率：在该频率处，电池的复数阻抗从电感行为切换到电阻行为，或对应于如下频率：在该频率处，消除了复数阻抗的虚数部分。这包括在电池的操作期间，以连续方式，以完全不干扰(non-intrusive)的方式，无论电池是在休息中或在操作中，在高频率中测量的阻抗参数。

但是，不是所有的已知的当前的阻抗测量装置都使用该跃迁频率F_HF的值，而使用在各种频率处测量的阻抗值，用于诊断电池的健康状态。这是具体在US 2003/204328的情况，其描述了使用用于通过测量在各种频率处的阻抗值来确定电池的健康状态的方法的装置。几种近期公开物，具体地A.Hammouche等人的文章“Monitoring state-of-charge of Ni-MH and Ni-Cdbatteries using impedance spectroscopy”(Journal of Power Source，Vol-127，2004，pp.105-11)和H.Blanke等人的文章“Impedance measurements on lead-acidbatteries for state-of-charge，state-of-health and cranking capability prognosis inelectric and hybrid electric vehicles”(Journal of Power Sources，vol-144，2005，pp.418-425)，还有文献WO2005/031380，也示出了根据跃迁频率F_HF来监视镍铬电池或铅酸电池的充电状态的可能性。因而，例如，如图5所示，能够根据电池的充电状态(state of charge，SOC)来确定对于图1的同样三个不同的电流制式、即0.5A、5A和10A的跃迁频率F_HF。

但是，没有文献或已知装置暗示在调节系统的范围中的跃迁频率F_HF的可能使用，也没有暗示基于该标准来控制电池的放电的结束。用于其部分目的的根据本发明的方法提出使用该跃迁频率F_HF，以便控制可再充电电池的放电的结束，该跃迁频率F_HF与有源材料的状态有关，且可用于根据该有源材料的实际状态来停止放电。

在图3中，在确定跃迁频率F_HF的步骤F1之后，该用于控制的方法包括在第二步骤F2中确定跃迁频率F_HF的斜率。由跃迁频率的导数dF_HF/dt来确定该斜率。

可以具体地从图5的图确定跃迁频率的导数dF_HF/dt。实际上，该图图示了当在恒定电流I处发生放电时根据充电状态SOC的跃迁频率F_HF。但是，充电状态SOC与电流I乘以时间t成比例。在图5中，电流I恒定，充电状态SOC与时间t成比例。因此，在图5中示出的三个曲线绘图的每个的导数对应于跃迁频率的斜率dF_HF/dt，给出或采用作为放电电流I的常数。

然后，在第三步骤F3中，用于控制的方法包括比较先前计算的斜率与代表电池的放电结束标准的预定最大值Pmax，从该预定最大值Pmax，必须断开电池。如果斜率的计算值小于预定最大值Pmax，用于控制的方法循环回到确定跃迁频率F_HF的步骤F1之前。如果所计算的斜率值大于预定最大值Pmax，则用于控制的方法继续到下一步骤F4，即通过调节器(图2)来中断电池的放电。从而，该预定最大值Pmax定义了放电结束标准，这是跃迁频率的函数，从该预定最大值Pmax，必须断开电池。

例如，考虑图6中所示的图，其图示了在两个不同电流制式、即0.5A(圆点的曲线图)和5A(十字的曲线图)处的根据电压U的跃迁频率F_HF的斜率dF_HF/dt的值，清楚地，跃迁频率F_HF的斜率dF_HF/dt的使用可以证实，对于在电池老化期间保持放电结束设置点的可靠性的目的，其是非常令人信服的。

在光电应用的情况下，实际上通常在固定电压停止设置点，大约11.5V上停止放电，而无论放电情况如何。例如，与跃迁频率F_HF的斜率dF_HF/dt大约0.015对应的、在5A处的11.5V(图6中的虚线)的阈值上的停止放电，导致保持跃迁频率F_HF的相同的斜率值dF_HF/dt，以在0.5A处大约11.25V的阈值处停止放电。

在上述实施例中，例如在工作中的电池的使用期间周期性地确定(F1)跃迁频率，根据所计算的跃迁频率(F1)由调节器(图2)来中断(F4)放电。

在未示出的另一替换实施例中，可以从在电池的校准阶段期间进行的跃迁频率F_HF的测量，确定被施加到用于控制的方法的放电结束标准。然后在调节器(图2)中输入对应于校准的放电结束标准。则，该方法如之前地包括确定跃迁频率F_HF(F1)和例如斜率(F2)，当在电池工作期间达到(F3)在校准期间计算的放电结束标准时断开(F4)电池。

在未示出的另一替换实施例中，还可以从在电池的维护阶段期间进行的跃迁频率F_HF的测量，来再调节(readjust)放电结束标准。如之前的，然后，在该维护阶段期间进行跃迁频率F_HF和对应的放电结束标准的计算，且当在电池工作期间达到放电结束标准时断开电池。

另外，无论是在校准阶段期间还是在维护阶段期间，优选地，根据跃迁频率F_HF计算的且使能电池的断开的放电结束标准由在由调节器(图2)测量的、在电池端处的电压来构成，由此定义了固定电压停止设置点(图6)。

在未示出的用于控制可再充电电池的放电结束的方法的另一替换实施例中，电池放电结束标准可以代表在放电过程中的跃迁频率F_HF的斜率的突然改变。由跃迁频率的二次导数dF_HF ²/dt²来定义斜率的突然改变，则用于控制的方法包括使用该计算的二次导数的值作为代表放电结束标准的值，当达到该标准时通过调节器(图2)来断开电池。

在另一替换实施例中，电池放电结束标准可以代表跃迁频率F_HF的预定最大值。如之前的，然后，用于控制的方法包括确定跃迁频率F_HF和比较所获得的值与预定最大值。如果该计算值低于预定最大值，则方法循环回到确定跃迁频率F_HF的步骤F1之前，且测量新的跃迁频率F_HF。如果计算值高于预定最大值，则达到了放电结束标准，且调节器通过断开电池来中断放电。

无论上述哪个实施例，这种用于控制的方法都是非常高效，且易于执行的，同时使能电池的放电状态的诊断以及考虑电池的使用的过去和当前情况和健康状态的影响。这种方法还使能防止完全放电的电池的任何不合时宜的重连接。因此，对电池的放电的控制是最佳的，且因此优化了可再充电电池的操作和其寿命。

由于根据上述用于控制的方法的不同实施例的这种放电结束标准的使用，本发明特别适用于新系列产品的定义和开发，以容易且便宜地对所有放电制式确定放电结束阈值和对用户的指示。

本发明还应用于在调节器中对用于调节电池的放电结束的、新放电结束标准的直接使用，以便放电结束考虑电池的状态，以及关心老化或过去的使用。

本发明还应用于在包括电池和其调节器的系统中新放电结束标准的使用，以便当进行维护操作时重新校准所述调节器的阈值。

本发明不局限于上述不同的实施例。在上述说明书中使用的术语电池具体地包括可再充电电池和可再充电电化学存储电池。上述用于控制的方法具体地适用于任何类型的可再充电电池。

以通常方式，考虑到电池的类型和/或使用该电池的应用的类型，可以使用所有类型的充电或放电。

Claims

1.一种用于控制可再充电电池的放电结束的方法，其特征在于，它包括：

确定(F1)电池的跃迁频率(F_HF)，

确定该跃迁频率(F_HF)相关于时间的一次或二次导数(F2，F3)，和

通过该跃迁频率的所述一次或二次导数来控制可再充电电池的放电结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，它包括：将该跃迁频率的所述一次或二次导数与放电结束标准进行比较(F2，F3)，和根据该比较的结果来断开该电池。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，它包括：执行该电池的校准阶段，和根据在校准阶段期间执行的跃迁频率(F_HF)的测量(F1)来确定该放电结束标准(F2，F3)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，它包括：执行该电池的维护阶段，和根据在维护阶段期间进行的跃迁频率(F_HF)的测量(F1)来修改该放电结束标准的值(F2，F3)。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述放电结束标准(F2，F3)代表在放电过程中的跃迁频率(F_HF)的斜率的突然改变。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述放电结束标准(F2，F3)代表跃迁频率(F_HF)的斜率的预定最大值(Pmax)。