CN103038974B - 高级可再充电蓄电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于高压应用的可再充电蓄电池系统，具有串联电路中的多个电池。利用自放电装置保护串联电路中的电池、电池组和电池堆免于过量充电。保护所述可再充电蓄电池系统免于过量充电和过量放电，并且控制充电以通过过量充电/过量放电印刷电路板或充电器进行恢复。

Description

高级可再充电蓄电池系统
该申请是2008年9月8日递交的美国专利申请12/231,920的部分接续申请，美国专利申请12/231,920是2007年5月24日递交的美国专利申请11/805,786的部分接续申请，美国专利申请11/805,786要求2007年4月17日递交的美国临时申请60/923,747和2007年5月18日递交的美国临时申请60/930,646的优先权。
技术领域
本发明涉及可再充电蓄电池(battery)，具体地涉及可再充电蓄电池的再充电。
背景技术
1.对于用于诸如车辆起动器、电动自行车、电动摩托车、电动或混合动力车辆等之类应用的蓄电池，高电压本质上是由于效率的增加和成本的降低。电压的增加要求将蓄电池串联连接。
2.与串联的蓄电池相关联的问题：
a.当一个电池具有较低容量时，所述较低容量蓄电池的容量支配了全部蓄电池组的容量；
b.如果在充电期间不能够将拥有较低容量的蓄电池充电到全容量，由于低容量电池而将整个蓄电池组的性能退化。这在现有技术中称作电池不平衡。
c.一个特定蓄电池的低容量可能是由蓄电池制造期间的高自放电或缺陷引起的。
3.用于解决电池不平衡问题的传统方式是：
a.对蓄电池分类以便避免将不一致品质的蓄电池串联连接；
b.分离地对蓄电池充电(例如，美国专利No.6,586,909)，以便克服上述问题，然而将每一个蓄电池充满(例如将锂离子蓄电池充电到3.65V)要求低电压，并且由于从普通的高电压AC电源到低电压DC功率的转换，这种低电压充电不是有能量效率的。
在对用途复杂的电路充电期间实现电池平衡所使用的大多数现有技术系统和方法以检测和平衡所述未充电的电池(例如US7,068,011；US7,061,207；US6,882,129；US6,841,971；US6,825,638；US6,801,014；US6,784,638；US6,777,908；US6,700,350；US6,642,693；US6,586,909；US6,511,764；US6,271,645)。
现在，由于可再充电蓄电池在功率、改进的循环寿命和环境友好本性中的显著能力，对于除了诸如蜂窝电话或膝上型计算机之类的传统消费电子装置的广泛范围应用，可再充电蓄电池变得越来越重要。造成这种改变的主要原因是可再充电蓄电池变得越来越可靠，具有更好的循环寿命，允许人们开始构建更大的蓄电池系统用于重载应用，例如家庭节能系统或者甚至电动车辆应用。然而随着尺寸的增加，意味着串联和并联连接更多的蓄电池单元，所得到的蓄电池系统的使用寿命变得不可预测或者甚至不可靠。一个示例是使用以前专利的锂离子氧化磷(LiFe(1-x)MxP(1-x)O2(2-x))材料作为阴极。尽管单独的蓄电池容易地执行1000次循环，剩余大于80％的容量，(随着串联和并联连接的更多蓄电池单元)尺寸的增加可以展现出范围从几十次循环到数千次循环的整个蓄电池系统的使用寿命。循环寿命的关键是在每次充电期间可以实现的蓄电池单元的容量平衡。根据这种观点，蓄电池单元的平衡非常依赖于在蓄电池单元中实现的协同控制以及所利用的充电方法。在本发明中，通过描述对于蓄电池单元和充电器或充电系统的正确限制和控制来介绍蓄电池系统，确保了蓄电池单元平衡的最佳实现，导致了整个蓄电池系统的延长的循环寿命。
本发明的目的
本发明的目的是提供一种包含蓄电池堆和充电器(或充电系统)在内的蓄电池系统，其使得蓄电池堆拥有具有延长的循环寿命的杰出性能。在这种公开的蓄电池系统中，不需要对于传统锂离子电子来说必要的恒电压或恒电流充电的限制。
发明内容
本发明是一种可再充电蓄电池系统，具有多个电池和用于对所述可充电蓄电池系统进行充电的充电装置。所述可再充电蓄电池系统具有：多个电池，电连接用于形成可再充电蓄电池系统；用于连续不断地测量自放电电压的自放电电压测量装置和相应的自放电装置，两者都与串联电路中的电池(cell)、串联电路中的电池组(cellset)和串联电路中的电池堆(cellpack)中的至少一个并联连接；过量充电电压测量装置，用于连续不断地测量串联电路中的电池、串联电路中的电池组和串联电路中的电池堆中的至少一个两端的过量充电电压；充电装置，与所述可再充电蓄电池系统串联连接，用于对所述可再充电蓄电池系统的所有电池进行充电；系统电压测量装置，用于连续不断地测量所述充电装置两端的系统电压；限制装置，用于对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；以及控制装置，用于控制所述可再充电蓄电池系统。所述可再充电蓄电池系统的操作使得：
(a)在充电期间，如果通过所述自放电电压测量装置的任一个测量的自放电电压≥预设的自放电电压，那么相应的自放电装置操作直到所测量的自放电电压小于所述预设的自放电电压为止，然后所述相应的自放电装置不再操作；以及
(b)在充电期间，如果所测量的过量充电电压的任一个＞预设的过量充电电压，那么限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流，然后当所有测量的过量充电电压≤预设的第一恢复电压(resumevoltage)时，不再对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；以及
(c)在充电期间，如果所测量的系统电压＞预设的总电压，限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流，然后当所测量的系统电压≤预设的第二恢复电压时，不再限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流；以及
(d)在充电期间，如果对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制的时间段＞预设的系统时间段，那么停止对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制。
附图说明
根据在附图中只作为示例示出的以下描述，本发明将变得更加清楚，其中：
图1a-e是本发明的蓄电池组件的各种实施例的示意性说明；
图2a是本发明的蓄电池组件的示意性说明，具有本发明的自放电电路的放大图；
图2b是本发明的蓄电池组件的示意性说明，具有本发明的自放电电路的另一个实施例的放大图；
图3是本发明的蓄电之组件的示意图，具有在蓄电池的盒子上设置的自放电电路；
图4是本发明的具有蓄电池组件的电源系统的示意性说明；
图5a-e是本发明的具有蓄电池组件的蓄电池堆的示意性说明；
图6a-e是本发明的具有与图5a-e不同的蓄电池组件的蓄电池堆的示意性说明；
图7a-e是本发明的具有与图5a-e和图6a-e不同的蓄电池组件的蓄电池堆的示意性说明；
图8a-e是本发明的具有与图5a-e、图6a-e和图7a-e不同的蓄电池组件的蓄电池堆的示意性说明；
图9是本发明的具有蓄电池组件的电池堆组件的示意性说明；
图10是如示例3讨论的本发明的具有蓄电池组件的蓄电池系统的示意性说明；以及
图11是如示例5讨论的本发明的具有蓄电池组件的蓄电池系统的示意性说明。
图12是如示例6讨论的本发明的具有蓄电池组件的蓄电池系统的示意性说明；以及
图13(a)-(d)是示例6的实验结果。
图14是本发明的装置用于控制电池、电池组或电池堆的自放电的流程图。
图15是具有恢复功能的本发明的过量充电/过量放电控制板的流程图。
图16(a)-(d)示出了示例7的实验结果。
图17是示例7中介绍的蓄电池系统的放电容量。
具体实施方式
本发明对于解决由串联连接的蓄电池引起的问题尤其重要。可以通过产生允许从正在充电的蓄电池泄露电流(能量)的装置和方法来减轻充电期间的电池不平衡问题。代替如在现有技术中发现的使用非常昂贵的装置或手段来防止过量充电以实现蓄电池均衡，本发明使用了减小供应给正在被过量充电的串联电路中的蓄电池的电流的方法和装置。可以针对串联连接的每一个蓄电池或蓄电池组或蓄电池堆来实现这种方法和装置。对于单独的蓄电池单元，可以将其称作“蓄电池”或“电池”。贯穿说明书使用的术语“蓄电池组”或“电池组”意味并联、串联、并联-串联或串联-并联连接的多个蓄电池。贯穿说明书使用的术语“蓄电池堆”或“电池堆”意味并联、串联、并联-串联或串联-并联连接的多个蓄电池组。贯穿说明书使用的术语“组件”意味着当蓄电池(或电池)正在被过量充电时，伴随有用于对蓄电池(或电池)、蓄电池组(或电池组)或蓄电池堆(或者电池堆)自放电的装置的蓄电池(或电池)、蓄电池组(或电池组)或蓄电池堆(或者电池堆)。
在本发明中，当过量充电时蓄电池或者多个蓄电池自放电。因为每一个蓄电池、蓄电池组或蓄电池堆均配置有“自放电”装置，当在充电期间或者甚至当充电之后电压达到预设参数时，可以消除电池单元平衡问题。
图1(a)示出了“蓄电池组件”的结构。图1(b)示出了“并联蓄电池组组件”的结构。图1(c)示出了“串联蓄电池组组件”的结构。图1(d)示出了“并联-串联蓄电池组组组件”的结构；以及图1(e)示出了“串联-并联蓄电池组组件”的结构。这些组件是用于提供蓄电池堆的基本单位。在这些图中和其余图中，将单独的可再充电蓄电池表示为1，并且将用于对可再充电蓄电池自放电的电路表示为3。
在图2(a)中示出了解决电池不平衡问题的本发明方法。如图2(a)所示，每一个蓄电池与所述蓄电池并联的装置2相连。这种装置包括开关元件6、电阻元件7、电压检测元件5a和开关元件控制器5b，所述开关元件控制器关断或者接通所述开关元件6。电压检测元件检测所述蓄电池的电压，并且开关元件控制器控制开关元件的“关断”或“接通”状态。可以将开关元件、电阻元件、电压检测元件和开关元件控制器设置在印刷电路板上。然而，因为晶体管可以用作电压检测元件、控制器、开关元件和电阻元件的组合，图2(a)所示的装置可以用晶体管或者并联连接的多个晶体管(用于调节电阻)来代替。其他可能是如图2(b)所示的与电阻器7串联连接的一个晶体管8。在图2(b)所示的串联连接的晶体管和电阻器的情况下，电阻器的电阻应该较小以便使得由电阻器引起的电压降(影响晶体管的电压检测)最小化。图2(b)的结构也可以应用于诸如LED之类的二极管或者只由开关元件和控制器组成的印刷电路板。
当对蓄电池充电时，如果蓄电池之一的电压在预设上限之上，与所述蓄电池并联电连接的所述装置的开关元件接通，因此允许电流流过所述电阻器。因此，由于与所述蓄电池并联连接的所述装置的存在，对于超过所述预设电压上限的蓄电池的充电电流降低。下面在示例1中示出了这种降低。在这种条件下，按照正常电流对其他蓄电池充电，但是超过电压上限的蓄电池具有降低的充电动作。这是用于本发明的防止蓄电池过量充电的基本机制。应该提到的是电阻元件可以是拥有令人满意的电阻的任意电子部件。例如，可以将灯泡用作电阻源。
所述装置的元件可以是在半导体芯片2上，所述半导体芯片可以设置在靠近蓄电池的任意地方。图3示出了安装到蓄电池外壳的盖子上的半导体芯片2的一种可能结构。同样例如，可以将所述芯片设置在阴极(盒子)11和阳极(负端子)12之间。同样，可以将所述芯片设置在蓄电池盒内部。
如果需要电阻的进一步精确控制，所述电阻器可以是可变电阻器。下面进一步描述充电期间针对每一个蓄电池的电流变化的详情。
示例1，可以如何实现电池均衡的理论说明。
假设：
1.如图2(a)所示，将四个蓄电池组件串联连接。
2.蓄电池(1)、(3)、(4)具有5mOhm的内阻，蓄电池(2)具有10mOhm的内阻。
3.蓄电池(1)、(3)、(4)具有3.3V的开路电压，蓄电池(2)具有3.6V的开路电压。
4.对于每一个蓄电池组件，将1.0Ohm的电阻器与所述蓄电池并联连接。
5.将15V的电源施加至串联连接的四个蓄电池组件。
计算情况1(当并联的电阻器都开路时)：
在四个蓄电池组件的充电期间，可以将每一个蓄电池的电压表示为：
蓄电池(1)：V1＝Vo1+I1R1，V1是充电期间蓄电池(1)的电压，Vo1是蓄电池(1)的开路电压，I1是通过蓄电池(1)的电流，而R1是蓄电池(1)的内阻。
蓄电池(2)：V2＝Vo2+I2R2，
蓄电池(3)：V3＝Vo3+I3R3，
蓄电池(4)：V4＝Vo4+I4R4，
因为没有连接其他电阻器，I1＝I2＝I3＝I4＝I
15＝(V1+V2+V3+V4)＝(Vo1+Vo2+Vo3+Vo4)+I(R1+R2+R3+R4)
15-(Vo1+Vo2+Vo3+Vo4)＝I(R1+R2+R3+R4)
15-3.3-3.6-3.3-3.3＝I(0.005+0.01+0.005+0.005)
I＝60Amp---通过每一个蓄电池的电流
计算情况2(当针对蓄电池(2)接通并联的电阻器电路时)：
假设I’是通过电阻器的电流，以及R’是电阻器的电阻。
那么
V2＝I’R’，I’＝V2/R’
V2＝Vo2+I2R2，
考虑电流平衡：(I’+I2)＝I1＝I3＝I4＝I
所以V2＝Vo2+(I-I’)R2＝Vo2+(I-V2/R’)R2
重新排列后我们得到了
V2＝(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)
因此
15＝(V1+V2+V3+V4)＝(Vo1+Vo3+Vo4)+I(R1+R3+R4)+(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)
所以
I＝61.672(A)，
V2＝(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)＝4.175(V)，
I’＝V2/R’＝4.175(A)，
I2＝I-I’＝57.497(A)
如果我们代入10Ohm的电阻器，那么
I＝60.168(A)，
V2＝Vo2+(I-V2/R’)R2＝4.1975(V)，
I’＝V2/R’＝0.4198(A)，
I2＝I-I’＝59.748(A)
根据计算的结论：
1.相对于图2(a)的蓄电池组件，当接通并联电路中的电阻器的开关时，电流流过所述电阻器，并且降低对于蓄电池(2)的充电电流。
2.在针对图2(a)的蓄电池组件接通并联的电阻器电路的开关时，增加对于其他蓄电池(1，3，4)的充电电流。
3.所述电阻器的电阻支配了针对蓄电池(2)的电流降低量。电阻越小，电流降低量越大。
4.因此，通过降低具有较高容量的蓄电池的充电电流、并且通过增加具有较低容量的其他蓄电池的充电电流，将电阻器与串联连接的每一个蓄电池合并的概念在平衡所有蓄电池的容量方面是有效的。
5.清楚的是：与蓄电池并联连接的电阻器应该拥有令人满意的电池平衡功能。满足电压感测以及提供电阻源的功能的电子装置或部件在本发明关注的范围内。
示例2，说明对蓄电池组件进行充电的方法的理论计算。
假设：
1.如图2(a)所示，将四个蓄电池组件串联连接。
2.蓄电池(1)、(3)、(4)具有5mOhm的内阻，蓄电池(2)具有10mOhm的内阻。
3.蓄电池(1)、(3)、(4)具有3.3V的开路电压，蓄电池(2)具有3.6V的开路电压。
4.蓄电池(1)、(2)、(3)和(4)经历恒定电流充电。所述电流是2A。
5.为了说明正在研究的蓄电池、蓄电池(2)的目的，1.0Ohm的电阻器与所述蓄电池并联连接，并且接通电路开关。
计算：
考虑电流平衡：(I’+I2)＝I1＝I3＝I4＝I＝2(A)
V2＝Vo2+(I-I’)R2＝Vo2+(I-V2/R’)R2
重新排列后我们得到了
V2＝(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)
代入Vo2＝3.6(V)，I＝2(A)，R2＝0.01Ohm，R’＝1Ohm
我们得到了：
V2＝3.5842(V)
I’＝V2/R’＝3.5842(A)，
I2＝I-I’＝2-3.5842＝-1.5842(A)＜0
根据计算的结论：
1.当电路电流(I)小于通过电阻器的电流(I’)时，过量充电的蓄电池将经历放电。也就是说(I-I’＜0)。
2.当过量充电的蓄电池经历放电时，可以实现电池平衡。
3.通过组合示例1和2中所示的计算结果，也可以推断出：可以按照恒定电压模式(但是要求的充电时间应该比针对I＜I’条件所要求的时间更长)或者恒定电流模式(通过比流过电阻器的电流(I’)小的电流(I))实现所述电池平衡充电方法。
4.还可以推断出所述充电器可以设计为具有两种充电模式。一种模式是用于蓄电池系统正常用途的正常恒定电流/恒定电压充电模式(通过设置一定的充电时间来执行充电的结束)。另一种模式是当蓄电池系统拥有比它们的正常用途更少容量时可以使用的电池平衡模式(恒定电流充电)。
示例3，蓄电池堆和蓄电池系统。
如上所述，蓄电池堆可以包括如1(a)-(e)所示的蓄电池组或者蓄电池组组件。在本发明中，蓄电池堆也可以与包含开关元件、电压检测元件、控制器和电阻元件的并联电路连接以形成“电池堆组件”。使用电池组组件构建的蓄电池堆的可能结构如图5(a)-(e)、图6(a)-(e)、图7(a)-(e)和图8(a)-(e)所示。这些图表示与各种电路结构相连的图1(a)-(e)所示的5个单元结构。串联(图5(a)-5(e))、并联(图6(a)-6(e))、并联-串联(图7(a)-7(e))和串联-并联(图8(a)-8(e))。图5、6、7和8中所示的每一种情况可以再次与包含开关元件、控制器、电压检测元件和电阻元件在内的并联电路组合以形成“电池堆组件”。在图9中示出了“电池堆组件”的示例。
与包括蓄电池组或蓄电池组组件的蓄电池堆的情况类似，蓄电池系统由蓄电池堆或蓄电池堆组件构成。再次地，使用蓄电池堆组件构建的蓄电池系统的可能结构可以是串联、并联、并联-串联和串联-并联。在图10中示出了“蓄电池系统”的示例。
这里描述了一种实际情况，是用于电动车的蓄电池系统的示例。参考图10，典型的电动车使用具有53V和40Ah的蓄电池系统。所述蓄电池系统包括串联连接的4个蓄电池堆(13.3V)。每一个蓄电池堆包括串联连接的4个锂离子蓄电池组(3.33V)。并且，每一个蓄电池组包括并联连接的4个10Ah蓄电池。在这种情况下，蓄电池系统的最佳结构是利用蓄电池堆组件和蓄电池组组件作为所述蓄电池系统的组成单元(block)。在这种结构中，可以防止蓄电池堆的过量充电和蓄电池组的过量充电。如果使用蓄电池堆组件构建蓄电池系统，但是所述堆组件只由蓄电池组构建，在长时间循环之后可能发生蓄电池组中的一些可能过量充电。如果只使用蓄电池堆构建蓄电池系统并且使用蓄电池组而不是蓄电池组件构建蓄电池堆，可能发生在充电期间伴随着过量充电的电池不平衡。
示例4，优选的电源系统。
电源系统是如图4所示的包括充电器4、蓄电池系统(堆或者组)、控制板10和断路器9在内的部件的集成。再次地，将本发明的4个蓄电池组件串联连接作为用于说明的最简单示例。参考图4可以看出：每一个蓄电池与由图2(a)或图2(b)所示的部件组成的电路并联连接。控制板利用电导体与每一个蓄电池的每一个端子相连。那些电导体用作提供电压检测的装置。控制板的另一端与断路器相连。充电器与串联电连接的蓄电池的两个末端直接相连。在正常充电(恒定电流/恒定电压)期间，如果蓄电池的任一个超过预设的过量充电电压，所述控制板向断路器发送用于充电终止的信号。类似地，在这种放电期间，如果蓄电池的任一个小于预设的终止电压，控制板向断路器发送用于放电终止的信号。这两个动作用于蓄电池保护以避免过量充电和过量放电。在正常充电期间，允许充电动作预设的时间段(例如，在恒定电压充电之后的1.5小时终止)。此时，可以或多或少地平衡所述蓄电池。然而，可以在几次充电之后、或者通过只开始平衡充电模式(小电流和恒定电流充电，电流幅度I＜I’)平衡所述蓄电池，以在将所有蓄电池平衡之前允许恒定电流充电。
在这种情况下，控制板可以是非常简单的装置，用于检测串联连接的每一个蓄电池的电压，并且向断路器发送用于充电或放电动作终止的信号。控制板的简单性因此受益于本发明的蓄电池的特性，因为它们支配充电期间的电流泄露。在本发明中，优选地，通过关断功率输入或输出的电磁继电器来执行充电的关闭。优选地，这种电磁继电器在静止状态下不要求功耗，并且由控制板产生的脉冲信号确定了继电器的通路和断路状态，因此确定了蓄电池充电的接通和关断。
示例5.实现如示例1中所述的电池均衡的方法。
参考图11，在本示例中，将总共8个10Ah锂离子蓄电池用于说明充电方法和充电期间蓄电池的电池平衡特性。将两个电池首先并联连接以形成并联蓄电池组。然后将每一组蓄电池和与所述蓄电池组并联电连接的电路(例如印刷电路板)相连以形成蓄电池组件。然后将4个蓄电池组件串联连接。在这种情况下，为了清楚起见，用于第一组、第二组、第三组和第四组来命名串联连接的四个蓄电池组组件。首先将全部4组组件充电至100％充满。然后将第一蓄电池组组件进行10％容量的放电(2Ah)。这一过程之后，将全部4个蓄电池组组件串联连接，并且将这种设置称作蓄电池堆。在这种情况下，将预设的自放电激活电压设置为3.75V。与每一个蓄电池组并联的自放电电路具有2Ohm的电阻。在上述过程之后，所述蓄电池堆经历1.7A的恒定电流充电。在表I中示出了针对蓄电池的每一个组的电压随时间的变化。从表I可以看出，第二、第三和第四蓄电池组组件在初始状态下具有超过3.75V的电压增加。5分钟之后，第二、第三和第四蓄电池组组件恢复稳定在3.75V。此时，测量到通过电阻器的电流将是1.8A。
第一组蓄电池组组件在80分钟之后将其电压逐渐增加至3.75V，并且这是充电平衡动作的结束。在本实验中，将I(电源电流)设置为小于I’(通过电阻器的电流)。作为其结果，在充电期间将针对蓄电池组组件的第二、第三和第四组的电压稳定在3.75V。在一定的时间段之后实现了蓄电池组组件的4组的完全平衡。观察到了如果将电流I设置为略大于电流I’(在这种情况下是1.8A)，并且在恒定电流充电期间第二、第三和第四蓄电池组的电压可以大于3.75V。然而，如果将恒定电压充电设置为15V作为第二步骤充电，可以观察到第二、第三和第四蓄电池组的电压降低(当电流I开始下降小于电流I’时)，最终可以平衡蓄电池组组件的四个组，但是要求更长的时间。
除了上述自放电设置和机制之外，通过添加定时器(时间计数器)或者电荷计数器，存在可以集成到如图2(a)和2(b)所示的自放电设置的另一个特征，所述定时器器或电荷计数器控制在一定条件下自放电的电荷的量。添加定时器或电荷计数器的核心思想是解决不能用延长的恒定电压充电对串联连接的蓄电池、蓄电池组或者蓄电池堆充电的问题，也就是说，当充电器或者任意充电装置(例如太阳能或风力涡轮机充电)不提供长且稳定的恒定电压充电。为了使得串联连接的蓄电池平衡，在不存在延长的恒定电压充电的情况下，向自放电设置配置定时器。定时器的功能是当存在一定条件时设置蓄电池中要自放电的电荷量。在将蓄电池过量充电到预设电压V’时，触发自放电机制。自放电动作继续，直到蓄电池电压变得小于预设电压V’为止，然后触发定时器用于一定时间段的另一个自放电(例如，蓄电池容量的2％，也就是说将蓄电池放电蓄电池容量的2％所要求的时间)。尽管给出2％作为优选量，在本发明的实践中蓄电池容量的2％和20％之间的放电量是可以的。该方法的优势包括以下内容：(1)这种时间延迟的自放电设置提供了如上关于示例5所述的功能，也就是说当电压超过预设电压V’时，串联连接的蓄电池组组件的任一个进行自放电时，在延长的恒定电压充电之后最终将平衡串联连接的所有蓄电池组组件；(2)在保持蓄电池单元平衡的性能(功能)的同时，不稳定的充电条件将对于向蓄电池充电仍然有用，例如可再生能量电源充电(例如，太阳能板或者风力涡轮机等等)或者不提供延长的恒定电压充电的任意其他类型的充电器。这可以使用示例5中所述的相同蓄电池组组件作为示例来实现，将其充电到一定电压并且在不具有恒定电压充电的情况下执行切断。甚至当蓄电池电压下降得小于预设电压V’时，已经超过预设电压限制V’的串联连接的蓄电池组组件将保持放电，并且将执行另一个自放电。由于已经超过预设电压V’的那些蓄电池组组件执行的附加自放电，如果用于恒定电压充电的时间不够，在切断之前超过V’的蓄电池(触发了自放电)和切断之前小于V’的蓄电池(没有触发自放电)之间的容量差将是容量接近的；以及(3)可以通过几种电压切断充电方法来代替恒定电压充电，如将在下面的示例6中更加详细地讨论的。
示例6，在没有延长的恒定电压充电的情况下实现蓄电池单元均衡的方法。
本示例的目的是为了说明本发明用于自放电设置时需要时间延迟函数，其在不具有用于恒定电压充电的延长时间的情况下实现了蓄电池单元平衡条件。
参考图12，在本示例中，总共4个10Ah锂离子蓄电池用于说明充电方法以及充电期间蓄电池的电池平衡特性。每一个蓄电池1与所述蓄电池并联电连接的电路2相连，以形成蓄电池组件3。每一个电路2包含电压检测器5a、10Ohm电阻器7和定时器13，当蓄电池电压超过或者等于3.65V时所述电路允许所述蓄电池的自放电、接着是当蓄电池电压变得小于3.65V时允许另外自放电15分钟的时间段。4个蓄电池组件串联连接。在本示例中，图12中的4个蓄电池组件具有编号为(1)、(2)、(3)和(4)的蓄电池。从图13(a)至13(d)示出了针对每一个蓄电池组件的电压随时间的变化。在图13(e)中示出了包含串联连接的4个蓄电池组件在内的蓄电池堆的电流随时间的变化。首先将全部4个蓄电池组件充电至容量的100％，并且进行初始平衡(如从图13(a)至13(d)可以看出的3.65V±0.03V)。然后使用5Ohm电阻器将第一蓄电池组件(蓄电池(1))放电6.6％容量(0.66Ah)一小时。在这一过程之后，包含串联连接的4个蓄电池组件在内的蓄电池堆进行设置在14.7V下的恒定电压充电。然而，当将蓄电池组件的任一个充电至3.70V以上时，将充电器设置为切断。从图13(a)至13(d)可以看出：一旦充电器开始充电，第二、第三和第四蓄电池组件(蓄电池(2)、(3)和(4))电压迅速增加。所述充电器在激活之后几乎立即停止充电。然而，因为第二、第三和第四蓄电池组件触发在3.65V预设的自放电电压，甚至在充电器的切断之后，也可以针对每一个蓄电池观察到电压中的连续下降。与第二、第三和第四蓄电池组件相比较，第一蓄电池组件在充电器切断之后不具有任何自放电，从而观察到了更平坦的电压轮廓。在充电8个周期之后观察到：第一蓄电池组件变成执行自放电的唯一一个蓄电池组件(电压增加超过3.65V)，并且当其超过3.70V时切断充电过程。这种结果建议了可以通过将电压设置为切断来利用多次充电实现电池平衡。可以利用针对每一个蓄电池的时间延迟自放电设置、通过多次充电步骤补偿6.6％的蓄电池容量差的恢复。通过去除每一个蓄电池上的自放电设置、在14.7V下对串联的4个蓄电池的另外充电，获得了3.7％至0电流的总容量输入。这暗示了甚至在不存在延长的恒定电压充电的情况下，在8次连续的充电之后所有的蓄电池都接近完全充满。根据所示实验结果，对于什么部件用于时间延迟的自放电机制没有硬性限制。任意集成电路、晶体管或者集成了包括电压传感器、电阻器和定时器或手动充电计数器在内的装置可以在不存在延长的恒定电压充电的情况下实现平衡串联连接的蓄电池的目标。
尽管示例6是针对如图12所示的串联连接的4个蓄电池组件，本发明的方法应用于如图5(a)-11所示排列的蓄电池以及那些结构的各种扩展版本。
表I.针对每一组蓄电池的电压随时间变化。
4013812V20Ah锂离子电池平衡充电测试
如前所述，对于单独的蓄电池单元，可以将其称作“蓄电池”或者“电池”。贯穿说明书使用的术语“蓄电池组”或者“电池组”意思是并联、串联、并联-串联或串联-并联连接的多个蓄电池。贯穿说明书使用的术语“蓄电池堆”或“电池堆”意思是并联、串联、并联-串联或串联-并联连接的多个蓄电池组。贯穿说明书使用的术语“组件”意思是当正在对蓄电池(或电池)过量充电时与蓄电池(或电池)、蓄电池组(或电池组)、蓄电池堆(或电池堆)的自放电装置共存的蓄电池(或电池)、蓄电池组(或电池组)、蓄电池堆(或电池堆)。可以使用一个或多个电池堆来构建蓄电池系统。所述蓄电池系统通常称作准备好充电/放电循环的完成形式。
在以下的三个部分中展示了三种实质性的控制。最后一个部分(部分IV)用于介绍利用所示一些示例构建先进的蓄电池系统。
部分I.平衡器
平衡器的最重要的概念是使用用于对电池放电的电压和时间双重控制。图14示出了对电池放电的典型平衡器的流程图。一个(或几个)IC(集成电路)设计用于监测每一个电池的电压和对每一个电池放电的时间。典型的示例是印刷电路板上的IC，所述IC同时控制8个信道。独立地监测每一个信道电压，并且也独立地对电池放电的时间进行计数。取一个信道作为示例：当电池电压超过阈值电压时，开始电池的放电。只有当电池电压下降为小于阈值电压一定的时间段时才终止放电活动性。可以依赖于应用将持续时间设置为短至几分钟、长至几小时。典型的情况是：当电压超过3.5V时，具有额定10Ah容量的电池开始放电。外部10Ohm电阻器用于对电池放电，并且当电压下降为小于3.5V1小时时终止放电活动性。
部分II.过量充电/过量放电保护
在图15中示出了针对每一个电池的典型过量充电/过量放电保护流程图。与部分I中介绍的平衡器类似，将IC设计为监测针对每一个电池的过量充电/过量放电条件。典型的示例是印刷电路板上的IC，所述IC同时控制8个信道。当针对电池满足过量充电条件(典型地4.0V)时，向继电器(通常是电磁闭锁继电器)发送脉冲，所述继电器终止来自充电器的电流输入，以防止所述电池中的过量充电。在诸如在300V或以上操作的插入时混合车辆的高电压应用的情况下，代替使用立即终止充电活动性的继电器，向车辆ECU(电子控制单元)发送过量充电信号，用于终止所述充电活动性，以防止损坏诸如马达或交流发电机组(genset)之类的其他板上电子装置。
本发明中实质的过量充电控制的一个最重要的特征是继电器的“自动恢复”功能。典型的示例是同时控制8个信道的IC。当针对电池之一满足过量充电条件时，向继电器(通常是电磁闭锁继电器)发送脉冲，所述继电器终止从充电器的电流输入，用于防止对所述电池过量充电。当“所有”电池电压下降至预设电压时恢复充电。这意味着当“所有”电池电压下降为小于预设电压时恢复充电活动性(请参考图15)。对于锂铁磷氧化物或者其他LiFePO4型电池的情况，这种典型的电压可以是3.4V。
部分III.充电器
本发明实质性的一个更重要的特征是充电器的控制。通常，锂离子电池适用于这样的充电条件：开始恒定电流充电阶段，接着是延长时间段的预设电压下恒定电压充电阶段。在本发明中，当电压遇到预设电压(典型地较高的电压时)所述充电器终止充电活动性。并且当电压下降为小于另一个预设电压(典型地较低的电压)时引导充电活动性的恢复。同样，可以存在预设的时间段。充电器在两个预设电压之间“终止”和“恢复”的特征暗示着在本发明中不需要恒定电流充电。
在终止和恢复充电活动性的同时，代替断开DC端(电流输出端)处的继电器，当断开时其可能产生电弧，可以在充电器的AC端(电流输入端)处执行从充电器的充电的终止。这种程序有助于防止在继电器处发展的电弧，从而提高了继电器的安全性和服务寿命。例如，在诸如在300V或以上操作的插入式混合车辆之类的高电压应用的情况下，由于安全性的原因应该在AC端执行充电的终止。虽然如此，经由使得能够实现“恢复电压”条件的控制将充电电流最小化将导致与使用继电器直接切断相同的结果。
部分IV.蓄电池系统
根据如在背景技术中所述的蓄电池系统的定义，蓄电池系统是准备好与充电器相连的一个或多个电池堆(蓄电池堆)的组合。以下示例说明了蓄电池系统如何利用正确的控制而良好地执行：1.用于平衡的放电机制；2.具有恢复特征的过量充电保护；3.具有高电压切断和恢复特征(或者低电压或者预设的时间段)的充电器终端。
示例7，包括两个串联的电池堆的52V蓄电池系统
在本示例中，使用52V蓄电池系统进行说明。这种52V蓄电池系统包括两个串联的电池堆，每一个电池堆表现为26V。每一个电池堆包括8组串联的电池组，所述每一个电池组并联8个电池。每一个电池具有10Ah的容量。
在这种蓄电池系统中，当电池组电压超过3.5V时，利用5Ohm的电阻器对每一个电池组放电。当每一个电池组电压下降为小于3.5V时，将计数一个小时的持续时间，然后在放电结束时引导放电的终止。
针对每一个电池组将过量充电条件设置为4.15V。当“所有”上述电池组都小于3.65V时将恢复充电电压设置在3.65V。在这种情况下，将8信道过量充电/过量放电印刷电路板用于监测8个电池组电压、并且分别在4.15V(当任一组遇到这一电压时)和3.65V(当全部8个电池组都小于这一电压时)下执行“充电终止”和“充电恢复”。在每一个电池堆中配置通过所述过量充电/过量放电板触发的继电器。
在该示例中使用的充电器是传统的铅酸蓄电池充电器，其执行恒定功率输出。在这种情况下，将切断电压设置在56.5V并且将恢复电压设置在53.8V。当达到切断电压时，在AC端配置的继电器关断(56.5V)。类似地，当满足恢复电压(53.8V)时，所述继电器再次接通。
首先将电池堆放电至容量为0％。在对两个串联的电池堆充电之前，将电池组之一预充电至其额定容量的10％(8Ah)。图16(a)示出了所记录的蓄电池系统电压，16(b)示出了充电电流，以及16(c)示出了蓄电池系统容量。图16(d)示出了10％预充电的电池组的电压以及没有预充电的一个普通电池组用于比较。所有附图均按照相同的时间尺度示出，因此可以将所述附图堆叠进行比较。从图16(a)至(d)，可以总结出以下几个方面：
1.在通过充电器设置的56.5V切断电压之前，达到了由过量充电/过量放电板设置的4.15V切断调节。在这一时间段期间，首先通过过量充电/过量放电板来确定继电器状态“接通”或“关断”，在每一个附图中表示为“通过过量充电/过量放电板控制的充电”。正在触发的继电器是在蓄电池模块中配置的继电器。
2.在“通过过量充电/过量放电板控制的充电”时间段期间，总蓄电池组件电压逐渐增加至蓄电池的切断电压。当达到56.5V时，充电器上的继电器开始指示所述充电过程。这在每一幅图(从图16(a)至图16(d))中表示为“通过分配给充电器的预设电压范围控制的充电”。在这一时间段期间触发的继电器是在所述充电器中配置的继电器。
3.在没有平衡器的情况下，没有机会在充电时间段平衡电池容量。
4.在没有过量充电/过量放电板的情况下，存在充电期间对电池过量充电的机会。这从图3看是明显的，因为当蓄电池系统只是55V时达到4.15V切断。如果通过充电器强制达到56.5V，一定会发生电池电压高于4.15V。值得注意的是当将大量电池(或者电池组、或者电池堆)串联连接时更可能发生电池过量充电。针对于EV或者插入式混合车辆的应用尤其明显(请参考示例7)。
5.在不存在任意电池的“过量充电”风险的情况下，从而对于锂离子蓄电池允许在不限制恒定电压和恒定电流充电的情况下拥有重复充电能力的充电器。
随后对如图16(a)至16(d)所示充电的蓄电池系统进行放电，并且在图17中示出了容量随时间的变化。这证明了在受控的重复充电之后80Ah的总容量是可恢复的。
本发明的更容易理解的描述：
1.利用a)用于平衡的放电机制、b)具有恢复特征的过量充电保护以及c)具有高电压切断和恢复特征的充电器终端的控制，可以将具有不稳定电压和电流输出(或者针对所述蓄电池系统的输入)的任意可再生能源用于对蓄电池系统充电，而不会受到损坏蓄电池系统(例如对电池或电池组充电)的风险，同时保持所述蓄电池系统中的电池或电池组平衡。换句话说，所述可再生能量电源可以是用于对蓄电池系统充电的充电电源。
2.可以依赖于系统的设计在蓄电池系统一侧上、充电器一侧(或者可再生能量输出一侧)上或者在这两侧上引导充电活动性终止。
3.可以通过小电流输入来代替充电活动性终止(不充电)。所述电流幅度可以等于或小于对电池或者电池组放电的电流。然而，具有高电压切断(接着是受限的电流幅度)和恢复(通过地电压或者预设的时间段来触发)特征的充电器终端确保了在重复的充电之后将蓄电池系统完全充电。在示例II的描述中可以找到一些详情。
示例8，包括6个串联电池堆的312V蓄电池系统
在本示例中，构建312V蓄电池系统进行说明。这种312V蓄电池系统版包括6个串联的电池堆，每一个表现出52V。每一个电池堆包括16组串联的电池组，每一个电池组中具有并联的3个电池。每一个电池具有18Ah的容量。存储了总共15kWh的能量用于插入式混合应用。
在这种蓄电池系统中。当电池组电压超过3.5V时，利用5Ohm电阻器对每一个电池组放电。当电池组电压下降为小于3.5V时，计数一个小时的持续时间，并且在放电结束时引导放电终止。
针对每一个电池组将过量充电条件设置为4.15V。当监测的“所有”电池组小于3.65V时，将恢复充电电压设置为3.65V。在这种情况下，将8个信道过量充电/过量放电印刷电路板的两个用于监测每一个电池堆中的16个电池组电压。当所述过量充电/过量放电板信道的任一个处于分别在4.15V(当任一个电池组遇到这一电压)和3.65V(当所有8个电池组小于这一电压)时触发的“充电终止”和“充电恢复”条件时，过量充电/过量放电板向车辆ECU发送信号。然后，ECU向充电器发送控制器区域网络(CAN)消息，用于将充电器电流最小化为小于或等于通过平衡器电流的幅度。在这种情况下零电流是可能的，其与示例7中描述的“终止”条件类似。还应该提到的是可以通过断开电源的AC端来实现“终止”，从而实现了与如上所述的电流幅度最小化方法相同的结果。
无论何时ECU从任一个电池组接收到“过量充电”信号或者检测到蓄电池系统电压超过336V(假设一个堆中56个电池，并且6个电池堆串联)，将充电电流终止或者最小化1小时的持续时间(例如平衡器工作时间)。恢复的充电从而确保了在不会有“通过过量充电损坏”风险的情况下在几个小时内将蓄电池系统完全充满。当然，如果达到了由充电器检测的低恢复电压(318V，假设一个堆中53V，并且6个堆串联)，也可以在1小时的限制(如前所述)之前恢复所述充电。
再次，在本发明中介绍了三种主要控制：a)用于平衡的放电机制；b)具有恢复特征的过量充电保护；以及c)具有高电压切断和恢复特征(通过电压或时间恢复)的充电器终端，确保了甚至在诸如插入式混合车辆应用之类的大系统应用中也可以在较短的时间内将蓄电池系统完全充电并且进行平衡。

Claims (19)

1.一种可再充电蓄电池系统，具有多个电池和用于对所述可充电蓄电池系统进行充电的充电装置，所述可再充电蓄电池系统包括：
多个电池，电连接用于形成可再充电蓄电池系统；
用于连续不断地测量自放电电压的自放电电压测量装置和相应的自放电装置，两个装置都与串联电路中的多个电池的每一个电池、串联电路中的多个电池组的每一个电池组和串联电路中的多个电池堆中的每一个电池堆并联连接；
过量充电电压测量装置，用于连续不断地测量串联电路中的多个电池的每一个电池、串联电路中的多个电池组的每一个电池组串联电路中的多个电池堆中的每一个电池堆两端的过量充电电压；
充电装置，与所述可再充电蓄电池系统串联连接，用于对所述可再充电蓄电池系统的所有电池进行充电；
系统电压测量装置，用于连续不断地测量所述充电装置两端的系统电压；
限制装置，用于对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；以及
控制装置，用于控制所述可再充电蓄电池系统，其中：
(a)在充电期间，如果通过所述自放电电压测量装置的任一个测量的自放电电压≥预设的自放电电压，那么相应的自放电装置操作直到所测量的自放电电压小于所述预设的自放电电压为止，然后停止所述相应的自放电装置的操作；以及
(b)在充电期间，如果所测量的过量充电电压的任一个>预设的过量充电电压，那么限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流，然后当所有测量的过量充电电压≤预设的第一恢复电压时，停止对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；以及
(c)在充电期间，如果所测量的系统电压>预设的总电压，限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流，然后当所测量的系统电压≤预设的第二恢复电压时，不再限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流；以及
(d)在充电期间，如果对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制的时间段>预设的系统时间段，那么不再对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制。
2.根据权利要求1所述的可再充电蓄电池系统，其中：
在(a)中，当所述自放电装置操作直到所测量的自放电电压小于所述预设的自放电电压时，所述自放电装置还操作预设的时间段。
3.根据权利要求2所述的可再充电蓄电池系统，其中
所述预设的时间段是提供串联电路中的电池、串联电路中的电池组和串联电路中的电池堆中的至少一个的充电容量的预设百分比的放电的时间段。
4.根据权利要求3所述的可再充电蓄电池系统，其中
所述充电容量的预设百分比在0.1％至20％的范围中。
5.根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，其中
所述充电装置是可再生能量电源装置。
6.根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，其中
所述充电装置是光伏电池充电器、风力发电充电器和内燃机发电充电器中的至少一个。
7.根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，其中
在(b)和(c)中，当对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制时，将所述充电电流限制为零。
8.根据权利要求7所述的可再充电蓄电池系统，其中
所述限制装置是如下中的至少一种：所述充电装置和所述可再充电蓄电池系统的串联电路中的断路器、所述充电装置的DC输出处的断路器以及所述充电装置的AC输入处的断路器。
9.根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，其中
在(b)和(c)中，当对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制时，将所述充电电流限制为等于或小于对串联电路中的电池、串联电路中的电池组和串联电路中的电池堆之一进行放电的电流的数量。
10.根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，其中
用于控制所述可再充电蓄电池系统的控制装置是集成电路和印刷电路板中的至少一个。
11.根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，其中
在(d)中，对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制的预设系统时间段在0.5至1.5小时的范围中。
12.一种车辆，包括：
电动机；以及
根据权利要求1或2所述的可再充电蓄电池系统，用于向所述电动机提供电能。
13.一种对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，所述可再充电蓄电池系统具有多个电池和用于对所述可充电蓄电池系统进行充电的充电装置，所述方法包括：
提供多个电池，所述多个电池电连接用于形成可再充电蓄电池系统；
提供用于连续不断地测量自放电电压的自放电电压测量装置和相应的自放电装置，两个装置都与串联电路中的多个电池的每一个电池、串联电路中的多个电池组的每一个电池组和串联电路中的多个电池堆中的每一个电池堆并联连接；
提供过量充电电压测量装置，用于连续不断地测量串联电路中的多个电池的每一个电池、串联电路中的多个电池组的每一个电池组和串联电路中的多个电池堆中的每一个电池堆两端的过量充电电压；
提供充电装置，所述充电装置与所述可再充电蓄电池系统串联连接，用于对所述可再充电蓄电池系统的所有电池进行充电；
提供系统电压测量装置，用于连续不断地测量所述充电装置两端的系统电压；
提供限制装置，用于对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；
提供控制装置，用于控制所述可再充电蓄电池系统；
开始充电，以及：
(a)在充电期间，如果通过所述自放电电压测量装置的任一个测量的自放电电压≥预设的自放电电压，那么相应的自放电装置操作直到所测量的自放电电压小于所述预设的自放电电压为止，然后停止所述相应的自放电装置的操作；以及
(b)在充电期间，如果所测量的过量充电电压的任一个>预设的过量充电电压，那么限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流，然后当所有测量的过量充电电压≤预设的第一恢复电压时，不再停止对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；以及
(c)在充电期间，如果所测量的系统电压>预设的总电压，限制对于所述可再充电蓄电池系统的充电电流，然后当所测量的系统电压≤预设的第二恢复电压时，停止对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制；以及
(d)在充电期间，如果对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制的时间段>预设的系统时间段，那么不再对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制。
14.根据权利要求13所述的对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，其中：
在(a)中，当操作所述自放电装置直到所测量的自放电电压小于所述预设的自放电电压时，还操作所述自放电装置预设的时间段。
15.根据权利要求14所述的对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，其中
所述预设的时间段是提供串联电路中的电池、串联电路中的电池组和串联电路中的电池堆中的至少一个的充电容量的预设百分比的放电的时间段。
16.根据权利要求15所述的对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，其中
所述充电容量的预设百分比在0.1％至20％的范围中。
17.根据权利要求13所述的对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，其中
在(b)和(c)中，当对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制时，将所述充电电流限制为零。
18.根据权利要求13所述的对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，其中
在(b)和(c)中，当对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制时，将所述充电电流限制为等于或小于对串联电路中的电池、串联电路中的电池组和串联电路中的电池堆之一进行放电的电流的数量。
19.根据权利要求13所述的对可再充电蓄电池系统进行充电的方法，其中
在(d)中，对所述可再充电蓄电池系统的充电电流进行限制的预设系统时间段在0.5至1.5小时的范围中。
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