CN108370169A - 锂-硫电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

提供了用于确定锂‑硫电池(LS1)的荷电状态的锂‑硫电池管理系统。该管理系统包括具有至少一个电抗元件(Cb)的第一电路，并且该第一电路被配置为经由至少一个电抗元件(Cb)从电池(LS1)进行固定的电荷量放电和对电池(LS1)进行固定的电荷量充电。所述管理系统还包括用于监视放电和充电的第二电路(DA1、MC1)，并且该第二电路被配置为测量固定的电荷量的放电时间和充电时间，并且基于那些时间确定荷电状态。进一步提供了用于确定锂‑硫电池的荷电状态的方法。

Description

锂-硫电池管理系统
技术领域
本发明一般地涉及一种用于确定锂-硫电池的荷电状态(the state of charge)的锂-硫电池管理系统。
背景技术
可靠地确定在例如便携式电子产品和电动车辆运输中用作电源的电池的剩余电量的能力被制造商和消费者同样高度重视，以便计算车辆的剩余使用时间或可用距离。
在汽油车辆的情况下，可以简单地测量燃料液位，然而在电动及混合动力车辆和电子装置中，因为电池被用作其电源，所以测量电池中累积的残余能量更加困难。电池的荷电状态(SOC)可以例如被表示为直到需要再充电为止的电池中剩余容量的量与由该电池提供的总容量相比的百分比指示符。
认为SOC0是在时间t0处的初始SOC百分比，在时间t处的电池的SOC百分比被定义为：
其中，I是电流，其被定义为对于放电来说为负并且对于充电来说为正，并且Qt是以Ah为单位的电池的最大容量。
其中电池被认为是充满电的初始SOC0可以参照对电池进行放电之前的最大开路电压(OCV)来设置，可选地参照电阻和温度测量来设置以提高精度。
测定各种化学电池的SOC的常见方法是基于电压测量，其中，典型地电池的电压将关于其剩余容量下降。然而，锂-硫电池的电压并不随电池放电而线性地下降，并且对于放电特性中的大部分来说典型地是平稳的，这意味着电压的使用并不非常适合确定锂-硫电池的SOC。
确定电池的SOC的另一已知方法是从电池开始放电的时刻执行库伦计数，使得由电池输出的电荷被计数并且仍然在电池内的剩余电荷可以被计算。对于任何电池来说，库伦计数只有在任何放电的启动之前初始容量值是已知的情况下才是切实可行的，并且如果没有使用其他的容量估算方法，那么库伦计数只有当电池从100％SOC启动时才可以实际被实施。在实践中，电池可能并不从充满电状态开始其放电，或因为其已经经受局部放电、尚未充满电或经受自放电，并且因此需要确定放电开始容量的额外方法。
已经被研究用作SOC确定手段的锂-硫电池的一个特性是如在先前专利申请(诸如申请美国2009/0055110(Sion Power))中确定的电池的内部电阻与其SOC之间的可测量的关系。典型地，电池电阻的确定是通过在充电或放电任一者中施加已知电流、监视电压的变化、以及应用特定的算法来预测电池SOC。
实践中，通过电流源的应用的电池电阻的确定并不是如此直接，如在欧洲专利申请号1506497.5(OXIS Energy等)中所确定的，因为存在与确定电阻时所使用的施加的电流脉冲的持续时间和电池的响应有关的其他因素。这些因素通常基于锂-硫电池在载荷(或者充电)下的特性。在上述欧洲专利申请号1506497.5(OXIS Energy等人)中已经使用预测误差最小化(Prediction Error Minimisation)和自适应神经模糊推理系统(AdaptiveNeuro-Fuzzy Inference System)SOC估算的过程解决了在载荷下时解决锂-硫电池特性的问题的尝试，宣称5％的容量确定的潜在平均误差和14％的最大误差。然而，此技术的实施需要相当复杂精妙的算法和合适的处理能力以处理所需的计算次数。
因此，本发明的一个目的是提供用于确定锂-硫电池的SOC的改进的系统。
发明内容
根据本发明的各种实施例，提供了根据所附权利要求1至14中的任意一项所述的用于确定锂-硫电池的荷电状态的锂-硫电池管理系统。该管理系统包括具有至少一个电抗元件的第一电路，并且该第一电路被配置为经由至少一个电抗元件从电池进行固定的电荷量放电和对电池进行固定的电荷量充电。该管理系统还包括用于监视放电和充电的第二电路，并且第二电路被配置为测量固定的电荷量的放电时间和充电时间，并且基于那些时间确定荷电状态。
由于固定的电荷经由至少一个电抗元件而被施加去向和来自(to and from)该电池，所以以固定的电荷量对电池放电/充电的时间是电池的内部电阻的函数，这是因为通过至少一个电抗元件的放电/充电的速率将被内部电阻缓和。如上面进一步指出的，在SOC和内部电阻之间存在关系。因此，在SOC和放电/充电时间之间也存在关系，允许从放电/充电时间确定SOC。
锂硫电池关于给定SOC的充电电流的内部电阻将不同于其关于相同SOC下的放电电流的内部电阻。此外，在充电下的内部电阻可能并非总是为所有SOC提供准确的SOC，并且在放电下的内部电阻可能并非总是为所有SOC提供准确的SOC，然而放电时的内部电阻(经由放电时间)和充电时的内部电阻(经由充电时间)的组合允许为所有SOC确定准确的SOC。这稍后参照图1中示出的放电和充电特性更详细地讨论。
优选地，所述固定的电荷量包括：第一固定的电荷量，在放电时间期间第一固定的电荷量从电池放电；和第二固定的电荷量，在充电时间期间第二固定的电荷量充电到电池中，其中，第一固定的电荷量和第二固定的电荷量基本上是彼此相同的值，使得放电和充电对于电池的荷电状态没有显著的整体影响。此过程可以由电子设备自动地控制，而没有对电池容量的任何显著的整体影响，提高了容量估算的精度。
有利地，至少一个电抗元件可以包括存储电容器(storage capacitor)，并且该存储电容器的大小可以固定从电池放电和对电池充电的固定的电荷量。例如，当所有其他因素不变时，电容器的大小加倍可以使固定的电荷量加倍。例如如果该电容器在其电荷容量的90％和10％之间被充电和放电，则固定的电荷量可以小于该电容器能够存储的最大电荷量。优选电容器分别在小于其容量的98％和大于其容量的2％之间被充电和放电，以避免过长的充电和放电时间。如对本领域技术人员来说将是显而易见的，如果电池被用于经由电池的内部电阻在其容量的100％和0％之间对电容器充电和放电，那么由于充电和放电特性的指数性质这将花费非常长的时间。
由于对电容器充电的时间常数是基于其电容和线性(in line)串联电阻(RC时间常数)，在此情况下存储电容与内部电池电阻串联，在两个荷电状态之间(例如在10％和90％之间)对存储电容充电的时间将代表内部电阻。
可选地，至少一个电抗元件可以包括与存储电容器连接的电感器。然后，可以测量经由该电感器流向和流出存储电容器的电流。此电流的变化速率将取决于电池的内部电阻，并且因此可以测量用于电流在两个不同值之间转变的时间，以确定内部电阻并因此确定SOC。优选地，电流感测电阻器与电感器串联连接，跨电流感测电阻器产生的电压对应于流过电感器的电流，使得该电流可以被容易地测量。
有利地，第一电路可以包括升压转换器(step-up converter)。然后，可以在测量放电时间时从电池对存储电容器充电，并且然后使用升压转换器，在测量充电时间时，电容器中能量可以被放电回到电池中。例如，第一电路可以包括与存储电容器连接的开关网络，开关网络被配置为将存储电容器的第一端子在较低和较高电压电位之间切换，以执行经由存储电容器的第二端子对电池的放电和充电。这种切换可以包括将储存电容器(reservoircapacitor)在与存储电容器串联和非串联之间切换，以分别执行对电池的放电和充电。储存电容器的大小优选比存储电容器的大小大得多，例如至少20倍大，更优选50倍大，或者100倍大。
为了帮助提高时间测量的精度并且减少系统中任何噪声的影响，第二电路可以被配置为反复地切换此开关网络以重复多次地对电池放电和充电，并且以基于放电时间的总和、充电时间的总和、以及可选地放电和充电时间的总和来确定SOC。重复次数可以例如是10次或者甚至100次。对容量估算的精度的进一步提高可以通过持续监视电池在不使用时的SoC并且使用算法和平均化(averaging)技术来跟踪任何自放电周期的电池容量的劣化。
第二电路可以被配置为基于查询表确定SOC，该查询表提供用于放电和充电时间的多个组合中的每个的荷电状态值。因此，该锂-硫电池管理系统可以不必执行复杂计算来确定SOC，而可以基于放电和充电时间从查询表中简单地查找正确的SOC。优选地，该查询表可以被修改以考虑电池温度，并且因此该锂-硫电池管理系统可以进一步包括被配置为感测电池的温度的第三电路。该查询表也可以被修改以考虑电池老化，其可以如上段中描述那样被追踪。
有利地，第二电路可以被配置为基于放电和充电时间的总和来确定所述电池的健康状态(health)。该健康状态可以通过将放电和充电时间与标称参考查询值以及与存储器中保存的相对SOC的先前放电/充电时间的记录进行比较来确定。
考虑到对于固定的电容来说，放电和充电时间直接与关于放电和充电电流的电池电阻成比例，可以将放电时间、充电时间的总和、以及放电和充电时间的总和与查询表进行比较来确定SOC。显然，代替根据温度和电池老化修改查询表，该查询表可以保持不变，而可以在与查询表比较之前根据温度和电池老化修改充电和放电时间的总和。温度和电池老化对锂硫电池的影响在本领域中是众所周知的，并且因此在本文中不进行详细描述。
可替选地，可以基于指定SOC与放电时间和充电时间之间的关系的预定的式子而不是使用查询表来计算SOC。
第二电路可以被配置为监视第一电路的两个点之间的电压差、当该电压差下降到低于预定水平时确定放电或充电充分地完成、以及作为响应分别将第一电路从放电切换至充电或者从充电切换至放电。例如，当跨与电感器串联连接的电流感测电阻器的电压下降到低于预定水平时，第二电路可以确定放电完成，或者当跨存储电容器的电压下降到低于预定水平时，第二电路可以确定充电完成，这取决于该两个点是跨电流感测电阻器还是存储电容器。相反地，当跨存储电容器的电压升高到高于预定水平时，第二电路可以确定放电完成，或者当跨与电感器串联连接的电流感测电阻器的电压升高到高于预定水平时，第二电路可以确定充电完成，注意，考虑到流过电流感测电阻器的电流在充电时与放电时相比是相反方向，电压将从负值朝向零升高。显然，代替跨存储电容器或者跨电流感测电阻器，差分放大器可以跨第一电路的两个其他点连接，前提是该两个点表现出对应于至少一个电抗元件的时间常数的电压差变化。
有利地，差分放大器的输出可以与开关网络的控制端子连接，以基于差分放大器的输出在对电池进行放电和充电之间切换。这向开关网络提供了模拟并因此快速的反馈，使得放电和充电之间的切换被没有延迟地执行。
进一步提供了根据所附权利要求15所述的用于确定锂-硫电池的SOC的方法。该方法包括：测量经由第一电抗元件以第一固定的电荷量对锂-硫电池进行放电的第一时间；测量经由第二电抗元件以第二固定的电荷量对锂-硫电池进行充电的第二时间；以及基于第一时间和第二时间确定荷电状态。第一电抗元件可选地是与第二电抗元件相同的电抗元件，并且第一固定的电荷可选地是与第二固定的电荷相同的电荷量。可选地，第二时间可以在早于第一时间的时间发生。
此公开涉及对电池放电和充电，尽管这并不表明对于放电发生在充电之前的任何要求，并且如果需要的话充电可以发生在放电之前。通常，电荷被认为从相对较高的电压电位流向相对较低的电压电位。
附图说明
现在将仅经由非限制性示例并参照附图来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了典型的锂硫电池在充电和放电期间的电池内部电阻特性的曲线图；
图2示出了根据本发明的第一实施例的电池管理系统的示意图；
图3示出了在对电池充电和放电期间由图2的系统的电容器保持电荷水平的时序图；
图4示出了根据本发明的第二实施例的电池管理系统的更详细的示意图；
图5示出了在各种温度下对典型的锂硫电池充电时电池电阻的曲线图；
图6示出了在各种温度下对典型的锂硫电池放电时电池电阻的曲线图；以及
图7示出了根据本发明的第三实施例的电池管理系统的示意图。
附图未按比例绘制，并且相同或相似附图标记表示相同或相似特征。
具体实施方式
参照图1，示出了电池内部电阻相对SOC的曲线图，示出了典型的锂硫电池的内部电阻随其SOC从0(0％充电)增大至1.0(100％充电)而大体上如何减小。该曲线图包括在对电池充电时的测量结果的曲线4和在对电池放电时的测量结果的曲线6。可以看出的是，电池的内部电阻在电池放电时比电池充电时高。
充电曲线4在大约60％SOC处具有扭折(kink)5，这意味着仅仅充电曲线并不毫无疑义地允许针对任何给定测量出的电阻值来确定SOC，例如在充电下测量出的0.11Ohm的电阻值可以对应于大致50％的SOC或者大致62％的SOC，这取决于测量结果实际上对应于扭折5的哪一侧。放电曲线6在大约80％SOC处具有扭折7，致使与扭折5的类似的问题。然而，由于这些扭折发生在沿SOC曲线4和6的不同点处，本发明人已经意识到在充电和放电两者下进行的电阻测量可以彼此结合使用以帮助毫无疑义地识别被测试电池的SOC。例如，回到充电下0.11Ohm的示例测量结果，也可以测量放电下的电阻，以便确定充电下0.11Ohm的测量结果是对应于在扭折5之前还是之后的点(对应于50％SOC或62％SOC两者中的任一点)。在本发明中测量的充电和放电时间直接与电池充电和放电内部电阻成比例，这允许基于充电和放电时间确定SOC。
现在将参照图2和图3来描述本发明的第一实施例。图2示出了与锂硫电池LS1的正和负端子T1和T2连接的电池管理系统的示意图。在此实施例中，锂硫电池LS1由单个单元(cell)组成，然而将要理解的是，在可替选实施例中在电池LS1内多个单元可以彼此串联和/或并联组合。电池管理系统包括由电阻器Ra和Rb、电容器Ca和Cb、开关SWa和SWb以及二极管D1形成的第一电路。电容器Cb被认为是存储电容器，因为其被用于在将该电荷充电回到电池LS1中之前存储从电池LS1放电的电荷。存储电容器Cb具有两个端子N1和N2。端子N1经由电阻器Rb与正电池端子T1连接，并且开关SWb将端子N2连接至负电池端子T2(经由二极管D1)或电容器Ca的端子N3。
电容器Ca被认为是储存电容器，因为其被用于存储相对大的电荷量，用于提高和降低存储电容器端子N2的电压，以控制是否使存储电容器向电池LS1发送电荷或者从电池LS1接收电荷。
电阻器Ra、开关SWa和储存电容器Ca彼此全部串联连接在电池端子T1和T2之间，使得开关SWa可以被用于将储存电容器Ca和电阻器Ra切换进入到电池端子T1和T2之间连接中，以便对储存电容器Ca充电达到与电池LS1相同的电压。电阻器Ra具有小的值，其在开关SWa被第一次闭合时足以防止过大电流流入到储存电容器Ca中。开关SWa与储存电容器Ca的端子N3连接、处在储存电容器Ca与正电池端子T1之间。
电池管理系统还包括第二电路，其由差分放大器DA1和微控制器MC1形成。差分放大器具有与存储电容器的端子N1和N2连接的两个输入端，并且监视那两个端子N1和N2之间的电压差，并且具有与微控制器MC1连接的输出端。微控制器MC1接收差分放大器DA1的输出，并且基于该输出生成开关控制信号M0，以用于控制开关SWa和SWb。
在使用时，微控制器开关控制M0起初闭合开关SWa，并且设置开关SWb将存储电容器端子N2连接至储存电容器端子N3。然后，待测量的电池LS1的端子T1和T2被连接到该电路中，如所示，并且电池LS1经由电阻器Ra对储存电容器Ca充电以达到电池电压。存储电容器Cb中的任何残余电荷被放电，因为其端子N1和N2经由开关SWa和SWb以及电阻器Ra和Rb而被连接在一起。
一旦储存电容器Ca基本上充满电，在时间0T处，开关SWa就被断开并且开关SWb被切换至将存储电容器的端子N2经由二极管D1连接至电池的负端子T2。如图3的时序图(其示出了存储电容器端子N1和N2之间的电压)中所示，这致使存储电容器Cb通过电阻器Rb充电。电阻器Rb是小的，并且其目的是当存储电容器Cb开始充电时防止从电池LS1流出过大电流。如对本领域技术人员来说将是显而易见的，这种充电的速率也受到电池LS1的内部电阻的限制，并且如对本领域技术人员来说也将是显而易见的，此内部电阻与电阻器Rb相结合以形成具有T＝内部电阻+Rb)*Cb的时间常数的串联的RC电路。就此时间常数标记图2的x轴，并且在图2上可以看出的是，在2.2T过去之后存储电容器Cb达到90％电荷(电压是电池电压的90％)。
跨存储电容器Cb的此电压由差分放大器DA1测量，并且由微控制器MC1检测。当此电压指示电容器Cb是10％充电时(在图3上标记的0.1T处)，微控制器MC1开始计时。当此电压指示电容器是90％充电时(在图3上标记的2.2T处)，微控制器停止计时，并且将此时间存储为电池放电以将存储电容器从10％充电达到90％所花费的放电时间。此外，微控制器MC1改变开关控制输出M0，以将存储电容器Cb的端子N2连接至储存电容器Ca的端子N3。由于储存电容器Ca已经充电达到电池电压，这使存储电容器Cb的端子N2处的电压升高达到电池电压的100％，并且因此使存储电容器的端子N1升高达到电池电压的190％。存储电容器Cb然后开始通过电阻器Rb放电到电池LS1中，对电池LS1充电。微控制器从图3上示出的2.2T开始对此充电时间计时。
在4.3T之后，差分放大器DA1的输出电压向微控制器指示跨存储电容器Cb的电压已经下降至10％电荷(电池电压的10％)，并且微控制器停止对该充电时间计时。在这时，微控制器可以使用从0.1T至2.2T的放电时间和从2.2T至4.3T的充电时间与查询表相比较以确定电池的SOC。注意，由于电池在放电和充电下的不同内部电阻，在0.1T至2.2T期间的T值将不同于在2.2T至4.3T期间的T值。相应地，图3曲线图的x轴整个并不是线性的。
在此实施例中，代替单独考虑放电时间和充电时间，一再重复多次地执行相同的放电和充电循环。然后，所有的放电时间可以被相加，所有的充电时间可以被相加，并且所有的放电和充电时间可以被相加，以产生用于与查询表比较的三个值。这将任何噪声或测量误差的影响平均化，并且应该产生更准确的结果。放电/充电循环数(将根据其进行SOC计算)将取决于所需的精度、彼此并联连接的电池单元数以及该系统的阻抗，不过可以例如在10至100个放电/充电循环之间。储存电容器Ca的大小优选比存储电容器Cb的大小大得多，例如储存电容器Ca可以是大约1F，并且存储电容器Cb可以是大约10mF。然后，可以执行多个放电/充电循环，而跨储存电容器的电压不会显著地变化。
起初可以从针对锂硫电池的一组典型的测量结果来构建查询表，其中诸如库伦计数的技术被用于确定何种SOC通常对应于何种放电和充电时间。或者，可以测量全放电循环，其中100％和0％SOC状态被用于插值(interpolate)在测量每对放电和充电时间时电池所处的SOC。
现在将参照图4来描述本发明的第二实施例，其示出了比图2更详细的示意图。第二实施例的主要操作原理与第一实施例的主要操作原理相同，其中存储电容器C2的端子N5与储存电容器C1连接和断开连接，以分别对锂硫电池LS2充电和放电。
图4的示意图明确地表示了具有电阻器R1的电池LS2的内部电阻，其在如图1中所示的放电和充电下将改变。电阻器R1被串联连接在正电池端子T3和负电池端子T4之间。微控制器MC2具有输出M3(用于在放电/充电循环之前控制何时经由电阻器R3对储存电容器C1充电)和来自形成差分放大器的Op-Amp OP1的输入M1(用于测量存储电容器C2的端子N4和N5之间的电压差)。微控制器MC2监视输入M1以测量放电和充电时间的长度，并且基于那些时间来计算电池LS2的SOC。
储存电容器C1与存储电容器C2串联的脱离和进入的切换受来自Op-Amp OP1的输出的反馈的控制。Op-Amp的输出与开关晶体管SW3的栅极直接连接，并且经由非门NG1而与开关晶体管SW2的栅极连接，使得开关晶体管SW2和SW3共同地形成类似于图2的SWb的单刀双掷开关。
当存储电容器C2处在10％电荷时，在电池LS2的计时的放电周期的起始时，端子N5处的电压是0V并且在端子N4处的电压是电池电压的10％。Op-Amp OP1的输出与电池电压相同，并且开关SW2被断开且开关SW3被闭合。在电池的计时的放电周期的结束时，当存储电容器C2处在90％电荷时，端子N5处的电压是0V并且端子N4处的是电池电压的90％，致使Op-Amp OP1将其输出从电池电压翻转至0V，这闭合开关SW2并且断开开关SW3，启动电池LS2的计时的充电周期，其中端子N5处的电压与电池电压相同并且N4处的电压转变至电池电压的190％。
随着电池被充电，存储电容器C2电荷水平下降，并且当其利用端子N4处的电池电压的110％的电压达到10％电荷时，Op-Amp OP1的输出翻转回升至电池电压。这种循环持续地重复，其中微控制器MC2测量放电和充电时间周期之间的边界(对应于Op-Amp OP1输出中的翻转)。使用这些时间，微控制器MC2计算出电池LS2的SOC。间歇地，微控制器MC2可以闭合开关SW1以加满(top-up)储存电容器C1中的电荷。
电感器L1和电阻器R2限制涌入到存储电容器C2中的电流，并且在此实施例中分别具有1uH和0.03Ohm的值。此电阻器R2也充当平衡电阻器，其可以被调节以提供用于测量目的的最优时间常数，并且将取决于意图的系统的分辨率和精度以及并联连接的电池单元数目。在此实施例中，储存电容器C1是1F，并且存储电容器C2是10mF。在此实施例中，与Op-AmpOP1一起形成差分放大器的电阻器具有Rd1＝12KOhm、Rd2＝1.2KOhm、Rc1＝10KOhm、Rc2＝1.1KOhm的值。二极管D2被认为是理想二极管而在导通时没有跨其的电压降落，然而如对本领域技术人员来说将是显而易见的，可以考虑针对现实世界的二极管的电压降落来调节电阻Rd1、Rd2、Rc1、Rc2。
为简明起见，电池LS2的内部电阻已经被表示为R1的固定电阻，然而实际上，该电池具有在放电/充电时间周期内致使有效电阻中的一些变化的脉冲响应。然而，这并不损害放电/充电时间与电池的SOC之间的关系。
当电池LS2具有处在50％的电荷状态的单个单元时，针对放电时间的典型值将是2.74ms，对应于存储电容器C2的充电，并且在存储电容器C2的放电期间针对充电时间的典型值将是3.46ms。
如果进行100个放电/充电循环，那么放电周期(dp)0.1T至2.2T、充电周期(cp)2.2T至4.3T以及整个周期(op)0.1T至4.3T之间计时的累积在此实施例中可以提供针对20％的SOC的280ms(dp)、300ms(cp)和580ms(op)的值、针对40％的SOC的267ms(dp)、348ms(cp)和615ms(op)的值、以及针对60％的SOC的280ms(dp)、348ms(cp)和628ms(op)的值。
典型锂硫电池的放电和充电电阻将根据电池所处温度而改变。因此，如果电池管理系统要在一定范围温度下工作，那么或查询表或与查询表相比较的时间的基于温度的修改是期望的。相应地，微控制器进一步包括输入M2，其与电池管理系统的温度传感器TS1连接。温度传感器TS1靠近电池LS2定位，因此其测量电池LS2的温度。
图5的曲线图示出了在不同温度下的各种曲线，示出了典型锂硫电池在充电时的内部电阻随越来越多的电荷被添加至该电池而如何变化。此外，图6的曲线图示出了在不同温度下的各种曲线，其示出了典型锂硫电池在放电时的内部电阻随越来越多的电荷从该电池放电而如何变化。温度显然对电阻具有显著影响，然而在本领域中电阻和温度之间的关系是众所周知的，并且因此微控制器MC2可以基于已知关系容易地修改测量出的放电和充电时间以补偿温度。
使用在不同荷电状态下进行的三组测量值，也可以通过将cp、dp和op的绝对值与针对任何给定荷电状态的理想参考值进行比较来补偿由于温度、老化和外部荷载引起的电池内部电阻的变化。例如，在图4和图5的曲线图中可以看出的是，对于该电池来说，放电时的关于温度的电阻变化大于充电时的电阻变化。在特定温度下该值变化的速率可以被用于指示电池的健康状态并且进而指示电池容量的恶化。可以基于温度和cp、dp和op的值来应用算法以补偿由于温度引起的Li-S电池容量的变化和由于电池老化或荷载引起的相对理想值的容量的变化。
此外，考虑到电池的电阻可以进一步被测量为施加负载的量值和对其施加所用的频率的函数，C2和/或L1的值可以被改变以改变由电池和放电/充电频率得出的脉冲负载，以产生不同组测量结果。例如，可变的部件可以被用于C2和/或L1，或者其中C2和/或L1设置成不同值的额外电路可以被并入到该电池管理系统中。由这些额外测量结果获取的结果可以被用于提高精度、验证原始测量结果，并且更具体地允许通过验证如由多个电路的可变的荷载条件得出的电阻变化来补偿温度和电池老化的影响。例如，C2可以针对第一组测量值而被设置在10mF，并且然后针对第二组测量值而被设置在20mF。
本发明的第三实施例示出在图7中，并且这与第二实施例相同，除了由Op-Amp OP1形成的差分放大器测量电阻器R2的端子N6和N7之间的电压以外。因此，电阻器R2充当电流感测电阻器，并且允许电流流进和流出待测量的电容器C2。在电池LS2的放电期间，端子N7处于比N6更高的电压下，然而当电流水平随存储电容器达到90％电荷而充分地下降时，Op-Amp OP1输出从电池电压转变到0V，开始电池LS2的充电。然而当电流水平随存储电容器下降到10％电荷时，端子N6处于比N7更高的电压下，Op-Amp OP1输出从0V转变升到电池电压，启动放电周期。微控制器MC2以与在第二实施例中先前所描述的相同方式在输入M1处测量Op-Amp输出的转变。
将要理解的是，电抗元件的许多其他布置可以被实施以提供具有可测量的放电/充电周期的电路，并且这些电路的各点之间的电压可以被测量以确定通过这些电路来自和去往(from and to)电池的固定电荷量的放电/充电。
所描述的实施例的许多其他变化落入本发明的范围内对本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (15)

1.一种用于确定锂-硫电池的荷电状态的锂-硫电池管理系统，所述管理系统包括：具有至少一个电抗元件的第一电路，所述第一电路被配置为经由所述至少一个电抗元件从所述电池进行固定的电荷量放电和对所述电池进行固定的电荷量充电；和用于监视放电和充电的第二电路，其中，所述第二电路被配置为测量所述固定的电荷量的放电时间和充电时间，并且基于那些时间来确定所述荷电状态。
2.根据权利要求1所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述至少一个电抗元件包括存储电容器，并且其中，所述存储电容器的大小固定了从所述电池放电和对所述电池充电的所述固定的电荷量。
3.根据权利要求2所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述至少一个电抗元件包括与所述存储电容器连接的电感器。
4.根据权利要求2或3所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第一电路包括与所述存储电容器连接的开关网络，所述开关网络被配置为将所述存储电容器的第一端子在较低电压电位和较高电压电位之间切换，以执行经由所述存储电容器的第二端子对所述电池的放电和充电。
5.根据权利要求4所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第一电路包括储存电容器，并且其中，所述开关网络被配置为将所述储存电容器在与所述存储电容器串联和非串联之间切换，以分别执行所述电池的放电和充电。
6.根据任意前述权利要求所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第一电路包括开关，所述开关用于在所述储存电容器与所述存储电容器的串联和非串联的所述切换以执行所述电池的放电和充电之前，用所述电池对所述储存电容器充电。
7.根据任意前述权利要求所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第二电路被配置为监视所述第一电路的两个点之间的电压差、当所述电压差下降到低于预定水平时确定放电或充电充分地完成、以及作为响应分别将所述第一电路从放电切换至充电或者从充电切换至放电。
8.根据权利要求7所述的锂-硫电池管理系统，当其从属于权利要求4、5或者6中的任意一项时，其中，所述第二电路包括差分放大器，该差分放大器用于确定所述两个点之间的电压差，并且其中，所述差分放大器的输出与所述开关网络的控制端子连接，以基于所述差分放大器的输出在所述电池的放电和充电之间切换。
9.根据任意前述权利要求所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第二电路被配置为基于查询表确定所述荷电状态，所述查询表提供针对放电时间和充电时间的多个组合中的每个的荷电状态值。
10.根据权利要求9所述的锂-硫电池管理系统，当其从属于权利要求8时，其中，所述第二电路包括微控制器，该微控制器被配置为基于所述差分放大器的输出对所述放电时间和充电时间计时，并且基于所述查询表确定所述荷电状态。
11.根据任意前述权利要求所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第二电路被配置为反复地切换所述第一电路以重复多次地对所述电池进行放电和充电，并且基于所述放电时间的总和、所述充电时间的总和以及可选地所述放电时间和充电时间的总和来确定所述荷电状态。
12.根据权利要求11所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述第二电路被配置为基于所述放电时间和充电时间的总和来确定所述电池的健康状态。
13.根据任意前述权利要求所述的锂-硫电池管理系统，进一步包括第三电路，其被配置为感测所述电池的温度，其中，所述第二电路被配置为进一步基于所述电池的温度来确定所述荷电状态。
14.根据任意前述权利要求所述的锂-硫电池管理系统，其中，所述固定的电荷量包括：第一固定的电荷量，在所述放电时间期间将所述第一固定的电荷量从所述电池放电；和第二固定的电荷量，在所述充电时间期间将所述第二固定的电荷量充电到所述电池中，其中，所述第一固定的电荷量和所述第二固定的电荷量基本上是彼此相同的值，使得所述放电和充电对于所述电池的所述荷电状态没有显著的整体影响。
15.一种用于确定锂-硫电池的荷电状态的方法，包括：
测量经由第一电抗元件对所述锂-硫电池进行第一固定的电荷量放电的第一时间；
测量经由第二电抗元件对所述锂-硫电池进行第二固定的电荷量充电的第二时间；以及
基于所述第一时间和所述第二时间确定所述荷电状态，其中，所述第一电抗元件可选地是与所述第二电抗元件相同的电抗元件，并且其中，所述第一固定的电荷量可选地是与所述第二固定的电荷量相同的电荷量。
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