CN101163980B - 锂硫可再充电电池电量测量系统和方法 - Google Patents

锂硫可再充电电池电量测量系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于准确地确定锂硫电池的荷电状态和相对年龄的系统和方法。分别测量具体类型的锂硫电池的电池单元电阻和渐减输入电荷，以便确定电池的荷电状态和年龄。

Description

锂硫可再充电电池电量测量系统和方法
技术领域
本发明一般涉及锂硫电池的充电，并且更为具体地涉及用于准确地确定锂硫电池的荷电状态和相对年龄的系统和方法。
背景技术
辨别在便携式消费电子设备(如蜂窝电话或膝上型电脑)的可再充电电池中储存有多少能量的能力是设备使用者高度重视的特征。因此，普通的设备系统，比如那些使用锂离子、镍金属氢化物、或镍镉可再充电电池的系统，引入了某些技术来计量当前储存在电池单元中的能量或电荷的量。一种普通的方法是使用查询表，基于针对电池的测量开路电压来确定该电池的荷电状态。参见例如授予Barsoukov等人的美国专利号6,789,026，以及授予Guiheen等人的美国专利号6,774,636，其全部内容通过引用结合于此。
电池的荷电状态(“SOC”)是当前储存的电荷，其被表示为电池中所能储存的最大电荷的一部分。电池的SOC是非常有用的信息，原因在于其使用者可以知道在其当前充/放电周期期间，相对于电池的最大电荷或容量该电池的充电状况如何。然而，电池的最大容量随着电池的“年龄”(即电池所经受的充放电周期数，并非电池已存在的实际时间量)而降级。上述传统的基于开路电压的算法没有使用随着电池变老而充分表达其特性的存储查询表来确定其荷电状态。
近些年来，锂硫电池由于其重量轻和高能量密度而得到关切。锂阳极(例如，纯锂或者锂与锡或铝的合金的锂箔或真空沉积的锂，其具有或不具有整体集电器或各种嵌锂化合物，如石墨、焦炭以及锡氧化物等)的使用提供了机会以构造比诸如锂离子、镍金属氢化物或镍镉电池单元之类的电池单元重量更轻并且具有更高能量密度的锂硫电池单元。这些特征对于便携式电子设备中的电池是高度希望的。
锂硫电池设计特别适于便携式电子设备，因为它们的重量轻并且表面积大，这允许充电时的高速率能力以及减小的电流密度。用于制造锂电池的几种阴极材料是已知的，包括具有硫-硫键的阴极材料，其中高能量容量以及再充电能力通过硫-硫键的电化学裂解(通过还原)以及重新形成(通过氧化)来实现。含硫的阴极材料，其具有硫-硫键，供具有锂阳极的电化学电池单元使用，如上所述，可以包括元素硫、有机硫化合物、各种多硫化合物或碳硫合成物。
因此，期望提供用于准确地确定锂硫电池单元的荷电状态以及用于准确地确定电池单元年龄的系统和方法。
发明内容
本发明的目的是提供用于准确地确定锂硫电池单元的荷电状态的系统和方法。
本发明的另一目的是提供用于准确地确定电池单元年龄的系统和方法。
根据本发明的一个实施例，提供了一种用于创建针对具有已知容量的具体类型的锂硫电池的电池单元电阻对比于荷电状态的查询表的方法。该方法包括：对电池进行充电，直到电池上的电压增加到预定的最大电压；继续对处于预定最大电池电压的电池充电，直到输入到该电池的电流减小到预定最小电流；为该电池测量电池单元电阻，其中该电池单元电阻被定义为针对所述具体类型的锂硫电池的处于100％荷电状态的电池单元电阻；以及记录处于100％荷电状态的该电池单元电阻。接下来，该方法教导：将该电池放电其容量的预定百分比，使得当前的电池荷电状态小于先前的电池荷电状态；为该电池测量电池单元电阻，其中该电池单元电阻被定义为针对所述具体类型的锂硫电池的处于当前荷电状态的电池单元电阻；记录处于当前荷电状态的电池单元电阻；以及重复这些放电、测量和记录步骤，直到该电池的当前荷电状态等于预定的较低截止电压。最后，该方法教导，针对从0％至100％的荷电状态值，创建电池单元电阻对比于荷电状态的查询表。
附图说明
在考虑以下结合附图的详细描述后，本发明的上述以及其它优点将更为明显，在全部附图中同样的参考标记指示同样的部分，其中：
图1是根据本发明的说明性电池测量系统的简化示意框图；
图2示出了针对典型的锂硫电池的电池单元电阻对比于荷电状态的样图；
图3示出了针对典型的锂硫电池的放电容量和渐减输入充电容量每个对比于年龄的样图比较；以及
图4示出了针对典型的锂硫电池的渐减充电输入对比于被测量为其原始容量百分比的当前容量的样图。
具体实施方式
本发明提供了用于准确地确定锂硫电池单元的荷电状态的系统和方法。按照本发明的一方面，用于每种锂硫电池的查询表或算法准备并存储在计算机芯片或数据库中。在本发明的各种实施例中，这种芯片或数据库可优选地嵌入锂硫电池/充电器系统本身或负载绘图设备内。这些查询表针对各种类型的锂硫电池，将处于各种周围环境温度下的电池单元电阻(“CR”)和电池的年龄例如对比于荷电状态(“SOC”)相关联。
与其它普通的电池系统不同，锂硫电池包括阴极，该阴极的活性化学材料在放电期间经历一系列氧化还原反应。这些反应涉及从较高多硫化合物(例如，Li2S8)到中间多硫化合物、然后再到较低多硫化合物(例如，Li2S)的多硫化合物的还原。锂硫电池单元的这种电化学特性导致放电期间的电解液中的逐渐电阻变化，其不在其它普通的电池系统中发生。电池单元电阻(“CR”)的这种变化可以用来准确地确定锂硫电池的荷电状态，如下所述。
参考图1，已知类型的锂硫电池10与测量系统100一起示出，测量系统100包括电压表6、电流表5以及热电偶7。当电池充电继电器4被激活时，电源3能够用于给电池10充电。阻塞二极管8用于限制电流流动的方向，使得在充电期间电流仅从电源3向电池10流动。当电池放电继电器11被激活时，电池10可通过设备或负载12和阻塞二极管13放电。图1中的电路既能够用来创建本发明的用于电池的查询表，又能够使用这些表来确定电池的荷电状态和年龄。
计算机1通过信号接口2接收来自电压表6的电压测量值。计算机1还通过该信号接口2接收来自热电偶7的电池温度测量值以及来自电流表5的电流测量值。计算机1还通过信号接口2来控制电池放电继电器4和电池放电继电器11的开关状态。计算机1可以优选地为专用集成芯片(ASIC芯片)，其可以是并入到电池10中的独立芯片或者可以并入到负载12中(例如需要从电池10供电的膝上型计算机)。信号接口2可以优选地为系统管理总线(SM总线)，其为控制接口。电源3可以优选地为充电器系统，而电流表5和电压表6优选地不是独立设备，而优选地是电子电路。
图1所示的测量系统100能够用来创建针对如下具体类型的锂硫电池的电池单元电阻(“CR”)对比于荷电状态(“SOC”)的查询表。首先，电池充电继电器4被激活而电池放电继电器11则被失活。接下来，在使用电压表6来监视进入电池10的充电电压的同时，通过增加电源3的输出电流，电池10以初始恒定电流(“Io”)例如500毫安被充电。电池10以该恒定电流充电，直到电压表6所测得的电池上的电压到达最大允许电压(“VMax”)。例如，电池制造商基于安全考虑来确定VMax。针对锂硫电池的VMax的典型值是每电池单元2.5伏特。对于由多个串联连接的电池单元构成的电池10而言，VMax(Battery)＝VMax(Cell)*N，其中N为串联连接的电池单元数。
当到达VMax时，充电继续并钳位于这个恒定电压VMax，并且充电电流因此减小。该步骤通常被称为渐减充电。当输入电流减小到某点时，例如减小到初始恒定电流(“Io”)的20％以下时，正被充电的电池单元可以被认为进行了充分充电且处于100％SOC。因此，当输入电流已减小到电池单元或电池的C-率的1/50以下时(亦即在一小时内对该电池单元充电所需的充电电流的1/50以下)，该电池可以被认为是充分被充电并处于100％SOC。应理解，电池10可以用与Io相反的变化电流来充电而不背离本发明的精神和范围。
电池充电继电器4然后被失活，且优选地允许电池10稳定，其中电池稳定性由电压表6所测得的电池10的开路电压(“OCV”)的变化来确定。当OCV的变化率小于阈值例如0.001至0.01伏特/分钟时，电池10可以被认为是稳定的。针对锂硫电池的稳定时间可以是大约2-30分钟。应注意到，稳定性在本发明的每个步骤中并非都是必要的或所需要的。可以优选地施加双脉冲，且电池电阻的变化可以被测量为脉冲之间的所测得的电压变化除以所测得的电流变化(例如，如果以C-率充电，则施加两倍于C-率的第一脉冲，然后施加一半或四倍于C-率的第二脉冲)。
处于100％SOC(CRSOC＝100％)的电池10的电池单元电阻于是可以通过以下测量：对电池施加双脉冲，并对电压变化除以电流变化进行计算。这可通过首先激活电池充电继电器4并使电池放电继电器11失活来进行。接下来，在使用电流表5监视电流变化并且使用电压表6来监视电压变化的同时，通过增加电源3的输出电压，可以对电池10施加第一脉冲继之以第二脉冲。处于100％SOC(CRSOC＝100％)的电池10的电池单元电阻于是被记录为监视到的电压变化除以监视到的电流变化。可替选地，基准恒定充电或放电电流可被施加到该电池，且可施加单个脉冲，以允许电池的电池单元电阻的极化测量被取为关于基准信息的监视到的电压变化除以监视到的电流变化。在优选实施例中，针对具有2.5安培-小时(“Ah”)容量的锂硫电池，所施加的脉冲可以是约0.1-1.0秒和2-4安培的施加电流。该脉冲的持续时间通常取决于该电池正在放电的电流，使得这种诊断不会不必要地使电池耗尽。该脉冲优选地比电池单元充电或放电的速率高或低约2-10倍，以便提供如上所述的所需诊断。
其次，通过激活电池放电继电器11并使电池充电继电器4失活，电池10可以以预定的放电速率通过负载12放电至较低的截止电压(“VMin”)。预定放电速率可以选择为例如使电池在2-10小时的时间范围内从100％SOC到0％SOC完全被放电的值。电池制造商可以例如基于安全考虑来确定VMin。在正常条件下(即，在正常温度下以及在正常放电速率时)，针对锂硫电池的VMin的典型值为每电池单元1.7伏特。耗尽锂硫电池的典型放电持续时间是1至5小时(亦即从C-率至C-率的1/5倍)。然而，存在诸如航空应用之类的应用，其中在10至12个小时的黑暗中，电池可能典型地需要周期性地释放其能量。相反，存在诸如膝上型计算机和平板个人计算机之类的其它应用，其至少要求电池传递高电流脉冲。因此，电池10可以以可变放电速率来放电而不背离本发明的精神和范围。对于由多个串联连接的电池单元构成的电池10来说，VMin(Battery)＝VMinn(Cell)*N，其中N为串联连接的电池单元数。
当到达VMin时，电池单元可以被认为是充分被放电且处于0％SOC。然后，电池放电继电器11被失活，且可优选地允许电池10稳定。
如关于100％SOC在上面描述的那样，处于0％SOC(CRSOC＝0％)的电池10的电池单元电阻于是通过以下记录：对电池施加脉冲，并且对电压变化除以电流变化进行计算。电池10的容量能够通过以下计算：通过放电时间(小时)来对放电速率(安培)进行积分。注意，电池容量典型地以安培-小时(Ah)来规定，其中1Ah等于3600库仑。
第三，通过激活电池充电继电器4，并使电池放电继电器11失活，预定的库仑量(例如10％的电池容量)可以从电源3以预定或可变的充电速率被充入(输入)到电池10中。然后，电池充电继电器4被失活，且优选可以允许电池10稳定。
如上所述，处于10％SOC(CRSOC＝10％)的电池10的电池单元电阻于是通过以下记录：对电池施加脉冲，并且对电压变化除以电流变化进行计算。重复这个过程，并且记录处于各种荷电状态(例如，20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％)的电池10的一组电池单元电阻。在本发明的另一实施例中，如上所述，处于各种荷电状态的电池单元电阻(“CR”)被测量并记录，不过是在电池被充分充电之后的电池放电时(例如，90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％SOC)。
有利的是，通过执行前述的同样的过程，针对各种温度准备电池单元电阻(“CR”)对比于荷电状态(“SOC”)的附加表(例如，在摄氏-40°、摄氏-30°、摄氏-20°、摄氏-10°、摄氏0°、摄氏+10°、摄氏+20°、摄氏+30°、摄氏+40°、摄氏+50°以及摄氏+60°)。
通常应理解，针对相同类型的各种电池，可以创建各种温度时的电池单元电阻(“CR”)对比于荷电状态(“SOC”)的附加表。这些表的值的平均可以用于创建针对该类电池的主表，以避免过分依赖于来自被研究的具体类型的一个具体电池的任何数据。
再次参考图1，类型已知、但荷电状态(“SOC”)未知的锂硫电池10可以被置于测量系统100中，或优选整体地装备有测量系统100，该测量系统由电源3、电流表5以及电压表6构成，其中电池充电继电器4被激活而电池放电继电器11被失活。电源3、电流表5以及电压表6通过信号接口2连接到计算机1。操作系统100的技术人员可以将电池10的电池类型输入到计算机1中。然后，计算机1可以执行已知的相关算法，例如表查询继之以线性内插，以便针对正在测试的电池10的类型，将所测的电池单元电阻(“CR”)与荷电状态(“SOC”)相关联。图2示出了针对典型的锂硫电池的电池单元电阻(以欧姆测量)对比于荷电状态的样图。
按照本发明的另一方面，热电偶7耦合到电池10，以便通过信号接口2向计算机1提供电池温度作为输入，如图1所示。因此，CR相关算法现在将使用三个输入(亦即锂硫电池类型、电池单元电阻以及电池温度)。例如，针对温度居间于与存储的表相关联的温度值的电池10，线性内插或类似计算可以计算荷电状态(“SOC”)。如上所述，接口2、计算机1以及热电偶7可优选地与电池10一起作为整体设备来提供，其上有预先存储的适当的查询表和电池类型信息。
按照本发明的另一实施例，提供了基于用于锂硫电池的渐减输入电荷的当前容量来确定该电池年龄的系统和方法。图3示出了典型的锂硫电池单元的放电容量和渐减输入电荷容量每个对比于电池单元年龄(循环寿命)的比较，清楚地图示了它们之间的显著关系。
图1所示的测量系统100还能够用于针对年龄已知的(亦即该电池先前经受的充/放电周期数)具体类型的电池10来创建渐减输入电荷(“TIC”)对比于年龄的查询表如下。首先，如关于在创建电池单元电阻对比于荷电状态的查询表时初始对电池充电在上面描述的那样，电池充电继电器4被激活，且电池放电继电器11被失活。接下来，在使用电压表6来监视进入电池10的充电电压时，通过增加电源3的输出电流，电池10可以例如以初始恒定电流(“Io”)(如500毫安)来充电。电池10被充电，直到电压表6所测得的电池上的电压到达最大允许电压(“VMax”)。
当到达VMax时，充电继续并钳位于该恒定电压VMax，且充电电流因此而减小。在该渐减充电步骤期间，当输入电流减小到某个最小阈值点例如初始恒定电流的20％以下时，可以认为正被充电的电池单元被充分充电。电池10的渐减输入电荷(“TIC”)优选地通过以下计算：通过在到达VMax和将输入电流减小到其最小阈值(例如，初始恒定电流的10％)之间所花费的持续时间(小时)，对渐减充电速率(安培)进行积分。换言之，渐减输入电荷被计算为在渐减充电步骤期间输入到电池中的总电荷。
一旦电池10的渐减输入电荷被计算，已知年龄“X”的电池10的TIC(TICACE＝X)随后就被记录。重复这个过程，并且记录处于电池10的寿命中各种年龄的渐减输入电荷(例如，在电池10经历1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1000个充/放电周期之后)。没有必要对完全耗尽的电池进行充分充电以便测量其TIC。先前已经被充电到其全部容量任意百分比的电池然后可以被充分充电，并使其TIC被测量。
有利的是，通过执行先前所描述的充分充电过程，为各种温度准备渐减输入电荷(“TIC”)对比于年龄的附加表(例如在摄氏-40°、摄氏-30°、摄氏-20°、摄氏-10°、摄氏0°、摄氏+10°、摄氏+20°、摄氏+30°、摄氏+40°、摄氏+50°以及摄氏+60°)。此外，例如针对正在使用的各种充/放电速率、针对不同的占空周期、以及针对规定条件之外的滥用(例如滥用温度的情形，其中电池暴露于极高的温度下很长一段时间)，可以优选地准备渐减输入电荷(“TIC”)对比于年龄、以及电池单元电阻(“CR”)对比于荷电状态(“SOC”)的附加表。进而，如关于电池单元电阻(“CR”)在上面描述的那样，可以针对相同类型的各种电池来创建处于各种温度时的渐减输入电荷(“TIC”)对比于年龄的附加表。这些表的值的平均可以用于创建针对该类型电池的主表，以避免过分依赖于可能由于正在研究的具体类型的一个具体电池而不一致的任何数据。
再次参考图1，类型已知而荷电状态(“SOC”)和年龄未知的锂硫电池可以置于测量系统100中，或优选整体地装备有测量系统100，所述测量系统100由电源3、电流表5、以及电压表6构成，其中，电池充电继电器4被激活，而电池放电继电器11被失活。电源3、电流表5以及电压表6通过信号接口2连接到计算机1。操作计算机1的技术人员可以将电池10的电池类型输入到计算机1中。计算机1然后将执行相关算法，例如表查询继之以线性内插，以便针对正在测试的电池10的类型，将测量系统测量的渐减输入电荷(“TIC”)与年龄相关联。图4示出了针对典型的锂硫电池的渐减充电输入(以mAh测量)对比于电池单元的当前容量(被测量为仅经受了5个充/放电周期之后的电池单元容量的百分比)的样图。
按照本发明的又一方面，热电偶7耦合到电池10，以便通过信号接口2向计算机1提供电池温度作为输入，如图1所示。与CR相关算法相似，TIC相关算法现在可以使用三个输入(亦即电池类型、渐减输入电荷和电池温度)来确定电池的年龄。例如，线性内插或类似的计算可以计算温度居间于与所存储的表相关联的温度值的电池10的年龄。如上所述，接口2、计算机1以及热电偶7可以优选地与电池10一起作为整体设备来提供，其上事先存储了适当的查询表和电池类型信息。
如上所述，在本发明的优选实施例中，当确定电池的荷电状态时，可以考虑电池的年龄。因此，优选地针对处在电池10的寿命中各种已知年龄的电池(例如，在电池10经历1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1000个充/放电周期之后)，准备并记录电池单元电阻(“CR”)对比于荷电状态(“SOC”)的附加表。优选地，每次电池10被充分充电，就记录其当前的TIC(例如通过计算机1)，使得当下次希望确定电池的荷电状态时，这个当前的TIC信息将会是可用的，且上述的CR相关算法现在优选地使用至少四个输入(亦即电池类型、当前TIC(亦即经由TIC相关算法的年龄)、电池单元电阻以及电池温度)。
根据本发明，可以使用各种类型的电路和设备来实现如上所述的测量系统。
因此，应理解前述内容仅是本发明原理的说明，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的范围和精神的情况下能够进行各种修改，且本发明仅仅受限于附随的权利要求书。

Claims (8)

1.一种用于创建针对具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷对比于年龄的查询表的方法，所述方法包括以下步骤：
a)使所述电池经受第一已知数目的充分充电和放电周期；
b)对所述电池充电，直到所述电池上的电压增加到预定的最大电压；
c)对处于所述预定最大电压的所述电池进行渐减充电，直到对所述电池的输入电流减小到预定最小电流并记录渐减充电时段；
d)在所述渐减充电时段期间，通过所述输入电流对所述渐减充电时段积分并存储结果，所述积分结果被定义为针对处于所述具体数目的年龄的所述具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷；
e)记录处于所述具体数目的年龄的所述渐减输入电荷；
f)针对所述电池的另外已知数目的充分充电和放电周期，重复所述步骤(a)、(b)、(c)、(d)和(e)，所述记录步骤(e)针对所述电池的所述另外已知数目的充分充电和放电周期记录所述渐减输入电荷；以及
g)使用针对所述电池的所述第一已知和所述另外已知数目的充分充电和放电周期，针对所述具体类型的锂硫电池，创建渐减输入电荷对比于年龄的查询表。
2.如权利要求1所述的方法，其中针对所述电池的所述最初已知和所述另外已知数目的充分充电和放电周期是1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1000。
3.如权利要求1所述的方法，其中以一组预定的温度重复权利要求1的所有步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述预定温度组包括摄氏-40°、摄氏-30°、摄氏-20°、摄氏-10°、摄氏0°、摄氏+10°、摄氏+20°、摄氏+30°、摄氏+40°、摄氏+50°和摄氏+60°。
5.一种使用针对具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷对比于年龄的查询表来确定所述具体类型的锂硫电池的年龄的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将电池类型输入到计算机；
b)针对所述电池测量渐减输入电荷，所述渐减输入电荷被输入到所述计算机；
c)基于包括以下的输入来执行渐减输入电荷相关算法：
i)输入到所述计算机的所述电池的类型；以及
ii)针对所述电池的所测量的渐减输入电荷；以及
d)基于所述渐减输入电荷相关算法，确定所述锂硫电池的年龄。
6.如权利要求5所述的方法，其中到所述渐减输入电荷相关算法的所述输入还包括所测量的电池温度。
7.一种用于创建针对具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷对比于年龄的查询表的系统，所述系统包括：
a)用于使所述电池经受第一已知数目的充分充电和放电周期的装置；
b)用于对所述电池充电直到所述电池上的电压增加到预定最大电压的装置；
c)用于对处于所述预定最大电压的所述电池进行渐减充电直到对所述电池的输入电流减小到预定最小电流的装置，以及用于记录渐减充电时段的装置；
d)用于在所述渐减充电时段期间用所述输入电流对所述渐减充电时段积分并存储结果的装置，所述积分结果被定义为针对处于所述具体数目的年龄的所述具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷；
e)用于记录处于所述具体数目的所述年龄的所述渐减输入电荷的装置；以及
f)使用针对所述电池的所述第一已知和所述另外已知数目的完全充电和放电周期来创建针对所述具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷对比于年龄的所述查询表的装置。
8.一种使用针对具体类型的锂硫电池的渐减输入电荷对比于年龄的查询表来确定所述具体类型的锂硫电池的年龄的系统，所述方法包括以下步骤：
a)用于将电池类型输入到计算机的装置；
b)用于针对所述电池测量渐减输入电荷的装置；
c)用于将所述渐减输入电荷输入到所述计算机的装置；
d)用于基于包括以下的输入来执行渐减输入电荷相关算法的装置：
i)输入到所述计算机的所述电池的类型；以及
ii)针对所述电池的所测量的渐减输入电荷；以及
e)用于基于所述渐减输入电荷相关算法来确定所述锂硫电池年龄的装置。
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