專利名稱：高級(jí)可再充電蓄電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可再充電蓄電池(battery)，具體地涉及可再充電蓄電池的再充電。
背景技術(shù)：
1.對于用于諸如車輛起動(dòng)器、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)或混合動(dòng)力車輛等之類應(yīng)用的蓄電池，高電壓本質(zhì)上是由于效率的增加和成本的降低。電壓的增加要求將蓄電池串聯(lián)連接。2 與串聯(lián)的蓄電池相關(guān)聯(lián)的問題

a.當(dāng)一個(gè)電池具有較低容量時(shí),所述較低容量蓄電池的容量支配了全部蓄電池組的容量；b.如果在充電期間不能夠?qū)碛休^低容量的蓄電池充電到全容量，由于低容量電池而將整個(gè)蓄電池組的性能退化。這在現(xiàn)有技術(shù)中稱作電池不平衡。c. 一個(gè)特定蓄電池的低容量可能是由蓄電池制造期間的高自放電或缺陷引起的。3.用于解決電池不平衡問題的傳統(tǒng)方式是a.對蓄電池分類以便避免將不一致品質(zhì)的蓄電池串聯(lián)連接；b.分離地對蓄電池充電(例如，美國專利No. 6，586，909)，以便克服上述問題，然而將每一個(gè)蓄電池充滿(例如將鋰離子蓄電池充電到3. 65V)要求低電壓，并且由于從普通的高電壓AC電源到低電壓DC功率的轉(zhuǎn)換，這種低電壓充電不是有能量效率的。在對用途復(fù)雜的電路充電期間實(shí)現(xiàn)電池平衡所使用的大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和方法以檢測和平衡所述未充電的電池(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)?，F(xiàn)在，由于可再充電蓄電池在功率、改進(jìn)的循環(huán)壽命和環(huán)境友好本性中的顯著能力，對于除了諸如蜂窩電話或膝上型計(jì)算機(jī)之類的傳統(tǒng)消費(fèi)電子裝置的廣泛范圍應(yīng)用，可再充電蓄電池變得越來越重要。造成這種改變的主要原因是可再充電蓄電池變得越來越可靠，具有更好的循環(huán)壽命，允許人們開始構(gòu)建更大的蓄電池系統(tǒng)用于重載應(yīng)用，例如家庭節(jié)能系統(tǒng)或者甚至電動(dòng)車輛應(yīng)用。然而隨著尺寸的增加，意味著串聯(lián)和并聯(lián)連接更多的蓄電池單元，所得到的蓄電池系統(tǒng)的使用壽命變得不可預(yù)測或者甚至不可靠。一個(gè)示例是使用以前專利的鋰離子氧化磷(LiFe(1_x)MxP(1_x)02(2_x))材料作為陰極。盡管單獨(dú)的蓄電池容易地執(zhí)行1000次循環(huán)，剩余大于80%的容量，(隨著串聯(lián)和并聯(lián)連接的更多蓄電池單元)尺寸的增加可以展現(xiàn)出范圍從幾十次循環(huán)到數(shù)千次循環(huán)的整個(gè)蓄電池系統(tǒng)的使用壽命。循環(huán)壽命的關(guān)鍵是在每次充電期間可以實(shí)現(xiàn)的蓄電池單元的容量平衡。根據(jù)這種觀點(diǎn)，蓄電池單元的平衡非常依賴于在蓄電池單元中實(shí)現(xiàn)的協(xié)同控制以及所利用的充電方法。在本發(fā)明中，通過描述對于蓄電池單元和充電器或充電系統(tǒng)的正確限制和控制來介紹蓄電池系統(tǒng)，確保了蓄電池單元平衡的最佳實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致了整個(gè)蓄電池系統(tǒng)的延長的循環(huán)壽命。本發(fā)明的目的本發(fā)明的目的是提供一種包含蓄電池堆和充電器(或充電系統(tǒng))在內(nèi)的蓄電池系統(tǒng)，其使得蓄電池堆擁有具有延長的循環(huán)壽命的杰出性能。在這種公開的蓄電池系統(tǒng)中，不需要對于傳統(tǒng)鋰離子電子來說必要的恒電壓或恒電流充電的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種可再充電蓄電池系統(tǒng)，具有多個(gè)電池和用于對所述可充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置。所述可再充電蓄電池系統(tǒng)具有多個(gè)電池，電連接用于形成可再充電蓄電池系統(tǒng)；用于連續(xù)不斷地測量自放電電壓的自放電電壓測量裝置和相應(yīng)的自放電裝置，兩者都與串聯(lián)電路中的電池(cell)、串聯(lián)電路中的電池組(cell set)和串聯(lián)電路中的電池堆(cell pack)中的至少一個(gè)并聯(lián)連接；過量充電電壓測量裝置，用于連續(xù)不斷地測量串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)兩端的過量充電電壓；充電裝置，與所述可再充電蓄電池系統(tǒng)串聯(lián)連接，用于對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的所有電池進(jìn)行充電；系統(tǒng)電壓測量裝置，用于連續(xù)不斷地測量所述充電裝置兩端的系統(tǒng)電壓；限制裝置，用于對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制；以及控制裝置，用于控制所述可再充電蓄電池系統(tǒng)。所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的操作使得(a)在充電期間，如果通過所述自放電電壓測量裝置的任一個(gè)測量的自放電電壓>預(yù)設(shè)的自放電電壓，那么相應(yīng)的自放電裝置操作直到所測量的自放電電壓等于所述預(yù)設(shè)的自放電電壓為止，然后所述相應(yīng)的自放電裝置不再操作；以及(b)在充電期間，如果所測量的過量充電電壓的任一個(gè)>預(yù)設(shè)的過量充電電壓，那么限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流，然后當(dāng)所有測量的過量充電電壓 < 預(yù)設(shè)的第一恢復(fù)電壓(resume voltage)時(shí)，不再對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制；以及(c)在充電期間，如果所測量的系統(tǒng)電壓>預(yù)設(shè)的總電壓，限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流，然后當(dāng)所測量的系統(tǒng)電壓 < 所述預(yù)設(shè)的第二恢復(fù)電壓時(shí)，不再限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流；以及(d)在充電期間，如果對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制的時(shí)間段>預(yù)設(shè)的時(shí)間段，那么停止對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制。


根據(jù)在附圖中只作為示例示出的以下描述，本發(fā)明將變得更加清楚，其中圖la-e是本發(fā)明的蓄電池組件的各種實(shí)施例的示意性說明；圖2a是本發(fā)明的蓄電池組件的示意性說明，具有本發(fā)明的自放電電路的放大圖；圖2b是本發(fā)明的蓄電池組件的示意性說明，具有本發(fā)明的自放電電路的另一個(gè)實(shí)施例的放大圖3是本發(fā)明的蓄電之組件的示意圖，具有在蓄電池的盒子上設(shè)置的自放電電路；圖4是本發(fā)明的具有蓄電池組件的電源系統(tǒng)的示意性說明；圖5a_e是本發(fā)明的具有蓄電池組件的蓄電池堆的示意性說明；圖6a_e是本發(fā)明的具有與圖5a_e不同的蓄電池組件的蓄電池堆的示意性說明；圖7a_e是本發(fā)明的具有與圖5a_e和圖6a_e不同的蓄電池組件的蓄電池堆的示意性說明；圖8a_e是本發(fā)明的具有與圖5a_e、圖6a_e和圖7a_e不同的蓄電池組件的蓄電池堆的示意性說明；圖9是本發(fā)明的具有蓄電池組件的電池堆組件的示意性說明；圖10是如示例3討論的本發(fā)明的具有蓄電池組件的蓄電池系統(tǒng)的示意性說明；以及圖11是如示例5討論的本發(fā)明的具有蓄電池組件的蓄電池系統(tǒng)的示意性說明。圖12是如示例6討論的本發(fā)明的具有蓄電池組件的蓄電池系統(tǒng)的示意性說明；以及圖13 (a)-(d)是示例6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖14是本發(fā)明的裝置用于控制電池、電池組或電池堆的自放電的流程圖。圖15是具有恢復(fù)功能的本發(fā)明的過量充電/過量放電控制板的流程圖。圖16 (a)-(d)示出了示例7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖17是示例7中介紹的蓄電池系統(tǒng)的放電容量。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明對于解決由串聯(lián)連接的蓄電池引起的問題尤其重要。可以通過產(chǎn)生允許從正在充電的蓄電池泄露電流(能量)的裝置和方法來減輕充電期間的電池不平衡問題。代替如在現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的使用非常昂貴的裝置或手段來防止過量充電以實(shí)現(xiàn)蓄電池均衡，本發(fā)明使用了減小供應(yīng)給正在被過量充電的串聯(lián)電路中的蓄電池的電流的方法和裝置?？梢葬槍Υ?lián)連接的每一個(gè)蓄電池或蓄電池組或蓄電池堆來實(shí)現(xiàn)這種方法和裝置。對于單獨(dú)的蓄電池單元，可以將其稱作“蓄電池”或“電池”。貫穿說明書使用的術(shù)語“蓄電池組”或“電池組”意味并聯(lián)、串聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)或串聯(lián)-并聯(lián)連接的多個(gè)蓄電池。貫穿說明書使用的術(shù)語“蓄電池堆”或“電池堆”意味并聯(lián)、串聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)或串聯(lián)-并聯(lián)連接的多個(gè)蓄電池組。貫穿說明書使用的術(shù)語“組件”意味著當(dāng)蓄電池(或電池)正在被過量充電時(shí)，伴隨有用于對蓄電池(或電池)、蓄電池組(或電池組)或蓄電池堆(或者電池堆)自放電的裝置的蓄電池(或電池)、蓄電池組(或電池組)或蓄電池堆(或者電池堆)。在本發(fā)明中，當(dāng)過量充電時(shí)蓄電池或者多個(gè)蓄電池自放電。因?yàn)槊恳粋€(gè)蓄電池、蓄電池組或蓄電池堆均配置有“自放電”裝置，當(dāng)在充電期間或者甚至當(dāng)充電之后電壓達(dá)到預(yù)設(shè)參數(shù)時(shí)，可以消除電池單元平衡問題。圖1(a)示出了“蓄電池組件”的結(jié)構(gòu)。圖1(b)示出了 “并聯(lián)蓄電池組組件”的結(jié)構(gòu)。圖1(c)示出了“串聯(lián)蓄電池組組件”的結(jié)構(gòu)。圖1(d)示出了“并聯(lián)-串聯(lián)蓄電池組組組件”的結(jié)構(gòu)；以及圖1(e)示出了“串聯(lián)-并聯(lián)蓄電池組組件”的結(jié)構(gòu)。這些組件是用于提供蓄電池堆的基本單位。在這些圖中和其余圖中，將單獨(dú)的可再充電蓄電池表示為1，并且將用于對可再充電蓄電池自放電的電路表示為3。在圖2(a)中示出了解決電池不平衡問題的本發(fā)明方法。如圖2(a)所示，每一個(gè)蓄電池與所述蓄電池并聯(lián)的裝置2相連。這種裝置包括開關(guān)元件6、電阻元件7、電壓檢測元件5a和開關(guān)元件控制器5b，所述開關(guān)元件控制器關(guān)斷或者接通所述開關(guān)元件6。電壓檢測元件檢測所述蓄電池的電壓，并且開關(guān)元件控制器控制開關(guān)元件的“關(guān)斷”或“接通”狀態(tài)。可以將開關(guān)元件、電阻元件、電壓檢測元件和開關(guān)元件控制器設(shè)置在印刷電路板上。然而，因?yàn)榫w管可以用作電壓檢測元件、控制器、開關(guān)元件和電阻元件的組合，圖2(a)所示的裝置可以用晶體管或者并聯(lián)連接的多個(gè)晶體管(用于調(diào)節(jié)電阻)來代替。其他可能是如圖2(b)所示的與電阻器7串聯(lián)連接的一個(gè)晶體管8。在圖2(b)所示的串聯(lián)連接的晶體管和電阻器的情況下，電阻器的電阻應(yīng)該較小以便使得由電阻器引起的電壓降(影響晶體管的電壓檢測)最小化。圖2(b)的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于諸如LED之類的二極管或者只由開關(guān)元件和控制器組成的印刷電路板。當(dāng)對蓄電池充電時(shí)，如果蓄電池之一的電壓在預(yù)設(shè)上限之上，與所述蓄電池并聯(lián)電連接的所述裝置的開關(guān)元件接通，因此允許電流流過所述電阻器。因此，由于與所述蓄電池并聯(lián)連接的所述裝置的存在，對于超過所述預(yù)設(shè)電壓上限的蓄電池的充電電流降低。下面在示例I中示出了這種降低。在這種條件下，按照正常電流對其他蓄電池充電，但是超過電壓上限的蓄電池具有降低的充電動(dòng)作。這是用于本發(fā)明的防止蓄電池過量充電的基本機(jī)制。應(yīng)該提到的是電阻元件可以是擁有令人滿意的電阻的任意電子部件。例如，可以將燈泡用作電阻源。所述裝置的元件可以是在半導(dǎo)體芯片2上，所述半導(dǎo)體芯片可以設(shè)置在靠近蓄電池的任意地方。圖3示出了安裝到蓄電池外殼的蓋子上的半導(dǎo)體芯片2的一種可能結(jié)構(gòu)。同樣例如，可以將所述芯片設(shè)置在陰極(盒子)11和陽極(負(fù)端子)12之間。同樣，可以將所述芯片設(shè)置在蓄電池盒內(nèi)部。如果需要電阻的進(jìn)一步精確控制，所述電阻器可以是可變電阻器。下面進(jìn)一步描述充電期間針對每一個(gè)蓄電 池的電流變化的詳情。示例I,可以如何實(shí)現(xiàn)電池均衡的理論說明。假設(shè)1.如圖2(a)所示，將四個(gè)蓄電池組件串聯(lián)連接。2.蓄電池(I)、(3)、⑷具有5m0hm的內(nèi)阻，蓄電池⑵具有IOmOhm的內(nèi)阻。3.蓄電池(I)、(3)、⑷具有3. 3V的開路電壓，蓄電池⑵具有3. 6V的開路電壓。4.對于每一個(gè)蓄電池組件，將1. OOhm的電阻器與所述蓄電池并聯(lián)連接。5.將15V的電源施加至串聯(lián)連接的四個(gè)蓄電池組件。計(jì)算情況I (當(dāng)并聯(lián)的電阻器都開路時(shí))在四個(gè)蓄電池組件的充電期間，可以將每一個(gè)蓄電池的電壓表示為蓄電池(I) =V1 = Vo^I1RijV1是充電期間蓄電池(I)的電壓，Vo1是蓄電池(I)的開路電壓，I1是通過蓄電池(I)的電流，而R1是蓄電池(I)的內(nèi)阻。蓄電池(2):V2 = Vo2+I2R2,蓄電池(3)V3 = V03+I3R3,
蓄電池⑷V4= Vo4+I4R4,因?yàn)闆]有連接其他電阻器，I1 = I2 = I3 = I4 = II5= (V1+V2+V3+V4) = (V0l+Vo2+Vo3+Vo4) +I (R1+R2+R3+R4)15_ (V0J+V02+V03+V04) = 1( + + + )15-3. 3-3. 6-3. 3-3. 3 = I (0. 005+0. 01+0. 005+0. 005) I = 6 OAmp---通過每一個(gè)蓄電池的電流計(jì)算情況2(當(dāng)針對蓄電池(2)接通并聯(lián)的電阻器電路時(shí))假設(shè)I’是通過電阻器的電流，以及R’是電阻器的電阻。那么V2 = I，R，，I，= V2/R，V2 = Vo2+I2R2,考慮電流平衡(I，+I2)= I1 = I3 = I4 = I
所以 V2 = Vo2+ (1-1 ’)R2 = Vo2+ (1-V2/R，) R2重新排列后我們得到了V2 = (Vo2+IR2)/(1+R2/R，)因此15= (V1+V2+V3+V4) = (V0l+Vo3+Vo4) +I (R1+R3+R4) + (Vo2+IR2) / (!+R2ZRj )所以I = 61. 672(A),V2 = (Vo2+IR2)/(1+R2/R，) = 4. 175 (V),I，= V2/R’ = 4. 175(A)，I2 = 1-1，= 57. 497(A)如果我們代入IOOhm的電阻器，那么I = 60. 168 (A)，V2 = Vo2+ (I_V2/R，) R2 = 4. 1975 (V)，I ’ = Y2ZRf = 0. 4198 (A)，I2 = 1-1，= 59. 748(A)根據(jù)計(jì)算的結(jié)論:1.相對于圖2(a)的蓄電池組件，當(dāng)接通并聯(lián)電路中的電阻器的開關(guān)時(shí)，電流流過所述電阻器，并且降低對于蓄電池(2)的充電電流。2.在針對圖2(a)的蓄電池組件接通并聯(lián)的電阻器電路的開關(guān)時(shí)，增加對于其他蓄電池(I, 3，4)的充電電流。3.所述電阻器的電阻支配了針對蓄電池⑵的電流降低量。電阻越小，電流降低
量越大。4.因此，通過降低具有較高容量的蓄電池的充電電流、并且通過增加具有較低容量的其他蓄電池的充電電流，將電阻器與串聯(lián)連接的每一個(gè)蓄電池合并的概念在平衡所有蓄電池的容量方面是有效的。5.清楚的是與蓄電池并聯(lián)連接的電阻器應(yīng)該擁有令人滿意的電池平衡功能。滿足電壓感測以及提供電阻源的功能的電子裝置或部件在本發(fā)明關(guān)注的范圍內(nèi)。示例2，說明對蓄電池組件進(jìn)行充電的方法的理論計(jì)算。假設(shè)1.如圖2(a)所示，將四個(gè)蓄電池組件串聯(lián)連接。2.蓄電池(I)、(3)、⑷具有5m0hm的內(nèi)阻，蓄電池⑵具有IOmOhm的內(nèi)阻。3.蓄電池(I)、(3)、⑷具有3. 3V的開路電壓，蓄電池⑵具有3. 6V的開路電壓。4.蓄電池(I)、(2)、(3)和⑷經(jīng)歷恒定電流充電。所述電流是2A。5.為了說明正在研究的蓄電池、蓄電池⑵的目的，1. OOhm的電阻器與所述蓄電池并聯(lián)連接，并且接通電路開關(guān)。計(jì)算考慮電流平衡(I’+I2) = I1 = I3 = I4 = I = 2(A)V2 = Vo2+ (H，)R2 = Vo2+ (I_V2/R，)R2重新排列后我們得到了V2 = (Vo2+IR2)/(1+R2/R，)代入Vo2 = 3. 6 (V), I = 2 (A), R2 = 0. OlOhm, R’ = IOhm我們得到了 V2 = 3. 5842 (V)I，= V2/R，= 3. 5842 (A)，I2 = 1-1’ = 2-3. 5842 = -1. 5842(A) < 0根據(jù)計(jì)算的結(jié)論:1.當(dāng)電路電流(I)小于通過電阻器的電流(I’ )時(shí)，過量充電的蓄電池將經(jīng)歷放電。也就是說(1_1，〈 0)。2.當(dāng)過量充電的蓄電池經(jīng)歷放電時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)電池平衡。3.通過組合示例I和2中所示的計(jì)算結(jié)果，也可以推斷出可以按照恒定電壓模式(但是要求的充電時(shí)間應(yīng)該比針對I < I’條件所要求的時(shí)間更長)或者恒定電流模式(通過比流過電阻器的電流(I’ )小的電流(I))實(shí)現(xiàn)所述電池平衡充電方法。4.還可以推斷出所述充電器可以設(shè)計(jì)為具有兩種充電模式。一種模式是用于蓄電池系統(tǒng)正常用途的正常恒定電流/恒定電壓充電模式(通過設(shè)置一定的充電時(shí)間來執(zhí)行充電的結(jié)束)。另一種模式是當(dāng)蓄電池系統(tǒng)擁有比它們的正常用途更少容量時(shí)可以使用的電池平衡模式(恒定電流充電)。示例3,蓄電池堆和蓄電池系統(tǒng)。如上所述，蓄電池堆可以包括如I (a)-(e)所示的蓄電池組或者蓄電池組組件。在本發(fā)明中，蓄電池堆也可以與包含開關(guān)元件、電壓檢測元件、控制器和電阻元件的并聯(lián)電路連接以形成“電池堆組件”。使用電池組組件構(gòu)建的蓄電池堆的可能結(jié)構(gòu)如圖5(a)_(e)、圖6(a)_(e)、圖7(a)_(e)和圖8(a)_(e)所示。這些圖表示與各種電路結(jié)構(gòu)相連的圖1 (a)-(e)所示的5個(gè)單元結(jié)構(gòu)。串聯(lián)(圖5(a)_5(e))、并聯(lián)(圖6(a)_6(e))、并聯(lián)-串聯(lián)(圖7 (a) -7 (e))和串聯(lián)_并聯(lián)(圖8 (a) _8 (e))。圖5、6、7和8中所不的每一種情況可以再次與包含開關(guān)元件、控制器、電壓檢測元件和電阻元件在內(nèi)的并聯(lián)電路組合以形成“電池堆組件”。在圖9中示出了“電池堆組件”的示例。
與包括蓄電池組或蓄電池組組件的蓄電池堆的情況類似，蓄電池系統(tǒng)由蓄電池堆或蓄電池堆組件構(gòu)成。再次地，使用蓄電池堆組件構(gòu)建的蓄電池系統(tǒng)的可能結(jié)構(gòu)可以是串聯(lián)、并聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)和串聯(lián)-并聯(lián)。在圖10中示出了 “蓄電池系統(tǒng)”的示例。這里描述了一種實(shí)際情況，是用于電動(dòng)車的蓄電池系統(tǒng)的示例。參考圖10，典型的電動(dòng)車使用具有53V和40Ah的蓄電池系統(tǒng)。所述蓄電池系統(tǒng)包括串聯(lián)連接的4個(gè)蓄電池堆(13.3V)。每一個(gè)蓄電池堆包括串聯(lián)連接的4個(gè)鋰離子蓄電池組(3. 33V)。并且，每一個(gè)蓄電池組包括并聯(lián)連接的4個(gè)IOAh蓄電池。在這種情況下，蓄電池系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)是利用蓄電池堆組件和蓄電池組組件作為所述蓄電池系統(tǒng)的組成單元(building block)。在這種結(jié)構(gòu)中，可以防止蓄電池堆的過量充電和蓄電池組的過量充電。如果使用蓄電池堆組件構(gòu)建蓄電池系統(tǒng)，但是所述堆組件只由蓄電池組構(gòu)建，在長時(shí)間循環(huán)之后可能發(fā)生蓄電池組中的一些可能過量充電。如果只使用蓄電池堆構(gòu)建蓄電池系統(tǒng)并且使用蓄電池組而不是蓄電池組件構(gòu)建蓄電池堆，可能發(fā)生在充電期間伴隨著過量充電的電池不平衡。示例4,優(yōu)詵的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)是如圖4所示的包括充電器4、蓄電池系統(tǒng)(堆或者組)、控制板10和斷路器9在內(nèi)的部件的集成。再次地，將本發(fā)明的4個(gè)蓄電池組件串聯(lián)連接作為用于說明的最簡單示例。參考圖4可以看出每一個(gè)蓄電池與由圖2(a)或圖2(b)所示的部件組成的電路并聯(lián)連接?？刂瓢謇秒妼?dǎo)體與每一個(gè)蓄電池的每一個(gè)端子相連。那些電導(dǎo)體用作提供電壓檢測的裝置?？刂瓢宓牧硪欢伺c斷路器相連。充電器與串聯(lián)電連接的蓄電池的兩個(gè)末端直接相連。在正常充電(恒定電流/恒定電壓)期間，如果蓄電池的任一個(gè)超過預(yù)設(shè)的過量充電電壓，所述控制板向斷路器發(fā)送用于充電終止的信號(hào)。類似地，在這種放電期間，如果蓄電池的任一個(gè)小于預(yù)設(shè)的終止電壓，控制板向斷路器發(fā)送用于放電終止的信號(hào)。這兩個(gè)動(dòng)作用于蓄電池保護(hù)以避免過量充電和過量放電。在正常充電期間，允許充電動(dòng)作預(yù)設(shè)的時(shí)間段(例如，在恒定電壓充電之后的1. 5小時(shí)終止)。此時(shí)，可以或多或少地平衡所述蓄電池。然而，可以在幾次充電之后、或者通過只開始平衡充電模式(小電流和恒定電流充電，電流幅度I < I’)平衡所述蓄電池，以在將所有蓄電池平衡之前允許恒定電流充電。在這種情況下，控制板可以是非常簡單的裝置，用于檢測串聯(lián)連接的每一個(gè)蓄電池的電壓，并且向斷路器發(fā)送用于充電或放電動(dòng)作終止的信號(hào)?？刂瓢宓暮唵涡砸虼耸芤嬗诒景l(fā)明的蓄電池的特性，因?yàn)樗鼈冎涑潆娖陂g的電流泄露。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，通過關(guān)斷功率輸入或輸出的電磁繼電器來執(zhí)行充電的關(guān)閉。優(yōu)選地，這種電磁繼電器在靜止?fàn)顟B(tài)下不要求功耗，并且由控制板產(chǎn)生的脈沖信號(hào)確定了繼電器的通路和斷路狀態(tài)，因此確定了蓄電池充電的接通和關(guān)斷。示例5.實(shí)現(xiàn)如示例I中所沭的電池均衡的方法。參考圖11，在本示例中，將總共8個(gè)IOAh鋰離子蓄電池用于說明充電方法和充電期間蓄電池的電池平衡特性。將兩個(gè)電池首先并聯(lián)連接以形成并聯(lián)蓄電池組。然后將每一組蓄電池和與所述蓄電池組并聯(lián)電連接的電路(例如印刷電路板)相連以形成蓄電池組件。然后將4個(gè)蓄電池組件串聯(lián)連接。在這種情況下，為了清楚起見，用于第一組、第二組、第三組和第四組來命名串聯(lián)連接的四個(gè)蓄電池組組件。首先將全部4組組件充電至100%充滿。然后將第一蓄電池組組件進(jìn)行10%容量的放電(2Ah)。這一過程之后，將全部4個(gè)蓄電池組組件串聯(lián)連接，并且將這種設(shè)置稱作蓄電池堆。在這種情況下，將預(yù)設(shè)的自放電激活電壓設(shè)置為3. 75V。與每一個(gè)蓄電池組并聯(lián)的自放電電路具有20hm的電阻。在上述過程之后，所述蓄電池堆經(jīng)歷1. 7A的恒定電流充電。在表I中示出了針對蓄電池的每一個(gè)組的電壓隨時(shí)間的變化。從表I可以看出，第二、第三和第四蓄電池組組件在初始狀態(tài)下具有超過3. 75V的電壓增加。5分鐘之后，第二、第三和第四蓄電池組組件恢復(fù)穩(wěn)定在3. 75V。此時(shí)，測量到通過電阻器的電流將是1. 8A。第一組蓄電池組組件在80分鐘之后將其電壓逐漸增加至3. 75V，并且這是充電平衡動(dòng)作的結(jié)束。在本實(shí)驗(yàn)中，將I (電源電流)設(shè)置為小于I’(通過電阻器的電流)。作為其結(jié)果，在充電期間將針對蓄電池組組件的第二、第三和第四組的電壓穩(wěn)定在3. 75V。在一定的時(shí)間段之后實(shí)現(xiàn)了蓄電池組組件的4組的完全平衡。觀察到了如果將電流I設(shè)置為略大于電流I’ (在這種情況下是1. 8A)，并且在恒定電流充電期間第二、第三和第四蓄電池組的電壓可以大于3.75V。然而，如果將恒定電壓充電設(shè)置為15V作為第二步驟充電，可以觀察到第二、第三和第四蓄電池組的電壓降低(當(dāng)電流I開始下降小于電流I’時(shí))，最終可以平衡蓄電池組組件的四個(gè)組，但是要求更長的時(shí)間。除了上述自放電設(shè)置和機(jī)制之外，通過添加定時(shí)器(時(shí)間計(jì)數(shù)器)或者電荷計(jì)數(shù)器，存在可以集成到如圖2(a)和2(b)所示的自放電設(shè)置的另一個(gè)特征，所述定時(shí)器器或電荷計(jì)數(shù)器控制在一定條件下自放電的電荷的量。添加定時(shí)器或電荷計(jì)數(shù)器的核心思想是解決不能用延長的恒定電壓充電對串聯(lián)連接的蓄電池、蓄電池組或者蓄電池堆充電的問題，也就是說，當(dāng)充電器或者任意充電裝置(例如太陽能或風(fēng)力渦輪機(jī)充電)不提供長且穩(wěn)定的恒定電壓充電。為了使得串聯(lián)連接的蓄電池平衡，在不存在延長的恒定電壓充電的情況下，向自放電設(shè)置配置定時(shí)器。定時(shí)器的功能是當(dāng)存在一定條件時(shí)設(shè)置蓄電池中要自放電的電荷量。在將蓄電池過量充電到預(yù)設(shè)電壓V’時(shí)，觸發(fā)自放電機(jī)制。自放電動(dòng)作繼續(xù)，直到蓄電池電壓變得小于預(yù)設(shè)電壓V’為止，然后觸發(fā)定時(shí)器用于一定時(shí)間段的另一個(gè)自放電(例如，蓄電池容量的2%，也就是說將蓄電池放電蓄電池容量的2%所要求的時(shí)間)。盡管給出2%作為優(yōu)選量，在本發(fā)明的實(shí)踐中蓄電池容量的2%和20%之間的放電量是可以的。該方法的優(yōu)勢包括以下內(nèi)容(I)這種時(shí)間延遲的自放電設(shè)置提供了如上關(guān)于示例5所述的功能，也就是說當(dāng)電壓超過預(yù)設(shè)電壓V’時(shí)，串聯(lián)連接的蓄電池組組件的任一個(gè)進(jìn)行自放電時(shí)，在延長的恒定電壓充電之后最終將平衡串聯(lián)連接的所有蓄電池組組件；(2)在保持蓄電池單元平衡的性能(功能)的同時(shí)，不穩(wěn)定的充電條件將對于向蓄電池充電仍然有用，例如可再生能量電源充電(例如，太陽能板或者風(fēng)力渦輪機(jī)等等)或者不提供延長的恒定電壓充電的任意其他類型的充電器。這可以使用示例5中所述的相同蓄電池組組件作為示例來實(shí)現(xiàn)，將其充電到一定電壓并且在不具有恒定電壓充電的情況下執(zhí)行切斷。甚至當(dāng)蓄電池電壓下降得小于預(yù)設(shè)電壓V’時(shí)，已經(jīng)超過預(yù)設(shè)電壓限制V’的串聯(lián)連接的蓄電池組組件將保持放電，并且將執(zhí)行另一個(gè)自放電。由于已經(jīng)超過預(yù)設(shè)電壓V’的那些蓄電池組組件執(zhí)行的附加自放電，如果用于恒定電壓充電的時(shí)間不夠，在切斷之前超過V’的蓄電池(觸發(fā)了自放電)和切斷之前小于V’的蓄電池(沒有觸發(fā)自放電)之間的容量差將是容量接近的；以及(3)可以通過幾種電壓切斷充電方法來代替恒定電壓充電，如將在下面的示例6中更加詳細(xì)地討論的。示例6，在沒有延長的恒定電壓充電的情況下實(shí)現(xiàn)蓄電池單元均衡的方法。本示例的目的是為了說明本發(fā)明用于自放電設(shè)置時(shí)需要時(shí)間延遲函數(shù)，其在不具有用于恒定電壓充電的延長時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)了蓄電池單元平衡條件。參考圖2，在本示例中，總共4個(gè)IOAh鋰離子蓄電池用于說明充電方法以及充電期間蓄電池的電池平衡特性。每一個(gè)蓄電池I與所述蓄電池并聯(lián)電連接的電路2相連，以形成蓄電池組件3。每一個(gè)電路2包含電壓檢測器5a、IOOhm電阻器7和定時(shí)器13，當(dāng)蓄電池電壓超過或者等于3. 65V時(shí)所述電路允許所述蓄電池的自放電、接著是當(dāng)蓄電池電壓變得小于3. 65V時(shí)允許另外自放電15分鐘的時(shí)間段。4個(gè)蓄電池組件串聯(lián)連接。在本示例中，圖12中的4個(gè)蓄電池組件具有編號(hào)為(I)、(2)、(3)和⑷的蓄電池。從圖13(a)至12(d)示出了針對每一個(gè)蓄電池組件的電壓隨時(shí)間的變化。在圖13(e)中示出了包含串聯(lián)連接的4個(gè)蓄電池組件在內(nèi)的蓄電池堆的電流隨時(shí)間的變化。首先將全部4個(gè)蓄電池組件充電至容量的100%，并且進(jìn)行初始平衡(如從圖13(a)至13(d)可以看出的3.65V±0.03V)。然后使用50hm電阻器將第一蓄電池組件(蓄電池(I))放電6. 6%容量(0. 66Ah) 一小時(shí)。在這一過程之后，包含串聯(lián)連接的4個(gè)蓄電池組件在內(nèi)的蓄電池堆進(jìn)行設(shè)置在14. 7V下的恒定電壓充電。然而，當(dāng)將蓄電池組件的任一個(gè)充電至3. 70V以上時(shí)，將充電器設(shè)置為切斷。從圖13(a)至13(d)可以看出一旦充電器開始充電，第二、第三和第四蓄電池組件(蓄電池(2)、(3)和(4))電壓迅速增加。所述充電器在激活之后幾乎立即停止充電。然而，因?yàn)榈诙?、第三和第四蓄電池組件觸發(fā)在3. 65V預(yù)設(shè)的自放電電壓，甚至在充電器的切斷之后，也可以針對每一個(gè)蓄電池觀察到電壓中的連續(xù)下降。與第二、第三和第四蓄電池組件相比較，第一蓄電池組件在充電器切斷之后不具有任何自放電，從而觀察到了更平坦的電壓輪廓。在充電8個(gè)周期之后觀察到第一蓄電池組件變成執(zhí)行自放電的唯一一個(gè)蓄電池組件(電壓增加超過3. 65V)，并且當(dāng)其超過3. 70V時(shí)切斷充電過程。這種結(jié)果建議了可以通過將電壓設(shè)置為切斷來利用多次充電實(shí)現(xiàn)電池平衡。可以利用針對每一個(gè)蓄電池的時(shí)間延遲自放電設(shè)置、通過多次充電步驟補(bǔ)償6. 6%的蓄電池容量差的恢復(fù)。通過去除每一個(gè)蓄電池上的自放電設(shè)置、在14. 7V下對串聯(lián)的4個(gè)蓄電池的另外充電，獲得了 3. 7%至0電流的總?cè)萘枯斎?。這暗示了甚至在不存在延長的恒定電壓充電的情況下，在8次連續(xù)的充電之后所有的蓄電池都接近完全充滿。根據(jù)所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對于什么部件用于時(shí)間延遲的自放電機(jī)制沒有硬性限制。任意集成電路、晶體管或者集成了包括電壓傳感器、電阻器和定時(shí)器或手動(dòng)充電計(jì)數(shù)器在內(nèi)的裝置可以在不存在延長的恒定電壓充電的情況下實(shí)現(xiàn)平衡串聯(lián)連接的蓄電池的目標(biāo)。盡管示例6是針對如圖12所示的串聯(lián)連接的4個(gè)蓄電池組件，本發(fā)明的方法應(yīng)用于如圖5(a)_ll所示排列的蓄電池以及那些結(jié)構(gòu)的各種擴(kuò)展版本。表1.針對每一組蓄電池的電壓隨時(shí)間變化。40138 12V20Ah鋰離子電池平衡充電測試
權(quán)利要求
1.一種可再充電蓄電池系統(tǒng)，具有多個(gè)電池和用于對所述可充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，所述可再充電蓄電池系統(tǒng)包括 多個(gè)電池，電連接用于形成可再充電蓄電池系統(tǒng)； 用于連續(xù)不斷地測量自放電電壓的自放電電壓測量裝置和相應(yīng)的自放電裝置，兩者都與串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)并聯(lián)連接; 過量充電電壓測量裝置，用于連續(xù)不斷地測量串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)兩端的過量充電電壓； 充電裝置，與所述可再充電蓄電池系統(tǒng)串聯(lián)連接，用于對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的所有電池進(jìn)行充電； 系統(tǒng)電壓測量裝置，用于連續(xù)不斷地測量所述充電裝置兩端的系統(tǒng)電壓； 限制裝置，用于對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制；以及 控制裝置，用于控制所述可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 (a)在充電期間，如果通過所述自放電電壓測量裝置的任一個(gè)測量的自放電電壓>預(yù)設(shè)的自放電電壓，那么相應(yīng)的自放電裝置操作直到所測量的自放電電壓等于所述預(yù)設(shè)的自放電電壓為止，然后停止所述相應(yīng)的自放電裝置的操作；以及 (b)在充電期間，如果所測量的過量充電電壓的任一個(gè)>預(yù)設(shè)的過量充電電壓，那么限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流，然后當(dāng)所有測量的過量充電電壓 <預(yù)設(shè)的第一恢復(fù)電壓時(shí)，停止對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制；以及 (C)在充電期間，如果所測量的系統(tǒng)電壓>預(yù)設(shè)的總電壓，限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流，然后當(dāng)所測量的系統(tǒng)電壓 < 所述預(yù)設(shè)的第二恢復(fù)電壓時(shí)，不再限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流；以及 (d)在充電期間，如果對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制的時(shí)間段>預(yù)設(shè)的時(shí)間段，那么不再對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 在(a)中，當(dāng)所述自放電裝置操作直到所測量的自放電電壓等于所述預(yù)設(shè)的自放電電壓時(shí)，所述自放電裝置還操作預(yù)設(shè)的時(shí)間段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 所述預(yù)設(shè)的時(shí)間段是提供串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)的充電容量的預(yù)設(shè)百分比的放電的時(shí)間段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 所述充電容量的預(yù)設(shè)百分比在O.1 %至20 %的范圍中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 所述充電裝置是可再生能量電源裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 所述充電裝置是光伏電池充電器、風(fēng)力發(fā)電充電器和內(nèi)燃機(jī)發(fā)電充電器中的至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 在(b)和(C)中，當(dāng)對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制時(shí)，將所述充電電流限制為零。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 所述限制裝置是如下中的至少一種所述充電裝置和所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的串聯(lián)電路中的斷路器、所述充電裝置的DC輸出處的斷路器以及所述充電裝置的AC輸入處的斷路器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 在(b)和(C)中，當(dāng)對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制時(shí)，將所述充電電流限制為等于或小于對串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆之一進(jìn)行放電的電流的數(shù)量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 用于控制所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的控制裝置是集成電路和印刷電路板中的至少一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，其中 在(d)中，對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制的預(yù)設(shè)時(shí)間段在O. 5至1. 5小時(shí)的范圍中。
12.—種車輛，包括 電動(dòng)機(jī)；以及 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可再充電蓄電池系統(tǒng)，用于向所述電動(dòng)機(jī)提供電能。
13.—種對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，所述可再充電蓄電池系統(tǒng)具有多個(gè)電池和用于對所述可充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的充電裝置，所述方法包括 提供多個(gè)電池，所述多個(gè)電池電連接用于形成可再充電蓄電池系統(tǒng)； 提供用于連續(xù)不斷地測量自放電電壓的自放電電壓測量裝置和相應(yīng)的自放電裝置，兩者都與串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)并聯(lián)連接； 提供過量充電電壓測量裝置，用于連續(xù)不斷地測量串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)兩端的過量充電電壓； 提供充電裝置，所述充電裝置與所述可再充電蓄電池系統(tǒng)串聯(lián)連接，用于對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的所有電池進(jìn)行充電； 提供系統(tǒng)電壓測量裝置，用于連續(xù)不斷地測量所述充電裝置兩端的系統(tǒng)電壓； 提供限制裝置，用于對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制； 提供控制裝置，用于控制所述可再充電蓄電池系統(tǒng)； 開始充電，以及 (a)在充電期間，如果通過所述自放電電壓測量裝置的任一個(gè)測量的自放電電壓>預(yù)設(shè)的自放電電壓，那么相應(yīng)的自放電裝置操作直到所測量的自放電電壓等于所述預(yù)設(shè)的自放電電壓為止，然后停止所述相應(yīng)的自放電裝置的操作；以及 (b)在充電期間，如果所測量的過量充電電壓的任一個(gè)>預(yù)設(shè)的過量充電電壓，那么限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流，然后當(dāng)所有測量的過量充電電壓 <預(yù)設(shè)的第一恢復(fù)電壓時(shí)，不再停止對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制；以及 (C)在充電期間，如果所測量的系統(tǒng)電壓>預(yù)設(shè)的總電壓，限制對于所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流，然后當(dāng)所測量的系統(tǒng)電壓 < 所述預(yù)設(shè)的第二恢復(fù)電壓時(shí)，停止對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制；以及 (d)在充電期間，如果對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制的時(shí)間段>預(yù)設(shè)的時(shí)間段，那么不再對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，其中 在(a)中，當(dāng)操作所述自放電裝置直到所測量的自放電電壓等于所述預(yù)設(shè)的自放電電壓時(shí)，還操作所述自放電裝置預(yù)設(shè)的時(shí)間段。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，其中 所述預(yù)設(shè)的時(shí)間段是提供串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆中的至少一個(gè)的充電容量的預(yù)設(shè)百分比的放電的時(shí)間段。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，其中 所述充電容量的預(yù)設(shè)百分比在O. 1%至20%的范圍中。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，其中 在(b)和(C)中，當(dāng)對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制時(shí)，將所述充電電流限制為零。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，其中 在(b)和(C)中，當(dāng)對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制時(shí)，將所述充電電流限制為等于或小于對串聯(lián)電路中的電池、串聯(lián)電路中的電池組和串聯(lián)電路中的電池堆之一進(jìn)行放電的電流的數(shù)量。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的對可再充電蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行充電的方法，其中 在(d)中，對所述可再充電蓄電池系統(tǒng)的充電電流進(jìn)行限制的預(yù)設(shè)時(shí)間段在O. 5至1. 5小時(shí)的范圍中。
全文摘要
一種用于高壓應(yīng)用的可再充電蓄電池系統(tǒng)，具有串聯(lián)電路中的多個(gè)電池。利用自放電裝置保護(hù)串聯(lián)電路中的電池、電池組和電池堆免于過量充電。保護(hù)所述可再充電蓄電池系統(tǒng)免于過量充電和過量放電，并且控制充電以通過過量充電/過量放電印刷電路板或充電器進(jìn)行恢復(fù)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103038974SQ201180025637
公開日2013年4月10日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者張惇杰, 張惇育 申請人:張惇杰, 張惇育