專利名稱：在充放電過程中控制蓄電池溫度的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及在充電或放電過程中控制可再充電電池的溫度，尤其涉及優化蓄電池(battery)的充電或放電過程。本發明還涉及一個實現該方法的蓄電池系統。
可再充電的單蓄電池(storage cell)組或蓄電池組是儲存和保持電荷并在以后將這些電荷作為有用的能源來輸送的電化學裝置。典型的蓄電池可以有許多連在一起的單蓄電池組，以形成具有特定的電壓或電流輸送能力的蓄電池。可再充電電池的一個熟悉的例子，就是用于便攜電子設備如攝像機和移動電話的鎳鎘(NiCd)電池。
在給可再充電電池如NiCd電池充電時，可以在電池的接線端上加一個高于電池端電壓的電壓，電流從這些電極流過電池。這個電流引起一個化學過程，通過這個過程能量就被儲存在電池中。
常常希望電池的充電周期盡可能地短，這就導致使用的充電電流越來越大。這可能加快電池內部的產熱過程，并可能導致電池在化學上破壞，因此，在適當的時候中斷充電是很重要的。這項技術包括一些用于在采用高充電電流時保證最佳充電的方法，這里，在電池內部的產熱變得太高之前的適當時刻，充電過程被停止。在WO92/15142和WO94/05068中描述了這些方法。
然而，在以高電流強度給可再充電電池充電時，已經認識到單蓄電池組的溫度應該足夠高，以保證將充電電流轉換成蓄電池能量的化學過程能夠盡快地反應，從而允許希望的高充電電流。在正常情況下，盡管已發現對低的電池溫度例如低于0℃，與在較高溫度如在25℃時的充電相比，應該降低最大允許充電電流，但對NiCd蓄電池組或單蓄電池組來說這并不是問題。
然而，對于其它類型的可再充電單蓄電池組已發現，為在大部分充電時間內允許高充電電流以便在給單蓄電池充電時可以得到較短的充電時間，蓄電池的單蓄電池組的溫度應該上升超過通常環境的溫度。此外還認識到，對這種或類似類型的單蓄電池組，單蓄電池組在充電和放電過程中都可以散熱。這樣，由于散發的熱量代表著能量，單蓄電池組的放電容量可隨能量的這種熱耗散而變化，而后者也隨放電過程中單蓄電池的外圍溫度的變化而變化。這類單蓄電池組可包含鋰電池組，如可為LiCoO2，LiNiO2，Li2Mn2O4，LixV2O5和LixV5O13鋰離子電池組以及鋰聚合物電池組。這樣，問題在于保證充電過程中的蓄電池或單蓄電池最佳溫度；同樣，在放電時獲得最佳電池或單蓄電池溫度也是一個問題。
在給可再充電單蓄電池如鋰電池充電時，防止蓄電池內的各個單蓄電池充電過度很重要，這一點已廣為人知。在EP0512340中描述了這種防止充電過度裝置。然而，EP0512340中所描述的系統，在包含幾個串聯單蓄電池的蓄電池組中的一個單蓄電池達到預定的最大單蓄電池電壓時終止充電，給定最大電壓可由蓄電池元件的材料和蓄電池的設計決定。這樣，由于各個單蓄電池可以有不同的充電和放電特性，并非所有的單蓄電池都會被EP0512340所公開的系統充到相同的程度。
因此，需要一種改進的過度充電設備或系統，在充電過程中平衡各個單蓄電池的充電。這樣一種充電平衡系統在US5283512中公開。在US5283512中描述的系統在充電過程中測量各個單蓄電池的電壓，當某個單蓄電池達到預定的最大單蓄電池電壓時，充電電流被旁路繞過該單蓄電池。
然而，無論是EP0512340還是US5283512都沒有提及控制單蓄電池溫度以使蓄電池或單蓄電池組充分充電和放電。這樣，需要一種改進過的充電平衡和防止過度充電的方法和系統，該系統在充電及(或)放電過程中也可控制單蓄電池組的溫度。
本發明提供了一個解決上述問題的方案。
根據本發明利用給可再充電電池充電的一種方法可實現該解決方案，在這個方法中，通過向蓄電池提供電流來提供能量從而給該蓄電池充電。在充電過程中，所提供的充電電流可在電池內部產生熱量，這種充電產生的熱量足以在充電過程的大部分內將蓄電池的外表溫度維持在一個預定的范圍內。然而，最好除了通過充電電流向電池提供的能量外，還要向電池提供產熱的能量，以便在大部分充電過程中將蓄電池的外表溫度維持在預定的范圍內。這里，蓄電池可以是單個的單蓄電池，或者，如果蓄電池是由多個單蓄電池組成的話，則為多個單蓄電池。
當利用根據本發明的方法使單蓄電池外表溫度上升到一個預定的范圍時，有可能在較長的時間內向蓄電池或單蓄電池提供高充電電流，時間的數量可為單蓄電池外表的溫度的一個函數。這樣，通過將蓄電池或單蓄電池外表的溫度控制在預先選擇的范圍內，可以獲得更有效的充電過程和更短的總充電時間。
在充電過程的初始階段或開始充電過程之前，產熱能量最好被輸送給蓄電池以獲得處于預定范圍內的蓄電池外表溫度。
本發明的方法尤其涉及鋰電池組，如包含一個或多個鋰離子單蓄電池的鋰離子電池組。對于這類電池，單蓄電池外表溫度可處于30-60℃范圍，以40-45℃為佳，41-46℃范圍則更佳。應該知道，在充電過程中維持較高的單蓄電池外表或蓄電池溫度的目的，是為了能夠在大部分充電過程中允許高充電電流，以獲得較短的總充電時間。
如果蓄電池包含的單蓄電池超過一個，優選控制蓄電池的溫度使得在充電過程中每個單蓄電池的外表溫度大致維持在相同的值，以便匹配每個單蓄電池的充電。
在討論中，結合附圖描述了蓄電池組的優選實例。這樣，蓄電池和/或單蓄電池組最好封裝在帶有安置在蓄電池組內的產熱元件的隔熱蓄電池組中。加熱元件可以是單蓄電池或單蓄電池組本身，但是除此之外，產熱能量可由安在蓄電池組內的充電電路的至少一部分提供，或由安在蓄電池組內具有特定目的的產熱電路的至少一部分提供。
在根據本發明給包含一個以上的單蓄電池的蓄電池充電時，優選使用電壓平衡充電過程給電池充電，使得每個單蓄電池的電壓即將達到相同的最大單蓄電池電壓。每個單蓄電池的電壓可在充電過程中測定，并且在某個單蓄電池達到預定的最大單蓄電池電壓時，最好降低流到這個單蓄電池的充電電流，充電過程也被控制，使得單蓄電池電壓在余下的充電時間內基本維持在最大單蓄電池電壓。直到該單蓄電池充滿電為止，充電過程都可繼續進行，然而，也可優選使得單蓄電池被充電到其全部容量的一定百分比如60％，70％，80％或90％。
優選控制平衡過的充電過程，使得每個單蓄電池被充電至大致相同的容量或大致相同的全部容量的百分比，每個單蓄電池應優選被充電至其全部容量。控制平衡充電過程使得在大部分充電過程中，所測定或測出的單蓄電池電壓彼此大致相等；充電過程的這個部分還可包括充電過程的第一階段，在這里沒有一個單蓄電池已達到最大單蓄電池電壓。如果第一單蓄電池的測定電壓超過了第二單蓄電池的測定電壓，最好使第一單蓄電池放電一段時間，而第二單蓄電池仍然被充電，使得放電時間過后，兩個單蓄電池可在大致相同的單蓄電池電壓下被進一步充電。
控制平衡充電的充電電路可包含一個以上的旁路設備以便為每個單獨的單蓄電池旁路充電電流，使得每個單蓄電池都可被充電到單蓄電池容量的相同百分比而單蓄電池不會有任何過度充電。旁路設備可包含旁路電流加熱的元件，這樣，這些元件的加熱還可用于維持一個預定的單蓄電池外表溫度或溫度間隔。如果其中一個單蓄電池在充電過程中被放電，放電電流也可被引導流過一種旁路設備，這個旁路設備可由放電電流來加熱。
對某些類型的單蓄電池組，放電過程中內部單蓄電池溫度的增加大于充電過程中的增加。這樣，蓄電池組內的溫度以及單蓄電池的外表溫度，可通過在充電過程中至少一個單蓄電池至少有一個放電周期來控制。除了單蓄電池組內部產生的熱之外，安置在蓄電池組內部的部分充電電路中所產生的熱也可加到單蓄電池組的外部加熱中去。如上所述，一個具有特定目的的產熱電路可被安置在蓄電池組中，如果或當單蓄電池組和/或充電電路的熱散失足夠維持所希望的單蓄電池外表溫度，供給該電路的產熱電流可以被控制，從而產生足夠的熱以維持預定的單蓄電池外表溫度或溫度范圍。
本發明還涉及一種給可再充電電池放電的方法，包含將電能從電池提取出來以給同一電池放電的步驟，以及向電池提供產熱能量或保持電池內產生的熱，以便在充電過程的至少部分階段增加電池外表的溫度。
由于熱可在放電過程中在蓄電池或單蓄電池內部產生，可利用包圍單蓄電池的至少一部分的隔熱層，使來自單蓄電池的熱能損失最小化。在這種情況下，由于熱損失少，內部產生的熱將使單蓄電池外表溫度上升，與一個沒有隔熱的單蓄電池比較，這足以改善單蓄電池的放電容量。這樣，至少部分產熱能量可通過自發加熱或放電過程中電池的內部加熱來提供。
如果單蓄電池被封裝在一個蓄電池組中，該蓄電池組的封裝可以只是一個隔熱層，蓄電池的外表溫度的上升，至少可在部分放電過程中通過從蓄電池到安置在蓄電池組內或單蓄電池和隔熱層之間的電路或元件的饋電電流得到，這里的電路或元件是由供應的電流加熱的。
安置在蓄電池組內或單蓄電池與隔熱層之間的電路或元件也可優選地由外電流源的電流來加熱。該外電流源可在放電過程中提供，但是最好在放電過程開始之前提供該外來電流，從而在放電過程開始之前，單蓄電池外表溫度可以達到一個預定的溫度范圍，由此提高單蓄電池的放電容量。
本發明還提供了帶有形成可再充電電池的一個或多個單蓄電池組的蓄電池組，在這里，蓄電池組包含一層至少部分包住蓄電池的隔熱材料，以便至少維持在蓄電池組內部由蓄電池在放電或充電過程中的自發加熱或內部加熱產生的部分能量。該蓄電池組封裝可以是電池系統的一部分。蓄電池組最好還包含安置在單蓄電池組和隔熱層之間的導熱材料，該導熱層至少部分包住單蓄電池或單蓄電池組。
這樣的蓄電池組和/或系統優選用于上述充電或放電方法中的一個或多個中。這樣，蓄電池組或系統還可包含適合向蓄電池組提供電流形式的電能的電路或元件，以便在提供上述能量時增加單蓄電池或單蓄電池組的外部溫度。該電路最好還包含至少部分安置在電池組內部的電池充電系統。這部分充電系統可包含在充電過程中一個或多個適合將充電系統提供的充電電流旁路到至少一個單蓄電池上的旁路設備。
除了這些旁路設備，該電路還包含至少一個電子元件，該電子元件安置在蓄電池組內，并適合用于當旁路設備和/或單蓄電池組內的自發加熱所產生的熱量不足以將電池的外表溫度維持在預定的范圍內時，將電流產生的熱輸送到蓄電池組中去。當上述一個單蓄電池上測出的電壓等于或大于預定的最大單蓄電池電壓時，蓄電池充電系統優選適合用于將充電電流旁路繞過一個單蓄電池。
系統的實施方案和細節出現在權利要求中，并結合附圖詳細討論系統的實施方案。
結合附圖將更為詳細地對本發明進行描述，這些圖為
圖1表示蓄電池外表溫度在42-46℃范圍內的鋰離子電池的充電曲線，圖2和圖3表示根據圖1的充電過程充電的蓄電池的放電曲線，蓄電池外表溫度分別在44-47℃和25-30℃范圍內，圖4表示圖1的鋰離子電池在蓄電池外表溫度處于4-11℃范圍內時的充電曲線，圖5表示根據圖4的充電過程充電的蓄電池的放電曲線，蓄電池外表溫度在24-28℃范圍內，圖6表示圖1的鋰離子電池在單蓄電池外表溫度處于4-8℃范圍內時的充電曲線，圖7表示根據圖6的充電過程充電的蓄電池的放電曲線，蓄電池外表溫度在-1-4℃范圍內，圖8表示圖1的鋰離子電池在蓄電池外表溫度處于39-42℃范圍內時的充電曲線，圖9表示根據圖8的充電過程充電的蓄電池的放電曲線，蓄電池外表溫度在1-17℃范圍內，圖10-12表示的是根據本發明的蓄電池系統，圖13-19表示一個用于根據本發明的方法或蓄電池系統的平衡充電系統，圖20表示根據本發明的充電過程的流程圖，圖21表示根據本發明的放電過程的流程圖，圖22表示環境溫度為-3℃時一個隔熱的鋰離子電池的放電曲線，圖23表示環境溫度為-3℃時一個未隔熱的鋰離子電池的放電曲線，以及圖24表示環境溫度為-3℃時一個未隔熱的NiCd電池的放電曲線。
圖1表示一個LiCoO2類型的鋰離子電池的充電曲線，其中控制蓄電池的外表溫度使之在42-46℃的范圍內。控制該充電過程以向蓄電池提供幾乎恒定不變的950mA充電電流，直到達到預定的最大單蓄電池電壓Vmax為止。這個由蓄電池生產者給定的最大電壓為4.2V。在這里，應該避免充電過度以免損壞蓄電池。在達到Vmax后，控制充電過程以降低充電電流，但蓄電池電壓基本維持Vmax直至充電過程結束。在圖1所示的實例中，充電過程在40分鐘后結束。隨后的充電實例中也選擇了40分鐘的充電周期。
圖2和圖3表示圖1充過電的蓄電池的放電曲線。在圖2和圖3中，將蓄電池外表溫度分別控制在44-47℃和25-30℃的范圍內，蓄電池用幾乎恒定的425mA電流放電，該蓄電池從蓄電池電壓3.88V放電至最低蓄電池電壓，該電壓由生產者提供，為2.5V。應當避免過度放電以免損壞蓄電池。在這個方面應該注意，圖2中的放電時間大約為94分鐘，而對應于蓄電池容量的減少，圖3中的放電時間則低到大約90分鐘。在兩種情況下只要蓄電池被充電至同樣的程度，蓄電池容量的差異可由放電過程中蓄電池外表溫度的差異來解釋。
由于鋰離子電池自身在放電過程中會在其內部產生熱量，這種自身產生的熱量也叫做自發加熱，蓄電池外表的溫度差將對應于蓄電池內部的溫度梯度的差異，并因而對應于放電過程中的熱能散發的差異。如果部分儲存的化學能以熱量的形式損失掉，余下轉換為電能的那部分化學能就少了，導致蓄電池容量的減少。
圖4表示圖1的鋰離子電池在蓄電池外表溫度被控制在4-11℃范圍內時的充電曲線。這里，950mA的最大充電電流只在一個較短的時間內被供給蓄電池，與圖1的曲線相比較，此時很快就達到了4.2V的Vmax。這樣，當蓄電池外表溫度降低時，最大蓄電池電壓可在充電過程的早期便可達到，導致充電電壓降低和供給蓄電池的能量的降低。因此，根據圖4充電后的蓄電池充電后占其全部容量的比例，與根據圖1充電的情況相比應該要低一些。
這種情況已在圖5中得到了說明，圖5為根據圖4的充電過程充電的蓄電池的放電曲線。在圖5中，蓄電池外表溫度被控制在24-28℃的范圍內，對應于圖3所示的放電過程。在比較圖3和與圖5的曲線時，與圖3的90分鐘相比，圖5在68分鐘后便達最低蓄電池電壓，這清楚地說明，圖4中的過程并沒有將該蓄電池充電到根據圖1的過程充電所達到的同樣程度。
圖6表示與圖4所示的過程類似的充電過程的充電曲線，圖7則表示根據圖6的充電過程充電后的蓄電池的放電曲線。在圖7中，蓄電池外表溫度被控制在-1-4℃的范圍內，這個溫度大大低于圖5放電過程的溫度。在比較圖5和與7時，圖7的放電時間為45分鐘，而在圖5中為68分鐘。這樣，在放電過程中當蓄電池溫度低到25℃左右時，蓄電池的容量明顯降低。
圖8表示一個與圖1的過程類似的充電過程的充電曲線，圖9則表示根據圖8的充電過程充電后的蓄電池的放電曲線。在圖9中，沒有對蓄電池外表溫度進行控制，但該蓄電池被封裝在隔熱的蓄電池組內，并且在放電過程開始之前被冷卻到1℃左右。圖9中觀測到的溫度上升是由于蓄電池的自身產熱引起的。與圖3相比，容量降低了一點，從90分鐘降至87分鐘，這表明對蓄電池進行有效的隔熱可以減少蓄電池自身產熱的損失，并且所產生的熱量被用于使蓄電池升溫，這又可能導致蓄電池放電容量增加。
圖10、10A、11、11A和12表示根據本發明的隔熱蓄電池系統的優選實施方案。在這些實施方案中，蓄電池組100包含一個或多個至少部分被導熱層102包圍的單蓄電池101。這些單蓄電池和/或導熱層最好至少被隔熱層103包圍一部分，以防止熱量從蓄電池組中散發掉。為控制導熱層的溫度和/或單蓄電池組的外表溫度，可在該蓄電池組中安置一個或多個加熱元件104。加熱元件最好為安置在導熱層102上的電阻。也可將導熱層102自身設計為加熱元件。為控制單蓄電池或單蓄電池組的外表溫度，最好在蓄電池組中安裝溫度傳感器。在此，溫度傳感器優選被安置用來測量一個或多個單蓄電池的外表溫度和/或導熱層的溫度。
為了在充電或放電過程中控制單蓄電池外表溫度或為了向加熱元件或電路104供應電流，蓄電池系統還應該包括電流供應系統；在一個優選實施方案中，該電流供應系統可包含一個用于通過測量溫度和控制電流供應系統輸送給散熱部件或元件的電流來確定單蓄電池外表溫度的控制電路。這樣的控制電路或系統可以包括在蓄電池組100(圖11和1A)中。包括在該蓄電池中的電路或元件可被安置在一個柔性的印刷電路板105上，該電路板可為導熱性材料并且可被安置成與單蓄電池或單蓄電池組和/或導熱層102緊密相連。
在圖12中，表示了蓄電池組的一個優選實施方案，其中當蓄電池用于或被插入到一個放熱裝置或設備如計算機中時，蓄電池組的部件106可從該蓄電池組中移走。在移走部件106后，可從蓄電池組外部供應熱量并幫助保持較高的單蓄電池外表溫度。如果更喜歡的話，在部件106被移走后如果單蓄電池外表溫度太高，還可能對單蓄電池外表溫度進行冷卻。
在圖10-12的蓄電池組中最好包括一層熱反射材料并至少部分包住這些單蓄電池。
在蓄電池中包括多個單蓄電池時，這些單蓄電池通常串聯在一起以便獲得較高的最終蓄電池電壓。然而，蓄電池內的這些單蓄電池可能具有不同的特性；例如，儲存容量及內部電阻也許因不同的單蓄電池而各異。這樣的結果是當給串聯的單蓄電池充電直至達到最大蓄電池電壓時，一些容量比較高的單蓄電池將不能夠被充滿電，而那些容量較低的單蓄電池則會充電過度。此外，串聯著中的一個沒有和其它單蓄電池充電到相同程度的單蓄電池，可能被過度充電并在蓄電池放電過程中遭到損壞。這樣，連續的單蓄電池過度充電和過度放電會導致蓄電池總容量的下降并進一步導致蓄電池壽命的減少。
使蓄電池長壽的一個方法，是挑選各獨立單蓄電池使蓄電池內的每個單蓄電池都具有相同的容量。然而，這是很不實際的，根據本發明的解決方案，將一個電路連到蓄電池上，該電路應該能夠確保各獨立的單蓄電池被充電到基本相同的程度且不被過度充電。此外，如果蓄電池組內的各個獨立的單蓄電池都被充滿電或都被充至占其總容量的相同比例的容量，每個單蓄電池在隨后的放電過程中都將大致沿著相同的電壓曲線。這樣，如果單蓄電池被用平衡充電系統來充電，過度充電應該也可以避免。
圖13-18用來根據本發明的方法和蓄電池系統中這樣的平衡充電系統的實例。
圖13所示的充電系統被安置在蓄電池組內，并且可被包括在柔性印刷電路板105上。在圖13中，蓄電池包含兩個單蓄電池1301和1302，兩個控制模塊1303和1304，兩個參考電壓設備1305和1306，以及兩個旁路設備1307和1308。外供電電源連到電壓輸入端1309和1310上。在充電過程中，控制模塊1303比較單蓄電池1301的電壓和預定的參考電壓refV1，當達到refV1時，控制模塊調整旁路設備1307，使得部分流向單蓄電池1301的充電電流被導流通過旁路設備1307。最好控制旁路導流，使得一旦達到refV1后，單蓄電池1301的充電電壓被維持在refV1。此外一旦達到refV1，最好在一段時間后結束充電過程，這個時間可以是從開始充電步驟到單蓄電池電壓基本等于refV1的這一時刻所花費的時間的函數。控制模塊1304遵循上述的充電步驟，參照電壓refV2來控制單蓄電池1302。
電壓refV1最好與refV2相同。旁路設備可為三極管。控制模塊1303和1304可包含模擬電路，但也可以包含一個微處理器。
在控制平衡充電時，最好根據另一個不同于上述單蓄電池電壓的特征充電參數，來控制每個單蓄電池的充電。這樣，充電參數如供給單蓄電池的能量就可被確定和利用，以獲得各獨立的單蓄電池的平衡充電。
圖14表示與圖13相同的充電系統，但在這里充電系統并沒有被包括在蓄電池組中。這樣，該蓄電池組應該有連接器1401-1403，連到充電系統中與其匹配的各單蓄電池1404-1406上，這樣在充電過程中就可以測量各獨立單蓄電池的電壓。
圖15表示一個與圖13的充電系統類似的平衡充電系統。然而，控制模塊1303和1304以及電壓參考設備1305和1306，被一個與振蕩器相連的微控制器或微處理器1501所取代。在圖15的系統中，預定的參考電壓或電壓組可被儲存在微控制器中，每個單蓄電池的電壓可利用控制器1501內的模數轉換器，如A/D1和A/D2測出來。
圖16表示一個與圖15中的充電系統類似的平衡充電系統的優選實施方案，但還包括了散熱元件如電阻R1(1601)，對應于上面結合圖10-12所描述的元件104。流經電阻R1(1601)的電流可由微控制器1501通過一個限流裝置如三極管Q4(1602)來控制。流經加熱元件或元件組1601的電流最好應該根據溫度傳感器的輸出來控制，該傳感器響應單蓄電池或單蓄電池組的外表溫度并向控制設備1501發送一個溫度信號。可對控制器1501進行編程以響應從溫度傳感器來的輸入信號，從而調節流經加熱元件或元件組的產熱電流，獲得處于預定的溫度范圍內的溫度。單蓄電池外表溫度可在充電和放電過程中進行控制。然而，預定的溫度或溫度范圍對充電和放電過程而言可以不相同。
在給蓄電池組內的單蓄電池組充時，在單蓄電池或單蓄電池組內部會產生熱量，相當于單蓄電池或單蓄電池組的自發加熱，這樣會導致單蓄電池外表溫度升高。當其中一個單蓄電池達到預定的最大單蓄電池電壓時，最好減少流經該單蓄電池的充電電流，從這個單蓄電池來的自發加熱也減少了。這樣，在一個較好的充電過程中，單蓄電池或單蓄電池組在充電過程之前和/或充電過程的初始階段被供應給加熱元件如電阻R1(1601)的電流所加熱，而在充電過程中，當單蓄電池組和/或充電電路內產生的的熱能將單蓄電池外表溫度維持在預定的范圍內時，可以減少供應給加熱元件或元件組的電流；在充電過程的最后階段，當供應給單蓄電池或單蓄電池組的電流減少時，供應給加熱元件或元件組如電阻R1(1601)的電流最好相應增加，以便將單蓄電池外表溫度維持在所希望的溫度范圍內。
圖17中表示的是平衡充電電路或系統的又一優選實施方案。圖17的充電系統包含一個開關元件1703，它可以是三極管Q3，用來在充電過程中中斷單蓄電池1301和1302之間的串接。開關元件1703由控制電路1501來控制，供應給單蓄電池1302的充電電流由可包含電阻1704和三極管Q1的調節電路1706來調節。可通過測量電阻1704的電壓且同時測量單蓄電池1302上的電壓來控制電流；該電壓可利用形成控制電路1501的一部分的模數轉換器測出來。利用包含電阻1705和三極管Q2的調節電路1707，用和控制供應給單蓄電池1301的電流系統的方法，來控制供應給單蓄電池1301的電流。當電池工作在放電模式，單蓄電池1301和1302通過開關元件1703串聯在一起。當單蓄電池組正在充電時，電阻1704和1705可被充電電流所加熱，由此向蓄電池組散熱。
在圖17中，每個單蓄電池都是單獨充電的，對控制電路1501來說，有可能在給第一個單蓄電池充電的同時給第二個單蓄電池放電，第二個單蓄電池已經達到的電壓高于第一個單蓄電池的電壓。這樣，在給第二個單蓄電池放電時，第二個單蓄電池的電壓會被拉至和第一個單蓄電池基本相同的水平。放電后，第二個單蓄電池可進一步充電，第一個單蓄電池也可進一步充電；放電的單蓄電池可以在放電過程中產生內部熱量，這樣就有助于維持所希望的單蓄電池外表溫度范圍；來自第二個單蓄電池的放電電流還可在旁路設備或電流調節電路1706或1707中產生熱量。圖18表示與圖17中相同的平衡充電系統，但是帶有上述的加熱電路，該電路可以含有包括在充電系統中元件1601和1602。
圖19也表示了平衡充電系統的一個優選實施方案。圖19的系統與圖15、16中的很相似，但在圖19中圖示表明了加熱元件或元件組是怎樣安置在蓄電池組的內部及蓄電池組的外部的。在圖19中，充電系統包含一個蓄電池組1901，以及一個用于在充電過程中提供充電電源和熱量的外部裝置1902。外部裝置1902包含電源設備和微處理器1904，以及可以是散熱電阻的加熱元件1905。
在充電過程中和/或充電過程之前，蓄電池組是由外部加熱元件1905來加熱的。在蓄電池組1901裝有溫度傳感器1906，向外部裝置中的處理器1904輸出一個信號。該信號被處理器1904用來控制供應給加熱元件1905上的功率以及傳送給蓄電池組1901的熱量。應當控制加熱元件1905傳送的熱量，以使在大部分充電過程中蓄電池組1901內的單蓄電池1301和1302的溫度被保持在一個預定的溫度范圍內。這個平衡充電過程是由前面結合附圖13和15敘述過的處理器1501來控制的。然而，在給單蓄電池1301和1302充電過程中，熱量也可從內部加熱元件1903和單蓄電池的自發加熱傳送給蓄電池組，從而減少了來自外部加熱元件1905的產熱能量的需要。
在給圖19的單蓄電池放電時，可能希望將單蓄電池組的單蓄電池外表溫度維持在一個預定的溫度范圍內。這個希望的單蓄電池溫度可通過放電時單蓄電池的自發加熱來獲得，但是最好在放電過程中通過從單蓄電池組提取電力并將其傳送給內部加熱元件1903來加快溫度的上升過程。元件1903傳送的能量的多少由處理器1501根據來自溫度傳感器1906的輸入信號來控制。
一般說來，微控制器1501包括用戶可編程只讀存儲器，其中含有決定充電系統的運行的指令序列。參照圖20，在充電過程2000開始后，即上面的增加動力，在硬件(如計數器和變量)初始化后(步驟2002)，就確定是否有適當的蓄電池被插入到充電器中(步驟2004)。例如，蓄電池組可包括電池類型的標志，以確保蓄電池組沒有被插到不匹配的充電器中。這里，蓄電池組包括一個微處理器，在查詢之后向充電裝置提供一個代碼。假設一個合適的蓄電池與充電器配合，就可獲得(標志2006)電壓及其它不同的信息(如溫度)，并根據特定類型的蓄電池的標準進行測試，以保證蓄電池處于充電狀態。例如，如果蓄電池低于某個電壓，這就表明單蓄電池組已經損壞，并且不適合充電。同樣，如果蓄電池的溫度在預定的寬范圍之外，就可能不適合給它充電。
假設沒有指示不適合的情況，接下來就開始充電(步驟2010)。通常，充電電流的大小是根據所測得的參數來控制的。在同樣懸而未決的申請美國專利申請序號08/104123和WO94/05068中，對適當控制充電電流進行了說明。
一旦充電過程開始，各單蓄電池的電壓和溫度就被獲取并儲存在存儲器中(步驟2014)，并與預定的界限進行對照。假設仍在預定的界限內，在測量跨電阻1704的電壓的同時，測量每個單蓄電池的電壓，并再次被測量并儲存在存儲器中(步驟2016)。這就在單蓄電池組之間實現了平衡。單蓄電池組中的最低單蓄電池電壓就被確定下來(步驟2018)。驅動旁路三極管(1701、1702)以使電壓較高的單蓄電池有效地平衡充電(步驟2020)。測量每個單蓄電池的旁路電流(步驟2022)以建立檔案記錄，旁路電流和其它數據被儲存在存儲器中，供將來利用(步驟2024)。
接下來對加熱器進行適當的調整(2026)。將單蓄電池的溫度和希望的溫度的標志相比較，并相應地啟動或關閉流經加熱元件的電流通道。
接著，不同的內部定時器和與充電電流的水平有關的類似的東西被更新(步驟2028)，并對指示充電過程結束的狀態進行測試(步驟2030)。假設充電過程沒有結束，重復從2012至2030的步驟。
一旦充電結束，充電器進入實際上停滯的狀態，直到蓄電池被取出來為止(步驟2032)。
參照圖21，微處理器1501控制加熱元件1903和旁路設備1307、1308以是溫度維持在預定溫度范圍內，并保證不會發生各獨立的單蓄電池過度放電而損壞。參照圖21，當放電過程開始后，獲取各獨立單蓄電池的電壓和蓄電池組的溫度以及其它任何有關的特征，即讀取微控制器的從A到D各個輸入端(步驟2102)。
接著，確定單蓄電池組中的最低電壓(步驟2104)，該最低電壓接下來與預定的最低臨界值電壓(MinAllowedVolt)進行測試(步驟2106)。如果最低單蓄電池電壓掉到臨界值以下，該蓄電池組實際上已與負載斷開了(步驟2108)。假設最低電壓至少等于臨界值，允許接負載(步驟2100)。
接下來確定最佳的放電溫度(步驟2112)并相應地調節加熱器(步驟2114)。在充電時，可使用外電源。然而，在蓄電池放電過程中，蓄電池自身是唯一的電源，被分來維持溫度的這部分能量是一定的，希望確定最佳的溫度范圍，即獲得最大容量的最低溫度。這種確定對蓄電池和安裝來說都很特別，但通常是建立在屬于這些東西的不同的常數的一個公式，這些常數如蓄電池和其應用的本質、蓄電池的放電狀態以及環境溫度。一旦最佳放電溫度被確定下來，就相應地向加熱器1903供電。
接著，放電電流被測出(步驟2116)并與其它測出的數據一起儲存下來供下面使用(步驟2118)。接下來重復放電順序。
應該懂得，上述圖13-19的實例提及了蓄電池充電系統，該系統最好用來通過在充電過程中加上高的單蓄電池溫度，獲得單蓄電池組如鋰單蓄電池組的快速充電過程，從而在大部分充電過程中允許較高的充電電流，使得充電和放電的總時間縮短。在蓄電池被插入到供電單元的時候，本發明的充電系統最好不要引起任何不可控制的單蓄電池組放電。
還應懂得，在單蓄電池根據本發明的不同方面放電的時候，由于可能無法獲得外部能源，單蓄電池最好使用其自身儲存的能量來加熱。通過使用儲存的蓄電池能量，在加熱單蓄電池或單蓄電池組時，有可能在極低的環境溫度下使用該電池。在從蓄電池提取較高的電流脈沖的應用(無線電發射等)中，這種方案可能代表在相當低的溫度下使用的僅有的可能性。
如上所述，預定的溫度范圍對充電過程和放電過程來說可以是不同的，但最好應該確定單蓄電池的最低溫度以滿足一系列的單蓄電池參數，如內部阻抗、可利用的容量、壽命等等。如果單蓄電池的外表溫度低于這個最低溫度，在任何充電開始之前，單蓄電池最好被加熱到這個最低溫度。
此外，通過使用平衡充電系統，每個單蓄電池都可以最佳的方式充電，從而延長了蓄電池的可使用循環壽命。
盡管上述圖13-19的實例提及了給包含兩個單蓄電池的蓄電池充電的蓄電池充電系統，這些充電系統的原理可擴展到給包含兩個以上如3、4、5、6或更多個單蓄電池的蓄電池充電的充電系統。另外，從上述的本發明的特定實施方案，可以進行不同的修改而不離開本發明的思想和范疇。
從上述討論中應該懂得，單蓄電池的溫度是一個能夠對單蓄電池的充電和放電特性起主要作用的參數。然而，單蓄電池溫度的化的影響隨不同類型的蓄電池而不同。
接下來進一步做了說明，討論了基于固態嵌入即所謂客-主系統(guest-host system)的基礎上討論了可再充電電池這個討論指出了廣為人知的類型的可再充電電池的差別，如鉛酸和鎳鎘電池，以及較新的嵌入型的電池如鋰離子電池。
這個問題將在注意到溫度對充電和放電的接收速率的影響，以及過度充電和過度放電對凈電池容量的影響的經常上來對待。
對鎳鎘和鉛酸電池而言，離子輸運在高離子導電性能的水溶液中進行。
嵌入型(漂移)蓄電池組是比較新的改進過的二次可再充電電池系統，其中碳/鋰鈷嵌入系統是一個例子。術語“嵌入”廣義地表示將離子化或中性的客方原子或分子引入到一個主方基體中去。這個過程伴隨著氧化還原過程。注意，可能會發生氧化還原過程，但并非一定要發生。
碳/鋰鈷電池以層狀結構的陰極板和陽極板作主體，鋰離子被嵌入到兩者之間。
鋰離子通過一個離子導電的物質在極板(并經過隔板)之間輸運，這種物質可以是固態或液態的。通常認為，在大多數鋰電池中，鋰與電解質的反應在陰極板的表面上形成了固態電解質的中間相。鋰離子必須經過該表面膜。
陰極板可以是碳(或過渡金屬硫化物、鹵化物、鉍等)。一個例子是石墨，一種碳的同素異形體，形成由芳香烴特征的六角形單位組成的大分子層的層狀結構，具有良好的電子遷移性。
鋰離子嵌入到兩層之間中空的范德華區中，給出了LiC6化學計量關系。實踐中，薄片狀的石墨極板可由有規則的短范圍區域組成，彼此之間互相堆積在一起。象SEI薄片一樣，這可產生鋰離子輸運的瓶頸。
陰極板碳的另外一個實例是焦炭，一般指不太規則或不定形的結構，通常是通過有機物質的熱分解制造出來的。
陽極板可以是金屬硫化物，鹵化物，NiPS3或其它。鋰離子輸運在陽極板的晶格內進行。離子導電性根據材料、結構和雜質變化。
電解液的選擇通常限于疏質子的化合物，對電極比較穩定。考慮到這些方面，電解液的離子導電性常常有限。
通常，系統如碳/鋰輝鈷礦中的離子輸運依賴于溫度，導電性/輸運隨溫度而增加。限制因素是電解液；在低溫下電解液的問題綜合在一起。普通電解液對溫度的依賴性，由低到約12℃的Arrehnius關系充分說明了。在低溫情況下，偏差相當大。
固體中離子的電導率依賴于溫度，當溫度從室溫開始上升時，電導率通常隨之增加。鋰鈷中的兩個極板都是這種情況。
這意味著低溫給鋰離子電池組帶來了特殊的問題。隔熱和/或加熱蓄電池(組)可能使無用的蓄電池有用(這就是，在這個溫度范圍內加熱的作用與其說是量的而不如說是質的)。典型的溫度范圍是15-10℃及以下。在較高的溫度下是線性關系，隔熱和/或加熱蓄電池(組)使得有可能更快地給蓄電池充電。
鎳鎘和鉛酸電池在0℃及其以下的低溫下表現為充電時間延長和/或放電速率降低，但主要的差別在于具有穩定的高導電率的氫氧化物-水合氫離子的液態電解液。
總的來說，在提高溫度后，鋰鈷漂移電池組的充電和放電的接收速率都有提高。在某些點，溫度的升高受電解液的不穩定性的限制。
觀測到的過度充電的影響是不可逆轉的容量損失，這種損失轉而被認為是陽極板的結構變化引起的。充電時在蓄電池中平衡單蓄電池電壓確保避免了容量的損失。平衡可以是主動的(所有的單蓄電池都被充至全部容量)，或被動的(在第一個單蓄電池達到其限度時停止蓄電池充電)。
總之，在穩定的商用蓄電池如鎳鎘和鉛酸電池等的物理狀態之間，以及鋰離子鈷漂移電池的熱行為方面的差別，在于1、與鎳鎘電池或鉛酸電池相比，有相當大部分的離子導電在鋰離子鈷電池中的固體中發生，這影響到充電/放電的接收。
2、鋰離子鈷電池中使用的電解液是非水溶性的，與鎳鎘電池或鉛酸電池中的水溶性電解液相比，在一定的溫度下離子的電導率較低。這樣，鋰離子鈷電池的溫度依賴關系不如鎳鎘電池或鉛酸電池的電導率那么好。
這樣，由于鋰離子電池組與廣為人知類型的電池如鎳鎘電池或鉛酸電池之間物理狀態的差異，在充電和/或放電時電池的實際溫度水平對鋰離子電池工作的影響，要比對鎳鎘電池或鉛酸電池的影響更為重要。特別是，在低電池溫度下工作，如低于10℃，低于0℃或低于-5℃時，可以觀察到鋰離子電池組的電導率顯著較低，由于在這個溫度下不能輸送必需的放電電流，結果可能會導致電池不能使用。
在圖22-24中，對放電過程中單蓄電池溫度的對鋰離子電池組和鎳鎘電池影響的上述差異進行了說明。
圖22表示在環境溫度為-3℃下一個隔熱的鋰離子電池的放電曲線。電池的型號是Sony Ф 18X65鋰離子電池，該蓄電池以1.5mA的放電電流放電了大約3分鐘。在放電階段，蓄電池電壓從3.2V降至2.5V，即蓄電池供應商指定的最低工作電壓。
圖23表示與圖22所示相同的Sony電池，但是沒有隔熱。這一次環境溫度依然大約為-3℃，電池仍以1.5mA的放電電流放電了大約3分鐘。在放電階段，電池電壓在2分鐘的時間內從3.2V降至2，5V；從這一時刻開始，電池電壓下降得非常顯著，在3分鐘結束后達到1.5V。這樣，這個電池在環境溫度為-3℃時只能工作大約2分鐘，而由于隔熱電池的自身加熱作用，隔熱電池將能工作大約3分鐘。
從上述討論中可以預見，鎳鎘電池不應由于環境溫度較低而大幅度減少工作時間。這在圖24中已有說明，該圖表示一個未隔熱的鎳鎘電池在環境溫度為-3℃下的放電曲線。電池仍然以1.5mA的放電電流放電大約3分鐘。為將該鎳鎘電池與圖23中的鋰離子電池相比較，鎳鎘電池包含三塊型號為Panasonic NiCd P70AAS的單電池，并且，從圖24中可以看出，放電過程中從3.7V降至3.35的電壓降沒有采取象圖23中的電壓曲線那樣急劇的形狀。
因此，所推薦的本發明的方法和系統通過使鋰離子電池的溫度增加到周圍溫度值以上，為上面提到的問題提供了答案。這個溫度增加可以通過控制的方式或通過至少給蓄電池部分隔熱來獲得，就如上述實施方案的實例那樣。
權利要求
1.一種給可再充電電池充電的方法，包含這些步驟通過向蓄電池提供電流來給蓄電池提供能量以給蓄電池充電，以及除了用充電電流向蓄電池提供的能量之外，向蓄電池提供產熱能量以使蓄電池的外表溫度在大部分充電過程中維持在預定的范圍內。
2.一種給可再充電鋰離子電池充電的方法，包含這些步驟通過向蓄電池提供電流來給蓄電池提供能量以給蓄電池充電，以及至少在部分充電過程中通過減少充電過程中自發加熱產生的產熱能量的損失，來提高電池的溫度，能量損失的減少是利用至少包圍蓄電池一部分的隔熱材料實現的。
3.根據權利要求2的方法，其中除了利用充電電流向蓄電池提供能量外，還向蓄電池提供產熱能量，以便在大部分充電過程中使蓄電池的外表溫度維持在預定的范圍內。
4.根據權利要求1-3中任一項的方法，其中蓄電池至少部分被一層導熱材料所包圍。
5.根據權利要求1-4中任一項的方法，其中蓄電池和/或導熱層至少部分被一層隔熱材料所包圍。
6.根據前面權利要求中任一項的方法，其中產熱能量被輸送給蓄電池，以便在充電過程的初始階段或開始充電之前使蓄電池外表溫度處于預定范圍內。
7.根據權利要求1或4-6中任一項的方法，其中蓄電池為鋰電池，如鋰離子電池。
8.根據前面的權利要求中任一項的方法，其中預定的蓄電池外表溫度范圍為30-60℃，以40-50℃為佳，在41-46℃范圍則更佳。
9.根據前面的權利要求中任一項的方法，其中蓄電池至少包含兩個單蓄電池，控制蓄電池的溫度使每個單蓄電池的外表溫度基本保持相同的值。
10.根據前面的權利要求中任一項的方法，其中蓄電池被封裝在一個蓄電池組中，蓄電池的外表溫度是通過給蓄電池組提供產熱能量來獲得的。
11.根據權利要求10的方法，其中能量是通過向蓄電池組中的電路或元件提供電流來供給的，這些電路或元件被所提供的電流加熱。
12.根據權利要求11的方法，其中的電路包含一個或多個電阻。
13.根據前面的權利要求中任一項的方法，其中蓄電池是包含至少兩個單蓄電池的蓄電池組，其中蓄電池用電壓平衡充電過程來充電，以便使每個單蓄電池都將達到相同的最大單蓄電池電壓。
14.根據權利要求13的方法，其中平衡充電過程包含在充電過程的若干時刻確定或測量每個單蓄電池的電壓，比較測出的單蓄電池電壓，控制每個單蓄電池的充電電流使得每個單蓄電池的電壓在大部分充電過程中基本相同。
15.根據權利要求13或14的方法，其中通過控制平衡充電過程，使在一個測量時間點上電池的測量電壓高于第二單蓄電池的測量電壓的第一單蓄電池被放電一段時間，以便將第一單蓄電池電壓降至與第二單蓄電池電壓基本相同的水平。
16.根據權利要求13-15中任一項的方法，其中平衡充電過程是由一個電平衡充電電路控制的，至少有部分平衡充電電路被安置在蓄電池中內部。
17.根據權利要求11和16的方法，其中在充電和/或放電過程中，安置在蓄電池組內的那部分平衡充電電路是由平衡充電電路控制的電流來加熱的
18.根據權利要求17的方法，其中在蓄電池組中提供了若干個旁路設備，每一個都對應于一個單蓄電池，這些旁路設備用于在平衡充電過程中將充電電流旁路繞過至少一個單蓄電池，加熱電流包含這個旁路充電電流。
19.根據權利要求18的方法，其中在充電過程中給某個單蓄電池放電時，至少還向一個旁路設備提供了放電電流。
20.根據權利要求18或19的方法，其中，在充電時單蓄電池組的內部加熱和/或旁路電流所產生的熱不足以維持預定的蓄電池組內部溫度時，電能除了被輸送流過一個旁路設備外，還至少流經一個電子元件以加熱蓄電池組。
21.一種給可再充電電池放電的方法，包括這些步驟從蓄電池中提取電能以便給該電池放電，以及向該蓄電池提供產熱能量以便至少在部分放電過程中提高蓄電池的外表溫度。
22.根據權利要求21的方法，其中至少部分產熱能量是由放電過程中蓄電池的自發加熱或內部加熱來提供的。
23.一種給可再充電電池放電的方法，包括這些步驟從蓄電池中提取電能以便給該電池放電，以及至少在部分放電過程中利用放電過程中蓄電池的自發加熱引起的產熱能量，來提高蓄電池的溫度
24.一種給可再充電鋰離子電池放電的方法，包括這些步驟從蓄電池中提取電能以便給該電池放電，以及至少在部分放電過程中通過減少放電過程中蓄電池自發加熱所產生的產熱能量的損失來提高蓄電池的溫度，能量損失的減少是通過使一層隔熱材料至少包圍蓄電池一部分來實現的。
25.根據權利要求21-24中任一項的方法，其中蓄電池至少部分為一層導熱材料所包圍。
26.根據權利要求21-25中任一項的方法，其中蓄電池和/或導熱層至少為一層隔熱層所包圍。
27.根據權利要求21-26中任一項的方法，其中蓄電池被封裝在一個蓄電池組中，在至少部分放電過程中，蓄電池的外表溫度的提高是通過從蓄電池向安置在蓄電池組內部的電路或元件輸送電流來實現的，這些電路或元件由所供給的電流來加熱。
28.根據權利要求21-27中任一項的方法，其中蓄電池被封裝在一個蓄電池組中，蓄電池的外表溫度的提高，是在開始放電過程之前通過從外部電流源流向安置在蓄電池組中的電路或元件的饋電電流來實現的，這些電路或元件由所供應的電流來加熱。
29.根據權利要求21-23或25-28中任一項的方法，其中蓄電池是鋰電池，如鋰離子電池。
30.一個蓄電池系統中包含帶有一個或多個形成可再充電電池的單蓄電池的蓄電池組，該蓄電池組包含；一層至少包圍蓄電池一部分的隔熱材料，用以至少將部分在放電或充電過程中由蓄電池的自發加熱或內部加熱產生的的能量保持在蓄電池內。
31.根據權利要求30的蓄電池系統，還包含安置在單蓄電池組和隔熱層之間的導熱材料，它至少包圍這些單蓄電池或單蓄電池組的一部分。
32.根據權利要求30或31的蓄電池系統，還包含一個適合向蓄電池組提供電流產熱形式的能量的電路或元件，以便在提供這個能量時提高單蓄電池或單蓄電池組的外表溫度。
33.根據權利要求32的蓄電池系統，其中電路至少包含安置在蓄電池組內的部分蓄電池充電系統，這部分蓄電池充電系統包含一個或多個適合在充電過程中旁路由充電系統提供給至少一個單蓄電池的充電電流的旁路設備。
34.根據權利要求33的蓄電池系統，其中除了上述旁路設備外，電路還至少包含一個電子元件，該元件被安置在蓄電池組內部，并適合在旁路設備和/或自發加熱產生的熱量不足以將蓄電池的外表溫度維持在預定的溫度范圍內時，向蓄電池組輸送電流產生的熱量。
35.根據權利要求33或34的蓄電池系統，其中該蓄電池充電系統適合在某個單蓄電池上的測量電壓等于或大于預先選定的最大單蓄電池電壓時，將充電電流旁路繞過這個單蓄電池。
36.根據權利要求30-35中任一項的蓄電池系統，其中蓄電池包含一個或多個鋰電池，如鋰離子電池。
全文摘要
通過向蓄電池提供電流或從蓄電池提取電能給可再充電電池如鋰離子電池充電或放電。為使充電和/或放電過程最佳化,至少可以在部分充電和/或放電過程中通過減少充電和/或放電過程中蓄電池自發加熱引起的產熱能量的損失來提高蓄電池的溫度。能量損失的減少可通過一層至少包圍蓄電池一部分的隔熱材料來實現。為增加蓄電池的溫度,除了利用充電電流提供給蓄電池的能量外,產熱能量也可被提供給蓄電池,以便在大部分充電過程中使蓄電池的外表溫度維持在預定的范圍內。本發明還涉及一個電壓平衡充電系統,其中給一個包含兩個或兩個以上單蓄電池的蓄電池進行充電,使得每個單蓄電池的電壓都將達到相同的最大單蓄電池電壓。在平衡充電過程中,每個單蓄電池的電壓最好在充電時間內若干時刻測定,控制每個單蓄電池的充電電流使每個單蓄電池的電壓在大部分充電過程中保持相等。本發明還涉及一個包含一個蓄電池組的蓄電池系統,該蓄電池組帶有一個或多個形成可再充電電池的單蓄電池,蓄電池組包含一層至少包圍蓄電池一部分的隔熱材料,以便至少將放電過程中蓄電池自發加熱或內部加熱產生的部分能量保持在蓄電池組內部。
文檔編號H02J7/00GK1173242SQ9519738
公開日1998年2月11日 申請日期1995年11月28日 優先權日1994年11月28日
發明者E·尤爾－漢森, J·賴普爾, K·拉斯穆森 申請人:查特克實驗室有限公司