专利名称：对电池进行放电的制作方法
技术领域：
本发明涉及对要同时放电的电池及电池组进行放电，诸如包含通过导体以串联和 /或并联配置互连的多个电池或电池单元的电池组。
背景技术：
诸如铅酸电池或锂离子电池的直流电存储设备能够存储和释放能量以用于在包括电动车辆、便携式电源及替代能源电力系统的各种应用中使用。当使用电池来存储能量时，能够尽可能高效和快速地对电池进行充电和放电是所希望的。但是，电池放电过快可减少其以安培-小时为单位的容量并可能导致高的内部温度。此外，将一些电池放电至低于最低充电状态(“S0C”)可造成永久损坏和/或电池寿命缩短。即使电池以电池的正常速率放电，电池的动态内部阻抗可按热形式产生损失。这导致放电效率较低。电池的能量转换速率和放电效率的改进将对许多产业带来显著益处，尤其，如果改进提供增大的单位功率、更快速的放电、和/或电池寿命的延长。
发明内容
在各种方面中，可将包括具有基于确定目标频率选择的频率成分的电流脉冲的放电电流曲线施加到一个或多个电池以便提高电池的放电效率。在一个方面中，通过以下步骤实现电池的放电向电池施加电刺激；测量对于电刺激的响应，所测量的响应提供对电池放电效率的指示，确定对应于最大放电效率的目标频率；然后用放电电流曲线对电池进行放电，该放电电流曲线包括具有基于确定的谐振放电频率选择的频率成分的电流脉冲。 在一些实现方案中，频率成分是所确定的目标频率，或者是其谐波。在一些示例中，电刺激是瞬态信号，或者是在预定中心频率下在固定带宽内具有平坦功率谱密度的随机信号。在一些实现方案中，电刺激是具有放电脉冲频率的放电脉冲信号，且向电池施加电刺激包括， 在从初始脉冲频率到最大脉冲频率的频率扫描范围中扫描放电脉冲频率。在一些实现方案中，所测量的电池响应是电压改变速率、动态内部阻抗、或频率响应。此外，在一些实现方案中，放电曲线包括具有基本电流幅度的基本电流，以使电流脉冲叠加在基本电流上。在一些示例中，基本电流幅度取决于所测量的响应，且一些示例包括基于所测量的响应调节基本电流幅度。在一些示例中，测量响应包括测量预定时间周期中的电池的电压改变，同时在频率扫描范围中扫描放电脉冲频率；且基于所测量的电压改变来计算电压改变速率。在一些示例中，测量响应包括测量跨电池端子的电压，测量流过电池的电流，并且部分基于所测量的电压和电流来计算电池的内部动态阻抗，以便在频率扫描范围中扫描放电脉冲频率的同时测量电压和电流。在一些实现方案中，电池是电池组的若干互连的电池中的一个。此外，在一些实现方案中，电流脉冲包括基于电池组的不同电池的确定目标频率来选择的不同频率成分。在另一方面中，电池功率转换系统包括耦合到充电/放电模块的控制电路，控制电路配置成使充电/放电模块向电池施加刺激，并至少部分基于所测量的电池对所施加刺激的响应来确定该电池的目标功率转换频率，使得用一种功率转换曲线从电池转换功率， 该功率转换曲线包括具有基于所确定目标功率转换频率来选择的频率成分的电流脉冲。在一些实现方案中，频率成分是所确定的目标功率转换频率，或者是其谐波。在一些实现方案中，充电/放电模块是双向电源。在一些实现方案中，电池功率转换系统还包括与控制电路耦合来提供所测量电池响应的测量电路。测量电路可包括，例如，光学上隔离的电压检测器、一个或多个电流传感器(例如，分路传感器或霍尔效应传感器)、频率检测电路、和/或频谱分析仪。在一些实现方案中，所测量的响应是电压改变速率、动态内部阻抗、和/或频率响应。在一些实现方案中，电刺激包括，例如瞬态信号和/或者在预定中心频率下在固定带宽内具有平坦功率谱密度的随机信号。在一些实现方案中，电刺激是具有脉冲频率的脉冲信号，且充电/放电模块在从初始脉冲频率到最大脉冲频率的频率扫描范围中扫描脉冲频率。此外，在一些实现方案中，功率转换曲线包括具有基本电流幅度的基本电流，以使电流脉冲叠加在基本电流上。在一些示例中，基本电流幅度取决于所测量的响应，且一些示例包括基于所测量的响应调节基本电流幅度。在一些实现方案中，电池是电池组的若干互连的电池中的一个。此外，在一些实现方案中，电流脉冲包括基于电池组的不同电池的确定目标功率转换频率来选择的不同频率成分。本文所描述的教示的应用可对许多产业提供显著益处，包括混合动力车辆产业、 替代能源产业及电力分配产业。举例而言，单位功率增大可导致用于混合动力车辆的较小电池组和/或使英里数增加。在大型电力系统中，具有增大的单位功率和/或更有效的放电循环的电池组可在负载校正、功率调节、和功率平坦化应用中通过改进的系统性能和延长的电池寿命提供成本上更有优势的解决方案。更一般地，延长的电池寿命和增加的放电效率可分别减少环境废弃物且节省更多能量。在附图和以下描述中阐明本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目标、以及优点从说明书和附图以及权利要求书将变得显而易见。附图描述
图1示出电池组和充电/放电系统。图2是电池组的示意性表示。图3A-;3B示出典型的两阶段充电算法。图4A-5D示出多阶段充电算法的示例。图6A是示出具有0-20%的SOC的电池在多个脉冲频率下的dV/dt对I的关系的曲线图。图6B是示出具有80-85%的SOC的电池在多个脉冲频率下的dV/dt对I的关系的曲线图。图7A是示出多个充电电流水平下dV/dt对频率的关系的曲线图。
图7B是示出在多个充电电流水平下电池组的动态内部阻抗对频率的关系的曲线图。图8A-8C示出多阶段充电算法的附加示例。在各附图中相似的附图标记指示相似的部件。
具体实施例方式图1示出充电/放电系统100的示例，充电/放电系统100包括充电/放电模块 102，传感器模块104A、104B，以及控制模块106，且充电/放电系统100连接至电池组200。 尽管所示电池组200包括并联连接的两个电池201A、20IB，但是系统100可连接至单个电池或者以串联、并联、或它们的一些组合连接的多个电池。电池211B、221B可以是常见类型， 取决于期望应用、操作环境及成本包括，例如密封铅酸电池、Ni-Cad电池、NiMH电池、Li-聚合物电池、或Li-离子电池、或任何其它适当的电池。此外，电池211B、22IB可以是单一单元电池或多单元电池。例如，在一个实例中，密封铅酸电池211B、22IB可包括单个1. 5伏的单元；在另一实例中，电池可包括多个单元的组合，诸如串联连接的8个1. 5伏单元以在电池端子处提供12伏。电池211B、221B优选具有相似结构，以确保它们具有相似电特性。例如，电池可使用相同的化学物质、具有相同的尺寸等等。优选地，电池211B、221B还具有所使用的化学物质可能达到的最低串联阻抗，其中所采用的铅酸电池的某些优选实施例具有 5-10毫欧或更低的开路串联阻抗。在一些实现方案中，所选择的电池211B、221B具有相似充电接受特性、放电速率特性及有载阻抗。例如，当跨所选电池的正端子和负端子施加相同的负载时，所选电池可在相似电压下提供相似电流。图2是根据另一实现方案的电池组200的一般化电路图。与图2中所描绘的阵列的元件相关联的附图标记表示该元件的类型和它在阵列中的位置。对图2中的大多数附图标记而言，附图标记的第一位数字表示附图编号，第二位数字表示行位置，第三位数字表示列位置，其中“N”和“M”对应于具有N行和M列电池的阵列中的最后行或列。以“R”结尾的附图标记表示导体的等效电阻，以“I”结尾的附图标记表示导体的等效电感，以“C”结尾的附图标记表示导体的等效电容，以及以“B”结尾的附图标记表示电池。在图2中描绘的各导体由诸如211R、211I及211C的电阻、电感及电容来表示。通常，电池组200包括用电缆、母线和/或其它任何适当导体连接的电池 211B-2NMB的阵列。在一些实现方案中，导体是精确匹配的导体，其电长度与阵列内相似位置处的导体的电长度匹配。举例而言，导体311、312、313、……、31N可具有匹配的电长度。
类似地，由 212R/212I/212C、222R/222I/222C、232R/232I/232C、242R/242I/242C、......、
及2N2R/2N2I/2N2C表示的导体可具有匹配的电长度。在一些实现方案中，使用精确电缆连接来进行连接以提供均勻的直流环境。例如，通过引用结合于此的美国专利申请 No. 11/549，013描述了经由分别的和不同的导电路径来并联连接的电池，每个导电路径所具有的有载电阻与各其它路径的有载电阻相差小于约1毫欧。电池组200可具有通过导体以串联、并联、或它们的组合连接的电池。例如，可通过将一个电池的正端子连接至另一电池的负端子来串联连接一组电池。串联电路的输出电压等于串联的电池的电压总和。例如，电池组200的电路图的第一行可包括电池211B、 212B、……、21MB，且该串联组两端的电压等于电池211B、212B、……21MB的电压总和。替代地，可通过将电池的正端子连接在一起并将电池的负端子连接在一起来并联连接一组电池，例如211B、221B、231B、241B、……、2N1B。电池组200的电流容量随并联分支的数量增大而增大。例如，电路的该部分的电流容量等于电池211B、221B、231B、241B、……,2N1B的电流容量的总和。因此，可分别通过增大或减小N (即阵列中的行数)来增大或减小电池组200的电流容量。此外，可分别通过增大或减小M(即阵列中的列数)来增大或减小电池组200的端子电压。因此，取决于期望应用、操作环境及成本，电池组200可包括任何大小的MxN矩阵， 其中M大于或等于1，且N大于或等于1。图1还示出耦合至电池组200和控制模块106的充电/放电模块102。尽管将充电/放电模块102示成一个模块，但是可使用2个或多个分别的模块来提供本文所描述的一个或多个功能。充电/放电模块102包括双向可编程直流电源，以及双向可编程电流发生器/驱动器。充电/放电模块102能够生成充电曲线，这种充电曲线中单一和合成的电流波形叠加在各种基本电流上。例如，电流波形可包括多个频率成分。此外，所生成的脉冲形状包括方形、三角形、锯齿形、正弦形等。充电/放电模块还能够生成放电曲线，该放电曲线中例如通过反转电流流向，单一和合成电流波形叠加在可变直流负载曲线上。电源和脉冲电流发生器的功率输出、频率范围及精度取决于电池类型和电池组阵列大小。在一些实现方案中，恒定电流源和脉冲化电流发生器各自能够以1.0%或更佳的精度容限产生高达 100A的电流。此外，在一些实现方案中，脉冲化电流发生器能够产生具有0至IOkHz的频率的脉冲电流。控制模块106耦合至充电/放电模块102和传感器模块104A、104B两者。控制模块106向充电/放电模块102提供控制信号，并且从传感器模块104A、104B接收数据信号， 这些数据信号由控制模块106处理并记录。然后这些数据用于修改向充电/放电模块发送的控制信号，以便实现电池组端子处的期望充电/放电曲线。在一些实现方案中，控制模块 106向充电/放电模块提供IEEE-488、RS485、RS232、RS422和/或RS423控制信号以便产生期望的充电/放电曲线。还可根据充电/放电模块102和控制模块106的特征和能力使用其它通信协议。在一些实现方案中，控制模块106包括嵌入式微控制器，用于与充电/放电模块102内的功率控制电路直接形成接口连接。传感器模块104A、104B包括至少一个光学上隔离的电压传感器，其感测并联连接的各组电池两端的电压。例如，在一些实现方案中，MxN电池阵列将包括M个电压传感器，每个电压传感器与各电池211B、212B、……、21MB并联连接。传感器模块104A、104B还包括一个或多个电流传感器，例如分路传感器或霍尔效应传感器，以便感测流过电池组200中的各电池的电流。一些实现方案可包括频谱分析仪或频率检测电路以便测量或检测电池组的频率响应。传感器模块104A、104B对于所测量的每一分别的特性可具有满标的1. 0%的测量容限。在一些实现方案中，电流传感器具有从0至50kHz的频率响应和0. 的测量容限。 在一些实现方案中，光学上隔离的电压传感器具有从0至50kHz的频率响应和0. 1 %的测量容限。在一些实现方案中，传感器模块104A、104B还可包括温度和/或压力传感器以便分别监视各电池的温度和外部或内部压力。然后可将所感测的温度和/或压力测量值提供给控制模块106，以便修改向充电/放电模块102发送的控制信号。
充电/放电系统100可用于最大化充电和/或放电循环期间的功率转换效率。充电/放电系统100可用于通过施加优化充电接受的充电曲线，例如通过在谐振充电频率下施加包括脉冲充电的曲线，来最大化电池组200的充电效率。充电/放电系统100还可用于通过在最小化或避免对电池组200的任何损坏的同时施加优化电荷释放的的放电曲线，例如通过在谐振放电频率下施加包括脉冲放电的曲线，来最大化电池组200的放电效率。在一些实现方案中，充电/放电系统100可用于避免来自充电期间的过电压情形和冒气和/ 或放电期间的电压下陷情形的对电池组200的损坏。虽然谐振充电频率和谐振放电频率都可被称作电池组的谐振功率转换频率，但是它们通常不是相同的频率。此外，可由多个频率组成谐振充电频率和谐振放电频率，且这些频率通常基于环境条件和诸如使用年限、硫化、 充电/放电状态等的电池内条件而改变。因此，以下对“频率”的任何提及可包括一个或多个同步频率值，且可能不表示恒定值。图3A和;3B示出铅酸电池的典型2阶段充电曲线。在第一阶段期间，向电池组200 施加恒定电流300直到单元电压达到预设目标值。预设电压通常设置成对应于充电状态 (SOC)的70%。在第二阶段期间，向电池组200施加恒定电压303来允许单元以较低速率吸收电流直到它们达到饱和。与第一阶段相比，第二阶段通常耗费等同或更多时间量，但认为第二阶段对于保持单元的接受完全充电的能力是必不可少的。当由电池组汲取的电流的量301已稳定至或已减少至IC充电/放电速率下的额定电流的大致2-3%或更低时，第二阶段就算完结。图4A-4B和5A-5D示出由控制模块106和充电/放电模块102生成的4阶段充电曲线的示例。在第一阶段和第二阶段期间，控制模块106通过使用从传感器模块104A、104B 接收的数据来监视电池组200的端子电压405、406，从而确保端子电压保持低于最大电压 Vfflax (V在第一阶段中，直流电流401以预定速率从初始电流Imin (I剥、)呈倾斜状地增大至最大电流。增大速率选择成允许有足够的时间向电池组200施加电刺激。 电刺激包括，例如图5Α所示的各种预定电流水平501、502、503、504下的脉冲化电流频率扫描500。传感器模块104Α、104Β向控制模块提供测量的电压和电流信息，这些电压和电流信息用于确定充电曲线的设定点。例如，在每一选定基本电流水平(In = Ug)下，具有预定正脉冲幅度ΙΡ+和负脉冲幅度Ip-的脉冲化电流曲线叠加在In上。脉冲频率从 扫描至f ￠,同时传感器模块持续地测量电池组端子处的电压和电流并向控制模块发送该信息。控制模块处理该信息以基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的dv/dt。dV/dt的测量提供对电池组充电接受的指示，且与其反向地相关，使得在dv/dt最小时的频率或诸频率(即， “谐振充电频率”)与充电接受最高时的频率相同。图7A提供给定电流水平I。pt(Iett)下的 dV/dt 700与频率的关系的示例曲线图。如图所示，对于电流I。pt而言，在频率701-704处， dV/dt最小而充电接受最高。还可由传感器模块104A、104B向控制模块106提供温度和/ 或压力测量值，从而例如通过终止充电或放电操作，增大或减小Vmax或Imax等来修改充电曲线。在一些实现方案中，控制模块106可基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的电池的动态内部阻抗。动态内部阻抗提供对电池组充电接受的另一指示，并且也与其反向地相关，使得在动态内部阻抗最小时的频率或诸频率(即，“谐振充电频率”)与充电接受最高时的频率相同。图7B提供给定电流水平下动态内部阻抗710与频率的关系的示例曲线图。控制模块106识别谐振充电频率或诸频率701-704，即f。pt (fm)，在f。pt下对于每一施加的电流水平705-707的dV/dt和/或动态内部阻抗最小。控制模块106则利用该信息来配置充电/放电模块102以便生成对应于期望电流水平的最优频率或最优诸频率的充电曲线。还可在每一电流水平下重复频率扫描直到识别的最优频率f。pt'与先前识别的频率f。pt之差在预定容限内。在一些实现方案中，在可精确测量dV/dt的最高电流水平下重复频率扫描直到识别的最优频率f。pt'与先前频率f。pt之差在预定容限内。在一些实现方案中，f。pt包括谐振充电频率的谐波。图6A示出各种频率605下的dV/dt 600对‘I，的关系的图形表示，其中‘I，包括基本电流和脉冲电流振幅(均方根(冊幻)。如图所示，对于各脉冲频率，存在导致dV/dt指数增大的电流幅度‘I’ 601-604。基于该信息确定初始电流水平和第二阶段的脉冲频率设定点。如图所示，f。pt表示期望电流水平I。pt 604的最优脉冲频率或最优脉冲诸频率，其在 dV/dt的突然增大之前造成最大延迟。亦如图所示，Iopt 604表示最大组合电流水平，在该 Iopt下可对电池组进行充电同时仍然避免dV/dt的急剧增大。在一些实现方案中，可通过使用根据在电池组制造期间或在充电/放电系统的初始化期间取得的测量值确定的预设信息来省略第一阶段。图8A和8C是省略了第一阶段的充电曲线示例。在一些实现方案中，可通过使电池组200遭受其它类型的电刺激来获取 f。pt。举例而言，可向电池组施加瞬态信号(例如，单个脉冲)，且可通过例如使用频谱分析仪对所测量响应进行快速傅里叶变换。在一些实现方案中，可通过使电池组200遭受也称作白噪声的随机信号来获得f。pt，这种随机信号在预定中心频率下在固定带宽内具有等功率谱密度，且对所测量响应进行快速傅里叶变换。这些以及那些上述方法的每一个可用于识别各种电流水平下的频率f。pt以及在充电/放电顺序、初始化例程、和/或制造工序期间的对应SOC。再次参照图4A-4B以及图5A-5D，在第二阶段中，控制模块106将充电/放电模块 102配置成生成脉冲化电流曲线，该脉冲化电流曲线具有等于I。pt的总电流幅度和等于f。pt 的脉冲频率。因为电池组200的充电接受和初始阻抗随着充电状态而改变，所以对在最新 Iopt的预定范围内的电流水平以预定间隔重复频率扫描。图5B提供该重新调节或搜索处理的示例，在该示例中在各种基本电流510-513下进行频率扫描以识别f。pt和I。pt。频率扫描的范围可能被缩小至在最新f。pt周围，从而增大频率分辨率和/或减小扫描周期。在一些实现方案中，还可按照各种其它方式重新调节f。pt，包括预设信息、和/或遭受上述刺激信号后的电池组响应的快速傅里叶变换。尽管图5B示出充电曲线包括特定频率下的脉冲波形，但是充电曲线可包括表示多个频率(f。pt)的合成波形。一旦重新调节f。pt和I。pt，控制模块106将充电/放电模块102配置成新的设定点。 如图4B的第二阶段所示，随着电池组200被充电，电池组200的端子处的电压406将持续增大直到达到表示电池组已达到预定SOC的目标电压。优选地，目标电压设定成对应于SOC 的 80-85% ο一旦达到预定S0C，终止第二阶段并开始第三阶段。替代地，可在检测到供应充电电流所需的功率量的增大指示电池组200正以低得多的速率接受充电之后终止第二阶段。在第三阶段中，控制模块I06通过从电流源模式切换到电压源模式并在电池组两端强制施加电压Vset (VSB)407来配置充电/放电模块102，从而钳住电池组200的端子处的电压。由于电池组200持续吸收电荷达到饱和点，电流水平403被允许漂移。一大达到稳态电流410，通常为最后I。pt的约10%，第三阶段终止且电压呈倾斜状地下降到Vfl。at (Vff a) 408。在一些实现方案中，稳态电流为零安培或接近零安培。替代地，在第三阶段中，控制模块106可将充电/放电模块102配置成从电流源模式切换到电压源模式并且立即使电池端子电压从Vsrt呈倾斜状地减小至vfl。at，从而省略第三阶段而继续进行第四阶段。图8B和8C示出省略第三阶段的充电曲线。在第四阶段中，控制模块106将充电/放电模块102配置成电流源模式，且配置成供应等于在第三阶段中检测的稳态电流水平410的基本电流。在一些实现方案中，将基本电流设置成预定电流水平412。简短的休息周期之后，具有预定正脉冲幅度Ip+和负脉冲幅度Ip-的脉冲化电流曲线叠加在基本电流412上。然后控制模块106在脉冲幅度从Ip(Iiw) 增大到时在各种中间脉冲电流水平下开始脉冲化电流频率扫描。图5C是在各种脉冲幅度521-523下的频率扫描示例。传感器模块104A、104B再次向控制模块106提供测量的电压和电流信息，这些电压和电流信息用于确定下一充电曲线的设定点。例如，在每一选定电流水平Ipn下，具有正脉冲幅度IPn+和负脉冲幅度Ipn-的脉冲化电流曲线叠加在基本电流5201-^1 *)上。脉冲频率从 扫描至f s，同时传感器模块104A、104B持续地测量电池组200端子处的电压和电流并向控制模块106发送信息。控制模块106处理该信息以基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的dV/dt。控制模块106还可基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的电池组200的动态内部阻抗。然后，控制模块106识别对于每个预定脉冲幅度而言dV/dt和/或动态内部阻抗最小的频率f。pt。还可在每一预定脉冲幅度下重复频率扫描直到识别的频率f。pt'与先前的频率f。pt之差在预定容限内。在一些实现方案中，在可精确测量dV/dt的最高脉冲幅度下重复频率扫描直到识别的频率f。pt' 与先前频率f。pt之差在预定容限内。在一些实现方案中，例如在省略第三阶段的实现方案中，可使用零安培或接近零安培的基本电流。简短的休息周期之后，具有预定正脉冲幅度Ip+的脉冲化电流曲线叠加在基本电流412上。然后控制模块106在脉冲幅度从Ip增大到Ipmax时在各种中间脉冲电流水平下开始脉冲化电流频率扫描。图5D是各种脉冲幅度531-533和为零或接近零的基本电流530下的频率扫描示例。传感器模块104A、104B再次向控制模块106提供测量的电压和电流信息，这些电压和电流信息用于确定下一充电曲线的设定点。例如，在每一选定电流水平Ipn下，具有正脉冲幅度IPn+的脉冲化电流曲线叠加在基本电流Ibase(I J上。脉冲频率从 扫描至fs，同时传感器模块104A、104B持续地测量电池组200端子处的电压和电流并向控制模块106发送该信息。控制模块106处理该信息以基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的dV/dt。控制模块106还可基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的电池组200的动态内部阻抗。然后，控制模块106识别对于每个预定电流水平而言dV/dt和 /或动态内部阻抗最小的频率f。pt。还可在每一预定电流水平下重复频率扫描直到识别的频率fn'与先前的频率fn之差在预定容限内。图6B示出各种频率615下的dV/dt对‘I’的关系的图形表示，其中‘I，包括基本电流和脉冲电流振幅(均方根(冊幻)。如上所述，对于各脉冲频率，存在导致dV/dt指数增大的电流水平‘I’。但是，如图所示，由于SOC增大，该指数增大的触发发生在较低电流611、612处。基于该信息确定初始电流水平和第四阶段的脉冲频率设定点。再次，f-表示在dV/dt突然增大前产生最大延迟的最优脉冲频率，且I。pt 612表示可对电池组进行充电同时仍能避免dV/dt的急剧增大的最大组合电流水平。如上所述，还可按照各种其它方式确定f。pt，包括预设信息、以及遭受上述刺激信号后的电池组响应的快速傅里叶变换。这些以及那些上述方法的每一个可用于识别各种脉冲幅度下的频率f。pt以及在充电/放电顺序、初始化例程、和/或制造工序期间的对应S0C。再次参照图4A-4B以及图5A-5D，在第四阶段中，控制模块106将充电/放电模块 102配置成生成电流曲线404，该电流曲线具有等于I。pt的总电流幅度和等于f。pt的脉冲频率。随着SOC增大，可与第二阶段类似地重新调节设定点。然而，与第二阶段不同，第四阶段中的基本电流保持固定，而脉冲幅度Ipn改变从而导致总电流幅度等于I。pt。如上，对于在电流Ipn的预定范围内的脉冲电流幅度，以预定间隔重复频率扫描。在一些实现方案中， 频率扫描的范围可能被缩小至在最新f。pt周围，从而增大频率分辨率和/或减小扫描周期。 一旦确定新f。pt和I。pt设定点，控制模块106将充电/放电模块102配置成新的设定点。如上所述，还可按照各种其它方式重新调节f。pt，包括预设信息、以及遭受刺激信号后的电池组响应的快速傅里叶变换。在一些实现方案中，继续进行该顺序直到电池组200被完全充 H1^ ο在放电模式中，充电/放电模块102用作从电池组200汲取电流的各种电流宿，即通过使电流的流动方向逆转。与充电模式相似地，负载电流以预定速率从初始电流Imin(i
呈倾斜状地增大至最大电流Imax(IΛλ)。将增大速率选择成允许有足够的时间向电池组施加电刺激，例如，在各种预定负载电流水平下进行脉冲化负载电流频率扫描。传感器模块104Α、104Β向控制模块106提供测量的电压和电流信息，这些电压和电流信息用于确定放电曲线的设定点。举例而言，与图5Α所示的顺序相似地，在每一所选负载电流水平 501-504Il(I^)下，具有预定正脉冲幅度Ip+和负脉冲幅度Ip-的脉冲化负载电流曲线叠加在基础负载电流l·上。脉冲频率通过从电池组200以具有相对于时间的不同长度的脉冲串汲取电流来生成。脉冲频率从 增大至f s，同时传感器模块104A、104B持续地测量电池组200端子处的电压和电流并向控制模块106发送该信息。控制模块106处理该信息以基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的dV/dt。dV/dt的测量通过识别端子电压受到最小影响时的期望负载电流的频率(即，“谐振放电频率”)来提供电池组放电性能的指示。 控制模块106可使用该信息来确定要从电池组200汲取功率的最优频率或诸频率。还可由传感器模块104A、104B向控制模块106提供温度和/或压力测量值，从而例如通过终止放电操作，增大或减小负载电流幅度等来修改放电曲线。在一些实现方案中，可通过使用根据在电池组200的制造期间、或在充电/放电系统100的初始化期间、或在先前的充电/放电循环期间取得的测量值确定的预设信息来省略第一阶段。在一些实现方案中，可通过使电池组200遭受诸如单个脉冲的瞬态信号并例如通过使用频谱分析仪或频率检测电路对所测量响应进行快速傅里叶变换来获得f。pt。在一些实现方案中，可通过使电池组200遭受白噪声并对所测量响应进行快速傅里叶变换来获得f。pt。在一些实现方案中，控制模块106可基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的电池组200的动态内部阻抗。动态内部阻抗提供电池组放电性能的另一指示。通过使用该信息，控制模块识别对于每个预定电流水平而言dV/dt和/或动态内部阻抗最小的频率 f。pt，且因此识别放电性能最优，即在期望负载电流下电池组端子电压减小量最小的频率。 在一些实现方案中，可在每一预定负载电流水平下重复频率扫描直到识别的频率f。pt'与先前的频率f。pt之差在预定容限内。在一些实现方案中，在可精确测量dV/dt的最高负载电流水平下重复频率扫描直到识别的最优频率f。pt'与先前频率f。pt之差在预定容限内。在放电模式的第二阶段中，控制模块106将充电/放电模块102配置成产生脉冲化负载电流曲线，该脉冲化负载电流曲线具有包括基本负载电流和脉冲电流振幅(RMS)的等于I。pt的总电流幅度、以及最优脉冲频率或诸频率f。pt。因为电池组200的放电特性和内部阻抗随着充电状态而改变，所以可对于以最新1_为中心的预定范围内的负载电流水平以预定间隔重复频率扫描，这类似于图5B所示的顺序。频率扫描的范围可能被缩小至在最新f。pt周围，从而增大频率分辨率和/或减小扫描周期。一旦确定新f。pt和I。pt设定点，控制模块106将充电/放电模块102配置成新的设定点。如上所述，还可按照各种其它方式重新调节f。pt，包括预设信息、以及遭受刺激信号后的电池组响应的快速傅里叶变换。在一些实现方案中，以预定间隔或以预定SOC来重复重新调节顺序。随着电池组200放电，电池组端子处的电压将持续减小直到达到预定最小电压， 这表示电池组已达到预定S0C。在一些实现方案中，最小电压设定点对应于SOC的15-20%。一旦达到预定S0C，终止第二阶段并开始放电模式的第三阶段。在第三阶段中，充电/放电模块102配置成汲取极少基本电流或不汲取基本电流。简短的休息周期之后，具有预定正脉冲幅度Ip+的脉冲化负载电流曲线叠加在基本电流上。然后控制模块106在脉冲幅度从Ip(Iiw)增大到Ipmax(IiWM)时开始频率扫描，这类似于图5D所示的序列。传感器模块104A、104B再次向控制模块106提供测量的电压和电流信息，这些电压和电流信息用于确定下一放电曲线的设定点。例如，在每一选定负载电流水平IJIiis)下，具有正脉冲幅度Ipn+的脉冲化负载电流曲线叠加在基本负载电流上。脉冲频率从 扫描至fs，同时传感器模块104A、104B持续地测量电池组端子处的电压和电流并向控制模块106发送该信息。控制模块106处理该信息以基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的dV/dt。控制模块106还可基于预定频率分辨率计算各种脉冲频率下的电池组200的动态内部阻抗。然后，控制模块106识别对于每个预定负载电流水平而言dV/dt和/或动态内部阻抗最小的频率或诸频率。在一些实现方案中，可在每一预定负载电流水平下重复频率扫描直到识别的频率f。pt'与先前的频率f。pt之差在预定容限内。在一些实现方案中，可在预定负载电流水平的子集内重复频率扫描直到识别的频率f。pt'与先前的频率f。pt之差在预定容限内。通过使用该信息，控制模块106将充电/放电模块102配置成生成具有等于I。pt的总负载电流幅度以及脉冲频率或诸频率f。pt的负载电流曲线。继续该顺序直到电池组200被完全放电、达到最小SOC限度、或开始充电循环。尽管描述了充电/放电系统100的许多实现方案，也可使用其它实现方案。在一些优选示例中，在Aeron Hurst等人的于2006年10月12日提交的题为“具有均勻直流环境的电源模块(POWER SUPPLY MODULES HAVING A UNIFORM DC EmQRONMENT) ”的美国专利申请11Λ49，006中详细讨论的电池组和电路也可用于构造充电/放电系统100，上述专利申请通过引用整体结合于此。已经描述了本发明的多个示例。然而，应当理解在不背离本发明的精神和范围的情况下可作出多种修改，且可提供基于所公开的示例的变体。举例而言，可替代上述方脉冲波形而使用或除了上述方脉冲波形之外可使用正弦波形、锯齿波形、三角形波形以及其它类型的波形。作为另一示例，不同的电路可用来实施本文中描述的方法。因此，所附权利要求书限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于对电池(201A、201B)进行放电的方法，所述方法包括向所述电池(201A、201B)施加电刺激；测量对于所述电刺激的响应，所测量的响应提供对所述电池的放电效率的指示；确定对应于最大放电效率的目标频率；以及然后用放电电流曲线对所述电池(201A、201B)进行放电，所述放电电流曲线包括具有基于所确定的目标频率选择的频率成分的电流脉冲。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电刺激是瞬态信号，在预定中心频率下的固定带宽内的平坦功率谱密度，或具有放电脉冲频率的放电脉冲信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电刺激是具有放电脉冲频率的放电脉冲信号，且向所述电池施加电刺激包括在从初始脉冲频率到最大脉冲频率的频率扫描范围中扫描所述放电脉冲频率。
4.如以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所测量的响应是电压改变速率、 动态内部阻抗、或频率响应。
5.如以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述放电电流曲线还包括具有基本电流幅度的基本电流，以及其中所述电流脉冲叠加在所述基本电流上。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基本电流幅度取决于所测量响应。
7.如权利要求3至6的任一项所述的方法，其特征在于，测量所述响应包括在所述频率扫描范围中扫描所述放电脉冲频率的同时，在预定时间周期中测量所述电池Q01A、201B)的电压改变；以及基于所测量的电压改变来计算电压改变速率。
8.如权利要求3至7的任一项所述的方法，其特征在于，测量所述响应包括测量所述电池(201Α.201Β)的电压；测量流经所述电池的电流；以及部分基于所测量的电压和电流来计算所述电池O01A、201B)的内部动态阻抗；其中在所述频率扫描范围中扫描所述放电脉冲频率的同时，测量所述电压和电流。
9.如权利要求5至8的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括基于所测量响应来调节所述基本电流幅度。
10.如以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，所述电池是电池组的若干互连电池中的一个。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述电流脉冲包括基于所述电池组的不同电池的已确定目标频率来选择的不同频率成分。
12.如以上权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，基于所述已确定目标频率选择的所述频率成分是已确定目标频率或其谐波。
13.一种电池功率转换系统(100)，包括控制电路(106)，其耦合至充电/放电模块(102)，所述控制电路配置成使所述充电/ 放电模块向电池(201Α、201Β)施加电刺激，且配置成至少部分基于所述电池对所施加刺激的所测量响应来确定所述电池的目标功率转换频率；其中用一种功率转换曲线从所述电池(201Α、201Β)转换功率，该功率转换曲线包括具有基于已确定目标功率转换频率选择的频率成分的电流脉冲。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所测量的响应是电压改变速率、动态内部阻抗、或频率响应。
15.如权利要求13或14所述的系统，其特征在于，还包括测量电路(104A、104B)，所述测量电路与所述控制电路耦合，从而提供所述电池O01A、201B)的所测量响应。
16.如权利要求13至15的任一项所述的系统，其特征在于，所述电刺激是具有脉冲频率的放电脉冲信号，且所述充电/放电模块在从初始脉冲频率到最大脉冲频率的频率扫描范围中扫描脉冲频率。
17.如权利要求13至16的任一项所述的系统，其特征在于，所述充电/放电模块(102) 是双向电源。
18.如权利要求15至17的任一项所述的系统，其特征在于，所述测量电路(104Α、 104Β)包括光学上隔离的电压检测器和/或频谱分析仪。
19.如权利要求13至18的任一项所述的方法，其特征在于，所述功率转换曲线还包括具有基本电流幅度的基本电流，以及其中所述电流脉冲叠加在所述基本电流上。
20.如权利要求13至19的任一项所述的系统，其特征在于，所述基本电流幅度是可变的，且其中所述控制电路配置成根据所测量响应来调节所述基本电流幅度。
21.如权利要求13至20的任一项所述的系统，其特征在于，所述电池是所述系统的电池组的若干互连电池中的一个。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述电流脉冲包括基于所述电池组的不同电池的已确定目标功率转换频率来选择的不同频率成分。
23.如权利要求13至22的任一项所述的系统，其特征在于，基于已确定目标功率转换频率选择的所述频率成分是已确定目标功率转换频率或其谐波。
全文摘要
对电池(201A、201B)进行放电通过以下步骤实现向电池施加电刺激；测量对于电刺激的响应，所测量的响应提供对电池放电效率的指示；确定对应于最大放电效率的目标频率；然后用放电电流曲线对电池(201A、201B)进行放电，该放电电流曲线包括具有基于确定的目标频率选择的频率成分的电流脉冲。
文档编号H01M10/44GK102308431SQ201080007888
公开日2012年1月4日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月9日
发明者A·赫斯特, C·科恩 申请人:伊克斯动力有限公司