专利名称：控制可再充电电池的放电的结束的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制可再充电电池的》文电的结束的方法。
背景技术：
在便携电子式、热、电或混合车辆等中的很多移动应用中，或在电信中 继类型或来自诸如风能或光电能等之类的间歇能量源的电的产生的许多静态 应用中，使用电化学存储电池、或可再充电电池，在所有情况下像易碎一样 重要地确保该元件。
为了在这些不同应用中优化它们的寿命，通常必须保护可再充电电池不
要进行任何深度放电(in-depth discharge )，这大多数时间都同时伴随着过早 老化，或甚至在某些情况下不能够再充电。因此，在其中可再充电电池容易 到达深度放电状态的所有应用中，使用低电压断开(Low Voltage Disconnect, LVD)阈值来停止》文电。
例如，如在图示了对于在三个不同的电流制式，即0.5A(三角形曲线绘 图)、5A (正方形曲线绘图)和10A (圓点状曲线绘图)中进行的三个放电的 电压对电池的放电量的图l的图中所示，电压以传统方式减少达到对应于上 述LVD阈值的10.8V的值，该值是必须停止放电的值。
一旦到达了该电压阈值，因此断开电池。但是，应该注意，被断开的电 池的电压随后由于消除了被电流施加的电涌而立即升高。如果不采取警惕， 可能因此在立即中断之前再次许可放电，放电的恢复意味着再次达到了 LVD 阈值。为了避免在低充电状态下的这类微放电一一这对于电池是有害的，同 样它们对于进行电池的断开和重连的电子装置是有害的一一则使用新的低电 压重连(Low Voltage Reconnect, LVR)阈值。但是，在该新的电压标准上的 放电的恢复并不保证电池已经被再充电了这时允许新的放电，以至于实际上 该方法仅降低了微放电的有害影响，而没有完全将其杜绝。
另外，这些电压阈值的最佳调节是非常微妙的(delicate)。虽然这些电压 阈值考虑电池的技术或系统的尺寸，不过它们在电池的整个操作过程中保持恒定。但是，电池的电压既取决于其技术，还取决于其操作情况，即放电电
流的充电、弛豫周期(relaxationperiod)、温度以及最后其健康状态、或损耗 状态。
在能够包括元件(element)的串联的电池的情况下，在元件之间的不均质 性(inhomogeneity)可能本身对在整个电池的端处测量的电压有影响。换句话 说，在电池电压和其充电状态之间不存在直接的关系，或至少仅大致的关系。 因此，目前使用的电压标准不能充分理解集合所有上述因素的可再充电电池 的放电深度。因此，取决于操作情况或老化情况，这些电压阈值趋于不理想， 且可能甚至在某些情况下导致电池的过早老化。另外，当开发新系列的电池 时，通过实验性的、无数次的、长期、且因此昂贵的测量来确定用于不同放 电制式的切断(cut-off)阈值的值。
在图2中示意地示出了电池1的传统控制结构。在传统方式中，电池1 经由例如电源3来给负载2供电。由被连接到电池1的端(terminal)的调节器 (regulator )并通过测量例如在电池1的端处的电压来控制电池1的充电和》文 电循环。调节器4经由特别设计用于在放电之后断开电池的第一开关5,根 据Sl来控制电池1的充电，且经由第二开关6根据S2来控制电源3。为了 避免诸如上述的损害，在上述这种调节器中非常过度地评估(over-evaluate)用 于停止放电的电压阈值，以便确保永远不会降低到真正的充电阈值的临界状 态以下。
例如，在光电系统中使用铅酸电池的情况下，这些电池的低电压阈值通 常接近于1.9V/节(即，6节(cell)电池是11.4V),而不论电池的损耗或操 作情况如何。但是，铅酸电池大多数时间可以被用到接近于1.8V/节(即，6 节电池是10.8V)的阈值，而对它们的使用没有任何有害的后果。这导致可 能达到电池容量的10%左右的存储能量的缺少。因此，对这种可再充电电池 的放电的结束的控制不是最佳的。
发明内容
本发明的目的在于提供用于控制可再充电电池的放电的结束的方法，该 方法高效、通过使用特定于复数(complex)阻抗测量的数据易于实现，且该方 法使能要进行的电池的状态的诊断，而同时考虑电池的使用的过去和现在情 况和健康状态的影响，且该方法使能避免完全放电的电池的任何不合时宜的
4重连。
根据本发明的方法特征在于，它包括确定电池的跃迁频率和根据所述跃 迁频率确定电池的》文电结束标准。
根据本发明的具体实施例，在电池的使用期间周期性地确定跃迁频率， 由调节装置根据所述跃迁频率来中断放电。
根据本发明的替换实施例，从在校准阶段期间进行的跃迁频率的测量来 确定所述放电结束标准。
根据本发明的另 一替换实施例，从在维护阶段期间进行的跃迁频率的测 量来重新调节所述放电结束标准。
根据本发明的进展，所述放电结束标准代表在放电过程中的跃迁频率的 斜率的突然改变、跃迁频率的预定最大值、或跃迁频率的斜率的预定最大值。
从仅出于非限制性的例子的目的给出且在附图中展示的本发明的具体实
施例的以下描述，其他优点和特征将变得更清楚，在附图中
图1是示出根据现有技术、分别在三个不同的电流制式(0.5A、5A和10A)
中的电池的放电量对电压的图。
图2示意地示出了根据现有技术的用于控制可再充电电池的传统结构。 图3以流程图形式示出了根据本发明的用于控制可再充电电池的放电结
束的方法的具体实施例。
图4图示了根据现有技术的在奈奎斯特(Nyquist)图中的跃迁(transition)
频率FHF的标识。
图5是示出了根据图1的分别在三个不同的电流制式中的电池的充电状 态SOC对跃迁频率FHF的图。
图6是图示了根据本发明的分别在不同的电流制式(0.5A和5A)中的/ 根据电压的跃迁频率的斜率的图。
具体实施例方式
参考图3，可以通过图2所示的、具有使能控制电池的充电和放电一一 例如通过对开关的控制一一的调节器的传统控制结构，来实现才艮据本发明的 用于控制可再充电电池的放电结束的方法。在图3所示的具体实施例中，用于控制可再充电电池的放电结束的方法 包括第一步骤F1，确定电池的跃迁频率Fro。
例如，可以通过二分法(dichotomy)来完成确定跃迁频率FHF。考虑例 如具有在从3300HZ到100HZ的频率范围中的跃迁频率Fiff的铅酸电池，且 考虑在频率f处测量的阻抗的虚数部分，标为Im (Z (f)),且考虑s作为该 量的符号，则我们可以写如果sO，则fhf〉f,且如果s》0，则FHF《f。
然后，二分法的原理包括进行例如在对应于上述频率范围的中点的 fl=1700Hz处的第一测量。根据Im (Z (fl ))的符号和上述关系，然后将处 进行新的测量，例如如果s小于0在f2=2500Hz处，或如果s大于0则在 f2，^00Hz处。根据Im(Z(f2))或Im(Z(f2，))的符号，将进行新的测量， 例如如果s小于0则在f3=2900Hz处进行该新测量，或如果s大于0则在 f3^2100Hz处，或分别如果s小于0则在f3^300Hz处，或如果s大于0则 在f3，-500Hz处，等等。
以通常方式，实际上每个新的测量由以下关系来定义如果s<0则 fn+l=fo+x，且如果s>0则fo+l=fo-x, JLjc=|/ —/ —, |/2。从3300Hz-100Hz
范围，则七个测量足够获得在25Hz处的fhf,这呈现出很合理且足够的精度。 另外，可以通过考虑进行所有都在大于100Hz的频率处进行的这七个连 续的测量，来获得通过该方法的跃迁频率Fpff的确定时间的估计。考虑对于 所研究的每个频率在五个周期上另外进行测量，则仅必须进行35个测量，且 如果所有测量都在100Hz处进行，则这花费了比半秒还少得多的时间，即 0.35s。通过二分法的该方法从而使能在每秒或更长的时间步长上进行跃迁频 率FHF的监一见。
在阻抗测量领域中，已知确定跃迁频率fhf。如在图示了在奈奎斯特图中
的跃迁频率fhf的标识的图4中所示的，跃迁频率fhf传统地对应于如下频率 在该频率处，电池的复数阻抗从电感行为切换到电阻行为，或对应于如下频 率在该频率处，消除了复数阻抗的虚数部分。这包括在电池的操作期间， 以连续方式，以完全不干扰(non-intrusive)的方式，无论电池是在休息中或在 操作中，在高频率中测量的阻抗参数。
但是，不是所有的已知的当前的阻抗测量装置都使用该跃迁频率Fhf的 值，而使用在各种频率处测量的阻抗值，用于诊断电池的健康状态。这是具 体在US 2003/204328的情况，其描述了使用用于通过测量在各种频率处的阻抗值来确定电池的健康状态的方法的装置。几种近期公开物，具体地
A.Hammouche等人的文章"Monitoring state-of-charge of Ni-MH and Ni-Cd batteries using impedance spectroscopy" (Journal of Power Source, Vol-127, 2004, pp. 105-11 )禾口 H.Blanke等人的文章"Impedance measurements on lead-acid batteries for state-of-charge, state-of-health and cranking capability prognosis in electric and hybrid electric vehicles" (Journal of Power Sources, vol-144, 2005, pp.418-425 ),还有文献WO2005/031380,也示出了根据跃迁频率FHF来监视 镍铬电池或铅酸电池的充电状态的可能性。因而，例如，如图5所示，能够 根据电池的充电状态(state of charge, SOC)来确定对于图1的同样三个不同 的电流制式、即0.5A、 5A和10A的跃迁频率FHF。
但是，没有文献或已知装置暗示在调节系统的范围中的跃迁频率Fhf的 可能使用，也没有暗示基于该标准来控制电池的放电的结束。用于其部分目 的的根据本发明的方法提出使用该跃迁频率FHF,以便控制可再充电电池的放 电的结束，该跃迁频率FHF与有源材料的状态有关，且可用于根据该有源材 料的实际状态来停止放电。
在图3中，在确定跃迁频率FHF的步骤F1之后，该用于控制的方法包括 在第二步骤F2中确定跃迁频率Fhf的斜率。由跃迁频率的导数dFHF/dt来确 定该斜率。
可以具体地从图5的图确定跃迁频率的导数dFHp/dt。实际上，该示 了当在恒定电流I处发生放电时根据充电状态SOC的跃迁频率FHF。但是， 充电状态SOC与电流I乘以时间t成比例。在图5中，电流I恒定，充电状 态SOC与时间t成比例。因此，在图5中示出的三个曲线绘图的每个的导数 对应于跃迁频率的斜率dFHF/dt,给出或采用作为放电电流I的常数。
然后，在第三步骤F3中，用于控制的方法包括比较先前计算的斜率与代 表电池的放电结束标准的预定最大值Pmax,从该预定最大值Pmax,必须断 开电池。如果斜率的计算值小于预定最大值Pmax,用于控制的方法循环回到 确定跃迁频率FHF的步骤Fl之前。如果所计算的斜率值大于预定最大值 Pmax,则用于控制的方法继续到下一步骤F4，即通过调节器(图2 )来中断 电池的》文电。从而，该预定最大值Pmax定义了放电结束标准，这是跃迁频 率的函^t， ^v该预定最大值Pmax,必须断开电池。
例如，考虑图6中所示的图，其图示了在两个不同电流制式、即0.5A(圓点的曲线图)和5A (十字的曲线图)处的根据电压U的跃迁频率FHF的斜率 dFHF/dt的值，清楚地，跃迁频率FHF的斜率dFHF/dt的使用可以证实，对于在 电池老化期间保持放电结束设置点的可靠性的目的，其是非常令人信服的。
在光电应用的情况下，实际上通常在固定电压停止设置点，大约11.5V 上停止放电，而无论放电情况如何。例如，与跃迁频率FHF的斜率dFHF/dt大 约0.015对应的、在5A处的11.5V (图6中的虚线)的阈值上的停止放电， 导致保持跃迁频率FHF的相同的斜率值dFHF/dt ，以在0.5A处大约11.25V的 阈值处停止放电。
在上述实施例中，例如在工作中的电池的使用期间周期性地确定(Fl) 跃迁频率，根据所计算的跃迁频率(Fl)由调节器(图2)来中断(F4)放电。
在未示出的另 一替换实施例中，可以从在电池的校准阶段期间进行的跃 迁频率Fhf的測量，确定被施加到用于控制的方法的放电结束标准。然后在 调节器(图2)中输入对应于校准的放电结束标准。则，该方法如之前地包 括确定跃迁频率FHF (Fl)和例如斜率(F2)，当在电池工作期间达到(F3) 在校准期间计算的放电结束标准时断开(F4)电池。
在未示出的另 一替换实施例中，还可以从在电池的维护阶段期间进行的 跃迁频率FHF的测量，来再调节(readjust)放电结束标准。如之前的，然后，在 该维护阶段期间进行跃迁频率FHF和对应的放电结束标准的计算，且当在电 池工作期间达到;^文电结束标准时断开电池。
另外，无论是在校准阶段期间还是在维护阶段期间，优选地，根据跃迁
频率FHF计算的且使能电池的断开的放电结束标准由在由调节器(图2)测量
的、在电池端处的电压来构成，由此定义了固定电压停止设置点(图6)。
在未示出的用于控制可再充电电池的放电结束的方法的另一替换实施例 中，电池放电结束标准可以代表在放电过程中的跃迁频率Fhf的斜率的突然 改变。由跃迁频率的二次导数dFHF"df来定义斜率的突然改变，则用于控制 的方法包括使用该计算的二次导数的值作为代表放电结束标准的值，当达到 该标准时通过调节器(图2)来断开电池。
在另一替换实施例中，电池放电结束标准可以代表跃迁频率Fhf的預定 最大值。如之前的，然后，用于控制的方法包括确定跃迁频率Fhf和比校所 获得的值与预定最大值。如果该计算值低于预定最大值，则方法循环回到确定跃迁频率FHF的步骤F1之前，且测量新的跃迁频率FHF。如果计算值高于
预定最大值，则达到了放电结束标准，且调节器通过断开电池来中断放电。
无论上述哪个实施例，这种用于控制的方法都是非常高效，且易于执行
的，同时使能电池的放电状态的诊断以及考虑电池的使用的过去和当前情况
和健康状态的影响。这种方法还使能防止完全放电的电池的任何不合时宜的
重连接。因此，对电池的放电的控制是最佳的，且因此优化了可再充电电池 的操作和其寿命。
由于根据上述用于控制的方法的不同实施例的这种放电结束标准的使 用，本发明特别适用于新系列产品的定义和开发，以容易且便宜地对所有放 电制式确定放电结束阈值和对用户的指示。
本发明还应用于在调节器中对用于调节电池的放电结束的、新放电结束 标准的直接使用，以便放电结束考虑电池的状态，以及关心老化或过去的使 用。
本发明还应用于在包括电池和其调节器的系统中新放电结束标准的使 用，以便当进行维护操作时重新校准所述调节器的阈值。
本发明不局限于上述不同的实施例。在上述说明书中使用的术语电池具 体地包括可再充电电池和可再充电电化学存储电池。上述用于控制的方法具 体地适用于任何类型的可再充电电池。
以通常方式，考虑到电池的类型和/或使用该电池的应用的类型，可以使 用所有类型的充电或放电。
9
权利要求
1. 一种用于控制可再充电电池的放电结束的方法，其特征在于，它包括确定(F1)电池的跃迁频率(FHF)和根据所述跃迁频率(FHF)确定电池的放电结束标准(F2，F3)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电池的使用期间周期性地确定跃迁频率(FHF)，由调节装置根据所述跃迁频率(FHF)来中断(F4)放电。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从在校准阶段期间进行的跃迁频率(FHF)的测量(Fl)来确定所述放电结束标准(F2, F3)。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从在维护阶段期间进行的跃迁频率(FHF)的测量(Fl)来重新调节所述^:电结束标准(F2, F3)。
5. 根据权利要求3和4中的一个所述的方法，其特征在于，由在电池端处的电压构成所述^L电结束标准(F2, F3)。
6. 根据权利要求2到5中的任何一个所述的方法，其特征在于，所述放电结束标准(F2, F3)代表在放电过程中的跃迁频率(FHF)的斜率的突然改变。
7. 根据权利要求2到5中的任何一个所述的方法，其特征在于，所述放电结束标准(F2, F3)代表跃迁频率(FHF)的预定最大值。
8. 根据权利要求2到5中的任何一个所述的方法，其特征在于，所述放电结束标准(F2, F3)代表跃迁频率(FHF)的斜率的预定最大值(Pmax)。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制可再充电电池的放电结束的方法，包括确定(F1)电池的跃迁频率(F<sub>HF</sub>)和根据所述跃迁频率(F<sub>HF</sub>)确定(F2，F3)电池的放电结束标准。所述放电结束标准代表例如跃迁频率(F<sub>HF</sub>)的斜率的预定最大值(Pmax)。可以在电池的使用期间周期性地确定(F1)跃迁频率(F<sub>HF</sub>)，由调节装置根据所述跃迁频率(F<sub>HF</sub>)来中断(F4)放电。
文档编号H02J7/00GK101523689SQ200780038196
公开日2009年9月2日 申请日期2007年10月5日 优先权日2006年10月13日
发明者阿诺·德莱尔, 马里恩·佩林 申请人:原子能委员会