电池充电器及相关联系统和方法与流程

本申请要求2017年11月10日提交的美国临时专利申请序列号62/584,503的优先权的权益，所述美国临时专利申请通过引用结合在此。

背景技术：

电池用于在各种各样的应用中提供电力。电池包括采用化学形式存储能量的一个或多个电化学电池单元。当电负载连接至电池时，这种所存储的能量经由氧化还原化学反应而被转换成电能。一些电池旨在用于一次性使用，并且在其储存的能量耗尽后被丢弃。这类电池被称为一次电池。其他电池可以在其储存的能量耗尽后再充电，并且这些电池被称为二次电池。

一种流行的二次电池是锂离子电池，所述锂离子电池包括一个或多个锂离子电化学电池单元。每个锂离子电化学电池单元包括阳极、阴极以及分离阳极和阴极的电解质。锂离子在电池单元放电期间通过电解质从阳极移动到阴极，并且锂离子在电池单元充电期间通过电解质从阴极移动到阳极。锂离子电池有利地具有高能量密度、可忽略的记忆效应和低自放电率。然而，电池具有一些显著的缺点。

例如，锂离子电池可能会因过度充电而易被损坏，有可能导致电池泄漏，火灾和/或爆炸。因此，不对电池进行过度充电是至关重要的。另外，锂离子电池在其预期电压范围之外使用时可能会被损坏。因此，电源管理电路系统必须始终确保锂离子电池的电压保持在可接受的范围内。此外，电池随时间推移而劣化，如由于在作为组成部分的电化学电池单元的阳极和阴极中的化学反应，从而导致电池容量降低以及灾难性电池故障的可能性增大。

技术实现要素：

在第一方面，一种用于对电池进行充电的方法包括：(1)向所述电池施加充电电流脉冲；(2)在向所述电池施加所述充电电流脉冲的步骤之后，测量所述电池两端的第一电压；(3)对所述电池的平衡电压进行估计；(4)根据所述第一电压与所述平衡电压之间的差异来确定所述电池的能斯特电压；以及(5)至少部分地基于所述能斯特电压来控制所述电池的充电。

在第一方面的实施例中，所述方法进一步包括：将所述能斯特电压与第一阈值进行比较；以及响应于所述能斯特电压超过所述第一阈值而减小所述电池的充电速率。

在第一方面的另一个实施例中，减小所述电池的所述充电速率的步骤包括以下步骤中的至少一个：(1)减小到所述电池的充电电流脉冲的幅度；(2)减小到所述电池的充电电流脉冲的占空比；以及(3)减小到所述电池的充电电流脉冲的频率。

在第一方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：将所述能斯特电压与第二阈值进行比较；以及响应于所述能斯特电压低于所述第二阈值而增大所述电池的充电速率。

在第一方面的另一个实施例中，增大所述电池的所述充电速率的步骤包括以下步骤中的至少一个：(1)增大到所述电池的充电电流脉冲的幅度；(2)增大到所述电池的充电电流脉冲的占空比；以及(3)增大到所述电池的充电电流脉冲的频率。

在第一方面的另一个实施例中，所述第一阈值与所述第二阈值不同。

在第一方面的另一个实施例中，所述第一阈值与所述第二阈值相同。

在第一方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：基于所述电池的激活过电压来控制所述电池的充电。

在第一方面的另一个实施例中，至少部分地基于所述能斯特电压来控制所述电池的充电的步骤包括：控制所述电池的充电，使得所述电池的浓度应力不超过所述电池的最大允许浓度应力。

在第一方面的另一个实施例中，至少部分地基于所述能斯特电压来控制所述电池的充电的步骤进一步包括：控制所述电池的充电，使得所述浓度应力基本上等于所述电池的最大允许浓度应力。

在第一方面的另一个实施例中，所述电池进一步包括：一个或多个锂离子电化学电池单元。

在第一方面的另一个实施例中，所述浓度应力是所述电池中锂离子的浓度梯度。

在第一方面的另一个实施例中，所述方法进一步包括：控制所述电池的充电，使得所述电池两端的电压不超过所述电池的最大允许电压。

在第一方面的另一个实施例中，测量所述电池两端的所述第一电压的步骤包括：在由于欧姆效应和激活过电压效应而导致所述电池两端的电压变化之后，测量所述第一电压。

在第一方面的另一个实施例中，对所述电池的所述平衡电压进行估计包括：使用被配置用于确定所述电池中剩余能量的电量计来对所述平衡电压进行估计。

在第二方面，一种电池充电器包括：电源电路系统，被配置用于向电池施加充电电流脉冲；以及控制器，被配置用于：(1)使所述电源电路系统向所述电池施加第一充电电流脉冲；(2)在向所述电池施加所述第一充电电流脉冲的步骤之后，测量所述电池两端的第一电压；(3)对所述电池的平衡电压进行估计；(4)至少根据所述第一电压与所述平衡电压之间的差异来确定所述电池的能斯特电压；以及(5)控制所述电源电路系统至少部分地基于所述能斯特电压来控制所述电池的充电。

在第二方面的实施例中，所述控制器进一步被配置用于：将所述能斯特电压与第一阈值进行比较；以及控制所述电源电路系统响应于所述能斯特电压超过所述第一阈值而减小所述电池的充电速率。

在第二方面的另一个实施例中，所述电源电路系统被配置用于通过以下各项中的至少一项来减小所述电池的所述充电速率：(1)减小到所述电池的充电电流脉冲的幅度；(2)减小到所述电池的充电电流脉冲的占空比；以及(3)减小到所述电池的充电电流脉冲的频率。

在第二方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：将所述能斯特电压与第二阈值进行比较；以及控制所述电源电路系统响应于所述能斯特电压低于所述第二阈值而增大所述电池的充电速率。

在第二方面的另一个实施例中，所述电源电路系统被配置用于通过以下各项中的至少一项来增大所述电池的所述充电速率：(1)增大到所述电池的充电电流脉冲的幅度；(2)增大到所述电池的充电电流脉冲的占空比；以及(3)增大到所述电池的充电电流脉冲的频率。

在第二方面的另一个实施例中，所述第一阈值与所述第二阈值不同。

在第二方面的另一个实施例中，所述第一阈值与所述第二阈值相同。

在第二方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于基于所述电池的激活过电压来控制所述电池的充电。

在第二方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：控制所述电源电路系统，使得所述电池的浓度应力不超过所述电池的最大允许浓度应力。

在第二方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：控制所述电源电路系统，使得所述浓度应力基本上等于所述电池的最大允许浓度应力。

在第二方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：控制所述电源电路系统，使得所述电池两端的电压不超过所述电池的最大允许电压。

在第二方面的另一个实施例中，所述控制器进一步被配置用于：在由于欧姆过电压效应和激活过电压效应而导致所述电池两端的电压变化之后，测量所述电池两端的所述第一电压。

在第三方面中，一种电池模块包括：电池以及上文所公开的任何一个电池充电器。

在第三方面的一个实施例中，所述电池包括：一个或多个锂离子电化学电池单元。

附图说明

图1展示了用于对锂离子电池进行充电的常规方法。

图2展示了向锂离子电池施加的充电电流脉冲。

图3展示了根据实施例的电池充电器。

图4展示了根据实施例的图3电池充电器控制电池的充电的示例。

图5展示了根据实施例的图3电池充电器控制电池的充电的另一个示例。

图6展示了根据实施例的图3电池充电器控制电池的充电的又另一个示例。

图7展示了被配置用于提供估计的平衡电压的电量计。

图8展示了根据实施例的包括图3电池充电器的实例的电池模块。

图9展示了根据实施例的一种用于对电池进行充电的方法。

图10展示了根据实施例的另一种用于对电池进行充电的方法。

图11展示了根据实施例的一种用于对电池进行充电的方法，其中，以90％的占空比对所述电池进行充电。

图12展示了根据实施例的一种用于对电池进行充电的方法，其中，以50％的占空比对所述电池进行充电。

图13是根据几种不同的电池充电方法充电的电池的模拟电池容量相对于循环次数的曲线图。

图14展示了根据实施例的图3电池充电器电耦合至单个电池的实例。

图15展示了根据实施例的图3电池充电器电耦合至串联电耦合的两个电池的实例。

图16展示了根据实施例的图3电池充电器电耦合至并联电耦合的两个电池的实例。

图17展示了根据实施例的图3电池充电器电耦合至具有串联-并联电拓扑的多个电池的实例。

图18展示了根据实施例的包括图3电池充电器的两个实例的电池模块。

图19展示了根据实施例的包括图3电池充电器的两个实例的另一个电池模块。

具体实施方式

常规地使用恒流-恒压(cccv)充电方法来对锂离子电池进行充电。cccv充电方法由恒流(cc)阶段后接恒压(cv)阶段组成。在cc阶段期间向电池施加固定幅度的电流，并且在cv阶段期间向电池施加固定幅度的电压。图1是展示了cccv充电方法的一个示例的曲线图100，其中，纵轴表示幅度，并且横轴表示时间。曲线图100包括表示电池两端的电压102和进入电池的电流104的曲线。在cc阶段的时间t0开始充电，并且在cc阶段期间电池电流104固定在值i1。当电池电压102达到最大值v最大并且cv阶段开始时，cc阶段持续直到时间t1。在cv阶段期间，电池电压102固定在v最大。当电池电流104下降到最小阈值i2并且充电结束时，cv阶段持续直到时间t2。

尽管cccv充电方法实施起来相对简单，但是它具有显著的缺点。例如，在许多情况下，cccv方法将以不必要的慢速率对电池进行充电。特别地，期望cc阶段期间的电流i1尽可能大以便快速对电池进行充电。但是，过大的i1值将会损坏电池。另外，由于多种因素，例如电池制造中的变化，i1的最大允许值随着电池而发生变化。此外，i1的最大允许值可能会随着电池老化和电池工作条件的变化而变化。因此，选择i1的值使得在最坏情况下电池不会被过度充电，导致i1在大多数情况下低于所需。在大多数情形下，i1的这种非最佳值导致以不必要的慢速率对电池进行充电。

另外，从图1中明显可以看出，电池在cccv充电期间在最大电压v最大下花费大量时间。这种高电压会随着时间的推移而使电池劣化，因此cccv充电方法对电池寿命有害。

申请人已经开发了至少部分地克服了上述常规充电技术的所讨论问题中的一个或多个的电池充电器以及相关联系统和方法。这些新的电池充电器实现了脉冲充电方法，其中，至少部分地基于电池的浓度应力(c应力)来控制电池充电，其中，c应力是电池中离子的浓度梯度，例如，在锂离子电池的情况下是锂离子浓度梯度。因此，电池充电器的某些实施例能够在其当前工作状况下针对特定电池优化电池充电，从而可能实现比使用常规电池充电技术而可能的电池充电和电池寿命更快的电池充电和/或更长的电池寿命。

为了帮助理解新电池充电器的电池充电方法，考虑图2的曲线图200，展示了向锂离子电池施加的充电电流脉冲。曲线图200的纵轴表示幅度，并且曲线图的横轴表示时间。曲线图200包括表示电池两端的电压202和进入电池的电流204的相应曲线。当充电电流脉冲206施加到电池时，电池电压202在时间t1时处于平衡值v平衡ⁿ。由于电池中的欧姆过电压效应，电池电压202从时间t1到t2非常快速地上升，并且由于电池中的激活过电压效应，电池电压202从时间t2到t3快速地上升。随着锂离子在电池的(多个)电化学电池单元中从阴极转移到阳极，电池电压202从时间t3到t4继续上升。

充电电流脉冲206在时间t4终止，并且由于电池中的欧姆过电压效应，电池电压202从时间t4到t5非常快速地下降，并且由于电池中的激活过电压效应，电池电压202从时间t5到t6快速地下降。电池电压202在时间段t能斯特——其为从时间t6到t7的时间——期间缓慢下降。电池的锂离子浓度在时间t7达到平衡状态，并且电池电压202在时间t7处于新的平衡值v平衡ⁿ⁺¹。由于通过充电电流脉冲206递送至电池的能量，平衡电压v平衡ⁿ⁺¹高于平衡电压v平衡ⁿ。应当注意，图2未按比例绘制，因为时间段t能斯特通常非常长，例如一小时或更长，而从时间t1到时间t6的时间段要短得多。

可以根据由于激活过电压效应而导致的电池电压202变化——即，从时间t5到t6的电池电压202——来确定c应力。然而，需要大量的数据收集资源来获得此数据，并且只能根据激活过电压来间接地确定c应力。因此，需要大量的数据收集和处理资源来根据激活过电压效应确定c应力。

申请人已经确定，可以代替地根据在时间t6和t7之间的电池电压202差异(称为v能斯特)来确定c应力。v能斯特与c应力有关，如下所示，其中，c均衡是平衡处的电池离子浓度，r是气体常数，t是温度，n是参与电池的氧化还原反应的电子数量，并且f是法拉第常数：

可以针对特定电池确定c均衡和n，并且可以测量或估计t。因此，如果已知v能斯特，则可以确定c应力。另外，假设t保持不变，则可以简单地根据v能斯特的变化来确定c应力的变化。由于大的电池热质量，t在短时间段上通常将不会发生显著变化。另外，可以在操作期间测量t。因此，通过基于v能斯特控制充电，可以基于c应力控制电池充电。

如以上所讨论的，时间段t能斯特非常长，因此，在每个充电电流脉冲206之后的时间t7处测量电池电压202是不实际的，因为这样做通常需要在每个充电电流脉冲之后花费一小时或更长时间来等待电池中的锂离子浓度均衡。然而，申请人已经发现，通常可从电池管理电路系统获得时间t7的电池电压202。例如，电池管理电路系统通常包括用于确定电池中剩余能量的“电量计(fuelgauge)”，并且电量计通常被配置用于在确定剩余能量时估计平衡下的电池开路电压，即在时间t7时的电池电压202。因此，可以根据(a)在时间t6时的所测得电池电压202以及(b)在时间t7时的估计电池开路电压来确定v能斯特，而不需要在每个充电电流脉冲之后等待电池离子浓度均衡。

图3展示了电池充电器300，所述电池充电器基于c应力控制电池充电。电池充电器300包括电源电路系统302和控制器304。电源电路系统302从电源306接收电力，并且电源电路系统302被配置用于通过向电池组件308重复施加充电电流脉冲来对电池组件308的一个或多个电池(未示出)进行充电。在一些实施例中，电池组件308进一步包括附加电路系统(未示出)，如用于测量通过电池组件308的电流的电路系统和/或用于测量电池组件308两端的电压的电路系统。电源306可以是交流(ac)电源或直流(dc)电源。在一些实施例中，电源电路系统302包括用于向电池组件308施加充电电流脉冲的开关电源转换器，如，降压转换器或升压转换器。可替代地或另外地，电源电路系统302可以包括用于调节施加到电池组件308上的电压大小的线性调节器。在一些实施例中，电源电路系统302仅通过断开和闭合与电池组件308串联或并联电耦合的开关来控制电力流向电池组件308。在特定实施例中，电池充电器300旨在与一个或多个锂离子电池一起使用，即，电池组件308包括一个或多个锂离子电池，但是电池充电器300可以适于与其他电池类型一起工作而不脱离本文范围。

控制器304被配置用于至少部分地基于电池组件308的所述一个或多个电池的c应力来控制所述一个或多个电池的充电，使得控制器304使用c应力作为反馈参数。因此，电池充电器300以闭环方式进行操作。控制器304包括处理器310和存储器312。处理器310执行采用存储在存储器312中的固件或软件的形式的指令314，以生成用于控制电源电路系统302的电源信号316，使得控制器304控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电。特别地，控制器304在充电电流脉冲和随后的短弛豫(relaxation)时段之后，如在由于欧姆过电压效应和激活过电压效应引起的v电池变化之后，对电池组件308两端的电压v电池进行采样。例如，在一些实施例中，控制器304在图2中的时间t6时对电压v电池进行采样。在某些实施例中，控制器304包括用于(a)存储电压v电池的样本并且(b)对所存储样本进行数字化以供处理器310使用的电路系统(未示出)。控制器304还从电量计318接收估计的电池开路平衡电压v平衡，例如，在图2中，在时间t7时的估计电池电压。电量计318确定开路平衡电压v平衡，然后处理器310执行指令314以使用以下等式2或其变型来确定v能斯特。

v能斯特＝v电池-veq(等式2)

如上文关于等式1所讨论的，假设电池温度保持不变，v能斯特的变化表示c应力的变化。因此，处理器310执行指令314以至少部分地基于v能斯特来控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电，从而基于c应力控制所述一个或多个电池的充电。例如，在一些实施例中，处理器310将v能斯特与一个或多个阈值进行比较，并且处理器310响应于v能斯特越过所述一个或多个阈值而改变电池组件308的所述一个或多个电池的充电速率。例如，在一些实施例中，处理器310响应于v能斯特下降到第一阈值以下而增大所述一个或多个电池的充电速率，并且处理器310响应于v能斯特上升到第二阈值以上而减小所述一个或多个电池的充电速率。第一阈值与第二阈值可以是相同的或不同的。

处理器310重复执行上述步骤，以便根据v能斯特来重复地确定v能斯特以及控制电池充电。例如，在一些实施例中，处理器310在每个充电电流脉冲之后确定v能斯特，而在一些其他实施例中，处理器310较不频繁地确定v能斯特，例如在每n个充电电流脉冲之后，其中，n是大于一的整数。如下文关于图9至图12而讨论的操作充电器300的可能方法的几个示例。根据v能斯特控制充电的能力使得能够针对快速电池充电和/或电池寿命来对电池充电器308进行优化，如下文所讨论的。在一些实施例中，控制器304进一步被配置用于控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电，使得电池电压v电池不超过电池组件308的最大允许电压。此外，在一些实施例中，控制器304使用欧姆过电压和激活过电压连同v能斯特一起来确定下一个充电事件的脉冲形状、电流幅度、和时间长度。

在特定实施例中，通过改变充电电流脉冲的幅度、通过改变充电电流脉冲的占空比、和/或通过改变充电电流脉冲的频率，电源电路系统302根据来自控制器304的电源信号316来控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电。图4至图6展示了电池充电器300至少部分地基于v能斯特控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电的若干示例。确切地，图4是充电电流脉冲402幅度相对于时间的曲线图400。电源电路系统302在控制器304的控制下重复地生成充电电流脉冲402。在时间t1，处理器310确定v能斯特已经上升到阈值以上，并且作为响应，处理器310控制电源电路系统302以减小充电电流脉冲402的幅度，从而减小电池组件308的所述一个或多个电池的充电速率。

图5是充电电流脉冲502幅度相对于时间的曲线图500。在时间t1，处理器310确定v能斯特已经下降到阈值以下，并且作为响应，处理器310控制电源电路系统302以增大充电电流脉冲502的占空比，从而增大电池组件308的所述一个或多个电池的充电速率。进而，图6是充电电流脉冲602幅度相对于时间的曲线图600。在时间t1，处理器310确定v能斯特已经下降到阈值以下，并且作为响应，处理器310控制电源电路系统302以增大充电电流脉冲602的频率，从而增大电池组件308的所述一个或多个电池的充电速率。

图7展示了电量计700，其是电量计318(图3)的一种可能的实施方式。然而，应当理解的是，电量计318不限于图7的实施方式，而是可以以任何其他方式来实施，只要电量计318能够向控制器304提供估计平衡电压v平衡即可。此外，在不脱离本文范围的情况下，电量计318可以用提供平衡电压v平衡的另一设备代替。

电量计700包括电阻器702、电容器704和接口电路系统706。电阻器702在节点708处电耦合在电池组件308与电容器704之间，并且接口电路系统706电耦合至节点708。申请人已经发现，电容器704两端的电压v电容很大程度上跟随电池组件308的平衡电压，并且很大程度上不受电池组件308上的负载的影响。因此，电量计700输出与电容器704两端的电压成比例的估计平衡电压v平衡，即节点708处的电压。接口电路系统706将节点708与控制器304电接口连接。在一些实施例中，接口电路系统706包括用于对节点308处的电压进行采样的采样电路系统以及用于对采样电压进行数字化的模数转换器。

电阻器702和电容器704可以由提供集成功能的其他电路系统所代替或补充。另外，在不脱离本文范围的情况下，可以替代地使用数字滤波技术来实现由电阻器702和电容器704所实现的集成。

虽然图3展示了控制器304和电源电路系统302是单独的元件，电源电路系统302和控制器304可以至少部分地组合而不脱离本文范围。另外，可以对控制器304进行修改以进一步包括电量计318。例如，可以补充指令314，使得处理器310执行指令314以生成估计平衡电压v平衡，使得处理器310取代电量计318。此外，处理器310和存储器312可以由模拟电路系统代替或补充。例如，在某些替代性实施例中，处理器310和存储器312由模拟计算机代替。

在一些替代性实施例中，控制器304进一步被配置用于基于电池的激活过电压和v能斯特两者来控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电。例如，在某些实施例中，控制器304根据确定如下的vfb控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电，其中，v电阻率和v激活是根据图2中的时间t4和t6之间的电池电压202所确定的：

vfb＝v能斯特-v电阻率-v激活(等式3)

v电阻率和v激活是根据v电池确定的，例如，依照其各自的弛豫时间常数，这些弛豫时间常数可以在电池表征期间确定。v电阻率的典型时间常数小于微秒，并且v激活的典型时间常数是毫秒级。

基于激活过电压和v能斯特两者来控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电能够有利地在电池充电期间实现比通过仅基于v能斯特来控制充电而可实现的c应力调节更严格的调节。另外，可以使用关于在时间t4的电压的了解来确保电池组件308两端的电压不超过电池组件308的最大允许电压。然而，根据激活过电压效应确定c应力增大了控制器304的处理和数据收集要求。

电池充电器300可以与其他组件共同封装。例如，图8展示了包括与电池组件308和电量计318的实例共同封装的电池充电器300的电池模块800。电池充电器300电耦合至电池组件308。电池充电器300的细节未在图8中示出，以便使说明更加清晰。

控制器304使用v能斯特来控制电池组件308的充电可以实现显著的优点。例如，在一些实施例中，控制器304被配置用于控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电，使得如由v能斯特表示的c应力处于或略低于电池组件308的c应力的最大允许值，使得控制器304被优化用于快速充电。以这种方式对电池组件308的所述一个或多个电池进行充电通过在防止电池损坏的同时最大化电池充电速率来最小化电池充电时间。cccv充电技术通常不能实现这种快速充电，因为电池充电电流必须足够低以在最坏情况下防止电池损坏，如上文所讨论的。

作为另一个示例，在一些其他实施例中，控制器304被配置用于对电池组件308的所述一个或多个电池进行充电，使得如由v能斯特表示的c应力明显低于所述一个或多个电池的c应力的最大允许值，从而针对电池寿命来优化控制器304。以这种方式对电池组件308进行充电通过减小在电池组件308的所述一个或多个电池中的由充电引起的应力并且通过帮助减少所述一个或多个电池暴露于高电压下的时间来提升电池寿命。cccv充电技术通常无法实现这种电池寿命，因为其使电池长时间的经受高电压的cv阶段相对较长。

作为又另一个示例，在特定实施例中，控制器304被配置用于对电池组件308的所述一个或多个电池进行充电，使得如由v能斯特表示的c应力在所述一个或多个电池的充电期间发生变化。例如，在一些实施例中，控制器304控制电池组件308的所述一个或多个电池的充电，使得c应力在电池充电过程开始时相对较高并且使得c应力在电池充电过程中稍后减小。以这种方式对电池组件308进行充电提升了电池组件308的快速充电和长寿命。特别地，在低电池充电状态下电池的浓度梯度通常相对较低，因此，在电池充电过程开始时，c应力可以较大以便提升快速充电而不会降低电池寿命。然而，电池在电池充电过程将要结束时更容易受到损坏，并且随着电池充电过程的进行减小c应力降低了电池因过度电池应力而劣化的可能性，从而提高了电池寿命。

以下参考图9至图12所讨论的是如何可以使用本发明申请人所开发的新电池充电技术对电池进行充电的几个示例。尽管关于图3的电池充电器300讨论了示例性方法，示例并不限于与电池充电器300一起使用。相反，这些方法可以与确定v能斯特的其他电池充电器一起使用。另外，电池充电器300不限于与以下方法一起使用。

图9展示了用于对电池进行充电的方法900。方法900开始于向电池施加充电电流脉冲的步骤902。在步骤902的一个示例中，电源电路系统302向电池组件308施加充电电流脉冲，例如，分别为图4至图6的充电电流脉冲402、502或602。在步骤904中，在向电池施加充电电流脉冲的步骤之后，测量电池两端的第一电压。在步骤904的一个示例中，控制器304在充电电流脉冲和随后的短弛豫时段之后、如在图2的时间t6测量电池组件308两端的电压v电池。在步骤906中，估计电池的平衡电压。在步骤906的一个示例中，电量计318提供估计平衡电压v平衡，即图2的时间t7时的估计电压v电池。在步骤908中，至少根据第一电压与平衡电压之间的差异来确定电池的v能斯特。在步骤908的一个示例中，处理器310执行指令314以便使用等式2根据v电池和v平衡来确定v能斯特。在步骤910中，至少部分地基于v能斯特来控制电池的充电。在步骤910的一个示例中，处理器310控制电源电路系统302通过控制到电池组件308的充电脉冲的幅度、占空比和频率中的至少一项来至少部分地基于v能斯特控制电池组件308的充电。方法900可选地重复，直到电池完全充电。

图10展示了用于对电池进行充电的另一种方法1000。在步骤1002中，将电池充电至3.8伏。在步骤1002的一个示例中，电源电路系统302向电池组件308施加充电电流脉冲，直到电池电压v电池达到3.8伏。在步骤1004中，以4c的充电速率对电池充电10秒。在步骤1004的一个示例中，电源电路系统302向电池组件308施加4c充电电流脉冲10秒。在此上下文中，术语“c”指的是相当于电池容量的充电速率。例如，利用3安培电流源充电的3安培小时电池将以1c速率充电，并且利用12安培电流源充电的3安培小时电池将以4c速率充电。

步骤1006判定电池是否已达到4.2伏。如果是，则方法1000结束，并且如果否，则方法1000继续到步骤1008。在步骤1006的一个示例中，控制器304判定电池电压v电池是否已达到4.2伏。在步骤1008中，允许电池“休息”一秒，即电池在一秒上没有充电，然后确定v能斯特。在步骤1008的一个示例中，电源电路系统302中断电池组件308充电一秒，并且控制器304确定电池组件308的v能斯特。步骤1010判定v能斯特是否小于60毫伏。如果是，则方法1000前进到步骤1012，并且如果否，则方法1000前进到步骤1014。在步骤1010的一个示例中，控制器304将v能斯特与60毫伏阈值进行比较。在步骤1012中，电池充电速率增大0.25c，并且在步骤1014中，电池充电速率减小0.25c。在步骤1012的一个示例中，电源电路系统302将电池组件308的充电速率提高0.25c，并且在步骤1014的一个示例中，电源电路系统302将电池组件308的充电速率减小0.25c。方法1000从步骤1012和1014中的每一个进行到步骤1016，在后一步骤中，电池充电10秒。在步骤1016的一个示例中，电源电路系统302对电池组件308充电10秒。方法1000从步骤1016返回到步骤1006。

当对电池进行充电时，方法1000将c应力维持在大致恒定值，即，针对正在充电的电池，所述方法将c应力维持在与60mv的v能斯特大致相对应的值。可以根据等式1来确定针对正在充电的电池的与v能斯特相对应的c应力值。通过在比较步骤1010中选择v能斯特的较高值，可以优化方法1000以便进行更快的充电，并且通过在比较步骤1010中选择v能斯特的较低值，可以优化方法1000以延长电池寿命。

图11和图12分别展示了方法1100和1200，其中，在电池充电的早期阶段，c应力保持在较高值，并且在电池充电的后期阶段，c应力保持在较低值。特别地，例如，当电池电压低于4.15伏时，c应力维持在与70mv的v能斯特大致相对应的值，并且当电池电压大于或基本等于4.15时，c应力保持在与40mv的v能斯特大致相对应的值。

在图11的方法1100中，以90％的占空比对电池进行充电。方法1100开始于判定电池电压是否小于4.15伏的步骤1102。如果是，则方法1100前进到步骤1104，并且如果否，则方法1100前进到步骤1114。在步骤1102的一个示例中，控制器304判定电池电压v电池是否小于4.15伏。在步骤1104中，以2c的充电速率对电池充电10秒。在步骤1104的一个示例中，电源电路系统302向电池组件308施加2c充电电流脉冲10秒。在步骤1106中，允许电池休息1秒并确定v能斯特。在步骤1106的一个示例中，电源电路系统302中断电池组件308充电一秒，并且控制器304确定电池组件308的v能斯特。

步骤1108判定v能斯特是否小于70毫伏。如果是，则方法1100前进到步骤1110，并且如果否，则方法1100前进到步骤1112。在步骤1108的一个示例中，控制器304将v能斯特与70毫伏阈值进行比较。在步骤1110中，电池充电速率增大0.25c，并且在步骤1112中，电池充电速率减小0.25c。在步骤1110的一个示例中，电源电路系统302将电池组件308的充电速率提高0.25c，并且在步骤1112的一个示例中，电源电路系统302将电池组件308的充电速率减小0.25c。方法1100从步骤1110和1112中的每一个返回到步骤1102。

在步骤1114中，以2c的充电速率对电池充电10秒。在步骤1114的一个示例中，电源电路系统302向电池组件308施加2c充电电流脉冲10秒。在步骤1116中，允许电池休息1秒并确定v能斯特。在步骤1116的一个示例中，电源电路系统302中断电池组件308充电一秒，并且控制器304确定电池组件308的v能斯特。

步骤1118判定v能斯特是否小于40毫伏。如果是，则方法1100前进到步骤1120，并且如果否，则方法1100前进到步骤1122。在步骤1118的一个示例中，控制器304将v能斯特与40毫伏阈值进行比较。在步骤1120中，电池充电速率增大0.25c，并且在步骤1122中，电池充电速率减小0.25c。在步骤1120的一个示例中，电源电路系统302将电池组件308的充电速率提高0.25c，并且在步骤1122的一个示例中，电源电路系统302将电池组件308的充电速率减小0.25c。方法1100从步骤1120和1122中的每一个继续到步骤1124，在后一步骤中，电池充电10秒。

步骤1126判定电池电压是否小于4.2伏。如果是，则方法1100返回到步骤1116，并且如果否，则方法1100前进到步骤1128。在步骤1126的一个示例中，控制器304判定电池电压v电池是否小于4.2伏。在步骤1128中，以恒定电压对电池进行充电，直到电池电流幅度下降到c/20。在步骤1128的一个示例中，电源电路系统以4.2伏对电池组件308进行充电，直到电池电流幅度下降到c/20。

图12的方法1200类似于图11的方法1100，但是其中以50％的占空比对电池进行充电。特别地，分别用步骤1204、1214和1224来代替方法1100的步骤1104、1114和1124，其中，对电池充电三秒而不是十秒，并且分别用步骤1206和1216来代替步骤1106和1116，其中，允许电池放松三秒而不是一秒。方法1200在其他方面与方法1100类似。

图13是模拟电池容量相对于循环次数的曲线图1300。曲线1302和1304对应于根据图11的方法1100进行充电的电池，并且曲线1306对应于根据图12的方法1200进行充电的电池。另一方面，曲线1308和1310对应于根据如图1方法等常规cccv方法进行充电的电池。如从图13中可以明显看出的，相比于根据常规cccv方法充电的电池，根据方法1100和1200充电的电池在循环后保持明显更大的容量。

如上文所讨论的，电池组件308包括一个或多个电池。图14展示了由包括单个电池的电池组件1408实施的电池组件308。图15展示了由包括串联电耦合的两个电池的电池组件1508实施的电池组件308，并且图16展示了由包括并联电耦合的两个电池的电池组件1608实施的电池组件308。在不脱离本文范围的情况下，可以修改电池组件1508和1608中的每一个以包括附加电池。图17展示了由包括以串联-并联电学拓扑电耦合的多个电池的电池组件1708实施的电池组件308。在不脱离本文范围的情况下，电池组件1708中的电池数量、以及它们具体的串联-并联电学拓扑可以发生变化。

在需要多个电池组件的应用中，电池充电器300的对应实例可用于每个电池组件。例如，图18展示了包括电池充电器300的两个实例的电池模块1800，其中，每个电池充电器300电耦合至对应的电池组件308和对应的电量计318。尽管电池充电器300的每个实例由公共电源306供电，但是每个电池充电器300实例可以替代性地由对应的电源供电。在不脱离本文范围的情况下，可以修改电池模块1800以包括电池充电器300、电池组件308和电量计318的附加实例。电池充电器300的细节未在图18中示出以促使说明清晰。

在图18的电池模块中，电池充电器300并联电耦合至电源306。然而，电池充电器300也可以串联电耦合至电源。例如，图19展示了包括串联电耦合至电源306的电池充电器300的两个实例的电池模块1900。像电池模块1800一样，电池模块1900中的每个电池充电器300电耦合至对应的电池组件308和对应的燃料表318。在不脱离本文范围的情况下，可以修改电池模块1900以包括电池充电器300、电池组件308和电量计318的附加实例。

在不脱离本文范围的情况下，可以对以上方法、设备和系统做出改变。因此，应当注意，包含在以上说明书中并且在附图中示出的内容应当被解释为说明性的而不是限制性的意义。以下权利要求旨在涵盖本文中所描述的一般特征和特定特征，以及本方法和系统范围的所有陈述在语言上可以被说成落在其间。