[发明专利]为电池快速充电的设备和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2010年10月22日，序列号为第61/405,829号的美国临时专利申请优先权，并且在此结合该文作为参考。

技术领域

本发明涉及为电化学单电池(cell)充电，并且更尤其涉及用于为锂离子电池(battery)充电的设备和方法。

背景技术

定义：正如在本说明书以及所有随附的权利要求书中所使用的，除非上下文提出相反的要求，“电池”是指提供电势的一个或多个化学能量存储单电池（或，电化学单电池）。“二次电池(secondary battery)”是指可通过施加电流而被充电或再充电的电池。

为电池充电的过程包括迫使电流进入电池，使其积聚电荷，并因此积聚能量。该过程必须受到仔细的控制。一般地，过大的充电速率或充电电压将使得电池性能永久退化并最终导致完全报废，或甚至是灾难性的事故，例如外壳穿孔，以及高腐蚀性的化学物质爆炸或泄漏。

为串联连接的电化学单电池充电的过程需要特别仔细。为这样的电池进行再充电可导致由于完全放电时的反向充电而造成单电池损坏。一些充电器被设计成对这样的电池进行再充电，并且它们一般涉及监控单个单电池两端的电压。对单个单电池进行一致的充电采用了特殊的充电技术。

取决于电池的类型，正常的电池充电处理包括两个或四个不同的阶段，正如在例如Maxim Integrated Products,Inc.的Application note680（2002）（其可从http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/680处查到）中所教导的。第一可选阶段，大多由具有显著的记忆效果的镍-镉(NiCad)电池使用，包括电池完全放电。第二阶段，称为“批量（bulk）”阶段或“快速充电阶段和终止”，包括迫使恒定的电流进入直到满足某种标准，例如达到一个恒定的电压或电流下降。如果，“C”为电池容量，其以电荷单位（通常由Q表示）A·h表示，则电流，以安培表示，被选定为C的几分之一（或几倍）。例如，以2.4A或2*C的恒定电流对1.2A·h Ni-MH电池进行快速充电，如果该充电没有损失地完成（通常情况不是这样），则将在1/2小时内再充电该电池。对于锂离子单电池，充电器通常将电流和充电电压均限制在0.75%的精度下（对于单个4V的单电池为30mV）。终止则包括检测何时电流下降至一定值以下，或者基于在电压达到其最大值之后经过的固定时间。

第三阶段，或“Top-Off充电”阶段，包括迫使较小电流进入以达到满的电池电荷。这个阶段在电压达到最大值的时候，或者在一定的Top-Off充电时间或电池温度之后终止。

第四阶段，或“Trickle Charge（涓流充电）”阶段，一般用于除锂离子电池以外的所有电池（化学）类型。该“Trickle Charge”阶段的目的是补偿电池随着时间的正常内部泄露和电荷损失。在这个阶段中，施加的是低电流（普遍范围在C/16至C/50），或者施加具有低占空比的脉冲，使得平均电流较小（例如，C/512）。

现有的电池充电协议并不完善，因为它们速度比较慢，并且它们导致了电池寿命非必要地缩短。现有的协议没有考虑到电池之间的不同，即使是在相同的生产批次的电池当中也存在不同。

发明内容

依据本发明的实施例，提供了一种用于为电池充电的设备。该设备具有用于电耦合至电池的接口，以及用于同时地测量电池电压和电流的电路。此外，该设备具有用于积累来自多个电池的电池参数数据的数据库，以及处理器，该处理器基于共同测量的电池电压和电流以及从数据库接收的累积参数数据来递归地更新表现模型的特征的数据，该模型代表电池。最后，该设备具有电流源（如在本文中所定义的），用于按照所述处理器的控制，供给为电池充电的电流。

在本发明的其它实施例中，该处理器可适用于至少部分地基于系统识别，或基于非线性系统识别，更新电池的单电池动态的动态表达。

在备选的实施例中，用于同时地测量电池电压和电流的电路可包括四端口配置，并且用于电耦合至电池的接口可适用于耦合至该电池的参考电极。处理器可具有从对电池特征敏感的传感器接收信号的输入。该设备还可具有温度控制器，用于控制电池的温度。

依据本发明的另一组实施例，提供了用于为电池充电的方法。该方法包括以下步骤：

a.提供电池的单电池动态的动态表达；

b.基于该动态表达确定该电池的充电曲线（charging profile）；以及