[发明专利]电池管理

说明书

一种用于包括至少一个锂硫电池单体的电池的电池管理系统。该电池管理系统包括：充电模块，可操作用于通过向电池单体输送脉冲充电电流来对电池的锂硫电池单体充电，以及改变脉冲充电电流的占空比，以减小电池单体的充电期间脉冲充电电流的占空比。

技术领域

本公开涉及在包括至少一个电池单体的电池中使用的装置和方法。该装置和方法可以在包括锂硫电池单体的电池领域中得到特别应用。

背景技术

可再充电电池通常包括多个可再充电电池单体，这些单元被设计成经历连续的充电-放电循环。这种可再充电电池的使用目的是对这些可再充电电池充入储存的电化学能量以供后续放电和使用，因此其在一系列应用中变得越来越重要。这样的应用例如可以包括汽车、船舶和其他车辆应用，家用和不间断能源供应，以及储存由间歇性和可再生电源产生的能量以用于家用和并网电网中的需求和负载均衡。

典型的电池单体包括阳极、阴极以及设置在阳极和阴极之间的电解质。阳极、阴极和电解质可容纳在壳体内，例如软包(pouch)中。电气连接，例如连接接线片可以耦接到壳体，以提供与电池的阳极和阴极的电气连接。

典型的电池包括一个或多个电池单体。在包括多个电池单体的电池中，单元可以例如通过将电气连接件耦接到电连接器而串联和/或并联耦接。电池可以进一步包括用于控制例如电池单体的充电和/或放电的电池管理系统。

可以使用合适的充电方案对构成电池的一个或多个电池单体进行充电。典型的充电方案(regime)可以包括恒定电流和/或恒定电压充电。恒定电压充电通常涉及在电池单体上施加恒定电压。恒定电流充电通常涉及在电池单体上施加可变电压，使得流向电池单体的充电电流保持基本恒定。某些类型的电池单体(例如锂离子电池单体)通常可以使用恒定电流-恒定电压方案进行充电。在这种充电方案中，恒定的充电电流被提供给电池单体，直到单元两端的电压达到接近最大单元电压的阈值为止。然后逐渐减小充电电流，以维持单元上的阈值电压值(即恒定电压状态)。

本文中考虑的特定类型的电池单体是锂硫(Li-S)电池单体。锂硫是下一代电池化学物质，其理论能量密度是例如锂离子的5倍，可以更好地用作一系列应用中的电化学能量储存器。典型的锂硫电池包括由锂金属或锂金属合金形成的阳极，以及由元素硫或其他电活性硫材料形成的阴极。可以将硫或其他含硫的电活性材料与诸如碳之类的导电材料混合以提高其导电率。

锂硫电池单体的电压和性能特征与许多其他电池单体化学物质(包括锂离子电池)明显不同。例如，对接近锂离子单体的最高电荷(top of charge)的锂离子单体的充电可能很大程度上取决于接近单体的最高电荷的单体的内部电阻的变化。相对于的是，对于锂离子单体，锂硫单体在其最高电荷显示出单体的电压急剧上升，并且其内部电阻较小。此外，锂硫单体在充电期间的电压行为可能与其他单体的电压行为非常不同。因此，用于其他电池类型(例如锂离子电池)的充电方案可能不适合并且可能损坏锂硫电池单体。

发明内容

对于某些电池单体(例如锂硫电池单体)，在高电荷状态下对电池单体连续充电可能会产生不利影响，并可能导致损坏电池单体。例如，已经证明锂硫电池单体表现出所谓的穿梭效应，在该效应期间，在电池单体的正电极处产生的高阶多硫化物扩散穿过单体到达负电极，在负电极处通过与金属锂发生反应，它们被还原成低阶多硫化物。穿梭效应是一种寄生的自放电过程，其已证明会降低锂硫单体的容量和充电效率。因此，穿梭效应会降低电池单体的使用寿命。

在锂硫电池单体的充电期间，如果输送到电池单体的充电电流下降到给定量以下，则可能会发生穿梭效应的显著发作。例如，已经表明在以小于约0.1C的充电速率对锂硫电池单体进行充电时会发生穿梭效应。此外，随着锂硫单体接近它的最大电荷状态并且单体两端的电压达到并超过阈值电压(例如，大约2.35V)，在锂硫电池单体的连续充电期间可能发生穿梭效应的显著发作。