电池充电的系统和方法与流程

1.本公开涉及可再充电电池，并且更具体地，涉及用于电动车辆的牵引电池的快速充电。


背景技术：

2.电动车辆和其他应用包括用于为一个或多个电机供电的高压(hv)电池。许多应用使用锂离子电池化学。电池能够使用家用或商用充电站来再充电。充电站可以使用交流电(ac)或直流电(dc)对电池充电。dc快速充电是一种新兴技术，可以减少充电时间，从而使电动车辆的长距离行驶更加可行。


技术实现要素：

3.根据一个实施例，一种用于对电动车辆的牵引电池充电的方法包括：响应于对牵引电池充电的请求，首先根据具有恒定功率的放电阶段使所述牵引电池放电持续第一时间段；随后根据具有恒定电流的充电阶段对所述牵引电池充电持续第二时间段；以及依次重复所述放电阶段和所述充电阶段，直到所述电池已充电为止。
4.根据另一个实施例，一种用于对电动车辆的牵引电池充电的方法包括：响应于对牵引电池充电的请求，首先根据具有恒定功率的放电脉冲使所述牵引电池放电持续第一时间段；以及随后以恒定电流对所述牵引电池充电持续第二时间段。
5.根据又一个实施例，一种电池充电系统包括充电器和控制器。所述控制器被编程为接收对电池充电的请求，并且响应于所述请求，命令所述充电器首先根据具有恒定功率的放电阶段使所述电池放电持续第一时间段。所述控制器还被编程为随后命令所述充电器根据充电阶段对所述电池充电持续第二时间段。
附图说明
6.图1是电池充电系统的示意图。
7.图2是示出根据一个或多个第一实施例的充电曲线的曲线图。
8.图3是示出根据一个或多个第二实施例的充电曲线的曲线图。
9.图4是可由控制器执行以根据本公开的充电曲线来执行电池充电操作的算法的流程图。
10.图5是被配置为根据本公开的充电曲线进行充电的电动化车辆的示意图。
具体实施方式
11.本文中描述了本公开的各实施例。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其他实施例可以呈现各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文所公开的具体结构细节和功能细节不应被解释为是限制性的，而仅是解释为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。如
本领域的普通技术人员将理解，参考附图中的任一个示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征组合以产生未明确地示出或描述的实施例。所示特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，对于特定的应用或实现方式，可能期望与本公开的教导一致的对特征的各种组合和修改。
12.车辆或其他装置可以包括由hv电池供电的一个或多个电动马达(或其他负载)，hv电池当在车辆中使用时有时被称为牵引电池。本文所使用的“高压”是指超过42v ac或60v dc的电压。“低压”是指不高的电压。电池有时被称为电池组或电池总成，存储可以由负载使用的能量。电池提供来自牵引电池内的一个或多个电池单元阵列(有时被称为电池单元堆)的高压(hv)直流(dc)输出。电池单元阵列可以包括以串联、并联或两者的组合布置的一个或多个电池单元。电池单元(诸如棱柱形、软包、圆柱形或任何其他类型的单元)将所存储的化学能转换成电能。所述单元可以包括壳体、正电极(阴极)和负电极(阳极)。电解质可以允许离子在放电期间在阳极与阴极之间移动，并且然后在再充电期间返回。端子可以允许电流流出所述单元以供车辆使用。所述单元可以是锂离子或其他化学物质。
13.参考图1，电池充电系统20包括通过高压电路26与充电器24电连接的电池22。电路26可以包括选择性地连接充电器24和电池22的一个或多个接触器(或其他开关布置)28。充电器24包括相关联的充电端口30，所述充电端口被配置为与充电站34的插头32配合。充电器24包括相关联的控制器36程序，以促进电力从充电站34到电池22的传输。充电站34还可以包括相关联的控制器38。控制器36和38被配置为彼此通信以控制电力的传输。在一些实施例中，特别是对于dc充电，可以省略充电器24。充电器24也可以位于充电站中而不是要充电的装置中。
14.控制器36、控制器38或其组合被配置为控制用于对电池22充电的充电曲线。充电曲线包括充电方向(充电或放电)、电压、电流和充电模式(例如，恒定电流、恒定电压、恒定功率等)。充电器24和充电站34被配置用于ac或dc充电，或者在一些实施例中，用于ac和dc两者。根据一个实施例，充电器24和充电站34被配置用于dc快速充电。尽管未示出，但是一个或多个电流/电压传感器可以设置在装置侧和充电站34上，以提供由控制器36、38用于控制充电的反馈。
15.控制器通常包括任何数量的微处理器、asic、ic、存储器(例如，flash、rom、ram、eprom和/或eeprom)以及软件代码以彼此协作以执行一系列操作。控制器还包括预先确定的数据，或者基于计算和测试数据并存储在存储器内的“查找表”。控制器使用共用的总线协议(例如，can和lin)通过一个或多个有线或无线车辆连接来与其他车辆系统和其他控制器通信。对控制器的任何引用是指一个或多个控制器。
16.电池的传统充电曲线包括恒流恒压过程(cc
‑
cv)，其被施加直到电池充电到足够水平为止。通常，以1c(也称为c倍率为1)或更低来施加电流。“c”或“c倍率”是电池相对于其容量充电或放电的速率的度量。c倍率被定义为充电或放电电流除以电池存储电荷的容量。c倍率为1(也称为1c)是在一个小时内将电池完全放电(或充电)的电流水平，而c倍率为2(2c)是将在半个小时(30分钟)内完全放电(或充电)的电流水平。电池的充电时间可以通过增加充电过程的c倍率来减少。
17.然而，当使用传统的充电技术时，增加c倍率一般对电池的循环寿命具有有害影响。在较高的c倍率下，可能会超出由于离子转移速率(浓差极化)引起的限制。这可能导致
锂沉积在阳极表面上或其他劣化效应。这些效应可能会限制锂离子嵌入石墨阳极的中间平面内，并且可能导致阳极表面处界面层的生长增加。这也可能会增加某些单元配置中锂枝晶生长的风险，并导致相关联的有害影响。
18.增加电池能量密度的并行要求使对更快充电时间的要求进一步复杂化。增加电池能量密度通常需要紧凑的电极设计，这会限制电极内对嵌入位置的可及性。这与较高的c倍率充电结合会由于诸如锂析出、自发热和阻抗增加等不良影响而危害电池的循环寿命。下面描述了在不牺牲电池能量密度和电池寿命的情况下提高快速充电能力的解决方案。
19.参考图2，申请人发现了一种改进的充电曲线50，其提供快速充电而不降低电池寿命。充电曲线50可以用于ac和dc充电。所示的曲线50用于dc快速充电。充电曲线50从放电脉冲(放电阶段)52开始，在所述放电脉冲中电池被短暂放电。放电脉冲52发生持续较短的时间段，例如0.5至30秒，并且具有恒定功率。恒定功率可以在例如25和1000千瓦(kw)之间。放电脉冲52的电流是可变的。在所示的实施例中，电流在时间段内增加，并且在放电脉冲52的结束处达到峰值。紧随放电脉冲52之后，充电曲线根据恒定电流54对电池充电。恒定电流54可以在0.5至12c之间。为曲线50选择的c倍率取决于电池的特性，因此，样式50不限于任何特定的c倍率。施加恒定电流54，直到电池充分充电或命令充电结束为止。可以使用各种技术来确定充电终点，诸如电池达到荷电状态目标、电压目标、时间限制或锥形电流水平目标。
20.参考图3，根据另一个实施例的充电曲线100使用放电和充电阶段的重复模式。重复模式可以进一步增加电池寿命，而不会显著延长充电时间。类似于充电曲线50，电池充电从放电阶段102开始，在所述放电阶段中，电池以恒定功率放电。将放电阶段102施加持续第一时间段，例如0.5至30秒。在第一时间段期满后，向电池施加充电阶段104。充电阶段104具有恒定电流，诸如在0.5至12c之间。将充电阶段104施加持续第二时间段，诸如2至30分钟或更具体地，在一些实施例中施加2至10分钟。第一和第二时间段可以是预先确定的。在第二时间段结束后，用根据放电阶段102再次将电池放电来重复所述序列。曲线100重复执行放电阶段102和充电阶段104，直到电池充分充电为止。
21.放电阶段102和充电阶段104中使用的电流可以彼此类似或可以实质上不同。在一些实施例中，充电电流104可以大于放电电流102的峰值，或者放电电流102的峰值可以大于充电电流104。
22.尽管充电曲线50和100包括恒定电流阶段，但是本公开不限于具有恒定电流阶段的曲线。在替代实施例中，恒定电流阶段可以被可变电流阶段替换。替代地或另外地，充电曲线可以包括恒定电压阶段。
23.与现有技术的充电曲线相比，曲线50和100，更具体来说是充电初始化时的恒定功率放电阶段，已经通过测试表现出改善快速充电循环寿命并提高库仑效率。测试表现出首先施加放电阶段优于在初始充电阶段之后施加放电阶段。测试还表现出以恒定功率施加放电脉冲比以恒定电流施加放电脉冲更有效(更长的电池寿命和库仑效率)。申请人的测试表明，对于有限时间段的放电脉冲，由于在脉冲持续时间期间相对电压与电流水平的基本差异，因此以恒定功率模式实施放电脉冲与以恒定电流模式实施放电脉冲相比更有效地降低浓差梯度和极化水平。
24.返回参考图1，充电器24和/或充电站34可以具有双向能力，以提供用于放电脉冲
的放电负载。例如，放电脉冲功率可以去往充电站34的源，例如电网。另外地或替代地，车辆(或其他可充电装置)可能够提供用于放电脉冲的放电负载。
25.由控制器36/38执行的控制逻辑或功能可以由一个或多个图中的流程图或类似图来表示。这些附图提供了可以使用一个或多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实施的代表性控制策略和/或逻辑。因此，示出的各种步骤或功能可按示出的序列执行、并行地执行，或者在一些情况下被省略。尽管没有总是明确示出，但是本领域普通技术人员将认识到，根据所使用的特定处理策略，可重复执行示出的步骤或功能中的一个或多个。类似地，处理次序不一定是实现本文所述的特征和优点所必需的，而是为了易于说明和描述而提供的。控制逻辑可以主要以由基于微处理器的控制器执行的软件实现。当然，根据特定应用，控制逻辑可以在一个或多个控制器中以软件、硬件或软件与硬件的组合实现。当以软件实现时，控制逻辑可以提供在一个或多个计算机可读存储装置或介质中，所述计算机可读存储装置或介质存储有表示由计算机执行以控制车辆或车辆子系统的代码或指令的数据。计算机可读存储装置或介质可以包括使用电存储、磁性存储和/或光学存储来保存可执行指令和相关联的校准信息、操作变量等的若干已知物理装置中的一种或多种。
26.图4示出了可由至少一个控制器执行以执行充电曲线100的算法的流程图120。当接收到发起充电的请求时，控制开始于操作122处。响应于接收到所述请求，控制器在操作124处首先命令放电阶段。放电阶段可以是上面讨论的放电阶段102。命令放电阶段持续第一时间段。在第一时间段结束后，控制转到操作126，并且控制器命令充电阶段。充电阶段可以是上面讨论的充电阶段104。命令充电阶段持续第二时间段。在第二时间段结束后，控制转到操作128，并且控制器确定电池是否已充电或是否接收到结束充电的请求。如果是，则充电在操作130处结束。如果否，则控制循环返回，并且控制器重复循环通过操作124和126，直到电池已充电或接收到所请求的停止为止。虽然流程图120用于曲线100，但是用于曲线50的修改的流程图包括扩展操作126直到电池已充电或者接收到停止请求为止。
27.上述控制和充电曲线可以在包括电动车辆的各种领域中使用。图5示出了可以根据本公开的充电曲线(例如50和100)充电的电动车辆。
28.车辆200包括机械地连接到从动轮的一个或多个电机202。电机202可能够作为马达或发电机进行操作。电机202可以提供推进和减速能力，例如再生制动。牵引电池或电池组206存储可以由电机202和其他车辆系统使用的能量。牵引电池206可以通过一个或多个接触器电连接到一个或多个电力电子模块208。一个或多个接触器在断开时将牵引电池206与其他部件隔离，并且在闭合时将牵引电池206连接到其他部件。电力电子模块208还电连接到电机202和高压总线210，并提供在牵引电池206与电机202之间双向传递能量的能力。例如，典型的牵引电池206可以提供直流(dc)电压，而电机202则可以使用三相交流电(ac)来发挥作用。电力电子模块208可以将dc电压转换成电机202所使用的三相ac电流。在再生模式中，电力电子模块208可以将来自充当发电机的电机202的三相ac电流转换成牵引电池206所使用的dc电压。本文的描述同样适用于混合动力电动车辆。
29.除了提供用于推进的能量之外，牵引电池206还可以为其他车辆电气系统提供能量。典型的系统可以包括dc/dc转换器模块212，所述dc/dc转换器模块将牵引电池206的高压dc输出转换成与其他车辆部件兼容的低压dc供应。其他高压负载(诸如压缩机和电加热
器)可以直接连接到高压供应而不使用dc/dc转换器模块212。在典型的车辆中，低压系统电连接到辅助电池214(例如，12伏电池)。在其他实施例中，电池214可以是24伏或48伏。
30.控制器(例如电池能量控制模块(becm)216)可以与牵引电池206通信。becm 216可以充当牵引电池206的控制器，并且还可以包括电子监测系统，所述电子监测系统管理电池单元中的每个的温度和荷电状态。牵引电池206可以具有温度传感器218，诸如热敏电阻器或其他温度传感器。温度传感器218可以与becm 216通信以提供关于牵引电池206的温度数据。
31.车辆200可以由连接到外部电源222的ac充电站(诸如电动车辆供电装备(evse)220)再充电。外部电源222可以是由电力公共事业公司提供的配电网络或电网。如图所示，外部电源可以电耦合到evse220。虽然evse 220被示出为在电动车辆200外部，但也可设想evse220可以位于电动车辆200内。
32.evse 220可以接收电力和通过电线和连接器224传输所接收的电力，所述连接器插入电动车辆200上的配合充电端口226中。作为一个示例，外部电力可以是在充电端口226处接收的ac电力，所述ac电力由位于电动车辆200内的车载充电器228转换成dc电力。然后，车载充电器228可以操作以对牵引电池206充电。可设想，evse 220可以以不同的机械配置实现，所述机械配置包括车辆充电器、充电站或充电器。还可设想，evse 220可以作为壁挂式单元安装在车库中、安装在车辆通常停放的建筑物旁边或安装在独立的单元中。evse 220可以是有时称为旅行充电器、便携式充电器或手持式充电器的电线套件。evse 220和车辆可以根据诸如sae j1772的标准。充电器228和/或evse的充电器被配置为根据上述充电曲线对电池206充电。
33.车辆200还可以被配置用于dc快速充电。车辆充电端口226还可以包括被配置为与dc充电器或dc evse连接的一对dc管脚。端口226的dc管脚可以通过车载充电器228(或不同的充电器)连接或在不需要车载充电器的情况下引导到电池206。充电器228和/或evse的充电器被配置为根据上述充电曲线对电池206充电。
34.还可设想，可以采用无线电力传输(wpt)系统，其中发射器可以在不使用物理电导体的情况下向接收器提供电力(例如，电力可以通过自由空间传输)。可设想，输出到无线场中的电力(例如，磁感应、电感应等)可以由“接收线圈”接收、捕获或耦合以实现电力传输。
35.虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述权利要求所涵盖的所有可能形式。在说明书中使用的词语是描述词语而非限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。如先前所述，各种实施例的特征可以组合以形成可能未明确描述或示出的本发明的另外的实施例。尽管各种实施例可能已经被描述为就一个或多个期望的特性而言提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员认识到，可以折衷一个或多个特征或特性以实现期望的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、大小、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，就一个或多个特性而言被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式期望的实施例处在本公开的范围内，并且对于特定应用来说可能是期望的。
36.根据本发明，一种用于对电动车辆的牵引电池充电的方法包括：响应于对牵引电池充电的请求，首先根据具有恒定功率的放电阶段使所述牵引电池放电持续第一时间段；
随后根据具有恒定电流的充电阶段对所述牵引电池充电持续第二时间段；以及依次重复所述放电阶段和所述充电阶段，直到所述电池已充电为止。
37.在本发明的一个方面，所述第一时间段和所述第二时间段是预先确定的。
38.在本发明的一个方面，所述第二时间比所述第一时间长至少3倍。
39.在本发明的一个方面，所述放电阶段包括在所述第一时间段内的可变电流。
40.在本发明的一个方面，所述放电阶段的峰值电流与所述充电阶段的所述恒定电流的比率为0.5至2。
41.在本发明的一个方面，所述恒定电流在0.5至12c之间。
42.在本发明的一个方面，所述恒定功率在25和1000千瓦之间。
43.在本发明的一个方面，在所述放电阶段期间施加的电流在所述第一时间段内增加。
44.根据本发明，一种用于对电动车辆的牵引电池充电的方法包括：响应于对牵引电池充电的请求，首先根据具有恒定功率的放电脉冲使所述牵引电池放电持续第一时间段；以及随后以恒定电流对所述牵引电池充电持续第二时间段。
45.在本发明的一个方面，所述第一时间段是预先确定的。
46.在本发明的一个方面，所述第一时间段为0.5至30秒。
47.在本发明的一个方面，所述放电脉冲包括在所述第一时间段内的可变电流。
48.在本发明的一个方面，在所述放电脉冲放电期间施加的电流在所述第一时间段内增加。
49.在本发明的一个方面，所述放电脉冲的峰值电流与所述恒定电流的比率为0.5至2。
50.根据本发明，提供了一种电池充电系统，其具有：充电器；和控制器，所述控制器被编程为：接收对电池充电的请求，响应于所述请求而命令所述充电器首先根据具有恒定功率的放电阶段使所述电池放电持续第一时间段，并且随后命令所述充电器根据充电阶段对所述电池充电持续第二时间段。
51.根据一个实施例，所述充电阶段具有恒定电流。
52.根据一个实施例，所述控制器还被编程为命令所述充电器依次重复所述放电阶段和所述充电阶段，直到所述电池已充电为止。
53.根据一个实施例，所述第一时间段和所述第二时间段是预先确定的。
54.根据一个实施例，所述第二时间比所述第一时间长至少3倍。
55.根据一个实施例，所述充电器是直流充电器。