本申請(qǐng)要求2014年7月28日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No.62/029,865的權(quán)益，通過參考將其全部?jī)?nèi)容合并于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)一般涉及在低溫下對(duì)電池充電的系統(tǒng)和方法，尤其涉及在低于電池的最佳工作溫度下對(duì)電池快速充電。

背景技術(shù)：

由于電池中發(fā)生的緩慢的電化學(xué)反應(yīng)和傳輸過程，用于電子產(chǎn)品、交通運(yùn)輸和電網(wǎng)能量存儲(chǔ)的可充電電池通常具有不良的充電接受能力，需要過長(zhǎng)的充電時(shí)間，特別是在零度以下。在嚴(yán)寒天氣中以合理的速率對(duì)電池充電是不可能進(jìn)行的或使得電池壽命大大縮短。例如，在低溫下對(duì)鋰離子電池充電的最大問題是石墨負(fù)極中的析鋰。沉積的鋰與電解液快速反應(yīng)，從而導(dǎo)致不可逆的容量損失。此外，金屬鋰以枝狀形式生長(zhǎng)，有可能穿透隔膜并使電池內(nèi)部短路。為了避免析鋰，在低溫下以非常低的速率(C/10以下)對(duì)鋰離子電池充電，這需要很長(zhǎng)時(shí)間來完成充電。

過長(zhǎng)充電時(shí)間對(duì)能量存儲(chǔ)解決方案，特別是電動(dòng)車輛(EV)的應(yīng)用帶來很大不利。相比于任何情況下其燃料箱可在不到五分鐘內(nèi)裝滿的汽油驅(qū)動(dòng)的常規(guī)動(dòng)力車輛，EV在寒冷的天氣中需要數(shù)小時(shí)才充分充電。快速充電對(duì)于實(shí)現(xiàn)公共充電站和電池供電的電動(dòng)車輛是必要的。

由于電池充電接受能力對(duì)溫度非常敏感，可通過將可充電電池加熱到適合于快速充電的室溫范圍來縮短充電時(shí)間。但是，常規(guī)的電池加熱系統(tǒng)通過使用對(duì)流空氣/液體加熱或熱護(hù)套在外部加熱電池，熱量從外部緩慢地傳播到電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)界面上。這種方法既需要長(zhǎng)的加熱時(shí)間又顯著增加向周圍的熱損失。

因此，對(duì)于減少電池充電時(shí)間而不影響電池壽命的需求是一直存在的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是用于對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電的控制系統(tǒng)及其操作方法。這種系統(tǒng)可用在電力驅(qū)動(dòng)的車輛，例如電動(dòng)車輛(EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(HEV)、以及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(PHEV)中。

至少部分地通過用于對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池的充電控制系統(tǒng)來滿足這些和其他優(yōu)點(diǎn)，充電控制系統(tǒng)包括：溫度傳感器，其被配置為監(jiān)測(cè)電池的溫度；開關(guān)，其能將電池的低電阻極柱或高電阻極柱將電池電接合到充電源；以及控制器，其電連接到溫度傳感器和開關(guān)，并且能接收來自溫度傳感器的輸入以及被編程為基于來自溫度傳感器的輸入來確定是經(jīng)由低電阻極柱還是經(jīng)由高電阻極柱而經(jīng)開關(guān)把電池電接合到充電源。該系統(tǒng)可包括單獨(dú)或組合的附加部件，例如電連接到電池并且能夠測(cè)量流過電池的電流的一個(gè)或多個(gè)電流傳感器和/或一個(gè)或多個(gè)電壓傳感器，一個(gè)或多個(gè)電壓傳感器，例如電連接到電池的低電阻極柱的電壓傳感器，以及電連接到電池的高電阻端電壓的電壓傳感器。通過附加傳感器，控制器可以從附加傳感器接收輸入，并且被編程為基于來自傳感器的輸入，確定是經(jīng)由低電阻極柱還是經(jīng)由高電阻極柱而經(jīng)開關(guān)把電池電接合到充電源。該系統(tǒng)還可包括電連接到電池并且能夠?qū)﹄姵爻潆姷陌l(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)可用于例如在車輛的再生制動(dòng)中捕獲動(dòng)能，并且用這種能量對(duì)電池充電。

本發(fā)明的另一個(gè)方案包括一種對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電的方法，方法包括：當(dāng)電池處于高內(nèi)阻時(shí)，用低溫充電程序(LTCP)對(duì)電池充電；以及當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)，用第二程序?qū)﹄姵爻潆姟?/p>

LTCP的實(shí)施例包括在恒定電壓下和/或以恒定電流(I)和/或以恒定充電功率(P)及其組合對(duì)電池充電。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，LTCP包括：(i)以恒定電壓或恒定充電功率(P)對(duì)電池充電；以及(ii)隨后以恒定電流對(duì)電池充電。當(dāng)充電電流達(dá)到或超過預(yù)定的最大充電電流(I_max)時(shí)，可以以恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電。此外，可以根據(jù)低電阻端電壓V_LoR和/或電池的電壓確定恒定電壓。LTCP還可包括在脈沖電壓和/或脈沖功率和/或脈沖電流及其組合下對(duì)電池充電。LTCP可進(jìn)一步包括當(dāng)電池的溫度低于預(yù)定水平T_CG1時(shí)在高內(nèi)阻下對(duì)電池充電，例如，T_CG1是在5℃和25℃之間的值，并且當(dāng)電池的溫度等于或高于T_CG1時(shí)，在低內(nèi)阻下對(duì)電池充電。

在第二程序下，即在低內(nèi)阻下對(duì)電池充電的實(shí)施例包括在恒定電流、恒定電壓程序下對(duì)電池充電，其中恒定電流約為1C或更高，恒定電壓約為V_set，其中V_set是預(yù)定電壓。有利地，程序可包括當(dāng)電池的溫度等于或高于預(yù)定水平T_CG1時(shí)，在低內(nèi)阻下對(duì)電池充電，例如，其中T_CG1是在5℃和25℃之間的值。

本發(fā)明的另一個(gè)方案包括用再生能量對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電的方法，方法包括：例如當(dāng)電池的溫度低于預(yù)定充電值(T_CG1)時(shí)，當(dāng)電池處于高內(nèi)阻時(shí)，在再生充電程序(RCP)下對(duì)電池充電；以及例如當(dāng)電池的溫度高于T_CG1時(shí)，當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)，在第二程序下對(duì)電池充電。有利地，在RCP或第二程序下用來對(duì)電池充電的電流由動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來。

RCP的實(shí)施例包括通過以受控電壓形式或以受控功率P形式或以受控電流形式或其組合向電池施加充電電流來對(duì)電池充電。受控電壓形式、受控功率P形式以及受控電流形式可以是恒定值或者是隨時(shí)間而變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，RCP包括(i)通過以受控電壓形式或以受控功率P形式向電池施加充電電流來對(duì)電池充電，(ii)隨后以恒定電流對(duì)電池充電；其中根據(jù)電池的低電阻端電壓V_LoR(t)或電池的電壓V(t)確定受控電壓形式。當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)在第二程序下充電可包括例如恒定電流-恒定電壓程序。RCP可進(jìn)一步包括當(dāng)電池的溫度低于預(yù)定水平T_CG1時(shí)，在高內(nèi)阻下對(duì)電池充電。其中T_CG1是在5℃和25℃之間的值，并且當(dāng)電池的溫度等于或高于T_CG1時(shí)，在低內(nèi)阻下對(duì)電池充電。

通過下面的詳細(xì)描述，僅僅通過對(duì)被構(gòu)思為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式的說明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中僅示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。如將認(rèn)識(shí)到的，本發(fā)明能夠是其他和不同的實(shí)施例，并且在均不脫離本發(fā)明的情況下，能夠在多個(gè)明顯方面中修改它的若干細(xì)節(jié)。因此，附圖和描述應(yīng)被認(rèn)為本質(zhì)上是說明性的而不是限制性的。

附圖說明

參考附圖，其中具有相同附圖標(biāo)記的元件在全文中表示類似的元件，并且其中：

圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的可變內(nèi)阻電池的構(gòu)造的示意圖，電池包括嵌入電極-隔膜組件堆疊中的若干電阻片/箔、一個(gè)高電阻負(fù)極柱HiR(-)和一個(gè)低電阻負(fù)極柱LoR(-)、一個(gè)正極柱(+)以及連接HiR(-)和LoR(-)極柱的熱激活開關(guān)。

圖1B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方形電池中的三極柱可變內(nèi)阻電池的示意圖。

圖1C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的四極柱可變內(nèi)阻電池的示意圖，其中電阻片的兩個(gè)接頭獨(dú)立于LoR(-)極柱形成兩個(gè)HiR(-)極柱。

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雙胞電池模塊的構(gòu)造的示意圖，該模塊在兩個(gè)單體電池之間，即在每個(gè)單體電池殼體的外部，具有一個(gè)沒有與電池電解質(zhì)直接接觸的電阻片/箔。

圖3A是描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電池充電控制系統(tǒng)的電路圖。

圖3B是描繪根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的電池充電控制系統(tǒng)的另一個(gè)電路圖。

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用電池充電控制系統(tǒng)對(duì)OMB充電的方法的流程圖。

圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于低溫充電的方法(CV_LoR-CC)的流程圖。

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于低溫充電的方法(CV-CC)的流程圖。

圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于低溫充電的方法(CC)的流程圖。

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于低溫充電的方法(CP-CC)的流程圖。

圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于低溫充電的方法(PV)的流程圖。

圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于低溫充電的方法(PC)的流程圖。

圖11是描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的再生充電系統(tǒng)的示意圖。

圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用再生充電系統(tǒng)對(duì)OMB再生充電的方法的流程圖。

圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于再生充電的方法(V_LoR-CC)的流程圖。

圖14是示出根據(jù)本發(fā)明本發(fā)明的實(shí)施例的用于再生充電的方法(V-CC)的流程圖。

圖15是示出根據(jù)本發(fā)明本發(fā)明的實(shí)施例的用于再生充電的方法(C-CV_LoR)的流程圖。

圖16是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于再生充電的方法(P-CC)的流程圖。

圖17A和17B是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的對(duì)可變內(nèi)阻電池充電的結(jié)果的曲線圖。充電程序采用CV_LoR-CC低溫充電結(jié)合CC-CV正常充電(當(dāng)T<T_CG1時(shí)，CV_LoR為4V，CC為I_max，當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，CC為2.5C，CV為4.1V)。

圖18A、圖18B和圖18C示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)可變內(nèi)阻電池充電的結(jié)果。充電程序采用PV低溫充電結(jié)合CC-CV正常充電(當(dāng)T<T_CG1時(shí)，PV為6.8V-0.4V，當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，CC為2.5C，CV為4.1V)。

圖19A、圖19B和圖19C是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)可變內(nèi)阻電池充電的結(jié)果的曲線圖。充電程序采用PC低溫度充電結(jié)合CC-CV正常充電(當(dāng)T<T_CG1時(shí)，PC為±3.2C，當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，CC為2.5C，CV為4.1V)。

圖20A、圖20B和圖20C是示出將對(duì)常規(guī)鋰離子電池的充電與利用PC-CCCV充電程序?qū)MB的充電進(jìn)行比較的結(jié)果的曲線圖。

圖21A、圖21B和圖21C是示出將對(duì)常規(guī)鋰離子電池的再生充電與利用C-CV_LoR充電程序?qū)MB的再生充電進(jìn)行比較的結(jié)果的曲線圖。

具體實(shí)施方式

可變內(nèi)阻電池

可充電電池已經(jīng)被設(shè)計(jì)為在低溫下，例如在低于特定電池的正常操作溫度下，其內(nèi)阻大幅增加的電池。這種電池已被公開。例如已經(jīng)在2014年5月1日提交的美國專利申請(qǐng)No.14/267,648和2014年10月8日提交的PCT/US2014/059729中公開了這種電池，兩者均名為“可變內(nèi)阻電池”，通過引用將兩者的全部?jī)?nèi)容合并于此。

如本文所使用的術(shù)語，可充電電池的可變內(nèi)阻或者可變內(nèi)阻的可充電電池，是指被設(shè)計(jì)為具有可以隨著電池溫度充分改變的具有多于一個(gè)內(nèi)阻水平的可充電電池。這種可變內(nèi)阻可以主動(dòng)實(shí)現(xiàn)也可以被動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

這種可充電電池的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電池溫度下降到低于預(yù)定水平時(shí)，電池的內(nèi)阻可以大幅改變。電池的高內(nèi)部電阻在電池內(nèi)產(chǎn)生熱量以加熱電池。優(yōu)選地，電池的內(nèi)部電阻變得足夠高以在幾秒內(nèi)或至多幾分鐘內(nèi)快速地將電池加熱幾十?dāng)z氏度。在電池溫度達(dá)到期望水平之后，高內(nèi)部電阻被停用，從而允許電池在低內(nèi)阻下操作，例如像在常規(guī)電池中那樣低，從而使得電池即使在低溫環(huán)境也能夠輸出高功率和能量。

優(yōu)選地，可充電電池可包括在第一溫度(T1)和第二溫度(T2)之間的電池的溫度范圍內(nèi)的內(nèi)部電阻(R1)的一個(gè)水平，以及在T1或T2之外的內(nèi)部電阻(R2)的第二水平。優(yōu)選地，在低于約T1和/或高于約T2時(shí)，R2的值突然改變，例如以階躍函數(shù)的形式，或者急劇變化，例如以電阻的連續(xù)但快速的變化的形式。例如，在T1以下約2℃時(shí)的R2的值是在T1時(shí)的R1的值的至少兩倍，或者在高于T2的約2℃時(shí)的R2的值至少是在T2時(shí)的R1的值的至少兩倍。有利地，在T1以下約2℃時(shí)的R2值為T1時(shí)的R1值的至少兩倍到50倍，并且在T2之上約2℃時(shí)的R2值為在T2時(shí)的R1的值的至少兩倍到50倍。有利地，電池的可變內(nèi)阻是可逆的，即，內(nèi)部電阻可以從R2切換回在T1和T2之間的R1。本發(fā)明的實(shí)施例包括其中R2/R1的值在2至500之間，例如在低于T1約2℃時(shí)確定R2的值以及在T1時(shí)確定R1時(shí)，R2/R1的值在2和100之間且包括2至100，或者在2至50之間并包括2至50。附加或替代實(shí)施例包括其中R2/R1的值在2至500之間并且包括2至500，例如，在高于T2約2℃時(shí)確定R2的值以及在T2時(shí)確定R1時(shí)，R2的值在2和100之間且包括2至100，或者在2至50之間并包括2至50。有利地，電池的可變內(nèi)阻是可逆的，即，內(nèi)部電阻可以從R2切換回在T1和T2之間的R1。

如本文所使用的，術(shù)語可充電電池或電池用于表示包含一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池的任何可再充電的電化學(xué)能量存儲(chǔ)裝置。單體電池的基本元件包括涂覆在集流體上的負(fù)極(anode)、隔膜、涂覆在另一集流體上的正極(cathode)以及電解質(zhì)。

本發(fā)明的電池配置可以被應(yīng)用于各種電池，例如但不限于鋰離子、鋰聚合物、鉛酸、鎳金屬氫化物、鋰硫、鋰空氣和所有固態(tài)電池。這種電池可用于運(yùn)輸、航空航天、軍事和固定能量存儲(chǔ)應(yīng)用。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，可充電電池可以具有取決于電池溫度的至少兩個(gè)水平的內(nèi)部電阻。如本文所使用的，電池的溫度可以是電池的內(nèi)部溫度或外部表面溫度。當(dāng)電池的內(nèi)部溫度低于最佳溫度時(shí)，例如低于T1時(shí)，本實(shí)施例的可充電電池可以被配置為以更高的電阻水平操作，從而加熱電池并提高電池性能。例如，當(dāng)電池的內(nèi)部溫度低于正常范圍，例如低于正常操作溫度，例如低于約5℃或者在零下環(huán)境中(溫度小于約0℃，例如小于約-10或-20℃)時(shí)，電池的內(nèi)部電阻變?yōu)楦哂诋?dāng)電池在正常溫度范圍內(nèi)操作時(shí)的內(nèi)部電阻(例如在約40Ωcm²至約200Ωcm²的范圍內(nèi))幾倍。結(jié)果，出現(xiàn)很強(qiáng)烈的內(nèi)部加熱(因?yàn)殡姵氐陌l(fā)熱與其內(nèi)部電阻成比例)，這導(dǎo)致電池的內(nèi)部溫度快速上升。這樣轉(zhuǎn)而在零度以下環(huán)境中操作時(shí)快速地提高電池的功率和能量輸出。

本發(fā)明的可充電電池可包括可充電電池的常規(guī)組件，并且還包括一個(gè)或多個(gè)組件以調(diào)制電池的內(nèi)部電阻。

例如，可變內(nèi)阻的可充電電池可包括用于在高于T1時(shí)在例如低內(nèi)部電阻水平(LoR)的R1處操作電池的至少一個(gè)負(fù)極柱和至少一個(gè)正極柱，可變內(nèi)阻電池還可包括當(dāng)電池溫度低于T1時(shí)用于在例如高內(nèi)部電阻水平(HiR)的R2處操作電池的至少一個(gè)高電阻極柱。高電阻極柱可以是附加的負(fù)極柱(即HiR(-))或附加的正極柱(即HiR(+))。

這種可充電電池可包括切換電池的電阻水平的開關(guān)。例如，開關(guān)可以接合電池的低電阻極柱，例如LoR(-)和/或LoR(+)，以在電池的溫度高于T1時(shí)操作電池，并且當(dāng)電池溫度低于T1時(shí)，可以接合一個(gè)或多個(gè)高電阻極柱，例如HiR(-)和/或HiR(+)。

本發(fā)明的開關(guān)可由機(jī)電繼電器和溫度控制器組成、或是具有溫度傳感器的固態(tài)繼電器、具有溫度傳感器的功率MOSFET、或是具有溫度傳感器的高電流開關(guān)?；蛘撸赏ㄟ^在電池管理系統(tǒng)中具有電路和電池溫度傳感器的控制器來執(zhí)行連接LoR(-)和HiR(-)極柱的開關(guān)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，可充電電池包括電連接到高電阻極柱的至少一個(gè)電阻片。至少一個(gè)電阻片可以位于電池(暴露于電解質(zhì))內(nèi)部，或者在電池外部及兩個(gè)單體電池之間，或者是在電池內(nèi)部的一些電阻片以及在電池外部和之間的一些電阻片的組合。配置在電池的單體電芯內(nèi)的電阻片可以是電芯電極的集流體的一部分。

如本文所使用的，電阻片是相對(duì)于電池集電箔具有較低導(dǎo)電性(較高電阻)，并且當(dāng)在電池操作期間被激活時(shí)導(dǎo)致電池的內(nèi)部電阻顯著增加的材料。電阻片優(yōu)選具有等于0.1至5之間的數(shù)值除以電池容量的電阻，例如約0.5至2之間的數(shù)值除以單位是Ah的電池容量，電池容量的單位是安培-小時(shí)(Ah)，電阻的單位是歐姆。例如，用于20Ah電池的電阻片優(yōu)選地在約0.005歐姆(0.1除以20)至約0.25歐姆(5除以20)之間，例如在約0.025歐姆(0.5除以20)至約0.1歐姆(2除以20)之間。

本發(fā)明的電阻片可以是暴露于電池電解質(zhì)時(shí)穩(wěn)定的任何金屬，并且當(dāng)電阻片暴露于這種環(huán)境時(shí)該電阻片在可充電電池的電化學(xué)電壓窗口內(nèi)。這種電阻片可以由石墨、高度有序的熱解石墨(HOPG)、不銹鋼、鎳、鉻、鎳鉻合金、銅、鋁、鈦或其組合制成。如果在電池包外部和模塊中的兩個(gè)相鄰單體電池之間使用該電阻片，則該電阻片不需要抗腐蝕，并且因此可將附加材料用作本發(fā)明的電阻片。本發(fā)明的電阻片優(yōu)選是平坦的，具有大的表面積，與相鄰的電池組件良好接觸，并且具有在約1和約150微米之間的厚度，優(yōu)選范圍為約5至約60微米。具有大電阻、高熱導(dǎo)率和小熱容的電阻片可用于本發(fā)明的某些實(shí)施例。

在本發(fā)明的某些配置中，可充電電池包括一個(gè)或多個(gè)高電阻接頭或極柱以及一個(gè)或多個(gè)低電阻接頭或極柱。高電阻極柱電連接一個(gè)或多個(gè)電阻片，低電阻片或極柱被配置為在低內(nèi)阻下操作電池。

有利地，例如，在某些實(shí)施例中，可以容易地以具有最小修改的常規(guī)可充電電池組件來配置本發(fā)明的可充電電池，另外包括連接到一個(gè)或多個(gè)電阻片的一個(gè)或多個(gè)高電阻極柱。以下附圖示出本發(fā)明的某些實(shí)施例。

圖1A示出可變內(nèi)阻電池的實(shí)施例。如圖1A所示，可充電電池110具有嵌入電極-隔膜組件堆疊并與電解質(zhì)接觸的若干電阻片112。電極-隔膜組件包括具有負(fù)極接頭114a的負(fù)極電極114、隔膜116以及具有正極接頭118a的正電極118。電池110還包括一個(gè)低電阻負(fù)極柱LoR(-)120和一個(gè)高電阻負(fù)極柱HiR(-)122、開關(guān)124以及正極柱(+)126。

在該實(shí)施例中，每個(gè)電阻片具有兩個(gè)接頭(112a，112b)，可通過焊接來附接這兩個(gè)接頭。電阻接頭112a和負(fù)電極114的負(fù)極接頭114a電連接到低電阻負(fù)極柱LoR(-)120，以形成低電阻電路。電阻接頭112b電連接到高電阻負(fù)極柱HiR(-)122，以形成由開關(guān)124激活的高電阻水平電路。正極電極118的正極接頭118a電連接在一起并連接到正極柱126。在該特定示例中，開關(guān)124是可以電連接或斷開LoR(-)極柱120和HiR(-)極柱122的熱激活開關(guān)。

可以將負(fù)極-隔膜-正極-電阻片組件放置在適當(dāng)?shù)陌b中，例如放置在軟包電池的殼體中并被填充電解質(zhì)。在該實(shí)施例中，負(fù)極-隔膜-正極-電阻片組件包含在殼體140中。負(fù)極柱和正極柱可以電連接到外部電路128a和128b。

總之，圖1所示的可充電電池1A的特征是外部有三個(gè)極柱——兩個(gè)負(fù)極柱(LoR(-)和HiR(-))和一個(gè)正極柱(+)。通過就在電池外部的溫度敏感開關(guān)將兩個(gè)負(fù)極柱(LoR(-)和HiR(-))進(jìn)一步連接。在操作中，因?yàn)殡娏鲀?yōu)選流過低電阻電路，當(dāng)電池溫度高于T1時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，并且電池電流繞過電阻片。在這種情況下，電池在極柱(+)和LoR(-)之間工作，從而表現(xiàn)出低內(nèi)部電阻。當(dāng)電池溫度下降到低于T1時(shí)，開關(guān)打開，使得極柱(+)和HiR(-)可操作。這樣迫使電池電流流過電阻片，因此表現(xiàn)出高內(nèi)部電阻。例如，當(dāng)電池溫度低于正常范圍，例如低于約5℃時(shí)，或者在零下環(huán)境中，由于電流流動(dòng)路徑中存在電阻片，所以電池的內(nèi)部電阻變高幾倍。一旦操作或激活，存在強(qiáng)烈的內(nèi)部加熱(因?yàn)殡姵氐陌l(fā)熱與其內(nèi)部電阻成比例)，這導(dǎo)致電池溫度快速上升到觸發(fā)溫度敏感開關(guān)關(guān)閉的點(diǎn)。關(guān)閉的開關(guān)立即使得LoR(-)極柱可操作并降低電池內(nèi)部電阻。盡管在零度以下環(huán)境中操作，但低內(nèi)部電阻和高內(nèi)部溫度的組合充分提高電池的功率和能量輸出。

另一個(gè)實(shí)施例是在可變內(nèi)阻電池的正極柱與HiR(-)極柱之間放置開關(guān)。當(dāng)電池溫度高于T1時(shí)，開關(guān)打開，電池在正極柱與LoR(-)極柱之間工作，并且電池電流繞過電阻片，從而表現(xiàn)出低內(nèi)部電阻。當(dāng)電池溫度下降到低于T1時(shí)，使得開關(guān)關(guān)閉，同時(shí)使得正極柱和LoR(-)極柱處于斷路。這樣迫使電池電流流過電阻片并因此快速內(nèi)部加熱。一旦電池溫度上升到一個(gè)點(diǎn)，就觸發(fā)溫度敏感開關(guān)打開。

圖1B示出對(duì)圖1A所述電池的另一部分示意圖。圖1B示出了以具有正電極118和與負(fù)電極114相鄰的電阻片112的方形電池的三極柱可變內(nèi)阻電池。電池還包括電解質(zhì)和隔膜，為了說明方便而沒有示出電解質(zhì)和隔膜。正電極118包括接頭118a，電阻片112包括接頭112a和112b，負(fù)電極114包括接頭114a。電池還包括一個(gè)低電阻負(fù)極柱LoR(-)120和一個(gè)高電阻負(fù)極柱HiR(-)122、開關(guān)124以及正極柱(+)126。圖1B所示電池的元件如同圖1A所述的那樣被電連接。

圖1C示出對(duì)圖1A所述電池的另一布置。在該實(shí)施例中，電池采用方形電池。如圖1C所示，可變內(nèi)阻電池可以配置有四個(gè)極柱，例如正極柱126、低電阻負(fù)極柱LoR(-)121以及兩個(gè)高電阻極柱HiR(-)123、125。電阻片113包括兩個(gè)接頭(113a，113b)，其形成獨(dú)立于LoR(-)極柱121的兩個(gè)HiR(-)極柱(123，125)。HiR(-)極柱之一可以在外部與LoR(-)極柱連接，從而在本質(zhì)上將這個(gè)4極柱電池變?yōu)閳D1B所示的3極柱電池。或者，HiR(-)極柱之一可以電連接到來自多電池或模塊中的相鄰單體電池的其中一個(gè)HiR(-)極柱之一，從而形成串聯(lián)連接的多個(gè)電阻片。然后，可通過僅使用一個(gè)開關(guān)將多個(gè)電阻片連接到多電池電路中。

雖然圖1A示出三單位單體電池和兩個(gè)并聯(lián)電連接的電阻片以及一個(gè)用于以高或低內(nèi)阻激活電池的開關(guān)，但是本發(fā)明的可變內(nèi)阻的可充電電池可以具有附加的模塊和/或附加的單體電池。電池可包括附加的電阻片和開關(guān)。例如，電池可包括一個(gè)以上的電池的模塊或封裝，其中模塊中的單體電池相互相鄰并且以并聯(lián)或串聯(lián)布置或其組合相互電連接。電池可包括相互串聯(lián)或并聯(lián)地電連接并位于模塊中的相鄰電池之間的多個(gè)電阻片，以及用于在高內(nèi)阻或低內(nèi)阻下操作電池的多個(gè)熱激活開關(guān)。

在可變內(nèi)阻電池的其他實(shí)施例中，可通過將一個(gè)或多個(gè)電阻片放置在電池外部來配置可充電電池。例如，使用包括多個(gè)單體電池的電池模塊，一個(gè)或多個(gè)電阻片可以夾在電池模塊內(nèi)的兩個(gè)相鄰電池之間。圖2示出這種實(shí)施例。

如圖2所示，電池模塊210包括位于兩個(gè)電池213a與213b之間的電阻片212。電阻片優(yōu)選位于單體電池之間，以提供對(duì)電池的均勻加熱，例如緊密地插入在兩個(gè)電池之間。每個(gè)單體電池包括負(fù)電極214、隔膜216和正電極218。電池模塊210還包括電連接到模塊的每個(gè)電池的一個(gè)低電阻負(fù)極柱LoR(-)220和電連接到電阻片的一個(gè)高電阻負(fù)極柱HiR(-)222。電池模塊還包括開關(guān)224以及正極柱(+)226a和226b。負(fù)極柱和正極柱可以電連接到外部電路228a和228b。

總而言之，圖2所示的可充電電池的特征在于兩極柱單體電池，其中一個(gè)極柱(在本實(shí)施例中為負(fù)極柱)電連接到開關(guān)，開關(guān)進(jìn)一步電連接到電阻片?？梢园凑?qǐng)D1所述的相同方式操作圖2的可充電電池模塊210。

雖然圖2中的電池模塊210被示出為雙電池模塊，其中在兩個(gè)單體電池之間有一個(gè)電阻片，但是本發(fā)明的可變內(nèi)阻電池可以具有附加的電池和/或模塊和/或電阻片和/或開關(guān)。例如，電池模塊可以具有4、5或6個(gè)單體電池，其中一個(gè)或多個(gè)電阻片位于電池之間和電池附近的其他位置周圍。電池可以有附加的模塊，一個(gè)或多個(gè)電阻片位于模塊之間和模塊附近的其它位置周圍。電池可以具有連接附加電阻片的附加開關(guān)或連接所有電阻片的一個(gè)開關(guān)。電池和/或模塊可以以并聯(lián)或串聯(lián)布置或其組合相互電連接。電阻片也可以相互串聯(lián)或并聯(lián)電連接。

所有前述電池設(shè)計(jì)都可被應(yīng)用于可充電電池，例如鋰離子、鎳氫、鉛酸等。有利地，本發(fā)明的可充電電池可被實(shí)施用于所有電池化學(xué)物質(zhì)，例如可充電鋰離子、鎳氫或例如鋰硫、鋰空氣電池或固態(tài)電池，以及用于所有形狀—軟包形、圓柱形、方形或角形。單體電池結(jié)構(gòu)可以容納卷繞電極和堆疊電極設(shè)計(jì)等。

在低溫下快速充電

可變內(nèi)阻的可充電電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以被配置為在低溫下快速充電。優(yōu)選地，可變內(nèi)阻電池可以在低溫下在約20-30分鐘的時(shí)間段內(nèi)被充電，而不造成析鋰或其它明顯的老化。也可以利用再生制動(dòng)的能量對(duì)可變內(nèi)阻電池同時(shí)加熱并充電。

例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可變內(nèi)阻電池可包括在充電控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)可包括配置成監(jiān)測(cè)電池溫度的溫度傳感器和電連接到溫度傳感器的控制器，該控制器可以接收來自傳感器的輸入并且被編程為基于來自溫度傳感器的輸入，確定是以低溫電阻程序還是例如第二程序的另一種程序?qū)﹄姵爻潆姟?/p>

系統(tǒng)可包括單獨(dú)或組合的附加部件，諸如電連接到電池的一個(gè)或多個(gè)電壓傳感器，例如電連接到可變內(nèi)阻電池低電阻極柱和/或高電阻極柱的電壓傳感器；電連接到電池并且能夠測(cè)量流過電池的電流的電流傳感器；和/或電連接到電池并且能夠?qū)﹄姵爻潆姷陌l(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)可用于例如在車輛的再生制動(dòng)中捕獲動(dòng)能，并且用這種能量對(duì)電池充電。通過這些附加的可選部件，控制器能夠從溫度傳感器、一個(gè)或多個(gè)電壓傳感器和電流傳感器接收輸入，并且能夠基于所述輸入確定是否對(duì)電池充電。有利地，在某些實(shí)施例中，控制器還能夠基于電池的溫度將電池設(shè)置為高電阻水平或低電阻水平。

在實(shí)施本發(fā)明的某些實(shí)施例時(shí)，當(dāng)電池處于高內(nèi)阻時(shí)，例如當(dāng)電池的溫度低于預(yù)定充電溫度(T_CG1)時(shí)，可以在低溫充電程序(LTCP)下對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電。此外，當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)，可以在另一個(gè)或第二程序(例如在正常操作溫度下使用的正常充電程序)下對(duì)電池充電。LTCP包括以恒定電壓和/或以恒定電流(I)和/或以恒定充電功率(P)及其組合對(duì)電池充電。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，LTCP包括：(i)以恒定電壓或恒定充電功率(P)對(duì)電池充電；和(ii)隨后以恒定電流對(duì)電池充電。當(dāng)充電電流達(dá)到或超過預(yù)定的最大充電電流(I_max)時(shí)，可以發(fā)生以恒定電流對(duì)電池充電。此外，可以根據(jù)低電阻端電壓V_LoR和/或電池的電壓確定恒定電壓。LTCP還可包括在脈沖電壓和/或脈沖功率和/或脈沖電流及其組合下對(duì)電池充電。當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)在第二程序下的充電例如可包括恒定電流-恒定電壓程序。

圖3A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，支持在低溫下對(duì)可變內(nèi)阻電池快速充電的充電控制系統(tǒng)600A。充電控制系統(tǒng)600A包括可變內(nèi)阻電池601。在優(yōu)選實(shí)施例中，將鋰離子用作電池601的電池化學(xué)物質(zhì)。但是，控制系統(tǒng)也可應(yīng)用于其它電池化學(xué)物質(zhì)。

如圖3A所示，電池601有一個(gè)正極柱(未示出)和兩個(gè)負(fù)極柱612和613，其中612是低電阻負(fù)極柱LoR(-)，613是高電阻負(fù)極柱HiR(-)。開關(guān)609電連接到LoR(-)極柱612和HiR(-)極柱613.當(dāng)開關(guān)609接通時(shí)，LoR(-)極柱612接合，而當(dāng)開關(guān)609斷開時(shí)，HiR(-)極柱613接合。開關(guān)609在本實(shí)施例中由控制器604來操作。電池601通過開關(guān)610連接到充電器602并通過開關(guān)611連接到負(fù)載60。電池601也連接到用于測(cè)量充電電流的電流傳感器605、用于檢測(cè)電池601的溫度的溫度傳感器608、以及兩個(gè)電壓傳感器606和607。電壓傳感器606連接到低電阻負(fù)極柱612，以用于監(jiān)測(cè)電池601的低電阻端電壓V_LoR。電壓傳感器607連接到高電阻負(fù)極柱613，以用于測(cè)量電池601的電壓V.

在操作中，控制器604接收以下信息：關(guān)于來自電流傳感器605的充電/放電電流信號(hào)I(充電為正，放電為負(fù))，來自溫度傳感器608的溫度信號(hào)T，來自電壓傳感器606的電池低電阻電壓信號(hào)V_LoR以及來自電壓傳感器607的電池電壓信號(hào)。控制器604通過基于接收到的信息和充電算法向充電器602、負(fù)載603、開關(guān)609、610和611發(fā)送命令來控制電池601的充電操作。

下面參照?qǐng)D4中的流程圖描述在充電過程期間控制器604的操作。

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的充電過程700的流程圖。在該流程圖的步驟701，在斷開開關(guān)610和611之后，控制器604獲取來自溫度傳感器608的溫度T和來自電壓傳感器606或607的開路電壓(OCV)。在步驟702，控制器604估算電池601的充電狀態(tài)(SOC)。在一個(gè)實(shí)施例中，通過訪問存儲(chǔ)OCV-SOC相關(guān)性的查找表來完成該估算。查找表可以是控制器604的一部分，或者存儲(chǔ)在SOC估算器中，SOC估算器從電壓傳感器接收電壓信號(hào)，并將使用查找表估算的SOC返回到控制器604。

在步驟703，控制器604通過將估算的SOC與預(yù)定的SOC_set進(jìn)行比較，對(duì)于是否應(yīng)該對(duì)電池601充電做出第一確定。當(dāng)電池SOC低于預(yù)定SOC_set時(shí)，過程700進(jìn)行到步驟704。否則，不應(yīng)對(duì)電池601充電并且充電過程700結(jié)束。

在步驟704，控制器604基于來自溫度傳感器608的電池溫度信號(hào)做出關(guān)于充電操作的第二確定。當(dāng)電池溫度T低于預(yù)定充電溫度(T_CG1)時(shí)，過程700進(jìn)行到其中進(jìn)行低溫充電操作的步驟705。否則，過程700進(jìn)行到步驟708，并且以常規(guī)方式對(duì)電池601充電，其中使用正常充電或快速充電。在實(shí)施例中，預(yù)定充電溫度T_CG1具有在約5℃與25℃之間的值，優(yōu)選在約20℃與25℃之間。在本發(fā)明的一個(gè)非限制性實(shí)施例中，預(yù)定充電溫度等于約25℃。也就是說，當(dāng)電池的溫度低于約25℃時(shí)，在高內(nèi)阻下對(duì)電池充電。

在步驟705，控制器604向開關(guān)609發(fā)送信號(hào)以接合高電阻負(fù)極柱HiR(-)，使得電池601在高內(nèi)阻(R2)下操作。由于在電流流動(dòng)路徑中存在電阻片，電池的內(nèi)部電阻變高幾倍，這使得在操作期間由于強(qiáng)烈的內(nèi)部加熱電池溫度能夠快速升高。可通過使用在下面的實(shí)施例中描述的優(yōu)化的充電方法來進(jìn)一步加速電池601的快速升溫。

在步驟706，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)LTCP掃描，例如在圖5至圖10的流程圖中進(jìn)一步對(duì)其舉例證明。

在低溫充電之后，電池溫度一達(dá)到T_CG1，過程700就進(jìn)行到步驟707，在步驟707中控制器604向開關(guān)609發(fā)送信號(hào)以接合低電阻負(fù)極柱LoR(-)。然后電池601在接近正常溫度范圍內(nèi)以正常內(nèi)部電阻水平操作。

在步驟708，通過例如正常充電程序的第二程序?qū)﹄姵?01充電，正常充電程序例如為恒定電流-恒定電壓(CC-CV)程序。這種CC-CV程序包括以約1C或更高的恒定電流和約Vset的恒定電壓進(jìn)行充電，其中Vset是預(yù)定電壓。此外，對(duì)于正常充電程序下的快速充電，可以實(shí)現(xiàn)以2C或更大速度進(jìn)行充電。正常充電一直持續(xù)直到電池601被充電到指定SOC，通過檢查截止條件來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池601是否被充電到指定SOC的確定。對(duì)于CC-CV程序，充電停止，直到電池電壓等于指定充電電壓并且充電電流低于預(yù)定閾值。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖5所示，將低溫充電程序(LTCP)命名為標(biāo)記的CV_LoR-CC。該充電程序從步驟801開始，其中由電壓傳感器606測(cè)量的電壓V_LoR(低電阻端電壓)保持在恒定水平。該恒定電壓水平小于或等于電池601在預(yù)定SOC_set處的開路電壓的電壓水平Vset。

在低溫充電開始時(shí)設(shè)置定時(shí)器(未示出)以計(jì)算充電時(shí)間。通過接收來自溫度傳感器608和電流傳感器605的信號(hào)來周期性地監(jiān)測(cè)電池溫度和電流。

在步驟802，控制器604確定電池溫度T是否達(dá)到預(yù)定溫度T_CG1。當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，即當(dāng)電池溫度上升到可以正常充電的預(yù)定水平時(shí)，低溫充電停止。否則，當(dāng)T<T_CG1時(shí)，低溫充電程序一直持續(xù)并進(jìn)行到步驟803。

在CV_LoR充電期間，電池的溫度升高并且其內(nèi)部電阻減小。因此，期望充電電流可以上升到超過允許水平。為了防止大電流對(duì)電池的損害，在步驟803周期性地檢查充電電流?？刂破?04確定充電電流I是否超過預(yù)定的最大充電電流(I_max)。通常由電池制造商針對(duì)特定電池設(shè)置這個(gè)值。當(dāng)充電電流I大于I_max時(shí)，將充電電流限制為I_max，并且充電程序切換到恒定電流(CC)模式(步驟804)。否則，充電過程返回到使用CV_LoR程序的步驟801。

在充電切換到CC模式(步驟804)的情況下，周期性地檢查電池601的溫度(步驟805)。在步驟805，控制器604將電池溫度與預(yù)定溫度T_CG1進(jìn)行比較。當(dāng)T低于T_CG1時(shí)，充電過程返回到步驟804。另一方面，當(dāng)T高于或等于T_CG1時(shí)，低溫充電過程完成。

在低溫充電方法的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖5所示，將該程序稱為CV-CC。除了恒壓充電步驟901之外，該充電方法與圖5所示的CV_LoR-CC充電程序等同地配置，在步驟901中將電壓傳感器607測(cè)量的電壓V(電池電壓)而不是電壓傳感器606測(cè)量的V_LoR保持在恒定水平。因?yàn)楦唠娮铇O柱處的高電阻，電池電壓V遠(yuǎn)高于低電阻端電壓V_LoR。用于充電的恒定電壓水平V高于Vset(在預(yù)定SOC_set處的電池601的開路電壓)。在優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)單體電池充電電壓V不小于約4V，例如對(duì)于每個(gè)單體電池大于或等于約5V，以在充電時(shí)實(shí)現(xiàn)電池601的快速加熱。

在低溫充電程序的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖7所示，將該方法稱為CC充電方法。在步驟1001，將通過電流傳感器605測(cè)量的電流信號(hào)保持在恒定水平，以實(shí)現(xiàn)恒定電流(CC)充電。為了電池壽命和安全性考慮，充電電流在小于或等于大約I_max的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選地大于或等于大約1C速度，以承擔(dān)快速充電并引起電池601的強(qiáng)烈內(nèi)部加熱。例如，在該程序下的恒定電流在大約1C<I<I_max的范圍內(nèi)，例如2C<I<I_max。在充電開始時(shí)設(shè)置定時(shí)器(未示出)以計(jì)算充電時(shí)間。通過接收來自溫度傳感器608的信號(hào)來周期性地監(jiān)測(cè)電池溫度。在步驟1002，控制器604確定電池溫度T是否達(dá)到預(yù)定充電溫度T_CG1。當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，即當(dāng)電池溫度上升到可以進(jìn)行正常充電或快速充電的預(yù)定水平時(shí)，低溫充電過程停止。否則，當(dāng)T<T_CG1時(shí)，充電過程返回到使用CC程序的步驟1001。

在LTCP的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖8所示，將程序標(biāo)記為CP-CC。除了恒定功率充電步驟1101之外，該充電方法與圖5所示的CV-CC充電方法等同地配置，在步驟1101中將充電功率(電池電壓V乘以電流I)而不是電池電壓V保持在恒定水平。選擇充電功率以引起電池的強(qiáng)烈內(nèi)部加熱，使得盡管SOC增加，但在CP充電期間電池電壓降低。因此，充電電流增加并且被I_max限制。這種CP-CC充電方法用于防止充電電流快速達(dá)到其最大值，從而降低析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，充電功率P大于約1C充電電流和約4V充電電壓的乘積，例如大于約2C充電電流和約5V充電電壓的乘積。

在LTCP的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖9所示，將該方法稱為脈沖電壓(PV)充電方法，其中在連續(xù)的時(shí)間段里向電池601施加正向和反向(充電和放電)電壓脈沖。雖然將該程序表示為PV，但是也可以用相同的過程將其表示為脈沖功率。

PV充電過程開始于在步驟1201處設(shè)置脈沖頻率。在該程序的優(yōu)選實(shí)施例中，脈沖頻率范圍在約0.05Hz至約10Hz之間。頻率低于該范圍的脈沖在電池的電解質(zhì)和固相中引起大的濃度極化。頻率高于該范圍的脈沖引起電極剝落和電解質(zhì)分解。在兩種情況下電池都會(huì)加速老化。

步驟1202設(shè)置充電和放電電壓脈沖的幅度。因?yàn)殡姵卦诟邇?nèi)阻下操作，所以電壓傳感器606測(cè)量的等于高電阻端電壓607的脈沖電壓保持在恒定水平。在該程序的優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)單體電池充電脈沖的電壓范圍在約5V與約8V之間，對(duì)于每個(gè)單體電池放電脈沖的電壓范圍在約0.2V與約1V之間。這些電壓值被設(shè)置為實(shí)現(xiàn)電池的強(qiáng)烈內(nèi)部加熱，并且同時(shí)防止電池?fù)p壞。

在步驟1203，執(zhí)行在設(shè)置頻率和幅度下的恒定電壓脈沖充電操作。緊接著該充電脈沖之后，控制器604基于從電壓傳感器606接收的低電阻端電壓V_LoR以及大于或等于上述V_set(在預(yù)定SOC_set處電池601的開路電壓)的電池的最大工作電壓Vmax在步驟1204做出確定。當(dāng)V_LoR≤V_max時(shí)，恒定電壓脈沖充電程序保持并且充電過程分支到步驟1206，以及當(dāng)V_LoR>V_max，即超過電池材料的最大工作電壓時(shí)，充電過程進(jìn)行到步驟1205。在步驟1205，為了防止V_LoR超過V_max，控制器604將脈沖操作程序(僅充電部分)設(shè)置為將在下一個(gè)連續(xù)時(shí)間段里實(shí)現(xiàn)的V_c,LoR＝V_max。

在步驟1206，控制器604確定電池溫度T是否達(dá)到預(yù)定溫度T_CG1。當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，即當(dāng)電池溫度上升到可以正常充電的預(yù)定水平時(shí)，低溫充電停止。否則，當(dāng)T<T_CG1時(shí)，低溫充電過程一直持續(xù)并且進(jìn)行到步驟1207。

在步驟1207，執(zhí)行在設(shè)置的頻率和幅度下的恒定電壓脈沖放電操作。緊接著該放電脈沖之后，控制器604基于從電壓傳感器606接收的低電阻端電壓V_LoR以及用于電池材料的最小工作電壓V_min，在步驟1208做出確定。當(dāng)V_LoR≥V_min時(shí)，恒定電壓脈沖放電程序保持并且過程分支到步驟1210，以及當(dāng)V_LoR<V_min時(shí)，充電過程進(jìn)行到步驟1209。在步驟1209，為了防止V_LoR下降到低于V_min，控制器604將脈沖操作程序(僅放電部分)設(shè)置為將在下一個(gè)連續(xù)時(shí)間段里實(shí)現(xiàn)的V_d,LoR＝V_min。

在步驟1210，控制器604確定電池溫度T是否達(dá)到預(yù)定溫度T_CG1。當(dāng)T≥T_CG1時(shí)，即當(dāng)電池溫度上升到可以正常充電的預(yù)定水平時(shí)，PV充電停止。否則，當(dāng)T<T_CG1時(shí)，PV充電過程一直持續(xù)并且進(jìn)行到步驟1203。

在低溫充電方法的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖10所示，將該方法稱為脈沖(PC)充電方法，其中在連續(xù)的時(shí)間段里向電池601施加正向和反向(充電和放電)電流脈沖。除了步驟1302，該充電方法與圖9所示的脈沖電壓(PV)充電方法等同地配置，在步驟1302中使用恒定電流脈沖而不是恒定電壓脈沖。通過電流傳感器605測(cè)量的脈沖電流保持在恒定水平。在優(yōu)選實(shí)施例中，電流(充電和放電)的大小范圍在大約2C到大約I_max之間。這些電流值被設(shè)置為引起電池的強(qiáng)烈內(nèi)部加熱，并且同時(shí)防止對(duì)電池的損傷。此外，充電和放電脈沖的頻率范圍可以在約0.05Hz與約10Hz之間。

雖然通過上述特定實(shí)施例描述了本發(fā)明的少數(shù)充電算法，但是它們屬于用于電池的基于I-V-V_LoR-T的算法類別，其不同于基于I-V-T的充電算法。

再生充電

此外，可以用例如從行駛車輛的動(dòng)能產(chǎn)生的再生能量對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電。例如，再生制動(dòng)(也稱為再生)是將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成在車輛減速和/或停止時(shí)對(duì)車載電池進(jìn)行再充電(再生)的電能。這種再生能量可以通過對(duì)車輛，例如電動(dòng)車輛(EV)、混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(HEV)、以及插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(PHEV)的制動(dòng)獲得。在捕捉再生能量的充電控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)，例如，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電力的發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，捕獲再生能量的充電控制系統(tǒng)包括向再充電電池供給再生電力的電力再生系統(tǒng)；用于向可充電電池施加再生電力的電池控制系統(tǒng)；車輛控制系統(tǒng)，其(i)接收制動(dòng)請(qǐng)求和電池狀態(tài)，以及(ii)基于電池狀態(tài)確定是否接合電力再生系統(tǒng)，以及(iii)響應(yīng)于確定，接合電源再生系統(tǒng)并將再生電力轉(zhuǎn)發(fā)到可充電電池。

在實(shí)施本發(fā)明的某些實(shí)施例時(shí)，當(dāng)電池處于高內(nèi)阻時(shí)，例如當(dāng)電池溫度低于預(yù)定充電值(T_CG1)時(shí)，可以在再生充電程序(RCP)下用再生能量對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電。此外，當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)，可以在第二程序(例如，在正常操作溫度下使用的正常充電程序)下對(duì)電池充電。

RCP包括例如通過以受控電壓形式或以受控功率P形式或以受控電流形式或其組合向電池施加充電電流來對(duì)電池充電。受控電壓形式，受控功率P形式和受控電流形式可以是恒定值或者是隨時(shí)間而變。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，RCP包括(i)通過以受控電壓形式或以受控功率P形式向電池施加充電電流來對(duì)電池充電，(ii)隨后以恒定電流對(duì)電池充電；其中受控電壓形式在電池的低電阻端電壓V_LoR(t)或電池的電壓V(t)處確定受控電壓。當(dāng)充電電流達(dá)到或超過預(yù)定的最大充電電流(I_max)時(shí)，可以以恒定電流對(duì)電池充電。當(dāng)電池處于低內(nèi)阻時(shí)在第二程序下的充電例如可包括恒定電流-恒定電壓程序。

圖11示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的再生充電系統(tǒng)1400的簡(jiǎn)化配置。這種系統(tǒng)例如可包括在例如EV/HEV/PHEV的電力供能的車輛中。

再生充電系統(tǒng)1400包括可變內(nèi)阻的可充電電池1401。在優(yōu)選實(shí)施例中，將鋰離子用作電池1401的電池化學(xué)物質(zhì)。但是，控制系統(tǒng)也可應(yīng)用于其它電池化學(xué)物質(zhì)。

電連接到電池1401、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411、以及其他單元(未示出，例如引擎-發(fā)電機(jī)、12V輔助電氣系統(tǒng)等)的電力控制單元1410在其連接之間進(jìn)行電力的交換和轉(zhuǎn)換。功率控制單元1410包括但不限于逆變器和整流器(未示出)。

將電池1401用作為車輛提供牽引力的電源(放電)時(shí)，逆變器將從電池1401供應(yīng)的DC電力轉(zhuǎn)換為用于發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411的AC電力，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411充當(dāng)產(chǎn)生牽引力矩的發(fā)動(dòng)機(jī)并通過機(jī)械系統(tǒng)1412(包括離合器、變速箱、曲軸和車輪以及其他組件)推動(dòng)車輛，并且當(dāng)電池1401在恢復(fù)能量(充電)時(shí)，整流器將來自發(fā)電機(jī)1411的AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力，以對(duì)電池1401充電。當(dāng)相關(guān)聯(lián)的事件之一是再生制動(dòng)時(shí)，可以發(fā)生對(duì)電池的能量恢復(fù)，在該再生制動(dòng)期間，車輛被充當(dāng)將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電力的發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411阻滯。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，電池1401具有一個(gè)正極柱(未示出)和兩個(gè)負(fù)極柱1402和1403，其中1402是低電阻負(fù)極柱LoR(-)，1403是高電阻負(fù)極柱HiR(-)。開關(guān)1409電連接到LoR(-)極柱1402和HiR(-)極柱1403。當(dāng)開關(guān)1409接通時(shí)，LoR(-)極柱1402接合，而當(dāng)開關(guān)1409斷開時(shí)，HiR(-)極柱1403接合。由控制器1404來執(zhí)行開關(guān)1409的操作。

電池1401電連接到用于檢測(cè)流入和流出電池1401的電流的電流傳感器1405、用于檢測(cè)電池1401的溫度的溫度傳感器1408、以及兩個(gè)電壓傳感器1406和1407。電壓傳感器1406電連接到用于監(jiān)視電池1401的低電阻端電壓V_LoR的低電阻負(fù)極柱1402。電壓傳感器1407測(cè)量電池1401的電壓V。

控制器1404接收以下信息：關(guān)于來自電流傳感器1405的充電/放電電流信號(hào)I(充電為正，放電為負(fù))、來自溫度傳感器1408的溫度信號(hào)T、來自電壓傳感器1406的電池低電阻電壓信號(hào)V_LoR、以及來自電壓傳感器1407的電池電壓信號(hào)的信息，以及來自車輛控制器1413的關(guān)于電池操作模式(放電、充電、再生充電、或休息)的命令。電池控制器1404通過向開關(guān)1409和電力控制單元1410發(fā)送命令來控制電池1401的操作。它還能夠向協(xié)調(diào)車輛組件的操作的車輛控制器1413發(fā)送請(qǐng)求，車輛組件包括但不限于電池控制器1404、電力控制單元1410、發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411、以及機(jī)械系統(tǒng)1412。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，參考圖12中的流程圖描述在再生充電過程中電池控制器1404和車輛控制器1413的操作。假設(shè)車輛處于操作中。當(dāng)車輛操作者通過按壓制動(dòng)踏板來啟動(dòng)減速命令時(shí)，車輛控制器1413向電池控制器1404發(fā)信號(hào)以獲取電池溫度和充電狀態(tài)(SOC)。在步驟1501，電池控制器1404從溫度傳感器1408獲取溫度T，利用SOC估算算法或合并SOC估算器來估算電池SOC，并將溫度和SOC信息返回車輛控制器1413。

在步驟1502，車輛控制器1413關(guān)于是否應(yīng)該執(zhí)行再生充電做出確定。當(dāng)電池SOC低于作為SOC閾值的預(yù)定SOCRG時(shí)(超過閾值再生充電可能對(duì)電池1401造成損壞)，車輛控制器1413向車輛的機(jī)械系統(tǒng)1412發(fā)出信號(hào)，以通過發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411阻滯車輛，在發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)1411中產(chǎn)生用于對(duì)電池1401充電的電力。當(dāng)電池SOC等于或高于SOCRG時(shí)，車輛控制器1413通過命令功率控制單元1410，命令機(jī)械系統(tǒng)1412使用基于摩擦的制動(dòng)，或者使用再生制動(dòng)，但是將所產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)發(fā)到其它系統(tǒng)組件(例如乘客廂冷卻/加熱、引擎加熱等)。

在步驟1503，電池控制器1404基于來自溫度傳感器1408的電池溫度做出關(guān)于再生充電操作的確定。當(dāng)電池溫度T低于預(yù)定溫度T_CG1時(shí)，過程1500進(jìn)行到步驟1504，在步驟1504中在同時(shí)用于內(nèi)部加熱和充電的高電阻水平下對(duì)電池1401充電。否則，過程1500進(jìn)行到步驟1506，并且在用于最大化能量存儲(chǔ)的低電阻水平下對(duì)電池1401充電。在實(shí)施例中，預(yù)定充電溫度T_CG1具有在約5℃與25℃之間，優(yōu)選在約20與25℃之間的值。在本發(fā)明的一個(gè)非限制性實(shí)施例中，預(yù)定充電溫度等于約25℃。也就是說，當(dāng)電池溫度低于約25℃時(shí)，在高內(nèi)阻下對(duì)電池充電。

當(dāng)電池溫度T低于預(yù)定溫度T_CG1時(shí)，過程1500進(jìn)行到步驟1504，在步驟1504中電池控制器1404確定開關(guān)1409是否接通。當(dāng)答案為是時(shí)，換言之，當(dāng)電池1401在低電阻水平下操作時(shí)，過程1500然后進(jìn)行到步驟1505，在步驟1505中電池控制器1404命令開關(guān)1409斷開并接合高電阻負(fù)端HiR(-)，使得電池1401在高電阻水平(R2)下操作。因?yàn)樵陔娏髁鲃?dòng)路徑中存在電阻片，所以電池的內(nèi)部電阻變高幾倍，這使得在操作期間由于強(qiáng)烈的內(nèi)部加熱電池溫度可以快速升高。當(dāng)答案為“否”時(shí)，換言之，當(dāng)電池1401在高電阻水平下操作時(shí)，不需要開關(guān)1409上的更多動(dòng)作。過程1500跳到實(shí)現(xiàn)再生充電的步驟1508。

當(dāng)電池溫度T大于或等于預(yù)定溫度T_CG1時(shí)，過程1500進(jìn)行到電池控制器1404確定開關(guān)1409是否接通的步驟1506。當(dāng)答案為是時(shí)，換言之，當(dāng)電池1401在低電阻水平下操作時(shí)，不需要開關(guān)1409上的更多動(dòng)作。過程1500跳到實(shí)現(xiàn)再生充電的步驟1508。當(dāng)答案為“否”時(shí)，換言之，當(dāng)電池1401在高電阻水平下操作時(shí)，過程1500然后進(jìn)行到步驟1507，在步驟150中電池控制器1404命令開關(guān)1409接通并接合低電阻負(fù)極柱LoR(-)以使得電池1401在低電阻水平下操作，這防止電池601過熱并允許更多的電能存儲(chǔ)在電池1401中。

在步驟1508，實(shí)現(xiàn)例如在圖13-16中進(jìn)一步詳細(xì)描述的正常充電程序。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖13所示，描述標(biāo)記為V_LoR(t)-CC的RCP。在本實(shí)施例中，當(dāng)車輛控制器1413發(fā)出再生充電命令時(shí)，從發(fā)電機(jī)1411產(chǎn)生AC電力并由電力控制單元1410將該AC電力轉(zhuǎn)換為適當(dāng)電壓水平的DC電力。在步驟1601，電池控制器通過監(jiān)測(cè)來自電壓傳感器1406的電壓信號(hào)，以受控電壓形式V_LoR(t)調(diào)節(jié)從電力控制單元1410到電池1401的DC電力。電壓受控形式可以是隨著時(shí)間的恒定電壓，或者是隨時(shí)間即設(shè)置時(shí)間而變。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，V_LoR(t)小于或等于V_max。

在再生充電開始時(shí)設(shè)置定時(shí)器(未示出)以計(jì)算充電時(shí)間。在步驟1602，在指定的時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行在設(shè)置的電壓水平處的充電操作。

緊接著該時(shí)間間隔之后，電池控制器1404基于來自電流傳感器1405的充電電流I和I_max在步驟1603做出確定。當(dāng)I≤I_max時(shí)，充電程序保持設(shè)置的充電模式，并且充電過程分支到步驟1605。當(dāng)I>I_max時(shí)，即超過最大充電電流時(shí)，充電過程進(jìn)行到步驟1604。在步驟1604，充電電流被限制為I_max，并且充電程序切換到將在下一個(gè)充電間隔中實(shí)現(xiàn)的恒定電流(CC)模式，其中I＝I_max。

在步驟1605，基于從車輛控制器1413接收的信號(hào)，由電池控制器1404做出關(guān)于是否繼續(xù)再生充電的確定。當(dāng)答案為是時(shí)，充電過程返回到步驟1602，其中在下一個(gè)時(shí)間間隔對(duì)電池1404充電。當(dāng)答案為否時(shí)，再生充電過程停止。

在再生充電方法的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖14所示，該方法稱為V(t)-CC再生充電方法。除了設(shè)置電壓充電步驟1701之外，該充電方法與圖13所示的V_LoR(t)-CC再生充電方法等同地配置，在步驟1701中控制通過電壓傳感器1407測(cè)量的電壓V(電池電壓)而不是通過電壓傳感器1406測(cè)量的V_LoR。因?yàn)樗婕暗母唠娮?，電池電壓V比低電阻端電壓V_LoR高得多。

在RCP的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖15所示，將該程序稱為C-CV_LoR。在步驟1801，電池控制器通過監(jiān)測(cè)來自電流傳感器1405的電流信號(hào)，以受控電流形式I(t)調(diào)節(jié)從電力控制單元1410到電池1401的DC電力。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，I(t)小于或等于I_max。在再生充電開始時(shí)設(shè)置定時(shí)器(未示出)以計(jì)算充電時(shí)間。在步驟1802，在指定的時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行在設(shè)置的電流水平下的充電操作。緊接著這個(gè)時(shí)間間隔之后，電池控制器1404基于來自電壓傳感器1406的低電阻端電壓V_LoR和V_max在步驟1803做出確定。當(dāng)V_LoR≤V_max時(shí)，充電程序保持設(shè)置的充電模式并且充電過程分支到步驟1805。當(dāng)V_LoR>V_max時(shí)，充電過程進(jìn)行到步驟1804。在步驟1804，將低電阻端電壓V_LoR限于V_max并且將充電程序切換到將在下一個(gè)充電間隔中實(shí)現(xiàn)的恒定電壓(CV_LoR)模式，其中V_LoR＝V_max。在步驟1805，基于從車輛控制部1413接收的信號(hào)，由電池控制器1404做出關(guān)于是否繼續(xù)再生充電的確定。當(dāng)答案為是時(shí)，充電過程返回到步驟1802，其中在下一個(gè)時(shí)間間隔對(duì)電池1404充電。當(dāng)答案為否時(shí)，再生充電過程停止。

在再生充電方法的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖16所示，將該方法稱為P(t)-CC再生充電方法。除了設(shè)置功率充電步驟1901之外，該充電方法與圖14所示的V(t)-CC充電方法等同地配置，在步驟1901中控制充電功率(電池電壓V和充電電流I的乘積)而不是電池電壓V。

雖然通過上述特定實(shí)施例描述了本發(fā)明的少數(shù)充電算法，但是它們屬于基于I-V-V_LoR-T的算法類別，其具有新穎性并且不同于基于I-V-T的常規(guī)充電算法。

通過并行開關(guān)布置在低溫下快速充電

圖3B示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的支持在低溫下對(duì)可變內(nèi)阻電池的快速充電的充電控制系統(tǒng)600B。在該實(shí)施例中，開關(guān)609可將HiR(-)極柱613電連接到電池601的正極柱。有利地，該實(shí)施例不包括用于監(jiān)測(cè)電池601的低電阻端電壓V_LoR的電壓傳感器，例如不包括電壓傳感器606，因?yàn)殡妷簜鞲衅?07足以確定負(fù)極柱和電池的電壓。

在圖3B中示出的所有其他組件和連接與圖3A中相同，例如，開關(guān)609由控制器604來操作，電池601通過開關(guān)610連接到充電器602，通過開關(guān)611連接到負(fù)載603，電池601也連接到用于測(cè)量充電電流的電流傳感器605、用于檢測(cè)電池601的溫度的溫度傳感器608、以及電壓傳感器607。

在操作中，控制器604接收以下信息：關(guān)于來自電流傳感器605的充電/放電電流信號(hào)I(充電為正，放電為負(fù))、來自溫度傳感器608的溫度信號(hào)T、以及來自電壓傳感器607的電池電壓信號(hào)?？刂破?04基于所接收的信息和充電算法，通過向充電器602、負(fù)載603、開關(guān)609、610和611發(fā)送命令來控制電池601的充電操作。

在低溫充電程序中，開關(guān)609通過電池的高電阻極柱將電池601電接合到充電器602，即，高電阻極柱613在LTCP期間通過開關(guān)609連接到電池的正極柱。通過這種設(shè)計(jì)，將總充電電流分成兩個(gè)并行路徑：一個(gè)穿過電池活性材料并離開極柱612；另一個(gè)進(jìn)入極柱613并通過電池的一個(gè)或多個(gè)電阻片，然后通過極柱612出現(xiàn)。流過電阻片的部分電流產(chǎn)生熱量，以提高電池的內(nèi)部溫度并因此有助于電池充電。在實(shí)施例中的電路設(shè)計(jì)，通過充電源開關(guān)在電池充電期間將高電阻極柱電接合到電池的正極柱。該方式與在LTCP期間電流僅通過高電阻極柱發(fā)生充電相比能夠以更低的電壓充電。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，一種對(duì)可變內(nèi)阻的可充電電池充電的方法包括：當(dāng)電池電連接到對(duì)電池充電的充電源時(shí)，通過將電連接到HiR(-)極柱的開關(guān)接合到電池的正極柱\，在低溫充電程序(LTCP)下對(duì)電池充電。通過斷開開關(guān)，可以在例如在正常工作溫度下使用的正常充電程序的第二程序下對(duì)電池充電。

示例

以下示例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例，并且本質(zhì)上不是限制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員只要使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)就將認(rèn)識(shí)或者能夠確定本文所述的具體物質(zhì)和程序的許多等同物。

在該示例中，使用電化學(xué)-熱耦合模型在模擬條件下制造和測(cè)試可變內(nèi)阻電池。關(guān)于這種模型的細(xì)節(jié)可以在Ji等人的“Li-Ion Cell Operation at Low Temperatures(在低溫下的鋰離子電池的操作)”，J.Electrochem.Soc.,(2013)160(4)A636-A649中找到。

試制生產(chǎn)的20Ah OMB方形電池，正極材料為鋰-鎳-錳-鈷(NMC)，負(fù)極材料為石墨。電池有2個(gè)卷繞電芯，電阻片夾在兩個(gè)卷繞電芯之間。。除了正極柱和低電阻負(fù)極柱之外，電阻片產(chǎn)生附加的高電阻負(fù)極柱。電阻片為電阻箔形狀，并且由25cm長(zhǎng)，6cm寬和11μm厚的不銹鋼制成。其電阻約為0.045歐姆，其重量約為1.4克——約為電池總重量的0.3％。以機(jī)電繼電器形式制造并由溫度控制器驅(qū)動(dòng)的開關(guān)位于OMB外部。

建立如圖2所述的充電控制系統(tǒng)以示出在低溫下的快速充電方法。將預(yù)定溫度T_CG1設(shè)置為25℃。將電池材料的最大和最小電壓設(shè)置為每單體電池V_max＝4.1V，每電池V_min＝2.8V。電池的最大允許充電電流為I_max＝3.5C＝70A。以安裝在電池上的幾個(gè)熱電偶的形式實(shí)現(xiàn)溫度傳感器。在測(cè)試之前，將測(cè)試電池放電至25％SOC，然后在設(shè)置為-25℃的熱室中沉浸5-6小時(shí)。將目標(biāo)充電SOC設(shè)置為對(duì)應(yīng)于V_set＝4.1V/單體電池的SOC_set＝100％。此外，還測(cè)試了沒有電阻箔、高電阻極柱和開關(guān)但保持其他方面相同的基準(zhǔn)電池，以用于比較研究。

使用如流程圖700(圖4)中所述的充電方法將電池(在圖2的充電系統(tǒng)中的601)從25％SOC充電至100％SOC，其包括兩個(gè)階段：低溫充電(步驟706)和正常充電(步驟708)。在正常充電步驟708，通過CC-CV程序?qū)﹄姵?01充電，其中在CC周期期間使用2.5C電流速度(50A)，并且在CV期間使用4.1V/電池電壓——直到截止電流為C/10(2A)。在低溫充電步驟706，分別應(yīng)用如圖4-10所示的六個(gè)低溫充電程序并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，即CV_LoR-CC充電、CV-CC充電、CC充電、CP-CC充電、PV充電、以及PC充電。在每個(gè)低溫充電程序的整個(gè)充電過程期間，該20Ah OMB的SOC、電流、溫度、電壓、以及低電阻端電壓V_LoR的演變?nèi)鐖D17-19中所示。

圖17A和圖17B示出使用圖5所述的CV_LoR-CC充電方法(V_LoR＝4.0V/單體電池，I＝I_max)隨后進(jìn)行正常充電(CC-CV I＝2.5C，V＝4.1V/單體電池)而獲得的電池SOC、電流、溫度和電壓的演變。該方法能夠在-25℃環(huán)境溫度下在25分鐘內(nèi)將電池從25％SOC充電至100％SOC。此外，低溫充電時(shí)間段僅花費(fèi)99s(49s CV_LoR充電和50s CC充電)，如從圖17A所觀察到的，在此期間電池溫度從-25℃急劇上升到25℃。通過打開電池的高電阻水平并施加高充電電壓(在圖17B中每單體電池6V至7.2V之間)來實(shí)現(xiàn)電池的這種快速內(nèi)部加熱，引起了嵌入在電池內(nèi)的電阻箔的強(qiáng)烈加熱。此外，如圖17B所示，由CV_LoR-CC充電方法控制的電池的低電阻端電壓保持在4.0V以下并且充電電流保持在I_max＝70A以下，其電流和電壓在電池材料的正常操作范圍之內(nèi)，這有助于減少或消除電池?fù)p壞。當(dāng)電池溫度達(dá)到25℃時(shí)，控制器將電池切換到低內(nèi)阻。由于內(nèi)部發(fā)熱與散熱之間的平衡，電池能夠?qū)⑵錅囟缺３衷谧罴阉?約25℃)。保持最佳溫度使得能夠連續(xù)快速地對(duì)電池充電。

當(dāng)使用圖6所述用于低溫充電的CV-CC充電方法(V＝6.5V/電池，I＝I_max)，以及當(dāng)使用圖7所述用于低溫充電的CC充電方法(I＝2.8C)，以及當(dāng)使用圖8所述用于低溫充電的CP充電方法(P＝350W/單體電池)時(shí)，電池SOC、電流、溫度和電壓結(jié)果的類似演變類似于圖17A和17B所示的那些演變。這些充電過程總共需要約25分鐘，其中約110至約120秒用于使電池溫度從-25℃升至25℃的低溫充電。在低溫充電時(shí)間段期間的高充電電壓和高內(nèi)部電阻產(chǎn)生電池的強(qiáng)烈內(nèi)部加熱，從而導(dǎo)致電池溫度的快速上升和電池電壓的降低，盡管電池正在接受充電。對(duì)于電池材料的穩(wěn)定性很重要的V_LoR和I在整個(gè)充電過程中都在正常操作范圍內(nèi)。

圖18A、18B和18C示出使用圖9所述用于低溫充電的PV充電方法(V_c＝6.8V/單體電池,V_d＝0.4V/單體電池)隨后進(jìn)行正常充電(CC-CV I＝2.5C，V＝4.1V/單體電池)而獲得的電池SOC、電流、溫度和電壓的演變。整個(gè)充電過程大約需要26分鐘，其中只有87秒用于使電池溫度從-25℃升到25℃的PV充電。在電池保持在高內(nèi)阻下的PV充電期間，電池電壓在6.8V與0.4V之間變化，從而導(dǎo)致電池的強(qiáng)烈內(nèi)部加熱。在本示例中，充電電流在大小上接近放電電流，使得在PV充電期間幾乎觀察不到SOC增加。但是，如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，因?yàn)橐种屏嘶钚圆牧系墓滔嘀械臐舛葮O化，這組脈沖操作具有降低析鋰和其它副反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)的好處。對(duì)于可以接收較高充電倍率的電池，可以將充電容量的量設(shè)置為大于在脈沖電壓的每個(gè)/特定周期中的放電容量的量，以進(jìn)一步減少充電時(shí)間。也就是說，在充電脈沖相較于放電脈沖的情況下，PV充電方法可以是不對(duì)稱的。還要注意，根據(jù)圖18C的插圖，跨越所有電池材料的低電阻端電壓V_LOR始終保持在3和4V之間，從而達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命的最佳范圍。

圖19A-19C示出使用圖10所述用于低溫充電的PC充電方法(I_c＝3.2C，I_d＝-3.2C)隨后進(jìn)行正常充電(CC-CV I＝2.5C,V＝4.1V/單體電池)而獲得的電池SOC、電流、溫度和電壓的演變。除了脈沖電流保持在恒定水平并因此允許電池電壓的變化之外，電池表現(xiàn)出與使用圖18A-18C所示的PV充電方法相同的行為。

圖23中示出使用用于低溫充電的PC充電方法(圖10所述)的20Ah OMB電池(標(biāo)記為可變內(nèi)阻電池)和基準(zhǔn)電池(標(biāo)記為常規(guī)鋰離子電池)的比較。電池溫度從-25℃升至25℃的低溫充電時(shí)間段對(duì)于OMB電池只花費(fèi)92秒。相比而言，對(duì)于基準(zhǔn)電池這個(gè)時(shí)間段需要30分鐘。基準(zhǔn)電池的總充電時(shí)間(55分鐘)大于OMB的總充電時(shí)間的兩倍(26分鐘)。相信通過觀察在PC充電期間兩個(gè)電池的電壓演變，可以理解性能的差異。OMB的電壓變化處于高水平，范圍從開始時(shí)的6.8V充電到0.2V放電，以及在PV充電結(jié)束時(shí)從6.6V充電到0.6V放電，而基準(zhǔn)電池的電壓變化范圍從開始時(shí)的4.1V充電到3.1V放電，以及在PC充電期間的后期階段中從3.67V充電到3.46V放電，這表明OMB的內(nèi)部加熱功率更高并且更穩(wěn)定，而常規(guī)鋰離子電池的內(nèi)部加熱功率小，隨著溫度升高而快速下降。通過使用OMB完全實(shí)現(xiàn)如本文所公開的低溫充電程序的好處。

使用相同的電池，例如20Ah OMB和基準(zhǔn)常規(guī)鋰離子電池，這里給出利用圖11所述的可再生充電系統(tǒng)、圖12和圖15所述的可再生充電方法C-CV_LoR演示再生充電的示例。例如T_CG1、V_max、V_min、I_max的相關(guān)參數(shù)與低溫充電的參數(shù)相同。用于再生充電的預(yù)定SOC被設(shè)置為SOC_RG＝60％。在再生充電之前，將測(cè)試電池放電至30％SOC，然后在設(shè)置為-25℃的熱室中沉浸5-6小時(shí)。

根據(jù)圖12所述的充電方法，因?yàn)榧s-25℃的電池溫度低于預(yù)定溫度(T_CG1＝25℃)，所以高電阻極柱被接合。在每個(gè)再生充電時(shí)間段期間，通過C-CV_LoR程序?qū)y(cè)試電池充電，其中I＝3C(60A)用于受控電流充電，V_LoR＝4.1V用于CV_LoR充電。

作為脈沖充電的示例，由10分鐘持續(xù)時(shí)間內(nèi)的10個(gè)再生充電脈沖表示再生充電過程。每個(gè)脈沖持續(xù)10秒，隨后是50秒的休息期。

測(cè)試結(jié)果示于圖21A至圖21C。從溫度演變可以看出，測(cè)試OMB的溫度在每個(gè)再生充電期間急劇增加。10分鐘后，其溫度達(dá)到22.0℃。相比而言，基準(zhǔn)電池的溫度在每個(gè)充電時(shí)間段期間顯示小得多的增加，并且在再生充電結(jié)束時(shí)仍然保持在非常低的水平(-18.4℃)。測(cè)試OMB的更高的溫度升高歸因于其產(chǎn)生高得多的內(nèi)部加熱功率的高內(nèi)部電阻，其內(nèi)部加熱功率在每10秒再生充電脈沖期間引起平均4.7℃的溫度升高(對(duì)于基準(zhǔn)電池為0.66℃)。通過使用OMB實(shí)現(xiàn)了本文公開的再生充電程序的好處。

此外，從電池的電流和電壓演變來看，測(cè)試的OMB在充電期間總是保持在恒定電流模式，而基準(zhǔn)電池從第二再生脈沖快速切換到CV_LoR模式。電池的不同充電模式是由它們不同的溫度行為所致。測(cè)試OMB保持在高得多的溫度，這允許它接受更高的充電電流，而不會(huì)導(dǎo)致CV_LoR模式。因此，OMB具有再生制動(dòng)期間的高充電接受能力的附加優(yōu)點(diǎn)。

盡管上述測(cè)試結(jié)果基于鋰離子電池，但是基于高級(jí)鋰電池、鎳金屬氫化物(Ni-MH)，鉛酸(Pb-acid)、以及其他電池化學(xué)物質(zhì)的可變內(nèi)阻電池具有相同的優(yōu)點(diǎn)。

在本發(fā)明中僅示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例及其多用途的示例。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明能夠在各種其他組合和環(huán)境中使用，并且能夠在如本文所表達(dá)的本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)進(jìn)行改變或修改。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將僅使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)或能夠確定本文所述的具體物質(zhì)、程序和布置的許多等同物。這種等同物被認(rèn)為落入本發(fā)明的范圍，并且被所附權(quán)利要求所覆蓋。