循环库仑法的系统设备和方法技术方案

讨论了使用循环库仑法诊断电化学电池单元的系统、装置和方法。示例性电池诊断系统包括产生对称充电电流和放电电流以激励电化学电池单元的电流发生器，以及用于评估电化学电池单元的性能的循环库仑计。循环库仑计可以调整施加充电电流的充电时间或施加放电电流的放电时间中的至少一个，以将监测的电池单元电压维持朝向特定设定点。充电或放电时间的调整可以通过改变用于将电流从第一电流方向反转到第二电流方向的电流切换时序来实现。循环库仑计在充电或放电循环期间测量一个或多个电参数，并使用测量的电参数生成性能指标。并使用测量的电参数生成性能指标。并使用测量的电参数生成性能指标。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】循环库仑法的系统设备和方法


[0001]本文件一般涉及电化学电池单元，更具体地涉及使用循环库仑法对电化学电池单元进行循环测试的系统、设备和方法。

技术介绍

[0002]库仑法是一种电化学技术，其测量电化学反应过程中消耗或产生的电的总库仑量。当今有两种基本的库仑分析技术。受控电位库仑法使用恒电位仪向电化学电池单元施加恒定电位。受控电流库仑法使用恒电流器向电化学电池单元施加恒定电流。在这两种情况下，通过电化学电池的总电荷Q是通过将电流作为时间的函数积分来计算的。库仑法在电化学领域有很多应用。例如，库仑法可用于表征电池、燃料电池或其他电化学反应的性能。
[0003]锂离子(Li
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ion)电池正在成为主要的电池化学物质。锂离子电池是一种可充电电池，其中锂离子在放电过程中从负极移动到正极，并且在充电时返回。主要由于其高能量密度，锂离子电池已成为现代纯电动汽车(BEV)中最常见的电池类型。与启动、照明和点火电池不同，BEV中的锂离子电池可在持续的时间内供电，并且特征是具有相对较高的功率重量比、比能量和能量密度。它们还具有低自放电率。
[0004]循环寿命是电池在其标称容量低于特定阈值(例如，其初始额定容量的80％)之前可以执行的充放电循环次数的量度。循环寿命取决于循环条件、化学性质、电池单元设计和制造质量而变化很大。例如，取决于锂离子电池在应用中如何使用，锂离子电池可能出现仅持续数百次循环的显著退化，或者可以设计为持续数千次循环。
[0005]提高锂离子电池滥用耐受性或循环寿命的技术将具有巨大的商业利益。然而，鉴于存在可以能够循环多年的锂离子化学物质，证明新技术或甚至迭代现有制剂以提高循环寿命具有挑战性。
[0006]循环测试是一项重要的电池鉴定测试。常见的电池评估过程需要在电压下限和上限之间的固定电流下循环测试电池单元，以研究电池在循环寿命期间的性能。将电池单元经过反复的充放电循环，以验证电池单元是否符合制造商声称的循环寿命。在测试过程中可以监测和记录各种电池单元性能参数，如温度、容量、阻抗、功率输出和放电时间。循环测试验证电池性能是否符合最终产品的可靠性和寿命预期。
[0007]高精度库仑计能够以50ppm的精度测量锂离子电池的库仑效率。库仑效率指标将电池充电所需的库仑与放电获得的库仑进行比较。额外的电池特定测试也可以在严格和广泛的测试条件下进行，以评估与被测电池相关的风险。了解各种操作环境和使用模式下的电池单元性能有助于优化各种应用的电池设计。

技术实现思路

[0008]该文件讨论了使用循环库仑法技术诊断电化学电池单元(例如电池组电池单元)的系统、装置和方法等等。示例性电池诊断系统包括产生对称充电电流和放电电流以激励电化学电池单元的电流发生器，以及用于评估电化学电池单元的性能的循环库仑计。循环
库仑计包括控制器电路以调整施加充电电流的充电时间或施加放电电流的放电时间中的至少一个，以将电池单元电压维持在特定设定点。充电或放电时间的调整可以通过改变用于将电流从第一电流方向反转到第二电流方向的电流切换时序来实现。测量电路在充电或放电循环期间测量一个或多个电参数，并使用测量的电参数生成电池指标。
[0009]实施例1为一种电化学电池单元测试系统，包括：电流发生器，其配置用于在循环周期内产生对称的充电电流和放电电流，以分别对所述电化学电池单元进行充电荷放电；循环库仑计，其包括：控制器电路，其耦合到电流发生器，配置为：调整充电时间或放电时间中的至少一个，以控制所述电化学电池单元的监测电池单元电压朝向特定设定点；和根据调整后的充电时间或调整后的放电时间中的至少一个，控制所述电流发生器以使用所述充电电流和所述放电电流对所述电化学电池单元进行电循环；和测量电路，其被配置为测量一个或多个电参数，并使用所测量的一个或多个电参数生成所述电化学电池单元的性能指标。
[0010]在实施例2中，任选地，实施例1的主题包括的所述电流发生器可以被配置为使用单极直流源产生方波电流。
[0011]在实施例3中，任选地，实施例1
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2中任何一个或多个的主题包括的所述控制器电路可以被配置为通过改变用于从充电电流反转到放电电流的电流切换时序来调整充电时间或放电时间，所述充电电流和所述放电电流具有相反的电流方向。
[0012]在实施例4中，任选地，实施例3的主题包括电流开关电路，该电流开关电路包括开关，所述开关可以被配置为响应于来自所述控制器电路的控制信号：仅闭合所述开关中的第一一个或多个以生成充电电流以给所述电化学电池单元充电；并且根据所述电流切换时序仅闭合第二一个或多个开关以产生放电电流以对所述电化学电池单元放电。
[0013]在实施例5中，任选地，实施例4的主题包括的一个或多个所述开关可以是FET晶体管。
[0014]在实施例6中，任选地，实施例3
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5中的任何一个或多个的主题包括的测量的一个或多个电参数可以包括所述电化学电池单元的电压或电流响应，并且所述控制电路被配置为使用监测的电压或电流响应确定或更新所述电流切换时序。
[0015]在实施例7中，任选地，实施例6的主题包括的所述控制器电路可以包括比例积分(PI)控制器或比例积分微分(PID)控制器。
[0016]在实施例8中，任选地，实施例6
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7中任何一个或多个的主题包括的监测的电压或电流响应可以包括以下一项或多项：包括调整的充电时间和调整的放电时间的整个帧内的平均或峰值电池单元电压；在调整的充电时间内的平均或峰值电池单元电压；在调整的放电时间内的平均或峰值电池单元电压；在整个帧内的平均或峰值电池单元电流；在调整的充电时间内的平均或峰值电池单元电流；或在调整的放电时间内的平均或峰值电池单元电流。
[0017]在实施例9中，任选地，实施例6
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8中任何一个或多个的主题包括的所述控制器电路可以被配置为：使用监测的电压或电流响应确定所述电流切换时序，其包括确定过量充电时间或过量放电时间；并且将充电时间增加或减少所确定的过量充电时间，或者将基本放电时间增加或减少所确定的过量放电时间。
[0018]在实施例10中，任选地，实施例9的主题包括的所述过量充电时间或过量放电时间
可以由每个具有指定切换定时器分辨率的持续时间的滴答计数表示。
[0019]在实施例11中，任选地，实施例6
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10中任何一个或多个的主题包括的所述控制器电路可以被配置为进一步使用以下一项或多项来确定电流切换时序：电化学电池单元测试环境的环境温度信息；或电化学电池单元的充电状态或健康状态。
[0020]在实施例12中，任选地，实施例1
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11中任何一个或多个的主题包括的所述测量电路可以包括性能指标生成器，其配置为：确定在循环周期的至少一部分期间施加的总电荷量；并且使用确定的施加的总电荷量确定自放电率，所述自放电率代表将所述电化学电池单元的电池单元电压保持在特定设定点所需的所施加电流。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测试电化学电池单元的系统，包括：电流发生器，其配置用于在循环周期内产生对称的充电电流和放电电流，以分别对所述电化学电池单元进行充电和放电；循环库仑计，其包括：控制器电路，其耦合到所述电流发生器，被配置为：调整充电时间或放电时间中的至少一个，以将所述电化学电池单元的监测的电池单元电压控制朝向特定设定点；和根据调整后的充电时间或调整后的放电时间中的至少一个，控制所述电流发生器以使用所述充电电流和所述放电电流对所述电化学电池单元进行电循环；和测量电路，其被配置为测量一个或多个电参数，并使用所测量的一个或多个电参数生成所述电化学电池单元的性能指标。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电流发生器被配置为使用单极直流源产生方波电流。3.根据权利要求1或2中任一项所述的系统，其中所述控制器电路被配置为通过改变用于从所述充电电流反转到所述放电电流的电流切换时序来调整所述充电时间或所述放电时间，所述充电电流和所述放电电流具有相反的电流方向。4.根据权利要求3所述的系统，其包括电流开关电路，所述电流开关电路包括开关并且被配置为响应于来自所述控制器电路的控制信号：仅闭合所述开关中的第一一个或多个以生成所述充电电流以给所述电化学电池单元充电；和根据所述电流切换时序仅闭合所述开关的第二一个或多个以产生所述放电电流以对所述电化学电池单元放电。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述开关中的一个或多个是FET晶体管。6.根据权利要求3
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5中任一项所述的系统，其中所测量的一个或多个电参数包括所述电化学电池单元的电压或电流响应，并且所述控制电路被配置为使用监测的电压或电流响应确定或更新所述电流切换时序。7.根据权利要求6所述的系统，其中所述控制器电路包括比例积分(PI)控制器或比例积分微分(PID)控制器。8.根据权利要求6
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7中任一项所述的系统，其中所监测的电压或电流响应包括以下中的一个或多个：包括调整的充电时间和调整的放电时间的整个帧的平均或峰值电池单元电压；调整的充电时间内的平均或峰值电池单元电压；调整的放电时间内的平均或峰值电池单元电压；整个帧的平均或峰值电池单元电流；调整的充电时间内的平均或峰值电池单元电流；或者调整的放电时间内的平均或峰值电池单元电流。9.根据权利要求6
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8中任一项所述的系统，其中所述控制器电路被配置为：使用所监测的电压或电流响应确定所述电流切换时序，其包括确定过量充电时间或过量放电时间；和
将所述充电时间增加或减少所确定的过量充电时间，或者将基本放电时间增加或减少所确定的过量放电时间。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述过量充电时间或所述过量放电时间由每个具有指定切换定时器分辨率的持续时间的滴答计数表示。11.根据权利要求6
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10中任一项所述的系统，其中所述控制器电路被配置为进一步使用以下中的一个或多个确定所述电流切换时序：电化学电池单元测试环境的环境温度信息；或者所述电化学电池单元的电荷状态或健康状态。12.根据权利要求1
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11中任一项所述的系统，其中所述测量电路包括性能指标生成器，其配置为：确定在循环周期的至少一部分期间施加的总电荷量；和使用确定的施加的总电荷量确定自放电率，所述自放电率代表将所述电化学电池单元的电池单元电压保持在所述特定设定点所需的施加电流。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述循环库仑计包括库仑计数器，所述库仑计数器被配置为测量在所述循环周期的指定部分期间施加的总电荷量。14.根据权利要求12或13中任一项所述的系统，其中所述循环库仑计被配置为确定所施加的总电荷量，包括每帧所施加的总电荷量(QPF)。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述循环库仑计被配置为通过在帧内随时间积分施加的电流来确定QPF。16.根据权利要求14所述的系统，其中所述性能指标生成器被配置为生成QPF随时间的趋势，并使用生成的QPF的趋势的斜率确定所述自放电率。17.根据权利要求14所述的系统，其中所述循环库仑计被配置为：确定仅在充电周期期间施加的第一总电荷量，以及仅在充电周期之后的放电周期期间施加的第二总电荷量；和使用施加的第一总电荷量和施加的第二总电荷量之间的差确定QPF。18.根据权利要求17所述的系统，其中所述循环库仑计被配置为仅在充电周期期间使用第一总滴答计数确定所施加的第一总电荷量，并且仅在放电期间使用第二总滴答计数确定所施加的第二总电荷量。19.根据权利要求12
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18中任一项所述的系统，其中所测量的一个或多个电参数包括所述电化学电池单元的电池单元电压，并且其中所述性能指标生成器被配置为使用(1)充电期间的充电电压或放电期间的放电电压中的至少一个和(2)施加的电流确定所述电化学电池单元的等效串联电阻(ESR)。20.根据权利要求19所述的系统，其中所述性能指标生成器被配置为生成作为所施加的总电荷量的函数的ESR曲线，并使用施加的总电荷的特定量处的ESR曲线的斜率确定每损失库仑的ESR变化率。21.根据权利要求20所述的系统，其中所述性能指标生成器被配置为：确定不同测试条件下的多个ESR变化率，所述不同测试条件中的每一个由参数集表示，该参数集包括C
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速率值、温度测量值或电池单元电压设定值中的一个或多个；和生成所述参数集上多个ESR变化率的表示。
22.根据权利要求19所述的系统，其中所述性能指标生成器被配置为使用充电电压和平均电池单元电压之间的差异或放电电压与平均电池单元电压之间的差异中的至少一种确定所述电化学电池单元的ESR。23.根据权利要求22所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文，
申请(专利权)人：希利特里克公司，
类型：发明
国别省市：