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TWI690715B - 鋰硫電池管理系統及相關方法 - Google Patents

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TWI690715B
TWI690715B TW105140597A TW105140597A TWI690715B TW I690715 B TWI690715 B TW I690715B TW 105140597 A TW105140597 A TW 105140597A TW 105140597 A TW105140597 A TW 105140597A TW I690715 B TWI690715 B TW I690715B
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lithium
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克里斯多夫 黑爾
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英商歐希斯能源有限公司
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Abstract

本發明提供一種鋰硫電池管理系統用以判定一鋰硫電池之一電量狀態。該管理系統包含一第一電路具有至少一電抗元件，以及該第一電路係配置成經由該至少一電抗元件自該電池放電及充電至該電池固定電量。該管理系統亦包含一第二電路俾監控該等放電及充電，以及該第二電路係配置成測量該固定電量之該放電時間及該充電時間，以及依據該等時間判定該電量狀態。本發明進一步提供一種方法用以判定該鋰硫電池之該電量狀態。

Description

鋰硫電池管理系統及相關方法 發明領域
本發明一般係有關於一鋰硫電池管理系統用以判定一鋰硫電池之電量狀態。
發明背景
可靠地判定，例如，充作可攜式電子產品及電動車運輸中之一電源用之一電池之剩餘電量的能力係製造商及消費者同樣高度重視者以計算車輛之剩餘使用時間及可用距離。
在汽油車的情況下，燃料位準可簡單地測量，然而，在電動及混合車以及電子裝置中，因為電池係充作其電源之用，所以較為難以測量該電池中所累積之剩餘能量。相較於一電池所提供之整體容量，一電池之電量狀態(SOC)，舉例而言，可表達為該電池中之剩餘容量之一百分比指標，直到需要一再充電時為止。
假設SOC0為時間t 0 時之初始SOC百分比，則在時間t時之電池之SOC百分比係界定為：
Figure 105140597-A0305-02-0004-1
 其中I為電流，該電流在放電時係界定為負值而在充電時係界定為正值，以及Qt係電池以Ah計量之最大容量。
電池被視為完全充電之初始SOC0可在放電該電池之前參考最大斷路電壓(OCV)、任選地參考電阻及溫度測量值來加以設定以改善準確度。
測量各種化學之電池之SOC的通用方法均係以電壓測量為依據，其中典型地一電池之電壓將相關於其剩餘容量而下降。然而，一鋰硫電池之電壓不會隨著該電池之放電而線性式下降，且典型地對大比例之放電特性而言係為穩定狀態，意即，該電壓之採用並非良好適用於判定鋰硫電池之SOC。
判定電池之SOC的另一習知方法係自該電池開始放電時執行庫倫計算，因此係計算該電池之電量輸出以及可計算該電池中仍剩餘之電量。對任何電池而言，庫倫計算僅對任何放電開始之前就已知一初始容量值的情況始能適用，以及假設未採用其他之容量估計方法時，則庫倫計算僅可在電池由100% SOC起始時才可實際地執行。實務上，因為一電池受制於一部分放電、未完全充電、或受制於自行放電，所以該電池可能無法自一完全充電狀態起始其放電以及因此需要一判定放電容量之起始的額外方法。
已進行研究而作為SOC判定之一手段之鋰 硫電池之一特性係一電池內部電阻與該電池之SOC間之一可測量關係，如同先前之專利申請案諸如申請案US 2009/0055110(Sion Power)中所確認者。典型地，電池之電阻的判定係經由在充電或放電中施加一已知電流、監控電壓之變化、以及施加特定演算法以預測該電池之SOC。
實務上，經由一電流源之施加以判定電池之電阻並非係如此直接之事，如同歐洲專利申請案第1506497.5號(OXIS Energy et al)中所確認者，因為在判定該電阻時會使用到有關一施加電流脈波之期間及該電池之回應的其他因素。此類因素典型地係以一承受負載(或充電)之鋰硫電池之特性為依據。解決承受負載之一鋰硫電池特性之問題的一項嘗試已在上述歐洲專利申請案第1506497.5號(OXIS Energy et al)中，利用一種預測誤差極小化及適應性類神經-模糊推論系統SOC估計程序予以解決，主張容量判定時之一5%之潛在平均誤差以及一14%之最大誤差。然而，此技術執行時需要相當複雜之演算法以及適當之處置能力以處理所需之計算數量。
因此本發明之一目地係提供一種改良式系統用以判定一鋰硫電池之SOC。
發明概要
依據本發明之各種實施例，係根據隨附請求項1至14中之任何一項，提供一種鋰硫電池管理系統用以判定一鋰 硫電池之一電量狀態。該管理系統包含一第一電路具有至少一電抗元件以及該第一電路係配置成經由該至少一電抗元件自該電池放電固定電量及對該電池充電固定電量。該管理系統亦包含一第二電路用以監控該等放電及充電，以及該第二電路係配置成測量該固定電量之該放電時間及該充電時間，及依據該等時間判定該電量狀態。
因為該固定電量係經由該至少一電抗元件施加至該電池以及來自該電池，所以放電/充電該電池達一固定電量的時間係該電池之內部電阻之一函數，此因經由該至少一電抗元件之放電率/充電率將藉著該內部電阻予以節制之故。如上文所進一步注意者，SOC與內部電阻之間具有一種關係。因此，SOC與該等放電/充電時間之間亦有一種關係，而容許SOC由該等放電/充電時間來判定。
關於一既定SOC之一充電電流之一鋰硫電池之內部電阻將與關於在相同SOC處之一放電電流之鋰硫電池之內部電阻不同。對全部SOC而言，該充電中之內部電阻可能並非經常提供一準確之SOC，以及對全部SOC而言，該放電中之內部電阻可能並非經常提供一準確之SOC，然而對全部SOC而言，(藉由放電時間)放電時之內部電阻與(藉由充電時間)充電時之內部電阻的組合則容許判定一準確之SOC。此將在稍後參考圖1中所示之放電及充電特性時作較為詳細之討論。
較佳地，該固定電量包含一第一固定電量而該第一固定電量係在該放電時間之期間自該電池放電，以 及一第二固定電量而該第二固定電量係在該充電時間之期間充電該電池，其中該第一固定電量及該第二固定電量相互實質上係一相同值，因此該等放電及充電不會對該電池之電量狀態有顯著整體效應。此程序可藉著電子學加以自動控制，不會對該電池之容量造成任何顯著之整體衝擊，以提升該容量估計之準確性。
有利地，該至少一電抗元件可包含一儲存電容器，以及該儲存電容器之大小可固定自電池放電及對電池充電之固定電量。舉例而言，當所有其他因素均未改變時，加倍該電容器之大小可加倍該固定電量。舉例而言，假設該電容器係在其電量容量之90%與10%之間充電及放電時，則該固定電量可少於該電容器能夠儲存之最大電量。較佳地，該電容器係分別在其容量少於98%與大於2%之間充電及放電，以避免過度冗長之充電及放電時間。對於熟悉本技藝人士明顯的是，假設電池係用以經由該電池之內部電阻在該電池容量之100%與0%之間充電及放電該電容器時，則此舉基於該等充電及放電特性之指數性質將會花費一非常冗長之時間。
因為充電一電容器之時間常數係以該電容器之電容及一成行之串聯電阻(RC時間常數)為依據，而在此情況中該儲存電容係串聯該電池內部電阻，所以在二電量狀態之間，例如，在10%與90%之間，充電該儲存電容的時間將為該內部電阻之代表。
任選地，該至少一電抗元件可包含一電感器 連接至該儲存電容器。接著，可測量經由該電感器流至該儲存電容器及自該儲存電容器流出之電流。此電流之變化率將與該電池之內部電阻相關，以及因此可測量電流在二不同數值間轉換之時間以判定內部電阻以及因此判定SOC。較佳地，一電流感測電阻器係與該電感器串聯，跨接該電流感測電阻器所生成之電壓係對應於流經該電感器之電流，因此可易於測量該電流。
有利地，第一電路可包含一升壓轉換器。接著，儲存電容器可自電池充電，同時測量放電時間，以及接著利用升壓轉換器，該電容器中之能量可放電至該電池中，同時測量充電時間。舉例而言，該第一電路可包含一切換網路連接至該儲存電容器，該切換網路配置成在較低電壓電位與較高電壓電位之間切換該儲存電容器之一第一端子以經由該儲存電容器之一第二端子執行該電池之放電及充電。此切換可包含將一貯藏電容器自該儲存電容器切換出來以及將該貯藏電容器切換成與該儲存電容器串聯以分別地執行該電池之放電及充電。該貯藏電容器之大小係較佳地係遠大於該儲存電容器之大小，舉例而言，大於至少20倍，更佳地大於50倍、或大於100倍。
為協助改善時間測量之準確性以及減少系統中之任何雜訊之影響，第二電路可配置成重複地切換此切換網路以放電及充電電池達一重複次數，以及依據該等放電時間之一總和及該等充電時間之一總和，以及任選地該等放電及充電時間之一總和來判定SOC。重複之次數舉 例而言可為10次，或甚至100次。可藉著在未使用時持續監控該電池之SOC及利用演算法與平均技術以追蹤任何週期之自行放電之電池容量的劣化來進一步改善容量估計之準確性。
第二電路可配置成依據一檢查表判定SOC，而該檢查表為放電及充電時間之多數組合中之每一組合提供一電量狀態值。因此，鋰硫電池管理系統可無需執行複雜計算以判定該SOC，而可僅僅依據該等放電及充電時間檢查來自該檢查表之正確SOC。較佳地，該檢查表可加以修改以將電池溫度納入考慮，以及因此該鋰硫電池管理系統可進一步包含一第三電路配置成感測該電池之該溫度。該檢查表亦可加以修改以將電池老化納入考慮，此點如上文段落中所說明者可加以追溯。
有利地，第二電路可配置成依據放電及充電時間之總和判定電池之健全性。該健全性可藉著將該等放電及充電時間與標稱參考檢查值，及記憶體中所保留之先前放電/充電時間相對SOC之一紀錄作比較而判定。
有鑑於放電及充電時間係直接正比於有關一固定電容之放電及充電電流之電池電阻，所以放電時間、充電時間之一總和、以及放電及充電時間之一總和可與一檢查表作比較以判定SOC。清楚地，該檢查表可保持相同以及該等充電及放電時間之總和在與該檢查表作比較之前可依據溫度及電池老化加以修改，而不是依據溫度及電池老化修改該檢查表。對於鋰硫電池之溫度及老化的效 應在本技藝中係屬習知，以及因此此處不作詳細說明。
替代地，SOC可依據指定該SOC與放電及充電時間之間之關係的預定公式，而非利用一檢查表，加以計算。
第二電路可配置成監控第一電路之二定點間之一電壓差，判定當該電壓差下降至低於一預定位準時放電或充電係充分地完成，以及回應時分別地將該第一電路由放電切換成充電，或由充電切換成放電。舉例而言，該第二電路可判定當跨接與電感器串聯之電流感測電阻器之電壓下降至低於一預定位準時，放電係完成，或者可判定當跨接儲存電容器之電壓下降至低於一預定位準時，充電係完成，端視該等二定點是否係跨接該電流感測電阻器或該儲存電容器而定。相反地，該第二電路可判定當跨接該儲存電容器之該電壓上升至高於一預定位準時，放電係完成，或者，可判定當跨接與該電感器串聯之該電流感測電阻器之該電壓上升至高於一預定位準時，充電係完成，注意有鑑於當充電相較於放電時電流係以一相反方向流經該電流感測電阻器，該電壓將由一負值朝零上升。清楚地，假設二其他定點顯現對應於至少一電抗元件之一時間常數之一電壓差變化時，差動放大器可跨接該第一電路之該等二其他定點而不是跨接該儲存電容器或跨接一電流感測電阻器。
有利地，差動放大器之一輸出可連接至切換網路之一控制端子，以依據該差動放大器之輸出在放電與 充電該電池之間切換。此舉提供類比性以及因此快速回饋至該切換網路，所以可執行放電與充電間之該切換而無延遲。
依據隨附請求項15，進一步提供一種方法用以判定一鋰硫電池之SOC。該方法包含經由一第一電抗元件測量放電該鋰硫電池達一第一固定電量之一第一時間；經由一第二電抗元件測量充電該鋰硫電池達一第二固定電量之一第二時間；以及依據該等第一及第二時間判定電量狀態。該第一電抗元件係任選地與該第二電抗元件相同之一電抗元件，以及該第一固定電量係任選地與該第二固定電量相同之一電量。任選地，該第二時間可在一早於該第一時間之時間處發生。
本揭示內容涉及放電及充電電池，然而此並非暗示該放電要在該充電之前發生之任何要件，以及假設期望時，該充電可在該放電之前發生。就慣例而言，電量係視為由相對較高之電壓電位流向相對較低之電壓電位。
4:充電曲線
5:扭曲
6:放電曲線
7:扭曲
LS1:鋰硫電池
Ra:電阻器
Rb:電阻器
Ca:貯藏電容器
Cb:儲存電容器
SWa:開關
SWb:開關
D1:二極體
N1:端子
N2:端子
N3:端子
T1:正向端子
T2:負向端子
DA1:差動放大器
MC1:微控制器
M0:開關控制信號
LS2:鋰硫電池
R1:電阻器
R2:電阻器
R3:電阻器
C1:貯藏電容器
C2:儲存電容器
SW1:開關
SW2:開關電晶體/開關
SW3:開關電晶體/開關
L1:電感器
T3:負向端子
T4:負向端子
N4:端子
N5:端子
OP1:OP Amp
Rd1:電阻器
Rd2:電阻器
Rc1:電阻器
Rc2:電阻器
D2:二極體
NG1:NOT閘
MC2:微控制器
M1:輸入
M2:輸入
M3:輸出
TS1:溫度感測器
N6:端子
N7:端子
本發明之實施例現將僅藉由非限制性實例並參考隨附圖式加以說明，其中：圖1顯示一典型鋰硫電池之充電及放電期間之電池內部電阻之一圖式；圖2顯示依據本發明之一第一實施例之一電池管理系統之一示意圖；圖3顯示電池之充電及放電期間，圖2之系統之一電容 器所保持之電量位準之一時序圖；圖4顯示依據本發明之一第二實施例之一電池管理系統之一較詳細示意圖；圖5顯示在各種溫度下充電一典型鋰硫電池時之電池電阻之一圖式；圖6顯示在各種溫度下放電一典型鋰硫電池時之電池電阻之一圖式；以及圖7顯示依據本發明之一第三實施例之一電池管理系統之一示意圖。
圖式並未按照比例，以及相同或類似參考符號指示相同或類似特徵。
詳細說明
參考圖1，係顯示電池內部電阻相對SOC之一圖式，顯示一典型鋰硫電池之內部電阻如何隨著其SOC由0(0%充電)至1.0(100%充電)增加時呈一般性遞減。該圖式包含充電該電池時之測量結果之一曲線4，以及放電該電池時之測量結果之一曲線6。可以看見當該電池放電時之該電池之內部電阻較該電池充電時之該電池之內部電阻為高。
充電曲線4在大約60% SOC處具有一扭曲5，意即該充電曲線單獨無法明白地容許對任何既定之測量電阻值判定該SOC，舉例而言，充電中之0.11歐姆之一測量電阻值可能對應於大略50%之一SOC，或者大略62%之一SOC，端視該測量結果實際對應於扭曲5之哪一側而 定。放電曲線6在大約80% SOC處具有一扭曲7，造成類似於扭曲5之問題。然而，因為此類扭曲發生在沿著SOC曲線4與6之不同定點處，所以發明人認可取自於充電中及放電中兩者之電阻測量值可相互組合使用以協助明白地辨別一受測電池之SOC。舉例而言，回到充電中之0.11歐姆之例示性測量結果，放電中之電阻亦可加以測量，以判定充電中之0.11歐姆之該測量結果是否對應於扭曲5之前或之後的一定點，對應於一50% SOC或一62% SOC。本發明中所測量之充電及放電時間係直接地正比於該電池之充電及放電內部電阻，容許依據該等充電及放電時間判定該SOC。
本發明之一第一實施例現將參考圖2及圖3加以說明。圖2顯示一電池管理系統之一示意圖，該電池管理系統連接至一鋰硫電池LS1之正向端子及負向端子T1與T2。在此實施例中，鋰硫電池LS1係由一單一單元組成，然而，將可理解的是，在替代性實施例中，多數單元可在電池LS1內相互串聯及/或並聯組合。該電池管理系統包含一第一電路而該第一電路係由電阻器Ra與Rb、電容器Ca與Cb、開關SWa與SWb；以及二極體D1所形成。電容器Cb係視為一儲存電容器，因為該電容器係在將電量回充至電池LS1內之前用以儲存自電池LS1放電之該電量。儲存電容器Cb具有二端子N1與N2。端子N1係經由電阻器Rb連接至電池正向端子T1，以及開關SWb將端子N2連接至電池負向端子T2(經由二極體D1)或電容器Ca之一端子 N3。
電容器Ca係視為一貯藏電容器，因為該電容器係用以儲存一相當大之電量，俾提升或降低儲存電容器端子N2之電壓，以控制該儲存電容器是否將電量傳送至電池LS1，或接收來自電池LS1之電量。
電阻器Ra、開關SWa、以及貯藏電容器Ca全部均相互串聯在電池端子T1與T2之間，因此開關SWa可用以將貯藏電容器Ca及電阻器Ra切換連接於電池端子T1與T2之間，以將貯藏電容器Ca充電至與電池LS1相同之電壓。電阻器Ra具有一微小數值，足以在開關SWa首度閉合時防止過大電流流入貯藏電容器Ca。開關SWa係連接至貯藏電容器Ca之端子N3，介於貯藏電容器Ca與電池正向端子T1之間。
該電池管理系統亦包含一第二電路，該第二電路係由一差動放大器DA1及一微控制器MC1所形成。該差動放大器具有二輸入連接至該儲存電容器之端子N1與N2，並監控該等二端子N1與N2間之電壓差，以及具有一輸出連接至微控制器MC1。微控制器MC1接收差動放大器DA1之輸出，以及依據該輸出產生開關控制信號M0，俾控制開關SWa與SWb。
使用時，微控制器開關控制信號M0初始地閉合開關SWa，以及設定開關SWb以將儲存電容器端子N2連接至貯藏電容器端子N3。接著，將被測量之電池LS1之端子T1與T2連接至該電路中，如所顯示者，以及電池LS1 經由電阻器Ra將貯藏電容器Ca充電至該電池電壓。儲存電容器Cb中之任何剩餘電量均被放電，因為其端子N1與N2係經由開關SWa與SWb及電阻器Ra與Rb而連接在一起。
一旦貯藏電容器Ca在一時間0T時實質上完全充電時，開關SWa斷開及開關SWb切換以將儲存電容器之端子N2經由二極體D1連接至該電池之負向端子T2。如圖3之時序圖中所示，該時序圖顯示該儲存電容器端子N1與N2間之電壓，此造成儲存電容器Cb經由電阻器Rb充電。電阻器Rb係微小的，以及其目的係當儲存電容器Cb開始充電時防止一過大電流自電池LS1流出。此充電之速率亦受到電池LS1之內部電阻之限制，此對於熟悉本技藝人士而言將係明顯者，以及此內部電阻與電阻器Rb組合以形成具有T=(內部電阻+Rb)*Cb之一時間常數之一串聯RC電路，此對於熟悉本技藝人士而言亦將係明顯者。圖2之x軸係以此時間常數加以標示，以及由圖2上可看見儲存電容器Cb經過2.2T之後達到90%電量(一為該電池電壓之90%之電壓)。
此跨接儲存電容器Cb之電壓係藉著差動放大器DA1測量，以及係藉著微控制器MC1檢測。當此電壓指示儲存電容器Cb在圖3上所標示之0.1T時係10%充電時，微控制器MC1開始計時。當此電壓指示該儲存電容器在圖3上所標示之2.2T時係90%充電時，該微控制器停止計時，以及儲存此時間作為該電池花費放電以將該儲存電容器由10%充電至90%之放電時間。此外，微控制器MC1 改變開關控制輸出信號M0以將儲存電容器Cb之端子N2連接至貯藏電容器Ca之端子N3。因為貯藏電容器Ca已經充電至該電池電壓，所以此舉將儲存電容器Cb之端子N2處之電壓推升至該電池電壓之100%，以及因此將該儲存電容器之端子N1推升至該電池電壓之190%。接著，儲存電容器Cb開始經由電阻器Rb放電至電池LS1中，以充電電池LS1。該微控制器計時此充電時間，由2.2T開始如圖3上所示。
在4.3T之後，差動放大器DA1之輸出電壓向該微控制器指示該跨接儲存電容器Cb之電壓已經下降至10%電量(該電池電壓之10%)，以及該微控制器停止計時該充電時間。此時，該微控制器可利用由0.1T至2.2T之放電時間，以及由2.2T至4.3T之充電時間，與一檢查表作比較以判定該電池之SOC。注意，基於該電池在放電中及充電中之不同內部電阻，所以0.1T至2.2T期間之T值將與2.2T至4.3T期間之T值不同。據此，圖3之x軸並非完全線性。
在此實施例中，相同之放電及充電循環係一再地加以執行達一重複次數，而不是單獨採用該等放電時間及充電時間。接著，全部之放電時間可加總、全部之充電時間可加總、以及全部之放電及充電時間可加總，以產生三個數值俾與一檢查表作比較。此舉將任何雜訊或測量誤差之效應達成平均數，以及應可產生一較準確之結果。進行SOC計算之放電/充電循環之次數將與所需之準確 性、相互並聯之電池單元數量、以及該系統之阻抗相關，然而，舉例而言，可介於10至100次放電/充電循環之間。貯藏電容器Ca之大小較宜遠大於儲存電容器Cb之大小，舉例而言，貯藏電容器Ca約可為1F，而儲存電容器Cb約可為10mF。接著，多數放電/充電循環可加以執行而跨接該貯藏電容器之電壓不會顯著地變動。
該檢查表可藉著技術，諸如利用庫倫計算以判定何種SOC典型地對應於何種放電及充電次數，而由一組供鋰硫電池用之典型測量結果來初始地建構。或者，藉著採用100%與0% SOC狀態以在測量每一對放電及充電次數時內插該電池處於何種SOC之方式，可測量一完整之放電循環。
本發明之一第二實施例現將參考圖4加以說明，該圖4顯示一較圖2之示意圖更為詳細之示意圖。該第二實施例之操作主要原理係與該第一實施例之操作主要原理相同，而一儲存電容器C2之一端子N5係連接以及斷開一貯藏電容器C1，以分別地充電及放電一鋰硫電池LS2。
圖4之示意圖以一電阻器R1明確地代表電池LS2之內部電阻，電阻器R1在放電中及充電中將會變動，如圖1中所示。電阻器R1係串聯於電池正向端子及負向端子T3與T4之間。一微控制器MC2具有一輸出M3俾在放電/充電循環之前控制貯藏電容器C1何時經由電阻器R3充電，以及一來自一OP Amp OP1之輸入M1而該OP Amp形成一差動放大器俾測量儲存電容器C2之端子N4與N5間之 電壓差。微控制器MC2監控輸入M1以測量放電及充電時間之長度，以及依據該等時間計算電池LS2之SOC。
貯藏電容器C1自儲存電容器C2切換出來及與儲存電容器C2切換成串聯係藉著來自OP Amp OP1之輸出之回饋加以控制。OP Amp之輸出係直接地連接至一開關電晶體SW3之閘極，以及經由一NOT閘NG1連接至一開關電晶體SW2之閘極，使得開關電晶體SW2與SW3集體式形成一單極雙投開關類似於圖2之SWb。
當儲存電容器C2處於10%電量時，在電池LS2之計時放電週期之起始處，端子N5處之電壓係0V以及端子N4處之電壓係電池電壓之10%。OP-Amp OP1之輸出係與該電池電壓相同，以及開關SW2係斷開而開關SW3係閉合。在該電池之計時放電週期之結束處，當儲存電容器C2處於90%電量時，端子N5處之電壓係0V以及端子N4處之電壓係電池電壓之90%，造成OP Amp OP1將其輸出由該電池電壓反轉至0V，此舉閉合開關SW2以及斷開開關SW3，起始了電池LS2之計時充電週期，而端子N5處之電壓係與該電池電壓相同以及端子N4處之電壓則偏移至該電池電壓之190%。
當該電池充電時，儲存電容器C2之電量位準下降，以及當該儲存電容器C2到達10%電量而端子N4處之一電壓為該電池電壓之110%時，OP Amp OP1之輸出反轉回到該電池電壓。此循環持續地重複，而微控制器MC2測量對應於OP Amp OP1輸出中之反轉之放電與充電 時間週期之間的邊界。利用此類時間，微控制器MC2計算電池LS2之SOC。間歇地，微控制器MC2可閉合開關SW1以補足貯藏電容器C1中之電量。
電感器L1及電阻器R2限制電流突波進入儲存電容器C2，以及在此實施例中，分別具有1uH及0.03歐姆之數值。此電阻器R2亦充作一平衡電阻器之用而該平衡電阻器可加以調整以基於測量目的提供一最佳之時間常數，以及將視預期系統之解析度及準確性以及電池單元並聯之數量而定。在此實施例中，貯藏電容器C1為1F，以及儲存電容器C2為10mF。在此實施例中，與OP Amp OP1一起形成差動放大器之電阻器具有Rd1=12K歐姆、Rd2=1.2K歐姆、Rc1=10K歐姆、Rc2=1.1K歐姆之數值。二極體D2係視為一理想之二極體，當導通時並無電壓降跨接該二極體，然而將真實世界之二極體的電壓降納入考慮時電阻器Rd1、Rd2、Rc1、Rc2可加以調整，此對於熟悉本技藝人士而言將係明顯者。
電池LS2之內部電阻基於簡化起見已經以一R1之固定電阻代表之，然而實際上該電池具有一脈衝響應而造成在放電/充電時間週期間之有效電阻中的某些變動。然而，此並未損及電池之放電/充電時間與SOC間之關係。
當電池LS2具有一單一單元並處於一50%之電量狀態時，放電時間之一典型數值將為2.74ms，對應於儲存電容器C2之充電，以及在儲存電容器C2之放電期 間，充電時間之一典型數值將為3.46ms。
假設採用100次充電/放電循環時，放電週期(dp)0.1T至2.2T、充電週期(cp)2.2T至4.3T以及整體週期(op)0.1T至4.3T，在此實施例中，可提供一20%之SOC之280ms(dp)、300ms(cp)及580ms(op)之數值、一40%之SOC之267ms(dp)、348ms(cp)及615ms(op)之數值、一60%之SOC之280ms(dp)、348ms(cp)及628ms(op)之數值。
一典型鋰硫電池之放電及充電電阻將依據該電池所處之何種溫度而變動。因此，假設電池管理系統係在一溫度範圍之間工作，則檢查表或與該檢查表作比較之時間之溫度型的修改較為人所期望。據此，微控制器進一步包含一輸入M2，該輸入M2係連接至該電池管理系統之一溫度感測器TS1。溫度感測器TS1係設置於接近電池LS2處，因此該溫度感測器測量電池LS2之溫度。
圖5之圖式顯示在不同溫度處之各種曲線，顯示一典型鋰硫電池之內部電阻在充電時係如何隨著愈來愈多之電量加入至該電池而變動。據此，圖6之圖式顯示在各種不同溫度處之種曲線，顯示一典型鋰硫電池之內部電阻在放電時係如何隨著愈來愈多之電量自該電池放電而變動。溫度清楚地對電阻具有一顯著效應，然而電阻與溫度間之關係在本技藝中係屬習知者，以及因此微控制器MC2可易於依據習知之關係修改所測量之放電及充電時間以對溫度作補償。
利用在不同電量狀態處所取得之三組測量值，亦有可能藉著將cp、dp及op之絕對值與任何既定電量狀態之一理想參考值作比較而補償基於溫度、老化及外部負載所致之該電池內部電阻中之變化。舉例而言，在圖4及圖5之圖式中可看見，當該電池放電時關於溫度之電阻變化係大於當該電池充電時關於溫度之電阻變化。在特定溫度處之數值變化率可用以指示該電池之健全狀態以及依序指示該電池容量之劣化。一演算法可依據cp、dp及op之溫度及數值而施加以補償基於溫度之一鋰硫電池之容量變化，以及抵拒基於電池老化或負載之一容量變化之理想數值。
此外，有鑑於該電池之電阻可作為所施加負載之大小及施加該負載之頻率之一函數而作進一步之測量，C2及/或L1之數值可加以變動以改變該電池所看見之脈衝負載及放電/充電頻率進而產生不同之測量結果組。舉例而言，可變組件可供C2及/或L1之用，或將C2及/或L1設定為不同數值之額外電路可併入該電池管理系統中。藉著此類額外測量結果所獲致之結果可用以改善準確性、驗證原始測量結果、以及更特定地容許溫度及電池老化之效應藉著驗證由多數電路之可變負載條件所見之電阻變化而受到補償。舉例而言，C2對一第一組測量值而言可設定為10mF，以及接著對一第二組測量值而言可設定20mF。
本發明之一第三實施例係顯示於圖7中，而除了OP Amp OP1所形成之差動放大器係測量電阻器R2 之端子N6與N7間之電壓以外，該第三實施例係與該第二實施例相同。因此，電阻器R2充作一電流感測電阻器之用，以及容許電流流入及流出待測量之電容器C2。電池LS2之放電期間，端子N7係位於較端子N6為高之電壓處，然而當電流位準隨著該儲存電容器到達90%電量而充分下降時，OP Amp OP1之輸出由該電池電壓轉換為0V，起始電池LS2之充電。端子N6係位於較端子N7為高之電壓處，然而當電流位準隨著該儲存電容下落至10%電量而充分下降時，OP Amp OP1之輸出由0V轉換至該電池電壓，起始放電週期。微控制器MC2以如同該第二實施例中先前所說明之相同方式，在輸入M1處測量OP Amp OP之輸出中之轉換。
將理解的是，電抗元件之許多其他配置均可執行以提供具有可測量之放電/充電週期之電路，以及此類電路之各種定點間之電壓可加以測量以判定經由此類電路來自該電池及流至該電池之固定電量之放電/充電。
落入本發明之範圍內之所述實施例的許多其他變化對於熟悉本技藝人士而言將係明顯者。
LS1:鋰硫電池
Ra:電阻器
Rb:電阻器
Ca:貯藏電容器
Cb:儲存電容器
SWa:開關
SWb:開關
D1:二極體
N1:端子
N2:端子
N3:端子
T1:正向端子
T2:負向端子
DA1:差動放大器
MC1:微控制器
M0:開關控制信號

Claims (15)

  1. 一種用以判定鋰硫電池之電量狀態之鋰硫電池管理系統，該管理系統包含具有至少一電抗元件之一第一電路，該第一電路組配來經由該至少一電抗元件自該電池放電固定電量及將該固定電量充電入該電池，以及用以監測該等放電及充電之一第二電路，其中該第二電路組配來測量該固定電量之一放電時間及一充電時間，及依據該等時間判定該電量狀態。
  2. 如請求項1之鋰硫電池管理系統，其中該至少一電抗元件包含一儲存電容器，以及其中該儲存電容器之一大小使自該電池放電及充電入該電池之該等固定電量固定。
  3. 如請求項2之鋰硫電池管理系統，其中該至少一電抗元件包含連接至該儲存電容器之一電感器。
  4. 如請求項2或3之鋰硫電池管理系統，其中該第一電路包含連接至該儲存電容器之一切換網路，該切換網路組配來將該儲存電容器之一第一端子在較低與較高電壓電位之間切換，以經由該儲存電容器之一第二端子執行該電池之該等放電及充電。
  5. 如請求項4之鋰硫電池管理系統，其中該第一電路包含一貯藏電容器，以及其中該切換網路組配來將該貯藏電容器自與該儲存電容器串聯切換出來以及將該貯藏電容器切換成與該儲存電容器串聯，以分別地執行該電池之該等放電及充電。
  6. 如請求項1至3中任一項之鋰硫電池管理系統，其中該第一電路包含一開關，用以在將貯藏電容器自與儲存電容器串聯切換出來及將該貯藏電容器切換成與該儲存電容器串聯以執行該電池之該等放電及充電之前，以該電池充電該貯藏電容器。
  7. 如請求項1至3中任一項之鋰硫電池管理系統，其中該第二電路組配來監測該第一電路之二定點間之一電壓差，在該電壓差下降至低於一預定位準時判定放電或充電充分地完成，以及回應地分別將該第一電路由放電切換成充電、或由充電切換成放電。
  8. 如請求項4之鋰硫電池管理系統，其中該第二電路組配來監測該第一電路之二定點間之一電壓差，在該電壓差下降至低於一預定位準時判定放電或充電充分地完成，以及回應地分別將該第一電路由放電切換成充電、或由充電切換成放電；以及其中該第二電路包含一差動放大器，用以判定該等二定點間之該電壓差，以及其中該差動放大器之一輸出係連接至該切換網路之一控制端子，以依據該差動放大器之該輸出在放電與充電該電池之間切換。
  9. 如請求項1至3中任一項之鋰硫電池管理系統，其中該第二電路組配來依據一詢查表判定該電量狀態，而該詢查表為放電與充電時間之多數組合中之每一組合提供一電量狀態值。
  10. 如請求項8之鋰硫電池管理系統，其中該 第二電路組配來依據一詢查表判定該電量狀態，而該詢查表為放電與充電時間之多數組合中之每一組合提供一電量狀態值；以及其中該第二電路包含一微控制器，其組配來依據該差動放大器之該輸出為該等放電及充電時間進行計時，以及依據該詢查表判定該電量狀態。
  11. 如請求項1至3中任一項之鋰硫電池管理系統，其中該第二電路組配來重複地切換該第一電路以放電及充電該電池達一重複次數，以及依據該等放電時間之一總和、該等充電時間之一總和，以及任選地該等放電及充電時間之一總和來判定該電量狀態。
  12. 如請求項11之鋰硫電池管理系統，其中該第二電路組配來依據該等放電及充電時間之該總和判定該電池之一健康狀況。
  13. 如請求項1至3中任一項之鋰硫電池管理系統，進一步包含一第三電路，組配來感測該電池之一溫度，其中該第二電路組配來進一步依據該電池之該溫度判定該電量狀態。
  14. 如請求項1至3中任一項之鋰硫電池管理系統，其中該固定電量包含在該放電時間期間自該電池放電之一第一固定電量、以及在該充電時間期間充電入該電池之一第二固定電量，其中該第一固定電量及該第二固定電量相互實質上係一相同值，使得該等放電及充電對該電池之該電量狀態並無顯著整體效應。
  15. 一種用以判定鋰硫電池之電量狀態之方 法，包含：測量經由一第一電抗元件以一第一固定電量讓該鋰硫電池放電之一第一時間；測量經由一第二電抗元件以一第二固定電量對該鋰硫電池充電之一第二時間；以及依據該等第一及第二時間判定該電量狀態，其中該第一電抗元件係任選地與該第二電抗元件相同之一電抗元件，以及其中該第一固定電量係任選地與該第二固定電量相同之一電量。
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