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TW201709631A - 串聯配置之鋰硫電池容量的監控及平衡技術 - Google Patents

串聯配置之鋰硫電池容量的監控及平衡技術 Download PDF

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TW201709631A
TW201709631A TW105126065A TW105126065A TW201709631A TW 201709631 A TW201709631 A TW 201709631A TW 105126065 A TW105126065 A TW 105126065A TW 105126065 A TW105126065 A TW 105126065A TW 201709631 A TW201709631 A TW 201709631A
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克里斯 哈里
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Abstract

本發明提供一種設備，其用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態，包含：一計時器；一電壓監控模組，其經組配以基於自一電壓監控電路所接收到的信號而監控串聯配置之該等鋰硫電池或電池模組中之每一者的一壓降；以及一電池監控模組，其耦接至該計時器及該電壓監控模組且經組配以在一恆定電流下充電該等電池之一充電循環期間：記錄一時戳T1 (電池A)，在該時戳處在該充電中領先之第一電池，電池A，之經監控電壓隨著經監控電壓之變化速率可量測地增大而達至設定為接近最高充電量之一第一電壓V1 (電池A)；記錄一時戳T1 (電池B)，在該時戳處在該充電中跟隨之電池B之經監控電壓達至該第一電壓V1 (電池A)；記錄一時戳T2 (電池A)，在該時戳處該領先電池A之經監控電壓達至設定為實質上在一認可最高充電量下之一第二電壓V2 (電池A)；記錄該跟隨電池B在T2 (電池A)處之一經監控電壓V2 (電池B)；以及至少基於T1 (電池A)、T1 (電池B)、V2 (電池A)及V2 (電池B)而判定指示電池A與電池B之間的一相對容量差異之一量度。

Description

串聯配置之鋰硫電池容量的監控及平衡技術
本發明係關於供用於監控及平衡串聯配置之鋰硫電池容量之設備、方法及電腦程式產品。本發明亦係關於用於監控及平衡串聯配置之鋰硫電池的充電及容量之電池組管理系統或能量系統控制器。
儘管鋰離子二次電池現今為量產且常用的，但鋰硫(Li-S)為下一代電池化學物質，其具有為鋰離子5倍之理論能量密度，可較好地充當用於一系列應用之電化學能量儲存器。
典型鋰硫電池包含由鋰金屬或鋰金屬合金形成之陽極(負電極)及由元素硫或其他電活性硫材料形成之陰極(正電極)。硫或其他電活性含硫材料可與諸如碳之導電材料混合以改良其電導率。通常，碳及硫經研磨且接著與溶劑及黏合劑混合以形成漿料。漿料塗覆至集電器且接著經乾燥以移除溶劑。所得結構經壓延以形成複合結構，其經切割成所要形狀以形成陰極。分離器置於陰極上且鋰陽極置於分離器上。接著將電解液引入至經裝配電池中以潤濕陰極及分離器。
鋰硫電池為二次電池。當鋰硫電池放電時，陰極中之硫在兩個階段中經還原。在第一階段中，硫(例如，元素硫)經還原為多硫化物物質，Sn 2 - (n≥2)。此等物質一般可溶於電解液。在放電之第二階段中，多硫化物物質經還原為硫化鋰Li2 S，其可沈積於陽極之表面上。
鋰硫電池可藉由將外部電流施加至電池而經(重新)充電。通常，電池經充電至例如2.35 V之固定截止電壓。當電池充電時，雙階段機制反向進行，其中硫化鋰經氧化為多硫化鋰且此後經氧化為鋰及硫。在鋰硫電池之放電及充電特徵曲線兩者中可以看出此雙階段機制。因此，當鋰硫電池充電時，在充電之第一階段中，在長平線區期間電壓保持相對恆定。接著，隨著電池在充電之第一階段與第二階段之間躍遷(其在接近最高充電量處進行)，電壓之變化速率可量測地增大。
此等可充電、二次電池(諸如Li離子或Li-S)，特定而言其堆疊(電池組)，出於藉由所儲存之電化學能量給其充電以供稍後放電及使用的目的之使用正在一系列應用中獲得不斷提高之重要性，該等應用包括汽車、船舶及其他載具應用；家庭及不可間斷的能量供應；以及儲存由間歇及可再生電力源產生之能量以供家庭及經柵格連接之供電網路中之需求及負載調平。
為了有效地支援在此等應用中之能量儲存及使用，需要使電池堆疊中電池之有效容量及壽命最大化且管理電池之充電及放電循環以使效能達到最佳。
電池堆疊中之電池通常經製造以在額定容量下執行，且因此應(在操作及製造容許度內)至少最初在充電放電循環中相同地執行。然而，在電池堆疊中，不同電池之健康及效能狀態在充電放電循環期間經由使用歸因於多個因素而開始偏離，該等因素包括在使用期間電池堆疊之溫度變化、感測器之量測誤差及其他電子組件及電組件之變化；且經由在製造容許度內生產時之變化以及隨時間推移及經由使用而加劇之電池之固有效能及老化特性之小變化而偏離。因此，隨著一段時期之使用，電池堆疊中之電池通常變得在其健康及容量狀態上有所改變，且因此，在充電/放電操作的給定時間，不同電池將具有不同充電狀態及所儲存之剩餘充電量。
有可能歸因於此等變化及電池之間的相互作用，串聯鏈中之個別電池可承受過應力，從而導致電池之過早失效。在充電循環期間，若鏈中存在具有降低容量之經退化電池，則存在一旦其已達到其完全充電，其將經受過度充電直至鏈中之其餘電池達至其完全充電為止的危險。結果為溫度及壓力積累及對電池之可能的損壞。藉由每一個充電放電循環，較弱電池將變得更弱直至電池組失效為止。在放電期間，最弱電池將具有放電之最大深度且將往往會在其他電池之前失效。較弱電池上之電壓甚至可能當該等電池在其餘電池之前變為經完全放電時反向，從而亦導致電池之較早失效。因此，在串聯連接之電池堆疊或電池模組(並聯配置之多個該等電池)中導致充電放電循環中電池充電狀態之變化的不平衡的電池老化可導致個別電池之高失效速率及電池堆疊整體之較差可靠性。不平衡老化對於往往為自平衡的並聯鏈算不上問題，由於並聯連接使所有電池保持在相同電壓下且同時允許無論是否施加外部電壓，電荷在電池之間移動。一旦串聯電池堆疊中之電池已失效，必須更換整個電池組且結果極其昂貴。更換個別失效電池並未解決問題，由於新鮮電池之特性將會相當不同於鏈中之老化電池且不久失效將再次發生。藉由拆用具有類似使用年限及用途之電池組，一定程度之修整為可能的，但其從不可能達成新電池可能實現之電池匹配及可靠性程度。
為了提供對此問題的考慮電池之老化及操作條件之動態解決方案，經組配以用於控制電池級之充電及放電之電池組管理系統(BMS)可併有電池平衡模組以防止個別電池承受過應力且使電池至電池的充電量變化最小化。此等系統監控鏈中各電池之電壓(或SOC)。切換電路接著在充電(或有可能放電)過程期間控制施加至鏈中的每一個別電池之充電量以使電池組中所有電池上之充電量均衡。電池組平衡進行充電狀態均衡，其意欲防止電池相對充電狀態之間的較大長期不平衡而非僅僅較小短期、循環內或循環間偏差。此等電池組平衡及電池組再分佈技術使具有串聯之多個電池的電池組之容量最大化以使得所有其能量可供使用且提高電池組之耐久性。常常在用於行動電話及膝上型電腦之BMS鋰離子電池組中發現電池平衡模組。亦可在電動車輛電池組中發現電池平衡模組。
在無充電再分佈之情況下，當具有最低容量之電池為空(即使其他電池仍不為空)時放電必須停止，此限制可獲自電池組且可返回至電池組之能量。
在無平衡之情況下，具有最小容量之電池為電池堆疊中之「弱點」，由於其可易於經過度充電或過度放電，而具有較高容量之電池僅經歷部分循環。為了使較高容量電池經歷最大幅度之完整充電/放電循環，電池平衡模組應用來「保護」較弱電池。因此，在經平衡之電池組中，具有最大容量之電池可經充滿而不會過度充電任何其他(亦即，較弱、較小)電池，且其可經排空而不會過度放電任何其他電池。藉由將能量自個別電池轉移或轉移至個別電池，直至具有最低容量之電池之SoC等於電池組之SOC而進行電池組平衡。
傳統地，存在對於堆疊平衡之兩個途徑，主動平衡及被動平衡。
被動平衡為在充電過程期間監控個別電池電壓且電壓領先最低電壓電池之電壓的任何電池將週期性地切換跨越電池的旁路電阻器以使一些充電電流自彼電池分流的過程。應用旁路電阻器將減緩電池之充電過程且允許最低電壓電池趕上，使得在最高充電量下，所有電池維持相同電壓(在典型量測容許度內)。
被動平衡通常用於矯正『電池擴散』，其中可使堆疊內經受較高自行放電速率(通常經由儲存器或附接之電子裝置)之任何電池恢復與其他電池一致。此方法仍取決於最弱電池之容量，且一般利用標準恆定電流/恆定充電方案中接近最高充電量的週期，其中在接近最高充電量時電流逐漸減小，從而允許旁路平衡電阻器更為有效。
主動平衡為使用DC轉換器(或簡單切換電容器)自最強電池獲得電荷且將其移動至最弱電池以保持電池平衡的過程。可在放電以及充電期間使用此途徑以補償低容量電池。如同被動平衡，其一般在逐漸減小的充電期間較有效。由於同時為所有個別電池提供獨立充電為不切實際的，因此必須依序施加平衡電荷。考慮各電池之充電時間，該均衡過程亦極費時，充電時間按小時量測。
因此，在二次電池之堆疊作為能量儲存器及能量源的應用中，可有效地平衡組成電池對於二次電池之堆疊之可靠性及有效性為關鍵的。
在上述背景下設計本發明。
主動平衡及被動平衡方法兩者通常經設計以用於平衡鋰離子電池。本發明人已認識到，另一方面，鋰硫(Li-S)電池歸因於其電壓特徵曲線實際上僅可在充電之最後10%期間應用基於電壓之堆疊平衡技術，且由於充電過程始終為恆定電流且不存在逐漸減小的充電週期，因此平衡實際上僅可在總充電時間之最後十分之一期間進行。另外，主動平衡及被動平衡技術兩者均需要準確電壓或充電狀態量測結果以便為有效的。對於Li-S電池，考慮到在充電之第一階段中，電池電壓始終保持在平線區，使得電池電壓之準確量測及鑑別變得困難；且考慮到電壓之變化速率可量測地增大之第二充電階段在充電循環之相對短的時間中持續，準確地判定在此第二充電長週期中之電壓及相對充電狀態的能力對於有效地在Li-S電池中實施電池平衡方案為關鍵的。
因此，本發明人已意識到，在Li-S電池中，歸因於電壓之實際量測解析度及準確度通常較低(約幾mV)，足夠準確地根據所量測之電壓值判定充電之第二階段中充電狀態或相對容量差異以控制電池主動或被動平衡方案的能力受到限制。
因此，根據一個態樣，本發明提供一種設備，其用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態，該設備包含：計時器；電壓監控模組，其經組配以基於自電壓監控電路所接收到的信號而監控串聯配置之鋰硫電池或電池模組中之每一者的壓降；以及電池監控模組，其耦接至計時器及電壓監控模組且經組配以在充電循環(其中在恆定電流下給電池充電)期間：記錄時戳T1 (電池A)，在該時戳處隨著經監控電壓之變化速率可量測地增大，在充電中領先之第一電池，電池A，之經監控電壓達至設定為接近最高充電量之第一電壓V1 (電池A)；記錄時戳T1 (電池B)，在該時戳處在充電中跟隨之電池B之經監控電壓達至第一電壓V1 (電池A)；記錄時戳T2 (電池A)，在該時戳處領先電池A之經監控電壓達至設定為實質上在認可最高充電量下之第二電壓V2 (電池A)；記錄在T2 (電池A)處跟隨電池B之經監控電壓V2 (電池B)；以及至少基於T1 (電池A)、T1 (電池B)、V2 (電池A)及V2 (電池B)而判定指示電池A與電池B之間的相對容量差異的量度。
根據本發明之此態樣且如將在本文中所展示，藉由使用時戳，在該等時戳下堆疊中之不同電池達至給定電壓(由於在Li-S應用中在充電期間相較於電池電壓可較準確地量測時間)，可準確地確定充電狀態之量測結果，尤其不同電池之間的相對充電狀態及容量。即，本發明人已認識到，由於在Li-S充電方案中相較於電壓實際上可準確得多地量測時間，且由於Li-S電池充電為恆定電流，因此可將充電時間自身用作容量之指示符。因此，相較於僅單獨量測電壓差異，藉由量測電池堆疊中之不同電池達至不同量測電壓的時間，可實現電池之相對容量及充電狀態之準確得多的量測結果。此可特定而言藉由量測電池在第二充電階段中在最高充電量附近充電跨越電壓增量所花費之時間而實現。
當第二電壓實質上處於認可最高充電量或接近認可最高充電量時，此可實質上在認可最高充電量之0.5% SOC內、或實質上在1% SOC內、或實質上在1.5% SOC內、或實質上在2% SOC內、或實質上在2.5% SOC內、或實質上在3% SOC內、或實質上在4% SOC內、或實質上在5% SOC內。
在實施例中，電池監控模組進一步經組配以判定電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的電壓增量之持續時間與電池B充電跨越相同電壓增量所計劃之持續時間之間的相對時間差異，作為指示電池A與電池B之間的相對容量差異之量度。在實施例中，電池監控模組經組配以使用以下方程式計算電池A及電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的相對時間差異：其中為在電壓增量內dV/dt之認可值。此可提供可用於控制充電平衡電路以平衡電池的時間差異。
在實施例中，在電壓增量內dV/dt之認可值經計算為當在與電池B相同的充電速率及充電效率下充電時對應於電池A之類型的額定鋰硫電池之自電壓V1 至電壓V2 之隨時間推移之平均電壓變化速率。或者，在實施例中，在電壓增量內dV/dt之認可值經計算為電池A或電池B在彼電池之T1 與T2 之間隨時間推移之所量測之平均電壓變化速率。
在實施例中，電池監控模組進一步經組配以計算電池A與電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的相對時間差異除以電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的電壓增量之持續時間，以獲得電池A與電池B之間的相對容量差異，亦即：
此提供基於充電時間之百分數差，說明電池之間的相對容量差異。
在實施例中，電池監控模組進一步經組配以考慮充電效率而對於串聯連接之多個鋰硫電池中之每一者判定指示電池之間的相對容量差異之量度，充電效率經計算為在時間段T1至T2內預期容量及所量測充電量之函數。 在實施例中，電池監控模組進一步經組配以藉由計算以下方程式而判定在T2 (電池A)處電池中之電池𝑥(相對於額定電池-電池A)之放電程度或相對SOC：
電池𝑥之所計算之放電程度連同彼電池相對於參考電池之所計算之相對容量可用於控制充電平衡電路以平衡電池。
在實施例中，為了補償多個電池中之電池的電壓量測誤差，電池監控模組進一步經組配以：分析電池隨時間推移之經監控電壓讀數以在電池自V1 (電池A)充電朝向V2 (電池A)時識別已知在已知電壓Vf 下在與電池A相同類型之鋰硫電池之充電特徵曲線中出現之電壓曲線特徵之所量測之觀測電壓Vm ；以及將電池之電壓量測誤差𝑉𝑒 計算為𝑉𝑚 −𝑉𝑓 。藉由判定已知在給定電壓下出現之充電曲線中之特徵之所量測電壓，可校準及移除電池之任何電壓量測誤差，此允許較準確充電及電池中相對容量差異之較小劣化。
在實施例中，電池監控模組經組配以在多個電池中之電池之經監控電壓讀數中識別對應於在V1 與V2 之間的已知電壓𝑉𝑓 下已知(經由測試鋰硫電池)在充電特徵曲線中出現之充電曲線特徵的所量測觀測電壓𝑉𝑚 。
在實施例中，充電曲線之已知特徵為反曲點，且為了在多個電池中之電池之經監控電壓讀數中識別對應於反曲點之所量測觀測電壓，電池監控模組經組配以：記錄時戳，在該等時戳處隨著𝑑𝑉/𝑑𝑡在反曲之任一側增大及減小，電池之經監控電壓之變化速率𝑑𝑉/𝑑𝑡達至一組給定值；評估時間，在該時間處出現對應於𝑑𝑉/𝑑𝑡之不斷增大及減小值的時戳之間的中點；以及評估在中點時間處所觀測到的經監控電壓以作為反曲點之經監控觀測電壓。
在實施例中，電池監控模組經組配以在電池之經監控電壓讀數中識別對應於𝑑2 𝑉/𝑑𝑡2 處於最大值的點之所量測觀測電壓，該點已知(經由測試鋰硫電池)在V1 與V2 之間的已知電壓下在充電特徵曲線中出現。
在實施例中，電池監控模組經組配以基於任何觀測到的電壓量測誤差Ve 調節在T2 (電池A)處之充電容量計算值以獲得電池之實際充電容量。
在實施例中，電池監控模組進一步經組配以：基於電池之任何觀測到的電壓量測誤差Ve 校正彼電池之經監控電壓值。
在實施例中，設備進一步包含電池平衡控制模組，其用於跨越多個電池平衡充電量，電池平衡控制模組耦接至電池平衡電路，該電池平衡電路可由電池平衡控制模組操作以主動地或被動地調節電池中之一或多者之間的相對充電量；電池平衡控制模組亦耦接至電池監控模組且經組配以：基於以下各者中之一或多者而控制在恆定電流充電過程中或在放電過程中電池平衡電路之操作以使得多個電池之充電狀態較為平衡：自電池監控模組所接收到的指示多個電池之間的相對容量差異之量度的一或多個值；以及自電池監控模組所接收到的一或多個值，指示在最高充電量下電池中之一或多者之SOC變化程度。藉由提供以此方式控制電池平衡電路之電池平衡控制模組，設備可平衡多個Li-S電池以使其操作均衡，延長其壽命且在使用中自其提取更大容量。一旦相對容量及/或充電狀態已知，各種充電平衡方案就為可能的。
在實施例中，為了使得電池較為平衡，電池平衡控制模組及電池平衡電路經組配以共同：在恆定電流充電過程期間，暫停充電過程以使得基於藉由電池監控模組所計算之時間段而自最強電池汲取相對電荷量，因此多個電池均匹配最弱電池；以及接著重新開始充電以使所有電池充滿。
在實施例中，為了使得電池較為平衡，電池平衡控制模組及電池平衡電路經組配以共同：在儲存狀態期間，在經延長時間段內將已知數量之電荷自電池中之一或多者分流至其他電池以使多個電池之充電狀態均衡。
在實施例中，為了使得電池較為平衡，電池平衡控制模組及電池平衡電路經組配以共同：在放電過程期間，將已知數量之電荷自電池中之一或多者分流至其他電池以使多個電池之充電狀態均衡。
在實施例中，若由於電壓量測誤差由電池監控模組判定已經達至最高充電電壓，則電池平衡控制模組及電池平衡電路經組配以共同：繼續充電過程持續『過度充電』週期以允許電池達至實際100%充電狀態。
在實施例中，設備進一步包含一或多個處理器及儲存指令之電腦可讀媒體，該等指令在由處理器中之一或多者執行時致使一或多個處理器實施上文所揭示之設備及實施例中之計時器、電壓監控模組、電池監控模組及電池平衡控制模組中之一或多者。
在實施例中，設備進一步包含電壓監控電路，其經組配以量測串聯配置之鋰硫電池中之每一者的壓降且將指示該等所量測之壓降之信號提供至該電壓監控模組。
根據另一態樣，本發明提供一種電池組管理系統，其包含多個鋰硫電池或用於耦接至多個鋰硫電池之能量系統控制器，包含：根據上述態樣及實施例的經配置以監控至少兩個電池之間的相對容量及充電狀態且使得電池較為平衡的設備。
根據另一態樣，本發明提供儲存指令之電腦可讀媒體，該等指令在由用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態之設備之一或多個處理器執行時致使一或多個處理器實施根據上述態樣及實施例之設備之計時器、電壓監控模組、電池監控模組及電池平衡控制模組中之一或多者。
根據另一態樣，本發明提供一種方法，其用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態，包含：基於自電壓監控電路所接收到的信號而監控串聯配置之該等鋰硫電池或電池模組中之每一者的電壓；以及在恆定電流下充電該等電池之充電循環期間：記錄時戳T1 (電池A)，在該時戳處在充電中領先之第一電池，電池A，之經監控電壓隨著經監控電壓之變化速率可量測地增大而達至設定為接近最高充電量之第一電壓V1 (電池A)；記錄時戳T1 (電池B)，在該時戳處在充電中跟隨之電池B之經監控電壓達至第一電壓V1 (電池A)；記錄時戳T2 (電池A)，在該時戳處該領先電池A之經監控電壓達至設定為實質上在認可最高充電量下之第二電壓V2 (電池A)；記錄該跟隨電池B在T2 (電池A)處之經監控電壓V2 (電池B)；以及至少基於T1 (電池A)、T1 (電池B)、V2 (電池A)及V2 (電池B)而判定指示電池A與電池B之間的相對容量差異或相對充電狀態之變化之量度。
根據第一態樣實施於設備之實施例中的上述視情況選用之特徵亦應被認為揭示於本文中作為根據上述方法之實施例而實行之視情況選用之步驟。
現將參看圖1，圖1展示用於監控電池堆疊中串聯連接之多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之設備100之示意性說明。在此狀況下，電池堆疊120包括串聯連接之至少最初具有等效額定容量之理論上相同的電池121A、121B及121C以在放電循環中藉由轉換儲存在電池中之電化學能量而將電荷提供至負載(未展示)，及在恆定電流充電循環中儲存電荷。在替代實施例中，可在電池堆疊中提供多於或少於三個Li-S電池，且可將電池中之一或多者提供作為個別電化學電池或作為包含多於一個並聯連接之電池的電池模組。
用於監控電池堆疊120中串聯連接之多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之設備100包含微控制器110，其實施進行如下文關於圖7所描述之監控、處理及控制的一或多個邏輯模組。微控制器110藉由包含多個電壓監控器131A、131B、131C之電壓監控電路130而耦接至電池堆疊120中之電池，電壓監控器各自具有輸出指示跨越電池堆疊之經量測電池之壓降的類比電壓信號的比較器。各電壓監控器131A、131B、131C經組配以量測跨越其各別鋰硫電池或電池模組之壓降，及分別在輸入埠111A、111B及111C處將指示該所量測之壓降之信號提供至該微控制器110。電壓監控電路130及/或電池堆疊120可被提供作為用於監控多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之設備100之部分。或者，電壓監控電路130及/或電池堆疊120可經省略，且用於監控多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之設備100可包含不存在此等特徵之微處理器。舉例而言，設備100可被提供作為能量系統控制器之部分，經組配以與Li-S電池堆疊、電壓監控電路及充電平衡電路耦接以監控電池之間的相對容量及充電狀態且控制充電平衡電路以使該等電池均衡。
在實施例中，用於監控多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之設備100由微控制器110構成。在替代實施例中，可提供任何其他合適之資料處理構件而非微控制器110以實施體現本發明之態樣的邏輯模組。舉例而言，邏輯模組可藉由通用微處理器實施，諸如經組配以在儲存在電腦可讀媒體(諸如，快閃RAM)中之指令的程式控制下操作之CPU。
微控制器110或在其他實施例中之另一者(經適當組態之數據處理設備)提供計時器112、電壓監控模組113、電池監控模組114及電池平衡控制模組115。可藉由在儲存在RAM116中用於實體化邏輯模組之相關韌體之程式控制下操作微控制器110而在微控制器110之RAM116中使電壓監控模組113、電池監控模組114及電池平衡控制模組115實體化。
計時器112經組配以輸出經過時間之指示，且可藉由軟體或使用電子振盪器(諸如，基於石英之電子計時器)而實施於微控制器110中。
寬泛地說，電壓監控模組113經組配以基於在微控制器之埠111A、111B、111C處自電壓監控電路130所接收到的信號而監控跨越串聯配置之鋰硫電池或電池模組中之每一者的壓降。通常，電壓監控模組113為實施於微控制器110中之邏輯組件，其經組配以將藉由作為微控制器之部分提供之類比/數位轉換器(ADC)(未展示)所量化的在輸入埠111A、111B、111C處所接收到的類比電壓信號之數位表示接收作為輸入。舉例而言，微控制器可使用12位元ADC轉換所接收到的電壓信號，對於高達2.35 V之認可最高充電量值之一系列量測電壓，此將導致電壓監控模組113具有約0.6mV之量測解析度。
電池監控模組114耦接至計時器112及電壓監控模組113且經組配以在恆定電流(如Li-S電池通常所處之電流)下充電Li-S電池之充電循環期間判定指示電池之間的相對容量差異之量度。電池監控模組114亦可經組配以判定電池之放電程度或充電狀態，及/或判定電池之電壓量測誤差(例如歸因於電壓監控電路130)。
電池平衡控制模組115用於跨越電池堆疊120中之多個電池平衡充電量。電池平衡控制模組115耦接至電池平衡電路(未展示)，電池平衡電路可由電池平衡控制模組115(直接或間接)操作以主動地或被動地調節電池中之一或多者之間的相對充電量。
現將參看圖7，圖7為說明由設備100進行之用於監控實施例中的電池堆疊中串聯連接之多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態的方法700之程序流程圖。
首先，在步驟701中，在恆定電流充電循環開始處，計時器112可經重置或充電循環之開始時間被記錄為時戳t0 ，同時電壓監控模組113監控堆疊120中電池中之每一者之電壓。
接著，在步驟702中，電池監控模組114針對各電池記錄時戳T1 (電池121A、電池121B…)，在該時戳處彼電池之經監控電壓達至V1 。V1 經選擇為接近Li-S電池之認可最高充電量(其在V2 下)之給定百分比的電壓。V1 及V2 兩者皆被選取在Li-S電池之充電之第二階段內，其中電壓之變化速率可量測地增大。在本文中所闡明之實例中，V1 經選取為2.30V且V2 經選取為2.35V。然而，在替代實施例中，可對於此分析選擇不同的適當電池電壓。
接著，當經監控之電池堆疊之第一電池達至充電結束(亦即V2 )時，電池監控模組114記錄另一時戳T2 。同時，電池監控模組114亦記錄其他電池在T2 處之經監控電壓。
因此，一旦所有電池均已達至第一電壓V1 (其對於各電池均相同(亦即，2.30V))，電池監控模組114已記錄電池各自達至V1 的不同時間T1 (121A)、T1 (121B)、T1 (121C)。接著，當第一或『領先』電池已達至認可最高充電電壓時，電池監控模組114記錄戳記T2 (其對於各電池均相同)，且記錄各電池之經監控電池電壓，亦即V2 (121A)、V2 (121B)、V2 (121C)，該等電壓對於各電池可不同。
電池監控模組114接著將此等時戳及經監控電池電壓傳送至電池監控模組114。
圖2為對於具有C/10之充電速率的恆定電流充電循環，由電池監控模組114監控之單個電池121A之電池電壓相對於如由計時器112給定之充電時間的曲線。正常地，當電池達至2.35V之最高充電電壓時，充電過程停止。然而，在圖2中，展示在過度充電週期期間之電壓以用於說明。
電池121A根據彼電池類型之額定容量操作。圖2說明時間T1 、T2 ，在該等時間處電池121A達至電壓V1 =2.30V及V2 =2.35V。即，時間T2 (在此處電池121A達至V2 =2.35V)經量測為距T0 670分鐘。
標稱地，在C/10充電速率下，完全耗乏之電池組的預期充電時間將為10小時(亦即，600分鐘)。實際上，電池將呈現延長充電週期之非完美的充電效率。在圖2中，對於此實例，至2.35V(V2 )之充電持續時間為670min(假定T0 係始於完全放電)，此產生600/670或89.5%的充電效率。
考慮充電效率，意欲V2 經選取為充電結束電壓，其在此實例中設定為2.35V；且V1 經選取為充電狀態將為95%時之標稱電壓點，其在此實例中為2.30V。因此，V1 與V2 之間的標稱充電持續時間為33.5min(亦即，670*0.05)。此由所量測電壓V1 (電池121A)=2.30V之時間為636.5min(亦即，670*0.95)確認。
因此，考慮充電狀態(SOC)之此時間表示，1% SOC因此表示10mV量測解析度或6.7分鐘充電持續時間，且充電1分鐘等於提高1.49mV電池電壓。由於量測係參考時間，因此電壓量測之絕對準確度為不重要的，且所有電壓因此為相對的。
接著：在步驟703中，電池監控模組114判定電池之間的相對容量差異；在步驟704中，電池監控模組114判定電池之相對放電程度；以及在步驟205中，判定電池之電壓量測誤差。
因此判定在2.30 V與2.35 V之間充電時此等差異對時戳及電池之相關量測電壓之影響以分攤其影響。對此等因素中之每一者之效應之說明展示於圖3、圖4及圖5中。然而，應注意，圖2至圖4中所展示之電池121B、121C及121D之充電曲線之表示並非基於真實資料，而是經呈現以說明電池中容量損失、充電狀態之差異及量測誤差的經誇示影響。
相對容量差異之影響說明在圖3中。在此，電池121B之C/10恆定電流充電過程之電壓曲線與電池121A之充電曲線相鄰標繪。可以看出，電池121B領先於電池121A。此可由於在前一放電循環中電池121B相較於電池121A經歷較大放電深度及/或由於電池121B已損失一些額定容量且因此相較於電池121A較迅速地充電至100% SOC。然而，基於對圖3之仔細檢查，可以看出，電池121B充電跨越自2.30V至2.35V之電壓增量所花費之時間小於電池121A充電跨越相同電壓增量所花費之時間。此係由於電池121B相較於電池121A較快自95%充電至100% SOC，且所以電池121B因而已經歷一些容量損失。當此跨越電壓增量之充電持續時間差異存在時，此指示電池之間的相對容量差異。
相比而言，在圖4中，電池121C充電跨越自2.30V至2.35V之電壓增量所花費之時間與電池121A充電跨越相同電壓增量所花費之時間相同。在此狀況下，由於電池121A相較於電池121C經歷較低放電深度，因此電池121C領先於電池121A。因此，當跨越電壓增量之充電持續時間差異不存在，但一個電池領先於另一電池時，此指示電池之間的相對充電狀態差異。
在圖5中，電池121D及121A具有相同容量(由於其充電跨越自2.30V至2.35V之電壓增量之持續時間相同)，且其似乎同時達至2.35V下的最高充電量。因此，其似乎將具有相同充電狀態。實際上，歸因於電池121A具有相對低的充電狀態，電池121D實際上領先於電池121A。然而，因被電池121D具有電壓量測誤差掩蓋，電池121A與電池121D同時達至2.35V，所以這一事實並不明顯。電池監控模組114可藉由判定在電池121A及121D之曲線中在什麼電壓下Li-S電池之充電曲線之特徵出現而辨別此電壓量測誤差之存在或不存在，其中彼特徵已知在給定電壓下出現。舉例而言，在Li-S電池中，已發現充電之第二階段中之反曲點(在該反曲點處電壓之變化速率達至其峰值中心且再次開始減小)在大約2.33V至2.34V之電壓(其在相同額定電池之間恆定)下出現。因此，藉由判定電池121A及121D之電壓變化速率達至其峰值的電壓之間是否存在差異，可確定電池之電壓量測誤差之存在或不存在。
此可以在圖6中看出，圖6標繪在第二充電階段中電壓之變化速率(dV/dT)之量測值。可以看出，dV/dT處於其最大值之週期可橫跨若干分鐘，關於大約1%至2%之容量。為了獲得此參考特徵之較準確電壓，電壓監控模組可經組配以在dV/dT之速率逐漸增大時及同樣在dV/dT逐漸減小時取得時戳，使得在峰值之任一側上之類似點處，可判定中點時間值。即，可判定時間T3 及T4 ，其中dV/dT(T3 )=-dV/dT(T4 )。可判定中點時間值Tf ，其中Tf =T3 +(T4 -T3 )/2。在此量測時間值Tf 處之電壓可與其他(或額定)電池之該量測值處之電壓相比，且可識別及校準任何電壓量測誤差。或者，不同電池之間的此已知特徵之量測時間值Tf 之間的差異為各電池達至已知充電點(發生於大約97%)之差異。儘管可單獨使用此方法以判定此時間差異，但歸因於容量差異或充電狀態差異，其無法單獨辨別一個電池是否領先於另一電池。
儘管如此，藉由知曉電池應已達至97%之時間(牢記此均相對於其他電池)及基於T1及T2之經計算時間，兩者之間的任何偏差可歸因於電壓量測誤差，且因此可計算基於Tf 的與其他電池相比之實際充電狀態。可接著基於先前計算(方法1)之相對容量而判定電池平衡程度。
要在充電曲線中識別之替代特徵將為電壓相對於時間之二階導數達至最大值的點，由於此為同樣在電池間恆定之穩定電壓下出現之更明確的點。
藉由此等方法中之任一者，對充電參考點之比較將判定哪些電池已首先達至已知標記及領先了多少，從而允許在必要時施加平衡。
為了實施上述各者，特定言之，在步驟703中，電池監控模組114判定指示電池之間的相對容量差異之量度。為此，電池監控模組114使用以下方程式計算電池A與電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的相對時間差異：其中為在電壓增量內dV/dt之認可值，其為當在與電池B相同的充電速率及充電效率下充電時，對應於電池A之類型的額定鋰硫電池之自電壓V1 至電壓V2 之隨時間推移之平均電壓變化速率。或者，在電壓增量內dV/dt之認可值經計算為電池A或電池B在彼電池之T1 與T2 之間隨時間推移之經量測之平均電壓變化速率。電池A與電池B之間的相對容量之上述時間差異量度可藉由將其除以電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的電壓增量之持續時間而轉換成百分比相對容量，亦即：在步驟704中，電池監控模組114藉由計算以下方程式而判定電池B在T2 (電池A)處之相對放電程度：
在步驟705中，電池監控模組114將電池之電壓量測誤差𝑉𝑒 判定為𝑉𝑚 −𝑉𝑓 ，其中𝑉𝑚 為對應於經由測試鋰硫電池而已知在V1 與V2 之間的已知電壓𝑉𝑓 下在充電特徵曲線中出現之充電曲線之特徵的經量測觀測電壓。
當充電曲線之已知特徵為反曲點時，為了在多個電池中之電池之經監控電壓讀數中識別對應於充電曲線之反曲點的經量測觀測電壓𝑉𝑚 ，電池監控模組114記錄時戳，在該等時戳處隨著𝑑𝑉/𝑑𝑡在反曲之任一側增大及減小，電池𝑑𝑉/𝑑𝑡之經監控電壓之變化速率達至一組給定值。電池監控模組114接著將對應於𝑑𝑉/𝑑𝑡之不斷增大及減小值的時戳之間的中點出現的時間評估為𝑉𝑚 。
或者，電池監控模組114經組配以在電池之經監控電壓讀數中識別對應於𝑑2 𝑉/𝑑𝑡2 處於最大值之點的經量測觀測電壓𝑉𝑚 。
接著，在步驟706中，上述方程式之輸出可用於控制電池平衡電路以平衡電池。藉由算出所有串聯電池之相對容量的差異，可計算各電池所需要之容量平衡程度。電池平衡控制模組115可接收電池監控模組之輸出且控制電池平衡電路，電池平衡電路可操作被動及/或主動方案以平衡電池，平衡可在儲存、放電或充電(在2.30V臨限值之前)中的任何時間處進行。最低容量電池應首先達至充電結束電壓，若並非如此，則領先於其的所有電池均需要平衡。
可藉由實施可基於以下各者中之任一者的充電校正方案而實現電池平衡： 1) 暫停充電過程，因此可自最強電池汲取相對電荷量，因此該等電池均匹配最弱電池，且充電接著重新開始以使所有電池充滿(可使用主動或被動平衡技術，但在所計算之時間段中而非基於電壓量測使電流分流)。 2) 可在儲存狀態期間藉由在經延長時間段內自各電池分流已知數量之電荷而使充電均衡。 3) 在放電過程期間之充電均衡。電流分流可藉由在已知週期內應用電荷分流技術以分流所需數量之電荷而在放電期間進行。 4) 若由於電壓量測誤差已達至充電結束點(參見以下實例1，(電池121A))，則可施加『過度充電』週期以允許達至實際100%充電狀態。
如現將關於三個樣例展示，藉由使用上述技術，電池監控模組114基於時戳及由電池監控模組113傳送至其的電壓判定電池之間存在相對容量差異及相對充電狀態差異的程度，同時校準任何量測誤差之影響。
此等樣例中所呈現之資料係針對一組Li-S電池121A、121B、121C及121D，其以C/10之恆定電流充電速率充電。 實例1-量測誤差
電池121A為領先電池且經量測以在T1 =636.5min處達至V1 及在T2 =670min處達至V2 (在V2 下認可其具有100% SOC)。
在643.2min之後電池121B達至T1 且在T2 處具有2.34V之量測電壓V2 。 相對容量可經算出為(其中對於電池A及電池B之類型之額定電池，在V1 與V2 之間的電壓變化速率為每分鐘1.49mV)：
因此，根本不存在時間差異。不具有差異指示雖然充電終止電壓不同，但容量仍匹配。
終止電壓之此差異之原因可歸因於電池121B之相對較深放電。然而，自分析dV/dt(電池121A比電池121B早6.7分鐘(亦即，1% SOC)達至其dV/dt峰值之中點)識別出實際原因。此指示在此處量測電池121A之電壓時的+10mV誤差。因此，雖然電池121A將已經達至終止電壓V2 ，但由於+10mV誤差，電池將展示100%但具有實際99%之充電容量。
在以上實例中，雖然在一個電池中存在量測誤差，但可證明電池具有相同容量且因此並不需要平衡。然而，充電過程可接著繼續以將電池121A及121B兩者充電至100% SOC。 實例2-相對充電狀態
電池121C在649.9min之後達至T1 ，且在T2 處具有2.33V之量測電壓V2 ，接著其被如上計算為具有相對於電池121A之如下相對容量差異：
同樣，根本不存在時間差異。不具有差異同樣指示雖然充電終止電壓不同，但容量仍匹配。 實際上，使用上述量測結果計算相較於額定電池之效能的電池121B之充電狀態，從而產生如下結果：
由於V2 下之20mV差異等於2% SOC，因此此為合理的。然而，自分析電池121C之dV/dt達至其dV/dt峰值之中點時的電壓，發現電池121C存在-5mV量測誤差，使得在T2 處之其實際電壓為2.335mV。重複電池121B的SOC之相對於額定電池的上述計算產生如下實際充電狀態：
因此，電池121C與電池A及B具有相同容量，但已經受較高自行放電，且因此將需要平衡以使得電池變為相同SOC。 實例3-相對容量差異
在此實例中，電池121D(未展示)在T1 =633.3分鐘之後達至V1 =2.30V且在T2 =666.6分鐘處達至V2 =2.35V且因此在此實例中為領先電池。
電池121A接著如前所述在T1 =636.5min處達至V1 =2.30V，但在T2 =666.6分鐘處電池121A達至V2 =2.345V。
接著電池121D被如上計算為具有相對於電池121A之如下相對容量差異：
因此，存在藉由上述量度所說明的電池121A與電池121D之間的容量差異，其展示預計電池121A比電池121D多花費9秒以在2.30V至2.35V之電壓增量中充電。
出於說明，將此轉換成相對容量量測值，
因此，電池121D與其他電池相比實際上具有0.5%之經降低容量。因此，需要平衡電池以確保電池121D不被過度充電且與其他電池一致。
因此，根據上文應顯而易見，有可能藉由監控電池電壓、電池達至某些電壓的時間及充電曲線達至已知在給定電壓下出現之某些特徵的時間而準確地判定Li-S電池之相對容量差異、充電狀態差異及量測誤差。此允許甚至在電壓量測之準確度相對低時仍可執行有效Li-S電池堆疊平衡。實際上，以上實例假定電壓量測之偏移誤差，倘若給定12位元ADC之0.6mV解析度，可緩解與電壓量測相關聯之任何偏移誤差。另外，在50mV範圍內之ADC線性及增益誤差將約為0.1LSB且因此亦經緩解，從而留下0.6mV之LSB讀取誤差(約0.3%相對SOC誤差，可能經由時間平均化過程而降低)。時序誤差亦將不顯著。應注意，將必須考慮任何量測電路之增益誤差，但其在經測試之範圍內不大可能具有顯著影響。
上述方法亦允許藉由監控領先電池之T1與T2之間的時間差而監控及追蹤Li-S電池自一個充電循環至另一充電循環之相對特性及充電效能。因此，電池之容量降低及其相對容量及放電深度可隨時間推移經監控且在充電平衡過程中經補償。
另外，上述方法允許藉由允許『過度充電』而執行充電平衡。即，若認可一電池與另一電池具有相同容量，但該電池首先達至其充電結束(EOC)電壓，則有可能允許對彼電池之『過度充電』，尤其若dv/dt反曲點用作所有電池之容量比較標記的話。若時戳指示電池A與電池B具有相同容量，但電池A在電池B之前按比例達至其反曲點及EOC點，則可合理地假定電池A可在等於電池A及電池B達至其反曲點之間的時間差異的週期中越過EOC繼續充電。
100‧‧‧設備
110‧‧‧微控制器
111A、111B、111C‧‧‧埠/輸入埠
112‧‧‧計時器
113‧‧‧電壓監控模組
114‧‧‧電池監控模組
115‧‧‧電池平衡控制模組
116‧‧‧RAM
120‧‧‧電池堆疊
121A、121B、121C、121D‧‧‧電池
130‧‧‧電壓監控電路
131A、131B、131C‧‧‧電壓監控器
700‧‧‧方法
701、702、703、704、705、706‧‧‧步驟
現將僅藉助於實例描述本發明之態樣之某些實施例，其中： 圖1為根據一實施例的用於監控電池堆疊中串聯連接之多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之設備100之示意性說明； 圖2為對於具有C/10之充電速率的恆定電流充電循環單個Li-S電池之電池電壓相對於充電時間之實例曲線； 圖3為C/10恆定電流充電過程之電壓曲線，其說明容量損失對與圖2中所展示之電池之充電曲線相鄰標繪的電池之充電曲線之影響； 圖4為C/10恆定電流充電過程之電壓曲線，其說明較大放電深度對與圖2中所展示之電池之充電曲線相鄰標繪的電池之充電曲線之影響； 圖5為C/10恆定電流充電過程之電壓曲線，其說明電壓量測誤差對與圖2中所展示之電池之充電曲線相鄰標繪的電池之充電曲線之影響； 圖6展示用於在Li-S電池充電之第二階段中識別dV/dt之峰值之中心的時戳方法；以及 圖7展示用於實施根據一實施例的用於監控電池堆疊中串聯連接之多個鋰硫電池之間的相對容量及充電狀態之方法的程序流程圖。
100‧‧‧設備
110‧‧‧微控制器
111A、111B、111C‧‧‧埠/輸入埠
112‧‧‧計時器
113‧‧‧電壓監控模組
114‧‧‧電池監控模組
115‧‧‧電池平衡控制模組
116‧‧‧RAM
120‧‧‧電池堆疊
121A、121B、121C‧‧‧電池
130‧‧‧電壓監控電路
131A、131B、131C‧‧‧電壓監控器

Claims (47)

  1. 一種設備，其用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態，其包含： 一計時器； 一電壓監控模組，其經組配以基於自一電壓監控電路所接收到的信號監控串聯配置之該等鋰硫電池或電池模組中之每一者的一壓降；以及 一電池監控模組，其耦接至該計時器及該電壓監控模組且經組配以在一恆定電流下充電該等電池之一充電循環期間： 記錄一時戳T1 (電池A)，在該時戳處在該充電中領先之第一電池，電池A之經監控電壓隨著經監控電壓之變化速率可量測地增大而達至設定為接近最高充電量之一第一電壓V1 (電池A)； 記錄一時戳T1 (電池B)，在該時戳處在該充電中跟隨之該電池B之經監控電壓達至該第一電壓V1 (電池A)； 記錄一時戳T2 (電池A)，在該時戳處該領先電池A之經監控電壓達至設定為實質上在一認可最高充電量下之一第二電壓V2 (電池A)； 記錄該跟隨電池B在T2 (電池A)處之一經監控電壓V2 (電池B)；以及 至少基於T1 (電池A)、T1 (電池B)、V2 (電池A)及V2 (電池B)而判定指示電池A與電池B之間的一相對容量差異之一量度。
  2. 如請求項1之設備，其中該電池監控模組進一步經組配以判定電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的電壓增量之持續時間與電池B充電跨越相同電壓增量的所計劃之持續時間之間的一相對時間差異，作為指示電池A與電池B之間的一相對容量差異之該量度。
  3. 如請求項2之設備，其中該電池監控模組經組配以使用以下方程式計算電池A與電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的該相對時間差異：其中為在該電壓增量內dV/dt之一認可值。
  4. 如請求項3之設備，其中在該電壓增量內dV/dt之該認可值經計算為當在與電池B相同的充電速率及充電效率下充電時對應於電池A之類型之一額定鋰硫電池自電壓V1 至電壓V2 之隨時間推移之平均電壓變化速率。
  5. 如請求項3之設備，其中在該電壓增量內dV/dt之該認可值經計算為電池A或電池B在彼電池之T1 與T2 之間隨時間推移之所量測之平均電壓變化速率。
  6. 4或5中任一項之設備，其中該電池監控模組進一步經組配以計算電池A與電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的該相對時間差異除以電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的電壓增量之持續時間，以獲得電池A與電池B之間的一相對容量差異，亦即：。
  7. 如前述請求項中任一項之設備，其中該電池監控模組進一步經組配以考慮充電效率而對於串聯連接之該等多個鋰硫電池中之每一者判定指示電池之間的一相對容量差異之該量度，該充電效率經計算為在時間段T1 至T2 內預期容量及所量測充電量之一函數。
  8. 如前述請求項中任一項之設備，其中該電池監控模組進一步經組配以藉由計算以下方程式而判定該等電池中之一電池𝑥在T2 (電池A)處之一放電程度或相對SOC：。
  9. 如前述請求項中任一項之設備，其中，為了補償該等多個電池中之一電池之電壓量測誤差，該電池監控模組進一步經組配以： 分析該電池隨時間推移之經監控電壓讀數以當該電池自V1 (電池A)充電朝向V2 (電池A)時識別已知在一已知電壓Vf 下在與電池A相同類型之鋰硫電池之充電特徵曲線中出現之電壓曲線之一特徵之一所量測觀測電壓Vm ；以及 將電池之一電壓量測誤差𝑉𝑒 計算為𝑉𝑚 −𝑉𝑓 。
  10. 如請求項9之設備，其中該電池監控模組經組配以在該等多個電池中之一電池之經監控電壓讀數中識別對應於經由測試該等鋰硫電池已知在V1 與V2 之間的一已知電壓𝑉𝑓 處在該充電特徵曲線中出現之充電曲線之一特徵的一所量測觀測電壓𝑉𝑚 。
  11. 如請求項10之設備，其中該充電曲線之該已知特徵為一反曲點，且其中為了在該等多個電池中之一電池之經監控電壓讀數中識別對應於該充電曲線之該反曲點的一所量測觀測電壓，該電池監控模組經組配以： 記錄時戳，在該等時戳處隨著𝑑𝑉/𝑑𝑡在該反曲之任一側增大及減小，該電池之經監控電壓之變化速率𝑑𝑉/𝑑𝑡達至一組給定值； 評估一時間，在該時間處出現對應於𝑑𝑉/𝑑𝑡之該等不斷增大及減小值的該等時戳之間的一中點；以及 評估在該中點時間處所觀測到的一經監控電壓以作為該反曲點之一經監控觀測電壓。
  12. 如請求項9之設備，其中該電池監控模組經組配以在該電池之經監控電壓讀數中識別對應於𝑑2 𝑉/𝑑𝑡2 處於一最大值的點之一量測觀測電壓，經由測試該等鋰硫電池，該點已知在V1 與V2 之間的一已知電壓下在該充電特徵曲線中出現。
  13. 如請求項8及如請求項9至12中任一項之設備，該電池監控模組經組配以基於任何觀測到的電壓量測誤差Ve 調節在T2 (電池A)處之充電容量計算值以獲得該電池之一實際充電容量。
  14. 如請求項9至13中任一項之設備，其中該電池監控模組進一步經組配以基於一電池之任何觀測到的電壓量測誤差Ve 而校正彼電池之經監控電壓值。
  15. 如前述請求項中任一項之設備，其進一步包含一電池平衡控制模組，其用於平衡多個該等電池之一充電，該電池平衡控制模組耦接至一電池平衡電路，該電池平衡電路可由該電池平衡控制模組操作以主動地或被動地調節該等電池中之一或多者之間的相對充電，該電池平衡控制模組亦耦接至該電池監控模組且經組配以： 基於以下各者中之一或多者控制在一恆定電流充電過程中或在一放電過程中該電池平衡電路之操作以使得跨越多個該等電池之充電狀態較為平衡： 自該電池監控模組所接收到的指示多個該等電池之間的一或多個相對容量差異之一量度的一或多個值；以及 自該電池監控模組所接收到的一或多個值，指示該等電池中之一或多者在最高充電量下之一SOC變化程度。
  16. 如請求項15之設備，其中為了使得該等電池較為平衡，該電池平衡控制模組及該電池平衡電路經組配以共同： 在一恆定電流充電過程期間，暫停該充電過程以使得基於藉由該電池監控模組所計算之一時間段而自最強電池汲取一相對電荷量，因此多個該等電池均匹配最弱電池；以及接著 重新開始充電以使所有該等電池充滿。
  17. 如請求項15或16之設備，其中為了使得該等電池較為平衡，該電池平衡控制模組及該電池平衡電路經組配以共同： 在一儲存狀態期間，在一經延長時間段內將一已知數量之電荷自該等電池中之一或多者分流至其他電池以使多個該等電池之充電狀態均衡。
  18. 如請求項15、16或17之設備，其中為了使得該等電池較為平衡，該電池平衡控制模組及該電池平衡電路經組配以共同： 在該放電過程期間，將一已知數量之電荷自該等電池中之一或多者分流至其他電池以使多個該等電池之充電狀態均衡。
  19. 如請求項15至18中任一項之設備，其中若由於電壓量測誤差由該電池監控模組判定已經達至最高充電電壓，則該電池平衡控制模組及該電池平衡電路經組配以共同： 繼續一充電過程持續一『過度充電』週期以允許該等電池達至一實際100%充電狀態。
  20. 如前述請求項中任一項之設備，其進一步包含一或多個處理器及儲存指令之電腦可讀媒體，該等指令在由該等處理器中之一或多者執行時致使該一或多個處理器實施如請求項1至19中任一項之該設備之該計時器、該電壓監控模組、該電池監控模組及該電池平衡控制模組中之一或多者。
  21. 如前述請求項中任一項之設備，其進一步包含一電壓監控電路，該電壓監控電路經組配以量測串聯配置之該等鋰硫電池中之每一者的一壓降且將指示該等所量測之壓降之信號提供至該電壓監控模組。
  22. 一種電池組管理系統，其包含多個鋰硫電池或用於耦接至多個鋰硫電池之能量系統控制器，包含： 經配置以監控至少兩個電池之間的相對容量及充電狀態且使得該等電池較為平衡的如請求項1至21中任一項之設備。
  23. 一種儲存指令之電腦可讀媒體，該等指令在由用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態之一設備之一或多個處理器執行時致使該一或多個處理器實施如請求項1至19中任一項之該設備之該計時器、該電壓監控模組、該電池監控模組及該電池平衡控制模組中之一或多者。
  24. 一種方法，其用於監控串聯配置之多個鋰硫電池中之至少兩個電池或電池模組A及B之間的相對容量及充電狀態，其包含： 基於自一電壓監控電路所接收到的信號監控串聯配置之該等鋰硫電池或電池模組中之每一者的一電壓；以及 在一恆定電流下充電該等電池之一充電循環期間： 記錄一時戳T1 (電池A)，在該時戳處隨著經監控電壓之變化速率可量測地增大，在該充電中領先之第一電池，電池A，之經監控電壓達至設定為接近最高充電量之一第一電壓V1 (電池A)；記錄一時戳T1 (電池B)，在該時戳處在該充電中跟隨之該電池B之經監控電壓達至該第一電壓V1 (電池A)； 記錄一時戳T2 (電池A)，在該時戳處該領先電池A之該經監控電壓達至設定為實質上在一認可最高充電量下之一第二電壓V2 (電池A)； 記錄該跟隨電池B在T2 (電池A)處之一經監控電壓V2 (電池B)；以及 至少基於T1 (電池A)、T1 (電池B)、V2 (電池A)及V2 (電池B)而判定指示電池A與電池B之間的一相對容量差異或相對充電狀態之變化之一量度。
  25. 如請求項24之方法，其進一步包含： 判定電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的一電壓增量之持續時間與電池B充電跨越相同電壓增量之所計劃之持續時間之間的一相對時間差異，作為指示電池A與電池B之間的一相對容量差異之該量度。
  26. 如請求項25之方法，其進一步包含： 使用以下方程式計算電池A與電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的該相對時間差異：其中為在該電壓增量內dV/dt之一認可值。
  27. 如請求項26之方法，其中在該電壓增量內dV/dt之該認可值經計算為當在與電池B相同的充電速率及充電效率下充電時對應於電池A之類型之一額定鋰硫電池之自電壓V1 至電壓V2 隨時間推移之平均電壓變化速率。
  28. 如請求項26之方法，其中在該電壓增量內dV/dt之該認可值經計算為電池A或電池B在彼電池之T1 與T2 之間隨時間推移之所量測之平均電壓變化速率。
  29. 如請求項26、27或28中任一項之方法，其進一步包含： 計算電池A與電池B充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的相同電壓增量之持續時間之間的該相對時間差異除以電池A充電跨越V1 (電池A)與V2 (電池A)之間的電壓增量之持續時間，以獲得電池A與電池B之間的一相對容量差異，亦即：。
  30. 如請求項25至29中任一項之方法，其進一步包含： 對於串聯連接之該等多個鋰硫電池中之每一者判定指示電池之間的一相對容量差異之該量度。
  31. 如請求項25至30中任一項之方法，其進一步包含： 藉由計算以下方程式判定該等電池中之一電池𝑥在T2 (電池A)處之一放電程度：。
  32. 如請求項25至31中任一項之方法，為了補償該等多個電池中一電池之電壓量測誤差，其進一步包含： 分析該電池隨時間推移之經監控電壓讀數以當該電池自V1 (電池A)充電朝向V2 (電池A)時識別已知在一已知電壓Vf 下在與電池A相同類型之鋰硫電池之充電特徵曲線中出現之電壓曲線之一特徵之一所量測觀測電壓Vm ；以及 將電池之一電壓量測誤差𝑉𝑒 計算為𝑉𝑚 −𝑉𝑓 。
  33. 如請求項32之方法，其進一步包含： 在該等多個電池中之一電池之經監控電壓讀數中識別對應於經由測試該等鋰硫電池已知在V1 與V2 之間的一已知電壓𝑉𝑓 處在該充電特徵曲線中出現之充電曲線之一特徵的一所量測觀測電壓𝑉𝑚 。
  34. 如請求項33之方法，其中充電曲線之該已知特徵為一反曲點，且其中為了在該等多個電池中之一電池之經監控電壓讀數中識別對應於該反曲點之一量測觀測電壓，該方法進一步包含： 記錄時戳，在該等時戳處隨著𝑑𝑉/𝑑𝑡在該反曲之任一側增大及減小，該電池之經監控電壓之變化速率𝑑𝑉/𝑑𝑡達至一組給定值； 評估一時間，在該時間處出現對應於𝑑𝑉/𝑑𝑡之該等不斷增大及減小值的該等時戳之間的一中點；以及 評估在該中點時間處所觀測到的一經監控電壓以作為該反曲點之一經監控觀測電壓。
  35. 如請求項32之方法，其進一步包含： 在該電池之經監控電壓讀數中識別對應於𝑑2 𝑉/d𝑡2 處於一最大值的點之一量測觀測電壓，經由測試該等鋰硫電池，該點已知在V1 與V2 之間的一已知電壓下在該充電特徵曲線中出現。
  36. 如請求項31及請求項32至35中任一項之方法，其進一步包含： 基於任何觀測到的電壓量測誤差Ve 調節在T2 (電池A)處之充電容量計算值以獲得該電池之一實際充電容量。
  37. 如請求項32至36中任一項之方法，其進一步包含： 基於一電池之任何觀測到的電壓量測誤差Ve 而校正彼電池之經監控電壓值。
  38. 如請求項25至37中任一項之方法，其進一步包含： 控制在一恆定電流充電過程中或在一放電過程中一電池平衡電路之操作，該電池平衡電路可操作以基於以下各者中之一或多者主動地或被動地調節該等電池中之一或多者之間的相對充電以使得多個該等電池之充電狀態較為平衡： 指示多個該等電池之間的一或多個相對容量差異之一量度的一或多個值；以及 指示該等電池中之一或多者在最高充電量下之一放電程度之一或多個值。
  39. 如請求項38之方法，其進一步包含： 控制在一恆定電流充電過程期間該電池平衡電路之操作以：暫停該充電過程以使得基於藉由該電池監控模組所計算之一時間段而自最強電池汲取一相對電荷量，因此多個該等電池均匹配最弱電池；以及接著重新開始充電以使所有該等電池充滿。
  40. 如請求項38或39之方法，其進一步包含： 控制在一儲存狀態期間該電池平衡電路之操作以在一經延長時間段內將一已知數量之電荷自該等電池中之一或多者分流至其他電池從而使多個該等電池之充電狀態均衡。
  41. 如請求項38、39或40之方法，其進一步包含： 控制在該放電過程期間該電池平衡電路之操作以將一已知數量之電荷自該等電池中之一或多者分流至其他電池從而使多個該等電池之充電狀態均衡。
  42. 如請求項38至41中任一項之方法，若由於電壓量測誤差由該電池監控模組判定已經達至最高充電電壓，則其進一步包含： 控制該電池平衡電路之操作以繼續一充電過程持續一『過度充電』週期從而允許該等電池達至一實際100%充電狀態。
  43. 一種實質上如上文參看附圖所描述之設備。
  44. 一種實質上如上文參看附圖所描述之電池組管理系統。
  45. 一種實質上如上文參看附圖所描述之能量系統控制器。
  46. 一種實質上如上文參看附圖所描述之電腦可讀媒體。
  47. 一種實質上如上文參看附圖所描述之方法。
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