CN105206880A - 用于修复和增大锂离子电池容量的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于修复和增大锂离子电池容量的方法。一种混合动力车辆或电动车辆包括锂离子电池和控制器。所述控制器被配置为通过电气负载将所述电池放电到小于与零荷电状态相关联的电压的预定电压，使得针对至少一个荷电状态的与所述电池的电极相关联的相对锂化程度的变化导致在电池充电容量上的增大。所述控制器可在车内或在车外。电气负载可为所述车辆的一部分或在车辆外部。

Description

用于修复和增大锂离子电池容量的方法

技术领域

本申请总体上涉及增大锂离子电池的电池充电容量。

背景技术

混合动力车辆和电动车辆依靠牵引电池来提供用于推进和附件负载的能量。牵引电池可由各种化学组分构成。牵引电池可由锂离子化合物制成。锂离子电池的特性是电池的容量随着电池老化而趋向于减小。随着时间的推移，电池可能受到反复的充电和放电循环。随着电池充电容量减小，存储在电池中的能量越少，这可能导致车辆性能上的降低。例如，电动车辆可在整个充电过程中经历较少的变动。由于汽油发动机可能需要运转更长的时间，所以混合动力车辆可经历燃料经济性上的降低。

发明内容

一种用于操作锂离子电池的方法包括：响应于电池充电容量的损耗大于预定损耗，而由控制器将电池放电到小于与零荷电状态相关联的电压的预定电压，使得针对至少一个荷电状态的与所述电池正电极和负电极相关联的相对锂化程度的变化导致在电池充电容量上的增大。所述预定电压可比零伏特大预定量。所述预定损耗可为电池寿命开始时的电池充电容量的预定百分比。用于使所述电池放电的电流实质上可小于所述电池的额定电流。所述方法还可包括：由所述控制器将电源连接到所述电池，并将所述电池充电到比与零荷电状态相关联的电压大预定量的电压。

一种车辆包括电池，所述电池包括具有相关联的正电极和负电极的多个锂离子电池单元。所述车辆包括至少一个控制器，所述控制器被配置为通过电气负载将电池放电到小于与零荷电状态相关联的电压的预定电压，使得针对至少一个荷电状态的与所述电池的所述电极相关联的相对锂化程度的变化导致在电池充电容量上的增大。车辆还可包括发动机以及连接到所述发动机的发电机，所述至少一个控制器还可被配置为：响应于所述电池的所述电压小于预定电压，而运行所述发电机和所述发动机，以对所述电池进行充电，直到所述电池的电压比与零荷电状态相关联的电压大预定量为止。车辆还可包括：将外部电压连接到所述车辆的充电端口，并且其中，所述至少一个控制器还可被配置为：操作所述外部电源，以对电池进行充电，直到所述电池的电压比与零荷电状态相关联的电压大预定量。所述充电端口可将电气负载连接到所述车辆。所述车辆还可包括：可连接到所述电池作为电气负载的电阻器、加热器、压缩机和马达中的一个或更多个。所述预定电压可比零伏特大预定量。所述至少一个控制器还可被配置为：响应于电池最大容量的损耗大于预定损耗而对所述电池进行放电。

一种用于操作锂离子电池的设备包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：将电气负载连接到所述电池，并将所述电池放电到小于与零荷电状态相关联的电压的预定电压，使得针对至少一个荷电状态的与所述电池的正电极和负电极相关联的相对锂化程度的变化导致在电池充电容量上的增大。所述设备可包括：选择性地可连接到所述电池的电力输出，且所述至少一个控制器还可被配置为：断开电气负载，将所述电力输出连接到所述电池，并使用电力输出对所述电池再充电，直到电池电压比与零荷电状态相关联的电压大预定电压为止。电气负载的阻抗可被选择，使得电流实质上小于所述锂离子电池的额定电流。所述预定电压可比零伏特大预定量。所述至少一个控制器还可被配置为：响应于电池最大容量的损耗大于预定损耗而连接所述电气负载。所述预定损耗可为电池寿命开始时的电池充电容量的预定百分比。所述至少一个荷电状态可为零荷电状态。所述至少一个控制器还可被配置为：响应于电池荷电状态小于预定荷电状态而连接电气负载。

附图说明

图1是示出了典型的动力传动***和储能组件的混合动力车辆的示图。

图2是由多个电池单元组成并由电池能量控制模块监测和控制的可能的电池包布置的示图。

图3是示出针对典型的电池单元的可能的开路电压(Voc)与电池荷电状态(SOC)的关系的曲线图。

图4是示出关于电池的开路电压的正电极与负电极的锂化程度的效果的曲线图。

图5是包括用于对连接到车辆的电池放电的电气负载的充电设备的方框图。

图6是示出用于增大电池的最大容量的可能的控制器实现的方法的流程图。

具体实施方式

在此描述了本公开的实施例。然而，应理解的是，公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用多种和替代的形式。附图不一定按比例绘制；可放大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此所公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式使用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的是，参照任一附图示出和描述的多种特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和修改可期望用于特定应用或实施。

图1描绘了典型的插电式混合动力电动车辆(HEV)。典型的插电式混合动力电动车辆12可以包括机械地连接到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14可以能够作为马达或发电机运转。另外，混合动力传动装置16机械地连接到发动机18。混合动力传动装置16还机械地连接到驱动轴20，驱动轴20机械地连接到车轮22。当发动机18开启或关闭时，电机14可以提供推进和减速能力。电机14还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动***中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济效益。通过允许发动机18以更有效的速度运转并允许混合动力电动车辆12在特定状况下随着发动机18关闭而以电动模式运转，电机14还可以减少车辆排放。

牵引电池或电池包24储存可以被电机14使用的能量。车辆电池包24通常提供高电压DC输出。牵引电池24电连接到一个或更多个电力电子模块。一个或更多个接触器42在断开时可以使牵引电池24与其它组件隔离，并在闭合时使牵引电池24连接到其它组件。电力电子模块26还电连接到电机14，并且在牵引电池24和电机14之间提供双向传输能量的能力。例如，典型的牵引电池24可提供DC电压，而电机14可能要求三相AC电流来运转。电力电子模块26可以将DC电压转换为电机14所需的三相AC电流。在再生模式下，电力电子模块26可以将来自用作发电机的电机14的三相AC电流转换为牵引电池24所需的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱，并且发动机18可以不存在。

牵引电池24除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电气***的能量。典型的***可以包括DC/DC转换器模块28，DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换为与其它车辆负载相兼容的低电压DC供应。其它高电压负载(诸如压缩机和电加热器)可以在不使用DC/DC转换器模块28的情况下，直接连接到高电压。低电压***可以电连接到辅助电池30(例如，12V电池)。

车辆12可以是电动车辆或插电式混合动力车辆，其中，牵引电池24可以通过外部电源36被再充电。外部电源36可为连接到电插座的公共电源。外部电源36可以电连接到电动车辆供应设备(EVSE)38。EVSE38可包括管理充电操作的控制器(图5的200)。EVSE38可以提供电路和控制，以调节并管理在电源36和车辆12之间的能量的传输。外部电源36可以向EVSE38提供DC电力或AC电力。EVSE38可以包括用于***到车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被构造为将电力从EVSE38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可以调节从EVSE38供应的电力，以向牵引电池24提供合适的电压电平和电流电平。电力转换模块32可与EVSE38进行接口连接，以协调向车辆12的电力传输。EVSE连接器40可具有与充电端口34的相对应的凹槽匹配的插脚。可选择地，被描述为电连接的各种组件可以使用无线感应耦合来传输电力。

一个或更多个车轮制动器44可以被提供以用于使车辆12减速并阻止车辆12的运动。车轮制动器44可以被液压致动、电致动或它们的一些组合。车轮制动器44可以是制动***50的一部分。制动***50可以包括操作车轮制动器44的其它组件。为了简洁，附图描绘了在制动***50和车轮制动器44中的一个之间的单个连接。隐含了在制动***50和其它车轮制动器44之间的连接。制动***50可以包括控制器以监测并协调制动***50。制动***50可以监测制动组件，并针对车辆减速控制车轮制动器44。制动***50可以响应于驾驶员命令，并也可以自主运行以实现诸如稳定性控制的功能。制动***50的控制器可以实现当被另一控制器或子功能请求时施加请求的制动力的方法。

一个或更多个电气负载46可被连接到高电压总线。电气负载46可具有在适当的时候操作和控制电力负载46的关联的控制器。电气负载46的示例可为加热模块或空调模块。

所讨论的各种组件可具有一个或更多个相关联的控制器，以控制并监测所述组件的运行。控制器可经由串行总线(例如，控制器局域网(CAN))或经由离散的导体进行通信。另外，可提供***控制器48来协调各种组件的运行。

牵引电池24可以由各种化学配方构建。典型的电池包化学组成可以是铅酸、镍-金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了N个电池单元72的简单串联结构的典型的牵引电池包24。然而，其它的电池包24可由以串联或并联或者它们的一些组合方式连接成的任意数量的单独的电池单元组成。典型的***可以具有一个或更多个控制器，诸如监测并控制牵引电池24的性能的电池能量控制模块(BECM)76。BECM76可以监测若干个电池包的水平特性，诸如电池包电流78、电池包电压80和电池包温度82。BECM76可以具有非易失性存储器，使得当BECM76处于断电状态时数据可以被保留。保留的数据可以在下一个点火循环时被使用。

除了测量和监控电池包的水平特性之外，还可测量和监控电池单元72的水平特性。例如，可以测量每个电池单元72的端电压、电流和温度。***可以使用传感器模块74测量电池单元72的特性。根据容量，传感器模块74可以测量一个或多个电池单元72的特性。电池包24可以利用多达N_c个传感器模块74来测量所有电池单元72的特性。每个传感器模块74可以将测量值传输到BECM76以进行进一步处理和协调。传感器模块74可以将模拟形式或数字形式的信号传输到BECM76。在一些实施例中，传感器模块74的功能可以被合并到BECM76内部。即，传感器模块74的硬件可以被集成为BECM76中的电路的一部分，并且BECM76可以处理原始信号的处理。

计算电池包24的各种特性可能是有用的。诸如电池荷电容量(也被称为电池容量)和电池荷电状态的量对于控制电池包24和从电池包接收电力的电气负载46的操作可能是有用的。电池荷电容量可指可以被存储在电池24中的电荷量。电池荷电容量可以以安培-小时为单位进行测量。作为包括燃料箱的车辆燃料***的类比，电池荷电容量可被看作燃料箱的大小。电池荷电容量可类比于在给定时间处可被存储的燃料最大量。

电池荷电状态为在给定时间处存储在电池24中的电荷量或目前使用的电池荷电容量的量。电池荷电状态类比于在给定时间处在燃料箱中的燃料量。电池荷电状态类似于指示目前在燃料箱中有多少燃料的燃料表。电池荷电状态可按照电池荷电容量的百分比进行表示。当电池24充电到它的容量时，则荷电状态可为100％。

电池荷电容量可随时间减小。随着时间的推移，电池24中的各种化学反应可引起电池荷电容量减小。对电池24的反复充电和放电可能引起电池24内的组件上的改变。当电池荷电容量低于某阈值时，电池24对于汽车的使用可能不太有用。电池荷电容量上的减小对于电动车辆而言可导致可行驶里程的减少。该减小可导致混合动力电动车辆上的性能的降低。混合动力车辆电池包和电动车辆电池包24可能是昂贵的组件。一旦电池荷电容量已减小到低于预定容量，则电池24可被替换以便将性能修复到初始水平。比较廉价的方法可能是使电池24复原，使得电池荷电容量的一些或全部被修复。

存在许多可用的电池充电容量估计算法。电池充电容量可被估计为电池流量(batterythroughput)除以荷电状态(SOC)值的差。该方法基于知道的获得的独立的电池充电容量的两个单独的SOC值。电池充电容量可被计算为：

$Q=\frac{{\∫}_{T_i}^{T_f}idt}{{\mathrm{SOC}}_i-{\mathrm{SOC}}_f}=\frac{Throughput}{{\mathrm{SOC}}_i-{\mathrm{SOC}}_f}---\left(1\right)$

其中，SOC_i和SOC_f分别为在时间T_i和T_f的荷电状态，i为流向电池或从电池流出的电流。电池流量可被定义为电池电流在一段时间内的积分。当在控制器中实现时，该积分可由电流值乘以采样时间所得到的值的总和来替代。

荷电状态值可基于通过两次点火开关接通/断开循环而采样的测量电压。针对锂离子电池，众所周知，在电池已经休息充分时间之后，端电压近似等于电池的开路电压(即，V_t＝V_oc)。可在上电时测量端电压，且从开路电压获得荷电状态(例如，图3)。流量可通过每次点火循环进行计算且被存储在非易失性存储器以用于下一次点火循环。

电池充电容量可由车内载电池控制器(例如，76)通过任何可用的方法进行计算。此外，外部控制器(图5的200)可按照类似方式来计算电池充电容量。例如，外部控制器200可在服务访问期间被连接到车辆12和车内控制器(例如，76)。外部控制器200可命令电流从电池24放电，并且可在放电期间测量电流。此外，可在放电之前和之后估计荷电状态值。然后，可如上面所述来计算电池充电容量。

车内控制器(例如，76)可维护电池充电容量值的历史记录，并可检测电池充电容量是否从最大电池充电容量减少。同样地，外部控制器200可基于之前的服务访问来维护针对车辆12的电池充电容量值的历史记录。该历史记录可从车内控制器(例如，76)获得和/或从电池24的测试放电计算获得。基于电池充电容量值的历史记录，控制器(例如，76或200)可通过将旧的值与最近的值进行比较来检测容量何时减少到预定量。

电池24可在0％与100％之间的荷电状态下进行操作。100％的荷电状态可指示电池24充满。可将100％荷电状态电平与电池24的最大电压电平进行关联。0％的荷电状态可指示电池24完全放电。图3描述了针对锂离子电池的可能的电池开路电压与荷电状态关系。可使用来自电池制造商的数据或来源于实验的测试数据的数据来确定该关系。具有0％荷电状态的电池24仍可具有一定的提供电力的能力。可将0％荷电状态电平与电池24的最小电压电平(经常被称作截止电压)进行关联。截止电压可被认为是与0％荷电状态关联的电压电平。在正常操作期间，通常可阻止电池24在高于最大电压电平和低于最小电压电平下进行操作。

最小电压电平和最大电压电平可由电池单元制造商指定。这些电压电平可被定义以最大化电池单元的寿命。电池控制***通常被设计成遵循电池单元制造商的推荐。也就是说，电池控制***将不会故意地低于推荐的截止电压而操作电池。可能发生诸如车辆12停放很长一段时间的情况，在这种情况下，由于电池24的内部放电过程，电池电压可能下降到低于推荐的截止电压。

增大锂离子电池24的电池充电容量的方法可包括将电池24放电到低于推荐的截止电压。可以以实质上小于牵引电池的额定电流的电流进行放电。在放电之后，电池24可被再充电。在再充电之后，电池24可具有增大的容量。

增大锂离子电池充电容量的过程可能对于增大电池寿命是有益的。当电池充电容量低于预定容量时，可通过执行该过程来延长电池寿命。修复电池充电容量可避免昂贵的电池更换，并可导致提高客户满意度。此外，由于电池在容量已降低时可被修复而不是被替换，所以保修成本可降低。该过程可被实现为定期维护过程的一部分，以确保车辆使用期内的最大电池充电容量。

当电池充电容量已降低到低于预定容量时，控制器(例如，200或76)可执行电池修复过程。可使用多种因素来选择何时执行该修复过程。例如，当电池即将结束寿命时，控制器(例如，200或76)可执行该过程。控制器(例如，200或76)可通过根据电池寿命开始时确定的容量检测在电池充电容量上相对大的百分比的减少，来确定电池寿命的结束。可选地，控制器(例如，200或76)可在电池24的使用过程中根据电池24的使用时间和行驶的英里数来确定电池寿命的结束。该过程可被执行为用于延长电池寿命的一次性事件。该过程可根据需要执行。可选地，该过程可被周期性执行以在更长的一段时间内保持较高的电池充电容量。例如，该过程可为定期维修计划的一部分。在行驶预定英里数(例如，10,000英里)之后，控制器(例如，200或76)可检查电池充电容量以确定该过程是否被执行。控制器(例如，200或76)可适时地执行该过程，诸如，当电池24接近推荐的截止电压并连接到充电器的条件存在时。

电池24的放电可按照预定放电速率进行。电池24的充电速率或放电速率可被表达为C-rate。1-C放电速率放出等于电池24的额定电流容量的电流，并且理论上在一个小时内将电池24从100％荷电状态放电到零荷电状态。当电压小于或等于与0％荷电状态有关的电压时，电池24可被视为完全放电。同样地，1-C充电速率提供等于电池24的额定电流容量的电流，并且理论上在一个小时内将电池24充电到100％荷电状态。当电池电压大于或等于与100％荷电状态有关的电压电平时，电池24可被视为完全充电。在不到一个小时内(例如，2-C＝0.5小时)以大于1-C的C-rate对电池进行充电或放电，而在一个小时以上(例如，0.1-C＝10小时)以小于1-C的速率对电池进行充电或放电。

当车辆12处在使用中时，电池修复过程可由维修人员启动。电池充电控制器200可监测并控制充电设备(例如，32、38)和电池24，以执行该过程。电池充电控制器200可对电池24进行充电和放电。电池充电控制器200可首先确定电池24可从该过程中受益。可通过从车内电池控制器76接收电池充电容量值来进行确定。可选地，电池充电控制器200可基于从车内控制器76接收的其它输入来计算电池充电容量。如果电池充电容量低于预定阈值，则电池充电控制器200可启动该过程。如上面讨论的，可使用其它条件来启动该过程。

电池充电控制器200可首先确定电池24的当前荷电状态。可通过查询车内电池控制器76来确定或基于电池电压来计算荷电状态。电池充电控制器200可启动受控制的放电过程。可通过位于车辆12上的电气负载46或车辆12外部的车外电气负载(图5的200)进行电池放电。

电池充电设备38可包括可在电池24的两个端子间切换的电阻元件。当电池元件在电池24的两个端子切换时，电流可流经电阻器。电阻值可被选择以提供选择的电流流量(例如，放电的速率)。例如，为了达到1-C速率，可选择电阻值，使得额定的电池电流将流动。可选地，可控制车辆上的电气负载以预定电平汲取电力，以实现电池24的放电。电池充电控制器200可随后监测电池电压、电流和荷电状态，以确定何时达到0％荷电状态。可使用安培-小时积分来计算SOC，或者，可使用等效电路模型来估计SOC。

放电速率可被选择为远小于1-C速率。例如，可连接负载(例如，46)以在较长的一段时间内汲取比来自电池24的额定电流小得多的电流。该速率可被选择为阻止电池24内的有害副作用。阻抗可被选择，使得由负载46汲取的电流大体上小于电池24的额定电流。较低的电流可在放电过程期间产生较低的温度。放电速率可被选择为避免电池24内的铜腐蚀。电池充电控制器200可在过放电过程期间监测电池电压和温度。如果电压或温度指示该反应没有正确地发生(例如，疑似有铜腐蚀)，则可终止放电。

选择的放电速率可影响所述使用方法。例如，当需要几天将电池24放电到适当电平的放电速率被选择时，电池24交换过程可为更可取的。电池24可被从车辆取出且放置于修复容量的设备上。为了保持车辆12的操作，已经修复容量的另一电池包24可被放置于车辆12中。在没有将电池24从车辆取出的情况下，需要几个小时的较快的放电速率可在单一服务访问中被执行。不同的放电速率可影响可修复的容量的量。

当车辆12连接到充电设备38时，使得修复过程自动来执行是可能的。例如，在电池电压接近零百分比荷电状态电压时，车辆12可被连接到充电设备38。在该情况下，放电过程可被执行一段时间，在此之后，可启动充电。用于执行该过程的另外因素可为电池24被计划将被修复到正常车辆12操作的荷电水平的时间。预计的车辆操作时间可通过驾驶员选择的充电时间或车厢预加热设置来进行推断。电池24可被放电到低于正常截止电压的电压，而无需放电到最优修复水平。多次重复该过程可每次修复少量容量。

电池充电控制器200可检测受控制的过放电操作何时完成。对完成的检测可基于电池电压、温度、时间或它们的某些组合。当电池电压下降到低于小于推荐的截止电压的预定电压时可确定完成。所述预定电压可为接近零伏特。控制器200可阻止电池电压降到低于零伏特。一旦受控制的过放电操作完成，则电阻器或其它电气负载(例如，46或402)可与电池端子断开连接。电池充电控制器200可接通电源36以对电池24充电。充电设备38可应用电池24端电压源。在充电过程期间，电压和电流可被控制。充电速率可在再充电期间改变。例如，当电池24过放电时，首先可应用较低的充电电流。

可由车内控制器76经由诊断请求执行该过程或当电池充电容量下降到低于预定阈值时自动地执行该过程。可将其它的硬件添加到充电***38，以并入接通电池端子一个或更多个电气负载202。电气负载202可包括电阻元件。可选地，可操作其它车载负载46以实现电池放电。例如，可操作加热或制冷***以从电池24汲取电力。车内控制器76可检测车辆12何时被连接到充电***38并可执行该过程。其它安全措施可出现在车辆12中以阻止操作人员打断该过程。

当电池24已达到预定SOC值时可终止电池充电过程。所述预定SOC为接近于100％，但并不要求为100％。

然后，电池充电过程可选择性的检查电池24的充电容量以确定已经修复的充电容量的量。这可由另一被受控制的放电来实现。可如上面描述的来计算电池充电容量。修复的充电容量可被报告给操作人员。此外，可利用新的电池充电容量来更新车内电池控制器76以备后续使用。在一些时候，可计算电池充电容量以提供新的电池充电容量。该计算可为电池控制器76软件的一部分。

为了理解用于修复电池充电容量的物理机制，可分析锂离子电池24。锂离子可被配置为有负电极和正电极。电极可由可允许离子在电极之间移动的电解质物质所包围。在放电期间，锂离子可从负电极移动到正电极。在充电期间，锂离子可从正电极移动到负电极。

电池老化效应可能归因于副作用，该副作用使得在电池24中的可循环的锂的量减少以及活性材料的固有容量损失。这些过程可改变多种活性材料中的剩余的可循环的锂的锂化分布和锂化程度。这可能导致整个电池单元容量上的变化，并且改变电池单元开路电压与荷电状态之间的关系。

图4描述了针对负电极102和正电极100的可能的参考电压曲线。示出了相对于Li/Li+参考电极的针对每个电极的开路电压值。使用被表达为相对于Li/Li+参考电极的电压的第一y轴104和作为正电极的锂化程度的第一x轴106来描述正电极开路电压曲线112。使用被表达为相对于Li/Li+参考电极的电压的第二y轴108和作为负电极的锂化程度的第二x轴110来描述负电极开路电压114。

针对已知的荷电状态值，可能存在针对负电极和正电极的特定锂化程度。例如，在零荷电状态118，针对正电极的锂化程度可近似为95％(标号120)，且针对负电极的锂化程度可近似为8％(标号122)。类似的，在100％荷电状态116，正电极的锂化程度可近似为45％(标号124)，且负电极的锂化程度可近似为66％(标号126)。注意到每个荷电状态值可与一对锂化负电极程度和正电极程度相对应。在给定荷电状态，电池单元开路电压128可为正电极与负电极之间的电压差。当电池被充电和被放电时，电极的锂化程度可相应地改变。

针对每个电极的电压是电极的锂化程度的函数。电极的锂化程度可指示在当前操作点在电极的锂的浓度。电压值是电极中的锂的浓度的函数。当电池被充电和放电时，每个电极中的锂的浓度可改变。锂化程度可被表达为针对电极的全部可能的锂化的百分比。电池单元的开路电压128与正电极和负电极的锂化程度的特定一对相应。也就是说，电池单元开路电压128为在给定操作点的正电极参考电压与负电极参考电压之间的差。针对负电极和正电极的锂化程度可为电池单元形成条件和在电池单元的寿命的特定点的函数。电池单元开路电压与荷电状态之间的关系为在由电压限制定义的特定成分范围内正电极与负电极之间的电压差。

在电池单元形成之后，电池单元可在开路电压与荷电状态之间具有特定关系。可选择与零荷电状态118相对应的开路电压。也可选择与100％荷电状态116相对应的开路电压。这可在电极之间确定的相对锂化程度的初始关系。在电池单元的寿命期间，开路电压曲线可相对于彼此而偏移。开路电压曲线的偏移可以通过老化过程来自于寄生反应的累积效应。由于寄生反应消耗锂离子，所以较少的锂离子可在电极之间循环。曲线(112、114)还可收缩(例如，被压缩的x轴)，这与超过电池寿命的活性材料的相对损耗有关，并且可反映在负到正的变化率上。

当负电极曲线102随着电池老化左移时，电池充电容量可能降低。这可通过将负电极曲线114和第二x轴110相对于第二x轴106向左移动来进行可视化。在与零荷电状态118相对应的点，负电极可被完全地脱锂(例如，锂的浓度为零)。在这种情况下，正电极中的锂的浓度可能不能增加以影响电池单元开路电压。此外，负开路电压向左的移动可影响零荷电状态何时被检测到。该电压在较高的正电极的锂浓度下可变为小于与零荷电状态有关的电压。由于电池控制器可能倾向于在低于零荷电状态下不放电，所以电池控制可解释该电压并停止放电。随着电池老化，针对给定荷电状态的正电极和负电极的相对的锂化程度可能从原始的锂化程度对而改变。

整个电池单元寿命的充电容量损耗的很大程度可归因于在负极的寄生溶剂-还原反应，其中，该反应改变了正电极与负电极之间的相对的锂化程度。例如，在1-C放电之后，负电极可接近于完全脱锂，而正电极可能相对地完全不脱锂。由于在电解液中可能存在多余的溶剂以及溶解的锂离子，存在激发在负电极的溶剂氧化(或其它寄生反应)导致原始程度的电极的锂化的修复(即，容量修复)的可能性。由于当负电极完全脱锂时锂萃取停止，所以当电池单元完全放电时负电极上的寄生氧化反应可能会发生。在负极寄生氧化反应在电池完全放电，因为锂萃取停止当负电极被完全去锂化，可能会出现。

物理原理可控制针对混合材料的开路电压。对于以直接离子形式和电形式相互通信的第一材料和第一材料的开路电压将以这种使所述材料的开路电压相互平衡的方式进行电化学反应。无论材料是否接触，可循环的锂离子的总量可保持固定(假设没有副作用)。作为结果，从材料中的一种脱离的锂作为添加到其它材料的锂出现。在第一材料中的锂浓度的下降提高了第一材料的电势。同时，在第二材料中的浓度的提高使得第二材料的电势下降。该过程可持续，直到两个开路电压变为相等为止。电池单元的充电和放电导致电极之间的锂离子的循环。

当过放电时，负电极可基于指示电池单元是负有限放电的开路电压模型而被完全脱锂。负电极可找到另一氧化反应以提供可为铜(Cu)溶解或溶剂氧化(利用CO₂、CO和O₂类似的气态产物)的过放电电流。开路电压模型指示正电极可能无法完全锂化(在0％SOC)，从而在正电极的过放电反应将为嵌入锂的放电反应。

存在过放电会导致负电极的铜集电材料的溶解的可能性。由于标准还原电势指示铜在标准还原电势是来自Li/Li+的3.5V的***中是相对稳定的，所以有可能避免铜溶解。参照图4，即使在完全放电时，负电极开路电压相对于Li/Li+特性远低于3.5V。当负电极的电压超过3.5V时，铜溶解是可能的。

通过控制过放电，可控制电压和温度以避免铜溶解，而使得正电极的锂化修复电池单元容量。

过放电通常被认为对电池单元是恶意的或破坏性的。描述的该方法为在负电极激发寄生氧化反应(即，溶剂氧化)的“受控制的过放电”。由于正电极不完全锂化，所以在正电极的过放电反应可为锂嵌入。正电极可经由放电反应接受更多的锂，从而增大电池单元容量。该方法试图修复正电极与负电极之间的相对的锂化程度。

图5示出用于执行受控制的过放电过程的一个可能的设备。可将组件结合到EVSE38或可作为单独的模块执行该组件。可包括车外电气负载202。车外电气负载202可通过开关208连接到EVSE连接器40。开关208可用控制器200进行控制。开关208可为继电器或固态器件，且控制器200可包括用于操作开关208的控制输出216。

可包括电力输出模块204，其中，电力输出模块204可将来自电源26的电力调节到用于提供到车辆的适当形式。电力输出模块204可通过第二开关206连接到EVSE连接器40。第二开关206也可从控制器206的控制输出218进行控制。在正常操作中，控制器200可别被配置为在给定时间关闭开关(206、208)的一个。

控制器200可包括用于控制车外电气负载202的电气负载控制输出214。控制器200可包括用于控制电力输出模块204的电力输出模块控制输出212。控制器200可执行针对牵引电池24的受控制的放电的逻辑，随后对牵引电池24再充电。

控制器200可包括与EVSE连接器40的控制信号接口210。控制信号接口210可为通过充电端口34与电力转换模块32和牵引电池24交换控制信息的连接。例如，控制信号接口210可为串行通信链接，其中，牵引电池24和控制器200可通过该串行通信连接来交换数据和控制信号。例如，牵引电池24(或牵引电池24内的控制器76)可通过控制信号接口210发送电池电力容量信息和电压信息。

图6示出用于在锂离子电池中修复电池充电容量的可行方法的流程图。控制器200可执行第一操作300来估计电池充电容量300。可使用用于计算电池充电容量的任何现有技术。控制器200可执行操作302，在操作302，电池充电容量可被检测以确定电池充电容量是否小于阈值K。如果电池充电容量大于或等于阈值K，则可跟随逻辑路径322，且在操作300，***可继续估计电池充电容量。可选地，当修复过程可能不被需要时，执行可结束。如果电池充电容量小于阈值K，则可跟随逻辑路径324，且控制器200可转到操作304，在操作304中，电气负载202被连接到牵引电池24。连接电气负载202可导致牵引电池24的受控放电。控制器200可随后执行操作306，在操作306，控制器可测量和监测电池24的电压。车外控制器200可测量实际电压或可从车内控制器76接收电压数据。控制器200可执行操作308，在操作308，电池电压可被检查以确定该电压是否小于预定放电电压V_dis。如果该电压大于或等于预定放电电压，则可跟随逻辑路径326，且在该情况下，重复操作306。如果该电压小于预定放电电压，则可跟随逻辑路径328，且可执行操作310。在操作310，电气负载202可从牵引电池200断开。

在操作312，电力输出模块204可被连接，以启动电池24的再充电。在操作314，可监测充电期间的电压。在操作316，该电压可被检查，以确定该电压是否大于预定充电电压V_chg。如果该电压小于预定充电电压，则可跟随逻辑路径330，且重复操作314。如果该电压大于预定充电电压，则跟随逻辑路径332。在操作318，电力输出模块204可从电池24断开。充电可完成，且该过程在操作320停止。

通过流程图描述的逻辑可由车辆外部(例如，充电器的一部分)控制器200执行，或者在车辆内(例如，牵引电池***的一部分)控制器76执行。控制器(例如，76或200)可包括用于控制各种组件的适当接口。

在此公开的处理、方法或算法可被交付到处理装置、控制器或计算机或者通过处理装置、控制器或计算机被实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可被存储为通过控制器或计算机以多种形式执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在不可写的存储介质(诸如，ROM设备)中的信息以及可改变地存储在可写的存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置和其它的磁性介质和光学介质)中的信息。所述处理、方法或算法还可在可执行软件的对象中实施。可选地，可利用适当的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置，或者硬件、软件和固件组件的组合)来全部或部分地实现所述处理、方法或算法。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所包含的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如之前所述，可将各种实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管关于一个或更多个期望的特性，各种实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现依赖于特定应用和实现的期望的整体***属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易装配性的容易性等。因此，针对一个或更多个特性，被描述为不如其它实施例或现有技术实施方式的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (5)

1.一种用于操作锂离子电池的方法，包括：

响应于电池充电容量的损耗大于预定损耗，而由控制器将电池放电到小于与零荷电状态相关联的电压的预定电压，使得针对至少一个荷电状态的与所述电池的正电极和负电极相关联的相对锂化程度的变化导致在所述电池充电容量上的增大。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定电压比零伏特大预定量。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定损耗为电池寿命开始时的电池充电容量的预定百分比。

4.如权利要求1所述的方法，其中，用于使所述电池放电的电流实质上小于所述电池的额定电流。

5.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括：由所述控制器将电源连接到所述电池，并将所述电池充电到比与零荷电状态相关联的电压大预定量的电压。