用于电池应用的嵌入式芯片

IPC分类号 : G01R31/36,H01M10/48,G01R19/00,G01K5/00

申请号

CN201380033945.7

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专利摘要

提供了用于在热力学上评估电化学系统及其部件的方法、系统和装置，所述部件包括电化学电池，比如蓄电池。本系统和方法能够监测所选择的电化学电池状况，比如温度、开路电压和/或组成，并且能够进行测量许多电池参数，包括开路电压、时间和温度，具有大到足以允许精确确定与电化学电池中的电极和电解质的组成、相、蓄电状态、健康状态和安全状态以及电化学特性相关的热力学状态函数和材料特性的精确度。本发明的热力学测量系统非常通用，并且提供信息以用于预测几乎任何具有电极对的电化学系统的广泛的性能属性。

权利要求

1.一种用于监测电化学电池的状况的装置，所述装置包括集成电路，所述集成电路包括：

电压监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个开路电压，所述多个开路电压在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；

温度监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个温度，所述多个温度在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；

电流监测电路，其用于测量所述电化学电池的充电电流或所述电化学电池的放电电流；以及

用于确定所述电化学电池的热力学参数的电路，其中所述热力学参数是所述电化学电池的熵变、所述电化学电池的焓变和所述电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述温度监测电路的温度测量值，用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电压监测电路的开路电压测量值，并且用于确定热力学参数的所述电路被定位成与所述电流监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电流监测电路的电流测量值或者对所述电流监测电路提供热力学参数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被嵌入所述电化学电池中、或者被附接至所述电化学电池的壳体、或者被包含在所述电化学电池的壳体内。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括所述电化学电池。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是包括所述装置和一个或多个电化学电池的包装的部件。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被定位成与一个或多个电化学电池选择性地数据连通或选择性地电连通。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被定位成与一个或多个电化学电池可切换地数据连通或可切换地电连通。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被定位在所述电化学电池的壳体外部或在包括所述电化学电池的包装外部。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括温度传感器，其定位成与所述电化学电池热连通，所述温度传感器还定位成与所述温度监测电路电连通或数据连通。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置不包括温度控制器或者用于控制或确立所述电化学电池的温度的工具。

10.根据权利要求1所述的装置，其中当所述电化学电池充电或放电时，所述温度监测电路确定或监测所述电化学电池的温度。

11.根据权利要求1所述的装置，其中当所述电化学电池不充电时或者当所述电化学电池不放电时，所述温度监测电路确定或监测所述电化学电池的温度。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括用于确定所述电化学电池的开路状态的电路。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述集成电路包括电力切换电路。

14.根据权利要求12所述的装置，其中用于确定开路状态的电路被配置为提供指示给所述电压监测电路，以当所述电化学电池在开路电压状态时测量所述电化学电池的开路电压。

15.根据权利要求12所述的装置，其中用于确定开路状态的所述电路被配置为提供指示给所述电压监测电路、所述温度监测电路和所述电流监测电路中的一个或多个，以在预选的时间段之后，停止测量所述电化学电池的开路电压、温度或电流。

16.根据权利要求12所述的装置，其中用于确定开路状态的所述电路被配置为提供指示给所述电压监测电路、所述温度监测电路和所述电流监测电路中的一个或多个，以在预选的时间段之后，测量或再测量所述电化学电池的开路电压、温度或电流。

17.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是汽车的部件；并且其中当所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开路电压；其中当所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时，所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述多个温度；或者其中当所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开路电压并且所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述多个温度。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述电化学电池的开路电压的变化发生，在所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时。

19.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电化学电池的温度的变化发生在所述汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电或正在通电、已通电、正在通电、加速或减速时。

20.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电化学电池的所述多个温度是在空转所述汽车、停止所述汽车、停放所述汽车、使所述汽车断电、使所述汽车通电、使所述汽车加速和使所述汽车减速的一项或更多项进行期间或之后被测量的。

21.根据权利要求17所述的装置，其中所述电化学电池的所述多个开路电压是在空转所述汽车、停止所述汽车、停放所述汽车、使所述汽车断电、使所述汽车通电、使所述汽车加速和使所述汽车减速的一项或更多项进行期间或之后被测量的。

22.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是便携式电子装置的部件；并且其中当所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开路电压；其中当所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电时，所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述多个温度；或者其中当所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电时，所述电压监测电路测量所述电化学电池的所述多个开路电压并且所述温度监测电路测量所述电化学电池的所述多个温度。

23.根据权利要求22所述的装置，其中所述电化学电池的开路电压的变化发生在所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电的时候。

24.根据权利要求22所述的装置，其中所述电化学电池的温度的变化发生在所述便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电的时候。

25.根据权利要求22所述的装置，其中在使所述便携式电子装置处于空闲、使所述便携式电子装置断电、使所述便携式电子装置通电的一项或更多项进行期间或之后，测量所述电化学电池的所述多个温度。

26.根据权利要求22所述的装置，其中在使所述便携式电子装置处于空闲、使所述便携式电子装置断电、使所述便携式电子装置通电的一项或更多项进行期间或之后，测量所述电化学电池的所述多个开路电压。

27.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述电化学电池的所述多个开路电压和所述电化学电池的所述多个温度中的一个或多个来确定所述电化学电池的所述热力学参数。

28.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述电化学电池的第一开路电压和与所述电化学电池的所述第一开路电压不同的所述电化学电池的第二开路电压来确定所述电化学电池的所述热力学参数。

29.根据权利要求1所述的装置，其中在所述电化学电池充电或放电之后，使用所述电化学电池的第一开路电压和所述电化学电池的第二开路电压来确定所述电化学电池的所述热力学参数。

30.根据权利要求1所述的装置，其中使用所述电化学电池的第一温度和与所述电化学电池的所述第一温度不同的所述电化学电池的第二温度来确定所述电化学电池的所述热力学参数。

31.根据权利要求1所述的装置，其中在所述电化学电池从第一温度冷却之后，使用所述电化学电池的所述第一温度和所述电化学电池的第二温度来确定所述电化学电池的所述热力学参数。

32.根据权利要求1所述的装置，其中在通过充电或放电使所述电化学电池加热之后，使用所述电化学电池的第一温度和所述电化学电池的第二温度来确定所述电化学电池的所述热力学参数。

33.根据权利要求1所述的装置，其中通过测量所述电化学电池的开路电压来确定所述自由能的变化。

34.根据权利要求1所述的装置，其中通过在多个温度下测量所述电化学电池的开路电压来确定所述焓变。

35.根据权利要求1所述的装置，其中通过计算开路电压测量值对温度测量值的线性回归的截距来确定所述焓变。

36.根据权利要求1所述的装置，其中通过在多个温度下测量所述电化学电池的开路电压来确定所述熵变。

37.根据权利要求1所述的装置，其中通过计算开路电压测量值对温度测量值的线性回归的斜率来确定所述熵变。

38.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括用于确定所述电化学电池的蓄电状态的蓄电状态计算电路，所述蓄电状态计算电路接收来自所述电流监测电路的电流测量值并从用于确定热力学参数的所述电路接收所述电化学电池的热力学参数。

39.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态指第一值对第二值的比率；其中所述第一值是保留在所述电化学电池中的净电荷量，并且所述第二值是所述电化学电池的额定电荷容量或所述电化学电池的理论电荷容量，或者其中所述第一值是将所述电化学电池充电到所述电化学电池的额定电荷容量或到所述电化学电池的理论电荷容量所需要的净电荷量，并且所述第二值是所述电化学电池的所述额定电荷容量或所述电化学电池的所述理论电荷容量。

40.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路包括所述电流监测电路。

41.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路基于接收到的电流测量值确定所述电化学电池的库仑蓄电状态。

42.根据权利要求38所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路基于接收到的热力学参数确定所述电化学电池的真实蓄电状态。

43.根据权利要求42所述的装置，其中所述蓄电状态计算电路基于接收到的热力学参数使用查找表确定所述电化学电池的真实蓄电状态。

44.根据权利要求38所述的装置，其中当所述电化学电池在受控条件下充电时，所述集成电路监测所述电化学电池，并且当所述电化学电池在受控条件下充电时，所述集成电路更新查找表中的条目，所述查找表包括所述电化学电池的蓄电状态、所述电化学电池的开路电压和所述电化学电池的热力学参数的条目。

45.根据权利要求1所述的装置，其中当所述电化学电池不充电时或当所述电化学电池不放电时，所述电压监测电路确定所述电化学电池的开路电压。

46.根据权利要求1所述的装置，其中在所述电化学电池充电或放电停止之后，所述电压监测电路确定所述电化学电池的开路电压。

47.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压监测电路确定所述电化学电池热化学上稳定条件下的所述电化学电池的开路电压。

48.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压监测电路确定所述电化学电池非热化学上稳定条件下的所述电化学电池的开路电压。

49.根据权利要求48所述的装置，其中所述电压监测电路基于所述电化学电池的所述非热化学稳定条件下的所述电化学电池的所述开路电压来确定或估计所述电化学电池热化学稳定条件下的所述电化学电池的开路电压。

50.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路被配置为监测一个或多个电化学电池的状况，其中所述状况是热力学参数、健康状态、安全状态和循环数中的一项或多项。

51.根据权利要求1所述的装置，其中用于确定所述电化学电池的热力学参数的所述电路还确定所述电化学电池的健康状态、所述电化学电池的安全状态和所述电化学电池的循环数中的一项或多项。

52.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路还包括用于确定所述电化学电池的健康状态、所述电化学电池的安全状态和所述电化学电池的循环数中的一项或多项的电路。

53.根据权利要求1所述的装置，其中所述电化学电池的所述状况是所述电化学电池的热力学参数、所述电化学电池的蓄电状态、所述电化学电池的健康状态、所述电化学电池的安全状态和所述电化学电池的循环数中的一项或多项。

54.根据权利要求53所述的装置，其中所述健康状态指所述电化学电池在第一蓄电状态下的逐渐减少的峰值功率对所述电化学电池刚被制造出来后所述电化学电池在所述第一蓄电状态下的逐渐减少的参考峰值功率的比率。

55.根据权利要求53所述的装置，其中所述安全状态指所述电化学电池将经历热散逸的可能性。

56.根据权利要求53所述的装置，其中所述循环数指所述电化学电池已经经历的充电循环或放电循环的数目。

57.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置确定所述电化学电池的熵、熵变或微分熵，并且把所述电化学电池的所述熵、熵变或微分熵与参考熵、参考熵变或参考微分熵相比较，并且当所确定的熵、熵变或微分熵与所述参考熵、参考熵变或参考微分熵不同时，禁止所述电化学电池充电或放电。

58.根据权利要求57所述的装置，其中所述装置确定所述电化学电池的温度，并且把已确定的温度与参考温度相比较，并且当所述已确定的温度大于所述参考温度时，禁止所述电化学电池充电或放电。

59.根据权利要求1所述的装置，其中用于确定所述电化学电池的热力学参数的所述电路包括现场可编程门阵列。

60.根据权利要求1所述的装置，其中用于确定所述电化学电池的热力学参数的所述电路包括专用集成电路。

61.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括现场可编程门阵列。

62.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括专用集成电路。

63.一种确定电化学电池的状况的方法，所述方法包括以下步骤：

提供集成电路，所述集成电路包括：

温度监测电路，其用于测量电化学电池的多个温度，所述多个温度在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；

电流监测电路，其用于测量所述电化学电池的充电电流或所述电化学电池的放电电流；以及

用于确定所述电化学电池的热力学参数的电路，其中所述热力学参数是所述电化学电池的熵变、所述电化学电池的焓变和所述电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的所述电路定位成与所述温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述温度监测电路的温度测量值；并且用于确定热力学参数的所述电路定位成与所述电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电压监测电路的开路电压测量值；并且用于确定热力学参数的所述电路定位成与所述电流监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电流监测电路的电流测量值或对所述电流监测电路提供热力学参数；

产生所述电化学电池的所述多个开路电压、所述电化学电池的所述多个温度、或所述电化学电池的所述多个开路电压和所述电化学电池的所述多个温度两者；以及

使用所述集成电路确定所述电化学电池的第一热力学参数。

64.根据权利要求63所述的方法，其中所述产生步骤包括使所述电化学电池充电或放电；其中所述电化学电池的温度在所述充电或放电期间变化，其中所述电化学电池的开路电压在所述充电或放电期间变化，或者其中所述电化学电池的温度和所述电化学电池的开路电压两者在所述充电或放电期间变化。

65.根据权利要求63所述的方法，其中所述产生步骤包括停止使所述电化学电池充电或放电；其中所述电化学电池的温度在停止所述充电或所述放电之后变化，其中所述电化学电池的开路电压在停止所述充电或所述放电之后变化，或者其中所述电化学电池的温度和所述电化学电池的开路电压两者在停止所述充电或所述放电之后变化。

66.根据权利要求63所述的方法，还包括把所述第一热力学参数和用于参考电化学电池的一个或多个参考热力学参数相比较的步骤，其中所述参考电化学电池的电池化学性质与所述电化学电池的电池化学性质是相同的。

67.根据权利要求66所述的方法，其中所述确定第一热力学参数的步骤包括确定在第一开路电压的所述电化学电池的熵变。

68.根据权利要求66所述的方法，还包括使用所述集成电路确定所述电化学电池的第二热力学参数的步骤。

69.根据权利要求68所述的方法，还包括把所述第二热力学参数与参考电化学电池的一个或多个参考热力学参数相比较的步骤。

70.根据权利要求68所述的方法，其中所述确定第二热力学参数的步骤包括确定在第二开路电压的所述电化学电池的熵变。

71.根据权利要求66所述的方法，其中把所述第一热力学参数和一个或多个参考热力学参数相比较的所述步骤包括在参考热力学参数的数组中或在参考热力学参数的查找表中的点之间进行插值。

72.根据权利要求66所述的方法，其中把所述第一热力学参数和一个或多个参考热力学参数相比较的所述步骤包括基于所述比较确定所述电化学电池的状况。

73.根据权利要求66所述的方法，其中确定所述电化学电池的第一热力学参数的所述步骤包括以下步骤：

使所述电化学电池充电或放电到第一开路电压值；

停止所述充电或放电；

使用所述集成电路测量作为时间的函数的所述电化学电池的开路电压；以及

使用所述集成电路测量作为时间的函数的所述电化学电池的温度。

74.根据权利要求73所述的方法，其中确定所述电化学电池的第一热力学参数的所述步骤还包括计算开路电压测量值对温度测量值的线性回归。

75.根据权利要求73所述的方法，其中所测得的所述电化学电池的所述开路电压提供所述电化学电池的自由能变化值，其中所述线性回归的截距提供所述电化学电池的焓变值，并且其中所述线性回归的斜率提供所述电化学电池的熵变值。

76.根据权利要求73所述的方法，其中所述方法不包括使用温度控制器、加热器、冷却器或这些的任何组合来控制所述电化学电池的温度。

77.一种确定电化学电池的状况的方法，所述方法包括以下步骤：

提供参考值数组，所述参考值数组包括参考电化学电池的热力学参数值和所述参考电化学电池的电池状况值；

确定所述电化学电池的热力学参数；以及

使用所述参考值数组确定所述电化学电池的所述状况，其中，所述电化学电池的所述状况对应于所述参考电化学电池的针对等于所述电化学电池的所确定的热力学参数的参考热力学值的电池状况。

78.根据权利要求77所述的方法，其中所述值数组还包括所述参考电化学电池的开路电压值。

79.根据权利要求77所述的方法，其中所述值数组包括两个或两个以上开路电压值、关于所述两个或两个以上开路电压值中的每个开路电压值的多个热力学参数值、以及关于所述两个或两个以上开路电压值和所述多个热力学参数值中的每个的一个或多个电池状况值。

80.根据权利要求77所述的方法，其中确定所述电化学电池的所述状况的所述步骤包括在所述值数组的值之间插值。

81.根据权利要求77所述的方法，其中所述电化学电池的所述状况是所述电化学电池的健康状态、所述电化学电池的蓄电状态、所述电化学电池的安全状态和所述电化学电池的循环数中的一项或多项。

82.根据权利要求77所述的方法，其中所述电池状况值是所述参考电化学电池的健康状态、所述参考电化学电池的蓄电状态、所述参考电化学电池的安全状态和所述参考电化学电池的循环数中的一个或多个。

83.根据权利要求77所述的方法，其中所述值数组包括在两个或两个以上开路电压的所述参考电化学电池的熵变值。

84.根据权利要求77所述的方法，其中所述参考电化学电池的所述热力学参数值通过包括以下步骤的方法来获得：

控制所述参考电化学电池的组成来确立多种参考电化学电池组成；

对于所述多种参考电化学电池组成中的每个，控制所述参考电化学电池的温度来确立多种电化学电池组成；

对于所述多种参考电化学电池组成和所述参考电化学电池温度中的每个，测量所述参考电化学电池的开路电压。

85.根据权利要求84所述的方法，其中所述参考电化学电池的所述热力学参数值通过还包括以下步骤的方法获得：计算所述参考电化学电池的开路电压测量值对所述参考电化学电池的温度测量值的线性回归。

86.根据权利要求85所述的方法，其中所测得的所述参考电化学电池的所述开路电压提供所述参考电化学电池的自由能变化值，其中所述线性回归的截距提供所述参考电化学电池的焓变值，并且其中所述线性回归的斜率提供所述参考电化学电池的熵变值。

87.根据权利要求77所述的方法，其中确定所述电化学电池的热力学参数的所述步骤包括以下步骤：

使所述电化学电池充电或放电到第一开路电压值；

停止所述充电或放电；

测量作为时间的函数的所述电化学电池的开路电压；以及

测量作为时间的函数的所述电化学电池的温度。

88.根据权利要求87所述的方法，其中确定所述电化学电池的热力学参数的所述步骤还包括：计算所述电化学电池的开路电压测量值对所述电化学电池的温度测量值的线性回归。

89.根据权利要求88所述的方法，其中所测得的所述电化学电池的所述开路电压提供所述电化学电池的自由能变化值，其中所述线性回归的截距提供所述电化学电池的焓变值，并且其中所述线性回归的斜率提供所述电化学电池的熵变值。

90.根据权利要求77所述的方法，其中使用集成电路进行确定所述电化学电池的热力学参数的所述步骤，所述集成电路包括：

温度监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个温度，所述多个温度在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；

电流监测电路，其用于测量所述电化学电池的充电电流或所述电化学电池的放电电流；以及

用于确定所述电化学电池的热力学参数的电路，其中所述热力学参数是所述电化学电池的熵变、所述电化学电池的焓变和所述电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的所述电路定位成与所述温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述温度监测电路的温度测量值；用于确定热力学参数的所述电路定位成与所述电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电压监测电路的开路电压测量值；并且用于确定热力学参数的所述电路定位成与所述电流监测电路电连通或数据连通，以接收来自所述电流监测电路的电流测量值或者提供热力学参数至所述电流监测电路。

91.根据权利要求77所述的方法，其中确定所述电化学电池的热力学参数的所述步骤不包括使用温度控制器、加热器、冷却器或这些的任何组合来控制所述电化学电池的温度。

92.根据权利要求77所述的方法，其中确定所述电化学电池的热力学参数的所述步骤包括产生所述电化学电池的多个开路电压、所述电化学电池的多个温度或所述电化学电池的多个开路电压和所述电化学电池的多个温度两者。

93.根据权利要求92所述的方法，其中所述产生步骤包括使所述电化学电池充电或放电；其中所述电化学电池的温度在所述充电或放电期间变化，其中所述电化学电池的开路电压在所述充电或放电期间变化，或者其中所述电化学电池的温度和所述电化学电池的开路电压两者在所述充电或放电期间变化。

94.根据权利要求92所述的方法，其中所述产生步骤包括使所述电化学电池停止充电或放电；其中所述电化学电池的温度在停止所述充电或放电之后变化，其中所述电化学电池的开路电压在停止所述充电或放电之后变化，或者其中所述电化学电池的温度和所述电化学电池的开路电压两者在停止所述充电或放电之后变化。

95.一种方法，包括以下步骤：

提供电化学电池；

提供用于监测所述电化学电池的熵的熵监测电路，所述电路定位成与所述电化学电池电连通；

使用所述熵监测电路确定所述电化学电池的熵；

把所述电化学电池的已确定的熵和参考熵相比较；以及

当所述电化学电池的所述已确定的熵与所述参考熵不同时，禁止所述电化学电池充电或放电。

96.根据权利要求95所述的方法，其中所述参考熵是具有预选的安全状态、预选的蓄电状态、预选的健康状态或这些的任何组合的参考电化学电池的熵。

97.根据权利要求95所述的方法，其中所述禁止的步骤包括：致动与所述电化学电池的电极电连通的开关、继电器或晶体管，从而禁止所述电化学电池充电或放电。

98.根据权利要求95所述的方法，还包括以下步骤：

监测所述电化学电池的温度；

把所述电化学电池的所述温度和参考温度相比较；以及

当所述电化学电池的所述温度大于所述参考温度时，禁止所述电化学电池充电或放电。

99.根据权利要求98所述的方法，其中所述参考温度是具有预选安全状态、预选蓄电状态、预选健康状态或这些的任何组合的参考电化学电池的温度。

100.根据权利要求98所述的方法，其中所述禁止的步骤包括：致动与所述电化学电池的电极电连通的开关、继电器或晶体管，从而禁止所述电化学电池充电或放电。

101.根据权利要求95所述的方法，其中所述确定的步骤包括确定所述电化学电池的熵变，其中所述比较步骤包括把所述电化学电池的所述熵变和参考熵变相比较，并且其中所述禁止的步骤包括当所述电化学电池的已确定的熵变大于所述参考熵变时，禁止所述电化学电池充电或放电。

102.根据权利要求95所述的方法，其中所述确定的步骤包括确定所述电化学电池的微分熵，其中所述比较的步骤包括把所述电化学电池的所述微分熵和参考微分熵相比较，并且其中所述禁止的步骤包括当所述电化学电池的已确定的微分熵大于所述参考微分熵时，禁止所述电化学电池充电或放电。

103.根据权利要求95所述的方法，其中所述熵监测电路包括集成电路，所述集成电路包括：

温度监测电路，其用于测量所述电化学电池的多个温度，所述多个温度在使所述电化学电池充电或放电或者使所述电化学电池停止充电或放电时产生；

电流监测电路，其用于测量所述电化学电池的充电电流或所述电化学电池的放电电流；以及

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年4月27日提交的美国临时申请61/639,712的权益和优先权，其由此通过引用以其整体并入。

背景

在过去几十年内，电化学存储和转换装置已经取得显著的进展，扩展了这些系统在包括便携式电子装置、空间飞行器技术和生物医学装置多个领域中的能力。电化学存储和转换装置的当前技术状态倾向于具有特别为与不同范围的用户应用相兼容而选择的设计和性能属性。例如，当前的电化学存储系统涵盖了从提供可靠、长期运行的轻质、稳定的电池到能够提供极高的放电速率的高电容量电池。尽管有这些最新进展，高功率便携式电子产品的普遍发展和需求仍急需研究人员开发出适合用于多种这类应用的更高性能的电池。此外，电子消费品和仪器领域的小型化需求继续鼓励着去研究用于减少高性能电池的尺寸、重量和形式因素的新型设计和材料方案。

在电化学存储和转换技术上的很多最新进展直接可归因于用于电池部件的新材料的发现和结合。例如，锂离子电池技术继续快速发展，其至少部分归因于用于这些系统的新型阴极和阳极材料的结合。从插入(intercalate)碳阳极材料的开创性发现和优化到最近的纳米结构过渡金属氧化物插入阴极材料和纳米磷酸盐阴极材料的发现，新材料的开发变革了一次和二次锂离子电池的设计和性能。例如，先进的电极材料已经显著地增强了由这些系统提供的能量容量、能量密度、放电电流速率和循环寿命，从而使锂离子电池定位成用于下一代高功率便携式电子系统、混合动力汽车(HEV)和电动车(EV)的优选技术。电极材料的进展还大有希望积极影响其他系统，包括电化学电容器、超级电容器和燃料电池，并且可能是这些技术实施用于各种装置应用的关键。因此，在开发新的和改进的电化学能量存储和转换系统上，对新型电极材料的鉴定和性能评估是当前研究优先考虑的事。

电化学能量存储和转换装置使用两个电极：一个阳极和一个阴极，它们是由纯粹的离子导体—电解质分隔的电导体。放电期间产生的电流来自电极表面发生的化学反应和物理过程(例如运输，在该电极表面中，带正电或带负电的离子和电解质交换。这些过程进而产生或吸收电子，以便保持系统的电中性。电荷交换导致电极表面和本体结构特性的重要变化。特别地，电荷转移过程影响每个电极的电势和反应速率，该电势和反应速率设定电化学电力产生装置的能量和功率密度输出。例如，在可充电电池的情况下，在具体热力学和动力学运行条件下(例如温度、充电和放电电压极限、电流速率等等)，电极表面和本体结构中的变化机制和程度确定了循环寿命。

在预测任何电化学存储和转换装置的性能和稳定性上，知道电极反应和物理变化的热力学是基本的。例如，重要的热力学状态函数至少部分地确定了自治的电化学电源的能量、功率和循环寿命。实际上，能量密度反映了可逆地交换的电荷总量，以及交换发生时的电势。另一方面，循环寿命涉及由充电和放电过程中的电极转换引起的态或相的稳定性。所有这些过程至少在某种程度上是受电极反应的热力学控制的。

很多技术已经被开发，并且被应用于评估电极反应的热化学动力学，包括电分析法(例如，循环伏安法、电位分析法等)和光谱技术(例如，x射线衍射、NMR、LEED等)。然而，考虑到热力学在几乎所有电化学能量存储和转换系统中的重要性，本领域目前还需要用于测量比如熵变、焓变和吉布斯自由能的变化的关键热力学参数的系统和方法，且具有对预测和优化这些系统的性能属性和能力所需要的精确度。这种系统在鉴定用于下一代电化学能量存储和转换系统的新材料上将扮演重要角色，并且将大大有助于增进理解已确定的阴极和阳极材料的热化学动力学。新的热力学分析系统还有很大的潜力作为多用途的测试仪器，用于表征商业上制造的包括蓄电池和燃料电池在内的电极系统的材料特性和性能。

概述

本发明提供了用于精确表征电极和电化学能量存储和转换系统的热力学和材料特性的系统和方法。本发明的系统和方法能够同时收集一套表征多个相互关联的电化学和热力学参数的测量值，所述电化学和热力学参数与电极反应进行状态、电压和温度有关。由本方法和系统提供的增强的灵敏度，结合反映或接近于热力学稳定的电极状况的测量条件，允许非常精确地测量热力学参数，所述热力学参数包括比如电极/电化学电池反应的吉布斯自由能、焓和熵之类的状态函数，从而能够预测电极材料和电化学系统的重要性能属性，比如电化学电池的能量、功率密度、电流速率、健康状态、安全状态和循环寿命。

本系统和方法还允许灵敏地表征对电化学系统中电极的设计和性能来说重要的组成、相和材料特性。本方法能够识别和表征电极材料中大大影响电极的电化学特性和电化学存储和转换系统的性能的相变(phase transition)、微晶尺寸、电极材料表面和本体缺陷以及晶体结构缺陷。例如，本系统和方法可以按能够识别主要的或小的相变的精确度来测量热力学状态函数，这通过比如x射线衍射(diffactometry)或简单的开路电池电势测量的常规方法来检测，即使可行，其也许是困难的。一些小转变可能是更加激烈的转变的开始或前兆，一旦在延长的循环的时候，其将影响电池的能量、功率和循环寿命性能。检测这种转变并且理解它们的起源对优化电极材料设计而言至关重要。

本发明的系统和方法还可应用于表征一系列对设计、测试有用的热力学参数和应用于表征比如一次电池和二次电池的电化学电池以及电极材料，所述电极材料包括但不限于插入电极材料。然而，本系统和方法的能力延伸到电池以外，并且包括其他电化学装置/系统中的电极反应，所述其他电化学装置/系统包括燃料电池、EDLC、气体电极、催化、腐蚀、电沉积和电合成，其中热力学数据的获取也提供了对电极反应能量学和装置性能的重要理解。

在一方面，提供了用于监测电化学电池的状况的装置。这方面的装置包括集成电路，所述集成电路包括用于测量电化学电池的多个开路电压的电压监测电路、用于测量电化学电池的多个温度的温度监测电路、用于测量电化学电池的充电电流或放电电流的电流监测电路、以及用于确定电化学电池的热力学参数的电路。在实施方案中，电化学电池的多个开路电压和多个温度的一个或多个在使电化学电池充电或放电时或者在使电化学电池停止充电或放电时产生。有用的热力学参数包括电化学电池的熵变(ΔS)、电化学电池的微分熵(dS)、电化学电池的焓变(ΔH)、电化学电池的微分焓(dH)和电化学电池的自由能变化(ΔG)中的一个或多个。

在实施方案中，用于确定热力学参数的电路被定位成与温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自温度监测电路的温度测量值。在实施方案中，用于确定热力学参数的电路被定位成与电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自电压监测电路的开路电压测量值。在实施方案中，用于确定热力学参数的电路被定位成与电流监测电路电连通或数据连通，以接收来自电流监测电路的电流测量值或以向电流监测电路提供热力学参数。

任选地，这方面的装置是电化学电池的部件或被嵌入电化学电池中。例如，这种性质的嵌入式装置和电池系统是有益的，因为它们可以被用作自我分析电池、电池系统或电池包或用作较大系统的部件。嵌入式装置和电池系统还提供快速且有效地诊断和表征多单元电池系统内的单个单元的能力的益处，比如诊断和鉴别出故障的单元、不适当地充电和放电的单元、不安全的单元、适合于移除或更换的单元，或表征一个或多个单元的循环数、健康状态或安全状态。任选地，关于本文描述的装置和方法有用的电化学电池包括两个或多于两个电极，比如阴极、阳极和任选地一个或多个参考电极。在实施方案中，包括一个或多个参考电极的电化学电池的用途提供单独地直接确定每个电极的状况。

在实施方案中，这方面的装置被定位成使得装置和任何相关的部件例如经由暴露电化学电池的部件不被腐蚀或降解。例如，防止腐蚀和降解对提供装置和任何相关的部件(比如印刷电路板、电阻器、电容器、电感器和其他电路部件)的耐用性是有用的。在实施方案中，装置被安装在印刷电路板上，或任选地，装置被安装在柔性电路板上。在某些实施方案中，装置被安装在至少部分地裹在电化学电池周围的柔性电路板上。任选地，装置包括一个或多个定位成与集成电路的一个或多个部件电连通的电阻器、电容器和电感器。在示例性的实施方案中，这方面的装置例如通过被放置来提供装置和阳极或阴极之间的电连通的一根或多根导线，被定位成与电化学电池的阳极和阴极的一个或多个电连通。

任选地，这方面的装置包括例如被定位成与装置的一个或多个部件或集成电路的一个或多个部件数据连通或电连通的无线收发器电路。在具体的实施方案中，这方面的装置包括一个或多个收发器，其提供装置的部件(比如电压监测电路、温度监测电路、电流监测电路、用于确定热力学参数的电路和这方面的装置的其他电路中的一个或多个)之间的数据连通。例如，在这方面的装置中包括无线收发器提供了装置的设计和配置中的柔性。

在具体的实施方案中，装置和任选的电路元件(比如电感器、电容器、电阻器和外电路元件)是表面贴装式元件。在实施方案中，装置和任选的电路元件具有5mm或小于5mm、3mm或小于3mm、或者2mm或小于2mm的厚度。任选地，装置在制造电化学电池和包装电化学电池之间被附接至电化学电池。

在一个实施方案中，例如，装置本身还包括电化学电池。在一个实施方案中，例如，装置是包括装置和比如电池组中的一个或多个电化学电池的包装盒的部件。在某些实施方案中，装置被定位成与一个或多个电化学电池选择性地数据连通、选择性地电连通、可切换地数据连通或可切换地电连通。在另一实施方案中，装置被定位在电化学电池的壳体外部或在包括电化学电池的包装盒外部。

在实施方案中，本方面的装置的集成电路包括用于确定电化学电池的开路状态的电路(例如电流监测电路)。任选地，集成电路包括电力切换电路，并且电力切换电路任选地确定电化学电池的开路状态。在具体的实施方案中，用于确定开路状态的电路被配置为提供指示比如数据指示或电压指示给电压监测电路，以当电化学电池在开路电压状态或在开路电压条件下操作时测量电化学电池的开路电压。任选地，用于确定开路状态的电路被配置为提供指示给电压监测电路、温度监测电路和电流监测电路中的一个或多个，以在预选的时间段之后，停止测量电化学电池的开路电压、温度或电流。任选地，用于确定开路状态的电路被配置为提供指示给电压监测电路、温度监测电路和电流监测电路中的一个或多个，以在预选的时间段之后，测量或再测量电化学电池的开路电压、温度或电流。因此，本方面的装置任选地可以检测电池何时是开路，并且然后可以立刻测量开路电压，从而改进测量精度并且确定电化学电池或包括电化学电池的装置何时断电或关闭，并且从而使本方面的装置无法从电化学电池消耗能量。

任选地，本方面的装置不直接或主动控制电化学电池的温度。不直接控制电化学电池的温度的装置是有用的，例如使部件数目和系统的操作的复杂性最小。不直接控制电化学电池的温度的装置是有益的，因为这些装置不需要长时间确立电化学电池的温度，但仍可以利用电池的温度变化，有效表征并且分析电池的一个或多个状况(比如热力学参数)，电池的温度变化是在当电池温度由于电池和空气或环境之间的被动热交换而达到室温时，在充电和放电期间发生的或在充电或放电停止之后发生的。从不包括温度控制器和相关部件获得的益处包括但不限于以下各项：使装置的大小减到最小、使装置的成本减到最小、简化装置的复杂性。不直接或主动控制电化学电池的温度的本方面的装置的一个好处是，这些装置能够确定电化学电池的一个或多个热力学参数，不管是否有能力控制电化学电池温度。不直接或主动控制电化学电池的温度的本方面的装置的另外的好处由用于获得并且处理电化学电池的温度、电压、OCV、热力学参数(比如ΔS和ΔH)、以及充电状态和健康数据状态的减少的时间造成。获取时间和处理时间的这种减少是有利的，例如，因为可以更加频繁地收集数据，并且不需要等待电化学电池的温度稳定到控制温度所必需的时间。

例如，在一个实施方案中，装置不包括温度控制器或用于控制或确立电化学电池的温度的工具，比如加热元件或通过从外部热源传导而将热量转移到电化学电池中的元件、或冷却元件(比如热电冷却器、珀尔帖冷却器、或通过传导至外部散热器而将热量积极运送出电化学电池的元件)。在实施方案中，例如，装置不包括温度控制器或用于主动控制或确立电化学电池的温度的工具。在实施方案中，例如，装置不包括温度控制器或用于主动控制或确立电化学电池的指定的温度或被选择的温度的工具。

然而，在某些实施方案中，即使当本方面的装置不直接控制电化学电池的温度时，电化学电池也包括一个或多个散热器、换热器、液体冷却系统或空气冷却系统或热管，或电化学电池也与一个或多个散热器、换热器、液体冷却系统或空气冷却系统或热管热连通。散热器、换热器、液体冷却系统或空气冷却系统或热管被任选地用来使电化学电池的温度维持在选择的工作范围内或防止电化学电池的温度上升超过指定的最大温度或额定温度。使用散热器、换热器、液体冷却系统或空气冷却系统或热管比通过热量的被动运输比如果不使用散热器、换热器或热管允许电化学电池和环境之间的热传递更加有效。在某些实施方案中，散热器或换热器被定位成使得空气穿过散热器或换热器移动，以促进使热被动运输至空气或环境。任选地，液体冷却系统或空气冷却系统或热管被用来使热量在电化学电池和散热器或换热器之间运输。在某些实施方案中，液体冷却系统或空气冷却系统或热管被定位成使得使用液体冷却系统或空气冷却系统或热管使热量运输到位于远程的散热器或换热器，以促进使热被动运输至空气或环境。

其他有用的温度调节系统包括强制空气冷却系统(例如，风机驱动系统)、压缩空气冷却系统以及使用高的换热表面面积和快速传热材料比如铜或铝的换热器。换热器任选地包括冷却液比如压缩的空气、冷却的水、相变热吸收剂或传热材料比如液态金属或熔融盐。

任选地，本方面的装置还包括温度传感器，其定位成与电化学电池热连通并且还定位成与温度监测电路电连通或数据连通。任选地，温度监测电路确定或监测在电化学电池充电或放电时的电化学电池的温度。任选地，温度监测电路确定或监测当电化学电池不充电时或当电化学电池不放电时电化学电池的温度。有用的温度传感器包括那些包括热电偶、电阻温度计和热敏电阻的温度传感器。

任选地，本方面的装置是汽车比如电动汽车或混合动力汽车的部件。将本方面的装置并入汽车中有益于允许监测并表征用来驱动汽车中的电动机的电化学电池。任选地，在包括汽车的部件的本方面的装置中，当汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时，电压监测电路测量电化学电池的多个开路电压。任选地，在包括汽车的部件的本方面的装置中，当汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时，温度监测电路测量电化学电池的多个温度。

在实施方案中，电化学电池的开路电压的变化发生在汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时。在实施方案中，电化学电池的温度的变化发生在汽车空转、停止、停放、已断电、正在断电、已通电、正在通电、加速或减速时。任选地，在空转汽车、停止汽车、停放汽车、使汽车断电、使汽车通电、使汽车加速和使汽车减速的一项或更多项进行期间或之后，测量电化学电池的多个温度。任选地，在空转汽车、停止汽车、停放汽车、使汽车断电、使汽车通电、使汽车加速和使汽车减速的一项或更多项进行期间或之后，测量电化学电池的多个开路电压。

任选地，本方面的装置是可移动的或便携式电子装置比如手机、手提电脑、平板电脑、电子阅读器、便携式音乐播放器、便携式音频播放器、便携式影像播放器、条形码阅读器、遥测阅读器、手提灯装置、便携式声音装置或报警装置、比如用于军队、电信、航空和空间应用、比赛的便携式自治电力装置、手表、钟表、便携式医疗装置、可植入的医疗装置的部件。任选地，本方面的装置是尽管轻便但固定的电子装置(比如气体检测器、烟雾检测器或报警系统)的部件。将本方面的装置并入可移动的和便携式的电子装置中有益于允许监测并表征用来给可移动的或便携式的电子装置供电的电化学电池。任选地，在包括可移动的或便携式的电子装置的部件的本方面的装置中，当便携式的电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电时，电压监测电路测量电化学电池的多个开路电压。任选地，在包括可移动的或便携式的电子装置的部件的本方面的装置中，当便携式的电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电时，温度监测电路测量电化学电池的多个温度。

在实施方案中，电化学电池的开路电压的变化发生在便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电的时候。在实施方案中，电化学电池的温度的变化发生在便携式电子装置处于空闲、已断电、正在断电、已通电或正在通电的时候。任选地，在使便携式电子装置处于空闲、使便携式电子装置断电和使便携式电子装置通电的一项或更多项进行期间或之后，测量电化学电池的多个温度。任选地，在使便携式电子装置处于空闲、使便携式电子装置断电和使便携式电子装置通电的一项或更多项进行期间或之后，测量电化学电池的多个开路电压。

任选地，本方面的装置是电池备份系统比如不间断电源的部件。任选地，本方面的装置是固定的储能系统或设施(比如附接至光伏系统、风系统、地热系统、液压系统和潮汐能发电系统)的部件和一般用于发电厂的那些部件。将本方面的装置并入这些系统和其他系统中有益于允许监测和表征用于电池备份系统、负载均衡系统和调峰系统的电化学电池。

在实施方案中，本方面的装置在确定电化学电池的热力学参数上是有用的。在具体的实施方案中，使用电化学电池的多个开路电压和电化学电池的多个温度中的一个或多个来确定电化学电池的热力学参数。例如，在实施方案中，通过测量电化学电池的开路电压来确定电化学电池的自由能的变化。在实施方案中，例如通过在多个温度下测量电化学电池的开路电压来确定电化学电池的焓变。任选地，通过计算电化学电池的开路电压测量值对电化学电池的温度测量值的线性回归的截距来确定电化学电池的焓变。在实施方案中，例如，通过在多个温度下测量电化学电池的开路电压来确定电化学电池的熵变。任选地，通过计算电化学电池的开路电压测量值对电化学电池的温度测量值的线性回归的斜率来确定电化学电池的熵变。

在实施方案中，通过凭借电化学电池的使用(例如通过充电或放电)而自然发生的温度变化来实现电化学电池的不同温度。在实施方案中，电化学电池的温度在电化学电池充电或放电时增加。相反地，在实施方案中，电化学电池的温度在电化学电池充电或放电停止之后减少。这种自然的温度变化被本发明的装置和方法使用，以用于确定一个或多个热力学参数。

在实施方案中，尽管对所有的电化学电池的化学反应并不是一致的情况，但电化学电池的开路电压都随着电化学电池的温度增加而增加或随着电化学电池的温度减少而减少。在很多实施方案中，电化学电池的开路电压在电化学电池充电或放电时变化。在某些实施方案中，电化学电池的开路电压在电化学电池充电或放电停止之后变化。

在实施方案中，使用电化学电池的第一温度和与电化学电池的第一温度不同的电化学电池的第二温度来确定电化学电池的热力学参数。任选地，在通过充电或放电使电化学电池加热之后，使用电化学电池的第一温度和电化学电池的第二温度来确定电化学电池的热力学参数。任选地，在电化学电池从第一温度冷却之后，使用电化学电池的第一温度和电化学电池的第二温度来确定电化学电池的热力学参数。

在实施方案中，使用电化学电池的第一开路电压和与电化学电池的第一开路电压不同的电化学电池的第二开路电压来确定电化学电池的热力学参数。例如，在电化学电池充电或放电之后，使用电化学电池的第一开路电压和电化学电池的第二开路电压来任选地确定电化学电池的热力学参数。例如，在电化学电池充电或放电停止之后使用电化学电池的第一开路电压，并且在电化学电池充电或放电保持停止时以及在电化学电池的温度变化之后使用电化学电池的第二开路电压，来任选地确定电化学电池的热力学参数。

任选地，对于本方面的装置，集成电路还包括用于确定电化学电池的蓄电状态的蓄电状态计算电路。在实施方案中，蓄电状态计算电路包括电流测量电路。在实施方案中，监测、计算和确定电化学电池的蓄电状态对确定电化学电池的一种或多种状况可是有用的。例如，可通过电化学电池的蓄电状态的多个测量值和测定值来任选地确定健康状态、充电循环或安全状态。在某些实施方案中，通过把电化学电池的蓄电状态和电化学电池的一个或多个热力学参数相比，或通过计算电化学电池的蓄电状态对电化学电池的一个或多个热力学参数的线性回归或其他回归来确定电化学电池的健康状态、充电循环或安全状态。在实施方案中，电化学电池的多个蓄电状态是在使电化学电池充电或放电时产生的。在实施方案中，用于确定热力学参数的电路被定位成与蓄电状态计算电路电连通或数据连通，以接收来自蓄电状态计算电路的蓄电状态测量值，或以提供热力学参数至蓄电状态计算电路。

在实施方案中，电化学电池的蓄电状态指第一值对第二值的比率。在一个具体的实施方案中，第一值是保留在电化学电池中的净电荷量，并且第二值是电化学电池的额定电荷容量或电化学电池的理论电荷容量。在另一具体实施方案中，第一值是使电化学电池充电到电化学电池的额定电荷容量或到电化学电池的理论电荷容量所需要的净电荷量，并且第二值是电化学电池的额定电荷容量或电化学电池的理论电荷容量。

在一个实施方案中，蓄电状态计算电路例如基于从电流测量电路接收的电流测量值确定电化学电池的库仑电量状态(coulometric state)。在实施方案中，蓄电状态计算电路基于通过蓄电状态计算电路接收的热力学参数确定电化学电池的真实蓄电状态。任选地，通过在查找表中查找收到的热力学参数或查找表中的点之间的插值，来确定电化学电池的真实蓄电状态。在具体的实施方案中，当电化学电池在受控条件下充电时，本方面的装置的集成电路监测电化学电池；并且当电化学电池充电时，集成电路更新查找表中的条目。例如，在受控条件下电化学电池充电期间，查找表中的条目，比如蓄电状态、开路电压和热力学参数被更新。

本方面的装置包括电压监测电路，其用于测量、确定和/或估计电化学电池的开路电压。电化学电池的开路电压的测量值或估计值对多种用途有用，包括确定电化学电池的状况，比如电化学电池的热力学参数、电化学电池的蓄电状态、电化学电池的健康状态、电化学电池的安全状态和电化学电池的循环数。在实施方案中，开路电压测量值或估计值对电化学电池的使用、安全、健康、持续时间、耐用度和剩余寿命提供依据。在实施方案中，开路电压测量值或估计值对电化学电池内的材料和部件的物理构造和/或分布提供依据，比如指示电化学电池的相或部件、电化学电池的部件的构成、或电化学电池内发生的事件或状况。

在实施方案中，本方面的装置例如使用电压监测电路测量或监测电化学电池的开路电压。任选地，当电化学电池没有充电时或当电化学电池没有放电时，电压监测电路确定电化学电池的开路电压。任选地，在电化学电池充电或放电停止之后，电压监测电路确定电化学电池的开路电压。任选地，电压监测电路确定电化学电池热化学稳定条件下的电化学电池的开路电压。任选地，电压监测电路确定电化学电池非热化学稳定条件下的电化学电池的开路电压。

在某些实施方案中，对于电化学电池缓和到热化学稳定条件，可能需要大量的时间，例如，长于一秒、长于十秒、长于三十秒等等的时间段。当电化学电池朝热化学稳定条件缓和时，在比电化学电池完全缓和到热化学稳定条件所需时间更短的时间段内，通过监测电化学电池的开路电压的变化，本方面的装置能够估计热化学稳定条件下的电化学电池的开路电压。例如，在某些实施方案中，开路电压的缓和跟随对应于朝着热化学稳定条件下的开路电压的指数衰减而发生。监测开路电压和计算指数衰减时间常数从而允许计算对应于热化学稳定条件下的渐近开路电压。在实施方案中，电压监测电路基于电化学电池的非热化学稳定条件下的电化学电池的开路电压，确定或估计电化学电池的热化学稳定条件下的电化学电池的开路电压。这个后面的实施方案例如对花费时间用于电化学电池缓和到热化学稳定条件下的情况是有用的。

任选地，本方面的装置对监测电化学电池的一种或多种状况是有用的，例如，电化学电池的热力学参数、健康状态、安全状态和循环数。例如，监测这些状况中的一种或多种允许了解关于电化学电池的使用、安全、健康、持续时间、耐用度和剩余寿命的详细信息。例如，这种监测有助于更换衰退或老化的电化学电池，以及提醒电化学电池的即将损毁或退化的性能，从而防止电化学电池的灾难性故障或系统从电化学电池汲取功率。

在具体的实施方案中，本方面的装置的集成电路被配置为监测一个或多个电化学电池的状况，其中状况是热力学参数、健康状态、安全状态和循环数中的一种或多种。在实施方案中，用于确定电化学电池的热力学参数的电路还确定电化学电池的健康状态、电化学电池的安全状态和电化学电池的循环数中的一种或多种。

任选地，集成电路还包括用于确定电化学电池的健康状态、电化学电池的安全状态和电化学电池的循环数中的一种或多种的另外的电路。任选地，本方面的装置还包括用于确定电化学电池的健康状态、电化学电池的安全状态和电化学电池的循环数中的一种或多种的另外的电路，例如作为在集成电路外部的部件。

用于监测电化学电池的有用的状况包括但不限于电化学电池的热力学参数、电化学电池的蓄电状态、电化学电池的健康状态、电化学电池的安全状态和电化学电池的循环数。在实施方案中，电化学电池的健康状态指与当系统为最近制造并且测试时的最佳量、理想量、理论量或额定量(比如在100％蓄电状态下)相比，在系统中可交付的或可利用的能量(W·h)和功率(W)的量。在实施方案中，电池健康状态的衰减或降低起因于电极和电解质材料的降解、起因于内电阻的增加、以及起因于机械和化学效应，比如由于热、纱罗(gazing)和腐蚀而起的硬件变形。在实施方案中，健康状态评价的度量标准是在具体的蓄电状态或界定的蓄电状态下逐渐减弱的相对峰值功率，比如以SOH＝100(P(SOC)/P₀(SOC))表达，其中，SOH指电化学电池的健康状态，P(SOC)是在老化的电池的蓄电状态(SOC)下的峰值功率，并且P₀(SOC)是在新近制造和测试的电池的蓄电状态下并且在相同的蓄电状态(SOC)下的峰值功率；任选地，50％的蓄电状态用于确定SOH，尽管其他蓄电状态也被任选地使用。通过引用由此并入的以下参考文献公开了用于估计、计算或测量电化学电池的健康状态的方法：Ng等人，Applied Energy 86(2009)1506-1511；Remmlinger等人，J.Power Sources 196(2011)5357-5363；Andre等人，Engineering Applications of Artificial Intelligence 26(2013)951-961；Lin等人，IEEE Transactions on Industrial Informatics,9:2(2013)679-685；Eddahech等人，Electrical Power and Energy Systems 42(2012)487-494。

在实施方案中，电化学电池的安全状态(SOS)指电化学电池经历热散逸的可能性或概率。在实施方案中，一种用于确定SOS的有用的度量标准是在规定的蓄电状态下电化学电池内的热事件的起始温度。在实施方案中，比如通过包括量热法、示差热分析法(DTA)和示差扫描量热法(DSC)的热分析法测量的起始温度，起始温度越低，热散逸风险越高，并且从而SOS越低。在实施方案中，电化学电池的循环数指电化学电池所经历的充电循环或放电循环的数目，例如完全充电循环或完全放电循环的数目、部分充电循环或部分放电循环或其组合的数目。

在实施方案中，为了确定电化学电池的健康状态或安全状态，本方面的装置分析一个或多个电化学电池的历史。电化学电池的有用的历史包括但不限于：如开路电压历史、温度历史、蓄电状态历史、热力学参数历史、循环数历史。如本文使用的，术语“历史”指在一段时期内进行的电化学电池的状况或事件的以前的测量、估计或分析。在实施方案中，通过测量电化学电池的峰值功率来确定电化学电池的健康状态，比如在具体的健康状态下。在一个实施方案中，使在考虑中的电化学电池达到规定的蓄电状态并且在快速增加的功率(P＝UI，U＝电压，I＝电流)下放电。任选地，峰值功率被定义为电池可以维持持续一段短的时间段—例如持续几分之一秒到几秒的最高的功率。在实施方案中，峰值功率测量不是可逆的并且本身可以不利地影响电池的健康状态。在实施方案中，电化学电池的健康状态通过比如示差扫描量热法(DSC)和加速比量热法(ARC)的量热法，通过在规定的起始蓄电状态下确定起始温度、电化学电池内的过程的总热量和自加热速率来确定。

在具体的实施方案中，本方面的装置确定电化学电池的熵、熵变或微分熵，并且把已确定的熵、熵变或微分熵与参考熵、参考熵变或参考微分熵相比较，并且当已确定的熵、熵变或微分熵与参考熵、参考熵变或参考微分熵不同时，禁止电化学电池充电或放电。在实施方案中，参考熵、参考熵变或参考微分熵是参考电化学电池的熵、熵变或微分熵，所述参考电化学电池为比如具有预选的蓄电状态、预选的安全状态、预选的健康状态或这些的任何组合的电化学电池。在实施方案中，当已确定的熵、熵变或微分熵大于参考熵、参考熵变或参考微分熵，或小于参考熵、参考熵变或参考微分熵时，禁止电化学电池充电或放电。在实施方案中，本方面的装置确定电化学电池的温度，并且把已确定的温度与参考温度相比较，并且当已确定的温度大于参考温度时，禁止所述电化学电池充电或放电。

在实施方案中，本方面的装置包括一个或多个集成电路或一个或多个集成电路部件。例如，在一个实施方案中，集成电路包括现场可编程门阵列电路。在实施方案中，例如，集成电路包括专用集成电路。任选地，集成电路的电路部件包括现场可编程门阵列电路或专用集成电路。例如，在实施方案中，用于确定电化学电池的热力学参数的电路包括现场可编程门阵列电路或专用集成电路。

在另一方面，本发明提供方法，包括确定电化学电池的状况的方法和确定电化学电池的参数的方法。在实施方案中，本方面的方法提供用于确定电化学电池的健康状态、用于确定电化学电池的蓄电状态、确定电化学电池的安全状态、用于确定电化学电池的安全状态、用于确定电化学电池的循环数、确定电化学电池的构成、确定电化学电池中一个部件或多个部件的相变、以及用于确定电化学电池的热力学参数比如熵变(ΔS)、焓变(ΔH)和自由能变化(ΔG)的途径。

在实施方案中，本方面的方法包括以下步骤：提供集成电路；产生电化学电池的多个开路电压、电化学电池的多个温度、或电化学电池的多个开路电压和多个温度两者；以及使用集成电路确定电化学电池的第一热力学参数，所述集成电路包括：用于测量电化学电池的多个开路电压的电压监测电路，所述多个开路电压在使电化学电池充电或放电或者使电化学电池停止充电或放电时产生；用于测量电化学电池的多个温度的温度监测电路，所述多个温度在使电化学电池充电或放电或者使电化学电池停止充电或放电时产生；以及用于确定电化学电池的热力学参数的电路，其中热力学参数是电化学电池的熵变、电化学电池的焓变和电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的电路定位成与温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自温度监测电路的温度测量值，并且用于确定热力学参数的电路定位成与电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自电压监测电路的开路电压测量值。

任选地，本方面的方法的产生步骤包括使电化学电池充电或放电。任选地，电化学电池的温度和电化学电池的开路电压中的一个或多个在充电或放电期间变化。这样，本方面的实施方案可以利用与使电化学电池充电或放电有关的自然温度变化和开路电压变化，用于确定电化学电池的参数或状况。

任选地，本方面的方法的产生步骤包括停止使电化学电池充电或放电。任选地，电化学电池的温度和电化学电池的开路电压中的一个或多个在停止充电或放电之后变化。此处，本方面的实施方案可以利用在充电或放电期间被加热之后，当电化学电池缓和回到室温时发生的温度和开路电压的自然变化，用于确定电化学电池的参数或状况。

在实施方案中，本方面的方法还包括把第一热力学参数和用于参考电化学电池的一个或多个参考热力学参数相比较的步骤。在具体的实施方案中，参考电化学电池的电池化学性质与电化学电池的电池化学性质是相同的。在实施方案中，包括比较热力学参数的步骤的方法是有用的，例如，因为它们允许在小心控制的条件下全面表征参考电化学电池，以便提供有用的参考测量值，以用于稍后与例如汽车或便携式电子装置应用中当其正在使用时的电化学电池相比较。通过把当其正在使用时的电化学电池所测量的热力学参数与参考电化学电池的参考热力学参数相比较，可以获得对电化学电池的状况的依据。例如，并入比较热力学参数的方法的实施方案允许估计或确定电化学电池的健康状态、安全状态、循环数以及电池老化的其他特征。

在一个实施方案中，例如，确定第一热力学参数的步骤包括确定在第一开路电压的电化学电池的熵变。任选地，本方面的方法还包括使用集成电路确定电化学电池的第二热力学参数的方法。任选地，本方面的方法还包括把第二热力学参数与参考电化学电池的一个或多个参考热力学参数相比较的步骤。在实施方案中，例如，确定第二热力学参数的步骤包括确定在第二开路电压的电化学电池的熵变。

任选地，把第一热力学参数和一个或多个参考热力学参数相比较的步骤包括在参考热力学参数的数组中或在参考热力学参数的查找表中的点之间的插值。如上所述，有用的参考热力学参数或在查找表中的参考热力学参数包括对参考电化学电池确定的值。在实施方案中，把第一热力学参数和一个或多个参考热力学参数相比较的步骤包括基于比较确定电化学电池的状况。

在示例性的实施方案中，确定电化学电池的第一热力学参数的步骤包括以下步骤：使电化学电池充电或放电到第一开路电压值；停止充电或放电；使用集成电路测量作为时间的函数的电化学电池的开路电压；以及使用集成电路测量作为时间的函数的电化学电池的温度。任选地，确定电化学电池的第一热力学参数的步骤还包括计算开路电压测量值对温度测量值的线性回归。在实施方案中，所测得的电化学电池的开路电压提供电化学电池的自由能变化值，其中线性回归的截距提供电化学电池的焓变值，并且其中线性回归的斜率提供电化学电池的熵变值。

如先前关于本发明的装置所描述的，某些方法的实施方案不包括使用温度控制器、加热器、冷却器或这些的任何组合控制电化学电池的温度。

在实施方案中，本方面的另一方法包括以下步骤：提供包括参考电化学电池的热力学参数值和参考电化学电池的电池状况值的参考值数组；确定电化学电池的热力学参数；以及使用参考值数组确定电化学电池的状况，其中，电化学电池的状况对应于参考电化学电池的针对等于电化学电池已确定的热力学参数的参考热力学值的电池状况。

任选地，如上所述，值数组还包括参考电化学电池的开路电压值。在具体的实施方案中，值数组包括两个或两个以上开路电压值、关于两个或两个以上开路电压值中的每个的多个热力学参数值、以及关于所述两个或两个以上开路电压值和所述多个热力学参数值中的每个的一个或多个电池状况值。任选地，确定电化学电池的状况的步骤包括在值数组的值之间插值。

在实施方案中，本方面的方法有利地确定电化学电池的一个或多个状况，其包括电化学电池的健康状态、电化学电池的蓄电状态、电化学电池的安全状态和电化学电池的循环数。在具体的实施方案中，值数组中的电池状况值包括参考电化学电池的健康状态、参考电化学电池的蓄电状态、参考电化学电池的安全状态和参考电化学电池的循环数中的一个或多个。任选地，值数组包括在两个或两个以上开路电压的参考电化学电池的熵变值。

在具体的实施方案中，电化学电池比如参考电化学电池的热力学参数值通过包括以下步骤的方法来获得：控制参考电化学电池的组成来确定多种参考电化学电池组成；对于多种参考电化学电池组成中的每个，控制参考电化学电池的温度来确定多种电化学电池组成；对于多种参考电化学电池组成和参考电化学电池温度中的每个，测量参考电化学电池的开路电压。如上所述，这种方法对仔细且全面表征电化学电池比如参考电化学电池、并且尤其对因多种电化学电池化学特性而形成值的多个数组是有用的。任选地，电化学电池比如参考电化学电池的热力学参数值通过还包括以下步骤的方法获得：计算参考电化学电池的开路电压测量值对参考电化学电池的温度测量值的线性回归。任选地，所测得的电化学电池的开路电压提供电化学电池的自由能变化值，其中线性回归的截距提供电化学电池的焓变值，并且其中线性回归的斜率提供电化学电池的熵变值。

在具体的实施方案中，确定电化学电池的热力学参数的步骤包括以下步骤：使电化学电池充电或放电到第一开路电压值；停止充电或放电；测量作为时间的函数的电化学电池的开路电压；以及测量作为时间的函数的电化学电池的温度。任选地，确定电化学电池的热力学参数的步骤还包括：计算电化学电池的开路电压测量值对电化学电池的温度测量值的线性回归。任选地，所测得的电化学电池的开路电压提供电化学电池的自由能变化值，其中线性回归的截距提供电化学电池的焓变值，并且其中线性回归的斜率提供电化学电池的熵变值。

在示例性的实施方案中，使用集成电路进行确定电化学电池的热力学参数的步骤，所述集成电路包括：用于测量电化学电池的多个开路电压的电压监测电路，所述多个开路电压在使电化学电池充电或放电或者使电化学电池停止充电或放电时产生；用于测量电化学电池的多个温度的温度监测电路，所述多个温度在使电化学电池充电或放电或者使电化学电池停止充电或放电时产生；以及用于确定电化学电池的热力学参数的电路，其中热力学参数是电化学电池的熵变、电化学电池的焓变和电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的电路定位成与温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自温度监测电路的温度测量值，并且用于确定热力学参数的电路定位成与电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自电压监测电路的开路电压测量值。

在具体的实施方案中，确定电化学电池的热力学参数的步骤不包括使用温度控制器、加热器、冷却器或这些的任何组合来控制电化学电池的温度。任选地，确定电化学电池的热力学参数的步骤包括产生电化学电池的多个开路电压、电化学电池的多个温度、或电化学电池的多个开路电压和电化学电池的多个温度两者。

任选地，产生步骤包括使电化学电池充电或放电；其中电化学电池的温度在充电或放电期间变化，其中电化学电池的开路电压在充电或放电期间变化，或其中电化学电池的温度和电化学电池的开路电压两者在充电或放电期间变化。任选地，产生的步骤包括使电化学电池停止充电或放电；其中电化学电池的温度在停止充电或放电之后变化，其中电化学电池的开路电压在停止充电或放电之后变化，或其中电化学电池的温度和电化学电池的开路电压两者在停止充电或放电之后变化。

在另一方面，提供了用于安全操作电化学电池的方法。本方面的具体实施方案包括以下步骤：提供电化学电池；提供用于监测电化学电池的熵的熵监测电路，该电路定位成与电化学电池电连通；使用熵监测电路确定电化学电池的熵；把电化学电池的已确定的熵和参考熵相比较；以及当电化学电池的已确定的熵与参考熵不同时，禁止电化学电池充电或放电。在实施方案中，本方面的方法提供安全操作和监测电化学电池，如此以防止电化学电池在其中电化学电池的热散逸有可能发生的条件下操作。在实施方案中，本方面的方法提供禁用或绕开被确定为不适于安全操作的电化学电池的途径，从而防止进一步增加电化学电池将经历热散逸的可能性。

任选地，参考熵是具有预选的安全状态、预选的蓄电状态、预选的健康状态或这些的任何组合的参考电化学电池—比如接近其使用寿命的尽头并且应该从操作移除以防止不安全状况的参考电化学电池的熵。在具体的实施方案中，禁用步骤包括：致动与电化学电池的电极电连通的开关、继电器或晶体管，从而禁止电化学电池充电或放电。任选地，确定步骤包括确定电化学电池的熵变。任选地，比较步骤包括：把电化学电池的熵变和参考熵变相比较。任选地，禁用步骤包括：当电化学电池已确定的熵变大于参考熵变时，禁止电化学电池充电或放电。任选地，确定步骤包括确定电化学电池的微分熵。任选地，比较步骤包括把电化学电池的微分熵和参考微分熵相比较。任选地，禁用步骤包括：当电化学电池已确定的微分熵大于参考微分熵时，禁止电化学电池充电或放电。在具体的实施方案中，禁用步骤的步骤禁止电化学电池充电或放电，其中已确定的熵大于参考熵或小于参考熵。

在另一实施方案中，本方面的方法还包括以下步骤：监测电化学电池的温度；把电化学电池的温度和参考温度相比较；以及当电化学电池的温度大于参考温度时，禁止电化学电池充电或放电。任选地，这些实施方案提供用于确保电化学电池的安全操作或用于确定电化学电池是否已经开始热散逸或稍后将经历热散逸(如果电池继续运行)的另外的工具。任选地，参考温度是具有预选安全状态、预选蓄电状态、预选健康状态或这些的任何组合的参考电化学电池的温度。任选地，禁用步骤包括致动与电化学电池的电极电连通的开关、继电器或晶体管，从而禁止电化学电池充电或放电。

在示例性的实施方案中，本方面的方法利用本文描述的装置，以用于监测电化学电池的熵。在具体的实施方案中，熵监测电路包括集成电路，所述集成电路包括：用于测量电化学电池的多个开路电压的电压监测电路，所述多个开路电压在使电化学电池充电或放电或者使电化学电池停止充电或放电时产生；用于测量电化学电池的多个温度的温度监测电路，所述多个温度在使电化学电池充电或放电或者使电化学电池停止充电或放电时产生；用于测量电化学电池的充电电流或电化学电池的放电电流的电流监测电路；以及用于确定电化学电池的热力学参数的电路，其中热力学参数是电化学电池的熵变、电化学电池的焓变和电化学电池的自由能变化中的一个或多个，用于确定热力学参数的电路定位成与温度监测电路电连通或数据连通，以接收来自温度监测电路的温度测量值，并且用于确定热力学参数的电路定位成与电压监测电路电连通或数据连通，以接收来自电压监测电路的开路电压测量值，并且用于确定热力学参数的电路定位成与电流监测电路电连通或数据连通，以接收来自电流监测电路的电流测量值或以提供热力学参数至电流监测电路。

在本说明书的上下文中，术语“热力学稳定条件”指其中所测开路电压近似于平衡态电池电压，使得测量值可以用来精确确定热力学参数和材料特性，使得这些参数可以用来评估电极和/或电化学电池的电化学、材料和性能属性的实验条件。热力学稳定条件下的开路电压测量值使得能够确定比如电极/电化学电池反应的吉布斯自由能、焓和熵的状态函数。要表明的是热力学稳定条件包括与绝对平衡条件的一些偏差。在某些实施方案中，热力学稳定条件下的开路电压与真实平衡电压的偏差小于1mV，并且优选地，对于某些实施方案，所述条件与真实平衡电压的偏差小于0.1mV。在本发明的某些实验条件下，开路电压接近于阴极和阳极中Li的吉布斯自由能的差额的精确测量值，并且任何所观察到的偏差起源于分析期间所采用的测量技术的限制。精确识别反映热力学稳定条件的开路电压测量值的能力对于提供开路电压、温度和组成的测量值是有用的，这些测量值可以被用来表征被分析的电极的重要热力学、电化学和材料特性。

在某些实施方案中，用语“电化学电池”指包括三种主要活性材料的装置：

阳极：一般为其中发生氧化的电极。氧化是电子的丢失，并且可以被表示为：R_a→O_a+n_ae，其中R_a是化学物质或用于阳极材料的还原形式，O_a是化学物质或用于阳极材料的氧化形式。它包括中性原子或带正电的原子(阳离子)或带负电的原子(阴离子)，n_a＝每摩尔R_a的阳极反应中交换的电子摩尔数。该阳极是放电期间电池的负极；

阴极：一般为其中发生还原(得到电子)的电极。该反应与前述反应相反，即O_c+n_ce→R_c，其中O_c是化学物质或用于阴极材料的氧化形式，R_c是化学物质或用于阴极材料的还原形式。它包括中性原子或带正电的原子(阳离子)或带负电的原子(阴离子)，n_c＝每摩尔O_c的阳极反应中交换的电子摩尔数。该阴极是放电期间电池的正极；以及

电解质：是离子导电材料，其作用是提供实现电极反应所需的阴离子和阳离子。它通常包括溶剂介质和比如盐、酸或碱的溶质材料。在某些情况中，由于电池的充电和放电，电解质改变组成(例如，参见铅酸蓄电池，其中硫酸在放电期间被消耗：Pb+PbO₂+2H₂SO₄→2PbSO₄+2H₂O)。

如本文使用的，用语“电化学电池组成”或“电化学电池的组成”同义地使用，并且指包括电化学电池的活性材料(即比如阴极和阳极的电极，以及电解质)的组成和/或物理状态。因此，在某些实施方案中，电化学电池组成指阴极和阳极材料的表面组成和/或本体组成、电解质的组成或这些的任何组合。在本发明的某些实施方案中，用语“电化学电池的组成”指电化学电池或其任何部件(例如，比如电极或电解质的活性材料)的蓄电状态。 用于电池应用的嵌入式芯片专利购买费用说明