[發明專利]用于在線確定電池的充電狀態和健康狀態的方法和裝置

有效

• 申請號: 201210591156.2
• 申請日: 2012-11-25
• 公開（公告）號: CN103149535B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: A·R·帕帕納;H·N·辛赫;H·A·科喬里;S·克什里;D·拉扎羅維奇
• 申請（專利權）人: 霍尼韋爾國際公司
• 主分類號: G01R31/36
• 分類號: G01R31/36
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 謝攀,李浩

背景技術

本發明涉及用于確定電池的充電狀態(SoC)和健康狀態(SoH)的裝置和方法，更特別地是，涉及在動態充電和放電環境中在線(online)確定電池SoC和SoH的裝置和方法。

可再充電電池是近來新興的微電網、電動車輛(EV)、插電式混合動力車輛(PHEV)和多電飛機(MEA)系統的關鍵元件。這些平臺需要電池的頻繁充電和放電。為了可靠的操作以及維持電池壽命，知道電池充電狀態(SoC)和主流電池的健康狀態(SoH)的準確知識是強制性的。主流電池容量是SoH的先行指標。

現有技術提供了若干SoC和SoH確定技術。然而，這些技術僅能當電池處于離線(offline)模式，即在實驗室環境中，或者它不被用于支持主機環境中的充電和放電功能時被應用。由于在在線模式中發生的、動態充電/放電條件下的電池的異常行為，這些技術或是不合適，或是不能提供準確的結果。

用于確定SoC的最基本的技術是基于電池開路或休息電壓(OCV)測量。該OCV典型地被定義為在電池已經處于無負載或充電的休息狀態達預定時間(從最小30分鐘到數小時)之后的電池端子(terminal)電壓。在許多鋰離子和其他電池化學成分的情況下，OCV隨著SoC而變化因而不能用于計算SoC。圖1提供了在0、25和45℃處GS?Yuasa?28V，40Ah鋰離子電池的OCV-SoC的相關性的例子。該圖指示了在大約10％SoC到100％SoC范圍內SoC和OCV之間的接近線性的關系。OCV相對于SoC的曲線通常可從電池/電池單元(cell)的供應商處獲得，或可通過實驗室測試研發得出。通過使用這種方法，已經研發出具有比+/-5％SoC更好的準確度的算法。然而，這種方法不適用于在動態充電/放電環境中的在線SoC確定，在這種環境中由于極化現象，休息的電池電壓不大可能獲得。在圖2A和2B中示出了極化現象，其顯示了對于重復的10A負載脈沖的電池響應。電池電壓的插入的放大曲線描繪了移除負載后的突然電壓跳躍，緊跟著是慢得多的電壓恢復，從而導致很長的等待時間來捕獲休息的電池電壓。在在線環境中等待時間通常是不現實的。

電池容量隨著使用和日歷時間而逐漸減少。如果電池的容量減少了50％，與它初次部署時相比較，在100％SoC它將僅具有一半的能量。因而，單獨SoC測量不足以確保系統中的電池的有效操作。還應該監控作為SoH的主要指標的電池容量。

在現有技術中，存在預測電池容量的方法，但是所有這些方法都僅能夠離線實施并需要等待時間以使電池達到均衡狀態。如在美國專利號7,576,545中描述的，可以通過部分充電/放電來確定電池的滿容量。這個方法以已知的SoC狀態開始并且，在增加或減少了已知量的能量之后，測量電池的休息開路電壓來計算新的SoC。接著可以通過等式(1)使充電/放電能量(ΔE)與SoC的變化(ΔSoC)相關來獲得滿容量(C_full)。

C_full*ΔSoC＝ΔE????----------(1)

其中ΔSoC＝|SoC_after-SoC_before|。但是，在部分充電/放電后，休息開路電壓需要通過去極化/預定義休息時間來獲得，因而中斷了系統操作。當電池是在線時，這并不現實。

如可以看到的，需要一種確定電池的SoC和SoH的在線技術。

發明內容

在本發明的一個方面，一種用于確定電池的充電狀態和健康狀態的系統包括：測量部，其具有電壓傳感器、電流傳感器和溫度傳感器，該測量部適于從電池獲取測量結果；電源，其經由電源開關連接到電池；負載，其經由負載開關連接到電池；以及計算機，其適于從測量部接收測量結果，該計算機具有適于斷開和閉合電源開關和負載開關的控制卡，該計算機適于在線計算開路電壓而不需要電池休息時間。

在本發明的另一方面，一種用于在不需要電池休息時間的情況下在線確定電池開路電壓的方法包括：對電池充電或放電；通過使用等式V_OC＝V_BAT+ΔV_R+ΔV_P來計算開路電壓，其中V_BAT是電池端子電壓，ΔV_R是由于電池電阻引起的電壓降，和ΔV_P是由于極化現象引起的電壓降；以及使用所計算的開路電壓和電池溫度來確定充電狀態。