[發(fā)明專(zhuān)利]用于監(jiān)測(cè)電池組中的老化單體的性能變化的方法和系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310197340.3
• 申請(qǐng)日: 2013-05-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103424710A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: P.M.拉斯科夫斯基;B.J.科赫;D.R.弗里施;R.雷巴;K.M.約翰遜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01R31/36
• 分類(lèi)號(hào): G01R31/36
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 馮春時(shí)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及確定電池組中的單體的充電狀態(tài)，更具體而言，涉及隨著單體的老化而對(duì)電池單體的充電狀態(tài)與開(kāi)路電壓曲線的變化進(jìn)行建模的方法，其中，使用基于物理模型中的參數(shù)回歸或優(yōu)化而對(duì)該曲線建模，并且所得到的單體性能曲線用于改善充電狀態(tài)的確定和容量的估計(jì)。

背景技術(shù)

電動(dòng)車(chē)輛和汽油-電或柴油-電混合動(dòng)力車(chē)輛正在當(dāng)今的汽車(chē)市場(chǎng)迅速普及。電動(dòng)和混合電動(dòng)車(chē)輛提供了若干可取的特征，諸如減少或消除消費(fèi)者層級(jí)的排放和基于石油的燃料消耗，和潛在地降低了操作成本。電動(dòng)和混合電動(dòng)車(chē)輛的關(guān)鍵子系統(tǒng)是電池組，其可以代表相當(dāng)大比例的車(chē)輛成本。這些車(chē)輛中的電池組通常由多個(gè)互連的單體組成，它們能夠按需輸送大量功率。最大化電池組的性能和壽命是電動(dòng)和混合電動(dòng)車(chē)輛設(shè)計(jì)和操作中的關(guān)鍵問(wèn)題。

典型的電動(dòng)車(chē)輛電池組包括兩個(gè)或更多個(gè)電池組段，每段包含提供所要求的電壓和容量所需要的很多單獨(dú)的電池單體。為了優(yōu)化電池組的性能和持久性，監(jiān)測(cè)單體的充電狀態(tài)是重要的。通常基于單體的開(kāi)路電壓，使用限定為充電狀態(tài)與開(kāi)路電壓（SOC-OCV）曲線的形式的已知關(guān)系來(lái)確定單體的充電狀態(tài)。然而，隨著電池單體老化，經(jīng)歷重復(fù)的充電-放電循環(huán)，開(kāi)路電壓和充電狀態(tài)之間的關(guān)系發(fā)生變化。盡管能夠忽略在老化的電池單體中充電狀態(tài)根據(jù)開(kāi)路電壓的變化，例如，通過(guò)在車(chē)輛操作期間使用充電狀態(tài)的保守的較低估計(jì)，但隨著電池單體老化精確地確定電池單體的充電狀態(tài)是更為優(yōu)選的。在電池組的充電期間以及車(chē)輛被駕駛時(shí)的放電期間，根據(jù)開(kāi)路電壓來(lái)精確地確定充電狀態(tài)都是很重要的。

本領(lǐng)域中已知反映老化的電池單體中性能變化的各種方法。這些方法中的很多是基于經(jīng)驗(yàn)的，也就是說(shuō)，它們基于充電-放電循環(huán)的次數(shù)，使用來(lái)自實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)電池單體性能的變化。這些方法中的其它方法簡(jiǎn)單地估計(jì)隨著時(shí)間的容量衰減，或者能量存儲(chǔ)容量的降低，但不試圖反映SOC-OCV曲線的變化。然而，沒(méi)有已知方法使用車(chē)輛內(nèi)的測(cè)量值和基于物理的模型來(lái)確定隨著電池組老化的電池組單體的實(shí)際物理狀態(tài)，包括SOC-OCV曲線。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，公開(kāi)了一種對(duì)隨著鋰離子電池單體的老化其充電狀態(tài)與開(kāi)路電壓（SOC-OCV）曲線的變化進(jìn)行建模的方法。在電池組充電期間，對(duì)電池單體收集電壓和電流數(shù)據(jù)。一組狀態(tài)等式被用于基于隨時(shí)間變化的充電電流曲線來(lái)確定陰極半單體的化學(xué)計(jì)量和充電狀態(tài)。然后，使用電壓和電流數(shù)據(jù)、以及陰極半單體的化學(xué)計(jì)量和充電狀態(tài)，通過(guò)最小化成本函數(shù)的誤差來(lái)估計(jì)陽(yáng)極的最大和最小化學(xué)計(jì)量固體濃度值。利用所計(jì)算的陰極和陽(yáng)極處的化學(xué)計(jì)量情況，可以確定單體的容量和新的SOC-OCV曲線。

此外，本發(fā)明還涉及以下技術(shù)方案。

1.?一種用于監(jiān)測(cè)電池組中的老化單體的性能變化的方法，所述方法包括：

對(duì)于電池組中的單體提供隨時(shí)間變化的全單體開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)以及隨時(shí)間變化的電流數(shù)據(jù)，其中，所述數(shù)據(jù)在插電式充電事件期間由傳感器獲得；

使用所述電流數(shù)據(jù)計(jì)算陰極半單體化學(xué)計(jì)量，并且提供隨時(shí)間變化的陰極濃度數(shù)據(jù)和隨時(shí)間變化的陰極半單體開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)；

使用陰極濃度數(shù)據(jù)、陰極半單體開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)和全單體開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)確定陽(yáng)極半單體化學(xué)計(jì)量；以及

使用微處理器基于陰極半單體化學(xué)計(jì)量、陽(yáng)極半單體化學(xué)計(jì)量以及全單體容量計(jì)算單體的更新的隨著開(kāi)路電壓變化的充電狀態(tài)曲線（SOC-OCV曲線）。

2.?如技術(shù)方案1所述的方法，其中，計(jì)算陰極半單體化學(xué)計(jì)量包括使用基于狀態(tài)的系統(tǒng)計(jì)算來(lái)確定陰極半單體固體濃度。

3.?如技術(shù)方案2所述的方法，其中，陰極半單體固體濃度被用于確定陰極半單體的充電狀態(tài)，并且陰極半單體的充電狀態(tài)被用于確定陰極半單體的開(kāi)路電壓。

4.?如技術(shù)方案1所述的方法，其中，確定陽(yáng)極半單體化學(xué)計(jì)量包括基于陽(yáng)極處的最大和最小歸一化的固體濃度的估計(jì)值來(lái)確定陽(yáng)極半單體的開(kāi)路電壓。

5.?如技術(shù)方案4所述的方法，其中，對(duì)于最大和最小歸一化固體濃度值執(zhí)行參數(shù)回歸/優(yōu)化，以獲得誤差函數(shù)的最小化，該誤差函數(shù)將插電式充電事件的全單體開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)與降階的基于物理的模型的計(jì)算的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

6.?如技術(shù)方案5所述的方法，其中，將插電式充電事件的全單體開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)與降階的基于物理的模型的計(jì)算的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行比較包括使用以下等式：

其中，是插電式充電事件的全單體開(kāi)路電壓，是陰極半單體開(kāi)路電壓，是陰極化學(xué)至陽(yáng)極化學(xué)的變換，是陽(yáng)極半單體開(kāi)路電壓，是陽(yáng)極處的最小歸一化固體濃度，是陽(yáng)極處的最大歸一化固體濃度。