基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法

基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法
【专利摘要】本发明涉及基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法。公开了一种车辆，所述车辆包括电池和控制器，所述控制器被配置为根据先前测量的充电数据和放电数据来计算电池电压特性。电池电压特性是基于当荷电状态处于先前测量的值之间的差大致相等的范围内时的先前测量的值之间的差。在所述范围之外，基于时间的平方根校正充电电压数据和放电电压数据，以获取电池电压特性。所述特性可通过高速率持续充电和放电循环被执行。另外，公开了一种包括双向电源的设备，所述设备用于产生电池特性。所述电池电压特性基于充电电压数据和放电电压数据之间的差以及基于时间的平方根校正的数据而获取。还公开了一种基于相同原理的方法。
【专利说明】基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法

【技术领域】
[0001] 本公开涉及在充电和放电期间的电池单元开路电压的估计。

【背景技术】
[0002] 对于电池供电的装置，可能需要有效设计平衡的开路电压（OCV)和荷电状态 (SOC)的关系。该关系可通过脉冲方法来确定，在该脉冲方法中，按照已知的SOC和OCV施 加一系列适当的持续时间和幅值的电流脉冲。该脉冲使电池变化到新的SOC值，在所述新 的SOC值处可测量新的OCV值。通常在允许将电池设置在新的操作点之后进行测量。在实 际脉冲施加期间记录的数据不用于确定上述关系。为了使测试持续时间最小化，可选择相 对高幅值的脉冲电流。目前，脉冲方法是一种工业标准并且被认为是确定OCV和SOC的关 系的最精确的方法。然而，脉冲方法耗时，要花费大约数周来完成。基于脉冲的特性，脉冲 方法仅提供有限数量的数据点。在由工作电压极限限定的整个SOC范围内，通常使用10或 20个脉冲提供足够的数据来表征所述关系。


【发明内容】

[0003] 公开了一种车辆，所述车辆包括至少一个电池单元和至少一个控制器。所述控制 器被配置为基于先前测量的电池单元的充电电压值和放电电压值之间的差而使所述电池 单元充电和放电。响应于电池单元的荷电状态处于荷电状态范围内而利用所述差，其中，在 所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差大致相等。所述控制器还可被配置为响应于 所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外，基于先前测量的充电电压值的充电时间和先前 测量的放电电压值的放电时间中的至少一个时间，使所述至少一个电池单元充电和放电。 所述控制器还可被配置为响应于所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外，基于先前测量 的充电电压值的充电时间的根，使所述至少一个电池单元充电和放电。所述控制器还可被 配置为响应于所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外，基于先前测量的放电电压值的放 电时间的根，使所述至少一个电池单元充电和放电。可通过使至少一个电池单元以大体上 恒定的电流充电和放电来产生先前测量的充电电压值和放电电压值，使得测量的充电电压 值和放电电压值之间的差超出预定量。
[0004] 公开了一种设备，所述设备包括电连接到至少一个电池单元的双向电源和至少一 个控制器。所述控制器被配置为在所述至少一个电池单元的荷电状态处于荷电状态范围内 时，基于所述至少一个电池单兀的测量的充电电压值和放电电压值之间的差，产生表不所 述至少一个电池单元的荷电状态和电压之间的关系的输出，其中，在所述荷电状态范围内 的每个荷电状态处所述差大致相等。所述控制器还可被配置为在荷电状态处于所述荷电状 态范围之外时,基于充电时的充电时间和放电时的放电时间，产生表示所述至少一个电池 单元的电压和荷电状态之间的关系的输出。双向电源可被配置为基于所述至少一个电池单 元的额定电流容量，以大体上恒定的电流使至少一个电池单元充电和放电。所述控制器还 可被配置为当按照所述荷电状态范围之外的荷电状态充电时，基于充电时间的根，产生表 示所述至少一个电池单元的荷电状态和电压之间的关系的输出。所述控制器还可被配置为 当按照所述荷电状态范围之外的荷电状态放电时，基于放电时间的根，产生表示所述至少 一个电池单元的荷电状态和电压之间的关系的输出。
[0005] 公开了一种方法，所述方法包括测量电池在充电和放电期间的电压值的步骤。在 电池的荷电状态处于荷电状态范围内时，基于测量的电压值之间的差来计算荷电状态和电 压之间的关系，其中，在所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差大致相等。输出电压 和荷电状态之间的关系。电池的荷电状态和电压之间的关系还可基于当按照所述荷电状态 范围之外的荷电状态充电时的充电时间的根。电池的电压和荷电状态之间的关系还可基于 当按照所述荷电状态范围以外的荷电状态放电时的放电时间的根。在充电期间测量的电压 值和在放电期间测量的电压值之间的差可在整个荷电状态范围内被平均。可按照大体上恒 定的电流进行充电和放电，使得测量的充电电压值和放电电压值之间的差超出预定量。
[0006] 公开了一种方法，所述方法包括：测量电池在充电和放电期间的电压值；在电池 的荷电状态处于荷电状态范围内时，基于测量的电压值之间的差来计算电压和荷电状态之 间的关系，其中，在所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差大致相等；输出所述电压 和荷电状态之间的关系。所述方法还包括：当所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外时， 基于充电时的充电时间和放电时的放电时间来计算电压和荷电状态之间的关系。所述方法 还包括：基于当按照荷电状态范围之外的荷电状态充电时的充电时间的根而计算电池的电 压和荷电状态之间的关系。所述方法还包括：基于当按照荷电状态范围之外的荷电状态放 电时的放电时间的根而计算电池的电压和荷电状态之间的关系。在充电期间测量的电压值 和在放电期间测量的电压值之间的差在整个荷电状态范围内被平均。以大体上恒定的电流 进行所述充电和放电，使得测量的充电电压值和放电电压值之间的差超出预定量。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 图1是示出典型动力传动系和能量储存部件的插电式混合动力电动车辆的示意 图。
[0008] 图2是包括多个单元并且由电池控制模块监视和控制的可能的电池包设置的示 意图。
[0009] 图3是用于多个示例性充电/放电电流曲线的作为荷电状态的函数的电池单元电 压的曲线图。
[0010] 图4是描绘了在公开的方法中用于确定电池单元的开路电压与荷电状态的关系 的各个量的曲线图。
[0011] 图5是用于获取电池电压特性的测试装置的示意图。

【具体实施方式】
[0012] 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他 实施例可以以多种和替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以示出 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，而仅为用于教 导本领域技术人员以多种形式实施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个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征相组 合以形成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实施 例。然而，与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可期望用于特定应用或实施。
[0013] 图1描述了典型的插电式混合动力电动车辆。典型的混合动力电动车辆2可包括 机械地连接至混合动力传动装置6的一个或更多个电动机4。此外，混合动力传动装置6机 械地连接至发动机8。混合动力传动装置6还被机械地连接至驱动轴10,驱动轴10机械地 连接至车轮12。当发动机8开启或关闭时，电动机4能够提供推进和减速能力。电动机4 还可以用作发电机，并且通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热而损失的能量而能够提 供燃料经济性益处。由于混合动力电动车辆2在特定状况下可按照电动模式运转，因此电 动机4还可提供减少的污染物排放。
[0014] 电池包（batterypack) 14储存可以由电动机4使用的能量。车辆电池包14通常提 供高压直流<X*C)输出。电池包14电连接至电力电子模块（powerelectronicsmodule) 16。 电力电子模块16还电连接至电动机4,并且提供在电池包14和电动机4之间双向传输能量 的能力。例如，典型的电池包14可以提供DC电压，而电动机4可能需要三相交流（AC)电 流来运转。电力电子模块16可以将DC电压转换为电动机4所需要的三相AC电流。在再 生模式下，电力电子模块16将来自用作发电机的电动机4的三相AC电流转换为电池包14 所需要的DC电压。此处的描述同样可应用到纯电动车辆或者使用电池包的任何其它装置。 对于纯电动车辆而言，混合动力传动装置6可以是连接到电动机4的简单的齿轮箱，并且可 以不存在发动机8。
[0015] 电池包14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系统的 能量。典型的系统可包括将电池包14的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC 电源的DC/DC转换器模块18。其它高压负载（例如，压缩器和电加热器）可被直接连接而 不使用DC/DC转换器模块18。在典型的车辆中，低压系统电连接至12V电池20。
[0016] 所述车辆可以是插电式混合动力车辆，插电式混合动力车辆中的电池包可通过外 部电源26进行再充电。外部电源26可以通过经由充电端口 24进行电连接而向车辆2提 供AC或DC电力。充电端口 24可以是被配置为用于从外部电源26向车辆2传输电力的任 何类型的端口。充电端口 24可以电连接至电力转换模块22。电力转换模块22可以适配来 自外部电源26的电力，以向电池包14提供适合的电压和电流水平。在一些应用中，外部电 源26可被配置为用于向电池包14提供适合的电压和电流水平，并且电力转换模块22不是 必需的。
[0017] 可以通过多种化学配方构建电池包。典型的电池包的化学成分是铅酸、镍金属氢 化物（NIMH)或锂离子。图2示出了具有串联连接的N个电池单元32的配置的典型电池包 30。电池包30可由多个单独的电池单元32按照串联或并联或者它们的某些组合连接而组 成。典型系统可以具有监视并控制电池包30的性能的电池控制模块（BCM) 36。BCM36可以 监视多个电池包水平特性，例如，电池包电流38、电池包电压40以及电池包温度42。
[0018] 除了测量和监视电池包的水平特性外，还可以测量和监视电池单元32的特性。例 如，可以测量每个电池单元32的开路电压、电流和温度。系统可使用传感器模块34来测量 电池单元32的特性。根据能力，传感器模块34可以测量一个或更多个电池单元32的特性。 电池包30可利用多达Nc个传感器模块34来测量全部电池单元32的特性。每个传感器模 块34可将测量值传输至BCM36,以进行进一步处理和协调。传感器模块34可将模拟形式或 数字形式的信号传输至BCM36。可替换地，一些构造可在BCM36内完全实现传感器模块34 的功能。
[0019] 电池开路电压（OCV)和荷电状态（SOC)的关系对于电池供电的设备的有效设计和 操作会是重要的。在自动推进应用中，车辆可能需要对该特性进行估计，以在车辆运转期间 限制对电池的电力需求并执行SOC检测。该关系对于电池包的最佳充电和放电会是重要 的。该关系可在车辆开发期间进行测量并储存在车辆控制器中。OCV和SOC的关系可根据 时间而改变，并且不精确的特性的使用可能导致电池电力容量的损耗和纯电动驱动行驶里 程的降低。OCV和SOC的关系可被表征并用于电池控制器，以使车辆性能和混合动力燃料经 济性最佳。
[0020] 公开的基于瞬态阻抗信息的实施例可比现有的估计方法更有效地表征该关系。公 开的实施例可允许通过更高速率持续充电/放电循环来获取OCV信息。更快的表征方法可 允许在标准的服务检查期间和在车辆运转期间对电池健康状态（SOH)进行评估。然后控制 策略作为消费者的常规车辆维护计划的一部分可基于表征数据而更新，从而提高车辆寿命 范围内的燃料经济性和驱动行驶里程。
[0021] 公开的实施例也可产生更有效的电池测试方法。改进的电池测试方法可有利于 筛选供应商、设计电池包和车辆以及改进电池控制策略。公开的实施例提供持续的OCV 和SOC的关系，并且可提供在使用标准的脉冲方法获取的离散关系中不会得到的见解 (insights)。公开的实施例可使用比间或使用的极低速率的放电更少的时间来完成。公 开的实施例也允许在不拆卸电池单元的情况下确定重要的电池设计信息（例如，电极容量 t匕、电极成分和活性材料的估计量）。
[0022] 从理论的立场上讲，持续放电/充电行为（即，单脉冲）也可用于确定OCV和SOC 的关系。在极小的低电流的限制下，充电电压和放电电压应彼此相等并等于实际的OCV或 热力学的0CV。这些低速率方法需要长时间段来产生结果。因此，低速率方法在产品或服务 环境中的使用受到限制。这些低速率方法在速率低时产生最好的结果，使得充电曲线和放 电曲线围绕实际的OCV曲线形成窄的包络线。
[0023] 然而，实际上，只有有限的放电/充电电流可使用。对于通过有限速率（而不是无 限小速率）的使用导致的电压偏差，可确定要进行修正。在这种情况下，在实际脉冲持续期 间收集的数据可被用于确定上述关系。通过适当的处理，有限速率方法可产生具有可接受 的精度的OCV估计。降低的估计时间相对于脉冲方法是一种优势。
[0024] 所述方法可通过使用两个脉冲来实施：一个放电脉冲和一个充电脉冲。在放电脉 冲和充电脉冲之间可存在休息期。这与传统的"容量检验"类似，"容量检验"作为对健康状 态的诊断在电池性能和寿命测试期间通常以1小时速率（1-hourrate)被执行。如果OCV 和SOC的关系能够从标准的容量检验数据中获取，则这将是有利的。目前，由于脉冲方法太 费时，因此在电池寿命研究期间不能监测上述关系。
[0025] 除了节省时间外，公开的方法还可具有其他优势。所述方法可提供更持续的OCV 和SOC的关系，而脉冲方法通常按照离散的SOC间隔给出OCV的值。持续的关系可示出通 过脉冲方法给出的离散结果中不明显的其他特征。这些特征可提供与单个电极的OCV行为 有关的有价值的信息，这些信息可被用于在不拆卸电池单元的情况下确定电极容量比、锂 化度、组成成分以及活性材料的量。此外，OCV和SOC的关系在整个电池寿命中的变化可给 出另外的关于电池电力和库伦容量降低的机制的信息。所述关系在整个电池寿命中变化的 特性可产生混合动力车辆和纯电动车辆中的改进的电池控制策略。
[0026] 对于具有给定的电极成分（即，锂化度）和温度的热力学平衡，锂离子电池的OCV 是稳定和恒定的。图3中描述了一些示例电池以不同的速率充电和放电的循环。电池SOC 可通过施加I-C放电直到电压下降到特定的截止电压50以下来表征。I-C放电描绘了电流 等于电池的额定容量并且理论上电池的充电或放电在一个小时内完成。可在得知充电/放 电率和电池的额定容量时得到荷电状态。大于1的C速率使电池在小于一个小时（例如， 2-C= 0. 5小时）内充电或放电，而小于1的C速率使电池在大于一个小时（例如，0.I-C =10小时）内充电或放电。在放电电流中断（通常发生在截止电压50处）之后，电池单 元开路电压经历弛豫过程（relaxationprocesses)并平衡到稳定的OCV值52 (由图3中 的虚线表示）。在处于慢放电率时，截止电压50可与0%的SOC对应。SOC可基于在循环期 间的电流的测量而在循环期间进行计算。
[0027] 高电流曲线54可代表确定OCV的脉冲方法，在该脉冲方法中，在恒定的电流脉冲 之后在特定的SOC处获取OCV值。OCV和SOC的关系可通过收集在不同的SOC值处确定的 这样的OCV而得到。在脉冲期间收集的任何数据通常不被认为可用于确定所述关系。高电 流脉冲曲线54由两条不同的曲线组成。第一曲线56表示放电脉冲，同时第二曲线58表示 充电脉冲。可以看出，OCV的下界限是放电曲线56,其上界限是充电曲线58。当电池单元 从放电转换为充电时，可以看出，OCV的下界限是刚好在放电电流中断60之前的那个电压， OCV的上界限是刚好在充电电流开始62之后的那个电压。OCV被界定上界限和下界限，从 而提供用于公开的OCV确定方法的基础。对于理想的阻抗电池单元，OCV将处于放电电压 曲线56和充电电压曲线58的中部。
[0028] 还描绘了较慢的充电/放电率64。除了充电曲线70和放电曲线68更接近实际 OCV曲线52之外，该曲线还描绘了与高电流脉冲数据54类似的行为。另外，稳定的OCV曲 线52的上界限是充电曲线70,其下界限是放电曲线68。随着充电/放电率的降低，充电和 放电曲线可汇聚到实际OCV曲线52。
[0029] 在C/…放电的限制下，在放电之后的电压弛豫接近零，库伦容量接近最大值，并 且放电电压接近0CV。随着充电/放电率的降低，充电曲线和放电曲线之间的差降低。在处 于无穷小的速率时，曲线可仅具有非常小的差异。非常低速率的放电/充电循环66被示出 为紧密地包围整个OCV和SOC的关系曲线52。在处于足够低的充电/放电率时，OCV的估 计将是给定的SOC的放电电压和充电电压的平均值。低速率的放电/充电循环的缺点是其 需要更多的时间来完成该表征。
[0030] 公开的方法使用更高速率持续放电/充电率（例如，IC速率），并应用校正因子 来估计实际的0CV。该方法基于这样一个前提：瞬态行为的观测结果能够用于区分阻抗过 程。类似的技术可用于电化学阻抗光谱，以分开欧姆、荷电转移和浓度结（concentration junction)阻抗。
[0031] 在放电/充电容量测试中在电流的开始和中断处发生的瞬态电压可用于校正电 压测量值。在电流开始处，最初缺少热效应和浓度结效应，同时出现可被称为初始阻抗过电 压Hi的双层、欧姆和电荷转移过电压。在电流中断处，双层、欧姆和电荷转移过电压可快 速地（〈100ms)消失，留下浓度结过电压nt，瞬态阻抗效应，以消耗电池单元并使电池单元 返回至稳定的OCV。总的过电压可被指定为n，并且放电（或充电）时间为t。
[0032] 可从持续的放电/充电电压行为的放电部分和充电部分获得四个观测值：（1)由 于初始阻抗因子Hi导致的电压偏差；（2)由于初始阻抗因子和瞬态阻抗因子（ni+ntss)而 导致的最大电压偏差；（3)达到稳态最大电压偏差的大致瞬变时间tss ; (4)放电和充电OCV 估计将结合的时间h。时间&也可被认为是在充电期间达到稳态最大电压偏差的大致时 间。在稳态区域中，OCV可被估计为充电电压和放电电压的平均值。在稳态区域之外，可修 正放电数据以及可修正充电数据，以进行OCV估计。稳态值可与修正的数据结合，从而在整 个范围内产生完整的OCV和SOC估计。稳态区域的位置可通过检查系统的行为而被发现。 稳态区域可以是在整个范围内充电电压和放电电压之间的差值大致相等的区域。
[0033] 实验数据表明在电流刚刚开始后观察到的初始阻抗几乎恒定，而不依赖电流水 平。这就意味着过电压通过电流和阻抗的乘积而改变。由于电流随C-速率变化，同时阻抗 不变，因此IO-C速率时的Ili大约是20-C速率时的Ili的一半，5-C速率时的Ili大约是 IO-C速率时的Iii的一半，并且3-C速率时的Iii大约是IO-C速率时的Iii的三分之一。 浓度结过电压可被定义为：
[0034] Ht =OCV-(Vdc^niidch) (1)
[0035] 其中，Vddl是测量的放电电压，qi;(kh是在放电循环开始时的过电压。对于具有恒 定的表面通量的球体中的不稳定扩散的问题，可考虑用于表面浓度的解析法。所得的短时 间解答表明，在给定的通量值内，表面浓度可与乂呈线性变化。其他的电池化学成分可根 据其他的时间函数而改变。还可以看出，对于每个电流值，线性区域的斜率是相同的，对于 锂扩散率和粒子半径的给定值，也期望这种情况。假设对于不同的电流值，最初的扩散率相 同。虽然浓度结过电压与表面锂活性和平衡的锂活性的比率有关，但该过电压可以被期望 最初跟随与V7的关系。因此，根据经验观察到，最初，nt是与电流（定义为I)和V7的乘 积成比例。然而，基于在电池单元内发生的传输过程，能够对所述观察作出貌似是有道理的 解释。所述观察还产生对于电压弛豫（主要是浓度结过电压）与V7成比例的行为的解释。 由于数据全部与近似恒定的SOC变化（即，10%)有关，因此可写成：
[0036]

【权利要求】
1. 一种车辆，包括： 至少一个电池单元； 至少一个控制器，被配置为响应于所述至少一个电池单元的荷电状态处于荷电状态范 围内，基于所述至少一个电池单元的先前测量的充电电压值与放电电压值之间的差，使所 述至少一个电池单元充电和放电，其中，在所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差 大致相等。
2. 如权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置为响应于所述荷电 状态处于所述荷电状态范围之外，基于先前测量的充电电压值的充电时间和先前测量的放 电电压值的放电时间中的至少一个时间，使所述至少一个电池单元充电和放电。
3. 如权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置为响应于所述荷电 状态处于所述充电状态范围之外，基于先前测量的充电电压值的充电时间的根，使所述至 少一个电池单元充电和放电。
4. 如权利要求1所述的车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置为响应于所述荷电 状态处于所述荷电状态范围之外，基于先前测量的放电电压值的放电时间的根，使所述至 少一个电池单元充电和放电。
5. 如权利要求1所述的车辆，其中，通过使所述至少一个电池单元W大体上恒定的电 流充电和放电来产生所述先前测量的充电电压值和放电电压值，使得测量的充电电压值和 放电电压值之间的差超出预定量。
6. -种设备，包括： 双向电源，电连接到至少一个电池单元； 至少一个控制器，被配置为在所述至少一个电池单元的荷电状态处于荷电状态范围内 时，基于所述至少一个电池单元的测量的充电电压值和放电电压值之间的差，产生表示所 述至少一个电池单元的电压和荷电状态之间的关系的输出，其中，在所述荷电状态范围内 的每个荷电状态处所述差大致相等。
7. 如权利要求6所述的设备，其中，所述至少一个控制器还被配置为当所述荷电状态 处于所述荷电状态范围之外时，基于充电时的充电时间和放电时的放电时间，产生表示所 述至少一个电池单元的电压和荷电状态之间的关系的输出。
8. 如权利要求6所述的设备，其中，所述双向电源被配置为基于所述至少一个电池单 元的额定电流容量，使所述至少一个电池单元W大体上恒定的电流充电和放电。
9. 如权利要求6所述的设备，其中，所述至少一个控制器还被配置为基于当按照所述 荷电状态范围之外的荷电状态充电时的充电时间的根，产生表示所述至少一个电池单元的 电压和荷电状态之间的关系的输出。
10. 如权利要求6所述的设备，其中，所述至少一个控制器还被配置为基于当按照所述 荷电状态范围之外的荷电状态放电时的放电时间的根，产生表示所述至少一个电池单元的 电压和荷电状态之间的关系的输出。
【文档编号】G01R19/00GK104345202SQ201410341691
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2013年7月23日
【发明者】达恩·贝尔纳迪, 托马斯·J·库珀, 威廉·T·穆尔, 乔瑟芬·S·李, 罗伯特·德纳卡 申请人:福特全球技术公司