CN102246385A

CN102246385A - 用于确定电池的荷电状态的方法和设备

Info

Publication number: CN102246385A
Application number: CN2009801495085A
Authority: CN
Inventors: 萨罗杰.K.萨胡; 阿里.菲鲁齐
Original assignee: Deeya Energy Technology Inc
Current assignee: Deeya Energy Technology Inc
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: CN102246385B; EP2351184A4; WO2010042898A1; US8264202B2; EP2351184A1; US20100090651A1

Abstract

讨论了一种用于确定电池的荷电状态(SOC)的方法和设备。该方法涉及：在多个不同的时间处测量电池两端的端电压和流经电池的电流；以及将具有斜率和截距的线方程式拟合到该端电压和电流数据。根据线性方程式的截距来计算开路电压(OCV)，并且通过参考查找表来根据该OCV确定SOC。

Description

用于确定电池的荷电状态的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119(e)而要求在2008年10月10日提交的、标题为“Determination of State of Charge of a Battery”的美国临时申请第61/104,583号的权益，通过引用而将其内容全部合并于此。

技术领域

此发明涉及电池(battery)系统，且更具体地，涉及液流电池系统的电荷状况的确定。

背景技术

在任何阶段处电池的荷电状态(SOC)(充电或者放电)是非常期望得到的参数。在充电状态期间，它提供了关于电池完全充电将花费多久的信息，并且还提供了对于复杂充电算法的输入，该复杂充电算法允许对充电序列的较佳控制。在放电期间，SOC提供了有关剩余电池使用期限的信息。在关键任务应用中，SOC信息可以用于在关键与非关键负载之间分配剩余电荷。

因此，需要准确地确定电池的SOC。

发明内容

讨论了一种用于确定电池的荷电状态(SOC)的方法和设备。该方法涉及：在多个不同的时间处测量电池两端的端电压和流经电池的电流；以及将具有斜率和截距的线方程式拟合(fit)到该端电压和电流数据。根据线性方程式的截距来计算开路电压(OCV)，并且通过参考查找表来根据该OCV确定SOC。

下面，结合以下图来进一步描述本发明的这些和其他实施例。

附图说明

为了更加全面地理解本发明，在理解这些附图不意欲限制本发明的范围的情况下，对这些附图进行参考。

图1a-b图示了用于估计电池的电荷状况的方法。

图2a-c图示了用于估计电池的充电状况的另一方法。

图3a-b图示了用于估计电池的充电状况的另一方法。

图4a图示了符合本发明一些实施例的在放电状态期间电池系统的示意图。

图4b图示了符合本发明一些实施例的在充电状态期间电池系统的示意图。

图4c图示了符合本发明一些实施例的电压对电流标绘图。

图4d是描绘了根据本发明一些实施例的用于确定电池的荷电状态的方法的简化流程图。

图4e是描绘了根据本发明一些实施例的用于确定电池的荷电状态的方法的简化流程图。

图5图示了符合本发明一些实施例的用于估计电池的荷电状态的设备的框图。

在附图中，具有相同附图标记的元件具有相同或相似的功能。所述附图仅仅是说明性的，并且在附图中描绘的相对尺寸和距离仅仅是为了便于说明，并不具有进一步的含义。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释的目的，阐释了特定细节，以便提供对本发明实施例的彻底理解。然而，将明显的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。

本发明的实施例提供了用于确定电池的荷电状态的技术。一些实施例基于所测量的电池电流和电压值来确定荷电状态。

在电池系统中确定电池的荷电状态(SOC)允许对于对电池充电、和向可耦接到该电池的各种负载分配电池电荷两者的较佳控制。电池包括任何电荷存储装置，包括液流电池、固定式(static)电池、或者其他化学、机械、或电学电荷存储装置。当前采用来确定电池的SOC的方法和技术包括：(1)库伦(Coulomb)计数、(2)间接开路电压(OCV)测量、以及(3)零负载OCV测量。这些方法中的每一种方法都具有它自己的优点和缺点集合。

图1a图示了在充电状态期间电池系统100a的电路图，其中采用库伦计数方法来确定SOC。电池系统100a包括电池102，该电池102串联地与电流积分器104电耦接。电流积分器104执行电流的时间积分，以测量总电荷。在充电状态中，如图1a所示，在电池102与电流积分器104的串联组合两端电耦接外部电压源106。外部电压源可以是任何电压源，所述电压源包括光伏板、风力驱动发电机、和用于生成电势的其他化学或机械装置。在充电的时候，电流积分器104随时间来对充电电流(I_chg)105进行积分，以确定贮存(deposit)到电池102中的电荷(Q_chg)103。

图1b图示了在放电阶段期间的电池系统100b。如图1b所示，在电池102与电流积分器104的串联组合两端电耦接负载电阻108。负载电阻包括任何电力负载(例如，电阻器、电动机、或电子装置)。在放电阶段期间，放电电流(I_dis)109从电池102流经外部负载108。电流积分器104持续对电流(在此情况下，放电电流(I_dis)109)进行积分，并由此通过从在图1a所图示的充电状态期间置于电池102上的电荷中减去离开电池102的电荷(Q_dis)来计算电池102上的电荷。因为(通过在充电和放电两者期间进行积分来)一直对电荷进行计数，所以净电荷(Q_chg-Q_dis)对应于在电池102上剩余的电荷，这是相关的SOC信息。然而，积分器104不能考虑到由寄生反应(诸如，氢(H)或氧(O)生成、或可能发生的自放电)而产生的任何库仑无效。

典型地与库伦计数相关联的问题包括积累误差和库伦无效。积累误差是在许多周期上总计的测量误差。作为积累误差的结果，周期性地对电池102上的净电荷进行复位。尽管不期望在实际应用中等待这样的事件发生，但是典型地在完全充电或完全放电状态中完成此复位。

库伦无效是指由于寄生反应而在电池中损失的电荷。一般，存在在电池中发生的许多寄生反应，包括自放电和电极记忆、电极劣化、和非还原氧化(非氧化还原)反应。这些寄生反应导致了对于电池损失的、但是没有在库伦计数技术中包括的电荷。此损失电荷导致通过库伦计数技术进行的SOC的不准确测量。另外，库伦计数方法取决于测量带宽，并且针对快速变化的负载，该计数通常不太准确。

图2a-c图示了用于采用间接OCV测量方法来确定SOC的电池系统200a和200b。电池系统200a和200b包括电池202，其中在电池202的端子203和205两端测量端电压(V_cell)207。将电池202内部地建模为串联地耦接在端子203和205之间的OCV源204和等效串联电阻(ESR)206。在充电处理期间，例如在如图2a所示的电池系统200a中，在端子203和205两端电耦接电池充电器210。充电电流(I_chg)208从充电器210流到电池202。应用基尔霍夫(Kirchhoff)电压定律导致用于OCV的以下方程式：

OCV＝V_cell-I_chg*ESR (1)

因为可以测量端电压(V_cell)207和充电电流(I_chg)208并且将电池的ESR 206假设为电池202的已知恒定参数特性，所以在电池202的充电期间可以计算OCV源204。

图2b图示了电路图200b，其中电池202正在放电。在放电期间，在外部负载电阻(“负载(Load)”)211两端来电耦接电池202。再次应用基尔霍夫电压定律，获得用于开路电压的以下方程式。

OCV＝V_cell+I_dis*ESR (2)

再一次，因为可以测量端电压(V_cell)207和放电电流(I_dis)209并且将参数ESR 206假设为电池202的已知恒定特性，所以在电池202的放电期间可以计算OCV源204。

图2c图示了与电池202(在图中未示出)对应的OCV对SOC的相关性标绘图216。尽管理论上可以借助于能斯脱(Nernst)方程式、根据已知还原氧化(氧化还原)电势来计算OCV和SOC标绘图，但是解pH和其他动力学因素显著地修改了该关系。因此，在电池化学的典型受控条件下，典型地根据实验测量来推导此标绘图。可以根据方程式(1)和(2)来分别计算充电和放电处理期间的OCV，并且可以根据图2c中所示的与电池202对应的相关性标绘图216来确定对应的SOC信息。

间接OCV测量方法假设电池的ESR是合理公知的。然而，电池的ESR随着电池的寿命而改变，并且除了SOC之外，还可以是温度和其他周围条件的函数。因此，间接测量的OCV电压单独取决于SOC的假设导致真实OCV(并因而，SOC)的不准确估计。例如，在铅酸电池中，除了取决于SOC之外，ESR还随着板厚度和电解液浓度在充电和放电期间的改变而改变。

图3a和3b图示了用于确定电池系统的SOC的另一方法：零负载OCV确定。图3a图示了液流电池系统300a。如图3a中所示，电池系统300a包括分别用于存储阳极电解液303和阴极电解液305的存储罐302和304、以及电池元(cell)堆306。分别通过分布系统307和309而将阳极电解液303和阴极电解液305分布遍及电池元堆306。在一些实施例中，分布系统307和309可以分别包括泵310和312，用于将阳极电解液303和阴极电解液305分布遍及电池元堆306。

图3b图示了采用零负载OCV测量方法来确定SOC的液流电池系统300b。如图3b中所示，分别通过分布系统311和313来将OCV电池元308并联地电耦接到电池元堆306。在一些实施例中，可以使用泵310和312来将阳极电解液303和阴极电解液305分布遍及电池元堆306和OCV电池元308两者。因此，阳极电解液303和阴极电解液305并行地流经电池元堆306中的每一个电池元和此外的OCV电池元308。如果假设液流电池元的OCV仅仅取决于阳极电解液303和阴极电解液305的状态，则每个电池元的OCV是相同的。因此，当没有向电池元施加负载时，可以通过在OCV电池元308两端测量开负载电压，来确定用于电池元堆306中每一个电池元的OCV。然后，根据与上面在图2c中讨论的标绘图相似的OCV对SOC相关性标绘图，来确定SOC。然而，除了更加复杂的系统集成之外，零负载OCV测量方法还需要额外的电池元和管件(plumbing)。同样，利用此方法来测量OCV倾向于导致液流电池系统中的误差，这是因为电解液经历了用于修改所观测电压的分路(shunt)电流。

图4a图示了符合本发明一些实施例的放电阶段期间的电池系统400a。电池系统400a包括与电流传感器408串联地电耦接的电池402。如图4a中所示，在放电模式中，电池系统400a电耦接到外部负载电阻412。通过与开路电压(OCV)源404串联地电耦接的内部等效串联电阻(ESR)406，来对电池402进行建模。

图4d和4e图示了流程图450和452，其每一个描绘了根据本发明一些实施例的用于确定电池的荷电状态(SOC)的方法。可以通过由处理器运行的软件(例如，代码、程序、和指令)、在硬件中、或在其组合中，执行图4d和4e中所描绘的方法。该软件可以存储在计算机可读存储介质上。图4d和4e中所描绘的方法不意欲将本发明的范围限制为如权利要求中所陈述的那样。

如图4d和4e中所示，当电池正在充电或放电(步骤454)时，对电流和电池端电压进行测量(步骤460、470和480)。返回参考图4a，相应的正端子403和负端子405两端的电压是端电压(V_cell)407。在端子403和405两端与电池402并联地电耦接电压传感器414，以测量端电压(V_cell)407。在放电处理期间，放电电流(I_dis)410从电池402流到外部负载电阻412。电流传感器408测量该放电电流(I_dis)410。应用基尔霍夫电压定律导致用于端电压(V_cell)407的以下方程式：

V_cell＝OCV-I_dis*ESR (3)

在一些实施例中，可以将电流传感器408和电压传感器414电耦接到微处理器或计算机系统(在图中未示出)，并且可以通过微处理器或计算机系统(在图中未示出)将其配置为按照规则或随机时间间隔来进行多个电流和电压测量，例如，如表1所示。

时间	t₁	t₂	...	t_n
					端电压	V_{cell_1}	V_{cell_2}	...	V_{cell_n}
电流	I_{dis_1}	I_{dis_2}	...	I_{dis_n}

表1

图4b图示了符合本发明一些实施例的充电阶段期间的电池系统400b。电池系统400b包括与电流传感器408串联地电耦接的电池402，其中在电池402的端子403和405两端电耦接电压传感器414。如图4b中所示，在外部充电电压(充电器)416两端电耦接电池系统400b。在相应的正端子403和负端子405两端的电压是端电压(V_cell)407，通过电压传感器414来测量该端电压(V_cell)407。在充电处理期间，电流传感器408所测量的充电电流(I_chg)415从充电器416流到电池402。应用基尔霍夫电压定律导致用于端电压(V_cell)407的以下方程式：

V_cell＝OCV+I_chg*ESR (4)

如上所述，可以将电流传感器408和电压传感器414电耦接到微处理器或计算机系统(在图中未示出)，从而按照规则或随机时间间隔来进行多个电流和电压测量，例如，如表2所示。

时间	t₁	t₂	...	t_n
					端电压	V_{cell_1}	V_{cell_2}	...	V_{cell_n}
电流	I_{chg_1}	I_{chg_2}	...	I_{chg_n}

表2

如图4d和4e中所描绘的，将电流和电压测量拟合到一条线(步骤462和472)。图4c图示了在充电和放电阶段期间、电压传感器414和电流传感器408所进行的电压和电流测量的标绘图424。如图4c中所示，沿着垂直轴来标绘电压，并且沿着水平轴来标绘电流。针对时间t_n，在标绘图424中标绘所测量的电压和电流。本领域普通技术人员将领会，例如用于沿着水平轴来标绘电压并且沿着垂直轴来标绘电流的替换实施例是可能的。在放电阶段期间，可以通过对在放电阶段期间进行的电压和电流测量(表1)进行内插(步骤472)来获得用于线420的线性方程式。可以采用各种线性内插和线性回归技术来获得线420的方程式。线性内插和线性回归技术包括例如普通最小二乘、广义最小二乘、最小绝对偏差等。相似地，在充电阶段期间，可以通过对在充电阶段期间进行的电压和电流测量(表2)进行内插(步骤462)来获得用于线422的线性方程式。在如图4c所示的电流-电压(I-V)曲线图中，所述线420、422的斜率是ESR，而(电压轴上的)y截距是在电流SOC处的该系统的OCV。

图5图示了处理器500的框图，该处理器500基于端电压(V_cell)407以及电流I_dis 410和I_chg 415的测量来计算电池的OCV、SOC、和ESR。在图5所示的实施例中，微处理器500包括模数转换器(ADC)502和508。ADC 502电耦接到电压传感器414(图4a和4b)，以接收在端子512处的端电压(V_cell)407的测量。ADC 502向内插器方程式计算器(IEC)504提供数字化的端电压测量503。ADC 508电耦接到电流传感器408(图4a)，以接收在端子518处的I_dis 410或I_chg 415的电流测量。ADC 508向IEC 504提供数字化的电流测量值507。通过输入/输出(I/O)总线516来将IEC 504电耦接到存储器505。在一些实施例中，存储器505是内存(即，处于与微处理器相同的芯片上)或外存。在一些实施例中，IEC 504可以具有用于向用户提供所计算的ESR值、OCV值或其他参数的输出514。在各种实施例中，使用在电池正在充电时所确定的ESR用于在电池正在进行放电时的计算(步骤466和482)。

在充电或放电阶段期间，IEC 504分别在存储器505中存储多个数字化的电压和电流测量503和507。在放电阶段期间，IEC对(来自表1)的多个电压和电流测量进行内插，以获得线420的方程式(图4c)。在一些实施例，线420具有以下形式：

V_cell＝OCV-I_dis*ESR (5)

IEC 504计算由方程式(5)所描述的线422的斜率和截距，并且计算ESR和OCV。例如，利用时间t₁和t₂处的测量：在时间t₁处测量到

V_{cell_1}＝OCV-I_{dis_1}*ESR (6)

；和在时间t₂处测量到

V_{cell_2}＝OCV-I_{dis_2}*ESR (7)

。针对OCV和ESR来对方程式(5)和(6)进行求解得到了：

OCV = \frac{V_{cell_1} * I_{dis_2} - V_{cell_2} * I_{dis_1}}{I_{dis_2} - I_{dis_1}} - - - (8)

ESR = \frac{V_{cell_1} - V_{cell_2}}{I_{dis_2} - I_{dis_1}} - - - (9)

故此，来自表1的两对所测量的数据点V_cell和I_dis提供用于OCV和ESR的计算值。然后，处理器504可以对全体数据求平均，以便确定用于参数OCV和ESR的最佳估计。可以利用线拟合(line-fitting)例程来将线拟合到表1中所示的端电压对电流数据(步骤472)。

IEC 504例如通过利用在存储器505中存储的查找表506，根据所计算的OCV值来确定SOC(步骤478和488)。查找表506包含能够通过从所计算的OCV值进行内插来根据其存储的OCV值确定电池的SOC的信息。在一些实施例中，查找表506可以包含在电池化学的典型受控条件下根据实验测量来推导的预定义OCV和SOC值。然后，将根据查找表506确定的与所计算OCV值对应的电池的SOC提供为通过输出总线520的输出(步骤479和489)。输出总线520可以包括数据总线、串行链路、显示器、打印机等。

可以在充电状态期间执行OCV和ESR的相似计算(步骤462-464)。在充电阶段期间，IEC 504对来自表2的多个电压和电流测量进行内插，以获得线422的方程式(图4c)。根据方程式4，线422可以具有以下形式：

V_cell＝OCV+I_chg*ESR (10)

IEC 504计算由方程式(10)所描述的线422的斜率和截距，并且计算ESR和OCV。例如，利用时间t₁和t₂处的测量：

V_{cell_1}＝OCV+I_{chg_1}*ESR；和(11)

V_{cell_2}＝OCV+I_{chg_2}*ESR。(12)

对方程式11和12进行求解得到了：

OCV = \frac{V_{cell_1} * I_{chg_2} - V_{cell_2} * I_{chg_1}}{I_{chg_2} - I_{chg_1}} - - - (13)

ESR = \frac{V_{cell_1} - V_{cell_2}}{I_{chg_1} - I_{chg_2}} - - - (14)

在线拟合例程中利用表2中的所有或部分数据提供了基于端电压和电流数据的用于OCV和ESR的计算值的统计平均值。

IEC 504利用在存储器505中存储的查找表506来根据OCV的确定值获得SOC的值(步骤468)。根据查找表506来确定与所计算OCV值对应的电池的SOC，并且通过输出部件520来将其提供为输出(步骤469)。

在电池的充电和放电两者期间，可以确定处于时间帧内的电压和电流值的集合，在该时间帧中，SOC有一点变化。在本发明的一些实施例中，根据电压和电流值的集合(即，包括多于两对电压和电流数据点并且具有不同电流值的集合)来对线性方程式进行外推。如上所述，在本发明的一些实施例中，可以通过电压轴上的截距来确定OCV，同时可以根据外推线的斜率来确定ESR的值。然后可以基于OCV来确定SOC。

在电池充电期间，系统400a处于充电电子的控制之下，并且可以改变充电电流以便观测电池元电压。充电电流可能在时间帧内扰动(perturb)几次，在该时间帧期间，SOC没有显著改变，以便取得I_chg和V_chg点的集合。在标题为“Battery Charger”的美国专利申请12/074,110中进一步讨论了电池充电，在这里通过引用而将其全部内容合并于此。如上所述，在本发明的各个实施例中，可以基于I_chg和V_chg测量的线性外推来确定OCV，并且根据OCV来确定SOC。在一些实施例中，使用查找表来根据OCV确定SOC。

在电池放电期间，实际负载通常变化。因此，可以在作为负载变化的结果而变更电流值的情况下，测量电池元电压(V_dis)。再一次，在一些实施例中，可以基于根据电流和电压值的线性外推来计算OCV和SOC，如上所述。

针对其中充电可控的本发明的一些实施例，人们必须如上所述地在充电处理期间按照这种方式来测量SOC、和除了OCV之外所确定的电池元的ESR。ESR是所拟合的电流-电压线422的斜率。可以将相同的ESR用于放电处理(步骤466和482)，并且可以通过利用方程式(3)的重排版本、基于单一数据点来确定OCV，而无需任何拟合(步骤484-488)：

OCV＝V_dis+I_dis*ESR (15)

当电池具有相当恒定负载时，这种近似方法对于在放电期间确定SOC是非常有效的。

使用电流-电压(I-V)线斜率-截距方法的此SOC确定至少可应用于一般电池系统，其中动力学(kinetic)和传输(transport)极化是极小或可预测的。将动力学极化视为I-V曲线在低电流处的非线性行为。将传输极化视为高电流处的非线性行为。符合本发明一些实施例的液流电池具有极小的动力学和传输极化，并因此，具有线性和可预测的I-V关系。

对于大多数设计良好的液流电池系统而言，充电和放电ESR是相同或相似的。设计良好的液流电池系统包括快速可逆反应以及到电池堆的充足液流。故此，可以在放电期间使用针对充电处理所计算的ESR，并且反之亦然。然而，在实验和经验上，可以针对给定液流电池来测量任何偏差，并且如果必要，可以对ESR进行校准。

在考虑到这里公开的说明书和实践的情况下，其他实施例对于本领域技术人员而言将是明显的。预期仅将说明书和示例看作示范性的，并通过以下权利要求来指示本发明的真实范围和精神。

Claims

1.一种用于确定电池状态的方法，包括步骤：

在多个不同的时间处测量电池两端的端电压和流经电池的电流，以获得端电压和电流数据；

将具有斜率和截距的线方程式拟合到该端电压和电流数据；以及

根据线性方程式的截距来计算该电池的开路电压(OCV)。

2.根据权利要求1的方法，还包括：

根据该OCV来确定电池的荷电状态(SOC)。

3.根据权利要求2的方法，其中所述确定SOC的步骤包括：

基于该OCV来对查找表进行参考。

4.根据权利要求1的方法，其中该电池是液流电池。

5.根据权利要求1的方法，其中所述测量端电压和电流的步骤包括：

在对电池进行充电的同时，更改充电电流；以及

在该充电电流处测量该端电压。

6.根据权利要求1的方法，其中所述测量端电压和电流的步骤包括：

在放电期间，随着负载电流变化来测量该端电压。

7.根据权利要求5的方法，还包括：

根据该斜率来确定等效串联电阻(ESR)；以及

利用放电期间的ESR、根据在放电电流处端电压的单一测量来确定OCV。

8.一种用于计算电池的荷电状态(SOC)的方法，包括以下步骤：

在多个不同的时间处测量电池两端的端电压和流经电池系统的电流；

确定用于描述该端电压和该电流之间的关系的线性方程式；

根据该线性方程式来计算开路电压(OCV)；以及

使用所计算的OCV来确定电池的SOC。

9.根据权利要求8的方法，其中通过参考查找表、根据该OCV确定该电池的荷电状态。

10.根据权利要求9的方法，还包括：

根据该线性方程式的斜率来计算用于该电池的等效串联电阻。

11.根据权利要求1的方法，其中所述测量端电压和电流的步骤包括：

在充电期间变更充电电流；以及

在该充电电流处针对每个电流确定该端电压。

12.根据权利要求11的方法，还包括：

根据该斜率来计算等效串联电阻(ESR)。

13.根据权利要求12的方法，还包括：

基于端电压和放电电流的单一测量来确定该OCV。

14.一种用于确定电池的荷电状态(SOC)的设备，包括：

电流传感器，电耦接以用于在多个时间处确定与通过电池的电流相关的电流值；

电压传感器，电耦接以用于在所述多个时间处确定与该电池两端的端电压相关的端电压值；

第一模数转换器(ADC)，电耦接到该电压传感器，以接收该端电压值并且提供数字化的电压值；

第二模数转换器(ADC)，电耦接到该电流传感器，以接收该电流值并且提供数字化的电流值；以及

内插器方程式计算器(IEC)，电耦接到该第一ADC和该第二ADC，以接收用于所述多个时间中的每一时间的数字化电压值和数字化电流值，该IEC确定用于在所述多个时间处最佳地拟合该数字化电压值和该数字化电流值的线方程式。

15.根据权利要求14的设备，还包括：

存储器，其中IEC存储用于所述多个时间中的每一时间的数字化电压值和数字化电流值。

16.根据权利要求15的设备，其中该IEC基于该线方程式的截距来确定该电池的开路电压。

17.根据权利要求16的设备，还包括：

所存储的查找表，并且其中该IEC通过从所存储的查找表进行内插来确定该开路电压。

18.根据权利要求14的设备，其中该IEC根据该线方程式的斜率来确定该电池的等效电阻。

19.根据权利要求14的设备，其中能够使用单一ADC用于对电压和电流测量两者进行数字化。

20.根据权利要求14的设备，其中该电池能够是液流电池。