CN102798822B - 使用电池阻抗响应的电池充电估算器 - Google Patents

使用电池阻抗响应的电池充电估算器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用电池阻抗响应的电池充电估算器。具体而言，一个示例性实施方式包括一种用于确定为可充电电池系统充电的时间的方法，所述方法包括：提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；以及通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电。

Description

使用电池阻抗响应的电池充电估算器
技术领域
本发明涉及的领域包括用于确定充电状态(SOC)和／或确定电池系统(包括锂离子电池系统)是否以及何时应当充电的方法。
背景技术
锂离子电池是一种锂离子在阴极与阳极之间移动的可充电电池。锂离子电池通常用于消费电子器件中。除了用于消费电子器件，由于它们的高能量密度，锂离子电池还日益广泛地应用于国防、汽车和航空航天领域。
发明内容
一个示例性实施方式包括一种用于确定为可充电电池系统充电的时间的方法，所述方法包括：提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内操作；分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；以及通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电。
另一个示例性实施方式包括一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的方法，所述方法包括：提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；以及通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电-包括确定应当进行所述充电的估算时间。
另一个示例性实施方式包括一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的车辆系统，所述车辆系统包括：与车辆电池系统连通的车载控制器，所述控制器编程为确定一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；所述控制器进一步编程分析所述阻抗数据以获取指示所述电池系统的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；所述控制器进一步编程为通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电；其中所述控制器进一步编程为响应于表明需要所述充电的确定来输出信号和数值中的至少一种。
方案1. 一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的方法，包括：
提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；
分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；以及
通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电。
方案2. 如方案1所述的方法，其中所述阻抗数据通过表征所述电池系统的放电特性的电流和电压数据的傅里叶变换来计算。
方案3. 如方案1所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为虚拟阻抗与频率数据并且表征所述数据在接近零频率时的斜率。
方案4. 如方案3所述的方法，其中所述表征包括确定所述斜率是否为负。
方案5. 如方案3所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为所述频率范围内的虚拟阻抗与实际阻抗的曲线并且表征所述曲线的低频率部分。
方案6. 如方案5所述的方法，其中所述表征包括确定所述低频率部分是否延伸到包括所述曲线的半圆的半径之外。
方案7. 如方案1所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为所述频率范围内的虚拟阻抗与实际阻抗的曲线并且表征所述曲线的低频率部分。
方案8. 如方案1所述的方法，其中所述可充电电池包括含锂的放电阴极。
方案9. 如方案1所述的方法，其中所述可充电电池包括车辆电池系统。
方案10. 如方案1所述的方法，其中所述提供、分析和确定步骤通过由一个或多个车载车辆控制器执行的可编程指令来实施。
方案11. 如方案1所述的方法，进一步包括确定估算时间，所述充电应当在该估算时间内进行。
方案12. 一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的方法，包括：
提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；
分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；以及
通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电，该确定操作又包括确定估算时间，所述充电应当在该估算时间内进行。
方案13. 如方案12所述的方法，其中所述阻抗数据通过表征所述电池系统的放电特性的电流和电压数据的傅里叶变换来计算。
方案14. 如方案12所述的方法，其中所述分析步骤包括表征所述阻抗数据的所述虚拟部分与所述频率数据在接近零频率时的斜率。
方案15. 如方案14所述的方法，其中所述表征包括确定所述斜率是否为负。
方案16. 如方案12所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为所述频率范围内的虚拟阻抗与实际阻抗的曲线并且表征所述曲线的低频率部分。
方案17. 如方案12所述的方法，其中所述可充电电池包括含锂的放电阴极。
方案18. 如方案12所述的方法，其中所述可充电电池包括车辆电池系统。
方案19. 如方案12所述的方法，其中所述提供、分析和确定步骤通过由一个或多个车载车辆控制器执行的可编程指令来实施。
方案20. 一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的车辆系统，所述车辆系统包括：
与车辆电池系统连通的车载控制器，所述控制器编程为确定一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；
所述控制器进一步编程为分析所述阻抗数据以获取指示所述电池系统的放电的接近状态的所述阻抗数据的预定特性；
所述控制器进一步编程为通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电；
其中所述控制器进一步编程为响应于表明需要所述充电的确定来输出信号和数值中的至少一种。
通过下面提供的详细描述，其他示例性实施方式将变得清楚。应当理解的是，所提供的详细描述和具体示例，虽然公开了示例性实施方式，但其仅用于说明目的，而非用以限制本发明的范围。
附图说明
通过详细描述和附图将会更充分地理解本发明的示例性实施方式，附图中：
图1A是根据现有技术的包括多个锂离子电池单元的示例性电池系统的示意图。
图1B是根据现有技术的示例性锂离子电池单元的示意图。
图2是根据一个实施方式的包括与车载车辆控制器连通的电池单元的示例性车辆系统的示意图，该车辆控制器被编程为从电池单元收集电压和／或电流放电数据并且确定是否表明需要进行电池充电。
图3A是示出了从电池单元输出的放电电压的示例性曲线的图表，而3B是示出了在与示例性电池系统的充电状态(SOC)(1-SOC) 相对的示例性电压下降之前在选定SOC水平下的虚拟阻抗与实际阻抗的示例性曲线的图表。
图4A是示出了从电池单元输出的放电电压的示例性曲线的图表，而4B是示出了在与示例性电池系统的充电状态(SOC)(1-SOC) 相对的示例性电压下降之前在选定SOC水平下的虚拟阻抗与频率的示例性曲线的图表。
图5是示出了包括示例性低频率部分的虚拟阻抗与实际阻抗的示例性曲线的图表。
图6示出了根据示例性实施方式的示例性逻辑过程流程以及用于确定电池系统的阻抗范围并且确定是否表明所述电池系统需要进行充电的相关数学关系。
具体实施方式
下面对实施方式的描述本质上仅仅是示例性(说明性)的，决非用于限制本发明、其应用或用途。
在一个实施方式中，确定了电池单元在若干频率下的阻抗值，以便确定是否表明需要(期望和／或需要)为电池系统进行电池充电。在某些实施方式中，所述方法可以在此处称为充电估算器的软件和／或固件中实施，并可进一步估算电池系统期望和／或需要进行电池充电的时间(充电时间)。在其他实施方式中，所述估算器可独立于或结合充电状态(SOC)估算器实施，所述充电状态(SOC)估算器也可在软件和／或固件中实施以估算电池系统的充电状态(SOC)。
在一个实施方式中，电池单元和／或电池系统的SOC可以通过下述方法来确定，该方法包括确定(测量)电池系统的一个或多个电池单元中的电流和／或电压放电数据以及通过所述电流和电压放电数据确定作为频率的函数的阻抗数据(阻抗范围)。在某些实施方式中，作为频率的函数的阻抗(阻抗范围)可以通过对电流和／或电压放电数据执行傅里叶变换来确定。在其他实施方式中，电流和／或电压放电数据可在电池系统的特定或选定充电状态(SOC)附近的相对狭窄的窗口内被收集。
在某些实施方式中，电流和／或电压放电数据可通过一个或多个包括含锂电极的电池单元来确定。在一个实施方式中，电流和／或电压放电数据可通过一个或多个包括含锂的磷酸铁阴极(放电时)(例如，LiXFePO4，其中在充电与放电状态之间0＜X＜1)的电池单元来确定。应当理解的是，在某些实施方式中，电池单元可进一步包括石墨阳极(例如，LiyC6，其中在充电与放电状态之间0＜Y＜1)。还应当指出，由于多相共存，具有上述LiXFePO4阴极的电池单元的放电电压在放电末期的急剧压降之前是大体恒定的。
在某些实施方式中，电池系统可包括一个或多个锂离子电池单元。在一个实施方式中，电池系统可包括多个串联连接的锂离子电池单元。在其他实施方式中，电池单元可以是诸如在电动或混合动力车辆中供电的车辆电池系统的一部分。例如，参阅图1A，该图中示出了包括多个电池单元-例如串联连接的电池单元10A以产生期望的输出电压的典型的示例性电池系统10的示意图。
例如，参阅图1B，该图中示出了典型的示例性薄膜锂离子电池单元的示意图，所述电池单元具有可邻近隔离器14的固态阳极(放电时的阴极)11A，所述隔离器14可以是包含液体电解质12(例如，锂盐-例如LiPF6的烃类溶液)的多孔织造聚合物(例如，丙烯和乙烯)，并且所述隔离器14还可邻近固态阴极(放电时的阳极)11B。所述电极可包括电极基质材料(例如，金属氧化物阳极和石墨阴极)分别附接于其上的金属集电器-例如11C、11D。例如，电极基质材料可以是通过导电粘合剂保持在一起的颗粒形成的多孔材料薄膜。隔离器14可以具有电极厚度(例如，10-100微米)级别或小于电极厚度级别的厚度。
在某些实施方式中，电池系统中的一个或多个电池单元的温度可以与相同或不同电池单元的电流和／或电压放电数据一起确定。在某些实施方式中，确定阻抗范围的电流和／或电压放电数据可以在大约恒定充电状态(SOC)下确定，例如诸如在其中SOC被标准化成1的大约0.01至大约0.1的选定SOC内的选定SOC(或1-SOC)附近的电流和／或电压放电数据。在一个实施方式中，电流和／或电压放电数据与温度一起可随后用作到软件和／或硬件实施的充电指示器／估算器的输入，所述充电指示器／估算器可首先确定阻抗范围并且可随后分析所述阻抗范围以确定是否表明需要进行电池充电和／或估算期望和／或需要电池充电的时间。
在其他实施方式中，电极-例如阴极(放电时)的阻抗范围可以例如通过阻抗分析器直接测量，所述阻抗分析器在电池单元的电压和／或电流测量之后确定与频率相对的阻抗的实际和虚拟部分。
在一个实施方式中，通过电流和／或电压放电数据确定并且随后分析阻抗范围的算法可以在预编程的指令(软件)和／或硬件中实施并且通过控制器(例如，包括微处理器和存储器)执行。在其他实施方式中，电流和／或电压放电数据以及／或者阻抗范围还可用作对充电状态(SOC)估算器的输入从而确定电池系统的充电状态(SOC)。在某些实施方式中，可另外确定取得电流和／或电压放电数据时的电池单元温度，以便区别于可归因于电池系统的SOC的变化来确定温度变化导致的电流／或电压放电数据的变化。
在某些实施方式中，测量的电流和／或电压放电数据以及／或者阻抗范围可以结合SOC估算器使用。在某些实施方式中，SOC估算器可用作包括开路电压的电压测量值、电流测量值以及一个或多个电池单元的温度测量值中的一个或多个的额外或备选输入(相对于充电估算器)。应当理解的是，通过SOC估算器确定SOC值可包括确定相关的性能，例如本领域公知的电池系统的电力状态和／或健康状态。
参阅图2，在一个实施方式中，示例性电池单元10A示出为可与一个或多个控制器-例如车载控制器20信号连通(有线或无线)(例如，14C、14D)。电池单元的电流和／或电压放电数据可通过对应的阳极和阴极电池导线(例如，14A、14B)收集并且连通至控制器，例如20。在某些实施方式中，电池单元的温度数据还可通过温度传感器(例如16)收集，所述温度传感器可设置在电池单元10A的内部或外部并且可与车载控制器20连通(有线或无线)(例如，16A)。
再参阅图2，在某些实施方式中，控制器20可配备有能够执行来自存储器的预编程指令(软件)以及存储和/或输出结果的处理器。在某些实施方式中，控制器20可包括编程为通过信号输入确定电池的充电状态(SOC)的常规的可执行软件。在某些实施方式中，控制器20可执行编程为推导和分析阻抗范围并且确定是否表明需要进行电池充电和/或建议的电池充电时间的相同或独立的软件(例如，电池充电估算器)。
在某些实施方式中，在确定表明需要电池充电和／或建议的电池充电时间之后，可随后通过控制器20输出指示电池充电和充电时间的信号和／或值。在某些实施方式中，指示充电的信号和／或值可以输出到第二车载控制器-例如22，所述第二车载控制器可以是与控制器20连通(有线或无线，例如22A)的车辆中央车载控制器并且可转而输出能够被车辆使用者（例如车内的）得到的视觉和／或听觉信号标识。
例如，参阅图3A，该图中示出了电池系统的电压响应与充电状态(SOC)(例如示出为1-SOC，其中1是完全放电)的曲线-例如30。应当指出，如图3A所示的放电电压在放电末期的急剧压降之前是大体恒定的值。参阅图3B，该图中示出了阻抗范围的虚拟部分与所述阻抗范围的实际部分(例如在选定频率下的虚拟与实际)的曲线，例如曲线32。虚拟VS实际阻抗曲线从在选定SOC(或1-SOC)(由图3A所示的箭头34指示的)下收集的数据推导。在某些实施方式中，可以分析虚拟VS实际阻抗范围的低频率端(例如，高阻抗)以确定电池系统是否处于或接近电池系统应当或需要放电的充电状态。
再参阅图3A和3B，已经发现，虚拟VS实际阻抗范围的低频率端具有尾部-例如36，所述尾部可以是电池系统的SOC(或1-SOC)可能正接近相对急剧的电压下降的区域（例如38）的前驱指示。在某些实施方式中，所述前驱指示-例如指示接近SOC电压响应下降的低频率尾部可用作需要和／或期望电池充电的标识以及／或者用于估算需要和／或期望电池充电的时间。
参阅图4A，该图中示出了类似的电压响应与1-SOC的曲线-例如30，其中围绕图4B所示的特定1-SOC值-例如34来分析阻抗数据。参阅图4B，该图中示出了虚拟阻抗与频率值(例如，频率可表示为频率范围的一小部分的任意单元)的曲线。在某些实施方式中，频率接近零(例如区域40A)时的负斜率可用作电池系统的SOC(或1-SOC)接近相对急剧的电压下降的区域-例如38的一个标识，其中电池可在达到区域38之前或至少在指示完全放电的1处之前被充电。
参阅图5，该图中示出了虚拟(-Zi)与实际(-Zr)阻抗曲线的示例性曲线A，其中围绕曲线的低频率尾部部分的虚线圈定的区域在曲线B中展开示出。在某些实施方式中，所述低频率尾部部分可包括向内部分-例如42，所述向内部分可用作电池系统不期望和／或不需要充电的标识并且／或者可用于估算电池充电时间。在某些实施方式中，所述低频率尾部部分可包括最内部部分，所述最内部部分可具有距离整个阻抗曲线(例如，曲线A)的半圆的中心的可能小于所述半圆的半径的距离。
在其他实施方式中，上面描述的两个标识-例如图4B中所示的接近零频率时的负斜率以及具有如图3B的半圆曲线半径之外的最内部部分的低频率尾部，可用作电池系统期望和／或需要充电的标识并且／或者可用于估算该期望／或需要的充电的时间。
参阅图6，该图中示出了逻辑过程流程图(例如，软件和／或硬件实施的)，所述逻辑过程流程图确定阻抗范围并且分析所述阻抗范围以确定是否表明需要进行电池充电和／或估算电池充电时间。
在步骤601中，可围绕电池系统的选定充电状态(相关的数学关系示出为邻近逻辑过程步骤)(例如，                                                )收集电流和电压放电数据。在步骤603中，可产生有限步骤输入和输出信号(例如，)。在步骤605中，可计算电压和电流输入和输出的傅里叶变
换，以确定作为频率的函数的电压和电流(例如，)。在步骤607中，阻抗范围的实际和虚拟部分可通过步骤605中的傅里叶变换值(例如，)确定。在步骤609中，接近零的频率下的阻抗特性可被表征-例如确定斜率是否为负(例如， )。在步骤611中，可检查由实际VS虚拟值表示的阻抗范围的低频率尾部从而表征低频率尾部-例如是否在半圆半径的内／外(例如，)。在步骤613中，可基于步骤609和611中的结果输出信号。
上面对本发明的实施方式的描述本质上仅是示例性的，并且由此它们的变型不应被认为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的方法，包括：
提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；
分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电状态的所述阻抗数据的预定特性；以及
通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电，
其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为虚拟阻抗与频率数据并且表征所述数据在接近零频率时的斜率，并且其中所述表征包括确定所述斜率是否为负。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述阻抗数据通过表征所述电池系统的放电特性的电流和电压数据的傅里叶变换来计算。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为所述频率范围内的虚拟阻抗与实际阻抗的曲线并且表征所述曲线的低频率部分。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述表征包括确定所述低频率部分是否延伸到包括所述曲线的半圆的半径之外。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为所述频率范围内的虚拟阻抗与实际阻抗的曲线并且表征所述曲线的低频率部分。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述可充电电池包括含锂的放电阴极。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述可充电电池包括车辆电池系统。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述提供、分析和确定步骤通过由一个或多个车载车辆控制器执行的可编程指令来实施。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括确定估算时间，所述充电应当在该估算时间内进行。
10.一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的方法，包括：
提供一定频率范围内的阻抗数据，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；
分析所述阻抗数据以获取指示所述电池的放电状态的所述阻抗数据的预定特性；以及
通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电，该确定操作又包括确定估算时间，所述充电应当在该估算时间内进行，
其中所述分析步骤包括表征所述阻抗数据的虚拟部分与频率数据在接近零频率时的斜率，并且其中所述表征包括确定所述斜率是否为负。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述阻抗数据通过表征所述电池系统的放电特性的电流和电压数据的傅里叶变换来计算。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述分析步骤包括将所述阻抗数据表示为所述频率范围内的虚拟阻抗与实际阻抗的曲线并且表征所述曲线的低频率部分。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述可充电电池包括含锂的放电阴极。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述可充电电池包括车辆电池系统。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述提供、分析和确定步骤通过由一个或多个车载车辆控制器执行的可编程指令来实施。
16.一种用于确定是否表明可充电电池系统需要充电的车辆系统，所述车辆系统包括：
与车辆电池系统连通的车载控制器，所述控制器包括：
确定一定频率范围内的阻抗数据的模块，所述阻抗数据表征可充电电池在选定时间窗口内的操作；
分析所述阻抗数据以获取指示所述电池系统的放电状态的所述阻抗数据的预定特性的分析模块；
通过所述阻抗数据的所述预定特性来确定是否表明所述可充电电池需要充电的模块；以及
响应于表明需要所述充电的确定来输出信号和数值中的至少一种的模块，
其中所述分析模块表征所述阻抗数据的虚拟部分与频率数据在接近零频率时的斜率，并且确定所述斜率是否为负。
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