CN104345202A - 基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法
技术领域
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
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
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。
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。
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。
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。
附图说明
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
电池包(battery pack)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(DC)输出。电池包14电连接至电力电子模块(powerelectronics module)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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,电极容量比、电极成分和活性材料的估计量)。
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OCV。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。
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。
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-hour rate)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。
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。
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1-C放电直到电压下降到特定的截止电压50以下来表征。1-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,0.1-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(relaxation processes)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。
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。
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。
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OCV。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。
公开的方法使用更高速率持续放电/充电率(例如,1C速率),并应用校正因子来估计实际的OCV。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。
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ηi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ηt,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η,并且放电(或充电)时间为t。
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ηi导致的电压偏差;(2)由于初始阻抗因子和瞬态阻抗因子(ηit ss)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tj。时间tj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。
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10-C速率时的ηi大约是20-C速率时的ηi的一半,5-C速率时的ηi大约是10-C速率时的ηi的一半,并且3-C速率时的ηi大约是10-C速率时的ηi的三分之一。浓度结过电压可被定义为:
ηt=OCV-(Vdchi,dch)   (1)
其中,Vdch是测量的放电电压,ηi,dch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的关系。因此,根据经验观察到,最初,ηt是与电流(定义为I)和的乘积成比例。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:
I &Proportional; 1 t - - - ( 2 )
根据上式得:
t &Proportional; 1 I - - - ( 3 )
上述经验观察值可用符号写为:
&eta; t &Proportional; I t - - - ( 4 )
将方程式(3)代入到方程式(4)中得:
&eta; t &Proportional; t - - - ( 5 )
虽然在处于更低速率时最明显,但根据特定时间段之后的速率,浓度结过电压似乎接近恒定值。当考虑球体内的不稳定扩散的问题时,也可期望这种情况。长时间来解决所述问题表明:对于给定的通量值,表面浓度将与t线性地变化。当长时间解决上述问题时,由于平衡的浓度和表面浓度两者根据时间而线性地变化,因此可期望恒定的浓度结过电压。关于分别短时间和长时间来解决球面问题的参数,构成用于确定η和ηt ss(用于OCV估计)的基础。
公开的方法可使用在相对快的充电/放电率时收集的电压数据。例如,1C速率可被应用于使电池充电和放电。然而,所述方法不限于任何特定的速率并且可以使用各种不同的充电/放电率。放电电压数据可被测量并且可对所述数据进行校正,以获取全部OCV特性的一部分。对于放电电压数据的电压校正可被用于预定范围或荷电状态的范围。充电电压数据也可被测量并且可对该充电电压数据进行校正,以完成OCV特性。通过结合校正的电压范围,可在整个SOC范围内获取一个完整的曲线或特性。电压范围可在点tj处汇合,使得校正的OCV值在该点处等于未校正的OCV值。提出的方法的优势在于OCV特性可在相对短时间内获取。
在获得电压测量数据之后,测量的放电电压数据和充电电压数据可被校正用于瞬态阻抗效应。图4中示意性地描绘了所述概念。放电曲线100相对于底轴上的放电时间106而绘制。放电时间106从左侧处的零110开始并随着曲线运动至右侧而增加。放电时间零110与电池完全充电至百分之百的SOC所处的点对应。得知放电率和电池的额定容量,这允许时间等于等效的SOC值。可替换地,可测量电流,并且可基于所述电流以及与充电和放电相关的时间计算SOC。
充电时间零112与电池完全放电到百分之零的SOC所处的点对应。充电曲线102相对于充电时间108绘制。充电时间108从右侧处的零112开始并随着曲线运动至左侧而增加。在下面的公式中,Vdch100表示在放电循环期间测量的电压,并且Vch102表示在充电循环期间测量的电压。
在放电循环期间,OCV104可由下式确定:
OCV=Vdchi,dcht,dch   (6)
其中,
&eta; i , dch = &eta; dch t = 0 , 0 < t &le; t j , dch - - - ( 7 )
&eta; t , dch = &eta; t , dch ss t ss , dch t , 0 < t < t ss , dch - - - ( 8 )
&eta; t , dch = &eta; t , dch ss , t ss , dch &le; t &le; t j , dch - - - ( 9 )
在等式(6)至等式(9)中,t是放电时间,过电压η被限定为正值。
ηi,dch114的值可通过从放电电流开始之前稳定的OCV118减去放电电流开始之后收集的第一数据点116处的电压而获得。该值可在电流放电循环的开始处或附近被测量。
稳态过电压值120可通过检查稳态电压偏差而确定。该值可从测量的数据通过找出电压衰减几乎恒定的点而确定。恒定的范围可以在时间tss,dch122和时间tj,dch124之间。在该时间段期间,可计算充电电压Vch102和放电电压Vdch100之间的差的平均值。一旦计算了平均值,则可根据下式确定稳态放电过电压
Average Vch - Vdch = 2 ( &eta; i , dch + &eta; t , dch ss ) - - - ( 10 )
进一步求解等式(10)得到下面的结果:
&eta; t , dch ss = Average Vch - Vdch 2 - &eta; i , dch - - - ( 11 )
在零110和tss,dch122之间的范围内,电压校正值与t的平方根成比例。该值可被缩放,以在时间tss,dch122处使该值将与120的稳态值相匹配。稳态电压偏差是在预定的荷电状态范围内的充电电压数据和放电电压数据之间的差的函数。所述差可在整个荷电状态范围内平均并被用作稳态电压偏差。当根据等式(6)使这些值相加时产生在直至tj,dch124的范围内都非常近似于OCV曲线。
接下来,可校正用于充电数据的电压,以完成在比tj,dch124大区域内的曲线。充电数据的电压校正可按照与放电数据相似的方式完成。在充电期间的OCV可被描述为:
OCV=Vchi,cht,ch   (12)
ηi,ch128的值可通过从充电电流开始后测量的第一数据点130处的电压减去充电电流开始之前的稳定OCV132而获得。该值可与ηi,dch114的值在汇合点136处重合。汇合点136可被描述为充电电压校正值和放电电压校正值将产生相同的值的点。点136也可被认为是在充电期间进入稳态电压偏差的时间。也就是说,在tj,ch134处校正的充电电压将等于在tj,dch124处校正的放电电压。假设导致下面等式的线性变化:
&eta; i , ch = &eta; i , ch t = 0 - &eta; ch t = 0 - &eta; dch t = 0 t j , ch , 0 < t < t j , ch - - - ( 13 )
其中,是在充电电流开始130处的过电压。注意,在汇合点136处,ηi,ch值将等于
与放电情况类似,下面的等式适用于充电:
&eta; t , ch = &eta; t , dch ss t j , ch t , 0 < t < t j , ch - - - ( 14 )
其中,t是充电时间。注意,在汇合点136处,ηt,ch的值将等于通过调节测量的充电数据,校正的充电曲线和放电曲线形成连续的曲线。
简而言之,可向电池施加相对快的充电/放电率。在充电/放电序列期间可测量和收集电压和电流。然后,可根据上述等式处理数据。确定在放电电流开始处的电压偏差。也可通过充电电压数据和放电电压数据基于充电电压数据和放电电压数据的平均值计算稳态电压偏差。稳态范围可以是在每个荷电状态处的充电电压值和放电电压值之间的差在整个范围内大致相等的区域。在放电电流开始后并在汇合点之前的范围内,根据等式(6)调节电压。这些校正值被应用于测量的放电电压数据,以获取实际的OCV关系。在充电电流的开始处确定初始的充电电压偏差。假设稳态电压偏差与放电情况相同。在充电电流开始后并在汇合点之前的范围内,根据等式(12)调节电压。在预定的荷电状态范围内,电压特性是充电数据和放电数据之间的差的函数。可使用所述差的平均值。在预定的荷电状态范围的端点处,由于充电值和放电值之间的差导致的特性值应等于使用时间的平方根计算的值。在汇合点处,校正的充电电压和校正的放电电压重合,以使校正的充电电压和校正的放电电压在该点处相等。这样提供了表示OCV特性的一条连续的曲线。电流可在充电/放电循环期间测量,以更新SOC的值。
电池充电/放电电压数据可相对于时间来测量。最终结果可要求产生相对于电池荷电状态的OCV曲线。电池SOC可基于电流和时间被确定。SOC可以以安培-小时(Ah)为单位表示。得知施加电流的时间,就可计算相关的SOC。例如,考虑以1-C速率使5Ah电池充电。假设电池的SOC为百分之零,则施加5A电流持续一小时将使电池完全充至5Ah或百分之百的SOC。通过该知识,SOC可与时间相关。在该示例中,在循环的一半处或在30分钟时将产生百分之五十的SOC。这也可被分析为标准的安培-小时积分(Amp-hour integration)。假设一个恒定的电流,增加的SOC可被确定为电流与时间间隔的乘积。安培-小时积分也可被用来确定SOC。电流可在整个时间内积分,以获取SOC值。
OCV和SOC的关系可用于控制电池包的充电和放电。所述关系也可被用于确定用于车辆控制的电力极限和其他参数。该关系的知识也影响在电池包运转期间的SOC计算。由于SOC可向驾驶员提供在给定的时间内电池中存在多少能量的状态,因此SOC的精确测量是有用的。许多现有的实施方式在开发或车辆初始构建期间将该关系编程到控制器中。由于现有的用于产生该关系的技术较为耗时,因此所述关系在整个车辆的寿命中可能从未改变。提出的提供更合理的时间产生所述关系的方法可提供用于在服务期间更新该关系的选择。所述方法可被编程到车辆的控制器中,以允许服务人员在服务操作期间执行校准。
公开的方法可在单个电池单元上或在串联连接的多个电池单元上工作。在电池包中,假设每个电池单元的电压被测量,那么每个电池单元可通过在电池包上执行公开的方法而被表征。每个电池单元可在服务操作期间进行表征,并使产生的特性曲线被储存在非易失性存储器中以供后期使用。更实用的方法可以是平均全部电池单元的特性以供后期使用或基于整个电池包电压来表征电池。所述表征可以是服务操作的一部分,所述特性在服务操作中被计算并储存,以允许电池在电池的整个寿命期间最佳地运行。
在图5中示出的一个可能的实施例中,电池表征设备200可被设计为确定电池202的OCV和SOC的特性曲线。电池202可设置在电池表征设备200中并根据描述的方法进行充电和放电。双向电源204可连接到电池202,以使电池202充电和放电。双向电源204能够供应和汲取电流。也就是说,双线电源204能够用作电源和负载两者。双向电源204可以是分开的电源和负载,双向电源204可被控制为提供或消耗电力。
可存在控制器206,以在表征过程期间测量整个电池202的电压。控制器206也可使用电流传感器208测量电池电流。控制器206也能够在表征过程期间控制双向电源204。所述控制可以通过单独的线或通过通信总线进行。
电池202可在测试的开始处于已知的初始荷电状态。例如,电池可在表征过程开始之前充满电(100%的SOC)。在这种情况下,控制器206可开始测量电池电压,并且双向电源204可被命令为从电池汲取预定量的电流。然后控制器206可在放电期间测量电池202上的电压。当控制器206确定电池202已经完全放电时,可关闭双向电源204,以停止从电池202汲取电流。可进入休息时间段,以允许电压弛豫到稳定值。然后,双向电源204可被命令为向电池202提供电流,以使电池202充电。然后,控制器206可在充电期间持续测量电压和电流。当电池202完全充电时,可关闭双向电源204,以停止向电池202提供电流。然后,测量的数据可由控制器206如上所述进行处理,以产生电池的OCV和SOC特性。控制器206可将收集的数据传输到另一计算装置,以进一步处理该数据。该特性可被提供至电池控制算法210,以控制电池202的充电和放电。所述特性可被储存在非易失性存储介质中,并且可被显示在屏幕212上或在打印机214上打印。双向电源204可由操作员手动地控制或由控制器206控制。可根据需要调整程序,即使初始荷电状态未知,也可通过使电池202充电或放电,获取已知的起始荷电状态。
在此公开的程序、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/通过处理装置、控制器或计算机实现,所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或者专用的电子控制单元。类似地,所述程序、方法或算法可以以多种形式被存储为可被控制器或计算机执行的数据和指令,所述多种形式包括但不限于永久地存储在非可写存储介质(诸如,ROM装置)上的信息以及可变地存储在可写存储介质(诸如,软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)上的信息。所述程序、方法或算法还可被实现为软件可执行对象。可选地,所述程序、方法或算法可利用合适的硬件组件(诸如,专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的结合被整体或部分地实施。
虽然上面描述了示例性实施例,但是并不意味着这些实施例描述了权利要求包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制,并且应理解的是,在不脱离本公开的精神和范围的情况下,可作出各种改变。如上所述,可组合多个实施例的特征以形成本发明的可能未明确描述或示出的进一步的实施例。虽然多个实施例已被描述为提供优点可在一个或更多个期望的特性方面优于其它实施例或现有技术实施方式,但是本领域的普通技术人员应该认识到,一个或更多个特征或特点可被折衷,以实现期望的整体系统属性,所述期望的整体系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此,被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式的实施例并不在本公开的范围之外并且可期望用于特殊应用。

Claims (10)

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以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。
6.一种设备,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以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。
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