CN104965177B - 电池电芯的电荷状态的估计和再调整的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于检测电池的第一初级电芯中包括的电荷的预先确定的特定值的方法，包括以下步骤：在第一电荷状态等级和第二电荷状态等级之间在电芯充电或者放电期间多次在参考电流下测量电芯两端的电压；并且检测与特定电荷值对应的该电压的预先确定的特定值。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2014年3月17日提交的、法国专利申请FR14/52181的优先权权益，以法律最大程度地允许的情况下通过引用方式将其全部内容并入本文中。
技术领域
本公开通常涉及电池领域，且更具体地旨在检测预先确定的特定电荷值的初级电池电芯的交叉点。本公开也旨在估计初级电池电芯的电荷状态并且旨在再调整该估计。
背景技术
电池为在两个电压供应节点或者终端之间串联和/或并联的多个可再充电的单位电芯(电芯、蓄电池等)的组。
在特定系统中，期望在任何时候知道电池的每个初级电芯的电荷状态SOC即电芯中包含的电荷与在考虑时间处的电荷的总容量的比。为了实现该目的，电荷状态计量仪(或者指示器)可以与每个电池电芯相关联。初级电芯的计量仪可以由电池管理设备管理，该管理设备基于预先定义的算法和由连接到电池电芯的传感器执行的测量来估计每个电芯的电荷状态。
使用已知的电荷状态估计方案，通常可以观察估计随着时间的退化以及电池电芯老化。为了克服该现象，实现所谓的电荷状态计量仪的再调整的阶段是已知的，该阶段包括例如通过修改这些算法的参数来调节估计算法，以允许它们继续提供相对可靠的估计。通常，已知电荷状态计量仪再调整方法包括：对电芯进行完全充电或者放电，并且然后，当检测到充电结束或者放电结束时，调节估计算法以将电荷状态电量重新定位到100％或者0％。这种方案的缺点在于它们需要实现电芯的完全充电或者放电，这是相当受限的并且并且可能在特定应用中存在问题。
专利申请EP1562048描述了用于测量电池容量的方法。
发明内容
因此，实施例提供用于检测电池的第一初级电芯中包含的电荷的预先确定的特定值的方法，包括以下步骤：在第一电荷状态等级和第二电荷状态等级之间在电芯充电或者放电期间多次测量电芯两端的电压；并且检测与特定电荷值对应的该电压的预先确定的特定值，特定电荷和电压值与表示针对不同电芯健康状态的、电压按照电芯中包含的电荷而变化的至少两个曲线的交叉点的坐标对应。
根据一个实施例，所述电压为在参考电流下的电芯两端的电压。
根据一个实施例，所述特定电荷和电压值与表示针对不同电芯健康状态的、所述电压根据电芯中包含的电荷而变化的至少三个曲线的交叉点的坐标对应。
根据一个实施例，所述特定电荷值在电芯的额定完全电荷容量的20％到60％的范围内。
根据一个实施例，所述电芯为锂离子类型电芯，并且所述特定电荷值在电芯的额定完全电荷容量的38％到42％的范围内。
根据一个实施例，所述电芯具有2.2-Ah的额定容量和4.2V额定完全充电电压，并且，所述特定电压值在3.5V到3.6V的范围内。
根据一个实施例，所述方法还包括之前特征化阶段，包括：针对与第一电芯相同类型的第二初级电芯获得表示针对第二电芯的至少两个不同健康状态的、第二电芯两端的电压根据第二电芯中包含的电荷而变化的至少两个特征曲线。
根据一个实施例，之前特征化阶段还包括：用于在电芯的额定容量的20％到60％的电荷范围中确定所述至少两个特征曲线的交叉点(A)的步骤。
另一个实施例提供用于评估电池的初级电芯的电荷状态的方法，包括：由电荷状态估计算法进行的电芯的电荷状态的至少一个估计阶段、以及估计算法的至少一个再调整阶段，所述再调整阶段包括以下步骤：由上述类型的方法检测电芯中包含的电荷的预先限定的特定值；并且通过考虑所述特定电荷值和在检测所述特定电荷值时由估计算法估计的电荷值之间的差来再调整电荷状态估计算法。
另一个实施例提供一种系统，包括：包括多个初级电芯的电池；以及电池管理设备，其中，所述管理设备能够通过上述类型的方法检测预先确定的特定电荷值的交叉。
根据一个实施例，所述电池为具有动态重新配置架构的电池，并且，所述管理设备能够动态断开且连接后面的电池电芯，使得在所述电芯两端提供AC电压。
根据一个实施例，所述参考电流为零，并且，所述用于测量所述第一电芯两端的电压的步骤由所述管理设备在所述第一电芯的断开期间实现，以用于在所述电池两端生成AC电压。
在特定实施例的下面非限制描述中结合附图详细讨论上述特征和优势以及其它特征和优势。
附图说明
图1是示出初级电池电芯的行为随着其年龄的变化的示意图；以及
图2以框图形式示出用于再调整初级电池电芯的健康状态电量的方法的实施例。
具体实施方式
图1是包括示出针对电池电芯的三种不同老化状态或者健康状态的、在参考电流iref下的电芯两端的电压Ucell的伏特数(V)(即当电芯传导电流iref时的电芯两端的电压)随着电芯中包含的电荷而变化的三条曲线101a、101b和101c的示意图。图1的曲线针对NMC(镍、钴、锰)/石墨类型的、具有2.2-Ah额定容量(即由制造商显示的容量)和4.2V额定全充电电压的锂离子电芯而绘制。曲线101a示出了当电芯为新时的电芯行为，曲线101b与在表示电芯的典型使用的大约600个充电/放电循环之后的相同电芯对应，并且曲线101c与在表示电芯的典型使用的大约1200个充电/放电循环之后的相同电芯对应。在该示例中，电压测量在零参考电流iref下完成。进一步地，在图1中，电芯电荷在横坐标中以剩余标准化的安培时(Ah NORM)(即额定电芯容量的百分比)来表示。它因此实际上为表示在电芯中有效包含的物理电荷(或者剩余Ah的数量)且不表示电芯的电荷状态(SOC)的变量，其为可以随着电芯老化而变化的电芯的实际总容量的百分比。发明人实施的测试示出了在不同电芯健康状态下、根据电芯电荷、在恒定参考电流下、表示电芯两端的电压的曲线在电芯工作范围中均为单调的(即连续增加或者降低)，并且均在表征电芯的相同点(这里使用参考A来指定)处交叉。在图1的特定示例中，点A与3.55V的电压UA和额定电芯容量的40％的电荷QA(即在该示例中的0.88Ah)对应。
发明人实施的测试进一步示出了当在非零参考电流iref(例如，负电流即电芯放电电流或者正电流即电芯充电电流)下完成电压测量时可以观察到相同行为。在这种情况下，点A的坐标UA和QA可以关于图1的示例而变化，但是与图1的示例相同的现象出现了，即在不同电芯健康状态下的所有特征电压/电荷曲线交叉在相同点A。
发明人进一步观察到了可以针对除了图1的示例的锂离子电芯之外的其它类型的电芯(例如，具有与2.2Ah不同的额定容量和/或与4.2V不同的额定全电荷电压的锂离子电芯或者具有不同化学过程的电芯，假设这些电芯具有单调的电压/电荷特性(没有平台)例如LMO(LiMn2O4)/石墨类型的锂离子电芯)观察到该相同现象。然后，点A的位置取决于电芯特性并且取决于考虑的参考电流iref，且通常处于电芯的额定容量的20％到60％的电荷范围内。
针对给定的电芯类型，可以实现特征化阶段，其能够针对参考电流iref(例如，其选为iref＝0A)确定点A的位置。现在描述特征化方法的非限制示例。
首先，具有第一健康状态的待被特征化的类型的电芯可以完全放电。然后，该电芯可以通过在充电期间周期性地测量在电流iref下的电芯电压来完全再充电。在电芯中包含的实际物理电荷可以例如借助于电量计或者电流积分器一直在充电阶段来测量。因此，可以将电芯中包含的测量出的电荷值与每个测量的电压值进行匹配，以获得图1中示出的类型的特征电压/电荷值。要注意，如果电荷电流不同于iref(特别地在其中iref＝0的情况下)，流过电芯的电流可以在与测量电芯两端的电压所需要的时间对应的较短时间例如小于1ms且优选小于10μs内周期性地被强加于数值iref。
作为一个变化，特征电压/电荷曲线可以在电芯的完全放电期间而不是在充电期间获得。
然后，电芯可以由于受到表示电芯的典型使用的充电/放电循环而“老化”。
可以重复上述步骤至少一次，以获得针对至少一个第二电芯健康状态的图1中示出的类型的至少第二特征电压/电荷曲线。
当记录了与电芯的不同健康状态对应的至少两个特征曲线时，可以基于这些曲线例如通过搜索在额定电芯容量的20％到60％的电荷范围内的两个特征曲线之间的交叉点来确定点1。
可以在确定点A之前可选地平滑根据在特征化阶段完成的电荷的电压的测量。作为非限制数值示例，特征电压/电荷曲线的点可以按100kHz频率(每10μs1个点)来获得，并且然后在2000个点(20ms)的滑动窗口上平均。
一旦针对电芯类型和参考电流iref知道点A的坐标，它们可以由用于管理包括该类型的初级电芯的电池的设备来存储。
当电池使用时管理设备进行的电池电芯的交叉点A的检测有利地使管理设备能够无关于由于电芯老化或者其它现象而导致的电池计量仪的可能漂移而可靠地知道该电芯中可用的电荷。
例如，针对每个电池电芯，电池管理设备能够实现用于检测交叉点A的方法，该方法包括以下步骤：
在第一电荷状态等级和第二电荷状态等级之间(例如在电芯SOC的20％和80％之间)在电芯充电或者放电期间多次在参考电流iref下测量电芯两端的电压；并且
检测在该管理设备中存储的该电压的特定预先定义的数值UA，该电压与在特征化阶段预先确定的点A的电压坐标对应。
检测点A的方法的充电或者放电阶段可以与由包括电池的系统(例如动力辅助车辆)进行的电池的正常使用的电芯的充电或者放电对应。如果电芯的标准充电或者放电电流与参考电流iref不同，则可以将横过电芯的电流周期性地强加于数值iref一段时间(优选足够短)以避免干扰操作，例如小于1ms的时间且优选小于10μs的时间，其与测量电芯两端的电压所需要的时间对应。该时间优选被选择以可能与电流在特征化阶段周期性地强迫于数值iref以获得电芯的特征曲线的时间相同或者类似，例如等于20％内。
作为一个变化，检测点A的方法可以与专用电芯充电或者放电阶段对应，这可以由电池管理设备具体地实现，以完成电芯交叉点A且因此能够检测交叉点A。
作为非限制示例，用于检测电池电芯的交叉点A的上述方法可以被使用，以再调整电芯的电荷状态电量。电池管理设备可以例如实现用于评估电池电芯的电荷状态的方法，该方法包括：估计电芯的电荷状态的阶段和估计阶段之间的、用于再调整能够对可能漂移(例如由电芯老化导致的漂移或者由管理设备的传感器完成的测量的偏移)进行补偿的估计方法的阶段，这种再调整阶段可能包括电芯的交叉点A的检测的阶段。
作为一个示例，可以在电芯的交叉点A的检测的阶段之后再调整电荷状态计量仪，以对在点A的检测时间处的电芯的估计充电值和在点A处已知的实际电荷值之间的可能差异进行补偿。
优势在于通过检测电芯的交叉点A来再调整电芯的电荷状态计量仪不需要电芯的完全放电或者完全充电。这能够完成比使用已知方案更少约束的再调整阶段。可以特别地提供比现有系统中更频繁的再调整。这可能例如能够使用比现有系统更简单的电荷状态估计算法，因为更频繁再调整可以补偿估计算法的可靠性的可能降低。
用于检测电芯的交叉点A或者再调整电芯的电荷状态计量仪的方法的本申请中描述的实施例虽然不限于该特定情况，但是特别地有利于用在具有动态重新配置的电子架构的电池中。具有动态重新配置的电子架构的电池这里意味着以下电池，在该电池中可以在电池操作期间动态修改电池电压供应终端之间的初级电池电芯的电子互连示意图，使得可以在电池两端提供AC电压例如以对电机或者能够由AC电压供电的任何其它负载供电。例如在本申请人的专利申请FR2972304、FR2972305、FR2972306以及FR2972308中描述具有动态重新配置电子架构的电池的实施例。
具有动态重新配置的电子结构的电池通常包括管理设备，该管理设备能够通过在电池操作期间以相对较高频率修改它们关于其它电池电芯的位置和/或连接模式(串联或者并联)而能够动态断开且再连电池电芯。
每当断开电芯时，流过该电芯的电流在断开期间例如在1μs到1ms的范围内变为零。有利地，电池管理设备可以利用这种频率断开，以实现用于检测零参考电流iref的电芯的点A的上述类型的方法。为了实现该目的，管理设备可以测量在属于系统的正常操作的电芯断开期间的电芯电压，直到检测到电压UA的电芯的交叉点A。优势在于点A的检测然后需要电池的正常操作的无干扰。
图2以框图的形式示出用于再调整初级电池电芯的电荷状态计量仪的方法的实施例，其可以在电芯放电或者充电阶段实现。
在图2的示例中，再调整方法包括：步骤201(icell＝iref？)，在步骤201期间，管理设备等待流过电芯的电流icell以与数值iref交叉。在具有动态重新配置架构的电池的情况下，可以选择iref＝0，在这种情况下，在步骤201处，如果电池处于放电阶段，则管理设备可以等待程序化电芯的下一次断开，以在电池两端提供AC电压。管理设备可以将数值iref强加于流过电芯的电流一个足够短时间以明显避免干扰电池的正常操作例如小于1ms的时间且优选小于10μs的时间，以具体地实现再调整方法。
当电流icell为数值iref时，在步骤202(测量Ucell)处，管理设备测量电芯两端的电压Ucell。
在步骤203(Ucell＝UA？)处，管理设备监视在电芯的特征点A的电压值UA的步骤202处测量的电压Ucell的交叉。
如果在步骤203处，管理设备检测在数值UA的电流iref下测量的电压Ucell的数值的交叉，则管理设备实现考虑了电芯的估计出的电荷值与在点A的检测时的点A出的已知实际电荷值之间差而再调整电芯的电荷状态计量仪的步骤204(SOC再调整)。在步骤204结束时，再调整方法结束。
如果在步骤203期间，管理设备未检测到在数值UA的电流iref下测量的电压Ucell的数值的交叉，则管理设备再次实施步骤201，202以及203。
描述了特定实施例。本领域的技术人员容易想到各种替代、修改和改进。
具体地，除了点A的坐标之外，电池管理设备还可以可选地存储在参考电流iref下的电芯的一个或者多个特征电压/电荷曲线的所有。在这种情况下，为了评估电池电芯的电荷状态，管理设备可以测量在电流iref下的电芯两端的电压，并且基于该测量且基于所存储的特征曲线来估计电芯的电荷状态。用于估计电芯的电荷状态的特定曲线可以通过考虑电芯SOH的指示来选择。
进一步，所描述实施例不限于用于检测点A的方法的使用，以再调整电池电芯的电荷状态计量仪。所提供的方法可以用在能够利用在电池电芯中包含的实际电荷在任何时间的知识的任何申请中。
进一步地，在电芯特征化阶段，可以针对多个不同参考电流来可选地确定点A。在这种情况下，当管理设备实现检测电池电芯的交叉点A的阶段以在给定时间知道该电芯中包含的实际电荷时，其可以选择在检测阶段电池最佳适于使用的参考电流。
这种替代、修改和改进旨在为本公开的一部分，并且旨在处于本发明的精神和范围内。因此，上述描述仅是举例且不旨在限制。本发明仅被限制如下面的权利要求所定义并且限制于其等同物。
Claims (12)
1.一种用于检测电池的第一电芯中包含的电荷的特定电荷值的交叉的方法，包括以下步骤：
在第一电荷状态等级和第二电荷状态等级之间在第一电芯充电或者放电期间多次测量第一电芯两端的电压；并且
检测与特定电荷值对应的该电压的特定电压值的交叉，其中所述特定电荷值和所述特定电压值与至少两个曲线的交叉点的坐标对应，所述至少两个曲线表示针对第一电芯的不同健康状态的所述电压根据第一电芯中包含的电荷的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压为在参考电流下的第一电芯两端的电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个曲线包括至少三个曲线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特定电荷值在第一电芯的额定完全电荷容量的20％到60％的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电芯为锂离子类型电芯，并且其中所述特定电荷值在第一电芯的额定完全电荷容量的38％到42％的范围内。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一电芯具有2.2Ah的额定容量和4.2V的额定完全充电电压，并且其中，所述特定电压值在3.5V到3.6V的范围内。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，还包括之前特征化阶段，包括：针对与第一电芯相同类型的第二电芯而获得表示针对第二电芯的至少两个不同健康状态的、第二电芯两端的电压根据第二电芯中包含的电荷而变化的至少两个特征曲线。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，之前特征化阶段还包括：用于在第二电芯的额定容量的20％到60％的第二电荷范围内确定所述至少两个特征曲线的交叉点的步骤。
9.一种用于评估电池的电芯的电荷状态的方法，包括：由电荷状态估计算法进行的电芯的电荷状态的至少一个估计阶段、以及电荷状态估计算法的至少一个再调整阶段，所述再调整阶段包括以下步骤：
根据权利要求1的方法来检测第一电芯中包含的电荷的特定电荷值的交叉；并且
通过考虑所述特定电荷值和在检测所述特定电荷值时由电荷状态估计算法估计的电荷值之间的差来再调整电荷状态估计算法。
10.一种用于检测电池的第一电芯中包含的电荷的特定电荷值的系统，包括：
包括多个电芯的电池；以及
用于管理电池的设备，
其中，所述设备能够检测具有根据权利要求1的方法检测出的特定电荷值的第一电芯的交叉。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电池为具有动态重新配置架构的电池，并且其中，所述设备能够动态断开且连接所述电池的后面的电芯，使得在所述电池两端提供AC电压。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述电压为在参考电流下的第一电芯两端的电压，所述参考电流为零，并且其中，所述测量所述第一电芯两端的电压的步骤由所述设备在所述第一电芯的断开期间实现，以用于在所述电池两端生成AC电压。
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