CN106033112B - 用于使用电池模型参数评估健康状态的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使用电池模型参数评估健康状态的方法和系统。该系统包括电池模型参数提取器，其被配置为提取Li离子液相扩散系数参数，以及被配置为存储映射表的存储单元，在映射表中，Li离子液相扩散系数参数的健康状态(SOH)被映射。另外，SOH评估器被配置为使用该映射表来评估该SOH，该SOH对应于从电池模型参数提取器提取出的Li离子液相扩散系数。

Description

用于使用电池模型参数评估健康状态的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于使用电池模型参数评估健康状态(SOH)的系统和方法，并且更具体地，涉及使用Li离子液相扩散系数参数评估健康状态的技术，该Li离子参数在在电池模型参数之中与电池的性能下降具有高度相关性。

背景技术

随着环境污染问题增加，开发对环境无害的能量的不同的技术领域中的竞争增加。另外，由于石油和天然气资源等的枯竭，开发替代能源的竞争已经增加。因此，汽车制造商之间开发下一代车辆的竞争越来越多。在下一代车辆中，存在使用电池作为能源的纯电动汽车(EV)和使用电池作为能量缓冲的发动机混合动力电动汽车(HEV)、燃料电池混合动力汽车等。

在混合动力汽车中，电池系统是确定车辆的质量的主要部件之一。混合动力汽车的电池系统是辅助能源，其在车辆被驱动时有助于发动机的输出并累积所产生的能量。特别地，电池系统的控制技术是非常重要的，其包括功率控制、冷却、诊断、充电状态(SOC)计算等。

在那些控制技术之中，充电状态计算是用于车辆的驱动策略的重要因素。换句话说，在混合动力汽车中，当产生额外的能量时充电状态被计算以操作电池被充电，并且当需要大量的高输出时，通过对电池放电运行车辆以获得需要的输出。因此，为了通过准确地实现混合动力汽车的驱动策略来减少能量和使混合动力汽车的运行效率最大化，有必要更准确地评估充电状态。

当充电状态费计算不准确时，混合动力汽车的运行效率可能下降，并且可能发生危险情况。例如，当实际充电状态为80％但所计算的充电状态为30％时，车辆控制器经配置确定必须充电，并且因此电池可能过充电，或在相反的情况下，电池可能过放电。由于过充电或过放电电池的燃烧或爆炸可能发生，因此可能发生危险情况。

对于充电状态计算，电池性能下降，即，健康状态被提供作为主输入。基于使用环境或使用时间周期，和电池的早期生产相比，健康状态日益降低，并且因此可用容量降低或电阻增加。通常，健康的状态降至约20％。为了防止能量减少和高效运行混合动力汽车的危险，有必要更准确地评估健康状态。

用于评估健康状态的现有方法可以多样化，但可分成两种方法。第一种方法是用于直接将具有预定频率配置硬件负载应用到电池以测量其阻抗并且理解健康的状态的方法。第二种方法是用于在预定期间获取电流和电压对数据来推断间接阻抗或降低的容量的方法。

对于使用硬件的第一种方法，由于用于配置其电路和传感器的方法的误差、耐用性、成本等，其效率可被降低。从用于获取电流和电压对数据的方法到用于推断间接阻抗和降低的充电状态的方法时，由于强非线性和干扰，第二种方法可能难以实现精确的推断，或者可能具有复杂的逻辑。

因此，通过基于电流累积计算特定电压段内的充电容量来评估健康状态的方法被开发，该方法可在室温和慢速充电期间被应用，并且在电流累积期间易受于电流传感器的累积误差。

发明内容

本发明提供了一种用于使用电池模型参数评估健康状态的系统及其方法，其能够使用在电池模型参数之中与电池的容量衰减具有高度相关性的锂离子(Li离子)液相扩散系数参数来评估健康状态。

根据本发明的示例性实施例，用于使用电池模型参数评估健康状态的系统可以包括电池模型参数提取器，其被配置为提取Li离子液相扩散系数参数；存储单元，其被配置为存储映射表，在每个Li离子液相扩散系数参数的所述健康状态(SOH)被映射；以及SOH评估器，其被配置为使用映射表来评估SOH，该SOH对应于从电池模型参数提取器提取出的Li离子液相扩散系数。

Li离子液相扩散系数参数可以包括在液体电解质中的Li离子液相扩散系数。映射表可以包括映射到每个Li离子液相扩散系数参数值的所述电池的额定容量和容量衰减。SOH可以通过将电池的当前额定容量除以电池的初始额定容量来计算。电池模型参数提取器被配置为在充电期间收集电压数据，以及当所述充电完成时使用所述电压数据提取所述Li离子液相扩散系数参数。

根据本发明的另一个示例性实施例，一种用于使用电池模型参数评估健康状态的方法可以包括：确定电池是否开始被充电；当电池开始被充电时收集用于参数提取的数据；当电池的充电结束时使用该数据提取Li离子液相扩散系数参数；以及使用Li离子液相扩散系数参数评估健康状态。

该方法还可包括：在确定电池是否开始被充电之前，生成并存储映射表，在映射表中，通过基于实验计算Li离子液相扩散系数参数的SOH，每个Li离子液相扩散系数参数值的SOH被映射。在映射表的生成和存储过程中，每个Li离子液相扩散系数参数的所述电池的额定容量被计算，并且通过将所述电池的当前额定容量除以所述电池的初始额定容量，计算并且存储所述SOH。Li离子液相扩散系数参数可以包括在液体电解质中的Li离子液相扩散系数。

附图说明

本发明的上述和其他目的、特征和优点从下面结合附图的具体实施方式中将变得更加明显。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的基于电池使用的电池的额定容量变化的示例性曲线图；

图2是根据本发明的示例性实施例的用于使用电池模型参数评估健康状态的系统的示例性配置图；

图3A是根据本发明的示例性实施例的配置为包括正极、隔板和负极的电池的示例性内部结构图；

图3B是根据本发明的示例性实施例的用于描述Li离子的移动的示例性图；

图3C是根据本发明的示例性实施例的用于描述电池模型参数的示例性图；

图4是示出根据本发明的示例性实施例的基于每个参数的容量衰减的参数变化的示例性曲线图；

图5是根据本发明的示例性实施例的用于描述使用Li离子参数的液相扩散参数的原因的示例性曲线图；

图6是其中在根据本发明的示例性实施例的Li离子液相扩散系数参数和健康的状态(SOH)之间的映射关系的示例性表；并且

图7是根据本发明的示例性实施例的用于使用电池模型参数评估健康状态的方法的示例性流程图。

附图中各元件的附图标记：

110：电池模型参数提取器；

120：SOH评估器；

130：存储单元；

200：电池。

具体实施方式

应当理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其他类似术语包括通常的机动车辆，比如包括运动型多用途车(SUV)的客车，公共汽车，卡车，各种商用车辆，包括各种小舟和轮船的船只，飞机等，并且包括混合动力汽车，纯电动汽车，插电式混合动力汽车，氢动力汽车和其他替代燃料汽车(例如，从除石油以外的资源得到的燃料)。如本文所指，混合动力汽车是具有两种以上动力源的车辆，比如汽油动力和电动汽车。

虽然示例性实施例描述为使用多个单元来执行示例性进程，但是应当理解示例性进程还可通过一个或多个模块来执行。此外，应当理解，术语控制器/控制单元指的是包含存储器和处理器的硬件设备。存储器配置来存储模块，处理器特别配置来执行所述模块执行下文所述的一个或多个进程。

此外，本发明的控制逻辑可体现为，在包含通过处理器，控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质也可分布在网络耦合的计算机系统，以便计算机可读介质以分布方式存储和执行，例如，通过一个远程信息处理服务器或一个控制器局域网络(CAN)。

本文使用的术语只是用于说明特定的实施例，并不意图限制本发明。本文使用的单数形式意图还包括复数形式，除非上下文明确地另有说明。另外，要明白当用在本说明书中时，术语“包含”指定陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，不过并不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合的存在或增加。本文使用的用语“和/或”包括相关的列举项目中的一个或多个项目的随便什么组合。

除非上下文特别规定或明显说明，如本文所用的，术语“约”应理解为在本领域正常公差的范围之内，例如在平均值的两个标准偏差之内。“约”可理解为在设定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％，或0.01％之内。除非另有明确的上下文，本文提供的所有数值可通过术语“约”修改。

在下文中，将参考附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，使得本领域的技术人员可以容易地实现本发明的精神。

健康状态(SOH)是定量地表示由于老化效应电池额定容量的特性变化的参数，并且可以鉴别电池的多少额定容量被降低。因此，当确定健康状态时，可以在适当的时间替换电池并且当电池正在使用时通过调整电池的充电和放电容量阻止电池被过充电和过放电。因此，本发明的示例性实施例公开更准确地评估SOH的技术。

在下文中，本发明的示例性实施例将参考图1至图7进行说明。

一种用于混合动力汽车或电动车辆的电池可以在车辆被驱动时被重复充电和放电，并且可以经配置提供供电力以驱动车辆。然而，随着车辆的电池的使用时间增加，可充电的容量可能减少。参考图1，每当电池被使用时，电池的可充电容量可逐渐减少。换句话说，可以理解的是，当周期为0时，电池的可充电容量是100，当周期变为500时，电池的可充电容量降低到97.5，当周期变为1000时，电池的可充电容量是93.7，并且当周期变为2500时，电池的可充电容量降低到85。因此，当电池的可充电容量减小时，即使电池已被充电，其驱动距离可被减少。因此，用于根据本发明的示例性实施例使用电池模型参数评估健康状态的系统可以更准确地评估电池的可充电容量，即，健康状态(SOH)。

图2是根据本发明的示例性实施例的用于使用电池模型参数评估健康状态的系统的示例性配置图。在下文中，健康的状态被称为SOH。根据本发明的示例性实施例的用于使用电池模型参数评估健康状态的系统可包括电池200和电池管理单元100，其中电池管理单元100可包括电池模型参数提取器110、SOH评估器120，以及存储单元130。电池200和具有其中的部件的电池管理单元100可以由控制器进行操作。

电池管理单元100可被实现为电池管理系统(BMS)，该电池管理系统被配置为管理车辆电池的SOH、充电状态(SOC)等。除了用于评估作为本发明的特征的SOH的配置，一般的电池管理系统的配置将被省略。电池模型参数提取器110可以被配置为提取与在当电池200开始充电(例如，当充电开始时)时与容量衰减相关联的电池模型参数。与容量衰减相关联的电池模型参数可包括液体电解质Li+扩散系数De、固体+电极Li+扩散系数Dsp、固体-电极Li+扩散系数Dsn、a+电极反应速度系数Kp和a-电极反应速率系数Kn。

上述参数与该电池的性能下降相关联。如图3A所示，电池可包括正极10、负极20，以及设置在正极10和负极20之间的隔板30，其中电解质40可以在隔板3中流动。参考图3B，锂离子可以从负电极20分离以通过隔板30在正极10中流动，其中固体-电极Li+扩散系数Dsn参数表示在负极20的Li离子的液相扩散系数，固体+电极Li+扩散系数Dsp表示在正极10的Li离子的液相扩散系数，并且液体电解质Li+扩散系数De表示在隔板30的Li离子液相扩散系数。参考图3C，基于Li离子的移动的反应式和反应速率系数K被表示。

然而，图4示出对于以上五个参数De、Dsp、Dsn、Kp和Kn的各自的容量衰减的参数值的变化，其中可以理解，固体+电极Li+扩散系数Dsp、固体-电极Li+扩散系数Dsn和+电极反应速率系数Kp不具有恒定图形曲线但被改变，而液体电解质Li+扩散系数De和-电极反应速率系数Kn经常以指数方式改变。

然而，参考图5，表示一个液体电解质Li+扩散系数De的容量衰减的曲线图与通过五个参数的组合表示的容量衰减的曲线图是类似的。由于五个参数被组合，算法是复杂的并且需要大量的时间，所以本发明的示例性实施例使用作为一个参数的液体电解质Li+扩散系数De以评估SOH。

换句话说，当电池性能下降时，诸如固体电极的凝聚、固体电解质界面层的形成、锂金属沉积、由于疲劳应力的机械裂解，以及活性材料扩散的现象可发生。然而，当上述现象发生时，Li离子的液相扩散系数可减小，并且因此电化学反应速率可降低。由于电子经外部传导导线流动，电子的流动是迅速的，并且因此不需要考虑电阻，并且由于大多数锂离子的流动被阻碍在电池内部，Li离子的液相扩散系数可被降低。

参考图6的映射表，可以理解的是，随着电池的容量衰减增加，Li离子的液相扩散系数可被降低。SOH评估器120可被配置为使用存储在存储单元130中的映射表来确认SOH，该SOH被映射到从电池模型参数提取器110提取的参数值，并且因此以评估SOH。特别地，SOH可以指示多少正在进行的电池额定容量的降低或减少(例如，降低的量)。

存储单元130可经配置存储如图6所示的映射表，其中Li离子速度、电池的额定容量、容量衰减和SOH被映射。特别地，SOH可以通过下面的公式1来计算。

公式1

在图6中，容量衰减可以指通过从100减去SOH获得的量。SOH评估器120可以被配置为基于实验值来预先测量每个Li离子液相扩散系数的额定容量，并计算容量衰减和SOH，以生成如图6所示的映射表并将所生成的映射表存储在存储单元130中。在下文中，根据本发明的示例性实施例的用于使用电池模型参数评估健康状态的方法将参考图7详细地说明。首先，可以假设如图6所示的映射表被存储在存储单元130中。

电池模型参数提取器110可以经配置确定电池200是否开始被充电(例如，确定电池充电的开始)(S101)，并且当电池100开始被充电时收集可包括电压数据的数据(S102)。进一步地，电池模型参数提取器110可以被配置为确定充电是否结束(S103)，并且当充电结束时，可使用所收集的数据提取Li离子液相扩散系数参数(S104)。特别地，Li离子液相扩散系数参数的提取可以指在液体电解质中Li离子的液相扩散系数的计算，并且作为使用在充电期间的数据提取参数的方法，通用的方法可以被应用，并且因此其详细描述将被省略。因此，SOH评估器120可被配置为提取SOH，该SOH对应于通过参考存储在存储单元130中的映射表而计算的Li离子的液相扩散系数，以评估SOH(S105)。

本发明的示例性实施例可使用在液体电解质中的Li离子液相扩散系数参数以更准确地提取SOH，使用SOH将更准确的SOH提供到用于执行充电状态计算的系统等，因此使用SOH诸如充电状态等改善各种类型的控制设备的可靠性。

根据本发明的示例性实施例，可以不依赖充电速度和温度更准确地评估健康状态(SOH)。进一步地，根据本发明的示例性实施例，除了固定电池模型的可靠性的技术、计算具有与健康状态密切相关性的充电状态(SOC)等，可通过更准确地评估健康状态提高控制技术的可靠性。

上述本发明的示例性实施例已经被提供用于说明性目的。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离如在所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、变更、替换和添加都是可能的，并且这些修改、变更、替换和添加都落入本发明的范围。

Claims (6)

1.一种用于使用电池模型参数评估健康状态SOH的系统，包括：

电池模型参数提取器，其被配置为提取锂离子Li离子液相扩散系数参数；

存储单元，其被配置为存储映射表，所述映射表中包括映射到每个Li离子液相扩散系数参数值的电池健康状态SOH；以及

SOH评估器，其被配置为使用所述映射表来评估所述SOH，所述SOH对应于从所述电池模型参数提取器提取出的Li离子液相扩散系数，

其中所述Li离子液相扩散系数参数包括在液体电解质中的Li离子液相扩散系数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述映射表包括映射到每个Li离子液相扩散系数参数值的所述电池的额定容量和容量衰减。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述SOH通过将电池的当前额定容量除以所述电池的初始额定容量来计算。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述电池模型参数提取器被配置为在充电期间收集电压数据，以及当所述充电完成时使用所述电压数据提取所述Li离子液相扩散系数参数。

5.一种用于使用电池模型参数评估健康状态SOH的方法，包括以下步骤：

通过控制器确定电池是否开始被充电；

当所述电池开始被充电时，通过所述控制器收集用于参数提取的数据；

当所述电池的充电结束时，通过所述控制器使用所述数据提取锂离子Li离子液相扩散系数参数；

通过所述控制器使用Li离子液相扩散系数参数评估所述健康状态，并在确定所述电池是否开始被充电之前，通过所述控制器生成并存储映射表，在映射表中，通过基于实验计算Li离子液相扩散系数参数的SOH，每个Li离子液相扩散系数参数值的SOH被映射，

其中所述Li离子液相扩散系数参数包括在液体电解质中的Li离子液相扩散系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在生成并存储所述映射表的步骤中，计算每个Li离子液相扩散系数参数的所述电池的额定容量，并且通过将所述电池的当前额定容量除以所述电池的初始额定容量，计算并且存储所述SOH。

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