CN115244413A - 计算电池老化程度的方法及计算电池老化程度的设备 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种用于计算电池劣化程度的方法以及用于计算电池劣化程度的设备，该方法包括如下步骤：当电池的使用状态从第一状态变为第二状态时，获取电池处于第一状态的持续时间；检测所获取的持续时间是否大于或等于第一参考时间；当持续时间小于第一参考时间时，基于第一算法来计算电池的平均温度，并且当持续时间大于或等于参考时间时，基于第二算法来计算电池的平均温度；以及基于计算出的平均温度来计算电池劣化程度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年10月8日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0130580的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于计算电池的老化程度的方法及设备。
背景技术
近来，随着诸如智能电话之类电子装置的普及和电动车辆的发展，作为电源的二次电池的研究已经正在积极进行。二次电池以电池组的形式提供，电池组包括其中多个电池单元串联和/或并联连接的电池模块和管理电池模块的操作的电池管理系统(BMS)。
就老化程度(老化状态)对电池组持续进行监测，以确保其提供正常性能。电池组的老化程度是基于电池组中包含的电池单元的内阻来估计的，并且电池单元的内阻高度依赖于温度。因此，为了准确地估计电池组的老化程度，需要准确测量电池单元的温度。
发明内容
技术问题
本公开是为了解决这样的问题而做出的，并且提供了一种用于计算老化程度的方法和设备，其中可以计算用于准确地估计用于估计电池组老化程度的电池单元的适当温度，以估计电池单元的准确内阻，并且可以基于准确的内阻计算准确的电池的老化程度。
技术方案
为了解决上述技术问题，根据本公开的实施方式的一个方面，提供了一种计算电池的老化程度的方法，该方法包括以下步骤：当电池的使用状态从第一状态变为第二状态时，获得电池处于第一状态的持续时间；确定所获得的持续时间是否大于或等于第一参考时间；当持续时间小于第一参考时间时，基于第一算法来计算电池的平均温度，当持续时间大于或等于参考时间时，基于第二算法来计算电池的平均温度；以及基于所计算出的平均温度，计算电池的老化程度。
根据本公开的实施方式的另一特征，第一算法可以通过使用在电池的第一状态开始之前计算出的电池的最低温度值和安装在电池上的温度传感器的温度测量值来计算电池的平均温度。
根据本公开实施方式的另一特征，第二算法可以基于安装在电池上的第一温度传感器的温度测量值和安装在电池的冷却装置上的第二温度传感器的温度测量值来计算电池的最低温度值，并使用第一温度传感器的温度测量值和计算出的最低温度值来计算电池的平均温度。
根据本公开的实施方式的另一特征，第二算法可以使用指示电池的最高温度值和最低温度值之间的关系的值来计算最低温度值，最高温度值和最低温度值是在电池的第一状态开始之前被计算和存储的。
根据本公开的实施方式的另一特征，第一温度传感器可以包括布置在电池的最高温度区域中的传感器。
根据本公开的实施方式的另一特征，电池的最低温度值可以包括电池与冷却装置相邻的区域的温度值。
根据本公开的实施方式的另一特征，第一算法和第二算法用于在电池的状态变为第二状态时的初始值设置。
根据本公开的实施方式的另一特征，在电池的状态为第二状态时，基于安装在电池上的第一温度传感器的第一位置、安装在电池的冷却装置上的第二温度传感器的第二位置、以及电池中电池和冷却装置彼此接触的第三位置之间的热传递模型，来计算电池的最低温度值。
根据本公开的实施方式的另一特征，通过使用RC模型对第一位置与第三位置之间的空间以及第三位置与第二位置之间的空间中的至少一个进行建模。
根据本公开的实施方式的另一特征，当持续时间是比第一参考时间更长的第二参考时间时，通过第三算法而不是第二算法来计算平均温度，并且第三算法使用安装在电池上的第一温度传感器的温度测量值作为平均温度。
根据本公开的实施方式的另一特征，第一状态可以包括电动车辆的停车状态，而第二状态可以包括电动车辆的行驶状态。
根据本公开的实施方式的另一特征，第一状态可以包括电池被用作小于参考输出的输出的状态，并且第二状态可以包括电池被用作大于或等于参考输出的输出的状态。
为了解决上述技术问题，根据本公开的实施方式的另一方面，提供了一种用于计算电池的老化程度的设备，该设备包括：时间比较单元，其在电池的使用状态从第一状态变为第二状态时，确定第一状态的持续时间是否大于或等于第一参考时间；平均温度计算单元，其在持续时间小于第一参考时间时，基于第一算法来计算电池的平均温度，并且在持续时间大于或等于参考时间时，基于第二算法来计算电池的平均温度；以及老化程度计算单元，其基于计算出的平均温度计算电池的老化程度。
根据本公开的实施方式的另一特征，第一算法可以通过使用在电池的第一状态开始之前计算出的电池的最低温度值和安装在电池上的温度传感器的温度测量值来计算电池的平均温度。
根据本公开的实施方式的另一特征，第二算法可以基于安装在电池上的第一温度传感器的温度测量值和安装在电池的冷却装置上的第二温度传感器的温度测量值来计算电池的最低温度值，并使用第一温度传感器的温度测量值和计算出的最低温度值来计算电池的平均温度。
有益效果
利用上述结构，可以计算出用于准确地估计电池组的老化程度的电池单元的适当温度，以估计电池单元的准确内阻，并且基于准确的内阻可以计算出准确的电池的老化程度。
附图说明
图1示意性地例示了根据本公开的实施方式的电池组的结构。
图2是示出要根据本公开的实施方式的电池管理系统的功能结构的框图。
图3示意性地例示了根据本公开的实施方式的计算老化程度的方法。
图4概念性地例示了电池模块内部的热传递。
图5是用于描述热传递建模的示意图。
图6是用于描述通过热传递模型计算出的温度变化的曲线图。
图7例示了根据本公开的实施方式的RC热传递模型。
图8例示了根据本公开的实施方式的计算老化程度的方法所使用的参数。
图9例示了根据本公开的实施方式计算的老化程度。
图10a至图10c例示了根据本公开实施方式的RC热传递模型。
图11是例示了根据本公开实施方式的计算老化程度的方法的流程图。
图12是例示了根据本公开的另一实施方式的计算老化程度的方法的流程图。
图13示出了根据本公开的实施方式的电池管理系统的硬件配置。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的各种实施方式。在本文中，相同的附图标记将用于附图中的相同部件，并且将不再重复描述相同的部件。
对于本文档中公开的本公开的各个实施方式，具体的结构或功能描述仅是出于描述本公开的实施方式的目的而举例说明的，并且本公开的各个实施方式可以以各种形式实现，并且不应将其解释为限于本文档中描述的实施方式。
如在各种实施方式中使用的，术语“第1”、“第2”、“第一”、“第二”等可以修饰各种部件而与重要性无关，并且不限制部件。例如，在不脱离本公开的权利范围的情况下，第一部件可以被命名为第二部件，同样地，第二部件可以被命名为第一部件。
本文档中使用的术语仅用于描述本公开的具体示例性实施方式，并且可能无意限制本公开的其他示例性实施方式的范围。应当理解，单数形式包括复数引用，除非上下文另有明确规定。
图1例示了根据本公开实施方式的电池组1的结构。
参照图1，电池组1可以包括：电池模块10，电池模块10包括一个或更多个电池单元11并且可充电/放电；开关单元30，开关单元30串联连接到电池模块10的正极(+)端子侧或负极(-)端子侧，以控制电池模块10的充电/放电电流；以及电池管理系统(BMS)20，电池管理系统(BMS)用于控制和管理以通过监测电池单元11和/或电池模块10的电压、电流、温度等来防止过充电和过放电。电池组1还可以包括电池保护单元(BPU)40。
电池模块10可以包括一个或更多个可充电和可放电的电池单元11。在电池模块10中，多个电池单元11可以根据电池组1的所需规格彼此串联和/或并联连接。也就是说，可以根据电池组1的所需输出(电压、电流等)来确定电池单元11的数量和它们之间的连接形式。电池模块10的输出电压可以作为组电压通过作为输出端子的PACK(+)端子和PACK(-)端子供应给外部。电池单元11可以是锂离子(Li-ion)电池、锂离子聚合物电池、镍镉(Ni-Cd)电池、镍氢(Ni-MH)电池等，并且在电池单元11是可充电电池时可以不限于此。
BMS 20可以控制并管理电池组1的整体操作。BMS 20可以控制开关单元30的操作，以控制电池模块10的充电/放电操作。另外，BMS 20可以监测电池模块10和/或电池模块10中包括的每个电池单元的电压、电流、温度等。用于由BMS 20执行的监测的传感器或各种测量模块(未示出)可以附加地安装在电池模块10、充电/放电路径或电池组1等的随机位置。BMS 20可以基于诸如监测到的电压、电流、温度等的测量值，计算指示电池模块10的状态的参数(例如，SOC或SOH等)。也就是说，BMS 20可以用作以下描述的电压测量单元21、电流测量单元22和控制单元23。也就是说，BMS 20可以用作电压测量单元21、电流测量单元22、温度测量单元23、存储单元24和控制单元25。
BMS 20可以包括各种部件，诸如存储作为用于控制和管理电池组1的整体操作的命令的计算机程序的存储器、执行程序并控制作为控制器的BMS 20的整体操作的微型计算机、诸如传感器、测量装置等的输入/输出装置、以及其他外围电路等。附加地，BMS 20可以包括用于监测如上所述的电池单元的电压、电流、温度等的电路配置。
开关单元30可以是用于控制用于电池模块10的充电或放电的电流的部件。作为开关单元30，可以使用诸如继电器、MOSTET等的半导体开关元件。开关单元30的开/关操作可以由BMS 20控制。
电池组1可以通信地连接到外部上级控制器2。也就是说，BMS 20可以将关于电池组1的各种数据发送给上级控制器2。BMS 20可以从上级控制器2接收关于电池组1的操作的控制信号。BMS 20可以从上级控制器2接收指示负载的状态的信号，负载是其上安装有电池组1的装置。上级控制器2可以是设置于负载中的控制系统。负载可以是安装有电池组1以通过使用电池组1供应的电力进行操作的任何装置，诸如，电动车辆、电动自行车等。当电池组1安装在电动车辆上时，上级控制器2可以是用于控制车辆的行驶的车辆控制器。
BPU 40可以包括用于使电池组1稳定操作的部件。BPU 40可以包括用于调节电池组1中的温度的冷却装置。作为冷却装置，可以使用任何方法，诸如使用冷却水的水冷、使用冷却风扇的气冷等。BPU 40还可以包括用于在由于发生短路等而产生过电流时阻断电流路径的熔断器。
根据本公开的BMS 20可以根据特定电池单元11的温度计算电池组1的适当平均温度，以计算电池组1的准确老化程度。BMS 20可以计算通过使用电池组1的最高温度和最低温度来计算平均温度。可以通过根据电池组1的状态确定的算法来计算平均温度。下面，将描述根据本公开的计算电池组1中的电池的老化程度的详细方法。这里，当计算电池的老化程度时，这可以表示计算电池单元11的老化程度。另选地，当计算电池的老化程度时，这可以表示计算电池模块10或电池组1的老化程度。
图2是示出了根据本公开的实施方式的BMS 20的功能配置的框图。
参照图2，BMS 20可以包括电压测量单元21、电流测量单元22、温度测量单元23、存储单元24和控制单元25。
电压测量单元21可以被配置为测量电池模块10和/或电池单元11的电压。另外，电压测量单元21可以测量电池单元11的开路电压(OCV)。电压测量单元21可以将测量到的电池单元11的电压、测量到的电池单元11的OCV等提供给控制单元25。电池单元11的电压可以是放电电压或充电电压，放电电压或充电电压是在电流流过电池单元11时的电压。电池单元11的OCV可以是与没有电流流过电池单元11的情况相对应的电压。电压测量单元21可以将测量到的电池单元11的电压、测量到的电池单元11的OCV等存储在存储单元24。电压测量单元可以被配置为测量多个电池单元11中的每一个的电压。
电流测量单元22可以被配置为测量从电池单元11输出的电流。电流测量单元22还可以包括设置在从电池模块10向负载输出的主电流路径上的电流传感器。电流测量单元22可以将测量到的电池单元11的电流提供给控制单元25。另外，电压测量单元22可以将测量到的电池单元11的电流存储在存储单元24中。虽然电流测量单元22还被描述为测量电池单元11的电流，但电流测量单元22也可以被实现为测量电池模块10的电流。电流测量单元22可以被配置为测量多个电池单元11中的每一个的电流。
温度测量单元21可以被配置为测量电池模块10和/或电池单元11的温度。温度测量单元23可以测量电池模块10中的多个位置当中预期温度至少最高的位置处的温度。另选地，温度测量单元23可以测量电池模块10中的多个位置中的每一个位置的温度。温度测量单元23还可以包括设置于要被测量温度的位置中的温度传感器。
温度测量单元21可以被配置为测量作为BPU 40操作的冷却装置的预定位置的温度。温度测量单元21可以测量冷却装置中预期温度最低的位置的温度。例如，预期温度最低的位置可以是引入冷却水的位置。另选地，预期温度最低的位置可以是安装冷却风扇并因此引入冷却风的位置。
存储单元24可以存储控制单元25的操作所需的各种计算机程序。存储单元24可以存储稍后描述的电阻计算单元250、时间比较单元251、平均温度计算单元252和老化程度计算单元253的操作所需的公式、算法等。也就是说，存储单元24可以存储计算电池的老化程度所需的各种计算机程序。
存储单元24可以存储由控制单元25的操作产生的各种数据。例如，关于电压测量单元21测量到的电压的数据、关于电流测量单元22测量到的电流的数据、关于温度测量单元23测量到的温度的数据、由控制单元25通过操作计算的各种数据等可以存储在存储单元24中。
存储单元24还可以存储参考电阻表。参考电阻表可以是电池的温度和电池的寿命开始(BOL)内阻彼此映射的表。也就是说，通过表，当指定了温度时，可以获得电池在该温度下的BOL内阻。
控制单元25可以控制电压测量单元21、电流测量单元22、温度测量单元23和存储单元24的操作。控制单元25可以计算电压测量单元21、电流测量单元22和温度测量单元23的测量结果，并且基于从存储单元24获得的数据计算电池的老化程度。也就是说，控制单元25可以执行作为用于计算电池的老化程度的设备的功能。控制单元25可以包括电阻计算单元250、时间比较单元251、平均温度计算单元252和老化程度计算单元253。
电阻计算单元250可以被配置为计算电池的当前内阻。也就是说，电阻计算单元250可以计算指示电池的当前老化状态的参数。为了计算内阻，电阻计算单元250可以接收电压测量单元21测量到的电池单元11的电压、电池单元11的OCV以及电流测量单元22测量到的电流来作为输入。电阻测量单元250可以使用在特定时间点的电池单元11的电压、电池单元11的OCV和电池单元11的电流。另选地，电阻测量单元250可以使用在预定时间段内测量到的电池单元11的电压的平均值、在预定时间段内测量到的电池单元11的OCV的平均值、以及在预定时间段内测量到的电池单元11的电流的平均值。在这种情况下，电阻计算单元250可以被配置为基于接收的值计算平均值，以及接收已经计算出的平均值。
电阻计算单元250还可以进一步考虑温度测量单元23测量到的温度值，来计算当前内阻。
时间比较单元251可以将电池的使用状态保持第一状态的持续时间(以下简称为“持续时间”)与第一参考时间进行比较。为此，电池的每个状态的持续时间可以由计时器(未示出)来计数。当电池的使用状态从第一状态变为第二状态时，时间比较单元251可以获得电池处于第一状态的持续时间，并且将获得的持续时间与第一参考时间进行比较。时间比较单元251可以基于该比较确定持续时间是否大于或等于第一参考时间。这里，第一状态可以是电动车辆的停车状态，第二状态可以是电动车辆的行驶状态。另选地，第一状态可以是电池被用作小于参考输出的输出的状态，而第二状态可以是电池被用作大于或等于参考输出的输出的状态。
同时，控制单元25可以从上级控制器2接收关于负载状态的数据。另选地，可以通过监测电池组1的输出来确定电池组1的状态。时间比较单元251可以基于通过使用上述方法识别电池的状态，来获得电池状态的持续时间。
平均温度计算单元252可以基于时间比较单元251的比较结果来确定用于计算平均温度的算法。虽然已经描述了时间比较单元251确定持续时间是否大于第一参考时间，平均温度计算单元252也可以执行该操作。
当持续时间小于第一参考时间时，平均温度计算单元252可以基于第一算法来计算电池的平均温度。第一种算法是通过使用在电池的第一状态开始之前计算出的电池的最低温度和安装在电池上的温度传感器的温度测量值来计算电池的平均温度值的方案。这里，安装在电池上的温度传感器可以是布置在电池的最高温度区域中的传感器。另选地，安装在电池上的温度传感器可以是布置在被估计为电池的最高温度区域的区域中的传感器。
当持续时间大于或等于参考时间时，平均温度计算单元252可以基于第二算法来计算电池的平均温度。第二算法可以基于安装在电池上的温度传感器的温度测量值和安装在电池的冷却装置上的第二温度传感器的温度测量值来计算电池的最低温度值(这里，电池的最低温度值可以是电池与冷却装置相邻的区域的温度值)。在这种情况下，可以使用指示在第一状态开始之前计算出并存储的、电池的最高温度值和最低温度值之间的关系的值(比例系数)，来计算最低温度值。此后，可以使用第一温度传感器的温度测量值和计算出的最低温度值，来计算电池的平均温度。
平均温度计算单元252可以使用第一算法或第二算法来计算电池的平均温度，并设置在电池从第一状态变为第二状态时使用的初始平均温度。也就是说，第一算法和第二算法可以用于在电池的状态变为第二状态时的初始值设置。
老化程度计算单元253可以基于平均温度计算单元252计算出的平均温度，计算电池的老化程度。老化程度计算单元253可以基于初始内阻和当前内阻来计算老化程度。例如，老化程度计算单元235可以基于当前内阻相对于初始内阻的变化量来计算老化程度。更具体地，可以通过[式1]来计算老化程度。
[式1]
健康电阻状态(SOHR)、Resistance_current和Resistance_BOL可以分别表示老化程度、当前内阻和初始内阻。
图3示意性地例示了根据本公开的实施方式的计算老化程度的方法。
电阻计算单元250可以接收电压测量单元21测量到的电池单元11的电压、电池单元11的OCV以及电流测量单元22测量到的电流作为输入。输入电阻计算单元250的电压可以是作为电池单元11的平均电压的平均单元电压。输入电阻计算单元250的OCV可以是电池单元11的OCV的平均值。电阻计算单元250可以基于输入电压、OCV和电流来计算当前内阻Rcal。电阻计算单元250可以进一步基于电池单元11的温度来计算当前内阻。作为计算内阻的方法，可以使用各种公知的方法。例如，可以通过递归最小二乘法估计等效电路模型(ECM)的电阻值来计算内阻。然而，这样的计算内阻的方法可以仅仅是示例并且可以不限于此。
电池单元11的最高温度值Tcell_max和最低温度值Tcell_min、以及冷却装置中的温度值Tcoolant可以输入平均温度计算单元252。平均温度计算单元252可以基于时间比较单元251的比较结果，利用上述输入值，通过第一算法或第二算法计算来平均温度Tcell_avg。当状态从第一状态变为第二状态时，计算出的平均温度可以设置为第二状态下的初始平均温度值。
作为电阻计算单元250计算出的当前内阻值的Rcal可以输入老化程度计算单元253。作为平均温度计算单元252计算出的平均温度值的Tcell_avg可以输入老化程度计算单元253。老化程度计算单元253可以通过使用作为平均温度值的Tcell_avg从参考电阻表240中搜索并获得电池在相应温度下的初始内阻Rref。最后，老化程度计算单元253可以基于当前内阻Rcal和参考内阻Rref计算老化程度。
在本公开中，描述了控制单元25对应于用于计算电池的老化程度的设备，但本公开不限于此。例如，还包括电压测量单元21、电流测量单元22、温度测量单元23和存储单元24中的至少一些的部件可以理解为对应于用于计算电池的老化程度的设备。
在计算老化程度的方法中，通常，使用电池中特定温度传感器测量值在没有任何改变的情况下来计算参考内阻。结果，由于计算出的老化程度不准确，因此可能无法确定电池的准确寿命。此外，通常，在与电池的状态无关地计算电池的老化程度的意义上，可能无法计算准确的老化程度。
然而，在如上所述计算电池的平均温度时，根据本公开的用于计算电池的老化程度的设备，当电池的状态从第一状态变为第二状态时，根据第一状态的持续时间使用用于计算电池平均温度的不同的算法。另外，根据本公开的用于计算电池的老化程度的设备可以通过使用RC热传递模型计算电池的最低温度，以计算电池的平均温度，从而准确测量用于计算老化程度的电池的适当平均温度。
下面，将详细描述计算电池的最低温度的方法。
图4概念性地例示了电池模块10内部的热传递。
参照图4，第一温度传感器230可以设置在电池模块10的上端的第一位置。第一位置可以是电池模块10中预期温度最高的位置。第一温度传感器230可以布置在电池模块10的最高温度区域中。在电池模块10的一侧，可以提供用于冷却电池模块10的冷却装置400。冷却装置400可以是水冷型的冷却装置，并且随着冷却水流过流动路径而可以防止电池模块10过热。第二温度传感器231可以设置在冷却装置400中的冷却水被引入的第二位置处。第二位置可以是电池组1中预期温度最低的位置。第二温度传感器231可以布置在电池组1的最低温度区域中。
假设电池组1的这种内侧，从电池模块10的第一位置到对应于电池模块10和冷却装置400彼此相邻的区域的第三位置可能发生热传递，然后，从第三位置到冷却装置400的第二位置可能发生热传递。第三位置可以是电池模块10中预期温度最低的位置。这里，第一位置可以表示为第一节点n1，第二位置表示为第二节点n2，第三位置表示为第三节点n3。
从第一节点n1到第二节点n2的热传递和从第二节点n2到第三节点n3的热传递可以理解为两个彼此接触的固体之间的热传递。固体之间的热传递可以描述如下。
图5是用于描述热传递建模的示意图。参照图5，可以假设固体B的温度是恒定的(T∞)，并且在与固体A的接触表面A上可能发生热传递。固体A的内部能量的变化率
和表面热传递率
之间的关系可以表示如下。
[式2]
或者
[式3]
这里，k可以表示热导率(W/m·k)，L可以表示两个固体(中心)之间的距离(m)，而ρ、V、c可以分别表示固体A的密度(kg/m3)、体积(m3)和比热(J/kg·K)。
[式3]中提供的温度差可以定义为下面提供的[式4]。
[式4]
θ＝T-T∞
在(dθ/dt)＝(dT/dt)和常数T∞的情况下，[式4]可以表示为[式5]。
[式5]
通过分离[式5]中的变量并且对关于在时间t＝0的初始条件T(0)＝T_i进行积分，可以获得[式6]。
[式6]
这里，通过θi＝Ti-T∞并且进行积分，可以获得[式7]或[式8]。
[式7]
[式8]
通过使用[式7]，可以获得固体达到某个温度T所需的时间。相反，通过使用[式8]，可以计算固体在某个时间t达到的温度。由[式8]可知，随着时间t接近无穷大，固体A和保持恒定温度的固体B之间的温度差θ可以呈指数减小，从而变为0。也就是说，随着时间t接近无穷大，固体A的温度可以接近固体B的温度T∞。图6中示出了相应的行为。
图6是用于描述通过热传递模型计算出的温度变化的曲线图。图6示出了固体A相对于热时间常数的瞬态温度响应。
从[式8]，(1/(kA/L))(ρVc)可以解释为热时间常数并且可以表示如下。
[式9]
Rth可以表示导热电阻，并且Cth可以表示固体A的集总热容。Rth或Cth的增加可以表示固体对热环境的变化反应缓慢。这种现象可以与在电气RC电路中当电容器通过电阻器放电时发生的电压降低非常相似。
通过将基于上述热传递原理的固体热传递模型应用于电池模块(或电池组)，可以计算电池单元的温度。
返回参照图4，继续进行描述。
电池模块10中预期具有最低温度的区域可以是电池模块10中最外侧的电池单元11的下端的下端部分(由虚线表示的区域)(第三节点n3)。如箭头所示，可以简化从第一节点n1到第三节点n3以及从第三节点n3到第二节点n2的热传递路径。那么，第一节点n1和第三节点n3之间的热传递可以解释为两个固体之间的热传递。也就是说，两个固体可以是表示电池模块10的温度值和最外侧的电池单元11的下端部分的虚拟固体。第三节点n3和第二节点n2之间的热传递可以解释为两个不同固体之间的热传递。也就是说，两个固体可以是最外侧的电池单元11的下端部分和表示冷却水温度的虚拟固体。可以以电气RC电路的形式来表示第一节点n1、第二节点n2和第三节点n3。
图7例示了根据本公开的实施方式的RC热传递模型。
上述Cth可以对应于最外侧的电池单元11的下端部分的集中热容量，使得Cth在两个电容器中可以相等。另一方面，R1和R2可以彼此不同，因为导热电阻由两个虚拟固体的特性决定，
为了通过BMS 20实时地计算温度，需要使用[式8]中关于时间的微分形式，得到[式10]。
[式10]
热传递路径已被简化，使得τth的理论值与实际值之间可能出现不同。因此，可以要求使用电池的散热/冷却条件测试结果等，进行附加校正。为了使这些校正因素最小化，需要在不遗漏主导温度变化的热传递关键路径的情况下进行建模，同时简化热传递关键路径。
最终校正后的公式可以如[式11]中所示。
[式11]
通过使用式11将电池模块10应用于如图7所示简化的2RC模型，2RC模型可以表示为[式12]。同时，在虚拟模型的热传递模型中，假设固体温度是恒定的，但实际上，在第一位置处的温度和在第二位置处的温度可以随时间变化。然而，通过减小Δt，可以认为两个温度在微小的时间差内是恒定的。
[式12]
ΔTn＝1/τeff，1(Tn1-Tn-1)exp(-Δt/τeff，1)+1/τeff，2(Tn2-Tn-1)exp(-Δt/τeff，2)
Tn1和Tn2可以分别表示在第一位置处和第二位置处的温度。
要获得的电池单元11的最外侧单元的温度可以如下。
[式13]
Tn＝Tn-1+ΔTn
结果，可以看出该式是关于使用第一温度传感器和第二温度传感器测量的两个温度值Tn1、Tn2和Tn-1(在上一步中计算出的最外侧单元温度)的函数。
[式14]
Tn＝f(Tn1，Tn2，Tn-1)
可以基于这样的RC模型来计算电池模块10中的最低温度。另外，可以基于计算出的最低温度来计算平均温度。例如，平均温度计算单元252可以如下计算平均温度。
[式15]
Tcell_avg＝(Tcell_min+Tcell_max)/2
Tcell_max可以是设置于第一位置中的第一温度传感器测量到的温度值。另外，在以上推导出的RC模型的公式中，Tcell_max可以对应于Tn1。Tcell_min可以是第三位置的温度。另外，在以上推导出的RC模型的公式中，Tcell_min可以对应于Tn。
图8例示了根据本公开的实施方式的计算老化程度的方法所使用的参数。
①表示第一温度传感器的温度值，其是最高温度，②表示第二温度传感器的温度值，其是冷却装置的温度，③表示由RC模型估计的电池模块10的最低温度值，④表示电池模块10的最低温度值(最低温度值的真实值)，并且⑤表示平均温度值。
通常，通过使用由①表示的第一温度传感器的温度值，已经计算出电池的老化程度。然而，在本公开的实施方式中，可以使用RC模型估计③，并且可以使用③计算由⑤表示的平均温度值，之后基于计算出的平均温度值计算电池的老化程度。
图9例示了根据本公开的实施方式计算出的老化程度。
根据本公开的实施方式计算出的电池的老化程度可以用三角形表示。根据传统技术计算出的电池的老化程度可以用矩形来表示。当与根据传统技术计算出的电池的老化程度进行比较时，根据本公开的实施方式计算出的电池的老化程度具有低误差率。
图10a至图10c例示了根据本公开的RC模型的各种变型例。
如图7和图10a至图10c所示，当电池的状态为第二状态时，可以基于安装在电池上的第一温度传感器的第一位置、安装在电池的冷却装置上的第二温度传感器的第二位置、以及电池中电池和冷却装置彼此接触的第三位置之间的热传递模型，计算电池的最低温度值。在这种情况下，通过使用RC模型对第一位置和第三位置之间的空间以及第三位置和第二位置之间的空间中的至少一个建模。
虽然未示出，但可以理解，可以在适当位置添加适当数量的温度传感器，以应用图10a至图10c所示的模型。例如，可以进一步使用设置于电池模块10中的多个位置中的多个温度传感器，并且附加地/另选地，可以使用设置于冷却装置400的多个位置中的多个温度传感器。
图11是例示了根据本公开的实施方式的计算老化程度的方法的流程图。
参照图11，当在操作S100中使用电动车辆时，可以从电池向车辆供应用于驱动的电力。在车辆行驶期间，可以在操作S101中测量电池的第一位置的温度。第一位置可以是电池中预期温度最高的位置。可以在操作S102中测量电池的第二位置的温度。第二位置可以是电池中预期温度最小的位置。例如，第二位置可以是冷却装置的一部分。可以基于第一位置的温度、第二位置的温度和RC建模来计算电池的第三位置的温度。第三位置可以是电池模块10中的电池单元11当中预期温度最低的位置。第三位置可以是电池模块10与冷却装置400相邻的区域。
当计算第三位置的温度时，可以在操作S104中使用第一位置的温度和第三位置的温度计算平均温度，并在操作S105中基于计算出的平均温度获得参考内阻。
同时，在计算平均温度的同时或之前或之后，可以执行计算当前内阻的操作。为此，可以在操作S106中测量电池的电压和电流。然后，通过使用测量到的电压值和电流值，可以在操作S107中估计电池的当前内阻。
在操作S108中，可以基于在操作S105中获得的参考内阻和在操作S107中估计的当前内阻来计算电池的老化程度。
如此，根据本公开的计算电池的老化程度的方法可以通过使用RC热传递模型计算电池的最低温度，来计算电池的平均温度，从而准确地测量用于计算老化程度的电池的适当平均温度。结果，可以获得准确的电池参考内阻，从而计算准确的电池的老化程度。
在上述情况下(即，当电池的状态为第一状态或第二状态时，也就是说，当没有状态改变时)，可以基于RC模型通过热传递分析来计算电池单元的平均温度。另一方面，当电池的状态从第一状态变为第二状态时发生状态改变时，用于计算平均温度的初始温度设置需要不同。因此，在本公开的实施方式中，可以使用如下至少两种不同的算法来计算初始平均温度。
图12是例示了根据本公开的另一实施方式的计算老化程度的方法的流程图。
在描述图12之前，控制单元25可以在诸如车辆等的负载进入第一状态时执行以后要描述的结束过程。当车辆进入停车状态时可以执行结束过程。另选地，可以在电池的输出小于参考输出时执行结束过程。
结束过程可以存储关于当车辆从第一状态变为第二状态时要使用的初始最低温度值的数据。在结束过程中，可以计算以下比例因子并将其存储在存储单元24中。
[式16]
k＝(Tn-Tn2)/(Tn1-Tn2)
Tn可以表示第三位置的温度(即，最低温度值)。Tn可以对应于图3中的Tcell_min。Tn1可以表示第一位置的温度(即，最高温度值)。Tn1可以对应于图3中的Tcell_max。Tn2可以表示第二位置的温度。Tn2可以对应于图3中的Tcoolant。
控制单元25可以将计算出的比例系数和最低温度值Tn存储在存储单元24中。
可以如上所述地存储比例系数和最低温度值，并且控制单元25可以在操作S200中继续监测车辆的状态。当监测车辆的状态时，这可以表示监测电池的状态。另选地，当监测车辆的状态时，这可以表示从上级控制器2接收关于车辆状态的信号。控制单元25可以在操作S201中对保持第一状态的持续时间进行计数。控制单元25可以监测状态是否从第一状态变为另一状态，并且当确定状态从第一状态变为另一状态(操作S201中的“否”)时，控制单元25可以在操作S202中确定车辆是否变为第二状态。当控制单元25确定车辆变为第二状态(操作S202中的“是”)时，控制单元25在操作S203中获得电池保持在第一状态的持续时间。
控制单元25可以在操作S204中确定所获得的持续时间是否大于或等于第一参考时间。参考时间可以是例如30分钟。然而，这仅仅是示例，并且参考时间可以是诸如1分钟、5分钟、10分钟、30分钟、1小时等的随机适当时间。
当持续时间小于第一参考时间时，控制单元25可以通过使用第一算法来计算平均温度。第一算法可以通过使用在电池的第一状态开始之前计算出的电池的最低温度和安装在电池上的温度传感器的温度测量值来计算电池的平均温度值。也就是说，在第一算法中，使用在第一状态开始之前计算并存储的、电池的最低温度值。
当持续时间大于或等于第一参考时间时，控制单元25可以在操作S207中通过使用第二算法来计算平均温度。第二算法可以基于第一温度传感器的温度测量值和安装在电池的冷却装置上的第二温度传感器的温度测量值来计算电池的最小温度值。在这种情况下，可以使用在电池开始第一状态之前计算并存储的比例系数来计算最低温度值。例如，基于诸如Tn＝Tn2+k(Tn1-Tn2)的计算，可以计算最低温度值。此后，在第二算法中，可以使用第一温度传感器的温度测量值和计算出的最低温度值，来计算电池的平均温度。
作为附加实施方式，如图12的操作S206所示，当确定持续时间大于或等于第一参考时间时，可以进一步确定持续时间是否大于或等于第二参考时间。第二参考时间可以长于第一参考时间。当在操作S206中确定持续时间大于或等于第二参考时间时，可以在操作S208中使用第三算法而不是第二算法，来计算平均温度。第三算法可以使用安装在电池上的第一温度传感器的温度测量值作为平均温度。例如，当车辆长时间保持在停车状态时，电池的最高温度值、电池的最低温度值和冷却装置的温度值可彼此实际上相等。因此，当保持第一状态的时间长于第二参考时间时，可以将最高温度值用作平均温度。
当通过第一算法至第三算法中的任一算法来计算平均温度时，可以在操作S209中基于计算出的平均温度以与上述相同的方式计算参考内阻。然后，通过使用计算出的参考内阻和当前内阻，可以在操作S210中计算电池的老化程度。
因此，在如上所述计算电池的平均温度时，根据本公开的用于计算电池的老化程度的方法和设备，当电池的状态从第一状态变为第二状态时，根据处于第一状态的持续时间，可以使用不同的用于计算电池的平均温度的算法，从而准确计算出电池的平均温度。因此，可以计算出准确的电池的老化程度。
图13示出了根据本公开的实施方式的BMS 20的硬件配置。
参照图13，BMS 20可以包括控制器(微控制单元(MCU))200、存储器201、通信接口202和输入/输出203。
MCU 200可以处理BMS 20中的各种操作和计算并控制每个部件。
在存储器201中，可以记录操作系统程序和用于执行MCU 200的功能的程序。存储器201可以包括易失性存储器和非易失性存储器。例如，诸如像随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等的半导体存储器、以及磁盘、光盘等的各种存储介质中的至少一种可以用作存储器201。存储器201可以是嵌入在MCU 200中的存储器、或与MCU 200分开安装的附加存储器。
通信I/F 202可以是能够与外部有线和/或无线地通信的部件。
输入/输出I/F 203可以执行各种输入信号和输出信号的输入/输出。
当MCU 200执行存储器201中存储的程序时，MCU 200可以执行BMS 20的控制单元25中所包括的每个部件的功能。另外，MCU 200可以基于存储器201中存储的程序和通过输入/输出I/F 203接收的各种测量信号，用作电压测量单元21、电流测量单元22和温度测量单元23。
存储器201可以用作存储单元24。MCU 200可以通过与通信I/F 202一起操作而用作与上级控制器2通信的通信装置。
上述诸如“包括”、“组成”或“具有”之类的术语可表示相应的部件可以是固有的(除非另外提及)，因此应解释为进一步包括其他部件，而不是排除其他部件。除非另有定义，否则包括技术或科学术语的所有术语可以解释为具有与本领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。如同与字典中定义的术语一样通常使用的术语应被解释为具有与相关技术的上下文含义相同的含义，并且不应被解释为具有理想或过度形式的含义，除非它们在本公开中明确定义。
以上描述仅是对本公开的技术构思的例示，并且本公开所属领域的普通技术人员可以在不背离本公开的本质特征的情况下进行各种修改和变型。因此，本公开中所公开的实施方式旨在描述而非限制本公开的技术精神，并且本公开的技术精神的范围不受这些实施方式的限制。本公开的保护范围应由所附权利要求来解释，所有落入相同范围内的技术精神都应理解为包含在本公开的范围内。
Claims (15)
1.一种计算电池的老化程度的方法，该方法包括以下步骤：
当所述电池的使用状态从第一状态变为第二状态时，获得所述电池处于所述第一状态的持续时间；
确定所获得的持续时间是否大于或等于第一参考时间；
当所述持续时间小于所述第一参考时间时，基于第一算法来计算所述电池的平均温度，并且当所述持续时间大于或等于参考时间时，基于第二算法来计算所述电池的平均温度；以及
基于所计算出的平均温度，计算所述电池的老化程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一算法通过使用在所述电池的所述第一状态开始之前计算出的所述电池的最低温度值和安装在所述电池上的温度传感器的温度测量值来计算所述电池的平均温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二算法基于安装在所述电池上的第一温度传感器的温度测量值和安装在所述电池的冷却装置上的第二温度传感器的温度测量值来计算所述电池的最低温度值，并且使用所述第一温度传感器的所述温度测量值和所计算出的最低温度值来计算所述电池的平均温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二算法使用指示所述电池的最高温度值和最低温度值之间的关系的值来计算所述最低温度值，所述最高温度值和所述最低温度值是在所述电池的所述第一状态开始之前被计算和存储的。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一温度传感器包括布置在所述电池的最高温度区域中的传感器。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述电池的最低温度值包括所述电池与所述冷却装置相邻的区域的温度值。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述电池的状态变为所述第二状态时，所述第一算法和所述第二算法用于初始值设置。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述电池的状态为所述第二状态时，基于安装在所述电池上的所述第一温度传感器的第一位置、安装在所述电池的所述冷却装置上的所述第二温度传感器的第二位置以及所述电池的所述电池和所述冷却装置彼此接触的第三位置当中的热传递模型，来计算所述电池的最低温度值。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述热传递模型通过使用RC模型对所述第一位置和所述第三位置之间的空间以及所述第三位置和所述第二位置之间的空间中的至少一个进行建模。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述持续时间是比所述第一参考时间更长的第二参考时间时，通过第三算法而不是所述第二算法来计算平均温度，并且所述第三算法使用安装在所述电池上的所述第一温度传感器的温度测量值作为所述平均温度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一状态包括电动车辆的停车状态，并且所述第二状态包括所述电动车辆的行驶状态。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一状态包括所述电池被用作小于参考输出的输出的状态，并且所述第二状态包括所述电池被用作大于或等于所述参考输出的输出的状态。
13.一种用于计算电池的老化程度的设备，该设备包括：
时间比较单元，该时间比较单元在所述电池的使用状态从第一状态变为第二状态时，确定所述第一状态的持续时间是否大于或等于第一参考时间；
平均温度计算单元，该平均温度计算单元在所述持续时间小于所述第一参考时间时，基于第一算法来计算所述电池的平均温度，并且在所述持续时间大于或等于参考时间时，基于第二算法来计算所述电池的平均温度；以及
老化程度计算单元，该老化程度计算单元基于所计算出的平均温度来计算所述电池的老化程度。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一算法通过使用在所述电池的所述第一状态开始之前计算出的所述电池的最低温度值和安装在所述电池上的温度传感器的温度测量值来计算所述电池的平均温度。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第二算法基于安装在所述电池上的第一温度传感器的温度测量值和安装在所述电池的冷却装置上的第二温度传感器的温度测量值来计算所述电池的最低温度值，并且使用所述第一温度传感器的温度测量值和所计算出的最低温度值来计算所述电池的平均温度。
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