CN115833294A - 自动化参考电极管理 - Google Patents

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Abstract

一种车辆以及控制电池中的参考电极的充电状态的平衡装置和方法。平衡装置包括测量电路和充电电路。测量电路配置成获得参考电极的参考电压的测量。充电电路配置为基于该测量来调节参考电压。基于参考电压控制参考电极的充电状态。

Description

自动化参考电极管理
技术领域
本发明涉及电池测试和充电维护，尤其涉及用于确定和控制电池的参考电极上的充电状态的系统和方法。
背景技术
锂离子电池的充电状态可以通过测量电池的阴极和阳极之间的电压差来估计。然而，该电压可以由于充电或放电事件而改变。为了获得改进的电压测量，阴极和阳极电压通常通过测量它们相对于参考电极的电压来确定，参考电极不涉及能量存储过程。参考电极的有用性取决于其随时间保持稳定电化学电势的能力。然而，对于由锂化合物制成的参考电极，参考电极的电势取决于其随时间变化的锂浓度。因此，希望保持对参考电极中的锂浓度的控制。
发明内容
在一示例性实施例中，公开了一种控制电池中的参考电极的充电状态的方法。获得参考电极的参考电压的测量。基于测量调节参考电压。基于参考电压控制参考电极的充电状态。
除了本文描述的一个或多个特征之外，参考电极由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。该方法还包括当测量在关于标称电压定义的范围之外时，调节参考电压。该范围由最大电压阈值和最小电压阈值定义。调节参考电压还包括向参考电极添加锂离子和从参考电极移除锂离子中的至少一个。调节参考电压还包括从电池的阳极对参考电极充电、将参考电极放电至电池的阴极、从电池的阴极对参考电极充电以及将参考电极放电至电池的阳极中的至少一个。该方法还包括使用参考电压确定阴极电压和阳极电压中的至少一个。
在另一示例性实施例中，公开了一种用于控制电池中的参考电极的充电状态的平衡装置。平衡装置包括测量电路和充电电路。测量电路配置成获得参考电极的参考电压的测量。充电电路配置为基于测量调节参考电压，其中基于参考电压控制参考电极的充电状态。
除了本文描述的一个或多个特征之外，参考电极由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。充电电路配置为当测量在关于标称电压定义的范围之外时调节参考电压。该范围由最大电压阈值和最小电压阈值定义。充电电路配置为通过执行向参考电极添加锂离子和从参考电极移除锂离子中的至少一个来调节参考电压。充电电路配置为通过执行从电池的阳极对参考电极充电、将参考电极放电至电池的阴极、从电池的阴极对参考电极充电以及将参考电极放电至电池的阳极中的至少一个来调节参考电压。测量电路配置成使用参考电压来确定阴极电压和阳极电压中的至少一个。
在又一示例性实施例中，公开了一种车辆。该车辆包括电池和平衡装置。电池具有充电状态和参考电极。平衡装置控制参考电极的充电状态。平衡装置包括测量电路和充电电路。测量电路配置成获得参考电极的参考电压的测量。充电电路配置为基于测量调节参考电压，其中基于参考电压控制参考电极的充电状态。
除了本文描述的一个或多个特征之外，参考电极由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。充电电路配置为当测量在关于标称电压的由最大电压阈值和最小电压阈值定义的范围之外时调节参考电压。充电电路配置为通过执行向参考电极添加锂离子和从参考电极移除锂离子中的至少一个来调节参考电压。充电电路配置为通过执行从电池的阳极对参考电极充电、将参考电极放电至电池的阴极、从电池的阴极对参考电极充电以及将参考电极放电至电池的阳极中的至少一个来调节参考电压。测量电路配置成使用参考电压来确定阴极电压和阳极电压中的至少一个。
当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：
图1示出了说明性实施例中的车辆；
图2示出了电池组的电池单元的示意图；
图3示出了说明性实施例中的图2的参考电极的详细视图；
图4示出了说明参考电极的参考电压和参考电极的放电深度之间的关系的曲线图；
图5示出了说明性实施例中的平衡装置的示意图；
图6示出了说明可用于控制或调节参考电压的放电步骤的曲线图；
图7示出了说明可用于控制或调节参考电压的充电步骤的曲线图；
图8示出了用于将参考电压维持在标称值的方法的流程图；以及
图9示出了说明性实施例中在平衡步骤期间阳极参考电压随时间变化的曲线图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
根据示例性实施例，图1示出了车辆100。车辆100包括电池组102、电负载104和平衡装置106。在各种实施例中，电池组102是锂电池。电池组102向电负载104提供电力。电负载104可以包括马达和/或电气设备，比如无线电、通信系统、灯、计算机处理器等。在车辆100包括用于推进的电动马达的实施例中，电池组102可以提供用于推进的电力等。平衡装置106执行各种测量以确定电池组102的充电状态。在一实施例中，平衡装置106获得设置在电池组102中的参考电极的参考电压的测量。平衡装置106还可以对参考电极充电或放电，以将参考电压调节到标称电压的标准内，并基于通过调节获得的参考电压来监控电池组102的充电状态。尽管平衡装置106在图1中示出为车辆100的部件，但在各种实施例中，平衡装置106可以是独立于车辆的站的一部分，比如修理站或充电站。
图2示出了电池组102的电池单元200的示意图。电池单元200包括阴极202、阳极204和通常设置在阴极202和阳极204之间的参考电极206。通过测量阴极电压和阳极电压来确定电池单元200的充电状态。在阴极202和参考电极206之间测量阴极电压，在阳极204和参考电极206之间测量阳极电压。
图3示出了说明性实施例中的图2的参考电极206的详细视图300。参考电极206包括将参考带304保持在适当位置的隔板302。参考带304包括连接到参考材料308的导电带306。在各种实施例中，导电带306由金(Au)制成，参考材料308由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。
图4示出了图示参考电极的参考电压(即参考电极206的电势)和参考电极的放电深度之间的关系的曲线图400。放电深度是已从充满电的电池移除的电荷量。放电深度沿横坐标以百分比(％)表示，电压沿纵坐标以伏(V)表示。
曲线402表示作为放电深度的函数的参考电极206的参考电压。从曲线402可以看出，参考电压在放电深度的宽范围内(例如在约5％和约95％之间)是稳定的，并且在该范围内保持在标称电压的紧密电压范围内(例如约3.35V)。当放电深度降低到低于约5％时，参考电压迅速增加到该范围之外。当放电深度增加到约95％以上时，参考电压迅速降低到该范围之外。
曲线图400包括最大电压阈值404(VTmax)和最小电压阈值406(VTmin)。在各种实施例中，最大电压阈值404约为3.434V，最小电压阈值406约为3.410V。最大电压阈值404和最小电压阈值406可用于激活充电和/或放电事件。当曲线402的参考电压上升到最大电压阈值404以上时，平衡装置106可以采取行动来降低参考电压，从而将参考电压恢复到其标称值。当参考电压下降到最小电压阈值406以下时，平衡装置106可以采取行动来升高参考电压，从而将参考电压恢复到其标称值。因此，当参考电压位于关于标称值定义的电压范围之外时，采取行动。
图5示出了说明性实施例中的平衡装置106的示意图。该平衡装置106在已知条件下周期性地测量参考电压，并且当参考电压在标称电势的选定范围之外时，向参考电极添加锂或移除锂以恢复标称电势。该范围由最大电压阈值404和最小电压阈值406表示。平衡装置106通过向参考电极206添加或移除锂来恢复参考电压。一旦参考电压恢复，它可以用于确定阳极电压和/或阴极电压，并因此确定电池单元200的充电状态。
平衡装置106包括测量电路502、充电电路504和处理器506。测量电路502电耦合到参考电极206，并获得参考电压的测量。充电电路504控制锂离子流入和流出参考电极206。例如，充电电路504可以将参考电极206放电至阴极202，以将锂离子转移出参考电极。测量电路502周期性地检查参考电压。当参考电压与标称电压相差选定量时，发生充电/放电。
在各种实施例中，测量电路502还可以用于测量参考电极206和阳极204之间的电压差(即阳极电压)以及测量参考电极206和阴极202之间的电压差(即阴极电压)。充电电路504也可用于控制参考电极206的充电状态。
处理器506从测量电路502获得参考电压的测量，并基于该测量控制充电电路504的操作。例如，当参考电压大于最大电压阈值(例如约3.434V)时，充电电路504可以将参考电极206放电到阳极204，以将锂离子添加到参考电极206，从而降低参考电压。当参考电压小于最小电压阈值(例如约3.410V)时，可以从参考电极206移除锂离子以提高参考电压。充电电路504可以使用阴极202或阳极204对参考电极206充电或放电。
图6示出了图示可用于控制或调节参考电压的放电步骤的曲线图600。电势(V)沿y轴示出，为了便于说明，代表性的电池元件沿x轴分布。阴极电压602代表阴极202的电压范围。阳极电压604代表阳极的电压范围。参考电压606代表参考电极206的电压范围。在各种实施例中，放电步骤可以在不使用附加电源的情况下进行。阴极放电步骤608包括将参考电极206放电至阴极202，并从参考电极移除一个或多个锂离子。阳极放电步骤610包括将参考电极206放电至阳极204，并将一个或多个锂离子加入参考电极。
图7示出了图示可用于控制或调节参考电压的充电步骤的曲线图700。电势(V)沿y轴示出，为了便于说明，代表性的电池元件沿x轴分布。充电步骤通过使用电流源和控制器来执行。阴极充电步骤702包括通过阴极202对参考电极206充电，并向参考电极添加一个或多个锂离子。阳极充电步骤704包括使用阳极204对参考电极206充电，并从参考电极移除一个或多个锂离子。
图8示出了用于将参考电压维持在标称值的方法的流程图800。在框802，电池充电。在框804，获得测量以确定参考电压是否落入可接受的范围内。这包括对照另一电极(即阴极202或阳极204)的已知电势检查参考电压。在一实施例中，在充电事件结束时(即当阳极电极处于完全锂化状态时)使用阳极电势。然后，电荷保持在最大电压，直到电流下降到某个阈值以下。此时，阳极被完全锂化，并表现出恒定的、可再现的电化学电势。在电池寿命期间，阳极电压应始终充电至相同的充电结束状态，因此这可用作检查参考电势的锚点。
如果电压差在可接受的范围内，则该方法进行到框806，在框806，该方法结束。如果电压差在可接受的范围之外，该方法进行到框808。
在框808，确定电压差是大于最大电压阈值404还是小于最小电压阈值406。如果电压差小于最小电压阈值404(VTmin)，则该方法前进到框810。在框810，通过将参考电极206放电至阴极202，从参考电极移除锂离子。从框810，该方法循环回到框804。返回到框808，如果电压差大于最大电压阈值406(VTmax)，则该方法进行到框812。在框812，通过将阳极放电至参考电极206，锂离子被添加至参考电极。从框812，该方法循环回到框804。
图9示出了说明性实施例中在平衡步骤期间阳极参考电压(V_AR)随时间(T)的曲线图900。沿横轴以小时表示时间，沿纵轴以伏(V)表示阳极参考电压。当阳极参考电压降至3.345V或以下时，处理器506触发充电电路504。在时间t＝0小时，阳极参考电压约为3.345V，这触发了锂平衡步骤。在平衡步骤期间，参考电极206向阴极202放电，导致阳极参考电压增加。当阳极参考电势在约t＝10小时达到3.40V时，充电电路504停止放电。然后，阳极参考电压下降，在约t＝14小时达到最终平衡电压(约3.35V)。因此，平衡装置106能够检测非最佳参考电压，开始平衡步骤，并在适当的时间结束平衡步骤，以实现期望的参考电压。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种控制电池中的参考电极的充电状态的方法，包括：
获得参考电极的参考电压的测量；
基于测量调节参考电压；以及
基于参考电压控制参考电极的充电状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述参考电极由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括当所述测量在关于标称电压定义的范围之外时，调节所述参考电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述参考电压还包括以下中的至少一个：(i)向参考电极添加锂离子；以及(ii)从参考电极移除锂离子。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述参考电压还包括以下中的至少一个：(i)从电池的阳极对参考电极充电；(ii)将参考电极放电至电池的阴极；(iii)从电池的阴极对参考电极充电；以及(iv)将参考电极放电至电池的阳极。
6.一种用于控制电池中的参考电极的充电状态的平衡装置，包括：
测量电路，其配置为获得参考电极的参考电压的测量；以及
充电电路，其配置为基于测量调节参考电压，其中，基于参考电压控制参考电极的充电状态。
7.根据权利要求6所述的平衡装置，其中，所述参考电极由磷酸铁锂(LiFePO4)制成。
8.根据权利要求6所述的平衡装置，其中，所述充电电路配置为当所述测量在关于标称电压定义的范围之外时，调节所述参考电压。
9.根据权利要求6所述的平衡装置，其中，所述充电电路配置为通过执行以下中的至少一个来调节所述参考电压：(i)向参考电极添加锂离子；以及(ii)从参考电极移除锂离子。
10.根据权利要求6所述的平衡装置，其中，所述充电电路配置为通过执行以下中的至少一个来调节所述参考电压：(i)从电池的阳极对参考电极充电；(ii)将参考电极放电至电池的阴极；(iii)从电池的阴极对参考电极充电；以及(iv)将参考电极放电至电池的阳极。
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