CN116368707A

CN116368707A - 智能电池管理系统和方法

Info

Publication number: CN116368707A
Application number: CN202180069165.2A
Authority: CN
Inventors: I·坎贝尔; Y·赵
Original assignee: Bresse Battery Technology Co ltd
Current assignee: Bresse Battery Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-06-30
Also published as: WO2022029451A1; GB202012311D0; GB2597798B; EP4193447A1; GB2597798A; US20230305070A1

Abstract

本发明涉及智能电池管理系统和方法，尤其涉及利用用于估计电极电位的方法的电池管理系统。智能电池管理系统和方法可以用在诸如电池充电/放电系统的电池控制系统中，以在多个循环内保持所连接电池的健康，或者用在用于预测或对电池性能进行建模的电池诊断系统中。电池管理方法使用参考电池的电池开路电位和电极开路电位的估计，结合可归因于参考电池的负电极和/或正电极的电池过电位分数，来估计所连接电池的瞬时电极电位。在确定电极电位时使用电池过电位允许电池管理方法和系统对电池老化和电池劣化表现出较高水平的适应性。

Description

智能电池管理系统和方法

技术领域

本发明涉及一种智能电池管理系统和方法，尤其涉及一种利用用于估计电极电位的方法的电池管理系统。智能电池管理系统和方法可以用在电池控制系统中，例如用在电池充电/放电系统中，以在多个循环中保持电池的健康，或者用在电池诊断系统中，以用于对电池性能的预测或建模。

背景技术

这个社会正在目睹一场远离以燃烧作为能量来源的转变。连接至电池的太阳能电池板现在可以为我们的家庭供电和加热，而在车辆中，现在电池是提供推进的主要或辅助装置。尽管仍然处于早期阶段，但预计电池会在使航空工业脱碳的过程中起到越来越重要的作用。类似地，随着可再生能源占据国家发电的越来越多的份额，配电网需要提供较高水平的电池存储容量以在太阳不照射或风不吹动时进行稳定供电。同时，电池继续为我们的家用电子装置和电器供电。随着电池应用的激增，越来越重要的是使电池的能量和资源成本最小化，并且保持各个电池的健康和寿命。电池健康中的劣化可能导致性能和安全性的降低。

随着时间的推移并且随着电池使用而发生的电池健康状况的劣化，通常导致会容量减小、电阻增加和/或其他影响。劣化的速率和程度取决于多种因素，其中一个具体因素是电池内电极的电位。例如，广泛已知的劣化过程由具有石墨负电极的锂离子嵌入电池中的低水平的电极电位引起，导致金属锂在石墨电极上的不期望的沉积(“锂沉积”)。另一个示例是金属集流器可能在低电位下被氧化，这可能导致放气并因此造成安全风险。

为了避免上述劣化和安全问题，并且为了尽可能长时间尽可能高地保持电池的健康状态和安全性，通常在操作电池时小心地控制电池端子电位。电池端子电位是电池的正电极和负电极之间的电位差，在下文中将被简称为“电池电位(cell potential)”或“电池电位(battery potential)”。此外，如稍后将描述的，这种电位通常相对于预定义的参考电位(诸如锂金属的电位)进行表示。

虽然优选地知道负电极电位和正电极电位的值，但是在电池控制应用中通常仅使用电池的电池电位。这是因为电池电位间接地控制正电极和负电极的电位，并且因为与负电极电位和正电极电位不同的是，可以容易地对电池电位进行测量。例如，直接测量单独的负电极电位或正电极电位需要电池设置有单独的参考电极，这种测量目前仅在测试装置上可行。市售的电池不提供用于进行测量的参考电极。

尽管可以使用计算方法来估计负电极电位和正电极电位，但是这样的方法通常既复杂又资源密集，并且出于一些(在下面讨论的)原因，仅以有限的确定性来预测电位。

常规地，存在获得全电池中电极电位的两种方法：首先，通过实验获得的方法，使用插入到全电池中的参考电极(这在研究机构中是常见的，但由于与维持电池稳定性和增加的成本相关联的困难而在市售电池中非常不常见)；第二种获得方法，经由使用建模和模拟的状态估计，其中，使用数学模型来估计电极电位。

然而，在以期望的置信度预测正电极电位和负电极电位的值，从而使得这些值可以用于电池控制目的和/或作为对理解电池的健康状态有用的信息时，存在相当大的困难。首先，电极和电池的开路电位(开路电位是电池或诸如正电极或负电极的材料的平衡电位)，随诸如荷电状态、温度和电池的劣化或健康的其他参数而变化。其次，在施加负载的情况下(例如，在电池充电或放电期间)，或者在松弛过程期间移除负载之后，电池和电极电位都偏离它们的开路电位，在该松弛过程中电位朝向开路值收敛但需要时间来达到开路值。因此，使用状态估计方法预测负电极电位或正电极电位具有许多缺点，包括计算成本、低稳定性和参数化困难中的一个或多个。

高计算成本是由于需要大量的计算机存储器或处理能力来执行估计而导致的。例如，电化学“全阶”连续体电池模型具有估计电极电位的能力，但依赖于求解微分方程，该微分方程描述电化学物质(例如锂)的浓度和电池部件(例如电极、电解质)的电位的时间(有时也包括空间)变化。用于可再充电的锂离子嵌入电池的这种模型的示例是伪二维模型，依赖于用于描述锂物质浓度和电位的四个偏微分方程，加上描述过电位与进入或来自储能电极主体材料的锂通量之间的关系的分析方程。求解这些方程的高计算成本增加了解决方案相关联的货币成本，以及必要硬件的大小，从而限制了状态估计方法的适用性，并排除了在嵌入式系统(诸如低成本微控制器目标)上实现它的一种可选方式。此外，得到的模型对于实时使用通常可能不够快。

低稳定性是进一步的考虑，因为处理微分方程的计算方法所寻求的数值解并不总是稳定的。找不到解的收敛失败，或者可能发生该方法收敛在远离现实的解的值的情况。在可以基于估计的状态做出实时和安全关键的控制决策的嵌入式应用中不能使用不可靠的方法。

参数化困难包括参数化成本和参数化复杂性。通常，那些足够复杂以包括电极电位作为状态的电池模型还需要获得大量电池参数的数据以供其使用。全阶电化学模型中的这些参数的示例包括电解质和电极相物质(锂)的扩散率、平均电极颗粒半径、电极孔隙率和非恒定参数，诸如电解质电导率随盐浓度的变化。这增加了准备与任何给定电池一起使用的模型的时间和成本，因为获得电池参数需要大量的实验研究。此外，随着电池在其整个寿命过程劣化，这增加了维护准确模型的难度，因为将需要随着电池的演进的健康状态更新参数值。一个示例是电极孔隙率，已知其随着来自寄生副反应的产物的积累而降低。目前不可能在不拆卸电池的情况下更新许多这样的参数，这当然不利于电池的不间断使用。

可以通过涉及全阶电化学模型的简化版本的降阶建模来寻求对所有这些问题的补救。然而，即使对于降阶建模，需要的计算资源仍然经常超过嵌入式商业硬件解决方案中可用的计算资源，并且仍然存在较高的参数化负担。此外，降阶的方法通常引入新的缺点，诸如相对于由全阶模型提供的那些方法，降低了在较高电流下状态估计的准确度。

我们已经认识到，普遍地单独使用电池电位的广泛实践是不令人满意的，因为在没有直接控制或甚至知道各个电极电位的情况下，正电极电位或负电极电位中的一个或两个可能达到对电池健康状态和/或安全有害的值。

此外，我们已经认识到，期望提供一种智能电池控制方法，该智能电池控制方法涉及对单独的负电极电位和正电极电位的实时估计或预测性估计。得到的对电极电位的估计可以有利地用于做出电池控制决策(诸如电池充电/放电电流、充电/放电过程的持续时间、和/或电池管理系统的操作中的其他可控参数)以维持电池的健康。

此外，得到的对电极电位的估计可以用于诊断系统以评估电池的当前健康状态，用于确定未来电池劣化的可能性，以支持进一步的电池开发，提供对电池可担保性的明晰性和责任性，以及实现许多其他目标。

发明内容

现在参考独立权利要求，在独立权利要求中限定了本发明。在从属权利要求中阐述了有利的特征。

在本发明的第一方面，提供了一种计算机实现的电池管理方法，用于对所连接电池充电或放电，该电池管理方法使用针对电池确定的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电位，和/或该方法用于电池诊断方法。电池管理方法包括以下步骤：针对所连接电池，确定指示所连接电池的当前状态的一个或多个电池状态参数，电池状态参数至少包括所连接电池的瞬时电池电位和荷电状态；针对所连接电池，基于所确定的荷电状态估计所连接电池的电池开路电位以及负电极和/或正电极的开路电极电位中的一个或多个；通过对参考过电位分数表示进行参考，基于参考电池的估计的开路电位确定所连接电池的正电极和负电极中的一个或多个的过电位，参考过电位分数表示是存储器中可用的，并且将参考电池的相应的荷电状态的值映射到可归因于负电极和正电极的电池过电位的对应分数；基于参考电池的估计的负电极和/或正电极的开路电位以及相应负电极和/或正电极的过电位，确定所连接电池的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电极电位；根据所确定的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电位来控制电池的充电或放电，或确定指示电池健康的一个或多个参数。

电池管理方法使用对所连接电池的电池开路电位和电极开路电位的估计，结合可归因于参考电池的负电极和/或正电极的电池过电位分数，来估计所连接电池的瞬时电极电位。在确定电极电位时使用电池过电位允许电池管理方法和系统对电池老化和电池劣化表现出较高水平的适应性。

还提供了对应的系统和计算机程序。

附图说明

将通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：

图1示出了根据第一示例实施例的利用对非平衡负电极电位和/或正电极电位的预测的电池管理系统；

图2示出了根据本发明实施例的使用对非平衡负电极电位和/或正电极电位的估计来确定电池充电电流的方法；

图3示出了参考电池的参考开路电位表示，包括图3A以及图3B和图3C，图3A是测量的参考电池的开路电位相对于参考电池的荷电状态测量的曲线图，图3B和图3C是参考电池的正电极和负电极的开路电位的对应曲线图；

图4示出了图3中所示的电池电位和电极电位在极化状态或非平衡状态下的变化，包括图4A以及图4B和图4C，图4A是充电/放电过程中测量的参考电池的非平衡电池电位相对于参考电池的荷电状态测量的曲线图(示出了两种不同的充电电流(C-rate))，图4B和图4C是参考电池的正电极和负电极的电极电位的对应曲线图；

图5示出了对应的过电位分布，包括图5A以及图5B和图5C，图5A是参考电池和两个不同的充电电流的对应过电位分布的曲线图(过电位分布等于图3和图4的曲线图的开路电位与非平衡电位之间的差)，图5B和图5C是参考电池的正电极和负电极的过电位分布的对应曲线图；

图6是具有参考电极的全电池的图示，该参考电极可以用于本发明的实施例中以获得图3中的参考电池的开路电位和图4中的非平衡电位；

图7示了用于使用图6所示的全电池来产生参考过电位分数表示的方法；

图8示出了以参考电池的两个不同的C-rate处针对正电极(图8A)和负电极(图8B)产生的参考过电位分数表示；以及

图9示了用于使用图8中例示的参考过电位分数表示来估计各个电极电位的方法。

具体实施方式

现在将参考附图较详细地描述智能电池管理系统和方法。

提供了示出使用电池管理系统来控制充电电流和/或充电/放电持续时间的示例。电流控制直接影响电池的健康状态，因为向电池提供电流或从电池抽取电流的方式影响电池继续满足其需求的能力。现有技术系统的难点在于，不清楚在避免电池的健康状态劣化的同时可以提供给电池或从电池抽取的最大电流水平是怎样的。

下面讨论的电池管理系统通过估计连接至管理系统的电池的一个或两个电极电位来解决这个问题。然后，这些电极电位可以与设定点一起用作控制系统中的过程值，选择该设定点的值以降低电池经历的劣化。

图1示出了根据本发明的示例实施例的示例电池管理系统1。电池管理系统1包括电池管理控制器10和用于连接至电池30的电池充电器/诊断单元20。电池充电器/诊断单元20包括用于向电池30输送电流的充电/放电端子22，以及用于确定指示电池30的状态的一个或多个操作参数的一个或多个传感器24。这些参数可以包括例如电池电位、电流测量和/或温度。在接下来的示例中，假设电池30是锂离子电池，但电池30也可以是任何电化学系统，包括例如锂金属电池、钠离子电池、固态电池或其任何变型。

电池管理控制器10和电池充电器/诊断单元20可以分开设置或者可以将其设置为单个集成单元。在其分开设置的情况下，电池管理控制器10和电池充电器/诊断单元20包括用于无线或有线通信的适当的输入/输出端子或发送器/接收器端子。在设置为单个集成单元的情况下，电池管理控制器10可以是安装在电池充电器/诊断单元20中的硬件，或者可以是配置为在电池充电器/诊断单元20内的处理器/控制器上运行的软件。尽管电池充电器/诊断单元被示出为单个组合单元，但是可以将这些设置为分开的单元。此外，图1旨在包括仅设置了电池诊断功能或电池充电/放电功能中的一种功能的配置。

电池管理控制器10可以以硬件或软件和/或两者的组合的方式来实现。示例包括安装在集成电路或专用芯片上的软件，以硬件形式设置并且具有或不具有诸如印刷电路板的支持电路。电池管理控制器10还可以以软件形式设置为用于单独输送或下载到另一专用系统中的一种或多种控制算法。控制算法可以由任何合适形式的软件控制器实现，诸如继电器式(开/关)控制器、比例积分微分控制器或其包含比例/积分/微分元件的某种组合的任何变型，以及模型预测控制器。

在图1中，示出的电池管理控制器10包括处理器和连接的存储器12，在该连接的存储器上存储了一个或多个控制程序、软件实例或算法以供执行。控制软件可以包括一个或多个专用模块或层，包括电池控制算法所在的应用层14、确保安全操作电池的安全层软件16、以及用于根据下面描述的技术预测所连接电池30的电池电极电位的专有软件模块18。软件模块和层14、16和18在图1中仅作为示例示出，以更好地理解本发明的操作，应理解，软件的其他逻辑布置和实现是可能的。

在图1的示例操作中，通过一个或多个传感器24从电池30获得电池电位、温度和电流测量值(信息流a)，并且将其发送至电池管理控制器10(信息流b)。然后，软件模块18使用这些测量值来估计电池30的实时或瞬时非平衡负电极电位和/或正电极电位，用作由模块14和16实现的电池充电电流控制过程中的过程值。将参考图3至图10较详细地描述软件模块18的操作。因此，电池管理控制器10的软件模块14和16确定充电设定点或目标，并将其提供给电池充电器/诊断单元20(信息流c)。电池充电器/诊断单元20随后向所连接电池30提供充电电流(信息流d)。

基于测量的电池的参数实时控制充电电流，以便(例如在锂离子嵌入电池的情况下通过避免锂沉积，或者例如在锂金属电池的情况下通过适当管理锂沉积)使长期电池劣化最小化，同时优选地提供高充电电流以使充电时间最小化。在其他实施例中，并且在适当的情况下，可以避免短充电时间以维持电池健康。如以上说明的，电池的健康状态可以从电池的电阻、容量和其他因素的变化这些方面来理解。

在图1中，讨论和示出了软件和硬件模块。在实施例中，应理解，在本文中讨论的软件模块可以以机器可读介质、计算机可读介质实现或以计算机可读存储介质实现，并且这样的介质可以指提供使机器以描述的方式进行操作的数据、计算机或机器指令的任何介质。这样的介质可以是实现RAM、PROM、EPROM、FLASH-EPROM的物理的和有形的非易失性、非暂时性存储介质，例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、CD-ROM、光盘或磁盘、固态存储装置、存储器芯片或盒。该列表仅用于说明，并不旨在穷举。

图2示出了使用图1的电池管理系统1的示例电池充电应用。电池充电方法开始于步骤S202，其中电池管理控制器10确定控制设定点。控制设定点基于针对电池30选择的物理上有意义的电位值，使得通过将过程值保持在该设定点值或与其相距固定距离，使电池劣化过程最小化。

如稍后将讨论的，控制设定点是被考虑的电池(即，连接至电池管理系统的电池)的负电极和正电极上的非平衡电位V_neg和V_neg中的一个或多个。这意味着可以安全地执行充电/放电，因为充电器/诊断单元20能够基于对施加电流的电极电位之一或两者的准确估计而不是电池电位的一般测量来向电池端子施加充电/放电电流，从该电池电位的一般测量不能知道电极电位。

为了确定V_neg和V_pos，电池管理方法和系统利用了获得电池过电位η_cell相对容易这样的事实，因为电池电位V_cell和电池开路电位U_cell的值容易获得。根据对电池过电位η_cell是如何由各电极处的过电位η_pos和η_neg构成的的理解，针对存储器中可用的电池开路电位数据(U_cell)来简单地执行减法，并且可以从电池过电位η_cell计算V_neg和V_pos的值。

以这种方式使用电池单元过电位η_cell来确定电极电位意味着电池管理系统和方法对电池老化和电池劣化表现出良好程度的自动适应性。这是因为电池过电位η_cell倾向于由于各种原因(包括例如相界层(诸如固体电解质相界层)的生长)而随着电池老化而增加，意味着所计算的电极处的过电位η_pos和η_neg相应地增加。

结果是控制决策(诸如对去往/来自电池的电流的大小和/或持续时间的控制)可以随着电池劣化而自动地变得更加保守。这具有延长电池寿命并且平均较长时间地维持较高程度的电池健康的积极效果。

在图1中，并且假设电池30是锂离子电池，可以选择相对于金属锂的参考电位的负电极电位设定点为0.1伏。该值基于物理上有意义的为0.0伏的值，加上0.1伏的安全裕度，高于该物理上有意义的0.0伏的值，锂沉积引起的劣化被最小化。在电池30采用与锂离子不同的电池技术的情况下，不同的控制设定点可能是适当的。在该示例实施例中，负电极电位设定点由电池管理控制器10的应用和安全层软件模块14和16例如基于由用户输入的电池技术类型来确定，或者由电池管理系统1基于当电池30被连接时的初始测量来确定。

在步骤S204中，其中基于确定的设定点，电池管理控制器10指示电池充电器/诊断单元20开始向电池施加初始电荷。初始电荷可以是被认为是安全的预设水平，例如1C。替代地，初始电荷可以是已经估计用于在负电极电位或正电极电位的瞬时值(该瞬时值被估计作为充电过程中的过程值并且基于设定中的电池电位、电流和/或温度的初始测量)与负电极电位或正电极电位的目标点或设定点之间产生期望的初始关系的预计算水平。

本申请涉及各电极电位的估计及其在电池管理方法中的使用，步骤S202中的初始设定点的选择和步骤S204中的初始电荷的确定将不在本申请中详细描述。用于确定设定点和初始充电电流的许多技术是技术人员已知的，不需要进一步描述。

在步骤S206中，由电池充电器/诊断单元20测量该时刻的电池电位和施加的电流，以及向电池管理控制器10提供它们的值。可以在该步骤中附加地测量和提供电池温度，无论是安全监测需要的，还是作为获得温度相关参数(例如，过电位分数或开路电位的变化)的指标。这些测量的量可以附加地得益于某种程度的估计或滤波，以增强它们的有用性和/或准确性。

在步骤S208中，电池管理控制器10将测量的量用作输入，以确定负电极电位和/或正电极电位(过程值)在该时刻的估计。下面结合图3至图10更详细地讨论用于这样做的方法。

在步骤S210中，电池管理控制器10计算过程值与在步骤S202中接收的设定点的值之间的差，并且基于该差来确定误差值。

在随后的步骤S212中，电池管理控制器10基于误差值确定用于电池充电器/诊断单元20充电过程的适当的控制指令(例如，应当如何调节充电电流目标)以在下一时刻将误差值驱动至零，并将控制指令发送至电池充电器/诊断单元20。这是考虑到当前电池状态而应该为电池30提供的最大允许充电电流所定义的目标。可能存在充电器向电池提供小于本发明所宣称的目标的电流的原因，诸如最重要的安全功能干扰电流的提供。

在步骤S214中，电池管理控制器10确定是否满足充电终止标准以便充电过程安全地结束。用于结束充电过程的标准可以是以下中的一个或多个：已经达到电池电位目标(诸如4.2伏)、已经达到荷电状态目标(诸如100％荷电状态)、已经达到温度目标(诸如电池达到50摄氏度)、和/或已经达到充电时间目标(诸如已经过去30分钟)。应理解，这是非穷举列表，并且可以应用其他标准。

如果在步骤S214中确定已经满足充电终止标准(是)，则在步骤S216中充电过程结束。当认为不满足充电终止标准时，充电过程继续，并且该方法返回步骤S206，在该步骤中，电池管理控制器10测量电池电位和电流，并且在步骤S208至S214的闭环反馈过程中，确定指示负电极电位的过程值，将该过程值与设定点进行比较，确定是否应该调节从电池管理控制器10发送至电池充电/诊断单元20的充电电流目标以及应该调节多少，并将应该调节多少发送至电池充电器/诊断单元20。充电在下一时刻以该修正的电流水平继续，并且该过程重复直到充电终止状态，始终响应于对负电极电位或正电极电位相对于设定点的估计而产生动态电流。因此，当充电器/诊断单元20向电池提供目标电流时，输入电流分布通常将以使误差最小化(或最好寻求最小化误差)的方式随时间变化。

如上所述，图2的充电方法依赖于估计所连接电池30的负电极电位，并将其用作该方法中的过程值来控制施加的电流。现在将参考图3至图10更详细地描述估计负电极电位的方法。

过电位的背景和讨论

首先，参考图3至图5，将讨论开路电位、极化和过电位的概念。

通过介绍，图3示出了随电池荷电状态变化的电池的开路电位。开路电位是电池或诸如正电极或负电极的材料在平衡状态下的电位，即没有电流通过电池时的电位。图3示出了相对于电池的荷电状态(％)的开路电位(图3A)、正电极电位(图3B)和负电极电位(图3C)。相应的电位302、304和306中的每一个将被理解为荷电状态和其他因素(诸如电池温度和电池的劣化状态(即，电池的健康))的函数。出于说明的目的，未示出开路电位对温度和其他因素的附加依赖性以及附加特性(诸如滞后)，但应理解为其适用。

电池开路电位U_cell与正电极和负电极的开路电位U_pos、U_neg之间的关系由等式1给出为：

等式1:U_cell＝U_pos-U_neg

参考图3A，图3A所示的分布302因此是图3B中的分布304与图3C中的分布306之间的差。

当将充电电流或放电电流施加至电池时，发生极化，导致电位从其开路电位偏移。极化是指由一个或多个源(欧姆“IR”、激活和聚集(concentration))引起的电位偏离开路电位的术语。得到的电位可以被认为是非平衡电位，该非平衡电位由V表示。如前所述，电池电位V_cell是电极电位V_pos与V_neg之间的差：

等式2:V_cell＝V_pos-V_neg

图4示出了当电池处于非平衡状态时，极化导致的电位从其开路值的偏移。图4中的点线402、404和406示出了图3所示的开路电位U_cell、U_pos和U_neg，而粗实线408、412和416以及虚线410、414和418分别指示在低充电电流和高充电电流(不同的C速率)下的非平衡电位V_cell、V_pos和V_neg。

极化的大小被称为过电位η_cell、η_pos和η_neg，并且在图4A、图4B和图4C中通过粗实线和虚线偏离点线曲线的充电场景示出。数学上，过电位被定义为：

等式3:η_cell＝V_cell-U_cell

等式4:η_pos＝V_pos-U_pos

等式5:η_neg＝V_neg-U_neg

根据定义，在电池充电期间，η_cell和η_pos是正量，而η_neg是负量。尽管图4描绘了由向电池施加充电电流引起的行为，但是这可以替代地在施加放电电流的情况下示出，在这种情况下，相对于开路电位，电池电位更低，正电极电位更低，负电极电位更大。这三个量在电池放电期间采用相反的符号。

图5A、图5B和图5C示出了对于图4A、图4B和图4C中的每一个，表示为荷电状态的函数的过电位的对应大小。应理解，这些是非线性函数，根据多个参数而变化。

在图5B中，曲线510是施加相对低的充电电流的绝对正电极过电位η_pos，而512是施加相对高的充电电流的绝对正电极过电位η_pos。类似地，在图5C中，曲线508是施加相对低的充电电流的绝对负电极过电位η_neg，506是施加相对高的充电电流的绝对负电极过电位η_neg。在这些图中可以看出，过电位不是线性的，并且它们可以随着电池的荷电状态而显著地变化。

图3、图4和图5所示的分布是使用具有石墨负电极和复合镍钴金属氧化物正电极的市售锂离子嵌入式可充电电池在电池温度为25摄氏度的情况下生成的。

在这种情况下，图3A的分布302中的U_cell的值可以是范围从0％荷电状态下的2.5V至100％荷电状态下的4.2V。图3B的分布304中的U_pos的值可以是范围从0％荷电状态下的3.54V至100％荷电状态下的4.24V。图3C的分布306中的U_neg的值可以是范围从0％荷电状态下的1.04V至100％荷电状态下的0.04V。

在图4A中，曲线图402示出了与先前示出为302相同的电池开路电位U_cell，该电池开路电位在50％SOC下的示例值为3.73V，而曲线图408示出了施加的充电电流1C相对低的情况下(4安培)的电池电位V_cell，该电池电位在50％SOC下的示例值为3.90V，曲线图410示出了施加的充电电流2C相对高的情况下(8安培)的电池电位V_cell，该电池电位在50％SOC下的示例值为4.04V。

类似地，在图4B中，曲线404示出了与先前示为304相同的正电极开路电位U_pos，该正电极开路电位在50％SOC下的示例值为3.86V。曲线412是施加的充电电流1C相对低的情况下的正电极电位V_pos，该正电极电位在50％SOC下的示例值为3.94V，414是施加的充电电流2C相对高的情况下的正电极电位V_pos，该正电极电位在50％SOC下的示例值为4.02V。

最后，在图4C中，曲线406是与先前示出为306相同的负电极开路电位U_neg，该负电极开路电位在50％SOC下的示例值为0.13V。曲线416是施加的充电电流1C相对低的情况下的负电极电位V_neg，该负电极电位在50％SOC下的示例值为0.04V，而曲线418是施加的充电电流2C相对高的情况下的负电极电位V_neg，该负电极电位在50％SOC下的示例值为-0.02V。

在图5A、5B和5C中，在取绝对值之前，对于相同的相对低的施加的充电电流，η_cell、η_pos和η_neg在50％荷电状态下的典型值将分别为0.17V、0.08V和-0.09V。

方法

如上所述，电池管理系统和方法依赖于将整个电池过电位η_cell(该整个电池过电位可以使用图1的装置针对市售电池轻松地测量)的分数归因于正电极和负电极中的每一个电极的能力，从而获得在相应电极中的每一个电极处对过电位η_pos和η_neg的估计。数学上，过电位可以表示为如下所示的电池过电位η_cell的函数：

等式6:η_pos＝η_cell×η_f,pos

等式7:η_neg＝η_cell×η_f,neg

其中，η_f,pos和η_f,neg分别是总电池过电位η_cell归因于正电极和负电极的分数。由于电池过电位应归因于每个电极的的分数是非恒定的，并且替代地是随荷电状态以及包括施加的电流水平在内的其他因素而变化，因此将这些分数值作为查找表或作为数学函数存储在用于参考电池的计算机存储器中。这些被称为参考过电位分数表示(或过电位分数映射)，并且它们使得能够在较宽的电池的使用范围的情况下估计电极电位。

连接至电池管理系统1的新电池的操作参数，特别是所连接电池的负电极和/或正电极的值，然后可以从对诸如电池端子电位的量的简单测量和对电池的荷电状态的测量或估计以及与对存储在存储器中的用于参考电池的过电位分数映射的比较来推断。这要求用于生成映射的参考电池是对稍后连接至电池管理系统的任何电池的良好近似。必要地，电池管理系统因此可以存储用于不同类型的电池技术的映射和/或表，使得如果锂离子电池被连接至电池管理系统，则在存储器中，过电位分数映射可用于查询。

现在将结合图6、图7和图8描述用于确定过电位分数映射的装置和方法。

图6是示出了具有参考电极的实验全电池的图，其允许针对任何数量的不同的充电场景和电池参数的测试或参考电池确定电池的以及正电极和负电极的开路电位和过电位数据。对于要与电池管理控制器10一起使用的每种电池类型或型号，出于要由电池管理控制器用于计算的目的，需要分析特征测试电池并获得数据并将其作为一个或多个查找表或函数保存在存储器中。

如果对于至少一个充电电流的值，在假设新电池材料尚未发生与使用相关的劣化的情况下，针对每种类型的电池确定了数据集，则足以满足电池管理控制器的操作。优选地，还可以生成相应电池类型涉及不同的充电电流、不同的电池温度和/或不同的电池健康状态的数据集。如果这些附加数据集不是通过使用图6的实验系统的直接测量以实验的方式生成的，则可以通过基于在单个温度下针对新电池确定的数据的插值或计算来以合理的准确度进行计算。

图3所示的数据例如可以通过使用图6的装置对参考电池进行测量来生成，并且在存储器中可用作在电池管理方法中使用的一个或多个开路电位表示。相应的电位302、304和306中的每一个电位应被理解为荷电状态和其他因素(诸如电池温度和电池的劣化状态(即，电池的健康))的函数。这里出于说明的目的，未示出开路电位对温度和其他因素的附加依赖性以及附加特性(诸如滞后)，但应理解其适用。在实施例中，还可以生成和存储图4和图5中的数据。

现在参考图6，示出了具有参考电极的实验全电池60。优选地，这由新电极材料构成，该新电极材料对应于将与电池管理控制器10一起使用的商用电池的电池技术。在本申请中，假设锂离子电池技术是优选的电池类型，因此图6示出了对应于锂离子电池技术的实验测量电池。

实验全电池60包括可以是铝箔的正电极集流器62、可以是铜箔的负电极集流器64、正电极材料片66、负电极材料片68和分隔器70，分割器可以是新颖的或从现有电池中获得的。这可以例如是厚度约为20微米的聚合物材料或玻璃纤维材料。实验全电池60还包括参考电极72，该参考电极可以是锂金属，并且该参考电极不旨在主动地参与全电池的电化学反应。正是该参考电极使得能够在实验设置中测量各个(即，正和负)电极电位，如上图所示。

通过电解质润湿部件66至70，该电解质可以是溶解在溶剂混合物(诸如碳酸亚乙酯、碳酸二乙酯和碳酸二甲酯的组合)中的用作溶质的盐(诸如六氟磷酸锂(LiPF6))。然后将润湿的部件堆叠安装在气密密封的壳体74中，该壳体提供电池测量设备与用于参考电极72的连接点76、用于正电极的集流器62的连接点78和用于负电极的集流器64的连接点80之间的电连接。这些连接允许测量全电池电位、测量相对于锂金属参考电极72的正电极电位、以及还测量相对于锂金属参考电极的负电极电位。

在将实验全电池60用于生成用于电池管理系统10的参考数据之前，执行形成循环，在该循环中，对参考电池充电和放电，以在电极表面上形成(或重新形成)保护层。在形成循环之后，可以将实验电池用于获得电池以及相应的正电极和负电极的三个开路电位数据集。

参考图7，现在将描述用于生成过电位分数映射的方法。尽管该方法适用于生成任何电池技术的过电位分数映射，但是将再次在锂离子电池和图4中所示出的开路电位和非平衡电位曲线图的背景下对其进行描述。

如上所述，如果针对单个操作温度生成充电分布就足够了。为了这样做，可以对电池：a)极缓慢地充电或放电(例如，以C/50的C-rate)，使得过电位最小化并且记录的电位是对开路电位的良好近似：b)在各种荷电状态水平之间充电或放电，然后去除电流，并且允许电池电位在该荷电状态下松弛(relax)并会聚(converge)到开路电位；c)使用技术人员已知的其他充电/放电技术的开路电位确定方法。

在步骤S702中，为了产生图3中用于U_cell、U_pos和U_neg的示例开路数据集，使用恒定电流C/50(0.08安培)速率的充电过程和恒定电流C/50速率的放电过程来操作图6所示的参考电池。选择低充电/放电电流以对平衡情况进行近似，在该平衡情况中，测量的电池电位非常接近开路电位。记录在每个荷电状态值下得到的开路电位，并且在相应的充电和放电过程之后，对针对相应电位曲线(U_cell、U_pos和U_neg)中的每个电位曲线的得到的电池电位分布取平均或插值以产生曲线图302、304和306。步骤S702优选地利用处于受控温度环境中的参考电池来执行。如上所述，典型的温度是25摄氏度，尽管可以使用其他温度，其他温度对应于在实践中可能遇到的电池温度(诸如负40摄氏度至正50摄氏度)。

在步骤S704中，通过操作参考电池以在比步骤S702中更高的电流下充电和/或放电来产生图4中例示的非平衡电位，使得电池电位以及正电极电位和负电极电位被驱动为比在先前旨在近似平衡的步骤S702中使用的低电流的情况下的电位的值更加远离它们的开路值。例如，可以在步骤S704中施加4安培的充电电流，该充电电流比在步骤S702中近似开路电位中使用的0.08安培电流大50倍。

再次地，在相同的荷电状态窗口上，在25摄氏度的温度下操作参考电池，以与步骤S702一致。在施加这些电流用于充电和/或放电过程的情况下测量电池电位和电极电位并对其进行存储。然后可以对它们进行平滑、后处理或插值以生成图4的粗实线和/或虚线图408、410、412、414和416、418。

当选择要在步骤S704中使用的电流水平时，期望使用接近在电池的商业应用中可能遇到的电流水平的水平。以这种方式，可以考虑所获得的过电位分数映射对充电/放电电流的任何依赖关系，并且将其与在使用期间遇到的可能的电流匹配，以便提高准确度。

在步骤S706中，现在基于在步骤S702和S704中获得的开路电位和非平衡电位来计算相同荷电状态窗口上的过电位分布。根据之前提供的等式计算全电池、正电极和负电极中的每一个的过电位η，即：

等式3:η_cell＝V_cell-U_cell

等式4:η_pos＝V_pos-U_pos

等式5:η_neg＝V_neg-U_neg

上面讨论的图5A、5B和5C示出了根据图3和4所示的数据计算的过电位分布。

在步骤S708中，产生正电极和负电极中的每个电极的过电位分数映射η_f,pos和η_f,neg，其中，根据该相同情况下的全电池过电位的分数获得每个电极处的过电位。由于η_cell、η_pos和η_neg中的每一个是已知的，并且基于上面的等式6和7，可以根据以下等式针对荷电状态窗口上的荷电状态的每个相应值计算分数映射：

等式8:

等式9:

换言之，可以将过电位分数映射理解为在任何给定的荷电状态值下表示总电池过电位η_cell可归因于正电极和负电极处的电位的分数的量的分布。

对于任何给定的荷电状态值，正电极过电位分数η_f,pos是在正电极处出现的过电位η_pos与电池过电位η_cell的比率。负电极过电位分数η_f,neg是在负电极处出现的过电位η_neg与电池过电位η_cell的比率。在数学上表示过电位分数映射行为如：

1>η_f,pos>0

1>η_f,neg>0

η_f,neg+η_f,pos≈1

图8A和图8B中示出了过电位分数映射。在图8A中，曲线图806是针对相对低的电流的正电极过电位分数映射，而曲线图808是针对相对高的电流的正电极过电位分数映射。在图8B中，曲线图810是针对相对低的电流的负电极过电位分数映射，而812是针对相对高的电流的负电极过电位分数映射。尽管图8A和图8B针对两个不同的示例充电电流给出每个映射，并且每个映射仅针对单个温度和健康状态示出，但是在实施例中，生成的映射包括这些附加的依赖性。

在图8A和图8B中，在50％荷电状态和相同的相对低的所施加的电流的情况下，η_f,pos和η_f,neg的典型值将分别为0.47和0.53，并且例示的过电位分数映射基于在25摄氏度下获得的实际的开路电位和非平衡电位数据。尽管在图8所示的示例中，随着电流增加，存在正电极过电位分数以负电极过电位分数为代价而增加的趋势，但是这种行为可能由于不同的电池和不同的材料而不同。

在步骤S710中，将过电位分数映射存储在存储器中，然后可供电池管理控制器10使用。由于先前的行为在η_f,neg+η_f,pos≈1的情况下给出，因此替代地，可以仅将一个电极的过电位分数存储在存储器中，并且通过从一中减去存储器中的过电位分数来按需计算第二电极的过电位分数。以这种方式，可以减少对本发明或电池管理控制器10的存储器的要求。

一旦已经完成针对特定电池和温度的映射，就不必重复步骤S704至S710。然而，这样做并且使多个过电位分数映射在一系列电流(和温度)上可用可以提高随后的电池管理方法中电极电位估计的准确度。

实际上，当在步骤S704中向参考电极电池施加较高的充电/放电电流时，所导致的极化可能很大，并且当电池电位达到极限值时(诸如在充电的情况下，4.2伏的上限截止)，可能迫使充电/放电过程较早地终止。这种较早的截止可能使得在高(充电场景)和低(放电场景)荷电状态范围内获得电池和电极电位数据具有挑战性。未获得的数据的量通常随着速率的增加而增加(尽管温度能够减少极化)。通过推算或类似过程获得未获得的数据值的后处理步骤可以用于缓解该问题。

结合图6至图8示出的用于确定过电位分数映射的方法是基于对锂离子电池的讨论而给出的。然而，该方法不限于锂离子电池，并且它也可以与各种各样的电池和电化学系统一起使用。在不同电池技术的情况下，需要针对每个相应的电池技术完成图7的过程。

除了诸如图6中例示的参考电极全电池之外，可以替代地通过使用一对半电池来产生图8的过电位分数映射。在这种情况下，第一个半电池由以下元件组成：一个电极，该电极通常是全电池中的正电极，以及由参考材料(诸如锂金属)制成的对电极。第二个半电池由以下元件组成：一个电极，该电极通常是全电池中的负电极，以及由参考材料(诸如锂金属)制成的对电极。

可替代地，过电位分数映射可以通过例如经由计算机模拟操作电池模型来产生，其可能能够以与从具有全电池或一对半电池的上述实验中可获得的方式类似的方式输出电极电位数据。与实验方法相比，使用模型产生过电位分数映射可以减少或消除对实验室工作的需要，并且提供更基于计算机的并且可能甚至更便宜、更快的获得本发明的优点的方法。

一般实施方式

现在参考图9，现在将描述估计图2的电池控制方法的步骤S208所需的负电极电位的方法。

在步骤902中，电池管理控制器10从充电器/诊断单元20接收对所连接电池的电池电位的测量，并且接收或确定电池的荷电状态的值。

电池的荷电状态不是可直接测量的量，并且存在许多方法用于对其进行估计。典型的示例是“库仑计数”，其中，通过感测装置(诸如分流电阻器)测量电流，并且记录电荷吞吐量并将其用于估计荷电状态。电池管理控制器10可以使用任何合适的方法，包括基于测量的电池电位从软件的另一元件，或者通过使用存储在存储器中的查找表，来提供荷电状态估计。这里，测量的或估计的电池温度可以是附加输入，特别是如果需要获取或索引存储在存储器中的数据，诸如针对特定温度生成的开路电位或过电位分数映射。

在步骤S904中，通过利用荷电状态进行索引来从存储器中可用于U_cell(参见图3A)的适当的开路电位表示中获得在步骤S902中估计的或确定的荷电状态下的所连接电池的电池开路电位U_cell。使用针对所连接电池确定的荷电状态作为查找关键字，将针对参考电池存储的数据用作查找结果。这假设所连接电池与存储了其数据的参考电池表现相同。实际上，已经发现这种近似是令人满意的。在实施例中，查找表可以部分地由表示U_cell分布的数学函数替换或实现。

在步骤S906中，通过从在步骤S902中测量的电池电位中减去在步骤S904中计算的电池开路电位来计算电池过电位的值。

在步骤S908中，通过利用所确定的荷电状态进行索引，来从存储在存储器中的U_neg和U_pos(参见图3B和图3C)的适当表示中获得在步骤S902中估计的或确定的荷电状态下的所连接电池的开路电极电位U_neg和/或U_pos。在实施例中，表示可以是查找表或者部分地由表示U_neg和U_pos分布的数学函数来实现。

在步骤S910中，然后通过利用荷电状态进行索引，来从存储器(参见图8A和图8B)中可用的适当的过电位分数表示中获得在确定的荷电状态和温度下的所连接电池过电位分数η_f,pos和/或η_f,neg。同样，在实施例中，这可以使用查找表来实现，或者部分地通过表示η_f,pos和η_f,neg分布的数学函数来实现。

在步骤S912中，已知来自步骤S906的电池过电位和来自步骤S910的电极过电位分数η_f,pos和/或η_f,neg，现在根据下式确定电极之一或两者的电极过电位η_pos和/或η_neg：

等式6:η_pos＝η_cell×η_f,pos

等式7:η_neg＝η_cell×η_f,neg

最后，在步骤S914中，基于在步骤S912中计算的电极过电位η_pos和η_neg以及在步骤S908中计算的电极开路电位U_neg和/或U_pos，现在根据下式计算负电极和/或正电极的非平衡电极电位V_neg和V_pos：

等式8:V_pos＝U_pos+η_pos

等式9:V_neg＝U_neg+η_neg

在步骤S914中，在计算中使用所有量的非绝对值，使得在电池充电期间：

η_pos>0使得V_pos>U_pos，并且

η_neg<0使得V_neg<U_neg

在电池放电期间：

η_pos<0使得V_pos<U_pos

η_neg>0使得V_neg>U_neg

因此，可以仅基于对电池电位的测量和对电池荷电状态的估计来计算连接至电池管理控制器的任何电池的正电极电位和负电极电位。可选地，可以测量或估计附加参数以提高准确度。一旦已经根据图9计算了V_pos和V_neg，就可以相应地在步骤S210继续图2的方法。

应理解，尽管已经以特定顺序呈现了图9的步骤，但这仅仅是为了便于理解，而不旨在限制本发明。确定电极开路电位的步骤S908例如可以在该方法的任何阶段发生，只要电极开路电位准备好在步骤S914中使用。

在上述所有情况下，可以使用另一索引来代替荷电状态。同样地，荷电状态可能不是使用的唯一索引，并且可以另外使用温度、电流或其他索引。换言之，查找表可以是多维的和/或函数可以包含多个变量。

对电池劣化进行适应

随着在电化学系统寿命期间对其使用，它们倾向于演化并经历劣化，导致性能损失和其行为的改变。电化学行为的改变包括电位分布在荷电状态范围、电荷容量、能量容量和功率容量上的改变。

在确定电极电位估计时使用电池过电位作为主要因素意味着本发明固有地表现出对电池劣化的一定程度的适应性。这是因为随着电池劣化，该劣化通常表现为电池电阻的改变和过电位的改变。通过在进行电极电位估计时考虑这一点，本发明不同于不表现出这种适应性的电池控制的其他方法，诸如使用随时间或荷电状态窗口定义的预先确定的充电电流分布。

然而，作为劣化的结果，最初在电池寿命开始时是行为表现良好的一些记录的电池参数和映射可能在稍后的寿命中不再良好。为了从本发明中提取较一致或较高的平均性能水平，电池管理控制的实施例可以尝试通过使用对开路电位的动态更新对参数和/或映射进行调节来考虑这种劣化。

可以对劣化的电池执行缓慢(例如，以C/10至C/50范围内的速率)充电或放电。这可以用于两个目的之一或两者。首先，这可以产生更新的电池容量值，该更新的电池容量值考虑了已通过劣化而发生的电荷容量的任何损失。然后可以使用该更新的电池容量值来提高或维持在本发明中用作索引的荷电状态估计的准确度。其次，可以假设记录的电池电位U_{cell,degraded}是电池开路电位相对于电池劣化状态下的荷电状态的足够接近的表示。它将是先前在图3的302中给出的新电池开路电位的变型。

然后可以在共同的荷电状态窗口上计算以下误差e，使得所有四项都是矢量：

等式10:e＝U_{cell,degraded}-(U_pos-U_neg)

其中，U_pos-U_neg项提供依据可从计算机存储器获得的各电极开路电位(在S902中初始获得)计算的当新的电池开路电位U_cell。由于劣化的发生，可以预期误差是非零的。换言之，图形上，从正电极的开路电位分布304减去负电极开路电位分布306将不再产生对电池开路电位的最新可用测量U_{cell,degraded}。

非零误差指示开路参数U_cell、U_pos和U_neg将得益于更新。可以如下获得更新的值：

电池开路电位U_cell在可用存储器中可以由在缓慢充电或放电时测量的U_{cell,degraded}代替，或其某个变型(诸如缓慢充电和放电时测量的U_{cell,degraded}的平均值)代替。

可以执行优化，其目的是将U_pos调节至新矢量U_pos,degraded和将U_neg调节至新矢量U_neg,degraded，使得误差值e的大小趋于零减小。在这种情况下，U_pos在计算机存储器中以U_pos,degraded代替，并且U_neg由U_neg,degraded代替。

结果是三个新的数据集，一个描述已经通过测量获得的图3A中的分布302的新版本，另一个描述已经通过优化获得的304的新版本，另一个描述也已经通过优化获得的306的新版本。

通常，可以由以下内容给出动态更新的频率：机会性时机，当应用提供可以在不中断正常使用的情况下在其中执行更新的窗口时发生更新，例如，在诸如电动车辆整夜闲置的停机时间期间，或者在充电期间；对贯穿电池寿命的固定时间段的调度，例如每月；和/或对由一些度量或度量的组合测量的固定量的劣化的调度，例如，在1C充电率下测量的每5％损失的电池电荷容量。

本发明对计算机存储器的要求相对较低，使得可以预加载更新的参数，该更新的参数在第一次使用电池之前并基于其预期劣化获得。

图6示出了参考全电池的构造，在该参考全电池中，电极曾是新的。可以使用劣化的电极重建参考全电池。为此，现有的全电池在其拆卸之前可能例如通过使用而劣化，然后将其拆卸以收获电极。

使用这些劣化的电极获取开路电位数据(702)和非平衡电位(704)将提供开路电位数据(类似于图3)，该开路电位数据较准确地表示电池老化时(即，在一定程度的时间或使用之后)电池的开路电位数据。此外，使用该数据产生过电位分数映射(708)也能够产生更能代表老化电池的过电位分数的映射。

可以在为了获得电极而拆卸电池之前，对应用于电池的老化的方法和程度进行设计，以尝试贴合地模仿将使用本发明的电池中期望的老化的方法和程度。

在动态更新或预先准备的更新的情况下，可以将参数与诊断数据一起存储，以提供关于整个寿命中的安全、健康/劣化途径的信息，并用于电池的任何进一步的使用或处置或回收。换言之，可以将获得的诊断信息进行存储并在稍后时日中使用这些信息来告知电池在超出其第一寿命以外的进一步使用。

最后，可以将动态更新和预加载的更新这两种方法组合在一起。

变型

图1和图2中的本发明的示例实施方式是本发明用于控制充电电流的一个示例实施方式。在替代实施例中，可以替代地控制充电电流的其他类似参数或代替物，诸如电流密度(面积的或体积的)、C-rate、功率(瓦特)、功率密度(面积的或体积的)、E-rate(功率与电池容量的比率)。

另一替代示例应用是将本发明用于控制充电或放电过程的持续时间的一个替代示例应用。在这样的示例中，充电/放电的终止可以通过已经达到的过程值(电极电位)或在设定点的设定范围内，来进行控制。可以选择设定点的值以及发生充电/放电终止的位置，使得保护电池免于过度劣化。例如，选择设定点以防止在放电过程期间正电极电位下降得“太”严重和/或防止负电极电位上升得“太”高。替代的示例，选择设定点以防止在充电过程期间正电极电位上升得“太”高和/或防止负电极电位下降得“太”低，并且因此终止充电过程。

此外，图2的示例呈现了仅使用一个过程值(负电极电位和/或正电极电位)的情况。在使用中可以替代地存在一个或多个过程值/设定点对。例如，负电极电位、正电极电位或两者，为电池提供增强的控制和保护。

在图2中，(S202)设定点可以替代地是非物理上有意义的任意选择的值。这样做的决定可以由实现特定较高级别的行为(例如，充电时间、电池寿命、电池寿命长度)的偏好来驱使，例如在已知这样做时(1)将发生过度劣化或(2)很大程度的“净空”剩余并且可能未开发利用全部性能。在选择不是由劣化(避免)目标直接驱使的意义上，这种方法是不同的。

图1和图2呈现了本发明存在于电池管理系统内的示例，该电池管理系统可以例如适用于电动车辆。在这种情况下，电动车辆旨在包括任何城市或道路车辆，诸如电动汽车、电池辅助的自行车、踏板车、运载工具或车辆，以及用于航空航天或基于水的应用的交通工具/运载工具系统。在相同的示例中，在充电器代替电池管理系统做出决策，决定向电池提供充电电流的类似的但替代的实施方式中，本发明可以存在于充电器内。这种情况的示例可以是无绳电动工具充电器，其中，充电器决定向无绳电动工具的电池组提供什么样的电流。

尽管本发明的一些特征使其特别适合于在嵌入式系统上使用，但是本发明不需要驻留在嵌入式系统(例如，电池管理系统或充电器)上，而是可以驻留在其他地方的计算机(例如，“云”)上并且在实时、近实时或非实时的控制过程中远程地连接至应用。

替代实施例

代替以描述的方式使用过电位映射来估计电极电位，过电位映射图可以替代地：用于估计每个电极处的过电位，可以对该每个电极处的过电位求和以产生对电池过电位的估计，该电池过电位的估计又可以用于许多可能的方法，诸如估计何时将达到电压极限，或者用于估计能量损失(低效率)的量，或者估计热生成。换言之，映射使得能够对电池效率和极化程度进行估计。

与本发明参数对电池劣化的适应一样，可以另外地更新控制过程参数。例如，可以更新设定点以在电池寿命的后期提供一致或较宽的安全裕度。在示例中，当本发明用于在电池将表现出劣化的电动车辆的整个寿命期间控制充电电流时，充电的一致安全裕度可能是有益的。

当将诸如302、304和306的开路数据记录并存储在计算机存储器中时，不必为每个电极和电池存储单个开路电位分布，以用于在充电和放电期间估计电极电位。换言之，可以存储单独的(和不同的)开路电位分布以供在充电和放电中的每个时期使用。对于可能在开路电位分布中表现出相对大的滞后的电池(例如，石墨负电极包含硅的一些电池)，尤其如此。

可以将诸如302、304和306中的开路数据附加被定义为温度和/或电池健康的函数，使得在实施例702中在这些不同条件下(例如，在不同温度(诸如0摄氏度或40摄氏度)下，在不同电池健康状况水平(诸如当电池仅保留其原始容量的90％时)下)获取它们并且附加地将其存储在计算机存储器中。尽管这增加了对存储器的要求，但是这可能是有利的，特别是如果预期难以在电池操作期间更新开路电位数据。

图8的过电位分数映射被示出为荷电状态和电流的函数(即，针对两个不同电流水平中的每一个电流水平提供独特的映射)。除了作为荷电状态和电流的函数之外，这些映射还可以是温度、电池健康或劣化状态以及其他属性的函数。这些附加的依赖性对于提高在不同条件下获得的映射值的准确性是有用的。为了构建这些不同变量的过电位映射，在不同条件下(例如，在不同温度(诸如0摄氏度或40摄氏度)下，在不同电池健康水平(诸如当电池仅保留其原始容量的90％时)下)重复包括S702至S708的步骤。因此，基本映射可以是由电极的过电位分数与荷电状态组成的二维表示。较高级的映射可以是五维的，由电极的过电位分数与以下另外四个轴组成：(1)荷电状态(示例范围0％至100％)，(2)温度(示例范围-10摄氏度至+45摄氏度)，(3)电流(示例值0.5C至5C)，以及最后，(4)由剩余的作为新容量的分数限定的电池健康状态(示例范围100％至50％)。

结论

上面讨论的本发明的实施例需要非常少量的参数用以估计电极电位。具体地，仅1)电池和每个电极的开路电位与荷电状态分布，2)一个或每个电极的过电位分数映射(过电位分数与荷电状态)。即需要四个参数的最小要求。这种低参数化要求提供了许多益处：

(1)从任何电池获得必要参数的经济和时间成本(数小时至数天)低。这与用于基于模型的电极电位估计(诸如电化学“全阶”连续体电池模型，甚至是它们的降阶变型)的替代方法的高参数化要求(数周至数月)形成对比，后者通常需要数十个参数。

(2)参数对电池劣化的较大的适应性：由于低参数要求(并且因为参数相对容易获得)，当电池在其寿命期间劣化时，参数相对容易更新。这是一个重要的优点。最初需要的参数越少，在电池的寿命后期可能能够就地获得的参数的数量或分数越大，使得本发明性能更好和/或更一致。例如，可以在电池的寿命期间通过执行简单的缓慢充电来更新所有三个开路电位参数(全电池和两个电极)，大约是总参数集的五分之三至四分之三。就地实验更新电极电位估计的替代的基于模型的方法所需要的数十个参数中的许多参数是不可能的。

(c)易于参数化：需要的那些少量参数相对容易获得。换言之，可以通过相对简单的参考电极全电池获得需要的开路电位和过电位，与各种各样的实验相反，获得替代方法所需要的参数通常需要一系列较昂贵的专业设备。本方法不仅最初较便宜且较快，而且它支持当电池在使用中时/在电池的寿命期间就地更新参数。

(d)计算量轻。本发明需要较少的计算资源(处理能力和计算机存储器)。这些特征提供了包括允许本发明用在包括嵌入式系统中的微控制器的硬件上的有益效果，在嵌入式系统中，成本、功耗和/或体积的最小化是期望的。例如，用作电池管理控制器10的微控制器足以用于本发明的操作，该微控制器的总存储器以数百千字节测量，并且该微处理器的处理器时钟速度以低至数百MHz测量，一个示例是TMS570系列的Texas Instruments^TM单元。应理解，本发明不限于这样的硬件类型或性能水平，而这用作一个可能的示例。

此外，确定电极电位估计中使用电池过电位作为主要元素意味着本发明固有地表现出对电池劣化的一定程度的适应性。这是因为随着电池劣化，该劣化通常表现为电池电阻的变化和过电位的变化。通过在进行电极电位估计时考虑这一点，本发明不同于不表现出这种适应性的电池控制的其他方法，诸如使用在时间或荷电状态窗口上定义的预先确定的充电电流分布。实际上，电极电位估计对劣化的这种适应性大幅地拓宽了本发明的操作有效性的范围。

最后，由于用于估计电极电位的方程的分析性质，电极电位求解过程具有较高的数学和数值稳定性。这具有确保高水平的可靠性、可依赖性和整体提高的安全性的较高水平的有益效果。

上面讨论的实施例和示例是说明性的，并不旨在限制由以下权利要求限定的本发明。

Claims

1.一种电池管理方法，用于对所连接电池充电或放电，和/或用于在电池诊断方法中使用，所述电池管理方法使用针对所述电池确定的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电位，所述电池管理方法包括以下步骤：

针对所连接电池，确定指示所连接电池的当前状态的一个或多个电池状态参数，所述电池状态参数至少包括所连接电池的瞬时电池电位和荷电状态；

针对所连接电池，基于所确定的荷电状态估计电池开路电位以及负电极和/或正电极的开路电极电位中的一个或多个；

通过对参考过电位分数表示进行参考，基于参考电池的估计的开路电位确定所连接电池的正电极和负电极中的一个或多个的过电位，所述参考过电位分数表示是存储器中可用的，并且将所述参考电池的相应的荷电状态的值映射到可归因于负电极和正电极的电池过电位的对应分数；

基于所述参考电池的估计的负电极和/或正电极的开路电位以及相应负电极和/或正电极的过电位，确定所连接电池的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电极电位；

根据所确定的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电位来控制所述电池的充电或放电，或确定指示电池健康的一个或多个参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，估计电池开路电位以及负电极和/或正电极的开路电极电位中的一个或多个包括：基于所确定的所连接电池的荷电状态，对参考开路电位表示进行参考，所述参考开路电位表示是存储器中可用的，并且将参考电池的相应的荷电状态的值映射到所述参考电池以及所述参考电池的负电极和正电极的开路电位的对应值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电极电位包括将负电极和正电极的开路电极电位与负电极和正电极的过电位相加(S914)。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，确定负电极和/或正电极中的一个或多个的过电位包括将电池过电位的值与过电位分数值组合(912)，所述过电位分数值指示可归因于负电极和正电极的电池过电位的相应分数。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定(S906)电池过电位包括确定(S906)所确定的所连接电池的电池电位与所述参考电池的开路电位之间的差。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电池状态参数还包括电池温度、充电电流和健康状态中的一个或多个。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对多个不同的参考电池确定参考开路电位表示和参考过电位分数表示并存储在存储器中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：通过针对一系列荷电状态的值对参考电池或半电池参考电池的电极电位进行监测来生成开路电位表示。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，代替所述参考电池的荷电状态，使用所确定的所连接电池的荷电状态来查找开路表示或过电位表示中的对应值。

10.一种电池管理系统，用于对所连接电池充电或放电，和/或用于在电池诊断方法中使用，所述电池管理方法使用针对所述电池确定的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电位，所述电池管理系统包括处理器，所述处理器被配置为执行以下步骤：

针对所连接电池，基于所确定的荷电状态估计所连接电池的电池开路电位以及负电极和/或正电极的开路电极电位中的一个或多个；

11.根据权利要求10所述的系统，其中，估计电池开路电位以及负电极和/或正电极的开路电极电位中的一个或多个包括：基于所确定的所连接电池的荷电状态，对参考开路电位表示进行参考，所述参考开路电位表示是存储器中可用的，并且将参考电池的相应的荷电状态的值映射到所述参考电池以及所述参考电池的负电极和正电极的开路电位的对应值。

12.根据权利要求10或11所述的系统，其中，确定负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电极电位包括将负电极和正电极的开路电极电位与负电极和正电极的过电位相加(S914)。

13.根据权利要求10、11或12所述的系统，其中，确定负电极和/或正电极中的一个或多个的过电位包括将电池过电位的值与过电位分数值组合(912)，所述过电位分数值指示可归因于负电极和正电极的电池过电位的相应分数。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，确定(S906)电池过电位包括确定(S906)所确定的所连接电池的电池电位与所述参考电池的开路电位之间的差。

15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述电池状态参数还包括电池温度、充电电流和健康状态中的一个或多个。

16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，针对多个不同的参考电池确定参考开路电位表示和参考过电位分数表示并存储在存储器中。

17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过针对一系列荷电状态的值对参考电池或半电池参考电池的电极电位进行监测来生成开路电位表示。

18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，代替所述参考电池的荷电状态，使用所确定的所连接电池的荷电状态来查找开路表示或过电位表示中的对应值。

19.一种计算机可读介质，其上存储有计算机代码，所述计算机代码在由计算机执行时，使所述计算机执行方法权利要求1至9中任一项所述的步骤。