用于估计电池的电压的方法和装置制造方法及图纸

技术编号:21040909 阅读:23 留言:0更新日期:2019-05-04 09:38
在用于估计电池的电压的方法中,提供了一种给定的电化学电池模型,其中电化学电池模型的一个参数是开路电势。开路电势被线性化。借助于具有线性化开路电势的电化学电池对电池的电压进行估计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于估计电池的电压的方法和装置本专利技术涉及一种用于估计电池的电压的方法。本专利技术还涉及一种相应的装置。在过去的几年中,汽车制造商经历了采用电动汽车的最初阶段。电动车辆(EV)采用后逐渐增加的趋势表明,电气化存储系统将在电动汽车的未来发展中发挥重要作用。锂离子电池由于其质量轻、比能量高、自放电率低且无记忆效应,已经成为电动车辆储能系统的最具吸引力的选择之一。为了充分利用锂离子储能系统并避免其物理局限性,需要精确的电池管理系统(BMS)。在EV中,BMS负责性能管理,这包括但不限于充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)估计算法、电源管理和热管理等。BMS的关键问题之一是电池模型。需要稳健、精确和高保真的电池模型来模拟恶劣环境中的电池动态行为。本专利技术的目的是借助于稳健、精确和高保真的电池模型以有效的方式估计电池的电压。该目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求中给出了本专利技术的有利实施例。本专利技术的特征在于一种用于估计电池的电压的方法。本专利技术的另外特征在于一种用于估计电池的电压的相应装置。在该方法中,提供了一种给定的电化学电池模型,其中电化学电池模型的一个参数是开路电势。开路电势被线性化。借助于具有线性化开路电势的电化学电池模型对电池的电压进行估计。选择电池模型是在模型复杂性、精度和参数化工作之间的权衡。从最抽象到最详尽可以将模型分为三个类别。这些类别是行为或黑盒、等效电路以及基于电化学或物理的模型。由于低计算量和可接受的精度,等效电路模型可以用于BMS中。然而,他们在描述电池内部物理行为方面存在不足。还可以对电池电化学过程进行建模。这种模型例如源自由Doyle-Fuller-Newman模型发展来的基于物理的电化学伪二维模型,该Doyle-Fuller-Newman模型基于多孔电极和浓液理论。严格的基于物理的P2D模型的主要好处是通过对电化学过程建模而实现的提高的精确度/精度。不幸地是,其在复杂度、计算时间、内存分配和实时控制方面都很高。通过提供一种方法,其中提供给定的电化学电池模型,其中电化学电池模型的开路电势是线性化的,可以以非常稳健和精确的方式估计电池的电压,其中所述估计的速度高达借助于非线性电化学电池模型进行估计的7倍。因此,可以实时估计电池的充电状态(SOC)、电池的健康状态(SOH)、电池的功能状态(SOF)、电源管理以及热管理等。根据一个实施例,利用给定数量的结(knot),对开路电势进行分段地线性化。借助于分段线性化,可以实现非常精确但仍然非常快速的估计。根据另一实施例,结的数量是四或五。结的数量越少,估计越快。结的数量越多,估计越精确。四个或五个结包括用于非常精确地实时估计电压的有利折衷。根据另一实施例,结被布置在点上,使得整体平方近似误差被最小化。通过使整体平方近似误差最小化,实现了非常精确的估计。根据另一实施例,借助于以下优化目标函数来最小化整体平方近似误差。其中,λi是结i的点,U(SOC)是开路电势的单变量非线性函数,其中x∈[SOC0%,SOC100%]并且SOC是充电状态,err是整体平方近似误差,ωi(SOC)是结i的分段线性函数。从而实现了非常精确的估计。根据另一实施例,该给定的电化学电池模型基于单粒子模型。根据另一实施例,在给定电化学电池模型中,电解质ce中的锂浓度设定为平均值。在低C-倍率(C-rate)的情况下,可以认为电解质ce中锂浓度的变化是恒定的。该假设进一步简化了电化学电池模型,使得估计更简单并且计算时间更短。根据另一实施例,固体粒子分布被设定为单个球体,在给定的电化学电池模型中,单个球体的表面积被成比例缩放到多孔电极的表面积。该假设进一步简化了电化学电池模型,使得估计更简单并且计算时间更短。根据另一实施例,Butler-Volmer方程的空间依赖在给定的电化学电池模型中被设定为常数。该假设进一步简化了电化学电池模型,使得估计更简单并且计算时间更短。根据另一实施例,给定的电化学电池模型基于以下公式其中是正电极和负电极之间的电势差,是正电解质和负电解质之间的电势差,Up(θp)-Un(θn)是开路电势,是电阻乘以电流除以电极板面积。使用以上公式,简化了电化学电池模型,使得估计更简单并且计算时间更短。下文中借助于示意性附图说明本专利技术的示例性实施例。这些附图如下:图1是锂离子电池工作原理的示意图;图2是全阶电化学模型的框图;图3是降阶电化学模型的框图;图4是降阶电化学模型的框图;图5是实验OCP曲线与通过对连接点进行优化获得的连续分段线性函数的比较;图6是用于估计电池的电压的程序的流程图。电池将化学能转换为电能,反之亦然。电池单元的基本结构包括四个主要部分:正电极、隔膜、电解质和负电极。正电极和负电极被称为阴极和阳极,如图1所示。使用集电器板将电池连接到外部负载。在锂离子电池的情况下,在负电极中使用铜集电器,同时在正电极中使用铝集电器。阳极是能够向负载提供电子的电极。阳极复合材料限定了锂离子电池的名称并且通常由碳的混合物(例如,LixC6)组成,阴极通常由金属氧化物(例如,LiCoO2或LiMn2O4)组成,而电解质能够由液体(例如,LiPF6)、聚合物或固体材料组成。在固体或聚合物材料的情况下,电解质还会充当隔膜。隔膜是多孔膜,其仅允许锂离子通过,因此用作电极之间的电子屏障。它可以防止短路的发生和热失控,同时提供可忽略的电阻。在存在负载电流的情况下,发生氧化还原反应(还原、氧化)。氧化反应发生在阳极处,其中捕获的锂粒子开始朝向将锂分成离子和电子的电解质-固体界面脱嵌。由于浓度差,锂离子转移通过溶液,而电子移动通过集电器,因为电解质溶液充当电子绝缘体。还原反应发生在阴极处,其中来自阳极的行进的锂离子开始嵌入并且与来自正集电器的电子反应。在充电和放电过程中,随着锂离子在电极之间往返,嵌入和脱嵌的整个现象能够逆转。理论上,这种现象可以无限进行。不幸地是,由于电池单元材料的降解和其他不可逆的化学反应,电池单元容量和功率随着循环和使用的次数而降低。在下文中,描述了示例性电化学电池模型。首先,总结了控制固相和电解质相中的电荷和物质守恒的数学方程。电极模型基于多孔电极理论,并且单球体粒子中的锂离子浓度:其中是固体粒子中的Li+的浓度。在粒子表面处,离子离开或进入粒子的速率等于化学反应jli的体积率(volumetricrate),而在粒子的中心处,该速率等于零,边界条件记为:和其初始条件为:由于离子流动和电流,电解质中的Li+的浓度发生改变。它可以在笛卡尔坐标系中描述为:其中ce(x,t):(0,L)×R+→[0,ce,max]是电解质中Li+的浓度,εe和是域(阳极、阴极、隔膜)相关参数。Bruggemans关系解释了Li+通过多孔电极和隔膜传输的曲折路径。确保集电器处的零通量以及通过电池单元内相邻的域的浓度和通量的连续性,所以边界条件记为:和其初始条件为:电极中的电势导出自欧姆定律:集电器处的电势(x=0和x=L)与施加的电流成正比并且在隔膜处为零,边界条件记为:电解质中的电势导出自电荷守恒定律:其初始条件为:固体/电解质界面处的化学反应的体积率由Butler-Volmer电流密度方程控制。该方程将反应速率与相电势相关联,并且被描述为:过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于估计电池的电压的方法,其中,‑提供一种给定的电化学电池模型,其中电化学电池模型的一个参数是开路电势,‑将所述开路电势线性化,‑借助于具有线性化开路电势的电化学电池模型对电池的电压进行估计。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于估计电池的电压的方法,其中,-提供一种给定的电化学电池模型,其中电化学电池模型的一个参数是开路电势,-将所述开路电势线性化,-借助于具有线性化开路电势的电化学电池模型对电池的电压进行估计。2.根据权利要求1所述的方法,其中,-利用给定数量的结对开路电势进行分段线性化。3.根据权利要求2所述的方法,其中,结的数量是四或五。4.根据权利要求2或3所述的方法,其中,将结布置在点上,使整体平方近似误差最小化。5.根据权利要求4所述的方法,其中,借助于以下优化目标函数使整体平方近似误差最小化,其中,λi是结i的点,U(SOC)是开路电势的单变量非线性函数,其中x∈[SOC0%,SOC100%]并且SOC是充电状态,err是整体平方近似误差,ωi(SOC)是结i的分段线性函数。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其中...

【专利技术属性】
技术研发人员:本诺·施魏格尔穆罕默德·法拉格赛义德·哈比比
申请(专利权)人:宝马股份公司加拿大宝马有限公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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