电池管理系统中的电化学阻抗谱技术方案

本发明专利技术涉及一种在使用可再充电电池期间确定所述电池的健康状态(SoH)和/或充电状态(SoC)的方法，所述方法包括以下步骤：在第一选择频率范围内生成第一激励信号，在第二选择频率范围内生成第二激励信号，将所述第一和第二激励信号施加在所述可再充电电池上，测量所述两个激励信号中的每一个的响应信号，以及然后计算作为所述激励信号和相应的响应信号之间的比率的电化学阻抗(EI)，以及然后通过将计算的EI与所述电池的电路模型比较确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC，和/或通过直接评价EI的特性确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。本发明专利技术也涉及一种被配置用于执行根据本发明专利技术的方法的步骤的电池管理系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电池管理系统中的电化学阻抗谱
本专利技术涉及在电池管理系统中使用电化学阻抗谱测量，以便在使用期间确定可再充电电池的健康状态(SoH)，并且涉及在所述电池的使用期间(即在充电和放电期间)平衡电池单元。
技术介绍
随着锂离子电池在我们的日常生活中、尤其是在电动车辆中越来越多地使用，对更长电池寿命的需求变得越来越重要。在该上下文中电池寿命是指电池耐久性，电池组或单元在其需要再充电之前可以继续操作多长时间。尽管在如何实现延长的电池寿命方面存在差异(更有效的部件或更大容量的电池)，但是对于这些应用的充电状态(SoC)预测的准确性也存在增加的期望。另外，在较大的电池系统(例如在电动车辆中存在的电池系统)的情况下，期望增加寿命乃至第二寿命应用。当制造电池时，已知在电池投入使用之前通过电化学阻抗谱(EIS)测量来导出所述电池的模型。然而，在电池应该持续许多年的电动车辆的情况下，从EIS测量导出的模型将随时间变得不准确。在操作期间在电池管理系统(BMS)中适合于老化的电池单元的电池参数将永远不会像在实验室中用于新电池所测量的参数那样好。所以需要一种电池管理系统，其可以能够处理电池状态(电池模型)的降低的精度。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是提供一种在实际使用期间更精确地确定电池的各种参数(例如充电状态和/或健康状态)而不是依赖于电池的预测或工厂模型的方法。本专利技术的另一目的是在实际使用期间确定电池的各种参数，例如充电状态和/或健康状态，以及使用所述参数用于单元平衡。本专利技术的另一个目的是提供一种更有效的模块化电池管理系统。根据本专利技术，通过一种在使用可再充电电池期间确定所述电池的健康状态(SoH)和/或充电状态(SoC)的方法来实现上述和其他目的，所述方法包括以下步骤：-在第一选择频率范围内生成第一激励信号，-在第二选择频率范围内生成第二激励信号，-将所述第一和第二激励信号施加在所述可再充电电池上，-测量所述两个激励信号中的每一个的响应信号，以及然后-计算作为所述激励信号和相应的响应信号之间的比率的电化学阻抗(EI)，以及然后-通过将计算的EI与所述电池的电路模型比较确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC，和/或通过直接评价EI的特性确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。在电池操作期间确定EIS测量数据为已循环甚至几次的任何电池提供了增加的电池状态精度。优选地，在充电和/或放电期间确定EIS。通过使用两个激励信号(每个选择频率区域一个)，可以减小计算电化学阻抗谱的问题的计算复杂性，其容易在如今在电动车辆中使用的标准电池管理系统的微控制器中实现。在实施例中，直接从EI确定的这些特性可以被布置在这样的地方：其中Imag(Z)＝0，或者其中实对虚图中的阻抗曲线的斜率为零。根据本专利技术的方法的实施例还包括以下步骤：-计算EI的实部和虚部，并且可能在奈奎斯特(Nyquist)图中表示EI，以及然后-通过将所述电池的电路模型曲线拟合到计算的EI的实部和虚部或奈奎斯特图来确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。来自奈奎斯特图的特性属性将基于电池中增加的内部阻抗，预测由于循环和日历寿命并且也由于包括功率衰减而引起的电池老化。不仅板载EIS在整个电池系统的寿命期间改善了包含的SoH模型的准确性，而且还为BMS提供对电池动力学中未预见的变化作出反应的机会，所述变化在将电池安装到给定系统(例如车辆)中之前并未被电池的初始循环预见到。根据本专利技术的方法的另一实施例还包括以下步骤：-计算作为频率的函数的EI的幅度，以及然后-通过将作为频率的函数的EI的幅度曲线(波特图)拟合到所述电池的电路模型来确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。由此，与电池的复阻抗的幅度谱有关的频变参数是可容易预测的。根据本专利技术的方法的另一实施例还包括以下步骤：-计算作为频率的函数的EI的相位，以及然后-通过将作为频率的函数的EI的相位曲线拟合到所述电池的电路模型(波特图)来确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。由此，与电池的复阻抗的相位谱有关的频变参数是可容易预测的。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一选择频率范围包括比包括在所述第二选择频率范围中的频率低的频率。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一选择频率范围包括比包括在所述第二选择频率范围中的频率低的频率，并且其中所述两个频率范围重叠。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一选择频率范围包括比包括在所述第二选择频率范围中的频率低的频率，并且其中所述两个频率范围不重叠。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一选择频率范围包括在0.1Hz至1Hz，优选地0.1至1000Hz范围内的频率，并且其中所述第二选择频率范围包括在1000Hz至5000Hz，或500Hz至5000Hz，或1000Hz至10000Hz范围内的频率。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一激励信号是电流信号并且所述响应是电压信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第二激励信号是电流信号并且所述响应是电压信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第二激励信号是电压信号并且所述响应是电流信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一激励信号是电压信号并且所述响应是电流信号。在理论上，电流和电压信号可以互换以用于激励，但是精度的实际限制通常使得控制小电流比控制小电压更容易。这在测量电池的阻抗时特别重要，所述阻抗典型地在几毫欧的量级。对于适当的阻抗测量，激励不能将电池推到线性响应区域之外，所述线性响应区域典型地在正/负10-20mV的量级内，并且由于I＝U/Z(其中I是电流，U是电压，并且Z是阻抗)，激励电流在几安培的范围内，其可以比几mV更精确地被控制。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一激励信号是连续变化的谐波信号，例如正弦信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第一激励信号是步进信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述步进信号是交变步进信号或斜坡步进信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第二激励信号是连续变化的谐波信号，例如正弦信号。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述第二激励信号是单频恒定信号。由此显著减小计算复杂性，尤其是如果第二频率区域处于中间或高频率范围，例如1000Hz至5000Hz。在根据本专利技术的方法的另一实施例中，所述响应信号作为时域信号被测量并且然后傅立叶变换成频域，以便获得EI。电化学阻抗谱(EIS)可以用于表征不同的电化学系统，例如电池。EIS使用电信号的注入和所得的响应信号的分析。激励可以具有许多不同的波形，但是申请人进行的研究已表明可以使用单正弦信号并且它可以是电压或电流信号。下面描述可应用于在电池管理系统(BMS)中实现的三种方法：通过使用专用频率发生器和放大器产生激励信号执行单正弦阻抗谱，并且测量由另一正弦波形组成的交变响应信号。为了减少计算问题，单正弦阻抗谱与电流激励信号：和电压响应信号U(ω)＝U0·ejωt一起使用，其中ω是角频率并且是正弦波形的相位偏移。然后阻抗被计算为：替代地，或者与以上组合，可以使用傅立叶变换的TDM技术。TDM是数学处理，其中时域测量被变换为频域。其可以用于电池中的电流和电压变化之间的关系以提取电化学阻抗谱数据。这里要考虑的实现方式是电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在使用可再充电电池期间确定所述电池的健康状态(SoH)和/或充电状态(SoC)的方法，所述方法包括以下步骤：‑在第一选择频率范围内生成第一激励信号，‑在第二选择频率范围内生成第二激励信号，‑将所述第一激励信号和所述第二激励信号施加在所述可再充电电池上，‑测量所述两个激励信号中的每一个的响应信号，以及然后‑计算作为所述激励信号和相应的响应信号之间的比率的电化学阻抗(EI)，以及然后‑通过将计算的EI与所述电池的电路模型比较确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC，和/或通过直接评价EI的特性确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.25 DK PA2014004181.一种在使用可再充电电池期间确定所述电池的健康状态(SoH)和/或充电状态(SoC)的方法，所述方法包括以下步骤：-在第一选择频率范围内生成第一激励信号，-在第二选择频率范围内生成第二激励信号，-将所述第一激励信号和所述第二激励信号施加在所述可再充电电池上，-测量所述两个激励信号中的每一个的响应信号，以及然后-计算作为所述激励信号和相应的响应信号之间的比率的电化学阻抗(EI)，以及然后-通过将计算的EI与所述电池的电路模型比较确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC，和/或通过直接评价EI的特性确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：-计算EI的实部和虚部，并且可能地，在奈奎斯特图中表示EI，以及然后-通过将所述电池的电路模型曲线拟合到计算的EI的实部和虚部或奈奎斯特图，确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：-计算作为频率的函数的EI的幅度，以及然后-通过将作为频率的函数的EI的幅度曲线(波特图)拟合到所述电池的电路模型，确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。4.根据权利要求1、2或3所述的方法，还包括以下步骤：-计算作为频率的函数的EI的相位，以及然后-通过将作为频率的函数的EI的相位曲线拟合到所述电池的电路模型(波特图)，确定所述可再充电电池的SoH和/或SoC。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一选择频率范围包括比包括在所述第二选择频率范围中的频率低的频率。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一激励信号是电流信号，并且所述响应是电压信号。7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述第二激励信号是电流信号，并且所述响应是电压信号。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一激励信号是连续变化的谐波信号。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·E·克里斯滕森，R·R·莫斯比克，
申请(专利权)人：锂平衡公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK