用于确定锂硫电池组的健康状况和充电状态的方法和装置制造方法及图纸
Methods and devices used to determine the health and charging status of the lithium sulfur battery group
A system and method for accurately determining the health of a lithium sulfur battery group, module, or battery (including the state of charge and relative age). The invention uses the operation model of the lithium sulfur battery or the battery group to predict the model parameters under a series of conditions related to the state of charge and health. The operation model includes memory effect caused by the unique chemical properties of lithium sulfur battery, which does not include the use of other methods for determining the health status of lithium sulfur battery. The model parameters are identified in real life applications, and the parameters are compared with the parameters of the lithium-sulfur model using the Calman filter. The output includes estimates of health status and other key performance indicators. The key performance indicators are compared with the measured values of the resistors to provide feedback to the estimation process in order to improve the accuracy. The system can be implemented as a software or firmware in the application.
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定锂硫电池组的健康状况和充电状态的方法和装置
本专利技术一般涉及用于确定二次电池的充电状态和健康状况的方法和装置，该二次电池由于在正常使用中的电池的动态循环而容易受到容量的变化的记忆效应。本专利技术在具有锂硫化学性质的电池中得到特定的应用。本专利技术还涉及方法和装置在电池组管理系统和能量系统控制器中以及在电动车辆中使用的测距和路线寻找装置和方法中的应用。背景可靠地确定提供例在如便携式电子产品和电动车辆运输中用作电源的可再充电电池的二次电池的剩余电荷的数量的能力由制造商和消费者以同样的方式高度重视，以便计算车辆的剩余使用时间或可用距离。在汽油车辆的情况下，可以简单地测量燃油油位，然而在电动和混合动力车辆中以及在电子设备中，由于使用电池作为它们的电源，所以难以测量电池组中累积的剩余能量。尽管如此，各种技术已被开发。因此，用于确定二次电池的重要度量是充电状态SOC，其指示直到再充电被需要之前存储在可再充电电池中的剩余能量。相反，放电状态表示自从上一次充电以来由可再充电电池提供的能量。特别地，与在该充电周期中的该电池提供的总容量Qt相比，SOC是直到再充电被需要...
【技术保护点】
一种用于对具有锂硫化学性质的二次电化学电池的充电状态SOC建模的装置，在所述二次电化学电池中，容量能够由于活性反应物质在使用中变得暂时非活性而被失去，所述装置包括：电池模型模块，其可操作来基于表示所述电池的内部状态的模型来预测使用中的所述锂硫电池的电气特性，所述模型对于所有充电状态SOC使所述电池的端子电压与所述电池的操作条件相关联；记忆效应模块，其可操作来基于记忆模型对使用中的所述锂硫电池的可用容量建模，所述记忆模型表示由于在使用中变得暂时非活性的所述活性反应物质的数量的变化而引起的所述电池中的活性反应物质的数量的变化，其中，所述记忆模型基于所述电池的操作历史在使用期间预...
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.16 GB 1506497.51.一种用于对具有锂硫化学性质的二次电化学电池的充电状态SOC建模的装置，在所述二次电化学电池中，容量能够由于活性反应物质在使用中变得暂时非活性而被失去，所述装置包括：电池模型模块，其可操作来基于表示所述电池的内部状态的模型来预测使用中的所述锂硫电池的电气特性，所述模型对于所有充电状态SOC使所述电池的端子电压与所述电池的操作条件相关联；记忆效应模块，其可操作来基于记忆模型对使用中的所述锂硫电池的可用容量建模，所述记忆模型表示由于在使用中变得暂时非活性的所述活性反应物质的数量的变化而引起的所述电池中的活性反应物质的数量的变化，其中，所述记忆模型基于所述电池的操作历史在使用期间预测所述电池的额定容量Qt中的可用容量Qusable的比例，所述记忆效应模块从而考虑到由于活性反应物质在使用中变得暂时非活性而引起的所述电池的可用容量的可逆变化；其中，所述装置被配置为使得所述电池模型模块和/或记忆效应模块基于所述锂硫电池的操作历史来调整使用中的所述电池模型模块，以补偿由所述记忆效应模块对所述电池的可用容量的预测。2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电池的操作条件包括下列项中的一个或更多个：所述电池的名义开路电压；所述电池上的电流负载；所述电池的温度；所述电池的内电阻。3.如权利要求1或2所述的装置，其中，表示所述电池的内部状态的所述模型是包括多个所建模的电气元件的等效电路网络模型，所述等效电路网络模型由所述等效电路网络模型的组成电气元件的特性参数化。4.如权利要求3所述的装置，其中，所述等效电路网络模型由与欧姆电阻串联的电压源和被表示为RC对的一个或更多个扩散电阻组成。5.如权利要求4所述的装置，其中，所述等效电路网络通过被视为所述电压源的所述电池的名义开路电压来对电池行为建模，并且所述欧姆电阻和所述扩散电阻的参数化特性被选择为在给定电流负载和温度下在给定充电状态下将所述电路中的电压一直降低到所述电池的所述端子电压。6.如权利要求1或2所述的装置，其中，表示所述电池的内部状态的所述模型是参数化的基于物理性质的电池模型。7.如权利要求3到6中任一项所述的装置，还包括参数值资源，所述参数值资源被配置为可用于向所述电池模型模块提供在给定操作条件下针对所述电池的所建模的行为的所述电池模型的参数的值。8.如权利要求7所述的装置，其中，所述电池模型的参数值取决于所述电池的所建模的充电状态。9.如权利要求7或权利要求8所述的装置，其中，基于标准电池的测试来凭经验或半凭经验地得到所述电池模型的所述参数值。10.如权利要求7、8或9所述的装置，其中，所述电池模型的所述参数值存储在参数值资源中，可选地存储在查找表中。11.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，表示所述电池中的活性反应物质的数量的变化的所述记忆模型跟踪所述电池中的活性反应物的数量和/或所述电池中的暂时非活性的反应物的数量和可选地所述电池中的永久非活性的反应物的数量。12.如权利要求11所述的装置，其中，表示所述电池中的活性反应物质的数量的变化的所述记忆模型包括使所述电池的反应物质的不同表现、这些不同表现中的所述反应物质的数量、反应物质的这些不同表现在充电和放电期间所参与的反应及其反应速率相关的一组规则。13.如权利要求12所述的装置，其中，所建模的反应速率由下列项中的一个或更多个参数化：所述电池的操作条件；反应物质的不同表现的所建模的数量；所述电池的内部状态；使用中的所述电池的电气特性。14.如权利要求12或13所述的装置，其中，所建模的反应速率的参数化值通过对所述电池的理论预测而得到，或者基于标准电池的测试而凭经验或半凭经验地被拟合或得到。15.如权利要求12、13或14所述的装置，表示所述电池中的活性反应物质的数量的变化的所述记忆模型是简化的物理模型，所述简化的物理模型将所述电池的反应物质分组成表示高级表现、中级表现和低级表现的三组，并且其中，所述模型将所述电池的充电和放电曲线分为高平稳段和低平稳段，并假定在高到中级表现之间的反应在所述高平稳段中占优势，而在中到低级表现之间的反应在所述低平稳段中占优势。16.如权利要求15所述的装置，其中，所述记忆模型假设当所述电池端子电压低于在所述高平稳段和所述低平稳段之间的边界电平时，在所述高到中级表现之间的反应不发生，导致反应物的高级表现的剩余量被认为是暂时非活性的并且不能够有助于所述电池的剩余容量。17.如权利要求11到16中任一项所述的装置，其中，所述记忆效应模块被配置为给定由所述记忆模型建模的所述电池的历史、基于在所述电池中的活性反应物质的数量来针对给定的一组操作条件对所述电池的可用容量Qusable建模。18.如权利要求11到17中任一项所述的装置，当依赖于权利要求8到11中任一项时，其中，所述装置被配置为基于由所述记忆效应模块对所述电池的可用容量的预测、通过调整所述参数值资源来调整使用中的电池模型模块，以提供参数值来补偿所述电池的可用容量中的损失。19.如权利要求18所述的装置，当依赖于权利要求4和16时，其中所述参数值资源被配置为使用对应于给定的低电流充电或放电速率的所述电池模型的参数值作为基线参数集合，并且其中，所述装置被配置为调整所述参数值资源，使得当所述端子电压降低到所述边界电压之下时，所述参数值资源跳过所述基线参数值以从对应于在所述低平稳段处的相同端子电压的相同欧姆电阻值继续，其中，跳过的容量表示由于暂时非活性的物质导致的容量损失。20.一种用于估计具有锂硫化学性质的使用中的二次电化学电池的充电状态SOC的装置，在所述二次电化学电池中，容量能够由于活性反应物质在使用中变得暂时非活性而被失去，所述装置包括：电池操作条件监控模块，其被配置为接收使用中的所述锂硫电池的操作条件的测量值；电池模型模块，其可操作来基于表示所述电池的内部状态的模型来预测使用中的所述锂硫电池的电气特性，所述模型对于所有充电状态SOC、使所述电池的端子电压与所述电池的操作条件相关联；记忆效应模块，其可操作来基于记忆模型对使用中的所述锂硫电池的可用容量建模，所述记忆模型表示由于在使用中变得暂时非活性的活性反应物质的数量的变化而引起的所述电池中的活性反应物质的数量的变化，其中，所述记忆模型基于所述电池的操作历史在使用期间关联所述电池的额定容量Qt中的可用容量Qusable的比例，所述记忆效应模块从而考虑到由于活性反应物质在使用中变得暂时非活性而引起的所述电池的可用容量的可逆变化；其中，所述装置被配置为使得所述电池模型模块和/或记忆效应模块基于所述锂硫电池的操作历史来调整使用中的所述电池模型模块，以补偿由所述记忆效应模块对所述电池的所述可用容量的预测；状态估计器模块，其被配置为基于由所述电池操作条件监控模块在使用期间接收到的所述锂硫电池的操作条件的测量值来操作所述电池模型模块和所述记忆效应模块，以估计使用中的所述电池的内部状态；以及充电状态估计器模块，其被配置为基于所述电池的所估计的内部状态来操作所述电池模型模块，以估计所述锂硫电池的充电状态。21.如权利要求20所述的装置，其中，所述充电状态估计器模块还被配置为提供所述电池的所述健康状况的估计，作为所述电池的所建模的可用容量Qusable与所述电池的额定容量Qt的比。22.如权利要求20或21所述的装置，其中，所述状态估计器模块被配置为通过作为迭代反馈回路操作来在每个时间间隔改善所估计的状态，在所述迭代反馈回路中，基于所述电池的所测量的操作条件来校正基于将在前一时间间隔处的所述电池的所估计的内部状态向前投射到当前时间间隔处的电池模型对所述电池的内部状态的预测，以更新所述电池的当前内部状态的估计。23.如权利要求22所述的装置，其中，所述状态估计器模块被配置为卡尔曼型滤波器，可选地作为卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器、粒子滤波器或者连伯格状态估计器。24.如权利要求20或21所述的装置，其中，所述状态估计器模块被配置为操作预测误差最小化技术以识别表示使用中的所述电池的内部状态的电池模型的参数的估计。25.如权利要求20或21所述的装置，其中，所述状态估计器模块被配置为求解一组模糊逻辑规则以识别表示使用中的所述电池的内部状态的电池模型的参数的估计。26.如权利要求20到25中任一项所述的装置，其中，由使用中的所述电池操作条件监控模块接收的所述电池的操作条件的测量值包括：所述电池的端子电压；所述电池上的电流负载；和可选地所述电池的温度；以及可选地所述电池的内电阻。27.如权利要求20到26中任一项所述的装置，其中，所述电池模型模块和所述记忆效应模块由如权利要求1到19中任一项所述的装置提供。28.如权利要求20到27中任一项所述的装置，还包括电池操作条件测量工具，其包括：端子电压感测电路；以及电流负载感测电路；以及可选地：包括开关电路的电池内电阻感测电路，所述开关电路包括平衡电阻器；以及温度传感器。29.如前述权利要求中任一项所述的装置，还包括一个或更多个处理器和存储指令的计算机可读介质，当所述指令被一个或更多个处理器执行时使所述一个或更多个处理器实现如权利要求1到28中任一项所述的装置。30.如前述权利要求中任一项所述的装置，当依赖于权利要求3时，其中，通过预测误差最小化技术在所述模型的使用中或在从测试电池数据凭经验得到参数值中识别表示所述电池的内部状态的电池模型的参数值。31.如权利要求30所述的装置，其中，所述预测误差最小化技术定义标量拟合度函数。32.一种电池组管理系统，其包括多于一个电池或用于耦合到多于一个电池的能量系统控制器，所述电池组管理系统包括：如权利要求1到31中任一项所述的装置，其布置成估计使用中的所述多于一个电池的充电状态SOC和可选地健康状况SoH。33.一种用于估计电动车辆的可行驶的路程的装置，所述电动车辆包括布置成为所述车辆提供动力的多个二次电化学电池，其中，容量能够由于活性反应物质在使用中变得非活性而被失去，所述装置包括：如权利要求20到31中任一项所述的装置，其被配置为操作来估计使用中的所述电池的充电状态和剩余容量；可行驶的路程估计模块，其被配置为基于对使用中的所述电池的所述充电状态和剩余容量的估计以及在所述车辆中的使用中的所述电池的预测操作条件来估计所述电动车辆的可行驶的路程。34.一种用于计划电动车辆的路线的装置，所述电动车辆包括布置成为所述车辆提供动力的多个二次电化学电池，其中，容量能够由于活性反应物质在使用中变得非活性而被失去，所述装置包括：如权利要求33所述的用于估计电动车辆的可行驶的路程的装置；以及路线计划模块，其被配置为至少部分地基于由所述可行驶的路程估计模块基于遵循朝着期望目的地的路线的所述电池的所预测的操作条件产生的所述电动车辆的所估计的可行驶的路程，来计划朝着所述期望目的地的路线。35.如权利要求34所述的装置，还包括用于从由所述路线计划模块计划的多于一个路线中选择朝着目的地的最佳路线的路线优化模块。36.一种包括指令的计算机可读介质，所述指令当被一个或更多个处理器执行时使所述一个或更多个处理器实现如权利要求1到35中任一项所述的装置。37.一种用于生成二次电化学电池的...
【专利技术属性】
技术研发人员：马克·怀尔德，格雷格·奥弗尔，莫尼卡·马里恩斯库，丹尼尔·奥格，阿巴斯·福托伊，杰伦特·明顿，
申请(专利权)人：奥克斯能源有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB
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