使用电极瞬态模型估计电池状态制造技术

本发明专利技术提供一种电气系统，包含电池组、传感器和控制器。所配置的传感器输出所测量的状态信号，指示电池背面的实际状态，包括多个电池单元中的每一个的相应实际电压、电流和温度。控制器使用多个电池单元中的每一个的相应开路电压与低频瞬态电压来执行响应于测量的状态信号生成多个电池单元的估计状态的方法。控制器使用多孔电极瞬态(PET)模型作为模型组的部分来估计低频瞬态电压，多孔电极瞬态模型具有表示单元电极内不均匀电荷分布的开路电压元件。使用所估计的电压来估计电池组的荷电状态(SOC)。响应于估计的荷电状态实时控制电气系统的运行状态。

Transient electrode state estimation using battery model

【技术实现步骤摘要】
使用电极瞬态模型估计电池状态引言本专利技术涉及使用可充电电池组的电气系统。本专利技术的各个方面涉及电池组的平衡单元电压的实时估计，以及使用电压来估计电池组的荷电状态(SOC)或功率状态(SOP)。正如此项技术中常用的，术语“荷电状态”是指电池能量，通常表示为百分比，相对于完全充电的电池组的相应SOC，仍然可用于电池的各种单元中。“功率状态”描述了在预定的最大使用持续时间(例如，2s或10s)之后电池组的剩余功率容量。监视电池状态使能够在充电或放电操作期间进行最佳控制和功率流决策。因此，电气化车辆、动力装置和其它电气化系统受益于电池管理系统的使用，电池管理系统能够更好地跟踪在实际状态测量之间电池组的内部状态或状态的演变。本专利技术有助于支持此类应用。电池单元包括正极与负极。在现有技术中，此类单元通常由渗透有液体电解质的多孔材料制成。例如，在示例锂离子电池单元的充电过程中，锂原子扩散到发生电化学反应的正极表面。此电化学反应产生带正电荷的锂离子，随后锂离子通过正电极孔隙中的电解质溶液迁移，穿过防止正电极与负电极之间直接接触的分离器，随后迁移到负电极的孔隙中。锂离子最终到达负电极表面，随后离子在负电极表面进行第二次电化学反应。锂离子随后扩散到负电极材料中。在电池单元的放电期间，上述反应的方向与锂离子流动的方向相反。上述示例锂物质可以由其它适用的化学物质代替，且对于一些电池构造，两个电极中仅有一个可能是多孔的。所公开的方法是有用的，在不考虑用于构造电池单元的特定化学物质的情况下，只要至少电极的一个是多孔。控制化学物质流动的物理化学过程的性质是，通过给定电极，每个物质的浓度不一定是均匀的。此不均匀性导致电极材料中各个点处的局部SOC的差异。特别地，电极前部的局部SOC，也就是说最接近分隔器区域，可能与同一电极背面的局部SOC不同，也就是说最接近集电器，从而产生前到后SOC差距。处于开路状态的电池单元，给定足够的时间，就会稳定到被称为单元开路电压(OCV)的平衡电压。理想地，给定电池单元的OCV对于每个SOC都是唯一的，与电池单元在切换到开路状态之前是否正在充电或放电无关，并且也与电池电流的大小无关。OCV随着电池单元SOC的增加而单调增加，因此OCV与SOC之间的关系是可逆的。也就是说，在x是分数SOC的情况下，即，0≤x≤1，且Vo代表OCV，非线性OCV曲线由VO＝U(x)函数界定，所述函数可逆为x＝U-1(Vo)。因此，一旦给定的电池单元已经足够长地静止且准确地测量其OCV，就可以粗略地估计SOC。在混合动力电动或电池电动车辆中，电池状态估计(BSE)逻辑可能参考此OCV曲线以实时估计SOC。或者，可以使用称为库仑计数的方法从t＝0处的初始SOCx(0)跟踪SOC，即其中Cap是电池单元的容量且I(τ)是电池电流。BSE逻辑可以平衡基于电压的估计与基于库仑的估计以产生复合估计。由于库仑计数本质上是开环的且存在积分误差的累积，因此基于电压的估计用作重要的闭环检查。由于电路电阻和电压瞬态的存在以及电池单元本身内发生的电荷转移物理，使得上述OCV曲线与实时状态估计问题的判定精确度变得复杂，所有这些都可能结合起来使现有的SOC/SOP估计技术在某些条件下不是最优的。
技术实现思路
本专利技术公开一种电池状态估计(BSE)方法，用于与具有多单元电池组的电气系统一起使用。虽然锂离子化学被描述为示例电池化学物质，但是教示并不限于锂离子电池，而是具有至少一个在上述方式中多孔的电极的电池配置。作为公开方法的一部分，控制器被编程为执行体现本方法的指令，从而通过建模或基于传感器的测量来判定各种电池单元的电池电压。根据此类估计，控制器得出电池组的荷电状态(SOC)和可能的功率状态(SOP)。石墨被广泛用作锂离子电池负极中的活性材料。本方法特别适用于此材料，因为石墨电极的OCV曲线具有几个几乎平坦的区域，通常称为平顶，在平顶之间具有相对尖锐的过渡。在这些过渡附近，电极的局部SOC的微小差异，例如前到后SOC差异，可能对端子电压具有显着的(尽管是瞬态的)影响。如果未正确考虑瞬态电压效应，那么可能导致不准确的实时BSE。因此，电池单元的SOC的离散/单层容量估计可能导致不太准确的实时BSE。本方法旨在通过仔细考虑此类瞬态效应来帮助改良此类状态估计。每个电极具有相应的开路电压(OCV)曲线，其可以相对于共同参考(通常是纯锂)进行实验测量。在单元终端观察到的OCV是单元的两个半单元OCV之间的差异。局部SOC的差异，例如前到后SOC差异，可能导致电极中不同点处的不同OCV。电池终端所测得的电压受此类局部电压的影响。如果允许电池单元在开路处停留，那么锂(在锂离子实施例中)将通过在电极的固体材料内的扩散和通过上述过程从高浓度区域移向低浓度区域移动，锂从较高局部SOC的区域向下插入，通过孔隙中的电解质迁移，且插入到较低局部SOC的区域中。这导致在终端处测量的电压的瞬变。当整个电极的局部SOC平衡到一个均匀的大容量SOC时，端子电压稳定到单元OCV。因此，在给定端子电压测量值的情况下，为了更准确地实时估计大容量SOC，需要对测量电压进行补偿以消除瞬态影响。本方法有利于消除此类影响。特别地，本策略中使用的控制器使用多孔电极瞬态(PET)模型作为集合模型组的一部分来解决此类瞬态效应的潜在问题。PET配置成模拟在充电或放电期间在电池单元中发生的低频瞬态电压效应。PET模型考虑给定电极(例如负电极)的多个离散“层”处的电荷分布。在一些实施例中可以使用最少三个所述离散层，在其它实施例中多达七到十个所述离散层就足够了，因此与本方法相关的额外计算负担是最小的。根据需要，可以通过PET模型对更多或更少的离散层进行建模，以提供所需的计算负载性能权衡。特别地，控制器通过将电压调节加到OCV值来补偿通过电极深度的SOC分布的上述差异，所述调节由PET模型预测。PET模型可以体现为由多个OCV元件组成的传输线/等效电路，每个OCV元件可以与其自身校准/预定的电荷转移电阻串联，且通过有效孔电阻与其相邻元件并联，两个电阻值都与温度有关。另一种方法是将离散的偏微分方程(PDE)瞬态模型应用到同一末端。在一示例实施例中，电气系统包含具有多个电池单元、传感器和上述控制器的电池组，后者配置以执行本方法。传感器输出表示电池背面的实际状态的测量状态信号，电池组的实际状态包含多个电池单元中的每一个的相应实际电池电压、电流和温度。响应于测量的状态信号，控制器产生电池组的估计荷电状态(SOC)，且其后响应于估计的SOC实时控制电气系统的操作状态。多个OCV元件可以在控制器的存储器位置中表示为等效电路模型。所述等效电路模型可包括对电极离散层的每个所需数量(N)的校准电荷转移电阻和校准有效孔隙电阻。这里，N等于多个OCV元件的数量，例如，在非限制性实施例中，N≥3。在其它实施例中可以使用N的其它值，例如，N≥5。如一般熟悉此技术的人员所理解的，电荷转移电阻和孔隙电阻是与温度有关的值。多个OCV元件可以替代地在控制器的存储器位置中表示为表示连续SOC分布θe(t，z)的一组偏微分方程(PD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池状态估计方法，用于与具有带有多个电池单元的电池组的电气系统一起使用，所述方法包括：/n测量所述多个电池单元的每一个的相应的实际电压、电流和温度；/n将指示所述电池实际状态的测量状态信号传输回控制器；/n响应于测量的状态信号，使用所述多个电池单元的每一个的相应开路电压和低频瞬态电压通过所述控制器产生所述电池单元的估计电压，包括使用具有多个开路电压元件的多孔电极瞬态模型来估计所述低频瞬态电压，所述多个开路电压元件共同表示所述多个电池单元的每一个的电极内的不均匀电荷分布；/n使用所述电池单元的估计电压通过所述控制器估计所述电池组的荷电状态；以及/n响应于所述估计的荷电状态，通过所述控制器实时控制电气系统的运行状态。/n

【技术特征摘要】
20181207 US 16/2131591.一种电池状态估计方法，用于与具有带有多个电池单元的电池组的电气系统一起使用，所述方法包括：
测量所述多个电池单元的每一个的相应的实际电压、电流和温度；
将指示所述电池实际状态的测量状态信号传输回控制器；
响应于测量的状态信号，使用所述多个电池单元的每一个的相应开路电压和低频瞬态电压通过所述控制器产生所述电池单元的估计电压，包括使用具有多个开路电压元件的多孔电极瞬态模型来估计所述低频瞬态电压，所述多个开路电压元件共同表示所述多个电池单元的每一个的电极内的不均匀电荷分布；
使用所述电池单元的估计电压通过所述控制器估计所述电池组的荷电状态；以及
响应于所述估计的荷电状态，通过所述控制器实时控制电气系统的运行状态。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个开路电压元件在所述控制器的存储器位置中表示为等效电路模型，包括：对所述电极的数个(N)离散层中的每一个的电荷转移电阻和有效孔隙电阻，并且其中N等于所述多个开路元件的数目。


3.根据权利要求1所述的方法，其中N≥3。

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【专利技术属性】
技术研发人员：C·W·万普勒二世，D·R·贝克，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US