用于在低温下最大化充电功率的阳极电位的在线测量制造技术

本发明专利技术涉及一种电池系统，其允许优化的充电过程，特别是充电过程，其中当电池系统处于低温环境时充电功率最大化。电池系统配备有多个电池单元，其中对于单元的预定义子集，无论是否发生锂析出都受到监督。为此，利用安装在单元的预定义子集中的参考电极的电位。本发明专利技术还涉及一种包括根据本发明专利技术的一个或多个电池系统的电池组和车辆、以及一种用于为电池系统充电的方法。充电的方法。充电的方法。

【技术实现步骤摘要】
用于在低温下最大化充电功率的阳极电位的在线测量


[0001]本专利技术涉及一种电池(battery)系统，其允许优化充电过程，尤其是充电过程，其中当电池系统处于低温环境时充电功率最大化。本专利技术还涉及一种包括根据本专利技术的一个或多个电池系统的电池组以及一种包括根据本专利技术的至少一个电池系统和/或根据本专利技术的至少一个电池组的车辆。此外，本专利技术涉及一种为电池系统充电的方法，其中当电池系统处于低温环境时，充电功率最大化。

技术介绍

[0002]近年来，已经开发了使用电力作为运动源的用于运输货物和人员的车辆。这种电动车辆是一种使用存储在可再充电电池中的能量由电动机驱动的汽车。电动车辆可以单独由电池供电，或者可以是另外由例如汽油发电机供电的混合动力车辆的形式。此外，车辆可以包括电动机和传统内燃机的组合。通常，电动车辆电池(EVB)或牵引电池是用于为电池电动车辆(BEV)的推进提供动力的电池。电动车辆电池与启动、点亮和点火电池不同，因为它们被设计为在持续的时间段内给予电力。可再充电电池或二次电池与一次电池的不同之处在于它可以反复充电和放电，而后者仅提供化学能到电能的不可逆转换。低容量可再充电电池用作小型电子设备的电源，诸如蜂窝电话、笔记本计算机和便携式摄录机，而高容量可再充电电池用作用于混合动力车辆等的电源。
[0003]通常，可再充电电池包括电极组件，该电极组件包括正极、负极和介于正极和负极之间的隔板、容纳电极组件的壳体以及电连接到电极组件的电极端子。将电解质溶液注入壳体中，以便使得能够经由正极、负极和电解质溶液的电化学反应对电池进行充电和放电。壳体的形状，例如圆柱形或棱柱形，取决于电池的预期用途。锂离子(和类似的锂聚合物)电池(通过其在膝上型计算机和消费电子产品中的使用而广为人知)在最近开发的电动车辆组中占主导地位。
[0004]可再充电电池可用作电池系统或电池模块(后面的术语可互换使用)，其由串联和/或并联耦合的多个单位电池单元(cell)形成以提供高能量密度，特别是对于混合动力或全电动车辆的电动机驱动。即，电池系统通过取决于所需电量互连多个单位电池单元的电极端子而形成，以实现高功率可再充电电池。
[0005]电池组是一组任意数量(优选是相同的)电池系统或电池模块。它们可以串联、并联、或串联和并联的混合配置，以递送期望的电压、容量或功率密度。电池组的组件包括单独的电池系统/模块、以及在它们之间提供导电性的互连。
[0006]为了满足连接到电池系统的各种用电设备(electrical consumers)的动态功率需求，电池功率输出和充电的静态控制是不够的。因此，需要在电池系统和用电设备的控制器之间进行稳定的信息交换。该信息包括电池系统实际充电状态(SoC)、潜在电气性能、充电能力和内阻，以及该设备的实际或预测的功率需求或过剩(surpluses)。
[0007]电池系统通常包括用于处理上述信息的电池管理系统(BMS)和/或电池管理单元(BMU)。BMS/BMU可以经由合适的通信总线(例如，SPI或CAN接口)传达到各种用电设备的控
制器。BMS/BMU可以进一步与电池子模块中的每一个通信，特别是与每个电池子模块的电池监督电路(CSC)通信。CSC可以进一步连接到将电池子模块的电池单元互连的电池子模块的单元连接和感测单元(CCU)。
[0008]因此，提供BMS/BMU用于管理电池系统或电池组，诸如通过防止电池系统/组在其安全操作区域之外操作、监视其状态、计算二次数据、报告该数据、控制其环境、对其验证和/或使其平衡。
[0009]为了提供电池系统或电池组的热控制，需要主动或被动热管理系统通过有效地散发、释放和/或消散从其可再充电电池产生的热量来安全地使用至少一个电池系统。如果热散发/释放/消散没有被充分执行，则各个电池单元之间会出现温度偏差，使得至少一个电池系统不能产生期望功率量。此外，内部温度升高会导致其中发生异常反应，从而使可再充电电池的充电和放电性能退化，并缩短可再充电电池的寿命。因此，需要用于有效地从单元散发/释放/消散热量的单元冷却。
[0010]快速充电要求，尤其是对于电动车辆(EVB，见上文)的电池的快速充电要求，需要有效使用当今单元的充电能力。EVB中采用的电池单元通常是高能量密度单元，其支持强放电功率，但是充电功率弱。充电功率主要受到锂析出(lithium plating)的风险限制，这大大缩短单元的寿命，并且甚至可能导致安全关键事件的风险。
[0011]术语“锂析出”与电化学效应有关，它可能发生在锂离子电池单元的充电过程期间：金属锂在电池单元内部形成并变得沉积在电池单元的阳极上。于是，对于充电过程，沉积的金属锂不再可用。作为典型的结果，单元的寿命变得缩短。此外，金属锂快速易燃。此外，锂析出会导致枝晶的形成。在最坏的情况下，枝晶穿透电池单元的隔板并使单元短路。锂析出主要发生在冷温下，例如，被充电的电池单元的温度为10℃或更低。
[0012]为了避免在电池充电期间发生锂析出，在现有技术的电池中采用了巨大表格(huge tables)，其中取决于充电状态或电压电平和电池的温度，表格定义了充电电流限制(对应于充电电压限制)。监督是否需要这些数量来确保在表格中定义的充电电流限制的帮助下，单元在不会引起锂析出的范围内操作。但是，需要大量的测试工作来确定要填充到这些表格中的值。此外，由于无法直接测量电池的阳极电位，所以必须使用保守的限制，这阻碍了单元的充电能力的有效使用。
[0013]此外，电池单元在电池系统或电池组内的单元布置中的不同位置以及单元与电池的冷却/加热系统的热连接引起单元的不同温度分布——然而，这些温度分布大多数无法测量。这引起针对不同单元位置的不同锂析出的风险。
[0014]因此，本专利技术的目的是克服或减少现有技术的至少一些缺点，并提供一种电池系统，该电池系统避免需要根据环境条件定义充电电流限制的表格或至少减少这些表格中所需条目的数量，从而也避免或至少减少了生成这些表格所需的测试工作。本专利技术的目的还允许直接测量阳极电位。进一步地，本专利技术的目的是提供一种电池系统，该电池系统考虑了由于电池系统内的单元位置的不同位置而导致的不同的锂析出的风险。本专利技术的目的还提供配备有根据本专利技术的电池系统的电池组和车辆两者。此外，本专利技术的目的是提供一种用于操作根据本专利技术的电池系统的方法。

技术实现思路

[0015]本公开的实施例寻求至少在一定程度上解决现有技术中存在的问题中的至少一个。特别地，提供了一种包括至少一个参考电池单元和至少一个非参考电池单元的电池系统。参考电池单元中的每一个包括阴极、阳极和参考电极。参考电池单元中的每一个包括电位测量装置，该电位测量装置被配置为测量参考电位，该参考电位是所述电池单元的阳极相对于所述电池单元的参考电极的电位，以及电位测量装置还被配置为生成与所测量的参考电位相对应的信号。电池系统还包括控制装置，该控制装置被配置为接收电位测量装置中的每一个的信号，以及在从至少一个参考电池单元的电位测量装置接收到指示所述电池单元的参考本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池系统(100)，包括：至少一个参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)；以及至少一个非参考电池单元(10
51
)；其中，参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)中的每一个包括阴极(12、12
17
)、阳极(14、14
17
)和参考电极(16、16
17
)；其中，参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)中的每一个包括电位测量装置(30)，所述电位测量装置被配置为测量参考电位(ΔU)，所述参考电位(ΔU)是所述电池单元的阳极(14、14
17
)相对于所述电池单元的参考电极(16、16
17
)的电位，以及电位测量装置(30)还被配置为生成与所测量的参考电位(ΔU)相对应的信号；其中，所述电池系统(100)包括控制装置，所述控制装置被配置为接收电位测量装置(30)中的每一个的信号，以及在从至少一个参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)的电位测量装置(30)接收到指示所述电池单元的参考电位(ΔU)低于预定的阈值电压的信号时，在电池系统(100)的充电过程期间减少施加到电池系统(100)的充电电流(I
charge
)；以及其中，所述参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)和非参考电池单元(10
51
)中的每一个被设置在电池系统(100)内的固定位置，使得参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)被设置的位置中的每一个预期在电池系统(100)的充电过程期间保持在与非参考单元(10
51
)被设置的位置中的任一个处的温度相比更低的温度(T)下。2.根据权利要求1所述的电池系统(100)，其中，参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)的数量相对于电池单元(101、102、103、...、10
17
、...、10
51
、10
52
、...、10
68
)的总数量的比率小于以下中的至少一个：0.5、0.2、0.1或0.05。3.根据权利要求1或2的电池系统(100)，其中，参考电极(16)是锂电极。4.根据权利要求1至3中任一项所述的电池系统(100)，其中，施加到电池系统(100)的充电电流(I
charge
)是取决于参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)中的至少一个的温度(T)来确定的。5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池系统(100)，其中，施加到电池系统(100)的充电电流(I
charge
)是取决于参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)中的至少一个的充电状态SoC来确定的。6.根据权利要求1至5中任一项所述的电池系统(100)，其中，参考电池单元(10、10
17
、10
52
、10
68
)中的至少一个被设置在电池系统(100)的拐角中。7.根据权利要求1至6中任一项所述的电池系统(100)，还包括具有加热流体通道(200)的加热系统。8.根据权利要求7的电池系统(100)，其中，参考电池单元(10
68
)中的一个是具有到加热流体通道(200)的出口(220)的最小空间距离的电池单元。9.根据权利要求7或8所述的电池系统(100)，其中，具有到加热流体通道(200)的最大空间距离的电池单元中的至少一个是参考电池单元(10
17
、10
52<...

【专利技术属性】
技术研发人员：A雅内克，
申请(专利权)人：三星SDI株式会社，
类型：发明
国别省市：