专利名称：用于在线确定电池的充电状态和健康状态的方法和装置的制作方法
用于在线确定电池的充电状态和健康状态的方法和装置
背景技术：
本发明涉及用于确定电池的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)的装置和方法，更特别地是，涉及在动态充电和放电环境中在线(online)确定电池SoC和SoH的装置和方法。可再充电电池是近来新兴的微电网、电动车辆(EV)、插电式混合动力车辆(PHEV)和多电飞机(MEA)系统的关键元件。这些平台需要电池的频繁充电和放电。为了可靠的操作以及维持电池寿命，知道电池充电状态(SoC)和主流电池的健康状态(SoH)的准确知识是强制性的。主流电池容量是SoH的先行指标。现有技术提供了若干SoC和SoH确定技术。然而，这些技术仅能当电池处于离线(offline)模式，即在实验室环境中，或者它不被用于支持主机环境中的充电和放电功能时被应用。由于在在线模式中发生的、动态充电/放电条件下的电池的异常行为，这些技术或是不合适，或是不能提供准确的结果。用于确定SoC的最基本的技术是基于电池开路或休息电压(OCV)测量。该OCV典型地被定义为在电池已经处于无负载或充电的休息状态达预定时间(从最小30分钟到数小时)之后的电池端子(terminal)电压。在许多锂离子和其他电池化学成分的情况下，OCV随着SoC而变化因而不能用于计算SoC。图1提供了在0、25和45°C处GS Yuasa 28V,40Ah锂离子电池的OCV-SoC的相关性的例子。该图指示了在大约10% SoC到100% SoC范围内SoC和OCV之间的接近线性的关系。OCV相对于SoC的曲线通常可从电池/电池单元(cell)的供应商处获得，或可通过实验室测试研发得出。通过使用这种方法，已经研发出具有比+/-5% SoC更好的准确度的算法。然而，这种方法不适用于在动态充电/放电环境中的在线SoC确定，在这种环境中由于极化现象，休息的电池电压不大可能获得。在图2A和2B中示出了极化现象，其显示了对于重复的IOA负载脉冲的电池响应。电池电压的插入的放大曲线描绘了移除负 载后的突然电压跳跃，紧跟着是慢得多的电压恢复，从而导致很长的等待时间来捕获休息的电池电压。在在线环境中等待时间通常是不现实的。电池容量随着使用和日历时间而逐渐减少。如果电池的容量减少了 50%，与它初次部署时相比较，在100% SoC它将仅具有一半的能量。因而，单独SoC测量不足以确保系统中的电池的有效操作。还应该监控作为SoH的主要指标的电池容量。在现有技术中，存在预测电池容量的方法，但是所有这些方法都仅能够离线实施并需要等待时间以使电池达到均衡状态。如在美国专利号7，576，545中描述的，可以通过部分充电/放电来确定电池的满容量。这个方法以已知的SoC状态开始并且，在增加或减少了已知量的能量之后，测量电池的休息开路电压来计算新的SoC。接着可以通过等式(I)使充电/放电能量(△ E)与SoC的变化(A SoC)相关来获得满容量(Cfull)。Cfull* A SoC = A E ----------(I)其中A SoC = I SoCafter-SoCbef0re |。但是，在部分充电/放电后，休息开路电压需要通过去极化/预定义休息时间来获得，因而中断了系统操作。当电池是在线时，这并不现实。
如可以看到的，需要一种确定电池的SoC和SoH的在线技术。
发明内容
在本发明的一个方面，一种用于确定电池的充电状态和健康状态的系统包括:测量部，其具有电压传感器、电流传感器和温度传感器，该测量部适于从电池获取测量结果；电源，其经由电源开关连接到电池；负载，其经由负载开关连接到电池；以及计算机，其适于从测量部接收测量结果，该计算机具有适于断开和闭合电源开关和负载开关的控制卡，该计算机适于在线计算开路电压而不需要电池休息时间。在本发明的另一方面，一种用于在不需要电池休息时间的情况下在线确定电池开路电压的方法包括:对电池充电或放电；通过使用等式Vre = Vbat+A Vk+A Vp来计算开路电压，其中Vbat是电池端子电压，AVk是由于电池电阻引起的电压降，和AVp是由于极化现象引起的电压降；以及使用所计算的开路电压和电池温度来确定充电状态。在本发明的另一方面，一种用于确定电池的健康状态的方法，包括:通过对电池进行充电或放电来估计电池的满容量；使用等式\c = Vbat+ A Ve+ A Vp计算开路电压，其中Vbat是电池端子电压，AVk是由于电池电阻引起的电压降，和AVp是由于极化现象引起的电压降；使用所计算的开路电压和电池温度来确定充电状态；以及使充电或放电能量与充电状态的变化相关并推断得到满电池容量；跟踪作为时间的函数的电池的满容量；以及确定电池的满容量是否已经下降了预定量。参考下面的附图、描述和权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得
更好理解。
图1是示出如本领域已知的休息电池电压相对于电池充电状态的关系图；图2A是示出在动态负载条件下电池端子电压的图；图2B是图2A的图的特写部分；图3是示出由于极化现象引起的随着时间的电压恢复的图；图4是示出示例性查找表的图表；图5是不出根据本发明的不例性实施例的用于确定SoC和SoH的系统的原理图；图6是示出根据本发明的示例性实施例的包括与两个RC分支串联的电阻(Rs)的电池模型的原理图；图7示出是根据本发明的示例性实施例的用于确定电池SoC的方法的流程图；图8是示出根据本发明的示例性实施例的用于测量电池容量的方法的流程图；图9是示出根据本发明的示例性实施例的用于确定电池SoH的方法的流程图。
具体实施例方式下面详细的描述是执行本发明示例性实施例的目前考虑的最佳模式。因为本发明的范围已经被附加的权利要求书最好地限定，所以该描述不被看作具有限定意义，而是仅仅为了阐释本发明的一般原理。下面描述各种创造性的特征，它们中的每一个可以独立于另一个使用，或者与其他特征结合使用。概括地，本发明的实施例提供了一种用于确定在呈现动态充电和放电环境的平台上电池的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)的在线方法和装置。可通过使用电池动态模型连同所测量的端子电压、电流和温度一起来在线估计休息开路电压(OCV)。然后可以根据该估计的OCV来确定SoC和SoH。该方法和装置可以以实时方式估计电池的SoC和SoH而不需要a)使电池系统从服务断开，b)等待预定义的休息时间，以及c)使电池去极化。如下所描述的本发明的方法可以通过使用如图5中所示的组件来实现。电池监控系统10可以包括电池12，该电池12可包括单个电池单元或多个串联和并联的电池单元。系统10可进一步包括固定或可编程的电源14，用于对电池12进行部分或满充电，其通过可控开关16跨接在电池12。系统10还可包括阻性负载或可编程电子负载18，用于使电池12以恒定电流或预定义的电流形状放电，其通过可控开关20跨接在电池12。测量部22可包括电流计或电流传感器24、电压计或电压传感器26和温度传感器28以感测并馈送测量结果到数据采集系统(DAQ) 30。系统10可进一步包括计算机或处理器32，其包括数据采集系统30、非易失性存储器(NVM) 34来存储查找表和数据，处理器36来执行该方法以及显示器38来显示电池性能数据。数据采集系统30可包括采样和保持电路、A/D转换器和非扩散滤波器(未示出)来消除传感器噪声。计算机32可通过借助控制卡40控制开关16、20来控制电池12的充电和放电循环。本发明的示例性实施例提供用于在线计算休息开路电压的方法。该在线方法可使用电池动态模型连同所测量的端子电压、电流和温度一起来估计开路电压。电池模型可以是任一表示电池特性的线性/非线性等效电气模型。电池模型可以包括与非独立电压源串联的电阻、电容和电感。模型参数可以通过脉冲电流充电/放电来识别。为了开发该模型，可以在不同温度对一定范围的充电/放电电流执行测试。电池开路电压可以通过使用与该模型相关的等式(2)来在线计算。SoC可以通过查找表/代数方程使用所计算的OCV和温度来估计。Voc = Vbat+ A Ve+ A Vp-----------------(2)
其中Vbat-电池端子电压，AVk-由于电池电阻引起的电压降，和A Vp-由于极化现象引起的电压降。参考图6，这些值可以使用例如表示锂离子电池特性的电气模型来计算。如图6所示，该电池模型可包括与两个RC分支串联的电阻(Rs)。每个RC分支可包括电阻和电容的
并联组合。电池端子电压(Vbat)可通过使用可跨接在电池端子的电压感测设备来测量。由于电池内电阻引起的电压降(AVk)可以使用下面的等式来计算:A Ve = I*RS---------------(3)其中Rs-电池内电阻，和1-通过电池端子的电流。如图6所示，极化现象可以通过使用串联的两个RC分支来表示，并由于该极化引起的压降可以通过使用下面的等式来计算
权利要求
1.一种用于确定电池的充电状态和健康状态的系统，该系统包括: 测量部(22)，其具有电压传感器(26)、电流传感器(24)和温度传感器(28)，所述测量部适于从电池(12)获取测量结果； 电源(14)，其经由电源开关(16)连接到电池(12)； 负载(18)，其经由负载开关(20)连接到电池(12)； 计算机(32)，其适于从测量部(22)接收测量结果，所述计算机(32)具有适于断开和闭合电源开关(16)和负载开关(20)的控制卡(40)，计算机(32)适于在线计算开路电压，而不需要电池休息时间。
2.权利要求1的系统，其中开路电压通过以下等式计算:
3.权利要求2的系统，其中AVp通过使用以下等式来计算:
4.权利要求2或3的系统，进一步包括用于从测量部收集数据的数据采集系统(30)。
5.权利要求2-4中的任一系统，进一步包括用于存储查找表和数据的非易失性存储器(34)。
6.一种用于在不需要电池休息时间的情况下在线确定电池开路电压的方法，该方法包括: 对电池(12)充电或放电； 通过使用以下等式来计算开路电压: Voc — Vbat+ A Ve+ A Vp 其中Vbat-电池端子电压，AVe-由于电池电阻引起的电压降，和AVp-由于极化现象引起的电压降；以及 使用所计算的开路电压和电池温度来确定充电状态。
7.权利要求6的方法，其中查找表被用于通过使用所计算的开路电压和电池温度来确定电池的充电状态。
8.权利要求6或7的方法，进一步包括初始测量处于休息状态的电池的开路电压和确定初始电池充电状态。
9.权利要求6-8中的任一方法，进一步包括周期性地更新针对电流、充电状态、温度和电池老化的模型参数。
10.权利要求6-9中的任一方法，进一步包括使充电或放电能量与充电状态的变化相关并推断得到满电池 容量。
全文摘要
本发明涉及用于在线确定电池的充电状态和健康状态的方法和装置。公开了一种用于确定在呈现动态充电和放电环境的平台上电池的充电状态(SoC)和健康状态(SoH)的在线方法和装置。可通过使用电池动态模型连同所测量的端子电压、电流和温度一起来在线估计休息开路电压(OCV)。然后可以根据该估计的OCV来确定SoC和SoH。该方法和装置可以以实时方式估计电池的SoC和SoH而不需要a)使电池系统从服务断开，b)等待预定义的休息时间，以及c)使电池去极化。
文档编号G01R31/36GK103149535SQ20121059115
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者A·R·帕帕纳, H·N·辛赫, H·A·科乔里, S·克什里, D·拉扎罗维奇 申请人:霍尼韦尔国际公司