通过阳电极半电池电压曲线的优化拟合检测开路电压偏移的方法

通过阳电极半电池电压曲线的优化拟合检测开路电压偏移的方法
【专利摘要】本发明公开了用于随电池组电池老化模拟电池组电池的容量变化和充电状态对开路电压（SOC-OCV）曲线的变化的方法。在电池组包充电期间，对于电池组电池收集电压和电流数据。在一个方法中，使用在插入式充电事件期间取得的许多数据点，数据优化被用于确定两个参数的值，其定义SOC-OCV曲线从其在电池寿命开始的初始形状到其在电池当前情况下形状的比例和偏移。在第二种方法中，只需要初始和最终电压和电流通量数据来确定两个参数的值。用所计算的比例和偏移参数，能够确定电池的更新容量和更新SOC-OCV曲线。该方法也能够被应用于放电期间取得的数据。
【专利说明】通过阳电极半电池电压曲线的优化拟合检测开路电压偏移的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及电池组包中电池的充电状态的确定，更具体地涉及一种方法，所述方法用于模拟电池组电池随着其老化的充电状态对(VS.)开路电压的曲线的变化，其中使用参数回归或优化来模拟曲线的比例和偏移，所述参数回归或优化被应用到来自插入式充电的数据，并且得到的电池性能曲线被用于改进充电状态确定和容量估定。
【背景技术】
[0002]在今天的汽车市场中，电动车辆和汽油-电动或柴油-电动的混合车辆迅速赢得青睐。电动和混合电动车辆提供了几个期望的特征，诸如在消费者水平减少或消除排放和石油基燃料消耗，并且可能降低工作成本。电动和混合电动车辆的关键子系统是电池组包，其在指示车辆性能上扮演重要角色。这些车辆中的电池组包通常由许多相互连接的电池组成，这些电池能够按照需要输送大量电力。使电池组包的性能和寿命最大化是设计和操作电动和混合式电动车辆中关键的考虑因素。
[0003]典型的电动车辆电池组包包括两个或更多电池组包部分，每个部分都包括许多独立的电池组电池，其按照需要提供所需要的电压和容量。为了优化电池组包的性能和持久性，重要的是监控电池的容量和充电状态。通常使用以充电状态对开路电压(SOC-OCV)的曲线的形式定义的关系基于电池的开路电压来确定电池的充电状态。然而，随着电池组电池的老化，经过反复的充电-放电循环，容量通常衰减，并且开路电压和充电状态之间的关系变化。尽管例如通过在车辆运行期间使用对于容量和充电状态的谨慎低估，可能忽视在老化的电池组电池中的容量衰减和与开路电压有关的充电状态变化，但是远更加优选的是随着电池组电池的老化精确地确定电池组电池的容量和充电状态。容量的精确确定和与开路电压有关的充电状态的精确确定在电池组包充电期间和随着驾驶车辆的放电期间都很重要。
[0004]表征老化的电池组电池中的性能变化的多种方法在本领域中已知。这些方法中许多是经验建立的；也就是说，使用来自实验测量值的平均数据基于充电-放电循环的数目预测电池组电池的性能的变化。其他的这些方法简单地估计容量衰减，或储能量随时间的减少，但是没有试图表征SOC-OCV曲线的变化。然而，有可能并期望基于在充电或放电事件期间进行的测量值来估算电池组容量和SOC-OCV曲线两者的变化。

【发明内容】

[0005]按照本发明的教导，公开了方法以用于随着电池组电池老化模拟电池组电池的容量和充电状态对开路电压(SOC-OCV)的曲线的变化。在电池组充电期间，收集电池组电池的电压和电流数据。在一种方法中，使用在插入式充电期间取得的许多数据点，数据优化被用于确定两个参数值，所述两个参数值定义SOC-OCV曲线从电池寿命开始时的初始形状到电池目前状况形状的比例和偏移。在第二种方法中，只需要初始和最终电压和电流通量数据来确定两个参数的值。用所计算的比例和偏移参数，能够确定电池更新的电容和更新的SOC-OCV曲线。该方法也能够被用于放电事件期间(诸如驾驶车辆时取得的数据)取得的数据。
[0006]方案1.一种用于随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(S0C-0CV曲线)的方法，所述方法包括:
提供所述电池组电池的初始SOC-OCV曲线；
确定所述电池组电池是否休止，以使初始开路电压值能够根据端电压读数确定；
根据所述初始开路电压值估算初始充电状态值，并且确定在充电前所述初始充电状态值是否低于预定阈值，或者在放电前所述初始充电值是否对应于完满充电；
提供对于电池组电池充电或放电的完整电池电压数据和电流通量数据，其中所述数据通过传感器获得；
确定所述电池组电池的充电是否达到完满充电或者所述电池组电池的放电是否达到在所述预定阈值以下的最终充电状态值；
使用微处理器根据所述电压数据和所述电流通量数据计算比例因子和偏移值；和将所述比例因子和所述偏移值应用到所述初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV曲线。
[0007]方案2.根据方案I所述的方法，其中，提供所述电池组电池充电或放电的完整电池电压数据和电流通量数据包括:提供在充电或放电期间多个时间阶段的完整电池电压数据和电流通量数据。
[0008]方案3.根据方案2所述的方法，还包括根据所述完整电池电压数据、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量估算每个所述时间阶段的充电状态值，并且根据每个所述时间阶段的所述充电状态值确定阴极半电池开路电压值。
[0009]方案4.根据方案3所述的方法，其中，根据所述电压数据和所述电流通量数据计算比例因子和偏移值包括:使用每个所述时间阶段的估算的完整电池开路电压数据、阴极半电池开路电压值和充电状态值而实行回归计算，从而优化所述比例因子和所述偏移值。
[0010]方案5.根据方案I所述方法，其中，提供所述电池组电池充电或放电的完整电池电压数据和电流通量数据包括:测量所述充电或放电的总电流通量，并测量所述充电或放电之后的最终开路电压值。
[0011]方案6.根据方案5所述的方法，还包括允许所述电池组电池在所述充电或放电后并且在测量所述最终开路电压值之前休止。
[0012]方案7.根据方案6所述的方法，其中，根据所述开路电压数据和所述电流通量数据计算比例因子和偏移值包括:使用所述初始开路电压值、所述最终开路电压值、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量而实行代数计算，从而计算所述比例因子和所述偏移值。
[0013]方案8.根据方案I所述的方法，还包括基于所述更新的SOC-OCV曲线和所述电流通量数据计算更新的电池组电池容量。
[0014]方案9.根据方案8所述的方法，其中，所述更新的SOC-OCV曲线和所述更新的容量用于优化所述电池组电池随后的充电和放电。
[0015]方案10.根据方案I所述的方法，其中，所述电池组电池是在电动车辆中使用的电池组包的部分。
[0016]方案11.一种用于使用来自插入式充电的数据随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(soc-ocv曲线)的方法，所述方法包括:
提供所述电池组电池的初始SOC-OCV曲线；
确定所述电池组电池是否休止，以使初始开路电压值能够根据端电压读数确定；
根据所述初始开路电压值估算初始充电状态值，并且确定在充电前所述初始充电状态值是否低于预定阈值；
测量所述电池组电池插入式充电期间多个时间阶段的完整电池电压数据和电流通量数据，其中所述数据通过传感器测量；
确定所述电池组电池的插入式充电是否达到完满充电状态；
根据所述完整电池电压数据、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量估算每个所述时间阶段的充电状态值，并且根据每个所述时间阶段的所述充电状态值确定阴极半电池开路电压值；
通过使用每个所述时间阶段的完整电池电压数据、阴极半电池开路电压值和充电状态值来实行回归计算而利用微处理器计算比例因子和偏移值，从而优化比例因子和偏移值；和
将所述比例因子和所述偏移值应用到所述初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV曲线。
[0017]方案12.根据方案11所述的方法，还包括基于更新的SOC-OCV曲线和电流通量数据计算所述电池组电池的更新的容量，并且使用所述更新的SOC-OCV曲线和所述更新的容量优化所述电池组电池随后的充电和放电。
[0018]方案13.—种用于使用来自插入式充电的数据随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(soc-ocv曲线)的方法，所述方法包括:
提供所述电池组电池的初始soc-ocv曲线；
确定所述电池组电池是否休止，以使初始开路电压值能够根据端电压读数确定；
根据所述初始开路电压值估算初始充电状态值，并且确定在充电前所述初始充电状态值是否低于预定阈值；
测量所述电池组电池插入式充电期间的电流通量数据，其中所述数据通过传感器测
量;
确定所述电池组电池的插入式充电是否达到完满充电状态；
允许所述电池组电池在所述插入式充电完成后休止；
测量所述插入式充电之后的最终开路电压值；
通过使用所述初始开路电压值、所述最终开路电压值、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量来实行代数计算而利用微处理器计算比例因子和偏移值；和
将所述比例因子和所述偏移值应用到所述初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV曲线。
[0019]方案14.根据方案13所述的方法，还包括基于更新的SOC-OCV曲线和电流通量数据计算所述电池组电池的更新的容量，并且使用所述更新的soc-ocv曲线和所述更新的容量来优化所述电池组电池随后的充电和放电。[0020]方案15.—种用于随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(soc-ocv曲线)的系统，所述系统包括:
伏特计，其用于测量所述电池组电池的电压数据；
安培计，其用于测量所述电池组电池的电流数据；和
与所述伏特计和所述安培计连通的控制器，所述控制器包括处理器和存储器，所述控制器被配置为根据在所述电池组电池插入式充电之前、期间和之后的所述电压数据以及在所述电池组电池插入式充电期间的所述电流数据计算比例因子和偏移值，其中所述比例因子和所述偏移值能够被应用于初始soc-ocv曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV 曲线。
[0021]方案16.根据方案15所述的系统，其中，所述控制器通过:记录在所述插入式充电期间多个时间阶段的完整电池电压数据和电流通量数据，根据所述完整电池电压数据、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量而估算每个所述时间阶段的充电状态值，根据每个所述时间阶段的所述充电状态值确定阴极半电池开路电压值，以及使用每个所述时间阶段的所述完整电池电压数据、所述阴极半电池开路电压值和所述充电状态值实行回归计算，来计算所述比例因子和所述偏移值从而优化所述比例因子和所述偏移值。
[0022]方案17.根据方案15所述的系统，其中，所述控制器通过:测量所述插入式充电之前的休止的初始开路电压值，测量所述插入式充电的总电流通量，测量所述插入式充电之后的休止的最终开路电压值，以及使用所述休止的初始开路电压值、所述休止的最终开路电压值、所述总电流通量和估算的电池组电池容量实行代数计算，来计算所述比例因子和所述偏移值从而计算所述比例因子和所述偏移值。
[0023]方案18.根据方案15所述的系统，其中，所述控制器还被配置为基于所述更新的soc-ocv曲线和所述电流数据计算所述电池组电池的更新的容量。
[0024]方案19.根据方案18所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用所述更新的SOC-OCV曲线和所述更新的容量来优化所述电池组电池随后的充电和放电。
[0025]方案20.根据方案15所述的系统，其中，所述控制器还被配置为使用来自放电事件的所述电压数据和所述电流数据计算所述更新的soc-ocv曲线和更新的容量。
[0026]结合附图，从下列描述和所附权利要求中，本发明的附加的特征将变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1是图表，其对于电池组电池示出在新的条件和老化条件中的充电状态对开路电压(soc-ocv)的曲线；
图2是方框图，其用于使用来自插入式充电事件或放电事件确定电池组电池更新的SOC-OCV曲线和容量的系统；
图3是流程图，其用于使用来自插入式充电事件或放电事件确定电池组电池更新的SOC-OCV曲线和容量的第一方法；和
图4是第二方法的流程图，其用于使用来自插入式充电事件或放电事件确定电池组电池更新的SOC-OCV曲线和容量。
【具体实施方式】[0028]下列本发明的实施例的讨论实质上仅仅是示例性的，其针对一种方法，所述方法用于随着电池组电池的老化模拟其充电状态对开路电压的曲线的变化，并且决不意图限制本发明或其应用或使用。例如，随后的讨论针对在电动车辆电池组包中使用的电池组电池，但是该方法同样适用于其他车辆或非车辆应用中的电池组电池。
[0029]在电动车辆和汽油-电动或柴油-电动混合车辆(在下文中共同被简单称作“电动车辆”)中的电池组包通常由几百个独立电池组成。在一种通用的锂离子可再充电的电池组化学特性中，每个电池标称产生大约3.7伏特，而精确值取决于充电状态、老化及其他因素。许多电池(其在模块中串联连接)提供了驱动电动车辆马达所必需的高压，而多个电池能够并联设置在电池群组中以增加容量。
[0030]为了管理电动车辆的电池组包的充电和放电，重要的是一直知道该电池组电池的充电状态。充电状态是数字，表示为百分数，其指示相对于电池的容量电池组电池中存储多少电能。也就是说，完满充电电池组电池具有100%的充电状态，而完全放电电池具有0%的充电状态。
[0031 ] 通常使用以充电状态对开路电压(S0C-0CV)的曲线的形式定义的已知关系基于电池的开路电压来确定电池的充电状态。使用这个关系，电动车辆中的电池组监视控制器能够时时监控电池组包中电池的充电状态，并由此监控整个电池组包的充电状态。然而，随着电池组电池老化，由于电极中的活性材料损耗和内电阻的增加，该储能容量衰减。SOC-OCV曲线的形状也随电池年龄变化。
[0032]图1是图表10，其电池组电池示出在新的条件和老化条件两者中的SOC-OCV曲线。横轴12代表电池组电池的充电状态，从O到100%。纵轴14代表电池的开路电压，其值在从大约3.0伏特到大约4.0伏特的范围内变动。虽然SOC-OCV曲线的准确形状和比例基于电池组化学特性变化，图1表示典型的锂离子电池组电池。曲线16描述了当电池组电池是新的时SOC-OCV曲线。曲线18描述了相同的电池组电池在其老化后的SOC-OCV曲线，例如通过经历电动车辆电池典型的充电-放电循环的寿命。能够看出，从曲线18中基于开路电压确定的充电状态可以显著不同于从曲线16确定的充电状态，特别是在5-60%充电状态范围中。因此,重要的是理解SOC-OCV曲线随电池组电池老化的变化，以便适当管理充电和放电运行。同样重要的是理解电池组电池容量随电池老化的变化。
[0033]本文中所公开的方法使用在插入式的充电事件期间收集的数据以规定在电池组电池的当前条件下的SOC-OCV曲线。用所规定的SOC-OCV曲线，还能够确定电池组电池容量。该方法也能够使用放电事件(诸如主电动车辆的驾驶周期)期间收集的数据。
[0034]图2是车辆30的方框图，其包括系统32以用于规定SOC-OCV曲线和确定电池组包34中的电池容量，这使用来自插入式充电或放电事件的数据。该电池组包34经由高压总线36将动力提供到一个或多个电动马达(未示出)，所述电动马达驱动车辆30的车轮。接触器38将电池组包34电学连接到高压总线36。该车辆30是电动或混合电动车辆，其允许经由通常连接到公用电网的电源线40对电池组包34插入式充电。内部电缆42将充电电流引到控制器44，控制器44控制插入式充电事件并监控电池组包情况，诸如电压、电流和温度。在所示的配置中，该控制器44也被配置为使用如下所述的方法确定电池组包34中电池的电流容量和SOC-OCV曲线。在另一种配置中，该容量和SOC-OCV曲线计算能够通过除了控制器44以外的第二控制模块(未示出)实行。[0035]由于控制器44的控制，正和负引线46将充电电流带到电池组包34。与控制器44连接的伏特计48测量电池组包34中电池的端电压。也与控制器44连通的电流传感器或安培计50测量插入式充电事件期间的充电电流和车辆30的驱动期间的放电电流。为了清楚，省略对理解不必要的该系统32的其他细节。
[0036]要理解的是，控制器44包括存储模块和被配置为实行如下详细讨论的计算的微处理器或计算机装置。也就是说，与在纸上或人脑中相反，将使用具体编程的处理器实施该方法。
[0037]如图1所示，电池组电池的SOC-OCV曲线随电池老化改变。然而，SOC-OCV曲线的特征的形状仍旧相同。本文中所公开的方法通过识别比例因子和偏移值，来利用soc-ocv曲线的相容形状，该比例因子和偏移值能够被应用于初始soc-ocv曲线，从而确定更新的SOC-OCV 曲线。
[0038]考虑到完整的电池组电池由阴极半电池和阳极半电池组成。该电池组电池的开路电压简单地为阴极半电池的电势减去阳极半电池的电势。这个基本关系式可以如下写出:
【权利要求】
1.一种用于随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(SOC-OCV曲线)的方法，所述方法包括: 提供所述电池组电池的初始SOC-OCV曲线； 确定所述电池组电池是否休止，以使初始开路电压值能够根据端电压读数确定； 根据所述初始开路电压值估算初始充电状态值，并且确定在充电前所述初始充电状态值是否低于预定阈值，或者在放电前所述初始充电值是否对应于完满充电； 提供对于电池组电池充电或放电的完整电池电压数据和电流通量数据，其中所述数据通过传感器获得； 确定所述电池组电池的充电是否达到完满充电或者所述电池组电池的放电是否达到在所述预定阈值以下的最终充电状态值； 使用微处理器根据所述电压数据和所述电流通量数据计算比例因子和偏移值；和将所述比例因子和所述偏移值应用到所述初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，提供所述电池组电池充电或放电的完整电池电压数据和电流通量数据包括:提供在充电或放电期间多个时间阶段的完整电池电压数据和电流通量数据。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括根据所述完整电池电压数据、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量估算每个所述时间阶段的充电状态值，并且根据每个所述时间阶段的所述充电状态值确定阴极半电池开路电压值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据所述电压数据和所述电流通量数据计算比例因子和偏移值包括:使用每个所述时间阶段的估算的完整电池开路电压数据、阴极半电池开路电压值和充电状态值而实行回归计算，从而优化所述比例因子和所述偏移值。
5.根据权利要求1所述方法，其中，提供所述电池组电池充电或放电的完整电池电压数据和电流通量数据包括:测量所述充电或放电的总电流通量，并测量所述充电或放电之后的最终开路电压值。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括允许所述电池组电池在所述充电或放电后并且在测量所述最终开路电压值之前休止。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，根据所述开路电压数据和所述电流通量数据计算比例因子和偏移值包括:使用所述初始开路电压值、所述最终开路电压值、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量而实行代数计算，从而计算所述比例因子和所述偏移值。
8.一种用于使用来自插入式充电的数据随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(SOC-OCV曲线)的方法，所述方法包括: 提供所述电池组电池的初始SOC-OCV曲线； 确定所述电池组电池是否休止，以使初始开路电压值能够根据端电压读数确定； 根据所述初始开路电压值估算初始充电状态值，并且确定在充电前所述初始充电状态值是否低于预定阈值； 测量所述电池组电池插入式充电期间多个时间阶段的完整电池电压数据和电流通量数据，其中所述数据通过传感器测量； 确定所述电池组电池的插入式充电是否达到完满充电状态；根据所述完整电池电压数据、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量估算每个所述时间阶段的充电状态值，并且根据每个所述时间阶段的所述充电状态值确定阴极半电池开路电压值； 通过使用每个所述时间阶段的完整电池电压数据、阴极半电池开路电压值和充电状态值来实行回归计算而利用微处理器计算比例因子和偏移值，从而优化比例因子和偏移值；和 将所述比例因子和所述偏移值应用到所述初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV曲线。
9.一种用于使用来自插入式充电的数据随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(SOC-OCV曲线)的方法，所述方法包括: 提供所述电池组电池的初始SOC-OCV曲线； 确定所述电池组电池是否休止，以使初始开路电压值能够根据端电压读数确定； 根据所述初始开路电压值估算初始充电状态值，并且确定在充电前所述初始充电状态值是否低于预定阈值； 测量所述电池组电池插入式充电期间的电流通量数据，其中所述数据通过传感器测量; 确定所述电池组电池的插入式充电是否达到完满充电状态； 允许所述电池组电池在所述插入式充电完成后休止； 测量所述插入式充电之后的最终开路电压值； 通过使用所述初始开路电压值、所述最终开路电压值、所述电流通量数据和估算的电池组电池容量来实行代数计算而利用微处理器计算比例因子和偏移值；和 将所述比例因子和所述偏移值应用到所述初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV曲线。
10.一种用于随电池组电池老化而更新所述电池组电池的充电状态对开路电压的曲线(S0C-0CV曲线)的系统，所述系统包括: 伏特计，其用于测量所述电池组电池的电压数据； 安培计，其用于测量所述电池组电池的电流数据；和 与所述伏特计和所述安培计连通的控制器，所述控制器包括处理器和存储器，所述控制器被配置为根据在所述电池组电池插入式充电之前、期间和之后的所述电压数据以及在所述电池组电池插入式充电期间的所述电流数据计算比例因子和偏移值，其中所述比例因子和所述偏移值能够被应用于初始SOC-OCV曲线，从而获得所述电池组电池的更新的SOC-OCV 曲线。
【文档编号】G01R31/36GK103969589SQ201410044075
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月30日 优先权日:2013年1月31日
【发明者】P.M.拉斯科夫斯基, P.弗罗斯特, B.J.科赫 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司