用于锂蓄电池中荷电状态实时估算的标称电池电阻的确定的制作方法
【专利说明】用于锂蓄电池中荷电状态实时估算的标称电池电阻的确定 发明人：艾伯特〃奥门塔多，斯科特〃艾伦〃穆林，和M.辛 政府支持声明
[0001] 在此描述并请求保护的本发明是部分地利用由美国能源部根据合同 DE-0E0000223提供的基金完成的。在本发明中政府有某些权利。 发明背景 发明领域
[0002] 本发明总体涉及用于确定二次蓄电池荷电状态的方法，并且，更确切地，涉及使用 电池电流和电压参数来实时确定该荷电状态。
[0003] 蓄电池电流和电压参数的实时估算能够用于提供关于一个电池的荷电状态和健 康状态的额外信息。
[0004] 荷电状态（SOC)对于蓄电池组相当于是在一辆电池电动车辆（BEV)、混合动力车 辆（HEV)、或插入式混合电动车辆（PHEV)中的燃料计量表。SOC通常被表达为满电荷的一 个百分比（例如，〇% =空；100%=满）。相同的度量的一种替代形式是放电深度（DoD)，它 是与SOC相反的（例如，100% =空；0%=满）。当讨论一个蓄电池在使用中的电流状态时 通常使用S0C，而当讨论一个电池在性能评级或循环寿命测试中的容量利用率时最常使用 DoD0
[0005] 荷电状态（SOC)和健康状态（SOH)对于监测和控制蓄电池是非常重要的参数，但 是在许多情况下，它们难以确定。SOH通常是通过跟踪一个电池的可存取容量来估算的。
[0006] 对于在放电期间开路电压（OCV)连续减小的电池化学过程，在其开路电压和SOC 之间有一个合理的相关性。然而，这种方法需要周期性地将系统从负载断开，并且在真实世 界的应用中（一个蓄电池系统可能在它寿命的多数时间在运行）这是不切实际的。在OCV 随SOC显著变化且在负载条件下来自OCV的偏差相对小的化学过程中，负载条件下的电压 可以被用作OCV的一个近似的代替值。因此，该电压与流入和流出电池的电流量一起可以 用来对SOC进行估算。对于这样的蓄电池化学过程，这些估算在大多数的用途下常常是足 够好的。
[0007] 但是对于一些其他的蓄电池化学过程，开路电压在放电期间并不连续地减小。例 如，在金属锂为阳极且LiFePO 4为阴极的一个电池中，开路电压在一开始放电的时候减小， 然后在放电的大部分期间保持稳定直到最后在结束时下降。随着电池继续放电，SOC减小 然而开路电压几乎保持不变。这个相对平坦的开路电压曲线在尝试确定这样一个电池的 SOC中是无用的。用来减轻这些因素的附加方法包括应用卡尔曼滤波器（Kalman Filter) 理论、精确的库伦计数（电流积分）、和/或一个先验确定的复杂RC电路模型拟合。然而， 这些附加方法有进一步的局限性，并且根据蓄电池化学过程、组件设计、或可用电子器件， 这些方法的实施可能是不切实际的。
[0008] 另一种方法，被称为电流计算或库伦计数，通过测量蓄电池电流和电流随着时间 的积分来计算S0C。上述方法的问题包括长期漂移、缺乏参考点、以及关于一个电池的总可 存取容量（随着电池老化而改变）和工作历史的不确定性。只有完全充电和完全放电的电 池才具有充分确定的SOCs (分别是100%和0% )。
[0009] 由于库伦计数中的误差，SOH的确定是同样复杂的-精确电容的确定在动态的使 用情境中是困难的。这些问题在传输限制导致显著电池极化的锂-聚合物电池中是特别复 杂的，这种电池极化使在负载下电压终点的确定模糊不清。
[0010] 一些SOC确定方法包括，在一个先验测试中对复杂电阻电容（RC)电路模型的拟 合，以便为动态电池的行为建模。然而，这些方法是非常复杂的、计算密集的、并且是间接 的，所有的这些方法都会导致误差和成本。此外，这样的方法是提前创建的，并且不被用来 预测实时状态指示物。
[0011] 需要的是一种简单、直接、精确的方法用于确定可充电蓄电池的S0C。 附图简要说明
[0012] 当结合附图来阅读以下说明性实施例的描述时，技术人员将容易领会上述方面和 其他方面。
[0013] 图1是一个曲线图，该图显不了对于两种不同的简单负载和脉冲时长Rg (标称电 阻）作为SOC(荷电状态）的函数。
[0014] 图2是一个示例性的电压分布图，该电压分布可以通过一个电池测试器用于在一 个电池上施加一个复杂的动态应力负载。
[0015] 图3是一个基于充电和放电小区域的数据解析的例子。
[0016] 图4是一个曲线图，该图显不了对于三种不同的复杂动态应力负载状态，Rfe作为 SOC的函数，这些动态应力负载如图2所示。
【发明内容】
[0017] 公开了一种实时确定蓄电池的荷电状态的方法。该方法包括： a) 在该蓄电池运行时测量作为时间的函数的电压和电流值； b) 将在不同时间段上的这些电压和电流值记录在一个存储器位置中 c) 使用一个计算机处理器从在该存储器位置中所记录的这些电压和电流值来确定与 每个时间段关联的一个标称电阻； d) 在一个存储器位置中记录该标称电阻与相关联的时间段的数据对； e) 通过使用一个计算机处理器将这些数据对与在一个存储器位置中的一个先前产生 (previously-populated)的查询表进行对比来确定该蓄电池的荷电状态，其中该查询表使 这些数据对与多个荷电状态值进行关联。
[0018] 该蓄电池组具有作为阳极的金属锂、作为阴极的磷酸铁锂、以及作为隔膜的一种 聚合物电解质。
[0019] 在步骤（b)中，这些时间段的长度可以为从大约0.5秒到60秒。在步骤（c)中， 确定一个标称电阻，包括使用下列表达式来计算该标称电阻（Rg):
【主权项】
1. 一种实时确定蓄电池的荷电状态的方法，该方法包括以下步骤： a) 在该蓄电池运行时测量作为时间的函数的电压和电流值； b) 将在不同时间段上的这些电压和电流值记录在一个存储器位置中 c) 使用一个计算机处理器从在该存储器位置中所记录的这些电压和电流值来确定与 每个时间段关联的一个标称电阻； d) 在一个存储器位置中记录该标称电阻与相关联的时间段的数据对； e) 通过使用一个计算机处理器将这些数据对与在一个存储器位置中的一个先前产生 的查询表进行对比来确定该蓄电池的荷电状态，其中该查询表使这些数据对与多个荷电状 态值进行关联。
2. 如权利要求1所述的方法，其中该蓄电池包括作为负极的金属锂、作为正极的磷酸 铁锂、以及作为隔膜的一种聚合物电解质。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，在步骤（b)中，这些时间段的长度为从大约0. 5秒 到60秒。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，在步骤（c)中，确定一个标称电阻包括使用下列表 达式来计算该标称电阻（Rg):
其中，OCVs是一个标称开路电压，Vis是一个时间平均的电压值，并且Iis是一个时间平 均的电流值。
5. 如权利要求4所述的方法，其中Vtt是由下式给出： 并且，Iis是由下式给出：
其中，ΛΤ是步骤（c)中的时间段，并且积分是在一个时间界定的放电区域上进行的。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，在步骤（e)中，该先前产生的查询表是通过以下方 式创建的： 确定该电池以总库伦计的一个总容量； 使用一个电池测试器，随着该测试器根据一个预先确定的程序在该电池的整个容量范 围上对电流进行提取和推送来计算流入和流出一个代表性电池的库伦数，以便生成一个查 询表，该查询表包括作为时间的函数的电压相关值以及作为在该电池中的总库伦数的一个 百分比（SOC)的库伦数相关值； 将该查询表存储在一个存储器位置中；并且 使用一个微处理器来计算在曲线上不同时间段的标称池电阻，并且将这些标称池电阻 存储在该查询表中。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，在步骤（e)中，该微处理器被编程来根据需要在该 查询表中执行数值之间的线性内插。
8. -种计算机可读媒质，该计算机可读媒质包括代码，该代码在由计算机处理器来执 行时实施一种方法，该方法包括： a) 在该蓄电池运行时测量作为时间的函数的电压和电流值； b) 将在不同时间段上的这些电压和电流值记录在一个存储器位置中 c) 使用一个计算机处理器从在该存储器位置中所记录的这些电压和电流值来确定与 每个时间段关联的一个标称电阻； d) 在一个存储器位置中记录该标称电阻与相关联的时间段的数据对； e) 通过使用一个计算机处理器将这些数据对与在一个存储器位置中的一个先前产生 的查询表进行对比来确定该蓄电池的荷电状态，其中该查询表使这些数据对与多个荷电状 态值进行关联。
9.如权利要求8所述的计算机可读媒质，其中该蓄电池组电池包括作为阳极的金属 锂、作为阴极的磷酸铁锂、以及作为隔膜的一种聚合物电解质。
【专利摘要】在SOC、标称电阻(R标)与平均外加负载(P均)之间已经建立一种函数关系的关联性，这样可以经验性地确定函数f(R标，P均)＝SOC。可以用平均功率或平均电流来描述负载。在运行之前对电池进行初始测试来确定这些值之间的这些关联性，以便创建一个查询表。在运行过程中，可以对R标和P均进行采样而无电池停用时间，并且可以将这两个值作为查询表的输入参数来精确地确定SOC。
【IPC分类】G01R31-36
【公开号】CN104833917
【申请号】CN201410200256
【发明人】艾伯特·奥门塔多, 斯科特·艾伦·穆林, M·辛
【申请人】西奥公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2014年5月13日