电池电芯的电荷状态的估计和再调整的方法
【专利说明】电池电芯的电荷状态的估计和再调整的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本专利申请要求于2014年3月17日提交的、法国专利申请FR14/52181的优先权权益，以法律最大程度地允许的情况下通过引用方式将其全部内容并入本文中。
技术领域
[0003]本公开通常涉及电池领域，且更具体地旨在检测预先确定的特定电荷值的初级电池电芯的交叉点。本公开也旨在估计初级电池电芯的电荷状态并且旨在再调整该估计。
【背景技术】
[0004]电池为在两个电压供应节点或者终端之间串联和/或并联的多个可再充电的单位电芯(电芯、蓄电池等)的组。
[0005]在特定系统中，期望在任何时候知道电池的每个初级电芯的电荷状态SOC即电芯中包含的电荷与在考虑时间处的电荷的总容量的比。为了实现该目的，电荷状态计量仪(或者指示器)可以与每个电池电芯相关联。初级电芯的计量仪可以由电池管理设备管理，该管理设备基于预先定义的算法和由连接到电池电芯的传感器执行的测量来估计每个电芯的电荷状态。
[0006]使用已知的电荷状态估计方案，通常可以观察估计随着时间的退化以及电池电芯老化。为了克服该现象，实现所谓的电荷状态计量仪的再调整的阶段是已知的，该阶段包括例如通过修改这些算法的参数来调节估计算法，以允许它们继续提供相对可靠的估计。通常，已知电荷状态计量仪再调整方法包括:对电芯进行完全充电或者放电，并且然后，当检测到充电结束或者放电结束时，调节估计算法以将电荷状态电量重新定位到100%或者0%。这种方案的缺点在于它们需要实现电芯的完全充电或者放电，这是相当受限的并且并且可能在特定应用中存在问题。
[0007]专利申请EP1562048描述了用于测量电池容量的方法。
【发明内容】
[0008]因此，实施例提供用于检测电池的第一初级电芯中包含的电荷的预先确定的特定值的方法，包括以下步骤:在第一电荷状态等级和第二电荷状态等级之间在电芯充电或者放电期间多次测量电芯两端的电压；并且检测与特定电荷值对应的该电压的预先确定的特定值，特定电荷和电压值与表示针对不同电芯健康状态的、电压按照电芯中包含的电荷而变化的至少两个曲线的交叉点的坐标对应。
[0009]根据一个实施例，所述电压为在参考电流下的电芯两端的电压。
[0010]根据一个实施例，所述特定电荷和电压值与表示针对不同电芯健康状态的、所述电压根据电芯中包含的电荷而变化的至少三个曲线的交叉点的坐标对应。
[0011 ] 根据一个实施例，所述特定电荷值在电芯的额定完全电荷容量的20 %到60 %的范围内。
[0012]根据一个实施例，所述电芯为锂离子类型电芯，并且所述特定电荷值在电芯的额定完全电荷容量的38%到42%的范围内。
[0013]根据一个实施例，所述电芯具有2.2-Ah的额定容量和4.2V额定完全充电电压，并且，所述特定电压值在3.5V到3.6V的范围内。
[0014]根据一个实施例，所述方法还包括之前特征化阶段，包括:针对与第一电芯相同类型的第二初级电芯获得表示针对第二电芯的至少两个不同健康状态的、第二电芯两端的电压根据第二电芯中包含的电荷而变化的至少两个特征曲线。
[0015]根据一个实施例，之前特征化阶段还包括:用于在电芯的额定容量的20%到60%的电荷范围中确定所述至少两个特征曲线的交叉点(A)的步骤。
[0016]另一个实施例提供用于评估电池的初级电芯的电荷状态的方法，包括:由电荷状态估计算法进行的电芯的电荷状态的至少一个估计阶段、以及估计算法的至少一个再调整阶段，所述再调整阶段包括以下步骤:由上述类型的方法检测电芯中包含的电荷的预先限定的特定值；并且通过考虑所述特定电荷值和在检测所述特定电荷值时由估计算法估计的电荷值之间的差来再调整电荷状态估计算法。
[0017]另一个实施例提供一种系统，包括:包括多个初级电芯的电池；以及电池管理设备，其中，所述管理设备能够通过上述类型的方法检测预先确定的特定电荷值的交叉。
[0018]根据一个实施例，所述电池为具有动态重新配置架构的电池，并且，所述管理设备能够动态断开且连接后面的电池电芯，使得在所述电芯两端提供AC电压。
[0019]根据一个实施例，所述参考电流为零，并且，所述用于测量所述第一电芯两端的电压的步骤由所述管理设备在所述第一电芯的断开期间实现，以用于在所述电池两端生成AC电压。
[0020]在特定实施例的下面非限制描述中结合附图详细讨论上述特征和优势以及其它特征和优势。
【附图说明】
[0021]图1是示出初级电池电芯的行为随着其年龄的变化的示意图；以及
[0022]图2以框图形式示出用于再调整初级电池电芯的健康状态电量的方法的实施例。
【具体实施方式】
[0023]图1是包括示出针对电池电芯的三种不同老化状态或者健康状态的、在参考电流iMf下的电芯两端的电压Ueell的伏特数(V)(即当电芯传导电流i 时的电芯两端的电压)随着电芯中包含的电荷而变化的三条曲线1laUOlb和1lc的示意图。图1的曲线针对NMC(镍、钴、锰)/石墨类型的、具有2.2-Ah额定容量(即由制造商显示的容量)和4.2V额定全充电电压的锂离子电芯而绘制。曲线1la示出了当电芯为新时的电芯行为，曲线1lb与在表示电芯的典型使用的大约600个充电/放电循环之后的相同电芯对应，并且曲线1lc与在表示电芯的典型使用的大约1200个充电/放电循环之后的相同电芯对应。在该示例中，电压测量在零参考电流完成。进一步地，在图1中，电芯电荷在横坐标中以剩余标准化的安培时(Ah NORM)(即额定电芯容量的百分比)来表示。它因此实际上为表示在电芯中有效包含的物理电荷(或者剩余Ah的数量)且不表示电芯的电荷状态(SOC)的变量，其为可以随着电芯老化而变化的电芯的实际总容量的百分比。发明人实施的测试示出了在不同电芯健康状态下、根据电芯电荷、在恒定参考电流下、表示电芯两端的电压的曲线在电芯工作范围中均为单调的(即连续增加或者降低)，并且均在表征电芯的相同点(这里使用参考A来指定)处交叉。在图1的特定示例中，点A与3.55V的电压Ua和额定电芯容量的40%的电荷Qa(即在该示例中的0.88Ah)对应。
[0024]发明人实施的测试进一步示出了当在非零参考电流iMf (例如，负电流即电芯放电电流或者正电流即电芯充电电流)下完成电压测量时可以观察到相同行为。在这种情况下，点A的坐标UJPQa可以关于图1的示例而变化，但是与图1的示例相同的现象出现了，即在不同电芯健康状态下的所有特征电压/电荷曲线交叉在相同点A。
[0025]发明人进一步观察到了可以针对除了图1的示例的锂离子电芯之外的其它类型的电芯(例如，具有与2.2Ah不同的额定容量和/或与4.2V不同的额定全电荷电压的锂离子电芯或者具有不同化学过程的电芯，假设这些电芯具有单调的电压/电荷特性(没有平台)例如LM0(LiMn204)/石墨类型的锂离子电芯)观察到该相同现象。然后，点A的位置取决于电芯特性并且取决于考虑的参考电流iMf，且通常处于电芯的额定容量的20%到60%的电荷范围内。
[0026]针对给定的电芯类型，可以实现特征化阶段，其能够针对参考电流iMf (例如，其选为iMf= 0A)确定点A的位置。现在描述特征化方法的非限制示例。
[0027]首先，具有第一健康状态的待被特征化的类型的电芯可以完全放电。然后，该电芯可以通过在充电期间周期性地测量在电流iMf下的电芯电压来完全再充电。在电芯中包含的实际物理电荷可以例如借助于电量计或者电流积分器一直在充电阶段来测量。因此，可以将电芯中包含的测量出的电荷值与每个测量的电压值进行匹配，以获得图1中示出的类型的特征电压/电荷值。要注意，如果电荷电流不同于iMf (特别地在其中Uf= O的情况下)，流过电芯的电流可以在与测量电芯两端的电压所需要的时间对应的较短时间例如小于Ims且优选小于10 μ s内周期性地被强加于数值iMf。
[0028]作为一个变化，特征电压/电荷曲线可以在电芯的完全放电期间而不是在充电期间获得。
[0029]然后，电芯可以由于受到表示电芯的典型使用的充电/放电循环而“老化”。
[0030]可以重复上述步骤至少一次，以获得针对至少一个第二电芯健康状态的图1中示出的类型的至少第二特征电压/电荷曲线。
[0031]当记录了与电芯的不同健康状态对应的至少两个特征曲线时，可以基于这些曲线例如通过搜索在额定电芯容量的20%到60%的电荷范围内的两个特征曲线之间的交叉点来确定点I。
[0032]可以在确定点A之前可选地平滑根据在特征化阶段完成的电荷的电压的测量。作为非限制数值示例，特征电压/电荷曲线的点可以按10kHz频率(每10 μ Si个点)来获得，并且然后在2000个点(20ms)的滑动窗口上平均。
[0033]一旦针对电芯类型和参考电流i,ef知道点A的坐标，它们可以由用于管理包括该类型的初级电芯的电池的设备来存储。
[0034]当电池使用时管理设备进行的电池电芯的交叉点A的检测有利地使管理设备能够无关于由于电芯老化或者其它现象而导致的电池计量仪的可能漂移而可靠地知道该电芯中可用的电荷。
[0035]例如，针对每个电池电芯，电池管理设备能够实现用于检测交叉点A的方法，该方法包括以下步骤:
[0036]在第一电荷状态等级和第二电荷状态等级之间(例如在电芯SOC的20%和80%之间)在电芯充电或者放电期间多次在参考电流iMf下测量电芯两端的电压；并且
[0037]检测在该管理设备中存储的该电压的特定预先定义的数值Ua,该电压与在特征化阶段预先确定的点A的电压坐标对应。<