用于确定电池系统功率容量的系统及方法_3

文档序号:9373606阅读:来源:国知局
[0047] 电池系统102可以包括电池控制系统104。电池控制系统104可以被构造成监测 及控制电池系统102的某些操作。例如,电池控制系统104可以被构造成监测及控制电池 系统102的充电和放电操作。在某些实施例中,电池控制系统104可以应用在本文公开的 相关的方法上以估计、建模和/或以其它方式确定电池系统功率容量。在某些实施例中,电 池控制系统104可以以可通信的方式与一个或多个传感器106 (例如,电压传感器、电流传 感器和/或类似传感器等)和/或被构造成使控制系统104能够监测及控制电池系统102 的操作和/或执行本文公开的某些方法的其它系统(例如,交通工具计算机系统108、外部 计算机系统110等)进行联接。例如,传感器106可以给电池控制系统104提供用于对SOC 和/或SOH进行估计、对阻抗进行估计、对电流进行测量、对电池组112和/或组合电池单元 114的电压进行测量的信息和/或可以应用于与所公开的实施例相关联的任何其它信息。
[0048] 电池控制系统104还可以被构造成将信息提供给包括在交通工具100中的其它系 统(例如交通工具计算机系统108)和/或接收来自所述其它系统的信息。例如,电池控制 系统104可以与内部交通工具计算机系统108和/或外部计算机系统110(例如,经由有线 和/或无线电信系统或者类似系统)以可通信的方式联接。在某些实施例中,电池控制系统 104可以被构造成至少部分地将关于电池系统102的信息(例如,由传感器106测量和/或 由控制系统104确定的信息)提供给交通工具100、交通工具计算机系统108和/或外部计 算机系统110的用户、测试人员、服务人员和/或类似人员。此种信息可以不受限制地包括 电池 SOC和/或SOH信息、电池功率容量信息、电池工作时间信息、电池周期信息、电池工作 温度信息和/或关于电池系统102的可以应用与确定电池系统功率容量信息相关联的任何 其它信息。
[0049] 电池系统102可以包括其尺寸适于被形成为将电力提供给交通工具100的一 个或多个电池组112。每个电池组112都可以包括一个或多个电池单元114。电池单元 114可以使用任何适当的电池技术或其组合。适当的电池技术可以包括诸如铅酸的、镍 金属氢的("NiMH")、锂离子的("Li-ion")、Li-ion聚合物的、锌空气的、锂空气的、镍镉的 ("附0 &(1")、包括吸附玻璃纤维棉(161")的阀控铅酸的(11^")、镍锌的("附211")、熔融 盐的(例如Na-NiCl 2电池)和/或其它适当的电池技术。每个电池单元114都可以与被构造 成测量与每个电池单元114相关联的一个或多个参数(例如,电压、电流、温度等)的传感器 106相关联。虽然图1图示了与每个电池单元114相关联的单独的传感器106,但是在某些 实施例中,也可以使用被构造成测量与多个电池单元114相关联的各种电参数的传感器。
[0050] 由传感器106测量的信息可以被提供给电池控制系统104和/或一个或多个其它 系统(例如,交通工具计算机系统108和/或外部计算机系统110)。利用所述信息,电池控 制系统104和/或任何其它适当的系统可以协调电池系统102的操作(例如,充电操作、放 电操作、平衡操作等)。电池控制系统104、交通工具计算机系统108、外部计算机系统110和 /或执行BSE方法的任何其它适当的系统可以进一步利用在与所公开的实施例相关联的这 种信息,以将电池系统102的功率容量确定为监控、控制、表征和/或建模活动的一部分。
[0051] 图2A图示了显示根据本文公开的实施例的在示例性电路模型中超电势和电流之 间的示例性关系的曲线图200a。X轴线202表示超电势(例如,/?),而y轴线204表示电流 (例如,/)。电池系统可以显示电流依赖电阻("IDR")的(一个或多个)特性。IDR可归因于 电池的电化学系统的电流-电势关系。这种可以被公知为Bulter-Volmer关系的关系可以 说明在电池系统中的电荷(即,电子)转移的动力学,且可根据以下方程来表述:
其中,/=电流 交换电流密度 J=电极表面面积 σ =传递系数 /= 转移的电子的数量,尸=法拉第常数,气体常数,T1=温度) C=超电势。
[0052] 根据方程1,电流可以随着施加的超电势而直接变化。该过程的有效电阻可以随着 电流而反向地变化(即C//)。在某些实施例中,根据通过电路模型的电流,超电势可以 计算为建模的电极或电池电势和平衡电极或电池电势之间的差值(C = -匕)。
[0053] 结合BSE和/或建模方法,将超电势依赖电阻表示为电流依赖电阻可以提供某些 建模便利和/或效率。图2B图示了显示根据本文公开的实施例的电流204和电阻206之 间的示例性关系的曲线图200b。在某些实施例中,在曲线图200b中所示的电流依赖电阻的 信息可以由在图2A中所示的与曲线图200a相关的超电势和电流获得。虽然说明了与曲线 图200b相关的信息,但是将要认识的是在其它实施例中,结合所公开的系统及方法而应用 的曲线图200b中所包括的信息可以另外地和/或可替代地包括在电流依赖电阻的相关列 表中。根据以下详细论述,曲线图200b中包括的信息可以结合根据本文公开的实施例的用 于确定电池系统的峰值电流和/或电池系统模型的补偿欧姆电阻的系统的方法来使用。
[0054] 图3图示了根据本文公开的实施例的用于对电池系统进行建模的示例性电路模 型300。在某些实施例中,表示电池系统的电路模型300可以对电池系统中的某些电化学 过程进行建模,其可以结合BSE和/或其它电池信息确定的系统及方法进行应用。所图示 的模型300可以包括对开路电压进行建模的电压源102,并包括电阻304、308、314和电容 306、312。电压源102可以与电阻304和电阻-电容对310、316串联。除了其它因素,电路 模型可以并入对电池系统中的欧姆电阻、电荷转移和/或传质过程进行建模的元件。
[0055] 电阻204可以对电池系统中的欧姆电阻尺进行建模。在某些实施例中,电阻-电 容对310可以对电池系统中的某些电荷转移过程进行建模。电阻318可以对电荷传递电 阻I进行建模,而电容306可以对电极-电解液界面(即双电层)Q处的电荷的积聚进行 建模。在某些实施例中,电阻318可以进一步对电池系统的电解质中的快速传质进行建模。 电阻-电容对316可以对电池系统中的某些传质性质进行建模,由于这种现象,其中电阻 314尤,和电容312 以共同提供超电势的经验近似值。
[0056] 在某些电池化学(例如,锂电池化学)中,电荷转移可以是相对较快的过程,而且因 此可以归并到所示模型中的电阻304中,例如,欧姆电阻可以具有对电流相对较快的响应。 结合所公开的系统及方法,电阻304的欧姆电阻尺可以被认为是依赖超电势和/或电流。
[0057] 欧姆电阻尺可以结合对电池系统的峰值功率容量进行确定而应用。在某些实施 例中,在恒定电流的条件下,电池系统的峰值功率内:以根据下面方程计算:
2 或者在恒定电压的条件下根据下面的方程:
其中,/=电流极限(诸如峰值电流) F=电压极限 K=平衡电池电压 尺=欧姆电阻 尺t=电荷转移电阻 ^/7=双层电谷 功率预测的开始时的电池电压 功率预测的开始时的电池电流 ?=预测功率时所处的在未来的时间(秒)。
[0058] 在某些功率容量确定方法中,BSE系统和/或其它适当的系统可以通过考虑测量 电流和/或电压数据的窗口使与电池系统模型中的欧姆电阻相关的值回归。回归值可以表 示电池在某一特定时间里最近经历的电流的水平。然而,与回归相关的电流可能要低于电 池系统的峰值电流。因此,回归欧姆电阻可能过高以致不能准确地预测电池系统的峰值功 率容量,而且使用回归欧姆电阻产生的峰值功率容量确定可能会预测不足。
[0059] 根据所公开的系统及方法的实施例,电流补偿可以用于更准确地确定电池系统模 型中的欧姆电阻。使用这种方法可以允许电池系统的功率容量的更准确的确定,因此提供 了知晓准确的功率容量信息的至少一些前述的益处。
[0060] 根据公开的系统及方法的实施例,峰值电流可以被确定为用于确定电池系统模型 中的欧姆电阻的过程的一部分。图4图示了根据本文公开的实施例的用于使用电流和电阻 之间的关系来确定电
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