基于多粒子降阶模型的连续降额快速充电方法与流程

背景技术：

锂离子电池的一个有吸引力的方面是它们可以以比其它可再充电电池以更快的速率快速充电。然而，快速充电确实具有缺点。例如，快速充电可能引起加速的容量衰减，导致触发安全问题的可能性。在快速充电期间，锂离子倾向于镀层在负极活性材料表面上而不是插入到材料中。一旦锂离子被镀层，锂离子电池以几种方锂电池用于许多现代装置中，包括电动车辆、计算机和手机。式降级，包括但不限于通过固体电解质界面(sei)在活性材料和电解质之间产生电气通路，将电子暴露于电解质。

为了使锂金属镀层最小化，电池单元已经经受了大量的锂镀层测试，以确定作为充电状态(soc)和温度的函数的最大区域和连续充电电流极限。然而，现有技术中的系统和方法不能获得可实时使用并提供精确结果的实际模型。

技术实现要素：

粗略地描述，本技术利用多粒子降阶模型来基于准确地预测锂电池单元的寿命期间的实时锂镀电势来调整施加到负载的充电。电池模型可以基于若干观察和假设，诸如例如当电池内部的锂浓度和电势梯度可以忽略时，具有单粒子降阶模型的单元电压保护对于低或脉冲电力负载是准确的。在当前的多粒子降阶建模系统中，只有电流密度和电势分布迭代地求解了。这是基于电场和电荷转移作用过程发生在比扩散时间尺度小的时间尺度为前提。

在实施例中，公开了一种用于基于建模的电池单元降低充电电流额定值的方法。所述方法可以包括通过电池供电系统上的电池管理系统设置模型电池的锂离子浓度。将初始充电电流施加到电池单元。电池模型可以为电池供电系统上的电池单元提供模型。模型电池的材料性质可以至少部分基于模型电池温度来设定。模型电池的电势分布和电流密度可以通过电池管理系统迭代地确定。然后，电池管理系统可以至少部分地基于电势分布来计算模型电池的锂镀电势。基于模型电池的锂镀电势来更新电池单元的充电电流。

在实施例中，一种非暂时性计算机可读存储介质包括程序，所述程序可由处理器执行以完成用于基于建模的电池单元以降低充电电流的额定值的方法。所述方法包括：通过电池供电系统上的电池管理系统设置建模的电池的锂离子浓度。所述电池模型提供用于所述电池供电系统上的电池单元的模型。将初始充电电流施加到电池单元。至少部分地基于建模的电池温度设置所述建模的电池的材料性质。通过所述电池管理系统迭代地确定所述建模的电池的电势分布和电流密度。至少部分地基于所述电势分布，通过所述电池管理系统计算所述建模的电池的锂镀电势。基于所述模型电池的所述锂镀电势更新所述电池单元的所述充电电流。

在实施例中，一种用于基于建模的电池单元降低充电电流的额定值的系统包括一个或多个处理器、存储器以及存储在存储器中并且可由一个或多个处理器执行的一个或多个模块。当被执行时，所述模块可以通过电池供电系统上的电池管理系统为建模的电池设置锂离子浓度，所述电池模型为所述电池供电系统上的电池单元提供模型，将初始充电电流施加到所述电池单元，至少部分地基于所述建模的电池温度为所述建模的电池设置材料性质，通过所述电池管理系统迭代地确定所述建模的电池的电势分布和电流密度，至少部分地基于所述电势分布，通过所述电池管理系统为所述建模的电池计算锂镀电势，以及基于所述模型电池的锂镀电势为所述电池单元更新所述充电电流。

附图说明

图1是电池供电系统的框图。

图2是锂电池单元在充电期间的框图。

图3是锂电池单元在放电期间的框图。

图4是展示锂金属镀层的锂电池单元的框图。

图5是电池管理系统的框图。

图6是电池建模模块的框图。

图7是基于多粒子降阶模型的连续降额快速充电的方法。

图8是为连续降额快速充电方法设置充电电流的方法。

图9是使用降阶模型对电池建模的方法。

图10是基于锂离子镀层电势调节充电电流的方法。

图11是用于在本技术中实施的计算环境的框图。

具体实施方式

粗略地描述，本技术利用多粒子降阶模型来准确地实时预测锂电池单元的寿命期间的锂镀电势。电池模型可以基于若干观察和假设，诸如例如当电池内部的锂浓度和电势梯度可忽略时，具有单粒子降阶模型的电池电压保护对于低或脉冲电力负载是准确的。然而，在连续的电力负载下，例如在充电期间，单粒子模型预测将开始偏离测量。这是由于模型在计算中被迫使用平均电流密度。

在全阶模型中，电流密度分布、诸如电极电势和电解质电势的电势分布、以及锂浓度分布相互依赖。因为模型是高度非线性的，所以模型方案需要迭代求解。在当前的多粒子降阶建模系统中，只有电流密度和电势分布迭代地求解。这是基于电场和电荷转移作用过程发生在比扩散时间尺度小的时间尺度为前提。

一旦电流分布被求解，锂浓度分布无需涉及任何迭代过程就被求解了。通过在迭代确定的电流密度和电势分布之后作为单独的步骤求解锂浓度分布，通过避免迭代求解多个偏微分方程，显着减少了模型产生输出所需的计算时间。与基于单粒子的模型相比，显着提高了单元内电势分布的精度。基于由模型的输出提供的电势分布信息，可以确定锂镀电势，并且可以采取行动，诸如修改的充电技术和速率，以最小化未来的锂镀层。

本技术的建模技术提供了优于其它建模技术的优点，并且它提供了准确的结果，并且可以例如在诸如电动车辆、计算机、移动电话或其它设备之类的电池供电系统上实时地实现。由于高计算成本，现有系统对基于物理学的模型的实时应用受到限制。在锂离子电池单元模型中，许多颗粒被认为代表电极以捕获电池单元内部的电流密度和电势分布。建模过程是计算密集型的，因为它涉及迭代求解许多偏微分方程。为了减少实时应用的计算时间，常见的模型降阶方案是考虑单个粒子来表示电极。在每个离散时间步长上求解多个偏微分方程的一些和集合中，仅需要利用单个粒子模型求解单个偏微分方程。然而，利用这种方法，准确度较差，因为这种方法不能捕获空间相关的电流密度分布。任何依赖这种模型来检测和避免锂镀的做法将导致错误的结果。

本技术所解决的技术问题与通过对电池单元建模来识别电池的劣化有关。在一些现有的解决方案中，通过对电池建模来确定电池的退化，例如锂镀。为了提供精确的模型，使用多个粒子来表示每个电极以对电池进行建模。尽管典型的全阶拟二维锂离子单元模型可以提供准确的结果，但是它需要大量的计算资源，不能实时提供结果，并且对于在消费者系统中使用是不实际的。常见的降阶模型将电极表示为单个粒子而不是多个粒子，并且需要的计算成本少得多。然而，单粒子电极模型具有不能提供非常准确的结果的缺点，这可能导致不正确的锂镀检测和预测。

本技术提供了对实时地进行电池单元建模的技术问题的技术解决方案，使得所述模型可以通过电池供电系统与被建模的电池一起使用。本技术的电池单元模型提供多粒子降阶模型，多粒子降阶模型迭代地确定电流密度和电势分布，然后在完成迭代过程之后作为单独的非迭代步骤确定锂镀电势。通过在迭代过程之后作为单独步骤确定锂镀电势，避免了非常大的计算成本，这提供了用于实施锂电池模型的更有效的计算过程。此外，通过提供处理为多个粒子电极而不是将每个电极表示为单个粒子的模型，所述模型比将电极表示为单个粒子的模型精确得多，从而提供了可靠得多的锂镀电势确定。

图1是电池供电系统100的框图。电池供电系统100包括电池供电系统110和电池充电源120。每一个系统110-和120都可以与一个或多个网络联接并且通过一个或多个网络通信，所述网络包括但不限于公共网络、专用网络、蜂窝网络、无线网络、因特网、内联网、广域网(wan)、局域网(lan)、蓝牙或其他射频信号、简易老式电话服务(pots)和/或适于通过其传送数字和/或模拟数据的任何其他网络。

图1所示的组件是以旨在示例性而非旨在限制的方式和组织来描绘的。例如，电池充电源120和电池供电系统110可各自被实施为一个或多个机器、服务器、逻辑机器或服务器，并且可彼此分开实施或完全和/或部分地组合实施。

这里讨论的数据处理也以旨在示例性而非旨在限制的方式和组织来讨论。例如，尽管描述了其中从电池116检索数据并由电池管理系统112处理的示例性过程，但是数据可以在不同机器、服务器和系统、模块和子模块之间通过原始或处理的形式进行检索、整体或局部处理以及传输，而不管是否在图1中示出。

电池供电系统110可以实施利用电池的系统或产品。电池供电系统110的示例包括电动车辆、移动电话、计算机或利用电池的一些其他设备。电池供电系统110包括电池管理系统112、充电控制114、电池116和负载118。电池供电系统110可以为电池116从电池充电源120处接收电荷。由源120提供的电荷可以由充电控制114接收，充电控制114然后可以向电池116施加电荷。在一些情况下，充电控制114可就关于如何将电荷施加到更好的电池116与电池管理系统112通信。例如，电池管理系统112可向充电控制114指定电池116可被充电的c速率，包括对电池116充电的电压和电流。电池管理系统可以基于默认电压和电流确定所述电池116应被充电的电压和电流，或者基于通过电池建模检测或确定存在的电池状况来定制电压和电流。负载118可以包括电池116要向其提供电力的电池供电系统110内部或外部的一个或多个负载。关于图2-4讨论了电池116的更多细节。

电池管理系统(bms)112可以被实施为控制和测量电池114以及控制系统110上的电池114的充电的硬件和/或软件。电池管理系统(bms)可以包括逻辑、模块和组件，以提供电池116的多粒子降阶模型。电池模型可用于实时确定锂镀电势，使得电池116中的电镀可被检测，并且可采取措施以减少将来的任何这种镀层。参考图5讨论电池管理系统(bms)的更多细节。

电池充电源120可以包括用于对电池114充电的任何合适的充电源。在一些情况下，在系统110被实施为电动车辆的情况下，电池充电源120可以是经销商、充电泵或通常在家庭、企业或其他建筑物中找到的电源输出口。当系统110被实施为电话或计算机时，合适的电池充电源120可以包括移动充电包、汽车充电器或在家庭、企业或其他建筑物中找到的电源输出口。

图2是锂电池单元200在充电期间的框图。电池单元200提供图1的系统中的电池116的更多细节。电池单元200包括阳极222、阴极232、锂离子242、244和246以及电解质240。阳极包括活性材料220，阴极材料包括活性材料230。电解质240与阳极材料220和阴极材料230一起放置于电池单元容器210中。当锂电池充电时，充电器250在阳极和阴极之间施加电势。在充电期间，锂离子244从正极阴极电极230移动通过电解质(参见锂离子246)并朝向负极阳极电极220，其中锂离子242通过嵌入而插入到阳极中。电子从阴极行进到阳极，从而使得电流从阳极行进到电极。

图3是锂电池单元在放电期间的框图。在放电期间，在阳极处收集的锂离子242移动通过电解质(参见锂离子246)以作为锂离子244定位在阴极处和阴极内，产生施加到负载260的电势。在放电期间，电子从阳极行进到阴极，从而使得电流从阴极行进到阳极。

图4是展示锂金属镀层的锂电池单元的框图。在充电过程中，锂离子电池有时会经历被称为锂金属镀层的现象。当锂离子从阴极移动到阳极时，有时，由于充电电压或高于期望的温度，锂离子到达阳极的速度比离子可以嵌入阳极结构的速度快。结果，一些锂离子"镀"在阳极上。经镀层的锂离子260减少阳极内其它离子的嵌入，降低单元的容量，且可以导致锂电池内的其它不合需要的问题。

图5是电池管理系统的框图。图5的电池管理系统500包括充电管理器510、电池管理520和电池建模530。充电管理器510可控制电压、电流、持续时间和电池供电系统内的电池充电的其它方面。电池管理520可以测量电池供电系统、电池、从外部源接收的电荷的各方面、以及电池供电系统的电池系统的其他方面。

电池建模530可以对电池供电系统的电池116建模。电池建模可以利用多粒子降阶模型来实时地提供系统内的电池的准确建模。电池模型可以接收所施加的电力负载和环境温度的输入，并且可以输出单元电压、温度、包括电极电势锂镀电势的电势分布、以及电池单元内部的浓度分布。可以测量和提供环境温度，或者在一些情况下可以预测环境温度，然后将其提供给模型。在一些情况下，预测可以涉及热能平衡技术。电池建模530可以迭代地确定电流密度和电势分布，然后使用所述信息来确定锂镀电势。电池建模530还可与充电管理器510通信以指示在电池116内存在锂镀。作为响应，充电管理器510可以调整电池116的充电过程以在充电期间设置电压和电流，从而最小化或消除进一步的锂镀。关于图6讨论电池建模530的更多细节。

电池管理系统(bms)112的组件可以被实施为存储在存储器中并且由一个或多个处理器、硬件组件或这些的组合执行的软件模块。进一步地，所列出的组件和电池管理系统(bms)112是示例性的，并且可以实现更多或更少的组件以执行本文描述的功能。

图6是电池建模模块的框图。电池建模模块600生成、为多粒子降阶模型提供输入并从多粒子降阶模型传输输出，多粒子降阶模型用于对电池116建模并确定电池116的锂镀电势。电池建模模块600可以包括用于模型的参数、电池材料的材料属性以及处理逻辑，所述处理逻辑可以包括算法、迭代引擎和用于执行模型的其他逻辑。如图6所示，电池建模模块600可以包括锂浓度610、电池温度620、环境温度630、电气性能640、电池电压650、电流密度660、阴极电势670、阳极电势680、锂镀电势690和处理逻辑695的参数。电池建模模块600可以执行在此讨论的与电池116建模相关的操作。电池建模模块600中列出的模块是示例性的，并且可以实现更多或更少的组件以执行本文描述的功能。

图7是基于多粒子降阶模型的连续降阶快速充电的方法。首先，在步骤705，可以检测电池参数。在一些情况下，检测到的电池参数包括电池单元温度内的初始锂离子浓度、单元电压、充电状态和电池特性参数。电池特性材料可以包括扩散系数、电解质的离子电导率、电极和电解质的电导率、电解质的扩散系数、活性材料的扩散系数和电解质的活性系数。接下来，可以在步骤710检测环境参数。环境参数可以包括温度和可选的其它参数。

在步骤715，可以设置充电电流。充电电流可基于这是连续降额快速充电的第一周期还是后续周期来设置。关于图8的方法更详细地讨论设置充电电流。

在步骤720设置电流分布。电流分布可以被设置为均匀分布，并且可以被设置为等于平均电流密度。施加电流到电池端子，并且至少在初始时，穿过单元横截面的电流被假定为是均匀的。

在步骤725，可以使用降阶模型来对电池建模。所述模型可以实施为多粒子降阶模型，多粒子降阶模型通过迭代地重做电流密度和电势分布，同时在迭代过程完成之后作为单独的步骤确定锂镀电势，节省了相当多的计算资源。使用降阶模型对电池建模可以包括计算电势分布、表面过电势、计算新的电流分布，以及重复计算步骤直到达到趋同。降阶模型提供了对多粒子电池的建模，而不需要基于物理的全尺寸模型的资源。使用降阶模型对电池建模将参考图9更详细地讨论。

在步骤730计算锂离子镀层电势分布。可以计算负电极内的锂离子镀层电势分布。锂镀电势可以如下计算：

其中ηlp是锂离子镀层电势，是固体电极电势，是电解质电势，j是充电电流，并且在电池单元内形成的固体电解质相间(sei)膜r膜的电阻。

然后在步骤735，可基于锂离子镀层电势调节充电电流。基于锂离子镀层电势是否可能指示负电极上锂镀层的存在或可能性，可以调节充电电流以延长电池的寿命。关于图10的方法讨论了基于锂离子镀层电势调节充电电流的更多细节。

在步骤740更新锂离子浓度和温度。在一些情况下，可以通过求解质量平衡和热能平衡方程来更新浓度和温度。质量平衡方程和热能平衡方程可以表示如下。

活性材料中的质量平衡可以表示为：

其中ds(m²/s)是活性材料的扩散系数，cs(mol/m³)是活性材料中锂离子(li⁺)的浓度。

假定迁移数为常数t+⁰,的电解质相的质量平衡可表示为：

其中εe(无量纲)是电极和隔板的孔隙率，ce(mol/m³)是电解质相中锂离子(li⁺)的浓度，de^eff是电解质中锂离子(li⁺)的有效扩散率，因为as(1/m)是电极的比表面积，t+⁰(无量纲)是相对于电解质溶剂的阳离子迁移数，j(mol/m²/s)是摩尔通量。

热能平衡可以被确定为：

其中cp(j/k)是单元的热容量总额，t(k)是单元温度，tamb(k)是环境温度，qgen(w)是单元产生的热量，h(w/m²/k)是传热系数。

然后在步骤745确定是否应继续对所述设备充电。如果设备还没有充满电或者没有充电到电池设备的用户期望的水平，则充电应继续。如果设备未被充满电，那么图7的方法返回到步骤720，其中将均匀电流分布设定为等于平均电流密度。如果充电完成，则执行图7的方法，并且执行步骤750。

通过在步骤735基于锂离子镀层电势调整电池的充电，基于时间周期而不是基于电池的特定充电状态(soc)点，通过减少锂离子镀层来调整电池的充电以增加电池的健康和寿命周期。以这种方式，基于电池本身的特定特性而不是预定的soc查找表来更新电池健康。

图8是为连续降额快速充电方法设置充电电流的方法。图8的方法提供了图7的方法的步骤715的更多细节。首先，在步骤810，确定是否第一次施加充电电流。如果这是图7的方法的第一周期，则在步骤820设置指定的充电电流极限。指定的充电电流极限可以基于特定电池的历史数据。例如，给定电池的充电状态(soc)和温度，可从为被充电的特定电池类型设置的查找表中找到指定的充电电流。在一些情况下，指定的充电电流可以是具有特定soc和温度的电池的最大c速率。如果不是第一次施加充电电流，并且图7的一个或多个步骤的循环已经发生，则在步骤830，图7的方法700的前一迭代过程中的充电电流被设置为当前充电电流。一旦在步骤820或830设定了电流，就在步骤840计算平均电流密度。平均电流密度可以通过将充电电流除以电极投影面积来计算。

图9是使用降阶模型对电池建模的方法。图9的方法为图7的方法的步骤725提供更多细节。在步骤910，将规定的电力负载和环境温度施加到电池模型的负载。按照图7的步骤720，可以在每个负载的每个电极中施加平均电流密度。所述负载通过施加到图1的系统中的实际电池116的实际负载118确定。

在步骤920计算电极和电解质内的电势分布。通过求解电极和电解质的电荷平衡方程，可以计算电势分布，给出电流密度。在一些情况下，电势分布和电解质域(electrolytedomains)也可通过求解电荷平衡方程来计算。可以至少部分地基于电流密度分布来计算电势分布。

电极的电荷平衡方程可以提供为：

电解质的电荷平衡方程可以提供为：

通过求解上述两个方程(电极的电荷平衡方程和电解质的电荷平衡方程)可以获得电极的电势分布和电解质的电势分布给出电流密度j(a/m³)。

在步骤930计算新的表面过电势。新的表面过电势可以至少部分地基于在步骤920计算的电势分布。所述表面电势可以提供为：

在步骤940，可以计算新的电流分布。可以至少部分地在更新的表面过电势上计算新的电流分布。在一些情况下，基于反应动力学控制方程的表面过电势来计算新的电流分布，例如基于巴特勒–褔尔默(butler-volmer)反应动力学方程如下：

重复计算步骤，直到在步骤950电流分布在容差内趋同。容差可以接近于零(0.0)，使得在步骤940确定的新的电流分布接近于或等于在步骤920确定的电势分布。在一些情况下，步骤920和940处的电流分布之间的容差可以是0.1％或更低。在所有情况下，对于每次迭代，每个电极内的计算的电流密度的平均值必须等于在步骤940计算的平均施加的电流密度。当重复计算时，在步骤920，将在步骤940确定的新电流分布代入电极内电势分布的计算中。

图10是基于锂离子镀层电势调节充电电流的方法。图10的方法为图7的方法的步骤735提供了更多细节。首先，在步骤1010中获取锂离子镀层电势ηlp。接下来，在步骤1020中确定锂离子镀层电势是否低于第一阈值。如果平面电势低于第一阈值或更低的阈值，则在步骤1030可以降低电流的额定值。在一些情况下，电流可以由指定的降额因子降额。例如，降额因子可使充电电流减小当前充电速率的1％。在电流降额后，图10的方法继续到步骤1060。

如果平面电势不低于第一阈值，则在步骤1040确定锂离子镀层电势是否高于第二阈值或上阈值。如果平面电势不高于第二阈值，那么图10的方法继续到步骤1060。如果锂离子镀层电势高于第二阈值，则在步骤1050增加充电电流。在步骤1050中，充电电流可以增加指定的阈值。可以增加充电电流，直到锂离子镀层电势达到指定阈值。

图11是用于在本技术中实施的计算环境的框图。图11的系统1100可以在实施为在上下文中实施的电池充电源120和电池供电系统110等诸如此类的机器。图11的计算系统1100包括一个或多个处理器1110和存储器1120。主存储器1120部分地存储用于由处理器1110执行的指令和数据。主存储器1120在操作中可以存储可执行代码。图11的系统1100还包括大容量存储设备1130、便携式存储介质驱动器1140、输出设备1150、用户输入设备1160、图形显示器1170和外围设备1180。

图11中所示的组件被描绘为经由单个总线1190连接。然而，这些组件可以通过一个或多个数据传输装置连接。例如，处理器单元1110和主存储器1120可以经由本地微处理器总线连接，并且大容量存储设备1130、(多个)外围设备1180、便携式存储设备1140和显示系统1170可以经由一个或多个输入/输出(i/o)总线连接。

可以用磁盘驱动器、光盘驱动器、闪存驱动器或其它设备实现的大容量存储设备1130是用于存储供处理器单元1110使用的数据和指令的非易失性存储设备。大容量存储设备1130可以存储用于实现本发明的实施例的系统软件，以便将所述软件加载到主存储器1120中。

便携式存储设备1140结合诸如软盘、光盘或数字视频盘、usb驱动器、存储卡或棒、或其它便携式或可移动存储器等便携式非易失性存储介质来操作，以向图11的计算机系统1100输入和从图11的计算机系统1100输出数据和代码。用于实现本发明实施例的系统软件可以存储在这样的便携式介质上，并且经由便携式存储设备1140输入到计算机系统1100。

输入装置1160提供用户接口的一部分。输入装置1160可包含例如键盘的用于输入字母数字和其它信息的字母数字键盘、例如鼠标的定位装置、跟踪球、指示笔、光标方向键、麦克风、触摸屏、加速计和其它输入装置。另外，如图11所示的系统1100包括输出设备1150。合适的输出设备的示例包括扬声器、打印机、网络接口和监视器。

显示系统1170可包括液晶显示器(lcd)或其它合适的显示装置。显示系统1170接收文本和图形信息并处理所述信息以输出到显示设备。显示系统1170还可作为触摸屏接收输入。

外围设备1180可以包括任何类型的计算机支持设备，以向计算机系统添加附加功能。例如，(一个或多个)外围设备1180可以包括调制解调器或路由器、打印机和其他设备。

在一些实施例中，系统1100还可以包括天线、无线电发射机和无线电接收机1190。天线和无线电可以在诸如智能电话、平板电脑和可以无线地通信的其他设备的设备中实施。一个或多个天线可以在适于通过蜂窝网络、wi-fi网络、诸如蓝牙设备的商业设备网络和其它射频网络发送和接收数据的一个或多个射频下操作。所述设备可以包括一个或多个无线电发射机和接收机，用于处理使用天线发送和接收的信号。

图11的计算机系统1100中所包含的组件是通常在计算机系统中找到的那些组件，其可以适于与本发明的实施例一起使用，并且旨在表示本领域中公知的这种计算机组件的宽泛类别。因此，图11的计算机系统1100可以是个人计算机、手持式计算设备、智能电话、移动计算设备、工作站、服务器、小型计算机、大型计算机或任何其它计算设备。计算机还可以包括不同的总线配置、联网平台、多处理器平台等。可以使用各种操作系统，包括unix、linux、windows、macintoshos、android以及包括java、net、c、c++、node.js和其它适当语言。

本文的技术的前述详细描述是出于说明和描述的目的而呈现的。并非旨在是穷举的或将技术限于所公开的精确形式。根据上述教导，可能会有许多修改和变化。选择所描述的实施例以最好地解释本技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施例中最好地利用本技术，并且具有适合于所设想的特定用途的各种修改。本发明的范围由所附权利要求书限定。