基于降阶电化学模型的电池功率容量估计的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本申请总体上涉及使用降阶电池模型的电池功率容量估计。
【背景技术】
[0002] 混合动力电动车辆和纯电动车辆依赖于牵引电池来提供用于推进的动力，并且还 可为某些附件提供电力。牵引电池通常包括以各种形态连接的多个电池单元。为了确保车 辆的优化操作，可监测牵引电池的各种性能。一种有用的性能是指示存储在电池中的电荷 量的电池荷电状态（S0C)。可针对整个牵引电池和针对每个电池单元来计算荷电状态。牵 引电池的荷电状态提供对剩余电荷的有用指示。针对每个单独的电池单元的荷电状态提供 对平衡电池单元之间的荷电状态有用的信息。除S0C之外，电池可允许的充电和放电功率 极限是用于确定电池操作的范围并用于防止电池过度操作的有价值的信息。然而，使用传 统方法（诸如，基于实验的方法或基于等效电路模型的方法）不易于实现对上述电池响应 的估计。
【发明内容】
[0003] 一种车辆包括电池，其中，所述电池包括具有正电极和负电极的至少一个电池单 元。所述车辆还包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为：根据功率极限来操 作所述电池，其中，所述功率极限是基于多个有效金属离子浓度和系统矩阵的参数的，所述 多个有效金属离子浓度与电极内的位置相关联，所述系统矩阵包括指示所述浓度中的每个 对所述浓度的梯度的贡献的系数。所述参数可以是所述系统矩阵的特征值。所述功率极限 还可以是基于所述至少一个电池单元的有效内电阻的。所述功率极限还可以是基于所述至 少一个电池单元的端电压极限的。所述端电压极限可以是针对充电的预定最大端电压和针 对放电的预定最小端电压。所述功率极限还可以是基于所述至少一个电池单元的开路电压 的。所述浓度可作为限定所述系统矩阵的电池的电化学模型的输出而被推导出。所述功率 极限是还基于预定时间的。所述功率极限可以是基于根据状态变量的所述有效金属离子浓 度的，所述状态变量通过转换矩阵与所述有效金属离子浓度相关，所述转换矩阵是基于从 所述系统矩阵推导出的特征向量的。
[0004] 一种电池管理系统包括至少一个控制器，所述至少一个控制器被配置为根据电池 功率极限来操作牵引电池，其中，所述电池功率极限是基于多个有效金属离子浓度和系统 矩阵的参数的，所述多个有效金属离子浓度与电池单元的至少一个电极内的位置相关联， 所述系统矩阵包括限定所述有效金属离子浓度的梯度的系数。所述参数可以是所述系统矩 阵的特征值。所述功率极限可以是基于根据状态变量的所述多个有效金属离子浓度的，其 中，所述状态变量通过转换矩阵与所述有效金属离子浓度相关，所述转换矩阵是基于从所 述系统矩阵推导出的特征向量的。所述有效金属离子浓度的估计值和系统矩阵可从电池单 元的电化学模型被推导出。所述有效金属离子浓度和系统矩阵可从电池单元的电化学模型 被推导出。所述电池功率极限还可以是基于电池端电压的，其中，所述电池端电压从在关联 的电极-电解质界面处的正电极有效金属离子浓度和负电极有效金属离子浓度被推导出。 所述电池功率极限还可以是基于电池单元的有效内电阻的。所述电池功率极限还可以是基 于预定时间段的。
[0005] -种操作车辆的方法包括：通过控制器基于多个估计的金属离子浓度和系统矩 阵的特征值来输出电池功率极限，其中，所述估计的金属离子浓度与电池单元的至少一个 电极内的位置关联，所述系统矩阵包括限定所述估计的金属离子浓度之间的相互作用的系 数。所述方法还包括：根据所述电池功率极限控制电机。所述估计的金属离子浓度可作为 限定所述系统矩阵的电池的电化学模型的输出而被推导出。所述估计的金属离子浓度可作 为电池的电化学模型的状态变量而被推导出。所述电池功率极限还可以是基于最大端电压 和最小端电压中的至少一个的。所述估计的金属离子浓度可以是基于电池电流的。所述估 计的金属离子浓度可以是基于有效扩散系数和有效欧姆电阻的。
【附图说明】
[0006] 图1是示出示例性动力传动系统和能量存储组件的混合动力车辆的示图。
[0007] 图2是包括多个电池单元并由电池能量控制模块监测和控制的可行的电池组布 置的示图。
[0008] 图3是具有一个RC电路的示例性电池单元等效电路的示图。
[0009] 图4是具有多孔电极的金属离子电池的截面示图。
[0010] 图4A是由于放电期间的锂离子扩散过程造成的负电极中的代表性颗粒内部的锂 离子浓度分布的示图。
[0011] 图4B是由于放电期间的锂离子扩散过程造成的正电极中的代表性颗粒内部的锂 离子浓度分布的示图。
[0012] 图4C是活性材料固体颗粒和锂离子的转移与扩散过程的示图。
[0013] 图5是响应于10秒电流脉冲输入的过电位相对于电池单元厚度的曲线图。
[0014] 图6是响应于10秒电流脉冲输入的电解质中的电压降相对于电池单元厚度的曲 线图。
[0015] 图7是示出正电极和负电极处的开路电位相对于电化学电池的阳极和阴极的归 一化锂离子浓度的曲线的曲线图。
[0016] 图8是示出电池荷电状态（S0C)以及在正电极和负电极的代表性电极颗粒处的估 计的锂离子浓度分布相对于时间的曲线图。
[0017] 图9是沿着活性材料颗粒的半径均匀离散和非均匀离散的离子浓度的示图和曲 线图。
[0018] 图10是示出在利用插值和不利用插值的情况下锂离子浓度相对于电极材料的归 一化半径的曲线图。
[0019] 图11是示出由不同方法产生的电池荷电状态误差相对于时间的比较的曲线图。
[0020] 图12是示出由不同方法产生的电池端电压误差相对于时间的曲线图。
[0021] 图13是示出用于电池功率容量确定的可行操作的流程图。
【具体实施方式】
[0022] 在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其 它实施例可采用各种可替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出 特定组件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为具有限制性，而仅为 用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将 理解的，参考任一【附图说明】和描述的各种特征可与一个或更多个其它附图中说明的特征组 合以产生未明确说明或描述的实施例。说明的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施 例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方 式。
[0023] 图1描绘了示例性的插电式混合动力电动车辆（HEV)。示例性的插电式混合动力 电动车辆112可包括连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能 够作为马达或发电机来操作。此外，混合动力传动装置116连接至发动机118。混合动力 传动装置116还连接至驱动轴120,驱动轴120连接至车轮122。当发动机118开启或关闭 时，电机114能提供推进和减速能力。电机114还用作发电机并且能通过回收在摩擦制动 系统中通常将作为热损失掉的能量而提供燃料经济效益。电机114还可以通过允许发动机 118在更高效的条件（发动机转速和负荷）下操作并允许混合动力电动车辆112在特定条 件下以发动机118关闭的电动模式运转，来降低车辆排放。
[0024] 牵引电池或电池组124储存电机114可以使用的能量。车辆电池组124通常提供 高电压DC输出。牵引电池124电连接至一个或更多个电力电子模块。一个或更多个接触 器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并在闭合时将牵引电池124连接到其 它组件。电力电子模块126还电连接至电机114并在牵引电池124和电机114之间提供双 向传输能量的能力。例如，示例性的牵引电池124可提供DC电压，而电机114可使用三相 AC电流来运转。电力电子模块126可将DC电压转换成电机114所使用的三相AC电流。在 再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相AC电流转换为牵引 电池124所使用的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆，混合动 力传动装置116可以是连接至电机114的齿轮箱，并且发动机118可以不存在。
[0025] 牵引电池124除提供用于推进的能量之外，还可以提供用于其它车辆电力系统的 能量。车辆可以包括DC/DC转换器模块128,DC/DC转换器模块128将牵引电池124的高 电压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低电压DC供应。其它高电压电负载146 (诸如 压缩机和电热器）可以在不使用DC/DC转换器模块128的情况下直接连接至高电压。电负 载146可具有适时地运转电负载146的关联的控制器。低电压系统可电连接至辅助电池 130(例如，12V电池）。
[0026] 车辆112可以是电动车辆或插电式混合动力车辆，其中，牵引电池124可通过外部 电源136进行再充电。外部电源136可以连接至电插座。外部电源136可以电连接至电动 车辆供电设备（electricvehiclesupplyequipmeni^EVSEHSSaEVSE138 可提供电路和 控制以调节和管理电源136和车辆112之间的能量的传输。外部电源136可以向EVSE138 提供DC或AC电力。EVSE138可具有充电连接器140,充电连接器140用于插入到车辆112 的充电端口 134中。充电端口 134可以是被配置为从EVSE138向车辆112传输电力的任何 类型的端口。充电端口 134可以电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块 132可以调节从EVSE138提供的电力，以向牵引电池124提供适合的电压和电流水平。电 力转换模块132可与EVSE138接口连接，以协调至车辆112的电力传输。EVSE连接器140 可具有与充电端口 134的相应凹入匹配的引脚。可选地，被描述为被电连接的各种组件可 使用无