在用于车辆控制的电池模型中的金属离子浓度的插值的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请总体上设及通过基于金属离子浓度的插值的可再充电车辆电池的降阶模 型来控制车辆电池系统。
【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W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] 一种车辆包括牵引电池，所述牵引电池包括电池单元，其中，每个电池单元具有限 定电极-电解质界面的阳极、阴极W及阳极与阴极之间的电解质。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：根据电池荷电状态操作所述牵引电池，其中，所 述电池荷电状态是基于在沿着所述电池的至少一个电极的轴线的非均匀离散的位置处的 金属离子浓度的，并通过具有关联的电池电流分布输入的电池模型被推导出。
[0004] -种操作牵引电池的方法包括：基于与电池电流关联的扩散过电位变化率和电解 质电位变化率来输出有效欧姆电阻；基于电池对电池电流变化的频率响应来输出有效扩散 系数，其中，所述频率响应所处的频率小于预定频率；输出金属离子浓度，其中，所述金属离 子浓度针对在沿着至少一个电池电极的轴线的非均匀离散的位置并通过电池电流分布输 入被推导出。所述方法还包括：基于电池模型来输出电池操作变量，其中，所述电池模型包 括所述有效扩散系数、所述有效欧姆电阻和所述金属离子浓度；通过控制器基于所述电池 操作变量、电池电流和电池电流需求来操作牵引电池。
[0005] 根据本发明的一个实施例，所述电池模型是球形电极材料模型。
[0006] 根据本发明的一个实施例，所述至少一个电池电极的轴线是球形电极材料模型的 半径。
[0007] 根据本发明的一个实施例，所述电池操作变量还基于在沿着所述半径的非均匀离 散的位置处的金属离子浓度的插值。
[0008] 根据本发明的一个实施例，所述电池操作变量还基于在沿着所述半径的非均匀离 散的位置处的金属离子浓度的多项式插值。
[0009] 根据本发明的一个实施例，所述有效欧姆电阻还基于包括均具有频率的多个频率 分量的对电池电流变化的频率响应，其中，所述多个频率分量中的每个的频率大于预定频 率。
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述频率响应包括多个频率分量，所述频率响应包括 电荷转移频率响应、电荷扩散频率响应和电极极化频率响应中的一个。
[0011] 一种车辆电池系统包括牵引电池，其中，所述牵引电池包括至少一个电池单元，所 述至少一个电池单元具有限定固体-电解质界面的阳极、阴极W及阳极与阴极之间的电解 质，其中，所述固体-电解质界面包括阳极固体-电解质界面和阴极固体-电解质界面。所 述系统还包括：至少一个控制器，被配置为根据电池荷电状态操作所述电池，其中，所述电 池荷电状态是基于在沿着所述电池的至少一个电极的轴线的非均匀离散的位置处的金属 离子浓度的，并通过具有关联的电池电流分布输入的电池模型被推导出。
[0012] 根据本发明的一个实施例，所述电池荷电状态是基于球形电极材料模型的。
[0013] 根据本发明的一个实施例，所述至少一个电极的轴线是球形电极材料模型的半 径。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述电池荷电状态还基于在沿着所述半径的非均匀离 散的位置处的金属离子浓度的插值。
[0015] 根据本发明的一个实施例，所述电池荷电状态还基于在沿着所述半径的非均匀离 散的位置处的金属离子浓度的多项式插值。
[0016] 根据本发明的一个实施例，所述电池荷电状态基于固体-电解质界面处的归一化 金属离子浓度、在沿着代表性电极固体颗粒的轴线的非均匀离散的位置处的金属离子浓度 W及固体-电解质界面处的归一化金属离子浓度、在沿着代表性电极固体颗粒的轴线的非 均匀离散的位置处的金属离子浓度与多个历史电池荷电状态在预定时间内的平均值的函 数。
[0017] 根据本发明的一个实施例，所述电池荷电状态基于固体-电解质界面处的归一化 金属离子浓度、在沿着代表性电极固体颗粒的轴线的非均匀离散的位置处的金属离子浓度 W及固体-电解质界面处的归一化金属离子浓度的加权平均值、在沿着代表性电极固体颗 粒的轴线的非均匀离散的位置处的金属离子浓度与多个历史电池荷电状态在预定时间内 的平均值的函数。
[0018] 根据本发明的一个实施例，金属离子是裡离子。
【附图说明】
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 图4是具有多孔电极的金属离子电池的截面示图。
[0023] 图4A是由于放电期间的裡离子扩散过程造成的负电极中的代表性颗粒内部的裡 离子浓度分布的不图。
[0024] 图4B是由于放电期间的裡离子扩散过程造成的正电极中的代表性颗粒内部的裡 离子浓度分布的不图。
[00巧]图4C是活性材料固体颗粒和裡离子的转移与扩散过程的示图。
[0026] 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。
[0027] 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。
[002引图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 一化裡离子浓度的曲线的曲线图。
[0029] 图8是示出电池荷电状态（S0C)W及在正电极和负电极的代表性电极颗粒处的估 计的裡离子浓度分布相对于时间的曲线图。
[0030] 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。
[0031] 图10是示出在利用插值和不利用插值的情况下裡离子浓度相对于电极材料的归 一化半径的曲线图。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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】
[0035] 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W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W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W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。
[0036] 图1描绘了示例性的插电式混合动力电动车辆她V)。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W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W发动机118关闭的电动模式运转，来降低车辆排放。
[0037] 牵引电池或电池组124储存电机114可W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Ξ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Ξ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Ξ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W是连接至电机114的齿轮箱，并且发动机118可W不存在。
[0038] 牵引电池124除提供用于推进的能量之外，还可W提供用于其它车辆电力系统的 能量。车辆可W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W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）。
[0039] 车辆112可W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。