用于电池放电控制的系统和方法与流程

本公开涉及用于控制电池放电的系统和方法。更具体地，本公开涉及基于电池内的内部压力量度来管理放电状态。

背景技术：

在对例如锂离子电池的电池进行放电期间，由于在发生了退化的某些层压部分处的过电压，电池组处的总电压可能急剧减少。由此，总电压达到为了防止过度放电而设置的下限电压，并且放电系统考虑到电池组被完全放电而停止放电。

然而，随着电池退化的进行，当由于达到下限电压而停止放电时，电池组通常尚未被完全放电(即，充电状态(SOC)>0％)。因此，来自电池的能量的可用量由于退化分散(degradation dispersion)等而降低。

也作为JP 2004-087238公开的US 2004/0038123致力于一种堆叠型电池，该堆叠型电池具有在堆叠方向上堆叠以串联连接的多个单位单元以及分别形成在这多个单位单元上的共享电压测量片电极以允许对这多个单位单元测量电压，使得共享电压测量片电极在与堆叠方向相交的方向上设置在堆叠型电池的侧表面上的偏离位置处。然而，US 2004/0038123的系统需要在每个层压部分之间的电压传感器，由此导致高成本。另外，层压数量越多，在它们之间放置电压传感器变得越困难。

技术实现要素：

本发明的发明人希望使得能够在限制电池过度放电和损坏的可能性的同时通过实现更低的放电水平来增大存储在电池中的能量。

因此，根据本公开的实施例，提供了一种用于电池的放电控制系统。放电控制系统可以包括被配置成提供与电池相关联的温度值的温度感测装置，被配置成提供与电池相关联的电压值的电压感测装置，被配置成提供与电池的内部部分相关联的压力值的压力感测装置，以及控制器。控制器可以被配置成：在放电处理开始之前，基于从与电池相关联的预定数据映射中选择的映射数据来确定与电池的放电相关联的阈值压力变化；在放电处理期间，监视由电压感测装置获得的当前电压值、当前压力值以及基于由压力感测装置获得的当前压力值的总压力变化；如果总压力变化小于阈值压力变化并且当前压力值大于预定的最小阈值压力，则在当前电压值下降到低于第一下限电压值的情况下允许放电处理的继续；并且在下列条件中的任何一个条件成立的情况下禁止放电处理的继续：

(i)当前电压值下降到低于第二下限电压值，该第二下限电压值比第一下限电压值低；

(ii)总压力变化大于或等于阈值压力变化；或者

(iii)当前压力值低于预定的最小阈值压力。

通过提供这样的系统，可以不完全依赖允许的电压范围从而更完全地对经历退化的电池进行充电。这继而在降低电池损坏的风险的情况下实现更大的能量可用性。

映射数据的选择可以基于从温度感测装置获得的预放电温度值、从电压感测装置获得的预放电电压值以及从压力感测装置获得的预放电压力值。

控制器可以被配置成：如果总压力变化小于阈值压力变化并且当前压力值高于最小预定压力，则在当前电压值下降到低于第一下限电压值的情况下降低第一下限电压值。

控制器可以被配置成：通过基于初始内部压力测量结果、预放电处理压力值和预放电温度值修改压力信息中的至少一个来补偿电池的一个或多个部分中的蠕变(creep)。

控制器可以被配置成：将初始内部压力测量结果和预放电压力值进行比较，并且当初始内部压力测量结果大于预放电处理压力值时，选择与预放电压力值相关联的新的映射数据。

预定映射可以包括代表性电池的在该电池的代表性使用条件下以实验方式测得的内部压力、开路电压和温度的集合。

压力感测装置可以包括嵌入在电池中的至少一个触觉传感器。

所述至少一个触觉传感器可被定位为与电池的电池单元的层压方向平行。

可以包括被配置成确定电池的充电状态的充电状态传感器。

电压感测装置可以包括连接到与电池相关联的一个或多个电池组的虚设单元(dummy cell)。

电压值可以是电池的开路电压。

电池可以是锂离子固态电池和锂离子液态电解质电池中的至少一种。

根据另外的实施例，可以提供包括根据任何上述实施例的放电控制系统的车辆。

根据本公开的另外实施例，提供了一种用于给电池放电的方法。该方法可以包括：确定与电池相关联的温度值，确定与电池相关联的电压值，确定与电池的内部部分相关联的压力值，在开始给电池放电之前基于从与电池相关联的预定数据映射中选择的映射数据来确定与电池的完全放电相关联的阈值压力变化，在放电期间监视由电压感测装置获得的当前电压值和基于由压力感测装置获得的当前压力值的总压力变化，如果总压力变化小于阈值压力变化并且当前压力值大于预定的最小阈值压力则在当前电压值下降到低于第一下限电压值的情况下允许放电处理的继续，并且在下列条件中的任何一个条件成立时禁止放电处理的继续：

(i)当前电压值下降到低于第二下限电压值，该第二下限电压值比第一下限电压值低；

(ii)总压力变化大于或等于阈值压力变化；或者

(iii)当前压力值低于预定的最小阈值压力。

通过提供这样的方法，会能够不完全依赖允许的电压范围从而更完全地对经历退化的电池进行充电。这继而在降低电池损坏的风险的情况下实现更大的能量可用性。

映射数据的选择基于从温度感测装置获得的预充电温度值、从电压感测装置获得的预充电电压值以及从压力感测装置获得的预充电压力值。

该方法还可以包括：在当前电压值下降到低于下限电压值并且总压力变化小于阈值压力变化的情况下降低上限电压值。

该方法可以包括通过基于初始内部压力测量结果、预充电处理压力值和预充电温度值修改所选择的映射数据来补偿电池的一个或多个部分中的蠕变。

该方法可以包括：将初始内部压力测量结果和预放电压力值进行比较，并且当初始内部压力测量结果大于预放电处理压力值时，选择与预放电压力值相关联的新的映射数据。

可以基于根据代表性电池的在代表性条件下以实验方式测得的内部压力、开路电压和温度而创建的预定映射来设置新的阈值压力变化。

该方法可以包括：在放电开始之前确定电池的充电状态并且基于电池的充电状态来修改阈值压力变化。

电池可以是锂离子固态电池和锂离子液态电解质电池中的至少一种。

本发明的其他目的和优点将部分地在下面的描述中阐述，或者可以通过本发明的实施而被了解。将通过在所附权利要求中特别指出的要素和组合来实现和获得本发明的目的和优点。

将会明白，前面的一般性描述和下面的详细描述仅仅是示例性和说明性的，而不是对所要求保护的本发明的限制。

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

附图说明

图1A是根据本公开的实施例的用于电池的放电系统的示意图；

图1B是示例性开路电压测量配置的示意图；

图2示出了包括压力传感器在内的电池的内部部分的示例性表示；

图3是示出根据本公开的实施例的用于充电控制的一个示例性方法的流程图；

图4是示出用于蠕变补偿的一个示例性方法的流程图；

图5A和图5B是用于应用图4的示例性方法的示例性映射的表示；并且

图6A和图6B是示出放电处理期间的压力、电压和可用能量之间的关系的示例性曲线图。

具体实施方式

现在将详细提及本公开的当前示例性实施例，其示例在附图中示出。只要可行，那么在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。

图1A是根据本公开的实施例的电池放电系统的示意图。系统可以包括电池5、一个或多个传感器27、电池控制单元70以及放电控制单元20。电池5可以包括一个或多个电池组10，一个或多个压力感测膜15，以及虚设单元25，等等。电池5可以是任何合适类型的电池，例如锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池等。

电池5可以连接到逆变器100，逆变器100可以继而连接到一个或多个马达105，以允许在充电处理期间存储在电池5中的能量被逆变器100提高并且在放电处理期间被馈送给马达105，从而使得车辆移动。

电池组10可以安装在与电池5相关联的壳体内。例如，电池5可以包括壳体11，壳体11包括用于容纳电池组10的任何合适的材料，例如金属、塑料、复合材料等的材料。这样的壳体11可被配置成具有一个或多个放置并连接在其中的电池组10，并且随后壳体11可以例如通过将盖子紧固(例如，螺栓连接)到壳体11的开口部分上而被闭合。

根据一些实施例，一个或多个螺栓(未示出)可以在壳体的长度或宽度上延伸，并且在将帽(未示出)放置在壳体11的开口部分上之后，螺母可以被附着到一个或多个螺栓并被拧紧，从而导致壳体11闭合。本领域的普通技术人员将会理解，这种类型的螺栓构造可能经历蠕变现象，其中随着时间过去而施加到螺栓上的变化的应力导致用于紧固的螺栓的永久变形，以及在容纳电池组10的电池5的内腔内的空间的膨胀/扩大。因此，电池5的内腔内的压力基于电池组10的膨胀和收缩并且随蠕变而改变。如下所述，本公开的实施例考虑到这种蠕变和膨胀/收缩。

存在于电池5中的每个电池组10可以与存在于电池5中的其他电池组10串联连接或并联连接。本领域的技术人员将认识到，在设计如本文所述的电池和连接时可以考虑各种标准，诸如期望的电压、期望的最大电流等。

可以在电池5内提供一个或多个压力传感器15。例如，可以将压力传感器15放置在电池5内的每个电池组10之间，使得由于每个电池组10在充电期间的膨胀而产生的压力可以基于膨胀量在一个或多个压力传感器15上施加力。此外，还可以在电池5的壳体11的端部与电池5内的末端电池组10之间设置压力传感器15。

类似地，在放电期间，由于电池内的每个电池组10的收缩而减小的压力可以基于收缩量而减少在一个或多个压力传感器15上施加的力。

根据一些实施例，压力传感器15可被定位为与电池5内的电池组10的层压方向平行(见图2)。

可以基于电池组10的数量和/或本领域技术人员可以确定适合的任何其他标准来确定包括在电池5内的压力传感器的数量。例如，在电池5内存在两个电池组10的情况下，可以在这两个电池组10之间放置一个压力传感器15。类似地，在电池5内存在三个电池组的情况下，可以在电池5内放置两个压力传感器15—位于第一电池组和第二电池组之间的第一压力传感器15以及放置在第二电池组和第三电池组之间的第二压力传感器15。

压力传感器15可以包括任何合适的压力感测设备，并且可以例如是具有适合于测量电池组10的膨胀和收缩的厚度的触觉传感器。根据一些实施例，压力传感器15的厚度可以在0.01mm至1mm之间的范围内，并且根据一些实施例为0.1mm。

一旦电池5已被组装并且例如如上所述利用螺栓连接到电池壳体11的盖子而被闭合，就可以在电池的多个开路电压(例如，与10％和100％之间的按照5％递增的SOC相对应的OCV)处测量电池5内的初始压力Pinitial，并且这些值存储在电池ECU 70的存储器中。这些值可以在电池5的整个寿命期间用作与如通过压力传感器15和压力检测器30测量的电池5内的当前压力P进行比较。

此外，可以基于与电池的设计下限SOC相对应的第一下限电压来确定预定的最小阈值压力Pmin。例如，Pmin可以对应于电池的在10％和20％之间的SOC。

图2示出了包括压力传感器在内的电池的内部部分的示例性表示。图2中示出的箭头表示在压力传感器15上以及在左和右电池组10的外部部分处的压力，基于电池组10的膨胀/收缩而施加在电池5的壳体11的壁上的力。本领域的技术人员将会理解，尽管电池组10也可能在Y方向上施加力，但为了本公开的目的将考虑在X方向上施加的力以确定电池5内的压力。

电池5还可以包括与电池组10导电连接的一个或多个虚设单元25，以允许测量跨电池5内存在的电池组10整体的开路电压Vocv。例如，被配置成提供虚拟负载的虚设单元25可以与电池5内存在的每个电池组10并联连接，并且输出(即，开路电压)可被提供给传感器组27，并且更具体地提供给电压检测器35。本领域的技术人员将认识到，可以提供多于一个的虚设单元25，例如为电池5中存在的每个电池组10提供一个虚设单元，并且这样的配置可以帮助确定有缺陷或发生故障的电池组10。

图1B示出了包括与电池5连接的虚设单元25和被配置成闭合虚设单元25的连接从而接合电路2的开关6的示例性示意图。开关6的闭合由此使得能够测量跨图1B所示的电路2的开路电压Vocv，而电池5的正常操作(即，当不测量电池5的开路电压Vocv时)利用电路1。

除了压力传感器15和虚设单元25之外，电池5可以包括附加的传感器，例如一个或多个温度传感器、电流传感器等。存在于电池5中的传感器可以被配置成向传感器组27提供信号，由此使得传感器组27能够在充电和/或放电处理期间监视与电池5相关联的信息(例如，开路电压Vocv、压力，温度等)并将该信息提供给电池ECU 70，等等。

传感器组27可以包括压力值检测器30、充电状态检测器45、电压检测器35、温度检测器40等等。例如，压力传感器15可以被配置成向压力值检测器30提供信息，以便使压力值检测器30能够确定施加在压力传感器15上的压力。

类似地，电压检测器35可以接收来自虚设单元25的输入，以便确定电池5和/或电池5内的每个单独电池组10的开路电压Vocv。

充电状态检测器45可以被配置成接收来自电流传感器的电流信息以及来自虚设单元25的电压信息，以便确定电池5的充电状态(SOC)。

温度检测器40可以被配置成从电池5内的温度传感器接收信息以便确定电池5的温度。

来自传感器组27的值可以被提供给电池ECU 70，其中电池ECU 70提供命令信号给电池控制器20(例如放电控制命令)。例如，电池ECU 70可以包括用于确定阈值压力差ΔPT的计算单元65，阈值压力差ΔPT可以基于在预放电处理期间(即，在电池5开始放电之前)如由电压检测器35测量的电池5的开路电压Vocv和如由压力值检测器30测量的电池5内的当前压力P来计算。这将在下面参照图4、图5A和图5B更详细地描述。

电池ECU 70还可以包括电压比较单元60，其被配置成将如由电压检测器35测量的当前电压V(即，电池5的开路电压Vocv)与电池5的预定初始最大电压Vmax进行比较。本领域的技术人员理解，可以基于电池的设计预先确定电池5的初始最大电压Vmax，并将其存储在例如与电池ECU 70相关联的只读存储器(ROM)中或车辆上存在的另一个计算机中。另外，为了本公开的目的，将假定电池5在任何特定时间点的当前电压V和开路电压Vocv是相等的。

还可以在ECU 70中提供压力比较单元55，用于将由压力值检测器30在放电处理期间(例如，经由压力传感器15的压力值检测器30的重复采样)测量的压力差ΔP与阈值压力差ΔPT进行比较。此外，压力比较单元55可以被配置成将当前压力P与预定的最小阈值压力Pmin进行比较。

电池ECU 70可以包括被配置成存储从传感器组27获得的值等的存储器。例如，电池ECU 70可以存储从压力值检测器30获得的压力值，从电压检测器35获得的电压值，从温度检测器40获得的温度值等，以及与从对应于安装在车辆中的电池5的示例性电池设计以实验方式获得的数据相关联的映射值。

在车辆的使用期间并且根据一些实施例在车辆被储藏(即，不被驾驶)时，可以在电池5的寿命期间编译和存储值的历史。通过编译这种数据，会能够确定电池5已经经历的温度、电压、压力等的历史。这样的历史可以用于增强下面描述的用于确定在补偿蠕变时要使用的值的处理。

本领域的技术人员将会理解，与电池ECU 70相关联的存储器可以包含在电池ECU 70内，或者可以存在于提供对电池ECU 70的通信访问的其他系统上和/或其他系统中。

电池控制器20可以包括被配置成控制放电处理从而使得给与电池5相关联的电池组10放电的任何合适的电池控制器。如本领域技术人员所理解的，锂离子电池在电池放电处理期间尤其需要被保持在相对严格的放电环境中，以避免诸如过热和过度放电之类的危险状况。因此，电池控制器20可以被配置成控制在放电处理期间允许从电池5流出的电流和电压等等。例如，当确定电池未被完全放电时，电池控制器20可以允许电压V下的电流I流动，从而给电池5放电。

图3是示出根据本公开的实施例的用于放电控制的一个示例性方法的流程图。在预放电处理中(即在开始给电池5放电之前)，电池ECU可以最初获得如由温度检测器40基于由电池5中存在的温度传感器提供的信息而确定的电池5的温度(步骤305)。

然后基于由电池5内的压力传感器15提供的信息从压力值检测器30获得电池5内的当前压力P，以及获得通过将开关6放置在使得电路2接合的位置从而允许电压检测器35测量开路电压Vocv而获得的开路电压Vocv(步骤310)。

然后可以基于电池5的温度、开路电压Vocv和当前压力P中的至少一个来确定阈值压力差ΔPT(步骤315)。将参照图4、图5A和图5B讨论用于确定阈值压力差ΔPT和补偿蠕变的处理。

图4是示出使用电池5的当前温度T进行蠕变补偿的一个示例性方法的流程图，而图5A和图5B是使示例性电池的温度、压力和开路电压Vocv相关联的示例性的实验确定的数据映射的表示。如将要讨论的，这样的映射可以用于确定阈值压力差ΔPT。

可以基于在组装条件下在示例性电池5上获得的实验数据预先创建图5A和图5B的数据映射并将其存储在ECU 70的存储器中。例如，组装电池5可以按照预定的开路电压间隔(例如，0.01V的间隔)经受各种温度T(例如，在-40摄氏度与60摄氏度之间按照10摄氏度的增量)。

然后可以在这些温度T和开路电压中的每一个处测量电池5的内部压力P。对于每个10摄氏度增量，可以基于按照开路电压Vocv增量的测量压力P创建并存储展示在特定温度下的电池5的开路电压Vocv和内部压力之间的关系的映射点的集合。这种映射点的集合对应于图5A所示的线T1-Tx中的每一个。值得注意的是，可以通过例如线性插值对落在10摄氏度线(或任何其他选定间隔)的线之间的温度进行插值。

为了确定阈值压力差ΔPT，ECU 70可以从温度检测器40获得电池5的当前温度T(步骤405)。基于所确定的电池5的当前温度T，ECU 70可以参考如在上面生成的数据映射(见图5A)，以选择例如T1的映射数据(即，初始温度线)。

电压比较单元60然后可以获得电池5的当前开路电压Vocv，由此使得能够识别沿着5A中示出的选定映射数据(例如，温度线T1)的点。

压力比较单元55然后可以从压力值检测器30获得电池5内的当前压力P，并且比较当前压力P以确定它是否小于在完成电池组装之后在相同温度下测量的初始压力Pinitial(步骤410)。如果当前压力P等于初始压力Pinitial或在初始压力Pinitial的合理容差(例如，±5巴、±10巴，等等)内，则将初始选择的映射数据(例如，温度线T1)用于确定可应用的阈值压力差ΔPT(步骤420)。

在当前压力P被确定为小于当前温度和开路电压Vocv的初始压力Pinitial的情况下，很可能已经发生蠕变并且因此应当从数据映射中选择新的映射数据以补偿蠕变(步骤415)。

根据一些实施例，可以通过从初始压力Pinitial到当前压力P和当前开路电压Vocv处的点直接穿过y轴来执行这种对于蠕变的补偿。映射数据(例如，温度线Tx)的集合上的该点的交集然后可以被选择作为新的映射数据。此确定的示例性表示可以在图5B中看到。如果点P不直接落在预定的映射数据集合上，则可以例如通过在当前压力P和当前开路电压Vocv处的线性内插对落在10摄氏度增量之外的温度线Tx进行插值。

为了确定阈值压力差ΔPT，可以使用图6A或图6B所示的映射来确定从所选择的温度线上的当前压力到与期望的最小开路电压(OCV)或电池的充电状态(SOC)相关联的预定最小阈值压力Pmin的压力变化。等式1展示了计算给定Px的阈值压力差的示例性方法。

ΔPT＝P–Pmin...(1)

其中，针对在放电之后具有期望的剩余电荷水平(例如，20％充电状态)的示例性新电池5在一定温度范围内以实验方式确定压力Pmin。

一旦计算单元65已经计算出阈值压力差ΔPT，放电处理就可以开始，并且电池控制器20可以允许电流开始从电池5流出(步骤320)。

在放电处理期间，电池5可以(例如，按照预定的采样率)被连续监视，并且电压比较单元60可以从电压检测器35接收指示出电池5的当前开路电压Vocv的信息。电压比较单元55可以将电压V与可能已经基于电池5的设计特性和其预期的电荷水平确定的电池5的第一下限电压Vmin1进行比较(步骤325)。第一下限电压Vmin1可以被存储在与电池ECU 70相关联的存储器中以供电压比较单元60访问。在放电期间，在当前电压V不小于第一下限电压Vmin1的情况下(步骤325：否)，电池控制器20允许对于当前样本不间断地继续放电。

当确定当前电压V小于或等于第一下限电压Vmin1时(步骤325：是)，基于等式2确定当前压力差ΔP。

ΔP＝P–Px...(2)

Px是在当前电压V等于第一下限电压Vmin1或者已经下降到低于第一下限电压Vmin1的时间t时的电池5的当前内部压力，并且P是在步骤315处在预放电处理期间确定的压力。

压力比较单元55然后可以将当前压力差ΔP与阈值压力差ΔPT进行比较以确定当前压力差ΔP是否大于所确定的阈值压力差ΔPT，而电压比较单元55将当前电压V与第二下限阈值Vmin2进行比较(步骤330)。

第二下限阈值Vmin2是小于第一下限阈值Vmin1的电压。

在当前压力差ΔP被确定为大于或等于阈值压力差ΔPT和/或当前电压V被确定为小于或等于第二下限阈值Vmin2情况下(步骤330：是)，电池控制器20可以停止允许电池的放电(即，停止电流从电池5流出)。

如果确定当前压力差ΔP小于阈值压力差ΔPT并且当前电压V大于第二下限阈值电压Vmin2(步骤330：否)，则对于当前充电周期可以使第一下限电压Vmin1按照预定增量(例如，1V)减小到Vmin1'。换句话说，基于阈值压力差ΔPT和第二下限电压Vmin2均尚未被超过的事实，可以合理地假设电池5尚未达到其额定放电状态，并且因此第一下限电压Vmin1当前在电池5的当前条件下过高。通过使充电周期基于Vmin1、Vmin2和ΔPT，能够更好地使电池能达到更低的充电状态并避免能量储存的损失。本领域技术人员基于以上将认识到，Vmin2最初可以被设置为(Vmin1+ΔV(ΔV等于Vmin2-Vmin1))，并且在这种情况下，步骤335可以不再被使用。

图6A和图6B示出了指示出如上所述的放电处理期间的压力、电压和可用能量之间的关系的示例性曲线图。

如图6A的下图所示，尽管可以达到第一下限电压Vmin1，但是当前压力差ΔP尚未超过阈值压力差ΔPT并且电压V尚未下降到低于第二下限电压Vmin2。因此，可以使第一下限电压Vmin1降低(见图6的下图中的3)，并且允许电池5放电一段额外的时间，该额外放电对应于在其他情况下会损失掉的存储在电池5中的能量的量。

在包括权利要求在内的整个说明书中，除非另有说明，否则术语“包含一个”应理解为与“包含至少一个”同义。此外，除非另有说明，否则在包括权利要求书在内的说明书中阐述的任何范围应理解为包括其一个或多个端点值。所描述的要素的具体值应理解为在本领域技术人员已知的可接受的制造或行业容限内，并且术语“基本上”和/或“大约”和/或“一般”的任何使用应理解为意味着落在这种可接受的容限内。

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