確定電池的殘余容量的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種使用用于電能存儲(chǔ)的電化學(xué)電池單元的無負(fù)載電壓模型來確定該電池單元的殘余容量的方法，該模型是以使該參數(shù)表示該電池單元的老化的方式來參數(shù)化的。參數(shù)化該模型是從對電池執(zhí)行的測量系列實(shí)現(xiàn)的，該測量系列至少包括該電池單元的電壓測量、溫度測量和電流測量。
【專利說明】確定電池的殘余容量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對電池(特別是機(jī)動(dòng)車輛的電池)的老化的研究。更具體地，本發(fā)明涉及一種確定電池的殘余容量(capacity)的方法。
[0002]在本申請中，“電池”是如下術(shù)語的通用名稱:電池、電池組、電池模塊和電池單元。電池和電池組由用于電能存儲(chǔ)的一個(gè)或多個(gè)電化學(xué)電池單元(其是電池的單位電化學(xué)組件)組成，并且根據(jù)定義它們提供有電池管理系統(tǒng)BMS。電池模塊是用于能量存儲(chǔ)的電化學(xué)電池單元的集合。在此后的本描述的其余部分中，術(shù)語電池因此被用來指示具有或不具有電池管理系統(tǒng)BMS的整個(gè)電池或電池單元、或電池單元的集合。
[0003]在使用期間，電池單元組分的若干物理特征(電極和電解液)會(huì)改變。這被稱為電池單元的老化。這樣的老化有各種原因，但是它特別導(dǎo)致電池單元的無負(fù)載電壓的改變，并導(dǎo)致其容量的減少。一般來說，當(dāng)電池?fù)p失了其初始容量的30%時(shí)，該電池被認(rèn)為到達(dá)了其生命期的盡頭。
[0004]對電池的殘余電荷的知識(shí)允許在考慮了電池老化的情況下定義從真實(shí)容量所定義的真實(shí)電荷狀態(tài)。此外，電池的殘余容量還允許定義其健康狀態(tài)S0H。
[0005]本發(fā)明特別涉及車輛(特別是要求對電能的智能管理的電動(dòng)車輛或混合動(dòng)力車輛)中使用的電力牽引電池。
[0006]電池能量的演變與其隨時(shí)間推移的容量損失直接相關(guān)。因此，它直接取決于電池的老化程度，該老化程度因每一車輛使用(即該車輛板載的每一電池的個(gè)案歷史)而異。
【背景技術(shù)】
[0007]確定電池特性可以使用本文獻(xiàn)中描述的若干類型的方法來實(shí)現(xiàn)，這些方法本質(zhì)上是:
[0008]-基于在電池的整個(gè)生命期內(nèi)監(jiān)視電化學(xué)阻抗頻譜(經(jīng)參數(shù)化的電荷狀態(tài)和溫度)的方法。這些方法基于該頻譜的頻率范圍的全部或部分，
[0009]-基于在線標(biāo)識(shí)表示電池的操作的等效電路的組分參數(shù)的值的方法。通常發(fā)現(xiàn)對簡單電阻器(等效于內(nèi)部阻抗)和略微更復(fù)雜的等效電路(諸如內(nèi)部阻抗加上一個(gè)(或多個(gè))電阻器和一個(gè)(或多個(gè))電容器組裝件)的標(biāo)識(shí)，
[0010]-允許計(jì)算老化指數(shù)的“開環(huán)”方法，該老化指數(shù)的演變最通常取決于溫度和強(qiáng)度軌線并取決于充電或放電率。對于這種類型的方法，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)公式(該公式可使用利用指數(shù)老化定律的動(dòng)力類推)或嚴(yán)重度圖。
[0011]為了解決這些問題，專利申請DE-10-2010-019, 128A1 和 FR-2, 946，150A1 描述了使用測量來估計(jì)電力電池的容量的方法。然而，這些文檔中描述的方法涉及若干缺點(diǎn)。
[0012]特別地，它們并不使得電池的老化能夠被精確建模。對以下兩種方法使用相同類型的測量:穩(wěn)態(tài)點(diǎn)處的兩個(gè)電壓以及這兩個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)之間的電流的積分，這兩種方法使用無負(fù)載電壓曲線，然而這些曲線的溫度依賴性好像沒有被真正利用。實(shí)際上，對于專利申請DE-10-2010-019，128A1，使該積分所給出的SOC (電荷狀態(tài))增量給出這兩個(gè)測量到的電壓值的曲線是從根據(jù)SOC和老化給出無負(fù)載電壓的各可用曲線之中找到的。該方法沒有描述對用來測量這些電壓的這兩個(gè)點(diǎn)可以處于不同溫度的事實(shí)的管理。此外，專利申請F(tuán)R-2, 946, 150A1使用了使用斜率概念(用這兩個(gè)測量到的電壓值之間的線來表示無負(fù)載電壓)的不同過程。對于給定積分，對某一斜率的觀察在給定溫度下必定對應(yīng)于某一殘余容量。這需要對所有這些斜率的先驗(yàn)知識(shí)。
[0013]此外，兩個(gè)專利申請均使用與容量有關(guān)的電荷概念(對于該德國專利為S0C，對于該法國專利為放電深度)來參數(shù)化這些無負(fù)載電壓。對于該法國專利，這意味著考慮電荷狀態(tài)是經(jīng)由第一所測電壓而被知道的。
[0014]而且，對于這兩個(gè)專利申請來說，僅兩個(gè)測量點(diǎn)被使用，這使得這些計(jì)算對電壓和電流測量誤差敏感。
[0015]此外，兩個(gè)專利申請都要求先驗(yàn)具有所有可能的無負(fù)載電壓曲線，這好像非常難，因?yàn)樗枰A(yù)見到電池單元老化的方式。
[0016]本發(fā)明因此涉及一種借助于表示電化學(xué)電池單元的老化的參數(shù)化模型來確定該電池單元的殘余容量的方法。參數(shù)化該模型是由對電池執(zhí)行的測量系列實(shí)現(xiàn)的。使用借助于測量來參數(shù)化的模型允許精確地計(jì)及電池的初始狀態(tài)。實(shí)際上，根據(jù)本發(fā)明的方法使用了用表示老化模式的各因數(shù)來參數(shù)化無負(fù)載電壓曲線，該參數(shù)化不需要對電池的電荷狀態(tài)的知識(shí)。本發(fā)明允許利用大量的測量來確定殘余容量，這使得能夠限制與測量誤差有關(guān)的不想要的影響。最后，本發(fā)明允許針對溫度對于兩個(gè)電壓測量不具有相同值的情況使用測量三元組，先驗(yàn)允許對殘余容量的頻繁更新。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明涉及一種確定用于電能存儲(chǔ)的至少一個(gè)電化學(xué)電池單元的殘余容量Cms的方法，其中至少一個(gè)測量系列包括:在來自所述最初被馳豫的電化學(xué)電池單元的電流消耗開始時(shí)，對電壓Vtl和溫度Ttl的測量；在來自所述電化學(xué)電池單元的所述電流消耗結(jié)束時(shí)，并且過了其馳豫之后，對電壓V1和溫度T1的測量；以及，在來自所述電化學(xué)電池單元的所述電流消耗被執(zhí)行期間，對電流I的測量。該方法包括執(zhí)行以下階段:
[0018]a)借助所述測量系列以及所述電化學(xué)電池單元的無負(fù)載電壓模型來確定表示所述電化學(xué)電池單元的老化效應(yīng)的至少一個(gè)參數(shù)Π，所述模型借助所述參數(shù)Π將所述電化學(xué)電池單元的電壓V關(guān)連到所述電化學(xué)電池單元的電荷C以及溫度Τ。
[0019]b)借助所述模型和所述參數(shù)η計(jì)算所述殘余容量C_。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，測量系列的數(shù)目大于或等于所述模型的參數(shù)η的數(shù)目。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，所述參數(shù)η是借助所述測量系列通過執(zhí)行以下階段來確定的:
[0022]i)將所述參數(shù)η初始化成初始值Π O,
[0023]ii)使用所述模型、電流消耗開始時(shí)的所述溫度和電壓測量Ttl和Vtl、以及所述參數(shù)n來確定電流消耗開始容量C。的值，
[0024]iii)通過將所述電流消耗開始容量Ctl和在所述電流消耗期間電流測量I的積分Σ相加來確定電流消耗結(jié)束容量C1,
[0025]iv)借助所述模型、所述電流消耗結(jié)束容量C1、電流消耗結(jié)束溫度T1和所述參數(shù)η來估計(jì)電流消耗結(jié)束電壓值Ir1-以及
[0026]V)通過修改所述參數(shù)η來重復(fù)階段ii)到iv)，以便最小化測量到的電壓值V1和所估計(jì)的電壓值之間的差。
[0027]有利地，所述參數(shù)η是使用下降法來修改的。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，單個(gè)參數(shù)η是借助單個(gè)測量系列通過經(jīng)由牛頓算法來求出以下類型的函數(shù)Φ (H)的零值來確定的
【權(quán)利要求】
1.一種確定用于電能存儲(chǔ)的至少一個(gè)電化學(xué)電池單元的殘余容量Cms的方法，其中至少一個(gè)測量系列包括:在來自所述最初被馳豫的電化學(xué)電池單元的電流消耗開始時(shí)，對電壓Vtl和溫度Ttl的測量；在來自所述電化學(xué)電池單元的所述電流消耗結(jié)束時(shí)，并在其馳豫之后，對電壓V1和溫度T1的測量；以及，在來自所述電化學(xué)電池單元的所述電流消耗被執(zhí)行期間，對電流I的測量，其特征在于，以下階段被執(zhí)行: a)借助所述測量系列以及所述電化學(xué)電池單元的無負(fù)載電壓模型來確定表示所述電化學(xué)電池單元的老化效應(yīng)的至少一個(gè)參數(shù)Π，所述模型借助所述參數(shù)Π將所述電化學(xué)電池單元的電壓V關(guān)連到所述電化學(xué)電池單元的電荷C以及溫度T ； b)借助所述模型和所述參數(shù)η計(jì)算所述殘余容量C_。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量系列的數(shù)目大于或等于所述模型的參數(shù)n的數(shù)目。
3.如之前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)η是借助所述測量系列通過執(zhí)行以下階段來確定的: i)將所述參數(shù)rI初始化成初始值r1, ?)使用所述模型、電流消耗開始時(shí)的所述溫度和電壓測量Ttl和Vtl、以及所述參數(shù)η來確定電流消耗開始容量Ctl的值， Iii)通過將所述電流消耗開始容量Ctl和在所述電流消耗期間的電流測量I的積分Σ相加來確定電流消耗結(jié)束 容量C1, iv)借助所述模型、所述電流消耗結(jié)束容量C1、電流消耗結(jié)束溫度T1和所述參數(shù)η來估計(jì)電流消耗結(jié)束電壓值,以及 V)通過修改所述參數(shù)Π來重復(fù)階段ii)到iv)，以便最小化測量到的電壓值V1和所估計(jì)的電壓值之間的差。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)η是使用下降法來修改的。
5.如權(quán)利要求1或2中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，單個(gè)參數(shù)η是借助單個(gè)測量系列通過經(jīng)由牛頓算法來查找以下類型的函數(shù)Φ (n)的零值來確定的:
6.如權(quán)利要求1或2中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，單個(gè)參數(shù)η是使用確定如下類型的函數(shù)的最小值來確定的:
7.如權(quán)利要求1或2中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，η個(gè)參數(shù)η是借助P個(gè)測量系列使用確定如下形式的函數(shù)的最小值來確定的:
8.如權(quán)利要求6或7中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述函數(shù)的最小值是使用Levenberg-Marquardt類型的非線性最小二乘法來確定的。
9.如之前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述殘余容量Cms是借助以下階段來確定的: i)借助所述模型、所述電化學(xué)電池單元的最大電壓以及所述參數(shù)n為參考溫度1；#確定所述電化學(xué)電池單元的初始容量Ci, ii)借助所述模型、所述電化學(xué)電池單元的最小電壓以及所述參數(shù)n為所述參考溫度Tref確定所述電化學(xué)電池單元的最終容量cf， iii)用所述最終容量Cf和所述初始容量Ci之間的差來計(jì)算所述殘余容量c_。
10.如之前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述殘余容量Cms是借助所述參數(shù)n的經(jīng)過濾值來計(jì)算的。
11.如之前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)電池單元的健康狀態(tài)SOH是借助所述殘余容量Cms來確定的。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述電化學(xué)電池單元是根據(jù)所述電化學(xué)電池單元的所述健康狀態(tài)SOH來控制的。
13.如之前的權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)電化學(xué)電池單元被用在混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)車輛中，特別地被用在機(jī)動(dòng)車輛中。
【文檔編號(hào)】G01R31/36GK104035035SQ201410080606
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月6日
【發(fā)明者】Y·格里夫, E·普拉達(dá), D·迪多梅尼科, P·珀格南特－格羅斯 申請人:Ifp新能源公司