用于估計(jì)電池模型參數(shù)的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于以下操作的電池模型：估計(jì)表征電池的動態(tài)響應(yīng)的電池模型參 數(shù)；使用電池輸入電流和測量的電池電壓從估計(jì)的參數(shù)值估計(jì)狀態(tài)變量；估計(jì)包括電池可 用功率極限和電池荷電狀態(tài)（SOC)的性能變量；使用性能變量控制電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對控制的模型是用于基于電池模型的控制設(shè)計(jì)的先決條件。隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的 增加，輸出反饋方法已經(jīng)不足以獲得期望的系統(tǒng)性能。應(yīng)該開發(fā)快速且精確的針對控制的 模型來利用基于模型的控制方法。現(xiàn)有的電池管理算法依賴于利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)的基 于圖的控制（map-based control)或使用等效電路模型的基于模型的控制。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜性 高時，基于圖的控制要求較高自由度的校準(zhǔn)圖。此外，圖的數(shù)量應(yīng)該多到覆蓋寬范圍的電池 SOC和溫度變化?？傮w上，電池響應(yīng)依賴于電池操作的時間歷史。因此，基于圖的控制在表 示所有可能的電池操作方面是有局限的。基于等效電路模型的控制方法在計(jì)算上是高效 的，但是不能直接表示電化學(xué)現(xiàn)象。此外，當(dāng)需要提高模型的預(yù)測精確度時，也需要增加模 型的復(fù)雜性。在此情況下，計(jì)算上的優(yōu)勢顯著地降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在實(shí)施例中，提供了一種用于降階電化學(xué)電池模型的電池模型參數(shù)估計(jì)方法。降 階電池模型從全階電化學(xué)電池模型被推導(dǎo)出。所述降階模型包括單個常微分方程，以通過 電流輸入對中慢的電化學(xué)動態(tài)特性以及瞬時電壓降進(jìn)行仿真。兩個模型參數(shù)（有效擴(kuò)散系 數(shù)和有效內(nèi)電阻）被引入以對相應(yīng)的動態(tài)特性進(jìn)行建模。通過對輸入電流曲線和測量的輸 出電壓曲線進(jìn)行處理來在電池壽命期間或根據(jù)操作狀況更新電池模型參數(shù)?；陔姵氐男?能變量來操作具有電池的系統(tǒng)（諸如動力傳動系統(tǒng)）。性能變量包括電池荷電狀態(tài)和可用 的電池功率極限。電池可以是鋰離子（Li-ion)電池。從估計(jì)的由鋰離子濃度表示的狀態(tài) 變量估計(jì)性能變量，所述鋰離子濃度表示正電極和負(fù)電極的電化學(xué)動態(tài)特性。
[0004] 在實(shí)施例中，一種用于具有鋰離子（Li-ion)牽引電池組的動力傳動系統(tǒng)的方法 包括：估計(jì)由常微分方程表示的降階電化學(xué)電池模型的模型參數(shù)，以捕捉電池組的正電極 和負(fù)電極的電化學(xué)動態(tài)特性。所述方法基于采用并修改電極平均模型的結(jié)構(gòu)的降階電池模 型。所述方法可包括估計(jì)電池單元的有效鋰離子濃度以估計(jì)電池組的電池狀態(tài)變量、端電 壓響應(yīng)、可用功率和荷電狀態(tài)。所述方法包括更新電池模型的參數(shù)的值以捕捉電池壽命期 間的電池動態(tài)特性改變和容量衰退。
[0005] 在實(shí)施例中，一種用于具有牽引電池的動力傳動系統(tǒng)的方法包括：根據(jù)基于電池 的降階電化學(xué)模型的狀態(tài)變量的電池的性能變量來操作動力傳動系統(tǒng)，其中，所述狀態(tài)變 量由估計(jì)器基于所述電池模型來估計(jì)。通過估計(jì)器基于所述電池模型來更新所述電池模型 的表征所述狀態(tài)變量相對于電池操作狀況的動態(tài)特性的參數(shù)。
[0006] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，一種用于具有牽引電池的動力傳動系統(tǒng)的系統(tǒng)包括控制 器，控制器被配置為：根據(jù)基于降階電化學(xué)電池模型的狀態(tài)變量的電池性能變量來操作動 力傳動系統(tǒng)，使用估計(jì)器基于所述電池模型來估計(jì)所述狀態(tài)變量，并使用估計(jì)器更新所述 電池模型的表征所述狀態(tài)變量相對于電池操作狀況的動態(tài)特性的參數(shù)。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，估計(jì)器是基于所述電池模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，并 且控制器被配置為使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器基于輸入電流曲線和測量的輸出電壓曲線來更 新所述電池模型的參數(shù)。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述電池模型的參數(shù)包括有效擴(kuò)散系數(shù)和有效內(nèi)電阻 中的至少一個。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，電池的所述性能變量包括電池的荷電狀態(tài)和電池的可 用功率極限中的至少一個。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，控制器還被配置為使用估計(jì)器從測量的電池電壓估計(jì) 所述狀態(tài)變量。
[0011] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，一種車輛包括：具有牽引電池的動力傳動系統(tǒng)；控制器，被 配置為根據(jù)基于降階電化學(xué)電池模型的狀態(tài)變量的電池的性能變量來操作動力傳動系統(tǒng)， 使用估計(jì)器基于所述電池模型來估計(jì)所述狀態(tài)變量，并使用估計(jì)器更新所述電池模型的表 征所述狀態(tài)變量相對于電池操作狀況的動態(tài)特性的參數(shù)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，估計(jì)器是基于所述電池模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波器，并 且控制器被配置為使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器基于輸入電流曲線和測量的輸出電壓曲線來更 新所述電池模型的參數(shù)。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，所述電池模型的參數(shù)包括有效擴(kuò)散系數(shù)和有效內(nèi)電阻 中的至少一個。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，電池的所述性能變量包括電池的荷電狀態(tài)和電池的可 用功率極限中的至少一個。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，控制器還被配置為使用估計(jì)器從測量的電池電壓估計(jì) 所述狀態(tài)變量。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，電池是鋰離子電池。
【附圖說明】
[0017] 圖1不出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電動車輛的電力存儲系統(tǒng)的框圖；
[0018] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的依據(jù)電池荷電狀態(tài)（SOC)估計(jì)處理從全階電化學(xué)電 池模型推導(dǎo)出的降階電化學(xué)電池模型（即，電極平均的電池模型）和全階電化學(xué)電池模型 的表示；
[0019] 圖3A示出針對降階電池模型的沿電極固體粒子半徑的鋰離子濃度曲線的均勻離 散的表不；
[0020] 圖3B示出針對降階電池模型的沿電極固體粒子半徑的鋰離子濃度曲線的非均勻 咼散的表不；
[0021] 圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的描述用于估計(jì)降階電池模型的擴(kuò)散系數(shù)參數(shù)和內(nèi) 電阻參數(shù)以更新電池模型的方法和系統(tǒng)的操作的框圖，其中，所述降階電池模型用于估計(jì) 電池的SOC ;
[0022] 圖5A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的描繪隨著時間更新的有效擴(kuò)散系數(shù)Ds的曲線圖；
[0023] 圖5B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的描繪隨著時間更新的有效內(nèi)電阻R。的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 在此公開本發(fā)明的詳細(xì)實(shí)施例；然而，應(yīng)理解，公開的實(shí)施例僅僅是可以以各種替 代形式實(shí)施的本發(fā)明的示例。附圖不需要按比例繪制；可以夸大或最小化一些特征以示出 特定組件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開的特定結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅是用于教 導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員多樣地采用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
[0025] 現(xiàn)在參照圖1，示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電動車輛1〇(諸如混合動力電動車輛） 的電力存儲系統(tǒng)的框圖。電力存儲系統(tǒng)包括牽引電池12。電池12被配置為：向?qū)㈦娏D(zhuǎn) 換為動力以推進(jìn)車輛10的電機(jī)14 (諸如馬達(dá)/發(fā)電機(jī)）提供電力。電池12包括任意數(shù)量 和/或任意類型的能量存儲單元。例如，電池12是具有多個鋰離子電力存儲單元的鋰離子 (Li-ion)電池。
[0026] 控制器16被配置為估計(jì)與電池12相關(guān)聯(lián)的電池模型參數(shù)，并基于這些估計(jì)的參 數(shù)和其它因子控制電池的操作。控制器16還被配置為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例依據(jù)電池荷電狀 態(tài)（SOC)估計(jì)處理估計(jì)電池12的SOC。SOC估計(jì)處理包括使用電池的降階電化學(xué)模型實(shí)時 地從（測量的）電池電壓估計(jì)電池12的S0C。
[0027] SOC估計(jì)處理還包括用于估計(jì)降階電池模型的參數(shù)的處理，電池模型憑借所述處 理在電池的生命周期中的任意給定時間點(diǎn)更精確地反映電池。電池模型參數(shù)表征電池12 的響應(yīng)或動態(tài)特性。這樣的電池模型參數(shù)包括有效擴(kuò)散系數(shù)和有效內(nèi)電阻。這樣的電池模 型參數(shù)的值可在驅(qū)動模式顯著不同或者在電池特性隨著電池壽命變化時改變。這樣的改 變是由在每個驅(qū)動模式或電池壽命的不同的主導(dǎo)電池動態(tài)特性造成的。作為參數(shù)適配的結(jié) 果，通過使用電池模型而估計(jì)的電池狀態(tài)變量和相關(guān)聯(lián)的性能變量將在總體上更精確。
[0028] 開發(fā)降階電化學(xué)電池模型和狀態(tài)估計(jì)器的目的包括：1)產(chǎn)生可以足夠精確地捕 捉電池12的動態(tài)特性的降階電化學(xué)電池模型（即，電極平均電池模型）；2)估計(jì)電池模型 的模型參數(shù)，以更新根據(jù)操作狀況或電池壽命一一電池模型參數(shù)改變的模型參數(shù)，其中，電 池模型參數(shù)包括擴(kuò)散系數(shù)和內(nèi)電阻；3)設(shè)計(jì)擴(kuò)展卡爾曼濾波器框架來同時估計(jì)狀態(tài)變量 和模型參數(shù)；4)使用（更新的）電池模型實(shí)時地從測量的電池電壓估計(jì)電池狀態(tài)變量和相 關(guān)聯(lián)的性能變量。
[0029] 電池12的降階或電極平均模型（"降階電池模型"）的推導(dǎo)基于對電池12的全階 電化學(xué)模型的理解。在假設(shè)每個電極（即，陰極和陽極）可由平均電極粒子表示的情況下， 該全階電池模型被操縱為降階模型。之后，在假設(shè)擴(kuò)散動態(tài)特性可由導(dǎo)致陰極和陽極的組 合動態(tài)特性的代表性擴(kuò)散動態(tài)特性表示的情況下，所述降階模型被進(jìn)一步降階。這使得使 用單個粒子的產(chǎn)生的模型的大小約等于使用兩個粒子的模型的大小的一半。產(chǎn)生的擴(kuò)散動 態(tài)特性是陰極和陽極的平均擴(kuò)散動態(tài)特性。
[0030] 單獨(dú)地，電解質(zhì)的瞬時電壓降與過電位被組合在單個內(nèi)電阻項(xiàng)中，其中，所述過電 位從巴特勒-沃爾默（Butler-Volmer)電流密度方程計(jì)算得到。由于開路電位和電解質(zhì)電 位項(xiàng)不需要被單獨(dú)計(jì)算，因此這些假設(shè)使得降階或電極平均電池模型更簡單。
[0031] 進(jìn)而，基于降階電池模型使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF)從輸出電壓測量曲線的輸 入電流曲線估計(jì)有效鋰離子濃度曲線，其中，所述有效鋰離子曲線表示電池單元（或電池 組）的動態(tài)響應(yīng)。隨后，從估計(jì)的鋰離子濃度曲線計(jì)算包括電池荷電狀態(tài)和可用功率極限 的電池性能變量。
[0032] 現(xiàn)在參照圖2,示出全階電化學(xué)電池模型20的示圖和從全階電池模型20推導(dǎo)出的 降階電化學(xué)電池模型30的示圖。降階模型被進(jìn)一步簡化以估計(jì)由鋰離子濃度曲線表示的 電池電化學(xué)狀態(tài)并估計(jì)電池 S0C。
[0033] 再次參照圖2,正電極和負(fù)電極的動態(tài)特性可以由每個電極的組合動態(tài)特性來表 示。如圖2所示，全階電池模型20包括：浸入陽極的電解質(zhì)溶液24中的固體粒子22、多種 活性材料以及浸入陰極的電解質(zhì)溶液28中的固體粒子26、多種活性材料。如本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員所知的，鋰離子29 (為了簡潔只示出一個）沿著從陽極的固體粒子22的路徑到陰極 的固體粒子26的路徑移動，從而基于在電池兩端施加電壓V而產(chǎn)生電流I。
[0034] 如圖2進(jìn)一步所示的，通過使降階電池模型30包括浸入陽極的電解質(zhì)溶液34中 的平均固體粒子32和浸入陰極的電解質(zhì)溶液38中的平均固體粒子36,而使降階電池模型 30相對于全階電池模型被簡化。平均固體粒子32代表全階電池模型20的陽極中的多個固 體粒子22,平均固體粒子36代表全階電池模型20的陰極中的多個固體粒子26。
[0035] 現(xiàn)在將詳細(xì)描述從全階電池模型20到降階電池模型30的推導(dǎo)。如本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員所知的，全階電池模型20由以下方程表示：
[0040] 其中，Φ是電位，c是鋰離子濃度，下標(biāo)s和e分別表示活性電極固體粒子和電解 質(zhì)，^ff是電極的有效電導(dǎo)率，κ 6ff是電解質(zhì)的有效電導(dǎo)率，rf是液體接界電勢項(xiàng)，