CN104051799B

CN104051799B - 用于评估可再充电蓄电池的方法和装置

Info

Publication number: CN104051799B
Application number: CN201310757119.9A
Authority: CN
Inventors: R·Y·赢
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: CN104051799A; US9461490B2; US20140266060A1

Abstract

本申请涉及用于评估可再充电蓄电池的方法和装置。一种用于评估应用中采用的蓄电池的方法，包括计算充电事件期间的电压差，评估电压差以确定的电压差的峰值状态，基于电压差的峰值状态确定蓄电池的充电状态，和响应充电状态控制应用的操作。

Description

用于评估可再充电蓄电池的方法和装置

技术领域

本发明涉及采用可再充电蓄电池的***和相关的控制***。

背景技术

蓄电池是应用在多种***中以从发生在单格电池中的化学反应提供电能并且优选为可再充电的电化学设备。蓄电池应用于多种***中，包括例如地面交通工具。已知的蓄电池技术包括锂铁磷酸盐(LiFePO₄)单格电池以及在充电/放电期间表现出平坦电压响应的其他技术。除非在接近充电的顶部和底部的端点处，在充电/放电事件期间的平坦电压响应使得难以预测充电状态(SOC)。用于监测SOC的已知的***使用库仑计数并且依赖于端点以复位SOC。蓄电池充电和放电能引起活性材料中的相变，其与蓄电池放电和充电时的嵌入和脱嵌相关。

已知的交通工具***包括提供用于推进的牵引扭矩的动力系***，其中一些牵引力产生自蓄电池。这样的动力系***可包括混合动力***、纯电动***、和可配置为运行在多种操作模式中以产生和传递扭矩到传动系的增程式电力***。

发明内容

一种用于评估在应用中采用的蓄电池的方法包括计算充电事件期间的电压差，评估该电压差以确定电压差的峰值状态，基于电压差的峰值状态确定蓄电池的充电状态，以及响应充电状态控制应用的操作。

本应用提供的方案如下：

方案1、一种用于评估应用中采用的蓄电池的计算机实施的方法，包括：

计算充电事件期间的电压差；

评估该电压差以确定的该电压差的峰值状态；

基于该电压差的该峰值状态确定蓄电池的充电状态；和

响应充电状态控制该应用的操作。

方案2、根据方案1所述的方法，其中计算充电事件期间的电压差包括计算低电流充电事件期间的电压差。

方案3、根据方案2所述的方法，其中计算低电流充电事件期间的电压差包括计算在包括以小于三小时充电速率的充电速率的充电事件期间的电压差。

方案4、根据方案1所述的方法，其中计算充电事件期间的电压差包括：

求蓄电池充电电流关于时间的积分；和

确定相对于积分的蓄电池充电电流的变化的蓄电池电压的变化。

方案5、根据方案1所述的方法，其中计算充电事件期间的电压差包括：

求蓄电池充电电流关于时间的积分以确定蓄电池充电容量；和

确定相对于蓄电池充电容量的变化的蓄电池电压的变化。

方案6、根据方案1所述的方法，其中评估电压差以确定电压差的峰值状态，包括相对于蓄电池充电容量评估电压差以确定电压差的峰值状态和对于该电压差的峰值状态的相应的蓄电池充电容量。

方案7、根据方案1所述的方法，其中基于电压差的峰值状态确定蓄电池的充电状态包括：

相对于蓄电池充电容量评估电压差以确定电压差的峰值状态和对于该电压差的峰值状态的相应的蓄电池充电容量；和

将在该电压差的峰值状态的蓄电池充电容量与蓄电池充电状态相关联。

方案8、根据方案1所述的方法，其中基于电压差的峰值状态确定蓄电池的充电状态包括：

将在该电压差的峰值状态的蓄电池充电容量与蓄电池健康状态相关联。

方案9、一种用于评估可再充电蓄电池的计算机实施的方法，所述蓄电池在充电事件期间表现出几乎平坦的电压响应，该方法包括：

执行蓄电池的低电流充电；

确定低电流充电期间的电压差，包括求蓄电池充电电流关于时间的积分并确定相对于积分的蓄电池充电电流的变化的蓄电池电压的变化；

确定相对于蓄电池充电容量的电压差的峰值状态；

基于电压差的峰值状态确定蓄电池的健康状态；和

响应健康状态控制蓄电池操作。

方案10、根据方案9所述的方法，其中所述的蓄电池在充电事件期间表现出几乎平坦的电压响应，包括所述蓄电池在充电事件期间表现出变化小于0.2V的电压响应。

方案11、根据方案9所述的方法，其中确定低电流充电事件期间的电压差包括确定在以小于3-小时充电速率的充电速率进行充电期间的电压差。

方案12、根据方案9所述的方法，其中确定相对于蓄电池充电容量的电压差的峰值状态，包括相对于蓄电池充电容量评估电压差以确定电压差的峰值状态和对于该电压差的峰值状态的相应的蓄电池充电容量。

方案13、根据方案9所述的方法，其中基于电压差的峰值状态确定蓄电池的健康状态，包括将在电压差的峰值状态的蓄电池充电容量与蓄电池的健康状态相关联。

方案14、根据方案9所述的方法，还包括基于电压差的峰值状态确定蓄电池的充电状态，其中确定充电状态包括将在电压差的峰值状态的蓄电池充电容量与蓄电池充电状态相关联。

附图说明

现在将参考附图通过例子来描述一个或多个实施例，其中：

图1示出根据本发明的包括采用可再充电蓄电池的动力系***的交通工具；

图2-1示出根据本发明的与对在不同健康状态下的代表性蓄电池进行充电和放电相关的数据；

图2-2示出根据本发明的图2-1的数据，数据扩展到包括与蓄电池充电事件和蓄电池放电事件的初始容量的百分比相关的测量电压；

图2-3示出根据本发明的图2-1的数据，数据被分析以包括电压响应对充电输入的导数，该导数被相对于蓄电池的充电状态绘出；

图2-4示出根据本发明的图2-1的数据，数据被分析以包括电压响应对充电输入的导数，该导数被相对于蓄电池电荷容量绘出；以及

图3示出根据本发明的在蓄电池充电事件期间执行电压差分析的电压差分析方案。

具体实施方式

现在参考附图，其中附图仅为了示出某些示例性实施例且不是为了限于这些实施例，图1示意性地示出了采用可再充电能量存储设备(蓄电池)25的非限制应用。应用包括交通工具5，交通工具包括动力系***20的非限制实施例，动力系***包括内燃发动机(发动机)40、第一和第二非燃烧扭矩机器35和36以及蓄电池25。

蓄电池25可以是任意适当的能量存储设备，例如，由多个锂离子单格电池制造的高压蓄电池。应该意识到，能量存储设备25可包括多个发电单格电池、超级电容、和配置为在车辆上存储能量并提供电能的其他适当的电化学设备。蓄电池25通过高压总线29电连接到逆变器模块30，该模块连接到第一和第二扭矩机器35和36以在其间传递电能。在一个实施例中，外部连接器26电连接到蓄电池25并且可连接到外部AC电源以提供用于给蓄电池25充电的电能。

发动机40和非燃烧扭矩机器35和36机械连接到变速器50，变速器机械连接到传动系60，所有这些可由控制***10控制。动力系***20可配置为混合动力***(包括串联混合动力***、并联混合动力***、串并联混合动力***中的一个)、增程式电动***(EREV)、插电式混合电动(PHEV)车、蓄电池电动车(BEV)、或其他动力系配置等。包括动力系***20的交通工具5的实施例是示意性的且不是限制性的。

动力系***20采用通信路径55、机械动力路径57和高压电力路径59。机械动力路径57机械地连接产生、使用、和/或传递扭矩的元件。高压电力路径59电连接产生、使用、和/或传递高压电能的元件，包括高压DC总线29。通信路径55可包括直接数据传输线和高速数据传输线，例如通信总线18，以实现控制***10内的通信并实现控制***10和交通工具5的元件之间的通信。

发动机40可以是任意内燃发动机，其通过燃烧过程将燃料转换成机械能。第一和第二扭矩机器35和36是任意适当的非燃烧扭矩机器，且优选包括电连接到逆变器模块30的多相电动机/发电机，逆变器模块配置为将存储的电能转换成机械能并将机械能转换成可以存储在能量存储设备25中的电能。逆变器模块30包括第一和第二逆变器32和33，它们分别电连接到第一和第二扭矩机器35和36。第一和第二扭矩机器35和36与相应的第一和第二逆变器32和33相互作用以将存储的电能转换成机械能并将机械能转换成可以存储在能量存储设备25中的电能。变速器50优选包括一个或多个差速齿轮组和可接合离合器部件以实现发动机40、第一和第二扭矩机器35和36、以及连接到传动系60的输出件62之间的扭矩传递。传动系60可包括机械连接到车桥64或半轴的差速齿轮装置65，车桥或半轴机械连接到车轮66，车轮传递牵引扭矩以驱动车辆5。控制***10包括信号连接到操作者界面14的控制模块12。操作者界面14用于集中地指示多个人/机交互装置，车辆操作者通过该装置命令车辆5的操作。控制模块12信号连接到能量存储设备25、逆变器模块30、第一和第二扭矩机器35和36、发动机40和变速器50中的每一个的传感设备。控制模块12可直接地或通过通信总线18操作地连接到包括第一和第二逆变器32和33的逆变器模块30的致动器、发动机40、和变速器50，以根据以算法和标定的形式存储的被执行的控制方案来控制它们的操作。

控制模块、模块、控制装置、控制器、控制单元、处理器和类似术语意味着专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的中央处理单元(优选为微处理器)和相关存储器和贮存器(只读、可编程只读、随机读取、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、适当的信号调节和缓冲电路、以及提供所描述的功能的其他适当的部件中的一个或多个的任意适当的一个或多个的组合。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意味着包括校准和查询表的任意指令组。控制模块具有一套控制例程，包括存储在存储器中且被执行以提供期望功能的常驻软件程序指令和标定，包括控制方案300。例程优选地在预设的循环期间执行。例如通过中央处理单元执行例程，并且例程是可用以监测来自传感装置和其他联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。循环可以以规则的间隔执行，例如在正在进行的发动机和车辆操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可选择地，可以响应事件的发生执行例程。

图2-1以图形示出与对在不同的健康状态(SOH)下的蓄电池25的代表性样本充电和放电相关的数据。SOH可以被与蓄电池的放电容量相比地定义，这取决于充电容量和库仑效率。对于已知的锂离子蓄电池，库仑效率非常好(～99.5％)，导致接近充电容量的放电容量。总放电容量可以被测量或者从充电容量和SOC窗口推断，即从低SOC到高SOC充电，并且计算如下：

TDC=CE×(CC/SOC窗口) 【1】

其中，TDC是总放电容量，CE是库仑效率，CC是充电容量，且SOC窗口由从低SOC到高SOC的充电窗口定义。

蓄电池在处于或接近其完全充电时的初始放电容量时的全新状态下具有高SOH，例如完全充电时的初始放电容量的98％，并且在完全充电时的放电容量存在显著的可标定降级时的使用寿命的终点具有低SOH。在一个实施例中，蓄电池在其处于或接近完全充电时的初始放电容量的75％时处于使用寿命的终点。参考图2-1到2-4描述的百分比是总的初始放电容量的百分比，98％与高SOH相关，接近寿命的起点，75％与低SOH相关，接近寿命的终点，该寿命终点的定义是应用特有的。在所描述的实施例中，蓄电池分别损失了总容量的2％和25％。

代表性的蓄电池是由锂(LiFePO4)构成的单格电池，其以C/10(慢)速率被充电，意味着电流充电速率计量为10小时获得完全充电。数据包括多个蓄电池充电事件和蓄电池放电事件的在垂直轴上的测量的电压(V)202，其相对于在水平轴上的蓄电池充电容量Q(安培一小时)204绘制，蓄电池充电事件示为线210、214、218和222，蓄电池放电事件示为线212、216、220、224。如所示出的，数据包括在全新状态下，即在充电状态210和放电状态212中其初始放电容量的98％处，在充电状态214和放电状态216中其初始放电容量的84％处，在充电状态218和放电状态220中其初始放电容量的79％处，在充电状态222和放电状态224中其初始放电容量的75％处的蓄电池。在一个实施例中，当达到其初始放电容量的75％时认为蓄电池在其寿命的终点。反复执行充电/放电循环导致老化。当工作在工作电压范围内时，蓄电池的整个寿命过程中大多数的充电和放电期间电压响应几乎是平坦的(即变化不超过0.2V)，在一个实施例中工作电压范围在2.0V和3.6V之间。

图2-2示出了与对在不同的健康状态下的蓄电池25的代表性样本进行充电和放电有关的图2-1的数据，其中该数据被扩展到几乎平坦的电压区域内以包括蓄电池充电事件和蓄电池放电事件的相对于在水平轴上的初始放电容量的百分比(％)25绘制的在竖直轴上的测量电压(V)202，其中基于蓄电池容量(安培-小时)确定的初始放电容量的百分比(％)参照图2-1示出。绘制的各数据线示出具有几乎平坦的电压平稳状态的区域。如所示出的，由于在蓄电池的活性材料里的相变，存在两个截然不同的电压平稳状态。借助于例子，当蓄电池是锂基设备时，蓄电池放电和充电时每个相变都分别与锂嵌入和脱嵌有关。

图2-3示出与在不同的健康状态下给蓄电池25的代表性样本充电相关的图2-1的数据，被分析的数据包括低电流充电事件期间在垂直轴上的电压响应对充电输入的导数dV/dQ(V/A-h)206，该导数被相对于在水平轴线208上的蓄电池充电状态(％)绘制。结果可以在涌浪部分230、第一峰值232、第一平坦区域234、第二峰值236、第二平坦区域238和最后峰值240方面被关联。峰值和平坦区域提供了蓄电池充电状态的指示。参考第一平坦区域234和第二峰值236容易检测到代表性的蓄电池的老化和退化。变化可与蓄电池的活性材料的相变中的变化相关，例如在一个实施例中的锂的相变中的变化。

图2-4示出与在不同的健康状态下给蓄电池25的代表性样本充电有关的图2-1的数据，被分析的数据包括氐电流充电期间在垂直轴上的电压响应对充电输入的导数dV/dQ(V/A-h)206，该导数被相对于蓄电池充电容量Q(Amp-hours)204绘制。如所示出的，数据包括在全新状态，即在充电状态210中其初始容量的98％处和在充电状态211中其初始放电容量的97％处，在充电状态214中其初始放电容量的84％处，在充电状态218中其初始放电容量的79％处，和在充电状态222中其初始放电容量的75％处的蓄电池。结果可以在涌浪部分231、第一峰值233、第一平坦区域235、第二峰值237、第二平坦区域239和最后峰值241方面被分析，这些对应于参考图2-3所示的类似结果。这些结果表明电压差峰值相对于充电容量的移动，即第二峰值237和最后峰值241相对于蓄电池充电容量Q204移动且与平坦区域239相关的充电容量的范围随着蓄电池的老化而减少。两组数据提供了对目前充电容量的重复的指示，其可用于确定蓄电池的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)。在充电状态211中其初始放电容量的97％处示出的数据与工作在恒定功率模式而不是恒定电流模式的蓄电池充电器相关，并且指示电压差分析在低功率例如10瓦/单格电池时是有效的，在该实施例中这可以在少于8小时内给单格电池充电。

图3示意性地示出了电压差分析方案300，其在蓄电池充电事件期间执行电压差分析，且适用于在充电和放电事件期间显示出平坦电压响应的任意电化学蓄电池配置，例如参考图1描述的所采用的锂铁磷酸盐(LiFePO₄)蓄电池配置。电压差分析方案300在表1中详细公开，表1作为对图3的图解，其中带数字标记的框和相应的功能公开如下。

表1

框框内容
	302 开始蓄电池充电
304 监测充电期间的蓄电池温度、电流、电压和时间
	306 通过求充电电流的积分来确定充电容量Q
308 执行电压差分析：dV/dQ
	310 相对于充电容量Q评估dV/dQ
312 使dV/dQ的峰值与SOC、SOH相关联
	314 向控制方案和操作者报告蓄电池的SOC、SOH

优选紧接着开始蓄电池充电(302)执行电压差分析方案300。优选地充电包括低电流充电，例如≤C/3充电速率，其为三小时充电速率。在一个实施例中，充电速率是C/10。在一个实施例中，当蓄电池用在车上时执行低电流充电，例如参考图1进行描述的，当车辆处于静态设置时，例如***车辆外部充电站时。在充电期间，监测蓄电池和充电参数，包括蓄电池温度、充电电流、电压和时间(304)，并且蓄电池充电容量Q通过以下求充电电流I关于时间t的积分(306)来确定。

Q＝∫Idt 【2】

执行电压差分析，包括在低电流充电事件期间求电压响应对充电容量变化的导数(dV/dQ)(308)，并相对于充电容量Q评估该结果(310)。参考图2-4示出关于充电容量(Q)的求电压响应相对于充电容量变化的导数(dV/dQ)的示例性结果。评估优选包括使电压响应对充电容量变化的导数(dV/dQ)的峰值的位置与蓄电池的充电状态和健康状态相关联。借助于例子，图2-4用图表描述了电压差峰值相对于充电容量Q的移动，即全新状态的蓄电池的第二峰值237和最后峰值241，即在充电状态210中其初始容量的98％处，在充电状态214中其初始放电容量的84％处，在充电状态218中其初始放电容量的79％处，和在充电状态222中其初始放电容量的75％处，即接近使用寿命的终点。当蓄电池容量随着寿命降级时，第二电压差峰值相对于充电输入移动。在电压差的第二峰值237处的蓄电池充电容量与蓄电池的充电状态相关，这提供蓄电池容量即充电状态(SOC)和蓄电池健康状态(SOH)的重复指示，充电状态可以换算成车辆行驶里程。本领域技术人员能够针对蓄电池的应用关联第二电压差峰值相对于充电输入的移动，以确定充电状态(SOC)和蓄电池健康状态(SOH)，其是该应用中蓄电池容量的可重复指示。图2-4示出的非限制性示例用图表描述了这种结果。当电压差的第二峰值发生在大于14安培-小时的蓄电池充电容量(在水平轴线上示出)时，蓄电池SOH指示蓄电池是相对新的。当电压差的第二峰值发生在接近12安培-小时的蓄电池充电容量时，蓄电池SOH指示蓄电池接近寿命终点，当蓄电池用作车辆推进***的一部分时，这样的信息可用于通知车辆操作者。由电压差峰值指示的电压变化是由锂嵌入和脱嵌期间活性材料的相变引起的。在车辆运行期间低速率放电可能不切实际，但是在车外充电站处在关闭循环期间可实施低速率充电且该低速率充电适于该应用。

电压差分析方案300的结果通信给用于控制运行的车辆控制方案且优选通信给车辆操作者(314)。这可以包括将充电状态(SOC)转换成车辆行驶里程，其可以通信给车辆操作者。当蓄电池SOH指示蓄电池达到其使用寿命的终点时，这可以包括通知车辆操作者。电压差分析方案300可以集成进车辆或者蓄电池充电器硬件并定期地执行以测量单格电池电压，例如每0.5％SOC，这在C/10电流充电速率下每2-3分钟就发生。电压差分析方案300可用于识别单格电池阵列中最弱的单格电池。

本说明书已经描述了某些优选实施例及其变型。本领域技术人员可以基于阅读和理解说明书想到其他变型和替代。因此，意图是公开不限于以预期用于执行本发明的最佳方式公开的特定实施例，但是公开将包括落入附带的权利要求范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于评估应用中采用的蓄电池的计算机实施的方法，包括：

在充电事件期间

监测与所述蓄电池的充电输入相关的电压响应；

监测所述蓄电池的蓄电池充电电流；

基于所述蓄电池的被监测的蓄电池充电电流确定蓄电池充电容量；

确定所述电压响应的关于蓄电池充电容量变化的导数；

识别所述电压响应的所述导数的对应低蓄电池充电容量的第一峰值；

识别所述电压响应的所述导数的对应高蓄电池充电容量的第二峰值；

基于所述第二峰值确定所述蓄电池的充电状态；以及

基于所述第二峰值出现处的所述蓄电池充电容量确定所述蓄电池的健康状态，包括：

确定指示蓄电池健康状态水平的阈值蓄电池充电容量；以及

将所述第二峰值出现处的所述蓄电池充电容量与所确定的指示蓄电池健康状态水平的阈值蓄电池充电容量进行比较；以及

响应于所述充电状态和所述健康状态控制所述应用的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述充电事件包括低电流充电事件。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述蓄电池的充电状态包括：

基于所述第二峰值出现在下降的蓄电池充电容量值处来估计下降的健康状态。