用于使用電池模型參數評估健康狀態的系統和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于使用電池模型參數評估健康狀態的方法和系統。該系統包括電池模型參數提取器，其被配置為提取Li離子液相擴散系數參數，以及被配置為存儲映射表的存儲單元，在映射表中，Li離子液相擴散系數參數的健康狀態(SOH)被映射。另外，SOH評估器被配置為使用該映射表來評估該SOH，該SOH對應于從電池模型參數提取器提取出的Li離子液相擴散系數。
【專利說明】
用于使用電池模型參數評估健康狀態的系統和方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于使用電池模型參數評估健康狀態（S0H)的系統和方法，并且 更具體地，涉及使用Li離子液相擴散系數參數評估健康狀態的技術，該Li離子參數在在電 池模型參數之中與電池的性能下降具有高度相關性。
【背景技術】
[0002] 隨著環境污染問題增加，開發對環境無害的能量的不同的技術領域中的競爭增 加。另外，由于石油和天然氣資源等的枯竭，開發替代能源的競爭已經增加。因此，汽車制 造商之間開發下一代車輛的競爭越來越多。在下一代車輛中，存在使用電池作為能源的純 電動汽車（EV)和使用電池作為能量緩沖的發動機混合動力電動汽車（HEV)、燃料電池混合 動力汽車等。
[0003] 在混合動力汽車中，電池系統是確定車輛的質量的主要部件之一。混合動力汽車 的電池系統是輔助能源，其在車輛被驅動時有助于發動機的輸出并累積所產生的能量。特 別地，電池系統的控制技術是非常重要的，其包括功率控制、冷卻、診斷、充電狀態（S0C)計 算等。
[0004] 在那些控制技術之中，充電狀態計算是用于車輛的驅動策略的重要因素。換句話 說，在混合動力汽車中，當產生額外的能量時充電狀態被計算以操作電池被充電，并且當需 要大量的高輸出時，通過對電池放電運行車輛以獲得需要的輸出。因此，為了通過準確地實 現混合動力汽車的驅動策略來減少能量和使混合動力汽車的運行效率最大化，有必要更準 確地評估充電狀態。
[0005] 當充電狀態費計算不準確時，混合動力汽車的運行效率可能下降，并且可能發生 危險情況。例如，當實際充電狀態為80%但所計算的充電狀態為30%時，車輛控制器經配 置確定必須充電，并且因此電池可能過充電，或在相反的情況下，電池可能過放電。由于過 充電或過放電電池的燃燒或爆炸可能發生，因此可能發生危險情況。
[0006] 對于充電狀態計算，電池性能下降，即，健康狀態被提供作為主輸入。基于使用環 境或使用時間周期，和電池的早期生產相比，健康狀態日益降低，并且因此可用容量降低或 電阻增加。通常，健康的狀態降至約20%。為了防止能量減少和高效運行混合動力汽車的 危險，有必要更準確地評估健康狀態。
[0007] 用于評估健康狀態的現有方法可以多樣化，但可分成兩種方法。第一種方法是用 于直接將具有預定頻率配置硬件負載應用到電池以測量其阻抗并且理解健康的狀態的方 法。第二種方法是用于在預定期間獲取電流和電壓對數據來推斷間接阻抗或降低的容量的 方法。
[0008] 對于使用硬件的第一種方法，由于用于配置其電路和傳感器的方法的誤差、耐用 性、成本等，其效率可被降低。從用于獲取電流和電壓對數據的方法到用于推斷間接阻抗和 降低的充電狀態的方法時，由于強非線性和干擾，第二種方法可能難以實現精確的推斷，或 者可能具有復雜的邏輯。
[0009] 因此，通過基于電流累積計算特定電壓段內的充電容量來評估健康狀態的方法被 開發，該方法可在室溫和慢速充電期間被應用，并且在電流累積期間易受于電流傳感器的 累積誤差。
【發明內容】
[0010] 本發明提供了一種用于使用電池模型參數評估健康狀態的系統及其方法，其能夠 使用在電池模型參數之中與電池的容量衰減具有高度相關性的鋰離子（Li離子）液相擴散 系數參數來評估健康狀態。
[0011] 根據本發明的示例性實施例，用于使用電池模型參數評估健康狀態的系統可以包 括電池模型參數提取器，其被配置為提取Li離子液相擴散系數參數；存儲單元，其被配置 為存儲映射表，在每個Li離子液相擴散系數參數的所述健康狀態（S0H)被映射；以及S0H 評估器，其被配置為使用映射表來評估S0H，該S0H對應于從電池模型參數提取器提取出的 Li尚子液相擴散系數。
[0012] Li離子液相擴散系數參數可以包括在液體電解質中的Li離子液相擴散系數。映 射表可以包括映射到每個Li離子液相擴散系數參數值的所述電池的額定容量和容量衰 減。S0H可以通過將電池的當前額定容量除以電池的初始額定容量來計算。電池模型參數 提取器被配置為在充電期間收集電壓數據，以及當所述充電完成時使用所述電壓數據提取 所述Li離子液相擴散系數參數。
[0013] 根據本發明的另一個示例性實施例，一種用于使用電池模型參數評估健康狀態 的方法可以包括：確定電池是否開始被充電；當電池開始被充電時收集用于參數提取的數 據；當電池的充電結束時使用該數據提取Li離子液相擴散系數參數；以及使用Li離子液 相擴散系數參數評估健康狀態。
[0014] 該方法還可包括：在確定電池是否開始被充電之前，生成并存儲映射表，在映射表 中，通過基于實驗計算Li離子液相擴散系數參數的S0H，每個Li離子液相擴散系數參數值 的S0H被映射。在映射表的生成和存儲過程中，每個Li離子液相擴散系數參數的所述電池 的額定容量被計算，并且通過將所述電池的當前額定容量除以所述電池的初始額定容量， 計算并且存儲所述SOH。Li離子液相擴散系數參數可以包括在液體電解質中的Li離子液 相擴散系數。
【附圖說明】
[0015] 本發明的上述和其他目的、特征和優點從下面結合附圖的【具體實施方式】中將變得 更加明顯。
[0016] 圖1是示出根據本發明的示例性實施例的基于電池使用的電池的額定容量變化 的示例性曲線圖；
[0017] 圖2是根據本發明的示例性實施例的用于使用電池模型參數評估健康狀態的系 統的示例性配置圖；
[0018] 圖3A是根據本發明的示例性實施例的配置為包括正極、隔板和負極的電池的示 例性內部結構圖；
[0019] 圖3B是根據本發明的示例性實施例的用于描述Li離子的移動的示例性圖；
[0020] 圖3C是根據本發明的示例性實施例的用于描述電池模型參數的示例性圖；
[0021] 圖4是示出根據本發明的示例性實施例的基于每個參數的容量衰減的參數變化 的示例性曲線圖；
[0022] 圖5是根據本發明的示例性實施例的用于描述使用Li離子參數的液相擴散參數 的原因的示例性曲線圖；
[0023] 圖6是其中在根據本發明的示例性實施例的Li離子液相擴散系數參數和健康的 狀態（S0H)之間的映射關系的示例性表；并且
[0024] 圖7是根據本發明的示例性實施例的用于使用電池模型參數評估健康狀態的方 法的示例性流程圖。
[0025] 附圖中各元件的附圖標記：
[0026] 110 :電池模型參數提取器；
[0027] 120:S0H 評估器；
[0028] 130 :存儲單元；
[0029] 200:電池。
【具體實施方式】
[0030] 應當理解，本文使用的術語"車輛"或"車輛的"或者其他類似術語包括通常的機 動車輛，比如包括運動型多用途車（SUV)的客車，公共汽車，卡車，各種商用車輛，包括各種 小舟和輪船的船只，飛機等，并且包括混合動力汽車，純電動汽車，插電式混合動力汽車，氫 動力汽車和其他替代燃料汽車（例如，從除石油以外的資源得到的燃料）。如本文所指，混 合動力汽車是具有兩種以上動力源的車輛，比如汽油動力和電動汽車。
[0031] 雖然示例性實施例描述為使用多個單元來執行示例性進程，但是應當理解示例性 進程還可通過一個或多個模塊來執行。此外，應當理解，術語控制器/控制單元指的是包含 存儲器和處理器的硬件設備。存儲器配置來存儲模塊，處理器特別配置來執行所述模塊執 行下文所述的一個或多個進程。
[0032] 此外，本發明的控制邏輯可體現為，在包含通過處理器，控制器/控制單元等執行 的可執行程序指令的計算機可讀介質上的非暫時性計算機可讀介質。計算機可讀介質的實 例包括但不限于只讀存儲器（R0M)、隨機存取存儲器（RAM)、光盤（CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃 存驅動器、智能卡和光學數據存儲設備。計算機可讀記錄介質也可分布在網絡耦合的計算 機系統，以便計算機可讀介質以分布方式存儲和執行，例如，通過一個遠程信息處理服務器 或一個控制器局域網絡（CAN)。
[0033] 本文使用的術語只是用于說明特定的實施例，并不意圖限制本發明。本文使用的 單數形式意圖還包括復數形式，除非上下文明確地另有說明。另外，要明白當用在本說明書 中時，術語"包含"指定陳述的特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件的存在，不過并不排 除一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組合的存在或增加。本 文使用的用語"和/或"包括相關的列舉項目中的一個或多個項目的隨便什么組合。
[0034] 除非上下文特別規定或明顯說明，如本文所用的，術語"約"應理解為在本領域正 常公差的范圍之內，例如在平均值的兩個標準偏差之內。"約"可理解為在設定值的10%、 9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0· 5%、0· 1%、0· 05%，或 0· 01%之內。除非另有 明確的上下文，本文提供的所有數值可通過術語"約"修改。
[0035] 在下文中，將參考附圖對本發明的示例性實施例進行詳細描述，使得本領域的技 術人員可以容易地實現本發明的精神。
[0036] 健康狀態（S0H)是定量地表示由于老化效應電池額定容量的特性變化的參數，并 且可以鑒別電池的多少額定容量被降低。因此，當確定健康狀態時，可以在適當的時間替換 電池并且當電池正在使用時通過調整電池的充電和放電容量阻止電池被過充電和過放電。 因此，本發明的示例性實施例公開更準確地評估S0H的技術。
[0037] 在下文中，本發明的示例性實施例將參考圖1至圖7進行說明。
[0038] -種用于混合動力汽車或電動車輛的電池可以在車輛被驅動時被重復充電和放 電，并且可以經配置提供供電力以驅動車輛。然而，隨著車輛的電池的使用時間增加，可充 電的容量可能減少。參考圖1，每當電池被使用時，電池的可充電容量可逐漸減少。換句話 說，可以理解的是，當周期為0時，電池的可充電容量是100,當周期變為500時，電池的可充 電容量降低到97. 5,當周期變為1000時，電池的可充電容量是93. 7,并且當周期變為2500 時，電池的可充電容量降低到85。因此，當電池的可充電容量減小時，即使電池已被充電，其 驅動距離可被減少。因此，用于根據本發明的示例性實施例使用電池模型參數評估健康狀 態的系統可以更準確地評估電池的可充電容量，即，健康狀態（S0H)。
[0039] 圖2是根據本發明的示例性實施例的用于使用電池模型參數評估健康狀態的系 統的示例性配置圖。在下文中，健康的狀態被稱為S0H。根據本發明的示例性實施例的用于 使用電池模型參數評估健康狀態的系統可包括電池200和電池管理單元100,其中電池管 理單元100可包括電池模型參數提取器110、S0H評估器120,以及存儲單元130。電池200 和具有其中的部件的電池管理單元1〇〇可以由控制器進行操作。
[0040] 電池管理單元100可被實現為電池管理系統（BMS)，該電池管理系統被配置為管 理車輛電池的S0H、充電狀態（S0C)等。除了用于評估作為本發明的特征的S0H的配置，一 般的電池管理系統的配置將被省略。電池模型參數提取器110可以被配置為提取與在當電 池200開始充電（例如，當充電開始時）時與容量衰減相關聯的電池模型參數。與容量衰減 相關聯的電池模型參數可包括液體電解質Li+擴散系數De、固體+電極Li+擴散系數Dsp、 固體-電極Li+擴散系數Dsn、a+電極反應速度系數Kp和a-電極反應速率系數Kn。
[0041] 上述參數與該電池的性能下降相關聯。如圖3Α所示，電池可包括正極10、負極20， 以及設置在正極10和負極20之間的隔板30,其中電解質40可以在隔板3中流動。參考圖 3Β，鋰離子可以從負電極20分離以通過隔板30在正極10中流動，其中固體-電極Li+擴 散系數Dsn參數表示在負極20的Li離子的液相擴散系數，固體+電極Li+擴散系數Dsp 表示在正極10的Li離子的液相擴散系數，并且液體電解質Li+擴散系數De表示在隔板30 的Li離子液相擴散系數。參考圖3C，基于Li離子的移動的反應式和反應速率系數K被表 不。
[0042] 然而，圖4示出對于以上五個參數De、Dsp、Dsn、Kp和Kn的各自的容量衰減的參數 值的變化，其中可以理解，固體+電極Li+擴散系數Dsp、固體-電極Li+擴散系數Dsn和+ 電極反應速率系數Kp不具有恒定圖形曲線但被改變，而液體電解質Li+擴散系數De和-電 極反應速率系數Kn經常以指數方式改變。
[0043] 然而，參考圖5,表示一個液體電解質Li+擴散系數De的容量衰減的曲線圖與通過 五個參數的組合表示的容量衰減的曲線圖是類似的。由于五個參數被組合，算法是復雜的 并且需要大量的時間，所以本發明的示例性實施例使用作為一個參數的液體電解質Li+擴 散系數De以評估SOH。
[0044] 換句話說，當電池性能下降時，諸如固體電極的凝聚、固體電解質界面層的形成、 鋰金屬沉積、由于疲勞應力的機械裂解，以及活性材料擴散的現象可發生。然而，當上述現 象發生時，Li離子的液相擴散系數可減小，并且因此電化學反應速率可降低。由于電子經 外部傳導導線流動，電子的流動是迅速的，并且因此不需要考慮電阻，并且由于大多數鋰離 子的流動被阻礙在電池內部，Li離子的液相擴散系數可被降低。
[0045] 參考圖6的映射表，可以理解的是，隨著電池的容量衰減增加，Li離子的液相擴 散系數可被降低。S0H評估器120可被配置為使用存儲在存儲單元130中的映射表來確認 S0H，該S0H被映射到從電池模型參數提取器110提取的參數值，并且因此以評估S0H。特別 地，S0H可以指示多少正在進行的電池額定容量的降低或減少（例如，降低的量）。
[0046] 存儲單元130可經配置存儲如圖6所示的映射表，其中Li離子速度、電池的額定 容量、容量衰減和S0H被映射。特別地，S0H可以通過下面的公式1來計算。
[0047] 公式 1
[0048]
[0049] 在圖6中，容量衰減可以指通過從100減去S0H獲得的量。S0H評估器120可以 被配置為基于實驗值來預先測量每個Li離子液相擴散系數的額定容量，并計算容量衰減 和S0H，以生成如圖6所示的映射表并將所生成的映射表存儲在存儲單元130中。在下文 中，根據本發明的示例性實施例的用于使用電池模型參數評估健康狀態的方法將參考圖7 詳細地說明。首先，可以假設如圖6所示的映射表被存儲在存儲單元130中。
[0050] 電池模型參數提取器110可以經配置確定電池200是否開始被充電（例如，確 定電池充電的開始）（S101)，并且當電池100開始被充電時收集可包括電壓數據的數據 (S102)。進一步地，電池模型參數提取器110可以被配置為確定充電是否結束（S103)，并 且當充電結束時，可使用所收集的數據提取Li離子液相擴散系數參數（S104)。特別地，Li 離子液相擴散系數參數的提取可以指在液體電解質中Li離子的液相擴散系數的計算，并 且作為使用在充電期間的數據提取參數的方法，通用的方法可以被應用，并且因此其詳細 描述將被省略。因此，S0H評估器120可被配置為提取S0H，該S0H對應于通過參考存儲在 存儲單元130中的映射表而計算的Li離子的液相擴散系數，以評估S0H(S105)。
[0051] 本發明的示例性實施例可使用在液體電解質中的Li離子液相擴散系數參數以更 準確地提取S0H，使用S0H將更準確的S0H提供到用于執行充電狀態計算的系統等，因此使 用S0H諸如充電狀態等改善各種類型的控制設備的可靠性。
[0052] 根據本發明的示例性實施例，可以不依賴充電速度和溫度更準確地評估健康狀態 (S0H)。進一步地，根據本發明的示例性實施例，除了固定電池模型的可靠性的技術、計算具 有與健康狀態密切相關性的充電狀態（S0C)等，可通過更準確地評估健康狀態提高控制技 術的可靠性。
[0053] 上述本發明的示例性實施例已經被提供用于說明性目的。因此，本領域技術人員 將理解，在不脫離如在所附權利要求中公開的本發明的范圍和精神的情況下，各種修改、變 更、替換和添加都是可能的，并且這些修改、變更、替換和添加都落入本發明的范圍。
【主權項】
1. 一種用于使用電池模型參數評估健康狀態（SOH)的系統，包括： 電池模型參數提取器，其被配置為提取鋰離子（Li離子）液相擴散系數參數； 存儲單元，其被配置為存儲映射表，在所述映射表中每個Li離子液相擴散系數參數的 所述健康狀態（S0H)被映射；以及 S0H評估器，其被配置為使用所述映射表來評估所述S0H，所述S0H對應于從所述電池 模型參數提取器提取出的Li離子液相擴散系數。2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述Li離子液相擴散系數參數包括在液體電解質 中的Li離子液相擴散系數。3. 根據權利要求1所述的系統，其中所述映射表包括映射到每個Li離子液相擴散系數 參數值的所述電池的額定容量和容量衰減。4. 根據權利要求3所述的系統，其中所述S0H通過將電池的當前額定容量除以所述電 池的初始額定容量來計算。5. 根據權利要求1所述的系統，其中所述電池模型參數提取器被配置為在充電期間收 集電壓數據，以及當所述充電完成時使用所述電壓數據提取所述Li離子液相擴散系數參 數。6. -種用于使用電池模型參數評估健康狀態（S0H)的方法，包括以下步驟： 通過控制器確定電池是否開始被充電； 當所述電池開始被充電時，通過所述控制器收集用于參數提取的數據； 當所述電池的充電結束時，通過所述控制器使用所述數據提取鋰離子（Li離子）液相 擴散系數參數；以及 通過所述控制器使用Li離子液相擴散系數參數評估所述健康狀態。7. 根據權利要求6所述的方法，還包括以下步驟： 在確定所述電池是否開始被充電之前，通過所述控制器生成并存儲映射表，在映射表 中，通過基于實驗計算Li離子液相擴散系數參數的S0H，每個Li離子液相擴散系數參數值 的S0H被映射。8. 根據權利要求7所述的方法，其中在生成并存儲所述映射表的步驟中，計算每個Li 離子液相擴散系數參數的所述電池的額定容量，并且通過將所述電池的當前額定容量除以 所述電池的初始額定容量，計算并且存儲所述S0H。9. 根據權利要求6所述的方法，其中所述Li離子液相擴散系數參數包括在液體電解質 中的Li離子液相擴散系數。
【文檔編號】G01R31/36GK106033112SQ201510115292
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月17日
【發明人】成雨錫
【申請人】現代自動車株式會社