通过估计由电池单元的尺寸变化引起的效应来确定soc的制作方法
【专利摘要】本发明涉及通过估计由电池单元的尺寸变化引起的效应来确定SOC。用于监测蓄电池的荷电状态(SOC)的系统和方法，其中所述系统包括传感器和控制器。所述传感器通过测量蓄电池的大小或压力来提供能够跟踪蓄电池的标称体积的变化的测量信号，其中标称体积是电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积。控制器被编程为使用函数以从测量信号估计SOC。所述函数可在构建并找到蓄电池的可重复充电和放电曲线之后被建立，所述充电和放电曲线描绘了测量信号对比蓄电池的SOC。
【专利说明】通过估计由电池单元的尺寸变化引起的效应来确定soc

【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及用于估计蓄电池的荷电状态（S0C)的系统和方法，并且更具体 地涉及利用蓄电池的尺寸或压力的变化来估计蓄电池的S0C的系统和方法。

【背景技术】
[0002] 电动车辆正变得越来越流行。这些车辆包括：混合动力车辆，例如将蓄电池和诸如 内燃发动机、燃料电池系统等的主功率源结合的增程式电动车辆；以及诸如蓄电池电动车 辆的纯电动车辆。所有这些类型的电动车辆都采用高压蓄电池，该蓄电池可以是不同的蓄 电池类型，例如，锂离子蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、铅酸蓄电池等。蓄电池系统可包括单 独的蓄电池模块，其中每个蓄电池模块可包括一定数量的蓄电池电池单元，例如12个电池 单元。
[0003] 由于蓄电池在为电动车辆和混合动力车辆供能中起重要作用，因此有效的蓄电池 控制和功率管理对于车辆性能、燃料经济性、蓄电池寿命和乘客舒适度来说是必要的。准确 了解S0C对于正确地控制电动车辆中的蓄电池系统以获得长的蓄电池寿命和良好的燃料 经济性是至关重要的。由于在操作车辆时不能直接测量S0C，蓄电池控制器需要使用诸如开 路电压和电流的其它蓄电池参数来实时预测和估计S0C。
[0004] 本领域的技术人员公知的是，蓄电池的动力学特性通常是非线性的，并且高度依 赖于蓄电池操作条件，这意味着不能保证蓄电池 S0C的准确估计。估计蓄电池的S0C的一 种方法是监测蓄电池的开路电压。通常，开路电压越高，S0C也越高。然而，开路电压内在 地难以用来准确地估计S0C，这是因为蓄电池电压受例如温度、短期充电历史、长期车辆驾 驶历史、蓄电池的老化等的许多因素影响，而不仅仅是受S0C影响。对于大多数蓄电池电池 单元的化学组成来说，当蓄电池开始放电时，电压水平仅略微降低（如果有的话）。在较低 S0C下的某点处，电压水平开始以更快的速率降低。
[0005] 已经证实，锂离子蓄电池对于混合动力电动车辆来说是有前景的。相比更老的镍 基技术，估计S0C对于锂离子蓄电池来说明显更具挑战性，因为锂离子基蓄电池甚至在S0C 下降时也较长时间地维持其电压水平。锂离子蓄电池的电压在从约20%至80%的S0C的范 围内不会显著变化。
[0006] 蓄电池控制器可以估计S0C的另一种方式是通过对随时间推移的电流进行积分 来计算流入和流出蓄电池的电荷。该方法的一个问题是，估计的S0C随时间推移而偏离于 真实S0C。因此，蓄电池控制器需要定期重置或重新调整估计的S0C，以匹配真实S0C。重置 估计的S0C的一种方法是将蓄电池充电到100%。然而，车辆驾驶员可能在S0C下降至30% 时就对蓄电池充电。驾驶员可以为下一旅程对蓄电池充电，但在下一旅程开始时，蓄电池可 能已被再充电至仅70%的S0C。车辆可以接着被驾驶直到蓄电池耗电至40%的S0C，然后再 次被充电，但在车辆准备开始下一旅程之前仍然未达到100%的S0C。在这种情形中，在电荷 处于100%时重置S0C是有问题的。另一种选择是将蓄电池放电至0%的S0C，但与充电至 100%的S0C -样，这对于蓄电池是有害的。
[0007] 需要一种估计蓄电池的S0C的方法，该方法克服当前S0C估计技术的局限。


【发明内容】

[0008] 根据本发明的教导，公开了用于监测蓄电池的荷电状态（S0C)的系统和方法，其 中该系统包括传感器和控制器。传感器通过测量蓄电池的尺寸或压力来提供可跟踪标称 体积值的测量信号，其中标称体积是电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体 积。控制器被编程为使用函数来从测量信号估计S0C。该函数可在构建蓄电池的充电和放 电曲线并找到特性形状之后被建立，该充电和放电曲线描绘了测量信号对比蓄电池的S0C， 并且找到特征形状。
[0009] 本发明还可包括下列方案。
[0010] 1. 一种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，所述蓄电池包括电解质、阳极、阴极和 集流体，所述系统包括： 传感器，所述传感器提供指示所述蓄电池的标称体积变化的测量信号，其中所述标称 体积是所述电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积；以及 控制器，所述控制器响应于所述测量信号并且被编程为使用所述测量信号来物理地估 计所述蓄电池的荷电状态。
[0011] 2.根据方案1所述的系统，其中，所述蓄电池的尺寸被约束，并且所述传感器是提 供压力测量信号的压力传感器。
[0012] 3.根据方案1所述的系统，其中，所述传感器是提供尺寸测量信号的尺寸传感器。
[0013] 4.根据方案1所述的系统，其中，所述控制器被编程以基于所述蓄电池的所述物 理地估计的荷电状态来重置或重新调整所述蓄电池的电气地估计的荷电状态。
[0014] 5.根据方案4所述的系统，其中，所述控制器被编程以使用函数来物理地估计所 述蓄电池的所述荷电状态。
[0015] 6.根据方案5所述的系统，其中，当所述物理地估计的荷电状态处于所述蓄电池 的充电或放电曲线上的特定S0C处时，所述控制器基于所述物理地估计的荷电状态来重置 或重新调整所述蓄电池的所述电气地估计的荷电状态。
[0016] 7.根据方案5所述的系统，其中，所述控制器基于所述蓄电池的充电或放电曲线 的特性特征来重置或重新调整所述蓄电池的所述电气地估计的荷电状态，其中所述充电或 放电曲线使所述测量信号与所述荷电状态相关。
[0017] 8.根据方案7所述的系统，其中，所述特性特征是局部最大值、局部最小值或拐 点。
[0018] 9.根据方案5所述的系统，其中，所述函数包括所述测量信号的历史。
[0019] 10.根据方案5所述的系统，其中，所述函数使用查找表。
[0020] 11.根据方案1所述的系统，其中，所述蓄电池为锂离子蓄电池。
[0021] 12.根据方案1所述的系统，其中，所述测量信号包括电池单元外壳的变化。
[0022] 13. -种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，包括： 传感器，其提供指示所述蓄电池的大小的尺寸信号；以及 控制器，其响应于所述尺寸信号并且被编程为使用函数和所述尺寸信号来估计所述蓄 电池的荷电状态。
[0023] 14.根据方案13所述的系统，其中，所述函数包括所述尺寸信号的历史。
[0024] 15.根据方案13所述的系统，其中，所述函数包括所述蓄电池的充电或放电曲线 的特性特征，其中所述充电或放电曲线使所述尺寸信号与所述蓄电池的所述荷电状态相 关。
[0025] 16.根据方案15所述的系统，其中，所述特性特征是局部最大值、局部最小值或拐 点。
[0026] 17. -种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，所述蓄电池包括电解质、阳极、阴极、 集流体和电池单元外壳，所述系统包括： 传感器，其提供指示标称体积变化的压力或力信号，其中所述标称体积是所述电解质、 阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积；以及 控制器，其响应于所述压力或力信号并且被编程为使用函数和所述压力或力信号来估 计所述蓄电池的荷电状态。
[0027] 18.根据方案17所述的系统，其中，所述函数包括所述蓄电池的充电或放电曲线 的特性特征，其中所述充电或放电曲线使所述压力或力信号与所述蓄电池的所述荷电状态 相关联。
[0028] 19.根据方案18所述的系统，其中，所述特性特征是局部最大值、局部最小值或拐 点。
[0029] 20.根据方案17所述的系统，其中，所述函数包括所述压力或力信号的历史。
[0030] 根据结合附图的以下描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得显而易见。

【专利附图】

【附图说明】
[0031] 图1是具有蓄电池和控制器的车辆的图示； 图2是箔囊式蓄电池电池单元的前视图； 图3是箔囊式蓄电池电池单元的侧视图； 图4是蓄电池模块的侧视图，该蓄电池模块包括被约束而不膨胀的一组囊式蓄电池电 池单元； 图5是示出当蓄电池被充电和放电时的压力的曲线图；以及 图6是示出使用蓄电池的标称体积的变化来估计其S0C的一个可能的实施例的示例性 流程图。

【具体实施方式】
[0032] 涉及监测蓄电池的荷电状态（S0C)的本发明的实施例的下述讨论在本质上仅仅 是示例性的，并且绝不意图限制本发明或其应用或用途。例如，以下所讨论的蓄电池控制器 技术具有用于电动车辆和锂离子蓄电池的特定应用。然而，本领域的技术人员可以理解，这 些S0C估计技术可具有用于其它蓄电池的应用，所述其它蓄电池不涉及电动车辆并且使用 其它蓄电池化学组成。
[0033] 蓄电池由各种化学组成和物理结构制成，其中，已知一些蓄电池化学组成基于蓄 电池 S0C来改变体积，例如，随着S0C增加而膨胀。锂离子蓄电池提供了这样的膨胀的一个 示例，并且已知锂离子蓄电池在其处于刚性容器中时由于阴极和阳极之间的锂离子运动而 积聚压力。刚性容器必须足够结实以避免由膨胀的锂离子电解质、阳极、阴极和集流体施加 的压力导致的破裂。避免必须使用结实的结构的一种方法是通过构建包含在囊内的蓄电池 而允许体积增加，该囊还被称为软包，其允许发生膨胀，因此压力不积聚。
[0034] 图1是具有蓄电池12和蓄电池控制器14的车辆10的简单图示。控制器14控制 蓄电池12的充电和蓄电池12的使用，以推进车辆10。
[0035] 图2是囊式蓄电池电池单元20的前视图，并且图3是囊式蓄电池电池单元20的 侧视图。囊式电池单元20具有正端子22、负端子24和箔覆盖件26,箔覆盖件26提供蓄电 池电池单元20的电解质、阳极、阴极和集流体的气密密封。该囊式构型允许蓄电池电池单 元20的电解质、阳极和阴极膨胀和收缩。
[0036] 图4是包括蓄电池电池单元组42的蓄电池模块40的侧视图，蓄电池电池单元组 42具有例如12至16个囊式蓄电池电池单元20,其中泡沫层（未示出）可定位在电池单元 20之间。蓄电池电池单元组42定位在刚性容器44内并受其约束，其中压力传感器46设置 在容器44内。囊式蓄电池电池单元20被堆叠成使得电池单元20的平坦表面以直接或交 替顺序紧邻彼此定位，以使得蓄电池电池单元20可根据需要来并联或串联地电联接。囊式 蓄电池电池单元20的平坦表面的厚度在对电池单元20进行充电和放电时倾向于增加和降 低。对蓄电池模块40进行充电可引起电池单元组42膨胀和收缩，其中蓄电池电池单元组 42受容器44约束，使得由传感器46测量的容器44中的压力改变。
[0037] 囊式蓄电池电池单元20具有优选的压力，该压力优化其操作并且可从囊式蓄电 池电池单元设计者或制造商得到。容器44可基于优选的压力来压缩蓄电池电池单元组42， 以具有标称起始压力。
[0038] 在刚性容器中对一组锂离子蓄电池电池单元进行了测试，并且发现在充电与放电 期间在由一组锂离子囊式蓄电池电池单元施加的压力的变化与所述电池单元的S0C之间 的一致关系。
[0039] 图5是示出在蓄电池模块40被充电和放电时的压力的曲线图60。曲线图60沿 着水平轴线62显示在从0%的S0C到100%的S0C范围内的S0C。压力测量值在坚直轴线 64上并且从标称压力66到最大压力76的范围内变化。充电曲线在标称压力66下的0%的 S0C处开始，并且随着蓄电池模块40被充电，S0C在区域68中以一致的斜率增加。随着蓄 电池模块40继续充电，在略微少于10%的S0C处，充电曲线在区域70中沿着稍微更陡的斜 率继续，直到其在略微大于30%的S0C处达到充电局部最大压力72。接下来，随着蓄电池 模块40继续充电，压力降低并进入波谷74,直到约80%的S0C，在约80%的S0C处，压力再 次积聚，直到压力在100%的S0C处达到点76。随着充电的蓄电池模块40就位并且等待使 用，压力将降低。
[0040] 随后，在完全充电的蓄电池模块40已等待且冷却至稳态条件之后，开始放电循 环。压力开始于点78。放电曲线进入波谷80,在波谷80处，压力降低，直到S0C在约60%的 S0C处达到局部最小值，在该点处，压力开始增加，直到其达到局部最大压力82。随着S0C 继续降低，压力在区域84中以稳定速率降低，直到其在小于10%的S0C处到达区域68,在该 区域处，放电的斜率以与在之前的充电期间所看到的相同的斜率继续。
[0041] 蓄电池电池单元组42以可重复的特性模式来膨胀和收缩的事实可用来提供蓄电 池模块40的估计的S0C。测试表明，尺寸变化、特别是在压力变化时被测量的囊式电池单元 的厚度可用来确定蓄电池电池单元组42的SOC。特性形状可在平均压力而不是形状方面发 生变化，并且特性特征（局部最大值）总是在曲线图中可见，该曲线图在充电和放电时将蓄 电池模块40的S0C与压力形成对比。在蓄电池模块40的操作期间，特性特征可用来确定 蓄电池模块40的S0C。
[0042] 存在蓄电池模块可被构造成测量其标称体积的变化的许多方法，其中标称体积被 限定为电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积。标称体积的变化可导致尺 寸或压力的变化。如果大小不受约束，将发生大小或尺寸的变化。可利用包括电池单元外 壳的大小的测量来监测尺寸的变化。如果尺寸被约束，将发生压力的变化。蓄电池可具有 在尺寸和压力两者上的变化，但其中一个将占主导地位并且其可用来估计标称体积，或者 尺寸和压力都可用来估计标称体积的变化。在每个蓄电池电池单元上可存在传感器，或可 存在用于一组蓄电池电池单元的一个传感器，如在蓄电池模块40中所示的。一组囊式蓄电 池电池单元将比单个囊式蓄电池电池单元产生更大的运动，并且其在测量尺寸的变化方面 能提供增加的准确性。其它选择可用来测量标称体积，例如传感器能测量围绕蓄电池电池 单元或一组电池单元缠绕的带上的张力。备选地，张紧器能够通过在必要时将带放出和收 回而以恒定张力保持该带，并且然后带的总长度将指示周长，该周长将指示体积。带可用于 诸如圆柱形、棱柱形或其它形状的其它蓄电池设计。另一个选择将是将压力传感器放置在 蓄电池的金属壳体内部以测量压力。如果蓄电池的温度由液体浴槽调节，那么排出的流体 的量能给出蓄电池的体积变化的指示。可使用远超出该列表的许多不同和备选的构型及传 感器，以检测蓄电池的标称体积的变化，从而估计蓄电池的S0C。
[0043] 虽然本说明书公开了用于测量锂离子蓄电池的膨胀的细节，但可使用导致标称体 积的变化的任何的蓄电池化学组成。其它的蓄电池化学组成可具有完全不同的充电和放电 曲线。为了将用于估计S0C的该方法应用到其它化学组成，涉及的步骤可以是：通过测试 和检查用于可重复部段的曲线来生成充电和放电曲线。如果存在提供特性特征的可重复部 段，那么该特性特征可用作用来重置或重新调整蓄电池模块40的电气估计的S0C的合适位 置。特性特征是足够独特以便确定算法的曲线特征。特性特征的示例将会是局部最大值、 局部最小值或拐点。曲线图60示出具有充电局部最大值72和放电局部最大值82的特性 特征的一些示例。在一个实施例中，算法能通过在蓄电池模块40放电时和在压力从增加转 换到减小(这将表明局部最大值82的位置）时跟踪压力来检测放电局部最大值82。
[0044] 图6是示出使用蓄电池模块40的标称体积的变化来估计其S0C的一个可能的实 施例的流程图120。流程图120始于框122,在框122处，该过程基于蓄电池设计来确定标 称电压。接下来，在框124处，该过程确定指示标称值的变化的测量信号。一种选择是测量 蓄电池电池单元20在被约束在容器44中时施加的压力。在框126处，该过程提供传感器， 例如在蓄电池电池单元组42上的压力传感器46。接下来，在框128处，算法在蓄电池模块 40上运行测试，以在诸如曲线图60的曲线图上形成充电和放电曲线，其中水平轴线为S0C， 并且坚直轴线为测量信号压力。接下来，在框130处，该过程创建表示曲线图60的函数，其 中测量信号可用来估计S0C。该函数可使用任何适当的方法，例如，公式、查找表、算法等。 最后，在框132处，蓄电池在运行并且实时测量信号可同时地用来提供物理地估计的S0C， 其中实时测量信号是提供蓄电池模块40的目前状态的信号。
[0045] 蓄电池的传统的电气S0C估计技术在局部基础上更准确，而物理地估计的S0C在 时间上更准确，因为物理地估计的SOC可以更不依赖于温度和其它因素。由于物理地估计 的S0C可以更准确和独立，特别是由于电气地估计的S0C随时间推移而偏离于真实S0C，因 此该物理地估计的S0C可用来重置或重新调整电气地估计的S0C。
[0046] 蓄电池控制器能将蓄电池的电气地估计的S0C与物理地估计的S0C相结合地使 用，以提供S0C的更可靠的预测。一种方法是使用特性特征来重置或重新调整电气估计的 S0C。有利的是，使得压力/S0C曲线图上的特性特征可靠地定位在充电或放电曲线上的位 置。特性特征的出现可用来重置或重新调整电气地估计的S0C。查看曲线图60,存在放电 局部最大值82的特性特征。当从高S0C放电时，控制器可使用局部最大值82来确定在放 电曲线上的位置，然后在确信曲线上的位置的情况下重置或重新调整电气估计的S0C。
[0047] 优选的是，在接近0%的S0C时重置或重新调整蓄电池的S0C，因为在90%处5%的 估计误差可能不重要，然而相同的5%在接近0%的S0C时产生很大不同。例如，对10%的 S0C的5%的过估计将会给驾驶员留下这样的印象：他们可以行驶整个10英里以在家补给 燃料，而实际情况是车辆只能行驶6. 6英里并且驾驶员最终会困在路边。
[0048] 以上讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员从此类讨论以 及从附图及权利要求书将容易认识到，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的精神和范 围的情况下，可以在其中做出各种更改、修改和变型。
[0049] 赋予权利要求中所使用的所有术语以其最广泛合理的解释和如由本领域的技术 人员所理解的其普通意义。诸如"一个"、"该"、"所述"等的单数冠词的使用应当被理解为 指代所指元件中的一个或多个。
【权利要求】
1. 一种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，所述蓄电池包括电解质、阳极、阴极和集 流体，所述系统包括： 传感器，所述传感器提供指示所述蓄电池的标称体积变化的测量信号，其中所述标称 体积是所述电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积；以及 控制器，所述控制器响应于所述测量信号并且被编程为使用所述测量信号来物理地估 计所述蓄电池的荷电状态。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述蓄电池的尺寸被约束，并且所述传感器是提 供压力测量信号的压力传感器。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述传感器是提供尺寸测量信号的尺寸传感器。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被编程以基于所述蓄电池的所述物 理地估计的荷电状态来重置或重新调整所述蓄电池的电气地估计的荷电状态。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器被编程以使用函数来物理地估计所 述蓄电池的所述荷电状态。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，当所述物理地估计的荷电状态处于所述蓄电池 的充电或放电曲线上的特定SOC处时，所述控制器基于所述物理地估计的荷电状态来重置 或重新调整所述蓄电池的所述电气地估计的荷电状态。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制器基于所述蓄电池的充电或放电曲线 的特性特征来重置或重新调整所述蓄电池的所述电气地估计的荷电状态，其中所述充电或 放电曲线使所述测量信号与所述荷电状态相关。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中，所述特性特征是局部最大值、局部最小值或拐 点。
9. 一种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，包括： 传感器，其提供指示所述蓄电池的大小的尺寸信号；以及 控制器，其响应于所述尺寸信号并且被编程为使用函数和所述尺寸信号来估计所述蓄 电池的荷电状态。
10. -种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，所述蓄电池包括电解质、阳极、阴极、集流 体和电池单元外壳，所述系统包括： 传感器，其提供指示标称体积变化的压力或力信号，其中所述标称体积是所述电解质、 阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积；以及 控制器，其响应于所述压力或力信号并且被编程为使用函数和所述压力或力信号来估 计所述蓄电池的荷电状态。
【文档编号】G01R31/36GK104142476SQ201410192623
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2013年5月8日
【发明者】H.施拉格, C.克伦克, M.汉佩尔 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司