专利名称：用于估计蓄电池健康状态的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及监测锂离子蓄电池系统。
背景技术：
在本节中的描述仅仅提供与本发明相关的背景信息，而可以不构成现有技术。在便携应用(包括例如用于车辆的移动设备、计算设备和推进系统)中使用锂离子蓄电池来提供高功率和高能量密度。锂离子蓄电池的功率和能量管理依靠实时地精确确定蓄电池参数，包括荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)。用于确定SOC和SOH的已知系统包括自适应算法以SOC和SOH的实时预测，具有由于估计SOC的不精确性引起的相关误差。SOC是指蓄电池系统中存储的电荷，表示相对于当蓄电池完全充电时可用做功电功率的可用做功电功率。SOC可视为热力学量，允许人们估计系统的潜在能量。SOC可以被用于调节来自蓄电池组的功率流以产生机械功的目的，以与由内燃机产生的机械功率平为了更好控制车辆中的推进蓄电池系统以便于长的蓄电池寿命和良好燃料经济性，车载系统确定并处理诸如开路电压(0CV)、蓄电池欧姆阻抗、蓄电池容量和其他参数的蓄电池参数以确定S0C。但是，OCV和其他蓄电池内部参数在车辆操作期间不可直接测量。本领域中已知使用预定的标定表来调节蓄电池组，该标定表具有基于标准车辆或实验车辆的预定参数。已知使用库伦计数来确定蓄电池系统的SOC值。当初始SOC和当前效率已知时可以实现库伦计数，其可能具有不精确性。已知使用差分电压分析(即dv/dQ vs. V)来确定锂离子蓄电池的容量衰减源。已知使用差分电荷分析(即dQ/dv vs. Q)来确定锂离子蓄电池的容量衰减，并量化材料中的成分变化。

发明内容
一种监测锂离子蓄电池单元的方法，包括在电功率事件期间监测蓄电池单元电压和蓄电池单元的相应电荷容量，电功率事件包括电功率充电事件和电功率放电事件之一。在该电功率事件期间通过相对于相应的蓄电池电压求导电荷容量来确定测量电荷容量导数。将测量电荷容量导数与阳极充电曲线(对电功率放电事件)或阳极放电曲线(对电功率充电事件)的优选阳极电荷容量导数进行比较，并且将测量电荷容量导数与阴极充电曲线(对电功率充电事件)或阴极放电曲线(对电功率放电事件)的优选阴极电荷容量导数进行比较。确定与测量电荷容量导数与阳极曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数。并且确定与测量电荷容量导数与阴极曲线的优选阴极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第二健康状态参数。本发明涉及下述技术方案。1. 一种监测锂离子蓄电池单元的方法，包括
在电功率事件期间监测蓄电池单元电压和蓄电池单元的相应电荷容量，电功率事件包括电功率充电事件和电功率放电事件之一；在该电功率事件期间通过相对于相应的蓄电池电压求导电荷容量来确定测量电荷容量导数；
将测量电荷容量导数与阳极曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较； 将测量电荷容量导数与阴极曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较； 确定与测量电荷容量导数与阳极曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数；和
确定与测量电荷容量导数与阴极曲线的优选阴极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第二健康状态参数。2.如技术方案1所述的方法，其中 所述电功率事件包括电功率放电事件； 所述阳极曲线包括阳极充电曲线；和所述阴极曲线包括阴极放电曲线。3.如技术方案2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括
识别测量电荷容量导数的测量标志性峰值；和
确定总测量阳极电容量，所述总测量阳极电容量包括测量电荷容量导数的测量标志性峰值之间的电荷容量差。4.如技术方案3所述的方法，还包括
识别阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值；和确定优选总阳极电容量，所述优选阳极电容量包括优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值之间的电荷容量差；
其中确定与测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数包括通过将总测量阳极电容量与优选总阳极电容量比较来确定总石墨阳极电容量。5.如技术方案2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括
识别优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值； 识别测量电荷容量导数的测量标志性峰值；和确定测量标志性峰值相对于优选标志性峰值的移动。6.如技术方案5所述的方法，其中确定与测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数包括确定与测量标志性峰值相对于优选标志性峰值的移动相对应的蓄电池单元的总电容量损失和锂损失的大小。7.如技术方案2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极放电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括
基于测量电荷容量导数与优选阳极电荷容量导数的比较确定阴极电压响应的电荷容量导数；和
将阴极电压响应的电荷容量导数与优选阴极电荷容量导数进行比较。8.如技术方案2所述的方法，其中电功率放电事件包括从大于80%荷电状态至小于20%荷电状态的蓄电池单元放电。9.如技术方案2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括将测量电荷容量导数与新蓄电池单元的阳极充电曲线的阳极电荷容量导数进行比较，新蓄电池单元的阳极充电曲线的阳极电荷容量导数通过在新蓄电池单元的放电事件期间测量与不同于锂电极的阳极相关的蓄电池参数来确定。10.如技术方案2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极放电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括将测量电荷容量导数与新蓄电池单元的阴极放电曲线的阴极电荷容量导数进行比较，新蓄电池单元的阴极放电曲线的阴极电荷容量导数通过在新蓄电池单元的放电事件期间测量与不同于锂电极的阴极相关的蓄电池参数来确定。11.如技术方案2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极放电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括积分测量电荷容量导数，积分阴极放电曲线的优选阴极电荷容量导数，并将积分测量电荷容量导数与阴极曲线的积分优选阴极电荷容量导数相比较。12.如技术方案1所述的方法，其中 所述电功率事件包括电功率充电事件； 所述阳极曲线包括阳极放电曲线；和所述阴极曲线包括阴极充电曲线。13.如技术方案12所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极放电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括
识别测量电荷容量导数的测量标志性峰值；和
确定总测量阳极电容量，所述总测量阳极电容量包括测量电荷容量导数的测量标志性峰值之间的电荷容量差。14.如技术方案13所述的方法，还包括
识别阳极放电曲线的优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值；和确定优选总阳极电容量，所述优选阳极电容量包括优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值之间的电荷容量差；
其中确定与测量电荷容量导数与阳极放电曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数包括通过将总测量阳极电容量与优选总阳极电容量比较来确定总石墨阳极电容量。15.如技术方案12所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极放电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括
识别优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值； 识别测量电荷容量导数的测量标志性峰值；和确定测量标志性峰值相对于优选标志性峰值的移动。16.如技术方案15所述的方法，其中确定与测量电荷容量导数与阳极放电曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数包括确定与测量标志性峰值相对于优选标志性峰值的移动相对应的蓄电池单元的总电容量损失和锂损失的大小。17.如技术方案12所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极充电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括
基于测量电荷容量导数与优选阳极电荷容量导数的比较确定阴极电压响应的电荷容量导数；和
将阴极电压响应的电荷容量导数与优选阴极电荷容量导数进行比较。18.如技术方案12所述的方法，其中电功率充电事件包括从小于20%荷电状态至大于80%荷电状态的蓄电池单元充电。19.如技术方案12所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极放电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括将测量电荷容量导数与新蓄电池单元的阳极放电曲线的阳极电荷容量导数进行比较，新蓄电池单元的阳极放电曲线的阳极电荷容量导数通过在新蓄电池单元的充电事件期间测量与不同于锂电极的阳极相关的蓄电池参数来确定。20.如技术方案12所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极充电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括将测量电荷容量导数与新蓄电池单元的阴极充电曲线的阴极电荷容量导数进行比较，新蓄电池单元的阴极充电曲线的阴极电荷容量导数通过在新蓄电池单元的充电事件期间测量与不同于锂电极的阴极相关的蓄电池参数来确定。21.如技术方案12所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括积分测量电荷容量导数，积分阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数，并将积分测量电荷容量导数与阳极充电曲线的积分优选阳极电荷容量导数相比较。


参见附图，通过举例方式，一个或多个实施例现在将得到描述，其中 图1是根据本发明的锂离子蓄电池单元的等效电路的示意图2示意性地示出根据本发明的流程图，描述了使用差分曲线技术来监测和评价影响蓄电池单元的SOH的成分的方法；
图3是根据本发明与包括完全单元放电的示例性蓄电池单元的充电/放电特性相关的数据的曲线图，阴极放电响应曲线vs.锂，和阳极充电响应曲线vs.锂；
图4是根据本发明的阴极放电响应曲线和相应的优选阴极电势导数的曲线图； 图5是根据本发明的阳极充电响应曲线和相应的优选阳极电势导数的曲线图； 图6是根据本发明的优选阳极电势导数355和从蓄电池单元的测量放电电压轮廓线计算的测量电势导数的曲线图；和
图7是根据本发明的优选阴极放电响应曲线和优选阴极电势导数、测量的阴极放电响应曲线和测量的阴极电势导数的曲线图。
具体实施例方式现在参见附图，其中描述的目的仅仅为了说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1示意性图示锂离子蓄电池单元100的等效电路(或模型》00的框图。等效电路200具有第一节点202和第二节点204，在节点之间存在可测量的蓄电池电压207 (V)0 第一节点202对应于优选地由 ^Ρ04 (例如石墨-FeP04单元)制造的阴极(正)电极。第二节点204对应于优选地由石墨(例如石墨-FeP04单元)制造的阳极(负)电极。电压设备206 (例如电压计)可以布置在第一节点202和第二节点204之间，以获取测量的蓄电池电压207 (V)的读数。电流测量设备208测量第一节点202处的电流209 (I)。流入第一节点202的电流表示等效电路200的正充电电流。虚线箭头表示此正充电电流。等效电路200包括布置在第三节点212和第一节点202之间的一系列电阻210 (R)。与电阻216 (Rct)并联布置的电容214 (C)布置在第三节点212和第四节点218之间。电容214 (C)表示蓄电池模型的内部双层电容。电阻216 (Rct)表示蓄电池模型的充电传送电阻。跨越电容214和电阻216上的电压被称为双层电压(Vdl)，并且是在实际蓄电池中不易测量的内部电压。由于蓄电池单元100的滞后还可能有对开路电压的贡献，通过该滞后过去的电流影响开路电压(OCV)的幅值。等效电路200包括布置在第四节点218和第二节点204之间的蓄电池电压源220。 开路电压224(0CV)定义在第四节点和第二节点204之间，并且表示蓄电池电压源220的开路端子电压，其在正常操作条件下不易被测量，因为蓄电池电压源220被连接到电气系统。 测量的蓄电池电压207 (V)可以由关系式表示
V - iJCV , Vdi ... (1)
控制模块可以被适当地配置以基于可测量的蓄电池参数(即，测量的蓄电池电压207 (V)、测量的电流209 (I)和测量的蓄电池温度)确定锂离子蓄电池单元100的蓄电池参数。在锂离子蓄电池例如蓄电池单元100的放电事件期间，锂离子从阳极电极移动到阴极电极。因此，阴极电极通过锂插入过程放电，而阳极电极通过锂插入过程充电。在锂离子蓄电池单元100的充电事件期间，锂离子从阴极电极移动到阳极电极。因此，阴极电极通过锂插入过程充电，而阳极电极通过锂插入过程放电。蓄电池电压Vbattwy、阴极电压Vcathode和阳极电压Van。fc可以表示如下
作为电荷存储量Q的函数的导数可以表示如下
差分曲线技术被应用以直接监测锂离子蓄电池单元100的健康状态(S0H)。这包括在延长的放电事件期间分析蓄电池单元的OCV-SOC关系的导数，其中OCV是开路电压并且SOC 是蓄电池单元的荷电状态和放电状态之一。差分曲线技术提供与蓄电池单元的阴极和阳极的单个OCV-SOC行为相关的信息，并且提供与有效锂损失的幅值相关的信息。此信息增强了锂离子蓄电池单元的SOC和SOH监测的精确性。蓄电池单元老化的源也可以基于与阴极材料、阳极材料和有效锂的损失来确定。差分曲线技术包括确定电势导数(即dv/dQ vs. Q和相关的差分电压曲线)与电荷容量导数(即dQ/dV vs. V和相关差分电荷曲线)之一。任一者可以通过从相应的差分电压或电荷曲线确定和分析不同的标志性峰值来监测蓄电池单元的S0H。差分电压曲线中的标志性峰值涉及电极材料的相转换。差分电荷曲线中的标志性峰值指示电极材料的相平衡。阴极和阳极中每个的电化学行为从蓄电池单元的充电/放电特性解卷积，并且基于在任一差分曲线中识别的峰值的幅值和电压位置移动被量化。当蓄电池单元的容量衰减时，获得与阴极材料、阳极材料和有效锂的损失相关的信息。图2示意性地示出了流程图，描述了使用差分曲线技术监测和评价影响蓄电池单元100的SOH的成分的方法。应当认识到，有三个影响蓄电池单元的SOH的可测量成分，包括阴极电容量、阳极电容量和有效锂的量。流程图中描述的方法对于提取蓄电池单元中的阴极电容量、阳极电容量和有效锂的量是有用的，并且参考图1中描述的蓄电池单元100描述。术语单元、蓄电池和蓄电池单元在整个说明书中可互换地使用。表1被提供作为用于图2阐述的流程图的索引，其中数字标引的方框和对应的功能阐述如下。表 权利要求
1.一种监测锂离子蓄电池单元的方法，包括在电功率事件期间监测蓄电池单元电压和蓄电池单元的相应电荷容量，电功率事件包括电功率充电事件和电功率放电事件之一；在该电功率事件期间通过相对于相应的蓄电池电压求导电荷容量来确定测量电荷容量导数；将测量电荷容量导数与阳极曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较； 将测量电荷容量导数与阴极曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较； 确定与测量电荷容量导数与阳极曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数；和确定与测量电荷容量导数与阴极曲线的优选阴极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第二健康状态参数。
2.如权利要求1所述的方法，其中 所述电功率事件包括电功率放电事件； 所述阳极曲线包括阳极充电曲线；和所述阴极曲线包括阴极放电曲线。
3.如权利要求2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括识别测量电荷容量导数的测量标志性峰值；和确定总测量阳极电容量，所述总测量阳极电容量包括测量电荷容量导数的测量标志性峰值之间的电荷容量差。
4.如权利要求3所述的方法，还包括识别阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值；和确定优选总阳极电容量，所述优选阳极电容量包括优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值之间的电荷容量差；其中确定与测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数包括通过将总测量阳极电容量与优选总阳极电容量比较来确定总石墨阳极电容量。
5.如权利要求2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括识别优选阳极电荷容量导数的优选标志性峰值； 识别测量电荷容量导数的测量标志性峰值；和确定测量标志性峰值相对于优选标志性峰值的移动。
6.如权利要求5所述的方法，其中确定与测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数包括确定与测量标志性峰值相对于优选标志性峰值的移动相对应的蓄电池单元的总电容量损失和锂损失的大小。
7.如权利要求2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极放电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括基于测量电荷容量导数与优选阳极电荷容量导数的比较确定阴极电压响应的电荷容量导数；和将阴极电压响应的电荷容量导数与优选阴极电荷容量导数进行比较。
8.如权利要求2所述的方法，其中电功率放电事件包括从大于80%荷电状态至小于 20%荷电状态的蓄电池单元放电。
9.如权利要求2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阳极充电曲线的优选阳极电荷容量导数进行比较包括将测量电荷容量导数与新蓄电池单元的阳极充电曲线的阳极电荷容量导数进行比较，新蓄电池单元的阳极充电曲线的阳极电荷容量导数通过在新蓄电池单元的放电事件期间测量与不同于锂电极的阳极相关的蓄电池参数来确定。
10.如权利要求2所述的方法，其中将测量电荷容量导数与阴极放电曲线的优选阴极电荷容量导数进行比较包括将测量电荷容量导数与新蓄电池单元的阴极放电曲线的阴极电荷容量导数进行比较，新蓄电池单元的阴极放电曲线的阴极电荷容量导数通过在新蓄电池单元的放电事件期间测量与不同于锂电极的阴极相关的蓄电池参数来确定。
全文摘要
一种监测锂离子蓄电池单元的方法，包括在电功率事件期间监测蓄电池单元电压和蓄电池单元的相应电荷容量，电功率事件包括电功率充电事件和电功率放电事件之一。在该电功率事件期间通过相对于相应的蓄电池电压求导电荷容量来确定测量电荷容量导数。将测量电荷容量导数与阳极充电曲线(对电功率放电事件)或阳极放电曲线(对电功率充电事件)的优选阳极电荷容量导数进行比较，并且将测量电荷容量导数与阴极充电曲线(对电功率充电事件)或阴极放电曲线(对电功率放电事件)的优选阴极电荷容量导数进行比较。确定与测量电荷容量导数与阳极曲线的优选阳极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第一健康状态参数。并且确定与测量电荷容量导数与阴极曲线的优选阴极电荷容量导数的比较相对应的蓄电池单元的第二健康状态参数。
文档编号G01R31/36GK102565710SQ20111033941
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者J.S.王, M.W.费尔布吕格, P.刘, S.王, S.索基亚齐安 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司