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1、(10)申请公布号 CN 104345202 A (43)申请公布日 2015.02.11 CN 104345202 A (21)申请号 201410341691.1 (22)申请日 2014.07.17 13/948,214 2013.07.23 US G01R 19/00(2006.01) H02J 7/00(2006.01) (71)申请人 福特全球技术公司 地址 美国密歇根州迪尔伯恩市 (72)发明人 达恩贝尔纳迪 托马斯J库珀 威廉T穆尔 乔瑟芬S李 罗伯特德纳卡 (74)专利代理机构 北京铭硕知识产权代理有限 公司 11286 代理人 鲁恭诚 (54) 发明名称 基于瞬态阻抗效应估。
2、计电池开路电压的方法 (57) 摘要 本发明涉及基于瞬态阻抗效应估计电池开路 电压的方法。 公开了一种车辆， 所述车辆包括电池 和控制器， 所述控制器被配置为根据先前测量的 充电数据和放电数据来计算电池电压特性。电池 电压特性是基于当荷电状态处于先前测量的值之 间的差大致相等的范围内时的先前测量的值之间 的差。 在所述范围之外， 基于时间的平方根校正充 电电压数据和放电电压数据， 以获取电池电压特 性。所述特性可通过高速率持续充电和放电循环 被执行。另外， 公开了一种包括双向电源的设备， 所述设备用于产生电池特性。所述电池电压特性 基于充电电压数据和放电电压数据之间的差以及 基于时间的平方根校。
3、正的数据而获取。还公开了 一种基于相同原理的方法。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 10 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书10页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104345202 A CN 104345202 A 1/1 页 2 1. 一种车辆， 包括 ： 至少一个电池单元 ； 至少一个控制器， 被配置为响应于所述至少一个电池单元的荷电状态处于荷电状态范 围内， 基于所述至少一个电池单元的先前测量的充电电压值与放电电压值之间的差， 使所 述至少一个电池单元充电和放电， 其中， 在所。
4、述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差 大致相等。 2. 如权利要求 1 所述的车辆， 其中， 所述至少一个控制器还被配置为响应于所述荷电 状态处于所述荷电状态范围之外， 基于先前测量的充电电压值的充电时间和先前测量的放 电电压值的放电时间中的至少一个时间， 使所述至少一个电池单元充电和放电。 3. 如权利要求 1 所述的车辆， 其中， 所述至少一个控制器还被配置为响应于所述荷电 状态处于所述充电状态范围之外， 基于先前测量的充电电压值的充电时间的根， 使所述至 少一个电池单元充电和放电。 4. 如权利要求 1 所述的车辆， 其中， 所述至少一个控制器还被配置为响应于所述荷电 状态处于所述荷电。
5、状态范围之外， 基于先前测量的放电电压值的放电时间的根， 使所述至 少一个电池单元充电和放电。 5. 如权利要求 1 所述的车辆， 其中， 通过使所述至少一个电池单元以大体上恒定的电 流充电和放电来产生所述先前测量的充电电压值和放电电压值， 使得测量的充电电压值和 放电电压值之间的差超出预定量。 6. 一种设备， 包括 ： 双向电源， 电连接到至少一个电池单元 ； 至少一个控制器， 被配置为在所述至少一个电池单元的荷电状态处于荷电状态范围内 时， 基于所述至少一个电池单元的测量的充电电压值和放电电压值之间的差， 产生表示所 述至少一个电池单元的电压和荷电状态之间的关系的输出， 其中， 在所述荷。
6、电状态范围内 的每个荷电状态处所述差大致相等。 7. 如权利要求 6 所述的设备， 其中， 所述至少一个控制器还被配置为当所述荷电状态 处于所述荷电状态范围之外时， 基于充电时的充电时间和放电时的放电时间， 产生表示所 述至少一个电池单元的电压和荷电状态之间的关系的输出。 8. 如权利要求 6 所述的设备， 其中， 所述双向电源被配置为基于所述至少一个电池单 元的额定电流容量， 使所述至少一个电池单元以大体上恒定的电流充电和放电。 9. 如权利要求 6 所述的设备， 其中， 所述至少一个控制器还被配置为基于当按照所述 荷电状态范围之外的荷电状态充电时的充电时间的根， 产生表示所述至少一个电池单。
7、元的 电压和荷电状态之间的关系的输出。 10. 如权利要求 6 所述的设备， 其中， 所述至少一个控制器还被配置为基于当按照所述 荷电状态范围之外的荷电状态放电时的放电时间的根， 产生表示所述至少一个电池单元的 电压和荷电状态之间的关系的输出。 权 利 要 求 书 CN 104345202 A 2 1/10 页 3 基于瞬态阻抗效应估计电池开路电压的方法 技术领域 0001 本公开涉及在充电和放电期间的电池单元开路电压的估计。 背景技术 0002 对于电池供电的装置， 可能需要有效设计平衡的开路电压 (OCV) 和荷电状态 (SOC) 的关系。该关系可通过脉冲方法来确定， 在该脉冲方法中， 按。
8、照已知的 SOC 和 OCV 施 加一系列适当的持续时间和幅值的电流脉冲。该脉冲使电池变化到新的 SOC 值， 在所述新 的 SOC 值处可测量新的 OCV 值。通常在允许将电池设置在新的操作点之后进行测量。在实 际脉冲施加期间记录的数据不用于确定上述关系。为了使测试持续时间最小化， 可选择相 对高幅值的脉冲电流。目前， 脉冲方法是一种工业标准并且被认为是确定 OCV 和 SOC 的关 系的最精确的方法。然而， 脉冲方法耗时， 要花费大约数周来完成。基于脉冲的特性， 脉冲 方法仅提供有限数量的数据点。在由工作电压极限限定的整个 SOC 范围内， 通常使用 10 或 20 个脉冲提供足够的数据来。
9、表征所述关系。 发明内容 0003 公开了一种车辆， 所述车辆包括至少一个电池单元和至少一个控制器。所述控制 器被配置为基于先前测量的电池单元的充电电压值和放电电压值之间的差而使所述电池 单元充电和放电。 响应于电池单元的荷电状态处于荷电状态范围内而利用所述差， 其中， 在 所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差大致相等。 所述控制器还可被配置为响应于 所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外， 基于先前测量的充电电压值的充电时间和先前 测量的放电电压值的放电时间中的至少一个时间， 使所述至少一个电池单元充电和放电。 所述控制器还可被配置为响应于所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外， 基于先前测。
10、量 的充电电压值的充电时间的根， 使所述至少一个电池单元充电和放电。所述控制器还可被 配置为响应于所述荷电状态处于所述荷电状态范围之外， 基于先前测量的放电电压值的放 电时间的根， 使所述至少一个电池单元充电和放电。可通过使至少一个电池单元以大体上 恒定的电流充电和放电来产生先前测量的充电电压值和放电电压值， 使得测量的充电电压 值和放电电压值之间的差超出预定量。 0004 公开了一种设备， 所述设备包括电连接到至少一个电池单元的双向电源和至少一 个控制器。 所述控制器被配置为在所述至少一个电池单元的荷电状态处于荷电状态范围内 时， 基于所述至少一个电池单元的测量的充电电压值和放电电压值之间的。
11、差， 产生表示所 述至少一个电池单元的荷电状态和电压之间的关系的输出， 其中， 在所述荷电状态范围内 的每个荷电状态处所述差大致相等。 所述控制器还可被配置为在荷电状态处于所述荷电状 态范围之外时， 基于充电时的充电时间和放电时的放电时间， 产生表示所述至少一个电池 单元的电压和荷电状态之间的关系的输出。 双向电源可被配置为基于所述至少一个电池单 元的额定电流容量， 以大体上恒定的电流使至少一个电池单元充电和放电。所述控制器还 可被配置为当按照所述荷电状态范围之外的荷电状态充电时， 基于充电时间的根， 产生表 说 明 书 CN 104345202 A 3 2/10 页 4 示所述至少一个电池单。
12、元的荷电状态和电压之间的关系的输出。 所述控制器还可被配置为 当按照所述荷电状态范围之外的荷电状态放电时， 基于放电时间的根， 产生表示所述至少 一个电池单元的荷电状态和电压之间的关系的输出。 0005 公开了一种方法， 所述方法包括测量电池在充电和放电期间的电压值的步骤。在 电池的荷电状态处于荷电状态范围内时， 基于测量的电压值之间的差来计算荷电状态和电 压之间的关系， 其中， 在所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差大致相等。 输出电压 和荷电状态之间的关系。 电池的荷电状态和电压之间的关系还可基于当按照所述荷电状态 范围之外的荷电状态充电时的充电时间的根。 电池的电压和荷电状态之间的关。
13、系还可基于 当按照所述荷电状态范围以外的荷电状态放电时的放电时间的根。 在充电期间测量的电压 值和在放电期间测量的电压值之间的差可在整个荷电状态范围内被平均。 可按照大体上恒 定的电流进行充电和放电， 使得测量的充电电压值和放电电压值之间的差超出预定量。 0006 公开了一种方法， 所述方法包括 ： 测量电池在充电和放电期间的电压值 ； 在电池 的荷电状态处于荷电状态范围内时， 基于测量的电压值之间的差来计算电压和荷电状态之 间的关系， 其中， 在所述荷电状态范围内的每个荷电状态处所述差大致相等 ； 输出所述电压 和荷电状态之间的关系。 所述方法还包括 ： 当所述荷电状态处于所述荷电状态范围之。
14、外时， 基于充电时的充电时间和放电时的放电时间来计算电压和荷电状态之间的关系。 所述方法 还包括 ： 基于当按照荷电状态范围之外的荷电状态充电时的充电时间的根而计算电池的电 压和荷电状态之间的关系。所述方法还包括 ： 基于当按照荷电状态范围之外的荷电状态放 电时的放电时间的根而计算电池的电压和荷电状态之间的关系。 在充电期间测量的电压值 和在放电期间测量的电压值之间的差在整个荷电状态范围内被平均。 以大体上恒定的电流 进行所述充电和放电， 使得测量的充电电压值和放电电压值之间的差超出预定量。 附图说明 0007 图 1 是示出典型动力传动系和能量储存部件的插电式混合动力电动车辆的示意 图。 0。
15、008 图 2 是包括多个单元并且由电池控制模块监视和控制的可能的电池包设置的示 意图。 0009 图3是用于多个示例性充电/放电电流曲线的作为荷电状态的函数的电池单元电 压的曲线图。 0010 图 4 是描绘了在公开的方法中用于确定电池单元的开路电压与荷电状态的关系 的各个量的曲线图。 0011 图 5 是用于获取电池电压特性的测试装置的示意图。 具体实施方式 0012 在此描述了本公开的实施例。 然而， 应理解的是， 公开的实施例仅为示例并且其他 实施例可以以多种和替代形式实施。附图无需按比例绘制 ； 可放大或缩小一些特征以示出 特定部件的细节。 因此， 在此所公开的具体结构和功能细节不应。
16、解释为限制， 而仅为用于教 导本领域技术人员以多种形式实施本发明的代表性基础。 如本领域的普通技术人员将理解 的是， 参照任一附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其它附图中示出的特征相组 说 明 书 CN 104345202 A 4 3/10 页 5 合以形成未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施 例。然而， 与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型可期望用于特定应用或实施。 0013 图 1 描述了典型的插电式混合动力电动车辆。典型的混合动力电动车辆 2 可包括 机械地连接至混合动力传动装置6的一个或更多个电动机4。 此外， 混合动力传动装置6机 械地连接至。
17、发动机 8。混合动力传动装置 6 还被机械地连接至驱动轴 10， 驱动轴 10 机械地 连接至车轮 12。当发动机 8 开启或关闭时， 电动机 4 能够提供推进和减速能力。电动机 4 还可以用作发电机， 并且通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热而损失的能量而能够提 供燃料经济性益处。由于混合动力电动车辆 2 在特定状况下可按照电动模式运转， 因此电 动机 4 还可提供减少的污染物排放。 0014 电池包(battery pack)14储存可以由电动机4使用的能量。 车辆电池包14通常提 供高压直流(DC)输出。 电池包14电连接至电力电子模块(power electronics module)。
18、16。 电力电子模块16还电连接至电动机4， 并且提供在电池包14和电动机4之间双向传输能量 的能力。例如， 典型的电池包 14 可以提供 DC 电压， 而电动机 4 可能需要三相交流 (AC) 电 流来运转。电力电子模块 16 可以将 DC 电压转换为电动机 4 所需要的三相 AC 电流。在再 生模式下， 电力电子模块 16 将来自用作发电机的电动机 4 的三相 AC 电流转换为电池包 14 所需要的 DC 电压。此处的描述同样可应用到纯电动车辆或者使用电池包的任何其它装置。 对于纯电动车辆而言， 混合动力传动装置6可以是连接到电动机4的简单的齿轮箱， 并且可 以不存在发动机 8。 0015。
19、 电池包 14 除了提供用于推进的能量之外， 还可以提供用于其它车辆电气系统的 能量。 典型的系统可包括将电池包14的高压DC输出转换为与其它车辆负载兼容的低压DC 电源的 DC/DC 转换器模块 18。其它高压负载 ( 例如， 压缩器和电加热器 ) 可被直接连接而 不使用 DC/DC 转换器模块 18。在典型的车辆中， 低压系统电连接至 12V 电池 20。 0016 所述车辆可以是插电式混合动力车辆， 插电式混合动力车辆中的电池包可通过外 部电源 26 进行再充电。外部电源 26 可以通过经由充电端口 24 进行电连接而向车辆 2 提 供 AC 或 DC 电力。充电端口 24 可以是被配置。
20、为用于从外部电源 26 向车辆 2 传输电力的任 何类型的端口。充电端口 24 可以电连接至电力转换模块 22。电力转换模块 22 可以适配来 自外部电源 26 的电力， 以向电池包 14 提供适合的电压和电流水平。在一些应用中， 外部电 源 26 可被配置为用于向电池包 14 提供适合的电压和电流水平， 并且电力转换模块 22 不是 必需的。 0017 可以通过多种化学配方构建电池包。典型的电池包的化学成分是铅酸、 镍金属氢 化物 (NIMH) 或锂离子。图 2 示出了具有串联连接的 N 个电池单元 32 的配置的典型电池包 30。电池包 30 可由多个单独的电池单元 32 按照串联或并联或。
21、者它们的某些组合连接而组 成。典型系统可以具有监视并控制电池包 30 的性能的电池控制模块 (BCM)36。BCM36 可以 监视多个电池包水平特性， 例如， 电池包电流 38、 电池包电压 40 以及电池包温度 42。 0018 除了测量和监视电池包的水平特性外， 还可以测量和监视电池单元 32 的特性。例 如， 可以测量每个电池单元 32 的开路电压、 电流和温度。系统可使用传感器模块 34 来测量 电池单元32的特性。 根据能力， 传感器模块34可以测量一个或更多个电池单元32的特性。 电池包 30 可利用多达 Nc 个传感器模块 34 来测量全部电池单元 32 的特性。每个传感器模 块。
22、34可将测量值传输至BCM36， 以进行进一步处理和协调。 传感器模块34可将模拟形式或 说 明 书 CN 104345202 A 5 4/10 页 6 数字形式的信号传输至 BCM36。可替换地， 一些构造可在 BCM36 内完全实现传感器模块 34 的功能。 0019 电池开路电压(OCV)和荷电状态(SOC)的关系对于电池供电的设备的有效设计和 操作会是重要的。 在自动推进应用中， 车辆可能需要对该特性进行估计， 以在车辆运转期间 限制对电池的电力需求并执行 SOC 检测。该关系对于电池包的最佳充电和放电会是重要 的。该关系可在车辆开发期间进行测量并储存在车辆控制器中。OCV 和 SOC。
23、 的关系可根据 时间而改变， 并且不精确的特性的使用可能导致电池电力容量的损耗和纯电动驱动行驶里 程的降低。 OCV和SOC的关系可被表征并用于电池控制器， 以使车辆性能和混合动力燃料经 济性最佳。 0020 公开的基于瞬态阻抗信息的实施例可比现有的估计方法更有效地表征该关系。 公 开的实施例可允许通过更高速率持续充电 / 放电循环来获取 OCV 信息。更快的表征方法可 允许在标准的服务检查期间和在车辆运转期间对电池健康状态 (SOH) 进行评估。然后控制 策略作为消费者的常规车辆维护计划的一部分可基于表征数据而更新， 从而提高车辆寿命 范围内的燃料经济性和驱动行驶里程。 0021 公开的实施。
24、例也可产生更有效的电池测试方法。改进的电池测试方法可有利于 筛选供应商、 设计电池包和车辆以及改进电池控制策略。公开的实施例提供持续的 OCV 和 SOC 的关系， 并且可提供在使用标准的脉冲方法获取的离散关系中不会得到的见解 (insights)。公开的实施例可使用比间或使用的极低速率的放电更少的时间来完成。公 开的实施例也允许在不拆卸电池单元的情况下确定重要的电池设计信息 ( 例如， 电极容量 比、 电极成分和活性材料的估计量 )。 0022 从理论的立场上讲， 持续放电 / 充电行为 ( 即， 单脉冲 ) 也可用于确定 OCV 和 SOC 的关系。在极小的低电流的限制下， 充电电压和放电。
25、电压应彼此相等并等于实际的 OCV 或 热力学的OCV。 这些低速率方法需要长时间段来产生结果。 因此， 低速率方法在产品或服务 环境中的使用受到限制。这些低速率方法在速率低时产生最好的结果， 使得充电曲线和放 电曲线围绕实际的 OCV 曲线形成窄的包络线。 0023 然而， 实际上， 只有有限的放电 / 充电电流可使用。对于通过有限速率 ( 而不是无 限小速率 ) 的使用导致的电压偏差， 可确定要进行修正。在这种情况下， 在实际脉冲持续期 间收集的数据可被用于确定上述关系。通过适当的处理， 有限速率方法可产生具有可接受 的精度的 OCV 估计。降低的估计时间相对于脉冲方法是一种优势。 002。
26、4 所述方法可通过使用两个脉冲来实施 ： 一个放电脉冲和一个充电脉冲。在放电脉 冲和充电脉冲之间可存在休息期。这与传统的 “容量检验” 类似，“容量检验” 作为对健康状 态的诊断在电池性能和寿命测试期间通常以 1 小时速率 (1-hour rate) 被执行。如果 OCV 和 SOC 的关系能够从标准的容量检验数据中获取， 则这将是有利的。目前， 由于脉冲方法太 费时， 因此在电池寿命研究期间不能监测上述关系。 0025 除了节省时间外， 公开的方法还可具有其他优势。所述方法可提供更持续的 OCV 和 SOC 的关系， 而脉冲方法通常按照离散的 SOC 间隔给出 OCV 的值。持续的关系可示出。
27、通 过脉冲方法给出的离散结果中不明显的其他特征。这些特征可提供与单个电极的 OCV 行为 有关的有价值的信息， 这些信息可被用于在不拆卸电池单元的情况下确定电极容量比、 锂 化度、 组成成分以及活性材料的量。此外， OCV 和 SOC 的关系在整个电池寿命中的变化可给 说 明 书 CN 104345202 A 6 5/10 页 7 出另外的关于电池电力和库伦容量降低的机制的信息。 所述关系在整个电池寿命中变化的 特性可产生混合动力车辆和纯电动车辆中的改进的电池控制策略。 0026 对于具有给定的电极成分 ( 即， 锂化度 ) 和温度的热力学平衡， 锂离子电池的 OCV 是稳定和恒定的。图 3 。
28、中描述了一些示例电池以不同的速率充电和放电的循环。电池 SOC 可通过施加1-C放电直到电压下降到特定的截止电压50以下来表征。 1-C放电描绘了电流 等于电池的额定容量并且理论上电池的充电或放电在一个小时内完成。可在得知充电 / 放 电率和电池的额定容量时得到荷电状态。大于 1 的 C 速率使电池在小于一个小时 ( 例如， 2-C 0.5 小时 ) 内充电或放电， 而小于 1 的 C 速率使电池在大于一个小时 ( 例如， 0.1-C 10 小时 ) 内充电或放电。在放电电流中断 ( 通常发生在截止电压 50 处 ) 之后， 电池单 元开路电压经历弛豫过程 (relaxation proces。
29、ses) 并平衡到稳定的 OCV 值 52( 由图 3 中 的虚线表示 )。在处于慢放电率时， 截止电压 50 可与 0的 SOC 对应。SOC 可基于在循环期 间的电流的测量而在循环期间进行计算。 0027 高电流曲线 54 可代表确定 OCV 的脉冲方法， 在该脉冲方法中， 在恒定的电流脉冲 之后在特定的 SOC 处获取 OCV 值。OCV 和 SOC 的关系可通过收集在不同的 SOC 值处确定的 这样的 OCV 而得到。在脉冲期间收集的任何数据通常不被认为可用于确定所述关系。高电 流脉冲曲线 54 由两条不同的曲线组成。第一曲线 56 表示放电脉冲， 同时第二曲线 58 表示 充电脉冲。。
30、可以看出， OCV 的下界限是放电曲线 56， 其上界限是充电曲线 58。当电池单元 从放电转换为充电时， 可以看出， OCV 的下界限是刚好在放电电流中断 60 之前的那个电压， OCV 的上界限是刚好在充电电流开始 62 之后的那个电压。OCV 被界定上界限和下界限， 从 而提供用于公开的 OCV 确定方法的基础。对于理想的阻抗电池单元， OCV 将处于放电电压 曲线 56 和充电电压曲线 58 的中部。 0028 还描绘了较慢的充电 / 放电率 64。除了充电曲线 70 和放电曲线 68 更接近实际 OCV 曲线 52 之外， 该曲线还描绘了与高电流脉冲数据 54 类似的行为。另外， 稳。
31、定的 OCV 曲 线 52 的上界限是充电曲线 70， 其下界限是放电曲线 68。随着充电 / 放电率的降低， 充电和 放电曲线可汇聚到实际 OCV 曲线 52。 0029 在 C/ 放电的限制下， 在放电之后的电压弛豫接近零， 库伦容量接近最大值， 并 且放电电压接近 OCV。随着充电 / 放电率的降低， 充电曲线和放电曲线之间的差降低。在处 于无穷小的速率时， 曲线可仅具有非常小的差异。非常低速率的放电 / 充电循环 66 被示出 为紧密地包围整个 OCV 和 SOC 的关系曲线 52。在处于足够低的充电 / 放电率时， OCV 的估 计将是给定的 SOC 的放电电压和充电电压的平均值。低。
32、速率的放电 / 充电循环的缺点是其 需要更多的时间来完成该表征。 0030 公开的方法使用更高速率持续放电 / 充电率 ( 例如， 1C 速率 )， 并应用校正因子 来估计实际的 OCV。该方法基于这样一个前提 ： 瞬态行为的观测结果能够用于区分阻抗过 程。类似的技术可用于电化学阻抗光谱， 以分开欧姆、 荷电转移和浓度结 (concentration junction) 阻抗。 0031 在放电 / 充电容量测试中在电流的开始和中断处发生的瞬态电压可用于校正电 压测量值。 在电流开始处， 最初缺少热效应和浓度结效应， 同时出现可被称为初始阻抗过电 压 i的双层、 欧姆和电荷转移过电压。在电流中。
33、断处， 双层、 欧姆和电荷转移过电压可快 速地 (100ms) 消失， 留下浓度结过电压 t， 瞬态阻抗效应， 以消耗电池单元并使电池单元 说 明 书 CN 104345202 A 7 6/10 页 8 返回至稳定的 OCV。总的过电压可被指定为 ， 并且放电 ( 或充电 ) 时间为 t。 0032 可从持续的放电 / 充电电压行为的放电部分和充电部分获得四个观测值 ： (1) 由 于初始阻抗因子i导致的电压偏差 ； (2)由于初始阻抗因子和瞬态阻抗因子(i+tss)而 导致的最大电压偏差 ； (3) 达到稳态最大电压偏差的大致瞬变时间 tss； (4) 放电和充电 OCV 估计将结合的时间 。
34、tj。时间 tj也可被认为是在充电期间达到稳态最大电压偏差的大致时 间。在稳态区域中， OCV 可被估计为充电电压和放电电压的平均值。在稳态区域之外， 可修 正放电数据以及可修正充电数据， 以进行 OCV 估计。稳态值可与修正的数据结合， 从而在整 个范围内产生完整的 OCV 和 SOC 估计。稳态区域的位置可通过检查系统的行为而被发现。 稳态区域可以是在整个范围内充电电压和放电电压之间的差值大致相等的区域。 0033 实验数据表明在电流刚刚开始后观察到的初始阻抗几乎恒定， 而不依赖电流水 平。这就意味着过电压通过电流和阻抗的乘积而改变。由于电流随 C- 速率变化， 同时阻抗 不变， 因此 1。
35、0-C 速率时的 i大约是 20-C 速率时的 i的一半， 5-C 速率时的 i大约是 10-C 速率时的 i的一半， 并且 3-C 速率时的 i大约是 10-C 速率时的 i的三分之一。 浓度结过电压可被定义为 ： 0034 t OCV-(Vdch+i， dch) (1) 0035 其中， Vdch是测量的放电电压， i,dch是在放电循环开始时的过电压。对于具有恒 定的表面通量的球体中的不稳定扩散的问题， 可考虑用于表面浓度的解析法。所得的短时 间解答表明， 在给定的通量值内， 表面浓度可与呈线性变化。其他的电池化学成分可根 据其他的时间函数而改变。还可以看出， 对于每个电流值， 线性区域。
36、的斜率是相同的， 对于 锂扩散率和粒子半径的给定值， 也期望这种情况。 假设对于不同的电流值， 最初的扩散率相 同。虽然浓度结过电压与表面锂活性和平衡的锂活性的比率有关， 但该过电压可以被期望 最初跟随与的关系。因此， 根据经验观察到， 最初， t是与电流 ( 定义为 I) 和的乘 积成比例。 然而， 基于在电池单元内发生的传输过程， 能够对所述观察作出貌似是有道理的 解释。 所述观察还产生对于电压弛豫(主要是浓度结过电压)与成比例的行为的解释。 由于数据全部与近似恒定的 SOC 变化 ( 即， 10 ) 有关， 因此可写成 ： 0036 0037 根据上式得 ： 0038 0039 上述经验。
37、观察值可用符号写为 ： 0040 0041 将方程式 (3) 代入到方程式 (4) 中得 ： 0042 说 明 书 CN 104345202 A 8 7/10 页 9 0043 虽然在处于更低速率时最明显， 但根据特定时间段之后的速率， 浓度结过电压似 乎接近恒定值。当考虑球体内的不稳定扩散的问题时， 也可期望这种情况。长时间来解决 所述问题表明 ： 对于给定的通量值， 表面浓度将与 t 线性地变化。当长时间解决上述问题 时， 由于平衡的浓度和表面浓度两者根据时间而线性地变化， 因此可期望恒定的浓度结过 电压。 关于分别短时间和长时间来解决球面问题的参数， 构成用于确定和tss(用于OCV 估。
38、计 ) 的基础。 0044 公开的方法可使用在相对快的充电 / 放电率时收集的电压数据。例如， 1C 速率可 被应用于使电池充电和放电。然而， 所述方法不限于任何特定的速率并且可以使用各种不 同的充电 / 放电率。放电电压数据可被测量并且可对所述数据进行校正， 以获取全部 OCV 特性的一部分。对于放电电压数据的电压校正可被用于预定范围或荷电状态的范围。充电 电压数据也可被测量并且可对该充电电压数据进行校正， 以完成 OCV 特性。通过结合校正 的电压范围， 可在整个SOC范围内获取一个完整的曲线或特性。 电压范围可在点tj处汇合， 使得校正的 OCV 值在该点处等于未校正的 OCV 值。提出。
39、的方法的优势在于 OCV 特性可在相 对短时间内获取。 0045 在获得电压测量数据之后， 测量的放电电压数据和充电电压数据可被校正用于瞬 态阻抗效应。 图4中示意性地描绘了所述概念。 放电曲线100相对于底轴上的放电时间106 而绘制。放电时间 106 从左侧处的零 110 开始并随着曲线运动至右侧而增加。放电时间零 110与电池完全充电至百分之百的SOC所处的点对应。 得知放电率和电池的额定容量， 这允 许时间等于等效的 SOC 值。可替换地， 可测量电流， 并且可基于所述电流以及与充电和放电 相关的时间计算 SOC。 0046 充电时间零 112 与电池完全放电到百分之零的 SOC 所处。
40、的点对应。充电曲线 102 相对于充电时间 108 绘制。充电时间 108 从右侧处的零 112 开始并随着曲线运动至左侧而 增加。在下面的公式中， Vdch100 表示在放电循环期间测量的电压， 并且 Vch102 表示在充电 循环期间测量的电压。 0047 在放电循环期间， OCV104 可由下式确定 ： 0048 OCV Vdch+i， dch+t， dch (6) 0049 其中， 0050 0051 0052 0053 在等式 (6) 至等式 (9) 中， t 是放电时间， 过电压 被限定为正值。 0054 i,dch114 的值可通过从放电电流开始之前稳定的 OCV118 减去放电。
41、电流开始之后 收集的第一数据点 116 处的电压而获得。该值可在电流放电循环的开始处或附近被测量。 说 明 书 CN 104345202 A 9 8/10 页 10 0055 稳态过电压值120 可通过检查稳态电压偏差而确定。该值可从测量的数据 通过找出电压衰减几乎恒定的点而确定。恒定的范围可以在时间 tss,dch122 和时间 tj,dch124 之间。在该时间段期间， 可计算充电电压 Vch102 和放电电压 Vdch100 之间的差的平 均值。一旦计算了平均值， 则可根据下式确定稳态放电过电压 0056 0057 进一步求解等式 (10) 得到下面的结果 ： 0058 0059 在零 。
42、110 和 tss,dch122 之间的范围内， 电压校正值与 t 的平方根成比例。该值可被 缩放， 以在时间 tss,dch122 处使该值将与120 的稳态值相匹配。稳态电压偏差是在预定 的荷电状态范围内的充电电压数据和放电电压数据之间的差的函数。所述差可在整个荷 电状态范围内平均并被用作稳态电压偏差。当根据等式 (6) 使这些值相加时产生在直至 tj,dch124 的范围内都非常近似于 OCV 曲线。 0060 接下来， 可校正用于充电数据的电压， 以完成在比 tj,dch124 大区域内的曲线。充电 数据的电压校正可按照与放电数据相似的方式完成。在充电期间的 OCV 可被描述为 ： 0。
43、061 OCV Vch-i， ch-t， ch (12) 0062 i,ch128的值可通过从充电电流开始后测量的第一数据点130处的电压减去充电 电流开始之前的稳定 OCV132 而获得。该值可与 i,dch114 的值在汇合点 136 处重合。汇合 点 136 可被描述为充电电压校正值和放电电压校正值将产生相同的值的点。点 136 也可被 认为是在充电期间进入稳态电压偏差的时间。 也就是说， 在tj,ch134处校正的充电电压将等 于在 tj,dch124 处校正的放电电压。假设导致下面等式的线性变化 ： 0063 0064 其中，是在充电电流开始 130 处的过电压。注意， 在汇合点 1。
44、36 处， i,ch值将 等于 0065 与放电情况类似， 下面的等式适用于充电 ： 0066 0067 其中， t 是充电时间。注意， 在汇合点 136 处， t,ch的值将等于通过调节测 量的充电数据， 校正的充电曲线和放电曲线形成连续的曲线。 0068 简而言之， 可向电池施加相对快的充电 / 放电率。在充电 / 放电序列期间可测量 说 明 书 CN 104345202 A 10 9/10 页 11 和收集电压和电流。然后， 可根据上述等式处理数据。确定在放电电流开始处的电压偏差。 也可通过充电电压数据和放电电压数据基于充电电压数据和放电电压数据的平均值计算 稳态电压偏差。 稳态范围可以。
45、是在每个荷电状态处的充电电压值和放电电压值之间的差在 整个范围内大致相等的区域。在放电电流开始后并在汇合点之前的范围内， 根据等式 (6) 调节电压。这些校正值被应用于测量的放电电压数据， 以获取实际的 OCV 关系。在充电电 流的开始处确定初始的充电电压偏差。假设稳态电压偏差与放电情况相同。在充电电流开 始后并在汇合点之前的范围内， 根据等式 (12) 调节电压。在预定的荷电状态范围内， 电压 特性是充电数据和放电数据之间的差的函数。可使用所述差的平均值。在预定的荷电状态 范围的端点处， 由于充电值和放电值之间的差导致的特性值应等于使用时间的平方根计算 的值。 在汇合点处， 校正的充电电压和。
46、校正的放电电压重合， 以使校正的充电电压和校正的 放电电压在该点处相等。这样提供了表示 OCV 特性的一条连续的曲线。电流可在充电 / 放 电循环期间测量， 以更新 SOC 的值。 0069 电池充电 / 放电电压数据可相对于时间来测量。最终结果可要求产生相对于电池 荷电状态的 OCV 曲线。电池 SOC 可基于电流和时间被确定。SOC 可以以安培 - 小时 (Ah) 为 单位表示。 得知施加电流的时间， 就可计算相关的SOC。 例如， 考虑以1-C速率使5Ah电池充 电。假设电池的 SOC 为百分之零， 则施加 5A 电流持续一小时将使电池完全充至 5Ah 或百分 之百的SOC。 通过该知识。
47、， SOC可与时间相关。 在该示例中， 在循环的一半处或在30分钟时将 产生百分之五十的SOC。 这也可被分析为标准的安培-小时积分(Amp-hour integration)。 假设一个恒定的电流， 增加的 SOC 可被确定为电流与时间间隔的乘积。安培 - 小时积分也 可被用来确定 SOC。电流可在整个时间内积分， 以获取 SOC 值。 0070 OCV 和 SOC 的关系可用于控制电池包的充电和放电。所述关系也可被用于确定用 于车辆控制的电力极限和其他参数。该关系的知识也影响在电池包运转期间的 SOC 计算。 由于 SOC 可向驾驶员提供在给定的时间内电池中存在多少能量的状态， 因此 SO。
48、C 的精确测 量是有用的。许多现有的实施方式在开发或车辆初始构建期间将该关系编程到控制器中。 由于现有的用于产生该关系的技术较为耗时， 因此所述关系在整个车辆的寿命中可能从未 改变。 提出的提供更合理的时间产生所述关系的方法可提供用于在服务期间更新该关系的 选择。所述方法可被编程到车辆的控制器中， 以允许服务人员在服务操作期间执行校准。 0071 公开的方法可在单个电池单元上或在串联连接的多个电池单元上工作。 在电池包 中， 假设每个电池单元的电压被测量， 那么每个电池单元可通过在电池包上执行公开的方 法而被表征。每个电池单元可在服务操作期间进行表征， 并使产生的特性曲线被储存在非 易失性存储。
49、器中以供后期使用。 更实用的方法可以是平均全部电池单元的特性以供后期使 用或基于整个电池包电压来表征电池。所述表征可以是服务操作的一部分， 所述特性在服 务操作中被计算并储存， 以允许电池在电池的整个寿命期间最佳地运行。 0072 在图5中示出的一个可能的实施例中， 电池表征设备200可被设计为确定电池202 的 OCV 和 SOC 的特性曲线。电池 202 可设置在电池表征设备 200 中并根据描述的方法进行 充电和放电。双向电源 204 可连接到电池 202， 以使电池 202 充电和放电。双向电源 204 能 够供应和汲取电流。也就是说， 双线电源 204 能够用作电源和负载两者。双向电源 204 可 以是分开的电源和负载， 双向电源 204 可被控制为提供或消耗电力。 0073 可存在控制器206， 以在表征过程期间测量整个电池202的电压。 控制器206也可 说 明 书 CN 104。