在用于車(chē)輛控制的電池模型中的金屬離子濃度的插值的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)總體上設(shè)及通過(guò)基于金屬離子濃度的插值的可再充電車(chē)輛電池的降階模 型來(lái)控制車(chē)輛電池系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛和純電動(dòng)車(chē)輛依賴于牽引電池來(lái)提供用于推進(jìn)的動(dòng)力，并且還 可為某些附件提供電力。牽引電池通常包括W各種形態(tài)連接的多個(gè)電池單元。為了確保車(chē) 輛的優(yōu)化操作，可監(jiān)測(cè)牽引電池的各種性能。一種有用的性能是指示存儲(chǔ)在電池中的電荷 量的電池荷電狀態(tài)（S0C)。可針對(duì)整個(gè)牽引電池和針對(duì)每個(gè)電池單元來(lái)計(jì)算荷電狀態(tài)。牽 引電池的荷電狀態(tài)提供對(duì)剩余電荷的有用指示。針對(duì)每個(gè)單獨(dú)的電池單元的荷電狀態(tài)提供 對(duì)平衡電池單元之間的荷電狀態(tài)有用的信息。除S0C之外，電池可允許的充電和放電功率 極限是用于確定電池操作的范圍并用于防止電池過(guò)度操作的有價(jià)值的信息。然而，使用傳 統(tǒng)方法（諸如，基于實(shí)驗(yàn)的方法或基于等效電路模型的方法）不易于實(shí)現(xiàn)對(duì)上述電池響應(yīng) 的估計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 一種車(chē)輛包括牽引電池，所述牽引電池包括電池單元，其中，每個(gè)電池單元具有限 定電極-電解質(zhì)界面的陽(yáng)極、陰極W及陽(yáng)極與陰極之間的電解質(zhì)。所述車(chē)輛還包括至少一 個(gè)控制器，所述至少一個(gè)控制器被配置為：根據(jù)電池荷電狀態(tài)操作所述牽引電池，其中，所 述電池荷電狀態(tài)是基于在沿著所述電池的至少一個(gè)電極的軸線的非均勻離散的位置處的 金屬離子濃度的，并通過(guò)具有關(guān)聯(lián)的電池電流分布輸入的電池模型被推導(dǎo)出。
[0004] -種操作牽引電池的方法包括：基于與電池電流關(guān)聯(lián)的擴(kuò)散過(guò)電位變化率和電解 質(zhì)電位變化率來(lái)輸出有效歐姆電阻；基于電池對(duì)電池電流變化的頻率響應(yīng)來(lái)輸出有效擴(kuò)散 系數(shù)，其中，所述頻率響應(yīng)所處的頻率小于預(yù)定頻率；輸出金屬離子濃度，其中，所述金屬離 子濃度針對(duì)在沿著至少一個(gè)電池電極的軸線的非均勻離散的位置并通過(guò)電池電流分布輸 入被推導(dǎo)出。所述方法還包括：基于電池模型來(lái)輸出電池操作變量，其中，所述電池模型包 括所述有效擴(kuò)散系數(shù)、所述有效歐姆電阻和所述金屬離子濃度；通過(guò)控制器基于所述電池 操作變量、電池電流和電池電流需求來(lái)操作牽引電池。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池模型是球形電極材料模型。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述至少一個(gè)電池電極的軸線是球形電極材料模型的 半徑。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池操作變量還基于在沿著所述半徑的非均勻離 散的位置處的金屬離子濃度的插值。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池操作變量還基于在沿著所述半徑的非均勻離 散的位置處的金屬離子濃度的多項(xiàng)式插值。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述有效歐姆電阻還基于包括均具有頻率的多個(gè)頻率 分量的對(duì)電池電流變化的頻率響應(yīng)，其中，所述多個(gè)頻率分量中的每個(gè)的頻率大于預(yù)定頻 率。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述頻率響應(yīng)包括多個(gè)頻率分量，所述頻率響應(yīng)包括 電荷轉(zhuǎn)移頻率響應(yīng)、電荷擴(kuò)散頻率響應(yīng)和電極極化頻率響應(yīng)中的一個(gè)。
[0011] 一種車(chē)輛電池系統(tǒng)包括牽引電池，其中，所述牽引電池包括至少一個(gè)電池單元，所 述至少一個(gè)電池單元具有限定固體-電解質(zhì)界面的陽(yáng)極、陰極W及陽(yáng)極與陰極之間的電解 質(zhì)，其中，所述固體-電解質(zhì)界面包括陽(yáng)極固體-電解質(zhì)界面和陰極固體-電解質(zhì)界面。所 述系統(tǒng)還包括：至少一個(gè)控制器，被配置為根據(jù)電池荷電狀態(tài)操作所述電池，其中，所述電 池荷電狀態(tài)是基于在沿著所述電池的至少一個(gè)電極的軸線的非均勻離散的位置處的金屬 離子濃度的，并通過(guò)具有關(guān)聯(lián)的電池電流分布輸入的電池模型被推導(dǎo)出。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池荷電狀態(tài)是基于球形電極材料模型的。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述至少一個(gè)電極的軸線是球形電極材料模型的半 徑。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池荷電狀態(tài)還基于在沿著所述半徑的非均勻離 散的位置處的金屬離子濃度的插值。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池荷電狀態(tài)還基于在沿著所述半徑的非均勻離 散的位置處的金屬離子濃度的多項(xiàng)式插值。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池荷電狀態(tài)基于固體-電解質(zhì)界面處的歸一化 金屬離子濃度、在沿著代表性電極固體顆粒的軸線的非均勻離散的位置處的金屬離子濃度 W及固體-電解質(zhì)界面處的歸一化金屬離子濃度、在沿著代表性電極固體顆粒的軸線的非 均勻離散的位置處的金屬離子濃度與多個(gè)歷史電池荷電狀態(tài)在預(yù)定時(shí)間內(nèi)的平均值的函 數(shù)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述電池荷電狀態(tài)基于固體-電解質(zhì)界面處的歸一化 金屬離子濃度、在沿著代表性電極固體顆粒的軸線的非均勻離散的位置處的金屬離子濃度 W及固體-電解質(zhì)界面處的歸一化金屬離子濃度的加權(quán)平均值、在沿著代表性電極固體顆 粒的軸線的非均勻離散的位置處的金屬離子濃度與多個(gè)歷史電池荷電狀態(tài)在預(yù)定時(shí)間內(nèi) 的平均值的函數(shù)。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，金屬離子是裡離子。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是示出示例性動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)組件的混合動(dòng)力車(chē)輛的示圖。
[0020] 圖2是包括多個(gè)電池單元并由電池能量控制模塊監(jiān)測(cè)和控制的可行的電池組布 置的示圖。
[0021] 圖3是具有一個(gè)RC電路的示例性電池單元等效電路的示圖。
[0022] 圖4是具有多孔電極的金屬離子電池的截面示圖。
[0023] 圖4A是由于放電期間的裡離子擴(kuò)散過(guò)程造成的負(fù)電極中的代表性顆粒內(nèi)部的裡 離子濃度分布的不圖。
[0024] 圖4B是由于放電期間的裡離子擴(kuò)散過(guò)程造成的正電極中的代表性顆粒內(nèi)部的裡 離子濃度分布的不圖。
[00巧]圖4C是活性材料固體顆粒和裡離子的轉(zhuǎn)移與擴(kuò)散過(guò)程的示圖。
[0026] 圖5是響應(yīng)于10秒電流脈沖輸入的過(guò)電位相對(duì)于電池單元厚度的曲線圖。
[0027] 圖6是響應(yīng)于10秒電流脈沖輸入的電解質(zhì)中的電壓降相對(duì)于電池單元厚度的曲 線圖。
[002引圖7是示出正電極和負(fù)電極處的開(kāi)路電位相對(duì)于電化學(xué)電池的陽(yáng)極和陰極的歸 一化裡離子濃度的曲線的曲線圖。
[0029] 圖8是示出電池荷電狀態(tài)（S0C)W及在正電極和負(fù)電極的代表性電極顆粒處的估 計(jì)的裡離子濃度分布相對(duì)于時(shí)間的曲線圖。
[0030] 圖9是沿著活性材料顆粒的半徑均勻離散和非均勻離散的離子濃度的示圖和曲 線圖。
[0031] 圖10是示出在利用插值和不利用插值的情況下裡離子濃度相對(duì)于電極材料的歸 一化半徑的曲線圖。
[0032] 圖11是示出由不同方法產(chǎn)生的電池荷電狀態(tài)誤差相對(duì)于時(shí)間的比較的曲線圖。
[0033] 圖12是示出由不同方法產(chǎn)生的電池端電壓誤差相對(duì)于時(shí)間的曲線圖。
[0034] 圖13是示出用于電池功率容量確定的可行操作的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 在此描述本公開(kāi)的實(shí)施例。然而，應(yīng)理解的是，所公開(kāi)的實(shí)施例僅為示例，并且其 它實(shí)施例可采用各種可替代形式。附圖不必按比例繪制；可夸大或最小化一些特征W示出 特定組件的細(xì)節(jié)。因此，在此公開(kāi)的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為具有限制性，而僅為 用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員W多種形式利用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將 理解的，參考任一【附圖說(shuō)明】和描述的各種特征可與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖中說(shuō)明的特征組 合W產(chǎn)生未明確說(shuō)明或描述的實(shí)施例。說(shuō)明的特征的組合提供用于典型應(yīng)用的代表性實(shí)施 例。然而，與本公開(kāi)的教導(dǎo)一致的特征的各種組合和變型可被期望用于特定應(yīng)用或?qū)嵤┓?式。
[0036] 圖1描繪了示例性的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛她V)。示例性的插電式混合動(dòng)力 電動(dòng)車(chē)輛112可包括連接至混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置116的一個(gè)或更多個(gè)電機(jī)114。電機(jī)114能 夠作為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)來(lái)操作。此外，混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置116連接至發(fā)動(dòng)機(jī)118?；旌蟿?dòng)力 傳動(dòng)裝置116還連接至驅(qū)動(dòng)軸120,驅(qū)動(dòng)軸120連接至車(chē)輪122。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)118開(kāi)啟或關(guān)閉 時(shí)，電機(jī)114能提供推進(jìn)和減速能力。電機(jī)114還用作發(fā)電機(jī)并且能通過(guò)回收在摩擦制動(dòng) 系統(tǒng)中通常將作為熱損失掉的能量而提供燃料經(jīng)濟(jì)效益。電機(jī)114還可W通過(guò)允許發(fā)動(dòng)機(jī) 118在更高效的條件（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷）下操作并允許混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛112在特定條 件下W發(fā)動(dòng)機(jī)118關(guān)閉的電動(dòng)模式運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)降低車(chē)輛排放。
[0037] 牽引電池或電池組124儲(chǔ)存電機(jī)114可W使用的能量。車(chē)輛電池組124通常提供 高電壓DC輸出。牽引電池124電連接至一個(gè)或更多個(gè)電力電子模塊。一個(gè)或更多個(gè)接觸 器142可在斷開(kāi)時(shí)將牽引電池124與其它組件隔離，并在閉合時(shí)將牽引電池124連接到其 它組件。電力電子模塊126還電連接至電機(jī)114并在牽引電池124和電機(jī)114之間提供雙 向傳輸能量的能力。例如，示例性的牽引電池124可提供DC電壓，而電機(jī)114可使用Ξ相 AC電流來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)。電力電子模塊126可將DC電壓轉(zhuǎn)換成電機(jī)114所使用的Ξ相AC電流。在 再生模式下，電力電子模塊126可將來(lái)自用作發(fā)電機(jī)的電機(jī)114的Ξ相AC電流轉(zhuǎn)換為牽引 電池124所使用的DC電壓。在此的描述同樣適用于純電動(dòng)車(chē)輛。對(duì)于純電動(dòng)車(chē)輛，混合動(dòng) 力傳動(dòng)裝置116可W是連接至電機(jī)114的齒輪箱，并且發(fā)動(dòng)機(jī)118可W不存在。
[0038] 牽引電池124除提供用于推進(jìn)的能量之外，還可W提供用于其它車(chē)輛電力系統(tǒng)的 能量。車(chē)輛可W包括DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊128,DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊128將牽引電池124的高 電壓DC輸出轉(zhuǎn)換為與其它車(chē)輛負(fù)載兼容的低電壓DC供應(yīng)。其它高電壓電負(fù)載146 (諸如 壓縮機(jī)和電熱器）可W在不使用DC/DC轉(zhuǎn)換器模塊128的情況下直接連接至高電壓。電負(fù) 載146可具有適時(shí)地運(yùn)轉(zhuǎn)電負(fù)載146的關(guān)聯(lián)的控制器。低電壓系統(tǒng)可電連接至輔助電池 130(例如，12V電池）。
[0039] 車(chē)輛112可W是電動(dòng)車(chē)輛或插電式混合動(dòng)力車(chē)輛，其中，牽引電池124可通過(guò)外部 電源136進(jìn)行再充電。