[发明专利]用于控制可再充电电池的系统和方法

说明书

公开了一种用于可再充电电池（1）的电池管理系统，其包括：a）控制系统（2），配置用于控制；b）数值电池模型（3），包括：i）参数化电模型（31）；ii）参数化热模型（32）；iii）老化模型（33），配置成提供：（1）应力参数，所述应力参数指示电池根据电池的内部温度的期望寿命的瞬时消耗以及输送的功率、电压、电流和电荷的瞬间状态中的一个或多个；（2）更新了的电参数和/或更新了的热参数，所述更新了的电参数和/或更新了的热参数基于如从参数化热模型获得的内部温度的时间顺序；c）控制系统设置更新单元（21），配置成基于应力参数来适配控制器设置。

技术领域

本发明涉及可充电电池领域。特别地，它涉及根据独立专利权利要求的用于基于高级诊断和控制的自校准电池模型来控制可再充电电池的方法和电池管理系统。

背景技术

通常形成电池能量存储系统的基础的电化学电池(以下简称为电池)会随着时间而老化(age)。电池老化是复杂的过程，即使电池完全不被利用该过程也发生。随着电池循环，即，反复充电和放电，老化进展得更快。相应的充电/放电循环的影响是随着时间而累积的，并且随着对电池的电化学和热应力(stress)增加，例如，经由更高速率的充电或放电或者过低或过高的电荷状态，所有这些都在某种程度上导致电池单元(cell)内部不可逆的物理和化学变化，所述相应的充电/放电循环对老化的影响更大。因此，老化行为在很大程度上取决于电池的单元设计和化学性质(chemistry)，而还取决于操作电池所依据的方式。老化导致损耗增加，但更重要的是，它会降低电池容纳电荷的容量，这进而降低电池可提供的功率和能量两者。由于功率和能量是旨在由电池提供的服务的关键方面，因此需要在各个阶段(特别是在设计时期)认真考虑老化效应。

例如，由J.Schmalstieg等人在Journal of Power Sources 257(2014)，325-334中的“A holistic ageing model for Li(NiMnCo)O₂ based 18650 lithium-ionbatteries”中已经描述了用于分析老化行为的模型；其整体通过引用包含在本文中。

因此，针对关键和/或高性能应用的电池已通常利用广泛的先验(a priori)测试来表征。因此，过去常常花费大量时间——有时长达若干年——直到能够利用降低的安全裕度来对电池系统进行最佳设计。在缺乏与电池的老化行为相关的详细先验知识的情况下，曾经常使用固定且减小的操作范围，以便允许从寿命开始到结束的安全操作。这易于使电池与可能实际上所需相比更大、更昂贵、竞争力更低。

电池的能量和功率密度当前正以每年5-8％的速率增加。将逐步接近材料极限，并因此降低安全极限。因此，电池的精准诊断和安全控制变得更加困难，并且同时也变得更加重要。新单元类型和化学性质出现得越来越快，而越来越少的经验数据可用于试运行(commissioning)前的完整特征。这改变了构建和操作电池或能量管理和监测系统的方式。

为了在总体系统中虑及电池的最佳集成以及最佳和安全控制，要求合格且高效的电池管理系统(BMS)，如例如在US 2015/326038A1或US2014/278167A1中的原理中所描述的那样。这样的电池管理系统可以是主要或更高水平的能量管理系统(EMS)的一部分。另外，术语能量管理系统有时可以用作电池管理系统的同义词。就硬件而言，将预期BMS将成为商品，而具有不断增加的计算能力。

因此，特别地，BMS应该能够应对下面的问题和挑战：

·在将来，由于能量密度和成本压力的增加，电池可能具有较低的安全裕度。

·在任务繁重的应用中的安全电池操作需要详细了解电池的电压极限如何受温度、充电/放电速率和老化影响。

·由于较短的上市时间，较少的经验数据将可用于先验理解老化行为。

·安全和/或最佳操作窗口正随着寿命(lifetime)而改变，并且需要动态地适当适配以便使安全性和性能最大化。