[发明专利]智能电池管理系统和方法

说明书

本发明涉及智能电池管理系统和方法，尤其涉及利用用于估计电极电位的方法的电池管理系统。智能电池管理系统和方法可以用在诸如电池充电/放电系统的电池控制系统中，以在多个循环内保持所连接电池的健康，或者用在用于预测或对电池性能进行建模的电池诊断系统中。电池管理方法使用参考电池的电池开路电位和电极开路电位的估计，结合可归因于参考电池的负电极和/或正电极的电池过电位分数，来估计所连接电池的瞬时电极电位。在确定电极电位时使用电池过电位允许电池管理方法和系统对电池老化和电池劣化表现出较高水平的适应性。

技术领域

本发明涉及一种智能电池管理系统和方法，尤其涉及一种利用用于估计电极电位的方法的电池管理系统。智能电池管理系统和方法可以用在电池控制系统中，例如用在电池充电/放电系统中，以在多个循环中保持电池的健康，或者用在电池诊断系统中，以用于对电池性能的预测或建模。

背景技术

这个社会正在目睹一场远离以燃烧作为能量来源的转变。连接至电池的太阳能电池板现在可以为我们的家庭供电和加热，而在车辆中，现在电池是提供推进的主要或辅助装置。尽管仍然处于早期阶段，但预计电池会在使航空工业脱碳的过程中起到越来越重要的作用。类似地，随着可再生能源占据国家发电的越来越多的份额，配电网需要提供较高水平的电池存储容量以在太阳不照射或风不吹动时进行稳定供电。同时，电池继续为我们的家用电子装置和电器供电。随着电池应用的激增，越来越重要的是使电池的能量和资源成本最小化，并且保持各个电池的健康和寿命。电池健康中的劣化可能导致性能和安全性的降低。

随着时间的推移并且随着电池使用而发生的电池健康状况的劣化，通常导致会容量减小、电阻增加和/或其他影响。劣化的速率和程度取决于多种因素，其中一个具体因素是电池内电极的电位。例如，广泛已知的劣化过程由具有石墨负电极的锂离子嵌入电池中的低水平的电极电位引起，导致金属锂在石墨电极上的不期望的沉积(“锂沉积”)。另一个示例是金属集流器可能在低电位下被氧化，这可能导致放气并因此造成安全风险。

为了避免上述劣化和安全问题，并且为了尽可能长时间尽可能高地保持电池的健康状态和安全性，通常在操作电池时小心地控制电池端子电位。电池端子电位是电池的正电极和负电极之间的电位差，在下文中将被简称为“电池电位(cell potential)”或“电池电位(battery potential)”。此外，如稍后将描述的，这种电位通常相对于预定义的参考电位(诸如锂金属的电位)进行表示。

虽然优选地知道负电极电位和正电极电位的值，但是在电池控制应用中通常仅使用电池的电池电位。这是因为电池电位间接地控制正电极和负电极的电位，并且因为与负电极电位和正电极电位不同的是，可以容易地对电池电位进行测量。例如，直接测量单独的负电极电位或正电极电位需要电池设置有单独的参考电极，这种测量目前仅在测试装置上可行。市售的电池不提供用于进行测量的参考电极。

尽管可以使用计算方法来估计负电极电位和正电极电位，但是这样的方法通常既复杂又资源密集，并且出于一些(在下面讨论的)原因，仅以有限的确定性来预测电位。

常规地，存在获得全电池中电极电位的两种方法：首先，通过实验获得的方法，使用插入到全电池中的参考电极(这在研究机构中是常见的，但由于与维持电池稳定性和增加的成本相关联的困难而在市售电池中非常不常见)；第二种获得方法，经由使用建模和模拟的状态估计，其中，使用数学模型来估计电极电位。

然而，在以期望的置信度预测正电极电位和负电极电位的值，从而使得这些值可以用于电池控制目的和/或作为对理解电池的健康状态有用的信息时，存在相当大的困难。首先，电极和电池的开路电位(开路电位是电池或诸如正电极或负电极的材料的平衡电位)，随诸如荷电状态、温度和电池的劣化或健康的其他参数而变化。其次，在施加负载的情况下(例如，在电池充电或放电期间)，或者在松弛过程期间移除负载之后，电池和电极电位都偏离它们的开路电位，在该松弛过程中电位朝向开路值收敛但需要时间来达到开路值。因此，使用状态估计方法预测负电极电位或正电极电位具有许多缺点，包括计算成本、低稳定性和参数化困难中的一个或多个。