專利名稱：：確定電池的能量容量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的領(lǐng)域涉及確定電化學(xué)電池的能量容量的方法。技術(shù)背景電化學(xué)電池被廣泛使用并且非常重要，尤其是用在從膝上型計(jì)算機(jī)到機(jī)動(dòng)車輛(尤其是混合機(jī)車和所有電動(dòng)車輛)的很多種設(shè)備中的可再充電類型的電池。眾所周知電池會(huì)隨著時(shí)間退化?？稍俪潆婋姵厥テ淙萘?，即可用的能量總量隨著時(shí)間減少，而不管其荷電狀態(tài)如何。因此，不僅希望知道電池的荷電狀態(tài)，即其鞏固到開路電壓(ocv)的存儲(chǔ)能量水平，還希望知道用于存儲(chǔ)能量的容量。通常與新電池時(shí)的額定容量相比的電池容量被稱為電池的健康狀態(tài)。當(dāng)容量變得太小時(shí)，其不能支持附加載荷以及可能的機(jī)動(dòng)車應(yīng)用的起動(dòng)事件，也就是說電池到達(dá)其使用壽命的終點(diǎn)。已知一種用于確定電池容量的方法，其中電流是斜坡式的(ramped)直到觀察到電壓快速上升。電壓的峰值與當(dāng)前荷電狀態(tài)或可用的電池能量有關(guān)。電流的斜坡上升(ramping)要求控制充電電流，在常規(guī)的機(jī)動(dòng)車輛中通常缺乏這種控制。另一種已知的確定電池容量的方法要求電池放電到低荷電狀態(tài)。在充電周期期間，使用時(shí)間安培小時(shí)積分來跟蹤能量輸入。然而，由于低荷電狀態(tài)下的電池?fù)p害以及電池相關(guān)功能的損失，在大多數(shù)混合或常規(guī)機(jī)車中沒有實(shí)行深度放電周期。需要的是一種提供確定電池容量而無需控制電流或電池的深度放電的方法。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種確定電池的可用能量的方法包括以下步驟測(cè)量電池的第一開路電壓以相關(guān)到并且確定第一荷電狀態(tài)，對(duì)電池中可用的能量水平改變?cè)摐y(cè)量的量，然后測(cè)量電池的第二開路電壓(OCV)以確定第二荷電狀態(tài)，以及將測(cè)量的電池中能量變化的量除以所算出的從第一荷電狀態(tài)到第二荷電狀態(tài)的荷電狀態(tài)變化，以確定電池的可用能量容量。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括以下步驟在測(cè)量第一開路電壓的步驟和第二開路電壓的步驟之前，分別使電池休息(rest)以獲得電池中的擴(kuò)散平衡狀態(tài)。優(yōu)選地，改變能量水平的步驟是在電池上施加放電事件。在另一個(gè)實(shí)施例中，改變能量水平的步驟包括用下至預(yù)定低電流的過電壓對(duì)電池充電。該預(yù)定的低電流可以基本在3安培或低于3安培。替換地，過充電電壓設(shè)置在低于電池的鼓氣(gassing)閾值的電平。預(yù)定的低電流基本在三(3)安培或低于3安培。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)定的低電流基本在0安培。在另一個(gè)實(shí)施例中，能量水平的改變包括在近似恒定電流時(shí)的放電事件。現(xiàn)在參考附圖，其中圖1是示出具有放電事件的初始OCV電平和最終OCV電平的示意曲線圖；以及圖2是示出初始OCV電平和具有最終OCV電平的充電事件的示意圖。具體實(shí)施方式可以拿來一個(gè)諸如鋰電池的電池，并讓其休息以達(dá)到平衡狀態(tài)。休息時(shí)間由菲克(Fick)定律控制，其中Q=D'AC(a//)其中，Q-每單位時(shí)間擴(kuò)散的反應(yīng)物的量D-擴(kuò)散系數(shù)△C-在隔板孔內(nèi)和孔外的反應(yīng)物的濃度差a-孑L的總橫截面1=反應(yīng)物必須擴(kuò)散的距離擴(kuò)散系數(shù)由下面的方程決定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，D^最大擴(kuò)散系數(shù)E^用于擴(kuò)散的激活能R-氣體常數(shù)T-溫度照此，在室溫下，在開路電壓(OCV)變?yōu)楹愣ǖ?/20000內(nèi)之前，通常需要20或更多小時(shí)的休息。然后測(cè)量開路電壓。能斯脫方程是<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中，E^反應(yīng)物濃度為l摩爾的標(biāo)準(zhǔn)平衡電壓R-理想的氣體常數(shù)8,314J/摩爾開a-核素活動(dòng)(speciesactivities)(有效濃度)n-參與反應(yīng)的電子數(shù)量F-法拉第常數(shù)96487庫侖OCV電平是反應(yīng)物的有效濃度的函數(shù)。對(duì)于鉛酸電池，OCV直接與酸濃度相關(guān)。例如，在高完整荷電狀態(tài)(SOC),酸水平是100%濃度并且在典型的鉛酸電池中每個(gè)電池格的電壓電平是2.4V。另一方面，完全放電的電池格使所有酸轉(zhuǎn)化為水。換句話說，酸濃度下降到0%，并且轉(zhuǎn)化為水，水不能為導(dǎo)電性提供支持。在這個(gè)完全放電條件下，每個(gè)電池格的電壓電平(OCV)下降到1.75V。對(duì)于介于0-100%的荷電狀態(tài)，讀取中間電壓。具有提供OCV電平與SOC百分比的標(biāo)準(zhǔn)表可用。SOC也可以表示為0和1之間的分?jǐn)?shù)而不是0%和100%之間的百分比?？梢钥闯鲩_路電壓電平與荷電狀態(tài)相關(guān)。然后可以循環(huán)并且使用電池，并且確定荷電狀態(tài)的改變，然后投影或推斷出總的充電容量?，F(xiàn)在參考圖1，在達(dá)到平衡后，讀取開路電壓的初始激活讀取。然后電池經(jīng)歷電量消耗事件，其中跟蹤安培小時(shí)(Ah)。然后再次允許電池休息，直到它達(dá)到第二平衡狀態(tài)。在達(dá)到第二平衡狀態(tài)后，進(jìn)行第二ocv激活讀取。然后將電壓的變化與在可用的且已知的查找表中找到的荷電狀態(tài)的改變相關(guān)。將這兩個(gè)電壓讀取關(guān)聯(lián)為兩個(gè)荷電狀態(tài)讀取。然后再次確定初始荷電狀態(tài)和最終荷電狀態(tài)，即荷電狀態(tài)的變化，通常將該變化設(shè)置為初始soc和最終soc之間的分?jǐn)?shù)差(fractionaldifference^然后如下式所示，通過將單位為安培小時(shí)的跟蹤的放電除以荷電狀態(tài)的變化，可以確定電池容量放電事件可以用充電事件代替，其中曲線圖看起來更像是圖2中示出的最終OCV高于初始OCV時(shí)的曲線圖。所用的安培小時(shí)的變化是負(fù)的并且荷電狀態(tài)的變化也是負(fù)的，它們對(duì)電池容量將給出相同的正值。這個(gè)方法已經(jīng)在VRLA-BCIGroup31AGM電池上進(jìn)行了測(cè)試，其中將該電池充電到高荷電狀態(tài)，即100%并且允許其休息72。然后對(duì)電池放電11.6Ah并且允許其休息另外72小時(shí)。然后進(jìn)行OCV測(cè)量，該測(cè)量表明電池在81.35°/。的荷電狀態(tài)，差值為18.65%。因此計(jì)算的容量如下爿/2容量=100%.^——=62.2爿/18.65%然后將計(jì)算的預(yù)測(cè)值與總放電容量進(jìn)行比較。然后在25安培時(shí)對(duì)電池放電到10.5伏電平并且允許其休息15分鐘。該25安培放電將總放電水平提高到62.3Ah。然后在3安培時(shí)又放電到10.5伏，該放電將放電的總安培小時(shí)提高到69.9Ah。這個(gè)總的實(shí)際容量值在計(jì)算的預(yù)測(cè)值的12.4%之內(nèi)。在確定SOC容量的另一個(gè)變化中，已知在例如鉛酸電池中化學(xué)反應(yīng)在如下所示的方程式的左側(cè)和右側(cè)之間進(jìn)4亍所有電池的熱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)是放電狀態(tài)(dischargedstate)。必須做工作將化學(xué)平衡推到上述方程式的左側(cè)。因此對(duì)電池充電要求最小量的過電壓以將化學(xué)平衡推到左邊。高于一定激活電勢(shì)的能量越高，越多的反應(yīng)物被轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)，諸如例如在鉛酸電池中的Pb02，Pb和H2S04。施加的電壓越高，電池越被充電到極限。例如，被13.8伏充電的其中最終電流接近0安培的電池不象被14.2伏充電的其中該電流也同樣接近0安培的電池那樣充電。極限是與溫度相關(guān)的電壓(大約15V@RT),其中該過程不能再被推到左邊，并且電池是在100%的荷電狀態(tài)。額外的電壓僅用于分解反應(yīng)物并發(fā)生鼓氣。然后可以拿來部分放電的電池，其已經(jīng)休息了足夠長時(shí)間，電池達(dá)到了平衡，如圖2中所示確定第一初始OCV/SOC電平。我們知道在充電周期中的峰值電流與荷電狀態(tài)相關(guān)。例如，在低水平荷電狀態(tài)的電池將接受較多的充電電流，而在高水平荷電狀態(tài)的同一電池將接受較少的充電電流。然后對(duì)電池充電并且記錄安培小時(shí)直到電流降到充電基本停止的電平；例如，在14.2伏時(shí)充電，直到電流電平低于3安培。在3安培之下還能繼續(xù)往下，但是充電過程變得無效而且此外充電電壓需要低于鼓氣閾值。一旦已經(jīng)得到有效的100%SOC電平，就獲得在完全充電水平時(shí)的OCV電平，并且使用從初始讀取到完全充電水平的SOC的變化來計(jì)算下式雄容量=扁c現(xiàn)在參考圖2描述使用荷電狀態(tài)的變化以及安培小時(shí)放電量的第三變型。在第一步測(cè)量電壓基本荷電狀態(tài)。然后使用近似于恒定電流的放電事件，其中記錄被去除的安培小時(shí)。測(cè)量最終的開路充電電壓并且相關(guān)的最終荷電狀態(tài)百分比被相關(guān)。然后使用下式確定容量"*曰A^/譜C在進(jìn)行這個(gè)恒定電流放電事件時(shí)，測(cè)試了富液(flooded)組34PbA類型的五個(gè)電池，并且通過這種方法確定的從測(cè)量的容量到計(jì)算的容量的百分誤差如下所示<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>可以預(yù)見可以組合上述的三個(gè)可選方法以提供容量的合成值。此外，可以預(yù)見在確定合成值時(shí)，可以根據(jù)過去歷史或當(dāng)前條件對(duì)通過這三個(gè)方法獲得的值進(jìn)行不同加權(quán)。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是本發(fā)明容許廣泛的使用和應(yīng)用。除了上面描述的，本發(fā)明的許多實(shí)施例和適應(yīng)修改以及許多變化、修正和等同物從本發(fā)明和以上描述中是顯而易見的，或可由其合理建議，而不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)或范圍。因此，雖然此處相對(duì)于其優(yōu)選實(shí)施例具體描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解的是本公開僅是本發(fā)明的說明性和示范性的公開，以便提供本發(fā)明的完整和使其能夠?qū)崿F(xiàn)的公開。上述公他實(shí)施例、適應(yīng)修改、變化、修正和等同物，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求書及其等同物限定。權(quán)利要求1.一種確定電池的可用能量的方法，包括測(cè)量所述電池的第一開路電壓以相關(guān)到并且確定第一荷電狀態(tài)；對(duì)所述電池中可用的能量水平改變所測(cè)量的量；在改變能量水平之后，測(cè)量所述電池的第二開路電壓(OCV)以確定第二荷電狀態(tài)；以及將測(cè)量的所述電池中能量變化的量除以所計(jì)算的從第一荷電狀態(tài)到第二荷電狀態(tài)的荷電狀態(tài)變化，以確定所述電池的可用能量容量。2.如權(quán)利要求l的方法，還包括分別在測(cè)量所述第一開路電壓的步驟和所述第二開路電壓的步驟之前使所述電池休息，以在所述電池中獲得擴(kuò)散平衡狀態(tài)。3.如權(quán)利要求2的方法，還包括所述改變能量水平包括放電事件。4.如權(quán)利要求l的方法，還包括所述改變能量水平的步驟包括用下至預(yù)定低電流的過電壓對(duì)電池充電。5.如權(quán)利要求4的方法，還包括所述預(yù)定低電流基本在3安培或低于3安培。6.如權(quán)利要求4的方法，還包括所述過充電電壓在低于所述電池的鼓氣閾值的電平；以及所述預(yù)定低電流基本在3安培或低于3安培。7.如權(quán)利要求6的方法，還包括預(yù)定低電流基本在O安培。8.如權(quán)利要求l的方法，還包括所述改變能量水平的步驟包括在近似于恒定電流時(shí)的放電事件。全文摘要一種確定電池的可用能量的方法，用發(fā)生在第一和第二開路電壓之間的能量水平的改變來測(cè)量電池的第一和第二開路電壓。這兩個(gè)開路電壓相關(guān)到荷電狀態(tài)水平，并且將測(cè)量的能量改變的量除以荷電狀態(tài)的改變。文檔編號(hào)G01R31/36GK101251582SQ20081000966公開日2008年8月27日申請(qǐng)日期2008年2月19日優(yōu)先權(quán)日2007年2月20日發(fā)明者G·N·西莫普洛斯,G·T·法蒂克,J·V·卡普托申請(qǐng)人:德爾菲技術(shù)公司