專利名稱：用于確定可再充電電池組的二次嵌入電池的充電狀態(tài)的方法
用于確定可再充電電池組的二次嵌入電池的充電狀態(tài)的方
法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分的、用于確定可再充電電池組的二次嵌入電池(Interkalationszelle)的充電狀態(tài)的方法，所述可再充電電池組尤其是用于機(jī)動(dòng)車。二次或者雙電化學(xué)電池(通常稱為蓄電池)與主電化學(xué)電池的區(qū)別在于其可再充電性。在多種技術(shù)應(yīng)用中希望的甚至要求的是根據(jù)從電池外部可測量的量來得到關(guān)于尤其是二次電池的充電狀態(tài)或者放電狀態(tài)的數(shù)據(jù)。為了二次電池的充電狀態(tài)確定和預(yù)測，通常使用基于模型的方式。這些方式包括所謂的等效電路圖模型，其應(yīng)當(dāng)將電池或者電池組的電學(xué)特性用線性無源元件，譬如用R、 L、C環(huán)節(jié)來近似。然而通常適用的是，也稱為充電狀態(tài)(SOC)的充電狀態(tài)不能被直接測量。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，SOC通常作為開路電壓的函數(shù)即電池開路電壓或者電池組開路電壓的函數(shù)來確定，和/或由電流積分和/或由組合來確定，該組合考慮不同的狀態(tài)參量，例如最后確定的S0C、電池或電池組溫度、電池或電池組開路電壓、電池或電池組電流的強(qiáng)度寸寸。通過DE 198 31 723 Al公開了一種在帶有起動(dòng)器的車輛情況下用于確定設(shè)計(jì)為車輛起動(dòng)器電池組的蓄電池的充電狀態(tài)的方法。在此規(guī)定，在起動(dòng)器工作期間，檢測電池組電壓的電壓降并且隨后與充電狀態(tài)值關(guān)聯(lián)。在DE 199 13 627 Al中描述了一種用于確定蓄電池的充電狀態(tài)的方法，該方法規(guī)定在借助可變能量源來充電的蓄電池情況下(其方式是由可變能量源產(chǎn)生的能量被轉(zhuǎn)換為定義的電流脈沖和脈沖間歇，并且以該方式輸送給蓄電池)確定充電狀態(tài)，使得在蓄電池中的電壓變化曲線被作為對(duì)電流脈沖的反應(yīng)來測量和分析。通過DE 198 31 723 Al也公開了一種用于確定設(shè)計(jì)為車輛起動(dòng)器電池組的蓄電池的充電狀態(tài)的方法，該車輛起動(dòng)器電池組在車輛運(yùn)行的區(qū)域中沒有靜止時(shí)間地使用。在此，在存在優(yōu)選涉及電池組的放電工作區(qū)域的工作區(qū)域的情況下，基于模型計(jì)算來對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，在該模型計(jì)算中，通過反饋來補(bǔ)償所測量的和計(jì)算的電池組電壓。所基于的模型計(jì)算從通過電池組的電容C給出的、在電池組電荷Q和電池組的開路電壓Uk之間幾乎線性的關(guān)系出發(fā)。在實(shí)施為傳統(tǒng)鉛蓄電池的車輛起動(dòng)器電池組的自由的酸體積和板孔之間的酸液濃度均衡的動(dòng)態(tài)在模型計(jì)算中借助與電池組的電容C串聯(lián)設(shè)置的電容Ck以及與電容Ck并聯(lián)的電阻&上的濃度過電壓(Konzentrationsueberspannung)UK來模擬。此外，該模型計(jì)算包括與電池組的電容C串聯(lián)設(shè)置的電池組內(nèi)阻民。首先，測量電池組電壓隊(duì)貞和電池組電流IBatt。電池組電流IBatt直接輸入到模型計(jì)算中。所測量的電池組電壓UBatt用估計(jì)的電池組電壓UBatt’來補(bǔ)償，并且同樣輸入到模型計(jì)算中，以便計(jì)算開路電壓值UK。為了估計(jì)開路電壓Uk、濃度過電壓Uk以及內(nèi)阻R1，例如使用卡爾曼濾波器形式的觀察器。模型計(jì)算在放電工作區(qū)域中通過在所測量的電池組電壓UBatt和所估計(jì)的電池組電壓UBatt’之間的誤差的反饋來補(bǔ)償。在其他的工作區(qū)域中，中斷模型計(jì)算的誤差的反饋，并且從電流積分以及最后在上一次的放電工作區(qū)域期間估計(jì)的開路電壓中來計(jì)算開路電壓。SOC于是根據(jù)如下形式的方程來確定
其中Wmin以及表示在由電池組制造商所給出的針對(duì)空的或者充滿的電池組的酸液濃度的值的情況下最小或者最大的開路電壓。通過DE 101 39 049 Al公開了另一種用于確定車輛電池組的充電狀態(tài)的方法。為此，首先激活充電狀態(tài)確定運(yùn)行，接著通過激勵(lì)車輛的至少一個(gè)電動(dòng)機(jī)來設(shè)置定義的負(fù)載電流并且從所測量的車載電網(wǎng)電壓導(dǎo)出電壓特征。此外，提供了關(guān)于車輛的電池組溫度的信息并且最后通過使用電壓特征、電池組溫度和所存儲(chǔ)的特性曲線族來確定車輛電池組的充電狀態(tài)。從DE 103 01 823 Al同樣公開了一種用于確定蓄電池的充電狀態(tài)的方法。為了確定可以從鉛蓄電池直到預(yù)先給定的放電終端提取的電荷，使用了模型計(jì)算，其以數(shù)學(xué)方式示出了鉛蓄電池的電學(xué)特征。借助模型計(jì)算，計(jì)算在預(yù)先給定的放電電流情況下可提取的電荷，其中從當(dāng)前的工作參量鉛蓄電池的電池組電壓、電池組電流和電池組溫度確定用于模型計(jì)算的狀態(tài)參量和/或參數(shù)。在上面提出的方法中不利的是，其僅僅帶有少量參數(shù)的用于確定SOC的簡單結(jié)構(gòu)通過S0C、電池溫度以及電流強(qiáng)度這些參數(shù)的復(fù)雜相關(guān)性來取得。于是模型計(jì)算僅僅在窄的工作區(qū)域中適用。為了覆蓋所有可能的工作狀態(tài)，相應(yīng)地必須使用多個(gè)模型計(jì)算或者參數(shù)變化的模型計(jì)算。當(dāng)參數(shù)強(qiáng)烈變化時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致模型計(jì)算所基于的算法的不穩(wěn)定性。此外，電流積分的測量技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)通常是極易有誤差的，這會(huì)導(dǎo)致在SOC預(yù)測或者確定中的強(qiáng)烈偏差。此外，沒有考慮電池組容量與所獲得的功率的相關(guān)性。此外，在其中為了預(yù)測相應(yīng)的SOC而設(shè)置上述方法并且上述方法也在很大程度上適用的蓄電池是直到如今例如用作車輛起動(dòng)器電池組的鉛蓄電池。它們雖然滿足了要求 (如它們?yōu)榱擞绕涫怯糜跈C(jī)動(dòng)車中的短時(shí)應(yīng)用所需的那樣)例如高的放電電流、簡單的結(jié)構(gòu)和成本低廉的制造，然而它們也具有關(guān)于其能量密度方面顯著的缺點(diǎn)。所謂的嵌入電池具有明顯更高的能量密度，在其中電動(dòng)力并不像例如在鉛蓄電池的情況下通過電極材料的化學(xué)轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生，而是通過離子的推移來產(chǎn)生。一般地，在嵌入的情況下，分子、離子或者原子插入到化合物中，而化合物在插入過程期間并不明顯改變其結(jié)構(gòu)。特別是在無機(jī)化學(xué)中，嵌入表示將原子、離子或者小分子插入在層晶體的晶體格柵平面之間。在嵌入電池的情況下，在充電過程期間，陰極的正充電的離子穿過電解質(zhì)而在陽極的晶體格柵平面之間移動(dòng)，而充電電流通過外部的電路提供電子。離子與陽極的材料一同形成所謂的嵌入式復(fù)合體。在放電的情況下，離子通過電解質(zhì)向回移動(dòng)到陰極的金屬氧化物中并且電子可以通過外部的電路流到陰極。嵌入電池的本身看來已知的例子是鋰離子蓄電池以及其進(jìn)一步發(fā)展例如鋰-聚合物-蓄電池、鋰-鈦酸鹽-蓄電池、超級(jí)充電離子電池組(SCiB)、鋰-錳-蓄電池或者鋰-鐵-磷酸鹽-蓄電池。在嵌入電池的情況下，對(duì)充電狀態(tài)或者SOC的確定變得明顯比例如在傳統(tǒng)鉛蓄電池的情況下更困難，因?yàn)榍度霕?gòu)建了空間上的分布，該分布決定性地影響了可作為基礎(chǔ)的仿真模型。在

圖1中示出了已知的鋰離子嵌入電池01的示意性結(jié)構(gòu)。簡化地也稱為電池01 的鋰離子嵌入電池01主要由通過活性粒子02形成的多孔陰極11或者正電極11、通過活性粒子04形成的多孔陽極12或者負(fù)電極12以及設(shè)置在電極11、12之間的分離體13構(gòu)成。 在電極11、12的粒子02、04之間的剩余空腔用電解質(zhì)10以及粘合材料和填充材料02a、04a填充。也可用于嵌入電池的用于確定SOC的可替選的方式是借助作為基礎(chǔ)的在電池中的物理和/或化學(xué)效應(yīng)的建模。在該上下文中，討論電化學(xué)仿真模型。通過M. DOYLE, T, FutLER, I,的"Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell，，,Journal of the Electrochemical Society 140(1993)，第 1526-1533 頁，以及通過 τ. Fuller. μ. DOYLt1 J. Newman.的 "Simulation and optimization of the dual lithium ion insertion cell", Journal of the Electrochemical Society 141 (1994)，第 1-10 頁公開了電化學(xué)仿真模型，這些模型模仿了示意性地在圖1中以其結(jié)構(gòu)示出的雙或者二次的鋰-離子-嵌入電池01的物理和化學(xué)效應(yīng)。簡化地也稱為電池01的鋰-離子-嵌入電池01主要由通過活性粒子02形成的多孔陰極11或者正電極11、通過活性粒子04形成的多孔陽極12或者負(fù)電極12以及設(shè)置在電極11、12之間的分離體13構(gòu)成。在電極11、12的活性粒子02、04之間的剩余空腔用也稱為電解質(zhì)相的電解質(zhì)10以及粘合材料和填充材料02a、(Ma填充。這些電化學(xué)仿真模型允許計(jì)算或者考慮物理和化學(xué)效應(yīng) -鋰離子Li+在電極11、12中或者在其粒子02、04之間的擴(kuò)散， -鋰離子Li+在電解質(zhì)相(Elektrolytphase)中的擴(kuò)散，
-針對(duì)在電解質(zhì)相中的電勢的歐姆定律，
-針對(duì)在電極11、12的活性電極材料02、04中的電勢的歐姆定律， -在電解質(zhì)相10中的電流平衡，以及
-對(duì)于電荷穿過活性粒子與電解質(zhì)之間的邊界層的Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué) (Reaktionskinetik)0這些仿真模型屬于所謂的分布式系統(tǒng)的類型，因?yàn)樗鼈兛紤]了狀態(tài)參量在圖1中通過線性尺度09示意性示出的電池橫截面上的局部變化，或者因?yàn)橐煌?jì)算了狀態(tài)參量在電池橫截面上的局部變化。尺度09的每個(gè)劃分在此象征性地表現(xiàn)了在分布式系統(tǒng)中對(duì)于偏微分方程的離散點(diǎn)。這導(dǎo)致了高的模型階數(shù)，這與相應(yīng)的計(jì)算開銷關(guān)聯(lián)。在原始的 Fortran代石馬中(j. newman,"Fortran programs for the simulation of electrochemical systems", http://www,cchem.berkeley.ecJu/Jsngrp/fortran.html (1998))使用了 200 個(gè)空間上的離散點(diǎn)。在考慮六個(gè)物理方程的情況下，由此得到1200個(gè)方程，它們必須針對(duì)每個(gè)時(shí)間步驟被求解。從調(diào)節(jié)技術(shù)的觀點(diǎn)來看，在仿真模型中示意性地通過圖1中的箭頭06或07示出的、所引入或者要求的電流是輸入?yún)⒘浚疽庑缘赝ㄟ^電壓計(jì)08示出的電池電壓是可觀察到的輸出參量。電池電壓從在電池01的右邊緣03上的活性電極材料02的電勢扣除在電池01的左邊緣05上的活性電極材料04的電勢而得到。SOC在物理上從鋰離子Li+在電極02、04的活性粒子中或者在活性電極材料02、04中的基于擴(kuò)散的濃度而得到，并且從電池電壓08中被反向計(jì)算。這些形成分布式系統(tǒng)的電化學(xué)仿真模型的優(yōu)點(diǎn)是精確地再現(xiàn)電池特性、考慮與功率相關(guān)的電容以及從活性電極材料中的鋰離子濃度中物理地計(jì)算S0C。這些形成分布式系統(tǒng)的電化學(xué)仿真模型的缺點(diǎn)是大數(shù)量的參數(shù)(超過50個(gè)參數(shù))、 與實(shí)時(shí)能力相沖突的非常高的計(jì)算開銷以及不利的數(shù)值上的條件。此外，分布式電化學(xué)仿真模型所基于的過程在實(shí)際應(yīng)用中不可觀察到，在實(shí)際應(yīng)用中僅僅可以測量電流、電壓和溫度。通過 S. SAMHANAGOPALAN, R. E.WHITE 的"On 1 i ην estimation of the state of charge of a lithium ion cellJournal of Power Sources 161 (2006)，第1346-1355 頁公開了一種也稱為單粒子模型的系統(tǒng)，其與上面描述的分布式系統(tǒng)不同地將物理-化學(xué)特性在電極上平均并且忽略在電介質(zhì)相以及在分離體中的過程的影響。在電極上的平均通過如下方式來進(jìn)行在分布式系統(tǒng)中在多個(gè)空間離散點(diǎn)中觀察的物理-化學(xué)特性分別在陽極和陰極上被平均。在電解質(zhì)相和分離體中的過程的影響通過如下方式被忽略其中忽略鋰離子在電解質(zhì)相中的影響。更確切地說，在單粒子模型中每個(gè)多孔電極簡化地視為唯一的浸入電解質(zhì)相中的球形粒子，其表面按相應(yīng)的多孔電極的表面而縮放。此外，在單粒子模型中，并不關(guān)注電解質(zhì)相中的濃度變化和電勢變化。此外，所有參數(shù)保持恒定并且忽略熱學(xué)影響。在陽極和陰極中的鋰濃度借助在相應(yīng)的球形粒子表面上的鋰濃度以及在球形粒子內(nèi)的平均濃度來確定。 Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分別應(yīng)用于形成陽極和陰極的球形粒子的表面。基于分布式系統(tǒng)，由此形成的仿真模型從而基本上減少到電化學(xué)效應(yīng)
-針對(duì)電荷穿過形成電極的兩個(gè)球形粒子以及包圍它們的電解質(zhì)相之間的邊界層的 Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，以及
-鋰離子擴(kuò)散到分別通過球形粒子形成的電極中或者假設(shè)是其的電極中。SOC在此在物理上從兩個(gè)視為是均勻的、也稱為電極粒子的電極中的鋰離子的濃度中得到。單粒子模型是所謂的集中參數(shù)系統(tǒng)，其核心特征是將局部地分布的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行平均。由此得到的優(yōu)點(diǎn)是，由此省去了空間上的離散化并且僅僅還要將每個(gè)時(shí)間步驟的八個(gè)方程求解，由此單離子模型具有實(shí)時(shí)能力，即原則上適于預(yù)測在工作中或者使用中的嵌入電池的SOC。單粒子模型的缺點(diǎn)是，輸出電壓僅僅與形成分布式系統(tǒng)的仿真模型一致直到士3C 之內(nèi)的充電電流或者放電電流。在更大的電流情況下，單粒子模型明顯偏差超過10mV。超過5%的SOC的明顯誤差與其關(guān)聯(lián)。本發(fā)明的公開
本發(fā)明基于開頭所描述的用于確定可再充電電池組的二次嵌入電池的充電狀態(tài)或 SOC的方法，該可再充電電池組帶有陽極、陰極、分離體以及浸透陽極、陰極和分離體的電解質(zhì)相，其中根據(jù)在嵌入電池上測量的測量參量借助電化學(xué)仿真模型來反向計(jì)算充電狀態(tài)，在該仿真模型中，在陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性例如在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子的濃度簡化地視為分別均勻地分布在陽極和陰極中，并且在該仿真模型中，分別針對(duì)陽極和針對(duì)陰極計(jì)算Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。根據(jù)本發(fā)明， 在此規(guī)定，Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在陽極側(cè)擴(kuò)展了在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分 (Potenzialanteil)0相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)尤其是在于高精度，如在分布式系統(tǒng)中在同時(shí)簡單并且由此具有實(shí)時(shí)能力的、僅僅帶有少量參數(shù)的算法的情況下如在集中參數(shù)系統(tǒng)的情況下那樣實(shí)現(xiàn)。為了在陽極側(cè)將Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分，優(yōu)選的是，估計(jì)在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分，其方式是將嵌入時(shí)插入在陽極中的原子和/或分子和/或離子的濃度轉(zhuǎn)移到電解質(zhì)相中并且由此近似地計(jì)算電勢部分。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替選的擴(kuò)展方案，為了在陽極側(cè)擴(kuò)展Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，優(yōu)選根據(jù)電池的充電或放電電流、電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性以及由陽極、分離體和陰極的層形成的陽極-分離體-陰極夾層的厚度來估計(jì)在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分。于是，本發(fā)明能夠通過測量電池的負(fù)載電流和端電壓對(duì)于在電池溫度、電池電壓和電池的充電電流或放電電流的規(guī)范內(nèi)的所有工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)基于模型的對(duì)二次嵌入電池的充電狀態(tài)的預(yù)測。陽極的擴(kuò)展了陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分的Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的過電勢rka優(yōu)選根據(jù) Φ^-Uic, J- ΦΑΚ , -y Φμ;ι來計(jì)算,其中在固態(tài)相中的電壓降d
在電池的充電電流或者放電電流ι、陽極的開路電壓Ue(Csjj)的情況下與在嵌入情況下所插入的原子和/或分子和/或離子在陽極的活性粒子中的濃度cs,a相關(guān)，由陽極表面上的薄膜電阻引起的電勢降φ .以及在陽極的電解質(zhì)相中的與一個(gè)電壓降相應(yīng)的電勢部分與電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、電池的充電電流或者放電電流ι以及陽極-分離體-陰極夾層的厚度L相關(guān)。根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)有利擴(kuò)展方案規(guī)定，在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分
02(kj ,L)根據(jù)Φ2 = k-'-L-Ht)來計(jì)算，其中電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、陽極-分離體-陰極夾
層的厚度L以及電池的充電電流或放電電流I (t)與時(shí)間t相關(guān)，其中根據(jù)電池的充電電流或放電電流I (t)來估計(jì)電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k。替代前面所描述的優(yōu)選的實(shí)施變形方案，可想到的是，在陽極的電解質(zhì)相中的電
勢部分<!>2<k,l，L丨根據(jù)φ2 = k.丨丄.丨(”來計(jì)算，其中電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、陽極-分離
體-陰極夾層的厚度L以及電池的充電電流或放電電流I (t)與時(shí)間t相關(guān)，其中根據(jù)電池的充電電流或放電電流I(t)的平均值來估計(jì)電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k。優(yōu)選的是，電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k以經(jīng)驗(yàn)上的權(quán)重w來加權(quán)。由此，電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性與經(jīng)驗(yàn)權(quán)重w—同得到集中參數(shù)。充電狀態(tài)借助仿真模型優(yōu)選根據(jù)測量參量電池溫度、電池電壓和電池的充電電流或放電電流來反向計(jì)算。本發(fā)明的一個(gè)特別有利的擴(kuò)展方案規(guī)定，陽極和陰極在計(jì)算針對(duì)陽極和針對(duì)陰極的Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)分別簡化地視為是球形粒子，其帶有與實(shí)際二次嵌入電池的陽極或陰極的表面相應(yīng)的球形表面，在其中物理-化學(xué)特性分別視為均勻分布。在此，在陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性優(yōu)選根據(jù)最后分別計(jì)算的在陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性以及根據(jù)在陽極和陰極的表面上的物理-化學(xué)特性來計(jì)算。本發(fā)明的另一特別有利的擴(kuò)展方案規(guī)定，分別在陽極和陰極中視為均勻分布的物理-化學(xué)特性至少包括在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子分別在陽極和在陰極中的濃度。特別優(yōu)選的是，二次嵌入電池是鋰離子嵌入電池。本發(fā)明的實(shí)施例將借助附圖來闡述。圖1示出了二次或者雙重嵌入電池的示意性結(jié)構(gòu)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明方法的應(yīng)用的示意圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明方法所基于的電化學(xué)仿真模型的示意圖。本發(fā)明的實(shí)施方式
如圖2中示意性示出的那樣，優(yōu)選使用一種用于確定優(yōu)選實(shí)施為鋰離子蓄電池的二次嵌入電池20的充電狀態(tài)或者SOC的方法，其方式是根據(jù)在嵌入電池20上在時(shí)刻t測量的測量參量電池溫度T (t)、電池電壓U(t)以及電池的充電電流或放電電流I (t)借助電化學(xué)仿真模型21來反向計(jì)算嵌入電池20的S0C。在此，優(yōu)選的是，電池的所測量的充電電流或放電電流I(t)用作仿真模型21的輸入?yún)⒘浚渲蟹抡婺Ｐ偷妮敵鰠⒘侩姵販囟萒m(t)和電池電壓扎⑴被與嵌入電池20的測量參量電池溫度T(t)和電池電壓U(t)比較。從該比較中得出的觀察誤差e(t)的反饋放大22可以根據(jù)龍伯格(Luenberger) 或者卡爾曼(Kalman)方式來確定。SOC在此由測量參量以及電池的充電電流或放電電流 I (t)、電池溫度T (t)和電池電壓U (t)來重建。起始SOC可以通過狀態(tài)觀測器23例如卡爾曼濾波器來確定。為了在圖2中所示的應(yīng)用情況中優(yōu)選在時(shí)刻t同時(shí)或者時(shí)間接近地獲得SOC的預(yù)測，仿真模型21必須基于如下算法該算法無需計(jì)算密集的參數(shù)特性曲線族也能應(yīng)付得了。例如對(duì)于車輛應(yīng)用，例如在裝備有二次嵌入電池的機(jī)動(dòng)車中，例如在電動(dòng)車或者混合動(dòng)力車輛中，針對(duì)用于確定二次嵌入電池的SOC的方法而設(shè)計(jì)的并且通過這種算法而形成的仿真模型必須反映嵌入電池的與功率和溫度相關(guān)的容量，具有與分布式系統(tǒng)、 例如與由 M, Doyle, T, FULLER, J.Newman 的"Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell，，,Journal of the Electrochemical Society 140 (1993)，第 1526-1533 頁，以及 T. FULLER Μ. DOYLE, J. NEWMAN 的“Simulation and optimization of the dual lithium ion insertion cell", Journal of the Electrochemical Society 141 (1994)，第1-10頁所公開的、形成分布式系統(tǒng)的仿真模型類似的品質(zhì)，可以在調(diào)節(jié)技術(shù)意義上被觀察到，并且最高分別允許包括大約10個(gè)參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)，以便具有實(shí)時(shí)能力。這通過根據(jù)本發(fā)明的用于確定二次嵌入電池的SOC的方法來保證，其中二次嵌入電池帶有陽極、陰極、分離體以及將陽極、陰極和分離體浸透的電解質(zhì)相，在該方法中，根據(jù)在嵌入電池上測量的測量參量借助電化學(xué)仿真模型21反向計(jì)算充電狀態(tài)，在該仿真模型 21中，物理-化學(xué)特性例如在嵌入時(shí)插入的原子和/或分子和/或離子在陽極以及在陰極中的基于擴(kuò)散的濃度簡化地視為是分別均勻地分布在陽極和陰極中，并且在該仿真模型21 中分別對(duì)于陽極和對(duì)于陰極計(jì)算Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。均勻分布的考慮的措施保證了仿真模型21僅僅包括少量參數(shù)，使得所基于的算法具有實(shí)時(shí)能力。為了獲得分布式系統(tǒng)的精度而不必容忍其缺點(diǎn)例如缺少實(shí)時(shí)能力，此外該規(guī)定在陽極側(cè)將Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分。優(yōu)選的是，根據(jù)本發(fā)明的方法所基于的仿真模型21基于 S. SANThiANAGOPALAN1 R. E.WHITE ^ "Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell”，Journal of Power Sources 161(2006),第 1346-1355 頁公開的、具有實(shí)時(shí)能力的單粒子模型，其中Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)根據(jù)本發(fā)明在陽極側(cè)擴(kuò)展了陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分。該擴(kuò)展可以優(yōu)選通過基于電池的充電電流或放電電流I、電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性 k以及陽極-分離體-陰極夾層的厚度L對(duì)陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分Φ^的估計(jì)來進(jìn)行。由此，不同于 S.. Samthanagopaian. R. E. WHITE 的"Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell", Journal of Power Sources 161(2006)， 第1346-1355頁的內(nèi)容，在充電電流以及放電電流大于3C的情況下都實(shí)現(xiàn)了例如由 M. Doyle, T. Fuller, J. Newman|i'j "Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell，，， Journal of the Electrochemical Society 140(1993)，第 1526-1533 頁、以及由 Τ. FULLER, Μ. DOYLE, J. NEWMAN 的 ‘‘Simulation and optimization of the dual lithium ion insertion cell", Journal of the Electrochemical Society 141 (1994)，第1-10頁所公開的分布式系統(tǒng)的精度。而計(jì)算時(shí)間和參數(shù)數(shù)目保持在集中參數(shù)系統(tǒng)的水平，例如單粒子模型的水平。在圖3中以其主要部分示出了電化學(xué)仿真模型21。其包括針對(duì)陽極35的 Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)31，針對(duì)陰極36的Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)32，在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子在陽極35中的濃度的簡化的視為在陽極35中均勻分布的計(jì)算33，以及在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子在陰極36中的濃度的簡化的視為在陰極36中均勻分布的計(jì)算34。此外，可以考慮通過對(duì)流和/或輻射發(fā)送到環(huán)境中的、來自歐姆功率的熱流30。But 1 er-VoImer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)31在陽極側(cè)擴(kuò)展了一個(gè)在陽極 35的電解質(zhì)相中的電勢部分的估計(jì)37。充電電流或者放電電流I形成了輸入?yún)⒘?，電池電壓U和電池溫度T以及SOC形成了仿真模型21的輸出參量。將Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在陽極側(cè)擴(kuò)展了陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分 #2優(yōu)選進(jìn)行為使得在陽極或者負(fù)電極的Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的過電勢！^^得到
ηΜ =，其中在固態(tài)相中(即在陽極的活性粒子中)的電壓降0s,a
在電池的充電電流或者放電電流I、陽極的開路電壓Ua(cs,a)的情況下與在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子在陽極的活性粒子中的濃度(3s,a相關(guān)，通過陽極表面上的薄膜電阻引起的電勢降Φ :以及在陽極的電解質(zhì)相中的與一個(gè)電壓降相應(yīng)的電勢部分
Φ20<，1,與電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、電池的充電電流或者放電電流I以及陽極-分離體-陰極夾層的厚度L相關(guān)。在此，通過本發(fā)明估計(jì)了在電流跳變之后在陽極的左邊緣上的近似更穩(wěn)定的值。 這是可能的，因?yàn)樵陉帢O的右邊緣上的電勢部分Φ2等于零，由此在陰極中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)并不通過電勢部分Φ2而受到影響。在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分02(k,l，L)可以根據(jù)φ, = Wf1^Kt)來計(jì)算，其
中電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、陽極-分離體-陰極夾層的厚度L以及電池的充電電流或放電電流I(t)與時(shí)間t相關(guān)，其中根據(jù)電池的充電電流或放電電流I (t)來估計(jì)電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k并且優(yōu)選用經(jīng)驗(yàn)上的權(quán)重W來加權(quán)。由此，電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性與經(jīng)驗(yàn)權(quán)重 w—同得到集中參數(shù)。特別優(yōu)選的是，權(quán)重w選擇為w=0. 7，使得在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分 02《k,丨，L》得到為 Φ2 = 0.7*1·Ι·Ι(Ι}。電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k可以從分布式模型的參數(shù)組中得到?；钚粤Ｗ釉谇度肭闆r下插入的原子和/或分子和/或離子在陽極的活性粒子中的濃度C”例如可以通過 III V. SuBPWMANtAN1 v. Diwakar. D. TAPRiYAL 的 “Efficient macro-micro scale coupled modeling of batteries，，， Journal of The Electrochemical Society 152 (2005), A2002-A2008所公開的四階多項(xiàng)式來計(jì)算。該項(xiàng)相應(yīng)地在Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的陽極部分中被饋入并且替代在其他
情況下為了確定在分布式系統(tǒng)中陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分Φ2θυ，Ι_>所需的兩個(gè)偏微
分方程、針對(duì)在嵌入情況下在陽極中插入的原子和/或分子和/或離子的擴(kuò)散的微分方程以及針對(duì)電解質(zhì)中的電勢的微分方程的數(shù)值解。重要地要指出的是，Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)同樣可以在陰極側(cè)擴(kuò)展陰極的電解質(zhì)相中的電勢部分。然而，與在陰極的電解質(zhì)相中的電勢部分的影響相比，在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分對(duì)于SOC的預(yù)測的影響明顯更大，因此前者為了簡化算法而優(yōu)選不予考
^^ O同樣重要地要指出的是，本發(fā)明所基于的思想也可以擴(kuò)展到類似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的其他電池化學(xué)上。
權(quán)利要求
1. 一種用于確定二次嵌入電池的充電狀態(tài)的方法，該二次嵌入電池帶有陽極、陰極、分離體以及浸透所述陽極、陰極和分離體的電解質(zhì)相，其中根據(jù)在嵌入電池上測量的測量參量借助電化學(xué)仿真模型來反向計(jì)算充電狀態(tài)，在該仿真模型中，在所述陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性簡化地視為分別均勻地分布在所述陽極和陰極中，并且在該仿真模型中，分別針對(duì)所述陽極和針對(duì)所述陰極來計(jì)算Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)， 其特征在于，所述Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在陽極側(cè)被擴(kuò)展了在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分(
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了在陽極側(cè)將Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分(Φ2 )，估計(jì)在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分()，其方式是估計(jì)在該電解質(zhì)相中的離子濃度，并且由此近似地計(jì)算該電勢部分(Φ2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為了在陽極側(cè)擴(kuò)展Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，根據(jù)電池的充電電流或放電電流(I(t))、電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性(k)以及陽極-分離體-陰極夾層的厚度(L)來估計(jì)在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分(·2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，陽極的擴(kuò)展了該陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分(Φ2)的Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的過電勢β根據(jù) η5, = Φ5 AUciJ- 02(kJ丄Φ§Ε 來計(jì)算，其中在固態(tài)相中的電壓降Φ5Λ在電池的充電電流或者放電電流I、陽極的開路電壓Ua(cM)的情況下與在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子在陽極中的濃度cs,a相關(guān)，通過在陽極表面上的薄膜電阻引起的電勢降09:以及在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分cJ)2ik,l，L)與該電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、電池的充電電流或者放電電流I、以及陽極-分離體-陰極夾層的厚度L相關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分ct>2(k,l，L)報(bào)構(gòu)；φ·, = k-L Kt)來計(jì)算，其中電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、陽極-分離體-陰極夾層的厚度L以及電池的充電電流或放電電流I (t)與時(shí)間t相關(guān)，其中根據(jù)電池的充電電流或放電電流I⑴以及端電壓來估計(jì)電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分0>2(k,l，L)報(bào)構(gòu)；Φ = k '-L-Kt)來計(jì)算，其中電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k、陽極-分離體-陰極夾層的厚度L以及電池的充電電流或放電電流I (t)與時(shí)間t相關(guān)，其中根據(jù)電池的充電電流或放電電流I(t)的平均值來估計(jì)電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的方法，其特征在于，該電解質(zhì)相的平均導(dǎo)電性k以權(quán)重 w來加權(quán)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，該充電狀態(tài)根據(jù)測量參量電池溫度、電池電壓和電池的充電電流或放電電流來反向計(jì)算。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，陽極和陰極在計(jì)算 Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)時(shí)分別簡化地視為球形粒子，其表面按實(shí)際的二次嵌入電池的陽極或陰極的表面來縮放，在其中物理-化學(xué)特性分別視為是均勻分布的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性根據(jù)最后分別計(jì)算的在陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性以及根據(jù)在陽極和陰極的活性材料 (02,04)表面上的物理-化學(xué)特性來計(jì)算。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，分別在陽極和陰極中視為均勻分布的物理-化學(xué)特性至少包括在嵌入情況下插入的原子和/或分子和/或離子分別在陽極和在陰極中的濃度。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，所述二次嵌入電池是鋰離子嵌入電池。
全文摘要
推薦一種用于確定二次嵌入電池的充電狀態(tài)的方法，該二次嵌入電池帶有陽極、陰極、分離體以及浸透陽極、陰極和分離體的電解質(zhì)相，其中根據(jù)在嵌入電池上測量的測量參量借助電化學(xué)仿真模型來反向計(jì)算充電狀態(tài)。在所基于的仿真模型中，在陽極和陰極中的物理-化學(xué)特性簡化地視為分別均勻地分布在陽極和陰極中，并且分別針對(duì)陽極和陰極計(jì)算Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，Butler-Volmer反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在陽極側(cè)擴(kuò)展了在陽極的電解質(zhì)相中的電勢部分()。
文檔編號(hào)H01M10/48GK102239597SQ200980148624
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2009年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
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