專利名稱：用于確定電池的荷電狀態(tài)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此發(fā)明涉及電池(lottery)系統(tǒng)，且更具體地，涉及液流電池系統(tǒng)的電荷狀況的確定。
背景技術(shù)：
在任何階段處電池的荷電狀態(tài)(SOC)(充電或者放電)是非常期望得到的參數(shù)。在充電狀態(tài)期間，它提供了關(guān)于電池完全充電將花費(fèi)多久的信息，并且還提供了對于復(fù)雜充電算法的輸入，該復(fù)雜充電算法允許對充電序列的較佳控制。在放電期間，SOC提供了有關(guān)剩余電池使用期限的信息。在關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中，SOC信息可以用于在關(guān)鍵與非關(guān)鍵負(fù)載之間分配剩余電荷。因此，需要準(zhǔn)確地確定電池的S0C。

發(fā)明內(nèi)容
討論了一種用于確定電池的荷電狀態(tài)(SOC)的方法和設(shè)備。該方法涉及在多個不同的時間處測量電池兩端的端電壓和流經(jīng)電池的電流；以及將具有斜率和截距的線方程式擬合(fit)到該端電壓和電流數(shù)據(jù)。根據(jù)線性方程式的截距來計算開路電壓(OCV)，并且通過參考查找表來根據(jù)該OCV確定S0C。下面，結(jié)合以下圖來進(jìn)一步描述本發(fā)明的這些和其他實(shí)施例。


為了更加全面地理解本發(fā)明，在理解這些附圖不意欲限制本發(fā)明的范圍的情況下，對這些附圖進(jìn)行參考。圖la-b圖示了用于估計電池的電荷狀況的方法。圖加-c圖示了用于估計電池的充電狀況的另一方法。圖3a_b圖示了用于估計電池的充電狀況的另一方法。圖如圖示了符合本發(fā)明一些實(shí)施例的在放電狀態(tài)期間電池系統(tǒng)的示意圖。圖4b圖示了符合本發(fā)明一些實(shí)施例的在充電狀態(tài)期間電池系統(tǒng)的示意圖。圖如圖示了符合本發(fā)明一些實(shí)施例的電壓對電流標(biāo)繪圖。圖4d是描繪了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的用于確定電池的荷電狀態(tài)的方法的簡化流程圖。圖如是描繪了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的用于確定電池的荷電狀態(tài)的方法的簡化流程圖。圖5圖示了符合本發(fā)明一些實(shí)施例的用于估計電池的荷電狀態(tài)的設(shè)備的框圖。在附圖中，具有相同附圖標(biāo)記的元件具有相同或相似的功能。所述附圖僅僅是說明性的，并且在附圖中描繪的相對尺寸和距離僅僅是為了便于說明，并不具有進(jìn)一步的含義。
具體實(shí)施例方式在以下描述中，為了解釋的目的，闡釋了特定細(xì)節(jié)，以便提供對本發(fā)明實(shí)施例的徹底理解。然而，將明顯的是，可以在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明。本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于確定電池的荷電狀態(tài)的技術(shù)。一些實(shí)施例基于所測量的電池電流和電壓值來確定荷電狀態(tài)。在電池系統(tǒng)中確定電池的荷電狀態(tài)(SOC)允許對于對電池充電、和向可耦接到該電池的各種負(fù)載分配電池電荷兩者的較佳控制。電池包括任何電荷存儲裝置，包括液流電池、固定式(static)電池、或者其他化學(xué)、機(jī)械、或電學(xué)電荷存儲裝置。當(dāng)前采用來確定電池的SOC的方法和技術(shù)包括(1)庫倫(Coulomb)計數(shù)、(2)間接開路電壓(OCV)測量、以及 (3)零負(fù)載OCV測量。這些方法中的每一種方法都具有它自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)集合。圖Ia圖示了在充電狀態(tài)期間電池系統(tǒng)IOOa的電路圖，其中采用庫倫計數(shù)方法來確定S0C。電池系統(tǒng)IOOa包括電池102，該電池102串聯(lián)地與電流積分器104電耦接。電流積分器104執(zhí)行電流的時間積分，以測量總電荷。在充電狀態(tài)中，如圖Ia所示，在電池102 與電流積分器104的串聯(lián)組合兩端電耦接外部電壓源106。外部電壓源可以是任何電壓源， 所述電壓源包括光伏板、風(fēng)力驅(qū)動發(fā)電機(jī)、和用于生成電勢的其他化學(xué)或機(jī)械裝置。在充電的時候，電流積分器104隨時間來對充電電流(Iehg) 105進(jìn)行積分，以確定貯存(cbposit)到電池102中的電荷(Qchg) 103 ο圖Ib圖示了在放電階段期間的電池系統(tǒng)100b。如圖Ib所示，在電池102與電流積分器104的串聯(lián)組合兩端電耦接負(fù)載電阻108。負(fù)載電阻包括任何電力負(fù)載(例如，電阻器、電動機(jī)、或電子裝置)。在放電階段期間，放電電流(Idis) 109從電池102流經(jīng)外部負(fù)載108。電流積分器104持續(xù)對電流(在此情況下，放電電流(Idis)109)進(jìn)行積分，并由此通過從在圖Ia所圖示的充電狀態(tài)期間置于電池102上的電荷中減去離開電池102的電荷 (Qdis)來計算電池102上的電荷。因?yàn)?通過在充電和放電兩者期間進(jìn)行積分來)一直對電荷進(jìn)行計數(shù)，所以凈電荷OUg-Qdis)對應(yīng)于在電池102上剩余的電荷，這是相關(guān)的SOC信息。然而，積分器104不能考慮到由寄生反應(yīng)(諸如，氫(H)或氧(0)生成、或可能發(fā)生的自放電)而產(chǎn)生的任何庫侖無效。典型地與庫倫計數(shù)相關(guān)聯(lián)的問題包括積累誤差和庫倫無效。積累誤差是在許多周期上總計的測量誤差。作為積累誤差的結(jié)果，周期性地對電池102上的凈電荷進(jìn)行復(fù)位。盡管不期望在實(shí)際應(yīng)用中等待這樣的事件發(fā)生，但是典型地在完全充電或完全放電狀態(tài)中完成此復(fù)位。庫倫無效是指由于寄生反應(yīng)而在電池中損失的電荷。一般，存在在電池中發(fā)生的許多寄生反應(yīng)，包括自放電和電極記憶、電極劣化、和非還原氧化(非氧化還原)反應(yīng)。這些寄生反應(yīng)導(dǎo)致了對于電池?fù)p失的、但是沒有在庫倫計數(shù)技術(shù)中包括的電荷。此損失電荷
5導(dǎo)致通過庫倫計數(shù)技術(shù)進(jìn)行的SOC的不準(zhǔn)確測量。另外，庫倫計數(shù)方法取決于測量帶寬，并且針對快速變化的負(fù)載，該計數(shù)通常不太準(zhǔn)確。圖加-c圖示了用于采用間接OCV測量方法來確定SOC的電池系統(tǒng)200a和200b。 電池系統(tǒng)200a和200b包括電池202，其中在電池202的端子203和205兩端測量端電壓 (Vcell) 207。將電池202內(nèi)部地建模為串聯(lián)地耦接在端子203和205之間的OCV源204和等效串聯(lián)電阻(ESR)206。在充電處理期間，例如在如圖加所示的電池系統(tǒng)200a中，在端子 203和205兩端電耦接電池充電器210。充電電流(Iehg) 208從充電器210流到電池202。 應(yīng)用基爾霍夫(Kirchhoff)電壓定律導(dǎo)致用于OCV的以下方程式OCV = Vcell-Ichg^ESR (1)因?yàn)榭梢詼y量端電壓(Veell) 207和充電電流(Iehg) 208并且將電池的ESR 206假設(shè)為電池202的已知恒定參數(shù)特性，所以在電池202的充電期間可以計算OCV源204。圖2b圖示了電路圖200b，其中電池202正在放電。在放電期間，在外部負(fù)載電阻 (“負(fù)載(Load)”) 211兩端來電耦接電池202。再次應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，獲得用于開路電壓的以下方程式。OCV = Vcell+Idis*ESR (2)再一次，因?yàn)榭梢詼y量端電壓(Veell) 207和放電電流(Idis) 209并且將參數(shù)ESR 206 假設(shè)為電池202的已知恒定特性，所以在電池202的放電期間可以計算OCV源204。圖2c圖示了與電池202(在圖中未示出)對應(yīng)的OCV對SOC的相關(guān)性標(biāo)繪圖216。 盡管理論上可以借助于能斯脫(Nernst)方程式、根據(jù)已知還原氧化(氧化還原)電勢來計算OCV和SOC標(biāo)繪圖，但是解pH和其他動力學(xué)因素顯著地修改了該關(guān)系。因此，在電池化學(xué)的典型受控條件下，典型地根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量來推導(dǎo)此標(biāo)繪圖。可以根據(jù)方程式(1)和(2) 來分別計算充電和放電處理期間的0CV，并且可以根據(jù)圖2c中所示的與電池202對應(yīng)的相關(guān)性標(biāo)繪圖216來確定對應(yīng)的SOC信息。間接OCV測量方法假設(shè)電池的ESR是合理公知的。然而，電池的ESR隨著電池的壽命而改變，并且除了 SOC之外，還可以是溫度和其他周圍條件的函數(shù)。因此，間接測量的 OCV電壓單獨(dú)取決于SOC的假設(shè)導(dǎo)致真實(shí)OCV(并因而，S0C)的不準(zhǔn)確估計。例如，在鉛酸電池中，除了取決于SOC之外，ESR還隨著板厚度和電解液濃度在充電和放電期間的改變而改變。圖3a和北圖示了用于確定電池系統(tǒng)的SOC的另一方法零負(fù)載OCV確定。圖3a 圖示了液流電池系統(tǒng)300a。如圖3a中所示，電池系統(tǒng)300a包括分別用于存儲陽極電解液 303和陰極電解液305的存儲罐302和304、以及電池元(cell)堆306。分別通過分布系統(tǒng) 307和309而將陽極電解液303和陰極電解液305分布遍及電池元堆306。在一些實(shí)施例中，分布系統(tǒng)307和309可以分別包括泵310和312，用于將陽極電解液303和陰極電解液 305分布遍及電池元堆306。圖北圖示了采用零負(fù)載OCV測量方法來確定SOC的液流電池系統(tǒng)300b。如圖北中所示，分別通過分布系統(tǒng)311和313來將OCV電池元308并聯(lián)地電耦接到電池元堆306。 在一些實(shí)施例中，可以使用泵310和312來將陽極電解液303和陰極電解液305分布遍及電池元堆306和OCV電池元308兩者。因此，陽極電解液303和陰極電解液305并行地流經(jīng)電池元堆306中的每一個電池元和此外的OCV電池元308。如果假設(shè)液流電池元的OCV僅僅取決于陽極電解液303和陰極電解液305的狀態(tài)，則每個電池元的OCV是相同的。因此，當(dāng)沒有向電池元施加負(fù)載時，可以通過在OCV電池元308兩端測量開負(fù)載電壓，來確定用于電池元堆306中每一個電池元的0CV。然后，根據(jù)與上面在圖2c中討論的標(biāo)繪圖相似的OCV對SOC相關(guān)性標(biāo)繪圖，來確定S0C。然而，除了更加復(fù)雜的系統(tǒng)集成之外，零負(fù)載OCV 測量方法還需要額外的電池元和管件(plumbing)。同樣，利用此方法來測量OCV傾向于導(dǎo)致液流電池系統(tǒng)中的誤差，這是因?yàn)殡娊庖航?jīng)歷了用于修改所觀測電壓的分路(shunt)電流。圖如圖示了符合本發(fā)明一些實(shí)施例的放電階段期間的電池系統(tǒng)400a。電池系統(tǒng) 400a包括與電流傳感器408串聯(lián)地電耦接的電池402。如圖如中所示，在放電模式中，電池系統(tǒng)400a電耦接到外部負(fù)載電阻412。通過與開路電壓(OCV)源404串聯(lián)地電耦接的內(nèi)部等效串聯(lián)電阻(ESR)406，來對電池402進(jìn)行建模。圖4(1和如圖示了流程圖450和452，其每一個描繪了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施例的用于確定電池的荷電狀態(tài)(SOC)的方法?？梢酝ㄟ^由處理器運(yùn)行的軟件(例如，代碼、程序、 和指令)、在硬件中、或在其組合中，執(zhí)行圖4(1和如中所描繪的方法。該軟件可以存儲在計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上。圖4d和如中所描繪的方法不意欲將本發(fā)明的范圍限制為如權(quán)利要求中所陳述的那樣。如圖4(1和如中所示，當(dāng)電池正在充電或放電(步驟454)時，對電流和電池端電壓進(jìn)行測量(步驟460、470和480)。返回參考圖如，相應(yīng)的正端子403和負(fù)端子405兩端的電壓是端電壓(V。ell)407。在端子403和405兩端與電池402并聯(lián)地電耦接電壓傳感器 414，以測量端電壓(Vcell)4070在放電處理期間，放電電流(Idis)410從電池402流到外部負(fù)載電阻412。電流傳感器408測量該放電電流(Idis)410。應(yīng)用基爾霍夫電壓定律導(dǎo)致用于端電壓(V。ell)407的以下方程式Vcell = OCV-Idis^ESR (3)在一些實(shí)施例中，可以將電流傳感器408和電壓傳感器414電耦接到微處理器或計算機(jī)系統(tǒng)(在圖中未示出)，并且可以通過微處理器或計算機(jī)系統(tǒng)(在圖中未示出)將其配置為按照規(guī)則或隨機(jī)時間間隔來進(jìn)行多個電流和電壓測量，例如，如表1所示。
權(quán)利要求
1.一種用于確定電池狀態(tài)的方法，包括步驟在多個不同的時間處測量電池兩端的端電壓和流經(jīng)電池的電流，以獲得端電壓和電流數(shù)據(jù)；將具有斜率和截距的線方程式擬合到該端電壓和電流數(shù)據(jù)；以及根據(jù)線性方程式的截距來計算該電池的開路電壓(OCV)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括 根據(jù)該OCV來確定電池的荷電狀態(tài)(SOC)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述確定SOC的步驟包括 基于該OCV來對查找表進(jìn)行參考。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該電池是液流電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述測量端電壓和電流的步驟包括 在對電池進(jìn)行充電的同時，更改充電電流；以及在該充電電流處測量該端電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述測量端電壓和電流的步驟包括 在放電期間，隨著負(fù)載電流變化來測量該端電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，還包括根據(jù)該斜率來確定等效串聯(lián)電阻(ESR)；以及利用放電期間的ESR、根據(jù)在放電電流處端電壓的單一測量來確定0CV。
8.一種用于計算電池的荷電狀態(tài)(SOC)的方法，包括以下步驟 在多個不同的時間處測量電池兩端的端電壓和流經(jīng)電池系統(tǒng)的電流； 確定用于描述該端電壓和該電流之間的關(guān)系的線性方程式； 根據(jù)該線性方程式來計算開路電壓(OCV)；以及使用所計算的OCV來確定電池的S0C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中通過參考查找表、根據(jù)該OCV確定該電池的荷電狀態(tài)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，還包括根據(jù)該線性方程式的斜率來計算用于該電池的等效串聯(lián)電阻。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述測量端電壓和電流的步驟包括 在充電期間變更充電電流；以及在該充電電流處針對每個電流確定該端電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，還包括 根據(jù)該斜率來計算等效串聯(lián)電阻(ESR)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括基于端電壓和放電電流的單一測量來確定該0CV。
14.一種用于確定電池的荷電狀態(tài)(SOC)的設(shè)備，包括電流傳感器，電耦接以用于在多個時間處確定與通過電池的電流相關(guān)的電流值； 電壓傳感器，電耦接以用于在所述多個時間處確定與該電池兩端的端電壓相關(guān)的端電壓值；第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，電耦接到該電壓傳感器，以接收該端電壓值并且提供數(shù)字化的電壓值；第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，電耦接到該電流傳感器，以接收該電流值并且提供數(shù)字化的電流值；以及內(nèi)插器方程式計算器(IEC)，電耦接到該第一 ADC和該第二 ADC，以接收用于所述多個時間中的每一時間的數(shù)字化電壓值和數(shù)字化電流值，該IEC確定用于在所述多個時間處最佳地擬合該數(shù)字化電壓值和該數(shù)字化電流值的線方程式。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括存儲器，其中IEC存儲用于所述多個時間中的每一時間的數(shù)字化電壓值和數(shù)字化電流值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中該IEC基于該線方程式的截距來確定該電池的開路電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的設(shè)備，還包括所存儲的查找表，并且其中該IEC通過從所存儲的查找表進(jìn)行內(nèi)插來確定該開路電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該IEC根據(jù)該線方程式的斜率來確定該電池的等效電阻。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中能夠使用單一ADC用于對電壓和電流測量兩者進(jìn)行數(shù)字化。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中該電池能夠是液流電池。
全文摘要
討論了一種用于確定電池的荷電狀態(tài)(SOC)的方法和設(shè)備。該方法涉及在多個不同的時間處測量電池兩端的端電壓和流經(jīng)電池的電流；以及將具有斜率和截距的線方程式擬合到該端電壓和電流數(shù)據(jù)。根據(jù)線性方程式的截距來計算開路電壓(OCV)，并且通過參考查找表來根據(jù)該OCV確定SOC。
文檔編號H02J7/00GK102246385SQ200980149508
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者薩羅杰.K.薩胡, 阿里.菲魯齊 申請人:迪亞能源股份有限公司