[发明专利]通过估计由电池单元的尺寸变化引起的效应来确定SOC

说明书

技术领域

本发明大体上涉及用于估计蓄电池的荷电状态(SOC)的系统和方法，并且更具体地涉及利用蓄电池的尺寸或压力的变化来估计蓄电池的SOC的系统和方法。

背景技术

电动车辆正变得越来越流行。这些车辆包括：混合动力车辆，例如将蓄电池和诸如内燃发动机、燃料电池系统等的主功率源结合的增程式电动车辆；以及诸如蓄电池电动车辆的纯电动车辆。所有这些类型的电动车辆都采用高压蓄电池，该蓄电池可以是不同的蓄电池类型，例如，锂离子蓄电池、镍金属氢化物蓄电池、铅酸蓄电池等。蓄电池系统可包括单独的蓄电池模块，其中每个蓄电池模块可包括一定数量的蓄电池电池单元，例如12个电池单元。

由于蓄电池在为电动车辆和混合动力车辆供能中起重要作用，因此有效的蓄电池控制和功率管理对于车辆性能、燃料经济性、蓄电池寿命和乘客舒适度来说是必要的。准确了解SOC对于正确地控制电动车辆中的蓄电池系统以获得长的蓄电池寿命和良好的燃料经济性是至关重要的。由于在操作车辆时不能直接测量SOC，蓄电池控制器需要使用诸如开路电压和电流的其它蓄电池参数来实时预测和估计SOC。

本领域的技术人员公知的是，蓄电池的动力学特性通常是非线性的，并且高度依赖于蓄电池操作条件，这意味着不能保证蓄电池SOC的准确估计。估计蓄电池的SOC的一种方法是监测蓄电池的开路电压。通常，开路电压越高，SOC也越高。然而，开路电压内在地难以用来准确地估计SOC，这是因为蓄电池电压受例如温度、短期充电历史、长期车辆驾驶历史、蓄电池的老化等的许多因素影响，而不仅仅是受SOC影响。对于大多数蓄电池电池单元的化学组成来说，当蓄电池开始放电时，电压水平仅略微降低(如果有的话)。在较低SOC下的某点处，电压水平开始以更快的速率降低。

已经证实，锂离子蓄电池对于混合动力电动车辆来说是有前景的。相比更老的镍基技术，估计SOC对于锂离子蓄电池来说明显更具挑战性，因为锂离子基蓄电池甚至在SOC下降时也较长时间地维持其电压水平。锂离子蓄电池的电压在从约20%至80%的SOC的范围内不会显著变化。

蓄电池控制器可以估计SOC的另一种方式是通过对随时间推移的电流进行积分来计算流入和流出蓄电池的电荷。该方法的一个问题是，估计的SOC随时间推移而偏离于真实SOC。因此，蓄电池控制器需要定期重置或重新调整估计的SOC，以匹配真实SOC。重置估计的SOC的一种方法是将蓄电池充电到100%。然而，车辆驾驶员可能在SOC下降至30%时就对蓄电池充电。驾驶员可以为下一旅程对蓄电池充电，但在下一旅程开始时，蓄电池可能已被再充电至仅70%的SOC。车辆可以接着被驾驶直到蓄电池耗电至40%的SOC，然后再次被充电，但在车辆准备开始下一旅程之前仍然未达到100%的SOC。在这种情形中，在电荷处于100%时重置SOC是有问题的。另一种选择是将蓄电池放电至0%的SOC，但与充电至100%的SOC一样，这对于蓄电池是有害的。

需要一种估计蓄电池的SOC的方法，该方法克服当前SOC估计技术的局限。

发明内容

根据本发明的教导，公开了用于监测蓄电池的荷电状态(SOC)的系统和方法，其中该系统包括传感器和控制器。传感器通过测量蓄电池的尺寸或压力来提供可跟踪标称体积值的测量信号，其中标称体积是电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积。控制器被编程为使用函数来从测量信号估计SOC。该函数可在构建蓄电池的充电和放电曲线并找到特性形状之后被建立，该充电和放电曲线描绘了测量信号对比蓄电池的SOC，并且找到特征形状。

本发明还可包括下列方案。

1. 一种用于监测蓄电池的荷电状态的系统，所述蓄电池包括电解质、阳极、阴极和集流体，所述系统包括：

传感器，所述传感器提供指示所述蓄电池的标称体积变化的测量信号，其中所述标称体积是所述电解质、阳极、阴极和集流体在不受约束时将占据的体积；以及

控制器，所述控制器响应于所述测量信号并且被编程为使用所述测量信号来物理地估计所述蓄电池的荷电状态。

2. 根据方案1所述的系统，其中，所述蓄电池的尺寸被约束，并且所述传感器是提供压力测量信号的压力传感器。

3. 根据方案1所述的系统，其中，所述传感器是提供尺寸测量信号的尺寸传感器。

4. 根据方案1所述的系统，其中，所述控制器被编程以基于所述蓄电池的所述物理地估计的荷电状态来重置或重新调整所述蓄电池的电气地估计的荷电状态。

5. 根据方案4所述的系统，其中，所述控制器被编程以使用函数来物理地估计所述蓄电池的所述荷电状态。