[发明专利]电池温度的基于物理学的控制

说明书

在一个实施例中，电化学电池系统包括至少一个电化学电池单元、可操作地连接到所述至少一个电化学电池单元的热控制系统、其中存储所述至少一个电化学电池单元的基于物理学的模型并且其中存储程序指令的存储器、以及可操作地连接到所述至少一个电化学电池单元、所述热控制系统和所述存储器的控制器。控制器被配置为执行程序指令以识别第一所请求的操作、获得基于物理学的模型和所识别的第一所请求的操作的第一生成目标温度，并且基于所获得的第一目标温度控制热控制系统，同时基于所识别的第一所请求的操作控制至少一个电化学电池单元。

技术领域

本公开总体上涉及电池，并且更具体地涉及用于控制锂离子电池的方法。

背景技术

汽车电气化的趋势日益增加，并且大多数汽车制造商已经宣布了生产插电式混合动力电动车辆（PHEV）和电动车辆（EV）的计划。目前，基于锂离子的电池被认为是用于混合动力电动车辆（HEV）、PHEV和EV应用的最有前途的电池系统，这是由于它们的高能量密度、没有滞后和低自放电电流。

然而，将基于锂离子的电池集成到车辆装置中仍存在一些技术挑战。一个技术挑战是对电池组再充电所需的时间。尽管为了用户方便而期望快速充电，但是在锂离子电池的快速充电中出现了艰巨的挑战，其中诸如恒定电流-恒定电压（CC-CV）的标准充电技术如果用于快速充电，则可能由于大电流通过电池而导致电池损坏。这些大电流导致电池中的超电势和机械应力，其可以加速电池的老化过程并导致寿命减少。

另一重要方面是电池在使用时所需的功率显著变化。例如，在加速期间和在上坡行驶时的需求通常超过在巡航或下坡行驶时车辆的功率需求。

为了在这些变化的条件下最佳地操作电池，先进的电池管理系统（BMS）已经被结合到车辆中。BMS被配置成提供适当的充电策略，用于以快速和可靠的方式为电池组补给能量。BMS还用于调节功率输出和消耗。然而，BMS的结合是复杂的，因为上述条件不是唯一必须处理的变量。

例如，锂离子电池的性能随着使用和时间而降低。能量和功率存储能力由于多种机制而降低，包括（但不限于）1）可用锂的损失，2）电极主体材料的损失，和/或3）电池单元内阻的增加。锂可以在固体-电解质膜（SEI）中损失，或通过锂沉积物（例如枝晶）损失。电极主体材料也会随着时间而退化。例如，氧化锰材料可以经历锰溶解。因此，特定电池单元的物理性质在电池单元的寿命期间改变。

然而，电池单元中的物理性质变化对于每个电池单元来说不是随时间线性的。电池的升温影响这些退化机制的速率。例如，在升高的温度下，副反应的速率增加，所述副反应通过产生容量衰减和增加的内阻而过早地老化电池单元。由于较高的电极负载、较低的电极孔隙率和较少量的电解质，高能电池单元，诸如那些结合锂的电池单元，可能对温度效应更敏感。电解质减少的原因是因为当电池单元循环和材料膨胀/收缩时，电解质可能从电池单元电极中挤出。

然而，较高的温度对电池不是完全有害的。因此，尽管较高的温度提高了SEI生长的速率，但较高的温度也可以降低枝晶形成的风险。此外，升高电池单元温度可以加速电解质扩散回到电池单元电极中。增加的温度还加速了电极之间的离子扩散，以及当锂离子嵌入/脱出时的传输/动力学。因此，锂离子电池的内阻通常随着温度的升高（在指定的操作范围内）而降低，从而增加电池功率和能量密度。另外，随着内阻的降低，充电期间需要较小的电压作为驱动力（电阻较低）。因此，对于给定电压，充电速率增加。

因此，与特别是锂离子电池单元的电池单元相关的温度上限通常设定在平衡过度老化与较暖温度的益处的温度。然而，温度限值是基于标称电池单元而不是基于特定电池单元在特定时间的特定物理性质。因此，温度限值通常过于保守以便保护非标称电池单元。此外，在不考虑电池单元的实际寿命的情况下建立一些温度限值。

简单使用标称电池单元数据的不足通过参考有害副反应的速率来说明。副反应的速率，虽然与温度有关，但也与电池单元的充电状态（SOC）有关。随着电池单元的SOC针对给定温度增加，在给定寿命时间内的副反应速率增加。因此，单个温度限值在充电事件期间和放电事件期间不必要地限制电池的操作。