[发明专利]用于估计锂离子电池单体的阻抗模型中的参数的方法

说明书

本发明涉及一种用于确定代表锂离子电池单体阻抗的等效电路图参数的方法，所述等效电路图包括至少一个RC元件以及串联电阻R_S，所述至少一个RC元件具有欧姆电阻R₁和电容C₁，该方法的特征在于，所述串联电阻R_S通过阻抗测量确定。本发明还涉及一种使用该参数确定方法的模型辅助的电池监控方法以及一种电池系统，所述电池系统包括多个锂离子电池单体和电池管理系统(BMS)，所述电池管理系统配置用于实施该方法。

技术领域

本发明涉及一种用于确定代表锂离子电池单体阻抗的等效电路图参数的方法以及一种电池监控方法和一种使用该方法的电池系统。

背景技术

电化学阻抗谱(EIS)是一种既定方法，该方法尤其是可用于表征锂离子电池单体。

该方法包括向电池单体施加激励信号，该激励信号可以是交流电流信号(I(t)，恒电流)或交流电压信号(U(t)，恒电位)，测量相应的响应信号(U(t)或I(t))并作为U(t)/I(t)由激励信号和响应信号计算基本上为复数的阻抗Z。为了记录谱，可改变激励信号的频率，或者可叠加多个频率。作为替代方案，也可使用代表许多频率叠加的脉冲并通过傅里叶变换获得谱。

可基于模型借助等效电路图(“equivalent circuit”)来分析测得的阻抗或阻抗谱，所述等效电路图包括具有限定的阻抗的元件、尤其是欧姆电阻R、电容元件C(电容器)和电感元件L(线圈)。在电荷载流子的扩散速度在电传导中起作用的电化学系统的情况下，还可增加所谓的沃伯格(Warburg)元件W。

电化学电池单体的电极通常至少被建模为RC元件，其中C应反映电极界面处电化学的双层的电容并且R应反映电荷转移电阻。电解质的电阻反映为串联电阻R_S。锂离子电池单体具有两个电极，因此等效电路图例如可包括至少两个RC元件和串联电阻。然而，具有单个RC元件和串联电阻的简化模型也是可能的。此外，模型可具有串联电感L，以便考虑馈电线和几何结构的电感，这也包括在评估电子装置的测量结果中。虽然L对电池单体中的过程的物理效力很低，但如果忽略该电感，则在频率范围内与其它RC元件分量的叠加会导致误差。

通过将模型参数(即R_S、RC元件的不同R和C等)拟合到测量的阻抗谱中可得出关于电池单体内部过程的结论、如电解质的电导率和电极过程的动力学，这最终能实现对电池单体状态的诊断。

这种技术可用于锂离子电池单体的制造和质量控制。在此例如参见US 2009/0096459，其描述了一种用于测量阻抗的频率相关性的方法，以确定锂离子电池单体负电极和正电极表面上的电荷迁移率。在此使用特殊方法来创建等效电路图并确定用于对电池单体特性建模的参数。

除了制造过程中的质量控制之外，另一个应用领域是诊断使用中的电池单体状态，以便例如确定其老化状态并确定是否需要更换电池单体。为此例如可在预定的维护间隔中在实验室或车间中将电池单体与网络分离，使电池单体达到限定的充电状态(SOC)和限定的温度(T)，并且然后借助EIS进行检查。

问题提出：

尤其是当电池单体承受强大和波动的负载时——例如在用于电动运行的车辆时出现的情况，理想的是，也可在进行的运行期间在线借助EIS进行诊断。优选电池管理系统(BMS)应能够任何时候基于模型根据在使用情况下的电流和电压数据给出关于电池单体的老化状态的预测。为此必须能够在进行的运行期间确定模型参数。

然而，与上述简要描述的实验室或车间中的固定测试相比，这里出现的困难是，不能简单地使电池单体达到SOC和T方面的限定状态。

取而代之，要么必须相互独立地测量当前的SOC或T值并将其与阻抗参数一起纳入预测中，要么也必须从阻抗模型中预测它们。在第一种情况下，预测的可靠性受限于SOC和T的有限测量精度，在第二种情况下，预测的可靠性受限于系统在SOC和T方面的额外自由度，所述自由度降低拟合或数值参数确定的质量。