【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】实时主动测量电化学系统的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2021年2月5日提交的美国临时专利申请No.63/146,348的权益和优先权，该申请的全部内容出于所有目的通过引用整体并入本申请。
[0003]政府权利声明
[0004]本专利技术是在政府支持的国家科学基金会第1842957号合同资助下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。
[0005]本公开涉及电化学元件，例如锂离子二次电池或动力电池，以及相关的电化学存储管理系统，例如电池管理系统。
技术介绍
[0006]缺乏有效手段用于快速准确地评估可充电电池的健康状态和充电状态。同时也缺乏有效手段用于分析一组电池单元和电池模块中的一个或多个电池单元。本申请描述了这些问题和相关领域中其他问题的解决方案。
[0007]专利技术概述
[0008]在一个实施例中，本申请描述了一种安排测量的方法，该方法包括：
[0009](a)提供或已经提供了至少两个电化学元件；
[0010](b)将如下输入到主动参数和元件选择器(APAES)：
[0011](1)被动电流测量值(I
p
)；
[0012](2)来自系统控制器的异步输出；
[0013](3)电压分布计算器的输出(V
d
)；
[0014](4)来自主动参数分布计算器的第一输出(Z
d
)；
[0015](5)温度模型的输出值(T
d>)；或者
[0016](6)(1)、(2)、(3)、(4)和/或(5)的任意组合；
[0017](c)从APAES生成：(1)主动参数输出(D
′
)；(2)选定的电化学元件(Y
′
)；
[0018](d)将D
′
和Y
′
输入到主动参数致动器和计算器中；
[0019](e)进行或已经进行主动参数测量，以从Y
′
生成至少一个主动参数输出(Z
m
)；
[0020](f)将Z
m
输入主动参数分布计算器，生成第二主动参数分布(Z
d
′
)；
[0021](g)将V
d
、Z
d
′
和T
d
输入到健康状态(SOH)模型中；
[0022](h)从SOH模型生成SOH模型输出(SOH
d
)。
[0023]在另一个实施例中，本申请描述了一种使用最小化函数在两个或更多个电化学元件之间主动平衡充电状态(SOC)、电压(V)或同时平衡两者的方法，包括：
[0024](a)提供或已经提供至少两个电化学元件；
[0025](b)通过主动参数和元件选择器(APAES)生成选定的电化学元件(Y
′
)；
[0026](c)提供或已经提供源自EIS的阻抗测量值作为Y
′
的主动参数(Z
m
)；
[0027](d)以Z
m
、充电状态(SOC)、健康状态(SOH)或其组合作函数，提供或已经提供一个或多个温度查找表(LUT)；
[0028](e)使用LUT估计Y
′
的温度；
[0029](f)使用LUT估计Y
′
的健康状况(SOH)；
[0030](g)基于步骤(e)和(f)中估计的SOH和估计的温度，选择模块开路电压(OCV)LUT；
[0031](h)基于步骤(g)中选择的OCV LUT，生成两个或更多个电化学元件中的至少两个的SOC、V预测值或同时生成两者的预测值；
[0032](i)使用最小化函数主动平衡两个或更多个电化学元件的SOC、V或SOH中的至少一个。
[0033]在另一实施例中，本申请描述的是一种用于实时分析和平衡电池的方法，包括：
[0034](a)将至少两个或更多个电化学元件的分布输入决策计算器，选择电化学元件集合中的至少一个电化学元件作为决策计算器的输出；其中所述分布是以下变量的函数：
[0035](1)电压分布计算器的输出(V
d
)；
[0036](2)主动参数分布计算器的输出(Z
d
)；
[0037](3)温度模型的输出(T
d
)；
[0038](4)其组合；
[0039](b)使用EIS方法生成所选电化学元件的SOC、SOH或V；
[0040](c)主动平衡两个或更多个电化学元件的SOC、SOH、V或其组合；
[0041](d)重复步骤(a)、(b)和(c)至少一次。
附图说明
[0042]图1示出了电池模块的电池管理系统(BMS)监控板的示意图。
[0043]图2示出了出于温度监测和/或健康状态(SOH)估计的目的，在实时系统中使用主动测量系统的方法。
[0044]图3示出了电池单元电压与充电状态(％)的关系。
[0045]图4示出了本申请描述的同时使用被动和主动测量的实时方法的示意图。
[0046]图5示出了被测设备(DUT)的交流电流(I)和交流电压(V)相对时间的函数曲线图。
[0047]图6显示了DUT在赫兹(Hz)图中每个频率点的电化学阻抗谱的输出。
[0048]图7示出了出于基于主动测量系统的输出的电化学元件平衡的目的而使用最小化函数的方法。
[0049]I.定义
[0050]本申请中所述的“电化学电池”是指通常包括阳极、阴极、隔膜和电解质的电化学能量存储装置的最小单元。电化学电池还可以包括接触端子(也称为集电器)。阳极也可以称为负极，阴极也可以称为正极。
[0051]本申请中所述的“电化学元件”是指电化学电池、电池组电池或电池组电池集合体的组件。电化学元件可以是集电器、阳极(或负极)、阴极(或正极)、电解质或隔膜。电化学元件还可以仅仅阴极或阳极。电化学元件还可以是电池单元。电化学元件还可以是电池模块。电化学元件还可以是电池串或电池组或任何串联/并联的电化学元件的组合。除非另有明确说明，电化学元件是指电池单元，该电池单元至少包括阴极、阳极、电解质和隔膜。
[0052]本申请中所述的“从Y
′
选择至少一个主动参数输出(Z
m
)”是指生成决策以测量来自被测设备(DUT)的主动参数，其中DUT是根据决策算法进行选定的。例如，“从Y
′
选择至少一个有效参数输出(Z
m
)可以包括决定测量单元112b上的阻抗，如图1所示。
[0053]本申请中所述的“主动参数和元件选择器(APAES)”是指基于输入做出决策的函数或软件。这些决策包括要测量哪个主动参数，例如阻抗、电抗、电流或电压。这些决策还包括本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种安排测量的方法，该方法包括：(a)提供或已经提供至少两个电化学元件；(b)将如下输入到主动参数和元件选择器(APAES)：(1)被动电流测量值(I
p
)；(2)系统控制器的异步输出；(3)电压分布计算器的输出(V
d
)；(4)主动参数分布计算器的输出(Z
d
)；(5)温度模型的输出值(T
d
)；或者(6)(1)、(2)、(3)、(4)和/或(5)的组合；(c)从APAES生成：(1)主动参数输出(D
′
)；(2)选定的电化学元件(Y
′
)；(d)将D
′
和Y
′
输入到主动参数致动器和计算器中；(e)进行或已经进行主动参数测量，以从Y
′
生成至少一个主动参数输出(Z
m
)；(f)将Z
m
输入主动参数分布计算器，生成另一个主动参数分布(Z
d
′
)；(g)将V
d
、Z
d
′
和T
d
输入到健康状态(SOH)模型中；(h)从SOH模型生成SOH模型输出(SOH
d
)。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(e)中，通过下列测量方法之一对Y
′
进行分析：电化学阻抗谱(EIS)、脉冲测试、混合脉冲功率表征(HPPC)、恒电流间歇滴定技术(GITT)、恒电位间歇滴定技术(PITT)及其组合。3.根据权利要求2所述的方法，其中Z
m
是阻抗测量值。4.根据权利要求3所述的方法，其中Z
m
通过EIS进行测量。5.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述分析同时包括放电脉冲和充电脉冲两者。6.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的方法，其中包括测量Y
′
的温度、电压或阻抗。7.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的方法，其中所述至少两个电化学元件是模块或电池包内的电池。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少两个电化学元件是串联的。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述至少两个电化学元件是并联的。10.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的方法，其中所述实时主动参数和元件选择器包括滤波器。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述滤波器是卡尔曼滤波器(KF)、扩展卡尔曼滤波器(EKF)、线性或非线性联合概率分布估计。12.根据权利要求1
‑
10中任一项所述的方法，其中所述的通过APAES生成所选择的Y
′
是以下变量的函数：(i)局部最大电压(V)、局部最小值V或中值V；(j)局部最高温度(T)、局部最低温度T、中值T；(k)局部最大阻抗(Z)、局部最小Z或中值Z；(l)(i)、(j)或(k)的组合。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述(k)是频率或者预设频率组的函数。14.根据权利要求12所述的方法，其中所述(k)是频率的函数或者是可变频率组的函数。
15.根据权利要求1
‑
14中任一项所述的方法，其中：(m)通过将测到的电压(V
m
)或被动测到的电压(V
p
)输入到电压分布计算器来生成V
d
；(n)通过将主动电压测量值(V
a
)或主动电流测量值(I
a
)或两者一起以及T
d
输入到主动参数致动器和计算器来生成Z
m
；(o)通过将被动测量到的温度(T
p
)和Z
d
或Z
d
′
输入到温度模型中来生成T
d
；(p)通过将Z
m
输入主动参数分布计算器来生成Z
d
或Z
d
′
；(q)通过将测量到的或确定的健康状态(SOH)输入SOH模型来生成SOH
d
。16.根据权利要求15所述的方法，其中：V
m
或V
p
选自电池电压、模块电压、电池包电压或其组合；Z
m
选自阻抗、电抗、所述至少两个电化学元件中的一个或多个模块的等效电路元件或者其组合；T
d
选自电化学元件表面温度、电化学元件内部温度、模块温度或其组合；通过将Z
d
、T
d
、V
d
、I
p
或其组合输入SOH模型来确定电化学元件的SOH
d
。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述等效电路元件选自阻抗、电阻、电抗、电感、电容、恒定相位元件、Warburg元件、电压或其组合。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述等效电路元件选自电压元件(V
x
)、电阻元件(R0)、阻抗元件(R
x
)、电容元件(C
x
)、电感元件(L
x
)、改进的电感元件(L
y
)、恒定相位元件(CPE
x
)、Warburg元件(W
x
)或其组合。19.根据权利要求16
‑
18中任一项所述的方法，其中还包括通过将Z
m
或Z
d
输入到内部温度计算器中来生成T
d
。20.根据权利要求16
‑
19中任一项所述的方法，其中包括根据测量到的电压(V
m
)、测量到的电流(I
m
)或同时根据两者，使用快速傅里叶变换函数或根据时域信号计算离散频率的等效函数生成阻抗测量值Z
m
。21.根据权利要求1
‑
20中任一项所述的方法，其中包括每秒、10秒、30秒、分钟、90秒、2分钟、150秒、3分钟、5分钟、10分钟或20分钟至少生成一次Z
m
。22.根据权利要求1
‑
20中任一项所述的方法，其中包括每1
‑
5秒、1
‑
15秒、1
‑
30秒、1
‑
45秒、1
‑
60秒、1
‑
120秒、1
‑
240秒、1
‑
500秒或1
‑
5,000秒至少生成一次Z
m
。23.根据权利要求1
‑
20中任一项所述的方法，其中包括每1
‑
2分钟、1
‑
5分钟、1
‑
10分钟、1
‑
15分钟、1
‑
20分钟、1
‑
25分钟、1
‑
30分钟、1
‑
35分钟或1
‑
45分钟至少生成一次Z
m
。24.根据权利要求1
‑
21中任一项所述的方法，其中包括通过将Z
d
、V
d
、T
d
、I
p
及其组合中的至少一个输入到滤波器中来生成充电状态(SOC
d
)。25.根据权利要求24所述的方法，其中所述滤波器是卡尔曼滤波器(KF)、扩展卡尔曼滤波器(EKF)、线性或非线性联合概率分布估计。26.根据权利要求1
‑
25中...
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