專利名稱：使用電池阻抗響應的電池充電估算器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的領域包括用于確定充電狀態(SOC)和/或確定電池系統(包括鋰離子電池系統)是否以及何時應當充電的方法。
背景技術：
鋰離子電池是一種鋰離子在陰極與陽極之間移動的可充電電池。鋰離子電池通常用于消費電子器件中。除了用于消費電子器件，由于它們的高能量密度，鋰離子電池還日益廣泛地應用于國防、汽車和航空航天領域。

發明內容
—個不例性實施方式包括一種用于確定為可充電電池系統充電的時間的方法，所 述方法包括提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內操作；分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電。另一個示例性實施方式包括一種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的方法，所述方法包括提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作；分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電-包括確定應當進行所述充電的估算時間。另一個示例性實施方式包括一種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的車輛系統，所述車輛系統包括與車輛電池系統連通的車載控制器，所述控制器編程為確定一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作；所述控制器進一步編程分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池系統的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；所述控制器進一步編程為通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電；其中所述控制器進一步編程為響應于表明需要所述充電的確定來輸出信號和數值中的至少一種。方案I. 一種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的方法，包括
提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作；
分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及
通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電。方案2.如方案I所述的方法，其中所述阻抗數據通過表征所述電池系統的放電特性的電流和電壓數據的傅里葉變換來計算。方案3.如方案I所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為虛擬阻抗與頻率數據并且表征所述數據在接近零頻率時的斜率。方案4.如方案3所述的方法，其中所述表征包括確定所述斜率是否為負。方案5.如方案3所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為所述頻率范圍內的虛擬阻抗與實際阻抗的曲線并且表征所述曲線的低頻率部分。方案6.如方案5所述的方法，其中所述表征包括確定所述低頻率部分是否延伸到包括所述曲線的半圓的半徑之外。方案7.如方案I所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為所述頻率范圍內的虛擬阻抗與實際阻抗的曲線并且表征所述曲線的低頻率部分。 方案8.如方案I所述的方法，其中所述可充電電池包括含鋰的放電陰極。方案9.如方案I所述的方法，其中所述可充電電池包括車輛電池系統。方案10.如方案I所述的方法，其中所述提供、分析和確定步驟通過由一個或多個車載車輛控制器執行的可編程指令來實施。方案11.如方案I所述的方法，進一步包括確定估算時間，所述充電應當在該估算時間內進行。方案12. —種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的方法,包括
提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作；
分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及
通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電，該確定操作又包括確定估算時間，所述充電應當在該估算時間內進行。方案13.如方案12所述的方法，其中所述阻抗數據通過表征所述電池系統的放電特性的電流和電壓數據的傅里葉變換來計算。方案14.如方案12所述的方法，其中所述分析步驟包括表征所述阻抗數據的所述虛擬部分與所述頻率數據在接近零頻率時的斜率。方案15.如方案14所述的方法，其中所述表征包括確定所述斜率是否為負。方案16.如方案12所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為所述頻率范圍內的虛擬阻抗與實際阻抗的曲線并且表征所述曲線的低頻率部分。方案17.如方案12所述的方法，其中所述可充電電池包括含鋰的放電陰極。方案18.如方案12所述的方法，其中所述可充電電池包括車輛電池系統。方案19.如方案12所述的方法，其中所述提供、分析和確定步驟通過由一個或多個車載車輛控制器執行的可編程指令來實施。方案20. —種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的車輛系統,所述車輛系統包括
與車輛電池系統連通的車載控制器，所述控制器編程為確定一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作；
所述控制器進一步編程為分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池系統的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；
所述控制器進一步編程為通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電；
其中所述控制器進一步編程為響應于表明需要所述充電的確定來輸出信號和數值中的至少一種。通過下面提供的詳細描述，其他示例性實施方式將變得清楚。應當理解的是，所提供的詳細描述和具體示例，雖然公開了示例性實施方式，但其僅用于說明目的，而非用以限制本發明的范圍。


通過詳細描述和附圖將會更充分地理解本發明的示例性實施方式，附圖中
圖IA是根據現有技術的包括多個鋰離子電池單元的示例性電池系統的示意圖。
圖IB是根據現有技術的示例性鋰離子電池單元的示意圖。圖2是根據一個實施方式的包括與車載車輛控制器連通的電池單元的示例性車輛系統的示意圖，該車輛控制器被編程為從電池單元收集電壓和/或電流放電數據并且確定是否表明需要進行電池充電。圖3A是示出了從電池單元輸出的放電電壓的示例性曲線的圖表，而3B是示出了在與示例性電池系統的充電狀態(SOC)(I-SOC)相對的示例性電壓下降之前在選定SOC水平下的虛擬阻抗與實際阻抗的示例性曲線的圖表。圖4A是示出了從電池單元輸出的放電電壓的示例性曲線的圖表，而4B是示出了在與示例性電池系統的充電狀態(SOC)(I-SOC)相對的示例性電壓下降之前在選定SOC水平下的虛擬阻抗與頻率的示例性曲線的圖表。圖5是示出了包括示例性低頻率部分的虛擬阻抗與實際阻抗的示例性曲線的圖表。圖6示出了根據示例性實施方式的示例性邏輯過程流程以及用于確定電池系統的阻抗范圍并且確定是否表明所述電池系統需要進行充電的相關數學關系。
具體實施例方式下面對實施方式的描述本質上僅僅是示例性(說明性)的，決非用于限制本發明、其應用或用途。在一個實施方式中，確定了電池單元在若干頻率下的阻抗值，以便確定是否表明需要(期望和/或需要)為電池系統進行電池充電。在某些實施方式中，所述方法可以在此處稱為充電估算器的軟件和/或固件中實施，并可進一步估算電池系統期望和/或需要進行電池充電的時間(充電時間)。在其他實施方式中，所述估算器可獨立于或結合充電狀態(SOC)估算器實施，所述充電狀態(SOC)估算器也可在軟件和/或固件中實施以估算電池系統的充電狀態(SOC)。在一個實施方式中，電池單元和/或電池系統的SOC可以通過下述方法來確定，該方法包括確定(測量)電池系統的一個或多個電池單元中的電流和/或電壓放電數據以及通過所述電流和電壓放電數據確定作為頻率的函數的阻抗數據(阻抗范圍)。在某些實施方式中，作為頻率的函數的阻抗(阻抗范圍)可以通過對電流和/或電壓放電數據執行傅里葉變換來確定。在其他實施方式中，電流和/或電壓放電數據可在電池系統的特定或選定充電狀態(SOC)附近的相對狹窄的窗口內被收集。在某些實施方式中，電流和/或電壓放電數據可通過一個或多個包括含鋰電極的電池單元來確定。在一個實施方式中，電流和/或電壓放電數據可通過一個或多個包括含鋰的磷酸鐵陰極(放電時)(例如，LixFePO4，其中在充電與放電狀態之間0 < X < I)的電池單元來確定。應當理解的是，在某些實施方式中，電池單元可進一步包括石墨陽極(例如，LiyC6，其中在充電與放電狀態之間0<Y< I)。還應當指出，由于多相共存，具有上述LixFePO4陰極的電池單元的放電電壓在放電末期的急劇壓降之前是大體恒定的。在某些實施方式中，電池系統可包括一個或多個鋰離子電池單元。在一個實施方式中，電池系統可包括多個串聯連接的鋰離子電池單元。在其他實施方式中，電池單元可以是諸如在電動或混合動力車輛中供電的車輛電池系統的一部分。例如，參閱圖1A,該圖中示出了包括多個電池單元-例如串聯連接的電池單元IOA以產生期望的輸出電壓的典型的示 例性電池系統10的示意圖。例如，參閱圖1B，該圖中示出了典型的示例性薄膜鋰離子電池單元的示意圖，所述電池單元具有可鄰近隔離器14的固態陽極(放電時的陰極)11A，所述隔離器14可以是包含液體電解質12 (例如，鋰鹽-例如LiPF6的烴類溶液)的多孔織造聚合物(例如，丙烯和乙烯)，并且所述隔離器14還可鄰近固態陰極(放電時的陽極)11B。所述電極可包括電極基質材料(例如，金屬氧化物陽極和石墨陰極)分別附接于其上的金屬集電器-例如11C、IlD0例如，電極基質材料可以是通過導電粘合劑保持在一起的顆粒形成的多孔材料薄膜。隔離器14可以具有電極厚度(例如，10-100微米)級別或小于電極厚度級別的厚度。在某些實施方式中，電池系統中的一個或多個電池單元的溫度可以與相同或不同電池單元的電流和/或電壓放電數據一起確定。在某些實施方式中，確定阻抗范圍的電流和/或電壓放電數據可以在大約恒定充電狀態(SOC)下確定，例如諸如在其中SOC被標準化成I的大約0. 01至大約0. I的選定SOC內的選定SOC(或1-S0C)附近的電流和/或電壓放電數據。在一個實施方式中，電流和/或電壓放電數據與溫度一起可隨后用作到軟件和/或硬件實施的充電指示器/估算器的輸入，所述充電指示器/估算器可首先確定阻抗范圍并且可隨后分析所述阻抗范圍以確定是否表明需要進行電池充電和/或估算期望和/或需要電池充電的時間。在其他實施方式中，電極-例如陰極(放電時)的阻抗范圍可以例如通過阻抗分析器直接測量，所述阻抗分析器在電池單元的電壓和/或電流測量之后確定與頻率相對的阻抗的實際和虛擬部分。在一個實施方式中，通過電流和/或電壓放電數據確定并且隨后分析阻抗范圍的算法可以在預編程的指令(軟件)和/或硬件中實施并且通過控制器(例如，包括微處理器和存儲器)執行。在其他實施方式中，電流和/或電壓放電數據以及/或者阻抗范圍還可用作對充電狀態(SOC)估算器的輸入從而確定電池系統的充電狀態(SOC)。在某些實施方式中，可另外確定取得電流和/或電壓放電數據時的電池單元溫度，以便區別于可歸因于電池系統的SOC的變化來確定溫度變化導致的電流/或電壓放電數據的變化。在某些實施方式中，測量的電流和/或電壓放電數據以及/或者阻抗范圍可以結合SOC估算器使用。在某些實施方式中，SOC估算器可用作包括開路電壓的電壓測量值、電流測量值以及一個或多個電池單元的溫度測量值中的一個或多個的額外或備選輸入(相對于充電估算器)。應當理解的是，通過SOC估算器確定SOC值可包括確定相關的性能，例如本領域公知的電池系統的電力狀態和/或健康狀態。參閱圖2，在一個實施方式中，示例性電池單元IOA示出為可與一個或多個控制器-例如車載控制器20信號連通(有線或無線)(例如，14C、14D)。電池單元的電流和/或電壓放電數據可通過對應的陽極和陰極電池導線(例如，14A、14B)收集并且連通至控制器，例如20。在某些實施方式中，電池單元的溫度數據還可通過溫度傳感器(例如16)收集，所述溫度傳感器可設置在電池單元IOA的內部或外部并且可與車載控制器20連通(有線或無線)(例如，16A)。
再參閱圖2，在某些實施方式中，控制器20可配備有能夠執行來自存儲器的預編程指令(軟件)以及存儲和/或輸出結果的處理器。在某些實施方式中，控制器20可包括編程為通過信號輸入確定電池的充電狀態(SOC)的常規的可執行軟件。在某些實施方式中，控制器20可執行編程為推導和分析阻抗范圍并且確定是否表明需要進行電池充電和/或建議的電池充電時間的相同或獨立的軟件(例如，電池充電估算器)。在某些實施方式中，在確定表明需要電池充電和/或建議的電池充電時間之后，可隨后通過控制器20輸出指示電池充電和充電時間的信號和/或值。在某些實施方式中，指示充電的信號和/或值可以輸出到第二車載控制器-例如22，所述第二車載控制器可以是與控制器20連通(有線或無線，例如22A)的車輛中央車載控制器并且可轉而輸出能夠被車輛使用者(例如車內的)得到的視覺和/或聽覺信號標識。例如，參閱圖3A，該圖中示出了電池系統的電壓響應與充電狀態(SOC)(例如示出為1-S0C，其中I是完全放電)的曲線-例如30。應當指出，如圖3A所示的放電電壓在放電末期的急劇壓降之前是大體恒定的值。參閱圖3B，該圖中示出了阻抗范圍的虛擬部分與所述阻抗范圍的實際部分(例如在選定頻率下的虛擬與實際)的曲線，例如曲線32。虛擬VS實際阻抗曲線從在選定SOC(或1-S0C)(由圖3A所示的箭頭34指示的)下收集的數據推導。在某些實施方式中，可以分析虛擬VS實際阻抗范圍的低頻率端(例如，高阻抗)以確定電池系統是否處于或接近電池系統應當或需要放電的充電狀態。再參閱圖3A和3B,已經發現,虛擬VS實際阻抗范圍的低頻率端具有尾部-例如36，所述尾部可以是電池系統的SOC(或1-S0C)可能正接近相對急劇的電壓下降的區域(例如38)的前驅指示。在某些實施方式中，所述前驅指示-例如指示接近SOC電壓響應下降的低頻率尾部可用作需要和/或期望電池充電的標識以及/或者用于估算需要和/或期望電池充電的時間。參閱圖4A，該圖中示出了類似的電壓響應與1-S0C的曲線-例如30，其中圍繞圖4B所示的特定1-S0C值-例如34來分析阻抗數據。參閱圖4B，該圖中示出了虛擬阻抗與頻率值(例如，頻率可表示為頻率范圍的一小部分的任意單元)的曲線。在某些實施方式中，頻率接近零(例如區域40A)時的負斜率可用作電池系統的SOC (或1-S0C)接近相對急劇的電壓下降的區域-例如38的一個標識，其中電池可在達到區域38之前或至少在指示完全放電的I處之前被充電。參閱圖5，該圖中示出了虛擬(-Zi)與實際(-Zr)阻抗曲線的示例性曲線A，其中圍繞曲線的低頻率尾部部分的虛線圈定的區域在曲線B中展開示出。在某些實施方式中，所述低頻率尾部部分可包括向內部分-例如42，所述向內部分可用作電池系統不期望和/或不需要充電的標識并且/或者可用于估算電池充電時間。在某些實施方式中，所述低頻率尾部部分可包括最內部部分，所述最內部部分可具有距離整個阻抗曲線(例如，曲線A)的半圓的中心的可能小于所述半圓的半徑的距離。在其他實施方式中，上面描述的兩個標識-例如圖4B中所示的接近零頻率時的負斜率以及具有如圖3B的半圓曲線半徑之外的最內部部分的低頻率尾部，可用作電池系統期望和/或需要充電的標識并且/或者可用于估算該期望/或需要的充電的時間。參閱圖6，該圖中示出了邏輯過程流程圖(例如，軟件和/或硬件實施的)，所述邏輯過程流程圖確定阻抗范圍并且分析所述阻抗范圍以確定是否表明需要進行電池充電和/或估算電池充電時間。在步驟601中，可圍繞電池系統的選定充電狀態(相關的數學關系示出為鄰近邏輯過程步驟)(例如， .r L i , )收集電'流和電壓放電數據。在步驟603中，可產生有 限步驟輸；輸出
I ~ I SJfi [￡..￡ + d J1
信號(例如，/0 = 0;)。在步驟605中，可計算電壓和電流輸入和輸出的傅里葉變換，以確
定作為頻率的函數的電壓和電流(例如， :)。在步驟607中，阻抗范圍
0
V(m)
的實際和虛擬部分可通過步驟605中的傅里葉變換值(例如，= =)確
定。在步驟609中，接近零的頻率下的阻抗特性可被表征-例如確定斜率是否為負(例如，
rfZr
S = -^T- ^ )。赫馬聚611巾，胃觀自_示VS Jt雛標白勺隨麵白勺麵賴 dm <0
部從而表征低頻率尾部-例如是否在半圓半徑的內/外(例如，[(^-a)a+(Zj-6)2J>^2 )。在步驟613中，可基于步驟609和611中的結果輸出信號。上面對本發明的實施方式的描述本質上僅是示例性的，并且由此它們的變型不應被認為偏離了本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的方法，包括 提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作； 分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及 通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述阻抗數據通過表征所述電池系統的放電特性的電流和電壓數據的傅里葉變換來計算。
3.如權利要求I所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為虛擬阻抗與頻率數據并且表征所述數據在接近零頻率時的斜率。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述表征包括確定所述斜率是否為負。
5.如權利要求3所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為所述頻率范圍內的虛擬阻抗與實際阻抗的曲線并且表征所述曲線的低頻率部分。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述表征包括確定所述低頻率部分是否延伸到包括所述曲線的半圓的半徑之外。
7.如權利要求I所述的方法，其中所述分析步驟包括將所述阻抗數據表示為所述頻率范圍內的虛擬阻抗與實際阻抗的曲線并且表征所述曲線的低頻率部分。
8.如權利要求I所述的方法，其中所述可充電電池包括含鋰的放電陰極。
9.一種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的方法，包括 提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作； 分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及 通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電，該確定操作又包括確定估算時間，所述充電應當在該估算時間內進行。
10.一種用于確定是否表明可充電電池系統需要充電的車輛系統，所述車輛系統包括 與車輛電池系統連通的車載控制器，所述控制器編程為確定一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作； 所述控制器進一步編程為分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池系統的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性； 所述控制器進一步編程為通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電； 其中所述控制器進一步編程為響應于表明需要所述充電的確定來輸出信號和數值中的至少一種。
全文摘要
本發明涉及使用電池阻抗響應的電池充電估算器。具體而言，一個示例性實施方式包括一種用于確定為可充電電池系統充電的時間的方法，所述方法包括提供一定頻率范圍內的阻抗數據，所述阻抗數據表征可充電電池在選定時間窗口內的操作；分析所述阻抗數據以獲取指示所述電池的放電的接近狀態的所述阻抗數據的預定特性；以及通過所述阻抗數據的所述預定特性來確定是否表明所述可充電電池需要充電。
文檔編號B60L11/18GK102798822SQ20121016349
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者K.S.哈里哈蘭 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司