本发明涉及一种智能电池管理系统和方法，尤其涉及一种利用用于估计电极电位的方法的电池管理系统。智能电池管理系统和方法可以用在电池控制系统中，例如用在电池充电/放电系统中，以在多个循环中保持电池的健康，或者用在电池诊断系统中，以用于对电池性能的预测或建模。
背景技术：
1、这个社会正在目睹一场远离以燃烧作为能量来源的转变。连接至电池的太阳能电池板现在可以为我们的家庭供电和加热，而在车辆中，现在电池是提供推进的主要或辅助装置。尽管仍然处于早期阶段，但预计电池会在使航空工业脱碳的过程中发挥越来越重要的作用。同样，随着可再生能源在国家发电中所占份额的不断增加，配电网需要提供更高水平的电池存储容量，以在没有阳光或没有风的时候进行稳定供电。与此同时，电池持续为我们的家用电子产品和电器供电。随着电池应用的激增，越来越重要的是使电池的能量和资源成本最小化，并且保持各个电池的健康和寿命。电池健康的劣化可能导致性能和安全性的降低。
2、随着时间的推移和电池使用而发生的电池健康状况的劣化，通常会导致容量减小、电阻增加和/或其他影响。劣化的速率和程度取决于多种因素，其中一个具体因素是电池内电极的电位。例如，众所周知的劣化过程由具有石墨负电极的锂离子嵌入电池中的低水平的电极电位引起，导致金属锂在石墨电极处的不期望的沉积(“锂沉积”)。另一个示例是金属集流器在低电位下可能被氧化，或者电极和电解质在高电位下发生反应，这可能导致放气并因此造成安全风险。
3、为了避免上述劣化和安全问题，并且为了尽可能长时间并尽可能高地保持电池的健康状态和安全性，通常在操作电池时小心地控制电池端子电位。电池端子电位是电池的正电极和负电极之间的电位差，在下文中将被简称为“电池电位(cell potential)”或“电池电位(battery potential)”。此外，如稍后将描述的，这种电位通常相对于预定义的参考电位(诸如锂金属的电位)进行表示。
4、此外，在这点上，术语“电池”也可以理解为指单个电池单元、电池模块(连接在一起的一组电池单元)或电池组(连接在一起的一组模块)。电池端子电压(或电位)和电池端子电流可以在电池、模块或电池组上测量。因此，在该文档中，对电池电位、电池电流或电池温度的引用可以理解为是指单个电池或指对包括多个连接成模块或电池组的电池进行的相应测量。
5、尽管优选地知道负电极电位和正电极电位的值，但是在电池控制应用中通常仅使用电池的电池电位。这是因为电池电位间接地控制正电极和负电极的电位，并且因为与负电极电位和正电极电位不同，可以容易地对电池电位进行测量。例如，直接测量单个负电极或正电极的电位需要电池设置有单独的参考电极，这种测量目前仅在测试装置上可行。市售电池不提供用于进行测量的参考电极。
6、尽管可以使用计算方法来估计负电极电位和正电极电位，但是这样的方法通常既复杂又耗费资源，并且出于一些(在下面讨论的)原因，仅以有限的确定性来预测电位。
7、常规地，存在两种方法用来获得全电池中的电极电位：第一种是通过实验获得的方法，使用插入全电池中的参考电极(这在研究团体中是常见的，但由于与维持电池稳定性和增加的成本相关联的困难而在市售电池中非常不常见)；第二种是通过使用建模和模拟的状态估计，其中使用数学模型来估计电极电位。
8、然而，在以期望的置信度预测正电极电位和负电极电位的值，从而使得这些值可以用于电池控制目的和/或作为对理解电池的健康状态有用的信息时，存在相当大的困难。首先，电极和电池的开路电位(开路电位是电池或诸如正电极或负电极等材料的平衡电位)随诸如荷电状态、温度和电池的劣化或健康的其他参数而变化。其次，在施加负载的情况下(例如，在电池充电或放电期间)，或者在松弛过程期间移除负载之后，电池和电极电位都偏离它们的开路电位，在松弛过程期间电位朝向开路值收敛，但是需要时间来达到开路值。因此，使用状态估计方法预测负电极电位或正电极电位具有许多缺点，包括计算成本、低稳定性和参数化困难中的一个或多个。
9、高计算成本是由于需要大量的计算机存储器或处理能力来执行估计而导致的。例如，电化学“全阶”连续体电池模型具有估计电极电位的能力，但依赖于求解微分方程，该微分方程描述电化学物质(例如锂)的浓度和电池部件(例如电极、电解质)的电位的时间(有时也包括空间)变化。用于可再充电的锂离子嵌入电池的这种模型的示例是伪二维模型，依赖于用于描述锂物质浓度和电位的四个偏微分方程，加上描述过电位与进入或来自储能电极主体材料的锂通量之间的关系的分析方程。求解这些方程的高计算成本增加了解决方案相关联的货币成本以及必要硬件的大小，从而限制了状态估计方法的适用性，并排除了在嵌入式系统(诸如低成本微控制器目标)上实现它的一种可选方式。此外，得到的模型对于实时使用通常可能不够快。
10、低稳定性是另一个需要考虑的问题，因为对微分方程进行运算的计算方法所寻求的数值解并不总是稳定的。收敛失败可能发生在找不到解的情况下，或者可能发生该方法收敛在远离现实的解的值的情况。在可以基于估计的状态做出实时和安全关键的控制决策的嵌入式应用中不能使用不可靠的方法。
11、参数化困难包括参数化成本和参数化复杂性。通常，那些足够复杂以包括电极电位作为状态的电池模型还需要获得大量电池参数的数据以供其使用。全阶电化学模型中的这些参数的示例包括电解质和电极相物质(锂)的扩散率、平均电极颗粒半径、电极孔隙率和非恒定参数，诸如电解质电导率随盐浓度的变化。这增加了准备与任何给定电池一起使用的模型的时间和成本，因为获得电池参数需要大量的实验研究。此外，随着电池在其整个寿命过程中的劣化，这增加了维护准确模型的难度，因为将需要随着电池的演进的健康状态更新参数值。一个示例是电极孔隙率，已知其随着来自寄生副反应的产物的积累而降低。目前不可能在不拆卸电池的情况下更新许多这样的参数，这当然不利于电池的不间断使用。
12、可以通过涉及全阶电化学模型的简化版本的降阶建模来寻求对所有这些问题的补救。然而，即使对于降阶建模，需要的计算资源仍然经常超过嵌入式商业硬件解决方案中可用的计算资源，并且仍然存在较高的参数化负担。此外，降阶的方法通常引入新的缺点，诸如相对于由全阶模型提供的那些方法，降低了在较高电流下状态估计的准确度。
13、我们已经认识到，普遍地单独使用电池电位的广泛实践是不令人满意的，因为在没有直接控制或者甚至不知道各个电极电位的情况下，正电极电位或负电极电位中的一个或两个可能达到对电池健康状态和/或安全有害的值。
14、此外，我们已经认识到，期望提供一种智能电池控制方法，该智能电池控制方法涉及对各个负电极电位和正电极电位的实时估计或预测性估计。得到的对电极电位的估计可以有利地用于做出电池控制决策(诸如电池充电/放电电流、充电/放电过程的持续时间和/或电池管理系统的操作中的其他可控参数)以维持电池的健康。
15、此外，得到的对电极电位的估计可以用于诊断系统以评估电池的当前健康状态，用于确定未来电池劣化的可能性，以支持进一步的电池开发，提供对电池可担保性的明晰性和责任性，以及实现许多其他目标。
技术实现思路
1、现在参考独立权利要求，在独立权利要求中限定了本发明。在从属权利要求中阐述了有利的特征。
2、在本发明的第一方面，提供了一种电池管理方法，用于对所连接电池充电或放电，该电池管理方法使用针对电池的负电极和正电极中的一个或多个的计算的非平衡电位以及一个或多个电极电位设定点；该电池管理方法包括以下步骤：针对所连接电池确定指示所连接电池的当前状态的一个或多个电池状态参数，电池状态参数包括瞬时电池电位、电池电流和电池温度中的一个或多个；接收关于所连接电池的负电极电位和正电极电位的电极电位设定点的指示；基于所确定的所连接电池的荷电状态和过电位分数映射，确定所连接电池的瞬时负电极电位和瞬时正电极电位；其中，过电位分数映射将参考电池的相应荷电状态值映射到可归因于负电极和正电极的电池过电位的对应分数；基于所确定的瞬时负电极电位和瞬时正电极电位来控制所连接电池的充电/放电电流，或控制所连接的电池的充电/放电电压，使得所确定的瞬时负电极电位和瞬时正电极电位保持在由接收的一个或多个电极电位设定点的指示所限定的电极电位操作值的范围内。
3、该电池管理方法使用对所连接电池的电池开路电位和电极开路电位的估计，结合归因于参考电池的负电极和/或正电极的电池过电位分数，来估计所连接电池的瞬时电极电位。在电极电位的确定中使用电池过电位允许电池管理方法和系统表现出对电池老化和电池劣化的高度适应性。
4、还提供了对应的系统和计算机程序。
5、常规的电池充电方法，如恒流-恒压(cc-cv)方法，并不考虑当前的电池状态。电池的状态取决于路径，并随时间和使用场景而变化。根据本发明的实时控制，基于电池状态估计，动态地考虑电池状态以调节充电、放电和存储。它对于故障诊断和危险检测也很重要，可为维护和更换时间表提供信息。
6、电池由正电极(pe)、负电极(ne)和电解液组成。导致电池劣化和安全风险的物理过程更好地反映在这些组件的特性和参数中，而不是那些适用于电池级别的特性和参数中。因此，本发明关注ne和pe电位，以及它们随电池健康状态(soh)的变化，以实现实时控制。模型参数可以是可直接测量的电池电压、电流和温度。
7、这种方法涉及电池机制的物理见解，但实时实现的计算量仍然很小。控制框架适用于不同的电池化学，并且控制设置可针对不同的使用场景进行调整。此外，ne和pe电位的状态估计可以评估健康状态(soh)、可用功率状态(soap)并揭示可能的劣化机制，例如，ne上的锂电镀、pe上的结构不稳定性和两个电极处的粒子破裂。
8、所提出的方法不限于锂离子电池，而是适用于不同类型的电池，在任何情况下，pe和ne电位都是相关的。
1.一种电池管理方法，用于对所连接电池充电或放电，所述电池管理方法使用针对电池的负电极和正电极中的一个或多个的计算的非平衡电位以及一个或多个电极电位设定点；
2.根据权利要求1所述的电池管理方法，包括：
3.根据权利要求1或2所述的电池管理方法，包括：
4.根据前述权利要求中任一项所述的电池管理方法，包括：
5.根据前述权利要求中任一项所述的电池管理方法，其中，接收关于一个或多个电极电位设定点的指示包括选择针对所连接电池的期望的充电/放电模式，针对所连接电池的期望的充电/放电模式包括：
6.根据权利要求4或5所述的电池管理方法，其中，针对不同的充电/放电模式设置不同的设定点，该不同包括最大设定点和最小设定点的大小，以及电极电位操作值的范围的大小。
7.根据权利要求5所述的电池管理方法，包括：在与针对电池充电/放电性能模式的最大设定点和最小设定点的范围相比更窄的范围内，设置针对电池健康模式的相应正电极和负电极的最大电极电位设定点和最小电极电位设定点。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电池管理方法，其中，将所确定的负电极电位和正电极电位中的一个或多个用作所连接电池的可用功率状态指示器。
9.根据权利要求8所述的电池管理方法，其中，基于以下四个等式中的任意两个来计算可用功率状态的值：
10.一种电池管理系统，用于对所连接电池充电或放电，所述电池管理方法使用针对电池的负电极和正电极中的一个或多个的计算的非平衡电位以及一个或多个电极电位设定点；
11.根据权利要求10所述的电池管理系统，其中，所述控制模块被配置为：
12.根据权利要求10或11所述的电池管理系统，其中，所述控制模块被配置为：
13.根据权利要求10至12中任一项所述的电池管理系统，其中：
14.根据权利要求10至13中任一项所述的电池管理系统，其中，所述设定点模块被配置为接收关于一个或多个电极电位设定点的指示，所述接收关于一个或多个电极电位设定点的指示包括选择针对所连接电池的期望的充电/放电模式，其中，针对所连接电池的期望的充电/放电模式包括：
15.根据权利要求13或14所述的电池管理系统，其中，所述设定点模块针对不同的充电/放电模式设置不同的设定点，该不同包括最大设定点和最小设定点的大小，以及电极电位操作值的范围的大小。
16.根据权利要求15所述的电池管理系统，其中，所述控制模块被配置为在与针对电池充电/放电性能模式的最大设定点和最小设定点的范围相比更窄的范围内，设置针对电池健康模式的相应正电极和负电极的最大电极电位设定点和最小电极电位设定点。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的电池管理系统，其中，所确定的负电极电位和正电极电位中的一个或多个被用作所连接电池的可用功率状态指示器。
18.根据权利要求17所述的电池管理系统，其中，基于以下四个等式中的任意两个来计算可用功率状态的值：
19.一种电池管理诊断方法，所述电池管理诊断方法使用针对电池确定的负电极和正电极中的一个或多个的非平衡电位，所述电池管理方法包括以下步骤：
20.根据权利要求19所述的方法，其中，基于以下四个等式中的任意两个来计算可用功率状态的值：
21.一种计算机程序，当所述计算机程序在计算机处理器上执行时，使所述计算机处理器执行权利要求1至9中任一项所述的步骤。
