检测锂镀覆电势的方法、存储介质以及系统
技术领域
[0001] 本
申请涉及
电池管理领域，具体涉及一种用于对电池单元建模以检测锂镀覆电势的方法、非瞬态计算机可读存储介质以及系统。
背景技术
[0002] 锂电池用于许多现代装置中，包括
电动车辆、计算机和手机。
锂离子电池的一个吸引人的方面是其可以比其它可充电电池以更快的速率快速充电。然而，快速充电确实有缺点。例如，快速充电可能导致
加速的容量衰减，导致触发安全问题的可能性。在快速充电期间，锂离子倾向于镀覆在负极活性材料的表面上而不是嵌入材料中。一旦锂离子被镀覆，锂离子电池以几种方式退化，包括但不限于通过固体
电解质界面(SEI)在活性材料和
电解质之间产生电通路，将
电子暴露于电解质。
[0003] 为了最小化锂金属镀覆，对电池单元进行广泛的锂镀覆测试，以确定作为充电状态(SOC)和
温度的函数的最大区域和连续充电
电流限制。然而，
现有技术的系统和过程不能提供实时可用并提供准确结果的实际模型。
发明内容
[0004] 本技术，粗略描述，是利用多粒子降阶模型在锂电池单元的寿命期间实时准确地预测锂镀覆电势。电池模型可以基于若干观察和假设，例如当电池内的锂浓度和电势梯度可忽略时，对于低或脉冲电负载，具有单粒子降阶模型的电池
电压保护是准确的。在当前的多粒子降阶建模系统中，仅
迭代求解电流
密度和电势分布。这是基于
电场和电荷转移动作过程发生的时间尺度比扩散时间尺度更小的前提。
[0005] 一旦电流分布被求解，锂浓度分布被求解而不涉及任何迭代过程。在迭代地确定电流密度和电势分布之后，通过将锂浓度分布作为单独步骤求解，避免迭代求解多个偏微分方程，显著减少了模型产生输出所需的计算时间。与单粒子基模型相比，电池内电势分布的
精度显著提高。基于由模型的输出提供的电势分布信息，可以确定锂镀覆电势并且采取行动以最小化之后的锂镀覆，例如改进的充电技术和速率。
[0006] 在
实施例中，公开了一种用于对电池单元建模以检测可能导致电池单元退化的锂离子镀覆电势的方法。该方法可包括通过电池供电系统上的
电池管理系统设定建模电池的锂离子浓度。电池模型可以为电池供电系统上的电池单元提供模型。可以在建模电池中预测电池供电系统上的电池单元的温度，并且可以将温度设定为建模电池单元的温度。建模电池的材料特性可以至少部分地基于建模电池的温度来设定。电池管理系统可以迭代地确定建模电池的电势分布和电流密度。然后电池管理系统可以至少部分地基于电势分布来计算建模电池的锂镀覆电势。
[0007] 在实施例中，非瞬时性计算机可读存储介质包括程序，该程序可由处理器执行以执行用于对电池单元建模以检测电池单元退化的方法。该方法可包括通过电池供电系统上的电池管理系统设定建模电池的锂离子浓度。电池模型可以为电池供电系统上的电池单元提供模型。可以检测电池供电系统上的电池单元的温度，并且可以将建模电池的温度设定为电池单元温度。建模电池的材料特性可以至少部分地基于建模电池的温度来设定。电池管理系统可以迭代地确定建模电池的电势分布和电流密度。然后电池管理系统至少部分地基于电势分布来计算建模电池的锂镀覆电势。
[0008] 在实施例中，一种用于对电池单元建模以检测电池单元退化的系统包括一个或多个处理器、
存储器和存储在存储器中且可由一个或多个处理器执行的一个或多个模
块。当被执行时，这些模块可以通过电池供电系统上的电池管理系统为建模电池设定锂离子浓度，该电池模型为电池供电系统上的电池单元提供模型；检测电池供电系统上的电池单元的温度并且将建模电池的温度设定为电池单元温度；至少部分地基于建模电池的温度设定建模电池的材料特性；通过电池管理系统迭代地确定建模电池的电势分布和电流密度；并且至少部分地基于电势分布通过电池管理系统计算建模电池的锂镀覆电势。
附图说明
[0010] 图2是充电期间锂电池单元的框图。
[0011] 图3是放电期间锂电池单元的框图。
[0012] 图4是示出锂金属镀覆的锂电池单元的框图。
[0013] 图5是电池管理系统的框图。
[0014] 图6是电池建模模块的框图。
[0015] 图7是使用降阶模型检测锂镀覆的方法。
[0016] 图8是使用降阶模型对电池建模的方法。
[0017] 图9是用于迭代地确定电流密度和电势分布的方法。
[0018] 图10是用于在本技术中实现的计算环境的框图。
具体实施方式
[0019] 本技术，粗略描述，利用多粒子降阶模型在锂电池单元的寿命期间准确地预测实时的锂镀覆电势。电池模型可以基于若干观察和假设，例如当电池内的锂浓度和电势梯度可忽略时，对于低或脉冲电负载，具有单粒子降阶模型的电池
电压保护是准确的。然而，在诸如充电期间的连续电负载下，单粒子模型预测将开始偏离测量。这是由于模型被迫在计算中使用平均电流密度。
[0020] 在全阶模型中，电流密度分布、诸如
电极电势和电解质电势的电势分布、以及锂浓度分布是相互依存的。由于模型是高度非线性的，模型求解需要迭代求解。在当前的多粒子降阶建模系统中，仅迭代求解电流密度和电势分布。这是基于电场和电荷转移动作过程发生的时间尺度比扩散时间尺度更小的前提。
[0021] 一旦电流分布被求解，锂浓度分布被求解而不涉及任何迭代过程。在迭代地确定电流密度和电势分布之后将锂浓度分布作为单独步骤求解，由于避免迭代求解多个偏微分方程，显著减少了模型产生输出所需的计算时间。与单粒子基模型相比，电池内的电势分布的精度显著提高。基于由模型的输出提供的电势分布信息，可以确定锂镀覆电势并且可以采取行动，例如改进的充电技术和速率，以最小化之后的锂镀覆。
[0022] 本技术的建模技术提供了优于其他建模技术的优点，而且它提供了准确的结果并且可以例如在诸如电动车辆、计算机、
移动电话或其他设备的电池供电系统上实时地实现。由于高计算成本，现有系统对基于物理的模型的实时应用受到限制。在锂离子电池单元模型中，许多粒子被认为代表用以捕获电池单元内的电流密度和电势分布的电极。建模过程是计算密集型，因为其涉及迭代求解许多偏微分方程。为了减少实时应用的计算时间，通常的模型降阶方案是考虑单粒子来表示电极。在每个离散时间步长求解多个偏微分方程的一些和集合中，只有单个偏微分方程需要用单粒子模型求解。然而，利用这种方法，精度较差，因为其不能捕获空间相关的电流密度分布。对这种检测和避免锂镀覆的模型的任何依赖将导致错误的结果。
[0023] 本技术所解决的技术问题涉及通过对电池单元建模来识别电池中的退化。在一些现有的解决方案中，通过对电池建模来确定电池中的退化，例如锂镀覆。为了提供精确的模型，使用多粒子对电池进行建模以表示每个电极。虽然典型的多粒子电极模型能够提供精确的结果，但是其需要大量的计算资源，不能实时地提供结果，并且对于在消费者系统中的使用是不实际的。其它模型将电极表示为单粒子而不是多粒子，并且需要少得多的计算成本。然而，单粒子电极模型具有不能提供非常精确的结果的缺点，这可能导致不正确的锂镀覆检测和预测。
[0024] 本技术提供了对电池单元进行实时建模的技术问题的技术方案，使得该模型可以在对电池进行建模的情况下由电池供电的系统使用。本技术的电池单元模型提供了多粒子降阶模型，其迭代地确定电流密度和电势分布，然后在迭代过程完成之后将锂镀覆电势确定为单独的非迭代步骤。通过在迭代过程之后将锂镀覆电势确定为单独的步骤，避免了非常大的计算成本，这提供了用于实现锂电池模型的更有效的计算过程。此外，通过提供寻址多粒子电极的模型而不是将每个电极表示为单粒子的模型，比将电极表示为单粒子的模型更加精确，从而提供更加可靠的锂镀覆电势测定。
[0025] 图1是电池供电系统100的框图。电池供电系统100包括电池供电系统110和电池充电源120。系统110和120中的每一个可以与一个或多个网络耦合并在其上通信，所述一个或多个网络包括但不限于公共网络、专用网络、蜂窝网络、无线网络、因特网、内联网、WAN、LAN、蓝牙或其它射频
信号、普通老式电话服务(POTS)和/或适用于传送数字和/或模拟数据的任何其他网络。
[0026] 图1中所示的元件以旨在示例而非旨在限制的方式和组织来描绘。例如，电池充电源120和电池供电系统110可以各自实现为一个或多个机器、
服务器、逻辑机器或服务器、并且可以彼此独立地实现或完全和/或部分地组合。
[0027] 本文所讨论的
数据处理也以旨在示例而非旨在限制的方式和组织来讨论。例如，尽管描述了其中从电池116检索数据并由电池管理系统112处理的示例性过程，但是数据可以由不同的机器、服务器和系统、模块和子模块检索、全部或部分处理，并以原始或经处理的形式在不同的机器、服务器和系统、模块和子模块之间传输，无论是否在图1中示出。
[0028] 电池供电系统110可以实现利用电池的系统或产品。电池供电系统110的示例包括电子车辆、移动电话、计算机或利用电池的一些其他设备。电池供电系统110包括电池管理系统112、充电控制114、电池116和负载118。电池供电系统110可以从电池充电源120接收对电池116的充电。由电池充电源120提供的电荷可由充电控制114接收，充电控制114随后可将电荷施加到电池116。在一些实例中，充电控制114可与电池管理系统112就关于如何将电荷施加到电池116进行通信。例如，电池管理系统112可向充电控制114
指定对电池116充电的C速率，包括对电池116充电的电压和电流。电池管理系统可基于默认电压和电流来确定电池116应被充电的电压和电流，或基于通过电池建模检测或确定已有的电池条件来定制电压和电流。负载118可包括电池供电系统110内部或外部的一个或多个负载，电池116将向负载供电。将参照图2—4讨论电池116的更多细节。
[0029] 电池管理系统112可以被实施为控制和测量电池116，且控制系统110上的电池116的充电的
硬件和/或
软件。电池管理系统可以包括提供给电池116多粒子降阶模型的逻辑、模块和部件。电池模型可以用于实时确定锂镀覆电势，使得可以检测电池116中的锂镀覆，并且可以采取步骤来减少将来的任何这种镀覆。将参考图5讨论电池管理系统112的更多细节。
[0030] 电池充电源120可以包括用于对电池116充电的任何合适的充电源。在一些实例中，在系统110实施为电子车辆的情况下，电池充电源120可以是经销商、充电
泵或通常在家庭、商业或其它
建筑物中发现的电源插座。当系统110被实现为电话或计算机时，合适的电池充电源120可以包括移动充电包、
汽车充电器、或在家庭，商业或其他建筑物中找到的电源插座。
[0031] 图2是充电期间锂电池单元200的框图。电池单元200提供图1的系统中的电池116的更多细节。电池单元200包括
阳极222、
阴极232、锂离子242、244和246以及电解质240。阳极包括活性材料220，阴极材料包括活性材料230。电解质240与阳极材料220和阴极材料230一起置于电池单元容器210中。当锂电池充电时，充电器250在阳极和阴极之间施加电势。在充电期间，锂离子244从正阴极230通过电解质(参见锂离子246)并朝向负阳极220移动，其中锂离子242通过插入嵌入到阳极中。电子从阴极行进到阳极，导致电流从阳极行进到电极。
[0032] 图3是在放电期间锂电池单元的框图。在放电期间，在阳极收集的锂离子242通过电解质移动(参见锂离子246)，以作为锂离子244
定位在阴极处和阴极内，导致电势被施加到负载260。在放电期间，电子从阳极行进到阴极，导致电流从阴极行进到阳极。
[0033] 图4是示出锂金属镀覆的锂电池单元的框图。在充电过程中，锂离子电池有时经历被称为锂金属镀覆的现象。当锂离子从阴极行进到阳极时，有时由于充电电压或高于所需的温度，锂离子到达阳极比离子可插入阳极结构内更快。结果，在阳极上有一些锂离子“镀覆”。镀覆的锂离子260减少了其它离子在阳极内的插入，降低了电池的容量，并可导致锂电池内的其它不希望的问题。
[0034] 图5是电池管理系统的框图。图5的电池管理系统500包括充电管理器510、电池管理520和电池建模530。充电管理器510可以控制电池供电系统内的电池的充电的电压、电流、持续时间和其他方面。电池管理520可测量电池供电系统的各方面，电池、从外部源接收的电荷、以及电池供电系统的电池系统的其它方面。
[0035] 电池建模530可以对电池供电系统的电池116建模。电池建模可以利用多粒子降阶模型来实时地为系统内的电池提供精确建模。电池模型可以接收所施加的电负载和
环境温度的输入，并且可以输出电池单元电压、温度、包括电极的电势锂镀覆电势的电势分布、以及电池单元内的浓度分布。环境温度可以被测量和提供，或者在一些情况下可以被预测然后提供给模型。在一些情况下，预测可以涉及
热能平衡技术。电池建模530可以迭代地确定电流密度和电势分布，然后使用该信息来确定锂镀覆电势。电池建模530还可以与充电管理器510通信以指示在电池116内存在锂镀层。作为响应，充电管理器510可以调整电池116的充电过程，以在充电期间设定电压和电流，从而最小化或消除进一步的锂镀覆。将参照图6讨论电池建模530的更多细节。
[0036] BMS112的元件可以实现为存储在存储器中并由一个或多个处理器、硬件部件或其组合执行的
软件模块。此外，列出的元件和BMS112是示例性的，并且可以实施更多或更少的元件以执行本文描述的功能。
[0037] 图6是电池建模模块的框图。电池建模600生成用于对电池116建模并确定电池116的锂镀覆电势的多粒子降阶模型，向其提供输入并将其输出发送。电池建模600可以包括用于该模块的参数、用于电池材料的材料特性、以及处理逻辑，该处理逻辑可以包括
算法、迭代引擎、以及用于执行该模块的其他逻辑。如图6所示，电池建模600可以包括锂浓度610、电池温度620、环境温度630、电负载640、电池电压650、电流密度660、阴极电势670、阳极电势680、锂镀覆电势690和处理逻辑695的参数。电池建模600可执行本文中论述的与对电池116建模相关联的操作。在电池建块600中列出的模块是示例性的，并且可以实施更多或更少的元件来执行本文描述的功能。
[0038] 图7是使用降阶模型检测锂镀覆的方法。可以在步骤710检测电池参数。电池参数可包括电池温度、电池电压、充电状态和其它参数。在步骤720可以检测环境参数。环境参数可以包括环境温度和其它环境参数。
[0039] 在步骤730，可以使用降阶模型对电池建模。该模型可以实现多粒子降阶模型，其通过迭代地迭代电流密度和电势分布来节省大量计算资源，同时在迭代器过程完成之后将锂镀覆电势确定为单独的步骤。关于图8的方法讨论了使用降阶模型对电池建模的更多细节。
[0040] 在步骤740确定是否检测到表明存在锂镀覆的锂镀覆电势。在一些情况下，值小于0的锂镀覆电势表明已经发生锂镀覆。如果锂镀覆电势表明存在锂镀覆，则在步骤750向电池施加改进的充电协议以减少锂镀覆。在一些情况下，减少锂镀覆的充电过程可以涉及向电池施加低得多的充电速率，例如C/50。如果在步骤740基于锂镀覆电势没有检测到锂镀覆，则可以在步骤760施加典型的充电协议。
[0041] 图8是使用降阶模型对电池建模的方法。图8的方法提供了图7的方法的步骤730的更多细节。首先，在步骤810，电解质和粒子的锂离子浓度与电池温度一起初始化。在步骤820初始化基于锂离子浓度的材料性质。材料性质可包括粒子内的扩散、电解质内的扩散、电解质内的电导率、电解质的导电率、电极反应速率常数和其它性质。
[0042] 在步骤830，向电池模型的负载施加规定的电负载和环境温度。负载由施加到图1的系统中的实际电池116的实际负载118确定。
[0043] 在步骤840，迭代地确定电池的电流密度和电势分布。对于每个时间步长，以迭代的方式确定电流密度分布和电势分布，包括电极电势和电解质电势。关于图9的方法更详细地讨论了迭代地确定电流密度和电势分布。
[0044] 在步骤850计算锂离子镀覆电势。在一些情况下，在迭代计算完成之后确定锂离子镀覆材料。锂离子镀覆电势可以被估计为电极电势 电解质电势 电流i和在电池单元内形成的固体
电解质膜(SEI)膜Rfilm的
电阻中的一个或多个的函数。在一些情况下，锂离子镀覆电势可以通过如下确定：
[0045]
[0046] 然后可在步骤860处确定基于电流分布的电池电压。在步骤870，可以基于电流分布确定电解质和粒子中的锂离子分布。在步骤880可以求解该建模的电池单元的热能平衡方程，并且如果有的话，可以重复步骤820-880直到满足任何用户条件。
[0047] 图9是用于迭代地确定电流密度和电势分布的方法。在步骤910设定平均施加电流密度。电流密度可以计算为施加的电流除以电流通过的电池的面积。所施加的电流是电极电势和电解质电势的函数，这两者又是电流密度的函数。在步骤920，基于设定的电流密度计算电解质和电极中的电势分布。计算整个区域的电极电势和电解质电势，并且基于该信息可以计算电流分布。在步骤930，基于包括电解质电势和电极电势的电势分布计算新的局部电流分布。在一些情况下，基于Butler-Vollmer(巴特勒—伏尔默)反应动
力学方程计算新的局部电流分布。重复步骤920和930直到局部电流分布解收敛，例如直到满足相对容差。在一些情况下，重复步骤910和920，其中对于每次迭代，每个电极内更新的局部电流分布的积分等于在步骤910提供的施加的平均电流密度。
[0048] 图10是用于在本技术中实现的计算环境的框图。图10的系统1000可以在实现电池充电源120和电池供电系统110的类似机器的环境中实现。图10的计算系统1000包括一个或多个处理器1010和存储器1020。主存储器1020部分地存储供处理器1010执行的指令和数据。主存储器1020可以在操作中存储可执行代码。图10的系统1000进一步包括
大容量存储装置1030、便携式存储介质
驱动器1040、输出装置1050、用户输入装置1060、
图形显示器1070和外围装置1080。
[0049] 图10所示的部件被描述为经由单个总线1090连接。然而，部件可以通过一个或多个数据传输装置连接。例如，处理器单元1010和主存储器1020可以经由本地
微处理器总线连接，并且大容量存储装置1030、外围装置1080、便携式存储装置1040和显示器系统1070可以经由一个或多个输入/输出(I/O)总线连接。
[0050] 可使用磁盘驱动器、光盘驱动器、闪存驱动器或其它装置实施的大容量存储装置1030是用于存储供处理器单元1010使用的数据和指令的非易失性存储装置。大容量存储装置1030可以存储用于实现本发明实施例的
系统软件，以便将该软件加载到主存储器1020中。
[0051] 便携式存储装置1040结合便携式非易失性存储介质(例如
软盘、光盘或数字视频盘、USB驱动器、存储卡或记忆棒或其它便携式或可移动存储器)操作以将数据和代码输入到图10的
计算机系统1000以及从图10的计算机系统1000输出数据和代码。用于实现本发明实施例的系统软件可以存储在这种便携式介质上，并经由便携式存储装置1040输入到计算机系统1000。
[0052] 输入装置1060提供
用户界面的一部分。输入装置1060可以包括：字母数字
键盘，例如键盘，用于输入字母数字和其它信息；定点装置，例如
鼠标、
跟踪球、触针、
光标方向键、麦克
风、
触摸屏、
加速度计和其它输入装置。另外，如图10所示的系统1000包括输出装置1050。合适的输出装置的示例包括扬声器、
打印机、网络
接口和监视器。
[0053] 显示器系统1070可包括
液晶显示器(LCD)或其它合适的显示器装置。显示器系统1070接收文本和图形信息并处理该信息以输出到显示器装置。显示器系统1070还可以接收作为触摸屏的输入。
[0054] 外围装置1080可以包括向计算机系统添加附加功能的任何类型的计算机支持装置。例如，外围装置1080可以包括
调制解调器或路由器、打印机和其它装置。
[0055] 在一些实现方案中，系统1000还可以包括天线、无线电发射机和无线电接收机1090。天线和无线电可以在诸如智能电话、
平板电脑和其他可以无线通信的装置中实现。一个或多个天线可以在适于通过蜂窝网络、Wi-Fi网络、诸如蓝牙装置的商业装置网络和其它射频网络发送和接收数据的一个或多个射频上操作。装置可以包括一个或多个无线电发射机和接收机，用于处理使用天线发送和接收的信号。
[0056] 包含在图10的计算机系统1000中的部件是通常在计算机系统中发现的那些部件，其可以适于与本发明的实施例一起使用，并且旨在表示本领域公知的这类计算机部件的广泛类别。因此，图10的计算机系统1000可以是个人计算机、手持式计算装置、智能电话、移动计算装置、工作站、服务器、小型计算机、大型计算机或任何其它计算装置。计算机还可以包括不同的总线配置、网络平台、多处理器平台等。可以使用各种
操作系统，包括Unix、Linux、Windows、Macintosh OS、Android，以及包括Java、.NET、C、C++、Node.JS和其它适当语言的语言。
[0057] 出于说明和描述的目的，已呈现本文技术的前述详细描述。并不旨在穷举或将该技术限于所公开的精确形式。根据上述教导，许多
修改和变化是可能的。选择所描述的实施例以最好地解释技术的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用各种实施例中的技术，并且具有适合于预期的特定用途的各种修改。本技术的范围旨在由所附
权利要求书限定。
