CN101147078A - 对于电池和电池子组的最大和最小功率极限计算器 - Google Patents

Abstract

根据本发明的某些实施例的一种用于确定至少一个电池的运行极限的系统，包括在第一和第二时间段测量至少一个电池上的电压V的电压模块；在第一和第二时间段测量由至少一个电池所提供的电流I的电流传感器；以及，基于在第一时间段的至少一个电池的电压V和电流I以及至少一个电池的欧姆电阻R₀，在第二时间段估算至少一个电池的极化电压V_p和开路电压V₀的总和的极限模块。

Description

对于电池和电池子组的最大和最小功率极限计算器

技术领域

本发明电池和电池系统，更具体地涉及一种对于电池和电池系统的最大和最小功率极限计算器。

背景技术

电池系统可被用于在广泛变化的应用中提供电源。典型的运输应用包括混合动力电动汽车(HEV)、电动汽车(EV)、重型车(HDV)和用42伏电系统的车辆。典型的固定应用包括用于通信系统的备用电源、不间断电源供应(UPS)，和分布式电源产生应用。所用的电池种类的举例包括镍金属混合(NiMH)电池、铅酸(lead-acid)电池和其他种类的电池。电池系统可包括以串联和/或并联的多个电池子组(subpack)。电池子组可包括以并联和/或串联地连接的多个电池。

电池、电池子组和或电池系统所能供给的最大和/或最小功率作为电池的温度、电池荷电状态(SOC)和/或电池寿命的函数而随时间变化。例如在诸如HEV或EV的传输应用中，动力传动装置(power train)控制系统得知电池系统的最大和/或最小功率极限是很重要的。动力传动装置控制系统通常从加速器踏板接收关于功率的输入请求。动力传动装置控制系统解释(interpret)与电池系统的最大功率极限有关的功率的请求(当电池系统给轮子提供功率时)。在再充电和/或再生刹车(regenerative braking)期间最小功率极限是相关的。超过最大和/或最小功率极限可能损坏电池和/或电池系统，和/或减少电池和/或电池系统的运行寿命。

另外，由于电池系统到达它的最大和/或最小功率极限，不应该突然压制应用的需求。为提供平稳的运行，电池系统应该能够预知最大和/或最小功率极限，并将功率极限通知给应用。

发明内容

根据本发明的某些实施例，一种用于确定至少一个电池的运行极限的系统包括：电压模块，测量至少一个电池上在第一和第二时间段的电压；电流传感器，测量由至少一个电池在第一和第二时间段提供的电流；以及，极限模块，基于至少一个电池在第一时间段的电压和电流以及至少一个电池的欧姆电阻，估算至少一个电池在第二时间段的极化电压和开路电压的总和。

在一些实现中，极限模块所述极限模块基于总和、最大电压极限和/或最小电压极限的相应的至少之一以及至少一个电池的欧姆电阻，计算至少一个电池在第二时间段的最大电流极限和/或最小电流极限至少之一。第一时间段发生在第二时间段之前。极限模块基于最大电流极限和/或最小电流极限的相应的所述至少之一和所述最大电压极限和/或所述最小电压极限的相应的所述至少之一，计算至少一个电池的最大功率极限和最小功率极限的至少之一。

在其他实现中，电池系统包括权利要求1的系统，还包括至少一个电池。电池子组包括与至少一个电池串联的N-1个附加电池，与至少一个电池子组并联的M-1个附加电池子组。

通过以下提供的详细描述，本发明的进一步应用领域将变得明显。应该理解，尽管详细的描述和具体例子指示了本发明的优选实施例，它们只是为了举例作用，而不意味着限制本发明的范围。

附图说明

通过详细的描述和附图，本发明将被更全面地理解，其中：

图1是包括带有电池的电池子组、电池控制模块和主控模块的示例电池系统的功能方框图；

图2是示例电池控制模块的功能方框图；

图3是用于示例电池的等效电路的电示意；

图4是描述用于当V_max已知时产生关于图1的电池系统的最大功率极限的步骤的示例流程图；

图5是描述用于当V_min已知时产生关于图1的电池系统的最小功率极限的步骤的示例流程图；

图6是描述用于当I_max已知时产生关于图1的电池系统的最大功率极限的步骤的示例流程图；

图7是描述用于当I_min已知时产生关于图1的电池系统的最小功率极限的步骤的示例流程图。

具体实施方式

优选实施例的以下描述仅是自然地举例，而没有任何意图限制本发明、它的应用，或使用。为了清楚的目的，将用在附图中的相同的标记号表示相同的元件。如在此所用的，术语模块指的是应用具体集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(公用的、专用的，或群组的)和执行一个或多个软件或硬件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述功能性的其他适当的组件。

现在参考图1，显示了电池系统10的示例实施例，包括M个电池子组12-1、12-2...，和12-M(统称电池子组12)。电池子组12-1、12-2...，和12-M包括N个串联的电池20-11，20-12，...，20-NM(统称电池20)。电池控制模块30-1、30-2...，30-M(统称电池控制模块30)分别关联于每个电池子组12-1、12-2，...，和12-M。在某些实施例中，M等于2或3，虽然可以使用附加或更少的子组。在某些实施例中，N等于12-24，虽然可以使用附加和/或更少的电池。

电池控制模块30感应由电池子组12提供的流经的电压和电流。可替换地，电池控制模块30可以监控在电池子组12中的一个或多个单独的电池20，进行适当的伸缩和/或调整。电池控制模块30用无线和/或有线连接与主控模块40通信。主控模块40从电池控制模块30接收功率极限并产生总体功率极限。在某些实施例中，电池控制模块30可以与主控模块40集成。

现在参考图2，显示了电池控制模块30的一些元件。电池控制模块30包括电压和/或电流测量模块60，其测量流经电池子组12和/或流经电池子组12中的一个或多个单独的电池20的电压。电池控制模块30还包括电池荷电状态(SOC)模块68，其时间段地计算电池子组12中的电池20的SOC。如下面将进一步描述的，功率极限模块72为电池子组12和/或电池子组12中的一个或多个电池20计算最大电流极限I_lim、电压极限V_lim，和/或功率极限P_lim。极限可以是最大和/或最小极限。接触器控制模块74控制与电池子组12中的电池20的控制和/或连接相关联的一个或多个接触器(未显示)。时钟电路76为电池控制模块30内的一个或多个模块产生一个或多个时钟信号。

现在参考图3，显示了关于电池20的等效电路，其中R₀表示电池的欧姆电阻、V_p表示极化电压、V₀表示开路电压、I表示电池电流、V表示电池电压。V和I是测量的值。R_p随温度、施加的电流的持续时间和SOC而改变。V₀和R₀主要随SOC而改变。V_p等于测量的电流I乘以R_p。

对电池20使用等效电路和基尔霍夫(Kirchoff)电压规则，V＝V₀+V_p+IR₀。通过变换该公式，对开路电压V₀和极化电压V_p的公式为V₀+V_p＝V-IR₀。由系统测量V和I的值，且估算R₀。可替换地，系统可以进行R₀的连续计算。具体地，当电流转向时进行 $R_0=\frac{(V_i-V_{i-1})}{(I_i-I_{i-1})}\·$

在一个实施例中，已知系统的最大电压V_max，且V_max＝V₀+V_p+I_maxR₀。，从在前采样间隔替换计算V₀+V_p至V_max的公式中，生成V_max＝(V-I R₀)+I_maxR₀。在这种情况下，我们假设对电流采样间隔的V₀+V_p近似等于在前采样间隔的V₀+V_p(换句话说， $V_0+V_p\≅V_{t=i-1}-I_{t=i-1}{R}_0$ )。由于电池和周围条件很类似，

如果采样间隔足够小，则该近似是有效的。例如在某些实施例中，可以使用采样间隔10ms<T<500ms，虽然可以使用其他采样间隔。在一个实施例中，T＝100ms。如果确定采样间隔在持续时间上过多，则R₀将增加成为常量或成为基于温度的变量。

对I_max的解决方案如下：

$I_{\mathrm{mas}}=\frac{V_{\mathrm{mas}}-V_{t=i-1}+I_{t=i-1}{R}_0}{R_0}$

由于P_max＝V_maxI_max，因此，

$P_{\mathrm{mas}}=V_{\max }\left(\frac{V_{\max }-V_{t=i-1}+I_{t=i-1}{R}_0}{R_0}\right)$

现在参考图4，显示了用于计算P_max的方法100。在步骤102中，i被设为等于0。在步骤106中，重置计时器。在步骤108中，增加i。在步骤110中，测量一个或多个电池20和/或电池子组12的电流I和电压V。在步骤114，I和R₀相乘并被存储为第i个采样。在步骤118中，存储V作为第i个采样。在步骤122，控制确定计时器是否到时。如果步骤122为否，则控制返回到步骤106。如果步骤122为是，控制继续步骤124，并确定是否i＝1。如果步骤124为是，控制返回到步骤106。如果步骤124为否，控制继续步骤128，并计算I_max。控制继续步骤130并计算P_max，然后返回到步骤106。

可基于配置进行附加处理。例如，如果对每个电池感应V和I，且有N个电池串联，则可伸缩P_max计算和其他计算。如果N个电池以其他形式连接，则将发生其他计算。根据需要，当随机发生事件时，和/或用任何其他标准，也可以其他间隔进行P_max计算和其他计算。

指定V_max的系统也一般指定V_min，用类似方法的下列关系式：

$I_{\min }=\frac{V_{\min }-V_{t=i-1}+I_{t=i-1}{R}_0}{R_0}$

由于P_min＝V_minI_min，因此，

$P_{\min }=V_{\min }\left(\frac{V_{\min }-V_{t=i-1}+I_{t=i-1}{R}_0}{R_0}\right)$

现在参考图5，显示了用于计算V_min的方法140。如果步骤124为否，控制继续步骤144并计算I_min，继续步骤146并计算P_min。能理解，步骤144和146能被添加到图4中的方法100，以便能计算I_max和P_max和/或I_min和P_min。

可替换地对于具有已知I_lim的系统使用类似方法。

V_max＝I_maxR₀+V_t＝i-1-I_t＝i-1R₀

由于P_max＝V_maxI_max，因此，

P_max＝I_max(I_maxR₀+V_t＝i-1-V_t＝i-1R₀)

现在参考图6，显示了用于计算I_max的方法150。如果步骤124为否，控制继续步骤154并计算I_max，继续步骤156并计算P_max。

指定I_max的系统也一般指定I_min，用类似方法的下列关系式：

V_min＝I_minR₀+V_t＝i-1-I_t＝i-1R₀

由于P_min＝V_minI_min，因此，

P_min＝I_min(I_minR₀+V_t=i-1I_t＝i-1R₀)

现在参考图7，显示了用于计算I_min的方法160。如果步骤124为否，控制继续步骤164并计算I_min，继续步骤166并计算P_min。能理解，步骤164和166能被添加到图6中的方法150，以便能计算I_max和P_max和/或I_min和P_min。

现在本领域技术人员能从前述描述中理解，本发明的广泛示教能以各种形式实现。因此，虽然已经联系其具体实例描述了本发明，但是本发明的实际范围不应该如此限制，因为基于附图、说明书和下列权利要求的学习，技术实施者将明了其他修改。

Claims (26)

1.一种用于确定至少一个电池的运行极限的系统，包括：

电压模块，在第一和第二时间段期间测量至少一个电池上的电压V；

电流传感器，在所述第一和第二时间段期间测量由所述至少一个电池所提供的电流I；以及

极限模块，基于所述至少一个电池在所述第一时间段的所述电压V和电流I以及所述至少一个电池的欧姆电阻R₀，估算所述至少一个电池在所述第二时间段的极化电压V_p和开路电压V₀的总和。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述极限模块基于所述总和、最大电压极限V_max和/或最小电压极限V_min的相应的至少之一以及所述至少一个电池的所述欧姆电阻R₀，计算所述至少一个电池在所述第二时间段的最大电流极限I_max和/或最小电流极限I_min至少之一。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一时间段发生在所述第二时间段之前。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述极限模块基于所述最大电流极限I_max和/或所述最小电流极限I_min的相应的所述至少之一和所述最大电压极限V_max和/或所述最小电压极限V_min的相应的所述至少之一，计算所述至少一个电池的最大功率极限和最小功率极限的至少之一。

5.根据权利要求1所述的电池系统，还包括所述至少一个电池。

6.根据权利要求5所述的电池系统，还包括电池子组，其包括与所述至少一个电池串联的N-1个附加电池。

7.根据权利要求6所述的电池系统，还包括与所述电池子组并联的M-1个附加电池子组。

8.一种用于确定电池的运行极限的系统，包括：

电压模块，测量至少一个电池上在第一和第二时间段的电压V；

电流传感器，测量由所述至少一个电池在所述第一和第二时间段提供的电流I；以及

极限模块，基于所述至少一个电池在所述第一时间段的所述电压V和电流I以及所述至少一个电池的欧姆电阻R₀，估算所述至少一个电池在所述第二时间段的极化电压V_p和开路电压V₀的总和。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述极限模块基于所述总和、最大电流极限I_max和/或最小电流极限I_min相应的至少之一以及所述至少一个电池的欧姆电阻R₀，计算所述至少一个电池在所述第二时间段的最大电压极限V_max和/或最小电压极限V_min的至少之一。

10.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一时间段发生在所述第二时间段之前。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述极限模块基于所述最大电流极限I_max和/或所述最小电流极限I_min相应的所述至少之一和所述最大电压极限V_max和/或所述最小电压极限V_min的相应的所述至少之一，计算所述至少一个电池的最大功率极限和最小功率极限的至少之一。

12.根据权利要求8所述的电池系统，还包括所述至少一个电池。

13.根据权利要求12所述的电池系统，还包括电池子组，其包括与所述至少一个电池串联的N-1个附加电池。

14.根据权利要求13所述的电池系统，还包括与所述电池子组并联的M-1个附加电池子组。

15.一种用于确定电池的运行极限的方法，包括：

采样至少一个电池上在第一和第二时间段的电压V；

采样由至少一个电池在所述第一和第二时间段提供的电流I；以及

基于所述至少一个电池在所述第一时间段的所述电压V和电流I，估算所述至少一个电池在所述第二时间段的极化电压V_p和开路电压V₀的总和。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：基于所述总和、最大电流极限I_max和/或所述最小电流极限I_min相应的至少之一以及所述至少一个电池的欧姆电阻R₀，计算所述至少一个电池在所述第二时间段的最大电压极限V_max和/或最小电压极限V_min的至少之一。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一时间段发生在所述第二时间段之前。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括：基于所述最大电流极限I_max和/或所述最小电流极限I_min相应的所述至少之一和所述最大电压极限V_max和/或所述最小电压极限V_min的相应的所述至少之一，计算所述至少一个电池的最大功率极限和最小功率极限的至少之一。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括：串联N-1个附加电池到所述至少一个电池以形成电池子组。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：使M-1个附加电池子组和所述电池子组并联。

21.一种用于确定电池的运行极限的方法，包括：

采样至少一个电池上在第一和第二时间段的电压V；

采样由所述至少一个电池在所述第一和第二时间段提供的电流I；以及

基于所述至少一个电池在所述第一时间段的所述电压V和电流I，估算所述至少一个电池在所述第二时间段的极化电压V_p和开路电压V₀的总和。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括：基于所述总和、最大电压极限V_max和/或最小电压极限V_min的相应的至少之一以及所述至少一个电池的欧姆电阻R₀，计算所述至少一个电池在所述第二时间段的最大电流极限I_max和/或最小电流极限I_min至少之一。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一时间段发生在所述第二时间段之前。

24.根据权利要求22所述的方法，还包括：基于所述最大电流极限I_max和/或所述最小电流极限I_min的相应的所述至少之一和所述最大电压极限V_max和/或所述最小电压极限V_min的相应的所述至少之一，计算所述至少一个电池的最大功率极限和最小功率极限的至少之一。

25.根据权利要求21所述的方法，还包括：串联N-1个附加电池到所述至少一个电池以形成电池子组。

26.根据权利要求25所述的方法，还包括：使M-1个附加电池子组和所述电池子组并联。

Images