CN101206248B - 用于监测电能存储装置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述一种用于监测电能存储装置的方法和制造产品，其中该电能存储装置适用于传输电能给可选择性激活的电机。该方法包括：在稳定周期过后，确定该电能存储装置的电荷状态和温度；以及测量在电机的选择性致动期间该电能存储装置的最小电压输出。基于该电荷状态和温度来选择多个预定阈值电压状态之一。该最小电压和该选择的预定阈值电压进行比较。

Description

用于监测电能存储装置的方法和装置

技术领域

本发明大致涉及电能存储装置，尤其涉及一种用于确定这种装置的健康状态的方法和装置。

背景技术

现代的车辆高度依赖用于电功率产生、存储和分配的系统的适当的操作。需要可靠的提供电能以便运行每辆车辆上装配的多个系统。从例如电池的电能存储装置输出连续稳定的功率对于维持车辆运行是至关重要的。电池问题会造成服务问题以及用户不满意的问题。因此，需要监测电池在其整个寿命期间输出功率的能力。可靠的电功率供给对于车辆运行是至关重要的，尤其是在依赖于电功率的新型车辆系统中，例如x-by-wire系统和混合动力系统。在发动机运行期间检测电流和电压的系统通常噪音大，从而难以提取电池运行参数。而且，一旦系统发生故障，服务人员受益于能够分离故障，从而有效修理车辆电气系统。因此，准确地预测电池的功率能力以及可靠的识别电池中的潜在故障是重要的。在市场上，有若干种用于测试电池的健康状态的装置，它们是离线或在线式的。这些装置通常需要附加硬件，而且比较昂贵。

因此，需要提供一种用于电能存储装置的低成本监测系统以便解决上述问题。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种用于监测电能存储装置的方法，其中该电能存储装置适用于传输电能以便驱动电机。该方法包括：在稳定周期过后，确定该电能存储装置的电荷状态和温度。该电机被选择性致动。测量在电机的选择性致动期间从该电能存储装置输出的最小电压。基于该电能存储装置的电荷状态和温度来确定阈值电压状态。基于该最小电压和该阈值电压状态来确定该电能存储装置的剩余使用寿命。通过阅读和理解实施例的下述具体实施方式，本领域技术人员将能够清楚理解本发明的这些和其它方面。

附图说明

本发明可以采取特定部件和部件结构的物理形式，其实施例在形成本发明的一部分的附图中得以详细说明和阐述，其中：

图1是根据本发明的示例性电路的示意图；

图2和3是根据本发明的算法流程图；以及

图4-6是根据本发明的表格形式的数据集。

具体实施方式

现在参照附图，其中所示附图仅仅是用于阐述本发明而非限制本发明，图1示出根据本发明的一个实施例构造的电路的示意图。该电路包括电能存储装置10(ESD)，电能存储装置10选择性电连接到电路20，其中电路20包括电力驱动装置25，电力驱动装置25通过开关16的致动经配线电连接到ESD。该ESD的特征在于以下方面：内部电池电阻(R_B)、开路电压或电位(OCV)以及接线端12、14两端的电输出，该电输出包括电压Vbatt和电流Ibatt。内部电池电阻R_B是总体内部阻抗的一个特征，它可以包括由电容表征的频率成分，但是在此不加详细说明。电路20的特征在于电阻抗，包括电路电阻(Rc)。在所述实施例中，该ESD10包括传统的铅酸电池，该铅酸电池被选择性连接到电力驱动装置25并且向其提供电功率，该电力驱动装置25包括启动电机，该启动电机适用于由车辆操作者或者利用发动机停止启动策略响应于由发动机控制模块30产生的命令，而在开关16致动时曲柄转动内燃机5，其中该发动机控制模块30作为车辆结构一部分，该开关16包括点火开关。

控制模块30适用于响应来自车辆操作者的输入而致动开关16，并且监测接线端12、14两端可测量的电输出。该控制模块优选为通用数字计算机，该通用数字计算机通常包括微处理器或中央处理单元、存储介质、高速时钟、模数(A/D)和数模(D/A)电路、输入/输出电路和装置(I/O)以及合适的信号调控和缓冲电路，该存储介质包括非易失性存储装置，该非易失性存储装置包括只读存储器(ROM)，以及电可编程只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)。该控制模块具有一组控制算法，包括常驻程序指令和校准值，它们存储在存储器中并且可被执行以提供每个计算机的相应功能。该控制模块30可以经局域网(LAN)信号连接到总体结构的其它控制模块。

本发明包括用于在静止周期过后通常在车辆处于切断电源模式的周期过后监测ESD10的方法。该方法包括确定开路电压(OCV)和温度(T)，并且通过这些物理量来确定ESD的电荷状态(SOC)。在电路通过操作电力驱动装置25而释放电流的期间，例如在发动机曲柄转动/启动事件期间，来测量ESD的最小电压(Vmin)。该最小电压和阈值电压(Vth)进行比较。该阈值电压基于电能存储装置的电荷状态和温度通过预定校准值来确定。通常被称为电池健康状态的ESD的剩余使用寿命基于该最小电压和该阈值电压来计算，其中该阈值电压基于电能存储装置的电荷和温度状态来确定。依赖以表格形式存储在控制模块的存储装置之一中的预定校准值，该方法优选执行为控制模块中的算法。下面详细说明该方法的实施例。

现在参照图2，示出算法的流程图40，该算法优选在该控制模块中执行，用于确定ESD的健康状态，其中ESD是根据图1构造的系统的一个元件。该系统优选处于静止周期中，其中该系统被切断电源，以使得在足以稳定多种电池特性的预定时间周期内有最小电流或没有电流流入或流出ESD。该静止周期包括切断周期，它具有四至六小时的持续时间范围，当该系统在车辆中实施时，该电源切断周期通常足以让内部电池温度T达到环境温度，虽然对于本发明有效运行来说电池温度不必达到环境温度。在足够持续时间的静止周期之后，该控制模块测量电池电压Vbatt、通过接线端12、14的电流Ibatt以及电池温度T，通过这些物理量它可以确定开路电池电压(OCV)(步骤42)。利用公知的传感器和信号处理算法来测量电池电压和温度状态。使用传感器或者作为替换地通过电池温度估测器直接测量电池温度，从而确定电池温度状态。电池温度估测器的示例包括将发动机冷却剂温度用作为温度替代量或代表性温度以接近在上述范围中的静止周期之后的电池温度。利用用于确定SOC的公知方法(步骤44)，电池电荷状态基于电路电池电压和电池温度来确定。通常利用设置成表格格式并且存储在控制模块的非易失性存储装置之一中的预校准数据，通过在电池温度T测量的电池电路电压来估测电池SOC。当电池SOC低于预定阈值电荷状态(SOC_thr)(步骤46)时，向操作者发出通告，并且系统操作继续进行(步骤60)。在步骤42、44和46中进行的动作在步骤48的动作之前的静止周期内发生，并且可以独立于静止周期。

在静止周期之后，通过致动开关16来激活该系统。通过电路20，例如通过曲柄式发动机以启动其操作，致动开关16施加了短时间、高电流的电负载到电池。在该高电流的电负载期间测量电池电压，并且测量最小电池电压(Vmin)，然后将其存储在一个存储装置中(步骤48)。该最小电池电压和在相同温度和SOC下确定的对应阈值电压Vth进行比较(步骤50)。下面参照图3和图4、5和6来说明确定阈值电压Vth。

比较结果(步骤50)存储在控制模块的非易失性存储装置中，以便进一步参考和分析。当最小电池电压小于对应的阈值电压达N个连续次数(其中N是被校准数)，或者在最后‘m’个曲柄转动事件中的‘n’次(其中n、m是可以校准的)，(步骤52)则向操作者发出电池寿命将尽的警告，表示需要操作者来进行电池服务(步骤70)。

否则，确定电池健康状态(SOH)(步骤54)，并且通过车辆仪表盘上的仪器或者通过在车辆信息中心的通信和操作者进行通信(步骤56)。电池SOH包括当前最小电池电压Vmin和阈值电压值Vth之间的标准化计算。该标准化计算参照等式1来说明：

$\frac{V_{\min }(T,\mathrm{SOC})-V_{\mathrm{th}}(T,\mathrm{SOC})}{V_{\min ,\mathrm{new}}(T,\mathrm{SOC})-V_{\mathrm{th}}(T,\mathrm{SOC})}---\left[1\right]$

电池SOH计算为当前最小电池电压Vmin和阈值电压值Vth之间的标准化计算的线性和指数函数之一。线性函数参照等式2所示：

$\mathrm{SOH}=\left(\frac{V_{\min }(T,\mathrm{SOC})-V_{\mathrm{th}}(T,\mathrm{SOC})}{V_{\min ,\mathrm{new}}(T,\mathrm{SOC})-V_{\mathrm{th}}(T,\mathrm{OC})}\right)*100\%---\left[2\right]$

其中V_min(T，SOC)包括测量的最小电压。值V_min，new(T，SOC)包括当电池为新电池时确定的测量的最小电压，以及V_th(T，SOC)包括最小电压阈值。当电池为新电池时，SOH是100％。随着电池的老化，SOH减小，不断接近0％的标准化SOH。

现在参照图3，示出用于构造电池最小电压阈值V_th(T，SOC)的流程图80，它可以基于电池温度和电荷状态来确定。在系统开发期间，参照图3所述的一些步骤和动作离线进行，从而产生数据以用于构造用于存储和随后在控制模块中实施动作的校准表格以供算法使用。基于电池温度和SOC的预定校准值，来确定电池开路电压表格(以伏特为单位)(步骤82)。参照图5以表格形式示出示例性数据集，包括在电池温度状态T和SOC的范围上的典型标准12伏特电池装置的多个开路电压状态。

在标准化运行条件下例如在25摄氏度下以及在高SOC(例如高于70％)条件下进行曲柄转动期间，确定临界或极限电池电阻(Rb_lim)(步骤84)。在参照图1所示的电路中，用于曲柄转动电路20的示例性电池10可以具有大约8毫欧姆的极限电池电阻值(Rb_lim)。该极限电池电阻通常通过大规模加速老化测试来确定，从而确定这样的电阻值，超过该电阻值，电池很可能就不能有效曲柄转动发动机，即使在高SOC下以及标准温度下或高于标准温度的条件下。

确定不包括电池电阻Rb的曲柄转动电机电路电阻Rc(步骤86)。曲柄转动电机电路电阻Rc包括电路20的电阻并包含和包括其所有部件，包括配线电缆、电机电刷和其它部件，并且优选在试生产车辆校准和开发期间发生的标准化曲柄转动测试期间确定。曲柄转动电机电路电阻Rc通常被计算为最小曲柄转动电压除以在曲柄转动期间出现的最小电流(Imin)，也就是，Vmin/Imin。曲柄转动电机电路电阻Rc通常根据曲柄转动电机电路的温度而变。对于图1所示的系统的实施例，用于示例性系统的合理值已经确定为13.2毫欧姆。

极限电池电阻Rb_lim可以在曲柄转动期间根据温度和SOC而变化。在该示例中，温度每减小一度(C)，电池电阻Rb_lim则增大0.03毫欧姆；以及在50％以下SOC每减小10％，电池电阻Rb_lim则增大2.5％。因此，该极限电池电阻被调节以说明不同的温度状态和SOC。对于高SOC(25摄氏度点)利用8毫欧姆的电池电阻，产生用于电池电阻Rb的校准数据集。确定与电池温度状态和SOC相关的、曲柄转动期间的电池电阻变化性(步骤88)。现在参照图4，示出表格格式的示例性数据集，其包括单位为毫欧姆、在温度状态T和SOC的范围内确定的多个极限电池电阻(Rb_lim)(步骤90)。

调节该极限电池电阻以说明电池温度和SOC。基于所述信息，在温度状态T和SOC的范围内确定和调节阈值最小电池电压状态V_th(T，SOC)。下面参照等式3来说明用于确定V_th的示例性等式：

$V_{\mathrm{th}}=\frac{\mathrm{OCV}(T,\mathrm{SOC})*\mathrm{Rc}\left(T\right)}{\mathrm{Rb}\_\lim (\mathrm{SOC},T)+\mathrm{Rc}\left(T\right)}---\left[3\right]$

等式3用于在温度状态和SOC的范围内产生V_th(T，SOC)的多个值，从而产生表格形式的校准值，其存储在控制模块的非易失性存储装置之一中(步骤92)。现在参照图6，基于图4和5的数据，以所述的示例性系统的表格形式说明阐述概念的预定校准值。根据电池温度状态T和电池SOC，该示例性系统具有从8.30伏特至6.34伏特的阈值电压。

再次参照图2的步骤50、52和54，测量的Vmin和用于温度和SOC的阈值电压Vth进行比较，并且存储比较结果以供进一步分析。当最小电池电压小于相应的阈值电压时，向操作者发出电池寿命即将结束的警告。而且，表示电池健康状态的参数被确定并传递给系统操作者或者向系统操作者示出。

本发明已经通过具体参照优选实施例及其变型来说明。通过阅读和理解本说明书，可以进行其它变型修改和变换。在本发明的范围内包括所有这些变型和变换。

Claims (19)

1.一种用于监测电能存储装置的方法，其中该电能存储装置适用于传输电能以便驱动电机，该方法包括：

在稳定周期过后，确定该电能存储装置的电荷状态和温度；

选择性致动该电机；

测量在电机的选择性致动期间从该电能存储装置输出的最小电压；

基于该电能存储装置的电荷状态和温度来确定阈值电压状态；以及

基于该最小电压和该阈值电压状态来确定该电能存储装置的剩余使用寿命。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于该电能存储装置的电荷状态和温度来确定阈值电压状态的步骤包括基于该电荷状态和温度来选择多个预定阈值电压状态之一。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在电荷状态范围和温度状态范围上确定电能存储装置的多个开路电压状态；

确定电能存储装置的极限电阻；

在放电事件期间确定电机的电阻；以及

计算多个阈值电压状态，基于在电荷状态范围和温度范围上放电事件期间的多个开路电压状态、电能存储装置的极限电阻和电机的电阻来计算每个阈值电压状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其中电机的电阻在放电事件期间基于电机电路的温度来确定。

5.根据权利要求3所述的方法，其中电能存储装置的极限电阻包括一电阻值，超过该电阻值，电能存储装置则不能驱动电机。

6.一种用于监测电池的方法，该电池适用于提供电功率给电机，该电机适用于曲柄转动内燃机，该方法包括：

在稳定周期之后确定电池的电荷状态和温度；

测量在发动机曲柄转动期间从电池输出的最小电压；

基于电池的电荷状态和温度来选择多个预定阈值电压状态之一；

将发动机曲柄转动期间从电池测量的最小电压输出和选择的预定阈值电压状态进行比较；以及，

基于最小电压和阈值电压来计算电池的剩余使用寿命，其中该阈值电压基于电池的电荷状态和温度而确定。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括基于电池的电荷和温度状态确定多个预定阈值电压状态的步骤，该步骤包括：

在电荷状态范围和温度状态范围上确定电能存储装置的多个开路电压状态；

确定电池的极限电阻；

在放电事件期间确定包括电机的曲柄转动系统的电阻；

基于在电荷状态范围和温度状态范围上放电事件期间的多个开路电池电压状态、电池的极限电阻和曲柄转动系统的电阻来计算多个阈值电压状态。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括当最小电压值低于阈值时告知车辆操作者的步骤。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括当最小电压值低于阈值达预定数量的发动机启动循环周期时告知车辆操作者的步骤。

10.根据权利要求6所述的方法，其中在稳定周期之后确定电池的电荷状态和温度的步骤包括：仅在电池足以达到环境温度的时间周期延迟之后执行该方法。

11.根据权利要求10所述的方法，其中电池足以达到环境温度的时间周期延迟包括六至十小时范围的周期。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括在放电事件期间基于环境温度来确定曲柄转动系统的电阻。

13.根据权利要求7所述的方法，其中电池的极限电阻包括一电阻值，在该电池的电荷状态和温度下，该电池超过该电阻值则不能驱动电机来曲柄转动发动机。

14.根据权利要求13所述的方法，其中确定电池的极限电阻的步骤包括基于温度状态和电荷来选择电池的多个预校准极限电阻之一。

15.一种用于监测电池的健康状态的设备，该电池适用于提供电功率给电机，该电机适用于曲柄转动内燃机，该设备包括：

用于在稳定周期之后确定电池的电荷状态和温度的装置；

用于测量在发动机曲柄转动期间电池的最小电压输出的装置；

用于将发动机曲柄转动期间从电池测量的最小电压输出和阈值电压状态进行比较的装置，其中该阈值电压基于电池的电荷状态和温度而确定；以及，

用于基于最小电压和阈值电压来计算电池的剩余使用寿命的装置，其中该阈值电压基于电池的电荷状态和温度而确定。

16.根据权利要求15的设备，还包括用于基于电池的电荷状态和温度来确定预定校准值的装置，包括：

用于在电荷状态范围和温度状态范围上确定电池的多个开路电压状态的装置；

用于确定电池的极限电阻的装置；以及，

用于确定在发动机曲柄转动期间曲柄转动系统的电阻的装置；以及，

用于基于在电荷状态范围和温度状态范围上放电事件期间的多个开路电压状态、极限电池电阻和曲柄转动系统的电阻来计算多个阈值电压状态的装置。

17.根据权利要求16的设备，其中在电荷状态范围和温度状态范围上计算多个阈值电压状态，每个阈值电压基于开路电压状态、发动机曲柄转动期间的极限电池电阻和曲柄转动系统的电阻来计算。

18.根据权利要求15的设备，还包括用于基于最小电压和选择的预定阈值电压来计算表示电池健康状态的指标的装置。

19.根据权利要求18的设备，还包括用于向操作者传送表示电池健康状态的指标的装置。

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