CN101221224A - 监测电能存储装置的方法和系统 - Google Patents

Abstract

监测电能存储装置的方法和系统。通过向其循环施加电负载和在循环施加的电负载的瞬变部分期间监测电压和电流来监测电能存储装置。

Description

监测电能存储装置的方法和系统

技术领域

本发明主要涉及到电能存储装置。

背景技术

现代交通工具非常依赖于用于电能产生、存储和分布的系统的正常运行。每个车辆上的各种各样系统的运行都需要电能的可靠供给。预测电能存储装置(ESD)，比如电池，的能量容量，以及可靠的识别出电池的潜在故障是必要的。电池健康状态(SOH)包括用ESD总寿命的百分比来表示的ESD的剩余使用寿命的列表。已知的市场上用于确定电池SOH的设备需要另外的硬件并且价格昂贵。

发明内容

监测电能存储装置的方法包括在电能存储装置上循环施加电负载，以及在电负载的循环施加的瞬变部分期间监测从电能存储装置输出的电压和电流。基于在电负载的循环施加的瞬变部分期间监测到的电流和电压来估算电能存储装置的内阻。

附图说明

现在结合以下附图，以举例的方式描述一个或多个的实施例，其中：

图1是根据本发明的示例电路的示意图；并且

图2、2A和2B是根据本发明的算法流程图。

具体实施方式

现在参见附图，其仅仅是为了说明实施方式的目的，并不意在限制于此。图1示出了一个根据一个实施例的包括表示示例性电能存储装置(ESD)10的Thevenin等效电路的示意图。该ESD可以包括用于车辆的电池设备，比如，传统的12V-dc电池设备。可替换地，该ESD包括高电压ESD设备，可被操作用于向机电混合车辆系统供应电能。该等效电路包括电压生成元件V₀和V_H，以及包括高频电阻Ro、并联电阻R_p和并联电容C的内阻抗元件。评估ESD10的参数包括开路电位(Voc)和端子12、14两端可测量的电能输出，包括电压V_meas和电流I_meas。

该ESD10通过配线和开关16选择性地可连接到负载设备18上，从而形成电路。该开关16可以包括多种控电设备中的任意一种，比如，通过电子控制模块15可操作控制的机电继电器的固体状态。电流传感装置13能够测量电流I_meas，并可以与控制模块信号连接。端子12和14信号连接到控制模块，允许电压V_meas的测量。

控制模块15可操作用于通过控制一个或多个开关来激活和去激活到ESD的负载，通过监测电流和电压的输入来监测ESD参数的状态，并且执行存储在其中的算法以根据监测到的ESD的状态来确定ESD的健康状态。当控制模块闭合开关16时，完成电路，并且电负载被施加到ESD上，在电压V_meas和电流I_meas方面可测量。

监测ESD并确定健康状态(SOH)以及预测剩余使用寿命的优选过程是基于对在原处的ESD的高频电阻Ro的估算，优选是在一段逝去时间后的静止周期内对其的估算，尽管本发明并不仅限于此。静止周期例如当点火被切断时的汽车应用中被定义。静止周期优选有足够的持续时间以允许ESD稳定化，从而实现SOC的准确估算。可替换地，只要由该ESD操作参数所确定的该ESD是稳定的，负载就可以在系统操作期间被施加到系统。

ESD的该高频电阻Ro通过例如在静止周期期间施加电负载到ESD上并监测输出而被确定。该电负载采用施加到该ESD的以方波形式的放电电流信号形式。施加的放电电流波形包括不同的激励频率，或通断循环周期。该放电电流的合适的大小约为20A。该放电电流通过反复地激活和去激活负载设备18而得到，例如，当该ESD是机动车辆的一个部件时，该负载设备18包括后窗除雾器。

该控制模块15优选是通用数字计算机，主要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)转换电路、以及输入/输出电路和设备(I/O)和合适信号调整和缓冲电路，其中存储介质包括非易失性存储设备，非易失性存储设备包括只读存储器(ROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、随机存储器(RAM)。该控制模块可以有一套控制算法，包括存储在内存中且可执行来提供计算机的各种功能的驻留程序指令和校准值。

现在参见图2、2A和2B，流程图20描述了一种算法，优选是在该控制模块中执行以确定该ESD的健康状态(SOH)，该ESD是根据图1建造的系统的一个元件。该系统优选是在静止周期中，其中该系统被停止从而在预定的时间段内有很小或没有电流进入或流出该ESD，该时间段足够长以使各种ESD特性稳定下来。当在车辆上执行时，该静止周期包括对于使该ESD的内部条件稳定化的切断周期，典型的是一段四到六小时的时间。该ESD的该稳定化使得精确、可重复地测量表示电池健康状态的条件，所述条件包括内部操作ESD温度T，尽管已知该ESD温度不必达到有效操作的环境温度。在一段足够长的时间段后的静止周期期间，该控制模块测量端子12、14两端的ESD的电压V_meas和电流I_meas，以及该ESD的温度T，通过它们来确定ESD开路电位(VOC)(步骤22)。如上所述，利用已知的传感器和信号处理算法来测量ESD电压、电流和温度状态(步骤24)。该ESD温度状态通过使用传感器或使用电池温度估算器直接测量ESD温度来确定。一个电池温度测量器的例子包括使用发动机冷却剂温度和环境温度作为测量替代或代理温度以在静止周期后在上述的范围内逼近电池温度。

当ESD电流大于第一阈值I_thr_1时(步骤26)，通常经由仪表灯来通知操作者(步骤35)，然后算法20的测试中止(步骤37)。该第一阈值I_thr_1包括来自ESD的最大电流，指明进行该测试的能力。

利用任何一种用来确定SOC的公知的方法基于ESD开路电位和ESD的温度T来确定ESD的荷电状态(state-of-charge)(步骤28)。根据在该ESD温度T下的ESD开路电压V_OC，通常采用以表格形式排列且存储在控制模块的非易失性存储设备之一中的预校准的数据来估算该ESD SOC。如以上关于步骤35、37所述的，当该ESD SOC低于预定的荷电状态阈值(SOC_Low)时(步骤30)，通知操作者。当该ESD SOC低于第二预定荷电状态阈值(SOC_High)时(步骤32)，算法20的测试中止。步骤22、24、26、28、30和32中所实施的动作发生在步骤34的动作之前的静止周期期间，并且可以独立于它。

然后，在这个实施例中，该控制模块通过激励负载设备18来产生电负载和放电电流以施加放电电流波形。该电流和电压被同时被监测(步骤34)。该放电电流包括由该控制模块产生的电流波形，该电流波形由控制模块通过反复使负载设备18接通和关断，比如，通过施加开关信号到开关16上来产生。该车辆后窗除雾器是一个合适负载的例子。仅作为举例而言，在一个实施例中，施加到开关16上的开关信号的总持续时间大约为120秒。在这个说明中，如在该实施例中所述的，来自控制模块的开关信号有三部分不同的频率。每一部分持续40秒，有50％的占空比。第一部分具有两个循环；每一个具有20秒的周期(10秒接通10秒关断)。第二部分有四个循环；每一个具有10秒的周期(5秒接通5秒关断)。第三部分有10个循环；每一个具有4秒的周期(2秒接通2秒关断)。分析包括ESD电压V_meas和电流I_meas的数据，以确定该ESD的高频电阻。两个单独的计算被执行以估算被称为Roe_1和Roe_2的高频内阻(步骤36，38)。

第一估算值Roe_1是通过使用递归的最小二乘法基于监测到的数据估算电阻而得到的。这种方法例如在共同待决且共同转让的美国专利申请系列号11/561907(代理人案号GP-307669)中有所描述。该方法包括监测来自在参照步骤34所述的负载条件下的系统的状态数据，即，V_meas和I_meas，然后递归执行多个方程来利用最小二乘法得到高频电阻的估算值，Ro。

第二估算值Roe_2是使用一个方法得到的，该方法在端子12、14两端测量的输出信号的上升边缘、下降边缘或在上升和下降边缘的多个点执行对ESD电压变化和电流变化比值的过滤分析(步骤38)。参考图2A进一步详细描述在循环施加的电负载的静止部分期间的这个确定过程。

现在参见图2A，该第二估算算法计算在输出信号的上升和下降边缘的多个点处的电压变化与电流变化的比值(即，ΔV_meas/ΔI_meas)。该估算中应用了在输出信号的每个上升和下降边缘处的三个点以得到高频电阻值的指示。当电流穿过预定电流值时，比如5A、10A和15A，，该计算被触发。对应于穿过电流电平5A、10A和15A的电流的电阻Ro1、Ro2和Ro3的值在每个“i”点(i＝1，2，3)处利用方程1确定：

$\mathrm{Roi}=-\frac{V\left(i\right)-V(i-1)}{I\left(i\right)-I(i-1)}---\left[1\right]$

其中V(i)和I(i)分别包括触发点的V_meas，I_meas。电压和电流电平V(i-1)，和I(i-1)分别是在前一个取样点的电压和电流。使用的取样时间为20毫秒(ms)。对于每个触发电流电平，通过方程2计算每个所计算的Roi(Filtered_Roi)的平均值：

$\mathrm{Filtered}\_\mathrm{Roi}=\frac{\∫\mathrm{Ro}.\mathrm{dt}}{t}$ 对于i＝1，2，3    [2]

其中“t”是激励信号的总消逝时间。

在测试结束时，使用这个方法的高频电阻的平均值利用方程3来确定，得出Roe_2：

$\mathrm{Roe}\_2=\frac{(\mathrm{Filtered}\_\mathrm{Rol}+\mathrm{Filtered}\_\mathrm{Ro}2+\mathrm{Filtered}\_\mathrm{Ro}3)}{3}---\left[3\right]$

该估算的高频电阻，Roe_1和Roe_2，通过平均测试期间的所有值而被过滤。如图2B所示，从这两个方法得到的高频电阻值被输入一个算法，以确定高频电阻的平均值和置信水平，并且下文将进行描述。置信水平基于Roe_1和Roe_2之间的标准化残差而被计算。然后该两个输出被用于后续的过滤块(步骤40)。基于置信水平来调整过滤值上的新电阻值的加权系数。该ESD高频电阻相关于温度而被连续估算并储存。在相同温度下高频电阻相距其极限值(即，在ESD寿命终止时的电阻值)的标准化距离是该ESD剩余寿命百分水平的指示符。

分析Roe_1和Roe_2和值以确定Ro的估算值，以及相应的置信水平(步骤39)。Roe_1和Roe_2的值期望是合理地相似。如图2B所示的分析Roe_1和Roe_2的值，并且将Ro作为Roe_1和Roe_2的平均值来计算和标准化，如方程4：

$\mathrm{Ro}=\frac{(\mathrm{Roe}\_1+\mathrm{Roe}\_2)}{2}---\left[4\right]$

如方程5所示计算标准化残差，Delta：

$\mathrm{Delta}=\frac{(\mathrm{Roe}\_1-\mathrm{Roe}\_2)}{\mathrm{Ro}}---\left[5\right]$

置信水平基于标准化残差Delta来计算。当标准化残差值在预定的区间[-a，+a]内时，该高频电阻的值是这两个电阻的平均值，且置信水平为100％。当标准化残差在区间[-a，+a]外但在区间[-b，+b]内时，该高频电阻值是这两个电阻的平均值，置信水平在100％到0％的范围。当标准化残差在区间[-b，+b]以外时，置信水平为0％。在区间[-b，-a]之间置信水平从0到100％线性增加，并且在区间[+a，+b]之间从100％到0线性减小。

高频电阻值Ro和置信水平都被输入到过滤块，以降低随机因素的影响(步骤40)。例如，在这个应用中使用一个加权的移动平均值滤波器。在滤波器中新电阻值的权重取决于置信水平。例如，当置信水平为0％时，就丢弃新的值，并且不用它来确定SOH。

该高频电阻的值可以在ESD单元之间变化，并且因此，当该ESD包括新投入服务的单元时，优选地基于温度和SOC来生成Ro的基线值。对于新电池(比如，在本实施例中在几周内测量的、使用期限低于预定的循环次数或服务时间的新电池)，基于温度和SOC估算的Ro值以表格形式存储在控制模块15的存储设备中，并且100％的剩余寿命指示被发送给操作者，然后继续运行(步骤42、48、50、52)。

当因不停循环使该ESD老化时，该高频电阻由于若干原因而增加，比如格栅腐蚀和硫酸化。为预测该ESD的剩余使用寿命，将同一温度和SOC下的Ro估算值和Ro极限值(即，当该ESD不能再产生足以启动车辆的能量时)之间的标准化差值被计算(步骤44)。该Ro的极限值作为温度和SOC的函数能够在系统的试生产期间被确定。该ESD的剩余使用寿命，即SOH，能够根据方程6计算：

$\mathrm{SOH}=\frac{(R_{o,\mathrm{limit}}-R_o)}{(R_{o,\mathrm{limit}}-R_{o,\mathrm{new}})}\×100\%---\left[6\right]$

其中R_o，limit是Ro的极限值，R_o，new是ESD是新的时的Ro。对于刚投入服务的ESD，SOH是100％。当ESD老化并且电阻增加时，SOH降低到0。ESD SOH通过计量器被指示给操作者，例如，通过和车辆操作者或修理技师通信的车载设备(步骤46)，该系统的操作在此后继续(步骤52)。

该ESD健康状态(SOH)基于高频电阻Ro与基线高频电阻相比的变化来确定。在ESD服务寿命内SOH的变化使操作者能够估计该ESD的老化，即，预测该ESD的剩余使用寿命。该SOH通过估算该ESD在特定操作条件下的内阻来确定。在持续的操作期间该ESD高频电阻被重复地估算，并和相关的环境温度一起被存储在控制模块的存储设备中。在相似温度和SOC下确定的高频电阻参数和极限值之间的标准化差值表示ESD的剩余使用寿命。示例性的SOH的极限值包括ESD不再能够产生足以启动和操作车辆的能量时的电阻值R_o，limit。

以上描述了特定优选的实施例及其改进。在阅读和理解本说明书的的基础上，还可以做出进一步的改进和变化。因此，本发明不局限于这些被认为是实现本发明最好方式的特定实施例，但本发明包括所有落入所附带的权利要求的范围内的实施方式。

Claims (14)

1.监测电能存储装置的方法，包括：

向该电能存储装置循环施加电负载，并监测其电流和电压；并且，

基于在循环施加电负载期间监测到的电流和电压状态来估算该电能存储装置的内阻和相关的置信水平。

2.如权利要求1所述的方法，其中估算电能存储装置的内阻包括基于在循环施加电负载期间监测到的电流和电压的状态来估算该电能存储装置的第一和第二内阻状态。

3.如权利要求2所述的方法，其中估算第一内阻状态包括基于监测到的电流和电压来递归地执行最小二乘计算。

4.如权利要求2所述的方法，其中估算第二内阻状态包括在循环施加电负载的瞬变部分期间确定电压变化和电流变化的比值。

5.如权利要求2所述的方法，其中估算电能存储装置的相关的置信水平包括：

基于第一和第二内阻估算值之间的差值计算残差；以及

基于该残差确定该置信水平。

6.如权利要求1所述的方法，其中向该电能存储装置循环施加电负载包括循环地激活和去激活分立的电负载设备。

7.如权利要求6所述的方法，其还包括：选择性减少激活和去激活该分立的电负载设备的循环周期。

8.如权利要求1所述的方法，其中在静止周期向该电能存储装置循环施加电负载和监测其电流和电压。

9.监测电能存储装置的方法，包括：

向该电能存储装置循环施加电负载并监测其电流和电压；

基于在循环施加电负载期间监测到的电流和电压状态来估算该电能存储装置的内阻和相关的置信水平；以及

基于该估算的内阻来确定该电能存储装置的健康状态。

10.如权利要求9所述的方法，其中估算该电能存储装置的内阻和相关的置信水平包括基于在循环施加电负载期间监测到的电流和电压状态来估算该电能存储装置的第一和第二内阻状态。

11.如权利要求10所述的方法，其中估算第一内阻状态包括基于监测到的电流和电压来递归地执行最小二乘计算。

12.如权利要求10所述的方法，其中估算第二内阻状态包括在循环施加电负载的瞬变部分期间确定电压变化和电流变化的比值。

13.监测电能存储装置的方法，包括：

向该电能存储装置循环施加电负载；

在循环施加电负载的瞬变部分期间监测从该电能存储装置输出的电压和电流；以及

基于在循环施加电负载的瞬变部分期间监测到的电流和电压来估算该电能存储设备的内阻。

14.如权利要求13所述的方法，其中在循环施加电负载的瞬变部分期间监测从该电能存储装置输出的电压和电流包括在循环施加电负载的瞬变部分期间监测预定电流下的电压。

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