CN101371154B - 充电复原的电池状态 - Google Patents

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Abstract

提供一种与电池一起使用的电池控制模块并包含：测量电池电压的电压测量模块；测量电池电流的电流测量模块；及充电状态(SOC)模块。SOC模块与电流和电压测量模块相联系，根据电池电流确定复原电压，比较电池电压和复原电压，并且根据比较结果复原电池SOC。

Description

充电复原的电池状态
相关申请的交叉引用
本申请是于2005年12月13日申请的序号为11/301750的美国专利申请的继续，该申请是于2005年3月16日申请的序号为11/081978的美国专利申请的部分继续，其要求享有于2004年4月6日申请的序号为60/559921的美国临时申请的权益。本申请涉及于2005年3月16日申请的序号为11/081979的美国专利申请，并涉及于2005年3月16日申请的序号为11/081980的美国专利申请。于此申请包含上述申请的公开内容，它们整体可供参考。
技术领域
本发明涉及电池系统，更具体地说，涉及用于电池系统的充电跟踪系统的状态。
背景技术
电池系统可以在范围广泛的各种应用中用于提供电力。示范性的运输应用包括混合电力机车(HEV)、电力机车、重负载机车(HDV)和具有42伏电力系统的机车。示范性的固定应用包括用于远程通信系统的后备电源、不间断电源(UPS)，以及分布式电源生成应用。
所用的电池类型的实例包括镍金属氢化物(NiMH)电池、铅酸电池和其他类型的电池。一个电池系统可以包括多个串联和/或并联的电池子部件。电池子部件可以包括多个并联和/或串联的电池。
由电池、电池子部件和/或电池系统传送的最大和/或最小功率作为电池温度、电池充电状态(SOC)和/或电池老化的函数随时间变化。因此，对于确定最大和/或最小功率，精确估算电池SOC是重要的。
由电池可以提供的或由电池起源的能量是充电状态的函数。当在运行过程中电池的充电状态已知和作为目标时，在充电中允许安培-小时的能力和放电中提供安培-小时之间可以维持最佳比率。当这一最佳比率可以维持时，降低了为承担适当的辅助电力和再生能量对过大电池系统的需求。
举例来说，在例如HEV或EV的运输应用中，对于动力机车(powertrain)控制系统来说，了解电池系统的最大和/或最小功率限值是重要的。电力机车控制系统通常从加速装置踏板接受对于功率的输入请求。电力机车控制系统判读对于与电池系统的最大功率限值相关的功率的请求(当电池系统向车轮提供动力时)。最小功率限值在再充电和/或再生式制动过程中可能是相关的。超出最大和/或最小功率限值可能损害电池和/或电池系统，和/或降低电池和/或电池系统的运行寿命。能够精确地估算电池SOC已经多少成为问题，特别是，当电池系统包括NiMH电池时。
发明内容
提供一种与电池一起使用的电池控制模块，并包括测量电池电压的电压测量模块、测量电池电流的电流测量模块，以及充电状态(SOC)模块。SOC模块与电流和电压测量模块相联系，根据电池电流确定复原电压，将电池电压与复原电压相比较，并根据比较的结果复原电池SOC。
在其他特征中，提供一种与电池一起使用的电池控制模块，并包括测量电池电压的电压测量模块、测量电池电流的电流测量模块，以及与电流和电压测量模块相联系的充电状态(SOC)模块。SOC模块根据电池电流和电池电压估算开路电压，并根据开路电压估算SOC。
在其他特征中，提供一种与电池一起使用的电池控制模块，并包括测量电池电压的电压测量模块、测量电池电流的电流测量模块，以及与电流和电压测量模块相联系的充电状态(SOC)模块。SOC模块确定所述电池的非滤波SOC、所述非滤波SOC的特性，以及根据所述非滤波SOC和所述特性的修改的SOC。
在其他特征中，提供一种与电池一起使用的电池控制模块，并包括测量电池电压的电压测量模块、测量电池电流的电流测量模块，以及充电状态(SOC)模块，其确定第一和第二复原电压，将电池电压与第一和第二复原电压相比较，并根据所述第一和第二复原电压以及所述电池电压确定非滤波的SOC。
根据以下提供的详细的说明，本发明的可应用范围将变得更明显。应当理解，在简要说明本发明的优选实施例的同时，该详细说明和具体实例仅意在描述而非意在限制本发明的范围。
根据以下提供的详细的说明，本发明的可应用范围将变得更明显。应当理解，在简要说明本发明的优选实施例的同时，该详细说明和具体实例仅意在描述而非意在限制本发明的范围。
附图说明
根据该详细说明和附图将更完整地理解本发明，其中：
图1是包括电池子部件、电池控制模块和主控制模块的电池系统的功能性方框图；
图2是电池控制模块更详细的功能性方框图；
图3是电池的等效电路图；
图4是作为时间函数的电池电流的曲线图；
图5A和图5B是描述用于估算充电状态的松弛(relaxation)电压的方法的步骤的流程图；
图6是作为时间函数的电池电流的曲线图，显示充电和放电摆动和充电和放电事件(event)；
图7是描述估算电池充电状态的功率比率方法的流程图；
图8是描述估算电池充电状态的开路电压方法的流程图；
图9A是作为电池电压函数的SOC的曲线图；
图9B是作为时间函数的经滤波的SOC电压的曲线图；
图10是包括温度测量模块的电池控制模块的更详细的功能性方框图；
图11A和11B是描述复原所估算的电池充电状态的步骤的流程图；
图12A和12B是描述确定用于确定高和低复原阈值的极化电压限值的步骤的流程图；
图13是高和低复原阈值的、电池电压和电池电流的时序图。
具体实施方式
对优选实施例的如下说明其性质仅是示范性的，并非意在限制本发明、其应用或使用。为了清晰，在各附图中为识别相同的元件使用相同的标号。作为这里使用的术语模块或器件，是指执行一个或多个软件或软件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或成组)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所述功能性的其他适合的组件。作为这里使用的术语“电流摆动”是指在一持续时间内(在该过程中沿一个方向(极性)充电)的积分的电流。充电摆动可以用安培-秒或A-s为单位表达。
示出可以用于计算SOC的一种示范性系统，尽管本领域的技术人员会认识到也可以使用其他系统。现在参照图1，所示一种示范性的电池系统10的示范性的实施例包括M个电池子部件12-1、12-2、......，和12-M(共同地示为电池子部件12)。电池子部件12-1，12-2，......，和12-M包括N个串联的电池20-11，20-12，......，和20-NM(共同地示为电池20)。电池控制模块30-1，30-2，......，和30-M(共同地示为电池控制模块30)分别与每个电池子部件12-1、12-2、......，和12-M相联系。在一些实施例中，M等于2或3，但是可以使用添加的或减少的子部件。在一些实施例中，N等于12-24，但是可以使用添加的或减少的电池。
电池控制模块30检测由电池子部件12提供的跨接电压和电流。另外，电池控制模块30可以监视电池子部件12中的一个或多个单独的电池，并执行适当的标定和/或调节。电池控制模块30利用无线和/或有线连接与主控模块40相联系。主控模块40从电池控制模块30接收功率限值，并生成共同的功率限值。可以按组或共同地计算对于每个模块的SOC。在一些实施例中，电池控制模块30可以与主控制模块40集成。
参照图2，其示出电池控制模块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，其测量跨接在电池子部件12上的和/或跨接在电池子部件12中的一个或多个单独的电池20上的电压。电池控制模块30进一步包括电池充电状态(SOC)模块68，其周期性地计算在电池子部件12中的电池20的SOC。在一个实施例中，如以下将说明的，SOC模块68利用功率比率估算和/或V0方法。在另一实施方案中，如以下将说明的，SOC模块68利用松弛电压SOC估算方法。SOC模块68可以采用查找表70、公式或其他方法。
如以下将进一步说明的，功率限值模块72计算对于电池子部件12和/或电池子部件12中的一个或多个电池20的最大电流限值Ilim，电压限值Vlim和/或功率限值Plim。该限值可以是最大和/或最小限值。接触器控制模块74控制一个或多个接触器(未示出)，该接触器与在电池子部件12中的电池20的控制和/或连接相关联。时钟电路76生成用于电池控制模块30内部的一个或多个模块的一个或多个时钟信号。
现在参照图3，其示出对于电池20的等效电路，其中，R0代表电池的欧姆电阻，VP代表极化电压，V0代表开路电压或松弛电压，I代表电池电流，V电池电压。V和I是测量值。RP随温度、施加电流的持续时间和SOC而变化。V0和R0主要随SOC变化。VP等于测量电流I乘以RP。对于电池20，利用等效电路和克希霍夫电压定律，得到V＝V0+VP+IR0。
松弛电压对于温度和电流需要量相对不敏感，并为SOC的良好指示器。一组专用电流脉冲可以用于调节电池以产生取决于松弛电压的SOC。这里，这一方法被称为松弛电压SOC估算。
现在参照图4，其示出作为时间函数的电池电流。大于零的电流是充电电流，例如在100-1、100-2、100-3和100-4。小于零的电流是放电电流，例如在102-1、102-2、102-3。在点106和108以及点110和112之间的曲线下方的区域定义为以A-s计的充电摆动。在点108和110之间的电流曲线下方的区域定义为以A-s计的放电摆动。
现在参照图5A和5B，其示出用于实施松弛电压SOC估算方法的方法的步骤。松弛电压估算方法监视功率脉冲对的电池电流，查找在每个之后的松弛电压，并利用查找表70确定SOC。根据对遍及运行温度范围例如-15℃到45℃的脉冲的电压响应的观测得到松弛电压方法。松弛电压受摆动幅度、脉冲幅度，以及是从充电顶端还是从充电底端引出电池的影响。
在图5A和5B中，按步骤150开始控制。在步骤152，测量电流和电压。在步骤154，控制确定测量的电流是否是充电电流(电流大于零或一预定阈值)。如果步骤154为是，在步骤156控制累积充电摆动并复原放电摆动。在步骤158，控制设定剩余(rest)变量为零。在步骤162，控制确定累积的充电摆动是否在一预定的窗口内部。该窗口可以包括高和低阈值。在一些实施方案中，该高和低阈值在电池容量的10％到100％之间，但是可以使用其它值。如果为否，在步骤163，控制禁止充电后的SOC查找，并返回到步骤152。
如果步骤162为是，按照步骤164控制继续，并确定是否在放电中发生了最后的摆动和松弛。按照这里所用的松弛是指电池电压按渐近线接近松弛电压。如果为否，按照步骤163控制继续。如果步骤164为是，在步骤166，控制启动充电后的SOC查找。
如果在步骤154为否，按照步骤174控制继续。在步骤174，控制确定测量的电流是否是放电电流(电流小于零或一预定阈值)。如果在步骤174为是，在步骤176控制累积放电摆动并复原充电摆动。在步骤178，控制将剩余变量设定为零。在步骤182，控制确定累积的放电摆动是否在一预定的窗口内部。该窗口可以包括与累积充电摆动阈值相类似或与其不同的高和低阈值。如果为否，在步骤183，控制禁止放电后的SOC查找，并返回到步骤152。
如果步骤182为是，按照步骤184控制继续并确定是否在充电中发生了最后的摆动和松弛。如果为否，按照步骤183控制继续。如果步骤184为是，在步骤186，控制启动放电后的SOC查找。
如果步骤174为否，按照步骤200在图5B中的控制继续并增加剩余变量。在步骤202，通过将剩余时间与一阈值相比较，控制确定剩余时间是否足够。在一些实施方案中，近似地利用120秒作为阈值，但是可以利用其它数值。如果步骤202为是，在步骤204，控制确定可允许时间是否小于阈值时间Thtime。在一些实施方案中，可允许时间等于240秒，但是可以利用其它数值。超过这一数值趋于表明未将脉冲控制足以用于SOC估算。
如果步骤204为是，按照步骤206控制继续，并确定是否启动充电后的SOC查找。如果步骤206为是，在步骤208，控制查找作为松弛电压函数的SOC，并在步骤210禁止充电后的SOC查找以及控制返回到步骤152。如果步骤206为否，按照步骤212控制继续，并确定是否启动放电后的SOC查找。如果步骤212为是，在步骤214，控制查找作为松弛电压函数的SOC，并在步骤216禁止放电后的SOC查找，以及控制返回到步骤152。如果步骤202、204或212为否，控制返回到步骤152。
功率比率SOC估算方法监视功率脉冲对。该方法计算当功率脉冲对的摆动近似相等时在充电和放电中的功率容量的比率。该SOC是功率比率的函数并利用查找表确定。在试图利用电流和电压的输入求解松弛电压V0的同时获得算法。
当最大或最小功率保持到一电压限值时，电压方程为Vlim＝V0+VP+IlimR0。将来自先前的采样间隔的对于V0+VP的计算代换到对于Vlim的该方程，生成Vlim＝(V-IR0)+IlimR0。在这种情况下，我们假设对于当前电流采样间隔的V0+VP近似等于先前采样间隔的V0+VP(换句话说，V0+VP≌Vt＝i-1-It＝i-1R0)。如果采样间隔充分小，这一近似是有效的，因为电池和环境条件十分相似。例如，在一些实施方案中，可以采用采样间隔10ms＜T＜500ms，但是可以采用其它采样间隔。在一个实施例中，T＝100ms。已经成功地采用1秒的采样间隔。如果确定采样间隔持续时间过大，则R0将按照一常数或一取决于温度的变量增加。
求解Ilim，生成如下：
I lim = V lim - V t = i - 1 + I t = i - 1 R 0 R 0 .
因此，由于Plim＝VlimIlim，
P lim = V lim [ V lim - V t = i - 1 + I t = i - 1 R 0 R 0 ] .
在对于一充电或放电摆动和测量的电流建立功率限值时，存储测量的电流和电压值。当电流反向、摆动幅度通过负的保留的摆动、并且电流近似等于负的保留电流的摆动时，执行功率限值计算。
通过用相邻周期的放电中的-PLIM去除充电中的PLIM计算功率比率。即使在方程中不再有V0和VP，它们的影响反映在电流和电压测量值中，它们是极化建立和V0两者的函数。在充电摆动过程中的极化电压VP近似等于在近似等于负值的放电摆动过程中的极化电压VP。利用这一近似式，利用功率比率SOC估算从该计算中移除VP。使用功率限值比率具有以下效果：在所述的充电确定中，增加了考虑低SOC的低放电功率和高SOC的低充电允许度。
在图6中，其示出电池电流。本发明监视充电和放电摆动，并且在某些情况下宣布充电和放电事件。当充电摆动大于一充电摆动阈值时，发生充电摆动事件。当放电摆动大于一放电摆动阈值时，发生放电摆动事件。阈值可以相关于或基于先前充电或放电事件。例如，可以将充电摆动阈值设定等于先前放电事件的绝对值。可以将放电摆动阈值设定等于先前充电事件的绝对值。还可以利用其它的方法来确定充电和放电阈值。作为这里所使用的术语“要求”(claim)是指当充电或放电事件跟随有相应的放电或充电摆动时和当如下其它条件满足时的情况。与放电要求(discharge claim)的发生无关地依照不同的判据确定放电事件的发生。该算法同时对两者寻求。例如，该要求点发生在区域放电摆动等于先前充电摆动的时间点处。当电流对放电电流MIN的比率粗略等于充电事件处的电流对充电电流MAX的比率时，发生该事件点。如果在图7中L＝K将是该情况。在一些实施方案中，L和K在1和2之间，但是可以使用其它值。
现在参照图7，其更详细地示出根据本发明的功率比率SOC估算方法。按照步骤250，控制开始。在步骤254，控制测量电流和电压。在步骤258，控制确定是否有一充电电流。利用在零或预定正阈值之上的正电流定义充电电流。如果步骤258为是，按照步骤262控制继续，并累计充电摆动。在步骤264，控制确定该在充电摆动过程中的电流是否通过最大值并大于Currentmax/K。当步骤264为是时，在步骤266，控制存储电流、充电摆动和功率限值的数值。如果为否，控制继续绕过步骤266到步骤270。在步骤270，控制确定该摆动是否大于先前放电摆动。如果为否，在步骤272控制不产生SOC要求，并且按照步骤254控制继续。
如果步骤270为是，在步骤274，控制确定是否电流近似等于保留的放电电流-IDR(换句话说，在其高和低阈值之内)。如果步骤274为是，在步骤280，控制按照功率限值对保留的功率限值查找比率SOC。如果步骤274为否，则控制限值到步骤276，并禁止对当前摆动的其余部分产生SOC要求。然后控制从步骤276进行到步骤254。
如果步骤258为否，按照步骤278，控制继续并确定是否出现放电电流。当放电电流小于零或一预定负阈值时出现放电电流。如果步骤278为否，控制返回到步骤254。如果步骤278为是，按照步骤282控制继续，并累积放电摆动。在步骤284，控制确定在放电摆动的过程的电流是否通过一最小值及是否小于Currentmin/L。当步骤284为是时，在步骤286，控制存储电流、放电摆动和功率限值的值。如果为否，控制继续绕过步骤286到步骤290。在步骤290，控制确定放电摆动是否大于先前充电摆动。如果为否，在步骤254，控制不产生SOC要求，并且按照步骤254控制继续。
如果步骤290为是，在步骤294，控制确定电流是否近似等于一保留的充电电流-ICR(换句话说，在其高和低阈值之内)。如果步骤294为是，在步骤300，控制按照功率限值与保留的功率限值的比率查找SOC。如果步骤294为否，则控制继续到步骤296，并禁止对于当前摆动的其余部分产生SOC要求。然后，控制从步骤296进行到步骤254。
现在参照图8，其示出开路电压SOC估算方法350。该方法350提供对图7中的功率比率SOC估算方法的一种替换。方法350除去步骤280和300外，执行与功率比率SOC估算方法相同的步骤。在方法350中，图7中的步骤280和300由步骤280′和300′替换。方法350还包括添加的步骤352、354和356。步骤352和354对于电池的滞后特性补偿估算的SOC。步骤356对来自步骤280′和300′的SOC补偿由于逐个要求(from claim to claim)的SOC值的瞬变的影响。下面更详细地讨论滞后补偿和SOC瞬变补偿算法。
在步骤280′，控制已确定电池正在充电，并根据如下方程确定该充电开路电压V0
V0＝V+vDschEvent-(I+iDschEventHeld)*R0)/2
其中，V和I是来自步骤254的测量值，vDschEvent是在先前放电事件过程中的电压，iDschEventHeld在先前放电事件过程中的电流。控制利用充电开路电压V0，以进入查找表70和确定SOC。
在步骤300′，控制已经确定电池正在放电并根据如下方程确定放电开路电压V0
V0＝V+vChgEvent-(I+iChgEventHeld)*R0)/2
其中，vChgEvent是在先前充电事件的过程中的电压，iChgEventHeld是在先前充电事件的过程中的电流。控制利用放电开路电压V0，以进入查找表70和确定SOC。
当控制已经完成步骤280′和300′中之一时，按照步骤352控制继续，并确定对于大于预定量的时间电流是否已经在预定幅度之上和极性中。如果步骤352的结果为否，控制返回到步骤254。如果步骤352的结果为是，控制继续到步骤354，并在返回步骤254之前对所确定的SOC补偿滞后效应。下面讨论补偿滞后效应的方法。
现在参照图9A，该曲线示出对于NiMH电池的作为电池电压V的函数的SOC的实例。该曲线可以存储在查找表70中。纵轴代表电池电压V，横轴代表以百分率计的SOC。上曲线360代表作为用于确定SOC的电压的函数的socLow，其中，socLow代表相对开路电压V0的SOC的下限值。socLow的值与电池充电相关联，下面将更详细地说明。下曲线362代表作为也用于确定SOC的电压的函数的socHigh，其中，socHigh代表相对开路电压V0的SOC的上限值。socHigh的值与电池放电相关联，下面将更详细地说明。在上曲线360和下曲线362中的大部分之间的间隔关系指示一些类型电池，例如NiMH的滞后特性。
在步骤354，(图8)使用一种电压滞后补偿算法确定对SOC的补偿。该补偿算法形式可为
r＝(Vavg-hLowAvg)/(hHighAvg-hLowAvg)
其中，r是比率，Vavg是来自步骤254的电压V的运行平均值，hLowAvg和hHighAvg是相应低和高复原电压的运行平均值，hLow和hHigh按照方法450计算。
步骤354根据如下方程重新计算SOC
SOC＝socLow+r*[socHigh-socLow]
其中，socHigh和socLow为来自图9A的曲线的数值。例如，socLow与在点370的SOC相关，socHigh与在点372的SOC相对应，重新计算的SOC与在点374的SOC相对应。
现在参照图9B，一曲线表示作为时间函数的SOC 380。在一些实施例中，SOC 380可以用电池电流对时间的积分来替换。按第一速率对SOC 380滤波，以生成经第一滤波的SOC 382，按第二速率对SOC 380滤波，以生成经第二滤波的SOC 384。可以将经第一滤波的SOC 382和经第二滤波的SOC384相比较，例如在386，以确定SOC 380瞬变的幅度和方向。可替换地，可以将SOC 380与经第一滤波的SOC 382和/或经第二滤波的SOC 384相比较，以确定SOC 380瞬变的幅度和方向。
在方框356(图8)，利用SOC 380瞬变的幅度和方向以进入查找表70和检索对应的量度。例如通过乘法将该量度施加于在方框280′、300′和354中所确定的SOC，以增加SOC精确度。对于每个对应的SOC瞬变的幅度和方向的量度可以通过实验确定，以减缓开路电压V0夸大在SOC瞬变过程中的SOC变化的趋势。
现在参照图10，其示出包括温度测量模块400的电池控制模块30。温度测量模块400测量相联系的电池子部件12的温度。可以在每个电池子部件12中的单个点取得测量值，或者由在每个电池子部件12中的多个点取得的测量值中派生。电池温度测量值用于根据下述方法确定高和低复原电压。
现在参照图11A和11B，其示出用于确定何时复原SOC的方法450。方法450包括确定低复原电压hLow和高复原电压hHigh，将它们选择性地与电池电压V相比较，以确定何时复原SOC。方法450包括当电池电流幅度在预定范围内及电池电压低于或高于相应的低复原电压hLow和高复原电压hHigh时复原SOC。
周期性地执行方法450，并通过方框452进入方法450。在一些实施方案中，执行周期等于采样间隔T。从方框452到方框454控制继续，并根据如下方程确定低复原电压：
hLow＝I*roLow+V0_LOW+vpLow，
及根据如下方程确定高复原电压：
hHigh＝I*roHigh+V0_HIGH+vpHigh。
变量roLow和roHigh代表电池20的欧姆电阻，并可以作为电池温度的函数从查找表70得到，V0_LOW和V0_HIGH是常数，并分别代表电池20的松弛电压V0的相应的低和高限值。变量vpLow和vpHigh代表极化电压VP相应的低和高限值。根据在图12A和12B中所示的方法确定低极化电压限值vpLow和高极化电压限值vpHigh。
在确定低复原电压hLow和高复原电压hHigh后，控制进行到判定方框456，并确定电池电压是否大于高复原电压hHigh和电池电流是否大于一电流阈值。如果为是，控制进行到判定方框458，并确定当前充电事件是否超过一预定的A-s阈值，以预防不适当地复原SOC。如果判定方框458的结果为否，则控制进行到方框460，并继续累积充电摆动。然后，在方框460控制退出。
如果在判定方框458中，控制确定充电事件是足够的，则控制分支到方框464，并设定一复原-高(reset-high)信号标。可以由其它模块例如主控制模块40利用该复原-高信号标。然后控制分支到判定方框466，并确定当前SOC是否小于一高限值(H_LIM)。该高限值可以是一百分比常数，例如90％。如果当前SOC大于高限值，则在方框462控制退出。然而，如果SOC小于高限值，控制分支到方框468，并根据当前高复原电压hHigh复原SOC(图9A)。然后控制分支到方框470并复原累积的充电摆动。
返回到判定方框456，当电池20的电压和电流小与它们的相应的阈值时控制分支到判定方框480。在判定方框480，控制确定电池电压是否小于低复原电压hLow及电池电流是否小于电流阈值。如果为否，则控制分支到方框462并退出。否则，控制分支到判定方框482。在判定方框482，控制确定放电事件是否超过一预定A-s阈值，以预防不适当地复原SOC。如果判定方框482的结果为否，则控制分支到方框484，并在方框462退出之前，累计放电摆动。在判定方框482，如果控制确定放电事件是足够的，则控制分支到方框486并设定一复原-低(reset-low)信号标。可以由其它模块例如主控制模块40利用该复原-低信号标。然后，控制分支到判定方框488，并确定该SOC是否大于一低限值(L_LIM)。该低限值可以是一百分比常数，例如10％。如果SOC小于低限值，则在方框462控制退出。然而，如果控制确定SOC大于低限值，控制分支到方框490，并根据低复原电压hLow更新SOC(图9A)。然后控制分支到方框492并复原累积的放电摆动。
现在引入一种用于确定低极化电压限值vpLow和高极化电压vpHigh的方法。简略地参照图3，并将克希霍夫电压定律应用于电池20，可以按照下式表达瞬间电池电压V：
V＝V0+IR0+VP
通过包含对于RP和C并联组合的转移函数，该方程变为：
V = V 0 + I R 0 + I R p [ 1 - e ∫ - | I | dt τ ]
其中，τ(tau)代表极化电压的时间常数。将tau的数值用于将极化电压模型化并根据如下方法确定。
现在参照图12A和12B，其示出用于确定低极化电压限值vpLow和高极化电压限值vpHigh的方法500。控制通过方框502进入并进行到判定方框504。在判定方框504，控制确定电池电流是否大于第一阈值。如果为否，则控制分支到判定方框506，并确定电池电流是否小于第二阈值。可以将第一阈值和第二阈值设定彼此相等。如果该电流大于第二阈值，则控制分支到方框506，并将一松弛值赋值到tau。根据电池20的热和老化特性校正校准该松弛值和正如下面讨论的控制将其赋值到tau的其他值。
在将松弛值赋值到tau以后，控制分支到方框510，并根据如下方程更新低极化电压限值vpLow：
vpLow＝vpLow*(1-f*τ)
并根据如下方程更新高极化电压限值vpHigh：
vpHigh＝vpHigh*(1-f*τ)，
其中，f代表方法500的执行频率。在一些实施例中，执行频率f是采样周期T的倒数。然后，在方框514控制退出。
返回到判定方框504，如果控制确定电池电流大于第一阈值，则控制分支到判定方框520。在判定方框520，控制确定当前低极化第一限值vpLow是否小于零。如果为是，则控制分支到方框522，并将反向充电值赋值到tau。然而，如果在判定方框520，控制确定低极化电压限值vpLow大于或等于零，则控制分支到判定方框524。在判定方框524，控制确定电池电流的幅度是否下降。如果为是，则控制分支到方框526，并将松弛充电值赋值到tau。然而，如果在判定方框524，控制确定电池电流的幅度正增加，则控制分支到方框528，并将充电值赋值到tau。
现在参照判定方框506，如果控制确定电池电流小于第二阈值，则控制分支到判定方框550并确定当前低极化电压限值vpLow是否大于零。如果为是，则控制分支到方框552，并将反向放电值赋值到tau。然而，如果控制确定低极化电压限值vpLow小于零，则控制从判定方框550分支到判定方框554。在判定方框554，控制确定电池电流的幅度是否正降低。如果为是，则控制分支到方框556，并将松弛放电值赋值到tau。如果控制确定电池电流的幅度正增加，则控制从判定方框554分支到方框558，并将放电值赋值到tau。
一旦方法500在552、556、558、528、526和522的其中一个方框将一值赋值到tau，控制分支到方框570，并根据如下方程更新低极化电压限值vpLow，
vpLow＝vpLow(t-1)+(I*rpLow-vpLow(t-1))*|I|*f*τ    (5)
其中，下标(t-1)指来自先前执行方法500的相关的极化电压限值的数值，及rpLow是Rp的低限值(图3)。然后，控制分支到方框572，并根据如下方程更新高极化电压限值vpHigh：
vpHigh＝vpHigh(t-1)+(I*rpHigh-vpHigh(t-1))*|I|*f*τ    (6)
其中，rpHigh是Rp的上限值。可以作为电池温度的函数从查找表70得到变量rpLow和rpHigh。然后，控制进行到方框514并退出。
现在参照图13，其示出在实例高和低SOC复原的过程中的电池电压600和电池电流602的曲线。电池电压600是相对于高复原电压hHigh和低复原电压hLow绘制的。所示电池电流602按照随时间沿正方向(充电)和负方向(放电)流动。
方法450周期性地确定高复原电压hHigh、低复原电压hLow，以及何时复原SOC。示出在时间604和606处的实例复原状况。在时间604，当放电事件足够时，控制确定电池电压600小于低复原电压hLow。然后，控制确定当前SOC是否大于对应于低复原电压hLow的SOC(图9A)，以及，如果为是，根据低复原电压hLow复原SOC。相似地，在时间606，当充电事件足够时控制确定电池电压600大于高复原电压hHigh。然后，控制确定当前SOC是否小于对应于高复原电压hHigh的SOC(图9A)，以及，如果为是，根据高复原电压hHigh复原SOC。
对于NiMH电池，在根据方法500得到满意的性能的同时，tau的数值量通常可以减少到4或更小。在方框508对tau使用第一数值，其中I在第一和第二阈值之间。当第一和第二阈值相等时，方法500将不达到方框508，并可以忽略对于tau的第一数值。在方框528和558，对于tau使用第二数值，其中，Vp的极性(其可以由vpLow(t-1)、vpHigh(t-1)和/或其它变量指示)与I和dI/dt的极性相同。在方框526和528，对于tau使用第三数值，其中Vp和I的极性彼此相同，以及与dI/dt的极性不同。在方框522和552，对于tau使用第四数值，其中Vp和I的极性不同。对于NiMH电池通过填充查找表70，以便极化电压限值vpLow和vpHigh随电池温度增加，也可以改进方法450和500的性能。通过填充这样一种查找表和/或生成对于tau的数值族，可以实现这一点，该查找表具有随电池温度增加的rpLow和rpHigh，而其中每个族对应于一特定的电池温度。
在其它实施例中，可以一次性执行方法500，仅确定vpLow(即省略步骤572)。然后，可以再次执行方法500，仅确定vpHigh(即省略步骤570)。在这样一个实施例中，在方框552、556、558、528、526和522，方法502的每次执行使用对于tau的相关的一组数值。当退出方框552、556、558、528、526和522时选择的tau的数值被称为当方法502正在确定vpLow时的tauLow。当退出方框552、556、558、528、526和522时选择的tau的数值被称为当方法502正在确定vpHigh时的tauHigh。以这样一种方式执行方法500两次，可以增加vpLow和vpHigh的精确度。
本领域的技术人员根据所述说明现在可以认识到对本发明的主要论述可以各种形式实现。因此，虽然已联系其特定实例说明本发明，本发明的实际范围不受其限制，因为通过研究附图、说明书和权利要求，对于本领域技术人员来说，其它改进会变得很明显。

Claims (20)

1.一种与电池一起使用的电池控制模块，包含：
测量电池电压的电压测量模块；
测量电池电流的电流测量模块；及
充电状态SOC模块，其与所述电流和电压测量模块相联系，并且根据所述电池电流和所述电池的极化电压确定低复原电压和高复原电压，比较所述电池电压和所述低复原电压及高复原电压，并且根据所述比较的结果复原电池SOC，其中
所述低复原电压和高复原电压根据hLow＝I*roLow+V0_LOW+vpLow和hHigh＝I*roHigh+V0_HIGH+vpHigh确定，其中hLow和hHigh是所述低复原电压和高复原电压，roLow和roHigh是所述电池的欧姆电阻，V0_LOW和V0_HIGH是所述电池的松弛电压的相应的低和高限值，而vpLow和vpHigh是所述极化电压的相应的低和高限值；并且
仅在所述电池电压大于所述高复原电压并且所述电池电流大于一电流阈值、或在所述电池电压小于所述低复原电压并且所述电池电流小于所述电流阈值时，复原所述电池SOC。
2.如权利要求1所述的电池控制模块，其中所述比较包括：在所述电池电压和所述低复原电压之间的第一比较，以及在所述电池电压和所述高复原电压之间的第二比较。
3.如权利要求1所述的电池控制模块，其中，所述SOC模块在对所述电池充电的同时累积充电摆动，根据所述充电摆动识别充电事件，并且根据所述比较以及对所述充电事件的识别复原所述电池SOC。
4.如权利要求1所述的电池控制模块，其中，所述SOC模块在对所述电池放电的同时累积放电摆动，根据所述放电摆动识别放电事件，并且根据所述比较以及对所述放电事件的识别复原所述电池SOC。
5.如权利要求2所述的电池控制模块，其中，所述SOC模块将所述电池SOC复原为基于所述低复原电压和所述高复原电压中的至少一个的复原电池SOC。
6.如权利要求1所述的电池控制模块，其中，所述SOC模块基于时间常数确定所述极化电压。
7.如权利要求6所述的电池控制模块，其中，所述时间常数基于所述电池电流的幅度。
8.如权利要求6所述的电池控制模块，其中，所述时间常数基于所述电池电流的方向。
9.如权利要求6所述的电池控制模块，其中，所述时间常数基于所述极化电压的先前值。
10.如权利要求1所述的电池控制模块，其中，所述SOC模块还根据所述电池电流的幅度是否超过预定阈值复原所述电池SOC。
11.一种复原估算电池SOC的方法，包括：
测量电池电压；
测量电池电流；
根据所述电池电流以及所述电池的极化电压确定低复原电压与高复原电压；
比较所述电池电压和所述低复原电压及高复原电压；以及
根据所述比较步骤的结果复原所述电池SOC，其中
所述低复原电压和高复原电压根据hLow＝I*roLow+V0_LOW+vpLow和hHigh＝I*roHigh+V0_HIGH+vpHigh确定，其中hLow和hHigh是所述低复原电压和高复原电压，roLow和roHigh是所述电池的欧姆电阻，V0_LOW和V0_HIGH是所述电池的松弛电压的相应的低和高限值，而vpLow和vpHigh是所述极化电压的相应的低和高限值；并且
仅在所述电池电压大于所述高复原电压并且所述电池电流大于一电流阈值、或在所述电池电压小于所述低复原电压并且所述电池电流小于所述电流阈值时，复原所述电池SOC。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述比较步骤包括以下中的至少一个：在所述电池电压和所述低复原电压之间的第一比较，以及在所述电池电压和所述高复原电压之间的第二比较。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
在对所述电池充电的同时累积充电摆动；
根据所述充电摆动识别充电事件；以及
根据所述比较步骤的结果以及所述识别步骤的结果复原所述电池SOC。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
在对所述电池放电的同时累积放电摆动；
根据所述放电摆动识别放电事件；以及
根据所述比较步骤的结果以及所述识别步骤的结果复原所述电池SOC。
15.如权利要求12所述的方法，还包括：将所述电池SOC复原为基于所述电池电压和所述高复原电压中的至少一个的复原电池SOC。
16.如权利要求11所述的方法，其中，所述极化电压基于时间常数。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述时间常数基于所述电池电流的幅度。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述时间常数基于所述电池电流的方向。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述时间常数基于所述极化电压的先前值。
20.如权利要求11所述的方法，其中，所述复原步骤还基于所述电池电流的幅度是否超过预定阈值。
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